用于涂层沉积的掩模和气压控制系统的制作方法

用于涂层沉积的掩模和气压控制系统
1.相关申请的交叉参考
2.本技术要求2020年5月8日提交的美国临时专利申请第63/021,838号的权益，所述美国临时专利申请通过引用并入本文中。
技术领域
3.本发明涉及用于涂层沉积装置的掩模和气压控制系统。


背景技术：

4.涂层沉积系统已用于将涂层施加到各种衬底上。所述系统包含液滴生成装置，其包含质量谐振器、压电元件、波集中器和流体喷射器。在此类系统中，需要获得良好的边缘锐度。


技术实现要素：

5.本发明提供一种用于在沉积到衬底上期间控制液体涂层液滴的方法。所述方法包括将流动路径中的雾化液体涂层液滴朝向衬底引导，且将真空或加压空气施加到流动路径中的雾化液体涂层液滴的至少一部分。
6.本发明还提供一种用于在衬底上沉积液体涂层液滴以生成涂层的气压控制掩模。所述气压控制掩模包括：气压控制紧固件，其被构造并布置成用于连接到真空或加压空气的源；以及喷嘴开口，其被构造并布置成用于至少部分地围绕液体涂层液滴的流动路径且选择性地使得液体涂层液滴的至少一部分穿过气压控制掩模。真空或加压空气防止过喷液体涂层液滴的至少一部分沉积于涂层的预期边缘外部的衬底上。
附图说明
7.图1为本发明的气压控制掩模和定位于掩模上方的涂层液滴喷射器的部分示意性等角视图。
8.图2为图1的气压控制掩模的部分示意性等角视图。
9.图3为图1的气压控制掩模的俯视图。
10.图4为穿过图3的区段4-4截取的侧截面图。
11.图5为类似于图4中所展示的定位于待涂布衬底上方和涂层液滴喷射器下方的气压控制掩模的部分示意性侧截面图，其说明了涂层液滴通过掩模的中心喷嘴孔口从喷射器到衬底的飞行，以及施加真空以移除飞行中的液滴的一部分以提高边缘锐度。
12.图6为图1的气压控制掩模的仰视图。
13.图7为图6的放大部分，其说明了掩模的中心喷嘴开口和位于所述开口上方的涂层液滴喷射器。
14.图8为涂层液滴喷射器的等角视图。
15.图9为图8的涂层液滴喷射器的仰视图。
16.图10说明包含用于输送空气突发以在使用期间清洁喷射器的空气输送管的涂层液滴喷射器。
17.图11说明可用于打开和关闭掩模喷嘴开口的遮板系统。
18.图12说明可用于用本发明的掩模和气压控制系统沉积涂层的可变喷涂速度，所述系统可包含如图11中所展示的遮板系统。
19.图13说明所沉积的涂层图案，其包含内部区域中的体沉积部分和精细沉积边缘，这两者均可用本发明的掩模和气压控制系统制造。
20.图14为在不同位置处具有可调整喷嘴开口和多个真空抽吸端口的气压控制掩模的示意性侧视图。
21.图15说明使用涂层液滴喷射器在不使用掩模和气压控制系统的情况下沉积涂层。
22.图16为喷射涂层的边缘的照片，其展示了沉积于涂层的边缘外部的过喷液滴。
23.图17为喷射涂层的边缘的照片，其展示了与图16中所展示的喷射涂层边缘相比沉积于涂层的边缘外部的较少的过喷液滴。
24.图18为过喷液滴的数目与过喷液滴弗雷特直径(feret diameter)的曲线图，其包含由图16的图像生成的用于建立凭经验导出的边缘锐度准则的上部迹线，以及由图17的图像生成的展示通过用本发明的掩模和气压控制系统制造的涂层的上部迹线建立的准则内的良好的边缘锐度特性的下部迹线。
25.图19和20为过喷液滴的数目与过喷液滴直径的曲线图，其分别说明了线形和抛物线形边缘锐度准则。
26.图21包含图17的照片及其放大部分，其展示了在喷射涂层的边缘处的峰到谷距离。
具体实施方式
