CN103348580B - 三维结构的整体制造 - Google Patents

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Abstract

一种多层超平面结构可以由多个独特图案化层形成。该结构中的这些层可以包括至少一个刚性层和至少一个柔性层；该刚性层包括多个刚性片段，而该柔性层可以在这些刚性片段之间延伸以便起到一个接合点的作用。这些层然后在多个选定的位置处进行叠置和粘结以形成一种具有多个层间粘结的层压结构，并且这种层压结构在刚性片段之间的柔性层处被挠曲以产生一种伸展的三维结构，其中，这些层在选定的粘结位置处是接合的并且在其他位置处是分开的。

Description

三维结构的整体制造
政府支持
本发明整体或部分上得到了美国陆军研究实验室的合同号为W911NF-08-2-0004、美国国家科学基金会的合同号为CMMI-07466 38和CCF-0926148、及美国空军科学研究处的合同号为FA9550-09-1-0156-DOD35CAP授予的支持。美国政府在本发明中具有一定的权利。
背景技术
微米级装置的制造由微机电结构（MEMS）技术所主导，这种技术通常涉及一个单平面基底和系列工序。同时，众多常规机器加工工序都涵盖了厘米级制造。然而毫米级的制造却遭受制造和组装问题的困扰，这些问题严重影响这个级别的微型机器人和其他功能机械装置的成本和性能。
发明概述
本文描述了多种三维结构及其制造方法。这些结构和方法的各种实施例可以包括下文描述的元件、特征及步骤的一些或全部。
通过将多个图案化层叠置并在多个选定的位置处将该多个图案化层粘结以形成一种有多个层间粘结的层压结构，可以形成一个三维结构。然后，通过使这些层中的至少一个选择性地变形以便在层之间产生间隙而同时保持这些层间粘结的至少一些，可以将该层压结构展开成一个伸展的三维构型。
该结构中的这些层可以包括至少一个刚性层和至少一个柔性层；该刚性层包括多个刚性片段，而该柔性层可以在这些刚性片段之间延伸以便起到一个接合点的作用。这些柔性层与这些刚性片段相比实质性地刚性更低，并且可以具有比该刚性高至少一个数量级（也就是高10x或高100x）的刚性；同样地，这些柔性层可以具有这些刚性层的柔性高至少10倍或至少100倍的柔性。然后可以在多个选定的位置处将这些层进行叠置和粘结以形成一种具有多个层间粘结的层压结构，并且这种层压结构在刚性片段之间的柔性层处可以被变形或挠曲以产生一种伸展的三维结构，其中，这些层在选定的粘结位置处是接合的而在其他位置处是分开的。
本文描述的方法和结构可以被用于，例如，贯穿或超出厘米级制造的整个过程（例如，对一些尺寸为从100μm至10mm的装置），并它们使得能够在这个级别大规模生产精确制造的机构、机器、及自动机器人。本文描述的部分制造技术可以与多层印刷电路板（PCB）制造中使用的那些相同、相似或同功，而部分组装技术可以与用于MEMS、折纸、及立体书的组装技术相同、相似或同功；并且，这些背景下使用的附加技术也被适配成用于本发明。
与传统MEMS相比时，对于可以使用的材料，本文中描述的方法极其多样。另外，传统的MEMS很大程度受限于材料的体积增加，然而本文描述的方法不仅能用于精确地增加图案化层，还可以用于增加完整的子部件，比如集成电路、柔性电路、致动器、电池等。本文所述的多层超平面结构的热要求还可以低得多，并且设备制造的成本也就可以低得多。更进一步地，这些方法在各种层上的加工步骤可以同时并行执行，而大部分MEMS的加工都是连续地按照顺序执行的。
这些方法还可以用来在一个装置内制造大量的装置和结构，包括工字梁、用做光开关的大型致动的反射镜、可控天线、高速大功率物理转换、及自动飞行装置。
附图简要说明
图1在一个PC-MEMS机器制造的示意性图示中示出了制造、组装和释放步骤。
图2a至图2d展示了折叠接合点的形成。
图3a至图3c示出了制造单件式机器蜜蜂的顺序层压步骤，使用了一个中间板来支撑这些锆钛酸铅（PZT）板。
图4是一个由0-90-0的碳纤维合成物制成的单层的图示。
图5是一个用于按压固化的15层扭绞的分解透视图。
图6是图5中所有15层的透视照相图（按制造的那样），在该图像的底部附近可以看到两个用于致动的PZT板。
图7是图5中准备按压固化的扭绞的透视照相图；在被捡起并放置之后可以看到一个压电板；第二个致动板在该扭绞的内腔中。
图8是将该致动器的保持在位的弹簧夹的特写照相图。
图9a和图9b提供了一个示意性透视图，示出了组装支架起作用以实现期望的组装轨迹。
图10a包括一个用箭头突出显示地有多个焊料锁定的接合点的一个单件式机器蜜蜂（mobee）；而图10b至图10d提供了使用黄铜板和焊料的折叠和锁定步骤的示意性图示。
图11是弹出组装之前的释放的单件式机器蜜蜂的透视照相图
图12是弹出组装之后的释放的单件式机器蜜蜂的透视照相图。
图13是一个环绕式框架中的一个单件式机器蜜蜂的后视角透视照相图，这个环绕式框架是通过本披露的方法从一个多层层压板组装的。
图14是图13中的单件式机器蜜蜂的前视角透视照相图。
图15是图13中的单件式机器蜜蜂的升高的前透视照相图。
图16是图13中的单件式机器蜜蜂的右侧透视照相图。
图17是图13中的单件式机器蜜蜂的侧面放大的透视照相图。
图18是图13中的单件式机器蜜蜂完全组装之前（只有部分层折叠）的后视角透视照相图。
图19是图13中的单件式机器蜜蜂以白色为背景的后视角透视照相图。
图20是该单件式机器蜜蜂从该环绕式支架中释放出来之后的透视照相图。
图21是在钛和铜的共享层中的切口的图示，以形成单件式机器蜜蜂中的翼和焊料衬垫。
图22是一只附装有薄膜层的单件式机器蜜蜂的所产生的翼。
图23是用于单件式制造的一种层压板叠置和对准工具的图示。
图24至图27展示了通过单件式制造所制造的互锁的链环结构。
图28至图30展示了一种莱特飞行器模型的折叠机构和层。
图31至图36展示了用于组装到一个八面封闭体中的装载有弹簧的单件结构。
图37至图42示出了一个二十面体的展开组装的一系列影片捕捉及动画剪辑。
图43至图48示出了将大部分支架从视野中移开的该二十面体的展开组装的一系列剪辑。
图49是在该支架正中间的组装好的二十面体的侧视图。
图50示出了起到组装该二十面体的作用的支架和旋转板的底侧。
在附图中，类似参考符号指代所有不同视图中的相同或相似部件。这些图不必须成比例，相反，下文讨论的重点放在展示具体原则上。
详细说明
这个或这些发明的各方面的上述以及其他特征和优点将因对这个或这些发明更广泛的界限的各种构思和具体实施例的以下更具体的描述而更明显。鉴于主题不受限于任何具体的实现方式，上文引入并在下文更详细讨论的主题的各个方面可以用很多方法中的任何一种实现。具体实现方式和应用的示例主要是为了说明的目的而提供的。
除非另外在本文中定义、使用或表征，本文中使用的术语（包括技术术语和科学术语）应解释为与其在相关领域的环境中被接受的意思相一致，而不应在理想化或过分正式的意义上解释，除非在本文中如此明确地定义。例如，如果引用了一种特定的成分，这种成分可以实质上（尽管不是完全）是纯的，如实际有瑕疵的真实情况适用；例如，至少潜在的痕量杂质（比如，至少是质量或体积的1%或2%）的存在可以理解为在本说明书的范围内；同样地，如果引用了一个具体的形状，这个形状意在包括来自理想形状的不完美变更，比如，由于机器加工容差。
