专利名称：制造成型塑料加强合成制品的装置和方法
技术领域：
本发明涉及成型塑料合成制品的制造，且尤其涉及三维成型塑料合成制品的制造，该制品包括基本上由热塑性延伸部件(elongated member)组成的中间形态(intermediate form)。
背景技术：
在从大致平面的塑料板形成塑料制品的成型中，例如通过真空成型，或热成型，通常期望但难以控制整个所获得成型制品的壁厚，特别是由于板中不均匀流动的结果。
在由具有重复结构单元，例如从塑料带编成的织物的中间形态制成的三维制品的成型中，壁厚变化的可能性进一步提高。特别是以松散的形态，例如从塑料带织成的织物，来控制所期望产生的壁厚的能力是复杂的，这不仅仅是由于各自带有局部变薄的可能性，而且是由于相邻带在变形过程中相对彼此运动，并导致不可控制的带间隔，这会在成型制品中影响所产生表面的光洁度，特性，或者同时影响二者。
本发明的一个目的是提供一种用于保持中间形态(特别是包括多个延伸部件的中间形态)的机构和方法，使得该形态的受控变形在向其施加压力时产生。
发明内容
本发明涉及一种用于形成成型三维制品的方法，其包括形成中间形态的步骤，该中间形态包括初始地相对于彼此可运动的多个热塑性延伸部件，同时在变形过程中可移动地夹紧中间形态(即，以这样的方式夹紧中间形态，使得当施加用于变形中间形态的力时，中间形态相对于执行夹紧功能的结构在预定极限内(例如，横向滑动距离直到变形中间形态总拉伸深度的大约20％，40％，60％或更高)自由运动)；并至少部分固化中间形态的热塑性延伸部件，用于形成具有预定取向(orientation)延伸部件的三维制品。本发明还涉及一种用于形成成型三维制品的装置，其构造成允许中间形态在变形过程中进行移动(即，横向滑动)。
本发明的方法和装置提供一种独特的方案，以在塑料中间形态，特别是由热塑性带制成的中间形态内的平衡流动。
图1A是表示用于成型中间形态的装置的俯视图。
图1B-1D表示采用图1A装置的步骤。
图1E是另一种用于成型中间形态的装置。
图2是用于本发明的安装框架一个例子的透视图。
图3A和3B是根据本发明使用的工具组件的侧视截面图，其分别处于敞开开始位置和变形操作过程中。
图4A和4B是根据本发明使用的可选择的次级工具组件的侧视截面图，其分别处于敞开开始位置和变形操作过程中。
图5是用于携带根据本发明的工具组件的装置一个例子的透视图。
具体实施例方式
本发明致力于发现一种独特的三维制品制造方法，特别是用于制造制品的至少部分加强(consolidated)的三维中间形态，例如适于结合入成型合成物的中间形态，该成形合成物包括诸如聚合物(且更具体地是热塑性聚合物)加强材料的中间形态。本发明，虽然在一方面提供改进的制造方法，还提供由该方法制造的制品，以及该方法中使用的机器。根据本发明的教导可以成功地制造具有相对复杂外形的制品，例如需要相对深拉伸的制品，和具有圆形甚至方形或者其他锋利角部的制品。
通常，本发明通过提供一种方法致力于解决现有技术中重要的问题，该方法包括成型和加强中间形态的基本步骤，该中间形态包括多个聚集延伸部件(特别是基本上由热塑性材料组成的部件)。可以参考序列号为60/621,463，标题为“塑料加强合成物”，申请日为2004年10月22日(代理人编号为63863；1062-041P1)(结合在此作为参考)，和2005年9月16日的美国临时申请号为60/717,965，(代理人编号为63863B；1062-041P2)，标题为“塑料加强合成物”的申请(结合在此作为参考)，以及美国临时申请号为60/725,399(代理人编号为63863C；1062-041P3)，标题为“延伸部件”的申请，其通常表示一种部件，该部件的一个尺寸(例如，长度)长于至少一个其它尺寸(例如，宽度，高度，厚度，或直径)，特别地，这里的延伸部件的长度基本上大于(例如，至少大十倍或更大)宽度或高度。因此，这里的延伸部件可以包括，但不限于从纤维，杆，绳，纱线，带，细丝，皮带或其任意组合中选择的部件。从上面可以理解，在多个方面，薄膜也可以算在“延伸部件”的含义范围内。也可以包含小数量级的部件，例如晶须或片晶。虽然“延伸部件”在这里的含义可以很广泛，但应该理解延伸部件特别优选的形态特别地将包括一种或多种纱线，带，纤维和细丝。更优选的延伸部件为带的形式。
此外，应该理解本发明的延伸部件通常经过处理以达到初始形态，且特别地为初始取向状态(例如，单轴拉伸，双轴拉伸，或者其它拉伸，例如根据本文中规定的比例)。在根据这里公开的主题可获得的多个独特优点中，在处理结束时，特别是在成品中，实现在延伸部件中基本保存初始形态的能力。因而，例如，在处理时，延伸部件的分子取向从其初始形态开始基本保留(例如，保留延伸部件初始取向的至少大约75％)。
