柔性復(fù)合材料的三維制品的制作方法
【專利說明】
[0001] 發(fā)明人：R · J ·唐斯、C · M ·亞當(dāng)斯、和J · M ·霍爾韋格
[0002] 相關(guān)申請的奪叉引用
[0003] 本申請要求2012年11月9日提交的美國臨時(shí)專利申請系列號61/724, 375,2013 年3月13日提交的美國臨時(shí)專利申請系列號61/780, 312,和2013年3月15日提交的美國 臨時(shí)專利申請系列號61/800, 452的優(yōu)先權(quán)，所述申請以引用的方式全部并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本公開涉及用于從柔性復(fù)合材料制備三維制品的系統(tǒng)和方法。例如，本公開涉及 基于柔性復(fù)合材料制備三維成形制品的系統(tǒng)和方法，所述三維成形制品用于氣囊/可充氣 結(jié)構(gòu)、包、鞋以及類似的三維制品。
【背景技術(shù)】
[0005] 關(guān)于織物相關(guān)產(chǎn)品，特別是關(guān)于例如衣物和鞋、露營和徒步織料、舒適護(hù)甲、保護(hù) 充氣物等的織物相關(guān)產(chǎn)品，在優(yōu)化性質(zhì)（例如重量、剛性、滲透性、防水能力、透氣性、顏色、 模制能力、成本、可定制性、柔性、包裝能力等）的各種組合方面一直存在困難。
[0006] 例如，目前的市場趨勢發(fā)現(xiàn)汽車氣囊技術(shù)擴(kuò)展至許多新應(yīng)用，包括航空器、大客車 和火車/高速軌道系統(tǒng)，并且在運(yùn)動、摩托車、賽車或軍事應(yīng)用中用于人體的頭部和頸部支 撐。同樣的技術(shù)已應(yīng)用于緊急漂浮系統(tǒng)和其它商業(yè)漂浮系統(tǒng)、緊急漂浮背心和緊急漂浮裝 置、雪崩保護(hù)、油&化學(xué)試劑溢出控制、用于戶外應(yīng)用的儲水囊、背包、帳篷和一般儲存系 統(tǒng)。氣囊技術(shù)的趨勢是重視開發(fā)耐沖擊和耐穿孔的極為輕質(zhì)、細(xì)薄、高強(qiáng)度、耐壓密封的封 皮。
[0007] 對于許多體育運(yùn)動，參與者的可佩帶裝備的重量和強(qiáng)度具有同樣的重要性。在運(yùn) 動鞋和旅游鞋的情況下特別如此，在該情況下的關(guān)鍵目的是提供盡可能輕質(zhì)的鞋類，但是 所述鞋類同時(shí)維持必要的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)支撐性質(zhì)。
[0008] 出于至少這些原因，開發(fā)具有減少的重量和所需的結(jié)構(gòu)性能的新型合算的織物相 關(guān)制品以及制造織物相關(guān)制品的新型系統(tǒng)和方法會是非常有益的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 在本公開的各個(gè)方面，公開了用于從各種柔性復(fù)合材料制備三維制品的系統(tǒng)和方 法。
[0010] 在本公開的各個(gè)方面，提供了改進(jìn)的單絲相關(guān)產(chǎn)品、方法和裝備，連同用于從柔性 復(fù)合材料制備三維制品的系統(tǒng)。
[0011] 在本公開的各個(gè)方面，描述了使用本文教導(dǎo)和呈現(xiàn)的技術(shù)和實(shí)用藝術(shù)設(shè)計(jì)和制造 織物相關(guān)產(chǎn)品的系統(tǒng)。
[0012] 在本公開的各個(gè)方面，公開了有效控制織物相關(guān)產(chǎn)品的性質(zhì)的改進(jìn)，所述性質(zhì)包 括但不限于：重量、剛性、滲透性、防水能力、透氣性、顏色、模制能力、成本、可定制性、柔性、 包裝能力等，包括這些性質(zhì)的希望組合。
[0013] 在本公開的各個(gè)方面，公開了基于柔性復(fù)合材料制造三維成形制品的方法，所述 三維成形制品可用于氣囊、一般可充氣結(jié)構(gòu)、包、鞋以及類似的三維制品。
[0014] 在本公開的各個(gè)方面，制造系統(tǒng)在織物相關(guān)產(chǎn)品上的希望位置處提供微調(diào)以及剛 性、柔性和彈性性質(zhì)的定向控制。
[0015] 在本公開的各個(gè)方面，織物相關(guān)產(chǎn)品組合了極端輕質(zhì)重量和極端強(qiáng)度。
【附圖說明】
[0016] 附圖用于進(jìn)一步理解本公開并且并入本說明書并且構(gòu)成本說明書的一部分，顯示 了本公開的實(shí)施方案，并且連同說明書用于解釋本公開的原理，其中：
