CN115996835A - 用于在光学模具上打印热塑性膜的方法 - Google Patents

用于在光学模具上打印热塑性膜的方法 Download PDF

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Abstract

本披露涉及一种在光学模具上打印热塑性膜的方法，该方法包括：调节光学模具的温度到第一温度；一旦光学模具的温度达到第一温度，就在光学模具上打印热塑性膜的第一层；向光学模具施加真空以将热塑性膜保持在光学模具上；调节光学模具的温度到第二温度；一旦光学模具的温度达到第二温度，就在热塑性膜的第一层上打印热塑性膜的第二层；调节光学模具的温度到第三温度；一旦光学模具的温度达到第三温度，就对第一层和第二层进行退火；以及从光学模具去除真空，从而允许从光学模具去除包括退火的第一层和退火的第二层的热塑性膜。

Description

用于在光学模具上打印热塑性膜的方法
背景技术
技术领域
本披露涉及一种用于在光学模具上打印热塑性膜的方法。
相关技术的描述
眼科镜片产品经常由镜片和膜组成，并且膜通常层压在镜片的光学表面上。膜可以是薄且平的晶片。包含热塑性膜的薄且平的晶片可以通过用于眼科镜片应用的增材制造三维(3D)打印机来打印。然而，在打印薄且平的晶片时，由于在打印工艺期间有限的力和热，可能存在一些问题，例如热塑性丝线股与层之间的空隙、热塑性丝线股与层之间的粘附性差、膜翘曲和粗糙表面等。
前面的“背景技术”描述是为了总体上介绍本披露的上下文。在本背景部分中所描述范围的发明人的工作成果、以及在提交时可能不被另外认定为现有技术的描述的方面，既不明确地也不隐含地承认为针对本披露的现有技术。
本发明的方面可以解决本领域中的上述缺点中的一些缺点，特别是使用权利要求中阐述的解决方案来解决这些缺点。
发明内容
本披露涉及一种在光学模具上打印热塑性膜的方法。
本披露进一步涉及一种在光学模具上打印热塑性膜的方法，该方法包括：通过温度控制电路系统调节光学模具的温度到第一温度；一旦光学模具的温度达到第一温度，就在光学模具上打印热塑性膜的第一层；向光学模具施加真空以将热塑性膜保持在光学模具上；通过温度控制电路系统调节光学模具的温度到第二温度；一旦光学模具的温度达到第二温度，就在热塑性膜的第一层上打印热塑性膜的第二层；通过温度控制电路系统调节光学模具的温度到第三温度；一旦光学模具的温度达到第三温度，就对第一层和第二层进行退火；以及从光学模具去除真空，从而允许从光学模具去除包括退火的第一层和退火的第二层的热塑性膜，其中，第一温度可以在低于热塑性膜的玻璃化转变温度10℃与高于玻璃化转变温度30℃之间，热塑性膜的第一层可以是包括多个热塑性层的热塑性表层，热塑性膜的第一层的厚度可以在10微米与500微米之间，第二温度可以等于或高于玻璃化转变温度，第三温度可以在玻璃化转变温度与低于玻璃化转变温度60℃之间，温度控制电路系统可以控制一个或多个电加热元件和/或循环有温度调整流体的微流体通道，以调整光学模具的温度，打印第一层或打印第二层包括使用单一热塑性塑料或至少两种不同的热塑性塑料打印以形成2D或3D结构和/或功能，至少两种不同的热塑性塑料中的至少一种可以具有比至少两种不同的热塑性塑料中的另一种更高的机械强度，和/或至少两种不同的热塑性塑料中的至少一种可以具有比至少两种不同的热塑性塑料中的另一种更高的玻璃化转变温度，至少两种不同的热塑性塑料形成均质或非均质结构和/或功能，至少两种不同的热塑性塑料可以形成非均质结构和/或功能，其中，不同的热塑性塑料之间的ΔE可以小于1，其中，
Figure BDA0004100217570000021
如由CIE76公式所定义，至少两种不同的热塑性塑料是用光过滤器或染料或添加剂或填料可改性的，其中，光过滤器可以包括由UV吸收器、蓝色截止过滤器和NIR截止过滤器组成的组中的一种，其中，染料可以包括由颜色平衡染料、颜色增强染料、光致变色染料和二向色性染料组成的组中的一种，其中，添加剂可以包括由增塑剂、热稳定剂、光稳定剂、流动改进剂和脱模剂组成的组中的一种，并且其中，填料可以包括由颗粒、纤维和纳米管组成的组中的一种。
本披露进一步涉及一种形成在光学模具上的眼科镜片的热塑性膜，该热塑性膜包括：热塑性膜的第一层，该第一层形成在光学模具上，其中，光学模具的温度可以在热塑性膜的第一层的形成期间被调节到第一温度；以及热塑性膜的第二层，该第二层形成在第一层上，其中，光学模具的温度可以在热塑性膜的第二层的形成期间被调节到第二温度。眼科镜片的热塑性膜可以进一步包括光学表面特征中的一个或多个光学表面特征，这些光学表面特征包括球形、非球形、双焦点、三焦点、渐进式、微透镜、菲涅耳结构和蛾眼结构。
本披露进一步涉及一种用于形成热塑性膜的光学模具结构，该光学模具结构包括：温度控制电路系统，该温度控制电路系统控制一个或多个电加热元件和/或微流体通道：温度控制电路系统上的光学模具，该光学模具用于形成热塑性膜的第一层和第二层，其中，光学模具进一步包括光学表面特征中的一个或多个光学表面特征，这些光学表面特征包括球形、非球形、双焦点、三焦点、渐进式、微透镜、菲涅耳结构和蛾眼结构；以及附接到光学模具的真空装置，该真空装置用于将热塑性膜保持在光学模具上。
