精确成形的制品的超声辅助的模制以及方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于制备精确成形的制品的超声辅助的注模系统和方法。设置有超声能量源以将振动能施加至模具腔体，所述模具腔体连接至与熔化的（共）聚合物的源流体连通的至少一个门。将模具加热至104-116℃的温度，并将熔化的（共）聚合物注射至模具腔体中。在冷却模具直至门内的熔化的（共）聚合物已固化之后，将超声能量施加至模具而不使门内的已固化的（共）聚合物再熔化，直至温度增加至116-122℃，由此显著减小流致应力。然后冷却模具直至温度减小至101-107℃，之后加热模具直至温度增加至116-122℃，由此显著减小任何热致应力。冷却模具直至熔化的（共）聚合物已固化，由此形成精确模制的塑料光学元件。
【专利说明】精确成形的制品的超声辅助的模制以及方法
[0001]相关专利申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年3月15日提交的美国临时专利申请N0.61/452,925的权益，该专利申请的公开内容以全文引用的方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本公开涉及超声辅助的模制方法和相关的精确成形的模制品，更特别地涉及用于制备精确成形的光学元件的超声辅助的注模方法。
【背景技术】
[0004]模制品是众所周知的并且得到广泛的应用。模制并随后加工和处理具有在其中或其上形成的精密结构的模制品可为挑战性的。注模小的精密制品通常通过如下方式完成:将熔化的(共)聚合物注射至模具腔体中，在熔化的(共)聚合物在模具腔体中的同时将另外的热量施加至熔化的(共)聚合物足够的时间，以使熔化的(共)聚合物流入模具腔体内的小裂缝中，随后冷却模具以使熔化的(共)聚合物在模具腔体内固化，由此形成注模制品。
【发明内容】
[0005]在一方面，本公开描述了一种模制方法，其包括如下步骤:
[0006]提供注射模具，所述注射模具具有第一模具构件和至少一个可移动模具构件，所述至少一个可移动模具构件能够朝向和远离所述第一模具构件移动以关闭所述模具，其中模具腔体在所述第一或可移动模具构件中的至少一者中形成，所述腔体中具有至少一个门，另外其中设置有超声能量源以将超声能量施加至所述腔体；
[0007]关闭所述模具，由此将至少一个门流体连接至熔化的(共)聚合物源；
[0008]将模具加热至104°C至116°C的模具温度，所述模具温度邻近腔体测得；
[0009]之后通过关闭的模具的所述至少一个门将所述熔化的(共)聚合物注射至腔体中，以用所述熔化的(共)聚合物基本上装填腔体和门；
[0010]使所述关闭的模具冷却，直至门内的所述熔化的(共)聚合物已固化；将来自所述超声能量源的超声能量施加至所述关闭的模具的腔体中的熔化的(共)聚合物，而不使门内的已固化的(共)聚合物再熔化，直至模具温度已增加至约116°C至122°C之间，由此显著减小在所述熔化的(共)聚合物中的任何流致应力；
[0011]之后冷却所述关闭的模具，直至模具温度已减小至约101°C至107°C ;之后加热所述关闭的模具，直至模具温度已增加至约116°C至122°C之间，由此显著减小在所述熔化的(共)聚合物中的任何热致应力；和
[0012]之后使所述模具冷却，直至所述熔化的(共)聚合物已在模具内固化，由此形成注丰吴制品。
[0013]在一些示例性实施例中，将模具加热至104°C至116°C的模具温度在关闭模具之后发生。在前述示例性模制方法中的任意个中，将来自所述超声能量源的超声能量施加至关闭的模具的腔体中的熔化的(共)聚合物直至模具温度已增加至116°C至122°C之间仅在使关闭的模具冷却直至门内的熔化的(共)聚合物已固化之后开始。在一些示例性实施例中，将所述熔化的(共)聚合物注射至腔体内还包括将来自所述超声能量源的超声能量施加至腔体内的熔化的(共)聚合物。在某些示例性实施例中，使关闭的模具冷却直至门内的(共)聚合物已固化包括停止将超声能量施加至腔体。
[0014]在前述模制方法的另外的示例性实施例中，通过关闭的模具的至少一个门将熔化的(共)聚合物注射至腔体中耗费约0.5至约0.6秒。在一些示例性实施例中，使关闭的模具冷却直至门内的(共)聚合物已固化在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约2秒开始，并在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约61秒结束。
[0015]在另外的示例性实施例中，将来自所述超声能量源的超声能量施加至腔体内的熔化的(共)聚合物在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约61秒开始，并在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约80秒结束。在另外的示例性实施例中，使关闭的模具冷却直至模具温度已降低至约101°C至107°C在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约62秒开始，并在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约237秒结束。
[0016]在某些示例性实施例中，加热关闭的模具直至模具温度已增加至约116°C至122°C之间在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约70秒至115秒开始，并在加热开始之后约70秒至110秒结束。在一些示例性实施例中，从关闭模具直至(共)聚合物在模具内已固化所逝去的总时间为至少约145秒，并小于约240秒。
[0017]在前述方面和实施例的一些特别的示例性实施例中，所述模制方法还包括通过脱模装置从模具腔体中移出注模制品。在一些示例性实施例中，所述脱模装置选自如下的一种或多种:脱模销、升降器、脱模板或它们的组合。
[0018]在前述模制方法的另外的示例性实施例中，注射至腔体中的熔化的(共)聚合物的量大于装填模具腔体所需的量，过量的(共)聚合物通过出口流出腔体。在某些示例性实施例中，将熔化的(共)聚合物注射至模具腔体包括从歧管注射熔化的(共)聚合物。在一些示例性实施例中，入口门在模具腔体的一侧的中心处。在其他示例性实施例中，从邻接所述第一模具构件的模具腔体的第一侧将熔化的(共)聚合物注射至模具腔体中，并从邻接所述可移动模具构件的模具腔体的第二侧施加超声能量。
[0019]在前述模制方法的另外的示例性实施例中，加热模具腔体使用如下方式进行:电阻加热、电磁感应加热、电介质加热、热电加热、通过施加超声能量加热、或它们的组合。在一些特定的示例性实施例中，加热模具腔体使用电阻加热进行，且另外其中至少一个电阻加热器靠近模具腔体设置，从而能够以如下速率加热模具腔体内的(共)聚合物:所述速率足以使模具腔体内的熔化的(共)聚合物的温度以至少约13°C /分钟的速率增加。
[0020]在前述模制方法中的任意个的某些示例性实施例中，所述模具包含选自如下的材料:钢、不锈钢、铜、铍、招、其合金、或它们的组合。在一些示例性实施例中，超声能量源包括超声换能器，所述超声换能器任选地包括共振焊头、放大器、导波器或它们的组合中的至少一者。
[0021]在另一方面，本公开描述了一种根据前述模制方法中的任意者制得的模制品。在一些示例性实施例中，所述模制品为选自如下的注模光学元件:透镜、棱镜、反射镜、光管、衍射光栅或它们的组合。在某些示例性实施例中，所述模制品显示出选自如下的至少一个有利特性:基本上不存在双折射、基本上不存在残余应力、基本上不存在缩痕、基本上不存在接合痕迹、基本上不存在焊接线、基本上不存在空隙、或它们的组合。在一些特定的示例性实施例中，所述(共)聚合物包括(甲基)丙烯酸类(共)聚合物。
[0022]已汇总了本发明的示例性实施例的各个方面和优点。以上概述并非旨在描述本发明的每个图示实施例或每项【具体实施方式】。随后的附图和【具体实施方式】将更具体地举例说明使用本文所公开的原理的某些优选实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为根据本公开的某些实施例的示例性精确成形的制品的透视图。
[0024]图2为根据本公开的某些实施例的示例性注模系统的示意性侧视图。
