专利名称：真空成型三维表面制品的制作方法
技术领域：
本发明领域本发明涉及一种真空成型方法和相应的将一可热成型的塑料薄片模塑成一原始艺术品的精确三维表面浮雕复制品(其中塑料片载有原始作品的永久图象)的装置。
本发明背景社会对艺术作品的兴趣的更新导致了对原始作品的便宜复制品的需求。多年来，社会必须与通常是用照相技术复制的二维复制品斗争。这些二维复制品无法复制经常是艺术作品的重要特征的表面浮雕。例如，对某些绘画而言，作品的某些灵性不仅在于所创作的图象，还在于作品的纹路如笔触，该笔触能，例如以某种特殊方式反光。
达到这个目的的第一个障碍是复制艺术作品的第三维的方式。为了创造出该第三维，已经提出了不同的方法，然而，其中某些方法涉及将一种物质倒到原始作品上以复制其表面浮雕，从而从原始作品本身制造一个基体；(US 4,285,744；4,971,743；法国专利1,493,516和1,548,337)。不幸的是，在复制原始作品时，这一步骤是无法接受的，因为它可能危害原始作品的物理完整性，而且对杰作而言，根本就得不到这些作品以供使用。
从制出的模型可制造出阴模塑模和可能的阳模塑模。这些模构成了压制携带有图像的基体的模具。模塑可以通过压力机，真空或别的能对基体施加压力的装置来完成。
压制基体所遇到的问题包括找到一种能充分反映所寻求的清晰度的介质。已经发现PVC是一种在控制条件下能适当地变形的介质。不幸的是，这种材料在压制前必须加热，而这经常会导致包含在其上的图像的错位和变形。
传统方法企图通过下面的方法来处理上述问题。加拿大专利申请2,020,206及其美国同族专利5,182,063和5,201,548提出了另一种形成反映艺术作品的三维特征的基体，而不危害原始作品的方法。在US4,001,062中也描述了一种相似的方法。摄取两幅原始作品的照片，并将其并置在载体上。将将要在其上复制三维元素的透明基体放在其中的一张图像上。然后，根据基体下的图像一位艺术家就开始重新创造表面浮雕(例如，笔触)。当基体由于覆盖了颜料而开始难以看清其下的图像时，艺术家只要参考其旁边的另一张图像就行。通过让艺术家在基体上复制原始作品的三维元素，然后从可任意处理的基体上形成模具的方法，而始终没有接触原始艺术作品。另一方面，这种方法的缺点之一是一旦艺术家开始依赖基体旁边的图像而不是其下面的那一张，表面浮雕的忠实复制就开始变得不够精确。
为了在压制过程中保证足够的清晰度，许多现有的方法(4,971,743；5,116,562和4,285,744)要求将图像载体(大多数情况下是PVC片)在压纹前一刻加热到软化状态。通常将PVC加热到110℃到130℃。软化后，PVC片在阴压纹模上凹陷但并不与其相接触。然后抬高压机以使软化的PVC充满压纹模所有的凹口和凹穴，然后施加压力足够的时间。不幸的是，将PVC片加热到软化状态不可避免地产生不均一的软化，因此部分PVC将比其余的要软化得快，因而将会比其余的先凹陷，这会导致图像的错位。因此，模塑的表面浮雕与图像不一致。在US5,182,063的方法中，将画布用树脂材料浸渍以形成基体，然后将带有图像的PVC片材熔融并压到基体上以将PVC片粘到基体上。压制操作涉及将所希望的表面浮雕压入PVC和基体三明治结构中的压纹模的使用。虽然图像在基体上看起来是稳定的，但需要别的操作以保证其稳定。
为此，一些发明，如US4,285,744，提供了一种通过将PVC迅速加热到其熔融状态，监控热量的分布，然后迅速冷却，模塑PVC基体，同时保证图像的质量的方法。也就是说，企图缩短PVC软化和凹陷到压纹模上的时间。然后，根据PVC的内在结构，不可能预测它软化的方式，即使是在加热受到调节的情况下。
Braund的US3,010,152中描述了一种用来生产地球仪的外表皮的真空热成型法。该外表皮是将一塑料片真空热成型成半球形而制造的，表皮表面上形成有凸起，以使表面的表面浮雕有地球山区的山脉的感觉，这些山脉是通过塑料片上的图像来表示的。然而，Braund必须加热塑料片直到其软化或塑化到塑料片悬挂或松垂。Braund的阳模插入软化的塑料片中以真空成型表面凸起和将阳模的整个的半球形状真空成型到塑料片中。
本发明一个方面试图按如下方式克服现有技术的缺点。当在基体上重新创造原始艺术作品的三维特点时，本发明保证了基体上的图像始终保持可见，这样艺术家没必要对特定表面浮雕的位置加以人为的猜测。这是通过使用标准摄影镜头放大器或等效装置将图像投影到基体上而完成的。通过投影图像，艺术家始终都能看到作品，不管覆盖基体的颜料的量的多少，这同样增加了三维复制品的可靠性。
