CN110831733B - 用于个人使用的感应加热模具 - Google Patents

Abstract

一种系统包括能量源、模具和/或其他部件。所述模具包括形成模具型腔的内部模具表面。所述模具由被配置为吸收由所述能量源发出的电磁辐射的一种或多种材料形成。所述模具具有热区和冷区。所述热区和所述冷区具有它们的包括至少一种不同的物理特性的所述一种或多种材料使得所述热区和所述冷区以不同的速率和/或以不同的量吸收所述电磁辐射。所述热区比所述冷区吸收更多的电磁辐射，并且/或者更快地吸收电磁辐射。

Description

用于个人使用的感应加热模具

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2017年6月27日提交的美国临时申请No.62/525,320的优先权权益，其内容以引用方式并入本文。

技术领域

本公开涉及用于固化模具中的热敏材料的系统。

背景技术

固化模具中的材料以实现最终模制零件的形状和特性是已知的。该过程通常在室温下花费很长一段时间。将热添加到模制零件可以减少模制零件固化之前的时间。利用外部热来固化材料的典型方法经常导致对模制材料的不均匀加热。不均匀加热可以导致对模具和/或模制材料的损坏。

US2626428A公开了一种用于包含并形成橡胶或类橡胶制品的模具，其中所述模具和被包含在其中的所述制品暴露于交变电场。所述模具包括基本上纯树胶的外部分和适合于热生成的隔离的内部成分。US2626428A进一步公开了，隔离的内部成分是碳黑或其等价物，并且该隔离的内部成分的厚度是与模具型腔的深度逆相关地变化的以防止模制材料的不均匀固化。

JP2011230445A公开了一种提供凹模的解决方案，所述凹模能够更正确地控制形成温度同时抑制该凹模的内部结构的复杂化。所公开的解决方案包含凹模，该凹模包括：上凹模；以及被布置为与上凹模面对的下凹模。上凹模的下表面和下凹模的上表面分别被设置有温度敏感的磁性材料层，该温度敏感的磁性材料层包括具有居里温度的温度敏感的磁性材料。

JPH0310811A描述了如何执行模制，并且在相同过程中通过借助于磁性成分和非磁性成分的组合使模具具有被在型腔表面上的模制产品上的设计并提供用于将高频磁场施加到所述模具的磁性成分区段的高频感应机器来提供设计。

US2015/054204A1和WO2016/170003A1涉及当使用在暴露于电磁辐射时生成热的材料时的模具的生产。

发明内容

因此，本公开的一个或多个方面涉及一种用于固化可模制材料的系统。所述系统包括模具和/或其他部件。所述模具包括形成模具型腔的内部模具表面。所述模具可以由被配置为吸收由能量源发出的电磁辐射的一种或多种材料形成。所述模具具有热区和冷区。所述热区和所述冷区具有它们的包括至少一种不同的物理特性的所述一种或多种材料使得所述热区和所述冷区以不同的速率和/或以不同的量吸收所述电磁辐射。所述热区比所述冷区吸收更多的电磁辐射，并且/或者更快地吸收电磁辐射。所述热区包含多个热区区域。所述模具还包括被布置在热区区域之间和/或在热区区域与模具型腔之间的间隔区域，其中，所述间隔区域由具有在所述冷区的电纳与所述热区的电纳之间的电纳的材料制成。

本公开的另一方面涉及如在权利要求8中限定的一种制作模具的方法。

在参考附图考虑以下描述和权利要求书的情况下，本发明的这些和其他特征，以及操作方法和有关的结构元件和零件组合的功能和制造的经济性将变得更加显而易见，所有附图均形成本说明书的部分，其中，在各个附图中同样的附图标记指代对应的部分。然而，应当明确理解，附图仅是出于说明和描述的目的，并非旨在作为对本发明的限制的定义。如说明书中和权利要求书中所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括多个指代，除非在上下文中清楚地另有指定。此外，如说明书中和权利要求书中所使用的，术语“或”意指“和/或”，除非在上下文中清楚地另有指定。

附图说明

图1描绘了模具的实施例的横截面示意图；

图2描绘了模具的实施例的端面的自顶向下视图；

图3描绘了模具的实施例的横截面示意图；

图4描绘了微波感受器材料的沉积样式的实施例的自顶向下视图；并且

图5描绘了用于制作模具的实施例的方法的流程图。

具体实施方式

如在本文中所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括多个指代，除非在上下文中清楚地另有指定。如在本文中所使用的，两个或更多零件或部件被“耦合”的表述应意指所述零件被直接或间接地(即，通过一个或多个中间零件或部件)结合在一起或一起运行，只要发生链接。如在本文所使用的，“直接耦合”意指两个元件直接彼此接触。如在本文所使用的，“固定地耦合”和“固定的”意指两个部件被耦合从而作为一体移动，同时维持相对于彼此的恒定取向。

如在本文中所使用的，词语“单式”意指将部件创建为单件或单元。也就是说，包括单独创建并之后耦合在一起作为单元的多个件的部件不是“单式”部件或体。如在本文中所采用的，两个或更多个零件或部件彼此“接合”的表述意指所述零件直接地或通过一个或多个中间零件或部件而对彼此施力。如在本文中所采用的，术语“数量”应意指一或大于一的整数(即，多个)。

本文中所使用的方向性用语，例如，通过举例而非限制性的，顶部、底部、左、右、上、下、前、后以及由此衍生词，涉及附图中示出的元件的取向，并非限制权利要求，除非其中明确记载。

