KR20150097762A - 사출 성형을 포함한 노즐의 제조 방법 - Google Patents

사출 성형을 포함한 노즐의 제조 방법 Download PDF

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폴 에이 마틴슨
배리 에스 카펜터
데이비드 에이치 레딩거
스콧 엠 슈노브리치
라이언 씨 셜크
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

연료 노즐의 제조 방법이 기술된다. 더 구체적으로, 사출 성형을 포함한, 연료 노즐의 제조 방법이 기술된다. 사출 성형은 중합체 사출 성형, 분말 사출 성형, 또는 미세 금속 사출 성형을 포함한 미세 분말 사출 성형을 포함할 수 있다. 기술된 방법에서 미세구조체의 형성은 다광자 반응을 받을 수 있는 재료의 선택적 노광을 사용할 수 있다.

Description

사출 성형을 포함한 노즐의 제조 방법{METHOD OF MAKING A NOZZLE INCLUDING INJECTION MOLDING}
본 발명은 노즐의 제조 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 연료 분사기(fuel injector) 또는 연료 분사기 시스템의 구성요소로서 사용될 수 있는 노즐을 제조하는 방법에 관한 것이다.
많은 연소 엔진들에서, 연료 분사기는 연료 및 공기의 혼합을 정밀하게 제어하여, 최소 잔류 탄화수소를 갖는 효율적인 연소를 보장하는 것이 중요하다. 효율을 최대화하고 배기가스를 최소화하기 위하여, 미연소 탄화수소의 감소는 연료 분사기 시스템의 세심한 설계를 통해 달성될 수 있다.
연료 분사기 시스템의 설계 및 전체 효율에 대한 중심은 엔진의 연소 부분 내로의 연료의 스프레이를 안내, 제어 및 형상화하는 하나 이상의 연료 분사기 노즐의 구성이다. 연료 분사기 노즐은 전형적으로 얇은 두께 금속 스탬핑과 같은 정밀한 설계 요소 또는 복잡한 구성을 신뢰성있게 통합시키기에 어려운 공정으로부터 형성된다. 역-이미지 노즐 도구(tool)를 형성하는 것과 같은 다른 방법은 전형적으로 도구에 의해 스탬핑되는 각각의 중합체 예비성형체(pre-form)를 전기주조(electroforming)하고 관통 구멍들을 얻기 위하여 각각의 예비성형체를 추가로 연삭하거나 평탄화하는 것과 같은 다수의 (비용 및 시간 둘 모두에서) 고가인 제조 단계들을 필요로 한다. 노즐 형상 및 크기의 정밀한 제어를 여전히 허용하면서 고가의 제조 단계들을 최소화하는 공정에 대한 필요성이 존재한다.
일 태양에서, 본 발명은 연료 분사기 노즐의 제조 방법을 기술한다. 더 구체적으로, 본 발명은 다광자(multiphoton) 반응을 받을 수 있는 제1 재료를 제공하는 단계; 다광자 공정을 사용하여 제1 재료 내에 제1 미세구조화 패턴(microstructured pattern)을 형성하는 단계; 제1 재료와는 상이한 제2 재료 내에 제2 미세구조화 패턴을 포함하는 제1 주형(mold)을 제조하도록 제2 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계; 및 제3 재료 내에 복수의 미세구조체들을 포함하는 제3 미세구조화 패턴을 포함하는 제2 주형을 제조하도록 제3 재료 내에 제2 미세구조화 패턴을 복제하는 단계를 포함하는 방법을 기술한다. 또한, 본 발명은 제3 재료 내의 복수의 미세구조체들의 피크(peak)들에 근접하여 제2 주형 위에 플레이트(plate)를 위치시키는 단계; 제3 미세구조화 패턴을 둘러싸는 제2 주형의 위이고 플레이트의 아래인 영역 내에서 제4 재료를 사출 성형하는 단계; 및 플레이트 및 제2 주형을 제거하여, 제4 재료를 포함하고 복수의 관통 구멍들을 추가로 포함하는 연료 분사기 노즐을 생성하는 단계를 기술한다.
일부 실시예들에서, 제3 재료는 제1 및 제2 재료들과는 상이할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제3 재료는 제2 재료와 동일한 재료일 수 있다. 제4 재료는 제3 재료와 동일할 수 있거나, 제1, 제2 및 제3 재료들과는 상이할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계는 제1 미세구조화 패턴을 전기주조하는 단계를 포함한다. 그러한 실시예에서, 제2 재료는 니켈 또는 니켈 합금일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제4 재료는 중합체, 금속 또는 세라믹으로 만들어질 수 있다. 제1 재료는 폴리(메틸메타크릴레이트)로 만들어질 수 있고/있거나 2-광자 반응, 잠재적으로 동시적인 2-광자 흡수를 받을 수 있는 재료일 수 있다. 기술된 미세구조체들은, 일부 실시예들에서, 3차원 직선체(rectilinear body)들 또는 3차원 곡선체(curvilinear body)들일 수 있다.
부가적으로, 기술된 방법은 복수의 관통 구멍들을 개방하도록 연료 분사기 노즐의 제4 재료의 나머지 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 그러한 단계는 배면 연삭 또는 EDM에 의해 달성될 수 있다. 공정에 대한 추가 단계들은 연료 분사기를 탈지(debinding)하는 단계, 연료 분사기를 소결하는 단계, 및 연료 분사기 노즐의 표면에 대한 금속을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 다광자 반응을 받을 수 있는 제1 재료를 제공하는 단계 및 다광자 공정을 사용하여 제1 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 연료 분사기 노즐의 제조 방법을 기술한다. 또한, 본 방법은 제1 재료와는 상이한 제2 재료 내에 복수의 미세구조체들을 포함하는 제2 미세구조화 패턴을 포함하는 주형을 제조하도록 제2 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계; 제2 재료 내의 복수의 미세구조체들의 피크들에 근접하여 주형 위에 플레이트를 위치시키는 단계, 제2 미세구조화 패턴을 둘러싸는 주형 위이고 플레이트의 아래인 영역에서 제3 재료를 사출 성형하는 단계, 및 플레이트 및 주형을 제거하여, 제3 재료를 포함하고 복수의 관통 구멍들을 추가로 포함하는 연료 분사기 노즐을 생성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 제3 재료는 제1 및 제2 재료들과는 상이할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제3 재료는 제2 재료와 동일한 재료일 수 있다. 기술된 방법은 복수의 관통 구멍들을 개방하도록 연료 분사기 노즐의 제3 재료의 나머지 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 그러한 단계는 배면 연삭 또는 EDM에 의해 달성될 수 있다. 공정에 대한 추가 단계들은 연료 분사기를 탈지하는 단계, 연료 분사기를 소결하는 단계, 및 연료 분사기 노즐의 표면에 대한 금속을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 또 다른 태양에서, 본 발명은 제1 재료 내에 미세구조화 패턴을 생성함으로써 주형을 형성하는 단계 - 제1 미세구조화 패턴은 복수의 미세구조체들을 포함함 -; 및 제1 주형 내의 복수의 미세구조체들의 피크들에 근접하여 주형 위에 플레이트를 위치시키는 단계를 포함하는 연료 분사기 노즐의 제조 방법을 기술한다. 