KR20150082597A - 가요성 합성 물질로부터의 삼차원 제품 - Google Patents

가요성 합성 물질로부터의 삼차원 제품 Download PDF

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KR20150082597A
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로랜드 조셉 다운즈
크리스토퍼 미카엘 아담스
존 미카엘 홀웨거
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큐빅 테크 코포레이션
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Abstract

본 발명은 가요성의 합성 물질을 포함하는 3차원 제품, 상기 3차원 제품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 시스템은 에어백/팽창구조물, 가방, 신발, 및 유사한 3차원 제품과 같은 완제품(finished products)에 유용한 무솔기식의 3차원 형상 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 바람직한 제조 프로세스는 합성 몰딩 방법을 특정한 전구 물질(precursor material)과 결합하여 가요성이면서 접을 수 있는 섬유-보강된 연속적인 성형 제품을 형성한다.

Description

가요성 합성 물질로부터의 삼차원 제품{THREEDIMENSIONAL ARTICLES FROM FLEXIBLE COMPOSITE MATERIALS}
본 발명은 가요성 합성 물질로부터 3차원 제품을 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 본 발명은 가요성 합성 물질에 기반하는, 에어백/팽창식 구조물, 백, 슈즈, 및 유사한 3차원 제품을 위한 3차원 형상의 제품을 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
직물 관련 제품에 관해, 특히 의류 및 신발, 캠핑 및 하이킹 상품, 편리한 방호복, 보호형 팽창식 등과 같은 직물-관련 제품에 대해 중량, 강성, 투과성, 방수능력, 투습성(breathability), 색상, 성형성, 비용, 맞춤성, 유연성, 포장-가능성, 등등의 속성의 다양한 조합을 최적화하는데 지속적인 어려움이 있었다.
예를 들어, 현재 시장 추세는 에어크래프트, 버스 및 기차/고속 레일 시스템을 포함하는 많은 새로운 애플리케리션으로 및 스포츠 활동, 모터싸이클, 모터스포츠, 또는 군대용 애플리케이션에서 개인의 머리 및 목 고정을 위해, 자동 에어백 기술의 팽창을 예상한다. 이 동일한 기술은 일반적으로 비상시 및 다른 상업적인 부양 시스템(floatation system), 비상 부양 조끼 및 기어, 눈사태 방지, 기름 & 화학제품 유출 제어, 야외 애플리케이션용 물 블레더 저장소, 백팩, 비비 및 보관 시스템을 갖는다. 에어백 기술의 추세는 충격 및 펑크를 견디는 매우 경량이고, 얇고, 고강도이며, 압력 밀폐형 봉투의 개발을 특히 중요하게 여긴다.
많은 스포츠 활동에 대해, 참가자의 웨어러블 장비의 중량 및 강도에 큰 중요성을 둔다. 이것은 특히 주요 목표가 가능한 한 가볍지만 동시에 필수적인 생체역학적 구조 지원 특성을 유지하는 것인 스포츠 및 운동화에 있어서 사실이다.
적어도 이러한 이유로, 줄어든 중량 및 필요한 구조적 성능을 갖는 새로운 비용 효율적인 직물 관련 제품과, 직물 관련 제품 제조 방법 및 시스템의 개발은 큰 도움이 될 것이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다양한 양태에서, 다양한 가요성 합성 물질로부터 3차원 제품을 생산하는 시스템 및 방법이 개시된다.
본 발명의 다양한 양태에서, 가요성 합성 물질로부터 3차원 제품을 생산하기 위한 시스템과 함께, 개선된 모노필라멘트-관련 제품, 방법 및 장비가 제공된다.
본 발명의 다양한 양태에서, 여기에 교시되고 포함된 기술 및 유용한 기법을 사용하여, 직물-관련 제품을 제조 및 설계하기 위한 시스템이 기재된다.
본 발명의 다양한 양태에서, 중량, 강성, 투과성, 방수능력, 투습성, 색상, 성형성, 비용, 맞춤성, 유연성, 포장-가능성 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 직물 관련 제품의 특성 및 이러한 특성의 소정의 조합의 효과적인 제어의 개선이 개시된다.
본 발명의 다양한 양태에서, 가요성 합성 물질에 기반하고 에어백에 대해 사용 가능하고, 일반적으로 팽창식 구조이고, 백, 구두, 및 유사한 3차원 제품인 3차원 형상 제품을 제조하는 방법이 개시된다.
본 발명의 다양한 양태에서, 제조 시스템은 직물-관련 제품상의 소정의 위치에서, 강도, 유연성, 및 탄성 특성의 방향 제어에 미세 조정을 제공한다.
본 발명의 다양한 양태에서, 직물-관련 제품은 극단적인 가벼운 무게를 극단적인 강도와 조합한다.
본 발명에 따르면 전술한 먹적을 달성할 수 있다.
첨부되는 도면은 본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되고, 이 명세서에 통합되고 이 명세서의 일부를 구성하고, 본 발명의 실시예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는 통상적인 직물 재료에 인접하여 얇게 가공된 가요성 합성 물질의 측면도이고,
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는 3차원 가요성 합성 제품의 투시도이고,
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는 3차원 제품을 생산하기 위해 사용되는 도구 및 몰딩 배열의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는 바람직한 제품을 생산하기 위해 사용되는 대안적인 도구 및 몰딩 배열의 단면도이고,
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는 도4의 바람직한 도구 및 몰딜 배열의 단면도이고,
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는 도4의 바람직한 도구 몰딩 배열의 단면도이고,
도 7의 (a), (b), (c)는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 바람직한 가요성 합성 제품의 생산을 위한 대안적인 바람직한 단계, 도구, 및 몰딩 배열을 일반적으로 예시하는 개략도이고,
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 개선된 부하 운반 능력을 위한 부착 지점, 관통 홀, 및 보강 스트랩을 위한 통합 구조 보강재를 포함하는 가요성 합성 제품을 개략적으로 예시하는 투시도이고,
도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 둘 이상의 모노필라멘트, 섬유 또는 상이한 섬유를 포함하는 대체 유니테이프(unitapes)를 사용하는 토우(tow)로 만들어진 대체 가요성 합성 물질을 개략적으로 예시하는 단면도이고,
도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 둘 이상의 모노필라멘트, 섬유 또는 상이한 섬유를 포함하는 대체 유니테이프를 사용하는 토우로 만들어진 대체 가요성 합성 물질을 개략적으로 예시하는 단면도이고,
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 합성 신발류 갑피(upper)를 개략적으로 예시하는 투시도이고,
도 12a는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 가공된 합성 신발류 갑피를 개략적으로 예시하는 측면도이고,
도 12b는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 가공된 합성 신발류 갑피를 개략적으로 예시하는 측면도이고,
도 13은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 도11의 합성 신발류 갑피의 구조와 일치하는 바람직한 합성 구조를 예시하는 부분 전개도이고,
도 14는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 다수의 구두 애플리케이션에서 사용할 수 있는 모듈 가공된 합성 신발류 갑피를 생산하는 바람직한 방법을 일반적으로 예시하는 도면이고,
도 15는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 도11의 합성 신발류 갑피를 생산하는 하나의 바람직한 방법을 일반적으로 예시하는 도면이고,
도 16은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 도11의 합성 신발류 갑피의 생산시 이용되는 초기 제조 단계 셋을 일반적으로 예시하는 도면이고,
도 17은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 합성 신발류 갑피를 구성할 수 있는 평면 합성 부품을 개략적으로 예시하는 평면도이고,
도 18은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 도11의 합성 신발류 갑피의 생산시 이용되는 후속 제조 단계을 일반적으로 예시하는 도면이고,
도 19는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 합성 신발류 갑피의 생산시 채용가능한 제 1 통합 및 경화방법을 일반적으로 예시하는 도면이고,
도 20은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 도11의 합성 신발류 갑피의 생산시 채용가능한 제 2 통합 및 경화방법을 일반적으로 예시하는 도면이고,
도 21은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 도11의 합성 신발류 갑피에 마무리 부품을 적용하는 예시적인 방법을 일반적으로 예시하는 도면이고,
도 22는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 도11의 합성 신발류 갑피에 마무리 부품을 적용하는 다른 예시적인 방법을 일반적으로 예시하는 도면이고,
도 23은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 도11의 합성 신발류 갑피에 마무리 부품을 적용하는 다른 예시적인 방법을 일반적으로 예시하는 도면이고,
도 24는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 경화된 형상 기억 폴리머(Shape Memory Polymer, SMP)로부터 구성된 튜브의 실시예를 나타내고,
도 25는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 자형 몰드 내에 추가로 형성된 SMP의 튜브를 나타내고,
도 26은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 경화된 형태의 도구에 섬유 토우를 적용을 나타내고,
도 27은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 수퍼 플라스틱 구성형 시스템의 실시예를 나타내고,
도 28은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 수형 도구 위에 유니테이프 층과 다른 구조적 요소를 겹겹이 레이업한 실시예를 나타내고,
도 29는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는, 수형 도구 위에 유니테이프 층과 다른 구조적 요소를 겹겹이 레이업한 다른 실시예를 나타낸다.
다음의 설명은 오직 다양한 예시적인 실시예의 설명이며, 어떤 방식으로든 본 발명의 범위, 적용성, 또는 구성을 제한하기 위한 것이 아니다. 오히려, 다음의 설명은 최상의 모드를 포함하는 다양한 실시예를 구현하기 위한 편리한 그림을 제공하기 위한 것이다. 명백해지겠지만, 다양한 변형이 본 발명의 원리를 벗어나지 않고 이 실시예들에 기재된 요소의 기능 및 배열로 이뤄질 수 있다.
여기에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예는 일반적으로 보강 요소를 안에 포함하는 적층물을 포함하고, 이러하 보강 요소는 안에 모노필라멘트를 갖는 적어도 하나의 단방향성 테이프를 포함하고, 이러한 모노필라멘트는 테이프 안의 미리결정된 방향으로 놓여지고, 이러한 필라멘트는 40마이크론 미만의 직경을 갖고 모노필라멘트의 인접하는 증강 그룹 내의 각각의 모노필라멘트 사이의 간격은 인접하는 모노필라멘트와 유사하거나 모노필라멘트의 주요 직경의 50배까지인 비인접 모노필라멘트 사이의 범위의 간극 거리 내에 있다. 다양한 실시예에서, 비인접 모노필라멘트 사이의 범위의 간극 거리는 모노필라멘트의 주요 직경의 9배까지 일 수 있다.
본 발명에 따르는 적층물의 다양한 실시예에서, 다수의 모노필라멘트의 묶음을 구성하는 토우는 압출, 인출 또는 그렇지않으면 모노필라멘트의 다수의 토우로부터 컴퓨터 구조적 분석에 의한 설계 사양 또는 이전부터 존재하는 사양에 부합하도록 미리결정된 두께, 섬유 면밀도, 수지 매트릭스 코팅 또는 박음 사양의 실질적으로 평행 방향인 다수의 모노필라멘트를 구성하는 얇고 편평한 유니테이프로 변환된다. 또한, 보강 요소는 이러한 단방향성 테이프를 적어도 두개 포함할 수 있으며, 각각은 돌출된 모노필라멘트를 갖고, 이러한 모노필라멘트 모두는 테이프내의 미리결정된 방향으로 놓여지고, 이러한 모노필라멘트는 40 마이크론 미만의 직경을 갖고, 모노필라멘트의 인접하는 보강 그룹 내의 각각의 모노필라멘트 사이의 간격은 인접하는 모노필라멘트에 인접하거나 모노필라멘트의 주요 직경의 50배까지인 비인접 모노필라멘트 사이의 범위의 간극 거리 내에 있다. 다양한 실시예에서, 비인접 모노필라멘트 사이의 범위의 간극 거리는 모노필라멘트의 주요 직경의 9배까지 일 수 있다. 다양한 실시예에서, 단방향성 테이프는 어떤 모노필라멘트도 없는 큰 구역을 포함하며, 이러한 큰 구역은 모노필라멘트가 없는 작은 구역을 포함하는 판상 오버레이(laminar overlay)를 포함한다.
사용되는 특정 유니테이프에 대한 사양은 상이한 섬유 면밀도, 수지 사양, 도포 사양, 층 두께 섬유 종류를 가질 수 있으며, 둘 이상의 섬유의 상이한 혼합이 들어있을 수 있다.
본 발명에 따르는 적층물의 다양한 실시예에서, 작은 구역은 사용자-기획 배열을 포함한다. 다양한 실시예에서, 적층물은 이러한 작은 구역의 판상 오버레이를 포함하는 한 세트의 물-통기성 또는 방수/투습(W/B) 요소를 추가로 포함한다. 또한, 적층물은 다른 한 세트의 판상 오버레이를 포함할 수 있다. 게다가, 본 발명에 따르는 적층물은 적어도 두 개의 단방향성 테이프 중 두번째 것과는 상이한 미리결정된 방향으로 놓이는 모노필라멘트를 포함하는 적어도 두 개의 단방향성 테이프 중 첫번째 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 이러한 적어도 두 개의 단방향성 테이프의 상이한 미리결정된 방향의 조합은 사용자 선택되어 계획된 방향성 경도/유연성을 갖는 적층 특성을 얻는다. 또한 다양한 실시예에서, 적층물은 3차원 형상의 가요성 합성 부품을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 3차원 형상의 가요성 합성 부품은 주변 접합부를 따라 부착된 다수의 적층 세거먼트를 포함한다. 다양한 실시예에서, 3차원 형상의 가요성 합성 부품은 주변 조인트를 따라 적어도 하나의 비-적층 세그먼트에 부착된 적어도 하나의 적층 세그먼트를 포함한다. 다양한 실시예에서, 이러한 제품은 면 접합부를 따라 부착된 다수의 적층 세그먼트를 포함할 수 있다.
본 발명의 각종 실시예에서, 패브릭-연관 제품은 면접합부(area joints)를 따라 적어도 하나의 적어도 하나의 비적층 세그먼트(non-laminate segment)에 부착된 적어도 하나의 적층 세그먼트를 포함한다. 이러한 제품은 적어도 하나의 유니테이프(unitape) 세그먼트에 면접합부를 따라 부착된 적어도 하나의 적층 세그먼트를 포함할 수도 있다. 부가적으로, 이러한 제품은 적어도 하나의 모노필라멘트(monofilament)에 면접합부를 따라 부착된 적어도 하나의 적층 세그먼트를 포함할 수도 있다. 각종 실시예에서, 이러한 제품은 적어도 하나의 강성 구성요소(rigid element)를 더 포함할 수도 있다. 본 발명의 각종 실시예에서, 적어도 하나의 단방향(unidirectional) 테이프가 그러한 제품에 부착될 수도 있다.
