稀疏桁架结构和其制造方法与流程

文档序号:14643260发布日期:2018-06-08 20:36
稀疏桁架结构和其制造方法与流程

本发明大体上涉及微桁架结构,且更确切地说,涉及稀疏微桁架结构。



背景技术:

结构组件通常包含由轻质芯体分离的一对刚性面板。轻质芯体可以是例如蜂窝或闭孔泡沫等闭孔材料,或为开孔配置,例如栅格或桁架结构。然而,具有桁架芯体的结构元件可能往往会遭受因桁架芯体内的个别支柱的相对较高纵横比所致的屈曲故障。

此外,相关技术桁架芯体通常包含有序支柱的互连网络。然而,相关技术桁架结构的互连性使得所述结构更易于遭受因所述支柱中的一个或多个的制造缺陷所致的过早故障。例如,相关技术桁架结构中的支柱中的一个或多个可能包含制造缺陷,所述制造缺陷使得那些有缺陷的支柱过早屈曲或弯曲变形,且那些有缺陷的支柱的过早故障可能又会导致总体结构的故障。因此,具有互连支柱的有序布置的桁架结构对于桁架结构内的一个或多个有缺陷支柱的过早故障具有增大的敏感度。

此外,相关技术桁架结构可能增大支柱直径和/或更改支柱的角度以补偿支柱的预期制造缺陷。然而,增大支柱的直径会增大结构的总重量,且更改支柱角度需在结构的抗压强度与剪切强度之间进行取舍。



技术实现要素:

本发明是针对微桁架结构的各种实施例。在一个实施例中,所述微桁架结构包含布置成阵列的一系列单位单元。所述单位单元中的每一个包含在节点处互连的一系列支柱。至少两个邻近单位单元由间隙隔开。所述阵列可以是直线式的。所述系列单位单元可能包含:第一系列单位单元,其布置在所述阵列的第一行中;以及第二系列单位单元,其布置在所述阵列的第二行中。所述阵列可以是交错阵列,且所述阵列的所述第二行中的所述第二系列单位单元可以从所述阵列的所述第一行中的所述第一系列单位单元横向偏移。所述第一行中的所述第一系列单位单元中的每一个中的所述支柱中的至少一个可以互连到所述第二行中的所述第二系列单位单元中的一个中的所述支柱中的一个。所述阵列的所述第二行中的所述第二系列单位单元可以与所述阵列的所述第一行中的所述第一系列单位单元对准,且所述第二系列单位单元中的每一个可以与所述第一系列单位单元中的对应单位单元由间隙隔开。所述支柱可以是实心或中空的。所述单位单元中的每一个中的所述多个支柱可以布置成正方形基底角锥配置或三角形基底角锥配置。所述微桁架结构还可以包含:第一面板,其耦合到所述多个单位单元中的每一个的所述节点;以及第二面板,其耦合到所述支柱的末端。所述单位单元可以是半单位单元或全单位单元。所述支柱可以由例如聚合物、金属、金属合金、陶瓷或其任何组合的任何合适材料制成。所述支柱的长度、所述支柱的直径、所述节点之间的间距和/或所述单位单元的高度可能跨越(cross)所述微桁架结构而变化。

本发明还针对制造微桁架结构的各种方法。在一个实施例中,所述方法包含辐照具有一系列光束的一定体积的光单体以形成布置成阵列的一系列单位单元。所述单位单元中的每一个包含在节点处互连的一系列聚合物光学波导。至少两个邻近单位单元由间隙隔开。所述光束可以经由在掩模中限定的一系列孔隙引导,且所述掩模中的所述孔隙可以布置成对准阵列或交错阵列。所述方法还可以包含:将第一面板耦合到所述单位单元中的每一个的所述节点;以及将第二面板耦合到所述聚合物光学波导的末端。所述方法还可以包含通过任何合适工艺用相异材料涂布所述聚合物光学波导,所述工艺例如:电沉积、电镀、气相沉积、喷涂、浸涂,或其任何组合。所述方法还可以包含选择性地去除所述聚合物光学波导以形成多个互连的中空管状支柱,所述支柱由涂布到所述聚合物光学波导上的所述相异材料形成。所述方法还可以包含定向所述多个光束,使得所述单位单元中的每一个中的所述聚合物光学波导布置成正方形基底角锥配置或三角形基底角锥配置。

提供此发明内容是为了引入一系列概念,所述概念在以下具体实施方式中进一步加以描述。本发明内容并不意欲识别所要求的主题的关键特征或必要特征,也不意欲用来限制所要求的主题的范围。

附图说明

通过参考以下结合下图进行的详细描述将更加清楚地了解本公开的实施例的这些和其它特征以及优点。在图式中,相同参考数字贯穿各图用以指代相同特征和组件。诸图不一定是按比例绘制。

图1A和1B分别为根据本公开的一个实施例的稀疏微桁架结构的透视图和侧视图;

图2A和2B分别为根据本公开的另一实施例的稀疏微桁架结构的透视图和侧视图;

图3为比较相关技术微桁架结构与根据本公开的实施例的两个稀疏微桁架结构的抗压强度的应力-应变曲线图;

图4说明根据本公开的一个实施例的随单位单元稀疏度而变的稀疏微桁架结构的抗压强度;

图5A到5C说明根据本公开的一个实施例的形成稀疏微桁架结构的任务;

