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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf mechanische Strukturen mit mehreren stabilen Zuständen. Insbesondere beziehen sich Aspekte dieser Offenbarung auf Automobilkomponenten mit einem entfaltbaren Element mit bistabilen oder tristabilen Merkmalen.
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Die heutigen Kraftfahrzeuge, wie das moderne Automobil, sind ursprünglich mit verschiedenen Anordnungen und Komponenten ausgestattet, die aus Elementen bestehen, die aus Textilmaterialien hergestellt werden, Elementen, die aus Polymermaterialien hergestellt werden, und Elementen, die aus metallischen Materialien hergestellt werden. Eine Fahrzeugsitzanordnung besteht beispielsweise aus einer allgemein aufrechten Sitzlehne und einer im Allgemeinen horizontalen Sitzfläche, die beide funktionell auf einer Sitzplattform abgestützt sind, die an der Fahrzeugkarosserie befestigt ist. Die Standard-Sitzlehnen- und Sitzflächenabschnitte beinhalten einen steifen metallischen oder polymeren Rahmen mit einer optionalen federbasierten Aufhängung, einem expandierbaren Schaumstoffpolster, das auf dem Rahmen getragen wird, und einem Leder- oder Textilverkleidungsmaterial, das den Rahmen und das Polster abdeckt. Andere Fahrzeugkomponenten und Baugruppen, die mit Textilmerkmalen hergestellt werden können, beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, Innenverkleidungen, Bodenverkleidungen und Matten, Kniepolsterungen, Dachverstärkungsplatten, Mittelkonsolen-Konsolen, Mittelkonsolen für Armlehnen, Instrumententafel-Verkleidungen, Kofferraum-Abdeckungen usw.
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Einige Fahrzeugkomponenten, wie die vorgenannten Verkleidungen, Instrumententafel-Verkleidungen, Dachplatten und Kofferraumabdeckungen usw., können als mehrschichtige Laminatstrukturen hergestellt werden, die aus einer Vielzahl von zusammengefügten Materialschichten gebildet sind. Eine einzelne Materialschicht kann ausgewählt werden, um Verschleißfestigkeit, Flexibilität, Kompressibilität, Steifigkeit oder ästhetische Funktionalität bereitzustellen. Fahrzeugausstattungsverkleidungen, die viele der Innenflächen innerhalb eines Fahrgastraums eines Automobils definieren, beinhalten im Allgemeinen ein starres Polymersubstrat, das an einem Türbaugruppenrahmen, Dachrahmen oder einem Armaturenbrettfundament befestigt ist. Eine flexible textile „Haut“ haftet an dem Substrat, um ein ästhetisch ansprechendes Erscheinungsbild und eine taktil ansprechende Kontaktfläche zu schaffen. Während viele dieser einzelnen Schichten vor der Montage als ein im Wesentlichen flacher Rohling geformt werden, erfordert das resultierende Produkt oft eine mehrdimensionale Form. Jede Erhöhung des Verpackungsvolumens für eine Komponente hat jedoch eine gleichzeitige Erhöhung der Verpackungs- und Versandkosten, die mit dieser Komponente verbunden sind.
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KURZDARSTELLUNG
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Hierin offenbart sind entfaltbare Strukturen mit mehreren stabilen Zuständen unter Verwendung eines auf einer Textilunterlage angebrachten Verstrebungsrahmens, Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur Verwendung derartiger entfaltbarer Strukturen sowie Kraftfahrzeuge mit einer Fahrzeugkomponente mit bistabilen Eigenschaften, die durch ein polymeres Exoskelett bereitgestellt werden, das auf ein gewirktes Textilsubstrat gedruckt wird. Als Beispiel wird eine Textilgewirkstruktur (umgangssprachlich als „Gestrick“ bezeichnet) mit zusätzlichen Verstärkungsmerkmalen für eine Funktionalität mit mehreren stabilen Zuständen dargestellt. Die additive Herstellung - allgemeiner als „3D-Druck“ bezeichnet - kann verwendet werden, um „Skelettdetails“ auf eine oder mehrere Flächen eines gewirkten Trägersubstrats zu drucken. Optional kann ein nachgiebiges skelettartiges Gerüst auf ein vorgespanntes Textilsubstrat laminiert oder geklebt werden, um gelenkige Merkmale und selektive Entfaltbarkeit zu bieten (z. B. unter Verwendung geeigneter Origami- oder Kigogami-Praktiken). Eine auf diese Weise hergestellte Komponente kann eine Struktur mit mehreren stabilen Zuständen erzeugen, die in mindestens einem stabilen Zustand im Wesentlichen oder vollständig planar (flach und dünn) ist, wodurch ein geringes Verpackungsvolumen für den Transport und die Verteilung bereitgestellt wird. Wenn die Komponente für die Montage bereit ist, kann sie selektiv in einen anderen stabilen Zustand expandieren, um ein vorgegebenes Raumfüllvolumen (z. B. einen Einsatzzustand für die strukturelle Verwendung) bereitzustellen, um die Installation und Montage zu vereinfachen.
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Für jedes der offenbarten Systeme, Verfahren und Vorrichtungen kann der gelenkige Rahmen ein Netzwerk von relativ starren Merkmalen oder Elementen beinhalten. Diese relativ starren Merkmale oder Elemente können durch nachgiebigere Elemente oder Biegungen miteinander verbunden werden, die als Gelenke fungieren. Ebenso kann das Textil so gewirkt oder gewebt werden, dass es lokale Merkmale besitzt, die dieselbe Funktion erfüllen. Das elastische Substrat auf Textilbasis kann lokal und ungleichmäßig vorgespannt werden, bevor der relativ steife Rahmen aus Verbindungen montiert wird, um ausgewählte Abschnitte oder die gesamte Struktur vorzuspannen. Der Rahmen kann weiter spezifiziert werden, sodass die Abmessungen und die Steifigkeit dieser Elemente, Merkmale innerhalb des Gewirks und Elastizität des befestigten Substrats die verfügbaren Bewegungspfade der Struktur bestimmen, wenn sie nach dem Lösen von Werkzeugen das anfängliche Gleichgewicht sowie die verfügbaren Verformungsarten oder Bewegungspfade erreichen, wenn sie extern belastet werden. Diese Parameter können spezifiziert werden, sodass die verfügbaren Bewegungspfade Zustände aufweisen, in denen ihre interne Energie relativ niedrig/lokal minimiert ist und sie stabil wird. Die Struktur kann so konstruiert sein, dass sie eine Vielzahl dieser stabilen Zustände über alle oder einige ihrer verfügbaren Bewegungspfade aufweist.
