CN114555316A - 用于制造多梯度发泡聚合物材料的产品的方法 - Google Patents

用于制造多梯度发泡聚合物材料的产品的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于制造由发泡聚合物材料制成的产品的方法，该方法包括以下步骤：经由软件生成待以固体的可发泡聚合物材料制造的产品的虚拟模型(M)；经由虚拟模型(M)的软件执行拓扑优化，以便获得包括具有差异化的相对密度和/或差异化的形态的区域的优化的虚拟模型(MO)；准备可发泡聚合物材料并且将该可发泡聚合物材料插入到模具(1)中；使至少一种发泡剂在压力下、在置于模具(1)中的可发泡聚合物材料中以发泡剂的根据拓扑优化而随时间和/或空间可变的压力分布溶解；释放压力，以便获得由发泡聚合物材料制成的产品(S)，该产品设置有上面提及的具有差异化的相对密度的区域；将由发泡聚合物材料制成的产品(S)从模具(1)移除。

Description

用于制造多梯度发泡聚合物材料的产品的方法
技术领域
本发明涉及用于制造多梯度发泡聚合物材料、即具有在材料的密度和/或泡孔尺寸分布(形态)方面有差异的区域的产品的方法。特别地，该方法允许制造优化的产品(在结构和/功能方面被优化，例如在刚度、强度、弹性、碰撞吸收性能、热绝缘性能、声学吸收性能方面被优化)，从而允许仅在产品严格要求的地方分布材料。为此，拓扑优化软件与用于生产能够形成密度和/形态的多梯度的发泡聚合物材料的程序一起使用。这种程序提供了使所述材料发泡所需的物理发泡剂的溶解，其特征在于，随时间和/或空间可变的条件以及先前执行的拓扑优化的功能。更特别地，随溶解步骤的时间和/或空间可变的条件在聚合物中产生物理发泡剂的浓度的非均匀分布，这在膨胀时在产品中产生与用拓扑优化限定的非均匀密度和形态对应的非均匀的密度和形态。
背景技术
最近，人们对“具有梯度”的发泡材料产生兴趣，相对于以就泡孔密度和/或形态而言的一致结构为特征的这些发泡材料，“具有梯度”的发泡材料的结构和功能特性得到改善。通过最近的科学研究，理论数值和实验两者都已证明这一点。科学文献描述了一种使这种发泡结构分层或具有形态和/或密度的梯度的方法以及一种用于获得这种发泡结构的方法。
例如，Zhou C.等人在“Fabrication of functionally graded porous polymervia supercritical CO2 foaming"，Composites:Part B 42(2011)318-325中考虑使用“发泡剂的浓度非平衡分布”。在该方法中，待发泡的材料已经在发泡剂的作用下通过溶解步骤部分地饱和，该溶解步骤在随时间恒定的压力和温度下进行，比达到发泡剂的均匀浓度所需的时间短。在这种情况下，待发泡的样品的更远的部分(相对于在压力下与发泡剂接触的自由表面，因此更靠内的部分)包含比邻近所述表面的部分(更外部的部分)低的浓度的发泡剂，其中，发泡剂的浓度容易随着发泡剂的外部压力达到平衡条件。因此，样品的内部部分将较少发泡或者不发泡，而外部部分将完全发泡。这种类型的结构的设计假定发泡剂在聚合物中的扩散系数的知识可用于大量的聚合物/发泡剂系统。即使所述方法易于实现，它也相当有限，因为它仅允许制造下述发泡材料：所述发泡材料具有单一梯度，其特征在于样品内的较少发泡层和外部的较多发泡层。
M.Trofa、E.Di Maio、P.L.Maffettone在“Multi-graded foams upon time-dependent exposition to blowing agent”，Chemical Engineering Journal362(2019)812–817中说明了通过使用发泡技术产生具有梯度的分层聚合物泡沫的可能性，该发泡技术提供了在压力下以随时间可变的一个或更多个发泡剂的压力分布，即通过在可发泡的聚合物材料中引入气体吸收的步骤的随时间可变的条件使所述一个或更多个发泡剂溶解。
拓扑优化软件也是当前已知的。这种软件在计算机辅助生产工程(CAE)的范围内获得并且在增材制造的范围内经历了较强的发展。增材制造是经由根据计算机3D模型制造物体而将材料接合的过程。例如，N.Manfredi、Università Degli Studi di Pavia、Facoltà di Ingegneria、Corso di Laurea Magistrale的在Ingegneria Civile,annoaccademico 2014-2015[University of Pavia，Faculty of Engineering，CivilEngineering graduate program，academic year 2014-2015]中的论文“Struttureleggere:ottimizzazione topologica e stampa 3D”[“Lightweight structures:topology optimization and 3D printing”]说明了用于由晶格材料制成的结构的拓扑优化以及借助于3D打印来制造这种优化的结构的代码。在这种论题中，明确地说明的是，与晶格材料不同，由于泡沫的特征在于，在泡孔的分布、尺寸和形状中较强的随机性，因此所述泡沫不适用于该优化过程。
