一種基于3d打印的棱鏡膜制備方法及裝置制造方法

一種基于3d打印的棱鏡膜制備方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于3D打印的棱鏡膜制備方法，包括以下步驟：1、建立棱鏡膜的三維數字模型，并轉換為3D打印設備的工作指令，包括打印基層的第一指令和打印棱鏡層的第二指令；2、將打印基層的第一原料放入進料腔中，轉化為液態；3D打印設備按照向成型區內噴灑液態的第一原料，并使噴灑出的第一原料快速固化，打印頭往復平移打印，層層堆砌，形成基層實體；3、將打印棱鏡層的第二原料放入進料腔中，轉化為液態；3D打印設備按照第二指令向成型區內噴灑液態的第二原料，并使噴灑出的第二原料快速固化，形成單個棱鏡柱，打印頭按一定規則繼續打印，形成棱鏡層實體。該方法及裝置可以簡化棱鏡膜的制備工藝，提高工作生產效率。
【專利說明】-種基于3D打印的棱鏡膜制備方法及裝置

【技術領域】
[0001] 本發明涉及棱鏡膜制備【技術領域】，特別是一種基于3D打印的棱鏡膜制備方法及 裝直。

【背景技術】
[0002] 目前，增亮膜（BEF)被廣泛應用于發光模組以用來匯聚光源所發出的光線，尤其 是在顯示器等顯示設備上，常用增亮膜來增加顯示亮度從而達到減少顯示器能源消耗的目 的。
[0003]BEF分為棱鏡形BEF和反射型偏光膜。
[0004] 請參閱圖1，為一種公知的應用于液晶器的背光模組內的棱鏡形BEF結構示意圖。 如圖所示，該棱鏡形BEF結構la包含：一主體部分10a及多個棱鏡結構11a。所述多個棱 鏡結構11a皆為三角柱形狀，且規則排列于主體10a上。通過增亮膜結構la，使得大視角的 發散光，聚攏在較小的角度范圍內出射，達到光線聚集效果。然而，在傳統的增亮膜結構中， 組成聚光棱鏡結構層的單個棱鏡單元之間高度相同。光線穿透射出該棱柱結構層時，易產 生牛頓環及摩爾波紋等負面光學效應；在較大的出光視角上，仍造成其他發光光線無法有 效集中，導致漏光的情況發生。針對增亮膜的棱鏡結構部分，發展出多種相關技術來提高發 光效率。
[0005] 如專利CN201220158721. 1中，披露一種具有棱鏡結構的增亮膜，其中棱鏡柱每五 個為一個周期，從左端開始第一個棱鏡柱的高度為17um，第二個棱鏡柱的高度為12. 5um， 后面三個棱鏡柱的高度均為15um;又如專利CN201120246068.X中，披露一種增亮膜結構， 其中棱鏡部分呈交錯的錯位結構。通過改變棱鏡結構均可以減輕牛頓環現象，并提高增亮 膜光場分布均勻性，達到遮掩或隱藏瑕疵的效果。
[0006] 請參閱圖2,是現有一種增亮膜制造裝置的示意圖。該制造裝置lb包括一進料裝 置10b和出料滾輪組12b，該進料裝置10b和該出料滾輪組12b將一聚酯膜lib傳送至進料 滾輪22b處。該進料滾輪22b將紫外光固膠21b涂覆至該lib膜表面。該模具滾輪23b在 該紫外光固化膠21b表面滾壓出棱鏡微結構24b。然而，該基膜lib由進料裝置10b放卷進 入，因張力過大，容易導致基膜lib兩側過度伸張而形成蕩邊；聚酯膜22b采用涂布工藝完 成，涂布過程容易引起過度張力和局部松弛，導致產生涂布不均等缺陷；由于對增亮膜的表 面精度和表面光潔度要求非常高，對于模具23b的制作是現如今的一大技術難題。總之，該 制備方法工藝程序復雜，生產效率低，不利于簡化生產。