본 발명의 각종 실시예에서, 3차원 형상의 가요성 합성 부품(composite parts)을 생성하기 위한 방법은, 호환가능한 구성을 가진 적어도 하나의 웅형(male) 몰드와 자형(female) 몰드를 제공하는 단계; 적어도 하나의 제1 섬유 보강 스크림(scrim)을 상기 적어도 하나의 웅형 몰드 위에 인가(applying)하는 단계 - 여기서 섬유 보강 스크림은 상이한 방향(orientations)로 배치된 단?향 섬유의 둘 이상의 레이어를 포함함 -; 옵션적으로 적어도 하나의 웅형 몰드와 적어도 하나의 제1 섬유 보강 스크림의 위에 적어도 하나의 제2 섬유 보강 스크림을 인가하는 단계 - 여기서 제2 섬유 보강 스크림은 상이한 방향으로 배치된 단방향 섬유의 둘 이상의 레이어를 포함함 - ; 옵션적으로, 제1 합성 레이업(composite layup)을 형성하도록 적어도 하나의 웅형 몰드, 적어도 하나의 제1 섬유 보강 스크림, 및 제2 섬유-보강 스크림의 위에 적어도 하나의 제1 표면 레이어를 인가하는 단계; 옵적어도 하나의 웅형 몰드로부터 제1 합성 레이업을 제거하고 제1 합성 레이업을 뒤집은 구성으로(invered configuration)으로 적어도 하나의 자형 몰드 내에 배치하는 단계; 옵션적으로 적어도 하나의 웅형 몰드에 릴리즈 라이너(release liner)를 인가하는 것으로, 릴리즈 라이너를 사용하는 단계; 적어도 하나의 웅형 몰드로부터 적어도 하나의 릴리즈 라이너를 제거하고 릴리즈 라이너를 뒤집은 구성으로 적어도 하나의 자형 몰드 내에 제1 합성 레이업 위에 배치하는 단계; 옵션적으로 적어도 하나의 제2 표면 레이어를 적어도 하나의 웅형 몰드 위에 인가하는 단계; 적어도 하나의 제3 섬유 보강 스크림을 적어도 하나의 웅형 몰드와 적어도 하나의 제2 표면 레이어 위에 인가하는 단계 - 상기 제3 섬유 보강 스크림은 상이한 방향으로 배치된 단방향 섬유의 둘 이상의 레이어를 포함함 - ; 옵션적으로 적어도 하나의 제4 섬유 보강 스크림을 적어도 하나의 웅형 몰드, 적어도 하나의 제3 섬유 보강 스크림, 및 적어도 하나의 제2 표면 위에, 제2 합성 레이업을 형성하도록 인가하는 단계 - 여기서 제4 섬유 보강 스크림은 상이한 방향으로 배치된 단방향 섬유의 둘 이상의 레이어를 포함함 - ; 제2 합성 레이업을 적어도 하나의 웅형 몰드로부터 제거하고 제2 합성 레이업을 뒤집은 구성으로 적어도 하나의 자형 몰드 내에 제1 합성 레이업 위에 배치하는 단계; 적어도 하나의 제1 합성 레이업과 제2 합성 레이업의 주변 에지를 따라 결합(joining)하는 단계; 및 제1 합성 레이업과 제2 합성 레이업을, 적어도 하나의 3차원 형상 제품(article)을 형성하도록 경화(curing)하는 단계를 포함한다.
본 발명의 각종 실시예에서, 본 방법은 상기 제1 합성 레이업 내에 추가 레이어(additional layer)로서 옵션적인 제2 섬유 보강 스크림을 더 포함한다.
본 발명의 각종 실시예에서, 본 방법은 상기 제1 합성 레이업 내에 추가 레이어로서 옵션적인 제1 표면 레이어를 더 포함한다.
본 발명의 각종 실시예에서, 본 방법은 상기 제2 합성 레이업 내에 추가 레이어로서 옵션적인 제2 표면 레이어를 더 포함한다.
본 발명의 각종 실시예에서, 본 방법은 상기 제2 합성 레이업 내에 추가 레이어로서 옵션적인 제4 섬유 보강 스크림을 더 포함한다.
본 발명의 각종 실시예에서, 본 방법은 제1 합성 레이업과 제2 합성 레이업 사이에 배치된 옵션적인 적어도 하나의 릴리즈 라이너를 더 포함한다.
본 발명의 각종 실시예에서, 본 방법은 적어도 하나의 3차원 형상 제품의 팽창(inflation) 또는 다른 조정(manipulation)을 지원하기 위해 적어도 하나의 3차원 형상 제품 내에 적어도 하나의 개구(opening)를 형성하는 단계를 더 포함한다. 각종 실시예에서, 본 방법은 적어도 하나의 개구를 통해 적어도 하나의 릴리즈 라이너를 제거하는 단계를 더 포함한다. 각종 실시예에서, 적어도 하나의 3차원 형상 제품에 적어도 하나의 보강구조물(reinforcing structure)을 추가하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 각종 실시예에서, 적어도 하나의 3차원 형상 제품은 신발(shoe) 내에 통합된다. 각종 실시예에서, 적어도 하나의 3차원 형상 제품은 가방(bag) 내에 통합된다. 각종 실시예에서 적어도 하나의 3차원 형상 제품은 가스 불투과성으로 구성된다. 각종 실시예에서, 적어도 하나의 3차원 형상 제품은 방수성/통기성(waterproof/breathable)(W/B)을 가진다.
본 발명의 각종 실시예에서, 3차원 형상의 가요성 합성 부품을 생성하는 방법은: 중첩 솔기(overlap seam)의 영역을 형성하도록 제1 부품 사이드 위에 제1 부품 사이드를 폴딩(floding)하는 것에 의해 두개의 대칭적인 가요성 합성 부품를 결합(joining)하는 단계; 두개의 대칭적인 가요성 합성 부품을, 중공 내부를 가진 통합된 3차원 형상 가요성 합성 부품을 형성하도록, 경화하는 단계를 포함한다.
본 발명의 각종 실시예에 따르면, 본 시스템은 본 특허출원서에 의해 제안되는 새로운 특성, 구성요소, 조합, 단계 및/또는 방법을 제공한다.
본 명세서에 사용된 용어의 해설 및 정의
접착제(adhesive): 합성 물질을 결합하기 위해 사용된 경화성 수지(curable resin).
비등방성(anisotropic): 물질내의 한 포인트에서 방향이 변화되는 기계적 및/또는 물리적 특성을 가짐(예를 들면 등방성이 아님).
면중량(Areal weight): 단위 면적당 섬유의 중량, 종종 제곱미터 당 그램(g/m2)으로 표현됨.
오토클레이브(autoclave): 화학적 반응 또는 다른 처리를 받는 밀봉된 물건에, 가열 또는 가열없이, 유압(fluid pressure) 환경을 형성하기 위한 밀페된 용기(closed vessel).
B-스테이지: 본 명세서에서 일부 열경화성 수지(thermosetting resin)의 반응에 있어서 중간 스테이지로서 주로 정의됨. 최종 경화(cure) 이전에 제어 및 처리에 기여하는 소위 "프리프레그(prepregs)(수지침투가공제)"로 불리는, 침지전(pre impregnated) 이용된 가교 폴리머 접착제 또는 수지가 이 단계에서 미리 반응되곤 함.
C-스테이지: 특정 수지의 반응에서 최종 단계 - 물질이 비교적 비용해성(insoluble)이고 불가용성(infusable) 임 - .
경화(Cure): 화학적 반응에 의해 폴리머 수지의 특성이 비가역적으로 변화시킴. 경화는 촉매 및 가열의 존재하에서 또는 부재하에서, 경화제(가교(cross-linking))의 추가에 의해 수행됨. 용어 경화는 부분 프로세스(partical process) 또는 전체 프로세스(full process)로 언급될 수 있음.
데시텍스(decitex)(DTEX): 연속된 필라멘트 또는 얀(yarn)의 라이너 밀도의 단위, 텍스(tex)의 1/10 또는 데니어(denier)의 9/10.
다이니마(Dyneema®): DSM(Heerlen, The Netherlands)에 의해 공급되는 UHMWPE(ultra-high-molecular-weight polyethylene) 섬유의 브랜드.
섬유(fiber): 필라멘트와 동일한 일반적인 용어.
필라멘트(filament): 섬유-함유 물질의 최소 단위. 필라멘트는 일반적으로 길이가 길고 작은 직경을 가짐.
라스트(Last): 신발을 위한 3차원 형성 공구.
폴리머: 서로 링크된 모노머의 분자로 이루어진 유기 물질.
프리프레그(prepreg): 예비 경화 시트(a ready-to-cure sheet) 또는 테이프 물질, 수지는 B-스페이지에서 부분적으로 경화되고, 완전 경화 이전에 레이업 단계로 공급됨.
토우(Tow): 연속 필라멘트의 비꼬임식(untwisted), 꼬임식(twisted), 또는 엉킴식(engangled) 번들(묶음).
갑피(Upper): 발뒤꿈치로부터 발가락까지, 발의 상부를 덮는 신발의 부분.
UHMWPE: ultra-high-molecular-weight polyethylene. 폴리에틸렌의 매우 긴 체인(chains)으로 만들어진 폴리올레핀(polyolefin)의 일종. 상표 이름은 Spectraⓡ 과 Dyneemaⓡ을 포함함.
유니테이프(unitape): 단방향 테이프(또는 UD 테이프), 가요성의 보강 테이프(시트로 언급되기도 함)로서 보강 섬유(reinforcing fibers)의 균일한 또는 비균한 밀도(dense)를 가지고, 일반적으로는 접착제 수지 매트릭스와 평행하게 정렬되고 접착제 수지 매트릭스로 함침(impregnated)됨. 이 수지는 촉매제 또는 경화제를 종종 포함하고 프로세싱 동안 비가역성의 반응을 거치는 반응성(reactive) 가교 폴리머일 수 있으며, 또는 연속적인 가열과 냉각에 의해 재형성가능한 용해가능한 열가소성 수지일 수도 있음. UD 테이프는 B-스테이지화하고(B-staged), 많은 합성 패브릭의 기본 단위를 형성함.
점탄성 물질(viscoelastic material): 변형(deformation)을 거치는 동안 점성과 탄성을 모두 나타내는 물질. 이런 물질은 기계적 부하하에서 선형적 또는 비선형적 유동학적 응답(rheological response)을 나타낼 수도 있음.
도 1을 참조하면, 3차원 합성 제품 시스템(100)의 각종 실시예는 무솔기식의(seamless) 3차원 형상 제품(101)을 포함하고 이는 에어백/공기주입식(inflatable) 구조물, 가방, 신발, 및 가요성 합성 물질에 기반하는 기타 3차원 제품에 이용가능하다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 무솔기식(seamless)은 구조적으로 솔기가 없도록 일체적으로 본딩된 아이템으로 언급될 수 있다. 본 시스템의 제조 프로세스의 각종 실시예는 3차원 형상의 가요성 부품을 일체화된 구조와 방향성 섬유 보강으로 생성할 수 있다. 3차원 합성 제품 시스템(100)의 각종 제품은, 이에 한정되지는 않지만, 신발, 백팩/가방, 또는 에어백 또는 공과 같은 공기주입식 부품 등을 포함할 수 있다. 전통적인 3차원 형상의 직물의(textile)에서, 복잡한 형상으로 절단된 평편한 직물(goods)이 3차원 형상을 형성하기 위해 박음질되거나 꿰메진다(seamed). 본 발명에 따른 제조 프로세스의 각종 실시예에서, 합성 몰딩 방법(composite molding methods)은 새로운 전구체(precursor) 물질과 결합되어 가요성이면서 접이가능한(collapsible) 섬유-보강 연속 형상 제품을 형성한다.
도 1은 본 발명에 따른 얇게 제조된(engineered) 실질적으로 가요성의 합성 물질(103)의 실시예와, 두꺼운 종래의 직물의 비교를 위한 측면도를 더 나타낸다. 통상적으로, 본 발명의 방법은 종래의 물질보다 얇은 물질을 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 무솔기식의 3차원 형상의 제품의 사시도이다. 각종 실시예에서, 고강도 섬유와 최소 표면 코팅으로 인해 현존하는 패브릭보다 얇은 물질이 가능하다. 예를 들면, 에어백 분야에서, 얇은 합성 물질은 도 1에 도시한 바와 같이 감소된 패킹 체적을 가능하게 한다.
현재의 시장 트렌드는, 비행기, 버스, 기차/고속철도 시스템을 포함한 새로운 어플리케이션에 자동 에어백 기술이 확장되고 있으며, 스포츠, 모터사이클, 모터스포츠, 또는 군용 어플리케이션에 있어서 개인용 머리 및 목 지지를 위해 확장되고 있다. 이 동일한 기술은 응급 및 상업적 부유(floatation) 시스템, 비상 부유 조끼 및 옷(gear), 눈사태 보호(avalanche protection), 오일 및 화학적 유출물 제어, 블라더 댐(bladder dams), 아웃도어 어플리케이션을 위한 물 주머니 저장체(water bladder reservoirs), 백팩(backpacks), 비비(bivies)(즉, 천막, 작은 텐트 또는 쉘터(shelter)를 의미함) 및 통상적인 저장 시스템(storage system)에 적용될 수 있다.
에어백 기술에서의 트렌드는 충격과 터짐(puncture)에 저항하기 위해 경량의, 얇은, 고강도의, 다방향 보강된, 압력이 강하게 밀봉되는 것이 중요하다. 제어된 컴플라이언스(compliance)와 변형(deformation)은 쇼크를 흡수하고 충격 임펄스(impact impulse)을 조종하는데 이용될 수 있다. 사이드 커튼, 좌석 및 안전벨트 프로텍션용의 자동차 어플리케이션은 경량화되어야 하고, 가능하면 작은 부피로 패킹되어야하며, 최적의 전개와 보호를 위해 가장 유리한 3D 형상으로 형성될 수 있어야 한다. 대체로 복잡한 3D 형상은 강건해야만 하고, 높은 파열 압력(burst pressure)과 충격 및 터짐 저항력을 가져야하고, 모든 솔기(seam)/부착면(attachment)에서 파열 또는 결함없이 그들의 미리결정된 형상으로 팽창해야만 한다. 이들은 일반적으로 보관된 압력 팽창 매체의 제한된 크기로 인하여 높은 등급의 압력 무결성(pressure integrity)과 불투과성(impermeability)을 가질 필요가 있다. 많은 시스템은 충격 및/또는 전개 이후 백이 7-10분 정도 유지되는 동작 요건을 가지고, 일부 어플리케이션에서는 백이 팽창된 상태로 더 길게 유지되는 것이 바람직할 수도 있기 때문에 매우 중요하다. 일례로 헬리콥터 에어백 충돌 시스템에서, 초기 전개는 헬리콥터의 충격을 완충하지만, 수중에서 헬리콥터의 침몰을 방지하도록 부유성을 제공하기 위해 에어백은 팽창된 상태로 유지되어야만 한다.
