CN113878898A - 制备三维成型制品的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备三维成型制品的方法。所述方法包括以下步骤：a)通过计算机辅助设计软件将具有曲面的三维成型制品的三维轮廓展开；b)通过计算机辅助设计软件将步骤a)中得到的展开的三维轮廓切分成若干基本层；c)根据在步骤b)中获得的基本层的形状与大小将连续纤维增强热塑性树脂基复合片材切割成与基本层具有相同或接近的形状与大小；d)将切割后的复合片材按照其大小进行叠放得到堆叠物；和g)使步骤d)中得到的堆叠物、脱模和任选裁切后得到所述三维成型制品。根据本发明的方法可将连续纤维增强热塑性树脂基复合材料片材加工成厚度不均、曲度较大的三维成型制品，所得三维成型制品重量轻、抗冲击、抗压缩性好。

Description

制备三维成型制品的方法
技术领域
本发明属于制品加工领域。具体地，本发明涉及一种制备三维成型制品的方法。
背景技术
随着国家对安全生产的重视和人民安全生产意识的提高，越来越多的生产场景中会使用安全鞋。安全鞋具有保护工人脚部及腿部免受可预见伤害的作用，这是由于安全鞋具有一个高强度高抗冲击性的鞋头，其可以有效保护脚部免受外部的撞击或冲击。由此可见，鞋头是安全鞋的核心部件。质量好的鞋头既能满足人穿着时的舒适性，又能满足机械强度方面的要求。
国标GB21148、美标ASTM F2413、欧标EN 12568中对安全鞋鞋头的抗冲击性、耐压缩性和环境测试进行了详细的描述。如欧标EN 12568规定了安全鞋鞋头在承受200J冲击和15,000N压缩后，鞋头内最小空隙应符合一定要求。
由于各国对安全鞋鞋头抗冲击性、耐压力性和环境测试的严苛规定，并不是所有的材料都适合做安全鞋鞋头。为了满足各国标准对安全鞋鞋头的要求，目前安全鞋鞋头大多用金属材料。然而金属鞋头较重，使穿着费力且不舒服，同时金属材质易生锈，与鞋面层结合不好，通过安检会使安检设备发出报警，这些缺点都限制了金属材料的使用。树脂基复合材料由于其采用密度比较低的树脂和强度比较高的纤维复合，在保证强度的情况下，其重量又不会太重，且又不会引发安检设备发出报警，同时其耐化学性能好，与鞋面层的结合也好，所以树脂基复合材料已成为制备安全鞋头的首选材料。树脂基复合材料又分热固性复合材料和热塑性复合材料。
安全鞋具有复杂的三维几何形状，其加工过程也比较复杂。
CN2742806Y公开了一种热固性复合材料鞋头，热固性复合材料的成型工艺过程中会有一个比较长的固化阶段，这大大影响了产品的生产效率，且固化过程中会挥发出一些有毒有害气体，严重影响环境，同时热固性复合材料无法回收再利用。
CN1136798C公开了一种复合材料鞋头，其采用长纤维增强热塑性树脂制备，增强纤维的平均纤维长度为10mm-50mm，增强纤维为非定向分布，增强纤维体积含量为40%-60%。
CN114739C公开了一种长纤维增强热塑性树脂层和连续纤维增强热塑性树脂层组合的“三明治结构”的复合材料，以及由此复合材料制造的安全鞋鞋头，材料模塑性能优异，由其制作的鞋头重量轻，强度高，抗压强度高。该种纤维增强热塑性树脂基复合材料包括芯层和表层，其中芯层采用纺织织物或编织网或单向纤维增强的热塑树脂层(连续纤维增强热塑性树脂层)，表层采用无规形式的纤维增强增强热塑树脂层(长纤维增强热塑性树脂层)。通过热冲压或高速压塑技术使这种结构的复合材料在三维模具中成型，得到的最终成型产品既不含有皱纹亦无折叠，且各方向强度无差别。
CN103478988A公开了一种具有特殊复合材料结构的安全防护装置，所述安全防护装置是由多层叠加形成的预制品热压复合得到，所述预制品包括至少4层基底层和至少1层加强层，每层基底层呈半圆形或类半圆形或T形或类T形，并且当基底层呈半圆形或类半圆形时具有放射状裁切口，所述的基底层至少包括两种结构形式，基底层的面积按照叠加顺序梯度减小，所述加强层的面积均小于最小的基底层的面积，所述的加强层位于基底层之间或者预制品的表面；所述的基底层或加强层是通过在连续纤维或纤维织布上均匀涂覆热固性树脂物料而获得。
连续纤维增强热塑性树脂基复合材料具有强度高、模量高、抗冲特性好、密度偏小的优点，所以其比强度和比模量都很高。此外，该复合材料具有耐化学性好、加工效率高、可回收再利用的优点。如果仅用连续纤维增强热塑性树脂基复合材料来成型加工安全鞋鞋头，不仅可以提高鞋头的强度和抗冲击性，还可减低鞋头的厚度和重量，提高其生产效率。然而，仅采用连续纤维增强热塑性树脂基复合材料来加工制造鞋头的方法未有报道。一方面是因为连续纤维增强热塑性树脂基复合材料在高温高压的加工条件下流动性差，较难成型，另一方面是因为鞋头本身是厚度不均匀，需要深曲面加工。 因此，仅采用连续纤维增强热塑性树脂基复合材料加工厚度不均、曲度较大的安全鞋鞋头，还存在很大的技术挑战。
