CN107672192B - 一种二维负泊松织物的成型设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种贯穿式制备具有高均匀拉胀结构的二维负泊松织物的成型设备及方法，其特征在于成型设备包括送针机构、送模机构、压针机构、接针机构、卡槽和可嵌套成形针的模具，卡槽的上方两侧设有送针机构和送膜机构、上方和下方设有压针机构和接针机构，送针机构将嵌套成型的针模具放置于卡槽上，送模机构将模具放置于接针机构上，压针机构压送成型针穿透织物后转移至接针机构上的模具内。该发明方法是将具有负泊松比结构形状的成型针贯穿织物层，使织物产生负泊松比形状，并具有二维负泊松比效应；且由于贯穿织物，织物所形成的拉胀结构高度均匀。本发明精简、高效，适用于织物、非织物、泡沫、橡胶、塑料、木材、金属及其复合材料等。

Description

一种二维负泊松织物的成型设备及方法

技术领域

本发明涉及一种贯穿式制备具有高均匀拉胀结构的二维负泊松织物的成型设备及方法，属于纺织材料与技术领域。

背景技术

自然界已发现多种具有负泊松比效应的物质，经研究发现具有负泊松比效应的材料拥有传统材料所没有的特殊性能，且其剪切刚度、断裂韧性、抗压能力、同向曲率、能量吸收能力、渗透性等比之传统材料都有所提高。这些优良的力学性能使负泊松比材料在汽车工业、人体防护、航空航天、生物医学及国防等领域有潜在应用。目前负泊松比结构材料的研究多集中在泡沫和聚合物材料中，纺织材料报道较少，虽有相关的二维负泊松结构纺织材料的编织和针织结构设计方法，具有较好的平面拉胀效应，但制作繁琐，生产效率低。且需要专门改进的针织设备，成本较高，难以满足市场上的大量需求。

发明内容

本发明的目的是：实现一种制备方法简单、生产效率高、适用范围广、生产成本低的二维负泊松比材料的加工方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种贯穿式制备具有高均匀拉胀结构的二维负泊松织物的成型设备，其特征在于，包括送针机构、送模机构、压针机构、接针机构、卡槽和可嵌套成型针的模具，成型针具有负泊松比结构形状，卡槽的上方两侧设有送针机构和送膜机构，卡槽的上方和下方设有压针机构和接针机构，其中：

送针机构，用于将已嵌套成型针的模具放置于卡槽上；

送模机构，用于将未嵌套成型针的模具放置于接针机构上；

压针机构，用于从上至下压送卡槽内模具嵌套的成型针，使成型针穿透固定在卡槽上的待成型材料，直至成型针转移至接针机构上的模具内。

优选地，所述送针机构与所述送模机构的结构相同，包括可在平面内360°转向的底座，在底座上设有可前后摆动的机械躯干，可前后摆动和竖直伸缩的机械手臂与机械躯干相连，可空间转向和前后摆动的机械手与机械手臂相连，机械手上设有可竖直伸缩的吸盘，吸盘依靠电气控制吸放所述模具；

所述模具的截面结构与所述成型针的截面结构及尺寸刚好允许所述成型针在一定大小的力的作用下卡住和穿过。

优选地，所述压针机构包含长压针和长压针的储针箱，长压针通过外力驱动将放置于卡槽内的模具上的成型针压出，穿透织物，并将成型针一直压入放置于接针机构上的模具内；

长压针直径小于所述成型针最大横截面相应尺寸，以便透过织物继续送针至接针台上的模具内，且长压针在储针箱内紧密排列，储针箱根据成型针横截面结构和尺寸不同，以及相邻两针间距离来安排相应的长压针运动。

优选地，所述卡槽为无盖通底的框架结构，底部中心通透，底部四围有边，其尺寸刚好卡住上方来的模具；

所述送针机构及所述送模机构进入卡槽内吸取模具。

优选地，所述接针机构包含负责放置模具的接针台，接针台四角含有一定高度用于撑起模具的螺丝钉。

优选地，所述成型针的底部横截面为负泊松比结构，其针体为锥形，长度根据待成型材料的性能与厚度来设定；

所述成型针的针边棱为圆棱，针尖为圆角；

多个所述成型针按照阵列形式组成需求的形状，同时嵌套于模具内，并被所述压针机构从模具内压出。

本发明的另一个技术方案是提供了一种采用上述的贯穿式制备具有高均匀拉胀结构的二维负泊松织物的成型设备的二维负泊松比织物成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)送针机构依靠吸盘抓取嵌套有成型针的模具送至卡槽内，送模机构将模具送至接针台上；

