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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenlegung betrifft eine Brennstoffzellenkomponente und im Spezielleren ein dynamisches Maskierungsverfahren zur Herstellung der Brennstoffzellenkomponente.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine Brennstoffzelle wurde als saubere, effiziente und umweltbewusste Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene weitere Anwendungen vorgeschlagen. Es können einzelne Brennstoffzellen in Reihe zusammengestapelt sein, um einen Brennstoffzellenstapel für verschiedene Anwendungen zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreicht, um ein Fahrzeug zu betreiben. Im Speziellen wurde der Brennstoffzellenstapel als eine mögliche Alternative für den traditionellen Verbrennungsmotor erkannt, die in modernen Fahrzeugen verwendet wird.
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Ein Typ von Brennstoffzelle ist als eine Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei grundlegende Komponenten: eine Elektrolytmembran; und ein Paar Elektroden, das eine Kathode und eine Anode umfasst. Die Elektrolytmembran ist zwischen den Elektroden angeordnet, um eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zu bilden. Die MEA ist typischerweise zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) wie z. B. einem Kohlefaserpapier angeordnet, das eine Zufuhr von Reaktanden wie z. B. Wasserstoff an die Anode und Sauerstoff an die Kathode erleichtert. In der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion wird der Wasserstoff in der Anode katalytisch oxidiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Elektronen von der Anode können nicht durch die Elektrolytmembran gelangen und werden stattdessen als ein elektrischer Strom durch einen elektrischen Verbraucher wie z. B. einen Elektromotor zu der Kathode geleitet. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
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Es bestand der Wunsch, die Brennstoffzelle und diesbezügliche Brennstoffzellenkomponenten aus strahlungs- bzw. strahlengehärteten Strukturen herzustellen. Die Bildung von strahlengehärteten Strukturen wie z. B. Mikrofachwerkstrukturen ist in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 12/339 308 des Anmelders beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die Bildung von strahlengehärteten Brennstoffzellenstrukturen ist ferner in den gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldungen Serien-Nr. 12/341 062 und 12/341 105 des Anmelders beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Strahlengehärtete Mikrofachwerkstrukturen und die Methodik sind von Jacobsen et al. in „Compression behavior of micro-scale truss structures formed from self-propagating polymer waveguides", Acta Materialia 55, (2007) 6724–6733 beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Ein spezielles Verfahren und System zum Erzeugen von strahlengehärteten Strukturen sind von Jacobsen in der US-Pat.-Nr. 7 382 959 beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Weitere strahlengehärtete Strukturen sind von Jacobsen in der US-Patentanmeldung Serien-Nr. 11/801 908 beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Die strahlengehärteten Strukturen sind typischerweise aus strahlenempfindlichen Materialien wie z. B. durch Strahlung härtbaren Materialien und durch Strahlung zersetzbaren Materialien gebildet. Die strahlengehärtete Struktur wird allgemein durch ein Verfahren gebildet, welches die Schritte umfasst, dass das strahlenempfindliche Material vorgesehen wird; eine Maske zwischen zumindest einer Strahlenquelle und dem strahlenempfindlichen Material angeordnet wird, wobei die Maske eine Vielzahl von darin ausgebildeten im Wesentlichen strahlendurchlässigen Durchbrechungen aufweist; und das strahlenempfindliche Material einer Vielzahl von Strahlenbündeln durch die strahlendurchlässigen Durchbrechungen in der Maske ausgesetzt wird. Die Durchbrechungen der Maske können gewählt sein, um verschiedene strahlengehärtete Strukturen vorzusehen. Um komplexe oder mehrlagige strahlengehärtete Strukturen zu bilden, werden verschiedene Masken mit verschiedenen Durchbrechungen allgemein sequentiell angewendet. Unerwünschterweise müssen Masken jedoch nach der Strahlenexposition wieder entfernt werden, sodass eine weitere strahlengehärtete Struktur hergestellt werden kann. Da Masken typischerweise in physischem Kontakt mit dem strahlenempfindlichen Material angeordnet sind, müssen die Masken nach Gebrauch auch gereinigt werden, um zurückbleibendes strahlenempfindliches Material zu entfernen. Wenngleich es möglich ist, mehrere Strahlenexpositionen durch wiederholtes Lösen und Anwenden von Masken zu erzielen, kann diese Methodik relativ kompliziert und kostspielig sein.
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Es besteht fortgesetzter Bedarf an einem effizienten und kostengünstigen System und Verfahren zur Herstellung von strahlengehärteten Strukturen. Wünschenswerterweise sehen das System und das Verfahren komplexe oder mehrlagige strahlengehärtete Strukturen ohne die Verwendung kostspieliger und ineffizienter Maskierungstechniken, Verarbeitungsschritte und Reinigungsschritte vor.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung wurden überraschenderweise ein effizientes und kostengünstiges System und Verfahren zur Herstellung von strahlengehärteten Strukturen und zur Bereitstellung von komplexen oder mehrlagigen strahlengehärteten Strukturen ohne die Verwendung kostspieliger und ineffizienter Maskierungstechniken, Verarbeitungsschritte und Reinigungsschritte entdeckt.
