用於具有結構表面的工件的帶有螺旋線圈的工具的製作方法
2023-12-11 10:02:22
專利名稱：用於具有結構表面的工件的帶有螺旋線圈的工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及製造具有結構表面的工件的領域。更具體地說，本發明提供一種用於製造具有一個或多個結構表面的具有波形螺旋線圈的工具以及採用該工具來製造具有一個或多個結構表面的工件的方法。
背景技術：
具有一個或多個結構表面的工件用途廣泛。這些工件可以例如為具有例如增加的表面積、用來形成機械緊固件的結構、光學性能等的薄膜。當製造出這些薄膜以便用作機械緊固件時，形成在結構表面上的凸起通常被稱為鉤。這些鉤子可以形成為彎曲形狀，或者它們可以為基本上豎直的杆，它們在隨後的操作中變形以包括例如成蘑菇形狀的頭部。
機械緊固件有時如此設計，從而可以使用兩條鉤帶來通過將每條帶附著在其中一個工件上然後使這兩條帶相互接合來將兩個工件緊固在一起。在US3192589(Pearson)中顯示出這樣一種機械緊固件，該文獻將該緊固件稱為「雌雄同體」，因為其有頭的螺栓在相互嚙合時具有凸形和凹形特徵。可以通過模製出從中伸出有整體無頭螺栓的基底然後將這些柱的頂端加熱軟化來製作出Pearson緊固件。
US5077870(Melbye等人)披露了一種通過將熔融材料擠壓進形成在移動的模具表面中的空腔中來製造出機械緊固件的鉤帶部分的方法。然後將由運動的模具表面形成的杆包覆以形成所要求的緊固件。通過鑽孔在模具表面中形成空腔。因此，這些空腔的形狀為圓柱形，雖然在深度、直徑和空腔之間的間距方面可以獲得一定程度的精度，但是實現存在一定難度並且成本增加。另外，模具表面受損通常必須將整個模具廢棄。
US5792411(Morris等人)披露了通過對模具表面進行雷射加工而製成的模製工具。然後將熔融材料擠壓進在運動模具表面中的空腔中以形成杆。然後將這些杆包覆以形成所要求的緊固件。因為這些空腔通過雷射燒蝕形成，所以該空腔形狀取決於在用來形成空腔的雷射束內的能量分布。另外，由於用來構成模具的材料、雷射束的功率、在光束內的能量分布、光束聚焦方面的多變性，所以難以實現在空腔深度上的精確控制。
US4775310(Fischer)和WO97/46129(Lacey等人)披露了用來製造用於鉤環型機械緊固件的鉤帶的工具。這些工具由具有水冷套的中空滾筒形成。一系列模具盤或交替的模具盤和間隔板沿著滾筒的長度層壓在一起以在輥子表面上形成所要求的模腔。這些設計的缺點在於，以足夠的精度製造模具盤以確保這些模腔具有相同的深度、長度、間距等這樣成本較高。由製造難度施加在這些盤上的尺寸限制反過來會限制採用這些工具進行加工中的線速度。這種設計的其它缺點包括模腔冷卻不均、由層疊板生產出的產品存在不均勻性等。
發明內容
本發明提供工具輥以及採用這些工具輥製造具有一個或多個結構表面的方法。這些工具輥包括一外表面，該外表面在與具有適當粘度或可成形性的材料結合使用時能夠在工件上形成一結構表面。因為這些工具製成為輥狀，所以它們可以有利地用在連續製造過程中。或者，可以採用本發明的工具輥來加工不連續的工件。
「結構表面」指的是工件的表面不是平面或其它光滑表面。例如，該結構表面可以包括從中伸出的凸起例如與機械緊固件結合使用的杆部。其它可選的結構表面包括但不限於連續的溝槽或脊部、細長的結構等。
本發明的工具輥由圓柱形基輥構成並且以波形螺旋圖案纏繞有一根或多根連續線。這些線大體上用來在工具輥上形成一結構表面，該結構表面是形成在採用工具輥加工出的工件上的結構表面的負象。在一個實施方案中，纏繞在基輥上的至少一根線可以包括形成在其中的孔隙，這些孔隙在纏繞在基輥上時在工具輥的外表面上形成多個模腔。或者，可以使用一根或多根纏繞線來形成連續的結構表面例如連續的一個或多個溝槽。
由在本發明的工具輥中的線形成的波形螺旋線圈呈現出這樣一種輪廓或形狀，從而在與基輥縱向軸線相交的參考面和線之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小至少一次。因此，雖然纏繞在基輥上的線在輥面上前進，但是它們波動以相對於參考面形成所要求的變化的間距。由線形成的波形螺旋圖案可以由位於基輥的端部附近的纏繞表面形成。
該波形螺旋纏繞設計的優點例如為在工具輥在操作中偏壓在其上的任意表面(例如，壓送輥)上的磨損分布更加均勻。另一個潛在優點在於通過纏繞線來改變形成在工具輥中的任意模腔(相對於機器方向)的取向。由模腔形成在結構工件中的任意凸起然後可以改變其相對於機器方向的取向。在本發明的工具輥上的波形螺旋線圈的另一個潛在優點在於，可以抑制線圈相對於基輥的轉動。
這些工具輥的其它優點包括但不限於，如果工具輥的外表面受損或磨損，則可以更換在基輥上的線圈。這些工具輥與採用層疊板製造工具輥或直接將模具表面鑽孔的成本相比更便宜。