[0007] 請參閱圖3所示，為一種公知的應用于背光模組的反射型偏光膜結構示意圖。該 反射型偏光膜結構lc包含兩種不同折射率的材料10c和11c，所述不同折射率的兩層材料 被重疊多次，如數百次以上。該膜的制作過程為：首先將兩種高分子薄膜交替擠壓成數百 層，而厚度僅有400-500um的薄膜；然后通過單軸拉伸技術沿膜面內某一方向進行拉伸，使 其中一種膜在拉伸方向的折射率發生變化，從而形成該方向折射率交替變化而其垂直方向 折射率基本不變的薄膜材料。為使作用范圍覆蓋可見光波段，根據公式： nh-(2?+1)A/4(m= 0, 1, 2, --?) (1) 其中《為該層膜折射率，』為入射光波長。使得高分子膜層的厚度隨著其厚度方向而 逐漸改變。該制作方法工序非常復雜，其中拉伸技術和控制膜厚是一大技術難題。


【發明內容】

[0008] 本發明的目的在于提供一種基于3D打印的棱鏡膜制備方法及裝置，簡化棱鏡膜 的制備工藝，提高工作生產效率。
[0009] 為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種基于3D打印的棱鏡膜制備方法，包 括以下步驟： 步驟S1、建立棱鏡膜的三維數字模型，并轉換為控制3D打印設備工作的工作指令，包 括打印棱鏡膜的基層的第一指令和打印棱鏡膜的棱鏡層的第二指令； 步驟S2、將打印基層的第一原料放入3D打印設備的進料腔中，將第一原料轉化為液 態；3D打印設備接收并按照第一指令工作，打印頭向成型區內噴灑液態的第一原料，并使 噴灑出的第一原料快速固化，打印頭往復平移打印，層層堆砌，形成基層實體； 步驟S3、將打印棱鏡層的第二原料放入3D打印設備的進料腔中，將第二原料轉化為液 態；3D打印設備接收并按照第二指令工作，打印頭向成型區內噴灑液態的第二原料，并使 噴灑出的第二原料快速固化，形成單個棱鏡柱，打印頭按一定規則繼續打印，形成棱鏡層實 體。
[0010] 在本發明一實施例中，用于組成棱鏡層的棱鏡柱是不同大小、不同形狀的棱鏡柱 按相同排列方式規則排列于基層上，或是相同大小、相同形狀的棱鏡柱按不同排列方式交 錯排列于基層上。
[0011] 在本發明一實施例中，打印基層的第一原料為PET聚酯，打印棱鏡層的第二原料 為亞克力聚酯。
[0012] 本發明還提供了一種基于3D打印的棱鏡膜制備裝置，包括控制系統和機械系統， 所述控制系統建立棱鏡膜的三維數字模型，并轉換為機械系統的工作指令，以控制機械系 統完成打印；所述機械系統包括動力單元和打印單元，所述動力單元驅動調控打印單元的 工作位置，所述打印單元包括進料腔和打印頭。
[0013] 在本發明一實施例中，所述打印頭為點狀打印頭，線狀打印頭，或陣列式面狀打印 頭，所述線狀打印頭、陣列式面狀打印頭都由單個打印頭組合而成。
[0014] 在本發明一實施例中，所述打印頭為單個打印頭，所述單個打印頭包括用以進給 物料的管路及連接于管路出料端上的噴頭，所述噴口的四周外側分別鉸接有一片用以控制 噴口大小的收斂片，所述收斂片分別經各自的致動器連接于打印機的機架上。
[0015] 在本發明一實施例中，所述打印頭為單個打印頭，所述單個打印頭包括用以進給 物料的管路及連接于管路出料端上的噴頭，所述噴口的四周內側設有控制噴口尺寸的伸縮 材料，所述噴口的外側設有連接于打印機機架上且用以控制噴口方向的致動器。
[0016] 在本發明一實施例中，所述致動器為電致伸縮材料致動器，所述電致伸縮材料致 動器包含用以產生驅動電致伸縮材料的電場的電極，電致伸縮材料，襯底，電極支撐以及傳 動桿，所述電致伸縮材料在機械結構上采用串聯形式，在電路結構上使用并聯形式。
[0017] 在本發明一實施例中，所述致動器為磁致伸縮材料致動器，所述磁致伸縮材料致 動器包含磁致伸縮材料，殼體，用以產生驅動磁致伸縮材料的磁場的線圈和傳動桿。
[0018] 在本發明一實施例中，所述管路包含有加熱段、進給段、噴口，位于加熱段外圍設 置有用以對物料進行加熱的加熱元件。