另外，在压制步骤前，本发明不需要将PVC加热到塑料片下垂，向下悬挂或松垂在压纹模上的程度，因为下垂，松垂等增加了与将要成型到塑料片上的表面浮雕相对应的图像的变形和错位。取而代之，塑料片被加热到第一温度，使用真空模并连续升高温度，真空抓住塑料片并将图像固定在模具表面的相应位置。换句话说，仍然需要加热到成型塑料片所需的最佳温度，但该最终的软化状态仅是在塑料片被抓住或包含在阴模中时才达到，此时与阴模上的表面浮雕相对应的图像已没有变形或错位的可能。
与现有技术的反向压制相反，本发明使用真空以施加模塑PVC片所需的压力。虽然真空成型机可能没有配合模的反向压制，如US4,285,744中所描述的反向压制有效，但本发明允许在阴模中钻许多小孔，这会导致增加真空吸附图像载体效率，因此，这会导致所压纹的表面浮雕清晰度的增加，从而克服大部分缺点。虽然US4,308,224中描述了模具中微小气道的使用，但它们是用作完全不同的目的的使箔片处于熔融状态时让空气逸出。随着熔融箔流入模具中并将空气从箔片下面通过气道排出，熔融状态的箔片呈现模具的形状。
虽然根据本发明的方法得到的三维复制品的质量可能不如用其它某些方法得到的那么高，但是该方法使得生产时间大大缩短。
本发明概述根据本发明的一个方面，提供了一种用来模塑可热成型的薄塑料片的方法，和一种原始艺术作品的精确三维表面浮雕复制品，该塑料片的一面印制有艺术作品的永久图像，该方法包括i)支撑印制的塑料片使其贴紧真空成型阴模，其印制一侧面对模具，阴模上有一表面浮雕，该表面浮雕是原始艺术作品的表面浮雕的复制，图象与模具的表面浮雕相配准，模具中具有多个真空成型孔；ii)加热所述的塑料片；iii)使模具与塑料片接触，在此同时塑料片被加热到第一温度，该温度低于正常的热成型温度，在此第一温度下，图像由于塑料片的加热而相对于模具的运动被最小化，立即对模具中的孔抽真空以开始将塑料片拉进模具中并因此而将塑料片与模具相对固定下来以进一步最小化塑料片上的图像相对于模具的运动；iv)继续加热塑料片到第二温度，该温度比第一温度高，塑料片将在此温度下热成型，在此同时，维持模具中的小孔内的真空以完成塑料片中三维表面浮雕的形成；v)一旦塑料片达到正常热成型温度范围内的第二温度，就停止对塑料片的加热，同时继续对模具孔抽真空，在停止加热后开始冷却塑料片到低于第一温度的第三温度，以使塑料片中形成的三维表面浮雕永久固定；vi)停止冷却塑料片并将其从模具中取出。
根据本发明的另一个方面，提供了一种将可热成型的薄塑料片真空成型为原始艺术作品的精确三维表面浮雕复制品的设备，该塑料片的一面印制有原始艺术品的永久图像，该设备包括i)真空成型阴模，模具内有一表面浮雕，该表面浮雕是原始艺术品的表面浮雕的复制，模具中具有多个真空成型孔；ii)支撑印制的塑料片使其紧贴模具(印制面面对模具)的装置，支撑装置支撑与模具的表面浮雕相配准的图像；iii)加热塑料片的装置，该加热装置安装在使加热装置从第一位置移离模具到塑料片的未印制面上方但与其隔开的第二位置的往复运动装置上；iv)当处在第二位置的加热装置将塑料片加热到低于正常热成型温度的第一温度时，相对移动塑料片和模具以使塑料片和模具相接触的装置；v)使塑料片的周边与模具的相应周边密封起来的装置；vi)当密封装置密封塑料片且塑料片处于第一温度时对模具中的多个孔应用真空的装置；vii)当塑料片处于第二热成型温度时将加热装置移回到第二位置的往复运动装置；viii)在加热装置处于第二位置时冷却塑料片的装置；ix)在塑料片被冷却装置冷却到第三温度，密封装置释放模具和塑料片之间的密封以使成型的塑料片从模具中移开时消除多个孔中的真空的装置。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于制作阴模的阳模生产方法，该阴模是用来真空成型可热成型的塑料片以形成原始艺术品的精确三维表面浮雕复制品，包括i)安装基体塑料片；ii)将原始艺术品的图像投影到基体塑料片上；iii)将一种可模塑的化合物涂敷到基体上以复制原始图像的笔触，而基体上原始图像的投影指导化合物的应用；和iv)使化合物硬化以提供用来制作阴模的模具。
根据本发明的再一个方面，提供了一种用于制作阴模的阳模生产方法，该阴模是用来真空成型可热成型的塑料片以形成原始艺术品的精确三维表面浮雕复制品，该方法包括i)在其上印制有原始艺术品的图像的可热成型塑料片中热成型画布表面浮雕；ii)往塑料片的印制面涂敷一种可模塑的化合物以在图像上复制原始图像的笔触，而印制的图像指导化合物的应用；和iii)让化合物硬化以提供用来制作阴模的阳模。
附图简述根据附图描述了本发明优选的实施方案，其中
图1是用来将图像投影到基体上的图像投影系统的透视图；图2是往基体上涂敷一种可模塑的化合物以复制原始艺术品的笔触的透视图；图3是将要安装到固体背衬上去的已成型的阳模的透视图；图4是沿图3的剖面线的剖面；图5表示倾倒用来制作阴模的可固化物质；图6是装在模塑盒中的阳模和阴模的剖面；图7是阴模的剖面；图8所示为在阴模中钻多个孔；
