本发明涉及一种微晶结构，更具体地，涉及一种用于制造大尺寸微晶结构的系统和方法。
背景技术：
微晶结构，例如在第’989专利中公开的结构，具有许多应用，对于很多这种应用需要特定的最小尺寸的结构。第’989专利中公开的制造工艺包括通过将适合的液态光单体曝光在穿过一个或多个光掩膜的准直光下而形成微晶结构。该液态光单体在光聚合过程中会经历折射率变化，这可以引起聚合物光波导的形成。如果光敏单体在适当的条件下曝光在光(一般为uv)下，例如小的圆形区域的聚合的起始区域将“捕获”光并将其引导至聚合区域的尖端处，进一步推进聚合区域。该过程将持续引起波导结构的形成，该波导结构具有沿其整个长度的大致或者大约相同的截面尺寸。当由来自多个不同方向的准直光穿过光掩膜从上方照射光单体盒时，可以使用(或者利用)具有二维孔图案的光掩膜生成三维聚合物微结构。
使用(或者利用)这种制造工艺形成的微晶的厚度受限于准直光能够以足够小的衰减传播穿过波导以在波导的端部持续聚合该单体的程度。因此，需要一种制造微晶结构的系统和方法，该微晶结构的厚度不受准直光能够穿过波导传播的限制。
技术实现要素：
在用于形成较大厚度的微晶结构的系统和方法的一个实施例中，光单体树脂被存放在具有透明底部的模具中，使用脱模剂涂覆该透明底部的内表面。基板被放置在于光单体树脂的顶面接触的位置。使用一个或多个准直光源从下方穿过光掩膜照射光单体，以形成聚合物波导，向上延伸到基板，形成与基板接触的微晶结构。形成微晶结构的层之后，使用(或者利用)平移-旋转系统提升基板，向模具中添加外加的光单体树脂，再次穿过光掩膜照射该光单体树脂以形成微晶结构的附加层。多次重复该过程以形成堆叠微晶结构。
根据本发明的实施例提供了一种用于形成微晶结构的系统，该系统包括：贮存室，所述贮存室被构造为用于保持一定体积的液态光单体，所述贮存室的底部包括窗口，所述窗口为至少部分透明并且被构造为用于密封所述贮存室的所述底部；卡盘，所述卡盘被构造为用于保持基板；平移-旋转系统，所述平移-旋转系统被构造为用于将所述卡盘支撑在所述贮存室上方的区域；和第一准直光源，所述第一准直光源被构造为沿第一方向穿过所述窗口发射第一准直光束并使其进入所述贮存室的内部。
在一个实施例中，所述窗口包括光掩膜。
在一个实施例中，该系统包括光掩膜保持器，所述光掩膜保持器被构造为将光掩膜固定到所述贮存室的所述底部。
在一个实施例中，还包括被固定到所述贮存室的所述底部的光掩膜。
在一个实施例中，该系统包括：第二准直光源，所述第二准直光源被构造为沿第二方向发射穿过所述光掩膜并进入所述贮存室的所述内部的第二准直光束；和第三准直光源，所述第三准直光源被构造为沿第三方向发射穿过所述光掩膜并进入所述贮存室的所述内部的第三准直光束；所述第一方向不同于所述第二方向，所述第二方向不同于所述第三方向，并且所述第一方向不同于所述第三方向。
在一个实施例中，所述光掩膜保持器包括至少部分透明的薄片；所述窗口和所述至少部分透明的薄片被构造为用于夹持所述光掩膜。
在一个实施例中，该系统包括被构造为将窗口、光掩膜和至少部分透明的薄片夹在一起的夹具。
在一个实施例中，该系统包括平移测量装置，所述平移测量装置被构造为用于测量所述平移-旋转系统的位置。
在一个实施例中，所述窗口包括作为主要部件的从包含以下材料的组中选择的材料：玻璃、石英、透明塑胶以及它们的组合。
在一个实施例中，所述窗口的上表面被处理以避免粘合到所述窗口。
在一个实施例中，所述卡盘包括磁体，所述磁体被构造为通过磁力固定所述基板。
在一个实施例中，所述基板包括具有孔的平坦表面，所述卡盘被构造为用于真空固定所述基板。
在一个实施例中，包括具有多个孔的光掩膜。
在一个实施例中，所述光掩膜包括作为主要部分的从包含以下材料的组中选择的材料：透明塑料、玻璃、石英以及它们的组合。
根据本发明的实施例提供了一种用于形成微晶结构的方法，该方法包括以下步骤：向贮存室的内部传送第一体积的光单体，所述贮存室的底部包括窗口；将基板固定到卡盘；操作平移-旋转系统以将所述基板放置在于所述光单体接触的位置；沿第一方向穿过所述光掩膜发射第一准直光束并使其进入所述贮存室的所述内部，所述发射步骤以以下方式执行：使得第一波导在所述光单体内形成；使得所述第一波导延伸到所述基板；和使得所述第一波导粘合到所述基板的下表面；和操作所述平移-旋转系统，以提升所述基板和所述第一波导。