从而，本领域中对采用连续纤维增强热塑性树脂基复合材料制备的安全鞋鞋头等三维成型制品及其制备方法存在需求。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种采用连续纤维增强热塑性树脂基复合材料制备三维成型制品的方法。
本发明的另一个目的是提供一种由连续纤维增强热塑性树脂基复合材料制备的三维成型制品。
因此，根据本发明的第一个方面，提供一种制备三维成型制品的方法，其包括以下步骤：
a) 通过计算机辅助设计软件将具有曲面的三维成型制品的三维轮廓展开；
b) 通过计算机辅助设计软件将步骤a)中得到的展开的三维轮廓切分成若干基本层；
c)将连续纤维增强热塑性树脂基复合片材切割成与在步骤b)中获得的基本层具有相同或接近的形状与大小；
d) 将切割后的复合片材按照其大小进行叠放得到堆叠物；
e) 任选地，将步骤d)中得到的堆叠物预层压在一起得到预层压件；
f) 任选地，将步骤d)中得到的堆叠物或步骤e)中得到的预层压材料预成型为半成品；和
g) 使步骤d)中得到的堆叠物、步骤e)中得到的预层压件或步骤f)中得到的半成品成型、脱模和任选裁切后得到所述三维成型制品。
根据本发明的第二方面，提供通过上述方法制备的三维成型制品。
根据本发明的方法可将连续纤维增强热塑性树脂基复合材料片材加工成厚度不均、曲度较大的三维成型制品，所得三维成型制品重量轻、抗冲击、抗压缩性好。
附图说明
下面结合附图对本发明进行更详细地说明和解释，其中：
图1示意性显示了根据本发明的一个实施方案的计算机辅助设计过程。
图2示意性显示了根据本发明的一个实施方案的三维制品所用复合片材的铺层结构设计。
图3示意性显示了根据本发明的一个实施方案的三维制品的部分制备过程。
具体实施方案
现在参考附图以说明的目的更详细地描述本发明的一些具体实施方案。
根据本发明的第一个方面，提供一种制备三维成型制品的方法，包括以下步骤：
a) 通过计算机辅助设计软件将具有曲面的三维成型制品的三维轮廓展开；
b) 通过计算机辅助设计软件将步骤a)中得到的展开的三维轮廓切分成若干基本层；
c)将连续纤维增强热塑性树脂基复合片材切割成与在步骤b)中获得的基本层具有相同或接近的形状与大小；
d) 将切割后的复合片材按照其大小进行叠放得到堆叠物；
e) 任选地，将步骤d)中得到的堆叠物预层压在一起得到预层压件；
f) 任选地，将步骤d)中得到的堆叠物或步骤e)中得到的预层压材料预成型为半成品；和
g) 使步骤d)中得到的堆叠物、步骤e)中得到的预层压件或步骤f)中得到的半成品成型、脱模和任选裁切后得到所述三维成型制品。
在一些实施方案中，所述方法不包括步骤e)和步骤f)。
从而，在一些实施方案中，所述方法包括以下步骤：
a) 通过计算机辅助设计软件将具有曲面的三维成型制品的三维轮廓展开；
b) 通过计算机辅助设计软件将步骤a)中得到的展开的三维轮廓切分成若干基本层；
c)将连续纤维增强热塑性树脂基复合片材切割成与在步骤b)中获得的基本层具有相同或接近的形状与大小；
d) 将切割后的复合片材按照其大小进行叠放得到堆叠物；和
g) 使步骤d)中得到的堆叠物成型、脱模和任选裁切后得到所述三维成型制品。
在一些实施方案中，所述方法包括步骤e)，但不包括步骤f)。
从而，在一些实施方案中，所述方法包括以下步骤：
a) 通过计算机辅助设计软件将具有曲面的三维成型制品的三维轮廓展开；
b) 通过计算机辅助设计软件将步骤a)中得到的展开的三维轮廓切分成若干基本层；
c)将连续纤维增强热塑性树脂基复合片材切割成与在步骤b)中获得的基本层具有相同或接近的形状与大小；
d) 将切割后的复合片材按照其大小进行叠放得到堆叠物；
e) 将步骤d)中得到的堆叠物预层压在一起得到预层压件；和
g) 使步骤e)中得到的预层压件成型、脱模和任选裁切后得到所述三维成型制品。
在一些实施方案中，所述方法包括步骤f)，但不包括步骤e)。
从而，在一些实施方案中，所述方法包括以下步骤：
a) 通过计算机辅助设计软件将具有曲面的三维成型制品的三维轮廓展开；
b) 通过计算机辅助设计软件将步骤a)中得到的展开的三维轮廓切分成若干基本层；
c)将连续纤维增强热塑性树脂基复合片材切割成与在步骤b)中获得的基本层具有相同或接近的形状与大小；
d) 将切割后的复合片材按照其大小进行叠放得到堆叠物；
f) 将步骤d)中得到的堆叠物预成型为半成品；和
g) 使步骤f)中得到的半成品成型、脱模和任选裁切后得到所述三维成型制品。
在一些实施方案中，所述方法包括步骤e)和步骤f)。
从而，在一些实施方案中，所述方法包括以下步骤：
a) 通过计算机辅助设计软件将具有曲面的三维成型制品的三维轮廓展开；
