CN113453863B - 热塑性成形工具、其组件及其制作方法和使用方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了用于形成热塑性部件的热塑性成形工具和组件。特别地，提供了用于形成具有精密微尺度特征部和可再现的宏尺度尺寸的热塑性部件的热塑性成形工具和组件。所述热塑性成形组件可包括至少一个底部工具和一个顶部工具，所述底部工具和所述顶部工具具有刚性工具主体和适形地涂覆所述两个刚性工具主体的至少一部分的弹性体层。所述底部工具和所述顶部工具的尺寸可被设定成使得在处于闭合位置时限定形成所述热塑性部件的空腔。所述刚性工具主体在所述热塑性部件中提供可再现的宏尺度尺寸，而所述弹性体层在成形时形成并释放所述热塑性部件中的精密微尺度特征部。还提供了用于制作热塑性成形工具和组件的工具成形结构、制作所述热塑性成形工具的方法以及用于形成所述热塑性部件的使用方法。

Description

热塑性成形工具、其组件及其制作方法和使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月26日提交的标题为“热塑性成形工具、其组件及其制作方法和使用方法”的共同未决的美国临时申请的优先权和利益，该临时申请的序列号为62/771,322，并且该临时申请的内容全文并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及用于聚合物制造的工具和方法，例如用于压花和注射成型的工具和方法。

背景技术

如今，具有微尺度特征部的一次性设备在从诊断学到生命科学再到即时医疗设备的各种应用中都很普遍。这类设备作为产品的成功，部分原因在于设备的制造成本和质量。这些设备中使用的技术通常包括一个或多个微尺度结构(“微结构”)，例如微通道、微柱、微杆、微孔、纳米孔以及相关出版物中众所周知的许多其他结构。许多这样的设备引导流体以进行对流体的分析、测试、测量或其他观察，该流体可由任何生物流体或在实验室或临床环境中制备的其他流体组成。

典型的微特征部具有严格的几何要求，这些要求可通过微制造和其他光刻技术直接达到，但是这些制造工艺导致设备过于昂贵，以至于不能被认为是一次性的。热塑性塑料通常被用来替代用于微制造和光刻中的硅、玻璃以及类似基板。然而，当前用于制造热塑性零件的方法通常不能满足微尺度特征部的几何要求，因此也不能使其发挥预期的功能。特别地，现有的用于制造热塑性零件的方法不能形成既具有微尺度特征部中所需的精密度又具有几乎没有变化的可再现的宏尺度尺寸的热塑性零件。

因此，仍然需要克服上述缺陷的用于形成热塑性部件的改进的工具和方法。

发明内容

本发明涉及以下方面：

1.一种用于形成具有精密微尺度特征部和可再现的宏尺度尺寸的热塑性部件的热塑性成形组件，所述热塑性成形组件包括：

(a)顶部工具，所述顶部工具包括：

第一刚性工具主体，所述第一刚性工具主体具有第一空腔成形侧；和

第一弹性体层，所述第一弹性体层适形地涂覆所述第一空腔成形侧的至少一部分以形成第一空腔成形表面；和

(b)底部工具，所述底部工具包括：

第二刚性工具主体和第二弹性体层，所述第二刚性工具主体具有第二空腔成形侧，所述第二弹性体层适形地涂覆所述第二空腔成形侧的至少一部分以形成第二空腔成形表面；

其中，在处于闭合位置时，所述第一空腔成形表面和所述第二空腔成形表面限定用于形成所述热塑性部件的空腔；

其中所述第一空腔成形表面和所述第二空腔成形表面中的一者或两者包括特征部成形表面，所述特征部成形表面在形成所述热塑性部件时限定所述精密微尺度特征部；

其中所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体有效地在成形时在所述热塑性部件中提供所述可再现的宏尺度尺寸；并且

其中所述第一弹性体层和所述第二弹性体层有效地在成形时在所述热塑性部件中形成所述精密微尺度特征部并且有效地释放所述精密微尺度特征部。

2.根据方面1所述的热塑性成形组件，其中所述第一空腔成形表面和所述第二空腔成形表面中的一者或两者包括凹槽。

3.根据方面1所述的热塑性成形组件，其中所述第二刚性工具主体的所述第二空腔成形侧包括凹槽，所述第二弹性体层适形地涂覆所述凹槽。

4.根据方面1所述的热塑性成形组件，其中所述第二弹性体层包括凹槽。

5.根据方面1所述的热塑性成形组件，其中所述第一刚性工具主体的所述第一空腔成形侧包括至少一个突出部，所述第一弹性体层适形地涂覆所述至少一个突出部的至少一部分；并且

其中凹槽被构造成在处于所述闭合位置时接纳所述至少一个突出部。

6.根据方面5所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层包括至少一个突出部；并且

其中所述凹槽被构造成在处于关闭位置时接纳所述至少一个突出部。

7.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层和所述第二弹性体层中的一者或两者具有约50微米至约5毫米的厚度。

8.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层的厚度变化和所述第二弹性体层的厚度变化两者中的一者为约10％或更小。

9.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体中的一者或两者包括铝、铜、钢、塑料、陶瓷或它们的合金。

10.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层和所述第二弹性体层中的一者或两者包括选自硅橡胶、氟硅橡胶、氟橡胶(FKM)、全氟橡胶(FFKM)、乙烯丙烯酸酯橡胶、丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、丁基橡胶和它们的组合的弹性体。

11.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述热塑性成形组件包括在所述空腔的周边的位于所述第一弹性体层和所述第二弹性体层之间的接合面处的空腔阻断区。

12.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述第一空腔成形侧的一部分和所述第二空腔成形侧的一部分接触以形成刚性接触，从而限制所述底部工具和所述顶部工具压缩的程度。

13.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述第一弹性体层和所述第二弹性体层沿所述空腔的周边形成空隙空间。

14.根据方面13所述的热塑性成形组件，其中空腔阻断区形成所述空隙空间的位于所述空隙空间与所述空腔之间的一侧。

15.根据方面13所述的热塑性成形组件，其中空腔阻断区和所述空隙空间中的一者或两者围绕所述空腔的整个周边延伸。

16.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述第一弹性体层和所述第二弹性体层在基本垂直于所述第一空腔成形侧和所述第二空腔成形侧两者的接合面处接触以形成密封空隙空间的衬垫。

17.根据方面13所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述第一弹性体层和所述第二弹性体层在基本垂直于所述第一空腔成形侧和所述第二空腔成形侧两者的接合面处接触以形成密封所述空隙空间的衬垫。

18.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，所述热塑性成形组件还包括用于所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体中的一者或两者的加热元件。

19.根据方面17所述的热塑性成形组件，所述热塑性成形组件还包括用于所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体中的一者或两者的加热元件。

20.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，所述热塑性成形组件还包括用于所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体中的一者或两者的冷却元件。

21.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述热塑性成形组件包括用于对所述热塑性部件进行热压花的模具或用于对所述热塑性部件进行注射成型的模具。

22.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有约1∶50至约50∶1的长宽比。

23.根据方面13所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有约1∶50至约50∶1的长宽比。

24.根据方面15所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有约1∶50至约50∶1的长宽比。

25.根据方面17所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有约1∶50至约50∶1的长宽比。

26.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有非负拔模角。

27.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有负拔模角。

28.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有约10μm至约250μm的尺寸。

29.根据方面13所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有约10μm至约250μm的尺寸。

30.根据方面15所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有约10μm至约250μm的尺寸。

31.根据方面17所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有约10μm至约250μm的尺寸。

32.根据方面1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一刚性工具主体具有第一厚度，并且所述第二刚性工具主体具有第二厚度，

