擠出工藝參數(shù)控制柱鏡光柵片材光柵彎斜的研究

熊建

(四川省宜賓普拉斯包裝材料有限公司，四川 宜賓 644000)

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)要求越來(lái)越高，3D印刷品以其獨(dú)特的效果緊緊抓住了人們的視線，3D印刷品所用的基材大多采用柱鏡光柵片材[1]。柱鏡光柵片材是由許多相同半徑和間距的小圓柱透鏡組成的透明塑料薄片，一側(cè)是平面，另一側(cè)是具有一定曲率半徑的周期性起伏變化的半圓柱面（即光柵）[2]。3D印刷品是將合成圖像印刷在柱鏡光柵片材的平面一側(cè)上，由于柱鏡光柵對(duì)合成圖像具有“縮放”和“分離”的作用，使得觀看者兩只眼睛可以分別看到不同角度的視差圖像從而形成很強(qiáng)的立體感[3]，其成像原理見(jiàn)圖1?；谶@樣的特性，合成圖像是采用一個(gè)方向的整齊排列（陣列），而柱鏡光柵片材由于冷卻定型收縮的原因會(huì)存在光柵彎斜的情況，為了得到更好的3D印刷品就需要柱鏡光柵片材的光柵陣列方向盡量不發(fā)生彎斜。幾種常見(jiàn)光柵彎斜示意見(jiàn)圖2。

圖1 柱鏡光柵立體成像原理

圖2 幾種常見(jiàn)光柵彎斜示意圖

在生產(chǎn)過(guò)程中為了盡量使柱鏡光柵片材的光柵不發(fā)生彎斜，可以采用多種方法，如生產(chǎn)設(shè)備改造法、定型模具優(yōu)化法、聚合物共混改性法和加工工藝優(yōu)化法等。其中，加工工藝優(yōu)化法是通過(guò)更好優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)來(lái)控制光柵彎斜，操作簡(jiǎn)單易行，產(chǎn)品成本低，實(shí)用性廣。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)工藝條件對(duì)柱鏡光柵結(jié)構(gòu)的成型有較大的影響，光柵成型的好壞直接影響到光柵的彎斜。因此，如何進(jìn)行合理的工藝條件控制柱鏡光柵片材光柵彎斜便成為優(yōu)化加工工藝法中的核心問(wèn)題[4]。

本試驗(yàn)利用正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，考察了聚合物加工溫度、中輥（光柵冷卻輥）溫度、運(yùn)行速度（包輥時(shí)間）對(duì)柱鏡光柵片材光柵彎斜的影響，指出了進(jìn)行合理工藝控制的途徑。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料及設(shè)備儀器

柱鏡光柵片材專用料，四川省宜賓普拉斯包裝材料有限公司自制APET原料，牌號(hào)：86151。

布魯克納塑料片材擠出生產(chǎn)線，德國(guó)；柱鏡光柵片材光柵彎斜檢測(cè)工具，普拉斯公司自制。

1.2 測(cè)試方法

由于柱鏡光柵片材光柵都比較細(xì)（小于0.5 mm），光柵彎斜幅度也很小，想通過(guò)肉眼或高倍放大鏡等儀器來(lái)區(qū)分光柵彎斜基本不可能，所以需要借助檢測(cè)工具對(duì)光柵彎斜情況進(jìn)行客觀反應(yīng)。光柵彎斜檢測(cè)是基于光柵寬度設(shè)計(jì)制作的陣列黑線條，柱鏡光柵片材覆蓋到光柵條檢測(cè)工具上會(huì)形成放大的陣列聚焦線，這樣就可以通過(guò)觀察陣列聚焦線的彎斜情況來(lái)評(píng)判光柵條的彎斜情況。其檢測(cè)方法原理見(jiàn)圖3。

圖3 柱鏡光柵片材光柵彎斜檢測(cè)方法原理

1.3 工藝流程

PET 塑料片材的擠出生產(chǎn)工藝流程因原料、設(shè)備等因素的不同而有所差別，但基本工藝是相同的。柱鏡光柵片材的擠出生產(chǎn)只是將三輥壓光的中壓光冷卻輥改為光柵結(jié)構(gòu)成型冷卻輥，其他工藝和PET塑料片材一致。柱鏡光柵片材采用的是瞬間冷卻固化成型，然后再慢慢冷卻到室溫，這個(gè)過(guò)程材料還在收縮，材料收縮會(huì)影響到成像效果。為了最大限度的減小材料收縮對(duì)光柵材料的影響，需要對(duì)冷卻固化成型過(guò)程進(jìn)行更加精確的控制，進(jìn)而控制好柱鏡光柵片材光柵的彎斜。其工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 柱鏡光柵片材生產(chǎn)工藝流程

1.4 試驗(yàn)方案

表1為正交試驗(yàn)因素水平表，采用三水平三因素正交試驗(yàn)法。試驗(yàn)方案中各因素的水平由查閱相關(guān)文獻(xiàn)和預(yù)先的試驗(yàn)確定。柱鏡光柵片材的擠出寬度為710 mm，長(zhǎng)度為510 mm（光柵方向），厚度為0.60 mm，線數(shù)為75線（1"寬度的光柵條數(shù)量）。光柵結(jié)構(gòu)冷卻定型輥（中輥）的直徑為500 mm，取連續(xù)三張片材作試樣（中輥一個(gè)表面周期），測(cè)其光柵聚焦線的彎斜情況作為柱鏡光柵片材光柵彎斜的表征。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 正交試驗(yàn)的因素水平

