CN104379329A - 用于制备逆向反射制品的工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于制备逆向反射制品的工具，所述工具包括：(a)基底，所述基底包括图案化表面，所述图案化表面包括微结构化的逆向反射元件的阵列；和(b)焊缝，所述焊缝穿过所述阵列的至少一部分。在所述图案化表面上与所述焊缝相邻的光学劣化区域具有约400μm或更小的宽度。

Description

用于制备逆向反射制品的工具
技术领域
本发明涉及用于制备逆向反射制品的焊接工具、制备所述工具的方法以及从所述工具复制的逆向反射制品。
背景技术
逆向反射片材用在包括(例如)交通标志、路面标记、汽车牌照和衣服在内的各种应用中。这些应用中的许多应用需要片材具有悦目或美观的外表。
一种可用类型的逆向反射片材是立体角逆向反射片材。立体角逆向反射片材通常包括具有大致平坦的前表面的片材以及从背侧面突起的立体角反射元件阵列。在使用中，逆向反射器被布置成前表面大致朝预期观察者的预期位置设置。在这种取向下，入射到前表面的光进入片材，穿过片材的主体以被立体角反射元件的面内反射，以便在基本上朝光源的方向上从前表面出射(即，逆向反射)。
逆向反射立体角元件阵列的制造通常采用模具或工具(可以是母模工具的多代拷贝)来实现。母模工具主要通过诸如销集束、薄层组装和直接机加工的已知技术来制成。通过销集束制造的工具是通过将各个销组装在一起而制成的，所述销各自具有形成有立体角反射元件的特征的末端部分。通过薄层组装制造的工具是通过将各个薄层或叶片组装在一起而制成的，所述薄层或叶片各自具有形成有立体角反射元件的特征的侧部。直接机加工技术涉及切去部分基底以形成沟槽图案，所述沟槽图案相交以形成包括立体角元件的结构。此沟槽状基底通常用作母模，从该母模可形成一系列印模、复制品或模具。然后这些模具通常用作逆向反射片材的模具。
一旦制成模具或工具，就可通过任何合适的方法来制成逆向反射片材，包括(例如)用工具基底对塑料片材热压印以形成模制表面，或者在将要微复制的模具上随后沉积可交联的部分聚合的树脂，然后通常使其暴露于诸如(例如)光化光或热以使树脂固化。
这些制造工艺通常是连续工艺。对于逆向反射片材的连续制造，工具通常由分立的模具元件形成，这些模具元件本质上是大致平坦的，利用横跨其宽度的一条或多条焊接线来将它们接合在一起。第一分立模具元件(母模)通常如上所述形成，然后通过电镀来制成包括多代拷贝的多个拷贝。然后将这些拷贝焊接在一起形成圆筒、带或套筒的形式，使得一条或多条焊接线横跨圆筒、带或套筒的宽度。
当在这样的工具上制造逆向反射片材时，树脂流入焊线中，导致在所得片材中复制出接缝线。通常可横跨逆向反射片材的宽度观察到接缝线。由于这些接缝线影响片材的美观，已尝试使接缝线变窄或消除接缝线。例如，美国专利No.5,643,400和No.5,558,740(均授予Bernard等人)描述了用于制造逆向反射片材的设备和方法，其中使用至少两个模制表面来生成两个棱镜阵列，所述棱镜阵列在各个阵列的前缘和/或后缘处交叠。美国专利No.6,709,258(Paulson等人)描述了用于逆向反射片材的模具，所述模具通过将基本上平坦的模具的背侧面的相背对端焊接在一起以形成圆筒形状来制成。
发明内容
根据上述内容，我们认识到仍需要改进的方法来利用足够强的焊线制备逆向反射制品的模具，所述模具能够在逆向反射制品(例如逆向反射片材)上生成窄的接缝线。
此外，我们认识到在任何此类方法中仍非常重要的是使工具上与受来自焊接工艺的热的影响的焊缝相邻的区域最小化。在此区域中的加热和后续的重新冷却可改变工具材料的微观结构。例如，在此区域中的立体角元件可变得畸变，并表现出减弱或劣化的逆向反射性。
简而言之，在一个方面，本发明提供用于制备逆向反射制品的工具，包括：(a)基底，所述基底包括图案化表面，所述图案化表面包括微结构化的逆向反射元件的阵列；和(b)焊缝，所述焊缝穿过所述阵列的至少一部分。在所述图案化表面上与所述焊缝相邻的光学劣化区域具有约400μm或更小的宽度。
在另一方面，本发明提供逆向反射片材，包括图案化表面，所述图案化表面包括微结构化的逆向反射元件的三维阵列和焊缝，所述焊缝穿过所述阵列的至少一部分。在所述图案化表面上与所述焊缝相邻的光学劣化区域具有约400μm或更小的宽度。
在另一方面，本发明提供用于制备用于逆向反射制品的工具的方法。所述方法包括利用单空间模激光器以连续波模式操作将基本上平坦的两个模具元件的末端焊接在一起以形成焊缝。每个模具元件包括具有微结构化的逆向反射元件的阵列的图案化侧面和与所述图案化侧面相背对的平坦背侧面。
如本文所用，“模具”或“工具”是指具有形成初始模板的至少一个图案化表面的基底，可从所述初始模板复制其它制品，例如模或逆向反射制品(例如逆向反射片材)。