27.本发明提供用于包含涂层液滴生成系统的涂层沉积装置的掩模和气压控制系统。如本文所使用，术语“气压控制”包含施加真空，即低于大气压，以及施加高于大气压的气压。所述系统可包含可连接到常规质量谐振器、压电元件和锥形波集中器的涂层液滴喷射器。掩模和气压控制系统包含具有喷嘴开口的气压控制掩模。涂层液滴喷射器可位于喷嘴开口上方。
28.本发明系统可用于喷射沉积各种类型的涂层，例如基于溶剂的和/或基于水的航空涂层、汽车涂层、建筑涂层等。举例来说，通常用于涂布飞行器的基于溶剂的聚胺酯涂层可与本发明掩模和压力控制系统一起应用。
29.气压控制掩模将真空和/或加压空气施加到飞行中的涂层液滴。举例来说，当施加真空时，一个或多个抽吸端口可围绕掩模的喷嘴开口以在液滴行进的区域中产生围绕喷嘴开口的周边的低于大气压或真空压力。负气压通过空气抽吸端口汲取较小涂层液滴，同时使得较大液滴穿过喷嘴开口以沉积于衬底上。较小液滴的移除减少平流和不必要的过喷，且还可导致沉积于衬底上的较大液滴的液滴大小分布较窄。因此，尖锐的喷涂边缘可通过在涂层液滴穿过喷嘴开口的区域中通过非接触式气压控制掩模对沉积图案进行掩模和成形而形成。
30.图1到5说明本发明的气压控制掩模10。气压控制掩模10包含底座12，所述底座具
有从其向上延伸的气压控制紧固件14。底座12包含可用于将气压控制掩模10安装在标准打印机紧固件(未展示)上的孔13。气压控制紧固件14包含与多个气压控制开口18连通的多个气压控制端口16。通过底座12在气压控制掩模10的中心部分中提供喷嘴开口20。
31.如图1和5到9中所展示，涂层液滴喷射器30定位于气压控制掩模10的喷嘴开口20上方。涂层液滴喷射器30包含喷射器底座31，所述喷射器底座具有用于附接到包含质量谐振器、压电元件和波集中器的常规系统的安装孔32，如下文更完整地描述。涂层输送端口33从底座31向上延伸。从底座31横向延伸的喷射器臂34具有在喷射器边缘36中终止的大体上平面的下部表面35。
32.如在图6、7和9的仰视图中最清楚地展示，喷射器臂34包含流体喷射孔口38，涂料和其它涂层可通过所述流体喷射孔口进行输送。喷射器臂34的喷射器边缘36相对于压力控制掩模10的方形喷嘴开口20的边缘以45
°
角度竖直地位于气压控制掩模10的喷嘴开口20上方。喷嘴开口20可为如图示的方形、矩形、圆形等。喷射器可定位于喷嘴开口20正上方，其中喷射器30的平坦边缘36与喷嘴开口20对角地定位。雾化涂层液滴穿过喷嘴开口20以沉积于衬底s上。
33.如在图5中示意性地展示，涂层液滴喷射器30用于生成朝向气压控制掩模10的喷嘴开口20引导的涂层液滴喷射图案d。液滴喷射图案d包含颗粒大小分布，其包含相对较小、中等和较大涂层液滴。图5中所展示的各种液滴大小并非按比例绘制，而是被放大以更清楚地说明喷射图案d中的不同液滴大小。如下文更完全地描述，当将真空施加到端口16时，相对较小的液滴通过抽吸开口18被汲取且夹带在真空排气v内。相反，如果高压下的空气经引导通过端口16输送，那么此类正空气流可用于将较小的涂层液滴向内引导到涂层边缘的周边内。
34.如图5中所展示，涂层液滴喷射器30的喷射器边缘36位于距衬底s的顶部表面的喷射器距离de处。气压控制掩模10的底座12的底部表面位于衬底s的上部表面上方的掩模距离dm处。喷射器距离de可视需要进行调整，且通常可在5至20mm，或8至15mm，或10至12mm的范围内。掩模距离dm通常可在0.5至8mm，或1至5mm，或2至3或4mm的范围内。de:dm的比率通常可在20:1至1:1，或10:1至2:1，或8:1至3:1的范围内。
35.可使用多个涂层液滴喷射器30形状和尺寸，包含楔形和砧座设计。经由表面张力将流体涂层汲取到最接近于流体喷射孔口38的平坦喷射器边缘36。流体在平坦边缘36附近的单个点处被雾化和喷射。喷射器30可由诸如抛光钛之类的任何合适材料制造。涂层液滴喷射器30在喷射特性和清洁操作方面提供最小变化。具有多个孔口的喷射器可用于喷射更大体积的流体。