其中所述第一厚度和所述第二厚度中的一者或两者为约500μm至50mm。

33.根据方面13所述的热塑性成形组件，其中所述第一刚性工具主体具有第一厚度，并且所述第二刚性工具主体具有第二厚度，

其中所述第一厚度和所述第二厚度中的一者或两者为约500μm至50mm。

34.根据方面13所述的热塑性成形组件，其中所述底部工具包括多个凹槽，

其中所述多个凹槽中的每个凹槽均涂覆有弹性体层，所述弹性体层适形地覆盖所述凹槽以形成多个第二空腔成形表面。

35.根据方面34所述的热塑性成形组件，其中所述顶部工具包括多个突出部，

其中所述多个突出部中的每个突出部均涂覆有弹性体层，所述弹性体层适形地涂覆所述突出部以形成多个所述第一空腔成形表面；并且

其中所述多个第一空腔成形表面和所述多个第二空腔成形表面在处于所述闭合位置时形成用于形成多个热塑性部件的空腔。

36.根据方面34所述的热塑性成形组件，其中所述热塑性成形组件包括多个顶部工具；

其中所述顶部工具中的每个顶部工具包括涂覆有弹性体层的突出部，所述弹性体层适形地涂覆所述突出部以在所述多个顶部工具中的每个顶部工具上形成第一空腔成形表面；并且

其中所述多个第一空腔成形表面和所述多个第二空腔成形表面在处于所述闭合位置时形成用于形成多个热塑性部件的空腔。

附图说明

当结合附图阅读下文描述的本公开的各种实施方案的详细描述时，将很容易理解本公开的其他方面。

图1A至图1H是根据本公开的各个方面的用于形成热塑性部件的第一示例性热塑性成形组件的各种视图。图1A是第一示例性热塑性成形组件的顶部工具的透视图。图1B是沿图1A的顶部工具的线1-1的剖视图。图1C是第一示例性热塑性成形组件的底部工具的透视图。图1D是沿图1C的顶部工具的线2-2的剖视图。图1E是第一示例性热塑性成形组件的透视图，示出了图1A的顶部工具和图1C的底部工具处于闭合位置。图1F是第一示例性热塑性成形组件的分解顶部等轴透视图。图1G是第一示例性热塑性成形组件的分解底部等轴透视图。图1H是沿第一示例性热塑性成形组件的线3-3的剖视图，示出了图1A的顶部工具和图1C的底部工具处于闭合位置以形成空腔。

图2是根据本公开的各个方面的示例性压花坯料的透视图。

图3A至图3F是包含来自图2的示例性压花坯料的来自图1A至图1H的第一示例性热塑性成形组件的各种视图。图3A是底部工具的透视图，其中示例性压花坯料位于凹槽中。如图3B是沿底部工具的线4-4的侧面剖视图，其中示例性压花坯料位于凹槽中。图3C是第一示例性热塑性成形组件的透视图，示出了图1A的顶部工具和图1C的底部工具处于闭合位置，其中示例性压花坯料位于空腔中。图3D是沿第一示例性热塑性成形组件的线5-5的侧面剖视图，示出了图1A的顶部工具和图1C的底部工具处于闭合位置，其中示例性压花坯料位于空腔中。图3E是图3D中标记为1的区域的特写剖视图。图3F是图3D中标记为2的区域的特写离剖视图。

图4是示例性压花零件的透视图，该示例性压花部件可例如使用根据图1A至图1H的第一示例性热塑性成形组件来生产并开始于根据图2的示例性压花坯料。

图5A至图5E是根据本公开的各个方面的具有用于形成三个热塑性部件的三个空腔的第二示例性热塑性成形组件的各种视图。图5A是第二示例性热塑性成形组件的底部工具的透视图。图5B是第二示例性热塑性成形组件的顶部工具的透视图。图5C是第二示例性热塑性成形组件的透视图，示出了图5A的顶部工具和图5B的底部工具处于闭合位置。图5D是第二示例性热塑性成形组件的分解顶部等轴透视图。图5E是第二示例性热塑性成形组件的分解底部等轴透视图。

图6A至图6D是根据本公开的各个方面的用于使用具有三个单独的顶部工具的三个空腔来形成三个热塑性部件的第三示例性热塑性成形组件的各种视图。图6A是第三示例性热塑性成形组件的底部工具的透视图，其中一个顶部工具处于闭合位置。图6B是第三示例性热塑性成形组件的透视图，示出了图6A的底部工具与所有三个顶部工具均处于闭合位置。图6C是第三示例性热塑性成形组件的分解顶部等轴透视图。图6D是第三示例性热塑性成形组件的分解底部等轴透视图。

图7A至图7C描绘了具有一个或多个通孔成形特征部的第四示例性热塑性成形组件的各种视图。图7A是第四示例性热塑性成形组件的底部工具的透视图。图7B是第四示例性热塑性成形组件的透视图，示出了图7A的底部工具与顶部工具处于闭合位置。图7C是第四示例性热塑性成形组件的标记为3的区域中沿线6-6的侧面剖视图的特写，示出了通孔成形特征部。

图8A至图8E描绘了具有一个或多个通孔成形特征部的第五示例性热塑性成形组件的各种视图。图8A是第五示例性热塑性成形组件的底部工具的透视图。图8B是第五示例性热塑性成形组件的顶部工具的透视图。

图8C是第五示例性热塑性成形组件的透视图，示出了图8A的底部工具和图8B的顶部工具处于闭合位置。图8D是第五示例性热塑性成形组件的标记为4的区域中沿线7-7的侧面剖视图的特写，示出了通孔成形特征部，其中工具处于稍微打开或分离的位置以便更清楚地显示通孔成形特征部。图8E是第五示例性热塑性成形组件的标记为4的区域中沿线7-7的侧面剖视图的特写，示出了通孔成形特征部，其中工具处于闭合位置。

图9是第六示例性热塑性成形组件的侧面剖视图的特写，示出了另选的通孔成形特征部。

图10是第七示例性热塑性成形组件的侧面剖视图的特写，示出了另选的通孔成形特征部。

图11是第八示例性热塑性成形组件的侧面剖视图的特写，示出了另选的具有成孔销结构的通孔成形特征部。

图12A至图12K描绘了根据本公开的各个方面的用于形成顶部工具的第一示例性工具成形结构。图12A是第一示例性工具成形结构的透视图。图12B是用于第一示例性工具成形结构的示例性插入件的透视图。图12C是图12A的第一示例性工具成形结构的透视图，其中包括图12B的插入件。图12D是沿第一示例性工具成形结构的线8-8的剖视图，其中包括插入件。图12E是根据本公开各个方面的用于使用第一示例性工具成形结构来形成顶部工具的示例性刚性工具主体。图12F是图12A的第一示例性工具成形结构的透视图，其中包括图12B的插入件和图12E的刚性工具主体两者，就像它们在弹性体铸造过程中会呈现的那样。图12G是第一示例性工具成形结构的分解顶部等轴透视图，其中包括插入件和刚性工具主体两者，就像它们在弹性体铸造过程中会呈现的那样。图12H是第一示例性工具成形结构的分解底部等轴透视图，其中包括插入件和刚性工具主体两者，就像它们在弹性体铸造过程中会呈现的那样。图12I是第一示例性工具成形结构的侧视图，其中包括插入件和刚性工具主体两者，就像它们在弹性体铸造过程中会呈现的那样。图12J是沿第一示例性工具成形结构的线9-9的剖视图，其中包括插入件和刚性工具主体两者，就像它们在弹性体铸造过程中会呈现的那样。图12K是沿第一示例性工具成形结构的线9-9的剖视图，其中包括插入件和刚性工具主体两者，就像它们在弹性体铸造过程中会呈现的那样，并且示出了适形地涂覆该刚性工具主体的一部分的弹性体层。

图13A至图13K描绘了根据本公开的各个方面的用于形成底部工具的第二示例性工具成形结构。图13A是第二示例性工具成形结构的透视图。图13B是用于第二示例性工具成形结构的示例性光学插入件的透视图。图13C是图13A的第二示例性工具成形结构的透视图，其中包括图13B的插入件。图13D是沿第二示例性工具成形结构的线10-10的剖视图，其中包括插入件。图13E是根据本公开各个方面的用于使用第二示例性工具成形结构来形成底部工具的示例性刚性工具主体。图13F是图13A的第二示例性工具成形结构的透视图，其中包括图13B的插入件和图13E的刚性工具主体两者，就像它们在弹性体铸造过程中会呈现的那样。图13GA第二示例性工具成形结构的分解顶部等轴透视图，其中包括插入件和刚性工具主体两者，就像它们在弹性体铸造过程中会呈现的那样。图13H是第二示例性工具成形结构的分解底部等轴透视图，其中包括插入件和刚性工具主体两者，就像它们在弹性体铸造过程中会呈现的那样。图13I是第二示例性工具成形结构的侧视图，其中包括插入件和刚性工具主体两者，就像它们在弹性体铸造过程中会呈现的那样。图13J是沿第二示例性工具成形结构的线10-10的剖视图，其中包括插入件和刚性工具主体两者，就像它们在弹性体铸造过程中会呈现的那样。图13KA沿第二示例性工具成形结构的线10-10的剖视图，其中包括插入件和刚性工具主体两者，就像它们在弹性体铸造过程中会呈现的那样，并且示出了适形地涂覆该刚性工具主体的一部分的弹性体层。

