專利名稱：熱穩(wěn)定涂布模具的設(shè)計(jì)方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涂布模具(coating die)領(lǐng)域，特別是涉及加熱涂布模具的設(shè)計(jì)方法，所述模具能夠在實(shí)際操作條件的操作溫度下保持其涂布模唇(coating lip)的尺寸平坦度。
背景技術(shù)：
加熱涂布模具通常用于涂布含有例如粘合劑和其它涂料(統(tǒng)稱“涂料”)等物質(zhì)的熔融聚合物。將這些涂料加入涂布模具，使它們?cè)谄湔麄€(gè)寬度上分布。施壓使涂料流體通過(guò)形成于模具上的加料縫隙(feedgap)。該縫隙的出口處被稱為涂布模唇。在許多涂布應(yīng)用中，模唇面(lip face)在模唇面處的基底(substrate)上形成膜。該膜形成區(qū)域被稱為涂布帶(coating bead)。為使最終涂層在涂布模唇(以及涂料)整個(gè)寬度上均勻，涂布模唇和基底需要形成平直的縫隙(假設(shè)在模具內(nèi)的分布是均勻的)。
對(duì)市面上可買到的加熱涂布模具進(jìn)行模唇面平坦度測(cè)定表明，其被加熱時(shí)，模唇表面很不平坦。雖然冷卻時(shí)涂布模唇可被打磨好于0.001″，但是被加熱時(shí)模具的形態(tài)可彎曲許多英寸。這使其本身不適于堅(jiān)固的涂布過(guò)程。處理彎曲形態(tài)的三種已知方法是(1)通常使用與模具站(die station)相關(guān)的調(diào)節(jié)器，嘗試在相反的方向機(jī)械地彎曲模具；(2)作為模具制造的一部分，在模具被加熱時(shí)，用車床加工使涂布模唇變平；(3)將涂布模唇和基底推入軟橡膠滾筒(roller)，然后使用加料縫隙調(diào)節(jié)，重新分布涂料流體，反作用于模唇上不均勻的流動(dòng)阻力。
雖然所有這些方法仍在使用，但它們都不適于足夠受控和堅(jiān)固的工藝。
在第一種方法中，模具精確性的損失通過(guò)機(jī)械力被傳遞到別的器件(即模具站)，使其損失精確性。而且，造成彎曲的內(nèi)應(yīng)力并未消失，而是被轉(zhuǎn)移。最后，一旦涂布開始，由于模具加熱系統(tǒng)與涂料流體流動(dòng)相互作用，彎曲形態(tài)發(fā)生變化，使得最初的調(diào)節(jié)沒(méi)有效果。
第二種方法也存在問(wèn)題。首先，即使模具在被加熱時(shí)可用車床加工，但當(dāng)模具冷卻時(shí)，將在相反方向彎曲，造成其在模具站裝配的不準(zhǔn)確性(uncertanties)。而且，一旦涂布開始，彎曲形態(tài)改變，導(dǎo)致加工表面不再平坦。進(jìn)一步地，模具在發(fā)熱時(shí)能被加工的平坦程度存在不確定性。
第三種方法是高度非線性的，可導(dǎo)致生產(chǎn)線長(zhǎng)期不穩(wěn)定啟動(dòng)。也導(dǎo)致涂層中的缺陷，這些缺陷不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)。
所有三種方法在測(cè)定涂布模唇和基底之間的初始熱縫隙時(shí)都遇到困難。在常規(guī)方法中，用光照射模唇面與基底(或支撐滾筒(back-uproll))之間的縫隙，用視覺(jué)調(diào)節(jié)模具至平行。如果啟動(dòng)時(shí)由于加熱系統(tǒng)與涂料流體流動(dòng)之間的相互作用導(dǎo)致模具中溫度重新分布，使得縫隙的均一性發(fā)生較大變化，由此彎曲形態(tài)改變，從而使過(guò)程又增加另一個(gè)不確定性。
因此需要一種堅(jiān)固、快速啟動(dòng)的涂布工藝，其在涂布前和涂布期間都是穩(wěn)定的，而且其中的彎曲形態(tài)可控制。本發(fā)明提供了滿足這利要求的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了設(shè)計(jì)模具幾何形狀、其加熱系統(tǒng)和溫度傳感器位置的方法，以使涂布模唇的標(biāo)稱(nominal)狀態(tài)是平坦的(無(wú)論是冷是熱，或者是否涂布)。進(jìn)一步地，本發(fā)明提供了實(shí)施這種設(shè)計(jì)方法的示例性模具設(shè)備。因此，不再需要機(jī)械調(diào)節(jié)彎曲度的非精確方法和不確定的機(jī)加工方法，而且消除了彎曲形態(tài)與影響涂層重量變化的其它因素的混淆。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種涂布模具設(shè)備，其包括模具，該模具具有后面部分、寬度和遠(yuǎn)離后面部分的前面部分上的至少兩個(gè)涂布模唇，所述至少兩個(gè)涂布模唇橫跨所述寬度，其適于在所述至少兩個(gè)涂布模唇與基底之間提供至少一個(gè)涂布縫隙，其上流體層從兩個(gè)涂布模唇之間并跨過(guò)寬度被施加在基底上；以及整體式加熱系統(tǒng)，其與模具連接，以監(jiān)測(cè)和控制溫度，以使橫過(guò)寬度(橫寬)以及從前到后和從頂?shù)降?橫截面)的溫度梯度最小化。
所述整體式加熱系統(tǒng)進(jìn)一步包括橫寬(cross-width)加熱器組，其位于模具內(nèi)，按后部分到前部分方向和/或前部分到后部分方向排列，跨過(guò)區(qū)域內(nèi)寬度。每個(gè)區(qū)域具有各自的橫寬溫度傳感器。每個(gè)橫寬溫度傳感器與各自的橫寬溫度控制系統(tǒng)相連，以調(diào)節(jié)各個(gè)區(qū)域中各個(gè)橫寬加熱器所應(yīng)用的溫度。
所述整體式加熱系統(tǒng)還包括一個(gè)或多個(gè)橫截面加熱器，其位于模具內(nèi)，縱向跨過(guò)寬度。每個(gè)橫截面加熱器具有各自的橫截面溫度傳感器。每個(gè)橫截面溫度傳感器與各自的橫界面溫度控制系統(tǒng)相連，以調(diào)節(jié)各個(gè)橫界面加熱器所應(yīng)用的溫度。
根據(jù)本發(fā)明，熱穩(wěn)定模具可包含由筒形加熱器和用于加熱控制的溫度傳感器組成的加熱系統(tǒng)，其被設(shè)計(jì)為，通過(guò)最小化跨過(guò)X-Y平面上寬度的溫度梯度和/或通過(guò)形成相反平衡的溫度梯度補(bǔ)償梯度難于消除的地方，維持其尺寸平坦性在Y-Z平面和X-Z平面中的規(guī)定公差之內(nèi)。模具的平坦性可按受控的方式，通過(guò)使加熱系統(tǒng)不平衡，加以特意改變。使用有限元模擬和/或測(cè)量和/或其它方法，計(jì)算和/或測(cè)定溫度和/或溫度分布和/或模具中形成的熱變形，以及利用最優(yōu)化程序，最佳地確定加熱器和溫度傳感器的位置。可利用熱通量、應(yīng)力或張力測(cè)量技術(shù)或傳感器以及統(tǒng)計(jì)分析。
本發(fā)明應(yīng)用的加熱(或不加熱)模具通常由2到3部分組成。在兩部分情形，形成單個(gè)加料縫隙，產(chǎn)生單層涂層。在三部分模具情形，形成兩個(gè)加料縫隙，產(chǎn)生兩層涂層。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，可添加潛在的多層。
模具的幾何形狀、加熱器位置和溫度傳感器位置被優(yōu)化，以便一旦加熱，模具的固有狀態(tài)使得模唇面相對(duì)于基底是平坦的。這通過(guò)以下過(guò)程實(shí)現(xiàn)首先簡(jiǎn)化模具幾何形狀，排除引起熱/冷點(diǎn)的不需要材料(通常是鋼)。其次，模具的幾何形狀被這樣設(shè)計(jì)，以使模具上被加熱和/或隔絕熱損失和溫度的各個(gè)部分受到監(jiān)測(cè)。再其次，將溫度傳感器放置在能夠精確地指示其監(jiān)控的加熱器區(qū)域溫度狀態(tài)的位置。使用數(shù)值熱傳遞模型(numerical heat transfer model)，通過(guò)計(jì)算，可對(duì)以上所述進(jìn)行校驗(yàn)和優(yōu)化。將溫度結(jié)果映射到數(shù)值結(jié)構(gòu)模型，可估計(jì)熱變形。熱和結(jié)構(gòu)模型可用于說(shuō)明工藝變化-流體流過(guò)模具、沒(méi)有流體流過(guò)，等等。一旦所有參數(shù)(模具形狀、加熱器位置、溫度傳感器位置)被優(yōu)化，并進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)，則進(jìn)行模具制造。注意，除了熱和結(jié)構(gòu)要求之外，模具幾何形狀在設(shè)計(jì)窗口(design window)之內(nèi)需要發(fā)生任何改變，形成滿足預(yù)想目的的模具(即將流體涂布在基底上)。制造完畢，并在模具冷卻時(shí)校驗(yàn)平坦模唇面之后，將模具加熱，熱測(cè)定模唇面的平坦度。對(duì)溫度設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行細(xì)微變動(dòng)，以調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)，使模具平坦。這些設(shè)定點(diǎn)的偏移在模具站進(jìn)行校驗(yàn)，需要時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。能夠提供最小可測(cè)量/可控制溫度變化的溫度傳感器和控制系統(tǒng)可使彎曲狀態(tài)做相應(yīng)的最小變化。