本披露进一步涉及一种用于形成热塑性膜的光学模具结构，该光学模具结构包括：温度控制电路系统，该温度控制电路系统控制一个或多个电加热元件和/或微流体通道：在温度控制电路系统上的光学模具，该光学模具用于形成热塑性膜的第一层和第二层：以及附接到光学模具的真空装置，该真空装置用于将热塑性膜保持在光学模具上。
前面的段落是作为一般性介绍提供的，而不旨在限制所附权利要求的范围。通过参考以下结合附图的详细说明，将最佳地理解所描述的特征以及进一步的优点。
附图说明
当结合附图考虑时，将容易获得对本披露及其许多附带优点的更全面理解，因为通过参考以下详细描述可对其进行更好的理解，在附图中：
图1是在本披露的范围内的三维熔融沉积成型(FDM)打印机的图示：
图2A是在本披露的范围内的、由三维熔融沉积成型打印机打印的薄平晶片的俯视图；
图2B是在本披露的范围内的、由三维熔融沉积成型打印机打印的薄平晶片的侧视图：
图3A、图3B和图3C是在本披露的范围内的、用于眼科镜片的不同薄弯曲晶片的侧视图；
图4是在本披露的范围内的、具有用于三维FDM打印的温度控制电路系统的光学模具的侧视图的图示；
图5是在本披露的范围内的、打印形成在光学模具上的热塑性层或热塑性产品的方法：
图6是在本披露的范围内的、由温度控制电路系统加热的光学模具的图示；
图7A和图7B是在本披露的范围内的、打印在光学模具上的多个热塑性层的图示；
图8A、图8B和图8C是在本披露的范围内的、由第一热塑性材料和第二热塑性材料在打印层中的组合形成的非均质结构的图示；
图9是在本披露的范围内的、打印的共聚酯/聚碳酸酯(PC)薄球形晶片；以及
图10是在本披露的范围内的、打印的TPU和PC薄球形晶片。
具体实施方式
如本文所使用的术语“一个/一种(a或an)”被定义为一个/一种或多于一个/一种。如本文所使用的术语“多个/多种”被定义为两个/两种或多于两个/两种。如本文所使用的术语“另一个/种”被定义为至少第二个/种或更多个/种。如本文所使用的术语“包含(including)”和/或“具有”被定义为包括(comprising)(即，开放性语言)。在整个本文件中提及“一个实施例”、“某些实施例”、“实施例”、“实施方式”、“示例”或类似术语意味着结合实施例描述的具体特征、结构或特点包含在本披露的至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中这样的短语的出现或在各个地方的出现不一定都指的是同一个实施例。另外，具体特征、结构或特点可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式无限制地组合。
除非另有指明，否则本文中描述的特征和实施例可以以任何排列一起操作。
术语“约”和“大致”被定义为接近本领域普通技术人员所理解的。
本披露的方法可以“包括”整个本说明书披露的具体成分、组分、组合物等、“基本上由”或“由”整个本说明书披露的具体成分、组分、组合物等组成。
本披露描述了一种在用于眼科镜片应用的光学模具上打印热塑性膜(例如，薄且弯曲的晶片)的方法。该方法可以提高光学清晰度、机械强度、光学精度，同时避免翘曲和粗糙表面。
本披露披露了一种形成在光学模具上的眼科镜片的热塑性膜(例如，薄且弯曲的晶片)的方法。例如，热塑性膜可以形成为眼科镜片上的薄且弯曲的晶片。相应地，该方法可以为眼科镜片提供更好质量的热塑性膜。
现在转到附图，图1示出了在本披露的范围内有用的示例性三维熔融沉积成型(FDM)工艺。
一个或多个热塑性丝104可以从丝线轴102拉出。热塑性丝104可以穿过挤出机106，然后可以穿过加热块108到受热喷嘴110。然后，熔化的热塑性丝104可以在X-Y轴方向上挤出到打印床112上，其中热线股可以并排铺设。一旦可以完成第一层，就可以在Z轴方向上降低打印床112(或者在Z轴方向上升高喷嘴)，并且然后可以沉积第二层。可以重复以上步骤，直至可以完成整个结构或整个层堆叠体114。当这些热线股仍处于熔化状态时，它们可以被熔接在一起，然后被冷却以形成固体结构或层堆叠体。
参考表1，在本披露的范围内，列出了一些示例性商用三维熔融沉积成型打印机以及它们的加热能力。
取决于打印机设计，图1中的一些打印床112可以被加热，但是可以仅被加热到有限的温度。例如，如表1所示，通过Ultimaker S5，打印床112可以被仅加热直至140℃。此外，打印还可以在封闭腔室内部进行，该封闭腔室可以被加热到一定的温度。例如，如表所示，通过PartPro300 xT，打印床112可以被加热直至70℃。1.一些打印机可以具有受热腔室，并且受热腔室可以被加热到80℃，例如，Roboze One+400。在打印完成之后，部件(例如，打印层或结构)通常可以在环境条件下冷却以形成固体部件。
表1.具有加热能力的FDM 3D打印机的列表。
Figure BDA0004100217570000061
参考图2A和图2B，在本披露的范围内，可以在图2A中示出由以上描述的三维熔融沉积成型打印机打印的薄平晶片的示例性俯视图。在本披露的范围内，可以在图2B中示出薄平晶片的示例性侧视图。
