制造成型塑料加強合成制品的裝置和方法

專利名稱：制造成型塑料加強合成制品的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及成型塑料合成制品的制造，且尤其涉及三維成型塑料合成制品的制造，該制品包括基本上由熱塑性延伸部件(elongated member)組成的中間形態(intermediate form)。
背景技術：
在從大致平面的塑料板形成塑料制品的成型中，例如通過真空成型，或熱成型，通常期望但難以控制整個所獲得成型制品的壁厚，特別是由于板中不均勻流動的結果。
在由具有重復結構單元，例如從塑料帶編成的織物的中間形態制成的三維制品的成型中，壁厚變化的可能性進一步提高。特別是以松散的形態，例如從塑料帶織成的織物，來控制所期望產生的壁厚的能力是復雜的，這不僅僅是由于各自帶有局部變薄的可能性，而且是由于相鄰帶在變形過程中相對彼此運動，并導致不可控制的帶間隔，這會在成型制品中影響所產生表面的光潔度，特性，或者同時影響二者。
本發明的一個目的是提供一種用于保持中間形態(特別是包括多個延伸部件的中間形態)的機構和方法，使得該形態的受控變形在向其施加壓力時產生。

發明內容
本發明涉及一種用于形成成型三維制品的方法，其包括形成中間形態的步驟，該中間形態包括初始地相對于彼此可運動的多個熱塑性延伸部件，同時在變形過程中可移動地夾緊中間形態(即，以這樣的方式夾緊中間形態，使得當施加用于變形中間形態的力時，中間形態相對于執行夾緊功能的結構在預定極限內(例如，橫向滑動距離直到變形中間形態總拉伸深度的大約20％，40％，60％或更高)自由運動)；并至少部分固化中間形態的熱塑性延伸部件，用于形成具有預定取向(orientation)延伸部件的三維制品。本發明還涉及一種用于形成成型三維制品的裝置，其構造成允許中間形態在變形過程中進行移動(即，橫向滑動)。
本發明的方法和裝置提供一種獨特的方案，以在塑料中間形態，特別是由熱塑性帶制成的中間形態內的平衡流動。


圖1A是表示用于成型中間形態的裝置的俯視圖。
圖1B-1D表示采用圖1A裝置的步驟。
圖1E是另一種用于成型中間形態的裝置。
圖2是用于本發明的安裝框架一個例子的透視圖。
圖3A和3B是根據本發明使用的工具組件的側視截面圖，其分別處于敞開開始位置和變形操作過程中。
圖4A和4B是根據本發明使用的可選擇的次級工具組件的側視截面圖，其分別處于敞開開始位置和變形操作過程中。
圖5是用于攜帶根據本發明的工具組件的裝置一個例子的透視圖。
具體實施例方式
本發明致力于發現一種獨特的三維制品制造方法，特別是用于制造制品的至少部分加強(consolidated)的三維中間形態，例如適于結合入成型合成物的中間形態，該成形合成物包括諸如聚合物(且更具體地是熱塑性聚合物)加強材料的中間形態。本發明，雖然在一方面提供改進的制造方法，還提供由該方法制造的制品，以及該方法中使用的機器。根據本發明的教導可以成功地制造具有相對復雜外形的制品，例如需要相對深拉伸的制品，和具有圓形甚至方形或者其他鋒利角部的制品。
通常，本發明通過提供一種方法致力于解決現有技術中重要的問題，該方法包括成型和加強中間形態的基本步驟，該中間形態包括多個聚集延伸部件(特別是基本上由熱塑性材料組成的部件)。可以參考序列號為60/621,463，標題為“塑料加強合成物”，申請日為2004年10月22日(代理人編號為63863；1062-041P1)(結合在此作為參考)，和2005年9月16日的美國臨時申請號為60/717,965，(代理人編號為63863B；1062-041P2)，標題為“塑料加強合成物”的申請(結合在此作為參考)，以及美國臨時申請號為60/725,399(代理人編號為63863C；1062-041P3)，標題為“延伸部件”的申請，其通常表示一種部件，該部件的一個尺寸(例如，長度)長于至少一個其它尺寸(例如，寬度，高度，厚度，或直徑)，特別地，這里的延伸部件的長度基本上大于(例如，至少大十倍或更大)寬度或高度。因此，這里的延伸部件可以包括，但不限于從纖維，桿，繩，紗線，帶，細絲，皮帶或其任意組合中選擇的部件。從上面可以理解，在多個方面，薄膜也可以算在“延伸部件”的含義范圍內。也可以包含小數量級的部件，例如晶須或片晶。雖然“延伸部件”在這里的含義可以很廣泛，但應該理解延伸部件特別優選的形態特別地將包括一種或多種紗線，帶，纖維和細絲。更優選的延伸部件為帶的形式。
此外，應該理解本發明的延伸部件通常經過處理以達到初始形態，且特別地為初始取向狀態(例如，單軸拉伸，雙軸拉伸，或者其它拉伸，例如根據本文中規定的比例)。在根據這里公開的主題可獲得的多個獨特優點中，在處理結束時，特別是在成品中，實現在延伸部件中基本保存初始形態的能力。因而，例如，在處理時，延伸部件的分子取向從其初始形態開始基本保留(例如，保留延伸部件初始取向的至少大約75％)。
