使用加热/冷却循环用于制造光学制品的高速注射成型的制作方法

背景技术：

1.技术领域

本披露总体上涉及用于通过在注射成型期间使用加热和冷却循环并且施加压力来制造具有菲涅耳微结构的光学制品的方法；这种方法可以包括使用热塑性材料来形成具有菲涅耳微结构的光学制品。

2.背景技术

为了获得具有适合其用途的光学质量的光学制品，在制造期间需要采取某些预防措施，特别是避免不规则的变形或残余内部张力的存在。这种变形或张力会引起不期望的光学像差，例如双折射。

为了使用注射成型来生产光学制品，将模具闭合并将材料注射到模具的型腔中。在型腔已经填充有材料之后，将材料冷却，将模具打开，并且将制品脱模。然后可以重复该过程。整个过程在恒定的型腔温度下发生，型腔温度显著低于材料的软化温度。

在所述过程的注射阶段，所注射的材料通过被称为流道和浇口的相对较小的通道被推动进入到型腔中。由于型腔温度低于软化温度，因此与模具型腔表面接触的所注射的材料立即凝固，形成冷表皮层。因此，光学制品的厚度要求在填充型腔体时存在困难，因为冷表皮层的形成使熔体流动通道大大变窄并且显著地增加流动阻力。而且，由于材料的流动路径增大，因此直径相对较大的光学制品在填充型腔时存在困难。也就是说，流动路径大加上流动阻力增加会导致熔体前沿趋于过早地凝固，从而导致不期望和不可用的光学制品。另外，当光学制品具有带有尖锐拐角的微结构时，在拐角处会产生明显的压力积聚，压力积聚阻止材料正确地形成微结构。这种积聚会被凝固效应放大，这导致最终产品和复制显微结构时有明显缺陷。

技术实现要素：

本披露解决了对生产具有菲涅耳微结构和热塑性镜片材料的光学制品的高效且有成本效益的方法的需求。以这种方式，期望所得到的光学制品是柔性的、薄的、易于再现的，并且期望光学制品的菲涅耳微结构被精确地生产以确保光学制品具有最佳的光学质量。发明人已经发现，使用在注射成型期间利用加热和冷却循环并且施加压力的注射成型技术能够生产柔性的、薄的、易于再现的热塑性光学制品，所述热塑性光学制品具有有着精确几何和光学特性的菲涅耳微结构。

在一些方面，一种用于生产光学制品的方法，所述方法包括以下步骤：将模具型腔的表面温度设定为比热塑性材料的软化温度低至少5°f的冷却温度；用所述热塑性材料注射所述模具型腔，所述模具型腔包括菲涅耳表面；向所述热塑性材料施加压实压力；将所述模具型腔的表面温度升高到比所述冷却温度高至少20°f的加热温度；以及将所述模具型腔的温度降低到所述冷却温度以形成光学制品。在一些方面，所述热塑性材料可以是热塑性聚氨酯(tpu)、聚氯乙烯(pvc)、或热塑性弹性体(tpe)。在一些方面，所述加热温度可以比所述冷却温度高大约30°f至100°f。在一些方面，向所述热塑性材料施加所述压实压力和升高所述模具型腔的表面温度可以同时开始。在一些方面，升高所述模具型腔的表面温度可以在向所述热塑性材料施加所述压实压力之前开始。

在一些方面，所述菲涅耳表面可以被配置为形成菲涅耳微结构，所述菲涅耳微结构具有在大约10μm至500μm的范围内的台阶高度和在大约5mm至250μm的范围内的台阶宽度。

在一些方面，所述压实压力和/或所述加热温度可以维持1、2、3、4或5秒。在一些方面，所述压实压力和/或所述加热温度可以维持至少5秒。在一些方面，所述压实压力和所述加热压力可以维持6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、60秒或其中的任何时间。

