利用高密度微粒基质制造模制结构的系统和方法.pdf

一种用于制造模制结构的方法包括提供第一混合物，该第一混合物包括微粒以及树脂和固化剂的液相混合物。对第一混合物进行离心分离以从第一混合物中提取一体积的液相树脂和固化剂混合物，从该离心过程得到了至少部分涂布有液相树脂和固化剂的微粒的液相基质。固化至少部分被涂布的微粒的液相基质以形成微粒的固相基质，由此提供模制结构。

1、  一种用于制造模制结构的方法，包括：
提供第一混合物，所述第一混合物包括微粒以及树脂和固化剂的液相混合物(112)；
对所述第一混合物进行离心分离，以从所述第一混合物中提取出一体积的所述液相树脂和固化剂混合物，从而由此形成微粒的液相基质，所述微粒至少部分涂布有液相树脂和固化剂(114)；以及
固化至少部分被涂布的微粒的所述液相基质，以形成微粒的固相基质，微粒的所述固相基质形成所述模制结构(116)。

2、  根据权利要求1所述的方法，
其中，提供第一混合物(112)包括向耦合到离心机的铸模中提供所述第一混合物，所述离心机具有旋转轴，所述铸模可以围绕所述旋转轴旋转，所述铸模包括一个或多个出口；
其中，所述微粒包括导电/感应微珠，使得所述至少部分被涂布的导电/感应微珠具有比所述液相树脂和固化剂混合物的比重更高的比重；并且
其中，对所述第一混合物进行离心分离(114)包括经由所述铸模的所述一个或多个出口抽出一体积的所述液相树脂和固化剂混合物。

3、  根据权利要求1所述的方法，
其中，提供第一混合物(112)包括向耦合到离心机的铸模中提供所述第一混合物，所述离心机具有旋转轴，所述铸模可以围绕所述旋转轴旋转，所述铸模包括一个或多个出口；
其中，所述微粒包括绝缘微球，使得所述至少部分被涂布的绝缘微球具有比所述液相树脂和固化剂混合物的比重更低的比重；并且
其中，对所述第一混合物进行离心分离(114)包括经由所述铸模的所述一个或多个出口抽出一体积的所述液相树脂和固化剂混合物。

4、  根据权利要求2或3的任一项所述的方法，其中，所述一个或多个出口远离所述旋转轴或靠近所述离心机的旋转轴，或者至少一个出口靠近所述离心机的旋转轴且至少一个出口远离所述离心机的旋转轴。

5、  根权利要求1-4的任一项所述的方法，其中，为所述第一混合物提供的所述树脂和固化剂的液相混合物在固化时形成刚性结构。

6、  根权利要求1-4的任一项所述的方法，其中，为所述第一混合物提供的所述树脂和固化剂的液相混合物在固化时形成柔性结构。

7、  根据权利要求1-6的任一项所述的方法，还包括搅动包括所述微粒以及所述液相树脂和固化剂混合物的所述第一混合物。

8、  根据权利要求1-7的任一项所述的方法，其中，所述铸模还包括设置于所述铸模周边的至少一部分周围的一个或多个加热元体，所述方法还包括经所述一个或多个加热元体向所述铸模施加预定的加热分布。

9、  一种用于制造模制结构的系统，所述系统包括：
离心机(310)，用于围绕旋转轴(312)旋转；以及
耦合到所述离心机(310)的铸模(320)，用于容纳第一混合物，所述第一混合物包括微粒以及树脂和固化剂的液相化合物，所述铸模(320)包括一个或多个出口(327)，在旋转所述铸模(320)时通过所述出口抽出一体积的所述液相树脂和固化剂，由此所述铸模(320)在所述离心机(310)旋转时用于保留至少部分涂布有所述液相树脂和固化剂混合物的微粒的液相基质。

10、  根据权利要求9所述的系统，其中，所述一个或多个出口(427)形成于所述铸模(320)上靠近所述离心机(310)的所述旋转轴(312)的位置处或远离所述离心机(310)的所述旋转轴(312)的位置处，或者至少一个出口(427)位于靠近所述旋转轴(312)的位置处，且至少一个出口(427)位于远离所述旋转轴(312)的位置处。

11、  根据权利要求9或10之一所述的系统，其中，所述固化装置(330)包括设置于所述铸模(320)周边的至少一部分周围的一个或多个加热元体(420)，所述多个加热元体(420)的整体用于向所述铸模(320)施加预定的加热分布。

12、  一种高压绝缘泡沫，用于和根据权利要求1、3、4、5、7或8的任一项制造的高压x射线管发生器一起使用。