因此，本文中的延伸部件可以包括，但不限于從纖維，桿，繩，紗線，帶，細絲，皮帶或其任意組合中選擇的部件。也可以獲得較小數量級的部件，例如晶須或片晶。至少部分沿著延伸部件的長度，該部件可以完全密實，部分密實(例如，發泡)，穿孔，起波紋，扭曲，或其任意組合。
延伸部件的尺寸通常為使該部件能夠手工操作。然而，更具體地，延伸部件的尺寸為使其能夠機械操作，用于將其加工成中間形態。例如，本發明的一個特定例子描述一種延伸部件，例如紗線，帶，纖維或細絲，具有不大于大約1cm的厚度，寬度，或者均不大于大約1cm，更特別是不大于大約0.5cm，甚至更特別是不大于大約1mm，以及小于1mm。例如，一種方法是使用如紗線，帶，纖維或細絲的延伸部件，其具有小于5mm的寬度，小于1mm的厚度，更特別是小于0.5mm(例如，大約0.01-0.25mm)的厚度。
該延伸部件可以是整體的。其可以是單一材料，多層材料或其組合。由聚丙烯帶制成的典型地球物理織物是從這種延伸部件所織成的織物的例子。該延伸部件可以具有沿著該部件維度而不同的特性或其它特征。一方面，該延伸部件可以包括第一表面部分，與第一部分相鄰的第二部分，其中第一部分和第二部分在成分、多分散性、形態(例如，結晶度，取向或者兩者)、熔化速率，或其任意組合上不同。例如，一種特定方法描述至少一個第一熱塑性材料的延伸部件，且具有能夠先于相鄰取向部分熔化的表面部分。
如序列號為60/621,463，標題為“塑料加強合成物”，申請日為2005年10月22日(代理人編號為63863；1062-041P1)(結合在此作為參考)，和申請號為60/717,965，2005年9月16日申請的(代理人編號為63863B；1062-041P2)，標題為“塑料加強合成物”的美國臨時申請(結合在此作為參考)，和申請號為60/725,399(代理人編號為63863C；1062-041P3)的美國臨時申請中所討論的，至少一個延伸部件被處理制成中間形態，例如從卷繞形態、編織形態、卷辮形態、隨機分散形態、或其任意組合中選擇的中間形態。如本文中所提及的，中間形態通常包括多個重復的結構單元。例如，中間形態可以包括多個重復的結構單元，排列起來形成圖案，例如普通的或斜紋織物(例如人字形，斜紋，犬牙花紋，格子花紋或其它斜紋)、花邊、緞紋、或其任意組合。特定織物的例子包括具有纏繞延伸部件以1/1到14/2(例如，2/1，2/2，3/1，或其它比例)的比例范圍在緯向延伸部件上方和下方延伸的花紋的織物。從而，更特定的織物例子包括，但不限于，2/1斜紋，2/2斜紋，四枚緞，2/2籃狀編織，5H緞紋，8-H緞紋，或其它織物。中間形態的各個結構單元可以相對于彼此以任何數量的可能結構布置。例如，重疊的單元可以彼此基本垂直。但是，也可以采用所期望的其它角度的織物。根據本發明可以獲得的一個有吸引力的優點是，中間形態可以被處理成使得最終成型制品通常保留重復結構單元相對于彼此的取向。
通常，在任何成型步驟以前，相鄰結構單元可以在中間形態中相對于彼此運動。一種實現這一點的方法是形成中間形態，但不使其經歷加強成型步驟，通過該步驟相鄰結構單元不可逆地彼此接合，例如粘合，熔化，固定或其它方法組裝。因此，在根據本發明處理步驟的變形開始以前的時刻，特別期望中間形態不被加強，例如通過加熱至高于該形態中至少一種材料的熔點以上，以使該材料熔化開熔合，并與相鄰單元有效地焊接。
中間形態可以包括或基本上由單層(其選擇性地可以包括一種或多種圖案)組成。中間形態在它們的一些或全部相應表面上包括多層(其選擇性地可以包括一種或多種圖案)。例如，中間形態中的層數可以從大約1至100或者更多(例如，2至65，5至50，10至40，大于10，大于20，或者其它)的范圍變化。因此，可以預期中間形態，在未加強的狀態下，可以具有與單個延伸部件相同小的厚度，但也可以更大，例如大約0.25mm至大約2.5cm或更大的數量級。因此，在加強狀態下，可以預期中間形態會產生大約0.8mm或更小至大約1.5cm或更大的厚度，例如從0.1至0.8cm或更特別是大約0.3至0.5cm。
如果采用多層，則一層或多層可以在一個或多個方面彼此不同，例如材料類型、延伸部件的成分、延伸部件的熱處理、延伸部件的寬度、圖案類型、每層是否加強、存在薄膜層、厚度、形態、或其任意組合。為了說明，可以從薄膜、涂層(例如，溶劑涂層、擠壓涂層或其它)、中間形態、纏繞形態、編織形態、卷辮形態、隨機分散形態或其任意組合選擇至少一個第一層，其鄰接至少一個第二層，該第二層是從薄膜、涂層(例如，溶劑涂層，擠壓涂層或其它)、中間形態、纏繞形態、編織形態、卷辮形態、隨機分散形態或其任意組合中選擇的。如前所述，多層中的至少一層可以在該說明中被強化。無論是該形態的全部面積上還是其預定部分上，還可能是一定量的可流動未成型或成型(加強或未加強)的塑料被置于中間形態的外部或者相鄰層之間。此時，可以實現可局部完全密實的可流動階段，無需在附近使用全部一層。從上面還可以理解，可以選擇性地省略或者改變一層或多層部分，使得可以實現壁厚的改變或者可選擇地改變制品的局部區域。