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Aspekte dieser Offenbarung sind auf Komponenten und Baugruppen gerichtet, die ganz oder teilweise aus einer entfaltbaren Struktur mit mehreren stabilen Zustandsmerkmalen gebildet sind. So wird beispielsweise eine entfaltbare Struktur mit mehreren stabilen Zuständen vorgestellt, die ein nachgiebiges, elastisches Substrat mit einer textilen (gewirkten) Lage und einem auf der Textillage angebrachten gelenkigen (polymeren) Rahmen beinhaltet. Der gelenkige Rahmen und die Textillage sind zusammenwirkend ausgelegt für den Übergang zwischen: einem ersten stabilen (oder halbstabilen) Zustand, in dem die entfaltbare Struktur eine im Wesentlichen ebene Form beibehält; einem zweiten stabilen Zustand, in dem die entfaltbare Struktur eine erste mehrdimensionale Topographie beibehält; und einem dritten stabilen Zustand, bei dem die entfaltbare Struktur eine zweite mehrdimensionale Topographie beibehält, die sich von der ersten mehrdimensionalen Topographie unterscheidet. Die erste mehrdimensionale Topographie kann durch eine erste Querschnittsgeometrie charakterisiert werden, während die zweite mehrdimensionale Topographie durch eine zweite Querschnittsgeometrie charakterisiert werden kann, die sich von der ersten Querschnittsgeometrie unterscheidet.
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Für jeden der hierin beschriebenen Aspekte und Merkmale kann der gelenkige Rahmen eine längliche Wirbelsäule beinhalten, die sandwichartig zwischen einer ersten Rippe oder einem Satz von Rippen und einer zweiten Rippe oder einem Satz von Rippen angeordnet ist. Jede der ersten Rippen kann von einer ersten lateralen Seite der verlängerten Wirbelsäule in einem ersten schrägen Winkel vorstehen, während jede zweite Rippe von einer zweiten lateralen Seite der länglichen Wirbelsäule in einem zweiten schrägen Winkel vorstehen kann. Der erste schräge Winkel kann ungefähr gleich dem zweiten schrägen Winkel sein oder sich alternativ von diesem unterscheiden. Die erste Vielzahl von Rippen kann durch einen ersten Satz oder Sätze von Biegescharnieren physikalisch an der länglichen Wirbelsäule befestigt werden, während die zweite Vielzahl von Rippen durch einen zweiten Satz oder Sätze von Biegescharnieren physikalisch an der länglichen Wirbelsäule befestigt werden kann.
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Für jeden der hierin beschriebenen Aspekte und Merkmale können die erste und die zweite Vielzahl von Rippen von der verlängerten Wirbelsäule beabstandet sein, wenn sich die entfaltbare Struktur im ersten stabilen Zustand befindet und umgekehrt an der verlängerten Wirbelsäule anliegen kann, wenn sich die entfaltbare Struktur im dritten stabilen Zustand befindet. Die Wirbelsäule kann erste und zweite Sätze von Nuten beinhalten, die dazu konfiguriert sind, darin die Rippenenden der ersten und zweiten Vielzahl von Rippen aufzunehmen, wenn sich die entfaltbare Struktur im dritten stabilen Zustand befindet. Die Wirbelsäule kann so konfiguriert sein, dass sie entlang eines bogenförmigen Pfads wechselt, wenn die entfaltbare Struktur zwischen den ersten und zweiten stabilen Zuständen wechselt; Die Wirbelsäule kann konfiguriert sein, um entlang eines linearen Pfades zu wechseln, wenn die entfaltbaren Strukturen zwischen den zweiten und dritten stabilen Zuständen wechseln. Für zumindest einige Ausführungsformen können angrenzende Segmente des elastischen Substrats übereinander gefaltet werden, wenn sich die entfaltbare Struktur im ersten stabilen Zustand befindet; Diese angrenzenden Segmente können konfiguriert werden, dass sie sich entfalten, wenn die entfaltbare Struktur in die zweiten und/oder dritten stabilen Zustände übergeht.
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Für jeden der hierin beschriebenen Aspekte und Merkmale kann der gelenkige Rahmen einen im Allgemeinen starren Rahmen beinhalten, der die Wirbelsäule und Rippen teilweise oder vollständig umgibt. So beinhaltet beispielsweise die Textillage des elastischen Substrats einen Außenumfang; Der Rahmen kann sich kontinuierlich entlang des Außenumfangs der Textillage erstrecken und die längliche Wirbelsäule und die Rippen umgeben. Die Rippen können vom Rahmen beabstandet sein, wenn sich die entfaltbare Struktur im ersten stabilen Zustand befindet und können umgekehrt am Rahmen anliegen, wenn sich die entfaltbare Struktur im dritten stabilen Zustand befindet. Der Rahmen kann Kerben beinhalten, die dazu ausgelegt sind, darin Rippenenden aufzunehmen, wenn sich die entfaltbare Struktur im dritten stabilen Zustand befindet. Der Rahmen kann dazu dienen, die Textillage in einem vorgespannten Zustand zu halten, wenn sich die entfaltbare Struktur in mindestens dem ersten stabilen Zustand befindet.