[0019] 本發明的有益效果是克服了現有棱鏡膜制備方法存在的制備工藝復雜，生產效率 低等問題，提出了一種基于3D打印的棱鏡膜制備方法及裝置，能夠精確控制棱鏡膜的形 狀、排列方式及厚度，提高棱鏡膜的表面整潔度和精度，簡化制備工序，提高生產效率，具有 很強的實用性和廣闊的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是現有一種棱鏡膜結構示意圖。
[0021] 圖2是現有一種增亮膜制造裝置示意圖。
[0022] 圖3是現有一種反射型偏光膜結構示意圖。
[0023] 圖4是本發明一實施例的裝置結構示意圖。
[0024] 圖5和圖6是本發明一實施例的單個打印頭的一種結構的內部構造示意圖，及截 面示意圖。
[0025] 圖7和圖8是電致伸縮材料致動器的結構示意圖和截面示意圖。
[0026] 圖9是磁致伸縮材料致動器的結構示意圖和截面示意圖。
[0027] 圖10和圖11是本發明一實施例的單個打印頭的另一種結構的內部構造示意圖， 及截面示意圖。

【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步說明。
[0029] 本發明基于3D打印的棱鏡膜制備方法，包括以下步驟： 步驟S1、建立棱鏡膜的三維數字模型，并轉換為控制3D打印設備工作的工作指令，包 括打印棱鏡膜的基層的第一指令和打印棱鏡膜的棱鏡層的第二指令。
[0030] 步驟S2、將打印基層的第一原料放入3D打印設備的進料腔中，打印基層的第一原 料為PET聚酯，采用熔融技術將第一原料轉化為液態，融膠溫度設在255?260°C;3D打印 設備接收并按照第一指令工作，打印頭向成型區內噴灑液態的第一原料，并利用UV照射使 噴灑出的第一原料快速固化，打印頭往復平移打印，層層堆砌，形成基層實體。
[0031] 步驟S3、將打印棱鏡層的第二原料放入3D打印設備的進料腔中，打印棱鏡層的第 二原料為亞克力聚酯，采用熔融技術將第二原料轉化為液態，溫度約160°C;3D打印設備接 收并按照第二指令工作，打印頭向成型區內噴灑液態的第二原料，并利用UV照射使噴灑出 的第二原料快速固化，形成單個棱鏡柱，打印頭按一定規則繼續打印，形成棱鏡層實體。用 于組成棱鏡層的棱鏡柱可以是不同大小、不同形狀的棱鏡柱按相同排列方式規則排列于基 層上，也可以是相同大小、相同形狀的棱鏡柱按不同排列方式交錯排列于基層上。
[0032] 本發明還提供了一種與上述方法相配套的基于3D打印的棱鏡膜制備裝置，包括 控制系統和機械系統，所述控制系統建立棱鏡膜的三維數字模型，并轉換為機械系統的工 作指令，以控制機械系統完成打印；所述機械系統包括動力單元和打印單元，所述動力單元 驅動調控打印單元的工作位置，所述打印單元包括進料腔和打印頭。
[0033] 參照圖4,是本發明一實施例的棱鏡膜制備裝置結構示意圖。裝置包括控制系統 和機械系統。所述控制系統為機械系統提供指令，通過計算機建模建立棱鏡膜的三維數字 模型，再將三維數字模型運用電腦程序轉換為機械系統的工作指令，通過指令來控制機械 系統完成模型的打印。所述機械系統包括動力單元(未標示)以及打印單元。所述動力單元 (未標示）與十字滑臺22a相連，實現對打印單元21a工作位置的驅動調控。所述打印單元 包括進料腔21a和打印頭27a。
