(57)【要約】      （修正有）【課題】三次元印刷機、及び強化フィラメント、並びにそれらを使用した、部品を製造する方法の提供。【解決手段】空隙を含まない強化フィラメントが、押出しノズル６８に送り込まれる。強化フィラメントは、連続又は半連続とされ得るコアと、コアを取り囲むマトリクス材料とを含む。強化フィラメントは、押出しノズルからのフィラメントの押出しに先立って、マトリクス材料の融解温度よりも高くコアの融解温度よりも低い温度に加熱される。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品を製造するための方法であって、
空隙を含まないコア強化フィラメントを押出しノズルに送り込むステップであって、前記コア強化フィラメントがコア及び前記コアを取り囲むマトリクス材料を含むステップと、
前記マトリクス材料の融解温度よりも高く前記コアの融解温度よりも低い温度まで、前記コア強化フィラメントを加熱するステップと、
前記コア強化フィラメントを押出して前記部品を形成するステップと、を含む、方法。
【請求項２】
前記マトリクス材料が熱可塑性樹脂を含んでいる、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記コア強化フィラメントを押出すステップが、前記コア強化フィラメントを圧縮下で押出すステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記コア強化フィラメントを押出すステップが、前記コア強化フィラメントを支えのない領域を越えて押出すステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記コア強化フィラメントで頑丈なシェルを形成するステップをさらに含む、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記コア強化フィラメントを、部品の第1の部分において第1の方向に押し出し、前記部品の第2の部分において第2の方向に押出すステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
前記ノズルの出口において又はそれより上流において前記コア強化フィラメントを切断するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記ノズルの前記出口と供給機構との間で前記コア強化フィラメントを切断するステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
【請求項９】
前記コアが、電気的、光学的、及び流体的に伝導性のある構成要素のうちの少なくとも一つを含んでいる、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
統合された電気的構成要素、光学的構成要素、又は流体的構成要素のうちの少なくとも一つを有する部品を形成するステップをさらに含む、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記コアがマルチフィラメントコアである、請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
前記コアが固体コアである、請求項1に記載の方法。
【請求項１３】
前記コア強化フィラメントを押出すステップが、前記押出しノズルの丸みを帯びた出口を通して前記コア強化フィラメントを押出すステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１４】
前記コアが連続コアである、請求項1に記載の方法。
【請求項１５】
前記コアが半連続コアである、請求項1に記載の方法。
【請求項１６】
関連する供給機構の力の閾値よりも前記フィラメントに印加される引きずり力の方が大きいときに、前記フィラメントを前記ノズルから引き出すステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１７】
三次元印刷機と共に使用するためのフィラメントであって、
マルチフィラメントコアと、
前記マルチフィラメントコアを取り囲むマトリクス材料と、を備えており、前記マトリクス材料が、実質的に前記マルチフィラメントコアの断面全体に含浸され、前記フィラメントが、実質的に空隙を含まないものである、フィラメント。
【請求項１８】
前記フィラメントが、三次元印刷機での使用のためのサイズ及び形状となされている、請求項17に記載のフィラメント。
【請求項１９】
前記フィラメントが、0.010インチ以上0.030インチ以下の外径を有している、請求項17に記載のフィラメント。
【請求項２０】
前記マルチフィラメントコアの融解温度が、前記マトリクス材料の融解温度よりも高い、請求項17に記載のフィラメント。
【請求項２１】
前記マルチフィラメントコアが、電気的に伝導性、光学的に伝導性、流体的に伝導性のうちの少なくとも一種である、請求項17に記載のフィラメント。
【請求項２２】
前記マトリクス材料が、アクリロニトリルブタジエンスチレン、エポキシ、ビニル、ナイロン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアクチック酸(polyactic acid)、及び液晶ポリマーのうちの少なくとも一種を含んでいる、請求項17に記載のフィラメント。
【請求項２３】
前記マルチフィラメントコアが、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、銅、銀、金、錫、光学繊維、及び可撓性チューブのうちの少なくとも一種を含んでいる、請求項17に記載のフィラメント。
【請求項２４】
前記コアが連続コアである、請求項17に記載のフィラメント。
【請求項２５】
前記コアが半連続コアである、請求項17に記載のフィラメント。
【請求項２６】
部品を製造するための方法であって、
フィラメントを加熱押出しノズルに送り込むステップ、及び
前記加熱ノズルの出口の又はそれより上流の位置において前記フィラメントを切断するステップ、を含む、方法。
【請求項２７】
前記位置が、前記ノズル出口と供給機構との間である、請求項26に記載の方法。
【請求項２８】
前記位置が、前記ノズル出口にある、請求項26に記載の方法。
【請求項２９】
前記フィラメントを切断するステップが、前記ノズル内の前記フィラメントに向けられた刃を用いて前記フィラメントを切断するステップをさらに含む、請求項28に記載の方法。
【請求項３０】
前記フィラメントを切断するステップが、前記ノズル出口の周囲に沿って配置され且つ堆積表面に面するように配向された刃を用いて前記フィラメントを切断するステップをさらに含む、請求項28に記載の方法。
【請求項３１】
前記フィラメントを切断するステップが、前記フィラメントの温度が前記フィラメントのガラス転移温度未満である位置において前記フィラメントを切断するステップをさらに含む、請求項26に記載の方法。
【請求項３２】
前記フィラメントを切断するステップが、前記フィラメントのコアを切断するステップをさらに含む、請求項26に記載の方法。
【請求項３３】
