涂敷或粘结研磨制品的制作方法

专利名称：涂敷或粘结研磨制品的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用来制造研磨制品的快速加工(tooling)系统和方法。 背景研磨制品，例如涂敷的磨料和粘结的磨料在各种工业中用于对工件进行精 研、研磨或抛光之类的机械加工。使用研磨制品进行的机械加工涉及许多工业， 从光学器件工业、车漆修复工业到金属制造工业。在这些例子中，制造企业在每个业务周期中都要耗用大量的研磨制品。在常规的业务周期中，研磨制品消费者从磨料制造商处订购了大量的研磨 制品。磨料制造商使用选定的粒度和粘合材料分批制造研磨制品。磨料制造商 接下来可能制造具有不同粒度和粘合材料的另一批研磨制品。通常，难以彻底清洁研磨制品制造设备，以防止具有特定粒度的一批材料 被之前的批次中使用的颗粒污染。当粗磨粒污染了细磨粒批料的时候，使用所 述被污染的细粒磨料批料会在被抛光或研磨的表面上造成划痕或瘢痕。因此， 磨料制造商极力注意限制研磨制品批料的交叉污染，以免造成成本升高。另外，消费者是分批订购的。需求量大的使用者如果分批订购，在收到一 批研磨制品之后，就会占用大量的流动资金，还会带来储存问题和物流问题, 并伴有预期研磨制品用量方面的问题。如果研磨制品的用量被低估，消费者购 买的研磨制品就不够用，从而造成生产和收益的损失。另外，用来制造研磨制品的常规方法会产生过量的废物，而且研磨制品所 能够形成的形状和结构也受到限制。例如，当涂敷的磨料需要具有特定的轮廓 的时候，对涂敷有磨料的片材进行切削以适应所述轮廓，会剩下很多未用的废料。当制造粘结的研磨制品的时候，常规的方法使用模塑法，该模塑法包括(i)制备一批浆液，(ii)将所述浆液倒入模具中，(iii)对所述浆液进行压制并使其固 化，(iv)脱模，(v)修整至最终的尺寸。为了确保最终的粘结的研磨制品不低于目 标尺寸，在制造过程中使各参数过量。例如，使浆液过量以确保模具被完全填
满。另外，模具通常大于最终的尺寸，在修整操作中将粘结的研磨制品修整至 最终的尺寸。因此，在涂敷磨料和粘合磨料的制造方法中，为了制造最终的研 磨制品，都会浪费材料和采用额外的费时的步骤。因此，除了改进研磨制品的制造工艺和系统外,工业上仍然不断需要新的研 磨制品，包括粘结的和涂敷的研磨制品。例如，现有的制造技术限制了研磨制 品的构造，对于设计的磨料和粘结磨料，通常的研磨结构限于易于从模具分离 的结构，例如圆锥形或角锥形结构。从上文应能很清楚地看出，磨料工业应需要改进制造技术和追求新的研磨 制品结构。发明内容在一个特殊的实施方式中，涂敷的研磨制品包括基板和图案化的研磨结构 组。图案化的研磨结构组中的每个研磨结构都具有设计的微特征。在另一个实施方式中，研磨制品包括具有差的脱模轮廓的外表面。 在另一个实施方式中，研磨制品包括多个图案化的层。在多个图案化的层 的一个层中，第一区域具有第一组成，第二区域具有不同于所述第一组成的第 二组成。附图简述参照附图，本领域技术人员可以更清楚地理解本发明，了解本发明的大量 特征和优点。

图1和图2显示了用来快速加工研磨制品的示例性浸渍系统。 图3、 4和5显示了用来制造研磨制品的示例性印刷系统。 图6和图7显示了用来快速加工研磨制品的系统中的示例性料筒。 图8， 9， 10， 1，12, 13， 14, 15， 16, 17, 18和19显示了示例性的研磨制品。 图20和21显示了用来制造研磨制品的示例性方法的流程图。 在不同的附图中，使用相同的标号来表示类似的或相同的对象。优选实施方式在一个具体的实施方式中，本发明涉及一种制造研磨制品的系统，例如固 体自由成形制造系统(solid free form manufacturing system)和快速加工系统。该
系统包括计算电路、料筒和生产面(productionsurface)。所述料筒以可拆除方式 与该系统连接，当料筒与所述系统接合的时候，磨粒和粘合剂可以从所述料筒 配送出来。所述计算电路设计用来控制沉积图案，其中磨粒和粘合剂设置在生 产面或基板上，形成研磨制品。在另一个示例性实施方式中，本发明涉及一种储存粘合剂和磨粒的料筒。 所述料筒被设计成以可拆卸方式与用来制造研磨制品的快速加工系统连接。所 述料筒还可设计用来储存第二粘合剂和第二组磨粒。本发明还涉及一种形成研磨制品的方法。该方法包括为快速加工系统提供 研磨制品设计数据组(design data set)，基于该研磨制品设计数据组形成研磨制 品。该方法还包括提供第二研磨制品设计数据组，基于所述第二研磨制品设计 数据组形成第二研磨制品。本发明还涉及一种促进研磨制品制造的方法。该方法包括提供设计用来接 受料筒的快速加工系统，以及提供储存有粘合剂和磨粒的料筒。该方法还包括 回收用过的料筒，在该料筒中重新充填粘合剂和磨粒，然后提供所述重新充填 后的料筒。所述研磨制品可以是涂敷的研磨制品或粘结的研磨制品。涂敷的研磨制品 包括将一层或多层磨料结合在基板上的制品。所述基板或背衬部件作为尺寸稳 定的部件，在其上沉积了包含磨料的层。通过使用粘合剂，将所述研磨层中的 磨粒粘合在背衬部件上。人们开发出了设计的或结构化的磨料来提供优于常规 涂敷磨料的改进的性能。结构化的磨料使用背衬部件，在其上沉积研磨层，以 适应预先设计的图案。这些结构化的磨料通常具有优于常规研磨产品的提高的 研磨性能，例如提供持久的切削速率(cut rate)、 一致的表面精整度和延长的寿 命。粘结的磨料通常包括不依赖于基板或背衬部件的三维形式，以获得结构完 整性。举例来说，粘结的磨料包括砂轮和其它三维研磨制品。通常粘结的磨料 是通过对磨粒和粘合剂溶液的混合物进行模塑而形成的。在本文中，涂敷的磨料和粘结的磨料可以通过快速加工法和固体自由成形 制造法形成。例如，快速加工法逐层形成研磨制品，以制造具有所需研磨特性 的制品，所述研磨特性是例如持久的切削速率、 一致的表面精整度、有效寿命、 孔隙度和切削液/碎屑沟道(channeling)。快速加工法包括浸渍法和印刷法。浸渍法通常包括填有构建材料(例如树脂
