大面積微結構輥對板熱壓印裝置研發及工藝優化

李欽軍，李波，龔峰，閆超

先進制造技術與裝備

大面積微結構輥對板熱壓印裝置研發及工藝優化

李欽軍，李波，龔峰，閆超*

（深圳大學 機電與控制工程學院 深圳市高性能特種制造重點實驗室，廣東 深圳 518060）

研發一種模塊化輥筒對平板類型的微結構熱壓加工裝置，研究不同模具結構下的輥壓工藝參數對光學聚合物微結構成形的影響，研究大尺寸的PMMA樣品的翹曲規律。使用一種基于線接觸的掃描連續輥壓工藝，分別使用線槽模具、不銹鋼網孔模具進行輥壓實驗，根據實驗結果確定最佳工藝參數范圍。在輥筒溫度為150～180 ℃、平板溫度為25 ℃、輥壓壓力為200～500 N和輥壓速度為1 mm/s的工藝條件下，甲基丙烯酸甲酯平板（PMMA）微槽陣列的線槽寬復制度最高可達90%，微圓柱結構在40 mm× 40 mm PMMA襯底的覆蓋率高達95%。優化輥壓工藝參數后，可以實現聚合物的大面積槽陣列和圓孔微透鏡的穩定連續輥壓成形。針對大面積光學聚合物翹曲的問題，進行了雙面熱輥壓實驗，發現二次成形后微透鏡樣品的最大高度偏差小于0.16 mm，翹曲現象得到了有效抑制。

輥對板熱壓??；微結構；光學聚合物；裝置研發；工藝優化

光學微觀尺度元件具有可靈活調控不同波長光波的特殊性能，在視覺成像、光伏儲能、光通訊和光學光電子等領域有著廣泛的應用。近年來，對光學器件的需求不斷增大，微細光柵[1]、疏水表面[2]和聚合物微流道芯片等器件的面積需求從厘米尺度上升到分米尺度，這對超精密加工技術提出了更高的要求。

光學聚合物是制備細微結構常用的材料之一，具有透光率高、成本低和加工性能優異等特點。制備方法主要包括納米壓印光刻、激光加工、化學氣相沉積、超精密磨削、超精密車削和熱壓印等。超精密車削加工[3-4]、精密磨削加工[5-6]等方法存在成本高昂、加工效率低、批量生產困難等問題；激光直寫技術[7]雖通過提升功率提高了加工效率，但存在精度低、設備成本高的缺點。板對板熱壓印技術在大尺寸、大壓力加工時，存在壓力不均勻、效率低[8]、復制面積小[9]等問題。

輥對板熱壓印技術具有可施加均勻線接觸壓力、結構簡單、效率高、成本低等特點[10]，被認為是可實現大批量生產大面積微納結構的有效方法之一。Tan等[11]最早在1998年提出輥對板熱壓印的概念，并提供了輥筒模具和平板模具2種方案（見圖1）。他們采用輥筒模具方案研發設備，成功地在PMMA表面制造出大面積納米尺度的唱片光盤溝槽結構和光柵結構。Guo等[12]根據輥筒模具方案，以多孔氧化鋁薄膜為模板，制備出高對齊、具有疏水性的聚碳酸酯（PC）納米聚氨酯陣列。Youn等[13]研制出可自動脫模的輥對板熱壓印樣機，并成功地在尺寸為100 mm× 100 mm的聚對苯二甲酸類塑料（PET）基板上復制出精密光學結構。大量研究證明了輥壓工藝在高效復制大面積聚合物微納結構方面的優異性。

然而，在輥對板熱壓印研究中，有關聚合物微結構填充變形、宏觀翹曲和結構均勻性等關鍵問題的研究較少。因此，本文基于輥筒模具方案，設計了模塊化、高精度和高壓力的輥對板熱壓印裝置。隨后，研究了不同輥壓工藝參數對不同尺寸的PMMA宏觀和微觀變形行為的影響規律，以期為制備大面積、高精度的聚合物微納結構提供實驗指導。