前記切断されるフィラメントの下流側部分を前記加熱押出しノズルから引き出すために、前記切断されるフィラメントの前記下流側部分に引張力を印加するステップをさらに含む、請求項26に記載の方法。
【請求項３４】
前記切断されるフィラメントの前記下流側部分に力を印加するステップが、前記切断されるフィラメントの前記下流側部分内のコアに力を印加するステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。
【請求項３５】
前記切断されるフィラメントの下流側部分を押出すために、前記切断されるフィラメントの上流側部分に圧縮力を印加するステップをさらに含む、請求項26に記載の方法。
【請求項３６】
前記フィラメントを切断するステップが、前記加熱押出しノズルの前記出口を閉塞するステップをさらに含む、請求項26に記載の方法。
【請求項３７】
前記フィラメントを切断するステップが、前記切断されるフィラメントの下流側部分に押出し力が印加されるのを防止するステップをさらに含む、請求項26に記載の方法。
【請求項３８】
前記フィラメントを切断するステップが、前記フィラメントをホットナイフで切断するステップを含む、請求項26に記載の方法。
【請求項３９】
ノズル出口を含む加熱押出しノズルと、
前記加熱押出しノズルにフィラメントを送り込むように構成され且つ配置された供給機構と、
前記加熱ノズル出口の又はそれより上流の位置において前記フィラメントを切断するように構成され且つ配置された切断機構と、を備えている、三次元印刷機。
【請求項４０】
前記位置が、前記ノズル出口と前記供給機構との間である、請求項39に記載の三次元印刷機。
【請求項４１】
前記位置が、前記ノズル出口にある、請求項39に記載の三次元印刷機。
【請求項４２】
前記切断機構が、前記ノズル内にあるときの前記フィラメントに向けられた刃を備えている、請求項41に記載の三次元印刷機。
【請求項４３】
前記切断機構が、前記ノズル出口の周囲に沿って配置され且つ堆積表面に面するように配向された刃を備えている、請求項42に記載の三次元印刷機。
【請求項４４】
前記位置が、前記フィラメントの温度が前記フィラメントのガラス転移温度未満である場所で前記フィラメントを切断するように選択されている、請求項39に記載の三次元印刷機。
【請求項４５】
前記切断機構が、前記フィラメントのコアを切断するように構成され且つ配置されている、請求項39に記載の三次元印刷機。
【請求項４６】
前記切断機構が、作動されたときに前記ノズル出口を閉塞する、請求項39に記載の三次元印刷機。
【請求項４７】
前記切断機構が、前記フィラメントの下流側部分に前記供給機構が押出し力を印加するのを防止する、請求項39に記載の三次元印刷機。
【請求項４８】
前記供給機構が、前記切断機構より上流の前記フィラメントに力を印加する、請求項39に記載の三次元印刷機。
【請求項４９】
前記切断機構がホットナイフである、請求項39に記載の三次元印刷機。
【請求項５０】
フィラメントを受け入れるように構成され且つ配置されたノズル入口と、
前記ノズル入口と流体連通しているノズル出口とを備えており、前記フィラメントの経路に対して直角な前記ノズル出口の断面積が、前記フィラメントの前記経路に対して直角な前記ノズル入口の断面積よりも大きい、加熱押出しノズル。
【請求項５１】
前記ノズル入口と前記ノズル出口との間に配置されたチャネルをさらに備えており、前記チャネルが、前記フィラメントを支持するように構成され且つ配置されている、請求項50に記載の加熱押出しノズル。
【請求項５２】
前記チャネルが、実質的に直線で構成されている、請求項51に記載の加熱押出しノズル。
【請求項５３】
前記チャネルが、前記ノズルの冷却供給ゾーンである、請求項51に記載の加熱押出しノズル。
【請求項５４】
前記チャネルと前記ノズル出口との間に配置された空洞をさらに備えており、前記フィラメントの前記経路に対して直角な前記空洞の断面積が、前記フィラメントの前記経路に対して直角な前記第1のチャネルの断面積よりも大きい、請求項51に記載の加熱押出しノズル。
【請求項５５】
前記空洞が、前記ノズルの加熱ゾーンを含んでいる、請求項54に記載の加熱押出しノズル。
【請求項５６】
前記ノズル出口が、丸みを帯びた縁を備えている、請求項50に記載の加熱押出しノズル。
【請求項５７】
三次元印刷機と共に使用するためのフィラメントであって、
前記フィラメントの軸方向に延在する複数の別々のセグメントを含むコアと、
前記複数のセグメントを取り囲むマトリクス材料と、を備えており、
前記マトリクス材料が、実質的に前記コアの断面全体に含浸され、前記フィラメントが、実質的に空隙を含まないものである、フィラメント。
【請求項５８】
前記セグメントが、前記フィラメントの前記軸方向に沿って予め割り出された位置に配置されている、請求項57に記載のフィラメント。
【請求項５９】
前記セグメントのうちの少なくとも幾つかが、前記フィラメントの前記軸方向に沿って重なり合っている、請求項57に記載のフィラメント。
【請求項６０】
前記セグメントの平均長さが、前記三次元印刷機の加熱ゾーンの長さ以下である、請求項57に記載のフィラメント。
【請求項６１】
ノズルの温度がフィラメントの融解温度を下回る前記ノズル出口の上流の位置に、前記フィラメントを位置決めするステップと、
印刷プロセス中に前記フィラメントを前記ノズル出口から外へ移動させるステップと、を含む、方法。
【請求項６２】
前記フィラメントが前記ノズル出口から外へ移動されるときに、前記ノズルの加熱ゾーンと前記フィラメントとを接触させるステップをさらに含む、請求項61に記載の方法。
【請求項６３】
前記加熱ゾーンに接触させるステップが、前記フィラメントを前記加熱ゾーンの方へ移動させるステップをさらに含む、請求項62に記載の方法。
【請求項６４】
前記フィラメントを移動させるステップが、前記フィラメントを移動させるために、前記フィラメントを座屈させるステップ及び前記ノズルを移動させるステップのうちの少なくとも一つをさらに含む、請求項63に記載の方法。
【請求項６５】
前記フィラメントが、前記加熱ゾーンに接触するまでは実質的に固体のままである、請求項61に記載の方法。
【請求項６６】
前記フィラメントが堆積されているときに、前記ノズル出口により前記フィラメントに圧縮力を印加するステップをさらに含む、請求項61に記載の方法。
【請求項６７】
前記フィラメントがコア強化フィラメントである、請求項61に記載の方法。
【請求項６８】
フィラメントを支持するためのサイズと成され且つ配置された第1のチャネルから、ノズル出口と流体連通している空洞へ前記フィラメントを供給するステップを含む方法であって、前記フィラメントの経路に対して直角な前記空洞の断面積が、前記フィラメントの前記経路に対して直角な前記第1のチャネルの断面積よりも大きい、方法。
【請求項６９】
少なくとも前記ノズル出口に至るまで前記フィラメントが供給されるまで、前記フィラメントが前記空洞の壁に接触するのを防止するステップをさらに含む、請求項68に記載の方法。
【請求項７０】
前記フィラメントを融解させるために、前記フィラメントを前記壁又はノズル出口に接触させるステップをさらに含む、請求項69に記載の方法。
【請求項７１】
少なくとも前記ノズル出口に至るまで前記フィラメントが供給されるまで、前記フィラメントを実質的に固体の状態に維持するステップをさらに含む、請求項68に記載の方法。