当今同样已知的是，可以通过采用例如具有不同刚度的不同材料的分层来获得部件的性能需求。另一方面，不同材料的使用使得难以(如果不是不可能的)对部件进行回收。
定义
表述“聚合物材料”表示包括均聚物或共聚物、热塑性或热固性的聚合物材料。
表述“可发泡聚合物材料”表示下述聚合物材料：所述聚合物材料能够在一定温度和压力下吸收发泡剂、能够在自身释放压力时允许气泡成核、并且能够在气泡增长期间抵抗伸长应力直至固化。
表述“发泡剂”表示能够借助于在聚合物材料内形成气泡而引起聚合物材料的膨胀的物质。
术语“密度”表示给定体积的聚合物材料的重量与该体积之间的比率。
术语“形态”表示形成在发泡聚合物材料内的气泡的形状、尺寸和单位体积的数量(气泡的密度)，以及聚合物在气泡的壁与柱状部之间的局部分布。
术语“发泡聚合物材料”表示在其内部已经借助于发泡剂形成气泡的聚合物材料。
因此，发泡聚合物材料的密度还取决于形成在所述发泡聚合物材料内的气泡的形态以及该泡沫的数量。
在本描述和所附权利要求的范围内，“相对密度”是指给定体积的发泡聚合物材料的密度与相同体积的相同固体聚合物材料——即未发泡、其中不存在气泡的聚合物材料——的密度之间的比率。
术语“拓扑优化”定义了借助于软件进行的研究，该研究能够在毫米级或微米级上重新定义部件内的质量分布、使宏观几何形状保持不变，从而允许使部件轻量化，即提高部件的特定性能。拓扑优化允许以有机方式利用所使用的质量集合，这些质量集合与部件性能协同配合。
通过该方法，可以保持部件的外部形状，遵守生产限制，减少起作用的重量并且确保最初的机械性能。拓扑优化研究了材料在受约束的设计空间中的最佳分布。在本描述和所附权利要求的范围内，“发泡聚合物材料的拓扑优化”是指经由能够重新限定所述发泡聚合物材料中的结构的质量分布以便使其轻量化的软件进行的计算。发泡聚合物材料的结构的拓扑优化允许限定所述发泡材料的密度梯度(即气泡的形状、尺寸和单位体积的数量)，以便获得高性能、可持续且轻质的结构。设计步骤提供了对结构的体积的设计、对应力的限定、对可发泡聚合物材料(固体的、尚未成为多孔的可发泡聚合物材料)的特性和约束条件的限定。随后，开始进行拓扑优化，以便获得具有相同形状和体积但具有差异化的形态和密度——即具有形态梯度和密度梯度的发泡聚合物材料——的虚拟结构。
在术语“虚拟的”与结构有关的情况下，是指计算机模拟的结构。
发明内容
申请人已经感受到需要制造比能够通过现有技术的方法获得的聚合物泡沫的产品更复杂、更高性能、更可持续和更轻量化的聚合物泡沫的产品。
特别地，申请人已经设定的目标为：提出一种用于制造具有上述特性的聚合物泡沫产品的方法，该方法是快速的且相对地成本较低。
申请人还已经设定的目标为：生产彼此非常不同且属于不同领域、通过使用相同原理被多样化的聚合物泡沫产品。
因此，申请人已经设定的目标为：提出了一种用于生产聚合物泡沫产品的方法，该方法是灵活的并对材料的使用进行了优化。
申请人已经发现，以上列举的目的和其他目的可以通过下述方式基本上实现：将拓扑优化软件与特定技术组合，以便获得多梯度的聚合物泡沫，其中，泡孔的形态梯度和密度梯度与取向一起通过使用所述拓扑优化软件来设计。
特别地，申请人已经发现，通过根据所附权利要求中的一个或更多个权利要求和/或根据以下方面中的一个或更多个方面的方法可以基本上实现以上列举的目的和其他目的。
根据第一方面，本发明涉及一种用于制造多梯度的发泡聚合物材料的产品的方法。
该方法包括下述步骤：
i.经由软件生成待以固体的可发泡聚合物材料(即未发泡的可发泡聚合物材料)制造的产品的虚拟模型；
ii.分配由使用决定的约束和/或载荷，并且经由虚拟模型的软件执行拓扑优化，以便获得包括具有差异化的相对密度和/或差异化的形态的区域的优化的虚拟模型；
iii.准备所述可发泡聚合物材料；
iv.将所述可发泡聚合物材料插入到模具中；
v.使至少一种发泡剂在压力下、在置于模具中的可发泡聚合物材料中以所述至少一种发泡剂的根据拓扑优化而随时间和/或空间可变的压力分布溶解；
vi.释放压力，以便获得由发泡聚合物材料制成的产品，该产品包括所述具有差异化的相对密度和/或差异化的形态的区域；以及
vii.将由发泡聚合物材料制成的产品从模具移除。
根据第二方面，本发明涉及一种根据第一方面和/或根据下文中所列举的方面中的一个或更多个方面的方法制造的、由发泡聚合物材料制成的产品。
“使发泡剂在压力下、在聚合物材料中溶解”是指在压力下引入到已经容纳有可发泡聚合物材料的模具中的发泡剂渗入到聚合物材料中，并且使所述聚合物材料饱和(即可发泡聚合物材料吸收发泡剂)，使得在发泡剂的压力被释放时，形成气泡并且使气泡在聚合物材料中增长并且使聚合物材料发泡。