36.如图7中所展示，喷嘴开口20具有喷嘴开口宽度wo，其通常可在1至10mm或更大的范围内，例如在1.5至8mm或2至6mm的范围内。喷射器边缘36具有喷射器边缘宽度we，其通常可在0.5至10mm，或1至5mm，或1.5至4mm的范围内。wo:we的比率通常可在5:1至0.5:1，或2:1至0.8:1的范围内，或可为约1:1。
37.涂层液滴喷射器可包括如图15中所展示的楔形设计，或如图8和9中所展示的具有单个孔口38的双砧设计，或可为多孔口设计。
38.液滴生成系统的质量谐振器、压电元件和锥形波集中器可具有任何合适的设计，例如公开于pct公开案第wo 2018/042165号，所述pct公开案以引用的方式并入本文中。压
电元件可夹在质量谐振器与波集中器之间。涂层液滴喷射器30可经由安装孔32附接到波集中器的尖端。可实施温度稳定系统(未展示)以将谐振系统的温度维持在室温下，以便使涂层液滴喷射过程稳定。
39.涂层液滴可通过以下机构精确地沉积于衬底s上，从而产生尖锐的涂层边缘：通过非接触式掩模对涂层沉积图案进行掩模和成形；以及当涂层液滴穿过喷嘴开口20时的负或正气压环境。举例来说，四个隔膜泵可个别地在通过掩模10的内部端口16和开口18围绕喷嘴开口20的区域中生成0至55kpa或1至50kpa或2至40kpa范围内的负气压。此负气压可迫使更容易受到平流影响的较小涂层液滴通过开口18和端口16被汲取和移除。较小移除液滴可例如被收集在安装于掩模与隔膜泵(未展示)之间的过滤器中。具有更大动量和惯性的较大液滴在其穿过喷嘴开口20到衬底s的飞行路径上继续。此机构可有效地减少喷射液滴的涂层液滴大小分布，以最小化衬底s上的过喷液滴。
40.如图10中所展示，涂层液滴喷射器30安装于波集中器40的尖端上，且涂层输送管42连接到喷射器臂34上的涂层输送端口。加压空气输送管50具有朝向喷射器臂34引导的出口以提供空气突发a，其从喷射器30且从喷嘴开口的区域中的底层掩模中移除额外涂层材料。因此，可提供自动化清洁系统以远离喷射器30和喷嘴开口释放任何涂层残余物。通过自动化清洁系统，可实现持续很长一段时间的连续涂层沉积操作。因此，具有保持在系统中的涂层的沉积之间的间隔可能不会不利地影响涂层质量。
41.可经由遮板系统控制打印的立即开始和停止。举例来说，如图11中所展示，可在气压控制掩模10的喷嘴开口20上方选择性地收缩和延伸往复遮板60，以便允许或阻止涂层液滴流动通过喷嘴开口20。常规电磁阀62可用于选择性地收缩和延伸遮板60。因此，当启动时，遮板60延伸或收缩以打开/关闭喷嘴开口20。当完全延伸时，遮板60可阻止涂层从喷嘴开口20喷射，且可经由抽吸开口18和端口16从掩模10移除被阻止的涂层。
42.开/关型遮板60系统可集成到沉积过程中。举例来说，如图12中所展示，沉积装置可在“遮板打开”设置下从方形的底部遍历到顶部。在喷涂开始的时刻，可收缩遮板60，且允许涂层穿过喷嘴开口。一旦喷嘴开口处于方形的顶部，便延伸遮板60。为了维持恒定干膜厚度(dft)的喷涂，沉积装置可在遍历路径开始时且在遮板关闭之前加速。一旦喷涂过程完成且遮板60经延伸，喷射器30和掩模10便可减速，如图12中示意性地展示。还可通过自动调整供应到涂层液滴喷射器30的液体涂层流动速率来维持恒定dft的涂层。