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Zusätzliche Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur Verwendung entfaltbarer Strukturen mit mehreren stabilen Zustandsmerkmalen. So wird beispielsweise ein Verfahren zur Montage einer entfaltbaren Struktur mit mehreren stabilen Zuständen vorgestellt. Das repräsentative Verfahren beinhaltet in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit einem der vorstehend und nachstehend offenbarten Merkmale und Optionen: das Aufnehmen eines nachgiebigen, elastischen Substrats, das mit einer (gewirkten) Textillage hergestellt wird; und das Befestigen eines gelenkigen (polymeren) Rahmens auf der Textillage. Der gelenkige Rahmen und die Textillage wirken strukturell zusammen, um von einem ersten stabilen Zustand, in dem die entfaltbare Struktur eine im Wesentlichen planare Form beibehält, in einem zweiten stabilen Zustand zu wechseln, in dem die entfaltbare Struktur eine erste mehrdimensionale Topographie beibehält, und vom zweiten stabilen Zustand in einen dritten stabilen Zustand, in dem die entfaltbare Struktur eine zweite mehrdimensionale Topographie beibehält, die sich von der ersten mehrdimensionalen Topographie unterscheidet. Der Rahmen kann unter Verwendung eines geeigneten Herstellungsverfahrens, einschließlich Drucken, Laminieren, Anhaften, Abscheiden und/oder Aushärten auf die Textillage montiert werden.
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Weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Fahrzeugkomponenten und Kraftfahrzeuge, die mit allen derartigen Fahrzeugkomponenten ausgestattet sind, die mehrere stabile Zustandsmerkmale aufweisen, die durch ein polymeres Exoskelett bereitgestellt werden, das an einem textilbasierten, nachgiebigen und elastischen Substrat angebracht ist. Ein „Kraftfahrzeug“, wie hierin verwendet, kann jede relevante Fahrzeugplattform, wie z. B. Personenkraftwagen (Verbrennungsmotoren, elektrischer Hybridmotor, vollelektrisch, Brennstoffzelle, Brennstoffzellenhybrid, vollständig oder teilweise autonom, usw.), Transportfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Raupenfahrzeuge, Geländefahrzeuge (ATV), landwirtschaftliche Geräte, Wasserfahrzeuge, Flugzeuge usw. beinhalten. Es ist vorgesehen, dass jede der offenbarten entfaltbaren Strukturen mit mehreren stabilen Zuständen sowohl für Anwendungen im Automobilbereich als auch für nichtautomobile Anwendungen verwendet werden kann.
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Die vorstehende Kurzdarstellung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr stellt die vorstehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Konzepte und Merkmale, wie hierin dargelegt, als Beispiel dar. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der veranschaulichten Ausführungsformen und der Arten zum Ausführen der Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich. Darüber hinaus beinhaltet die vorliegende Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale, die oben und im Folgenden dargestellt sind.
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Figurenliste
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- 1 ist eine nach vorne gerichtete perspektivische Darstellung eines Teils eines repräsentativen Fahrzeugfahrgastraums, der verschiedene Fahrzeugkomponenten darstellt, die ganz oder teilweise aus einer entfaltbaren Textilstruktur mit mehreren stabilen Zustandsmerkmalen gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden können.
- 2 ist eine perspektivische Darstellung einer repräsentativen entfaltbaren Textilstruktur mit mehreren stabilen Zuständen, die gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung in einem ersten stabilen Zustand gezeigt ist.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht der repräsentativen entfaltbaren Textilstruktur von 2, die vom ersten stabilen Zustand in einen zweiten stabilen Zustand übergeht.
- 3A ist eine Querschnittsdarstellung der entfaltbaren Textilstruktur von 3 entlang der Linie 3A-3A.
- 4 ist eine perspektivische Ansicht der repräsentativen entfaltbaren Textilstruktur von 3, die vom zweiten stabilen Zustand in einen dritten stabilen Zustand übergeht.
- 4A ist eine Querschnittsdarstellung der entfaltbaren Textilstruktur von 4 entlang der Linie 4A-4A.
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Die vorliegende Offenbarung kann ist verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen zur Anwendung zugänglich, und einige repräsentative Ausführungsformen werden exemplarisch in den Zeichnungen dargestellt und hierin ausführlich beschrieben. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den vorstehend aufgeführten Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt sind. Vielmehr umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Kombinationen, Teilkombinationen, Permutationen, Gruppierungen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Diese Offenbarung eignet sich für eine Vielzahl von Ausführungsformen. Diese sind in den Zeichnungen dargestellt und hierin in detaillierten repräsentativen Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben, mit der Erkenntnis, dass die vorliegende Offenbarung als eine Veranschaulichung der Prinzipien der Offenbarung zu betrachten ist, und nicht als eine Einschränkung der breiten Aspekte der Offenbarung bezüglich der repräsentativen Ausführungsformen. Entsprechend sollten Elemente und Einschränkungen, die beispielsweise in der Kurzdarstellung, der Einführung, der Zusammenfassung und der ausführlichen Beschreibung offenbart, aber nicht explizit in den Patentansprüchen aufgeführt sind, nicht per Schlussfolgerung, Rückschluss oder anderweitig einzeln oder insgesamt in die Patentansprüche integriert werden.
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Zu Zwecken der vorliegenden ausführlichen Beschreibung, soweit nicht ausdrücklich dementiert: beinhaltet die Singularform die Pluralform und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ sind beide verbindend und trennend; das Wort „alle“ bedeutet „alle und jegliche“; das Wort „jegliche“ bedeutet „alle und jegliche“; und die Wörter „einschließlich“ und „umfassend“ und „mit“ bedeuten „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können beispielsweise Wörter für Annäherungen, wie „etwa“, „fast“, „wesentlich“, „ungefähr“ und dergleichen, hierin im Sinne von „bei, nahe oder nahezu“, oder „innerhalb 0-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Herstellungstoleranzen“ oder jegliche logische Kombination davon verwendet werden. Schließlich sind Richtungsadjektive und Adverbien, wie etwa vorn, achtern, innen, außen, Steuerbord, Backbord, vertikal, horizontal, oben, unten, vorne, hinten, links, rechts usw. in Bezug auf ein Kraftfahrzeug, wie etwa eine Vorwärtsfahrtrichtung eines Kraftfahrzeugs, vorliegen können, wenn das Fahrzeug operativ auf einer normalen Fahroberfläche ausgerichtet ist.