圖1 輥筒模具方案（a）和平板模具方案（b）

1 輥對板熱壓印裝置的設計

輥對板熱壓印裝置的總體結構如圖2所示。該裝置主要是由機械結構、溫控系統和運動控制系統組成。輥對板熱壓印裝置的實物如圖3所示?？梢钥闯?，裝置是由成形工藝部分、數據顯示部分、上位機和驅動部分、控制按鈕部分和溫度控制部分組成。其中，輥筒運動由伺服電機驅動，在輥筒下方集成了軸運動模組和軸運動模組。輥筒加熱使用了紅外輻射加熱，平板的加熱使用了碳化硅加熱銅棒。其中，軸運動平臺抬升以施加壓印力，軸運動平臺與輥筒同時運動以完成輥壓加工。

圖2 輥對板熱壓印裝置模型

圖3 輥對板熱壓印裝置實物

1.1 機械結構

輥對板熱壓印裝置機械結構主要由輥筒模塊、運動模組（軸、軸）和隔熱模塊三部分組成。輥筒模塊主要由伺服電機、304不銹鋼材料輥筒、行星減速器和其他配件組成。伺服電機與行星減速器是剛性連接的。在減速器和傳動軸之間，同軸安裝了動態扭矩傳感器。

表1 輥筒模塊零件組成

Tab.1 Composition of roller module parts

軸動力源為伺服電機，電機通過聯軸器驅動具有滑臺的滾珠絲杠。軸動力源為五相步進電機，電機通過驅動交叉滾珠絲桿實現抬升和穩定保持功能，這為熱輥壓提供了充足的成形力。測量成形壓力變化的平板式壓力傳感器通過緊固件裝配于軸運動模組平面上。加熱平臺分別由鋁合金平板模具、加熱板和隔熱板三部分組成。

在隔熱模塊中，軸承架、石英隔熱片、氧化鋯滾珠軸承和輥筒主軸依次裝配。加熱平臺、云母片和軸平臺使用了緊固件進行剛性連接。云母片剛度高、熱導系數小，能有效減少熱量傳遞。

1.2 溫控系統

溫控系統主要有加熱平臺模塊和輥筒加熱模塊2個部分。紅外加熱管穿入輥筒內部，在輥筒兩端進行固定裝配。工作時，它向周圍均勻發射紅外線，輻射加熱圓筒形輥筒，實現均勻升溫[14-15]。通過K型熱電偶測量輥筒溫度，數據傳輸到溫度控制儀中實現溫度反饋控制。輥筒材料選用的是6061鋁合金，加熱消耗的能量如式（1）所示。

式中：為鋁合金的比熱容；為鋁合金的質量；Δ為溫度變化量；為鋁合金的密度；1為輥筒外徑；2為輥筒內徑；為輥筒的寬度。

鋁合金比熱容為0.896×103J/(kg·℃)，密度為2.75×103kg/m3，從常溫（25 ℃）加熱到200 ℃時所需的能量為13.798 4×104J，將加熱時間設置為200 s，發熱總功率為1 379.84 W，紅外發熱管中燈絲總長為200 mm，故發熱功率為6.89 W/mm。由于在加熱時部分能量會被損耗，因此選用發熱功率為10.00 W/mm的紅外加熱管。加熱平臺的加熱板采用貫穿、陣列式排布的陶瓷加熱棒，以迅速、均勻加熱銅塊，溫度誤差為±2 ℃[16]。加熱板和輥筒溫度控制流程如圖4所示。