“所述至少一种发泡剂的随时间和/或空间可变的压力分布”是指可以使引入到模具中并作用在可发泡聚合物材料上的发泡剂的压力根据预定分布、例如针对特定发泡产品设计的分布而随时间变化。另外，相同的压力可以根据可发泡聚合物材料的表面部分而呈现随空间可变的值。发泡剂的压力分布从先前执行的拓扑优化的结果开始计算，并且决定了形成在发泡聚合物材料内的气泡的形状、尺寸和每单位体积的数量，并且因此决定了所述发泡聚合物材料的局部密度。在设计阶段，可以以逐个区域或者甚至逐个点地限定发泡聚合物材料的密度。
申请人已经证实，根据本发明的方法允许制造由发泡聚合物材料制成的产品，该产品设置有密度梯度和/或形态梯度，由此使性能最大化并且使重量最小化。换言之，在溶解和发泡的步骤之后，发泡聚合物材料具有：低于一的相对平均密度，即具有比开始的固体可发泡聚合物材料的密度低的密度；以及密度梯度或形态梯度(具有均匀并小于一的相对密度)或者密度梯度和形态梯度两者。
申请人已经证实，在本文中，通过使用处于不同密度和/或形态的相同聚合物来获得联接具有不同刚度的层的相同结果，确保了可回收性，这是由于它是单材料。
申请人还已经证实，根据本发明的方法允许生产具有上述特性的复杂产品。
申请人还已经证实，根据本发明的方法允许以相对简单且快速的方式生产这样的产品。
申请人还已经证实，根据本发明的方法能够应用在彼此非常不同的领域、比如家具、航海、汽车、衣物、建筑和其他领域。
在下文中，列举了本发明的其他方面。
在一个方面，步骤i.(经由软件生成待以固体的可发泡聚合物材料制造的产品的虚拟模型)借助于软件计算程序、比如
Figure BDA0003596594340000061
的
Figure BDA0003596594340000062
或
Figure BDA0003596594340000063
的3D设计来执行。
在一个方面，步骤ii.(经由虚拟模型的软件来执行拓扑优化，以便获得包括具有差异化的相对密度的区域的优化的虚拟模型)包括：限定可发泡材料的特性、待制造的产品的应力和约束条件；根据可发泡聚合物材料的所述特性、应力和约束条件重新限定待制造的产品的质量分布。
在一个方面，待以固体的可发泡聚合物材料制造的虚拟模型和下述优化的虚拟模型具有相同形状并且占据相同体积：所述优化的虚拟模型包括具有差异化的相对密度的区域和/或具有差异化的形态的区域。待以固体的可发泡聚合物材料制造的产品的虚拟模型的相对密度在任何地方都等于一。优化的虚拟模型——所述优化的虚拟模型包括具有差异化的相对密度的区域并且可能包括具有差异化的形态的区域——具有随空间可变的相对密度(密度梯度)。包括具有差异化的相对密度的区域的优化的虚拟模型的相对密度小于一并且可选地也等于一，可选地，该相对密度包括在0.01与1之间。
在一个方面，步骤iii.(准备所述可发泡聚合物材料)包括：以所述固体的可发泡聚合物材料制造预成型件。
在一个方面，制造预成型件包括：注射模制预成型件或者使用其他技术、比如压缩模制、吹制、旋转模制等。
在一个方面，步骤iv.(将所述可发泡聚合物材料插入到模具中)包括：将预成型件放置在模具中，更准确地，放置在模具的内部腔室中。
在一个方面，模具具有由发泡聚合物材料制成的产品的最终形状。
在一个方面，预成型件具有比由发泡聚合物材料制成的产品的体积小的体积。
在一个方面，预成型件具有与由发泡聚合物材料制成的产品的最终形状不同的形状。
在一个方面，预成型件具有与通过拓扑优化获得的形状类似的形状并且特别地关于具有等于一的相对密度的区域具有与通过拓扑优化获得的形状类似的形状。
在一个方面，模具具有至少一个进口和至少一个出口，所述至少一个进口和所述至少一个出口与腔室流体连通以用于引入或释放所述至少一种发泡剂。
在一个方面，模具在内部被分隔，即模具的腔室具有内部分离器，该内部分离器将腔室分成子腔室。
在一个方面，将具有相同压力分布或不同压力分布的不同发泡剂或者具有不同压力分布的相同发泡剂引入到不同的子腔室中。
在一个方面，每个子腔室设置有相应的进口和相应的出口以便引入或释放发泡剂。
在一个方面，至少在步骤v.(使至少一种发泡剂在压力下、在置于所述模具(1)中的所述可发泡聚合物材料中以所述至少一种发泡剂的根据拓扑优化而随时间和/或空间可变的压力分布溶解)之前，置于模具中的预成型件部分地填充所述模具，从而留下空体积，以便允许可发泡聚合物材料在步骤vi.(释放压力，以便获得由发泡聚合物材料制成的产品，该产品包括所述具有差异化的相对密度的区域)期间膨胀。换言之，由固体聚合物(即未发泡的聚合物)——期望通过该固体聚合物获得最终产品——构成的预成型件仅部分地填充最终的模具，从而留下空体积。仅通过随后的发泡步骤，这样的空体积就被发泡聚合物的泡沫填充。
在一个方面，设置的是，虚拟地使优化模型的设置有小于一的相对密度的区域变暗，并且仅使具有等于一的相对密度的区域清晰可见；其中，制造的预成型件包括：可见区域，该可见区域具有等于一的相对密度；以及附加材料，该附加材料分布成一旦发泡，则生成具有小于一的差异化相对密度的区域。