在一些方面，一种用于生产注射成型的光学制品的注射成型系统，包括：模具，所述模具具有用于接收热塑性材料的模具型腔，所述模具型腔包括菲涅耳表面；与所述模具处于热连接的热源；以及处理器。所述处理器可以被配置为：控制所述热源以将所述模具型腔的表面温度设定为比所述热塑性材料的软化温度低至少5°f的冷却温度；控制所述热源以将所述模具型腔的表面温度升高到比所述冷却温度高至少20°f的加热温度；以及控制所述热源以将所述模具型腔的温度降低到所述冷却温度。在一些方面，所述注射成型系统包括热塑性塑料注射器，所述热塑性塑料注射器被配置为：将所述热塑性材料注射到所述模具的模具型腔中；以及向所述热塑性材料施加至多20,000psi的压实压力。在一些方面，向所述热塑性材料施加所述压实压力和升高所述模具型腔的表面温度同时开始。在一些方面，升高所述模具型腔的表面温度可以在向所述热塑性材料施加所述压实压力之前开始。在一些方面，所述菲涅耳表面可以被配置为形成菲涅耳微结构。在一些方面，所述菲涅耳微结构具有在大约10μm至500μm的范围内的台阶高度和在大约5mm至250μm的范围内的台阶宽度。

在一些方面，所述处理器可以被配置为：将所述加热温度维持一段时间，并且所述注射器可以被配置为将所述压实压力维持一段时间。在一些方面，所述模具可以包括具有至少一个凸表面的凸嵌件和具有至少一个凹表面的凹嵌件，其中，所述菲涅耳表面可以被形成在所述至少一个凸表面上。

根据本披露，“光学制品”被定义为透明或半透明的物体，在所述光学制品的一侧的人可以透过所述光学制品在视觉上感知相反侧的物体。光学制品的示例包括太阳镜、时尚镜片、非处方和处方镜片或补片、运动眼罩和护目镜。

任何所披露的组合物和/或方法的任何实施例可以由任何所描述的要素和/或特征和/或步骤组成或基本上由其组成-而不是包含/包括/含有/具有任何所描述的要素和/或特征和/或步骤。因此，在任何权利要求中，术语“由…组成”或“基本上由…组成”可以代替以上所述的任何开放式连系动词，以便从否则使用开放式连系动词将是的范围改变给定权利要求的范围。

术语“实质上”及其变型被定义为在很大程度上但不一定完全是如本领域普通技术人员所理解的指定的内容，并且在一个非限制性实施例中实质上是指在10％以内、在5％以内、在1％以内、或在0.5％以内的范围。

术语“约”或“近似”或“基本上不变”定义为接近于本领域普通技术人员所理解的，并且在一个非限制性实施例中，这些术语被定义为在10％以内、优选在5％以内、更优选在1％以内、并且最优选在0.5％以内。

当与权利要求和/或说明书中的术语“包含”结合使用时，使用词语“一(a或an)”可以是指“一个”，但也符合“一个或多个”、“至少一个”以及“一个或多于一个”的含义。

如本说明书和一个或多个权利要求中所用，词语“包含(comprising)”(以及包含的任何形式，如“包含(comprise)”和“包含(comprises)”)、“具有(having)”(以及具有的任何形式，如“具有(have)”和“具有(has)”)、“包括(including)”(以及包括的任何形式，如“包括(includes)”和“包括(include)”)或“含有(containing)”(以及含有的任何形式，如“含有(contains)”和“含有(contain)”)是包含性的或开放式的并且不排除额外的、未被描述的要素或方法步骤。

本发明的其他目的、特征和优点将从下面的详细描述中变得清楚。然而，应当理解，详细描述和示例，虽然指明本发明的具体实施例，但仍仅通过说明的方式给出。另外，预期本发明的精神和范围内的变化和修改对于本领域技术人员而言将从此详细描述中变得清楚。

附图说明

以下附图以示例并且非限制性的方式图示。为了简洁和清楚起见，给定结构的每个特征不总是在那个结构出现的每一个图中都标注。相同的附图标记不一定指示相同的结构。相反，可像不相同附图标记那样，相同的附图标记可以用于指示相似特征或具有相似功能的特征。附图是按比例绘制的(除非另外说明)，这意味着至少在附图中描绘的实施例中，所描绘元件的大小相对于彼此是准确的。

图1描绘了具有菲涅耳微结构的光学制品。

图2描绘了打开的注射成型机器。

图3描绘了闭合的注射成型机器。

图4描绘了示出在使用加热/冷却循环用于制造光学制品的成型技术的连续步骤期间，模具的温度如何根据时间变化的曲线图。

图5至图7描绘了用于制造光学制品的方法。

具体实施方式

参考附图中所示并在下面的描述中详述的非限制性实施例，更全面地解释了各个特征和有利的细节。然而，应当理解，详细描述和具体示例，虽然指明实施例，但仍仅通过说明的方式而不是限制的方式给出。根据本披露，各种替代、修改、添加和/或重排对于本领域普通技术人员将是明显的。

