结构体及其制造方法

专利名称：结构体及其制造方法
技术领域：
本发明揭示涉及到一种结构体及其制造方法。
背景技术：
在日本专利 申请公开No. 2002-347125 (在下文中称为专利文件I)中揭示的光造型物用作设计产品的三维模型。与设计产品的厚度部分对应的三维模型的部分形成中空的，中空的内部具有蜂窝状结构。因此，减少了三维模型的各部分的强度的变化(例如，参见专利文件I的第
段)。在日本专利申请公开No. Hei 06-114948 (在下文中称为专利文件2)中揭示的一种造型形式，内部也具有蜂窝状结构。在这样的造型形式中，形成连通孔使得由形成蜂窝状结构的肋部分割的小隔间(cell)能互通。因此，很容易排出残留在蜂窝状结构的小隔间中未固化的液体(例如，参见专利文件2的第
段)。

发明内容
作为结构体，需要具有新形状的结构体。考虑到如上所述的情况，需要提供一个具有新形状的有用的结构体及其制造方法。根据本公开的实施方式，提供了一种包括基材和涂层的材料的结构体。基材包括多个空隙和形成有至少多个空隙的表面，基材被形成为多个空隙的空隙率从基材的内部侧向其外部侧二维或三维地减小。涂层材料形成在基材的表面上。在本公开的实施方式中，基材内部侧的空隙率小于其外部侧上的空隙率,涂层材料形成于在基材上形成的空隙的表面上。换句话说，本公开的实施方式能实现新的结构体。此外，通过这种空隙的排列和适当地选择涂层材料，可实现具有有效功能的结构体。基材还可包括使多个空隙连通的连通孔。利用该结构体，由于涂层材料的材料经由连通孔施加到多个空隙的表面上，所以能容易地形成涂层材料。基材可包括多个连通孔。在这种情况下，经由多个空隙和多个连通孔围绕基材表面的最短距离是涂层材料在厚度方向的100到10000倍。利用这样的涂层材料厚度，能确保该结构体具有足够的强度。涂层材料可包括金属层。或者，涂层材料还可包括形成于金属层上的树脂层。多个空隙可在基材上规则地排列。利用这种结构体，可额外地增强该结构体的强度。多个空隙的开口表面的排成方式可为蜂窝状结构体。根据本公开的实施方式，提供一种结构体的制造方法，包括将通过能量束的能量固化的基材的材料提供至供给区域。
通过将能量束照射到从提供至供给区域的材料的整个区域中选择的区域，形成包括多个空隙和形成有至少多个空隙的表面的基材，并且基材形成为多个空隙的空隙率从基材的内部侧向其外部侧二维或三维地减小。在已形成的基材的表面上形成涂层材料。结构体的制造方法使用包括基台和调控体的结构体形成装置。调控体包括具有沿第一方向形成的直线状区域的表面，并被设置为面对基台使得表面中的直线状区域最接近基台。材料的供应包括将材料提供至狭缝区域(slit area)，该狭缝区域为配置有基台一侧的区域和直线状区域之间的区域。基材的形成包括利用调控体和基台沿不同于第一个方向的第二个方向的相对移动来固化至少一层材料。 如上所述，由于材料是在被限制在直线状区域(即一维区域)的情况下通过能量束照射，所以能形成高精度的结构体。基材的形成可包括形成基材的部件，使得从靠近基台的第一侧朝远离基台的第二侧的方向上基材的部件的空隙率增大。在这种情况下，形成基材的多个部分。此外，附接基材的多个部件以便基材的多个部件在其第二侧上连接。利用这种结构体，能容易形成高精度的基材。基材的形成可包括形成片状基材，使得空隙率从片状基材的内部侧向其外部侧二维地减小并且多个空隙规则地排列。在这种情况下，制备多个片状基材。此外，结构体的制造方法还包括附接片状基材，使得片状基材围绕垂直于片状基材的附接表面的轴的旋转方向上偏移。利用这种结构体，允许附接多个片状基材的定位精确度低，并且可实现能在任何位置耐受来自任何方向的压力的具有足够强度的结构体。如上所述，根据本公开的实施方式，可实现具有新的外形的有用的结构体及其制造方法。根据在附图中示例性示出的以下最佳实施方式的详细描述，本公开的上述和其他目标、特点和优势将变得更加明显。


图I是示出了根据本公开的第一实施方式的结构体的透视图；图2是沿包括图I的A -A线的表面的截面图；图3是沿包括图I的B-B线的表面的截面图；图4是图2中虚线所圈部分的放大图；图5是示出了根据本公开的第二实施方式的结构体的截面图；图6是示出了根据本公开的第三实施方式和其主要部分的结构体的透视图；图7是示出了根据本公开的第五实施方式的结构体的主要部分的透视图；图8是示出了形成图7所示结构体的单元小隔间的透视图；图9是示出了在图8中所示的单元小隔间三维(3D)地规则排列的结构体的透视图；图IOA和图IOB是用于说明涂层材料的厚度的图11是示出了根据本公开的第六实施方式的结构体的主要部分的透视图；图12是利用二维(2D)模型来说明在图11中所示的结构体的图；图13是示出了根据本公开的第七实施方式的结构体的主要部分的透视图；图14是示出了各自包括小开口的单元小隔间构成的结构体的主要部分的透视图；图15是示出了涂层材料堵塞小开口的结构体的主要部分的透视图；图16是示出了通过作为未开口的单元小隔间的封闭小隔间与开口小隔间(半封 闭小隔间)组合形成的结构体的主要部分的透视图；图17是根据本公开实施方式的结构体形成装置的侧视图；图18是在Z轴方向上的结构体形成装置的侧视图；图19是结构体形成装置的示意性侧视图和示出控制系统的结构的框图；图20是调控体的放大图；图2IA到图2IC是顺序地示出结构体形成装置的操作的图；图22A到图22D是操作期间在调控体和基台之间的区域的放大图；图23A到图23C是用于说明通过附接多个的基材部件来制造基材的方法的图；图24是示出在是在旋转方向上使片状基材偏移(deviate)的情况下附接图12所示的多个片状基材而形成的基材(结构体)的平面图；图25是示出了在使片状基材直线状地偏移的情况下附接图12所示的片状基材而形成的结构体；图26是示出了在使片状基材直线状地偏移的情况下附接图12所示的片状基材而形成的结构体；以及图27是示出了在使片状基材直线状地偏移的情况下附接图12所示的片状基材而形成的结构体。
