KR102239041B1 - 가요성 복합체 재료로부터 삼차원 제품을 제조하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

가요성 복합체 재료로부터 삼차원 제품을 제조하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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롤랜드 조셉 다운스
크리스토퍼 마이클 아담스
존 마이클 홀웨저
웨슬리 에드워드 해처
키스 조엘 맥다니엘스
헤이너 더블유 멜드너
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디에스엠 아이피 어셋츠 비.브이.
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Abstract

본 발명은 가요성 복합체 재료를 포함하는 삼차원 제품 및 이러한 삼차원 제품을 제조하는 방법을 포함한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 에어백/팽창가능한 구조물, 가방류, 신발류, 및 그와 유사한 삼차원 물품과 같은 완성된 물품에 사용할 수 있는 이음매가 없는 삼차원 형상의 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 바람직한 제조 공정은 복합체 성형 방법을 특정의 전구체 재료와 결합하여 가요성 섬유-보강된 연속 형상 제품을 형성하는 방법이다.

Description

가요성 복합체 재료로부터 삼차원 제품을 제조하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHOD FOR PRODUCING THREE-DIMENSIONAL ARTICLES FROM FLEXIBLE COMPOSITE MATERIALS}
본 발명은 일반적으로는 가요성 복합체 재료로부터 삼차원 제품을 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 가요성 복합체 재료를 기본으로 하는 에어백/팽창가능한 구조물(inflatable structure), 가방류, 신발류, 및 그와 유사한 삼차원 제품을 위한 삼차원 형상의 제품을 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 출원은, 2013년 3월 13일자 출원된 미국 가특허출원 제 61/780,345 호, 및 2013년 3월 27일자 출원된 미국 가특허출원 제 61/805,874 호에 대한 우선권주장 출원이며, 이들 내용 전체를 본원에서 참고로 인용한다.
직물-관련 제품과 관련하여, 특히 의류 및 신발류, 캠핑용 및 하이킹용 물품, 편안한 방호 물품(comfortable armor), 팽창가능한 보호용 물품(protective inflatables) 등과 같은 직물 관련 제품과 관련하여 중량, 강성, 투수성, 방수능, 통기성, 색상, 성형성, 비용, 맞춤성, 가요성, 포장성 등과 같은 특성들의 다양한 조합을 최적화하는데 어려움이 계속되어 왔다.
예를 들면, 현재의 시장 동향은 자동차용 에어백 기술이 항공기, 버스, 및 기차/고속 철도 시스템, 및 스포츠, 오토바이, 모터스포츠, 또는 군사 용도에서 개인용 두부 및 목 보호대를 포함한 많은 새로운 용도로 확장하는 것을 주시하고 있다. 이 같은 기술은 비상용 및 다른 상업용 부양 시스템(floatation system), 비상용 부양 조끼 및 장비, 눈사태 방지, 오일 및 화학물질 유출 제어, 블래더 댐(bladder dams), 야외 용도의 물 블래더 저장소(water bladder reservoir), 배낭, 비비(bivy)(즉, 비박(bivouac), 소형 텐트 또는 대피소(shelter)를 의미함), 및 일반적인 저장 시스템에 적용되고 있다.
에어백 기술의 동향은 충격 및 펑크 저항이 있는 매우 경량이고, 얇고, 고강도이고, 다방향으로 강화된 압력 밀폐형 봉투의 개발을 장려하고 있다. 제어된 유연성 및 변형을 이용하여 충격을 흡수하고 충격 임펄스를 관리할 수 있다. 사이드 커튼, 시트 및 안전 벨트 보호용의 자동차 용도는 매우 경량이고, 최소로 가능한 부피로 포장할 수 있으며, 최적 상태로 팽창(inflation)하고 보호하는데 가장 유리한 3D 형상으로 성형될 수 있는 능력을 가질 필요가 있다. 종종 복잡한 3D 형상은 강해야 하고, 높은 폭발 압력, 내충격성 및 펑크 저항을 나타내야 하며, 특정의 이음매/접착부에서 폭발이나 결함 없이 그들의 예정된 형상으로 팽창해야만 한다. 그들은 일반적으로는 저장된 압력 팽창 매질의 제한된 부피로 인하여 고도의 압력 보전성 및 불침투성을 가질 필요가 있다. 이러한 사실은 많은 시스템들이, 에어백이 충격 및/또는 팽창 후 7 내지 10분 동안 팽창된 상태를 유지하는 작동 요건을 갖고, 일부의 경우에는, 에어백이 훨씬 더 오랜 동안 팽창된 상태를 유지하는 것이 바람직할 수 있기 때문에 특히 중요하다. 이것의 예는, 초기 팽창은 헬리콥터의 충격을 완화시켜 주지만, 수중에서는 백(bag)이 팽창된 상태를 유지함으로써 헬리콥터의 침몰을 방지하기 위한 부력을 제공하는 것이 바람직한 헬리콥터 에어백 충돌 시스템이다.
팽창 후 압력 및 재활용성이 유익한 또 다른 유사한 용도는 수상 사용을 위한 항공기 에어백이다. 에어백은 상업용 여객기에서 충돌 보호에 바람직하지만, 이러한 용도를 위해서는 중량 및 저장 용량에서 프리미엄이 있다. 여객기는 비상시 수상에서 사용하기 위한 부양 장치를 이미 기내에 휴대하고 있으므로, 착지 충격에 대한 충돌 보호 기능이 보조 부양 용도와 결합될 수 있는 경우에 그러한 시스템의 효용은 증대된다. 이러한 기술은 상업용 항공기의 비상 탈출 슬라이드(emergency egress slide) 및 또한 수상 비충돌 에어백 비상 탈출 및 부양 시스템에도 동등하게 적용할 수 있다.
적어도 이러한 이유로, 감소된 중량과 요구되는 구조적 성능을 갖는 새로운 비용-효과적인 직물-관련 제품 및 이러한 직물-관련 제품을 제조하기 위한 새로운 시스템 및 방법을 개발하는 것이 크게 도움이 될 것이다.
본 발명의 다양한 양태에서, 다양한 가요성 복합체 재료로부터 삼차원 제품을 제조하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다.
본 발명의 다양한 양태에서, 개선된 모노필라멘트-관련 물품, 방법 및 장비가 가요성 복합체 재료로부터 삼차원 제품을 제조하기 위한 시스템과 함께 제공된다.
본 발명의 다양한 양태에서, 본원에서 교시되고 구현된 기술 및 유용한 기술 분야를 이용하는 직물-관련 물품의 디자인 및 제조를 위한 시스템이 기술된다.
본 발명의 다양한 양태에서, 이들로 국한되는 것은 아니지만, 중량, 강성, 투수성, 방수능, 통기성, 색상, 성형성, 비용, 맞춤가능성, 가요성, 포장성 등을 포함한 직물-관련 물품의 효과적으로 제어되는 특성 및 이러한 특성들의 조합을 효과적으로 제어하는데 있어서의 개선된 방법이 개시된다.
본 발명의 다양한 양태에서, 에어백, 수중인양용 리프트백(lift-bag), 일반적으로 팽창가능한 구조물, 가방류, 신발류, 및 이들과 유사한 삼차원 제품에 사용할 수 있는 가요성 복합체 재료에 기초한 삼차원 형상의 제품을 제조하기 위한 방법이 개시된다.
본 발명의 다양한 양태에서, 제조 시스템은 직물-관련 물품상의 목적하는 위치에서 강성, 가요성, 및 탄성 특성의 방향 제어에서의 미세 조정(fine-tuning)을 제공한다.
본 발명의 다양한 양태에서, 직물-관련 물품은 극한 강도와 극한 경량을 겸비한다.
첨부된 도면들은 본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위하여 포함된 것으로, 본 명세서에 포함되고 그의 일부를 구성하며, 본 발명의 실시태양을 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하기 위하여 제공되는 것이다:
도 1 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른 통상의 직포 재료에 인접한 얇은 공학적으로 설계된 가요성 복합체 재료의 측면도를 도시한 것이고;
도 2 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른 삼차원 가요성 복합체 제품의 사시도를 도시한 것이고;
도 3 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른 삼차원 제품을 제조하는데 사용되는 도구 및 성형 배열의 단면도를 도시한 것이고;
도 4 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른 바람직한 제품을 제조하는데 사용되는 대용적인 바람직한 도구 및 성형 배열의 단면도를 도시한 것이고;
도 5 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른 도 4 의 바람직한 도구 및 성형 배열의 단면도를 도시한 것이고;
도 6 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른 도 4 의 바람직한 도구 및 성형 배열에 의해 제조되는 제품의 단면도를 도시한 것이고;
도 7a, 7b 및 7c 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 일반적으로는 바람직한 가요성 복합체 제품을 제조하기 위한 대용의 바람직한 단계, 도구 및 성형 배열을 예시하는 개략도를 도시한 것이고;
도 8 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 일반적으로는 부착점을 위한 통합된 구조적 보강재, 쓰루 홀(through hole), 및 하중전달능력(load carrying capability)을 강화하기 위한 보강 스트랩을 함유하는 가요성 복합체 제품을 도식적으로 예시하는 사시도를 도시한 것이고;
도 9 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 2개 이상의 모노필라멘트, 섬유, 또는 상이한 섬유를 포함하는 교차형 유니테이프(alternating unitape)를 사용하는 토우(tow)로 제조된 대용의 가요성 복합체 재료를 도식적으로 예시하는 단면도를 도시한 것이고;
도 10 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 2개 이상의 모노필라멘트, 섬유, 또는 상이한 섬유를 포함하는 교차형 유니테이프를 사용하는 토우로 제조된 대용의 가요성 복합체 재료를 도식적으로 예시하는 단면도를 도시한 것이고;
도 11 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 복합체 신발류 갑피(composite footwear upper)를 도식적으로 예시하는 사시도를 도시한 것이고;
도 12a 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 제작된 복합체 신발류 갑피를 도식적으로 예시하는 측면도를 도시한 것이고;
도 12b 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 제작된 복합체 신발류 갑피를 도식적으로 예시하는 측면도를 도시한 것이고;
도 13 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 도 11 의 복합체 신발류 갑피의 구성과 일치하는 바람직한 복합체 구성을 예시하는 부분 분해 조립도를 도시한 것이고;
도 14 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 일반적으로는 다수의 신발류 용도에 사용할 수 있는 모듈 설계된 복합체 신발류 갑피를 제조하는 바람직한 방법을 예시하는 도식을 도시한 것이고;
도 15 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피를 제조하는 한 가지 바람직한 방법을 예시하는 도식을 도시한 것이고;
도 16 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피의 제조시에 이용되는 일련의 초기 제작 단계를 예시하는 도식을 도시한 것이고;
도 17 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 복합체 신발류 갑피를 형성할 수 있는 평면 복합체 구성요소를 도식적으로 예시하는 평면도를 도시한 것이고;
도 18 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피의 제조시에 이용되는 일련의 후속 제작 단계를 예시하는 도식을 도시한 것이고;
도 19 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피의 제조시에 이용할 수 있는 일차 통합 및 경화 방법론을 예시하는 개략도를 도시한 것이고;
도 20 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피의 제조시에 이용할 수 있는 이차 통합 및 경화 방법론을 예시하는 개략도를 도시한 것이고;
도 21 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피에 마감 구성요소를 적용하는 한 가지 예시적인 방법을 예시하는 도식을 도시한 것이고;
도 22 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피에 마감 구성요소를 적용하는 다른 대용의 예시적인 방법을 예시하는 도식을 도시한 것이고;
도 23 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피에 마감 구성요소를 적용하는 또 다른 대용의 예시적인 방법을 예시하는 도식을 도시한 것이고;
도 24 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 강성화된 형상 기억 중합체(rigidized Shape Memory Polymer)(SMP)로부터 형성된 튜브의 실시태양을 도시한 것이고;
도 25 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 암형 금형내에서 추가로 형상화시킨 SMP의 튜브를 도시한 것이고;
도 26 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 강성화된 성형 도구에 섬유 토우를 적용하는 단계를 도시한 것이고;
도 27 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 초소성 성형 타입 시스템(super plastic forming type system)의 하나의 실시태양을 도시한 것이고;
도 28 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 수형 형태 도구상의 유니테이프 층 및 다른 구조 요소의 플라이-바이-플라이 레이업(ply-by-ply layup)의 실시태양을 도시한 것이고;
도 29 는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른, 수형 형태 도구 상의 유니테이프 층 및 다른 구조 요소의 플라이-바이-플라이 레이업의 또 다른 실시태양을 도시한 것이며;
도 30a 및 30b 는 본 발명에 따른, 유니테이프 층을 포함하는 라미네이트 재료의 실시태양을 도시한 것이다.
하기 설명은 단지 다양한 예시적인 실시태양이며, 어떠한 방식으로든 본 발명의 범주, 적용 범위 또는 구성을 제한하려는 것이 아니다. 그보다는 오히려, 하기 설명은 최상의 양식을 포함하는 다양한 실시태양을 구현하기에 편리한 예시를 제공하려는 것이다. 본 발명의 원리를 벗어나지 않고서도 이러한 실시태양에서 기술된 요소들의 기능 및 배열에서 다양한 변경이 이루어질 수 있음은 자명해질 것이다.
하기 표 A는 본 발명의 다양한 부분에 사용될 수 있는 용어 및 정의의 용어집을 제공한다.
표 A: 용어 및 정의의 간략한 용어집
Figure 112020032803237-pat00001
삼차원 복합체 제품 시스템의 다양한 실시태양은 가요성 복합체 재료를 기본으로 하는 에어백/팽창성 구조물, 배낭/백류, 신발류, 및 기타 다른 삼차원 제품에 사용할 수 있는 무이음매(seamless) 삼차원 형상 제품을 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 무이음매란 말은 부품들이 일체로 결합되어 외면적으로 무이음매가 되는 것을 지칭한다. 본 발명 시스템의 제조 공정의 다양한 실시태양은 일체화된 구조물 및 방향성 섬유 보강재를 사용하여 삼차원적으로 형상화된 가요성 부품을 제조할 수 있다. 종래의 삼차원적으로 형상화된 텍스타일에서는, 복잡한 형상으로 절단된 평평한 물품을 함께 스티칭하거나 또는 감침질하여(stitched or seamed) 삼차원 형상을 생성시킨다. 본 발명에 따른 제조 공정의 다양한 실시태양에서, 복합체 성형 방법은 가요성 섬유-보강된 연속 형상화 제품을 형성시키기 위하여 신규한 전구체 물질과 결합된다.
패킹, 전개, 및 팽창 요건 이외에도, 본원에서 개시되는 기술을 이용하는 에어백 구성은 또한 충돌/충격 전개 도중의 생명 및 상해 보호 및 충돌 후의 보호 기능을 제공하는 에어백의 능력을 개선하고 향상시킬 수 있다. 본 발명의 삼차원 형상 제품(101)의 높은 강도 및 기계적 특성은 예측가능한 형상으로 잘 제어된 전개를 갖는다. 백의 구조는 충격 흡수 및 에너지 소산을 위해 강화될 수 있으며, 백의 충돌면은 탑승자의 신체에 대한 과도한 하중, 가속도 및 회전을 방지하기 위하여 유연성 및 마찰계수와 같은 표면 특성에 최적화될 수 있다.