利用高密度微粒基质制造模制结构的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于制造模制结构的系统和方法，更具体而言涉及利用高密度微粒基质制造模制结构的系统和方法。
背景技术
模制结构在很多应用中得到了使用。例如，在生成x射线的技术领域中，迫切需要生产在x射线发生器中使用的模制高压绝缘结构。具体而言，X射线计算机断层(CT)发生器以很高旋转速度行进，这使它们的内部部件受到很大的重力作用。大重力增加了x射线发生器在x射线扫描系统上的重力负载，需要对扫描系统做出额外的结构修正和加强，这提供和维护都很昂贵。对此最关键的是减轻重量。在航天/航空/机载、汽车和其他采用需要机械强度大、重量轻的绝缘材料的组件的行业中也面临类似的挑战。
欧洲专利申请1614124“Method for Producing Molded Parts forLow-Voltage，Medium Voltage and High-Voltage Switchgear”例示了一种减轻这种暴露于大重力的结构重量的常规方法。在这种方法中，将直径不一或“等级”不一的微球浸渍到树脂和固化剂的混合物中，挤压成期望的密度水平，随后固化所得的混合物以形成期望形状。可以选择树脂和固化剂的混合物以提供高压隔离，与实心结构相比，空心微球实现了重量的显著减少。
然而，所述制造技术也有其缺点。如果使用太少的树脂/固化剂(或添加了太多微球)，就没有足够大量的树脂/固化剂，从而不足以涂布微球的外表面。结果，基质变弱，模制结构在构造上变得不稳固。在希望用模制结构实现高压绝缘的情况下，树脂/固化剂混合物的量不足可能会降低模制结构的击穿电压，从而导致较低的额定电压。或者，如果使用了过多树脂/固化剂的混合物，就不能实现模制结构中微粒的最大可能密度。即使使用了微球与树脂/固化剂混合物之间正确的比例，微球也是以不均匀方式散布在整个树脂/固化剂混合物中的，从而造成一些区域中树脂/固化剂的量不足，而一些区域则过量，这导致前述缺点。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于制造具有高密度微粒基质的模制结构的改进的系统和方法。
可以通过根据独立权利要求用于进行制造的系统和方法来满足这一需求。
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于制造模制结构的方法，其包括提供第一混合物，该第一混合物包括树脂和固化剂的液相混合物以及微粒。对第一混合物进行离心分离以从第一混合物中提取一体积的液相树脂和固化剂的混合物，该离心分离过程使得形成了至少部分涂布有液相树脂和固化剂的微粒的液相基质。固化至少部分被涂布的微粒的液相基质以形成微粒的固相基质，由此提供模制结构。通过这种方式，可以用极高的密度形成微粒固相基质，以实现各种性质，例如低重量、高压绝缘、高磁场强度和其他性质。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种适于制造模制结构的系统，其包括可绕旋转轴旋转的离心机以及机械耦合到离心机的铸模。该铸模适于容纳树脂与固化剂液相混合物和微粒的第一混合物，该铸模还包括一个或多个出口，在旋转铸模时，通过该出口从第一混合物抽出一体积的液相树脂和固化剂。具体而言，铸模用于在离心机旋转时保留至少部分涂布有液相树脂和固化剂混合物的微粒液相基质。保留的液相基质中具有高密度的微粒，在固化时，其呈现出极高的微粒密度。这种高密度结构可以基于微粒的特性实现改进，例如，在使用空心微球时重量轻，或在采用铁磁微粒时磁场强度高。
因此，可以将如下内容视为本发明示范性实施例的要点，即，使用离心力从其中浸渍有微粒的液相树脂和固化剂的混合物中分离出微粒，微粒保留了树脂和固化剂混合物的表面涂层，在固化时其提供微粒的固相基质以形成模制部件。通过这种方式，避免了模制结构的构造中有过多的树脂和固化剂混合物，并实现了模制结构的高填充等级。
显然，模制结构的物理和电气性质将会具有微粒和树脂/固化剂组分提供的那些特性。例如，在希望获得重量轻的模制结构时，可以使用轻质微粒，例如空心或充气微球。在希望获得强烈磁场的另一个实施例中，微粒可以是铁磁性材料，例如铁粉等。此外，模制结构本身的形式可以是刚性或柔性的。例如，可以采用硬化成刚性形式的环氧树脂/固化剂混合物来提供预形成的承载负荷的结构。或者，可以通过实现硅、聚乙烯或其他基于弹性体的树脂/固化剂混合物来形成柔性结构，以提供可弯曲的保形结构。
