CN105745361A - 制备成形筛的方法 - Google Patents

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Abstract

一种构建成形筛的方法，所述方法通过在非导电的预成形体结构上沉积金属以获得成形筛厚度与开口面积所需的纵横比。

Description

制备成形筛的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年9月19日提交的美国临时申请第61/880,044号的权益，其全文通过引用纳入本文。
发明领域
本文的方法用于形成成形筛(formingscreens)，所述成形筛用于制备有孔的聚合物膜。
发明背景
成形筛是穿孔装置，其用于制备有孔成形和凸起(无孔的)成形的膜。有孔成形的膜是塑料膜，对其进行加工在所述膜中形成孔或孔穴。对于三维膜，两种最常用的方法是真空成形和液压成形(hydroforming)。真空成形方法在参考文献(例如US3,957,414、US4,317,792和US4,456,570)中举例说明，所述方法在绕真空圆筒旋转的圆柱形成形筛上引入固体或熔融塑料膜。液压成形方法在参考文献US7,364,687中举例说明，在所述方法中，高压水射流用于产生液体流，所述液体流冲击到膜上以形成三维形式和孔。
在液压成形或真空成形方法中，将所述膜支撑在穿孔的结构(称为成形筛)上。成形筛(本领域中也称为“成形筛”)通常包括穿孔的圆柱体。不过，所述成形筛也可采用平板或弹性带的形式。围绕在所述穿孔周围的成形筛的表面区域称为“地面”区域。
制备金属筛时主要考虑的是所述筛的开口面积的量。固体区域越少，所述筛变弱、不太耐用且在使用过程中更易于断裂或变形，并且在运输和处理中更易碎。
为了补偿随着开口面积的增加而损失的固体筛材料，通常希望制备具有高的厚度与开口面积比例的筛。这表示成形筛的厚度与所述筛中开口面积的量之间的比较。当开口面积增加时，相邻开口的边缘之间的距离减少，从而导致窄的地面区域和较弱的筛。不过，所述筛的强度可通过增加所述筛的厚度而增强。
当尝试增加所述筛的厚度时，特别是在电镀工艺中，本领域常见问题是所述镀覆工艺是非特定的，其中镀浴中的金属离子会作为金属沉积。因此，当金属被镀覆在外部表面上以增加所述筛的厚度时，金属也被镀覆到所述筛中形成的开口的侧壁上。因此，当厚度增加时，所述筛中的开口的直径会减少。因此需要后续工艺步骤(例如蚀刻、钻孔、激光雕刻等)从而增加所述筛的开口的尺寸以恢复到其所需的尺寸。因此，本领域的一个目的是开发一种提供具有相对高的厚度与开口面积比例且相对高的纵横比的筛的方法。
在为满足这个需求的努力中，人们提出了使用特定镀浴的镀覆工艺，对所述镀浴进行配制或控制以优先沉积金属从而优先增加筛的厚度，并使在限定筛的孔的壁上的金属沉积最小化。这样的工艺大致在中US2,226,384、US4,383,896、US4,496,434和US5,282,951中教授。不过，尽管这些参考文献提供了所述改进，这样的工艺并没有消除在限定开口的壁的内部上的金属沉积，因此并没有解决现有技术中要获得高的厚度与开口面积的比例或高的纵横比的问题。
需要一种制备金属筛的方法，该方法具有相对高的厚度与开口面积的比和相对高的纵横比，且该工艺是简单、可控和低成本的。
发明内容
本申请涉及一种制备成形筛的方法，所述方法是提供金属层；将可雕刻材料与所述金属层结合；所述可雕刻材料具有可雕刻材料内表面、可雕刻材料外表面和可雕刻材料厚度；在可雕刻材料的厚度中雕刻预定的图案以形成连续的、互相连接的通道网络，所述连续的互相连接的通道网络包括在可雕刻材料中的负空间以暴露所述金属层，并形成多个与所述金属层结合的不连续的形成物，从而形成预成形体；用金属将所述预成形体连续的互相连接的通道网络至少部分填充至预定深度；从而形成金属化的预成形体；所述金属化的预成形体包括金属晶格、多个不连续的形成物、金属层和金属化的预成形体外部表面，所述金属化的预成形体外部表面包含所述金属晶格和多个不连续的形成物；所述金属化晶格包含与金属晶格y-轴片段互相连接的金属晶格x-轴片段，并且所述多个不连续形成物包含在所述金属晶格内；从所述金属化的预成形体中去除所述不连续形成物以形成筛前体；所述筛前体包括所述金属晶格和所述金属层；其中金属晶格包含多个空穴，所述空穴包含与金属化的预成形体的不连续形成物有关的负空间；并从所述筛前体的金属层中去除金属晶格，从而形成成形筛。
附图的简要说明
图1是圆柱体基材的透视图。
图2是平面基材的放大透视图。
图3是可雕刻基材的放大透视图。
图4是预成形体的放大透视图。
图5是金属化的预成形体的放大透视图。
图6是筛前体的放大透视图。
图7是成形筛的放大透视图。
图8是沿图5的8-8线截取的包含金属化的预成形体的多平面基材与第二可雕刻材料的放大示意图。
图9是预雕刻的第二可雕刻材料的放大透视图。
图10是图8的多平面预成形体中的区域110的放大示意图。
图11是金属化的多平面预成形体的放大示意图。
图12是多平面前体的放大示意图。
发明详述
