一种激光加热增材微纳辊压成形系统及方法
阅读说明：本技术 一种激光加热增材微纳辊压成形系统及方法 (Laser heating material increase micro-nano rolling forming system and method ) 是由 高照阳 于 2020-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光加热增材微纳辊压成形系统,包括通过放卷辊进行放卷的基材,依次设置在机架上并供基材依次通过的第一牵引辊、张力辊、纠偏辊、辊压压印模块、表面处理器、供粉装置、辅压辊、增材辊压模块、冷却辊和第二牵引辊,以及位于表面处理器与控粉装置之间并对基材进行落粉的供粉装置和对基材进行收卷的收卷辊,通过辊压压印模块的第一激光器对基材进行加热使基材表面形成微细结构特征,在辅压辊的作用下,基材上的粉体材料渐进填充增材辊压模块的辊压间隙,经第二激光器加热融化,被辊压成形,与基材相互嵌合,再经冷却辊冷却脱模,形成微纳结构阵列。本发明采用激光非接触式加热,无需加热辊子,热作用可控性好,微纳结构精度高。(The invention discloses a laser heating material increase micro-nano rolling forming system, which comprises a base material unreeled by an unreeling roller, a first traction roller, a tension roller, a deviation correcting roller, a rolling and impressing module, a surface processor, a powder supply device, an auxiliary compression roller, a material increase rolling module, a cooling roller and a second traction roller which are sequentially arranged on a rack and used for the base material to sequentially pass through, a powder supply device which is arranged between the surface processor and the powder control device and used for dropping powder to the base material and a wind-up roll used for winding the base material, heating the substrate by a first laser of the rolling and impressing module to form a fine structure characteristic on the surface of the substrate, under the action of the auxiliary pressing roller, the powder material on the base material gradually fills the rolling gap of the additive rolling module, is heated and melted by the second laser, is rolled and formed, is embedded with the base material, and is cooled and demoulded by the cooling roller to form the micro-nano structure array. The invention adopts laser non-contact heating without heating rollers, and has good controllability of thermal action and high precision of micro-nano structure.)