43.可使用多个沉积模式，例如精细沉积模式和体沉积模式，其中精细沉积模式以比体沉积模式更慢的速率执行。在精细沉积模式下，可部署具有如先前所描述的气压控制系统的掩模。沉积通常可在0.5至10cm/s之间，例如在1至5cm/s或2至4cm/s之间进行，以产生尖锐的经涂布边缘。在体沉积模式下，可使用不同掩模。可将体掩模的喷嘴修改为圆形形状，且测得直径为6mm。这允许沉积较大量的流体。与精细掩模一样，存在压力端口，例如以移除小液滴。体模式的沉积速度可至少为10cm/s，或至少为20cm/s，或至少为30cm/s，或至多为50cm/s，或更高。
44.如图13中示意性地展示，可进行涂层沉积过程。在体沉积模式b下对形状进行喷涂，接着在精细沉积模式f下对形状边缘进行跟踪，可在精细喷涂模式f下实现总体较高沉积速率与良好涂层边缘锐度之间的平衡。除改变沉积模式之外，具有可变大小和形状的喷嘴开口的一个或多个掩模还可用于对具有尖锐末端的形状进行喷涂，例如三角形的尖端，
可将孔口缩减到最小以便进行细节喷涂。可变掩模喷嘴开口可实施于遮板系统上，所述遮板系统被控制为延伸/收缩到所需孔口开口大小和形状。用于延伸/收缩的机构可由致动器、磁性元件和记忆形状合金驱动。举例来说，类似于图11中所展示的遮板和螺线管系统的遮板和螺线管系统可适于提供可变大小或形状的喷嘴开口。
45.图14示意性地说明包含侧壁22的气压控制掩模110，所述侧壁可调整为不同角度α以提供可变喷嘴开口宽度w
ov
。通过可调整的侧壁22提供相对的气压控制或抽吸端口16a、16b、16c和16d，例如以选择性地在沿着由涂层液滴喷射器30生成的液滴喷射图案d的不同位置处提供抽吸。因此，喷嘴开口大小可由壁22的角度α控制。另外，可通过壁提供空气抽吸控制以移除小的过喷涂层液滴。
46.来自楔形设计流体喷射器的涂层的雾化和沉积展示于图15中。在谐振频率下，喷射器的偏转提供足够的能量以将流体汲取到喷射器的平坦边缘以进行雾化。提供到雾化液滴的能量还足以克服重力的影响，从而不仅允许竖直打印，而且允许水平打印。
47.用于尖锐的经涂布边缘的常规评估方法目前是定性的。本发明可利用定量准则来满足在与隔板相距0.5米/约20英寸处观察到的视觉上尖锐的涂层边缘。这些定量准则可确定针对不同应用的不同等级的打印锐度。
48.可使用具有3.5mm
×
2.5mm的视场的涂层边缘的显微图像。可通过标准图像分析来测量过喷液滴的弗雷特直径，如图16的样本图像中圆圈区域所示。
49.使用本发明的掩模和抽吸系统的涂层边缘锐度可达成图17中所展示的结果。图16和17中的涂层为可从ppg工业公司购得的聚酯基涂层，名称为desothane hd 9008。将黑色涂层喷涂到用常规hvlp喷枪预涂布有desothane hd 9008白色涂层的铝衬底上。涂层的平均干膜厚度(dft)可为1密耳(25μm)、
±
0.15密耳(3.8μm)，在60
°
下光泽度单位大于90，且张力值大于14。可使用下文所描述的定量准则来评估锐度。图18为过喷液滴的数目与过喷液滴弗雷特直径的曲线图，其包含由图16的图像生成的用于建立凭经验导出的边缘锐度准则的上部迹线，以及由图17的图像生成的展示通过用本发明的掩模和气压控制系统制造的涂层的上部迹线建立的准则内的良好的边缘锐度特性的下部迹线。所有过喷液滴的弗雷特直径都不超过100μm。涂层边缘的谷到峰距离也低于100μm。另外，过喷液滴中的超出涂层边缘的区域小于1.5mm。
50.过喷液滴的大小分布可低于其它选定分布曲线。示例性分布曲线可呈如图19和20中所展示的线形或抛物线形的形式，或可凭经验导出，如上文所描述且图18中所展示。另外，过喷液滴的最大可允许弗雷特直径可为100μm，并且过喷液滴中的超出涂层边缘的区域可能不超过1.5mm。