부가적으로, 본 방법은 미세구조화 패턴을 둘러싸는 주형의 위이고 플레이트의 아래인 영역 내에 제1 재료와는 상이한 제2 재료를 사출 성형하는 단계; 및 플레이트 및 주형을 제거하여, 제2 재료를 포함하고 복수의 관통 구멍들을 추가로 포함하는 연료 분사기 노즐을 생성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 미세구조화 패턴을 생성하는 것은 엔드 밀링(end milling)에 의해 달성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 미세구조화 패턴을 생성하는 것은 배면 연삭 또는 EDM에 의해 달성될 수 있다. 기술된 방법은 복수의 관통 구멍들을 개방하도록 연료 분사기 노즐의 제2 재료의 나머지 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 그러한 단계는 배면 연삭 또는 EDM에 의해 달성될 수 있다. 공정에 대한 추가 단계들은 연료 분사기를 탈지하는 단계, 연료 분사기를 소결하는 단계, 및 연료 분사기 노즐의 표면에 대한 금속을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 다광자 반응을 받을 수 있는 제1 재료를 제공하는 단계 및 다광자 공정을 사용하여 제1 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 연료 분사기 노즐의 제조 방법을 기술한다. 본 방법은 또한 제1 재료와는 상이한 제2 재료 내에 제2 미세구조화 패턴을 포함하는 제1 도구를 제조하도록 제2 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계; 주형을 생성하기 위하여 금속 기재 내에 제2 미세구조화 패턴의 역(inverse)인 복수의 미세구조체들을 포함하는 제3 미세구조화 패턴을 형성하도록 도구를 사용하는 단계; 금속 기재 내의 복수의 미세구조체들의 피크들에 근접하여 주형 위에 플레이트를 위치시키는 단계; 제3 미세구조화 패턴을 둘러싸는 주형의 위이고 플레이트의 아래인 영역 내에서 제3 재료를 사출 성형하는 단계; 및 플레이트 및 주형을 제거하여, 제4 재료를 포함하고 복수의 관통 구멍들을 추가로 포함하는 연료 분사기 노즐을 생성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 도구는 전극일 수 있다. 도구는 EDM에 의해 금속 기재 내에 미세구조화 패턴을 형성할 수 있다. 기술된 방법은 복수의 관통 구멍들을 개방하도록 연료 분사기 노즐의 제3 재료의 나머지 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 그러한 단계는 배면 연삭 또는 EDM에 의해 달성될 수 있다. 공정에 대한 추가 단계들은 연료 분사기를 탈지하는 단계, 연료 분사기를 소결하는 단계, 및 연료 분사기 노즐의 표면에 대한 금속을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1a 내지 도 1j는 노즐의 제조 방법의 중간의 개략 단면도.
도 2a 내지 도 2h는 다른 노즐의 제조 방법의 중간의 개략 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 다른 노즐의 제조 방법의 중간의 개략 단면도.
용어 "노즐"이 당업계에서 다수의 상이한 의미를 가질 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 특정 참고 문헌에서, 용어 노즐은 넓은 정의를 갖는다. 예를 들어, 미국 특허 공개 제2009/0308953 A1호(페일스트란트(Palestrant) 등)는 폐색 챔버(50)를 포함한 다수의 요소를 포함하는 "무화 노즐(atomizing nozzle)"을 개시한다. 이는 본 명세서에 제시된 노즐의 이해 및 정의와는 상이하다. 예를 들어, 현재의 설명의 노즐은 페일스트란트 등의 오리피스 삽입체(orifice insert)(24)에 대체로 대응할 것이다. 일반적으로, 현재의 설명의 노즐은 스프레이가 궁극적으로 방출되어 나오는 무화 스프레이 시스템의 최종 테이퍼 형성된 부분으로서 이해될 수 있는데, 예컨대 노즐의 메리엄 웹스터 사전 정의(유체의 유동을 지향시키거나 가속시키기 위해 (호스 상에서와 같이) 사용되는 테이퍼 또는 협착부를 갖는 짧은 튜브")를 참조한다. 추가의 이해는 미국 특허 제5,716,009호(오기하라(Ogihara) 등)를 참고함으로써 얻어질 수 있다. 이 참고문헌에서 다시, 연료 분사 "노즐"은 다중편(multi-piece) 밸브 요소(10)로서 넓게 정의된다: 컬럼 4, 제26행 및 제27행 참조("연료 분사 노즐로서 작용하는 연료 분사 밸브(10).."). 본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "노즐"의 현재 정의 및 이해는, 예를 들어 연료 스프레이 바로 근방에 위치되는 제1 및 제2 오리피스 플레이트(130, 132)들 및 잠재적으로 슬리브(138)(오기하라 등의 도 14 및 도 15 참조)에 관련될 것이다. 본 명세서에 기술되는 용어 "노즐"의 유사한 이해가 미국 특허 제5,127,156호(요코야먀(Yokoyama) 등)에 사용된다. 그 문헌에서, 노즐(10)은 선회기(swirler)(12)(도 1(II) 참조)와 같은 부착되고 통합된 구조체의 요소들과는 별도로 정의된다. 위에 정의된 이해는 용어 "노즐"이 발명의 상세한 설명 및 청구범위의 나머지 전반에 걸쳐 언급될 때 기억해두어야 한다. 노즐은 또한 노즐 플레이트 또는 어레이; 즉 단일 부품 상의 관통 구멍들의 집합을 지칭할 수 있다. 유사하게, 함께 제조되어 후에 절단되거나 달리 분리되는 한 세트의 노즐들, 노즐 어레이들, 또는 노즐 플레이트들이 또한 노즐의 이러한 정의 하에서 자격을 가질 수 있다.
도 1a는 재료(100)의 일부분의 개략 단면도이다. 재료(100)는 임의의 적합한 화합물 또는 물질일 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료(100)의 하나 이상의 부분들은 다광자 반응을 받을 수 있다. 표현 "다광자 반응을 받을 수 있는"은 재료가 다수의 광자들을 동시에 흡수함으로써 다광자 반응을 받을 수 있음을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 재료(100)는 2개의 광자들을 동시에 흡수함으로써 2-광자 반응을 받을 수 있다. 다광자 반응을 받을 수 있는 적합한 재료 및 재료 시스템은, 예를 들어 미국 특허 제7,583,444호(드보(DeVoe) 등), 미국 특허 제7,941,013호(마르틸라(Marttila) 등), 및 발명의 명칭이 "고기능성의 다광자 경화성 반응성 화학종(Highly Functional Multiphoton Curable Reactive Species)"인 PCT 공개 WO 2009/048705 A1호에 기술되어 있다.