【請求項７２】
前記フィラメントが堆積されているときに、前記ノズル出口により前記フィラメントに圧縮力を印加するステップをさらに含む、請求項68に記載の方法。
【請求項７３】
前記フィラメントがコア強化フィラメントである、請求項68に記載の方法。
【請求項７４】
前記チャネルが、前記ノズルの冷却供給ゾーンである、請求項68に記載の方法。
【請求項７５】
フィラメントを形成するための方法であって、
コア強化フィラメントを形成するために、一つ以上の繊維と第1のマトリクス材料とを混合するステップと、
前記第1のマトリクス材料を前記一つ以上の繊維に含浸させるために、前記フィラメントに遠回り経路を通過させるステップと、を含む、方法。
【請求項７６】
前記遠回り経路が、少なくとも、第1の方向における第1の曲りと、第2の方向における第2の曲りとを含む、請求項75に記載の方法。
【請求項７７】
前記遠回り経路内の前記フィラメントの温度が、前記第1のマトリクス材料の融解温度よりも高く維持される、請求項75に記載の方法。
【請求項７８】
前記フィラメントに真空を印加するステップをさらに含む、請求項75に記載の方法。
【請求項７９】
前記フィラメントが、印刷機ヘッド内で前記遠回り経路を通過する、請求項75に記載の方法。
【請求項８０】
前記遠回り経路を選択的に直線状にするステップをさらに含む、請求項79に記載の方法。
【請求項８１】
前記フィラメント上に外側被覆を形成するために、前記フィラメントを第2のマトリクス材料と一緒に共押出しするステップをさらに含む、請求項75に記載の方法。
【請求項８２】
前記フィラメントに成形ダイを通過させるステップをさらに含む、請求項75に記載の方法。
【請求項８３】
前記フィラメントが冷えるときにその形状及びサイズを保持するために、前記フィラメントが前記成形ダイから出た後で前記フィラメントを支持するステップをさらに含む、請求項82に記載の方法。
【請求項８４】
前記一つ以上の繊維が、一つ以上の連続繊維である、請求項75に記載の方法。
【請求項８５】
前記一つ以上の繊維が、一つ以上の半連続繊維である、請求項75に記載の方法。
【請求項８６】
コア強化フィラメント上に被覆材料で外側被覆を形成するために、前記コア強化フィラメント及び前記被覆マトリクス材料を共押出しするステップ、を含む、方法。
【請求項８７】
前記被覆付きコア強化フィラメントにダイを通過させるステップをさらに含む、請求項86に記載の方法。
【請求項８８】
前記コア強化フィラメントのマトリクス材料が、前記被覆材料とは異なる、請求項86に記載の方法。
【請求項８９】
前記コア強化フィラメントのマトリクス材料が、前記被覆材料と同じである、請求項86に記載の方法。
【請求項９０】
前記コア強化フィラメントのマトリクス材料が、前記被覆材料よりも高い融解温度を有する、請求項86に記載の方法。
【請求項９１】
前記コア強化フィラメントが、コア、及び前記コアを取り囲むマトリクス材料を含み、前記マトリクス材料が、実質的に前記マルチフィラメントコアの断面全体に含浸される、請求項86に記載の方法。
【請求項９２】
前記コア強化材料が、実質的に空隙を含まないものである、請求項91に記載の方法。
【請求項９３】
前記コアがマルチフィラメントコアである、請求項91に記載の方法。
【請求項９４】
部品を製造するための方法であって、
加熱押出しノズルにフィラメントを送り込むステップと、
ノズル出口から前記フィラメントを押出すステップと、
前記ノズルにより前記押出しフィラメントに圧縮力を印加するステップと、を含む、方法。
【請求項９５】
前記ノズルが圧縮力を印加するときに、前記ノズルにより前記押出しフィラメントを加熱するステップをさらに含む、請求項94に記載の方法。
【請求項９６】
前記加熱押出しノズルに前記フィラメントを送り込むステップが、前記加熱押出しノズルにコア強化フィラメントを送り込むステップをさらに含む、請求項94に記載の方法。
【請求項９７】
前記強化フィラメントが、前記押出しノズルに送り込まれるときには実質的に固体である、請求項96に記載の方法。
【請求項９８】
前記ノズルの丸みを帯びた縁が、前記押出しフィラメントに圧縮力を印加する、請求項94に記載の方法。
【請求項９９】
部品を製造するための方法であって、
印刷機ヘッドを使用して、第1のフィラメントを第1の所望のパターンでマトリクス材料の層内に堆積させるステップと、
前記マトリクス層の少なくとも一部分を硬化させて、前記堆積された第1のフィラメントを含む部品の層を形成するステップと、を含む、方法。
【請求項１００】
前記第1のフィラメントを切断し、且つ、印刷機ヘッドを使用して、第2のフィラメントを第2の所望のパターンでマトリクス材料の前記層内に堆積させるステップをさらに含む、請求項99に記載の方法。
【請求項１０１】
前記マトリクス材料の少なくとも一部分を硬化させるステップが、ステレオリソグラフィを使用して前記マトリクス材料の少なくとも一部分を硬化させるステップをさらに含む、請求項99に記載の方法。
【請求項１０２】
前記マトリクス材料の少なくとも一部分を硬化させるステップが、選択的レーザ焼結を使用して前記マトリクス材料の少なくとも一部分を硬化させるステップをさらに含む、請求項99に記載の方法。
【請求項１０３】
前記マトリクス材料を実質的に前記第1のフィラメントの断面全体に含浸させるステップをさらに含む、請求項99に記載の方法。
【請求項１０４】
含浸後の前記第1のフィラメントの断面が、実質的に空隙を含まないものである、請求項101に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
諸態様は、三次元印刷法に関する。
【背景技術】
【０００２】
付加製造としても知られる三次元印刷法が最初に開発されてから、層ごとに部品を作成するための様々なタイプの三次元印刷法及び印刷機が考えられてきた。例えば、ステレオリソグラフィ(SLA)は、高解像度の部品を作り出す。しかし、SLAを使用して作られた部品は、典型的に、耐久性がなく、また、UV安定性もないことが多く、通常は代わりに概念実証作品のために使用される。SLAに加えて、熱溶解フィラメント製法(FFF)三次元印刷機もまた、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)又は類似のポリマーの連続フィラメントビードを堆積させることによる部品の作成に使用される。ある程度類似している技法では、樹脂を含んだ連続繊維強化材料を有する「トウプレグ」が、「グリーン状態(green state)」で堆積される。続いて、部品は、堆積された材料に存在する閉じ込められた気泡を除去し且つ部品を完全に硬化させるために、真空下に置かれ且つ加熱される。付加製造の別の方法は、三次元印刷法と見なされないが、樹脂結合材で含浸されたファブリックのシートを二次元パターンに切断することにより部品が作られる、予含浸(プリプレグ)複合構成を含む。次いで、個々のシートのうちの一つ以上が、結合樹脂を液化して最終的な部品を硬化させるために、型内に積層されて加熱される。複合構成(三次元印刷ではない)のさらに別の方法は、部品を形成するために特別注文のマンドレルに巻回される複合材料のストランド(例えば、数百から数千の個別の炭素ストランドを含む)を使用する、フィラメントワインディングである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
