柔性产品用不锈钢箔柔度测试装置设计与实现

朱亚峰，杨向东

(1.广东技术师范学院天河学院，广东广州510540;2.广东工业大学机电工程学院，广东广州510006)

作为显示器的新兴领域，超薄平板显示器、电子书、个人导航设备等便于携带的显示装置正在兴起。另外，产业界也在进行与纸相同的阅读感觉的电子纸等显示装置的开发。有机EL(Electro Luminescence，电致发光)显示器也受到特别关注。尤其是近年来符合“绿色、环保、节能”理念的柔性衬底薄膜太阳能电池技术，受到越来越多的重视和研发［1］。这些产品具有轻薄、耐冲击和可变曲的特性，工业界及研究界称为“柔性”。具有此种特性的产品称为柔性产品。

目前，美国、欧洲、日本、韩国等世界柔性产品主要生产商采用自动化的卷对卷(Roll to Roll，R2R)工艺来生产上述柔性产品［2］。而对于上述柔性产品，重要的工艺因素就是基板的选择。目前的柔性显示器主要有薄玻璃、金属箔和有机树脂［3］。

图1 不同厚度(mm 级)超薄不锈钢HV 值测试(测量设备:HV-1000 显微硬度计)

图2 SUS304 不锈钢谱图分析(测量设备:SEM)

1 测试思想的提出

不锈钢箔压延后，需要进行光亮退火(BA 材)。但是，实施了光亮退火的BA 材不锈钢箔还取决于厚度，且存在形状复原性低的问题。将厚度为200 μm左右的箔材卷曲成直径为50 mm 的能用一只手拿住的圆筒状时，即使去除卷曲力，箔也不会成平面。如果使其勉强恢复，则会成为有凹凸的面［5］。

作为柔性显示器所必要的柔性，是能够反复卷绕成能够用一只手握住的直径为50 mm 左右的圆筒状，或能够经得起以翻书页时的平均纸的曲率半径来反复弯曲，这成为柔性的指标［5］。作为必要的柔性，以水平面为参考面，以经过卷曲后最大变形角度定义，作为柔性产品基板使用的不锈钢基板，变形角度小于10°较好［5］。当变形角度大于10°时，会发生弯折或形状不能复原的问题(如图3所示)。

图3 柔度定义

用手握的方法去比较不锈钢箔的柔性，缺乏客观性。目前，国内外尚无柔性产品用不锈钢箔柔度测试装置报道。

鉴于以上考虑，可以在厚度、表面质量、硬度值满足柔性产品用不锈钢箔条件下，运用CNC 控制带动一沿着50 mm 的圆筒状弯曲的SUS304 不锈钢箔，测试其在去除弯曲力时能够多大程序上恢复到原来形状的机电装置，其特征在于:能与电动机进行紧密配合，并能保证与不锈钢箔紧密贴合并同时正反向低速、高速地无级转动。

2 测试装置的设计与实施

2.1 机械传动装置

CNC 控制的无级变速，可以考虑电主轴及变频器驱动的三相异步电机。考虑测试对象为不锈钢箔，受力较小、转矩较小的特点，使用变频器驱动的伺服电机［6］来实现转动。确定三相异步电动机型号为JW7124，其传动轴为φ16 mm。

取φ50 mm 圆筒铝棒材，车削加工外圆面，镗削内圆面，拉削键槽，以保证加工质量(如图4所示)。内圆取5 ×5 标准键［7］与电机配合，并实现同步旋转。

图4 机械主轴结构图(φ50，键取5 ×5)

2.2 电气装置

根据设计思想，确定变频器(0 ～50 Hz，可手动旋转调整)、交流接触器(KM)、时间继电器(KA)开关电源及导线组成的主电路及控制电器，实现电机主轴的无级变速(0 ～200 r/min)及正反转、停止动作［8］，并具有漏电保护功能。其电气原理图与控制回路图分别如图5、图6所示。