或粉末)的浸渍浴或容器。在平台上逐层构建目标物，每形成一个构建层之后， 所述平台便降低。在紧邻研磨制品的最后一层之上沉积未固化或未结合的构建 材料薄层，其部分以一种图案形式结合。在示例性的实施方式中，将能量源(例 如激光源或紫外光源)以一定的图案导向未结合材料层，使得该材料中的粘合剂 烧结或固化。在另一个示例性的实施方式中，将粘合剂以一定的图案印刷在构 建材料层上。然后使目标物降低，在之前的层上沉积随后的未结合材料的层，然 后再次使未结合的材料以一定的图案固化，形成研磨制品。示例性的浸渍法包括液体法和粉末法。例如，液体法包括立体光刻法(stereolithography)。在此方法中，在液体树脂池中构建目标物。粉末法包括粘 合剂印刷和选择性激光烧结。例如，可以通过以特定的图案在陶瓷材料层上印 刷粘合剂，使得该陶瓷材料层以特定的图案结合。在另一个例子中，可以通过 以特定的图案将激光束投射到粉末材料层上，使得粉末材料以特定的图案烧 结。固体自由成形法和快速加工法还包括快速印刷法。快速印刷法通常包括以 一定的图案在基板上沉积溶液。在一个示例性的实施方式中，通过连续沉积包 含磨粒和粘合剂的溶液而形成研磨制品。示例性的印刷法包括沉积印刷法和挤 出法。示例性的沉积法包括干粒沉积法(例如金属结合法)和液体沉积法(例如液 态可固化树脂体系)。挤出法包括熔融沉积加工(FDM)，在此方法中，将热塑性 材料的纤丝熔化，以所需的图案沉积。图1和图2显示了用来形成研磨制品的示例性的浸渍系统。图l所示的系统 100包括包含未固化树脂和磨粒的未固化溶液104的浸渍浴102。在平台106上形 成研磨制品108。激光能量源或紫外(UV)能量源之类的能量源112以一定的图 案，沿着该溶液104的表面层透射能量，使得溶液固化或粘合成图案化的层。 例如可以使激光扫描过表面层，在溶液104的表面上形成图案。在另一个例子 中，透过掩模投射UV光，在溶液104的表面上形成图案。然后分级降低平台106， 使棒或扫除器(sweeper)110扫过所形成的研磨制品108上面后续未固化溶液的 层。通过将随后的能量按一定图案投射到表面层上，使平台106下降，扫过之 前固化的层之上的另外的层，从而使该过程继续进行。 一旦研磨制品108完成, 就使平台106升高，用溶剂清洁和淋洗研磨制品108。在一个示例性的实施方式 中，目标物可以使用加热法或紫外法进一步进行后固化。溶液104包含磨粒和粘合剂或可固化树脂。在一个示例性的实施方式中，所
述粘合剂或可固化树脂对以下至少一种方法有反应加热、激光辐照、紫外能 量辐照、电子束辐照或图案化光照法。通过以一定的图案施加能量或光，可以 形成研磨制品的一个层。在一个示例性的实施方式中，图l所示的系统包括立体 光刻系统。图2显示了使用粉末混合物的一个示例性系统200。容器202中包含磨粒和 粉末粘合剂的混合物204。该混合物204可包含以下的粘合剂，例如陶瓷粉末、 聚合物材料(例如聚酰胺和聚苯乙烯)、钢砂和铸造型砂。使平台206下降，以逐 层形成研磨制品208。平台以一英寸为级数下降之后，辊210在研磨制品208以及 容器202内的材料204之上沉积构建材料。可以将过量的材料扫入或辊轧入容器 214中。能量源212将图案化的能量投射到材料204的表面上，形成随后的研磨制品 208的材料层。在一个示例性的实施方式中，所述能量源212是以一定的图案在 材料204和研磨制品208上投射激光的激光源。或者，所述材料204是磨粒。粘 合剂或胶粘剂以一定的图案印刷在成形研磨制品208上，以及用来形成所述成 形研磨制品的一个层的材料204上。然后使平台206下降，以形成随后的图案化的层。一旦研磨制品208形成，使 平台206升高，从研磨制品208清除未结合的粉末。图2所示系统的示例性实施 方式包括粘合剂印刷系统和选择性激光烧结系统(SLS)。图3、 4和5显示了示例性的印刷系统。图3显示了系统300，其中热塑性材 料的纤丝308通过加热挤出头310加入。平台302和/或加热挤出头310可以沿三维 图案移动，以促进三维研磨制品304的形成。绕线管306包括所述纤丝308,纤丝 包括磨粒和热塑性材料，热塑性材料在加热的时候暂时熔化并沉积形成研磨制 品304的层。示例性的热塑性材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯 和聚苯基砜。在一个具体的实施方式中，图3所示的系统300是熔融沉积加工 (FDM)系统。图4显示了一种示例性的沉积印刷系统400，其中粉末在研磨制品404上的 一些位置熔化。平台402和/或沉积头406沿三维图案移动，以促进研磨制品404 的逐层形成。在一个具体实施方式
