(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材と複数の補強要素とを備える複合材料から部品を加法的に製造する方法であって、
各層が前の層の上に形成されるように複合材料の一連の層を形成し、
複合材料に対して、次の層が上に形成される前に、補強要素の少なくとも一部を回転させる電磁場を印加し、
複合材料は粉体で構成され、各粉体粒子は母材中に含まれる複数の補強要素を備えており、各層の選択された部分に対し、次の層が上に形成される前にエネルギーを照射して、エネルギーが母材を溶融して粉体の層の選択部分を固結する、
ことを特徴とする製造方法。
【請求項２】
電磁場は粉体粒子の少なくとも一部を回転させることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
複合材料を電磁場を印加中に撹拌することを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
複合材料を超音波により撹拌することを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
補強要素の少なくとも一部が互いに対して回転することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項６】
少なくとも２つの層に対して、相異なる電磁場を印加することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項７】
少なくとも２つの層を、相異なる形状、寸法、またはパターンで形成することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項８】
補強要素が、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバを備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項９】
補強要素が単層カーボンナノチューブを備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１０】
母材と複数の補強要素とを備える複合材料から部品を加法的に製造する装置であって、
構造プラットフォームと、
構造プラットフォーム上に、各層を前の層の上に形成するようにして複合材料の一連の層を形成するためのシステムと、
複合材料に対して、次の層が上に形成される前に、補強要素の少なくとも一部を回転させる電磁場を印加するための電極と、
を備え、
複合材料は粉体で構成され、各粉体粒子は母材中に含まれる複数の補強要素を備えており、各層の選択された部分に対し、次の層が上に形成される前にエネルギーが照射されて、エネルギーが母材を溶融して粉体の層の選択部分が固結する、
ことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料から部品を製造する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液状の複合材料母材中でカーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）を配列するために電磁場を利用することはよく知られている。例えば、「電界を用いて配列させた単層カーボンナノチューブポリマー複合体」Ｃ．パーク、Ｊ．ウィルキンソン、Ｓ．バンダ、Ｚ．ウナイエス、Ｋ．Ｅ．ワイズ、Ｇ．サウティ、Ｐ．Ｔ．リルハイ、Ｊ．Ｓ．ハリソン、ジャーナルオブポリマーサイエンス：ポリマーフィジックス２００６年、４４巻、１７５１−１７６２頁(“Aligned Single Wall Carbon Nanotube Polymer Composite Using an Electric Field” C. park, J. Wilkinson, S. Banda, Z. Ounaies, K.E. Wise, G. Sauti, P.T. Lillehei, J.S. Harrison, Journal of Polymer Science Part B: Polymer Science 2006, 44, 1751-1762)では、交流電界を様々な強度や周波数で印加している。
【０００３】
こうした技術の問題は、電磁場は、ＣＮＴｓを比較的薄い層の内部でしか配列できないことである。ＣＮＴｓをバルク材中で配列するには、十分強い電磁場を用い、その体積内にわたって複合材料マトリクスの粘性を克服しなければならず、極めて困難である。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の第一の態様によれば、母材および複数の補強要素を備える複合材料から部品を加法的に製造する方法であって、各層を前の層の上に形成するように複合材料の一連の層を形成し、複合材料に対し、次の層が上に形成される前に、補強要素の少なくとも一部を回転させる電磁場を印加する方法が提供される。
【０００５】
各層は、その上に次の層を形成する前に、層の選択された部分へエネルギーを照射することによって、固結および／または硬化されてもよい。例えば、本発明の好適な実施形態における“粉体層(powder bed)”の形態では、複合材料は粉体で構成され、各粉体粒子は母材内に含まれた複数の補強要素を備える。エネルギーは、母材を溶かすことにより、各層の選択された部分を固結する。この際、電磁場は、補強要素の少なくとも一部を回転させる。
【０００６】
典型的には、複合材料は、電磁場が印加されている状態で例えばかき混ぜる、あるいは、超音波撹拌によって撹拌される。
【０００７】