通過(guò)附近加熱和冷卻，控制彎曲狀態(tài)，本發(fā)明也可用于通常不加熱的涂布模具。而且，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)踐可用于其它模具類型，即擠出模具、幕涂模具(curtain dies)等等。


圖1a簡(jiǎn)化地說(shuō)明了公知的單層涂布操作。
圖1b描述了與實(shí)現(xiàn)本發(fā)明有關(guān)的各個(gè)平面。
圖2a和圖2b分別簡(jiǎn)化地說(shuō)明了單層和雙層涂布操作。
圖3以方塊圖的形式說(shuō)明了本發(fā)明的設(shè)計(jì)過(guò)程。
圖4以方塊圖的形式說(shuō)明了本發(fā)明設(shè)計(jì)過(guò)程的“開發(fā)新的設(shè)計(jì)概念”這一方面。
圖5以方塊圖的形式說(shuō)明了本發(fā)明設(shè)計(jì)過(guò)程的“運(yùn)行靈敏度研究”這一方面。
圖6說(shuō)明了不同加熱配置下的彎曲程度圖。
圖7說(shuō)明了放置加熱器的示例性整體模型(solid model)。
圖8說(shuō)明了模具的初始熱繪圖橫截面。
圖9說(shuō)明了本發(fā)明改進(jìn)模具的后來(lái)熱繪圖橫截面。
圖10示意性地說(shuō)明了本發(fā)明的簡(jiǎn)化模具設(shè)備。
圖11a-圖11e說(shuō)明了本發(fā)明各種模具設(shè)備實(shí)施例的代表性X-Y平面橫截向。
圖12描述了本發(fā)明模具設(shè)備實(shí)施例的一部分及其橫寬(cross-width)加熱和控制系統(tǒng)的操作。
圖13描述了本發(fā)明模具設(shè)備實(shí)施例的一部分及其橫截面加熱和控制系統(tǒng)的操作。
圖14說(shuō)明本發(fā)明模具設(shè)備實(shí)施例的更多部分及其影響模具內(nèi)整個(gè)溫度分布的更多附件。
圖15a和圖15b說(shuō)明了本發(fā)明模具設(shè)備實(shí)施例一部分的簡(jiǎn)化示意剖視圖及其影響模具內(nèi)整體溫度分布的更多附件。
具體實(shí)施例方式
參看圖1a，單層涂布的常規(guī)涂布方法以簡(jiǎn)化形式加以說(shuō)明。將在基底上涂成單層的液體加入通過(guò)模具中形成的長(zhǎng)槽(因此，這種方法有時(shí)也被稱為“槽式涂布(slot coating)”)。該槽被放置與基底行進(jìn)方向成大致直角。模具是靜止的，而模具頭緊靠基底，該模具頭具有兩個(gè)涂布模唇，其限定了槽的開口。當(dāng)基底通過(guò)涂布模唇前面時(shí)，其繞著支撐滾筒行進(jìn)。涂布模唇和基底形成的槽具有基本相等的寬度，使得當(dāng)流體從模具中流出并流向移動(dòng)的基底上時(shí)，基底的整個(gè)橫寬被流體一次涂布。X，Y，Z坐標(biāo)系23有助于對(duì)模具各部分確定方向，其中X-Z平面被認(rèn)為通過(guò)涂布模唇形成的槽。Y-Z和X-Y平面分別垂直于典型的坐標(biāo)系方向。
參看圖1b，對(duì)圖1b的X，Y，Z坐標(biāo)系23和形成的相關(guān)平面進(jìn)行更詳細(xì)的描述。X和Y坐標(biāo)形成X-Y平面23.1，Y-Z坐標(biāo)形成Y-Z平面23.2，X-Z坐標(biāo)形成X-Z平面23.3。在下文中，X-Y平面彎曲被認(rèn)為是X-Y平面從平坦位置23.1a彎曲到彎曲位置23.1b；Y-Z平面彎曲被認(rèn)為是Y-Z平面從平坦位置23.2a彎曲到彎曲位置23.2b；以及X-Z平面彎曲被認(rèn)為是X-Z平面從平坦位置23.3a彎曲到彎曲位置23.3b。本發(fā)明專注于X-Z和Y-Z彎曲方式。
不是所有的模具都需要補(bǔ)償。在至少一個(gè)方向長(zhǎng)而薄的模具趨于在長(zhǎng)的平面上彎曲。由寬度(或圖1a中Z向(Z-dimension)距離10)與圖1a中X向(X-dimension)距離12之比和/或?qū)挾?或圖1a中Z向距離10)與圖1a中Y向距離(Y-dimension)14之比限定模具分別表征X-Z和/或Y-Z平面中明顯的空間彎曲趨勢(shì)。一般地，根據(jù)本發(fā)明，該比例等于或大于2.5將考慮進(jìn)行補(bǔ)償。這些尺寸是模具上重要的結(jié)構(gòu)性部分的典型尺寸。如果難于規(guī)定“典型”尺寸，則應(yīng)使用平均尺寸。這是幾何學(xué)考慮。正方形和立方體(即比例或各比例＝1)由于其約束剛性(restraining stiffness)不會(huì)有較大彎曲。隨著熱物理性能的改進(jìn)，在任何給定比例的優(yōu)化工作狀態(tài)變得更加容易。穩(wěn)態(tài)操作的改進(jìn)性能包括提高的導(dǎo)熱系數(shù)(瓦/米/攝氏度)和減小的熱膨脹系數(shù)(米/米/攝氏度)。
如果設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)合適，模具將平坦而均勻地將來(lái)自涂布模唇出口的液體分布成薄層。本發(fā)明不關(guān)注液體在模具內(nèi)部的分布。通常，可對(duì)模具進(jìn)行徑向調(diào)節(jié)，移向或移離基底(在X方向)，由此確定涂布模唇與基底之間的縫隙，也被稱為“涂布縫隙(coating gap)”。對(duì)于給定的涂層厚度，可對(duì)液體的流動(dòng)參數(shù)加以確定，包括流速。一旦這些參數(shù)被確定并將模具“安置”在涂布機(jī)(coating machine)上，則在操作期間，通常會(huì)調(diào)節(jié)涂布縫隙。然而，由于涂布層非常薄，任何這樣的調(diào)節(jié)通常造成一定程度的工藝不精確性。也存在對(duì)模具本身精確性的物理限制。例如，很難在模具的模唇形狀上保持非常小的公差(tolerance)，尤其是槽寬可在幾英寸和幾百或以上英寸之間變化時(shí)。
參看圖1a和圖2a，示意說(shuō)明典型的模具涂布操作。模具20靠近移動(dòng)基底22，該基底在涂布模唇36a，36b的區(qū)域中沿Y方向24行進(jìn)。模具20被簡(jiǎn)化顯示，沒(méi)有完整操作模具通常包括的加熱器、絕緣體或溫度傳感器，這將在后面本發(fā)明的示例性實(shí)施例中加以更詳細(xì)的描述?；?2經(jīng)過(guò)模具20的末端時(shí)，繞著支撐滾筒26行進(jìn)。如圖1所示，可理解，模具20和基底22都具有基本相等的寬度(在Z方向)，以便基底的大部分寬度被進(jìn)出模具和流在基底22上的流體23一次涂布。
模具20是組件式的，可由許多單個(gè)元件組裝而成，然后作為可安裝器件放置在涂布機(jī)上(即模具站，圖中未示出)。各模具元件包括流體管道19和較遠(yuǎn)端的模具部分21。模具部分最遠(yuǎn)端的部分是涂布模唇29，將結(jié)合圖2a和圖2b進(jìn)行更詳細(xì)的描述和說(shuō)明。
模具20可徑向地移近或遠(yuǎn)離支撐滾筒26，以調(diào)節(jié)涂布縫隙30，該縫隙被定義為涂布模唇29與基底22之間的距離。模具20的元件由于槽或加料縫隙32而彼此稍微分開，涂料即流體23從流體管道19流經(jīng)加料縫隙32，流到移動(dòng)基底22上。
參見圖2a，其顯示模具X-Y平面23.1上特寫的示意剖視圖，其中一對(duì)涂布模唇36a，36b被放置靠近移動(dòng)基底22，形成涂布縫隙30。注意，相對(duì)于圖1a，圖2a中基底22顯示為平坦的或水平的，但實(shí)際上具有一定的曲率，因?yàn)樗c支撐滾筒26共形。然而，圖2a所示構(gòu)造是液珠(bead)42中流體力學(xué)的近似，該液珠形成于涂布模唇36a，36b與移動(dòng)基底22之間的涂布縫隙30。