圖4 溫控系統流程

1.3 運動控制系統及傳感監測系統

運動控制系統選用的控制器為三菱Fx5u32可編程控制器（PLC），使用高頻脈沖控制伺服電機、步進電機的運動，同時反饋輥筒的速度、位移和方向，控制原理如圖5所示。

監測系統由傳感器、轉換器、記錄儀、控制軟件和其他配件組成。壓力傳感器、扭矩傳感器通過轉換器將毫伏電壓的模擬信號轉換成數字信號，再通過軟件或者記錄儀顯示和記錄過程數據。光柵和編碼器直接連接具有高速I/O口的記錄儀，記錄轉速、移速和位移量。

圖5 控制原理

2 輥壓工藝設計

根據輥筒壓花成形原理[17-18]，提出了如圖6所示的輥壓工藝步驟：1）裝夾，放置樣品；2）加熱，通過溫控儀控制輥筒、平板加熱；3）接觸試壓，通過軸運動模組控制承載平臺，運動到輥筒下方，通過軸運動模組抬升承載平臺，直到樣品預制件與輥筒接觸壓力到設定數值后，保持在此位置；4）輥壓，輥筒與承載平臺在電機控制下同時運動，輥壓樣品預制件，在此過程中，加壓成形與脫模動態并存；5）脫模，待輥壓完成后，輥筒模具與樣品繼續分離，直到輥筒繼續運動到熱輻射不再影響樣品變形的位置時停止；6）整體冷卻，紅外加熱管和加熱板停止加熱，等待裝置與樣品冷卻。

圖6 輥壓工藝步驟

3 實驗及結果

3.1 連續線槽輥筒模具實驗

相關研究發現，當PMMA樣品被加熱到一定溫度后，會發生不規則的翹曲[19-20]，要想保證熱壓印精度，就需要控制其翹曲程度。為了提高微結構的復制質量，加工溫度要高于材料玻璃態轉變溫度。在預實驗中，探索到合適的成形速度應為1～2 mm/s。PMMA聚合物材料具有回彈特性，因此，初步選用的輥壓壓力為100～900 N。

當輥筒與PMMA接觸時，輥筒將材料表層加熱至可壓印的溫度，在壓力作用下，將輥筒的表面結構復制到PMMA表面。設定平板溫度為25 ℃；輥壓速度選用1 mm/s和2 mm/s；輥筒初始溫度為160 ℃，目標溫度為200 ℃，溫度梯度為10 ℃；輥壓初始壓力為100 N，目標壓力為900 N，壓力梯度為100 N。以輥壓速度、輥筒模具溫度和輥壓壓力作為自變量，設計控制變量實驗，分析輥壓工藝參數對輥壓成形結果的影響。

本文使用的模具為輥筒模具，分別是凸槽寬度0.7 mm、凹槽寬度0.7 mm、線槽高度1 mm以及凸槽寬度1.3 mm、凹槽寬度1.3 mm、線槽高度1 mm的2種模具，示意圖如圖7所示。

圖7 模具和輥壓樣品測試結果

為探究輥壓溫度對輥壓深度的影響，選取壓力為400 N的實驗組，使用臺階儀對其輪廓進行表征。以計算槽的平均寬度、平均深度為數據處理的目標，實驗結果如圖8所示。

圖8 輥筒溫度對輥壓結果的影響

當溫度為170～200 ℃時，隨著輥筒溫度的升高，壓印深度不斷增大。當輥壓速度為2 mm/s時，深度從4.0 μm增長到13.0 μm；當輥壓速度為1 mm/s時，深度從5.5 μm增長到18.0 μm。研究表明，在大致規律上，輥壓溫度與壓印深度成正比，而輥壓速度與深度增長率成反比。這是因為該材料成形填充的主效應是溫度[21-22]。隨著輥筒溫度的升高，輥筒和PMMA的溫差增大，熱量在2個材料之間發生的熱傳遞在單位時間內增多，材料的流動更容易，導致樣品深度更大。隨著輥壓速度的降低，熱傳遞單位接觸時間延長，在單位區域內熱傳遞的熱量增多，同樣可以成形更大的深度。在成形同樣深度的樣品時，選擇更低的輥壓速度可以使樣品的保溫保壓時間更長，這對內應力的釋放是有利的，這樣加工出來的樣品具有更高的復制度。