如本文所用，“模”是指通过模具形成的结构。在制造诸如逆向反射片材的制品的进一步的复制工艺中通常使用的是模。
如本文所用，术语“微结构化”是指至少一个主表面具有侧向尺寸(例如，立体角结构的沟槽顶点之间的距离)小于约300μm的逆向反射元件。
如本文所用，“焊缝”或“焊接线”是指用于制备逆向反射片材的工具中的实际焊缝或者实际焊缝在工具的复制品(包括其多代拷贝)中的复制。
如本文所用，“光学劣化区域”是指用于制备逆向反射制品的工具的图案化表面上或者从其复制的逆向反射制品的图案化表面上的与焊缝相邻的区域，其中逆向反射元件由于畸变而表现出显著减弱的逆向反射性能。畸变可由焊接工艺期间产生的热引起。用于限定光学劣化区域的一个可用方法使用具有合适的物镜镜头的相移干涉仪来测量各个立体角元件的峰谷光程差，以确定畸变和未畸变的立体角元件之间的过渡处在哪里。当使用小于约0.5mm，优选小于0.25mm的逆向反射元件时，合适的物镜镜头可(例如)包括缩束器。在焊缝的每一侧畸变和未畸变的立体角元件的过渡处之间的距离(在垂直于焊缝且平行于逆向反射立体角元件的大致平坦的表面的方向上测量)限定光学劣化区域的宽度。这种测量通常在处于逆向反射工具或制品的可用区域中的光学劣化区域的最宽的点处进行。
本发明的工具和逆向反射制品具有非常窄的焊缝，并且在逆向反射元件中与焊缝相邻的物理畸变区域非常小。此外，利用本发明的方法制成的工具中的焊缝对于其预期应用而言足够强。
附图说明
图1是逆向反射片材的样本及其光学劣化区域宽度测量的示意图。
图2是实验激光器系统。
图3是比较例A的焊缝的数码照片。
图4是比较例B的焊缝的数码照片。
图5是比较例C的焊缝的数码照片。
图6是比较例D的焊缝的数码照片。
图7是比较例E的焊缝的数码照片。
图8是比较例F的焊缝的数码照片。
图9是用于制备如实例1-3中所述的逆向反射片材的工艺的示意图。
图10是实例1的焊缝的数码照片。
图11是实例2的焊缝的数码照片。
图12是实例3的焊缝的数码照片。
图13是用于计算实例1的光学劣化区域的代表性数据集。
图14是模制工具4的焊缝的数码照片。
图15是模制工具5的焊缝的数码照片。
图16是模制工具6的焊缝的数码照片。
图17是模制工具7的焊缝的数码照片。
图18是实例4的焊缝的数码照片。
图19是实例5的焊缝的数码照片。
图20是实例6的焊缝的数码照片。
图21是实例7的焊缝的数码照片。
图22是用于计算模制工具5的光学劣化区域的代表性数据集。
图23是用于计算实例5的光学劣化区域的代表性数据集。
具体实施方式
本发明提供用于制备逆向反射制品(例如，逆向反射片材)的工具。如本文所用，术语“逆向反射”是指这样一种属性，具备该属性的物体可使斜入射光线的反射方向反向平行于或大致反向平行于其入射方向，使得光线返回到光源或紧邻光源的位置。工具具有模制表面(图案化表面)，其通常具有多个压痕。工具的图案化表面本身是逆向反射的。
图案化表面包括微结构化的逆向反射元件的三维阵列。合适的逆向反射元件可以是立体角元件。每个立体角元件包括三个大约互相垂直的光学表面。例如，逆向反射元件可以是各自具有一个立体角和三角形底部的三棱锥。又如，逆向反射元件可具有五边形底部以及两个四边形侧面、一个五边形侧面和两个三角形侧面。这些或其它立体角元件的示意性例子在(例如)美国专利No.1,591,572(Stimson)、No.4,588,258(Hoopman)、No.4,775,219(Appledorn等人)、No.4,938,563(Nelson等人)、No.5,138,488(Szczech)、No.5,557,836(Smith等人)和No.7,156,527(Smith)、以及美国专利申请公布No.2009/0255817(Lu)中有所描述。
工具中的每个压痕的深度对应于所得逆向反射元件高度。例如，每个压痕的深度(因此，所得反射元件的高度)可为0.06mm、0.09mm和0.18mm。然而，本领域技术人员将容易理解，模具中的压痕可具有任何形状，给定模具可包括各种压痕形状和尺寸。本领域技术人员还将容易理解，可代替压痕使用凸起或除压痕以外还使用突起。
用于复制反射元件的模具通常在基本上平坦的平面上由适合于直接机加工技术的基底材料形成。优选材料是这样的材料：其被干净地加工而没有毛刺形成，表现出低延展性和低粒度，并且在表面形成之后保持尺寸精度。金属是可用的基底材料，因为金属可形成期望的形状，并且提供优异的光学表面以使给定反射元件构型的逆向反射性能最优化。合适的金属包括(例如)铝、黄铜、铜、镍等等。
本发明的工具的厚度通常为在约200μm至约500μm的范围内。在一些实施例中，工具为约400μm厚。