本公开描述了一种用于固化可模制材料的模具。本公开描述了能量源、模具和/或其他部件(在图1-5中示出并且在下面描述)。模具包括形成模具型腔的内部模具表面。模具由被配置为吸收由能量源发出的电磁辐射的一种或多种材料形成。模具的不同区域被配置为以不同的速率和/或以不同的量吸收电磁辐射。例如，模具的一些区域比模具的其他区域吸收更多的电磁辐射，并且/或者更快地吸收电磁辐射。这便于模具的局部区域具有能够依据要模制的零件而定制的不同水平的微波吸收。例如，模具的塑料件可以在其中被包覆模制的区域能够利用具有差的微波吸收并且不变热的模具材料。模具的厚硅树脂要被固化在其中的区域可以由高吸收模具材料形成。模具的薄材料要被固化在其中的区域可以由吸收更少微波能量的混合物和/或其他材料形成。

可模制材料的硫化或固化涉及使材料(例如，液体、半固体、熔融体等)凝固以使可模制材料保持一形状。固化的材料可以是刚性的或柔韧的。材料固化可以包括光诱导的过程或化学诱导的过程。固化可以在可模制材料暴露于化学物(诸如氧气、水蒸汽或硫)之后发生。光诱导的固化可以通过将可模制材料暴露于促进可模制材料中的交联反应的光频率来触发。在一些实施方式中，触发固化的光频率可以是紫外光。

一些固化过程可以在固化期间对可模制材料的热条件敏感。在室温硫化(RTV)中，可模制材料在室温(大约20℃附近)下固化，而无需暴露于更高的温度。在室温下，固化过程可以以比当正被固化的可模制材料处于大于室温的温度时更低的速率进行。虽然一些室温硫化过程可以在许多小时内完成，但是材料在更高温度下的固化可以在几分钟内完成。适合于对一些可模制材料进行固化的温度可以在从大约20℃至大约100℃或甚至更高的范围内变动。添加剂固化(诸如使用贵金属催化剂(诸如铂)的固化)可以通过升高可模制材料的温度而被显著地加速。

在固化期间将热施加到可模制材料的方法可以包括直接热刺激和间接刺激。直接热刺激可以涉及热到外部模具表面的直接施加和热通过模具到模具型腔中的可模制材料内的传导。可以对具有多个件的金属模具执行直接热刺激，该金属模具的内表面形成模具型腔。金属模具件可以快速地将热从外部模具表面传导到可模制材料内以加速可模制材料的固化。

间接刺激可以包括使用由能量源发出的电磁辐射对模具或模具材料的电磁刺激。电纳是材料的特性，由此材料在暴露于电磁辐射后被加热。电纳的一个范例是微波电纳，其中材料在吸收由能量源发出的微波辐射之后加热。一些材料可以具有非常低的微波电纳，并且当被微波辐射刺激时，不经历显著的温度增益，而其他材料可以在类似的微波辐射刺激后变得温暖得多。通过电磁刺激对材料的加热可以导致不均匀的加热样式。在间接刺激的一个非限制性实施方式中，微波炉的微波发生器可以产生穿透到填充有可模制材料的模具内以引起加热的微波辐射。电磁辐射的其他波长被包括在本公开的范围内，包括光波长和红外波长。与电磁刺激兼容的模具可以包括在其中几乎没有或没有金属的非金属模具件。间接刺激兼容的模具件可以由被形成为刚性模具件的非金属化合物制作。

在一个非限制性范例中，适合于间接刺激的模具可以具有蛤壳形状，并且包括塑料成形的第一(例如，上)件、塑料成形的第二(例如，下)件、以及被配置为在固化过程期间将第一(上)件和第二(下)件保持在一起的塑料销和/或其他部件。在一些实施例中，这样的部件(第一件、第二件、销等)可以具有低微波电纳，使得它们不被微波加热，而且代替地促进来自微波的能量传递到由部件保持的可模制材料中以固化可模制材料。在一些实施例中，这样的部件和/或这样的部件的局部区域形成模具的“冷区”(例如，在温度上保持足够冷使得它们可以被用户操纵的区域)。在一些实施例中，这样的部件(第一件、第二件、销等)可以具有高微波电纳和/或高微波电纳的局部区域，使得它们被微波加热并且它们本身将热辐射到由部件保持的可模制材料中以固化可模制材料。在一些实施例中，这样的部件和/或这样的部件的局部区域可以形成模具的“热区”(例如，足够温暖以将热辐射到可模制材料中以促进可模制材料的固化的区域)。在下面进一步描述这些范例。

非金属化合物可以通过冲压、模压、打印(使用三维(3D)打印机)、机加或使有机材料成形的其他方法被形成为模具件(第一件、第二件、销等)。树脂、塑料、聚合物和其他有机化合物可以适于成形为与间接刺激技术兼容的模具件。在一些实施例中，包括玻璃和其他无金属的无机化合物的模具件可以用于间接刺激过程中。

如上面描述的，一些模具件配置可以用于间接刺激过程中，因为模具型腔中的可模制材料可以由从能量源发出的电磁辐射加热而无需对模具件它们本身的加热。模具件可以被配置为允许电磁辐射穿过模具材料传递到可模制材料中。一些模具件配置可以用于间接刺激程中，因为模具材料(不是模具型腔中的可模制材料)可以由从能量源发出的电磁辐射加热，并且来自模具件的电磁刺激的热可以被传导到由模具件包含的可模制材料中。如本文中描述的，不同的材料在微波中以不同的速率变热。相对于其他材料很好地吸收微波的材料被称为感受器。例如，具有保持的水分的材料将会比没有保持的水分的其他材料更快地变热。具有为微波频率的倍数的共振频率的材料将会很好地加热。温和的导体也将会很好地加热。包含碳颗粒和/或金属颗粒的材料也将会相对于其他材料快速地加热。

