一种聚合物连续热压印成型设备的制作方法

本发明涉及一种聚合物加工设备，尤其是一种连续热压印成型设备，用于生产表面具有微纳结构的成型片材。

背景技术：

聚合物热压印成型技术是一种可以大量生产微结构产品的成型技术。微热压印技术的研究离不开压印设备，新型压印设备的研究开发对此项技术的发展起着重要的推动作用。目前，能够实现连续性热压印的设备大多都是辊筒压印设备，如文章编号为1001-9456(2011)05-0113-03中所介绍的一种聚合物辊轮压印成型设备。该类设备具有生产效率高，成型面积大等优点，但存在着压印时间短、保压时间不足的问题；而现有的微结构平板热压印设备，如文章编号为1001-9456(2015)01-0083-04中所介绍的一种聚合物平板热压印成型的方法，虽然具有复制精度高的优点，但还无法实现连续化生产，生产效率低，需反复加热冷却模具，能耗高。

技术实现要素：

为同步解决聚合物热压印过程中压印时间短，保压时间不足，或有些设备无法实现连续化生产，生产效率低，需反复加热冷却模具，能耗高等缺陷或不足，本设备将挤出成型和聚合物微结构平板热压印成型结合，设计出“曲面对曲面”挤出热压印微结构成型实验设备，实现一步法连续挤出热压印聚合物表面微结构成型设备。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种连续热压印成型设备，包括径向压印组件、压印辊组件、摆架及其传动组件以及机架支撑组件。径向压印组件与压印辊组件配合为连续热压印成型设备提供径向压印功能；压印辊组件为所压材料提供支撑、保压、保温及冷却功能；摆架及其传动组件为径向压印组件提供周向运动及支撑的作用；机架支撑组件为连续热压印成型设备提供整体支撑以及对压印辊组件中压印辊之间的距离提供调节作用；摆架及其传动组件为径向压印组件提供周向运动的动力；机架支撑组件为设备整体提供支撑作用。本设备在工作过程中可分为四个步骤，可分为：压印进程准备阶段、压印进程阶段、压印回程准备阶段、压印回程阶段。当设备处于压印进程准备阶段时，由挤出机挤出的处于类固态的条状(片状)物料进入设备，径向压印组件与摆架及其传动组件到达指定工作位置；当设备处于压印进程阶段时，摆架及其传动组件带动径向压印组件随压印辊同角速度转动，同时径向压印组件与压印辊组件配合完成压印、保压工作，冷却工作在压印辊组件中完成；当设备处于压印回程准备阶段时，压印辊仍以之前的角速度运行，径向压印组件中上模板向径向打开，此时摆架及其传动组件带动径向压印组件减速至角速度为零，为摆架回程做好准备；当设备处于压印回程阶段时，摆架及其传动组件带动径向压印组件急回到初始工作位置，为下一次压印循环做准备。从而实现一步法连续挤出热压印聚合物表面微结构成型。

所述的径向压印组件包括径向压印伺服电机、径向压印减速器、径向压印升降机、径向压印丝杠套以及径向压印弧形模具；径向压印升降机拟选用sj系列涡轮丝杆升降机，这种系列升降机具有结构紧凑、体积小、精度高、安装方便，有些公司采用紧凑的铝齿轮箱体，使得升降机重量减轻。径向压印升降机通过螺栓固定在摆架上，由径向压印伺服电机与径向压印减速器相配合带动；摆架上端面打通孔，使得升降机中滚珠丝杆带动螺母可以通过螺栓与径向压印弧形模具相连；径向压印丝杠套一端接近于摆架，一端与径向压印弧形模具相连，起到径向压印弧形模具定位、保持丝杆清洁等作用；径向压印伺服电机带动径向压印升降机的输入轴，将动力转换为螺母沿滚珠丝杆轴线方向的运动，又由于螺母与径向压印弧形模具相连，弧形模具内置加热孔，可配备加热棒，从而实现弧形模具在压印辊径向的压印任务。