另一個優點在於，能夠通過改變纏繞在基輥上的線厚度來控制沿著輥寬度在模腔之間的間距。模腔圍繞著圓周面的間距也可以通過控制在纏繞在基輥上的線中的孔隙之間的間距來單獨控制。另一個優點在於，通過控制線的輪廓或橫截面形狀和形成在該線中的孔隙的形狀，也可以實現在模腔形狀方面的變化。
本發明的還有一個優點在於，與基輥的熱質量相比纏繞在基輥上的線的熱質量相對較小。因此，可以改善在模腔上的熱控制，這會導致在採用工具輥生產出的產品的均勻性方面得到相應改善。
如結合本發明所使用的一樣，「模腔」可以是在光滑或平面中的任意不連續部分，可塑材料在模製過程中可以流進這些部分中。在本發明的一些實施方案中，工具輥可以包括如下面所限定的具有高高寬比的模腔，但是應該理解的是，模腔不必具有高高寬比。
在一個方面中，本發明提供一種工具輥，它包括一圓柱形基輥，它具有沿著縱向軸線間隔開的第一和第二端部；第一線，它具有多個形成在其中的第一孔隙，所述第一線以螺旋線圈的形式纏繞在基輥上，其中在所述第一線中的多個第一孔隙形成多個第一空腔，多個第一空腔中的每一個包括位於工具輥的外表面處的開口；其中在第一線和與基輥縱向軸線相交的參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小至少一次。
在另一個方面中，本發明提供一種工具輥，它包括一圓柱形基輥，它具有沿著縱向軸線間隔開的第一和第二端部；第一線，它具有多個形成在其中的第一孔隙，所述第一線以螺旋線圈的形式纏繞在基輥上；纏繞在基輥上的第二線，其中所述第二線位於第一線的相鄰螺旋線圈之間，其中第二線和在第一線中的多個第一孔隙形成多個第一空腔，多個第一空腔中的每一個包括位於工具輥的外表面處的開口；並且其中在第一線和與基輥縱向軸線相交的參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小至少一次。
在另一個方面中，本發明提供一種在工件上形成結構表面的方法，該方法包括提供一種工具輥，它包括一圓柱形基輥，它具有沿著縱向軸線間隔開的第一和第二端部；第一線，它包括多個形成在其中的第一孔隙，所述第一線以螺旋線圈的形式纏繞在基輥上，其中在所述第一線中的多個第一孔隙形成多個第一空腔，多個第一空腔中的每一個包括位於工具輥的外表面處的開口，其中在第一線和與基輥縱向軸線相交的參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小至少一次。該方法還包括使可塑材料與工具輥的外表面接觸以利用工具輥的外表面形成結構表面，所述可塑材料至少部分填充了至少一些第一空腔；並且將結構表面從工具輥的外表面中除去，其中該結構表面包括多個與多個第一空腔相對應的凸起。
在另一個方面中，本發明提供一種在工件上形成結構表面的方法，該方法包括提供一種工具輥，它包括一圓柱形基輥，它具有沿著縱向軸線間隔開的第一和第二端部；第一線，它以螺旋線圈的形式纏繞在基輥上，其中在第一線和與基輥縱向軸線相交的參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小至少一次；第二線，它以螺旋線圈的形式纏繞在基輥上，其中所述第二線位於第一線的相鄰螺旋線圈之間，並且其中第一和第二線的螺旋線圈沿著縱向軸線交替，並且其中第一線在基輥上方的高度小於第二線在基輥上方的高度，由此在工具輥的外表面上形成螺旋溝槽，該螺旋溝槽與第一線的形狀相配。該方法還包括使可塑材料與工具輥的外表面接觸以利用工具輥的外表面在工件上形成結構表面，所述可塑材料至少部分填充了由第一和第二線形成的螺旋溝槽的至少一部分；並且將結構表面從工具輥中除去，其中該結構表面包括一系列脊。
下面將結合本發明的示例性實施方案對本發明的這些和其它特徵和優點進行說明。
附圖的簡要說明
圖1為根據本發明的一個工具輥的平面圖。
圖1A為圖1的基輥12的一部分表面的放大圖，顯示出其上纏繞有線的表面上的一個表面紋路。
圖2為圖1的工具輥的一部分表面的放大圖，顯示了在其中形成的空腔。
圖3為沿著在圖2中的3-3線剖開的圖2的工具輥的放大剖視圖。
圖4為圖2的工具輥的一部分表面放大局部剖開透視圖，顯示出形成在其中的空腔。
圖5為可以用在本發明的工具輥中的一個可選波形螺旋線圈輪廓的示意圖。
圖6為可以用在本發明的工具輥中的另一個可選波形螺旋線圈輪廓的示意圖。
圖7為採用根據本發明的工具輥形成的結構表面的放大透視圖。
圖8為根據本發明的另一個工具輥的一部分表面的放大平面圖。
圖9為沿著9-9線剖開的圖8的剖視圖。
圖10為沿著10-10線剖開的圖8的剖視圖。
圖11為根據本發明的另一個工具輥的一部分的平面圖。
圖12顯示出根據本發明製造工具輥的一種方法。
圖13顯示出採用根據本發明的工具輥製造高高寬比拓撲薄膜的一種方法。
圖14為沿著在圖13中的14-14線剖開的圖13的設備的剖視圖。
圖15顯示出採用根據本發明的兩個工具輥製造在兩個側面上包括凸起的高高寬比拓撲薄膜的一種方法。
圖16為採用根據本發明的另一種工具輥的過程的放大局部剖視圖。
