CN111546621A - 用减去剂进行表面微纹理化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用减去剂进行表面微纹理化的方法。公开了一种使基底表面微纹理化的方法，该方法包括将保护层打印在基底表面上以限定基底表面上的暴露表面区域。该方法还包括通过从暴露表面区域移除材料而在基底表面上形成微纹理，以及从基底表面移除保护层。

Description

用减去剂进行表面微纹理化的方法

技术领域

本公开涉及用于使表面微纹理化的系统和方法。更具体地，所公开的实施例涉及减去剂的受控施加以在表面上形成微结构。

背景技术

用于减阻、增加升力或其他可期望的空气动力学特性的空气动力学表面的纹理化是正在进行的研究领域。潜在的应用范围从高尔夫球到冲浪板到飞机。然而，实际制造耐用的表面纹理仍然是实现的障碍，特别是对于经济上可行的大规模生产。现有的制造方法通常缓慢、昂贵和/或生产有限耐久性的材料。

肋条微结构是减阻表面纹理的实施例，其已经被研究了几十年，被证明提供了高达10％的表皮摩擦的减小，但是由于制造挑战，还没有在商用飞行器上实现。肋条是交替的脊和凹槽的图案，大致与气流的方向对准，其通过抑制边界层中的湍流来减小阻力。尖锐、窄的脊是最有效的，并且尽管适当的间距取决于预期的流动条件，但典型的间距是千分之一英寸(mil)或几十微米(μm)的数量级。

诸如机械加工或研磨的传统方法不能很好地适用于这种小尺寸结构的精确制造。当前的技术包括将肋条模制在例如塑料膜的材料的薄片材中，然后将薄片材施加到空气动力学表面。然而，这种片材在大面积上的精确定位和成功粘结可能是困难且耗时的，并且塑料膜可能在大气条件下降解。

本公开正是针对这些和其他考虑而提出的。

发明内容

本公开提供了涉及使基底表面微纹理化的系统、设备和方法。在一些实施例中，一种使基底表面微纹理化的方法可包括将保护层打印在基底表面上以在基底表面上限定暴露表面区域。该方法还可以包括通过从暴露表面区域移除材料而在基底表面上形成微纹理，以及从基底表面移除保护层。

在一些实施例中，用于在基底表面上产生微纹理的设备可包括保护层贮存器、打印机和控制器。打印机可以包括喷嘴组件，该喷嘴组件被构造成将保护层从保护层贮存器分配到基底表面上。控制器可以被编程为使第一喷嘴组件相对于基底表面移动，从而以暴露蚀刻表面区域的图案将保护层沉积在基底表面上，所述蚀刻表面区域被构造成在基底表面上产生微纹理表面。

在一些实施例中，用于在基底表面上产生微纹理的方法可以包括将喷嘴连接到打印机，喷嘴被构造成将保护层沉积到基底表面上。该方法还可以包括通过喷嘴将保护层以限定微纹理中的最高点的位置的图案打印到基底表面上。该方法还可以包括从最高点的位置之间的基底表面移除材料，以及从基底表面移除保护层。

特征、功能和优点可以在本公开的各种实施例中独立地实现，或者可以在其他实施例中组合，其进一步的细节可以参考以下描述和附图来看到。

附图说明

图1是根据本公开的方面的说明性微纹理的示意图。

图2是另一个说明性微纹理的示意图。

图3是包括微纹理外表面的说明性飞行器的示意图。

图4是如本文所述的说明性微纹理化打印机设备的示意图。

图5是如本文所述的另一个说明性微纹理化打印机设备的示意图。

图6是说明性基底表面的示意图。

图7是打印到图6的基底表面上的保护层的液滴的示意图。

图8是固化到图6的基底表面上的保护层液滴的示意图。

图9是喷射到图6的基底表面上的蚀刻剂的示意图。

图10是图6的材料被移除的基底表面的示意图。

图11是形成在图6的保护层被移除的基底表面上的微纹理的示意图。

图12是描绘根据本教导的用于使基底表面微纹理化的说明性方法的步骤的流程图。

图13是描绘说明性飞行器制造和维修方法的步骤的流程图。

图14是说明性飞行器的示意图。

具体实施方式

用于使表面微纹理化的方法和相关设备的各个方面和实施例在下面描述并在相关附图中示出。除非另外指明，根据本教导的方法或设备和/或其各种部件可以但不是必需包含本文描述、示出和/或并入的结构、部件、功能和/或变型中的至少一者。此外，除非明确排除，否则结合本教导描述、示出和/或并入本文的过程步骤、结构、部件、功能和/或变型可以包括在其他类似的装置和方法中，包括在所公开的实施例之间是可互换的。以下对各种实施例的描述本质上仅是说明性的，并且决不旨在限制本公开、其应用或用途。另外，由下面描述的实施例提供的优点本质上是说明性的，并且不是所有的实施例都提供相同的优点或相同程度的优点。

该详细描述包括以下部分，其紧接着以下：(1)概述；(2)实施例、部件和替代物；(3)说明性组合和附加实施例；(4)优点、特征和益处；以及(5)结论。实施例、部件和替代部分被进一步划分为子部分A到C，每个子部分被相应地标记。

概述

通常，根据本教导的使表面微纹理化的方法可包括将掩蔽材料受控沉积到基底的表面上。可以在表面上以图案沉积掩蔽材料的液滴，并且随后可以将减去剂施加到表面。可以选择掩蔽材料和/或减去剂，使得掩蔽材料防止被减去剂溶解，掩蔽材料与基底不反应，掩蔽材料与减去剂不反应，和/或掩蔽材料是惰性的。在一些实施例中，在施加减去剂之前，掩蔽材料可以被固化、干燥和/或结合。