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In einer ersten Ausführungsform umfasst ein System zur Herstellung einer strahlengehärteten Komponente ein strahlenempfindliches Material. Das strahlenempfindliche Material ist ausgebildet, um angeregt zu werden und/oder zu polymerisieren und/oder sich zu vernetzen und/oder zu zerfallen, wenn es einer Strahlung ausgesetzt ist. Das System umfasst ferner zumindest eine Strahlenquelle und eine strahlenlenkende Vorrichtung. Die zumindest eine Strahlenquelle ist ausgebildet, um ein Strahlenbündel mit einem Vektor zu projizieren, der das strahlenempfindliche Material nicht schneidet. Die strahlenlenkende Vorrichtung ist selektiv positionierbar, um das Strahlenbündel in eine gewünschte Richtung zu lenken und das strahlenempfindliche Material dem Strahlenbündel auszusetzen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein System zur Herstellung einer strahlengehärteten Komponente ein strahlenempfindliches Material, das ausgebildet ist, um angeregt zu werden und/oder zu polymerisieren und/oder sich zu vernetzen und/oder zu zerfallen, wenn es einer Strahlung ausgesetzt ist. Eine erste Strahlenquelle ist benachbart zu einer ersten Seite des strahlenempfindlichen Materials angeordnet und ausgebildet, um ein erstes Strahlenbündel mit einem Vektor zu projizieren, der das strahlenempfindliche Material nicht schneidet. Eine zweite Strahlenquelle ist benachbart zu einer zweiten Seite des strahlenempfindlichen Materials angeordnet und ausgebildet, um ein zweites Strahlenbündel mit einem Vektor zu projizieren, der das strahlenempfindliche Material nicht schneidet. Das System umfasst ferner eine Digitalmikrospiegelvorrichtung mit einer Vielzahl von Mikrospiegeln, die in einem Array angeordnet sind. Die Digitalmikrospiegelvorrichtung ist benachbart zu dem ersten strahlenempfindlichen Material angeordnet. Jeder der Mikrospiegel ist selektiv positionierbar, um eines von dem ersten und dem zweiten Strahlenbündel in eine gewünschte Richtung zu reflektieren und das strahlenempfindliche Material einem von dem ersten und dem zweiten Strahlenbündel auszusetzen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer strahlengehärteten Komponente die Schritte, dass: ein erstes strahlenempfindliches Material vorgesehen wird, das ausgebildet ist, um angeregt zu werden und/oder zu polymerisieren und/oder sich zu vernetzen und/oder zu zerfallen, wenn es einer Strahlung ausgesetzt ist; zumindest eine Strahlenquelle, die ausgebildet ist, um ein Strahlenbündel mit einem Vektor zu projizieren, der das erste strahlenempfindliche Material nicht schneidet, vorgesehen wird; eine strahlenlenkende Vorrichtung, die selektiv positionierbar ist, vorgesehen wird; die strahlenlenkende Vorrichtung derart positioniert wird, dass sie das Strahlenbündel in eine gewünschte Richtung lenkt; das erste strahlenempfindliche Material dem durch die strahlenlenkende Vorrichtung gelenkten Strahlenbündel ausgesetzt wird; und eine erste strahlengehärtete Struktur der strahlengehärteten Komponente gebildet wird.
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Zeichnungen
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Die oben stehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind für Fachleute aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Licht der hierin beschriebenen Zeichnungen, offensichtlich.
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1A ist eine schematische Veranschaulichung des Systems zur Herstellung von strahlengehärteten Strukturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung, wobei eine strahlenlenkende Vorrichtung in einem aktiven Zustand gezeigt ist;
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1B ist eine schematische Veranschaulichung des in 1A gezeigten Systems, wobei die strahlenlenkende Vorrichtung im inaktiven Zustand gezeigt ist;
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2 ist eine schematische Veranschaulichung des in 1A gezeigten Systems, welches ferner eine Maske aufweist, die zwischen einer Strahlenquelle und der strahlenlenkenden Vorrichtung angeordnet ist;
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3 ist eine schematische Veranschaulichung des Systems zur Herstellung von strahlengehärteten Strukturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung mit einem Paar Strahlenquellen; und
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4 ist eine schematische Veranschaulichung des Systems zur Herstellung von strahlengehärteten Strukturen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung mit einer Vielzahl von selektiv positionierbaren Spiegeln.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und sollen den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die angegebenen Schritte von beispielhafter Natur und sind daher nicht notwendig oder kritisch.