손상 허용치, 펑크 저항, 및 파열 또는 펑크 손상 파급에 대한 극도로 높은 저항은 바람직하게는 백이 완전 파손 또는 파열 없이 국부 손상된 후 계속 기능할 수 있게 한다.
다양한 실시태양에서, 본 발명에 따른 삼차원 형상 제품(101)의 고도의 압력 보전성은 적절하게 연장하거나 훨씬 더 영구적으로 팽창가능하게 할 수 있을 뿐만 아니라 개선된 탑승자 보호용 에어백 시스템에 실용적인 다단 팽창 가스 시스템의 혼입을 가능하게 하는 반면, 여전히 패킹, 가스 저장, 및 부피 제한 조건을 충족한다. 재료 및 구성의 내구성의 또 다른 이점은 본 발명에 따른 에어백이 재활용되고 여러 번 사용될 수 있다는 사실이다.
많은 스포츠 활동의 경우, 참여자의 착용가능한 장비(wearable equipment)의 중량 및 강도에 대해서도 동일하게 중요하다. 이는, 주요 목표가 가능한 한 경량이지만, 그와 동시에, 필수적인 생체역학적 구조 지지 특성을 유지하는 신발류를 제공하는 스포츠용 및 육상경기용 신발류에 있어서 특히 사실이다.
다양한 실시태양에서, 본 발명 시스템의 복합체 신발류 갑피(102)는 실질적으로 가요성인 복합체 재료(103)의 제작 배열을 이용하는 실질적으로 일체형의 갑피-발-지지 구조물을 포함한다. 복합체 재료는 고성능 스포츠용 및 육상경기용 신발류의 가장 중요한 요건들 중의 하나인 강도-중량비에 있어서 종래의 재료보다 상당히 우수할 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기술된 다양한 실시태양은 이러한 신발류의 제조시에 특히 유용하다. 기술된 실시태양의 잠재적인 최종 용도는 초경량 트랙용 신발류에서 초고성능 등산화에서 군용 및 산업용 부츠에 이르기까지 다양하다.
유니테이프의 라미네이트를 포함하는, 본 발명의 다양한 실시태양에 따른 신발류는 고기능성 신발 디자이너들에게 가중 특징(weight feature)을 감소시키는 공학 기술을 위한 디자인 유연도, 방향-맞춤형 유연성의 구현, 재료를 다양한 상이한 방향으로 고정하거나 순응하게 만드는 능력, 하중 경로의 공학적인 구현, 원-피스 성형된 "모노코크(monocoque)" 구조로 신발 갑피를 만드는 능력, 함께 적층되고 결합된 다방향성의 넓은 물품으로부터 절단된 다수의 이차원 또는 삼차원 절단 또는 형상화된 맞춤 예비성형체 또는 패턴 밖에서 갑피를 제조하는 능력, 및 신발의 봉제 및 피스 워크 구성 및 조립의 제거를 제공한다. 이러한 예시적인 원-피스 라미네이트 디자인은 브레이스(brace) 또는 스트랩에 의한 제어된 신축, 교정 또는 발목의 지지에 있어서 성능 및 제작 능력에서 큰 이점이 있다.
다양한 실시태양에 따르면, 원-피스의 장점으로 하기의 것들을 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다:
● 경량 신발류에 특히 중요한 주요 하중 경로 이음매를 바느질할 필요가 전혀 없다;
● 신발의 일측에서 다른 측까지 연속 구조를 제공하기 위한 중창(mid-sole)을 잠재적으로 소거하여 하부가 신발 전달 하중의 하부측 상에 구조적 부분을 가져야만 하는 필요성이 제거된다. 이는 하부를 충격 흡수, 근력의 효율적인 전달, 충격 흡수 및 댐핑(damping)에 더 최적화가 가능하게 하고 또한 하부를 더 적은 중량으로 제조가능하게 하는, 상하부의 설계 및 통합의 디커플링을 가능하게 한다.
● 공학적 신축성, 통기성, 하중 전달, 생체인식 통합 및 부상방지용 발목 지지대를 위한 신발 모노코크의 정교한 공학적 설계를 가능하게 한다;
● 비용 및 노동력 절감을 위한 신발의 자동화 제조를 가능하게 한다;
● 신발 갑피의 정교한 공학적 설계를 가능하게 하며, 통합 제조 공정은 연간 다수의 모델 개수 및 신발 플랫폼에 걸쳐 분할 투자를 가능하게 한다; 및
● 설계 유연성은 신발류 디자인 및 제조 공정에 소비되는 공학적 이점을 유지하면서 모노코크를 많은 상이한 스타일의 신발류에 사용가능하게 한다.
적어도 이러한 이유로, 신발 용도에서 복합체 재료(103)의 다양한 실시태양의 성능은 피혁, 합성 피혁, 메쉬 재료 등과 같은 종래의 재료보다 더 우수하다. 또한, 본원에서 개시되는 가요성 복합체 재료(103), 및 그들의 제조 공정은 소정의 설계 제약 조건에 구체적으로 맞추어질 수 있다.
신발의 구조적 "섀시(chassis)"는 신발의 외측 미용 표면 공학으로부터 분리될 수 있기 때문에, 다양한 용도를 위해 공학적으로 설계된 다른 "섀시" 스타일이 외측 "스타일", 미용, 및 표면 공학(예를 들면, 텍스쳐 및 표면 그립감, 예를 들면 축구공을 발로 차기 위한 텍스쳐 및 표면 그립감)과 결합될 수 있다. 이러한 방법에 의해, 유사한 표면 특성을 나타내고 가지고 있지만 브랜드화된 교차 플랫폼 외관이나 스타일을 유지하는데 사용될 수 있는 매우 다른 "섀시 튜닝(chassis tuning)" 또는 구조적 레이아웃을 갖는 신발을 제조할 수 있다.
적정성 검토, 상세 분석, 및 물리적 실험을 이용하여, 강도를 저하시키지 않고서 구성요소의 실질적인 중량 감소를 제공하는 복합체 갑피의 범위를 구한다. 본 발명 시스템의 가요성 복합체 재료(103)는 구성요소의 적절한 기능과 일치하는 적절한 수준의 기계적 유연성을 제공하면서 예상되는 힘 하중(force loading)을 효과적으로 수용하도록 구성될 수 있다. 또한, 본 발명 시스템의 다양한 실시태양은 용도 사이에서 상호-호환된다; 즉, 단일의 갑피 디자인이 다수의 최종-사용 용도에 적합할 수 있다.
재료
도 1 은, 훨씬 더 두꺼운 통상의 직포 재료에 비해, 본 발명의 실시태양에 따른 얇은 공학적인 실질적으로 가요성인 복합체 재료(103)의 비교 실시태양의 측면도를 도시한 것이다. 도 1 은 또한, 접었을 때, 절첩된 종래의 직포 재료보다 실질적으로 더 적은 부피를 차지하는 얇은 복합체 재료의 비교 실시태양의 측면도를 도시한 것이다. 일반적으로, 본 발명에서 기술되는 방법은 통상의 재료보다 실질적으로 더 얇은 재료를 제공한다.
도 2 는 본 발명에 따른 무이음매 삼차원 형상 제품(101)의 실시태양의 사시도를 도시한 것이다. 다양한 실시태양에서, 재료는 고강도 섬유 및 최소 표면 코팅의 사용으로 인하여 기존 직물보다 더 얇을 수 있다. 예를 들면, 에어백 용도에서, 얇은 복합체 재료는, 도 1 에 도시되어 있는 바와 같이, 패킹 부피를 감소시킬 수 있다.
다양한 실시태양에서, 복합체 조성물(103)은 일반적으로는 높은 드레이프를 포함하며, 개개의 층이 단일의 통합된 조성물을 형성하는 방식으로 결합되는 직물을 도시한다. 다양한 실시태양에서, 가요성 복합체는 적어도 하나 이상의 보강 물질의 구조층(110)을 포함한다. 가요성-복합체 조성물(103)의 다양한 실시태양은, 예를 들면, 도시된 바와 같이, 연속 표면 층 및/또는 스크림(scrim)과 같은 섬유-보강층, 및/또는 개별 섬유 토우(114)의 공학적으로 설계된 배열로 이루어진 다중 물질 층을 포함한다. 다중 층(110)은 바람직하게는 다중-방향 하중-수용 능력을 포함하도록 구성된다. 다양한 실시태양에서, 가요성 복합체 조성물은 추가적으로 하나 이상의 비구조적 "성능-개량" 층(110)을 포함한다. 다양한 실시태양에서, 복합체 조성물(103)은 외측 표면층(110)에 적용되거나 또는 그 안에 흡수된 텍스쳐링 및/또는 컬러링(105)을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 가요성-복합체는 실질적으로 동일한 물질 조성을 갖는 층(110)을 포함할 수 있다. 다양한 다른 실시태양에서, 가요성-복합체는 다양한 물질 중량, 기계적 성질(유연성), 및 기타 다른 성질들을 갖는 층(110)을 포함할 수 있다. 다양한 실시태양에서, 복합체 삼차원 제품(102)은 부직성 일방향성(UD) 섬유 및 하나 이상의 방향으로 배향된 중합체 매트릭스 플라이를 포함한다. 다양한 실시태양에서, 복합체 레이업(layup)은 구조재 및 비구조재 둘 모두로 이루어진 층(110)을 포함할 수 있다.
다양한 보강재 타입으로는 하기의 것들을 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다: 프리프레그 유니테이프(prepreg unitape); 유니토우(unitow)(특이 하중 경로를 따라 위치되는 프리프레그 또는 원료-섬유 단일-토우 보강재(raw-fiber single-tow reinforcement)); B-단계 직포 및 부직포 복합체; C-단계 직포 및 부직포 복합체; 프리프레그 또는 건식 직포 직물; 프리프레그 또는 건식 섬유 부직포 확산 또는 비확산 배향된 일방향성 시트의 하나 이상의 층 또는 브로드직 직물을 형성하기 위하여 스티칭, 택킹 또는 본딩된 층: 배향된 일방향성 시트에서 이격되거나 이격되지 않은 확산 또는 비확산 유니토우로 이루어진 프리프레그 또는 건식 섬유 직물의 하나 이상의 층 또는 브로드직 패브릭을 형성하기 위하여 스티칭, 택킹 또는 본딩된 층; 2-차원 또는 삼차원 프리프레그 또는 건식 보강 예비성형체(preform); 열가소성 매트릭스 프리프레그 유니테이프, 유니토우, 직포 및 부직포 복합체 또는 열가소성, 하이브리드 열가소성 또는 열경화성 수지 매트릭스를 가진 상기에서와 같은 공학용 예비성형체; 나노필라멘트, 나노 섬유, 나노 입자 보강재 및 구조적 멤브레인; 단일층내의 시트내에서 연신되고 신장된 "텐실리온(tensilion)" UHMWPE 와 같은 일축 배향된 시트 생성물, 적합한 접착제를 사용하여 결합시킨 다음 일반적으로 유니테이프와 유사한 방식으로 혼입시킨 다중 배향된 층; 또는 길게 잘라 유니토우를 형성한 다음 건조 상태로 또는 적합한 접착제 또는 코팅과 함께 혼입시킨 상기 신장되거나 배향된 시트; 및 이들의 조합.
다양한 실시태양은 UHMWPE(예를 들면, 스펙트라®(Spectra®), 다이니마®(Dyneema®)), 아라미드(예를 들면, 케블라®(Kevlar®)), 액정 중합체(예를 들면, 벡트란®(Vectran®)), 다양한 등급의 탄소 섬유, PBO(예를 들면, 자일론®(Zylon®)), 나일론, 폴리에스테르(레이온), PEN, 노멕스(Nomex) 및 기타 다른 내화성 고온 섬유, 강철 또는 다른 금속 섬유, 및 이들의 조합과 같은 공학용 섬유로부터 구성된 랜덤 배향된 부직포, 또는 배향된 부직포인 보강재 타입을 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다. 이러한 보강재 층을 결합, 융합, 함침, 압출 또는 코팅하여 보강재를 일체형 필름(monolithic film)(PET, 나일론, ECTFE, 우레탄, 등등), 통기성 멤브레인(테플론, 우레탄, 미세다공성 물질(microporous), 등등), 용매계 또는 수계 분산액, 직포 또는 부직포 직물, 피혁, 일방향성 테이프, 또는 다른 층들과 결합시킬 수 있다.
예시적인 구성요소는 특정 용도를 위해 제작되기 때문에, 구성 재료 층(110)의 적층 순서는 실시태양에 따라 다를 수 있다. 즉, 레이업의 각도, 각각의 각도에서의 박판(lamina)의 개수, 및 이러한 박판의 정확한 순서와 관련한 복합체 라미네이트의 특정 레이업 구성은 특정 용도에서 요구되는 바에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 본원에서 논의되는 바와 같이, 재료 층중의 3 개 층의 0°/90°/45° 상대 배향은 무한수의 가능한 배향중 단지 하나의 유용한 실시태양이다. 비구조적 재료 층(110)은 (예를 들면, 표면 텍스쳐, 내마모성, UV 보호, 내마모성, 색상, 반사율, 등과 같은) 특정의 시각적 또는 비구조적 물성이 요구되는 경우에 이용될 수 있다. 하나의 바람직한 실례로서, "소프트(soft)" 내부 층(110)은 보통 착용자의 발에 인접한 라이너로서 복합체 신발류 갑피(102)의 내측에 포함된다.
비구조적 재료의 예로는 부직포 직물(비구조적, 단섬유 랜덤 펠트); 직포 직물; 예를 들면, 부직포 재료(비구조적 단섬유 랜덤 펠트), 스펀본드(spunbond)(함침), 및 트리코 직물(tricot fabric)을 포함한 다양한 "소프트" 라이너 재료; 비구조적 멤브레인(방수성/통기성, 침입형 절연체(interstitial isolator), 등등); 비구조적 코팅; 디자인 아플리케(design appliques); 및 충격 흡수, 제동, 또는 다양한 다른 목적에 사용되는 다양한 탄성 재료를 포함하지만, 그들로 국한되는 것은 아니다.
비구조적 층(110)은, 필요에 따라서는, 예를 들면, 설계 및 성능 기준에 따라 복합체의 특정의 선택된 층 위치에 배치될 수 있다. 다양한 용도에서, 비구조적 층은 완전히 생략될 수 있다.
대용 실시태양에서, 필름 또는 표면층은 부품의 일측 또는 양측에 결합될 수 있다. 이들 층은 필름(PET, 나일론, ECTFE, 우레탄, 등등), 통기성 멤브레인(테플론, 우레탄, 등등), 직포 또는 부직포 직물, 피혁, 또는 다른 층들일 수 있다. 표면층의 선택은 가스 기밀성 또는 투과성, 방수성, 내마모성, 내구성, 심미성, 또는 다른 특성들과 같은 최종 사용 요건에 기초한다.
