CN107645985B - 具有分级多孔结构的蜂窝芯体 - Google Patents

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Abstract

分级夹心芯体描述为蜂窝形式，即，具有重复且周期性的格子材料。夹心芯体由具有带介观多孔芯体的夹心孔道壁的宏观蜂窝结构构成。介观蜂窝孔道的孔道纵轴可以垂直于宏观蜂窝结构的孔道纵轴。或者，如果使用具有介观孔道的泡沫芯体，可以在发泡过程期间制造介观孔道的形状，以使得它们能够在垂直于宏观蜂窝结构的孔道纵轴的方向上伸长。

Description

具有分级多孔结构的蜂窝芯体
本发明涉及夹心芯体材料以及制造包括蜂窝芯体或与蜂窝芯体类似的多孔结构的夹心芯体材料的方法。该芯体可以在用于许多不同应用的夹芯板材料中使用，以使(例如，在汽车、运输、建筑和包装应用或雨水管理或砾石稳定应用中)得能够以最轻的重量获得高弯曲刚度和强度。
背景：
通常使用夹在两个薄面板或表层之间的芯体来生产刚性且轻质的板。有时称为周期格子材料的泡沫芯体和蜂窝芯体是夹心结构中可以采用的两大类芯体。
泡沫可以是封闭或开放的孔道(cell)。泡沫在各方向上具有有限的比刚度和强度。不同的是，蜂窝材料在面外(out-of-plane)方向上具有更好的比刚度和强度。
六角形蜂窝由于其在面外压缩和面外剪切性能上的高比刚度和强度而广泛用于夹心结构中。然而，具有非常低密度的蜂窝芯体需要具有非常薄的孔道壁。这些薄的孔道壁趋向于在面外压缩和剪切载荷下弯曲，使得需要较小的孔道尺寸，但较小的孔道尺寸会导致更高的密度和重量。
此外，由于生产设备大小上的限制，蜂窝芯体可能受限于尺寸。已经研发出了连续生产过程能够成本经济地生产具有变化长度的蜂窝芯体。对于较大的宽度，必须考虑更高的成本或者必须将芯体板材结合在一起。
可膨胀蜂窝体是已知的，其通过横向牵拉塌缩结构来获得最终的蜂窝几何形状，例如，可膨胀铝蜂窝。可膨胀蜂窝结构的节点能够使得形成孔道壁的条带旋转，从而使得膨胀的蜂窝体可以变平。为了使得基于芳族聚酰胺纸的膨胀的蜂窝体稳定，将它们浸入树脂中，所述树脂在蜂窝保持膨胀形状的情况下固化。热塑性膨胀的蜂窝体必须进行热处理以使得通过膨胀过程施加的应力弛豫。
已知由薄固体孔道壁(例如，由纸材料)制成的有槽蜂窝芯体。其可以由材料的有槽条带制成，所述材料的有槽条带可以插在一起以形成节点，使得条带材料在膨胀期间旋转。节点不能防止孔道的变形。
如果孔道壁相当厚，那么通过膨胀或折皱的蜂窝芯体常规生产过程不能很好地起作用。
发明内容：
本发明的目的是提供能够使得多孔结构(例如，包含蜂窝孔道)具有较低密度和厚孔道壁的产品设计以及生产方法。本发明实施方式的优点是使用经济的工艺和有效的设备生产大尺寸蜂窝板材。
一方面中，本发明提供蜂窝形式的分级夹心芯体，即，具有重复且周期性的格子材料。夹心芯体可以由具有带介观多孔芯体的夹心孔道壁的宏观周期格子材料(例如宏观蜂窝结构)构成。例如，介观多孔芯体可以是泡沫，或者可以是由周期格子材料(例如，介观蜂窝结构)制成。在后一情况中，在本发明的实施方式中，介观蜂窝孔道的孔道纵轴可以垂直于宏观蜂窝结构的孔道纵轴。在该情况下，介观孔道和宏观孔道例如可以是六边形或矩形(例如，正方形)，但是本发明包括：在四个或六个节点处连接在一起的四边或六边的孔道。或者，如果使用具有介观孔道的泡沫芯体，可以在发泡过程期间制造介观孔道的形状，以使得它们能够在垂直于宏观蜂窝结构的孔道纵轴的方向上伸长。
可以对宏观蜂窝芯体结构的节点处的孔道壁的厚度进行选择，以使得节点被锁定，在节点处夹心孔道壁的没有局部压缩/变形的情况下，芯体结构不是平面内可塌缩的。在本发明实施方式中，通过在宏观蜂窝结构节点处互锁型配合部件提供锁定。通过能够分别胶粘至芯体一个或多个主表面上的芯体蜂窝体的一种或多种材料的覆盖表皮，可以实现进一步的锁定功能。本发明实施方式的优点在于刚性，例如，厚孔道壁提供了在压缩和剪切载荷下改进的孔道壁抗弯强度。当孔道壁足够厚以避免整体弯曲时，这将会更高。
切割和折叠条带的本发明实施方式的优点能够实现相当厚但仍然非常轻的孔道壁。
孔道壁的厚度可以取决于许多因素，但是对于需要对单位重量的刚度进行优化的大尺寸非结构板来说，具有大孔道尺度的非常低密度的蜂窝是足够的。在该实施方式中，固体孔道壁导致可以比宏观蜂窝结构的孔道尺寸薄一百倍或以上的孔道壁，例如0.6mm孔道壁和60mm的孔道尺寸。随后，具有5倍或更高厚度的夹心孔道壁可以更轻且具有更高的抗弯性能，例如，具有密度低于固体孔道壁材料的1/10的3-4mm厚的夹心孔道壁。
本发明的任何实施方式的宏观蜂窝芯体结构的孔道壁厚度范围可以为1至30mm，例如2至15mm，或3至10mm。
板结构优选为以拓扑结构分级的：宏观夹芯板包括覆盖至少一个面板或表层，所述至少一个面板或表层覆盖具有正方形或六边形宏观孔道的正方形或六边形蜂窝芯体，其中，宏观孔道的纵向方向垂直于表层，由夹心板材料制成的芯体的孔道壁具有介观孔道，如泡沫或正方形或六边形孔道。在任意情况下，特别是参考后一种情况，介观蜂窝孔道的纵轴优选垂直于宏观蜂窝孔道的纵轴。本发明还包括具有在四个或六个节点处连接在一起的四边或六边的介观或宏观孔道。宏观夹心板可以通过将表层层叠在芯体上由分级宏观蜂窝芯体进行制造。