[0025]图3为可用于实施本公开的某些实施例的显示为关闭位置的示例性的超声辅助的注模系统的示意性侧视图，所述超声辅助的注模系统包括第一模具构件和至少一个可移动模具构件。
[0026]图4为沿着可用于实施本公开的某些实施例的图3中的示例性的超声辅助的注模系统的示例性第一模具构件的视线4的透视图。
[0027]图5A为用于根据本公开的某些实施例的超声辅助的模制过程的示例性过程时间图。
[0028]图5B为在根据本公开的某些实施例的示例性模制过程中使用图5A所示的过程时间顺序获得的模具温度和加热器工作周期的图。
[0029]图6A-6B为根据本公开的示例性超声辅助的注模方法制得的示例性精确成形的光学元件(棱镜)的仰视(图6A)和侧视(图6B)双折射照片。
[0030]图7A-7B为根据本公开的示例性超声辅助的注模方法制得的示例性精确成形的光学元件(棱镜)的仰视(图7A)和侧视(图7B)双折射照片。
[0031]图8A-8B为根据本公开的示例性超声辅助的注模方法制得的示例性精确成形的光学元件(棱镜)的仰视(图8A)和侧视(图SB)双折射照片。
[0032]图9A-9B为根据本公开的示例性超声辅助的注模方法制得的示例性精确成形的光学元件(棱镜)的仰视(图9A)和侧视(图9B)双折射照片。
[0033]图10A-10C为根据常规的非超声辅助的注模方法制得的示例性精确成形的光学元件(分光棱镜)的仰视(图10A)、侧视(图10B)和倾斜侧视(IOC)双折射照片。
[0034]图11A-11C为根据本公开的示例性超声辅助的注模方法制得的示例性精确成形的光学元件(分光棱镜)的仰视(图11A)、侧视(图11B)和倾斜侧视(IlC)双折射照片。
[0035]虽然以上说明的可不按比例绘制的附图示出了本发明的多个实施例，但是还可以想到其它的实施例，如在【具体实施方式】中所述。在所有情况下，本发明通过示例性实施例的表示而非通过表达限制来描述当前公开的发明。应当理解，本领域的技术人员可以设计出许多其他的修改形式和实施例，这些修改形式和实施例也属于本发明的范围和精神内。
【具体实施方式】
[0036]如本说明书和所附实施例中所用，单数形式“一(a、an)”和“该”包括多个指代物，除非内容明确地另外指明。因此，例如，提及的包含“某种化合物”的细旦纤维包括两种或多种化合物的混合物。如本说明书和所附实施例中所用，术语“或”的含义一般来讲包括“和/或”的含义，除非该内容明确地另外指明。
[0037]如本说明书所用，由端点表述的数值范围包括归入该范围内的所有数值(例如I至 5 包括 1、1.5、2、2.75,3,3.8、4 和 5)。
[0038]除非另外指明，否则在所有情况下，本说明书和实施例中所使用的所有表达数量或成分、性质测量等的数值均应理解成由术语“约”所修饰。因此，除非有相反的指示，否则上述说明书和所附实施例列表中所述的数值参数可以根据本领域技术人员利用本发明的教导内容寻求获得的所需性质而有所变化。在最低程度上，每一个数值参数并不旨在限制等同原则在受权利要求书保护的实施例的保护范围上的应用，至少应该根据所报告的数值的有效数位和通过惯常的四舍五入法来解释每一个数值参数。
[0039]对于以下定义术语的术语表，整个申请应以这些定义为准，除非在权利要求书或说明书中的别处提供不同的定义。
[0040]术语表
[0041]术语“(共)聚合物”是指均聚物或共聚物。
[0042]关于单体的术语“(甲基)丙烯酸类”意指作为醇与丙烯酸或甲基丙烯酸(例如丙烯酸或甲基丙烯酸)的反应产物形成的乙烯基官能化的烷基酯。关于(共)聚合物，所述术语意指通过聚合一种或多种(甲基)丙烯酸类单体而形成的(共)聚合物。
[0043]术语“循环时间”是指从注模设备的关闭，同时载体幅材位于第一和可移动模具构件之间，直到引导载体幅材，将模制的制品或者制品从模具腔体区域移开并且为下一次模制循环而定位部分载体幅材的时间。在每次模制循环过程中，循环时间应当足以使模具腔体(包括插件中的任何微腔体)基本上装填熔化的(共)聚合物，并且随后(共)聚合物足以冷却至(共)聚合物软化点以下。
[0044]结合模具，术语“特征”意指模具腔体内的三维腔体、凹槽或凹陷，模具腔体可以至少部分地定义待模制的制品的形状，例如棱镜或者透镜。
[0045]精密光学兀件(例如透镜、反射镜、棱镜、分束器、偏振器、衍射光栅、光管等)在多种工业和消费品中使用。例如，精密光学元件为电子显示设备(例如，液晶显示器和投影仪、电视、计算机显示器、电子阅读器、移动电话、MP3播放器等)中的关键组件。受到希望降低这种设备的重量和制造成本的驱使，制造商近来已转向使用模制塑料材料所形成的光学元件来代替常规用于这种光管理应用中的更重且更昂贵的玻璃光学组件。
[0046]在精确模制的塑料光学元件的制造中的主要挑战之一是需要满足模制精确度和品质的高标准，以实现在高级光管理应用中的所需产品性能要求。塑料光学部件的注模的常见操作通常涉及使用诸如精压、注射压缩、变温响应模制、慢伺服驱动注塑，和/或它们的组合的方法。这种操作可用于模制简单的光学元件，如筛网、衍射光栅和一些简单的透镜或反射镜。
[0047]然而，在过去十年，光学件的复杂性由主要是平坦的或略微弯曲的光学表面演变成具有显著量的空间弯曲以及厚的和薄的壁部分的光学表面，这限制了这种技术的适用性或使用。此外，目前光学部件具有显著更严格的尺寸公差规格，所述更严格的尺寸公差规格甚至排除考虑这些公知技术中的数种。
[0048]本公开描述了可用于制造精确模制的塑料光学组件(例如偏振分束器(PBS))的精确模制方法。尽管在本公开中使用PBS作为示例性的精确模制的塑料光学元件，但应了解本文公开的方法和设备可有利地用于制备其他精密光学元件(例如透镜、反射镜、棱镜、偏振器、衍射光栅、光管等)。
[0049]本文公开的方法使用超声能量来辅助注模具有不均匀壁厚的光学棱镜的过程，所述光学棱镜具有极高透光率、低雾度和最小双折射率。在一些示例性实施例中，通过使用声学调谐的金属焊头在模具中超声振动光学棱镜腔体，有可能减少最终部件中热致应力和剪切致应力的发生，并同时显著减少注模循环时间。在模制过程中超声能量结合局部模具温度热循环的使用能够在商业上显著改进精确模制的塑料光学元件的光学双折射，所述改进也有助于经由循环时间减少而使单位成本降低。
[0050]在一些不例性实施例中，本公开不出了 一种用于超声辅助注模具有不均勻壁厚的偏振分束器(PBS)棱镜的过程的方法，所述偏振分束器棱镜具有极高透光率、低雾度和最小双折射率。通过使用声学调谐的金属焊头在模具中超声振动光学棱镜腔体，有可能减少最终部件中热致应力和剪切致应力的发生，并同时显著减少注模循环时间。
[0051]因此，在本文公开的精确模制方法的示例性实施例中，通过使用施加的超声能量和/或模具部件的EMI加热作为模制循环的部分而协助模具特征的装填。在(共)聚合物熔体已装填模具腔体之后，将模具冷却至低于(共)聚合物玻璃化转变温度的温度以允许模制品从腔体脱模。在本发明过程中的过程参数的组合能够获得比本领域已知的模制循环时间更短的模制循环时间。本文公开的方法和设备能够获得具有良好保真性(即，极小的模具特征的良好复制)的注模微结构化制品(具有尺寸小于5 u m的特征)以及20秒或更少的模制循环时间。
[0052]模具的极小特征的装填也由动态模制温度循环协助，所述动态模制温度循环控制热传递装置的使用以调节模制温度。在动态模制温度循环中，首先将模具加热至待注射的(共)聚合物的软化温度以上的温度(例如，对于聚碳酸酯，149°C以上)。高模制温度有助于使(共)聚合物熔体粘度保持较低，以利于装填模具特征和使粘弹性起皮达到最少。在模制部件形成之后，将模具冷却至软化点以下以协助固化熔化的(共)聚合物。模具温度热循环的方法描述于PCT国际公布N0.W02005/082596和美国专利N0.5，376，317中。
[0053]模具加热和冷却的速率限制了动态模制温度循环的功效。高导热材料(例如，铍铜合金)可以用于提高热转换，但是热转换的速率受限于所使用的热转换介质的特性，例如油。
[0054]现在将具体参照附图描述本发明的各种示例性实施例。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的示例性实施例作出各种修改和更改。因此，应当理解，本发明的实施例并不限于以下所述的示例性实施例，而是受权利要求书及其任何等同物中提出的限制约束。
[0055]精确模制的塑料光学元件
[0056]在一方面，本公开提供了一种根据进一步如下描述的模制方法中的任意者所制得的精确模制品。在一些示例性实施例中，所述精确模制品为选自如下的注模光学元件:透镜、棱镜、反射镜、光管、衍射光栅或它们的组合。