4.猪疥螨病。猪疥螨是一种接触传染的寄生虫病，其寄生于猪表皮深层。螨破坏皮肤屏障，为其它疾病敞开了方便之门，感染病猪剧痒，到处摩擦或以肢蹄搔擦患部皮肤。

图5 电气原理图

图6 控制回路图

变频器选用空间电压矢量PWM 控制和无速度传感器矢量控制的易能ENC800 系列，型号为4T0007，功率为0.75 kW。

2.3 测试装置安装

确定好机械、电气装置后，安装、调试步骤如下:

(1)根据电气原理图(图5)、电缆接线图(图6)识别并连接各元器件;

(2)安装φ50 mm 圆筒时，需要借助百分表保证其与电机轴同心度不大于0.01 mm;

(3)根据转速n(r/min)、频率f(Hz)及电机磁极对数p 等参数，设定需要的变频器参数，所用公式为

(4)接线完毕，通电启动系统;

(5)按CNC 系统中的正转键主轴能正转，按反转键主轴能反转，按停止键，主轴停止;

(6)用宽度为5 ～10 mm 强力双面胶(美国3M公司生产)，将长宽比为2 ～4 的不锈钢箔粘贴在φ50圆筒外径上;

(7)按CNC 系统的正转键或者反转键，旋转1 ～3 min;

(8)加热，使双面胶粘合力降低，取下不锈钢箔;

(9)测量不锈钢箔没有粘合一侧翘曲部位的投影长度X 与高度H，计算不锈钢箔的柔度α，公式为。

调试、安装好的柔性产品用不锈钢箔柔度测试装置如图7所示。

图7 测试装置电气接线实物图

3 测试

分别采用以下3 种不同方式利用此测试装置对不同厚度的不锈钢箔进行测试，测试过程如图8、图9所示。测试结果如表1所示。

测试一:采用厚度为0.8 μm 的冷轧BA 级SUS304 不锈钢薄板，长度与宽度分别为320 与75 mm，用双面胶粘上φ50 圆筒，设置变频器参数为f=2 Hz。启动CNC 正转按键运行3 min，测量最高点变化，见表1。

测试二:采用厚度为0.8 μm 的冷轧BA 级SUS304 不锈钢薄板，长度与宽度分别为200 与75 mm，用双面胶粘上φ50 圆筒，设置变频器参数为f=2 Hz。启动CNC 正转按键运行4 min，测量最高点变化，见表1。

图8 不锈钢基板测试装置工作图

图9 柔度测试

表1 不同尺寸不锈钢箔柔度测试

测试三:采用厚度为0.6 μm 的冷轧BA 级SUS304 不锈钢薄板，长度与宽度分别为250 与40 mm，用双面胶粘上φ50 圆筒，设置变频器参数为f=3 Hz。启动CNC 正转按键运行5 min，测量翘曲最高点水平尺寸X 与高度尺寸H。

比较例1、例2，不锈钢箔厚度相同但长度较长时，使用该装置测试出的变形角度大，形状复原性不足。比较例2、例3，不锈钢箔厚度较小且宽度较短时，使用该装置测试出的变形角度相对较大。

4 结论

实验表明:柔性产品用不锈钢箔柔度测试装置设计充分利用了CNC 装置的即时控制和无级调整功能，操作方便，成本低廉，实施效果好，可以测试出供不同柔性产品使用的不锈钢箔柔度，可以用来作柔性显示器、电子纸、有机EL 显示器、太阳能电池等柔性产品基板用不锈钢箔的柔度测试。

【1】卢有祥.液晶显示器用玻璃基板［J］.光电技术，2008(3):3－7.

【2】田民波，叶锋.平板显示器技术发展［M］.北京:科学出版社，2010.

【3】能绍珍，朱美芳.太阳能电池基础及应用［M］.北京:科学出版社，2009.

【4】朱建平，陶杰，汪涛，等，柔性产品用超薄不锈钢基材的精密成型方法及制得的基材及应用:中国，201010132392［P］.2010－09－01.

【5】由田纪子，小仓豊史.柔性显示器用不锈钢箔:日本，200980117792［P］.2011－04－20.

【6】颜嘉男.伺服电机应用技术［M］.北京:科学出版社，2010.

【7】闻邦椿.机械设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2010.

【8】黄永红.电气控制与PLC 应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2010.