在一个方面，设置的是，从优化的虚拟模型开始，经由软件生成预成型件的虚拟模型，并且从预成型件的虚拟模型开始，以所述固体可发泡聚合物材料制造所述预成型件。
在一个方面，从优化的虚拟模型开始，通过下述方式获得预成型件的虚拟模型：从所述优化的虚拟模型虚拟地逐步去除较低密度处的体积，直至所获得的(以固体聚合物，即未发泡的聚合物所获得的)预成型件的虚拟模型的质量等于优化的虚拟模型的质量，即预成型件的虚拟模型的体积等于优化模型的聚合物材料实际所占据(在没有气泡的情况下，如同其还未发泡)的体积。
在一个方面，通过虚拟地将优化的虚拟模型的设置成具有小于一的相对密度的区域压缩成使所述区域的相对密度等于一来生成预成型件的虚拟模型。
在一个方面，预成型件的虚拟模型具有比优化的虚拟模型的体积小的体积以及等于优化的虚拟模型的质量的质量。
在一个方面，所述可发泡聚合物材料选自包括热塑性聚合物材料或热固性聚合物材料的组。
在一个方面，所述热塑性聚合物材料选自包括聚烯烃、聚氨酯、聚酯的组。
在一个方面，所述热固性聚合物材料选自包括聚氨酯、聚酯树脂、环氧树脂、氰基丙烯酸树脂、多酚、乙烯基酯、三聚氰胺、聚二环戊二烯和聚酰亚胺的组。
在一个方面，根据M.Trofa、E.Di Maio、P.L.Maffettone在公开文献“Multi-graded foams upon time-dependent exposition to blowing agent”，ChemicalEngineering Journal 362(2019)812–817中说明的步骤、即根据一种包括在膨胀之前使用溶解步骤的随时间可变的至少一个条件使发泡剂在聚合物中进行质量传输的至少一个非平衡步骤的方法来执行步骤v.(使至少一种发泡剂在压力下、在置于模具中的可发泡聚合物材料中以所述至少一种发泡剂的根据拓扑优化而随时间和/或空间可变的压力分布溶解)。
在一个方面，步骤v.包括：使多种发泡剂在压力下、在置于模具中的可发泡聚合物材料中溶解。
在一个方面，步骤v.包括：使所述发泡剂相继地连续溶解。
在一个方面，所述至少一种发泡剂包括：两种或更多种发泡剂的混合物。
在一个方面，所述至少一种发泡剂是气体。
在一个方面，所述至少一种发泡剂选自包括惰性气体以及经取代的或未经取代的并且具有3至8个碳原子的脂肪烃(直链、支链或环状)的组。
在一个方面，所述至少一种发泡剂选自包括下述各者的组：氮气、二氧化碳、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、1,1,1,2-四氟乙烷(氟利昂R-134a)、1,1-二氟乙烷(氟利昂R-152a)、二氟甲烷(氟利昂R-32)、五氟乙烷、六氟化硫。
在一方个面，所述压力分布随时间周期性地或非周期性地变化。
通过具有不同发泡剂的部分压力的增压程序，使不同浓度的发泡剂在构成预成型件的聚合物中溶解。
在一个方面，所述压力分布从等于大气压力的最小压力变化至最大300巴，可选地从大气压力变化至250巴，可选地从大气压力变化至200巴。
在一个方面，瞬间地执行释放压力的步骤vi.，即以从0.1MPa/s至1000MPa/s、可选地从1MPa/s至10MPa/s的压力减小的速度执行释放压力的步骤vi.。
在一个方面，在步骤iv.和/或步骤v.和/或步骤vi.期间，对聚合物材料设定热分布，以便优化不同步骤。
在一个方面，首先，在溶解步骤期间并紧接在释放压力之前，对系统的温度进行控制以便优化不同步骤。
在一个方面，可以与溶解步骤一致地设定热分布，以便针对泡孔形成复杂的多梯度系统。
在一个方面，将溶解的步骤v.致动至高于20℃的温度。
在一个方面，设置的是，在步骤iv.(插入)和/或步骤v.(溶解)和/或步骤vi.(释放)期间对模具进行加热，并且因此对聚合物材料进行加热。
在一个方面，根据热分布、可选地根据随时间和/或空间变化的热分布对模具进行加热。
在一个方面，将模具加热至包括在50℃与350℃之间的温度、可选地加热达250℃。
在一个方面，设置的是，在步骤vi.(释放)之后并在步骤vii.(移除)之前对模具进行冷却，并且因此对聚合物材料进行冷却。这允许使泡沫固化并且使所获得的多梯度发泡结构稳定。
在一个方面，设置的是，在步骤vi.(释放)之前对模具进行冷却，以便从发泡剂的溶解温度转变至固化/释放温度。在一个方面，将模具冷却至包括在5℃与150℃之间的温度、可选地冷却至100℃的温度。
在一个方面，步骤v.(溶解)被致动持续以分钟或数十分钟为量级的溶解时间。
在一个方面，设置的是，用可发泡聚合物材料中的非粘结材料、可选地呈颗粒或球状物的非粘结性材料部分地填充模具的空体积。
在一个方面，非粘结材料是与预成型件相同的可发泡聚合物材料或不同的材料。
在一个方面，非粘结材料在结晶度的程度和/或结构顺序方面与预成型件不同。