通常，延伸部件是聚合材料，特別是熱塑性材料。特別優級的熱塑性材料包括至少一種聚烯烴(例如，聚丙烯，或丙烯-乙烯共聚物)，例如可從陶氏化學公司獲得的，例如，標記為VERSIFYTM或者INSPIRE的聚烯烴。序列號為60/621,463，標題為“塑料加強合成物”，申請日為2004年10月22日(代理人編號為63863；1062-041P1)(結合在此作為參考)，和申請號為60/717,965，2005年9月16日申請的(代理人編號為63863B；1062-041P2)，標題為“塑料加強合成物”的美國臨時申請(結合在此作為參考)，和申請號為60/725,399(代理人編號為63863C；1062-041P3)的美國臨時申請中公開了其它適用于延伸部件的材料例子。
延伸材料的聚合物材料可以是均聚物，共聚物，混合物或一些其它聚合物混合物。例如，可以采用聚丙烯均聚物。作為替代地，或者除了聚丙烯均聚物，共聚物的一種例子包括兩種或多種不同聚烯烴，例如聚丙烯/聚乙烯共聚物。其它適于用在本發明中用作延伸部件的材料的例子包括美國專利US5,993,711和6,045,923(轉讓給Lankhorst Indutech B.V.)中公開的帶或繩，在此結合作為參考。根據前者，延伸部件的外形可以包括位于一個或多個表面上的一個或多個縱向肋和/或縱向槽。根據后者，延伸部件可以包括從高密度聚乙烯和一種或多種其它聚烯烴混合物準備中間層，從而高密度聚乙烯的數量占主要，例如超過重量的50％。更特別地，中間層是從下述材料準備，即50-90％重量的高密度聚乙烯(＞940kg/m3)，和10-50％重量的(線性)低密度聚乙烯(＜925kg/m3)，超低密度聚乙烯(＜910kg/m3)，或這些產品的組合。此外，可以存在一定量的聚丙烯以提高材料的強度。
本發明的材料可以提供一定范圍的材料特性。無限制地，例如，根據本發明的材料可以表現出至少大約13GPa的彈性模量，且更特別是至少大約18GPa，通過ASTM D-638測量，和至少大約150MPa的拉伸強度，且更通常地至少大約300MPa，通過下面的ASTM測試方法D-638測量。
例如當中間形態為單層時，以及例如當期望具有多層作為中間形態的部分時，一層或多層可以經過處理以防止單個結構單元、各層、或者兩者的分離。例如，對于單層或多層形態，可以確保這些層中的一層或多層(且對于多層形態可選地彼此固定)處于適當的方式，例如通過沿著該形態的一條、兩條或多條邊的至少一部分使結構單元熱連接。也可以采用其它處理方法，例如機械步驟(例如，卷邊、固定、網裝、鉚接、縫合或其它方法)、粘合步驟(例如，通過滴粘合劑，膠帶或其它方法)、或者組合步驟。以這種方式，可以很容易地操作該中間形態，例如用于在工具腔中運輸、儲存、移動，同時降低單個結構單元分離成損害中間形態整體性的程度的可能性。
從認識中導出的本發明的一個優點是，當采用常用取向聚合材料用于本發明的延伸部件時，通常具有熱處理窗，在其中可以使材料變形，但是在其中材料大致保持其微觀結構取向，從而作為根據本發明步驟處理的結果，材料大致保持其機械特性。
因此本發明提供一種方便和可靠的方式，以在材料的熱處理窗中操作，從而允許在所產生制品中有預知和再現的特性。
如前所述，為了根據本發明制造制品，提供中間形態并根據一種方法操作，通過該方法，對中間形態的變形實施相對精確的控制。期望地，當中間形態變形時，特別注意控制所產生三維形態的壁厚、在所產生三維形態中延伸部件相對于彼此的取向、延伸部件分子聚合物的分子取向、或其組合。
這里可以采用這樣的操作，通過該操作，中間形態，在成型和加強以前，在附近或任何邊上剛性固定(例如，夾緊)。，但是，一種特別優選的方法包括在成型過程中支撐中間形態，使得該形態在變形過程中可移動(例如，相對于任何固定工具使該形態滑動)。通過示例，參考圖1A-1D，可以預期中間形態10將安裝在合適的結構12(例如，框架)中。成型工具14將使中間形態10有效地變形(例如，向著模具16)，產生至少一個成型區域18和大致連接成型區域(例如其外部)的周圍區域20。通常該結構12包含一個或多個偏置部件22。任何采用的偏置部件通常選擇并定位成使得它們能夠施加偏置力，該偏置力響應于當中間形態變形時由中間形態實現的力。此時，通常采用這種偏置機構用于在平行于任何變形工具的力的方向上提供偏置力(例如，圖1E中所示)。還可以采用，在變形工具施力的周期期間，用于在垂直的方向提供偏置力(也可以采用這兩者的組合)。該偏置部件可以直接連接至中間形態來成型裝置、安裝框架(如本文中所述)或其它適于于中間形態共同作用，用于在中間形態的變形過程中控制移動的結構。可以使用任何合適的機構實現偏置。例子包括彈簧、電磁閥、或其它電磁裝置、活塞、和其任何組合、或有彈性、往復運動的的任何其它類似工作部件。