因此，本文中的延伸部件可以包括，但不限于从纤维，杆，绳，纱线，带，细丝，皮带或其任意组合中选择的部件。也可以获得较小数量级的部件，例如晶须或片晶。至少部分沿着延伸部件的长度，该部件可以完全密实，部分密实(例如，发泡)，穿孔，起波纹，扭曲，或其任意组合。
延伸部件的尺寸通常为使该部件能够手工操作。然而，更具体地，延伸部件的尺寸为使其能够机械操作，用于将其加工成中间形态。例如，本发明的一个特定例子描述一种延伸部件，例如纱线，带，纤维或细丝，具有不大于大约1cm的厚度，宽度，或者均不大于大约1cm，更特别是不大于大约0.5cm，甚至更特别是不大于大约1mm，以及小于1mm。例如，一种方法是使用如纱线，带，纤维或细丝的延伸部件，其具有小于5mm的宽度，小于1mm的厚度，更特别是小于0.5mm(例如，大约0.01-0.25mm)的厚度。
该延伸部件可以是整体的。其可以是单一材料，多层材料或其组合。由聚丙烯带制成的典型地球物理织物是从这种延伸部件所织成的织物的例子。该延伸部件可以具有沿着该部件维度而不同的特性或其它特征。一方面，该延伸部件可以包括第一表面部分，与第一部分相邻的第二部分，其中第一部分和第二部分在成分、多分散性、形态(例如，结晶度，取向或者两者)、熔化速率，或其任意组合上不同。例如，一种特定方法描述至少一个第一热塑性材料的延伸部件，且具有能够先于相邻取向部分熔化的表面部分。
如序列号为60/621,463，标题为“塑料加强合成物”，申请日为2005年10月22日(代理人编号为63863；1062-041P1)(结合在此作为参考)，和申请号为60/717,965，2005年9月16日申请的(代理人编号为63863B；1062-041P2)，标题为“塑料加强合成物”的美国临时申请(结合在此作为参考)，和申请号为60/725,399(代理人编号为63863C；1062-041P3)的美国临时申请中所讨论的，至少一个延伸部件被处理制成中间形态，例如从卷绕形态、编织形态、卷辫形态、随机分散形态、或其任意组合中选择的中间形态。如本文中所提及的，中间形态通常包括多个重复的结构单元。例如，中间形态可以包括多个重复的结构单元，排列起来形成图案，例如普通的或斜纹织物(例如人字形，斜纹，犬牙花纹，格子花纹或其它斜纹)、花边、缎纹、或其任意组合。特定织物的例子包括具有缠绕延伸部件以1/1到14/2(例如，2/1，2/2，3/1，或其它比例)的比例范围在纬向延伸部件上方和下方延伸的花纹的织物。从而，更特定的织物例子包括，但不限于，2/1斜纹，2/2斜纹，四枚缎，2/2篮状编织，5H缎纹，8-H缎纹，或其它织物。中间形态的各个结构单元可以相对于彼此以任何数量的可能结构布置。例如，重叠的单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织物。根据本发明可以获得的一个有吸引力的优点是，中间形态可以被处理成使得最终成型制品通常保留重复结构单元相对于彼此的取向。
通常，在任何成型步骤以前，相邻结构单元可以在中间形态中相对于彼此运动。一种实现这一点的方法是形成中间形态，但不使其经历加强成型步骤，通过该步骤相邻结构单元不可逆地彼此接合，例如粘合，熔化，固定或其它方法组装。因此，在根据本发明处理步骤的变形开始以前的时刻，特别期望中间形态不被加强，例如通过加热至高于该形态中至少一种材料的熔点以上，以使该材料熔化开熔合，并与相邻单元有效地焊接。
中间形态可以包括或基本上由单层(其选择性地可以包括一种或多种图案)组成。中间形态在它们的一些或全部相应表面上包括多层(其选择性地可以包括一种或多种图案)。例如，中间形态中的层数可以从大约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)的范围变化。因此，可以预期中间形态，在未加强的状态下，可以具有与单个延伸部件相同小的厚度，但也可以更大，例如大约0.25mm至大约2.5cm或更大的数量级。因此，在加强状态下，可以预期中间形态会产生大约0.8mm或更小至大约1.5cm或更大的厚度，例如从0.1至0.8cm或更特别是大约0.3至0.5cm。
如果采用多层，则一层或多层可以在一个或多个方面彼此不同，例如材料类型、延伸部件的成分、延伸部件的热处理、延伸部件的宽度、图案类型、每层是否加强、存在薄膜层、厚度、形态、或其任意组合。为了说明，可以从薄膜、涂层(例如，溶剂涂层、挤压涂层或其它)、中间形态、缠绕形态、编织形态、卷辫形态、随机分散形态或其任意组合选择至少一个第一层，其邻接至少一个第二层，该第二层是从薄膜、涂层(例如，溶剂涂层，挤压涂层或其它)、中间形态、缠绕形态、编织形态、卷辫形态、随机分散形态或其任意组合中选择的。如前所述，多层中的至少一层可以在该说明中被强化。无论是该形态的全部面积上还是其预定部分上，还可能是一定量的可流动未成型或成型(加强或未加强)的塑料被置于中间形态的外部或者相邻层之间。此时，可以实现可局部完全密实的可流动阶段，无需在附近使用全部一层。从上面还可以理解，可以选择性地省略或者改变一层或多层部分，使得可以实现壁厚的改变或者可选择地改变制品的局部区域。
