一种微纳米结构涂层的柔性辊压成形装置

技术领域

本发明涉及一种表面微纳结构涂层的热压印方法，尤其涉及自动适应不规则形状表面的柔性热压印技术。

背景技术

表面加工的具有不同功能的微纳结构涂层在光学器件、柔性电子、航天航空领域存在着广泛的应用。对光学薄膜成形表面微纳结构涂层，可以制作增亮膜、全反膜、增透膜等等；在飞机表面成形规则的微米级沟槽涂层，可以有效降低飞机飞行时的阻力，而成形图案化的微纳符合结构涂层，可以增大飞机表面的水接触角，大幅度减少结冰率。热辊压技术是指，首先将液态涂层材料预热并涂布在被加工件表面，再采用带有模具的成型辊连续辊过涂层材料，同时加热固化，从而实现大面积的微纳结构的连续成型，实现高效率、低成本的成形。

一般来说，由于设计生产的需要，表面需要成形微纳结构涂层的试件本身多为不规则形状，如机翼表面对于防冰涂层具有很高的需求，但是由于翼型设计要求，表面具有一定程度的弯曲。使用传统辊压方法在此类表面成形微纳结构涂层时，为使成形辊始终贴合在机翼表面，需要根据翼型进行复杂的数控设计，并且成形过程也难以连续。同时，不同的试件、相同试件不同部位的形状各不相同，传统辊压需要根据每一部分的形状吃尺寸分别进行成形辊设计，不利于节约成本和简化设计。因此，适用于不规则表面成形微纳结构的辊压装置的设计已经成为辊压技术的关键问题。对此，提出了柔性辊压成形的思路，在装置中使用柔性模块，使单一辊压装置可以适用于不同的试件表面。

经过现有技术文献检索发现，美国专利公开号US2015027192A1，名为FlexibleRoll Forming Device,Blank Guide Device,Blank Feeding Device,And Flexible RollForming System Having The Same的设备，在成型辊底座上设置可以前后移动的滑板装置，以及可以转动的转动装置，通过前后位置移动改变成型辊的横向位置，通过转动装置改变加工角度，实现对不同的成形；中国专利公开号CN108656622A，名为用于纸箱加工的覆膜设备，在辊压装置中使用具有浮动挤压结构的上压辊件，使得送料辊可相对架体发生上下、左右方向上的浮动，以保证膜始终不会出现褶皱，进一步提高膜的平整度；中国专利公开号CN107639151A，名为一种大尺寸环形件数字化柔性成形装置与方法，使用动力与传动机构调节柔性辊系统的位置、带动柔性辊系统旋转成形，柔性辊系统用于任意大尺寸三维环形零件滚弯成形，为环形壳体类零件提供一种整体、快速和柔性成形新方法。以上装置均主要针对某一自由度的试件形状改变，且受限于装置尺寸和成形辊本身刚度，不利于应用于大面积或高曲率表面的微纳结构成形。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种微纳米结构涂层的柔性辊压成形装置，解决现有热压印工艺对不规则形状表面压印微纳结构涂层时难度大的问题，利用可调节机械臂结合柔性辊的装置，降低试件不规则表面形状对辊压装置的要求，并有效增大保压面积，显著改善微纳结构在辊压过程中保压不足的情况，同时，利用本发明可简化大尺寸试件表面成形微纳结构的流程，为热辊压工艺加工效率的提升贡多有效的途径。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种微纳米结构涂层的柔性辊压成形装置，包括机架以及安装在机架上的预热模块、成形/保形模块、张紧力调节模块，所述的张紧力调节模块连接成形/保形模块；还包括运动调节模块，辊压过程中，待加工试件固定不动，整个装置通过运动调节模块在试件被加工表面向前辊压，涂层物质储存于预热模块，随装置运动进入成形/保形模块，经成形/保形模块后黏附在试件表面，形成规则的微纳米结构涂层。

所述的成形/保形模块包括成形辊a和成形辊b；成形辊均为主动辊，主动辊一端联结电机。

所述的运动调节模块包括悬吊装置、压力控制装置、扭矩控制装置、机械臂a、机械臂b，所述压力控制装置联结悬吊装置和机械臂a，机械臂a另一端联结成形辊a，成形辊a通过所述扭矩控制装置联结机械臂b，机械臂b另一端联结成形辊b；成型过程中，所述悬吊装置使成形/保形模块沿不规则试件表面向前运动，控制压力控制装置、扭矩控制装置使成形/保形模块始终保持紧密贴合在试件表面。

