TW201436990A - 用於加熱模具或工具之裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種諸如射出成形工具或是凸印工具之工具，設置一個包括一層堆疊之加熱工具，用以加熱一工具表面。該堆疊能夠包括一線圈載體層，其具有一些數量之捲繞線圈，用以產生一磁場、以及一傳導頂層，電流係引入該頂層中緊鄰工具之表面，以加熱該表面。藉由涉及將電流導引到該頂層，而本身卻不會產生太多熱量之低阻抗層的解決方案，便能夠提供有效的加熱。一傳導框架裝置能夠設置在該頂層下方，並且圍繞其周圍，以便對於一背層提供可靠的接觸。一熱組抗層能夠佈置在該中介層以及該頂層之間，且能夠包含一諸如聚醯亞胺之一熱阻抗塑膠材料。

Description

用於加熱模具或工具之裝置及方法
本發明揭露內容係有關用於形成樹脂或塑膠材料之裝置及方法。
發明背景
業界已經提出在用以形成塑膠材料之工具提供加熱功能的需求。該加熱能夠藉著例如由對於一線圈供應一高頻交流電脈衝之感應性加熱所提供。如此能夠用於射出成形以及塑膠胚料(blank)之凸印/壓印。該線圈產生一振盪磁場，其藉著感應渦流(eddy current)加熱位於面對欲進行重新塑形之塑膠材料的表面鄰近處之該模具或是工具。
冷卻亦能夠藉由一種諸如水等在該工具或模具表面之鄰近處流動的液體予以供應。
業界已經揭露許多不同達成如此加熱之方法。在美國專利2009/0068306-A號申請案中，其顯示一種具有一提供一磁場之線圈承載部件的構造，該線圈載體功能如同一軟鐵氣體，並包括互相電氣絕緣之磁性區組粒(granules)，諸如PERMEDYN MF1之產品。接近模具或工具表面處具有採用例如沃斯田鋼形式之一頂部部件，其不特別具有鐵磁 性，並具有例如約7x10-7Ωm的一阻抗值，以便由藉著線圈引起的渦流而產生熱量。從該頂部部件觀察，可以見到線圈載體之另一側具有一例如由銅所製成的背板，其具有顯著低於該頂部部件之阻抗值，該背板使位於線圈背側上的感應渦流短路。在頂部部件之頂部上具有一壓印模，其包括欲複製在模具或工具中之樹脂上的圖案。此材料堆疊層接近頂部部件處具有冷卻管路。
在美國專利2009/0239023-A號申請案中係顯示另一種發展構造，其中上述之材料疊層係設置一使線圈載體與頂部部件隔開的額外層。此中介材料能夠由一陶瓷材料所構成，其具有更多或更少之磁氣或電氣被動性，但具有較高的機械阻抗值。該等冷卻管路能夠佈置在此中介層中，中介層之高機械阻抗值使得頂部部件能夠變薄，從而具有一較低比熱。因此，便能夠由於該頂部部件能夠較快的冷卻與加熱而縮短循環週期時間。此外，由於能夠將冷卻管路移開避免與該頂部部件相接觸，便能夠使用較高的溫度，而不會使管路中的水沸騰。
有關於已知技術之其中一種問題係在於如何進一步改進此等工具相關的程序之效率，同時以具有成本效率之方式完成工作。
發明概要
本發明之一目的因此係在於一種具有改進效率之工具。
此目的係藉由一種諸如一射出成形工具或者是一凸印/壓印工具所達成，其包含一加熱裝置，該加熱裝置包括一疊層，其用以加熱一作用工具表面。該疊層包含：一線圈載體層，其至少包括一捲繞線圈，用以產生一振盪磁場、一電氣傳導頂層，其鄰接該作用工具表面、以及一背層，從頂層方向觀察，其係佈置在該線圈載體層下方，該背層在捲繞線圈彎曲之邊緣處係電氣連接到該頂層，並具有低於頂層之阻抗值。一電氣傳導中介層係位於該線圈載體層與頂層之間，其中該中介層具有之阻抗值低於頂層。一熱阻抗層係佈置在該中介層以及頂層之間，該熱阻抗層包含諸如聚醯亞胺之一種熱阻抗塑膠。當設置此一熱阻抗層時，該工具在一循環尾聲能夠使其更快冷卻，從而產生具有較短生產循環之整體而言更有效率的裝置。
此目的係進一步藉由諸如一射出成形工具或者是一凸印/壓印工具所達成，其包含用以在一作用表面處形成塑膠的構件，該工具具有一電氣傳導頂層，其係藉由一線圈所導入的電流進行加熱，從該作用表面觀察其係為佈置在該頂層下方、以及一個背層，其從該作用表面觀察係佈置在該線圈下方，該背層具有之阻抗值低於頂層，且至少在線圈之繞線彎曲的相反邊緣處連接到該頂層。至少一個鐵磁性鋼吸收層係以一圖案佈置在該頂層表面與線圈之間，以至於使產生於該作用表面的熱會在整個該作用表面上產生變化，使其低於鐵磁性鋼吸收層所在位置之圖案。如此便能夠使用一鐵磁性鋼頂層，同時維持一高準確度的 熱發展樣式。該鐵磁性鋼吸收層能夠藉由一絕緣塗層所圍繞，且能夠進行層疊而成為複數個子層。該鐵磁性鋼吸收層能夠採用例如鐵磁性鋼片棒的形式。其他適當的電磁吸收層材料包括軟磁性材料，諸如軟鐵以及軟磁性複合物、片狀成形複合材料(SMC)。
此目的係進一步藉由諸如一射出成形工具或者是一凸印/壓印工具的一種工具所達成，其包含一加熱裝置，該加熱裝置包括一個用以加熱一作用工具表面之疊層。該疊層包含：一線圈載體層，其包括至少一個用以產生振盪磁場的捲繞線圈、一電氣傳導頂層，其係鄰接該作用工具表面、以及一背層，從該頂層觀察，其係佈置在的該線圈載體層的下方，該背層在線圈之繞線彎曲的邊緣處電氣連接到該頂層，並且具有低於該頂層之阻抗值。一電氣傳導中介層係位於該線圈載體層以及頂層之間，且該中介層所具有的阻抗值係低於該頂層。本發明亦考量一種對應的製造方法。