具体实施方式

提供了克服一种或多种上述缺陷的热塑性成形工具及其组件。特别地，提供了热塑性成形组件。相比于常规压花工具和方法，这些热塑性成形组件可生产在微尺度特征部中具有更高的精度并且在宏尺度尺寸中具有更高的再现性的热塑性部件。还提供了使用工具例如通过压花或注射成型形成部件的方法。还提供了用于制作热塑性成形工具和组件的结构和方法。

在一些方面，提供了一种用于形成具有精密微尺度特征部和可再现的宏尺寸的热塑性部件的热塑性成形组件，该热塑性成形组件具有(a)顶部工具，该顶部工具具有第一刚性工具主体和第一弹性体层，该第一刚性工具主体具有第一空腔成形侧，该第一弹性体层适形地涂覆该第一空腔成形侧的至少一部分以形成第一空腔成形表面；和(b)底部工具，该底部工具具有第二刚性工具主体和第二弹性体层，该第二刚性工具主体具有第二空腔成形侧，该第二弹性体层适形地涂覆该第二空腔成形侧的至少一部分以形成第二空腔成形表面；其中，在处于闭合位置时，该第一空腔成形表面和第二空腔成形表面限定用于形成热塑性部件的空腔；其中，该第一空腔成形表面和第二空腔成形表面中的一者或两者包括特征部成形表面，在形成热塑性部件时该特征部成形表面限定精密微尺度特征部；其中该第一刚性工具主体和第二刚性工具主体有效地在成形时在热塑性部件中提供可再现的宏尺度尺寸，并且其中在成形时该第一弹性体层和第二弹性体层有效地在热塑性部件中形成精密微尺度特征部并且有效地释放该精密微尺度特征部。

在更详细地描述本公开之前，应当理解，本公开不限于所描述的特定实施方案，并且因此当然可以有所变化。还应当理解，本文所用的术语只是为了描述具体实施方案的目的，并非旨在进行限制。技术人员将认识到本文描述的实施方案例的许多变型和改型。这些变型和改型旨在被包括在本公开的教导中。

本说明书中引用的所有出版物和专利被引用来公开和描述与所引用的出版物有关的方法和/或材料。所有这些出版物和专利都通过引用并入本文，就如同每个单独的出版物或专利都被明确地和单独地被指出通过引用并入一样。通过引用的这种并入明确地限于所引用的出版物和专利中描述的方法和/或材料，并不扩展到所引用的出版物和专利中的任何词典定义。在所引用的出版物和专利中的未在本说明书中明确重复的任何词典定义，都不应这样理解，也不应被理解为定义所附权利要求中出现的任何术语。对于任何出版物的引用是因为其在提交日期之前公开，不应解释为承认本公开由于在先公开而不可以早于该出版物的日期。此外，提供的公开日期可与可能需要独立确认的实际发布日期不同。

尽管类似于或等同于本文描述的那些方法和材料的任何方法和材料也可以用于对本公开的实践或测试中，但是现在描述优选的方法和材料。为了简洁和/或清楚起见，可能不会详细描述本领域中公知的功能或构造。除非另有说明，否则本公开的实施方案将采用纳米技术、有机化学、材料科学和工程学等技术，这些都在本领域技术范围内。文献中对这些技术进行了充分的解释。

应当注意，比率、浓度、数量和其他数值数据可在本文中以范围格式表示。应当理解，这种范围格式是为了方便和简洁而使用的，并且因此应以灵活的方式进行解释为不仅包括明确列为范围限值的数值，还包括包含在该范围内的所有单个数值或子范围，就如同每个数值和子范围都是明确列举的一样。为了进行说明，数值范围“约0.1％至约5％”应解释为不仅包括明确列举的约0.1％至约5％的值，而且还包括单个值(例如，1％、2％、3％和4％)以及指定范围内的子范围(例如，0.5％、1.1％、2.2％、3.3％和4.4％)。在所述范围包括限值中的一者或两者的情况下，不包括那些所包括的限值中的一者或两者的范围也包括在本公开中，例如短语“x至y”包括从“x”至“y”的范围以及大于“x”且小于“y”的范围。该范围也可表示为上限，例如“约x、y、z或更小”，并且应解释为包括“约x”、“约y”和“约z”的特定范围以及“小于x”、“小于y”和“小于z”的范围。同样，短语“约x、y、z或更大”应解释为包括“大约x”、“大约y”和“大约z”的特定范围以及“大于x”、大于y”和“大于z”的范围。在一些实施方案中，根据数值的有效数字，术语“约”可包括传统的舍入。另外，短语“约‘x’至‘y”’包括“约‘x’至约‘y”’，其中‘x’和‘y’为数值。

在某些情况下，本文中可使用非公制或非SI单位。此类单位可能例如存在于美制度量单位中，例如如由美国商务部国家标准技术局在出版物(诸如NIST HB 44、NIST HB133、NIST SP 811、NIST SP 1038、NBS其他出版物214等)中阐述的。美制度量单位中的单位应理解为包括公制和其他单位的等效尺寸(例如，公开为“1英寸”的尺寸意在表示等效尺寸为“2.5厘米”；公开为“1磅/立方英尺”的单位是意在表示等效尺寸为0.157千牛/立方米；或者公开的100华氏度的单位意在表示等效尺寸为37.8摄氏度)，如本领域普通技术人员所理解的那样。

除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。还将理解的是，除非在本文中明确定义，否则术语(诸如在常用词典中定义的那些)应被解释为具有与其在说明书和相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的形式进行解释。

如本文所用，冠词“一个”和“一种”在应用于说明书和权利要求书中描述的本发明的实施方案中的任何特征时表示一个或多个。除非特别说明，“一个”和“一种”的使用并不将含义限制于单个特征。单数或复数名词或名词短语之前的冠词“该”表示一个特定的具体特征或多个特定的具体特征，并且根据使用的上下文的不同，其可具有单数或复数含义。

如本文所用，术语“拔模角”是根据模具或特征部表面与理论中心轴线沿拉动移除方向限定的角度。在常规模制中，通常在所有垂直壁上设计正拔模角以使零件更容易从模具中弹出。当模具或特征部的壁沿拉动方向从模具或特征部的理论中心轴线倾斜离开时，拔模角被称为“正拔模角”。当模具或特征部的壁沿拉动方向从模具或特征部的理论中心轴线倾斜向内时，拔模角被称为“负拔模角”。特征化表面可包括具有正拔模角的特征部和具有负拔模角的特征部。“非负拔模角”是指具有零拔模角或正拔模角的模具或特征部。

如本文所用，术语“微尺度特征部”是指具有约10000微米、约1000微米或更小尺寸中的一个或多个尺寸并且通常具有大于约10纳米、100纳米或更大的尺寸的特征部。在一些情况下，微尺度特征部具有约10微米或约50微米至约100微米或约250微米的最大尺寸。

如本文所用，术语“宏尺度”是指热塑性部件的总体尺寸特征，其通常为1毫米或更大的尺寸，更精确地为从约1毫米、5毫米或10毫米至最多约20毫米、100毫米、500毫米甚至1000毫米的尺寸。

如本文所用，术语“精密微尺度特征部”是指在多个热塑性部件中测量的在微尺度特征部尺寸上具有极小的均方根(RMS)偏差的微尺度特征部。在一些方面，精密微尺度特征部具有约10微米、约1微米或更小的RMS偏差。在一些方面，精密微尺度特征部具有约10％、约5％、约1％、约0.1％或更小的RMS偏差。

术语“可再现的宏尺度尺寸”是指针对多个热塑性部件测量的热塑性部件之间的宏尺度尺寸的可重复性。在一些方面，当所有或基本上所有宏尺度尺寸的均方根(RMS)偏差在1％、0.1％、0.01％、0.00l％、0.0001％或更小的公差内时，则认为宏尺度尺寸是可再现的。