일부 경우에, 재료(100)는 산- 또는 라디칼-개시된 화학 반응을 받을 수 있는 적어도 하나의 반응성 화학종 및 적어도 하나의 다광자 광개시제 시스템을 포함하는 광반응성 조성물일 수 있다. 광반응성 조성물에 사용하기에 적합한 반응성 화학종은 경화성 및 비경화성 화학종 둘 모두를 포함한다. 예시적인 경화성 화학종에는 첨가-중합성 단량체 및 올리고머 및 첨가-가교결합성 중합체(예를 들어, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 폴리(메틸메타크릴레이트), 및 스티렌과 같은 소정의 비닐 화합물을 포함한 자유 라디칼 중합성 또는 가교결합성 에틸렌계 불포화 화학종)뿐만 아니라 양이온 중합성 단량체 및 올리고머 및 양이온 가교결합성 중합체(이들은 대부분 일반적으로 산-개시되며, 예를 들어 에폭시, 비닐 에테르, 시아네이트 에스테르 등을 포함함) 등 및 이들의 혼합물이 포함된다. 예시적인 비경화성 화학종에는 산- 또는 라디칼-유도된 반응시에 용해도가 증가될 수 있는 반응성 중합체가 포함된다. 이러한 반응성 중합체에는, 예를 들어 광생성된 산에 의해서 수용성 산 기로 전환될 수 있는 에스테르 기를 함유하는 수 불용성 중합체(예를 들어, 폴리(4-tert-부톡시카르보닐옥시스티렌)가 포함된다. 비경화성 화학종에는 또한 화학적으로 증폭된 포토레지스트가 포함된다.
다광자 광개시제 시스템은 제1 재료를 노광시키는 데 사용된 광의 집중된 빔의 초점 구역으로 중합이 한정 또는 제한될 수 있게 한다. 그러한 시스템은 바람직하게는 적어도 하나의 다광자 감광제, 적어도 하나의 광개시제(또는 전자 수용체), 및 선택적으로 적어도 하나의 전자 공여체를 포함하는 2성분 또는 3성분 시스템이다.
재료(100)는 기재(102) 상에 위치될 수 있다. 재료(100)는 특정 응용에 기초하여 임의의 적합한 코팅 방법을 사용하여 기재(102) 상에 코팅될 수 있다. 예를 들어, 재료(100)는 플러드 코팅(flood coating)에 의해 기재(102) 상에 코팅될 수 있다. 다른 예시적인 코팅 방법에는 나이프 코팅, 노치 코팅, 리버스 롤(reverse roll) 코팅, 그라비어(gravure) 코팅, 스프레이 코팅, 바아(bar) 코팅, 스핀 코팅, 및 딥(dip) 코팅이 포함된다.
기재(102)는 이용될 노광 방법 및 특정 응용에 따라, 다양한 필름, 시트 및 다른 표면(규소 웨이퍼 및 유리판을 포함함)으로부터 선택될 수 있다. 일부 경우에, 기재(102)는 재료(100)가 균일한 두께를 갖도록 충분히 평평하다. 일부 경우에, 재료(100)는 벌크 형태로 노광될 수 있다. 그러한 경우에, 기재(102)는 제조 공정으로부터 제외될 수 있다. 공정이 하나 이상의 전기주조 단계들을 포함하는 때와 같은 일부 경우에, 기재(102)는 전기 전도성 또는 반전도성일 수 있다.
다음으로, 재료(100)는 노광된 구역에서 제1 재료에 의한 다수의 광자들의 동시 흡수를 유발할 정도로 충분한 세기를 갖는 입사광에 선택적으로 노광될 수 있다. 노광은 충분한 세기를 갖는 광을 제공할 수 있는 임의의 방법에 의해 달성될 수 있다. 예시적인 노광 방법은 2007년 3월 23일자로 출원된 발명의 명칭이 "마이크로니들의 제조 공정, 마이크로니들 어레이, 마스터, 및 복제 도구(Process For Making Microneedles, Microneedle Arrays, Masters, And Replication Tools)"인 통상적으로 소유되고 양도된 미국 특허 출원 공개 제2009/0099537호에 기술되어 있다.
재료(100)의 선택적인 노광 후에, 노광된 재료(100)는 더 높은 용제 용해도를 갖는 구역을 용해시키기 위해 용제 내에 배치된다. 노광된 제1 재료를 현상하는 데 사용될 수 있는 예시적인 용매는, 예를 들어 물(예를 들어, 1 내지 12의 범위의 pH를 가짐), 및 유기 용매(예를 들어, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아세톤, 아세토니트릴, 다이메틸포름아미드, N-메틸피롤리돈 등 및 이들의 혼합물)와 물의 혼화성 블렌드와 같은 수성 용제; 및 유기 용제를 포함한다. 예시적인 유용한 유기 용제는 알코올(예를 들어, 메탄올, 에탄올 및 프로판올), 케톤(예를 들어, 아세톤, 사이클로펜타논 및 메틸 에틸 케톤), 방향족 물질(예를 들어, 톨루엔), 할로카본(예를 들어, 메틸렌 클로라이드 및 클로로폼), 니트릴(예를 들어, 아세토니트릴), 에스테르(예를 들어, 에틸 아세테이트 및 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트), 에테르(예를 들어, 다이에틸 에테르 및 테트라하이드로푸란), 아미드(예를 들어, N-메틸피롤리돈) 등 및 이의 혼합물을 포함한다.
도 1b는 노광되고 용해된 재료(100)에 대응하는 다광자 마스터(110)의 단면 개략도이다. 다광자 마스터(110)는 적어도 하나의 제1 미세구조체(114)를 포함하는 제1 미세구조화 패턴(114)을 포함한다. 다광자 마스터(110)의 전체 크기 및 두께에 대한 제1 미세구조체(114)의 크기는 반드시 축적에 따르지는 않으며 설명의 편의를 위해 도 1b에서 비율로 도시되어 있다. 제1 미세구조화 패턴(112)은 임의의 피치, 형상 또는 크기를 포함하는 미세구조체들의 임의의 적합한 구성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 미세구조체(114)는 3차원 직선 형상을 가질 수 있거나,이들은 3차원 곡선 형상을 가질 수 있다. 각각의 미세구조체(114)는 동일할 수 있거나, 이들은 랜덤하게, 의사 랜덤하게(seudorandomly) 또는 하나 이상의 축들을 따르는 구배로 변할 수 있다. 도 1a 내지 도 1j의 끝에 의해 도시된 바와 같이, 미세구조체(114)가 최종 노즐의 궁극적인 형상 부분에 중요하기 때문에, 다광자 마스터(110)의 형성은 정밀한 제어를 요구할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 1a 내지 도 1j에 도시되지는 않았지만, 다광자 마스터(110)는 얇은 전기 전도성 시드(seed) 층으로 제1 미세구조화 패턴(114)의 상부 표면을 코팅함으로써 금속화되거나 달리 전기 전도성으로 만들어진다. 전도성 시드 층은, 예를 들어 은, 크롬, 금 및 티타늄을 포함하는 임의의 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 시드 층은 약 50 nm 미만, 또는 약 40 nm 미만, 또는 약 30 nm 미만, 또는 약 20 nm 미만인 두께를 가질 수 있다.
다음으로, 시드 층은 다광자 마스터(110), 또는 더 구체적으로 제1 미세구조화 패턴(112)을 전기주조하기 위해 사용되어, 도 1c에 도시된 바와 같이 다광자 마스터(110) 위에 형성되어진 침착된 재료(120)를 초래한다. 전기주조는 전기주조 용액의 조성, 전류 밀도, 도금 시간 및 기재 속도를 포함한 임의의 적합한 공정 변수들을 사용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기주조 용액은 유기 레벨러(organic leveler), 예를 들어 황화 하이드로카르빌 화합물, 알릴 설폰산, 다양한 종류의 폴리에틸렌 글리콜, 및 바이티오카르바메이트 또는 티오우레아 및 이들의 유도체를 포함한 티오카르바메이트를 함유할 수 있다. 침착된 재료(120)는 은, 부동태화된(passivated) 은, 금, 로듐, 알루미늄, 향상된 반사율의 알루미늄, 구리, 코발트, 인듐, 니켈, 크롬, 주석, 및 이들의 합금 및 조합을 포함한 임의의 적합한 재료일 수 있다. 침착된 재료(120)는 일반적으로 재료(100)와는 상이한 재료일 수 있다.