图6说明根据本公开的一个实施例的在形成稀疏微桁架结构的方法期间使用的掩模;以及

图7说明根据本公开的另一实施例的在形成稀疏微桁架结构的方法期间使用的掩模。

具体实施方式

本发明的实施例是针对微桁架结构,其相较于现有技术桁架结构具有结构元件的相对稀疏布置。在本发明的实施例的情形下,微桁架结构为一种微米尺度下的有序三维结构。本发明的微桁架结构的实施例经配置成相较于具有相同相对密度的现有技术微桁架结构显现改善的机械性能。本发明的微桁架结构可并入到任何合适结构中,例如并入到机动车中(例如,作为底盘组件、防撞梁、地板、加强件或罩体)或飞机中(例如,作为壳体组件、翼体、控制表面、转子叶片或地板)。另外,本发明的微桁架结构的实施例归因于微桁架结构的开孔布置可被用作流体导管。

现参看图1A和1B,根据本发明的一个实施例的稀疏微桁架结构100包含多个单位单元101,其布置成具有多个行及多个列的有序阵列。在所示出的实施例中,阵列为直线形,但在一个或多个替代实施例中,阵列可具有任何其它合适配置,例如,圆形阵列。因此,阵列的行及列可为线性或非线性的。另外,在所示出的实施例中,单位单元101中的每一者包含多个互连支柱102(例如,单位单元101由一分组的互连支柱102界定)。在每一单位单元101中,支柱102的上端103在节点104处相交并互连。在所示出的实施例中,支柱102中的每一者具有在节点104处从支柱102的下端105到支柱102的上端103测量的长度l。尽管在所示出的实施例中,支柱102的长度l越过稀疏微桁架结构100为恒定的,但在一个或多个替代实施例中,支柱102的长度l越过稀疏微桁架结构100可发生变化(例如,支柱102的长度l可在单位单元101之间发生变化)。另外,在所示出的实施例中,每一单位单元具有高度h。尽管在所示出的实施例中,单位单元101的高度h越过稀疏微桁架结构100为恒定的,但在一个或多个替代实施例中,单位单元101的高度h越过稀疏微桁架结构100可发生变化(例如,单位单元101的高度h可在单位单元101之间发生变化)。在所示出的实施例中,支柱102具有圆形横截面,所述横截面具有外径d。在一个或多个替代实施例中,支柱102可具有适合于稀疏微桁架结构100的所欲应用的任何其它横截面形状,例如三角形、五边形、六边形、多边形、卵形或星形。尽管在所示出的实施例中,每一支柱102具有相同直径d,但在一个或多个替代实施例中,支柱102的直径d越过稀疏微桁架结构100可发生变化(例如,支柱102的直径d可在单位单元101之间发生变化)。另外,在一个或多个实施例中,支柱102的直径d可沿着支柱102的长度发生变化(例如,逐渐减小)。单位单元101的高度h以及支柱102的长度l及直径d可基于稀疏微桁架结构100的所要性能特性来选择。

继续参看图1A和1B所示出的实施例,稀疏微桁架结构100的第一行106中的每一单位单元101与第一行106中的单位单元101中的相邻单位单元由具有距离D1的间隙107分隔开。距离D1在第一行106中的相邻单位单元101的支柱102的下部端105之间测量。因此,每一单位单元101的支柱102与第一行106中邻接单位单元101的支柱102断开。在所示出的实施例中,邻接单位单元101隔开的距离D1相同或大体上等于单位单元101的界定于支柱102的下端105之间的宽度W,尽管在一个或多个替代实施例中,第一行106中的单位单元101依据稀疏微桁架结构100的所要效能特性可以隔开任何其它合适距离(例如,第一行106中的邻接单位单元101可由大于或小于第一行106中的单位单元101的宽度W隔开)。另外,尽管在所示出的实施例中,第一行中的单位单元101等距离地隔开(即,均匀地隔开),但在一个或多个实施例中,第一行106中单元中的单位单元101可并不均一或不规则地隔开。

在所示出的实施例中,第一行106中的每一单位单元101包含以正方形基座锥体形状定向或布置的四个支柱102。在一个或多个替代实施例,第一行106中的单位单元101可包含任何其它合适数目个支柱102,且支柱102可布置成任何其它合适配置,例如,布置成四面体形状的三个支柱(即,三角形基座锥体形状)或布置成五边形基座锥体形状的五个支柱。尽管在所示出实施例中,第一行106中的每一单位单元101具有布置成相同配置的相同数目个支柱102,但在一个或多个实施例中,每一单位单元101中的支柱102的数目可越过第一行106发生变化。另外,如图1B中所说明,第一行106中每一单位单元101的支柱102可相对于假想水平面以例如以大致(约)20度至大致(约)70度的任何合适倾角θ定向。在所示出的实施例中,第一行106中的每一单位单元101的支柱102以大致(约)60度的倾角θ定向。

仍参看图1A和1B中示出的实施例,稀疏微桁架结构100的第二行108包含与第一行106中的单位单元101对准的多个单位单元101。因此,第二行108中的邻接单位单元101由具有与第一行106中的邻接单位单元101相同的距离D1的间隙109隔开。此外,在所示出的实施例中,第二行108中的单位单元101藉由具有距离D2的间隙110与第一行106中的对应单位单元101隔开。在所示出的实施例中,第二行108中的单位单元101与第一行106中的对应单位单元101之间的距离D2相同或大体上等于第一行106中对应单位单元101的界定于支柱102的下端105之间的长度L。在一个或多个替代实施例中,第二行108中的单位单元101可取决于稀疏微桁架结构100的所要性能特性由任何其它合适距离与第一行106中的对应单位单元101隔开(例如,第二行108中的单位单元101由大于或小于第一行106中的对应单位单元101的长度L的距离D2与第一行106中的对应单位单元101隔开)。另外,在所示出的实施例中,第二行108中的单位单元101与第一行106中的对应单位单元101隔开的距离D2相同或大体上等于第一行106中邻接单位单元101隔开的距离D1。在一个或多个替代实施例中,距离D1可能不同于距离D2。