在固化过程的一些实施方式中，用于在模具的热区中使用的材料的电纳可以超过模具的冷区中的材料的电纳的1.5倍。材料的电纳可以影响可模制材料的固化温度。可模制材料的固化温度可以与可模制材料周围的模具的总电磁刺激时间有关，并且与电磁刺激发生于其中的热区的部分中的感受器材料的量有关。在固化过程的一些实施方式中，模具材料可以具有低于大约0.0001℃/(W*s*cm³)的电纳。在一些实例中，热区和/或冷区中的模具材料的电纳可以在从大约0.0003℃/(W*s*cm³)至大约0.00001℃/(W*s*cm³)的范围内变动。

在一非限制性实施例中，形成硅树脂或硅橡胶的聚硅氧烷前体材料可能难以通过电磁刺激来加热(例如，硅树脂在微波中不变热并且因此将不会固化，除非与被加热的模具表面接触)。然而，模具可以被配置为经历加热，并且所生成的热可以被传导到前体材料中以加速固化。可能在室温下在许多小时之后完全固化的低电纳材料(诸如添加剂固化的聚硅氧烷)可以在足够的热从电磁加热的模具传递到可模制材料后在更少的时间(例如，少于一个小时)内被完全固化。可以受益于在固化期间暴露于热的加速的固化时间的可模制材料可以包括弹性体、树脂、硅树脂和环氧树脂。

模具件的直接刺激和间接刺激可以导致对可模制材料的非均匀固化和损坏。固化在模具型腔的大体积中完成起来可能比在模具型腔的小体积中更慢。不均匀固化可以由模具型腔的部分体积中的模具材料的热暴露的差异引起。不同的热暴露可以导致可模制材料可以在模具型腔的不同体积中被加热到的峰值温度不同(跨可模制材料的温度差)。不同的热暴露可以导致室温(大约20℃)和/或模具型腔的不同体积的其他温度以上的热暴露的不同持续时间。跨可模制材料的温度差可以与模具件的壁厚和热传导性和/或其他因素相关联。例如，热可以在热传导性大时和/或在模具壁薄时比在模具材料的热传导性小时和/或在模具壁厚时在模具型腔的体积附近更快地穿透到模具型腔中。在一个非限制性范例中，在一个模具区域中具有厚壁的模具可以在厚壁附近表现出比在具有薄壁的模具区域中发生的更慢的到可模制材料的热传递。

另外，除了上面描述的任何热效应之外，非均匀固化可以根据模具型腔的体积的尺寸而发生。跨模具型腔的大尺寸体积的热扩散可以比跨模具型腔的小尺寸体积的热扩散更慢。与通过可模制材料的热扩散相关联的时间也可以影响用于完成模具型腔中的可模制材料的固化的时间。

对模制零件的损坏可以由在固化可以完成之前模制零件从模具型腔的移除引起。与过早零件移除相关联的损坏可以包括零件变形和其他永久损坏。对模制零件的损坏也可以由模制零件的不均匀热暴露引起。在固化过程期间暴露于比模制零件的平均温度更大的温度的模制零件的部分可以由于温度差而被烧毁、褪色、熔化、或变质。

本系统的模具件可以被配置为在模具件的不同体积中具有不同热特性，以便解决非均匀固化和与固化过程期间的不均匀热暴露相关联的损坏。模具件可以在模具件的不同区域中被故意配置有不同的热特性以实现补偿效应。补偿效应可以由模具件的不均匀加热引起。模具件的不均匀加热可以通过将不同材料组合成单一模具件、局部地改变模具件的尺寸和/或使用其他操作来促进。

像硅树脂的热固性材料传统上在金属压缩或注射模具中被固化。这些模具能够被容易地加热，但是制作起来非常昂贵。因此，对于小规模或定制产品，它们是不切实际的。三维打印的模具提供了显著的成本优点，但是非常难以加热，因为通常可用于3D打印的材料具有强隔热性质。

然而，本系统促进3D打印的模具和/或其他模具用于微波加热的定制。在一些实施例中，本系统促进使用聚合物喷射技术和/或促进多种材料以基本上一致方式的混合和打印的其他打印机的模具打印。在一个非限制性实施例中，材料可以通过三维(3D)打印过程被组合成模具件。3D打印过程允许对不同材料在打印物体中的分布的精细控制。因为不同的材料可以具有不同的热特性，所以3D打印可以生成由单一材料或材料的混合物制作的模具的体积。

可以用于模具件的3D打印中的一些材料可以包括有机聚合物，诸如聚氨酯、聚苯乙烯、聚酯、聚丙烯、聚碳酸酯、氰酸酯、丙烯酸树脂和环氧树脂。模具材料的不同热特性可以由材料的化学成分、材料在固化之后的密度和/或其他因素引起。例如，材料的热传导性可以与关于聚合物链的功能组和聚合分子的互连相关。材料的热容可以与材料的化学结构和当材料可以被电磁辐射间接地刺激时分子结构能够将能量耗散在分子中的方式相关。这些可3D打印材料中的一些能够在微波中被快速地加热。由于其隔热性质，它们也非常有效地保持热，并且能够在微波周期已经结束很久之后继续对材料进行固化。

在本系统的一些实施例中，用来形成模具的第一部分(例如，被用户操纵和/或触摸的外部分)的第一模具材料的热特性可以不同于用于形成模具的第二部分(例如，直接包围可模制材料的模具的部分)的第二模具材料的热特性。以100％的浓度被沉积在模具的区域中的第一材料可以具有与包括50％的第一材料和50％的第二材料的模具区域的热特性不同的热特性。材料的组合可以具有在当以100％浓度被使用时个体材料的特性的值的中间的热特性。

在一些实施例中，不同热特性可以与模具制作过程期间的材料沉积的样式相关联。材料可以被沉积在散布点处或在被嵌入在第二材料的区域中的第一材料的管路中(这些范例不旨在为限制性的)。在一些实施例中，材料可以被沉积在平行于模具表面的层中。材料沉积样式的其他变化可以被本领域技术人员所构想，以便调节模具的在模具的内表面附近的区域的热特性。

