JP2016503360A - 可撓性複合材料の３次元物品 - Google Patents

Abstract

本開示は、可撓性複合材料を含む３次元物品、および前記３次元物品を製造する方法を包含する。より詳細には、本システムは、エアバッグ／膨張式構造、バッグ、靴、および同様の３次元製品等の完成品に使用可能なシームレス３次元成形物品を製造する方法に関する。好ましい製造プロセスは、複合成形方法を特定の前駆材料と組み合わせて、可撓性で折り畳み式の繊維強化の連続成形された物品を成形する。

Description

本開示は、可撓性複合材料から３次元物品を製造するためのシステムおよび方法に関する。例えば、本開示は、可撓性複合材料を基にした、エアバッグ／膨張式構造物、バッグ、靴、および同様の３次元物品用の３次元成形物品を製造するためのシステムおよび方法に関する。

本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２０１２年１１月９日に出願された米国仮特許出願第６１／７２４，３７５号、２０１３年３月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／７８０，３１２号、および２０１３年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／８００，４５２号の優先権を主張する。

生地関連製品について、特に衣類および靴、キャンプ用品およびハイキング用品、快適な防護具、保護用空気入れ製品等の生地関連製品に関して、重量、剛性、透過性、防水性、通気性、色、成形性、費用、カスタマイズ性、可撓性、パッケージ性等の特性の種々の組合せを最適化することが以前から困難となっている。

例えば、現在の市場動向は、自動車のエアバッグ技術を、航空機、バス、および列車／高速レールシステムを含む多くの新しい適用、ならびにスポーツ、オートバイ、モータスポーツ、または軍事適用における人の頭部および首の支持のための適用に拡大することを見込んでいる。この同一の技術が、非常用およびその他の市販の浮揚システム、非常用浮揚ベストおよび救命胴衣、雪崩保護、油および化学物質流出の制御、野外用途のための水空気袋溜め、バックパック、小型テント、ならびに保管システム一般において適用される。エアバッグ技術の動向は、衝突や穿刺に耐える、非常に軽量、薄型、高強度で、耐圧性のある外被の開発を重要視している。

多くのスポーツ活動について、参加者が着用可能な装備の重量および強度に対して、同様に重要性が置かれる。これはスポーツおよび競技用の靴に特に当てはまり、この場合、できるだけ軽量であると共に基本的な生体構造支持特性を維持する履物を提供することを主要目的とする。

少なくともこれらの理由で、より軽量で必要な構造性能を有する新しい経済的な生地関連物品、ならびに生地関連物品を製造する新しいシステムおよび方法の開発が非常に有利となる。

本開示の種々の態様において、種々の可撓性複合材料から３次元物品を製造するためのシステムおよび方法が開示される。

本開示の種々の態様において、可撓性複合材料から３次元物品を製造するためのシステムと共に、改良されたモノフィラメント関連製品、方法および装置が設けられる。

本開示の種々の態様において、本明細書で教示され具体化される技術および実用技法を用いる、生地関連製品の設計および製造のためのシステムが記載される。

本開示の種々の態様において、限定されないが、重量、剛性、透過性、防水性、通気性、色、成形性、費用、カスタマイズ性、可撓性、パッケージ性等を含み、かかる特性の所望の組合せを含む、生地関連製品の特性を効率的に制御することにおける改良が開示される。

本開示の種々の態様において、エアバッグ、膨張式構造一般、バッグ、靴、および同様の３次元物品に使用可能な可撓性複合材料に基づいて、３次元成形物品を製造するための方法が開示される。

本開示の種々の態様において、製造システムが、所望の場所における生地関連製品の微調整、剛性、可撓性、および弾性の方向制御を行う。

本開示の種々の態様において、生地関連製品は、非常な軽量さと高強度とを組み合わせる。

添付図面は、本開示のさらなる理解を与えるために含まれ、本明細書に組み込まれてその一部を構成し、本開示の実施形態を例示し、記述とともに本開示の原理を説明する役割を果たす。

本開示の種々の実施形態による、工夫された薄型の可撓性複合材料を従来の織布材料の隣に示す側面図である。 本開示の種々の実施形態による、３次元可撓性複合物品の斜視図である。 本開示の種々の実施形態による、３次元物品を製造するために使用されるツールおよび成形配置の断面図である。 本開示の種々の実施形態による、好ましい物品を製造するために使用される代わりの好ましいツールおよび成形配置の断面図である。 本開示の種々の実施形態による、図４の好ましいツールおよび成形配置の断面図である。 本開示の種々の実施形態による、図４の好ましいツールおよび成形配置により製造された物品の断面図である。 本開示の種々の実施形態による、好ましい可撓性複合物品を製造するための、代わりの好ましいステップ、ツール、および成形配置を一般に示す概略図である。 本開示の種々の実施形態による、好ましい可撓性複合物品を製造するための、代わりの好ましいステップ、ツール、および成形配置を一般に示す概略図である。 本開示の種々の実施形態による、好ましい可撓性複合物品を製造するための、代わりの好ましいステップ、ツール、および成形配置を一般に示す概略図である。 本開示の種々の実施形態による、負荷担持能力を高めるための、取付点、貫通孔、および補強ストラップ用の一体構造補強材を含む可撓性複合物品を図示的に示す斜視図である。 本開示の種々の実施形態による、異なる繊維を含む代わりのユニテープを用いて、２つ以上のモノフィラメント、繊維、またはトウから作られた代わりの可撓性複合材料を図示的に示す断面図である。 本開示の種々の実施形態による、異なる繊維を含む代わりのユニテープを用いて、２つ以上のモノフィラメント、繊維、またはトウから作られた代わりの可撓性複合材料を図示的に示す断面図である。 本開示の種々の実施形態による複合履物アッパーを図示的に示す斜視図である。 本開示の種々の実施形態による、工夫された複合履物アッパーを図示的に示す側面図である。 本開示の種々の実施形態による、工夫された複合履物アッパーを図示的に示す側面図である。 本開示の種々の実施形態による、図１１の複合履物アッパーの構成と一致した好ましい複合構成を示す部分分解図である。 本開示の種々の実施形態による、複数の靴の適用で使用可能なモジュール式の工夫された複合履物アッパーを製造する好ましい方法を一般に示す図である。 本開示の種々の実施形態による、図１１の複合履物アッパーを製造する１つの好ましい方法を一般に示す図である。 本開示の種々の実施形態による、図１１の複合履物アッパーの製造において使用される一連の初期作製ステップを一般に示す図である。 本開示の種々の実施形態による、複合履物アッパーを形成可能な平面複合部品を図示的に示す平面図である。 本開示の種々の実施形態による、図１１の複合履物アッパーの製造において使用される一連の次の作製ステップを一般に示す図である。 本開示の種々の実施形態による、図１１の複合履物アッパーの製造において使用可能な第１の統合および硬化方法を一般に示す概略図である。 本開示の種々の実施形態による、図１１の複合履物アッパーの製造において使用可能な第２の統合および硬化方法を一般に示す概略図である。 本開示の種々の実施形態による、図１１の複合履物アッパーに仕上げ構成部品を当てる１つの例示的な方法を一般に示す図である。 本開示の種々の実施形態による、図１１の複合履物アッパーに仕上げ構成部品を当てる代わりの例示的な方法を一般に示す図である。 本開示の種々の実施形態による、図１１の複合履物アッパーに仕上げ構成部品を当てる代わりの例示的な方法を一般に示す図である。 本開示の種々の実施形態による、剛性化した形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）から成形されたチューブの実施形態を示す図である。 本開示の種々の実施形態による、雌型内でさらに成形されたＳＭＰのチューブを示す図である。 本開示の種々の実施形態による、剛性化した成形ツールに繊維トウを当てた様子を示す図である。 本開示の種々の実施形態による、スーパープラスチック成形式システムの実施形態を示す図である。 本開示の種々の実施形態による、雄成形ツール上へのユニテープ層およびその他の構造要素の層ごとのレイアップの実施形態を示す図である。 本開示の種々の実施形態による、雄成形ツール上へのユニテープ層およびその他の構造要素の層ごとのレイアップの別の実施形態を示す図である。

以下の説明は種々の例示的な実施形態のみについてのものであり、本開示の範囲、適用性、または構成をいかなる方法でも限定するものではない。むしろ、以下の説明は、最良の形態を含む種々の実施形態を実施するための便利な例証を示すものである。明らかになるように、本開示の原理から逸脱することなく、これらの実施形態に記載の要素の機能および配置に種々の変更を行うことができる。

本明細書でより詳細に説明するように、本開示の種々の実施形態は、一般に、補強要素を内部に含む積層体を備え、かかる補強要素はモノフィラメントを内部に有する少なくとも１つの一方向テープを備え、かかるモノフィラメントのすべてがテープ内で所定の方向にあり、かかるモノフィラメントが４０ミクロン未満の直径を有し、隣接する強化モノフィラメント群のうちの、隣接するモノフィラメントに当接している個々のモノフィラメント間の間隔が、非当接モノフィラメント間の範囲内の、モノフィラメント外径の最大５０倍の間隙距離以内である。種々の実施形態において、非当接モノフィラメント間の範囲の間隙距離が、モノフィラメント外径の最大９倍となり得る。

本開示による積層体の種々の実施形態において、多数のモノフィラメントの束から構成されるトウが、モノフィラメントの複数のトウから、薄型の平面ユニテープに押し出され、引き出され、または転換される。このユニテープは、所定厚さ、繊維面密度、コンピュータ構造解析もしくは既存の仕様から設計仕様を満たす樹脂マトリックス被覆仕様または埋め込み仕様の、複数の略平行な向きのモノフィラメントから構成される。加えて、補強要素は、押し出されたモノフィラメントを内部に各々有する少なくとも２つのかかる一方向テープを備えることができ、かかるモノフィラメントのすべてがテープ内で所定の方向にあり、かかるモノフィラメントが４０ミクロン未満の直径を有し、隣接する強化モノフィラメント群のうちの、隣接するモノフィラメントに当接している個々のモノフィラメント間の間隔が、非当接モノフィラメント間の範囲内の、モノフィラメント外径の最大５０倍の間隙距離以内である。種々の実施形態において、非当接モノフィラメント間の範囲の間隙距離が、モノフィラメント外径の最大９倍となり得る。種々の実施形態において、一方向テープがモノフィラメントのない大きい面積を有し、かかる大きい面積は、モノフィラメントのない小さい面積を有する層状オーバレイを備える。

使用される特定のユニテープの仕様は、異なる繊維面密度、樹脂仕様、広がり仕様、層厚さ繊維タイプを有することができ、２つ以上の繊維の異なる混合を含むことができる。

本開示による積層体の種々の実施形態において、小さい面積がユーザにより計画された配置を含む。種々の実施形態において、積層体が、かかる小さい面積の層状オーバレイを備える１組の防湿または防水／通気性（Ｗ／Ｂ）要素をさらに備える。さらに、積層体は、１組の他の層状オーバレイを備えることができる。さらに、本開示による積層体は、かかる少なくとも２つの一方向テープのうち第１のテープを備えることができ、第１のテープは、かかる少なくとも２つの一方向テープのうちの第２のテープとは異なる所定の方向にあるモノフィラメントを含む。