본 발명 시스템의 대용 실시태양에서, (예를 들면, 상이한 배향으로 배치되는 2개 이상의 유니테이프 층을 포함하는) 스크림(scrim)이 이형 라이너(release liner) 사이에서 평평한 형태로 예비-경화된다. 이러한 물질은 후속 레이업을 위한 공급업자에게 판매될 수 있다. 본 발명 시스템의 다양한 다른 실시태양에서, 다중 층의 스크림이 몰드상에 펼쳐져 있으며, 각각의 층이 코팅으로써 접착제로 적소에 접착되어 있다. 본 발명 시스템의 다양한 다른 실시태양에서, 스크림의 필라멘트를 이미 코팅하고 있는 기존 접착제는 열가소성이며, 층들을 결합시키기 위하여 재용융될 수 있다. 본 발명 시스템의 다양한 다른 실시태양에서, 스크림은 일측 또는 양측상에 도포된 필름 또는 표면층을 갖는 평평한 형태로 예비-경화된다. 이러한 추가의 층 또는 층들은 열가소성, 통기성, 및/또는 방수 등의 많은 목적으로 제공할 수 있다. 예를 들면, 층은 투습방수성(waterproof breathable(W/B)) 멤브레인을 포함할 수 있다. 이러한 평평한 형태의 스크림이 포함된 특정의 표면층이 바이어스 신축을 방해하지 않아야만 한다는 사실을 주목해야만 한다. 그렇지 않은 경우, 이러한 평평한 물품을 성형할 수 있는 능력이 감소될 수 있다.
본 발명 시스템의 다양한 실시태양에서, 스크림은 최종 부품의 구성 요건에 따라 2, 3, 4, 또는 그 이상의 방향으로 배향된 다수의 유니테이프 층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 신발은 토우상에서 성형되는 스크림에 대해 0 ° 방향으로 충분히 연신되고 주요 하중 경로가 신발의 측부에서 멈추도록 섬유의 90°/45°/-45° 배향을 포함하는 레이업을 가진 스크림을 필요로 할 수 있다. 이러한 예시적인 다층 유니테이프 스크림은 가공되지 않은 형태로 또는 본 발명의 대용 실시태양에서 기술된 버전, 예를 들면 이형 라이너(release liner) 사이에서 평평한 형태로 예비-경화되거나 또는 일측 또는 양측상에 도포된 필름 또는 표면층을 갖는 평평한 형태 또는 롤-롤 형태(roll-to-roll form)로 예비-경화된 버전으로 구성되거나 공급될 수 있다.
도 9 는, 본 발명에 따른, 2개 이상의 모노필라멘트, 섬유, 또는 상이한 섬유를 포함하는 교차형 유니테이프를 사용하는 토우를 포함하는 가요성 복합체 재료(103)의 실시태양의 단면도를 도시한 것이다.
도 10 은, 본 발명에 따른, 2개 이상의 모노필라멘트, 섬유, 또는 교차형 유니테이프를 사용하는 토우를 포함하는 가요성 복합체 재료(103)의 또 다른 실시태양의 단면도를 도시한 것이다.
다른 대용의 유니테이프 실시태양은, (다이니마 SK78 및 SK75와 같은 단지 상이한 사양을 갖는 동일 등급일 수 있는) 상이한 섬유로부터 제조된 교차형 유니테이프를 사용하거나, 또는 단일의 유니테이프 층내에서 예정된 이격 패턴 또는 혼합 패턴으로 섬유를 혼합함으로써, 2개 이상의 모노필라멘트, 섬유, 또는 토우로 제조될 수 있다. 다양한 실시태양에서, 강도, 모듈러스, 온도 저항, 컷트 저항(cut resistance), 인열 또는 열상 저항, 충격 보호 및 에너지 흡수와 같은 파라미터는 조작되거나 최적화될 수 있으며, 비용은 이러한 개념을 이용하여 최소화될 수 있다. 전형적인 공학용 섬유로는 UHMWPE(예를 들면, 다이니마®), 아라미드(예를 들면, 케블라®), 액정 중합체(예를 들면, 벡트란®), 다양한 등급의 탄소 섬유, PBO(예를 들면, 자일론®), 나일론, 폴리에스테르(레이온), PEN, 노멕스 및 기타 다른 내화재, 고온 섬유, 강철 또는 다른 금속 섬유, 및 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다.
복합체 재료는 안료 또는 염료 승화의 사용을 통하여 매트릭스 또는 멤브레인의 착색을 포함할 수 있다. 난연성 접착제 또는 중합체가 사용될 수 있거나, 또는 난연성을 향상시키기 위하여 난연제가 가연성 매트릭스 또는 멤브레인에 첨가될 수 있다. 난연성 첨가제의 예로는 DOW D.E.R. 593 브롬화 수지, 다우 코닝 3 난연제 수지, 및 삼산화안티몬을 가진 폴리우레탄 수지(예를 들면, 피디엠 넵텍 리미티드(PDM Neptec Ltd.)사의 EMC-85/10A)를 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다. 특정의 다른 난연성 첨가제도 또한 적합할 수 있다. 다른 첨가제가 적합할 수도 있지만, 난연성을 향상시키는데 사용될 수 있는 난연성 첨가제로는 화이롤(Fyrol) FR-2, 화이롤 HF-4, 화이롤 PNX, 화이롤 6, 및 사프론(SaFRon) 7700 을 포함한다. 또한, 노멕스 또는 케블라와 같은 난연성 섬유, 세라믹 또는 금속 와이어 필라멘트를 사용하거나, 섬유 제조 공정 도중에 섬유 배합물에 난연제 화합물을 직접 첨가하거나, 또는 섬유를 사이징제, 상기에 열거된 중합체 또는 접착체 함유 난연제 화합물 또는 적절한 다른 화합물로 코팅함으로써 섬유에 난연 특성 및 자가-소화 기능이 첨가될 수도 있다. 라미네이트에 사용되는 바람직한 직포 또는 스크림 물질은 난연 특성을 부여하기 위하여 공급업자들에 의해 전처리되거나, 또는 제조 공정 도중에 난연성 화합물로 코팅되고/되거나 주입된 직포 또는 스크림 물질일 수 있다.
중합체 수지 또는 직물상에 첨가되거나 코팅된 하나 이상의 항균제를 혼입하고, 복합체 조성물에 사용된 섬유, 모노필라멘트, 쓰레드(threads) 또는 토우에 항균 처리함으로써 항균 내성/항병원균 내성이 본 발명의 복합체 재료에 첨가될 수 있다. 전형적인 재료로는 옥시티탄(OXiTitan) 항균제, 은나노 화합물, 나트륨 피리티온, 아연 피리티온, 2-플루오로에탄올, 1-브로모-2-플루오로에탄, 벤즈이미다졸, 플레록사신(fleroxacin), 1,4-부탄디설폰산 이나트륨 염, 2-(2-피리딜)이소티오우레아 N-옥사이드 하이드로클로라이드, 다양한 4차 암모늄염, 2-피리딘티올-1-옥사이드, 아연 피리티온 화합물, 구리 피리티온 화합물, 마그네슘 피리티온, 비스피리티온, 피리티온, 브로모 신남-젤(Bromo Cinnam-Gel)(예를 들면, KFO 프랑스 캄파니, 리미티드(KFO France Co, Ltd.)사의 ABC제), 및 이들의 혼합물을 포함한다. 다양한 실시태양에서, 쓰레드, 토우 및 모노필라멘트와 같은 섬유 형태는 은나노 입자로 처리될 수 있거나, 또는 화학 또는 전기 도금, 진공 증착 또는 은 화합물 함유 중합체, 접착제 또는 사이징제를 가진 코팅을 통하여 적용된 은 코팅을 가질 수 있다. 본원에서 열거되지 않은 다른 항균성/항병원균성 물질도 또한 적합할 수 있다.
실시예
하기 표 1 은 본 발명에 따른 라미네이트의 다양한 실시태양을 열거한 것이며, 도 30a 및 30b 는 하기 표 1 에 나타나 있는 실시예의 예시이다.
표 1 : 예시적인 라미네이트
Figure 112020032803237-pat00002
표 1 의 라미네이트는 다양한 유니테이프 층을 포함할 수 있다. 유니테이프 층은 섬유를 확산시키고, 이들을 접착제로 코팅하여 실질적으로 연속적인 시트를 형성시킴으로써 제조될 수 있다. 다양한 실시태양에서, 유니테이프는 부직 기재를 포함할 수 있다. 유니테이프 "시트"를 적당한 크기로 절단하고 다중 배향으로 배치하여 본 발명에 따른 2-차원 섬유 보강된 시트를 형성시킬 수 있다.
표 1의 실시예에서, 재료 #142 는 생성되는 생성물의 색상을 밝은 회색으로 만드는 CT71 접착제내에 소량의 밝은 회색 색조를 갖는 유니테이프이다. 재료 #538 은 동일한 담황색 외관을 갖는 천연 색상의 라미네이트를 생성하는 천연 색상의 유니테이프(반투명한 담황색)이다. 접착제 CT71 은 비통기성 접착제이다. 예시적인 층은, 직교되었을 때 물 구슬을 형성하고 통기성으로 될 것이지만 상당한 대기압으로 물을 통과시킬 수 있는 섬유 매트릭스 네트워크를 생성하는, 유니테이프중의 약 14 gsm의 비통기성 CT71 접착제 및 14 gsm의 다이니마 SK75 1760 dtex 섬유를 포함한다.
샘플 S06 은 백색 내부 직포층을 포함하였고, 외부 코팅은 전혀 포함하지 않았으며, 0°/90° 섬유 배향을 포함하였다. S06 은 천연 색상이었으며, 적당한 투수성을 가졌다. 샘플 S06 은 비방수성이었지만 통기성이었다.
이제부터 도 30a를 참조하여 보면, 샘플 S06 은 라미네이트의 양측에 필름 또는 멤브레인을 전혀 가지고 있지 않지만 유니테이프 층들 사이에 개재된, WHC-2(나일론 6 립스톱(ripstop), 10d x 10d + 30d, 255 x 218, 26g/sqm, C6:DWR)로서 코드화된 직포 재료를 갖는다. 직포의 목적은 라미네이트에 립-스톱 성능을 부가하고 라미네이트에 구조 안정성을 부가하는데 있다. 이러한 재료는 0°/90° 배향을 포함하지만, 필름 또는 멤브레인의 결여로 인하여 +/- 45° 방향에서 정상치보다 낮은 모듈러스를 갖는다.
샘플 S07 은 일측에는 코팅을 전혀 포함하지 않았지만, 다른 일측은 코팅되었다. 이는 섬유의 0°/60° 배향을 포함하였으며, 또한 천연 색상을 가졌다. 샘플 S07 은 방수성이었지만 비통기성이었다.
샘플 S13 은 일측에는 코팅을 전혀 포함하지 않았지만, 다른 일측은 코팅되었다. 이는 섬유의 0°/60° 배향을 포함하였으며, 회색 색상을 가졌다. 샘플 S13 은 방수성이었지만 비통기성이었다.
이제부터 도 30b를 참조하여 보면, 라미네이트 S07 은 일측상에는 필름 또는 멤브레인을 전혀 가지고 있지 않지만, 다른 일측상에는 비통기성 우레탄 멤브레인 필름 W2-1.0 을 가지고 있음으로써, 라미네이트는 약 0° 및 60°에서 배치된 섬유와 방수성이고 비통기성이다. 이러한 방식에서, 재료는, 섬유 각도 및 신축성 필름의 조합을 통하여, 120° 방향에서 낮은 모듈러스를 가지며 30 ° 방향에서 적당한 모듈러스를 갖는다. 라미네이트 S13 도 또한 도 30b에 도시되어 있으며, S07 과 동일하지만 사용되는 특정의 유니테이프로 인하여 밝은 회색을 갖는다.
"멤브레인-비함유" 가요성 복합체는 일반적으로는, 본 출원인의 종래에 개시된 실시태양(헤이너 멜드너(Heiner Meldner) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,470,632 호 참조)과 비교하였을 때, 더 큰 "신축성" 또는 달성된 모듈러스, 또는 (섬유 보강된 방향이 아닌 방향에서의 재료의) 반발 능력(rebound ability)을 나타낸다. 본원에서 개시되는 다양한 실시태양은 바람직하게는 축외 방향(off-axis direction)에서 낮은 모듈러스 및 반발력을 가지도록 설계된다.
다양한 실시태양에서, 접착제 코팅 CT71은 표면에너지가 낮은 섬유(및, 적용가능한 경우, 필름)에 대해 탁월한 접착성을 나타내는 부분 열경화성 중합체이며, 경화되었을 때 펑크 저항성이고 UV 분해에 내성이 있는 고인성 완제품을 형성한다. 본 명세서를 독해하였을 때, 본 기술 분야의 전문가들은 이제, 적절한 환경하에서, 디자인 선호도, 사용 의도, 비용, 구조적 요건, 가용 재료, 기술 발전 등과 같은 쟁점을 고려하여, 예를 들면, 바람직하게는 통기성 멤브레인으로 대체될 수 있는, 레이업 어셈블리의 일측 또는 양측상에 도포된 비통기성 멤브레인과 같은 다른 버전의 라미네이트를 인지할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 다른 실시태양에서, 재료는 공학적 신축성을 가지고 있으며, 이때 가공된 재료 신축성과 반발력 및 설계 방향은 설계된 양으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 0 °/180 °, 90 °/270 °, 및 45 °/225 °의 X-Y 평면 방향에서 초기 변형률로부터 높은 모듈러스를 가진 가요성 복합체는 모든 다른 X-Y 평면 방향에서 초기 변형률로부터 낮은 강도를 갖는다.
다양한 실시태양에서, 재료의 초기 모듈러스는 응력의 방향이 섬유 보강된 방향에서 점점 더 멀리 이동함에 따라 강하하며 하중이 섬유 보강된 방향으로 다시 이동함에 따라 증가한다. 각각의 구성요소 플라이의 재료 특성 및 그들이 서로 가지고 있는 상호작용 효과를 이해함으로써, 재료는 구성 요소와 대폭적으로 상이할 수 있는 특정의 특성을 가지도록 제조될 수 있다.
하기 표 2 는 본 발명에 따른 추가의 가요성 시트 재료를 기술한 것이다. 열거된 예시적인 제품 중의 하나 또는 둘 모두 상기 샘플 S06 및 S07에서 사용된 #538과 같은 유니테이프를 포함할 수 있다. 다양한 실시태양에서, 유니테이프 "시트"는 적당한 크기로 절단하고 다중 배향으로 배치되어 다중-방향 섬유 보강 시트를 형성한다. 표 2 의 각각의 재료는 특정의 성능 특성을 위하여 각도 배향(0°/45°)으로 배치되는 유니테이프 층을 포함할 수 있다.