中，通过沉积头406投射激光源、高强度光源 或辐射加热源，通过管子408传送粉末，使其在研磨制品404的表面上集中。使 粉末以一定的图案烧结、熔融或固化，以形成研磨制品404。所述粉末可以作 为包含磨粒和粘合剂的单独的粉末流沉积，或者作为两股或更多股会聚的流沉 积，其中一股流包含磨粒，另一股流包含粘合剂。示例性的粘合剂包括金属， 例如钢、铜、钛或铝。在一个例子中，该方法包括沉积粉末金属和磨料的流， 同时用激光加热沉积区域，使得所述粉末熔合于研磨制品404。图5显示了另一种示例性的沉积印刷系统500，其包括印刷连续的层，以形 成研磨制品504。平台502和/或印刷头506沿三维图案移动，以促进在图案化的 层中沉积基于树脂的溶液，形成研磨制品504。然后使所述基于树脂的溶液固 化，以促进研磨制品504的形成。在一个示例性的实施方式中，所述印刷法包括 基于树脂的沉积法，其包括在图案化的构建层中印刷包含磨粒的可紫外固化的 丙烯酸类溶液。然后使所述构建层曝光于来自能量源(例如辐射源508)的紫外 光。在一个示例性的实施方式中，印刷头506以一定的图案沉积一种或多种溶 液，以促进具有所需形状和微特征的研磨制品的形成，所述微特征如局部控制 的孔隙度、设计的裂开面以及碎屑通道。上面图l-5所述的系统，特别是快速加工印刷系统，可以设计成适于接受料 筒。料筒可以可拆卸方式与所述系统相连，用来容纳粘合剂和磨粒。在一个例 子中，所述料筒包括用来储存磨粒和粘合剂的溶液或混合物的容器。例如，所 述溶液可以是液态粘合剂和磨粒。或者所述溶液是磨粒和粉末粘合剂的粉末状 混合物。在另一个示例性的实施方式中，所述料筒包括用来储存包含热塑性粘 合剂和磨粒的纤丝组合物的绕线管。图6显示了用于印刷型快速加工系统的快速结构化介质料筒的一个具体实 施方式600。所述料筒通常能够在连续的层中连续沉积粘合剂和/或磨粒以形成 研磨结构，例如涂敷的研磨结构或粘结的研磨结构。例如，料筒600可以可拆卸 方式与沉积印刷快速加工系统连接。所述料筒600包括容器602和配送喷嘴604。 料筒600还可包括重新填充口606，可以包括特有的标识符608。料筒600设计用来储存粘合剂和磨粒。在一个示例性的实施方式中，所述 粘合剂和磨粒可以在料筒主体中的共用隔室(例如容器602)里混合在一起。粘合 剂和磨粒从共用喷嘴(例如喷嘴604)配送出来。如果所述粘合剂是液体，磨粒和 粘合剂形成溶液，例如液体粘合剂和固体磨粒的浆液。如果所述粘合剂是颗粒， 则磨粒和粘合剂形成颗粒混合物。在一个示例性的实施方式中，所述粘合剂是可辐射固化的。例如，所述粘 合剂可通过曝光于电子束、激光源或散射光(例如紫外光)而固化。在另一个示 例性的实施方式中，粘合剂和磨粒的溶液还包含第二粘合剂，该第二粘合剂可
使用另外的方法(例如热固化法和化学引发固化法)固化。在一个示例性的实施方式中，对配送喷嘴或配送孔604进行选择性控制，以 配送材料。例如，所述配送喷嘴604可形成印刷头的一部分。因此，喷嘴604包 括用来控制溶液配送的机械结构。示例性的机械结构包括加热器驱动的气泡喷 射机械结构，静电机械结构和压电机械结构。或者配送孔604向独立于料筒的印 刷头提供材料。图7显示了一种示例性的料筒700，其包括两个或更多个容器702和704。该 料筒700还包括一个或多个配送喷嘴(706和712)，以及一个或多个重新填充口 (708和710)。在一个示例性的实施方式中，粘合剂和磨粒互相独立，处于专用的 隔室中，例如容器702和704。这些隔室可以设计用来通过共用的喷嘴，例如喷 嘴706配送粘合剂和磨粒。例如，料筒700可包括设计用来在配送之前将第一粘 合剂和第一磨粒混合起来的配送结构，使得第一粘合剂和第一磨粒通过一个喷 嘴配送。在另一个例子中，这些隔室可以设计成通过独立的喷嘴，例如喷嘴706 和712配送粘合剂和磨粒。在另一个示例性的实施方式中，容器(例如容器702)含有包含第一组磨粒 和第一未固化粘合剂的溶液。储存在容器704中的第二溶液包含第二未固化粘 合剂，还任选地包含第二组磨粒。在一个具体的实施方式中，第二粘合剂的后 固化机械性质(例如后固化机械强度)不同于所述第一粘合剂的后固化机械性 质。所述第二组磨粒的组成、平均粒度、形态、性能和/或硬度可不同于第一磨 粒。因此，用所述第一溶液制备的研磨制品的性能特征(例如耐磨性和材料去除 速率)不同于用第二溶液制备的研磨制品。另外，用不同比例的第一溶液和第二 溶液制备的制品区域内具有不同的性能特征。在另一个例子中，所述研磨制品是涂敷的研磨制品。所述料筒可以沉积第 一粘合剂，以形成初始接合涂层(makecoat)，沉积第二粘合剂，形成施胶涂层 (sizecoat)。所述料筒还可包含位于第三容器中的第三粘合剂。可以例如沉积第 三粘合剂，形成涂敷的研磨制品的上层施胶涂层(supersize coat)。或者，储存在容器704中的第二溶液包含固化剂。例如，所述固化剂可引 发所述第一粘合剂聚合、交联或固化。在另一个实施方式中，第二溶液可作为 稀释剂，减小磨粒设置的密度，或者改变第一粘合剂的机械强度。在另一个例子中，储存在容器704中的第二溶液包含用来形成研磨制品的 压敏胶粘剂背衬的胶粘剂。例如，可以将第二溶液沉积在剥离膜(release film)