팽창후 압력 및 재사용가능성이 유리한 다른 유사한 어플리케이션은 수상 용도(over-water use)를 위한 비행기 에어백이 있다.에어백은 상업 비행기에서 충격 보호에 바람직하지만 중량과 보관 부피는 이들 어플리케이션에 있어서 중요하다. 비행기는 물 위에서의 비상사태에 대해 이미 부유 장치(floatation device)를 기내에 보유할 것이 요구되고 있고, 착륙 충돌에 대한 충격 보호의 기능이 2차 부유 어플리케이션과 결합될 수 있다면 그러한 시스템의 활용도는 향상된다. 이 기술은 상업적 비행기의 비상 출구 슬라이더(egress slider)에도 동일하게 적용될 수 있고, 수상(over water) 비-충격 에어백 비상 출구 및 팽창 시스템(over water)에도 적용될 수 있다.
패킹, 전개 및 팽창 요건에 더하여, 본 발명에 따른 기술을 이용한 에어백 구축은 충돌/충격 전개 동안 생명 및 부상 보호와 충돌후 보호 기능을 제공하는 에어백의 능력을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 3차원 형상 제품(101)의 높은 강도와 기계적 특성은 예측가능한 형상으로 양호하게 제어된 전개력을 가진다. 백의 구조는 충격 흡수와 에너지 소멸을 위해 향상될 수 있고, 백의 충격 표면은 승객의 신체 상에서의 과도한 하중(load), 가속(accelerations) 및 회전(rotations)을 방지하기 위해 부드럽거나 마찰 계수 표면 특성으로 최적화될 수 있다.
손상 공차(damage tolerance), 터짐 저항, 찢어짐 또는 터짐 손상이 확대되는 것에 대한 극도하게 높은 저항력은 에어백으로 하여금 완전한 결함(failure) 또는 파열(bursting) 없이 국부적인 손상 이후에 기능을 지속할 수 있게 한다.
각종 실시예에서, 본 발명에 따른 3차원 형상 제품(101)의 높은 등급은 압력 무결성은 장시간의 팽창 뿐만 아니라 영구적인 팽창까지도 가능하게 하지만, 보관, 패킹, 가스 저장, 부피 제약을 만족하면서, 승객 보호를 향상하기 위해 에어백 시스템 내에 실실적인 다단(multistage) 팽창 가스 시스템의 병합도 가능하다. 물질의 내구성과 구성의 다른 이점은 본 발명에 따른 에어백이 재활용되고 여러번 사용될 수 있다는 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 하나의 스크림(scrim) 레이어가 웅형 몰드 상에서 신장(stretched)되고 몰드의 형상으로 경화된다(도 15 참조). 스크림은 두개 이상의 접착 코팅된 섬유 보강 레이어(adhesive coated fiber reinforced layer), 예를 들면 유니테이프(unitapes)로 이루어진다. 하나 이상의 스크림 레이어는 최종 물질의 치수 안정성(dimension stability)과 인열강도(tear strength)를 향상하기 위해 원한다면 추가될 수도 있다. 레이어의 수, 점착성 또는 섬유 종류, 표면 레이어 종류 또는 구성, 스크림의 초기 상태(미경화 또는 경화)는 모두 가변적이며, 본 발명의 기본 사상을 변경함이 없이 대체될 수 있다. 본 실시예의 적어도 하나의 바람직한 어플리케이션은 신발이고, 여기서 스크림은 "라스트(last)"의 둘레에서 신장될 수 있다. 본 발명에 따른 다양한 풋웨어(footwear) 실시예는 이항의 후반부에서 기술된다. 본 발명의 각종 실시예에서, 추가적인 유니테이프 레이어는 특정한 부하 경로(load paths)를 따른 신장을 제한하도록 추가될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 표면 레이어는 몰드 둘레에 경화된 스택(stack)에 추가될 수도 있다.
각종 실시예에서, 유니테이프 레이어는 얇게 펼쳐진(spread) 매트릭스 접착제에 의해 코팅된 또는 매트릭스 접착제 내에 매설된 실질적으로 평행한 섬유를 포함한다. 이들 유니테이프 레이어를 구성하는 모노필라멘트 섬유는 대략적으로 나란히 위치되고 이들은 접착제 의해 각각이 코팅되거나 접착제 또는 수지 내에 매설된다. 포지셔닝은, 모노필라멘트 사이의 이격 거리 또는 모노필라멘트의 면중량(areal weight)이 균일하도록, 균일하지 않도록, 또는 모노필라멘트 레이어가 복수 필라멘트의 두께를 포함하는 고중량(heabier weight) 유니테이프들 사이의 공간을 내포하도록, 이루어질 수 있다. 포지셔닝은, 모노필라멘트 사이의 이격 거리가 균일하도록, 균일하지 않도록, 또는 모노필라멘트가 인접하거나 중첩되도록 이루어질 수 있다. 일부 경우, 스프레딩을 제한하거나 제어하기 위해, 구성요소인 모노필라멘트의 토우(tow)는 꼬임 또는 엉킴을 포함한다. 그러나 많은 필라멘트를 함유하는 섬유 내에 필라멘트를 스프레딩하고 코팅하는 개념은 유사하다. 각종 실시예에서, 접착제는 탄성 폴리머를 포함한다. 이 옵션은 유니테이프 컴플라이언스를 부여하고, 그 비-섬유-보강 방향(non--fiber-reinforced directions) 내에서 신장되고 몰딩될 수 있도록 허용한다. 유니테이프 레이어는 국부적 보강을 위해 각각이 몰드 내에 위치될 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 형상 제품(101)을 생성하기 위해 이용가능한 각종 공구와 몰딩 배열의 실시예를 나타내는 단면도이다. 섬유 균일성을 유지하면서 복잡한 부품 상에서 유니테이프를 몰딩하는 방법은 스크림을 형성하는 단계를 포함하고, 여기서 평탄한 유니테이프의 두개의 레이어가, 0°와 90°와 같은 상이한 방위에서, 또는 특정 설계에 의해 요구되는 다른 상대적인 방위로 함께 고정(stuck)된다. 획득된 스크림은 바이어스 방향(bias direction)으로 신장되지만 필라멘트는 교차 레이어의 보강에 의해 안정된다. 이는 필라멘트의 정렬은 유지하고 섬유가 주름지는(wrinkle) 것을 최소화하는 방식으로 필라멘트가 몰드에 위치되고 신장되는 것을 허용한다.
본 발명에 따른 3차원 형상 대상물을 생성하기 위해 이용된 방법의 실시예는 근본적으로 호환가능한 치수를 가진 웅형 몰드와 자형 몰드를 제공하는 단계를 포함한다. 먼저 유니테이프의 적어도 하나의 레이어로부터 0°/90°스크림이 만들어질 수 있다. 이 방식으로 구성된 스크림은 바이어스 방향으로 상당히 신장되므로 웅형 몰드 위에서 신장될 수 있다. 다음으로 0°/90°유니테이프 스크림은 제1 레이어로부터 45°방위되고 웅형 몰드와 제1 스크림 위에서 신장된다. 옵션적으로, 필름 또는 표면 레이어가 제1 및 제2 스크림 위에서 신장된다. 이 제1 스택업(stack-up)은 웅형 몰드로부터 제거되고, 뒤집어지고, 상보적인(complementary) 자형 몰드 내에 배치된다. 옵션적으로, 릴리즈 라이너, 예를 들면, 테플론(Teflon)은 웅형 몰드 상에서 신장된다. 릴리즈 라이너는 이어서 웅형 몰드로부터 제거되고, 뒤집어지고 자형 몰드 내에서 제1 스택업 위에 배치된다. 이어서, 옵션적인 필름 또는 표면 레이어가 자형 몰드 상에서 신장되고, 이때는 스택내에 제1 레이어이다. 다음으로, 제3 0°/90°유니테이프 스크림이 자형 몰드 위에서 신장될 수있다. 옵션적으로, 제4 0°/90°유니테이프 스크림은 제1 레이어로부터 45°방위되고 웅형 몰드와 제3 스크림 위에서 신장된다. 이 제2 스택업은 이어서 웅형 몰드로부터 제거되고, 뒤집어지고, 자형 몰드 내에서 제1 스택업 또는 옵션적인 릴리즈 라이너 위에 배치된다. 제1 스택업은 바람직하게 제1 스택업과 제2 스택업의 에지의 접합(joining)을 형성하도록 제2 스택업 상에 폴딩될 수 있는 초과 돌출부 물질(excess overhanging material)을 포함한다. 각종 실시예에서, 이들 레이어는 자형 몰드에 진공 배깅(vacuum-bagged)되고, 오토크래이브(autoclave)에서 경화된다. 부품이 경화될 때, 옵션적인 릴리즈 라이너는 제1 스택업과 제2 스택업이 폴딩된 오버 에지 이외의 장소에서 서로 본딩되는 것을 방지한다. 이런 방법에 따르면, 연속적으로 형성된 3차원 형상 제품(101)은 어떤 추가적인 접합을 필요로하지 않고 생성된다. 각종 실시예에서, 획득된 3차원 형상 제품(101)은 레이어 내에 홀을 커팅하고 공기로 충진하는 것으로 그 최종 3D 형상으로 팽창된다. 각종 실시예에서 릴리즈 라이너가 이용된 경우 릴리즈 라이너는 이 홀을 통해 제거될 수 있다.
전술한 제조 방법은 구, 에그, 원통 똔느 큐브와 같은 대칭적인 3D 부품에 대해 유용하다(일례로 도 2 참조).
전술한 실시예는, 솔기(seam)를 형성하도록 하나의 레이업으로부터 연장된 물질을 다른 레이업 상에 폴딩하는 것에 의해 두개의 대칭적 부품의 접합을 수행하며, 이 솔기는 형성된 합성 부품 내에 구조적으로 솔기가 없도록 경화될 수 있다. 부품이 경화된 후, 이는 팽창될 수 있으며, 제2 사이드가 뒤집어지고(invert), 이 솔기의 흔적(vestiges)은 부품의 중앙선(centerline)에 위치된다. 이 예시적인 방법은 얇은, 가요성의 물질에 유용하고, 솔기에서의 주름(crease)은 부품이 팽창되고 나면 무시될 정도로 된다.
본 발명에 따른 방법은 현존하는 제조 프로세스에 대해 향상된 것인데, 이는 획득된 부품이 완성을 위해 제한된 수의 2차 프로세스만을 요구하기 때문이다. 패킹 부피가 제한되거나 또는 중량 감소가 중요한 어플리케이션, 부품의 두께 및/또는 중량을 감소시키도록 최소화된 솔기를 가진 부품에 유용한다.
도 4는 본 발명에 따른 다양한 3차원 형상 제품(101)을 생성하는데 이용가능한 공구 및 몰딩 배열의 대안적인 실시예의 단면도이다. 도 4의 실시예에 나타낸 바와 같이, 스크림 레이어를 포함하는 미경화(uncured) 또는 성형성(formable) 적층물(liminate)은 가요성의 막(diaphragm)의 레이어 사이에 협지될 수 있다. 미경화된 또는 미성형된 화합물은 이어서 성형 및 경화를 위한 웅형 툴 및 자형 툴 사이에 배치될 수 있다.
도 5는 몰딩 공구와 몰딩 배열의 실시예의 단면도를 나타내며, 열 및/또는 압력 및/또는 진공이 적층 구조물을 성형된 합성 부품으로 성형하고 경화하기 위해 조합하여 이용할 수있다. 성형 및 경화를 위한 각종 방법은 오토클래이브 압축, 하이드로 또는 다이프램 성형, 당업자에게 공지된 기타 방법을 포함하며 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 각종 실시예에 따른 다른 몰딩 및 경화 작업의 단면도를 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 사전 경화 및 성형된 적층부(예를 들면 도 4 내지 도 5에서 에시된 동작으로부터 얻어진 부분)는 가요성의 다이어프램 레이어 사이에 협지되고 몰드의 웅형 및 자형공구 사이에 위치된다. 임의 수의 표면 레이어를 구비하거나 구비하지 않은 레이어 구조물이 몰드에 놓여지고, 오토클래이브 압축, 하이드로 또는 다이어프램 성형 또는 당업자에게 공지된 기타 공지된 방법을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 방법을 사용하여 성형되고 및/또는 경화된다.
도 7의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 자형 몰드 프로세스의 실시예의 분해조립도를 나타낸다. 도 7의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 부품이 몰드 상에 놓여지고 팽창 브래더(inflatable bladder)가 상기 부품으로 삽입되고 부품의 내측에 압력을 인가하여 경화중에 몰드의 형상으로 물질을 형성시킨다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 합성 부품(composite part, 130a)를 자형 몰드(female mold, 170) 내에 배치하고, 팽창식 블래더(inflatable bladder, 175a)를 합성 부품(130a) 내에 삽입함으로써, 부품 내부에 압력을 인가시키는 한편 가열, UV, RF 및 전자빔(E-beam) 경화 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의해 부품을 경화시킨다. 일래스토머릭 블래더(elastomeric bladder, 175a)에 의해 합성 부품(130a)에 균일한 압력(예컨대 공기 또는 물 압력)을 인가시킴으로써, 상기 부품을 몰드의 형상으로 성형할 수 있다.
도 7의 (b)는 자형 몰드(170)의 내부 형상에 꼭 들어맞게 팽창된 합성 부품(130b)를 도시한다. 필요시, 일래스토머릭 블래더(175b)(현재 몰드의 형상으로 팽창)는 합성 부품(130b)의 내부 표면에 동시 경화(co-cured)됨으로써, 예컨대 내부 압력 블래더 또는 내부 스킨 또는 제품 층(layer of the article)을 형성시킬 수 있다. 이러한 내부 블래더 재료층이 필요하지 않은 경우, 상기 블래더를 수축시키거나 또는 몰드에서 제거함으로써, 상기 부품(130b)를 동시 경화 블래더 층(co-cured bladder laye) 없이 팽창시키고 적절히 경화시킬 수 있다.
도 7의 (c)는 형상화된 합성 부품(135)가 현재 개방된 몰드(170)로부터 분리되어 있는 상태를 도시하는 실시예이다.
예컨대 신발류의 적용에 유용한 또 다른 바람직한 실시예는 팽창식 블래더를 3D 성형 툴로 사용하는 옵션을 포함하며, 합성 유니테이프(unitape) 및/또는 B-스테이지드(B-staged), C-스테이지드(C-staged), 또는 열가소성 매트릭스, 사전-적층(pre-plied), 앵글-적층(angle-ply ) 또는 라미네이트 컷 패턴을 그 위에 적층하고 조립할 수 있다. 이러한 실시예에서, 팽창식 블래더는 바람직하게는 그 위에 재료의 적층을 수용하기에 충분한 구조적 강성을 가진다.