[0034] 本實施例中增亮膜的具體制備步驟為：a.在計算機的建模系統中建立棱鏡膜的 三維數字模型，并運用電腦程序轉換為機械系統的工作指令，包括打印棱鏡膜的基層的第 一指令和打印棱鏡膜的棱鏡層的第二指令。b.采用PET聚酯作為原料，放入進料腔中后，采 用熔融技術將原料轉化為液態；機械系統接收第一指令，線狀打印頭向成型區內噴灑液態 原料，噴灑出的聚脂材料快速冷卻固化，線狀打印頭如此左右來回平移，層層堆砌，形成基 層實體23a;c.采用亞克力聚酯作為棱鏡層原料，放入進料腔中后，采用熔融技術將原料轉 化為液態；機械系統接收第二指令，線狀打印頭向需要成型區內噴灑液態原料，然后通過快 速冷卻固化，形成單個棱鏡柱24a，如此從左至右形成一系列規則排列的棱鏡柱，形成棱鏡 膜實體。
[0035] 本發明中，所述打印頭可以采用單個打印頭，也可以為線狀、面狀或陣列式打印 頭。在上述的實施例中，所述打印頭為線狀打印頭。在下述的另一實施例中，所述打印頭為 單個打印頭。
[0036] 本實施例的3D打印設備包含有物料進給的管路8。該物料是需要打印的材料，可 以但不限于是熱塑性塑料，合金，金屬粉末，光硬化樹脂等材料。管路包含有加熱段、進給 段、出口。加熱段外圍設置加熱元件7,送入的物料在加熱段被加熱，并被后續物料推入進給 段，物料從進給段被送至出口，最后由出口被打印至工作平臺，在工作平臺上固化定型。
[0037] 物料在輸送至出口并由出口打印至工作平臺上時，其大小由出口的大小決定，其 方向出口偏轉方向決定，即本打印設備的出口對于打印物料最終的大小和打印方向具有決 定作用。
[0038] 本實施例的3D打印設備在出口處設置有調節裝置，調節裝置有兩組，每組調節裝 置包含兩個致動器4,同組的調節裝置對稱布置。兩組調節裝置分別放置于出口上下側和 左右側，致動器的固定端與打印設備的支撐體5剛性連接，致動器的自由端與收斂片1、2鉸 接。由于伸縮器在電場或者磁場的作用下，會產生形變，伸縮器會推動收斂片運動，實現對 口徑和方向的調節。
[0039] 本實施例的3D打印設備所使用的致動器4可以是電致伸縮材料致動器。這種致 動器包含用以產生驅動電致伸縮材料的電場的電極41，電致伸縮材料42,襯底43,電極支 撐44以及傳動桿45。因為單片電致伸縮材料42應變有限，因此電致伸縮材料42在機械結 構上采用串聯形式，在電路結構上使用并聯形式。
[0040] 本實施例的3D打印設備所使用的致動器4可以是磁致伸縮材料致動器。這種致 動器包含磁致伸縮材料46,殼體47,用以產生驅動磁致伸縮材料的磁場的線圈48和傳動桿 49。
[0041] 本實施例的3D打印設備所使用的致動器4均為單獨供電。每組致動器控制一個 方向的大小和方向調節。
[0042] 如圖6所示出口處的收斂片1、2分別控制出口兩個方向的大小和打印方向。收斂 片之間由柔性材料3連接。圖5展示的是4片收斂片的情況，本發明并不限于使用4片收 斂片，可根據需要進行增加。當向相對布置的致動器4加相同電壓時，其伸縮量一至，收斂 片12同步動作，出口的大小發生改變。當向相對布置的致動器4加不同電壓時，其伸縮量 不一致，收斂片1、2動作存在差異，出口中心的方向發生改變，同時噴口的大小發生改變。
[0043] 如圖7所示電致伸縮材料致動器中，使用了多片電致伸縮材料42,它們在伸縮方 向是串聯，以擴大應變效果。同時所有電致伸縮材料42處于同一個電場中。電致伸縮材料 的形變量由電場強度決定。
[0044] 如圖8所示，為電致伸縮材料致動器截面圖，電極支撐44是由絕緣材料構成，用以 支撐電極。
[0045]使用PMN基弛豫鐵電體（1-y) [(l-x)PMN-xPT]-yW03，在x=0. 1 ?0? 13 和 y=0. 01?0.015之間時，其電致伸縮系數高達lxlCr1^2/^。以圖7所示電致伸縮材料致 動器的結構為例，假設8片電致伸縮材料42串聯的長度為16mm，單片電致伸縮材料42的高 度為1mm，則在電極上加190V電壓時單側致動器伸縮量為0. 5,兩側同時伸縮可以使出口縮 小1，當撤去電壓時噴口大小恢復原始狀態。當極板所加電壓在0--1000V的范圍內變化 時，這種結構的噴口的收縮范圍為0-27. 52。