可利用本领域已知的技术来制备逆向反射元件阵列。例如，可使用直接机加工技术(通常也称作“划线”)。直接机加工包括切去基底(例如，金属板)的部分以形成压痕或沟槽图案，所述压痕或沟槽图案相交以形成能够形成所得反射元件(包括立体角元件)的结构。在一个熟知技术中，三组平行沟槽按照60度夹角彼此相交，以形成各自具有等边三角形的立体角元件的阵列(参见例如美国专利No3,712,706(Stamm))。在另一技术中，两组沟槽按照大于60度的角度彼此相交，第三组沟槽按照小于60度的角度与另两组中的每一组相交，以形成倾斜的立体角元件匹配对的阵列(参见例如美国专利No.4,588,258(Hoopman))。
还可使用薄层组装。通过薄层组装制造的工具是通过将各个薄层或叶片组装在一起而制成的，所述薄层或叶片各自具有形成有立体角反射元件的特征的侧部(参见例如美国专利No.7,156,527(Smith))。
还可利用销集束技术来制备逆向反射元件阵列，其中将多个销组装在一起以形成母模，所述销在一端各自具有诸如立体角元件的几何形状。销集束在(例如)美国专利No.1,591,572(Stimson)和No.3,926,402(Heenan)以及美国专利申请公布No.2009/0255817(Lu)中有所描述。
通常，工具包含接合在一起的多个图案化的贴片或模具元件，但在一些应用中，单个模具元件的相背对的两端被放在一起并接合起来以形成基本上圆筒形状。当使用多个模具元件时，第一模具元件(母模)通常如上所述通过直接机加工来形成，然后利用本领域已知的技术(例如通过电镀)来制成多个拷贝。电镀在(例如)美国专利No.4,478,769(Pricone)、No.5,156,863(Pricone)和No.6,159,407(Krinke)中有所描述。然后可将所得拷贝(分立的元件)接合在一起。当复合模具具有期望的尺寸时，通常将其卷成圆筒、带或套筒的形式。
当将模具元件焊接在一起时，形成在工具的图案化表面上的所得焊接线或接缝在从其复制的所得模或诸如逆向反射片材的制品中也制造出焊缝。在通过此类工具制造的逆向反射片材中，接缝在日光和逆向反射光下会比所期望的更易看见。接缝的纹理化表面导致反射光的散射，使得接缝可见。在由其上具有金属涂层的模具制成的逆向反射片材的情况下尤其如此。此外，可流动的树脂往往会附着到焊接线，以在成品逆向反射片材中形成缺陷。另外，与焊缝相邻的逆向反射元件中的物理畸变(由加热和重新冷却形成)可使其逆向反射性能劣化。
在本发明中，利用单空间模连续波激光焊接工艺将模具元件(或者单个模具元件的相背对的两端)接合在一起。如本文所用，术语“单模”或“单空间模”意指导致高斯横截面强度分布的基本上单空间模操作。应当理解，单模操作允许相对于高斯横截面强度分布的轻微偏差。如本文所用，术语“连续波”或“CW”是指连续产生光(与脉冲激光器相比)的激光器，旨在包括准连续波操作模式。
适合用在本发明的方法中的激光器包括(例如)光纤激光器和盘形激光器。
光纤激光器是激活增益介质为掺杂有稀土元素(例如，镱、铒、钕、镝、镨或铥)的光纤的激光器。光纤激光器可产生具有几乎理论光束质量的非常强的激光束，从而提供优异的聚焦特性。高强度且紧密聚焦的光纤激光束使基底材料的非常小的区域熔融，并且可按照高加工速度产生深熔深焊缝。高加工速度和有限的熔融光斑直径在焊点和相邻区域中生成比常规激光少的热量。因此，连续波和高光束质量(单模)光纤激光焊接可得到极其窄的焊缝，并且还使与焊缝相邻的逆向反射元件中的物理畸变最小化。因此，在从本发明的工具复制的逆向反射制品上与焊缝相邻的光学性能减弱的区域远小于从现有技术的工具复制的逆向反射制品。因此，从本发明的工具复制的逆向反射制品的焊缝也较不显眼。
在本发明的一些实施例中，工具的图案化表面上与焊缝相邻的光学劣化区域或者被复制到从其复制的逆向反射制品的图案化表面上的对应焊缝的宽度为约400μm或更小、约300μm或更小、约200μm或更小、约100μm或更小、约70μm或更小或者约50μm或更小。在其它实施例中，工具或复制制品的图案化表面上与焊缝相邻的光学劣化区域的宽度为介于约50μm和约400μm之间，或者介于约70μm和约300μm之间。在本发明的一些实施例中，可使用40mm/s或更高、100mm/s或更高或者甚至150mm/s或更高的焊接速度。通常，例如，本发明的方法的焊接速度为在约40mm/s和约150mm/s之间变化。
尽管利用本发明的方法生成的焊缝窄小，所提供的焊缝对于其预期应用而言仍足够强(例如，拉伸强度为大于约50kpsi)。在一些实施例中，所述焊缝与常规焊缝一样强或者甚至强于常规焊缝。材料的强度通常被定义为其抵御施加的应力的能力。不同类型的应力可施加到材料，它们导致某些变形。表征材料强度的一种方式是通过确定其拉伸强度，拉伸强度是在材料在不失效的情况下可应对的拉伸期间的最大施加应力。这种类型的强度测试通常用于表征焊缝的强度。在一些实施例中，本发明的工具的焊缝的拉伸强度可比利用常规焊接工艺焊接的现有技术的工具高至少15％。这可能是由于来自光纤激光焊接工艺的融合区的急冷的效应，其影响所得相和晶粒尺寸，较小的晶粒生成强化的界面。