在一个方面，设置的是，对非粘结材料和非粘结材料的量进行选择以便局部地限制或防止发泡剂在可发泡聚合物材料中溶解。所述非粘结材料因此实现下述双重功能：减少溶解步骤v.的时间；以及有助于制造复杂的多梯度密度产品。
在一个方面，在步骤iv.(将所述可发泡聚合物材料插入到模具中)之后进行对空体积的部分填充。
在一个方面，非粘结材料的球状物或颗粒具有以毫米为量级的尺寸，可选地，球状物具有包括在0.01mm与3mm之间的直径。
除了用预成型件部分地填充模具之外，如果需要，还包括聚合物的非粘结材料，以便在较远的区域中填充模具，从而允许减少溶解步骤v.的时间。球状物/颗粒的减小的尺寸允许保持较少的加工时间。通过这种策略，可以将溶解的步骤减小至以分钟为量级的时间。
在一个方面，设置的是，部分地或完全地遮盖置于模具中的预成型件的一个或更多个部分，以便局部地限制或防止所述至少一种发泡剂在可发泡聚合物材料中的溶解。这是有助于制造聚合物材料的复杂的多梯度密度产品的改变手段。
在一个方面，部分地或完全地遮盖预成型件的一个或更多个部分包括：将膜施用在预成型件的所述部分上，其中，所述膜构造成用于防止或限制发泡剂通过。
在一个方面，施用膜包括：将针对发泡剂具有阻挡特性的聚合物的水溶液施加在预成型件的所述部分上，以允许溶液的水蒸发或使其蒸发以便获得膜。
在一个方面，发泡聚合物材料的产品不具有密度不连续性。换言之，发泡聚合物材料的产品具有密度梯度(甚至具有较高梯度)，即密度不是恒定的，而是逐渐变化并且不具有不连续性。
在一个方面，所述产品是可以属于不同领域的物品/元件以及是单独/独立的物品/元件，或者所述产品可以是更复杂的组件的一部分。
在一个方面，所述产品是下述各者或下述各者的一部分：车辆、船(例如船的船体)、飞行器、建筑结构、可选地用于隔音的建筑结构、服装、衣物配件、医疗装置、单独的防护装置(例如头盔)或集体的防护装置、一件家具(例如桌子)或运动设备件。
其他特征和优点将从根据本发明的用于制造发泡聚合物材料的产品的方法的优选但非排他性实施方式的详细描述中更加清楚。
附图说明
下文中将参照仅作为非限制性示例提供的附图对这种描述进行阐述，在附图中：
■图1A、图1B和图1C图示了就根据本发明的方法而言的相应的虚拟步骤；
■图2A、图2B、图2C和图2D图示了就根据本发明的方法而言的相应的制造步骤；
■图3是例证根据本发明的方法的流程图；
■图4E至图4F图示了就根据本发明的方法而言的用于制造桌子的若干个步骤；
■图5A、图5B和图5C图示了就根据本发明的方法而言的用于制造头盔的罩的若干个步骤；
■图6图示了作为根据本发明的方法的一部分的头盔罩的虚拟图像。
具体实施方式
图1A、图1B、图1C、图2A、图2B、图2C、图2D以及图3的流程图示意性地图示了根据本发明的用于制造发泡聚合物材料的方法的示例。在该示例中，图示的产品是一种入口(portal)，该入口以二维表示仅用于示例性目的以便说明该方法并且不意在表示真实产品。
通过软件计算程序(例如，
Figure BDA0003596594340000111
的
Figure BDA0003596594340000112
或
Figure BDA0003596594340000113
的3D设计)，首先生成待制造的产品的虚拟模型M，针对所述待制造的产品的虚拟模型M，还限定了所使用的可发泡聚合物材料(图1A)。例如，这种可发泡聚合物材料是热塑性聚合物材料比如聚苯乙烯、或热固性聚合物材料比如聚氨酯、聚酯树脂、环氧树脂、氰基丙烯酸树脂、多酚、乙烯基酯、三聚氰胺、聚二环戊二烯和聚酰亚胺。虚拟模型M的可发泡聚合物材料是固体(该可发泡聚合物材料不是多孔的、不存在气泡)，即该可发泡聚合物材料处于紧凑且非发泡的构造。
借助于还可以同样用于生成虚拟模型M或不同软件的拓扑优化软件程序(例如，
Figure BDA0003596594340000121
的Fusion 360或
Figure BDA0003596594340000122
拓扑优化)，一旦发泡聚合物材料产品在其使用寿命期间所经受的典型载荷和约束被限定，则重新限定虚拟模型M的质量分布以保持所述虚拟模型M的相同形状和相同体积。拓扑优化软件根据典型载荷和约束重新计算虚拟模型M的各个部分的密度，以例如保持产品结构的整体刚性以防止应力点超过材料自身的阈值并且使这种结构轻量化。软件通常允许插入不同的优化目标：例如使对载荷的抵抗性最大化和/或将质量减小至特定百分比。拓扑优化生成包括具有差异化的相对密度的区域的优化的虚拟模型。图1A图示了在固体聚苯乙烯中具有均匀密度的虚拟模型M。图1B图示了优化的虚拟模型MO，其中，具有较大密度的区域A和具有较低密度的区域B可见。如可以观察到的，待以固体的可发泡聚合物材料制造的产品的虚拟模型M和包括具有差异化的相对密度的区域的优化的虚拟模型MO具有相同的形状并占据相同的体积。待以固体的可发泡聚合物材料制造的产品的虚拟模型M的相对密度在任何地方都等于一。优化的虚拟模型MO的区域A的相对密度(由给定体积的发泡聚合物材料的密度与相同体积的相同的固体聚合物材料——即未发泡的、其中不存在气泡的可发泡聚合物材料——的密度之间的比率给出)例如等于0.9，并且优化的虚拟模型MO的区域B的相对密度例如等于0.6。在图1B中，为了清晰起见，仅图示了区域A与区域B之间的明显分离，但是该方法旨在避免密度突然变化。