具体实施例方式在下文中，将参考图来描述本公开的实施方式。[结构体的第一实施方式]图I是示出了根据本公开的第一实施方式的结构体的透视图。图2是沿包括图I的A -A线的表面的结构体50的截面图。图3是沿包括图I的B-B线的表面的结构体50的截面图。结构体50包括基材52和在基材52的表面52a上形成的涂层材料56 (见图4)。如图2和3所示，基材52是例如长方体，并且内部具有多个空隙54。基材52被形成为空隙54的空隙率从基材52的内部侧向其外部侧三维地减小。此外，空隙54规则地排列。空隙率通常是基材52的材料中每单位体积的空间的比率。短语“空隙54规则地排列”是指空隙间距的增长率(减少率)是不变的或有预定的规则，空隙的相对配置角度是不变的或有预定的规则，或者至少在部分区域内维持空隙的配置对称。图4是图2的虚线所圈部分的放大图。使两个任意的空隙54连通的连通路径(孔)58设置在这些空隙54之间。连通路径58不仅设置为与图4所示的一个截面平行，而且沿着任意方向设置。在基材52的至少一个最外侧的空隙54，设置有使空隙54与外部(结构体50的外部空间)连通的连通路径581。连通路径58和581被适当地配置，使得基材52的最内侧的空隙54与外部连通。应当注意的是，连通路径58和581没有在图2和3中示出。如图4所示，涂层材料56在基材52的表面上，即，基材52的外表面52b以及形成有空隙54的表面52a。换句话说，涂层材料56也形成在空隙54内。例如，涂层材料56可由湿法或干法形成。在湿法的情况下，涂层材料56通过使液体经由连通路径58和581进入空隙54而形成。此外，在湿法的情况下，通过诸如电解镀或非电解镀将涂层材料56形成为电镀层。或者，涂层材料56可通过简单地将结构体50浸泡在电镀槽中的所谓浸溃法形成。或者，作为热浸电镀，非电解镀(例如非电解镀镍)可在基材上首先实施以增强结构体的耐热性和润湿性，然后实施热浸镀以便在很短时间内能够获得厚的涂层材料。
在干法的情况下，利用例如CVD (化学气相沉积)形成涂层材料56。涂层材料56可由金属或树脂构成，或者可是它们的混合物。金属的实例包括铝、镍、铬和钛。作为树脂，使用ABS、丙烯酸类树脂、聚乙烯类树脂等。或者，涂层材料56可由DLC (类金刚石碳)组成。如上所述，基材52的内部侧的空隙率小于外部侧上的空隙率，涂层材料56形成于在基材52上形成的空隙54的表面52a上。因此，可实现具有新的形状的结构体，并且根据用于涂层材料的材料类型具有有用的功能的结构体50。如上所述的空隙率的配置获得以下效果。例如，在各种力(如弯曲力、剪切力和拉力)施加到结构体50的情况下，在大多数情况下，施加到结构体50的外部侧的压力比施加至内部侧的大。因此，结构体50的外部侧上的基材的材料的体积制成比在内部侧上的密，使得该体积在朝内部侧的方向上变得不那么密集。因此，能够使整个结构体50的(平均)密度尽可能的小并且增强其强度和刚度。换句话说，能增强结构体50的比强度(比刚度(每单位质量的刚度)。在本实施方式中，通过设置涂层材料56，能实现比无涂层材料56时具有更高强度的结构体50。根据涂层材料56的材料，除增强强度之外，结构体50可用于各种各样的目的。例如,可以将各种不同的特性赋予结构体50，诸如疏水性(例如氟类材料)、亲水性(例如硅类材料和钛氧化物类材料)、防污特性(例如钛类材料和碳类材料)以及耐热性(例如镍类材料、铬类材料和钛类材料)。例如，当采用诸如钛类材料的具有高强度和耐热性的涂层材料56时，结构体50可用作处于高速旋转、高压和高温下的涡轮叶片。在本实施方式中，通过设置连通孔，涂层材料56的材料经过连通孔，从而施加到多个空隙54的表面52a上。因此，能够容易地形成涂层材料56。应当注意的是，尽管在图2和3中空隙54的形状是方形，但是形状可以是球形、椭球形、圆柱形、祐1架形(truss shape)、不规则形状或它们的组合。尽管空隙54在以上描述中是规则排列，但是只要空隙54的排列是数量上从内部侧朝外部侧减少，则排列可以是不规则的或者随机的。[结构体的第二实施方式]