在本发明的方法中可使用在(例如)1μm左右的波长下工作的市售光纤激光器。优选光纤激光器掺杂有镱并以1.07μm的波长工作。一种合适的市售光纤激光器是得自英国的SPI激光公司(SPI Lasers,UK)的SP-400C型号。其它合适的光纤激光器包括但不限于得自IPG光子公司(IPGPhotonics)和GSI集团(GSI Group)的单模光纤激光器。这些合适的激光器利用端接有光束输送光学器件的集成单模外部光纤来输送光能。可利用反射镜将来自光束输送光学器件的激光束引导至焊接头。合适的市售焊接头可得自(例如)美国密歇根州诺维的镭射麦克激光有限公司(LaserMechanisms,Novi,MI)。在通过二向色镜朝待焊接的材料反射之后，可通过聚焦透镜对激光束聚焦。可使用电荷耦合器件(CCD)相机来允许操作者围绕模具边缘精确地导航。
焊接工艺中的关键变量包括光束尺寸、焦距、焊接速度和功率。这些变量可用于确定聚焦激光束的光斑大小和焊缝的熔深百分比。常规固态激光焊接系统通常使用倍率为1:1或更大的成像光学器件的大芯多模外部光束输送光纤，其通常将聚焦光斑大小限制为几百微米。通常利用脉冲激光器来执行具有较大聚焦光斑的焊接，以大致生成传导模式焊缝。这种类型的焊接依赖于处理的材料的传导性，并导致具有显著热影响区域的浅焊接接头。因此，对于具有有限热影响区域的窄接缝和深熔深焊缝，本发明的方法中使用单模或低阶模CW激光器。激光束功率可被设定在(例如)约40W和约200W的范围内。
尽管本发明的方法中也可使用其它类型的激光器(例如，盘形激光器)来得到窄接缝尺寸焊接，但光纤激光器可提供诸如高功率、优异的功率稳定性、高光束质量、高壁式插座效率和相对低价格的优点。
与常规焊接技术相比，可利用CW单模激光器实现的有限的焊缝尺寸、低熔融体积和高加工速度显著减少热量并因此限制热影响区域。这使得上述技术尤其适合于接合逆向反射微结构化工具。本发明的工具(及其复制品)因此具有深熔深的窄接缝线。
通常，本发明的工具从背侧面焊接。在一些实施例中，焊接变量被设定为当从背侧面焊接时不实现模具厚度的100％熔深率。100％熔深率被视作在焊接线中或附近从工具的图案化侧面露出或喷出熔融材料泡或泡。在一些实施例中，最大熔深率为约85％、约90％或约95％。当从背侧面的熔深率为小于100％时，可对前侧面(即，图案化侧面)焊接以将间隙密封。这通常在较低设置功率下进行。
本发明的工具可用于制备逆向反射制品(例如，逆向反射片材)。如本文所用，“片材”是指形成有微结构化的逆向反射元件的聚合物材料片材。片材可以具有任何宽度和长度，这些尺寸仅受制造片材的设备(例如，辊的宽度、狭槽模孔的宽度等)限制。
片材的制造通常通过将流体树脂组合物浇注在工具上并使该组合物硬化以形成片材来实现。用于将流体树脂浇注到工具上的一种方法在(例如)美国专利No.7,410,604(Erickson等人)中有所描述。然而，任选地，所述工具可被用作压印工具以形成逆向反射制品，例如美国专利No.4,601,861(Pricone)中所描述的。
适用于逆向反射片材的树脂组合物优选为尺寸上稳定的、耐用的、耐候性的并且容易形成期望构型的透明材料。合适的材料的例子包括折射率为约1.5的丙烯酸类树脂，例如由罗门哈斯公司(Rohm and HaasCompany)制造的PlexiglasTM树脂；折射率为约1.59的聚碳酸酯；反应性材料，例如热固性丙烯酸酯和环氧丙烯酸酯；基于聚乙烯的离聚物，例如由杜邦公司(E.I.Dupont de Nemours and Co.,Inc.)以商品名SURLYN销售的那些；乙烯丙烯酸共聚物；聚酯；聚氨酯；以及乙酸丁酸纤维素。聚碳酸酯是特别适合的，因为其硬度和较高的折射指数，通常有助于改善在较宽的人射角范围内的逆向反射性能。这些材料还可包括染料、着色剂、颜料、UV稳定剂或其他添加剂。
可以将镜面反射涂层如金属涂层设置在逆向反射元件的背侧面上。除此之外或用于代替金属涂层，密封膜可被施加到逆向反射元件的背侧面上。该密封膜保持了在背侧面处的空气界面，该空气界面能够产生全内反射并且抑制诸如固体和/或水分的杂质进入。还可在片材的观测表面上使用覆膜，以用于改善耐久性或提供图像接收表面。
粘合剂层还可被设置在逆向反射元件的后面以使片材能够固定到基底。合适的基底包括木材、铝材、镀锌钢、聚合物材料以及由这些材料和其它材料制成的层合物。
实例
本发明的目的和优点可以通过下面的实例来进一步说明，但这些实例中所述具体材料及其量、以及其他条件和细节不应被解释为不当地限制本发明。除非另外指明，否则所有份数和百分比都按重量计。在实例中，N/M可用于记录没有测量到的特性。
测试方法