对于3D FDM打印存在若干问题，例如，这些问题可以包括在丝线股与热塑性丝104的层之间存在空隙、在丝线股之间和在热塑性丝104的层之间粘附性差、打印晶片114的翘曲以及打印晶片114的粗糙表面。这些问题可能主要是由于三维熔融沉积成型打印工艺与常规制造工艺(例如，注塑成型、压塑成型等)相比，可以通过三维熔融沉积成型打印工艺施加的力和热有限，三维熔融沉积成型打印工艺中的力可以比常规制造工艺中的小得多，并且热在三维熔融沉积成型打印工艺中可以比常规制造工艺中更不好控制。因此，通过三维熔融沉积成型打印工艺打印的膜或层通常可能具有以下缺点：光学特性差、机械强度差和尺寸精度差。特别地，机械强度差可能是由丝线股之间和层之间的粘附性差导致的。
参考图3A、图3B和图3C，可以列出用于眼科镜片的不同薄弯曲晶片的侧视图。
参考图3A，在本披露的范围内，可以示出在眼科镜片上的薄球形晶片的示例性截面。薄球形晶片包括由前文图1中所展示的系统100打印的三层热塑性膜302、304和306。薄球形晶片可以集成到眼科镜片中。然而，存在一些问题要解决，诸如高表面粗糙度、高雾度值、低尺寸精度、低表面曲率精度和低表面复制率。为了实现低光学偏移，图3A中的薄晶片应当被尽可能精确地打印，以便可以实现球形表面。
参考图3B，在本披露的范围内，可以示出在顶表面308上具有光学设计的薄弯曲晶片的示例性截面。薄弯曲晶片包括由前文图1中所展示的系统100打印的三层热塑性膜308、310和312。可以以薄弯曲晶片的光学设计来计算光焦度，并且表面曲率应当与光学设计相匹配。表面可以包括球形表面、非球形表面、圆柱形表面或渐进式弯曲表面。
参考图3C，展示了具有微结构化前表面314的薄弯曲晶片的截面。薄弯曲晶片可以包括由前文图1中所展示的系统100打印的四层热塑性膜314、316、318和320。对于具有类似于图3C中的弯曲晶片的微结构的前表面，前表面的复制可能是重要的，因此可能需要在薄弯曲晶片上形成微结构化前表面的方法。
参考图4，在本披露的范围内，可以示出具有用于三维FDM打印的温度控制电路系统的光学模具的示例性侧视图。
光学模具结构400可以包括真空装置402、光学模具404和温度控制电路系统406。温度控制电路系统406可以包括温度控制壳体408和微流体通道410，如图4所示。光学模具404的表面可以具有小的开口入口。开口入口可以连接到真空抽吸件402，并且可以在打印工艺期间应用真空抽吸件402以压制任何膜(例如，热塑性膜)并且施加力到该膜上。光学模具404可以具有适于要打印的热塑性膜的高度抛光表面，以产生用于光学设计的高质量热塑性膜。温度控制电路系统406可以使用微流体通道410来调节温度控制壳体408的温度并且进一步控制光学模具404的温度以进行加热或冷却。
光学模具404的表面可以是光滑表面。光滑表面可以是但不限于弯曲的球形表面或非球形表面。光滑表面还可以具有但不限于用于渐进式镜片、双焦点镜片或三焦点镜片的光学设计。光学模具404可以具有在10mm至1000mm之间的半径。
光学模具404的表面可以是具有微结构的表面。微结构可以是但不限于微透镜、菲涅耳透镜或蛾眼。微透镜微结构可以用于近视控制。菲涅耳透镜微结构可以用于调节眼科镜片的光焦度。蛾眼微结构可以提供诸如防反射和防雾的一个或多个特征。
温度控制电路系统406可以包括温度控制壳体408和微流体通道410。温度控制电路系统406可以用于控制光学模具404的温度。例如，在打印工艺期间，温度控制电路系统406可以控制光学模具404的温度，以使光学模具被加热到高于用于打印的热塑性材料的玻璃化转变温度，以便保持打印的热塑性材料处于软化状态。保持热塑性材料处于软化状态可以是有益的，因为可以改善模具表面曲率和微结构的复制质量，并且还可以改善热塑性层的层间扩散和粘附性。在另一布置中，在打印工艺之后，温度控制电路系统406可以控制光学模具404的温度缓慢冷却，直至温度达到低于热塑性材料的玻璃化转变温度20℃至40℃、或者直至打印的热塑性层固化或足够硬，使得可以去除热塑性层并且保持形状而不翘曲。
开口入口可以连接到真空抽吸件402。带有真空抽吸件402的开口入口可以用于施加真空或气流。例如，可以在打印工艺中完成第一热塑性膜的打印之后施加真空。真空可以用于保持第一热塑性膜(例如，晶片)，以使晶片变形以匹配模具表面曲率和/或微结构。在另一布置中，可以在打印工艺之后施加例如10℃至30℃的冷空气。可以使用冷空气来降低晶片与光学模具404之间的粘附性，然后容易且快速地去除晶片。
参考图5，在本披露的范围内，示出了打印形成在光学模具上的热塑性层或热塑性产品的示例性方法。方法500可以通过以下步骤来实现：首先，在步骤S502处，加热如先前图4中所示的光学模具404到在低于热塑性材料的玻璃化转变温度10℃与高于玻璃化转变温度30℃之间的温度，例如，在低于热塑性材料的玻璃化转变温度5℃与高于玻璃化转变温度20℃之间的温度、在低于热塑性材料的玻璃化转变温度5℃与高于玻璃化转变温度10℃之间的温度、在低于热塑性材料的玻璃化转变温度5℃与高于玻璃化转变温度1℃之间的温度、或者在低于热塑性材料的玻璃化转变温度1℃与高于玻璃化转变温度1℃之间的温度。
在S504处，可以打印热塑性膜的第一层。第一层可以是表层，并且表层可以包括一个或多个热塑性层。第一层可以通过使热塑性丝熔化并且将熔化的丝挤出到光学模具404上而制成，其中熔化的丝可以作为热线股铺设到光学模具404上。然后，热线股可以被并排铺设在光学模具404上。
