專利名稱：由熱塑性顆粒或類似物直接成型非紡織品元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種組合式的聚合物加工和物品制造方法，特別是涉及一種以互連結構形成具有獨特形狀的聚合物元件的方法和加工過程。
背景技術：
塑料的使用已經滲透到目前所有類型的制品中了。將塑料成型為制品或以特定元件的形式結合成制品的方法被精心地研制出來，以總體上提高制品產量和所形成的塑料制品的功能特性。通常，聚合物加工用于形成某種單獨的制品或元件，例如包裝結構(塑料瓶)，或是形成大型制品中的單個元件(小功率傳動鏈中的嚙合件，或者用于組合成紗織品或合成織品的熱塑性纖絲)。
傳統的眾所周知的塑料成型方法包括注射成型、吹塑成型、擠出成型以及其他等等。這些成型方法中的每一種分別具有若干相關的附屬處理技術，但最終均依賴于至少一個共同特點塑料必須在初始階段轉化成熔態，再經受預期的加工處理。熔態熱塑性料流通常是這樣產生的，即通過攪拌塑料顆粒(可能包含一些從前次成型過程的廢料“重新磨碎”而獲得的材料)，從而將形成的物料加熱成熔化溫度。這種熔化需要使用相對復雜的設備，而且工藝參數必須精確地控制，才能成功地完成加工。上述成型方法還具有一定的局限性，即它們可以加工的制品的類型受到限制。利用這些成型方法制作出的最終制品的材料參數，例如表面性質、耐化學性、電性、光學性質、熔化性質、抗拉強度、剪切強度、彈性和剛性等，取決于這些傳統的塑料成型過程。這些成型過程中的一些還會產生很多廢料，這些廢料可以在下次加工之前回收到熔態塑料中。
在要求塑料制品具有柔性、耐用、結實和容易組裝時，例如制品是非紡織品時，上述這些限制就變得嚴重了。在這里，非紡織品指的是由互連的單個元件制成的大致柔性片材，這種片材具有紡織品的很多特性，但這些特性并非基于纖維或纖維加工方法而獲得的。非紡織品的一個例子是鎖子鎧甲。
另一種塑料成型方法是固態成型，這種方法也被殼牌發展公司(Shell Development Company)稱作“超塑性成型”，被道氏化學公司(Dow Chemical Company)稱作“塑料制品的無廢品成型”。這種固態成型方法用于制作具有較高熱變形溫度的塑料制品、帶整體形成表皮的膨脹或多孔分層制品、由超高分子量聚合物制成的制品以及由兩種或多種材料制成的混合或多層結構。還有一種相關的方法用在金屬特別是鋁的成型中，用以將精確形成的鋁制料塊鍛造成鋁制品形狀。雖然固態成型可以用于制作塑料制品，以基本上克服前面所述成型方法中的缺點，但固態成型本身尚沒有被用于直接制作互連結構。
這些塑料成型方法的另一項缺點是，要在隨后的將成型制品組合成最終產品的加工步驟中對成型制品作進一步的處理。這種組裝最終產品的附加處理會在勞動成本和生產速度兩個方面均造成費用增多。
發明概述這里描述的發明可以克服前面所述聚合物成型方法中的缺點，并且包含優選利用由傳統方式生成的聚合物顆粒并且憑借固態成型方法成型為互連元件，并同時將互連元件就地成型為非紡織品。這種組合方法被稱作直接成型。互連元件被直接模制成型在它們的組裝位置上，以構成連續片材或其他形狀的非紡織品。將元件成型為最終的組裝結構，即與其他元件互聯的結構，就不再需要在組裝過程中對元件進一步處理了，所述組裝過程可以是例如聚集很多元件，再將聚集的元件以一定次序排列，從而將元件陣列連接在一起。因此，本發明的方法可以使勞動成本和廢品成本顯著降低，并且顯著提高生產效率。此外，這里使用的術語非紡織品指的是由互連的獨立元件構成的大致柔性片材，片材具有紡織品的許多特性，但這些特性并非基于纖維或與纖維相關的加工過程而獲得的。
本發明的創造性固態成型方法通過將單一的聚合物顆粒或團塊在單一成型步驟中壓制成一個獨立元件，從而可利用傳統的顆粒化熱塑性材料成分成型出非紡織品元件。用于形成特定非紡織品的元件可以有很大的差別，但出于舉例的目的，如后文中詳細描述，元件包含互連在一起的板和鉚釘。
加工步驟大致包括a)將一個顆粒安置在模腔中或附近；b)強制顆粒進入模腔并接觸模腔成型面，以使顆粒塑性變形，并導致顆粒獲得模腔的形狀。模腔具有用于成型預期元件所需的形狀，而且模腔容積基本上與顆粒體積相等。強制成型步驟或操作優選借助于一定的能量和速度實施，以使顆粒超塑性變形而基本上充滿模腔的容積。這一過程重復進行，以將特定的元件以適宜的次序成型出來，從而形成例如互聯的板和鉚釘，并最終產生非紡織品。
在本發明的一個實施例中，設有一個陣列的模腔，而且用于成型每種元件的每個模腔分別具有一個位于其一側的顆粒容納凹槽或容腔，該凹槽通常敞開在模腔中。凹槽的一個壁是由一個活塞或撞桿的端面構成的。活塞或撞桿可以位于后退位置上，從而暴露出凹槽，以便接收顆粒，或者，活塞可以被安置得封閉或填塞住凹槽，從而不會接收顆粒。這樣，通過對活塞預先定位，只有那些與需要成型板或鉚釘的模腔面對著的凹槽可以接收顆粒，從而成型出板或鉚釘。模腔使成型出的元件具有理想的形狀。在顆粒被安置在顆粒容納凹槽中而且凹槽對準模腔后，活塞即被啟動，以迫使顆粒進入模腔中。活塞是以足夠大的力運行的，以使顆粒塑性變形并且基本上符合于模腔形狀。顆粒可能需要預熱到軟化狀態，這取決于所用顆粒的類型。顆粒的類型，特別是其化學成分，是基于最終制品的預期物理特性而決定的。如前所述，這里描述的元件可以是用于形成非紡織品的板元件或鉚釘元件中的任何一種。
這個加工過程可以以這樣的方式重復，即第一成型元件上的一些部位用作下一成型步驟中的模腔的一部分。
這個加工過程可以利用一系列(優選兩個或三個，最優選四個)相互咬合的輥子而最佳實現。每個輥子的外圓柱面分別構成板件成型模腔陣列的一側或另一側。模腔陣列的兩側在輥子之間的咬線(彼此平行排列著的一對輥子之間的切線)處遇到一起。輥子內部包含容腔，它們分別對準輥子的外圓柱面上的模腔側。這些容腔用于容納顆粒以及活塞和活塞驅動裝置(優選為電磁螺線管或類似物)。三個輥子中的第一和第二輥子模制成型出板件陣列，用以構成非紡織品形成所需的第一層板件。第二和第三輥子模制成型出板件陣列，用以構成第二層搭接板件，這一層板件優選搭接并以可操作的方式咬合在第一層板件上。第三和第四輥子在如此形成的第一和第二層板件上直接模制成型出穿通其中的帶頭鉚釘陣列。這些陣列的組裝可以在此時完成。也就是說，帶頭螺釘可以被定型，即可以在鉚釘穿過各層板件的幾乎同時，在鉚釘的第二端上成型出頭部。或者，由于非紡織品具有在成型時彼此保持在一起的自然趨勢，因此非紡織品形狀可以調節，并且只需在調節之后將鉚釘定型。另一種替代性結構包括一種簡單的板狀形態，其具有第一和第二層板件，它們可以直接互連，以形成非紡織品的片材和形狀。
在利用后文所述的方式自動進行時，該直接成型方法可以提供出多項優點。本發明的創造性直接成型方法給成型為元件的聚合物成分提供了最佳加工歷程。每個顆粒在其加工過程中的熱降解程度可以最小化或根本沒有，這是因為同傳統的聚合物成型方法例如注射成型或擠出成型方法相比，本方法實施的加熱程度非常低。雖然可能需要實施某種程度的加熱，以將顆粒加熱到軟化點之上，但該溫度位于其熔點之下，或者對于半結晶聚合物而言剛好位于結晶熔點之下，因此這種加熱是短暫的，并且溫度顯著低于上述這些或其他傳統成型方法中通常所需的融化或熔化溫度。這樣，可以認為加熱不會對直接成型元件的功能特性造成負面影響。當然，在模制成型時會因固態變形或超塑性變形而產生瞬間加熱效果。但不會出現傳統注射成型或擠出成型中的熔態熱塑性材料經常出現的膠化、混合或固結現象，也不會使這些顆粒經受注射成型或擠出成型中的那種長時間升溫。
此外，由于顆粒體積被設計得基本上等于模腔容積，因此直接成型過程不會產生明顯的廢料或飛邊。直接成型過程的產物只有非紡織品元件，它們被預先置位并被加工成最終的理想形狀和互聯方位。如果所形成的任何顆粒或任何元件不能被用于形成織物形狀，則它們可被看作是“新鮮”原料，即沒有遭受過熱降解或機械性能下降。因此，這些材料可以容易地添加到其他傳統注射成型過程所用原料中，或者可以還原成顆粒而用于下次的直接成型過程。