成形筛(本领域中也称为“成形筛”)，通常包括金属晶格和多个开口或空穴，所述金属晶格由相交的多个x-轴片段和多个y-轴片段组成，所述多个开口或空穴被相交的x-轴片段和y-轴片段围绕，所述金属晶格包含第一表面平面和第二表面平面，两平面间的距离限定了所述金属晶格的厚度。所述开口或空穴沿所述金属晶格的厚度从第一表面平面延伸至第二平面表面。术语“开口面积”是指被所述筛中的开口占据的筛的面积。应理解，随着筛中开口面积的百分数的增加，所述筛中固体面积(x-轴片段和y-轴片段)的百分数减少。例如，具有20％开口面积的筛具有80％的固体区域，而具有80％开口面积的筛只剩余20％的固体区域。其他合适的开口面积百分数为20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30和40％开口面积。
本文中制备成形筛的方法包括改进结构组分以形成预成形体，在该预成形体中构建金属晶格，随后从其中去除该金属晶格，从而形成了成形筛。
制备成形筛的方法
该方法的一个步骤是提供基材10或24，其包含金属层12和支撑部件14或23。将所述金属层12施用到支撑部件14或23上并与之接触。如本文中所用，“接触”是指一个或多个组件彼此极为贴近并彼此相邻。不过该术语不应理解为需要直接的物理接触。取而代之的，所述层可被粘合剂层、剥离膜层分开，或可存在其他功能性层，甚至当被功能性层彼此物理分隔时，所述层仍然被认为是“接触”。所述基材10或24提供了用作构建平台的结构组件，所述构建平台可被进一步处理以提供预成形体，在该预成形体中得到有孔的成形筛。
金属层
金属层12可以是适合具体应用的任何形状。金属层12包括金属层内表面16和与金属层内表面16相对的金属层外表面18，两者分开设置，通常彼此处于平行关系的两表面限定了金属层的厚度20。金属层厚度20取决于具体制备实施方式以及用于制备所述有孔成形筛的金属类型。金属层12可包含适用于进行之后描述的填充步骤的金属，其中如下文所述，所述金属可从得到的金属晶格中去除。合适的金属包括钢、锌、铜、铝和它们的混合物，优先铜。
如图1所示，显示了基材结构10的圆柱体实施方式，其中金属层12包括金属层内表面16和金属层外表面18，两表面之间具有金属层厚度20。金属层内表面16与支撑部件外表面22接触。
如图2所示，显示了基材结构24的平面实施方式，其中金属层12包括金属层内表面16和金属层外表面18，两表面之间具有金属层厚度20。金属层内表面14与支撑部件外表面25接触。
金属层厚度20使得有孔的成形筛从基材10中分离，所述厚度为约0.001英寸(25.4微米)至0.125英寸(3.18毫米)。如果基材10是圆柱体形式且支撑部件14是如图1所示的均匀直径，那么金属层厚度20优选只有一英寸的千分之几。如在图2中所看到的，如果基材24是平面形状，金属层12可选择更厚，特别是如果基材24是平面形状并且随后向后卷以形成空心圆柱体或空心管状结构的情况。
金属层12作为电缆用于在之后的填充步骤中金属离子的沉积。因此，相信金属层12需要足够的质量以能够吸引金属离子，但是质量将由具体的用于填充步骤的加工条件决定。如果在填充步骤中使用电镀，应在金属层厚度20中考虑一些条件例如镀浴中的离子浓度，施加到镀覆工艺的能量(即电流)的量，以及其他可变因素。金属镀覆领域技术人员能根据给定设定的镀覆条件决定可接受的金属层厚度20的厚度，或者相反地，根据给定的金属层厚度的厚度决定合适的镀覆条件。最终，从实际方面考虑，金属层厚度20需尽可能薄以获得镀覆效果并且保持低的制造成本。
支撑部件
图1的支撑部件14是圆柱体形状的，例如在电镀浴应用中常用的心轴。如图1所示，支撑部件14包括支撑部件外表面22。如图2中所示，支撑部件23也可包括支撑部件内表面26和支撑部件外表面25，可在图2中看到在两表面之间的支撑部件厚度28。支撑部件23也可包括支撑部件内表面26和支撑部件外表面25，两表面之间的支撑部件厚度28以圆柱形取向，因此所述支撑部件内表面26在圆柱形的中间包含了空穴。在另一实施方式中，所述支撑部件14可包括支撑部件外表面22，且其是固体圆柱结构。图2中显示的支撑层23显示了平面支撑部件23。支撑部件23具有支撑部件内表面26和与支撑部件内表面26相对的支撑部件外表面25，并且两表面由支撑部件厚度28隔开。
基材10还可是常用于电镀浴应用的可膨胀的心轴。所述心轴可在径向上膨胀以增加所述支撑部件截面(z-y平面)的直径。
本方法中的一个步骤是将金属层12放置成与支撑部件14或23接触。参考图1，可以看到金属层12与支撑部件14接触。图1中的支撑部件14是圆柱形的支撑体，例如与放置的金属层12接触的心轴。图1的实施方式是优选的并且对于商业应用而言可能是最实际的，其作为最工业化的方法使用了圆柱形有孔的成形筛。不过，其也可具有平面形式的基材24，随后由此制造成圆柱形结构。
用支撑部件14或23接触金属层12以形成基材10或24时，支撑部件的外表面22或25与金属层内表面16接触。在支撑部件14是圆柱形的实施方式中(例如图1)，金属层12可通过将具有金属层厚度20的金属片卷绕在支撑部件14外部并且抵住支撑部件外部表面22。