圖17為包括細長不連續螺旋模腔的另一種工具輥的平面圖。
圖18為採用圖17的工具輥製造出的薄膜的透視圖。
本發明示例性實施方案的詳細說明本發明提供工具輥和採用這些工具輥製造具有一個或多個結構表面的方法。這些工具輥包括一外表面，該外表面在與具有適當粘度或可成形性的材料結合使用時可以在工件上形成一結構表面。因為這些工具做成為輥子形式，所以它們可以很好地用在連續的製造過程中以形成例如薄膜、片材等。或者，可以採用本發明的工具輥來加工不連續的工件。
本發明的工具輥可以在其外表面中包括多個空腔，這些空腔在與具有適當粘度或可成形性的材料結合使用時可以在薄膜的至少一個表面上形成凸起或結構。或者，可以組合使用兩個這樣的輥子來形成其中兩個主表面具有凸起或結構的薄膜。
圖1-4顯示出根據本發明的工具輥10的一個示例性實施方案。圖1顯示出圓柱形基輥12、第一端蓋50和第二端蓋60。第一端蓋50位於圓柱形基輥12的第一端部附近。第二端蓋60位於圓柱形基輥12的第二端部附近。圓柱形基輥12還限定了一縱向軸線13，工具輥10在使用期間繞著該軸線轉動。
圖2為具有纏繞在基輥12(在圖2中未示出)上的線20和40的工具輥的一部分表面的放大視圖。在圖2中還顯示出由線20和40形成的空腔30。圖3為一部分工具輥10的剖視圖，顯示出基輥12、線20和40以及端蓋50。圖4為線20和40的透視圖，顯示出空腔在工具輥10的形成。
可以通過任何合適的機構包括但不限於夾具、焊接、粘合劑等使纏繞在基輥12上的線20和40保持不動。這些技術在製造梳理輥中是公知的。例如參見US4272865(Schmolke)。在一些情況中，端蓋50和60也可以用作用來使線20和40在圓柱形基輥12上保持不動的一部分機構。另外，優選的是提供一種基輥12，它包括形成在其上纏繞有線的表面中的溝槽，並且這些溝槽有助於保持這些線纏繞在基輥12上的位置。
回到圖1，第一端蓋50優選圍繞著圓柱形基輥12的圓周面延伸並且設有一線纏繞表面52，線可以以改進的螺旋線圈形式纏繞在該線纏繞表面上或者包繞在其上。線纏繞表面52面對著圓柱形基輥12的第二端部並且優選設有其上可以形成線的波形表面。可以採用許多其它結構或技術來代替線纏繞表面52來為線20和40的改進的螺旋線圈提供所要求的波形輪廓或形狀。例如，可以採用一系列銷或指狀件來在纏繞在基輥12期間以所要求的波形輪廓支撐著線20和40。
如在這裡所使用的一樣，術語「波形」指的是線20(以及任意其它纏繞有線20的線)和延伸穿過與縱向軸線14相交的圓柱形基輥12的參考面(在圖1中顯示出參考面15的邊緣)之間的變化的距離。在參考面15和線20之間的距離在圍繞著基輥12的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小至少一次(本發明的圓柱形工具輥所指的距離除非另有規定將平行於圓柱形基輥12的縱向軸線14測量出)。因此由d1表示的距離在繞著基輥12的圓周面運動時增加和減小至少一次。這與普通的螺旋形圖案不同之處在於，該距離在圍繞著基輥12的圓周面沿著一個方向運動時將增加或減小，但是在沿著一個方向運動時不會都增加和減小。要理解的是，參考面15和線20之間的距離將沿著線20上的恆定位置測量(例如，在線20的側面21和23之間)。
圖2顯示出具有纏繞在工具輥10上的線20和40的工具輥10的部分表面的放大部分。線20和40與端蓋50的線纏繞表面52相配，從而線纏繞表面52的輪廓在線纏繞在圓柱形基輥12上時由每根線20和40再現。由於纏繞線20和40的螺旋特性，所以它們在基輥12的表面上從一個端部前進至輥12的相對端部。即使由線20和40形成的改進螺旋線圈在它們圍繞著基輥12的圓周面前進時起伏波動，它們也仍然以螺旋的方式在基輥12的表面上前進。
線20包括多個形成在其中的孔隙，同時線40用作在由線20形成的線圈之間的間隔件。結果，在工具輥10表面上設置了交替的由線20形成的螺旋線圈和間隔線40。線20中的孔隙和間隔線40一起用來在工具輥10的表面中形成模腔30。優選但不是必要的是，這些模腔30具有相同的尺寸並且圍繞著工具輥10等距離間隔。或者，模腔30的尺寸和/或間隔最好設有一定程度的不均勻性。
根據本發明製成的工具輥的一個潛在優點在於，模腔30其相對於例如工具輥10的縱向軸線的取向可以變化。例如，如圖2所示模腔可以沿著不同方向傾斜。在其它工具輥中，模腔可以都設有相同的取向。
參照圖3和4，線20的內緣24和間隔線40的內緣44纏繞在基輥12上，同時線20和40的外緣22和42分別從基輥12面向外纏繞。線20和間隔線40優選可以具有與螺旋線圈在輥10上均勻前進相配的矩形橫截面。
設在線20中的孔隙26穿過線20的整個寬度形成，並且如圖3和4所示一樣包括相對的側壁27和28以及底部29。優選的是，線20的線圈的外緣22與間隔線40的外緣42齊平，從而在加工好的工具輥10中的模腔30之間的區域基本上平滑，即在線20和40之間沒有明顯的不連續部分。