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Die 1A und 1B zeigen ein System 2 zur Herstellung von strahlengehärteten Strukturen 4 gemäß der vorliegenden Offenlegung. Die strahlengehärteten Strukturen 4 können illustrativ als strahlengehärtete Brennstoffzellenkomponenten wie z. B. Diffusionsmedien, bipolare Platten, Nebendichtungen und dergleichen verwendet werden. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass das offenbarte System 2 und Verfahren nicht auf Brennstoffzellenkomponenten beschränkt sind und je nach Wunsch zur Herstellung von strahlengehärteten Strukturen 4 für andere Zwecke verwendet werden können. Die Terminologie in Bezug auf die Herstellung von strahlengehärteten Strukturen 4 wie hierin im Hinblick auf das vorliegende System 2 und Verfahren verwendet, ist in den gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldungen Serien-Nr. 12/339 308, 12/341 062 und 12/341 105 des Anmelders beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Das System 2 umfasst ein strahlenempfindliche Material 6, zumindest eine Strahlenquelle 8 und eine strahlenlenkende Vorrichtung 10. Das strahlenempfindliche Material 6 ist ausgebildet, um angeregt zu werden und/oder zu polymerisieren und/oder sich zu vernetzen und/oder zu zerfallen, wenn es einer Strahlung ausgesetzt ist. Das strahlenempfindliche Material 6 kann je nach Art des gewählten strahlenempfindlichen Materials 6 auf einem Substrat (nicht gezeigt) angeordnet sein, in einem Behälter oder Reservoir angeordnet sein, wenn es flüssig ist, oder als ein frei stehender Film vorgesehen sein. Die zumindest eine Strahlenquelle 8 kann auch benachbart zu dem strahlenempfindlichen Material 6 angeordnet sein. Die strahlenlenkende Vorrichtung 10 kann auch benachbart zu dem strahlenempfindlichen Material 6 in einer Position angeordnet sein, die eine selektive Reflexion der Strahlung gegen das strahlenempfindliche Material 6 erleichtert. Die strahlenlenkende Vorrichtung 10 ist bevorzugt von dem strahlenempfindlichen Material 6 beabstandet und angeordnet, z. B. über der Oberfläche 12 des strahlenempfindlichen Materials 6. Es sollte einzusehen sein, dass die strahlenlenkende Vorrichtung 10, falls erwünscht, horizontal von dem strahlenempfindlichen Material 6 versetzt sein kann.
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Die strahlenlenkende Vorrichtung 10 kann einen Spiegel 10 und/oder einen Lichtbrechungskörper wie z. B. eine Linse, ein Prisma und dergleichen umfassen. Wenngleich die strahlenlenkende Vorrichtung 10 hierin nachfolgend als den zumindest einen Spiegel 16 aufweisend beschrieben ist, sollte einzusehen sein, dass alternative Ausführungsformen, welche die strahlenlenkende Vorrichtung 10 mit zumindest einem Lichtbrechungskörper umfassen, innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenlegung liegen.
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Die zumindest eine Strahlenquelle 8 ist ausgebildet, um ein Strahlenbündel 14 entlang eines Vektors zu projizieren, der das strahlenempfindliche Material 6 nicht schneidet. Die zumindest eine Strahlenquelle 8 ist wünschenswerterweise ausgebildet, um das Strahlenbündel 14 entlang eines Vektors zu projizieren, der den zumindest einen Spiegel 16 der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 schneidet. Es sollte einzusehen sein, dass die Strahlung je nach Wunsch kollimiert oder teilweise kollimiert werden kann. In speziellen Ausführungsformen ist die Strahlung eine elektromagnetische Strahlung wie z. B. ultraviolettes(UV)-Licht, wenngleich einzusehen sein sollte, dass auch andere Formen von elektromagnetischer Strahlung innerhalb des Schutzumfanges der Offenlegung verwendet werden können. Die Strahlenquelle 8 projiziert das Strahlenbündel 14 entlang eines Vektors parallel zu der Oberfläche 12 des strahlenempfindlichen Materials 6. In einem weiteren Beispiel ist die Strahlenquelle 8 unter einer Ebene angeordnet, die durch die Oberfläche 12 des strahlenempfindlichen Materials 6 gebildet ist, und kann das Strahlenbündel 14 nach oben und von der Oberfläche des strahlenempfindlichen Materials 6 weg projizieren. Es sollte einzusehen sein, dass die Strahlenquelle 8 je nach Wunsch in anderen geeigneten Positionen angeordnet sein kann, um das Strahlenbündel 14 entlang des Vektors zu projizieren, der das strahlenempfindliche Material 6 nicht schneidet.
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In bestimmten Beispielen ist die Strahlenquelle 8 pulsierbar. Die Strahlenquelle 8 kann z. B. schnell ein- und ausgeschaltet werden. Die Pulsierbarkeit der Strahlenquelle 8 erleichtert eine gesteuerte Nicht-Projektion des Strahlenbündels 14 während der Positionierung der Spiegel 16. Ein Fachmann sollte einsehen, dass durch das Ausschalten der Strahlenquelle 8 während der Positionierung der Spiegel 16 und das Einschalten der Strahlenquelle 8, wenn die Spiegel 16 wie gewünscht positioniert wurden, der Ausbildung von unerwünschten „schlepp” strahlengehärteten Strukturen entgegengewirkt wird.