在本发明的一个实施例中，该方法还包括以下步骤：沿第二方向穿过所述光掩膜发射第二准直光束并使其进入所述贮存室的所述内部，其中：执行沿第一方向穿过所述光掩膜发射第一准直光束并使其进入所述贮存室的所述内部的步骤、执行操作平移-旋转系统以提升所述基板和所述第一波导的步骤、和执行沿第二方向穿过所述光掩膜发射第二准直光束并使其进入所述贮存室的所述内部的步骤，使得：在所述光单体内形成第二波导、使所述第二波导延伸到所述基板、和使所述第二波导粘合到所述第一波导的下端。
根据本发明的实施例提供了一种微晶结构，包括：多个第一波导构件，所述多个第一波导构件通过多个第一自生长聚合物波导限定并沿第一方向延伸；多个第二波导构件，所述多个第二波导构件通过多个第二自生长聚合物波导限定并沿第二方向延伸；和多个第三波导构件，所述多个第三波导构件通过多个第三自生长聚合物波导限定并沿第三方向延伸；其中，所述第一波导构件、第二波导构件和第三波导构件在多个节点处彼此交联以形成连续材料；和其中，所述微晶结构的总体尺寸超过2英寸长、2英寸宽以及2英寸高。
附图说明
本发明的上述和其它特征和优点将参考具体说明、权利要求和附图进行说明和理解，其中：
图1a为根据本发明的实施例的堆叠微晶结构的透视图；
图1b为根据本发明的实施例的堆叠微晶结构的单元晶胞的透视图；
图2a为根据本发明的实施例的在用于形成堆叠微晶结构的第一层的结构中用于制造堆叠微晶结构的系统的侧视图；
图2b为根据本发明的实施例的在用于形成堆叠微晶结构的第三层的结构中用于制造堆叠微晶结构的侧视图；
图3为根据本发明的实施例的用于制造堆叠微晶结构的系统的透视图；
图4为根据本发明的实施例的光掩膜固定器和光掩膜的截面图；和
图5为根据本发明的实施例的用于说明制造堆叠微晶结构的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细说明旨在说明依据本发明的堆叠式微晶材料及其制备方法的实施例的说明，并不旨在表示本发明的唯一构造形式或者应用。该说明结合说明性实施例阐明了本发明的特征。但是，应当理解的是相同或者同等的功能和结构可以通过也旨在包含在本发明的精神和范围内的不同实施例实现。如在本文其它地方所做的说明，相似的元件标号旨在表示相似的元件或特征。
图1a和图1b分别示出了典型的微晶材料100和典型的微晶材料单元晶胞10。在有限的厚度(这里使用或者采用厚度是指制造期间的垂直方向，对应于图1b中的z轴)中，该结构可以通过自引导或“自传播”光聚合过程(如第’989专利和第’959专利中所示出的)制造。在聚合过程中光敏聚合物经历折射率变化，这可以引起聚合物光波导的形成。如果光敏单体树脂在合适的条件下曝露于光(例如，紫外线)下，则聚合的起始区域(例如小的圆形区域)将“捕获”光并将光引导至聚合区域的尖端，并在该聚合区域进一步推进。该过程持续进行，导致沿其整体长度具有大致或大约相同的横截面尺寸的波导结构形成。波导可以在节点115处交联，形成包括在节点115处连接的波导构件110的结构。在一个实施例中，节点不会因为光聚合过程导致的折射率的改变而在尺寸上受影响，即，节点不会膨胀或者具有超过与该节点相交的波导110的直径的局部直径。
本发明的实施例利用以平行或者顺序的方法形成该波导110的过程而产生大的相互连接的晶格材料。波导材料的层被顺序地制成以形成更厚的材料块；每层的形成包括多个波导110的平行制造。参考图2a，在一个实施例中，用于制造较大厚度的堆叠微晶结构205的系统包括光单体贮存室或者“模具”210和卡盘212，该光单体贮存室或者“模具”210具有至少部分透明的窗口305(图3),而卡盘212被构造为用于保持基板215。卡盘212由于被紧固到平移-旋转系统213而可以移动，平移-旋转系统213被构造为以可控的方式在一个或多个自由度中移动卡盘212。这里使用的“至少部分地透明”意味着(或者指)对适合于聚合光单体树脂的至少一种光波长是透明或者半透明的。该系统被构造使得光掩膜400(图4)可以被放置在例如卡盘210的窗口305的下方的位置，从而光单体树脂可以被注入卡盘210，并且可以由放置在卡盘210的底部211的准直光的一个或多个光源225的准直光的光束220穿过光掩膜400照射该光单体树脂。参考图2b，部分成形的堆叠微晶结构205的多个层可以被保持在模具210的上方或者部分地突出以进入模具210，同时在模具210中形成另一个层。图3示出了图2a和2b中所示的系统的透视图。