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, ist 1 die perspektivische Darstellung eines repräsentativen Automobils, das im Allgemeinen mit 10 bezeichnet wird und hierin zu Zwecken der Erörterung einer Personenwagen vom Typ eines Geländewagens (SUV) dargestellt wird. An der Fahrzeugkarosserie 12 des Automobils 10, z. B. an einer Dachschiene, einem Fahrgestell-Querträger, einer vorderen Verkleidung, einem Heckdeck usw., ist innerhalb eines Fahrgastraums 14 ein Sortiment von repräsentativen Fahrzeugkomponenten angebracht, die ganz oder teilweise aus einer entfaltbaren Textilstruktur mit mehreren stabilen Zustandsmerkmalen hergestellt werden können. Das dargestellte Automobil 10 - hierin auch kurz als „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ bezeichnet - ist lediglich eine exemplarische Anwendung, mit der die neuartigen Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung praktiziert werden können. In gleicher Weise sollte die Implementierung der vorliegenden Konzepte in die in 1 dargestellten Fahrzeugkomponenten ebenfalls als eine exemplarische Anwendung der hierin offenbarten neuartigen Konzepte betrachtet werden. Demgemäß versteht es sich, dass die Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung auf andere Fahrzeugkomponenten angewendet werden können, die für jeden logisch relevanten Fahrzeugtyp verwendet werden können, sowohl für Anwendungen im Automobilbereich als auch für Anwendungen außerhalb dieses Bereichs. Letztendlich sind die hierin abgebildeten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu und dienen lediglich Anleitungszwecken. Somit gelten die spezifischen und relativen Maße der Zeichnungen nicht als einschränkend.
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Gemäß dem dargestellten Beispiel ist eine vordere Windschutzscheibe 18 dichtend, z. B. über ein Bindemittel und eine Fensterdichtung oder eine polymere Dichtungsschicht (nicht dargestellt), am vorderen Fensterrahmen 16 befestigt. Eine Unterkante des vorderen Fensterrahmens 16 ist durch eine Armaturenbrettverkleidung 20 begrenzt, während eine Oberkante durch eine Dachverstärkungsplatte 22 und die beiden Seitenkanten durch ein Paar A-Säulenverkleidungsabdeckungen 24 begrenzt sind (von denen nur eine sichtbar ist; ein zweites gespiegeltes Gegenstück befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Fensterrahmens 16). Innerhalb des Fahrzeuginnenraums 14 ist auch eine Mittelkonsole 26 vorhanden, die unter anderem mit einer Touchscreen-Videoanzeige 28 und einem Tastenfeld 30 ausgestattet ist. Die Touchscreen-Videoanzeige 28 und das Tastenfeld 30 sind einzeln bedienbar, um Benutzereingaben zu empfangen, während die Videoanzeige 28 Bilder, Text und videobasierten Inhalt ausgibt. Eine digitale Instrumententafel (IP) 32, die in einem vorderen Armaturenbrett 34 vor einem Lenkrad 36 untergebracht ist, zeigt Messgeräte, Instrumente und Steuerungen zum Überwachen und Regulieren ausgewählter Vorgänge des Fahrzeugs 10 an. Eine fahrerseitige Türbaugruppe 38 ist schwenkbar, z. B. über ein mehrstufiges Türfederscharnier an der Fahrzeugkarosserie 12, gelagert, um einen Abschnitt des Fahrgastraums 14 zugänglich zu machen und diesen sicher zu schließen. Entlang einer nach innen weisenden (inneren) Fläche einer Türinnenverkleidung 40 ist ein Griffgehäuse 42 angebracht, das eine untere Stütze für den Betrieb des Türgriffs 43 vorsieht.
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Viele der vorstehend beschriebenen Fahrzeugkomponenten, einschließlich der Kofferraumverkleidung 20, der Dachverstärkungsplatte 22, der Säulenverkleidungsabdeckungen 24, der Verkleidungsteile der Mittelkonsole 26 und des Armaturenbretts 34 und der Türverkleidung 40 können aus einer Textilanordnung hergestellt werden, die zum Aufrechterhalten mehrerer stabiler Zustände ausgelegt ist. Ein Beispiel für eine entfaltbare Textilstruktur mit mehreren stabilen Zuständen ist in den 2-4 dargestellt, die allgemein mit 44 bezeichnet sind. Der Begriff „Textil“, wie er hierin verwendet wird, kann sich auf ein Gewebe oder ein Tuch beziehen, das aus natürlichen oder synthetischen Fasern durch Stricken, Weben, Häkeln, Flechten, Binden, Schnüren oder einem anderen geeigneten Verfahren zur Textilherstellung gebildet wird. Ein Textilmaterial kann aus einer oder mehreren organischen Fasern, wie beispielsweise Tier- und Pflanzenfasern, einer oder mehreren synthetischen Fasern, wie Fasern auf Polymerbasis oder Glasbasis, und/oder einer oder mehreren metallbasierten Fasern, wie Silber-, Gold- oder Aluminiumfilamenten und Aluminiummaterialien, bestehen. Textilmaterialien, die unter Verwendung einer Kombination dieser Verfahren und/oder Materialein hergestellt wird, könnten Abschnitte des Textilmaterials aufweisen, die mehrere Strukturen enthalten, zum Beispiel: einen gewirkten Abschnitt, der unter Verwendung von geflochtenen Fasern gebildet ist; Fasern, die durch eine gestrickte oder gehäkelte Struktur gewebt sind, z. B. um Dimensionsstärke und/oder Stabilisierung bereitzustellen; eine gehäkelte Kante, die auf einer gestrickten oder gewebten Struktur gebildet ist; Gewebelagen, die zu einem mehrlagigen Textilmaterial wie einem 3D-Textilmaterial zusammengewirkt werden usw. Einige Textilmaterialien beinhalten mehr als eine Faserart, einschließlich einer oder mehrerer organischer Fasern, synthetischer Fasern und Fasern auf Metallbasis, sowie eine gemischte Faser, wie beispielsweise ein tierische/synthetische Mischfaser, eine tierische/pflanzliche Mischfaser, eine pflanzliche/synthetische Mischfaser, eine Glas-/Polymer-Mischfaser (Glasfaser), eine Metall-/Polymer-Mischfaser usw. und eine beliebige Kombination davon.