图9是部分移开以显示其细节的透视图；图10是阴模的放大剖面，显示了在表面浮雕表面提供的相对微小尺寸的孔；图11显示了在真空成型机的真空盒中安装阴模的透视图；图12显示了将塑料薄片支撑在阴模上方及其与加热装置的相对位置的剖面；图13表示真空盒向上运动以密封加热的可热成型薄片以及使用真空以在薄片中形成表面浮雕；图14是真空成型机的透视图；图15A，15B和15C依次显示的是对塑料片加热和抽真空；图16是塑料片的顶视图，显示了在图15C中施加真空前薄片的温度；图17A，17C和17C表示依次撤走加热，保持真空和对热成型的薄片进行冷却；图18表示图17A所示的撤走加热装置时显示薄片温度的顶视图；图19是其上印制有图像的薄塑料片的视图；图20表示将一画布表面浮雕成型到图19的印制塑料片里去的真空情况；图21是一放大图，表示安置在真空盒上的画布，在其上部图19的塑料片放置在图20的真空成型机中；图22表示其上热成型有画布表面浮雕的塑料片；图23表示往图22的薄片上涂敷可模塑化合物以在其表面上复制原始艺术品的笔触；图24表示根据图23的阳模形成阴模的可固化化合物的应用；和图25是图24的模塑盒的剖面图，阴模形成在图23的阳模上端。
优选实施方案的详细描述根据本发明的真空成型方法大大地加速了在塑料片上产生印制的图像的生产时间，其中塑料片上已形成有原始艺术品的精确三维表面浮雕复制，该表面浮雕与图像是相配准的。本发明的方法和设备可用来制作用于许多不同领域多种艺术复制品。传统的应用是用来形成具有画布背衬，绝缘纤维板背衬或刨花板背衬的艺术复制品，该复制品一旦装框，看上去就跟原始作品基本相同。这种艺术复制品也可用于服装工业，根据本发明的方法制作的不同形状和尺寸的艺术品，可以粘到布片，背心，夹克，牛仔依和帽子等形状的衣服上。真空成型的材料也可以层压到运动包，粗呢毯包，垒球，足球，橄榄球和别的体育用具上。包装工业中，根据本发明的方法真空成型的图像，可用到产品包装上，如食品包装、香料、布料和服装包装等。这种包装就具有了艺术品的表面纹理，这会促进这种产品的销售。本发明的别的应用领域包括将真空成型的艺术品应用到智力玩具，按数字绘制的艺术品，运动板，地图等物品上。
虽然已经描述了从原始艺术作品形成阳模和阴模的技术，如前所述，这会大大损害原作，从而使得要么必须处理原作，要么需要艺术家对其进行大修。根据本发明的一个方面，如结合图1至7所述的，制作了一个阴模以完成真空成型和设备的独特特征，而不需要用任何形式的模塑材料接触原始艺术作品。如图1所示，基体10安装在固体支撑物12上。根据本实施方案，基体10包括一安装在固体背衬16上的画布垫14。该固体背衬可能是绝缘纤维板，刨花板或别的实质上刚硬平整材料。投影系统18与基体10隔开。该图像投影系统包括一幻灯片20，该幻灯片是原作的爆光负片的正像。该正像是采用正常胶片处理技术洗印的，原作用相机照相，通常是用4寸×5寸标准大小相机。幻灯片20上的图像用投影灯22投影到基体10上。图像用常用投影仪18上的聚焦镜头24聚焦到基体10上。图像一旦聚焦，看上去就象一幅由画布14上的如山地形26所描绘的风景。我们认为，图像的投影可以是水平的以让人在垂直平面上工作，或者投影是垂直的以让人在水平平面上工作。现在的目标是在图像上和画布上复制与原始的艺术家的相似的笔触。
如图2所示，可以使用图像26作为指导在画布上复制笔触。用刷子28和/或软膏刀30将可模塑化合物涂敷到画布上。涂敷化合物的人具有艺术能力因而能解释由图像所显示的原始艺术作品以在画布上涂敷复制原始的艺术家的笔触和雕刻的表面纹理。有几种可达到此目的的可模塑化合物。例如，可以使用由容器32提供的可模塑化合物丙烯酸聚合物模塑糊和/或丙烯酸聚合物明胶。操作者慢慢地在基体表面上堆积。可模塑化合物以复制笔触和雕刻。图像连续投影到画布表面14上以让操作者在很长时间内完善对笔触的复制，投影的图像起作指导的作用以保证正确地运笔以尽可能精确地复制原作的表面浮雕纹理。
为帮助艺术家复制笔触，可模塑材料可以是不透明的且是白色颜料以增强和勾划复制品。通过使用白色颜料，在已涂有化合物的区域，投影的图像仍然显示清晰。
如图3所示，将已完成的笔触复制品34安装在固体底座36上。该固体底座可以是3/4英寸的胶合板或别的刚硬物质。如图4所示，画布14的表面上有硬化的模塑化合物38。剖面图中硬化的化合物38的表面浮雕表示原始艺术作品的笔触和雕刻。从而硬化的化合物38在画布背衬16(安装在胶合板16上)上形成了一据以形成阴模的阳模。