所述的压印辊组件包括压印辊、压印辊主轴、电加热棒、压印辊主轴步进电机、初级冷却辊、初级冷却辊轴、初级冷却辊轴步进电机、次级冷却辊、次级冷却辊轴、次级冷却辊轴步进电机、辊间距离调节装置；压印辊、初级冷却辊与次级冷却辊均与其相应轴配合，压印辊主轴通过固定轴承座安装在机架主体上。摆架安装于压印辊主轴上，有利于在压印过程中力的平衡，减小压印辊主轴挠度。初级冷却辊轴与次级冷却辊轴均通过滑动轴承座安装在机架主体上，可通过辊间距离调节装置的调节手轮调节三辊之间的间距，从而消除制品熔接痕；三辊均装有电加热棒，通过电刷与电极连接加热，并通过通断电来控制温度；压印辊需加热到制品材料类固态温度，而初级冷却辊及次级冷却辊则稍低；各辊步进电机带动各辊匀速转动，其中在压印进程阶段，压印辊速度与摆架速度一致，从而为所压材料提供支撑、保压、保温及冷却功能。

所述的摆架及其传动组件包括摆架、滑轨接头、圆弧滑轨、传动杆支撑座、传动杆、传动伺服电机、电机齿轮、连接齿轮、传动齿轮以及圆弧齿条；摆架的安装孔通过轴承与压印辊主轴配合，使得主轴的转动不会影响到摆架的摆动。摆架安装孔下侧配有配重，以减少摆架摆动时的惯性力，滑轨接头与圆弧滑轨构成移动副，分别通过螺栓固定于摆架摆臂侧与机架主体上，为摆架的周向运动提供导向和支撑作用，且经过力学分析计算，可证明滑轨机构是必要的。传动伺服电机固定于摆架平台下侧，电机轴上安装有电机齿轮，通过连接齿轮与传动杆配合；传动杆安装在传动杆支撑座上，传动杆支撑座通过螺栓固定于摆架平台下侧。传动杆两端安装有一对传动齿轮，与固定在机架主体上的圆弧齿条构成齿轮齿条机构，从而为径向压印组件提供周向运动及支撑的作用。

所述的机架支撑组件包括整体机架以及各个需以机架为支撑的轴承等部件、地脚轮等部件；为设备整体提供支撑作用。机架采用铸造工艺制作而成，在受力薄弱部位设计有加强肋，在保证承载能力的基础上做轻量化处理。

所述的聚合物连续热压印成型设备，其成型关键在于压印进程阶段摆架速度与压印辊速度的一致性，以及此速度要与挤出机挤出速度匹配；压印有效行程不超过90°，且要求两步热压印正好相接。本设备通过调节摆架急回与物料前进的速度差，并选择脱模时机可以改变两次成型微结构的界限距离。为使两次热压印的微结构幅面相交连成一片实现微结构连续化，需要以下两个条件：模具脱模开始反向运动时，摆架的线位移s(s＝vt)不超过模具有效压印幅面在基片运动方向上的线长度l；模架急回到初始位置的速度为：

当要求两步热压印正好相接，即两次热压印的微结构幅面恰好相交时，“曲面对曲面”热压印连续成型的生产速度(即连续基片输送的速度)v与模具的线长度d，压印时间t，急回线速度v回和系统恢复时间t′有关，即

其中s＝vt，s<d，t′为热压印周期间系统的恢复时间，v回为3～5倍v。

为同步解决聚合物热压印过程中压印时间短，保压时间不足，或有些设备无法实现连续化生产，生产效率低，需反复加热冷却模具，能耗高等缺陷或不足，本设备将挤出成型和聚合物微结构平板热压印成型结合，设计出“曲面对曲面”挤出热压印微结构成型设备，实现一步法连续挤出热压印聚合物表面微结构成型。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种聚合物连续热压印成型设备原理示意图；

图2为本发明实施例提供的聚合物连续热压印成型设备主视图；

图3为本发明实施例提供的聚合物连续热压印成型设备剖视图；

图4为本发明实施例提供的径向压印组件原理示意图；

图5为本发明实施例提供的压印辊组件原理示意图；

图6为本发明实施例提供的摆架及其传动组件原理示意图；

图7为本发明实施例提供的摆架及其传动组件仰视图；

图8为本发明实施例提供的机架支撑组件原理示意图；

图9为本发明实施例提供的一种聚合物连续热压印成型设备生产原理示意图；

图10为本发明实施例提供的聚合物连续热压印成型设备生产过程示意图。

图中：1、径向压印组件，2、压印辊组件，3、摆架及其传动组件4、机架支撑组件、1.1、径向压印伺服电机，1.2、径向压印减速器，1.3、径向压印升降机，1.4、径向压印丝杠套，1.5、径向压印弧形模具、2.1、压印辊，2.2、压印辊主轴，2.3、电加热棒，2.4、压印辊主轴步进电机，2.5初级冷却辊，2.6、初级冷却辊轴2.7、初级冷却辊轴步进电机，2.8、次级冷却辊，2.9、次级冷却辊轴，2.10、次级冷却辊轴步进电机，2.11、辊间距离调节装置、3.1、摆架，3.2、滑轨接头，3.3、圆弧滑轨，3.4、传动杆支撑座，3.5、传动杆，3.6、传动伺服电机，3.7、电机齿轮，3.8、连接齿轮，3.9、传动齿轮，3.10、圆弧齿条、4.1、机架主体，4.2、轴承端盖，4.3、辊间调节滑轨，4.4、调节装置平台，4.5、地脚轮。