표 2 : 추가의 예시적인 가요성 시트 재료
Figure 112020032803237-pat00003
다양한 실시태양에서, 표 2 에 열거된 2개의 각각의 제품은 유니테이프 층을 포함할 수 있다. 유니테이프 층은 섬유를 확산시킨 다음 그들을 접착제로 코팅하여 실질적으로 연속적인 시트를 형성함으로써 제조될 수 있다. 다양한 실시태양에서, 유니테이프 층은 부직 기재를 포함할 수 있다.
표 2 에 나타낸 각각의 가요성 시트 재료는 #538 유니테이프 시트를 포함할 수 있다. 다양한 실시태양에서, 이들 유니테이프 "시트"는 적당한 크기로 절단하고 다중 배향으로 배치되어 바람직한 3 방향 섬유 보강 시트를 형성한다. 표 2 의 각각의 제품은 하기의 조성 및 특성을 갖는 #538 유니테이프 층을 사용할 수 있다: (1) 유니테이프내의 약 14 gsm의 비통기성 CT71 접착제, 및 직교되었을 때, 바람직하게는 물 구슬을 형성하고 통기성으로 될 것이지만 상당한 대기압으로 물을 통과시킬 수 있는 섬유 매트릭스 네트워크를 생성하는, 14 gsm의 다이니마 SK75 1760 dtex 섬유; (2) 유니테이프 #538은 그것을 특정의 원하는 정도까지 착색시키는 첨가제를 포함할 수 있다; 및 (3) 유니테이프 #538은 생성되는 제품이 반투명한 담황색이 되도록 천연 착색(반투명한 담황색)시킬 수 있다.
또한, 상기 표 2 에 나타나 있는 바와 같이, 라미네이트 S40은 3개 층의 #538 유니테이프와 함께 하부 및 상부의 양 표면상에 비통기성의 용접가능한 우레탄 필름 W6-2.0을 포함한다. 이러한 재료는, 그 방향에서 섬유가 결여되어 있기 때문에 90° 방향에서 낮은 모듈러스를 생성하는, 0°/+45°/-45° 유니테이프 배향을 포함한다.
라미네이트가 약 0°/+45°/-45°로 배치된 섬유와 방수성-비통기성이어서 이러한 재료가 (섬유 각도와 신축성 필름 및 신축성 트리코트의 조합을 통하여) 90° 방향에서 낮은 모듈러스를 갖도록 표 2 의 라미네이트 S45는 내마모성을 부가하기 위하여 일측상에 트리코트 니트를 포함한다.
다양한 실시태양에서, 대용 표면 코팅은 다양한 타입의 니트, 부직포, 메쉬, 통기성 필름(다공성 및 비다공성), 다층 필름, 및 발포체를 포함할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 예를 들면 유니테이프의 층들 사이에 부직 재료를 갖는 구성; 유니테이프 플라이 사이에 필름 층을 갖는 구성; 유니테이프의 2개의 플라이 사이에 부직 재료와 용접가능한 필름 층을 갖는 구성 등과 같은 기술된 구성과 다른 구성으로 플라이의 스택에 다양한 물질을 첨가하는 것이 충분할 수 있다.
기타 다른 섬유 각도는 (가요성 매트릭스 및 기타 다른 비-섬유 구성요소도 또한 저-모듈러스라 가정할 경우) 섬유 보강된 방향에서 높은 모듈러스 및 비-섬유 보강된 방향에서 낮은 모듈러스를 구동하는데 사용될 수 있다.
본 발명 시스템에 사용할 수 있는 다양한 보강 섬유/직물로는 나일론, 폴리에스테르, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)(예를 들면, 스펙트라® 및 다이니마®), 파라- 및 메타-아라미드(예를 들면, 케블라®, 노멕스®, 테크노라®(Technora®), 트와론®(Twaron®)), 액정 중합체(LCP)(예를 들면, 벡트란®), 폴리이미드, 기타 다른 합성 중합체(예를 들면, 다른 많은 것들 중에서도, 폴리벤즈옥사졸(PBO), 폴리벤즈이미다졸(PBI), 폴리이미드 벤조비스티아졸(PIBT), 폴리(p-페닐렌 벤조비스티아졸)(PBZT), 폴리아세트산(PLA), 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)(PPTA)), 금속 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다.
본 명세서를 독해하였을 때, 본 기술 분야의 전문가들은 이제, 적절한 환경하에서, 디자인 선호도, 사용자 선호도, 비용, 구조적 요건, 가용 재료, 기술 발전 등과 같은 쟁점을 고려하여, 예를 들면, 강성 또는 반-강성 하중 전달 부재, 인서트, 새로운 코팅의 적용, 등과 같은 현재 공지되어 있거나 본원에서 이후에 개발될 다른 보강재 배치가 충분할 수도 있다는 사실을 인지할 수 있을 것이다.
제조 공정
본 발명 시스템의 다양한 실시태양에서, 하나의 스크림 층은 수형 몰드(male mold) 상에서 연신되어 몰드의 형상으로 경화된다(또한, 본원에서 이하에서 논의되는 도 15 참조). 스크림은 2개 이상의 접착제 코팅된 섬유 보강층, 예를 들면, 유니테이프로 이루어진다. 경우에 따라서는, 최종 재료의 치수 안정성 및 인열강도를 개선하기 위하여 하나 이상의 스크림 층이 첨가될 수 있다. 층의 개수, 접착제 또는 섬유 타입, 표면층 타입 또는 구성, 및 (미경화된 또는 경화된) 스크림의 초기 상태는 모두 기본적인 본 발명의 개념을 변경하지 않고서 치환될 수 있는 변수이다. 이러한 실시태양의 적어도 하나의 바람직한 용도는 스크림이 "라스트(last)" 주위로 연신될 수 있는 신발류이다. 본 발명에 따른 다양한 신발 실시태양은 본원의 이하의 단락에 기술되어 있다. 본 발명 시스템의 다양한 실시태양에서, 특정 하중 경로를 따라 연신을 제한하기 위하여 추가의 유니테이프 층이 첨가될 수 있다. 본 발명 시스템의 다른 실시태양에서, 표면층이 몰드 주위에 경화된 스택에 첨가될 수 있다.
다양한 실시태양에서, 유니테이프 층은, 매트릭스 접착제에 의해 코팅되거나, 또는 매트릭스 접착제내에 매립된, 얇게 확산된 실질적으로 평행한 섬유를 포함한다. 이러한 유니테이프 층을 구성하는 모노필라멘트 섬유는, 섬유를 구성하는 모노필라멘트가 대략 나란히 위치되거나, 접착제로 개별적으로 코팅되거나 또는 접착제 또는 수지내에 매립되도록 확산된다. 위치 선정(positioning)은 모노필라멘트 사이의 이격거리 또는 모노필라멘트의 면적 중량 분포가 균일하거나 불균일할 수 있도록 할 수 있거나, 또는 모노필라멘트 층이 수개의 필라멘트의 두께를 포함하는 무거운 중량의 유니테이프 사이에 간극을 포함할 수 있도록 할 수 있다. 위치 선정은 모노필라멘트 사이의 이격거리가 균일하거나 불균일할 수 있도록 할 수 있거나, 또는 모노필라멘트가 인접하거나 중첩될 수 있도록 할 수 있다. 일부의 경우에, 모노필라멘트 토우는 확산을 제한하거나 제어하기 위하여 구성 필라멘트의 꼬임이나 엉킴을 포함할 수 있다. 그러나, 많은 필라멘트를 함유하는 섬유내의 확산 및 코팅 필라멘트의 개념과 유사하다. 다양한 실시태양에서, 접착제는 탄성 중합체를 포함한다. 이러한 선택은 유니테이프 유연성을 제공하며, 이는 그의 비-섬유-보강 방향으로 연신되고 성형가능하게 한다. 유니테이프 층은 국부 보강을 위하여 몰드상에 개별적으로 위치될 수 있다.
도 3 은 본 발명에 따른 삼차원 형상 제품(101)을 제조하는데 사용될 수 있는 도구 및 성형 배열의 단면도를 도시한 것이다. 섬유의 균일성을 유지하면서 복합체 부품상에 유니테이프를 성형하는 방법은 일차적으로 평평한 유니테이프의 2개의 층이 0° 및 90°와 같은 상이한 배향에서 또는 특정 디자인에 의해 요구되는 바와 같은 다른 상대적인 배향으로 함께 결합되는 스크림을 생성하는 단계를 포함한다. 생성되는 스크림은 그의 바이어스 방향으로 신장하지만 필라멘트는 교차 층의 보강에 의해 안정화된다. 이는 필라멘트 얼라인먼트를 유지하고 주름진 섬유를 최소화하는 방식으로 필라멘트가 몰드상에 위치되고 연신가능하게 한다.
본 발명에 따른 구체, 달걀형, 실린더형, 또는 입방체와 같은 대칭적인 삼차원 형상 부품을 제조하는데 사용되는 제조 방법의 하나의 실시태양(또한, 일례로서 도 2 참조)은 필수적으로 호환 치수를 갖는 수형 몰드 및 암형 몰드를 제공하는 단계를 포함한다. 제 1 의 0°/90° 스크림(first 0°/90° scrim)은 적어도 2개의 유니테이프 층으로 이루어질 수 있다. 이러한 방식으로 구성된 스크림은 바이어스 방향으로 상당히 신장하며, 따라서 수형 몰드상에서 신장될 수 있다. 제 2 의 0°/90° 유니테이프 스크림이 제 1 층으로부터 45° 배향되어 수형 몰드 및 제 1 스크림상에서 신장될 수 있다. 임의적으로는, 필름 또는 표면층이 상기 제 1 및 제 2 스크림상에서 신장된다. 이어서, 이러한 제 1 스택업(stack-up)이 수형 몰드로부터 제거되어 도치된 다음 상보형 암형 몰드내에 배치될 수 있다. 임의적으로, 이형 라이너, 예를 들면 테플론이 수형 몰드상에서 신장된다. 이어서, 이형 라이너는 수형 몰드로부터 제거되어 도치된 다음 상기 제 1 스택업상에서 암형 몰드내에 배치된다. 다음으로, 임의의 필름 또는 표면층이 수형 몰드상에서 이번은 스택의 제 1 층으로 신장될 수 있다. 다음으로, 제 3 의 0°/90° 유니테이프 스크림이 수형 몰드상에서 신장될 수 있다. 임의적으로, 제 4 의 0°/90° 유니테이프 스크림이 제 1 층으로부터 45° 배향되어 수형 몰드 및 제 3 스크림상에서 신장될 수 있다. 이러한 제 2 스택업이 수형 몰드로부터 제거되어 도치된 다음 상기 제 1 스택업 또는 임의의 이형 라이너상에서 암형 몰드내에 배치된다. 제 1 스택업은 바람직하게는 제 2 스택업상에서 접혀져 상기 제 1 및 제 2 스택업의 가장자리의 접합부를 형성할 수 있는 약간의 과잉 돌출 물질을 포함한다. 다양한 실시태양에서, 이들 층은 암형 몰드에서 진공백을 만들며(vacuum-bagged), 오토클레이브내에서 경화된다. 부분 경화되는 경우, 임의의 이형 라이너는 가장자리상의 접혀진 이외의 장소에서 제 1 및 제 2 스택업이 함께 결합되는 것을 방지한다. 이러한 방법에 따라, 특정의 추가적인 접합이 필요하지 않은 연속 성형된 삼차원 형상 제품(101)이 제조된다. 다양한 실시태양에서, 생성되는 삼차원 형상 제품(101)은, 홀을 층으로 절단하고 그 일부를 공기로 충전시킴으로써 그의 최종 3D 형상으로 팽창될 수 있다. 다양한 실시태양에서, 이형 라이너는, 사용되었을 때, 이러한 홀을 통하여 제거될 수 있다.
특정의 대칭 또는 비대칭성 삼차원 형상 부품을 제조하는데 사용되는 제조 방법의 다른 실시태양은, 그 위에 또는 그 안에, (예를 들면, 시판되는 또는 유니테이프 층으로부터의) 스크림, 유니테이프 층, 직포 또는 부직포, 이형 라이너(들), 필름, 멤브레인, 및/또는 표면 코팅이, 특정의 조합으로, 전술된 실시태양과 유사한 방식으로 설치되는, 단지 수형 몰드 또는 암형 몰드만을 제공하는 단계를 포함한다. 이어서, 생성되는 복합체 레이업은 삼차원 부품을 제조하는데 공지된 특정의 방법에 의해 결합될 수 있다. 이어서, 경화된 최종 부품은 수형 몰드에서 제거되거나, 또는 암형 몰드로부터 인출될 수 있다. 다양한 실시태양에서, 몰드는 삼차원 부품을 구속하지 않도록 용해되어 제거되고/되거나 용융되어 제거된다.
예를 들면, 본 발명에 따른 구체, 달걀형, 실린더형, 또는 입방체와 같은 대칭적인 삼차원 형상 부품을 제조하는데 사용되는 제조 방법의 또 다른 실시태양은, 그 위에 스크림, 유니테이프 층, 이형 라이너(들), 및/또는 표면 코팅이 전술된 실시태양과 유사한 방식으로 설치되는, 단지 수형 몰드 또는 암형 몰드만을 제공하는 단계를 포함하되, 이때 중첩되는 원주상 가장자리부는 함께 결합되며 생성되는 물체는 삼차원 부품으로 팽창된다.
하나의 예시적인 실시태양에서, 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품을 제조하는 방법은, 적어도 하나의 제 1 섬유-보강된 스크림 및 임의적인 제 1 표면층, 이형 라이너, 및 추가의 적어도 하나의 제 2 섬유-보강된 스크림 및 임의적인 제 2 표면층을, 상기 이형 라이너가 상기 스크림 사이에 개재되도록 적층시킴으로써, 수형 몰드상에서 또는 암형 몰드내에서 복합체 레이업을 구성하는 단계를 포함한다. 이어서, 복합체 레이업의 스크림 층들이 단지 그들의 둘레 가장자리를 따라 결합(예를 들면, 경화)된다. 이형 라이너는 2개의 스크림 층이 경화 도중에 함께 달라붙지 않게 해준다. 이러한 방식에서, 스크림 층들은 그들을 분리하는 이형 라이너를 가진 형상으로 중첩된다. 경화되었을 때, 생성되는 복합체 레이업은, 일측내의 홀을 이형 라이너 중간부까지 절단하고 그 일부를 공기 또는 액체로 충전시킴으로써 그의 최종 3D 형상으로 팽창될 수 있다. 다양한 실시태양에서, 이형 라이너는, 사용되었을 때, 이러한 팽창 홀을 통하여 제거될 수 있다. 다른 실시태양에서, 이형 라이너는 용매로 용해시키고, 그의 액화되거나 용해된 잔류물을 팽창 홀로부터 배출시킬 수 있다.