如图5所示，框架40可以固定在底座36上以提供垂直侧边42和末端44。然后从一容器48中倒入一可固化树脂以覆盖阳模34。未固化的树脂46立即具有了阳模34的由硬化的化合物38限定的表面浮雕。从容器48中倒入足量的树脂以完全覆盖阳模34且其在装框的模具中的高度使得阴模的厚度在1/4英寸至3/4英寸的范围内。图6的剖面表明阴模50具有水平后壁52且包含在框架40中。框架40中提供的阳模具有背衬36，固体基体16的画布层14。优选硬化的化合物38上涂覆有合适的脱模剂以使得阴模50能从框架40中容易地脱除。倒入的树脂46按所选用树脂的标准操作固化。例如，一种优选的树脂是含有高达80wt％的铝作为导热填料的环氧树脂。该树脂是采用加热20分钟然后停止20分钟的周期加热来固化的。一种优选的环氧树脂可从Chemque ofQuebec得到，是以Chemcast 402的商品名出售的。一旦树脂适当固化到坚硬状态，就撤走框架40并从阳模34上移走模具50。以剖面形式提供了没有阳模的阴模50，其表面上携带有表面浮雕形式的凹穴54，这些凹穴本质上是原始笔触的正像的底板。
如图8所示，阴模50上钻有许多微小通孔。这些孔可用带有钻头58的电钻56钻出。钻头直径优选1/32″至1/64″或更小。钻通阴模50的孔的数目随阴模表面构造而变化。正常情况下，每隔1/2英寸钻一个孔以在每平方英寸阴模表面上提供9个孔。考虑到材料的脆性，钻孔时要小心以免在模具表面弄出缺口，同时明智地按图10所示的方式分布小孔在表面上的分布。阴模50的放大剖面显示了表面上的许多沟堑60或空隙62。因此，不仅要在比较平坦的部分64上钻孔，而且也要采取谨慎步骤以保证在沟堑或空隙60和62处也有微孔。如图10所示，非常精细的微孔过阴模主体66延伸到其背侧52。在主体66的68处显示了一示范孔。
然后复制其尺寸与艺术品的尺寸相一致的阴模。如图9所示，提供了一具有冷却盘管72的真空成型盒70。阴模50插入真空成型盒70中支撑在内侧凸缘74上，阴模50的最上表面低于模具盒的最高外周边76。冷却盘管72内有合适的冷却剂从入口78流入，从盘管的出口80流出。根据所需的冷却程度可以使用冷却水，气体冷却剂等。冷却盘管放置在真空成型盒70中以处于阴模50的紧下面并优选与阴模底面相接触。这保证了模具按需要最佳冷却，尤其是在模具是连续使用且是真空成型艺术复制品时。为有利于形成真空，通过导管82抽真空，进入由内部间隔84限定的处于阴模50下面的风室。真空导管82与风室相通，由间隔84通过扩大的入口86限定。阴模50固定在真空盒70内的凸缘74上，沿模50的周边提供密封，这样在对间隔84上部的风室抽真空时，与阴模表面相通的孔68保持真空。
如图11所示，装配好的真空盒70随时接受其上印制有与投影到图1的基体10上的图像26相同的图像26的可热成型塑料片。现在的目标是在塑料片88的表面热成型表面浮雕以复制原作的笔触。正如本领域熟练技术人员所知的那样，有许多种可热成型的塑料可用于真空成型过程。塑料片优选的厚度为10至12mil。优选的塑料材料包括聚氯乙烯的共聚物，可对该塑料片的表面进行处理以接受印制的图像和在其表面上永久保留该图像。二氧化钛等也可以用于塑料材料中以使该材料具有一象纸的感觉以及提供能在其上印刷的合适基体。塑料片的印刷可以采用任何熟知的印刷技术来完成，其中印制在塑料片上的图像在颜色和清晰度方面与原作的基本相同。
塑料片88放置在真空盒70的上面，图像26面对阴模50。虽然也有可能将塑料片88放置在阴模上，其中图像26与模具表面的凹槽，沟堑，和沟槽相配准，但最好是使用合适的指导以保证配准。如图11所示，在拐角处提供有角隅导槽90，其间隔与印制好的塑料片88的拐角92的二维间隔相对应。这保证了塑料片88上的有色图像的清晰度与阴模50上的凹槽相配准，这样，在塑料片热成型后，塑料片88上提供的表面浮雕与图像相配准，因此，塑料片的热成型结束后，在复制原始作品的笔触和雕刻方面，其整体效果与原作的基本相同。
申请人已发现，在塑料片上真空成型表面浮雕方面，阴模是最佳途径。在表面浮雕与塑料片上的图像相配准时最重要，该方法与标准的真空热成型技术相反。例如，前面提到的Braund的美国专利说明了用常用的阳模技术来在塑料片上真空成型与印制的图像相配准的表面浮雕。相反，申请人的使用阴模带来了许多显著优点，这些优点在下面的讨论中将会变得明显。
为了进行塑料片88的热成型，将塑料片支撑在模具盒70中稍高于阴模50的位置。稍高于阴模是为了让塑料片88紧靠相对冷的阴模50但又与其稍微隔开一些以有利于塑料片表面的快速加热。模具是用相对的夹具组件94和96支撑的。夹具组件96绕其周边具有抬起的凸缘90，其中凸缘90与塑料片88边缘部分92同。在夹具组件96适当放置的情况下，这保证了塑料片88下表面上的图像与模具50上的表面浮雕相配准。然而夹具组件94将塑料片88夹在底夹具组件96上。