可以允许减去剂溶解基底表面的未被沉积的掩蔽材料覆盖的那些区域的一部分。然后可以从基底移除减去剂和溶解的材料。例如通过施加相应的溶剂，可以从基底移除掩蔽物。可以选择保护层液滴沉积的图案、液滴尺寸和其他因素例如在移除减去剂之前流逝的时间，以在基底的表面上形成期望的微纹理。根据本教导的方法也可以被描述为将微纹理蚀刻和/或化学铣削到表面中。

根据本教导的使表面微纹理化的方法可以至少部分地利用喷墨打印机、喷墨式打印机设备和/或包括按需滴定的打印头的打印机组件来执行。掩蔽材料由此可以被打印到基底的表面上。喷墨打印机或打印机组件可以包括机器人组件。喷墨打印机或打印机组件可以包括可编程控制器，其可以被编程为将掩蔽材料沉积到基底的弯曲表面上。喷墨打印机或打印机组件可以附加地或替代地包括控制系统，该控制系统被构造成允许由用户实时控制和/或响应于诸如传感器数据的实时反馈而动态地改变沉积。例如，控制系统可以响应于测量的表面位置和编程的表面位置之间的差异来改变沉积的掩蔽材料的体积。

该基底可以是制造的零件、部件和/或制品的材料的顶层，和/或可以是用于制造零件、部件和/或制品的材料的顶层。基底可以是材料的牺牲部分，可以包括附加制造的层，和/或可以包括施加到材料的层。例如，基底可以包括飞行器机翼蒙皮的铝的一部分，可以包括在完整飞行器的一些或全部上的油漆涂层，和/或可以包括固化到用于飞行器外表面制造的复合物上的聚合物。可以施加层为了形成微纹理的目的和/或可以旨在用于其他功能，例如基底的保护涂层。基底可以包括单一材料、材料的组合和/或可以是复合材料。

减去剂可以包括适于溶解基底的任何化学品和/或化学品的组合。减去剂也可以称为蚀刻剂和/或化学铣削剂。减去剂可以根据待被微纹理化的基底的材料来选择。还可选择减去剂以获得期望的蚀刻强度或潜力，和/或期望的粘度或其他流体动力学特性。选择合适的减去剂可便于以期望的尺度和期望的精度产生微纹理。

该掩蔽材料可包括适于保护该基底免受该减去剂影响的任何化学品和/或化学品的组合。掩蔽材料也可以称为保护层和/或抗蚀剂。可以根据所选择的减去剂和/或待进行微纹理化的基底来选择掩蔽材料。也可针对期望的结合特性、固化时间、移除容易性和/或期望的粘度或其他流体动力学特性来选择掩蔽材料。

微纹理可以包括微米或纳米尺度结构的图案，其可以被称为表面特征或微结构。根据本教导的使表面微纹理化的方法也可以被描述为通过使用减去剂移除围绕选定特征位置的材料来产生表面特征。

微纹理的表面特征可能是肉眼不可见的。换句话说，各个表面特征可能需要使用放大以进行光学辨别。然而，形成微纹理的多个表面特征可以改变表面的整体视觉特性，例如反射率。表面特征可与入射在微纹理表面上或在其上流动的诸如空气和水的流体相互作用，以影响表面的流体动力学。图1和图2示出了具有期望的流体动力学效果的两种说明性的微纹理。这里描述的方法和设备也可以应用于创建当前已知或至今未知的其他微纹理和/或表面特征。

图1是肋条微纹理20的图示，其包括交替的肋条22和凹槽24的图案。肋条还可以被描述为脊、微肋条和/或线性突起。如上所述，当与气流方向对准时，肋条通过抑制空气的边界层的底部附近的横向湍流运动来减小表皮摩擦阻力。肋条的有效性和减阻的程度取决于气流的特性，例如雷诺数和肋条的多个参数。每个肋条22具有从相邻凹槽24的底部到肋条的尖端测量的高度26，以及尖端宽度28。相邻的肋条22以距离30间隔开。换句话说，凹槽24的宽度由肋条尖端之间的间距(即距离)30限定。

在本实施例中，描绘了圆齿状的肋条形状，但是肋条可以具有包括三角形和叶片轮廓的各种轮廓。通常，对不同肋条轮廓和几何形状的减阻的研究表明，尖锐、窄的肋条是最有效的。间距30可以根据预期的雷诺数确定。例如，3和4密耳之间或75和100μm之间的间距对于雷诺数为1.7是有效的，雷诺数是典型的在35,000英尺的高度以马赫数0.85的飞行。又例如，选自1与10密耳之间或25与250μm之间的范围的间距可对以许多常规速度和高度的飞行有效。高度26可以相对于间距30确定。已经示出一半间距(即距离)30或更大的高度是最有效的。例如，对于3和4密耳之间或75和100μm之间的间距，高度26可以选自15至20密耳或35至50μm的范围。

用于特定表面和/或应用的湍流模型可以用于计算流体动力学(CFD)计算中以设计有效的肋条图案和/或尺寸。有效的肋条参数可以在表面上变化，特别是具有复杂曲率的表面。例如，在远离表面的前边缘的区域中，与邻近前边缘的区域相比，更大的肋条间距30可以产生改进的减阻。

图2是说明性人造荷花微纹理40的图示，其也可以称为荷叶微纹理和/或荷叶表面。天然荷叶的表面覆盖在高度和宽度为约10至20μm的乳突中。这些乳突与蜡涂层一起使叶的表面超疏水。表面上的水液滴具有接近或超过150度的接触角，从而使对表面的粘附最小化。已经研究了人造超疏水微结构和纳米结构用于多种应用，尤其是在生物技术中。还已经建议将这种结构用于飞行器表面上的防污和防冰应用。