팽창식 블래더 상에 신발 갑피의 조립 및 레이업(layup)을 위한 목적으로, 블래더 강성 문제의 해결을 위한 방법으로 적어도 세가지가 구현 가능하다. 첫번째 방법은, 제조공정의 어느 시점에서 착탈 가능한, 일래스토머릭 블래더를 지지하는 착탈식 다중 성분의 3차원 성형 도구를 사용함으로써, 가요성 합성 부품을 몰드 및 블래더로부터 제거하는 것이다. 두번째 방법은, 갑피를 포함하는 필수 구성요소의 적용을 위한 폼(form)으로 기능하기에 충분한 강성을 갖는 포인트에 가압될 수 있도록, 직물 합성재료(fabric composite)로 강화 가능한 일래스토머릭 블래더를 사용하는 것이다. 세번째 방법은, 탄성 가압 적용 툴과 함께 형상 기억 폴리머(Shape Memory Polymer, SMP)을 사용하는 것이다. 이러한 폴리머는 낮은 온도에서는 강성을 가지나 전이 온도(transition temperature) 이상의 온도에서는 높은 신장율을 갖는 가요성 엘라스토머(elastomer)로 변환된다. 이러한 전이 온도 이상에서, SMP를 가열된 몰드에 배치 및 가압하여 일래스토머릭 페이즈(elastomeric phase) 상태의 툴로 성형함으로써, 정확도를 갖는 몰드 형상, 즉 신발 금형 시스템의 경우 신발 내부에 필요한 형상을 복제할 수 있다.
몰드가 SMP의 전이 온도 이하로 냉각되면, SMP는 내부 형상 치수를 갖는 신발 갑피의 형상으로 된 강성 고체로 변환된다. 이러한 "강성화된" 폼에서, 상기 툴을 신발 성형 공정용 레이업 폼 툴(lay-up form tool)로 사용 가능하다. 도 24는 강성화 SMP로 형성된 구조를 가진 튜브(180)의 예를 도시하고 있다. 이러한 실시예에서, SMP를 그 전이 온도 이하로 냉각함으로써 맨드렐 상에 튜브형 폼으로 강성화하였다. 도 25는 SMP 튜브(181)를 도시하고 있으며, SMP를 그 전이 온도 이상으로 가열 후 자형 몰드(182) 내에 형성한 다음(단지 몰드의 하반부만 도시됨), 감압하에 SMP의 전이 온도 이하로 냉각함으로써, 몰드(182)의 캐비티 형상을 가진 강성 폼 툴을 생성할 수 있다. 도 26은 섬유 토우(fiber tows, 183)가 강성화된 툴(184)에 적용된 공정에 대한 실시예를 도시한다.
예컨대 신발류의 적용분야와 같은 다양한 실시예에서, 경화된 어셈블리를 약간의 전이 온도 이상에서 몰드로부터 제거하는 한편, SMP를 일래스토머릭 형상으로 남아있게 하거나 또는 내부에 뜨거운 공기를 불어넣어 충분히 부드러워진 다음 어셈블리를 몰드로부터 제거함으로써, 경화된 합성 갑피를 강성화된 툴로부터 제거할 수 있다. 다양한 다른 실시예에서, 강성화된 툴은 합성물 상에 통합되어 남아 있음으로써, 합성물 본래의 형상을 유지할 수 있으며, 공학적으로 설계된 "새시"(engineered“chassis")의 갑피를 임의의 다운스트림 제조 작업에 저장, 이송 및 로딩 가능한, 용이하게 교환가능한 "카트리지"형 시스템을 제공할 수 있다. 이러한 다운스트림 작업은 예컨대, 그러한 단계가 초기의,(및 선택적으로 1단계) 성형 공정에서 기구현되지 않은 경우, 외부 성형층(cosmetic outer layers)과의 통합을 포함하고, 및 갑피의 하부 적층을 포함할 수 있다.
그런 다음 상기 폼에 대한 합성 신발 레이업 툴을, 소프트해지고 일래스토머릭 압력 블래더로 기능하는 그 전이 온도를 지나 가압되고 가열된 SMP 및 자형 몰드 내로 배치시킴으로써, 신발 갑피의 재료의 강화 및 적층을 동시에 구현할 수 있다.
대안적인 실시예들에서, 필름 또는 표면층들이 부품의 한쪽 측면 또는 양 측면 상에 접합될 수 있다. 이러한 층들은 필름(PET, 나일론, ECTFE, 우레탄 등), 통기성 멤브레인(테프론, 우레탄 등), 직포 또는 부직포, 피혁이거나 또는 다른 층들일 수 있다. 표면층은 가스 기밀성 또는 투과성, 방수성, 내마모성, 내구성, 심미성, 또는 기타 등의 최종 사용 조건에 기초하여 선택된다.
본 발명의 대안적인 실시예에서, 스크림(scrim)이 릴리즈 라이너들(release liner) 사이에 평평한 형태로 사전 경화된다. 이러한 재료는 후속 레이업을 위해 공급업체에 판매될 수 있다. 본 발명의 다양한 다른 실시예에서, 다중층의 스크림을 몰드 상에 스트레칭하고 각 층을 접착제로 코팅함으로써 적절히 접착한다. 본 발명의 다양한 다른 실시예에서, 스크림의 필라멘트를 코팅하는 기존의 접찹제는 열가소성이며, 층들의 접합을 위해 재용융될 수 있다. 본 발명의 다양한 다른 실시예에서, 스크림은 평평한 형태로 사전 경화됨으로써, 한쪽 측면 또는 양 측면에 도포되는 필름 또는 표면층을 갖는다. 이러한 부가층(또는 층들)은 열가소성, 통기성 및/또는 방수성 등의 많은 기능을 가질 수 있다. 예컨대 층은 방수성 및 통기성 멤브레인(W/B membrane)을 포함할 수 있다. 평평한 형태로 스크림과 통합된 임의의 표면층들은 바이어스 신축성을 저해하지 않도록 주의해야 한다. 그렇지 않르면, 이러한 평평한 제품에 대한 성형 능력은 감소될 수 밖에 없다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 스크림은 3, 4 또는 그 이상의 방향으로 배향된 다중 유니테이프 층들을 포함할 수 있으며, 최종 부품의 구성 요건에 따른다. 예컨대, 신발은 90°/45°/-45°의 배향을 갖는 섬유들을 포함하는 레이업을 갖는 스크림으로 구성됨으로써, 스크림이 발가락(toe)에 걸쳐 성형될 수 있도록 0°방향으로 충분한 신축성을 갖고 및 주요 하중 경로가 신발의 측면으로 분산되도록 할 수 있다. 이러한 다중층 유니테이프 스크림은 가공되지 않은 형태로 제조 또는 공급될 수도 있으며, 또는 릴리즈 라이너들 사이에 평평한 형태로 사전 경화되거나 또는 평평한 형태로 사전 경화됨으로써 한쪽 측면 또는 양 측면에 도포되는 필름 또는 표면층을 갖도록 하는 등 본 발명의 대안적인 실시예에서 설명된 내용과 같이 제조 또는 공급될 수도 있다.
도 8은 본 발명에 따라 하중 이송 능력을 강화하도록 포인트, 스루홀(thru-holes) 및 강화 스트랩을 부착하기 위한 통합 구조적 강화체를 포함하는 삼차원 형상물(101)의 실시예를 도시하는 사시도이다. 이러한 통합 구조적 강화체는 유니테이프의 층들로 제조되거나 또는 부품을 구성하고 최종 부품 내로 동시 경화되는 스크림 층들의 표면 사이에 또는 표면 상에 통합되는 다른 합성재료의 층들로 제조될 수 있다. 이러한 구조적 강화체를 부품 내에 통합시킴으로써, 포인트 및 스루홀 강화체의 부착을 위한 사전의 접합 공정 단계들을 감소시키거나 없앨 수 있다.
도 9는 본 발명의 개시에 따라 상이한 섬유들을 포함하는 대안적인 유니테이프를 사용하는 둘 이상의 모노 필라멘트, 섬유 또는 토우를 포함하는 가요성 합성재료(103)의 실시예에 대한 단면도를 도시한다.
도 10는 본 발명의 개시에 따라 대안적인 유니테이프를 사용하는 둘 이상의 모노 필라멘트, 섬유 또는 토우를 포함하는 가요성 합성재료(103)의 실시예에 대한 또 다른 단면도를 도시한다.
상이한 섬유로 제조된 대안적인 유니테이프를 사용하거나(Dyneema SK78 및 SK75 등과 동일한 클래스로 스펙만 상이할 수 있음) 또는 섬유들을 단일 유니테이프 층 내에 소정의 간격으로 또는 혼합 패턴으로 믹싱함으로써, 둘 이상의 모노 필라멘트, 섬유 또는 토우에 대한 대안적인 유니테이프 관련 실시예들이 만들어질 수 있다. 다양한 실시예에서, 강도, 탄성율, 내열성, 내절단성, 내전단성, 충격 보호 및 에너지 흡수성 등과 같은 파라메터들이 공학적으로 설계되거나 또는 최적화되고, 이러한 개념을 활용하여 비용을 최소화할 수 있다. 전형적인 공학 섬유는 UHMWPE(예컨대, Dyneema®), 아라미드(예컨대, Kevlar®), 액정 폴리머(예컨대, Vectran®), 다양한 등급의 탄소섬유, PBO(예컨대, Zylon®), 나일론, 폴리에스터(Rayon), PEN, 노멕스(Nomex) 및 다른 내화성, 고온 섬유, 스틸 또는 다른 금속 섬유 및 이들의 조합을 포함하며, 이에 한정되지 않는다.
합성 재료는 안료 또는 염료 승화(sublimation)의 사용을 통한 매트릭스 또는 멤브레인의 착색을 포함할 수 있다. 난연성 접착제 또는 폴리머를 사용하거나, 또는 난연제를 가연성 매트릭스 또는 멤브레인에 첨가함으로써 난연성을 향상시킬 수 있다. 난연성 첨가제의 예로는 DOW D.E.R. 593 브롬계 수지, 다우 코닝 3 발화 지연 수지, 및 안티모니 삼산화물(Antimony Trioxide)을 갖는 폴리우레탄 수지(PDM Neptec 사의 EMC-85/10A 등)를 포함하며, 이에 한정되지 않는다. 다른 난연성 첨가제도 또한 사용 가능하다. 난연성을 향상시키는데 사용 가능한 난연성 첨가제로는 Fyrol FR-2, Fyrol HF-4, Fyrol PNX, Fyrol 6, 및 SaFRon 7700를 포함하며, 다른 첨가제도 또한 사용 가능하다. 또한, 노멕스(Nomex) 또는 케블라(Kevlar), 세라믹 또는 금속 와이어 필라멘트 등의 난연성 섬유들을 사용하여 섬유 제조 공정 중에 난연성 화합물을 섬유 조성물을 직접 첨가하거나 또는 상기 언급된 난연성 화합물 또는 다른 적절한 요소를 포함하는 사이징된(sizing) 폴리머 또는 접착제를 갖는 섬유를 코팅함으로써, 난연 특성 및 자기 소화(self-extinguishing) 기능을 섬유에 추가시킬 수 있다. 적층에 사용되는 바람직한 직조 또는 스크림 재료는 난연 특성을 부여하기 위해 공급자에 의해 사전 처리될 수도 있고 또는 제조 공정 중에 난연성 화합물을 직조 또는 스크림 재료에 코팅 및/또는 주입함으로써 난연 특성을 부과할 수 있다.
하나 이상의 내항균 제제를 폴리머 수지 또는 직물 상에 첨가 또는 코팅하고 및 항균 치료제를 합성재료에 사용되는 섬유, 모모필라멘트, 스레드 또는 토우에 첨가 또는 코팅함으로써, 본 발명의 합성재료에 내항균/내항병원균 기능을 추가시킬 수 있다. 전형적인 재료로는 옥시티안 항균제(OXiTitan antimicrobial), 은나노 화합물, 나트륨 피리티온(sodium pyrithione), 아연 피리티온(zinc pyrithione), 2-플루오로에탄올, 1-브로모-2-플루오로에탄, 벤즈이미다졸(benzimidazole), 플레로사신(fleroxacin), 1,4-부타네디술포닉(butanedisulfonic) 산 나트륨염, 2-(2-피리딜)이소티오 N-옥시드 히드로클로라이드(2-(2-pyridyl)isothiourea N-oxide hydrochloride), 각종 4급 암모늄염, 2-피리딘 티올-1-옥사이드(2-pyridinethiol-1-oxide), 징크 피리티온 화합물, 구리 피리티온 화합물, 구리 피리티온 화합물, 마그네슘 피리티온, 비스피리티온, 피리티온, α-Bromo Cinnam-Gel(예컨대 KFO France 사의 ABC 제제) 및 이들의 혼합물을 포함한다. 다양한 실시예에서, 스레드, 토우 및 모노필라멘트 등의 섬유 폼을 은나노 입자로 처리할 수도 있고, 또는 화학/전기도금, 진공 증착, 폴리머, 접착제 또는 사이징을 포함하는 은 화합물을 갖는 코팅을 통해 도포되는 은 코팅을 포함할 수 있다. 본원에 포함되지 않은 다른 내항균/내항병원균 재료도 또한 사용될 수 있다.
몰드에 하나의 스크림 층을 스트레칭하는 단계 및 이 위치에서 경화하여 가요성 삼차원 합성 부품을 생성하는 단계를 포함하는 공정에 대한 다양한 실시예들이 다음의 고성능 합성 신발 구성품과 관련한 개시에서 추가로 설명된다.
도 11은 본 발명의 삼차원 합성 물품 시스템(100)에 따른 합성 신발 갑피(102)에 대한 실시예를 도시하는 사시도이다. 다양한 실시예에서, 합성 신발 갑피(102)는 가요성 합성재료(103)를 포함한다.
도 12a는 본 발명의 삼차원 합성 물품 시스템(100)의 다양한 실시예에 따른 합성 신발 갑피(102)의 대안적인 실시예를 도시하는 개략적인 측면도이다.