如本文所用，术语“刚性”是指在经受用于压花和注射成型的标准压力时能够承受形状的弯曲或变形的材料或部件，例如具有至少10GPa、20GPa、25GPa、30GPa或更大的刚性模量。

热塑性成形工具及其组件

在各个方面，提供了热塑性成形工具及其组件。这些工具和组件可用于在保持部件的长期宏尺度可再现性的同时形成具有精确尺寸的(甚至是具有高长宽比的)微尺度特征部的热塑性部件。通过将刚性工具与在空腔成形表面上的薄弹性体层结合，本文所述的工具能够获得刚性硬工具压花和软工具压花方法两者的益处。

这些工具在本文中经常被描述为具有至少一个顶部工具和至少一个底部工具，但是应当理解，在某些方面，诸如顶部和底部的这样的描述至少在某种程度上是任意的，并且仅出于清楚的目的而这样做。这样的语言描述不应视为在所有应用中顶部工具必须在空间上一定位于底部工具上方，尽管从某些方面来看这是事实。

在一些方面，提供了用于形成热塑性部件的热塑性成形组件。这些组件能够形成具有精密微尺度特征部和可再现的宏尺度尺寸的部件。在各个方面，热塑性成形组件包括底部工具和顶部工具两者。在一些方面，当工具包括用于形成多个部件的多个孔时，组件可包括多个顶部工具。例如，在某些方面，组件具有3个、4个或更多个空腔和相等数量的顶部工具。

顶部工具和底部工具一起形成用于形成热塑性部件的空腔。在一些方面，顶部工具包括第一刚性工具主体，该第一刚性工具主体具有带有至少一个突出部的第一空腔成形侧。该顶部工具还可包括第一弹性体层，该第一弹性体层适形地涂覆至少一个突出部以形成第一空腔成形表面。热塑性成形组件将还具有底部工具。在一些方面，该底部工具包括第二刚性工具主体，该第二刚性工具主体具有第二空腔成形侧，该第二空腔成形侧具有至少一个凹槽，其中该至少一个凹槽被构造成在组件处于闭合位置时接纳顶部工具的该至少一个突出部。在一些方面，该底部工具包括第二弹性体层，该第二弹性体层适形地涂覆至少一个凹槽以形成第二空腔成形表面。当组件处于闭合位置时，该第一空腔成形表面和第二空腔成形表面可限定用于形成热塑性部件的空腔。

这些工具和组件可用于形成具有精密微尺度特征部的热塑性部件。在一些方面，第一空腔成形表面和第二空腔成形表面中的一者或两者都包括特征部成形表面，该特征部成形表面在形成热塑性部件时限定精密微尺度特征部。该特征部成形表面可包括孔、柱、浅凹、孔隙、通道、脊、更复杂的几何结构或它们的任何组合。

与单独使用刚性工具或弹性体工具相比，将刚性工具主体与薄的弹性体涂层相结合的混合工具方法可对所有特征部大小进行更严格的尺寸控制。热塑性零件的几何特征部通常可限定为宏尺度或微尺度。限定为宏尺度的特征部通常具有至少1毫米的长度、宽度、高度、间距和曲率半径。定义为微尺度的特征部通常具有小于一毫米的长度、宽度、高度、间距或曲率半径的集合中的至少一个特征。没有弹性体涂层的刚性工具通常可生产出零件之间宏特征部变化小于0.1％的热塑性零件，但是通常不能在不产生较大变化(超过10％)的情况下生产大多数类型的微特征部。没有刚性主体的弹性工具通常可生产出零件之间微特征部变化小于1％的热塑性零件，但零件之间宏特征部的变化通常为至少5％。已经在某些方面说明了本文所述的混合工具，以生产宏特征部变化小于0.1％且微特征部变化小于1％的热塑性零件。

在成形时，刚性工具主体可在热塑性部件中提供可再现的宏尺度尺寸。与软模压花有关的一个问题在于，所生产的部件可能具有大尺度的结构偏差以及无法在不产生不期望的偏差的情况下可靠地再现的宏尺度尺寸。例如，在一些方面，本文提供的方法能够生产具有约5％、约1％、约0.1％或更小的尺寸公差的热塑性部件。

顶部和底部工具的空腔成形表面由薄弹性体层形成，该薄弹性体层涂覆这些工具的至少一部分空腔成形侧。这些空腔成形表面可包括用于在热塑性部件中形成精密微尺度特征部的特征部成形表面。弹性体层允许形成小的微尺度特征部，甚至是具有高长宽比的非常小的特征部尺寸，并且也允许微尺度特征部在成形之后更容易地脱模。

为了示出根据本公开的某些方面的热塑性成形组件的一些特征，在图1A至图1H中描绘了第一示例性热塑性成形组件100。第一示例性热塑性成形组件100包括顶部工具110和底部工具120。顶部工具110具有第一刚性工具主体112，该第一刚性工具主体具有带有突出部116的第一空腔成形侧114。顶部工具110还具有第一弹性体层118，该第一弹性体层适形地涂覆至少突出部116以形成第一空腔成形表面119。底部工具120具有第二刚性工具主体122，该第二刚性工具主体具有带有凹槽126的第二空腔成形侧124。凹槽126被构造成在处于闭合位置时接纳顶部工具110的突出部116(图1E、图IH)。底部工具120还具有第二弹性体层128，该第二弹性体层适形地涂覆至少凹槽126以形成第二空腔成形表面129。当顶部工具110和底部工具120处于闭合位置时，第一空腔成形表面119和第二空腔成形表面129限定用于形成热塑性部件(诸如图4中所描绘的一个部件)的空腔130。

在一些方面，热塑性成形组件可包括用于形成多个热塑性部件(例如用于大约同时形成多个热塑性部件)的多个空腔。例如，该组件可包括具有多个凹槽的单个底部工具，这些凹槽被布置并设定好尺寸以接纳多个突出部，以形成用于形成热塑性部件的多个空腔。例如，设想具有2个、3个、4个、8个或更多个用于形成热塑性部件的空腔的工具。该顶部工具和/或底部工具可以是多零件工具，例如，组件可包括单个底部工具和多个顶部工具，其中每个顶部工具可单独移除并且可单独地处于闭合位置以形成空腔。

作为具有单个顶部工具和单个底部工具的组件的一个示例，在图5A至图5E中描绘了第二示例性热塑性成形组件400，其能够大约同时形成三个热塑性部件。第二示例性热塑性成形组件400具有顶部工具410和底部工具420。顶部工具410具有第一刚性工具主体412，该第一刚性工具主体具有带有多个(以三个为例)形状相同或不同的突出部416的第一空腔成形侧414。顶部工具410还具有第一弹性体层418，该第一弹性体层适形地涂覆至少所述多个突出部416以形成多个第一空腔成形表面419。底部工具420具有第二刚性工具主体422，该第二刚性工具主体具有带有多个(以三个为例)凹槽426的第二空腔成形侧424。这些凹槽426中的每个凹槽被构造和定位成在处于闭合位置时接纳顶部工具410的这些突出部416中的一个突出部(图5C)。底部工具420还具有第二弹性体层428，该第二弹性体层适形地涂覆至少所述多个凹槽426以形成多个第二空腔成形表面429。当顶部工具410和底部工具420处于闭合位置时，所述多个第一空腔成形表面419和第二空腔成形表面429限定用于形成多个热塑性部件(诸如图4中所描绘的一个部件)的多个空腔(未描绘)。

作为具有多个顶部工具和单个底部工具的工具的一个示例，在图6A至图6D中描绘了第三示例性热塑性成形组件500，其能够大约同时形成三个热塑性部件。第二示例性热塑性成形组件500具有三个顶部工具510和一个底部工具520。这些顶部工具510中的每个顶部工具具有第一刚性工具主体512，该第一刚性工具主体具有带有单个突出部516的第一空腔成形侧514，这些突出部形状相同或不同。这些顶部工具510中的每个顶部工具还具有第一弹性体层518，该第一弹性体层适形地涂覆至少突出部516以形成第一空腔成形表面519。底部工具520具有第二刚性工具主体522，该第二刚性工具主体具有带有多个(以三个为例)凹槽526的第二空腔成形侧524。这些凹槽526中的每个凹槽被构造和定位成在处于闭合位置时接纳这些顶部工具510中的一个顶部工具的突出部516中的一个突出部(图6A至图6B)。底部工具520还具有第二弹性体层528，该第二弹性体层适形地涂覆至少所述多个凹槽526以形成第二多个空腔成形表面529。当这些顶部工具510中的每个顶部工具和底部工具520处于闭合位置时，所述多个第一空腔成形表面519和第二空腔成形表面529限定用于形成多个热塑性部件(诸如图4中所描绘的一个部件)的多个空腔(未描绘)。