尽管术语第一、第二、第三等可以用于本文来描述多种元件，这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于将这些元件彼此区别。因此，下文讨论的一个第一元件可以被称为一个第二元件而不背离这些示例性实施例的教导。
空间相关的术语，例如“之上”、“上部”、“下方”、“之下”、“下部”等等，在本文中可以为便于描述用于描述一个元件与另一个元件之间的关系，如图中展示的。可以理解为，这些空间相关的术语意指除图中描述和/或描绘的定向之外还包括使用和运行中的装置的不同定向。例如，如果将图中的这些装置翻转，所描述的在其他元件或特征“之下”或“下方”的元件就会定向为其他元件或特征“之上”。因此，该示例性术语“之上”可以既包括上面也包括下面的定向。该装置可以其他方式定向（例如，旋转90度或在其他定向上），并且本文使用的空间相关描述词也相应地解释。
更进一步地，在本披露中，当提到一个元件在另一个元件“上”、“连接”或“耦联”到另一个元件上时，它可能直接在另一个元件上、被连接或耦联到另一个元件，除非另外说明，否则可能存在介入性元件。
本文所使用的术语用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制示例性实施例。如在本文所用的单数形式“一个”、“一种”和“该”同样旨在包括复数形式，除非本文以其他方式清晰表明。另外，术语“包括”指定了所述元件或步骤的存在，但是不排除一个或多个其他元件或步骤的存在或附加。
在本文中描述的本披露的装置可以应用于多种应用，包括题为“高频振荡系统的被动扭矩平衡（Passive Torque Balancing in a High-Frequency OscillatingSystem）”的PCT申请号US2011/24479中描述的平价动力传动系统（PARITy drivetrain）。
该装置是一种多层超平面结构。提到“平面”，我们指的是一个可以被变形、挠曲、或折叠（这些术语在本文中可以互换使用）的层或平面。可以例如通过以以下层次顺序形成的一个五层复合结构来实现这种结构的一个实施例：刚性层、粘合剂层、柔性层、粘合剂层、刚性层。可替代地，仅仅用一个刚性层、一个粘合剂层、和一个柔性层的叠置即可形成一个更薄的复合结构，尽管这个结构不对称。这些刚性层被机器加工成具有对应于折叠线的间隙，而该柔性层是连续的，由此在该柔性层延伸过在这些刚性层上加工出来的间隙的地方提供了一个接合点。
将这种结构表征为“超平面”意思是选择多个平面层并选择性地将它们连接。在此可以类比多个电路板，其中，电介质在不同的层上连接多个电路。相比之下，本文中的结构使用“机械介质”制成。通过将多个平面层叠置，大大扩展了可实现的装置的范围。这种超平面结构还使多个特征和部件能够被封装到可能不合适的结构中，如果该装置可以用一个平面片制成的话。有利的是，现在可以用这些技术来制造具有对该平面正常操作的机构的超平面结构。实际上，在平面层之间形成萨鲁斯联接（Sarrus linkage）是一个用于设计组装机构/支架的有利策略。可以向这些萨鲁斯联接附装其他机构来实现希望的部件转动。
通过以下更进一步描述的步骤序列可以制造出这种多层超平面结构：(1)对每个平面层进行机器加工，(2)对粘合剂进行机器加工或图案化，(3)在要实现粘结的情况下将这些层叠置并形成层压板，(4)对该多层结构进行层压后机器加工，(5)对该多层结构进行层压后工序，(6)在每个结构中释放一个组装自由度，(7)对结构构件之间的连接进行锁定，(8)释放所有非组装自由度，以及(9)将完成的部分从一个废弃框架中分离。
图1提供的PC-MEMS过程的示意性图示展示了微机加工101、层压及拾取和放置102、折叠103、锁定104、及附加的微机加工105的基本操作是怎样被安排来制造PC-MEMS机器106的。
这些组装技术可以包括折叠接合点21的形成，如图2a至图2d所示，其中，(a)首先在多个单独的材料层中微机加工多种特征，并将产生的碎片13移除；(b)在层压的过程中，多个对准销20在施用了热量和压力后将材料层对准；在此两个刚性碳纤维层12被用粘合剂14粘结到一个柔性的聚酰亚胺薄膜层16，形成一个五层的层压板15（称为“联接子层压板”）；(c)微机加工切断限制单独元件的机械桥17，允许创建铰链式结构；以及(d)形成一个完整的折叠接合点21，并将其从环绕式支架19中移除。有齿图案允许这个挠曲接合点21接近理想的转动接合点。一个更复杂的组装中的所有组装折叠可以纳入到一个单个的“弹出”自由度中，该自由度在弹出之后可以通过焊接过程锁定在位并且然后通过微机加工释放。A）单件式机器蜜蜂
在一个实施例中，这个制造方法可以产生一个单件式蜜蜂（mobee）结构26，（例如，图12中所示）包括一个刚性机身27、一个压电致动器24、一个单一自由度电力传动装置、以及两个翼28。单件式机器蜜蜂26可以包括八个子部件（例如，一个致动器24、一个机身27、一个曲柄滑块、一个传输装置、两个翼铰链、以及两个翼28）被全部共同制造在一个单一的多层层压板中，为致动器24集成了包括碳纤维增强聚合物、聚酰亚胺薄膜、压电锆钛酸铅（PZT）的多种材料制成的不同的调色板层，为多个衬垫47集成了黄铜用于锁定这些接合点，并且为这些翼梁52集成了钛。在一个实施例中，该单件式机器蜜蜂26具有长18毫米、平面外高度为2.4毫米、且质量为90毫克的一个39毫米的翼幅；并且翼28能够以一个大的角度进行往复运动（例如，超过120度）。而且，“弹出式”折叠以及浸焊锁定的并行工序取代了先前工序中使用的手动折叠、组装以及胶合。除去所有熟练的手动步骤使得能够进行单件式机器蜜蜂26的预制的大规模生产。在此描述的这些工序同样地能够被用来形成除了单件式机器蜜蜂26之外的多种多样的其他结构。
1）机加工层
在一个实施例中，该多层结构是由具有多种材质的多个薄层（厚度1.5μm到大约150μm）所形成的，如图3a至图3c中所示。如图3a中所示，碳纤维层12、粘合剂层14、以及聚酰亚胺层16被叠置，用一个垫片层39在上面及下面分开对应的联接35和37。用于支持压电致动器24的带有上升部分33的中间板23也被插入在垫片层39与下部联接37之间。
这些层被激光器微机加工为具有所希望特征（例如，通过二极管泵浦固态脉冲的激光器），通常切割透该层，以便建立多个单独的平面结构，例如如图6至图8中所示。每个层都是微机加工的，从而将一个具有鲁棒连接的统一的（连续的）部分留给周围的多个对准孔。该微机加工能够产生尺寸小到10μm的复杂面内特征。在具体的实施例中，单件式机器蜜蜂装置26的多个复制品在一个层压板上形成，且机加工过程除去了足够的材料以便形成每个部分以及部分特征，而用多个薄耳片将每个装置连接到环绕的层压板上；关于此，层压板面板中多个装置的安排可以与由薄的、易碎耳片附装到周围层压板结构的一批电路板的安排相似。