b) 通过计算机辅助设计软件将步骤a)中得到的展开的三维轮廓切分成若干基本层；
c) 将连续纤维增强热塑性树脂基复合片材切割成与在步骤b)中获得的基本层具有相同或接近的形状与大小；
d) 将切割后的复合片材按照其大小进行叠放得到堆叠物；
e) 将步骤d)中得到的堆叠物预层压在一起得到预层压件；
f) 将步骤e)中得到的预层压材料预成型为半成品；和
g) 使步骤f)中得到的半成品成型、脱模和任选裁切后得到所述三维成型制品。
本领域技术人员能够根据基本层的形状与大小确定相近的形状和大小以尽量减少缺料或溢料的现象。
为了本发明的目的，通过步骤a)将具有曲面的三维成型制品的三维轮廓展开为不具有曲面的三维轮廓。
在步骤b)中，计算机辅助设计软件根据步骤a)中展开的三维轮廓确定各基本层的数量、厚度、形状和大小。
具体地，在步骤b)中，计算机辅助设计软件根据步骤a)中展开的三维轮廓的最大厚度、最小厚度以及可获得的复合片材的厚度来选择待用的复合片材厚度，将选择的复合片材厚度作为分切厚度对步骤a)中展开的三维轮廓进行分切来获得各基本层的数量、厚度、形状和大小。
在本申请中，基本层是指实现展开的三维轮廓的最大厚度和最小厚度的结构层。各基本层可以具有相同或不同的厚度。
例如，当展开的三维轮廓的最大厚度为8mm、最小厚度为4mm时，可以将展开的三维轮廓切分为厚度为1mm的8个基本层，也可以切分为厚度2mm的4个基本层，还可以切分为厚度为1mm的4个基本层和厚度为2mm的2个基本层。
可以将可获得的连续纤维增强热塑性树脂基复合片材的厚度作为参数输入计算机辅助设计软件中，由计算机根据输入的复合片材厚度、展开的三维轮廓的最大厚度及最小厚度设计出可供选择的基本层组合。
并且，在步骤b)中，计算机辅助设计软件根据步骤a)中展开的三维轮廓确定各基本层的形状和大小。
下面参考图1并以鞋头为例，对根据本发明的方法中的步骤a)和步骤b)进行示例性说明。
首先利用计算机辅助设计软件将图1-a中所示的鞋头的三维轮廓展开成图1-b中所示的三维轮廓，然后根据展开的三维轮廓的最大厚度和最小厚度以及可获得的复合片材的厚度将图1-b中所示的三维轮廓切分成如图1-c所示的若干基本层，最后将基本层优化成具有图1-d中所示的形状和大小。
例如当展开的鞋头三维轮廓的最大厚度为8mm、最小厚度为4mm并且可获得的复合片材的厚度为1.025mm，可以将展开的鞋头切分层8个基本层，各基本层的厚度为1.025mm。
例如当展开的鞋头三维轮廓的最大厚度为8mm、最小厚度为2.5mm并且可获得的复合片材的厚度为1.23mm和1.025mm时，可以将展开的鞋头切分层7个基本层，各基本层的厚度各自独立地为1.23mm和1.025mm。
例如当展开的鞋头三维轮廓的最大厚度为8mm、最小厚度为2.5mm并且可获得的复合片材的厚度为1.025mm和0.25mm时，可以将展开的鞋头切分层10个基本层，各基本层的厚度各自独立地为1.025mm和0.25mm。
例如当展开的鞋头三维轮廓的最大厚度为8mm、最小厚度为2.5mm，可获得的复合片材的厚度为1.05mm和1.225mm时，可以将展开的鞋头切分层7个基本层，各基本层的厚度各自独立地为1.05mm和1.225mm。
以上设计仅作为示例提供。
所述计算机辅助设计软件可以例如为FiberSIM、ESAComp、SYSPLY、ProE、Catia。
该计算机辅助设计软件可以根据输入的产品构造信息按照特定方向进行展开。
该计算机辅助设计软件可以根据选定的分切厚度在厚度方向上对展开的三维轮廓进行分切来获得各基本层的数量、厚度、形状和大小。
在步骤c)中，根据步骤b)中确定的基本层的厚度、形状和大小将具有相应厚度的连续纤维增强热塑性树脂基复合片材切割成具有相应形状。
该具有相应厚度的连续纤维增强热塑性树脂基复合片材可以购买获得或者自行制备。
在步骤d)中，根据步骤a)中展开的三维轮廓将切割后的复合片材按照与其形状和大小相对应的基本层在展开的三维轮廓中的位置进行叠放得到堆叠物。
在任选的步骤e)中，在加热和压力条件下进行预层压。
进行预层压的温度根据连续纤维增强热塑性树脂基复合片材中所用的树脂来确定。
在一些实施方案中，所用的树脂为聚碳酸酯树脂，在180-250℃的温度下进行预层压。
优选地，用于所述预层压的加热方式可以为红外加热、热空气加热、电磁加热、水加热、蒸汽加热、油加热或电加热。
可以根据所用的树脂设定预层压的压力。
在一些实施方案中，所用的树脂为聚碳酸酯树脂，在5bar-50bar范围内的压力下进行预层压。
在进行预层压的情况下，通常在预层压之后将预层压件冷却以便于使预层压件进入后续加工步骤。
在任选的步骤f)中，优选在加热和压力条件下进行预成型。
所述预成型可以通过手工或自动方式进行。