图5是示出了根据本公开的第二实施方式的结构体150的截面图。在以下描述中，将简化或省去与在图I中所示的第一实施方式的结构体50相同的部分、功能等的描述，而将主要描述不同点。结构体150包括包含多个空隙154的基材152和在基材152的表面上形成的涂层材料(未不出)。与根据第一实施方式的结构体50 —样,涂层材料也形成在空隙154内。如同第一实施方式一样，结构体150是长方体的。在图5所示的结构体150的一个截面中，空隙154的间距是基本相同的。然而，空隙154的体积从内部侧向外部侧减少。换句话说，基材152形成为空隙154的空隙率从基材152的内部侧向其外部侧三维地减小。这样的结构体150获得与根据第一实施方式的结构体50同样的效果。在第一和第二实施方式中，基材52和152形成为空隙率从基材52和152的内部侧向其外部侧三维地减小。然而，基材52和152可以形成为空隙率从基材52和152的内部侧向其外部侧二维地减小。 [结构体的第三实施方式]图6示出了根据本公开的第三实施方式的结构体和其主要部分的透视图。结构体60包括含有多个空隙64的基材62和涂层材料(未示出)。结构体60具有薄的长方体形状(即板状形状)或薄片状形状，空隙64贯穿作为基材62的板。空隙64的配置模式与图5中显不的一样。如上所述，即使在板状或片状的结构体60中，通过使基材62形成为空隙率从基材62的内部侧向其外部侧二维地减小，也能增强结构体60的比刚度和比强度。此外，板状或片状的结构体60可用作过滤器或催化剂。虽然在第一到第三实施方式中结构体50、150和60的形状是长方体形状，但形状并没有限制，可以是任意的形状。[结构体的第四实施方式]虽然未示出，但是作为根据本公开的第四实施方式的结构体，涂层材料也包括在金属层上形成的树脂层。换句话说，结构体包括上面的实施方式中的基材、在基材表面上形成的金属层、以及在金属层上形成的树脂层。在结构体的制造方法中，在基材的表面上形成金属层之后，将树脂液体浸入到其上形成有金属层的基材。例如，众所周知的纤维增强塑料，但是通过树脂浸入形成有金属层的结构体，结构体变成金属纤维增强塑料。[结构体的第五实施方式]图7示出了根据本公开第五实施方式的结构体70的主要部分的透视图。图8是示出了形成图7所示的结构体70的单元小隔间的透视图。如同上面的实施方式，单元小隔间75包括基材72 (见图10B)以及在基材72的表面上形成的涂层材料76 (见图10B)。如图8所示，单元小隔间75包括六边形的顶壁751、中壁753以及下壁755，以及与壁751、753和755的边相对应的6个侧面758。顶壁751、中壁753以及下壁755各自有一个开口 752 (在下文中，为了方便起见称为平面孔)。平面孔752是六边形。此外，在一个侧面758上形成两个开口 754，并且每个开口 754与相邻侧面758的开口 754整体地连续形成。为了方便起见，将这样一个跨两个侧面758的整体开口称为侧开口 754。侧开口 754是矩形的(或正方形的)。形成在一个侧面758上的两个边开口 754在斜线方向上偏离，而不是形成在与顶壁751和下壁755平行(平行于X-Y平面)的直线上。换句话说，在顶侧的三个侧开口 754在六边形的周围方向(在Z轴周围)以120度的间隔配置，并且在下侧的三个侧开口 754在周围方向也以120度的间隔配置。顶侧的三个侧开口 754组和下侧的三个侧开口 754组在周围方向上偏离60度。被顶壁751、中壁753以及6个侧面758所环绕的内部区域实际上成为一个空隙区域。此外，被下壁755、中壁753以及6个侧面758所环绕的内部区域实际上成为一个空隙区域。换句话说，单元小隔间包括在Z轴方向配置的两个空隙。通过聚集多个如此构成的单元小隔间75并将单元小隔间75 二维地规则排列而构成图7所示的结构体70。或者，也可实现如图9所示的结构体170，在结构体170中三维地规则排列单元小隔间75。在结构体70和170中，在横向和纵向邻近的空隙经由平面孔752和侧开口 754连通。因此，平面孔752和侧开口 754各自用作连通孔。将具有这样的结构体的单元小隔间75在下文称为开口小隔间。这里，针对平面孔752的开口面积、侧开口 754的开口面积以及空隙的体积中的至少之一，通过准备多个梯级值(stepwise value),准备各自为开口小隔间的多种单元小隔间75。通过适当地调整多种类型的单元小隔间75的配置，能够实现各自的空隙率从基材72的内部侧向其外部侧以二维或三维地减小的结构体70和170。例如，结构体70和170仅需形成为将具有相对小的空隙体积的单元小隔间75组相对地配置在基材72的外部侧上，而将具有相对大的空隙体积的单元小隔间75组相对配置在基材72的内部侧上。或者，将具有与图8所示的单元小隔间基本相同形状、但是大小不同的单元小隔间可组合起来以形成基材。换句话说，通过组合具有多种梯级大小的单元小隔间，可以形成空隙率从基材的内部侧向其外部侧二维或三维地减小的基材。本实施方式的结构体70和170也获得与根据上面的实施方式的结构体相同的效