在此一疊層中，該中介層能夠以非常有效率之方式將能量傳遞到該頂層，且若進行壓印/凸印時能夠同時承受相當多的機械負載。
能夠將一熱阻抗層佈置在該中介層與頂層之間。此一諸如由玻璃或是諸如聚醯亞胺之一熱阻抗塑膠材料所構成的層或多或少地減緩自該頂層消散的熱量，從而能夠在製造循環期間增加該尖峰頂層之溫度。
中介層能夠設置冷卻管路，用以運送一冷媒。如 此能夠縮短製造周期。
頂層阻抗值範圍能夠在1*10-7到1*10-6歐姆(Ωm)之間，且該中介層所具有之阻抗值能夠在1到3*10-8歐姆之間。
此目的進一步係藉由一用以在一作用表面處凸印/壓印一胚料之工具所達成，其中該工具具有一電氣傳導頂層，其係以藉由一線圈感應之電流進行加熱，從作用表面方向觀察，該線圈佈置在該頂層下方；從作用表面方向觀察，一背層係設置於該頂層下方，該背層具有一低於該頂層之阻抗值，且至少在捲繞線圈彎曲之相反邊緣處連接到該頂層。設置一傳導框架，其具有一低於該頂層之阻抗值，並圍繞該作用表面，以致於使該頂層至少在其某些邊緣之鄰近部分靠在該傳導框架上。本發明亦考量其對應之一種製造方法。
此方式對於背層與頂層之間提供良好的接觸，以便改良頂層之加熱，同時使該頂層懸浮在該傳導框架之頂部上。
頂層在捲繞線圈彎曲處能夠靠在該傳導框架上，與該頂層邊緣相隔一段距離處，以致於將電流由背層導入該頂層時，使頂層之此段邊緣的加熱程度低於該頂層之內側部分。此方式對於例如製造一光導板而言具有優勢，否則其中該溶融邊緣會衍生光學偏差，而使產量減少。
從作用表面方向觀察，一夾合裝置能夠佈置在該傳導框架下方。該夾合裝置能夠相對於其依靠之表面移動， 以致於將電流由背層導入頂層時的階段期間能夠使該傳導框架夾合靠住該頂層。此方式改良了該傳導框架與頂層之間的電氣傳導性。
夾合裝置能夠劃分成一框架以及兩個擠壓密封環，其中一個密封環圍繞另一個密封環，且其二者圍繞該工具之作用表面，以致於在該等密封環之間形成一封閉空間；以及諸如一導管之構件，以便將一流體送入該密封空間，以增加其中的壓力，藉以抬起該等密封環，以達成夾合操作。
頂層能夠劃分成一上方頂層以及一下方頂層，其中該上方頂層包含一種具有均勻阻抗值之金屬，其阻抗值高於該背層之阻抗值，且該下方頂層則具有一個變化阻抗值之圖案，以至於使作用表面產生之熱量隨著整個作用表面而改變。如此方式能夠使整個該作用表面產生蓄意規劃的熱量變化。
本發明之目的另外係以一種以該工具之一作用表面凸印/壓印一胚料的工具加以達成，其中該工具具有一疊層，其包括位於該作用表面處之一頂層，且該頂層係在凸印/壓印期間進行加熱。從作用表面方向觀察，位於頂層下方的兩個堆疊層之間係界定出一腔室，且該腔室在作用表面下方延伸一大部分，且至少係部分地充滿一種流體。如此方式能夠使壓力均勻地施加到該工具之整個作用表面，因為壓力會均勻地分佈該腔室。本發明亦考量一種對應的製造方法。
作用表面有可能在某些階段中並不會接觸到一胚料，故需使腔室中的壓力上升，以致於使壓力高於大氣壓力，使得該頂層產生某些程度之凸出，此用以從該工具之作用表面與一胚料交界排除任何的空氣袋。
1‧‧‧胚料
3‧‧‧工具半部件
5‧‧‧工具半部件
7‧‧‧加熱裝置
9‧‧‧融熔樹脂
11‧‧‧腔室
13‧‧‧噴嘴
15‧‧‧工具部件
17‧‧‧工具部件
19‧‧‧線圈
21‧‧‧線圈載體層
23‧‧‧作用中介層
25‧‧‧頂層
27‧‧‧背層
29‧‧‧熱阻抗層
31‧‧‧作用工具表面
33‧‧‧接頭
35‧‧‧長側
37‧‧‧短側
39‧‧‧電流/作用中介子層
40‧‧‧電流
41‧‧‧作用中介子層
43‧‧‧基板
45‧‧‧線圈段
47‧‧‧腔室
51‧‧‧流體噴濺區塊
53‧‧‧冷卻管路/鑽孔
55‧‧‧連接棒
57‧‧‧螺釘
59‧‧‧螺釘
61‧‧‧間隙
63‧‧‧傳導框架
65‧‧‧接觸區域
67‧‧‧間隙
69‧‧‧密封環
71‧‧‧溝槽
73‧‧‧電流
75‧‧‧加熱部分
77‧‧‧銅片/塑膠框架/夾合裝置
79‧‧‧外部壓縮密封環/切除區域
81‧‧‧內部壓縮密封環/較熱子 區域
83‧‧‧內部壓縮密封環
85‧‧‧外部壓縮密封環
87‧‧‧微小空間/主要方向
89‧‧‧第一傳導板層
91‧‧‧第二傳導板層
93‧‧‧鐵磁性鋼板棒件
95‧‧‧塑膠延伸件
97‧‧‧熱阻抗層
99‧‧‧傳導框架片
101‧‧‧子層
103‧‧‧點線
圖1概略地顯示一種用以凸印/壓印一胚料之工具；圖2概略地顯示一射出成型工具；圖3概略地顯示一種設計成用以對於一工具表面提供有效加熱的疊層；圖4顯示一凸印/壓印工具半部件之一立體圖；圖5顯示圖4之該工具半部件的一俯視圖，並顯示其兩個剖面，A-A與B-B剖面；圖6概略地顯示於圖3中之層感應電流；圖7顯示圖4之工具半部件於該工具半部件的短邊緣處之A-A剖面；圖8顯示圖4之工具半部件於該工具半部件的長邊緣處之B-B剖面；圖9A與9B圖顯示圖8之該剖面的細節；圖10顯示圖7中之該剖面的細節；圖11顯示一頂層能夠靠在一傳導框架上，以便在該頂層與一背層之間建立良好電氣接觸的方式；圖12A與12B顯示使用一種具有圖案之下方頂層，以改變整個頂層之作用表面的熱發展之方式； 圖13~18C顯示在整個作用工具表面改變熱發展之進一步的方式，其適合用於使用一鐵磁性鋼作為一壓印頂層的案例中。