或者，線20和40的外緣22和42分別位於基輥12的表面上方的不同高度處。高度不同的線20和40會賦予所要製作的工件表面一種結構。該結構可以以細長脊的形式，從而可以給例如由模腔形成的更高凸起和/或工件自身提供加強。
包括形成在其中的孔隙從而如上所述在纏繞在基輥12上時形成所要求的模腔30的線20可以採用具有大體上為矩形橫截面的線或條帶製成。孔隙26優選形成穿過線20的厚度，從而每個孔隙只包括兩個沿著線20的長度對準的側面27和28以及一底部29。線20可以製造有孔隙26，或者可以首先製造出具有基本上均勻輪廓的線，然後通過任意適當的技術進行加工以在其中形成孔隙26。合適的技術包括但不限於衝孔、衝壓、普通機加工、雷射機加工、電子放電機加工、噴水機加工、蝕刻等。對線進行衝孔以形成所要求的形狀在例如梳理輥工業中是公知的。例如參見US4537096(Hollingsworth)。線20可以由任意合適的材料製成，但一些優選材料包括鋼，更優選為中碳到低碳鋼。
在另一個變型中，優選的是，線20和/或40的側面中的一個或多個，即線20的表面21和23以及線40的表面41和43(參見圖3)，設有某種表面紋路，從而所選的側面不光滑。例如，這些側面可以軋有滾花圖案、研磨、衝有孔或者以其它方式破壞大體上平滑的表面。優選的是，任何這種表面紋路在線20的基本上整個側面21和23延伸。該表面紋路可以通過改善在加工期間從空腔的除氣來改善空腔30的填充。在圖4中顯示出合適的表面紋路的一個實施例，其中兩個線20和40的側面顯示出包括滾花線圖案。
現在參照圖1A，也可以與本發明的工具輥結合的另一個可選特徵為，其上纏繞有線的基輥12的表面還可以設有這樣一種表面紋路，從而該基輥12的表面不光滑。基輥12的表面紋路還可以通過形成讓陷入的空氣能夠從中逸出的額外通道來幫助填充這些空腔30。該表面紋路也可以降低在使用中纏繞線相對於基輥12的旋轉偏移。合適的表面紋路的一個實施例可以是如在圖1A的放大視圖中所示一樣形成在基輥12表面中的基本上平行的滾花線圖案。
雖然在圖1和2中所示的波形螺旋線圈輪廓是以在間距和幅度上均勻變化的輪廓形式，但是應該理解的是，可以採用在線和與縱向軸線14相交地延伸穿過圓柱形基輥12的參考面之間形成變化的距離的任意輪廓。在圖5和6中顯示出一些可選輪廓的實施例，但是所示的實施例沒有窮舉可以與本發明結合使用的所有潛在輪廓。
參照圖1，第二端蓋60優選還可以設有線纏繞表面62，該線纏繞表面62具有與在基輥12的相對端部上的線纏繞表面52的形狀或輪廓互補的輪廓或形狀。與線纏繞表面52類似，該線纏繞表面62其特徵在於，其離參考面15的距離d2圍繞著基輥12的圓周面是變化的。如果第二線纏繞表面62與第一線纏繞表面52互補，則在兩個線纏繞表面52和62之間的距離d是固定的或者圍繞著基輥12的圓周面不變。
在圖1和2中所示的波形輪廓其特徵在於，在參考面15和線20之間的距離d1圍繞著基輥12的圓周面順序增加和降低。這種圖案可以被描繪成在圍繞著基輥12的圓周面沿著一個方向運動時的一系列交替連續的波峰和波谷。由這些線形成的每一個線圈包括至少一個波峰和至少一個波谷。
雖然在圖1和2中顯示的波形螺旋線圈由通過線段連接的連續波峰和波谷形成，但是變化的螺旋線圈的輪廓和相應的線纏繞表面(如果設有)可以包括其它形狀。例如，圖5顯示出在參考面和線120之間的距離d圍繞著基輥的圓周面連續增加和減小的圖案的另一個實施例。在圖5中所示的圖案可以表現為正弦曲線，但是所示的圖案在幅度和頻率方面是均勻的，要理解的是必要時其幅度和頻率中的一個或兩個可以具有不均勻性。
另外，應該理解的是，與本發明結合使用的波形螺旋線圈可以按照任意所要求的方式結合有直線段和/或曲線，從而實現離參考面的距離是變化的波形螺旋纏繞線。圖6顯示出一個示例性的輪廓，其中線220已經被捲曲或者經過其它方式的處理，從而沿著來自在圖1、2和5所示的彎曲輪廓的方向提供更加明顯的過渡部分。
其中可以使用根據本發明製成的工具輥例如工具輥10的一個優選用途為生產高高寬比拓撲結構表面。參照圖7，該圖顯示出採用工具輥10形成的一個示例性工件70，它包括具有形成在其上的多個凸起72的結構表面。所示的凸起在工件70的表面74上方具有高度h′，並且具有在與表面74的平面大體上平行的平面I中測量出的最小寬度w′。如果表面74具有一些曲率，則該平面I優選在凸起72的區域中與表面74相切。
凸起72可以具有高高寬比，並且根據本發明的工具輥在製造具有高高寬比拓撲形態的結構表面中尤為有利。「高高寬比」指的是，凸起的高度與最小寬度(h′∶w′)的比值例如至少大約為0.5∶1或更高，更有選為1∶1或更高，甚至更有選至少大約為2∶1或更高。除了上述高高寬比之外，優選的是，在工件的主表面上方的凸起或結構高度h′例如大約為0.1mm或更大，更有選為0.2mm或更大，甚至更有選大約為0.4mm或更大。