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Die strahlenlenkende Vorrichtung 10 der vorliegenden Offenlegung ist ausgebildet, um das Strahlenbündel 14 z. B. durch Reflexion oder Brechung selektiv von der Strahlenquelle 8 zu dem strahlenempfindlichen Material 6 zu lenken. In speziellen Ausführungsformen weist die strahlenlenkende Vorrichtung 10 zumindest einen Spiegel 16 auf, der benachbart zu dem strahlenempfindlichen Material 6 angeordnet und selektiv positionierbar ist, um das Strahlenbündel 14 in eine gewünschte Richtung zu reflektieren. Der Spiegel 16 kann aus jedem beliebigen Material gebildet sein, das in der Lage ist, das durch die Strahlenquelle 8 projizierte Strahlenbündel 14 zu reflektieren. Der Spiegel 16 kann eine einzige, im Wesentlichen kontinuierliche Oberfläche oder eine Fläche mit vielen Facetten aufweisen, um das Strahlenbündel 14 in die gewünschte Richtung zu reflektieren. Die gewünschte Richtung kann zum Beispiel eine gegen das strahlenempfindliche Material 6, um das strahlenempfindliche Material dem Strahlenbündel 14 auszusetzen, oder von dem strahlenempfindlichen Material 6 weg, um zu verhindern, dass das strahlenempfindliche Material 6 dem Strahlenbündel 14 ausgesetzt wird, sein.
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Unter Bezugnahme auf die 1A und 1B ist die strahlenlenkende Vorrichtung 10 selektiv aus einem aktiven Zustand in einen passiven Zustand positionierbar. Ein Beispiel des aktiven Zustands ist in 1A gezeigt und umfasst eine Position, die eingerichtet ist, um das Strahlenbündel 14 gegen das strahlenempfindliche Material 6 zu reflektieren. Ein Beispiel des inaktiven Zustands ist in 1B gezeigt und umfasst eine Position, die eingerichtet ist, um das Strahlenbündel von dem strahlenempfindlichen Material 6 weg zu reflektieren. Die strahlenlenkende Vorrichtung 10 kann auch selektiv in eine Vielzahl von Zuständen innerhalb des aktiven Zustands positionierbar sein, um das Strahlenbündel 14 in eine Vielzahl von gewünschten Richtungen gegen das strahlenempfindliche Material 6 zu lenken. Die strahlenlenkende Vorrichtung 10 kann zum Beispiel viele aktive Zustände unter verschiedenen Winkeln aufweisen, die das Strahlenbündel 14 in verschiedenen Richtungen reflektieren.
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Die strahlenlenkende Vorrichtung 10 kann mithilfe der Verwendung zumindest eines programmierbaren Controllers (nicht gezeigt) in elektrischer Verbindung damit positionierbar sein. Der Controller kann eine Feinpositionssteuerung eines Motors, z. B. eines elektrischen Schrittmotors, vorsehen, der mit dem zumindest einen Spiegel 16 gekoppelt ist. Es können auch andere Motoren oder Mittel verwendet werden, die geeignet sind, um eine fein gesteuerte Positionierung der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 bereitzustellen.
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Die Positionierung der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 kann eine lineare und/oder Winkelverschiebung umfassen. Als ein Beispiel einer linearen Verschiebung kann der Spiegel 16 ausgebildet sein, um sich vor oder zurück zu verschieben, um das Strahlenbündel 14 selektiv zu reflektieren. In einem besonders illustrativen Beispiel ist der Spiegel 16 um eine Achse 18 rotierbar, um die selektive Positionierung des Spiegels 16 zu erleichtern. In einem weiteren illustrativen Beispiel ist der Spiegel 16 derart ausgebildet, dass er um mehr als eine Achse 18 rotiert. Die Achse 18 kann an einem Ende der strahlenlenkenden Vorrichtung 10, z. B. in Form eines Gelenks, das an die strahlenlenkende Vorrichtung 10 gekoppelt ist, angeordnet sein. Die Achse 18 kann zwischen den Enden der strahlenlenkenden Vorrichtung 10, z. B. in der Form einer Achse, die mit der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 gekoppelt ist, angeordnet sein. Es sollte einzusehen sein, dass, wenn der Spiegel 16 durch Rotation positioniert wird, der Spiegel 16 von der Oberfläche 12 des strahlenempfindlichen Materials 6 in einer Distanz beabstandet ist, die ausreicht, um zuzulassen, dass die Rotation stattfindet, ohne dass der Spiegel 16 die Oberfläche 12 berührt.
