CN107599458A - 一种复合微非球面透镜阵列非等温热压成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合微非球面透镜阵列非等温热压成型装置，由上至下依次包括：上机座、上模板、微结构模芯、下模板、下机座、液压缸、液压驱动装置，所述加热装置设置在上机座内用于加热上模板，微结构模芯和下模板之间设置有微结构薄网，所述液压驱动装置通过电路连接控制器。本发明还公开了一种复合微非球面透镜阵列非等温热压成型方法。本发明采用微结构模芯及微结构薄网，通过控制微结构模芯温度、热压压力、保压时间、微结构薄网孔径、微结构薄网线径、张紧力控制复合微棱透镜阵列成型效果，能一次性非等温热压成型复合微非球面透镜阵列。复合微非球面透镜阵列呈空间周期性分布、尺寸控制灵活，加工效率高，成本低、适合大面积大批量生产。

Description

一种复合微非球面透镜阵列非等温热压成型装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微结构热压成型装置及方法，具体涉及一种复合微非球面透镜阵列非等温热压成型装置及方法。

背景技术

微结构广泛应用于超疏水-超亲水表面、微流控芯片、换热器、导光板等领域。化学蚀刻微结构具有腐蚀性，激光加工微结构成型精度较低，微磨削微结构可以保证微结构成型精度，但效率较低，不适合大批量生产；采用微磨削技术在模芯表面精密成型微结构，然后利用热压技术将其表面微结构复制在聚合物等低熔点(软化点)材料表面可以实现微结构大批量生产。Wu Cheng Hsien采用等温热压的方法在PMMA表面加工出了23-24μm高度的微点阵列,热压时需要热熔整个工件，成型时间最少需要30-60s。此外，在微结构表面加工出更微细的微结构阵列可以获得更多功能特性，从而开发出高附加值产品。例如，复合微结构可以在原始微结构表面进一步增大表面面积，增强换热器表面的换热能力，增加表面超疏水-超亲水性能，提高导光板的亮度及均匀度。复合微非球面透镜阵列具有控制对特定波长光线的聚焦，增强对特定波长光线的漫反射，减小表面全反射等作用，目前尚缺乏一种快速一次性成型复合微非球面透镜阵列的方法。不等温热压可以提高成型速度，但目前其成型的微结构为单一平面微结构。如果通过在模芯表面加工微非球面透镜阵列对应微纳结构再进行不等温热压微成型则加工时间长、成本高。如果复合微非球面透镜阵列分两次热压成型，位置控制精度很难达到，且加工时间长。

专利号为ZL 201210560978.4的中国专利公开了一种具有复合微结构的超疏水表面的制备方法，成型的复合结构一级二级结构都为平面微结构，并且需要利用注塑机将熔融的高分子材料注入注塑模腔内，然后高压保压，随后冷却至熔点以下脱模成型，成型时间长。

专利号为ZL 201010109225.2的中国专利公开了一种利用筛网模板法制备聚合物超疏水表面的方法：将筛网的微米结构阵列复制到聚合物表面制造超疏水表面。但是，该方法采用的模板上单一的微米结构不能实现复合微结构的制备。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种复合微非球面透镜阵列非等温热压成型装置及方法。旨在快速高效一次性热压成型复合微非球面透镜阵列。其工作原理是：工件、微结构薄网与加热的微结构模芯接触，热量由模芯传导至工件，工件表面材料温度逐渐超过其软化点而变成半熔融状态，半熔融材料通过微结构薄网网孔挤入模芯微结构凹腔内，V形模芯微结构凹腔控制材料热压成型微棱透镜阵列，弹性变形后的微结构薄网控制在微棱镜阵列表面成型出复合微非球面透镜阵列。

本发明通过以下技术方案实现：

一种复合微非球面透镜阵列非等温热压成型装置，由上至下依次包括：上机座、上模板、微结构模芯、放置工件的下模板、下机座、液压缸、液压驱动装置，所述加热装置设置在上机座内用于加热上模板，所述的微结构模芯和下模板之间设置有微结构薄网，所述的液压驱动装置通过电路连接控制器。