通常，延伸部件是聚合材料，特别是热塑性材料。特别优级的热塑性材料包括至少一种聚烯烃(例如，聚丙烯，或丙烯-乙烯共聚物)，例如可从陶氏化学公司获得的，例如，标记为VERSIFYTM或者INSPIRE的聚烯烃。序列号为60/621,463，标题为“塑料加强合成物”，申请日为2004年10月22日(代理人编号为63863；1062-041P1)(结合在此作为参考)，和申请号为60/717,965，2005年9月16日申请的(代理人编号为63863B；1062-041P2)，标题为“塑料加强合成物”的美国临时申请(结合在此作为参考)，和申请号为60/725,399(代理人编号为63863C；1062-041P3)的美国临时申请中公开了其它适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。作为替代地，或者除了聚丙烯均聚物，共聚物的一种例子包括两种或多种不同聚烯烃，例如聚丙烯/聚乙烯共聚物。其它适于用在本发明中用作延伸部件的材料的例子包括美国专利US5,993,711和6,045,923(转让给Lankhorst Indutech B.V.)中公开的带或绳，在此结合作为参考。根据前者，延伸部件的外形可以包括位于一个或多个表面上的一个或多个纵向肋和/或纵向槽。根据后者，延伸部件可以包括从高密度聚乙烯和一种或多种其它聚烯烃混合物准备中间层，从而高密度聚乙烯的数量占主要，例如超过重量的50％。更特别地，中间层是从下述材料准备，即50-90％重量的高密度聚乙烯(＞940kg/m3)，和10-50％重量的(线性)低密度聚乙烯(＜925kg/m3)，超低密度聚乙烯(＜910kg/m3)，或这些产品的组合。此外，可以存在一定量的聚丙烯以提高材料的强度。
本发明的材料可以提供一定范围的材料特性。无限制地，例如，根据本发明的材料可以表现出至少大约13GPa的弹性模量，且更特别是至少大约18GPa，通过ASTM D-638测量，和至少大约150MPa的拉伸强度，且更通常地至少大约300MPa，通过下面的ASTM测试方法D-638测量。
例如当中间形态为单层时，以及例如当期望具有多层作为中间形态的部分时，一层或多层可以经过处理以防止单个结构单元、各层、或者两者的分离。例如，对于单层或多层形态，可以确保这些层中的一层或多层(且对于多层形态可选地彼此固定)处于适当的方式，例如通过沿着该形态的一条、两条或多条边的至少一部分使结构单元热连接。也可以采用其它处理方法，例如机械步骤(例如，卷边、固定、网装、铆接、缝合或其它方法)、粘合步骤(例如，通过滴粘合剂，胶带或其它方法)、或者组合步骤。以这种方式，可以很容易地操作该中间形态，例如用于在工具腔中运输、储存、移动，同时降低单个结构单元分离成损害中间形态整体性的程度的可能性。
从认识中导出的本发明的一个优点是，当采用常用取向聚合材料用于本发明的延伸部件时，通常具有热处理窗，在其中可以使材料变形，但是在其中材料大致保持其微观结构取向，从而作为根据本发明步骤处理的结果，材料大致保持其机械特性。
因此本发明提供一种方便和可靠的方式，以在材料的热处理窗中操作，从而允许在所产生制品中有预知和再现的特性。
如前所述，为了根据本发明制造制品，提供中间形态并根据一种方法操作，通过该方法，对中间形态的变形实施相对精确的控制。期望地，当中间形态变形时，特别注意控制所产生三维形态的壁厚、在所产生三维形态中延伸部件相对于彼此的取向、延伸部件分子聚合物的分子取向、或其组合。
这里可以采用这样的操作，通过该操作，中间形态，在成型和加强以前，在附近或任何边上刚性固定(例如，夹紧)。，但是，一种特别优选的方法包括在成型过程中支撑中间形态，使得该形态在变形过程中可移动(例如，相对于任何固定工具使该形态滑动)。通过示例，参考图1A-1D，可以预期中间形态10将安装在合适的结构12(例如，框架)中。成型工具14将使中间形态10有效地变形(例如，向着模具16)，产生至少一个成型区域18和大致连接成型区域(例如其外部)的周围区域20。通常该结构12包含一个或多个偏置部件22。任何采用的偏置部件通常选择并定位成使得它们能够施加偏置力，该偏置力响应于当中间形态变形时由中间形态实现的力。此时，通常采用这种偏置机构用于在平行于任何变形工具的力的方向上提供偏置力(例如，图1E中所示)。还可以采用，在变形工具施力的周期期间，用于在垂直的方向提供偏置力(也可以采用这两者的组合)。该偏置部件可以直接连接至中间形态来成型装置、安装框架(如本文中所述)或其它适于于中间形态共同作用，用于在中间形态的变形过程中控制移动的结构。可以使用任何合适的机构实现偏置。例子包括弹簧、电磁阀、或其它电磁装置、活塞、和其任何组合、或有弹性、往复运动的的任何其它类似工作部件。