本發明實施例之詳細說明
本發明揭露內容係有關於用以形成樹脂或塑膠材料之裝置與方法。以下描述主要著重一種用於凸印塑膠胚料之系統，然而如同熟諳此技藝之人士所能理解，文中所描述許多技術解決方案能夠同樣適用於射出成型與其他製造程序。
圖1概略地以剖面圖顯示一種用於凸印/壓印一胚料1之工具。該工具具有兩個工具半部件3、5。各個工具半部件或其中一個工具半部件能夠設置一加熱裝置7。在凸印過程中，該胚料1，一塊實心塑膠係藉著例如使該等半部件彼此擠壓，同時在其面對該胚料1之作用表面加熱該等半部件的施加在該工具中之熱量與壓力而得到某程度的重新塑形。典型而言係對其施加一表面圖案。其中一種使用此技術之範例係為製造用於背光平板LCD電視螢幕之光導板。一透明矩形塑膠片接著在其一平坦表面上係設置一細微表面圖案。當該塑膠片之一邊緣得到照明時，表面圖案會使入射光線離開該光導板，並使其均勻地遍布於該表面上。此一圖案能夠藉由以下所描述之該工具系統中的一壓印模/頂層所達成。本發明亦考量例如菲涅爾透鏡(Fresnel-lenses)等以凸印進行製造的其他產品。除了提供表面圖案(凸印) 或將其作為一另擇方式之外，本發明亦能夠例如彎曲一胚料(壓印)，相對而言需要提供較短的循環時間實際進行作用加熱與冷卻。
圖2中所概略顯示之射出成形係意指透過一噴嘴13將融熔樹脂9噴入一腔室11中(如箭號所示)，以產生一固體形態。稍後描述之用於該工具的加熱裝置7能夠用以加熱此一腔室，且能夠佈置在一個或更多界定該腔室11的工具部件15、17中。與未進行加熱之模組相較，此方式能夠在完成產品中製造出更薄的構造以及更精細的圖案，同時亦能夠達到較短的製造循環，尤其是該模組在製造循環期間亦藉由例如在冷卻管路中流動的流體主動地冷卻時更是顯著。文中所揭露之加熱技術同樣能夠用於吹出成形程序。
圖3概略地以剖面顯示一設計用以對於一作用工具表面31提供有效加熱的疊層。文中所述之一作用工具表面係指與欲進重新塑形之塑膠或樹脂相接觸的表面。該疊層具有一感應線圈19，其能夠用以對於模組或工具提供加熱。該疊層具有一線圈載體層21、一電氣作用中介層23、一頂層25、一背層27，以及一熱阻抗層29。
線圈載體層21包括捲繞線圈19，且係由一種具有例如於室溫時為300的高相對磁滲透率，以及例如2.5 * 10-3歐姆之高電氣阻抗值的材料所製成。因此，該材料係為一種易於傳導磁場但卻不會傳送任何大程度電流的材料。如此表示線圈載體層21將藉由線圈19而產生在其中的磁場傳送並成形到其他層，同時不會在該線圈載體層21本身中引 起任何的實質渦流。線圈19係佈置於敞開溝槽中，且在該線圈載體之整個表面設置一均勻分布的磁場。PERMEDYN MF1(註冊商標)係視為一種適用於線圈載體層的材料，且其有關於使鐵磁材料之顆粒藉由一電氣絕緣樹脂一起進行燒固。一般而言，線圈載體厚度之範圍典型而言係為10~30毫米。
電氣作用中介層23包含一種具有非常低阻抗值(典型為1~3*10-8歐姆或更低)之金屬，諸如銅或是鋁。當線圈將電流導入其中時，此層便成為作用層。然而，由於其阻抗值非常低，故這些電流並不會產生任何太大程度的熱量。該層之厚度典型而言可為10~30毫米，相對磁滲透率可接近1(非鐵磁性)，且其熱傳導性典型而言可為100~400W/m/K。
頂層25能夠包含一種具有之阻抗值較該作用中介層23阻抗值為高的金屬。厚度為1~2毫米之沃斯田鋼係為一種合適的範例。由於阻抗值較高，此層成為藉由線圈19感應，且經過該作用中介層23之渦流而產生熱量之層。
頂層部件可為非鐵部件，且其阻抗值範圍典型而言可為1*10-7~1*10-6歐姆。因此，該頂部件具有傳導性，但其傳導性顯著低於該中介層。
頂層適合將其分成兩個子層。例如，若能夠藉由一壓印模複製一精細構造，則此壓印模適合由經過電鍍處理之鎳所製成。由於鎳係為非鐵，面對線圈之鎳子層的表面(而非為作用表面)將進行加熱，此亦為較佳使該層變薄的 原因之一。另一原因係在於厚材料之電鍍相當耗時。
欲使該頂部件整體具有相同的厚度，一薄鎳層(例如0.7毫米)能夠佈置在一沃斯田非鐵磁層(例如1.0毫米厚)之頂部上。如此便能夠確保均勻的熱分布。然而即便如此作法之製造成本可能較為昂貴，另一種另擇方式係為採用一個1~2毫米厚的鎳層。
從面對欲進行加工的樹脂或胚料的表面31之方向觀察，一個例如2~15毫米厚之背層27係設置在該線圈載體層21的另一側上，且其能夠由一種類似於該作用中介層23之材料所製成。該背層27係藉由一接頭33電氣連接到該頂層25，該接頭於圖3中係概略地顯示，且將於稍後進一步說明。