[0057]现在参见附图，图1提供了偏振分束器(PBS)棱镜100的形式的示例性的精确模制的塑料光学元件的总体3D部件几何形状的透视图。棱镜由平坦背部平表面102以及一组曲面(非球面表面104和鞍形表面106)组成，所述曲面协助将由光源(例如发光二极管，图中未显75)发射的光引导通过透镜(图中未显7)。非球面表面104和鞍形表面106在棱镜边缘110处结合。可使用任选的光学平面108作为非球面表面104与平表面102之间的过渡。
[0058]当棱镜用作偏振分束器(例如微投影仪)时对于棱镜100的性能重要的是，需要极度平坦的平表面102 (大约3微米(iim)平整度)，从而满足非球面表面104和鞍形表面106的精确曲率要求，以及维持在模制部件的整个厚度(112)上的极低双折射率。
[0059]遗憾的是，在使用常规注模方法模制塑料光学元件的过程中可引入多种物理缺陷(例如，针织线、空隙和缩痕)和/或光学缺陷(例如，由于当将熔化的(共)聚合物通过模具门或将熔化的(共)聚合物通入模具的顶点或拐角时所产生的热致残余应力和/或剪切致残余应力导致的双折射率)。此外，尽管这种物理和光学缺陷通常在本领域是已知的，但导致这些缺陷的精确因素和控制这些缺陷的方法至今为止是未知的，且这种因素的确定以及用于控制精确模制的塑料光学元件中的物理和光学缺陷的方法在本公开的范围内。
[0060]例如，在光学棱镜上针织线形成的发生主要由在熔化的塑料进入腔体时熔化的塑料的折叠所驱使。极低雷诺数流动(?10_4)从根本上防止快速固化的粘稠树脂在进入冷的腔体时混合，因此针织线形成。空隙和缩痕引发源于快速不均匀收缩和不足以保持冷却过程中塑料的比体积的变化的填充压力。此外，塑料收缩的发生也导致热致应力，所述热致应力转而导致双折射和高的延迟水平。
[0061]通过在熔体注射过程中将超声能量直接施加至模具腔体，有可能减小剪切致应力和热致应力的影响，并同时能够在特性粘度曲线的伪低应力和伪高速度区域中操作。
[0062]对于使物理和/或光学缺陷达到最少重要的另一模制参数是冷却时间。冷却时间在本文定义为在 模具打开和部件脱模之前在模具腔体中快速固化熔化的塑料所花费的时间长度。如同整个部件厚度的总体冷却模型，皮和芯冷却速率的预测模型也预测冷却曲线的类似趋势。这些预测提出，在不存在超声能量下，需要超过420秒的冷却时间以确保最终部件不含任何部件畸变或物理缺陷。由于超声能量有助于减少在从受热圆筒进入冷的模具腔体时相关的热冲击，因此在一些示例性实施例中，有可能降低基本上不含缺陷的精确模制品从模具中脱模之前所需的冷却时间要求。
[0063]因此，在某些示例性实施例中，根据本公开的精确模制品显示出选自如下的至少一个有利特性:基本上不存在双折射、基本上不存在残余应力、基本上不存在缩痕、基本上不存在接合痕迹、基本上不存在焊接线、基本上不存在空隙、或它们的组合。
[0064]精确模制的塑料光学元件的注模系统
[0065]在另一方面，本公开描述了模制系统。图2提供了根据本公开的另一示例性实施例的示例性注模系统200的示意性侧视图。所述注模系统可安装于基座202上。在所示实施例中，系统200包括用于接收待熔化的塑料材料(例如塑料小丸)的料斗204、用于提供系统200动力的马达 208、用于通过注射口 210将塑料材料熔化和进料至其中安装超声焊头(示于图3)的注模设备212的受热圆筒或室206。
[0066]图3提供了可用于实施本公开的某些实施例的显示为关闭位置的示例性的超声辅助的注塑模具212的示意性侧视图，所述超声辅助的注塑模具212包括第一模具构件224和至少一个可移动模具构件228。在所示实施例中，第一模具构件224为静止的(尽管其可为可移动的)，且第二模具构件228可远离第一模具构件224移动以有利于移除精确模制的塑料光学元件(未显示)，或者朝向第一模具构件224移动以在模制操作过程中与模具面226形成密封。在一些示例性实施例中，将模具加热至104°C至116°C的模具温度在关闭模具之后发生。
[0067]在某些示例性实施例中，将熔化的(共)聚合物注射至模具腔体中包括通过注射口210从歧管(图中未显示)注射熔化的(共)聚合物。所述歧管使熔化的(共)聚合物与在模具面226中形成的注入口 222流体连通，并与模具腔体100’(图3中未显示；参见图4)流体连通。在注模操作过程中，注入口 222有利于将熔化的(共)聚合物注射至模具腔体100’中。
[0068]注入口 222与注射口 210之间的流动连通由熔化的(共)聚合物流动通道220提供，当在准备模制操作以及在模制操作过程中第一模具构件224的模具面226倚靠可移动模具构件228密封时，形成所述熔化的(共)聚合物流动通道220。在一些示例性实施例中，通过将可移动模具构件228移动至紧密临近第一模具构件224的表面，并使用注模机所提供的足够的力夹紧模具构件，从而在模具腔体100’的表面密封模具腔体100’。然后，在压力下将熔化的(共)聚合物注射至模具腔体100’中，以使用熔化的(共)聚合物装填模具腔体 100，。
[0069]在图3的所示实施例中，注模设备212的可移动模具构件228包括用于在熔化的(共)聚合物处于模具腔体100’中的同时将辅助能量施加至熔化的(共)聚合物的机构。在所描述的实施例中，所述机构为超声焊头214，其构造为产生超声振动能量。在某些目前优选的示例性实施例中，从邻接可移动模具构件228的模具腔体100’的第一侧面将熔化的(共)聚合物注射至模具腔体100’中，并从邻接第一模具构件224的模具腔体100’的第二侧面使用超声能量源(例如，超声焊头214)施加超声能量。
[0070]在一些示例性实施例中，超声能量源包括超声换能器218和至少一个共振超声焊头214，并具有任选的放大器216、任选的导波器218或它们的组合。超声焊头214优选为实心的，但其可为中空的。用于焊头的构造材料是本领域的范围内的技术，但通常为钛、铝、钢或陶瓷。在目前优选的实施例中，由于所需精确模制的光学元件的表面光洁度要求，焊头材料选择为P-20钢。
[0071]通常通过使用例如50至5，000瓦，更优选100至4，500瓦，甚至更优选150至4，000瓦的范围内的电源(图中未显示)而提供超声能量，从而为超声换能器218和218’提供所需频率和振幅的电能。供应至换能器218-218’的电能被转化为超声振动能量，所述超声振动能量可使用放大器216和216’增强或放大，并经由超声焊头214传输。
[0072]超声能量的频率可在5，000-60，OOOHz、优选10，000-60，OOOHz、更优选20，OOOHz-60, 000Hz、或甚至20，000-40, OOOHz的范围内。对于20，OOOHz的频率，超声焊头214的峰到峰振动振幅通常小于127 u m，并可小于51pm。焊头振幅随焊头形状和激发输入而变化。已发现7.5至15pm范围内的振幅是特别有用的。在目前优选的实施例中，超声焊头214构造为使用1:1增益放大器提供超声能量，在100%振幅下在焊头表面处测得的最大位移为0.7密耳峰到峰。
[0073]超声振动能量被传输至模具腔体100’内的熔化的(共)聚合物。在注模过程中(即，注模机从使用(共)聚合物熔体装填模具腔体100’切换到在模具腔体100’内产生压力期间)，可在速度-压力切换过程中使用超声振动。赋予熔化的(共)聚合物的超声能量使材料进一步在模具腔体100’内流动。
[0074]在图3所示的一个示例性的目前优选的实施例中，超声焊头214显示为与第一模具构件224相邻设置。对应于精确模制品(例如偏振分束器，图3中未显示)的几何形状的模具腔体(参见图4中的100’ )在第一模具构件224的模具面226中形成，使得超声焊头214可将超声能量直接施加至第一模具构件224的模具腔体100’。由于超声焊头214在操作过程中经历高的力载荷，并为了在第二模具构件228关闭时使挠曲达到最小，焊头优选由两个刚性安装的放大器216和216’支撑，其中每个放大器连接至超声能量换能器218和218’，如图3所示。每个超声能量换能器218和218’连接至超声能量源(图中未显示)。
[0075]超声焊头214的十字焊头构造在图3中示出。选择十字焊头以在腔体中支撑焊头214，并仍然具有使由超声焊头214和相应的放大器216和216’以及超声能量换能器218和218’所形成的每个焊头层叠件独立地共振的方式，并同时使超声能量换能器218和218’在第一模具构件224外部保持它们各自的竖直和水平取向。使用具有螺栓(未显示)的模具安装孔233以将第一模具构件224固定至超声焊头214。