所述压力控制装置包括液压装置、竖直位移调节装置、压力传感装置和压力控制器，通过压力控制装置调节成形/保形模块竖直位置与压力，保持涂层成形过程的压力与厚度。

所述扭矩控制装置包括扭矩传感装置和扭矩调节装置，成形过程中调节机械臂a、机械臂b之间的角度，保持机械臂b的下压压力与位移，保持涂层经过机械臂b时的厚度。

所述的成形/保形模块还包括模具带、柔性气囊、二次固化装置；成形辊a和成形辊b上均套设有柔性气囊，模具带套设在成形辊a和成形辊b的柔性气囊上，在试件表面成型涂层时，柔性气囊自动适应试件表面形状，使涂层均匀成形。

所述的成形/保形模块还包括气囊压力调节装置和气囊温度调节装置，

所述气囊压力调节装置套设在柔性气囊内部，包括气体压力传感装置、压力调节装置，通过调节柔性气囊内部压力，适应试件表面不同曲率部位；

所述气囊温度调节装置套设在柔性气囊内部，包括气体加热装置、温度传感装置，温度控制装置，调节气囊内部温度至涂层固化温度以上0-100℃。

所述的二次固化装置为辐射或热辊传热装置，通过调节二次固化装置的功率，将涂层温度加热至其固化温度以上0-100℃。

所述的模具带为薄的金属模具，表面加工有所需的微纳结构；所述的模具带一侧设有电感加热装置，使模具带受热整体温度达到涂层固化温度以上0-100℃。

所述的张紧力调节模块为张紧力调节辊，设置在成形辊a和成形辊b之间的模具带上，控制模具带的张紧力，促使热压成形时，柔性辊因自动适应试件表面形状而发生周长变化，模具带仍可紧密贴合在成形辊表面，指导微结构固化后脱模。

所述的预热模块为涂层材料预热保温装置，为辐射加热或热辊传热装置，通过调节预热模块的功率，将待加工涂层在成形前预热至其固化温度以下10-80℃。

使用本发明装置工作过程分为以下几步：

(1)涂层进入涂层预热模块，经过预热、成形/保形、二次固化后，最后在试件表面成形微纳结构涂层。启动成形辊a电机、成形辊b电机、运动调节模块电机，使整体装置在试件表面慢速向前，进入张紧力、温度、压力、柔性辊直径等工艺参数调节阶段。

(2)张力调节：调节张紧辊装置，控制模具带的张紧力。

(3)温度调节：开启预热模块、成形/固化模块温度调节装置、二次固化模块，调节功率等参数，利用控制模块的温度传感器测量反馈温度，调节模具和涂层材料的温度。

(4)位移调节：调节运动控制模块中成形辊与试件之间的距离，控制成形辊a，成形辊b的压印深度。

(5)柔性辊压：设备工艺参数调节结束后，提高装置运动速度，开始柔性辊压工艺，在试件表面连续成形微纳结构涂层。

(6)位移二次调节：成形装置沿不规则试件表面运动时，调节运动控制模块中成型辊竖直下压距离、成形辊b与机械臂的摆动角度，控制模具带始终紧密贴合在试件表面。

(7)关闭设备：工艺结束后，关闭预热模块、运动控制模块、模具加热模块、控制模块、成形/保形模块，清理设备中残留的涂层材料。

本发明利用柔性气囊装置和运动调节装置，在不规则形状试件表面加工微纳结构涂层。成形过程中，柔性气囊装置自动适应试件表面小尺寸不规则形状部位，运动调节装置适应试件表面大尺寸不规则形状部位，提高了不规则表面成形微纳结构涂层的成形质量，加工效率高，适合于表面形状不规则的试件表面加工。

