具有底切微观特征结构的注模喷嘴预成型件的制作方法
【专利说明】具有底切微观特征结构的注模喷嘴预成型件
【背景技术】
[0001] 喷嘴预成型件可用作制造喷嘴过程中的中间步骤。一般来讲，电铸喷嘴预成型件 以形成可能是最终喷嘴板、阵列或零件的制品。在许多精确应用中，喷嘴板上的特征结构的 具体布置、形状以及大小可能是非常重要的，包括设计和产生具有独立地且准确地对准的 特征结构的阵列的能力。由于注模具有能够在无需频繁重新装备的情况下进行重复和自动 化的能力，其通常用于以高吞吐量生产零件。先前将底切特征结构结合到注模制品中需要 复杂的模具设计诸如可移除的针，或需要接受在将制品从模具移除时特征结构的永久变 形。在一些大小范围内并且对于特征结构的一些形状来说，使用可移除的针是不适当的或 不可行的，并且对于精确应用，永久变形是无法接受的。
【发明内容】
[0002] 在一个方面，本公开涉及喷嘴预成型件。更具体地，本公开涉及包括具有第一主表 面的基板和从基板的第一主表面延伸出的多个单轴微观特征结构的喷嘴预成型件，其中每 个单轴微观特征结构具有主轴。多个单轴微观特征结构的主轴是不平行的。注模喷嘴预成 型件不具有断裂的或变形的微观特征结构。在一些实施例中，多个单轴微观特征结构中的 每个具有表面界面区域和平面视图突起区域，对于多个单轴微观特征结构中的至少一部 分，平面视图突起宽度延伸超出表面界面区域。在一些实施例中，多个单轴微观特征结构包 含聚丙烯，该聚丙烯可具有1.2的熔体流动指数。在一些实施例中，多个单轴微观特征结构 是圆柱形的。在一些实施例中，多个单轴微观特征结构远离基板渐缩。在其它实施例中，多 个单轴微观特征结构不远离基板减缩。在一些实施例中，不平行意指主轴中的至少两个彼 此偏离至少10、20、30或40度。在一些实施例中，不平行意指主轴中的至少两个彼此偏离10 至40度。
【附图说明】
[0003] 图1是注模喷嘴预成型件的剖面正视图。
[0004] 图2是模具的剖面正视图。
[0005]图3是正在图2的模具中注模的喷嘴预成型件的剖面正视图。
[0006] 图4是另一个注模喷嘴预成型件的剖面正视图。
[0007] 图5是另一个注模喷嘴预成型件的顶部透视图。
[0008] 图6是实例1和比较例中使用的模具的顶部透视示意图。
[0009] 图7a是图6模具的空穴构造的侧横截面示意图。
[0010] 图7b是图6模具的空穴构造的顶部平面示意图。
[0011] 图8是实例1的注模喷嘴预成型件的复合显微图。
[0012] 图9是比较例1的注模喷嘴预成型件的显微图。
[0013] 图10是比较例5的注模喷嘴预成型件的显微图。
[0014] 图11是比较例6的注模喷嘴预成型件的显微图。
【具体实施方式】
[0015] 应当理解，术语"喷嘴"可在本领域中具有多种不同的含义。在一些具体的参考文 献中，术语喷嘴具有广泛的定义。例如，美国专利公布2009/0308953Al(Palestrant等人)公 开了一种"雾化喷嘴"，该雾化喷嘴包括多个元件，包括封闭室50。这区别于本文给出的对喷 嘴的理解和定义。例如，本说明书的喷嘴将大体对应于Palestrant等人的孔插件24。一般来 讲，本说明书的喷嘴可被理解为最终喷出喷雾的雾化喷雾系统的最后的锥形部分;参见例 如，韦氏(Merriam Webster)字典对喷嘴的定义（"具有用于（如在软管上）加速或引导流体 流动的锥形或收缩部的短管"）。参考美国专利5,716,009(0gihara等人)可获得进一步理 解。另外，在此参考文献中，流体注射"喷嘴"被广泛地定义为多件式阀元件10;参见第4栏， 第26-27行（"充当流体注射喷嘴的燃料注射阀10....."）