在这种情况下，将这些装置与环绕式层压板进行连接的这些耳片（桥）17（图2a至图2c中所示）在层压或组装后将被移除。金属层、合成物层、聚合物层等通过几乎任何方法机加工或形成；并且几乎任何材料可以被使用。示例机加工方法包括从片状材料激光切割、光化学蚀刻、穿孔、电铸、放电机加工等等，基本上具有适当的分辨率以及与所希望材料的兼容性的任何方法。然后，机加工的多个层可以经受额外的工序，比如清洗/蚀刻以便除去机加工的残骸、电镀（例如将熔化的铜电镀在一个层上以便促进焊料粘附到其上）、为粘合、退火等做准备。每个层的统一性质使得处理和后处理变得容易。有利地，每个层可以是一种不同的材料，并且可以以不同于其他层中的每一个的方式被机加工和处理。
每个层还可以有利地由足够刚性、牢固且坚韧的一种材料形成，以便允许为对准销20留出孔22，并且允许其他特征被机加工到该层中，以便促进简单处理，并且当被放入在扭绞中以及当被对准销30抑制时而不会变形。然而，在其他实施例中，不具有结构稳定性来支持对准特征的这些层可以以大块的形式被用于将此类层粘结到一个刚性框架上，该刚性框架无需引入充足的额外厚度以干扰层压板中的其他层或部分便实现了这些目的。
在具体的示例中，多个层之间包含一个非常薄的聚合物膜（例如，2-5微米厚）。由于其厚度以及绝缘特质，薄聚合物膜易于产生起皱以及有静处理的问题。为了解决这个趋势，这个薄聚合物膜能够以大块的形式被轻轻地伸展成一个扁平的且受控制状态并且然后粘结到一个薄框架上（例如，该薄框架由薄金属或玻璃纤维复合物制成）。然后，该薄聚合物层能够被机加工为具有优良的部分特征（例如，在精确位置处的聚合物中微小的孔），并且，对准孔特征可以被机加工到框架材料中。
在附加的实施例中，该装置可以被设计成用于缓解薄层的处理问题。例如，该装置中的一部分可以被设计成使得关于脆弱层的所有机加工在层压后进行；并且因此，当被放入该层压板中时这个层将不需要精确对准，虽然这种材料能够有利地被放入充分地扁平的层压板中并且在一个足够的区域上延伸以便覆盖该装置的所希望的部分。
在示例性实施例中，大块聚合物膜（例如，由聚酯、聚酰亚胺等形成的）、金属板以及箔片（例如，由不锈钢、弹簧钢、钛、铜、殷钢（FeNi36）、镍钛合金（nitinol）、铝等形成的）、覆铜箔层压板、碳纤维以及玻璃纤维复合材料、热可塑性塑料或热固性粘性膜、陶瓷片等能够被激光机加工成层压板的层，以便形成多层结构。激光机加工可以被执行，例如，用355纳米激光器（从加利福尼亚的圣克拉拉的二极管泵浦固态激光公司（DPSS Lasers Inc.ofSanta Clara,California））在具有典型厚度1-150μm的材料上具有大约7微米的光斑尺寸，尽管更厚的层也能够用此类激光器被机加工。相应地，这种激光器允许非常高的分辨率以及对几乎任何类型材料进行机加工的能力。
2）机加工或图案化粘合剂
通过在非粘合剂层的一面或两面上对粘合剂进行图案化或通过使用自由式粘合剂层（“粘结层”）14实现了多个层之间的粘附。在后一种情况下，一个固有地粘合剂层14，例如，以一片热塑性或热固性膜粘合剂的形式，或一个粘合剂层压板，比如具有粘合剂预粘结到一面或两面上的一个结构材料层上。该粘合剂层14与其他层一样被机加工。可以被用作粘合剂层14的这些片材的具体示例包括用于制作柔性电路的片状粘合剂（例如，杜邦公司（DuPont）的FR1500粘合剂片）或在一面或两面上涂覆具有FEP热可塑性塑料粘合剂14的聚酰亚胺薄膜16。自由式片状粘合剂可以是基于丙烯酸用于热固性树脂；可替代地，该粘合剂可以是热塑性的，其中，该热塑性薄膜可以由以下材料形成：聚酯、氟化乙丙烯（或其他氟聚合物）聚酰胺、聚醚醚酮、液晶聚合物、热塑性聚酰亚胺等。任何这些粘合剂还可以在一面或两面上被应用于非粘合剂载体上。在附加的实施例中，一个层既可以用作一个结构层12，也可以用作热固性粘合剂14，例如，液晶聚合物或热塑性聚酰亚胺。而且，对于具体类型的结构层，可以采用不需要粘合剂的各种晶片键合技术，比如熔融键合。
在用于实现多个层之间粘附的另一个技术中，粘合剂14被应用且被直接在非粘合剂层12上进行图案化。此技术可以被使用，例如，在所希望的粘合剂类型可能未能经得起自由式形式的检验时。此类粘合剂14的示例包括焊料，这些焊料固有地趋向于形成一个非常薄的层，或者粘合剂以液体剂形式被应用（通过喷涂、涂装、浸渍、旋涂等），并并且然后是B阶段固化和图案化。B阶段环氧树脂膜通常是可得的，但是它们通常不能支持自身，除非其相当厚或用粗布增强的。
产生的粘结可以是一个“粗缝粘结”，其中，粘合剂14在激光微机加工之前通过足够的粗缝轻轻地穿过交联到一个相邻层，以便将其保持在用于随后机加工的位置，并且通过足够的力量以便允许粘合剂底层的移除。这个粗缝粘结允许在一个压按扭绞中建立粘合剂14的一个“孤岛”，该压按扭绞不是连续片的一部分，粘合剂孤岛的建立使其能力显著提高。用粘合剂14缝接相邻结构层的另一个原因是允许不受支持的粘合剂14的“孤岛”被附装到另一个层上而不需要建立物理联接，该物理联接是从那个所希望的粘性补片到包含对准特征的材料的环绕式“框架”上。在一个实施例中，感光液粘合剂（比如苯并环丁烯）可以在一个薄层中应用、软烤、并且然后采用平版印刷术图案化，留下一个选择性的粘合剂图案。其他用于晶片键合中的感光粘合剂也可以被使用。
粘合剂14被图案化，而最初被粗缝到其载体膜上，使用销20与结构层12对准，并且然后采用热量和压力在扭绞29中对至少一个相邻层进行粗缝（例如，在200℃和每小时340千帕）。可替代地，通过对其微机加工可以将该粘附地层图案化成一个自由片。粗缝粘结可以涉及热量和压力的应用，在一个较低的强度下和比粘合剂的完整粘结较短的时间。在又一个实施例中，粘合剂膜14可以被批量粗缝粘结，并且然后被机加工，例如采用激光刮削/蚀刻。有利地，利用这个变化可以受限于机加工工序不会损坏主层的背景。曾使用杜邦（DuPont）FR1500粘合剂片以及激光刮削来尝试这两个变更。
3）对这些层进行叠置和层压
为了形成多层层压结构31，大量的这些层（例如，已演示的多达15层）超声地被清洗且被暴露在氧等离子体中，以便促进粘结，并且在一个堆叠中通过如下方式对准：由几个竖直地定向的精确对准销20在每个层中分别通过几个对准孔径22，如图4、5和7中所示，并且为对准销20使用一套具有机加工排料孔的扁平工具板。在其他实施例中，其他对准技术（例如，光学对准）可以被使用。所有的层可以被对准且层压在一起。
在层压的层中的联接可以是平面的（在此所有接合点轴线平行的），或者这些接合点轴线可以是非平行的，从而，允许非平面的联接，比如球面联接。
在十五个层的示例中，最后的扭绞29包括如下形成的一对联接的多个层，即，多个结构，其中柔性层16被粘结到刚性片段12，而且横穿延伸刚性片段12之间的间隙，由此，在柔性层16刚性片段12之间的间隙中，使刚性片段12的挠曲相对于彼此成为可能，其中柔性层16的这些暴露的片段有效地起接合点的作用。在图5的一个实施例中，这些层以如下方式将其叠置顺序的序列被识别，其中，“刚性的”层12包括碳以及“柔性的”层16由聚酰亚胺形成。
联接1：
1）碳层12
2）聚丙烯酸酯板粘合剂14
3）聚酰亚胺薄膜16
4）聚丙烯酸酯板粘合剂14
5）碳层12
6）聚丙烯酸酯板粘合剂14
独自碳层用于产生间隔：
7）碳层12
8）聚丙烯酸酯板粘合剂14
联接2：
9）碳层12
10）聚丙烯酸酯板粘合剂14
11）聚酰亚胺薄膜16
12）聚丙烯酸酯板粘合剂14
13）碳层12
14）聚丙烯酸酯板粘合剂14
翼薄膜：
15）翼薄膜（聚酰亚胺、或聚酯薄膜）18