另外，直接成型過程可以獲得非常快速的生產周期。由于直接成型過程既不需要也不產生大量熱能(例如只有顆粒塑性變形時產生的熱量加上預熱留下的殘余熱量)，而且直接成型出的元件的尺寸非常小，其自身質量所產生的熱慣性極小，因此模具冷卻周期可以極大地縮短。此外，直接成型的元件是處于互聯關系的，因此會簡化非紡織品的最終組裝。元件可以在它們成型的幾乎同時被組裝成彼此互聯的形態，因此消除了為形成非紡織品結構所需的元件中間儲存、拾取和定位步驟。另外，在某些情況下，最終的非紡織品片材在進一步組裝之前不需要進行后續成型操作，例如切割或剪切，這是因為只有所需的元件才會在成型過程中被模制和結合。
此外，由于相鄰元件構成了模腔的一部分，以將板件搭接在一起并將鉚釘局部或完全定型，因此相鄰的互連元件之間的配合可以近乎完美。
更具體地講，關于一種非紡織品制造方法，本發明的一個方面包含以下操作成型第一元件和成型第二元件，第二元件以可操作的方式與第一元件相連。更詳細地講，成型第一元件的操作包含固態成型第一元件，成型第二元件的操作包含固態成型第二元件。
關于本發明在非紡織品制造方法方面的另一項特征，本發明的創造性方法包含以下操作成型第一元件；成型第二元件；以及成型第三元件，以使第一、第二和第三元件以可操作的方式彼此相連。更詳細地講，這些成型操作中的每個分別包含固態成型操作。
關于本發明的另一個方面，具體地講，是有關三輥成型過程，本發明包含以下操作備制第一輥子、第二輥子、第三輥子以及位于第一和第二壓料輥子之間的第一咬入區域、位于第二和第三壓料輥子之間的第二咬入區域。第一元件在第一咬入區域成型出來，第二元件在第二咬入區域成型出來，其中第二元件是與第一元件互聯的方式成型的。
關于本發明的另一個方面，具體地講，是有關四輥成型過程，本發明包以下操作備制第一輥子、第二輥子、第三輥子、第四輥子、以及位于第一和第二壓料輥子之間的第一咬入區域、位于第二和第三壓料輥子之間的第二咬入區域、位于第三和第四壓料輥子之間的第三咬入區域。接下來，第一元件在第一咬入區域成型出來，第二元件在第二咬入區域成型出來，其中第二元件是與第一元件相互咬合的方式成型的，第三元件在第三咬入區域成型出來，其中第三元件的形成使得第一和第二元件互連起來。
關于本發明的另一個方面，一種由單個元件構成的非紡織品是由固態成型元件制成的。更詳細地講，每個元件具有這樣的尺寸，即其可由單一的聚合物顆粒制成。
本發明的另一個方面是成型一種由單個元件構成的非紡織品，該非紡織品包括第一類型元件和第二類型元件，其中第一和第二類型元件彼此連接，以使每個元件能夠彼此相對移動。
本發明的另一個方面涉及一種用于直接成型非紡織品的基本組件結構，其包括第一元件、第二元件和一個連接元件，連接元件用于將第一元件連接到第二元件上，以使第一、第二和連接元件能夠彼此相對移動。
本發明在另一個方面涉及一種用于直接成型非紡織品的基本組件結構，其包括第一元件和第二元件，第二元件包含一個與之形成一體的連接元件，連接元件將第一元件與第二元件連接在一起，并且使得第一和第二元件能夠彼此相對移動。
總體上講，本發明將固態成型的益處與互連元件直接成型的益處相加在一起。固態成型過程可以使用商業供應的熱塑性原料，以通過固態成型而獲得以下優點，即彈性模量、最終的抗拉強度、高低溫抗沖擊強度均會提高。這些有益的特征有助于使非紡織品更加耐用，并且具有提高了的性能品質。
此外，直接成型過程還可以吸取工程熱塑性化合物的優點。這種性能較高的熱塑性化合物過去不適合廣泛用于商業消費品例如行李箱，主要是因為這種材料的單位成本較高。然而，由于本發明預期可以實現很高的生產效率(廢品率低、加工周期短等)，因此這種價格較高的材料也可以考慮使用。此外，不再需要使用用于防止擠壓機退化的加工添加劑。這些成本的節約導致了可以將材料轉向更昂貴的工程聚合物原料。
直接成型過程還可以獲得這樣的益處，即能夠使用熔點更高的塑料。在某些制品中，例如傳統注射成型的行李箱殼體，其壁厚的大部分不是為了承受旅行中的日常損傷。將壁加厚還為了在模制成型過程中使熔態熱塑性塑料能夠流到這些區域中。此外，某些壁和部位被制作得特別厚，用以在制品受到不尋常但可以預見到的升溫時，例如在太陽底下放在封閉車廂內，防止其出現不可接受的扭曲變形。這些加厚部位用于防止注射成型制品中的某些部分達到熱還原溫度，并且用于將制品支承在相對不扭曲的位置上，直至不尋常的高溫消失。本發明的創造性方法可以擺脫這種熔點問題。同這些化合物的傳統注射成型相比，加工溫度可以低得多，這是因為顆粒原料根本不需要達到熔點即可以被加工成最終的形狀。這樣，由于可以使用高熔點的聚合物，本發明的創造性方法可以制作更輕、更結實的行李箱和其他類似制品。
在本發明的創造性方法中，顆粒原料可以在最終的模制成型過程中具有很高的粘度。相對于例如普通行李箱殼體而言，非紡織品元件中沒有那些必須被熱塑性材料流經以充滿模腔的“薄”部位。直接成型方法可以使用很多種熱塑性化合物，它們能夠充入小型的元件成型模具中，但在注射成型殼體時卻不能流入并充滿模具。
參照下面結合附圖所作的優選實施例詳細描述以及附屬權利要求書，可以更全面地理解本發明的其他優點、特征和細節。
圖1A是一個板元件的前側透視圖，該板元件構成了本發明制作的非紡織品的一部分。
圖1B是一個鉚釘的代表性橫斷面圖，該鉚釘將各個板元件以可操作的方式相連，以構成本發明制作的非紡織品。
圖2A是利用本發明的方法成型出的非紡織品的一部分的俯視圖，示出了向上伸腿板元件、向下伸腿板元件和鉚釘。
圖2B是沿著圖2A中的剖線2B-2B所作的剖視圖。
圖2C是類似于圖2B的代表性橫斷面圖，其中各個板元件相對于鉚釘橫向擴展。
圖3是利用本發明的方法成型出的非紡織品的一部分的放大俯視圖。
圖4A-圖4C是用于制作非紡織品中的向上伸腿元件的各個固態成型步驟的代表性橫斷面圖，這些步驟構成了本發明的加工過程的一部分。
圖5是用于實施本發明方法的設備的一個實施例的示意圖，其中示出了形成在輥子外表面上的多個工作面以及在輥子內側和外表面上進行的多個處理步驟。
圖5A中示出了第二輥子的表面的一部分，其中示出了前面形成的向上伸腿板和用于保持向下伸腿板成型時所用的聚合物顆粒的凹槽。
圖5B中示出了第三輥子的表面的一部分，其中示出了前面形成的向上伸腿板和向下伸腿板，此時處在形成鉚釘以將各個板保持在可操作形態的步驟之前。
圖5C中示出了利用本發明方法成型出的非紡織品的一部分。
圖6中示出了第一輥子的工作面的一部分，其中包含向上伸腿板模腔和用于保持顆粒的凹槽。
圖7A和圖7B是用于成型非紡織品中的向下伸腿元件的各個固態成型步驟的代表性橫斷面圖，這些步驟構成了本發明的加工過程的一部分。
圖8A和圖8B是用于成型非紡織品中的鉚釘的各個固態成型步驟的代表性橫斷面圖，這些步驟構成了本發明的加工過程的一部分。
圖9是為形成本發明的非紡織品所用的板元件的一個替代性實施例的俯視圖。
圖10是為形成本發明的非紡織品所用的板元件的一個替代性實施例的俯視圖。
圖10a是圖9和10所示替代性實施例中的具有倒刺邊緣的板和具有凹入邊緣的板相互咬合時的代表性橫斷面圖。
圖11中示出了由圖9和10所示替代性實施例中的板元件構成的非紡織品的一部分。
圖12中示出了由圖9和10所示替代性實施例中的板元件構成的非紡織品的更大部分。
圖13是用于形成圖10所示具有凹入邊緣的板元件的固態成型步驟的代表性橫斷面圖，其中具有倒刺邊緣的板被用作模腔的一部分。
圖14A和B中示出了為形成本發明非紡織品所用的板結構的另一替代性實施例，該板結構上包含一個整體式形成的鉚釘結構。
圖15中示出了由圖14所示替代性實施例中的板制成的一段非紡織品，此時處在將鉚釘頭部成型在鉚釘結構上的步驟之前。
圖16中示出了由圖14所示替代性實施例中的板制成的一段非紡織品，此時處在將鉚釘頭部成型在鉚釘結構上的步驟之后。
圖17A、B和C中示出了為形成本發明非紡織品所用的板結構的另一替代性實施例，該板結構上包含一個整體式形成的鉚釘結構，鉚釘結構采用了一個分叉限位件和一個獨立的鉚釘帽。
圖18中示出了將各個單獨形成的元件沿著它們相應邊緣熔接在一起而形成的非紡織品的一個替代性實施例，該熔接操作是在本發明的直接成型過程中實現的。
圖19是本發明的加工方法中的主要步驟框圖。
圖20中示出了一個行李箱的透視圖，該行李箱外表面的一部分是由根據本發明制作的非紡織品構成的。