다양한 실시예에서, 본 발명의 합성 신발 갑피(102)는 대체로 가요성 합성재료(103)를 공학적으로 배치하는 대체로 일체형의 갑피 발 지지 구조체(unitary upper-foot-supporting structure)를 포함한다. 합성재료는 강도 대 중량 비에서 종래의 재료와 비교하여 현저히 우수한 특성을 가질 수 있는데, 이는 고성능 스포츠화 및 운동화에 있어 가장 중요한 요구사항 중 하나이다. 따라서, 본원에 기재된 다양한 실시예들은 그러한 신발의 제조에 특히 유용하다. 또한 본원에 기재된 실시예들은 초경량 트랙 슈즈에서 극초성능 등산 부츠, 군사용 및 산업용 부츠에 이르기까지 다양한 범위에 걸쳐 잠재적으로 사용 가능하다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 신발은 유니테이프의 적층을 포함하며, 체중 감소를 위한 공학 설계, 가요성 지향성 재단(directionally-tailored)에 대한 공학적 개선(각종 상이한 방향으로 강성 또는 연성 물질을 만드는 능력), 하중 경로에 대한 공학적 개선(신발 갑피를 "모노코크[monocoque]" 구조로 제조하고, 갑피를 다중의 이차원 또는 삼차원 절단품 또는 형상화된 사용자 정의 예비 성형품 또는 서로 적층되고 접합된 다각적이고 광범위한 제품으로부터의 얻은 패턴 절단품으로부터 제조), 및 바느질 및 부분 조각 작업 및 신발의 조립에 있어, 고성능 신발 설계자에게 어느 정도의 설계 유연성을 제공한다. 이러한 일체형 적층 설계는 성능 면은 물론 엔지니어의 인장, 정형 또는 브레이스 또는 스트랩에 의한 앵클 지지 제어 능력에 있어서도 큰 이점을 가진다.
본 발명의 다양한 실시예에서 일체형 적층 설계에 다른 장점은 다음과 같으며, 이에 한정되지 않는다:
- 주요 하중 경로의 심(seem)에 대한 바느질이 불필요, 이는 경량 신발에 있어 특히 중요함;
- 마드솔(mid-sole)의 잠재적 제거로 신발의 한쪽에서 다른쪽으로 연속적 구조를 제공 가능하고 신발 하부에 하중을 전달하는 구조부를 가질 필요가 없음. 이에 의해 갑피와 하부에 대한 디자인 및 통합을 분리시킴으로서, 하부가 충격 흡수, 근력의 효율적 전송, 충격 흡수 및 감쇄를 위해 좀 더 최적화될 수 있게 하는 한편, 또한 하부의 중량을 좀 더 낮출 수 있음;
- 공학적 신축성, 통기성, 하중 전달, 생체인식 통합(biometric integration)을 위한 신발 모노코크의 정교한 공학 설계 및 상해 관련 보호를 위한 앵클 지지 가능;
- 신발의 제조 자동화에 의해 비용 및 노동력 절감;
- 신발 갑피의 정교한 공학 설계 가능 및 통합 제조 공정에 따라 다중 모델 년도 및 신발 플랫폼에 걸쳐 투자 상각 가능; 및
- 설계 유연성에 의해 다양하고 많은 형태의 신발에서 사용 가능한 모노코크를 허용하면서도 신발 설계 및 제조 공정으로 투입된 공학적 장점의 유지.
적어도 이러한 이유로, 신발류의 적용분야에서 합성재료(103)로 구성된 다양한 실시예들의 성능은 가죽, 합성 피혁, 메쉬 재료 등의 종래 재료에 비해 훨씬 우수하다. 또한, 본원에 개시된 가요성 합성재료(103) 및 제조 공정은 주어진 설계 제약 조건에 특별히 조정 가능하다.
신발의 구조적 "샤시"는 신발의 외부 성형 표면 공학에서 분리될 수 있으므로, 다양한 적용분야를 위해 디자인된 상이한 "샤시" 스타일을 외부 "스타일", 성형 및 표면 공학과 결합시킬 수 있다(예컨대 축구공 키킹용 질감 및 표면 그립). 이러한 방법에 의해, 동일한 표면 특성을 보이고 가지는 신발의 생산이 가능하나, 브랜드 크로스 플랫폼(branded cross platform) 룩 또는 스타일을 유지하는데 사용가능한 매우 상이한 "샤시 튜닝(chassis tuning)" 또는 구조적 레이아웃을 가질 수 있다.
무역 연구, 상세한 분석, 물리 실험 등에 의해, 강도의 희생 없이도 구성요소의 무게를 상당한 감소시킬 수 있는 합성 갑피의 범위를 얻을 수 있다. 본 발명의 가요성 합성재료(103)는, 예상되는 힘 하중을 효과적으로 수용하는 한편, 구성요소의 적절한 기능과 일치하는 적절한 레벨의 기계적 컴플라이언스를 제공하도록 구성될 수 있다. 또한 본 발명의 다양한 실시예들은 적용분야들간에 상호 호환되며, 즉 단일 갑피 디자인을 다중의 최종 사용분야에 적용 가능하다.
도 12a를 참조하면, 본 발명에 따른 합성 신발 갑피(102)의 다양한 실시예는 구성요소 내에서 임계 하중 경로(106)을 따라 위치한 강화 섬유(104)의 배치를 설계하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 하중 경로(106)는 컴퓨터 분석(예컨대, 삼차원 유한 요소 해석 등) 및/또는 물리적 시험을 사용하여 식별될 수 있다. 갑피의 다른 영역들은 증가된 컴플라이언스를 제공하도록 설계됨으로써, 예컨대 착용자 발의 생태역학적인 관절을 수용할 수 있다. 도 12b를 참조하면, 본 발명의 대안적인 합성 신발 갑피(102)는 비교적 등방성 배치를 갖는 강화 섬유(104)를 포함한다. 상기 두개의 예시적인 실시예에서, 최종적인 합성 구조체는 낮은 구조적 중량을 가질 뿐 아니라 적절한 레벨의 강도, 지지도 및 내구성을 유지한다. 또한 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명에 따른 다양한 제조방법에 의해 높은 레벨의 시공성을 확보할 수 있다.
도 13은 도 11의 복 신발 갑피(102)의 구성과 일치하는 가요성 합성재료(103)의 예시적인 구성을 도시하는 부분 절개도이다. 다양한 실시예에서, 합성 조성물(103)은 일반적으로, 개별 층들이 하나의 통합된 조성물을 형성하는 방식으로 결합되는 높은 드레이프(drape) 및 드로우 직물(draw fabrics)을 포함한다. 다양한 실시예에서, 가요성 합성체는 강화 재료로 구성된 적어도 하나의 구조적 층(110)을 포함한다. 가요성 합성 조성물(103)의 다양한 실시예는 도시된 바와 같이, 예컨대 연속 표면층들 및/또는 스크림 등의 섬유 강화 층들 및/또는 공학적 배치를 갖는 개별 섬유 토우(114)로 이루어진 다중 재료 층들을 포함한다. 다중층들(110)은 바람직하게는 다방향 부하 처리 기능을 포함하도록 구성된다. 다양한 실시예에서, 가요성 합성 조성물은 하나 이상의 "성능 수정"층들(110)을 추가로 포함한다. 다양한 실시예에서, 합성 조성물(103)은 외부 표면층(110)에 도포되거나 또는 흡수되는 텍스처링(texturing) 또는 착색제(105)를 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 가요성-합성물(flexible-composite)은 실질적으로 동일한 재료 조성(material composition)을 갖는 레이어(110)를 포함할 수 있다. 다양한 다른 실시예에서, 가요성-합성은 다양한 재료 중량, 기계적 특성(컴플라이언스), 및 다른 특성들을 갖는 레이어(110)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 합성 신발 갑피(102,상부)는, 부직포 단방향 섬유(non-woven unidirectional (UD) fibers )의 하나 이상의 레이어(110) 및 하나 이상의 방향으로 지향된 폴리머 매트릭스 플라이(polymer matrix plies)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 합성 레이업(composite layup)은 구조적 및 비구조적 재료들로 구성된 레이어(110)를 포함할 수 있다.
다양한 강화물 타입은, 프리프레그 유니테이프(prepreg unitapes); 유니토우 (unitows) (특정 부하 경로를 따라 배치된 프리프레그(prepreg) 또는 원료-섬유(raw-fiber) 단일-토우 보강물(single-tow reinforcements)); B-스테이지(B-staged) 직조(물)(woven) 및 부직포 합성(nonwoven composites); C-스테이지 직조 및 부직포 합성; 프리프레그 또는 드라이 직조물(dry woven fiber); 넓은 제품의 천을 형성하기 위해 접착 또는 시침질(tack), 스티치(stitched)된 단방향 시트 또는 레이어들에 지향되어 펼쳐지거나 접혀진 프리프레그 또는 드라이 섬유 부직포의 하나 이상의 레이어들; 넓고 양호한 패브릭(fabrics)을 형성하기 위해 접착 또는 시침질(tack), 스티치(stitched)된 단방향 시트 또는 레이어들에 지향되어 이격되거나 이격되지 않고 펼쳐지거나 접혀진 유니토우(unitows)로 만들어진 건조 섬유 천 또는 프레그프리의 하나 이상의 레이어; 이차원 또는 삼차원 프리프레그 또는 건조 보강 예비물; 열가소성 매트릭스 프리프레그 유니토우, 유니토우, 직조 및 부직포 합성(물) 또는 열가소성 또는 하이브리드 열가소성으로 위에서와 같이 설계된 예비물; 열경화성수지 매트릭스; 나노필라멘트, 나노 섬유, 나노 입자 보강물 및 구조적 멤브레인(막); 단일 레이어의 시트에서 "텐실리온(tensilion)" UHMWPE 로 텐실리자이드(tensilized)되어, 뽑아진 단축 지향 시트 제품, 적합한 접착제를 사용하여 접착되고 일반적으로 유니테이프와 유사한 방식으로 통합되는 다수의 지향 레이어들; 건조 또는 적절한 접착제 또는 코팅과 함께 통합되고 유니토우를 형성하기 위한 상기 텐실리자이드되거나 지향된 시트 슬릿; 및 이들의 조합들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
본 시스템에서 사용할 수 있는 다양한 보강 섬유/직물들은 나일론, 폴리에스테르, 초고 분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)(예컨대, Spectra® 및 Dyneema®), 파라 - 및 메타-아라미드(예컨대, Kevlar®, Nomex®, Technora®, Twaron®), 액정 폴리머(LCP)(예컨대, Vectran®), 폴리이미드(polyimide), 다른 합성 폴리머(예컨대, 특히,polybenzoxazole(PBO), polybenzimidazole(PBI), polyimide benzobisthiazole (PIBT), poly(p-phenylene benzobisthiazole)(PBZT), polylactic acid(PLA), poly(p-phenylene terephthalamide)(PPTA)), 금속섬유, 유리섬유, 탄소섬유 또는 그들의 조합을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
이 명세서를 읽자마자, 당업자는, 설계 선호도, 사용자 선호도, 비용, 구조 요건, 사용 가능한 재료, 기술 발전 및, 예를 들어, 강성 또는 반-강성 하중 전달 부재, 삽입물, 새로운 코팅의 적용 등의 사용과 같이 현재 알려져 있거나 여기에서 나중에 개발되는, 만족시킬 수 있는 다른 보강 배열 같은 문제점을 고려 적절한 환경하에서 이해할 것이다.
예시적인 실시예는 특정 어플리케이션을 위해 설계되므로, 구성 재료 레이어(110)의 적층 순서(stacking sequence)는 실시예들 사이에서 다를 수 있다. 즉, 레이업의 각도와 관련한, 합성 라미네이트의 특정한 레이업 구성, 각각의 각도에서 라미나(lamina)의 갯수, 및 라미나의 정확한 순서는 원하는 특정한 어플리케이션에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 위에서 논의된 바와 같이, 재료 레이어의 세가지 레이어 0°/90°/45°상대 방향은 무한 수의 가능한 방향 중에 단지 하나의 유용한 실시예이다. 비구조 재료 레이어(110)는 특정 시각 또는 비-구조적 물리적 특성이(예컨대, 표면 질감, 내마모성, 지외선 차단, 내마멸성, 색상, 반서성 및 등등과 같은) 필요한 경우 이용될 수 있다. 하나의 바람직한 실시예로서, "소프트" 내부 레이어(110)는, 착용자의 발에 인접한 라이너(liner)로서, 합성 신발 갑피(102,상부)의 내부에 종종 포함된다.
비구조적 재료의 실례는, 부직포 직물(비구조적, 단섬유 임의 펠트), 직조 직물; 예컨대 부직포 재료(비구조적 단섬유 임의 펠트), 스펀본드(spunbonds)(프레기드), 및 트리코트 직물(tricot fabrics)을 포함하는 다양한 "소프트" 라이너 재료; 비구조적 부재들(방수/통기성, 간극 분리기(interstitial isolators), 및 기타 등등); 비구조적 코팅들; 설계 어플리케(design appliques); 충격 흡수, 감쇠 또는 다른 목적에 사용되는 다양한 탄성중합체 재료(elastomeric materials)를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
비구조적 레이어(110)는, 예컨대 설계 및 성능 기준에 의해, 필요에 따라 합성의 임의의 선택된 레이어 위치에 배치될 수 있다. 다양한 어플리케이션에서, 비구조적 레이어는 전적으로 생략될 수 있다. 일반적으로 신발을 위해, 신발의 일부 부분이 부드럽게 순응하도록, 제어 굴곡(controlled flexure)이 신발에 만들어지는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 굴곡은, 발목 영역과 같은 관절로 연결된 조인트에서 최적의 자유도 및 운동 범위를 허용할 수 있다. 다양항 다른 어플리케이션에서, 굴곡 및 순응성(도)이 향상 및 제어될 수 있으며, 또는 특정 스포츠 또는 신발 어플리케이션과 관련한 의도된 목적 또는 기능을 수행하기 위해 동시에 또는 별도로, 손상으로부터 보호하는 경우에, 하나 이상의 방향으로 운동의 범위가 한정되거나 제한된다.
실례는, 운동선수에 의해 사용되는 발목의 정상적인 운동 범위에 걸쳐서 설계된 순응성(도)과 결합된 커팅-, 스프린팅- 및 점핑-타입 운동에 응답하여 이동하는 최적 하중을 인가하기 위한 설계 구조를 나타내도록 설계된 초경량 농구화이지만, 정상 범위의 운동에서 움직임을 제한하거나 이동성을 한정하는 것이 아니라, 발의 캐칭 또는 트위스팅으로 인해 다소간의 과도한 회전 또는 롤링으로 발생하는 부상으로부터 운동 범위 또는 움직임을 제한하고 발목을 떠 받치게 작용한다.
피로를 감소시키기 위해 결합된 초경량 무게의 신발 및 운동의 정상적인 범위에서의 움직임(운동)의 자유도 때문에 운동 선수의 육체적 실행력은 향상될 수 있다. 설계된 순응성 및 하중 경로(load paths)는, 충격 및 충돌 흡수를 제공하는 동안 운동 능력에 응답하여 근육의 효율적인 전환을 제공하며, 발목 조인트를 지지하고 부상이 발생하는 방향 모드에서 조인트의 과신장으로 초래되는 부상을 방지하기 위해 정상적인 방향으로 운동의 범위를 제한하는 것과 함께 회전 또는 트위스팅과 같은 바람직하지 않은 운동 범위에서의 움직임의 제한을 제어한다.