一熱阻抗層29能夠設置在該作用中介層23與頂層25之間。該熱阻抗層29用以某程度地阻礙將熱量從頂層25傳遞到作用中介層23，以致於使該頂層25能夠達到一較高的尖峰溫度。若未設置此層，於循環期間在頂層中則會達到一較低的尖峰溫度，因為更多的熱量係持續地自該頂層25逸散，並傳遞到該作用中介層23。
熱阻抗層之厚度範圍可為例如1~5毫米，依照其熱傳導特性而定。此厚度選擇係在高頂部溫度(厚)與短循環時間(薄)之間的權衡取捨而定。該熱阻抗層可具有電氣絕緣性，且其熱阻抗值典型而言可約為1W/m/K，其磁滲透率能夠接近1(非鐵磁性)。玻璃係視為一種適當的材料。
熱阻抗層亦能夠減少鐵磁頂層之使用問題。由於 鐵磁材料中的皮層效應，使得該頂層面對線圈之側會得到主要的加熱。然而，由於設置熱阻抗層，此熱能將會傳遞到作用表面，而非傳遞到該作用中介層23。
下表顯示該熱阻抗層所能使用之材料與厚度的範例：
在一施加頻率為25kHz，且能量體積密度為1.5 * 108W/m3的交流電源之模擬案例中，該頂層中的溫度於10秒後達到200℃。在此同時，該背層中之溫度僅上升約3℃、線圈載體中上升約6℃，且中介層中則上升約15℃。
圖4顯示一凸印或壓印工具半部件之一立體圖。此工具能夠用以凸印一42吋液晶電視，亦即尺寸約為930 x 520毫米之基材/胚料的塑膠光導板。圖式中未顯示之相對的半部件或多或少可為圖式中顯示之該半部件的鏡射形象，故不再進一步描述。該工具係對應圖3中所描述的精神所製造，且係建造於一承載該工具半部件的基底板43上，並包括所有的所需機構連接器，以便提供一壓印功能。
圖5顯示圖4中所示之該工具半部件的一縮小俯視圖，並標示出兩個橫剖面A-A與B-B，在簡要說明該工具加熱之整體工作原理以後將進一步詳細描述該等橫剖面。
圖6顯示圖3之該等層內的感應電流，圖3之疊層 係以一爆炸立體圖方式展現。在所顯示之案例中，該頂層25係為具有一930毫米之長側35以及一520毫米的短側37之矩形。其他的層則具有對應的格式。線圈載體層21係由一線圈19以平行於該矩形之短側37的方向進行捲繞，亦即該線圈在長側位置彎曲。當一高頻交流脈衝施加到線圈19時，位於該線圈19中之電流在該作用中介層23之下方表面中係出現一對應的感應電流39。此電流將會在該作用中介層23之表面處形成一封閉的電流迴路，其運行方向係與位在該作用中介層23之下方表面處的相鄰線圈電流平行相反，並與其上方表面相平行(從頂層25方向觀察)。這些電流在該作用中介層之長邊緣處互連，且該等電流主要係由於皮層效應而留在該作用中介層之鄰近處。位於作用中介層23之頂表面中的交流電流接著將會在該頂層25中引起一電流40。由於該頂層25具有一較高的阻抗值，故此層將會產生一可觀的熱量。該頂層在其長側處係電氣連接到接頭33，並連續或間接地連接到背層27，以便使該電流能夠流動遍及整個頂層表面。
位於線圈載體之背側的線圈將在該背層27中會引生一類似於該作用中介層的電流。此電流將具有與電流40相同的流向，並且會與該電流疊加。由於具有低阻抗值，故背層27中僅會產生非常小的熱量。
作用中介層23能夠設置冷卻管路(圖式中未顯示)，以便能夠冷卻模具或工具。該等管路能夠運送一冷媒，諸如水或油。冷媒流可為連續或者可為間歇供應，以便僅 在製造循環中的一階段期間提供冷卻。
參考圖7，現在將詳細說明圖5中之A-A橫剖面，並偶而參考圖4之立體圖。
一對應圖3之概略示意圖的疊層係建置在基板43上。最初將一背層板27放置在該基板43上，且接著放置線圈載體21，其在顯示之案例中具有七個線圈段45，各個線圈段承載一線圈(未顯示)。這些線圈各能夠設置一個別的整流器，且彼此同步。與對於線圈段設置一普通變流器相較，如此方式由於對絕緣的需求較少而具有優點。
在顯示的案例中，佈置在線圈載體21上的作用中介層23包含兩個子層39、41，且包括稍後將進行描述之冷卻通道(圖7中未顯示)。該第一子層39係藉由切削而簍空，以致於使該第一與第二子層39、41一起界定出一個能夠在該作用工具表面下方延伸一大部分的平坦腔室47。在實際運作方面，該腔室能夠充滿一流體，並作為一稍後將進行描述之流體壓力平衡器。
第二作用中介子層41包含冷卻管路，其係藉由一流體噴濺區塊51加以供應，其分階段將一主流對稱地劃分成為一些相同的子流，每個管路皆有一個子流。熱阻抗層29係位於該第二子層41之頂部上，且接著則為頂層/壓印模25。
下表顯示圖4中所示之工具半部件所能使用的材料及其厚度之一範例。
各個工具半部件具有七個線圈，各個線圈具有22個捲繞彎曲，在凸印期間係對於各個線圈同步提供一個25kW/25kHz/10秒的脈衝。
圖8顯示圖5之該工具半部件於其一短邊處於圖5中的B-B橫剖面。該橫剖面顯示出基板43、背板27、線圈載體21，以及作用中介層之兩個子層39、41，以及內通腔室47。該圖亦顯示熱阻抗層29以及頂層/壓印模25。
第二作用中介層41包含冷卻管路53，其沿著該工具之作用區域，亦即為進行壓印與加熱處的長度延伸。在顯示之案例中，該等冷卻管路53能夠鑽鑿成為貫通該第二子層41之整個長度的長形孔。該等長形孔能夠在尾端插接，並且能夠設置連接孔，其從該子層41鄰近處之平坦表面延伸貫穿到該等孔洞的插接邊緣。該等連接孔能夠連接到流體噴濺區塊。