热塑性成形工具和组件能够生产具有精密微尺度特征部的热塑性部件。在一些方面，第一空腔成形表面和第二空腔成形表面中的一者或两者包括特征部成形表面。特征部成形表面包括一个或多个用于在最终热塑性部件中形成特征部的微尺度结构。例如，在微尺度特征部将为孔的情况下，该特征部成形表面可包括在热塑性部件中形成孔的多个柱。该特征部成形表面可包括孔、柱、浅凹、孔隙、通道、脊、更复杂的几何结构或它们的任何组合。回到第一示例性热塑性成形组件100，可在顶部工具110的第一空腔成形表面119的一部分中看到特征部成形表面140。在该示例中，特征部成形表面140包括呈规则图案或呈列的微尺度柱状特征部141的阵列。因此，当使用第一示例性热塑性成形组件100生产时，这些柱状特征部141将在热塑性部件中产生精密微尺度孔的阵列。

热塑性成形工具和组件可包括用于将凹槽和孔模制到压花基板中的特征部，包括单级或多级通孔和盲孔。这些模制特征部可采取在工具的任一侧上的突出部或与空腔相交的单独的插入件(例如，成孔销)的形式。这些突出部或插入件可：1)部分地突出到模腔中；2)在工具的相对侧上抵靠平坦表面；或者3)适配在工具的相对侧上的凹槽中；或者4)它们的某种组合。这些突出部或插入件可以是弹性体层的一部分、刚性层的一部分或两者(即具有弹性体表层的刚性芯)。插入件还可装有弹簧，这样销在室温下压靠在刚性坯料上时会缩回，但是一旦聚合物被加热并开始流动，它就会穿透空腔。

作为具有通孔成形特征部的工具的示例，在图7A至图7C中描绘了第四示例性热塑性成形组件600。热塑性成形组件600仍然包括顶部工具610和底部工具620，它们均由具有适形地涂覆空腔成形侧624的一部分的弹性体层(分别为618和628)的刚性工具主体(分别为612和622)形成。弹性体层(分别为618和628)形成空腔成形表面(分别为619和629)，但在此示例性情况下，底部工具620的空腔成形表面629中有多个通孔成形特征部640。通孔成形特征部640延伸穿过空腔630以接触顶部工具610的空腔成形表面619。

当然，通孔成形特征部可延伸到相对的工具的弹性体层中。作为示例，在图8A至图8E中描绘了第五示例性热塑性成形组件800。第五示例性热塑性成形组件800具有顶部工具810和底部工具820。顶部工具810和底部工具820均由具有适形地涂覆空腔成形侧(分别为814和824)的一部分的弹性体层(分别为818和828)的刚性工具主体(分别为812和822)形成。弹性体层(分别为818和828)形成空腔成形表面(分别为819和829)。底部工具820的空腔成形表面829中的通孔成形特征部840被构造成使得在处于闭合位置时，通孔成形特征部840延伸穿过空腔830并进入顶部工具810的空腔成形表面819中的凹槽841中。

通孔成形特征部可具有任何剖面形状(例如，圆形、矩形等)，并且还可沿其长度具有变化的剖面形状。例如，通孔成形特征部可具有圆形剖面并具有锥形侧壁。变化的剖面形状的另一个示例是通孔成形特征部的直径沿其长度逐步变化。后者可用于在厚压花零件的一侧上制作一个小通孔，而无需很高的长宽比的通孔成形特征部。

还可通过其他方式形成通孔成形特征部。例如，如图9所示，通孔成形特征部940可包括制成刚性工具主体922的刚性支撑特征部942，而不是完全由弹性体层形成。在图10中描绘的其他方面中，通孔成形特征部1040可完全由刚性工具主体1022形成，该通孔成形特征部在弹性体层1028上方延伸并穿过空腔1030，进入顶部工具1010的弹性体层1028中。在其他情况下，可以通过销1140形成通孔，该销穿过刚性工具主体1122和弹性体层1128以延伸穿过空腔1130并进入另一个刚性工具主体1112的弹性体层1118。

为了防止通孔成形特征部和相对的工具的表面之间的溢料，通孔成形特征部的高度可略大于空腔的高度，从而在空腔处于闭合时与相对的工具表面形成过盈密封。例如，对于1mm的空腔高度，通孔的高度可为1.1mm。过多的过盈量会导致弹性体在相对的工具表面发生变形，从而导致热成形零件上的通孔特征部周围出现凸出的唇缘。防止相对的弹性体变形的一种方法是减小相对的工具上的将与通孔成形柱接触的区域中的弹性体的厚度。为此，可在该区域中在该弹性体下方的刚性层上添加突出部。

可将拔模角引入到垂直表面上，以增加或减小热成形零件对工具的零件粘附力。在打开工具腔时，压花零件可保持物理粘附在顶部工具或底部工具上。通常，零件将粘着在具有较大的表面积以及低和负拔模面那一侧。可将正拔模角和负拔模角结合到工具的垂直表面中，以便可预测地控制零件将粘附到工具的哪一侧。例如，可以将2o的正拔模角引入底部工具上的空腔边缘和通孔特征部，以确保零件将粘附到顶部工具上。

该工具可以包含第二“门”腔，以在压花期间允许多余的材料从主腔流出。脱模后，可从压花件上切掉流入“门”的材料。该工具还可包含一个或多个用于将真空或吹扫气引入模腔的端口。这些端口优选位于工具的垂直侧。现在回到第一示例性热塑性成形组件100，在底部工具120的端部由弹性体材料形成端口115。如在图1F中最清楚地描绘的，端口115形成在刚性工具主体122的凹槽115a中，该凹槽中充满了弹性体115b。

在一些方面，如在图3E至图3F中所最佳地例示的，示例性工具100的分型线180由“空腔阻断区”181形成。空腔阻断区181是顶部工具110的空腔成形表面119和底部工具120的空腔成形表面129沿压花空腔130的周边之间的接触区域。在一些方面，空腔阻断区将形成分型线，该分型线可位于压花零件的底部或顶部边缘或两者之间的任何位置。e空腔阻断区181被设计为在压花过程中在处于闭合位置时将聚合物包含在空腔130中，以便消除溢料或使溢料最小化并精确复制成型零件的边缘。

在某些方面，在空腔阻断区181的外部引入了“真空间隙”183。真空间隙183沿空腔阻断区181的周边提供了一个通道，用于在零件上抽真空。真空间隙183在一侧通过空腔阻断区密封，在另一侧通过“真空密封件”184密封，并连接到真空端口。真空密封件184被设计为在工具接合(处于闭合位置)时形成密封，而不会在空腔阻断区181处干扰工具的主要压缩边界。可将真空密封件设计为在到达闭合位置之前形成密封，从而允许在接合空腔阻断区密封件之前将空腔排空。实现此目的的一种方法是使用横向衬垫密封件184，该衬垫在顶部工具相对于底部工具的垂直位置范围内保持密封。

在某些方面，当组件处于闭合位置时，顶部工具和底部工具进行“硬接触”，这意味着顶部工具的一个面朝底部的刚性表面接触底部工具上的一个面朝顶部的刚性表面。在这种构型中，当工具在压花过程中到达闭合位置时，所施加的任何其他压缩载荷都由刚性背衬承受，并且确实转移到了压花零件上。此外，由接触面182确定顶部工具与底部工具的最终相对位置。

在另一变型中，顶部和底部工具以浮动构型操作，由此在刚性表面之间不存在接触，并且在压花过程中施加的所有负载均分布在弹性体表面和热成形的基板上。

坯料基板“坯料”