对柔性层16的选择是根据与碳纤维中母体树脂的兼容性，该柔性层可以由聚合物形成（在本示例中的聚酰亚胺）。利用四小时的固化曲线，这个固化周期可以达到的最高温度是177℃。例如，聚酰亚胺薄膜（可得，例如，杜邦公司（E.I.du Pont de Nemours andCompany）的KAPTON薄膜），具有足够高的操作温度（高达400℃以便度过固化步骤。聚酰亚胺薄膜可以具有，如7.5μm的厚度。
在这个实施例中的刚性层12是具有如厚度为100μm的标准的固化碳纤维片（例如，具有三层单向纤维，其中纤维层定向在0度和90度，且0度在两个正交方向上提供厚度）。使用了十五个层，因为在这个实施例中粘合剂片14（例如，以B阶段丙烯酸片粘合剂的形式，可商购的，例如，如杜邦（DuPont）PYRALUX FR1500丙烯酸片）与这个实施例的扭绞29中结构材料中的每个层分离。相应地，粘合剂片14可以被激光机加工成与任何结构层不同的图案，并且可以制成多个层的对准扭绞29。这种能力使得能够制造具有完美或接近完美对准的多个联接层的部分。
在这些层被叠置以便形成扭绞29后，通常在被加热的压板按压中应用压力和热量以固化/交联这些粘合剂层。具体地，扭绞29可以在加热的按压中、高压灭菌器中、或提供空气（或缺乏空气）、温度以及压力的其他装置中被固化，以便实现粘合剂所需的粘结条件。固化过程的一个实施例使用50-200磅每平方英寸（psi）的合模压力，350°F（177℃)温度，以及两小时的固化时间（可选择地斜坡控制温度），以便在具有温度、压力和空气控制的加热的按压中对PYRALUX FR1500丙烯酸片进行固化。
虽然，单步式层压过程已经被演示，在各个实施例中可以优选地具有两个连续的层压步骤的过程，因为其提供了又一更改分层成分的技术，并且因为其可以缓和碎片移除的问题。称作“中间板”23的一种单独的印刷电路微机电系统的（PC-MEMS）结构在初始层压期间可以被包括以更改PZT板24下面的层叠置，然后被移除，如图3中所示，从而允许精确地计算压电板24的厚度。中间板23能够以扁平的碳纤维板的简单可再用的PC-MEMS层压板的形式，该扁平的碳纤维板的PC-MEMS层压板包含多个对准孔以及被设计成支持下部PZT板24的一个中央聚酰亚胺凸台33。这个初始层压产生两个子层压板35和37，各自具有包括一系列碳12、粘合剂14、聚酰亚胺16、粘合剂14、以及碳12的一个层压结构，如图3b和3c中所示。中间板23取代了下部子层压板37顶部的粘合剂层14。上部的子层压板35还包括两个PZT板24。
粘合剂层14被粗缝成下部子层压板37且被微机加工，而上部子层压板n35被微机加工，以便切断在中央碳垫片层39上的机械桥。在碎片从中央碳垫片层39中被移除后，这两个子层压板35和37被叠置并层压在一起，以便产生层压结构31，如图3c中所示。
相应的单步式工序利用下部PZT板24下面的离散垫片用以支撑。此外，机加工步骤经常建立不需要的物理上必须被移除的材料区域、或者“碎片”。在初始层压之后，当间隙层39被微机加工，经微机加工的所有碎片可以从暴露面轻易地被移除。在单步式工序中的层压后机加工产生受限碎片，这些受限碎片必须被高度地设计使从内部垫片层39物理地移除成为可能。
4）层压后机加工
然后，层压板31被机加工（例如，通过切断带有激光的耳片），以便从层压板31中的环绕式框架结构中释放这个或这些装置26。在一些实施例中，保留不涉及从外部框架中释放装置26的额外机加工（在层压板31中的装置26周围）用于层压后（例如，对结构上较弱的一个层进行后层压机加工，或者（一些其他原因）因为较弱层在层压之后受到更好的支撑而不能被精确地对准）。
5）层压后处理
层压后处理可以包括在一个暴露层上进行电镀或涂覆；和/或层压后处理可以包括通过丝网印刷或其他一些方法进行材料（比如焊膏）添加，例如，为稍后的接合点“锁定”的步骤，如图10中所示。使用拾取和放置的方法，额外部件可以被附装到层压板31上。在压按层压之前，拾取和放置的操作可以用来将离散的部件插入到扭绞29。
例如，刺激反应性材料24（比如一种电活性材料）的插入可以插入在这些层之间，以便起致动器的作用。在一个实施例中，锆钛酸铅压电板24被安装在碳纤维层12中的弹簧夹25上（图8中示出）并且已经被演示，以便在一个装置内建立一个功能性双晶片压电悬梁。能够以此方式插入广泛范围的离散部件，例如反射镜或其他光学部件、微机电系统（MEMS）、离散传感器等。可替代地，可以更早地添加这些部件，例如，在层叠过程中层压之前的某一时刻，或可以在装置的随后组装之后添加。
可以多次进行压按层压和激光微机加工。例如，五个层可以被激光微机加工、然后被压按层压、之后再次被激光微机加工。另外三个层可以被分开进行激光微机加工、然后被压按层压、之后再次被激光微机加工。然后，对于九个层的一个最终扭绞，这两个局部扭绞可以与它们之间的单个粘合剂层被压按层压在一起。
6）在各个部分中释放组装自由度
然后，产生的层压板可以被激光微机加工和/或废料可以被从层压板中移除，以便在各个部分“释放”功能性部件。这些层压的部分可以展开以具有多个致动的且被动的机械自由度；尽管在一些实施例中，在组装折叠工序期间抑制这些非组装自由度是有利的。例如，挠曲联接的元件可以被保持在位（即，锁定），以便由这些元件旁边的一个刚性杆元件来防止这些联接弯曲，或者由一个固定的耳片在这些元件与周围的结构之间形成一个完整的桥。使用机加工工序（例如，冲模或激光切割），抑制组装自由度的这些耳片或其他特征被切断。
7）组装
焊接时，单件式机器蜜蜂可以是具有限定的三维结构的一个扁平的多层层压板。其部件经受多种组装轨迹，以便实现最终的彻底的三维拓扑。称作“组装支架”的共同制造的机械传动装置将所有这些组装轨迹连接成一个单一自由度。单件式机器蜜蜂作为一个三自由度机器从制造过程中出现，尽管内部机械连接在组装期间消除了这些活动自由度。产生的机构使用137折叠接合点，以便在一个移动中采取一个彻底的三维拓扑，与在立体书中那些用折纸创建的相似。
单件式机器蜜蜂26的组装可以包括组装支架19的两个平行板42和43，一个根据各联接子层压板35和37被构建，机械地耦联以形成一个萨鲁斯联接67。这些板42和43包围着单件式机器蜜蜂的机械部件，且被限制在将板42和43沿其法线轴进行分离的一个单一线性自由度。由板分离驱动的内部联接44和45被连接在单件式机器蜜蜂的核心部件中的每一个上，以便实现所有希望的组装轨迹，如图9a和9b中所示。当支架19的顶部水平定向的板42被抬起时，内部联接驱动单件式机器蜜蜂的组装折叠。
该Sarrus联接组装支架19提供了一个通用构架，以便产生与单一自由度耦联在一起的多样组装移动。在一个联接平面中绕任意轴以宽泛的多个角度旋转可以通过一个适当地设计的内部联接来实现。单件式机器蜜蜂还纳入了更为复杂的内部联接，以便在折叠组装期间沿着三个分开的弧无需转动就转化翼28和致动器24。
组装支架19的一个板42/43被固定在一个外部夹具上，该夹具在固定的板中通过多个间隙孔来驱动六个对准销20，以便将相对的板43/42进行分离。分离支架板42和43启动了一个单一自由度折叠组装，使得单件式机器蜜蜂的部件组装到其最终的三维配置中。多种机械元件干涉完成的折叠，从而建立一个接合点停止件。可以将在一个支架板42/43中的多个耳片手动地折叠并且插入到相对板43/42中的多个狭槽中，从而建立在其折叠的状态下固定组装支架19的支持桥塔，从而允许其从外部夹具中被移除。