[0017] 圖1顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的鄰近常規(guī)紡織材料的細(xì)薄設(shè)計(jì)的柔性 復(fù)合材料的側(cè)視圖；
[0018] 圖2顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的三維柔性復(fù)合制品的立體圖；
[0019] 圖3顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的用于制備三維制品的工具和模制裝置 的截面圖；
[0020] 圖4顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的用于制備優(yōu)選制品的替代性優(yōu)選工具 和模制裝置的截面圖；
[0021] 圖5顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的圖4的優(yōu)選工具和模制裝置的截面圖；
[0022] 圖6顯示了通過根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的圖4的優(yōu)選工具和模制裝置制備的 制品的截面圖；
[0023] 圖7a、7b和7c顯示了示意圖，所述示意圖大體顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案 的用于制備優(yōu)選柔性復(fù)合制品的替代性優(yōu)選步驟、工具和模制裝置；
[0024] 圖8顯示了立體圖，所述立體圖圖解地顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的柔性 復(fù)合制品，所述柔性復(fù)合制品包括用于附接點(diǎn)、通孔的整體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)件，和用于增強(qiáng)的承載 能力的增強(qiáng)條帶；
[0025] 圖9顯示了截面圖，所述截面圖圖解地顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的替代 性柔性復(fù)合材料，所述柔性復(fù)合材料由兩根或多根單絲、纖維或使用包括不同纖維的交替 單帶的絲束制成；
[0026] 圖10顯示了截面圖，所述截面圖圖解地顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的替 代性柔性復(fù)合材料，所述柔性復(fù)合材料由兩根或多根單絲、纖維或使用包括不同纖維的交 替單帶的絲束制成；
[0027] 圖11顯示了立體圖，所述立體圖圖解地顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的復(fù) 合鞋幫；
[0028] 圖12A顯示了側(cè)視圖，所述側(cè)視圖圖解地顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的設(shè) 計(jì)的復(fù)合鞋幫；
[0029] 圖12B顯示了側(cè)視圖，所述側(cè)視圖圖解地顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的設(shè) 計(jì)的復(fù)合鞋幫；
[0030] 圖13顯示了局部分解的圖，所述圖顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的與圖11 的復(fù)合鞋幫的構(gòu)造一致的優(yōu)選復(fù)合構(gòu)造；
[0031] 圖14大體示出了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的制備模塊化設(shè)計(jì)的復(fù)合鞋幫的優(yōu) 選方法的圖，所述復(fù)合鞋幫可用于多種鞋應(yīng)用；
[0032] 圖15大體示出了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的制備圖11的復(fù)合鞋幫的一個(gè)優(yōu)選 方法的圖；
[0033] 圖16大體示出了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的用于制備圖11的復(fù)合鞋幫的一系 列初始制造步驟的圖；