对模具材料的加热也可以由在模具形成过程期间被包含到模具材料中的材料(例如，添加剂、掺杂物和/或其他额外的材料)引起。例如，掺杂氧化锌可以作为添加剂被添加到模具材料，以促进对模具的特定部分的加热。模具材料可以是单成分材料，或可以是材料的混合物。三维打印可以是将材料的混合物或材料的组合沉积在模具中以用于间接刺激的一种方法。材料的混合物或组合可以包括悬浮在3D打印材料的制剂中的固体材料。被包含到模具内的一些材料可以是意外的掺杂物。例如，水可以在模具形成期间被捕获在模具材料中，使模具材料在暴露于电磁辐射(诸如微波辐射)的形式后更易受加热。

悬浮在3D打印材料的制剂中的固体材料可以包括故意的掺杂物，诸如无机和有机颗粒，包括金属颗粒、非金属无机材料和有机(主要是碳)颗粒。无机微粒可以包括金属颗粒、陶瓷颗粒和其他固体材料。掺杂物可以包括传导性颗粒，诸如金属颗粒、金属锉屑或传导性有机化合物(诸如碳纤维)。掺杂物可以被包括在用于三维打印的模具材料中，以便为模具材料提供结构强度或期望的物理特性，包括压缩强度、抗张强度、升高温度下的稳定性、弹性和颜色。

如上面描述的，在一些实施例中，模具材料的热特性可以根据模具材料的一部分附近的模具型腔的尺寸而改变。模具件可以被配置为具有毗邻模具型腔的大体积的更高峰值温度，以便比加热加速模具型腔的更小体积中的固化更多地加速模具型腔的大体积中的可模制材料的固化。通过调节邻近模具型腔的体积的模具材料的峰值温度，模具型腔的大体积中的可模制材料可以与模具型腔的小体积中的可模制材料的固化成比例地固化。模制零件的更均匀固化可以减少与从模具型腔移除未固化零件相关联的损坏。更大峰值温度可以与模具中的具有吸收来自能量源的电磁辐射的更大倾向或更低热容(使得所吸收的能量更容易地传递到模具型腔中的可模制材料而非加热模具材料本身)的材料相关联。可模制材料的更大峰值温度也可以与模具型腔的一部分附近的材料的更大热传导性相关联。热到模具型腔中的更快速传导可以在对位于其中的可模制材料的加热期间导致模具的更低温度。

图1

图1描绘了在模具的不同区域中具有不同热特性的模具100的实施例的横截面示意图。模具的不同区域可以与具有不同尺寸的模具型腔的区域相关联。如所描绘的，模具100具有蛤壳外观，具有第一件102和可以被耦合到第一件的第二件104。可模制材料可以通过供应管路120被引入到模具型腔108内。源储存器122中的可模制材料可以在阀124的打开后进入模具型腔108，并且可模制材料的流动可以在阀124的关闭后停止。尽管本文中的描述可以涉及蛤壳模具、具有阀的供应管路和其他部件的描绘，但是多件式模具的其他实施例可以被构想并且落在本公开的范围内，如将会被本领域技术人员理解的。

模具100包括热区106和冷区107，热区包括热区区域106A-B，冷区包括冷区区域107A-B。热区106可以是在间接刺激后比冷区107易受更大程度的加热的模具的区域。通过从能量源118发出的电磁辐射116对热区的间接刺激可以在预料到所生成的热扩散到模具型腔中的可模制材料内的情况下对热区进行加热。第一热区106A和第二热区106B分别包含多个热区区域A1-A3和B1-B3。热区区域A1-A3和B1-B3可以被配置为在它们之中具有至少一种不同的热特性(例如，由如下面描述的材料性质、尺寸等的差异引起)，以促进对可模制材料的加热并且诱导模具100中的温度差。热区可以被配置为在电磁刺激后产生热区中的温度差(例如，使得区域A1-A3和/或B1-B3是相同或不同的温度)，以便解决模具型腔中的可模制材料的不均匀固化。

在一非限制性范例中，热区区域A3可以在通过电磁辐射的刺激后比热区区域A1和A2中的任一个实现更大的峰值温度。类似地，热区区域B3可以比热区区域B1和B2中的任一个实现更大的峰值温度。在固化过程的一些实施方式中，热区区域A3和B3可以实现相同的峰值温度。热区区域A3和B3可以根据热区106A和106B的至少一种不同的热特性而实现不同的峰值温度。热区A3和B3可以被配置为比其他热区区域实现更大的峰值温度，因为它们在具有大尺寸110的位置处毗邻模具型腔108。热区A1-A2和B1-B2可以比热区区域A3和B3实现更低的峰值温度，因为它们在具有更小尺寸112的位置处毗邻模具型腔108。毗邻模具型腔的大尺寸体积的热区区域的更高峰值温度可以在比毗邻模具型腔的小尺寸体积的热区区域(诸如热区区域A2和B2)中的更低峰值温度更高的程度上加速其中的固化。相比于利用其中没有不同的热特性的模具固化的类似零件，固化可以以跨模制零件的更均匀的时间完成。在一些实施例中，除了和/或代替区域的位置相对于模具型腔尺寸的依赖，这样的温度差可以通过在不同区域中使用不同材料(例如，具有不同电纳)、改变这些区域中的材料的尺寸、和/或使用如下面描述的其他方法来促进。

从能量源118发出的电磁辐射116可以被均匀地分布在模具100周围以对热区区域进行加热。在一些实施例中，本系统包括能量源118。在一些实施例中，能量源118可以是独立的设备。在一些实施例中，能量源118不是系统的一部分，而是例如由第三方制造商提供的单独设备。在一些实施例中，能量源118可以是微波炉，并且由此生成的电磁辐射116可以源自于炉腔并且被模具或可模制材料吸收。热区106a和106B的不均匀加热可以在更大程度上受通过相应热区或其热区区域A1-A3和B1-B3的不同热特性而非在能量源的操作期间通过模具或在模具附近的电磁辐射的分布影响。

