柔性產品用不銹鋼箔柔度測試裝置設計與實現

朱亞峰，楊向東

(1.廣東技術師范學院天河學院，廣東廣州510540;2.廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州510006)

作為顯示器的新興領域，超薄平板顯示器、電子書、個人導航設備等便于攜帶的顯示裝置正在興起。另外，產業界也在進行與紙相同的閱讀感覺的電子紙等顯示裝置的開發。有機EL(Electro Luminescence，電致發光)顯示器也受到特別關注。尤其是近年來符合“綠色、環保、節能”理念的柔性襯底薄膜太陽能電池技術，受到越來越多的重視和研發［1］。這些產品具有輕薄、耐沖擊和可變曲的特性，工業界及研究界稱為“柔性”。具有此種特性的產品稱為柔性產品。

目前，美國、歐洲、日本、韓國等世界柔性產品主要生產商采用自動化的卷對卷(Roll to Roll，R2R)工藝來生產上述柔性產品［2］。而對于上述柔性產品，重要的工藝因素就是基板的選擇。目前的柔性顯示器主要有薄玻璃、金屬箔和有機樹脂［3］。

圖1 不同厚度(mm 級)超薄不銹鋼HV 值測試(測量設備:HV-1000 顯微硬度計)

圖2 SUS304 不銹鋼譜圖分析(測量設備:SEM)

1 測試思想的提出

不銹鋼箔壓延后，需要進行光亮退火(BA 材)。但是，實施了光亮退火的BA 材不銹鋼箔還取決于厚度，且存在形狀復原性低的問題。將厚度為200 μm左右的箔材卷曲成直徑為50 mm 的能用一只手拿住的圓筒狀時，即使去除卷曲力，箔也不會成平面。如果使其勉強恢復，則會成為有凹凸的面［5］。

作為柔性顯示器所必要的柔性，是能夠反復卷繞成能夠用一只手握住的直徑為50 mm 左右的圓筒狀，或能夠經得起以翻書頁時的平均紙的曲率半徑來反復彎曲，這成為柔性的指標［5］。作為必要的柔性，以水平面為參考面，以經過卷曲后最大變形角度定義，作為柔性產品基板使用的不銹鋼基板，變形角度小于10°較好［5］。當變形角度大于10°時，會發生彎折或形狀不能復原的問題(如圖3所示)。

圖3 柔度定義

用手握的方法去比較不銹鋼箔的柔性，缺乏客觀性。目前，國內外尚無柔性產品用不銹鋼箔柔度測試裝置報道。

鑒于以上考慮，可以在厚度、表面質量、硬度值滿足柔性產品用不銹鋼箔條件下，運用CNC 控制帶動一沿著50 mm 的圓筒狀彎曲的SUS304 不銹鋼箔，測試其在去除彎曲力時能夠多大程序上恢復到原來形狀的機電裝置，其特征在于:能與電動機進行緊密配合，并能保證與不銹鋼箔緊密貼合并同時正反向低速、高速地無級轉動。

2 測試裝置的設計與實施

2.1 機械傳動裝置

CNC 控制的無級變速，可以考慮電主軸及變頻器驅動的三相異步電機。考慮測試對象為不銹鋼箔，受力較小、轉矩較小的特點，使用變頻器驅動的伺服電機［6］來實現轉動。確定三相異步電動機型號為JW7124，其傳動軸為φ16 mm。

取φ50 mm 圓筒鋁棒材，車削加工外圓面，鏜削內圓面，拉削鍵槽，以保證加工質量(如圖4所示)。內圓取5 ×5 標準鍵［7］與電機配合，并實現同步旋轉。

圖4 機械主軸結構圖(φ50，鍵取5 ×5)

2.2 電氣裝置

根據設計思想，確定變頻器(0 ～50 Hz，可手動旋轉調整)、交流接觸器(KM)、時間繼電器(KA)開關電源及導線組成的主電路及控制電器，實現電機主軸的無級變速(0 ～200 r/min)及正反轉、停止動作［8］，并具有漏電保護功能。其電氣原理圖與控制回路圖分別如圖5、圖6所示。