芯体的分级特性由具有孔道壁的正方形或六边形孔道制成的大尺寸宏观正方形或六边形蜂窝提供，孔道的直径为5mm至50mm或更高，而孔道壁包含描述为介观的较小孔道，所述描述为介观的较小孔道的直径为0.5mm至5mm，通常约小一个数量级且不大于宏观孔道尺寸的一半。
例如，本发明的一个方面可以是具有宏观蜂窝孔道的分级夹心芯体，所述宏观蜂窝孔道具有由带介观蜂窝芯体的夹心板材料制成的孔道壁，所述介观蜂窝孔道的纵轴垂直于宏观蜂窝孔道的纵轴，所述夹心板孔道壁以重复Y形交叉的形式彼此连接，所述Y形交叉具有形成单一厚度孔道壁的单一厚度的两个臂以及形成宏观蜂窝的两倍厚度孔道壁的具有两倍壁厚的一个臂。在实施方式中，Y结构对于宏观蜂窝结构的横向塌缩是稳定的，因为在其中心的Y结构具有互锁形配合的锁定节点。
在一实施方式中，宏观蜂窝结构的孔道壁和/或介观蜂窝结构的孔道壁可以由一个箔或多个箔构成，例如一个聚合物箔或多个聚合物箔。可以使用其它箔，例如金属箔、相似或不同材料(例如，具有纤维含量的相似或不同材料)的层叠体。该箔的厚度范围可以是20微米至400微米。聚合物箔可以包括：聚烯烃，如聚乙烯(例如高密度或低密度聚乙烯)或聚丙烯或聚胺，聚苯乙烯(polystyrol)(聚苯乙烯(polystyrene)，泡沫状塑料)，聚碳酸酯或其它热塑性聚合物，可以是单独的或混合物。此外，在本发明范围内包括金属箔(例如，铝)以及复合层(具有纤维增强物)和来自多个层的箔。
在一实施方式中，宏观蜂窝芯体的孔道壁可以由在具有介观孔道的芯体两侧上具有表层的夹心板材料的条带制成。条带具有第一狭缝，其可以使得条带折叠展开以形成具有五个或六个四边形面的凸多面体的多边形链，例如通过在狭缝处的夹心板表层材料的其余部分连接以形成绞接体的矩形体。这些条带是绞接的，某种意义上，它们包括能够在预定点处或以预定间隔(即，绞接体位置而不在其它位置)弯曲或绞接体连接的刚性或半刚性元件(它们是具有五个或六个四边形面的凸多面体)。
条带具有第二狭缝，因此仅一部分选定的绞接体保持完整。
这些条带彼此插入，使得一个条带的绞接体中的狭缝插入在第二条带的绞接体的完整部分上。
本发明的实施方式提供了不含粘合剂的有槽宏观蜂窝芯体结构。在实施方式中，孔道壁通过如下形成：对板材材料进行切割，使得切割板材形成为W形状或V形状结构，从而形成孔道壁排，能够实现插槽工艺步骤而无需去除材料，并因此导致在连接点紧配合的厚壁孔道壁。这些连接点形成了六边形或二次(quadratic)蜂窝结构的节点，其是互锁型配合的节点。
多边形链中的链元件可以通过连续连接的箔进行连接，该连续连接的箔在具有五个或六个四边形面的相邻凸多面体之间形成绞接体，例如矩形体体链元件。或者，链可以通过跨越绞接体位置的带子连接，例如，胶带。使得具有五个或六个四边形面结构的连接的凸多面体(例如矩形体结构)绞接在绞接体上。具有五个或六个四边形面的替代性凸多面体(例如矩形体结构)可以包括具有五个或六个四边形面的第一凸多面体，例如具有平行四边形形式的顶面和底面以及矩形侧面的矩形体。
根据本发明实施方式，两条条带插在一起以形成一排宏观蜂窝芯体的孔道。根据本发明的实施方式中，宏观蜂窝芯体的孔道可以具有分别在四个或六个节点处连接在一起的四条边或六条边，各节点是互锁型配合的，因此孔道横向塌缩而使得蜂窝变平的情况只有在壁的材料损坏或变形的情况下才有可能。
在一实施方式中，链由具有五个或六个四边形面的第一凸多面体(如矩形体)制成，并且由其形成的宏观蜂窝孔道有四条边。在该实施方式中，通过在具有五个或六个四边形面的相邻凸多面体(例如矩形体结构)之间形成绞接体的连续连接的表层对结构进行连接以形成链，由此在具有五个或六个四边形面的相邻第一凸多面体(例如矩形体)中，链接(link)从顶面到底面交替产生。一个链的三角形元件在节点位置处介入第二绞合链的矩形体，以提供互锁型配合的节点。
具有六个四边形面的第二凸多面体(例如矩形体)具有梯形形式的顶面和底面(长边和短边)以及矩形的侧面。在另一实施方式中，多边形链由具有六个四边形面的第一和第二凸多面体(如矩形体)交替形成，并且宏观蜂窝孔道有六条边，例如六边形。在该实施方式中，通过在具有六个四边形面的相邻凸多面体或矩形体结构之间形成绞接体的连续连接箔对结构进行连接以形成多边形链，绞接体在具有六个四边形面的第二凸多面体(例如矩形体)的梯形短边一端和具有六个四边形面的第一凸多面体(例如矩形体)的末端之间进行连接。在该实施方式中，链接在具有六个四边形面的相邻第一和第二凸多面体(如矩形体)中从顶面到底面交替产生。
在任何实施方式中，具有五个或六个四边形面的凸多面体孔道壁元件(例如一个链的矩形体元件)在节点位置与具有五个或六个四边形面的凸多面体(例如第二链的矩形体)相互作用，以提供互锁形配合的节点。
宏观孔道通过将许多链插一起而形成。然后，通过将另外的链插入到结构并重复该过程来制造另外的孔道排。插槽是通过将一片完整的连接箔与一条链的绞接体中进行匹配而实现，所述一条链滑入另一条链的绞接体的连续箔的狭缝中。通过将另一条链的绞接体连接箔的狭缝在一条链的绞接体的完整连接箔上滑动，或反过来，来完成匹配。因此，各第一链形成两个其它链的对应物，第一链的各条边上一个所述其他链，除了在所述板的末端处的链。由于摩擦力，插槽会导致链的锁定，防止链分开。这些实施方式的优点在于：所述条带保持在一起而无需任何粘合剂、或热焊接、或该性质的其它连接手段。