热区可以直接延伸到模具的内表面，和/或可以通过可选缓冲体积114而与模具型腔分开。缓冲体积可以被采用在模具设计中以允许热通过缓冲体积在热区区域之间的可选间隔体积109的位置处的横向分布和/或出于其他原因而被采用。热通过缓冲体积的横向分布可以允许抵靠模具型腔的内表面的可模制材料的更均匀固化，而非具有抵靠模具的内表面的不同固化完成的区。

模具的冷区107可以具有在固化过程、由用户对模具100的操纵、和/或其他操作期间促进热区106中的热保留的第一冷区部分107A和第二冷区部分107B。冷区可以被配置为比热区(和型腔108中的可模制材料)吸收更少的电磁辐射，以便使模具100的外部加热最小化。冷区材料可以将热区和模具型腔108与模具的外表面隔离，以促进对加热的模具100的操纵。例如，冷区材料可以被形成为手柄或把手以在组装期间或当在室温以上的温度下时从能量源移除模具时定位和操纵模具件。冷区材料可以选自具有比热区材料更高的热容的材料和具有更小电纳的材料之中，以便促进对主要为热区配置的功能的可模制材料的加热。

图2

图2描绘了具有第一件102和第二件104的模具100的自顶向下视图。第一件102具有端面表面102A，并且第二件104具有端面表面104A，端面表面能够在模具的使用期间被放置为与端面表面102A直接接触。端面表面102A从通过第一件102和第二件104的接合的组合形成的模具型腔(参见图1中的模具型腔108)的周边111延伸出来。第一件102具有热区106A和冷区107A。第二件104具有热区106B和冷区107B。

热区106A具有多个热区区域A1、A2和A3，并且热区106B具有多个热区区域B1、B2和B3。热区区域通过可选间隔体积109与彼此间隔开。冷区107A包围热区106A，并且冷区107B包围热区106B。热区区域A1-A3和B1-B3可以具有不同的尺寸，包括热区区域的宽度和热区区域到模具主体内的穿透。在间隔体积109被省略的一些实施例中，热区区域可以彼此接触。在一些实施例中，热区区域之间的边界具有跨热区区域之间的边界的热特性的清晰描绘。在一些实施例中，从一个热区区域到第二热区区域的过渡可以具有热区的热特性的逐渐改变。

热区区域A1-A3和B1-B3可以具有不同的热特性。区域之间不同的热特性可以是热区区域的微波电纳。根据一实施例，热区区域A3可以具有大微波电纳以将模具型腔的大尺寸体积加热到第一峰值温度，并且热区区域A1和A2可以具有更小微波电纳以便将模具型腔的小尺寸体积加热到小于第一峰值温度的第二峰值温度。跨热区区域的热区的这种不均匀加热可以抵消模具型腔中的可模制材料的不均匀加热。

毗邻模具型腔的体积的热区区域可以具有相同的热特性，其与热区的其余部分的热特性不同。例如，第二件104中的热区区域B3可以具有与毗邻模具型腔的中心体积的热区区域A3的微波电纳相同的微波电纳。热区区域B3的微波电纳可以大于热区区域B2和B1的微波电纳，这些区域中的微波电纳的比可以与以下项成比例：热区区域A3与热区区域A2和A1之间的微波电纳的比。

在固化过程的一些实施方式中，用于模具的热区中使用的材料的电纳可以是模具的冷区中的材料的电纳的1.5倍。材料的电纳可以影响可模制材料的固化温度。可模制材料的固化温度可以与可模制材料周围的模具的总电磁刺激时间有关，并且与电磁刺激发生于其中的热区的部分中的感受器材料的量有关。在固化过程的一些实施方式中，模具材料可以具有低于大约0.0001℃/(W*s*cm³)的电纳。在一些实例中，热区和/或冷区中的模具材料的电纳可以在从大约0.0003℃/(W*s*cm³)至大约0.00001℃/(W*s*cm³)的范围内变动。

可微波模具(诸如模具100)中的材料的微波电纳可以对于热区材料在从大约0.0001℃/(W*s*cm³)至大约0.0003℃/(W*s*cm³)之间的范围内变动并且对于冷区材料在从大约0.00001℃/(W*s*cm³)至大约0.0001℃/(W*s*cm³)之间的范围内变动。在通过间接刺激进行加热后，热区可以实现大约30℃与50℃之间的峰值温度以便固化模具型腔中的可模制材料。在使用间接刺激的固化过程的一些实施方式中，模具的热区可以在足够的暴露时间和热区中的足够良好的电磁感受器材料的情况下被加热大到从大约40℃至大约100℃的温度。

电磁刺激后的热区温度可以达到多达大约200℃的温度，但是处于对可模制材料和对模具型腔中的在固化过程期间被包覆模制(例如，参见下面的关于图3的讨论)的任何添加零件的损坏的升高的风险。然而，在模具的热区的间接刺激后，一个或多个模具件的冷区可以被配置为实现不大于大约40℃的温度，以当固化可模制材料时对模具进行加热。模具的热区与冷区之间的微波电纳的比(即，热区电纳除以冷区电纳)可以在从大约0.5至大约4.0的范围内变动。冷区材料的微波电纳可以被选择为是尽可能小的，以便保持模具冷却以便操纵，并且减少由冷区中生成的热对可模制材料的意外加热。根据一实施例，冷区材料的微波电纳可以不大于模具中的热区材料的电纳的大约0.75倍，以便在固化期间减少对可模制材料进行过度加热。

图3

图3描绘了被配置为执行包覆模制过程的模具300的实施例的横截面示意图。在包覆模制中，材料件被引入到模具内以便被包括在模制零件中。该材料件可以在固化完成之后提供模制零件的结构刚性、定向柔韧性、抗刺穿性或抗撕裂性。

