用于形成片状基板的方法与流程

本发明涉及一种用于在热塑性材料的片状基板上形成尺寸稳定的三维形状的方法。

背景技术：

可以使用具有特定三维特征的薄的塑料薄膜作为例如用于膜片(diaphragm，隔膜)化油器的控制膜片。在wo2016012233或瑞士专利申请第00038/16号中描述了这种膜片的示例。膜片包括多个同心波纹的形式的尺寸稳定的三维形状。

通常通过热成型制造技术(例如使用凸模和凹模的机械热成型或真空或压力热成型)加工片状基板。然而，真空或压力热成型只适用于杯状结构，并且无法在片的两侧获得非常精细的精确结构。通过机械热成型(例如匹配模具成型或热模压)可以获得更精细的结构。然而，要将厚度小于100微米的塑料二维平坦片或薄膜精确地形成为尺寸稳定的三维形状是几乎不可能的。

此外，具有匹配模具的热成型或热模压的成本高并且由于模具的加热周期和冷却周期较长而具有长的周期时间，这是因为在每个周期期间整个模具被预热到热塑性材料的玻璃化转变温度或更高。对于玻璃化转变温度高的塑料的热加工尤其如此。

已知的热成型技术的另一个问题是它们不适合制造具有不同厚度的结构特征(例如比膜片的剩余区域厚几倍的增厚的中心部分)的膜片。

因此，需要一种快速且高精度的制造方法，以在热塑性材料的片状基板上形成尺寸稳定的三维形状。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种快速且高精度的制造方法，以在热塑性材料的片状基板上形成尺寸稳定的三维形状。

这通过根据权利要求1的方法和根据权利要求9的装置来实现。用于在热塑性材料的片状基板上形成尺寸稳定的三维形状的方法包括以下步骤：(a)提供包括第一模(die，模具)和第二模的模具，该第一模具有用于接触片状基板的上表面的第一模板表面，该第二模具有用于接触与片状基板的上表面对置的片状基板的下表面的第二模板表面；每个模板表面具有所需形状的相反(inverse，反相的，逆转的)形状，以被转变成基板的上表面和下表面；并且第一模和第二模中的至少一个对于预定波长的电磁波是透明的(transparent，可穿透的)；(b)提供至少一个吸收层，该吸收层能够通过吸收预定波长的电磁辐射而被加热，从而将热塑性基板加热至其玻璃化转变温度或加热超过其玻璃化转变温度；(c)将基板放置在模具的第一模和第二模之间并合上模具；(d)用电磁辐射照射吸收层，以便在足够的时间内将热塑性基板加热至或加热超过其玻璃化转变温度，以将热塑性材料转变为三维形状。

因此，本方法允许将平坦的片状基板形成为具有尺寸稳定形状的非平坦的产品，例如在wo2016012233或瑞士专利申请第00038/16号中描述的膜片。片状基板可以是热塑性材料的薄膜、片材或箔。适用于本方法的片状基板优选地可具有5微米到5毫米之间(优选为8微米到500微米之间)的厚度。热塑性材料可以从下面的组中选出：聚苯并咪唑(pbi)、聚酰亚胺(pi)、热塑性聚酰亚胺(tpi)、聚酰胺酰亚胺(pai)、聚醚砜(pes)、聚苯砜(ppsu)、聚醚酰亚胺(pei)、聚砜(psu)、聚醚酮(pek)、聚芳醚酮(paek)、聚苯硫醚(pps)、全氟烷氧基聚合物(pfa)、乙烯四氟乙烯(etfe)、聚氯三氟乙烯(pctfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)或聚醚醚酮(peek)。

可以从具有200nm至2000nm的波长的脉冲源发射电磁波。

吸收层可以是设置在第一和/或第二模板表面上方的金属层。通常，金属层的厚度将在几十纳米到几百纳米之间。然后，辐射源发射射束(beam)，该射束穿过第一模和/或第二模，并入射到金属层上，金属层吸收射束，并迅速变热。吸收层与片状基板的上表面和/或下表面相接触的部分将热量传递到片状基板，片状基板升温至或超过其玻璃化转变温度，并且片状基板被转变以获得尺寸稳定的三维形状。