一种成型中间形态(无论是单层还是多层)的特定方法的例子包括采用有弹性的(例如，弹簧偏置)结构，例如弹簧负载框架，无论加强与否，其携带中间形态10。例如，成型工具带有具模22，它们之间具有框架形态。中间形态固定结构的弹性有助于避免通常在没有框架而成型时发生的中间形态变薄，从而有助于产生成型的中间形态，其在所产生形态的大致全部可用部分上包括大致恒定的壁厚，和光滑没有皱褶的暴露表面。
应该理解可以采用工具的不同结构，用于成功变形必须的所期望的固定和移动组合。例如，一种特定的方法在图1E中示意性地表示，其中框架本身有弹性地安装(例如通过弹簧)，使得中间形态成型，同时允许结构单元流动，以在施加压力的过程中维持壁厚。弹性安装可以使框架由一个或多个弹簧悬挂(例如，弹簧的重量和任何其它可移动地夹紧中间形态的可选力)，该框架安装成使其在变形过程中朝着中间形态或其组合偏置。
应该理解对于每层能够相对于彼此在上面运动(例如，彼此独立地滑动)的多层形态，可以采用该装置，用于在全部负载作用下在该形态中维持一致的运动量。
下面参考图2-5更详细地说明本发明的大致方法。根据这样的方法，如图1A-1E所示，选择在变形过程中用于处理中间形态的条件，使得在成型区域中实现受控制的变形，且更具体地，在所期望的地方获得相对均匀的壁厚，大致保持延伸部件相对于彼此的取向，避免用于中间形态的取向聚合物形态、结晶度或两者(及所产生特性)的极度偏差，在大致整个成型区域上产生光滑、无皱褶的暴露表面，实现大约为0.1∶10至大约5∶1(例如，大约1∶1)的拉伸比(部件深度对宽度的关系)，多层中间形态的层允许相对于彼此运动，基本上避免延伸部件由于过度延伸导致的损坏，或其任意组合(优选为上述全部的组合)。例如，一种特定方法是控制在变形过程中固定中间形态的力。即，大致相对于图1A-1E所述，该力根据需要选择和变化，使得中间形态的周围区域经历响应于成型过程中所出现的力的至少部分移动。出于说明的目的，参考图3A和3B，表示横向滑动形态的移动，可以看到，在中间形态上的点A的横向运动是相对于固定参考点X。
参考图2-4说明根据本发明的用于允许周围区域运动的系统的一个特定例子，特别是在大致如图5中所示的设备中所采用的(没有限制性)。可以看到，为了有助于中间形态的操作，中间形态可以位于合适的载体框架26中。例如，没有限制性地，图2表示支架，其包括至少一个支架部件，且更具体地包括多个可分离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。虽然第一支架部件和第二支架部件可以通过其它结构构造成用于容纳中间形态(例如，它们的周围彼此相对可以具有相似的尺寸)，但一种具有吸引力的方法包括采用不同尺寸的支架部件，允许一个支架部件位于另一个中，且中间形态位于支架部件之间。特别是参考图3A和3B，一种这样的方法是在支架部件之一中形成容纳结构(例如，井壁，凹槽，壁架等)，另一个部件的突出部(例如，销，法兰，壁等)可以穿入该容纳结构中。但是，通常，共同作用的支架部件的结构使得当中间形态被置于支架中时，中间形态将不固定在其位置中，而是可以响应变形力而运动(例如，通过横向滑动)。
通常，在采用支架，以通常大约在整个周围区域20的至少一部分上携带中间形态的情况中，支架框架26将变成具有一个开口，变形工具可以在处理过程中穿过该开口。中间形态可以由支架携带使得该形态与支架在支架的一些或全部上接触。虽然图2A和2B的实施例表示了一种封闭结构，但支架框架也可以被分成多个横向分离的部件。分离的共同作用的支架部件可选地彼此物理连接，例如通过一个或多个枢轴部件(例如，铰链)、固定装置、磁体或其组合等连接。
转到图3A和图3B，还参考图5(表示压力机32的一个例子)，表示了一种方法，通过该方法可以在变形过程中布置中间形态。如图所示，可以通过使用成型工具(例如，冲模34)实现变形，成型工具将作用在相对成型工具(例如，具模36)上。坯料架38，具有布置在变形工具附近(即，冲模34，模具36或两者周围外部)的暴露壁表面40，且可以安装成用于相对于冲模34，模具36或两者独立运动。在图示实施例中，冲模34，模具36或两者可从相应压盘或其它支撑结构44和46上可拆除地分离(例如，其能够通过真空、固定装置等可拆除地固定在合适位置)。还可以使工具和压盘结合成单个结构。而且，壁表面的尺寸可以设置或者采用其它构造，使其支撑一个或多个支架部件28或30。