發明的詳細描述本發明采用了固態成型原理。新澤西州多佛市皮卡提尼·阿森納爾的塑料技術評估中心(Plastics Technical Evaluation Center，Picatinny Arsenal，Dover，New Jersey)1972年的標題為“塑料固態成型(冷成型)(Solid-Phase Forming(Cold Forming)of Plastics)”的報告No.R42中總結了固態成型方法的應用。該文件整體結合在此作為參考。這里描述的本發明包含就地模制成型出非紡織品中的各個互連元件，所述非紡織品可以是例如采用了這種固態成型技術的美國專利5,906,873和美國專利5,853,863(這兩個專利中的與本申請一致的內容結合在此作為參考)中所公開的那些。雖然這些專利中所公開的特定形式的非紡織品是本發明優選制作的制品，但可以理解，用于構成柔性非紡織品(非纖維基的)的其他任何小型互聯塑料元件陣列均可以從這里公開的本發明創新精神中受益。
本發明制造方法在這里是參照非紡織品(NTF)的組裝而描述的。非紡織品的一項預期用途是用作行李箱或其他類似物品的外表面，希望所述外表面是耐用和柔性的，以承受各種類型的物理損傷。非紡織品的其他各種用途也是可行和預期可以采用的。
下面將描述本發明的創造性制造方法及其產生的制品。首先描述制品的一個實例，以便于理解其制造方法。示例性結構中的非紡織品由獨立的板元件和鉚釘元件以特定的方向互聯在一起而制成。板元件40的一個實例顯示于圖1A中，鉚釘元件42的一個實例顯示于圖1B中。通過本發明的創造性制造過程而由這些單獨的元件40和42形成的非紡織品44的一個實例顯示于圖2中。
圖1A中顯示的板元件40處在“向上伸腿”位置。下面所述的板結構是多種據信可以形成非紡織品的結構中的一種，而且是以示例的方式描述的。板元件40包含一個大致正方形的主體46，主體具有四個側面，每個側面分別確定出一個邊緣48。每個邊緣48分別延伸通過所在側面的大部分長度。板元件40的相連側面之間分別形成了一個大致位于主體角部的彎曲切口50。主體40具有頂表面52和底表面54。每個邊緣48分別從頂表面52彎折延伸出來而達到與底表面呈大約90度的程度。每個彎折邊緣48上分別形成了一個腿56，而且每個腿上分別形成了一個咬合結構。
咬合結構包含一個頂部脊58，其具有平坦頂壁和垂直于板件主體46延伸的側壁。脊58與邊緣48重合著延伸。一個傾斜凸輪面60向下延伸到主體46的底表面54上。一個槽62形成在主體中并且平行于脊58延伸。槽62的尺寸被構造得能夠容納相鄰板件上的一個相應脊58，如后文中對相鄰板件間的咬合所作描述。該咬合結構可以以多種方式修改，而仍能實現所需功能。這樣的非限定性改型包含脊延伸得比邊緣長或短，脊可以具有不同的輪廓，傾斜凸輪面可以是彎曲的或平直的，槽可以具有不同的尺寸或者帶有傾斜側壁。
鉚釘42的一種代表性橫斷面顯示于圖1B中。通常，鉚釘42具有圓盤狀的上側頭部64和下側頭部66以及一個延伸在它們之間的軸68。所述頭部固定在軸上。
一段非紡織品44的組裝結構顯示于圖2A-C中。圖2A中示出了非紡織品44的俯視圖，其中三個板40被兩個鉚釘42保持就位。外側的兩個板處在“向上伸腿”方向，而被遮住的中間板處在“向下伸腿”位置。每個鉚釘被這樣安置，即它的軸58延伸穿過相鄰板上的相互對正的切口50。鉚釘的相反頭部64和66限定了板40的豎直(相對于圖2B)移動極限。在這個位置上，相鄰的板通過它們的相應咬合結構之間的咬合而被互鎖在一起。見圖2B。簡要地講，在咬合位置上，頂部(“向下伸腿”)板的脊58容納在底部(“向上伸腿”)板的槽62中。每個板40上的凸輪面60分別彼此抵靠著，而底部板上的脊58安置在形成于頂部板上的槽62中。如后文所描述，當“向下伸腿”板在本發明的創造性加工過程中形成了以后，各個板就位于這個位置上。通過四個側面上的咬合結構與相鄰板上的相應咬合結構之間的咬合，可將多個板以這種方式彼此連接起來。鉚釘42被安置得穿過板40的角部切口50，以確保咬合結構維持咬合，并且防止板分離。見圖3。
咬合結構使得各個板能夠彼此相對移動到一定程度，并且使得非紡織品能夠彎折。板40可以彼此相對移動距離越大，非紡織品就可以在更大程度上彎折(例如具有更小的彎曲半徑)、彎曲和扭曲。可以看到，這樣構成的非紡織品具有很大的益處。堅硬、耐用的外表面可以提供出來，以保護下層表面70(例如行李箱的織物材料)在受到突然沖擊時不會受損，并將沖力分散到較大表面區域上。此外，這種鎧甲狀表面同時還是柔性和輕質的。
圖2C中示出了圖2A和B中的非紡織品44的實施例。這里，鉚釘42的軸68具有一定的延展性和彈性。通過這種延展性軸，在非紡織品受到橫向拉伸時，例如被彎折、扭曲或被直接橫向拉動時，相互咬合的凸輪面60或斜面將彼此騎跨著對方移動。這樣可以在鉚釘軸68上產生張力，以將這些相互滑動的板保持在一起，并將軸略微拉長。板40因此而處在彼此分隔的位置上，如圖2C所示。鉚釘軸反過來又向板施加壓力，而且由于凸輪面60的幾何形狀趨向于將各個板彼此拉向一起，因此可以使板移動到它們的未拉伸位置上。這種壓力/拉力的平衡作用使得非紡織品同時具有彈性(可橫向拉伸)和柔性。因此，它的視覺效果、觸覺效果和功能類似于織物，并且同時具有極其堅固和耐用的表面。
其他板結構也預期能夠適宜地發揮作用，以形成非紡織品。替代性板結構的實例顯示于圖9-18中。這些替代性板結構的制作和組裝(直接成型)方式類似于下面參照圖1A-B、圖2A-C和圖3中板結構所作描述。
每個板和鉚釘分別由聚合材料經固態成型過程而制成。相對于其他形式的供給原料而言，優選采用普通塑料顆粒，但所有其他形式的原料在應用上均是等同的。采用普通塑料顆粒可以使本發明的創造性方法具有較高靈活性和經濟性，可以簡化材料處理，并且使原料的熱降解最小化。當然，如果所選擇的特定熱塑性材料本身不能被顆粒化，例如超高分子量聚乙烯(UHDPE)，則將其壓塊處理即可成為可被接受的初始原料。
頂部板和底部板可以由相同的材料制成，但也可以利用不同的材料制作那些將要安置在最終制品外側的板。這一點可能是很重要的，因為外側板所承受的物理條件和應力(例如磨損等)可能與內側板不同。因此，外側板的材料應當適宜地選擇，從而僅僅使這些外側板由至少具有防劃傷性能的聚合物制成。在其他性能中，顏色和紋理也可以是選擇外側板聚合物時的因素。此外，在加工過程中，向上伸腿板用作成型向下伸腿板的成型模腔的一部分，為了有助于防止出現向上伸腿板熔接在向下伸腿板上這種意外且不希望有的情況，向上伸腿板應當由熔點更高的聚合物或與向下伸腿板不相容的材料制成。這一點將在后文中詳細描述。
同樣，鉚釘材料可以是與這些板類似的聚合物，或者是為了滿足鉚釘的加工和功能特質的要求而具有特別性能的其他材料。
下面參照一種優選的制造設備而最佳地解釋本發明的創造性加工方法，該設備包含至少兩個組裝輥子，在所述至少兩個輥子之間具有一條咬線(接觸線)。總體而言，每個輥子的外表面分別是一個工作面，而且該工作面在選定位置上接收塑料顆粒。塑料顆粒通常被接收、限定、輸送、成型并從每個輥子的工作面上釋放。輥子的運動優選為計算機控制的，以使它們彼此之間并且相對于其他裝置精確運動。每個輥子是大致空心的并且包含如后文所描述的用于容納、保持、成型和操縱聚合物顆粒的內部裝置。
本發明的創造性直接成型方法中所采用的固態成型過程描述于圖4A、B和C中。這里將描述基本的直接成型步驟，以便于在后面解釋整個加工過程。基本加工步驟發生在相鄰輥子之間的咬線處。每個輥子表面上分別形成了一部分模腔72、74，從而在兩個輥子沿著咬線彼此對正時形成一個完整的模腔。見圖4A。一個凹槽76毗鄰模腔形成，并從模腔開始大致向內延伸，用于在直接成型過程中的前面步驟中接收聚合物顆粒78。聚合物顆粒78和模腔的體積大致相等。一個由致動器82控制的撞桿80毗鄰凹槽76安置，用于撞擊顆粒78并使之強制進入模腔中而獲得模腔的形狀。
在圖4A中，輥子A和B上的模腔部分沿著咬線對正，以形成一個完整模腔。模腔的形狀用于成型出類似于圖1所示的板40。顆粒78安置在凹槽76中，撞桿頭部84與顆粒78貼合。幾乎是在兩個模腔72、74對正的同時，致動器82啟動，以撞擊顆粒并強制使之進入模腔中。見圖4B。撞桿80的沖擊速度，再加上顆粒78的物理特性和可能會有的顆粒加熱狀態，將導致顆粒78進入模腔中、變形并且獲得模腔的形狀。撞桿80的運動終止于模腔的側壁處，并且在本例中形成模腔的一部分。這一步驟可將顆粒78固態成型為元件40，如后文中詳細討論。