一種不同於設置採用鑽孔53形式的冷卻管路之可行另擇方式係為將該第二子層41設置成兩個子層，並藉由在這些子層其中一者或二者的平坦表面中切削出溝槽而形成冷卻管路。
圖8進一步顯示一連接棒55，其使背層27與頂層25相連接。如此提供了連接(圖3中概略地標示出33)，使得 產生的熱量能夠在該頂層25中流動。連接棒係分別以螺釘57、59連接到背層27以及一傳導框架63，頂層25則靠在該框架上。典型而言，每個線圈段於工具之各個長側能夠設置一個此連接棒，如圖4中所示。在連接棒55與作用中介子層39、41之間能夠設置一間隙61。
上述之疊層對於工具提供極佳的加熱性。然而，所顯示之工具涉及了一些額外的技術解決方案，現在將詳加描述。
儘管玻璃作為一熱阻抗層展現出良好的功能，經發現塑膠材料能夠用於相對高操作溫度(最高達約250℃)，其能夠進一步改良該操作。
一種此等可以想見的塑膠材料係為聚醯亞胺，諸如KAPTON(E.I.du Pont de Nemours and Company，杜邦公司的註冊商標)。舉例來說，KAPTON具有約0.12W/mK之熱傳導性。如此表示一具有諸如玻璃之對應效率的熱阻抗層能夠僅藉著一小部分的厚度便可達成。
如此會影響該裝置總體而言的循環效率。當施加一電磁場時，該溫度之上升速度大約與較厚玻璃層相似。
然而，當工具作用表面之溫度欲進行冷卻時，在去除該凸印產品以前，完成此冷卻作業能夠快上許多。即使熱阻抗層上儲存的熱能量相同，與較厚的玻璃層相比，較薄塑膠熱阻抗層本身所儲存的能量少很多，如此表示其能夠產生更快的冷卻。
因此能夠達成如下所示之一種經改良的材料堆 疊：
一鐵磁性頂層亦能夠達成。
在本文中能夠使用其他的熱阻抗塑膠材料，包括例如苯酚甲醛(PFs)、聚二醚酮(PEEK)、聚醚醯亞胺(PEI)，以及聚四氟乙烯(PTFE)。
平衡壓力
特別是在壓印/凸印一胚料，以便對於一光導板提供一相同壓力時，而不會施加剪力會提供良好的光學性質。充滿圖7與8中所示之腔室47的流體平衡了遍佈整個表面與工具的壓力，並且完全不會傳遞剪力。與使用未以流體充滿腔室47之工具相較，此特性之結果能夠用以改良完成產品之品質且/或改進產量，而不需進行主動加熱或是另擇的主動加熱構件。
腔室47能夠在作用表面下方延伸一大部分。形成於其中的流體層並不需要太厚，4~5毫米之厚度係為可行範例。該流體可使用水，但油係為一另擇方式。流體係藉由一擠壓在該等作用中介層39、41之間，且沿著在兩子層其中一者中的溝槽佈置的封口79包含在該腔室中，該溝槽係圍繞住腔室47。工具之擠壓使得流體壓力顯著上升。此壓 力將會均勻分布在整個腔室，確保整個作用表面具有一均勻的壓力。
當腔室充滿一流體且密閉時，能夠藉由泵送少量之空氣進入腔室而在該腔室中施加一例如0.5~1巴(bar)的正壓力。如此將使第二子層41以及位於後者之頂部上的層產生稍微的凸起。當在工具半部件與一胚料之間施加壓力時，如此提供了避免使空氣袋卡在該工具半部件與胚料之間的效果。作用工具表面之中間部分首先會對該胚料擠壓，並且在擠壓力增加時使所有空氣朝向該等邊緣排出。然而，在進行凸印之最終壓力(例如2MPa)，此凸出影響便能夠忽略，且不會影響最終結果。然而，由於此正壓力，便能夠或多或少地消除空氣袋卡在工具半部件與胚料之間的風險。
能夠設置一個與流體相接觸的壓力感應器，以便提供一指示施加壓力之回饋訊號。
改良與頂層之接觸
儘管在許多案例中，頂層25可能非常薄，且能夠分別在加熱與冷卻期間產生某程度的膨脹與收縮，在電流進入之邊緣處應提供一可靠的連接到該背板27。如此能夠藉著一個例如由銅所製成，並且圍閉住該工具半部件之整個作用表面的傳導框架63所達成。頂層25以一浮動方式於該頂層之邊緣處靠在該傳導框架63上。此亦顯示於圖11中。
因此，如圖9A中所示，頂層25係能夠浮在熱阻 抗層29以及傳導框架63上。由於頂層能夠膨脹與收縮，而不會藉由螺釘或可能使該頂層變形脫離其平面的類似物件所影響，故此佈置具有優點。連接棒55與其相連接之傳導框架63仍然會在頂層25與背層27之間提供良好的接觸。
頂層25與傳導框架63之間的電性(galvanic)接觸能夠進一步地改良。頂層典型能夠承載25000安培作為從長邊緣到長邊緣的最大電流，且即使該電流係分布在作用表面之整個長度上，其電流密度仍已足夠。
為了對於頂層25提供良好的接觸，同時使該其能夠浮動，一夾合裝置77係設置於該傳導框架63下方。
因此，當胚料在兩個工具半部件之間進行壓印時，便能夠作用該夾合裝置77，其接著對著頂層25推擠該傳導框架63，藉以在期間提供良好的電性(galvanic)接觸。
即使具有可觀強度之電流主要係在該傳導框架與頂層之間的長邊緣處傳遞，在此範例中線圈係於該位置繞轉，較佳係在該頂層與圍繞該頂層之整個周圍(亦即在該等短側處亦然)的電流之間提供夾合效果。如此能夠避免例如在該頂層之角落處產生不希望發生的場不正常現象。