模具300包括第一件302和第二件304。第一件和第二件包括热区306和冷区307。在由第二件304对第一件302的接合使得表面302A和304A在界面305处被压在一起后，模具型腔308被形成在第一件302与第二件304之间。冷区307(第一件302中的307A和第二件304中的307B)可以被配置为在模具型腔308中的可模制材料的间接加热期间保持冷却。可模制材料可以通过穿透通过冷区307和热区306的供应管路320被引入到模具型腔308内。可模制材料可以从供应储存器322流过供应管路320，并且流动可以通过供应管路320上的流动阀324的打开和关闭来调节。(包覆模制的零件上的)添加零件310被包括在模具型腔308中，并且一旦模具型腔308从供应储存器322被填充，添加零件310的一部分就被可模制材料包围。

在该实施例中，热区306可以被配置为与冷区307具有不同的热特性。热区306可以被配置为在模具暴露于通过来自能量源118的电磁辐射316的间接刺激后比冷区加热到更大的峰值温度。发出电磁辐射的能量源可以包括微波炉(包括用于加热食物的商用微波炉)中的微波发生器，但是发出电磁辐射的其他能量源也被本公开构想。在一些实施例中，能量源发出具有从在从大约3000MHz(兆赫)至大约500MHz的范围内变动的频率的微波辐射，但是其他辐射频率被构想。能量源的一些实施例生成具有大约8cm(厘米)与大约45cm之间的波长的微波辐射。用于加热流体介质的能量源的一些实施例可以在能量源的操作期间生成100与5000W(瓦)之间的电磁辐射，但是其他功率递送水平被构想。来自能量源118的电磁辐射116可以穿透模具300并且刺激对热区306中的模具的加热，使得热从热区中传导出来进入模具型腔308中的可模制材料中以对材料进行固化。模具300可以被配置为使得电磁辐射可以在很大程度上穿过冷区307A-B，同时响应于通过能量源118的电磁刺激而被热区306A-D中的模具材料吸收。

热区306可以是和/或包括多个热区区域306A-D，以便在电磁刺激后生成通过热区的不均匀热量。在热区区域306A-B与添加物体310之间的热区区域306C-D可以被配置为在间接刺激后在比热区区域306A-B更小的程度上加热。比在热区302A-B中更小程度的加热或加热到更低的峰值温度可以是期望的，以便减少在固化过程期间对添加零件310的热暴露。

在一些实施例中，当添加零件310对可模制材料的加速固化的温度范围表现出很小敏感性时，模具型腔周围的热均匀热区可以被采用在模具中。当模具型腔的形状足够均匀时，热均匀热区可以被采用，因为通过热区对可模制材料的均匀(与不均匀相反)加热在不损害可模制材料的情况下提高零件固化速率上最有效。在一实施例中，热区可以完全包围模具的模具型腔，并且模具型腔308中的模具材料的加热可以继续由来自热区的基本上均匀加热引起，该热区进而由辐射源加热。作为一个非限制性范例，热区区域306A-D可以形成遍及被均匀加热的个体热区区域具有相同热特性的单一整体区域(但是被分成模具300的不同半部)。作为另一非限制性范例，热区区域306A和306B可以被配置为实现与热区区域306C和306D相同的温度(例如，在该范例中，借助于它们具有相同厚度、相同密度、和/或如本文中描述的使它们被辐射源加热相同的量和/或以相同的速率被加热的其他性质的事实)。

包覆模制的零件(例如，310)可以在超过热损坏阈值温度后易受热损坏。热损坏阈值温度可以是所包括的材料的熔点，并且当固化的可模制材料的温度变得足够大时，包覆模制的材料可以熔化或变形。具有通过热区的热特性的不均匀分布的模具可以比具有在模具型腔周围具有相同热特性热区的模具更能够适应添加零件的包覆模制。热不均匀热区可以由部分地包围模具型腔的热区、由从不同材料形成的热区的部分、由具有不同尺寸、密度和/或布置(例如，如本文中描述的)的热区的部分、和/或由于其他原因引起。

在诸如模具300的模具的一些实施例中，热区区域302C-D可以被配置为比区域302A-B生成更低的峰值温度。具有热不均匀热区的模具可以包括由具有比热区区域302C-D的材料更大的电纳的模具材料形成的热区区域(诸如302A-B)。由添加材料310经历的峰值温度的进一步修改可以通过增加热区区域306C-D的尺寸以在固化过程期间进一步将添加材料310与模具300中的热区区域306A-B分开来实现。在一些实施例中，热区306可以包括将热区区域(诸如306A和306C)彼此分开的可选间隔区域311。通过在热区中包括间隔区域，由添加材料(诸如添加材料310)经历的峰值温度的进一步降低可以被实现。在本公开的一些实施例中，缓冲材料可以是与用来形成冷区的模具材料相同的材料。在一些实施例中，缓冲材料可以是具有在冷区的电纳与热区的电纳之间的电纳的中间感受器。

热区区域(例如306-D)和周围材料(诸如添加材料310)响应于通过电磁辐射对热区的刺激的峰值温度可以与正被电磁地刺激的感受器材料(例如，用来形成热区306A-D的材料)的总体积、所施加的功率量、所施加的用来启动加热的电磁辐射的波长、正被电磁地刺激的材料的形状(例如，热区306A-D的形状)、正被电磁地刺激的材料遍及模具材料的体积的分布(例如，冷区307A-B中和/或在模具型腔308周围的热区306A-D的布置和/或分布)、模具相距电磁刺激能量源的距离、以及电磁辐射到材料(例如，用来形成热区306A-D的材料)内的穿透距离有关。模具100的修改可以包括模具件的数量、件的取向、模具的元件的形状、不同热区区域在热区中的相对位置、以及包围由内部模具表面形成的模具型腔的热区和冷区的尺寸的修改。