另外，宏观孔道保持形状而无需任何涂层或热松弛。
在产生宏观六边形孔道的实施方式中，例如，插槽过程为宏观孔道的六个壁中的两个产生了双倍壁厚。在产生宏观正方形孔道的实施方式中，插槽过程使得所有孔道壁产生相同厚度。
在另一方面，本发明提供了一种具有由夹心板制成的宏观蜂窝孔道和孔道壁的分级夹心芯体，其包括：
在具有介观孔道的芯体的两侧上具有表层的夹心板材料的条带。
条带具有第一狭缝，其进行折叠展开以形成具有通过夹心板材料的剩余部分在狭缝处连接以形成绞接体的五个或六个四边形面的凸多面体(例如矩形体)的多边形链。
条带具有在绞接体位置的第二狭缝，因此这些绞接体仅一部分保持完整。这些条带互相插入，使得一个条带的绞接体中的狭缝插入在第二条带的绞接体的完整部分上。
本发明还包括由在具有介观孔道的芯体两侧上各自具有箔的板材制造蜂窝形式(即，具有重复的周期性格子材料)的分级夹心芯体的方法。所述方法可以包括：
对板材进行第一次切割以形成具有通过箔的剩余部分连接的五个或六个四边形面的凸多面体(例如矩形体)的多边形链，以形成绞接体。
对第一和第二链的选定绞接体进行部分切割，以在所选绞接体中形成狭缝和完整箔片。
通过将第一链的选定绞接体中的狭缝在第二链的绞接体的完整箔片上滑动而将第一链插入第二链；以及
对其它链重复所述切割和插入步骤，由此形成宏观蜂窝孔道。
本发明还包括用于制造蜂窝形式的分级夹心芯体(即，具有重复且周期性格子材料)的设备。
附图的简要说明：
图1显示出具有带微观六边形孔道的夹心孔道壁的分级六边形蜂窝芯体。
图2A和2C显示出本发明的一个实施方式，其中使得图4的板材弯曲以形成W形状的链，并且图2B示出了通过将在第一链的选定绞接体上的狭缝在第二链的选定绞接体的完整箔上滑动从而将第一链插入第二链中，接着将其它链相互插入，以由具有六边形孔道的夹心孔道壁形成组装的分级蜂窝。
图3A显示出根据本发明的一实施方式插在一起的矩形体元件的链的两条条带的细节。用虚线表示在插槽操作期间槽的可能小开口。
图3B显示了根据本发明实施方式的“Y”的一个臂具有双倍厚度的“Y”形式的重复且周期性的结构图案。
图4显示了根据本发明实施方式的切割以形成连接的矩形体的绞接式链的板材产品。
图5示出了根据本发明另一实施方式的切割以形成连接的矩形体的绞接式链的板材产品。
图6A-6C各自显示出本发明的其它实施方式，其中使得图5的板材弯曲以形成V形的链，以及通过将在第一链的选定绞接体的连接箔中的狭缝在第二链的选定绞接体的完整箔上滑动从而将第一链插入第二链中，以及对其它链重复此步骤，以形成根据本发明实施方式的分级蜂窝结构。
图7A是根据本发明实施方式的制造蜂窝结构的方法的示意流程图。图7B是根据本发明实施方式的制造蜂窝结构的另一方法的示意流程图。
图8是根据本发明实施方式的设备的刀组件的示意图。
图9是根据本发明实施方式的设备的另一刀组件的示意图。
图10是根据本发明实施方式的设备的刀组件的示意图。
图11是根据本发明实施方式的插槽设备的示意图。
图12显示根据本发明实施方式的处于关闭位置的插槽设备。
定义：
本发明的实施方式使用通过绞接体渗出(leach)连接到下一个的3D物体的链，所述绞接体能够围绕向着相对于延伸呈横向方向的轴自由旋转。这些3D物体是以绞接式链连接的宏观蜂窝结构的壁元件。在各实施方式中，存在具有以下表面的三种类型的链元件：
两个菱形和四个矩形表面。
两个不规则四边形(trapezium)(或梯形)和四个矩形表面(注意：在美国和加拿大，不规则四边形通常被称为梯形)。
两个三角形和三个矩形表面(这是如图5所示梯形收缩成三角形的情况)。
前两个可以描述为由六个四边形面包围的凸多面体，即这些是矩形体。所述梯形可以是等腰梯形。
最后一个是直角三角棱柱，其是三棱柱；它是一个由三角形底、移动的相对面(translated copy)和与对应矩形侧面连接的3个面的多面体。
在本发明的实施方式中，将上述全部描述为具有五个或六个四边形面的凸多面体。
“平行六面体”是由六个平行四边形形成的三维结构。在本发明中，第一平行六面体具有顶面和底面(长侧部和短侧部)以及矩形形式的端面、以及平行四边形侧面。第二平行六面体具有顶面和底面(长侧部和短侧部)以及矩形形式的端面、以及梯形侧面。
“矩形体”是由具有平行四边形或梯形形状的面形成的三维图形。在该矩形体的链中，顶部和底部上的表面是平行四边形或梯形进行交替。矩形体是由六个四边形面所包围的凸多面体，其多面体图与立方体相同。本发明的矩形体并不是需要每个面都是矩形，也不需要每对相邻的面以直角相交。
“宏观孔道”具有5mm至50mm或更大的孔道直径，
“介观孔道”的直径为0.5毫米至5毫米。
孔道的“纵轴”是指平行于壁延伸的孔道的中心轴。孔道通常具有由孔道壁限定的两个远端开口端。纵轴从开口中心处的各孔道出来。
术语“绞接”是指能够在某些点或间隔处弯曲或绞接的结构。因此，链由连接体和绞接体组成。
术语“推入配合”，“正向推入配合”或“通过摩擦保持”是指可以通过克服摩擦力改变或断开连接而不会损坏或扭曲部件。摩擦力可以在特定的方向上或者在一个或多个方向上出现，例如直钉可以通过仅在其敲入到基材中的方向上抽出而被去除。