전기주조 공정은 침착된 재료(120)의 일 측에서 거친 또는 고르지 않은 전기주조된 표면(122)을 초래할 수 있다. 필요한 경우, 전기주조된 표면(122)은 연삭 또는 폴리싱될 수 있어 도 1d에 도시된 바와 같은 침착된 재료(120)의 매끄러운 표면(124)을 초래할 수 있다. 적합한 연삭 방법은 표면 연삭 및 기계적 밀링을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 침착된 재료(120)는 제1 미세구조화 패턴(112)을 시드 층으로 먼저 코팅함이 없이 다광자 마스터(110) 상으로 직접 침착될 수 있다. 이 단계를 생략한 적합한 공정은, 예를 들어 스퍼터링 및 화학 기상 증착을 포함한다. 다시 말하면, 침착된 재료(120)는 전기주조될 필요가 없다.
도 1e는 다광자 마스터(110)로부터 제거 또는 분리된 주형(130)(본질적으로, 도 1d의 침착된 재료(120)에 대응함)을 도시한다. 주형(130)의 제거 또는 분리는 일부 실시예들에서 수동으로 행해질 수 있다. 대신에, 일부 응용들에서, 주형(130)이 다광자 마스터(110)로부터 제거된 후에 도 1c와 도 1d 사이에 수행되는 것으로 도시된 연삭 또는 폴리싱 단계를 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 다광자 마스터(110)는 제2 미세구조화 패턴(132)을 형성하는 임프린트(imprint)들을 주형(130) 내에 남긴다. 제2 미세구조화 패턴은 대체로 제1 미세구조화 패턴(112)의 네거티브 복제물(negative replica)에 대응한다. 일부 실시예들에서 주형(130)이 전기주조 공정에 의해 형성되기 때문에, 주형(130)은 사용되는 금속으로부터 유래되는 바람직한 물리적인 특성, 예를 들어 내구성 및 내마모성을 가질 수 있다.
도 1f는 저부 플레이트(140)를 형성하기 위해 사용되는 주형(130)을 도시한다. 저부 플레이트(140)는 금속, 세라믹 또는 중합체 기재를 포함하는 임의의 적합한 재료로부터 형성될 수 있고, 후속하는 가공 단계 전반에 걸쳐 견디거나 형상을 유지하기 위하여 내구성 및 높은 용융점 또는 유리 전이 온도와 같은 물리적 특성에 대해 선택될 수 있다. 저부 플레이트 재료는 재료(100) 및 침착된 재료(120) 둘 모두의 것과는 상이할 수 있다. 다른 실시예들에서, 저부 플레이트 재료는 침착된 재료(120)와 동일할 수 있다.
저부 플레이트(140)는, 예를 들어 주조 및 경화 방법 또는 사출 성형을 포함한 임의의 적합한 방법을 통해서 주형(130)(도 1e의 제2 미세구조화 패턴(132)에 대응함)의 패턴화된 표면을 이용하여 각인되거나 달리 이에 합치하게 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 주형(130)은 방전 가공(electrical discharge machining, EDM)을 통해 저부 플레이트(140)에 제2 미세구조화 패턴(132)을 복제하기 위하여 도구 또는 전극으로서 기능할 수 있다. 주형(130)은 저부 플레이트(140)의 전체 범위를 형성하기 위하여 다수회 사용될 수 있는데, 예를 들어 저부 플레이트(140)가 주형(130)의 2배 길이인 것이 요구된다면, 주형(130)은 2개의 인접하는 미세구조화 패턴들을 형성하기 위해 2회 사용될 수 있는 등등이다. 유사하게, 주형(130)은 저부 플레이트(140)의 일부분에 패턴을 형성하는 데에만 사용될 수 있는데, 다시 말하면 저부 플레이트(140)의 전체 미만에서 미세구조화 패턴을 형성하는 것이 일부 응용들에서 바람직할 수 있다.
도 1g는 주형(130)으로부터 제거되거나 달리 분리된 후의 저부 플레이트(140)를 도시한다. 저부 플레이트는 제3 미세구조화 패턴(142)을 포함하는데, 이는 제1 미세구조화 패턴(112)과 실질적으로 동일하여야 하고 실질적으로 제2 미세구조화 패턴(132)의 네거티브이어야 한다. 제3 미세구조화 패턴(142)은 도 1b에서 다광자 마스터(110) 상에 생성된 제1 미세구조화 패턴(112)의 미세구조체(114)와 실질적으로 동일할 수 있는 하나 이상의 피크(144)들을 포함한다. 실제로, 미세구조체(114)와 피크(144) 사이의 약간의 변동이 제조 공정에 의해 도입될 수 있다.
도 1h는 저부 플레이트(140) 및 상부 플레이트(150)를 도시한다. 상부 플레이트(150)는 임의의 적합한 재료 및 임의의 적합한 형상 및 크기일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상부 플레이트(150)는 저부 플레이트(140)와 동일한 재료일 수 있다. 상부 플레이트(150)는 또한 강(steel)과 같은 금속 또는 금속 합금으로부터 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상부 플레이트(150)의 치수들은 플레이트가 반복되는 사용을 통해 내마모성 및 내구성이도록 선택될 수 있다. 상부 플레이트(150)는 저부 플레이트(140)의 피크들에 근접하여 위치될 수 있고, 일부 실시예들에서 2개는 접촉해 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 상부 플레이트(150)는 형상화되거나, 구조화되거나, 미세패턴화된 표면을 가질 수 있다. 저부 플레이트(140)는 주형 삽입체로서 지칭될 수 있다.
도 1i는 사출 성형 단계를 도시한다. 주입 재료(160)는 저부 플레이트(140)와 상부 플레이트(150) 사이의 공동(cavity)을 충전한다. 도 1i의 2차원 도시가 예시의 편의를 위한 것이며, 저부 플레이트(140)와 상부 플레이트(150) 사이의 영역은 3차원 용적을 나타낼 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다시 말하면, 저부 플레이트(140)의 피크들 사이의 중간 공동이 격리된 것으로 보일지라도, 겉보기에 격리되어 있는 공간을 주입 재료(160)가 충전하게 하는 채널들 - 하지만 2차원에서는 보이지 않음 - 이 존재할 수 있다.
도 1i는 단순히 사출 성형 단계를 나타내는 개략도이고, 예를 들어 측벽, 주입 게이트, 적절한 입력 라인, 및 수지로부터 적절한 유동 특성을 달성하기 위해 필요한 가열 요소를 포함한, 이 공정에 필요한 다른 구성요소들을 포함할 수 있다. 주입 재료(160)는 저부 플레이트(140)와 상부 플레이트(150) 사이에 형성된 공동 내로 유동하고, 주입 재료(160)가 충분히 단단한 부품을 형성하는 온도 이하에서 유지될 수 있다. 플레이트들 사이의 용적을 완전히 충전하기 위해 압력을 주의깊게 제어하는 것과 같은 사출 성형 공정의 적합한 변수들.