本開示の種々の実施形態において、かかる少なくとも２つの一方向テープの異なる所定の方向の組合せをユーザが選択して、計画された方向の剛性／可撓性を有する積層体特性を達成する。また、種々の実施形態において、積層体が３次元成形された可撓性複合部品を含むことができる。種々の実施形態において、３次元成形された可撓性複合部品が、周囲接合部に沿って取り付けられた複数の積層体部分を備える。種々の実施形態において、３次元成形された可撓性複合部品が、周囲接合部に沿って少なくとも１つの非積層体部分に取り付けられた少なくとも１つの積層体部分を備える。種々の実施形態において、かかる製品が、部位接合部に沿って取り付けられた複数の積層体部分を備えることができる。

本開示の種々の実施形態において、生地関連製品は、部位接合部に沿って少なくとも１つの非積層体部分に取り付けられた少なくとも１つの積層体部分を備える。かかる製品は、部位接合部にそって少なくとも１つのユニテープ部分に取り付けられた少なくとも１つの積層体部分を備えることができる。加えて、かかる製品は、部位接合部に沿って少なくとも１つのモノフィラメント部分に取り付けられた少なくとも１つの積層体部分を備えることができる。種々の実施形態において、かかる製品が、少なくとも１つの剛性要素をさらに備えることができる。本開示の種々の実施形態において、少なくとも１つの一方向テープがかかる製品に取り付けられる。

本開示の種々の実施形態において、３次元成形された可撓性複合部品を製造する方法は、適合性のある構成を有する少なくとも１つの雄型および少なくとも１つの雌型を設けるステップと、異なる向きに配置された一方向繊維の２つ以上の層を含む少なくとも１つの第１の繊維強化スクリムを、かかる少なくとも１つの雄型上に当てるステップと、場合により、異なる向きに配置された一方向繊維の２つ以上の層を含む少なくとも１つの第２の繊維強化スクリムを、かかる少なくとも１つの雄型およびかかる少なくとも１つの第１の繊維強化スクリム上に当てるステップと、場合により、かかる少なくとも１つの雄型、かかる少なくとも１つの第１の繊維強化スクリム、およびかかる第２の繊維強化スクリム上に少なくとも１つの第１の表面層を当てて、第１の複合レイアップを形成するステップと、かかる第１の複合レイアップをかかる少なくとも１つの雄型から取り外して、かかる第１の複合レイアップを、反転構成で、かかる少なくとも１つの雌型内に配置するステップと、場合により、少なくとも１つの剥離ライナをかかる少なくとも１つの雄型に当てることにより剥離ライナを使用するステップと、かかる少なくとも１つの剥離ライナをかかる少なくとも１つの雄型から取り外して、かかる剥離ライナを、反転構成で、少なくとも１つの雌型内でかかる第１の複合レイアップ上に配置するステップと、場合により、少なくとも１つの第２の表面層をかかる少なくとも１つの雄型上に当てるステップと、異なる向きに配置された一方向繊維の２つ以上の層を含む少なくとも１つの第３の繊維強化スクリムを、かかる少なくとも１つの雄型およびかかる少なくとも１つの第２の表面層上に当てるステップと、場合により、異なる向きに配置された一方向繊維の２つ以上の層を含む少なくとも１つの第４の繊維強化スクリムを、かかる少なくとも１つの雄型、かかる少なくとも１つの第３の繊維強化スクリム、およびかかる少なくとも１つの第２の表面層上に当てて、第２の複合レイアップを形成するステップと、かかる第２の複合レイアップをかかる少なくとも１つの雄型から除去して、かかる第２の複合レイアップを、反転構成で、かかる少なくとも１つの雌型内で第１の複合レイアップ上に配置するステップと、かかる第１の複合レイアップおよびかかる第２の複合レイアップの周縁部に沿って接合するステップと、かかる第１の複合レイアップおよびかかる第２の複合レイアップを硬化させて、少なくとも１つの３次元成形物品を形成するステップとを含む。

本開示の種々の実施形態において、方法は、オプションの第２の繊維強化スクリムを、前記第１の複合レイアップにおける追加層としてさらに含む。

本開示の種々の実施形態において、方法は、オプションの第１の表面層を前記第１の複合レイアップにおける追加層としてさらに含む。

本開示の種々の実施形態において、方法は、オプションの第２の表面層を、前記第２の複合レイアップにおける追加層としてさらに含む。

本開示の種々の実施形態において、方法は、オプションの第４の繊維強化スクリムを、前記第２の複合レイアップにおける追加層としてさらに含む。

本開示の種々の実施形態において、方法は、前記第１の複合レイアップと前記第２の複合レイアップとの間に配置されたオプションの少なくとも１つの剥離ライナをさらに含む。

本開示の種々の実施形態において、方法は、少なくとも１つの開口部をかかる少なくとも１つの３次元成形物品に成形して、かかる少なくとも１つの３次元成形物品の膨張または他の操作を助けるステップをさらに含む。種々の実施形態において、方法は、かかる少なくとも１つの開口部を通して、かかる少なくとも１つの剥離ライナを除去するステップをさらに含む。種々の実施形態において、方法は、少なくとも１つの補強構造をかかる少なくとも１つの３次元成形物品に加えるステップをさらに含む。

本開示による方法の種々の実施形態において、少なくとも１つの３次元成形物品が靴の内部に組み込まれる。種々の実施形態において、少なくとも１つの３次元成形物品がバッグの内部に組み込まれる。種々の実施形態において、少なくとも１つの３次元成形物品が、ガス不透過性である。種々の実施形態において、少なくとも１つの３次元成形物品が、ガス膨張式であるように構成される。種々の実施形態において、少なくとも１つの３次元物品が防水／通気性である（Ｗ／Ｂ）。

本開示の種々の実施形態において、３次元成形された可撓性複合部品を製造する方法が、周囲材料を第１の部品側から第２の部品側に折り重ねて、重なり継ぎ目の領域を形成することにより、２つの対称な可撓性複合部品を接合するステップと、かかる２つの対称な可撓性複合部品を硬化させて、中空内部を有する一体型の３次元成形された可撓性複合部品を形成するステップとを含む。

本明細書の種々の実施形態によれば、本システムは、本特許出願により開示され提示されたあらゆる新規な特徴、要素、組合せ、ステップおよび／または方法を提供する。

本明細書で使用される用語および定義の簡単な解説。

接着剤 複合材料を組み合わせるために用いられる硬化性樹脂。

異方性 材料内のある点で方向と共に変化する機械的特性および／または物理的特性を有すること（すなわち、等方性でないこと）。

面積重量 単位面積当たりの繊維の重量。グラム毎平方メートル（ｇ／ｍ^２）で表されることが多い。

オートクレーブ 化学反応または他の動作を受けている密閉された物体に対して、熱により、または熱なしで、流体圧力の環境を生じさせるための閉鎖容器。

Ｂステージ 本明細書では、一部の熱硬化性樹脂の反応における中間ステージとして一般に定義される。含浸前に使用される架橋ポリマー接着剤または樹脂は、このステージに対して「プレプレグ」と呼ばれる予備反応を受けて、最終的な硬化の前に取扱いおよび処理を容易にすることがある。

Ｃステージ 材料が比較的不溶性で不融性の、ある樹脂の反応における最終ステージ。

硬化 ポリマー樹脂の特性を化学反応により不可逆的に変化させること。硬化は、触媒により、または触媒なしで、かつ熱により、または熱なしで、硬化（架橋）剤を添加することにより達成され得る。硬化という用語は部分的なプロセスまたは全体のプロセスを指すことができる。

デシテックス（ＤＴＥＸ） 連続するフィラメントまたは撚糸の線密度の単位。テックスの１／１０またはデニールの９／１０に等しい。

ダイニーマ（登録商標） ＤＳＭ（Ｈｅｅｒｌｅｎ、オランダ）製の超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）繊維の商標。

繊維 フィラメントと同義の一般的な用語。

フィラメント 繊維含有材料の最小単位。フィラメントは通常、長さが長く、小径である。

靴型 靴用の３次元成形ツール。

ポリマー 結合したモノマーの分子からなる有機材料。

プリプレグ 硬化の準備ができたシートまたはテープ材料。樹脂が部分的にＢステージまで硬化されて、完全な硬化の前にレイアップステップに供給される。

トウ 連続したフィラメントの、撚りのない束、撚り合わせた束、または絡み合せた束。

アッパー 踵からつま先までの足の上部を覆う靴の部分。

ＵＨＭＷＰＥ 超高分子量ポリエチレン。非常に長い鎖のポリエチレンからなるあるタイプのポリオレフィン。商標名として、スペクトラ（登録商標）およびダイニーマ（登録商標）がある。

ユニテープ 概ね平行に位置合わせされ、接着樹脂マトリックスが含浸された強化用繊維の均一または不均一な高密度配置を有する可撓性補強テープ（シートとも呼ばれる）である一方向テープ（またはＵＤテープ）。この樹脂は、触媒または硬化剤をしばしば含み、処理中に不可逆性反応を受ける反応性架橋ポリマー、または溶融し、その後の加熱および冷却によって改質され得る熱可塑性樹脂であってよい。ＵＤテープは、しばしばＢステージとなり、多くの複合生地の基本的な単位を形成する。

粘弾性材料 変形を受けたときに粘性と弾性との両方を呈する材料。かかる材料は、機械的負荷により線形または非線形レオロジー応答を呈することができる。

次に図１を参照すると、３次元複合物品システム１００の種々の実施形態は、可撓性複合材料を基にした、エアバッグ／膨張式構造、バッグ、靴、およびその他の３次元物品に使用可能なシームレス３次元成形物品１０１を含む。本明細書で使用されるように、シームレスとは、構造的にシームレスになるように一体に結合されたものを指す。本システムの製造プロセスの種々の実施形態は、一体構造および方向性の繊維強化を有する３次元成形された可撓性部品を製造可能である。３次元複合物品システム１００の種々の物品として、限定されないが、靴、バックパック／バッグ、またはエアバッグもしくはボール等の膨張式部品等が挙げられる。従来の３次元成形繊維品では、複雑な形状に切り抜かれた平らな織物を縫い合わせ、または継ぎ合わせて３次元形状を製造する。本開示による製造プロセスの種々の実施形態において、複合成形方法を新規の前駆材料と組み合わせて、可撓性で折り畳み式の繊維強化された連続形状物品を成形する。

図１は、本開示による工夫された薄型の略可撓性の複合材料１０３の実施形態を、より厚い従来の織布材料と比較してさらに示す側面図である。一般に、本開示に記載の方法は、従来の材料よりも実質的に薄い材料を提供する。

図２は、本開示によるシームレス３次元成形物品１０１の実施形態の斜視図である。種々の実施形態において、高強度繊維および最小の表面被覆を用いるため、既存の生地よりも薄い材料が可能である。例えば、エアバッグの適用において、図１に示すように、薄型複合材料により、梱包体積を小さくすることができる。

現在の市場動向は、自動車のエアバッグ技術を、航空機、バス、および列車／高速レールシステムを含む多くの新しい適用、ならびにスポーツ、オートバイ、モータスポーツ、または軍事適用における人の頭部および首の支持のための適用に拡大することを見込んでいる。この同一の技術が、非常用およびその他の市販の浮揚システム、非常用浮揚ベストおよび救命胴衣、雪崩保護、油および化学物質流出の制御、空気袋のダム、野外用途のための水空気袋溜め、バックパック、小型テント（すなわち、小さいテントまたはシェルタを意味するビバーク）、ならびに保管システム一般において適用される。