在S506处，可以在打印第一层之后立即施加真空。可以使用真空来保持光学模具404并且使第一层变形以符合光学模具404的表面的曲率或微结构。
在S508至S510处，可以降低光学模具404的温度，使得该温度可以等于或高于热塑性材料的玻璃化转变温度。然后，可以打印第一层上的一个或多个层。因此，一个或多个层可以打印成在线股之间和层之间具有良好的粘附性，并且具有良好的机械完整性以维持尺寸精度和稳定性。
在S512处，光学模具的温度可以被降低到在玻璃化转变温度与低于玻璃化转变温度60℃之间的温度，例如，在玻璃化转变温度与低于玻璃化转变温度50℃之间的温度、在玻璃化转变温度与低于玻璃化转变温度40℃之间的温度、在玻璃化转变温度与低于玻璃化转变温度30℃之间的温度、在玻璃化转变温度与低于玻璃化转变温度20℃之间的温度、或者在玻璃化转变温度与低于玻璃化转变温度10℃之间的温度。
在S514处，光学模具404可以被保持处于步骤S512中的温度以进行退火。在该温度下进行退火可以去除打印工艺期间的应力。
在S516至S518处，在第一层和一个或多个层之后可以是硬的和固态的之后，可以释放真空。可以施加冷空气(例如，10℃至30℃、10℃C至20℃、15℃至30℃、或者15℃至20℃)以帮助冷却光学模具404以及第一层和一个或多个层。然后，在第一层和一个或多个层是固态的和硬的之后，可以从光学模具404去除第一层和一个或多个层。
参考图6，在本披露的范围内，可以示出通过温度控制电路系统406加热的示例性光学模具404。喷嘴602可以被加热，并且热塑性丝604可以被加热成热的热塑性丝606。然后，可以从喷嘴602挤出热的热塑性丝606。如前文在图4中所描述的，光学模具404可以通过温度控制电路系统406加热或冷却。温度控制单元406可以具有温度控制壳体408和微流体通道410。
热塑性丝或三维热塑性丝可以通过从喷嘴602挤出而生产。工艺可以从热塑性粒料通过进料机进料到挤出机或喷嘴602上的料斗中开始。热塑性粒料然后可以熔化并且通过单孔模头挤出成单丝。可以在模头与单个挤出机之间添加熔融泵，以用于高精度流速控制。然后，单丝可以被拉动通过水或空气浴。此外，热塑性丝的直径可以通过熔体流速和丝卷绕速度的比率来调节。
三维打印机可以是但不限于MakerGear M2、Ultimaker S5、PartPro300 Xt、RizeOne、Orboze one、Lulzbot TAZ 6、Stratasys F 170、F270、F370等。
在热塑性层或膜的三维FDM打印工艺期间，光学模具404可以被加热到处于在低于热塑性材料的玻璃化转变温度10℃与高于玻璃化转变温度30℃之间的温度。微流体通道410可以注入有温度处于低于热塑性材料的玻璃化转变温度10℃与高于玻璃化转变温度30℃之间的热流体，使得可以加热温度控制电路系统406。然后，将光学模具404加热到期望的温度。然后，加热的丝606可以被铺设在光学模具上以形成产品608或热塑性膜的层，同时光学模具404具有在低于热塑性材料的玻璃化转变温度10℃与高于玻璃化转变温度30℃之间的温度。如前文在图6中所描述的，将光学模具保持在该温度对于改善光学模具404上热塑性线股之间的粘附性和改善机械完整性以维持尺寸精度和稳定性以及以高清晰度复制模具表面是有益的。
参考图7A和图7B，在本披露的范围内，可以示出打印在光学模具上的示例性多个热塑性层。多个热塑性层可以打印在同一层或不同层上。多个热塑性层可以用于形成二维或三维结构，如图7A和图7B所展示。不同的结构可以用于改善光学功能或光学特性。例如，在图7A中，展示了具有均质热塑性结构的打印晶片。在702中展示了打印晶片的俯视图。在704中展示了打印晶片的侧视图。打印晶片702可以包括具有第一热塑性材料706的顶膜。打印晶片704还可以包括具有第二热塑性材料708的底膜。
第一热塑性材料706可以用于打印最终产品的功能层。由第一热塑性材料706打印的层可以用于一种或多种功能。功能可以包括但不限于可着色性、防雾、防静电、防划痕、防污、防反射、防晒、光致变色或光过滤。第二热塑性材料708可以用于打印最终产品的基底层。由第二热塑性材料708打印的层可以具有以下特性：较高机械强度、较高玻璃化转变温度、以及与镜片基底的较好相容性。第一热塑性材料和第二热塑性材料在打印层中的组合可以形成如图7A所展示的均质结构。
在图7B中，展示了具有均质热塑性结构的另一打印晶片。在710中展示了打印晶片的俯视图。在712中展示了打印晶片的侧视图。打印晶片712可以包括具有第一热塑性材料706的在左侧上的膜。打印晶片704还可以包括具有第二热塑性材料708的在右侧上的膜。
第一热塑性材料和第二热塑性材料在打印层中的组合可以形成如图8A、图8B和图8C所展示的非均质结构。在非均质结构的形成期间，可能需要考虑一些条件。第一条件可以是第一热塑性材料与第二热塑性材料之间的折射率(RI)的差应当小于0.01。RI的差小于0.01可以避免光散射。第二条件可以是第一热塑性材料与第二热塑性材料之间的模量(E)应当小于1。第一热塑性材料与第二热塑性材料之间的模量小于1可以避免颜色非均质性。这两种热塑性材料的模量的差(ΔE)可以按以下函数计算：
Figure BDA0004100217570000121
如由CIE76公式所定义的，CIE 76公式是与一组CIELAB坐标的色差相关的公式。
