CN108602665A - 复合式计时部件及用于生产该复合式计时部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产计时部件的方法，所述计时部件包括至少一个第一部分，该至少一个第一部分通过精密加工方法或微成型方法以至少一种第一材料制成，所述方法至少包括：将所述计时部件的以至少一种第二材料制成的至少一个第二部分沉积在所述第一部分上而无需进行模制的步骤，以及对第二材料进行处理以将第一部分上的组件连接在一起的步骤。

Description

复合式计时部件及用于生产该复合式计时部件的方法
技术领域
本发明涉及用于制造一种计时部件和/或一套计时部件的方法以及根据所述方法获得的计时部件。
更具体地，本发明涉及一种制造复合式计时部件的方法，该复合式计时部件具有两部分，即，由诸如硅的第一材料获得的第一部分，以及由诸如金属的第二材料获得的第二部分。
背景技术
在钟表制造领域中，众所周知的是例如通过硅来制造诸如摆轮游丝、轮或摆轮的计时部件。
实际上，硅具有许多优点，包括其轻便性、其弹性、其非磁性性质以及能够使用诸如深反应离子蚀刻(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)的微制造技术加工。
然而，硅也有许多缺点。例如，硅脆弱、易碎，因为它没有塑性区，因此难以将硅轮紧固在轴杆上。此外，硅的也作为优点的轻便性使得计时部件不能完全由硅制成，其必须具有足够的惯性或不平衡性，例如摆轮或摆动块不能由硅制成。
为了解决这些缺点，已经设想了所谓的复合式或混合式计时部件，其例如具有由硅等制成的第一部分和由金属制成的第二部分。例如，这具体是对于专利申请WO 2008/135817、EP 2,060,534和EP 2,104,005的情况。
文献EP 1,172,714 A1还描述了一种通过使用喷墨设备进行局部喷墨投射来调整计时部件摆轮的质量的方法。然而，该文献并未详细说明所使用的墨的性质，而所使用的墨的性质决定了基于材料的应用能力和精度。喷墨类型的系统的印刷距离也受到很大限制，并且不能很好地与被整合到时钟机构运动中的计时部件兼容使用。
文献WO 2008/135817描述了一种计时部件，其包括能够使用微制造技术制造的结构以及形成在该结构的周边中或周边上的至少一个元件，并且该至少一个元件由与该结构的材料不同的材料形成以改变该组件的机械性能，例如用于增加摆轮的惯性/质量比或摆动块的不平衡性/质量比、或者局部吸收由轴杆的驱动产生的部分约束、以及使轴杆在给定的应用中可用，同时保留用于生产该结构的材料的优点。更具体地，该文献描述了一种用于制造由具有通过电沉积填充的空腔的氧化硅基板制成的这种复合式计时部件的方法。
然而，这种类型的方法具有需要通过生产模具来生产硅空腔的步骤的缺点，这妨碍了计时部件的制造成本。因此，这种类型的方法不适合生产样机和/或小部件系列。
文献US 2004/0146650 A1又描述了一种用于制造微结构金属部件的方法，根据该方法，通过对部件进行电化学表面处理，随后在该部件上沉积热压粉末以执行其硬化，从而形成三维结构。这种热等静压(Hot Isostatic Pressing，HIP)制造方法具有的缺点是不仅需要事先对部件进行电化学处理，而且还需要对沉积的粉末进行热压以形成微结构的步骤，这不仅需要使用模具，而且由于硅部件的脆弱性，这非常难以(如果不是不可能的话)在硅部件上实现。
文献EP 2,060,534描述了一种结合DRIE和LIGA(根据日耳曼语首字母缩略词“Galvanoformung，Abformung”(光刻，电镀，成形))类型的工艺制造硅-金属复合微机械部件的方法。该发明还涉及一种微机械部件，该微机械部件包括其中一个部件由硅制成而另一部件由金属制成以形成复合型微机械部件的层。更具体地，该方法包括用于在基板的上层选择性地凿削空腔以限定该部件的硅部分的图案的步骤、用于在基板的中间层中蚀刻空腔的步骤、用于使金属层从部分空腔增长以沿着组件的厚度形成金属部件，并且去除基板的微机械复合式硅/金属部件的步骤。通过用感光树脂覆盖基板的顶部来显影金属层，然后根据金属部件的预定图案选择性地执行感光树脂的光刻方法，然后去除基板的光结构化的树脂。
这种类型的方法需要在包括易碎部件的硅基板上执行光刻步骤。此外，这种类型的方法包括大量阻碍计时部件的制造成本的步骤，使其不适合用于生产样机和/或小部件系列。