エアバッグ技術の動向は、衝突や穿刺に耐える、非常に軽量、薄型、高強度で、多方向に補強された、耐圧性のある外被の開発を重要視している。柔軟性および変形の制御を用いて、衝撃を吸収し、衝突の勢いを管理することができる。サイドカーテン、座席内、およびシートベルトの保護についての自動車の適用は、非常軽量で、最小限の体積に梱包することができ、最適な展開および保護に最も有利な３Ｄ形状に成形できる必要がある。複雑であることの多い３Ｄ形状は、強度があり、高い破裂圧力、耐衝突性および耐穿刺性を呈していなければならず、継ぎ目／取付部で破裂したり破損したりすることなく所定の形状に膨張しなければならない。一般に、３Ｄ形状は、溜めておく圧力膨張媒体の量が限られるため、高度の圧力健全性および不透過性を有する必要がある。これは、多くのシステムが、衝突および／または展開後７〜１０分間、バッグを膨張させたままにするという動作要件を有しており、一部の適用については、バッグをさらに長く膨張させたままにすることが望ましいとされ得るため、特に重要である。この一例は、ヘリコプタのエアバッグクラッシュシステムであり、ここでは初期の展開がヘリコプタの衝突を緩和するが、水中では、バッグを膨張させたままにして浮揚させ、ヘリコプタの沈没を防ぐことが望ましい。

膨張後圧力および再利用性が有利な別の同様の適用は、水上で使用するための航空機のエアバッグにおけるものである。エアバッグは、民間航空機のクラッシュ保護のためには望ましいが、重量および保管体積がこのような適用について重要視される。航空機は非常用の水上使用のために浮揚装置を搭載することが既に必要とされているが、着陸の衝突に対するクラッシュ保護の機能を二次的な浮揚の適用と組み合わせれば、かかるシステムの有用性が高まる。この技術は、民間航空機の非常脱出スライド、および水上の非クラッシュエアバッグ非常脱出および浮揚システムにも等しく適用可能である。

梱包、展開、および膨張要件に加えて、本明細書で開示された技術を用いるエアバッグ構成は、エアバッグが、クラッシュ／衝突展開およびクラッシュ後保護機能の間に生命を守り、損傷から守る能力を向上させ強化させることもできる。本開示の３次元成形物品１０１の高い強度および機械的特性は、予測可能な形状への十分に制御された展開を有する。衝突吸収およびエネルギー消散のためにバッグの構造を強化することができ、バッグの衝突面を、軟度または摩擦係数等の表面特性について最適化して、乗員の身体に対する過剰な負荷、加速および回転を防ぐことができる。

耐損傷性、耐穿刺性、および裂け目または穿刺損傷の広がりに対する非常に高い耐性により、バッグが局所的に損傷を受けた後も、完全に破損または破裂することなく機能し続けることができると好ましい。

種々の実施形態において、本開示による３次元成形物品１０１の高度の圧力健全性は、長期の、またはさらには恒久的な膨張を可能にするだけでなく、エアバッグシステム内の実用的な多段式膨張ガスシステムを組み込んで、保管、梱包、ガス貯蔵、および容積の制約を満たしつつ、乗員の保護を向上させることができる。材料および構成の耐久性の別の利点は、本開示によるエアバッグを再利用でき、複数回使用できることである。

本システムの種々の実施形態において、１つのスクリム層が雄型上に伸張されて、型の形状に硬化される（図１５も参照。以下で説明する）。スクリムは、２つ以上の接着剤被覆繊維強化層、例えば、ユニテープから作られる。２つ以上のスクリム層を希望に応じて加えて、最終材料の寸法安定性および引裂強度を向上させることができる。層の数、接着剤または繊維のタイプ、表面層のタイプまたは構成、およびスクリムの初期状態（未硬化または硬化）はすべて、基本的な本発明の概念を変更することなく置き換え可能な変数である。本実施形態の少なくとも１つの好ましい適用は靴であり、この場合、スクリムを「靴型」の周りに伸張させることができる。本開示による種々の履物の実施形態について、本明細書の後の段落で後述する。本システムの種々の実施形態において、追加のユニテープ層を加えて、特定の負荷経路に沿った伸張を制限してもよい。本システムの他の実施形態において、表面層を、金型の周りで硬化した積重体に加えることができる。

種々の実施形態において、ユニテープ層は、マトリックス接着剤により被覆され、またはマトリックス接着剤に埋め込まれた、薄く広がる略平行な繊維を含む。これらのユニテープ層を構成するモノフィラメント繊維は、繊維を構成するモノフィラメントが略並んで位置決めされ、個々に接着剤で被覆され、または接着剤もしくは樹脂に埋め込まれるように広げられる。モノフィラメント間の間隔距離もしくはモノフィラメントの面積重量分布が均一、不均一になり得るように、またはモノフィラメント層が、いくつかのフィラメントの厚さを含む、より大きい重量のユニテープ間の間隔を組み込むように、位置決めを行ってもよい。モノフィラメント間の間隔距離が均一、不均一になり得るように、またはモノフィラメントが当接もしくは重なるように、位置決めを行ってもよい。場合によって、モノフィラメントトウは、撚り合わせた、または絡み合わせた構成モノフィラメントを組み込んで、広がりを制限または制御することができる。しかしながら、多くのフィラメントを含む繊維内においてフィラメントを広げ被覆するという概念は同様である。種々の実施形態において、接着剤は弾性ポリマーを含む。この選択肢により、ユニテープの柔軟性が与えられ、ユニテープを非繊維強化方向に伸張させて成形することができる。ユニテープ層を金型に個々に位置決めして、局所的に補強してもよい。

図３は、本開示による３次元成形物品１０１を製造するために使用可能な種々のツールおよび成形配置の実施形態の断面図である。繊維の均一性を維持しつつ、複雑な部品上にユニテープを成形するための方法は、スクリムを最初に形成するステップを含み、ここでは平らなユニテープの２つの層が、０°および９０°等の異なる向き、または特定の設計による必要に応じたその他の相対的な向きに積み重ねられる。これにより得られたスクリムは、そのバイアス方向に伸張するが、フィラメントは交差する層の補強によって安定する。これにより、フィラメントの位置合わせを維持し、繊維のしわを最小限に抑えるような方法で、フィラメントを金型の上に位置決めして伸張させることができる。

本開示による３次元成形された物体を形成するために使用される方法の実施形態は、基本的に適合性のある寸法を有する雄型および雌型を設けるステップを含む。第１の０°／９０°スクリムを、ユニテープの少なくとも１つの層から作ることができる。このように構成されたスクリムは、バイアス方向に大きく伸張するため、雄型上に伸張させることができる。第２の０°／９０°ユニテープスクリムを、第１の層から４５°に向けて、雄型および第１のスクリム上に伸張させることができる。場合により、フィルムまたは表面層が第１のスクリムおよび第２のスクリム上に伸張される。次に、この第１の積重体を、雄型から取り外して反転させ、相補的な雌型に配置することができる。場合により、剥離ライナ、例えばテフロンが雄型上に伸張される。次に、剥離ライナを雄型から取り外して反転させ、雌型内で第１の積重体上に配置する。次に、オプションのフィルムまたは表面層を雄型上に、今度は積重体の第１の層上に伸張させることができる。次に、第３の０°／９０°ユニテープスクリムを雄型上に伸張させることができる。場合により、第４の０°／９０°ユニテープスクリムを第１の層から４５°に向けて、雄型および第３のスクリム上に伸張させることができる。次に、この第２の積重体を雄型から取り外して反転させ、雌型内で第１の積重体またはオプションの剥離ライナ上に配置する。第１の積重体は、好ましくは、いくつかの過度に張り出した材料を含むことができ、この材料は、第２の積重体上に折り重なって第１の積重体および第２の積重体の縁部の接合部を形成することができる。種々の実施形態において、これらの層は、雌型に対して真空バッグ状になり、オートクレーブ内で硬化される。部品が硬化されると、オプションの剥離ライナは、第１の積重体および第２の積重体が折り重なった縁部以外の場所で結合することを防止する。かかる方法によれば、追加の接合部を必要としない連続成形された３次元成形物品１０１が形成される。種々の実施形態において、これにより得られる３次元成形物品１０１は、層に孔を開け、部品に空気を充填することによって、その最終３Ｄ形状まで膨張され得る。種々の実施形態において、剥離ライナは、使用時に、この孔を通して取り外すことができる。

上記製造方法は、球、卵形、円筒、立方体（例えば、図２も参照）等の対称な３Ｄ部品に有用である。

上記実施形態は、引き伸ばされた材料を１つのレイアップから別のレイアップ上に折り重ねて、成形された複合部品内で構造的にシームレスになるように硬化可能な継ぎ目を形成することによって、２つの対称な部品を接合する。部品は、硬化された後に膨張させることができ、第２の側が反転し、この継ぎ目の跡が部品の中心線に位置する。この例示的な方法は、薄型の可撓性材料に有用であり、この場合、部品が膨張すると、継ぎ目の折りしわが無視できるほどになる。

本明細書に開示された方法は、結果として得られる部品が、完成のために限られた数の二次プロセスしか必要としないため、既存の製造プロセスに対して改良されている。梱包体積が限られた適用について、または重量を抑えることが重要な場合、部品の厚さおよび／または重量が小さくなる、最小限の継ぎ目を有する部品が有利である。

図４は本開示による種々の３次元成形物品１０１を製造するために使用可能なツールおよび成形配置の代替実施形態の断面図である。図４の実施形態に示すように、スクリム層を含むような未硬化の、または成形可能な積層体を、可撓性ダイアフラムの層の間に挟むことができる。その後、未硬化で未成形の複合材料を、成形および硬化のために金型の雄ツールおよび雌ツール間に配置することができる。

図５は、成形ツールおよび成形配置、およびそれにより行われる複合部品内への積層材料の成形および硬化の実施形態の断面図である。図示したように、熱および／または圧力および／または真空を任意の組合せで使用して、積層構造を成形された複合部品内に成形および硬化させることができる。成形および硬化のための種々の方法として、限定されないが、当業者に公知のその他の方法のうち、オートクレーブ圧縮、油圧成形またはダイアフラム成形が挙げられる。

図６は、本開示の種々の実施形態による別の成形および硬化動作を示す断面図である。図６に示すプロセスでは、先に硬化され成形された積層体部品（例えば、図４〜図５に示す動作から得られた部品）が、可撓性ダイアフラム層の間に挟まれて、金型の雄ツールと雌ツールとの間に位置決めされる。限定されないが、オートクレーブ圧縮、油圧成形もしくはダイアフラム成形、または当業者に公知のその他の方法を含む種々の方法を用いて、任意の数の表面層のある、または表面層のない層化構造が金型の上に置かれ、成形され、および／または硬化される。

図７ａ、図７ｂ、および図７ｃは、本開示による雌型プロセスの実施形態の分解概略図である。図７ａ〜図７ｃに示すプロセスでは、部品が金型の上に置かれ、膨張式空気袋が部品に挿入されて部品の内部に圧力を加えることにより、材料が硬化される間に材料を金型の形状にする。

図７ａに示すように、複合部品１３０ａが雌型１７０内に配置され、膨張式空気袋１７５ａが複合部品１３０ａに挿入され、熱硬化、ＵＶ硬化、ＲＦ硬化、電子線硬化のいずれか１つまたは組合せによって部品が硬化される間に、部品の内部に圧力を加える。エラストマー空気袋１７５ａは均一な圧力（例えば、空気圧または液圧）を複合部品１３０ａに加えて、部品を金型の形状にする。

