用於注射成型或模壓/壓制的工具和方法與流程

2023-06-20 21:44:51

本發明涉及一種包括加熱設備的工具，例如注射成型工具或模壓/壓制工具。加熱通過層的堆疊實現，該層的堆疊加熱活性工具表面，並且包括線圈載體層、導電頂部層、背襯層、導電中間層和熱阻層，線圈載體層包括用於產生振蕩磁場的至少一個纏繞線圈，導電頂部層鄰近活性工具表面，當從頂部層觀察時背襯層定位在線圈載體層下方，背襯層電連接到頂部層並具有比頂部層低的電阻率，導電中間層位於線圈載體層和頂部層之間，其中中間層具有比頂部層低的電阻率，熱阻層在中間層和頂部層之間。

背景

這種設備在WO-2013/002703-A1中提出，其中該設備可以例如用於模壓具有精細表面圖案的光學設備。這種工具的一個問題是如何以高效的方式來生產工具。

概述

因此，本公開的一個目的是獲得一種工具，該工具可以以更高效的方式被生產。該目的以如權利要求1所界定的工具實現。更具體地，在最初提到的類型的工具中，熱阻層是陶瓷材料熱噴塗層，從活性工具表面看時，該陶瓷材料熱噴塗層結合到熱阻層下方的層。這產生中間層的至少上部部分和熱阻層，與該熱阻層一起，中間層作為單個單元被塗覆。

為了生產具有模壓的表面圖案的平坦產品，中間層的頂表面可以是平坦的，並且頂部上的熱阻層可以被機加工成平坦形狀。這提供了補償例如中間層的製造公差的機會。

可選地，熱阻層可以被機加工成偏離平坦的平面形狀的三維形狀。這還允許生產非平面的最終產品。

可選地，可以將中間層的頂表面機加工成偏離平坦形狀的三維形狀，並且在該中間層的頂表面上施加具有均勻厚度的熱阻層。

這允許在保持均勻厚的熱阻層的同時壓制三維(非平面)產品。

陶瓷材料熱噴塗層可以包括氧化釔穩定的氧化鋯YSZ，其已經被發現適用於熱噴塗和隨後的機械加工。

還已經考慮了用於在兩個工具半部之間模壓/壓制坯件的方法，其中該方法包括使用線圈載體層中的至少一個纏繞線圈在所述工具半部中的至少一個中產生振蕩磁場，使得熱量在鄰近面向坯件的活性工具表面的導電頂部層中經由在頂部層和線圈載體層之間的導電中間層產生。熱阻層位於中間層和頂部層之間，並且工具半部被壓在一起，其中該方法包括將坯件彎曲成以三維延伸的形式，該形式被機加工到熱阻層中。

這允許通過壓制產生三維的，即非平面的產品。

附圖簡述

圖1示意性地示出了用於模壓/壓制坯件的工具。

圖2示意性地示出了用於注射成型的工具。

圖3示意性地示出了設計成提供工具表面的高效加熱的層的堆疊。

圖4示意性地示出了圖3的層中的電流的感應。

圖5示出了將熱阻層熱噴塗到層的堆疊上的過程。

圖6示出了如圖5中製造的正被機加工成平面形狀的層。

圖7示出了實現三維形狀的第一實例。

圖8示出了實現三維形狀的第二實例。

圖9A-9C示出了用於將頂部層施加到三維熱阻層的一種方法。

圖10示出了噴塗在具有三維表面的活性中間層上的熱阻層。

詳細描述

本公開涉及用於在成形樹脂或塑料材料時使用的設備和方法。以下描述將主要描述用於模壓塑料坯件的系統，但是，如技術人員意識到的，該系統可以同樣適用於注射成型和其它工藝，例如吹製成形。WO-2013/002703-A1描述了一種用於模壓/壓制坯件或用於注射成型的設備。如圖1中所示，這種設備可以具有兩個工具半部3，5。每一個或其中的一個可以設置有加熱設備7。在模壓中，通過在工具中施加熱和壓力，即，在半部的面向坯件1的活性表面上加熱半部的同時，將半部彼此壓靠，坯料1(固體塑料件)在一定程度上再成形。通常，在一個或兩個表面上施加表面圖案。

可以使用該技術的一個示例是當生產用於背光平板LCD電視屏幕的導光體(lightguide)時。在該情況下透明的矩形塑料片材在其一個平坦表面上設置有細小的表面圖案。當該片材的邊緣被照亮時，該表面圖案使入射的光均勻地在表面上離開導光體。這種圖案可以通過壓模/頂部層來實現，該壓模/頂部層是工具半部的在活性表面處面向坯件的層。也可以想到用模壓製造的其它產品，例如，菲涅爾透鏡。除了提供表面圖案(模壓)外或作為提供表面圖案(模壓)的替代方案，例如，彎曲坯件(壓制)是可能的。使用主動加熱和冷卻提供了相對短的周期時間，這意味著與不使用主動加熱和可選的冷卻相比，該設備具有更高的輸出。該設備的使用決不限於生產光學部件。