51.图21包含图17中所展示的涂层边缘的放大部分。峰p与相邻谷v之间的距离被标记为d
pv
。打印的边缘上的峰到谷距离d
pv
可能不超过例如100μm。
52.提供以下方面。
53.方面1.一种用于在沉积到衬底上期间控制液体涂层液滴的方法，所述方法包括：
54.在朝向所述衬底的流动路径中引导雾化液体涂层液滴；以及
55.将真空或加压空气施加到所述流动路径中的所述雾化液体涂层液滴的至少一部分。
56.方面2.根据方面1所述的方法，其中将真空施加到所述流动路径中的所述雾化液
体涂层液滴。
57.方面3.根据方面1或2中的任一个所述的方法，其中所述真空从所述流动路径中移除所述雾化液体涂层液滴的一部分以防止所移除的雾化液体涂层液滴沉积于所述衬底上。
58.方面4.根据方面1至3中的任一个所述的方法，其中所述流动路径中的所述雾化液体涂层液滴包括不同液滴颗粒大小的分布，且所述真空从所述流动路径中移除较小大小的液滴的至少一部分以防止所移除的较小大小的液滴沉积于所述衬底上。
59.方面5.根据方面1至4中的任一个所述的方法，其中雾化液体涂层液滴的所述流动路径穿过气压控制掩模的喷嘴开口，且邻近于所述喷嘴开口施加所述真空。
60.方面6.根据方面1所述的方法，其中将加压空气施加到所述流动路径中的所述雾化液体涂层液滴。
61.方面7.根据方面1至6中的任一个所述的方法，其进一步包括通过确定沉积于所述涂层的预期边缘外部的过喷液滴的数目、测量所述过喷液滴的直径且将所述过喷液滴的所述数目和直径与预定液滴数目和直径准则进行比较以确定所述过喷液滴是否满足所述预定液滴数目和直径准则来评估沉积于所述衬底上的所述涂层液滴的边缘锐度，从而提供可接受的边缘锐度。
62.方面8.一种用于在衬底上沉积液体涂层液滴以生成涂层的气压控制掩模，所述气压控制掩模包括：
63.气压控制紧固件，其被构造并布置成用于连接到真空或加压空气的源；以及
64.喷嘴开口，其被构造并布置成用于至少部分地围绕所述液体涂层液滴的流动路径且选择性地使得所述液体涂层液滴的至少一部分穿过所述气压控制掩模，
65.其中所述真空或加压空气防止过喷液体涂层液滴的至少一部分沉积于所述涂层的预期边缘外部的所述衬底上。
66.方面9.根据方面8所述的气压控制掩模，其进一步包括被构造并布置成用于生成所述液体涂层液滴的所述流动路径的涂层液滴喷射器。
67.方面10.根据方面1至9中的任一个所述的气压控制掩模，其中至少一个气压端口包括真空端口，所述真空端口汲取真空以减小所述流动路径中的压力，由此从所述流动路径中移除所述液滴的一部分。
68.方面11.根据方面10所述的气压控制掩模，其包括位于所述喷嘴开口的相对侧上的所述真空端口中的至少两个。
69.方面12.根据方面10和11中的任一个所述的气压控制掩模，其包括围绕所述喷嘴开口的外围以90
°
间隔定位的所述真空端口中的至少四个。
70.方面13.根据方面8至12中的任一个所述的气压控制掩模，其中所述喷嘴开口为基本上方形。
71.方面14.根据方面8至12中的任一个所述的气压控制掩模，其中所述喷嘴开口为基本上圆形。
72.方面15.根据方面8至12中的任一个所述的气压控制掩模，其中所述喷嘴开口为基本上三角形。
73.方面16.根据方面8至15中的任一个所述的气压控制掩模，其包括围绕所述喷嘴开口的与真空源流体连通的多个真空端口。
74.方面17.根据方面8至16中的任一个所述的气压控制掩模，其中所述喷嘴开口为基本上方形且包括第一组相对外围边缘和第二组相对外围边缘，且在所述外围边缘中的每一个处定位有所述真空端口中的至少一个。
75.方面18.根据方面8至17中的任一个所述的气压控制掩模，其进一步包括与位于所述外围边缘中的每一个处的所述真空端口中的每一个流体连通的单独的真空供应线。