在一个实施例中，光掩膜400被设置在至少一个准直光源225和模具210之间。光掩膜400沿单个平面延伸并且具有至少一个洞或者“孔”402(图4)，至少一个孔402适用于将准直光束的第一光束、第二光束和第三光束引导至光单体中以在光单体的部分体积中分别形成聚合物波导110的第一波导110、第二波导110和第三波导110。第一光束相对于该单个平面指向第一角度，第二光束相对于该单个平面指向第二角度，第二角度不同于第一角度，并且第三光束相对于该单个平面指向第三角度，第三角度不同于第一角度和第二角度。第一波导110相对于该单个平面形成第四角度，第四角度对应于第一角度，第二波导110相对于该单个平面形成第五角度，该第五角度对应于第二角度，以及第三波导110相对于该单个平面形成第六角度，该第六角度对应于第三角度。第一波导110、第二波导110和第三波导110在至少一个孔402处彼此交联。
在一个实施例中，光掩膜400处在准直光的一个或多个光源225与模具210的内部之间的光路中。光掩膜400中的孔402的大小、形状和位置将确定随后光单体树脂通过光掩膜400曝光时形成的波导110的大小、形状和位置。光掩膜400可以例如是利用适当的孔402图案化的一片玻璃，该片玻璃具有诸如金属的不透明涂层。光掩膜400可以被固定到模具210的底部211的至少部分透明的部分的底侧，或者可以固定到模具210的底部211的至少部分透明的部分的顶侧，即，模具210的内部，或者光掩膜400可以集成到或者形成为模具210的底部211的至少部分透明的部分，例如，模具210的底部211可以是或者包括被图案化的玻璃片。图4示出了通过至少部分透明的薄片405固定到窗口305的底部的光掩膜400。光掩膜400被夹在至少部分透明的薄片405和窗口305之间。至少部分透明的薄片405可以例如通过一个或多个夹具407被保持在合适位置，夹具407将至少部分透明的薄片405夹持到窗口305或者夹持到模具210的底部211。夹具407可以例如是固定到模具210的底部211的底侧的肘节夹具。
模具210可以由诸如形成模具210的壁的矩形框以及形成模具210的底部211的大致平坦的薄片的两个或更多个部件组成，他们可以被夹在一起，或者使用适合的粘合剂或密封剂粘在一起，或者被同时夹在一起并粘在一起。矩形框可以包括设置在它的外部用于夹住大致平坦的薄片的翼部。模具210的底部211可以由大致平坦的金属薄片组成，该金属薄片具有用于容纳窗口305的切口，并且具有设置在切口中并密封到金属薄片的玻璃块。使用前，可以使用脱模剂(例如，sprayontmmr314)涂覆模具210的底部211，以防堆叠微晶结构205粘附到模具210的底部211。
堆叠微晶结构205的每个层的水平延伸可以通过一个或多个因素限定，这些因素包括模具210的底部211中窗口305的水平延伸、光掩膜400中的孔的水平延伸以及模具210的壁的位置。如果模具210的壁足够靠近以被准直光照射，波导110可以延伸至模具210的壁，并且该壁可以类似于模具210的底部211一样被脱模剂涂覆以防波导110粘附到壁。