涂布縫隙30在圖2a中為尺寸A。應(yīng)可理解，涂布縫隙30可根據(jù)不同的模唇形狀、模唇加工缺陷、成角或傾斜模唇、調(diào)節(jié)、不平行，等等，沿Z方向模具寬度發(fā)生變化。
參看圖2b，其顯示也用于本發(fā)明的多層模具21的特寫剖視圖。雖然與圖2a中模具20相似，但模具21包括上游和下游模具部分50a和50b，以及將這兩部分分隔的中間部分50c。在這些部分之間形成的是上游加料縫隙52a和下游加料縫隙52b。來(lái)自上游加料縫隙52a的液體流到基底22上，形成底層58，而來(lái)自下游加料縫隙52b的液體流到底層上，形成頂層56。
模唇面與基底之間的涂布縫隙對(duì)在基底上涂布均勻?qū)雍苤匾?。由于模具材料如鋼的性能，及其操作溫度狀態(tài)，高于室溫加熱，如果不補(bǔ)償，將造成鋼模具發(fā)生不均勻扭曲，并使涂布縫隙在模具和基底寬度上變得不平坦。
使用已知形狀的模具進(jìn)行涂布操作期間的熱分布可進(jìn)行熱模擬。簡(jiǎn)要參看圖8和圖9，利用特定計(jì)算機(jī)生成熱模擬技術(shù)，可對(duì)溫度分布進(jìn)行顏色顯示，該顏色顯示通常從熱區(qū)域(如，實(shí)踐中為紅色或白色，但在圖8和圖9中以1-12溫度段范圍的上部分?jǐn)?shù)字表示)跨到冷區(qū)域(如，在實(shí)踐中為藍(lán)色，但在圖8和圖9中以1-12溫度段范圍的下部分?jǐn)?shù)字表示)。這些操作溫度梯度由模具幾何形狀、模具材料、應(yīng)用到模具的加熱系統(tǒng)中加熱器位置和控制該加熱器的溫度傳感器的精確度/位置而形成。由于形成的溫度差異，模具不同部分將不同程度地膨脹或收縮，導(dǎo)致模具變形。
因此，本發(fā)明關(guān)注的重要問(wèn)題是在X-Z和Y-Z平面的寬度上，模唇面在模具操作期間相對(duì)于基底有多平坦和平行。典型的單層模具可將涂布模唇對(duì)中一個(gè)用作固定模唇部件，而將涂布模唇對(duì)中另一個(gè)用作可動(dòng)模唇部件。該可動(dòng)模唇部件可進(jìn)行機(jī)械調(diào)節(jié)，有助于補(bǔ)償小幅度的加料縫隙不均勻。這種固定/彎曲模具組件的熱分布將是，固定和可動(dòng)模唇部件相對(duì)于基底在不同方向扭曲。這也可以在固定/彎曲模具中發(fā)生。同樣，當(dāng)涂布開始，由于流體開始與加熱系統(tǒng)發(fā)生作用，模具開始被不同程度地加熱。這導(dǎo)致彎曲狀態(tài)改變。
通過(guò)在恰當(dāng)?shù)臄?shù)量和恰當(dāng)?shù)牡胤?，?duì)熱模擬模具進(jìn)行熱增加和損失的模擬，以消除溫度梯度，該結(jié)構(gòu)模型將在模具制造之前校驗(yàn)熱修正模具，以便提供具有均勻涂布縫隙的模具較好近似。
參看圖3，建立了本發(fā)明的設(shè)計(jì)流程圖，以提供具有均勻涂布縫隙的熱修正模具。首先，建立制造廠工藝要求(例如，不彎曲或扭曲涂布縫隙的熱熔模具)(60)。其次，分析現(xiàn)有模具(任選)，在溫度下測(cè)量彎曲程度，并提供計(jì)算機(jī)生成模型，解釋彎曲發(fā)生的原因(62)。然后，利用模型創(chuàng)建不彎曲的模具(64)，通過(guò)理解溫度物理學(xué)，使用模型顯示模具彎曲的原因，并進(jìn)行補(bǔ)償，以滿足工藝操作對(duì)象(如不彎曲模具)和參數(shù)(如模唇類型、尺寸、形狀、材料)。該模型提供基本的構(gòu)造，以便開始補(bǔ)償研究過(guò)程。之后，進(jìn)行靈敏度研究(66)，考慮環(huán)境條件、控制熱損失所需的絕緣類型、粘合劑的流動(dòng)以及模具周圍氣流模式。該靈敏度研究得到模具的操作封裝(operating envelope)(68)，如果不接受，則對(duì)模具構(gòu)造進(jìn)行調(diào)節(jié)(70)，以滿足操作數(shù)據(jù)。一旦操作數(shù)據(jù)被接受，則為預(yù)期的模具建立詳細(xì)的模具幾何形狀、加熱器/溫度傳感器/絕緣類型、尺寸和位置數(shù)據(jù)(72)。然后制造模具(74)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和制造工藝檢查模具的熱和冷(76)。如果檢查證明成功，則模具可投入使用(78)。
參看圖4，對(duì)圖3中“開發(fā)新設(shè)計(jì)概念”(64)做進(jìn)一步詳述。首先，檢查和分析現(xiàn)有模具(任選)(80)。然后，如果現(xiàn)有設(shè)計(jì)不滿足期望的涂布縫隙要求，則考慮新的和/或改進(jìn)的加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，考慮設(shè)計(jì)要求和極限(如模具運(yùn)轉(zhuǎn)的模具尺寸/形狀幾何框架、材料性能)以及有用的技術(shù)。這形成初步設(shè)計(jì)(84)。一旦建立初步設(shè)計(jì)，則形成模具組件(如頂部、底部、涂布模唇)的三維模型(88)，其影響模具中熱傳遞和熱分布(空間位置的溫度)(86)。從整體模型，使用有限元建網(wǎng)程序(finite element meshing routine)，形成結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格(90)和熱傳遞模型網(wǎng)格(92)。將各部分(頂、底、模唇)連接(94)，運(yùn)行熱傳遞模型(96)。然后將溫度繪制在固體結(jié)構(gòu)模型上(98)，以確定形成的變形。
參看圖5，對(duì)圖3中“進(jìn)行靈敏度研究”做進(jìn)一步詳細(xì)描述。首先，確定可能的環(huán)境條件和設(shè)計(jì)問(wèn)題(100)。然后，設(shè)置邊界條件(102)，例如模具周圍的氣流量，流體流動(dòng)量。之后，將邊界條件設(shè)置應(yīng)用到熱模型(104)。然后，解該熱模型(106)，提供各個(gè)條件的三維溫度分布圖(108)。
然后，將溫度圖繪制在結(jié)構(gòu)模型上(110)。解此結(jié)構(gòu)模型，確定形變(112)。再分析結(jié)構(gòu)(114)，確定該設(shè)計(jì)是否可接受。
參看圖6，對(duì)不同的模具和模具加熱區(qū)域以及幾何配置的級(jí)數(shù)(都具有帶內(nèi)部或外部線盒(wirecage)的加熱器和溫度傳感器)的模具彎曲幅度比較的一個(gè)例子進(jìn)行了描述。該說(shuō)明性研究使用簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)(有或沒(méi)有最大實(shí)際表面絕緣)，以測(cè)試設(shè)計(jì)級(jí)別(design progression)的熱-空間穩(wěn)定性。沿圖6中x軸的外圍線是表示典型涂層厚度的參考線，如+/-20微米。沿x軸的內(nèi)虛線是另一個(gè)參考線，表示冷模具的加下公差，如被磨平的模唇面在8-10微米之內(nèi)。交叉陰影柱形圖描述了涂布模唇在X-Z平面的彎曲。點(diǎn)柱形圖描述了模具模唇在Y-Z平面的彎曲。這些數(shù)據(jù)有助于確定加熱配置和模具形狀所需的改變，例如可能需要添加加熱器到模具中某些位置，以及確定溫度傳感器的位置。
參看圖7-圖9，描述了本發(fā)明工藝的示例性模具設(shè)計(jì)，其涉及減小涂布模唇彎曲的固定頂部熱熔槽模具。在圖7中，描述了放置加熱器的整體模型200。加熱器被模型化為矩形槽，以簡(jiǎn)化模型。加熱器202a-202d縱向跨過(guò)模具寬度。加熱器204a-204r從后到前，部分地跨過(guò)模具，前面具有涂布模唇。
為了開發(fā)滿足模具設(shè)計(jì)對(duì)象的合適溫度分布，對(duì)模具的諸多代表性橫截面中的溫度進(jìn)行檢查。參看圖8，其描述了固定頂部模具210的代表性橫截面的的熱布圖(thermal map)，標(biāo)有溫度圖例，其中具有涂布模唇212、前壁213、前壁錐度215和前后加熱器對(duì)214a，214b。流體管道216提供流體給涂布縫隙218。溫度分布被描述為從熱區(qū)域12(最熱)到6(中熱)到1(低熱)及其之間跨越50°F范圍?？梢?，溫度梯度在后面區(qū)域220處冷卻，在加熱器214a、214b附近區(qū)域較熱，而在涂布模唇212處為中等熱。因此，對(duì)于該模具構(gòu)造，后面趨于收縮，前面趨于膨脹，模具將趨于向后凹入彎曲。