隨著輥子A和B繼續彼此相對旋轉，而且在本例中是沿相反的方向旋轉，元件40借助于某些措施例如機械式配合或真空壓力而保留在輥子B的模腔部分中。見圖4C。如需要，撞桿80可以用于將元件從輥子A上的模腔部分中推出。之后，撞桿80退回到凹槽76中，以準備容納另一個顆粒78。元件40沿著輥子B而被帶到下一成型位置。
在加工方法的這個基本實例中，可以清楚地看出，通過將固態成型方法與輥子的連續運動相結合，可以提供出一種非常有益的用于成型和輸送成型件的方法。由于使用了高速輥子，因此可以極大地改進制品和加工過程，而精確定時的成型步驟中所需的控制系統是本領域中眾所周知的。加工中產生的廢料極少，并且具有高生產率。
具體地講，如圖5所示，這里描述的第一個實施例包含三個較大和一個較小的輥子1、2、3和4，它們分別串聯式咬合著。每個輥子分別以相同的速度但沿著與相鄰輥子相反的方向旋轉。直接成型操作是在各個輥子之間的咬入區域中實施的，從而在沿著咬入區域形成的各個模腔中成型出一串或一系列的元件。在圖5中，輥子1和2之間、輥子2和3之間、輥子3和4之間分別有一個咬入區域。
這些輥子中的每個分別具有一個外周表面86，外周表面上包含凹坑或容腔，用于構成各個小型蛤殼式模腔的兩個部分中的一個，而所述模腔用于成型構成非紡織品元件的板40或鉚釘42。這些模腔半體在輥子之間的咬線處會合并且形成封閉或完整的模腔，隨后準備接收來自材料顆粒的可流動熱塑性材料，如前面參照圖4A-C所作描述。每個輥子分別在輥子內部結構方面與其他輥子不同，而且凹坑或容腔的形狀對于輥子實施的操作而言是特定的。這些輥子的軸向尺寸實際上沒有限制，但至少應當超過被加工的最大非紡織品的寬度。在行李箱的情況下，將要被成型和組裝的元件的軸向尺寸應當在100厘米的范圍內。
在示例性加工過程中，總體而言，有一個元件在輥子1和2之間的咬線處成型在向上伸腿位置上。第二個元件在輥子2和3之間的咬線處成型在向下伸腿位置上。作為直接成型過程的一部分，這個“向下伸腿”元件被成型得與“向上伸腿”元件咬合，從而在加工過程中使這些元件相互咬合在一起。之后，鉚釘成型在輥子3和4之間的咬線處，以將相互咬合的板元件保持在一起。之后，非紡織品在輸出位置上以組裝狀態從輥子3和4之間抽出，從而離開加工程序。
輥子1、2和3中的每個可以具有若干類似的工位或地帶，以便于進行直接成型過程。輥子1具有六個與之相關的基本工位。第一工位88包含在外壁86的內表面處安裝在輥子內的撞桿結構80。如前所述，撞桿被如此安置和控制，即能夠與顆粒容納凹槽76相互作用。每個撞桿80對應于一個顆粒容納凹槽76，并且可以被控制著在后退位置與完全伸出位置之間移動，并且可以移動到上述位置之間的任何位置上。
撞桿80可以是例如螺線管控制的，并且除了具有如前所述的定位撞桿頭部的能力以外，還必須具有其他一些特性。具體地講，撞桿及其螺線管(致動器82)必須裝配在輥子中的相對較小空間內。由于每個輥子上制作的板件可能會交替排列在間距為4mm的中心線上，因此螺線管及其相關部件在每個圓筒體中占據的空間必須小于直徑大約8mm的圓筒形空間。考慮到點陣式和噴墨式打印機頭中采用的小型化步距結構，這一點容易實現。如果撞桿機構80所需的空間超過了圓筒中的可用空間，則可以采用由鏈式陣列的撞桿和容腔構成的皮帶，以使這種機構具有幾乎無限的空間。
撞桿致動器82還必須以相當高的速度和力移動撞桿頭部84(理想的結構是每一個顆粒由一個撞桿致動器驅動，但不局限于此)，以使一個或多個顆粒適宜地塑性變形到模腔中。由于相互咬合的輥子是快速旋轉的，以使完整的非紡織品形狀具有適宜的移動速度，因此撞桿致動器必須幾乎在一瞬間完成其模制成型沖程。因此，必須在模腔對正在輥子的咬線處時的相對較短時間內快速完成模制成型沖程。
最后，撞桿組件必須響應于計算機處理的控制信號在各種不同的組合和排列狀況下容易地操作。同樣，在應用上面公開的這些技術時，本領域的普通技術人員可以基于過去在點陣式打印機、噴墨式打印機和類似物中取得的技術進步而自主且容易地布置這些撞桿機構。一種這樣的布置結構公開于美國專利5,126,618中，該專利整體結合在此作為參考。
現在轉到圖4，輥子1中的撞桿80可以被安置得(例如撞桿頭部84被控制器安置得)與模腔壁平齊，以將顆粒78排出并因此而不會制作板件。或者，如果需要在這個模腔中制作板件，可將撞桿后退到凹槽76中。通過這種方式，顆粒只被安置在用于容納顆粒78的凹槽76中，以形成預定形狀的非紡織品。
第二工位是一個顆粒料斗90，其被安置和控制得能夠選擇性地向輥子的外表面供應顆粒78。顆粒78沿著這樣的方向施加，即它們能夠如預期的那樣被容納在凹槽76中。顆粒料斗90優選安置在輥子1和2之間的咬線的緊鄰下游。雖然圖5中示出的是料斗或類似物，但更希望利用靜電投放結構、流化床散布結構或真空發放結構在每個適宜的凹槽76中安放一個顆粒78。流化床加上真空(隨著撞桿頭部后退而暴露在凹槽中的小型真空通道)可以確保將所有適宜的凹槽完全填充。另一種選擇是，從輥子內部將顆粒78選擇性地安置在預期凹槽中。顆粒78可以安置在退回的撞桿頭部84前面，并且被撞桿80推入凹槽76中。這樣可以解決與顆粒78在輥子外表面86上的質量分布相關的任何問題，并且不必再去除多余的顆粒78。凹槽76的尺寸可以被構造得能夠只容納一個顆粒78，或者可以容納幾個顆粒。如圖所示，凹槽76的形狀使之能夠緊湊地容納一個顆粒78，然而可以想象，凹槽76也可以具有這樣的形狀，即能夠松弛地容納一個顆粒78，而非使凹槽76緊密地容納一個顆粒。此外可以想象，顆粒78通過凹槽76的側壁中的一個開口而從輥子內側插入凹槽中。如需要，這個開口可以選擇性地被撞桿80堵住，以使顆粒不被安置到凹槽76中。
第三工位是一個顆粒定位輥子92，其與輥子1(或相應輥子)的外表面86咬合，以有助于將顆粒78定位在相應的凹槽76中。顆粒定位輥子92優選具有一個帶墊層的外表面，以平緩地將顆粒推入相應的凹槽76中，而不會發生任何意外的固態成型或使顆粒變形。在這一工位，軟質輥子或類似物可以將任何俘獲的顆粒推至與凹槽76幾乎平齊處，以確保將顆粒保持就位，直至顆粒被壓制或固態模制成型到相應的模腔中。
第四工位是一個顆粒去除站94，用于將不適當地安置在凹槽76中的多余顆粒76去除。這個顆粒去除站94可以以接觸(例如采用刮板)或非接觸(例如通過真空或類似途徑)的方式操作。去除的顆粒78可以被回收。
第五工位是一個加熱源96，其既可以安置在輥子外側，也可以安置在輥子內側，用以在固態成型步驟之前選擇性地調節顆粒78的溫度。加熱源96可以采用電熱式、對流式、輻射式或其他任何公知或可以用于這種操作的加熱方法。對于固態模制成型，用于將顆粒78或丸料成型為最終形狀所需的大部分能量來自操作過程中擴散到坯料或丸料中的瞬時壓制力。然而可以設想，每個顆粒可以在被壓制之前處在受控的溫度下，從而可以實現最佳的模制成型。圖中在第五工位上顯示的是輻射式加熱器，它們在壓制之前照射保持在凹槽中的顆粒。也可以采用其他加熱系統，包括對輥子本身進行溫度控制，或是恰好在投料之前在流化床中加熱顆粒。加熱工位將在后文中詳細討論。
每個輥子優選具有與之相關的類似地帶或工位，以使與輥子相關的特定固態成型過程更加方便。雖然對于最佳地構造了尺寸的顆粒而言并不是每個所述輥子地帶均為必需的，但在采用燒結團塊或松散粉料時，很可能要包含所有這些地帶。
圖5中非常詳細地示出了示例性的模制成型/組裝方法和實施本發明的方法所需的設備。加工材料如圖所示大致從左向右移動。圖中所示位于右側的第四輥子可以是一個簡單的砧座輥子，其帶有適宜的容腔，以輔助鉚釘42的成型和/或裝配。