4.豬疥螨病。豬疥螨是一種接觸傳染的寄生蟲病，其寄生于豬表皮深層。螨破壞皮膚屏障，為其它疾病敞開了方便之門，感染病豬劇癢，到處摩擦或以肢蹄搔擦患部皮膚。

圖5 電氣原理圖

圖6 控制回路圖

變頻器選用空間電壓矢量PWM 控制和無速度傳感器矢量控制的易能ENC800 系列，型號為4T0007，功率為0.75 kW。

2.3 測試裝置安裝

確定好機械、電氣裝置后，安裝、調試步驟如下:

(1)根據電氣原理圖(圖5)、電纜接線圖(圖6)識別并連接各元器件;

(2)安裝φ50 mm 圓筒時，需要借助百分表保證其與電機軸同心度不大于0.01 mm;

(3)根據轉速n(r/min)、頻率f(Hz)及電機磁極對數p 等參數，設定需要的變頻器參數，所用公式為

(4)接線完畢，通電啟動系統;

(5)按CNC 系統中的正轉鍵主軸能正轉，按反轉鍵主軸能反轉，按停止鍵，主軸停止;

(6)用寬度為5 ～10 mm 強力雙面膠(美國3M公司生產)，將長寬比為2 ～4 的不銹鋼箔粘貼在φ50圓筒外徑上;

(7)按CNC 系統的正轉鍵或者反轉鍵，旋轉1 ～3 min;

(8)加熱，使雙面膠粘合力降低，取下不銹鋼箔;

(9)測量不銹鋼箔沒有粘合一側翹曲部位的投影長度X 與高度H，計算不銹鋼箔的柔度α，公式為。

調試、安裝好的柔性產品用不銹鋼箔柔度測試裝置如圖7所示。

圖7 測試裝置電氣接線實物圖

3 測試

分別采用以下3 種不同方式利用此測試裝置對不同厚度的不銹鋼箔進行測試，測試過程如圖8、圖9所示。測試結果如表1所示。

測試一:采用厚度為0.8 μm 的冷軋BA 級SUS304 不銹鋼薄板，長度與寬度分別為320 與75 mm，用雙面膠粘上φ50 圓筒，設置變頻器參數為f=2 Hz。啟動CNC 正轉按鍵運行3 min，測量最高點變化，見表1。

測試二:采用厚度為0.8 μm 的冷軋BA 級SUS304 不銹鋼薄板，長度與寬度分別為200 與75 mm，用雙面膠粘上φ50 圓筒，設置變頻器參數為f=2 Hz。啟動CNC 正轉按鍵運行4 min，測量最高點變化，見表1。

圖8 不銹鋼基板測試裝置工作圖

圖9 柔度測試

表1 不同尺寸不銹鋼箔柔度測試

測試三:采用厚度為0.6 μm 的冷軋BA 級SUS304 不銹鋼薄板，長度與寬度分別為250 與40 mm，用雙面膠粘上φ50 圓筒，設置變頻器參數為f=3 Hz。啟動CNC 正轉按鍵運行5 min，測量翹曲最高點水平尺寸X 與高度尺寸H。

比較例1、例2，不銹鋼箔厚度相同但長度較長時，使用該裝置測試出的變形角度大，形狀復原性不足。比較例2、例3，不銹鋼箔厚度較小且寬度較短時，使用該裝置測試出的變形角度相對較大。

4 結論

實驗表明:柔性產品用不銹鋼箔柔度測試裝置設計充分利用了CNC 裝置的即時控制和無級調整功能，操作方便，成本低廉，實施效果好，可以測試出供不同柔性產品使用的不銹鋼箔柔度，可以用來作柔性顯示器、電子紙、有機EL 顯示器、太陽能電池等柔性產品基板用不銹鋼箔的柔度測試。

【1】盧有祥.液晶顯示器用玻璃基板［J］.光電技術，2008(3):3－7.

【2】田民波，葉鋒.平板顯示器技術發展［M］.北京:科學出版社，2010.

【3】能紹珍，朱美芳.太陽能電池基礎及應用［M］.北京:科學出版社，2009.

【4】朱建平，陶杰，汪濤，等，柔性產品用超薄不銹鋼基材的精密成型方法及制得的基材及應用:中國，201010132392［P］.2010－09－01.

【5】由田紀子，小倉豊史.柔性顯示器用不銹鋼箔:日本，200980117792［P］.2011－04－20.

【6】顏嘉男.伺服電機應用技術［M］.北京:科學出版社，2010.

【7】聞邦椿.機械設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2010.

【8】黃永紅.電氣控制與PLC 應用技術［M］.北京:機械工業出版社，2010.