フィラメントワインディングは、通常、繊維が緊張状態にあり、また、下位の空間に繊維が落ちないように周囲のより高い幾何形状が繊維を支持することにより、フィラメントがいかなる凸形状にも「架橋する」ことから、凹形状に限定される。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施形態では、部品を製造するための方法が、空隙を含まないコア強化フィラメントを押出しノズルに送り込むステップであって、コア強化フィラメントが、コア（マルチストランドコア）及びコア（マルチストランドコア）を取り囲むマトリクス材料を有するステップと、マトリクス材料の融解温度よりも高くコア（マルチストランドコア）の融解温度よりも低い温度にコア強化フィラメントを加熱するステップと、コア強化フィラメントを押出して部品を形成するステップとを含む。
【０００５】
別の実施形態では、三次元印刷機と共に使用するためのフィラメントが、マルチフィラメントコア、及びマルチフィラメントコアを取り囲むマトリクス材料を含む。マトリクス材料は、実質的にマルチフィラメントコアの断面全体に含浸され、フィラメントは、実質的に空隙を含まない。
【０００６】
さらに別の実施形態では、部品を製造するための方法であって、この方法が、フィラメントを加熱押出しノズルに送り込むステップと、加熱ノズルの出口の又はそれより上流の位置においてフィラメントを切断するステップとを含む。
【０００７】
別の実施形態では、三次元印刷機が、ノズル出口を含む加熱押出しノズルと、加熱押出しノズルにフィラメントを送り込むように構成され且つ配置された供給機構とを備える。三次元印刷機はまた、加熱ノズル出口の又はそれより上流の位置においてフィラメントを切断するように構成され且つ配置された切断機構を含む。
【０００８】
さらに別の実施形態では、加熱押出しノズルが、フィラメントを受け入れるように構成され且つ配置されたノズル入口と、ノズル入口と流体連通しているノズル出口とを含む。フィラメントの経路に対して直角なノズル出口の断面積は、フィラメントの経路に対して直角なノズル入口の断面積よりも大きい。
【０００９】
別の実施形態では、三次元印刷機と共に使用するためのフィラメントが、フィラメントの軸方向に延在している複数の別個のセグメントを含むコアと、複数のセグメントを取り囲むマトリクス材料とを含む。マトリクス材料は、実質的にコアの断面全体に含浸され、フィラメントは、実質的に空隙を含まない。
【００１０】
さらに別の実施形態では、方法が、ノズルの温度がフィラメントの融解温度を下回るノズル出口の上流の位置にフィラメントを位置決めするステップと、印刷プロセス中にフィラメントをノズル出口から外に移動させるステップとを含む。
【００１１】
別の実施形態では、方法が、フィラメントを支持するようにサイズ決めされ且つ配置された第1のチャネルから、ノズル出口と流体連通している空洞へフィラメントを供給するステップを含み、ここで、フィラメントの経路に対して直角な空洞の断面積は、フィラメントの経路に対して直角な第1のチャネルの断面積よりも大きい。
【００１２】
さらに別の実施形態では、フィラメントを形成するための方法が、一つ以上の繊維と第1のマトリクス材料とを混合させて、コア強化フィラメントを形成するステップと、フィラメントに遠回り経路を通過させて、第1のマトリクス材料を一つ以上の繊維に含浸させるステップとを含む。
【００１３】
別の実施形態では、方法が、コア強化フィラメント上に被覆材料で外側被覆を形成するために、コア強化フィラメント及び被覆マトリクス材料を共押出しするステップを含む。
【００１４】
さらに別の実施形態では、部品を製造するための方法が、加熱押出しノズルにフィラメントを送り込むステップと、ノズル出口からフィラメントを押出すステップと、ノズルにより、押出しフィラメントに圧縮力を印加するステップと、を含む。
【００１５】
別の実施形態では、部品を製造するための方法が、印刷機ヘッドを使用して、第1のフィラメントを第1の所望のパターンでマトリクス材料の層内に堆積させるステップと、マトリクス層の少なくとも一部分を硬化させて、堆積された第1のフィラメントを含む部品の層を形成するステップとを含む。
【００１６】
前述の概念、及び後述されるさらなる概念に関し、本開示はこの点において限定されるものではないので、任意の適切な組合せが可能であることを理解されるべきである。
【００１７】
さらに、本開示の他の利点及び新規な特徴は、限定的ではない様々な実施形態の以下の詳細な説明を添付の図面と併せて考慮すれば、明らかになるであろう。
【００１８】
添付の図面は、一定の縮尺で描かれることを意図されていない。図面において、様々な図に示される同一の又はほぼ同一の各構成要素は、同じ番号によって表され得る。明瞭にするために、全ての図面において全ての構成要素が標識されるとは限らない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】連続コア強化フィラメントを使用する三次元印刷システムの概略図である。
【図２】三次元印刷プロセスの典型的な流れ図である。
【図３Ａ】固体連続コア及び周囲の熱可塑性樹脂を、固体連続コアの方が少ない比率で含む、連続コア強化フィラメントの概略図である。
【図３Ｂ】熱可塑性樹脂によって取り囲まれた固体連続コアを、固体連続コアの方が多い比率で含む、連続コア強化フィラメントの概略図である。
【図３Ｃ】熱可塑性樹脂によって取り囲まれたマルチフィラメント連続コアを、マルチフィラメント連続コアの方が少ない比率で含む、連続コア強化フィラメントの概略図である。
【図３Ｄ】熱可塑性樹脂によって取り囲まれたマルチフィラメント連続コアを、マルチフィラメント連続コアの方が多い比率で含む、連続コア強化フィラメントの概略図である。
【図３Ｅ】電気的、光学的、又は流体的な特性を持つエレメントを含むマルチフィラメント連続コアを備える、連続コア強化フィラメントの概略図である。
【図４】従来技術のノズル、及び空隙を含むトウプレグの概略図である。
【図５】従来技術のノズル内での繊維の束なりの概略図である。
【図６Ａ】印刷システムの幾つかの実施形態で利用される末広ノズルの概略図である。
【図６Ｂ】印刷システムの幾つかの実施形態で利用される直線ノズルの概略図である。
【図６Ｃ】印刷システムの幾つかの実施形態で利用される丸みを帯びた縁のノズルの概略図である。
【図７】従来技術の三次元印刷システムの概略図である。
【図８】切断機構を含む三次元印刷システム、及び、開空間に架橋する印刷プロセスの概略図である。
【図９】囲まれた開空間を含む、三次元印刷システム及び/又はプロセスによって形成された部分の概略図である。
【図１０】案内チューブを含む三次元印刷システムの概略図である。
【図１１】案内チューブを含む三次元印刷システムの写真である。
【図１２Ａ】任意選択の割出し位置を含む剪断ヘッドの概略図である。
【図１２Ｂ】第2の割出し位置における図11Aの剪断ヘッドの概略図である。
【図１３】剪断を含むマルチノズル印刷ヘッドの概略図である。
【図１４Ａ】ノズルの概略図である。