삼차원 형상의 가요성 복합체 부품을 제조하는 방법은, 적어도 하나의 수형 몰드 또는 하나의 암형 몰드를 제공하는 단계; (i) 제 1 섬유-보강된 스크림 층 및 임의적인 제 1 표면층을 수형 몰드상에 또는 암형 몰드내에 적용하고; (ii) 이형 라이너를 상기 제 1 섬유-보강된 스크림 층상에 적용하고; (iii) 제 2 섬유-보강된 스크림 층 및 임의적인 제 2 표면층을, 상기 이형 라이너가 상기 스크림 층들 사이에 개재되도록, 상기 이형 라이너상에 적용함으로써 복합체 레이업을 구성하는 단계(여기서, 상기 섬유-보강된 스크림 층들은 각각 상이한 배향에서 배치된 2개 이상의 일방향성 섬유 층을 포함한다); 상기 제 1 및 제 2 스크림 층을 중첩 가장자리를 따라 주변부 접합시켜 수축된 부분을 생성하는 단계; 상기 스크림 층들 중의 하나를 통하여 상기 스크림 층들과 상기 수축된 부분 사이의 위치에서 유체 연통할 수 있는 홀을 제공하는 단계; 및 상기 홀을 통하여 상기 수축된 부분내로 유체를 주입함으로써 상기 수축된 부분을 팽창시키는 단계를 포함한다. 다양한 실시태양에서, 팽창용 유체는 액체 또는 압축 공기와 같은 가스일 수 있다. 다양한 실시태양에서, 액체 팽창 유체는 팽창된 삼차원 부품의 내측에 포획되는 이형 라이너를 용해시키는 이중 역할을 할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 상기 방법은 팽창 이전에 상기 수형 또는 암형 몰드로부터 상기 수축된 부분을 제거하는 단계를 더 포함한다.
다양한 실시태양에서, 상기 방법은 팽창 이후에 상기 홀을 통하여 상기 이형 라이너를 제거하는 단계를 더 포함한다.
다양한 실시태양에서, 상기 방법은 팽창 도중 또는 팽창 이후에 상기 이형 라이너를 용해하는 단계를 더 포함한다.
다양한 실시태양에서, 상기 방법은 용해가능하고/하거나, 예를 들면 열을 가하여 용융시킬 수 있는 수형 또는 암형 몰드를 더 포함한다.
다양한 실시태양에서, 상기 방법은 하기 단계들을 더 포함한다: 상기 홀내에 코팅을 적용하는 단계; 상기 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품을 회전시킴으로써 상기 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품의 내측 주위로 상기 코팅을 전위시키는(displacing) 단계; 및 상기 코팅을 건조하거나 또는 임의적으로는 상기 코팅을 경화하는 단계.
다양한 실시태양에서, 상기 방법은 하기 단계들을 더 포함한다: 상기 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품의 외부 표면상에 코팅을 주입하는 단계; 상기 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품을 회전시켜 외부 표면을 코팅하는 단계; 및 상기 코팅을 건조하거나 또는 임의적으로는 상기 코팅을 경화하는 단계.
다양한 실시태양에서, 이러한 방법에 의해 제조된 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품은 가스 팽창되도록 구성된다.
다양한 실시태양에서, 이러한 방법에 의해 제조된 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품은 백안에 통합된다.
다양한 실시태양에서, 상기 방법은 상기 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품에 적어도 하나의 보강 구조물을 가하는 단계를 더 포함한다.
다양한 실시태양에서, 이러한 방법에 의해 제조된 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품은 신발안에 통합된다.
다양한 실시태양에서, 상기에서 언급된 팽창 홀은 팽창된 부분의 내측에 배치되거나 팽창된 부분의 외측에 도포된 액체 코팅에 의해 폐쇄될 수 있다.
상술된 실시태양은 형성된 복합체 부품내에서 구조적으로 무이음매가 되도록 경화될 수 있는 이음매를 형성하도록 하나의 레이업에서 다른 레이업 상에 및 상으로 연장된 재료를 접어 포갬으로써 2개의 대칭 부품의 접합을 구현한다. 부품이 경화된 후 이는 팽창될 수 있고, 제 2 층은 도치될 것이며, 이러한 이음매의 흔적은 부품의 중심선에 위치될 것이다. 이러한 예시적인 방법은 부품이 팽창될 때 중심선에서의 주름을 무시할 수 있는 얇은 가요성 재료에 유용하다.
다양한 실시태양에서, 팽창된 3D 형상의 팽창된 홀내로 및/또는 팽창된 3D 형상의 외부 표면상에 코팅을 도포/주입함으로써 핀홀 누설이 밀폐 또는 예방되고/되거나, 표면 마찰계수가 개선되는데, 이로 인하여 부품을 회전시켜 내측 및/또는 외측의 벽면을 고르게 코팅하고, 특정의 과량의 코팅은 홀의 밖으로 또는 외부 표면에서 흘러내리며, 코팅은 건조되거나 경화될 수 있다.
본원에서 개시되는 방법은 생성되는 부품이 완성을 위하여 단지 제한된 개수의 보조 공정만을 필요로 하기 때문에 기존의 제조 공정에 비해 개선된 공정이다. 한정된 포장 용적을 갖는 용도의 경우, 또는 중량 절감이 중요한 경우, 부품의 두께 및/또는 중량을 감소시키는, 최소의 이음매를 갖는 부품이 유익하다.
도 4 는 본 발명에 따른 다양한 삼차원 형상 제품(101)을 제조하는데 사용할 수 있는 도구 및 성형 배열의 대용 실시태양의 단면도를 도시한 것이다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 예를 들면 스크림 층을 포함하는 미경화된 또는 성형가능한 라미네이트는 유연한 격막의 층들 사이에 개재될 수 있다. 이어서, 미경화 및 미성형된 복합체는 성형 및 경화를 위한 몰드의 수형 도구와 암형 도구 사이에 배치될 수 있다.
도 5 는 성형 도구 및 성형 배열, 및 라미네이트 재료에서 복합체 부품으로의 생성되는 성형 및 경화의 실시태양의 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 라미네이트 구조에서 형상화된 복합체 부품으로 성형하고 경화하기 위하여 열 및/또는 압력 및/또는 진공이 특정 조합으로 사용될 수 있다. 성형 및 경화를 위한 다양한 방법으로는 본 기술 분야의 전문가들에게 공지된 다른 많은 방법들 중에서도 오토클레이브 압축, 유압 성형 또는 격막 성형을 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다.
도 6 은 본 발명의 다양한 실시태양에 따른 또 다른 성형 및 경화 작업의 단면도를 도시한 것이다. 도 6 에 도시된 공정에서는, 미리 경화되고 성형된 라미네이트 부품, (예를 들면, 도 4 및 도 5 에 도시된 작업으로부터 생성된 부품), 이 가요성 격막 층들 사이에 개재되고 몰드의 수형 도구와 암형 도구 사이에 위치된다. 특정의 표면층 번호가 있거나 없는 적층 구조물은 몰드상에 배치되며, 이들로 국한되는 것은 아니지만, 오토클레이브 압축, 유압 성형 또는 격막 성형, 또는 본 기술 분야의 전문가들에게 공지되어 있는 다른 방법을 포함하는 다양한 방법을 이용하여 성형 및/또는 경화시킨다.
도 7a, 7b 및 7c 는 본 발명에 따른 암형 몰드 공정의 실시태양의 분해도를 도시한 것이다. 도 7a-c 에 도시된 공정에서, 부품은 몰드상에 배치되며, 팽창가능한 블래더는 부품의 내측에 압력을 인가하여 재료가 경화되는 동안 재료를 몰드의 형상으로 강제하기 위하여 부품내에 삽입된다.
도 7a 에 도시된 바와 같이, 복합체 부품(130a)은 암형 몰드(170)내에 배치되며, 팽창가능한 블래더(175a)는 부품이 열, UV, RF 및 E-빔 경화 중의 하나 또는 이들의 조합에 의해 경화되는 동안 부품의 내측에 압력을 인가하기 위하여 복합체 부품(130a)내로 삽입된다. 엘라스토머성 블래더(175a)는 복합체 부품(130a)에 균일한 압력(예를 들면, 공기 압력 또는 액체 압력)을 인가함으로써, 부품을 몰드의 형상으로 강제한다.
도 7b 는 암형 몰드(170)의 내부 형상에 꼭 맞는 확대된 복합체 부품(130b)을 도시한 것이다. 원하는 경우, (현재 몰드의 형상으로 확대된) 엘라스토머성 블래더(175b)는 복합체 부품(130b)의 내부 표면에 공동-경화되어, 예를 들면, 제품의 내압 블래더 또는 내피 또는 내층을 형성할 수 있다. 이러한 내부 블래더 재료 층이 필요하지 않을 경우, 블래더는 수축되고 몰드로 부터 제거되어 확대되고 경화된 부품(130b)이 공동-경화된 블래더 층 없이 적소에 잔류할 수 있다.
도 7c 는 개방된 몰드(170)로부터 방출된 형상화된 복합체 부품(135)의 실시태양을 도시한 것이다.
도 8 은 본 발명에 따른, 부착점을 위한 통합된 구조적 보강재, 쓰루 홀, 및 하중전달능력을 강화하기 위한 보강 스트랩을 포함하는 삼차원 형상 제품의 실시태양의 사시도를 도시한 것이다. 이러한 통합된 구조적 보강재는 부품을 구성하고 최종 부품으로 공동-경화되는 스크림 층들의 표면 사이에서 또는 표면 상에서 통합되는 유니테이프 또는 다른 복합체 재료로부터 제조될 수 있다. 이러한 구조적 보강재를 부품에 통합함으로써, 부착점 및 쓰루-홀 보강을 위한 후공정 결합 단계가 감소되거나 제거된다.
신발류 용도에 유용한 또 다른 예시적인 실시태양은, 예를 들면, 3D 성형 도구로서 팽창가능한 블래더를 사용하는 옵션을 포함하며, 그로 인하여 복합체 유니테이프 및/또는 B-단계, C-단계, 또는 열가소성 매트릭스, 프리-플라이(pre-plied), 앵글-플라이(angle-ply) 또는 라미네이트 절단 패턴이 그 위에 적층되고 조립될 수 있다. 이러한 실시태양의 경우, 팽창가능한 블래더는 바람직하게는 그 위에 재료의 적층을 수용하기에 충분한 구조적 강성을 갖는다.
팽창가능한 블래더 상에서의 조립 및 레이업을 위하여, 블래더 강성 문제를 해결하기 위하여 적어도 3 가지 방식이 실현될 수 있다. 첫 번째 방식은, 가요성 복합체 부품이 몰드 및 블래더로부터 제거될 수 있도록 제조 공정의 어떤 지점에서 제거할 수 있는, 엘라스토머성 블래더를 지지하는 이동식 다성분 삼차원 형태의 도구(removable multicomponent three dimensional form tool)를 사용하는 방식이다. 두 번째 방식은, 상부를 포함하는 구성 요소의 적용을 위한 형태로서 작용하기에 충분한 강성을 갖는 지점에서 가압될 수 있도록 복합체 섬유로 보강될 수 있는 엘라스토머성 블래더를 사용하는 방식이다. 세 번째 방식은, 형상 기억 중합체(SMP)를 엘라스토머성 가압용 도구와 함께 사용하는 방식이다. 이러한 중합체는 저온에서는 경질이지만 그들의 전이온도 이상의 온도에서는 고신도의 가요성 엘라스토머로 변환된다. 그들의 전이온도 이상에서, SMP를 가열된 몰드내에 위치시키고 가압하여 그의 엘라스토머성 상내에서, 신발 성형 시스템의 경우, 신발의 내측에 대해 원하는 형상을 가질 수 있는 정밀도를 가진 몰드의 형상을 복제하는 도구를 성형할 수 있다.
몰드는 SMP의 전이온도 미만으로 냉각되기 때문에, SMP는 신발 갑피의 내부 형태 치수를 갖는 형상의 강성 고체로 변환된다. 이러한 "강성화된" 형태에서, 도구는 신발 성형 공정을 위한 레이업 형태 도구로서 사용될 수 있다. 강성화된 SMP의 성형된 구조의 예는 도 24 에 도시되어 있는 튜브(180)이다. 이러한 실시태양의 경우, SMP는 그의 전이온도 미만으로 냉각시킴으로써 맨드렐상에서 튜브 형태로 강성화되었다. 도 25 는, SMP를 그의 전이온도 이상으로 가열하고, 암형 몰드(182)(단지 몰드의 하반부만 도시되어 있음)내에서 형상-성형한 다음, 가압하에 SMP의 전이온도 미만으로 냉각하여 몰드(182)의 캐비티의 형상으로 강성 형태 도구를 생성한 후의 SMP 튜브(181)를 도시한 것이다. 도 26 은 섬유 토우(183)를 강성화된 도구(184)에 적용하는 공정의 실시태양을 도시한 것이다.
예를 들면, 신발류 용도에서와 같은 다양한 실시태양에서, SMP가 아직 그의 엘라스토머성 형상을 유지하고 있는 동안 전이온도를 약간 초과하는 온도에서 몰드로부터 경화된 어셈블리를 제거하거나, 또는 내측에 열기를 불어 넣어 어셈블리를 제거하기에 충분할 정도로 연화시킴으로써 어셈블리가 몰드로부터 제거된 후에 제거함으로써 경화된 복합체 갑피를 강성화된 도구로부터 제거할 수 있다. 다양한 다른 실시태양에서, 강성화된 도구는, 복합체의 형상을 온전하게 유지하고 제작된 "섀시" 갑피를 저장, 운반 및 적재하기에 색인이 용이한 "카트리지" 스타일의 시스템을 특정의 하류 제조 작업에 제공하도록, 복합체상에 통합되어 남아있을 수 있다. 이러한 하류 작업으로는, 예를 들면, 미관용 외부 층과의 통합 작업, 및 그 단계가 초기, (및 임의적으로는 원-스텝), 성형 공정에서 이미 달성되지 않은 경우에는 갑피를 하부에 적층하는 작업을 포함할 수 있다.
이어서, 형태상에 비축된 복합체 재료 신발을 가진 도구는 암형 몰드내에 배치되고, SMP는 가압되어 그의 전이온도 이상으로 가열될 수 있으며, 여기에서 그것은 연화되고 엘라스토머성 압력 블래더로서 작용하여 재료를 신발 갑피내에서 통합하여 함께 적층시킨다.
삼차원 부품을 구축하는데 유용한 또 다른 실시태양은 3D 성형 도구로서 가용성 몰드를 사용하는 옵션을 포함하며, 그로 인하여 복합체 유니테이프 및/또는 B-단계, C-단계, 또는 열가소성 매트릭스, 예비-플라이, 각도-플라이 또는 라미네이트-절단 패턴이 그 위에 적층되어 조립될 수 있다. 삼차원 부품이 경화되었을 때, 몰드 재료를 용융 또는 용해시킨 다음 그것을 부품내의 홀로부터 쏟아냄으로써 몰드 재료가 부품으로부터 제거된다. 이러한 몰드에 사용될 수 있는 재료로는 염 코어(salt core), 왁스, 수용성 또는 용매 가용성 재료, 폼 등을 포함한다.