輥壓成形工藝會使材料內部存在內應力。應力隨時間的延長而緩慢釋放，會引起結構的形態發生變化，這種回彈現象是不可避免的。

分析圖8的回彈率可知，在170～190 ℃區間內，2 mm/s實驗組的回彈率超過1 mm/s實驗組回彈率的2倍以上；在200 ℃時，兩者均超過30%。因此，可以認為降低輥壓速度能夠提升微結構的復制度?；貜椔屎蛷椭贫鹊年P系是回彈率越低，復制度越高。當溫度超過200 ℃時，回彈率變化程度較大，難以成形特定高度的微透鏡。在170～200 ℃區間內，可以認為回彈率隨輥筒溫度的升高而增大，即溫度越低，回彈率越低。綜上所述，證明了采用常溫平板、溫度高于PMMA轉化點的輥筒溫度的輥壓工藝參數是合理的。為分析輥壓壓力對輥壓結果的影響，在恒溫190 ℃、不同壓力條件下進行分析，結果如圖9所示。

由圖9可知，當輥壓壓力為100～500 N時，樣品深度從1 μm遞增到10 μm；當輥壓壓力為500～900 N時，樣品深度從10 μm逐漸增大到最高123.1 μm。為獲得高度均勻的微結構樣品，選用微結構高度增長率比較小的溫度區間和輥壓壓力區間更合理。這是因為在高度增長率大的溫度區間、輥壓壓力區間內，其誤差難以控制，不利于成形特定高度的微結構陣列。

圖9 輥壓壓力對輥壓結果的影響

當輥壓壓力為600～900 N時，微透鏡的高度增長率遠遠高于低壓力對照組的高度增長率。當輥壓壓力為100 N時，填充深度僅為1～2 μm，回彈率卻保持在20%～30%。為獲取更低回彈率的樣品，選用輥壓壓力為200～500 N較為合適。

3.2 陣列孔輥筒模具實驗

為探究更小尺度的微結構工藝，使用直徑為300 μm、孔距為600 μm的不銹鋼網為模具進行研究。將裁剪、拋光后的不銹鋼網固定在鏡面輥筒上，如圖10a所示。使用上一節的工藝參數，進行不銹鋼網模具的輥壓實驗。使用白光干涉儀進行光學表征，得到的成形完整的微陣列圓柱如圖10b所示。測量圓柱底部直徑，樣品的直徑為275～295 μm，對應的面積保持度為91.7%～98.3%。與上一節線槽模具相比，在同樣工藝參數下，微孔結構模具和微槽模具的結構復制度不一樣，說明不同的模具形狀對其復制效果的影響程度較大。

在保證大面積、高復制度的條件下，分析輥筒溫度、輥壓壓力對微陣列圓柱高度的影響，結果如圖11所示?？芍?，隨著輥壓壓力的增大，填充深度也增大。除190 ℃組外，在100～500 N階段，填充深度變化率較小，填充深度趨于2～15 μm；在500～700 N階段，填充深度變化率較大。輥壓后PMMA樣品的不同結果如圖12所示。主要有以下3個現象：1）復制不均勻現象，在低于100 N的輥壓壓力下，樣品表面結構復制不明顯，且由于樣品形狀誤差和輥筒跳動的存在，復制結果不均勻；2）材料整體滑移現象，該現象在輥筒溫度低于150 ℃的輥壓結果中出現，這是由于該區域的輥筒溫度不夠高，僅將正在接觸樣品表面加熱至可壓印的溫度，而未壓印的樣品表面仍處在不可塑形的高剛度狀態，在成形力作用下，樣品表面材料有往輥壓方向移動的趨勢特性，致使2種狀態的樣品疊加；3）孔邊緣脫模材料滑移現象，壓力增大或在相同壓力下升高溫度都會增大材料輥壓層高度，當材料填充結束開始脫模時，孔內部的材料已經卸載，而在孔邊緣尚未脫模的部分，仍有很大的載荷，致使在脫模區域會產生不均勻的高度分布，所以隨著材料輥壓深度的增大，脫模過程中材料的分布不均勻現象會更加明顯，進而導致孔的后脫模邊緣發生脫?；片F象。