相较于具有多个完全互连的单位单元的现有技术微桁架结构(即,每一单位单元中的支柱耦合到同一行中的邻接单位单元且耦合到邻接行中的邻接单位单元的现有技术微桁架结构),分隔每一行106、108内的单位单元101及分隔邻接行106、108之间的单位单元101用以减小稀疏微桁架结构100因支柱102中的一个或多者中的制造缺陷的过早失效的敏感度(例如,过早屈曲或弯曲变形)。

另外,在所示出的实施例中,第二行中的每一单位单元101包含108定向或布置成正方形基座锥体形状的四个支柱102,但在一个或多个替代实施例中,第二行108中的单位单元101可包含任何其它合适数目支柱102,且支柱102可布置成任何其它合适布置,例如,布置成四面体形状(即,三角形基座锥体形状)的三个支柱或布置成五边形锥体形状的五个支柱。另外,在所示出的实施例中,第二行108中的单位单元101具有与第一行106中的单位单元101相同的配置,尽管在一个或多个替代实施例中,第二行108中的单位单元101可具有不同于第一行106中的单位单元101的配置。尽管在所示出的实施例中,第二行108中的每一单位单元101具有布置成相同配置的相同数目个支柱102,但在一个或多个实施例中,每一单位单元101中的支柱102的数目可越过第二行108发生变化。

在所示出的实施例中,稀疏微桁架结构100也包含单位单元101的第三行111及第四行112。单位单元101的第三行111及第四行112可具有与第一行106及/或第二行108相同或大体相同的配置。因此,在所示出的实施例中,稀疏微桁架结构100包含单位单元101的四行106、108、111、112以及四列113、114、115、116。尽管在所示出的实施例中,稀疏微桁架结构100包含四行106、108、111、112且每一行包含四个单位单元101,但在一个或多个实施例中,稀疏微桁架结构100可包含任何其它合适数目个行,且每一行106、108、111、112取决于例如稀疏微桁架结构100的所要大小和性能特性而可包含任何其它合适数目个单位单元101。另外,在一个或多个实施例中,行106、108、111、112的数目可不同于列113、114、115、116的数目。

此外,在所说明的实施例中,单位单元101为半单位单元。在一个或多个替代实施例中,单位单元101可以是全单位单元。全单位单元为半单位单元关于延伸穿过节点104的假想平面的镜像。在单位单元101为全单位单元的实施例中,支柱102可能于沿着支柱102的中间部分处相交且限定节点(例如,每一单位单元101可能包含位于支柱102的中心处或附近的节点)。在一个或多个实施例中,单位单元101可以是半单位单元关于延伸穿过支柱102的下部末端105的假想平面的镜像。例如,在一个或多个实施例中,单位单元101可以是八面体形状的单位单元。在另一实施例中,稀疏微桁架结构100可能包含多个层,每一层具有半单位单元或全单位单元的阵列,堆叠在彼此的顶部上。在一个实施例中,邻近层可以由面板或其它结构部件分离。

此外,支柱102可以是实心或中空的。在支柱102为中空的实施例中,支柱102可以取决于稀疏微桁架结构100的所需性能特性而具有任何合适壁厚度。支柱102可以由适合于稀疏微桁架结构100的既定应用和稀疏微桁架结构100的所需机械特性的任何材料制造,例如聚合物(例如,聚对二甲苯)、金属(例如,镍、铝)、金属合金(例如,镍-磷合金)、陶瓷,或其任何组合。

继续参考图1A和1B中所说明的实施例,稀疏桁架结构100还包含耦合到节点104的上部面板117和耦合到支柱102的下部末端105的下部面板118。在图1A中,上部面板118拆开以显露第一行106和第二行108中的单位单元101。上部面板117和下部面板118可以取决于稀疏微桁架结构100的所需性能特性而由任何合适材料制成。面板117、118可以由与支柱102相同的材料或与支柱102的材料相异的材料制成。面板117、118可以与单位单元101一体地形成,或通过任何合适制造过程或技术单独地形成且耦合到单位单元101,例如黏合或粘附。此外,尽管在所说明的实施例中,上部面板117和下部面板118为平坦的或大体平坦的,但在一个或多个替代实施例中,上部面板117和/或下部面板118可以是非平坦的(例如,上部面板117和/或下部面板118可以弯曲)。在一个或多个实施例中,可以提供稀疏微桁架结构100不具有上部面板117和/或不具有下部面板118。

现参考图2A和2B,根据本公开的另一实施例的稀疏微桁架结构200包含布置成具有多个行的交错或偏移阵列的多个单位单元201。在所说明的实施例中,阵列为直线式的,但在一个或多个替代实施例中,阵列可以具有任何其它合适的配置,例如圆形阵列。此外,在所说明的实施例中,每一个单位单元201包含多个互接支柱202。在每一个单位单元201中,支柱202的上部末端203在节点204处相交且互连。在所说明的实施例中,支柱202中的每一个具有从支柱202的下部末端205到支柱202的上部末端203在节点204处测量的长度l'。尽管在所说明的实施例中,支柱202的长度l'跨越稀疏微桁架结构200为恒定,但在一个或多个替代实施例中,支柱202的长度l'可能跨越稀疏微桁架结构200而变化(例如,支柱202的长度l'可能在单位单元201之间变化)。此外,在所说明的实施例中,每一单位单元具有高度h'。尽管在所说明的实施例中,单位单元201的高度h'跨越稀疏微桁架结构200为恒定,但在一个或多个替代实施例中,单位单元201的高度h'可能跨越稀疏微桁架结构200而变化(例如,单位单元201的高度h'可能在单位单元201之间变化)。在所说明的实施例中,支柱202具有具有外径d'的圆形横截面。在一个或多个替代实施例中,支柱202可以具有适合于稀疏微桁架结构200的既定应用的任何其它横截面形状,例如三角形、五边形、六边形、多边形、卵形或星形。尽管在所说明的实施例中,每一支柱202具有相同直径d',但在一个或多个实施例中,支柱202的直径d'可能跨越稀疏微桁架结构200变化(例如,支柱202的直径d'可能在单位单元201之间变化)。此外,在一个或多个实施例中,支柱202的直径d'可能沿着支柱202的长度变化(例如,逐渐变窄)。单位单元201的高度h'和支柱202的长度l'和直径d'可以基于稀疏微桁架结构200的所需性能特性而选择。