주입 재료(160)는 임의의 재료일 수 있고, 재료를 주입하는 것과 관련하여 사용되는 공정에 의존할 수 있다. 예를 들어, 사출 성형 단계는 중합체 사출 성형일 수 있다. 이에 대응하여, 주입 재료(160)는 부분적으로 또는 전적으로 중합체, 중합체 수지 또는 플루오르화 중합체일 수 있다. 재료는 유리 전이 온도 및 용융점을 포함한, 재료의 리올로지 특성에 대해 선택될 수 있다.
일부 실시예들에서, 사출 성형 단계는 금속 사출 성형(metal injection molding, MIM)과 같은 분말 사출 성형 단계를 포함할 수 있다. 이 공정에서의 주입 재료(160)는 몇몇 중합체 물질들을 포함할 수 있는 결합제 및 금속 분말 둘 모두의 화합물일 수 있다. 금속 분말 및 결합제는 표준적인 중합체 사출 성형과 유사한 방식으로 균질화되고 이어서 가열되고, 다이(die) 또는 주형 내로 주입되고 냉각되어 화합물을 요구되는 형태로 형상화한다. 이는 "그린(green)" 부품으로 지칭될 수 있을 것을 생성한다. 결합제는, 사출 성형 단계를 위해 필요하지만, 최종 성형된 부품 내에서 바람직하지 않을 수 있다. 이 경우에, 탈지 단계가 요구되며, 여기서 성형된 그린 부품은 열 열화에 의해 결합제를 없애기 위하여 주의깊게 제어되는 특정 온도 프로파일을 따라 가열된다. 일부 실시예들에서, 탈지는 결합제를 유기 용제로 용해시킴으로써 행해질 수 있거나, 촉매를 포함한 분위기를 제공함으로써 행해질 수 있다. 결합제가 제거된 후에, 부품은 소결된다. 소결은 성형된 부품의 밀도를 원자 확산을 통해 증가시키기 위하여 가열 - 하지만 금속의 용융점 아래임 - 을 필요로 한다. 일부 경우에, 소결은 이론적인 최대치에 대하여 90%, 95%, 97% 또는 99%보다 더 양호한 밀도를 달성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 사출 성형 단계는 미세 금속 사출 성형(micro metal injection molding, μMIM)을 포함할 수 있다. 미세 금속 사출 성형은 크게는 통상의 금속 사출 성형과 유사하지만, 그러나 더 작은 특징부 크기(일반적으로 수십 또는 수백 마이크로미터로 측정됨)로 인해, 금속 분말을 위한 더 작은 입자 크기가 주형 형성 공정의 더 정밀한 제어와 관련하여 요구된다. 정밀한 특징부 제어를 이용하여 주형을 형성하기 위한, 본 명세서에 기술된 몇몇 기술은, 예를 들어 다광자 노광 공정과 같은 미세 금속 사출 성형 공정과 연결하여 유리하게 사용될 수 있다. 관련 기술, 미세 세라믹 사출 성형(micro ceramic injection molding, μCIM)(여기서, 금속 분말 대신에 세라믹 분말이 사용됨)이, 특히 더 작은 분말 입자 크기를 달성하는 능력으로 인해, 일부 응용들에서 유리할 수 있다. 더 작은 분말 입자 크기는 극히 복잡한 특징부를 향상된 충실도로 재현하는 능력을 증가시킬 수 있다. μMIM 및 μCIM 둘 모두를 위한 포괄적인 용어는 미세 분말 사출 성형(micro powder injection molding, μPIM)이다.
주입 재료(160)는 저부 플레이트 재료와 동일하거나 유사할 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 주입 재료(160)는 재료(100), 침착된 재료(120) 및 저부 플레이트(140)의 재료와는 상이한 재료일 것이다.
완성된 부품이 도 1j에 도시되어 있다. 저부 플레이트(140) 및 상부 플레이트(150)의 형상으로 인해, 노즐 어레이(170)는 하나 이상의 관통 구멍(172)들을 포함할 수 있다. 다시 한번, 도 1j는 3차원 부품의 2차원 단면 표시이며; 노즐 어레이(170)가 3개의 부품들인 것으로 보이지만, 어레이는 다른 단면들에서 연결될 가능성이 있다. 관통 구멍(172)들은 다광자 마스터(110) 상의 제1 미세구조화 패턴(112)을 포함한, 공정의 다른 곳에서 사용된 미세구조화 패턴에 관련되기 때문에, 관통 구멍(172)들의 형상 및 프로파일에 대한 정밀한 제어는 각각의 미세구조체(114)의 정밀한 제어에 의해 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 형성후 가공(post-formation processing), 예를 들어 관통 구멍(172)들을 개방하기 위한 배면 연삭 또는 EDM, 또는 화학적 내성, 내마모성, 또는 방오성(anti-fouling)과 같은 바람직한 특성을 포함시키는 임의의 적합한 공정을 통해 노즐 어레이(170)의 표면에 금속을 코팅 또는 적용하는 것이 바람직할 수 있다.
현저하게, 사출 성형 단계가 신속하고 신뢰성 있게 반복될 수 있으므로, 대량의 부품들을 제조하는 것은 문제가 되지 않는데, 그 이유는 대용량 단계(high volume step)들(즉, 각각의 부품에 대해 수행될 필요가 있는 단계들)은 덜 시간-소모적인 작업들과 제휴되기 때문이다. 부가적으로, 본 명세서에서 설명된 방법은, 각각의 부품에 대해 몇몇 단계들이 수행되어야 하는 통상의 공정과는 반대로, 하나뿐인 대용량 단계를 포함할 수 있다. 설명된 방법의 이 효율은 통상적인 공정에 비해 시간 및 비용을 절감할 수 있다. 예를 들어, 각각의 부품을 전기주조하는 대신에, 전기주조 단계는 오직 한번 수행될 수 있지만 많은 부품들을 생성하고, 총 시간 및 비용의 절감을 초래할 수 있다. 유사하게, 일부 실시예들에서, 사출 성형된 부품은, 각각의 부품이 연삭될 필요가 있는 통상의 공정과는 반대로, 관통 구멍들을 개방하기 위한 추가의 연삭을 필요로 하지 않는다.
도 2a 내지 도 2h는 다른 노즐의 제조 방법을 도시하는 중간 개략 단면도이다. 중복을 피하기 위하여, 도 1a 내지 도 1j에 수반하는 설명은 도 2a 내지 도 2h를 위해 다시 언급되지 않지만, 대응하는 설명이 대응하는 단계들에 적용되는 것으로 가정될 수 있다. 도 2a는 도 1a에 대응하는데, 재료(200)(도 1a의 재료(100)에 대응함) 및 기재(202)(도 1a의 기재(102)에 대응함)를 포함한다. 재료 및 기재는 이전에 설명된 방법에서와 같이 다광자 반응을 받을 수 있는 재료를 포함한 임의의 재료를 포함할 수 있다.