圖12同時展現了最佳工藝參數的區間，為避免上述工藝缺陷，本文對大量實驗進行了總結，對工藝參數進行了優化，在實際生產時，可采用三角形框內區域的工藝參數壓印，這樣可以得到結構完整的輥壓結果。

圖11 輥壓壓力與輥壓溫度對填充深度的影響

圖12 輥壓工藝優化圖

3.3 PMMA輥壓成形翹曲研究及其優化

研究大面積輥壓成形、拓展大尺寸和高效率輥壓成形工藝在微納加工領域具有重要意義[23-24]。因為存在不同尺度的尺寸效應，所以在選擇更大面積的樣品、使用相同的工藝條件時，工件會出現明顯的翹曲、微結構填充高度不均勻等問題。為此，本節主要探究大面積輥壓成形的規律、缺陷原因與解決方案。

3.3.1 實驗設計與表征

本節使用了優化后的工藝參數，同樣使用300 μm的不銹鋼網狀模具，對100 mm×100 mm PMMA工件進行了實驗。實驗中使用的工藝參數如下：輥壓速度為1 mm/s；輥壓初始壓力為250 N，目標壓力為750 N，壓力梯度為250 N；輥筒初始溫度為160 ℃，目標溫度為180 ℃，溫度梯度為10 ℃；承載平臺溫度為常溫（25 ℃）。

完成輥壓實驗后，選取最優的輥壓樣品，在工件表面均勻選取9個測量點，使用白光干涉儀、千分表進行高度測量，如圖13所示。對比輥壓前后工件的高度數據的差值，差值越大，則翹曲程度越嚴重。

3.3.2 PMMA輥對板熱壓印翹曲實驗的結果與分析

100 mm×100 mm PMMA工件初次輥壓后的翹曲圖如圖14所示?？芍?，微圓柱結構的分布情況是四邊高、中間低。從材料上分析，聚合物材料在輥壓成形時，當輥筒接觸到樣品后，一方面傳遞熱量，另一方面施加的擠壓力使材料從松弛狀態變成受壓應力狀態。在冷卻階段，因為保溫保壓時間極短，其存在的內應力導致翹曲現象發生[25-26]。從工藝上分析，輥筒接觸面的單面高溫會引起上下2個表面的應力釋放不均勻，呈下表面高、上表面低的現象，在樣件上呈現為翹曲現象。約束力不平均，進而導致邊緣處的應力釋放少，中間的應力釋放多，這同樣是翹曲的原因之一。

圖13 100 mm×100 mm PMMA工件的千分表測量點

本文使用的優化方案為二次熱輥壓消除內應力。為保證工件正反兩面的應力消除量相等，在第一次加工完畢后，使用相同參數進行鏡面輥壓正面一次、模具輥壓反面一次。

在完成二次輥壓后，工件首先呈現中間凸起、四周向下彎曲的現象，待工件冷卻后翹曲現象消失，最后工件的翹曲程度明顯減小。樣品變化情況如圖15所示。這是由于輥壓后工件表層材料溫度比底層材料溫度高，材料出現熱膨脹不均勻的情況，進而出現與先前相反方向的翹曲現象，這也說明二次輥壓的翹曲主要是由溫度造成的，與表面內應力關系不大。

在對工件進行二次輥壓和表征后，處理得到的翹曲對比如圖16a所示?？芍?，在二次輥壓的工件9個測量點中，最高和最低的高度差值為0.16 mm，工件翹曲得到明顯抑制。9個測量點填充高度表征結果如圖16b所示，測得微結構填充高度為（3.4±0.2）μm，可見，大部分內應力得到釋放，微圓柱的成形質量和均勻性得到明顯提高。