操作中，参照图5，微晶结构205使用一系列步骤制造，其中一些步骤可以重复。在步骤410中，选择光掩膜结构。在步骤415中，组装光掩膜400和模具210，基板215被固定到卡盘212，光单体树脂被注入模具210，并且基板215被放置在与光单体树脂的顶部相接触的位置。在步骤420中，光单体树脂通过光掩膜400曝光在准直光(例如，准直紫外线(uv))下，以形成波导110并在模具210中产生微晶结构。波导110穿过光单体树脂传播到达基板215，并且在波导110终止在基板215上的点处粘附到基板215并与基板215连接。在步骤425中，通过升高平移-旋转系统213和所连接的用于保持基板215的可移动卡盘212升高基板215。当可移动卡盘212升高时，由于波导110到基板215的粘附而固定到基板215的微晶结构从树脂中升出。在步骤430中，然后向模具210中添加更多的光单体树脂，或者，如果将在下一个曝光420中制造更薄的层，可以从模具210移除光单体树脂，以便为光单体树脂的顶面与微晶结构相接触而做准备，或者使微晶结构的底部略微浸没在光单体树脂中。随后可以重复步骤420、425和430，每次添加与模具210中的光单体树脂的深度大致(或者大约)相同厚度的微晶结构层，从而每次执行步骤420时产生具有层的堆叠微晶结构205。因此，作为本方法的应用结果，具有比实现为单层的厚度更大的厚度的并且还具有较大的长度和宽度的堆叠微晶结构205可以形成连续材料，即，该结构是均匀的并且在层与层的交界处的波导110的构成没有改变；波导110在界面上是均匀并连续的，不同于其它的由使用粘接剂连接在一起的多个微晶结构形成的结构。在最终执行步骤420之后，可以从卡盘212移除基板215，并且可以在步骤435中对堆叠微晶结构205进行适合的后处理，例如通过使用热能后固化结构205。
在一个实施例中，步骤415和430中，当基板215和微晶结构205的任意连接层升出来时，向模具210中注入光单体树脂到足够小的高度，以允许步骤420中的曝光期间光聚合物波导110生长穿过光单体树脂的深度到光单体树脂的顶面或者至少到达基板215的表面。在一个实施例中，光单体树脂的深度在0.1″-1.0″的范围内。降低基板215直到该基板，或者堆叠微晶结构205的最新形成的层，与树脂完全接触，然后打开uv光以形成堆叠微晶结构205的层。在另一个实施例中，基板215通过平移-旋转系统213被保持在适合的高度，并且光单体树脂通过侧部端口被注入到模具210中，从而使树脂与模具210的底部211与基板215相接触，或者与模具210和堆叠微晶结构205的最新形成的层相接触。在一个实施例中，当将光单体树脂添加到模具后，在曝光光单体之前允许经过一段时间以允许由于光单体树脂的加入而产生的任意电流消失。
在一个实施例中，每次曝光步骤420之后升高卡盘212，使结构仅沿z轴方向无旋转地从树脂中被提高。在额外的树脂被添加到模具210后，降低卡盘212以使上一个层的底部晶格构件与树脂相接触，然后通过在uv光下曝光树脂而形成下一个晶格层。因为第一层聚合物与第二次树脂之间的接触，微晶结构的第二层将形成微晶结构的第一层的连续延伸。当再次升高卡盘212时，微晶结构的第二层也被提出该室。升高卡盘212、添加更多的树脂、降低卡盘用于聚合物与树脂之间的接触以及uv固化的过程可以被重复直到实现期望的厚度为止。
在第一次曝光中，即，在第一次执行步骤420中，可以调整曝光以使微晶结构聚合到达基板215的底部并与基板215形成牢固的结合。在另一个实施例中，为了在没有过度曝光的情况下保证良好的粘接，可以在基板215与光单体树脂的顶面之间的空间执行第一曝光，从而能够在视觉上检查光单体树脂的顶面。在用于使微晶结构生长到自由面(光单体树脂的顶面)的初始曝光之后，降低基板215以与树脂相接触，并且在微晶结构与基板215之间的接触点附近或者接触点处最终、短时间地曝光聚合光单体树脂，使得微晶结构粘合到基板215。类似地，如果已经形成了堆叠微晶结构205的一个或多个层，可以在最新形成的层与光单体树脂的顶面之间的空间执行曝光，如图2b所示，从而可以在视觉上检查自由表面。在用于使微晶结构生长到自由表面(光单体树脂的顶面)的初始曝光之后，降低基板215以允许堆叠微晶结构205的上一个形成层的最低处与树脂相接触，并且最终的、短时间曝光使微晶结构粘结到上一个形成的层的最低处。
在曝光步骤420之后提升基板215时，可以使用很多方法使在曝光时形成的微晶结构保持固定到基板215并且从模具210分离。在使基板215与光单体树脂接触之前，可以将诸如momentivetmss415501p硅引物的引物应用于基板215，以改善基板215与微晶结构之间的粘合。可以使用脱模剂降低基板215与模具210之间的粘合。
