结构化表面的生产制造技术

基于弹性材料通过拉伸、对不同表面区域的选择性处理和松弛制备的三维结构化表面。选择性处理和松弛制备的三维结构化表面。选择性处理和松弛制备的三维结构化表面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】结构化表面的生产


[0001]本专利技术涉及针对性地生产表面结构，尤其复杂表面结构，尤其基于弹性材料通过拉伸、不同表面区域的选择性处理和松弛针对性地生产低至微米和纳米范围的且同时是三维结构化地表面。

技术介绍

[0002]表面技术几乎在所有制造工艺中都发挥着重要作用，从金属加工行业到半导体行业再到生物医学，从机械工程、设备工程和工具制造到光学、微电子、医疗技术、汽车工业和塑料加工，再到建筑服务工程和建筑设计。表面技术的目的是改变表面性能，如耐腐蚀性、润湿性、生物相容性、流动特性等，并且甚至与实际材料或部件的原料无关。在大多数情况下，新的表面特性可以提高产品质量，或者使部件和产品能够作为首选被使用或利用。例如，可通过微结构化来创建此类功能表面。多种制造工艺可用于创建结构化表面，例如简单的折叠技术、X射线光刻、3D打印、激光烧蚀、各种涂层工艺和经典光刻技术，主要提及基于激光的微结构化工艺，用于各种材料的高精度结构化。所有这些工艺都有其优点，但也有缺点。由于微型化要求的增加，复杂的功能性微结构在许多应用中越来越重要。
[0003]X射线光刻技术可以制造出非常精细的结构，但价格非常昂贵，并且只能在相对较小的范围内进行。此外，带有悬垂的结构制造起来非常耗时费力。3D打印只能实现相对粗糙的结构，并且在生产量方面不是特别快速。通过激光烧蚀，可以制作类似的精细表面结构。然而，这种方法相对昂贵，不能生产带有悬垂的结构。
[0004]迄今为止，一种相对较少使用的超精密表面结构化方法是基于预应力弹性材料(通常是聚合物)与随后施加的更刚性表面层收缩时的规则褶皱形成。由于在松弛过程中，表面层的收缩可以小于基材，因此形成了微观褶皱的非常规则的褶皱图案。尽管该方法相对廉价，并且可以用来制造定制的表面结构，但迄今为止很少使用。这主要是因为其以前对可能的结构种类存在诸多限制。现有技术的实例是US 2012/0305646 A1和US 10,472,276B2。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为表面结构化提供更多可能性，尤其在微米范围内。
[0006]此外，本专利技术的目的还在于为如何优化表面结构寻找更多可能性。
[0007]这些可能性应该在此不再具有现有技术的问题。
[0008]其它目的对本领域技术人员而言在考虑以下描述和权利要求书时变得显而易见。
[0009]在考虑本说明书后对本领域技术人员而言变得显而易见的这些和其他目的由独立权利要求中说明的主题来实现。
[0010]从属权利要求和以下描述中产生了特别有利和优选的主题。
[0011]在本专利技术的范围内，提出了一种用于功能性表面涂敷的新方法，其特征在于大量可实现的表面结构，并且旨在针对广泛的工业应用。
[0012]本专利技术的一个基本方面是有针对性地在空间上改变施加到优选弹性基材上的表面层的性质和条件，例如其厚度或弹性。
[0013]通过对这些参数的不均匀性进行控制，可以一步生成一系列的复杂结构。
[0014]由此产生的表面结构化材料可以直接使用，但也可以作为各种其他材料的“模具”，例如环氧树脂、热塑性塑料或混凝土，因此该方法可用于各种材料。
[0015]因此，本专利技术的主题是一种用于生产三维结构化表面的方法，在该方法的第一步中，提供了弹性材料。随后，该材料被拉伸预定的值，并且首先维持拉伸状态。此后，二维图案随后施加到或转移到或引入到处于拉伸状态的弹性材料的表面上。然后，在拉伸被释放后，弹性材料松弛，并且按照转移到或引入到表面的图案，以特定的图案折叠起来。
[0016]这样一来，产生了三维结构化表面，其折叠成直接对应于转移到或引入到处于拉伸状态的弹性材料中的图案。
[0017]通过这种方式生产的该三维结构化表面本身就可以代表所需的产品。然而，也可以对该表面进行模塑，即在该结构化表面上施加其他材料，然后进行反向模塑，即在第二种材料中获得三维结构化表面，其表现为弹性材料表面的直接反转。
[0018]在本专利技术的范围内，原则上，所有可以以某种方式结构化，或者可以以某种方式施加二维图案的弹性材料都可以用于该方法，这样一来，图案结构的表面性质/弹性与非图案化表面区域的表面性质/弹性不同。
[0019]原则上，在本专利技术的范围中，可以使用所有弹性材料。
[0020]例如，可以使用拉伸模量为10Pa的材料(例如非常软的弹性体)到拉伸模量高达1000GPa的材料(例如非常坚硬的金属和玻璃)。本领域技术人员已知，这些是极端的实例，使用这些材料，根据本专利技术的方法只能在有限的程度上起作用并且仅能够获得微小的表面结构。
[0021]为此，根据本专利技术优选使用拉伸模量在约100kPa至10MPa范围内的那些材料作为弹性材料；这些材料为例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
[0022]无论通过拉伸模量选择何种材料，可用于本专利技术上下文中的弹性材料的实例为橡胶或弹性体，尤其基于有机硅的弹性体，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、聚丁二烯、聚异戊二烯，和诸如SBR、NBR、EPM、EVA等共聚物。
[0023]在该方法中，将二维图案转移到或引入到处于拉伸状态的弹性材料的表面，原则上可以通过任何能想到的方式进行。