【図１４Ｂ】丸みを帯びた出口を有するノズルの概略図である。
【図１４Ｃ】丸みを帯びた出口を有する別のノズルの概略図である。
【図１５Ａ】ノズル先端と一体化された切断機構の断面概略図である。
【図１５Ｂ】90°回転された、図14Aに示されたノズル先端と一体化された切断機構の断面概略図である。
【図１５Ｃ】ノズル先端と一体化された切断機構の一実施形態の底面図である。
【図１５Ｄ】ノズル先端と一体化された切断機構の一実施形態の底面図である。
【図１６】ノズル先端と一体化された切断機構の断面概略図である。
【図１７Ａ】部品形成中に圧密圧力を印加している三次元印刷システムの概略図である。
【図１７Ｂ】堆積に先立って印刷システムに対して利用される連続コア強化フィラメントの概略図である。
【図１７Ｃ】圧密圧力を使用した堆積後の、連続コア強化フィラメント、及び周囲の材料のビードの概略図である。
【図１８Ａ】従来技術のノズルの概略図である。
【図１８Ｂ】末広ノズルの概略図である。
【図１８Ｃ】順方向送り清掃サイクルで示された、図18Bの末広ノズルの概略図である。
【図１９Ａ】直線ノズルを用いて印刷されている連続コアフィラメントの概略図である。
【図１９Ｂ】直線ノズルを用いて印刷されているグリーントウプレグの概略図である。
【図１９Ｃ】末広ノズルを用いてスティッチング及び印刷されている連続コアフィラメントの概略図である。
【図１９Ｄ】末広ノズルを用いてスティッチング及び印刷されている連続コアフィラメントの概略図である。
【図１９Ｅ】末広ノズルを用いてスティッチング及び印刷されている連続コアフィラメントの概略図である。
【図２０Ａ】低摩擦低温供給ゾーンを含む、多材料ノズルの概略図である。
【図２０Ｂ】低摩擦低温供給ゾーンを含む、僅かに末細のノズルの概略図である。
【図２１Ａ】従来技術のノズルの概略図である。
【図２１Ｂ】ノズルの幾何形状の種々の実施形態を表す図である。
【図２１Ｃ】ノズルの幾何形状の種々の実施形態を表す図である。
【図２１Ｄ】ノズルの幾何形状の種々の実施形態を表す図である。
【図２２】滴下防止ノズル及び減圧システムの概略図である。
【図２３Ａ】ノズル内に位置決めされた半連続コアフィラメントの概略図である。
【図２３Ｂ】ノズル内に位置決めされた、重なり合うストランドを含む半連続コアフィラメントの概略図である。
【図２３Ｃ】ノズル内に位置決めされた、整列したストランドを含む半連続コアフィラメントの概略図である。
【図２４Ａ】マルチフィラメント連続コアの概略図である。
【図２４Ｂ】オフセットしたストランドを含む半連続コアフィラメントの概略図である。
【図２４Ｃ】整列したストランドを含む半連続コアフィラメントの概略図である。
【図２４Ｄ】整列したストランド及び一つ以上の連続ストランドを含む、半連続コアフィラメントの概略図である。
【図２５】半連続コアフィラメントを使用する充填パターンの概略図である。
【図２６】異なる層及び異なる層の部分が異なる繊維方向を含む、三次元印刷システム及び/又はプロセスによって形成された複数の印刷層の概略図である。
【図２７】図27Aは第1の配向において構成要素を形成するための三次元印刷プロセスの概略図である。図27Bは図27Aの部品と共に使用するための固定具の概略図である。図27Cは第2の配向において図27Aの部品上に構成要素を形成するための三次元印刷プロセスの概略図である。
【図２８】図28Aは第1の配向において多軸システムを使用する三次元印刷プロセスの概略図である。図28Bは図28Aの部品上への別の配向における構成要素の形成の概略図である。
【図２９】連続コア強化フィラメントを使用する三次元印刷システムの概略図である。
【図３０Ａ】三次元印刷プロセスを使用して側面に貼り付けられたシェルを含む部品の概略図である。
【図３０Ｂ】三次元印刷プロセスを使用して上面及び側面に貼り付けられたシェルを含む部品の概略図である。
【図３０Ｃ】下層の支持表面からオフセットされたシェルを含む部品の概略図である。
【図３０Ｄ】充填材料で形成された部品の概略図である。
【図３０Ｅ】隅部から内側へ延在している複合材料と、内部を埋めるポリマーとで形成された部品の概略図である。
【図３０Ｆ】隅部から内側へ延在している複合材料と、内部を埋めるポリマーとで形成された部品の概略図である。
【図３０Ｇ】隅部から内側へ延在している複合材料と、内部を埋めるポリマー充填剤とで形成された部品の概略図である。
【図３１Ａ】同じ方向での繊維配向を含む別個のサブセクションで形成された翼の概略図である。
【図３１Ｂ】異なる方向での繊維配向を含む別個のサブセクションで形成された翼の概略図である。
【図３１Ｃ】別個のサブセクションとその上に形成されたシェルとで作られた翼の概略図である。
【図３２】印刷アーム及び選択可能な印刷機ヘッドを含む三次元印刷システムの概略図である。
【図３３】印刷システムで使用するためのマルチエレメント印刷機ヘッドの概略図である。
【図３４】堆積強化用繊維を含むステレオリソグラフィ三次元印刷プロセスの概略図である。
【図３５】堆積強化用繊維を含むステレオリソグラフィ三次元印刷プロセスの概略図である。
【図３６】組み込まれた、様々な機能性を持つ印刷部品を含む、三次元印刷部品の概略図である。
【図３７】プリント回路基板に複数の層を形成するために使用されている三次元印刷システムの概略図である。
【図３８】プリント回路基板内の様々な空隙をハンダ又はハンダペーストで埋めるために使用されている三次元印刷システムの概略図である。
【図３９】バイア及び導体パッドの形成後の、図38のプリント回路基板の概略図である。
【図４０Ａ】その中に穿孔された穴を含む、印刷部品の概略図である。
【図４０Ｂ】その中に形成された強化された穴を含む、印刷部品の概略図である。
【図４０Ｃ】その中に形成された強化された穴を含む、印刷部品の概略図である。
【図４１Ａ】三次元印刷法を使用して形成された複合部品の概略図である。
【図４１Ｂ】強化用炭素繊維及び垂直に配置されたカーボンナノチューブの走査電子顕微鏡画像である。
【図４２】遠回り経路含浸システムの概略図である。
【図４３Ａ】混合トウを含む入来材料の概略図である。
【図４３Ｂ】含浸後の図43Aの材料の概略図である。
【図４４Ａ】オフセットローラ含浸システムの概略図である。
【図４４Ｂ】任意選択の装填構成における図44Aのローラ含浸システムの概略図である。
【図４５】真空含浸ノズルと組み合わせられた含浸システムの概略図である。
【図４６】印刷ノズルと一体化された含浸システムの概略図である。
【図４７】遠回り経路含浸システムを含む印刷ノズルの概略図である。
【図４８】マルチノズル三次元印刷機の概略図である。
【図４９Ａ】連続コア強化フィラメント及び任意選択の外側被覆を形成するための共押出しプロセスの概略図である。
【図４９Ｂ】図49Aに示されたプロセスで使用される出発材料の概略図である。
【図４９Ｃ】図49Aに示されたプロセスで使用される出発材料の概略図である。
【図４９Ｄ】図49Aに示されたプロセスを使用した含浸後の材料の一実施形態の概略図である。
【図４９Ｅ】図49Aに示されたプロセスを使用した含浸後の材料の一実施形態の概略図である。
【図４９Ｆ】図49Aに示されたプロセスを使用した含浸後の材料の一実施形態の概略図である。