在热区区域(例如，热区区域306A-D中的一个)中，诸如在3D打印过程期间由单一材料成分形成的材料的体积的电纳可以不同于由被打印在该体积内的两种材料成分形成的材料的体积的电纳。材料可以根据用来制作模具的材料的打印样式以在从大约0％至大约100％的范围内变动的浓度被分布在热区的体积内。间隔区域(诸如间隔区域311)中的材料可以是与在毗邻间隔区域的热区(参见热区区域306A、306C)中不同的材料。在一些实施例中，间隔区域材料可以是与在模具的冷区中相同的材料。

热区区域的体积中的材料的浓度可以根据预定的样式通过3D打印两种或更多种材料和/或使用其他方法来调整。通过3D打印来打印的材料的样式可以对于第一材料具有在热区区域中的大约0％与大约100％之间的范围内变动的材料密度。材料可以使用第一材料前体的液滴来沉积，第一材料前体通过例如暴露于具有合适波长的光以触发第一材料前体的固化而被固化在模具基板上以形成第一材料。第一材料前体和第二材料前体的液滴可以在模具形成期间以样式方式被沉积在模具基板的表面上。

图4

图4描绘了热区400的材料的沉积样式的实施例的自顶向下视图。热区400可以包括沉积样式402，其中沉积样式具有阵列404和场406。在一个非限制性实施例中，阵列404可以包括具有比构成沉积样式402的场406的第二材料更高的电纳的第一材料。在一个非限制性实施例中，阵列404可以包括具有比由充当用于热区区域的主要感受器的第一材料制作的场406更低的微波电纳的第二材料。沉积样式402可以由第一材料前体和第二材料前体在模具基板上的沉积和固化引起。第一材料前体和第二材料前体可以是通过诸如3D打印的方式结合前体的光诱导的固化被沉积在模具基板上的液体前体和/或其他材料。第一材料前体和第二材料前体可以是根据沉积样式402被沉积并且被熔融以成为模具基板的一部分的固体材料。沉积固体材料可以包括使用基于粉末的3D打印的形式的沉积。

形成沉积样式402并且利用可配置的微波电纳制造模具的其他方法可以对本领域普通技术人员是显而易见的。一系列特征尺寸可以根据沉积样式402中的第一材料的期望总体密度被包括在阵列404中。多个尺寸和形状的特征可以被包含到沉积样式中，以便调节热区中的第一材料的密度。特征可以是正方形的、矩形的、圆形的、略圆的、环形的、线性的(例如，参见被沉积样式422中的场426的材料分开和包围的第一材料424的管路)，并且具有被选择为调整热区沉积样式中的第一材料的总密度的其他形状。

根据本公开的一些实施例，多种材料可以被包括在沉积样式中，以便将每种材料的不同热特性包含在沉积样式中。在一个非限制性范例中，沉积样式428中的第一材料的管路430可以由包括第二材料的场426的材料包围，并且使第三材料的管路432位于第一材料的管路430之间。通过在场426中包括两种材料，热区区域的第一热特性可以与热区区域的第二热特性部分地分离。场426中的第一材料和第二材料的组合可以允许沉积样式428可以位于其中的热区区域的热特性的部分独立配置。在一非限制性实施例中，具有第一热区的第一材料可以被选择用于第一热特性，诸如对通过电磁辐射刺激的加热的电纳，并且第二材料可以被选择用于不同的热特性，诸如热传导性。

图5

图5描绘了用于制作模具的实施例的方法500的流程图。方法500可以包括第一操作502，其中确定模具相对于可模制材料的初始热暴露剖面。模具相对于可模制材料的初始热暴露剖面可以与正被固化的材料、模具的模具型腔的总体积、以及与原型制作和/或制造过程相关联的其他参数相关。例如，模具相对于可模制材料的初始热暴露剖面可以指示相对于可模制材料在暴露于微波辐射时改变温度的速率的模具(和/或用来形成模具的个体材料、和/或模具的个体区域)改变温度的速率。

方法500可以包含：第二操作504，其中基于初始热暴露剖面来选择用于模具件的至少一种热区材料；以及操作506，其中基于初始热暴露剖面来选择用于模具件的至少一种冷区材料。至少一种冷区材料可以被选择为缓和自模具的热区的热损失的速率，这能够影响在模具的模具型腔周围的热区中和在位于其中的可模制材料中生成期望温度的能量输入。热损失可以通过增加包围模具型腔的一些或全部的冷区和对模具型腔进行加热的热区的尺寸来缓和。热损失可以通过选择具有低热传导性的冷区材料、减慢从模具型腔中出来的热耗散来缓和。热损失可以通过包含在模具形成过程期间被成形为包括隔热体积的冷区材料的体积来缓和。在一些实施例中，隔热体积可以是被形成在模具主体中的气穴、不同材料的体积和/或其他体积。在一些实施例中，隔热体积可以是具有与冷区材料的其余部分不同的密度的材料的部分。在一些实施例中，隔热体积可以是具有与冷区材料的其余部分不同的热传导性的材料的部分。

方法500可以包含可选操作508，其中针对对热区和/或冷区的材料和/或尺寸的可能修改来对模具型腔进行评估。例如，具有具备大尺寸的部分体积的模具型腔可以在固化期间通过具有比具有更小尺寸的模具型腔的部分体积更强的微波吸收特性的一个热区区域(或多个热区区域)被加热到期望温度。一种热区区域材料(和/或多种热区区域材料)的微波吸收可以通过修改热区区域的尺寸同时保持材料的固有电纳不变(即，通过在大体积附近的热区区域中使用更多单一感受器材料)来改变。热区区域的微波吸收可以通过选择具有更大固有电纳的不同材料来修改，或可以通过修改热区区域中的感受器材料的密度(例如，诸如通过在感受器材料的小段之间沉积填充材料)来修改。