在一些实施方案中，在堆叠物进行加热后通过手工进行预成型。
在采用手工进行预成型的情况下，可以采用红外灯管或烘箱等本领域中已知的加热方式对堆叠物进行加热。
在采用手工进行预成型的情况下，技术人员可以根据加热后的堆叠物的硬度施加一定压力进行预成型。
在一些实施方案中，采用压机进行预成型。
在步骤g)中，优选在加热和压力条件下进行成型。
优选地，用于所述成型的加热方式可以为红外加热、热空气加热、电磁加热、水加热、蒸汽加热、油加热或电加热。
进行成型的温度根据连续纤维增强热塑性树脂基复合片材中所用的树脂来确定。
在一些实施方案中，所用的树脂为聚碳酸酯树脂，在180-250℃的温度下进行成型。
可以根据所用的树脂设定进行成型的压力，通常在50 bar-200 bar范围内的压力下进行成型。
在一些实施方案中，所用的树脂为聚碳酸酯树脂，在50 bar-150 bar范围内的压力下进行成型。
在步骤g)中，进行成型的时间可以为5-300s。
在步骤g)中，在成型之后进行冷却脱模和任选的裁切。
冷却可以采用本领域中已知的方式进行，例如水冷却、油冷却等。
优选地，在成型后将温度降至低于所用的树脂的维卡软化温度。
裁切可以通过本领域中已知的方式进行，例如水切割、数控机床(CNC)切割、冲切或激光切割。
所述连续纤维增强热塑性树脂基复合片材可以为单层单向纤维增强的热塑性树脂基预浸带或编织网增强的热塑性树脂基预浸带。
所述连续纤维增强热塑性树脂基复合片材也可以为两层或更多层的层合件，各层相互独立地选自单向纤维增强的热塑性树脂基预浸带或编织网增强的热塑性树脂基预浸带。
优选地，所述纤维选自玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维。
优选地，所述编织网选自由玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维编织的网。
优选地，所述热塑性树脂选自聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PU)和聚碳酸酯共混物。
作为聚碳酸酯共混物的实例，可以提及聚碳酸酯与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的共混物(PC/ABS)、聚碳酸酯与聚对苯二甲酸乙二醇酯的共混物(PC/PET)以及聚碳酸酯与聚对苯二甲酸丁二醇酯的共混物(PC/PBT)。
对于单向纤维增强的热塑性树脂基预浸带时，其铺层角度可以为0-90度内的任一角度，优选为0度、45度或90度。
所述连续纤维增强热塑性树脂基复合片材可以自行制备或通过购买获得。
下面参考图1-3以安全鞋鞋头作为三维制品的示例，对根据本发明的方法的一些具体实施方案进行进一步描述。
在一些实施方案中，本发明提供一种制备三维成型制品的方法，所述三维成型制品为安全鞋鞋头，所述方法包括以下步骤：
a) 通过计算机辅助设计软件将安全鞋鞋头的三维轮廓展开(图1-a，图1-b)；
b) 通过计算机辅助设计软件将步骤a)中得到的展开的三维轮廓切分成若干基本层，各基本层各自独立地具有一定的厚度、形状和大小(图1-c，图1-d)；
c) 根据在步骤b)中获得的基本层的形状和大小，将连续纤维增强热塑性树脂基复合片材切割成具有相应形状和大小；
d) 将切割后的复合片材按照其大小进行叠放得到堆叠物(图2)；
f) 将步骤d)中得到的堆叠物预成型为半成品(3-a，3-b)；和
g) 使步骤f)中得到的半成品成型为具有鞋头形状(3-c)，然后冷却脱模(3-d)和任选地裁切(3-e)得到所述安全鞋鞋头。
如图1所示，在步骤b)中，通过计算机辅助设计软件将步骤a)中得到的展开的三维轮廓切分成若干基本层，包括上层、中间层和下层。
所述上层可以包括1层或更多层基本层。
所述中间层可以包括1层或更多层基本层。
所述下层可以包括1层或更多层基本层。
应该理解的是，各基本层各自独立地具有其厚度、形状和大小。
优选地，下层的总厚度和展开的三维轮廓的最小厚度相同。
优选地，上层、中间层和下层的总厚度和展开的三维轮廓的最大厚度相同。
优选地，上层、中间层和下层按照展开的三维轮廓设置。
优选地，上层的形状与大小与展开的三维轮廓的最大厚度区域的形状与大小相同。
优选地，下层的形状与大小与展开的三维轮廓的俯视图的形状与大小相同。
优选地，中间层的形状与大小介于上层和下层的形状与大小之间。
根据本发明的第二方面，提供通过上述方法制备的三维成型制品。
所述三维成型制品可以为能够采用连续纤维增强热塑性树脂基复合片材制备的具有三维形状的制品。
例如，所述三维成型制品可以为鞋头、脚趾披肩、头盔、护膝板、弧形面板、弧形叶片等。
更具体地，所述鞋头可以为安全鞋鞋头。