技术领域
本发明涉及微纳制造装备技术领域，尤其涉及一种激光加热增材微纳辊压成形系统及方法。
背景技术
近年来，由于新能源与节能技术、新媒体与信息技术得到迅猛发展，具有功能性表面微细结构的聚合物薄膜器件由于材料成本低、厚度公差小、表面光洁等优势，受到业界广泛关注。薄膜器件主要包括增亮膜、扩散膜、反光膜、锚射膜及增透膜等。除了应用于液晶显示器、柔性显示器及电子纸等行业，聚合物薄膜器件的应用范围正在不断拓展，如薄膜太阳能、趋向于电路集成化和平面化发展的电子元器件等领域。尽管聚合物薄膜表面微细结构因其功能不同而不同，但其特征尺寸一般都在微纳米尺度，表面微细结构的加工精度直接影响光学膜性能和工作效率，因此，高效高精度的工艺方法成为薄膜表面微结构制造加工的关键。
目前，这种功能性表面微细结构的制备，主要有两类方法，一类是光刻工艺，一类是压印工艺。光刻工艺主要是通过各种高能粒子束的物理轰击或化学刻蚀在基底材料或光刻胶上加工出所需的微纳结构阵列，如电子束光刻工艺、原子束光刻工艺、激光干涉光刻、胶体光刻工艺等，光刻工艺加工微纳结构可以获得较高的结构精度，但也存在很多不足之处，如加工周期长、成本高、不能大面积加工和连续加工、设备操作和维护要求高等，无法满足微纳结构批量化、大面积制备需求，制约了其应用范围。压印工艺主要有热压印、紫外固化压印等。热压印工艺是在高温高压条件下将固态的聚合物薄膜材料加热到熔融态并压进模腔，加工速度不能太快，脱模阶段材料的回弹导致材料充型率较低，存在工艺要求较高、加工效率较低等不足。紫外固化压印是在常温常压条件下将液态的树脂材料挤压进模腔并通过紫外光照固化获得微纳结构阵列，液态材料具有非常好的流动性，因此该工艺具有加工效率高、成形精度高等特点，但是液态树脂材料的制备需要大量的配方溶剂，在紫外固化压印过程中，溶剂的挥发会造成环境污染。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于设计一种激光加热增材微纳辊压成形系统及方法，可实现大面积功能性表面微细结构的高效高精度低成本连续制造，减少反弹、提高材料充型率、节能环保。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种激光加热增材微纳辊压成形系统，包括通过放卷辊进行放卷的基材，依次设置在机架上并供基材依次通过的第一牵引辊、张力辊、纠偏辊、辊压压印模块、表面处理器、供粉装置、辅压辊、增材辊压模块、冷却辊和第二牵引辊，以及位于表面处理器与控粉装置之间并对基材进行落粉的供粉装置和对基材进行收卷的收卷辊，所述放卷辊、供粉装置和收卷辊均设置在机架上；
所述辊压压印模块包括上下设置并保持有辊压间隙的第一模具辊和第一支撑辊，所述第一支撑辊和/或第一模具辊由透光材质制成，所述第一支撑辊的正下方和/或第一模具辊的正上方设置有第一激光器，所述第一支撑辊和第一模具辊之间的基材通过第一激光器来获得加热，所述第一激光器与基材所在的水平面垂直，所述第一模具辊用于对基材的表面进行压印出微细结构特征；
所述增材辊压模块包括上下设置并保持有辊压间隙的第二模具辊和第二支撑辊，所述第二模具辊和/或第二支撑辊由透光材质制成，所述第二模具辊的正上方和/或第二支撑辊正下方设置有第二激光器，所述第二模具辊和第二支撑辊之间的基材通过第二激光器来获得加热，第二激光器与基材所在的水平面垂直，基材在所述第二模具辊表面微纳结构模腔的约束下，形成表面微纳结构。
作为本发明的进一步改进，所述第一激光器和第二激光器均采用连续式或脉冲式大功率激光。
作为本发明的进一步改进，所述控粉装置包括自上而下设置的控粉上辊和控粉下辊，控粉上辊和控粉下辊间构成辊压间隙。
作为本发明的进一步改进，所述表面处理器是静电处理器、电晕处理器或等离子处理器。
作为本发明的进一步改进，所述基材是光学材料薄膜，所述供粉装置提供的粉体材料是光学材料粉末，光学材料粉末的熔点高于基材的熔点。
本发明还提供一种增材微纳辊压成形系统进行微纳辊压加工的方法：包括下列步骤，
步骤一、放卷阶段；