下文描述了根据本发明用于制造模制结构的方法的示范性特征和细节，但这些特征和细节将也适用于制造系统。
在制造方法的一个实施例中，微粒是与液相树脂和固化剂混合物的比重相比呈现出更高比重(即更重)的导电/感应微珠。将导电/感应微珠以及液相树脂和固化剂混合物供应给铸模，该铸模具有一个或多个出口。在对铸模进行离心分离时，经一个或多个出口提取一体积的比重较低的液相树脂和固化剂混合物，从而在铸模中留下至少部分被涂布的导电/感应微珠的液相基质。然后固化该液体基质，以形成导电/感应微珠的模制结构。可以利用这样的实施例来在刚性(例如环氧树脂)或柔性(硅)基质中形成铁磁微粒(例如铁粉)的密集基质。一个或多个出口可以靠近旋转轴、远离旋转轴或在两个位置，其中至少一个出口靠近旋转轴且至少一个出口远离旋转轴。
在制造方法的一个实施例中，微粒是与液相树脂和固化剂混合物的比重相比呈现出更高比重(即更重)的绝缘微珠。将绝缘微珠以及液相树脂和固化剂混合物供应给铸模，该铸模具有一个或多个出口。在对铸模进行离心分离处理时，经一个或多个出口提取一体积的比重较低的液相树脂和固化剂混合物，在铸模中留下至少部分被涂布的绝缘微珠的液相基质。然后固化该液体基质，以形成绝缘微珠的模制结构。例如，可以使用这种实施例形成具有非常高击穿电压的密集封装结构。一个或多个出口可以靠近旋转轴、远离旋转轴或在两个位置，其中至少一个出口靠近旋转轴且至少一个出口远离旋转轴。
在制造方法的另一个实施例中，微粒是与液相树脂和固化剂混合物的比重相比呈现出更低比重(即更轻)的绝缘微球。将绝缘微球以及液相树脂和固化剂混合物供应给铸模，该铸模具有一个或多个出口。在对铸模进行离心分离时，经一个或多个出口提取一体积的比重较高的液相树脂和固化剂混合物，在铸模中留下至少部分被涂布的绝缘微球的液相基质。然后固化该液体基质，以形成绝缘微球的模制结构。例如，可以利用这种实施例来形成具有高击穿电压的轻质结构。一个或多个出口可以靠近旋转轴、远离旋转轴或在两个位置，其中至少一个出口靠近旋转轴且至少一个出口远离旋转轴。
任选地，该制造方法包括搅动包括微粒以及液相树脂和固化剂的第一混合物以辅助提取一体积的液相树脂和固化剂混合物。这种特征可以帮助在所形成的液体基质之内实现高填充等级和更高微粒密度。进一步任选地，该制造方法可以包括从离心机移除包含至少部分被涂布的微粒的液相基质的铸模，并在烤炉中固化该液相基质以形成微粒的固相基质。更进一步任选地，所述铸模还包括一个或多个设置于所述铸模周边的至少一部分周围的加热元体，该固化过程包括经所述一个或多个加热元体向所述铸模施加预定的加热分布。这样的特征允许在固化期间向铸模连续供应微粒以及树脂和固化剂混合物，从而补偿体积收缩并消除基质中的小孔(void)。
下文描述了根据本发明用于制造模制结构的系统的示范性特征和细节，但这些特征和细节也适用于前述的制造方法。
在该制造系统的一个实施例中，采用模拟x射线扫描系统扫描架的尺寸和连接点的离心机来转动一个或多个铸模。可以使用这样的系统来同时制造多个模具。作为另一个示范，一个或多个出口形成于铸模上，出口包括用于将大于预定义尺寸(例如10um)的微粒(例如微球)保留在铸模内的屏障(例如筛网、格栅、网格或小间隙等)。
可以在环境温度或高温下固化液相基质以形成固相基质。在需要高温时，该制造系统可以包括适于接收铸模并将铸模的温度升高到所需温度以固化设置于其中的液相基质的烤炉。或者，该制造系统可以包括设置于铸模周边周围和/或铸模内部的一个或多个加热元体。进一步任选地，可以采用两个或更多加热元体来向铸模提供特定的加热分布，以固化其中容纳的液相基质，从而首先固化距入口最远的周边区域，接下来固化越来越靠近入口的区域。利用这种固化分布，铸模的入口保持自由，以便供应额外的树脂/固化剂和微粒的混合物，由此防止在所固化的结构中形成小孔且补偿体积收缩。
在另一个示范性实施例中，该铸模包括用于接收树脂/固化剂和/或微粒的混合物的入口，该制造系统包括经入口与铸模相通的贮存器，该贮存器用于容纳树脂/固化剂的液相混合物和/或微粒以供应给铸模。向铸模供应额外的树脂/固化剂和/或微粒有助于补偿体积收缩并防止基质中形成小孔。该制造系统还可以包括经出口与铸模相通的释放小囊，释放小囊用于接收从铸模得到的一体积的树脂和固化剂的液相混合物。