拉伸强度：利用Instron测试机(型号“1123”，得自美国马萨诸塞州诺伍德的英斯特朗公司(Instron,Norwood,MA))测量如下面在模制工具1、2和3中大致所述制备的模制工具的3个样本的焊缝的拉伸强度。将测试机设置为使得夹头速度为0.1英寸/分钟(0.25厘米/分钟)以用于焊缝测试。切割0.5英寸(1.27厘米)宽5英寸(12.7厘米)长400μm厚的测试样本并沿其宽度焊接。首先利用约108W的设置功率来焊接模制工具1样本的背侧面(平坦主表面)，然后按照约53W的设置功率焊接前侧面。分别采用100mm/s和80mm/s的焊接速度。仅按照100mm/s的速度焊接模制工具样本2和3的背侧面。分别使用126W和144W的设置功率。针对每个样本测量并记录宽度、厚度和长度，然后使用其确定拉伸强度。测量每个样本的断裂点，并记录其断裂时的负荷作为最大负荷。然后将最大负荷值除以焊缝的横截面积以确定拉伸强度。记录在最大负荷下三个样本的拉伸强度的平均值。
光学劣化区域的宽度：使用以下技术利用干涉仪(MicroGPITM，在632.8nm下工作，具有20X物镜，运行Metropro9.0.10软件)测量比较例A-F和实例1-3的光学劣化区域的宽度：将逆向反射膜样本附接到样本夹持器，使得结构化表面背向干涉仪。样本夹持器具有若干平移轴和旋转轴以允许调节样本的位置。将样本定位在干涉仪的焦平面中，使得干涉仪的光轴大致垂直于逆向反射膜的大致平坦的表面。调节变焦镜头，使得立体角阵列中的一个截顶立体角占据干涉仪测量窗口的大部分。调节样本相对于干涉仪光轴的倾斜，使得在整个样本上仅可见最少数量的条纹。参照在该倍率下立体角阵列上的特征之间的已知距离来校准由干涉仪进行的测量的侧向空间尺寸。在分析时构造软件掩模以仅包括在立体角的光学有效孔径内捕获的数据；从分析中排除软件掩模之外的所有数据。将立体角阵列材料的折射率输入软件中。
在干涉仪的焦平面内移动逆向反射膜以定位立体角的有效孔径，使得它与先前定义的软件掩模对准。然后，干涉仪软件计算在期望的测量位置处参考平面波与进出立体角元件的平面波之间的光程差(OPD–在约632.8nm的波长下测量)(包括移除平面以说明立体角样本相对于干涉仪的任何倾斜)。
首先测量紧邻焊缝的第一可见立体角元件。在一些情况下，此立体角元件位于焊缝的熔融区域内，在这种情况下该立体角元件被损坏(或者完全畸变)，无法表现出逆向反射性。在这种情况下，不需要干涉仪测量，向该立体角元件手动指派任意高的OPD值以将它与其它仍具逆向反射性的立体角元件相区分。干涉仪执行三次单独的测量，并对所得相分布取平均，以确定用于立体角的OPD。记录该立体角的峰谷(P-V)OPD。还利用校准的显微镜测量并记录焊缝的中心与立体角峰之间的垂直距离。
使逆向反射膜样本在干涉仪的焦平面内在垂直于焊缝的方向上平移，使得与先前测量的立体角相邻的立体角在干涉仪测量窗口内居中。在一些情况下，立体角元件是倾斜的，相邻立体角元件的峰不在一条线上。在这种情况下，使逆向反射膜样本在平行于焊缝的方向上移动，以将相邻立体角定位到测量窗口的中心中。针对若干水平相邻的立体角元件重复此测量处理(每个后续测量位置与先前测量位置相比更远离焊缝)，直至从一个立体角元件到下一立体角元件测量的P-V OPD值没有显著变化，该P-VOPD值还类似于在远离焊缝的参考立体角元件中测量的P-V OPD值。此刻，使逆向反射膜样本平移回起始位置，在进行前面的测量的焊缝的相背对侧重复测量处理。
分析从上述过程得到的数据集，以确定焊缝一侧的未畸变的立体角元件的测量的P-V OPD的平均和标准偏差。焊缝每一侧的第一个未畸变的立体角元件被定义为具有由下式定义的P-V OPD的立体角：
(P-V OPD)good≤(P-V OPD)avg+3*σ    (公式1)，其中(P-V OPD)avg是平均P-V OPD，σ是标准偏差。
如这些实例中所用，光学劣化区域意指逆向反射片材的测量的P-VOPD大于公式1中计算的值的区域。如图1所示，指向上的箭头(标记为L4、L3...R3、R4)示出测量位置，W是计算的光学劣化区域的宽度，U示出未畸变的立体角元件，D示出畸变的立体角元件。光学劣化区域的宽度被定义为在焊缝的任一侧光学劣化区域与光学功能区域的过渡处之间的距离(垂直于焊缝测量)。逆向反射膜的光学劣化区域与光学功能区域之间的过渡处被定义为第一未畸变的立体角元件U与最后畸变的立体角元件D之间的一半的位置。例如，在图1中，左侧的过渡处为介于L2和L1之间，右侧的过渡处为介于R1和R2之间。
材料
激光系统
图2中示出实验系统。使用在1070nm的波长下工作的400W连续波光纤激光器26(型号“SP-400C”，得自英国的SPI激光公司(SPI Lasers,UK))。通过该激光器产生“M平方”(M2)参数为约1.05的高强度高质量的光束。利用安装在光束输送光纤的末端处的法拉第光隔离器14来保护光纤激光器免于背反射。输出光束直径为大约5.2mm。