[0046] 當使用上述材料和結構，而只向單側的電致伸縮致動器加電壓時，噴口中心向一 側產生偏移。在一側加190V電壓而另一側不加電壓時時噴口中心偏移0. 5。
[0047] 如圖9所示，磁致伸縮材料致動器中，線圈48通電后會產生驅動磁致伸縮材料46 的磁場，其形變量與磁感應強度有關。
[0048] 使用磁致伸縮材料，其磁致伸縮系數為。假設磁致伸縮材料致動器中線圈為1000 匝，磁致伸縮材料致動器直徑為2mm，磁致伸縮材料長度為10mm。當線圈加上220V，50電壓 時，單側磁致伸縮材料致動器的伸長量為1.7,兩側同時伸縮可以是出口縮小3. 4。當所加 電壓的頻率保持50HZ，大小在0--500V范圍內變化時，這種結構的噴口收縮范圍為0- 18。
[0049] 本實施例的3D打印設備還可以使用阻塞式結構實現，其特征在于將伸縮材料10 安置于出口內側，并在本3D打印設備外殼13的對應位置上安置電極9或線圈。安置在出 口內側的伸縮材料10,在電場或磁場的作用下產生形變，這種形變可以阻塞出口的部分空 間，實現出口大小的調節。出口方向的調節依然使用致動器的方式實現，不同的是使用阻塞 式結構時偏轉發生在物料管路的進給段15。
[0050] 如圖10所示，為阻塞式結構的截面圖。圖中使用的是電致伸縮材料，故布置的是 電極9,如使用磁致伸縮材料則應在外殼13上纏繞線圈。在電極9產生的電場的作用下伸 縮材料10產生形變，使出口的大小發生改變。
[0051] 如圖11所示，阻塞式結構中加熱器14對送入的物料進行加熱，物料最終從出口打 印至工作平臺上。固定于外殼13上的電極9產生電場使電致伸縮材料10產生形變，改變 出口大小。伸縮器11使出口產生偏轉改變打印方向。
[0052] 伸縮材料10使用電致伸縮材料PMN基弛豫鐵電體（1-y) [ (1-x)PMN-xPT] _yW03， 在x=0. 1?0. 13和y=0. 01?0. 015之間時，打印噴頭外殼直徑為10mm，伸縮材料10厚度 為1mm。當極板電壓在0--1000V的范圍內變化時，噴口大小的變化范圍為0--0. 0172。
[0053] 伸縮材料10使用磁致伸縮材料，打印噴頭外殼直徑為10mm，伸縮材料10厚度為 1mm，線圈100匝。當加入的電壓的范圍是0V，50HZ--1000V，50HZ時噴口大小的變化范圍 為 0-115. 44。
[0054] 伸縮器11使用電致伸縮材料PMN基弛豫鐵電體（1-y) [ (l-x)PMN-xPT]-yW03,在 x=0. 1?0. 13和y=0. 01?0. 015之間時，以圖7所示電致伸縮材料致動器的結構為例，假 設2片電致伸縮材料42串聯的長度為3mm，單片電致伸縮材料42的高度為1mm。當在一側 的電致伸縮致動器上加500V電壓，噴口中心向一側偏轉0. 645。
[0055] 伸縮器11使用磁致伸縮材料，磁致伸縮材料致動器直徑為2_，磁致伸縮材料長 度為2mm，線圈500匝。當在單側磁致伸縮材料致動器加上220V，50HZ的電壓時，噴口中心 向一側偏移5. 6。