76.方面19.根据方面8至18中的任一个所述的气压控制掩模，其中所述喷嘴开口包括相对于所述流动路径的主要流动方向成角度地布置的相对的可移动侧壁，且所述角度为可调整的。
77.方面20.根据方面8至19中的任一个所述的气压控制掩模，其进一步包括可收缩遮板，且所述可收缩遮板被构造并布置成用于选择性地打开和关闭所述喷嘴开口。
78.出于上述描述的目的，应理解，除非明确相反地指出，否则本发明可采用各种替代性变化和步骤顺序。此外，除在任何操作实例中之外，或者在另外指示的情况下，表达例如用于本说明书和权利要求书中的成分的量的全部数字应理解为在所有情况下通过术语“约”修饰。因此，除非相反地指示，否则所阐述的数字参数都是可以取决于本发明将获得的所需特性而变化的近似值。最低限度地，并且不试图限制等效物原则的应用，应至少鉴于所报告的有效数字的数目并且通过应用一般四舍五入技术来解释每一数字参数。
79.应理解，本文所述的任何数字范围旨在包含其中包含的所有子范围。举例来说，“1至10”的范围旨在包含所述最小值1和所述最大值10之间(并包含此二值)的所有子范围，即具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值。
80.在本技术中，除非另有明确说明，否则单数的使用包含复数并且复数涵盖单数。另外，在本技术中，除非另有明确说明，否则“或”的使用意指“和/或”，但是“和/或”可以在某些情况下明确使用。在本技术中，除非明确且明显地限于一个指代物，否则冠词“一(a、an)”和“所述”包含复数个指代物。
81.出于详细描述的目的，应理解，除非明确相反地指出，否则本发明可采用各种替代性变化和步骤顺序。此外，除了在任何操作实例中，或在另外指示的情况下，所有数字，例如表示值、数量、百分比、范围、子范围和分数的那些数字，都可以被视为以词“约”开头，即使所述术语没有明确出现也是如此。因此，除非相反地指示，否则以下说明书和所附权利要求中列出的数字参数是近似值，其可根据本发明获得的所需性质而变化。最低限度地，并且不试图限制等效物原则应用于权利要求书的范围，至少应根据所报告的有效数字的数目并且通过应用一般四舍五入技术来解释每一数字参数。在本文描述闭合或开放数字范围的情况下，数字范围内或涵盖的所有数字、值、数量、百分比、子范围和分数都被视为具体包含在本技术的原始公开中并且属于本技术的原始公开，如同这些数字、值、数量、百分比、子范围和分数已经全部明确地写出。
82.尽管阐述本发明广泛范围的数字范围和参数是近似值，但是在具体实例中阐述的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值都固有地含有一定误差，这些误差必定是由在其相应的测试测量值中发现的标准偏差引起的。
83.如本文所使用，“包含”、“含有”和类似术语在本技术的上下文中被理解为与“包括”同义，因此是开放式的，并且不排除存在另外的未描述或未列举的元素、材料、成分或方法步骤。如本文所使用，“由
…
组成”在本技术的上下文中被理解为排除任何未指定的元素、
成分或方法步骤的存在。如本文所使用，“基本上由
…
组成”在本技术的上下文中被理解为包含指定的元素、材料、成分或方法步骤，“以及不会对所描述的基本和新颖特性产生实质影响的那些元素、材料、成分或方法步骤”。
84.尽管出于说明的目的已经在上文描述了本发明的特定实施例，但对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离所附权利要求中所限定的本发明的情况下，可对本发明的细节进行多种变化。