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。

请参阅图1至图10，是本发明实施例提供的一种聚合物连续热压印成型设备原理示意图、主视图及剖视图，它包括径向压印组件1、压印辊组件2、摆架及其传动组件3、机架支撑组件4；径向压印组件1与压印辊组件2配合为连续热压印成型设备提供径向压印功能；压印辊组件2为所压材料提供支撑、保压、保温及冷却功能；摆架组件3为径向压印组件1提供周向运动及支撑的作用；机架支撑组件4为连续热压印成型设备提供整体支撑以及对压印辊组件2中压印辊之间的距离提供调节作用；摆架传动组件3为径向压印组件1提供周向运动的动力；机架支撑组件4为设备整体提供支撑作用；压印过程中，摆架3与压印辊2同速转动，同时径向压印组件1与压印辊2之间实现压印，压印结束后，摆架组件3急回至初始位置，完成一次循环。本设备将挤出成型和聚合物微结构平板热压印成型结合，设计出“曲面对曲面”挤出热压印微结构成型实验设备，实现一步法连续挤出热压印聚合物表面微结构成型设备，解决了聚合物热压印过程中压印时间短，保压时间不足等问题，实现了连续化生产，生产效率高，无需反复加热冷却模具，能耗低、缺陷减少。

请参阅图4，为本发明实施例提供的径向压印组件原理示意图，它包括径向压印伺服电机1.1、径向压印减速器1.2、径向压印升降机1.3、径向压印丝杠套1.4以及径向压印弧形模具1.5；径向压印升降机1.3拟选用sj系列涡轮丝杆升降机，这种系列升降机具有结构紧凑、体积小、精度高、安装方便，有些公司采用紧凑的铝齿轮箱体，使得升降机重量减轻。径向压印升降机1.3通过螺栓固定在摆架上，由径向压印伺服电机与径向压印减速器相配合带动；摆架3.1上端面打通孔，使得升降机中滚珠丝杆带动的螺母可以径向运动；螺母通过螺栓与径向压印弧形模具1.5相连；径向压印丝杠套1.4一端接近于摆架3.1，一端与径向压印弧形模具1.5相连，起到弧形模具1.5定位、保持丝杆清洁等作用；弧形模具1.5内置加热孔，可配备加热棒；径向压印伺服电机1.1配备有径向压印减速器1.2，减速器1.2带动径向压印升降机1.3的输入轴，将动力转换为螺母沿滚珠丝杆轴线方向的运动，又由于螺母与径向压印弧形模具1.5相连，从而实现弧形模具在压印辊径向的压印任务。

请参阅图5，为本发明实施例提供的压印辊组件原理示意图，它包括压印辊2.1、压印辊主轴2.2、电加热棒2.3、压印辊主轴步进电机2.4、初级冷却辊2.5、初级冷却辊轴2.6、初级冷却辊轴步进电机2.7、次级冷却辊2.8、次级冷却辊轴2.9、次级冷却辊轴步进电机2.10、辊间距离调节装置2.11；压印辊2.1、初级冷却辊2.5与次级冷却辊2.8均与其相应轴(2.2、2.6、2.9)配合，压印辊主轴2.2通过固定轴承座4.2安装在机架主体上。摆架3.1安装于压印辊主轴2.2上，有利于在压印过程中力的平衡，减小压印辊主轴2.2挠度。初级冷却辊轴2.6与次级冷却辊轴2.9均通过滑动轴承座安装在机架主体4.1上，可通过辊间距离调节装置2.11的调节手轮调节三辊之间的间距，从而消除制品熔接痕；三辊均装有电加热棒2.3，通过电刷与电极连接加热，并通过温度传感器来控制温度；压印辊2.1需加热到制品材料类固态温度，而初级冷却辊2.5及次级冷却辊2.8则稍低；各辊步进电机(2.4、2.7、2.10)带动各辊匀速转动，其中在压印进程阶段，压印辊2.1速度与摆架3.1速度一致，从而为所压材料提供支撑、保压、保温及冷却功能。