热塑性部件可以由热塑性“坯料”基板制成。在一些方面，坯料基板的体积将在由第一空腔成形表面和第二空腔成形表面形成的空腔的体积的约10％、约5％、约1％或约0.1％之内。在某些方面，坯料体积将比空腔体积稍大。这可用于生产具有最少溢料的或溢料基本为零的更高质量的组件。在图2中描绘了示例性的坯料基板200，其大约是标准显微镜载玻片的大小。但是，在其他应用中，坯料可具有适应工具空腔体积的任何体积或尺寸。在一些方面，根本不使用坯料，并且热塑性塑料可以热塑性塑料研磨体或粉末的形式被引入，或者可以熔融或部分熔融的状态通过端口或通道流入到空腔中。

合适的热塑性聚合物包括但不限于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、环烯烃聚合物(COP)、环烯烃共聚物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或它们的共聚物，以及它们与其他聚合物的共聚物。理想地，热塑性塑料将在压花温度下具有足以允许完全形成要进行压花的微尺度特征部的熔体流动指数。坯料还可由热固性聚合物制成，诸如高温硫化(HTV)硅树脂或环氧树脂。坯料还可以是复合材料，诸如多层聚合物层压板或填充有无机添加剂(诸如玻璃纤维、二氧化硅或粘土)的聚合物基体。坯料还可包含通常添加到注射成型树脂中的添加剂，诸如抗菌剂、光吸收剂、澄清剂、脱模剂、增滑剂和抗静电添加剂。

制作部件的方法

本文所述的热塑性成形工具和组件可用于由热塑性塑料以及在某些情况下由其他材料(诸如聚合物热固性塑料和复合材料)制成各种部件。这些方法可包括热压花、注射成型、压缩成型及它们的组合或变体。

在一些方面，这些方法包括热压花方法。压花过程需要本文所述的热塑性成形工具或组件、聚合物“坯料”以及向热塑性成形工具或组件施加热量和/或压力的方法。通常，首先将聚合物坯料放入压花工具空腔中，然后将该工具和坯料的温度升高至坯料材料的玻璃转换温度以上，然后向坯料施加压力，迫使聚合物流动并呈现为由工具限定的空腔的样式。然后将工具和坯料冷却到聚合物的玻璃转换温度以下，之后可将压花的热塑性部件从空腔中脱模。

压花周期：

可如下进行标准压花周期。在已将坯料放入工具中后，将模具压紧到初始“接触压力”，同时通过真空端口排空空腔中的空气。该接触压力确保工具内表面与坯料之间有足够的热接触。在保持接触力的同时，以给定的升温速率将工具温度升高至压花温度。一旦工具温度已稳定在压花温度，就将压缩力增大以达到期望的“压花压力”，并在“浸泡时间”的持续时间内保持该压花压力。浸泡时间应足够长，以使坯料材料流动并填充模腔的所有凹槽。在保持“压花压力”的同时，将模具冷却至脱模温度，然后释放模具上的压力。

可通过与加热/冷却压印板的直接接触来实现模具的加热和冷却。也可将加热和冷却元件直接嵌入工具中。其他加热方法包括但不限于模具的感应加热和辐射加热。其他冷却方法包括热电冷却以及使用冷却液或气体的传导或对流冷却。可使用电动线性平台、气动压力机或液压机或在重力作用下施加压缩力。

可对空腔施加真空以排空加热坯料时产生的困在聚合物和工具表面上的凹槽之间任何空气或其他蒸汽。从空腔中排空氧气还有助于防止压花过程中聚合物的热氧化。还可用惰性气体诸如氮气或氩气吹扫空腔。排空和吹扫的结合可用于最大程度地减少空腔中的氧气、水分和其他污染。

在一些方面，设备包括顶部和底部热控压印板，其安装在力控电动压缩平台上，工具可安装在该平台上或以其他方式放置在该平台上。顶部和底部压印板通过嵌入的电阻加热盒进行主动加热，并通过运行来自冷却器的冷却水的嵌入的液体冷却回路进行主动冷却。顶部和底部工具可随意地放置在底部压印板上，也可分别连接到顶部和底部压印板。

零件移除：

一旦部件已被冷却，就分离工具部件，并且可使压花零件从工具上脱模。可将空气或其他合适的气体通入空腔，以用于破坏空腔中的真空环境并帮助将压花结构从工具中弹出。可通过用于排空空腔的同一端口或连接至空腔或真空通道的一个或多个端口对空腔进行通气。可通过垂直于工具表面直接均匀拉动压花零件来将其移除，也可通过从零件的一侧将其提起，并以剥离动作逐渐将其移除。通过将顶出销结合到模具中，可帮助从工具中移除零件。可以机械、电动或气动方式激活顶出销。顶出销可位于主腔中，或另选地位于溢流腔中，在该溢流腔中顶出销将与在顶出后将被切掉的区域相接触。顶出销可隐藏在弹性体层下面。一旦激活，销会使弹性体层拉伸变形并推动成型零件。这种构型允许使用顶出销来顶出成型零件，而不会在零件上出现与顶出销与周围工具材料之间的不连续性相关的可见特征。可使用自动化设备来促进坯料的放置和压花部件的移除，以提高生产量并减少劳动量。

工具成形结构及其使用方法

还提供了制作热塑性成形工具和组件的方法，包括工具成形结构和使用这些工具成形结构来制作本文所述的工具的方法。这些工具成形结构包括主结构，该主结构是复制所需几何图形的起点。它可以提供两个功能：固定包含感兴趣的用于进行复制的几何图形的制成件或区域，以及限定在感兴趣的几何图形之外的限定热成形过程中使用的工具的其他区域。

固定在框架中的制成件称为插入件，通常是微加工的硅或玻璃晶片，但可以是通过任何自然或人工方法形成的具有所需几何形状的任何材料。示例包括天然微特征化材料，或CNC机加工、3D打印或预先热成形的塑料、金属或橡胶。制造具有微特征化基板的其他方法包括但不限于纳米压印光刻、转印、热压花、激光雕刻、钻石刻划、3D打印、自组装、激光诱导蚀刻、LIGA、电化学微加工以及紫外线、电子束或X射线光刻。

可使用多种方法(诸如热成形和CNC机加工相结合)来制造插入件。插入件还可由多个部件组成，例如粘附到更厚、更坚固的载体上的薄微结构化硅晶片。主结构是通过框架与插入件的组合形成的，可从该结构中铸造工具。通常将工具设计为成对地形成一个封闭的空腔，该空腔将对具有特定尺寸、透明度、整体均匀性和整体微特征特性的聚合物进行热成形，并根据原始插入件复制出感兴趣的几何图形。根据应用的不同，框架通常由塑料、金属或这两种类型的材料制成。丙烯酸块的CNC铣削会是标准程序的一个示例。可机械地、使用真空、采用粘合剂或运用其他方法来将硅晶片和光学透明的插入件固定到主结构。可使用几种类型的粘合剂，诸如双面胶带、喷雾粘合剂或胶水。为了机械地固定插入件，框架可由顶部件和底部件组成，插入件可被夹持在该顶部件与底部件之间。该主结构用于铸造柔软的耐热弹性体工具。

如图12A至图12K中所描绘的，描述了第一示例性工具成形结构1200，其可用于在刚性工具主体1210上涂覆适形弹性体层1230。工具成形结构1200包括机加工的凹坑1202，该凹坑被构造成接纳插入件1220，该插入件用于在被涂覆时在适形弹性体层中限定空腔成形表面。机加工的凹坑1202被脊1204包围，在处于闭合位置时，该脊与刚性工具主体1210接触以形成适形弹性体层的涂层。工具成形结构1200可进一步包括参考突片1206以对准刚性工具主体。刚性工具主体可包括例如机加工的铝工具主体。机加工的凹坑1202可凹陷，如图12A至图12K所描绘。当刚性工具主体1210具有突出部1211时，这样的结构效果很好。插入件1220可以是具有特征化表面1221的微加工的硅插入件，该微加工的硅插入件可作为底片转移到弹性体层1230上以限定特征部成形表面1231。弹性体层的厚度可在10微米至5毫米之间。实际上，对于厚度在50微米至5毫米之间的最终塑料零件的热成形，最实用的层厚度是在250微米至500微米之间。机加工的铝背衬通常为2毫米至20毫米厚，并且通常尽可能地均匀以便在压花过程中提供均匀的热量分布。