本申请中针对各个特征的描述在相互不矛盾的情况下可以相互结合，由此得到的技术方案都落入本申请请求保护的范围内。
本申请中所述的“包含”和“包括”涵盖还包含或包括未明确提及的其它要素的情形以及由所提及的要素组成的情形。
除非另外限定，本申请中所使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域技术人员通常理解的相同意义。当本申请中术语的定义与本发明所属领域技术人员通常理解的意义有矛盾时，以本申请中所述的定义为准。
除非另有说明，否则在本申请中中用于表达厚度、大小、加工条件等的所有数值应理解为被术语“约”修饰。因此，除非有相反指示，否则在本申请中阐述的数值是能够根据需要获得的性能来变化的近似值。
实施例
以下将结合实施例和附图对本发明的构思及产生的技术效果作进一步说明，以让本领域技术人员充分地了解本发明的目的、特征和效果。本领域技术人员不难理解，此处的实施例仅仅用于示例目的，本发明的范围并不局限于此。
所用原材料：
预浸带I：单向连续碳纤维增强聚碳酸酯预浸带，厚度为0.175mm，碳纤维体积含量为44%。
预浸带II：单向连续玻璃纤维增强聚碳酸酯预浸带，厚度为0.205mm，玻璃纤维体积含量为 44%。
预浸带III：玻璃纤维编织布增强聚碳酸酯预浸带，厚度为0.25mm，玻璃纤维重量含量为 55%。
所用设备：
陶瓷红外加热烘箱：由南京禾阳公司提供。
水切割机：ProtoMax型，由傲马公司提供。
100吨静态平板硫化机：BL-6170-B-50T型，由宝轮公司提供。
100吨立式压机： THP32-100W型，由天锻公司提供。
极冷极热设备：Single ATT H2-200-48型， 由SINGLE公司提供。
数控机床：60S型，由赛维公司提供。
所用模具：
鞋头热压模具：配高压热水加热管路和冷水冷却管路。
测试方法：
根据ASTM F2413和EN 12568S进行抗冲击和抗压缩性能测试。
实施例1：具有厚度介于4-8mm的3D曲面构造的安全鞋鞋头的制备
I．连续纤维增强热塑性树脂基复合片材的制备
采用单向连续玻璃纤维增强聚碳酸酯预浸带(预浸带II)，通过0/90/0/90/0的铺层方式在100吨静态平板硫化机上压制厚度为1.025mm的复合片材，压制温度为240℃，压制压力为10bar，压制时间为5min，冷却温度为50℃。
Figure 663586DEST_PATH_IMAGE001
．安全鞋鞋头的制备
参考图1-3进行安全鞋鞋头的制备。
参考图1，利用FiberSIM软件将鞋头(美国尺码，8码)的三维轮廓展开。
参考图1，利用FiberSIM软件根据展开的三维轮廓的最大厚度和最小厚度(鞋头最大厚度为8mm，最小厚度为4mm)将展开的三维轮廓切分成8个基本层。其中2层厚度为1.025mm的基本层构成上层，2层厚度为1.025mm的基本层构成中间层，4层厚度为1.025mm的基本层构成下层。
参考图2，利用水切割机对厚度为1.025mm的复合材料板进行裁切得到形状和大小与鞋头最大厚度(8mm)区域接近的2块复合片材(201)、形状和大小与展开的三维轮廓的俯视图接近的4块复合片材(203)以及形状和大小介于最大厚度区域和展开的三维轮廓的俯视图之间且呈等比减小的2块复合片材(202)。
参考图2，将裁切得到的8块复合片材按照从大到小的顺序叠放得到堆叠物(200)。
参考图3，采用陶瓷红外加热烘箱对堆叠物进行预热(3-a)，将堆叠物预热到240℃后，采用手工方式对堆叠物进行预成型，得到半成品(3-b)。
参考图3，将半成品放入鞋头模具中，利用100吨立式压机和极冷极热设备对半成品进行热压成型和冷却脱模，其中热压温度为240℃，热压压力为120bar，热压时间为30s，冷却温度为80℃，加热方式为高压热水，冷却方式为高压冷水。最后利用数控机床将成型后的鞋头裁切，得到鞋头。
Figure 580726DEST_PATH_IMAGE002
．安全鞋鞋头的冲击测试
按照ASTM F2413对制备的安全鞋鞋头进行102J的抗冲击测试，测试结果如下表1所示。
对比实施例1：具有厚度介于4-8mm的3D曲面构造的安全鞋鞋头的制备
I．连续纤维增强热塑性树脂基复合片材的制备
采用单向连续玻璃纤维增强聚碳酸酯预浸带(预浸带II)，通过0/90/0/90/0的铺层方式在100吨静态平板硫化机上压制厚度为1.025mm的复合片材，压制温度为240℃，压制压力为10bar，压制时间为5min，冷却温度为50℃。
Figure 547414DEST_PATH_IMAGE001
．安全鞋鞋头的制备
参考实施例1进行，所不同的是本实施例不采用计算机辅助设计，而是将5层1.025mm厚的复合材料板裁切成与鞋头展开图一样的形状与大小，鞋头成型结果如下表1所示。