在图8A中，展示了具有非均质热塑性结构的打印晶片。在802中展示了打印晶片的俯视图。在804和806中展示了打印晶片的侧视图。打印晶片802可以包括水平条带的结构，在该结构中第一热塑性材料808和第二热塑性材料810可以彼此连接。打印晶片可以具有侧视图，其中第一热塑性材料和第二热塑性材料可以从晶片的顶部完全填充到晶片的底部，如804所示。打印晶片可以具有另一侧视图，其中第一热塑性材料和第二热塑性材料可以周期性地且竖直地彼此填充，如806所示。
在图8B中，在本披露的范围内，可以示出具有非均质热塑性结构的示例性第二打印晶片。在812中展示了打印晶片的俯视图。在814和816中展示了打印晶片的侧视图。打印晶片812可以包括箭靶形状的结构，在该结构中第一热塑性材料808和第二热塑性材料810可以彼此连接。打印晶片可以具有侧视图，其中第一热塑性材料和第二热塑性材料从晶片的顶部完全填充到晶片的底部，如814所示。打印晶片可以具有另一侧视图，其中第一热塑性材料和第二热塑性材料可以周期性地且竖直上一个填充另一个，如816所示。
在图8℃中，在本披露的范围内，可以示出具有非均质热塑性结构的示例性第三打印晶片。在818中展示了打印晶片的俯视图。在820中展示了打印晶片的侧视图。打印晶片818可以包括格子结构，其中第一热塑性材料808和第二热塑性材料810可以彼此连接。打印晶片可以具有侧视图，其中第一热塑性材料和第二热塑性材料可以周期性地且竖直上一个填充另一个，如820所示。
第一热塑性材料和第二热塑性材料可以用光过滤器或染料或添加剂或填料进行改性。光过滤器可以包括UV截止、蓝色截止过滤器、时变截止过滤器、NIR截止过滤器等。染料可以包括颜色平衡染料、颜色增强染料、光致变色染料、二向色性染料等。添加剂可以包括增塑剂、热稳定剂、光稳定剂、流动改进剂、脱模剂等。填料可以包括颗粒、纤维、纳米管等。
除了热塑性材料的功能之外，第一热塑性材料和第二热塑性材料还可以基于特性和结构来选择。选择的细节在表2中示出。
表2.热塑性塑料的特性、功能和选择标准
Figure BDA0004100217570000131
Figure BDA0004100217570000141
在本披露的范围内，可以在表2中示出热塑性材料的特性、功能和选择标准。如在前文与图7相关联的段落中提及的，第一热塑性材料可以用作功能层，并且第二热塑性材料可以用作基底层。第一热塑性材料可以具有比第二热塑性材料更好的粘附性。
如在前文和表2中提及的，对于打印晶片上的非均质结构，第一热塑性材料与第二热塑性材料之间的折射率(RI)差可以小于0.01，以便避免光散射。对于打印晶片上的非均质结构，第一热塑性材料和第二热塑性材料的色差(ΔE)也可以小于1，以便避免颜色非均质性。
热塑性材料中的一种可以由于低玻璃化转变温度、低黏度和低模量而被选择，以具有更好的流动性。由于更好的流动性，所选择的热塑性材料可以填充打印图案与丝之间的空隙。
功能层可以具有一种或多种功能，诸如可着色性、防雾、防静电、防划痕、防污、防反射、防晒、光致变色和光过滤等。基底层可以具有一种或多种功能，诸如更高的机械完整性、更高的玻璃化转变温度和与镜片基底的更好的粘附性。当打印图案是均质结构时，功能层可以是产品的光学表面。
热塑性材料的列表可以在表3中列出，这些热塑性材料可以包括聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚酯和聚砜(PSU)。此外，热塑性材料还可以是环烯烃共聚物(COC)、环烯烃聚合物(COP)等。热塑性材料还可以用诸如蓝色截止过滤器、时变截止过滤器、NIR截止过滤器等光过滤器进行改性。热塑性材料还可以用诸如颜色平衡染料、颜色增强染料、光致变色染料、二向色性染料等染料进行改性。热塑性材料还可以用诸如增塑剂、热稳定剂、光稳定剂、流动改进剂、脱模剂等添加剂进行改性。
表3.一些热塑性候选物的列表
Figure BDA0004100217570000151
Figure BDA0004100217570000161
使用表2和表3中描述的选择标准和热塑性材料，可以生产薄且弯曲的晶片。对于眼科镜片应用，打印的薄且弯曲的晶片可以具有以下特性之一，诸如高表面光滑度(例如，粗糙度值可以低于50nm)、高尺寸精度、高表面曲率精度、高表面微结构复制、打印结构内部的最小空隙和用于眼科镜片应用的各种功能。各种功能可以是以上描述的功能，诸如可着色性、防雾、防静电、防划痕、防污、防反射、防晒、光致变色和光过滤等。基底层可以具有一种或多种功能，诸如更高的机械完整性、更高的玻璃化转变温度和与镜片基底的更好的粘附性。
下面描述三维FDM打印工艺的示例。
示例1是在凸面上具有渐进式曲率的聚碳酸酯(PC)薄晶片。
在本披露的范围内，可以在表4中示出PC晶片的特性和细节。在本披露的范围内，可以在表5中示出光学模具和3D打印参数的细节。图4中的光学模具404可以首先被加热到175℃，其可以高于PC的玻璃化转变温度30℃。PC的丝被挤出，然后被打印到光学模具上，以在光学模具404上形成表层。一旦形成表层，就可以施加真空。然后，光学模具404的温度可以被降低到150℃(可以稍微高于PC的玻璃化转变温度)，并且可以打印后续的热塑性层。由于表层可以在高于PC的玻璃化转变温度的温度下打印，并且可以施加真空，因此可以高精度良好地复制光学模具的光学设计。表层可以是薄晶片的表面上的层。后续的热塑性层可以在较低的但仍高于PC的玻璃化转变温度的温度下打印到光学模具404上，以确保先前的层可以不会太软而不能在其上打印。在打印工艺之后，光学模具404的温度可以被降低到130℃，其可以稍微低于PC的玻璃化转变温度，以确保P℃的分子链可以完全松弛并且可以去除内应力以避免热塑性膜的翘曲。然后，光学模具的温度可以被降低到60℃，使得热塑性层不粘到光学模具404并且可以被容易地去除。