术语“互锁型配合”是指在至少一个方向上不能进行改变或变形而不损坏或扭曲部件的连接。该连接可以是能够通过克服一个或多个方向上的摩擦而允许断开或改变的类型，但是在至少一个方向上这会导致损坏或变形。
术语“推入配合锁定”是指需要在锁定方向上克服摩擦力并且还形成互锁型配合的推入配合连接。在本申请中，折叠成多个“W”或“V”形的一条板材材料的条带通过在选定绞接位置处将一条带插入到另一条带而与另一该条带推入配合锁定。因此，锁定方向平行于绞接体的平面，即，穿过宏观芯体平面厚度的方向。
术语“熔接”是指通过锻接(welding)、钎焊、焊接等在材料熔化或熔融以形成连接的情况下进行的连接。
术语“粘合剂结合”是指通过使用粘合剂、胶水或类似物制成的连接。
蜂窝孔道的“孔道尺寸”或“孔道直径”是孔道的两个相对孔道壁之间的距离。图2C和6C中的尺寸“c”是孔道直径。
说明性实施方式的描述：
下面将参照某些实施方式并参考某些附图来描述本发明。分开提不一定按照比例绘制，并且示意性的而不是限制性的。本发明通常由所附权利要求书限定。各从属权利要求表示本发明的其它实施方式。
本发明涉及制品，所述制品包括具有孔道壁的宏观蜂窝结构的分级夹心芯体，所述孔道壁由具有介观多孔芯体的夹心板材料制成。在一些实施方式中，介观多孔结构由泡沫或蜂窝孔道制成。在后一种情况下，介观蜂窝孔道的纵轴优选垂直于宏观蜂窝孔道的纵轴。在一些实施方式中，夹心板孔道壁以重复Y交叉形式彼此连接，所述Y交叉的两个臂具有单一孔道壁且一个臂具有双倍壁厚。Y形交叉形成宏观蜂窝孔道的节点，并且节点是互锁型配合的，使得宏观蜂窝孔道的横向塌缩只能在孔道壁破坏或变形的情况下发生。
形成这些夹心芯体的优选方法从图4示意性显示材料的平坦板材10开始。图4显示了用于制造宏观多孔芯体孔道壁的材料的板材10的横截面。板材材料10由如周期性格子材料(例如六边或四边的蜂窝孔道)或泡沫的介观孔道(显示为垂直线)的芯体16组成，所述芯体16夹在分别位于如图4所示板材10的顶部和底部的两个箔12、14之间。介观孔道的芯体16(未示出)可以包括周期格子材料，例如填充有塑料泡沫的六边或四边蜂窝孔道的板材。
两个箔12、14通过任何合适的方式牢固地(例如，永久地)连接到芯体16，例如，通过胶粘、超声波焊接、热熔等。箔12和14不需要完全覆盖芯体，只要它们充分覆盖以提供机械完整性并且还覆盖了稍后将成为绞接体的那些部分即可。
板材10可以制成例如半封闭的热塑性折叠蜂窝，其生产工艺和生产设备由JochenPflug、Ignaas Verpoest在以下文献中记载：国际公开WO2006/053407、欧洲专利EP1824667、美国专利US8795806和日本专利JP4368399。
最初，板材10是一体式的，并且优选是硬的(stiff)、或刚性的或半刚性的。板材优选由聚合物材料制成，例如，聚烯烃，如聚乙烯(例如高密度或低密度聚乙烯)或聚丙烯、抗冲击聚丙烯或聚胺，聚苯乙烯(polystyrol)(聚苯乙烯(polystyrene)，泡沫状塑料)，聚碳酸酯或其它热塑性聚合物。任选地，当根据ASTM方法D747、D790、D638或D882测试时，该材料可以是在23℃和50％湿度下弯曲弹性模量或拉伸弹性模量大于700MPa的刚性塑料(参见ASTM标准定义汇编，1979年第四版，标准在当时有效)。任选地，当根据ASTM方法例如D747、D790、D638或D882测试时，该材料可以是在23℃和50％湿度下弯曲弹性模量或拉伸弹性模量在70至700Mpa之间的半刚性塑料(参见ASTM标准定义汇编，1979年第四版，标准在当时有效)。可以使用合适的国际标准，例如DIN、EN、ISO或ASTM的方法，它们被证明是相等的。对于拉伸模量，一般认为ISO 527-1和5272等同于ASTM D638。对于弯曲模量，认为ISO 178 1993等同于ASTM D790。此外，金属箔(例如铝)和复合层(例如具有纤维增强材料)也包括在本发明的范围内。用于制造板材10的任何箔都可以由一层或多层制成，例如，层压板。所使用的聚合物材料可以是化学或物理交联的，或者可以在芯体完成之后进行交联，例如通过电子辐射进行交联。
然后，板材10可以进行切开、切割、切片、调整、锯切或通过其它减材加工手段分割材料，或者以一定角度并且部分穿过板材10的厚度由此去除材料以形成狭缝1、3、5、7，因此，形成具有通过使得覆盖箔12和/或14的剩余部分在狭缝处连接以形成绞接体的五个或六个四边形面的绞接式凸多面体(例如矩形体2、4、6、8)的多边形链。例如，参考图4、2和7A，显示方法100的步骤。在步骤101中，将连续生产的夹心板或板材10交叉切开，形成具有通过使得覆盖箔12、14的剩余部分在狭缝处连接以形成绞接体的六个四边形面的凸多面体(例如矩形体)2、4、6、8的多边形链。