一種成型中間形態(無論是單層還是多層)的特定方法的例子包括采用有彈性的(例如，彈簧偏置)結構，例如彈簧負載框架，無論加強與否，其攜帶中間形態10。例如，成型工具帶有具模22，它們之間具有框架形態。中間形態固定結構的彈性有助于避免通常在沒有框架而成型時發生的中間形態變薄，從而有助于產生成型的中間形態，其在所產生形態的大致全部可用部分上包括大致恒定的壁厚，和光滑沒有皺褶的暴露表面。
應該理解可以采用工具的不同結構，用于成功變形必須的所期望的固定和移動組合。例如，一種特定的方法在圖1E中示意性地表示，其中框架本身有彈性地安裝(例如通過彈簧)，使得中間形態成型，同時允許結構單元流動，以在施加壓力的過程中維持壁厚。彈性安裝可以使框架由一個或多個彈簧懸掛(例如，彈簧的重量和任何其它可移動地夾緊中間形態的可選力)，該框架安裝成使其在變形過程中朝著中間形態或其組合偏置。
應該理解對于每層能夠相對于彼此在上面運動(例如，彼此獨立地滑動)的多層形態，可以采用該裝置，用于在全部負載作用下在該形態中維持一致的運動量。
下面參考圖2-5更詳細地說明本發明的大致方法。根據這樣的方法，如圖1A-1E所示，選擇在變形過程中用于處理中間形態的條件，使得在成型區域中實現受控制的變形，且更具體地，在所期望的地方獲得相對均勻的壁厚，大致保持延伸部件相對于彼此的取向，避免用于中間形態的取向聚合物形態、結晶度或兩者(及所產生特性)的極度偏差，在大致整個成型區域上產生光滑、無皺褶的暴露表面，實現大約為0.1∶10至大約5∶1(例如，大約1∶1)的拉伸比(部件深度對寬度的關系)，多層中間形態的層允許相對于彼此運動，基本上避免延伸部件由于過度延伸導致的損壞，或其任意組合(優選為上述全部的組合)。例如，一種特定方法是控制在變形過程中固定中間形態的力。即，大致相對于圖1A-1E所述，該力根據需要選擇和變化，使得中間形態的周圍區域經歷響應于成型過程中所出現的力的至少部分移動。出于說明的目的，參考圖3A和3B，表示橫向滑動形態的移動，可以看到，在中間形態上的點A的橫向運動是相對于固定參考點X。
參考圖2-4說明根據本發明的用于允許周圍區域運動的系統的一個特定例子，特別是在大致如圖5中所示的設備中所采用的(沒有限制性)。可以看到，為了有助于中間形態的操作，中間形態可以位于合適的載體框架26中。例如，沒有限制性地，圖2表示支架，其包括至少一個支架部件，且更具體地包括多個可分離的共同作用的支架部件，例如第一支架部件28和第二支架部件30。雖然第一支架部件和第二支架部件可以通過其它結構構造成用于容納中間形態(例如，它們的周圍彼此相對可以具有相似的尺寸)，但一種具有吸引力的方法包括采用不同尺寸的支架部件，允許一個支架部件位于另一個中，且中間形態位于支架部件之間。特別是參考圖3A和3B，一種這樣的方法是在支架部件之一中形成容納結構(例如，井壁，凹槽，壁架等)，另一個部件的突出部(例如，銷，法蘭，壁等)可以穿入該容納結構中。但是，通常，共同作用的支架部件的結構使得當中間形態被置于支架中時，中間形態將不固定在其位置中，而是可以響應變形力而運動(例如，通過橫向滑動)。
通常，在采用支架，以通常大約在整個周圍區域20的至少一部分上攜帶中間形態的情況中，支架框架26將變成具有一個開口，變形工具可以在處理過程中穿過該開口。中間形態可以由支架攜帶使得該形態與支架在支架的一些或全部上接觸。雖然圖2A和2B的實施例表示了一種封閉結構，但支架框架也可以被分成多個橫向分離的部件。分離的共同作用的支架部件可選地彼此物理連接，例如通過一個或多個樞軸部件(例如，鉸鏈)、固定裝置、磁體或其組合等連接。
轉到圖3A和圖3B，還參考圖5(表示壓力機32的一個例子)，表示了一種方法，通過該方法可以在變形過程中布置中間形態。如圖所示，可以通過使用成型工具(例如，沖模34)實現變形，成型工具將作用在相對成型工具(例如，具模36)上。坯料架38，具有布置在變形工具附近(即，沖模34，模具36或兩者周圍外部)的暴露壁表面40，且可以安裝成用于相對于沖模34，模具36或兩者獨立運動。在圖示實施例中，沖模34，模具36或兩者可從相應壓盤或其它支撐結構44和46上可拆除地分離(例如，其能夠通過真空、固定裝置等可拆除地固定在合適位置)。還可以使工具和壓盤結合成單個結構。而且，壁表面的尺寸可以設置或者采用其它構造，使其支撐一個或多個支架部件28或30。