利用电介质镜16将光束引导向市售焊接头10(型号“YAG DELHEAD BASE UNIT”和“YAG DEL HEAD WELDER”，得自美国密歇根州诺维的镭射麦克激光有限公司(Laser Mechanisms Inc.,Novi,Michigan))。在被二向色镜18向下反射之后，通过焦距为f＝100mm的聚焦透镜20将光束12聚焦。将焦斑位置保持在焊接材料的顶表面上。氮或氩用作焊接辅助气体。
将镍样本置于强磁体的顶部上，在焊接处理期间强磁体将这些样本保持在一起。将铜条永久性地插入形成有焊接接头的磁体28的中心中，以保护磁体，使得其表面不会在实验中所使用的功率范围内熔融。该条还有助于保持焊接件冷却。
将样本平坦地研磨至相同的均匀厚度。然后利用精密金刚石加工边缘。将加工的平行边缘一起对接在磁体上，将钢条置于样本的顶部上以保持其平坦。
两个CCD相机(一个安装在焊接头22的前侧，第二个24安装在二向色镜18上方)允许操作者以精确的方式围绕模具的边缘导航。将焊接系统(即，焊接头、相机和法拉第光隔离器)安装在XYZ精密龙门平台上，这允许焊接处理期间的准确运动。
比较模制工具和模制工具1-7的制备
基本上如美国专利No.6,843,571(Sewall)中所述制备母模。利用高精度金刚石工具(例如，“K&Y Diamond”，由美国纽约的穆尔斯(Mooers of New York,U.S.A.)制造并销售)在可加工金属上切割出三组沟槽(其形成高度为大约50微米(1.95密耳)的截顶立体角结构)。所得立体角结构具有三组相交的沟槽，间距为4密耳(102微米)。相交的沟槽形成立体角底部三角形，夹角为58°，例如美国专利No.5,138,488(Szczech)中大致所述。
将母模从形成沟槽的机器上取下。如美国专利No.4,478,769(Pricone)和No.5,156,863(Pricone)中大致所述，通过在氨基磺酸镍浴中镍电镀母模来从母模制造第一代阴模具。形成另外的多代阳拷贝和阴拷贝，使得这些模具形成的立体角精度基本上与母模相同。每个模具具有大致平坦的主表面(即，背侧面)以及与平坦主表面相背对的结构化的主表面(即，前侧面)。结构化表面包含立体角凸起部或立体角凹陷部(腔)。
如美国专利No.7,410,604(Erickson)中大致所述，包含立体角凹陷部的多个二代阴模具基本上转变成环形带。
如美国专利No.6,322,652(Paulson)中大致所述，利用常规激光器(型号“JK702H”，得自美国马萨诸塞州贝德福德的GSI卢莫尼克斯公司(GSI Lumonics,Bedford,MA))从背侧面焊接比较模制工具。
利用上述光纤激光器和激光系统使用不同的工艺参数并变化接缝的位置来焊接模制工具1-7。在模制工具2-6中，提供背侧面焊缝(即，从其大致平坦的主表面焊接模具)。在模制工具1和7中，提供背侧面焊缝和前侧面焊缝。在模制工具1和7中，从背侧面产生大约85％熔深率以提供机械强度，并且利用大约53W焊接前侧面以密封间隙。
比较模制工具和模制工具1-7的制备中所使用的工艺条件和焊缝的位置示出于下表1中。
表1
比较模制工具和模制工具1–3上提供的焊缝的拉伸强度如上所述测量。结果记录于下表2中。
表2
模制工具 抗拉强度(kpsi)
比较模制工具 55
模制工具1 64
模制工具2 67
模制工具3 74
实例
比较例A-F
如下表3所示，获得市售逆向反射片材，以下将其称作比较例A-F。
表3
利用带有10X物镜镜头的Nikon MM-11C复式显微镜拍摄比较例A-F的焊缝的数码照片，并分别显示于图3-8上。
实例1-3
以下对实例1-3的制备的描述参照图9中大致示出的设备600。通过将EAA膜按照0.01cm(4密耳)的厚度挤出到电晕处理的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)载体膜628上来制备覆膜621。将EAA球剂供应到1.9cm(0.75英寸)单螺杆挤出机(得自美国新泽西州南哈肯萨克的C.W.布拉本德仪器公司(C.W.Brabender Instruments Inc.,South Hackensack,NJ))中，区1的温度设定为140℃(284℉)，并上升至挤出机出口和模头处的175℃(347℉)，从而得到约175℃(347℉)的熔体温度。随着熔融树脂离开挤出机，其通过常规水平膜模头(以商品名“ULTRAFLEX-40”得自美国威斯康辛州奇珀瓦福尔斯市的挤出模头工业公司(Extrusion Dies Industries LLC,Chippewa Falls,WI))并被浇注至PET载体膜628上。PET载体膜628以约36米/分钟(120英尺/分钟)移动。使PET载体膜628上的所得熔融覆膜621在橡胶辊/淬火钢辊辊隙之间运动，以将熔融树脂固化成层。按照约1.0J/cm2的能级对EAA表面进行电晕处理。