在一个实施方式中，金属层12可包括沿y-轴方向以连续且重叠方式在整个支撑部件14上使具有金属层厚度20的金属条(金属膜的长度比金属膜的宽度长得多)与支撑部件外表面22接触，以覆盖整个支撑部件外表面22，其中所述金属条的至少一些部分重叠。或者，具有金属层厚度20的金属片与支撑部件外表面22接触，从而所述金属片的端点重叠，所述金属片具有与支撑部件14相同的y-轴尺寸并且接近包含支撑部件14的直径的长度。在任一情况下，金属片的重叠部分与金属片的另一部分通过焊接、烧结或其他固定方法结合以防止金属片从支撑部件外表面22上脱缠绕。也可以在金属片外部制作空心圆柱体并通过将金属层12滑动覆盖支撑部件14来使其与支撑部件14接触。
支撑部件14或23的长度和宽度，或x-轴尺寸和y-轴尺寸分别由用于有孔成形筛的具体应用决定。例如，如果有孔成形筛最终用于制备2米宽的网中的有孔膜，那么有孔成形筛的长度需要至少2米。因此，支撑部件14和23的长度也需要至少2米(在x-轴方向上测量)以制备所述有孔成形筛。同样，如果在真空成形线中与有孔成形筛一起使用真空桶，如果所述桶的直径为1米，那么支撑部件23的宽度或z-y平面上的截面尺寸也为约1米。这些考虑对于金属层12的长度和宽度(分别为x-y平面和z-y平面尺寸)也同样如此。
在图1和2所示的实施方式中，显示金属层12是与支撑部件14或23共同延伸的，但这并不是必需的。具体地，支撑部件14或23在长度上可比金属层12更长。同样，在图2的平面实施方式中，金属层12在宽度上可比支撑部件23窄。同时注意到，金属层12的长度和宽度不需要与支撑部件14或23的长度和宽度一起延伸，不希望金属层12的长度超出支撑部件14或23的长度或宽度。
将可雕刻材料层结合到基材上以形成可雕刻基材
本方法中的一个步骤包括将可雕刻材料30结合到基材10的金属层12中以形成可雕刻基材29。如在图3中可看到的，可雕刻材料30的层具有可雕刻材料内表面32和可雕刻材料外表面34，以及两表面之间的可雕刻材料厚度36。通常，可雕刻材料30在x-y上的尺寸(长度和宽度)与为有孔成形筛所希望的x-y上的尺寸(长度和宽度)相似。
可雕刻材料内表面32与金属层外表面18结合从而防止可雕刻材料30与金属层12之间的相对移动。虽然图中未示出，但优选使用粘合剂层将可雕刻材料30的层与金属层12结合。优选氰基丙烯酸酯粘合剂。
可雕刻材料30包含一种或多种可用准直能量束(最优选为激光束)雕刻的物质。此外，可雕刻材料30需要是不会在电镀工艺中被氧化的电绝缘体，或更具体地，其在下文讨论的填充步骤过程中不会失去电子给金属离子。可用于制备可雕刻材料30的层的合适物质包括非导电的热塑性树脂例如聚丙烯、缩醛树脂，热固性树脂例如交联聚酯或环氧树脂。优选地，用于可雕刻材料30的层的物质是缩醛树脂，其可购自杜邦公司品牌为
所述方法中的一个步骤是雕刻所述可雕刻材料，从而将整个可雕刻材料厚度36以预定的图案去除以将基材10的金属层外表面18暴露，形成图4中所示的预成形体40。通过准直能量束雕刻可雕刻材料30以去除可雕刻材料厚度36，从而使在预成形体40中剩余的可雕刻材料30被连续的互相连接的通道网络42围绕，这些通道网络中的可雕刻材料30在雕刻步骤中去除。
连续的互相连接的通道网络42包括多个沿x-轴方向延伸的x-轴通道44和多个沿y-轴方向延伸的y-轴通道46。在图4的具体实施方式中，x-轴通道44通常与另一个彼此平行且隔开，y-轴通道46通常也是隔开的且与另一个平行。由于x-轴通道44沿通常垂直于y-轴通道46的方向取向，x-轴通道44与y-轴通道46以周期性间隔在交叉点48相交。这些交叉点48使x-轴通道44与y-轴通道46连接。这就是术语“互相连接”的含义。因此，当术语“连续”用于指通道网络42时，意味着能从在通道网络42的x-y平面内任意一点不受打扰地沿着通过x-轴通道44和/或y-轴通道46的通路通行到通道网络42的x-y平面内的任意另一点，而不会离开通道网络42的x-y平面或x-轴通道44或y-轴通道46的x-y平面。
参考图4，看到x-轴通道44在x-轴方向上延伸，并且看到y-轴通道46在y-轴方向延伸。连续的互相连接通道网络42限定出有孔的成形筛的至少x-轴尺寸和y-轴尺寸。因此，x-轴通道44有利地在x-轴方向上延伸以基本对应于最终需要的成形筛的x-轴尺寸，且y-轴通道46有利地在y-轴方向上延伸以基本对应于最终需要的成形筛的y-轴尺寸。在本文中，术语“基本对应于”用于表示通道网络42不需要在x-轴尺寸和y-轴尺寸上延伸以准确对应于最终需要的有孔成形筛的尺寸，因为如果需要的话，进一步加工可改变那些最终尺寸。