參看圖9，對(duì)例如圖8中模具210進(jìn)行幾何形狀調(diào)節(jié)，并添加縱向加熱器，得到改進(jìn)的固定頂部模具230的熱布圖。固定頂部模具230具有涂布模唇232、前壁234、前壁錐度236、前后加熱器對(duì)238a，238b以及三個(gè)縱向加熱器240a、240b和240c。流體管道242提供流體給涂布縫隙244。如同圖8，溫度分布被描述為從熱區(qū)域12(最熱)到6(中熱)到1(低熱)及其之間跨越50°F范圍?？梢姡谀＞叩拇蟛糠?，溫度均勻，梯度很小，這有助于阻止不期望的彎曲。這既歸因于幾何形狀設(shè)計(jì)的改變，即線盒移到模具外、模具變短、去除不需要的材料、添加縱向加熱器240a、240b和240c，也歸因于模具230的前后加熱器238a、238b的移動(dòng)，比模具210的前后加熱器214a、214b更靠近模具外表。
參看圖10-圖15b，詳細(xì)描述了本發(fā)明開發(fā)的模具設(shè)備及其加熱系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
模具加熱系統(tǒng)通常由熱源(電阻加熱器、油、蒸汽或其它類型的加熱和冷卻源)、溫度傳感器(例如熱電偶、電阻式溫度檢測(cè)器、電熱調(diào)節(jié)器或其它類型的溫度傳感器)和絕熱隔熱材料、電連接件(若采用電加熱和感應(yīng)信號(hào))、流體分布器(若使用油、蒸汽或其它流體)等組成。加熱系統(tǒng)與模具幾何形狀同時(shí)開發(fā)，以獲得二者帶來(lái)的最佳好處。
舉例而言，工具鋼模具(如AISI P-20工具鋼)及其加熱系統(tǒng)的操作標(biāo)準(zhǔn)包括(1)以保持模唇的X-Z彎曲平面小于0.001″平面偏差的方式進(jìn)行操作，優(yōu)選小于0.0005″偏差。這在精確的花崗巖臺(tái)面上用機(jī)械或光學(xué)計(jì)量器進(jìn)行測(cè)量。
(2)以保持模唇面的Y-Z平面小于0.004″平面偏差的方式進(jìn)行操作，優(yōu)選小于0.002″偏差。這在精確的花崗巖臺(tái)面上用機(jī)械或光學(xué)計(jì)量器進(jìn)行測(cè)量。
(3)當(dāng)涂布開始時(shí)，X-Z或Y-Z平面的模唇平面偏差幅度變化不大于0.001″，優(yōu)選小于0.0004″。這通過(guò)有限元模擬或其它方法確定。
(4)允許模具至少在X-Z平面控制地彎曲。該彎曲應(yīng)為，對(duì)于這里所述近似構(gòu)造的無(wú)約束模具，X-Z平面中模具后面與前面之間每1°F偏移0.0005″-0.003″。這在精確的花崗巖臺(tái)面上用機(jī)械或光學(xué)計(jì)量器進(jìn)行測(cè)量。
(5)保持槽中橫寬溫度偏差小于15°F，優(yōu)選小于8°F，粘合溫度等于或接近模具的標(biāo)稱溫度(nominal temperature)。這通過(guò)有限元模擬確定，并用模唇面上或附近的表面溫度測(cè)定值進(jìn)行校驗(yàn)。
前段所述工具鋼模具的操作標(biāo)準(zhǔn)可應(yīng)用于以下模具，其寬度與X向距離比高達(dá)11或其寬度與Y向距離比高達(dá)14以及穩(wěn)態(tài)操作溫度高達(dá)200℃。在所有情況下，寬度與X向距離比和/或?qū)挾扰cY向距離比大于2.5以及穩(wěn)態(tài)操作溫度大于200℃也是可能的，但是可實(shí)現(xiàn)的要求發(fā)生了改變。可以設(shè)計(jì)其它模具構(gòu)造，但是可實(shí)現(xiàn)的要求發(fā)生了改變?？煽紤]其它材料，但可實(shí)現(xiàn)的要求基于材料的熱性能和物理性能發(fā)生了改變?？墒褂闷渌鼫y(cè)定平坦度的方法，包括應(yīng)變計(jì)量器或其它應(yīng)力/應(yīng)變測(cè)量技術(shù)。所有這些改變都被考慮在該方法描述的范圍之內(nèi)。
這里所述模具加熱系統(tǒng)加熱器分為“橫截面型”、“橫寬型”或二者。橫截面加熱器是對(duì)X-Z和Y-Z平坦度或彎曲度具有較大影響的加熱器。橫寬加熱器是對(duì)模具寬度上(Z方向)溫度分布具有較大影響的加熱器。加熱器可既是橫截面型的又是橫寬型的。加熱器是指任何有源熱源(或冷源)。這些裝置被統(tǒng)稱為有源傳熱裝置。
X-Z平坦性最為重要，因?yàn)樗苯愚D(zhuǎn)化為涂層的厚度。Y-Z平坦度只要基底相對(duì)于加料縫隙尺寸接近平坦就不太重要(即，在大直徑滾筒即16″上涂布，使用小的加料縫隙即0.020″，即為近似平坦表面)。通常，對(duì)X-Z平面彎曲進(jìn)行模具優(yōu)化，然后檢查Y-Z平面為可接受程度；但是在設(shè)計(jì)方法中Y-Z平面彎曲被明確地優(yōu)化。橫寬溫度變化對(duì)流體的流變性至關(guān)重要，但對(duì)于本發(fā)明，主要考慮其與加熱系統(tǒng)橫截面部件的相互作用。
圖10顯示示意簡(jiǎn)化的具有加熱器的模具300。模具300包括流體入口301，其與連接流體入口301的內(nèi)部縱向流體槽以T形方式相連(圖中未示出)，使得流體被分配到模具整個(gè)寬度。在寬度末端的流體槽開口303被蓋住/填密(圖中未示出)，以阻止流體從模具各個(gè)寬度末端流出。
為了保持X-Z平面的彎曲平坦度，加熱器被插入模具前端305和/或后端307的孔中。加熱模具前面和后面的加熱器被稱為前橫截面加熱器和后橫截面加熱器，但是有時(shí)它們也用作橫寬加熱器。兩個(gè)加熱器302，304是前加熱器，都是縱向穿過(guò)模具寬度的單個(gè)加熱器。這些加熱器通常具有單獨(dú)的溫度傳感器，進(jìn)行反饋以調(diào)節(jié)其電源。通過(guò)將分開控制的區(qū)域放入其中，或通過(guò)用多個(gè)區(qū)域中的多個(gè)小型獨(dú)立加熱器代替單加熱器，以及在任一情況下，為各區(qū)域添加溫度傳感器和控制回路，可使這些加熱器成為橫寬加熱器。
加熱器306和任選加熱器308是后橫截面加熱器。它們類似于前加熱器302、304，也縱向穿過(guò)模具寬度。
加熱器組310、312是多個(gè)獨(dú)立的加熱器，其按組進(jìn)入分開的橫寬模具區(qū)域314、316、318、320、332，并可被插入模具前和/或后面的孔。在圖10描述的實(shí)施例中，加熱器組310和312被插入模具后面的孔。作為橫寬加熱器，在這種情況下，由于其長(zhǎng)度和位置，它們主要影響模具后面。因此，它們也可作為橫截面加熱器。與具體的橫寬模具區(qū)域中橫寬加熱器有關(guān)的溫度傳感器被放置在對(duì)后面加熱比對(duì)前加熱更敏感的位置，以確保這種影響。
關(guān)于該簡(jiǎn)化實(shí)施例的橫寬加熱器，區(qū)域劃分為獨(dú)立控制的末端區(qū)域314、322(以減小末端損失)、獨(dú)立控制的中部區(qū)域318(以調(diào)節(jié)波動(dòng)的流體入口溫度)和獨(dú)立控制的主加熱器區(qū)域316、320(位于末端和中部之間)。在一個(gè)實(shí)施例中，雖然結(jié)構(gòu)相連，模具頂部324與模具底部326獨(dú)立地劃分區(qū)域，以更好地控制橫截面(Y-Z)平坦度。
簡(jiǎn)化的圖11a-圖11e顯示代表性的X-Y平面橫截面，以描述橫截面加熱器和橫寬加熱器之間的相互關(guān)系。在這些圖中，前和后加熱器為縱向加熱器，橫寬加熱器被適當(dāng)?shù)胤謪^(qū)為各個(gè)加熱器，其中顯示各個(gè)組的單個(gè)橫寬加熱器。典型的模具前后距離為5-10″。典型的模具頂?shù)缀穸葹?-4″。
圖11a說(shuō)明具有兩個(gè)前縱向加熱器302，304、一個(gè)后縱向加熱器306和橫寬加熱器310，312的模具，其中橫寬加熱器也是橫截面加熱器(后加熱)。圖11b顯示非典型但可能的構(gòu)造，其中橫寬加熱器330，332也是前橫截面加熱器。這一般不采用，但是可能的。圖11c說(shuō)明類似于圖11a的情況，只是橫寬加熱器334，336明顯橫跨模具的前后方向。在這種情況下，橫寬加熱器通常不用作橫截面加熱器。圖11d是沒(méi)有具體橫寬加熱器的模具，但如前所述，獨(dú)立的區(qū)域可被制造進(jìn)入縱向加熱器中。