다방향으르 지향된 유니테이프(unitapes)를 기초한 시스템은, 실제로 사용하기에 너무 뻣뻣하거나 무거운 갑피를 다른 방법으로 생산하는 고강도 및 고탄성 공업 섬유(high modulus engineering fibers)의 사용의 잇점을 동시에 실현하는 한편 설계 순응 시스템의 설계를 용이하게하는 이방성 재료 특성(anisotropic material properties)을 나타낼 수 있다. 유니테이프는 실질적으로 한 방향으로 모두 지향된 단방향 모노필라멘트(unidirectional monofilaments)를 갖을 수 있다. 섬유 모노필라멘트를 따르는 방향에서, 유니테이프는 매우 강할 수 있으며, 모노필라멘트의 높은 세로 탄성률(high Young's Modulus)로 인한 최소 신축성(minimal stretch)이 나타날 수 있다. 모노필라멘트의 수직방향에 있어서, 그 방향으로 신축성이 탄성 중합체매트릭스의 특성에 의해 통제되도록 보강이 없을 수 있다. 일반적으로 특성들은 매우 순응적이거나 "신축적" 일수 있어서 큰 변형을 견딜수 있고 매트릭스의 질 저하나 손상 없이도 반복적인 변형으로부터 복구될 수 있다.
강도 및 낮은 신축성이 요구되는 방향으로 지향된 단방향 보강을 지닌 탄성중합체 매트릭스를 포함하는 두개 이상의 유니테이프를 사용하고 비보강이 용구되는 순응성의 방향을 남김으로서, 그 결과 라미네이트는 방향성이 없는 보강 섬유의 방향으로 이미 순응적인 각각의 유니테이프의 섬유 축을 따라서 낮은 신축성으로 뻐뻣하게 선택적으로 만들어질 수 있다.
이러한 선택적 순응성은, 유니테이프가 순응적인 층간 탄성 중합체 레이어(complaint interlaminar elastomeric layer)내에서 약간 회전하거나 힌지(hinge)되는 것을 허용하도록 각각의 유니테이프 레이어들 사이에 탄성 중합체의 얇은 중간레이어(interlayer)을 선택적으로 추가시킴으로서 향상될 수 있는데, 이는 방향성을 벗어나는 순응성의 더 많은 제어를 허용하여, 더 큰 변형을 용이하게하고, 상이한 타입의 점탄성 반응를 지닌 탄성 중합체의 다양한 등급의 사용에 의해 라미네이트 반응을 조정하는 능력을 제공한다.
순응적인 중간레이어(compliant interlayers)는 다음 특성들의 하나 또는 조합을 갖을 수 있다: (1) 탄성 에너지를 저장하고 복원시키게끔 라미네이트를 허용하도록 변형된 라미네이트에 스프링과 같이 복원하는 특성을 부여하는 높은 에너지; (2)충격 및 충돌을 흡수하고 분산하는 에너지 손실 및 에너지 흡수도; (3)과도 동력학(transient dynamic)에 대한 과도 반응(transient response)을 제어하는 점탄성 감쇠(viscoelastic damping); 및/또는 (4)매트릭스 특성이 빠르게 적용되는 과도 하중 및 충격에 반응하여 뻣뻣해지거나 보다 순응적으로 되도록 속도 민감도(rate sensitivity);
합성의 특성은, 순응성의 통합을 위해 적절하게 수정된 항공우주산업 단방향 합성재료(aerospace unidirectional composite materials), 비선형 특성 매트릭스 재료의 특성들 및 대형, 비선형 기하학적 형상 및 재료 변형의 적응에 사용하여 설계되고 예측될 수 있다.
시스템의 비선형성으로 인해, 온-축 섬유(on-axis fiber)는 특성에 지배되고 특히 매트릭스는 방향에 지배되는 횡향 메트릭스의 특성에 지배되며, 전단 방향에 지배되는 매트릭스는 방향 및 전단방향에 지배되는 횡향 매트릭스에 관련된 비선형응력/변형(stress/strain)을 얻기 위해 샘플 라미네이트 및 테스트를 함으로서 반-경험적(semi-empirically)으로 결정되어진다.
이러한 특성들은 아래에 기재된 분석절차에 대한 입력 패러미티로서 사용될 수 있다. 비록 이 절차는, 비선형으로 간주되고 용인될수 있는 패러미터 내에 변형이 있는 경우 단단한 라미네이트에 맞추어지지만, 어떤 임의의 방향으로 강도 및 신축(성) 대 하중은 밀접하게 접근될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른, 단방향 섬유-보강 레이어의 유용한 구성 방정식(constitutive equations), 및 설계 절차에서 유용한 다른 물리적 및 수학적 정보는, 라미네이트 합성의 주제와 관련된 다양한 기술 서적에서 찾을 수 있다. "유한 엘리먼트 분석"(Finite Element Analysis)을 주제로 한 이러한 서적은 Thomas J. R. Hughes에 의한 "유한 엘리먼트 방법"(The Finite Element Method )이며, S. W. Tsai 및 T. H. Hahn 의 "합성재료의 소개"(Introduction to Composite Materials)에서 합성재료의 특성 및 분석에 대한 서적이다.
전술된 바와 같이, 가요성 합성재료(103)의 다양한 실시예의 물리적 특성은 일반적으로 동위원소(isotopic)이다(방향에 관계없이 실질적으로 동일한 물리적 특성을 갖는). 대안적으로, 힘 부하(그리고 다른 성능 요인)의 특정 설계 제어를 제공하기 위해, 합성 조성물의 물리적 특성은, 특정 어플리케이션을 위한 합성 신발 갑피의 성능을 구조적으로 최적화하도록 설계된 비-균일 기계적 및/또는 다른 물리적 특성을 갖는, 이방성(anisotropic) 일수 있다.
전술된 가요성 합성재료(103)는, 어플리케이션의 필요에 따라, 통기성 및 비-통기성, 또는 비-다공성, 다공성 또는 통기성(air permeable)합성 또는 재료 제품 형태를 포함할 수 있다. 또한 다양한 가요성 합성재료(103)는, 투명하며, 불투명하고, 착색되고, 인쇄(imprinted)될 수 있으며, 또는 바람직하게는 전술된 시각적 배열의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 다수의 착색 레이어 및 컷아웃(cutout)은 착색 패턴(colored patterns)을 만드는데 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 합성 레이업(composite layup)을 형성하는 보강 및 비-보강 재료는 폴리머 매트릭스(105) 내에 캡슐화(encapsulated)될 수 있다. 다양한 실시예에서, 합성 레이업들은, 열가소성 또는 비-가교결합 시스템의 경우에, 예컨대 열 및 압력의 조합을 이용하여, 통합(consolidated)되며, 형성되고 경화되거나 융합/접착 된다.
도 14는, 일반적으로 다수의 신발 어플리케이션에서 사용할 수 있는 모듈식으로 설계된 합성 신발(102)을 제조하는 방법을 도시한 다이아그램을 보여준다. 갑피는 설계 및 제조 단계를 포함하는 다단계 공정으로 제조된다. 설계 단계(202) 및 제조 단계(204)는 컴퓨터가 지원될 수 있다. 제조 단계(204)는 적어도 하나의 자동화된 제조 공정으로 시행될 수 있다.
다양한 실시예에서, 적어도 하나의 컴퓨터-지원 설계은 합성 신발 갑피(102)의 각각의 고유한 형태를 만들수 있다. 설계 단계(202) 동안 성능 기준이 합성 설계에 도달하기 위해 이용된다. 일부 경우에 있어서, 다양한 하중 및 경계 조건 하에서 갑피의 성능을 이해하기 위해 컴퓨터 모델이 생성되어 분석된다. 이러한 컴퓨터 모델은, 바람직하게는 유한 엘리먼트 분석을 이용하여, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, 다양한 현장 조건하에서 구조의 동작(behavior)을 예측함으로서 새로운 설계을 최적화 하는것을 지원한다. 컴퓨터 설계이 최적화되면, 하나 이상의 프로토타입(prototypes)이 물리적 테스트를 위해 생성될 수 있다. 합성 신발 갑피(102)는, 동시에 또는 연속해서 생산-비용 분석, 재료 유용성, 저장 안정성 분석, 및 기타 등 을 포함하여, 제조가능성을 위해 분석된다. 만약 갑피가 평평한 형태인 경우, 순응하여 걸침이 있어서, 성형, 및 추가 3-D 형성 단계가 계획된다. 만약 종래의 신발 산업 래스팅(lasting) 구성 방법이 계획되는 경우, 설계 및 분석은, 또한 현재 산업 제조 방법과 기존 툴링(tooling) 및 제조 장비에 적합한 향상된 성형을 제공하는데 사용된다. 만약 프로토타입의 성능이 성능 기준 및 제조 기준과 일치하는 경우, 갑피 구성요소 설계은 제조 단계(204)로 이동한다. 이러한 분석 및 설계에 적합한 상업적으로 유용한 분석 패키지는, NASTRAN, Abaqus, ANSYS, 및 PATRAN 을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
하나 또는 둘의 설계 단계(202) 및 제조 단계(204)는, 바람직한 합성-재료 갑피의 자동화 제조에 사용할 수 있는 컴퓨어-지원 설계 데이타의 개발을 포함할 수 있다. 예시적인 제조 순서(fabrication sequence)는 본 발명의 후속 부분에서 설명된다.
제조시에, 합성 신발 갑피(102)는 도시된 바와 같이, 하나 이상의 최종- 사용 제품(250) 내에 통합된 상태하에 있다. 다양한 실시예에서, 완성된 갑피 구성요소는 미래에 사용을 위해 보관될 수 있으며, 또는 즉시 후속 제조 단계로 진행될 수 있으며, 또는 완성된 제품 내로 통합이 직접 진행될 수 있다. 하나(단일)의 갑피 설계의 사용은, 갑피의 최초 설계/분석과 관련된 시간 및 비용이 다수의 최종 제품 사이에서 분담될 수 있게 할 수 있다.
이 명세서를 읽은 후, 당업자는 일반적으로 본 발명의 이후 부분에서 설명하는 것과 같은, 완성된 제품에 갑피를 통합하는 부가적인 제조 단계를 포함하는 것을 이해할 것이다. 이는 상기 최종 사용 어플리케이션의 성질에 따라, 완성된 제품으로 갑피의 후속 통합은 또한 하나 이상의 부가적인 설계 단계를 포함 할 수 있음을 알게된다.
도 15는, 도 11의 합성 신발 갑피를 제조하는 방법의 실시예를 일반적으로 도시한 다이아그램을 보여준다. 도 15는 제조 단계(204)기 뒤 잇는 설계 단계(202)를 도시한다. 제조 단계(204)는, 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 몰드 또는 유시한 성형 툴(208)을 이용하여 합성-재료 레이업(26,layup)의 실행을 포함한다. 제조 단계(204)는, 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 경화 단계(210,curing step)를 더 포함한다. 경화 단계(210)는, 폴리머 체인의 가교결합에 의해 폴리머 매트릭스를 강화시키게끔 열 및 압력을 이용할 수 있다. 다양한 폴리머 화학에서, 경화는 화학 첨가제, 자외선 방사, 전자 빔, 및 기타 방법에 의해 초래될 수있다. 대안적으로, 열가소성 매트릭스 재료는 가열 형성될 수 있으며, 다수의 레이어는 열 융합 또는 접착, 초음파 또는 레이저 용접된다. 열가소성 핫 멜트(Thermoplastic hot melts), 반응성 폴리우레탄 접착 시스템(reactive polyurethane adhesive systems)은, 용제 용접기술, 접촉 접착제, 또는 가교결합(crosslinking) 또는 비가교결합 접착제 또는 다른 적합한 방법들을 사용하여 접착될 수 있다. 만약 가교결합 접착제가 사용되는 경우, 상기에 기재된 가교결합의 경화방법이 사용될 수 있다.
일반적으로, 경화 기술은, 압력 및 온도; 압력 및 방사(선); 및, 열을 지닌 압력 및 방사(선) 경화, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
일반적으로, 가열 방법은, 가열 카울(heated caul); 무선 주파수(radio frequency); 전자 빔(E-beam); 유도 가열; 및 오븐, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
도 16은, 도 11의 합성 신발 갑피(102)의 제조에 사용되는 최초 제조 단계의 하나의 실례 설정을 일반적으로 도시한 다이아그램을 보여준다. 이 순서에 있어서, 선택된 가요성 합성재료(103)가 평면 시트(212) 형태로 제공된다. 평면 시트(212)는 이전에 설명된 구조 및 비구조 전구체 재료(structural and nonstructural precursor materials) 중 하나를 포함할 수 있다. 평면 시트(212)는 원료-섬유(raw-fiber) 조성(물)로 구성될 수 있고, 또는 프리프레그 B-스테이지(또는 C-스테이지) 전구체 합성을 포함할 수 있다.
하나 이상의 후속 단계에서, 추가 보강 섬유(104,additional reinforcing fibers)는, 예컨대, 자동 섬유 레잉 공정(214)을 사용하여, 시트에 첨가될 수 있다. 추가 섬유 배치는, 하중 경로, 순응성 요건(compliance requirements) 및 기타 등을 예상하여 설계될 수 있다. "방사상"(radiused) 섬유 배치의 사용은, 합성 섬유 내의 꼬임(kinking)을 방지하고, 일부 어플리케이션에 설계된 안정적인 하중 경로를 제공한다. 다양한 어플리케이션에서, 단섬유 토우(single fiber tows ) 또는 좁은 다섬유 테이프(narrow multi-fiber tapes )는, 하중 전달을 향상시키게끔 재료 레이어들(110) 사이에 끼일(sandwiched)수 있다. 대안적으로, 추가 보강물은 수동으로 적용될 수 있다. 선택적 단계들은 시트에 추가적인 재료의 적용을 포함한다. 이러한 추가적인 재료들은 구조 또는 비구조 섬유 엘리먼트, 미리 형성된 삽입물, 쿠션. 그래픽 아플리케(graphical appliques), 인쇄 등을 포함할 수 있다.
다음으로, 시트는 적어도 하나의 자동 컷팅 공정(216)을 이용하여 컷팅 단계(cutting step)로 진행된다. 이 단계에서, 설계 과정 동안 개발된 적어도 하나의 컴퓨터-생성 패턴을 사용함으로서, 시트의 부분은, 시트로부터 컷팅(절단)되어 결국 갑피 구성요소를 형성할 것이다. 대안적으로, 컷팅은 수동으로 실행될 수 있다. 대안적으로, 컷팅은 순서에서 임의의 이전 지점에서 실행될 수 있다.