하나의 스크림 층을 몰드상에서 연신시키고 그것을 그 위치에서 경화하여 가요성 삼차원 복합체 부품을 형성하는 공정의 다양한 실시태양은 고성능 복합체 신발류 구성요소를 기술하는 하기 실시태양에서 추가로 더 설명될 것이지만, 이러한 개념이 다른 삼차원 형상의 제품을 구성하는데 적용될 수 있다는 사실은 본 기술 분야의 전문가들에게 자명할 것이다.
도 11 은 본 발명의 삼차원 복합체 제품 시스템(100)에 따른 복합체 신발류 갑피(102)의 사시도를 도시한 것이다. 다양한 실시태양에서, 복합체 신발류 갑피(102)는 가요성 복합체 재료(103)를 포함한다.
도 12a 는 본 발명의 삼차원 복합체 제품 시스템(100)의 다양한 실시태양에 따른 복합체 신발류 갑피(102)의 다른 실시태양을 도식적으로 나타내는 측면도를 도시한 것이다.
도 12a 를 참조하여 보면, 본 발명 시스템의 복합체 신발류 갑피(102)의 다양한 실시태양은 구성요소내의 임계 하중 경로(106)를 따라 위치되는 보강 섬유(104)의 공학적 배치를 포함한다. 이러한 하중 경로(106)는 컴퓨터 분석(예를 들면, 삼차원 유한 요소 분석 등) 및/또는 물리적 시험을 이용하여 식별할 수 있다. 갑피의 다른 영역들은 증가된 유연성을 제공하여, 예를 들면, 착용자의 발의 생체역학적 관절을 수용하도록 설계된다. 도 12b 를 참조하여 보면, 본 발명 시스템의 다른 대용의 복합체 신발류 갑피(102)는 보강 섬유(104)의 비교적 등방성인 배치를 포함한다. 이들 두 가지 예시 실시태양에서, 생성되는 복합체 구조물은 적절한 수준의 강도, 지탱력, 및 내구성을 유지하면서도 낮은 구조적 중량을 달성한다. 또한, 본 발명에 따른 다양한 제작 방법들은 이하에서 보다 상세하게 기술되는 바와 같이 높은 수준의 시공성을 유지한다.
도 13 은 도 11 의 복합체 신발류 갑피(102)의 구성과 일치하는 가요성 복합체 재료(103)의 예시적인 구성을 도시하는 부분 분해 조립도를 도시한 것이다.
도 14 는 다수의 신발류 용도에 사용할 수 있는 모듈 설계된 복합체 신발류 갑피(102)를 제조하는 방법을 일반적으로 예시하는 도식을 도시한 것이다. 갑피는 디자인 및 제작 단계를 포함하는 다단계 공정으로 제조된다. 디자인 단계(202) 및 제작 단계(204)는 컴퓨터의 도움을 받을 수 있다. 제작 단계(204)는 적어도 하나의 자동화 제작 공정으로 실행할 수 있다.
일반적인 신발류의 경우, 제어된 만곡부를 신발내에 내장시킴으로써 신발의 일부 부품들이 유연하고 순응하도록 만드는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 만곡부는 발목 영역과 같은 관절부에서 최적의 자유와 운동 범위를 허용할 수 있다. 다양한 다른 용도에서, 특정의 스포츠 또는 신발류 용도와 관련한 의도된 목적 또는 기능을 수행하기 위하여, 만곡부 및 유연성을 향상시키거나, 제어하거나, 또는 부상으로부터 보호하려는 경우에는, 하나 이상의 방향에서의 운동 범위를 동시에 또는 개별적으로 제한하거나 한정할 수 있다.
일례는 운동선수들에 의해 통상 사용되는 발목의 운동 범위 전체에 걸쳐 설계된 유연성와 결합되지만, 이동성을 한정하거나 통상적인 운동 범위에서의 운동을 제한하는 것이 아니라 발목을 보강하고 캐칭 또는 발의 꼬임에 기인하는 과도한 회전 또는 다소간의 롤링과 같은 부상이 발생하는 운동 또는 운동 범위를 제한하는 작용을 하는 발목 버팀대내에 내장된, 절단-, 스프린팅- 및 점핑-타입의 운동에 대한 하중 최적 하중전달 및 반응을 위해 설계된 구조를 나타내도록 설계된 초경량 농구화이다.
정상적인 운동 범위에 있어서의 신발의 초경량화 및 운동의 자유는 피로를 감소시키기 위하여 결합하는 것이기 때문에 운동 선수의 신체 기능은 증강될 수 있다. 공학적으로 설계된 유연성 및 하중 경로는 부상 발생 방향 모드에서 관절의 과신장(hyperextension)을 유발하는 부상을 방지하기 위하여 법선 방향에서의 운동 범위를 제한하는 동시에 회전 및 꼬임과 같은 바람직하지 않은 운동 범위에서의 충격 및 충돌 흡수, 발목 관절 지탱 및 운동의 제어된 제한을 제공하면서도 근육 반응을 경기력으로 보다 효율적으로 변환하는 능력을 제공할 수 있다.
다중방향 배향된 유니테이프에 기반한 시스템은 실제 용도에서 너무 딱딱하거나 무거운 갑피를 생성하는 매우 고강도 및 고탄성의 공학 섬유 사용시의 장점을 구현하는 동시에 이렇게 공학적으로 설계된 유연성 시스템의 공학적 설계를 용이하게 이방성 재료 특성을 나타낼 수 있다. 유니테이프는 모두 실질적으로 일방향으로 배향된 일방향성 모노필라멘트를 가질 수 있다. 섬유 모노필라멘트를 따르는 방향에서, 유니테이프는 모노필라멘트의 높은 영률(Young's Modulus)에 기인하여 매우 강하며 최소한의 신축성을 나타낼 수 있다. 모노필라멘트에 대해 직각 방향에서, 그 방향에서의 연신이 엘라스토머성 매트릭스의 특성에 의해 관리되도록 보강이 전혀 없을 수도 있다. 일반적으로 특성들은 매우 호환적거나 또는 "신축성(stretchy)"일 수 있으며, 매트릭스에 대한 손상 또는 저하 없이 반복적으로 큰 변형이 발생하고 그러한 변형으로부터 회복될 수 있다.
엘라스토머성 매트릭스를 포함하는 2개 이상의 유니테이프를 강도 및 낮은 신축성이 요구되는 방향으로 배향된 일방향 보강제와 함께 사용하고, 유연성이 요구되는 보강되지 않은 방향을 잔류시킴으로써, 생성되는 라미네이트는 방향성 보강 섬유가 전혀 없는 방향으로 아직도 유연한 각각의 유니테이프의 축을 따라 낮은 신축성을 가지면서 선택적으로 강성으로 될 수 있다.
이러한 선택적 유연성은, 각각의 유니테이프 층 사이에 엘라스토머의 얇은 중간층을 임의적으로 첨가하여 유연성 층간 엘라스토머 층내에서 유니테이프를 회전하거나 약간 힌지가능하게 하여 오프-방향성(off-directional) 유연성을 보다 잘 제어하고, 더 큰 변형을 촉진하며, 상이한 타입의 점탄성 반응을 가진 다양한 등급의 엘라스토머를 사용함으로써 라미네이트 반응을 조율하는 능력을 제공함으로써 향상될 수 있다.
유연성 중간층(Compliant interlayer)은 하기 특성들의 단독 또는 조합을 가질 수 있다: (1) 라미네이트가 탄성 에너지를 저장하고 복원하도록 변형된 라미네이트에 스프링 유사 특성을 부여하기 위한 높은 에너지 복원성; (2) 충격 및 충돌을 흡수하고 분산하기 위한 높은 손실 및 에너지 흡수율; (3) 과도 동적 상태에 대한 과도 응답을 제어하기 위한 점탄성 감쇠율; 및/또는 (4) 매트릭스 특성이 급속하게 가해진 과도 하중 및 충격에 대응하여 경직되거나 보다 유연하게 되도록 해 주는 속도 감도.
복합체의 특성은 유연한 비선형 특성을 갖는 매트릭스 재료 특성 및 큰 비선형 기하학적 변형 및 재료 변형의 통합을 위해 적절하게 개량된 항공기용 일방향 복합체 재료의 적응을 이용하여 예측되고 설계될 수 있다.
시스템내의 비선형성으로 인하여, 축상 섬유 지배 특성(on-axis fiber dominated property), 특히 횡방향 매트릭스 지배 방향 및 매트릭스 지배 전단 방향의 매트릭스 지배 특성은 횡방향 매트릭스 지배 방향 및 전단 방향에 대한 비선형 응력/변형 관계를 얻기 위하여 샘플 라미네이트를 제조한 다음 시험함으로써 반경험적으로 결정되어야만 한다.
이러한 특성들은 하기에 열거되는 분석 절차를 위한 입력 파라미터로서 사용될 수 있다. 이러한 절차는 비선형성이 고려되고 변형이 허용가능한 파라미터내에 있는 경우에 잘 맞지만, 특정의 임의 방향에서의 강도 및 신장율 대 하중은 밀접하게 근사할 수 있다.
일방향 섬유-보강층, 및 본 발명의 다양한 실시태양에 따른 설계 공정에 유용한 다른 물리적 및 수학적 정보의 유용한 구조 방정식은 적층 복합체의 주제와 관련한 다양한 기술 서적에서 발견할 수 있다. 유한 요소 분석의 주제에 대한 한 가지 이러한 서적은 토마스 제이. 알. 휴즈(Thomas J. R. Hughes)의 "유한 요소 방법(The Finite Element Method)"이며, 복합체 재료의 특성 및 분석에 대한 서적은 에스. 더블유. 차이(S. W. Tsai) 및 티. 에이치. 한(T. H. Hahn)의 "복합체 재료 입문(Introduction to Composite Materials)"이다.
상기에서 언급된 바와 같이, 가요성 복합체 재료(103)의 다양한 실시태양의 물성은 일반적으로는 (방향과 무관하게 실질적으로 동일한 물성을 갖는) 등방성이다. 이와 달리, 힘 하중(및 다른 성능 인자)의 특정 제어 공학을 제공하기 위하여, 복합체 조성물의 물성은 특정 용도를 위한 복합체 신발류 갑피의 성능을 구조적으로 최적화하도록 설계된 불균일한 기계적 및/또는 다른 물성을 갖는 이방성일 수 있다.
상기-언급된 가요성 복합체 재료(103)는, 특정 용도에서 요구되는 바와 같이, 통기성 및 비통기성 조성물, 또는 비다공성, 다공성 또는 공기 투과성 조성물 또는 재료 생성물 형태를 모두 포함할 수 있다. 또한, 다양한 가요성 복합체 재료(103)는 등명하거나, 불투명하거나, 착색되거나, 각인될 수 있거나, 또는 바람직하게는 상기 언급된 가시적 배열의 특정 조합을 포함할 수 있다. 다수의 착색된 층 및 컷아웃(cutouts)이 착색된 패턴을 생성하는데 사용될 수 있다.
다양한 실시태양에서, 복합체 레이업을 형성하는 보강 및 비보강 재료는 모두 중합체 매트릭스(105)내에 캡슐화될 수 있다. 다양한 실시태양에서, 복합체 레이업은 통합, 성형 및 경화되거나 또는, 예를 들면, 열 및 압력의 특정 조합을 이용하는 열가소성 또는 비-가교결합성 시스템의 경우에는 융합/결합된다.
다양한 실시태양에서, 복합체 신발류 갑피(102)의 각각의 고유한 구성을 위하여 적어도 하나의 컴퓨터 이용 설계가 생성된다. 설계 단계(202) 도중, 복합체 설계에 도달하기 위하여 성능 기준이 이용된다. 일부의 경우, 다양한 하중 및 경계 조건하에서 갑피의 성능을 이해하기 위하여 컴퓨터 모델이 생성되고 분석된다. 유한 요소 분석을 완벽하게 이용하는 이러한 컴퓨터 모델은 컴퓨터 시뮬레이선을 통하여 다양한 현장 조건하에서 구조물의 거동을 예측함으로써 새로운 디자인을 최적화하는데 도움을 준다. 컴퓨터 설계가 최적화되었을 때, 물리적인 시험을 위하여 하나 이상의 시제품이 생성될 수 있다. 복합체 신발류 갑피(102)를 동시에, 또는 차후에, 제조 비용 분석, 재료 가용성, 저장 안정성 분석 등을 포함한 제조성에 대해 분석한다. 갑피가 평평한 구성인 경우의 성형성, 적합성 및 드레이프성(drapability), 및 추가의 3-D 성형 단계가 구상된다. 통상적인 신발 산업 지속 공법(shoe industry lasting construction method)을 구상하는 경우, 설계 및 분석도 또한 현재의 산업적 제작 방법 및 기존의 도구 및 제조 설비에 적합한 향상된 성형성을 제공하는데 이용될 수 있다. 시제품의 성능이 성능 및 제조 기준과 일치하는 경우, 갑피 구성요소 디자인은 제작 단계(204)로 이동한다. 이러한 분석 및 설계에 적합한 시판되고 있는 분석 패키지로는 나스트란(NASTRAN), 아바쿠스(Abaqus), 앤시스(ANSYS), 및 파트란(PATRAN)을 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다.
설계 단계(202) 및 제작 단계(204) 중의 하나 또는 둘 모두는 바람직한 복합체 재료 갑피의 자동화 제작에 사용할 수 있는 컴퓨터 이용 설계 데이터의 개발을 포함할 수 있다. 예시적인 제작 순서는 본 발명의 후속 섹션에 기술되어 있다.
제작되었을 때, 복합체 신발류 갑피(102)는, 도시되어 있는 바와 같이, 하나 이상의 최종-용도 물품(250)내에 통합되어 있는 상태이다. 다양한 실시태양에서, 완성된 갑피 구성요소는 미래의 사용을 위해 저장되거나 또는 후속 제작 단계로 바로 보내지거나 또는 완성된 물품내에 통합하기 위하여 직접 보내질 수 있다. 단일 갑피 설계를 사용하여 시간과 비용을 다수의 최종 물품 사이에 공유될 갑피의 초기 설계/분석과 연관시킬 수 있다.
본 명세서를 독해하였을 때, 본 기술 분야의 전문가들은 이제, 본 발명의 후속 섹션에 일반적으로 기술되어 있는 바와 같이, 갑피를 완성된 물품내에 통합하는 단계가 추가의 제작 단계를 포함할 것이라는 사실을 인지할 수 있을 것이다. 또한, 최종 사용 용도에 따라, 갑피를 완성된 물품내에 통합하는 후속 단계가 또한 하나 이상의 추가적인 설계 단계를 포함할 수도 있다는 사실에도 주목해야 한다.