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Es kann eine Ausrichtung der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 verfolgt werden und eine Repositionierung der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 verwendet werden, um Abdrifte in der Leistung des Systems 2 mit der Zeit einfach zu korrigieren. Es kann zum Beispiel ein Qualitätskontrolle-Sensor oder ein Inspektionsprozess verwendet werden, um zu ermitteln, ob die Winkel der hergestellten strahlengehärteten Strukturen 4 innerhalb annehmbarer Toleranzen liegen, und der Spiegel 16 kann wie erforderlich repositioniert werden, wenn eine unerwünschte Abdrift stattgefunden hat. Es sollte einzusehen sein, dass, wenn die Abdrift das Ergebnis einer Bewegung eines darunter liegenden Substrats oder Trägers in einem kontinuierlichen Betriebsverfahren ist, die Verwendung des zumindest einen Spiegels 16 vorteilhafterweise Echtzeitkorrekturen zulässt und die Standzeit des Systems 2 minimiert.
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Unter Bezugnahme auf 2 kann das System 2 ferner eine Maske 20 umfassen, die zwischen der zumindest einen Strahlenquelle 8 und der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 angeordnet ist. Die Maske 20 kann direkt auf der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 angeordnet oder von der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 beabstandet sein, wie in 2 gezeigt. In einer weiteren Ausführungsform ist die Maske 20 zwischen der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 und dem strahlenempfindlichen Material 6 beabstandet, wobei die Maske 20 von dem strahlenempfindlichen Material 6 beabstandet ist. Die Maske 20 kann ferner einteilig mit dem Spiegel 16 ausgebildet sein, indem eine selektiv reflektierende gespiegelte Oberfläche vorgesehen wird. In einer speziellen Ausführungsform weist die Maske 20 eine Vielzahl von im Wesentlichen strahlendurchlässigen Durchbrechungen 22 oder Öffnungen auf, die darin gebildet sind. Die Durchbrechungen können im Wesentlichen strahlendurchlässige Durchbrechungen 22 sein, die in einem ansonsten lichtundurchlässigen oder strahlenblockierenden Material gebildet sind, mit dem die Oberfläche der Maske 20 z. B. beschichtet ist. Die in der Maske 20 gebildeten Durchbrechungen 22 oder Öffnungen weisen Formen auf, welche die Strahlenbündel 14 zum Bilden strahlengehärteter Strukturen 4 mit erwünschten Querschnittsformen bereitstellen. In einer Ausführungsform sind die Durchbrechungen 22 in der Form von im Wesentlichen kreisförmigen Löchern vorhanden, die Strahlenbündel 14 zum Bilden strahlengehärteter Säulen mit im Wesentlichen kreisförmigen oder elliptischen Querschnittsformen bereitstellen. In einer weiteren Ausführungsform sind die Durchbrechungen 22 längliche Schlitze, die Strahlenbündel 14 zum Bilden strahlengehärteter Wände mit im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsformen bereitstellen. Die Maske 20 kann z. B. aus einer Ebene aus Glas oder einer Mylar®-Kunststoffplatte gebildet sein und die Ausbildung einer Vielzahl von Strahlenbündeln 14 erleichtern. Es sollte einzusehen sein, dass viele Masken 20 verwendet werden können und die Masken 20 je nach Wunsch während des gesamten Herstellungsprozesses ausgewechselt werden können.
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Bezug nehmend auf die 3 und 4 weisen gleiche Strukturen, die von den 1A, 1B und 2 wiederholt werden, der Einfachheit halber dieselbe Bezugsziffer und einen Strich (') oder Doppelstrich (') auf. Die zumindest eine Strahlenquelle 8 kann eine erste Strahlenquelle 8' und eine zweite Strahlenquelle 8'' aufweisen. Die erste Strahlenquelle 8' ist an einer ersten Seite des strahlenempfindlichen Materials 6 angeordnet. Die zweite Strahlenquelle 8'' ist an einer zweiten Seite des strahlenempfindlichen Materials 6 angeordnet. Die strahlenlenkende Vorrichtung 10 ist zwischen der ersten und der zweiten Strahlenquelle 8', 8'' angeordnet und ist selektiv positionierbar, um das erste und das zweite Strahlenbündel 14', 14'' von einer von der ersten und der zweiten Strahlenquelle 8', 8'' zu reflektieren. Es sollte einzusehen sein, dass je nach Wunsch zusätzliche Strahlenquellen 8, die an zusätzlichen oder denselben Seiten des strahlenempfindlichen Materials 6 angeordnet sind, verwendet werden können.
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Wie in 4 gezeigt, kann die strahlenlenkende Vorrichtung 10 auch eine Vielzahl von Spiegeln 16 umfassen. Jeder der Spiegel ist selektiv positionierbar, um das Strahlenbündel 14 in die Vielzahl von gewünschten Richtungen zu reflektieren. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Vielzahl von Spiegeln 16 in einem Array angeordnet sein, das zumindest teilweise über dem strahlenempfindlichen Material 6 angeordnet ist. Es können mehrere Arrays während der Ausbildung der strahlengehärteten Struktur 4 verwendet werden. Die strahlenlenkende Vorrichtung 10 kann z. B. drei verschiedene Arrays der Spiegel 16 umfassen. Jedes der drei verschiedenen Arrays kann mit einer vorbestimmten Neigung versehen sein, um die Ausbildung der strahlengehärteten Strukturen 4 mit gewünschten Winkeln und Formen zu erleichtern. In einem weiteren Beispiel können das gesamte Array wie auch die einzelnen Spiegel 16 je nach Wunsch positionierbar sein.