请参阅图6和图7，为本发明实施例提供的摆架及其传动组件原理示意图，它包括摆架3.1、滑轨接头3.2、圆弧滑轨3.3、传动杆支撑座3.4、传动杆3.5、传动伺服电机3.6、电机齿轮3.7、连接齿轮3.8、传动齿轮3.9以及圆弧齿条3.10；摆架3.1的安装孔通过轴承与压印辊主轴2.2配合，使得主轴2.2的转动不会影响到摆架3.1的摆动。摆架3.1安装孔下侧配有配重，以减少摆架3.1摆动时的惯性力。滑轨接头3.2与圆弧滑轨3.3构成移动副，分别通过螺栓固定于摆架3.1摆臂侧与机架主体4.1上，为摆架3.1的周向运动提供导向和支撑作用，且经过力学分析计算，可证明滑轨机构是必要的。传动伺服电机3.6固定于摆架3.1平台下侧，电机轴上通过连接键安装有电机齿轮3.7，连接齿轮3.8与传动杆3.5键连接；传动杆3.5通过轴承安装在传动杆支撑座3.4上，传动杆支撑座3.4通过螺栓固定于摆架平台下侧。传动杆3.5两端键连接一对传动齿轮3.9，与固定在机架主体4.1上的圆弧齿条3.10构成齿轮齿条机构，从而为径向压印组件提供周向运动的动力及支撑的作用。

请参阅图8，为本发明实施例提供的机架支撑组件原理示意图；它包括机架主体4.1、轴承端盖4.2、辊间调节滑轨4.3、调节装置平台4.4、地脚轮4.5；机架组件为设备整体提供支撑作用。机架采用铸造工艺制作而成，在受力薄弱部位设计有加强肋，在保证承载能力的基础上做轻量化处理。

请参阅图9，是本发明实施例提供的一种聚合物连续热压印成型设备的生产原理示意图。本设备在工作过程中可分为四个步骤，可分为：压印进程准备阶段1、压印进程阶段2、压印回程准备阶段3、压印回程阶段4。当设备处于压印进程准备阶段1时，由挤出机挤出的处于类固态的条状(片状)物料进入设备，径向压印组件与摆架组件到达指定工作位置；当设备处于压印进程阶段2时，摆架组件带动径向压印组件随压印辊同角速度转动，同时径向压印组件与压印辊组件配合完成压印、保压工作，冷却工作在压印辊组件中完成；当设备处于压印回程准备阶段时3，压印辊仍以之前的角速度运行，径向压印组件中上模板向径向打开，此时摆架组件带动径向压印组件减速至角速度为零，为摆架回程做好准备；当设备处于压印回程阶段时4，摆架组件带动径向压印组件急回到初始工作位置，为下一次压印循环做准备。从而实现一步法连续挤出热压印聚合物表面微结构成型。

所述的聚合物连续热压印成型设备，其成型关键在于压印进程阶段摆架速度与压印辊速度的一致性，以及此速度要与挤出机挤出速度匹配；压印有效行程不超过90°，且要求两步热压印正好相接。本设备通过调节摆架急回与物料前进的速度差，并选择脱模时机可以改变两次成型微结构的界限距离。为使两次热压印的微结构幅面相交连成一片实现微结构连续化，需要以下两个条件：模具脱模开始反向运动时，摆架的线位移s(s＝vt)不超过模具有效压印幅面在基片运动方向上的线长度l；模架急回到初始位置的速度为：

当要求两步热压印正好相接，即两次热压印的微结构幅面恰好相交时，“曲面对曲面”热压印连续成型的生产速度(即连续基片输送的速度)v与模具的线长度d，压印时间t，急回线速度v回和系统恢复时间t′有关，即

其中s＝vt，s<d，t′为热压印周期间系统的恢复时间，v回为3～5倍v。

为同步解决聚合物热压印过程中压印时间短，保压时间不足，或有些设备无法实现连续化生产，生产效率低，需反复加热冷却模具，能耗高等缺陷或不足，本设备将挤出成型和聚合物微结构平板热压印成型结合，设计出“曲面对曲面”挤出热压印微结构成型设备，实现一步法连续挤出热压印聚合物表面微结构成型。

请参阅图10，为本发明实施例提供的聚合物连续热压印成型设备生产过程示意图。物料由挤出机挤出，经过连续热压印成型设备后成为具有微结构的片材，之后经过冷却、收卷等步骤，实现一整套连续化生产过程。

值得注意的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。