上，形成压敏胶粘剂背衬。粘合剂和磨粒可以沉积在所述胶粘剂背衬上，形成 研磨制品。可以将该研磨制品从剥离膜上除去，压制到研磨、抛光或精研设备 的表面上。使用者、服务提供者或制造者可以使用所述一个或多个重新填充口(708和710)对料筒700进行重新填充。在一个示例性的实施方式中，使用者可以对服务提供者或制造者规定料筒所应填充的粘合剂和磨粒。例如，使用者可以将独特 的标识符714输入网站，规定具有特定标识符714的料筒700所需填充的粘合剂 和磨粒。然后使用者可以将料筒700送给服务提供者或制造者。如图6和图7所示，所述料筒设计用于三维沉积印刷设备。在其它的实施方 式中，所述料筒设计用于FDM系统、选择激光烧结系统或金属沉积系统。在其 它的实施方式中，容器是用来储存热塑性纤丝的绕线管，或者设计用来储存粉 末状混合物。在另一个示例性实施方式中，料筒选择性地与快速加工系统或固体自由成 形制造系统连接。例如，储存一种组合物的料筒可以用贮存有不同组合物的料 筒代替，以制造具有不同特征的研磨制品。通常，所述溶液、混合粉末和纤丝可以用粘合剂和磨粒组形成。对于溶液 的情况，所述粘合剂可以为可固化树脂的形式，例如可通过施加能量的方法， 例如电子束法、微波法、激光法和紫外固化法固化的树脂。或者，所述粘合剂 可通过化学法固化，例如催化剂引发法、水分引发法或加热法。一种特别有用的可紫外固化的粘合剂组合物包含选自丙烯酸酯和甲基丙 烯酸酯低聚物及单体的组分。可用的低聚物包括环氧丙烯酸酯、脂族氨基甲酸 酯丙烯酸酯、芳族氨基甲酸酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、芳族酸丙烯酸酯、环 氧甲基丙烯酸酯以及芳族酸甲基丙烯酸酯。单体包括单官能、二官能、三官能、 四官能和五官能的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯，例如三羟甲基丙垸三丙烯酸酯、 三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三(2-羟基乙基)异氰尿酸酯三丙烯酸酯、三丙二醇 二丙烯酸酯、己二醇二丙烯酸酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸辛酯和丙烯酸癸酯。所述粘合剂制剂可包含大量的每分子含有三个或更多丙烯酸酯的丙烯酸酯单体。 通常的市售产品包括三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)和季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)。可以对二官能和三官能丙烯酸酯以及较高分子量的丙烯酸酯低聚物 的相对比例以及其它的组分进行调节，以使得最终产物在固化后获得加工时所 需的流变性质，以及所需的刚性和切削特性。
光化光源的辐照能可以用任意常规的紫外光源提供。例如所述涂层或构建层可曝光于V、 D、 H或H+灯泡或其组合产生的紫外光，能量输出为100-600瓦/英寸宽度。
另外，可以使用偶联剂改进粘合剂和磨粒之间的结合。常规的偶联剂包括 有机硅烷，例如购自Osi Specialties, Inc.的A-174和A-l 100,以及有机钛酸酯和 锆铝酸盐(zircoaluminate)。 一组具体的偶联剂包括氨基硅垸和甲基丙烯酰氧基 硅烷。可以将填料结合入分散体中，以改进分散体的流变性，以及固化的粘合剂 的硬度和刚性。有用的填料的例子包括金属碳酸盐，例如碳酸钙、碳酸钠；二 氧化硅，例如石英、玻璃珠、玻璃泡；硅酸盐，例如滑石、粘土、硅酸钙；金 属硫酸盐，例如硫酸钡、硫酸钙、硫酸铝；金属氧化物，例如氧化钙、氧化铝(例 如勃姆石和/或假勃姆石的形式)；以及三水合铝。所述分散体可包含研磨助剂以提高研磨效率和切削速率。有用的研磨助剂 可以是无机的，例如卤化物盐(如冰晶石钠、四氟硼酸钾等)；或者有机的，例 如卣化蜡(例如聚氯乙烯)。 一个具体实施方式
包含粒度为l-80微米、最优选5-30 微米的冰晶石和四氟硼酸钾。以制剂的总量(包括磨料组分在内)为基准计，所 述研磨助剂的含量为0-50重量％、最优选10-30重量％。除了上述组分以外，还可加入其它的组分通常是光引发剂，例如苯偶姻 醚、苯偶酰縮酮、a-烷氧基苯乙酮、a-羟基-烷基苯酮、a-氨基垸基苯酮、酰基 氧化膦、苯甲酮/氨、噻吨酮/氨，或者另外的自由基生成剂；抗静电剂，例如石 墨、炭黑等；悬浮剂，例如热解法二氧化硅；抗填充剂(antiloading agents),例如 硬脂酸锌；润滑剂，例如蜡；湿润剂；染料；填料；粘度调节剂；分散剂；以及 消泡剂。可以在另外的快速加工系统中使用各种可热固化的聚合物，或者将各种可 热固化聚合物与上述粘合剂结合使用。尽管可以使用热塑性聚合物和热固性聚 合物，但是人们所看中的经常是热固性聚合物，这是由于这些热固性聚合物性 质稳定，特别是在产生过多热量的切削或精整操作时性质稳定。根据特定的实 施方式，所述粘合剂化合物包括粉末，通常主要由粉末形成，甚至完全由粉末 形成。在一些实施方式中，使用液态的可热致固化的聚合物。在其它实施方式 中，不包含液态的可热致固化的聚合物，优选使用粉末。在一些实施方式中， 粉末形式的可热固化的粘合剂是特别优选的，这是因为它们可以相当容易地结
