TWI486226B - 於複雜表面上微複製 - Google Patents

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TWI486226B
TWI486226B TW096127808A TW96127808A TWI486226B TW I486226 B TWI486226 B TW I486226B TW 096127808 A TW096127808 A TW 096127808A TW 96127808 A TW96127808 A TW 96127808A TW I486226 B TWI486226 B TW I486226B
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琳恩 崔西 珍妮佛
娜赫 狄佛爾 查理斯
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３Ｍ新設資產公司
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Description

於複雜表面上微複製
加工技術(例如金剛石車削與直進放電加工)可以係用於產生大範圍的各種工件，例如微複製工具。通常將微複製工具用於擠製程序、射出成型程序、浮雕程序、鑄製程序或類似程序以產生微複製結構。該等微複製結構可包含光學膜、研磨膜、膠膜、具有自交輪廓之機械緊固件或具有相對較小尺寸(例如少於大致1000微米之尺寸)之微複製特徵的任何模製或擠製零件。
還可以藉由各種其他方法來製造微結構特徵。例如，可以藉由該母版工具之一鑄製與固化程序來將該母版工具之結構傳輸於其他介質(例如聚合材料之帶或網)上以形成一生產工具；接著將此生產工具用於製造該微複製結構。可以將諸如電鑄之類的其他方法用於複製該母版工具。其他技術包括化學蝕刻、珠粒噴擊或其他隨機的表面修改技術。
依據本發明的切割工具裝配件包括經組態用於直進EDM操作的放電加工(EDM)單元、具有微結構特徵表面的工具及具有與微結構特徵的工具之表面相鄰定位之一複雜表面的工件。該工具係操作性地耦合至該EDM單元，而該工件係經組態用以藉由該工具在該直進EDM操作中進行加工。
依據本發明的切割工件之方法包括以下步驟：提供經組態用於直進EDM操作之一EDM單元，將具有微結構特徵表面之一工具操作性地耦合至該EDM單元，以及將具有一複雜表面之一工件與微結構特徵的工具之該表面相鄰定位。該工件係經組態用以藉由該工具在該直進EDM操作中進行加工。
在特定具體實施例中，可以將該裝配件及方法用於在一金屬複雜工件中同時製造許多非相鄰微結構特徵，從而形成一微複製圖案。可以將該工件用作一母版工具以製造具有實質上相同(儘管本質上係倒轉的)微複製圖案的其他物件或膜。例如，此類膜可包括具有非相鄰小透鏡之光學膜或其他微結構光學膜。例如，此類物件可包括用於電漿顯示面板之基板、用於LED之散熱片、製造該等散熱片之鑄模或具有微結構三維特徵之其他物件。
本說明書中說明的具體實施例包括產生具有微結構特徵之三維表面的方法。可以將一直進放電加工(EDM)單元用於施加微米尺度結構(稱為"微結構特徵")以便在一基板或工件上加工三維表面。所得工具可以係用於模製微複製三維零件並可以係用作製造微複製表面之一母版工具。EDM技術之使用允許將微結構特徵施加至一複雜表面。直進EDM亦係稱為雕模(sinker)EDM並提供在一單一EDM操作中在一工件中製造許多微結構特徵的方法。例如，由於直進EDM之能力所致，可以採用鋼來實施該工件。鋼工件比諸如銅之類的其他材料更耐用。