[0076]图3也显示了超声焊头214相对于放大器216和216’以及超声能量换能器218和218’进行构造，使得从超声能量换能器218和218’发出的各自的超声能量波217和217’的轴向波腹在靠近超声焊头214的轴向中心的波的交叉点处产生振动波结，并在超声焊头214与放大器216和216’以及模具面226中的每一个的接合点处产生振动波腹。
[0077]现在参照图4，沿着图3的视线4更详细地显示了图3的示例性第一模具构件224的透视图。在所示的示例性实施例中，第一模具构件224包括入口门227，所述入口门227连接至注入口 222，通过入口流道225与模具腔体100’流体连通，所述入口流道225将熔化的(共)聚合物导入模具腔体100’中。在注模操作过程中，注入口 222有利于通过入口门227将熔化的(共)聚合物注射至模具腔体100’中。在一些示例性实施例中，入口门227优选设置于模具腔体的一侧的中心处，或者靠近模具腔体的一侧的中心设置，如图4所示。
[0078]尽管单个入口门227显示为靠近腔体100’的纵向侧面的中心进入腔体100’(为了说明的目的，所述腔体100’显示为具有图1的光学分光棱镜的形状)，但也可使用多个入口门，和/或可存在用于一个或多个入口门的其他位置。因此，可理解迁移一个或多个门或者改变腔体100’的形状在本领域技术人员的知识范围内。
[0079]另外，如图4所示，任选的冷料(cold slug)或立管223可与如图4所示的注入口222流体连通设置，以有利于从入口流道225中去除气体。任选的溢流流道231可与模具腔体100’流体连通设置，以有利于用熔化的(共)聚合物完全装填模具腔体100’。任选的溢流流道231通过任选的出口门229连接至模具腔体100’。任选的溢流流道231可另外任选地与排气孔通道(未显示)流体连通设置，所述排气孔通道与第一模具构件224的外部流体连通。任选的溢流流道231可例如建立或成型至第一模具构件224的模具面226中和/或第二模具构件228的模具面中。
[0080]在一些示例性实施例中，入口流道225优选扩展至分型线的另一侧，所述分型线在第一模具构件224的模具面226倚靠可移动模具构件228密封时形成。因此,在一些这种目前优选的实施例中，该修改可用于减小入口流道225中的压降。该改变也可允许使用更低的装填压力，并因此允许模制部件中更小的残余应力。在另外的目前优选的实施例中，可增大入口门227 (例如横截面宽度或直径)，以在(共)聚合物熔体进入模具腔体100’时减少喷射和应力产生。
[0081]超声焊头将超声振动能量传递至(共)聚合物熔体，使得(共)聚合物熔体更易于流动至模具腔体100’中，并且在一些示例性实施例中，更易于流动至在第一模具构件224中形成的(和任选在可移动模具构件228中共形成的)注入口 222、入口门227、任选的冷料或立管223、任选的出口门229和任选的溢流流道231中。相比于其他门位置(例如在第一模具构件224’的周边)，靠近模具腔体100’设置入口门227具有降低将超声振动能量施加至入口门227和模具腔体100’所需的电功率(即瓦特数)的优点。
[0082]入口门227导致在模制部件(图中未显示)上形成门凹槽(gate well)，这增加了模制部件的厚度以及因此增加了模制部件的冷却时间，这可转而在模制部件中产生与在冷却模制部件时树脂在门凹槽中收缩相关的更高的残余应力。在一些示例性实施例中，将超声能量施加至第一模具构件224可降低或消除由于模制制品冷却时树脂在门凹槽中收缩所导致的这些残余应力。
[0083]将超声振动能量施加至第一模具构件224也可改进在第一模具构件224中形成的(和任选在可移动模具构件228中共形成的)注入口 222、入口流道225、入口门227、模具腔体100’、任选的冷料或立管223、任选的出口门229和任选的溢流流道231中夹带空气的排气。应了解，示例性的第一模具构件224示于图4，且许多替代模具腔体、注入口、门、立管和流道构造(包括这些模具特征的数量和位置)是可能的，并在本领域技术人员的知识范围内。
[0084]在一些特定的示例性实施例中，模制设备还包括用于借助脱模装置(图中未显示)从模具腔体100’中移出注模制品的装置，如本领域技术人员所公知。在一些示例性实施例中，所述脱模装置选自如下的一种或多种:脱模销、升降器、脱模板或它们的组合。
[0085]在一些示例性实施例中，第一模具构件224和可移动模具构件228中的一者或两者包含选自如下的材料:钢、不锈钢、铜、铍、铝、其合金、或它们的组合。优选地，至少第一模具构件224包含选自钢、不锈钢、铜、铍、铝、其合金、或它们的组合的材料，以实现进出模具腔体100’的良好热传递。
[0086]在将(共)聚合物熔体装填和填充至模具腔体100’的过程中，模具腔体的金属表面温度取决于所用的特定的(共)聚合物。有利地，温度足够高以产生低熔体粘度来改进(共)聚合物进入模具腔体的流动，但是温度不足以降解(共)聚合物。用于模制(共)聚合物的典型模具温度在装填和填充过程中在约60°C至约20(TC，更优选10(TC至190°C，甚至更优选120°C至175°C的范围内；并且在模制部件从模具中脱模的过程中在65°C至120°C，更优选70°C至110°C，甚至更优选75°C至105°C的范围内。
[0087]温度可通过任何合适的热传递装置进行控制，例如靠近模具腔体100’设置的电阻加热(例如设置的任选的电阻筒形加热器232，例如，如图4所示)。显示为靠近模具腔体100’设置于第一模具构件224中的任选的电阻筒形加热器232可用于提供模具腔体100’的快速加热。任选的电阻筒形加热器优选沿着矩形基座的两个短边，平行于棱柱形模具腔体100’的短边设置，如图4所示。
[0088]在一个目前优选的实施例中，电阻筒形加热器232相对于模具腔体100’设置，使得加热器为模具腔体100’内的(共)聚合物提供快速加热。因此，在某些示例性实施例中，至少一个电阻筒形加热器设置于模具腔体100’的约IOmm,更优选9mm、8mm、7mm、5mm、4mm、3mm、2mm、Imm或甚至0.5mm或更小之内。在某些这种目前优选的实施例中，模具腔体100’中的(共)聚合物的快速加热获得了至少约5°C /sec、更优选至少10°C /sec、至少15°C /sec、至少20°C /sec、至少25 V /sec、或甚至至少30°C /sec的模具腔体100’中的(共)聚合物的温度增加速率。
[0089]在另外的目前优选的实施例中，将温度传感器(图中未显示)(例如热电偶、热敏电阻器、电阻温度装置(RTD)等)靠近模具腔体100’设置，以测量与模具腔体100’中的(共)聚合物的温度更密切接近的温度。因此，在某些示例性实施例中，至少一个温度传感器设置于模具腔体100’的约IOmm,更优选9mm、8mm、7mm、5mm、4mm、3mm、2mm或甚至Imm之内。
[0090]在一个特定实施例中，电阻加热包括与第一模具构件224 (图4)电连接，并将电功率施加至第一模具构件224，由此使用第一模具构件224本身作为电阻加热器。在这种布置中，可使用高电流低电压变压器(未显示)，从而在例如约40-150安培和约0.5-4伏下为模具构件224提供电力。
[0091]也可通过其他已知装置另外地或可选择地加热或冷却模具腔体，例如通过循环适当的热传递流体以加热或冷却模具腔体100’中的(共)聚合物而对流加热。因此，在另外的示例性实施例中，也可使用在紧密靠近模具腔体100’设置的一个或多个管(图中未显示)中循环的循环热传递流体(例如用于加热的在60°c -150°C温度范围内的油，或用于冷却的在27V _60°C温度范围内的水)，所述循环热传递流体或者代替电阻加热器使用，或者在除了电阻加热器之外使用。在其他示例性实施例中，可使用辐射能(例如施加的红外辐射，如红外灯或激光器)和/或来自外部对流热源(例如强制空气加热器，如热风枪)的热空气流来加热模具腔体100’中的(共)聚合物。
[0092]在这种示例性实施例中，可有利地实现模具腔体100’中的(共)聚合物的快速加热和/或冷却。在某些这种目前优选的实施例中，模具腔体100’中的(共)聚合物的快速加热获得了至少约5°C /sec、更优选至少10°C /sec、至少15°C /sec、至少20°C /sec、至少25°C /sec、或甚至至少30°C/sec的模具腔体100’中的(共)聚合物的温度增加速率。在其他这种目前优选的实施例中，模具腔体100’中的(共)聚合物的快速冷却获得了至少约5°C /sec、更优选至少10°C /sec、至少15°C /sec、至少20°C /sec、至少25°C /sec、或甚至至少30°C /sec的模具腔体100’中的(共)聚合物的温度减小速率。