在下面的描述中，提供了许多具体细节以提供对所披露的实施例的透彻理解。然而，相关领域的普通技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者用其他方法、组分、材料等实施本发明。在其他情况下，并未示出或详细描述众所周知的结构、材料或操作，以避免模糊本发明的各方面。

现在参考图1，示出了光学制品100。光学制品100具有直径101、中心厚度102、半径103、和菲涅耳微结构105。菲涅耳微结构105可以具有限定的台阶高度和宽度，并且可以形成在光学制品的长度104上，所述长度可以比直径101更小。例如，直径101可以在大约50mm至大约130mm的范围内、优选地在大约80mm至100mm的范围内；长度104可以在大约50mm至大约120mm的范围内、优选地在大约70mm至90mm的范围内；中心厚度102例如可以在大约0.25mm至1.5mm的范围内、优选地在大约0.5mm至大约1.0mm的范围内；并且，半径103例如可以在大约40mm至1060mm的范围内、优选地在大约60mm至大约530mm的范围内。菲涅耳微结构105的台阶高度可以在大约25μm至大约250μm的范围内、并且台阶宽度可以在大约5mm至大约500μm的范围内。

现在参考图2和图3，示出了模具200，所述模具包括两个半块208、209，这些半块可以相对于彼此移动，例如，沿轴线211在打开构型(如图2所示)与闭合构型(如图3所示)之间平移，打开构型允许直接进入模具型腔210，在闭合构型中，半块208、209经由接合面212、213接触以便形成模具型腔210。半块209可以包括用于将热塑性塑料注射到型腔210中的注射器207。

如图2和图3所示，每个半块208、209设置有其自己的热传递装置。在一方面，半块208、209的热传递装置可以是与半块208、209处于热连通的热源205，206。热源205、206可以是例如用于使热传送流体流通的内部回路、电阻元件、用于使气体流通的内部回路、常规装置等。热源205、206能够加热或冷却其各自的半块。

热源205可以独立于热源206。热源205和206的独立性使得可以实现对半块208、209、模具型腔210、和模具200的温度梯度的更精细调节。

半块208包括可拆卸嵌件203，并且半块209包括可拆卸嵌件201。可拆卸嵌件203可以是凸嵌件，所述凸嵌件具有形成在可拆卸嵌件203的表面214上的菲涅耳表面204。可拆卸嵌件201可以是凹嵌件并且包括表面202。

现在参考图4，示出了在使用加热/冷却循环用于制造光学制品的成型技术的连续步骤期间，模具200的温度如何根据时间变化的曲线图400。曲线图400图示了在示例加热/冷却循环404和405的不同模具温度控制阶段403处除了注射成型机器动作402之外的时间413(水平轴线)与模具型腔表面温度401(竖直轴线)之间的关系。以这种方式，曲线图400包括加热流体设定点温度407；冷却流体设定点温度411；标准模具温度412；以及示例热塑性材料的应力松弛温度408、软化温度409、以及冷却温度410。另外，曲线图400包括模具温度控制阶段403，所述阶段指示何时模具的温度被加热421、保持422以及冷却423。加热/冷却循环404和405可以包括以下注射成型机器动作：开模414、脱模415、合模416、注射417、补缩418、保压419、以及冷却420，如曲线图400所示。模具型腔在整个加热/冷却循环404和405中的表面温度由曲线406表示。

在一方面，模具型腔的表面温度可以被设定为冷却温度t1，所述冷却温度低于热塑性材料的软化温度。例如，热塑性材料的软化温度可以通过使用特定类型的基于挠度的测试来确定。例如，可以使用维卡软化测试(参见，例如，astm出版物d1525-91)。这个测试使用选定的均匀升温速率(典型地为50±5℃/h(速率a)或120±12℃/h(速率b))来确定在1kg载荷下、具有1mm²圆形截面的平头针将穿透热塑性试样至1mm深度的温度。这种穿透发生的温度称为维卡软化温度。维卡软化温度的示例包括：对于乙烯醋酸乙烯酯为72℃、对于聚苯乙烯为97℃、对于高密度聚乙烯为128℃、对于聚丙烯为153℃、以及对于尼龙66为261℃。