果O因为在结构体70和170中空隙的开口表面的排列是呈蜂窝结构体，所以能增强强度。因为在本实施方式中涂层材料76延伸到每个角落，所以通过涂层材料76的材料能够实现高强度和高耐热性两者。如图IOA和图IOB所示，在结构体70和170中经由多个空隙、平面孔752和侧开口 754围绕基材72的表面52a的最短距离dl (在图IOA中由虚线表示的箭头的长度)是涂层材料的厚度d2的100到10000倍。在图IOA所示的单元小隔间75中的多个空隙，是指包括作为基准空隙的单元小隔间75的上部空隙以及在Y轴(或X轴)方向和Z轴方向上邻近基准空隙的空隙至少3个空隙。例如，当厚度d2是I μ m时，假设最短距离dl是厚度d2的10000倍，则为10mm。在最短距离dl小于厚度d2的100倍时，基材72本身变得太薄或太细，结果就是基材72的强度相应降低。当最短距离dl大于厚度d2的10000倍时，基材72和涂层材料76之间的实际平面接触面积变得太大，由此担心涂层材料76易于剥落。当在形成涂层材料76的实际平面过大时，灰尘和气泡非常有可能进入基材72和涂层材料76之间的空间，由此担心涂层材料76易于剥落。[结构体的第六实施方式]图11示出了根据本公开的第六实施方式的结构体的主要部分的透视图。结构体270的单元小隔间与图8所示的作为开口小隔间的单元小隔间75基本相同。在结构体270的中央，设置大于单元小隔间75的空隙的空隙274。通过从图9中所示的结构体270中央移除7个单元小隔间75形成这样的空隙274。因此，能够实现所有的空隙(单元小隔间75中的空隙和空隙274)的空隙率从结构体270的内部侧向其外部侧三维地减小的结构体270。而且，通过从结构体270移除7个单元小隔间75形成的空隙274的形状实质上是六边形柱体，也就是说，结构体270具有自相似的形状(分形(fractal)形状)。 这里，将描述使用图12所示的二维模型的结构体270。如图12中所示，最小的六边形空隙32如同蜂窝结构体一样规则地排列。此外，形成大于最小的六边形空隙32的实质上的六边形空隙31。每个空隙31由多个空隙32聚集形成。二维地看图11所示的结构体270，在图12所示的片状结构体中，结构体270的形状是由一个空隙31和构成该空隙31的多个外围空隙32形成的部分的形状。根据本实施方式，通过具有自相似的形状的蜂窝结构体，能够实现具有高的比强度和比刚度的结构体270。[结构体的第七实施方式]图13示出了根据本公开的第七实施方式的结构体80的主要部分的透视图。由各自具有比上述的单元小隔间75更简单的形状(立方体)的单元小隔间85形成结构体80。单元小隔间85各自具有立方体的框架形状并且各自为包括在纵向和横向的8个方向上的开口 86 (连通孔)的开口小隔间。通过使用如上所述的单元小隔间85，能够实现具有如上所述的自相似形状的结构体。换句话说，通过移除如图13所示的结构体80的中央部分的一个或多个单元小隔间85，能够实现基材中的空隙的空隙率从基材的内部侧向其外部侧二维或三维地减小的结构体。如图14所示，基材可形成为在各个立方体的单元小隔间85中在8个方向上形成的开口 86和87中的一个开口 87的大小，变得比另一开口 86小。通过在基材的表面上形成涂层材料(未示出)，小开口 87根据涂层材料的厚度而如图15所示被阻塞，由此形成壁88。通过适当地设置涂层材料的厚度、基材的大小(开口 87的大小)等，能够实现这样的结构体280。构成结构体280 (该结构体280形成为彼此邻近的部分空隙之间的开口被阻塞)的单元小隔间将在下文称为半封闭小隔间。例如，由半封闭小隔间构成的结构体280或通过上述的开口小隔间和半封闭小隔间组合形成的结构体可用作具有微细流路的流路装置。当结构体280用作流路装置时，在结构体280的外表面位置(至少底部等)设置盖部。图16是示出了通过组合作为封闭小隔间的单元小隔间385和开口小隔间(半封闭小隔间)而形成的结构体380的主要部分的透视图。在这样的结构体380中，涂层材料形成在开口小隔间和半封闭小隔间上，但是不形成在封闭小隔间内构成空隙的表面上。
在结构体380中，开口小隔间(或半封闭小隔间)具有支持封闭小隔间的功能。例如。通过设置封闭小隔间的内部与外部阻断的空隙，结构体380可用作需要高耐热性的结构体。当然，也可以组合上述所有的开口小隔间、半封闭小隔间以及封闭小隔间来形成结构体。[结构体的制造方法]图I到16所示的结构体可由例如造形装置的系统形成。造形装置照射能量束到所提供的材料的整个区域中的、基于目标结构体的三维设计数据所选择的区域，并部分固化所提供的材料。因此，能够形成具有任意形状的结构体。
能量束通常是光，尤其是紫外线。在这种情况下，紫外光固化树脂用作该材料。能量束不局限于紫外线，也可以是红外线、可见光、电子束、超声波等。在形成较低造形精度的物体时，仅需使用红外线、超声波等。对于光照射，通常使用激光照射。然而，通过使用一维调控体系的造形装置(结构体形成装置)，能够以实用的速度和成本形成高精度的结构体。例如，在日本专利申请公开No. 2011 - 98484中揭示了使用一维调控体系的结构体形成装置。或者，可使用如下描述的装置。(结构体形成装置)在下文中，将描述结构体形成装置。结构体形成装置基本上使用造形装置的原理。由结构体形成装置形成的结构体不仅用作模型，也用作实际产品。(结构体形成装置的结构)图17是根据本公开的实施方式的结构体形成装置100的侧视图。图18是在Z轴方向上结构体形成装置的侧视图。图19是结构体形成装置的示意性侧视图和示出控制系统的结构的框图。在图中，X、Y和Z轴是3个直角坐标轴。结构体形成装置100包括基座11、垂直竖立在基座11上的Y轴移动机构、连接到Y轴移动机构13的Z轴移动机构15、连接到Z轴移动机构15的基台14。结构体形成装置100也包括照射单元17，照射单元17向基台14照射诸如紫外线的激光作为能量束。结构体形成装置100也包括在基台14对面的调控体12和供给喷嘴16，供给喷嘴16提供由基台14和调控体12之间的激光固化的诸如光固化树脂的材料。