[0024]可以想到的是，例如，提供橡胶表面，拉伸它，然后将第二种材料施加到该表面。该第二种材料将具有一定的结构，因此会使得表面进行限定的折叠，从而在橡胶松弛时形成三维结构化表面。例如，在一个简单的实施例中，这种待施加到橡胶上的材料可以是带有孔的铝箔。此外，在提供橡胶时，可以用粘合剂在表面上绘制或印刷图案。如果粘合剂随后硬化并释放拉伸，则橡胶会根据由粘合剂以精确限定的三维结构化表面形式施加在其上的结构进行松弛和折叠。如果固化形式的粘合剂比周围的橡胶更硬，则对此过程是有利的。
[0025]此外，可以想到提供弹性材料，拉伸它，然后例如通过激光将结构烧灼或熔化至所述表面，即在精确的所需和特定的点处除去该表面(与曝光意义上的激光辐照不同)。该过程可以用与直接激光写入类似的方式进行，因此激光的焦点集中在某些所需区域，是的弹性材料就可以在该位置处液化或汽化。松弛后，形成对应于已烧掉或已除去图案的三维表
面化结构。
[0026]在本专利技术的优选实施例中，将二维图案引入处于拉伸状态的弹性材料的表面是通过以下方式实现的：首先通过覆盖物或通过施加保护物质来覆盖或保护所述材料的特定表面区域，然后使氧等离子体作用在该表面上。在这种情况下，氧等离子体将能够到达未被保护物质覆盖或未被保护物质保护的表面区域，并将通过化学反应改变此处表面。在已允许氧等离子体在该表面上作用一定预定持续时间后，停止氧等离子体供应，然后从该表面上去除覆盖物或保护物质(保护材料)。一旦随后去除拉伸，那么材料就会松弛并形成限定的三维结构化表面，这取决于氧等离子体改变的表面区域与未变化的表面区域的关系。
[0027]保护性的物质(保护物质)可以是例如保护漆，其通过例如移印或其它印刷工艺、例如经由喷墨打印机施加到拉伸表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生产三维结构化表面的方法，包括以下步骤或由以下步骤组成：a)提供弹性材料；b)将所述材料拉伸预定的值并维持所述拉伸状态；c)将二维图案转移到处于所述拉伸状态的所述弹性材料上，或将二维图案引入到处于所述拉伸状态的所述弹性材料的表面上；d)取消所述拉伸，使所述材料对应于所述转移或引入的图案折叠起来；以及e)任选地对d)中产生的所述图案化表面进行成型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c)中的将所述二维图案引入所述表面按照如下步骤执行：c1a)通过覆盖或涂覆保护物质来保护所述弹性材料的特定表面区域；c1b)使氧等离子体或反应气体作用于所述未被覆盖或未受保护的表面区域；以及c1c)移除所述覆盖物或保护物质；或者c2a)在辐射源和所述弹性材料之间布置辐照掩模；c2b)借助电磁辐射对所述拉伸状态下的所述材料按照预定辐射强度辐照特定持续时间；以及c2c)移除所述辐照掩膜。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述弹性材料是由至少两种不同材料组成的工件的最上层。4.根据权利要求2或3中的一项所述的方法，其特征在于，所述辐照掩膜、辐照持续时间、辐射强度和/或拉伸程度根据所使用的弹性材料来设置。5.根据权利要求2至4中的一项所述的方法，其特征在于，所述辐照掩膜、所述辐照持续时间、所述辐射强度和/或所述拉伸程度借助机器学习和/或计算机模拟通过实验、实验迭代和/或迭代来确定。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述实验迭代确定包括以下步骤或由以下步骤组成：i)针对限定的弹性材料指定所需的三维表面结构；iia)提出二维表面图案，所述二维表面图案在通过辐照掩膜进行辐照后，应折叠成尽可能与所述指定结构相似的结构；iib)提出所述辐照持续时间和所述辐射强度参数，和/或要观察的拉伸程度参数；iii)执行根据权利要求1的步骤a)至d)；iv)将步骤iii)中获得的所述结构与所述指定结构进行比较；v1)在步骤iii)中获得的所述三维表面结构与所述指定的表面结构充分匹配的情况下，输出所述获得的产品；v1a)任选地存储iia)中提出的所述结构和/或iib)中提出的所述参数以及所述相应获得的三维表面结构，优选为它们指定明确的名称；v2)在步骤iii)中获得的所述三维表面结构与所述指定的表面结构不充分匹配的情况下，重复步骤ii)至iv)，同时通过算法、优选通过神经网络更改iia)中提出的所述结构和/或更改iib)中提出的所述参数；以及
v2a)任选地存储iia)中提出的所述结构和/或iib)中提出的所述参数以及所述相应获得的三维表面结构，优选为它们指定明确的名称。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述迭代确定通过机器学习执行，包括以下步骤或由以下步骤组成：I)针对限定的弹性材料指定所需的三维表面结构；IIa)提出二维表面图案，所述图案通过算法、优选在神经网络中，在通过辐照掩膜的辐照后应折叠成尽可能与所述指定结构相似的结构；IIb)通过算法、优选在神经网络中，提出所述辐照持续时间和所述辐射强度参数，和/或要观察的拉伸程度参数；IIIa)利用步骤IIb)中提出的所述参数通过模拟程序，优选地基于有限元方法的模拟程序，计算步骤IIa)中提出的所述表面图案的折叠；IIIb)将所述计算结果作为学习数据集传输到所述神经网络；IV)将步骤III)中计算出的所述结构与所述指定的结构进行比较；V1)在步骤III)中计算出的所述三维表面结构与所述指定...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：于利奇研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：