如上所述，坯料架38可以安装成独立于成型工具平移，并用于在变形过程中可移动地固定中间形态。优选地，坯料架38构造成使其在变形过程中不刚性地固定中间形态。这样，坯料架38可以包括一个或多个突出部42(例如，环状突出部)，其适于在变形过程中接触并可移动地固定中间形态。与中间形态的这种接触可以与支架框架26结合，或独立于任何支架框架。在另一个实施例中(图中未表示)，坯料架构造成代替或除了直接接触中间形态以外，支撑支架框架。
坯料架38可以以任何合适的方式独立安装。但是，已经发现，一种方法有助于在变形过程中实现中间形态在该装置中的期望流动，根据上面的教导，通过该方法携带坯料架38。即，坯料架(单独或与支架框架结合)有效地构成弹性框架组件，其允许中间形态的独立结构单云的流动，以在施加压力的过程中维持壁厚。弹性安装能够以多种方式实现。例如，如上所述，坯料架可以由一个或多个弹簧悬挂(例如，坯料架的重量和任何其它可移动地夹紧中间形态的可选力)，该坯料架可以安装成使其在变形过程中朝着中间形态或其组合偏置。
一种特定优选方法，如图3A和3B中所示，而图5表示一种方法，坯料架38通过该方法由一个或多个轴48垂直悬挂，坯料架38可以沿着轴48固定或自由运动。一个或多个偏置部件(例如，弹簧)50布置成用于向中间形态(图5中未表示)偏置坯料架38。该偏置部件选择成使它们像中间形态施加足以可移动地接合中间形态(和可选任何支架框架)，足以在变形过程中，允许中间形态穿过坯料的接合表面、支架框架、或者两者流动期望的量，同时抵抗变形力使得中间形态保持充分地固定，使得中间形态的变形能够产生。
从而偏置力的选择可以通过考虑所成型的中间形态的期望特性而实现。从而所产生的成型形态，在拉伸比的一定范围内，能够在全部成型形态中实现预定壁厚，延伸部件相对于彼此的取向将大致保存，避免用于中间形态的取向聚合物形态、结晶度或两者(及所产生特性)的极度偏离，在大致整个成型区域上产生光滑、无皱褶的暴露表面，实现大约为0.1∶10至大约5∶1(例如，大约1∶1)的拉伸比(部件深度对宽度的关系)，多层中间形态的层允许相对于彼此运动，基本上避免延伸部件由于过度延伸导致的损坏。
在偏置力的选择中可以考虑其它因素。作为选择地，可以选择一定的偏置力，而一个或多个处理参数可以响应所选择的偏置力而变化。例如，没有限制地，还可以改变变形工具移动的速率，改变循环中的负载，改变循环过程中的温度，改变负载循环的数量或其任意组合。
通常，在由图3A和3B表示的步骤中产生的成型，将在升高的温度中执行，例如，提供中间形态材料软化的超过室温的温度，且潜在地处于高于中间形态中延伸部件外表面上的材料熔点的温度。从而，成型工具部件、压盘、该装置任何其它相关部件，或其任意组合的温度可以按照需要控制。两个或多个部件的温度可以独立维持。例如，压盘44可以被加热或变冷，用于加热或冷却成型工具(例如，冲模34)。可以包括第三压盘52，用于当成型工具处于缩回位置时，加热或冷却成型工具(例如，冲模34)。相对的成型工具(模具36)也可以被加热或冷却。例如，第二压盘46可以适于冷却或加热布置在其中的成型工具(例如，模具36)。按照期望，绝热体54可以布置在该装置的部件之间，用于维持离散的热区域。应该理解，在任何变形步骤中中间形态的温度可以在一个或多个预定时间周期内(例如，至少大约5秒至大约一个小时，且更优选地大约30秒至大约5分钟；也可以采用更长或更短的时间)保持大致恒定。还可以在一定的温度范围内变化，用于实现期望的特征。而且中间形态可以预热至预定的第一温度并在变形过程中保持在该温度，或者在变形过程中加热或冷却至不同的温度。
根据上面所述，参考图3A和3B，可以看出中间形态的变形可以通过将中间形态10装入支架框架26而实现，然后其布置成使中间形态布置在成型工具的相对部分34和36之间。通过使成型工具各部分朝着彼此进给而向中间形态施加负载。坯料架38(例如，使用突出部42)将接合中间形态，和由支架框架26构成的任何接合。可以看到坯料架38能够适用(例如，通过其尺寸、操作参数、或其它)使得坯料架在任何满意的时刻接合中间形态。例如，坯料架38可以首先接合中间形态用于在变形负载发生以前、同时、或以后抵抗变形负载。
可以看到在施加变形负载时，且至少在变形开始后，中间形态的周围区域将由坯料架38支撑。但是，偏置力将允许周围区域横向运动。这由图3A和3B中相对于参考点B的参考点A的相对运动表示。