可以通过计算机程序，即软件，或利用一个或多个专用电子优化电路，即硬件，或以混合/固件形式，即通过软件组件和硬件组件来实现上述方法的操作。可以用任何适当程序设计语言，例如JAVA、C++，将计算机程序实现为计算机可读指令代码，并可以存储于计算机可读介质(可移除的盘片、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等)上，指令代码用于用程序控制这种可编程装置的计算机，来执行预期功能。可以从诸如万维网的网络上得到该计算机程序，可以从网络上下载计算机程序。
参考下文所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见且得到阐述。
附图说明
在下文中将参考以下附图描述本发明的示范性实施例。
图1示出了根据本发明用于制造模制结构的示范性方法；
图2A示出了根据本发明的微粒以及树脂和固化剂液相混合物的混合物；
图2B示出了在根据本发明的离心分离过程期间形成的示范性微粒液相基质；
图2C示出了在完成根据本发明的离心分离过程时形成的示范性微粒液相基质；
图3示出了根据本发明一个实施例用于制造模制结构的系统；
图4示出了根据本发明的示范性铸模；
图5示出了根据本发明用于制造高压绝缘结构的铸模。
为清楚起见，先前标识过的特征在接下来的附图中保持它们的附图标记。
具体实施方式
图1示出了根据本发明用于制造模制结构的示范性方法。该方法包括提供第一混合物，该第一混合物包括树脂与固化剂的液相混合物以及微粒(过程112)。
通过在铸模之内提供第一混合物来执行过程112的特定实施例。铸模可以是各种尺寸的，并根据应用而由不同材料形成。示范性实施例在图5中示出并在下文描述。
对第一混合物进行离心分离以从第一混合物中提取一体积的液相树脂和固化剂混合物(过程114)。对第一混合物进行离心分离从而形成了至少部分涂布有液相树脂和固化剂混合物的微粒的液相基质。在特定实施例中，一直持续离心分离过程114，直到达到体积比大于30％或更高的填充等级为止，另一特定实施例为40％或更高，其他特定实施例甚至为体积比大于50％，大于60％，大于70％，大于80％和大于90％或更高。接下来固化液相基质以形成微粒的固相基质，由此提供期望形状的模制结构(过程116)。
图2A示出了在根据本发明的过程112中提供的示范性第一混合物。第一混合物210包括浸渍在树脂/固化剂混合物214中的微粒212。微粒212被示为微珠/球的两级混合物，但在本发明中的备选实施例中可以使用其他级别(单个或多个)和/或其他几何形状。通常，微粒212随机地分布在树脂/固化剂混合物214的整个体积内。在固化这种布置时，将会以高度分散且不均匀的方式设置微粒212，从而产生前述结构脆弱和分散微粒效应的缺点。
图2B示出了在根据本发明的过程114期间形成的示范性微粒液相基质。在对第一混合物进行离心分离时，提取出一体积的树脂和固化剂液相混合物214，形成液相基质220，由此将浸渍在树脂/固化剂混合物214中的微粒212设置成更有序且密集的图案。
图2C示出了在完成根据本发明的过程114时形成的示范性微粒液相基质220。如图所示，在该体积内密集封装了更大数量的微粒212，大部分微粒在其接触其他被涂布微粒212的表面周围保持了树脂/固化剂混合物214的薄层。被提取的树脂/固化剂混合物的总体积可能受到各种因素的影响，包括离心分离的旋转速度、离心分离的时长，即旋转离心机的时间量和/或供应新树脂/固化剂混合物的供应贮存器的体积，和/或接收被提取树脂/固化剂混合物的释放小囊的体积。在固化后，与图2A所示的混合物210形成的结构相比，所得的固相基质将表现出更高的结构强度和更大的微粒效应。图2C代表利用双模混合物(两种不同直径)或微粒进行微粒的密集封装，但在本发明的其他实施例中更高的混合物模态可以提供更高的封装密度。
根据模制结构的预期功能，微粒212可以是各种形状、尺寸和材料成分。例如，模制结构的一种可能实现是将其用作磁体或感应元件的铁芯。在这种实施例中，微粒212(在一个实施例中涂布有不导电层)可以是铁或磁性(例如铁磁)材料，在特定体积之内密集收集了微粒以使其产生的磁效应最大化。范例包括直径在10um到600um范围内，更具体而言从20um到150um范围内的铁磁微珠。也可以使用其他尺寸的其他磁性材料。本领域的技术人员将认识到，在本发明类似实施例中可以实现其他电气或磁性质的微粒。因此，本文使用术语“导电/感应微粒”来表示表现出这种电气或磁性质的微粒，一种这样的范例为上述铁磁微粒。在另一些实施例中，微粒212可以由其他种类的金属形成，例如铅、铝、镁、镍、铜、银、铬、铁、金、钨、从元素周期表所知的其他金属元素、它们的合金等。