[0034] 圖17顯示了平面圖，所述平面圖圖解地顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的能 夠形成復(fù)合鞋幫的平面復(fù)合組件；
[0035] 圖18大體示出了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的用于制備圖11的復(fù)合鞋幫的一系 列后續(xù)制造步驟的圖；
[0036] 圖19顯示了示意圖，所述示意圖一般顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的用于 制備圖11的復(fù)合鞋幫的第一固結(jié)和固化方法；
[0037] 圖20顯示了示意圖，所述示意圖一般顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的用于 制備圖11的復(fù)合鞋幫的第二固結(jié)和固化方法；
[0038] 圖21大體示出了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的向圖11的復(fù)合鞋幫施加精整組件 的一個(gè)示例性方法的圖；
[0039] 圖22大體示出了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的向圖11的復(fù)合鞋幫施加精整組件 的替代性示例性方法的圖；
[0040] 圖23大體示出了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的向圖11的復(fù)合鞋幫施加精整組件 的替代性示例性方法的圖；
[0041] 圖24顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的由剛化形狀記憶聚合物（SMP)形成的 管的實(shí)施方案；
[0042] 圖25顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的在陰模內(nèi)進(jìn)一步成形的SMP管；
[0043] 圖26顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案將纖維絲束施加至剛化成形工具；
[0044] 圖27顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案的超塑性成形類型系統(tǒng)的實(shí)施方案；
[0045] 圖28顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案將單帶層和其它結(jié)構(gòu)元件逐層鋪設(shè)在陽 模工具上的一個(gè)實(shí)施方案；和
[0046] 圖29顯示了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施方案將單帶層和其它結(jié)構(gòu)元件逐層鋪設(shè)在陽 模工具上的另一個(gè)實(shí)施方案。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 如下描述僅針對各個(gè)示例性實(shí)施方案并且不旨在以任何方式限制本公開的范圍、 適用性或構(gòu)造。更確切地說，如下描述旨在提供實(shí)施各個(gè)實(shí)施方案（包括最佳模式）的方 便的說明。正如顯然的，可以對這些實(shí)施方案中描述的元件的功能和布置進(jìn)行各種改變而 不偏尚本公開的原理。
[0048] 正如本文中更詳細(xì)描述的，本公開的各個(gè)實(shí)施方案一般包括層壓件，所述層壓件 中包括增強(qiáng)元件，所述增強(qiáng)元件包括至少一個(gè)其中具有單絲的單向帶，所有這些單絲以預(yù) 定方向鋪設(shè)在帶內(nèi)，其中所述單絲具有小于40微米的直徑，并且其中在鄰接加強(qiáng)單絲組內(nèi) 的獨(dú)立單絲之間的間隔為相鄰鄰近單絲或者在非相鄰單絲之間范圍內(nèi)的間隙距離內(nèi)，所述 間隙距離至多為單絲外徑的五十倍。在各個(gè)實(shí)施方案中，在非相鄰單絲之間范圍內(nèi)的間隙 距離可以至多為單絲外徑的九倍。