EDM在此項技術中係已知的，如全部以引用方式併入本文中的以下參考兩者所說明：A.Descoeudres等人的"放電加工電漿之光學發射光譜"(Journal of Physics D：Applied Physics，第37卷，第875至882頁(2004年))；以及A Yahya等人的"使用因次分析的放電加工之材料移除速率的決定"(Journal of Physics D：Applied Physics，第37卷，第1467至1471頁(2004年))。
EDM系統
圖1係用於使用直進EDM技術在一工件中製造微結構特徵的系統10之圖式。微結構特徵可包括一物件之表面上或凹進該表面內的微結構之任何類型、數目、形狀及尺寸。藉由一電腦12來控制系統10。例如，電腦12具有以下組件：一記憶體14，其儲存一或多個應用程式16；一輔助儲存器22，其提供資訊的非揮發性儲存；一輸入裝置18，其用於接收資訊或指令；一處理器24，其用於執行儲存於記憶體14或輔助儲存器22中或從另一來源接收的應用程式；一顯示裝置20，其用於輸出資訊的視覺顯示；以及一輸出裝置26，其用於輸出其他形式之資訊，例如用於音訊資訊的揚聲器或用於資訊之紙本拷貝的印表機。
藉由一EDM單元28控制之一工具30來執行一多軸級34上的一工件32之切割。一電源29供電給工具30，同時一導電流體供應31在工具30與工件32之間提供一導電流體以用於直進EDM操作。在操作中，電腦12經由一級控制單元36來控制多軸級34與工件32之移動，同時工具30在該工件中製造微結構特徵。在一直進EDM操作中，電腦12還可以經由EDM單元28來控制工具30，同時多軸級34在其下方移動工件32。
多軸級在此項技術中係已知的並包括具有多個軸的任何裝置，其用於在相對於一工具之多個平移方向上、相對於該工具之多個旋轉方向上或相對於該工具之多個平移方向與多個旋轉方向兩者上移動一工件。可具有六軸級以用於提供一工件在相對於一工具之三個平移方向與三個旋轉方向上之移動。通常使用五軸級，並且五軸級提供一工件在相對於工具之三個平移方向與兩個旋轉方向上的移動。多軸級之範例(包括五軸級)目前可從以下公司購得：ONA America,Inc.(美國)；Agie Charmilles(英國)；Sodie(法國)及Mitsubishi(日本)。
加工可涉及經由級來移動工件、移動工具或移動兩者。其還可涉及工具之多回進程，使用可能重疊之進程及不同的工具。例如，針對使用EDM加工之此控制可使用以電腦12中之軟體、韌體或一組合實施的數值控制技術或數值控制器(NC)來完成。特定言之，電腦12可經由EDM單元28來控制工具30之移動，並經由級控制單元36來控制工件32之移動。EDM單元28藉由接收來自電腦12之信號可以控制工具30之啟動，來腐蝕工件32之部分以在其中形成微結構特徵。例如，此啟動可包括以一直進EDM模式來操作工具30，如此項技術中已知。可以使用在一直進EDM操作中能夠放電加工及能夠橫跨一工件之表面移動對應工具的任何裝置來實施EDM單元28。
可以使用能夠進行放電加工的任何導電材料來實施工件32。範例包括鋁、鎳、銅、黃銅、鋼、石墨、碳化鎢或此等材料之合金或混合物。例如，要使用的特定材料可以取決於一特定所需應用，例如使用該加工的工件製造之各種膜。
在已進行加工之後，可以將工件32用於製造具有用於各種應用的對應微結構特徵的膜。該些膜之範例包括光學膜、摩擦控制膜、用於製造一電漿顯示面板之鑄模、用於射出成型之鑄模及微緊固件或其他微結構組件。一般使用一塗布程序來製造該等膜，其中將處於一黏性狀態之一材料施加至該工件，允許其至少部分固化並接著將其移除。由固化的材料組成之膜將實質上具有與該工件中的該些結構相反的結構。例如，該工件中之一壓痕(負特徵)導致所得膜中之一突出部分(正特徵)。
使用直進EDM之微複製