在另一个实施例中，模制结构意图用作电绝缘模制结构。在这种实施例中，微粒212可以是实心微珠或空心微珠(或两者的组合)，遍及该模制结构以密集均匀的方式布置这些微珠，以在组件之间提供高压绝缘。用于微珠和空心微珠的示范性材料包括玻璃、塑料或其他呈现高电绝缘效应的合成材料陶瓷。实心微珠和空心微球可以形成大致的圆形，其直径在5um到500um范围之间，更具体而言从10um到150um。空心微球可以填充有气体或空气，并具有小于1um(例如0.2um到0.9um)的壁厚。微珠的实心将允许更高的击穿电压，而微球的空心提供了重量较轻的优点。因此，可以根据所需的特定要求选择实心微珠或空心微球的任一种(或两者的组合)来用作电绝缘微粒。此外，可以改变空心微球的壁厚以调节电压隔离和强度(较厚的壁提供较高的电压隔离和更大的强度)与重量(较薄的壁提供更小的重量)之间的平衡，从而为模制结构提供电压隔离和重量规范的最优组合。玻璃微球的示范性实施例是可从美国明尼苏达州的3M Corporation购得的部件no.3MK20。
更特定地，可以采用多个等级的微粒(如图2A-2C所示)来实现期望的填充等级。例如，在采用了空心微球或铁磁微粒的前述任一实施例中，可以使用两个或更多等级(直径)的微粒，例如第一等级微粒直径<10um，第二等级微粒直径在90-100um的范围内，第三等级微粒直径在300-400um的范围内。使用多等级微粒混合物有助于获得高填充等级，因为较小的颗粒将会向较大微粒之间的空间迁移并占据该空间。
该微粒也可以是各种形状的，例如三角形/锥体形、正方形、五边形或八边形、不规则形状以及球形。球形的优点是相邻微粒能够在整个表面面积上转动和滑动。这种运动有助于向相邻微粒之间的空间迁移，也有助于为微粒涂布树脂/固化剂混合物214。此外，微粒混合物在形状上可以是基本一致的，例如，全部是球形微粒，或它们可以外形不同，例如包括球形以及锥体形微粒。
如上所述，可以从多种在固化时提供期望硬度、刚度、柔性、绝缘或其他结构和电气性质的材料中选择树脂和固化剂混合物214。在一个示范性实施例中，希望获得较坚硬、重量轻且高压绝缘的模制结构，结合环氧树脂/固化剂混合物214使用空心微球，该混合物包括例如由可从美国UT盐湖城的Huntsman Corporation购得的树脂和固化剂CY 231和HY 925。也可以使用其他示范性的结合/耦合剂来帮助将树脂/固化剂混合物214粘合到微粒210的表面。除了弹性剂(flexibilisator)DY 044(Huntsman Corp.)之外，示范性结合/耦合剂还包括部件no.S732和BYK 9076(德国Wesel的BYK-Chemie GmbH)，以制成该混合物。
在另一个实施例中，要获得磁性较高的模制结构，其可以是刚性的或柔性的。在这种情况下，结合刚性或弹性树脂/固化剂混合物214使用铁磁微粒(例如铁粉)，除了前述除了弹性剂DY 044(Huntsman公司)之外，该混合物例如包括例如从热塑性丸(Huntsman公司)或类似材料(例如，Dow Corning公司的部件No.Sylgard 567)获得的硅酮或聚乙烯，以制成该混合物。在希望得到刚性结构时，可以使用前述树脂/固化剂。
离心分离过程基于混合物组分的比重的差异用于分开混合物组分。在本发明中，所选的微粒212与树脂和固化剂混合物214相比可以呈现出更高(即更重)或更低(即更轻)的比重，因此，根据微粒212与树脂/固化剂混合物214的相对比重，离心分离过程114(图1)将会变化。