在工件70以片材或薄膜形式提供的情況下，它可以有利地用來製造機械緊固件(例如，蘑菇形或鉤形機械緊固件)。如果該工件70用作機械緊固件，則凸起72可以統稱為杆，但是該術語的使用不是用來限制採用本發明製成的工件的使用範圍。
雖然可以由本發明的工具輥和方法生產出的工件優選用作機械緊固件，但是這些工件可以有其它用途，根據本發明的工具輥和使用這些工具輥來製造具有結構表面的工件的方法不應局限於機械緊固件的領域。例如，形成在根據本發明的工件的結構表面上的凸起可以有利於通過例如增加薄膜的表面積來保持粘合劑或其它塗層/材料。由工具輥形成的結構表面也可以用於裝飾目的，例如流動通道，減阻結構、摩擦襯底等。
在圖2-4中所示的模腔30可以沿著其從位於工具輥10的表面處的開口到模腔底部29的深度具有基本上均勻的橫截面面積。圖8為一些類似模腔330的放大平面圖，圖9和10為模腔330分別沿著9-9線和10-10線剖開的剖視圖。這些模腔330沿著其深度d具有大體上直線切向橫截面。切向意味著該橫截面是沿著工具輥310的切線取出的。直線意味著，模腔330在切向橫截面中的形狀由基本上為平面的側面形成。
模腔330的側面327和328平行或者它們可以形成一脫模角，從而側面327和328在模腔330的開口處比在模腔330的底部處分開得更大，或者反之亦然。
本發明的工具輥的一個優點在於能夠精確地控制模腔330的底部329在線320的底部或內表面324的高度h。模腔330的底部329通常將與模腔的端部相對應。
優選的圓柱形基輥312可以精確形成為具有嚴格控制的偏差。該精確偏差與在線320中的嚴格受控的高度尺寸h結合可以形成其從工具輥310的外表面測量出的深度d基本上均勻的模腔330。所能控制的高度尺寸h的公差通常相對較小，並且基輥312的偏差可以得到嚴格控制，從而導致在加工出的工具輥310中的整體嚴格公差控制。
圖11顯示出工具輥410的另一個示例性實施方案，它包括通向工具輥410的外表面的多個模腔430。工具輥410的表面可以設有兩根線420和420′，每根線包括形成在其中的孔隙，並且在纏繞在一起時形成模腔430。工具輥410和工具輥10(參見圖2)之間的一個差別在於，代替具有基本上均勻橫截面的間隔線40，該工具輥410包括兩根都包括形成在其中的孔隙的線。工具輥410的這個設計的一個優點是能夠形成密度更高的模腔430，即降低了模腔430之間的間隔。
雖然優選採用兩根線420和420′來形成所示的工具輥410，但是要理解的是，可以採用三根或更多根線來生產該工具輥410。在還有一個可選方案中，工具輥410可以設有單根線，在該情況中參考標號420和420′可以指代交替的線圈或由相同線形成的線圈。這個實施方案需要在線和基輥的尺寸上進行更嚴格的控制以防止形成在相鄰線圈中的模腔430對準。因為這種控制難以實現，所以優選如上所述一樣採用兩根或多根不同的線。
在製造本發明的工具輥時可以使用的另一個特徵是在纏繞之後在工具輥上加入一鍍層或其它塗層。在例如US6190594(Gorman等人)中披露了這些塗層。在塗層中所採用的材料可以根據所要求的物理性能變化。可能需要的一些物理性能包括但不限於增強耐磨性、受控鬆開特性，受控表面粗糙度、在相鄰線圈之間的粘接等。一些優選材料可以為金屬鍍層、更尤其為化學鍍覆的鎳鍍層、鉻等。
在纏繞線之後最好對工具輥的外表面進行機加工以使成品工具輥的偏差得到改善。機加工可以在如上所述一樣加入任何鍍層或其它塗層之前或之後進行。在優選的線包括形成在線的內緣上方的固定高度處的孔隙(如結合圖2-4所述一樣)的情況下，在纏繞之後對工具輥的外表面進行機加工可以改善模腔深度的均勻性。
還可以最好通過用碳酸氫鈉(小蘇打)或類似材料來噴吹該輥子以除去從例如線衝孔和/或纏繞輥的機加工留下的毛刺。還可以對成品工具輥進行加工以在模腔內和/或在位於模腔之間的工具輥外表面上形成所要求的表面光潔度。例如，最好研磨、化學蝕刻、噴砂、鍍覆、塗覆或以其它方式改變工具輥的表面。
US6190594(Gorman等人)還提供了在與本發明結合使用的線中的孔隙的各種形狀實施例，它們與上述基本上均勻的孔隙不同。根據本發明的工具輥的一個優點在於，孔隙可以形成有不同的形狀和/或取向以提供也具有不同形狀和/或取向的模腔。要理解的是，使用這些模腔中的一些來生產具有所要求的凸起的成品薄膜將依賴於樹脂選擇和工藝條件。
在另一個變型中，根據本發明的工具輥可以包括其中模腔與在US6190594(Gorman等人)中所述的不同的區域。在一個實施例中，一個或多個區域可以設有模腔，同時一個或多個其它區域可以基本上沒有模腔。在另一個實施例中，在不同區域中的模腔可以是不同的。根據本發明的工具輥可以可選地包括其中具有不同模腔的區域，這些模腔不是一致地成形的和/或沒有圍繞著工具輥的圓周面延伸。
雖然上述的線包括基本上為矩形的橫截面(與線的長度相交地獲取)，但是優選採用具有如在US6190594(Gorman等人)中所述的其它橫截面。