Figure 942623DEST_PATH_IMAGE002
．安全鞋鞋头的冲击测试
按照ASTM F2413对制备的安全鞋鞋头进行102J的抗冲击测试，测试结果如下表1所示。
实施例2：具有厚度介于2.5-8mm的3D曲面构造的安全鞋鞋头的制备
I．连续纤维增强热塑性树脂基复合片材的制备
采用单向连续玻璃纤维增强聚碳酸酯预浸带(预浸带II)，通过0/90/0/0/90/0和0/90/0/90/0的铺层方式在100吨静态平板硫化机上压制得到厚度为1.23mm的复合片材和厚度为1.025mm的复合片材，压制温度为240℃，压制压力为10bar，压制时间为5min，冷却温度为50℃。
Figure 756996DEST_PATH_IMAGE001
．安全鞋鞋头的制备
参考图1-3进行安全鞋鞋头的制备。
参考图1，利用FiberSIM软件将鞋头(美国尺码，8码)的三维轮廓展开。
参考图1，利用FiberSIM软件根据展开的三维轮廓的最大厚度和最小厚度(鞋头最大厚度为8mm，最小厚度为2.5mm)将展开的三维轮廓切分成7个基本层。其中2层1.23mm厚的基本层构成上层，3层厚度为1.025mm的基本层构成中间层，2层厚度为1.23mm的基本层构成下层。
参考图2，利用水切割机对厚度为1.23mm的复合片材进行裁切得到形状和大小与鞋头最大厚度(8mm)区域接近的2块复合片材(201)、形状和大小与展开的三维轮廓的俯视图接近的2块复合片材(203)。并对厚度为1.025mm的复合片材进行裁切得到形状和大小介于最大厚度区域和展开的三维轮廓的俯视图之间且呈等比减小的3块复合片材(202)。
参考图2，将裁切得到的7块复合材料板按照从大到小的顺序叠放得到堆叠物(200)。
参考图3，采用陶瓷红外加热烘箱对堆叠物进行预热(3-a)，将堆叠物预热到240℃后，采用手工方式对堆叠物进行预成型，得到半成品(3-b)。
参考图3，将半成品放入鞋头模具中，利用100吨立式压机和极冷极热设备对半成品进行热压成型和冷却脱模，其中热压温度为240℃，热压压力为120bar，热压时间为30s，冷却温度为80℃，加热方式为高压热水，冷却方式为高压冷水。最后利用数控机床将成型后的鞋头裁切，得到鞋头。
Figure 517141DEST_PATH_IMAGE002
. 安全鞋鞋头的冲击测试
按照EN12568S对制备的安全鞋鞋头进行200J的抗冲击测试，测试结果如下表1所示。
对比实施例2：具有厚度介于2.5-8mm的3D曲面构造的安全鞋鞋头的制备
I．连续纤维增强热塑性树脂基复合片材的制备
采用单向连续玻璃纤维增强聚碳酸酯预浸带(预浸带II)，通过0/90/0/90/0的铺层方式在100吨静态平板硫化机上压制得到厚度为1.025mm的复合片材，压制温度为240℃，压制压力为10bar，压制时间为5min，冷却温度为50℃。
Figure 784175DEST_PATH_IMAGE001
．安全鞋鞋头的制备
参考实施例2进行，所不同的是本实施例不采用计算机辅助设计，而是将5层1.025mm厚的复合材料板裁切成与鞋头展开图一样的形状与大小，鞋头成型结果如下表1所示。
Figure 983075DEST_PATH_IMAGE002
．安全鞋鞋头的冲击测试
按照EN12568S对制备的安全鞋鞋头进行200J的抗冲击测试，测试结果如下表1所示。
实施例3：具有厚度介于2.5-8mm的3D曲面造型的安全鞋鞋头的制备
I．连续纤维增强热塑性树脂基复合材料板的制备
采用单向连续碳纤维增强聚碳酸酯预浸带(预浸带I)，通过0/90/0/0/90/0和0/90/0/90/0/90/0铺层方式在100吨静态平板硫化机上压制得到厚度为1.05mm的复合片材和厚度为1.225mm厚的复合片材，压制温度为220℃，压制压力为20bar，压制时间为3min，冷却温度为40℃。
Figure 838904DEST_PATH_IMAGE001
．安全鞋鞋头的制备
参考图1-3进行安全鞋鞋头的制备。
参考图1，利用FiberSIM软件将鞋头(美国尺码，8码)的三维轮廓展开。
参考图1，利用FiberSIM软件根据展开的三维轮廓的最大厚度和最小厚度(鞋头最大厚度为8mm，最小厚度为2.5mm) 切分成7个基本层。其中2层厚度为1.225mm的基本层构成上层，3层厚度为1.05mm的基本层构成中间层，2层厚度为1.225mm的基本层构成下层。
参考图2，利用水切割机对厚度为1.225mm的复合片材进行裁切得到形状和大小与鞋头最大厚度(8mm)区域接近的2块复合片材(201)、形状和大小与展开的三维轮廓的俯视图接近的2块复合片材(203)，利用水切割机对厚度为1.05mm的复合片材进行裁切得到形状和大小介于最大厚度区域和展开的三维轮廓的俯视图之间且呈等比减小的3块复合片材(202)。