图4的实施方式显示，连续的互相连接通道网络42是简单的方形或长方形网格图案。应理解，也可是其他结构，并且本发明并不限于所示的通道网络42的具体图案。实际上，在成形筛领域中已知，使用各种形状和图案制备有孔膜用于面板(topsheets)，包括方形、长方形、船型、三角形、多边形、六角形、多边形、环形、卵形、猫眼形、月牙形等以及它们的组合。通道网络42任何所需的图案可在本文公开的方法中使用。在本领域还已知使用具有不均匀间隔、形状和尺寸以及“图案”的孔的图案的筛，所述“图案”是间隔、形状和孔的尺寸完全随机的。虽然图4中的实施方式显示x-轴通道宽度50和y-轴通道宽度52是相对恒定的，但这不是本文公开的必须特征，其他实施方式中也可看到x-轴通道44和/或y-轴通道46具有变化的宽度(分别为50和52)。当离散形成体58是环形、卵形、月牙形、船型或其他对称和非对称形状时会得到确实变化的宽度(50和52)。
连续的互相连接的通道网络42的厚度(深度)基本与可雕刻材料厚度36相似，从而将金属层外表面18暴露。x-轴通道具有厚度54，y-轴通道具有厚度56。
图4中可看到，因此雕刻步骤形成了与金属层外表面18结合的可雕刻材料30的大量离散形成体58。因此，每个离散形成体58是通过多个x-轴通道44和多个y-轴通道46与其他离散形成体58分开的独立结构，从而在x-轴方向上通过y-轴通道46和在y-轴方向上通过x-轴通道44，使每个离散形成体58与相邻的离散成形体58分离。因此，本文中使用的术语“离散”是指分开的、分离的和独立的以及不连接的离散成形体58特征。
每个离散成形体58具有一个或多个离散成形体侧壁60，其通过离散成形体侧壁高度62从金属层外表面18延伸至可雕刻材料外表面34。所述离散成形体包括离散成形体长度64和离散成形体宽度66。侧壁60的z-轴方向等于雕刻步骤之前的可雕刻材料厚度36，也等于x-轴通道44和y-轴通道46的z-轴尺寸(高度)。通过y-轴通道46的x-轴尺寸(y-轴通道宽度52)或x-轴通道44的y-轴尺寸(x-轴通道宽度50)限定离散形成体侧壁60和相邻离散成形体58的离散成形体侧壁60之间的距离。
本方法中的一个步骤是用金属将预成形体40的连续的互相连接的通道网络42至少部分填充至预定的深度；从而形成金属化的预成形体67。
图5中显示的金属化的预成形体67包括金属晶格68，所述金属晶格68包含在金属晶格交叉点74与金属晶格y-轴片段72互相连接的金属晶格x-轴片段70，并且多个离散成形体58被包围在所述金属晶格68中。金属晶格x-轴片段70对应于预成形体40的x-轴通道44，金属晶格y-轴片段72对应于预成形体40的y-轴通道46，金属晶格交叉点74对应于预成形体40的交叉点48。
金属晶格x-轴片段70在x-轴方向上延伸，并且通常在整个金属化的预成形体67宽度上平行于另一个片段取向。金属晶格x-轴片段70一个与另一个在y-轴方向由离散成形体宽度66分隔开。金属晶格x-轴片段70的宽度(厚度)等于预成形体40的x-轴通道宽度50。
金属晶格y-轴片段72在y-轴方向上延伸，并且通常在整个金属化的预成形体67宽度上平行于另一个片段取向。金属晶格y-轴片段72一个与另一个在x-轴方向由离散成形体长度64分隔开。金属晶格y-轴片段72的宽度等于预成形体40的y-轴通道宽度52。
金属晶格x-轴片段高度76和金属晶格y-轴片段高度78可等于、小于或略微大于离散成形体侧壁高度62。通常优选地，所述金属完全填充预成形体40的x-轴通道44和y-轴通道46，从而使所述金属晶格x-轴片段高度76和金属晶格y-轴片段高度78与离散成形体侧壁高度62是一样的。当金属可趋向于突出到离散形成体侧壁高度62之上时，金属晶格x-轴片段高度76和金属晶格y-轴片段高度78也可略微大于离散形成体侧壁高度62。金属晶格x-轴片段高度76不需要与金属晶格y-轴片段高度78相同。如果需要，金属晶格y-轴片段高度78可比金属晶格x-轴片段高度76矮或反之亦然。
金属
用于填充步骤的合适的金属包括能形成金属盐的金属，那些金属盐随后能通过填充步骤(下文所述)沉积在预成形体的金属层上。合适的金属包括钢(铁)、锌、铜、铝和它们的混合物，优选镍。合适的金属盐包括锌盐、铜盐、铝盐、镍盐、铁盐和它们的混合物。
填充步骤
在优选的实施方式中，用于从预成形体40制备金属化的预成形体67的工艺是电镀工艺。在电镀过程中，整个预成形体40会浸没到含有溶解的金属盐(金属离子)和任选的其他溶解的电镀辅助材料的溶液的浴中，所述金属盐最优选的是镍盐。随后对浸没的预成形体40施加电压。“施加电压”是指电流会施加到至少金属层12上，从而与电镀浴中溶解的金属盐交换离子。由于离散形成体58包含可雕刻的材料30，其交换电子比金属层12难(即可雕刻材料30作为绝缘体)，施加在金属层12上的电流不会使得离散形成体58在电镀过程中失去离子。因此，没有金属会沉积在离散成形体侧壁60上。因此，在电镀步骤中，金属会选择性沉积在预成形体40的x-轴通道44和y-轴通道46中，从而得到的金属晶格68与预成形体40的互相连接的通道网络42具有相同的总体外观、尺寸和形状。