合入用来形成涂敷的磨料的工艺中。使用粉末状的可热致固化的粘合剂对于制 备用来形成结构化的磨料的磨料分散体确实是特别有益的。另外，己经发现和 证明，将粉末形式的可热致固化组分与其它液态粘合剂体系结合使用，可以在 最终产物中提供改进的研磨性能，还可提供具有改进的加工性能的磨料分散 体，这至少部分是由于分散体粘度的有益变化造成的。可热致固化聚合物的例 子包括环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、脲酸树脂、蜜胺甲醛树脂、丙烯酸 类树脂、聚酯树脂、乙烯基树脂以及它们的混合物。应当理解，这些树脂可以 液态或粉末的形式获得，在一些特殊的实施方式中，优选使用粉末状或颗粒状 的形式。在其它示例性实施方式中，粘合剂可包含粉末构建材料，例如热塑性塑料、 金属和涂敷树脂的陶瓷。涂敷树脂的陶瓷包括涂敷树脂的砂子，例如铸造型砂。 这些粘合剂可用于选择性激光烧结技术。特别有用的粉末状金属包括钢、铜、 钛和铝。粉末状的金属可用于金属沉积法，例如使用图4所示的设备进行的方法。有用的热塑性粘合剂包括聚酰胺、ABS、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯 和聚苯基砜。因此，热塑性粘合剂也可用于FDM系统，例如图3所示的系统。粘合剂印刷法可使用在干燥的时候或者在与下面的材料接触的时候固化 的液体胶粘剂。在另外的实施方式中，所述粘合剂可以是水分活化的。所述磨粒可以由以下已知磨粒中的任意一种或其组合形成氧化铝(熔融氧 化铝或烧结氧化铝)、氧化锆、氧化锆/氧化铝、碳化硅、石榴石、金刚石、立 方氮化硼以及它们的组合。在具体的实施方式中，使用主要由a-氧化铝组成的 致密的磨粒。所述磨粒的平均粒度一般为1-150微米，更优选为l-80微米。对于 精研和抛光应用，平均粒度可约为1-16微米，例如约为3-5微米。但是，以制剂 的重量为基准计，磨料的含量通常约为10-90重量％,例如约为30-80重量％。在涂敷的磨料和设计的磨料的实施方式中，背衬部件可以由挠性的但是机 械稳定的材料形成，包括各种聚合物膜、纸张和其它纤维素材料，以及包含棉 与含有各种聚合饱和剂的聚酯的织物。所述织物可以是织造织物或非织造织 物。 一种特别的背衬部件或基板是聚对苯二甲酸乙二酯膜。其它聚合物膜包括 聚碳酸酯膜。可以对背衬部件涂底层或进行预处理，以提高研磨层和背衬部件之间的粘着性。或者所述背衬部件可以是剥离膜，例如用来制造具有压敏粘着剂背衬的研磨制品。在一个具体的实施方式中，快速加工系统和料筒可用来形成涂敷的磨料和
设计的磨料。这些研磨制品可以按需形成，节省了储存和分批订货所带来的开 销。例如，所述快速加工系统可用来形成具有独特图案的涂敷的磨料。图8和图9显示了示例性的玫瑰花形设计800和904，它们包括花瓣状结构802和906。按 照一定图案印刷这些设计800和904，可在基板上印刷形成特定的轮廓，从而避 免了由于印刷整个板材以及冲压或切割出所需的形状和轮廓所带来的另外的 难题或废料。
在一个具体的例子中，光学工业可使用这样的快速加工系统制造用来研磨 透镜和光学表面的研磨制品。在光学工业中，特定涂敷片材的单一用途是很常 见的。或者，对于去除油漆和喷砂处理之类的应用，需要更长的寿命。为了获 得更长的寿命，对涂敷的研磨制品的快速加工可包括形成多个层或者使用更牢 固的粘合剂。
可以基于涂敷的研磨制品上的区域，控制磨料的性能特征。例如，针对研磨 制品不同区域之间的相对速度的差异，可以调节研磨制品的密度。在图8所示 的研磨制品中，可以调节磨料的位置，在弯曲的表面上(例如在眼科精整应用 中)提供所需的去除速率。在图9所示的研磨制品中，针对旋转速率的差异，可 以沿着玫瑰花形设计904的花瓣状结构906径向调节磨料的位置和密度。可以通 过在需要较大磨料密度的位置设置另外的磨料层来调节密度。或者可以调节每 单位面积内磨料溶液液滴数或像素数，获得性能特征的差异。可以在图案的不 同区域施加具有不同性能特征的不同磨料溶液，或者在研磨制品上的一些位置 改变添加量。
另一种调节性能特征的方法包括调整放置溶液的图案。图10显示了一种放 置溶液的示例性图案，该图案可以调节局部磨损速率，以补偿沿径向的旋转速 度差异。在图案1000中，中心1002附近的线条之间的距离大于外部边缘1004附近线条之间的距离。
下面来看设计的和结构化的磨料，用来形成设计的研磨制品的现有技术方 法通常限于具有良好的脱模性轮廓的外表面(例如具有角锥形和圆锥形的正斜 率壁)的制品。通常，非设计的涂敷的磨料被看作是两维的，这是由于特定的 特征结构的厚度相对于其横截面来说较小。相反，设计的和结构化的磨料和粘 结的磨料的特征相对于该特征的横截面来说非常厚，带来了另外的制造上的问 题。具体来说，本文所述的快速加工法允许形成大体上具有较差脱模性外表面 轮廓(例如负斜率的壁和垂直壁)的研磨制品。负斜率的壁的轮廓是随着高