与现有的技术相比，具有明显的优点：

1.柔性气囊装置与成型辊组成的柔性辊结构，增加了同一辊对不同形状表面的适应程度，增加了涂层结构成形连续性，提升了成形效率；

2.运动调节装置可以根据试件表面不同形状，调节模具带与试件的贴合程度，提升了成形精度；

3.成形辊的气囊加热方法简化了成形辊结构，减少能量损失。

附图说明

图1为本发明实施例1中柔性辊压成形装置处于正曲率部位成形工位示意图；

图2为本发明实施例1中柔性辊压成形装置处于负曲率部位成形工位示意图；

图3为本发明实施例2中柔性辊压成形装置应用于小尺寸试件表面压印微纳结构的过程示意图；

图中标识：

1-悬吊装置，2-液压装置，3-机械臂a，4-压力控制器，5-压力传感器，6-扭矩控制装置，7-模具带，8-柔性气囊，9-气囊调节装置，10-轴承套，11-成形辊a，12-机械臂b，13-成形辊b，14-加热装置，15-张紧力调节辊，16-温度控制器，17-温度传感器，18-涂层材料预热保温装置，19-涂胶软辊，20-涂层材料，21-二次固化装置，22-试件，23-支撑辊，24-传送带，25-传送辊a，26-传送辊b。

具体实施方式

以下结合附图并利用实施例对本发明进行进一步详细说明，实施例用于解释本发明，而本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

如图1-2所示，一种微纳米结构涂层的柔性辊压成形装置，包括机架以及安装在机架上的：

预热模块：包括涂层材料预热保温装置18、涂胶软辊19、温度控制器16和温度传感器17，其中涂层材料预热保温装置18为辐射加热或热辊传热装置，涂层材料置于涂层材料预热保温装置18内，其底部连接涂胶软辊19，通过温度传感器17探测涂料温度，通过温度控制器16控制调节预热模块的功率，将待加工涂层材料20在成形前预热至其固化温度以下10-80℃。

成形/保形模块：包括模具带7、柔性气囊8、成形辊a11、成形辊b13、气囊压力调节装置、气囊温度调节装置、二次固化装置21，成形辊a11和成形辊b13上均套设有柔性气囊8，模具带7套设在成形辊a11和成形辊b13的柔性气囊上，可以通过调节参数调节柔性气囊装置8的刚度、半径及温度。在试件表面成型涂层时，柔性气囊8自动适应试件表面形状，使涂层均匀成形。所述成形辊a11、成型辊b13一端均与电机等相连。

其中气囊压力调节装置套设在柔性气囊8内部，包括气体压力传感装置、压力调节装置(图未示，一般为单级气体压力调节器、多级气体压力调节器或电磁压力调节器)，通过调节柔性气囊8内部压力，适应试件表面不同曲率部位；气囊温度调节装置套设在柔性气囊8内部，包括气体加热装置、温度传感装置，温度控制装置，调节气囊内部温度至涂层固化温度以上0-100℃。

二次固化装置21为辐射或热辊传热装置，通过调节二次固化装置21的功率，将涂层温度加热至其固化温度以上0-100℃。

模具带7为薄的金属模具，表面加工有所需的微纳结构；所述的模具带7一侧设有电感加热装置14，使模具带7受热整体温度达到涂层固化温度以上0-100℃。

张紧力调节模块：为张紧力调节辊15，设置在成形辊a11和成形辊b13之间的模具带7上，控制模具带7的张紧力，促使热压成形时，柔性辊因自动适应试件表面形状而发生周长变化，模具带7仍可紧密贴合在成形辊表面，指导微结构固化后脱模。

运动调节模块：包括悬吊装置1、压力控制装置4、扭矩控制装置6、机械臂a3、机械臂b12，具体地，压力控制装置4包括液压装置2、竖直位移调节装置(图未示，一般包括支架、导向组件、位移计和驱动组件，均为本领域的常规技术手段)、压力传感装置和压力控制器(通常安装在气囊调节装置9)，通过压力传感装置探测模具带7与试件22之间的压力，如果超出设置压力，则通过压力控制器控制液压装置2驱动竖直位移调节装置上下移动，从而调节成形/保形模块竖直位置与压力，保持涂层成形过程的压力与厚度。

悬吊装置1与液压装置2直接相连，机械臂a3一端连接液压装置2，另一端联结成形辊a11，成型辊a11通过扭矩控制装置6与机械臂b12一端连接，机械臂b12另一端与成形辊b13相连接，所述扭矩控制装置6可以控制机械臂b12绕成形辊a11自由摆动；所述悬吊装置1与水平运动装置(图未示，一般为搭载驱动电机的滑轨结构)相连，带动整体机构水平运动，所述液压装置2可以控制整体机构竖直运动；模具带7紧密贴合在成形辊a11与成形辊b13表面，由成型辊转动带动运转。成型过程中，所述悬吊装置1使成形/保形模块沿不规则试件表面向前运动，控制压力控制装置4、扭矩控制装置6使成形/保形模块始终保持紧密贴合在试件表面。