此时，始终经由软件处理优化的虚拟模型MO，以便将优化的虚拟模型MO的设置有低于一的相对密度的区域A和区域B压缩成使所述区域具有等于一的相对密度，并且获得预成型件的虚拟模型MP，所述预成型件的虚拟模型MP具有比优化的虚拟模型MO的体积小的体积以及与优化的虚拟模型的质量相等的质量(图1C)。预成型件的虚拟模型MP还可以具有与优化的虚拟模型MO的形状不同的形状。
从预成型件的虚拟模型MP开始，例如通过注射模制或其他技术获得由固体可发泡聚合物材料(在所描述的情况下，为未发泡的聚苯乙烯)构成的实际预成型件P。
替代性地，从优化的虚拟模型开始，计算预成型件的形状，使设置有低于一的相对密度的区域变暗，并且仅使具有等于一的相对密度的区域可见。使具有等于一的相对密度的附加材料分布在具有等于一的相对密度的上述区域上。附加材料是一旦发泡，则产生最终发泡聚合物材料产品的低于一的具有差异化的相对密度的区域。
根据不同的替代方案，从优化的虚拟模型MO开始，通过下述方式来获得预成型件的虚拟模型MP：从优化的虚拟模型MO虚拟地逐步去除较低密度处的体积，直至所获得的(在固体聚合物中，即未发泡的聚合物中)预成型件的虚拟模型MP的质量等于优化的虚拟模型MO的质量，即预成型件的虚拟模型MP的体积等于由优化模型MP的聚合物材料所实际占据的体积(在没有气泡、如同其未发泡的情况下)。预成型件的虚拟模型MP的体积和形状源自优化的虚拟模型MO，从而使聚合物材料的质量保持恒定。
然后，将预成型件P容置在模具1的腔室中，模具1的腔室复制待制造的发泡聚合物材料的产品的最终形状的反转图像(图2A)。
模具1建造成以便允许在其腔室中注入发泡剂、例如气体(例如，N2)，该发泡剂构造成使可发泡聚合物材料在压力下通过一个或更多个溶解步骤而饱和。因此，模具1设置有连接至一个或更多个泵、例如容积泵的进口2，所述一个或更多个泵由电子单元驱动以便对泵进行控制并且对发泡剂的注入和所述发泡剂的压力的管理的不同程序进行致动。模具1还设置有借助于阀来管理的出口3，该阀连接至控制单元以便允许排出所述发泡剂。
如在图2A中可见的，模具1的腔室具有比预成型件P的体积大的体积，使得置于模具1中的预成型件P仅部分地填充所述模具，从而留下空体积4。在图2A所示的示意性示例中，空体积4界定在预成型件P的上部外表面和侧向外表面与模具1的腔室的下部内表面和侧向内表面之间。
电子控制单元根据起先前执行的拓扑优化被编程并且驱动泵，使得泵将发泡剂以随时间和/或空间可变的一个或更多个压力分布引入到模具1中。使引入到模具1中并作用在预成型件P的可发泡聚合物材料上的发泡剂的压力根据预定的分布随时间变化。例如，使压力分布随时间周期性地或非周期性地变化。另外，可以对发泡剂的压力进行调节以便在预成型件P的表面的不同部分上采用不同的值。为此，模具1例如可以设置有将腔室分成子腔室的内部分离器，每个子腔室例如设置有进口2以便以相应的压力分布引入相应的发泡剂。例如，使压力分布从等于大气压力的最小压力变化至最大300bar。
发泡剂在预成型件P的可发泡聚合物材料中溶解，并且在构成预成型件P的聚合物的不同区域中获得不同浓度的发泡剂。在图2B所示的示意性示例中，预成型件P的更内部的区域(距自由表面较大距离的A’)将具有较低浓度的发泡剂，而预成型件P的更外部的区域(距自由表面较少距离的B’)将具有较高浓度的发泡剂。因此，在随后的压力释放步骤——其中，打开出口3上的阀允许几乎立即使模具1的腔室减压——中，预成型件P的更外部的区域B’将比更内部的区域A’更多地发泡，从而产生发泡聚合物材料的产品S，该产品具有下述所述区域：该区域具有与优化的虚拟模型MO对应的差异化的相对密度。如可以观察到的，在压力释放步骤期间，空体积4被发泡聚合物的泡沫填充。
从先前执行的拓扑优化的结果开始，计算在控制单元的控制下通过泵产生的发泡剂的压力分布，并且确定形成在发泡聚合物材料内的气泡的形状、尺寸和每单位体积的数量(形态)，并且因此确定所述发泡聚合物材料的局部密度。发泡聚合物材料具有密度梯度(甚至高的密度梯度)，但是不具有不连续性。
然后，可以将发泡聚合物材料的产品S从模具1中移除(图2D)。这种发泡聚合物材料的产品S反映了优化的虚拟模型MO的特征。如可以观察到的，预成型件P具有比发泡聚合物材料的产品S的体积小的体积以及与发泡聚合物材料的产品S的最终形状不同的形状。
在根据本发明的方法的变型中，溶解步骤通过使用连续注入到模具1的腔室中的多种发泡剂或发泡剂的混合物来执行。