。如本文所用，对术语"喷嘴"的当 前定义和理解应涉及第一孔板130和第二孔板132,还可能涉及例如套筒138(参见Ogihara 等人的专利的图14和图15)，该套筒位于紧邻燃料喷雾器处。与对本文描述的术语"喷嘴"的 理解类似的对术语"喷嘴"的理解用于美国专利5，127，156(Yokoyama等人）中。这里，将喷嘴 10与附接的元件和一体化的结构独立地定义，诸如旋流器12(参见图1(11))。当术语"喷嘴" 在随后的说明书和权利要求书中被提及时，应当牢记上述所定义的理解。喷嘴还可以是指 喷嘴板或阵列；即，单个零件上的通孔的集合。相似地，一起制造并且稍后被切割或以其它 方式分离的一组喷嘴、喷嘴阵列或喷嘴板也可适合喷嘴的此定义。
[0016] 图1是包括底切特征结构的注模喷嘴预成型件的剖面正视图。注模喷嘴预成型件 100包括基部110以及特征结构120A、120B和120C。基部110可以是任何合适的材料。在一些 实施例中，基部110是与特征结构相同的材料;例如，特征结构可通过在相同的模具中注入 相同的材料而形成。基部110可具有任何合适的横截面形状和任何合适的总体三维特征，并 且不限于图1中其图示所示的基本上平面的形状。在一些实施例中，基部110可以是圆盘或 圆片的形状。
[0017] 基部110可具有任何合适的厚度，并且可被设计成使其主要尺寸是足以抗翘曲的 或足以为喷嘴预成型件100的后续处理步骤提供稳定性。基部Iio还可被具体地成型以用于 与喷嘴系统中的其它零件或部件适当地对接。在一些实施例中，在后续电铸步骤之后，喷嘴 预成型件100的基部110可被设计成具有期望的大小或形状;换句话讲，基部110可比期望的 最终喷嘴零件稍小。
[0018] 特征结构120A、120B和120C(统称为特征结构120)从基部110的主表面延伸出并且 可以是任何期望的形状或大小。在一些实施例中，特征结构120可以是微观特征结构；即，它 们可具有大约几微米或几十微米或几百微米的尺寸。在一些实施例中，特征结构120可以是 基本上圆柱形状的。可仔细选择特征结构120的形状和轮廓以最终提供，除成品零件之外， 输出流的期望的流体流动轮廓和对输出流的精确控制，包括其抱合力、方向性、速度以及直 径。在一些实施例中，特征结构120可具有拔模角度，意指它们远离基部110渐缩。
[0019] 特征结构120A、120B和120C中的每个具有大体沿循特征结构的轮廓的主轴。在图1 中，这些轴线用虚线示出。喷嘴预成型件100包括具有线性轴线的特征结构120;然而，只要 特征结构120是单轴特征结构，该轴线就可以是线性的或弯曲的。单轴特征结构意指特征结 构具有可仅由单条线或单条曲线限定的主轴，并且该主轴不往回折到其自身上或突然地改 变方向。如图1中可见，特征结构120A、120B和120C的主轴是不平行的。渐缩或具有轻微的拔 模角度并不影响主轴的定义或识别。对于确定两条轴线是否平行可能较困难的弯曲主轴来 说，如果轴线具有不同的形状或不同的对准关系，那么可以认为轴线是不平行的（例如，如 果第二弯曲轴线是第一弯曲轴线围绕基部110的主表面的垂直轴的旋转结果，那么一个弯 曲轴线可能与第二弯曲轴线不平行）。
[0020] 特征结构120B和120C可表征为底切特征结构。例如，标记特征结构120C以指示其 延伸宽度或平面视图突起宽度α以及其基部宽度或表面界面宽度β。特征结构120C可被认为 是底切的，因为α延伸超出β。应当理解，α和邱勺值可基于所选择的剖面正视图而改变，但是 只要存在其中α>β成立的至少一个剖面正视图，那么特征结构仍可被认为是底切的。