通常优选地，在此步骤中金属以这样的方式沉积：金属构建在金属层外表面18上，所述金属层外表面18通过预成形体40中的x-轴通道44和y-轴通道46以均匀的方式暴露。通过此方法，金属晶格x-轴片段70和金属晶格y-轴片段72会同时以接近相等的速率形成。这样的方法能保证金属晶格x-轴片段高度76和金属晶格y-轴片段高度78彼此大致相等。此外，在这样的方法中，可通过将预成形体40留在电镀浴中来控制金属晶格x-轴片段高度76和金属晶格y-轴片段高度78，直到金属晶格x-轴片段高度76和金属晶格y-轴片段高度78达到所需高度并因此达到所需的有孔成形筛厚度92(参见图7)。
本领域技术人员应理解，电镀工艺本身有限制，必须遵从这些限制。具体地，所述浴中金属离子的类型；金属离子的浓度；过程中施加的能量的量；需镀覆的表面积的量；任何电镀辅助材料等都必须考虑到以获得所需的结果。
一些限制在电镀工艺中是固有的，这会限制在使用所述工艺时形成的任何成形筛陆地区域94的纵横比。术语“纵横比”是指金属晶格x-轴片段高度76和金属晶格y-轴片段高度78与金属晶格x-轴片段宽度50(在y-轴方向上测量)或金属晶格y-轴片段宽度52(在x-轴方向上测量)之间的关系。纵横比的概念将在下文中结合图7更详细地讨论。
金属晶格x-轴片段70和金属晶格y-轴片段72达到所需高度后，关闭电流并从电镀浴中去除金属化的预成形体67。如上所述，金属晶格x-轴片段高度76和/或金属晶格y-轴片段高度78可突出在离散片段侧壁高度62之上。如果这样的话，可通过研磨或其他合适的方法去除所述金属，从而使所述金属化的预成形体67包括均匀金属化的预成形体外表面80。术语“均匀”表示金属晶格x-轴片段高度76和/或金属晶格y-轴片段高度78是与离散成形体侧壁高度62共平面的。
替代的填充步骤可包括在互相连接的通道网络42中注射液态金属，在互相连接的通道网络42中浇铸液态金属，或者施用金属的等离子喷涂也可作为例如用金属填充或部分填充互相连接的通道网络42的方法。
从图6中可看到，所述方法中的一个步骤是将不连续的、离散成形体58从金属化的预成形体67中去除以形成筛前体82。所述筛前体82包括金属晶格68；其中所述金属晶格x-轴片段70和金属晶格y-轴片段72围绕并限定了大量空穴84，所述空穴84包含对应于之前在金属化的预成形体67中被离散成形体58占据的区域的负空间。在优选的实施方式中，离散成形体58使用合适的溶剂溶解。可使用机械或热机械方法，例如钻孔、刮擦、融除、加热、熔融等从金属化的预成形体67中去除离散成形体58。
从图7中可看到，所述方法中的一个步骤是从基材10或24中去除金属晶格68以形成成形筛86。一种方便且廉价的从基材10或24的金属层12中分离金属晶格68的方式是将筛前体82放置在酸浴中并且蚀刻掉金属层12。蚀刻掉金属层12留下了金属晶格68和支撑部件14或23之间的间隙，从而使金属晶格68可从支撑部件14或23中分离，得到成形筛86。
参考图7，成形筛86具有筛前体82的金属晶格68的所有特征。具体地，成形筛86具有多个隔开的金属晶格x-轴片段70和多个隔开的金属晶格y-轴片段72，它们在金属晶格交叉点74处彼此相互交叉，形成通常为长方形图案的阵列。成形筛86具有成形筛第一表面平面88和成形筛第二表面平面90，两表面平面之间为成形筛厚度92。
由交叉的金属晶格x-轴片段70和金属晶格y-轴片段72的阵列限定的空穴84在本领域中通常是指筛孔96，其中金属晶格x-轴片段70和金属晶格y-轴片段72统称为成形筛陆地区域94。从一个筛孔96的中心到一个相邻筛孔96的中心测量的相邻筛孔96之间的距离(图7中用附图标记98表示)限定了成形筛86的中心至中心间距或“目”(即在一直线英寸内对准的单独筛孔的数量)。目数为约9-60目的成形筛86通常在使用真空成形工艺制备用于卫生应用的有孔膜中是有优势的。
可通过金属晶格x-轴片段70宽度或金属晶格y-轴片段72宽度与相邻筛孔96的组合线性尺寸(在x-y平面)确定所述目数。例如，如果金属晶格x-轴片段70的宽度是0.005英寸(127微米)并且筛孔96的直径为0.050英寸(1.27毫米)，相邻筛孔96的中心到中心尺寸98为0.055英寸(1.4毫米)。1英寸(25.4毫米)除以0.055英寸(1.4毫米)是18，因此目数为18。
成形筛86的开口面积以百分数限定，所述百分数为被筛孔96占据的成形筛第一表面平面88或成形筛第二表面平面90的面积总量与成形筛第一表面平面88或成形筛第二表面平面90(不是两者一起)的面积总量的比值。通常认为，70％的开口面积对于成形筛86而言是成形筛86中可能的最大开口面积量，其在商业规模的膜制备操作中使用时足够坚固。
包括金属晶格x-轴片段70和金属晶格y-轴片段72的成形筛陆地面积94的宽度为0.003-0.007英寸(76.2-178微米)。在x-轴方向或y-轴方向测量的整个筛孔96的尺寸优选为0.10英寸(2.54毫米)或更小，优选为0.015-0.10英寸(381-254微米)。
成形筛厚度90可为0.017-0.115英寸(432-2920微米)。通过成形筛厚度90除以成形筛陆地区域94的宽度确定的薄板比例(plate-upratio)通常为16或更小，最优选为3-16。
将成形筛86的金属密度定义为每立方英寸成形筛86的金属重量。成形筛86的金属密度大于0.21磅/立方英寸(0.0058g/mm3)，最优选为0.22-0.32磅/立方英寸(0.0061-0.0089g/mm3)。