所有輥子(可能除了砧座輥子4)分別帶有幾百個小凹槽76，用于容納塑料顆粒78。在輥子1上，如圖4A-C和圖6所示，這些凹槽76中的每個分別對中在形成于輥子1的外表面86內的凹坑或模腔部分74中(在本例中)。見圖6，每個凹坑或模腔部分74分別是處在“向上伸腿”位置的板元件的微型成型模腔的一半。對于輥子1，這些模腔的形狀用于成型帶有四個“腿”的板，這種腿用于將每個板在組裝好的非紡織品中與搭接板松弛連接。形成在輥子1和2之間咬線處的板處在“向上伸腿”位置，因為這些板在形成之后以抽真空的方式傳輸到輥子2上，它們的腿從輥子2徑向向外伸出。這種方向是為了準備在輥子2和3之間的輥子處成型處在“向下伸腿”形態的第二板。
從圖4A一側可以看到，顆粒容納凹槽76優選為直圓筒，用以從配料機緊湊地接收顆粒78。撞桿頭部84的圓形表面構成了凹槽的圓形底端。如前所述，該撞桿頭部84可以被電磁或壓電螺線管或類似物操縱。該螺線管可以將撞桿頭部84的表面適宜地安置在凹槽中，并且留下空間以容納一個、兩個或多個這樣的顆粒。螺線管還可以將撞桿頭部84的表面安置在通向凹槽76的開口處，或超過該開口并伸入模腔74中，以將發放在模腔中的任何顆粒推出。撞桿還可以像頂料銷那樣操作，用于在成型之后將剛剛形成的板40或鉚釘42從相應的模腔中釋放出來。
在加工過程開始時，顆粒78被顆粒料斗90安置在輥子1的表面86上。顆粒78被顆粒定位輥子92推入就位。多余的顆粒78被顆粒去除裝置94去除。之后，顆粒在加熱工位96處被熱處理。之后，在輥子1和2之間的咬線處發生固態成型，以形成“向上伸腿”的板元件。這一步驟曾在前面參照圖4作過描述。“向上伸腿”板元件形成并保留在輥子2上，并且排列在與它們成型時幾乎相同的位置上，例如如圖5A所示。輥子1繼續連續旋轉通過所有工位，從而實現高效和連續的非紡織品加工過程。
從圖5開始，加工過程將在輥子2上繼續進行。輥子2上帶有形成在“向下伸腿”元件成型模腔中的顆粒凹槽76A，所述模腔安置在排列于輥子2表面上的向上伸腿元件之間。可以看到圖5A和6中以虛線表示的凹槽76A，它們表示了輥子2上的凹槽76A相對于“向上伸腿”元件的位置。這樣，顆粒78在形成了“向上伸腿”板元件40之間的位置上附著在輥子2上。顆粒78優選被定位，而多余的顆粒被去除，留下來的顆粒將被加熱(類似于輥子1上的工位)，然后再在輥子2和3之間的咬線處進行成型過程。
或者，如需要，顆粒發放(90A)、定位(92A)、多余去除(94A)和加熱(96A)可以在向上伸腿板形成于輥子1和2之間的咬線處之前如圖5所示在輥子2的底側進行。可以設想，與顆粒在任一輥子外表面上的安置、定位和熱處理相關的步驟可以以任何次序和位置實施，只要對固態成型過程有益即可。
在輥子2和3之間的咬線處，“向下伸腿”板元件通過固態成型過程而形成。見圖7A和7B。在這一成型步驟，“向上伸腿”板元件用作模腔的一部分，如下面詳細描述。
參看圖7A，所示顆粒78A位于凹槽76A中，而撞桿頭部處在后退位置并與顆粒78A的后端貼合。局部模腔98和100分別局部形成在輥子2和3中，并且在輥子2和3之間的咬線處彼此對正而形成一個完整的模腔。見圖7A。用于成型“向下伸腿”板元件的模腔的各個部分分別由輥子2的表面、輥子3的表面和“向上伸腿”板元件的一部分構成。這種模腔結構使得“向下伸腿”板元件能夠在成型時與“向上伸腿”板元件精確地配合，從而在加工過程中產生相互咬合或連接的結構，而不需要將各個部件單獨組裝起來。
在將輥子2和3上的模腔部分98和100彼此對正而形成了完整模腔后，撞桿80A被啟動，以迫使顆粒78A進入模腔中并且獲得完整模腔的形狀。見圖7B。這一固態成型步驟包括成型出元件40的實施例中的相互咬合的脊和槽結構，如前所述。在圖7B中，所示撞桿頭部84A處在其伸出位置，以構成模腔后表面的一部分。
圖5B中示出了“向下伸腿”板元件40A在輥子2和3之間的咬線處與“向上伸腿”板元件40相咬合時的結構。這種結構只留下一些小的大致圓孔，每個圓孔分別在相鄰板元件的四個搭接腿之間形成并穿通于板元件40和40A的陣列之間。這些圓形空間有助于將鉚釘42定位在輥子3和4的咬線處。板40和40A上的相互咬合腿具有這樣的形狀，即能夠以希望的方式與行李箱結構相會合。
隨著輥子2和3的運動，剛剛形成的“向下伸腿”板元件40A和已有的“向上伸腿”板元件40從輥子2上脫出并且附著在輥子3上，這一點可以例如通過施加在“向下伸腿”板元件上的真空力而實現。搭接著的板會適當地保持在一起，從而在輥子3上輸送到下一加工步驟中，而不需要插入或者插入并固定住鉚釘。這是因為模制成型在一起的腿之間初始貼合著，從而通過范德瓦耳斯力的作用使它們彼此粘著在一起。
將先前成型出的向上伸腿板元件40的一部分用作“向下伸腿”板元件40A的成型模腔的一部分是非常有益的。這樣可以成型出相互咬合(連接)的板元件，而不需要分開制作單獨的板元件，再將它們組裝起來。重要的一點是，向下伸腿板元件40A和向上伸腿板元件40仍保持為彼此獨立的元件，而不能在這一成型過程中變成單一的熔接元件。為了確保在這個加工步驟中兩個板不會熔接在一起，重要的一點是，向上伸腿板元件40應由具有這樣性能的聚合物制成，即能夠在向下伸腿板元件40A的成型過程中防止與向下伸腿板永久性熔接。這樣的性能可以包括向下伸腿板元件40A由熔點低于向上伸腿板元件40的聚合物制成。其結果是，向下伸腿板元件40A的成型溫度可以使向上伸腿板元件40保持足夠堅硬而不會處于軟化狀態。此外，在向上伸腿板元件40形成之后并且在其用于成型向下伸腿板元件40A之前，向上伸腿板的表面性質可以被調節(硬化或潤滑)，以防止它被粘著在向下伸腿板元件40A上。在選擇用于成型這兩種板元件的各自聚合物時，應當考慮到上面這一要求，而且工藝參數(溫度、速度等)也是這一要求中的因素。
對于某些非紡織品應用，例如在相對堅硬的行李箱面板結構中，可能允許先前形成的向上伸腿板40與剛剛成型出的向下伸腿板40A之間發生一定程度的非永久性熔接。由這種相互熔接形成的偶然非永久性熔合部所造成的額外剛度很容易在隨后的組裝步驟和日常使用過程中被破壞而松開。加工速度應當設置為常規速率，以使這種板與板之間的熔接極少發生。根據這里討論的固態成型方法的要求，殘留在向上伸腿板40中的明顯多余的熱量應當是可控的并且被最小化。為了能夠利用相同類型的聚合物制作每種元件，加工過程應當能夠以足夠高級別的精度控制。
返回圖5，搭接著的板的陣列現在移至輥子3的外表面86上。輥子3的外表面上形成有用于容納顆粒78的凹槽76B以及一個局部模腔102，它們均用在鉚釘42的成型步驟中。輥子4的外表面上也形成有用于成型鉚釘42的局部模腔104。顆粒凹槽76B形成在相鄰板元件的角部處留下的圓形空間上。模腔102和104覆蓋在圓形空間的邊緣上，并且咬合在向上伸腿板元件40和向下伸腿板元件40A的頂表面上，以將相鄰板元件保持在一起。
顆粒發放90、定位92、多余去除94、和熱處理96這些工位形成在輥子3上，以準備將鉚釘模制成型在相鄰向上伸腿板元件40和向下伸腿板元件40A上的相應搭接腿之間留下的適宜圓孔中。如圖8A和B所示，這一鉚釘成型步驟總體上與前面概述的用于成型向上伸腿板元件40和向下伸腿板元件40A的步驟相同。在這個發生在輥子3和4之間的咬線處的成型步驟中，為了適應于加工過程和元件結構，輥子4上只形成有用于成型鉚釘頭部的局部模腔104。
向上伸腿板元件40和向下伸腿板元件40A均構成了鉚釘42的軸69的相應成型模腔的一部分。與前面將向上伸腿板元件40的一部分用作成型模腔的一部分加工向下伸腿板元件40A時對顆粒材料性能所提要求一樣，在此重要的一點時，用于成型鉚釘42的聚合物不能在成型過程之中或之后與向上伸腿板元件40和向下伸腿板元件40A中的任何一個永久性熔接。同樣，在選擇用于成型鉚釘的聚合物時應當考慮前面所述條件(例如板元件溫度、鉚釘成型溫度等)。
圖8A中示出的是顆粒位于凹槽中，而撞桿處在后退位置上并與顆粒后端貼合。隨著輥子3和4在它們的咬線處會合，可以形成完整的模腔。幾乎與此同時，撞桿被啟動，以使顆粒變形進入模腔中并且獲得模腔的形狀。見圖8B。同樣，最終形成的鉚釘不能熔接在任一板元件上。鉚釘可以限制板元件的可能彼此移開的距離，從而保持相互咬合的板元件不分離。各個板彼此相對于對方的橫向移動是通過形成在相應板元件上的腿之間的咬合而控制的。理想的狀況是，用于制作鉚釘的聚合物能夠發生一定的彈性變形，以使板能夠做更大的橫向移動，如前面所解釋。由這里描述的快速直接成型過程制作并且完全形成了的相互咬合非紡織品材料顯示于圖2A、2B、2C、3和5C中。