도 15 는 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피를 제조하는 방법의 한 가지 실시태양을 예시하는 도식을 도시한 것이다. 도 15 는 제작 단계(204)를 수반하는 설계 단계(202)를 도시한 것이다. 제작 단계(204)는, 도시되어 있는 바와 같이, 적어도 하나의 몰드 또는 유사 성형 도구(208)를 사용하는 복합체-재료 레이업(206)의 실행 단계를 포함한다. 제작 단계(204)는, 도시되어 있는 바와 같이, 적어도 하나의 경화 단계(210)를 더 포함한다. 경화 단계(210)는 중합체 사슬의 가교-결합에 의해 중합체 매트릭스를 경화시키기 위하여 열 및 압력을 이용할 수 있다. 다양한 고분자 화학에서, 경화는 화학 첨가제, 자외선, 전자빔, 및 기타 다른 공정에 의해 초래될 수 있다. 다른 방법으로, 열가소성 매트릭스 재료는 가열 성형될 수 있으며, 다수의 층들은 가열 융합 또는 결합, 초음파적으로 또는 레이저 용접될 수 있다. 열가소성 핫멜트, 반응성 폴리우레탄 접착제 시스템은 용매 용접 기법, 접촉성 접착제, 또는 가교결합성 또는 비가교결합성 접착제 또는 다른 적합한 방법을 이용하여 결합시킬 수 있다. 가교결합성 접착제가 사용되는 경우, 상기에서 열거된 가교결합을 위한 경화 방법이 이용될 수 있다.
일반적으로, 경화 기법으로는 압력 및 온도; 압력 및 방사선; 및 압력 및 열을 이용한 방사선 경화, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다.
일반적으로, 가열 방법으로는 가열식 카울(heated caul); 무선 주파수; 전자빔; 유도 가열; 및 오븐, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다.
도 16 은 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피(102)의 제조시에 이용되는 일련의 초기 제작 단계의 일례를 예시하는 도식을 도시한 것이다. 이러한 순서에서, 선택되는 가요성 복합체 재료(103)는 평면 시트(212)의 형태로 제공된다. 평면 시트(212)는 상기에서 기술된 구조적 및 비구조적 전구체 재료 중의 특정의 것을 포함할 수 있다. 평면 시트(212)는 섬유 원료 조성물로 이루어질 수 있거나, 또는 프리프레그 B-단계(또는 C-단계) 전구체 복합체를 포함할 수 있다.
하나 이상의 후속 단계에서, 추가의 보강 섬유(104)가, 예를 들면, 하나 이상의 자동화 섬유-레잉 공정(fiber-laying process)(214)을 이용하여 시트에 첨가될 수 있다. 추가 섬유의 배치는 하중 경로, 유연성 요건 등을 예상할 수 있도록 공학적으로 설계될 수 있다. "방사상(radiused)" 섬유 배치를 이용하면 복합체 직물내에서의 꼬임을 방지하고, 일부 용도에서는, 안정적으로 설계된 하중 경로를 제공한다. 다양한 용도에서, 단섬유 토우 또는 좁은 다중-섬유 테이프가 하중 전달을 향상시키기 위하여 재료 층(110) 사이에 개재될 수 있다. 이와 달리, 추가의 보강제는 수동으로 적용될 수 있다. 임의 단계로는 추가의 재료를 시트에 적용하는 단계를 포함한다. 이러한 추가의 재료는 구조적 또는 비구조적 섬유 요소, 예비성형된 삽입물, 쿠션, 그래픽 아플리케, 인쇄물 등을 포함할 수 있다.
다음으로, 시트는 적어도 하나의 자동화 절단 공정(216)을 이용하는 절단 단계로 진행된다. 이 단계에서, 예를 들면 설계 공정 도중에 발현된 적어도 하나의 컴퓨터-생성 패턴을 이용함으로써, 결국에는 갑피 구성요소를 형성할 시트의 한쪽이 시트로부터 절단된다. 다른 방법으로, 절단은 수동으로 실행될 수 있다. 다른 방법으로, 절단은 이들 공정 순서의 특정의 앞선 지점에서 실행될 수도 있다.
다양한 자동화 절단 방법으로는 회전식 나이프(즉, 기계식); 초음파; 레이저; 다이-컷(die-cut); 물 분사(water jet); 및 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다.
일부 용도에서, 도시된 바와 같이, 후속 제작 공정을 용이하게 하기 위하여 절단 단계 도중에 등록 마크를 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 상술된 제작 단계가 수형 라스트(male last) 또는 암형 몰드와 같은 예비성형 도구와 조합하여 실행될 수 있다는 사실에 주목해야 한다.
도 17 은 본 발명의 하나의 실시태양에 따른, 복합체 신발류 갑피(112)를 형성할 수 있는 평면 복합체 구성요소(218)를 도식적으로 예시하는 평면도를 도시한 것이다. 갑피 패턴은 도 17 의 개략도에 도시되지 않은 추가의 특징들을 포함할 수 있다는 사실에 주목해야 한다.
도 18 은 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피(102)의 제조시에 이용되는 일련의 후속 제작 단계를 예시하는 도식을 도시한 것이다. 본원에서 라스트(220)로서 식별되는 적절한 삼차원 성형 도구(208)가 제공된다. 라스팅 절차(lasting procedure)(222)에서, 평면 복합체 구성요소(218)는, 예를 들면 하나 이상의 자동화 라스팅 공정을 이용함으로써, 라스트(220)의 외부 확정(outer confirmation)을 위해 형상화된다. 다른 방법으로, 가요성 복합체 재료는 수동으로 라스트(220)에 적용될 수도 있다.
다양한 실시태양에서, 구성 재료는 진공-보조 접착을 이용하여 라스트에서 유지시킬 수 있다. 다른 방법으로, 재료를 성형 도구에 인접하여 일시적으로 위치시켜 유지하기 위하여 임시 접착제가 사용될 수도 있다. 예를 들면, 라스트(220)는, 재료를 라스트에 인접하여 유지시키기 위하여 이형 재료에 이어서 하나 이상의 접착성 사이징 재료로 코팅될 수 있다(이러한 재료들은 복합체 재료를 분해하거나 세척하여 제거하기 위하여 배합된다).
라스팅 절차(222)가 완결되었을 때, 도시되어 있는 바와 같이, 삼차원 형상의 가요성 복합체 레이업이 경화 단계(210)로 이동된다. 다양한 절차에서, 경화 단계(210)는 라스트(220) 상에 위치된 갑피를 사용하여 수행된다. 다른 실시태양에서, 라스트(220)는 경화 이전에 제거된다.
라스팅 절차(222)의 대용 단계에서, 추가의 보강 섬유(104)가 라스팅 절차(222) 도중에(및 경화 이전에) 가요성 복합체 재료(103)에 적용된다. 라스팅 절차(222)의 대용 단계에서, 추가의 중합체 접착제(224)가 가요성 복합체 재료(103)에 적용된다. 이러한 대용 단계에서, 미경화된 갑피 구성요소는 추가의 접착성 중합체(224)의 적용하여 구성 재료를 통합된 복합체 구성요소로의 후속 통합을 보조해야 할 필요가 있는 프리프레그 및 섬유 원료의 조합을 포함할 수 있다. 각종의 유용한 접착성-중합체 수지로는 열경화성 및/또는 열가소성 수지를 포함한다.
접착제는 하기의 비제한적인 적용 기법중의 하나 이상의 기법을 이용하여 섬유에 적용시킬 수 있다: 분무; 침지; 감열 필름; 열가소성 필름; 수지 주입; 및 건조 분말 코팅; 및 이들의 조합.
라스팅 절차(222)의 다양한 다른 실시태양에서, 모든 구성 재료(섬유, 멤브레인 등)는 자동화된 섬유 배치 공정에서 라스트 도구(또는 달리는, 암형 몰드)에 적용된다. 이러한 대용 라스팅 공정에서, 단섬유 토우 및/또는 시트 직물이 라스트 또는 몰드 도구에 적용되므로, 도 16 에 도시된 평평한-재료 제작 단계가 생략된다.
본 명세서를 독해하였을 때, 본 기술 분야의 전문가들은 이제, 적절한 환경하에서, 디자인 선호도, 제작 선호도, 비용, 구조적 요건, 가용 재료, 기술 발전 등과 같은 쟁점을 고려하여, 예를 들면, 통합 부가 예비성형 패치(integrating additional preformed patches), 스페이서, 토 범퍼(toe bumper), 엘라스토머성 삽입물, 천 또는 피역 외면층, 및 갑피 구성요소의 경화 이전에 레이업을 가진 유사한 피처와 같은 다른 레이업 및 라스팅 배열이 충분할 수도 있다는 사실을 인지할 수 있을 것이다.
따라서, 상기에서 기술된 바와 같이, 복합체 갑피의 레이업은 하기의 비제한적인 기법 목록 중의 하나 이상의 기법에 의해 달성될 수 있다: 자동화 레이업; 자동화 레이업과 조합된 수동 레이업; 저용량 및 습관적인 작업을 위한 완전한 수동 레이업; (일반적으로는 도 16 에 도시되어 있는 바와 같은) 평면 레이업; 부분 예비성형 레이업; 수형 라스트 상에서의 레이업(단일 토우 배치 및/또는 직물 드레이핑); 암형 도구내에서의 레이업(단일 토우 섬유 배치 및/또는 직물 드레이핑); 및 자동화 "도구상" 레이업(이로 인하여 모든 섬유 배치가 라스트 또는 몰드 도구상에서 발생한다); 및 이들의 조합.
도 19 는 도 11 의 복합체 신발류 갑피의 제조시에 채용할 수 있는 일차 통합 및 경화 방법론을 예시하는 개략도를 도시한 것이다. 이러한 예에서, 경질의 암형 도구(252)는 암형-몰드 경화 공정을 구현하는데 사용된다. 이러한 제작 기법에서, 내부 (즉 외측) 압력이 통합을 위해 사용된다.
예시적인 암형-몰드 경화 공정에서, 복합체 레이업은 암형 몰드의 내부 표면과 하이드로폼-타입 맨드렐, 팽창가능한 격막, 또는 유사한 엘라스토머성 블래더 사이에서 암형 도구(252)의 캐비티내에 위치된다. 가압 유체는 바람직하게는 엘라스토머성 도구를 팽창시키고 암형 도구(252)의 내부 표면에 대하여 복합체 레이업을 가압하는데 사용된다. 대부분의 경우, 유체 및/또는 도구는 접착성 중합체 매트릭스의 경화를 촉진하기 위하여 가열된다. 경화 사이클리 완결되었을 때, 팽창가능한 엘라스토머성 도구는 수축되며, 경화되거나 B-단계 갑피 구성요소는 암형 도구(252)로부터 제거된다. 도 19 에 도식적으로 도시되어 있는 바와 같은(및, 다른 실시태양에서는, 도 7a-c 에 도시된 바와 같은) 이러한 예시적인 기법은 복잡한 외부 상세정보 또는 완성된 외관을 필요로 하는 복합체 갑피의 제조에 매우 적합하다.
다른 방법으로, 팽창가능한 라스트(220)는 암형 도구(252)와 조합으로 사용된다. 이러한 경우, 라스트는 완성된 갑피 구성요소로부터 제거될 수 있을 정도로 충분히 축소되는 능력을 우선적으로 유지하면서 라스팅 절차(222)(예를 들면, 도 18 참조) 도중에 레이업을 허용하기에 충분히 강성이다.
도 20 은 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피의 제조시에 이용할 수 있는 이차 통합 및 경화 방법론을 예시하는 개략도를 도시한 것이다. 도 20 은 일반적으로는, 예를 들면, 실질적으로 강성의 수형 라스트(220)를 사용하는 수형 몰드 공정을 도시한 것이다. 이러한 예시적인 제작 기법에서, 외부 압력은 복합체 재료들을 통합하는데 사용된다. 이러한 기법은 갑피 구성요소내에 매끄러운 내부 표면을 제공하는데 유용하다.
이러한 수형-도구 공정은 진공 백, 엘라스토머성 외부 블래더, (압밀압력용의 압력 또는 열팽창을 이용하는) 몰드 박스 등의 구현을 포함할 수 있다. 시스템은 진공 및/또는 대기 오토클레이브내에서의 경화와 호환될 수 있다. 강성의 수형 라스트(220)의 다양한 실시태양은 진공-보조 레이업을 제공하기 위한(예를 들면, 레이업 및 라스팅 절차 도중에 라스트에 구성 재료를 유지하기 위한) 진공 포트의 배열을 포함한다. 이러한 기법은 미경화, B-단계, C-단계 또는 열성형가능한 열가소성 매트릭스 보드 물품 또는 공학적으로 설계된 평평한 예비성형체내의 일방향 라미네이트의 평평한 시트를 신발상에 직접 사용하거나 또는 신발 형태 도구, 라스트, 또는 맨드렐 상에 적용하기 위한 삼차원적으로 성형된 예비성형체로서 직접 사용하기 위한 삼차원 형상으로 성형하기 위한 초소성 성형 기법 및 기타 다른 유사한 압력 또는 진공 성형 기법을 이용하는데 채용될 수도 있다.
초소성 성형 타입 시스템의 실시태양은 도 27 에 도시되어 있다. 도 27 에서, 갑피(185)는 원-스텝 작업에서와 같이 패턴화된 패널로 절단되고, 3D 형상으로 성형되고 함께 적층된 열가소성 매트릭스를 가진 다방향성의 넓은 물품의 가소적으로 성형된 평평한 시트(들)을 포함한다. 도 28 및 도 29 는 , 레이싱 하중(lacing load)을 갑피의 셸내로 통합하는 통합된 루프형 스트랩 요소의 결합을 포함하는, 수형 형태 도구상의 유니테이프 층 및 다른 구조 요소의 플라이-바이-플라이 레이업의 실시태양을 도시한 것이다. 이러한 레이싱용의 스트랩 요소는 레이스에서 얇은 경량 갑피내로 하중 분산을 균일하고 신뢰성 있게 도입하고, 개별 신발 용도 및 디자인의 개별적인 의도된 목적에 대하여 착용자의 하중 전달을 최적화하기 위하여 채널 및 직접 하중에 대한 신발내의 하중 경로의 최적의 공학적 설계가 가능한 강한 루프를 제공한다.