Y轴移动机构13包括Y轴移动电机131(见图19)、竖立在基座11上的支持柱134、在Y轴方向(第二方向)在支持柱134上设置的导轨132、以及连接到导轨132并且可通过Y轴移动电机131沿导轨132移动的移动基座133。Z轴移动机构15包括Z轴移动电机151 (见图19)，并能够在Z轴方向移动基台14。例如，基台14是如图18中所示的圆形，但是也可采用正方形形状或其它形状。基台14可通过Y轴移动机构13和Z轴移动机构15在Y轴方向和Z轴方向上移动。通过Z轴移动机构15，控制基台14的表面14a和调控体12的表面12a中最接近基台14的区域(稍后描述的直线状区域Al)之间的距离。Y轴移动机构13和Z轴移动机构15用作移动机构。调控体12调节材料的厚度，这些材料从供给喷嘴16提供到Z轴方向上的基台14的表面14a。图20是调控体12的放大图。调控体12具有部分圆柱体的形状(圆柱透镜形状)。换句话说，基台14对面的调控体12的表面的12a是形成为圆柱面的曲面。如图18中所示，调控体12在一个方向(X轴方向)上延伸。调控体12通过附接件21附接至支持柱19。在附接件21中，在X轴方向(第一个方向)上形成狭缝21a，并且来自于照射单元17的激光经由狭缝21a进入调控体12。调控体12由玻璃、丙烯酸材料或其他透明材料构成。只要调控体12使得能量束以预定透射率从其透过，调控体12可由任何材料构成。提高材料的接触角的疏水性材料(例如氟)可施加到调控体12的表面12a上。如图20所示，基台14被设置为通过Z轴移动机构15在基台14和调控体12的表面12a之间形成狭缝区域S。狭缝区域S由在X轴方向上形成的直线状区域Al (即调控体12的表面12a中最接近基台14的部分)对面的基台14的表面14a形成。直线状区域Al是调控体12的表面12a的一部分。Y轴方向的直线状区域Al的宽度是O. I毫米到I毫米。此外，稍后描述的照射单元17所照射的激光的光点直径是I μ m到100 μ m。然而，基于调控体12的大小、物体(结构体)的大小、造形的精度等，可以适当地变化直线状区域Al的宽度和光点直径，并也可以采用上述范围之外的值。 供给喷嘴16在X轴方向上延伸。供给喷嘴16设置在调控体12的上方并且例如经由支持构件通过构件(未示出)附接在支持柱19上。作为供给喷嘴16，使用一种包括多个孔(未示出)的喷嘴，所述多个孔在纵向排出光固化树脂R (见图20)。或者，在纵向包括狭缝的狭缝涂布型喷嘴可用作供给喷嘴16。应当注意的是，例如，用于将光固化树脂R引入至供给喷嘴16的泵、管、开/闭阀等(未示出)连接到供给喷嘴16。如图17所示，照射单元17包括激光光源171和物镜172，物镜172将从激光光源171发出的激光的束点缩小。利用固定件(未示出)整体保持激光光源171和物镜172。物镜172经由调控体12将激光聚焦到狭缝区域S中的光固化树脂R上或者是包括狭缝区域S的外围区域上。换句话说，物镜172设置在激光焦点与至少在狭缝区域S中的光固化树脂R —致的光轴上的位置。当从照射单元17发出的激光是紫外线时，紫外光固化树脂用作光固化树脂R。此外，移动机构包括X轴移动机构(扫描机构)18，X轴移动机构18在X轴方向上整体移动照射单元17并且在X轴移动机构18上安装有X轴移动电机181 (见图19)。通过X轴移动机构18，照射单元17能够在X轴方向上扫描照射单元17发出的激光。应当指出的是，多边形扫描器或电扫描器可用作X轴移动机构18。附接件21的狭缝21a在X轴方向上延伸。因此，当激光扫描的情况下X轴移动机构18可以使激光经由狭缝21a进入调控体12。可以通过诸如滚珠丝杆驱动机构(ball screw driving mechanism)、齿轮齿条驱动机构、带式驱动机构等来实现Z轴移动机构15、Y轴移动机构13以及X轴移动机构18。废液槽5设置在基座11上的基台14的下方。废液槽5存储的是从供给喷嘴16排放出的并且流下基台14的过量的光固化树脂等。应当注意的是，尽管支持柱134和支持柱19分别提供两个(见图18)，但是它们可在X轴方向上的基座11的大致的中心上各设置一个。如图19中所示，结构体形成装置100包括控制Z轴移动电机151的驱动的Z轴移动电机控制器28、控制Y轴移动电机131的驱动的Y轴移动电机控制器27、以及控制X轴移动电机181的驱动的X轴移动电机控制器25。结构体形成装置100也包括控制从激光光源171发出的激光的功率的激光功率控制器26。主机50总体控制控制器25到28的操作。虽然未示出，但是结构体形成装置100也包括用于驱动连接到供给喷嘴16的泵和开/闭阀的控制器。主机50包括CPU (中央处理机)、RAM (随机存取存储器)和ROM (只读存储器)。诸如FPGA (现场可编程门阵列)和ASIC (专用集成电路))的PLD (可编程逻辑器件)可用于代替CPU。控制器25到28包括这样的硬件或由软件构成。通常，用配线连接主机50和控制器25到28，但是至少有一个控制器在结构体形成装置100内无线连接到控制系统。(结构体形成装置的操作)接着，将描述如上所述地构成的结构体形成装置100的操作。图21A到图21C是 顺序地显示操作的图。图22k到图22D是操作期间在调控体12和基台14之间的区域的放大图。图21A示出了移动基座133在初始位置的结构体形成装置100的静止状态。在实际执行造形之前，通过主机50设置与作为光固化树脂R的硬化层的一层对应的厚度。此夕卜，例如，在Z轴移动电机控制器28 (见图21A)的控制之下通过Z轴移动机构15驱动，基台14与直线状区域Al接触时的基台的高度位置设置为Z轴方向上的原点，直线状区域Al是调控体12中与基台14最接近的部分。应当注意的是，当设置原点时，可适当地设置基台14在Y轴方向上的位置。在设置原点后，基台14从调控体12移开预设量，该预设量对应于光固化树脂R的