变形过程中的中间形态的受控运动有助于中间形态材料进入成型区域的量的控制，有助于避免过量的材料经受折叠或弄皱。而且，在变形步骤中，特别是在升高的温度和成型工具的压力条件下，可能会产生中间形态的加强。从而，还可以看到，如果期望，可以消除在成型以前加强中间形态的单独步骤。加强可以以任何合适的方式执行，且可以在单独阶段的操作中执行或者作为多阶段操作的一部分执行。在加强的过程中，通常，初始在其自身上有褶皱的中间形态(例如，该形态本身是易曲折的，相邻结构单元相对于彼此可运动，或者两者都是)被加强，该形态将变得至少半刚性，优选地使其能够支撑其自身重量。通常在成型和加强时，本发明的形态将能够是长期保持形状的，例如在正常环境下，超过2个星期，更特别是超过一个月，甚至特别超过3个月。以这种方式，可以预期中间形态制造商可以生产中间形态的存货，其可以储存延长的时期直到需要组装入合成物中。加强的中间形态，特别是那些包括聚烯烃作为其主要成分的，通常将表现出从大约0.75至0.9g/cm3的加强密度，且更特别是大约0.83g/cm3。还优选地加强形态表现出至少大约80％理论密度的密度，更优选地至少大约90％理论密度的密度(例如，高于理论密度的95％，例如至少99％理论密度)。
加强处理步骤将有效地将相邻结构单元不可逆地连结在一起，从而可以通过粘合、熔化、固定或其它组装这些单元的步骤进行加强。一个根据本发明方便地进行的特定方法是，将中间形态加热至高于该形态中至少一种材料熔点的温度，以使材料熔化和熔合，并有效地与相邻单元焊接。
加热步骤可以使用任意数量的方法执行。例如，该形态可以在变形以前在远处预热并传送至处于更高温度的变形装置，在变形装置上施加变形压力。此外，或者作为预热步骤的一种替代，加热可以发生在变形装置上或者处于变形装置内。例如，冲模、模具、其组合或者其它用于使中间形态变形的工具可以被预热。在一种方法中，如果采用离线预热，则中间形态内的温度将升高至其处于工具内部的所需加工温度。、对流、辐射或其任意组合执行。炉子可以用作热源。射频热源，无线电频率(radiofrequency)的热源也可以用作热源。加热可以在惰性气体、在空气、或者在其它适合的气体中进行。此外，加热步骤可以包括多个步骤，每一步骤在不同的温度下进行，每一步骤在施加不同压力下执行，或这些条件的组合。
例如，无限制地，对于基于中间形态的聚烯烃，预热步骤(如果采用)，可以通过在没有施加变形负载时将中间形态加热到至少大约60℃，且优选地低于大约120℃(例如，大约100℃)的温度。这可以维持很多分钟，甚至一天或者更长(例如，大约0.5至20小时)。之后，可以施加变形负载，优选地当该中间形态受热(例如从大约120至160℃(例如，大约140℃)或更高)，例如用于实现大约10至大约200Bar(例如，大约20至大约140Bar，且更特别是大约80Bar)的变形压力。升高的温度和压力维持大约1至10分钟，且更特别是大约3至5分钟(例如，大约4分钟)，使得可以发生加强和变形。根据中间形态的尺寸，可以实现更长或更短的时间，和/或可以采用更高或更低压力，上面的范围通常可用于加强至大约1至大约10mm(例如，大约2至大约7mm)的中间形态厚度。
转向图4A和4B，表示可选次级变型操作的例子。特别地，根据本发明的制品的成型可预期采用次级冲压操作，且更特别是切边成型步骤。该次级步骤可以在一个或多个升高的温度下进行，但更通常地传导在室温或室温以下(例如，从大约0至20℃，且更特别高到大约15℃)。在次级成型操作的时刻，通常中间形态将至少部分加强(例如，通过图3A和3B中表示的操作中包括的热量)。但是，也可能加强在第二成型操作过程中产生，特别是在次级成型操作过程中，大约0.5至大约5分钟(例如，大约1.5至3分钟)的持续压力可以为大约50至大约250Bar的数量级，且更特别为大约100至大约200Bar(例如，大约175Bar)。因此，考虑到上述内容，支架框架26、坯料架38、或者两者的使用可以省略。通过这里的其它实施例，可以理解考虑到这些教导，即上述内容不用于覆盖可以采用本发明的所有场合。可以根据所需要的结果、要处理的坯体尺寸、要处理材料的特性、和其它相关事项对参数进行变化。例如，可以采用更长或更短的时间，比上述讨论中所引用的更高或更低的压力。
次级成型操作一种可能的操作是可以在成型步骤过程中，在中间形态中发生的附加应变硬化(可以认识到在升高的温度下，在加强以前或过程中，可以采用大约10至大约40％的应变延伸)，从而使成型的制品具有改进的机械特性。例如，应变延伸保持低于大约15％且更优选地低于10％。因此，次级成型操作可以采用与初级操作中不同尺寸的成型工具(其可选地构造成在成型过程中冷却)而发生。还可以采用与初级操作相同的工具，但是作为中间形态在初级操作后收缩或松弛的结果，在工具/中间形态界面上产生间隙，提供能够额外变形的空间。在另一种方法中，可以没有间隙，从而中间形态的材料还进一步压缩在用于实现进一步加强的工具之间，或者期望区域中的局部致密。在另一种方法中，采用次级操作用于保持存冷却过程中成型的中间形态的尺寸和外形。可以采用该段中所引用的步骤的任意组合。
从而，根据图4A和4B，一个或多个工具60，例如结合至少一个切边62的工具可以代替图3A和3B中的至少一个成型工具。可选地，携带在压盘46’中的替代工具36’也可以被替代。可以看出使中间形态变形而无需加热，以软化热塑性组分材料是本发明能得到的一个优点。