図７ｂは、雌型１７０の内部形状に合う拡張された複合部品１３０ｂを示す。希望に応じて、エラストマー空気袋１７５ｂ（今度は、金型の形状まで拡張されている）が複合部品１３０ｂの内面に対して共硬化されて、例えば、物品の内部圧力空気袋または内膜または内層を形成することができる。この内部空気袋材料層が必要ない場合、空気袋を収縮させて型から取り外し、共硬化された空気袋層なしで、部品１３０ｂを定位置に拡張させ硬化させたままとする。

図７ｃは開かれた型１７０から外された、成形された複合部品１３５の実施形態を示す。

履物の適用に有用な他の例示的な実施形態は、例えば、膨張式空気袋を３Ｄ成形ツールとして使用する選択肢を含み、これにより、複合ユニテープおよび／またはＢステージパターン、Ｃステージパターン、または熱可塑性マトリックスパターン、予め層にしたパターン、角度層パターンまたは積層体カットパターンをツール上で層化して組み立てることができる。このような実施形態について、膨張式空気袋は、上にある材料の層化に対応するのに十分な構造的剛性を有することが好ましい。

膨張式空気袋上での靴アッパーの組立ておよびレイアップの目的で、空気袋の剛性の問題を解決する少なくとも３つの方法を実現することができる。第１の方法は、取外し可能な多要素３次元成形ツールを使用することであり、このツールは、製造プロセスの一部の点で取外し可能なエラストマー空気袋を支持して、可撓性複合部品を型および空気袋から取り外せるようにする。第２の方法は、アッパーを含む構成部品の適用のための型として作用するのに十分な剛性がある点で加圧できるように、生地複合材で補強され得るエラストマー空気袋を使用することである。第３の方法は、エラストマー圧力印加ツールと共に形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）を使用することである。このようなポリマーは低温では剛性であるが、遷移温度を超える温度で伸びの大きい可撓性エラストマーに変わる。遷移温度超で、ＳＭＰを加熱された金型に配置し加圧し、ツールをそのエラストマー相で成形することができ、靴成形システムの場合には、靴内部の所望の形状となる金型の形状を正確に複製する。

金型がＳＭＰの遷移温度未満に冷却されると、ＳＭＰが靴アッパーの内型寸法の形状の剛性の固体に変わる。この「剛性化」形状で、ツールを靴成形プロセスのレイアップ成形ツールとして使用することができる。剛性化ＳＭＰの成形構造の例は、図２４に示すチューブ１８０である。本実施形態について、ＳＭＰをその遷移温度未満まで冷却することによって、ＳＭＰは心棒上でチューブ形状に硬化される。図２５はＳＭＰチューブ１８１を示し、このＳＭＰチューブ１８１は、ＳＭＰがその遷移温度超まで加熱され、雌型１８２（型の下半分のみを図示する）内で形状成形され、その後、圧力下でＳＭＰの遷移温度未満まで冷却されて、型１８２のキャビティの形状の剛性成形ツールを製造した後の状態である。図２６は、繊維トウ１８３が剛性化ツール１８４に当てられるプロセスの実施形態を示す。

例えば、履物の適用等の種々の実施形態において、ＳＭＰがまだエラストマー形状であるまま、遷移温度よりわずかに高い温度で、硬化されたアセンブリを型から取り外すことによって、または、温風を内部に吹き込んで、アセンブリを取り外せるように十分に軟化させることにより、アセンブリを型から取り外した後に取り外すことによって、硬化された複合材アッパーを剛性化ツールから取り外すことができる。種々の他の実施形態において、剛性化ツールを複合材に組み込んだままにして、複合材の形状をそのまま維持し、工夫された「シャーシ」アッパーを保管して、下流の製造動作に搬送し、装填するための容易に割出し可能な「カートリッジ」式システムを提供することができる。かかる下流動作は、例えば、最初の（場合により１ステップの）成形プロセスにおいて行われていなければ、外装層との組込み、アッパーとローワーとの積層を含むことができる。

複合材の靴が型の上に載せられたツールを、その後、雌型、および加圧され遷移温度を超えて加熱されたＳＭＰに配置することができる。この遷移温度でＳＭＰは軟化してエラストマー圧力空気袋として作用し、靴アッパー内の材料を共に統合し積層する。

代替実施形態において、フィルムまたは表面層を部品の片側または両側で結合することができる。これらの層は、フィルム（ＰＥＴ、ナイロン、ＥＣＴＦＥ、ウレタン等）、通気性の膜（テフロン、ウレタン等）、織布または不織布、革、またはその他の層であってよい。表面層の選択は、気密性または透過性、防水性、耐摩滅性、耐久性、外観等の最終用途の要件に基づく。

本システムの代替実施形態において、スクリムが、剥離ライナ間で平坦状に予備硬化される。この材料を、次のレイアップの製造業者に販売することができる。本システムの種々の他の実施形態において、スクリムの複数の層が、金型の上に伸張され、各層を接着剤で被覆することによって定位置に接着される。本システムの種々の他の実施形態において、スクリムのフィラメントを既に被覆している既存の接着剤は熱可塑性であり、再溶融して層を結合することができる。本システムの種々の他の実施形態において、スクリムは、片側または両側に当てられるフィルムまたは表面層を有する平坦状に予備硬化される。この追加の１つ以上の層は、熱可塑性、通気性、および／または防水性等のいくつの目的を果たすことができる。例えば、層は、防水通気（Ｗ／Ｂ）膜を含むことができる。平坦状にスクリムに組み込まれた表面層は、バイアス伸張を阻害すべきではないことに注目されたい。そうでなければ、この平坦な製品を成形する能力が低下し得る。

本システムの種々の実施形態において、スクリムは、完成部品の構造要件に応じて、３、４以上の方向を向いた複数のユニテープ層を含むことができる。例えば、靴は、繊維の向きが９０°／４５°／−４５°のレイアップを有するスクリムを必要とし得、スクリムをつま先上に成形するのに十分な０°方向の伸張があり、主な負荷経路が靴の側部を下方に延びるようになっている。この例示的な多層ユニテープスクリムは、原型、もしくは本発明の代替実施形態に記載された、剥離ライナ間で平坦状に予備硬化された形、あるいは片側もしくは両側に当てられたフィルムまたは表面層を有する平坦状またはロールツーロール状に予備硬化された形に構成され供給され得る。

図８は、本開示による、負荷担持能力を高めるための、取付点、貫通孔、および補強ストラップ用の一体構造補強材を備える３次元成形物品１０１の実施形態を示す斜視図である。かかる一体構造補強材は、部品を構成し完成部品に共硬化されるスクリム層の表面の間または上に組み込まれるユニテープまたは他の複合材料の層から作ることができる。かかる構造補強材を部品に組み込むことにより、取付点および貫通孔の補強のための後処理結合ステップが少なくなるか、またはなくなる。

図９は、本開示による、異なる繊維を含む代わりのユニテープを用いる、２つ以上のモノフィラメント、繊維、またはトウを含む可撓性複合材料１０３の実施形態を示す断面図である。

図１０は、本開示による、代わりのユニテープを用いる、２つ以上のモノフィラメント、繊維、またはトウを含む可撓性複合材料１０３の別の実施形態を示す断面図である。

代わりのユニテープの実施形態は、異なる繊維から作られた代わりのユニテープ（ダイニーマＳＫ７８およびＳＫ７５等の分類が同じで仕様が異なるものであってよい）を用いるか、または単一のユニテープ層内の繊維を所定の間隔もしくは混合パターンで混ぜることにより、２つ以上のモノフィラメント、繊維、またはトウを作ることができる。種々の実施形態において、この概念を用いて、強度、弾性率、耐熱性、切抜き抵抗、引裂または破壊抵抗、衝突保護、およびエネルギー吸収等のパラメータを、工夫または最適化することができ、費用を最小限に抑えることができる。一般的なエンジニアリング繊維としては、限定されないが、ＵＨＭＷＰＥ（例えばダイニーマ（登録商標））、アラミド（例えばケブラー（登録商標））、液晶ポリマー（例えばベクトラン（登録商標））、種々のグレードの炭素繊維、ＰＢＯ（例えばザイロン（登録商標））、ナイロン、ポリエステル（レーヨン）、ＰＥＮ、ノーメックス、その他の耐火高温繊維、鋼またはその他の金属繊維、およびこれらの組合せが挙げられる。

複合材料は、顔料の使用または染料の昇華による、マトリックスまたは膜の着色を含むことができる。難燃接着剤またはポリマーを使用してもよく、または難燃剤を可燃性のマトリックスまたは膜に添加して難燃性を高めることができる。難燃添加剤の例として、限定されないが、ＤＯＷＤ．Ｅ．Ｒ．５９３臭素化樹脂、ダウコーニング３難燃性樹脂、および三酸化アンチモンを含むポリウレタン樹脂（ＰＤＭ Ｎｅｐｔｅｃ Ｌｔｄ．製ＥＭＣ−８５／１０Ａ等）が挙げられる。任意の他の難燃添加剤も適切であり得る。難燃性を高めるために使用され得る難燃添加剤として、フィロールＦＲ−２、フィロールＨＦ−４、フィロールＰＮＸ、フィロール６、およびＳａＦＲｏｎ７７００が挙げられるが、他の添加剤も適切であり得る。ノーメックスまたはケブラー、セラミックもしくは金属線フィラメント等の難燃性繊維、繊維製造プロセス中における繊維配合への難燃性化合物の直接添加を用いることにより、または上記その他の難燃性化合物を適宜組み込んだサイズ剤、ポリマーもしくは接着剤で繊維を被覆することにより、難燃性および自己消火性の特徴を繊維に加えることもできる。積層体で使用される好ましい織布材料またはスクリム材料は、製造業者によって予熱されて難燃性を与えるものであっても、製造プロセス中に難燃性化合物で被覆された、および／または難燃性化合物が注入された織布材料もしくはスクリム材料であってもよい。

ポリマー樹脂または生地に添加または被覆された１つ以上の抗菌剤の組込み、および複合材料に用いられる繊維、モノフィラメント、糸またはトウの抗菌処理によって、抗菌性／抗病原性を本開示の複合材料に加えることができる。一般的な材料として、オキシチタン抗菌剤、ナノ銀化合物、ナトリウムピリオチン、亜鉛ピリオチン、２−フルオロエタノール、１−ブロモ−２−フルオロエタン、ベンズイミダゾール、フレロキサシン、１，４−ブタンジスルホン酸ジナトリウム塩、２−（２−ビリジル）イソチオ尿酸Ｎ−オキシド塩酸塩、種々の第４アンモニウム塩、２−ピリジンチオール−１−オキシド、合成亜鉛ピリオチン、合成銅ピリオチン、マグネシウムピリオチン、ビスピリオチン、ピリオチン、α−ブロモ桂皮ゲル（例えばＫＦＯ Ｆｒａｎｃｅ Ｃｏ，Ｌｔｄ．製ＡＢＣ剤）、およびこれらの混合物が挙げられる。種々の実施形態において、糸、トウ、およびモノフィラメント等の繊維形状は、銀ナノ粒子で処理され得、あるいは化学めっきもしくは電気めっき、真空蒸着、または銀化合物を含むポリマー、接着剤、もしくはサイズ剤の被覆によって施された銀被覆を有することができる。本明細書に挙げられていないその他の抗菌／抗病原材料も適切であり得る。

１つのスクリム層を金型の上に伸張させるステップと、スクリム層をこの位置で硬化させて可撓性の３次元複合部品を成形するステップとを含むプロセスの種々の実施形態について、高性能複合履物部品に関する以下の開示でさらに説明する。

図１１は、本開示の３次元複合物品システム１００による複合履物アッパー１０２の実施形態を示す斜視図である。種々の実施形態において、複合履物アッパー１０２は可撓性複合材料１０３を含む。