参考图2，将裁切得到的7块复合片材按照从大到小的顺序叠放得到堆叠物(200)。
参考图3，采用陶瓷红外加热烘箱对堆叠物进行预热(3-a)，将堆叠物预热到230℃后，采用手工方式对堆叠物进行预成型，得到半成品(3-b)。
参考图3，将半成品放入鞋头模具中，利用100吨立式压机和极冷极热设备对半成品进行热压成型和冷却脱模，其中热压温度为230℃，热压压力为150bar，热压时间为60s，冷却温度为70℃，加热方式为高压热水，冷却方式为高压冷水。最后利用数控机床将成型后的鞋头裁切，得到鞋头。
Figure 832268DEST_PATH_IMAGE002
.安全鞋鞋头的冲击测试
按照欧标EN12568S对制备的安全鞋鞋头进行200J的冲击测试，测试结果如下表1所示。
对比实施例3：具有厚度介于2.5-8mm的3D曲面造型的安全鞋鞋头的制备
I．连续纤维增强热塑性树脂基复合材料板的制备
采用单向连续碳纤维增强聚碳酸酯预浸带(预浸带I)，通过0/90/0/0/90/0层方式在100吨静态平板硫化机上压制得到厚度为1.05mm的复合片材，压制温度为220℃，压制压力为20bar，压制时间为3min，冷却温度为40℃。
Figure 841724DEST_PATH_IMAGE001
．安全鞋鞋头的制备
参考实施例3进行，所不同的是本实施例不采用计算机辅助设计，而是将5层1.05mm厚的均厚复合材料板裁切成与鞋头展开图一样的形状与大小，鞋头成型结果如下表1所示。
Figure 516419DEST_PATH_IMAGE002
.安全鞋鞋头的冲击测试
按照欧标EN12568S对制备的安全鞋鞋头进行200J的冲击测试，测试结果如下表1所示。
实施例4：具有厚度介于2.5-8mm的3D曲面构造的安全鞋鞋头的制备
I．连续纤维增强热塑性树脂基复合片材的制备
采用单向连续玻璃纤维增强聚碳酸酯预浸带(预浸带II)，通过0/90/0/90/0铺层方式在100吨静态平板硫化机上压制得到厚度为1.025mm的复合片材，压制温度为240℃，压制压力为10bar，压制时间为5min，冷却温度为50℃。
同时准备厚度为0.25mm的玻璃纤维编织布增强聚碳酸酯预浸带(预浸带III)备用。
Figure 226755DEST_PATH_IMAGE001
．安全鞋鞋头的制备
参考图1-3进行安全鞋鞋头的制备。
参考图1，利用FiberSIM软件将鞋头(美国尺码，8码)的三维轮廓展开。
参考图1，利用FiberSIM软件根据展开的三维轮廓的最大厚度和最小厚度(鞋头最大厚度为8mm，最小厚度为2.5mm) 将展开的三维轮廓切分成10个基本层。其中2层1.025mm厚的基本层构成上层，3层1.025mm厚的基本层和3层0.25mm厚的的基本层构成中间层，2层1.025mm厚的基本层构成下层。
参考图2，利用水切割机对1.025mm厚的复合材料板进行裁切得到形状和大小与鞋头最大厚度(8mm)区域接近的2块复合片材(201)、形状和大小与展开的三维轮廓的俯视图接近的2块复合片材(203)以及形状和大小介于最大厚度区域和展开的三维轮廓的俯视图之间且呈等比减小的3块复合片材(202)。并对厚度为0.25mm的玻璃纤维编织布增强聚碳酸酯预浸带进行裁切得到形状和大小介于最大厚度区域和展开的三维轮廓的俯视图之间且呈等比减小的3块复合片材(202)。
参考图2，将裁切得到的10块复合材料板按照从大到小的顺序叠放得到堆叠物(200)。
参考图3，采用陶瓷红外加热烘箱对堆叠物进行预热(3-a)，将堆叠物预热到240℃后，采用手工方式对堆叠物进行预成型，得到半成品(3-b)。
参考图3，将半成品放入鞋头模具中，利用100吨立式压机和极冷极热设备对半成品进行热压成型和冷却脱模，其中热压温度为240℃，热压压力为120bar，热压时间为30s，冷却温度为80℃，加热方式为高压热水，冷却方式为高压冷水。最后利用数控机床将成型后的鞋头裁切，得到鞋头。
Figure 594283DEST_PATH_IMAGE002
．安全鞋鞋头的冲击测试
按照美标ASTM F2413对制备的安全鞋鞋头进行4000的压缩测试，测试结果如下表1所示。
表1 鞋头成型和测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE003
*、**：根据测试标准进行冲击或压缩测试后，鞋头内最小空隙要求或实际间隙。
以上仅描述了本发明的示例性实施方案或实施例，并不旨在限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以由各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请权利要求范围内。

Claims (18)