【図４９Ｇ】49Aに示されたプロセスを使用した任意選択の外側被覆を含む材料の一実施形態の概略図である。
【図４９Ｈ】49Aに示されたプロセスを使用した任意選択の外側被覆を含む材料の一実施形態の概略図である。
【図４９Ｉ】49Aに示されたプロセスを使用した任意選択の外側被覆を含む材料の一実施形態の概略図である。
【図５０Ａ】連続コア強化フィラメント及び任意選択の外側被覆を形成するための共押出しプロセスの概略図である。
【図５０Ｂ】図50Aに示されたプロセスで使用される出発材料の概略図である。
【図５０Ｃ】図49Aに示されたプロセスで使用される出発材料の概略図である。
【図５０Ｄ】図50Aに示されたプロセスを使用して広げられた後の出発材料の概略図である。
【図５０Ｅ】図50Aに示されたプロセスを使用した含浸後の材料の一実施形態の概略図である。
【図５０Ｆ】図50Aに示されたプロセスを使用した成形後の材料の一実施形態の概略図である。
【図５０Ｇ】図50Aに示されたプロセスを使用した成形後の材料の一実施形態の概略図である。
【図５０Ｈ】図50Aに示されたプロセスを使用した成形後の材料の一実施形態の概略図である。
【図５０Ｉ】50Aに示されたプロセスを使用した任意選択の外側被覆を含む材料の一実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明者らは、典型的な付加製造方法に関連する本質的な限界の一つは、得られる部品の強度及び耐久性であると認識している。例えば、熱溶解フィラメント製法は、結果として同等の射出成形部品よりも低い強度を呈示する部品を生み出す。理論に拘束されることを望むものではないが、この強度の低下は、例えば射出成形中に形成される連続的で且つ実質的に空隙を含まない材料と比較して、堆積材料の隣接ストリップ間の結合が弱いこと(並びに、空気溜り及び空隙)に起因する。本発明者らはまた、三次元部品を形成するためにシートを基礎とした手法を使用するプリプレグ複合工法は、時間がかかり、また、取り扱いが難しく、結果として費用がより高く付くと認識している。さらに、そうしたシートをカーブ、例えば円に沿って曲げることは、繊維の重なり、屈曲、及び/又は歪みをもたらし、結果として、得られる構成要素に不要な軟点を生じさせる場合がある。強化用繊維及び樹脂を含む「トウプレグ」又は「トウ」を使用する三次元印刷機に関して、本発明者らは、従来技術の堆積材料は、それらの極めて柔軟で且つ通常は高摩擦性の(粘着性の)初期状態が原因で、機械に装填するのが難しいことが多く、さらに印刷ヘッドを通して供給するのが難しいことに気付いた。さらに、これらのグリーン材料は、空気を取り込んで気泡を含む傾向がある。したがって、その後の真空及び加熱ステップなしでは、得られる部品もまた、空隙を含有し、且つ、真空下で構成された従来の複合部品よりも実質的に弱くなる。したがって、トウプレグの準備に関連する追加のステップは、印刷プロセスの速度を落とし、且つ、周囲空気の取り込みをもたらす。
【００２１】
上記の典型的な三次元印刷システムに関連する限界のため、本発明者らは、三次元印刷された複合材料の強度を高めることの必要性を認識している。さらに、さらなる速度、堆積材料内の補足空気の除去若しくは防止、後の真空ステップの必要性の減少、及び/又は複合コア材料の正確且つ精密な押出しを可能にする、付加製造の構成技法が必要とされている。本発明者らはまた、凹形状に繊維を堆積させる能力、及び/又は表面若しくは複合シェル上に別個の特徴を構成する能力を提供することが望ましいと認識している。
【００２２】
上記のことを考慮し、本発明者らは、実質的に空隙を含まない予含浸(プリプレグ)材料を使用して構造物を印刷する三次元印刷システム、又は、堆積プロセスで使用するための実質的に空隙を含まない材料を形成することが可能な三次元印刷システムを提供することに関連する便益を認識した。例えば、一実施形態では、三次元印刷機が、複数の連続ストランドを含む連続マルチフィラメントコア材料を有する連続コア強化フィラメントを使用し、複数の連続ストランドは、すでにストランド中に「染み込まされて」いる熱可塑性樹脂により含浸されており、そのような予含浸材料は、三次元構造を形成するために使用される。熱可塑性樹脂がすでにストランド中に染み込んでいるので、材料は、「グリーン」ではなく、また、硬く低摩擦であり、実質的に空隙を含まない。別の実施形態では、固体連続コアが使用され、また、熱可塑性樹脂は、得られる連続コア強化フィラメントも実質的に空隙を含まないように、固体連続コアを湿潤させる。さらに、材料の全長にわたって延在しているコアがその長さに沿って複数の部分に分割されている半連続コアが使用される実施形態も、意図されている。そのような実施形態は、固体コアか、又は、本開示はそのように限定されるものではないので、相互に均一に離間された若しくは重複部分を有する複数の個別のストランドを含み得る。いずれの場合でも、そのようなコア材料は、やはり上記のように予含浸されるか又は湿潤され得る。実質的に空隙を含まない材料は、約1%、2%、3%、4%、5%、10%、13%未満、又は任意の他の適切な率の空隙率を有し得る。例えば、空隙を含まない材料は、約1%から5%の間の空隙率を有し得る。さらに、下記の処理法に起因して、上記の空隙を含まない材料を使用して印刷される部品はまた、約1%、2%、3%、4%、5%、10%、又は13%未満の空隙率を呈示し得る。
【００２３】
予含浸された材料について上述されたが、一実施形態では、固体連続コアフィラメントが、ノズル出口において樹脂と選択的に結合され得る。理論に拘束されることを望むものではないが、固体コアの一定で且つ明確に定義された幾何形状により、樹脂はコアを均一に被覆し、また、得られる堆積複合材料は、実質的に空隙を含まない。
【００２４】
本出願において、コア強化フィラメントは、含浸されているか又は湿潤されているものとして説明される。例えば、固体コアが、マトリクス材料を含まされ得るか、又は、マルチフィラメントコアが、マトリクス材料で含浸され且つ完全に湿潤され得る。しかし、本出願において、含浸されたコアを含むフィラメントは、マトリクス材料で完全に含浸され且つ/又は湿潤されたコアを含むフィラメントを意味すると理解されるべきである。当業者であれば、コア材料が固体コアである用途に対してこのことがどのように解釈され得るかを理解できるはずである。
【００２５】
上記に加えて、コア強化材料が本出願全体にわたって説明される。特定の実施形態及び実例に対して、連続コア及び/又は半連続コアが例示の目的のために説明され得る。しかし、連続及び/又は半連続のコアが任意の特定の用途に使用されてもよく、また、本開示はこの様式において限定されるものではないことが、理解されるべきである。さらに、コア強化材料に関しては、本開示はこの様式において限定されるものではないので、コアは、フィラメントの内部内に位置決めされてもよく、又は、コア材料は、フィラメントの外表面まで延在してもよい。さらに、コア強化材料はまた、光学材料、流体伝導性材料、導電性材料などの材料によって提供される強化材料の他に、本開示はそのように限定されるものではないので任意の他の適切な材料によって提供される強化材料を含むことが、理解されるべきである。
【００２６】