描述了第二示例性工具成形结构1300，其可用于在刚性工具主体1310上涂覆适形弹性体层1330。工具成形结构1300包括机加工的凹坑1302，该凹坑被构造成接纳插入件1320，该插入件用于在被涂覆时在适形弹性体层中限定空腔成形表面。机加工的凹坑1302位于凸起平台1304上，该凸起平台限定涂覆时适形弹性体层的厚度。工具成形结构1300可进一步包括参考突片1306以对准刚性工具主体。刚性工具主体1310可包括例如机加工的铝工具主体。机加工的凹坑1302可位于凸起平台1304上，如图13A至图13K所描绘的。当刚性工具主体1310具有凹槽1311时，这样的结构效果很好。插入件1320可以是光学丙烯酸插入件，可将该光学丙烯酸插入件作为底片转移到弹性体层1330上以限定光学透明的表面1331。

将弹性体铸造到刚性工具主体上

在准备铸造时，硅晶片的硅烷化处理用于化学钝化晶片表面，以避免铸造过程中任何弹性体粘附。该过程涉及用臭氧轰击来活化硅表面，然后在真空下暴露于硅烷蒸汽。用羟基活化硅表面的其他方法包括但不限于等离子体或电晕轰击或食人鱼蚀刻。防粘连层包括但不限于由溶液或物理气相沉积施加的烷基硅烷和氟代烷基硅烷。还可通过等离子沉积来施加防粘连涂层(诸如PTFE(聚四氟乙烯))。

铸造弹性体的另一种方法的示例是将未固化的液态弹性体注入主结构与刚性背衬之间的空腔中。在该示例中，在主结构或刚性背衬中形成一个或多个注入口和出口，从而在使主结构和背衬就位并夹紧在一起时提供将弹性体注入形成在这两者之间的空腔中的路径。通过在出口上抽真空、在入口上向弹性体施加正压或通过这两者来将经混合和脱气的未固化弹性体注入空腔中。

可通过多次铸造将弹性体层铸造到刚性背衬上，以形成包覆成型特征部。作为示例，使用具有给定的一组微尺度和宏尺度结构的主结构将第一弹性体层如上所述铸造并固化到刚性背衬上，以形成初步铸件。然后使用初步铸件和第二主结构进行二次铸造。该第二主结构包含要在初步铸件上包覆成型的特征部。包覆成型的特征部可以重叠，但不能与初步铸造的特征部重叠。

使用二氯甲烷对机加工的丙烯酸主结构进行汽相抛光处理以帮助其从固化的弹性体中释放出来。每个丙烯酸主结构的所有侧上都贴有胶带，以防止脱气过程中液体弹性体泄漏。将硅树脂单体与交联剂的10∶1混合物倒入每个丙烯酸框架内并脱气1.5小时。为了粘合弹性体和铝，使用砂纸打磨接触表面。然后将胶带从丙烯酸框架上取下并放在玻璃板上进行夹紧。将铝背衬牢固地放置在与丙烯酸框架的参考突片对齐的位置，并用另一块玻璃板夹紧，直到再无多余的弹性体逸出为止。固化过程包括在70摄氏度下进行3-4个小时的夹紧固化以及在200摄氏度下进行24小时的未夹紧最终固化。初始固化后，用刮铲轻轻地从弹性体粘合的铝复合工具中撬起丙烯酸主结构。然后，对复合工具进行最终固化。冷却复合工具，并用剪刀将多余的弹性体溢料切掉。

根据本公开的某些方面

通过阅读以下不应与权利要求相混淆的编号方面，将更好地理解上述公开。在一些情况下，这些编号方面中的一个或多个编号方面可在不背离本公开的情况下与本文描述的其他方面结合。

方面1.一种用于形成具有精密微尺度特征部和可再现的宏尺度尺寸的热塑性部件的热塑性成形组件，所述热塑性成形组件包括：(a)顶部工具，所述顶部工具包括：第一刚性工具主体和第一弹性体层，所述第一刚性工具主体具有第一空腔成形侧，所述第一弹性体层适形地涂覆所述第一空腔成形侧的至少一部分以形成第一空腔成形表面；和(b)底部工具，所述底部工具包括：第二刚性工具主体和第二弹性体层，所述第二刚性工具主体具有第二空腔成形侧，所述第二弹性体层适形地涂覆所述第二空腔成形侧的至少一部分以形成第二空腔成形表面。

方面2.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中在处于闭合位置时，所述第一空腔成形表面和所述第二空腔成形表面限定用于形成所述热塑性部件的空腔。

方面3.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一空腔成形表面和所述第二空腔成形表面中的一者或两者包括特征部成形表面，所述特征部成形表面在形成所述热塑性部件时限定所述精密微尺度特征部。

方面4.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体有效地在成形时在所述热塑性部件中提供所述可再现的宏尺度尺寸。

方面5.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层和所述第二弹性体层有效地在成形时在所述热塑性部件中形成所述精密微尺度特征部并且有效地释放所述精密微尺度特征部。

方面6.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一空腔成形表面和所述第二空腔成形表面中的一者或两者包括凹槽。

方面7.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第二刚性工具主体的所述第二空腔成形侧包括凹槽，所述第二弹性体层适形地涂覆所述凹槽。

方面8.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第二弹性体层包括凹槽。

方面9.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一刚性工具主体的所述第一空腔成形侧包括至少一个突出部，所述第一弹性体层适形地涂覆所述至少一个突出部的至少一部分。

方面10.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述凹槽被构造成在处于所述闭合位置时接纳所述至少一个突出部。

方面11.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层包括至少一个突出部。

方面12.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述凹槽被构造成在处于关闭位置时接纳所述至少一个突出部。

方面13.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层和所述第二弹性体层中的一者或两者具有约50微米至约5毫米的厚度。

方面14.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层的厚度变化和所述第二弹性体层的厚度变化两者中的一者为约10％或更小。

方面15.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体中的一者或两者包括铝、铜、钢、塑料、陶瓷或它们的合金。

方面16.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层和所述第二弹性体层中的一者或两者包括选自硅橡胶、氟硅橡胶、氟橡胶(FKM)、全氟橡胶(FFKM)、乙烯丙烯酸酯橡胶、丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、丁基橡胶和它们的组合的弹性体。

方面17.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述热塑性成形组件包括在所述空腔的周边的位于所述第一弹性体层和所述第二弹性体层之间的接合面处的空腔阻断区。

方面18.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述第一空腔成形侧的一部分和所述第二空腔成形侧的一部分接触以形成刚性接触，从而限制所述底部工具和所述顶部工具压缩的程度。

方面19.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述第一弹性体层和所述第二弹性体层沿所述空腔的周边形成空隙空间。

方面20.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述空腔阻断区形成所述空隙空间的位于所述空隙空间与所述空腔之间的一侧。

方面21.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述空腔阻断区和所述空隙空间中的一者或两者围绕所述空腔的整个周边延伸。

方面22.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述第一弹性体层和所述第二弹性体层在基本垂直于所述第一空腔成形侧和所述第二空腔成形侧两者的接合面处接触以形成密封所述空隙空间的衬垫。

方面23.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，所述热塑性成形组件还包括用于所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体中的一者或两者的加热元件。

方面24.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，所述热塑性成形组件还包括用于所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体中的一者或两者的冷却元件。

方面25.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述热塑性成形组件包括用于对所述热塑性部件进行热压花的模具或用于对所述热塑性部件进行注射成型的模具。

方面26.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有约1∶50至约50∶1的长宽比。

方面27.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有非负拔模角。

方面28.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有负拔模角。

方面29.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述微尺度特征部具有约100nm至约1mm或约10μm至约250μm的尺寸。

方面30.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一刚性工具主体具有第一厚度，并且所述第二刚性工具主体具有第二厚度。

方面31.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一厚度和所述第二厚度中的一者或两者为约500μm至50mm。

方面32.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述底部工具包括多个凹槽。

方面33.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述多个凹槽中的每个凹槽均涂覆有弹性体层，所述弹性体层适形地覆盖所述凹槽以形成多个第二空腔成形表面。

方面34.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述顶部工具包括多个突出部。

方面35.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述多个突出部中的每个突出部均涂覆有弹性体层，所述弹性体层适形地涂覆所述突出部以形成多个所述第一空腔成形表面。

方面36.根据方面1至37中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述多个第一空腔成形表面和所述多个第二空腔成形表面在处于所述闭合位置时形成用于形成多个热塑性部件的空腔。