将一加热装置98放置在塑料片88的上方。该加热装置可以用辊筒100安装在轨道102上以允许加热装置往复运动到塑料片88上方及离开塑料片。加热装置98可以包括电驱动的加热元件104以往塑料片88上辐射红外辐射。塑料片的这一加热按图15，16，17和18所述的操作顺序加以控制。在任一操作中，塑料片88的加热不引起塑料片下垂、悬挂或松垂到阴模70上，但是加热到塑料片下垂向或下垂到模具50上。塑料片的这一受控制的加热保证了印制在塑料片上的图像不移动，这样一旦模具与塑料片相接触，图像仍然与阴模上的表面浮雕相配准。
如图13所示，在片88的连续加热过程中，模具盒70按箭头106所示的方向升高，其中模具盒包括一抬起的最外侧周边76，该周边与片88其相应的外侧周边88A相接触。此时，对导管82施以真空以对孔68抽真空。塑料片此时的温度使其轻度软化，这样真空能将片88向下拉到阴模50的表画浮雕表面108上。由于真空盒周边78的上边缘与塑料片的区域88A的接触，在真空盒和塑料片之间形成了一真空。因此，由孔68抽的真空将塑料片向下拉是因为没有空气进入塑料片和模具表面108之间。继续抽真空的过程小，加热装置98保持在片88的上方继续用红外辐射加热塑料片，这样塑料片达到其正常的热成型温度。正如将要讨论的根据图17的操作周期，最后撤走加热装置，保持真空，冷却塑料片然后打开夹具94和96，释放塑料片，这样塑料片能从真空成型盒中移走。
虽然已知可以得到许多真空成型机可以使用本发明的真空成型盒，但是优选的设备显示于图14中，该真空成型设备112包括一支撑基座114，其上安装有固体工作台116。使用水压缸118来升高和降低固体工作台116，其运动由导轨120导引。塑料片是用夹具94和96来支撑的，夹具以枢轴形式连接在铰链机构122上。铰链机械122固定在基座114上，夹具通过水压缸124相互合拢和分开，其中较低的夹具96包括一前部90以与装在模具盒70中的阴模50上的塑料片88对准。夹具96的内侧周边比模具盒70的外侧周边要长，如图13所示。模具盒最外侧周边之间的空间，如由边缘76所限定的，在较低的夹具96的内侧97内。操作时，印制的塑料片放置在较低的夹具96内，启动水压缸124使上夹具94压紧较低夹具。轨道102上的加热装置移动到固定在夹具中的塑料比上方。在将塑料片加热到所需的温度范围的同时，通过水压缸118的伸出将模具盒70在夹具96中向上移动。如前所述，这实现了模具盒和片88之间的密封。
片88的成型结束后，加热装置98撤回到其第一位置以空出空间，如图14所示，然后启动安装在横梁128上的冷却扇126以向片88上吹冷却空气。将此88冷却到合适的温度以稳定塑料片的完整性，这样塑料片保持平整而基本上没有翘曲并保证模塑的表面浮雕永久。此时具夹94和96打开以允许将片88上塑料片从模具盒中移走。
阴模50的冷却优选连续进行。制冷剂在盘管72中循环以连续冷却模具50。这种冷却大大降低了真空成型机112的周期时间，因为在模具移走之前模50的表面温度应保持在低于片88被冷却到的温度。然而，我们认为当机器的周期时间大大增加时，可以不对模50进行冷却。这提供了足够的时间以让模具每一个循环后在下一个循环中接着对塑料片加热前冷却下来。
机器的循环时间根据图15至18描述。图15A中，片88被夹在真空盒70上方，加热器98处于其第一位置。这是周期的开始。随着片88在真空盒70上方稍微隔开一点，加热器98移动到其第二位置，如图15B所示。一旦加热器处于其第二位置，就指示着周期的零点。对片88加热直到其达到低于该选择的可热成型塑料的正常热成型温度的第一温度。在达到此第一温度的过程中，按箭头106所示的方向移动真空盒70并通过导管82抽真空。这将片88按图13所示的方式拉到阴模上。塑料片的温度示于图16中。将热电偶置于塑料片上测定抽真空后塑料片的温度以及提供该第一温度的平均值。如图16所示，塑料片表面各处的温度非常一致，在203°F到210°F(95℃-100℃)范围内变化。因此对这种特定级别的PVC聚合物片而言，其优选的范围为约90℃至100℃。在此温度下，不认为PVC片处于其可热成型温度，然而，抽真空后足以将PVC片向下弯曲到模具表面上。然而，塑料片仍然具有足够的结构完整性，使其在具有的所有沟堑和缝的形状方面与模具表面不完全一致。如前所述，在此第一温度范围内，虽然塑料片被软化，但并不明显下垂，悬挂或松垂，而且肯定不会下垂到与模具的很大一部分相接触的程度。在此第一温度下，由于塑料片是沿其周边受到支撑的，其中部分会向下轻度弯曲。这一轻度弯曲不会引起塑料片下侧面上印制的图像相对模具表面上的表面浮雕运动，因此图像仍然是与模具表面的表面浮雕对齐的。众所周知，由于塑料被加热，由于没塑料片长度方向物理性能的不均匀性，同时也由于塑料片对应力和应变的记忆，通常塑料会开始运动。因此，已发现，在图像开始在塑料片上运动之前对塑料片抽真空，可以保持图像与模具表面浮雕的配准而且可以将图像在最终产品上的变形最小化或基本消除。