表4.PC的特性和晶片的规格。
Figure BDA0004100217570000171
表5.在Cx凸面上具有渐进式曲率的PC薄晶片的FDM 3D打印工艺和结果。
Figure BDA0004100217570000172
Figure BDA0004100217570000181
示例2是在凸面上具有菲涅耳微结构的聚酰胺(PA)薄晶片。
在本披露的范围内，可以在表6中示出PA晶片的特性和细节。在本披露的范围内，可以在表7中示出光学模具和3D打印参数的细节。光学模具404可以首先被加热到160℃，其可以高于PA的玻璃化转变温度20℃。PA的丝被挤出并且被打印以形成表层。表层可以是薄晶片的表面上的层。一旦形成表层，就可以施加真空。然后，光学模具的温度可以被降低到140℃(可以与PA的玻璃化转变温度相同)，并且可以打印后续的热塑性层。由于表层可以在高于PA的玻璃化转变温度的温度下打印，并且可以施加真空，因此可以高精度良好地复制光学模具的菲涅耳微结构设计。热塑性层可以在较低的但等于PA的玻璃化转变温度的温度下打印到光学模具上，以确保先前的层不会难以在其上打印。在打印工艺完成之后，光学模具404的温度可以保持在120℃，其可以稍微低于PA的玻璃化转变温度，以确保PA的分子链可以完全松弛并且可以去除内应力以避免热塑性层或膜的任何翘曲。光学模具404的温度可以最终被降低到60℃，使得热塑性层或膜不粘到模具并且可以被容易地去除。
表6.PA的特性和晶片规格。
Figure BDA0004100217570000182
Figure BDA0004100217570000191
表7.在Cx表面上具有菲涅耳微结构的PA薄晶片的FDM 3D打印工艺和结果。
Figure BDA0004100217570000192
示例3是具有可着色性的共聚酯/P℃薄球形晶片。
可以使用共聚酯和PC作为原材料打印可着色的薄球形晶片。共聚酯可以由于其可着色性而被选择作为薄球形晶片的前表面上的功能层。P℃可以由于较高的玻璃化转变温度和较高的机械强度而被选择作为薄球形晶片的后表面上的基底层。在本披露的范围内，可以在表8中示出热塑性材料的特性和光学模具的规格。
表8.PC和共聚酯的特性和晶片规格。
Figure BDA0004100217570000201
在本披露的范围内，可以在图9中示出打印的共聚酯/PC薄球形晶片。在902中展示了打印晶片的俯视图。在904中展示了打印晶片的侧视图。打印晶片902可以包括由共聚酯906制成的顶层或表层，以及由PC 908制成的底层或基底层。打印晶片可以具有与眼科镜片相同的曲率，使得打印晶片可以保持在眼科镜片上。
在本披露的范围内，可以在表9中示出具有可着色性的共聚酯/PC薄晶片的3D FDM打印工艺和结果。例如，在表9中，列出了使用共聚酯作为表层并使用PC作为基底层的喷嘴和光学模具的每个温度。此外，用于退火和去除部件(例如，热塑性层)的温度也在表9中示出。
表9.具有可着色性的共聚酯/P℃薄晶片的FDM 3D打印工艺和结果。
Figure BDA0004100217570000202
Figure BDA0004100217570000211
示例4是具有高清晰度和高强度的热塑性聚氨酯(TPU)/P℃薄晶片。TPU/PC薄晶片可以具有诸如光致变色和光过滤等其它功能。
可以使用TPU和PC作为原材料打印具有高清晰度和高强度的薄平晶片。TPU由于较低的玻璃化转变温度和对PC的良好粘附性而被选择作为可以填充PC丝之间的空隙的功能层。PC可以由于较高的玻璃化转变温度和较高的机械强度而被选择作为基底层。这两种热塑性材料之间的折射率差可以小于0.01，因此在这两种热塑性丝之间可以没有光散射。在本披露的范围内，可以在表10中示出特性和光学模具的规格。在本披露的范围内，可以在图10中示出打印的薄平晶片。
表10.TPU和PC的特性和晶片规格。
Figure BDA0004100217570000212
Figure BDA0004100217570000221
在本披露的范围内，可以在图10中示出打印的TPU/PC薄平晶片。在1002中展示了打印晶片的俯视图。在1004中展示了打印晶片的侧视图。打印晶片1002可以包括由TPU1006制成的顶层或表层，以及由PC1008制成的底层或基底层。
如表11所列出的，打印晶片可以是由TPU和PC生产的1mm厚的平晶片。晶片可以具有高透明度(例如，1mm时Tv％(D65)＞80％，其中Tv％(D65)可以是总可见光透射率，该总可见光透射率可以是在国际照明委员会(CIE)定义的D65光源下测量的)和高机械强度(例如，冲击强度＞60J/m(悬臂梁缺口，23℃，如ASTM D256所定义的))。晶片可以具有诸如光致变色和光过滤等其它功能。可以通过将光致变色染料添加到TPU层中，并将光过滤器添加到TPU和/或PC层中来进行光过滤。例如，在表11中，可以列出使用TPU作为表层并使用PC作为基底层的喷嘴和光学模具的每个温度。此外，在本披露的范围内，也可以在表11中示出用于退火和去除部件(例如，热塑性层)的温度。表11.具有高清晰度和高强度的TPU/PC薄晶片的FDM 3D打印工艺和结果。