2 結(jié)果與討論

2.1 判斷方法

這里需要引入一個(gè)光柵彎斜度的概念，光柵彎斜度是光柵彎斜聚焦線和光柵片材長(zhǎng)度方向（光柵方向）的夾角，由于光柵長(zhǎng)度選取的都是固定值（510 mm），故光柵彎斜度可以用光柵彎斜聚焦線與光柵片材長(zhǎng)度方向偏移最大距離a和偏移最小距離b之差絕對(duì)值來(lái)判定，即光柵彎斜度=｜a-b｜，其示意見(jiàn)圖5。

圖5 光柵彎斜度示意圖

2.2 最佳生產(chǎn)工藝條件的選取

由表2可以看出，因素C的極差最大、因素B的極差次之，即運(yùn)行速度（冷卻時(shí)間）、中輥溫度對(duì)光柵彎斜的影響都較大，其水平要認(rèn)真考慮選取。因素A的極差最小，其水平選取可相對(duì)靈活一些。因素C以其第三水平C3（10 m/min）的平均彎斜度最低，為因素C的優(yōu)選水平。同樣可以看出A和B的優(yōu)選水平分別為A3和 B2。最后按優(yōu)選水平組A3B2C3進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果產(chǎn)品的彎斜度為2 mm，所以A3B2C3即加工溫度260 ℃、中輥溫度30 ℃、運(yùn)行速度10m/min為本試驗(yàn)中生產(chǎn)柱鏡光柵片材光柵彎斜最好的工藝參數(shù)。

表2 正交試驗(yàn)的結(jié)果

2.3 三因素對(duì)柱鏡光柵片材光柵彎斜的影響

柱鏡光柵片材擠出生產(chǎn)過(guò)程中，影響光柵彎斜的主要因素是光柵結(jié)構(gòu)在冷卻定型輥（中輥）上的定型時(shí)間（運(yùn)行速度）、冷卻定型輥（中輥）對(duì)柱鏡光柵片材定型時(shí)的熱交換能力（中輥溫度）、光柵片材結(jié)構(gòu)成型的結(jié)晶度（加工溫度）。凡是有利于提高光柵結(jié)構(gòu)定型時(shí)間、提高冷卻定型熱交換能力、提高結(jié)構(gòu)成型結(jié)晶質(zhì)量的因素都可以降低柱鏡光柵片材光柵的彎斜。由表2試驗(yàn)結(jié)果的分析表明，三因素對(duì)光柵彎斜影響的主次順序分析是：運(yùn)行速度、中輥溫度、加工溫度，其中，運(yùn)行速度和中輥溫度都影響較大，加工溫度影響較小。

由于冷卻定型輥（中輥）的直徑是固定的，運(yùn)行速度過(guò)快時(shí)，會(huì)使得冷卻時(shí)間更短，對(duì)光柵結(jié)構(gòu)的定型不夠，同時(shí)柱鏡光柵片材內(nèi)部也會(huì)有大量的熱量不能及時(shí)交換出來(lái)，造成脫離定型輥（中輥）后的收縮過(guò)大，從而使得光柵彎斜增大；運(yùn)行速度過(guò)慢會(huì)使得生產(chǎn)效率低下，所以需要選擇保證光柵彎斜滿足要求的情況下的最大生產(chǎn)速度。中輥溫度過(guò)低時(shí)，光柵結(jié)構(gòu)表面快速定型，會(huì)延緩柱鏡光柵片材內(nèi)部熱量的釋放，從而加大脫離定型輥（中輥）后的收縮變形，使得光柵彎斜增大；中輥溫度過(guò)高時(shí)，光柵結(jié)構(gòu)不能及時(shí)定型，牽引力的作用下使得變形力和應(yīng)力增大，造成脫離定型輥（中輥）后的收縮增加影響光柵的彎斜。口模溫度過(guò)高，雖然聚合物PET的流動(dòng)性更好，但不利于光柵結(jié)構(gòu)成型，還會(huì)有粘輥、片材發(fā)脆等問(wèn)題，所以需要選擇滿足聚合物PET融化溫度情況下盡量低的溫度。

3 結(jié)論

(1）生產(chǎn)柱鏡光柵片材時(shí)，在加工溫度、中輥溫度、運(yùn)行速度三因素中，運(yùn)行速度和中輥溫度對(duì)光柵彎斜的影響都較大，需要慎重選取，而加工溫度相對(duì)影響較小。

(2）通過(guò)試驗(yàn)得出PET柱鏡光柵片材擠出生產(chǎn)的優(yōu)選生產(chǎn)工藝是：運(yùn)行速度10 m/min、中輥溫度30 ℃、口模溫度260 ℃，在此工藝條件下可獲得光柵彎斜度2 mm的柱鏡光柵片材產(chǎn)品。