在片88贴在模具表面上的同时，通过导管82继续对真空盒70抽真空。随着对塑料片的继续加热，其温度升高到正常的热成型温度，这使得塑料片此时运动进阴模的所有的沟堑，缝和别的表面浮雕凹陷中去，从而完成印制侧塑料片表面上所希望的表面浮雕的成型。已经发现，根据在片88上提供与大气压14.7磅/平方英寸相等的外压的真空表，施加到导管82上的真空在约20磅/平方英寸的正常范围内。当塑料片达到处于正常热成型温度范围内的第二温度时，加热装置98撤回到第一位置，真空盒70继续保持真空。如图18所示，加热装置98撤回时塑料片的温度大约在310至323°F(155℃～160℃)的范围内。同样，塑料片上温度的差异是由于所用的加热装置以及会引起塑料片局部冷却的加热装置与塑料片之间的间距，空气流等。因此这种特定类型的塑料片的优选第二温度在150℃至170℃的范围内，这一范围被认为是处在所选的PVC共聚物片的正常热成型温度范围的上限。
使用阴模的一个显著优点是塑料片的印制侧对着模具表面。这保证了模塑在塑料片表面的表面浮雕是模具表面浮雕的清晰复制。使用阴模是达不到这一点的，因为印制的表面与阳模表面相反，因此模具表面浮雕的清晰度随塑料片的厚度而丧失。
加热装置98处于其第二位置时，片88的表面暴露在外，如图17B所示，真空继续保持着。如图17C所示，冷却扇126被启动以按箭头128所示的方向往塑料片表面吹冷风。正如已经叙述的，真空盒70包括冷却盘管以保证阴模的温度低于第三所希望的温度，在此温度下在塑料片上热成型的表面浮雕固定下来。对所选定的PVC共聚物片而言，优选的第三温度在120°F(50℃)或更低的范围内。
通过测量片88的表面温度控制真空成型机的操作顺序也是可能的。已经发现由于片88的物理特征的一致性，按周期时间操作真空成型机也是可能的。对所选的PVC共聚物片而言，已经发现对所用类型的加热装置而言，理想加工时间是在10至12秒内将塑料片加热到第一温度。从约12秒至25秒开始抽真空。从开始25秒后将加热器撤回到第一位置。继续抽真空，再对塑料片冷却20至25秒，此时在总时间32至50秒后，松开夹具，移走塑料片。考虑到约15秒的装配时间和将塑料片安装到机器上和约15秒的将塑料片从机器上移走的时间，提供的总周期时间为约1至1.5分钟。如果真空成型机能自动控制，就能进一步缩短周期时间。这一周期时间要比别的制作艺术复制品的塑料热成型机的周期时间要短得多。大部分现有成型机的正常周期时间是5至6分钟。因此，用本发明的方法和设备，大大缩短了周期时间，在为不同市场部分连续生产可接受的产品的同时，实现生产的显著经济利益。
虽然施加到真空盒上的真空可以保持到冷却结束，但已经发现，对PVC片的大多数应用而言，可以在开始约45秒时从真空盒上撤走真空，因为在使用合适的冷却装置的情况下，塑料片被冷却到了相当低的温度，热成型在塑料片上的表面浮雕保持在其清晰状态。然而，如果在这方面有困难，最好是保持真空直到冷却周期末端且温度已降低到在120°F或更低范围的可接受的程度。
作为根据图1至图6描述的过程的另一种实施方案，图19至图25提出了另一种制作阳模的方法。如图19所示，塑料片130(可以是PVC)上印制有图像132。该塑料片是非常平整光滑的，与图11中所描述的热成型过程中所用的片88在本质上是一样的。为了改变片130使其像原始的艺术品，在其表面上成型了画布表面浮雕。这是通过将片130夹在真空盒70上的夹具96和98中来完成的。一画布14放在真空盒70的上方，真空盒的周边76将画布片的边缘部分136抬起。真空盒70抬起顶到塑料片130后，加热装置98对片130加热。对于管82抽真空以将片32拉到画布134上，此时由于塑料片抵靠着边缘76，而画布134夹在它们中间，在区域138中形成一密封。继续加热和抽真空直到画布母体在塑料片130上形成表面浮雕。加热过程进行的方式保证图像132不变形，这样，从真空成型模上冷却和移走的塑料片与图22所示的片140相似，画布母体142在具有图像132的塑料片的表面上。为了在热成型片140上复制笔触，艺术家将一种模塑料化合物以复制原作的笔触的方式涂敷到图像上。优选涂敷到片140的表面的模塑化合物是透明的，这样图像132在模塑化合物下仍然可见。就这方面而言合适的模塑化合物是艺术家用于某些丙烯酸艺术作品的透明丙烯酸凝胶。由容器144供应的模塑化合物，用刷子146或刮刀，海绵，涂墨布或艺术家们常用的织物涂敷。让透明模塑化合物硬化，就构成了用于形成阴模的阳模。