図１２Ａは、本開示の３次元複合物品システム１００の種々の実施形態による、複合履物アッパー１０２の代替実施形態を図示的に示す側面図である。

種々の実施形態において、本システムの複合履物アッパー１０２は、略可撓性の複合材料１０３の工夫された配置を用いた略一体のアッパー足支持構造を備える。複合材料は、高性能のスポーツおよび競技用履物の最も重要な要件の１つである強度対重量比において、従来の材料よりもはるかに優れたものであり得る。したがって、本明細書に記載の種々の実施形態は、かかる履物の製造において特に有用である。記載された実施形態の考えられる最終用途の適用は、超軽量の陸上競技用靴から最高性能の登山用ブーツ、軍用ブーツ、および工業用ブーツにまで及ぶ。

ユニテープの積層体を備える本開示の種々の実施形態による履物は、高性能靴の設計者に、重量特性を減少させる技術的な工夫、方向を合わせた可撓性の工夫された実施、材料を堅くする能力もしくは材料を種々の異なる方向に柔軟にする能力、負荷経路の工夫された実施、靴アッパーを一体成形された「モノコック」構造にし、複数の２次元もしくは３次元カットもしくは成形された特注のプリフォーム、または共に積層され結合された多方向の幅広の織物から切り抜かれたパターンからアッパーを製造する能力、ならびに縫製および個業構成および靴の組立ての排除のための、ある程度の設計自由度を与える。この例示的な一体型の積層体設計は、性能、および伸張の制御、整形外科学、または留め具もしくはストラップによる足首の支持において工夫する能力に大きな利点を有する。

種々の実施形態において、一体型の利点として、限定されないが以下を含む。
・大きな負荷経路の継ぎ目を縫う必要がなく、これは軽量靴に特に重要である。
・ミッドソールをなくして靴の片側から他側へ連続する構造を与えることが可能であり、ローワーが靴の移動負荷の下側に構造部を有していなければならないという要件を排除する。これにより、設計の切離し、アッパーおよびローワーの一体化が可能になるため、衝撃吸収、効率的な筋力移動、衝撃吸収および減衰についてローワーをより最適化することができ、ローワーをより軽量に作ることができる。
・工夫された伸張、通気性、負荷伝達、生体測定の組込み、および損傷から保護するための足首支持等について、靴モノコックの精巧な工夫された設計が可能になる。
・費用および労力削減のため、靴の自動製造が可能になる。
・靴アッパーの精巧な工夫された設計が可能になり、一体製造プロセスにより、複数のモデル年度および靴プラットフォームにわたる投資を償却することができる。
・設計自由度により、靴設計および製造プロセスになった工夫の利点を保持しつつ、モノコックをいくつかの異なるスタイルの靴で使用することができる。

少なくともこれらの理由で、靴の適用における複合材料１０３の種々の実施形態の性能は、革、合成皮革、メッシュ材料等の従来の材料よりも優れている。加えて、可撓性複合材料１０３、および本明細書で開示されたそれらの製造プロセスを、所与の設計制約に特に合わせることができる。

靴の構造的な「シャーシ」を靴の外装面の工夫から切り離すことができるため、種々の適用について工夫された異なる「シャーシ」スタイルを、外側の「スタイル」、外装、および表面の工夫（例えば、サッカーボールを蹴るためのテクスチャおよび表面グリップ）と組み合わせることができる。この方法により、同様の表面特性を有するように見え、しかしながら商標付きのクロスプラットフォームの外観またはスタイルを維持するために使用可能な、非常に異なる「シャーシ調整」または構造レイアウトを有する靴を製造することができる。

業界の研究、詳細な解析、および物理的な実験を用いて、強度を犠牲にすることなく部品重量を実質的に減少させる様々な複合アッパーが得られる。本システムの可撓性複合材料１０３は、部品の適切な機能に一致した適切なレベルの機械的柔軟性を与えつつ、予想される力の負荷に効率的に対処するように構成され得る。さらに、本システムの種々の実施形態は、適用間で相互に適合性があり、すなわち、単一のアッパー設計を複数の最終用途の適用に合わせることができる。

図１２Ａを参照すると、本システムの複合履物アッパー１０２の種々の実施形態は、部品内の重要な負荷経路１０６に沿って位置する強化繊維１０４の工夫された配置を含む。かかる負荷経路１０６は、コンピュータ解析（例えば、３次元有限要素解析等）および／または物理試験を用いて特定することができる。アッパーの他の領域は、柔軟性を高めるように、例えば、着用者の足の生体力学的関節に対応するように工夫される。図１２Ｂの例示を参照すると、本システムの代わりの複合履物アッパー１０２は、強化繊維１０４の比較的等方性の配置を含む。両方の例示的な実施形態において、結果として得られる複合構造は、適切なレベルの強度、支持、および耐久性を維持しつつ、構造重量を減少させる。さらに、本開示による種々の作製方法は、本明細書において以下でさらに詳細に説明するように、高レベルの構築可能性を維持する。

図１３は、図１１の複合履物アッパー１０２の構成と一致する可撓性複合材料１０３の例示的な構成物を示す部分分解図である。種々の実施形態において、複合構成物１０３は、一般に、個々の層が単一の一体化された構成物を形成するように組み合わされた、高いドレープ性およびドロー性の生地を有する。種々の実施形態において、可撓性複合材は、補強材料の少なくとも１つ以上の構造層１１０を含む。可撓性複合構成物１０３の種々の実施形態は、図示したように、例えば、スクリム等の連続表面層および／または繊維強化層からなる複数の材料層、および／または個々の繊維トウ１１４の工夫された配置を含む。複数の層１１０は、多方向の負荷処理能力を含むように構成されることが好ましい。種々の実施形態において、可撓性複合材構成物は、１つ以上の非構造「性能修正」層１１０をさらに含む。種々の実施形態において、複合構成物１０３は、外面層１１０に当てられ、または吸収されたテクスチャリングおよび／または着色１０５をさらに含むことができる。

種々の実施形態において、可撓性複合材は、略同一の材料構成物を有する層１１０を含むことができる。種々の他の実施形態において、可撓性複合材は、種々の材料重量、機械的特性（柔軟性）、およびその他の特性を有する層１１０を含むことができる。種々の実施形態において、複合履物アッパー１０２は、１つ以上の方向に向けられた不織布の一方向（ＵＤ）繊維およびポリマーマトリックス層の１つ以上の層１１０を含む。種々の実施形態において、複合レイアップは、構造材料および非構造材料の両方からなる層１１０を含むことができる。

種々の補強材のタイプとして、限定されないが、プリプレグユニテープ、ユニトウ（特定の負荷経路に沿って配置されたプリプレグまたは原料繊維の単一のトウ補強材）、Ｂステージの織布および不織布複合材、Ｃステージの織布および不織布複合材、プリプレグまたは乾燥不織布、縫合、仮縫い、もしくは接着されて幅広の織物を形成する、方向付けされた一方向シートまたは層の、広げられた、または広げられないプリプレグまたは乾燥繊維不織布の１つ以上の層、縫合、仮縫い、もしくは接着されて幅広の生地を形成する、方向付けされた一方向シートまたは層の、間隔を開けた、または間隔を開けない、広げられた、または広げられないユニトウから作られたプリプレグまたは乾燥繊維布の１つ以上の層、２次元もしくは３次元プリプレグまたは乾燥補強プリフォーム、熱可塑性マトリックスプリプレグユニテープ、ユニトウ、織布および不織布複合材、または熱可塑性物質もしくはハイブリッド熱可塑性物質を有する上記のようなまたは工夫されたプリフォーム、熱硬化性樹脂マトリックス、ナノフィラメント、ナノ繊維、ナノ粒子強化および構造膜、単層、適切な接着剤を用いて接着された後に一般にユニテープと同様の方法で組み込まれる、複数の配向層におけるシートの、延伸され張力付加された「テンシリオン（ｔｅｎｓｉｌｉｏｎ）」ＵＨＭＷＰＥ等の単軸方向を向いたシート製品、あるいはユニトウを形成し、乾燥状態で、または適切な接着剤もしくは被覆を用いて組み込まれた前記張力付加または配向シートスリット、ならびにこれらの組合せが挙げられる。

本システムで使用可能な種々の強化繊維／生地として、限定されないが、ナイロン、ポリエステル、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）（例えば、スペクトラ（登録商標）およびダイニーマ（登録商標））、パラアラミドおよびメタアラミド（例えば、ケブラー（登録商標）、ノーメックス（登録商標）、テクノーラ（登録商標）、トワロン（登録商標））、液晶ポリマー（ＬＣＰ）（例えば、ベクトラン（登録商標））、ポリイミド、その他の合成ポリマー（例えば、特に、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリイミドベンゾビスチアゾール（ＰＩＢＴ）、ポリ（ｐ−フェニレンベンゾビスチアゾール）（ＰＢＺＴ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリ（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）（ＰＰＴＡ））、金属繊維、ガラス繊維、炭素繊維、またはこれらの組合せが挙げられる。

当業者は、本明細書を読めば、適切な状況で、かかる問題を、設計の好み、ユーザの好み、費用、構造要件、入手可能な材料、技術的進歩等、現在公知の、または本明細書で後述するその他の補強配置、例えば、剛性もしくは半剛性の負荷移動部材、インサートの使用、新しい被覆の塗布等として考慮することも十分であり得ることを理解するだろう。

例示的な部品が特定の適用について工夫されるため、構成材料層１１０の積重ね順序が実施形態間で変化し得る。すなわち、レイアップの角度、各々の角度における層の数、および正確な層の順序に関する複合積層体の特定のレイアップ構成が、特定の適用について希望に応じて変化し得る。例えば、本明細書で前述したように、材料層の３つの層の０°／９０°／４５°の相対的な向きは、無数の可能な向きのうちの１つの有用な実施形態にすぎない。特定の視覚的または非構造物理的特性（例えば、表面テクスチャ、耐摩耗性、ＵＶ保護、耐摩滅性、色、反射性等）が必要なときに、非構造材料層１１０を使用することかできる。１つの好ましい例として、「軟質の」内層１１０が、着用者の足に隣接するライナとして複合履物アッパー１０２の内側に組み込まれることが多い。

非構造材料の例として、限定されないが、不織布（非構造短繊維の不揃いなフェルト）、織布、例えば非織布材料（非構造短繊維の不揃いなフェルト）、スパンボンド（プレグ）、およびトリコット生地を含む種々の「軟質」ライナ材料、非構造膜（防水／通気性のある格子間隔離体等）、非構造被覆、デザインアップリケ、および衝撃吸収、減衰、または種々のその他の目的のために使用される種々のエラストマー材料が挙げられる。

必要に応じて、例えば、設計および性能基準により、非構造層１１０を複合材の選択された層位置に配置することができる。種々の適用において、非構造層を完全に省略してもよい。

履物一般について、靴の一部が軟質で柔軟性があるように、制御された撓みが靴に組み込まれていることが望ましいとされ得る。このような撓みにより、足首部位等の関節で、最適な運動自由度および運動範囲が可能になり得る。種々の他の適用において、撓みおよび柔軟性が、１つ以上の方向への運動範囲を同時にまたは別個に増大させ、制御し、また損傷から保護する場合には、運動範囲を制限または限定させて、特定のスポーツまたは履物の適用に関する意図した目的または機能を果たすことができる。