下述表1包括了用于成形筛特征的示例性数值。
表1
表1(续表)
多平面和复杂图案的成形筛
额外的一系列步骤或多个阶段工艺步骤可用于形成多平面成形筛，所述成形筛在第一平面上具有复杂图案，或在成形筛的第一平面上有美观的设计。“多平面成形筛”是三维成形筛，其可包括多个从成形筛第一平面延伸出的平台，所述平台在所述第一平面上(特别在所述成形筛的第一平面的陆地部分上)限定了所述成形筛至少一个额外平面(第三平面)。
在一个实施方式中，在离散成形体58去除前将第二可雕刻材料102与金属化的预成形体67结合以形成多平面基材100。
在另一个实施方式中，在离散成形体58去除前将第二可雕刻材料102的多个片段与金属化的预成形体67结合以形成多平面基材100。
第二可雕刻材料
第二可雕刻材料102具有第二可雕刻材料内表面104和第二可雕刻材料外表面106以及在两个表面之间的第二可雕刻材料厚度108。在一个实施方式中，第二可雕刻材料102通常在x-y上的尺寸(长度和宽度)与成形筛所需的x-y尺寸(长度和宽度)相似。在另一实施方式中，第二可雕刻材料102的多个片段比所述成形筛所需的x-y尺寸(长度和宽度)的x-y尺寸(长度和宽度)小，但其在金属化的预成形体67上取向，因此第二可雕刻材料102的多个片段的共同x-y尺寸与成形筛所需的x-y尺寸(长度和宽度)相似。
如在图8(其是沿图5中8-8的金属化的预成形体67的截面图)中所示，将第二可雕刻材料内表面104与金属化的预成形体外表面80结合，从而防止了第二可雕刻材料102与金属化的预成形体外表面80之间的相对移动。结合方法不受填充步骤影响，其在下文中描述。虽然图中没有说明，但优选使用粘合剂层将第二可雕刻材料内表面104与金属化的预成形体外表面80结合。优选氰基丙烯酸酯粘合剂。
第二可雕刻材料102包含一种或多种可用准直能量束(最优选为激光束)雕刻的物质。此外，第二可雕刻材料102需要是不会在电镀工艺中被氧化的电绝缘体，或更具体地，其在下文讨论的第二填充步骤过程中不会失去电子给金属离子。可用于制备第二可雕刻材料102的合适的物质包括非导电的热塑性树脂例如聚丙烯、缩醛树脂，热固性树脂例如交联聚酯或环氧树脂。优选地，用于第二可雕刻材料102的物质是缩醛树脂，其可购自杜邦公司，品牌为
雕刻
本方法中的一个步骤是从第二可雕刻材料外表面106开始雕刻多平面基材100，从而将第二可雕刻材料厚度108选择性地去除以暴露金属化的预成形体外表面80，包括金属晶格x-片段70和金属晶格y-片段72，以形成多平面预成形体126。用准直能量束雕刻第二可雕刻材料102以去除第二可雕刻材料厚度108，从而使雕刻后剩余的第二可雕刻材料102包含多个通孔穿孔(through-holeperforations)114，这可在图9中看到。通孔穿孔114包括在第二可雕刻材料内表面104上的通孔第一开口116和在第二可雕刻材料外表面106上的通孔第二开口118。孔120与通孔第一开口116和通孔第二开口118连接，其中通孔穿孔114在第二可雕刻材料102中形成了负空间，其沿第二可雕刻材料厚度108延伸。
通孔穿孔114需至少部分与金属化的预成形体67的金属晶格x-轴片段70和金属晶格y-轴片段72对齐。在接下来多平面预成形体126的第二填充步骤中需要所述对齐，从而为在第二填充步骤中的离子交换以及得到的金属沉积提供所需的电流通路。
虽然图中所示的通孔穿孔114截面(x-y平面)是圆柱形的，但应理解，通孔穿孔114的截面可以是任何所需的尺寸、构造形状。通孔第一开口116和通孔第二开口118可以是任何所需的截面(x-y平面)形状。例如，合适的截面形状可以是圆形、椭圆形、卵形、方形、三角形、六角形、八角形、多边形、船型、月牙形或其他所需的形状。如果需要，不是所有选择的形状都需要与可使用的不同形状一样。在大多数实施方式中，通孔穿孔114具有均一的截面形状，从而对于给定的通孔穿孔114，通孔第一开口116、孔120和通孔第二开口118的截面形状是相同的。
第二可雕刻材料102的每单位面积中通孔穿孔114的数量很大程度上根据成形筛以及由其制备的三维膜所需的性质改变。
如图9中所示，孔120可垂直于第二可雕刻材料内表面104和第二可雕刻材料外表面106取向。不过，孔120可相对于金属化的预成形体外表面80，以10度至-10度的角度存在。孔120大体上平行于另一个孔120，但并不局限于大体平行的。
如图9所示，在另一个实施方式中，形成第二可雕刻材料的预先雕刻层112，随后在可雕刻材料的离散成形体58去除前将预先雕刻层112与金属化的预成形体67结合，以形成多平面预成形体126。
图10是多平面预成形体126完成雕刻步骤后，图8中区域110的放大剖视图。图10显示了与金属化的预成形体67结合的经雕刻的第二可雕刻材料121。经雕刻的第二可雕刻材料121具有经雕刻的第二可雕刻材料内表面122，经雕刻的第二可雕刻材料外表面123和在两个表面之间的经雕刻的第二可雕刻材料厚度124。如在图10可看到的，通孔穿孔114在金属化预成形体67的金属晶格x-轴片段70处与金属化预成形体外表面80对齐，一些通孔穿孔114与离散形成体58对齐或配准。通孔穿孔114也与金属化预成形体67的金属晶格y-轴片段72对齐，但没有在图10的放大截面图中显示。
