柔性复合材料的三维制品的制作方法
【专利说明】
[0001] 发明人：R · J ·唐斯、C · M ·亚当斯、和J · M ·霍尔韦格
[0002] 相关申请的夺叉引用
[0003] 本申请要求2012年11月9日提交的美国临时专利申请系列号61/724, 375,2013 年3月13日提交的美国临时专利申请系列号61/780, 312,和2013年3月15日提交的美国 临时专利申请系列号61/800, 452的优先权，所述申请以引用的方式全部并入本文。
技术领域
[0004] 本公开涉及用于从柔性复合材料制备三维制品的系统和方法。例如，本公开涉及 基于柔性复合材料制备三维成形制品的系统和方法，所述三维成形制品用于气囊/可充气 结构、包、鞋以及类似的三维制品。
【背景技术】
[0005] 关于织物相关产品，特别是关于例如衣物和鞋、露营和徒步织料、舒适护甲、保护 充气物等的织物相关产品，在优化性质（例如重量、刚性、渗透性、防水能力、透气性、颜色、 模制能力、成本、可定制性、柔性、包装能力等）的各种组合方面一直存在困难。
[0006] 例如，目前的市场趋势发现汽车气囊技术扩展至许多新应用，包括航空器、大客车 和火车/高速轨道系统，并且在运动、摩托车、赛车或军事应用中用于人体的头部和颈部支 撑。同样的技术已应用于紧急漂浮系统和其它商业漂浮系统、紧急漂浮背心和紧急漂浮装 置、雪崩保护、油&化学试剂溢出控制、用于户外应用的储水囊、背包、帐篷和一般储存系 统。气囊技术的趋势是重视开发耐冲击和耐穿孔的极为轻质、细薄、高强度、耐压密封的封 皮。
[0007] 对于许多体育运动，参与者的可佩带装备的重量和强度具有同样的重要性。在运 动鞋和旅游鞋的情况下特别如此，在该情况下的关键目的是提供尽可能轻质的鞋类，但是 所述鞋类同时维持必要的生物力学结构支撑性质。
[0008] 出于至少这些原因，开发具有减少的重量和所需的结构性能的新型合算的织物相 关制品以及制造织物相关制品的新型系统和方法会是非常有益的。
【发明内容】
[0009] 在本公开的各个方面，公开了用于从各种柔性复合材料制备三维制品的系统和方 法。
[0010] 在本公开的各个方面，提供了改进的单丝相关产品、方法和装备，连同用于从柔性 复合材料制备三维制品的系统。
[0011] 在本公开的各个方面，描述了使用本文教导和呈现的技术和实用艺术设计和制造 织物相关产品的系统。
[0012] 在本公开的各个方面，公开了有效控制织物相关产品的性质的改进，所述性质包 括但不限于：重量、刚性、渗透性、防水能力、透气性、颜色、模制能力、成本、可定制性、柔性、 包装能力等，包括这些性质的希望组合。
[0013] 在本公开的各个方面，公开了基于柔性复合材料制造三维成形制品的方法，所述 三维成形制品可用于气囊、一般可充气结构、包、鞋以及类似的三维制品。
[0014] 在本公开的各个方面，制造系统在织物相关产品上的希望位置处提供微调以及刚 性、柔性和弹性性质的定向控制。
[0015] 在本公开的各个方面，织物相关产品组合了极端轻质重量和极端强度。
【附图说明】
[0016] 附图用于进一步理解本公开并且并入本说明书并且构成本说明书的一部分，显示 了本公开的实施方案，并且连同说明书用于解释本公开的原理，其中：
[0017] 图1显示了根据本公开的各个实施方案的邻近常规纺织材料的细薄设计的柔性 复合材料的侧视图；
[0018] 图2显示了根据本公开的各个实施方案的三维柔性复合制品的立体图；
[0019] 图3显示了根据本公开的各个实施方案的用于制备三维制品的工具和模制装置 的截面图；
[0020] 图4显示了根据本公开的各个实施方案的用于制备优选制品的替代性优选工具 和模制装置的截面图；
[0021] 图5显示了根据本公开的各个实施方案的图4的优选工具和模制装置的截面图；
[0022] 图6显示了通过根据本公开的各个实施方案的图4的优选工具和模制装置制备的 制品的截面图；