(2)送针机构和送模机构恢复原位，压针机构将按照模具上成型针的阵列方式，放出对应位置上的长压针，并使长压针接触对应位置的成型针；

(3)长压针迅速压成型针，并以一定速度将成型针穿透织物；

(4)长压针穿透织物，并继续往下压成型针，直至将成型针卡在接针台上的模具内；

(5)长压针迅速回归储针箱内；

(6)待长压针完全进入储针箱，送针机构将嵌套有成型针的模具从接针台吸起准备放入卡槽内，送模机构将空模具从卡槽内吸起准备送至接针台上。

本发明适用于不同种类，不同厚度的织物和非织物及其相应的复合材料、泡沫、橡胶、塑料、木材、金属等，根据针截面形状的不同，可制备具有不同花纹效应的负泊松比材料，制备的二维负泊松比织物及其复合材料可用作缓冲、防弹防刺、减振、隔热、过滤等功能纺织品；拉胀泡沫材料可用于易碎物品包装；拉胀泡沫、拉胀塑料可用作汽车坐垫、靠背、睡垫及床垫等；拉胀橡胶可用作床垫；高性能拉胀塑料可用作深海作业、航天航空材料；拉胀木材可用作建筑材料；拉胀金属用作航天航空材料等；制备的二维负泊松比织物根据材料属性和性能不同可以用作动物表皮细胞、人工骨骼、牙齿，航天航空材料，核、电磁、能源、光学功能材料以及热应力缓和功能材料等。根据针截面形状的不同，可制备具有不同花纹效应的负泊松比材料，制备的二维负泊松比织物及其复合材料可用作缓冲、防弹防刺、减振、隔热、过滤等功能纺织品；拉胀泡沫材料可用于易碎物品包装；拉胀泡沫、拉胀塑料可用作汽车坐垫、靠背、睡垫及床垫等；拉胀橡胶可用作床垫；高性能拉胀塑料可用作深海作业、航天航空材料；拉胀木材可用作建筑材料；拉胀金属用作航天航空材料等；制备的功能梯度拉胀材料根据材料属性和性能不同可以用作动物表皮细胞、人工骨骼、牙齿，航天航空材料，核、电磁、能源、光学功能材料以及热应力缓和功能材料等。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明可以快速生成二维负泊松比效应材料，整个制作过程简便易操作，工艺简单，成本低廉，对环境友好。

(2)本发明尤其是可以将传统的正泊松比材料通过低成本、高效率地制备成具有拉胀和挤缩功能的负泊松比材料，赋予材料新的性质，且显著提升了材料的附加值。

(3)本发明适用范围广，可以应用在织物、泡沫、橡胶、塑料、木材、金属等材料上，满足该种材料在相应领域内的各种应用。

(4)本发明根据材料性能和使用目的不同，采用具有不同横截面结构、尺寸、针体长度的针，通过改变针床上针对排列结构及排列尺寸对材料进行加工，可得到各种结构形状、尺寸、性能材料，满足市场各种要求。

附图说明

图1A为二维负泊松比织物成型设备整体结构示意图，其中送针机构1包括：底座102、机械躯干104、机械手臂106、机械手108、吸盘101；轴承103、105、107等；送模机构2包括：底座202、机械躯干204、机械手臂206、机械手208、吸盘201；轴承203、205、207等；压针机构3包括储针箱302和长压针301；卡槽4为无盖通底框架，悬于待织物5的上方；接针机构6四角含有螺丝钉601；模具7、8一模一样，含有成型针9的即为含针模具7，不含针的为空模具8；送针机构，送模机构，接针台固定在地面10上；

图1B为本发明整体结构示意图，其中送针机构1正在吸附着针床11；

图1C为压针结构3整体结构示意图；

图1D为含针模具整体结构示意图；

图1E为含负泊松比结构针阵列的整体结构示意图；

图2A为二维负泊松比织物成型设备流程的初始状态图，此时，压针机构不动，送针机构准备将含针模具送至待成型材料上方的卡槽内，送模机构准备将空模具送至接针台上；

图2B为二维负泊松比织物成型设备流程的表示送针、送模完成状态，此时，压针机构不动，含针模具放置在卡槽内，针尖接触待成型材料，空模具在接针台上，送针结构和送模机构恢复原位；