进一步地，所述微结构薄网的两端通过设置有张紧轮的张紧装置张紧，张紧装置固定在下机座上。

进一步地，所述微结构薄网的材料为尼龙纤维材料，孔径目数范围为200-500目，软化点为200-220℃，线径为0.1-20μm。

进一步地，所述微结构模芯的材料为模具钢、不锈钢或金属合金。

一种基于所述装置的复合微非球面透镜阵列非等温热压成型方法，包括步骤：

1)将工件放置在下模板上，微结构薄网放在工件上方0-50mm位置，张紧装置通过调节左右张紧轮的相对位置张紧微结构薄网；

2)加热装置使微结构模芯的温度升至工件的软化点以上；

3)所述控制器使液压驱动装置驱动液压缸作用与下机座，使工件、微结构薄网与加热的微结构模芯接触，热量由微结构模芯传导至工件，工件表面材料温度逐渐超过其软化点而变成半熔融状态，半熔融材料通过微结构薄网的网孔挤入微结构模芯的微结构凹腔内，微结构模芯的V形微槽结构凹腔控制材料热压成型微棱透镜阵列，弹性变形后的微结构薄网控制在微棱透镜阵列表面成型出复合微非球面透镜阵列；

4)保压0.1-5s，直接脱模再自然冷却工件后取出。

进一步地，所述的复合微非球面透镜阵列的高度沿微棱透镜顶部至底部逐渐降低；所述微棱透镜阵列成型高度h及其顶部成型的复合微非球面透镜阵列的成型高度h^*通过下述公式确定：

h＝10.575p^-0.435T^-1.097t^0.009sr^-1.115 (1)

h^*＝-28.235p^0.454T^5.874t^0.156s^2.481r^-2.003f^0.092 (2)

式中，p表示热压压强，单位为MPa；T表示模芯温度；t表示保压时间，单位为s；s表示微结构薄网的线径，单位为μm；r表示微结构薄网的孔径，单位为μm；f表示微结构薄网张力，单位为N。

进一步地，所述微非球面透镜阵列的二次轴对称表面轮廓形状可以通过下列公式求得：

h^*＝Ar² (3)

A为非球面透镜二次项系数。

进一步地，所述微结构模芯的微结构特征尺寸范围为1～1000μm；

进一步地，设置的所述微结构模芯的加热温度大于工件软化点而小于工件的粘流态转变温度；热压压力为0.1-18MPa。

进一步地，所述张紧装置的张紧力为0.1-50N。

本发明由微结构模芯温度、热压压力、保压时间、微结构薄网孔径、微结构薄网线径、张紧力共同控制复合微棱透镜阵列成型效果。

脱模后工件可以直接从微结构薄网下方取下，然后自然冷却工件，微结构薄网可以循环多次使用。

在热压成型过程中，优先对微结构模芯温度进行调节；其次考虑的调节因素依次为微结构薄网线径、微结构薄网孔径，热压压力、保压时间、薄网张紧力。在下述情况下可以获得较大深径比微非球面透镜：微结构薄网孔径200-500目，热压温度较高时较小热压压力与保压时间，或热压温度较低时较高热压压力及保压时间。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本发明在加压工件的同时热熔工件表面材料而不引起固体聚合物工件的宏观尺寸热变形。此外，相比注塑成型及等温热压，本发明不需要时间预热热熔整块工件及在线冷却工件，因此大幅缩短了周期。

2、通过控制微结构薄网孔径、微结构模芯温度、保压时间、保压压力、微结构薄网的张紧力及线径很容易控制复合微非球面透镜阵列的尺寸。

3、本发明方法可以一次性成型复合微非球面透镜阵列结构，相比采用分二次成型的方法，成型精度更高，可控性更强，并且节省了时间。

4、复合微非球面透镜阵列分布呈空间周期性规律，且微非球面透镜阵列的顶部都朝竖直向上方向，本发明加工成本低，适合大面积生产，它是一种设计巧妙，方便实用的微结构阵列热压成型方法。

附图说明

图1为本发明实施例的复合微非球面透镜阵列非等温热压成型装置结构示意图。

图2是复合微非球面透镜阵列非等温热压成型原理图。

图3是复合微非球面透镜阵列非等温热压成型后的效果图。

图4是直接采用微结构模芯非等温热压后的效果图。

在图中：1、上机座；2、加热装置；3、上模板；4、微结构模芯；5、微结构薄网；6、控制器；7、液压驱动装置；8、液压缸；9、下机座；10、下模板；11、张紧装置；12、工件。13、复合微非球面透镜阵列。

具体实施方式

为了更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

实施例1

如图1所示，一种复合微非球面透镜阵列非等温热压成型装置，由上至下依次包括：上机座1、上模板3、微结构模芯4、放置工件12的下模板10、下机座9、液压缸8、液压驱动装置7，所述加热装置2设置在上机座1内用于加热上模板3，所述的微结构模芯4和下模板10之间设置有微结构薄网5，所述的液压驱动装置7通过电路连接控制器6。