圖11a-圖11d所述所有模具都是固定頂部模具，意即加料縫隙固定，并由模具上下部分的加工確定。參看圖11e，顯示的模具類似于圖11a所示模具，但金屬的部分338被從頂部前面切下，形成彎曲頂部分。可使用各種機(jī)械使彎曲頂部分局部彎曲，以修正加料縫隙。從熱的觀點(diǎn)看，在圖11a-11d中，在模具的前后之間(以及頂?shù)字g)存在自由的熱流。在圖11e中，在底部的前后之間存在自由的傳遞，但在頂部不存在。頂部前面與頂部后面有效地分隔。存在一些熱流，但受到彎曲部分338中鋼厚度的限制。一般地，對(duì)圖11a和11e中的示例性實(shí)施例，橫寬加熱器是后橫截面加熱器。
參看圖12，顯示了圖10中模具底部326的區(qū)域316的部分和加熱器組312的三個(gè)代表性加熱器312a、312b、312c，以及主區(qū)域溫度傳感器400和有關(guān)的加熱和控制系統(tǒng)402。
在具體區(qū)域，每個(gè)區(qū)域具有與加熱器有關(guān)的區(qū)域溫度傳感器(橫寬加熱器和橫截面加熱器)。傳感器將感應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)送至比例積分微分(PID)溫度控制器，后者將感應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定溫度進(jìn)行比較。如果比較顯示感應(yīng)的溫度低于設(shè)定溫度，則PID控制器將發(fā)信號(hào)給加熱器，提高功率。如果比較顯示，感應(yīng)的溫度高于設(shè)定溫度，則PID控制器將發(fā)信號(hào)給加熱器，降低功率。因此，這些溫度傳感器有效地用于控制模具橫寬溫度。各個(gè)區(qū)域溫度傳感器位于模具中其區(qū)域內(nèi)受控加熱器的中心附近。
再參看圖12，主區(qū)域溫度傳感器400在一個(gè)實(shí)施例中可以是電阻式溫度檢測(cè)器(RTD)，其感應(yīng)頭410被裝在管中，該管以方便的取向，通過(guò)模具中預(yù)先形成的感應(yīng)槽或鉆孔，被插入和支撐在模具底部326之中。這些位置可以做相應(yīng)的改變。例如，在設(shè)計(jì)方法中，可為各個(gè)區(qū)域，選擇溫度傳感器的位置(對(duì)于寬度與X-度距離比和/或?qū)挾扰cY-度距離比大于2.5的工具鋼模具，至少在高達(dá)200℃、環(huán)境空氣中操作)，以滿足由有限元模擬確定的下述條件(1)所有溫度傳感器(所有區(qū)域)的感應(yīng)頭都在1°F之內(nèi)，優(yōu)選低于標(biāo)稱模具溫度0.2°F，其中標(biāo)稱模具溫度在進(jìn)入流體的溫度的10°F之內(nèi)，優(yōu)選在2°F之內(nèi)。條件(1)在流體不流過(guò)模具時(shí)滿足(用視覺(jué)設(shè)置涂布縫隙、測(cè)量平坦度等)。條件(1)當(dāng)在標(biāo)稱模具溫度的2°F和高達(dá)10°F之內(nèi)的流體以最大流速流過(guò)模具時(shí)滿足。
(2)如果可能，感應(yīng)頭區(qū)域中局部溫度梯度低于每英寸5°F，優(yōu)選低于每英寸1°F。
加熱器和傳感器在具體模具幾何形狀中的位置要使這些要求得到滿足，同時(shí)滿足前述要求(1)-(5)，這可能在通過(guò)測(cè)量而確定小溫度偏差之后。傳感器400在其位置讀出模具溫度406，并將溫度數(shù)據(jù)提供給溫度控制器404，后者具有預(yù)測(cè)的期望區(qū)域溫度設(shè)定值408。溫度控制器404將測(cè)定模具溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，并將溫度微分控制信號(hào)420傳送到加熱器控制422，例如使電流流向各電阻加熱器的繼電器機(jī)構(gòu)。當(dāng)感應(yīng)的模具溫度與設(shè)定溫度一樣時(shí)，給加熱器的電流保持恒定。
除此，頂部前面、底部前面、頂部后面和底部后面的溫度傳感器也滿足上述標(biāo)準(zhǔn)。這些傳感器用于控制模具橫截面溫度。這些傳感器被放置在模具各頂部前面、底部前面、頂部后面和底部后面縱向橫截面加熱器的中心附近。
參看圖13，該例子顯示橫截面加熱器及其加熱器控制，圖10中模具底部326末端部分和代表性的三個(gè)加熱器304、306，及其各自的縱向溫度傳感器450、452和有關(guān)的各個(gè)加熱和控制電路454、456。通過(guò)開口303的流體在圖13中露出，但通常如上所述被封住。每個(gè)橫截面加熱器具有各自的傳感器和有關(guān)的加熱和控制系統(tǒng)。例如，底部前面橫截面加熱器304伸過(guò)模具底部326的寬度，具有有關(guān)的底部前面溫度傳感器450，其與底部前面加熱和控制系統(tǒng)460連接。加熱和控制系統(tǒng)460包括溫度控制462和加熱器控制464。類似地，底部后面橫截面加熱器306伸過(guò)模具底部326的寬度，具有有關(guān)的底部后面溫度傳感器452，其與底部后面加熱和控制系統(tǒng)454連接。加熱和控制系統(tǒng)454包括溫度控制456和加熱器控制458。底部前面加熱和控制系統(tǒng)460以及底部后面加熱和控制系統(tǒng)454都以與前述圖10中加熱和控制系統(tǒng)402相似的方式運(yùn)行。傳感器450和452被放置在通過(guò)有限元模擬確定的位置，以滿足前述要求，例如，沿加熱器的長(zhǎng)度，接近各自的加熱器304、306，通常離各自的加熱器.5″，使其有關(guān)的設(shè)定點(diǎn)能控制前后溫度相同。
各個(gè)傳感器，無(wú)論橫截面加熱器傳感器還是橫寬加熱器傳感器的放置要使來(lái)自其它感應(yīng)區(qū)域的外來(lái)干擾最小，無(wú)論來(lái)自與其它橫截面加熱區(qū)域還是來(lái)自其它橫寬加熱區(qū)域有關(guān)的干擾。
橫寬和橫截面加熱器的各個(gè)加熱和控制系統(tǒng)將循環(huán)其各自的系統(tǒng)反饋，使得整個(gè)模具中所有傳感器處于相同的溫度。對(duì)于給定的具有所有預(yù)期附件和熱損失的模具幾何形狀，一旦加熱器和傳感器位置被合適地選自，以及所有模具區(qū)域處于相同的溫度，則可相信模具對(duì)于規(guī)定操作條件而言是平坦的。
參看圖14，顯示圖10中具有模具頂部324和模具底部326的模具部分，以及影響模具中所有溫度分布的其它附件。模具頂部324貼附在其后面部分線盒500上，后者將與模具頂部有關(guān)的各種橫寬加熱器配線收集在一起。類似地，模具底部326貼附在其后面部分線盒502上，后者將與模具底部有關(guān)的各種橫寬加熱器配線收集在一起。模具末端包括密封流體槽末端的襯墊板504。頂部和底部模具橫截面和/橫寬傳感器配線縱向地行進(jìn)(例如在形成的模具槽中)，終止于各自的接線盒506、508。安裝塊，如塊510與模具連接，使模具組件可安裝地就位于與模具相鄰的模具站機(jī)架結(jié)構(gòu)(圖中未示出)。
然而應(yīng)當(dāng)理解的是，模具頂部和底部組件與靠近模具的任何模具站機(jī)架隔熱。因此，本發(fā)明方法和設(shè)備涉及加熱模具的整體主要加熱系統(tǒng)，而不主要關(guān)心與模具站機(jī)架有關(guān)的熱損失。優(yōu)選地，對(duì)流體加熱，使其具有合適的應(yīng)用溫度，盡可能由本發(fā)明加熱器獨(dú)自地完成。自不待言，加熱流體從流體入口進(jìn)入模具并通過(guò)涂布模唇流出引起的對(duì)流熱將影響整個(gè)模具溫度分布。
參看圖15a和圖15b(圖15b是圖15a中一部分的放大)，其示意地顯示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖?？梢姡?dāng)支撐滾筒26按方向25旋轉(zhuǎn)時(shí)，基底22沿Y方向24行進(jìn)。模具300包括其頂部和底部表面的絕熱體600、602，以及沿方向606使支撐滾筒26旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)偏轉(zhuǎn)的擋風(fēng)板604。該氣流防護(hù)因從基底中剝離(stripping)了一個(gè)氣界層(air boundary layer)而使模具的前下部不會(huì)出現(xiàn)局部冷卻。區(qū)域608在圖15b中做描述。也可看見線盒500、502和安裝進(jìn)模具站機(jī)架512的安裝塊510。本發(fā)明的模擬過(guò)程考慮模具以及影響模具內(nèi)溫度分布的附件的各種特征。
前橫截面加熱器一般提供模具總使用加熱功率的20％-60％，這取決于實(shí)際的加熱器布置和傳感器位置。在示例性的構(gòu)造中，趨于提供25％-45％。這要根據(jù)溫度控制器的實(shí)際功率輸出。后加熱器(加上任選的小型輔助加熱器)提供余下的大部分(包括橫寬加熱器)。放置前后縱向加熱器通常要使其中心離最接近它們的外表面小于1.5″。橫寬加熱器一般起自模具后面并向前面延伸3-6″。