例如，部分切割的板材10具有如图4所示与垂直方向成约30°至40°、或者例如成约25°至50°的两个平行狭缝1和3。狭缝1和3分别形成第一矩形体链元件2的左侧边界和右侧边界。元件2的侧面具有平行四边形的形式，而顶部和底部以及端部表面具有矩形的形状。矩形可以是正方形。如图4所示，狭缝3在底部开口，即切穿覆盖箔14。狭缝3和5是与元件2相邻的另一链元件4的边界。元件4具有不规则四边形的侧面形状，而顶部和底部表面以及端部表面具有矩形的形状。矩形可以是正方形。如图4所示，元件4具有侧面，其中不规则四边形的短边在顶部。狭缝5在底部开口，即切穿覆盖箔14。狭缝5和7是与元件4相邻的另一链元件4的边界。元件6具有平行四边形的侧面形状，而顶部和底部表面以及端部表面具有矩形的形状。矩形可以是正方形。元件6与元件2的不同之处在于，狭缝5和7的倾斜角度与狭缝1和3相对于垂直方向的倾角相反。狭缝7在顶部开口，即切穿覆盖箔12。狭缝7和9是与元件6相邻的另一链元件8的边界。元件8具有不规则四边形的侧面形状，而顶部和底部表面以及端部表面具有矩形的形状。矩形可以是正方形。元件8与元件4的不同之处在于不规则四边形的短边在底部。狭缝9在顶部开口，即切穿覆盖箔12。元件2、4、6、8沿着板材10的长度重复。如上所述通过切割对板材10进行处理，直到板材10所需宽度加工完成。然后，参考图7A，在步骤102中，狭缝夹心板或板材10可以纵向切割成夹心板矩形体的多边形链的条带15。
尽管上述过程涉及整个板材10的部分切割，但是可以通过全程切割然后在各绞接体位置用粘合剂箔将元件连接在一起以重新形成绞合链来获得相同的元件链。
迄今为止的工艺产生了一系列由绞接体连接的相对刚性或半刚性矩形体元件，由此，一元件与下一元件形成绞接体的连接点从元件的顶部到底部进行交替(在图4所示的意义上)。这使得元件的链能够旋转或折叠成如图2A和2B所示的“W”形式。因此，链包括一系列绞接的元件。图2B具有带有狭缝1'、3'、5、7'、9'的元件2'、4'、6'和8'。为了更长的链，使“W”形式重复。例如，参考图7A，在步骤103中，使得矩形链的条带15进行折叠以形成通过每四个矩形体夹持并移动靠近在一起的多边形的半六边形条带。
随后，如图2A和2B所示的具有W形式的两条链插在一起以形成如图2C所示的宏观蜂窝结构20。
结构20的任一端部都可以通过图2A或2B所示的插槽链(slotting chain)延伸至结构20的另一端部。为了解释插槽过程，图2A中由狭缝7和9形成的绞接体从底部向上切开至如图3A所示的绞接体高度的约50％，即绞接体不完全切开，例如从链上断开)，以形成半狭缝17(图3A所示)和19，而图2B中的绞接体7'和9'由如图3A所示从顶部向下切开，以形成狭缝17'(如图3A所示)和19'。例如，参考图7A，在步骤104中，可以进行第二横向切开，使得通过将成形条带压入刀片而仅使一部分绞接体保持完整。这能够使得两个链10和10'与图2A所示链和图2B中所示链之间的共用孔道壁(其是元件8和8'厚度的双倍)插在一起。例如，参考图7A，在步骤105中，条带彼此插入，使得一个条带的绞接体中的狭缝插入第二条带的绞接体的完整部分上。
图3B显示了宏观芯体的一个节点。所述节点由Y形交叉的中心形成，其中，四对链元件8、8'、11、11'的表面相互围绕以形成互锁型配合的节点。该结构的横向塌缩使得蜂窝塌陷将导致壁元件的破坏或变形。链10的链元件8以推入配合的方式锁定在链10'上。链10通常形成图3B右侧的孔道，而链10'通常形成图3B左侧的孔道。元件8锁入图3B左侧的孔道中，并且元件8'被锁入右侧的孔道中。为了使宏观蜂窝20横向塌缩，四个链元件8、8'、11、11'的邻接表面必须扭曲或压碎。
本发明实施方式的替代方法100的流程图如图7所示。在该实施方式中，进行单一纵向切开操作以产生矩形体元件的链，而同时部分切穿绞接体以使得一个链能插入另一个链。在步骤110中，将连续产生的夹心板或板材纵向切割成条带。在步骤111中，将夹心板条带横向切开以形成矩形体的多边形链，所述矩形体通过覆盖表层剩余部分在狭缝处连接以形成绞接体。以相同的切割操作，将狭缝完全切开超过条带的一半宽度，使得仅部分绞接体保持完整。在步骤112中，通过将每四个矩形体夹持并移动靠近在一起，将矩形体的条带折叠为多边形的半六角形条带。在步骤113中，条带彼此插入，使得一个条带绞接体中的狭缝插入到第二条带的绞接体的完整部分上。
使得链连接以形成宏观蜂窝结构的其它替代性方法包括在本发明的范围内。例如，可以在元件8和8'(未显示)的配合表面之间使用粘合剂或胶水，或者可以采用超声波焊接。粘合剂或胶水的缺点是必须在单独的加工步骤中施加胶水或粘合剂，并且其可能散布到不希望的地方。此外，建设中的宏观蜂窝需要保持在合适位置，直至胶水硬化。用于外部箔12和14的优选塑料可能是由于低能量表面而不易粘合的聚乙烯或聚丙烯。为了改变这一点，可以考虑电晕放电或等离子放电以增加表面能量，但是这引入了其它加工步骤。替代方案是在元件8和8'的配合表面之间使用双面热活化胶带。热活化的双面胶带解决了与普通胶水或粘合剂有关的许多问题，例如，它们不容易迁移、而且它们易于施加。
一旦将宏观芯体生产出来，它可以层压到在其主表面之一或两个主表面上的其它箔，或层压到板材或板(例如塑料)、含金属或纤维的箔或板材或刚性材料层。这些中的任一都可以胶粘或粘附或焊接到宏观芯体的一个或多个主表面上。在宏观芯体这些表面层或表层的层压期间，胶水还可以将芯体孔道壁额外地结合在一起。如果宏观芯体的表面层或表层是热塑性材料，如热塑性板材或含热塑性纤维的复合材料或通过热焊接层压的非织造层，那么这些材料也在孔道开口处将宏观芯体的孔壁焊接在一起以校准宏观芯体的厚度。在该热层压过程中，宏观孔道开口处的微观孔道可被熔融的聚合物完全封闭。为了制造用于稍后与热固性树脂体系统进行层压的宏观芯体，例如，来自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的无纺布层可以与额外热塑性箔一起或未与额外热塑性箔一起焊接到宏观芯体的一侧或两侧，以实现结合的改进，而没有树脂渗透到宏观孔道或孔道壁的微观孔道中的风险。该材料也可以用于雨水管理或砾石稳定化应用。