所述微结构薄网5的两端通过设置有张紧轮的张紧装置11张紧，张紧装置固定在下机座9上。张紧装置11可以用来调节所述微结构薄网5的张紧度，使其满足热压成型的需要。

所述微结构薄网5的材料为尼龙纤维材料，孔径目数范围为200-500目，软化点为200-220℃，线径为0.1-20μm。所述微结构模芯4的材料为模具钢、不锈钢或金属合金。

实施例2

一种基于所述装置的复合微非球面透镜阵列非等温热压成型方法，包括步骤：

1)将工件12放置在下模板10上，微结构薄网5放在工件12上方5mm位置，张紧装置11通过调节左右张紧轮的相对位置张紧微结构薄网5；

2)加热装置2使微结构模芯4的温度升至工件12的软化点以上；

3)控制器6使液压驱动装置7驱动液压缸8作用与下机座9，使工件12、微结构薄网5与加热的微结构模芯4接触，热量由微结构模芯4传导至工件12，工件12表面材料温度逐渐超过其软化点而变成半熔融状态，半熔融材料通过微结构薄网12的网孔挤入微结构模芯4的微结构凹腔内，微结构模芯4的V形微槽结构凹腔控制材料热压成型微棱透镜阵列，弹性变形后的微结构薄网5控制在微棱透镜阵列表面成型出复合微非球面透镜阵列；

4)保压0.1-5s，然后，由液压缸8带动工件12、下模板10、微结构薄网5及张紧装置11一起脱离微结构模芯4，最后从微结构薄网5底部取出工件12，并自然冷却工件12，微结构薄网可以循环多次使用。

具体而言，所述的复合微非球面透镜阵列的高度沿微棱透镜顶部至底部逐渐降低；所述微棱透镜阵列成型高度h及其顶部成型的复合微非球面透镜阵列的成型高度h^*通过下述公式确定：

h＝10.575p^-0.435T^-1.097t^0.009sr^-1.115 (1)

h^*＝-28.235p^0.454T^5.874t^0.156s^2.481r^-2.003f^0.092 (2)

式中，p表示热压压强，单位为MPa；T表示模芯温度；t表示保压时间，单位为s；s表示微结构薄网的线径，单位为μm；r表示微结构薄网的孔径，单位为μm；f表示微结构薄网张力，单位为N。

具体而言，所述微非球面透镜阵列的二次轴对称表面轮廓形状可以通过下列公式求得：

h^*＝Ar² (3)

A为非球面透镜二次项系数。

具体而言，所述微结构模芯4的微结构特征尺寸范围为1～1000μm；

具体而言，设置的所述微结构模芯4的加热温度大于工件12软化点而小于工件12的粘流态转变温度；热压压力为0.1-18MPa。

本实施例中，微结构模芯4的V形微槽结构高度为100μm，微沟槽角度为120°。微结构薄网5为尼龙纤维材料，孔径为53μm，软化点200-220℃，线径为70μm。工件12为PMMA，玻璃态转变温度为108℃。所述张紧装置11的张紧力为0.1-10N，微结构模芯4的温度为120℃、保压时间为3s、热压压力为12MPa。热压成型微棱透镜阵列高度范围为10-80μm，复合微非球面透镜阵列13高度范围为2-50μm，效果图如图3所示。

实施例3

作为比对，本实施例按以下步骤进行：

1)工件12直接放置在下模板10上，不使用微结构薄网5；

2)加热装置2使微结构模芯4的温度升至工件12的软化点以上；

3)控制器6使液压驱动装置7驱动液压缸8作用与下机座9，使工件12与加热的微结构模芯4接触，热量由微结构模芯4传导至工件12，工件12表面材料温度逐渐超过其软化点而变成半熔融状态，半熔融材料挤入微结构模芯4的微结构凹腔内，微结构模芯4的V形微槽结构凹腔控制材料热压成型微棱透镜阵列；

4)保压0.1-5s，然后，由液压缸8带动工件12、下模板10一起脱离微结构模芯4，最后自然冷却工件12并取出。

本实施例中，微沟槽角度为120°。工件12为PMMA，玻璃态转变温度为108℃。微结构模芯温度为120℃、保压时间为3s、热压压力为12MPa，成型效果如图4所示。