文献EP 2,104,005描述了一种形成在硅基材料层中的复合式摆轮，并且该复合式摆轮包括通过至少一个臂连接到轮缘的轮毂。轮缘具有至少一个附加部分，该至少一个附加部分基本上呈细圆齿状的环的形式，其密度比所述硅基材料的密度更高，这使得能够增加所述摆轮的惯性。该发明还涉及一种用于制造这种摆轮的方法，所述方法由以下步骤组成：为自身装备由硅基材料制成的基板；在基板上选择性地沉积至少一层金属以限定所述摆轮的至少一个金属部件的图案，该沉积通过将连续的金属层至少部分地沉积在基板的表面上来完成；在基板中选择性地蚀刻至少一个空腔以限定包括所述至少一个金属层的摆轮的图案；以及从基板释放摆轮。
这种类型的方法具有仅允许生产硅部件而非氧化硅的缺点，氧化硅以名称Silinvar(注册商标)而被公知，其允许进行热补偿。此外，这种类型的方法除了具有DRIE蚀刻室被污染的高风险的事实外还具有由光刻方法引起的缺点。
因此，本发明的目的之一是通过提出一种用于制造复合式或混合式计时部件的方法来解决这些缺点，该方法具有简单和低廉的设计，不包括光刻步骤，从而能够以低成本来生产样机和小系列，并且特别相对于LIGA型方法而言具有缩短的制造持续时间。
发明内容
更具体地，本发明涉及一种用于生产计时部件的方法，该计时部件至少包括第一部分，第一部分通过使用微制造或微成型方法而至少由第一材料制成，所述方法至少包括：
a.用于在所述第一部分上至少沉积所述部件的由至少一种第二材料制成的第二部分而无需进行模制的步骤，以及
b.用于处理第二材料以使第一部分上的组件相互连接的步骤。
将理解的是，与现有技术的方法不同地，根据本发明的方法在沉积第二材料之前不需要光刻步骤、或者不需要用于添加部件的模制步骤或者组装步骤，由此限制了制造成本并且使得能够以低成本生产样本和/或小系列。根据本发明的方法进一步地在能量方面和对第二材料沉积于其上的部件友好的方面特别有效，而且不需要进行模制，因此没有所述部件及其第一材料的过量的机械应力，这使得其实施适合于例如在易碎的硅部件上进行沉积。
根据第一实施例，该方法至少包括以下步骤：
a.至少以第二材料的微米量级、亚微米量级或者优选地纳米量级的颗粒的溶液或悬浮液的形式进行墨的雾化，
b.将雾化的墨喷涂在部件的第一部分上以形成所述第二部分，以及
c.使所述第二部分硬化。
所述硬化步骤由包括至少一个退火步骤和/或局部烧结步骤的热处理组成。
替代性地，所述硬化步骤由通过光交联和/或化学交联的聚合步骤组成。
该方法对应于所谓的AJP(Aerosol Jet Printing，气溶胶喷射印刷)方法，其使得能够通过穿过半导体或生物材料以平面部件上的微米尺度将非常大量的材料、导电材料沉积到介电材料上，但是也沉积到柔性且三维的部件上。
优选地，局部烧结步骤通过使用激光照射第二部分而获得。
此外，通过光交联的聚合步骤可以通过在第二部分上进行紫外线投射来获得。
根据第二实施例，该方法至少包括以下步骤：
a.在部件的第一部分上至少沉积第二材料的粉末，以及
b.在所述第二部分上进行局部激光烧结。
该方法分别对应于所谓的LS(Laser Sintering，激光烧结)或SLS(SelectiveLaser Sintering，选择性激光烧结)方法，这使得能够使用范围非常广泛的不同材料的粉末，包括诸如聚醚醚酮(polyether ether ketone，PEEK)和PA12尼龙的聚合物，聚合物可选地与玻璃纤维、玻璃珠或铝粉和/或金属(诸如钢、钛、金等及其合金)相结合。
所述第二部分形成装饰性结构或刻印结构，或者功能性元件，功能性元件诸如惯性质量块(inertial mass)或所谓的界面元件或旨在具有与另一部件进行机械协作功能的机构。
此外，该部件的第一部分由硅和/或金属和/或陶瓷和/或塑料获得。
此外，该部件的第二部分可以具有一个或多个层，每个层由一种材料获得。
优选地，该部件的第二部分或者所述第二部分的每个层由包含银(Ag)和/或铝(Al)和/或金(Au)和/或钛(Ti)和/或铜(Cu)和/或镍(Ni)和/或铂(Pt)和/或铁(Fe)和/或它们的氧化物之一和/或至少一种聚合物的材料获得。
本发明的另一目的涉及一种计时部件，该计时部件包括至少通过微制造或微成型方法以至少一种第一材料制成的第一部分，其特征在于，该计时部件包括至少一个第二部分，该至少一个第二部分由至少一种第二多孔材料获得并沉积在所述第一部分的全部或一部分上。将注意到的是，基于根据本发明的用于制造第二部分的方法，该第二部分可以具有微孔性或中孔性或大孔性。
优选地，部件的第一部分由硅和/或金属和/或陶瓷和/或塑料获得。