度的减小，向着结构中心向内倾斜；正斜率的壁的轮廓是随着高度的降低， 远离结构中心向外倾斜。例如角锥体具有正斜率的壁，倒置的角锥体具有负斜 率的壁。垂直壁也很难使用常规的形成设计磨料的方法制造。在本文中，术语 "大体上负斜率"包括负斜率的轮廓和垂直轮廓，所述研磨结构中至少一个壁相对于垂直方向从研磨制品外表面延伸出来以-90。至0。的a角度倾斜延伸。图11和图12显示了包括一种图案或研磨结构阵列1102的设计的硏磨制品 1100。所述研磨结构1102包括负斜率的壁1106。结果，研磨结构1102的顶部要 比与基板1108相接触的位置宽。这种轮廓具有较差的脱模性。包括具有大体上负斜率的部分的壁或轮廓具有较差的脱模性。图13显示了 研磨制品1300，其包括形成于基板1302上的研磨结构1304的图案。所述研磨结 构1304具有包括负斜率部分1306的壁。快速加工法还可以在研磨结构中形成微特征或整体化的内部特征。例如， 快速加工法使得可以在研磨结构之内和之上形成结构化的孔和通道。再来看图11和12，研磨结构1102的图案在该结构1102之间形成大通道 1104。快速加工法使得可以形成微特征，例如结构化的通道、孔和裂开面。通 常宏观特征是通过结构图案形成的或者在结构之间形成的全局性的特征，微特 征是形成在研磨结构自身之内或之上的特征。例如，图ll显示了微特征，例如 研磨结构U02之内的内部结构化的孔1110,宏观特征通道1104由结构图案形 成，或者形成于结构1102之间。研磨制品可包括研磨结构的重复图案，所述研 磨结构具有一个或多个内部结构化孔的图案。类似地，图13显示了研磨结构 1304内的内部结构化孔1308。所述内部结构化孔(例如1110和1308)可具有精确控制的尺寸和形状。例如, 内部结构化的孔的几个横截面可选自多边形、圆形和不规则形状。多边形包括 正方形、三角形、矩形、扁菱形、梯形和五边形。不规则形状包括例如"D" 形、半圆形和星形。所述内部结构化孔的尺寸可变度(variability)不大于约50 微米，例如不大于约8微米。尺寸可变度表示一组研磨结构中孔尺寸的可变度。 另外，所述内部结构化的孔的位置可变度(即一组研磨结构中孔位置的可变度) 不大于约50微米，例如不大于约8微米。在这些例子中，微特征孔在所述结构内 部。或者所述微特征孔和通道可以形成于所述结构的外部轮廓内。在另一个例子中，快速切削处理可能产生具有微特征(例如设计的裂开面) 的研磨结构。例如，如图14所示，研磨结构1404可包括设计的裂开面1406。如
图所示，裂开面1406不是水平或垂直的，在穿透某结构的中途终止。当使用磨料1404的时候，所设计的研磨结构1404沿平面1406周期性裂开或分裂，提供改 进的研磨效果和更尖锐的角度。这些裂开面1406还可用来减小磨料接触表面的 表面积，增大磨料表面暴露出的压力。在图14中所示的例子中，研磨结构1404 可以形成于基板1402上。或者，研磨结构1404可以粘结的研磨结构的形式形成。在另一个示例性的实施方式中，研磨结构中磨粒的浓度可以是随着与背衬 表面垂直距离变化的函数。例如，在棱锥结构中，在较靠近背衬的位置的磨粒 浓度可以较高，在远离背衬的位置的磨粒浓度较低。还可使用快速加工技术形成粘结的研磨制品。在这里，同样可使用快速加 工技术形成具有微特征和较差脱模性的轮廓的研磨制品。在图15中显示的示例性实施方式中，可以在圆柱形或轮形的粘结研磨制品 1500中形成切削流体通道1502。在一个示例性的实施方式中，所述切削流体通 道(cutting fluid channel) 1502是设计用来在使用过程中促进切削流体流过该通 道1502、研磨表面1504的螺旋结构。在图16显示的另一个实施方式中，粘结的 研磨制品包括切削流体通道1602和碎屑通道(swarf channel) 1604。在使用该 研磨制品的时候，所设计的切削流体通道1602能促进切削流体流到表面1600， 碎屑通道1604能用来从表面1600除去碎屑材料。碎屑通道1604具有弯曲的横截 面，以及不直的横截面，因此，研磨制品1600的轮廓具有较差的脱模特征。在一个具体的实施方式中，研磨制品包括从所述粘结的研磨制品的外表面 延伸到粘结的研磨制品之内的特征，例如碎屑通道1604。该特征的特征长宽比 至少约为1.5,所述特征长宽比是从外表面向内延伸的特征深度与所述粘结的 研磨制品外表面上最小特征开口尺寸之比。例如特征长宽比可至少约为2.5,例 如至少约为3.5。包括切削流体通道的研磨制品的具体实施方式
允许输送冷却流体和润滑 剂来对界面进行研磨。常规的现有技术的系统通过外部管道将冷却液引向研磨 界面。但是该流体通常无法充分地润滑或涂敷表面。因此，所述表面可以是过 热的，可以包括过量的碎屑，产生差的材料去除速率和表面质量。与之相反的 是，本文所述的研磨制品的具体实施方式
包括将冷却流体和润滑流体直接输送 到研磨界面的切削流体通道。另外，可以对这些切削流体通道进行一定的成形， 从而通过研磨制品的运动(例如旋转)迫使流体流到表面上，也可对切削流体 通道进行一定的成形，使得即使在研磨制品受到磨损的时候，也可以输送切削 流体。如图17所示，粘结的研磨制品可包括具有不同磨粒或不同磨粒浓度的区 域。例如，圆柱形或轮形的粘结研磨制品1700可包括具有不同研磨特性(例如 颗粒密度、孔隙度、粘结强度、弹性模数和压縮模数)的区域，例如区域1702、 1704和1706。在此例子中，区域1702可具有一种磨粒浓度，区域1704可具有不 同的浓度。不同的区域(1702， 1704和1706)可使用不同的磨料溶液形成，或者通 过以不同的比例施加磨料溶液而形成。或者如图18所示，这些区域可以随着与 研磨制品中心的距离而变化。不同的区域(例如1802, 1804, 1806和1810)可以使 用不同的磨料溶液形成，或者通过以不同的比例施加磨料溶液而形成，可具有 不同的研磨性质和机械性质。在一个具体实施方式