在本发明的一个实施例中，微粒212具有比树脂/固化剂混合物214更高(即更重)的比重。在这种实施例中，通过经由容纳第一混合物210的铸模的一个或多个出口提取较低比重的树脂/固化剂混合物214，从而实现对第一混合物210进行离心分离以提取一体积的树脂/固化剂混合物214的过程114，在一个实施例中，该一个或多个出口靠近离心旋转轴。在本实施例中，较高比重的微粒将被加速到远离离心旋转轴，使树脂/固化剂混合物朝向旋转轴发生位移。通过这种方式，可以从第一混合物210提取一体积的树脂/固化剂混合物214，从而在铸模中得到液相基质220。在另一个实施例中，该一个或多个出口远离该离心旋转轴，该出口包含筛网、栅格或其他用于在其中保留最小期望直径的微粒的障碍物。在这种实施例中，利用离心分离的速度通过位于远端的一个或多个出口排出过量的树脂固化剂，同时出口的筛网在铸模之内保留了微粒。在另一实施例中，该一个或多个出口相对于离心旋转轴位于近端和远端，由此在铸模的近端或远端都提供了可能的树脂/固化剂混合物提取点。“重”微粒的特定实施例包括比重例如在1g/cm³到8g/cm³范围内的前述导电/感应微珠，以及比重在0.6g/cm³到1.5g/cm³范围内的电绝缘微珠，使得液相树脂和固化剂混合物214呈现出0.3g/cm³到2g/cm³范围内的比重。当然，也可以使用其他类型的“重”微粒。
在本发明的另一个实施例中，该第一混合物210的微粒212具有比液相树脂和固化剂混合物214更低(即更轻)的比重。在这种实施例中，通过经由容纳第一混合物210的铸模的一个或多个出口提取比重较高的树脂和固化剂混合物214，从而实现对第一混合物210进行离心分离以提取一体积的液相树脂和固化剂混合物214的过程114，在一个实施例中，该一个或多个出口远离离心旋转轴。在本实施例中，比重较高的液相树脂和固化剂混合物214将被加速到远离离心旋转轴并经由一个或多个出口排出。通过这种方式，可以从第一混合物210提取出一体积的液相树脂和固化剂混合物214，从而在铸模中得到液相基质220。“轻”微粒的特定实施例包括比重在0.1g/cm³到1.0g/cm³范围内的前述空心绝缘微球，由此液相树脂和固化剂混合物214呈现出0.3g/cm³到2g/cm³范围内的比重。当然，也可以使用其他类型的轻质微粒。
对于过程114而言进一步具体而言，离心分离可以根据微粒构造而以不同速度进行。例如，在使用空心微球时可以控制离心分离使其在较低速度下操作，以防止它们被破坏，而在使用实心或基本不变形的微珠时可以使用较高的速度。示范性的离心分离速度会产生由于2-200g/力(可能更具体而言，对空心微球而言在2-70g/力，对实心陶瓷微珠而言为2-170g/力)范围内的重力引起的加速度。此外，在离心分离过程114期间可以使用不同的离心分离速度。
可以通过各种操作实现对液相基质220进行固化的过程116。在一个实施例中，树脂和固化剂混合物214用于在环境条件下固化。在这种实施例中，允许液相基质220有足够的时间来固化，并从铸模移除所得的模制结构。该模制结构可能需要额外的机器加工来根据需要修改模制结构的形状。
在过程116的另一个实施例中，通过升高的温度来固化液相基质220。该过程的特定实施例是从离心机移除其中放置液相基质的铸模并将铸模放入烤炉中。必需的固化温度和时间将根据特定的树脂和固化剂混合物以及其体积而变化，但典型值一般在施加10-120分钟的50-180℃范围内。
作为对液相基质220进行固化的烤炉的备选物，可以在铸模周围或之内设置一个或多个加热元体，以向铸模提供热量，从而通过这种方式固化液相基质。进一步具体而言，可以将两个或更多加热元体设置在铸模的分立区域中，每个加热元体工作在不同时间和/或不同加热水平激活，从而以特定次序对液相基质220进行固化。在一个示范性实施例中，所提供的固化分布是这样的，使距入口最远的外围区域最先固化，依次固化较靠近入口的区域。利用这种固化分布，铸模的入口保持自由，以便供应额外的树脂/固化剂和微粒的混合物，由此防止在所固化的结构中形成小孔且补偿体积收缩。下面进一步描述该过程的示范性实施例。
可以将额外的操作用于图1中的112-116中的那些。例如，可以在离心分离过程114之前、期间和/或之后搅动第一混合物212，以辅助形成液相基质220。
图3示出了根据本发明一个实施例用于制造模制结构的系统。该系统300包括离心机310以及一个或多个机械耦合(直接或间接连接)到离心机310的铸模320。离心机用于绕其旋转轴312旋转，示范性的速度可用于产生由于2-200g/力范围内(可能更具体而言在10-50g/力之间)的重力引起的加速度。