图2中所示的人造荷花微纹理包括圆形塔42和槽44的图案。纹理可被描述为具有统一的粗糙度。每个塔42具有从相邻槽44的底部到塔的最高点测量的高度46。槽44的宽度由塔最高点之间的间距48限定。通常，最小化塔42的宽度和增加间距48可增加表面的接触角和疏水性。

图3是包括减阻微纹理表面的说明性飞行器60的图示。飞行器的外蒙皮62包括多个减阻区域64，其具有诸如肋条的微纹理。减阻区域64覆盖了外蒙皮62的大部分，包括机翼66和机身68。然而，外蒙皮62的一些空气动力学上不同的部分(诸如机翼66的前边缘70)不包括微纹理。减阻区域64的适当且有效的布置可形成飞行器60的空气动力学设计的一部分。

在所描述的实施例中，飞行器60是商用喷气式飞机。减阻区域64也可以用在其他飞行器例如直升机或无人机的外蒙皮上，或者用在其他交通工具例如汽车、火车或轮船的外表面上。在一些实施例中，可以组合和/或代替减阻区域64而使用具有其他期望的流体动力学效果的超疏水区域和/或领域。在一些实施例中，使用本文所述的方法或设备产生的微纹理表面可应用于非交通工具系统，诸如运动装备、投射物和/或具有经受流体动力学效果的表面的任何系统。

用于使表面微纹理化的方法或设备的方面可以体现为计算机方法、计算机系统或计算机程序产品。因此，方法或设备的方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例的形式，所有这些在本文中一般可以被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，方法或设备的方面可以采取呈现在计算机可读介质(或多个介质)中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质(或多个介质)具有计算机可读程序代码/指令呈现在其上。

可以利用计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质和/或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以包括电子、磁、光、电磁、红外和/或半导体系统、设备或装置，或者这些的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的实施例可以包括以下：具有一个或多个导线的电连接件、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储装置、磁存储装置和/或这些和/或类似设备的任何合适的组合。在本公开的上下文中，计算机可读存储介质可以包括任何合适的非暂态有形介质，其可以包含或存储由指令执行系统、设备或装置使用或与指令执行系统、设备或装置结合使用的程序。

计算机可读信号介质可以包括例如在基带中或作为载波的一部分传播的数据信号，其中传播的数据信号具有呈现在其中的计算机可读程序代码。这种传播信号可以采取多种形式中的任何一种，包括但不限于电磁、光和/或其任何合适的组合。计算机可读信号介质可以包括不是计算机可读存储介质并且能够通信、传播或传输程序以供指令执行系统、设备或装置使用或与其结合使用的任何计算机可读介质。

可以使用任何适当的介质来传输呈现在计算机可读介质上的程序代码，包括但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等和/或这些的任何合适的组合。

用于执行使表面微纹理化的方法的各方面的操作的计算机程序代码可以用编程语言之一或其任意组合来编写，所述编程语言包括面向对象的编程语言，诸如Java、Smalltalk、C++等，以及常规的过程编程语言，诸如C。移动应用可以使用任何合适的语言来开发，包括先前提到的那些语言，以及目标-C、Swift、C#、HTML5等。程序代码可以完全地在用户的计算机上执行，部分地在用户的计算机上执行，作为独立的软件包执行，部分地在用户的计算机上并且部分地在远程计算机上执行，或者完全地在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，和/或可以连接到外部计算机(例如，通过使用因特网服务提供商的因特网)。

以下参考方法、设备、系统和/或计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述使表面微纹理化的方法的各方面。流程图和/或方框图中的每个方框和/或方框的组合可以由计算机程序指令实现。计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或方框图一个或多个方框中指定的功能/动作的装置。在一些实施例中，机器可读指令可以被编程到可编程逻辑装置上，例如现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑控制器(PLC)。

这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，其可以引导计算机、其他可编程数据处理设备和/或其他装置来以特定方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实现流程图和/或方框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的指令的制品。

计算机程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理设备和/或其他装置上，以使得在该装置上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现流程图和/或方框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的过程。

附图中的任何流程图和/或方框图旨在示出根据使表面微纹理化的方法的各方面的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和/或操作。在这点上，每个方框可以表示代码的模块、段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些实现方式中，在方框中标注的功能可以不按附图中标注的顺序发生。例如，连续示出的两个方框实际上可以基本上同时执行，或者这些方框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。每个方框和/或方框的组合可以由执行指定功能或动作的专用的基于硬件的系统(或专用硬件和计算机指令的组合)来实现。

实施例、部件和替代物

以下部分描述了利用减去剂使表面微纹理化的示例性方法的选定方面以及相关系统和/或设备。这些部分中的实施例旨在说明，而不应被解释为限制本公开的整个范围。每个部分可以包括一个或多个不同的实施例，和/或上下文或相关的信息、功能和/或结构。

A.说明性微纹理化打印机设备

如图4和图5所示，本部分描述了用于使表面微纹理化的两个说明性设备。图4所示的微纹理化设备100可适用于有限尺寸的物体或材料上的表面。也就是说，设备100可以适用于可以被支撑在打印平台104上和/或在打印平台104上进给的工件102。图5所示的微纹理化设备200可适用于大型或复杂表面，并可构造成相对于大型工件202具有移动性。

微纹理化设备100包括打印机106，其中台架108设置在打印平台104之上。喷嘴组件110安装在台架108上。台架包括一个或多个x轴马达112和z轴马达114，并且打印平台104包括一个或多个y轴马达116。台架108和打印平台104一起提供对喷嘴组件110相对于工件102定位的控制。在一些实施例中，台架108还可以包括旋转致动器，以允许控制喷嘴组件110相对于工件102的定向。所描述的实施例对于具有平坦表面的工件可能是有效的，而包括定向控制的设备可以允许弯曲和/或复杂表面的微纹理化。