[0093]在可产生模具腔体100’中的(共)聚合物的快速加热和冷却的优点的另一的示例性实施例中，也可使用紧密靠近模具腔体100’设置的电磁感应(EMI)加热器(图中未显示)来加热模具腔体100’和/或围绕模具腔体100’的金属，所述电磁感应加热器或者代替电阻加热器使用，或者在除了电阻加热器之外使用。合适的EMI加热器是本领域已知的，并通常包括含有电磁感应线圈的感应线圈壳体。合适的EMI加热设备可从诸如美国堪萨斯州维基塔的 MSI 自动化公司(MSI Automation, Inc.，Wichita, Kansas, U.S.A)的公司购得。典型的EMI加热器具有1-5KW的功率，并且提供用于表面加热的25-450KHZ范围内的输出频率。
[0094]在某些示例性实施例中，EMI加热器靠近模具腔体100’设置，从而可实现模具腔体100’中的(共)聚合物的快速加热和/或冷却。例如，可以在接近模具腔体的位置将EMI加热器置于第一模具构件224内。在某些这种目前优选的实施例中，模具腔体100’中的(共)聚合物的快速加热获得了至少约5°C /sec、更优选至少10°C /sec、至少15°C /sec、至少20°C /sec、至少25 V /sec、或甚至至少30°C /sec的模具腔体100’中的(共)聚合物的温度增加速率。在其他这种目前优选的实施例中，模具腔体100’中的(共)聚合物的快速冷却获得了至少约5°C /sec、更优选至少10°C /sec、至少15°C /sec、至少20°C /sec、至少25°C /sec、或甚至至少30°C /sec的模具腔体100’中的(共)聚合物的温度减小速率。
[0095]在一些示例性实施例中，EMI加热可有利地结合动态模具温度循环(如下进一步讨论)使用。在具有微米或者纳米特征的制品(例如精密光学元件)的注模中，(共)聚合物熔体所暴露的表面的温度可影响模制品的品质，并且使用与动态模制温度循环组合的EMI加热作为快速升高每一次模制循环的表面温度的方法。
[0096]由于EMI加热集中在模具腔体的表面上，因此在装填模具腔体之后可发生快速的热耗散(例如，进入到周围的金属和热传递流体的整体中)。通常，在约1.5至2_范围内的电磁感应线圈壳体与模具板面之间的间隙产生大约类似的温度特征图(即插件温度相对于感应线圈功率设定的曲线);而在1016 U m的更小间隙下，在可相比的感应活化时间(3-8秒)下，模具插件中的所得温度增加更高。
[0097]用于精确模制的塑料光学元件的塑料材料
[0098]用在注模过程中用以制造模制品的(共)聚合物可包括基于性质(如精确地复制模具腔体和插件所需图案的能力、模制(共)聚合物的强度和韧性，以及模制(共)聚合物与预期用途的相容性)选择的多种洪)聚合物。例如，可选择(共)聚合物或(共)聚合物共混物。
[0099]在一些特定的示例性实施例中，所述(共)聚合物包括(甲基)丙烯酸类(共)聚合物。
[0100]一些目前优选的(共)聚合物材料可显示出:大于5g/10min.、10g/10min.或20g/10min.的熔体流动指数，其在300°C和1.2kg重量下通过ASTM D1238测得；大于100%的拉伸断裂伸长率(通过ASTM测试D638(2.0in/min.)测得);和大于5ft_lb/英寸的冲击强度(通过ASTM D256，“缺口悬臂梁”23°C测得)。合适的(共)聚合物包括但不限于聚苯硫醚、聚碳酸酯(例如来自马萨诸塞州皮茨菲尔德的沙伯基础创新塑料公司(Sabic InnovativePlastics, Pittsfield, Massachussetts)的 LEXAN HPSlR 树脂)、聚丙烯、缩醒、丙烯酸类、聚醚酰亚胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯，以及这种(共)聚合物的共混物。
[0101]制备精确模制的塑料光学元件的方法
[0102]在其他示例性实施例中，本公开描述了一种模制方法，其包括如下步骤:
[0103]提供注射模具，所述注射模具具有第一模具构件和至少一个可移动模具构件，所述至少一个可移动模具构件能够朝向和远离所述第一模具构件移动以关闭所述模具，其中模具腔体在所述第一或可移动模具构件中的至少一者中形成，所述腔体中具有至少一个门，另外其中设置有超声能量源以将超声能量施加至所述腔体；关闭所述模具，由此将所述至少一个门流体连接至熔化的(共)聚合物源；
[0104]将模具加热至104°C至116°C的模具温度，所述模具温度邻近腔体测得；之后通过关闭的模具的所述至少一个门将所述熔化的(共)聚合物注射至腔体中，以用所述熔化的(共)聚合物基本上填充腔体和门；
[0105]使所述关闭的模具冷却，直至门内的所述熔化的(共)聚合物已固化；将来自所述超声能量源的超声能量施加至所述关闭的模具的腔体中的熔化的(共)聚合物而不使门内的已固化的(共)聚合物再熔化，直至模具温度已增加至约116°C至122°C之间，由此显著减小在所述熔化的(共)聚合物中的任何流致应力；之后冷却所述关闭的模具，直至模具温度已减小至约101°C至107°C ；
[0106]之后加热所述关闭的模具，直至模具温度已增加至约116°C至122°C之间，由此显著减小在所述熔化的(共)聚合物中的任何热致应力；和
[0107]之后使所述模具冷却，直至所述熔化的(共)聚合物已在模具内固化，由此形成注丰旲制品。
[0108]在前述模制方法的另外的示例性实施例中，通过关闭的模具的至少一个门将熔化的(共)聚合物注射至腔体中耗费约0.5至约0.6秒。在一些示例性实施例中，使关闭的模具冷却直至门内的(共)聚合物已固化在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约2秒开始，并在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约61秒结束。在另外的示例性实施例中，将来自所述超声能量源的超声能量施加至腔体内的熔化的(共)聚合物在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约61秒开始，并在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约80秒结束。
[0109]在另外的示例性实施例中，使关闭的模具冷却直至模具温度已降低至约iorc和107°C在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约62秒开始，并在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约237秒结束。在某些示例性实施例中，加热关闭的模具直至模具温度已增加至约116°C至122°C之间在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约70秒至115秒开始，并在加热开始之后约70秒至110秒结束。在一些示例性实施例中，从关闭模具直至(共)聚合物在模具内已固化所逝去的总时间为至少约145秒，并小于约240秒。
[0110]在前述示例性模制方法中的任意个中，将来自所述超声能量源的超声能量施加至关闭的模具的腔体中的熔化的(共)聚合物直至模具温度已增加至116°c至122°C之间仅在使关闭的模具冷却直至门内的熔化的(共)聚合物已固化之后开始。在一些示例性实施例中，将所述熔化的(共)聚合物注射至腔体内还包括将来自所述超声能量源的超声能量施加至腔体内的熔化的(共)聚合物。在某些示例性实施例中，使关闭的模具冷却直至门内的(共)聚合物已固化包括停止将超声能量施加至腔体。
[0111]在前述模制方法的另外的示例性实施例中，注射至腔体中的熔化的(共)聚合物的量大于装填模具腔体所需的量，过量的(共)聚合物通过出口流出腔体。
[0112]将(共)聚合物熔体注入模具腔体100’的部分可基于模具腔体内达到某个压力100’(“填充压力”)。填充压力(例如，在3.5至250兆帕(MPa)或34.5至138MPa范围内)可施加有限的时间(称为“保持时间”)。在一些示例性实施例中，可使用至少约lOMPa，更优选至少约50MPa，甚至更优选至少约100MPa、150MPa或甚至200MPa的填充压力来获得模具腔体100’的均匀装填。随后，释放填充压力，将模具腔体内的材料冷却至通常为(共)聚合物软化温度或在(共)聚合物软化温度以下的脱模温度。然后，分离模具构件，并将模制品从模具腔体中脱离。