最终装置26的组装（包括将联接44和45展开成多个平面）可以由外部致动手动地执行，或组装可以自发地发生。当组装是自发的时，如果一个或多个层被预应变，这些预应变层的张弛可以使组装自由度一解除就组装该装置。预应变的这个层可以是例如由弹簧钢或另一种弹簧性能材料形成的一个图案化弹簧，比如超弹性镍钛合金（nitinol）或无需退火或降解可以经受层压条件的弹性体材料。在预应变层中的定位销和销对准孔可以被配置成用于在预应变层通过层压在这个层叠中时维持这个张力。预应变能够例如处于张力或压迫的形式，尽管压迫可能要求考虑接合的趋势，以便从平面中扣出。
在其他实施例中，致动器可以被建成层压板，以便实现组装。例如，压电弯曲致动器、形状记忆层或其他类型的致动器可以被层压成如拾取和放置部件的结构，或在扭绞29中作为一个层的完整部分被插入；并且致动器可以被致动，例如，通过供应电流或改变温度，以便组装该伸展的三维结构26。在一个实施例中，该致动器是一个双晶片压电悬梁，该双晶片压电悬梁包括两个127μm涂覆有铬的镀镍的锆钛酸铅（PZT）压电板（PSI-5H4E，压电系统公司（Piezo Systems,Inc.）），以便在下游锁定工序期间提供保护，且被粘结到一个中央碳纤维层。在碳纤维层12中的准运动学配对特征和平面弹簧夹或钛层41可以在层压期间将各个板保持对准。
有利地，在一些实施例中，所有部分的组装通过一个单一组装自由度被致动，这样使得整个面板的组装平行地进行，而不是逐个部分地进行。组装能够以若干种方式实现，取决于该部分的设计和复杂性。例如，人类操作者可以手动地或半自动地致动组装自由度。在一个实施例中，组装自由度以板的形式被连接到拉起或拉下的萨鲁斯联接67上，如图9a和9b所示。球面接合点或四连杆机构可以被附装到萨鲁斯联接，从而将其他部件升起并折叠到它们的三维位置。值得注意的是通过具有多个刚柔平面层和选择性粘附，复杂机构和机构的集合可以在组装步骤中被释放。
8）组装部分的接合点锁定
在组装成一个最终的三维结构后，结构构件可以在一个固定配置中被粘结在一起（即，锁定、固定或冻结）。在一个实施例中，粘合剂可以被手动地应用到结构构件和/或接合点上，尽管这个方法可能不是理想的，如果许多部分正在被制造。可替代地，集合在一起以形成一个锁定的接合点的相邻构件可以自动地被激光焊接。如果相邻构件45和46其上具有金属衬垫17（例如，黄铜形成的），则波峰或浸渍焊接可以在这些构件之间形成强韧的带缚粘结48。可替代地，焊膏可以在组装到该层压板之前通过丝网印刷被应用，并且然后在组装之后，在热炉中的又一流动步骤建立粘结。8其他变更包括两个部分粘合剂的使用等。
在一个实施例中，单件式机器蜜蜂26包括52横穿其联接子层压板的外部表面分布的黄铜衬垫47，如图10a中所示以及图10a中用箭头所示。在折叠后，不同联接上的衬垫以或者两个衬垫47在直角处汇合的方式对准到24“粘结点”中（如图10c和10d中所示），或者三个衬垫形成立方体的角。保持在其折叠状态的结构浸在水溶焊剂中（例如，SuperiorSupersafe No.30），并且然后在炉中100℃下预加热10分钟。然后，浸在260℃铅锡共晶焊料中大约一秒。最后，这种结构在蒸馏的去离子水中超声地被清洗，以便移除可溶于水的焊剂残留。这种焊接过程的结果是在所有粘结点处形成焊料圆角48，如图10d中所示，从而消除组装自由度并将所有不同机加工部件锁定在一起。
9）释放非组装自由度
在部分26中的任何非组装自由度可以通过移除任何特征被锁定（例如，连接的耳片），这些特征通过例如激光机加工对其进行抑制。
10）将部分从废弃框架中分离出来
既然这些单独的部分被完全组装并且准备运行，这些部分26可以借助激光机加工、穿孔等从该支架19的该废弃框架（例如，通过一些材料桥将这些部分连接在其上的一个外部框架）中被分离出来。
具有使用上面所述的这些15层的这一技术制造的一个平价动力传动系统的另一个单件的“机器人蜜蜂”、“机器蜜蜂”或“单件式机器蜜蜂”26在图11中先于弹出式组装（即平躺）被示出；一个美分硬币被放置在该机器人蜜蜂26的附近以便提供一个尺寸参考。该机器人蜜蜂26在图12中弹出后被示出。
该单件式机器蜜蜂26的另一个实施例的透视图在图13至图20的摄影图像中被示出，在这些图片中该单件式机器蜜蜂26在从该平面配置（如图11中所示）展开之后，被一个环绕式组装框架19（包括一个六角形底板50和在其上凸起的更小的一个插页板51）安装在该中心区域中，该单件式机器蜜蜂在该平面配置中经过粘结和层压之后被制造。图20中展示了最后得到的分离的单件式机器蜜蜂，与一个美分硬币对照用于尺寸对比。如图20中可以看到，该单件式机器蜜蜂26包括一个机身27、被形成一个动力传动系统的接合点分离的多个联接、用于产生飞行的一对翼28、一个压电式双晶片悬梁臂致动器14、以及一个输入平台和传送装置49，将该致动器24与该动力传动系统的剩余部分进行耦联。
在单件式机器蜜蜂26中凸起的平面是通过以下方式形成的，例如：通过在多个层中制造三个相交的正交切口来形成能被折叠90°的机械介质从而垂直地延伸，并且通过在这些机械介质的末端粘结一些层来维持在该三维组装之后的这些层之间的连接。当这些机械介质被从那个基准平面折叠起来时，明显的环绕着该单件式机器蜜蜂26的这些矩形空隙（如图13至图19所示）被留下。在这些接合点被锁定之后，该单件式机器蜜蜂26将会被激光地从该框架上切割出来。当这个设备是浸焊的时，这个版本结合了在折叠位置处粘结由钛制成的拟生态的翼梁52和具有厚度（例如12.5μm）的黄铜衬垫来锁定这些接合点。该钛可以在组装前在550℃被扁平地夹住以及应力消除一个小时，，从而减少或消除由微机加工诱发的曲率。在该过程中，这些翼薄膜在一个随后的步骤中将会被添加。该单件式机器蜜蜂26包括一些碳纤维部件12，用于一些高刚度、轻型结构部件；聚酰亚胺薄膜16，用于一些有弹性的挠曲；净度25的钛合金41，用于鲁棒和复杂的翼梁52；以及半硬黄铜，用于焊盘47，用于自动的接合点锁定。
在该单件式蜜蜂26的另一个实施例中，实施了一些附加的概念，即层共享、释放后翼薄膜模制、和浸焊盘。
这个设备具有10个结构层和8个粘合剂层。该扭绞被顺序地叠置如下：
促进接合点锁定的浸焊盘：
1）半硬黄铜，厚度25.4μm
2）胶粘剂
联接1：
3）碳纤维
4）胶粘剂
5）聚酰亚胺薄膜
6）胶粘剂
7）碳纤维
8）胶粘剂
用于间隔的单一碳层：
9）碳纤维
10）胶粘剂
联接2：
11）碳纤维
12）胶粘剂
13）聚酰亚胺薄膜
14）胶粘剂
15）碳纤维
16）胶粘剂
促进接合点锁定的浸焊盘：
17a）半硬黄铜，厚度25.4μm
翼梁：
17b）净度为9或25的钛合金，厚度50.8μm该初期的设计的层1-13在该单件式蜜蜂的本实施例中表现为层3-15。在这个新实施例中，层1和2允许一些焊盘被放置在该设备的底部上，而层16和17a允许一些焊盘被放置在该设备的顶部上。
该六角形的支架板50和被平行地悬挂其上并且该蜜蜂26经由一些联接（见图13至图19）被悬挂在其内的该更小的板51形成一个萨鲁斯联接67，并且被一些连接的联接所限制以便拥有一个自由度；该更小的板51可以从该六角形的板50线性地向上平移。这是组装自由度。该蜜蜂26的所有部件通过联接被连接到这两块板上；并且一个激光器可以稍后被用来切割这些联接和释放该蜜蜂26。由于该萨鲁斯联接67被致动，该蜜蜂26的每个单独元件被折叠到它的期望的最终构型中。