中，可以根据与中心的距离 以及所述制品中所需的磨损图案，对磨粒的浓度进行局域控制。这些粘结的研 磨制品可具有图案化的层，在层中第一区域具有第一组成，第二区域具有不同 于所述第一组成的第二组成。可以将研磨制品中的特征结合起来，提供改良的研磨性能。图19包括一个 说明性的例子，其包括一些特征，例如裂开面和组成的变化。例如，所述研磨 制品1900包括组成1902， 1910, 1912和1914。制品1900还包括裂开面1906。随着 研磨制品的磨损，制品在裂开面1906周期性地裂开，暴露出研磨面，例如研磨 面1908。在一个示例性的实施方式中，所述研磨面1908具有约等于初始研磨面 1904的表面积。在一个具体的实施方式中，研磨组合物1902具有高粘结强度。 在对所述研磨表面施加垂直作用力的时候，其它的材料组合物1910、 1912和 1914用来支承研磨面。所述其它材料组合物1910， 1912和1914可以在粘结强度、 弹性、研磨质量和磨损速率方面变化。通常所述快速加工系统和快速结构化介质料筒可以进行调整，以形成三维 研磨结构，其包括选自以下的特征微特征、三维研磨特征、切削流体通道图 案、碎屑通道图案、内部孔隙图案以及定向的断裂面。在一个具体实施方式
中，可以使用所述快速加工系统和可拆卸料筒为研磨 制品使用者提供按需制造的能力。这种按需加工的技术使得使用者能够减少研 磨制品的储存，并确保这些制品有现成的供应。在另一个示例性实施方式中，通过使用快速加工技术制造研磨制品，减少 了常规方法中存在的废料和脏乱的情况。例如，可以通过涂敷下面基板的受限 制区域，制得涂敷的研磨制品。通过这种方式，仅在可用来制备或制造涂敷的
研磨制品的区域涂敷磨料和粘合剂，而其它的区域则保持未被涂敷。在这样的 情况下，减少了磨料和粘合剂的使用。在另一个示例性的实施方式中，通过将快速加工和可拆卸的料筒用于研磨 制品，降低了交替生产研磨制品时磨粒污染研磨制品的可能性。可以为使用者 提供包含溶液、粉末或纤丝的料筒，所述溶液、粉末或纤丝仅含具有使用者所 需的磨粒和磨粒粒度。通过选择特定的粘合剂溶液和所需的磨粒，使用者可以 在不造成污染或脏乱的情况下制备所需的研磨制品。对用来制备研磨制品的快速加工系统进行特殊的调试，以形成用于精研和 抛光用途的研磨制品。例如，这些系统可用来按需生产单一用途的精研磨料， 用于例如生产透镜和生产电子元件。用于这些应用的磨粒的平均粒度可约为3-5 微米，构建层的粒度细达约16微米。这些系统还可用来制备用于例如珠宝应用、 抛光样品制备以及除漆用途的研磨制品。可通过为使用者提供快速加工系统和装有研磨组合物的料筒，来促进使用 者方面的研磨制品制造。所述使用者可以是研磨制品的内部使用者，例如使用 研磨制品、制备所述研磨制品用于内部消耗的使用者。或者所述使用者可制造 研磨制品用于销售和配送。在图20所示的一个示例性的方法中，为使用者提供了快速加工系统，图中 显示为2002。例如，可以出租或出售给磨料使用者一套用来制造研磨制品的快 速加工系统。或者，可以将用来制造研磨制品的快速加工系统租赁或给予预期 的使用者。为使用者提供了包含磨粒和粘合剂的料筒，图中显示为2004。例如，使用 者可以选择特定的粘合剂和磨粒粒度，或者磨粒的颗粒种类。研磨溶液制造者 可以直接或间接地为使用者提供装有包含特定粘合剂和所需磨粒的溶液的料 筒。在一个具体的实施方式中，使用者可以购买料筒。在另一个具体实施方式
中，使用者可以购买提供在料筒中的溶液、粉末或纤丝。当设计形成涂敷的和设计的研磨制品的时候，可以提供基板，图中显示为 2005。例如，所述基板可选自纸张、膜、织物、箔和泡沬材料。快速加工系统 可设计用来使用所述料筒在基板上沉积磨粒和粘合剂的连续层，以形成研磨制品。另外，可以为使用者提供可用快速加工系统操作的计算机操作说明和软 件，以控制连续图案化层中的第一粘合剂和第一磨粒，图中显示为2006。例如,
可以为使用者提供设计用来命令快速加工系统形成特定研磨结构的软件和数 据。使用者使用所述料筒和快速加工系统来制造所需的研磨制品。在这样做的 时候，料筒消耗了其溶液、粉末或纤丝。在一个示例性的实施方式中，制造者或服务提供者直接或间接地回收用过的料筒，图中显示为2007。或者，使用者可以将料筒送给服务提供者或制造者。在一个特殊的例子中,可以为料筒提供用来将其送给服务提供者或制造者的包装。例如，料筒可以装 在包装中，由邮递公司，例如US Postal Service , FedEx⑧或UPS⑧送达。所述包 装上可印上回寄地址，留出贴回寄邮票的地方。使用者可以改装用于返回的包 装，插入料筒，通过邮递公司递送。另外，所述料筒可包括特有的标识符。使 用者可以登陆网站，提供特有的标识符，指定所需粘合剂和磨粒的种类。在一 个实施方式中，制造者递送包含所需粘合剂和磨粒的第二料筒。在另一个实施 方式中，制造者或服务提供者用所需的粘合剂和磨粒重新充填该料筒，图中显 示为2008。但是，如果料筒被磨坏或无法使用，则需更换料筒。接下来，如2010所示，所述服务提供者或制造者将重新充填过的料筒直接 或间接地提供给使用者，例如提供给回收该料筒的使用者，或提供给不同的使 用者。例如，所述服务提供者或制造者可以经由邮递公司，在可回收使用的包 装中递送所述料筒。从使用者的角度来看，所述快速加工系统和可拆卸料筒可以用来制造一种 或多种设计形式的研磨制品。例如，如图21所示，研磨制品的使用者为快速加 工系统的第一种设计的研磨制品提供设计数据，图中显示为2102。然后使用者 基于所述第一研磨制品设计数据形成了第一研磨制品，图中显示为2104,可以 基于所述第一研磨制品设计数据提供另外的研磨制品，例如第二研磨制品，图 中显示为2106。如图2108所示，使用者可以为第二种设计的研磨制品提供另一 组设计数据，可以如步骤2110所示，随后基于所述第二研磨制品设计数据形成 第三研磨制品。随着研磨制品的制造，料筒被消耗。使用者可以替换料筒，继续制造研磨 制品。在一个特殊的实施方式中，使用者可以将具有不同组成的料筒换入和换 出快速加工系统，以制备具有不同性能特征的硏磨制品。例如，使用者可以根 据粘合剂的机械强度、基于磨粒的粒度和耐磨性或者基于固化的粘合剂和磨粒 溶液的耐磨性来选择料筒。使用者可以将选择的料筒置于快速加工系统中，以