当在步骤425中升高卡盘212时，该卡盘被升到新的位置，使得将在随后的曝光步骤420中形成的波导110将连接并粘合到在上一个曝光步骤420期间形成的波导110，并且基板215随后的进一步升高使堆叠微晶结构205的全部先前形成的层提升。
可以构造多种固定装置以形成用于实施本发明的实施例的系统。这些固定装置可以保持微晶结构层与层之间的x-y对准，在垂直方向上精确地平移基板215，将贮存室临时固定在不会妨碍准直光束的适当位置，并且允许贮存室的空隙可以被移除。在一个实施例中，平移-旋转系统213为机械臂。
在堆叠微晶结构205的制造期间，卡盘212将基板215固定到平移-旋转系统213，并且基板215可以从卡盘212被释放以允许随后从固定装置移除堆叠微晶结构205与基板215。如果需要的话，随后可以在分离操作中使堆叠微晶结构205与基板215分离，例如，使用(或者利用)刀具或者小铲的切割或者刮削操作。在一个实施例中，堆叠微晶结构205首先从基板215分离，然后进行后固化。为了保持基板215，卡盘212可以使用磁体、电磁体、气动、真空、可逆粘合剂或者诸如夹具或者紧固件的物理约束。在一个实施例中，基板215由钢构成，并且卡盘212包括用于保持基板215的磁体。
可以通过合适的源提供准直光，例如汞弧灯或者发出紫外(uv)光的二极管或者激光器。
模具210的底部211(光单体树脂通过该底部211被照射)可以包括由合适的半透明或者透明材料(例如，不是为了限制的目的，钠钙玻璃)组成的窗口305。在一个实施例中，模具的整个底部211可以是透明的，即，模具的整个底部211为窗口305。
上述实施例可以有多种变化。对于堆叠微晶结构205的不同层可以使用(或者利用)不同的光掩膜；这可以通过改变重复步骤420(使光单体树脂在准直光下曝光的步骤)中的光掩膜400而实现。准直光照射光单体树脂的角度(以及光传播的方向)可以在步骤420的不同重复中被改变，以将聚合物波导110的路径引导为特定的形状。将光单体树脂曝光在准直光下的步骤420包括两个步骤：在不改变基板215的高度或没有添加更多的树脂的情况下，可以改变光掩膜400或者改变光传播方向或者二者同时被改变，以在堆叠微晶结构205的相同层产生不同的特征，或者在与相邻层同样包含相同的、未受干扰的微晶结构的层的厚度上生成独立的特征。其它材料或对象，例如电线、基面、面板、锥形牺牲管板支架、未图案化的中间片材(例如，薄的金属，或者薄的聚合物)、或者图案化的中间片材(例如图案化的金属片材或网状物，包括例如化学蚀刻、激光加工或者机械加工金属片材)、或者图案化的聚合物片材或者网状物、非织造聚合物材料、或者纺织物也可以在诸如多个制造阶段成为堆叠微晶结构205的一部分，例如，通过在开始新的曝光之前在光单体树脂的顶面上或者它的附近放置材料片材的方式。聚合物波导110的横截面可以被制造为通过改变层与层之间的光掩膜400而在层与层之间不同，并且一些或者全部层可以具有直径渐缩的聚合物波导110。
在步骤420中提升卡盘212时，只要节点或者结构特征的子集在曝光步骤之间是重叠的，则不需要仅在垂直方向上平移，也可以在水平方向上平移，或者旋转，或者同时执行。该方法可以用于制造任意形状的晶格结构。
本发明的实施例可以用于制造热交换器或者质量交换器(该热交换器或者质量交换器可以用于变速器冷油器、蒸发器、冷凝器、散热器、中间冷却器或者用于机舱冷却的冲压空气热交换器)、用于制造用作厚能量吸收材料(缓冲梁，防爆材料)的厚微晶材料、声学衰减、靠垫或者垫子(例如用于床垫或者底垫的垫子)、或者用于制造随后被转换成不同材料的厚的、开孔的蜂窝支架。
虽然这里对堆叠微晶材料及其制造方法的示例性实施例做了特定的说明和描述，但是很多修改和改变对本领域技术人员来说是显而易见的。据此，应当理解的是，根据本发明的原则实现的堆叠微晶材料及其制造方法可以不同于这里所做的特定说明。本发明还在所附的权利要求及其同等物中做了限定。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