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Naturfasern sind Fasern, die von oder aus Pflanzen, Tieren und geologischen Prozessen hergestellt werden. Tierfasern können Fasern enthalten, die aus Haaren und/oder Fellen von Tieren hergestellt werden, die zur Faserproduktion geeignete Haare/Felle bereitstellen, sowie Seidenfasern, die aus Insektenkokons und dergleichen hergestellt werden. Im Vergleich dazu können Fasern auf Pflanzenbasis Fasern beinhalten, die aus einer beliebigen Pflanze hergestellt werden, die ein zur Faserherstellung geeignetes Pflanzenmaterial bereitstellt, einschließlich als nicht einschränkendes Beispiel, Baumwolle, Flachs, Holz (Acetat, Rayon), Bambus, Jute, Hanf, usw. Im Gegensatz dazu werden synthetische Fasern im Allgemeinen aus synthetisierten Polymeren hergestellt und können Fasern aus einem oder mehreren von Acryl, KEVLAR®, Nylon, Nomex, Polyester, Spandex und dergleichen beinhalten. Synthetische Fasern können als nicht einschränkendes Beispiel durch Spinnen, Extrusion, Ziehen und dergleichen gebildet werden. Ein Textilmaterial kann aus einem Garn gebildet sein, das eine Vielzahl von Fasern aufweist, die miteinander versponnen oder verzwirnt oder auf andere Weise miteinander verbunden wurden, um ein Garn zu bilden. Das Textilmaterial kann Monofilamentfaser, Polyfilamentfaser, Stapelfaser oder eine Kombination von diesen beinhalten.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist die entfaltbare Textilstruktur 44 (hierin auch als „entfaltbare Struktur“ bezeichnet) als zweiteilige, Zweimaterialkonstruktion dargestellt, die im Allgemeinen aus einem elastischen und nachgiebigen Textilsubstrat 46 mit einem gelenkigen Rahmen 48 besteht, der auf mindestens einer Hauptfläche des Substrats 46 montiert ist. Gemäß der in den 2-4 dargestellten repräsentativen Architektur kann das flexible Textilsubstrat 46 (hierin auch als „Textilsubstrat“ oder lediglich „Substrat“ bezeichnet) im Allgemeinen aus einer im Wesentlichen flachen, einteiligen gewirkten Lage bestehen. Optional kann das Textilsubstrat 46 als ein mehrdimensionales und/oder mehrschichtiges Material ausgebildet sein, das jede gewünschte Form und Größe für eine beabsichtigte Anwendung annehmen kann. Textilsubstrat 46 von 2 kann unter Verwendung einer einzelnen Technik oder einer Kombination von Techniken gebildet werden. So kann beispielsweise das Textilsubstrat 46 ein gewirktes 3D-Material sein, in das Schuss- und/oder Kettfäden gewebt sind, um Richtungseigenschaften wie gerichtete Dehnungsfähigkeit, Vorspannung, vorbestimmte Verformung von Abständen in der Textilstruktur unter Last, Dämpfungseigenschaften usw. bereitzustellen. Bei mehrschichtigen Konstruktionen kann das Textilsubstrat 46 miteinander verbundene Schichten beinhalten, die durch eine einzige Technik gebildet werden, wie beispielsweise eine Doppelschicht-Gewebezusammensetzung, oder mindestens eine aus mehreren Schichten beinhalten, die durch eine andere Technik gebildet werden als mindestens eine der anderen Schichten. Es ist vorgesehen, dass das Textilsubstrat 46 durch Weben, Wirken, Häkeln, Flechten und dergleichen gebildet werden kann, sodass die Fasern voneinander beabstandet sind und sich beispielsweise unter Belastung relativ zueinander bewegen können, sodass sich der Abstand zwischen den Fasern und die Ausrichtung einer Faser zu einer anderen in Dimension, Form und Ausrichtung als Reaktion auf eine Änderung der Richtung und Größe oder der Belastung, die dem Textilsubstrat 46 auferlegt wird, ändert.
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In Fortsetzung des obigen Beispiels kann das Textilsubstrat 46 als elastisch, dehnbar, porös und biegbar bezeichnet werden und optional in der Lage sein, eine gewünschte Reaktion bereitzustellen, einschließlich eines oder mehrerer einer Steifigkeitsreaktion, einer Energiedissipationsreaktion, einer Formverschiebungsreaktion und einer thermischen Reaktion. Das Textilsubstrat 46 kann mit einer hydrophoben, hydrophilen, dochtwirkenden oder porösen Konfiguration hergestellt werden, die z. B. durch einen vorbestimmten Abstand zwischen den das Textil bildenden Fasern bereitgestellt wird, um Fluidstrom (Wärme, Luft und Dampf einschließlich Wasserdampf) in und/oder durch das Textilmaterial bereitzustellen. Die Geschwindigkeit und Kapazität des Fluidstroms und die Diffusionsfähigkeit des Textilmaterials können sich ändern, wenn eine aufgebrachte Last variiert wird. Die Reaktionseigenschaften des Textilsubstrats 46 können variiert werden durch Ändern einer Stichart, eines Stichmusters, eines Garntyps, eines Garn-Deniers, einer Nadelgröße, eines Fasertyps, einer Fasergröße, einer Nahtdichte, eines Kettmusters, eines Webmusters, eines Fasermusters, eines Flechtmusters usw. des Textilmaterials. Diese Merkmale des Textilmaterials können dazu beitragen, die Eigenschaften des Textilsubstrats 46 einschließlich Dichte, Dicke, Porosität, Leitfähigkeit, Elastizität usw. des Textilmaterials und der Form, Größe und Ausrichtung und dynamischen Reaktion der zwischen den Fasern im Textilmaterial definierten Räume zu bestimmen.