圖12顯示出一種用包括有孔隙526的線520和間隔線540纏繞基輥512以形成具有多個模腔530的工具輥510的工藝。要理解的是，必要時可以將兩根以上的線纏繞在一起。最好設置一壓模560，用來將纏繞線520和540周期地擠壓在線纏繞表面550上，從而這些螺旋線圈採取了上述所要求的波形輪廓。壓模560沿著方向563作用並且可以在任意所要求的時間間隔下使用。例如，最好可以在纏繞一個線圈的一小部分之後、在多個線圈之後或者在任意隨機選擇的時刻向線圈施加壓力。另外，也可以採用除了擠壓之外任意合適的手段來將這些線圈保持在所要求的形狀中。例如，優選的是，在擠壓期間周期性地點焊纏繞線，向纏繞線施加粘合劑等。
圖13顯示出這樣一種工藝，其中可以採用根據本發明的工具輥610來形成高高寬比的拓撲薄膜。可以通過例如擠壓模塑或鑄塑成形來將可塑材料660施加到工具輥610的表面上以形成包括作為在工具輥610中的模腔的複製件的凸起672。在優選實施方案中，在從工具輥610脫離時材料660附著到工具輥610上的附著力小於材料660內的內聚力。還優選的是，材料660對工具輥的粘附力不超過用來形成工具輥610的線的拉伸強度。
本發明基本上可以採用任意可塑材料。優選的是，該可塑材料可以為熱塑性樹脂。可以擠壓模塑並且應該可用的熱塑性樹脂包括聚酯例如聚(對苯二甲酸亞乙酯)、聚醯胺例如尼龍、聚(苯乙烯-丙烯腈)、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚烯烴例如聚丙烯和增塑聚氯乙稀。一種優選的熱塑性樹脂為其熔體流動指數為15的由聚丙烯和聚乙烯形成的中密度共聚物，它可以從Union Carbide，Danbury，Connecticut以7C05N購得。該熱塑性樹脂還可以包括共混物例如聚乙烯和聚丙烯共混物、共聚物例如聚丙烯-聚乙烯共聚物或共同擠出為多層或位於交替的區域中。還可以將添加劑例如增塑劑、填充劑、顏料、染料、抗氧化劑、脫模劑等加入到可塑材料中。
在一個優選工藝中，通過擠壓將材料660提供進由工具輥610和支撐輥680形成的間隙中。支撐輥680優選提供一些壓力以幫助將可塑材料660壓進設在工具輥610中的模腔630中(參見圖12)。或者，支撐輥680可以由任意連續運動的表面代替，它可以幫助將模製材料壓進工具輥610中的模腔中。
可以給工具輥610的內部提供真空以幫助除氣，否則這會妨礙將模腔完全填充。但是，在許多情況中，由於模腔內的空氣在用來製造工具輥610的線之間逸出，所以可以不提供真空。換句話說，該工藝可以在沒有真空的情況下進行。
還優選的是，在工具輥610和支撐輥680的任一個或兩個中提供一些熱控制。根據工藝條件、可塑材料660的溫度、可塑材料660的特性等可以加熱這些輥610和680中的一個或兩個、冷卻這些輥610和680中的一個或兩個，或者加熱其中一個輥並且冷卻另一個輥。
在材料660在工具輥610中的模腔內受到擠壓並且已經被充分冷卻以形成具有可以保持所要求的形狀的凸起672的薄膜670之後，將它從工具輥上剝去以便進行進一步加工，或者可以將該薄膜670纏繞成卷。例如，如果需要機械緊固帶，則可以將薄膜674引導進用來改變凸起、塗覆粘合劑並且進行其它加工的工位中，其它加工如在例如US5845375(Miller等人)、US5077870(Melbye等人)、WO98/57565、WO98/57564、WO98/30381和WO98/14086中所述。
優選的是，可以將一種或多種附加材料導入進由工具輥610和支撐輥680形成的間隙中以給薄膜670提供所要求的額外特性。例如，可以將編織或無紡網引導進該間隙中。或者，可以通過例如加熱、粘合劑、共擠出成形等將薄膜670層壓到一個或多個附加層上。
圖14為圖13的設備沿著在圖13中的14-14線剖開的剖視圖。該工具輥610包括由可塑材料填充以在薄膜670上形成凸起672的模腔630。在圖14中還顯示出兩個形成在支撐輥680上的凸起結構682。在所示支撐輥680上的凸起結構682的一個優點在於，每個凸起結構可以形成一弱化線或區域，可以沿著該弱化線或區域使薄膜670分開。但是凸起結構682是可選的，並且不是必須與本發明結合在一起。
可以結合進支撐輥680中的另一個可選特徵是在輥680的表面上增加一些結構以加大其表面積。在支撐輥680上的表面積增加會加大在薄膜670上的表面積，從而提高了設在薄膜670的背面674上的粘合劑的粘合力。可用結構的一個實施例為以每英寸約400線的密度形成的線性稜微壓花圖案。
圖15顯示出採用具有形成在其中的模腔的線纏繞工具輥的另一種工藝。所示的工藝形成具有從其一個側面延伸出的凸起772和從該薄膜770的相反側面延伸出的凸起772′的薄膜770。通過兩個相對的工具輥710和710′形成雙面薄膜770，這兩個工具輥都包括形成在其中的模腔。凸起772和772′可以在尺寸、形狀、取向等方面具有相同的特性，或者它們可以是不同的。
圖16為另一個工具輥810與支撐輥880的界面的放大剖視圖。薄膜870位於兩個輥810和880之間，並且該薄膜870的一個表面形成有一系列形成在其上的基本上連續的脊，這些脊基本上為在工具輥810上的結構的負象。