通过将25重量％的BAED、12重量％的DMAEA、38重量％的TMPTA、25重量％的HDDA和0.5pph(每百份数)TPO组合来制备辐射固化性树脂。挤出第一部分的树脂630并使其通过紧邻第一橡胶辊624的第一模头650。橡胶辊624按照顺时针运动行进并抵靠包含多个立体角腔627的被加热至180℉(82℃)的模制工具625挤压。模制工具625被安装在按照约75fpm(22.8米/分钟)以逆时针运动旋转的芯轴上。辐射固化性树脂630部分地填充立体角。在EAA侧面面向上的情况下从供应辊622拉延覆膜621。同时通过第二模头652将第二部分的辐射固化性树脂632浇注到第二橡胶辊624上。第二橡胶辊624接触覆膜621的EAA侧面，将第二部分的辐射固化性树脂632转印到覆膜上。通过带硅氧烷涂层的橡胶辊623使带涂层的覆膜与包含部分填充的预固化立体角结构631的模制工具625接触。涂覆在覆膜上的树脂完全填充立体角腔的未填充部分，并且使用设定为600W/in的两个Fusion“D”灯641(富讯系统公司(FusionSystems))并且还在紫外线灯前面使用二向色滤光片(未示出)来通过覆膜621使复合构造固化以形成逆向反射膜制品634。将逆向反射膜634与模制工具625分离，然后通过100％工作的Fusion“D”紫外线灯642照射，以通过复合立体角结构635提供后紫外线照射。然后使逆向反射膜634通过设定为127℃(260℉)的烘箱。
在实例1-3的逆向反射膜的制备中分别使用模制工具1-3。所得立体角结构具有三组相交的沟槽，间距为4密耳(102微米)。相交的沟槽形成夹角为58°并且立体角元件高度为1.95密耳(50微米)的立体角底部三角形。主沟槽间距被定义为在形成底部三角形的两个58°底角的沟槽之间的沟槽间距。
利用带有10X物镜镜头的Nikon MM-11C复式显微镜拍摄实例1-3的焊缝的数码照片，并分别显示于图10-12上。
如上所述测量比较例A-F和实例1-3的光学劣化区域的宽度(按微米计)。结果记录于下表4中。用于计算实例1的光学劣化区域的代表性数据集示出于图13中。
表4
实例 光学劣化区域的宽度(μm)
比较例A 1659
比较例B 1125
比较例C 427
比较例D 499
比较例E 612
比较例F 914
实例1 214
实例2 295
实例3 288
实例4–7
在实例4-7的逆向反射膜的制备中分别使用模制工具4-7以利用热压工艺(1420PSI，420℉，持续1分钟)将微结构化的工具转印到聚碳酸酯(0.012英寸(0.30mm)厚的2407，由德国的拜耳材料科学公司(Bayer Material Science AG,Germany)制造)中。所得立体角结构具有三组相交的沟槽，间距为4密耳(102微米)。相交的槽形成夹角为58°且立体角元件高度为1.95密耳(50微米)的立体角底部三角形。主沟槽间距被定义为在形成底部三角形的两个58°底角的沟槽之间的沟槽间距。
利用带有10X物镜镜头的Nikon MM-11C复式显微镜拍摄模制工具4-7和实例4-7的焊缝的数码照片，并分别显示于图14-21上。
如上所述测量模制工具4-7和实例4-7的光学劣化区域的宽度(按微米计)。结果记录于下表5中。
表5
实例 光学劣化区域的宽度(μm)
模制工具4 134
模制工具5 201
模制工具6 134
模制工具7 204
实例4 70
实例5 74
实例6 70
实例7 267
用于计算模制工具5和实例5的光学劣化区域的宽度的数据集分别示出于图22和图23中。图22和图23展示，在模制工具5和实例5之间光学劣化区域的大致形状(通过上述P-V OPD测量方法定义)没有变化。相反，复制工艺在逆向反射立方体元件中引入附加畸变。此附加畸变降低初始焊接导致的畸变的影响。使用公式1识别未畸变的立体角元件导致在实例5中紧邻焊缝(被识别为模制工具5中的畸变的立体角元件)的立体角元件被识别为未畸变的立体角元件。这导致实例5的光学劣化区域的宽度(74微米)小于模制工具5(201微米)。除了别的以外，光学劣化区域的宽度的变化取决于工具焊接条件、复制工艺的保真性以及存在于工具中的每个逆向反射立体角元件的PV-OPD畸变范围。
本文所引述的出版物的全部公开内容以引用方式全文并入本文，如同每种出版物单独并入本文。在不偏离本发明的范围和精神的前提下，对本发明的各种改进和改变对于本领域技术人员将是显而易见的。应当理解，本发明并非意图用本文所述的示例性实施例和实例进行不当地限制，并且上述实施例和实例仅以举例的方式提出，本发明的范围旨在仅由本文如下所述的权利要求限定。

Claims (30)

1.一种用于制备逆向反射制品的工具，包括：
(a)基底，所述基底包括图案化表面，所述图案化表面包括微结构化的逆向反射元件的阵列；和
(b)焊缝，所述焊缝穿过所述阵列的至少一部分；
其中在所述图案化表面上与所述焊缝相邻的光学劣化区域具有约400μm或更小的宽度。