例如，冷却温度t1可以在比软化温度低大约5°f至大约150°f的范围内。

返回参考图4，在型腔已经被设定为冷却温度t1之后，可以执行合模416机器动作，然后进行补缩418机器动作。在补缩418机器动作期间，可以将压实压力施加到热塑性材料上。所施加的压实压力例如可以在大约100psi至大约20,000psi的范围内、优选在大约500psi至大约5,000psi的范围内。

随后或同时，可以将模具型腔的表面温度升高到高于冷却温度t1的加热温度t2。加热温度例如可以在大约20°f至大约150°f、优选地在大约30°f至大约100°f的范围内，比冷却温度t1高。

接下来，可以执行保压419机器动作和保压422控制阶段，其中，表面温度和压实压力被维持一定时间。最后，可以执行冷却420机器动作和冷却423控制阶段，其中，将模具的表面温度降低到冷却温度t1。随后，可以执行开模414和脱模415机器动作以生产光学制品。然后可以重复步骤414-420。

现在参考图5，示出了用于制造光学制品的方法500。在步骤501，将型腔的表面温度设定为冷却温度。在步骤502，用热塑性材料注射模具型腔。在步骤503，向热塑性材料施加压实压力。在步骤504，将模具型腔的表面温度升高到加热温度。在步骤505，将模具型腔的温度降低到冷却温度。

现在参考图6，示出了用于制造光学制品的方法600。在步骤601，将模具型腔的表面温度设定为冷却温度。在步骤602，用热塑性材料注射模具型腔。接下来，步骤603和604同时开始，使得将模具型腔的表面温度升高到加热温度以及向热塑性材料施加压实压力同时发生。在步骤605，将模具型腔的温度降低到冷却温度。

现在参考图7，示出了用于制造光学制品的方法700。在步骤701，将型腔的表面温度设定为冷却温度。在步骤702，用热塑性材料注射模具型腔。在步骤703，将模具型腔的表面温度升高到加热温度。在步骤704，向热塑性材料施加压实压力。在步骤705，将模具型腔的温度降低到冷却温度。

示例

示例1：菲涅耳补片的注射成型

使用具有以下特性的texinsun-3006tpu热塑性材料执行用于制造菲涅耳补片的注射成型实验：

使用具有以下特性的凸嵌件：

使用具有以下特性的凹嵌件：

使用具有以下操作参数的高速注射机器arburgallrounder420c：

最大注射速度：20.05英寸/秒

最大注射压力：36,259psi

模具：73mm单型腔注射-模压模具。

在实验期间使用mokon加热/冷却调温器。

使用装备有73mm直径的单型腔射压模具的arburgallrounder420c高速注射成型机器进行成型实验。对于温度控制，仅在形成型腔的嵌件上而不是在整个模具实现加热/冷却切换，以加快循环。使用能够通过冷水在500°f的最高温度与77°f的最低温度之间进行改变的mokon双区加热/冷却调温器来在加热/冷却切换期间调节嵌件的温度。使用了附加的水热单区调温器来将模具维持在恒定温度。

通过高速注射成型设置，使用菲涅耳凸嵌件和光滑凹嵌件进行73mm直径、球面-4d菲涅耳补片的注射成型实验。经过几次工艺调整迭代之后，实现了中心厚度为0.5-0.6mm的菲涅耳补片。以下是产生最佳结果的工艺参数：

注射速度：3级2.50/2.50/2.50英寸/秒

注射压力：3级25,000/24,000/24,000psi

注射量：1.76

挤出机延迟：50

背压：500psi

料筒(或熔体)温度：4区435°f-435°f-435°f-435°f

模具温度：100°f(使用水热调温器)

压实压力：1,000psi

压实时间：10秒

保持/冷却时间：350秒

用于嵌件的mokon调温器加热/冷却温度设置：加热到150°f，并且冷却到105°f。使用以下加热/冷却切换顺序：当剩300秒的冷却时间时，将mokon从加热切换为冷却，然后在循环中剩余40秒的情况下切换回加热。

然而，所得的菲涅耳补片在0.5mm的厚度下不具有足够的刚性来保持预期的形状。因此，将厚度增加到1.0mm，这使得菲涅耳补片具有足够的柔性以符合镜片的背面以及具有足够的完整性以维持其形状。