[0021] 根据所期望的应用，任何数量的特征结构120都是可能的。虽然图1示出了全部具 有相同的大体形状和大小的特征结构120,但这不是必须的。特征结构120的形状的任何组 合或布置都是可能的并且可被认为是在本公开的范围内。
[0022]图2是模具的剖面正视图。模具200可被设计来帮助通过注模形成图1的喷嘴预成 型件100。模具200被示出为两部分，即底板210和顶板220。顶板220包括特征结构沟槽222。 [0023]用于注模的模具通常为两个或更多个部分以便有利于模制零件的移除。参考图2 所示的模具200,底板210和顶板220可简单地通过压力保持在一起（即，可不具有接合两者 的特殊特征结构），或者它们可具有联锁的突出部或凹陷部。在一些实施例中，底板210和顶 板220中的一个可以是静止的或固定的，而另一个是可重新定位的或可移除的。在一些实施 例中，底板210可装配在顶板220的内部或紧贴在其内。
[0024]模具200可由任何合适的材料形成。在一些实施例中，底板210和顶板220的材料可 以是相同的。在一些实施例中，合适的材料可以是金属、陶瓷或聚合物，并且可基于导热性、 抗变形或翘曲性、耐久性以及抗粘着特性进行选择。在一些实施例中，底板210或顶板220可 以是金属合金，诸如钢。应注意，因为存在影响后续电铸步骤或不合期望地存在于成品零件 中的污染物的风险，所以对于许多应用来说，被涂覆的或经表面处理的模具200可能是无法 接受的。通道222(对应于图1的特征结构120的负像(negative))可通过任何合适的方法被 提供于顶板220中，所述方法包括激光钻孔、放电机加工或电铸负像(诸如图1的喷嘴预成型 件100)，其中负像通过任何合适的方法生成，所述方法诸如铸造和固化，或多光子过程诸如 在例如2007年3月23 日提交的标题为 "Process For Making Microneedles，Microneedle Arrays，Masters，And Replication Tools，（用于制备微针、微针阵列、主装置以及复制工 具的方法)"的美国专利申请公布2009/0099537中所描述的多光子过程。
[0025]通道222对应于图1的特征结构120。根据应用，通道222对成品零件的所期望的最 终形状保持高保真性可能是重要的。通道222可被设计来考虑在注模零件从模具200脱离之 后的热膨胀或收缩。
[0026]图3是大体示出注模步骤的侧面正视图。模具300包括底板310、顶板320以及包括 底切特征结构332的注射材料330。本领域的技术人员应当理解，图3仅示出了注模步骤的一 般化视图，并且注模系统将可能包括其它部件，诸如侧壁、注口、适当的输入管线以及加热 元件以从注射材料330实现适当的材料特性。
[0027]注射材料330的材料选择是重要的，以确保成品零件，并且尤其是底切特征结构 332从模具300的完全排出、脱离或移除。因为例如在图3所示的系统中，将成品零件从模具 300移除使用了向下(朝向页面的底部)的直拉，所以底切特征结构332并不是沿着它们的主 轴受力，这易于使特征结构断裂或严重变形。底切特征结构332的断裂尤其是个问题，因为 这不仅使注模零件产生缺陷，而且断裂部分通常保留在注射模具中的空穴中或阻塞该空 穴，从而使得非常更有可能的是，在未将断裂部分清除、熔化或溶解掉或以其它方式从模具 移除的情况下，另外的零件也将产生缺陷。除其他之外，该断裂趋势通常随着底切特征结构 的主轴从法线的偏离度(或者，在更一