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In einer besonders illustrativen Ausführungsform ist die strahlenlenkende Vorrichtung 10 eine Digitalmikrospiegelvorrichtung (auch als „DMD” bekannt) und der zumindest eine Spiegel 16 umfasst eine Vielzahl von Mikrospiegeln, die in dem Array angeordnet sind. Die Digitalmikrospiegelvorrichtung ist ein optischer Halbleiter, der auf seiner Oberfläche eine Vielzahl von mikroskopischen Spiegeln aufweist, die in einem rechteckigen Array angeordnet sind, das der Form der zu bildenden gewünschten strahlengehärteten Struktur 4 entspricht. Die Mikrospiegel können einzeln um ±12° in die aktiven und inaktiven Zustande rotiert werden. Im aktiven Zustand werden die Strahlenbündel 14 von der Strahlenquelle 8 zu dem strahlenempfindlichen Material 6 reflektiert. Im inaktiven Zustand werden die Strahlenbündel 14 woandershin, z. B. zu einem Kühlkörper (nicht gezeigt), gelenkt, der neben dem System 2 angeordnet ist.
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Die Verwendung der Digitalmikrospiegelvorrichtung als die strahlenlenkende Vorrichtung 10 kann besonders vorteilhaft sein, da die Digitalmikrospiegel sehr schnell ein- und ausgeschaltet werden können, um eine Feinsteuerung und die Ausbildung der strahlengehärteten Struktur 4 zuzulassen.
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Die Mikrospiegel können illustrativ aus Aluminium gebildet sein und können eine durchschnittliche Breite von bis zu 20 Mikrometer aufeisen. Die Mikrospiegel können je nach Wunsch weitere Materialien und Abmessungen aufweisen, die zur Verwendung in der Digitalmikrospiegelvorrichtung geeignet sind. In einer speziellen Ausführungsform ist jeder Mikrospiegel angelenkt an einem Joch befestigt, das wiederum über nachgiebige Torsionsgelenke mit zwei Stützsäulen verbunden ist. In dieser Art von Gelenk ist die Achse an beiden Enden fixiert und verdreht sich in der Mitte. Es können zwei Paar Elektroden verwendet werden, um die Position des Mikrospiegels durch elektrostatische Anziehung zu steuern. Jedes Paar weist eine Elektrode an jeder Seite des Gelenks auf, wobei eines der Paare derart positioniert ist, dass es auf das Joch einwirkt, und das andere direkt auf den Mikrospiegel einwirkt.
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Es werden gleiche Vorspannungsladungen an beiden Seiten gleichzeitig angewendet, um den Mikrospiegel in der gewünschten Position zu halten. Um die Mikrospiegel zu positionieren, kann ein erforderlicher Zustand für jeden Mikrospiegel zuerst auf den Controller geladen werden, der in elektrischer Verbindung mit den Elektroden steht. Sobald der erforderliche Zustand für jeden Mikrospiegel geladen wurde, wird die Vorsteuerspannung entfernt und die Mikrospiegel werden wie gewünscht positioniert. Wenn die gewünschte Position erreicht ist, kann der Mikrospiegel durch Anwenden von gleichen Vorspannungsladungen [englisch: changes] in Position gehalten werden, bis eine nächste Positionierung des Mikrospiegels gewünscht ist.
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Ein spezielles System zur Herstellung der strahlengehärteten Komponente umfasst das strahlenempfindliche Material 6, die erste Strahlenquelle 8', die benachbart zu der ersten Seite des strahlenempfindlichen Materials 6 angeordnet und ausgebildet ist, um das erste Strahlenbündel 14' zu projizieren, die zweite Strahlenquelle 8'', die benachbart zu der zweiten Seite des strahlenempfindlichen Materials 6 angeordnet und ausgebildet ist, um das zweite Strahlenbündel 14'' zu projizieren, und die strahlenlenkende Vorrichtung 10. In diesem speziellen System 2 ist die strahlenlenkende Vorrichtung 10 die Digitalmikrospiegelvorrichtung. Die Digitalmikrospiegelvorrichtung kann benachbart zu dem strahlenempfindlichen Material 6 angeordnet und jeder der Mikrospiegel einzeln selektiv positionierbar sein, um eines von dem ersten und dem zweiten Strahlenbündel 14', 14'' in eine gewünschte Richtung zu reflektieren, um das strahlenempfindliche Material 6 selektiv dem ersten und dem zweiten Strahlenbündel 14', 14'' auszusetzen.