如上所述，坯料架38可以安裝成獨立于成型工具平移，并用于在變形過程中可移動地固定中間形態。優選地，坯料架38構造成使其在變形過程中不剛性地固定中間形態。這樣，坯料架38可以包括一個或多個突出部42(例如，環狀突出部)，其適于在變形過程中接觸并可移動地固定中間形態。與中間形態的這種接觸可以與支架框架26結合，或獨立于任何支架框架。在另一個實施例中(圖中未表示)，坯料架構造成代替或除了直接接觸中間形態以外，支撐支架框架。
坯料架38可以以任何合適的方式獨立安裝。但是，已經發現，一種方法有助于在變形過程中實現中間形態在該裝置中的期望流動，根據上面的教導，通過該方法攜帶坯料架38。即，坯料架(單獨或與支架框架結合)有效地構成彈性框架組件，其允許中間形態的獨立結構單云的流動，以在施加壓力的過程中維持壁厚。彈性安裝能夠以多種方式實現。例如，如上所述，坯料架可以由一個或多個彈簧懸掛(例如，坯料架的重量和任何其它可移動地夾緊中間形態的可選力)，該坯料架可以安裝成使其在變形過程中朝著中間形態或其組合偏置。
一種特定優選方法，如圖3A和3B中所示，而圖5表示一種方法，坯料架38通過該方法由一個或多個軸48垂直懸掛，坯料架38可以沿著軸48固定或自由運動。一個或多個偏置部件(例如，彈簧)50布置成用于向中間形態(圖5中未表示)偏置坯料架38。該偏置部件選擇成使它們像中間形態施加足以可移動地接合中間形態(和可選任何支架框架)，足以在變形過程中，允許中間形態穿過坯料的接合表面、支架框架、或者兩者流動期望的量，同時抵抗變形力使得中間形態保持充分地固定，使得中間形態的變形能夠產生。
從而偏置力的選擇可以通過考慮所成型的中間形態的期望特性而實現。從而所產生的成型形態，在拉伸比的一定范圍內，能夠在全部成型形態中實現預定壁厚，延伸部件相對于彼此的取向將大致保存，避免用于中間形態的取向聚合物形態、結晶度或兩者(及所產生特性)的極度偏離，在大致整個成型區域上產生光滑、無皺褶的暴露表面，實現大約為0.1∶10至大約5∶1(例如，大約1∶1)的拉伸比(部件深度對寬度的關系)，多層中間形態的層允許相對于彼此運動，基本上避免延伸部件由于過度延伸導致的損壞。
在偏置力的選擇中可以考慮其它因素。作為選擇地，可以選擇一定的偏置力，而一個或多個處理參數可以響應所選擇的偏置力而變化。例如，沒有限制地，還可以改變變形工具移動的速率，改變循環中的負載，改變循環過程中的溫度，改變負載循環的數量或其任意組合。
通常，在由圖3A和3B表示的步驟中產生的成型，將在升高的溫度中執行，例如，提供中間形態材料軟化的超過室溫的溫度，且潛在地處于高于中間形態中延伸部件外表面上的材料熔點的溫度。從而，成型工具部件、壓盤、該裝置任何其它相關部件，或其任意組合的溫度可以按照需要控制。兩個或多個部件的溫度可以獨立維持。例如，壓盤44可以被加熱或變冷，用于加熱或冷卻成型工具(例如，沖模34)。可以包括第三壓盤52，用于當成型工具處于縮回位置時，加熱或冷卻成型工具(例如，沖模34)。相對的成型工具(模具36)也可以被加熱或冷卻。例如，第二壓盤46可以適于冷卻或加熱布置在其中的成型工具(例如，模具36)。按照期望，絕熱體54可以布置在該裝置的部件之間，用于維持離散的熱區域。應該理解，在任何變形步驟中中間形態的溫度可以在一個或多個預定時間周期內(例如，至少大約5秒至大約一個小時，且更優選地大約30秒至大約5分鐘；也可以采用更長或更短的時間)保持大致恒定。還可以在一定的溫度范圍內變化，用于實現期望的特征。而且中間形態可以預熱至預定的第一溫度并在變形過程中保持在該溫度，或者在變形過程中加熱或冷卻至不同的溫度。
根據上面所述，參考圖3A和3B，可以看出中間形態的變形可以通過將中間形態10裝入支架框架26而實現，然后其布置成使中間形態布置在成型工具的相對部分34和36之間。通過使成型工具各部分朝著彼此進給而向中間形態施加負載。坯料架38(例如，使用突出部42)將接合中間形態，和由支架框架26構成的任何接合。可以看到坯料架38能夠適用(例如，通過其尺寸、操作參數、或其它)使得坯料架在任何滿意的時刻接合中間形態。例如，坯料架38可以首先接合中間形態用于在變形負載發生以前、同時、或以后抵抗變形負載。
可以看到在施加變形負載時，且至少在變形開始后，中間形態的周圍區域將由坯料架38支撐。但是，偏置力將允許周圍區域橫向運動。這由圖3A和3B中相對于參考點B的參考點A的相對運動表示。