這些構(gòu)造是示例性的實(shí)施例，因?yàn)槟＞叩母鞣N附件趨于附著在其后部，導(dǎo)致那里更多的熱損失變化。放置末端加熱器使其加熱整個(gè)末端。
在示例性的實(shí)施例中，在使用的目標(biāo)溫度(即346°F)，預(yù)先篩選線繞鉑電阻式溫度檢測(cè)器(RTDs)的精確度好于+/-1°F，或優(yōu)選好于0.4°F。在這種情況下，移位不會(huì)對(duì)模具的彎曲形態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。同樣，已知線繞鉑RTD’s的偏移隨時(shí)間很小。高精度PID溫度控制器包括但并不限于Syscon RKC SR Mini HG System。
進(jìn)一步的示例性實(shí)際應(yīng)用如下(1)操作前加熱器，使其(以及槽和管道)處于標(biāo)稱溫度。涂料將在該標(biāo)稱溫度下或附近進(jìn)入模具。
(2)在模具制成之后的平坦度實(shí)際測(cè)定中，如果需要對(duì)加熱器系統(tǒng)的橫截面區(qū)域設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行移位，以使模具在測(cè)定的平坦度范圍之內(nèi)，則如果可能，在模具后部進(jìn)行。這是因?yàn)?a)由前加熱器控制的槽和管道溫度將處于粘合劑的溫度，因而對(duì)彎曲的修正將對(duì)流體的流變性產(chǎn)生最小的影響；和(b)由于流體通常進(jìn)入模具后部的中央，傳到較高或較低溫度的熱將最小，這是因?yàn)橥繉佑谶@些模具上的材料的導(dǎo)熱性通常很低，并且從金屬壁到管心的距離通常較大；相反，在模具的前部，流體被鋪成薄膜(通常小于0.060″)，具有較大的傳熱面積，因而熱傳遞速率高得多。
(3)這些移位是需要的，因?yàn)?a)熱和結(jié)構(gòu)有限元模型本身具有不確定性。這導(dǎo)致橫截面和/或橫寬溫度分布的不確定性。采用單個(gè)溫度傳感器與之相連，以確定單個(gè)區(qū)域(即后部區(qū)域)的溫度，可導(dǎo)致傳感器測(cè)量的實(shí)際溫度偏離最初預(yù)測(cè)值。已證明，一旦偏離得到糾正，模具即穩(wěn)定。(b)模具附件，例如金屬線盒(用于裝加熱器和/或傳感器配線)，與模具之間和相互之間可發(fā)生復(fù)雜的相互作用，經(jīng)常難于正確地模擬(尤其關(guān)于徑向熱傳遞和氣流修正)，增加了附件附近局部溫度分布的不確定性。(c)取決于模具如何加工和應(yīng)力如何釋放，方向優(yōu)先應(yīng)力(direction-preferential stress)可以存在，其不易由有限元模擬加以解釋。最大和最小橫截面加熱區(qū)域設(shè)定溫度的偏差不應(yīng)超過(guò)10℃，優(yōu)選不應(yīng)超過(guò)4℃。
(4)盡可能使模具與附件絕緣，并使其與任何外部安裝結(jié)構(gòu)隔絕，以減小局部熱點(diǎn)或冷點(diǎn)的存在，這些熱點(diǎn)或冷點(diǎn)的存在使得精確預(yù)測(cè)溫度分布的能力復(fù)雜化，導(dǎo)致選擇加熱器和傳感器位置的不確定性。同樣，考慮大面積隔絕，以使與對(duì)流到空氣的熱損失最小化，減小徑向熱損失；從而減小這些表面附近的溫度梯度。如果可能，在模具表面與任何金屬附件之間放置隔熱層。在模具被安裝在其支撐結(jié)構(gòu)上的地方，使用結(jié)構(gòu)隔絕材料，使模具的熱不會(huì)損失到安裝結(jié)構(gòu)上。在大表面上使用隔熱有助于減小對(duì)環(huán)境條件的敏感性。在模具的底部前面(以及任選頂部)使用一些護(hù)罩，使基底上由于冷卻模具前面而形成的高速空氣偏轉(zhuǎn)。圖15a和15b顯示了這種護(hù)罩(擋風(fēng)板)，以及可能的隔絕措施?？傊?，減小給定加熱器區(qū)域需適應(yīng)的影響的數(shù)量和程度(即對(duì)流熱損失、附件熱損失、與流體相互作用，等等)。影響越多，影響程度越大，則對(duì)不同操作條件的妥協(xié)可能性(possibility ofcompromise)和敏感性越大。當(dāng)安裝模具時(shí)，就杜絕其熱損失。這意味著加熱系統(tǒng)僅需處理到環(huán)境的損失，限制了到附件的損失。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解，對(duì)附圖中所描述和顯示的替代實(shí)施例落入本發(fā)明范圍之內(nèi)。例如參看圖2b，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解，圖10-圖15b所述的發(fā)明概念可以被應(yīng)用于圖2b的多個(gè)部分。橫截面加熱器、橫寬加熱器及其有關(guān)的傳感器可適當(dāng)?shù)乇荒M和被放置于圖2b中模具部分50a、52a和52b。
X-Z平面Y-Z平面5區(qū)域外線盒8區(qū)域外線盒9區(qū)域外線盒
權(quán)利要求
1.一種設(shè)計(jì)熱穩(wěn)定涂布模具設(shè)備的方法，所述模具的Z向模具寬度距離與X向模具距離之比、和/或Z向模具寬度距離與Y向模具距離之比大于2.5，而且具有穩(wěn)態(tài)操作溫度，所述模具設(shè)備包括一個(gè)具有模具幾何形狀的模具，該模具幾何形狀包括處于Y-Z平面中的模唇面和處于X-Z平面中垂直于這些模唇面的槽形開口；有源傳熱裝置；溫度和/或熱流傳感器，所述方法提供了平坦模唇面，所述方法包括同時(shí)優(yōu)化模具幾何形狀、有源傳熱裝置的放置、溫度或熱流傳感器的放置、以及操作條件防護(hù)，所述優(yōu)化使用了熱傳遞和結(jié)構(gòu)數(shù)字建模、和/或統(tǒng)計(jì)分析、和/或溫度和/或熱流、和/或空間和/或應(yīng)變和/或應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，并且同時(shí)考慮了模具功能特征、與平坦度的最小可接受偏差有關(guān)的溫度測(cè)量和控制精度的最小增量、與熱結(jié)構(gòu)材料性能有關(guān)的涂布模具構(gòu)造材料、以及期望的涂布模具材料性能；其中所述優(yōu)化包括保持X-Z平面中的所述模唇面的彎曲平坦度的標(biāo)稱狀態(tài)小于一個(gè)定義的平坦度偏差，而當(dāng)涂布開始時(shí)，X-Z平面或Y-Z平面中的模唇平坦度偏差的大小的變化不大于一個(gè)定義的平坦度偏差；以及所述加熱系統(tǒng)的平衡，以便對(duì)于各個(gè)平面上可預(yù)知的彎曲量和彎曲方向，使X-Z平面和/或Y-Z平面中的溫度梯度最小化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述Z向模具寬度距離與X向模具距離之比高達(dá)11，所述Z向模具寬度距離與Y向模具距離之比高達(dá)14，所述操作溫度高達(dá)200℃，且所述構(gòu)造材料是鋼；以及其中所述優(yōu)化包括保持X-Z平面中模唇面的彎曲平坦度小于0.001″平坦度偏差，而當(dāng)涂布開始時(shí)，X-Z平面或Y-Z平面中模唇平坦度偏差的大小變化不大于0.001″，并且能夠以每1°F X-Z平面中特意引起的溫度梯度0.0005″-0.003″的速率在X-Z平面中特意彎曲模具。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，保持Y-Z平面中彎曲平坦度小于0.004″平坦度偏差。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，保持所述槽形開口中的橫寬溫度偏差小于15°F，而且所述粘合溫度為所述模具的標(biāo)稱溫度或其10°F之內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中X-Z平面中的所述模唇面的彎曲平坦度被保持為小于0.0005″平坦度偏差，而當(dāng)涂布開始時(shí)，X-Z平面或Y-Z平面中的模唇平坦度偏差的大小變化不大于0.0004″。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中Y-Z平面中的彎曲平坦度被保持為小于0.002″平坦度偏差。