[0113]用于目前优选的模制方法的可用的模制参数为:60-360mm/sec的注射速度；3.5-207MPa，更优选103_138MPa的优选填充压力；0.5-10秒的保持时间；49° _150°C，优选小于121°C的注射时的模具温度(用于聚碳酸酯)；49° _138°C，优选小于121°C的脱模时的模具温度(用于聚碳酸酯)。在100%下在焊头表面测得的最大振幅优选为0.7密耳峰到峰。
[0114]模制方法的意料不到的结果和优点
[0115]在某些示例性实施例中，所述模制品显示出选自如下的至少一个有利特性:基本上不存在双折射、基本上不存在残余应力、基本上不存在缩痕、基本上不存在接合痕迹、基本上不存在焊接线、基本上不存在空隙、或它们的组合。
[0116]不希望受限于任何特定理论，目前据信，当在本发明的模制过程中使用快速加热和/或冷却时，由于(共)聚合物熔体与模具腔体表面之间的温差降低(相比于已知技术)，因此所得模制品不会经历与在常规过程中模制的部件相同的程度的收缩。当在45°正交偏振器下观察时，在无快速加热和/或冷却下制得的制品显示出干涉图案，从而表明各向异性；然而，在偏振光下，使用如上所述的快速加热和/或冷却而制得的光学元件显示出明显不同的图案，从而表明各向异性的降低。通过使用快速加热和/或冷却，由于收缩而导致的模具内应力可得以降低或甚至消除。
[0117]本发明的示例性实施例已在上文中进行描述，且进一步通过以下实例在下文中进行说明，不应当以任何方式将这些实例理解为对本发明范围的限制。相反，应当清楚地理解，可以采取多种其它实施例、修改形式及其等同形式，本领域的技术人员在阅读本文的说明之后，在不脱离本发明的精神和/或所附权利要求书的范围的前提下，这些其它实施例、修改形式及其等同形式将显而易见。
[0118]SM
[0119]如下实例旨在说明在本公开范围内的示例性实施例。虽然，阐述本发明广义范围的数值范围和参数是近似值，但是在具体实施例中所列出的数值则是尽可能精确地报告的。然而，任何数值都固有地含有一定的误差，这些误差必定是由它们各自的试验测定中存在的标准偏差引起。在最低程度上，每一个数值参数并不旨在限制等同原则在权利要求书保护范围上的应用，至少应该根据所记录的数值的有效数位和通过惯常的四舍五入法来解释每一个数值参数。
[0120]MM
[0121]在实例中使用两种(共)聚合物:
[0122]Acrypet WF-100为光学级[极低雾度(0.5%)，高光学透射率(92.4%)]丙烯酸类共聚物(可得自日本东京三菱塑料公司(Mitsubishi Plastics, Inc., Tokyo, Japan))。
[0123]Arkema V825-100为丙烯酸类共聚物(可得自宾西法尼亚州费城的阿科玛公司(Arkema, Inc., Philadelphia, PA))。
[0124]测试方法
[0125]在间接照明下在模制品中目测观察模制缺陷，如缩痕、针织线等。
[0126]使用入射偏振光目测评价模制部件内的残余应力，从而通过一组正交偏振器观察模制部件。该公知的双折射测试模式通常描述于ASTMD4093-95 (2010)，“Standard TestMethod for Photoelastic Measurements of Birefringence and Residual Strains inTransparent or Translucent Plastic Materials (用于透明或半透明塑料材料中的双折射率和残余应变的光弹性测量的标准测试方法)”中。测量残余应力的标准为目测定性方法，其中部件评级为I至5 ;5为优良，I为差。[0127]
[0128]使用通常如图2-3所示的超声辅助的注模设备212来模制精密光学部件(例如分光棱镜)，如通常在图1中所示。第一模具构件224不配置任选的光学冷料或立管223，或任选的溢流流道231。电阻筒形加热器232靠近模具腔体100’设置，以获得模具腔体100’内的(共)聚合物的快速加热。
[0129]使用十字超声焊头214。如图3所示，超声焊头214连接至两个1:1正交设置的放大器216-216’，每个放大器216-216’连接至超声换能器218-218’，每个超声换能器218-218’转而连接至电源。合适的超声焊头、放大器、换能器和电源是本领域公知的(参见例如美国专利 N0.5，017，311 (Furusawa 等人)；N0.6，464，485 (Iida 等人)；和 PCT 国际公布 N0.W02008/157592 (Ferguson 等人))。
[0130]在本公开的示例性实施例中描述的超声焊头214由钛制得。在100%振幅下在焊头的模具面处测得的振幅确定为0.80密耳(20微米)峰到峰。为了在无载荷条件下启动焊头，使用靠近第一模具构件224设置的接近开关，从而在模具开始关闭时就将启动信号提供至每个超声焊头的超声能量源。
[0131]制备性实例:
[0132]进行实验，以评价超声参数的重要性，并评价其对物理性质(如针织线和缩痕)以及光学性质(如应力)的影响。实验的因素为:预触发的超声振幅、压力触发的超声振幅、压力时间、冷却时间和退火时间。当在模具正在关闭且腔体正在填满的同时焊头开始振动时，在此情况中称为预触发。预触发时间保持恒定为6.45秒，同时振幅的量级为10%-64%。
[0133]在预触发时间已逝去之后，将熔化的(共)聚合物注射至注入口 222，且模具腔体100’开始装填。注射速度保持恒定为(0.9in/sec)。一旦腔体充满，则停止超声振动以协助使门冻结。一旦入口门冻结(即门内的(共)聚合物已固化)，则再次启动超声振动。这种将超声振动能量后触发施加至模具腔体100’称为压力触发，并且在该实验中在10%-50%的量级内变化。在模制循环的填充和保持阶段过程中发生所述压力触发。压力触发时间相对于超声能量施加至超声焊头的持续时间提及，并为10秒至155秒。
[0134]冷却时间为30秒-300秒。在部件脱模之后，随后将部件置入90 T的空气对流烘箱中以为了退火的目的。退火时间为0-6.5分钟(390秒)。模具的两个半部的温度保持恒定，并为如下:230 °F (约121°C)的模具A侧(固定的第一模具构件224)和250 °F (约121°C)的模具B侧(可移动模具构件228)。在本文，第一模具构件224在与模具腔体100’相对的侧面(即模具的“A侧”)上邻接超声焊头。任意任选的另外的后模制退火在对流烘箱中在90 0F (约32 °C )下进行约6分钟。
[0135]进行准备实验以了解模制参数和对模具腔体施加超声能量与所得模制部件几何形状和模制部件中的残余应力之间的关系。在准备实验中变化的模制参数的范围如下:
[0136]1.预触发振幅:10%_64%
[0137]2.压力触发振幅:10%_50%
[0138]3.冷却时间:30秒-300秒
[0139]4.退火时间:0-390秒
[0140]5.压力触发时间:10秒-155秒
[0141]这些准备实验的响应如下测量:[0142]1.针织线在光学分光棱镜中目测观察
[0143]2.缩痕在光学分光棱镜中目测观察
[0144]3.当从顶部观察时(光学分光棱镜倚靠于其平坦表面上),残余应力在光学分光棱镜中目测观察为双折射。
[0145]4.当从顶部观察时(光学分光棱镜倚靠于其侧面上),残余应力在光学分光棱镜中目测观察为双折射。
[0146]5.当从光学分光棱镜的平坦侧面的拐角观察时(光学分光棱镜倚靠于其平坦表面上)，残余应力在光学分光棱镜中目测观察为双折射。
[0147]发现四个变量对模制光学制品中的残余应力具有最大影响。第一是在装填循环过程中超声振动能量的施加，其称为预触发振幅。第二是压力振幅，其为在模制循环的冷却循环时间过程中施加的超声振动能量的振幅。冷却时间和在循环结束时的退火为对模制品中的残余应力具有最大影响的两个其他变量。进行如下另外的观察:
[0148]1.分析表明，超声振动的振幅为预触发和压力触发两者中的显著因素。
[0149]2.施加至模具的超声能量的时间(即预触发和压力触发持续时间)影响缩痕线和毛边形成。
[0150]3.在入口门完全冻结之后(即在入口门中的(共)聚合物已至少部分固化之后)开始将超声能量施加至模具腔体。这大大降低了毛边量和对来自超声能量电源供应的峰值功率的需求。
[0151]4.加热器相对于循环的时间同样重要。