[0056] 以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作 用未超出本發明技術方案的范圍時，均屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種基于3D打印的棱鏡膜制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟S1、建立棱鏡膜的三維數字模型，并轉換為控制3D打印設備工作的工作指令，包 括打印棱鏡膜的基層的第一指令和打印棱鏡膜的棱鏡層的第二指令； 步驟S2、將打印基層的第一原料放入3D打印設備的進料腔中，將第一原料轉化為液 態；3D打印設備接收并按照第一指令工作，打印頭向成型區內噴灑液態的第一原料，并使 噴灑出的第一原料快速固化，打印頭往復平移打印，層層堆砌，形成基層實體； 步驟S3、將打印棱鏡層的第二原料放入3D打印設備的進料腔中，將第二原料轉化為液 態；3D打印設備接收并按照第二指令工作，打印頭向成型區內噴灑液態的第二原料，并使 噴灑出的第二原料快速固化，形成單個棱鏡柱，打印頭按一定規則繼續打印，形成棱鏡層實 體。
2. 根據權利要求1所述的一種基于3D打印的棱鏡膜制備方法，其特征在于，用于組成 棱鏡層的棱鏡柱是不同大小、不同形狀的棱鏡柱按相同排列方式規則排列于基層上，或是 相同大小、相同形狀的棱鏡柱按不同排列方式交錯排列于基層上。
3. 根據權利要求1所述的一種基于3D打印的棱鏡膜制備方法，其特征在于，打印基層 的第一原料為PET聚酯，打印棱鏡層的第二原料為亞克力聚酯。
4. 一種基于3D打印的棱鏡膜制備裝置，其特征在于，包括控制系統和機械系統，所述 控制系統建立棱鏡膜的三維數字模型，并轉換為機械系統的工作指令，以控制機械系統完 成打印；所述機械系統包括動力單元和打印單元，所述動力單元驅動調控打印單元的工作 位置，所述打印單元包括進料腔和打印頭。
5. 根據權利要求4所述的一種基于3D打印的棱鏡膜制備裝置，其特征在于，所述打印 頭為點狀打印頭，線狀打印頭，或陣列式面狀打印頭，所述線狀打印頭、陣列式面狀打印頭 都由單個打印頭組合而成。
6. 根據權利要求4所述的一種基于3D打印的棱鏡膜制備裝置，其特征在于，所述打 印頭為單個打印頭，所述單個打印頭包括用以進給物料的管路及連接于管路出料端上的噴 頭，所述噴口的四周外側分別鉸接有一片用以控制噴口大小的收斂片，所述收斂片分別經 各自的致動器連接于打印機的機架上。
7. 根據權利要求4所述的一種基于3D打印的棱鏡膜制備裝置，其特征在于，所述打 印頭為單個打印頭，所述單個打印頭包括用以進給物料的管路及連接于管路出料端上的噴 頭，所述噴口的四周內側設有控制噴口尺寸的伸縮材料，所述噴口的外側設有連接于打印 機機架上且用以控制噴口方向的致動器。
8. 根據權利要求6或7所述的一種基于3D打印的棱鏡膜制備裝置，其特征在于，所述 致動器為電致伸縮材料致動器，所述電致伸縮材料致動器包含用以產生驅動電致伸縮材料 的電場的電極，電致伸縮材料，襯底，電極支撐以及傳動桿，所述電致伸縮材料在機械結構 上采用串聯形式，在電路結構上使用并聯形式。
9. 根據權利要求6或7所述的一種基于3D打印的棱鏡膜制備裝置，其特征在于，所述 致動器為磁致伸縮材料致動器，所述磁致伸縮材料致動器包含磁致伸縮材料，殼體，用以產 生驅動磁致伸縮材料的磁場的線圈和傳動桿。
10. 根據權利要求6或7所述的一種基于3D打印的棱鏡膜制備裝置，其特征在于，所 述管路包含有加熱段、進給段、噴口，位于加熱段外圍設置有用以對物料進行加熱的加熱元 件。
【文檔編號】B29D7/01GK104401001SQ201410237616
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年5月31日 優先權日:2014年5月31日
【發明者】郭太良, 葉蕓, 胡海龍, 陳恩果, 張典 申請人:福州大學