變形過程中的中間形態的受控運動有助于中間形態材料進入成型區域的量的控制，有助于避免過量的材料經受折疊或弄皺。而且，在變形步驟中，特別是在升高的溫度和成型工具的壓力條件下，可能會產生中間形態的加強。從而，還可以看到，如果期望，可以消除在成型以前加強中間形態的單獨步驟。加強可以以任何合適的方式執行，且可以在單獨階段的操作中執行或者作為多階段操作的一部分執行。在加強的過程中，通常，初始在其自身上有褶皺的中間形態(例如，該形態本身是易曲折的，相鄰結構單元相對于彼此可運動，或者兩者都是)被加強，該形態將變得至少半剛性，優選地使其能夠支撐其自身重量。通常在成型和加強時，本發明的形態將能夠是長期保持形狀的，例如在正常環境下，超過2個星期，更特別是超過一個月，甚至特別超過3個月。以這種方式，可以預期中間形態制造商可以生產中間形態的存貨，其可以儲存延長的時期直到需要組裝入合成物中。加強的中間形態，特別是那些包括聚烯烴作為其主要成分的，通常將表現出從大約0.75至0.9g/cm3的加強密度，且更特別是大約0.83g/cm3。還優選地加強形態表現出至少大約80％理論密度的密度，更優選地至少大約90％理論密度的密度(例如，高于理論密度的95％，例如至少99％理論密度)。
加強處理步驟將有效地將相鄰結構單元不可逆地連結在一起，從而可以通過粘合、熔化、固定或其它組裝這些單元的步驟進行加強。一個根據本發明方便地進行的特定方法是，將中間形態加熱至高于該形態中至少一種材料熔點的溫度，以使材料熔化和熔合，并有效地與相鄰單元焊接。
加熱步驟可以使用任意數量的方法執行。例如，該形態可以在變形以前在遠處預熱并傳送至處于更高溫度的變形裝置，在變形裝置上施加變形壓力。此外，或者作為預熱步驟的一種替代，加熱可以發生在變形裝置上或者處于變形裝置內。例如，沖模、模具、其組合或者其它用于使中間形態變形的工具可以被預熱。在一種方法中，如果采用離線預熱，則中間形態內的溫度將升高至其處于工具內部的所需加工溫度。、對流、輻射或其任意組合執行。爐子可以用作熱源。射頻熱源，無線電頻率(radiofrequency)的熱源也可以用作熱源。加熱可以在惰性氣體、在空氣、或者在其它適合的氣體中進行。此外，加熱步驟可以包括多個步驟，每一步驟在不同的溫度下進行，每一步驟在施加不同壓力下執行，或這些條件的組合。
例如，無限制地，對于基于中間形態的聚烯烴，預熱步驟(如果采用)，可以通過在沒有施加變形負載時將中間形態加熱到至少大約60℃，且優選地低于大約120℃(例如，大約100℃)的溫度。這可以維持很多分鐘，甚至一天或者更長(例如，大約0.5至20小時)。之后，可以施加變形負載，優選地當該中間形態受熱(例如從大約120至160℃(例如，大約140℃)或更高)，例如用于實現大約10至大約200Bar(例如，大約20至大約140Bar，且更特別是大約80Bar)的變形壓力。升高的溫度和壓力維持大約1至10分鐘，且更特別是大約3至5分鐘(例如，大約4分鐘)，使得可以發生加強和變形。根據中間形態的尺寸，可以實現更長或更短的時間，和/或可以采用更高或更低壓力，上面的范圍通常可用于加強至大約1至大約10mm(例如，大約2至大約7mm)的中間形態厚度。
轉向圖4A和4B，表示可選次級變型操作的例子。特別地，根據本發明的制品的成型可預期采用次級沖壓操作，且更特別是切邊成型步驟。該次級步驟可以在一個或多個升高的溫度下進行，但更通常地傳導在室溫或室溫以下(例如，從大約0至20℃，且更特別高到大約15℃)。在次級成型操作的時刻，通常中間形態將至少部分加強(例如，通過圖3A和3B中表示的操作中包括的熱量)。但是，也可能加強在第二成型操作過程中產生，特別是在次級成型操作過程中，大約0.5至大約5分鐘(例如，大約1.5至3分鐘)的持續壓力可以為大約50至大約250Bar的數量級，且更特別為大約100至大約200Bar(例如，大約175Bar)。因此，考慮到上述內容，支架框架26、坯料架38、或者兩者的使用可以省略。通過這里的其它實施例，可以理解考慮到這些教導，即上述內容不用于覆蓋可以采用本發明的所有場合。可以根據所需要的結果、要處理的坯體尺寸、要處理材料的特性、和其它相關事項對參數進行變化。例如，可以采用更長或更短的時間，比上述討論中所引用的更高或更低的壓力。
次級成型操作一種可能的操作是可以在成型步驟過程中，在中間形態中發生的附加應變硬化(可以認識到在升高的溫度下，在加強以前或過程中，可以采用大約10至大約40％的應變延伸)，從而使成型的制品具有改進的機械特性。例如，應變延伸保持低于大約15％且更優選地低于10％。因此，次級成型操作可以采用與初級操作中不同尺寸的成型工具(其可選地構造成在成型過程中冷卻)而發生。還可以采用與初級操作相同的工具，但是作為中間形態在初級操作后收縮或松弛的結果，在工具/中間形態界面上產生間隙，提供能夠額外變形的空間。在另一種方法中，可以沒有間隙，從而中間形態的材料還進一步壓縮在用于實現進一步加強的工具之間，或者期望區域中的局部致密。在另一種方法中，采用次級操作用于保持存冷卻過程中成型的中間形態的尺寸和外形。可以采用該段中所引用的步驟的任意組合。