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Unter weiterer Bezugnahme auf die 2-4 kann der gelenkige Rahmen 48 aus einem Polymermaterial, wie beispielsweise einem laminierten oder aufgedruckten Polymer, oder einem metallischen Material, wie beispielsweise einem plattierten oder abgeschiedenen Metall, hergestellt sein. Materialien, die zum Bilden des Rahmens 48 verwendet werden können, beinhalten Stahl, Aluminium, Nickel, Kupfer, Gold und Legierungen davon sowie Polycarbonate, Polypropylene, Polyester, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylchlorid (PVC) oder Kombinationen davon. In einem ersten nicht einschränkenden Beispiel können Vakuumabscheidung, Ionenbeschichtung oder elektro/stromloses Plattieren von Aluminium oder Nickel implementiert werden, um den gelenkigen Rahmen 48 auf einer obersten Hauptfläche des Textilsubstrats 46 zu erzeugen. Gemäß einem zweiten nicht einschränkenden Beispiel kann das 3D-Drucken oder Laminieren von aromatischen oder aliphatischen Polyether- oder Polyesterpolyurethanen implementiert werden, um den gelenkigen Rahmen 48 auf einer obersten Hauptfläche des Textilsubstrats 46 zu erzeugen. Um die Haftung oder Kohäsion zu verbessern, kann die Grenzfläche des Textilsubstrats 46 beispielsweise mit einem Bindemittel, wie beispielsweise Polyurethan-Bindemittel, Polyacrylat-Bindemittel oder Styrol-Butadien-Latex, beschichtet werden. Obwohl als nur auf einer Seite/Fläche des Textilsubstrats 46 aufgetragen dargestellt, ist liegt es eindeutig im Umfang dieser Offenbarung, den gelenkigen Rahmen 48 zu integrieren oder Merkmale des Rahmens 48 auf mehreren Seiten/Flächen des Textilsubstrats 46 auszuwählen.
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Gemäß der repräsentativen Architektur von 2 ist der gelenkige Rahmen 48 mit einer verlängerten, im Wesentlichen geraden Wirbelsäule 50 ausgebildet, die sandwichartig oder anderweitig zwischen einer ersten Rippe 52 oder einer ersten Reihe/Vielzahl von Rippen 52A und einer zweiten Rippe 54 oder einer zweiten Reihe/Vielzahl von Rippen 54A angeordnet ist. Wie dargestellt, ist die erste Vielzahl von Rippen 52A auf einer ersten lateralen Seite der verlängerten Wirbelsäule 50 (eine linke Seite in 2) angeordnet, wobei die einzelnen Rippen 52 im Allgemeinen parallel zu und beabstandet voneinander entlang der Länge der Wirbelsäule 50 ausgerichtet sind. In gleicher Weise ist die zweite Vielzahl von Rippen 54A auf einer zweiten lateralen Seite der länglichen Wirbelsäule 50 angeordnet (eine rechte Seite in 2), wobei die einzelnen Rippen 54 im Allgemeinen parallel zu und beabstandet voneinander entlang der Länge der Wirbelsäule 50 ausgerichtet sind. In einem stabilen Zustand, der in 2 gezeigt ist, steht jede der ersten Rippen 52 von einer ersten lateralen Seite der verlängerten Wirbelsäule 50 in einem ersten schrägen Winkel A1 vor, während jede zweite Rippe 54 von einer zweiten lateralen Seite der länglichen Wirbelsäule 50 in einem zweiten schrägen Winkel A2 vorsteht. Obwohl nicht erforderlich, kann der erste schräge Winkel A1 ungefähr gleich dem zweiten schrägen Winkel A2 sein. Alternative Anwendungen können erfordern, dass die schrägen Winkel A1, A2 voneinander verschieden sind, oder falls gewünscht, können eine oder mehrere der Rippen 52, 54 einen ausgeprägten Projektionswinkel in Bezug auf die Wirbelsäule 50 einnehmen. Es sollte beachtet werden, dass Anzahl, Orientierung, Form und Lage der Rippen 52, 54 von den in den Zeichnungen dargestellten abweichen können. Es ist beispielsweise vorgesehen, dass jede Reihe von Rippen 52A, 52B mehr oder weniger als sechs Rippen beinhalten kann. Darüber hinaus können die Rippen 52, 54, obwohl sie als Parallelogramme mit abgeschrägten distalen Enden dargestellt sind, andere Formen und Merkmale annehmen, um die offenbarte Funktionalität zu erreichen.
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Der gelenkige Rahmen 48 von 2 ist auch mit einem starren Rahmen 56 versehen, der die längliche Wirbelsäule 50 und die zwei Reihen von Rippen 52A, 54A teilweise oder vollständig umgibt. Wie dargestellt, ist der Rahmen 56 eine oval geformte, längliche Struktur, die sich im Wesentlichen kontinuierlich entlang eines Außenumfangs des Textilsubstrats 46 erstreckt und die längliche Wirbelsäule 50 und die Rippen 52, 54 umgibt. Als eine kontinuierliche Struktur kann der Rahmen 56 dazu dienen, die gewirkte Textillage des Substrats 46 in einem vorgespannten Zustand zu halten, z. B. wenn sich die entfaltbare Struktur 44 in dem in 2 dargestellten stabilen Zustand befindet. Jede Rippe 52, 54 in der ersten und zweiten Reihe von Rippen 52A, 54A kann mechanisch direkt mit dem Rahmen 56 und der länglichen Wirbelsäule 50 verbunden sein, z. B. durch ein entsprechendes Paar biegbarer Biegescharniere. Als Beispiel veranschaulicht 2 ein integral ausgebildetes innenliegendes Scharnier 58A, das zwischen der Rippe 52 und der Wirbelsäule 50 angeordnet ist, und ein integral ausgebildetes außenliegendes Scharnier 58B, das zwischen der Rippe 52 und dem Rahmen 56 angeordnet ist und diese verbindet. Als Beispiel veranschaulicht 3 ein integral ausgebildetes innenliegendes Scharnier 60A, das zwischen der Rippe 54 und der Wirbelsäule 50 angeordnet ist und ein integral ausgebildetes außenliegendes Scharnier 60B zwischen der Rippe 54 und dem Rahmen 56 angeordnet ist und diese verbindet. Mit dieser Architektur können der gelenkige Rahmen 48 - die Wirbelsäule 50, die Rippen 52, 54, der Rahmen 56 und die Scharniere 58A-B, 60A-B - als einteilige, einheitliche Struktur ausgebildet sein. Alternativ können eine oder mehrere oder alle Rippen 52, 54 beabstandet sein und keine direkte mechanische Kopplung an die Wirbelsäule 50 und/oder den Rahmen 56 haben. Ähnlich wie die Wirbelsäule 50 und die Rippen 52, 54 kann die Form, Größe und/oder Ausrichtung des Rahmens 56 auf eine bestimmte Anwendung skaliert oder für eine gewünschte Funktionalität angepasst werden.