蜂窝20的长度取决于加入条带的数量，而宽度由条带的宽度确定。
在参考图2所示的本发明实施方式中，形成具有宏观蜂窝孔道的分级夹心芯体20，所述蜂窝孔道具有由具有介观多孔芯体的夹心板或板材材料制成的孔道壁，所示夹心板孔道壁以如图3B所示的重复Y形交叉的形式彼此连接，所述Y形交叉具有形成单一厚度孔道壁的两个臂以及具有双倍壁厚的一个臂。
如果介观多孔芯体由具有孔道的蜂窝构成，则介观蜂窝孔道的纵轴优选垂直于宏观蜂窝孔道的纵轴。
根据本发明实施方式形成这些夹心芯体的另一方法从图5中示意性显示的材料的平坦板材40开始。图5显示了用于制造如图6所示宏观蜂窝芯体孔道壁的材料的板材40的横截面。板材材料40由如周期格子材料(例如六边或四边的蜂窝孔道)或泡沫的介观孔道(显示为垂直线)的芯体36组成，所述芯体36夹在分别位于如图5所示板材40的顶部和底部的两个箔片32、34之间。两个箔32、34通过任何合适的方式牢固地(例如，永久地)连接到芯体，例如，通过胶粘、超声波焊接、热熔等。箔32和34不需要完全覆盖芯体，只要它们充分覆盖以提供机械完整性并且还覆盖了稍后将成为绞接体的那些部分即可。
最初，板材40是一体式的，并且优选是硬的(stiff)、或刚性的或半刚性的。板材优选由聚合物材料制成，例如，聚烯烃，如聚乙烯(例如高密度或低密度聚乙烯)或聚丙烯、抗冲击聚丙烯或聚胺，聚苯乙烯(polystyrol)(聚苯乙烯(polystyrene)，泡沫状塑料)，聚碳酸酯或其它热塑性聚合物。任选地，当根据ASTM方法D747、D790、D638或D882测试时，该材料可以是在23℃和50％湿度下弯曲弹性模量或拉伸弹性模量大于700MPa的刚性塑料(参见ASTM标准定义汇编，1979年第四版，标准在当时有效)。可以使用其它标准，例如DIN、EN、ISO或ASTM的方法，它们被证明是相等的。任选地，当根据ASTM方法例如D747、D790、D638或D882测试时，该材料可以是在23℃和50％湿度下弯曲弹性模量或拉伸弹性模量在70至700Mpa之间的半刚性塑料(参见ASTM标准定义汇编，1979年第四版，标准在当时有效)。可以使用其它标准，例如DIN、EN、ISO或ASTM的方法，它们被证明是相等的。对于拉伸模量，一般认为ISO527-1和5272等同于ASTM D638。对于弯曲模量，认为ISO 178 1993等同于ASTM D790。此外，金属箔(例如铝)和复合层(例如具有纤维增强材料)也包括在本发明的范围内。用于制造板材40的任何箔都可以由一层或多层制成，例如，层压板。
然后，板材40可以通过其它减材加工手段切开、切割、切片、调整、锯切，从而以一定角度并且部分穿过板材40的厚度由此去除材料以形成狭缝21、23、25、27、29，从而形成具有通过使得覆盖箔32和/或34的剩余部分在狭缝处连接以形成绞接体的五个或六个四边形面的凸多面体(例如的立方体22、24、26、28)的多边形链。例如，参考图5、6和7a或7b，相对于图7A和7B如上所述任一实施方式的方法100的步骤也可以用于该实施方式。
例如，部分切割的板材40具有如图5所示与垂直方向成约30°至40°、或者例如成约25°至50°的两个平行狭缝21和23。狭缝21和23分别形成第一矩形体链元件22的左侧边界和右侧边界。元件22的侧面具有平行四边形的形式，而顶部和底部表面以及端部表面具有矩形的形状。矩形可以是正方形。如图6所示，狭缝23在底部开口，即切穿覆盖箔34。狭缝23和25是与元件22相邻的另一链元件24的边界。当从侧面看时，元件24具有三角形的形式。它具有矩形的末端和底部表面。狭缝25和27是与元件24相邻的另一链元件26的边界。元件26具有平行四边形的侧面形状，而顶部和底部以及端部表面具有矩形的形状。矩形可以是正方形。元件26与元件22的不同之处在于，狭缝25和27的倾斜角度与狭缝21和23相对于垂直方向的倾角相反。狭缝27在顶部开口，即切穿箔32。狭缝27和29是与元件26相邻的另一链元件28的边界。元件28具有三角形的侧面形状，而顶部和底部以及端部表面具有矩形的形状。矩形可以是正方形。元件28与元件24的不同之处在于，狭缝27和29的倾斜角度与狭缝23和25相对于垂直方向的倾角相反，由此形成倒三角。狭缝29在顶部开口，即切穿板材32。
尽管上述过程涉及整个板材40的部分切割，但是可以通过一直切割然后在各绞接体位置用粘合剂箔将元件连接在一起以重新形成绞合链来获得相同的元件链。
迄今为止的工艺产生了一系列具有由绞接体连接六个四边形面的相对刚性或半刚性凸多面体(例如，矩形体)元件，由此，一元件与下一元件形成绞接体的连接点从元件的顶部到底部进行交替(在图5所示的意义上)。这使得元件的链能够旋转或折叠成如图6A和6B所示的“V”形式。图6A具有带有狭缝21'、23'、25、27'、29'的元件22'、24'、26'和28'。为了更长的链，使V形式重复。
随后，如图6A和6B所示的具有“V”形式的两条链插在一起以形成如图6C所示的宏观蜂窝结构60。