最終的制品從輥子3和4之間排出，并隨后被用作諸如行李箱等物品的外表面。完成了的非紡織品形狀從輥子3上卷下，以準備使用或最終組裝。圖5C中示出了一小段完整非紡織品。
可以設想，為了便于制造非紡織品片材，也可以使用其他裝置。例如，如果出于任何原因發現輥子不便使用，則可以認為連續的皮帶或鏈帶適合于這種加工技術。使用連續的皮帶或鏈帶的益處是，可以在需要時為撞桿結構提供出更多的空間，并且在模制成型操作中延長模腔半體保持對正的時間。
還可以設想，本發明的創造性方法中所用的輥子不一定必須是圓柱形的。可以看出，如果輥子上帶有縱向延伸跨過輥子的短平坦段，則會是有益的，或者其他類型的分段式輥子可以優先采用。因此，這里使用的術語“輥子”是為了表示一種能夠實現相對連續加工過程的結構，而且其包含連續皮帶、分段式輥子和類似結構。
此外，本發明的直接成型方法，其中包括輥子表面工位、輥子和撞桿等的操作以及諸如輥子間隙或相對運動等其他相關工藝參數，是由計算機控制的，計算機具有微處理器和相關軟件(“控制系統”)。控制系統據信可以由目前能夠獲得的過程控制系統實現。
幾種不同類型的聚合物可以用在本發明的創造性直接成型過程中。例如，ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物)、HDPE(高密度聚乙烯)、PP(聚丙烯)、UHMWPE(超高分子量聚乙烯)和PC(聚碳酸酯)據信是適于用在快速成型過程中以直接成型非紡織品的聚合物。在本發明方法的固態成型步驟中，顆粒被加熱到適宜的溫度，該溫度位于特定聚合物的軟化點之上，但在熔點之下。這一范圍內的溫度不可能只通過顆粒在固態成型過程中的物理變形而獲得，因此可以如前所述利用外部加熱源進行補充。1985年12月出版的《現代塑料(Modern Plastics)》中的文章“通過固態成型提高零件性能(Part Performance is improved via solid-phase forming)”整體結合在此作為參考。幾乎所有滿足本發明方法中的條件和性能要求的聚合物均是適用的。
另一種能夠利用這里公開的發明方法直接成型的非紡織品實施例顯示于圖9-13中。這一實施例包含由相對堅硬的元件110和112構成的結構，所述元件可以組裝起來形成柔性非紡織品。上述元件分別是帶倒刺元件110(優選沿著其四個邊緣分別包含一個帶頭部、帶倒刺或能夠咬合的端部或部分)和帶凹座元件112(沿著其相應四個邊緣中的至少一個包含相應的凹坑、容槽或凹座)。這些元件以瓦狀結構彼此機械式連接。相互連接的倒刺和凹座用作機械式接頭，它們可以彼此相對轉動并且略微滑動，從而在排列的帶倒刺元件和帶凹座元件之間形成具有總體柔性的接頭。所述元件是大致平坦的，它們分別具有一個中央腹板部分114，該腹板部分構成了每個元件的大部分表面，以形成總體上的平板形狀。該腹板部分延伸到如前所述由凹座和倒刺之一限定的邊緣處。
與前面討論的非紡織品元件不同，本實施例不需要采用第二帶頭元件(例如鉚釘)將各個元件保持在一起。此外，與前面描述的實施例不同，本例中的各個元件彼此直接連接，而不是僅僅彼此抵靠著并且通過鉚釘元件防止彼此搭接著的鉤掛板件離開得太遠而脫開。
圖9中示出了帶倒刺板元件110的總體俯視圖。圖10和10a示出了帶凹座元件112的類似的俯視圖和橫斷面圖。圖11中示出了由兩個帶倒刺板元件110和一個中央帶凹座元件112組成的相連組件的橫斷面圖。圖12中示出了一個陣列的根據本發明的元件，其中帶倒刺板元件110和帶凹座元件112組成了棋盤式樣。圖13中示出了本實施例在輥子2和3之間的咬線處成型時的情形。
在圖9和10中，元件的形狀為大致正方形(盡管諸如矩形、三角形等形狀也可以采用)。沿著這些板的每個邊緣分別模制或以其他方式形成了機械式互連結構。如圖9所示，在帶倒刺板110中，所有四個邊緣均分別包含一個細長的加大部分，這個加大部分通過其鋒利棱邊而連接著板元件的腹板，因此而形成了一個倒刺116。如后文詳細描述，在板承受拉力或彎曲力時，這個棱邊可以防止倒刺116(在被安置在例如圖10中的帶有相應形狀凹座的板中后)被抽出。這個帶倒刺板優選在固態成型溫度下由經受了溫度調節的坯料直接成型出來，最優選由再生材料或聚合物合成顆粒成型出來。這種直接成型過程在前面做過描述。因此，每個板以及倒刺和凹座部分的細節均可以極小。
參看圖10，可以看到，沿著板元件112的每個邊緣延伸的凹座118是由兩個對稱且指向內側的鉤掛部分120構成的，所述鉤掛部分在固態成型或模制操作過程中整體式形成在板元件的中央腹板上。圖10A中示出了凹座部分118通過構造尺寸而能夠松弛地容納倒刺部分116，而與倒刺部分咬合著的鉤掛部分120又能夠防止如此活動連接著的元件彼此脫開。圖10A中所示的小角度偏轉可以使整個非紡織品具有顯而易見的柔性，特別是在各個板元件以相對較小的尺寸制造時。具體地講，作為示例，可以預計每個板元件的主要尺寸的最大值可以在3至5毫米的范圍內。
圖11中示出了一串交替的帶倒刺非紡織品元件110和帶凹座元件112是如何組裝的。圖12中總體上示出了這些交替的板元件是如何組成棋盤狀樣式時的。應當指出，在這兩種形態下，各個邊緣的角部交點處均以特定的方式切掉，從而在希望組裝出的制品具有柔性時，相鄰板上的相應部位不會彼此疊加而對這種柔性造成阻礙或妨礙。具體地講，帶倒刺板110的每個角部上分別具有三角形切口，這種切口實際上可以在板沿著垂直于邊緣的軸線轉動時(這種轉動同樣參看圖10A)防止帶倒刺的頭部發生任何疊加或干涉。圖10中所示的帶凹座板112在角部切掉了對邊三角形塊，從而將該區域內的帶頭部的凹座部分或凹入部分的大部分去掉了。圖12中示出了這些帶對邊三角形切口的板是如何以不同程度的張力和柔性而與對角相鄰的帶凹座板裝配在一起的。雖然存在這些切掉部分，但這些部分在組裝好的非紡織品上只占據非常有限的面積，并且可以形成穿過非紡織品平面的開口或通道。對于大部分應用而言，存在任何這樣的開口均不會造成性能問題，這是因為這些開口相對較小，而且除非是非紡織品受到極大的彎折或彎曲變形，否則鄰接表面就會趨向于封閉住這些開口。
在優選的加工過程中，一個陣列的帶倒刺板110(圖9)形成在輥子1和2之間的咬線處，如前面對第一個實施例所作概述。這些如此形成的板被傳輸到輥子2上，顆粒122被放置在輥子2上的選定凹槽124中，以準備成型帶凹座板112。圖13中示出了輥子2和3之間的咬線處的橫斷面圖，其中用于成型帶凹座板112的模腔剛好在啟動致動器124和撞桿126以成型板112之前形成了。請注意，模腔的主要部分由輥子表面上的相互對正的表面部位上的相應凹坑構成。已經形成的兩個帶倒刺板上的邊緣伸入模腔中，以使這些邊緣本身構成模腔表面的一部分。當然本圖中沒有示出與圖中這一對板呈直角排列著的另一對帶倒刺板，它們的倒刺邊緣也懸掛伸入這個模腔中。這樣，這四個倒刺邊緣、在咬線處對正的輥子表面、將顆粒122強制推入模腔中以使之塑性變形的撞桿前表面128構成了用于成型每個帶凹座板112的模腔，用以加工出帶凹座板的陣列，其中撞桿前表面在模腔中所占比例較小。通過這種方式，相互搭接著的(更準確地講，是彼此交替著嵌入和被嵌入的)帶倒刺板110和帶凹座板112構成了結實、耐用、相對于所用剛性材料而言具有柔性的非紡織品形狀。同前面描述的實施例中的三個加工步驟相比，本發明的這個實施例中的非紡織品直接成型方法只需要兩個加工步驟(三個輥子和兩個咬入區域)。
用于通過本發明的方法制作非紡織品的另一種可連接元件的實施例顯示于圖14A、14B、15和16中。圖14A和14B中示出了由固態成型過程制作的可連接元件130俯視圖和仰視圖。該結構類似于參照圖1-3描述的第一個實施例，但在板元件的邊緣132上沒有形成用于相互咬合的凸輪面，而且鉚釘134與板元件形成一體。直邊緣132彼此咬合，以防止這些元件橫向移動。在本實施例中，元件130只需要采用一種形狀，而且它們可以通過前面描述的直接成型過程而在“向上伸腿”(圖14B)和“向下伸腿”(圖14A)的方向上相互連接。帶有整體式形成的鉚釘132的板元件130是在單一的固態成型步驟中(利用適宜的模腔形狀和類似于圖4A-C所示的加工步驟)制作出來的。在接下來的加工步驟中，方向相反的板元件130被成型出來。參看圖15，一個陣列的互連“向上伸腿”板元件130A和“向下伸腿”板元件130B被示出，其中整體形成的鉚釘134A在互連板之間向上伸出。這個陣列是在全部三個成型步驟中的兩個中產生的。通過第三成型步驟即隨后的固態成型步驟，將伸出的鉚釘134A和134B的軸成型為鉚釘頭部，可以完成非紡織品的形狀。這一步驟僅需要利用撞桿的沖擊作用壓縮軸，以形成鉚釘頭部，類似于前面描述的其他固態成型過程。