一例は、超軽量バスケットボール靴であり、これは、競技者が通常使う足首の運動範囲全体にわたって工夫された柔軟性と組み合わせた、カッティング、スプリント走、およびジャンプのタイプの動きに対する最適な負荷移動および反応のための工夫された構造を呈し、しかしながら通常の運動範囲において移動性を限定せず、または運動を制限せず、足首を支えて、足の引っ掛かりやひねりによる過度の回転もしくは転がり等の損傷が起きる運動または運動範囲を限定するように作用する足首ブレーシングがこの構造に組み込まれるように設計される。

靴が超軽量であることと、通常の運動範囲における運動の自由度とが組み合わさって、疲労を軽減させるため、競技者の身体能力を高めることができる。工夫された柔軟性および負荷経路は、運動能力に対する筋肉の反応をより効率的に転換することができると共に、衝撃および衝突を吸収し、回転およびひねり等の望ましくない運動範囲における足首関節の支持および制御された運動制限を行い、通常方向への運動範囲を限定することにより、損傷発生方向モードにおいて、損傷を引き起こす関節の過伸展を防止する。

多方向配向ユニテープに基づくシステムは、異方性材料特性を呈することができ、これは、かかる工夫された柔軟性システムの工夫を促すと共に、強度および弾性率の非常に高いエンジニアリング繊維を使用するという利点を実現する（そうでなければ、実用には堅く重すぎるアッパーを製造することになる）。ユニテープは、すべてが略一方向に向けられた一方向モノフィラメントを有することができる。繊維モノフィラメントに沿った方向で、ユニテープは、モノフィラメントの高ヤング率によって、非常に強く、最小の伸張を呈することができる。モノフィラメントに垂直な方向では、その方向の伸張がエラストマーマトリックスの特性によって決まるように、補強がなくてもよい。一般に、特性は非常に柔軟性があるか、または「伸張性」があり、マトリックスの損傷または劣化なしで、繰り返し大きな変形を受け、この変形から元に戻ることができる。

強度と低伸張とが望ましい方向に一方向補強材が向けられ、柔軟性が補強されないことが望ましい方向を残して、エラストマーマトリックスを含む２つ以上のユニテープを用いることにより、結果として得られる積層体は選択的に堅くなり、各ユニテープの繊維軸に沿って低伸張に、かつ方向的な強化繊維がない方向に柔軟になり得る。

場合により、各ユニテープ層間にエラストマーの薄型中間層を加えて、ユニテープが柔軟な層間エラストマー層内でわずかに回転または枢動できるようにすることによって、この選択的な柔軟性を高めることができる。これによって、方向を外れた柔軟性のより大きな制御が可能になり、より大きい変形を促し、異なるタイプの粘弾性応答を持つ種々のグレードのエラストマーを使用することにより、積層体の応答を調節する能力を与える。

柔軟性のある中間層は、以下の特性の１つまたは組合せを有することができる。（１）変形された積層体にばねのような特性を与えて、積層体が弾性エネルギーを蓄積および回復させることができるようにする高いエネルギー回復性。（２）衝撃および衝突を吸収し拡散させる高い損失およびエネルギー吸収度。（３）過渡運動に対する過渡応答を制御する粘弾性減衰、および／または（４）マトリックス特性が、急速に加えられた過渡負荷および衝撃に応じて硬くなるか、またはより柔軟になるような速度感度。

柔軟な非線形特性のマトリックス材料特性と大きい非線形の幾何学的変形および材料変形の組込みについて適切に修正された航空宇宙一方向複合材料の適応を用いて、複合材の特性を予測し設計することができる。

システムの非線形性のため、横断マトリックス優位方向の軸上繊維優位特性および特にマトリックス優位特性、およびマトリックス優位剪断方向は、サンプル積層体を作り、非線形応力／歪みの関係を横断マトリックス優位方向および剪断方向について得る試験をすることにより、半実験的に決定すべきである。

これらの特性を、以下に挙げる解析手順の入力パラメータとして使用することができる。この手順は、非線形性が考慮され変形が許容パラメータ内である場合に剛性の積層体に合わせたものであるが、任意方向の強度および伸張と負荷とを近似させることができる。

一方向繊維強化層の有用な構成方程式、ならびに本開示の種々の実施形態による設計プロセスにおいて有用な他の物理情報および数値情報が、積層された複合材の主題に関連する種々の技術書に見られる。有限要素解析の主題についての１つのかかる書籍は、“Ｔｈｅ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ”、Ｔｈｏｍａｓ Ｊ．Ｒ．Ｈｕｇｈｅｓ著であり、複合材料の特性および解析についての書籍は“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”、Ｓ．Ｗ．ＴｓａｉおよびＴ．Ｈ．Ｈａｈｎ著である。

前述したように、可撓性複合材料１０３の種々の実施形態の物理的特性は、一般に同位体（方向に関わらず略同一の物理的特性を有する）である。あるいは、力負荷（および他の性能要素）の特に工夫された制御を行うために、複合構成物の物理的特性は異方性であってもよく、特定の適用について複合履物アッパーの性能を構造的に最適化するように設計された不均一な機械的特性またはその他の物理的特性を有する。

前述した可撓性複合材料１０３は、適用による必要に応じて、通気性構成物および非通気性構成物の両方、または非多孔性、多孔性、もしくは空気透過性構成物または材料製品形態を含むことができる。さらに、種々の可撓性複合材料１０３は、透明、不透明であっても、着色、刻印されていてもよく、または好ましくは、前述した視覚的配置の任意の組合せを含んでいてもよい。多色層および切抜きを使用して、着色されたパターンを製造してもよい。

種々の実施形態において、複合レイアップを形成する補強材料および非補強材料の両方が、ポリマーマトリックス１０５内に封入されていてもよい。種々の実施形態において、複合レイアップは、熱可塑性または非架橋システムの場合に、例えば熱および圧力の組合せを用いて、統合、成形、硬化、または溶融／接着される。

図１４は、複数の靴の適用で使用可能なモジュール式の工夫された複合履物アッパー１０２を製造する方法を一般に示す図である。アッパーは、設計ステップおよび作製ステップを含む多段階プロセスで製造される。設計段階２０２および作製段階２０４はコンピュータ支援され得る。作製段階２０４は、少なくとも１つの自動作製プロセスを実施することができる。

種々の実施形態において、少なくとも１つのコンピュータ支援設計が、複合履物アッパー１０２の特有の各構成について製造される。設計段階２０２中、性能基準を使用して複合設計に到達する。場合により、コンピュータモデルを生成して解析し、種々の負荷および境界条件下でアッパーの性能を理解する。有限要素解析を完全に使用するかかるコンピュータモデルは、種々の現場条件下の構造の挙動をコンピュータシミュレーションによって予測することにより、新しい設計の最適化を助ける。コンピュータ設計が最適化されると、１つ以上のプロトタイプを物理試験について生成することができる。複合履物アッパー１０２は、同時にまたは続けて、製造費用の解析、材料の入手可能性、保管安定性の解析等を含む製造性について解析される。アッパーが平坦構成である場合の成形性、適合性、およびドレープ性、ならびに追加の３Ｄ成形ステップが想定される。従来の製靴業の靴型合わせ構成方法が想定され、設計および解析を使用して、現在の製靴業の作製方法ならびに既存のツールおよび製造装置に適した高い成形性をもたらすこともできる。プロトタイプの性能が性能基準および製造基準と一致すると、アッパー部品設計が作製段階２０４に移る。このような解析および設計に適した市販の解析パッケージとして、限定されないが、ＮＡＳＴＲＡＮ、Ａｂａｑｕｓ、ＡＮＳＹＳ、およびＰＡＴＲＡＮが挙げられる。

設計段階２０２および作製段階２０４の一方または両方は、好ましい複合材料アッパーの自動作製に使用可能なコンピュータ支援設計データの開発を含むことができる。例示的な作製順序について、本開示の以下の段落で説明する。

図示したように、複合履物アッパー１０２は、作製されると、１つ以上の最終用途製品２５０に組み込まれる状態になる。種々の実施形態において、完成したアッパー部品を将来の使用のために保管するか、または直ちに次の作製ステップに進むか、または完成品への組込みに直接進むことができる。単一のアッパー設計の使用により、アッパーの初期設計／解析に関連する時間および費用を複数の最終製品で共有することができる。

当業者は、本明細書を読めば、完成品へのアッパーの組込みが、本開示の後の段落で一般に説明する追加の作製ステップを含むことを理解するだろう。最終用途の適用の性質に応じて、完成品へのアッパーの次の組込みが、１つ以上の追加の設計ステップを含んでもよいことにさらに注目されたい。

図１５は、図１１の複合履物アッパーを製造する方法の実施形態を一般に示す図である。図１５は、設計段階２０２と、次の作製段階２０４とを示す。図示したように、作製段階２０４は、少なくとも１つの金型または同様の成形ツール２０８を用いる複合材料レイアップ２０６の実施を含む。図示したように、作製段階２０４は、少なくとも１つの硬化ステップ２１０をさらに含む。硬化ステップ２１０は、熱および圧力を用いて、ポリマー鎖の架橋によりポリマーマトリックスを硬化させることができる。種々のポリマーの化学的性質において、硬化は、化学添加剤、紫外線放射、電子線、およびその他のプロセスによって引き起こされ得る。あるいは、熱可塑性マトリックス材料を熱成形することができ、複数の層を熱溶融または接着、超音波溶着またはレーザ溶着することができる。熱可塑性ホットメルト、反応性ポリウレタン接着システムを、溶剤溶着技法、接触接着剤、または架橋接着剤もしくは非架橋接着剤、またはその他の適切な方法を用いて接着することができる。架橋接着剤が使用される場合、以下に挙げる架橋のための硬化方法を使用することができる。

一般に、硬化技法として、限定されないが、圧力および温度、圧力および放射、ならびに圧力および熱による放射線硬化、またはこれらの組合せが挙げられる。

一般に、加熱方法として、限定されないが、加熱した当て板、高周波、電子線、誘導加熱、およびオーブン、またはこれらの組合せが挙げられる。

図１６は、図１１の複合履物アッパー１０２の製造に使用される、例示的な一連の初期作製ステップを一般に示す図である。この順序で、選択された可撓性複合材料１０３が平面シート２１２の形に設けられる。平面シート２１２は、前述した構造前駆材料および非構造前駆材料のいずれかを含むことができる。平面シート２１２は、原料繊維構成物から構成されていてもよく、またはプリプレグのＢステージ（またはＣステージ）の前駆複合材を含んでいてもよい。

１つ以上の次のステップでは、例えば、１つ以上の自動繊維載置プロセス２１４を用いて、追加の強化繊維１０４をシートに加えることができる。追加の繊維配置は、負荷経路、柔軟性の要件等を予想するように工夫され得る。「半径方向の」繊維配置の使用により、複合生地内のねじれを防止し、一部の適用では、安定した設計通りの負荷経路を提供する。種々の適用では、単繊維トウまたは幅狭の多繊維テープを材料層１１０間に挟んで、負荷移動を増進することができる。あるいは、追加の補強材を手で当ててもよい。オプションのステップは、追加の材料をシートに当てることを含む。かかる追加の材料は、構造繊維要素または非構造繊維要素、予備成形インサート、緩衝材、絵図のアップリケ、印刷等を含むことができる。

次に、少なくとも１つの自動切抜きプロセス２１６を用いて、シートを切抜きステップに進める。このステップでは、最終的にアッパー部品を形成するシートの部分が、設計プロセス中に展開された少なくとも１つのコンピュータ生成パターンを用いること等により、シートから切り抜かれる。あるいは、切抜きを手で行ってもよい。あるいは、順序の任意の前の点で切抜きを行ってもよい。