因此，在金属化预成形体67上形成的多平面金属晶格134(图12)或其他金属结构仅在金属化预成形体67中电流能通过金属晶格68的地方形成，并且吸引金属离子进入到多平面预成形体126的通孔穿孔114中。
在该方法中的一个步骤是用金属128至少部分填充多平面预成形体126的通孔穿孔114以形成多平面金属化的预成形体132。
金属
用于第二填充步骤的合适的金属包括能形成金属盐的金属，那些金属盐随后能通过填充步骤(下文所述)沉积在金属晶格68上。合适的金属包括钢(铁)、锌、铜、铝和它们的混合物，优选镍。合适的金属盐包括锌盐、铜盐、铝盐、镍盐、铁盐和它们的混合物。
填充
参见图11，用金属128至少部分填充至少一些通孔穿孔114以形成多平面金属化的预成形体132。可使用任何合适的方法用金属128来至少部分填充至少一些通孔穿孔114。所述第二填充步骤可包括镀覆工艺以将金属镀覆到通孔穿孔114中、向通孔穿孔114中注入液态金属、向通孔穿孔114中浇铸液态金属、或也可使用施用金属的等离子喷涂，例如作为用金属填充或部分填充通孔穿孔114的方法。镀覆方法，例如电镀方法是特别优选的。
当使用电镀工艺时，金属化预成形体67的金属晶格x-轴片段70和金属晶格y-轴片段72是导电性的，镀覆浴中的金属128或金属离子选择性地沉积在金属晶格x-轴片段70或金属晶格y-轴片段72和通孔穿孔114的对齐部分处的金属化的预成形体外表面80上。第二可雕刻材料102和离散形成体58是不导电的，从而会在镀覆浴中放弃电子。因此，没有金属沉积在与离散成形体58对齐的通孔穿孔114中。
如之前用于制备金属化的预成形体67的电镀步骤，金属128或金属离子沉积到通孔穿孔114中的速率通常是恒定的，并可一直进行直到通孔穿孔114中的金属厚度130达到所需的量。通孔穿孔114中的金属厚度130可小于、等于或大于第二可雕刻材料厚度108。在图11的实施方式中，通孔穿孔114中的金属厚度130等于第二可雕刻材料厚度108。一旦用金属128将通孔穿孔114填充，或部分填充，必须或需要研磨金属128从而与第二可雕刻材料外表面106齐平。
图8-11中显示的步骤可根据需要以任意数量次数重复以形成具有所需截面轮廓(纵横比)的成形筛。
方法中的一个步骤是去除经雕刻的第二可雕刻材料102和离散成形体58，得到多平面筛前体133，所述筛前体133包括多平面金属晶格134和基材24，如图11所示。
在优选的方法中，可通过将经雕刻的第二可雕刻材料102和离散成形体58溶解在一种或多种溶剂浴(例如用于溶解缩醛树脂的热四氯乙烯溶剂)中来将它们去除。经雕刻的第二可雕刻材料102和离散成形体58可通过熔融、切除、剥离去除，或通过其他人工形式从金属化的多平面预成形体132中去除经雕刻的第二可雕刻材料102和离散成形体58，以形成多平面筛前体133。
曾包含在通孔穿孔114中的金属128现在金属晶格x-轴片段70(和金属晶格y-轴片段72，未显示)处形成在金属晶格外表面80上的表面突出部136。如在图11的实施方式中所看到的，表面突出部136是柱状结构，其具有从金属晶格外表面80测量到所述突出部远端140得到的突出部高度138以及以垂直于高度方向测得的突出部宽度141。如图12所示，表面突出部高度138可以是大体上均一的，形成成形筛第三平面142，或可以是各种高度。当存在各种高度时，所述“高度”可取平均高度。
在所述方法的中的一个步骤是从多平面筛前体133中去除金属层12，从而将多平面金属晶格134从支撑部件14或23中分离并得到多平面成形筛。
实施例
在特别优选的方法中，将铜金属薄层施加在圆柱体镀覆心轴上。随后将缩醛树脂层施加在所述铜上，并用氰基丙烯酸酯粘合剂将其与铜粘合。随后将缩醛树脂层激光雕刻以形成通过缩醛树脂层所有路径延伸的连续的互相连接的通道网络，并将下部的铜层暴露。所述雕刻步骤之后，缩醛树脂的离散岛形成体仍保持与所述铜层粘合。随后，将具有铜层和经雕刻的缩醛树脂层的心轴浸没在电镀浴中，在所述电镀浴中，镍离子被选择性地吸引至互相连接的网络中的铜，形成类似于蜂窝状或晶格外观的镍结构。随后将所述结构任选地装载在车床上以将外直径平面研磨成常用的基本均匀的直径。随后将整个结构放置在热四氯乙烯浴中以溶解掉缩醛树脂。随后将所述结构放置在酸浴中以蚀刻掉铜层并从心轴上释放掉镍晶格。