[0152]5.首先在模具中的(共)聚合物的保持时间过程中开始超声能量的施加。
[0153]6.由于超声振动能量的施加，模具腔体100’中的(共)聚合物的温度快速上升。
[0154]7.应注意，施加的超声振动能量的持续时间和振幅(％)影响该峰值温度。施加更高振幅的超声振动能量更短的施加时间可获得应力的最佳降低。
[0155]8.在模具腔体100’中的(共)聚合物开始冷却之后，温度达到设定值模具温度；启动电阻筒形加热器，以在模制过程的冷却循环中保持恒定温度。
[0156]9.通过在冷却时间过程中使用筒形加热器保持恒定温度而降低模制部件中的残余应力。据信冷却期间更长的浸泡时间允许电阻筒形加热器保持模具腔体100’中的(共)聚合物的恒定或接近恒定的温度，由此降低模制品中的残余应力。
[0157]实例I
[0158]实例I示出了本公开的目前优选的实施例，其在如下条件下确定:
[0159]1.45% (0.35密耳或8.75微米峰到峰)的超声焊头振幅
[0160]2.20秒的超声时间
[0161]3.70秒的加热时间
[0162]4.115秒的加热器延迟时间
[0163]在该实例中分开使用Acrypet WF-100 (试验I)和Arkema V825-100 (试验2)。
[0164]图5A为用于根据本公开的某些实施例的超声辅助的模制过程的示例性过程时间图。图5A中所示的时间图表描述了用于延迟施加超声振动能量和延迟将电能施加至电阻筒形加热器的时间。当模具的两个半部关闭时，使用接近开关来预触发超声焊头，以将超声振动能量施加至模具。通过在模具的两个半部打开时关闭该开关，有可能在无载荷条件下调节超声焊头的振动频率，由此允许重调用于每个注模循环的焊头，并允许更一致地将超声振动能量施加至模具腔体100’。
[0165]通过改变这些因素而生成样品，并针对四个标准的响应而评价样品:在所有四个拐角处的应力、门应力、从顶侧面观察时部件中的应力，以及从侧面观察时部件中的应力。
[0166]在说明性的示例性实施例中，设置有超声能量源以从超声焊头214 (图3)将超声振动能量施加至连接至至少一个入口门227的模具腔体100’(图4)，所述至少一个入口门227与熔化的(共)聚合物源(例如注入口 222)流体连通。将模具预热至104-116°C的温度，并将熔化的(共)聚合物注射至模具腔体100’中。
[0167]在冷却模具直至入口门227内的熔化的(共)聚合物已至少部分固化之后，将超声能量施加至模具而不使入口门227内的已固化的(共)聚合物再熔化，直至温度增加至约116-122°C，由此显著减小流致应力。然后冷却模具直至温度减小至101-107°C，之后加热模具直至温度增加至116-122°C，由此显著减小热致应力。然后冷却模具直至熔化的(共)聚合物已固化，由此形成精确模制的塑料光学元件(或部件)。
[0168]图5B为在根据本公开的示例性实施例的示例性模制过程中使用图5A所示的过程时间顺序获得的模具温度和加热器工作周期的图。图5B显示了由于施加超声振动能量和筒形加热器而产生的模具温度的增加。其也显示，当在模制循环过程中加热器启动以产生部件的浸泡时间(即加热器工作周期，表示为百分比)时。在获得图5B所示的温度测量中，热电偶位于筒形加热器与模具的B侧(可移动模具构件228)中的腔体壁之间。
[0169]如图5B所示，当将熔化的(共)聚合物注射至模具中时，温度(如由靠近模具腔体100’设置的热电偶所测得)从其213 0F (约100.6°C)的预热温度增加至218 0F (约103°C)。随后，(共)聚合物开始冷却。一旦达到213 T (约100.6°C)的初始温度且门冻结(即门内的(共)聚合物已至少部分或甚至完全固化)，则再次启动超声振动能量。这使温度增加(如由图5B中的温度增加所示)以接近(共)聚合物的峰值热畸变温度(约242 T或约140°C)。
[0170]在由热电偶测得的腔体温度达到约217 T (约103°C)之后，随后允许模具腔体100’中的(共)聚合物的浸泡时间。在该浸泡时间之后，将电阻筒形加热器通电以获得与通过施加振动超声能量所获得的类似的峰值温度245 T (约118°C)。在峰值温度下，腔体温度保持约70秒。图5B中的下部曲线显示了当电阻筒形加热器试图保持240 T的设定值温度时电阻筒形加热器的工作周期。
[0171]即使通过使用热循环和超声振动能量的施加而获得了更短的循环时间，但在模制部件中可见到轻微雾度。为了改进品质，部件在90T (约32°C)下在对流烘箱中退火6分钟。退火清除了模制部件的残余雾度。退火并未给模制过程增加大量的循环时间，因为预期在制造中使用在模塑机之后设置的连续烘箱，其中第一部件推迟(offset) 6分钟的时间，但之后的所有其他部件不推迟时间。因此，循环时间仅与模制循环时间相比。
[0172]声波延迟和加热器时间均在注射循环开始时开始，且信号来自鼓风阀。一旦模具开始关闭，就开始计时。一旦获得0.2秒的滑架建起速率(carriage built up rate),就开始声波延迟和加热器延迟定时器。在60秒的延迟之后，启动超声换能器218，并在115秒的延迟之后，启动电阻筒形加热器。应注意，用于超声换能器和加热器的两个计时器同时运行。还应注意，整个注模循环时间(包括部件脱模)通常为仅约4分钟。
[0173]由于可推断退火并非影响针织线的主要变量，因此对于WF100和V825材料均需要更长的冷却时间以获得无针织线的可接受的部件。对于缩痕的消除，对于WFlOO和V825-100材料均优选更长的冷却时间。V825-100的冷却时间不响应退火，而对于WF100，可使用超过大约6分钟(360秒)的退火时间而缩短冷却时间。
[0174]影响模制部件中的残余应力的主要因素是冷却时间和冷却阶段过程中的超声振幅，而影响部件几何形状的主要因素是冷却时间和退火时间。对于WF100，影响拐角残余应力的两个主要变量为冷却时间和压力触发的振幅。在V825-100的情况中，主要变量为冷却时间和退火时间，尽管WF100不产生模制精密光学组件的所需光学透明度。
[0175]对于WF100，影响侧视残余应力的两个主要变量为冷却时间和压力触发的振幅。在V825-100的情况中，主要变量为冷却时间和退火时间，似乎使用增加的退火时间可获得V825-100的更好的光学透明度。对于WF100，影响俯视残余应力的两个主要变量为冷却时间和压力触发的振幅。在V825-100的情况中，主要变量为冷却时间和退火时间，似乎使用增加的退火时间可获得V825-100的更好的光学透明度。
[0176]对于WF100，冷却时间为影响缩痕、针织线和应力的主要变量。对于WF100，影响拐角应力的主要变量为在模制过程中超声振动的使用。然而，不存在超声以积极方式影响V825-100的确证。话虽如此，应注意V825-100材料极为不同，可能是因为需要在比进行该实验的温度更高的温度下观察施加超声振动能量的任何影响。诸如注射速度和/或门设计的模制参数也可不同地影响V825-100中的应力。
[0177]图6A-9B提供了在使用或不使用超声能量下，偏振分光棱镜形式的注模光学元件的一些代表性图像。图像在交叉偏振器下获取，以清楚显示部件中固有的双折射。
[0178]图6A-6B为根据本公开的示例性超声辅助的注模方法制得的示例性精确成形的光学元件(棱镜)的仰视(图6A)和侧视(图6B)双折射照片。图6A-6B示出了由于单独使用上述模具内加热而产生的模制缺陷和残余应力的有利减少。
[0179]图7A-7B为根据本公开的示例性超声辅助的注模方法制得的示例性精确成形的光学元件(棱镜)的仰视(图7A)和侧视(图7B)双折射照片。图7A-7B示出了由于使用上述模具内加热和上述后模制退火步骤而产生的模制缺陷和残余应力的有利减少。
[0180]图8A-8B为根据本公开的示例性超声辅助的注模方法制得的示例性精确成形的光学元件(棱镜)的仰视(图8A)和侧视(图8B)双折射照片。图8A-8B示出了由于使用上述模具内加热和上述的在模制过程中超声振动能量的施加而产生的模制缺陷和残余应力的有利减少。
[0181]图9A-9B为根据本公开的示例性超声辅助的注模方法制得的示例性精确成形的光学元件(棱镜)的仰视(图9A)和侧视(图9B)双折射照片。图9A-9B示出了由于使用上述模具内加热、上述的在模制过程中超声振动能量的施加以及上述后模制退火步骤而产生的模制缺陷和残余应力的有利减少。
[0182]图10A-10C为根据常规的非超声辅助的注模方法制得的示例性精确成形的光学元件(分光棱镜)的仰视(图10A)、侧视(图10B)和倾斜侧视(IOC)双折射照片。