将成卷的基材放置于放卷辊上，通过第一牵引辊进行牵引放卷，通过张力辊调节张紧程度，通过纠偏辊纠正跑偏；
步骤二、激光加热微细辊压压印阶段；
基材进入辊压压印模块的辊压间隙，经第一激光器加热，并通过辊压压印模块中的第一模具辊和第一支撑辊对基材进行加热辊压压印，在基材表面形成微细结构特征；
步骤三、表面预处理阶段；
基材进入表面处理模块，通过表面处理器，对基材表面进行处理；
步骤四、铺粉填充阶段；
基材经过供粉装置下方，供粉装置进行落粉，经控粉装置控制基材上所落粉体材料数量后，进入辅压辊和第二模具辊间构成的辊压间隙，在辅压辊的作用下，基材上的粉体材料渐进填充第二模具辊上的微纳结构模腔；
步骤五、激光加热增材微纳辊压成形阶段；
填充在第二模具辊上微纳结构模腔内的粉体材料随基材进入增材辊压模块的辊压间隙，经第二激光器加热融化，使熔融态的粉体材料与基材镶嵌结合，并在第二模具辊表面微纳结构模腔的约束下，形成表面微纳结构；
步骤六、冷却脱模阶段；
经增材辊压模块辊压成形后的材料，进入第二模具辊和冷却辊间构成的辊压间隙，并包覆于冷却辊上，进行保形冷却脱模；
步骤七、收卷阶段；
经冷却后的基材经过第二牵引辊后在收卷辊进行卷取。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
（1）本发明采用激光非接触式加热，无需加热模具或辊子，热量集中，热作用可控性好，加热速度快，加热效率高，加热无环境污染，节能降耗。
（2）本发明采用增材成形，材料变形小，脱模后回弹小，充型率高，微纳结构精度高。
（3）本发明采用粉体充型，流动性好，工艺连续，辊压力较小，易于实现大面积加工，加工过程不使用有机溶剂，节能环保。
（4）本发明在增材微纳辊压成形阶段之前通过设置辊压压印模块，使材料界面间采用镶嵌结合，界面结合更牢固可靠。
（5）本发明系统设计合理，工艺简单，模块化设计，具有更高的柔性，能实现大面积低成本高效高质大批量工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1结构示意图；
图2为本发明实施例2结构示意图；
图3为本发明实施例3结构示意图；
图4为本发明实施例4中第一种结构示意图；
图5为本发明实施例4中第二种结构示意图；
图6为本发明实施例4中第三种结构示意图；
图7为本发明中辊压压印模块结构示意图；
图8为本发明中增材辊压模块结构示意图。
附图中：1-放卷辊，2-基材，3-第一牵引辊，4-张力辊，5-纠偏辊，6-第一支撑辊，7-第一模具辊，8-第一激光器，9-表面处理器，10-供粉装置，11-控粉装置，12-辅压辊，13-第二激光器，14-第二模具辊，15-冷却辊，16-第二牵引辊，17-收卷辊，18-第二支撑辊，19-粉体材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1、图7、图8所示，本实施例涉及一种激光加热增材微纳辊压成形系统，包括机架、放卷辊1、第一牵引辊3、张力调节辊4、纠偏辊5、辊压压印模块、表面处理器9、供粉装置10、控粉装置11、辅压辊12、增材辊压模块、冷却辊15、第二牵引辊16和收卷辊17，上述各模块依次安装在机架上。
放卷辊1放置成卷的基材2，基材2是光学材料薄膜如PET、PC、PMMA、PP或PVC等，经过第一牵引辊3进行牵引放卷，张力辊4用来调节基材2的张紧程度，纠偏辊5用来纠正基材2的跑偏，使基材2对中，供粉装置10位于表面处理器9与控粉装置11之间并对基材2进行落粉。
辊压压印模块包括自上而下依次设置的第一模具辊7和第一支撑辊6，第一模具辊7和第二支撑辊6均由透光材质制成，第一模具辊7的上端和第一支撑辊6的下端分别设置有一个第一激光器8，第一模具辊7和第一支撑辊6之间构成辊压间隙，辊压力的大小主要通过辊压间隙的调节来控制，该模块利用基材2上下两端设置的第一激光器8分别穿过透光材质的第一模具辊7和透光材质的第一支撑辊6对基材2进行双面加热，所加热温度为Tg至Tg+100℃之间，其中，Tg是玻璃化转变温度，如PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）的Tg是110℃，PC（聚碳酸酯）的Tg是150℃，同时进行辊压压印，以在基材2上表面形成微细结构特征如微凹槽或微凹坑等，以供后续增材辊压模块使用。