在该方法的变型中，剂或发泡剂可以选自包括惰性气体和经取代或未经取代的并具有3至8个碳原子的脂肪烃(直链、支链或环状)的组。例如，发泡剂可以是氮气、二氧化碳、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、1,1,1,2-四氟乙烷(氟利昂R-134a)、1,1-二氟乙烷(氟利昂R-152a)、二氟甲烷(氟利昂R-32)、五氟乙烷、六氟化硫。
在根据本发明的方法的变型中，在已经将预成型件P置于模具1的腔室中之后，设置的是用可发泡聚合物材料、例如与预成型件相同的可发泡聚合物材料的非粘结(incoherent)材料、例如呈颗粒或球状物的非粘结材料完全地或部分地填充空体积4，以便加快发泡剂的溶解。在这种情况下，可选地，发泡剂在下述两者中溶解：预成型件P的可发泡聚合物材料；以及同样被包括在模具中的顺应性材料的颗粒/球状物。以这种方式，可以使溶解步骤减少数十分钟以减少至以分钟为量级的时间。这样的球状物也可以选择成局部地限制发泡剂在可发泡聚合物材料中的溶解，并且因此获得甚至更复杂的多梯度产品。
在根据本发明的方法的变型中，为了使所述复杂产品具有聚合物材料的多梯度密度，设置的是在将预成型件P置于模具1中之前部分地或完全地遮盖预成型件P的一个或更多个部分。以这种方式，一旦将所述预成型件P置于模具1中，就可以局部地限制或防止发泡剂在可发泡聚合材料中的溶解。为此，例如，可以将聚合物的水溶液(例如，聚乙烯醇PVA)——该水溶液针对发泡剂(例如，CO2)具有阻挡特性——施加在预成型件P的表面的所述部分上。随着水的蒸发，获得能够对使CO2溶解的步骤进行局部调节的PVA膜。
在根据本发明的方法的变型中，首先，在溶解步骤期间并紧接在释放压力之前，对系统的温度进行控制以便优化不同的步骤。例如，在高于20℃的温度处致动溶解步骤v.。替代性地，可以与溶解步骤一致地设定随时间和/或空间可变的温度分布，以便获得关于聚合物材料的密度的复杂多梯度系统。例如，将模具1加热至包括在50℃与350℃之间的温度。可能地，在步骤vi.(释放)之后并在步骤vii.(移除)之前，还可以将模具1冷却到例如包括在5℃与150℃之间的温度。这允许使泡沫固化并且使所获得的多梯度发泡结构稳定。
在该方法的变型中，对压力和/或温度和/或发泡剂类型的控制允许制造的产品具有：小于一的相对平均密度，即具有比开始的固体可发泡聚合物材料的密度低的密度；以及密度梯度或形态梯度(但是具有均匀且小于一的相对密度)或者密度梯度和形态梯度两者。
图4A至图4F图示了用于制造聚苯乙烯凳子5的不同示例。图4A图示了待制造的凳子。图4B图示了具有施加的竖向分布在凳子5的座部上的载荷F的凳子的虚拟模型。图4C图示了优化的虚拟模型MO，其中，较暗的区域表示具有较大密度的部分，并且较亮的区域表示具有较低密度的部分。
图4D图示了如上所述进行计算并通过注射模制制成的聚苯乙烯的预成型件P。如可以观察到的，预成型件P具有四个较长腿部6和四个较短的臂部7。在溶解和发泡之后，四个臂部7与四个腿部6的上部部分一起构造成形成凳子的座部8。四个腿部6的下部部分构造成用于形成凳子5的腿部9。
将预成型件P插入到具有凳子的最终形状的模具1中(图4E)。预成型件P部分地填充模具1以留下空体积。仅通过随后的发泡步骤，使这样的空体积被泡沫填充。这样的空体积可能可以被具有数毫米的直径的聚苯乙烯球状物填充，以便保持较少的加工时间。
溶解提供了在100巴处用氮气N2(其特征在于，在聚苯乙烯中的溶解度较低)进行第一次增压。随后，在100巴处，致动用二氧化碳CO2(其特征在于，在聚苯乙烯中的溶解度较高)进行的清洗，从而用CO2取代N2。预成型件P的更内部的区域(距自由表面较大距离处)将具有较低浓度的发泡剂。预成型件P的暴露于发泡剂的部分将在其随后进行发泡时以随靠近内部而增大的密度分布为特征，从而导致外部密度降低并且内部密度增加。在这种情况下，模具1在该方法的所有步骤期间保持在100℃。
图4F图示了在释放模具1中的压力并使聚苯乙烯发泡之后获得的凳子5。根据优化的虚拟模型MO，图的较暗区域表示具有较大密度的部分，并且较亮区域是具有较低密度的部分。
图5A、图5B、图5C和图6图示了用于制造聚苯乙烯头盔的罩10的另一示例。图5A图示了预成型件P，图5B图示了模具中的预成型件，而图5C图示了发泡聚合物材料的最终产品S。如可以观察到的，预成型件P具有半球状外部部分11和朝向半球状外部部分11的内部径向延伸的突出部12。在溶解和随后的发泡之后，突出部11形成罩10的内部部分。图6图示了罩的优化的虚拟模型MO，该罩包括具有差异化的相对密度的区域，其中，较暗区域表示具有较大密度的部分，并且较亮区域表示具有较小密度的部分。
能够通过根据本发明的方法获得的产品是多元的并且涉及不同领域。例如，该产品是下述各者或下述各者的一部分：车辆、船、飞行器、建筑结构、可选地用于隔音的建筑结构、服装或衣物配件、医疗装置、单独的防护装置(例如上述头盔)或集体的防护装置、一件家具(比如上述的小型桌子)或一件运动设备。

Claims (18)

1.一种用制造由多梯度的发泡聚合物材料制成的产品的方法，所述方法包括以下步骤：