此外，部件的第二部分可以包括一个或多个层，每个层由一种材料获得。
优选地，部件的第二部分或所述第二部分的每个层由包含银(Ag)和/或铝(Al)和/或金(Au)和/或钛(Ti)和/或铜(Cu)和/或镍(Ni)和/或铂(Pt)和/或铁(Fe)和/或它们的氧化物和/或至少一种聚合物的材料获得。
本发明的另一目的涉及一种计时部件，该计时部件包括通过使用微制造或微成型方法由至少一种第一材料制成的至少一个第一部分，其特征在于，该计时部件包括由至少一种第二材料获得的至少一个第二部分，该第二材料由相互连接并沉积在所述第一部分的全部或一部分上的微米量级、亚微米量级或优选地纳米量级的颗粒制成。
以与之前相同的方式，该部件的第一部分优选地由硅和/或金属和/或陶瓷和/或塑料获得。
此外，该部件的第二部分可以具有一个或多个层，每个层由一种材料获得。
优选地，该部件的第二部分或所述第二部分的每个层由包含银(Ag)和/或铝(Al)和/或金(Au)和/或钛(Ti)和/或铜(Cu)和/或镍(Ni)和/或铂(Pt)和/或铁(Fe)和/或它们的氧化物和/或至少一种聚合物的材料获得。
本发明的最后一个目的涉及一种计时部件，该计时部件至少包括由微制造或微成型方法以至少一种第一材料制成的第一部分，其特征在于，该计时部件包括至少一个第二部分，该至少一个第二部分由至少一种第二多孔材料获得并且以连续的层沉积在所述第一部分的全部或一部分上，使得所述第二部分包括侧面，所述侧面与其所沉积的表面形成介于10°至89°之间的角度。
将观察到，通过以相同材料或不同材料的连续层来沉积第二部分使得能够生产具有以介于10°至89°之间的角度倾斜的侧面的第二部分，不像现有技术的方法那样不能生产具有直侧面(即具有与第一部分的表面成90°的角度)的部件。以这种方式，可以改善计时部件的空气动力学，而且可以优化所述部件的质量分布。
以与之前相同的方式，该部件的第一部分优选地由硅和/或金属和/或陶瓷和/或塑料获得。
此外，该部件的第二部分可以具有一个或多个层，每个层由一种材料获得。
优选地，该部件的第二部分或所述第二部分的每个层由包含银(Ag)和/或铝(Al)和/或金(Au)和/或钛(Ti)和/或铜(Cu)和/或镍(Ni)和/或铂(Pt)和/或铁(Fe)和/或它们的氧化物和/或至少一种聚合物的材料获得。
附图说明
通过阅读参照附图进行的以下描述，本发明的其他细节将更清楚地显现，在附图中：
-图1A至图1D是用于制造根据本发明的计时部件的方法的不同步骤的示意性截面图；
-图2是根据本发明的通过JP型印刷的方法的实施例的示意图；
-图3是根据本发明的通过LS或SLS型沉积的方法的实施例的示意图；
-图4是具有通过根据本发明的方法获得的刻印的擒纵轮的局部俯视图；
-图5是摆轮的透视图，该摆轮包括使用根据本发明的方法获得的平头(blom)螺栓以用于校正其惯性。
具体实施方式
参照图1A至图1D，用于制造计时部件的方法包括用于通过由本领域技术人员已知的微制造或微成型方法例如通过诸如硅的第一材料来制造第一部分1(参照图1A)的第一步骤。所述第一材料可以由任何其他材料组成，例如金属、陶瓷、塑料、金刚石、石英、玻璃、碳化硅或它们的组合。此外，所述第一部分由本领域技术人员已知的任何计时部件组成，例如擒纵轮、摆轮等。
在第二步骤中，参照图1B，将第二材料2沉积在所述第一部分1上、位于所述第一部分1的全部或一部分上，然后参照图1C，在第二材料上执行处理步骤以将第二部分3的组件相互连接并且将第二部分3连接至第一部分1，并且形成多孔的第二部分3。将注意到的是，根据为获得第二部分3的硬化所采用的并在本文献的后续部分中概述的处理类型，第二部分3的气孔具有的直径可以小于2纳米(微孔性)，或者介于2至50纳米之间(中孔性)，或者大于50纳米(大孔性)。第二材料可以由任何合适的材料组成，例如，所述材料诸如为包含银(Ag)和/或铝(Al)和/或金(Au)和/或钛(Ti)和/或铜(Cu)和/或镍(Ni)和/或铂(Pt)和/或铁(Fe)和/或它们的氧化物的金属材料，和/或至少一种聚合物。
根据第一实施例，参照图2，所述方法至少包括以下步骤：至少以第二材料的微米量级、亚微米量级或优选地纳米量级的颗粒的溶液或悬浮液的形式进行墨的雾化，所述雾化在所谓的雾化室4中完成，然后使用被连接到雾化室4的喷嘴5将雾化的墨喷涂在部件的第一部分1上以形成所述第二部分3，并且最后通过炉内热处理或者通过激光器6(例如红外激光器)在所述第二部分3上进行局部烧结来使所述第二部分3硬化。“硬化”是指将微米量级、亚微米量级或纳米量级的颗粒直接或间接地连接以获得它们的凝聚力的工艺。