可以看到使用本发明的另一个优点是能冲压成型制品(无论在外形上是对称还是不对称的)，需要最少的或者没有附加的完工步骤的能力。这还提供了减少后续切削操作的优点。冲压步骤还可以采用合适的压力，使得中间形态的加强在冲压过程中发生。应该认识到冲压不仅可以是冷冲压。还可能在升高温度下冲压加热形态。
当采用多阶段用于成型本发明的形态时，可以采用多个单独的压力机。还可以构造用于单个压力机的工具，其实现在单独阶段中所执行功能的组合。
该方法的简化优点仅通过选择合适的可互换的偏置部件(例如弹簧)，且通过使用单个装置变形不同尺寸、外形、复杂性、材料特性等范围宽广的中间形态的能力而进一步表现，。为了达到这一点，这里已经认识到合适偏置元件的选择可以通过确定阈值应力(例如，超过中间形态的延伸部件未预料地塑性变形的应力)而实现， 且选择偏置部件使得其仅对中间形态(例如，在周围区域)施加足够的力，该中间形态的横向位移将在实现阈值应力以前发生。
支撑中间形态使其在成型过程中可运动的方式可以通过任意数量的选择性方法而实现。例如，一种方法大致在用于成型一个或多个物理位移阻尼器的区域周围采用。例如，中间形态可以包括表面状况、表面突起等的变化，当与工具相关的相对部件接触时其可以提供阻力。该阻尼器可以构造成使其在阈值压力下逐渐拉动穿过工具。
另一种方法可以向中间形态施加至少一部分连续变化的夹紧力(例如，通过机械、机电、或电磁夹紧机构)，同时使中间形态变形。夹紧力可以循环，例如使得，当变形发生时，夹紧力暂时减小，而在该暂时减小过程中，中间形式可以移动，其中在夹紧力复原时，中间形态恢复成固定周围区域。施加固定夹紧力和力减小的间歇步骤可以根据需要在有规律或者不规律的周期内重复。
不用来限制，本发明的一个特定例子包含图5中的装置。此外，与本文中的其它例子一样，可以在考虑这些教导的情况下理解，该例子不用于覆盖可以采用本发明的所有场合。可以根据所需要的结果、要处理的坯体尺寸、要处理材料的特性、和其它相关事项对参数进行变化。六个碳钢弹簧围绕该装置布置，用于当其布置在第一和第二成型工具之间时朝着中间形态偏置坯料架。每一弹簧额定在32.16(N/mm)每厘米(cm)一(即，额定每毫米(mm)每厘米(cm))。假设每一弹簧的初始长度130mmLO，压缩弹簧常数实现为32.16[(N/mm/cm)]/13[cm]＝2.47[N/mm]。假设每一弹簧压缩76mm，每一弹簧施加的力获得为76mm×2.47[N/mm]＝188[N]。
例如，当中间形态在升高的温度下成型时实现该力，在该形态上分布的全部力(F)，其如果由坯料架弹簧产生，F＝188×6[N]＝1128N。
使用该力，该装置可以易于在由多层中间形态产生的相对较大的坯料(例如，面积为大约350至大约550cm2)上压出大约0.1∶10至大约5∶1(例如，大约1∶1)的深拉伸比(深度和宽度的关系)，其中该中间形态由大约14至34层编织聚丙烯片制成。其还用于防止逆转，而不仅仅防止滑动。
在该例子中，支架框架的尺寸为每侧22.5cm，限定内部开口的周长壁大约13mm宽。这产生大约0.011m2的面积。如果支架单独承受全部压力，这等于102kPa或者1Bar的压力。如果假定该力还作用在坯料架接触的全部面积上，则该力作用在0.051m2的面积上，则压力实际上为22.3kPa或0.22Bar。
应该理解在本发明的一个特定方面，很多上述特性是材料选择和处理条件结合的结果，这些处理条件导致在全部处理步骤中，在中间形态的延伸部件成分中保持基本形态(和特定取向)，直到成型制品完成。特别地，本发明的一种方法在热成型冲压或其它中间形态成型步骤以前，避免了中间形态的任何加强步骤。前面的材料将在任何中间形态成型步骤以前采用加强步骤。但是，这种对取向的保持对于这里公开的很多新颖实施例不是强制的。因此，本领域技术人员将认识到，多种在中间形态成型步骤以前采用加强步骤的现有技术材料仍然可以用于制造这些实施例中的合成物。此外，可以采用多层中间形态，全部层中的一些已经经过处理用于保持取向。
这里涉及的“第一”和“第二”不用于限制仅由第一和第二项构成的组合。在所涉及的场合，本发明的主题可以适当地包含第三，第四或更多项。涉及的“延伸部件”不用于排除多种延伸部件。除了所声明的，使用诸如“加强”或“成型”或者其共同作用的处理步骤不需要完全加强或成型；也可以预期部分加强或成型。而且，“一个”或“一”元件或步骤的公开不用于排除额外的元件或步骤。
除非另外声明，这里所述的各种实施例的尺寸和外形不用于限制本发明，可以采用其它尺寸或外形。可以由单个整体结构或步骤提供多个结构组成步骤。作为替代，单个整体结构步骤可以分成单独的多个部件或步骤。但是，功能也可以整合成单个部件或步骤。
此外，虽然本发明的特征可能仅在图示实施例中的一个中说明，但这些特征可以与其它实施例的一个或多个其它特征结合，用于任何给定的应用。从上述内容还可以理解，这里的独特结构的制造和其操作也构成根据本发明的处理。