圖16中示出了由這些元件130A和130B構成的成品非紡織品。回到圖14B，板元件的四個腿中的每個分別具有一個棱邊，該棱邊確定出一個隆起的臺階138，用于與反向布置著的板元件上的具有互補形狀的棱邊咬合。沿著棱邊隆起的臺階138產生了一個機械式咬合結構，用于在鉚釘134完全成型后將板元件130A和130B彼此限定在一起。切口1140形成在每個板元件的角部上，用于容納鉚釘134的軸142，該鉚釘將兩個板元件保持在一起。本實施例的柔性大小類似于第一個實施例，而且在一定程度上取決于鉚釘軸的長度(和延展性)。
一個與圖14A和14B中的結構類似的替代性實施例顯示于圖17A、17B和17C中。本實施例中的板元件與圖14A和14B中的相同，但本實施例中的鉚釘軸144上形成了一個分叉限位件，限位件包含位于鉚釘軸144的每個分開部分上的斜面半環形鎖銷146。斜面半環形鎖銷配合在鉚釘頭部150中的形狀相符的凹槽中，以將鉚釘頭部緊固在位于軸端處的連接位置上。見圖17C。鉚釘頭部如此緊固在軸端上，并且非常難以取下，除非壓緊分叉限位件的側壁148，以將鎖銷從鉚釘頭部的凹槽中脫出。圖17A和17B中所示的這個替代性實施例是通過前面描述的固態成型過程形成的，其中模腔具有特定的形狀，以形成分叉限位件的形狀。
直接成型過程可以用于產生另一類型的非紡織品，其由通過類似前面的方法成型出的互連板元件構成。差別在于，成型過程被這樣設計，即單獨形成的元件152被沿著它們相應的邊緣熔接。這樣，單獨形成的元件152通過前面描述的成型過程熔接在一起，而且它們可以通過在熔接區域或附近彎折而實現彼此相對運動。熔接邊緣154大致形成在與圖9-12所示的前面實施例中的倒刺與凹座相咬合的區域相同。在本實施例中，一組板形成在第一和第二輥子之間的咬線處，第二組板在第二和第三輥子之間的咬線處形成并熔接在第一組板上。本實施例中的直接成型過程的溫度、成型力和其他物理參數必須仔細地協調，以使產生的熔接區域足以將單獨形成的元件保持彼此咬合，而又使得它們能夠彼此相對彎曲而作織物狀運動。熔接邊緣優選在一定程度上彼此搭接，以便在元件上形成沿相鄰元件的相應邊緣熔接的區域。元件之間的角部上可以形成孔眼156，以提供出附加的柔性。
本申請中的直接成型方法可以用于制造很多不同種類的非紡織品。作為示例，本發明的直接成型方法在制造行李箱中的應用顯示于圖19中。加工過程以流程圖的形式顯示出來，其中包括四個主要部分顆粒選擇過程400、直接成型過程500、顆粒回收過程600和行李箱組裝過程700。雖然圖19中的流程圖所示的加工過程是預期利用前面描述的加工設備完成的，但可以設想，流程圖中的創造性直接成型方法也可以利用其他能夠進行相同或類似操作的設備實施。
圖19中的流程圖中的第一步是步驟402，即供應顆粒。在直接成型過程中，必須提供顆粒的優選尺寸、形狀和材料。第一判斷塊404用于確認顆粒尺寸、形狀和材料是否與成型過程中的一致。如果不一致，則判斷塊返回顆粒供應步驟，以重新啟動。此時的顆粒也可以用于常規聚合物加工過程，例如成型最終制品的其他部件。如果證實一致，則加工過程繼續進行，而開始進入直接成型過程500。
直接成型過程500中的第一步是步驟502，即將顆粒施加到工作面上。在這一步驟中，如前所述，顆粒被施加到工作面上，以準備進行固態成型步驟。在前面的各個實例中，工作面是輥子表面。在這一點上，顆粒可以通過多種方式中的任何一種施加到工作面上，例如通過料斗施加或者通過流化床施加，如前面所討論，并且優選被安置在毗鄰工作面中的模腔形成的凹槽中。接下來的步驟504是，如需要，調節顆粒在工作面上的定位。這一步驟是可選的，因為顆粒在施加到工作面上時可能全被適宜定位在毗鄰工作面中的模腔形成的凹槽中了。然而，如果有多余的顆粒，或者顆粒沒有在凹槽中正確定向，則調節顆粒定位的步驟有助于糾正所有問題。如前所述，調節顆粒定位的步驟可以這樣實現，即借助于一個帶墊層的輥子或其他適用于這一步驟的裝置。接下來的操作步驟506是將多余的顆粒從工作面上去除。在顆粒被供應到工作面上并且根據需要而進行了調解后，應當將多余的顆粒從工作面上去除，以使多余顆粒不會干擾固態成型步驟。這可以利用刮板結構或通過真空方法而實現，或者可以采用其他任何適于將多余顆粒從工作面上去除的操作方法實現。
在用于向顆粒供應熱量的操作步驟508中，固態成型過程實際開始了。向顆粒供應熱量只在這樣的情況下是必需的，即顆粒向模腔中固態變形時產生的熱量不足以在顆粒中形成理想的溫度。換言之，如果顆粒受到撞桿沖擊而將其形狀轉變成模腔形狀時所產生的熱量不夠，如前所述，則需要補充熱量。顆粒被加熱到達的最終溫度位于形成顆粒的特定材料的軟化點之上，但在其熔點之下。在顆粒的熱處理完成之后，實際的固態變形過程將在操作步驟510中實施。固態成型步驟已經在前面詳細描述過了，這里再重復一下以前的描述，即本步驟可以通過這里描述的輥子或是其他任何類型的可行固態成型結構而實現。這一步驟中的關鍵的一點是，固態成型的產物是一種適用于直接成型非紡織品的可連接元件。這種可連接元件，例如“向上伸腿”板、“向下伸腿”板和鉚釘，分別按順序形成，以使最終制品是構成非紡織品所需的互連元件的集合。如前所述，在示例性加工過程中形成的第一種元件是在第一和第二輥子之間的咬線處成型出來的“向上伸腿”板。接下來的步驟是重復前一步驟的操作，從而以特定的次序成型出構成非紡織品板料所需的互連元件。這一步驟以512表示。操作步驟512需要將前面描述的成型步驟重復足夠多的次數，以形成一張由互連元件構成的非紡織品板料。在前面描述的特定加工過程中，這一步驟可能需要實施三次，以成型出“向上伸腿”板，再成型出“向下伸腿”板，最后利用鉚釘將兩個板保持在一起。在前面描述的第二個實施例中，這一步驟需要實施三次，以成型出帶有倒刺端的板，再成型出用于容納倒刺端的板(在這個實施例中，不需要使用附加的第三部件例如鉚釘，如前所述)。
在操作步驟512之后，流程圖開始進入了顆粒回收操作600。第一步操作是判斷塊602，即查詢非紡織品板料是否符合標準。如果不符合標準，則在操作步驟604中將作廢的非紡織品板料轉換成新磨原料，以便用于常規模制成型最終制品上的部件，或者用于重新形成顆粒而在步驟402中供應。如果非紡織品板料是可以接受的，則接下來進行步驟606的操作，即對非紡織品板料進行后處理。這種后處理可能包括拋光、切割、彎折或其他所需的操作，以將非紡織品板料準備好，預備用在最終制品中。在操作步驟606之后，要在判斷塊608中查詢非紡織品板料在經過了初始的后處理之后是否仍然合格。如果出于任何原因導致非紡織品板料在操作步驟606中受到無法挽救的損傷，則判斷塊608中的答案是“否”，而且受損且經受了部分處理的非紡織品板料將在步驟604中同樣被制作成新磨原料。如果非紡織品板料在經過了初始后處理操作步驟606之后仍是符合標準的，則非紡織品板料將進行非紡織品板料最終處理步驟702。最后的兩個步驟包含在行李箱組裝操作過程700中。非紡織品板料的最終處理可能包括對表面的進一步精整以及對非紡織品板料作進一步處理，以使之準備用于最終的組裝過程中，在這一步驟完成之后，流程圖進入操作步驟704。在操作步驟704中，要將非紡織品板料與最終制品組裝在一起。例如，非紡織品板料可能會利用縫合或鉚接方法而被附加到行李箱的其他部件上，從而成為行李箱殼體外表面的至少一部分，例如圖20中所示的部分。行李箱殼體可能是由步驟404和604中產生的新磨原料而制成的。