工具輥810由螺旋纏繞在基輥812上的線820和840形成。線840的輪廓高於另一根線820，從而導致其上在線圈840之間形成有溝槽的工具輥810。雖然線820和840被披露為具有大體上為矩形的輪廓，但是它們可以設有不同的形狀，在該情況種薄膜870也可以形成有與在圖14中所示的形狀不同的形狀。另外，要理解的是，在與圖15所示的類似的工藝中可以使用兩個工具輥來形成在薄膜的兩個主側面上具有結構或凸起的薄膜。
雖然由纏繞在圖16的工具輥810上的線820和840形成的溝槽在輥810的圓周面上是連續的，但是它們也可以是不連續的。圖17為包括有模腔830′的工具輥810′的平面圖，這些模腔圍繞工具輥810′延伸一定程度但是沒有如上面參照圖16所述一樣形成為連續的螺旋溝槽。細長模腔830′可以由如上所述包括形成在其中的孔隙的線形成。但是在用在輥810′中的線中孔隙將在線的長度上延伸更長的距離。
這些細長孔隙可以如在上面的工具輥中所述一樣具有均勻的尺寸和間隔，或者它們可以為非均勻的尺寸和非均勻的間隔。工具輥810′顯示出具有非均勻尺寸和間隔的孔隙的線，該線在纏繞在基輥上時形成尺寸和間隔不均勻的模腔830′。
由輥例如工具輥810′生產出的薄膜將包括如在圖18中所示的細長凸起872′。因為在輥810′中的模腔830′的尺寸和間隔是不均勻的，所以這些細長凸起872′的尺寸和間隔也是不均勻的。
在這裡所引證的所有專利、專利申請和公開出版物其全文在這裡被引用作為參考，就如單獨地結合作為參考一樣。在不脫離本發明的範圍的情況下本領域普通技術人員可以對本發明作出各種改變和變化，但是應該理解的是，本發明並不僅僅局限於在這裡所給出的示例性實施方案。
權利要求
1.一種工具輥，它包括一圓柱形基輥，它包括沿著縱向軸線間隔開的第一和第二端部；第一線，它包括多個形成在其中的第一孔隙，所述第一線以螺旋線圈的形式纏繞在基輥上，其中在所述第一線中的多個第一孔隙形成多個第一空腔，多個第一空腔中的每一個空腔包括位於工具輥的外表面處的開口；其中在第一線和與基輥縱向軸線相交的參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小至少一次。
2.如權利要求1所述的工具輥，其中在所述第一線和參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小兩次或多次。
3.如權利要求1所述的工具輥，其中在所述第一線和參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時以規則的圖案順序增加和減小。
4.如權利要求1所述的工具輥，其中在所述第一線和參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時以不規則的圖案順序增加和減小。
5.如權利要求1所述的工具輥，其中所述第一線圍繞著輥的圓周面形成正弦螺旋圖案。
6.如權利要求1所述的工具輥，還包括纏繞在所述基輥上的第二線，其中所述第二線位於第一線的相鄰螺旋線圈之間。
7.如權利要求6所述的工具輥，其中所述第二線包括兩個相對的側壁、面對著基輥的內緣和從基輥面向外的外緣，而且其中所述兩個相對側壁中的至少一個包括一表面紋路。
8.如權利要求1所述的工具輥，還包括位於基輥的第一端部附近的線纏繞表面，其中所述第一線與第一線纏繞表面的輪廓相配。
9.如權利要求1所述的工具輥，其中所述第一線包括兩個相對側壁、面對著所述基輥的內緣和從基輥面向外的外緣，而且其中兩個相對側壁中的至少一個包括一表面紋路。
10.一種工具輥，它包括一圓柱形基輥，它包括沿著縱向軸線間隔開的第一和第二端部；第一線，它包括多個形成在其中的第一孔隙，所述第一線以螺旋線圈的形式纏繞在基輥上；纏繞在基輥上的第二線，其中所述第二線位於第一線的相鄰螺旋線圈之間，其中第二線和在第一線中的多個第一孔隙形成多個第一空腔，多個第一空腔中的每一個空腔包括位於工具輥的外表面處的開口；並且其中在第一線和與基輥縱向軸線相交的參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小至少一次。
11.如權利要求10所述的工具輥，其中在所述第一線和參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小兩次或多次。
12.如權利要求10所述的工具輥，其中在所述第一線和參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時以規則的圖案順序增加和減小。
13.如權利要求10所述的工具輥，其中在所述第一線和參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時以不規則的圖案順序增加和減小。