所公開的加熱和冷卻功能也可以與注射成型一起來使用。在該情況下，如圖2中示意性示出的，將熔融樹脂9注入形成在兩個工具半部15、17之間的腔11中。工具半部的加熱和冷卻可以允許形成較薄的結構，並且可以縮短生產周期以提高產量。

作為參考，圖3示意性地且以橫截面示出了如在WO-2013/002703-A1中描述的層的堆疊。該堆疊被設計成提供活性工具表面31的高效加熱。活性工具表面是指與待再成形的塑料或樹脂接觸的表面。層的堆疊具有感應線圈19，感應線圈19可以用於提供工具加熱。該堆疊具有線圈載體層21，電活性中間層23，頂部層25，背襯層27和熱阻層29。

本公開很大程度上涉及採用這種熱阻層29的改進方式。

線圈載體層21包括纏繞線圈19並且由具有高的相對磁導率(例如室溫下300)以及具有非常高的電阻率(例如，2.5*10-3Ωm)的材料製成。因此，它是易於傳導磁場但是很大程度上不傳送電流的材料。這意味著線圈載體層21將把由線圈19在其中產生的磁場傳送和成形到其它層，同時不在線圈載體層21本身中感應出任何實質的渦流。線圈19放置在線圈載體中的開口凹槽中，並且在線圈載體的表面上提供場的均勻分布。PERMEDYN MF1(商標)被認為是用於線圈載體層的一種合適的材料並且包含通過電絕緣樹脂一起烘烤的鐵磁材料的顆粒。一般來說，線圈載體厚度通常可以在10-30mm的範圍內。

電活性中間層23包括具有非常低的電阻率(通常為1-3*10-8Ωm或更小)的金屬，例如銅或鋁。該層被表示為活性的，因為線圈在其中感應出傳送到頂部層的電流。然而，由於電阻率如此低，因此這些電流不會在活性中間層中產生任何較大程度的熱。層的厚度通常可以是10-30mm，相對磁導率可以接近1(非鐵磁性)，並且熱導率通常可以是100-400W/m/K。

頂部層25可以包括具有比活性中間層23更高的電阻率的金屬。由於電阻率較高，這是熱將因渦流而產生的層，該渦流通過線圈19和經由活性中間層23感應。

頂部層部分可以是非鐵磁性的，並且電阻率通常可以在1*10-7-1*10-6Ωm的範圍內。因此，頂部部分是導電的，但是比中間層的導電性小得多。鎳，一種合適的頂部層選擇，是鐵磁性的。因此，面向線圈的鎳的子層的表面(而不是活性表面)將被加熱，這是該層優選地較薄的一個原因。另一個原因是電鍍厚材料是耗時的。

當從活性表面31看，背襯層27(例如2-15mm厚)設置在線圈載體層21的另一側上，背襯層27面向待處理的樹脂或坯件，並且背襯層27可以由與活性中間層23類似的材料製成。背襯層27通過如圖3中示意性示出的連接部33電連接到頂部層25。

熱阻層29放置在活性中間層23和頂部層25之間。熱阻層29用於在一定程度上阻擋熱從頂部層25傳遞到活性中間層23，使得頂部層25可以達到更高的峰值溫度。沒有該層，在周期期間頂部層中將達到較低的峰值溫度，因為在該種情況下更多的熱量從頂部層25連續移除並傳送到活性中間層23。

熱阻層的厚度在高頂部溫度(厚)和短周期時間(薄)之間的折衷來選擇。該層可以是電絕緣的，並且熱導率通常可以為約1W/m/K。相對磁導率可以接近1(非鐵磁)。

熱阻層還使得使用諸如鎳的鐵磁頂部層較少地出問題。由於鐵磁材料中的趨膚效應，頂部層的面向線圈的一側將主要被加熱。然而，由於熱阻層，該熱能將被傳送到活性表面，而不是被傳送到活性中間層。

圖4示意性地示出了圖3的層中的電流的感應，圖3的堆疊處於分解透視圖。在圖示的實例中，頂部層25是具有930mm的長邊35和520mm的短邊37的矩形。其它層具有相應的樣式。線圈載體層21纏繞有線圈19，線圈19具有與矩形的短邊37平行的方向上的繞組，即繞組匝位於長邊上。

當高頻AC脈衝施加到線圈19時，響應於線圈19中的電流，將在活性中間層23的下表面中感應出電流39。在一個示例中，每個工具半部可以具有七個線圈，每個線圈具有22個同步饋送的繞組匝，每個線圈在模壓期間具有25kW/25kHz/10秒脈衝。因此在活性中間層中產生的電流將在活性中間層23的表面處形成閉合電流迴路，其在活性中間層23的下表面處與相鄰線圈電流反向平行地行進，並且在上(當從頂部層25觀看時)表面處與該相鄰線圈電流平行行進。