结构60的任一端部都可以通过图6A或6B所示的插槽链延伸至结构40的另一端部。为了解释插槽过程，图6A中由狭缝27和29形成的绞接体从底部向上部分切开至如图3A所示的绞接体高度的约50％，以形成狭缝27和29，而图6B中的绞接体27'和29'由如图3A所示从顶部向下切开，以形成狭缝27'和29'。这使得两个链40和40'插在一起。这些条带彼此插入，使得一个条带的绞接体中的狭缝插入在第二条带的绞接体的完整部分上。
本发明还包括用于制造根据本发明任一实施方式的蜂窝的制造方法和设备，特别是图7A或7B的方法。
制备图4的板材10或图5的板材40的设备由用于将图4的板材10或图5的板材40引导到切割设备(未显示)的引导件构成。参照图8，根据本发明的实施方式的切割设备50包括一个或多个切割工具，其中第一刀具51架设在刀架(tool holder)58中，用于切割条状物15的厚度以便产生狭缝，诸如图4中的1、3、5等等以及图5中的21、23、25等。为此，刀以θ角和θ'角成角度。这些角度优选为约30至40°，例如，在25到50°的范围内。参考图8，提供了架设在刀架58上的第二刀52，用于将由第一刀形成的条带绞接体切割至大约一半的宽度(即，将条带完全切割至大于一半条带宽度)。为了实现此，第二刀52切割至低于第一刀51的水平。刀可以具有例如0.1mm的厚度，例如可以是剃刀刀片的厚度至用于更坚韧材料的1-3毫米的更大刀片厚度。
图8显示出具有多个第一刀51和多个第二刀52的切割工具，所述第一刀51用于切割多个条带15的厚度，并且所述第二刀52用于将所述条带完全切割至超过条带宽度的一半。为了实现这一点，第二刀52切割至低于第一刀51的水平。
切割工具还设置有振荡器，即用于产生振动移动的装置，或者可以使用旋转刀。用一组刀片对平行间隔开的各条带进行切割，能够用第二刀52同时以用于振动移动的小振幅完全切开条带超过一半条带宽度。仅一个条带宽度的小振幅(等于宏观蜂窝芯体厚度)能够实现快速切割操作。刀可以具有例如0.1mm的厚度，例如可以是剃刀刀片的厚度至用于更坚韧材料的1-3毫米的更大刀片厚度。
参考图9，可以在沿着条带长度方向是指的一个工具中使用多对刀对。这能够在一次操作期间在一定长度的条带15上制造多个狭缝。条带中的下狭缝和上狭缝可以在同一操作中或者以相同移动(对于来自相同侧的狭缝)或者从相对侧移动(对于来自相对侧的狭缝)制造。如图9和11所示，刀51和52的位置(即距离“a”)优选相对于相邻刀之间的距离或刀组之间的距离可以进行调整。而且，角度θ和θ'(参见图9)优选可以进行调整。
刀优选地足够长，使得当第一刀的刀片前部穿过条带时第二刀的末端仍然完全在条带中。这将使得刀能够确保从条带中滑出(图10)。刀可以具有例如0.1mm的厚度，例如可以是剃刀刀片的厚度至用于更坚韧材料的1-3毫米的更大刀片厚度。
刀51和/或52的任一可以是静止的、旋转的或振动的刀。条带15的切割得到具有通过绞接体连接的五个或六个四边形面的凸多面体(例如立方体)的链。
该设备进行进一步调整，使得具有五个或六个四边形面的类似凸多面体(例如，具有梯形表面的矩形体(每第四个具有五个或六个四边形面的凸面多面体(例如矩形体)))现在移动得更靠近在一起，同时它们保持在一条线中。通过该移动，绞接体打开，并且具有五个或六个四边形面的凸多面体(例如矩形体)形成多边形链，例如，半六角形图案或锯齿形图案。保持在一条线中的各个具有五个或六个四边形面的凸多面体(例如聚烯烃)之间的距离需要同等减小至例如约75％。
参照图11，具有把手54、旋转点55和可移动臂56的机械装置用于折起多边形链条15并使得具有五个或六个四边形面的凸形多面体(例如矩形体)定位，以使得第一条带和第二条带15能够彼此插入。一条带的绞接体中的狭缝在第二条带的绞接体的完整部分上移动并且与其对齐。因此，第二条带已是宏观蜂窝的一部分，且因此被正确定位。
由于矩形体在绞接体处的精确配合，已是宏观蜂窝一部分的条带保持正确定位。如图11示意性所示，折叠机械装置54、55、56以六角型风琴形式塌缩，以形成图2A的“W”折叠形式或图6A的“V”形式。具有五个或六个四边形面的凸多面体(例如矩形体)的略微倾斜将有助于方便槽的发现。所述设备包括用于将第二条带降低到第一条带上的致动器，使得一条带的半切割狭缝滑过另一条带相关绞接体箔的剩余一半的未切割部分，如图3A示意性所示。
条带长度限定了最终分级蜂窝芯体的宽度。由此形成孔道壁的连续生产的夹心板材料的生产宽度对宏观蜂窝芯体的尺寸并无限制。为了生产大宽度的分级蜂窝，设备可以夹住最后一个条带，直至下一条带插入，以确保各绞接体的确切定位。在这种情况下，如图12中示意性显示地，可以从上方和下方用机械装置和夹具在每一侧上使用交替插入。
条带的连续插槽能够根据本发明的任意实施方式生产分级蜂窝作为连续的连续网，所述连续网在垂直于夹心板孔道壁材料的生产方向上移动，能够以较小宽度进行连续生产。由来自根据本发明的任一实施方式的热塑性箔的热塑性夹层孔道壁材料制成，芯体可以通过将覆盖板层压到芯体的至少一个主表面上进行进一步在线处理。覆盖板可以是一层或多层热塑性宏观表层，或金属、纤维、木材、塑料或复合层，以产生二级分级蜂窝夹心板。