補強要素は電磁場が印加される前に整列してもよく、その際に、まとまって回転してもよい。例えば、電磁場は、垂直配向から傾斜配向へとこれら要素をまとまって回転させてもよい。ただし、要素の少なくとも一部を互いに回転させることが好ましく、無秩序状態から共に配列された状態となる。
【０００８】
少なくとも２つの層に対して相異なる電磁場を印加することにより、複合材料の性質を制御してもよい。例えば、印加する電磁場の方向、パターン、強度および／または周波数を層間で変化させればよい。
【０００９】
典型的には、この方法は、少なくとも２つの層の相異なる形状、寸法、パターンで形成することを含む。この方法は、所望の網目形状のコンピュータモデルの制御下で各層を形成することにより、複合材料をいわゆる“網目状”に形成できるようにする。
【００１０】
補強要素は、典型的には、管状、繊維状、または平板状等の細長い形状を有する。補強要素を、中実又は中空としてもよい。例えば、補強要素は、単層のナノチューブ（ＣＮＴｓ）備えてもよく、複層ＣＮＴｓ、カーボンナノファイバ、または、アモルファスカーボンないし金属で被覆されたＣＮＴｓを備えてもよい。
【００１１】
典型的には、少なくとも一つの補強要素の縦横比は、１００以上、好ましくは１０００以上、より好ましくは１０6以上である。
【００１２】
補強要素は、炭化ケイ素やアルミナ等のいずれの材料で形成されてもよいが、炭素から形成されることが好ましい。これは、炭素間結合の強度や剛性、および、炭素材料に見い出される電気的性質による。
【００１３】
本発明の第二の態様によれば、母材と複数の補強要素を備える複合材料から部品を加法的に製造する装置であって、構造プラットフォームと、このプラットフォーム上に、各層を前の層の上に形成するようにして複合材料の一連の層を形成するためのシステムと、次の層が上に形成される前に、前記複合材料に対して補強要素の少なくとも一部を回転させる電磁場を印加するための電極とを備える装置が提供される。
【００１４】
本発明の第三の態様によれば、粉体粒子の各々が母材中に含まれる複数の補強要素を備える複合粉体が提供される。
【００１５】
本発明の第四の態様によれば、母材中に含まれる複数の補強要素を備える繊維を、それぞれが粉体粒子となる一連の長さに寸断する、複合粉体の製造方法が提供される。
【００１６】
典型的には、繊維中の補強要素は、少なくとも部分的には互いに配列されている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明の実施形態を、以下の図を示しながら説明する。
【図１】繊維の断面図である。
【図２】一連の長さに寸断された繊維を示す図である。
【図３】不規則に３次元配列される粒子を含むポリマー粉末層を示す図である。
【図４】粉体層の加法的製造システムを示す図である。
【図５】電磁場によって配列される層を示す図である。
【図６】ポリマー粉末を溶融して固結層とするエネルギー源を示す図である。
【図７】３層からなる複合材料を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、繊維１の一部を示す。繊維１は、ポリマー母材内に含まれる複数の単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴｓ）２を備える。これらＳＷＮＴｓ２は、繊維１の長さ方向に平行に配列されている。
【００１９】
繊維１は、電界紡糸や溶融紡糸を含んだ多くの方法で形成することができる。電界紡糸の場合、溶液の液滴に（ほとんどの場合、金属の針先に）電界を印加することによって、繊維１が粘着性のあるポリマー溶液から引き伸ばされる。溶液には、無秩序に配列されるＳＷＮＴｓが含まれているものの、これらＳＷＮＴｓは、電界紡糸の過程において少なくとも部分的に整列された状態になる。例えば、以下の文献を参照されたい。
１．「電界紡糸カーボンナノチューブ−ポリマー複合材料の性質」；ヘイディ・スクルーダー‐ギブソン、クリス・セネカル、マイケル・セネット、ジョンピン・ホァン、ジャングオ・ウェン、ウェンジャ・リー、ドゥージャー・ワン、シャオシエン・ヤン、イ・トゥル、ジャーファン・レン、チャンモア・スン；オンライン入手先：http://lib.store.yahoo.net/lib/nanolab2000/Composites.pdf
(CHARACTERISTICS OF ELECTROSPUN CARBON NANOTUBE-POLYMER COMPOSITES; Heidei Schreuder-Gibson, Wenzhi Li, Dezhi Wangl, Shaoxian Yang, Yi Tul, Zhifeng Ren & Changmo Sung)
２．「カーボンナノチューブ‐ポリマーナノ複合材料の電界紡糸ファイバーに対する事前処理と特性評価」と題する論文の概要；ヴィヴェーカーナンダ・スンダラィ；オンライン入手先：http://www.physics.iitm.ac.in/research_files/synopsis/bibek.pdf
【００２０】
図２に示すように、その後、繊維１は一連の短い長さ３に細断される。各長さ３は、粉体粒子としての性質を有している。
【００２１】
この粉体は、図３ないし図６に示す粉体層の加法的製造過程における供給原料として用いられる。なお、図３ないし図６では、粉体粒子３は細長い円柱の代わりに球形で概略的に示される。
【００２２】
図３に示すように、粉体粒子３は、当初、３次元的に無秩序に配列されている。
【００２３】