继续参考图2A和2B中所说明的实施例,稀疏微桁架结构200的第一行206中的单位单元201中的每一个与第一行206中的单位单元201中的一个邻近单位单元隔开具有距离D1'的间隙207。距离D1'是在第一行206中的邻近单位单元201的支柱202的下部末端205之间测量。因此,单位单元201中的每一个的支柱202从第一行206中的邻近单位单元201的支柱202断开。在所说明的实施例中,第一行206中的邻近单位单元201隔开的距离D1'等于或大体上等于限定于支柱202的下部末端205之间的第一行206中的单位单元201的宽度W',但在一个或多个替代实施例中,第一行206中的单位单元201可取决于稀疏微桁架结构200的所需性能特性而隔开任何其它合适的距离(例如,第一行206中的邻近单位单元201可以隔开大于或小于第一行206中的单位单元201的宽度W'的距离)。此外,尽管在所说明的实施例中,第一行206中的单位单元201等距离隔开(即,均匀地隔开),但在一个或多个实施例中,第一行206的单位单元201可以不均匀地或不规则地隔开。

在所说明的实施例中,第一行206中的每一单位单元201包含定向或布置成正方形角锥形状的四个支柱202,在一个或多个替代实施例中,单位单元201可能包含任何其它合适数目的支柱202,且支柱202可以布置成任何其它合适的配置,例如布置成四面体形状(即,三角形基底角锥形状)的三个支柱或布置成五边形基底角锥形状的五个支柱。此外,如图2B中所说明,每一单位单元201的支柱202可以定向于相对于假想水平面的任何合适倾角θ',例如从大致(约)20度到大致(约)70度。在所说明的实施例中,第一行206中的每一单位单元201的支柱202定向于大致(约)60度的倾角θ'。

仍然参考图2A和2B中所说明的实施例,稀疏微桁架结构200的第二行208包含多个单位单元201,所述单位单元201从第一行206中的单位单元201横向偏移。在所说明的实施例中,第二行208中的单位单元201与第一行206中的邻近单位单元201之间的间隙207对准,但在一个或多个替代实施例中,第二行208中的单位单元201可以仅与限定于第一行206中的单位单元201之间的间隙207部分地对准(即,第二行208中的单位单元201可以仅从第一行206中的单位单元201部分地偏移)。此外,单位单元201与第二行208中的邻近单位单元201隔开具有距离D1”的间隙209。在所说明的实施例中,第二行208中的邻近单位单元201隔开与第一行206中的邻近单位单元201相同的距离D1',但在一个或多个实施例中,第二行208中邻近单位单元201可以隔开不同于第一行206中的邻近单位单元201隔开的距离D1'的距离D1”。此外,尽管在所说明的实施例中,第二行208中的单位单元201等距离隔开(即,均匀地隔开),但在一个或多个实施例中,第二行208的单位单元201可以不均匀地或不规则地隔开。

此外,在所说明的实施例中,第二行208中的单位单元201中的每一个包含定向或布置成正方形角锥形状的四个支柱202,但在一个或多个替代实施例中,单位单元201可能包含任何其它合适数目的支柱202,且支柱202可以布置成任何其它合适的配置,例如布置成四面体形状的三个支柱(即,三角形基底角锥形状)或布置成五边形角锥形状的五个支柱。此外,在所说明的实施例中,第二行208中的单位单元201具有与第一行206中的单位单元201相同的配置,但在一个或多个替代实施例中,第二行208中的单位单元201可以具有与第一行206中的单位单元201不同的配置。

在所说明的实施例中,稀疏微桁架结构200还包含与第一行206具有相同或类似的配置的单位单元201的第三行210和与第二行208具有相同或类似的配置的单位单元201的第四行211。尽管在所说明的实施例中,稀疏微桁架结构200包含四个行206、208、210、211,但在一个或多个实施例中,稀疏微桁架结构200可能包含任何其它合适数目的行206、208、210、211,且每一行206、208、210、211可能例如取决于稀疏微桁架结构200的所需大小和性能特性而包含任何合适数目的单位单元201。

在图2A中所说明的实施例中,第二行208中的支柱202中的每一个的下部末端205耦合到第一行206或第三行210中的支柱202中的一个的下部末端205。因此,在所说明的实施例中,第一行206中的单位单元201与第一行206中的邻近单位单元201隔开,且第二行208中的单位单元201与第二行208中的邻近单位单元201隔开,但第一行206中的单位单元201耦合到第二行208中的单位单元201。因此,与单位单元耦合到相同行中的邻近单位单元和邻近行中的邻近单位单元两者的相关技术微桁架结构相比,图2A和2B中所说明的稀疏微桁架结构200的实施例具有减小的互连性。与具有多个完全互连的单位单元的相关技术微桁架结构相比,分离每一行206、208、210、211内的单位单元201被配置成降低稀疏微桁架结构200对于因支柱202中的一个或多个的制造缺陷所致的过早故障(例如,过早屈曲或弯曲变形)的敏感度。在一个或多个替代实施例中,第二行208中的单位单元201可以与第一行206中的单位单元201隔开任何合适距离,这例如取决于稀疏微桁架结构200的所需性能特性。