根据图5和6的第一种实施方案，将可固化树脂46从容器48中倒到阳模表面148上。阳模148被支撑在一胶合板背衬等上，如图3所示的实施例所做的那样，并被合适的框架40包围起来。可固化树脂46被倒入模塑盒中并被包围在框架40中到图25中所示的高度。然后让树脂固化以形成阴模模体150，该阴模具有光滑的背面152和三维表面浮雕面154，该表面浮雕面是阳模表面148的阴模复制品。如第一个实施方案中的一样，阳模表面可以用脱模材料如硅酮处理。在树脂固化以形成硬的阴模模体150后，将模具打开，将阴模从阳模148上脱离开来。现在就可以在安装到真空盒70中去之前根据图7和8的实施方案对阴模进行处理。根据形成阴模的第二个实施方案，得到了一种用模塑化合物往表面上提供笔触的直接方法。假设所选用于片130的材料易于热成型，画布母体易于在塑料片上成型。然而，对希望用于制作阳模的所选材料或较厚材料而言，最好使用第一种实施方案，因为这样艺术家直接在画布材料上复制笔触。
根据本发明，制造了一种质量一致的产品，该产品是原始艺术作品的忠实复制。用本发明的方法和设备制作的产品具有许多如前所述的终用途，而不仅仅限于装在框架中的原始艺术作品的复制品。
虽然此处详细描述了本发明的优选的实施方案，本领域熟练技术人员可以知道，可以对本发明作出一些变化而不脱离本发明的精神或所附的权利要求的范围。
权利要求
1.一种将可热成型的塑料薄片模塑成原始艺术作品的精确三维表面浮雕复制品的真空成型方法，所述塑料片的一面印有所述原始艺术作品的永久图像，所述方法包括i)支撑印制好的塑料片使其贴紧真空成型阴模，其印有图像的一面面对所述模具，所述阴模上有一表面浮雕，该表面浮雕是所述原始艺术作品的表面浮雕的复制，所述图像与所述模具的表面浮雕相配准，所述模具中提供了多个真空成型孔；ii)加热所述的塑料片；iii)在将塑料片加热到低于正常热成型温度的第一温度的同时，让所述模具与所述塑料片接触，该第一温度使所述图像由于所述塑料片的加热而相对于所述模具的运动最小化，立即对所述模具中的所述孔施以真空以开始将所述塑料片拉进所述模具中并因此而将所述塑料片与所述模具表面浮雕相对固定下来以进一步最小化图像在所述塑料片上相对于所述模具的运动；iv)继续加热所述塑料片，同时维持所述模具的所述孔内的真空以完成所述三维表面浮雕在所述塑料片上的形成；v)一旦达到正常热成型温度范围内的第二温度，就停止加热所述塑料片，同时继续对所述的模具孔施以真空，停止加热后，冷却所述塑料片以将所述塑料片冷却到低于所述第一温度的第三温度，以使在所述塑料片上形成的三维表面浮雕固定下来；vi)停止冷却所述塑料片并将所述塑料片从所述模具中取出。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述模具被冷却以使所述模具维持在一低于所述第三温度的温度以帮助将所述塑料片冷却到所述第三温度。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述模具在所述真空成型过程中被连续冷却。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述的多个真空成型孔的每一个均是微小尺寸的以防止真空将所述塑料片拉进所述孔中。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述孔在所述模具中的定位包括将所述孔定位在模具表面浮雕的相对较深的凹陷处以增强所希望的表面浮雕在所述塑料片上的形成。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述塑料片被支撑在所述模具上方低于1英寸的位置以在所述塑料片被加热到所述第一温度时立即对所述塑料片提供快速加热和使所述模具与所述塑料片迅速接触。
7.如权利要求6所述的方法，其中在所述塑料片与所述模具相接触以保证对所述塑料片的所述印制面施以真空时，所述塑料片沿其周边被夹在所述模具上。
8.如权利要求4所述的方法，其中所述孔的截面为1/32″或更小。
9.如权利要求4所述的方法，其中所述塑料片是聚氯乙烯，所述第一温度在90°至100℃的范围内，所述第二温度在150°至170℃范围内，所述第三温度低于50℃。