[0183]图11A-11C为根据本公开的示例性超声辅助的注模方法制得的示例性精确成形的光学元件(分光棱镜)的仰视(图11A)、侧视(图11B)和倾斜侧视(IlC)双折射照片。
[0184]虽然本说明书详细描述了某些示例性实施例，但应当理解，本领域的技术人员在理解上述内容后，可以轻易设想这些实施例的更改形式、变型形式和等同形式。因此，应当理解，本发明不应不当地受限于以上示出的示例性实施例。此外，本文引用的所有出版物、公开的专利申请和公布的专利均以引用方式全文并入本文，正如具体而单独地指出各个单独的出版物或专利都以引用方式并入本文的程度相同。各个示例性实施例均已进行了描述。这些实施例和其它实施例属于以下列出的公开的实施例的范围内。
【权利要求】
1.一种模制方法，其包括: 提供注射模具，所述注射模具具有第一模具构件和至少一个可移动模具构件，所述至少一个可移动模具构件能够朝向和远离所述第一模具构件移动以关闭所述模具，其中模具腔体在所述第一或可移动模具构件中的至少一者中形成，所述腔体中具有至少一个门，另外其中设置有超声能量源以将超声能量施加至所述腔体； 关闭所述模具，由此将所述至少一个门流体连接至熔化的(共)聚合物源； 将模具加热至104°C至116°C的模具温度，所述模具温度邻近腔体测得； 之后通过关闭的模具的所述至少一个门将所述熔化的(共)聚合物注射至腔体中，以用所述熔化的(共)聚合物基本上填充腔体和门； 使所述关闭的模具冷却，直至门内的所述熔化的(共)聚合物已固化； 将来自所述超声能量源的超声能量施加至所述关闭的模具的腔体中的熔化的(共)聚合物而不使门内的已固化的(共)聚合物再熔化，直至模具温度已增加至约116°C至122°C之间，由此显著减小在所述熔化的(共)聚合物中的任何流致应力； 之后冷却所述关闭的模具，直至模具温度已减小至约101°C至107°C ； 之后加热所述关闭的模具，直至模具温度已增加至约116°C至122°C之间，由此显著减小在所述熔化的(共)聚合物中的任何热致应力；和 之后使所述模具冷却，直至所述熔化的(共)聚合物已在模具内固化，由此形成注模制品。
2.根据权利要求1所述的模制方法，其中将模具加热至104°C至116°C的模具温度在关闭模具之后发生。
3.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中将来自所述超声能量源的超声能量施加至关闭的模具的腔体中的熔化的(共)聚合物直至模具温度已增加至116°C至122°C之间仅在使关闭的模具冷却直至门内的熔化的(共)聚合物已固化之后开始。
4.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中将熔化的(共)聚合物注射至腔体中还包括将来自所述超声能量源的超声能量施加至腔体内的熔化的(共)聚合物。
5.根据权利要求4所述的模制方法，其中使关闭的模具冷却直至门内的(共)聚合物已固化包括停止将超声能量施加至腔体。
6.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中通过关闭的模具的所述至少一个门将熔化的(共)聚合物注射至腔体中耗费约0.5至约0.6秒。
7.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中使关闭的模具冷却直至门内的(共)聚合物已固化在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约2秒开始，并在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约61秒结束。
8.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中将来自所述超声能量源的超声能量施加至腔体内的熔化的(共)聚合物在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约61秒开始，并在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约80秒结束。
9.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中使关闭的模具冷却直至模具温度已降低至约101°C至107°C在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约62秒开始，并在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约237秒结束。
10.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中加热关闭的模具直至模具温度已增加至约116°C至122°C之间在开始将熔化的(共)聚合物注射至腔体中之后约70秒至115秒开始，并在加热开始之后约70秒至110秒结束。
11.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中从关闭模具直至(共)聚合物在模具内已固化所逝去的总时间为至少约145秒，并小于约240秒。
12.根据任一前述权利要求所述的模制方法，还包括通过脱模装置从模具腔体中移出注丰吴制品。
13.根据权利要求12所述的模制方法，其中所述脱模装置选自如下的一种或多种:脱模销、升降器、脱模板或它们的组合。
14.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中注射至腔体中的熔化的(共)聚合物的量大于填充模具腔体所需的量，且过量的(共)聚合物通过出口流出腔体。
15.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中将熔化的(共)聚合物注射至模具腔体中包括从歧管注射熔化的(共)聚合物。
16.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中入口门在模具腔体的一侧的中心处。
17.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中从邻接所述第一模具构件的模具腔体的第一侧将熔化的(共)聚合物注射至模具腔体中，并从邻接所述可移动模具构件的模具腔体的第二侧施加超声能量。
18.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中加热模具腔体使用如下方式进行:电阻加热、电磁感应加热、电介质加热、热电加热、通过施加超声能量加热、或它们的组合。
19.根据权利要求18所述的模制方法，其中加热模具腔体使用电阻加热进行，且其中至少一个电阻加热器靠近所述模具腔体设置`，从而能够以如下速率加热模具腔体内的(共)聚合物:所述速率足以使模具腔体内的熔化的(共)聚合物的温度以至少约13°C /分钟的速率增加。
20.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中所述模具包含选自如下的材料:钢、不锈钢、铜、铍、铝、其合金、或它们的组合。
21.根据任一前述权利要求所述的模制方法，其中所述超声能量源包括超声换能器，所述超声换能器任选地包括共振焊头、放大器、导波器或它们的组合中的至少一者。
22.根据前述权利要求中任一项的方法制得的模制品。
23.根据权利要求22所述的模制品，其中所述模制品为选自如下的注模光学元件:透镜、棱镜、反射镜、光管、衍射光栅或它们的组合。
24.根据权利要求22或23所述的模制品，其中所述模制品显示出选自如下的至少一个有利特性:基本上不存在双折射、基本上不存在残余应力、基本上不存在缩痕、基本上不存在接合痕迹、基本上不存在焊接线、基本上不存在空隙、或它们的组合。
25.根据前述权利要求中任一项制得的模制品，其中所述(共)聚合物包括(甲基)丙烯酸类(共)聚合物。
【文档编号】B29C45/78GK103442876SQ201280013587
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年3月14日 优先权日:2011年3月15日
【发明者】斯坦利·伦登, 丹尼斯·E·弗格森, 唐纳德·L·泊察尔特, 约瑟夫·S·沃纳, 蒂莫西·J·罗韦尔, 彼得·T·本松, 萨蒂德尔·K·纳亚尔 申请人:3M创新有限公司