[0023] 图7a、7b和7c显示了示意图，所述示意图大体显示了根据本公开的各个实施方案 的用于制备优选柔性复合制品的替代性优选步骤、工具和模制装置；
[0024] 图8显示了立体图，所述立体图图解地显示了根据本公开的各个实施方案的柔性 复合制品，所述柔性复合制品包括用于附接点、通孔的整体结构增强件，和用于增强的承载 能力的增强条带；
[0025] 图9显示了截面图，所述截面图图解地显示了根据本公开的各个实施方案的替代 性柔性复合材料，所述柔性复合材料由两根或多根单丝、纤维或使用包括不同纤维的交替 单带的丝束制成；
[0026] 图10显示了截面图，所述截面图图解地显示了根据本公开的各个实施方案的替 代性柔性复合材料，所述柔性复合材料由两根或多根单丝、纤维或使用包括不同纤维的交 替单带的丝束制成；
[0027] 图11显示了立体图，所述立体图图解地显示了根据本公开的各个实施方案的复 合鞋帮；
[0028] 图12A显示了侧视图，所述侧视图图解地显示了根据本公开的各个实施方案的设 计的复合鞋帮；
[0029] 图12B显示了侧视图，所述侧视图图解地显示了根据本公开的各个实施方案的设 计的复合鞋帮；
[0030] 图13显示了局部分解的图，所述图显示了根据本公开的各个实施方案的与图11 的复合鞋帮的构造一致的优选复合构造；
[0031] 图14大体示出了根据本公开的各个实施方案的制备模块化设计的复合鞋帮的优 选方法的图，所述复合鞋帮可用于多种鞋应用；
[0032] 图15大体示出了根据本公开的各个实施方案的制备图11的复合鞋帮的一个优选 方法的图；
[0033] 图16大体示出了根据本公开的各个实施方案的用于制备图11的复合鞋帮的一系 列初始制造步骤的图；
[0034] 图17显示了平面图，所述平面图图解地显示了根据本公开的各个实施方案的能 够形成复合鞋帮的平面复合组件；
[0035] 图18大体示出了根据本公开的各个实施方案的用于制备图11的复合鞋帮的一系 列后续制造步骤的图；
[0036] 图19显示了示意图，所述示意图一般显示了根据本公开的各个实施方案的用于 制备图11的复合鞋帮的第一固结和固化方法；
[0037] 图20显示了示意图，所述示意图一般显示了根据本公开的各个实施方案的用于 制备图11的复合鞋帮的第二固结和固化方法；
[0038] 图21大体示出了根据本公开的各个实施方案的向图11的复合鞋帮施加精整组件 的一个示例性方法的图；
[0039] 图22大体示出了根据本公开的各个实施方案的向图11的复合鞋帮施加精整组件 的替代性示例性方法的图；
[0040] 图23大体示出了根据本公开的各个实施方案的向图11的复合鞋帮施加精整组件 的替代性示例性方法的图；
[0041] 图24显示了根据本公开的各个实施方案的由刚化形状记忆聚合物（SMP)形成的 管的实施方案；
[0042] 图25显示了根据本公开的各个实施方案的在阴模内进一步成形的SMP管；
[0043] 图26显示了根据本公开的各个实施方案将纤维丝束施加至刚化成形工具；
[0044] 图27显示了根据本公开的各个实施方案的超塑性成形类型系统的实施方案；
[0045] 图28显示了根据本公开的各个实施方案将单带层和其它结构元件逐层铺设在阳 模工具上的一个实施方案；和
[0046] 图29显示了根据本公开的各个实施方案将单带层和其它结构元件逐层铺设在阳 模工具上的另一个实施方案。
【具体实施方式】
[0047] 如下描述仅针对各个示例性实施方案并且不旨在以任何方式限制本公开的范围、 适用性或构造。更确切地说，如下描述旨在提供实施各个实施方案（包括最佳模式）的方 便的说明。正如显然的，可以对这些实施方案中描述的元件的功能和布置进行各种改变而 不偏尚本公开的原理。