10.一种将可热成型的塑料薄片真空成型为原始艺术作品的精确三维表面浮雕复制品的设备，该塑料片的一面上印制有所述原始艺术作品的永久图像，所述设备包括i)其内具有一表面浮雕的真空成型阴模，该表面浮雕是原始艺术品的表面浮雕的复制，所述模具上具有多个真空成型孔；ii)支撑印制的塑料薄片使其紧贴所述模具、所述印制面面对所述模具的装置，所述支撑装置支撑与所述模具的所述表面浮雕相配准的图像；iii)加热塑料片的装置，所述加热装置安装在使所述加热装置从第一位置移离所述模具到所述塑料片的未印制面上方但与其隔开的第二位置的往复运动装置上；iv)当所述处于第二位置的加热装置将塑料片加热到低于正常热成型温度的第一温度时，相对移动塑料片和所述模具以使塑料片和所述模具相接触的装置；v)使塑料片的周边与所述模具的相应周边密封起来的装置；vi)当所述密封装置密封塑料片且该塑料片处于第一温度时对所述模具中的所述多个孔应用真空的装置；vii)当塑料片处在第二热成型温度时，将所述加热装置移回到所述第二位置的往复运动装置；viii)在所述加热装置处于所述第二位置时冷却塑料片的装置；ix)在塑料片被所述冷却装置冷却到第三温度时，所述密封装置释放所述模具和塑料片之间的密封以使成型的塑料片的模具中移开时消除所述多个孔中的所述真空的装置。
11.如权利要求10所述的设备，其中提供了一种冷却所述模具以使所述模具维持在一低于第三温度的温度的装置。
12.如权利要求11所述的设备，其中提供了一与所述表面浮雕下的所述模具相接触的冷却盘管。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述多个孔中的每一个直径均为1/32″或更小，装置在所述模具后包围所述孔以提供一风室，所述真空与所述风室相通。
14.如权利要求10所述的设备，其中所述支撑装置包括一用来夹塑料片的周边的夹具，所述模具的所述周边在尺寸上处于所述夹具的内侧周边之内。
15.如权利要求14所述的设备，其中所述的相对运动装置使所述模具向塑料片移动且所述密封装置在所述夹具内将塑料片的周边部分与所述模具的相应周边密封起来。
16.如权利要求10所述的设备，其中所述加热装置包括一辐射加热塑料片的加热元件。
17.如权利要求10所述的设备，其中所述冷却装置包括一在所述往复运动装置将所述加热装置移回到第一位置后用来将冷却空气吹到塑料片上的冷却扇。
18.如权利要求10所述的设备，其中一控制器在真空成型以将表面浮雕模塑到塑料片上的过程中，控制所述往复运动装置，所述的相对运动装置，所述的密封装置，施加真空的装置和消除真空的装置的启动时间。
19.如权利要求10所述的设备，其中提供了使图像与所述模具的所述表面浮雕相配准的装置。
20.一种用于制作阴模的阳模生产方法，该阴模是用来真空成型一可热成型的塑料片以形成原始艺术品的精确三维表面浮雕复制品，所述方法包括i)安装一基体塑料片；ii)将原始艺术品的图像投影到所述基体塑料片上；iii)将一种可模塑的化合物涂敷到所述基体上以复制原始图像的笔触，所述基体上所述图像的投影指导所述化合物的涂敷；iv)让所述化合物硬化以提供用来制作阴模的所述模具。
21.如权利要求20所述的方法，所述的化合物选自由丙烯酸聚合物模塑糊，丙烯酸聚合物凝胶及其混合物组成的组。
22.如权利要求20所述的方法，所述基体是安装在固体支撑物上的画布片。
23.一种用于制作阴模的阳模生产方法，该阴模是用来真空成型可热成型的塑料片以形成原始艺术品的精确三维表面浮雕复制品，所述方法包括i)在其上印制有原始艺术品的图像的可热成型塑料片中热成型画布表面浮雕；ii)往塑料片的印制面涂敷一种可模塑的化合物以在所述图像上复制原始艺术品的笔触，所述的印制的图像指导化合物的涂敷；iii)让所述化合物固化以提供用来制作阴模的阳模。
24.如权利要求23所述的方法，所述模塑化合物是透明的。
25.如权利要求24所述的方法，所述模塑化合物是透明的丙烯酸凝胶。
26.如权利要求23所述的方法，所述塑料片是聚氯乙烯。
全文摘要
提供了一种将一可热成型的塑料薄片(88)模塑成一原始艺术品的精确三维表面浮雕复制品的真空成型设备和方法。该方法包括:(i)支撑印制好的塑料片使其贴紧真空成型阴模,其印有图像的一面面对模具;(ii)加热塑料片(88);(iii)使模(70)与被加热的塑料片(88)相接触,同时塑料片被加热到第一温度,在此温度下图像(26)相对于模(670)的移动被最小化,一旦片(88)达到第一温度,立即对模(70)中的小孔(68)施以真空以开始将塑料片(88)拉入模(70)中并因此而将片(88)相对于模具固定下来;(iv)继续加热,同时保持孔(68)中的真空以完成片(88)上三维表面浮雕的形成;(v)一旦塑料片达到第二温度立即停止加热,同时对模具中的孔(68)施以真空,然后冷却塑料片;(vi)停止冷却并将片(88)从模具移走片(88)以进行进一步加工和装框。
文档编号B29C59/00GK1180330SQ96192734
公开日1998年4月29日 申请日期1996年3月22日 优先权日1995年3月22日
发明者格伦·T·哈丁, 威廉·哈丁, 威廉·利德尔 申请人:标志卡公司