圖2A係解說製造一加工的工具40並將該工具用於使用直進EDM技術在一工件80之一複雜表面上微複製的圖式。加工的工具40與工具30相對應，而工件80與工件32相對應。可以使用圖1所示之EDM系統來加工工件80。術語"複雜表面"表示一非平坦(非平面)表面或其至少一部分。術語"複雜工件"表示具有能夠進行加工的一複雜表面之一工件。
在此範例性具體實施例中，座標系統包括一x方向48、一y方向46及一z方向50。該z方向50表示在實質上垂直於工具40或工件80之一方向上的移動。x方向與y方向實質上垂直於z方向，並且x方向48與y方向46表示在實質上平行於工具40或工件80之一表面的彼此正交方向上的移動。例如，x方向與y方向表示分別沿工具40之側44與42的移動，而z方向表示朝向或離開並實質上垂直於工具40之一表面的移動。當加工一工件時，多軸級34可以在對應於x方向48與y方向46的方向上移動該工件。作為如圖2所示的以平面形式的一工件之一替代，可以使用一滾筒或以其他非平面形式之一材料來實施該工件。
在加工之前，一般使用一塊空白導電材料(例如鋁、鎳、銅、黃銅、石墨、碳化鎢或鋼及此等材料之合金)來實施工具40。加工該工具40之材料以便製造用於直進EDM之一加工的工具。例如，使用線EDM技術，橫跨工具40進行多回進程，如線52與54所表示。該線EDM引起金屬材料係從工具40加工掉以產生微結構突出部分，如微結構特徵60、62、64及66所表示。區域68表示藉由該等進程54之一者而加工掉的區域之一者，而區域70表示藉由該等進程52之一者而加工掉的區域之一者。僅出於解說目的僅顯示四個線EDM進程(52、54)與四個微結構特徵(60、62、64、66)；一般而言，進行EDM中之一線電極的許多進程用於產生加工的工具40。而且，僅出於解說目的來將該等進程52與54顯示為線性進程；還可以將線EDM用於進行非線性進程以便在工具40上在該等x方向與y方向上進行具有彎曲或非線性側之微結構特徵。
此外，可以其他方式來製造工具40來產生具有微結構特徵之一加工的工具，例如藉由使用金剛石車削加工、飛翼切削(flycutting)，或研磨、輪磨、微影蝕刻、蝕刻或鑄製。亦可使用此等製造技術的組合。由於該加工，工具40可以具有許多微結構特徵用於加工一工件。例如，工具40可以具有10個微結構特徵、100個微結構特徵、500個微結構特徵或更佳的係1000個或更多微結構特徵(例如在工具40上在兩個彼此正交方向之各方向上使用100個線EDM進程加以製造)。工具40上亦可具有其他數目之微結構特徵。
一旦已產生加工的工具40，便將其本質上倒轉以用作在EDM單元28與電腦12之控制下的工具30。倒轉該工具意味著其上的微結構特徵面向要進行加工之一工件，例如微結構特徵60、62、64及66面向工件80之一頂部複雜表面81。將工件80之一底部表面83放在多軸級34上用於在該等x與y方向上移動工件80。在此特定具體實施例中，該工具本質上包括一方形或矩形接針之陣列作為該等微結構特徵。
接著將工具40用於在一直進EDM操作中加工工件80。如箭頭82所表示並在圖1之系統中，將工具40之微結構特徵對著工件80之表面81"插進"以便加工掉材料來在工件80中製造微結構特徵。在加工完成之後，工件80在一複雜表面上具有負微結構特徵並實質上對應於工具40上的微、結構特徵。例如，工件80具有微結構(凹進)特徵72、74、76及78，其分別實質上對應於微結構特徵60、62、64及66。如所示，該等微結構特徵72、74、76及78係非相鄰的，其意味著實質上非加工的區域將其分離。該等微結構特徵可具有變化尺寸之一間距，該間距表示相鄰微結構特徵之間的距離。
此外，在該直進EDM操作期間，在EDM單元28控制下的工具40可軌道運行，其意味著在x方向、y方向或兩者上移動該工具40以進一步加工掉材料並在工件80中製造微結構之各種組態。例如，工具40可以一規則圖案而軌道運行(藉由沿一路徑84之移動表示)或以一不規則圖案而軌道運行(藉由沿一路徑86之移動表示)。在此等情況下，該工件中的微結構特徵將具有實質上對應於該工具上的微結構特徵之一形狀與軌道運行期間之一移動的一形狀。