図４は、粉体層の加法的製造システムを示す。ローラ（図示せず）は、一対の供給容器（図示せず）の一方から粉体の供給原料を受け取り、構造プラットフォーム１０の上で、途切れなく連続する粉体層を転動させる。ローラは、図４に示すように、ある程度隣接するポリマー粉体粒子の充填に寄与する。
【００２４】
加法的製造システムに組み込まれるのは、強電磁場の供給源（すなわち電極１１、１２）、および、超音波ホーン１４のような撹拌用超音波供給源である。
【００２５】
超音波撹拌の下では、粒子３は各自の軸周りに自由に回転できる。しかし、一旦電磁場が印加されれば、図５に示すように、粒子は回転して電磁場の印加方向に対し互いに整列する。
【００２６】
なお、電磁場は、多様な形式で印加することができる。例えば、電磁場は直流（ＡＣ）でも交流（ＤＣ）でもよいし、電界成分または磁界成分のいずれが優勢であってもよい。適当な電磁場の例は、以下の文献に記載されている。
１．http://www.tmmag.com/Stories/2004/042104/Magnets_align_nanotubes_in_resin_Brief_042104.html.  本論文は、単層ナノチューブがチキソトロピック樹脂と混合された過程について記載している。混合物が１５テスラ以上の磁場中に曝されると、ナノチューブは磁界方向に整列した。
２．「電界を用いて配列させた単層カーボンナノチューブポリマー複合体」Ｃ．パーク、Ｊ．ウィルキンソン、Ｓ．バンダ、Ｚ．ウナイエス、Ｋ．Ｅ．ワイズ、Ｇ．サウティ、Ｐ．Ｔ．リルハイ、Ｊ．Ｓ．ハリソン、ジャーナルオブポリマーサイエンス：ポリマーフィジックス２００６年、４４巻、１７５１−１７６２頁(“Aligned Single Wall Carbon Nanotube Polymer Composite Using an Electric Field” C. park, J. Wilkinson, S. Banda, Z. Ounaies, K.E. Wise, G. Sauti, P.T. Lillehei, J.S. Harrison, Journal of Polymer Science Part B: Polymer Science 2006, 44, 1751-1762)  本論文では、ＣＮＴｓを配列させるために、交流電界を様々な強度や周波数で印加している。
【００２７】
こうして電磁場がかけられたままの状態で、ポリマーマトリクス複合体を溶融して固結層１６を形成するため、図６に示した熱源を作動する。ただし、溶融されてもＣＮＴｓ全体の配向は保たれる。熱源１５は、例えば、ビームを構造プラットフォームを横切って走査し、層の選択された部分にエネルギーを照射するレーザであってよい。層の選択部分は、熱せられて溶融し、固結する。溶融されない粉体は、工程終了後に取り除くことができる。
【００２８】
この工程を繰り返すことによって、図７に示す一連の層１６、２１、および２２を有する部品２０が形成される。レーザビームは、各層を個別に所望の網目形状に形成するようにコンピュータモデルの制御下で走査、調節される。ここで、層１６および層２１内のＣＮＴｓは、その上に次の層が形成される前に配列される。こうした漸進的ないし逐次的な手法でＣＮＴｓを配列することにより（全ての層のＣＮＴｓを全部一度に配列しようとする代わりに）、所望の度合いで配列させるのに比較的小さなエネルギーで済む。
【００２９】
なお、構成層のうちの少なくとも２つについて、それらの原料に対し相異なる電磁場を印加することにより、部品の性質を制御してもよい。例えば、図７において、ＳＷＮＴｓは、構造プラットフォームに対して層１６では９０度、層２１では−４５度、層２２では＋４５度でそれぞれ配列している。このように配向方向を変化させるのと同様、印加電磁場のパターン、強度、または周波数を層によって変えるようにしてもよい。
【００３０】
以上のように、本発明は一以上の好適な実施例によって説明されるが、特許請求の範囲で定義する本発明から逸脱することなく種々の変更や変形がなされてもよい。
【００３１】
例えば、第一の変形例として、複合材料をタンクに収容された光硬化性溶液で構成してもよい。タンク内には、溶液の薄膜層を形成するように液面からわずかに持ち上げられた状態で構造プラットフォームが収容されている。薄膜層は、選択された形状にレーザで走査され、選択的に溶液が硬化する。
【００３２】
第２の変形例として、複合材料を、供給端から組み立て領域の選択部分に付着させるようにしてもよい。このような工程は“粉体供給”工程と呼ばれ、粉末原料がノズルから放出されるが、粉末原料はノズルから離れる際に溶融する。ノズルは構造プラットフォームを横断するように走査され、溶融した粉体流の放出・停止は、要求に応じて切り替えられる。その際、補強要素は、供給端より離れる際に、あるいは構造プラットフォームに付着した後にその上で回転するようにしてよい。上述の方法と同様に、部品は一連の層から組み立てられるが、この際に、複合体を非平面状および／または非水平状としても構わない。
【符号の説明】
【００３３】
１    繊維
２    単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴｓ）
３    粉体粒子
１０    構造プラットフォーム
１１、１２    電極
１４    超音波ホーン
１５    熱源
１６、２１、２２    固結層
２０    部品
【図１】
0005612470.tif 000002
【図２】
0005612470.tif 000003
【図３】
0005612470.tif 000004
【図４】
0005612470.tif 000005
【図５】
0005612470.tif 000006
【図６】
0005612470.tif 000007
【図７】
0005612470.tif 000008