1.一种制备三维成型制品的方法，其包括以下步骤：
a) 通过计算机辅助设计软件将具有曲面的三维成型制品的三维轮廓展开；
b) 通过计算机辅助设计软件将步骤a)中得到的展开的三维轮廓切分成若干基本层；
c) 将连续纤维增强热塑性树脂基复合片材切割成与在步骤b)中获得的基本层具有相同或接近的形状与大小；
d) 将切割后的复合片材按照其大小进行叠放得到堆叠物；
e) 任选地，将步骤d)中得到的堆叠物预层压在一起得到预层压件；
f) 任选地，将步骤d)中得到的堆叠物或步骤e)中得到的预层压材料预成型为半成品；和
g) 使步骤d)中得到的堆叠物、步骤e)中得到的预层压件或步骤f)中得到的半成品成型、脱模和任选裁切后得到所述三维成型制品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，计算机辅助设计软件根据步骤a)中展开的三维轮廓确定基本层的厚度、形状和大小。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤e)中，在加热和压力条件下进行预层压，并且在预层压之后将预层压件冷却。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤f)中，在加热和压力条件下进行预成型。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤g)中，在加热和压力条件下进行成型。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述连续纤维增强热塑性树脂基复合片材选自单层单向纤维增强的热塑性树脂基预浸带、单层纤维编织网增强的热塑性树脂基预浸带及其层合件。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述连续纤维增强热塑性树脂基复合片材中的所述纤维选自玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述连续纤维增强热塑性树脂基复合片材中的所述热塑性树脂选自聚丙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氨酯和聚碳酸酯共混物，所述聚碳酸酯共混物选自聚碳酸酯与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的共混物、聚碳酸酯与聚对苯二甲酸乙二醇酯的共混物以及聚碳酸酯与聚对苯二甲酸丁二醇酯的共混物。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述连续纤维增强热塑性树脂基复合片材中的所述热塑性树脂为聚碳酸酯树脂，在步骤g)中，成型在180-250℃的温度和50 bar-150 bar范围内的压力下进行。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括步骤f)，并且在180-250℃的温度和5bar-50bar范围内的压力下进行预层压。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，通过计算机辅助设计软件将步骤a)中得到的展开的三维轮廓切分成若干基本层，包括上层、中间层和下层。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，下层的厚度和展开的三维轮廓的最小厚度相同。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，上层、中间层和下层的总厚度和展开的三维轮廓的最大厚度相同。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其特征在于，上层的形状与大小分别与展开的三维轮廓的最大厚度区域的形状与大小相同。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，其特征在于，下层的形状与大小分别与展开的三维轮廓的俯视图的形状与大小相同。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的方法，其特征在于，中间层的形状与大小分别介于上层和下层的形状与大小之间。
17.一种三维成型制品，其特征在于，其通过根据权利要求1-16中任一项所述的方法制备。
18.根据权利要求17所述的三维成型制品，其选自鞋头、头盔、护膝板、弧形面板或弧形叶片，优选地，其为安全鞋鞋头。
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