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Die entfaltbare Textilstruktur 44 aus den 2-4 ist so konzipiert, dass sie mindestens zwei oder für einige Konfigurationen drei oder mehr stabile Zustände aufrechterhalten werden, z. B. um eine effizientere, agilere Herstellung, den Versand und die Montage einer der vorstehend erörterten Fahrzeugkomponenten bereitzustellen. Im Maschinenbau kann ein Übergangszustand als Dynamikreaktion eines mechanischen Systems auf eine aufgebrachte Kraft bezeichnet werden, die eine Änderung von einem Gleichgewicht im stabilen Zustand in ein anderes Gleichgewicht im stabilen Zustand bewirkt. Wie hierin verwendet, kann der Begriff „stabiler Zustand“ so definiert werden, dass er einen stationären Zustand eines dynamischen mechanischen Systems beinhaltet, das das System ohne Anwendung einer externen Kraft oder einer externen Energiequelle aufrechterhalten kann. In dieser Hinsicht ist die entfaltbare Textilstruktur 44 strukturell konfiguriert, um jede der in den 2, 3 und 4 veranschaulichten stabilen Zustände aufrechtzuerhalten, ohne dass eine fortgesetzte Anwendung einer externen Kraft erforderlich ist.
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Gemäß der in den Zeichnungen veranschaulichten repräsentativen Architektur sind das flexible Textilsubstrat 46 und der gelenkige Rahmen 48 zusammenwirkend konfiguriert, um zwischen drei stabilen Zuständen zu wechseln: einem in 2 dargestellten ersten stabilen (oder halbstabilen) Zustand; Einem in 3 dargestellten zweiten stabilen Zustand; Und einem in 4 dargestellten dritten stabilen Zustand. Im ersten stabilen Zustand, der am besten in 2 zu sehen ist, behält die entfaltbare Struktur 44 eine im Wesentlichen flache und planare Form bei, z. B. zum leichteren Stapeln, Verpacken und Versenden. Ohne die Anwendung eines externen Stimulus halten das flexible Textilsubstrat 46 und der gelenkige Rahmen 48 die entfaltbare Textilstruktur 44 für eine kontinuierliche, wenn nicht unbestimmte Zeit, in diesem Zustand. Im Vergleich dazu kann eine manuelle oder automatisierte externe Kraft F1 (z. B. eine Drehkraft im Uhrzeigersinn in 3) auf die längliche Wirbelsäule 50 angewendet werden, um die entfaltbare Textilstruktur 44 aus dem ersten stabilen Zustand von 2 in den zweiten stabilen Zustand zu überführen, der in den 3 und 3A dargestellt ist. Die elastische Beschaffenheit des Textilsubstrats 46, die versucht, die längliche Wirbelsäule 50 zurück in ihre ursprüngliche Position (z. B. gegen den Uhrzeigersinn in 3) zu ziehen, ist durch die abgewinkelte Ausrichtung der Rippen 52, 54 in Bezug auf die Wirbelsäule 50 und den Rahmen 56 gegenbalanciert oder anderweitig versetzt. Dabei halten das flexible Textilsubstrat 46 und der gelenkige Rahmen 48 die entfaltbare Textilstruktur 44 für eine kontinuierliche, wenn nicht unbestimmte Zeit, in diesem zweiten stationären Zustand, bis ein anderer Stimulus angewendet wird. Im zweiten stabilen Zustand behält die entfaltbare Struktur 44 eine erste mehrdimensionale Topographie, die in 3A durch Breite, Höhe und/oder Bogenlänge der ersten vorstehenden Wölbung 62 dargestellt ist.
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Eine zweite manuelle oder automatisierte externe Kraft F2 (z. B. eine im Allgemeinen lineare Kraft in einer nach unten und nach links gerichteten Richtung in 3) kann auf die längliche Wirbelsäule 50 angewendet werden, um die entfaltbare Textilstruktur 44 aus dem zweiten stabilen Zustand von 3 in den dritten stabilen Zustand zu überführen, was am besten in den 4 und 4A zu sehen ist. Wiederum versucht die elastische Beschaffenheit des Textilsubstrats 46, die längliche Wirbelsäule 50 zurück in die in 2 dargestellte ursprüngliche Position zu ziehen. Diese Rückbewegung wird jedoch verhindert, indem die Rippen 52, 54 zwischen der Wirbelsäule 50 und dem Rahmen 56 eingeklemmt und/oder zusammengedrückt werden, was im Folgenden näher beschrieben wird. Im dritten stabilen Zustand behält die entfaltbare Struktur 44 eine zweite mehrdimensionale Topographie bei, die hierin durch Breite, Höhe und/oder Bogenlänge einer zweiten in 4A dargestellten vorstehenden Wölbung 64 dargestellt ist. Durch den Vergleich der 3A und 4A ist ersichtlich, dass die Höhe und die Bogenlänge und damit die Topografie der ersten vorstehenden Wölbung 62 sich von der Höhe und Bogenlänge und damit der Topografie der zweiten vorstehenden Wölbung 64 unterscheidet. Tatsächlich weist die erste mehrdimensionale Topographie 62 eine erste Querschnittsgeometrie (3A) auf, die sich von einer zweiten Querschnittsgeometrie (4A) der zweiten mehrdimensionalen Topographie 64 unterscheidet.