一个层。在基台14从调控体12移开之后，基台14通过Y轴移动机构13移动到造形起始位置，它是如图21B所示的预定位置。造形起始位置是在Y轴方向上的基台14的位置，在该位置能够形成基台14和调控体12的直线状区域Al之间的狭缝区域S。只要是在基台14上的能够形成狭缝区域S的位置，可以根据在Y轴方向上要形成的结构体的大小，适当地改变造形起始位置。在基台14位于造形起始位置后，光固化树脂R从供给喷嘴16中排出并由于自身的重量滴在调控体12和基台14之间。因此，至少狭缝区域S充满了光固化树脂R。通过表面张力，光固化树脂R保持在调控体12和基台14段之间。换句话说，利用直线状区域Al，调控体12在沿X轴方向的一维区域调节光固化树脂R的液面。图20示出了此时的狭缝区域S和外围区域的放大图。从该状态开始，在光固化树脂R上照射激光，也就是说，开始曝光。照射单元17照射激光。从激光光源171发射出的激光，通过物镜172和调控体12并进入狭缝区域S的光固化树脂R中。当在X轴移动电机控制器25的控制下在X轴方向上移动的同时，基于用于造形目标的单层的数据中的用于在X轴方向上的单行的数据，在激光功率控制器26控制之下，照射单元17选择性地曝光光固化树脂R (见图22A)。具体地，激光功率控制器26基于用于结构体的单行的数据产生激光功率的调制信号并将该信号发送到激光光源171。因此，单层中在X轴方向上单行的光固化树脂R被选择性地曝光和固化。至少曝光在狭缝区域S中的光固化树脂R。通过激光照射的曝光期间基台14不会移动。结构体的单层的厚度是I μ m到100 μ m，但是该厚度不局限于这个范围，可以适当
地设置。如图22A中所示，如上所述地形成对应于单行的硬化层R0。在对X轴方向上的单行的光固化树脂R的曝光 结束后，停止激光照射操作，并且通过Y轴移动机构13使基座133移动，基台14以预设的间距沿Y轴的往后方向(在图21B中的上部)移动。此时，如图22B和22C中所示，通过硬化层RO随基台14移动，在调控体12和硬化层RO之间产生剪切力，因而硬化层RO从调控体12剥离。如上所述，因为疏水性薄膜形成在调控体12的表面，所以能够容易地实施剥离。接着，用同样的方法对第一层中的下一行(邻近第一行的行)实施选择性的曝光(见图22D)。因此，形成该行的硬化材料Rl。通过重复如上所述的在X轴方上激光的扫描照射和在Y轴方向上的基台14的分级进给，结构体形成装置100形成一个层的光固化树脂R的选择性硬化层，即，如图21C所示的一个层的硬化层R’。如上所述，通过所谓的光栅扫描实施一个层的曝光处理。虽然依赖于激光光束的光点直径，即，形成结构体的分辨率，但是在Y轴方向上的基台14的间歇移动间距可以被适当地设置。在对一个层的光固化树脂R的曝光结束后，基台14在Z轴方向上移动至离调控体12更远的位置。接着，通过重复此前描述的操作，层叠硬化层R’，从而形成具有任意形状的结构体。如上所述，由于调控体12的表面12a被形成为柱面，使得调控体12的直线状区域Al最接近基台14，所以通过在Y轴方向上移动基台14，调控体12的直线状区域Al移动，从而在Z轴方向上从基台14相对地移开。因此，如上所述地产生剪切力，硬化材料(在图22B和22D中示出的RO和Rl)可以从调控体12整洁地剥离。现有技术的调节液面的方法存在的问题是由于在薄膜或玻璃表面的变形，结构体的平坦度降低。相反，在本实施方式中，因为调控体12的表面形成为柱面，所以在直线状区域Al中调节光固化材料的液面。因此，即使当固化光固化树脂R时产生的收缩力施加到调控体12的时候，调控体12也很难变形或扭曲，并且还可防止在曝光之前由于光固化树脂R的粘性导致的调控体12的变形。因此，使提高硬化层的平坦性和高精度地控制其厚度成为可能。结果，图I到图16所示的结构体能以小尺寸形成。在现有技术的调节液面的方法中，从薄膜或玻璃表面剥离结构体的过程需要时间。然而，在本实施方式中，每次在曝光处理中，在Y轴方向上实施基台14的分级进给的时候，结构体从调控体12上剥离。换句话说，因为对一个层的曝光处理和剥离处理的时隙重叠，所以形成结构体所需要的时间能够被缩短。因为在本实施方式中调节直线状区域Al中的光固化材料的液面，所以即使使用高粘性的材料时，也能形成具有精确层厚的结构体，因而拓宽了所用材料的选择范围。在本实施方式中，调控体12从基台14侧的剥离以调控体12的直线状区域Al中的微小量间歇性地(每次在Y轴方向上实施分级进给)发生。因此，剥离力微弱，能够防止硬化材料被破坏。换句话说，能够容易地从调控体12剥离硬化材料。此外，因为如上所述，剥离力微弱，所以硬化材料不会从基台14剥离。