铸模320可拆卸地固定到离心机310(例如通过螺丝、锁紧螺母/螺栓等)，并用于容纳微粒212和树脂/固化剂214的混合物，一开始该混合物的形式为第一混合物(图2A，210)，在离心分离之后，形式为密集封装的液相基质(图2C，220)。在图示的实施例中，树脂/固化剂混合物214具有比微粒(图2A-C，212)更高的比重，铸模320包括远离旋转轴312的出口327，出口327提供了通道，在由离心机转动铸模320时，通过该通道移除比重较重的树脂/固化剂混合物。进一步具体而言，该铸模320适于保留在离心机转动铸模320时至少部分涂布了树脂/固化剂混合物214的微粒基质。出口327充当着用于得到最小期望微粒的屏障，可以形成为筛网、格栅、网格、小间隙或用于微粒的类似屏障。在本发明的另一个实施例中，可以实现多个(2，3，5，10，50，100个或更多)出口。此外，作为如上所述远端定位的一个或多个出口的替代或补充，在一些情况下可以靠近旋转轴部署一个或多个出口327。
进一步任选地，该系统300包括一个或多个经出口327与铸模320相通耦合的释放小囊324，一个或多个释放小囊324用于存储从铸模排出的一体积的树脂/固化剂混合物214的液相混合物。此外任选地，该系统300包括一个或多个入口325以及经入口325与铸模320相通的供应贮存器326，该供应贮存器326用于容纳一体积的含微粒212和树脂/固化剂混合物的混合物210，以为铸模320供应。在离心分离过程期间供应额外体积的树脂和固化剂混合物214可以帮助加快液相基质220的形成。可以通过抽吸或注入来向铸模320中引入微粒212和树脂/固化剂混合物214，例如，通过耦合到供应贮存器326以向模具供应额外体积的泵328和/或压力贮存器执行注入。
使作为离心分离过程的结果在铸模320内形成的液相基质220固化，以形成模制结构的固相基质。可以在例如环境条件、压力和温度下，或通过提高铸模320的压力和/或温度，利用各种技术完成固化过程，在一个实施例中，从离心机310拆卸铸模320，并将其放入烤炉330中，以将液相基质固化成模制结构。
进一步任选地，可以借助两个或更多加热元体来完成固化，控制加热元体以提供特定的加热分布。图4示出了采用加热元体A和B来提供这种加热分布的铸模的示范性实施例，先前标识的特征保持其附图标记。铸模320(去除了顶部以展示细节)包括加热元体A和加热元体B，加热元体A设置于距入口325最远处的铸模外周表面上，加热元体B设置于最靠近入口325处的铸模表面上。首先激活加热元体A，使铸模的周边区域首先固化。接下来激活加热元体B，由此使入口325保持不被堵塞，直到固化过程结束为止。最后固化沿着流动路径430的区域，从而能够从那里供应微粒和树脂/固化剂混合物，这防止了在铸造结构中形成空气隙或小孔，也补偿了体积收缩。在另一实施例中，加热分布包括激活加热元体A和B以提供不同的温度，例如为加热垫A供电，从而以比加热元体B(例如，比加热元体A低10℃)更高的温度加热。在这种布置中，加热元体B将更慢固化，从而能够到达铸模的外围区域。
进一步任选地，可以使用振动设备(未示出)向铸模(例如在离心分离期间)提供振动力，从而进一步辅助在铸模320中形成液相基质220，如上所述，任选也在离心分离过程114期间实现这种力。
示范性应用
在本发明的示范性实施例中，利用本文所述的过程制造用于x射线计算机断层(CT)发生器的绝缘组件的模制结构。空心电绝缘微球被用作微粒212，以为模制绝缘结构提供轻质和高绝缘电压特性的组合。重量轻是x射线CT发生器的重要因素，因为它会以高速率行进来产生40g/力的范围。因此，减小高压绝缘体的重量在减小组件应力水平方面提供了显著优点。可以为受到高速和/或高重力作用的结构，包括在航天、航空或其他机载工业、汽车工业等中使用的结构获得类似的优点。
图5示出了根据本发明用于制造模制高压绝缘结构的铸模，先前标识过的特征保持其附图标记。铸模320容纳着浸渍在树脂和固化剂混合物中的微粒的液相基质220，所用的微粒是直径在10-150um范围内、壁厚不到1um，比重在0.1-1.0g/cm³范围内的玻璃微球。树脂和固化剂混合物呈现出的比重在0.3-2.0g/cm³的范围内。铸模320是要形成的绝缘结构的逆像，包括入口325和出口327，入口用于从供应贮存器326接收额外的微球和树脂/固化剂混合物214，在离心分离期间通过出口327提取比重更高的树脂和固化剂混合物214。入口325可以设置于模具的内外壁上，以允许微球和树脂/固化剂混合物从其通过。出口327包括5um的屏障(例如其中具有5um间隙的筛网或网格)，该屏障用于在铸模320之内保留最小的期望空心微珠。供应贮存器326用于提供额外的微球和额外的树脂/固化剂混合物214，释放小囊324用于接收在离心分离期间从铸模320提取的被提取树脂和固化剂混合物214。进一步作为示范，内壁可以耦合到一个或多个释放小囊，以在离心分离过程期间接收所提取的树脂/固化剂混合物。