這些電流在活性中間層的長邊緣處互連，並且由於趨膚效應，電流主要存在於活性中間層表面附近。活性中間層23的頂表面中的AC電流將繼而在頂部層25中感應出電流40。由於頂部層25具有較高的電阻率，所以該層將產生相當大量的熱量。頂部層用連接部33連續地或者以一些間隔在其長邊處電連接背襯層27，以允許該電流在整個頂部層表面上流動。

在線圈載體的背側處的線圈將在背襯層27中感應出類似於活性中間層中的電流。該電流將具有與電流40相同的方向，並且將與電流40疊加。由於其低電阻率，在背襯層27中將產生非常少量的熱量。

活性中間層23可以設置有冷卻管道(未示出)以允許模具或工具的冷卻。該管道可以輸送諸如水或油的冷卻介質。流動可以是連續的，或者可以是脈衝式的，以便在生產周期的僅一個階段期間提供冷卻。

陶瓷材料作為熱阻層的應用

在本公開中，改善了熱阻層。在WO-2013/002703-A1中，使用固體玻璃層，並且另一選擇是施加薄的塑料層，例如具有低的低導熱係數的聚醯亞胺膜，這將允許使用薄層。在本公開中，使用不同的方法。

熱阻層被設置為陶瓷層，該陶瓷層作為塗層用熱噴塗來施加。一種合適的材料選擇是氧化釔穩定的氧化鋯(yttria-stabilized zirconia)，YSZ，例如METCO 204-TBC(商標)。然後可以將該層機加工成所需的形狀。由於這種方法，熱阻層將結合到下方的(當從頂部層觀看時)層，即通常結合到活性中間層。這產生了中間層的至少上部部分和熱阻層，與該熱阻層一起，中間層作為單個單元一起被塗覆頂部層。該單個單元可以在壓力機中更高效地更換，以便從生產一種類型的產品轉換到另一種類型。

圖5示出了將熱阻層熱噴塗到層的堆疊上的過程。通過加熱設備53將塗層材料51加熱至熔化，並且熔化的顆粒55被加速，從而以熔化的形式與它們預期覆蓋的基底(在該情況下是活性中間層23)碰撞。這意味著，與先前的熱電阻層相比，該層變成結合到基底層。熱噴塗本身對本領域技術人員而言是公知的，並且將不更詳細地描述。存在使用不同的方式來熔化和加速朝向基底的熔融材料的滴的不同的技術。

不用說，噴塗層將是不平坦的，但是已經表明，這種層可以通過如圖6中示意性示出的常規加工技術被機加工成平面形狀。

如圖7中的橫截面所示，可以實現三維形狀，即非平面形狀。因此，該裝置不是僅僅用於模壓表面圖案，而是可以用於將坯件彎曲成期望的形狀，或者用於注射成型非平面結構。這是使用噴塗的陶瓷材料的另一個優點。例如，並且如示意性地示出的，可以實現具有圓角的矩形的、淺碗形狀，其可以產生例如用於電子設備的殼體的一部分。然而，如圖8中所示，可以產生任意形狀，只要其適合於壓制/模壓或注射成型。非平面形狀也可以應用於增強塑料材料或層壓塑料材料的坯件。

圖9A-9C示出了用於將頂部層施加到三維熱阻層的一種方法。在該圖示的實例中，頂部層25'被施加在如圖7中所示的熱層上。頂部層坯件57被加工成圖9A中所示的形式，其鏡像熱阻層29'的形狀，並且該頂部坯件57隨後例如通過導熱膠結合到該層，如圖9B中所示。然後，在外側上加工所施加的頂部層坯件，以形成最終的頂部層25'。作為可選方案，頂部層可以通過熱噴塗施加到機加工的熱阻層。不同的鋼合金允許這種應用。

圖10示出了噴塗在具有機加工的三維表面形狀的活性中間層23上的熱阻層29。這是當通過熱噴塗施加熱阻層時變得可用的另一選擇。參考圖10，兩個工具半部可以以類似的方式設計，並且這也適用於結合圖6-9C所描述的變型。如所示，熱阻層可以被機加工成均勻的厚度，使得其遵循下方的活性中間層的形狀。這可能是有利的，因為這樣可以實現更均勻的頂部層峰值溫度，並且與如果熱阻層厚度在活性表面上變化相比，活性表面將更均勻地冷卻。

熱噴塗的另一個優點是它可以可選地補償其所應用的不完全平坦的基部。例如，如果活性中間層包括獨立的部分，具有不同節段之間的結合部，則噴塗層可補償例如在結合部處的間隙。

熱阻層的厚度可以是例如在0.5-5mm的範圍內，取決於其導熱性能和其被使用的應用。

所使用的材料的典型示例可以是：

本公開不限於上述實施方案。在所附權利要求的範圍內，本公開可以以不同的方式來改變和變化。