该方法对应于所谓的AJP(气溶胶喷射印刷)方法，其使得能够通过穿过树脂、粘合剂或半导体或生物材料以平面上的微米尺度将非常大量的材料、导电材料沉积到介电材料上，但是也沉积到柔性且三维的部件上。
将注意到的是，通过炉内热处理或通过激光器局部烧结的硬化步骤可以被任何其他处理步骤替代，例如被聚合所替代。该聚合由可以通过例如投射在第二部分3上的紫外线获得的光交联或者化学交联组成，而不超出本发明的范围。
根据第二实施例，参照图3，所述方法至少包括以下步骤：在部件的第一部分1上至少沉积第二材料的粉末，使用辊9将最初被容纳在设有活塞8的储存部7中的所述粉末沉积在第一部分1上，以及通过功率激光器10在所述第二部分3上进行局部烧结，通过所述辊9将多余的粉末排出的步骤。
该方法分别对应于所谓的LS(激光烧结)或SLS(选择性激光烧结)方法，该方法允许使用范围非常广泛的不同材料的粉末，包括诸如聚醚醚酮(PEEK)和PA12尼龙的聚合物，聚合物可选地与玻璃纤维、玻璃珠或铝粉和/或金属(诸如钢、钛、金等及其合金)相结合。
将理解的是，与现有技术的方法不同地，根据本发明的方法在沉积第二材料之前不需要光刻步骤，或者不需要用于添加部件的模制步骤或者组装步骤，从而限制了制造成本并允许以低成本生产样机和/或小系列。
此外，根据本发明的方法允许通过以相同的材料或不同的材料沉积连续层来生产第二部分3，使得所述第二部分具有以介于10°至89°之间的角度倾斜的侧面。以这种方式，能够改善计时部件的空气动力学，而且还可以优化所述部件的质量分布。
所述第二部分3形成装饰性结构或刻印结构或功能性元件，诸如惯性质量块或所谓的界面元件或旨在具有与另一部件进行机械协作功能的机构。
因此，根据本发明的方法使得能够在第一应用中在诸如由硅、金属、塑料、陶瓷(或者钟表制造术中使用的任何其他材料)制成的计时部件上印刷装饰性元件，诸如文字或图案。所添加的材料根据其相对于基板的颜色来选择。使用根据本发明的加色方法能够避免损坏部件或改变部件的性能。
参照图4，第二部分3由呈现名称为CSEM的形式的装饰性元件构成，该装饰性元件被印刷在形成第一部分1的擒纵轮上。
此外，第二部分3可以由根据本发明的方法的由硅、金属、塑料、陶瓷(或钟表制造术中使用的任何其他材料)制成的计时部件上的识别元件(诸如序列号、条形码、全息图等)组成。与之前一样，使用加色方法能够避免破坏部件或改变部件的性能。印刷材料的选择是为了与计时部件形成鲜明对比，印刷材料例如为用于在硅部件上进行可见识别的金(Au)。
参照图5，第二部分3可以由功能性元件组成，功能性元件诸如为被沉积在形成第一部分1的摆轮上的惯性质量块。以这种方式，第二部分3能够增加由硅、金属、塑料、陶瓷(或钟表制造术中使用的任何其他材料)制成的计时部件的惯性。第二部分3的材料相对于其密度来选择，例如为金(Au)或铂(Pt)。将注意到的是，根据本发明的方法，尤其是根据前面所描述的AJP方法，获得了用于生产质量块的非常好的精确度和非常好的再现性。例如，在8次相同的沉积中，通过对应于所使用的微尺度分辨率的标准偏差为0.03mg沉积了约0.33mg。
此外，第二部分3可以由功能性元件组成，以修正摆轮、轮或者需要修改惯性的由金属、硅、陶瓷、塑料或这些材料的组合制成的任何其他计时部件的惯性。因此，第二部分3能够使具有预定质量的摆轮平衡。其次，能够直接在第一部分上插入使得摆轮或任何计时部件能够自动平衡的测量系统。
在另一实施例中，第二部分3可以形成界面元件。硅是易碎的，界面元件可以被印刷在硅部件上或不具有塑性变形区的材料中。界面材料首先在形成第一部分1的部件的外表面上或在驱动轴上被沉积在该部件上，然后进行适当的热处理。接下来将该轴插入部件中，仅界面金属发生变形。
在另一实施例中，第二部分3可以形成旨在与另一部件具有机械协作功能的机构。所述机构例如可以由指状部或小齿轮构成，该指状部或小齿轮根据该方法被添加到所述计时部件上。
将注意到的是，基于第二部分3所使用的材料的性质以及具体所选择的应用(装饰性元件或功能性元件)，本领域技术人员可以调整第二部分3的厚度，从大约几微米到几百微米地进行调整。
此外，虽然本发明已经描述了硅计时部件，但是本发明可以应用于能够使用微制造和/或微成型技术加工的任何其他材料，而不超出本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于制造计时部件的方法，所述计时部件至少包括第一部分(1)，所述第一部分通过使用微制造或微成型方法而至少由第一材料制成，所述方法至少包括：