喷嘴组件110包括具有一个或多个喷嘴的喷墨打印头。因此，打印机106可以被称为喷墨打印机。喷墨打印头可以基于热气泡、压电和/或任何有效原理来操作。在一些实施例中，喷嘴组件110可以包括适于流体液滴的受控沉积的其他机构。喷嘴组件110从墨盒或贮存器120中被供应保护层流体118。贮存器和喷嘴组件均包括和/或衬有适于输送保护层流体118的材料。

微纹理化设备100还包括控制器122和电源124。控制器122可以是从增材制造打印机和/或油墨打印机适配的标准控制器。控制器122也可以被特别设计用于控制打印机106。

控制器122可以是适于实现根据本公开的各方面的微纹理化控制的各方面的可编程逻辑控制器系统(也称为PLC系统)。控制器可以是数据处理系统的实施例。控制器122包括中央处理单元(CPU)126和用于存储执行相关自动化任务所需的指令和参数的存储器128。

控制器122包括与一个或多个输入装置/传感器接收通信的输入模块130，以及与一个或多个输出装置输出通信的输出模块132。输入模块130可以将来自输入装置/传感器的模拟信号转换成控制器可以使用的数字和/或逻辑信号。在评估输入连同已知的输出状态和存储的程序参数和指令时，CPU 126可以执行一个或多个预定命令以控制一个或多个输出装置，例如喷嘴组件110和/或马达112、114、116。输出模块132可以将来自CPU 126的控制信号转换成可以用于控制各种输出装置的数字或模拟信号。

输入模块130和输出模块132还可以允许利用可以连接到控制器122的其他装置输入和输出数据。例如，输入模块130可提供用于温度或压力测量、喷嘴状态、蚀刻剂贮存器水平状态、其他合适的输入装置的连接。输出模块132可以将输出发送到致动器、指示器、马达控制器、机器、显示器和/或任何其他合适的输出装置。

编程装置可与控制器122相接以便于指令和设置的输入和/或监测打印机操作。编程装置可以包括例如手持计算机或个人计算机。在本实施例中，控制器122经由诸如通用串行总线(USB)连接的硬连线连接而连接到台式计算机134。控制器可以被构造成接收来自在计算机134上运行的程序的指令，例如打印机驱动程序。在一些实施例中，微纹理化设备100可以包括可在计算机上执行以产生用于打印机驱动程序和/或控制器122的指令的软件。

打印机106可以附加地或替代地包括与控制器122通信的人机接口(HMI)。HMI可便于与打印机过程和控制用户友好和交互式相接。HMI还可以帮助操作者确定打印机条件、改变打印机设置、显示故障、和/或基于测量或观察结果对打印过程进行实时改变。HMI和/或编程装置可提供与其他数据处理系统或装置的通信，例如，通过使用物理和/或无线通信链路。

打印机106被构造成将保护层流体118打印到工件102的表面136上。打印可包括将保护层流体118的液滴从贮存器120通过喷嘴组件110以限定对应于微纹理的暴露表面区域的图案分配到表面136上。控制器122被编程为使用马达112、114、116相对于表面136移动喷嘴组件110。如上所述，控制器122可使用HMI和/或通过从诸如计算机134的编程装置传输指令来编程。控制器122的编程也可被称为打印机106和/或微纹理化设备100的编程。

在一些实施例中，打印机106可以被编程为在表面136上打印被构造成产生肋条的图案。在这样的实施例中，喷嘴组件110可被构造成分配保护层流体118的液滴，该液滴的尺寸被构造成产生具有1至10μm范围内的尖端宽度28的肋条22(参见图1)。打印机106可以被构造和/或编程以产生任何期望尺寸的肋条22。在一些实施例中，打印机106可以被编程为打印被构造成在表面136上产生人造荷叶结构的图案。

在一些实施例中，微纹理化设备100还可以包括和/或连接到传感器和/或其他数据系统，传感器和/或其他数据系统被构造成提供和/或评估与打印过程相关的数据。例如，微纹理化设备可包括相机，以在保护层流体118的沉积期间和/或之后捕获基底表面的图像。图像可由控制器122和/或连接的计算机134分析，以评估被沉积的保护层流体覆盖的区域和图案。存储在控制器122上或从计算机134接收的指令可以基于该评估启动附加的打印过程。在一些实施例中，可以存储所收集的数据、数据分析和/或评估以用于稍后的回顾。这种实时反馈和存储的信息可以允许制造质量的立即和最终改进。

在一些实施例中，微纹理化设备100还可包括被构造成有助于执行如本文所述的使表面微纹理化的方法的其他步骤的装备。例如，设备100可以包括用于蚀刻剂流体的喷嘴组件和/或贮存器。又例如，设备100可以包括用于在表面136上均匀输送诸如蚀刻剂、溶剂或水的流体的喷射器。又例如，设备100可以允许打印平台104浸没到流体浴中，所述流体例如蚀刻剂、溶剂，或清洁剂，例如水。

如图5所示，微纹理化设备200包括具有第一机器人臂204和第二机器人臂206的机器人系统。每个机器人臂204、206包括喷嘴组件。在本实施例中，第一机器人臂204包括保护层喷嘴组件210，第二机器人臂206包括蚀刻剂喷嘴组件212。保护层喷嘴组件210被构造成分配保护层流体的液滴，例如氯丁橡胶、共聚物和/或蜡。蚀刻剂喷嘴组件212被构造成分配蚀刻剂流体的液滴，例如酸、酮、溶剂和/或腐蚀剂。每个喷嘴组件可包括喷墨打印头和一个或多个喷嘴。喷嘴组件210和212也可以描述为作为末端执行器安装在机器人臂204和206上的小型发动机。