如上所述，根据本实施方式的结构体形成装置100，能够以实用的速度和成本高精度地形成图I到图16中示出的结构体。尤其是，即使当结构体具有微小的复杂形状时，结构体形成装置100也能以实用的速度高精度地形成结构体。[通过附接多个基材部件(substratepart)来形成结构体]图23是用于说明通过附接多个基材部件制造基材的方法的图。如图23A中所示，基材部件91包括由结构体形成装置100形成的例如凹部91a。基材部件形成为空隙率从第一侧91b (作为更靠近基台14的一侧)向第二侧91c (作为更远离基台14的一侧)增大。形成多个这样的基材部件91，本实施方式中形成两个。如图23B中所示，附接基材部件91，使得连接基材部件91的第二侧91c相互连接。
结果，形成具有如图23C中所示的空隙94的基材90。基材90被形成为空隙94的空隙率从基材的内部侧向其外部侧二维或三维地减小。通过如上所述地以部件制造基材，具有以下优点。假定从作为更靠近基台14的一侧的第二侧91c形成基材部件91。在这种情况下，当第二侧91c上的体积极小而在第一侧91b上的体积大时，基台14上的基材部件91的稳定性降低。因此，通过在如图23A中所示在更靠近基台的位置设置具有更大体积的材料，可以消除在稳定性方面的问题。应当注意的是为了容易理解以上描述，本实施方式的基材90采用了简单的形状。然而，根据公知的造形装置或结构体形成装置100，当然也可以形成具有复杂形状的基材。[通过附接多个片状基材来形成结构体]图24是示出了通过附接在图12中示出的多个片状基材而形成的基材的平面图。在此实例中，附接两个片状基材。具体地，在围绕垂直于片状基材的附接表面的轴的旋转方向上偏移的情况下附接片状基材。图25至图27示例性示出了，不是如图24中示出那样在旋转方向上、而是直线状地偏移附接片状基材而形成的基材。在图25到图27中示出的实例中，片状基材的重叠部分具有方向性地周期性改变。例如，就强度而言，这样的结构体可能是不利的。此外，在大的基材的情况下，由于局部的膨胀和收缩，很难以同样的位置的关系附接所有片状基材。通过用于图24所示的基材110的制造方法，两个片状基材的附接位置的精确度不需要很高，并且可以实现在任何位置能够耐受来自任何方向的压力的具有足够强度的结构体。从一定距离看基材110，能够确认为大的六边形部分。换句话说，即使附接两个片状基材时，结构体110也维持一个自相似的周期性结构。该周期性结构取决于用于附接两个片状基材的旋转角度。如上所述通过附接片状基材形成结构体的技术并不局限于具有蜂窝结构的片状基材的情况。只要片状基材或由片状基材构成的结构体的空隙率从片状基材的内部侧到其外部侧减小，则可采用任何片状基材和结构体。[其他实施方式]本公开不局限于上述实施方式，也可实现为各种不同的其它实施方式。虽然根据上面的实施方式的结构体形成装置的调控体采用了部分圆柱体形状，但是也可代替采用完整圆柱体形状。在这种情况下，调控体可以是由对能量束透明的材料形成的实心型或中空型调控体。调控体的表面形状可是诸如椭圆面和双曲面的曲面。或者,该表面可以是在Y轴方向上具有狭窄宽度(大约是激光光点直径的2到5倍)的平面，而不是曲面。在上面的实施方式中，在造形期间，调控体12是静止的而基台14在Z轴方向上移动。然而，该系统并不局限于这样的系统，基台14可以为静止的，而调控体在Z轴方向上移动，或者它们两个都可移动。在上面的实施方式中，为了形成结构体的一层硬化层，垂直移动基台14。然而，为了形成结构体的一层硬化层，调控体和基台可以在水平方向上相对地移动，或者可以在包括垂直方向的成分且与垂直方向不同的方向(即倾斜方向)上相对地移动。在上面的实施方式中，为了形成结构体的一层硬化层，调控体12和基台14相对地移动的方向是与调控体12的直线状区域Al延伸的方向(第一方向)正交的方向。然而，第二方向仅需不同于第一方向，并且可以是相对于第一方向倾斜的方向。或者，在被看作平面 (在Z轴方向上)时，调控体12的纵向可预先设置为在倾斜方向上倾斜。在上面的实施方式中，当照射单元17在X轴方向上移动时，调控体12和基台14在X轴方向上是静止的。然而，照射单元17可以是静止的，而调控体12和基台14可以在X轴方向上整体移动。除在图22和23中示出的结构体之外的所有上述结构体，可由注塑成型或其他方法形成，而不是由如上所述的造形装置(结构体形成装置)形成。可以组合上述结构体的至少两个特征部分。本公开也可以采用以下构成。(I) 一种结构体，包括基材，包括多个空隙和至少形成多个空隙的表面，并基材形成为多个空隙的空隙率从基材的内部侧向其外部侧二维或三维地减小；以及涂层材料，形成在基材的表面上。(2)根据(I)的结构体，其中，基材还包括使多个空隙连通的连通孔。(3)根据(2)的结构体，其中，基材包括多个连通孔，以及其中，经由多个空隙和多个连通孔围绕基材的表面的最短距离是涂层材料在厚度方向的100到10000倍。(4)根据(I)到(3)中任意一项的结构体，其中，涂层材料包括金属层。(5)根据(4)的结构体，其中，涂层材料还包括在金属层上形成的树脂层。(6)根据(I)到(5)中任意一项的结构体，其中，多个空隙规则地排列在基材上。(7)根据(6)的结构体，其中，多个空隙的开口表面的排列方式是蜂窝结构。(8) 一种结构体的制造方法，包括