14.如權利要求10所述的工具輥，其中所述第一線圍繞著輥的圓周面形成正弦螺旋圖案。
15.如權利要求10所述的工具輥，其中所述第一線包括兩個相對側壁、面對著所述基輥的內緣和從基輥面向外的外緣，而且其中兩個相對側壁中的至少一個包括一表面紋路。
16.如權利要求10所述的工具輥，其中所述第二線包括兩個相對側壁、面對著所述基輥的內緣和從基輥面向外的外緣，而且其中兩個相對側壁中的至少一個包括一表面紋路。
17.一種在工件上形成結構表面的方法，該方法包括提供一種工具輥，它包括一圓柱形基輥，它包括沿著縱向軸線間隔開的第一和第二端部；第一線，它包括多個形成在其中的第一孔隙，所述第一線以螺旋線圈的形式纏繞在基輥上，其中在所述第一線中的多個第一孔隙形成多個第一空腔，多個第一空腔中的每一個空腔包括位於工具輥的外表面處的開口，其中在第一線和與基輥縱向軸線相交的參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小至少一次；使可塑材料與工具輥的外表面接觸以利用工具輥的外表面形成結構表面，所述可塑材料至少部分地填充了至少一些第一空腔；並且將結構表面從工具輥的外表面中除去，其中該結構表面包括與多個第一空腔相對應的多個凸起。
18.如權利要求17所述的方法，其中在所述第一線和參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小兩次或多次。
19.如權利要求17所述的方法，其中在所述第一線和參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時以規則的圖案順序增加和減小。
20.如權利要求17所述的方法，其中在所述第一線和參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時以不規則的圖案順序增加和減小。
21.如權利要求17所述的方法，其中所述第一線圍繞著輥的圓周面形成正弦螺旋圖案。
22.一種在工件上形成結構表面的方法，該方法包括提供一種工具輥，它包括一圓柱形基輥，它包括沿著縱向軸線間隔開的第一和第二端部；第一線，它以螺旋線圈的形式纏繞在基輥上，其中在第一線和與基輥縱向軸線相交的參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小至少一次；第二線，它以螺旋線圈的形式纏繞在基輥上，其中所述第二線位於第一線的相鄰螺旋線圈之間，並且其中第一和第二線的螺旋線圈沿著縱向軸線交替，並且其中第一線在基輥上方的高度小於第二線在基輥上方的高度，由此在工具輥的外表面上形成螺旋溝槽，該螺旋溝槽與第一線的形狀相配；使可塑材料與工具輥的外表面接觸以利用工具輥的外表面在工件上形成結構表面，所述可塑材料至少部分地填充了由第一和第二線形成的螺旋溝槽的至少一部分；並且將結構表面從工具輥除去，其中該結構表面包括一系列脊。
23.如權利要求22所述的方法，其中所述螺旋溝槽圍繞並沿著工具輥的外表面基本上是連續的。
24.如權利要求22所述的方法，其中在所述第一線和參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小兩次或多次。
25.如權利要求22所述的方法，其中在所述第一線和參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時以規則的圖案順序增加和減小。
26.如權利要求22所述的方法，其中在所述第一線和參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時以不規則的圖案順序增加和減小。
27.如權利要求22所述的方法，其中所述第一線圍繞著輥的圓周面形成正弦螺旋圖案。
全文摘要
披露了工具輥和使用這些工具輥來製造具有一個或多個結構表面的方法。工具輥包括一外表面，該外表面在與具有適當粘度或可成形性的材料結合使用時可以在工件上形成一結構表面。因為這些工具輥製成為輥子形式，所以它們可以有利地用在連續製造工藝中。或者，可以採用工具輥來加工不連續的工件。這些工具輥由圓柱形基輥構成，並且以變化的波形螺旋圖案纏繞有一根或多根連續的線。變化的螺旋圖案導致在第一線和與基輥的縱向軸線相交的參考面之間的距離在圍繞著基輥的圓周面沿著一個方向運動時順序增加和減小至少一次。這些線大體上用來在工具輥上形成一結構表面，該結構表面是形成在採用工具輥加工出的工件上的結構表面的負象。纏繞在基輥上的一根或多根線可以包括多個形成在其中的孔隙，這些孔隙在纏繞在基輥上時在工具輥的外表面上形成多個模腔。或者，可以採用一根或多根線的螺旋圖案來形成連續螺旋結構表面例如螺旋溝槽。
文檔編號B29C59/04GK1604839SQ02825438
公開日2005年4月6日 申請日期2002年10月14日 優先權日2001年12月18日
發明者麥可·R·戈爾曼, 託馬斯·R·拉裡伯特 申請人:3M創新有限公司