도 28 및 도 29 에 도시되어 있는 바와 같은 다양한 실시태양에서, 갑피는 갑피의 바닥부 주위에서 연속적이며, 신발 양측의 하중 경로는 갑피 셸에 통합된다. 이러한 하중 경로 연속성 능력은 독특하며, 잠재적으로 하부로부터 갑피의 구조적 디커플링을 가능하게 하여 기본 구조 하중을 전달하는 하부가 필요 없다. 이러한 하중 경로 연속성 능력은 갑피에서 보다 효과적인 하중 경로 설계 최적화 및 하중 관리를 가능하게 하면서 잠재적으로 충격 흡수 및 하중 분배의 최적화를 가능하게 한다. 또한, 점탄성 층은 고강도와 저신축성 구조적 연결부 사이에 통합될 수 있으며, 갑피의 신발 구조는 충격을 관리하고, 런닝 또는 다른 운동시에 충돌을 완충하며, 발로 공을 키킹함으로써 잠시 동안 일시적인 신발/공 충돌 상황이 발생하는 등의 격렬한 일시적인 충돌 상황하에서 신발 구조를 잠재적으로 강성화 할 수 있다. 키킹 충돌하에서 신발을 강성화하는 능력은 아직도 런닝 및 컷팅 방향에 대해 신발이 최적으로 순응할 수 있게 해주고 편안함을 유지하면서도 키커의 키킹 능력을 향상시킨다. 일시적인 키킹 충돌 하중을 받는 도중의 이러한 신발 구조의 잠시 동안의 강성화는 키킹하였을 때 키커의 근노력(muscle effort)을 더 많이 변환시켜 공에 더 많은 운동량을 부여하고 더 많은 힘을 전달하여 키커가 공을 더 빠르고 더 멀리 걷어 찰 수 있도록 키커의 발에서 공으로의 하중 전달을 잠재적으로 향상시키고 최적화시킨다. 신발의 강성화는 또한 잠재적으로는 키킹 정확도가 유연성 및 필수적인 쾌적도를 유지하도록 더 헐렁해져야만 하는 신발 이상으로 개선되도록 신발을 더 안정하게 만들어 준다.
도 20 의 수형-도구 경화 절차 또는 도 9 의 암형-도구 경화 절차에서, 몰드-도구 실시태양은 엘라스토머성 내부 및/또는 외부 몰드 표면을 포함하는 엘라스토머성 몰드 박스/분할 몰드(split mold)를 사용할 수 있다. 어느 절차에서는, 몰드 도구는, 도 21 에 도식적으로 도시되어 있는 바와 같이, 내측 및/또는 외측 구성요소 특징을 생성시키기 위하여 사출 공동-성형(injection co-molding)을 추가로 이용할 수 있다.
사출 공동-성형은 수지를 건조 섬유 또는 특히 함침된 재료 또는 예비성형체내로 주입하거나 사출하는데 사용될 수 있거나, 달리는 합금 하이브리드 수지 또는 접착제 시스템을 형성하기 위하여 하이브리드 또는 사출가능한 열가소성 또는 열경화성을 수지를 생성하는데 사용될 수 있다.
수지 사출은 또한 내부를 재생하고/하거나 양각 패턴, 형상 등과 같은 내부 및 외부 몰드 표면에 내장된 구성요소 형상, 텍스쳐 또는 표면 상태를 외부로 전달하며, 도 21 에 도식적으로 도시되어 있는 바와 같이, 도구 또는 표면 층의 표면에 통합하는데 사용될 수 있다.
내부 및 외부 몰드 표면도 또한 패턴, 형상, 기하학적 형상, 엠보싱된 인조피혁 또는 천 텍스쳐, 홈, 구멍, 그래픽, 모조 스티칭 또는 이음매, 그래픽, 로고, 광택 또는 무광택 표면 상태를 제공하기 위하여 성형, 에칭 또는 기계가공 패턴, 텍스쳐, 부정적 또는 긍정적인 느낌, 또는 포켓을 통합할 수 있다. 표면은 분무와 같은 다양한 방법을 이용하여 형성시킬 수 있으며, 패턴화된 몰드 표면에 직접 적용된 브러싱되거나 침지된 표면 수지, 도구의 표면에 가열 또는 진공 성형된 유연하거나 성형된 표면 필름, 또는 몰드 패턴은 몰드의 표면에서 몰드상의 패턴을 수용하고 전달하도록 특별하게 설계된 갑피에 적용된 인상적인 표면 마감부로 직접 전달될 수 있다.
힐 카운터(heel counter), 보강재 및 미드솔(midsole)과 같은 인서트는 예비성형된 열가소성 수지, 열경화성 매트릭스 탄소 섬유 또는 유리 섬유 보강된 예비성형되거나 예비제작된 디테일을 사용하는 원샷 공정(one shot process) 도중에 직접 성형할 수 있거나, 또는 호환성 열경화성 매트릭스를 사용하여 갑피에 함께 경화시킬 수 있다.
토 범퍼, 힐 카운터, 아플리케, 키킹용 볼 또는 찰과상 보호대용의 용품 또는 패드와 같은 피쳐(features)는 원샷 공정 또는 이차 공정으로서 갑피의 성형 공정 도중에 구성요소를 갑피에 위치시키고 결합시키기 위하여 구성요소의 음각부를 형성하는 포켓 또는 노출부에 배치될 수 있다. 토 범퍼와 같은 피쳐는 완전히 또는 부분 경화된 엘라스토머 또는 성형된 열가소성 물질일 수 있다. 결합은 본원에서 논의된 방법을 경유하거나 또는 부분 경화된 엘라스토머의 경우에는 공동-경화를 경유할 수 있다. 갑피 또는 표면 코팅의 접착제 매트릭스는 경우에 따라서는 디테일을 결합하는데 대안적으로 사용될 수 있다.
이러한 표면 디테일도 또한 현재의 신발 제조에 사용되는 유사한 기법을 이용하여 성형 단계 이후에 결합될 수 있다.
도 21 은 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피(102)에 마감 구성요소를 적용하는 한 가지 방법을 예시하는 도식을 도시한 것이다. 도 21 은 일반적으로는 무엇이 "원샷" 포괄 성형으로서 기술될 수 있는 지를 도시한 것이다. 이 과정에서, 외부 피쳐(예를 들면, 밑창 구성요소(254), 성형 카운터, 등)는 경화 단계(210) 도중에 폐쇄된 몰드 도구내에서 적용된다. 이러한 "원샷" 포괄 성형은 도시되어 있는 바와 같이 개량된 사출 성형 공정을 이용할 수 있다. 시스템의 예시적인 배열에서, 암형 도구(252)은 도시되어 있는 바와 같이 하나 이상의 중합체 사출 성형 구성요소(256)를 포함하도록 개량된다. 다양한 실시태양에서, 하나 이상의 엘라스토머성 중합체가, 예를 들면, 탄성 밑창 구성요소를 형성시키기 위하여 몰드 도구내로 주입된다. 경화 공정은 복합체 신발류 갑피(102)와 주입된 구성요소 사이에 영구 접속을 형성한다. 분사 시기 및 중합체 화학물질은 갑피 구성요소를 형성하는 복합체 재료의 경화 사이클과의 혼환성을 최대화하도록 선택될 수 있다. 다양한 엘라스토머성 재료가 요구되는 기계적 성능, 성형 공정, 비용 등을 기초로 선택된다. 다양한 사출 재료로는 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 발포 폴리우레탄, 가요성 폴리비닐클로라이드, 점탄성 재료 등을 들 수 있지만, 이들로 국한되는 것은 아니다.
도 22 는 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피에 마감 구성요소를 적용하는 방법의 실시태양을 예시하는 도식을 도시한 것이다. 이러한 예시적인 방법에서는, 하나 이상의 엘라스토머성 재료(251)가 예비경화되거나 미경화된 복합체 신발류 갑피(102)를 함유하는 개방된 다중-부분 몰드내로 도입된다. 이어서, 다중-부분 몰드의 몰드 부분을 조립하여 밑창 구성요소의 피쳐에 상응하는 내부 형상을 갖는 실질적으로 폐쇄된 네거티브-형태 캐비티를 형성한다. 예시된 공정은 복합체 신발류 갑피(102)와 성형된 구성요소 사이에 영구 접속을 형성한다.
도 23 은 일반적으로는 도 11 의 복합체 신발류 갑피에 마감 구성요소를 적용하는 또 다른 대용 방법을 예시하는 도식을 도시한 것이다. 이러한 대용 방법에서, 예비성형된 밑창은 경화된 복합체 신발류 갑피(102)에 결합되거나 아니면 영구적으로 고정된다.
본 발명에 따른 다양한 삼차원적 일체형 부품은, 단위 성능당 개별비용이 낮은 고성능 섬유를 사용하고, 저가의 입수가 용이한 고 데니어 토우를 얇은 경량의 유니테이프로 전환하는 비용이 저렴하며, 갑피의 제작 및 제조를 자동화하는 잠재적 능력을 가진 "원샷 몰드 시스템"을 완성된 갑피를 제조하는데 사용하기 때문에 비교적 저렴하다. 갑피가 원샷 공정으로서 하부에 결합되는 경우에는 또한 비용도 감소될 수 있다. (주로 정밀 공차 3D 성형에 기인하는) 양호한 형상 정확도(shape fidelity)는, 많은 다른 장점들 중에서도, 효율적인 다운스트림 제조 및 제조 단계의 나머지 부분의 자동화를 가능하게 하며, 양호한 압력 무결성을 포함하고, 구조적 디테일(가죽 끈, 부착점 등)의 양호한 통합성을 포함하고, 누출에 실패하거나 유발하는 이음매를 전혀 포함하지 않으며, 균일한 변형율을 포함한다.
본 명세서를 독해하였을 때, 본 기술 분야의 전문가들은 이제, 적절한 환경하에서, 디자인 선호도, 사용자 선호도, 마케팅 선호도, 비용, 구조적 요건, 가용 재료, 기술적인 진보 등과 같은 쟁점을 고려하여, 예를 들면, 재료가 오토클레이브의 내측 또는 외측에서 경화될 수 있고, 정확한 재료 유니테이프 및 다른 구성요소가 축외 및 축상 섬유 방향에서 재료의 모듈러스를 제어하도록 변경될 수 있는 등의 다른 재료 배열이 충분할 수도 있다는 사실을 인지할 수 있을 것이다.
또한, 본 명세서를 독해하였을 때, 본 기술 분야의 전문가들은 이제, 적절한 상황하에서, 디자인 선호도, 사용자 선호도, 마케팅 선호도, 비용, 구조적 요건, 가용 재료, 기술적인 진보 등과 같은 쟁점을 고려하여, 예를 들면, 기존의 표면 코팅을 제거하고 CT71 을 접착제 및 코팅 모두에 사용하는 등의 다른 접착제 배열이 충분할 수도 있다는 사실을 인지할 수 있을 것이다. 이와 달리, 섬유가 그 자체로 및/또는 표면 코팅에 용접가능한 경우에는 접착제가 전혀 필요하지 않을 수 있다.
또한, 본 명세서를 독해하였을 때, 본 기술 분야의 전문가들은 이제, 적절한 환경하에서, 디자인 선호도, 사용자 선호도, 마케팅 선호도, 비용, 구조적 요건, 가용 재료, 기술적인 진보 등과 같은 쟁점을 고려하여, 하기에 표시된 것들과 같은, 성능 및 사용성을 개선하기 위한 다른 재료 및 적층 배열이 거론될 수도 있다는 사실을 인지할 수 있을 것이다:
i 수지
1. 강인화제(Toughening agent)
2. 통기성 접착제
3. 비-통기성 접착제
4. FR 첨가제
5. 항균성 첨가제
6. 기타 수지
a. 수계
b. PU
ii. 박막
1. 통기성 필름
2. 비통기성 필름
3. 방향성 강막(Directionally strong films)
iii. 텍스쳐가 부가될 수 있음
iv. 마모층
1. 직포 나일론
2. 직포 폴리에스테르
3. 부직포
4. 슈퍼패브릭®(SuperFabric®)
v. 부직층
1. 외부 표면 위
2. 플라이 사이
vi. 유니테이프 섬유
1. 섬유 타입
a. 아라미드
b. 파라 아라미드
c. 액정 중합체
d. UHMWPE
e. 폴리에스테르
f. 폴리아미드(나일론)
g. 폴리벤즈이미다졸
2. 수지 함량
a. 증가
b. 감소
3. 섬유의 양
a. 증가
b. 감소
4. 유니테이프 섬유 하이브리드
a. 층내(Intra laminar)
b. 층간(Inter laminar)
vii. 플라이 번수(ply count)는 변할 수 있음
viii. 플라이당 유니테이프는 변할 수 있음
ix. 유니테이프 방향은 변할 수 있음
또한, 본 명세서를 독해하였을 때, 본 기술 분야의 전문가들은 이제, 적절한 환경하에서, 디자인 선호도, 사용자 선호도, 마케팅 선호도, 비용, 구조적 요건, 가용 재료, 기술적인 진보 등과 같은 쟁점을 고려하여, 예를 들면, 의료 보조기, 안전 장치(폴 스트랩(fall strap))와 같은 다른 용도가 충분할 수도 있다는 사실을 인지할 수 있을 것이다.
본 기술 분야의 전문가들은 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고서도 본 발명에서 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있음은 잘 알고 있을 것이다. 따라서, 본 발명이 이러한 본 발명의 변형 및 변경을 포함하지만, 그들이 첨부된 특허청구범위 및 그의 등가물의 범주내에 속해야 한다는 사실을 알아야 한다.
이와 마찬가지로, 다수의 특성 및 장점을 장치 및/또는 방법의 구조 및 기능의 상세한 내용과 함께 다양한 대안을 포함하여 상기 상세한 설명부분에서 설명하였다. 개시된 내용은 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 그것이 모든 것을 망라하는 것으로 간주되어서는 안된다. 특히, 본 발명의 개시내용의 원리내에서 첨부된 특허청구범위에 표현된 광범위하고 일반적인 의미에 의해 지시되는 전체 범위까지 그들의 조합을 포함하는 부품의 구조, 재료, 요소, 구성요소, 형상, 크기 및 배열에 있어서 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 사실은 본 기술 분야의 전문가들에게 자명할 것이다. 이러한 다양한 변형이 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 한, 이러한 변형은 본 발명에 포함되는 것으로 간주된다.

Claims (3)

  1. (a) 수형 몰드(male mold) 또는 암형 몰드(female mold)를 제공하는 단계;
    (b)(i) 상기 수형 몰드상에 또는 상기 암형 몰드내에 적어도 하나의 일방향성 테이프 층을 적용하고; (ii) 상기 일방향성 테이프 층 상에 또는 아래에 이형 라이너를 적용함으로써, 상기 수형 몰드상에서 또는 상기 암형 몰드내에서 복합체 레이업(layup)을 구성하는 단계;
    (c) 상기 복합체 레이업을 경화시켜 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품을 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품을 상기 수형 또는 암형 몰드로부터 제거하거나, 또는 상기 수형 또는 암형 몰드를 용해 또는 용융시키는 단계
    를 포함하는, 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품을 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합체 레이업을 구성하는 단계가, 상기 수형 몰드상에 또는 상기 암형 몰드내에, 직포 직물, 부직포 직물, 유니테이프(unitape), 필름 또는 멤브레인 층 또는 표면 코팅 중 임의의 개수 및 조합을 적용하는 것을 더 포함하는, 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항의 방법에 의해 제조된 삼차원 형상의 가요성 복합체 부품.
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