可以在不同位置上對著工件80之表面81重複地插進工具40之微結構特徵以在工件80中製造許多微結構特徵。例如，可以重複該直進EDM操作足夠次數以在該工件中產生1000與六百萬個之間的微結構特徵。例如，當該工件係用於一電漿顯示面板之一基板時，可以使用該工具之直進EDM操作以在該基板中產生數百萬非相鄰微結構特徵，並且該些微結構特徵之各微結構特徵產生一"口袋"以包含用於該電漿顯示面板之像素的電漿材料。
作為圖2A所示的直進EDM之一替代，可以將直進EDM與一複雜工具一起使用。術語"複雜工具"表示具有包含複雜表面之加工微結構的一工具。圖2B係解說使用直進EDM技術之微複製(藉由箭頭79表示)的圖式，其使用具有複雜表面微結構73之一複雜工具71在具有一非複雜表面77之一非複雜工件75上進行。圖2C係解說使用直進EDM技術之微複製(藉由箭頭93表示)的圖式，其使用具有複雜表面微結構87之一複雜工具85在具有一複雜表面91之一複雜工件89上進行。在使用該複雜工具之後，可以視需要地使用具有與第一工具稍微不同的幾何形狀的一或多個隨後的工具以產生一特徵形狀。
圖3A至3C係表示可以使用如上所述之直進EDM在一工件中進行製造的範例性個別微結構特徵的圖式。圖3A係解說一微結構72之形狀的圖式，其實質上對應於該等微結構特徵60、62、64或66之一者並具有長度94、寬度96及深度98。微結構72具有對應於工件80之一頂部表面81的頂部90與位於頂部表面81與底部表面83之間的底部92。
圖3B係解說一微結構100之形狀的圖式，其實質上對應於該等微結構特徵60、62、64或66之一者以及該工具之規則軌道運行，並具有有效長度106、有效寬度108及深度110。微結構100具有對應於工件80之一頂部表面81的頂部102與位於頂部表面81與底部表面83之間的底部104。
圖3C係解說一微結構120之形狀的圖式，其實質上對應於該等微結構特徵60、62、64或66之一者以及該工具之不規則軌道運行，並具有有效長度126、有效寬度128及深度130。作為該工具之軌道運行之一替代，可以藉由蝕刻、微影蝕刻或直接產生所需特徵形狀的其他技術來產生此形狀及其他形狀。微結構120具有對應於工件80之一頂部表面81的頂部122與位於頂部表面81與底部表面83之間的底部124。例如，可以將圓形微結構特徵(例如圖3B所示的特徵100)用於製造微複製圓井，其可用於醫療應用。微結構72、100及120可以具有複雜表面，其取決於其係進行加工的工件之複雜表面。該工件可以係5毫米(mm)×5 mm至2米乘2米，及該兩種尺寸之間的任何大小。
該工具與使用其進行加工的工件中的微結構特徵各可具有任何特定尺寸之可變長度、寬度及深度。使用如上所述之系統製造的微結構特徵可以各具有一長度、寬度及深度，並且其可具有一間距，其具有如以下值之任何微米尺度值：1000微米、100微米或1微米。還可以藉由EDM提供一約200奈米(nm)之一次光學範圍的表面粗糙度(RA)或結構。各長度、寬度、深度及間距可以係相同或不同的微米尺度值。或者，在其他具體實施例中，該等微結構特徵之長度、寬度、深度及間距可以大於1000微米或實質上延伸該工件之整個長度或寬度的任一尺寸。僅出於解說目的提供此等尺寸，並且使用上述系統製造的微結構特徵可具有能夠使用該系統進行加工的範圍內的任何尺寸。此外，如圖3A至3C所解說，在該工件中進行加工的微結構特徵可具有實質上垂直於該工件之一頂部表面的側，其對於其他加工技術一般係不可能的。或者該等側可具有角度，取決於用於直進EDM該工件的工具上的微結構特徵之原始形狀。