재료(200)가 적합한 방사선에 선택적으로 노광되고 용해된 후에, 제1 미세구조화 패턴(212)을 포함한 다광자 마스터(210)가 도 2b에 도시된 바와 같이 생성된다. 제1 미세구조화 패턴(212)이 본질적으로 도 1b의 제1 미세구조화 패턴(112)의 네거티브임에 주목한다.
이어서, 다광자 마스터(210)는 침착된 재료(220)로 시딩되고 전기주조되며, 이는 도 2c에 도시된 바와 같이 거친 표면(222)을 형성할 수 있다. 침착된 재료(220)는 도 1c와 관련하여 전술된 것들을 포함하는 임의의 공정 조건 하에서 적용된 임의의 재료일 수 있다. 거친 표면(222)은 연삭 또는 폴리싱되어, 도 2d에 도시된 바와 같은 침착된 재료(220)의 매끄러운 표면(224)을 형성할 수 있다.
도 2e는 저부 플레이트(230)(다광자 마스터(210)로부터 제거된, 도 2d에서의 매끄러운 표면(224)을 갖는 침착된 재료(220)에 본질적으로 대응함)를 도시한다. 저부 플레이트(230)는 실질적으로 제1 미세구조화 패턴(212)의 네거티브인 제2 미세구조화 패턴(232)을 포함한다. 제2 미세구조화 패턴(232)은 미세구조체(234)를 포함한다. 도 2a 내지 도 2h에 도시된 네거티브 공정(초기 다광자 마스터가 최종 플레이트의 네거티브이기 때문에 그렇게 불림)은 침착된 재료로부터 저부 플레이트를 생성하지만, 도 1a 내지 도 1j에 도시된 포지티브 공정(초기 다공정 마스터가 최종 플레이트와 실질적으로 동일하기 때문에 그렇게 불림)은 저부 플레이트를 생성하기 위하여 중간 주형을 사용한다는 것에 주목한다. 각각의 접근법은 응용 및 제조 공정 관심사항에 따라 유리할 수 있다.
도 2f는 저부 플레이트(230)의 피크들에 근접하여 위치된 상부 플레이트(240)를 도시한다. 상부 플레이트는 다시, 강을 포함한 임의의 적합한 재료일 수 있고, 이는 임의의 적합한 크기 또는 치수일 수 있다. 상부 및 저부라는 용어는 예시 및 설명의 편의를 위해 본 출원에서 사용되며, 응용에 따라 상이하게 배향될 수 있는 2개의 플레이트들의 특성을 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 2g는 도 1i에 대응하는 설명에서 기술된 단계와 동일하거나 상이할 수 있는 사출 성형 단계를 도시한다. 이전에 설명된 방법에 대해서, 주입 재료(250)는 임의의 적합한 중합체, 금속 분말, 세라믹 또는 이들의 블렌드를 포함할 수 있고, 사출 성형 단계는 금속 사출 성형, 미세 금속 사출 성형, 또는 미세 세라믹 사출 성형을 포함한 분말 사출 성형 또는 통상의 사출 성형을 포함할 수 있다.
관통 구멍(262)들을 포함하는 완성된 노즐 어레이(260)가 도 2h에 도시되어 있다. 노즐 어레이(260)는 동일한, 실질적으로 동일한, 또는 적어도 유사한 부품들이 어느 하나의 방법을 이용하여 제조될 수 있다는 것을 예시하는, 도 1j의 노즐 어레이(170)에 대응한다.
도 3a 내지 도 3e는 또 다른 연료 분사기 노즐의 제조 방법의 중간 개략 단면도이다. 도 2a 내지 도 2h에 대해서, 유사한 앞서 설명된 공정 단계들의 상세한 설명이 완전히 다시 제시되는 것이 아니라 달리 지시되지 않는다면 적용되는 것으로 가정될 수 있다.
도 3a는 기재(302) 위에 위치된 재료(300)의 일부분을 도시한다. 재료(300)는 임의의 적합한 재료 또는 재료들의 조합일 수 있다. 그러나, 재료(300)는 다광자 반응을 받는 재료의 능력에 대해 선택되지 않으며, 이에 대응하여 광에 선택적으로 노광되지는 않는다. 대신에, 재료(300)는 사출 성형 다이에서 저부 플레이트로서 사용되기에 적합할 수 있는 물질이어야 한다. 도 3a와 도 3b 사이에서, 재료(300)는 엔드 밀링, EDM, 연삭, 엠보싱 등과 같은 임의의 통상의 방법으로 형상화되거나 형성되어, 도 3b에 도시된 바와 같은 저부 플레이트(310)를 초래할 수 있다. 일부 실시예들에서, 저부 플레이트(310)는 재료의 층들이 침착되어 요구되는 부품을 형성하는 3D 인쇄와 같은 공정으로부터 직접 생성될 수 있다.
저부 플레이트(310)는 미세구조체(314)를 포함하는 미세구조화 패턴(312)을 일 면에서 갖는다. 미세구조체의 이러한 패턴 및 세트는 임의의 적합한 크기, 형상, 및 피치 또는 구성일 수 있다. 도 3c는 저부 플레이트의 피크들에 근접하여 배치된 상부 플레이트(314)를 갖는 저부 플레이트(310)를 도시한다.
도 3d는 도 2g 또는 도 1i 에 대응하는 설명에 기술된 것들과 동일하거나 유사할 수 있는 사출 성형 단계를 도시한다. 이들 경우에서와 같이, 사출 성형 단계는 통상의 중합체 사출 성형, 분말 사출 성형, 또는 미세 금속 사출 성형 및 미세 세라믹 사출 성형을 포함한 미세 분말 사출 성형을 포함할 수 있다.
도 3e는 사출 성형 다이로부터 제거된 후의 최종 부품을 도시한다. 노즐 어레이(340)는 연료 스프레이를 적절히 지향시키고 제어하기 위한 임의의 적합한 기하학적 형상을 가질 수 있는 관통 구멍(342)들을 포함한다. 노즐 어레이(340)는 도 1j의 노즐 어레이(170) 및 도 2h의 노즐 어레이(260) 둘 모두에 대응하는데, 이는 본 방법이 본 명세서에 기술된 다른 2개의 일반적인 접근법들과 실질적으로 동일한 최종 부품을 달성할 수 있다는 것을 보여준다.