在提供多于一个吸收层的情况下，吸收层可以是可由相同或不同辐射波长加热的不同材料。

利用所描述的方法，可以对片状基板进行双侧模制。

本发明的优选实施例在从属权利要求中陈述。

在一些实施例中，第一模板表面和第二模板表面中的至少一个设置有吸收层。在两个模板表面都设置有吸收层的情况下，两个辐射源可被用于穿过两个层各自的透明的模照射两个层。

在一些实施例中，片状基板设置有吸收层。这样的层可以涂覆在片状基板上，或者可以是片状基板本身。

在一些实施例中，片状基板对于预定波长的电磁波可以是透明的。

在一些实施例中，片状基板可以包括适用于吸收预定波长的电磁辐射的材料，以便被加热至或加热超过其玻璃化转变温度。

在一些实施例中，片状基板可以包括至少两个部分，优选地是两个层。在步骤d期间，可以将至少两个部分一起熔化。

在一些实施例中，吸收层可以仅设置到片状基板将被熔化的区域。

在一些实施例中，为了便于脱模，在步骤c之前，片状基板的表面可以设置有分离涂层。分离涂层可以是疏水涂层。涂层可以是氟化涂层，例如氟化乙烯丙烯涂层。涂层可以在10nm的范围内。

本发明还涉及一种用于在热塑性材料的片状基板上形成尺寸稳定的三维形状的装置，该装置包括：(a)模具，包括第一模和第二模，该第一模具有用于接触片状基板的上表面的第一模板表面，该第二模具有用于接触与片状基板的上表面对置的片状基板的下表面的第二模板表面；每个模板表面具有所需形状的相反形状，以被转变成基板的上表面和下表面；并且第一模和第二模中的至少一个对于预定波长的电磁波是透明的；以及，(b)预定波长的电磁辐射源，以便加热布置在第一模板表面和第二模板表面之间的吸收层。

电磁波源可以是具有200nm至2000nm的波长的脉冲源。

在一些实施例中，第一模板表面和第二模板表面中的至少一个可以设置有吸收层。

在一些实施例中，吸收层可以是单层。吸收层可以是金属层、石墨层或热吸收(吸热)涂料层。

附图说明

下面参照附图中所示的实施例更详细地描述本发明。附图示出：

图1是用于在热塑性材料的片状基板上形成尺寸稳定的三维形状的方法的示意图；

图2是从一侧辐射期间模具的示意图；

图3是从两侧辐射期间模具的示意图；

图4是具有设置在基板上的吸收层的方法的示意图；

图5是可由图1的方法制造的膜片；

图6是用于在热塑性材料的片状基板上形成尺寸稳定的三维形状的方法的示意图，该热塑性材料的片状基板包括两个层的结合。

具体实施方式

图1示出了用于在热塑性材料的片状基板3上形成尺寸稳定的三维形状的方法的示意图。

图1(a)示出了具有第一模1和第二模2的开口模具，第一模具有第一模板表面11，第二模具有第二模板表面21。第一模板表面11具有与待形成为片状基板3的上表面31的期望三维结构相反的形状。第二模板表面21具有与待形成为片状基板3的下表面32的期望三维结构相反的形状。如图1和图2中所示，第一模板表面11和第二模板表面21可以具有互补的形状。然而，只要热塑性材料在其熔融状态下能够充分位移(displaced)，如图3和图4中所示，非互补的形状也是可能的。

片状基板3可以是厚度在5微米至5000微米(优选为25微米至500微米)范围内的平坦的片、箔或薄膜，并且放置在第一模1与第二模2之间。关于本发明，在应用该方法之前，片状基板是二维的。之后，该基板具有尺寸稳定的三维形状，例如具有互补的波纹以获得例如具有大致相同整体厚度的膜片(图1(c))，或具有非互补的波纹(图3)以获得例如具有变化厚度的膜片。