此外,在所说明的实施例中,单位单元201为半单位单元。在一个或多个替代实施例中,单位单元201可以是全单位单元。在单位单元201为全单位单元的实施例中,支柱202可能于沿着支柱202的中间部分处相交且限定节点(例如,每一单位单元201可能包含位于支柱202的中心处或附近的节点)。在一个或多个实施例中,单位单元201可以是半单位单元关于延伸穿过支柱202的下部末端205的假想平面的镜像。例如,在一个或多个实施例中,单位单元可以是八面体形状的单位单元。在另一实施例中,稀疏微桁架结构200可能包含多个层,每一层具有半单位单元或全单位单元的阵列,堆叠在彼此的顶部上。在一个实施例中,邻近层可以由面板或其它结构部件分离。

此外,支柱202可以是实心或中空的。在支柱202为中空的实施例中,支柱202可以取决于稀疏微桁架结构200的所需性能特性而具有任何合适壁厚度。支柱202可以由适合于稀疏微桁架结构200的既定应用和稀疏微桁架结构200的所需机械特性的任何材料制造,例如聚合物(例如,聚对二甲苯)、金属(例如,镍、铝)、金属合金(例如,镍-磷合金)、陶瓷,或其任何组合。

继续参考图2A和2B中所说明的实施例,稀疏桁架结构200还包含耦合到节点204的上部面板212和耦合到支柱202的下部末端205的下部面板213。在图2A中,上部面板212拆开以显露第一行206和第二行208中的单位单元201。上部面板212和下部面板213可以取决于稀疏微桁架结构200的所需性能特性而由任何合适材料制成。面板212、213可以由与支柱202相同的材料或与支柱202的材料相异的材料制成。面板212、213可以与单位单元201一体地形成,或通过任何合适制造过程或技术单独地形成且耦合到单位单元201,例如黏合或粘附。此外,尽管在所说明的实施例中,上部面板212和下部面板213为平坦的或大体平坦的,但在一个或多个替代实施例中,上部面板212和/或下部面板213可以是非平坦的(例如,上部面板212和/或下部面板213可以弯曲)。在一个或多个实施例中,可以提供稀疏微桁架结构200不具有上部面板212和/或不具有下部面板213。

本公开的稀疏微桁架结构100、200的实施例利用螺杆驱动通用测试机进行压缩测试。图3为说明在经受压缩加载时由本公开的稀疏微桁架结构100、200和相关技术微桁架结构展现的应力和应变的曲线图。如图3中所说明,图1A和1B中所说明的稀疏微桁架结构100的实施例在大致(约)0.03的压缩应变(Δl/L)下展现大致(约)0.7MPa的最大压缩应力。图2A和2B中所说明的稀疏微桁架结构200的实施例在大致(约)0.05的压缩应变下展现大致(约)0.3MPa的最大压缩应力。另外,如图3中所说明,包含一系列完全互连的单位单元的相关技术微桁架结构在大致(约)0.06的压缩应变下展现大致(约)0.35MPa的最大压缩应力。

因此,图1A和1B中所说明的稀疏微桁架结构100的实施例展现的最大压缩应力大致(或约)为相关技术微桁架结构展现的最大压缩应力的两倍。因此,与相关技术微桁架结构相比,图1A和1B中所说明的稀疏微桁架结构100的实施例在施加到微桁架结构的压缩负载的整个范围内展现增大的机械性能。

下表概括本公开的稀疏微桁架结构100、200的实施例和相关技术微桁架结构的测试结果。

如下文更详细的描述,与相关技术的完全互连的微型桁架结构相比,单位单元之间的互连性降低的程度(即,稀疏微桁架结构的稀疏度)可以基于稀疏微桁架结构的所需性能特征(如抗压强度和剪切强度)而选择。此外,基于稀疏微桁架结构的所需性能特性,可以选择支柱的大小(例如,支柱的细长比或长宽比)。还可以选择稀疏微桁架结构的支柱大小以维持与相关技术完全互连的微桁架结构相同的质量,尽管稀疏微桁架结构中的单位单元的稀疏度相对较高。

取决于稀疏微桁架结构中的支柱大小,个别实心支柱的临界屈曲应力由约翰逊主导屈曲(Johnson dominated buckling)或欧拉主导屈曲(Euler dominated buckling)限定,如下:

其中E为支柱材料(例如,聚合物(例如,聚对二甲苯)、金属(例如,镍、铝)、金属合金(例如,镍-磷合金)、陶瓷或其任何组合)的杨氏模量,σy为支柱材料的屈服强度,l为支柱的长度,c为可在0.25与4之间变化其描述支柱的最终条件的参数,且r*为回转半径,其被定义为:

其中I为支柱横截面的截面惯量(area moment of inertia),且A为支柱横截面的面积。如果支柱长度l与回转半径r*的比率大于或等于则临界应力σ临界为欧拉屈曲应力(σ欧拉),且如果支柱长度l与回转半径r*的比率小于则临界应力σ临界为约翰逊屈曲应力(σ约翰逊),如下文所示:

在一个实施例中,可以选择支柱的直径,使稀疏微桁架结构表现出约翰逊屈曲(即,可以选择支柱的比率l/r*大于或等于使得稀疏微桁架结构不表现出欧拉屈曲)。在一个实施例中,可以选择稀疏微桁架结构的稀疏度和支柱的直径,使屈服强度σy大于临界应力σ临界。在一个支柱为中空管的实施例中,可以选择中空管的壁厚来防止中空管支柱的局部屈曲模式(如剪切起皱)。

具有多个锥体单位单元的微桁架结构的抗压强度σ压缩(如上文分别参考图1A、1B和图2A、2B所描述的稀疏微桁架结构100或200)与个别支柱的临界应力σ临界关系如下:

σ压缩=ρ*sin2(θ)σ临界

其中ρ*是微桁架结构的相对密度(即,体积分数),且θ是每个单位单元中的支柱的倾角(即,在每个单位单元中的支柱和假想的水平面之间限定的角度)。

具有多个锥体单位单元的微桁架结构的剪切强度τ(如上文分别参考图1A、1B和图2A、2B所描述的稀疏微桁架结构100或200)与单个支柱的临界压力σ临界关系如下:

其中ψ≤45°为单位单元中的支柱中的一个的剪切加载方向与纵向方向之间的角度。

具有多个锥形单位单元的微桁架结构的相对密度ρ*如下确定:

其中ro与Lo分别为单位单元的单个支柱的半径和长度。

因此,存在三个几何参数,其可以改变或选择以增大稀疏微桁架结构的机械性能(如剪切强度τ和抗压强度σ压缩):(1)支柱倾角θ;(2)稀疏微桁架结构的相对密度ρ*;和(3)支柱的长细比(例如,支柱长度与支柱直径之比)。然而,增大支柱倾角θ至角大于60度提高抗压强度σ压缩,代价是降低剪切强度τ。此外,增大微桁架结构的相对密度ρ*代价是增大整体结构的质量。在低相对密度结构中,通常主要失效模式是支柱屈曲,因此减少了支柱的长细比ρ*可以同时提高微桁架结构的剪切强度和抗压强度。

在一个实施例中,本公开的稀疏微桁架结构100、200可能提高机械性能(例如,改进的剪切强度τ和抗压强度σ压缩),而与具有多个完全互连的单位单元的原本相当的相关技术微桁架结构相比不增大质量(即,稀疏微桁架结构可能具有与具有多个完全互连的单位单元的原本相当的相关技术微桁架结构相同或实质上相同的质量,但具有改进的机械性能)。如上所述,通过减少支柱的细长比(例如增大支柱的半径),可以增大稀疏微桁架结构的机械性能。可通过增大支柱的半径且通过减少单位单元的数目所省下的质量(即,通过重新分配因增大微桁架结构的稀疏度节省下来的质量来减少支柱的细长比)来维持恒定的质量。因此,由于支柱的减小的长细比同时通过增大稀疏微桁架结构的稀疏度而保持与相关技术完全填充微桁架结构相同的整体质量,本公开的稀疏微桁架结构相较于相关技术完全填充微桁架结构可能改善机械性能。对于中空管状支柱,可以通过增大中空管支柱的壁厚度来维持恒定质量。为了保持与相关的技术微桁架结构相同质量,所需的支柱的半径ro和长度Lo的增大分别表示如下:

其中n为稀疏微桁架结构的稀疏度,定义为相关技术中完全互连微桁架结构的单位单元数目与稀疏微桁架结构中的单位单元数目的比值。例如,图1A和1B中所示的稀疏微桁架结构100的实施例的稀疏度n为49/16≈3,且图2A和2B所示稀疏微桁架结构200的实施例的稀疏度n为28/14=2(例如,具有与图1A和1B中稀疏微桁架结构相同整体尺寸的相关技术完全填充和互连的微型桁架结构具有49个单位单元(即,7行和7列),且具有与图2A和2B中的稀疏微型桁架结构相同整体尺寸的相关技术完全填充和互连的微型桁架结构具有28个单位单元(即,4行和7列),但图1A和1B中的稀疏微桁架结构100只有16个单位单元,且图2A和2B中的稀疏微型桁架结构200只有14个单位单元)。

相对密度计算为:

因此,相对密度ρ*对于任何稀疏度n保持不变。

图4展示本公开的实施例的随稀疏度n而变的稀疏微桁架结构的抗压强度,其中稀疏微桁架结构的支柱具有0.45mm的半径ro、60°的倾角θ,虚拟支柱长度L为14.665mm,屈服强度σy为60MPA,杨氏模量E为3.1Gpa,支柱结束条件c为1,相对密度为2.73%。

图5A到5C说明根据本公开的一个实施例的制造具有布置成阵列的多个单位单元301的稀疏微桁架结构300的方法。如图5A中所说明,所述方法包含获得或提供模具303的任务,所述模具303具有基底304和从基底304的外围向上延伸的垂直壁或框边305。基底304和模具303的框边305一起限定腔室或储集器306。继续参考图5A中所说明的实施例,所述方法还包含用掩模307覆盖模具303的上部末端(例如,储集器306的上部末端)的任务。掩模307限定多个孔隙308。掩模307可能限定任何所需数目的孔隙308,且孔隙308可以具有任何所需大小、形状和间距,这取决于微桁架结构的所需特性,如下文更详细地描述。掩模307可以由任何合适材料制成,例如双轴定向的聚对苯二甲酸乙二醇酯。

继续参考图5B中所说明的实施例,所述方法包含用一定体积的液体光单体309填充储集器306的任务。液体光单体309可以填充到储集器306中的任何合适高度H,这取决于稀疏微桁架结构300的单位单元301的所需高度h(见图5C)。光单体309被配置成在曝露于特定波长范围内的光时聚合,例如紫外光(即,波长介于250nm与400nm之间)。液体光单体309可以是经配置以在曝露于光时聚合的任何合适类型或种类的单体,例如硫醇、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或阳离子聚合物(例如,光固化环氧化物)。合适液体光单体描述于第8,017,193号美国专利中,其全部内容以引入的方式并入本文中。