在使用图8-11所示的第二加工步骤的优选实施方式中，可遵循以下顺序。将铜金属薄层施加在圆柱体镀覆心轴上。随后将缩醛树脂层施加在所述铜上，并用氰基丙烯酸酯粘合剂将其与铜粘合。随后将缩醛树脂层激光雕刻以形成通过缩醛树脂层所有路径延伸的连续的互相连接的通道网络，并将下部的铜层暴露。所述雕刻步骤之后，缩醛树脂的离散岛形成体仍保持与所述铜层粘合。随后，将具有铜层和经雕刻的缩醛树脂层的心轴浸没在电镀浴中，在所述电镀浴中，镍离子被选择性地吸引至互相连接的网络中的铜，形成类似于蜂窝状或晶格外观的镍结构。随后将所述结构任选地装载在车床上以将外直径平面研磨成常用的基本均匀的直径。随后将预雕刻且穿孔的缩醛树脂层施加到包含镍镀层和使用氰基丙烯酸酯粘合剂的缩醛树脂岛的心轴外表面上。随后将整个结构第二次浸没在电镀浴中，在所述电镀浴中镍离子被选择性地吸引至镍晶格结构，形成仅在下部金属结构上的第二金属沉积。随后将所述结构放置在热四氯乙烯浴中以溶解掉所有外层中缩醛树脂和离散的缩醛树脂岛。随后将所述结构放置在酸浴中以溶解掉铜层以从心轴上释放掉金属晶格。
本文所公开的尺寸和数值不应理解为严格限于所述的确切数值。相反，除非另有说明，每个这样的尺寸意在同时表示所述数值和该数值周围的功能等效范围。例如，公开为“40mm”的尺寸意在表示“约40mm。”
除非明确地不包括在内或以其他方式进行限制，本文所引用的每篇文献，包括任何交叉引用的或相关的专利或专利申请，均特此以引用方式全文并入本文。对任何文件的引用并不是承认其为本文所公开或请求保护的任何发明的现有技术，或者其单独或与其他任何一份或多份参考文献的任何组合教导、暗示或公开任何这样的发明。此外，就本书面文本中的术语的任何含义或定义与通过参考引入的文件的同一术语的任何含义或定义相抵触时,以本书面文本中赋予该术语的含义或定义为准。
虽然已经阐述和说明了本发明的具体实施方式，但是对本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种其他的改变和改进。因此，所附权利要求意在涵盖本发明范围内的所有这些改变和改进。

Claims (10)

1.一种制备成形筛的方法；
a)提供金属层；
b)将可雕刻材料与所述金属层结合；所述可雕刻材料具有可雕刻材料内表面、可雕刻材料外表面和可雕刻材料厚度；
c)在可雕刻材料厚度中雕刻预定的图案以形成连续的互相连接的通道网络，所述连续的互相连接的通道网络包括在可雕刻材料中的负空间以将金属层暴露，并形成多个与所述金属层结合的离散成形体，从而形成预成形体；
d)用金属至少部分填充所述预成形体的连续的互相连接的通道网络至预定的深度；从而形成金属化的预成形体；所述金属化的预成形体包括金属晶格、多个离散成形体、金属层和金属化的预成形体外表面，所述金属化的预成形体外表面包括金属晶格和多个离散成形体；所述金属晶格包括与金属晶格y-轴片段互相连接的金属晶格x-轴片段和被所述金属晶格包围的所述多个离散成形体；
e)从金属化的预成形体中去除所述离散成形体以形成筛前体；所述筛前体包括所述金属晶格和所述金属层；其中所述金属晶格包围多个空穴，所述空穴包含与金属化的预成形体的离散成形体对应的负空间；以及
f)从所述筛前体的金属层中去除所述金属晶格，从而形成成形筛。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属层是铜。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可雕刻材料包括不导电的树脂层，并且步骤b)包括用粘合剂将可雕刻材料内表面与金属层粘合。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c)包括激光雕刻。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d)包括在含有溶解的镍盐的浴中电镀，从而用镍将所述连续的互相连接的通道网络至少部分地填充至预定深度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可雕刻材料包括缩醛树脂，并且步骤e)包括用溶剂溶解所述离散成形体。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除步骤f)包括将所述筛前体放置在酸浴中并溶解所述金属层以释放金属晶格。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
d1)将第二可雕刻材料与金属化的预成形体外表面接触以形成多平面基材；所述第二可雕刻材料包括第二可雕刻材料内表面、第二可雕刻材料外表面和第二可雕刻材料厚度；
d2)通过延伸通过所述第二可雕刻材料厚度的多个通孔穿孔雕刻第二可雕刻材料来雕刻多平面基材，其中所述多个通孔穿孔的至少一些在金属晶格上对齐以形成多平面预成形体；
d3)在多平面预成形体中在多个通孔穿孔处沉积金属以至少部分填充至少一些在金属晶格上对齐的通孔穿孔，从而形成金属化的多平面预成形体；
d3)从所述金属化的多平面预成形体中去除所述第二可雕刻材料。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤d3)包括电镀。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤d4)包括溶解所述第二可雕刻材料。
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