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Die vorliegende Offenlegung umfasst ferner ein Verfahren zum Herstellen der strahlengehärteten Komponente. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass: das strahlenempfindliche Material 6 vorgesehen wird; die zumindest eine Strahlenquelle 8 vorgesehen wird, die z. B. benachbart zu dem strahlenempfindlichen Material 6 angeordnet ist; die strahlenlenkende Vorrichtung 10 vorgesehen wird, die z. B. benachbart zu dem strahlenempfindlichen Material 6 angeordnet ist; und der zumindest eine Spiegel 16 positioniert wird, um das Strahlenbündel 14 z. B. durch Reflexion oder Lichtbrechung in eine gewünschte Richtung zu lenken. Das strahlenempfindliche Material 6 wird dann dem durch den zumindest einen Spiegel 16 gelenkten Strahlenbündel 14 ausgesetzt. Es sollte einzusehen, dass die Expositionszeit je nach Wunsch verlängert oder verkürzt sein kann.
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Es sollte einzusehen sein, dass, wenn das strahlenempfindliche Material 6 nur durch die Exposition gegenüber dem Strahlenbündel 14 angeregt wird, das Ausbilden der ersten strahlengehärteten Struktur 4 einen nachfolgenden Bearbeitungsschritt zum Erwärmen des strahlenempfindlichen Materials 6 umfassen kann, um eine Polymerisation und/oder Vernetzung und oder Zersetzung des strahlenempfindlichen Materials 6 abzuschließen. Wenn das strahlenempfindliche Material 6 durch das Strahlenbündel 14 polymerisiert, vernetzt oder zersetzt ist und wenn Nachbearbeitungsschritte wie z. B. Erwärmen des angeregten strahlenempfindlichen Materials stattgefunden haben, wird auch ein Schritt zum Entfernen von überschüssigem oder nicht ausgehärtetem strahlenempfindlichen Material 6 eingesetzt. Dadurch wird die erste strahlengehärtete Struktur 4 der strahlengehärteten Komponente gebildet.
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Der Schritt zum Positionieren der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 kann den Schritt umfassen, dass der Spiegel 16 aus dem aktiven Zustand in den inaktiven Zustand rotiert wird, wie hierin oben beschrieben. Der Schritt zum Positionieren der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 kann den Schritt umfassen, dass die zumindest eine Strahlenquelle 8 ausgepulst oder ausgeschaltet wird, während die strahlenlenkende Vorrichtung 10 positioniert wird. Die Deaktivierung der zumindest einen Strahlenquelle 8, während sich die strahlenlenkende Vorrichtung 10 bewegt, wirkt der Ausbildung von Schleppstrukturen innerhalb der ersten strahlengehärteten Struktur 4 entgegen.
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Unter neuerlicher Bezugnahme auf 2 kann das Verfahren der vorliegenden Offenlegung ferner den Schritt umfassen, dass die erste Maske 20' zwischen der zumindest einen Strahlenquelle 8 und der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 angeordnet wird. In gleicher Weise kann die zweite Maske 20'' (und weitere Masken 20) anschließend an den Schritt der Exposition des ersten strahlenempfindlichen Materials 6' gegenüber dem Strahlenbündel 14 zwischen der zumindest einen Strahlenquelle 8 und der strahlenlenkenden Vorrichtung 10 oder an anderen geeigneten Stellen angeordnet werden. Illustrativ weist die zweite Maske 20'' eine Vielzahl von im Wesentlichen strahlendurchlässigen Durchbrechungen 22 auf, die von den im Wesentlichen strahlendurchlässigen Durchbrechungen 22 der ersten Maske 20' verschieden sind. Dadurch können strahlengehärtete Elemente innerhalb der ersten strahlengehärteten Struktur gebildet werden.
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Es sollte einzusehen sein, dass das Verfahren der vorliegenden Offenlegung vorteilhafterweise für mehrlagige strahlengehärtete Strukturen 4 verwendet werden kann. Das Verfahren kann z. B. ferner die Schritte umfassen, dass: eine erste strahlengehärtete Struktur 4' wie oben beschrieben vorgesehen wird, ein zweites strahlenempfindliches Material 6'' auf die erste strahlengehärtete Struktur 4' aufgebracht wird; der zumindest eine Spiegel 16 derart positioniert wird, dass er das Strahlenbündel 14 in eine andere gewünschte Richtung reflektiert; und das zweite strahlenempfindliche Material 6'' der Vielzahl von Strahlenbündeln 14 ausgesetzt wird, wobei die zweite strahlengehärtete Struktur 4'', die von der ersten strahlengehärteten Struktur 4' verschieden ist, gebildet wird.