图2C为二维负泊松比织物成型设备流程的表示开始压针状态，此时，储针箱放出与成型针位置对应的长压针，使长压针底面接触成型针；

图2D为二维负泊松比织物成型设备流程的表示长压针压成型针并使其穿过待成型材料；

图2E为二维负泊松比织物成型设备流程的表示长压针透过已成型材料上的孔继续压成型针，并使其接触空模具背面；

图2F为二维负泊松比织物成型设备流程的表示长压针将成型针成功送至空模具；

图2G为二维负泊松比织物成型设备流程的表示任务完成状态，此时，压针机构收回长压针，送针机构吸取含成型针模具，送模机构吸取空模具，并为下一个循环做准备；

图3A为内六角形排针结构的前视图，图3B为内六角形排针结构的右视图，图3C为内六角形排针结构的立体结构示意图；

图4A为“人”字形排针结构的前视图，图4B为“人”字形排针结构的右视图，图4C为“人”字形排针结构的立体结构示意图；

图5A为双箭头形排针结构的前视图，图5B为双箭头形排针结构的右视图，图5C为双箭头形排针结构的立体结构示意图；

图6A为星形排针结构的前视图，图6B为星形排针结构的右视图，图6C为星形排针结构的立体结构示意图；

图7A为三角形排针结构的前视图，图7B为三角形排针结构的右视图，图7C为三角形排针结构的立体结构示意图；

图8A为内六角形锥形针针床的左视图，图8B为内六角形锥形针针床的前视图，图8C为内六角形锥形针针床的等轴测图；

图9A为双箭头形锥形针针床的左视图，图9B为双箭头形锥形针针床的前视图，图9C为双箭头形锥形针针床的等轴测图；

图10A为“人”字形锥形针针床的左视图，图10B为“人”字形锥形针针床的前视图，图10C为“人”字形锥形针针床的等轴测图；

图11A为星形锥形针针床的左视图，图11B为星形锥形针针床的前视图，图11C为星形锥形针针床的等轴测图；

图12A为三角形锥形针针床的左视图，图12B为三角形锥形针针床的前视图，图12C为三角形锥形针针床的等轴测图；

图13A为内六角形负泊松比模具的前视图，图13B为内六角形负泊松比模具的立体示意图；

图14A为“人”字形负泊松比结构材料的前视图，图14B为“人”字形负泊松比结构材料的立体示意图；

图15A为双箭头形负泊松比结构材料的前视图，图15B为双箭头形负泊松比结构材料的立体示意图；

图16A为星形负泊松比结构材料的前视图，图16B为星形负泊松比结构材料的立体示意图；

图17A为三角形负泊松比结构材料的前视图，图17B为三角形负泊松比结构材料的立体示意图；

图18A为内六角形负泊松比结构材料的前视图，图18B为内六角形负泊松比结构材料的立体示意图；

图19A为“人”字形负泊松比结构材料的前视图，图19B为“人”字形负泊松比结构材料的立体示意图；

图20A为双箭头形负泊松比结构材料的前视图，图20B为双箭头形负泊松比结构材料的立体示意图；

图21A为星形负泊松比结构材料的前视图，图21B为星形负泊松比结构材料的立体示意图；

图22A为三角形负泊松比结构材料的前视图，图22B为三角形负泊松比结构材料的立体示意图；

图23为二维负泊松比结构材料非织物成型工艺流程图；

图24为二维负泊松比结构材料纤维复合材料成型工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供的一种贯穿式制备具有高均匀拉胀结构的二维负泊松织物的成型设备如图1A至图1E和图2A至图2G所示，包括送针机构、送模机构、压针机构、接针机构、卡槽和可嵌套成型针的模具。卡槽4的上方两侧设有送针机构和送膜机构，卡槽4的上方和下方设有压针机构和接针机构。

卡槽4为无盖通底的框架结构，底部中心通透，底部四围有边，其尺寸刚好卡住上方来的模具7。卡槽4高度较低，方便机械手进入吸取模具。

送针机构将已嵌套成型针9的模具7放置于卡槽4上。成型针9具有负泊松比结构形状，其结构形状包括内凹六边形、人字形、双箭头形、内凹蜂窝、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、中心旋转矩形、中心旋转三角形、中心旋转四面体、手性蜂窝、中心旋转多面体、铰接六角形、铰接四边形、铰接三角形及其组合等。成型针9的针体为锥形，长度可以根据待成型材料的性能与厚度来设定。成型针9的针边棱为圆棱，避免针穿过待成型材料时割破纱线。成型针9的针尖为圆角，以方便迅速刺透待成型材料。多个成型针9组成针床，针床上的成型针9在同一时间穿透待成型材料，形成具有二维负泊松比结构效应的材料。成型针9可按阵列方式嵌套于模具7中。