表面处理器9对基材2表面进行处理，以增加表面能，提高表面结合力。供粉装置10为增材辊压模块连续提供所需的粉体材料19。供粉装置10提供的粉体材料是光学材料粉末如PET、PC、PMMA、PP、PVC或EVA等，光学材料粉末的熔点高于基材2的熔点。控粉装置11包括自上而下设置的控粉上辊和控粉下辊，控粉上辊和控粉下辊间构成辊压间隙，通过辊压间隙控制增材辊压模块使用的粉体材料19的数量。
增材辊压模块包括自上而下设置的第二模具辊14和第二支撑辊18，第二模具辊14和第二支撑辊18均由透光材质制成，第二模具辊14的上端和第二支撑辊18的下端分别设置有一个第二激光器13,第二模具辊14和第二支撑辊18间构成辊压间隙，辊压力的大小主要通过辊压间隙的调节来控制，使基材2上的粉体材料19渐进填充第二模具辊14上的微纳结构模腔。增材辊压模块利用基材2上下两端设置的第二激光器13分别穿过第二模具辊14和第二支撑辊18对基材2上已填充到第二模具辊14表面微纳结构模腔内的粉体材料19进行双面加热，使其融化，使熔融态的粉体材料19与基材2的表面结合，并在第二模具辊14表面微纳结构模腔的约束下，使得基材2形成表面微纳结构。
冷却辊15与冷冻设备相连接，冷却辊15和第二模具辊14间构成辊压间隙，冷却温度小于玻璃化转变温度Tg，如PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）的Tg是110℃，PC（聚碳酸酯）的Tg是150℃，对经增材辊压模块辊压成形后的表面微纳结构特征进行保形和冷却。最后经冷却后的基材2经过第二牵引辊16后在收卷辊17对经辊压成形保形冷却后的材料进行卷取。
辊压压印模块中的第一激光器8和增材辊压模块中的第二激光器13均采用连续式或脉冲式大功率激光如高能准分子激光，其功率、焦距和光斑可调。辊压压印模块中的第一模具辊7、第一支撑辊6和增材辊压模块中的第二模具辊14、第二支撑辊18均采用高强度、高硬度的高透光性材料如石英、蓝宝石或透明陶瓷等。表面处理器9是静电处理器、电晕处理器或等离子处理器。
上述第一模具辊7与第一支撑辊6、控粉上辊和控粉下辊、辅压辊12与第二模具辊14、第二模具辊14与第二支撑辊18以及第二支撑辊18与冷却辊18的辊压间隙均通过辊压间隙调节机构进行调节，控制辊压深度，辊压间隙调节机构采用伺服电动缸或由电机驱动的精密滚珠丝杠。第一牵引辊3、第一模具辊7、第二模具辊14、第二牵引辊16和控粉上辊均采用伺服电机驱动。冷却辊15与冷冻设备机械相连。本实施例中所有辊轴轴线均平行设置。
实施例2
实施例2与实施例1的区别仅在于：辊压压印模块包括自上而下依次设置的第一模具辊7和第一支撑辊6，第一模具辊7或第二支撑辊6由透光材质制成，其中位于透光材质制成的压力辊的外端设置有第一激光器8。该模块利用第一激光器8穿过透光材质的第一模具辊7或者透光材质的第一支撑辊6对基材2进行单面加热辊压压印，以在基材2上表面形成微细结构特征如微凹槽或微凹坑等，以供后续增材辊压模块使用。增材辊压模块包括自上而下设置的第二模具辊14和第二支撑辊18，第二模具辊14和第二支撑辊18均由透光材质制成，第二模具辊14的上端和第二支撑辊18的下端分别设置有一个第二激光器13,第二模具辊14和第二支撑辊18间构成辊压间隙，增材辊压模块分别利用第二激光器13穿过透光材质的第二模具辊14和透光材质的第二支撑辊18对基材2上已填充到第二模具辊14表面微纳结构模腔内的粉体材料19进行双面加热融化，使熔融态的粉体材料19与基材2的表面结合。
如图2所示，本实施例第一种实施方式为第一模具辊7的上端设置有第一激光器8，第二模具辊14的上端和第二支撑辊18的下端分别设置有一个第二激光器13。
本实施例第二种实施方式为第一支撑辊6的下端设置有第一激光器8，第二模具辊14的上端和第二支撑辊18的下端分别设置有一个第二激光器13（图中未示出）。
实施例3