将通过能量束的能量固化的基材的材料提供至供给区域；通过将能量束照射到从提供至供给区域的材料的整个区域中选择的区域，形成包括多个空隙和至少形成有多个空隙的表面的基材，并且基材形成为多个空隙的空隙率从基材的内部侧向其外部侧二维或三维地减小；以及在已形成的基材的表面上形成涂层材料。(9)根据(8)的结构体的制造方法，其中，结构体的制造方法使用包括基台和调控体的结构体形成装置，调控体包括具有沿第一方向形成的直线状区域的表面，并且被设置为面对基台使得所述表面中的直线状区域最接近基台，其中，材料的提供包括将材料供给狭缝区域，狭缝区域为配置有基台一侧的区域 和直线状区域之间的区域，以及其中，基材的形成包括利用调控体和基台沿不同于第一方向的第二方向的相对移动来固化至少一层材料。(10)根据(9)的结构体的制造方法，其中，基材的形成包括形成基材的部件，使得基材的部件的空隙率从靠近基台的第一侧向远离基台的第二侧增大，形成基材的多个部件，以及附接基材的多个部件，使得基材的多个部件在其所述第二侧上连接。(11)根据(8)的结构体的制造方法，其中，基材的形成包括形成片状基材，使得空隙率从片状基材的内部侧向其外部侧二维地减小并且多个空隙规则地排列，以及其中，制备多个片状基材，结构体的制造方法还包含附接片状基材，使得片状基材在围绕垂直于所述片状基材的附接表面的轴的旋转方向上偏移。[本公开范围外的形式]尽管在本公开的范围外，但是可实现通过聚集一种类型的例如图8所示的单元小隔间75而形成的结构体。换句话说，单元小隔间75的开口尺寸可设置为常数。或者，通过在任意位置配置单元小隔间75，可形成自由形状的结构体，并且能够制造根据方向不同而具有不同弯曲刚度的结构体。本公开包含2011年7月8日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2011-151596中所涉及的主题，其整个内容通过引用结合于此。本领域技术人员给能够理解，只要在附加的权利要求书或其等同物范围之内，可以根据设计要求和其他因素进行各种修改、组合、子组合和改变。
权利要求
1.一种结构体，包括 基材，包括多个空隙和形成有至少所述多个空隙的表面，并且所述基材形成为所述多个空隙的空隙率从所述基材的内部侧向其外部侧二维或三维地减小；以及涂层材料，形成在所述基材的表面上。
2.根据权利要求I所述的结构体， 其中，所述基材还包括使所述多个空隙连通的连通孔。
3.根据权利要求2所述的结构体， 其中，所述基材包括多个连通孔，以及 其中，经由所述多个空隙和所述多个连通孔围绕所述基材的表面的最短距离是所述涂层材料在厚度方向的100到10000倍。
4.根据权利要求I所述的结构体， 其中，所述涂层材料包括金属层。
5.根据权利要求4所述的结构体， 其中，所述涂层材料还包括在所述金属层上形成的树脂层。
6.根据权利要求I所述的结构体， 其中，所述多个空隙在所述基材上规则地排列。
7.根据权利要求6所述的结构体， 其中，所述多个空隙的开口表面的排列方式为蜂窝结构。
8.根据权利要求5所述的结构体， 其中，所述金属层由铝、镍、铬或钛形成，而所述树脂层由ABS、丙烯酸树脂或聚乙烯类树脂形成。
9.一种结构体的制造方法，包括 将通过能量束的能量固化的基材的材料提供至供给区域； 通过将所述能量束照射到从提供至所述供给区域的所述材料的整个区域中选择的区域，形成包括多个空隙和形成有至少所述多个空隙的表面的基材，并且所述基材形成为所述多个空隙的空隙率从所述基材的内部侧向其外部侧二维或三维地减小；以及在已形成的基材的表面上形成涂层材料。
10.根据权利要求9所述的结构体的制造方法， 其中，所述结构体的制造方法使用包括基台和调控体的结构体形成装置，所述调控体包括具有沿第一方向形成的直线状区域的表面，并且被设置为面对所述基台使得所述表面中的所述直线状区域最接近所述基台， 其中，所述材料的提供包括将所述材料供给狭缝区域，所述狭缝区域为配置有所述基台一侧的区域和所述直线状区域之间的区域，以及 其中，所述基材的形成包括利用所述调控体和所述基台沿不同于所述第一方向的第二方向的相对移动来固化至少一层所述材料。
11.根据权利要求10所述的结构体的制造方法， 其中，所述基材的形成包括 形成所述基材的部件，使得所述基材的部件的空隙率从靠近所述基台的第一侧向远离所述基台的第二侧增大，形成所述基材的多个所述部件，以及 附接所述基材的多个所述部件，使得所述基材的多个所述部件在其所述第二侧上连接。
12.根据权利要求9所述 的结构体的制造方法， 其中，所述基材的形成包括形成片状基材，使得所述空隙率从所述片状基材的内部侧向其外部侧二维地减小并且所述多个空隙规则地排列，以及其中，制备多个所述片状基材， 所述结构体的制造方法还包含附接所述片状基材，使得所述片状基材在围绕垂直于所述片状基材的附接表面的轴的旋转方向上偏移。
全文摘要
本发明涉及一种结构体及其制造方法。该结构体包括基材和涂层材料。基材包括多个空隙和至少形成多个空隙的表面，并且所述基材形成为多个空隙的空隙率从基材的内部侧向其外部侧二维或三维地减小。涂层材料形成在在基材的表面上。
文档编号B32B37/00GK102862333SQ201210226978
公开日2013年1月9日 申请日期2012年6月29日 优先权日2011年7月8日
发明者安河内裕之 申请人:索尼公司