制备具有所需性能特征的研磨制品。可以将空的料筒提供给服务提供者或制造 者，以重新充填。上述主题应看作是说明性的而非限制性的，所附权利要求书包括其所有位 于本发明真实范围内的变化形式、改良形式和其它的实施方式。因此，在法律 许可的最大范围内，本发明的范围由以下权利要求书及其等价内容所容许的最 宽泛解释所确定，不应被以上的详述所约束或限制。
权利要求
1.一种涂敷的研磨制品，其包括基板；图案化的研磨结构组，所述图案化的研磨结构组中的各研磨结构具有设计的微特征。
2. 如权利要求l所述的涂敷的研磨制品，其特征在于，所述设计的微特征 包括内部结构化的孔。
3. 如权利要求2所述的涂敷的研磨制品，其特征在于，所述设计的微特征 是内部结构化的孔的图案。
4. 如权利要求3所述的涂敷的研磨制品，其特征在于，所述内部结构化的 孔的图案在所述图案化的研磨结构组的多个研磨结构中重复。
5. 如权利要求2所述的涂敷的研磨制品，其特征在于，所述各研磨结构的 内部结构孔的尺寸可变度不大于50微米。
6. 如权利要求5所述的涂敷的研磨制品，其特征在于，所述各研磨结构的 内部结构孔的尺寸可变度不大于8微米。
7. 如权利要求2所述的涂敷的研磨制品，其特征在于，所述各研磨结构的 内部结构孔的位置可变度不大于50微米。
8. 如权利要求2所述的涂敷的研磨制品，其特征在于，所述内部结构孔的 几何横截面选自多边形、圆形和不规则形状。
9. 如权利要求l所述的涂敷的研磨制品，其特征在于，所述设计的微特征 是表面通道。
10. 如权利要求l所述的涂敷的研磨制品，其特征在于，所述设计的微特征 是裂开面。
11. 一种研磨制品，其包括具有差的脱模轮廓的外表面。
12. 如权利要求ll所述的研磨制品，其特征在于，所述研磨制品包括沿研 磨制品外表面的研磨结构图案，所述研磨结构中至少一个壁相对于垂直方向从 研磨制品外表面延伸出来以-90。至0。的斜度延伸。
13. 如权利要求12所述的研磨制品，其特征在于，所述研磨结构的图案是 研磨结构的阵列。
14. 如权利要求12所述的研磨制品，其特征在于，所述研磨制品是涂敷的 研磨制品。
15. 如权利要求ll所述的研磨制品，其特征在于，所述研磨制品是粘结的 研磨制品，所述粘结的研磨制品包括从所述粘结的研磨制品的外表面延伸入所述粘结的研磨制品内的特征，所述特征的特征长宽比至少约为1.5,所述特征长宽比是从外表面向内延伸的特征深度与所述粘结的研磨制品外表面上最小特 征开口尺寸之比。
16. 如权利要求15所述的研磨制品，其特征在于，所述特征长宽比至少约 为2.5。
17. 如权利要求16所述的研磨制品，其特征在于，所述特征长宽比至少约 为3.5。
18. 如权利要求15所述的研磨制品，其特征在于，所述特征是具有弯曲的 横截面的通道。
19. 如权利要求15所述的研磨制品，其特征在于，所述粘结的研磨制品包 括内部通道。
20. 如权利要求19所述的研磨制品，其特征在于，所述内部通道是非线性的。
21. —种研磨制品，其包括多个图案化的层，在所述多个图案化的层中的 一个层中，第一区域具有第一组成，第二区域具有不同于所述第一组成的第二 组成。
22. 如权利要求21所述的研磨制品，其特征在于，所述第一区域和第二区 域提供不同的特性，所述不同的特性作为在所述研磨制品中位置的函数而变 化。
23. 如权利要求22所述的研磨制品，其特征在于，所述第一区域和第二区 域提供作为与所述研磨制品中心相距的半径的函数而变化的特性。
24. 如权利要求22所述的研磨制品，其特征在于，所述特性包括颗粒密度。
25. 如权利要求22所述的研磨制品，其特征在于，所述特性包括结合强度。
26. 如权利要求22所述的研磨制品，其特征在于，所述特性包括弹性模量。
27. 如权利要求22所述的研磨制品，其特征在于，所述特性包括压縮模量。
28. 如权利要求22所述的研磨制品，其特征在于，所述特性包括孔隙度。
29. 如权利要求22所述的研磨制品，其特征在于，所述特性包括粒度。
30. 如权利要求22所述的研磨制品，其特征在于，所述特性包括颗粒组成。
31. 如权利要求22所述的研磨制品，其特征在于，所述特性包括粘合剂组成。
全文摘要
一种涂敷的研磨制品，其包括基板和图案化的研磨结构组。所述图案化的研磨结构组的各研磨图案具有设计的微特征，例如内部结构化的孔，表面通道或裂开面。研磨制品(涂敷的或粘结的)包括具有差的脱模轮廓的外表面。研磨制品包括大量图案化的层，在几个图案化的层中的一个层内，第一区域具有第一组成，第二区域具有不同于所述第一组成的第二组成。
文档编号B24D5/00GK101142055SQ200680005483
公开日2008年3月12日 申请日期2006年2月21日 优先权日2005年2月22日
发明者A·扎诺利, D·内弗莱特, G·斯韦 申请人:圣戈本磨料股份有限公司