第一机器人臂204和第二机器人臂206可以均包括单独的控制器或者可以连接到共享的控制器。所述一个或多个控制器可以是可编程逻辑控制器，如上文参考微纹理化设备100的控制器122所述。在一些实施例中，机器人系统可以包括除臂之外的致动器，可以包括支撑多个喷嘴和/或其他末端执行器的单个机器人臂，可以包括自动化台架，和/或可以包括用于喷嘴组件的任何有效的可移动支撑件。

在本实施例中，每个机器人臂204、206是六轴工业机器人。换句话说，每个臂被铰接以具有六个自由度并且可以围绕六个不同的轴旋转。设备200可包括任何机器人臂和/或系统，其提供足够的运动范围以处理工件的选定表面。本实施例的六轴机器人可提供最大的运动范围，从而允许微纹理化设备200用于最广泛的各种表面和工件几何形状。对于不包括保护层的施加的微纹理化方法，微纹理化设备200可仅包括第二机器人臂206。

在所描绘的实施例中，工件202是飞行器机翼的一部分，并且上飞行表面208被示出为中途经过微纹理化过程。在一些实施例中，工件202可以包括从复合材料的卷展开的柔性材料的片材。在一些实施例中，工件202可包括组装的飞行器的一部分，并且微纹理化设备200可邻近飞行器定位。工件202可以是平坦的，可以具有如图5所示的单个方向上的曲率，可以具有在表面上相异的复杂曲率，和/或可以具有任何几何形状。

工件202可由微纹理化设备200的一部分支撑在工作表面上，和/或可为自支撑的。微纹理化设备200可以是可移动的，并且机器人臂204、206可以相对于工件202重新定位。机器人臂还可以相对于彼此可重新定位。在一些实施例中，微纹理化设备200可包括适于相对于机器人臂204、206平移和/或旋转工件202的支撑系统。例如，微纹理化设备200可被构造成旋转柱形工件，以允许通过第一喷嘴组件210和第二喷嘴组件212接近外表面的所有区域。

机器人臂204被编程为以图案214将保护层流体打印到飞行表面208上。该图案可以限定多个暴露表面区域216，其也可以被称为蚀刻表面区域。图案214可以对应于微纹理中的最高点的位置。在所描绘的实施例中，图案214包括对应于多个肋条的最高点的多个平行线。机器人臂206被编程为将蚀刻剂打印到飞行表面208的暴露表面区域216上。在图5中，表面208被示出具有打印在暴露表面区域216中的三个上的保护层和蚀刻剂的完整图案214。

B.利用保护层进行微纹理化的说明性方法

本部分描述了用于使基底表面微纹理化的说明性方法的步骤；参见图6至图12。上述微纹理化打印设备的方面可以用于下述方法步骤中。在适当的情况下，可以参考可以用于执行每个步骤的部件和系统。这些参考是为了说明，而不是旨在限制执行该方法的任何特定步骤的可能方式。

图12是示出了在说明性方法300中执行的步骤的流程图，并且可以不叙述该方法的完整过程或所有步骤。尽管方法300的各个步骤在下面描述并且在图12中描绘，但是这些步骤不必全部执行，并且在一些情况下可以同时执行或者以与所示顺序不同的顺序执行。

在步骤302，该方法包括将保护层打印到基底表面上。基底可包括需要在其上进行微纹理化的任何工件和/或材料。图6是说明性基底320的示意图。该基底包括具有顶表面324的上层322，以及下层326。上层322可被描述为牺牲层，并且可被选择和/或构造用于形成微纹理的表面特征。

基底320可以是材料的离散部分和/或可以是较大工件的一部分。例如，基底可以是复合物的片材或者可以是飞行器机翼蒙皮的一部分。在图6中，顶表面324被示出为平坦的。基底320和/或顶表面324可以替代地或附加地是弯曲的、阶梯状的和/或具有任何期望的几何形状。基底320可以包括单一材料，可以是复合物，和/或可以包括不同材料的层。

上层322和下层326可以一起生产和/或上层可以施加到下层。例如，上层322和下层326可以包括铝合金的固体块。又例如，上层322和下层326均可包括铝合金，其中上层通过诸如直接金属激光烧结(DMLS)的增材制造技术施加到下层。又例如，上层322可以是施加到铝合金下层326的固化的聚合物顶涂层。又例如，上层322和下层326可以包括具有聚合物基体材料和增强纤维的复合材料，上层仅包括基体材料，下层包括基体材料和增强纤维两者。

步骤302的子步骤303包括将保护层分配喷嘴安装在打印机上。例如，被构造成用于选定的保护层流体的一个或多个喷嘴可以安装到直接成形(DTS)打印机的打印头中。在一些实施例中，喷墨喷嘴可以安装到另一类型的打印机上。例如，一个或多个按需滴定的喷墨喷嘴可与保护层贮存器一起安装在熔融沉积成型(FDM)打印机的打印头上。子步骤303还可以包括任何必要的修改，以允许保护层的喷墨打印。

打印机可以是打印设备例如微纹理化设备100或200的一部分。打印设备可以被专门构造用于方法300，和/或可以使用通用打印设备。可以选择和/或设计打印设备以有效地在基底320上打印。

步骤302的子步骤304包括以限定暴露区域和最高点位置的图案从喷嘴沉积保护层。保护层可以被沉积以形成根据期望的微纹理选择的图案。可以选择图案以形成肋条微纹理、形成人造荷叶微纹理和/或任何期望的微纹理。

可以根据基底和/或添加剂层的材料来选择保护层。换句话说，保护层可以选择成与表面的材料不反应，并提供对表面的充分粘附。也可以根据预期的蚀刻剂来选择保护层。换句话说，保护层可以选择成与蚀刻剂不反应，和/或防止被蚀刻剂溶解。可以根据期望的特性如低粘度、快速固化时间和/或强粘附性来选择保护层。合适的保护层的实施例包括异丁烯-异戊二烯共聚物如丁基橡胶、氯丁二烯弹性体如氯丁橡胶、树脂、蜡和蜡状材料。