现参考图5B中所说明的实施例,所述方法还包含用来自一个或多个光源311的多个光束310(例如,准直或大体准直紫外光(“UV”)束)辐照储集器306中的所述体积的液体光单体309的任务。辐照光单体309的任务包含将准直光束310从一个或多个光源311下行经由掩模307中的孔隙308引导且进入储集器306中的所述体积的液体光单体309。光源311可以是能够发出在经配置以使液体光单体309聚合的波长范围内的光束的任何合适类型或种类的灯,例如汞弧灯或发光二极管(LED)。在一个实施例中,辐照光单体309的任务还可包含将准直光束310从一个或多个光源311引导出一个或多个反射镜且向下经由掩模307中的孔隙308进入液体光单体309。液体光单体309的曝露于准直光束310的区域固化(即,聚合)。聚合的区域向下传播经过所述体积的光单体309且形成多个聚合物光学波导312。聚合物光学波导312限定稀疏微桁架结构300的单位单元301的支柱。在所说明的实施例中,每一单位单元301的支柱312于节点313处相交且聚合。用于形成聚合物光学波导的合适方法描述于第7,653,279号和第7,382,959号美国专利中,所述两个美国专利的全部内容都以引入的方式并入本文中。

稀疏微桁架结构300的聚合物光学波导312的定向取决于聚合物光学波导312通过储存器306中的液态光单体309体积所传播的方向。在一个实施例中,聚合物光学波导312通过光单体309的体积所传播的方向是一或多个光源311和从其生成的光束310相对于垂直于掩模307的假想轴线314的入射角α的函数(即,聚合物光学波导312的定向是一或多个光束310从储存器306中的光单体309的体积穿过的角度α的函数)。在一或多个替代实施例中,聚合物光学波导312通过光单体309的体积所传播的方向是一或多个反射镜的定向和一或多个光源311相对于一或多个反射镜的定向的函数。因此,所述方法包含以下任务:定位一或多个光源311和/或一或多个反射镜以实现聚合物光学波导312的所要定向。在一个实施例中,光束310的角度α对应于单位单元301的支柱312之间的所要倾角θ。所述方法还可包含依据单位单元301的所要配置来定向光束310。尽管在所说明的实施例中,光束310经定向以形成半个单位单元,但是在一或多个替代实施例中,光束310可经定向以形成完整单位单元(即,半个单位单元相对延伸通过节点313的假想平面成镜像)。

聚合物光学波导312的横截面形状和大小是引导通过光单体309的体积的准直光束310的形状和大小的函数。引导通过光单体309的准直光束310的横截面形状和大小取决于掩模307中的孔隙308的形状和大小。掩模307中的孔隙308可具有任何所要形状,例如圆形、三角形、五边形、六边形、多边形、卵形或星形。因此,所述方法还可包含以下任务:选择具有形状和大小对应于稀疏微桁架结构300的聚合物光学波导312(即,支柱)的所要横截面形状和大小的孔隙的掩模。

单位单元301的配置还取决于引导通过掩模307中的每一孔隙308的光束310的数目。因此,所述方法包含以下任务:依据单位单元301的所要配置而引导数个光束310通过掩模307中的每一孔隙308。举例来说,在一个实施例中,可将三个光束310引导通过每一孔隙308以形成具有三角形基底角锥形状的单位单元301。在另一实施例中,可将四个光束310引导通过每一孔隙308以形成具有正方形基底角锥形状的单位单元301。

所述方法还包含以下任务:选择具有适合于稀疏微桁架结构300的单位单元301的所要布置和连接的孔隙308的布置的掩模307。举例来说,在一个实施例中,所述方法可包含以下任务:选择图6中所说明的掩模400,其包含多个对准孔隙401。在一个实施例中,图6中的具有对准孔隙401的掩模400可用于产生具有完全与邻近单位单元断开连接的一系列对准单位单元的稀疏微桁架结构,如在(举例来说)图1A和1B的稀疏微桁架结构100的实施例中所说明(即,图6中的掩模400可用于形成具有与相同行中的邻近单位单元分开且与邻近行中的单位单元分开的单位单元的稀疏微桁架结构)。在另一实施例中,所述方法可包含以下任务:选择图7中所说明的掩模500,其包含多个交错或侧向偏移的孔隙501。在一个实施例中,具有偏移孔隙501的掩模500可用于产生具有部分连接的一系列交错或侧向偏移的单位单元的稀疏微桁架结构,如在(举例来说)图2A和2B的稀疏微桁架结构的实施例中所说明(即,图6中的掩模500可用于形成具有与相同行中的邻近单位单元分开但耦合到邻近行中的单位单元的一系列单位单元的稀疏微桁架结构)。所述方法还可包含以下任务:选择掩模307以使得以所要布置形式布置单位单元301。举例来说,所述方法可包含以下任务:选择掩模307以使得以直线式阵列或圆形阵列形式布置稀疏微桁架结构300的单位单元301。在一个实施例中,所述方法可包含选择性地挡住或阻塞掩模中的一些孔隙用于形成完全填充且互连的微桁架结构。

现参看图5C中所说明的实施例,所述方法还包含以下任务:从模具303中的储存器306和残留在储存器306中的未聚合液态光单体315的体积中移除稀疏微桁架结构300。所述方法还可包含以下任务:在已经从储存器306中移除稀疏微桁架结构300之后,完全固化稀疏微桁架结构300的聚合物光学波导312(即,支柱)。在一个实施例中,完全固化聚合物光学波导312的任务包含用光(例如,UV光)照射聚合物光学波导312以完全地交叉结合聚合物光学波导312。