-在所述第一部分(1)上至少沉积所述部件的由至少一种第二材料制成的第二部分(3)而无需进行模制的步骤，以及
-对所述第二材料进行处理以使所述第一部分上的组件相互连接的步骤。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法至少包括以下步骤：
-至少以第二材料的微米量级、亚微米量级或者优选地纳米量级的颗粒的溶液或悬浮液的形式进行墨的雾化，
-将雾化的墨喷涂在所述部件的第一部分(1)上以形成所述第二部分(3)，以及
-使所述第二部分(3)硬化。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述硬化步骤由包括至少一个退火步骤和/或局部烧结步骤的热处理组成。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述硬化步骤由通过光交联和/或化学交联的聚合步骤组成。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述局部烧结步骤通过使用激光器照射所述第二部分而获得。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，通过光交联的所述聚合步骤通过在所述第二部分上进行紫外线投射来获得。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法至少包括以下步骤：
-在所述部件的第一部分(1)上至少沉积第二材料的粉末以形成所述第二部分(3)，以及
-在所述第二部分(3)上进行局部激光烧结。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的制造方法，其特征在于，所述第二部分(3)形成装饰性结构。
9.根据权利要求1至7中的一项所述的制造方法，其特征在于，所述第二部分(3)形成刻印结构。
10.根据权利要求1至7中的一项所述的制造方法，其特征在于，所述第二部分(3)形成功能性元件。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述功能性元件是惯性质量块。
12.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述功能性元件是所谓的界面元件。
13.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述功能性元件是旨在具有与另一部件进行机械协作功能的机构。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的制造方法，其特征在于，构成所述部件的第一部分(1)的材料包括硅和/或金属和/或陶瓷和/或塑料。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述部件的第二部分(3)具有一个或多个层，每个层由一种材料获得。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述部件(1)的第二部分(3)或所述第二部分(3)的每个层由包含银(Ag)和/或铝(Al)和/或金(Au)和/或钛(Ti)和/或铜(Cu)和/或镍(Ni)和/或铂(Pt)和/或铁(Fe)和/或它们的氧化物之一和/或至少一种聚合物的材料获得。
17.一种计时部件，使用根据权利要求1至16中的一项所述的方法获得。
18.根据权利要求17至19中任一项所述的计时部件，其特征在于，所述部件的第一部分(1)由硅和/或金属和/或陶瓷和/或塑料获得。
19.根据权利要求17至20中任一项所述的计时部件，其特征在于，所述部件的第二部分(3)包括多个层，每个层由一种材料获得。
20.根据权利要求17至21中任一项所述的计时部件，其特征在于，所述部件的第二部分(3)或所述第二部分(3)的每个层由包含银(Ag)和/或铝(Al)和/或金(Au)和/或钛(Ti)和/或铜(Cu)和/或镍(Ni)和/或铂(Pt)和/或铁(Fe)和/或它们的氧化物的材料获得。
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