從而，根據圖4A和4B，一個或多個工具60，例如結合至少一個切邊62的工具可以代替圖3A和3B中的至少一個成型工具。可選地，攜帶在壓盤46’中的替代工具36’也可以被替代。可以看出使中間形態變形而無需加熱，以軟化熱塑性組分材料是本發明能得到的一個優點。
可以看到使用本發明的另一個優點是能沖壓成型制品(無論在外形上是對稱還是不對稱的)，需要最少的或者沒有附加的完工步驟的能力。這還提供了減少后續切削操作的優點。沖壓步驟還可以采用合適的壓力，使得中間形態的加強在沖壓過程中發生。應該認識到沖壓不僅可以是冷沖壓。還可能在升高溫度下沖壓加熱形態。
當采用多階段用于成型本發明的形態時，可以采用多個單獨的壓力機。還可以構造用于單個壓力機的工具，其實現在單獨階段中所執行功能的組合。
該方法的簡化優點僅通過選擇合適的可互換的偏置部件(例如彈簧)，且通過使用單個裝置變形不同尺寸、外形、復雜性、材料特性等范圍寬廣的中間形態的能力而進一步表現，。為了達到這一點，這里已經認識到合適偏置元件的選擇可以通過確定閾值應力(例如，超過中間形態的延伸部件未預料地塑性變形的應力)而實現， 且選擇偏置部件使得其僅對中間形態(例如，在周圍區域)施加足夠的力，該中間形態的橫向位移將在實現閾值應力以前發生。
支撐中間形態使其在成型過程中可運動的方式可以通過任意數量的選擇性方法而實現。例如，一種方法大致在用于成型一個或多個物理位移阻尼器的區域周圍采用。例如，中間形態可以包括表面狀況、表面突起等的變化，當與工具相關的相對部件接觸時其可以提供阻力。該阻尼器可以構造成使其在閾值壓力下逐漸拉動穿過工具。
另一種方法可以向中間形態施加至少一部分連續變化的夾緊力(例如，通過機械、機電、或電磁夾緊機構)，同時使中間形態變形。夾緊力可以循環，例如使得，當變形發生時，夾緊力暫時減小，而在該暫時減小過程中，中間形式可以移動，其中在夾緊力復原時，中間形態恢復成固定周圍區域。施加固定夾緊力和力減小的間歇步驟可以根據需要在有規律或者不規律的周期內重復。
不用來限制，本發明的一個特定例子包含圖5中的裝置。此外，與本文中的其它例子一樣，可以在考慮這些教導的情況下理解，該例子不用于覆蓋可以采用本發明的所有場合。可以根據所需要的結果、要處理的坯體尺寸、要處理材料的特性、和其它相關事項對參數進行變化。六個碳鋼彈簧圍繞該裝置布置，用于當其布置在第一和第二成型工具之間時朝著中間形態偏置坯料架。每一彈簧額定在32.16(N/mm)每厘米(cm)一(即，額定每毫米(mm)每厘米(cm))。假設每一彈簧的初始長度130mmLO，壓縮彈簧常數實現為32.16[(N/mm/cm)]/13[cm]＝2.47[N/mm]。假設每一彈簧壓縮76mm，每一彈簧施加的力獲得為76mm×2.47[N/mm]＝188[N]。
例如，當中間形態在升高的溫度下成型時實現該力，在該形態上分布的全部力(F)，其如果由坯料架彈簧產生，F＝188×6[N]＝1128N。
使用該力，該裝置可以易于在由多層中間形態產生的相對較大的坯料(例如，面積為大約350至大約550cm2)上壓出大約0.1∶10至大約5∶1(例如，大約1∶1)的深拉伸比(深度和寬度的關系)，其中該中間形態由大約14至34層編織聚丙烯片制成。其還用于防止逆轉，而不僅僅防止滑動。
在該例子中，支架框架的尺寸為每側22.5cm，限定內部開口的周長壁大約13mm寬。這產生大約0.011m2的面積。如果支架單獨承受全部壓力，這等于102kPa或者1Bar的壓力。如果假定該力還作用在坯料架接觸的全部面積上，則該力作用在0.051m2的面積上，則壓力實際上為22.3kPa或0.22Bar。
應該理解在本發明的一個特定方面，很多上述特性是材料選擇和處理條件結合的結果，這些處理條件導致在全部處理步驟中，在中間形態的延伸部件成分中保持基本形態(和特定取向)，直到成型制品完成。特別地，本發明的一種方法在熱成型沖壓或其它中間形態成型步驟以前，避免了中間形態的任何加強步驟。前面的材料將在任何中間形態成型步驟以前采用加強步驟。但是，這種對取向的保持對于這里公開的很多新穎實施例不是強制的。因此，本領域技術人員將認識到，多種在中間形態成型步驟以前采用加強步驟的現有技術材料仍然可以用于制造這些實施例中的合成物。此外，可以采用多層中間形態，全部層中的一些已經經過處理用于保持取向。
這里涉及的“第一”和“第二”不用于限制僅由第一和第二項構成的組合。在所涉及的場合，本發明的主題可以適當地包含第三，第四或更多項。涉及的“延伸部件”不用于排除多種延伸部件。除了所聲明的，使用諸如“加強”或“成型”或者其共同作用的處理步驟不需要完全加強或成型；也可以預期部分加強或成型。而且，“一個”或“一”元件或步驟的公開不用于排除額外的元件或步驟。
除非另外聲明，這里所述的各種實施例的尺寸和外形不用于限制本發明，可以采用其它尺寸或外形。可以由單個整體結構或步驟提供多個結構組成步驟。作為替代，單個整體結構步驟可以分成單獨的多個部件或步驟。但是，功能也可以整合成單個部件或步驟。