应该理解上述说明用于示例性而不是限制性的。除了所给出的例子的很多实施例和很多应用在阅读了上述说明后对于本领域技术人员是显而易见的。从而，本发明的范围不应该根据上述说明确定，而应该根据所附的权利要求确定，也要求与这些权利要求等价的全部范围的权利。全部章文和参考的公开，包括专利申请和公开，结合作为参考，用于全部目的。这里所公开的对主题任何方面下的权利要求中的省略不是该主题的放弃，也不应该认为发明人不将该主题考虑成所公开的创造性主题的一部分。
权利要求
1.一种用于形成成型三维制品的方法，包括下列步骤使中间形态变形，该中间形态基本上包括多个热塑性延伸部件，同时在变形过程中以这样的方式夹紧中间形态，即当施加力用于使中间形态变形时，中间形态在预定界限内自由运动；和可选地，至少部分地加强中间形态的热塑性延伸部件，用于形成三维制品。
2.根据权利要求1所述的方法，其中热塑性延伸部件为包括聚丙烯的带。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中至少部分地加强的步骤在变形步骤过程中发生。
4.根据权利要求1至3所述的方法，其中可移动的夹紧由弹簧偏置坯料架执行。
5.根据权利要求1至4所述的方法，还包括将中间形态预加载在支架框架中，并至少在变形步骤过程中使中间形态保持在支架框架中的步骤。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，还包括将中间形态加热至这样的温度，使中间形态延伸部件中央部分保持低于其熔点，但充分软化以便于变形且在变形过程中避免延伸部件破裂。
7.根据权利要求6所述的方法，其中延伸部件具有取向的分子部分。
8.根据权利要求7所述的方法，其中保持加热温度，使得延伸部件取向部分的取向在变形步骤中大致保持。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，还包括切边冲压该形态的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中变形步骤和切边冲压步骤使用通常的压力机执行。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括为变形步骤和切边冲压步骤采用至少两个独立可运动的工具。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括将该至少两个独立可运动的工具在变形和冲压步骤以前布置在中间形态的相同侧上。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括将该至少两个独立可运动的工具在成型变形和冲压步骤以前布置在中间形态的不同侧上。
14.根据权利要求9所述的方法，其中变形步骤和切边冲压步骤在分开的压力机上执行。
15.根据权利要求1至14中任意一项所述的方法，还包括改变中间形态的厚度，用于形成具有可变化厚度的最终三维制品。
16.根据权利要求1至16中任意一项所述的方法，其中中间形态包括多层。
17.一种用于形成成型的三维制品的方法，包括下列步骤使中间形态变形，同时在变形过程中以这样的方式夹紧中间形态，即当施加力用于使中间形态变形时，中间形态在预定界限内自由运动；和至少部分地加强该中间形态；和可选地在次级成型操作中冲压该中间形态。
18.根据权利要求17所述的方法，其中冲压包括切边冲压步骤。
19.一种用于形成三维制品的装置，包括a)用于在升高温度下使中间形态变形的第一工具；b)用于冲压中间形态的可选第二工具；和c)用于在变形过程中以这样的方式夹紧中间形态的支架，使得当施加力用于使中间形态变形时，中间形态在预定界限内自由运动。
20.根据权利要求19所述的装置，其中该支架包括多个偏置部件，这些偏置部件在装置中平行于第一工具运动方向的方向中偏置该支架。
21.一种根据权利要求1至18任一所述方法制造的制品。
全文摘要
一种用于形成成型三维制品的方法，包括下列步骤使中间形态(10)变形，该中间形态包括初始相对于彼此可运动的多个热塑性延伸部件，同时在变形过程中以这样的方式夹紧中间形态，即当施加力用于使中间形态变形时，中间形态在预定界限内自由运动；和可选地，至少部分地加强中间形态的热塑性延伸部件，用于形成具有延伸部件预定取向的三维制品。本发明还公开了一种用于形成成型的三维制品、包括压力机(32)的装置。
文档编号D06M23/00GK101044011SQ200580035900
公开日2007年9月26日 申请日期2005年10月20日 优先权日2004年10月22日
发明者E·L·德胡赫, R·A·沃克, D·G·麦克劳德 申请人:陶氏环球技术公司