다양한 자동화 컷팅 방법은, 회전 칼(rotary knife)(즉, 기계적인); 초음파; 레이저; 다이-컷(die-cut); 워터 제트; 및 이들의 조합을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
일부 어플리케이션에서, 도시된 바와 같이, 후속 제조 공정을 용이하게하기 위해 컷팅 단계 동안 등록 마킹(registration markings)이 적용되는 것이 바람직하다. 위에서 설명된 제조 단계는, 메일 래스트(mail last) 또는 피메일 몰드(female mold)와 같은 미리 형성된 툴(preformed tool)과 조합하여 대안적으로 실행될 수 있는 것을 더 알게 된다.
도 17은 본 발명의 하나의 실시예에 따른, 합성 신발 갑피(112)를 형성할 수 있는 평면 합성 구성요소(218)을 개략적으로 도시한 평면도를 보여준다. 갑피 패턴은 도 17의 개략적인 도면에 묘사되지 않은 추가 특징을 포함할 수 있음에 유의해야 한다.
도 18은 도 11의 합성 신발 갑피(102)의 제조에 사용되는 후속 제조 단계의 설정을 일반적으로 도시한 다이아그램을 보여준다. 여기에서 래스트(22)와 식별되는, 적절한 3차원 성형 툴(208)이 제공된다. 래스팅 절차(222,lasting procedure)에서, 평면 합성 구성요소(218)는, 하나 이상의 자동화 래스팅 공정을 이용함으로서, 래스트(220)의 외부 확인(확정)을 위해 맞추어진다. 대안적으로, 가요성 합성 재료는 수동으로 래스트(220)에 적용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 구성 재료들은 진공-지원 접착을 사용하여 래스트에 유지될 수 있다. 대안적으로, 임시 접착제가 일시적인 위치에 사용될 수 있어서 형성 공구에 인접하여 재료를 유지한다. 예컨대, 래스트(220)는, 래스트에 인접한 재료를 유지하기 위한 하나 이상의 접착 사이징 재료(adhesive sizing materials) 이전에 릴리스 재료(release material)로 코팅 될 수 있다(이런 재료들은 합성재료로 세척되거나 분해되어 혼합된다.).
래스팅 절차(222)가 완료시에, 도시되 바와 같이, 3차원 형상의 가요성 합성 레이업은 경화 단계(210)로 이동된다. 다양한 절차에서, 경화 단계(210)는 래스트(220) 위에 위치되는 갑피에서 실행된다. 대안적 실시예에서, 래스트(220)는 경화 이전에 제거된다.
래스팅 절차(222)의 대안적 단계에서, 추가 보강 섬유(104)는 래스팅 절차(222)동안에 가요성 합성재료(103)에 적용된다(경화 이전에). 래스팅 절차(222)의 대안적 단계에서, 추가 폴리머 접착제(224)는 가요성 합성재료(103)에 적용된다. 이럼 대안적 단계에서, 미경화 갑피 구성요소는 프리프레그의 조합들 및 추가 접착제 폴리머(224)의 적용을 필요로하는 원료 섬유(raw-fiber)를 포함할 수 있으며, 따라서 통일된(하나로 된) 합성 구성요소로 구성 재료의 후속 통합(consolidation)을 지원한다. 다양하고 유용한 접착제-폴리머 수지는 열경화성 수지 및/또는 열가소성 수지를 포함한다.
접착제는 하나 이상의 다음의 비-제한적 적용 기술을 이용하여 섬유에 적용될 수 있다; 스프레잉(spraying); 디핑(dipping); 열 필름(thermal films); 열가소성 필름; 수지 주입; 및 건조 분말 코팅; 및 이들의 조합을 이용한다.
라스트 절차(222)의 다른 각종 실시예에서, 모든 구성 물질들(섬유, 멤브레인 등)은 자동화 섬유 배치 프로세스의 라스트 공구(또는 반대로, 자형 몰드에)에 인가된다. 이런 교대하는 최종 절차에서, 싱글-토우 섬유 및/또는 시트 패브릭은 라스트 또는 몰드 공구에 적용되어, 도 16에 묘사된 평평한-재료 제작 단계를 제외시킨다.
본 명세서를 읽음으로써, 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람들은 이제 적절한 환경 하에, 바람직한 디자인, 바람직한 제조, 비용, 구조적인 요건, 이용가능한 재료, 기술적인 진보, 기타 다른 레이업, 및 예컨대 미리 형성된 패치, 스페이서, 토 범퍼, 탄성 중합체 부속품, 옷감 또는 가죽 외부 표면층, 및 유사한 특징들과 같은 라스트 배열과 같은 문제들을 고려한다.
따라서, 전술한 바와 같이, 갑피의 합성 레이업은, 자동 레이업, 자동 레이업과 결합한 수동 레이업, 소규모 또는 커스텀 작업을 위한 완전 수동 레이업, 플랫 레이업(일반적으로 묘사되고, 도 16에 도시된 바와 같은), 부분적 프리폼 레이업, 자형 공구를 지닌 레이업(싱글-토 배치 및/또는 걸쳐진 패브릭), 및 자동화된 "온-공구" 레이업(여기서, 모든 섬유 배치는 라스트 또는 몰드 공구 상에서 발생함), 및 그들의 조합들 중 하나 이상의 비제한적인 기술 목록에 의해 성취된다.
도 19는 제1 응고화를 일반적으로 도시한, 개략도를 나타내고, 도 11의 복합 신발(footwear) 갑피의 제조에 채용 가능한 경화 방법(methodology)을 나타낸다. 이 예에서, 단단한 자형 공구(252)는 자형-몰드 경화 처리를 시행하는데 사용된다. 이 제조 기술에서, 내부(즉, 밖으로 향하는) 압력은 응고화를 위해 사용된다.
예시적인 자형-몰드 경화 처리에서, 복합 레이업은 자형 몰드의 내부 표면들 및 하이드로폼 타입의 맨드렐, 공기주입식 다이아프램, 또는 유사한 탄성중합 블라더 사이의, 자형 공구(252)의 캐비티 내에 위치된다. 가압 액체(pressurized fluid)는 바람직하게는 탄성중합 공구의 공기를 주입하고, 자형 공구(252)의 내부 표면들에 대향하여 복합 레이업을 누르는데 사용된다. 대부분의 경우, 액체 및/또는 공구는 접착제 폴리머 매트릭스의 경화 단계에 기여하도록 가열된다. 일단 경화 사이클이 완료되면, 공기주입식 탄성중합 공구는 공기가 빠지게 되고, 경화된 또는 B-스테이지된 갑피 요소는 자형 공구(252)로부터 제거된다. 이는 도 19에 도표로 묘사된 바와 같이(다른 실시예에서 도 7a-c에 도시된 바와 같이), 예시적인 실시예는 복잡한 외부 세부 양식(details) 또는 완성된 외관(outer appearance)을 요구하는 복합 갑피제조에 아주 적합하다는 것이 기술된다.
반대로, 공기주입식 라스트(220)는 자형 공구(252)와 함께 사용된다. 이 경우, 우선적으로 완성된 갑피 요소로부터 제거 가능하도록 충분히 찌그러지는(collapse) 능력을 유지하는 반면, 라스트는 라스트 절차(222)(즉, 도 18) 동안에 레이업을 허용하도록 충분히 단단(rigid)하다.
도 20은 일반적으로 제2 응고화 및 도 11의 복합 신발 갑피의 제조에 경화 처리에 채용 가능한 경화 방법의 개략도를 나타낸다. 일반적으로 도 20은 예컨대, 상당히 단단 웅형 라스트(220)와 같은, 웅형 몰드 처리 이용을 묘사한다. 이 예시적인 제조 기술에서, 외부 압력은 복합 재료의 응고화에 사용된다. 이 기술은 갑피 요소 내의 매끄러운 내부 표면을 제공하는데 유용하다.
이런 웅형-공구 처리는 진공 백(vacuum bags), 탄성중합 외부 블라더(elastomeric external bladders), 몰드 박스(응고화 압력을 위해 압력 또는 열팽창 둘 중 하나를 사용하는), 및 기타 등을 포함할 수 있다. 이 시스템은 진공 및/또는 대기 오토클레이브 내의 경화와 호환될 수도 있다. 단단한 웅형 라스트(220)의 각종 실시예들은 진공-지원형 레이업을 제공하기 위해(즉, 레이업 및 라스트 절차 동안 라스트에 대한 구성 재료를 붙잡기 위해) 진공 포트의 배열(arrangement)을 포함한다. 이 기술은 또한 미경화되고, B-스테이지되고, C-스테이지된 또는 열 형성력이 있는 열가소성 수지 매트릭스 브로드 상품(broad goods) 또는 신발(shoe)에 직접 사용하기 위한 3차원 형상 안으로, 또는 신발 형성 공구, 라스트 또는 맨드렐에 적용하기 위한 3차원으로 형성된 프리폼으로서 제조된 평평한 프리폼에 있는, 단방향 적층물(unidirectional laminates)의 평평한 시트들을 형성하기 위하여, 수퍼플라스틱 형성 기술 및 다른 유사 압력 또는 진공 형성 기술에 활용하는데 적응할 수 있다.
수퍼 플라스틱 형성 타입 시스템의 실시예가 도 27에 도시된다. 도 27에서, 갑피(185)는, 예를들어 단일-단계 작동(one-step operation)에서, 무늬있는 패널 안으로 잘리고, 3D 형상 안에 형성되며, 함께 적층된 열가소성 수지 매트릭스를 지닌 다방향 브로드 상품의 플라스틱같이 형성된 플랫 시트를 포함하여 이루어진다. 도 28 및 29는 유니테이프 층, 및 웅형 형성 공구 상의 다른 구조적 요소들의 겹겹의(ply-by-ply) 레이업의 실시예를 나타내며, 갑피의 껍질에 레이스를 다는(lacing) 로드를 통합하는 통합된 고리달린 스트랩 요소의 결합을 포함한다. 이 스트랩 요소는, 레이스를 달기 위해, 얇은, 경량의 갑피, 안으로 균등하고 확실하게 레이스로부터 하중 분포(load distribution)가 시작되는 강한 고리를 제공하며, 개인의 신발 적용 및 설계(application and design)의 개인의 의도된 목적을 위해 착용자로부터 부하 전달을 최적화하기 위해 부하를 전달하고 이끄는 신발 내의 부하 경로의 최적의 제작(enginnering)을 가능하게 한다.
각종 실시예에서, 도 28 및 29에 도시된 바와 같이, 갑피는 갑피의 바닥 주변에서 연장되며, 신발의 양측면으로부터의 부하 경로는 갑피 껍질(upper shell)에 통합된다. 이 부하 경로 지속성 능력(continuity capability)은 독특하며, 잠재적으로 하부로부터 갑피의 구조적인 분리(decoupling)를 가능하게 하여, 주요한 구조적인 부하를 견디(carry)는 하부의 필요성을 제거한다. 이런 부하 경로 지속성 능력은 갑피의 좀 더 효과적인 부하 경로 설계 최적화 및 부하 운영을 가능하게 하는 반면, 잠재적으로 층격 흡수 및 부하 분포의 최적화를 허용한다. 이는 또한 점탄성 층(viscoelastic layers)이 고강도 및 저신장(low stretch) 구조 연결들 사이에 통합되는 것을 허용하며, 갑피의 신발 구조가 충격을 관리하고, 달리거나 다른 활동시에 충돌을 둔화시키며(dampen), 여기서, 일시적인 신발/공 충돌 사건을 정의하는, 공을 차는 것(kicking) 같은 급격한 일시적인 충돌 사건 하에 신발 구조를 잠재적으로 굳히는(rigidize) 것을 허용한다. 신발이 러닝(running) 및 커팅(cutting) 방향에 따라 최적이 되도록 여전히 허용하는 반면, 그리고 편안함을 유지하는 반면에, 키킹 충돌 하의 신발을 굳히는 능력은 키커(kicker)의 키킹 수행(performance)을 잠재적으로 향상시킨다. 일시적인 키킹 충돌 부하 동안에 이런 신발 구조의 굳힘(rigidizing) 정의는, 키커가 공을 빠르고 더 멀리 차기 위해서 더 많은 모멘텀(momentum)을 전하고, 찰 때 공에 더 많은 힘을 전달하는데 쓰는 더 많은 키커의 근육 노력을 전달하기 위한, 키커의 발에서 공까지의 부하 전달을 잠재적으로 향상시키고, 최적화한다. 신발의 굳힘은 또한 컴플리언스 및 필요한 안락함 정도(comfort level)을 유지하기 위해 반드시 헐렁거리는 신발 보다 키킹 정확도가 잠재적으로 향상되도록 좀 더 안정된다.
도 20의 웅형-공구 경화 절차 또는 도 9의 자형-공구 경화 절차 중 어느 하나에서, 몰드-공구 실시예들은 탄성중합 내부 및/또는 외부 몰드 표면을 포함하는 탄성중합 몰드 박스/스플릿 몰드(elastomeric mold boxes/split molds)를 활용할 수 있다. 어느 하나의 절차에서, 몰드 공구는 내부 및/또는 외부 요소 특징들을 제공하기 위해, 도 21에 도표로 도시된 바와 같이, 추가적으로 사출 공동 성형(injection co-molding)에 활용될 수 있다.
사출 공동 성형은 건조 섬유에 수지를 불어넣거나 주입하는데, 또는 물질 또는 프리폼에 부분적으로 가득 스며들게 하는데 사용될 수 있으며, 또는 반대로 합금 하이브리드 레진 또는 접착 시스템을 형성하기 위해 하이브리드 및 주입가능한 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 형성하는데 사용될 수도 있다.
레진 주입은 또한 내부를 복제하는데 및/또는 도 21에 도표로 나타낸 바와 같이, 공구의 표면 또는 표면층에 포함되는 양각 프린트된 패턴, 형태와 같이 내부 및 외부 몰드 표면에 들어가 있는 외부 요소 특징들, 텍스처 또는 표면상태(surface finishes)를 이동시키는데 사용될 수 있다.