此外，雖然本發明的特征可能僅在圖示實施例中的一個中說明，但這些特征可以與其它實施例的一個或多個其它特征結合，用于任何給定的應用。從上述內容還可以理解，這里的獨特結構的制造和其操作也構成根據本發明的處理。
應該理解上述說明用于示例性而不是限制性的。除了所給出的例子的很多實施例和很多應用在閱讀了上述說明后對于本領域技術人員是顯而易見的。從而，本發明的范圍不應該根據上述說明確定，而應該根據所附的權利要求確定，也要求與這些權利要求等價的全部范圍的權利。全部章文和參考的公開，包括專利申請和公開，結合作為參考，用于全部目的。這里所公開的對主題任何方面下的權利要求中的省略不是該主題的放棄，也不應該認為發明人不將該主題考慮成所公開的創造性主題的一部分。
權利要求
1.一種用于形成成型三維制品的方法，包括下列步驟使中間形態變形，該中間形態基本上包括多個熱塑性延伸部件，同時在變形過程中以這樣的方式夾緊中間形態，即當施加力用于使中間形態變形時，中間形態在預定界限內自由運動；和可選地，至少部分地加強中間形態的熱塑性延伸部件，用于形成三維制品。
2.根據權利要求1所述的方法，其中熱塑性延伸部件為包括聚丙烯的帶。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中至少部分地加強的步驟在變形步驟過程中發生。
4.根據權利要求1至3所述的方法，其中可移動的夾緊由彈簧偏置坯料架執行。
5.根據權利要求1至4所述的方法，還包括將中間形態預加載在支架框架中，并至少在變形步驟過程中使中間形態保持在支架框架中的步驟。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的方法，還包括將中間形態加熱至這樣的溫度，使中間形態延伸部件中央部分保持低于其熔點，但充分軟化以便于變形且在變形過程中避免延伸部件破裂。
7.根據權利要求6所述的方法，其中延伸部件具有取向的分子部分。
8.根據權利要求7所述的方法，其中保持加熱溫度，使得延伸部件取向部分的取向在變形步驟中大致保持。
9.根據權利要求1至8中任意一項所述的方法，還包括切邊沖壓該形態的步驟。
10.根據權利要求9所述的方法，其中變形步驟和切邊沖壓步驟使用通常的壓力機執行。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括為變形步驟和切邊沖壓步驟采用至少兩個獨立可運動的工具。
12.根據權利要求11所述的方法，還包括將該至少兩個獨立可運動的工具在變形和沖壓步驟以前布置在中間形態的相同側上。
13.根據權利要求11所述的方法，還包括將該至少兩個獨立可運動的工具在成型變形和沖壓步驟以前布置在中間形態的不同側上。
14.根據權利要求9所述的方法，其中變形步驟和切邊沖壓步驟在分開的壓力機上執行。
15.根據權利要求1至14中任意一項所述的方法，還包括改變中間形態的厚度，用于形成具有可變化厚度的最終三維制品。
16.根據權利要求1至16中任意一項所述的方法，其中中間形態包括多層。
17.一種用于形成成型的三維制品的方法，包括下列步驟使中間形態變形，同時在變形過程中以這樣的方式夾緊中間形態，即當施加力用于使中間形態變形時，中間形態在預定界限內自由運動；和至少部分地加強該中間形態；和可選地在次級成型操作中沖壓該中間形態。
18.根據權利要求17所述的方法，其中沖壓包括切邊沖壓步驟。
19.一種用于形成三維制品的裝置，包括a)用于在升高溫度下使中間形態變形的第一工具；b)用于沖壓中間形態的可選第二工具；和c)用于在變形過程中以這樣的方式夾緊中間形態的支架，使得當施加力用于使中間形態變形時，中間形態在預定界限內自由運動。
20.根據權利要求19所述的裝置，其中該支架包括多個偏置部件，這些偏置部件在裝置中平行于第一工具運動方向的方向中偏置該支架。
21.一種根據權利要求1至18任一所述方法制造的制品。
全文摘要
一種用于形成成型三維制品的方法，包括下列步驟使中間形態(10)變形，該中間形態包括初始相對于彼此可運動的多個熱塑性延伸部件，同時在變形過程中以這樣的方式夾緊中間形態，即當施加力用于使中間形態變形時，中間形態在預定界限內自由運動；和可選地，至少部分地加強中間形態的熱塑性延伸部件，用于形成具有延伸部件預定取向的三維制品。本發明還公開了一種用于形成成型的三維制品、包括壓力機(32)的裝置。
文檔編號D06M23/00GK101044011SQ200580035900
公開日2007年9月26日 申請日期2005年10月20日 優先權日2004年10月22日
發明者E·L·德胡赫, R·A·沃克, D·G·麥克勞德 申請人:陶氏環球技術公司