高气流微桁架结构设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本技术整体涉及一种微桁架结构，以及为控制工作面环境状态而在材料或设备中 使用该微桁架结构（例如，用于控制至人体的气流的微桁架排汗控制层）。
【背景技术】
[0002] 目前，市场上存在很多用于提高通过与人或动物身体的一些部分长时间接触的结 构或材料的空气流量的方法，所述结构或材料通常由某种泡沫填料构成。最常见的填料是 闭孔泡沫。这些方法中最相关的技术通常依赖于在闭孔泡沫中制造气流通道。示例包括有 洞的鞋垫、"蛋箱"泡沫填料、蜂窝材料、成形的固体材料或开孔泡沫和薄的拉伸网状或松散 编织物。
[0003] 然而，在没有明显地危及硬度和强度的情况下，蜂窝材料通常仅允许单向空气流 动。使用在座椅和寝具应用中的商业示例包括Suprac〇rκ熔接蜂窝结构。然而，为了弥补 机械性能的缺陷，这种"通风的"蜂窝结构相较于不通风的蜂窝结构通常具有更大的总重 量。
[0004] 还已经使用具有限定的气流路径的固体材料，但是这种材料通常不舒适。虽然气 流通道区域中的气流增大，但是固体材料与皮肤接触的区域通常变得汗湿且不舒服。
[0005] 另外，上述材料或结构受到压缩力（例如，当人坐在该材料上时）后通常使得这种 材料或结构致密化（例如，该材料的开口体积减少），这将导致气流路径（或者通路）关闭 或尺寸减小，使得穿过该材料的空气总量减小。
[0006] 将薄的、拉伸的网状或松散编织的织物被设计为通过织物的张力提供支撑，并由 于松散的编织提供空气流动。张力一般是通过围绕网或编织周边的硬框架提供。商业示例 包括HermanMiller?Aeron?座椅和Saddleco?Flow?自行车座椅。这些方法确实能 够增加空气流动，但是具有也有容易损坏而被刺穿和撕裂的缺陷，从而限制了在动态应用 (例如，运动）中的整体使用效果。
[0007] -种有序三维（3D)微结构是微米级的有序3D结构。当前，通过多种泡沫处理制 成大规模生产的聚合物多孔材料，其随机（不是有序地）产生3D微结构。确实存在生成具 有有序3D微结构的聚合物材料的技术，例如光固化立体造型术；但是，这些技术依赖于自 下向上、逐层的方法，这不具有可扩展性。
[0008] 光固化立体造型术是一种在逐层处理中建立3D结构的技术。该过程通常包括平 台（基板），在分离步骤中，该平台被下降到光单体（光聚合物）浴中。在每个步骤中，激 光扫过光单体的为特定层将被固化（聚合）的区域。一旦该层被固化，平台被下降特定的 量（由处理参数和期望的特征/表面分辨率确定），重复该过程直到生成全部的3D结构 为止。在Hull等人的"ApparatusForProductionOfThree-DimensionalObjectsBy Stereolithography"（美国专利号4, 575, 330,申请日1984年8月8日）中公开了这种光 固化立体造型术的一个示例，该申请在此整体并入本文作为参考。
[0009] 对上述光固化立体造型术的改进已经被开发出来以通过激光光学器件提高分辨 率并改进特定的树脂结构，同时还存在使用动态图案生成器一次性固化整个层以降低该3D结构的制造时间的改进。在Bertsch等人的"Microstereolithography:AReview"（材料 研究学会讨论会文集，卷758,2003)中公开了这种改进的一个示例，该文件的全部内容并 入本文作为参考。最新的对标准光固化立体造型术的改进包括Sun等人的"Two-Photon PolymerizationAnd3DlithographicMicrofabrication"（APS，卷 170, 2004)中公开的 双光子聚合法，该文件的全部内容并入本文作为参考。然而，该改进的处理依然依赖于复杂 而耗时的逐层处理方法。
[0010] 在生成聚合物光波导中也完成了先前的工作。聚合物光波导可以在特定光聚合物 中形成，其中该特定光聚合物在聚合过程期间发生了折射率的变化。如果感光单体在合适 的条件下曝露到光线（一般是紫外线）中，则由于折射率的变化，聚合的初始区域（例如， 小的圆形区域）将"捕获"该光线并将它引导至该聚合区域的末端，进一步推动该聚合区 域。该过程将持续进行，导致在其长度方向上具有基本上相同的横截面尺寸的波导结构的 形成。生成聚合物光波导的现有技术仅允许形成一个或很少的波导，并且这些技术没有被 用于通过图案化聚合物光波导生成自支撑的三维结构。
[0011] 三维有序聚合物多孔结构也已经使用光学干涉图案技术（也被称为全息光刻） 生成；然而，使用这些技术制造的结构在纳米级上具有有序结构，并且该结构仅限于可能的 干涉图案，正如Campbell等人在"FabricationOfPhotonicCrystalForTheVisible SpectrumByHolographicLithography"（自然，2000 年 3 月 2 日，卷 404)中所记载，该文 件的全部内容在此并入本文作为参考。