已嵌套成型针9的模具7和未嵌套成型针9的空模具8一模一样，有成型针时即为含针模具，无成型针即为空模具。模具7的截面结构与成型针9的截面结构、尺寸刚好允许成型针9在一定大小的力的作用下卡住和穿过。根据成型针9针截面不同，模具7横截面结构可以为内凹六边形、人字形、双箭头形、内凹蜂窝、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、中心旋转矩形、中心旋转三角形、中心旋转四面体、手性蜂窝、中心旋转多面体、铰接六角形、铰接四边形、铰接三角形及其组合。

送针机构为总是将含有成型针9的模具7从接收台送至卡槽4的机械手1。该机械手含有类似人足，包括可在平面内360°转向的底座102，类似人腿可前后摆动的机械躯干104，类似人臂可前后摆动、竖直伸缩的机械手臂106以及类似人手可空间转向前后摆动、竖直伸缩的机械手108。机械手108上含吸盘101，依靠电气控制吸放模具7。底座102、机械躯干104、机械手臂106、机械手108之间分别由依靠类似人躯干关节的轴承103、105、107连接。

送模机构将未嵌套成型针9的空模具8放置于接针机构上。送模机构为总是将不含成型针的空模具8从卡槽4移至接针台6的机械手2。该装置与机械手1一模一样，包括类似人足可在平面内360°转向的底座202，类似人腿可前后摆动的机械躯干204，类似人臂可前后摆动、竖直伸缩的机械手臂206以及类似人手可空间转向前后摆动、竖直伸缩的机械手208。机械手208上含吸盘201，依靠电气控制吸放模具。底座202、机械躯干204、机械手臂206、机械手208之间分别由依靠类似人躯干关节的轴承203、205、207连接。

压针机构压送成型针穿透织物后转移至接针机构上的模具内。压针机构3包括负责将成型针9从卡槽4内的模具7上压至穿透待成型材料5，并到达接针台6的空模具8内的长压针301，还包括负责储存长压针301的储针箱302。长压针301直径小于成型针9最大横截面相应尺寸，以便透过织物继续送针至接针台6上的空模具8内，且长压针301在储针箱302内紧密排列，储针箱302根据成型针横截面结构和尺寸不同，以及相邻两针间距离来安排相应的长压针301运动。

接针机构为负责放置空模具的接针台6，接针台四角含有一定高度的螺丝钉601，螺丝钉撑起空模具，防止上方来的成型针刺到接针台上。

所述的送针机构与送模机构相同，送针机构总是将嵌套有成型针的模具送至卡槽上，送模机构总是将未嵌套成型针的模具送至接针机构上；所述的嵌套有成型针的模具和所述的未嵌套成型针的模具相同；模具截面结构与成型针截面结构，尺寸刚好允许针在一定大小的力的作用下卡住和穿过；根据成型针针截面不同，模具横截面结构可以为内凹六边形、人字形、双箭头形、内凹蜂窝、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、中心旋转矩形、中心旋转三角形、中心旋转四面体、手性蜂窝、中心旋转多面体、铰接六角形、铰接四边形、铰接三角形及其组合结构等。

本发明提供的方法是将具有负泊松比结构形状的成型针贯穿织物层，使织物产生负泊松比形状，并具有二维负泊松比效应；且由于贯穿织物，织物所形成的拉胀结构高度均匀。具体而言，本发明提供的一种二维负泊松比织物的成型方法包括以下步骤

(1)送针机构依靠吸盘抓取嵌套有成型针的模具送至卡槽内，送模机构将模具送至接针台上；

(2)送针机构和送模机构恢复原位，压针机构将按照模具上成型针的阵列方式，放出对应位置上的长压针，并使长压针接触对应位置的成型针；

(3)长压针迅速压成型针，并以一定速度将成型针穿透织物；

(4)长压针穿透织物，并继续往下压成型针，直至将成型针卡在接针台上的模具内；

(5)长压针迅速回归储针箱内；

(6)待长压针完全进入储针箱，送针机构将嵌套有成型针的模具从接针台吸起准备放入卡槽内，送模机构将空模具从卡槽内吸起准备送至接针台上。

本发明涉及的用途在于用于制备二维负泊松材料，具体涉及如下5个实施例：实施例1二维负泊松比非织物成型方法；实施例2功能梯度负泊松比纤维复合材料成型方法；实施例3二维负泊松比机织物成型方法；实施例4功能梯度负泊松比机织物复合材料成型方法；实施例5二维负泊松比橡胶材料成型方法。