实施例3与实施例1的区别仅在于：辊压压印模块包括自上而下依次设置的第一模具辊7和第一支撑辊6，第一模具辊7和第二支撑辊6均由透光材质制成，第一模具辊7的上端和第一支撑辊6的下端分别设置有一个第一激光器8，第一模具辊7和第一支撑辊6之间构成辊压间隙。该模块分别利用第一激光器8穿过透光材质的第一模具辊7和透光材质的第一支撑辊6对基材2进行双面加热辊压压印，以在基材2上表面形成微细结构特征如微凹槽或微凹坑等，以供后续增材辊压模块使用。第二模具辊14或第二支撑辊18由透光材质制成，其中位于透光材质制成的压力辊的外端设置有第二激光器13,第二模具辊14和第二支撑辊18间构成辊压间隙。增材辊压模块利用第二激光器13穿过透光材质的第二模具辊14或透光材质的第二支撑辊18对基材2上已填充到第二模具辊14表面微纳结构模腔内的粉体材料19进行单面加热融化，使熔融态的粉体材料19与基材2的表面结合。
如图3所示，本实施例第一种实施方式为第一模具辊7的上端和第一支撑辊6的下端分别设置有一个第一激光器8，第二支撑辊18的下端设置有第二激光器13。
本实施例第二种实施方式为第一模具辊7的上端和第一支撑辊6的下端分别设置有一个第一激光器8，第二模具辊14的上端设置有第二激光器13（图中未示出）。
实施例4
实施例4与实施例1的区别仅在于：辊压压印模块包括自上而下依次设置的第一模具辊7和第一支撑辊6，第一模具辊7或第二支撑辊6由透光材质制成，其中位于透光材质制成的压力辊的外端设置有第一激光器8。该模块利用第一激光器8穿过透光材质的第一模具辊7或者透光材质的第一支撑辊6对基材2进行单面加热辊压压印，以在基材2上表面形成微细结构特征如微凹槽或微凹坑等，以供后续增材辊压模块使用。第二模具辊14或第二支撑辊18均由透光材质制成，其中位于透光材质制成的压力辊的外端设置有第二激光器13,第二模具辊14和第二支撑辊18间构成辊压间隙。增材辊压模块利用第二激光器13穿过透光材质的第二模具辊14或透光材质的第二支撑辊18对基材2上已填充到第二模具辊14表面微纳结构模腔内的粉体材料19进行单面加热融化，使熔融态的粉体材料19与基材2的表面结合。
如图4所示，本实施例第一种实施方式为第一支撑辊6的下端设置有第一激光器8，第二支撑辊18下端设置有第二激光器13。
如图5所示，本实施例第二种实施方式为第一模具辊7的上端设置有第一激光器8，第二模具辊14的上端设置有第二激光器13。
如图6所示，本实施例第三种实施方式为第一模具辊7的上端设置有第一激光器8，第二支撑辊18下端设置有第二激光器13。
本实施例第四种实施方式为第一支撑辊6的下端设置有第一激光器8，第二模具辊14的上端设置有第二激光器13（图中未示出）。
本发明还提供一种增材微纳辊压成形系统进行微纳辊压加工的方法，包括下列步骤：
步骤一、放卷阶段；
将成卷的基材2放置于放卷辊1上，通过第一牵引辊3进行牵引放卷，通过张力辊4调节张紧程度，通过纠偏辊5纠正跑偏；
步骤二、激光加热微细辊压压印阶段；
基材2进入辊压压印模块的辊压间隙，经第一激光器8加热，并通过辊压压印模块中的第一模具辊7和第一支撑辊6对基材2进行加热辊压压印，在基材2表面形成微细结构特征；
步骤三、表面预处理阶段；
基材2进入表面处理模块，通过表面处理器9，对基材2表面进行处理；
步骤四、铺粉填充阶段；
基材2经过供粉装置10下方，供粉装置10进行落粉，经控粉装置11控制基材2上所落粉体材料19数量后，进入辅压辊12和第二模具辊14间构成的辊压间隙，在辅压辊12的作用下，基材2上的粉体材料19渐进填充第二模具辊14上的微纳结构模腔；
步骤五、激光加热增材微纳辊压成形阶段；
填充在第二模具辊14上微纳结构模腔内的粉体材料19随基材2进入增材辊压模块的辊压间隙，经第二激光器13加热融化，使熔融态的粉体材料19与基材2镶嵌结合，并在第二模具辊14表面微纳结构模腔的约束下，形成表面微纳结构；
步骤六、冷却脱模阶段；
经增材辊压模块辊压成形后的材料，进入第二模具辊14和冷却辊15间构成的辊压间隙，并包覆于冷却辊15上，进行保形冷却脱模；
步骤七、收卷阶段；
经冷却后的基材2经过第二牵引辊16后在收卷辊17进行卷取。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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