夾合裝置能夠如同圖9A中所示般包含一諸如塑膠之絕緣材料的框架77，傳導框架63靠在該框架上。此塑膠框架在下方表面中具有兩個溝槽，且在上方表面中具有兩個溝槽，內部壓縮密封環81、83與外部壓縮密封環79、85係繞行佈置於其中。如圖9A中所示，塑膠框架77在其佈置該等溝槽處之內部區域中的厚度係稍有減少，以至於在 各成對的內部與外部密封環之間形成一微小空間87。這些空間能夠藉著在內部與外部密封環之間通透穿過該塑膠框架77之孔而產生互連。藉著例如使用透過一導管供應之壓縮空氣升高此封閉空間中的壓力，該等密封環將會稍微地抬升傳導框架63，藉以提供夾合運動。
胚料邊緣熱輪廓
當製造一種如上所述之光導板時，其邊緣需要特別注意。如果在邊緣處有太多的融熔樹脂，則該邊緣處之光線便會產生不希望發生的洩漏。此外胚料在該等邊緣處之厚度能夠減少，同時希望施加壓力涵蓋整個胚料表面。
一種處理此問題之方式係在於確保胚料在其邊緣處得到較少的加熱。如此能夠提供一個圍繞該胚料由於施加熱量而融化的表面之內側部分的”冷框架”。如此會使得一光導板具有更為均勻的厚度，使其在邊緣處具有較少的光線洩漏光學缺陷。
此特性能夠以不同方式設置在該工具半部件的長邊緣與短邊緣。
圖9A與9B如先前所述顯示圖8之橫剖面的細節。在工具半部件之長邊緣處，傳導框架63之外側部分係以螺釘連接到該等連接棒55。傳導框架63之內側部分則與頂層/壓印模25相接觸。頂層25於其最內側部分處的一接觸區域65上覆蓋住且浮動在傳導框架63上，如圖9B中所示。在該接觸區域65外側例如1毫米長的位置係設置一個0.2毫米之該頂層25與傳導框架63之間的間隙67，使得該接觸區域65 稍微突出傳導框架本體。頂層25亦靠在佈置在位於該傳導框架63中之一溝槽71中的一個密封環69上。當經過凸印後打開工具時，該浮動頂層25接著能夠藉由在該頂層後方保持一低壓而固持在定位。由於傳導框架63與頂層25相接觸的位置與該頂層之邊緣相隔一些距離，故藉由傳導框架63導引之電流73將會在此與頂層邊緣隔開的距離處進入該頂層，致使頂層在胚料邊緣產生相對較少的加熱部分75。
圖10顯示圖7中之橫剖面的細節。在此剖面中，於工具半部件的短邊緣處，傳導框架63將成為一個使該等工具半部件之長邊緣互相連接的分流器。傳導框架63之此部份因此將會垂直朝向圖10中之該橫剖面的平面導引一可觀電流。由於與頂層25相較，銅傳導框架63具有非常低的阻抗值，此導引到傳導框架之電流並不會使其產生太多程度的加熱。然而，此電流如同工具中所有其他電流一般會以相同頻率變換，如此將會產生一磁場，其與藉由作用中介層23引入頂層25中的磁場抵消，因為作用中介層之頂端部分的電流與傳導框架的電流具有相反方向。如此會迫使頂層中的感應磁場遠離該頂層25之短邊緣，以至於使此短邊緣同樣較工具半部件的內側部分得到較少的加熱。
藉此，便能夠達成一個圍繞胚料之邊緣的相對較冷之胚料框架。
圖12A與12B顯示一種另外刻意地改變工具半部件之作用表面上的熱發展之方式。在此案例中係使用一種具有兩個子層之頂層，該兩個子層係靠在傳導框架(參考圖 11)上。圖12A中之上方頂層能夠如同先前所述般規劃，亦即一均勻鐵磁或是非鐵磁層，諸如鎳、一沃斯田鋼或是一鎳鋼組合。
圖12B中之下方頂層能夠具有圖案。典型而言，該圖案能夠包含一銅片77，其在欲進行加熱之區域上具有切除部分79。如果瞬時電流之方向如同圖12B中之箭號所示，則上方頂層在由銅所構成的下方頂層之區域中將不會得到太大程度的加熱。在那些區域中，電流將會被導引通過具有一較低阻抗值之下方層。切除部分區域能夠以一種與銅片具有相同厚度之絕緣材料覆蓋，諸如玻璃。如此迫使電流到達此區域中的上方頂層，藉以加熱該上方頂層以及作用表面。其結果係在作用表面中會產生一個較熱的子區域81。如此能夠用以例如同時凸印兩個胚料，各個胚料具有一相對較冷的圍繞框架，如同先前所述。熟諳此技藝之人士將會理解到，整個作用表面之熱發展能夠以其他方式進行改變，以獲得不同的結果。藉著改變下方頂層，便能夠以許多不同的方式使用同一種工具。
改變該作用表面之熱發展圖案的一種另擇方式係參考圖13到18C所顯示。這些圖式概略地顯示欲堆疊在該作用中介層上如先前所描述的層，且在凸印頂層/壓模係由一鐵磁性鋼而不是一沃斯田鋼所製成的案例中，其適合用以改良熱發展精準度。
鐵磁性鋼具有優點，例如其能夠更容易的以欲複製在胚料上的精細圖案進行蝕刻。然而，鐵磁性鋼係高度 能夠承受表層效應，其表示使用高感應頻率的案例中，大部分的感應電流將會出現在非常接近該頂層的底部表面之處。如此表示，若以如同圖12A與12B相關所示般設計一堆疊，在某些案例中，該鐵磁性鋼中的一高電流密度以及相對的高阻抗值可能會干擾該表面上的熱發展。
圖13顯示從工具半部件之間的空間觀察之一組合堆疊的一正視圖。該正視圖以此方式描述一鐵磁性鋼凸印頂層83之一作用表面。熱發展主要係產生在兩個矩形熱區域85中，例如，其用以凸印兩個光導板，各個光導板具有如先前所述相對較冷的框架。圖13中沿著線C-C所取得的一縱向橫剖面係顯示於圖16中，通過一相對較熱區域的一橫向橫剖面D-D係顯示於圖17中，且穿過一相對較冷區域之一橫向橫剖面E-E係顯示於圖18A中。應注意到的是，該等圖式係為概略圖，於圖16~18A中之橫剖面中的比例厚度係經過誇大顯示，以便能夠更為清楚說明該堆疊的組合。