对5个实施例所涉及的构成部件进行对应的参数设置，包括(1)送针机构吸盘应该设置合适直径大小，以保证能以足够的力吸取含成型针磨具或针床；(2)送模机构吸盘应该设置合适直径大小，以保证能以足够的力吸取空磨具；(3)成型针应该根据产品花纹和拉胀效应决定其横截面尺寸、并根据待成型材料的厚度和性能决定针体长度；(4)压针机构应该根据成型针形状尺寸决定放出的长压针相邻针距和长压针直径，压针加速度应该大于自由落体加速度；(5)接针结构中接针台上的螺丝高度应可以保证针尖不会碰到接针台的台面；(6)针床一个压针循环时间(下压提起)，材料输入输出成型机构的速度，送针机构一个完整送针收针循环所需时间及材料运行速度。该实施例的设置参数见表1所示。

表1实施例的工艺参数数据表

Claims (7)

1.一种贯穿式制备具有高均匀拉胀结构的二维负泊松织物的成型设备，其特征在于，包括送针机构、送模机构、压针机构、接针机构、卡槽和可嵌套成型针的模具，成型针具有负泊松比结构形状，卡槽的上方两侧设有送针机构和送模机构，卡槽的上方设有压针机构和卡槽的下方设有接针机构，其中：

送针机构，用于将已嵌套成型针的模具放置于卡槽上；

送模机构，用于将未嵌套成型针的模具放置于接针机构上；

压针机构，用于从上至下压送卡槽内模具嵌套的成型针，使成型针穿透固定在卡槽上的待成型材料，直至成型针转移至接针机构上的模具内。

2.根据权利要求1所述的一种贯穿式制备具有高均匀拉胀结构的二维负泊松织物的成型设备，其特征在于，所述送针机构与所述送模机构的结构相同，包括可在平面内360°转向的底座，在底座上设有可前后摆动的机械躯干，可前后摆动和竖直伸缩的机械手臂与机械躯干相连，可空间转向和前后摆动的机械手与机械手臂相连，机械手上设有可竖直伸缩的吸盘，吸盘依靠电气控制吸放所述模具；

所述模具的截面结构与所述成型针的截面结构及尺寸刚好允许所述成型针在一定大小的力的作用下卡住和穿过。

3.根据权利要求1所述的一种贯穿式制备具有高均匀拉胀结构的二维负泊松织物的成型设备，其特征在于，所述压针机构包含长压针和长压针的储针箱，长压针通过外力驱动将放置于卡槽内的模具上的成型针压出，穿透织物，并将成型针一直压入放置于接针机构上的模具内；

长压针直径小于所述成型针最大横截面相应尺寸，以便透过织物继续送针至接针台上的模具内，且长压针在储针箱内紧密排列，储针箱根据成型针横截面结构和尺寸不同，以及相邻两针间距离来安排相应的长压针运动。

4.根据权利要求1所述的一种贯穿式制备具有高均匀拉胀结构的二维负泊松织物的成型设备，其特征在于，所述卡槽为无盖通底的框架结构，底部中心通透，底部四围有边，其尺寸刚好卡住上方来的模具；

所述送针机构及所述送模机构进入卡槽内吸取模具。

5.根据权利要求1所述的一种贯穿式制备具有高均匀拉胀结构的二维负泊松织物的成型设备，其特征在于，所述接针机构包含负责放置模具的接针台，接针台四角含有一定高度用于撑起模具的螺丝钉。

6.根据权利要求1所述的一种贯穿式制备具有高均匀拉胀结构的二维负泊松织物的成型设备，其特征在于，所述成型针的底部横截面为负泊松比结构，其针体为锥形，长度根据待成型材料的性能与厚度来设定；

所述成型针的针边棱为圆棱，针尖为圆角；

多个所述成型针按照阵列形式组成需求的形状，同时嵌套于模具内，并被所述压针机构从模具内压出。

7.采用如权利要求1所述的贯穿式制备具有高均匀拉胀结构的二维负泊松织物的成型设备的二维负泊松比织物成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)送针机构依靠吸盘抓取嵌套有成型针的模具送至卡槽内，送模机构将未嵌套成型针的模具送至接针台上；

(2)送针机构和送模机构恢复原位，压针机构将按照模具上成型针的阵列方式，放出对应位置上的长压针，并使长压针接触对应位置的成型针；

(3)长压针迅速压成型针，并以一定速度将成型针穿透织物；

(4)长压针穿透织物，并继续往下压成型针，直至将成型针卡在接针台上的模具内；

(5)长压针迅速回归储针箱内；

(6)待长压针完全进入储针箱，送针机构将嵌套有成型针的模具从接针台吸起准备放入卡槽内，送模机构将空模具从卡槽内吸起准备送至接针台上。

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