Figure BDA0004100217570000222
Figure BDA0004100217570000231
显然，根据以上教导，许多修改和变化是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以以不同于本文具体描述的方式实施。
本披露的实施例也可以如以下括号中所述。
(1)一种在光学模具上打印热塑性膜的方法，该方法包括：通过温度控制电路系统调节光学模具的温度到第一温度；一旦光学模具的温度达到第一温度，就在光学模具上打印热塑性膜的第一层；向光学模具施加真空以将热塑性膜保持在光学模具上；通过温度控制电路系统调节光学模具的温度到第二温度；一旦光学模具的温度达到第二温度，就在热塑性膜的第一层上打印热塑性膜的第二层；通过温度控制电路系统调节光学模具的温度到第三温度；一旦光学模具的温度达到第三温度，就对第一层和第二层进行退火；以及从光学模具去除真空，从而允许从光学模具去除包括退火的第一层和退火的第二层的热塑性膜。
(2)根据(1)的方法，其中，第一温度在低于热塑性膜的玻璃化转变温度10℃与高于玻璃化转变温度30℃之间，例如，在低于热塑性膜的玻璃化转变温度5℃与高于玻璃化转变20℃之间、在低于热塑性膜的玻璃化转变温度5℃与高于玻璃化转变10℃之间、或者在低于热塑性膜的玻璃化转变温度1℃与高于玻璃化转变1℃之间。
(3)根据(1)的方法，其中，热塑性膜的第一层是包括多个热塑性层的热塑性表层，并且其中，热塑性膜的第一层的厚度在10微米与500微米之间，例如，20微米、30微米、40微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米、200微米、300微米、400微米或450微米。
(4)根据(1)的方法，其中，第二温度等于或高于玻璃化转变温度。
(5)根据(1)的方法，其中，第三温度在玻璃化转变温度与低于玻璃化转变温度60℃之间。
(6)根据(1)的方法，其中，温度控制电路系统控制一个或多个电加热元件和/或循环有温度调整流体的微流体通道，以调整光学模具的温度。
(7)根据(1)的方法，其中，打印第一层或打印第二层包括使用单一热塑性塑料或至少两种不同的热塑性塑料打印以形成2D或3D结构和/或功能。
(8)根据(1)和(7)中任一项的方法，其中，至少两种不同的热塑性塑料中的至少一种具有比至少两种不同的热塑性塑料中的另一种更高的机械强度，并且/或者至少两种不同的热塑性塑料中的至少一种具有比至少两种不同的热塑性塑料中的另一种更高的玻璃化转变温度。
(9)根据(1)和(7)中任一项的方法，其中，至少两种不同的热塑性塑料形成均质或非均质结构和/或功能。
(10)根据(1)、(7)和(9)中任一项的方法，其中，至少两种不同的热塑性塑料形成非均质结构和/或功能，其中，不同的热塑性塑料之间的折射率(RI)的差小于0.01、0.005或0.001，并且/或者其中，不同的热塑性塑料之间的ΔE小于1、0.5、0.3、0.2、0.1，其中，
Figure BDA0004100217570000241
如由CIE76公式所定义。
(11)根据(1)和(7)中任一项的方法，其中，至少两种不同的热塑性塑料是用光过滤器或染料或添加剂或填料可改性的。
(12)根据(1)、(7)和(11)中任一项的方法，其中，光过滤器包括由UV截止、蓝色截止过滤器和NIR截止过滤器组成的组中的一种，其中，染料包括由颜色平衡染料、颜色增强染料、光致变色染料和二向色性染料组成的组中的一种，其中，添加剂包括由增塑剂、热稳定剂、光稳定剂、流动改进剂和脱模剂组成的组中的一种，并且其中，填料包括由颗粒、纤维和纳米管组成的组中的一种。
(13)一种形成在光学模具上的眼科镜片的热塑性膜，该热塑性膜包括：热塑性膜的第一层，该第一层形成在光学模具上，其中，光学模具的温度在热塑性膜的第一层的形成期间被调节到第一温度；以及热塑性膜的第二层，该第二层形成在第一层上，其中，光学模具的温度在热塑性膜的第二层的形成期间被调节到第二温度。
(14)根据(13)的眼科镜片的热塑性膜，进一步包括光学表面特征中的一个或多个光学表面特征，这些光学表面特征包括球形、非球形、双焦点、三焦点、渐进式、微透镜、菲涅耳结构和蛾眼结构。
(15)一种用于形成热塑性膜的光学模具结构，该光学模具结构包括：温度控制电路系统，该温度控制电路系统控制一个或多个电加热元件和/或微流体通道；温度控制电路系统上的光学模具，该光学模具用于形成热塑性膜的第一层和第二层，其中，光学模具进一步包括光学表面特征中的一个或多个光学表面特征，这些光学表面特征包括球形、非球形、双焦点、三焦点、渐进式、微透镜、菲涅耳结构和蛾眼结构；以及附接到光学模具的真空装置，该真空装置用于将热塑性膜保持在光学模具上。
通过提供本披露的特征，可以使用由温度控制单元控制的光学模具来打印热塑性层或膜。这与现有系统不同，因为现有系统的温度不能控制，因此热塑性层或膜的质量较低。