层共享：
在上述概要中，该最顶层黄铜层40和钛层41（分别为层17a和17b）之间没有粘合剂层。由于这两个子层是不重叠的并且都与该粘合剂层14接合（上述概要中的层16）（如胶粘剂），这两个子层可以被认为是共享同一层，从而与该碳纤维层12（上述概要中的层15）粘结。
实现层共享的两种方式描述如下。在第一种方式中，多层在x-y平面中占有不重叠的区域。例如，可以使用四个对准销26。该黄铜层40（17a）可以覆盖该设备的全部区域的一半，而该钛层41（17b）可以覆盖另一半区域。该黄铜40可以被用来形成一些焊盘47，而该钛41可以被用来形成这些翼梁52。每个子层（17a和17b）可以与这四个对准销20中的仅仅两个进行接合[即，两个销可以与该黄铜子层（17a）结合，而另两个销可以与该钛子层（17b）接合]。在某种极端的情况下，如果每个子层被与充分地对准销进行接合，该层可以被分割成许多子层。例如，具有六个子层的一个单层可以看起来像新英格兰的一幅地图，每个州用一种不同的材料制造，并且每个州具有两个对准销。
实现层共享的第二种方式（在该单件式蜜蜂的本实施例中实施）是通过对在下面无支持的这些层施加压力，从而将这些层弯曲到下面的空间中。基本上，如果在一个薄的层上切割一个大的孔，直接施加在其上（或其下）的压力可以被设计成用来绕该孔的边缘卷曲和弯曲该相邻层，从而填充到该孔中。在本实施例中，该黄铜层40（17a）覆盖整个层压区域，但被用一个大的翼状孔（在图21中通过白色轮廓54示出）机加工。该钛层（17b）被叠置在该黄铜层40（17a）的顶部。该翼梁模式52被机加工成该钛41，其中一个桥将该翼梁52连接到该大块钛片。名义上讲，这个翼梁模式52被悬挂在从该黄铜层40切割出来的孔的上方。然而，该钛层41被设计为使得当施加层压压力时，该钛层将会被轻微地弯曲，从而当施加压力时，允许该翼在该黄铜层40通过该孔与粘合剂层（16）进行接合。
浸焊盘：
在图12至图19（尤其是在图18中）所示的该单件式蜜蜂的图像中，用于浸焊的黄铜衬垫47是明显的。这些黄铜衬垫47是金色（与形成接合点的该亮黄色的聚酰亚胺薄膜相对照）并且许多矩形的焊盘47可以在该致动器24的基底的附近看到。该设备浸在焊剂中，并且然后浸在焊料中，导致焊料圆角48在所有这些靠近的黄铜衬垫47上形成，并且在该单件式机器蜜蜂26中锁定该组装自由度。一旦这个锁定发生，该内部单件式机器蜜蜂26从这个大的环绕式组装机构中被切割出来。
翼薄膜层压：
经过初始层压、弹出组装、和接合点锁定之后，由于任何薄膜53在该浸焊过程中残存的困难，在该单件式蜜蜂26的这些翼梁52上没有薄膜了。该单件式机器蜜蜂26被从该环绕式萨鲁斯铰链组装机构67中释放，但是其活动自由度还尚未被释放。该单件式机器蜜蜂26然后被携带通过一个第二层压步骤，在该步骤中这些翼梁52被夹在1.5um的两层聚酯薄膜（一种热塑材料）之间。热量和压力（例如，120℃、340kPa持续15分钟）引起这两层薄膜彼此粘结，从而将它们密封到这些翼梁52上，并且因此形成该薄膜53。该设备然后被放入到该激光器中来切割该翼轮廓54。然后只有该蜜蜂26的活动自由度被释放。图22示出了所得到的翼28。
11）操作
在将三条电线人工的附装到该压电致动器24之后，该单件式机器蜜蜂26为操作做好准备。对该压电致动器施加一个震荡电压引起这些翼28例如在100Hz的往复的振翼动作（图19）。作为一个完成的机器，该单件式机器蜜蜂26可以是基本的类似于早期的哈佛大学的微型机器人飞行（HMF）；该单件式机器蜜蜂26借助用于生产它的制造过程的精度和可伸缩性而与众不同。
B）附加的实施例
挠曲机构和组装折叠由交替的刚性层和顺性层的图案化和层压造成，类似于刚柔电路板结构。我们用超平面拓扑学的概念来扩展这些方法；粘合剂层被用一个激光器图案化，从而允许在多个刚柔平面层之间的选择性地机械连接。这些“机械介质”使一些复杂的多层机构能够创建，如萨鲁斯联接，这些多层机构可以垂直于该工作平面致动。设备部件可以驻留在一些单独的平面层上，从而在折叠过程中减少干扰并允许比一个单一的扁平图案可能的更大的复杂性。下面提供的条件是该制造方法的一个详细的解释并呈现了三个示例部分来展示它的可能性。最后演示的这个设备通过将一个预应变的层引进该部分层压板而完成自组装。
层压板制造
该过程开始于多层层压板的生产。首先对每层进行大块机加工从而定义部分几何学。多个层（后机加工）保持连续来维持每层的结构完整性并且来提供从每个设备部件到这些对准销的一个连接。大多数的特征可以被机加工，从而将把一些部分连接到该环绕式大块材料的一些小的耳片或桥保留，类似于这些在预制的电路板中或这些部分面板中的折断耳片，或是在塑料模型工具箱中发现的部分面板。在一个随后的步骤中，第二轮的机加工释放这些单独的部分。可以使用与这些层材料是相容的并且满足一个具体的应用的精度要求的任何机加工的方法，如深反应离子刻蚀（DRIE）、光化机加工和电铸（用于一些金属）、激光机加工、和穿孔。
为了我们的研究目的，由于其无掩模性质及其与一些广泛范围的材料的相容性，我们使用了激光微机加工。我们采用了q转换的和三倍倍频至355nm的一个钕：YV04DPSS激光器。该激光器的最大平均功率大约为1.5瓦特，我们发现该功率对于在1到150微米厚度范围内的层的机加工是足够的。使用一个远心的物镜将光束聚焦到直径大约为8微米的一个点上。光束/部分的全程测距精度和可重复性是2微米或者更好。这种类型的激光器容易机加工大多数的材料，玻璃和高度透射的355nm辐射除外。
在每层都被机加工完成之后，可以执行可选择的步骤，如电抛光、超声波清洗和等离子体处理，从而为层压准备每层。在刚性的印刷电路板（PCB）制造中，电路层通常借助一些交叉预浸渍玻璃纤维-环氧树脂复合片（预浸布）或一些粘合剂粘结（bondply）层进行粘结。对于这项工作，我们使用一些丙烯酸片粘合剂。这些粘合剂大多数常用于涂附聚酰亚胺（或其他聚合体）薄膜从而形成粘结的（bondply）（在两侧上）或覆盖膜（在一侧上）层压板，但在独立式的片形态中也是可用的。在该粘结周期中，一些PCB板粘合剂是具有特制的热膨胀特性和具有非常小的流动的一些高工程化的材料。我们使用0.0005英寸（12.5微米）厚的DuPont FR1500丙烯酸片粘合剂。首先，该丙烯酸片粘合剂是用一些对准孔进行机加工的。第二，该丙烯酸片粘合剂作为一个独立的层被加到该叠置上或可替代地被粗缝粘结到一个相邻层。对任一技术，激光机加工被用于图案化该粘合剂。可以使用其他粘合剂或粘接的方法，但是我们发现存在于这种类型的粘合剂中特性的结合将非常适合MEMS等级微制造。
图23展示了用于这项工作的层压板叠置和对准工具加工。这些部分层在一侧上是25mm。每个外层66表示可能的压力分布、共形层和释放层。在这些外层66之间，以下这些层从下到上按顺序叠置：碳纤维层12、粘合剂层14、聚酰亚胺薄膜16、粘合剂层14、预应力的弹簧钢层68、粘合剂层14、聚酰亚胺薄膜16、粘合剂层14和碳纤维层12。该碳纤维层12是我们标准的0-90-0三层层压板，厚度大约为100μm。该粘合剂层14是DuPont PYRALUX FR1500，厚度为12.5μm。该聚酰亚胺薄膜16是7.6μm厚的KAPTON聚酰亚胺薄膜。最后，该弹簧钢层68是.003英寸（76μm）厚的并且用一些平面弹簧进行激光机加工。这些对准孔被放置在合适的位置，这样该层68在叠置、伸展这些平面弹簧、和在该层压板中存储能量的过程中必须被拉伸。一旦该设备被完成，这些弹簧驱动弹出自组装。