다양한 예시적인 실시예
1. 연료 분사기 노즐의 제조 방법으로서,
다광자 반응을 받을 수 있는 제1 재료를 제공하는 단계;
다광자 공정을 사용하여 제1 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 형성하는 단계;
제1 재료와는 상이한 제2 재료 내에 제2 미세구조화 패턴을 포함하는 제1 주형을 제조하도록 제2 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계;
제3 재료 내에 복수의 미세구조체들을 포함하는 제3 미세구조화 패턴을 포함하는 제2 주형을 제조하도록 제3 재료 내에 제2 미세구조화 패턴을 복제하는 단계;
제3 재료 내의 복수의 미세구조체들의 피크들에 근접하여 제2 주형 위에 플레이트를 위치시키는 단계;
제3 미세구조화 패턴을 둘러싸는 제2 주형의 위이고 플레이트의 아래인 영역 내에서 제4 재료를 사출 성형하는 단계; 및
플레이트 및 제2 주형을 제거하여, 제4 재료를 포함하고 복수의 관통 구멍들을 추가로 포함하는 연료 분사기 노즐을 생성하는 단계를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
2. 실시예 1의 방법으로서, 제3 재료는 제1 및 제2 재료들과는 상이한, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
3. 실시예 1의 방법으로서, 제3 재료는 제2 재료와 동일한 재료인, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
4. 실시예 1의 방법으로서, 제4 재료는 제3 재료와 동일한 재료인, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
5. 실시예 1의 방법으로서, 제4 재료는 제1, 제2 및 제3 재료들과는 상이한, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
6. 실시예 1 내지 실시예 5 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 제2 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계는 제1 미세구조화 패턴을 전기주조하는 단계를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
7. 실시예 6의 방법으로서, 제2 재료는 니켈 또는 니켈 합금을 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
8. 실시예 1 내지 실시예 7 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 제4 재료는 중합체를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
9. 실시예 1 내지 실시예 7 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 제4 재료는 금속을 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
10. 실시예 1 내지 실시예 7 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 제4 재료는 세라믹을 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
11. 실시예 1 내지 실시예 10 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 제1 재료는 폴리(메틸메타크릴레이트)를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
12. 실시예 1 내지 실시예 10 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 제1 재료는 2-광자 반응을 받을 수 있는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
13. 실시예 12의 방법으로서, 2-광자 반응은 동시적인 2-광자 흡수를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
14. 실시예 1 내지 실시예 13 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 미세구조체는 3차원 직선체들을 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
15. 실시예 1 내지 실시예 13 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 미세구조체는 3차원 곡선체들을 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
16. 실시예 1 내지 실시예 15 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 복수의 관통 구멍들을 개방하도록 연료 분사기 노즐의 제4 재료의 나머지 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
17. 실시예 16의 방법으로서, 나머지 부분을 제거하는 단계는 배면 연삭에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
18. 실시예 16의 방법으로서, 나머지 부분을 제거하는 단계는 EDM에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
19. 실시예 1 내지 실시예 18 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 연료 분사기 노즐을 탈지하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
20. 실시예 1 내지 실시예 19 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 연료 분사기 노즐을 소결하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
21. 실시예 1 내지 실시예 20 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 연료 분사기 노즐의 표면에 금속을 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
22. 연료 분사기 노즐의 제조 방법으로서,
다광자 반응을 받을 수 있는 제1 재료를 제공하는 단계;
다광자 공정을 사용하여 제1 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 형성하는 단계;
제1 재료와는 상이한 제2 재료 내에 복수의 미세구조체들을 포함하는 제2 미세구조화 패턴을 포함하는 주형을 제조하도록 제2 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계;
제2 재료 내의 복수의 미세구조체들의 피크들에 근접하여 주형 위에 플레이트를 위치시키는 단계;
제2 미세구조화 패턴을 둘러싸는 주형의 위이고 플레이트의 아래인 영역 내에서 제3 재료를 사출 성형하는 단계; 및
및 주형을 제플레이트 거하여, 제3 재료를 포함하고 복수의 관통 구멍들을 추가로 포함하는 연료 분사기 노즐을 생성하는 단계를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
23. 실시예 22의 방법으로서, 제3 재료는 제1 및 제2 재료들과는 상이한, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
24. 실시예 22의 방법으로서, 제3 재료는 제2 재료와 동일한 재료인, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
25. 실시예 22의 방법으로서, 복수의 관통 구멍들을 개방하도록 연료 분사기 노즐의 제3 재료의 나머지 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
26. 실시예 25의 방법으로서, 나머지 부분을 제거하는 단계는 배면 연삭에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
27. 실시예 25의 방법으로서, 나머지 부분을 제거하는 단계는 EDM에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
28. 실시예 22 내지 실시예 27 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 연료 분사기 노즐을 탈지하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
29. 실시예 22 내지 실시예 28 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 연료 분사기 노즐을 소결하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
30. 실시예 22 내지 실시예 29 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 연료 분사기 노즐의 표면에 금속을 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
31. 연료 분사기 노즐의 제조 방법으로서,
제1 재료 내에 미세구조화 패턴을 생성함으로써 주형을 형성하는 단계 - 제1 미세구조화 패턴은 복수의 미세구조체들을 포함함 -;
제1 재료 내의 복수의 미세구조체들의 피크들에 근접하여 주형 위에 플레이트를 위치시키는 단계;
미세구조화 패턴을 둘러싸는 주형의 위이고 플레이트의 아래인 영역 내에 제1 재료와는 상이한 제2 재료를 사출 성형하는 단계; 및
플레이트 및 주형을 제거하여, 제2 재료를 포함하고 복수의 관통 구멍들을 추가로 포함하는 연료 분사기 노즐을 생성하는 단계를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
32. 실시예 31의 방법으로서, 미세구조화 패턴을 생성하는 것은 엔드 밀링에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
33. 실시예 31 또는 실시예 32의 방법으로서, 미세구조화 패턴을 생성하는 것은 연삭에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
34. 실시예 31 내지 실시예 33 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 미세구조화 패턴을 생성하는 것은 EDM에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
35. 실시예 31 내지 실시예 34 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 복수의 관통 구멍들을 개방하도록 연료 분사기 노즐의 제2 재료의 나머지 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
36. 실시예 35의 방법으로서, 나머지 부분을 제거하는 단계는 배면 연삭에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
37. 실시예 35의 방법으로서, 나머지 부분을 제거하는 단계는 EDM에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
38. 실시예 31 내지 실시예 37 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 연료 분사기 노즐을 탈지하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
39. 실시예 31 내지 실시예 38 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 연료 분사기 노즐을 소결하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
40. 실시예 31 내지 실시예 39 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 연료 분사기 노즐의 표면에 금속을 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