種々の自動切抜き方法として、限定されないが、回転ナイフ（すなわち、機械）、超音波、レーザ、打抜き、水噴射、およびこれらの組合せが挙げられる。

一部の適用では、図示したように、切抜きステップ中に位置合わせマークを付して、次の作製プロセスを容易にすることが好ましい。あるいは、上記作製ステップを、雄靴型または雌型等の予備成形ツールと組み合わせて実施してもよいことにさらに注目されたい。

図１７は、本開示の一実施形態による、複合履物アッパー１１２を成形可能な平面複合部品２１８を図示的に示す平面図である。アッパーパターンが、図１７の図示に示されていない追加の特徴を含んでもよいことに注目されたい。

図１８は、図１１の複合履物アッパー１０２の製造に使用される一連の次の作製ステップを一般に示す図である。本明細書で靴型２２０として特定される適切な３次元成形ツール２０８が設けられる。靴型合わせ手順２２２では、平面複合部品２１８が、１つ以上の自動靴型合わせプロセスを用いること等により、靴型２２０の外側の確認に合わせて成形される。あるいは、可撓性複合材料を靴型２２０に手で当ててもよい。

種々の実施形態において、構成材料が、真空による付着を用いて靴型に保持されてもよい。あるいは、一時接着剤を用いて、材料を成形ツールに隣接させて一時的に位置決めし保持してもよい。例えば、靴型２２０を剥離材料で被覆し、続いて１つ以上の接着サイズ剤で被覆して、材料を靴型に隣接させて保持することができる（かかる材料は分解するか、複合材料から洗い落とされるように合成される）。

靴型合わせ手順２２２が完了すると、図示したように、３次元成形された可撓性複合レイアップが硬化ステップ２１０に移動する。種々の手順では、硬化ステップ２１０は、靴型２２０上に位置決めされたアッパーを用いて行われる。代替実施形態では、硬化前に靴型２２０が取り外される。

靴型合わせ手順２２２の代わりのステップでは、靴型合わせ手順２２２中（および硬化前）に、追加の強化繊維１０４が可撓性複合材料１０３に当てられる。靴型合わせ手順２２２の代わりのステップでは、追加のポリマー接着剤２２４が可撓性複合材料１０３に塗布される。かかる代わりのステップでは、未硬化のアッパー部品が、追加の接着剤ポリマー２２４の塗布を必要とするプリプレグおよび原料繊維の組合せを含むことができるため、次に構成材料を一体化複合部品に統合するのを助ける。種々の有用な接着剤ポリマー樹脂は、熱硬化性物質および／または熱可塑性物質である。

以下の非限定的な適用技法、すなわち、噴霧、浸漬、熱フィルム、熱可塑性フィルム、樹脂射出、および乾燥粉末被覆、およびこれらの組合せの１つ以上を用いて、接着剤を繊維に塗布してもよい。

靴型合わせ手順２２２の種々の他の実施形態において、すべての構成材料（繊維、膜等）が、自動繊維配置プロセスで靴型ツール（あるいは、雌型）に当てられる。この代わりの靴型合わせプロセスでは、単一のトウ繊維および／またはシート生地が靴型または型ツールに当てられるため、図１６に示す平坦材料作製ステップが省略される。

当業者は、本明細書を読めば、適切な状況で、かかる問題を、設計の好み、作製の好み、費用、構造要件、入手可能な材料、技術的進歩等、追加の予備成形パッチ、スペーサ、つま先緩衝部、エラストマーインサート、布または革の外面層等のその他のレイアップおよび靴型合わせ配置、ならびにアッパー部品の硬化前のレイアップに関する同様の特徴等として考慮することも十分であり得ることを理解するだろう。

したがって、前述したように、複合アッパーのレイアップは、以下の非限定的な技法の一覧、すなわち自動レイアップ、自動レイアップと組み合わせた手動レイアップ、少量の作業または特注作業のための完全に手動のレイアップ、平坦なレイアップ（図１６に一般に示され説明される）、部分プリフォームレイアップ、雄靴型へのレイアップ（単一のトウ配置および／またはドレープ生地）、雌ツール内のレイアップ（単一のトウ繊維配置および／またはドレープ生地）、および自動「ツール上」レイアップ（すべての繊維配置が靴型または型ツール上で行われる）、およびこれらの組合せの１つ以上により達成される。

図１９は、図１１の複合履物アッパーの製造で使用可能な第１の統合および硬化方法を一般に示す概略図である。本例では、硬い雌ツール２５２を使用して雌型硬化プロセスを実施する。この作製技法では、内圧（すなわち、外方への圧力）を統合のために使用する。

例示的な雌型硬化プロセスでは、複合レイアップが雌ツール２５２のキャビティ内で、雌型の内面と油圧成形式マンドレル、膨張式ダイアフラム、または同様のエラストマー空気袋との間に位置する。加圧流体を用いて、エラストマーツールを膨張させ、複合レイアップを雌ツール２５２の内面に押し付けることが好ましい。多くの場合、流体および／またはツールを加熱して、接着剤ポリマーマトリックスの硬化を容易にする。硬化サイクルが完了すると、膨張式エラストマーツールは収縮され、硬化された、またはＢステージのアッパー部品が雌ツール２５２から取り外される。図１９（および、図７ａ〜図７ｃに示すような他の実施形態）に図示的に示すこの例示的な技法は、複雑な外側の詳細または完成した外観を必要とする複合アッパーの製造に十分に適していることに注目されたい。

あるいは、膨張式靴型２２０を雌ツール２５２と組み合わせて使用する。この場合、靴型は、靴型合わせ手順２２２（例えば、図１８参照）中にレイアップを可能にするのに十分な剛性を有し、かつ完成したアッパー部品から取外し可能となるのに十分に折り畳める能力を優先的に維持する。

図２０は、図１１の複合履物アッパーの製造に使用可能な第２の統合および硬化方法を一般に示す概略図である。図２０は、例えば、略剛性の雄靴型２２０を用いる雄型プロセスを一般に示す。この例示的な作製技法では、複合材料の統合のために外圧を用いる。この技法は、アッパー部品内に平滑な内面をもたらすのに有用である。

かかる雄ツールプロセスは、真空バッグ、エラストマー外側空気袋、型箱（統合圧力のために圧力または熱膨張を使用）等の実施を含むことができる。システムは、真空および／または大気オートクレーブ内の硬化に適合可能である。剛性の雄靴型２２０の種々の実施形態は、真空ポートの配置を含んで、真空によるレイアップをもたらす（例えば、レイアップおよび靴型合わせ手順中に構成材料を靴型に対して保持する）。この技法はまた、超弾性成形技法およびその他の同様の圧力成形技法もしくは真空成形技法を用いて、未硬化、Ｂステージ、Ｃ−ステージ、もしくは熱成形可能な熱可塑性マトリックスの幅広の織物、または靴に直接使用するための３次元形状への工夫された平坦プリフォームにおいて、あるいは靴成形ツール、靴型、もしくは心棒に当てるための３次元成形プリフォームとして、一方向積層体の平坦なシートを形成するように適応可能である。

スーパープラスチック成形式システムの実施形態が図２７に示される。図２７では、アッパー１８５が、１段階動作等においてパターンパネルに切り抜かれ、３Ｄ形状に成形され、共に積層された熱可塑性マトリックスを有する多方向の幅広の織物の、塑性的に成形された平坦シートを含む。図２８および図２９は、紐の負荷をアッパーのシェルに組み込む一体ループ状ストラップ要素の組込みを含む、雄成形ツール上へのユニテープ層および他の構造要素の層ごとのレイアップの実施形態を示す。この紐のためのストラップ要素は、紐からの負荷分散を薄型軽量のアッパーに均一かつ確実に導入する強いループを提供し、チャネルおよび直接の負荷に対する靴内の負荷経路の最適な工夫を可能にして、着用者からその個々の靴の適用および設計の個々の意図した目的への負荷伝達を最適化する。

図２８および図２９に示したような種々の実施形態において、アッパーがアッパーの底部の周りに連続し、靴の両側からの負荷経路がアッパーシェルに組み込まれる。この負荷経路の連続性は特有であり、場合によりローワーからのアッパーの構造的切離しを可能にして、ローワーが主な構造負荷を伝達する必要をなくす。この負荷経路の連続性は、場合により、アッパーにおけるより効果的な負荷経路設計の最適化および負荷管理を可能しつつ、衝撃吸収および負荷分散を最適化することができる。また、これにより、粘弾性層を高強度低伸張の構造接続部間に組み込むことができ、アッパーの靴構造が、ランニングまたは他の活動時に衝撃を管理し、衝突を減衰させることができ、場合により、短時間の一時的な靴／ボールの衝突事象がある、ボールのキック等の激しい一時的な衝突事象下で靴構造を剛性化することができる。キックの衝突下で靴を剛性化する能力は、場合により、靴がランニングおよびカッティング方向に最適に柔軟であることができ、かつ快適性を維持しつつ、キッカーのキック性能を高める。一時的なキックの衝突負荷中におけるこの靴構造の短時間の剛性化は、場合により、キッカーの足からボールへの負荷伝達を増大させ最適化して、キッカーの筋肉の力のより多くを変換してより大きい勢いを与え、キック時により大きい力をボールに伝えて、キッカーがボールをより速くより遠くへ蹴ることができるようにする。また、靴の剛性化により靴がより安定するため、場合によって、柔軟性および必要な快適性レベルを維持するために余裕がなれればならない靴よりも、キックの正確さが向上する。

図２０の雄ツール硬化手順または図９の雌ツール硬化手順のいずれにおいても、型ツールの実施形態は、エラストマーの内側型面および／または外側型面を含むエラストマー型箱／割型を使用することができる。いずれの手順においても、型ツールは、射出共成形をさらに使用して、図２１に図示的に示すような内部部品および／または外部部品の特徴を生み出すことができる。

射出共成形を使用して、乾燥繊維または部分的に含浸された材料もしくはプリフォームに樹脂を注入または射出するか、あるいは射出可能な熱可塑性物質または熱硬化性物質の合成物を作って、合金ハイブリッド樹脂または接着剤システムを形成することができる。

図２１に図示的に示すように、樹脂射出を使用して、内部部品の特徴を再現し、および／または、型押パターン、形状等の内側型面および外側型面に組み込まれた外部部品の特徴、テクスチャ、もしくは表面仕上げを転写し、ツールの表面または表面層に組み込むことができる。

内側型面および外側型面は、成形パターン、エッチングパターン、または機械加工パターン、テクスチャ、凹または凸の型穴、またはポケットを組み込んで、パターン、形状、幾何学的特徴、エンボス加工された革または布のようなテクスチャ、溝、ミシン目、図形、縫い目または継ぎ目のようなもの、ロゴ、光沢面または艶消し面仕上げを提供することもできる。パターン型面に直接塗布された、噴霧、ブラシ塗り、または浸漬された表面樹脂等の種々の方法を用いて表面を成形することができ、ツールの表面に熱成形または真空成形された柔軟性のある、または成形された表面フィルム、あるいは金型パターンを、金型の表面から、金型上のパターンを受け入れて転写するように特に設計されたアッパーに施された型押し可能な表面仕上げに直接転写することができる。

ヒールカウンタ、スティフナ、およびミッドソール等のインサートを、予備成形された熱可塑性物質、熱可塑性マトリックス炭素繊維または繊維ガラス強化予備成形もしくは予備作製の詳細を用いて、ワンショットのプロセス中に直接成形することができ、あるいは、適合性のある熱硬化性マトリックスを用いてアッパーに共硬化することができる。