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Wie hierin obenstehend beschrieben, kann das System 2 eine Vielzahl von Spiegeln 16, die in einem Array angeordnet und über dem strahlenempfindlichen Material 6 angeordnet sind, umfassen. Wenn das System eine derartige Konfiguration aufweist, kann der Schritt zum Positionieren der Spiegel 16 umfassen, dass ein erster Teil der Spiegel 16 einzeln positioniert wird, um das Strahlenbündel 14 in die erste gewünschte Richtung zu reflektieren, und ein zweiter Teil der Vielzahl von Spiegeln 16 einzeln positioniert wird, um das Strahlenbündel 14 in eine zweite gewünschte Richtung zu reflektieren.
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In einer weiteren Ausführungsform, in der die zumindest eine Strahlenquelle 8 eine erste Strahlenquelle 8' und eine zweite Strahlenquelle 8'' umfasst, kann das Verfahren ferner die Schritte umfassen, dass: anschließend an die Ausbildung der ersten strahlengehärteten Struktur 4' das zweite strahlenempfindliche Material 6'' auf die erste strahlengehärtete Struktur 4' aufgebracht wird; der zumindest eine Spiegel 16 derart positioniert wird, dass er das erste Strahlenbündel 14 in die erste gewünschte Richtung reflektiert; das zweite strahlenempfindliche Material 6'' dem ersten Strahlenbündel 14' ausgesetzt wird; der zumindest eine Spiegel 16 derart positioniert wird, dass er das zweite Strahlenbündel 14'' in eine zweite gewünschte Richtung reflektiert, die von der ersten gewünschten Richtung verschieden ist; und das zweite strahlenempfindliche Material 6'' dem zweiten Strahlenbündel 14'' ausgesetzt wird, wobei die zweite strahlengehärtete Struktur 4'', die von der ersten strahlengehärteten Struktur 4' verschieden ist, gebildet wird.
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Das erste und das zweite strahlenempfindliche Material 6', 6'' können verschiedene Strahlenempfindlichkeiten aufweisen, beispielsweise wie in der gemeinsam anhängigen US-Anmeldung Serien-Nr. 12/339 308 des Anmelders beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Es sollte einzusehen sein, dass das vorliegende Verfahren anstelle des Anwendens des zweiten strahlenempfindlichen Materials 6'' auf die erste strahlengehärtete Struktur 4' anschließend an die Ausbildung derselben die Schritte umfassen kann, dass das zweite strahlenempfindliche Material 6'' auf das erste strahlenempfindliche Material 6' aufgebracht wird und das erste und das zweite strahlenempfindliche Material 6', 6'' selektiv verschiedenen Strahlenarten ausgesetzt werden können, um verschiedene strahlengehärtete Strukturen 4', 4'' in den jeweiligen Materialien zu bilden. Das erste und das zweite strahlenempfindliche Material 6', 6'' können ausgebildet sein, um verschiedene strahlengehärtete Strukturen 4', 4'' auf der Basis der Expositionsmuster der verschiedenen, z. B. durch die zumindest eine strahlenlenkende Vorrichtung 10 auf das erste und das zweite strahlenempfindliche Material 6', 6'' gelenkten, Strahlenarten zu bilden.
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Als bestimmte nicht einschränkende Beispiele können mehr als eine Art von Strahlenquelle 8 mit demselben Satz von Spiegeln 16, entweder nebeneinander oder mit einem partiell reflektierenden Strahlenteileraufbau nach hinten zusammengefügt sein. Die Strahlenquelle 8 kann in der Lage sein, verschiedene Arten von Strahlen zu produzieren. Es können auch Filter vor einer Strahlenquelle 8 mit einem breiten Spektrum eingesetzt werden, um mehr als eine Art von Strahlen vorzusehen. Alternativ kann ein zweiter Satz von Spiegeln 16 mit anderen Strahlenquellen 8 verwendet werden. Dadurch können je nach Wunsch verschiedene strahlengehärtete Konstrukte mit verschiedenen Mustern gleichzeitig in den verschiedenen ersten und zweiten strahlenempfindlichen Materialien 6', 6'' gebildet werden.
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Ein Fachmann sollte einsehen, dass das System 2 und Verfahren der vorliegenden Offenlegung die Notwendigkeit kostspieliger und ineffizienter Maskierungstechniken, Verarbeitungsschritte und diesbezüglicher Reinigungsschritte mindert, die typischerweise mit der Herstellung von strahlengehärteten Strukturen 4 verbunden sind. Wenn Masken 20 bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind die Masken 20 von dem strahlenempfindlichen Material 6 beabstandet und benötigen daher keine regelmäßige Reinigung wie mit bekannten Herstellungsverfahren. Gleichermaßen lässt die Verwendung von Spiegeln 16 zum Lenken der Strahlenbündel 14 die schnelle und kostengünstige Ausbildung der gewünschten strahlengehärteten Strukturen 4 zu.
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Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Offenlegung abzuweichen, der in den nachfolgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Jacobsen et al. in „Compression behavior of micro-scale truss structures formed from self-propagating polymer waveguides”, Acta Materialia 55, (2007) 6724–6733 [0005]