41. 연료 분사기 노즐의 제조 방법으로서,
다광자 반응을 받을 수 있는 제1 재료를 제공하는 단계;
다광자 공정을 사용하여 제1 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 형성하는 단계;
제1 재료와는 상이한 제2 재료 내에 제2 미세구조화 패턴을 포함하는 제1 도구를 제조하도록 제2 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계;
주형을 생성하기 위하여 금속 기재 내에 제2 미세구조화 패턴의 역인 복수의 미세구조체들을 포함하는 제3 미세구조화 패턴을 형성하도록 도구를 사용하는 단계;
금속 기재 내의 복수의 미세구조체들의 피크들에 근접하여 제2 주형 위에 플레이트를 위치시키는 단계;
제3 미세구조화 패턴을 둘러싸는 주형의 위이고 플레이트의 아래인 영역 내에서 제3 재료를 사출 성형하는 단계; 및
플레이트 및 주형을 제거하여, 제3 재료를 포함하고 복수의 관통 구멍들을 추가로 포함하는 연료 분사기 노즐을 생성하는 단계를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
42. 실시예 41의 방법으로서, 도구는 전극인, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
43. 실시예 41 또는 실시예 42의 방법으로서, 도구는 EDM에 의해 금속 기재 내에 제3 미세구조화 패턴을 형성하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
44. 실시예 41 내지 실시예 43 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 복수의 관통 구멍들을 개방하도록 연료 분사기 노즐의 제3 재료의 나머지 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
45. 실시예 44의 방법으로서, 나머지 부분을 제거하는 단계는 배면 연삭에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
46. 실시예 44의 방법으로서, 나머지 부분을 제거하는 단계는 EDM에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
47. 실시예 41 내지 실시예 46 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 연료 분사기 노즐을 탈지하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
48. 실시예 41 내지 실시예 47 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 연료 분사기 노즐을 소결하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
49. 실시예 41 내지 실시예 48 중 어느 하나의 실시예의 방법으로서, 연료 분사기 노즐의 표면에 금속을 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
본 설명 내에 인용된 모든 미국 특허 및 특허 출원(본 명세서에서 사용된 노즐의 정의를 명확히 하기 위하여 인용된 것들을 제외)은 마치 완전히 기재된 것처럼 참고로 포함된다. 본 발명은 전술된 특정 예들 및 실시예들로 제한되는 것으로 간주되어서는 안되는데, 그 이유는, 본 발명의 다양한 태양들의 설명을 용이하게 하기 위하여 그러한 실시예들이 상세히 기술되어 있기 때문이다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 의해 한정되는 본 발명의 범주 내에 속하는 다양한 변형, 등가의 공정, 및 대안적인 장치를 포함한 본 발명의 모든 태양들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (22)

  1. 연료 분사기 노즐(fuel injector nozzle)의 제조 방법으로서,
    다광자(multiphoton) 반응을 받을 수 있는 제1 재료를 제공하는 단계;
    다광자 공정을 사용하여 제1 재료 내에 제1 미세구조화 패턴(microstructured pattern)을 형성하는 단계;
    제1 재료와는 상이한 제2 재료 내에 제2 미세구조화 패턴을 포함하는 제1 주형(mold)을 제조하도록 제2 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계;
    제3 재료 내에 복수의 미세구조체들을 포함하는 제3 미세구조화 패턴을 포함하는 제2 주형을 제조하도록 제3 재료 내에 제2 미세구조화 패턴을 복제하는 단계;
    제3 재료 내의 복수의 미세구조체들의 피크(peak)들에 근접하여 제2 주형 위에 플레이트(plate)를 위치시키는 단계;
    제3 미세구조화 패턴을 둘러싸는 제2 주형의 위이고 플레이트의 아래인 영역 내에서 제4 재료를 사출 성형하는 단계; 및
    플레이트 및 제2 주형을 제거하여, 제4 재료를 포함하고 복수의 관통 구멍들을 추가로 포함하는 연료 분사기 노즐을 생성하는 단계를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제4 재료는 제3 재료와 동일하거나, 제4 재료는 제1, 제2 및 제3 재료들과는 상이한, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 제2 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계는 제1 미세구조화 패턴을 전기주조(electroforming)하는 단계를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 제2 재료는 니켈 또는 니켈 합금을 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 제4 재료는 중합체, 금속, 세라믹 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 재료는 폴리(메틸메타크릴레이트)를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 재료는 2-광자 반응을 받을 수 있는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 2-광자 반응은 동시적인 2-광자 흡수를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 미세구조체들은 3차원 직선체(rectilinear body)들, 3차원 곡선체(curvilinear body)들, 또는 이들의 조합을 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서, 복수의 관통 구멍들을 개방하도록 연료 분사기 노즐의 제4 재료의 나머지 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  11. 연료 분사기 노즐의 제조 방법으로서,
    다광자 반응을 받을 수 있는 제1 재료를 제공하는 단계;
    다광자 공정을 사용하여 제1 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 형성하는 단계;
    제1 재료와는 상이한 제2 재료 내에 복수의 미세구조체들을 포함하는 제2 미세구조화 패턴을 포함하는 주형을 제조하도록 제2 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계;
    제2 재료 내의 복수의 미세구조체들의 피크들에 근접하여 주형 위에 플레이트를 위치시키는 단계;
    제2 미세구조화 패턴을 둘러싸는 주형의 위이고 플레이트의 아래인 영역 내에서 제3 재료를 사출 성형하는 단계; 및
    플레이트 및 주형을 제거하여, 제3 재료를 포함하고 복수의 관통 구멍들을 추가로 포함하는 연료 분사기 노즐을 생성하는 단계를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  12. 제1항 또는 제11항에 있어서, 제3 재료는 제1 및 제2 재료들과는 상이하거나, 제3 재료는 제2 재료와 동일한 재료인, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서, 복수의 관통 구멍들을 개방하도록 연료 분사기 노즐의 제3 재료의 나머지 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  14. 연료 분사기 노즐의 제조 방법으로서,
    제1 재료 내에 미세구조화 패턴을 생성함으로써 주형을 형성하는 단계 - 제1 미세구조화 패턴은 복수의 미세구조체들을 포함함 -;
    제1 재료 내의 복수의 미세구조체들의 피크들에 근접하여 주형 위에 플레이트를 위치시키는 단계;
    미세구조화 패턴을 둘러싸는 주형의 위이고 플레이트의 아래인 영역 내에 제1 재료와는 상이한 제2 재료를 사출 성형하는 단계; 및
    플레이트 및 주형을 제거하여, 제2 재료를 포함하고 복수의 관통 구멍들을 추가로 포함하는 연료 분사기 노즐을 생성하는 단계를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 미세구조화 패턴을 생성하는 것은 엔드 밀링(end milling), 연삭(grinding), EDM, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서, 복수의 관통 구멍들을 개방하도록 연료 분사기 노즐의 제2 재료의 나머지 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  17. 연료 분사기 노즐의 제조 방법으로서,
    다광자 반응을 받을 수 있는 제1 재료를 제공하는 단계;
    다광자 공정을 사용하여 제1 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 형성하는 단계;
    제1 재료와는 상이한 제2 재료 내에 제2 미세구조화 패턴을 포함하는 제1 도구(tool)를 제조하도록 제2 재료 내에 제1 미세구조화 패턴을 복제하는 단계;
    주형을 생성하기 위하여 금속 기재 내에 제2 미세구조화 패턴의 역(inverse)인 복수의 미세구조체들을 포함하는 제3 미세구조화 패턴을 형성하도록 도구를 사용하는 단계;
    금속 기재 내의 복수의 미세구조체들의 피크들에 근접하여 제2 주형 위에 플레이트를 위치시키는 단계;
    제3 미세구조화 패턴을 둘러싸는 주형의 위이고 플레이트의 아래인 영역 내에서 제3 재료를 사출 성형하는 단계; 및
    플레이트 및 주형을 제거하여, 제3 재료를 포함하고 복수의 관통 구멍들을 추가로 포함하는 연료 분사기 노즐을 생성하는 단계를 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 도구는 전극인, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서, 도구는 EDM에 의해 금속 기재 내에 제3 미세구조화 패턴을 형성하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  20. 제17항에 있어서, 복수의 관통 구멍들을 개방하도록 연료 분사기 노즐의 제3 재료의 나머지 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  21. 제10항, 제13항, 제16항 및 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 나머지 부분을 제거하는 단계는 배면 연삭, EDM, 또는 이들의 조합에 의해 달성되는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
  22. 제1항, 제11항, 제14항 및 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 분사기 노즐의 탈지(debinding), 연료 분사기 노즐의 소결, 연료 분사기 노즐의 표면에 대한 금속의 적용, 또는 이들의 임의의 조합을 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐의 제조 방법.
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