在铸模周边周围(以及任选地在铸模320内部)提供加热元体A和B，以向液相基质施加预定义的加热分布。在一个特定实施例中，相继对加热元体A和B加热(首先是加热元体A，然后是B)，以便首先固化距入口325最远的区域中的该结构。该固化分布使得能够在固化过程期间向铸模320中注入微球和树脂/固化剂混合物，从而避免在模具之内形成空气隙。在另一个实施例中，可以在离心分离过程期间激活一个或多个加热元体。
该铸模320耦合到可绕旋转轴312顺时针(或逆时针)旋转的离心机(图3，310)，在本实施例中将离心机大致形成为x射线扫描系统的扫描架形状，但在本发明的其他实施例中可以使用其他类型的离心机结构。离心机适于耦合一个或多个铸模，并以产生由于2-200范围内，可能更特定在10-160之间的重力引起的加速度所需的速度转动铸模。
通过将铸模320从离心机取下并将模具320放入160℃的烤炉(图3，330)内30分钟，来执行液相基质的固化。然后可以将得到的模制结构用作x射线高压发生器之内的轻质高压绝缘插件。根据微粒212和树脂和固化剂混合物214的比重，这种结构的示范性密度可以在0.60g/cm³或更少的范围内，例如0.5g/cm³、0.45g/cm³、0.4g/cm³、0.3g/cm³或更低密度。
在本发明的另一实施例中，使用铁磁颗粒形式的导电/感应微粒形成密集封装的磁结构，其截面如图2C所示。在特定范例中，铁磁颗粒是比重(例如5-20g/cm³)比树脂/固化剂混合物214更大(更重)的金属(例如铁)粉末，在固化时其形成基质。该树脂/固化剂混合物214可以是CY231、HY925、DY044(Huntsman公司)和S732(Byk-Chemie)的混合物，在固化时其形成刚性基质，或者可以是硅酮/聚乙烯/弹性热塑塑料或其他材料，其在固化时形成柔性基质。进一步具体而言，铁磁材料有多个等级，例如第一等级微粒直径小于20um，第二等级微粒直径在90-100um范围内，第三等级微粒直径在300-400um范围内。当然，在本发明的其他实施例中可以使用其他类型的微粒以及等级(或甚至单个等级的微粒)。可以铸造该结构以形成需要在其中形成密集形成的磁场的任何特定结构。
总之，可以将如下内容视为本发明的一个方面，即，使用离心力从其中浸渍有微粒的液相树脂和固化剂混合物分离出微粒，这些微粒保留了树脂和固化剂混合物的表面涂层，在固化时其提供微粒的固相基质以形成模制部件。通过这种方式，避免了模制结构的构造中有过多的树脂和固化剂混合物。本发明的特定实施例是制造适用作绝缘材料的具有高击穿电压特性的高密度、低重量固相泡沫。
本领域的技术人员容易理解，可以适当在硬件、软件、固件或这些实施方式的组合中实施所述过程。此外，可以将所述过程的一些或全部实现为驻留于计算机可读介质(可移除的盘片、易失性或非易失性存储器、嵌入式处理器等)上的计算机可读指令代码，指令代码用于对其他这种可编程装置的计算机进行编程，来执行预期功能。
应当指出，“包括”一词并不排除其他特征，定冠词“一”并不排除多个，除非在这么指出的情况下。还要指出，可以将结合不同实施例描述的元件组合到一起。还要指出，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。“耦合”一词用于表示两个特征之间的直接连接或两个特征之间经过中间结构的间接连接。流程图中示出的操作不限于所示的具体次序，根据本发明，标号靠后的操作可以与标号靠前的操作同时或在其前面执行。
出于例示和描述的目的给出了前面的描述。并非要穷举或将本发明限制到所披露的精确形式，显然，根据所披露的教导，很多修改和变化都是可能的。选择所述的实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够在各实施例中且以适于预期特定用途的各种修改最好地利用本发明。本发明的范围唯一地由所附权利要求限定。