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Unter kollektiver Bezugnahme auf die 2 und 3 sind die erste und die zweite Vielzahl von Rippen 52A, 52B von der länglichen Wirbelsäule 50 und dem Rahmen 56 beabstandet, wenn sich die entfaltbare Struktur 44 im ersten und zweiten stabilen Zustand befindet. Diese beabstandete Beziehung zwischen Rippen 52, 54 und Wirbelsäule/Rahmen 50, 56 kann ganz oder teilweise über das flexible Textilsubstrat 46 im Zusammenwirken mit den Biegescharnieren 58, 60 aufrechterhalten werden. Die Anwendung der zweiten Kraft F2 auf die Wirbelsäule 50 dreht und kollabiert jedoch die Scharniere 58, 60 und drückt gleichzeitig die gegenüberliegenden distalen Enden jeder Rippe 52, 54 gegen die längliche Wirbelsäule 50 und den Rahmen 56. Die aneinanderstoßende Beziehung zwischen Wirbelsäule 50, Rippen 52, 54 und Rahmen 56 hilft, die entfaltbare Struktur 44 im dritten stabilen Zustand zu halten. Für mindestens einige optionale Konfigurationen kann die längliche Wirbelsäule 50 mit jeweils ersten und zweiten Sätzen von Nuten 66A und 66B hergestellt werden (3A); Jede Nut 66A, 66B ist konfiguriert, um darin ein erstes (oberes) Rippenende einer Rippe 52, 54 aufzunehmen, wenn sich die entfaltbare Struktur 44 im dritten stabilen Zustand befindet (4). Ebenso kann der Rahmen 56 optional erste und zweite Sätze von Kerben 68A und 68B beinhalten (3A); Jede Kerbe 68A, 68B ist konfiguriert, um darin ein zweites (unteres) Rippenende einer Rippe 52, 54 aufzunehmen, wenn die entfaltbare Struktur 44 in den dritten stabilen Zustand übergeht.
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Die repräsentative entfaltbare Struktur 44 der 2-4 wird als entlang eines allgemein bogenförmigen Pfades übergehend dargestellt, wenn sie sich vom ersten stabilen Zustand (2) in den zweiten stabilen Zustand (3) bewegt und dann entlang eines im Allgemeinen linearen Pfades übergehend vom zweiten stabilen Zustand (3) in den dritten stabilen Zustand (4). Die entfaltbare Struktur 44 kann alternativen Pfaden folgen, wenn sie zwischen einem der hierin beschriebenen stabilen Zustände wechselt, ohne vom Umfang und Sinn dieser Offenbarung abzuweichen. So kann beispielsweise ein erstes Segment des flexiblen Textilsubstrats 46 (z. B. die linke Hälfte in 2) und alle Segmente des darauf montierten gelenkigen Rahmens 48 auf ein zweites Segment des flexiblen Textilsubstrats 46 (z. B. die rechte Hälfte in 2) gefaltet werden, wenn sich die entfaltbare Struktur 44 im ersten stabilen Zustand befindet. Diese beiden Segmente des flexiblen Textilsubstrats 46 können so konfiguriert werden, dass sie entfaltet werden können, wenn die entfaltbare Struktur 44 in den zweiten und/oder den dritten stabilen Zustand übergeht.
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Für mindestens einige Ausführungsformen beinhaltet das flexible Textilsubstrat 46 ein Garn mit einer Glasübergangstemperatur und/oder einem Polymerschmelzpunkt, der höher ist als eine Schmelztemperatur eines Polymermaterials, das zum Herstellen des gelenkigen Rahmens 48 verwendet wird. Bei Naturfasern kann es wünschenswert sein, dass eine Spitzentemperatur und/oder eine Pfeifpunkttemperatur der Naturfaser etwa gleich einer Schmelztemperatur des Rahmenmaterials ist. Für zumindest einige Ausführungsformen kann das Verbinden durch Kleben, Faserinfiltration in die Garnstruktur und/oder die Garnverkapselung verwendet werden, um den Rahmen 48 mit dem Substrat 46 zu verbinden. Als eine weitere mögliche Option kann jede Schlaufe des flexiblen Textilsubstrats 46 mit mehreren Garn gewirkt werden, von denen mindestens eines eine Flammpunkt-/Pfeifpunkttemperatur aufweist, die oberhalb der Verarbeitungstemperatur des Rahmens 48 liegt, und mindestens eines davon eine Flammpunkt-/Pfeifpunkttemperatur hat, die unterhalb der Verarbeitungstemperatur des Rahmens 48 liegt. Dabei schmilzt oder erweicht mindestens ein Teil des Fasermaterials, wodurch es möglicherweise besser an dem skelettartigen Rahmen (z. B. unter Verwendung eines „Schmelzgarns“) haftet. Für den skelettartigen Rahmen 48 kann es wünschenswert sein, ein thermoplastisches Polymer zu verwenden; Wenn jedoch Klebstoffe oder Epoxide verwendet werden, können die meisten metallischen, duroplastischen Kunststoffe, Verbundmaterialien usw. für den Rahmen 48 verwendet werden.
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung wurden im Detail unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben; der Fachmann wird jedoch erkennen, dass viele Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht beschränkt auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung; jegliche und alle Modifikationen, Änderungen und offensichtlichen Variationen, ersichtlich aus den vorangehenden Beschreibungen, liegen innerhalb des Umfangs der Offenbarung, wie durch die hinzugefügten Ansprüchen definiert. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale.