方面37.根据方面1至36中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述热塑性成形组件包括多个顶部工具，其中所述多个顶部工具中的每个顶部工具包括涂覆有弹性体层的突出部，所述弹性体层适形地涂覆所述突出部以在所述多个顶部工具中的每个顶部工具上形成第一空腔成形表面，并且其中所述多个第一空腔成形表面和所述多个第二空腔成形表面在处于所述闭合位置时形成用于形成多个热塑性部件的空腔。

应该强调的是，本公开的上述方面仅是具体实施的可能示例，并且仅出于清楚地理解本公开的原理的目的而进行阐述。可在基本上不脱离本公开的精神和原理的情况下对本公开的上述实施方案做出许多变更和修改。所有这些修改和变更旨在包括在本公开的范围内。

Claims (36)

1.一种用于形成具有精密微尺度特征部和可再现的宏尺度尺寸的热塑性部件的热塑性成形组件，所述热塑性成形组件包括：

(a)顶部工具，所述顶部工具包括：

第一刚性工具主体，所述第一刚性工具主体具有第一空腔成形侧；和

第一弹性体层，所述第一弹性体层适形地涂覆并结合到所述第一空腔成形侧的至少一部分以形成第一空腔成形表面；和

(b)底部工具，所述底部工具包括：

第二刚性工具主体和第二弹性体层，所述第二刚性工具主体具有第二空腔成形侧，所述第二弹性体层适形地涂覆并结合到所述第二空腔成形侧的至少一部分以形成第二空腔成形表面；

其中，在处于闭合位置时，所述第一空腔成形表面和所述第二空腔成形表面限定用于形成所述热塑性部件的空腔；

其中所述第一空腔成形表面和所述第二空腔成形表面中的一者或两者包括特征部成形表面，所述特征部成形表面在形成所述热塑性部件时限定所述精密微尺度特征部；

其中所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体有效地在所述热塑性部件成形时在所述热塑性部件中提供所述可再现的宏尺度尺寸；

其中所述第一弹性体层和所述第二弹性体层有效地在所述热塑性部件成形时在所述热塑性部件中形成所述精密微尺度特征部并且有效地释放所述精密微尺度特征部；

其中所述第一弹性体层和所述第二弹性体层被构造成在所述热塑性部件插入所述顶部工具和所述底部工具之间时保持分别结合到所述第一刚性工具主体的所述第一空腔成形侧的所述至少一部分和所述第二刚性工具主体的所述第二空腔成形侧的所述至少一部分。

2.根据权利要求1所述的热塑性成形组件，其中所述第一空腔成形表面和所述第二空腔成形表面中的一者或两者包括凹槽。

3.根据权利要求1所述的热塑性成形组件，其中所述第二刚性工具主体的所述第二空腔成形侧包括凹槽，所述第二弹性体层适形地涂覆所述凹槽。

4.根据权利要求1所述的热塑性成形组件，其中所述第二弹性体层包括凹槽。

5.根据权利要求3所述的热塑性成形组件，其中所述第一刚性工具主体的所述第一空腔成形侧包括至少一个突出部，所述第一弹性体层适形地涂覆所述至少一个突出部的至少一部分；并且

其中凹槽被构造成在处于所述闭合位置时接纳所述至少一个突出部。

6.根据权利要求5所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层包括至少一个突出部；并且

其中所述凹槽被构造成在处于闭合位置时接纳所述第一弹性体层的所述至少一个突出部。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层和所述第二弹性体层中的一者或两者具有50微米至5毫米的厚度。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层的厚度变化和所述第二弹性体层的厚度变化两者中的一者为10％或更小。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体中的一者或两者包括铝、铜、钢、塑料、陶瓷或它们的合金。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一弹性体层和所述第二弹性体层中的一者或两者包括选自硅橡胶、氟硅橡胶、氟橡胶(FKM)、全氟橡胶(FFKM)、乙烯丙烯酸酯橡胶、丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、丁基橡胶和它们的组合的弹性体。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述热塑性成形组件包括在所述空腔的周边的位于所述第一弹性体层和所述第二弹性体层之间的接合面处的空腔阻断区。

12.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述第一空腔成形侧的一部分和所述第二空腔成形侧的一部分接触以形成刚性接触，从而限制所述底部工具和所述顶部工具压缩的程度。

13.根据权利要求11所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述第一弹性体层和所述第二弹性体层沿所述空腔的周边形成空隙空间。

14.根据权利要求13所述的热塑性成形组件，其中空腔阻断区形成所述空隙空间的位于所述空隙空间与所述空腔之间的一侧。

15.根据权利要求13所述的热塑性成形组件，其中空腔阻断区和所述空隙空间中的一者或两者围绕所述空腔的整个周边延伸。

16.根据权利要求15所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述第一弹性体层和所述第二弹性体层在基本垂直于所述第一空腔成形侧和所述第二空腔成形侧两者的接合面处接触以形成密封空隙空间的衬垫。

17.根据权利要求13所述的热塑性成形组件，其中在处于所述闭合位置时，所述第一弹性体层和所述第二弹性体层在基本垂直于所述第一空腔成形侧和所述第二空腔成形侧两者的接合面处接触以形成密封所述空隙空间的衬垫。

18.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，所述热塑性成形组件还包括用于所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体中的一者或两者的加热元件。

19.根据权利要求17所述的热塑性成形组件，所述热塑性成形组件还包括用于所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体中的一者或两者的加热元件。

20.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，所述热塑性成形组件还包括用于所述第一刚性工具主体和所述第二刚性工具主体中的一者或两者的冷却元件。

21.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述热塑性成形组件包括用于对所述热塑性部件进行热压花的模具或用于对所述热塑性部件进行注射成型的模具。

22.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述精密微尺度特征部具有1:50至50:1的长宽比。

23.根据权利要求13所述的热塑性成形组件，其中所述精密微尺度特征部具有1:50至50:1的长宽比。

24.根据权利要求15所述的热塑性成形组件，其中所述精密微尺度特征部具有1:50至50:1的长宽比。

25.根据权利要求17所述的热塑性成形组件，其中所述精密微尺度特征部具有1:50至50:1的长宽比。

26.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述精密微尺度特征部具有非负拔模角。

27.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述精密微尺度特征部具有负拔模角。

28.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述精密微尺度特征部具有10μm至250μm的尺寸。

29.根据权利要求13所述的热塑性成形组件，其中所述精密微尺度特征部具有10μm至250μm的尺寸。

30.根据权利要求15所述的热塑性成形组件，其中所述精密微尺度特征部具有10μm至250μm的尺寸。

31.根据权利要求17所述的热塑性成形组件，其中所述精密微尺度特征部具有10μm至250μm的尺寸。

32.根据权利要求1至6中任一项所述的热塑性成形组件，其中所述第一刚性工具主体具有第一厚度，并且所述第二刚性工具主体具有第二厚度，其中所述第一厚度和所述第二厚度中的一者或两者为500μm至50mm。

33.根据权利要求13所述的热塑性成形组件，其中所述第一刚性工具主体具有第一厚度，并且所述第二刚性工具主体具有第二厚度，

其中所述第一厚度和所述第二厚度中的一者或两者为500μm至50mm。

34.根据权利要求13所述的热塑性成形组件，其中所述底部工具包括多个凹槽，

其中所述多个凹槽中的每个凹槽均涂覆有弹性体层，所述弹性体层适形地覆盖每个凹槽以形成多个第二空腔成形表面。

35.根据权利要求34所述的热塑性成形组件，其中所述顶部工具包括多个突出部，

其中所述多个突出部中的每个突出部均涂覆有弹性体层，所述弹性体层适形地涂覆每个突出部以形成多个所述第一空腔成形表面；并且

其中所述多个第一空腔成形表面和所述多个第二空腔成形表面在处于所述闭合位置时形成用于形成多个热塑性部件的空腔。

36.根据权利要求34所述的热塑性成形组件，其中所述热塑性成形组件包括多个顶部工具；

其中所述多个顶部工具中的每个顶部工具包括涂覆有弹性体层的突出部，所述弹性体层适形地涂覆所述突出部以在所述多个顶部工具中的每个顶部工具上形成第一空腔成形表面；并且

其中多个第一空腔成形表面和所述多个第二空腔成形表面在处于所述闭合位置时形成用于形成多个热塑性部件的空腔。