i.经由软件生成待以固体的可发泡聚合物材料制造的产品的虚拟模型(M)；
ii.分配由使用决定的约束和/或载荷，并且经由所述虚拟模型(M)的软件执行拓扑优化，以便获得包括具有差异化的相对密度和/或差异化的形态的区域的优化的虚拟模型(MO)；
iii.准备所述可发泡聚合物材料；
iv.将所述可发泡聚合物材料插入到模具(1)中；
v.使至少一种发泡剂在压力下、在置于所述模具(1)中的所述可发泡聚合物材料中以所述至少一种发泡剂的根据所述拓扑优化而随时间和/或空间可变的压力分布溶解；
vi.释放压力，以产生由发泡聚合物材料制成的产品(S)，所述产品(S)设置有所述具有差异化的相对密度和/或差异化的形态的区域；以及
vii.将由发泡聚合物材料制成的所述产品(S)从所述模具(1)移除。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤iii.包括：制造所述固体的可发泡聚合物材料的预成型件(P)；其中，步骤iv.包括：将所述预成型件(P)置于所述模具(1)中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，至少在步骤v.之前，置于所述模具(1)中的所述预成型件(P)部分地填充所述模具(1)，从而留下空体积(4)以允许所述可发泡聚合物材料在步骤vi.期间膨胀。
4.根据权利要求2或3所述的方法，包括：根据所述优化的虚拟模型(MO)经由软件生成预成型件的虚拟模型(MP)，并且根据所述预成型件的虚拟模型(MP)制造所述预成型件(P)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预成型件的虚拟模型(MP)通过下述方式来生成：从所述优化的虚拟模型(MO)虚拟地逐步去除较低密度处的体积，直至在固体聚合物、即未发泡的聚合物中获得的所述预成型件的虚拟模型(MP)的质量等于所述优化的虚拟模型(MO)的质量。
6.根据权利要求2至5中的一项所述的方法，其中，制造所述预成型件(P)包括：模制所述预成型件、可选地注射模制或压缩模制所述预成型件、通过吹制或旋转模制来制造所述预成型件。
7.根据当权利要求4和6从属于权利要求3时的权利要求3至7中的一项所述的方法，包括：用相同的可发泡聚合物材料的非粘结材料、可选地呈颗粒或球状物的非粘结材料部分地填充所述模具(1)的所述空体积(4)，以加快溶解。
8.根据权利要求2至7中的一项所述的方法，包括：部分地或完全地遮盖置于所述模具(1)中的所述预成型件(P)的部分以局部限制或防止所述至少一种发泡剂在所述可发泡聚合物材料中的溶解。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，部分地或完全地遮盖所述预成型件(P)的部分包括：将膜施用至所述预成型件(P)的所述部分。
10.根据权利要求7所述的方法，包括：将所述非粘结材料和所述非粘结材料的量选择成使得局部地限制或防止发泡剂在所述可发泡聚合物材料中溶解。
11.根据权利要求1至10中的一项所述的方法，包括：在步骤iv.和/或步骤v.和/或步骤vi.期间，对所述模具(1)进行加热，可选地根据热分布对所述模具(1)进行加热；可选地，在步骤vi.之前和/或在步骤vi.之后并在步骤vii.之前，对所述模具(1)进行冷却。
12.根据权利要求1至11中的一项所述的方法，其中，所述压力分布随时间周期性地或非周期性地变化。
13.根据权利要求1至12中的一项所述的方法，其中，所述压力分布从等于大气压力的最小压力变化至最大300巴，可选地从大气压力变化至250巴，可选地从大气压力变化至200巴。
14.根据权利要求1至13中的一项所述的方法，其中，步骤v.包括：使多种发泡剂在压力下、在置于所述模具(1)中的所述可发泡聚合物中溶解，可选地使所述发泡剂相继地连续溶解。
15.根据权利要求1至14中的一项所述的方法，其中，所述至少一种发泡剂选自包括气体、可选地氮气或二氧化碳、以及经取代或未经取代的并且具有3个至8个碳原子的脂肪烃(直链、支链或环状)的组。
16.根据权利要求1至15中的一项所述的方法，其中，所述可发泡聚合物材料选自包括热塑性聚合物材料或热固性聚合物材料的组。
17.根据权利要求1至16中的一项所述的方法，其中，在压力下溶解的步骤v.包括：将所述发泡剂在压力下引入到容纳有所述可发泡聚合物材料的所述模具(1)中，使得所述发泡剂使所述可发泡聚合物材料饱和，从而使得在释放所述发泡剂的压力时，使所述可发泡聚合物材料发泡。
18.一种根据权利要求1至17中的至少一项所述的方法制造的、由发泡聚合物材料制成的产品，其中，由发泡聚合物材料制成的所述产品(S)是下述各者或下述各者的一部分：车辆、船、飞行器、建筑结构、可选地用于隔音的建筑结构、服装或衣物配件、医疗装置、单独的或集体的防护装置、一件家具、运动设备件。
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