ボールを蹴るためまたは摩滅保護のためのつま先緩衝部、ヒールカウンタ、アップリケ、物品またはパッド等の特徴を、部品の凹部を形成するポケットまたは型穴に配置して、ワンショットまたは二次プロセスとしてのアッパーの成形ステップ中に、部品をアッパーに対して位置させて接着することができる。トウ緩衝部等の特徴は、完全もしくは部分的に硬化されたエラストマーまたは成形された熱可塑性物質であり得る。部分的に硬化されたエラストマーの場合、本明細書で説明した方法により、または共硬化により、接着を行うことができる。アッパーの接着マトリックスまたは表面被覆を代わりに使用して、適宜、詳細部品を接着してもよい。

これらの表面詳細を、現在の靴製造に使用される同様の技法を用いて、成形ステップ後に接着することもできる。

図２１は、仕上げ構成部品を図１１の複合履物アッパー１０２に当てる１つの方法を一般に示す図である。図２１は、一般に「ワンショット」包括成形として説明できるものを示す。この手順では、外部特徴（例えば、ソール部品２５４、成形カウンタ等）が、硬化ステップ２１０中に閉鎖型ツール内に施される。図示したように、かかる「ワンショット」包括成形は、修正された射出成形プロセスを使用することができる。図示したように、システムの例示的な配置では、雌ツール２５２が１つ以上のポリマー射出成形部品２５６を備えるように修正される。種々の実施形態において、１つ以上のエラストマーポリマーが型ツール内に射出されて、例えば、弾性ソール部品を成形する。硬化プロセスは、複合履物アッパー１０２と射出部品との恒久的な連結を形成する。アッパー部品を形成する複合材料の硬化サイクルとの適合性を最大化するように、射出タイミングおよびポリマーの化学的性質を選択することができる。種々のエラストマー材料は、所要の機械的性能、成形プロセス、費用等に基づいて選択される。種々の射出材料として、限定されないが、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）、発泡ポリウレタン、可撓性ポリ塩化ビニル、粘弾性材料等が挙げられる。

図２２は、仕上げ構成部品を図１１の複合履物アッパーに当てる方法の実施形態を一般に示す図である。この例示的な方法では、１つ以上のエラストマー材料２５１が、予備硬化された、または未硬化の複合履物アッパー１０２を含む開いた数個割り型に導入される。その後、数個割り型の型部品が組み立てられて、ソール部品の特徴に対応する内部形状を有する、略密閉された凹の型穴のキャビティを形成する。例示されたプロセスは、複合履物アッパー１０２と成形部品との恒久的な結合を形成することができる。

図２３は、仕上げ構成部品を図１１の複合履物アッパーに当てる代わりの方法一般に示す図である。この代わりの方法では、予備成形されたソールが、硬化された複合履物アッパー１０２に接着されるか、または他の方法で恒久的に取り付けられる。

本開示による種々の３次元一体部品が比較的安価であるのは、高性能繊維の使用の単位性能ごとの特殊費用が安いこと、容易に入手できる高デニールのトウから薄型軽量ユニテープへの転換が安価であること、ならびにアッパーの作製および製造を自動化できること、完成したアッパーを製造するために「ワンショット型システム」を使用することによる。アッパーがローワーにワンショットプロセスとして接着される場合、費用を削減することもできる。より良好な形状忠実性（主に、精度公差３Ｄ成形による）は、他の利点のうち、効率的な下流製造および製造ステップの残りの自動化を可能にし、より良好な圧力健全性を含み、構造詳細（ストラッピング、取付点等）のより良好な組込みを含み、故障したり漏れを生じさせたりする継ぎ目を含まず、かつ均一な歪みを含む。

本開示の精神または範囲から逸脱することなく、種々の修正および変形を本開示に行ってもよいことが当業者に明らかであろう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内にあれば、本開示の修正および変形を含むものである。

同様に、構造およびデバイスの機能および／または方法の詳細と共に種々の代替物を含む、多くの特徴および利点について上記の記述で説明した。本開示は、例示的なものに過ぎず、したがって網羅的なものではない。添付の特許請求の範囲を表す用語の広く一般的な意味によって示される限り、特に、本開示の原理内における組合せを含む、構造、材料、要素、部品、形状、サイズ、および部品の配置の事項において、種々の修正を行ってもよいことが当業者に明らかである。これらの種々の修正は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱しない限り、その範囲に包含されるものである。

Claims (31)

1. 少なくとも１つの一方向テープを備える補強要素と、
   前記一方向テープ内に配置されたモノフィラメントとを備え、
   前記モノフィラメントのすべてが前記テープ内の所定の方向に位置し、
   前記モノフィラメントが４０ミクロン未満の直径を有し、
   個々のモノフィラメントが隣接するモノフィラメントに当接し、または隣接する強化モノフィラメント群のうちの個々のモノフィラメント間の間隔が、非当接モノフィラメント間の範囲内の、モノフィラメント外径の最大５０倍の間隙距離以内であることを特徴とする積層体。
2. 請求項１に記載の積層体であって、前記モノフィラメントが、被覆され接着樹脂に埋め込まれたモノフィラメントに押し出され、引き出され、または変換されることを特徴とする積層体。
3. 請求項１に記載の積層体であって、前記補強要素が少なくとも２つの一方向テープを備えることを特徴とする積層体。
4. 請求項３に記載の積層体であって、前記少なくとも２つの一方向テープのうちの第１のテープが、前記少なくとも２つの一方向テープのうちの第２のテープ内のモノフィラメントとは異なる所定の方向にあるモノフィラメントを含むことを特徴とする積層体。
5. 請求項３に記載の積層体であって、前記少なくとも２つの一方向テープの各々が、モノフィラメントが内部にない大きい面積を有し、前記大きい面積が、モノフィラメントのない小さい面積を有する１組の層状オーバレイを備えることを特徴とする積層体。
6. 請求項５に記載の積層体であって、前記小さい面積が、ユーザにより計画された配置を含むことを特徴とする積層体。
7. 請求項５に記載の積層体であって、前記小さい面積の層状オーバレイを備える１組の防水／通気性要素をさらに備えることを特徴とする積層体。
8. 請求項７に記載の積層体であって、少なくとも１組の追加の層状オーバレイをさらに備えることを特徴とする積層体。
9. 請求項４に記載の積層体であって、前記少なくとも２つの一方向テープの前記異なる所定の方向の組合せが、ユーザにより選択されて、計画された方向の剛性／可撓性を達成することを特徴とする積層体。
10. 請求項１に記載の積層体であって、前記積層体が３次元成形された可撓性複合製品を備えることを特徴とする積層体。
11. 請求項１０に記載の積層体であって、周縁部に沿って接合された複数の積層体部分をさらに備えることを特徴とする積層体。
12. 請求項１１に記載の積層体であって、周縁部に沿って少なくとも１つの非積層体部分に接合された少なくとも１つの積層体部分を備えることを特徴とする積層体。
13. 請求項１１に記載の積層体であって、周縁部に沿って接合された複数の積層体部分を備えることを特徴とする積層体。
14. 請求項１３に記載の積層体であって、周縁部に沿って少なくとも１つの非積層体部分に接合された少なくとも１つの積層体部分を備えることを特徴とする積層体。
15. 請求項１３に記載の積層体であって、周縁部に沿って少なくとも１つのユニテープ部分に取り付けられた少なくとも１つの積層体部分を備えることを特徴とする積層体。
16. 請求項１３に記載の積層体であって、周縁部に沿って少なくとも１つのモノフィラメント部分に取り付けられた少なくとも１つの積層体部分を備えることを特徴とする積層体。
17. 請求項１に記載の積層体であって、少なくとも１つの剛性要素をさらに備えることを特徴とする積層体。
18. 請求項１に記載の積層体を備え、前記少なくとも１つの一方向テープが前記物品に取り付けられることを特徴とする３次元成形物品。
19. 請求項１８に記載の物品であって、取付点、貫通孔、および補強ストラップ用の一体構造補強材をさらに備えることを特徴とする物品。
20. ３次元成形された可撓性複合部品を製造する方法であって、
    ａ．適合性のある構成を有する少なくとも１つの雄型および少なくとも１つの雌型を設けるステップと、
    ｂ．異なる向きに配置された一方向繊維の２つ以上の層を含む少なくとも１つの繊維強化スクリムおよびオプションの第１の表面層を前記雄型上に当てることにより、第１の複合レイアップを構成するステップと、
    ｃ．前記第１の複合レイアップを前記雄型から取り外して、前記第１の複合レイアップを前記雌型内に配置するステップと、
    ｄ．場合により、少なくとも１つの剥離ライナを前記雌型内で前記第１の複合レイアップ上に配置するステップと、
    ｅ．異なる向きに配置された一方向繊維の２つ以上の層を含む少なくとも１つの繊維強化スクリムおよびオプションの第２の表面層を前記雄型上に当てることにより、第２の複合レイアップを構成するステップと、
    ｆ．前記第２の複合レイアップを前記雄型から取り外して、前記第２の複合レイアップを前記雌型内で前記第１の複合レイアップ上に配置するステップと、
    ｇ．かかる第１の複合レイアップおよびかかる第２の複合レイアップを周方向に接合するステップと、
    ｈ．前記第１の複合レイアップおよび前記第２の複合レイアップを硬化させて、少なくとも１つの３次元成形物品を形成するステップとを含むことを特徴とする方法。
21. 請求項２０に記載の方法であって、少なくとも１つの開口部をかかる少なくとも１つの３次元成形物品に成形するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
22. 請求項２１に記載の方法であって、かかる少なくとも１つの開口部を通して、かかるオプションの剥離ライナを除去するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
23. 請求項２０に記載の方法であって、少なくとも１つの補強構造をかかる少なくとも１つの３次元成形物品に加えるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
24. 請求項２０に記載の方法であって、かかる少なくとも１つの３次元成形物品が靴の内部に組み込まれることを特徴とする方法。
25. 請求項２０に記載の方法であって、かかる少なくとも１つの３次元成形物品がバッグの内部に組み込まれることを特徴とする方法。
26. 請求項２０に記載の方法であって、かかる少なくとも１つの３次元成形物品がガス不透過性であることを特徴とする方法。
27. 請求項２０に記載の方法であって、かかる少なくとも１つの３次元成形物品が、ガス膨張式であるように構成されることを特徴とする方法。
28. ３次元成形された可撓性複合部品を製造する方法であって、
    ａ）周囲材料を第１の部品側から第２の部品側に折り重ねて、重なり継ぎ目の領域を有する２次元可撓性複合部品を形成することにより、２つの対称な可撓性複合部品を接合するステップと、
    ｂ）かかる２つの対称な可撓性複合部品を硬化させて、中空内部を有する一体型の３次元成形された可撓性複合部品を形成するステップとを含むことを特徴とする方法。
29. ３次元成形された可撓性複合部品を製造するシステムであって、
    前記複合部品の設計に到達するために使用可能な設計段階と、
    前記複合材料が統合され硬化される少なくとも１つの金型を備えた複合材料レイアップの実施を含む作製段階とを含むことを特徴とするシステム。
30. 請求項２９に記載のシステムであって、前記３次元成形された可撓性複合部品がＣステージまたはＢステージの複合履物アッパーを備えることを特徴とするシステム。
31. 請求項２０の方法により製造されたことを特徴とする、３次元成形された可撓性複合部品。
    

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