此等多個微結構特徵可以形成一微複製圖案，其意味著一工件中的微結構特徵之一規則或不規則重複組態。在該微複製圖案中，該等微結構特徵可以係相鄰的、不連續的(非相鄰的)或其一組合。非相鄰微結構特徵係藉由一特定間隔加以分離，圖4顯示其一範例。圖4所示的微複製特徵有時係稱為一"磚"圖案。
儘管已結合一範例性具體實施例說明本發明，應明白熟習此項技術者將容易地明白許多修改，並且此申請案旨在涵蓋其任何調適或變更。例如，可使用使用其的各種類型之工具與加工而不脫離本發明之範疇。本發明應僅藉由申請專利範圍及其等效物加以限制。
10．．．系統
12．．．電腦
14．．．記憶體
16．．．應用程式
18．．．輸入裝置
20．．．顯示裝置
22．．．輔助儲存器
24．．．處理器
26．．．輸出裝置
28．．．EDM單元
29．．．電源
30．．．工具
31．．．導電流體供應
32．．．工件
34．．．多軸級
36．．．級控制單元
40．．．加工的工具
42．．．工具之側
44．．．工具之側
52．．．線EDM進程
54．．．線EDM進程
60．．．微結構特徵
62．．．微結構特徵
64．．．微結構特徵
66．．．微結構特徵
68．．．區域
70．．．區域
71．．．複雜工具
72．．．微結構特徵
73．．．複雜表面微結構
74．．．微結構特徵
75．．．非複雜工件
76．．．微結構特徵
77．．．非複雜表面
78．．．微結構特徵
79．．．微複製
80．．．工件
81．．．頂部複雜表面
83．．．底部表面
84．．．路徑
85．．．複雜工具
86．．．路徑
87．．．複雜表面微結構
89．．．複雜工件
90．．．頂部
91．．．複雜表面
92．．．底部
93．．．微複製
100．．．微結構
102．．．頂部
104．．．底部
120．．．微結構
122．．．頂部
124．．．底部
併入且構成此說明書之一部份的附圖及本說明書說明本發明的優點及原理。在圖式中，圖1係用於使用直進EDM技術在一工件中製造微結構特徵的系統之圖式；圖2A係解說製造一加工的工具並將該工具用於使用直進EDM技術在一複雜工件上之微複製的圖式；圖2B係解說在一非複雜工件上使用一複雜工具使用直進EDM技術進行微複製的圖式；圖2C係解說在一複雜工件上使用一複雜工具使用直進EDM技術進行微複製的圖式；圖3A係解說使用一加工的工具與直進EDM技術製造一範例性微結構之形狀的圖式；圖3B係解說使用一加工的工具與直進EDM技術及該工具之一規則軌道運行製造之一範例性微結構之形狀的圖式；圖3C係解說使用一加工的工具與直進EDM技術及該工具之一不規則軌道運行製造之一範例性微結構之形狀的圖式；以及圖4係使用EDM技術製造的範例性微結構特徵之影像。
40．．．加工的工具
42．．．工具之側
44．．．工具之側
52．．．線EDM進程
54．．．線EDM進程
60．．．微結構特徵
62．．．微結構特徵
64．．．微結構特徵
66．．．微結構特徵
68．．．區域
70．．．區域
72．．．微結構特徵
74．．．微結構特徵
76．．．微結構特徵
78．．．微結構特徵
80．．．工件
81．．．頂部複雜表面
83．．．底部表面
84．．．路徑
86．．．路徑

Claims (20)

  1. 一種切割工具裝配件，其包含：一放電加工EDM單元，其係經組態用於直進EDM操作；及一工具，其具有包含複雜表面之圖案化非相鄰加工的微結構特徵，該工具係操作性地耦合至該EDM單元；以及其中該裝配件可以加工一工件，該工件具有一經組態以相反於該工具之該表面之複雜表面並經定位相鄰於具有該等微結構特徵的該工具之該表面，該工件係經組態用以藉由該工具在該直進EDM操作中予以加工以在該工件上同時形成多個包含複雜表面之圖案化非相鄰微結構特徵。