2.根据权利要求1所述的工具，其中所述图案化表面包括立体角元件。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的工具，其中所述光学劣化区域的宽度为介于约50μm和约400μm之间。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的工具，其中所述光学劣化区域的宽度为约300μm或更小。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的工具，其中所述光学劣化区域的宽度为约200μm或更小。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的工具，其中所述光学劣化区域的宽度为约100μm或更小。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的工具，其中所述焊缝的拉伸强度为约50kpsi或更大。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的工具，其中所述工具是圆筒、带或套筒。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的工具，其中所述基底包括两个模具元件，所述两个模具元件通过所述焊缝连接。
10.一种由根据权利要求1-9中任一项所述的工具或其复制品复制的逆向反射制品。
11.一种逆向反射片材，包括图案化表面，所述图案化表面包括微结构化的逆向反射元件的三维阵列和焊缝，所述焊缝穿过所述阵列的至少一部分；其中在所述图案化表面上与所述焊缝相邻的光学劣化区域具有约400μm或更小的宽度。
12.根据权利要求11所述的逆向反射片材，其中所述图案化表面包括立体角元件。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的逆向反射片材，其中所述光学劣化区域的宽度为介于约50μm和约400μm之间。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的逆向反射片材，其中所述光学劣化区域的宽度为约300μm或更小。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的逆向反射片材，其中所述光学劣化区域的宽度为约200μm或更小。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的逆向反射片材，其中所述光学劣化区域的宽度为约100μm或更小。
17.一种用于制备用于逆向反射制品的工具的方法，包括利用单空间模激光器以连续波模式操作将基本上平坦的两个模具元件的末端焊接在一起以形成焊缝；其中每个模具元件包括图案化侧面和平坦背侧面，所述图案化侧面具有微结构化的逆向反射元件的阵列，所述平坦背侧面与所述图案化侧面相背对。
18.根据权利要求17所述的方法，其中在所述图案化侧面上与所述焊缝相邻的光学劣化区域具有约400μm或更小的宽度。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中所述光学劣化区域的宽度为介于约50μm和约400μm之间。
20.根据权利要求17-19中任一项所述的方法，其中所述光学劣化区域的宽度为约300μm或更小。
21.根据权利要求17-20中任一项所述的方法，其中所述光学劣化区域的宽度为约200μm或更小。
22.根据权利要求17-21中任一项所述的方法，其中所述光学劣化区域的宽度为约100μm或更小。
23.根据权利要求17-22中任一项所述的方法，其中所述图案化表面包括立体角元件。
24.根据权利要求17-23中任一项所述的方法，其中所述激光器是光纤激光器或盘形激光器。
25.根据权利要求1-24中任一项所述的方法，其中所述激光器是光纤激光器。
26.根据权利要求17-25中任一项所述的方法，其中将基本上平坦的两个模具元件的末端焊接在一起的步骤包括从所述模具元件的所述背侧面焊接。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述两个模具元件在所述焊缝处以小于100％的熔深率接合。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括以比所述背侧面焊接低的功率从所述图案化侧面焊接所述两个模具元件。
29.根据权利要求17-28中任一项所述的方法，还包括从所述工具复制模具或逆向反射制品。
30.根据权利要求17-29中任一项所述的方法，其中所述工具被焊接以形成圆筒、带或套筒。
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