综上所述，本发明充分利用微结构模芯表面微结构与薄网表面微结构，可以一次性非等温热压微成型出复合微非球面透镜阵列。微结构模芯4表面的微结构为复合微结构提供一级微棱透镜阵列结构，微结构薄网5表面的微结构可以进一步在一级微结构表面成型出空间分布的微非球面透镜阵列表面。控制微结构薄网5的孔径、张紧力及其线径、微结构模芯温度、保压时间、保压压力可以方便控制复合微结构的尺寸。复合微结构阵列成型效率高，方便实用，加工成本低。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合微非球面透镜阵列非等温热压成型装置，其特征在于，由上至下依次包括：上机座(1)、上模板(3)、微结构模芯(4)、放置工件(12)的下模板(10)、下机座(9)、液压缸(8)、液压驱动装置(7)，所述加热装置(2)设置在上机座(1)内用于加热上模板(3)，所述的微结构模芯(4)和下模板(10)之间设置有微结构薄网(5)，所述的液压驱动装置(7)通过电路连接控制器(6)。

2.根据权利要求1所述的复合微非球面透镜阵列非等温热压成型装置，其特征在于，所述微结构薄网(5)的两端通过设置有张紧轮的张紧装置(11)张紧，张紧装置固定在下机座(9)上。

3.根据权利要求1所述的复合微非球面透镜阵列非等温热压成型装置，其特征在于，所述微结构薄网(5)的材料为尼龙纤维材料，孔径目数范围为200-500目，软化点为200-220℃，线径为0.1-20μm。

4.根据权利要求1所述的一种复合微非球面透镜阵列非等温热压成型装置及方法，其特征在于：所述微结构模芯(4)的材料为模具钢、不锈钢或金属合金。

5.一种基于权利要求1至4中任一项所述装置的复合微非球面透镜阵列非等温热压成型方法，其特征在于，包括步骤：

1)将工件(12)放置在下模板(10)上，微结构薄网(5)放在工件(12)上方0-50mm位置，张紧装置(11)通过调节左右张紧轮的相对位置张紧微结构薄网(5)；

2)加热装置(2)使微结构模芯(4)的温度升至工件(12)的软化点以上；

3)所述控制器(6)使液压驱动装置(7)驱动液压缸(8)作用与下机座(9)，使工件(12)、微结构薄网(5)与加热的微结构模芯(4)接触，热量由微结构模芯(4)传导至工件(12)，工件(12)表面材料温度逐渐超过其软化点而变成半熔融状态，半熔融材料通过微结构薄网(12)的网孔挤入微结构模芯(4)的微结构凹腔内，微结构模芯(4)的V形微槽结构凹腔控制材料热压成型微棱透镜阵列，弹性变形后的微结构薄网(5)控制在微棱透镜阵列表面成型出复合微非球面透镜阵列；

4)保压0.1-5s，直接脱模再自然冷却工件(12)后取出。

6.根据权利要求5所述的复合微非球面透镜阵列非等温热压成型方法，其特征在于，

所述的复合微非球面透镜阵列的高度沿微棱透镜顶部至底部逐渐降低；所述微棱透镜阵列成型高度h及其顶部成型的复合微非球面透镜阵列的成型高度h^*通过下述公式确定：

h＝10.575p^-0.435T^-1.097t^0.009sr^-1.115 (1)

h^*＝-28.235p^0.454T^5.874t^0.156s^2.481r^-2.003f^0.092 (2)

式中，p表示热压压强，单位为MPa；T表示模芯温度；t表示保压时间，单位为s；s表示微结构薄网(5)的线径，单位为μm；r表示微结构薄网(5)的孔径，单位为μm；f表示微结构薄网(5)张力，单位为N。

7.根据权利要求6所述的复合微非球面透镜阵列非等温热压成型方法，其特征在于，

所述微非球面透镜阵列的二次轴对称表面轮廓形状可以通过下列公式求得：

h^*＝Ar² (3)

A为非球面透镜二次项系数。

8.根据权利要求5所述的复合微非球面透镜阵列非等温热压成型方法，其特征在于，

所述微结构模芯(4)的微结构特征尺寸范围为1～1000μm。

9.根据权利要求5所述的复合微非球面透镜阵列非等温热压成型方法，其特征在于，

设置的所述微结构模芯(4)的加热温度大于工件(12)软化点而小于工件(12)的粘流态转变温度；热压压力为0.1-18MPa。

10.根据权利要求5所述的复合微非球面透镜阵列非等温热压成型方法，其特征在于：所述张紧装置(11)的张紧力为0.1-50N。