例如，根据本发明的任一实施方式的由塑料箔制成的分级蜂窝(例如由来自聚丙烯箔的三明治孔道壁材料制成的分级蜂窝)可以通过将一层或多层覆盖层例如PET无纺布层进行进一步加工，以便于宏观表层的结合。在层压过程中，可以将孔道壁顶部加热至熔化状态，从而使得孔道壁焊接在一起并被校准至稍薄的厚度。与传统的蜂窝芯体相比，较大厚度的孔道壁确实使得表层更容易结合。

Claims (15)

1.一种包括具有宏观蜂窝孔道的分级蜂窝结构的制品，其包括节点和节点之间的宏观蜂窝孔道的孔道壁，所述宏观蜂窝孔道的孔道壁包含带介观多孔芯体的夹心板材料，所述介观多孔芯体由介观蜂窝孔道制成，所述介观蜂窝孔道夹在两个面板之间，
所述宏观蜂窝孔道的直径为5mm至50mm，所述介观蜂窝孔道的直径为0.5mm至5mm，比所述宏观蜂窝孔道的直径小一个数量级且不大于所述宏观蜂窝孔道的直径的一半，
所述介观蜂窝孔道的纵轴垂直于所述宏观蜂窝孔道的纵轴，
孔道的纵轴是平行于孔道壁延伸的孔道的中心轴，每个介观蜂窝孔道具有由介观蜂窝孔道壁限定的两个远端开口端，所述两个远端开口端被所述面板封闭，
所述节点通过在所述节点处的夹心板材料的互锁型配合部件被锁定，在所述节点处宏观蜂窝孔道壁没有局部压缩/变形的情况下，所述分级蜂窝结构不是平面内可塌缩的，
所述介观蜂窝孔道的孔道壁由一个箔或多个箔构成，
所述箔是聚合物箔、金属箔、或者相似或不同材料的层压体。
2.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述箔是如下制成的聚合物箔：聚烯烃、聚苯乙烯、聚碳酸酯，单独使用或以混合物使用。
3.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述宏观蜂窝孔道包括凸多面体元件，所述凸多面体元件具有五个或六个四边形面，通过连续连接的箔进行连接，所述连续连接的箔在具有五个或六个四边形面的凸多面体相邻元件之间形成绞接体。
4.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述宏观蜂窝孔道包括凸多面体元件，所述凸多面体元件具有五个或六个四边形面，通过跨越形成绞接体的相邻元件的带进行连接。
5.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述宏观蜂窝孔道是六边形或矩形形式的。
6.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述宏观蜂窝孔道包括凸多面体元件，所述凸多面体元件具有五个或六个四边形面，并以“W”或“V”形状结构的形式由有五个或六个四边形面的凸多面体元件的第一折叠链和有五个或六个四边形面的凸多面体元件的第二折叠链形成，并且第一折叠链插入到第二折叠链上。
7.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述宏观蜂窝孔道由具有3个臂的重复Y形交叉形成，具有单一厚度的两个臂将形成单一厚度的孔道壁，而一个臂具有将形成宏观蜂窝结构双倍厚度孔道壁的双倍壁厚。
8.如权利要求1所述的制品，所述制品进一步包括施加到制品至少一个主表面上的覆盖板。
9.如权利要求7所述的制品，其特征在于，具有双倍壁厚且形成宏观蜂窝结构双倍厚度孔道壁的一个臂具有在双倍厚度孔道壁配合表面之间的粘合剂、或超声波焊接、或热活化的双面胶带。
10.如权利要求8所述的制品，其特征在于，覆盖板是含金属或纤维的箔或板材。
11.如权利要求8所述的制品，其特征在于，覆盖板是热塑性材料。
12.如权利要求11所述的制品，其特征在于，覆盖板是热塑性板材或含热塑性纤维的复合材料或通过热焊接层压的非织造层。
13.如权利要求8所述的制品，其特征在于，覆盖板包括金属、纤维、木材、塑料或复合层。
14.如权利要求8所述的制品，其特征在于，覆盖板粘附或焊接到宏观芯体的一个主表面或多个主表面上。
15.具有由夹心板制成的宏观蜂窝孔道结构的分级夹心芯体，所述宏观蜂窝孔道结构包括节点和节点之间的宏观蜂窝孔道壁，所述宏观蜂窝孔道壁由带介观蜂窝孔道的孔道壁的夹心板材料制成，其包括：
在具有介观孔道结构的芯体的两侧上具有表层的夹心板材料的条带，
所述条带由介观蜂窝孔道制成，所述介观蜂窝孔道夹在两个表层之间，
所述宏观蜂窝孔道的直径为5mm至50mm，所述介观蜂窝孔道的直径为0.5mm至5mm，比所述宏观蜂窝孔道的直径小一个数量级且不大于所述宏观蜂窝孔道的直径的一半，
所述介观蜂窝孔道的纵轴垂直于所述宏观蜂窝孔道的纵轴，
孔道的纵轴是平行于孔道壁延伸的孔道的中心轴，每个介观蜂窝孔道具有由介观蜂窝孔道壁限定的两个远端开口端，所述两个远端开口端被所述表层封闭，
所述节点通过在所述节点处的夹心板材料的互锁型配合部件被锁定，在所述节点处宏观蜂窝孔道壁没有局部压缩/变形的情况下，所述分级夹心芯体不是平面内可塌缩的，
所述介观蜂窝孔道的孔道壁由一个箔或多个箔构成，
具有第一狭缝的条带折叠打开以形成具有通过夹心板材料的剩余部分在狭缝处进行连接以形成绞接体的五个或六个四边形面的凸多面体的元件链，条带具有第二狭缝以使得仅一部分绞接体保持完整，第一条带的绞接体插入第二条带的绞接体以形成分级夹心芯体。
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