내부 및 외부 몰드 표면은, 패턴, 형태, 기하학적 특징, 양각프린트된 모조 가죽 또는 옷 텍스처, 그루브(grooves), 구멍(perforations), 그래픽(graphics), 모조 바늘땀 또는 실밥, 그래픽, 로그, 광택이 나거나 무광의 표면상태를 제공하기 위해서, 주조된(molded), 에칭된(etched), 또는 기계로 만들어진 패턴, 텍스처, 부정적이거나 긍정적인 인상(impressions), 또는 포켓(pockets)일 수 있다. 표면은 스프레이(spray), 솔질되(brushed)거나 파인(dipped) 표면 레진과 같은 각종 방법을 사용하여 형성될 수 있으며, 순응하고 형성되는 공구의 표면에 형성된 표수막(surface film) 열 또는 진공인, 패턴된(patterned) 몰드 표면에 직접 인가될 수 있고, 몰드 패턴은 몰드의 표면에서부터 구체적으로 몰드상에 패턴을 수용하고 이동시키기 위해 설계된 갑피에 인가된 민감한 표면 상태까지 직접적으로 이동될 수 있다.
힐 카운터(heel counter), 보강재(stiffeners) 및 중창(midsoles)과 같은 삽입물은, 프리폼된 열가소성 수지, 열가소성 수지 매트릭스 카본 섬유 또는 프리폼된 강화 섬유유리, 또는 미리 제조된 세부장식(details)을 사용하는 단발 공정 동안에 직접적으로 형성될 수 있으며, 호환가능한 열경화성 매트릭스를 사용하여 갑피에 경화될 수 있다.
토 범퍼, 힐 카운터, 아플리케(appliques), 물품(articles) 또는 공을 차기 위한 패드(pads), 또는 마모 보호대(abrasion protectors)와 같은 특징들은, 단발 또는 부차적인(secondary) 절차와 같은 갑피의 주조 단계 동안에 갑피에 대한 요소를 본딩(bond)하고 위치시키기 위한 요소의 부정(negative)을 형성하는 포켓 또는 인상(impression)에 배치될 수 있다. 토 범퍼와 같은 특징들은 전체적 또는 부분적으로 탄성중합체로 경화되거나, 열가소성 수지로 주조될 수 있다. 본딩(bonding)은 여기에 언급된 방법들을 통해, 또는 부분적으로 경화된 탄성중합체의 경우 공동 경화(co-curing)를 통해 이루어질 수 있다. 적당한 경우, 갑피의 접착 매트릭스 또는 표면 코팅은 반대로 세부장식 요소를 본딩하는데 사용될 수 있다.
이들 표면 세부장식은 또한 현재의 신발 제조에 사용되는 유사한 기술을 사용하여 주조 단계 후에 본딩될 수 있다.
도 21은 일반적으로 도 11의 신발 갑피(102)를 합성하기 위해 피니쉬 부품(finish componentry)을 인가하는 방법을 도시한 도면을 나타낸다. 도 21은 일반적으로 주조 일체를 포함한 "단발(one shot)"로 설명될 수 있는 것을 묘사한다. 이 절차에서, 외부 특징들(예를 들면, 반대의 주조된, 솔 구성요소(254) 등)은 경화 단계(210) 동안에 폐쇄된 몰드 공구 내에 인가된다. 이러한 주조 일체를 포함한 "단발"은 도시된 바와 같이, 변형된 사출 성형 공정에 활용될 수 있다. 시스템의 전형적인 배열에서, 자형 공구(252)는 도시된 바와 같이, 하나 이상의 폴리머 사출 성형 구성요소(256)을 포함하도록 변형된다. 각종 실싱PDp서, 하나 이상의 탄성중합체(elastomeric polymers)는 예컨대, 탄력있는 밑창 구성요소(resilient sole component)를 형성하기 위해 몰드 공구 내에 주입된다. 경화 공정은 복합 신발 갑피(102) 및 주입된 구성요소 사이의 영구적인 접속(connection)을 형성한다. 주입 시기(injection timing) 및 고분자화학(polymer chemistries)은 갑피 구성요소를 형성하는 복합 재료의 경화 사이클과의 호환성을 최대화 시키기 위해 선택될 수 있다. 각종 탄성재료들은 필수적인 기계적 성능, 제조 공정, 비용등을 기초로 하여 선택된다. 각종 주입 물질은 제한하는 것은 아니지만, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 발포 폴리우레탄(foamed polyurethanes), 가요성 폴리염화비닐(flexible polyvinylchlorides), 점착성 탄성재료(viscoelastomeric materials) 등을 들 수 있다.
도 22는 도 11의 합성 풋웨어 갑피에 마무리 부품(finish componentry)을 인가하는 방법의 실시예를 나타낸 도면이다. 이 예시적인 실시예에서, 하나 이상의 탄성 중합체(elastomeric) 물질(251)은 미리경화된 또는 미경화된 합성 풋웨어 갑피(102) 중 어느 하나를 포함하는 개방된 멀티파트 몰드(open multipart mold)에 도입된다. 멀티-파트 몰드의 몰드 부분은 밑바닥(sole) 구성요소의 특성에 대응하는 내부 형상을 가진 실질적으로 폐쇄된 네거티브 임플레스(negative impression) 공동을 형성하도록 조립된다. 예시된 프로세스는 합성 풋웨어 갑피(102)와 몰딩된 요소 사이에 영구적인 커넥션(connection)을 형성할 수 있다.
도 23은 도 11의 합성 풋웨어 갑피에 마무리 부품을 인가하는 대안적인 방법을 나타낸 도면이다. 이 대안적인 방법에서, 미리형성된 밑바닥은 경화된 합성 풋웨어 갑피(102)에 본딩되거나 영구적으로 고정된다.
본 발명에 따른 각종의 3차원 원-피스 부품(one-piece parts)은 비교적 저가인데, 이는 높은 성능 섬유의 단위 성능당 단가가 낮고, 저렴하고 즉시 이용가능한 높은 데이터 토우를, 얇고, 경량인 유니테이프로 변환 비용이 낮으며, 완성된 갑피를 생산하기 위해 "On Shot Mold System"의 사용되고, 갑피의 자동화 제조 및 생산하는 잠재된 능력으로 기인한다. 비용은 갑피가 원 tit 프로세스로서 하부에 본딩되면 더 절감된다. 양호한 형상 정확성(fidelity)(우선적으로 정밀 공차 3D 몰딩으로 기인하여)은 효율 다운 스트림 제조(efficient down stream production) 및 나머지 제조 단계의 자동화를 가능하게 하고, 다른 장점들 중에서도, 양호한 압력 보존성 포함하고, 양호한 구조적인 디테일(스트래핑(strapping), 부착 포인트(attachment points) 등)을 포함하고, 누수나 결함을 초래하는 솔기를 포함하지 않고, 균일한 변형율을 포함한다.
당업자에게 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능하다는 것은 자명하다. 따라서 첨부된 특허청구범위 내에서 이루어진 변형 및 변경은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
마찬가지로, 다수의 특성 및 장점은 전술한 설명에서 설명되었으며, 이는 장치 및/또는 방법의 구조 및 기능의 세부 사항과 함께 다양한 변형들을 포함한다. 발명의 개시는 단지 예시적인 것으로 의도된 것이며, 이는 포괄적으로 의도되는 것은 아니다. 첨부된 청구범위가 표현되는 용어의 넓은 일반적인 의미에 의해 묘사된 전체 범위에 대한, 개시된 발명의 원리 내에서, 특히 구조, 재료, 요소, 구성요소, 형상, 크기 및 부품들의 배열에 있어서, 각종 변형이 만들어 질 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 다양한 변형이 첨부된 청구항의 사상 및 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서, 그 안에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (31)

  1. 적어도 하나의 단방향 테이프를 포함하는 보강 요소(reinforcing elements); 및
    상기 단방향 테이프 내에 배치된 모노필라멘트(monofilaments)를 포함하고,
    상기 모노필라멘트의 전부는 상기 테이프 내에 미리결정된 방향으로 위치되고,
    상기 모노필라멘트는 40마이크론 보다 작은 직경을 가지며,
    각각의 모노필라멘트는 근방의 모노필라멘트에 인접해 있거나, 각각의 모노필라멘트 사이의 간격(spacing)은 모노필라멘트의 인접한 보강 그룹 내의 각각의 모노필라멘트 사이의 범위 내의 간극(gap distance)과 모노필라멘트 주 직경의 50배 사이의 범위의 간극 내에 있는
    적층물(laminate).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모노필라멘트는 압출(extrude)되고, 인출(pull-truded) 또는 접착 수지로 코팅되거나 접착수지 내에 매설된 모노필라멘트로 변환되는 적층물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보강 요소는 적어도 2개의 단방향 테이프를 포함하는 적층물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 두개의 단방향 테이프의 제1 단방향 테이프는 적어도 두개의 단방향 테이프의 제2 단방향 테이프 내의 모노필라멘트와 상이한 미리결정된 방향으로 배치된(lying) 모노필라멘트를 포함하는 적층물.
  5. 제3항에 있어서,
    적어도 두개의 단방향 테이프의 각각은 모노필라멘트가 없는 넓은 면적을 포함하고, 상기 넓은 면적은 모노필라메트가 없는 영역을 포함하는 적층 오버레이(laminar overlays)의 세트를 포함하는 적층물.
  6. 제5항에있어서,
    상기 작은 면적은 사용자 계획 배열(user-planned arrangement)을 포함하는 적층물.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 작은 면적의 적층 오버레이를 포함하는 방수성/통기성 요소의 세트를 더 포함하는 적층물.
  8. 제7항에 있어서,
    적층 오버레이의 적어도 하나의 추가적인 세트를 더 포함하는 적층물.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 두개의 단방향 테이프의 상이한 미리결정된 방향의 조합은 계획된 방향에서의 강성(rigidity)과 가요성(flexibility)을 달성하도록 사용된 선택되는 적층물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적층물는 3차원 형상의 가요성 합성 제품을 포함하는 적층물.
  11. 제10항에 있어서,
    주변 에지를 따라 연결된 다중 적층물 세그먼트를 더 포함하는 적층물.
  12. 제11항에 있어서,
    주변 에지를 따라 적어도 하나의 비적층물 세그먼트에 연결되는 적어도 하나의 적층물 세그먼트를 포함하는 적층물.
  13. 제11항에 있어서,
    주변 에지를 따라 연결되는 다중 적층물 세그먼트를 포함하는 적층물.
  14. 제13항에 있어서,
    주변 에지를 따라 적어도 하나의 비적층물 세그먼트에 연결되는 적어도 하나의 적층물 세그먼트를 포함하는 적층물.
  15. 제13항에 있어서,
    주변 에지를 따라 적어도 하나의 유니테이프 세그먼트에 연결된 적어도 하나의 적층물 세그먼트를 포함하는 적층물.
  16. 제13항에 있어서,
    주변 에지를 따라 적어도 하나의 모노필라멘트 세그먼트에 연결된 적어도 하나의 적층물 세그먼트를 포함하는 적층물.
  17. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 강성 요소(rigid element)를 더 포함하는 적층물.
  18. 제1항의 적층물을 포함하는 3차원 형상의 제품에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단방향 테이프는 상기 제품에 부착되는 제품.
  19. 제18항에 있어서,
    부착 지점(attachment points)에 대한 일체화된 구조적 보강재(reinforcements)와, 관통구멍(through holes)와, 보강 스트랩(straps)을 더 포함하는 제품.
  20. 3차원 형상의 가요성 합성 부품(parts)을 생성하기 위한 방법에 있어서,
    a. 호환가능한 구성을 가진 적어도 하나의 웅형 몰드와 적어도 하나의 자형 몰드를 제공하는 단계;
    b. 웅형 몰드 위에 적어도 하나의 섬유 보강 스크림을 인가하여 제1 합성 레이업(layup)과, 부수적인(optional) 제1 표면 레이어를 형성하는 단계 - 상기 섬유 보강 스크림은 상이한 방위로 배치된 단방향 섬유의 둘 이상의 레이어를 포함함 - ;
    c. 웅형 몰드로부터 제1 합성 레이업을 제거하고 제1 합성 레이업을 자형 몰드 내에 배치하는 단계;
    d. 부수적으로, 자형 몰드 내에 상기 제1 합성 레이업 위에 적어도 하나의 릴리즈 라이너(release liner)를 배치하는 단계;
    e. 웅형 몰드 위에 적어도 하나의 섬유 보강 스크림을 인가하여 제2 합성 레이업(layup)과, 부수적인(optional) 제2 표면 레이어를 형성하는 단계 - 상기 섬유 보강 스크림은 상이한 방위로 배치된 단방향 섬유의 둘 이상의 레이어를 포함함 - ;
    f. 웅형 몰드로부터 제2 합성 레이업을 제거하고 제2 합성 레이업을 자형 몰드 내에 제1 합성 레이업 위에 배치하는 단계;
    g. 제1 합성 레이업과 제2 합성 레이업을 주변부에서 접합하는 단계;
    h. 적어도 하나의 3차원 형상 제품을 성형하도록 제1 합성 레이업과 제2 합성 레이업을 경화하는 단계
    를 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    적어도 하나의 3차원 형상 제품 내로 적어도 하나의 개구(openning)를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 개구를 통해서 부수적인 릴리즈 라이너를 제거하는 단계를 더 포함하는 방법.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 3차원 형상 제품에 적어도 하나의 보강 구조재(reinforcing structure)를 추가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  24. 제20항에 있어서,
    적어도 하나의 3차원 형상 제품은 신발 내에 통합되는 방법.
  25. 제20항에 있어서,
    적어도 하나의 3차원 형상 제품은 가방 내에 통합되는 방법.
  26. 제20항에 있어서,
    적어도 하나의 3차원 형상 제품은 가스 불투과성인 방법.
  27. 제20항에 있어서,
    제20항에 있어서,
    적어도 하나의 3차원 형상 제품은 가스 팽창가능한 구성인 방법.
  28. 3차원 형상의 가요성 합성 부품을 생성하는 방법에 있어서,
    a) 솔기가 중첩된 영역을 가진 이차원 가요성 합성 부품을 형성하도록 제1 부품 사이드로부터의 주변 물질(peripheral material)을 제2 부품 사이드 위로 폴딩하는 것에 의해, 2개의 대칭적인 가요성 부품을 연결하는 단계; 및
    b) 내부 공동을 가진 단일한 3차원 형상의 가요성 합성 부품을 형성하도록 2개의 대칭적인 가요성 부품을 경화하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  29. 3차원 형상의 가요성 합성 부품을 생성하는 시스템에 있어서,
    상기 시스템은, 합성 부품에 대한 설계에 도달하도록 이용가능한 설계 페이즈(design phase); 및 합성-물질 레이업의 실시를 포함하는 제조 페이즈(fabrication phase)를 포함하고, 상기 합성-물질 레이업은 적어도 하나의 몰드를 포함하고, 상기 합성-물질은 강화(consolidated) 및 경화되는 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 3차원 형상의 가요성 합성 부품은 C-스테이지화 또는 B-스테이지화된 합성 풋웨어 갑피(footwear upper)를 포함하는 방법.
  31. 청구항 20의 방법에 의해 생성된 3차원 형상의 가요성 합성 부품.
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