所述扭矩控制装置6包括扭矩传感装置(通常安装在扭矩控制装置6内部)和扭矩调节装置(图未示，一般为扭矩限制器，通常安装在扭矩控制装置6)，成形过程中扭矩传感装置探测调节机械臂a3、机械臂b12之间的角度，如超过设定值，则通过扭矩调节装置调整，保持机械臂b12的下压压力与位移，保持涂层经过机械臂b12时的厚度。

以液态聚合物PDMS材料为涂层材料，本实施例的工作过程分为以下几个步骤：

(1)将配置好的液态聚合物PDMS材料放入涂层材料预热保温装置18中，开启温度控制器16与温度传感器17，将PDMS材料加热至60-80℃(PDMS成形温度约100℃)；开启气囊调节装置9，分别调节成型辊a11与成型辊b13的柔性气囊8，将柔性气囊8的半径调节至设定半径，将温度调节至100-130℃。进入张紧力、温度、位移等工艺参数调节测试阶段。

(2)张力调节：上下调节张紧力调节辊15，控制模具带7的张紧力，使模具带7紧密贴合在成型辊a11和成型辊b13表面。

(3)位移调节：开启压力控制器4和压力传感器5，改变运动调节模块中液压装置2的压力，通过机械臂a3调节成形辊a11与试件22之间的间距为设定的压印深度；开启扭矩控制装置6，通过机械臂b12调节成型辊b13与试件22之间的间距为设定压印深度。

(4)温度调节：开启成形/保形模块模具带加热装置14、二次固化装置21，调节功率等参数，利用控制模块的温度传感器测量反馈温度，将模具带7和涂层材料20的温度调节至100-130℃。

(5)柔性辊压：设备工艺参数调节结束后，分别开启悬吊装置1、成型辊a11、成型辊b13、张紧轮15的驱动电机，开启涂层材料预热保温装置18的漏料口，开始柔性辊压工艺，涂层材料PDMS20开始从漏料口流出，经过涂胶软辊20涂覆在试件22表面，经模具带7压印固化后，由二次固化装置21再次固化，最终在试件22表面连续成形微纳结构涂层。

(6)正曲率部位位移二次调节：如图1所示，在正曲率表面时，模具带7在试件22表面运动时，通过改变液压装置2下压距离，调节成型辊a11的竖直下压距离；通过改变扭矩控制装置6的扭矩，调节成形辊b13与试件22的间距；调节张紧力调节辊15的张紧力，使模具带7始终紧密贴合在试件22表面。

(7)负曲率部位位移二次调节：如图2所示，在到达负曲率表面时，停止悬吊装置1的水平向前运动，停止成型辊a11、成形辊b13、张紧力调节辊15转动，在保持成形辊b13周围的模具带7与试件22紧密贴合且无相对运动的前提下，调节悬吊装置1、液压装置2、扭矩控制装置6，使成型辊a11与机械臂b12绕成形辊b13轴线缓慢转动，类似在几何空间中，以成形辊b13为圆心，以机械臂b12为半径，逆时针画一段圆弧，最终到达图2所示工位附近，随后调节成型辊b13中的气囊调节装置9，使柔性气囊8的半径适应负曲率部位形状，控制液压装置2调节下压距离，开启并调节气囊调节装置9，使模具带7张紧，开启成型辊a11、成形辊b13、气囊调节装置9电机转动，控制悬吊装置1水平向前运动，模具带7在负曲率部位成形微纳结构。

(8)关闭设备。工艺结束后，关闭涂层材料预热保温装置18、涂层材料预热保温装置18的漏料口、模具带的加热装置14、二次固化装置21、气囊调节装置9、压力控制器4和压力传感器5、扭矩控制装置6、悬吊装置1、成型辊a11、成型辊b13、张紧力调节辊15的驱动电机，清理设备中残留的PDMS涂层材料20。