前面的讨论仅披露和描述了本发明的示例性实施例。如本领域技术人员将理解的，在不脱离本发明的精神或本质特点的情况下，本发明可以以其他具体形式来实施。因此，本发明的披露内容旨在是说明性的，而不是限制本发明以及其他权利要求的范围。本披露内容(包括本文中的教导的任何容易辨别的变型)部分地限定了前面的权利要求术语的范围，使得没有创造性的主题致力于公众。

Claims (15)

1.一种在光学模具上打印热塑性膜的方法，所述方法包括：
通过温度控制电路系统调节所述光学模具的温度到第一温度；
一旦所述光学模具的温度达到所述第一温度，就在所述光学模具上打印所述热塑性膜的第一层；
向所述光学模具施加真空以将所述热塑性膜保持在所述光学模具上；
通过所述温度控制电路系统调节所述光学模具的温度到第二温度；
一旦所述光学模具的温度达到所述第二温度，就在所述热塑性膜的第一层上打印所述热塑性膜的第二层；
通过所述温度控制电路系统调节所述光学模具的温度到第三温度；
一旦所述光学模具的温度达到所述第三温度，就对所述第一层和所述第二层进行退火；以及
从所述光学模具去除所述真空，从而允许从所述光学模具去除包括退火的第一层和退火的第二层的所述热塑性膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一温度在低于所述热塑性膜的玻璃化转变温度10℃与高于所述玻璃化转变温度30℃之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热塑性膜的第一层是包括多个热塑性层的热塑性表层，并且其中，所述热塑性膜的第一层的厚度在10微米与500微米之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二温度等于或高于所述玻璃化转变温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第三温度在所述玻璃化转变温度与低于所述玻璃化转变温度60℃之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述温度控制电路系统控制一个或多个电加热元件和/或循环有温度调整流体的微流体通道，以调整所述光学模具的温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，打印所述第一层或打印所述第二层包括使用单一热塑性塑料或至少两种不同的热塑性塑料打印以形成2D或3D结构和/或功能。
8.根据权利要求1和7中任一项所述的方法，其中，所述至少两种不同的热塑性塑料中的至少一种具有比所述至少两种不同的热塑性塑料中的另一种更高的机械强度，并且/或者所述至少两种不同的热塑性塑料中的至少一种具有比所述至少两种不同的热塑性塑料中的另一种更高的玻璃化转变温度。
9.根据权利要求1和7中任一项所述的方法，其中，所述至少两种不同的热塑性塑料形成均质或非均质结构和/或功能。
10.根据权利要求1、7和9中任一项所述的方法，其中，所述至少两种不同的热塑性塑料形成非均质结构和/或功能，其中，不同的热塑性塑料之间的折射率(RI)的差小于0.01，并且/或者其中，不同的热塑性塑料之间的ΔE小于1，其中，
Figure FDA0004100217560000021
如由CIE76公式所定义。
11.根据权利要求1和7中任一项所述的方法，其中，所述至少两种不同的热塑性塑料是用光过滤器或染料或添加剂或填料可改性的。
12.根据权利要求1、7和11中任一项所述的方法，其中，
其中，所述光过滤器包括由UV截止、蓝色截止过滤器和NIR截止过滤器组成的组中的一种，
其中，所述染料包括由颜色平衡染料、颜色增强染料、光致变色染料和二向色性染料组成的组中的一种，
其中，所述添加剂包括由增塑剂、热稳定剂、光稳定剂、流动改进剂和脱模剂组成的组中的一种，并且
其中，所述填料包括由颗粒、纤维和纳米管组成的组中的一种。
13.一种形成在光学模具上的眼科镜片的热塑性膜，所述热塑性膜包括：
所述热塑性膜的第一层，所述第一层形成在所述光学模具上，其中，所述光学模具的温度在所述热塑性膜的第一层的形成期间被调节到第一温度；以及
所述热塑性膜的第二层，所述第二层形成在所述第一层上，其中，所述光学模具的温度在所述热塑性膜的第二层的形成期间被调节到第二温度。
14.根据权利要求13所述的眼科镜片的热塑性膜，进一步包括光学表面特征中的一个或多个光学表面特征，所述光学表面特征包括球形、非球形、双焦点、三焦点、渐进式、微透镜、菲涅耳结构和蛾眼结构。
15.一种用于形成热塑性膜的光学模具结构，所述光学模具结构包括：
温度控制电路系统，所述温度控制电路系统控制一个或多个电加热元件和/或微流体通道；
所述温度控制电路系统上的光学模具，所述光学模具用于形成所述热塑性膜的第一层和第二层，其中，所述光学模具进一步包括光学表面特征中的一个或多个光学表面特征，所述光学表面特征包括球形、非球形、双焦点、三焦点、渐进式、微透镜、菲涅耳结构和蛾眼结构；以及
真空装置，所述真空装置附接到所述光学模具，所述真空装置用于将所述热塑性膜保持在所述光学模具上。
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