圖14顯示欲堆疊在該作用中介層上的第一層。交流電在其中流動之主要方向(在此案例中，其係與該工具的縱向延伸線呈橫向)係以標號87之箭頭表示，且其係藉著線圈捲繞的方式所決定，如先前所述。在作用表面預計變熱的區域中，該作用中介層23(參考圖17)係藉著例如由銅所製成的一第一傳導板層89以及一第二傳導板層91將其增高而使電流移動，如此將在該頂層83中感應出更多接近後者的電流。該第一傳導板89能夠具有稍大的橫向延伸，以便以機械方式連接到一上方傳導框架99，其將於稍後進行描 述。
在欲使其變得較冷的區域中設置平坦的鐵磁性鋼板棒件93。這些棒件93能夠藉由一絕緣塗層(參考圖18B之點線103加以顯示)進行覆蓋，如此能夠避免該棒件與其周圍產生電性(galvanic)接觸。塑膠延伸件95係設置在該等棒件的尾端，以便填滿該層堆疊。
鐵磁性鋼板棒件93將會吸收大部分入射在其個別區域中的電磁場，棒件中將會感應出電流，且將集中到該棒件的表面，如圖18B中的箭號所示。由於電流集中，且由於其高阻抗值，故電流將會相對較低。如此表示該鐵磁性鋼板棒件93將不會產生任何更大程度的加熱，同時與該等棒件之間的區域相比，能夠確保位於其上方的頂層保持相對較冷。該鋼板棒件之厚度可為例如1~2毫米，且其他層的厚度則可例如相對應並如上表中所示般加以訂定。
鐵磁性鋼板棒件能夠如圖18C中所示之方式進行層疊，其中係設置各具有一絕緣塗層之四個子層101。如此能夠進一步減緩電磁場在此區域中傳遞到該頂層83。即便圖式中之鋼棒係以矩形進行表示，一般而言係能夠使用其他的圖案，該等棒件一般而言能夠表示為一電磁場吸收層，諸如鐵磁性鋼吸收層。該電磁場吸收層材料應具有低抗磁性(低磁滯性)以及高阻抗值。其他適用的電磁吸收層材料包括軟磁性材料，諸如軟鐵以及軟磁性複合物，諸如SOMALOY®。
在各個第二傳導板層91之頂部上係佈置一熱阻 抗層97，諸如一KAPTON片，參考圖15，其如同先前所述。一個例如由銅所製成的上方傳導框架片99係圍繞該熱阻抗層，其延伸跨過欲進行冷卻的區域上。該框架片99係以電性(galvanically)連接到該頂層以及至該後層。當升高該作用中介層23，該第一及第二傳導板層89、91可以電性(galvanically)連接至該作用中介層23，並且從該頂層83絕緣。因此能夠一方面在該第一以及第二傳導板件89、91之間設置絕緣(未顯示)，且另一方面則能夠在該框架片99處設置絕緣。如先前所述，該吸收層93能夠對於頂層以及作用中介層兩者電性(galvanically)絕緣。
在橫向邊緣處，該較冷框架能夠藉著使得進入頂層電流如先前對於圖9B所描述般稍微離開該邊緣所達成，該頂層係連接到接近這些邊緣的背層。
能夠有助於了解本發明之範例包括：
1.一種諸如射出成型工具或是凸印/壓印工具之工具，其包含一加熱裝置，該加熱裝置包括一疊層，用以加熱一作用工具表面，該疊層包含：一層包括至少一個用以產生一振盪磁場之捲繞線圈的線圈載體層(21)、一層鄰接該作用工具表面之電氣傳導頂層(25)、以及一層從該頂層方向觀察係定位在該線圈載體層下方的背層(27)，該背層在線圈捲繞彎曲之邊緣處係電氣連接到該頂層，並具有較該頂層為低的阻抗值，其特徵係在於一層位於該線圈載體層與該頂層之間的電氣傳導中介層(23)，其中該中介層具有一較該頂層為低的阻抗值。
2.如範例1之工具，其中一熱阻抗層(29)係佈置在該中介層與該頂層之間。
3.如範例1或2之工具，其中該中介層具有用以運送一冷媒的數個冷卻管路(53)。
4.如先前範例其中任何一者之工具，其中該頂層具有範圍介於1*10-7~1*10-6歐姆之間之阻抗值，且該中介層具有範圍介於1~3*10-8歐姆之間之阻抗值。
5.一種使用諸如一射出成型工具或是一凸印/壓印工具之工具的製造方法，該工具包含一加熱裝置，其包括一用以加熱一作用工具表面之疊層，該疊層包含：一層包括至少一個用以產生一振盪磁場之捲繞線圈的線圈載體層、一層鄰接該作用工具表面之電氣傳導頂層、以及一層從該頂層方向觀察係定位在該線圈載體層下方的背層，該背層在線圈捲繞彎曲之邊緣處係電氣連接到該頂層，並具有較該頂層為低的阻抗值，其特徵係在於使用一位於該線圈載體層與該頂層之間的電氣傳導中介層將能量從線圈傳送到該頂層，其中該中介層具有較該頂層為低的阻抗值。
6.一種用以在一作用表面凸印/壓印一胚料的工具，該工具具有一層電氣傳導頂層(25)，其係以藉由一線圈所感應之電流進行加熱，該線圈從該作用表面方向觀察係佈置在該頂層下方、一層從該作用表面方向觀察係佈置在該線圈下方之背層(27)，該背層具有較頂層為低的阻抗值，且至少在線圈捲繞彎曲之相對邊緣處連接到該頂層，其特徵係在於一傳導框架(63)，其具有較該頂層為低的阻抗值， 並且圍繞該作用表面，以致於使該頂層至少於其某些邊緣之鄰近處安置在該傳導框架上。
7.如範例6之工具，其中該頂層係浮動在該傳導框架上。
