镍合金镀层 结构辊筒（花纹辊轮）模具加工核心技术

 

随着光电显示技术的发展，对超精密加工设备及工艺的需求也越来越高。 液晶显示背光模组中关键件——增光膜的制造就离不开超精密加工设备。

拥有单点超精密辊筒模具机床，具备了制造辊筒的基本能力，这还不够，要加工出一支高质量的辊筒模具，还需要掌握相关的工艺技术。

超精密单点金刚石模具机床采用的是天然金刚石刀具在辊筒表面直接出高精密度的微细结构花纹花纹，然后作为辊筒模具，广泛应用于：精密结构复制成型工艺中 如 UV涂布 、挤出成型、3D光栅印刷等领域；

   

    单晶体金刚石是当前最理想的超精密车削加工刀具材料。最精密刀具采用优质单晶体天然金刚石，要求大颗粒（0.5-1.5克拉）、无杂质、无缺陷、浅色透明；金刚石是已知材料中硬度最高，强度和耐磨性、导热性能好，与有色金属间的摩擦因素低、亲和力小，氧化温度高；

 

  单点金刚石刀具的特点：

Ø 较高的耐磨性，寿命长；

Ø 其特殊的结晶体结构使其刀具的刃口可以达到原子级平直度与锋利度；

Ø 高导热系数可降低加工中变形；

Ø 切削深度一般是 微米 量，精度到  ；

Ø 可加工出微米及亚微米级的形状精度及纳米表面粗糙度的精密工件；

   

模具通常需要达到一定的刚度和热稳定性，通常是以钢材为基体，而天然金刚石无法在钢材上直接加工，只能在有色金属上进行加工。

众所周知，辊筒模具的传统加工方法是： 在钢基体辊筒表面镀一层软的铜层，钢基底通常未经热处理， 然后使用金刚石刀具在铜表面车削和雕刻出花纹结构。

完成花纹结构雕刻后的辊筒可以直接用于挤出成型或者涂布以及UV固化生产作业中。但是由于辊筒在很容易短时间内氧化，其高光洁度表面一旦氧化，会在后续生产过程中，影响光学膜成型的精度；同时铜的质地非常（软），其洛氏硬度值约为 220 维卡(Vicker) ，在切削或雕刻过程中都很容易造成损坏；另外或这种铜模辊使用寿命非常短。

   

    铜辊筒的保存也是比较复杂和高成本，只有保存在氮气里，免于暴露在外部空气中才能保持铜不被氧化，因而这种方式成本很高；

后来国际上通行的做法是，在完成铜辊表面结构雕刻后，再在经过雕刻的铜镀层表面加镀一薄层铬，以保护其下层较软的铜，这种镀铬后的辊筒在生产过程中寿命相对得到较大的提升。

然而镀铬辊筒虽然解决了铜辊硬度和寿命的问题，但仍然存在其他较多的问题：

  1. 后续镀铬层非常薄（5-10 um），因此对于辊筒后续生产过程中保护有限；

  2. 加工后的最终铬镀层本身内部存在细微裂缝，而且整个柱体表面的铬镀层厚度不均匀。这将影响整个辊筒工作面光学质量；

  3. 后续加镀的薄铬层在经过短时间使用后，尤其在使用酸性树脂（例如 PVC）在挤出生产过程时，可能会与铜质雕刻镀层产生分离。导致辊筒报废，必须进行重新加工。因此，挤压机生产将中断，并且带来不必要的生产延误和成本增加。

4. 后续加镀的薄铬层会给铜质辊筒增加不必要的厚度，从而导致原先的光学结构设计发生改变。铜质雕刻透镜上表面增加的镀铬层会改变透镜剖面的设计形状（刀形顶部），使剖面变为较圆滑的形状。这种镀铬透镜剖面会形成"平坦区域"而非"刀形顶部"形状的透镜。因此，使原先的光学透镜设计发生明显变化，从而造成负面影响。

     

多年来，国际上一直在寻求一种更好的解决方案，如今国际上比较先进的做法就是在辊筒上，镀上一层镍磷合金镀层，再在镍磷合金上加工花纹结构，然后就可以直接将这种辊筒用于挤出、UV 涂布等生产中。

    镍合金镀层是一种表面处理技术，镀于模具表面能有效的提高模具耐磨、耐腐蚀等特性，更能提高模具的亮度，显著提升模具的使用寿命，广泛应用于很多领域。镍磷合金镀层具有以下优点：

1.优异的耐腐、耐磨性能；
2.非磁性的、低应力的镀层；
3.极低的孔隙率镀层；
4.优异的脱模性能;

5. 增加模具寿命达10倍以上。

菲斯特科技长期"大尺寸微细结构光学元件"的开发及其在光电显示领域的应用，2004年就拥有国内最大的超精密单点金刚石菲涅尔透镜和超精密单店金刚石纳米辊筒模具机床，凭借先进的生产装备，领先的技术储备和完善的自主知识产权，已经建立了在“光学设计与模拟仿真、光学高分子材料、超大精密模具设备和成套精密成型工艺”的技术体系：

 

    菲斯特公司认识到，之前国内的镍合金镀层技术应用通常是工业领域，为工件表面保护和耐腐蚀，还无法真正应用到光学领域，因为光学领域的模具通常具有微细光学结构，要求精度更高，表面光洁度更高。

  从2006年起，菲斯特建立团队，开发镍合金镀层技术应用在超精密模具表面，经过几年的积累，与2011年开发出“高磷高厚镍磷合金”镀层，经过验证，已达到了国际领先水平：

  1. 镀层的厚度可达1mm 以上； 市场上一般是30um以下；

  2. 磷含量达到8-11%以上，高于目前市面上的10%；

  菲斯特高磷高厚镍磷合金”镀层镀层技术优势：

1. 镀层的硬度较高，不会象铜那样容易损坏，并且镀层的洛氏硬度值超过 550 Vicker；

2. 金刚石刀具切削性能佳，对刀具损耗降到最低；

3. 辊筒花纹雕刻后，镀层不易着色，在后续生产中，并且只要对表面进行适当清洁，也不会对后续产品产生污点；

4. 镀层的表面光洁度极佳，整个柱面镀层的厚度均匀；

5. 整体镀层在经过长时间使用后，也不会与未经热处理的钢质基体产生分离；

6. 完美的光学设计剖面直接雕刻到镀层，可实现最佳的光学性能；

  镀层的厚度越厚，其实现的技术就越复杂；同时，镀层越厚，就越能实现薄镀层很难实现的功能，甚至可以实现对厚镀层进行车削加工等用途；磷含量越高，加工时候的精度就越能得到保障。

  镍磷合金镀层技术是随着光电显示产业的发展而发展的， 是超精密单点金刚石加工的最佳材料，其加工性能优异，模具精度高，寿命长，具有耐腐蚀的特点，广泛应用在光学领域各个方面。

  菲斯特在微细结构光学元件及其在光电显示领域的应用方面积累多年的经验，孜孜不倦，在核心技术方面建立了基础性、完整性和自主性的技术体系，不但拥有目前超精密单点金刚石雕刻机床，结构辊筒、花纹辊轮模具雕刻设备，还具备相配套的辊筒表面处理工艺，在超精密加工方面具有完善的体系。