上面的流程圖是一種特定制品加工過程的實例，其可以實施本發明的直接成型方法。從根本上講，通過修改位于第四通用操作區700中的最后兩個步驟702和704，流程圖可以特定地用于專門的制品類型。例如，在使用非紡織品時，可以通過縫合或其他連接方法使它們在邊緣處彼此結合，而產生的三維形狀可以連接到邊框或輪子組件上，以制成行李箱的框架。或者，非紡織品可以用作汽車內部附件或其他制品。
盡管前面以一定程度的特殊性描述了本發明，但可以理解，這里公開的內容是以示例的方式給出的，在不脫離附屬權利要求書中確定的本發明的精神的前提下，可以對細節或結構作出改變。
權利要求
1.一種用于制造非紡織品的方法，其包含以下操作成型第一元件；成型第二元件；以及成型第三元件，以使上述第一、第二和第三元件以可操作的方式彼此相連。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于成型上述第一元件的操作包含以下操作固態成型上述第一元件。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于成型上述第二元件的操作包含以下操作固態成型上述第二元件。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于成型上述第三元件的操作包含以下操作固態成型上述第三元件。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于成型上述第一元件的操作包含以下操作固態成型上述第一元件；成型上述第二元件的操作包含以下操作固態成型上述第二元件；以及成型上述第三元件的操作包含以下操作固態成型上述第三元件。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于-成型上述第一元件的操作包含以下操作·將一個聚合物顆粒安置在第一模腔中；·在上述第一模腔中擠壓上述聚合物顆粒，以使之獲得上述第一模腔的形狀；-成型上述第二元件的操作包含以下操作·將一個聚合物顆粒安置在第二模腔中；·在上述第二模腔中擠壓上述聚合物顆粒，以使之獲得上述第二模腔的形狀；-成型上述第三元件的操作包含以下操作·將一個聚合物顆粒安置在第三模腔中；·在上述第三模腔中擠壓上述聚合物顆粒，以使之獲得上述第三模腔的形狀并且以可操作的方式與上述第一和第二元件相連。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于上述第一元件構成上述第二模腔的一部分。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于上述第二元件構成上述第三模腔的一部分。
9.如權利要求6所述的方法，其特征在于上述第一元件和上述第二元件構成上述第三模腔的一部分。
10.如權利要求6所述的方法，其特征在于上述第二元件被成型得至少部分地抵靠著上述第一元件。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于上述第三元件被成型得至少部分地抵靠著上述第二元件。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于上述第三元件被成型得至少部分地抵靠著上述第一和第二元件。
13.一種由單個元件構成的非紡織品，其包括通過固態成型制成的元件。
14.如權利要求13所述的非紡織品，其特征在于每個上述元件具有這樣的尺寸，即其可由單一的聚合物顆粒制成。
15.如權利要求13所述的非紡織品，其特征在于每個上述元件具有這樣的尺寸，即其可由至少一個單一顆粒制成。
16.如權利要求13所述的非紡織品，其特征在于每個上述元件具有這樣的尺寸，即其可由多個顆粒制成。
17.一種由單個元件構成的非紡織品，其包括第一類型元件，其具有至少一個單獨容器；第二類型元件；以及通過將上述第二類型元件咬合在上述至少一個單獨容器中，可將上述第一和第二類型元件彼此連接，以使每個元件能夠彼此相對移動。
18.如權利要求17所述的非紡織品，其特征在于上述第一類型元件設有一個主體，主體上形成了至少一個凹座；上述第二類型元件設有一個主體，主體上形成了至少一個咬合端；以及上述咬合端容納在上述凹座中，以將上述第一和第二類型元件連接在一起。
19.如權利要求18所述的非紡織品，其特征在于上述至少一個凹座上設有向內伸出部分，用以容納上述至少一個咬合端。
20.如權利要求18所述的非紡織品，其特征在于上述至少一個咬合端帶有倒刺，以便牢固地容納在上述至少一個凹座端中。
21.如權利要求18所述的非紡織品，其特征在于上述至少一個凹座上設有向內伸出部分；上述至少一個咬合端帶有倒刺；以及上述向內伸出部分牢固地咬合在上述帶倒刺端上，以將上述第一和第二類型元件連接在一起。
22.如權利要求18所述的非紡織品，其特征在于上述第一類型元件具有多個邊緣，每個邊緣上分別形成了一個凹座；上述第二類型元件具有多個邊緣，每個邊緣上分別形成了一個咬合端；以及通過將上述第二類型元件的一個邊緣上的上述咬合端容納在相鄰上述第一類型元件的一個邊緣上的凹座端中，可將第一和第二類型元件交替著連接起來，從而形成一個陣列。
23.如權利要求22所述的非紡織品，其特征在于上述第一和第二類型元件是直線排列的。
24.如權利要求23所述的非紡織品，其特征在于每個上述第一和第二類型元件上的相鄰邊緣之間分別形成了一個角形部分，以使所述元件更容易相對移動。
25.一種用于直接成型非紡織品的元件組件，其包括第一元件；第二元件；以及一個連接元件，其用于將上述第一元件連接到上述第二元件上，以使上述第一、第二和連接元件能夠彼此相對移動。
26.如權利要求25所述的元件組件，其特征在于上述第一元件是一個板；上述第二元件是一個相對于上述第一板倒置的板；以及上述連接元件是一個鉚釘。
27.如權利要求26所述的元件組件，其特征在于上述第二元件與上述第一元件相同。
28.如權利要求27所述的元件組件，其特征在于上述第一和第二元件具有這樣的方位，即它們彼此偏置。
29.如權利要求26所述的元件組件，其特征在于多個上述第一板和上述第二板以陣列的形式連接在一起，從而構成非紡織品。
30.如權利要求26所述的元件組件，其特征在于-上述第一和第二元件分別包括·一個主體，其具有一個頂表面、一個底表面和四個側面，每個上述側面上分別形成了一個延伸通過上述相應側面的大部分長度的邊緣；·形成在上述主體的相鄰側面之間的切口區域；以及·由每個邊緣分別形成在底表面上的咬合結構；-上述鉚釘包括·一個具有相反端的軸；以及·形成在上述軸的每端上的頭部；-上述第一和第二元件被安置在一起，其中所述底表面彼此相鄰但相互偏置，而每個上述第一和第二元件的相應邊緣上的上述咬合結構彼此形成限位接觸，每個上述第一和第二元件上的相應上述切口區域彼此對正，上述鉚釘軸穿過上述對正的切口安置著。
31.如權利要求30所述的元件組件，其特征在于形成在每個上述第一和第二元件底表面上的上述咬合結構分別包含一個頂部脊，其具有一個平坦頂壁和垂直于上述主體的側壁，上述脊以與上述板的邊緣重合的方式延伸；一個傾斜表面，其從上述脊延伸到上述主體的上述底表面；以及一個槽，其毗鄰上述傾斜表面與上述底表面之間的交線形成在上述主體中。
32.一種用于直接成型非紡織品的元件組件，其包括第一元件；以及第二元件，其包含一個與之整體式成型出的連接元件，上述連接元件將上述第一元件與上述第二元件連接在一起，并且使得上述第一和第二元件能夠彼此相對移動。
33.如權利要求32所述的元件組件，其特征在于上述連接元件是一個鉚釘軸。
34.如權利要求33所述的元件組件，其特征在于上述第一和第二元件通過一個形成在上述鉚釘軸上的鉚釘帽保持在一起。
35.如權利要求33所述的元件組件，其特征在于上述鉚釘軸是一個分叉限位件；以及上述第一和第二元件通過一個套在上述分叉限位件端部上的鉚釘帽保持在一起。
全文摘要
本發明涉及一種用于制造非紡織品的方法，其包含以下操作成型第一元件；成型第二元件；以及成型第三元件，以使上述第一、第二和第三元件以可操作的方式彼此相連。
文檔編號B29C43/36GK1861361SQ20051012161
公開日2006年11月15日 申請日期2000年10月26日 優先權日1999年10月29日
發明者格雷戈里·W·奧康納, 詹姆斯·S·格雷格 申請人:新秀麗公司