[0048] 正如本文中更详细描述的，本公开的各个实施方案一般包括层压件，所述层压件 中包括增强元件，所述增强元件包括至少一个其中具有单丝的单向带，所有这些单丝以预 定方向铺设在带内，其中所述单丝具有小于40微米的直径，并且其中在邻接加强单丝组内 的独立单丝之间的间隔为相邻邻近单丝或者在非相邻单丝之间范围内的间隙距离内，所述 间隙距离至多为单丝外径的五十倍。在各个实施方案中，在非相邻单丝之间范围内的间隙 距离可以至多为单丝外径的九倍。
[0049] 在根据本公开的层压件的各个实施方案中，由一束大量单丝组成的丝束由多个单 丝丝束挤制、拉制（pull-truded)或转化成薄的平面单带（unitape)，所述平面单带由多个 基本上平行定向的单丝组成，所述单丝具有预定的厚度、纤维表面密度、树脂基质涂布或埋 置规格从而满足来自计算机结构分析的设计规格或先前存在的规格。此外，增强元件可以 包括至少两个所述单向带，每根单向带中具有挤制的单丝，所有这些单丝以预定方向铺设 在带内，其中所述单丝具有小于40微米的直径，并且其中在邻接加强单丝组内的独立单丝 之间的间隔为相邻邻近单丝或者在非相邻单丝之间范围内的间隙距离内，所述间隙距离至 多为单丝外径的五十倍。在各个实施方案中，在非相邻单丝之间范围内的间隙距离可以至 多为单丝外径的九倍。在各个实施方案中，单向带包括更大的面积而没有任何单丝，并且其 中所述更大的面积包括层状覆盖物，所述层状覆盖物包括更小的面积而没有单丝。
[0050] 所使用的特定单带的规格可以具有不同的纤维表面密度、树脂规格、铺展规格、层 厚度、纤维类型，并且可以包括两个或多个纤维的不同共混物。
[0051] 在根据本公开的层压件的各个实施方案中，更小的面积包括使用者计划的布置。 在各个实施方案中，层压件进一步包括一组水-透气或防水/透气（W/B)元件，所述元件包 括所述更小面积的层状覆盖物。此外，层压件可以包括一组其它层状覆盖物。此外，根据本 公开的层压件可以包括所述至少两个单向带的第一者，所述第一者包括以与所述至少两个 单向带的第二者不同的预定方向铺设的单丝。
[0052] 在本公开的各个实施方案中，所述至少两个单向带的不同的预定方向的组合由使 用者选择从而实现具有规划方向的刚性/柔性的层压件性质。同样在各个实施方案中，层 压件可以包括三维成形的柔性复合部件。在各个实施方案中，三维成形的柔性复合部件包 括多个层压件部段，所述层压件部段沿着周边接缝附接。在各个实施方案中，三维成形的柔 性复合部件包括至少一个层压件部段，所述层压件部段沿着周边接缝附接至至少一个非层 压件部段。在各个实施方案中，所述产品可以包括多个层压件部段，所述层压件部段沿着区 域接缝附接。
[0053] 在本公开的各个实施方案中，织物相关产品包括至少一个层压件部段，所述层压 件部段沿着区域接缝附接至至少一个非层压件部段。所述产品可以包括至少一个层压件部 段，所述层压件部段沿着区域接缝附接至至少一个单带部段。此外，所述产品可以包括至少 一个层压件部段，所述层压件部段沿着区域接缝附接至至少一个单丝部段。在各个实施方 案中，所述产品可以进一步包括至少一个刚性元件。在本公开的各个实施方案中，至少一个 单向带附接至所述产品。
[0054] 在本公开的各个实施方案中，制备三维成形的柔性复合部件的方法包括如下步 骤：提供至少一个阳模和至少一个具有相容构造的阴模；在所述至少一个阳模上施加至少 一个第一纤维增强基布（scrim)，所述第一纤维增强基布包括两个或多个以不同定向设置 的单向纤维的层；在所述至少一个阳模和所述至少一个第一纤维增强基布上任选施加至少 一个第二纤维增强基布，所述第二纤维增强基布包括两个或多个以不同定向设置的单向纤 维的层；在所述至少一个阳模、所述至少一个第一纤维增强基布和所述第二纤维增强基布 上任选施加至少一个第一表面层从而形成第一复合铺叠物（layup);从所述至少一个阳模 除去所述第一复合铺叠物并且以反向构造将所述第一复合铺叠物放置在所述至少一个阴 模内；通过向所述至少一个阳模施加至少一个离型内衬从而任选使用离型内衬；从所述至 少一个阳模除去所述至少一个离型内衬并且以反向构造将所述离型内衬放置在所