在一些叠置之间使用一些刚性分离板可以将多个部分扭绞29同时粘结。对准准确度是由若干因素决定的，如这些对准孔22和引脚20的精确度、层材料的热膨胀系数（CTE）、和层压板的尺寸。为了对准，我们使用了标准的精度定位销（1/16英寸）和通常几微米小的一些对准孔，从而从弹性平均技术中受益。实际上，后层压对准要优于5微米。这些精确的数值是很难测量的，因为这个精确度接近我们的材料和机加工过程的材料一致性和边缘粗糙度限制。
我们首先通过用一个非常简单的扭绞来制造一个相当复杂的部分来演示了这些方法；由于只有两个刚性层12被一个单一的粘合剂层14分开，我们可以制造一个接合的链56。图24和图25用一个简单的两联接模型展示了该过程。本质上，两个互锁的环的轮廓57被机加工成每个刚性层。然而，在它们重叠的地方，一个刚性层12（顶部或底部）延续，并且另一个具有一个间隙；对于其他的相交，正好相反。该粘合剂层14被机加工成用于在这两个重叠区处阻止这两个刚性层12之间的粘结。选择性的粘合是这个部分的一个使能器。
在激光机加工之后，这些层是使用一些引脚20来对准并且粘结的。注意，在本申请中，该粘合剂层14是独立的。我们发现PCB类型的丙烯酸层粘合剂（只有12.5微米厚）具有足够的强度和稳定性来支撑它们本身，并且在该扭绞内维持准确的对准。通过完成该轮廓切割，该链在粘结之后是“单一化的”。图26和图27示出了用549个联接如此制造成的一条链56。这些刚性层是碳纤维合成物，每层95微米厚。它们被从一个预固化的0-90-0层压板上切割出来，该层压板是用氰酸盐酯树脂浸透的单向的碳纤维（每板层33克/平方米）。这种材料非常牢固、坚硬并且轻；并且该材料的容易激光机加工、还具有一个低的热膨胀系数。在层压和单一化之后，该链56简单地被从该支架框架19中抬升出来。
折叠成的结构
当选择性的粘合在层压构造中被使用时，该链56为可能的复杂度提供了一个好的示例。增加这些层的数目确实允许一些部分具有更大的复杂度；然而，这个三维印刷方法遇到若干限制：随着部分厚度的增长，在该部分深处制造单一化切口变得越来越困难；过量的支承材料通常必须被移除；以及垂直于该工作平面排列的一些结构元件被交织的粘合剂层削弱。如在此描述的，我们已经将折叠作为用于制造一些三维结构的一种交替法进行了探索。
有很多折叠的示例，包括折纸、金属薄板构造和刚柔PCB。一个扁平图案在一些折痕处、在路面线纹处、或在可屈伸的处被折叠。为了在我们的过程中形成扁平图案，我们从一种刚性材料中机加工出“联接”，这些联接由被一种顺性的材料跨越的一些窄隙分开。这些挠曲充当组装折叠或机构接合点。凭借折纸折叠和一些现代算法能够直接从一个三维模型中产生一些折痕图案，具有难以置信的复杂程度的一些结构是可能的。
折叠的趋势通常是组装难题。当对一个单一的刚柔平面层进行加工时，形成一些复杂的形状通常要求许多顺序的折叠并且因此许多组装自由度。如果目标是批量生产，理想上仅使用一个单一的自由度就可以完成组装。一个激励示例是一本立体书，在该书中一个单一的旋转导致许多互联的组装的折叠以及组装。与折纸不同，当合上和展开时立体书场景包括多个折叠层。使用这里所描述的层压构造过程，可以创建一些类似的结构。
图28至图30示出了“赖特”飞行器58的一个模型。图28示出了该莱特飞行器58的折叠机构的一个概略图，而图29示出了该模型58（在折叠/弹出之前）的一个摄影图像。最后，图30在一个四分之一美元硬币上示出了折叠之后（弹出之后）的该莱特飞行器58的一个第一实施例的透视图。
图31至图36示出了一个弹簧致动的八个侧面的六角形封闭体59的另一个实施例。具体地，图31和图32分别提供了该结构95在皱缩（弹出之前）和致动（弹出之后）状态下的透视图。图33和34分别提供了该皱缩的结构59的俯视图和侧视图，而图35提供了该结构59在张力下由一个弹簧60的致动弹出过程中的一个侧视图，该弹簧在一个弹簧钢层68的内部。最后，图36展示了该弹簧机构60的一个俯视图。
单件式二十面体
图37至图48展示了一个PC-MEMS弹出式二十面体62的组装，这些图示出了在大约三秒的增量处一个弹出式组装过程。图37示出了包含在包括两个平板32的支架中或被该支架包含的皱缩结构。该二十面体62包括20个基本上完全相同的三角形面34，并且能够被折叠到由30条边和12个顶点形成的一个近球形中。在图38至图42中，支撑该顶部盘32的一些定位销是凸起的，以便增加这些板32之间的间距，其中在每幅图的底部示出了一个实际静态捕捉，上方有一个相应的计算机生成的图像。
在该顶板32'上安装的是三个木板36，这三个木板中的每一个通过一次折叠被可枢转地安装到该顶板32'上并且固定到一个对应的三角形面34上，该三角形面邻近该最顶层的三角形面34'，在图43至图48中可以更好地看出，为了清晰的说明，这些图示出了移除了这些支架板32的弹出式组装。虽然此处对“面34”的参考可以指代这些面中的任何一个，这些三角形面（即面34、34'和34）的不同的主要值被提供用来简化说明和表征。
随着该顶板32'相对于该底板32"升起，这些木板36向下枢转并且向上拉动这些对应的三角形面34至它们向上附装到其上的位置，连同其他一些三角形面34至那些各自绕其边缘互联的位置。
在其基底上，该二十面体62被安装到一个内部可旋转盘38（例如，见图41），该盘在该下部支架板32"上包括多个在这些槽64下延伸的向外伸展的耳片63，作为一个平面线性轴承用于其中的互逆轴向旋转。图50示出了该下部支架板32"的底面，该支架板示出了在下部支架板32"中，这些耳片63与对应的一些槽64的对照，尽管该耳片-槽结构在这里充当一个备份，由于这些联接驱动这些可旋转盘，在理论上，足以保持该盘在平面内旋转而不需要任何其他的连接。该可旋转盘38被这些联接65的牵引力转动，这些联接经由一个枢转点从板32'的顶部向下延伸。随着每个联接65被提升，每个联接拖拽该对应的耳片63至在该联接65被联接到其上该顶板32'、且在其下面被耦联的位置，因此引起该盘38相对于这些板32的旋转。附加的折叠机械介质44被提供用来将该顶板32'支撑在该底板32"的上方。
这里，当这个二十面体被组装时，这些折叠中的许多是在大约45°的一个角；并且随着该而二十面体62被展开，该内部盘38最终相对于这些板32在平面内被旋转大约60°。所得到的结构然后可以在适当的位置被锁定，例如，通过像上面所描述的一个焊接技术。图49示出了在该伸展的支架中的这个折叠的二十面体的一个侧视图。
这个所得到的二十面体62可以在多种应用中使用，比如，例如在相机快门光学件中或在气囊血管成形术中。在其他实施例中，一个传感器（例如，一个相机）可以被设置在每个面34上，用来提供类似昆虫的全方位视觉和感知。仍在其他实施例中，一个反射镜、电路板、和/或一个通信发射机或接收机可以被设置在每个三角形面上。类似地，经由展开和扭曲的结合，通过改变折叠、联接、木板、面、机械介质等等的配置，可以同样地形成多种其他的复杂的形状。