继续参考图5C中说明的实施例,所述方法还包含将上部面板316和下部面板317耦合到稀疏微桁架结构300的任务。面板316、317可由例如金属(例如,铝)等任何合适材料制成。在一个实施例中,将面板316、317耦合到稀疏微桁架结构300的任务包含利用例如环氧粘合剂等合适的粘合剂将面板316、317结合到稀疏微桁架结构300的支柱(例如,聚合物光学波导)312。在一个或多个替代实施例中,支柱312可直接生长在面板316、317中的一个或多个上,使得面板316、317可以不用单独粘合剂就能耦合到稀疏微桁架结构300。举例来说,在一个实施例中,上部面板316可在利用多个光束310辐照液态光单体309的任务之前放置在模具303的上部末端。在上部面板316放置在模具303的上部末端(例如,储液槽306中的液态光单体309的上部末端)上的实施例中,上部面板316可包含与掩模307中的孔隙308对准的多个孔隙,从而允许光束310在辐照液态光单体309的任务期间穿过上部面板316。在另一实施例中,放置在模具303的上部末端的上部面板317可由半透明材料(translucent)制成,所述半透明材料配置成允许光束310在辐照液态光单体309的任务期间穿过上部面板316。在一个实施例中,所述方法可包含在利用多个光束310辐照液态光单体309的任务之前将下部面板317浸没在储液槽306中的一定体积的液态光单体309中(例如,在用液态光单体309填充储液槽306之前将下部面板317放置在基底304上)。

在一个或多个实施例中,所述方法可包含形成稀疏微桁架结构的任务,所述稀疏微桁架结构具有相互堆叠在顶部上的多个层。在2014年8月18日提交的标题为“堆叠微晶格材料和制造过程(Stacked Microlattice Materials and Fabrication Processes)”的第14/461,841号美国专利申请案中描述用于制造具有多个堆叠微桁架结构的结构的合适方法,所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。

尽管根据上文所描述的方法形成的稀疏微桁架结构300的支柱312是聚合物光学波导,但在一个或多个替代实施例中,所述方法可包含由任何其它适合的材料形成稀疏微桁架结构300的支柱312的一个或多个任务,所述其它适合的材料例如聚合物(例如,聚对二甲苯基)、金属(例如,镍、铝)、金属合金(例如,镍磷合金)、陶瓷或其任何组合。在一个或多个实施例中,所述方法可包含使用聚合物光学波导作为模板的任务,一个或多个相异材料可沉积到所述模板上或形成在所述模板周围。相异材料可通过例如电沉积、电镀、气相沉积(例如,化学气相沉积(CVD))、喷涂、浸涂或其任何组合等任何合适的过程沉积到聚合物光学波导上或形成在聚合物光学波导周围。在一个实施例中,所述方法还可包含通过例如化学蚀刻所述聚合物光学波导等任何合适的过程选择性地去除聚合物光学波导的任务。选择性地去除聚合物光学波导会留下多个互连的中空管状支柱,所述支柱是由先前沉积到聚合物光学波导上的材料形成。

此外,所述方法可包含用于在空间上调整稀疏微桁架结构300的机械特性的一个或多个任务(例如,所述方法可包含用于形成不均匀稀疏微桁架结构300的一个或多个任务)。稀疏微桁架结构300的强度和刚度随若干因素而变,包含每一单位单元301中的聚合物光学波导312的数目、每个单元301中的聚合物光学波导312的定向、聚合物光学波导312的截面形状和大小、聚合物光学波导312的长度、单位单元301的节点313之间的间距和单位单元301的连接性。相应地,在一个或多个实施例中,所述方法可包含用于改变跨越稀疏微桁架结构300的聚合物光学波导312的数目、定向、形状、大小、长度和/或间距的一个或多个任务。举例来说,在一个或多个实施例中,所述方法可包含选择掩模的任务,所述掩模具有跨越所述掩模在形状和/或大小方面不同的多个孔隙。相应地,在准直光束310经引导通过掩模307中的孔隙308并且进入一定体积的光单体309以形成聚合物光学波导312时,聚合物光学波导312的形状和/或大小将跨越稀疏微桁架结构300而变化(例如,聚合物光学波导312的形状和/或大小可因单位单元301的不同而不同)。此外,在一个或多个实施例中,所述方法可包含选择掩模的任务,其中孔隙之间的间距跨越掩模而变化。相应地,在准直光束310经引导通过掩模307中的孔隙308并且进入一定体积的光单体309以形成聚合物光学波导312时,单位单元301之间的间距将跨越微桁架结构300而变化(例如,单位单元301的节点313之间的间距跨越稀疏微桁架结构300而变化)。此外,在一个或多个实施例中,所述方法可包含重新定位光源311(即,改变光束310的入射角度α),和/或取决于沿着掩模307的位置而重新定位一个或多个镜,光束310经引导通过所述位置使得支柱312之间的倾角θ因稀疏微桁架结构300的单位单元301的不同而不同。

尽管本发明已经特别参考其示范性实施例进行详细描述,但是本文中所描述的示范性实施例并不意图为穷尽性的或将本发明的范围限制为所揭示的精确形式。本发明所属领域和技术的技术人员应了解,可在没有实质偏离如阐述于所附权利要求中的本发明的原理、精神和范围的情况下实践所描述结构的更改和改变装配和操作的方法。尽管在本文中已经使用例如“外部”、“内部”、“上部”、“下部”、“下方”“上方”、“竖直”、“水平”和类似术语的相对术语来描述一个元件与另一元件的空间关系,但是应理解,这些术语意图涵盖除了图中描绘的定向以外的本发明的各种元件和组件的不同定向。另外,如本文所使用,术语“大体上”、“约”和类似术语用作近似术语,而不是作为程度术语,并且意在考虑到所属领域的技术人员应认识到的所测量的或计算的值的固有偏差。此外,上文所描述的任务可以所描述的次序或以任何其它合适的顺序执行。另外,上文所描述的方法不限于所描述的任务。实际上,对于每一实施例,上文所描述的任务中的一或多个可能不存在,和/或可执行额外任务。此外,如本文中所使用,当组件被称为“在另一组件上”时,它可直接在所述另一组件上,或者它们之间还可存在组件。此外,当组件被称为“耦合”到另一组件时,它可直接附接到所述另一组件上,或者它们之间可存在中间组件。

再多了解一些
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