  2. 如請求項1之切割工具裝配件，其中該工具在該EDM單元之控制下在該工件中製造一微複製圖案。
  3. 如請求項1之切割工具裝配件，其中該工件係由以下材料之一者組成：鋁、鎳、銅、黃銅、鋼、碳化鎢、石墨或其合金。
  4. 如請求項1之切割工具裝配件，其進一步包括一多軸級，其係經組態用以在相對於該工具之多個平移方向上或多個旋轉方向上移動該工件。
  5. 如請求項4之切割工具裝配件，其中該多軸級包含五軸級，其提供該工件在相對於該工具之三個平移方向與兩個旋轉方向上之移動。
  6. 如請求項1之切割工具裝配件，其中該微結構特徵具有實質上垂直於該工件之一頂部表面之多個側。
  7. 如請求項1之切割工具裝配件，其中該工具具有一千個或更多微結構特徵。
  8. 如請求項1之切割工具裝配件，其中該工件具有五毫米乘五毫米與兩米乘兩米之間的長度與寬度尺寸。
  9. 一種用於切割一工件的方法，其包含：提供一放電加工EDM單元，其係經組態用於直進EDM操作；將一工具操作性地耦合至該EDM單元，該工具具有包含複雜表面之圖案化非相鄰加工微結構特徵；以及定位具有一經組態以相反於該工具之該表面之複雜表面之一工件以使其相鄰於具有該等微結構特徵的該工具之該表面，該工件係經組態用以藉由該工具在該直進EDM操作中予以加工以在該工件上同時形成多個包含複雜表面之圖案化非相鄰微結構特徵。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包含在該工件中製造一微複製圖案。
  11. 如請求項9之方法，其進一步包含在該工件中製造該等微結構特徵，該工件係由以下材料之一者組成：鋁、鎳、銅、黃銅、鋼、碳化鎢、石墨或其合金。
  12. 如請求項9之方法，其進一步包含在相對於該工具之多個平移方向上或多個旋轉方向上移動該工件。
  13. 如請求項9之方法，其進一步包含在該工件上重複執行 該工具之該直進EDM操作，以便在該工件之該複雜表面上製造1與1000個之間的微結構特徵。
  14. 一種用於切割一工件的方法，其包含：製造一複雜工具，其包含加工該工具之一材料以在該工具之一表面上製造包含複雜表面之圖案化非相鄰微結構特徵；提供一放電加工EDM單元，其係經組態用於直進EDM操作；將該複雜工具操作性地耦合至該EDM單元，該複雜工具具有包含該等微結構特徵之該表面；以及定位具有一經組態以相反於該工具之該表面之複雜表面之一工件以使其相鄰於具有該等微結構特徵的該工具之該表面，該工件係經組態用以藉由該工具在該直進EDM操作中予以加工，其中該複雜工具經組態以在該工件上同時形成多個包含複雜表面之圖案化非相鄰微結構特徵。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包含在該工件中製造該等微結構特徵，該工件係由以下材料之一者組成：鋁、鎳、銅、黃銅、鋼、碳化鎢、石墨或其合金。
  16. 如請求項14之方法，其進一步包含在相對於該工具之多個平移方向上或多個旋轉方向上移動該工件。
  17. 如請求項14之方法，其進一步包含在該工具中製造該等微結構特徵，該工具係由以下材料之一者組成：鋁、鎳、銅、黃銅或鋼。
  18. 如請求項14之方法，其中該製造該工具步驟包含在該工具之該表面中製造該等微結構特徵，其使用以下技術中之一或多種技術：線EDM、金剛石車削加工、飛翼切削、研磨、輪磨、微影蝕刻、蝕刻或鑄製。
  19. 如請求項14之方法，其進一步包含在該工件中製造一微複製圖案。
  20. 如請求項19之方法，其進一步包含製造非相鄰列以形成該微複製圖案，其中該等列之各列具有非相鄰微結構特徵，且其中該等微結構特徵之各微結構特徵具有三維的實質上矩形形狀。
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