8.如範例6或7之工具，其中在捲繞轉彎之一邊緣處，該頂層係安置在與該頂層之邊緣相隔一段距離之該傳導框架上，以致於當一電流自背層導入，並進入該頂層時，使該頂層之此邊緣的加熱程度低於頂層之內側部分。
9.如範例6到8其中任一者之工具，其中從作用表面方向觀察，一夾合框架(77)係佈置在該傳導框架下方，該夾合框架係能夠在其安置的層上移動，以致於當一電流自該背層導到該頂層時的階段使該傳導框架能夠靠著頂層夾合。
10.如範例9項之工具，其中該夾合框架之至少一側具有兩個擠壓密封環(79,81)，其中一個密封環圍繞住另一個密封環，且二者皆圍繞住該工具之作用表面，以致於使該等密封環之間形成一封閉空間；且其具有構件迫使一流體進入該封閉空間(87)，以便使其中的壓力增加，藉以抬起該等密封環，以獲得夾合運動。
11.如範例6到10其中任一者之工具，其中該頂層係分成一個上方頂層以及一個下方頂層，該上方頂層包含一種具有均勻阻抗值的金屬，其阻抗值較背層之阻抗值為低；該下方頂層具有一可變化阻抗值的圖案，以致於產生在該作用表面的熱會隨著該作用表面而改變。
12.一種使用一工具用以在一作用表面凸印/壓印一胚料的製造方法；該工具具有一層電氣傳導頂層，其係以藉由一線圈所感應之電流進行加熱，該線圈從作用表面方向觀察係佈置在頂層下方、一層從作用表面方向觀察係佈置在該線圈下方之背層，該背層具有較該頂層為低的阻抗值，且至少在線圈捲繞彎曲之相對邊緣處連接到該頂層，其特徵係在於使用一傳導框架將電流由該背層運送到該頂層，其具有較該頂層為低的阻抗值，並圍繞該作用表面，以致於使該頂層至少在其某些邊緣的鄰近處係安置在該傳導框架上。
13.一種使用工具之一作用表面凸印/壓印一胚料的工具，該工具具有一疊層，其包括位於該作用表面之一頂層(25)，該頂層係在凸印/壓印期間進行加熱，其特徵係在於一個從作用表面方向觀察係位於該頂層下方之疊層中的兩層之間所界定出的腔室(47)，該腔室在該作用表面下方延伸一大部分，並至少部分地以一流體加以充填。
14.如範例13之工具，其中在該作用表面沒有接觸到一胚料的狀態中，腔室中的壓力係高於大氣壓力，以致於使該頂層延伸出一些凸出。
15.一種使用一工具，並以該工具之作用表面凸印/壓印一胚料之製造方法，該工具具有一疊層，其包括一層位於該作用表面之頂層，該頂層係在凸印/壓印期間進行加熱，其特徵係在於藉著經由一腔室擠壓該胚料，該腔室從該作用表面之方向觀察係界定在位於該頂層下方的疊層 中的兩層之間，該腔室在該作用表面下方延伸一大部分，且至少部分地以一流體加以充填。
本發明並非限定於上述實施例，且能夠在所附申請專利範圍之範疇中採用不同的變化與另擇方式。例如，線圈能夠從短邊緣捲繞到短邊緣，而並非如先前所顯示般使線圈之捲繞彎曲佈置在作用表面的長邊緣處。能夠使用其他具有類似於以上所述之其中一者性質的材料。例如，能夠考慮使用例如鐵磁或馬氏體(Martensitic)鋼取代位於頂層中的沃斯田鋼。在許多案例中，銅合金能夠以鋁合金等等材料所取代。
19‧‧‧線圈
21‧‧‧線圈載體層
23‧‧‧作用中介層
25‧‧‧頂層
27‧‧‧背層
29‧‧‧熱阻抗層
31‧‧‧作用工具表面
33‧‧‧接頭

Claims (8)

  1. 一種諸如射出成型工具或是凸印/壓印工具之工具，其包含一加熱裝置，該加熱裝置包括一用以加熱一作用工具表面之疊層，該疊層包含：一包括至少一個用以產生一振盪磁場之捲繞線圈的線圈載體層、一層鄰接該作用工具表面之電氣傳導頂層、以及一從該頂層方向觀察係定位在該線圈載體層下方的背層，該背層在線圈捲繞彎曲之邊緣處係電氣連接到該頂層，並具有較該頂層為低的阻抗值，其特徵係在於一位於該線圈載體層與該頂層之間的電氣傳導中介層，其中該中介層具有一較該頂層為低的阻抗值，其中一熱阻抗層係佈置在該中介層以及頂層之間，該熱阻抗層包含諸如一聚醯亞胺之一熱阻抗塑膠材料。
  2. 一種諸如一射出成形工具或是壓印/凸印工具之工具，其包含用以在一作用表面處形成塑膠的構件，該工具具有一電氣傳導頂層，其係藉由一線圈所感應的電流進行加熱，該線圈從作用表面觀察係佈置在該頂層下方，以及一背層，其從該作用表面觀察係佈置在該線圈下方，該背層具有一較頂層為低之組抗值，並且至少在線圈捲繞彎曲之相反邊緣處連接到該頂層，其特徵係在於，至少一個電磁吸收層係以一圖案佈置在該頂層表面與線圈之間，以至於使該作用表面處所產生的熱在整個作用表面上變化，其中在該吸收層所在位置之圖案上所產生 的熱較低。
  3. 如請求項2之工具，其中該吸收層係為一鐵磁性鋼吸收層，其可經由一絕緣塗層所圍繞。
  4. 如請求項3之工具，其中該鐵磁性鋼吸收層係疊層成為一複數之子層。
  5. 如請求項2~4中任一項之工具，其中該鐵磁性鋼吸收層係呈鐵磁性鋼片棒件的形式。
  6. 如請求項2之工具，其中該鐵磁性鋼吸收層係由諸如一燒結軟鐵的一軟磁性材料所製成。
  7. 如請求項2之工具，其中該鐵磁性鋼吸收層係由一軟磁性複合材料所製成。
  8. 一種使用如前述請求項中任一項所界定之工具的製造方法。
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