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述槽形開口中的橫寬溫度偏差被保持為小于8°F，而且粘合溫度在模具的標(biāo)稱溫度或其2°F之內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述操作條件包括模具絕緣、氣流、以及所述加熱系統(tǒng)對(duì)所述模具中流體存在與否的不敏感性。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，相對(duì)于模唇面，縱向地放置加熱器，從而提供可控的加熱，以控制和消除溫度梯度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，對(duì)相對(duì)于模唇面縱向地放置加熱器進(jìn)行定位，從而與橫寬放置的加熱器相互作用，以共同控制和最小化溫度梯度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，根據(jù)需要在加熱區(qū)域中放置加熱器，以最小化或消除局部溫度梯度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，隔絕模具設(shè)備，以減小或消除溫度梯度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，采用氣流防護(hù)，從而由于從所述基底中剝離了一個(gè)氣界層，而避免所述模具的前下部出現(xiàn)局部冷卻。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，使用高精度溫度傳感器，以最小化溫度測(cè)量的不準(zhǔn)確性。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，可控地建立溫度平衡，以控制所述彎曲狀態(tài)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，使用電加熱器或流體例如油、水、蒸汽或其它能夠促進(jìn)傳熱的加熱或冷卻裝置及機(jī)械器件。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，簡(jiǎn)化模具幾何形狀，以去除引起熱點(diǎn)和/或冷點(diǎn)的不需要的材料，以致所述模具上剩下的所有重要的結(jié)構(gòu)性部分適于被加熱和/或隔絕熱損失，并且適于溫度監(jiān)測(cè)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，在所述模具中放置加熱器，以便均勻地控制所述整個(gè)模具的加熱。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，相對(duì)于所述模唇面縱向地放置加熱器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，在模具處放置溫度傳感器，其精確地指示出這些溫度傳感器所監(jiān)測(cè)的加熱器區(qū)域的溫度狀態(tài)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述溫度傳感器為電阻式溫度檢測(cè)器。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，通過(guò)數(shù)值熱傳遞模型計(jì)算來(lái)優(yōu)化幾何形狀的簡(jiǎn)化以及加熱器和溫度傳感器的位置，其中通過(guò)將溫度結(jié)果映射到數(shù)值結(jié)構(gòu)模型上來(lái)估計(jì)熱變形，考慮工藝變化來(lái)運(yùn)行所述熱和結(jié)構(gòu)模型。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述工藝變化包括流過(guò)所述模具的流體和/或處于所述模具周圍的空氣流。
24.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述操作條件包括模具絕緣、氣流、以及所述加熱系統(tǒng)對(duì)所述模具中流體存在與否的不敏感性。
25.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，相對(duì)于所述模唇面縱向地放置加熱器，從而提供可控的加熱，以便控制和消除溫度梯度。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，相對(duì)于所述模唇面縱向地放置加熱器，以與橫寬放置的加熱器相互作用，從而共同控制和最小化溫度梯度。
27.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，根據(jù)需要在加熱區(qū)域中放置加熱器，以最小化或消除局部溫度梯度。
28.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，隔絕所述模具設(shè)備，以減小或消除溫度梯度。
29.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，采用氣流防護(hù)，從而由于從所述基底中剝離了一個(gè)氣界層，而避免所述模具的前下部出現(xiàn)局部冷卻。
30.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，使用高精度溫度傳感器，以最小化溫度測(cè)量的不準(zhǔn)確性。
31.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，可控地平衡模具溫度，以控制所述彎曲狀態(tài)。
32.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，使用電加熱器或流體例如油、水、蒸汽或其它能夠促進(jìn)傳熱的加熱或冷卻裝置及機(jī)械器件。
33.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，簡(jiǎn)化模具幾何形狀，以去除引起熱點(diǎn)和/或冷點(diǎn)的不需要的材料，以致所述模具的所有重要的結(jié)構(gòu)性部分適于被加熱和/或隔絕熱損失，并且適于溫度監(jiān)測(cè)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，在所述模具中放置加熱器，以便均勻控制所述整個(gè)模具的加熱。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，相對(duì)于所述模唇面縱向地放置加熱器。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，在模具位置處放置溫度傳感器，其精確地指示出這些溫度傳感器所監(jiān)測(cè)的加熱器區(qū)域的溫度狀態(tài)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中所述溫度傳感器為電阻式溫度檢測(cè)器。
38.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中所述優(yōu)化進(jìn)一步包括，通過(guò)數(shù)值熱傳遞模型計(jì)算，優(yōu)化幾何形狀的簡(jiǎn)化以及加熱器和溫度傳感器的位置，其中通過(guò)將溫度結(jié)果映射到一個(gè)數(shù)值結(jié)構(gòu)模型上來(lái)估計(jì)熱變形，并考慮工藝變化來(lái)運(yùn)行所述熱和結(jié)構(gòu)模型。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述工藝變化包括流過(guò)所述模具的流體和/或處于所述模具周圍的空氣流。