さらに別の実施形態では、本発明者らは、向上された強度を呈示する実質的に空隙を含まない部品を形成するために、液体若しくは粉体の形態のマトリクスを使用するステレオリソグラフィ(SLA)、選択的レーザ焼結(SLS)、及び他の三次元印刷プロセスを用いて結合された連続又は半連続のコアを提供することに関連する便益を認識した。上記の実施形態は、後続の真空ステップの必要性を減らす又は排除するのに役立つとともに、最終的な構造物内の空隙の存在を減少又は排除するのに役立つことにより、得られる印刷構造物の強度を向上させることができる。
【００２７】
空隙の排除による強度の向上に加えて、本発明者らは、三次元印刷プロセスにおいて一度に一つだけのストリップを置く現在の制限は、複合構造物の製造において利点として使用され得ることを認識した。例えば、複合構造物の方向性強度を局所的にも全体的にも制御するために、印刷プロセス中に構造内に堆積される強化用材料の方向が、特定の層及び層の部分内で制御され得る。したがって、構造物内での強化材の方向性は、特定の設計要件に適合するように、所望の位置及び方向において部品強度を向上させることができる。構造物の方向性強度を特定の位置において容易に調整できることは、得られる部品をより軽量にすることもより強くすることも可能にし得る。
【００２８】
諸実施形態では、三次元印刷システムに切断機構を含むことが望ましくあり得る。そのような切断機構は、所望の長さの材料を堆積させるために、選択的な終端を提供するのに使用され得る。そうでない場合、印刷プロセスは、堆積材料が依然として押出しノズル内の材料例えば連続コアに連結されることにより、容易には終了することができない。切断機構は、関連する印刷機ノズルの出口に配置されるか、又は、出口より上流に配置され得る。さらに、幾つかの実施形態では、切断機構は、コア材料のための供給機構とノズルの出口との間に配置される。しかし、特定の構成及び配置に関しては、切断機構は、三次元印刷システムが所望の長さの材料を特定の位置において所望の方向に迅速且つ容易に堆積させることを可能にする。対照的に、切断機構を含まないシステムは、材料が使い尽くされるか手動で切断されるまで、材料を連続的に堆積させる。このことは、連続コアを含む材料を特定の方向に堆積させる能力だけでなく、製造され得る部品の複雑さも印刷プロセスの速度も制限する。実施形態に応じて、切断機構は、ノズルを閉塞するか、又は、供給機構が切断機構より下流の材料の部分に力若しくは圧力を印加するのを防ぐことにより、印刷機の供給を中断することもできる。幾つかの場合では三次元印刷機に切断機構を含むことが望ましくあり得るが、本開示はこの様式において限定されるものではないので、本明細書で説明される実施形態は切断機構を含んでも含まなくても使用され得ることが、理解されるべきである。さらに、切断機構は、連続コアを含まない実施形態にも使用され得る。
【００２９】
本明細書で説明される実質的に空隙を含まない材料は、あらゆる方法で製造され得ることが、理解されるべきである。しかし、一実施形態では、材料は、材料の形成中に様々な方向に変動する圧力及び/又は力を印加することによって形成される。例えば、一実施形態では、ポリマー又は樹脂の複数のストランドと、複数の強化用繊維を含むコアとが、システムへの供給に先立って混合される。次いでシステムは、所望のポリマー樹脂の粘度まで材料を加熱し、混合されたトウプレグに対して交互方向に変動する圧力及び/又は力を印加して、トウプレグの繊維にポリマー又は樹脂を完全に含浸させることを促進するのに役立つ。これは、グリーントウプレグが通過する複数の屈曲部を含む円滑な遠回り経路を使用して達成することができ、この円滑な遠回り経路は、トウプレグがシステムを通過するときにその方向を変化させる複数のオフセットローラに相当し得る。トウプレグがこの遠回り経路を通過するときに、変動する力及び圧力は、ポリマーをコアに完全に含浸させて実質的に空隙を含まない材料を形成するのに役立つ。強化用繊維及びポリマー樹脂の別個のストランドを含む混合されたトウプレグについて上述されたが、固体コア及び/若しくは複数の強化用繊維がポリマー粒子と混合されるか又は液体ポリマー若しくは樹脂に浸漬されて次いで上記のプロセスにかけられる実施形態もまた、意図されている。上記に加えて、コアへのポリマーの含浸の後、実質的に空隙を含まない材料は、所望の形状を提供するために、整形ノズルを通して供給され得る。ノズルは、円、楕円、正方形、又は任意の他の所望の形状を含む、任意の適切な形状とすることができる。連続コアについて上述されたが、半連続コアが使用される実施形態もまた、意図されている。さらに、この形成プロセスは、周囲条件の下で行われるか、又は、実質的に空隙を含まない材料内の空隙の存在をさらに排除するために、真空下で行われ得る。
【００３０】
幾つかの実施形態では、上述の実質的に空隙を含まない材料に相当するトウプレグ上に滑らかな外側被覆を与えることが望ましくあり得る。そのような実施形態では、上述のように形成された又は任意の他の適切なプロセスで形成された実質的に空隙を含まない材料が、適切に成形されたノズルを通じてポリマーと共押出しされる。実質的に空隙を含まない材料とポリマーとがノズルを通して押出されるにつれて、ポリマーは、実質的に空隙を含まない材料の周りに滑らかな外側被覆を形成する。
【００３１】
目下説明中の三次元印刷プロセスに使用される材料は、任意の適切な材料の組合せを取り入れることができる。例えば、適切な樹脂及びポリマーには、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、エポキシ、ビニル、ナイロン、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアクチック酸(Polyactic Acid、PLA)、液晶ポリマー、及び様々な他の熱可塑性プラスチックが含まれるが、これらに限定されない。コアもまた、任意の所望の特性を提供するように選択され得る。適切なコアフィラメントは、構造特性、伝導(電気的及び/又は熱的)特性、絶縁(電気的及び/又は熱的)特性、光及び/又は流体の輸送特性などの所望の特性を付与する材料を含む。そのような材料には、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、金属(銅、銀、金、錫、鋼など)、光学繊維、及び可撓性チューブが含まれるが、これらに限定されない。コアフィラメントは任意の適切なサイズで提供され得ることが、理解されるべきである。さらに、電気的特性及び光学的特性の両方の特性などの複数の機能を提供するために、単一の連続コア強化フィラメントに複数のタイプの連続コアが使用され得る。コア強化フィラメントに複数の特性を与えるために単一の材料が使用され得ることも理解されるべきである。例えば、構造特性及び導電特性の両方を提供するために、鋼コアが使用され得る。
【００３２】
幾つかの実施形態では、コア強化フィラメントの材料を選択することに加えて、部品の異なるセクションに異なる特性を提供するために、異なる樹脂対強化用コア比を有するコア強化フィラメントを使用する能力を提供することが望ましい。例えば、強度重量比を最大限に高めるために、低樹脂充填剤が部品の内部構造に使用され得る(例えば、断面積で20%の樹脂)。しかし、部品の外側の装飾表面上には、下層のコア又はコアの個々の繊維ストランドの起こり得るプリントスルーを防ぐために、より高い、90%の樹脂消耗材料が使用され得る。さらに、幾つかの実施形態では、消耗材料は、繊維含有物を有さずに、全く樹脂のみとされ得る。したがって、任意の適切な比率の樹脂が使用され得ることが、理解されるべきである。