目前，使用25微米的聚醚醚酮(peek)薄膜已经取得了良好的效果。然而，也可以使用较厚的薄膜以及其他材料，例如聚苯并咪唑(pbi)、聚酰亚胺(pi)、热塑性聚酰亚胺(tpi)、聚酰胺酰亚胺(pai)、聚醚砜(pes)、聚苯砜(ppsu)、聚醚酰亚胺(pei)、聚砜(psu)、聚醚酮(pek)、聚芳醚酮(paek)、聚苯硫醚(pps)、全氟烷氧基聚合物(pfa)、乙烯四氟乙烯(etfe)、聚氯三氟乙烯(pctfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)或聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)。

在图1所示的方法中，第一模1的第一模板表面11设置有吸收层5。吸收层5可以由来自脉冲源的波长在200nm至2000nm范围内的电磁辐射4在几毫秒内快速加热。为了照射吸收层5，第一模1是对电磁辐射4的波长透明的材料。

在模具关闭之后或模具关闭期间(图1(b))，吸收层5吸收辐射4并快速升温，以便将能量传递到热塑性片状基板3。由此加热基板3，直到该基板足够热，通常达到或超过其玻璃化转变温度，以被转变成所需的三维形状。在该过程期间，模具的第一模1和/或第二模2几乎不升温，并且在停止辐射4之后几乎可以立即打开模具，并且可以移除转变后的片状基板3’(见图1(c))。然后模具为下一个周期做好准备。

作为图1所示的实施例的替代，第二模2和片状基板3对于辐射可以是透明的。在这种情况下，辐射可以穿过第二模2和基板3到达设置在第一模1上的吸收层5，如图2中所示。

为了加工更厚的片状基板，第一模板表面11和第二模板表面21可以各自设置有吸收层5、5’。在这种情况下，第一模1和第二模2都是透明的，并且从对置的两侧照射吸收层5、5’，如图3中所示。

图4示出了该方法的变型，其中片状基板3自身在一侧或两侧设置有涂覆在基板上的吸收层5，或者基板是由吸收辐射的热塑性材料制成的。第一模1和/或第二模2是透明的，并且辐射可以从一侧或两侧被引导到基板上。

图5示出了可以使用根据本发明的方法制造的物品的示例。该物品是如wo2016012233中描述的由热塑性薄膜材料制成的膜片6。圆盘形式的膜片6包括多个同心波纹61和径向加强肋62。这样的三维结构可以通过上述方法获得。已经取得了很好的效果，例如，平面的25微米厚的peek薄膜，在其中已经形成有诸如图5的膜片所示的多个圆形的、同心的波纹。

如图6中所示，该方法还允许将两层或更多层的基板3、3a结合到一起。图6(a)示出了在转变基板3、3a之前处于打开状态的模具。图6(b)示出了在将基板转变为具有尺寸稳定的三维形状的基板3’之后处于打开状态的模具。为了获得例如具有多个同心波纹和比波纹状膜片厚几倍的中心部分的膜片，基板的分离部分3a可以居中地放置在片状基板3上，如图6(a)中所示，或放置在两个模1、2之一中。在瑞士专利申请第00038/16号中描述了这种膜片的示例。

分离部分3a可以构成为吸收层5a，或者可以在任一侧设置有吸收层5a。在对一个或多个吸收层5、5a进行辐射期间，两个基板部分3、3a被加热到超过热塑性材料的玻璃化转变温度，从而永久地结合在一起，在片状基板3上形成尺寸稳定的三维形状，如图6(b)中所示。

应当理解，本发明不限于如上所述的实施例。本领域技术人员将能够利用本发明的知识推导出也属于本发明主题的其他变形。

附图标记

1第一模

11第一模板表面

2第二模

21第二模板表面

3片状基板

3a片状基板的部分

3'转变后的片状基板

31上表面

32下表面

4,4'电磁辐射

5,5'吸收层

5a吸收层

6膜片

61同心波纹

62径向肋