[0012] 对金属晶格（桁架）材料的使用在2007年5月10日申请的美国专利号为 7,382,959 ("Opticallyorientedthree-dimensionalpolymermicrostructures'，）和 美国专利申请第11/801，908号、2008年1月11日申请的美国专利申请第12/008, 479号、 2008年3月5日申请的美国专利申请第12/074,727号、2008年3月6日申请的美国专利 申请第12/075, 033号、2009年6月1日申请的美国专利申请第12/445, 449号、2010年12 月22日申请的美国专利申请第12/928,947号以及申请号为_/_，_，申请日为2010年_ [091236/H611:67000案例]的美国专利申请中讨论过，上述文件的全部内容在此并入本文 作为参考。现有文件对多种微桁架结构和制造微桁架结构的方法做了描述，例如，美国专 利申请第12/455,449号公开了制造具有固定面积的微桁架结构的方法，美国专利申请第 12/835, 276号中公开了基于连续的处理连续制造微桁架结构的方法（例如，任意长度的 带），美国专利申请第12/928, 947号公开了用于能量吸收的填充有可压缩流体的微桁架， 以及2008年12月18日申请的美国专利申请第12/317, 210号公开了具有功能梯度的三 维有序开孔微结构及其制造方法，其中的每一个专利申请的全部内容在此并入本文作为参 考。
【发明内容】
[0013] 本发明实施例的多个方面涉及一种用于保持工作面的环境状态的设备。该环境状 态可以通过例如向与该设备接触的工作面提供增强的气流来提供。例如，本发明的实施例 的多个方面涉及一种用于保持人体表面的环境状态的微桁架排汗控制层设备，其中该人体 表面通常是空气流动受限制的部分。例如，排汗控制层包括：1)有序的开孔式聚合物微桁 架材料，该材料被设计为允许平面内气流穿过该排汗控制层；和2)所用物品和人体的相关 区域之间的多孔接触支撑区域。在一个实施例中，多孔接触支撑区域还被设计成为人体的 一部分提供主要的支撑。
[0014] 根据本发明的一个实施例，一种用于保持工作面的环境状态的设备包括：第一微 桁架层，所述第一微桁架层包括：沿第一方向延伸的多个第一支柱；沿第二方向延伸的多 个第二支柱；和沿第三方向延伸的多个第三支柱，第一支柱、第二支柱和第三支柱在多个节 点处彼此穿插，第一支柱、第二支柱和第三支柱以非垂直的角度彼此穿插，该设备具有被构 造为接触工作面的接触面，还具有被构造为允许空气流动到该接触面的开孔，其中接触面 的总表面积在工作面的总表面积的大约1%到大约50%之间。
[0015] 第一支柱、第二支柱和第三支柱可以形成多个第一单胞。
[0016] 在垂直于接触面的方向上，该设备的厚度可以小于五个单胞的厚度。
[0017] 单胞可以为大约相同的尺寸。
[0018] 当该设备处于高达50%的致密化应变下时，接触面的第一微桁架层的总表面积与 接触面的总表面积的比率可以基本保持恒定。
[0019] 接触面可以包括多个彼此间隔开的接触点，每个接触点都具有在从约100平方微 米到约10平方毫米的范围内的接触面积。
[0020] 该设备还可以包括第二微桁架层，该第二微桁架层包括：沿第四方向延伸的多个 第四支柱；沿第五方向延伸的多个第五支柱；和沿第六方向延伸的多个第六支柱，该第二 微桁架层位于第一微桁架层与接触面之间。
[0021] 第四支柱、第五支柱和第六支柱可以形成多个第二单胞，并且第一支柱、第二支柱 和第三支柱可以形成多个第一单胞，第一单胞中的每一个都大于第二单胞中的每一个。
[0022] 第一支柱、第二支柱和第三支柱可以形成第一三维图案，第四支柱、第五支柱和第 六支柱可以形成第二三维图案，第二三维图案不同于第一三维图案。
[0023] 该设备还可以包括与第一三维图案和第二三维图案相接触的分界面。
[0024] 第一三维图案和第二三维图案可以在三维空间内顺序排列。
[0025] 该设备还可以包括在垂直于接触面的方向上延伸的多个第四支柱。
[0026] 该设备可以被构造为与人可穿戴的物品一起使用。
[0027] 根据本发明的另一个实施例，一种向工作面提供气流的方法包括以下步骤：将第 一微桁架层构造为具有开孔，以允许空气流动通过该第一微桁架层，第一微桁架层包括：沿 第一方向延伸的多个第一支柱；沿第二方向延伸的多个第二支柱；和沿第三方向延伸的多 个第三支柱，第一支柱、第二支柱和第三支柱在多个节点处彼此穿插，第一支柱、第二支柱 和第三支柱以非垂直角度彼此穿插；和将第一微桁架层构造为被施加到工作面，第一微桁 架层被构造为在接触面处与工作面相接触，微桁架层在接触面处的总表面积在工作面的总 表面积的大约1 %到大约50%之间。
[0028] 第一支柱、第二支柱和第三支柱可以被构造为形成多个第一单胞。
[0029] 在垂直于接触面的方向上，微桁架层的厚度可以小于五个单胞的厚度。
[0030] 单胞可以为大约相同的尺寸。
[0031] 接触面可以包括彼此间隔开的多个接触点，每个接触点都具有在