在描述本发明实施例的过程中，为了清晰，使用了专用术语。为了描述的目的，一些特定的术语旨在至少包括技术和功能等价物，这些等价物以一种相似的方式操作从而实现一个相似的结果。另外，在一些示例中，本发明的一个具体实施例包含多个系统元件或方法步骤，这些元件或步骤可以被替换为一个单一的元件或步骤；同样，一个单一的元件或步骤可以被替换为多个元件或步骤，其目的是相同的。进一步地，在此处为本发明的实施例指定了用于不同的属性和其他值的参数时，这些参数或值可以被向上或向下调整l/100th、l/50th、l/20th、l/10th、l/5th、l/3rd、1/2、2/3rd、3/4th、4/5th、9/10th、19/20th、49/50th、99/100th等（或向上的因数1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100等），或是其四舍五入的近似值，除非另外说明。此外，当本发明已经参见其具体实施例被展示和描述时，本领域技术人员将会理解，在形式和细节上的不同的替换和改变可以在其中创造而没有离开本发明的范围。仍进一步地，其他方面、作用和优点同样在本发明的范围内；并且本发明的所有实施例不一定必须实现所有这些优点或具有所有这些上述的特征。另外，在此讨论的与一个实施例有关的这些步骤、元件和特征可以同样与其他一些实施例一起使用。包括一些参考正文、期刊文章、专利权、专利申请书等，且在整个文本中引用的这些参考的内容是通过引用以其全文结合在此；并且来自这些参考的适当的一些部件、步骤、和特征可以包含或不包含在本发明的实施例中。仍进一步地，在背景部分标识的这些部件和步骤与本披露是一体的，并且可以不脱离本发明的范围与在本披露的别处描述的部件或步骤结合使用或替换使用。在方法权利要求中，以一种特定的顺序直接引用一些阶段——增加或不增加有序的引语符号方便参考——这些阶段并不是作为被暂时地受限于它们被直接引用的次序而被理解的，除非另有说明或被这些术语和语法措辞所隐含。

Claims (25)

1.一种用于制造三维结构的方法，该方法包括：
产生多个独特图案化层，其中这些层包括至少一个刚性层、至少一个柔性层和至少一个粘合剂层图案，其中该刚性层包括比该柔性层实质性地更刚性的多个刚性片段；然后
以该粘合剂层图案在选定的位置处定位在其它层中的至少两个之间并与该其它层中的至少两个接触来将该多个层叠置，并在所述选定的位置处将该多个层粘结以形成一种具有多个层间粘结的层压结构；并且
在所述刚性片段之间的多个接合点处使该层压结构挠曲以产生一种伸展的三维结构，其中这些层在选定的粘结位置处是接合的而在其他位置处是分开的以产生横穿这些层的间隙，在所述间隙处没有被该粘合剂层粘结。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该粘合剂是一种B阶段丙烯酸片粘合剂。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该多个层通过将多个定位销穿过这些层中的多个对准孔口而叠置并且由一个压机粘结。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括在这些层被叠置时在层间插入至少一个附加部件。
5.如权利要求4所述的方法，其中，该附加部件包括一种刺激反应性材料，该刺激反应性材料充当用于该刺激反应性材料接合到其上的一个悬臂的致动器，其中该刺激反应性材料与一个电源电气地耦联。
6.如权利要求5所述的方法，其中，该刺激反应性材料是一个压电板。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括在进行挠曲以形成该伸展的三维结构之后在该结构中对这些接合点中的至少一个进行锁定。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括在有待锁定的该接合点处对该刚性层涂敷一种熔化的金属并且在该熔化的金属上施用焊料以便将该接合点锁定。
9.如权利要求7所述的方法，进一步包括在有待锁定的该接合点上施用粘合剂以便将该接合点锁定。
10.如权利要求7所述的方法，其中，该结构包括接合多个刚性片段的至少一个桥，该方法进一步包括在锁定该接合点之后将该桥切断，以便释放供刚性联接位移的至少一个额外的自由度。
11.如权利要求1所述的方法，其中，在该层压结构中的这些层中的至少一个包括一个预应变的挠曲弹簧。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该挠曲弹簧包括一个弹簧钢层。
13.如权利要求11所述的方法，其中，该层压结构包括防止该层压结构折叠的至少一个桥，该方法进一步包括通过切断该桥来释放该弹簧中的张力，其中该张力的释放启动了该折叠以便自行组装具有一个组装自由度的该三维结构。
14.如权利要求1所述的方法，其中，在该伸展的三维结构中这些层中的至少两个被分开一个距离，该距离是在距这些层间粘结从100μm至10mm的范围内。
15.如权利要求1所述的方法，其中，这些层中的至少一些具有的厚度是在从1.5μm至150μm的范围内。
16.如权利要求1所述的方法，进一步包括用一个激光器来切割该刚性层以形成这些刚性片段。
17.如权利要求1所述的方法，其中该层压结构包括一个框架以及至少一种结构，该至少一种结构被挠曲以便产生一个最终产品，并且其中该框架以及被挠曲以便产生最终产品的该结构是通过至少一个桥来接合的，该方法进一步包括将该桥切断。
18.如权利要求17所述的方法，其中该层压结构包括能够被挠曲以便形成一个最终产品的多个结构，该多个结构各自被至少一个桥接合到该框架上并通过切断该桥而被从该框架中释放。
19.如权利要求1所述的方法，其中该刚性层被涂敷了一个导电电路。
20.如权利要求1所述的方法，其中，该伸展的三维结构包括至少一个工字梁。
21.如权利要求20所述的方法，其中，多个刚性层被图案化、叠置并挠曲。
22.如权利要求20所述的方法，其中，多个柔性层被图案化、叠置并挠曲。
23.一种用于三维结构的层压前体，该三维结构包括一叠对准的层，该层压前体包括：
多个刚性层，其中这些刚性层包括从中延伸穿过的多个切口以便形成由这些切口分开的多个刚性片段；以及
多个柔性层，这些柔性层与这些刚性片段相比实质性地刚性更低，其中每个柔性层被粘结到这些刚性层中的至少一个上，这样使得该柔性层在该刚性层中的这些切口处被暴露出以便形成用于折叠的多个接合点，
其中，这些层中的至少一些仅在多个选定的位置处被粘结到邻近层上，从而形成多个层间粘结的孤岛，以便在该层压板于这些接合点处被折叠时允许该层压板伸展成一个伸展的三维结构。
24.一种用于形成三维结构的方法，该方法使用了在一个支架中被安装用于伸展和转动的多个互连的面，该方法包括：
将该支架伸展开；
由于该支架的伸展将这些面中的至少一个提升；
由于该支架的伸展将这些面中的至少一个转动；并且
在所产生的三维结构中将所提升的和转动的面锁定。
25.如权利要求24所述的方法，其中，该三维结构是一个二十面体。
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