40.一種涂布模具設(shè)備，包括一個(gè)模具，其Z向模具寬度距離與X向模具距離之比，和/或Z向模具寬度距離與Y向模具距離之比大于2.5，并具有機(jī)械適宜的操作溫度；Y-Z平面中的模唇面，和X-Z平面中垂直于所述模唇面的槽形開口，所述模唇面在遠(yuǎn)離所述后部分的前部分處形成所述槽形開口；一個(gè)涂布縫隙，其形成于所述模唇面與一個(gè)基底之間，其上一個(gè)流體層從所述槽形開口中跨過(guò)Z向模具寬度距離被施加在所述基底上；以及一個(gè)整體式加熱系統(tǒng)，其具有一個(gè)或多個(gè)前橫截面加熱器，其在所述模具內(nèi)縱向地跨過(guò)寬度并靠近所述前部分排列，所述各個(gè)前橫截面加熱器任選為頂前部橫截面加熱器或底前部橫截面加熱器，其具有各自的前橫截面溫度傳感器，每個(gè)前橫截面溫度傳感器與一個(gè)前橫截面溫度控制系統(tǒng)連接，以調(diào)節(jié)所述各個(gè)前橫截面加熱器施加的熱量；以及一個(gè)或多個(gè)后橫截面加熱器，其在所述模具內(nèi)縱向地跨過(guò)寬度并遠(yuǎn)離所述前部分排列，每個(gè)后橫截面加熱器任選為頂后部橫截面加熱器或底后部橫截面加熱器，其具有各自的后橫截面溫度傳感器，每個(gè)后橫截面溫度傳感器與一個(gè)后橫截面溫度控制系統(tǒng)連接，以調(diào)節(jié)所述各個(gè)后橫截面加熱器施加的熱量；其中，所述整體式加熱系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)操作溫度下操作，最大橫截面溫度設(shè)定和最小橫截面溫度設(shè)定之間的差等于或小于因模具設(shè)計(jì)優(yōu)化處理中的不確定性引起的溫度差，以及所述前橫截面加熱器提供了一個(gè)維持穩(wěn)態(tài)操作溫度所需總功率的特性部分，而所述后橫截面加熱器和/或其它加熱器提供總功率的剩余部分，所述整體式加熱系統(tǒng)被保持平衡，從而最小化沿X-Y平面寬度的溫度梯度，以便保持X-Z平面中的所述涂布模唇面的彎曲平坦度小于一個(gè)定義的平坦度偏差，而當(dāng)涂布開始時(shí)，X-Z平面或Y-Z平面中的模唇平坦度偏差的大小變化不大于一個(gè)定義的平坦度偏差；以及通過(guò)改變下列項(xiàng)目被任選地保持不平衡，前橫截面加熱器和后橫截面加熱器之間的溫度差別，這通過(guò)修正施加到前橫截面加熱器的加熱功率與施加到后橫截面加熱器的加熱功率之比來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便控制X-Z平面中所述模具的彎曲；和/或頂橫截面加熱器和底橫截面加熱器之間的溫度差別，這通過(guò)修正施加到頂橫截面加熱器的加熱功率與施加到底橫截面加熱器的加熱功率之比來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便控制Y-Z平面中所述模具的彎曲。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的涂布模具設(shè)備，其中所述Z向模具寬度距離與X向模具距離之比高達(dá)11，所述Z向模具寬度距離與Y向模具距離之比高達(dá)14，所述操作溫度高達(dá)200℃，所述構(gòu)造材料是鋼，所述最大橫截面溫度設(shè)定和最小橫截面溫度設(shè)定之間的差等于或小于10℃，且所述前橫截面加熱器提供了維持所述穩(wěn)態(tài)操作條件所需的總功率的特征部分20％-60％，以及X-Z平面中所述模唇面的彎曲平坦度小于0.001″平坦度偏差，而當(dāng)涂布開始時(shí)，X-Z平面或Y-Z平面中的模唇面平坦度偏差的大小變化不大于0.001″，以及能夠在X-Z平面中以每1°F X-Z平面中特意引起的溫度梯度0.0005″到0.003″的速率特意彎曲模具。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的涂布模具設(shè)備，其中所述整體式加熱系統(tǒng)的平衡被優(yōu)化，以保持X-Z平面中所述模唇面的彎曲平坦度小于0.0005″平坦度偏差，而當(dāng)涂布開始時(shí)，X-Z平面或Y-Z平面中模唇平坦度偏差的大小變化不大于0.0004″。
43.根據(jù)權(quán)利要求41所述的涂布模具設(shè)備，其中所述整體式加熱系統(tǒng)的平衡被優(yōu)化，以保持Y-Z平面中模具彎曲平坦度小于0.004″平坦度偏差。
44.根據(jù)權(quán)利要求41所述的涂布模具設(shè)備，其中所述整體式加熱系統(tǒng)進(jìn)一步包括多組橫寬加熱器，其在所述模具內(nèi)按后部分到前部分的方向和/或前部分到后部分的方向排列，跨過(guò)區(qū)域中模具寬度；每個(gè)區(qū)域具有一個(gè)相應(yīng)的橫寬溫度傳感器，每個(gè)橫寬溫度傳感器與一個(gè)相應(yīng)的橫寬溫度控制系統(tǒng)連接，以調(diào)節(jié)各個(gè)區(qū)域中橫寬加熱器施加的熱量。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的涂布模具設(shè)備，其中所述橫寬加熱器區(qū)域與橫截面加熱器區(qū)域被同時(shí)保持熱平衡，以保持所述槽形開口中橫寬溫度偏差小于15°F，且粘合溫度處于模具標(biāo)稱溫度或在其10°F之內(nèi)。
46.根據(jù)權(quán)利要求43所述的涂布模具設(shè)備，其中所述橫寬加熱器區(qū)域與橫截面加熱器區(qū)域被同時(shí)保持熱平衡，以保持Y-Z平面中彎曲平坦度小于0.002″平坦度偏差。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的涂布模具設(shè)備，其中所述橫寬加熱器區(qū)域與橫截面加熱器區(qū)域被同時(shí)保持熱平衡，以保持所述槽形開口中橫寬溫度偏差小于8°F，粘合溫度處于模具標(biāo)稱溫度或在其2°F之內(nèi)。
48.根據(jù)權(quán)利要求41所述的涂布模具設(shè)備，其中所述模具設(shè)備與外部隔絕，以減小或消除溫度梯度。
49.根據(jù)權(quán)利要求41所述的涂布模具設(shè)備，其中一個(gè)氣流防護(hù)裝置被放置在所述前部分上，從而由于從所述基底中剝離了一個(gè)氣界層，避免所述模具出現(xiàn)局部冷卻。
50.根據(jù)權(quán)利要求41所述的涂布模具設(shè)備，其中所述前橫截面溫度傳感器和所述后橫截面溫度傳感器為線繞鉑電阻式溫度檢測(cè)器，其精度好于+/-1°F。
51.根據(jù)權(quán)利要求41所述的涂布模具設(shè)備，其中所述橫寬溫度傳感器為線繞鉑電阻式溫度檢測(cè)器，其精度好于+/-1°F。
52.根據(jù)權(quán)利要求40所述的涂布模具設(shè)備，其中所述整體式加熱系統(tǒng)進(jìn)一步包括多組橫寬加熱器，其在所述模具內(nèi)按后部分到前部分的方向和/或前部分到后部分的方向排列，跨過(guò)區(qū)域中寬度；每個(gè)區(qū)域具有一個(gè)相應(yīng)的橫寬溫度傳感器，每個(gè)橫寬溫度傳感器與一個(gè)相應(yīng)的橫寬溫度控制系統(tǒng)連接，以調(diào)節(jié)各個(gè)區(qū)域中橫寬加熱器施加的熱量。
53.根據(jù)權(quán)利要求40所述的涂布模具設(shè)備，其中所述模具設(shè)備與外部隔絕，以減小或消除溫度梯度。
54.根據(jù)權(quán)利要求40所述的涂布模具設(shè)備，其中一個(gè)氣流防護(hù)裝置被放置在所述前部分上，從而由于從所述基底中剝離了一個(gè)氣界層，而避免所述模具出現(xiàn)局部冷卻。
55.根據(jù)權(quán)利要求40所述的涂布模具設(shè)備，其中所述前橫截面溫度傳感器和所述后橫截面溫度傳感器為線繞鉑電阻式溫度檢測(cè)器，其精度好于+/-1°F。
56.根據(jù)權(quán)利要求40所述的涂布模具設(shè)備，其中所述橫寬溫度傳感器為線繞鉑電阻式溫度檢測(cè)器，其精度好于+/-1°F。
全文摘要
一種設(shè)計(jì)方法及所獲得的熱穩(wěn)定加熱涂布模具設(shè)備，所述模具設(shè)備包括模具(20)，其具有模具幾何形狀以及帶有加熱器和溫度傳感器的加熱系統(tǒng)。所述方法和所獲得的設(shè)備提供了最小化的溫度梯度、模具中相對(duì)于滾筒平面的平坦模唇面以及在垂直于平坦模唇面和平行于基底寬度的平面上的平坦模具。所述方法同時(shí)優(yōu)化了模具幾何形狀、加熱器的布置、溫度傳感器的布置以及操作條件的防護(hù)等，所述優(yōu)化采用了熱傳遞和結(jié)構(gòu)數(shù)字建模和統(tǒng)計(jì)分析，并且同時(shí)考慮了模具的功能性特征、與平坦度的最小可接受偏差有關(guān)的溫度測(cè)量和控制精度的最小增量、與熱結(jié)構(gòu)材料性能有關(guān)的涂布模具構(gòu)造材料、以及期望的涂布模具材料性能。
文檔編號(hào)B05C5/02GK1798616SQ200480015100
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月30日
發(fā)明者M·J·懷亞特, E·M·彼德森, L·薩特 申請(qǐng)人:艾利丹尼森公司