在图7所示的实施例中，当打印头在箭头332所示的方向上前进时，保护层328的液滴330以规则间隔的图案滴在表面324上。图8中描绘了完成的图案。打印头横跨表面324的一次横越可以称为一次经过。打印头可以在多次经过中重复地横跨表面324行进。在每次经过时，液滴330可以滴在相应的位置，以便在表面上形成多个规则间隔的保护层328的线。在一些实施例中，液滴330可以在每次经过中无间距地滴落，以形成连续的线。在这样的实施例中，这些经过可以在表面324上间隔开，以类似地在表面上形成多个间隔开的保护层328的线。

可以选择这种图案以形成肋条微纹理。保护层328的每条连续线可限定肋条22的最高点位置(见图1)。暴露区域334可以被限定在线之间，对应于肋条22之间的凹槽24。图案可以被构造成实现微纹理的表面特征的期望参数。例如，暴露区域334的宽度可以被选择成产生具有70至100μm范围内、10至250μm范围内或任何期望范围内的间距的肋条。为了实现期望的肋条尖端宽度，可以选择液滴330的尺寸。选择液滴尺寸可以包括选择保护层328的粘度、构造打印头的一个或多个喷嘴和/或编程打印设备。为了实现期望的微纹理，可以根据上层322和/或保护层328的已知特性来设计图案。例如，液滴间距可以基于期望的肋条间距和/或基于表面324的液滴330的预期散布来选择。

步骤305包括固化和/或结合保护层。可以通过施加紫外光、通过施加热量、通过干燥、通过允许时间流逝和/或通过任何有效的方法来固化保护层。保护层可以被固化以便实现保护层与基底表面的有效结合。

在步骤306，方法300包括通过从表面移除材料来形成微纹理。子步骤307包括将蚀刻剂施加到表面。可以以任何有效的方式施加蚀刻剂。可选子步骤308包括将蚀刻剂打印到暴露区域上。类似于步骤302，打印机和/或打印设备可用于执行可选子步骤308。蚀刻剂液滴可均匀地打印在表面上，和/或可根据保护层的图案打印。例如，如图8所示，可沉积蚀刻剂液滴以覆盖暴露表面区域334。打印蚀刻剂可包括将蚀刻剂的液滴从喷墨喷嘴分配到表面上。可选子步骤309包括将表面浸入蚀刻剂浴中。化学铣削技术可用于执行可选子步骤309。

可选子步骤310包括在暴露区域上喷射蚀刻剂。在图9的示意图中所描绘的实施例中，蚀刻剂336均匀地喷射在包括暴露区域334的表面324上。蚀刻剂可由用于执行方法300的步骤302的打印设备喷射，或可手动喷射，和/或可以以任何有效方式喷射。

子步骤307中使用的蚀刻剂可以被选择为对应于基底的材料。在图9所示的实施例中，选择蚀刻剂336以对应于基底320的上层322。换句话说，蚀刻剂336可以是被选择用于有效地溶解上层322的一种或多种材料的流体。例如，在上层322包含铝的实施例中，蚀刻剂336可以是凯勒试剂或氢氧化钠溶液。合适的蚀刻剂的实施例包括酸如硫酸、酮如丙酮、苛性碱如氢氧化钠、或其他溶剂如醇。蚀刻剂336可以是溶液，并且可以具有选择成在上层322上产生期望的蚀刻强度和/或速度的浓度。

一旦蚀刻剂336被施加到表面324，在执行进一步的步骤之前可以允许时间流逝。可以根据要被蚀刻剂溶解的材料的期望体积来选择流逝的时间。例如，可以选择等待时间段，使得足够体积的材料被溶解以产生具有10至15μm范围内、1至50μm范围内或任何期望范围内的高度的肋条。又例如，可选择等待时间段，使得材料向下溶解到上层322与下层326之间的界面。

步骤306的子步骤311包括移除蚀刻剂。移除蚀刻剂336也可以移除溶解在蚀刻剂中的材料。蚀刻剂336可以通过清洗基底320或通过任何有效的方法移除。例如，水可以均匀地喷射在表面324上和/或基底320可以浸没在水浴中。在一些实施例中，可以在进行该方法之前评估基底320。例如，操作员或技术人员可在显微镜下检查基底，和/或微纹理化设备可捕获基底表面的图像。操作员、微纹理化设备和/或数据处理系统可以评估测量或其他数据。基于该评估，可以在进行到该方法的步骤312之前重复子步骤307。

该方法的步骤312包括移除保护层。可以根据保护层和基底材料来选择移除保护层的适当方法。例如，可选步骤313包括将基底320的表面324浸入溶剂浴中，该溶剂浴溶解保护层328，但与上层322的材料不反应。保护层328可以通过与用于施加保护层相同的设备、通过另一设备和/或通过手移除。如图11所示，移除保护层328可以使微纹理形成在上层322中。在所描绘的实施例中，方法300已经用于在基底320的上层322中形成圆齿状肋条。圆齿状肋条还可以被描述为形成在顶表面324中。

根据施加的保护层的图案，可以执行可选的步骤314或316。可选步骤314包括产生肋条或肋条微纹理。可选步骤315包括产生人造荷叶结构或荷叶微纹理。在步骤302中，可以根据所选择的图案来确定微纹理。一旦蚀刻剂和保护层被移除，所形成的微纹理就可以显露出来。