方法500可以包括可选操作510，其中，基于可选操作508的评估结果，做出关于是修改热区还是保持热区不变的确定。该确定可以是基于模具型腔的部分体积的尺寸比。具有大体积的模具型腔的部分体积可以超过尺寸阈值，其中可以预料到在热区中的均匀分布下的单一热区材料导致可模制材料的不均匀加热，导致对模制零件的损坏和/或固化规范之外的不均匀固化。尺寸阈值可以是模具型腔的大部分体积与小部分体积的最大尺寸之间的百分比差。

方法500可以包括可选操作512，其中模具的初始热暴露剖面被修改以产生模具的经调整的热剖面。导致经调整的热剖面的修改可以包括修改热区的尺寸、在热区区域之间添加缓冲材料、将热区划分成多个热区区域、为至少一个热区区域选择不同材料、修改热区区域中的热区材料的打印密度、以及修改热区与模具型腔之间的尺寸。方法500还可以包括操作514，其中根据经调整的热剖面或初始热剖面、根据可选操作510(如果被执行的话)的确定或初始热暴露剖面(如果可选操作510不被执行的话)来形成模具的件。

在权利要求书中，放置在括号内的任何附图标记不得被解释为限制权利要求。词语“包括(comprising)”或“包括(including)”不排除在权利要求书中所列举的那些以外的元件或步骤的存在。在枚举了若干单元的设备权利要求中，这些单元中的若干可以由同一项硬件实现。元件前的词语“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在。在枚举了若干单元的任何设备权利要求中，这些单元中的若干可以由同一项硬件实现。在互不相同的从属权利要求中记载了特定元件并不指示不能组合使用这些元件。

尽管出于说明性目的基于当前被认为最实用且优选的实施例，以上提供的描述提供了详细说明，但是应理解，这种详细说明仅是出于该目的，并且本公开不限于明确公开的实施例，而是相反，旨在覆盖在权利要求书的精神和范围内的修改和等价布置。例如，应理解，本公开预见，在可能的程度上，任何实施例的一个或多个特征能够与任何其他实施例的一个或多个特征相组合。

Claims (12)

1.一种用于固化可模制材料的系统，所述系统包括：

模具(100、300)，其包括形成模具型腔(108、308)的内部模具表面，所述模具由被配置为吸收由能量源(118)发出的电磁辐射(116)的多种材料形成，所述模具具有热区(106、306)和冷区(107、307)，所述热区和所述冷区具有它们的包括至少一种不同的物理特性的材料使得所述热区和所述冷区以不同的速率吸收所述电磁辐射，其中，所述热区相比于所述冷区以更高的速率吸收电磁辐射，

其中，所述热区包含多个热区区域(106A-B、306A-D)，

其中，所述模具还包括被布置在热区区域之间和/或在热区区域与所述模具型腔之间的间隔区域(109、311、114)，并且

其中，所述间隔区域由具有在所述冷区的电纳与所述热区的电纳之间的电纳的材料制成。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述模具型腔(108、308)在第一位置处被配置有第一尺寸并且在第二位置处被配置有第二尺寸，并且其中，所述热区(106、306)被配置为在暴露于电磁辐射(116)后在毗邻所述第一位置的第一区域中实现第一温度并且在毗邻所述第二位置的第二区域中实现第二温度，所述第一温度大于所述第二温度。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一区域中的第一热区材料不同于所述第二区域中的第二热区材料。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一尺寸大于所述第二尺寸。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一区域被配置为具有第一电纳，并且所述第二区域被配置为具有第二电纳，所述第一电纳大于所述第二电纳。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热区的区域的电纳由具有第一电纳的第一材料和具有第二电纳的第二材料的沉积样式来确定，所述第一电纳大于所述第二电纳。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，用于生成电磁辐射的所述能量源(118)形成所述系统的部分。

8.一种由被配置为吸收由能量源(118)发出的电磁辐射(116)的多种材料制作模具(100、300)的方法，包括：

选择用于所述模具的热区(106、306)的第一材料；

选择用于所述模具的冷区(107、307)的第二材料，所述热区和所述冷区包括至少一种不同的物理特性使得所述热区和所述冷区以不同的速率吸收所述电磁辐射，其中，所述热区相比于所述冷区以更高的速率吸收电磁辐射；

选择用于所述模具的间隔区域(109、311、114)的第三材料，其中，所述第三材料是具有在所述冷区的电纳与所述热区的电纳之间的电纳的材料；并且

形成所述模具，所述模具包括形成模具型腔(108、308)的内部模具表面，

其中，所述热区被形成为包含多个热区区域(106A-B、306A-D)，并且

其中，所述间隔区域被布置在热区区域之间和/或在热区区域与所述模具型腔之间。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：测量所述模具的所述模具型腔；并且确定所述模具型腔的第一尺寸是否超过所述模具型腔的第二尺寸预定阈值。

10.根据权利要求7所述的方法，还包括将所述热区(106、306)划分成至少两个区域，其中，所述至少两个区域中的第一区域毗邻所述模具型腔(108、308)的具有第一尺寸的第一部分，并且所述至少两个区域中的第二区域毗邻所述模具型腔的具有第二尺寸的第二部分，所述第二尺寸小于所述第一尺寸。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，形成所述模具(100、300)还包括：

形成所述热区(106、306)的具有第一电纳的所述第一区域；并且

形成所述热区的具有第二电纳的所述第二区域，所述第一电纳大于所述第二电纳。

12.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述热区(106、306)划分成至少两个区域，其中，所述至少两个区域中的第一区域具有第一电纳，并且第二区域具有第二电纳，所述第一电纳不同于所述第二电纳，电纳差异由第一热区材料在所述第一区中的第一分布密度和所述第一热区材料在所述第二区中的第二分布引起。

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