圖14 100 mm×100 mm PMMA工件的初次輥壓后翹曲圖

圖15 樣品變化圖

圖16 3個階段的PMMA工件翹曲情況（a）與白光干涉儀對9個測量點的表征結果（b）

4 結論

大面積微結構輥對板熱壓印裝置采用模塊化的設計方案，簡化了設備，使設備符合定制化生產的需求；優化了輥筒和平板的加熱工藝，使其滿足加熱均勻、大面積加熱的要求；設計的輥壓工藝步驟細化了輥壓過程并明確了涉及的工藝參數，對實驗和生產具有現實指導作用。

1）針對連續線槽輥筒模具，通過輥壓速度、輥壓溫度和輥壓壓力的控制變量實驗，得到了適合40 mm×40 mm PMMA平板的輥壓工藝參數：輥筒溫度為160～190 ℃、平板溫度為25 ℃、輥壓壓力為200～500 N、輥壓速度為1 mm/s。優化后，線槽寬度的復制度最高可達90%。

2）對于直徑為300 μm、孔距為600 μm的陣列孔模具，其優化后的參數如下：輥壓速度為1 mm/s，輥壓壓力為100～500 N，輥筒溫度為150～180 ℃。優化后，可穩定獲得高深寬比、均勻的2～5 μm微陣列圓柱，其圓柱底部圓面積保持度為91.7%～98.3%。

3）在優化PMMA微結構輥壓成形工藝的基礎上，采用二次熱輥壓的方法消除了工件表面內應力的釋放對工件翹曲產生的影響，工件9個測量點的最高和最低高度差為0.16 mm，工件翹曲得到明顯抑制，形狀精度有效提高。

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Development and Process Optimization of Large Area Micro-structure Roller-to-Plate Hot Stamping Device

LI Qinjun, LI Bo, GONG Feng, YAN Chao*

(Shenzhen Key Laboratory of High Performance Nontraditional Manufacturing, College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Guangdong Shenzhen 518060, China)

The work aims to develop a new roller-to-plate hot stamping device for micro-structure machining and study the effect of rolling parameters on the micro-structure forming of optical polymer under different mold structures and the warping law of large-size PMMA samples. A scanning continuous rolling process based on line contact was used and the rolling experiments were carried out by linear groove mold and stainless steel mesh mold respectively. Then, the optimal process parameter range was determined according to the experimental results. When the roller temperature was 150 ℃ to 180 ℃, the plate temperature was 25 ℃, the forming force was 200 N to 500 N, and the rolling speed was 1 mm/s, the linear groove replication rate of large-size PMMA samples could reach 90%, and the coverage rate of micro-cylindrical structure on 40 mm×40 mm PMMA substrate was as high as 95%. After the optimization of rolling process parameters, the stable and continuous rolling forming of large area groove array and circular microlens of polymer can be realized. In order to solve the problem of large area optical polymer warping, double-sided hot rolling experiments have been carried out. It is found that the maximum height deviation of microlens samples after secondary forming is less than 0.16 mm, and the warping is effectively suppressed.

roller-to-plate hot stamping device; micro-structure; optical polymer; device development; process optimization

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.02.019

TG156.99

A

1674-6457(2024)02-0157-08

2023-10-20

2023-10-20

國家自然科學基金（U2341272，52171076）

National Natural Science Foundation of China (U2341272, 52171076)

李欽軍, 李波, 龔峰, 等. 大面積微結構輥對板熱壓印裝置研發及工藝優化[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 157-164.

LI Qinjun, LI Bo, GONG Feng, et al. Development and Process Optimization of Large Area Micro-structure Roller-to-Plate Hot Stamping Device[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 157-164.

（Corresponding author）