C.说明性飞行器和相关方法

本文公开的实施例可以在说明性飞行器制造和维修方法400(参见图13)和说明性飞行器500(参见图14)的背景下描述。方法400包括多个过程、阶段或时期。在预生产期间，方法400可以包括飞行器500的规格和设计阶段404以及材料采购阶段406。在生产期间，可以发生飞行器500的部件和子组件制造阶段408和系统集成阶段410。此后，飞行器500可以经历认证和交付阶段412以被投入服役阶段414中。在服役时(例如，由操作员)，飞行器500可以被安排进行例行维护和维修416(其也可以包括飞行器500的一个或多个系统的修改、重新构造、整修等)。虽然本文描述的实施例一般涉及飞行器500的服役阶段414期间的操作使用，但是它们可以在方法400的其他阶段实施。

方法400的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，客户)执行或实行。为了本说明书的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞行器制造商和主系统转包商；第三方可以包括但不限于任何数量的供货商、分包商和供应商；并且操作员可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。

如图14所示，由说明性方法400生产的飞行器500可以包括围绕内饰506并由蒙皮508覆盖的框架502。所述蒙皮可包括一个或多个微纹理表面区域。飞行器还可以包括多个系统504，诸如推进系统、电气系统、液压系统和环境系统中的一者或多者。每个系统可以包括各种子系统，例如控制器、处理器、致动器、执行器、马达、发电机等，这取决于所涉及的功能。可以包括任何数量的其他系统。尽管示出了航空航天实施例，但是本文公开的原理可以应用于其他行业，诸如汽车行业、轨道运输行业和航海工程行业。因此，除了飞行器500之外，本文公开的原理可以应用于其他交通工具，例如，陆地交通工具、海洋交通工具等。

在制造和维修方法400的任何一个或多个阶段期间，可以采用本文所示或所述的设备和方法。例如，对应于部件和子组件制造阶段408的部件或子组件可以以类似于当飞行器500在服役阶段414期间操作时生产的部件或子组件的方式制造或生产。而且，例如通过充分加快飞行器500的组装或降低其成本，可以在生产阶段408和410期间利用设备、方法或其组合的一个或多个实施例。类似地，例如但不限于，当飞行器500处于服役阶段414和/或在维护和维修阶段416期间，可以利用设备或方法实现或其组合的一个或多个实施例。

说明性组合和附加实施例

该部分描述了用于使表面微纹理化的方法和设备的附加方面和特征，其非限制性地呈现为一系列段落，为了清楚和有效，其中的一些或全部可以用字母数字表示。这些段落中的每一个可以以任何合适的方式与一个或多个其他段落和/或与来自本申请中其他地方的公开内容组合。以下段落中的一些明确地涉及并且进一步限制其他段落，提供而不限于合适组合中的一些的实施例。