[0049] 在根據(jù)本公開的層壓件的各個(gè)實(shí)施方案中，由一束大量單絲組成的絲束由多個(gè)單 絲絲束擠制、拉制（pull-truded)或轉(zhuǎn)化成薄的平面單帶（unitape)，所述平面單帶由多個(gè) 基本上平行定向的單絲組成，所述單絲具有預(yù)定的厚度、纖維表面密度、樹脂基質(zhì)涂布或埋 置規(guī)格從而滿足來自計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)分析的設(shè)計(jì)規(guī)格或先前存在的規(guī)格。此外，增強(qiáng)元件可以 包括至少兩個(gè)所述單向帶，每根單向帶中具有擠制的單絲，所有這些單絲以預(yù)定方向鋪設(shè) 在帶內(nèi)，其中所述單絲具有小于40微米的直徑，并且其中在鄰接加強(qiáng)單絲組內(nèi)的獨(dú)立單絲 之間的間隔為相鄰鄰近單絲或者在非相鄰單絲之間范圍內(nèi)的間隙距離內(nèi)，所述間隙距離至 多為單絲外徑的五十倍。在各個(gè)實(shí)施方案中，在非相鄰單絲之間范圍內(nèi)的間隙距離可以至 多為單絲外徑的九倍。在各個(gè)實(shí)施方案中，單向帶包括更大的面積而沒有任何單絲，并且其 中所述更大的面積包括層狀覆蓋物，所述層狀覆蓋物包括更小的面積而沒有單絲。
[0050] 所使用的特定單帶的規(guī)格可以具有不同的纖維表面密度、樹脂規(guī)格、鋪展規(guī)格、層 厚度、纖維類型，并且可以包括兩個(gè)或多個(gè)纖維的不同共混物。
[0051] 在根據(jù)本公開的層壓件的各個(gè)實(shí)施方案中，更小的面積包括使用者計(jì)劃的布置。 在各個(gè)實(shí)施方案中，層壓件進(jìn)一步包括一組水-透氣或防水/透氣（W/B)元件，所述元件包 括所述更小面積的層狀覆蓋物。此外，層壓件可以包括一組其它層狀覆蓋物。此外，根據(jù)本 公開的層壓件可以包括所述至少兩個(gè)單向帶的第一者，所述第一者包括以與所述至少兩個(gè) 單向帶的第二者不同的預(yù)定方向鋪設(shè)的單絲。
[0052] 在本公開的各個(gè)實(shí)施方案中，所述至少兩個(gè)單向帶的不同的預(yù)定方向的組合由使 用者選擇從而實(shí)現(xiàn)具有規(guī)劃方向的剛性/柔性的層壓件性質(zhì)。同樣在各個(gè)實(shí)施方案中，層 壓件可以包括三維成形的柔性復(fù)合部件。在各個(gè)實(shí)施方案中，三維成形的柔性復(fù)合部件包 括多個(gè)層壓件部段，所述層壓件部段沿著周邊接縫附接。在各個(gè)實(shí)施方案中，三維成形的柔 性復(fù)合部件包括至少一個(gè)層壓件部段，所述層壓件部段沿著周邊接縫附接至至少一個(gè)非層 壓件部段。在各個(gè)實(shí)施方案中，所述產(chǎn)品可以包括多個(gè)層壓件部段，所述層壓件部段沿著區(qū) 域接縫附接。
[0053] 在本公開的各個(gè)實(shí)施方案中，織物相關(guān)產(chǎn)品包括至少一個(gè)層壓件部段，所述層壓 件部段沿著區(qū)域接縫附接至至少一個(gè)非層壓件部段。所述產(chǎn)品可以包括至少一個(gè)層壓件部 段，所述層壓件部段沿著區(qū)域接縫附接至至少一個(gè)單帶部段。此外，所述產(chǎn)品可以包括至少 一個(gè)層壓件部段，所述層壓件部段沿著區(qū)域接縫附接至至少一個(gè)單絲部段。在各個(gè)實(shí)施方 案中，所述產(chǎn)品可以進(jìn)一步包括至少一個(gè)剛性元件。在本公開的各個(gè)實(shí)施方案中，至少一個(gè) 單向帶附接至所述產(chǎn)品。
[0054] 在本公開的各個(gè)實(shí)施方案中，制備三維成形的柔性復(fù)合部件的方法包括如下步 驟：提供至少一個(gè)陽模和至少一個(gè)具有相容構(gòu)造的陰模；在所述至少一個(gè)陽模上施加至少 一個(gè)第一纖維增強(qiáng)基布（scrim)，所述第一纖維增強(qiáng)基布包括兩個(gè)或多個(gè)以不同定向設(shè)置 的單向纖維的層；在所述至少一個(gè)陽模和所述至少一個(gè)第一纖維增強(qiáng)基布上任選施加至少 一個(gè)第二纖維增強(qiáng)基布，所述第二纖維增強(qiáng)基布包括兩個(gè)或多個(gè)以不同定向設(shè)置的單向纖 維的層；在所述至少一個(gè)陽模、所述至少一個(gè)第一纖維增強(qiáng)基布和所述第二纖維增強(qiáng)基布 上任選施加至少一個(gè)第一表面層從而形成第一復(fù)合鋪疊物（layup);從所述至少一個(gè)陽模 除去所述第一復(fù)合鋪疊物并且以反向構(gòu)造將所述第一復(fù)合鋪疊物放置在所述至少一個(gè)陰 模內(nèi)；通過向所述至少一個(gè)陽模施加至少一個(gè)離型內(nèi)襯從而任選使用離型內(nèi)襯；從所述至 少一個(gè)陽模除去所述至少一個(gè)離型內(nèi)襯并且以反向構(gòu)造將所述離型內(nèi)襯放置在所