本实施例的优点在于：基于柔性气囊装置和多自由度运动控制模块，可以自由、主动地在大尺寸、正曲率形状试件表面连续辊压成形微纳米结构涂层，系统柔性大，成型精度高。

实施例2：

如图3所示，一种微纳米结构涂层的柔性辊压成形装置，包括悬吊装置1，液压装置2，机械臂a3，压力控制器4，压力传感器5，扭矩控制装置6，模具带7，柔性气囊8，气囊调节装置9，轴承套10，成形辊a11，张紧轮a12’，张紧轮13b’，加热装置14，张紧力调节辊15，温度控制器16，温度传感器17，涂层材料预热保温装置18，涂胶软辊19，涂层材料20，二次固化装置21，试件22(小型)，支撑辊23，传送带24，传送辊a25，传送辊b26。

其中，悬吊装置1与液压装置2直接相连，两者通过机械臂a3与成型辊a11连接，所述扭矩控制装置6可以控制成形辊a11的扭转力；所述悬吊装置1与机架相连，维持成形辊a11水平位置不变，所述液压装置2可以控制整体机构竖直运动；模具带7紧密贴合在成形辊a11与表面传送带24之间，由成形辊a11的转动带动运转。所述支撑辊23支撑成形辊a11竖直向下的压力。

所述传送带24由传送辊a25、传送辊b26带动运转，调节张紧轮a12’、张紧轮b13’、张紧力调节辊15使传送带24与传送辊表面紧密贴合。

所述成形辊a11包括柔性气囊8、气囊调节装置9、轴承套10。所述气囊调节装置9包括气囊压力调节装置、气囊温度调节装置，可以通过调节参数调节柔性气囊8的刚度、半径及温度。所述成形辊a11、涂胶软辊19、张紧轮a12’、张紧轮b13’、张紧力调节辊15、支撑辊23、传送辊a25、传送辊b26一端均与电机等相连。

以液态聚合物PDMS材料为涂层材料，本实施例的工作过程分为以下几个步骤：

(1)将配置好的液态聚合物PDMS材料放入涂层材料预热保温装置18中，开启温度控制器16与温度传感器17，将PDMS材料加热至60-80℃(PDMS成形温度约100℃)；开启气囊调节装置9，分别调节成型辊a11的柔性气囊8，将柔性气囊8的半径调节至设定半径，并使模具带7紧密贴合在成形辊a11表面。将柔性气囊8温度调节至100-130℃。进入张紧力、温度、位移等工艺参数调节测试阶段。

(2)张力调节：上下调节张紧轮a12’、张紧轮b13’、张紧力调节辊15，控制传送带24的张紧力，使传送带24紧密贴合在成型辊a11、传送辊25、传送辊26的表面。

(3)位移调节：开启压力控制器4和压力传感器5，改变运动控制模块中液压装置2的压力，通过机械臂a3调节成形辊a11与支撑辊23之间的间距为设定的压印深度；开启扭矩控制装置6，调节扭转力为设定值。

(4)温度调节：开启成形/保形模块模具带加热装置14、二次固化装置21，调节功率等参数，利用控制模块的温度传感器测量反馈温度，将模具带7和涂层材料20的温度调节至100-130℃。

(5)柔性辊压：设备工艺参数调节结束后，开启成形辊a11、涂胶软辊19、张紧轮a12’、张紧轮b13’、张紧力调节辊15、支撑辊23、传送辊a25、传送辊b26转动电机，开启涂层材料预热保温装置18的漏料口，开始柔性辊压工艺，PDMS涂层材料20开始从漏料口流出，经过涂胶软辊20涂覆在试件22表面，经模具带7压印固化后，由二次固化装置21再次固化，最终在试件22表面连续成形微纳结构涂层。

(6)关闭设备。工艺结束后，关闭涂层材料预热保温装置18、涂层材料预热保温装置18的漏料口、模具带的加热装置14、二次固化装置21、气囊调节装置9、压力控制器4和压力传感器5、扭矩控制装置6、悬吊装置1、成形辊11、涂胶软辊19、张紧轮a12’、张紧轮b13’、张紧力调节辊15、支撑辊23、传送辊a25、传送辊b26的驱动电机，清理设备中残留的PDMS涂层材料20。

本实施例的优点在于：基于柔性气囊装置和运动控制模块，可以自动适应小尺寸试件地不规则表面，连续辊压成形微纳米结构涂层，适用试件种类多，成型精度高。