A.一种使基底表面微纹理化的方法，该方法包括：

将保护层打印在基底表面上以在基底表面上限定暴露表面区域，

通过从暴露表面区域移除材料而在基底表面上形成微纹理，并且

从基底表面移除保护层。

A1.A的方法，其中，移除材料的步骤包括将基底表面浸入蚀刻剂浴中。

A2.A的方法，其中，移除材料的步骤包括在暴露表面区域上喷射蚀刻剂。

A3.A的方法，其中，在暴露表面区域中形成微肋条之间的槽。

A4.A的方法，其中，形成步骤包括在基底表面上产生荷叶微纹理。

A5.A的方法，其中，移除材料的步骤包括在基底表面上沉积蚀刻剂，并且从基底表面移除蚀刻剂。

A6.A5的方法，其中，蚀刻剂选自由以下各项组成的组：酸、酮、溶剂和苛性碱。

A7.A5的方法，其中，沉积蚀刻剂的步骤包括将蚀刻剂打印到暴露表面区域上。

A8.A7的方法，其中，还将蚀刻剂打印在保护层上。

A9.A-A8中任一项的方法，其中，移除保护层的步骤包括将基底表面浸入溶剂浴中。

A10.A-A8中任一项的方法，该方法还包括以下步骤：

在形成步骤之前，将保护层固化并结合到基底表面。

A11.A-A8中任一项的方法，其中，保护层选自由以下各项组成的组：氯丁橡胶、共聚物和蜡。

A12.A-A8中任一项的方法，其中，基底表面形成飞行器的外表面。

A13.A-A8中任一项的方法，其中，基底表面是弯曲的。

A14.A-A8中任一项的方法，其中，基底由复合材料构成。

A15.A-A8中任一项的方法，其中，微纹理被构造成表现出期望的流体动力学效果。

A16.A15的方法，其中，微纹理被构造成表现出期望的空气动力学效果。

A17.A15的方法，其中，微纹理被构造成表现出期望的流体动力学效果。

B.一种用于在基底表面上产生微纹理的设备，该设备包括：

保护层贮存器，

打印机，该打印机包括第一喷嘴组件，该第一喷嘴组件被构造成将保护层从保护层贮存器分配到基底表面上，和

控制器，控制器被编程为使第一喷嘴组件相对于基底表面移动，从而以暴露蚀刻表面区域的图案将保护层沉积在基底表面上，该蚀刻表面区域被构造成在基底表面上产生微纹理表面。

B1.B的设备，其中，蚀刻表面区域限定用于微肋条之间的空间的位置。

B2.B的设备，其中，控制器被编程为使第一喷嘴组件相对于基底表面移动，以限定以约70-100微米范围内的距离间隔开的相邻微肋条的位置。

B3.B的设备，其中，蚀刻表面区域在基底表面上限定荷叶微纹理。

B4.B的设备，该设备还包括：

第二喷嘴组件，其中，控制器被编程为使第二喷嘴组件相对于基底表面移动以将蚀刻剂沉积在基底表面上。

B5.B4的设备，其中，蚀刻剂选自由以下各项组成的组：酸、酮、溶剂和苛性碱。

B6.B5的设备，其中，控制器被编程为使第二喷嘴组件移动以沉积蚀刻剂，用于产生具有在约15-50微米范围内的高度的微肋条。

B7.B-B6中任一项的设备，其中，第一喷嘴组件由六轴机器人设备承载。

B8.B-B6中任一项的设备，其中，打印机是喷墨打印机。

B9.B-B6中任一项的设备，其中，第一喷嘴被构造成分配保护层，保护层选自由以下各项组成的组：氯丁橡胶、共聚物和蜡。

C.一种用于在基底表面上产生微纹理的方法，该方法包括：

将喷嘴连接到打印机，喷嘴被构造成将保护层沉积到基底表面上，

通过喷嘴将保护层以限定微纹理中的最高点的位置的图案打印到基底表面上，

从最高点的位置之间的基底表面移除材料，并且

从基底表面移除保护层。

C1.C的方法，其中，最高点包括微肋条。

C2.C的方法，其中，最高点包括荷叶微纹理的一部分。

C3.C的方法，其中，微纹理包括太小而不能被人的肉眼看到的结构。

C4.C-C3中任一项的方法，其中，微纹理被构造成表现出期望的流体动力学效果。

C5.C4的方法，其中，微纹理被构造成表现出期望的空气动力学效果。

C6.C4的方法，其中，微纹理被构造成表现出期望的流体动力学效果。

C7.C-C3中任一项的方法，其中，喷嘴安装在六轴机器人设备上。

优点、特征和益处

本文用于使表面微纹理化的方法和设备的不同实施例提供了优于用于产生微纹理的已知解决方案的若干优点。例如，本文描述的说明性实施例允许精确、成本有效地制造适于大规模生产的微纹理表面。

另外，除了其他益处之外，本文描述的说明性实施例允许产生耐久的微纹理。

另外，除了其他优点之外，本文描述的说明性实施例为诸如飞行器的交通工具的组装过程增加了有限的手工劳动。

另外，除了其他益处之外，本文描述的说明性实施例允许弯曲表面和其他复杂几何形状的微纹理化。

另外，除了其他益处之外，本文描述的说明性实施例允许产生具有改进的抗剪切力的微纹理。

没有已知的系统或装置可以执行这些功能，特别是利用现有打印机技术的简单适配。然而，并非本文描述的所有实施例都提供相同的优点或相同程度的优点。

结论

以上阐述的公开内容可以包含具有独立效用的多个不同的实施例。尽管这些中的每一个都以其优选形式公开，但是如本文所公开和示出的其具体实施例不应被认为是限制性的，因为许多变型是可能的。就本公开内容中使用的章节标题而言，这样的标题仅用于组织目的。本公开的主题包括本文公开的各种元件、特征、功能和/或特性的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。权利要求特别指出了被认为是新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可以在要求本申请或相关申请的优先权的申请中要求保护。这样的权利要求，无论其范围比原始权利要求更宽、更窄、相同或不同，都被认为包括在本公开的主题内。

Claims (15)

1.一种使基底表面(136，208，324)微纹理化的方法(300)，所述方法包括：

将保护层(118，328)打印(302)在所述基底表面上，以在所述基底表面上限定暴露表面区域(334)，

通过从所述暴露表面区域移除材料而在所述基底表面上形成(306)微纹理(20，40)，并且

从所述基底表面移除(312)所述保护层。

2.根据权利要求1所述的方法(300)，其中，移除材料(306)的步骤包括：在所述基底表面(136，208，324)上沉积蚀刻剂(336)；以及从所述基底表面移除(311)所述蚀刻剂。

3.根据权利要求2所述的方法(300)，其中，所述蚀刻剂(336)选自由以下组成的组：酸、酮、溶剂和苛性碱。

4.根据权利要求1所述的方法(300)，其中，移除(306)材料的步骤包括：在所述暴露表面区域(334)上喷射(310)蚀刻剂(336)。

5.根据权利要求1所述的方法(300)，其中，由所打印的保护层(118，328)限定微肋条(22)，并且所述微肋条之间的槽(24)形成在所述暴露表面区域(334)中。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(300)，其中，移除(312)所述保护层(118，328)的步骤包括：将所述基底表面(136，208，324)浸入(309)溶剂浴中。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(300)，所述方法还包括以下步骤：

在形成(306)步骤之前，将所述保护层(118，328)固化并结合(305)到所述基底表面(136，208，324)。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(300)，其中，所述保护层(118，328)选自由以下各项组成的组：氯丁橡胶、共聚物和蜡。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(300)，其中，所述基底表面(136，208，324)形成飞行器(60)的外表面(62)。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(300)，其中，所述基底表面(136，208，324)是弯曲的。

11.一种用于在基底表面(136，208，324)上产生微纹理(20，40)的设备(100，200)，所述设备包括：

保护层贮存器(120)，

打印机(106)，所述打印机(106)包括第一喷嘴组件(110，210)，所述第一喷嘴组件被构造成将保护层(118，328)从所述保护层贮存器分配到所述基底表面上，以及

控制器(122)，所述控制器(122)被编程为使所述第一喷嘴组件相对于所述基底表面移动，从而以图案(214)在所述基底表面上沉积所述保护层，暴露被构造成在所述基底表面上产生微纹理表面的蚀刻表面区域(216)。

12.根据权利要求11所述的设备(100，200)，其中，所述控制器(122)被编程为使所述第一喷嘴组件(110，210)相对于所述基底表面(136，208，324)移动，以限定以约70微米至100微米范围内的距离(30)间隔开的相邻微肋条(22)的位置。

13.根据权利要求11所述的设备(100，200)，其中，所述第一喷嘴组件(110，210)连接到六轴机器人设备(204)。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的设备(100，200)，其中，所述打印机(106)是喷墨打印机。

15.根据权利要求11至13中任一项所述的设备(100，200)，其中，所述第一喷嘴组件(110，210)被构造成分配所述保护层(118，328)，所述保护层选自由以下各项组成的组：氯丁橡胶、共聚物和蜡。

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