通过将注射成型的tpu补片的显微截面图片与菲涅耳嵌件的硅树脂(dowcorningsylgard184)复制件进行比较来检查显微结构复制质量。发现tpu补片的截面图片几乎与硅树脂复制件的截面图片相同。tpu补片与菲涅耳嵌件上的微结构的进一步比较也显示出非常好的一致性。因此，发现使用模具温度加热/冷却循环工艺的高速注射压缩成型的确能够生产具有良好微结构复制质量的tpu菲涅耳补片。

为了验证模具(或在这种情况下的嵌件)温度加热/冷却循环对微结构复制质量的影响，除了没有加热/冷却循环之外，使用上面列出的相同工艺参数进行进一步的注射成型实验。模具和嵌件的温度恒定维持在大约80°f-85°f。将所得的tpu菲涅耳补片的显微截面图片与通过加热/冷却循环制造的补片的显微截面图片进行比较。结果表明，需要加热/冷却循环以获得嵌件上菲涅耳结构的清晰复制。没有加热/冷却循环情况下，所复制的结构变修圆并且变钝。

除了显微截面图片比较之外，通过检查最终产品来主观地判断具有菲涅耳微结构的光学制品的质量。生产了一副展示太阳镜，所述太阳镜具有1.0mm中心厚度、粘附到每个镜片背面的-4d的球面菲涅耳补片，并将所述太阳镜提供给用户。由于太阳镜的清晰度比通过热压生产的具有菲涅耳微结构的对比太阳镜要好得多，因此收到了积极的反馈。

为了进一步证明所述工艺的能力，使用与上面列出的与用于制造-4d球面菲涅耳补片相同的工艺参数来进行73mm直径、-8d柱面、-1d非球面菲涅耳补片的注射成型评估。所得-8d/-1d菲涅耳补片的显微截面图片显示出与菲涅耳嵌件的硅树脂复制件几乎相同的特征，表明显微结构的复制非常好。

一个或多个处理器可以用于执行由本文披露的示例有形计算机可读介质驱动的操作。替代地，一个或多个处理器可以在硬件控制下或在硬件和软件控制的组合下执行那些操作。例如，处理器可以是被专门配置为实施一个或多个那些操作的处理器，比如专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列(fpga)。一个或多个处理器的使用允许处理信息(例如，数据)，这在没有一个或多个处理器的帮助下是不可能的，或者至少不是以一个或多个处理器可达到的速度。这种操作的执行的一些实施例可以在一定的时间量内实现，比如比不使用计算机系统、一个处理器或多个处理器来执行这些操作所需的时间短的时间量，包括不超过一小时、不超过30分钟、不超过15分钟、不超过10分钟、不超过一分钟、不超过一秒、以及不超过一秒与一小时之间的每个时间间隔(以秒为单位)。

本有形计算机可读介质的一些实施例可以是例如cd-rom、dvd-rom、闪存驱动器、硬盘驱动器或任何其他物理存储设备。本方法的一些实施例可以包括使用计算机可读代码来记录有形计算机可读介质，当被计算机执行时，该计算机可读代码使计算机执行本文所讨论的任何操作，包括与本有形计算机可读介质相关联的那些操作。记录有形计算机可读介质可以包括例如将数据刻录到cd-rom或dvd-rom上，或者以其他方式用数据填充物理存储设备。

示例部分中的实施例被理解为本发明的适用于本发明所有方面的实施例，包括组成和方法。

上述说明书和示例提供了说明性实施例的结构和用途的完整说明。虽然以上已经以某一程度的特殊性或者参考一个或多个单独的实施例描述了某些实施例，但是本领域的技术人员能够在不脱离本发明的范围的情况下对所披露的实施例作出许多改变。这样，所述方法和系统的不同说明性实施例不旨在局限于所披露的具体形式。而是，本发明包括落入权利要求的范围内的所有修改和替代方案，并且除了所示的之外的实施例可以包括所描绘的实施例的一些或全部特征。例如，元件可以省略或组合为一体结构和/或连接可以被代替。进一步地，在适当情况下，以上描述的任何示例的方面可以与所描述的任何其他示例的方面组合以形成具有相当的或不同的特性和/或功能并且解决相同或不同问题的另外示例。类似地，将理解的是，以上描述的益处和优点可以涉及一个实施例或者可以涉及若干实施例。

权利要求不应被解释为包括装置加功能的或步骤加功能的限定，除非这样的限定在给定权利要求中分别使用短语“用于…的装置”或“用于…的步骤”明确地被叙述。