【００３３】
コア強化フィラメントはまた、様々なサイズで提供され得る。例えば、連続又は半連続のコア強化フィラメントが、約0.001インチ以上、約0.4インチ以下の外径を有し得る。一つの特定の実施形態では、フィラメントは、約0.010インチ以上、約0.030インチ以下である。幾つかの実施形態では、コア強化フィラメントがその長さに沿って実質的に一定の外径を含むことも望ましい。個々の実施形態に応じて、コア強化フィラメントの外径に関して様々な滑らかさ及び公差が使用され得る。理論に拘束されることを望むものではないが、一定の外径は、一定の材料の流速及び最終的な部品における一様な特性を提供するのに役立ち得る。
【００３４】
以下でより詳細に説明されるように、電気的、光学的、及び/又は流体的に伝導性のあるコアを構造物内に選択的に印刷する能力により、構造物における所望の構成要素の構成が可能になる。例えば、電気的及び光学的に伝導性のある連続コアは、歪みゲージ、光学センサ、トレース、アンテナ、配線、及び他の適切な構成要素を構成するのに使用することができる。流体伝導性のあるコアもまた、流体チャネルや熱交換器などの構成要素を形成するために使用することができる。構造物の上又は中に機能的な構成要素を形成する能力は、複数の便益を提供する。例えば、説明された三次元印刷プロセス及び装置は、幾つか例を挙げると、構造物に一体に形成されたプリント回路基板、車のシャーシ又は航空機の胴体に一体に形成された配線及びセンサ、並びに一体に形成された配線を含むモータコアを製造するために使用することができる。
【００３５】
ここで図面を参照すると、開示された材料及び三次元印刷プロセスの特定の実施形態が記載されている。
【００３６】
図1は、構造物を作成するために複合材料の連続ストランドを使用する三次元印刷機の一実施形態を示す。示された実施形態では、複合材料の連続ストランドは、連続コア強化フィラメント2である。連続コア強化フィラメント2は、実質的に空隙を含まず、且つ、内部の連続コア6を被覆又は含浸するポリマー4を含む、トウプレグである。個々の実施形態に応じて、コア6は、固体コアとされるか、又は、複数のストランドを含むマルチフィラメントコアとされ得る。
【００３７】
連続コア強化フィラメント2は、押出しノズル10などの加熱ノズルを通して供給される。連続コア強化フィラメントは、押出しノズルを通して供給されるときに、予め選択された押出し温度に加熱される。この温度は、押出し材料の粘度、押出し材料の下位層への接合、及び得られる表面の仕上がりを含むがこれらに限定されない、任意の数の得られる特性をもたらすように選択され得る。押出し温度は任意の適切な温度とされ得るが、一実施形態では、押出し温度は、ポリマー4の融解温度よりも高いが、樹脂の熱分解温度及びコア6の融解又は熱分解温度よりも低い。ノズルを加熱するために、バンド加熱器又はコイル加熱器などの任意の適切な加熱器が用いられ得る。
【００３８】
加熱押出しノズル10において加熱された後、連続コア強化フィラメント2は、連続する層14を作成して最終的な三次元構造物を形成するために、作成プラテン16上に押し出される。堆積プロセス中の作成プラテン16に対する加熱押出しノズル10の位置は、任意の適切な方法で制御され得る。例えば、作成プラテン16の位置及び配向、又は加熱押出しノズル10の位置及び配向は、所望の位置及び方向に連続コア強化フィラメント2を堆積させるための制御装置20によって制御され得るが、本開示はいかなる特定の制御法にも限定されるものではない。また、ノズル又は作成プラテンのいずれかを制御するために、ガントリーシステム、ロボットアーム、Hフレーム、及び他の適切な移動システムを含む、任意の適切な移動機構が使用され得る。システムはまた、作成プラテン及び/又は作り上げられている部品に対する加熱押出しノズルの位置及び移動を監視するために、任意の適切な位置及び変位センサを含み得る。これらのセンサは、検知した位置及び移動の情報を制御装置20に伝えることができる。制御装置20は、加熱押出しヘッド又はプラテンの次の移動を制御するために、検知されたX、Y、及び/又はZ位置並びに移動の情報を使用することができる。例えば、システムは、距離計、変位変換器、距離積算器、加速度計、及び/又は作成プラテンに対する加熱押出しノズルの位置若しくは移動の検出が可能な任意の他の検知システムを含み得る。一つの特定の実施形態では、また図に示されるように、ノズルのZ高さ、又は必要とされる充填体積を補正して所望の堆積輪郭に適合させるために、レーザ距離計15、又は他の適切なセンサが、加熱押出しノズルに先立ってセクションを走査するために使用される。この測定はまた、部品に検出された空隙を埋めるために使用され得る。さらに、距離計15、又は別の距離計が、材料が押出された後の部品を測定して堆積材料の深さ及び位置を確認するために使用され得る。
【００３９】
実施形態に応じて、三次元印刷機は、切断機構8を含む。切断機構8は有利には、手動で切断する必要性、又は以下でより詳細に説明されるような尾の形成を伴わずに、連続コア強化フィラメントを印刷プロセス中に自動で切断可能にする。連続コア強化フィラメントを堆積プロセス中に切断することにより、構造物上に別個の特徴及び構成要素を形成すること、並びに複数のセクション及び層における堆積材料の方向性を制御することが可能になり、それにより、以下でより詳細に説明されるような複数の便益がもたらされる。図示された実施形態では、切断機構8は、ノズル出口に設置された受板12に付随する切刃であるが、他の場所も可能である。切刃を含む切断機構の一実施形態が示されているが、レーザ、高圧空気、高圧流体、剪断機構、又は任意の他の適切な切断機構を含むがこれらに限定されない、以下でより詳細に説明されるような他のタイプの切断機構も使用可能である。さらに、三次元印刷機で使用される特定の供給材料ために、特定の切断機構が適切に選択され得る。
【００４０】
図1はまた、幾つかの実施形態において三次元印刷機に対して使用される、複数の任意選択の二次印刷ヘッド18を示す。三次元印刷された部品の表面上にインク又は他の適切な任意選択の被覆を堆積するために、二次印刷ヘッド18が使用され得る。一実施形態では、二次印刷ヘッドは、既存のインクジェットプリンタに似ている。そのような印刷ヘッドは、製造プロセス中に部品上に写真品質の絵柄及び画像を印刷するために使用され得る。印刷ヘッドは、そのような印刷プロセスに対してUV抵抗性樹脂を使用し得る。或いは、印刷ヘッドは、部品上に保護被覆を印刷するために使用され得る。例えば、印刷ヘッドは、UV抵抗性又は耐ひっかき性の被覆を提供するために使用され得る。
【００４１】
図2は、図1に示されたシステム及び制御装置を使用する三次元印刷プロセスの概略的な流れ図を提示する。最初に、102において連続コア強化フィラメントが用意される。次いで104及び106において、連続コア強化フィラメントは、加熱押出しノズルに送り込まれて、樹脂の融解温度よりも高く連続コアの融解温度よりも低い所望の温度まで加熱される。次いで108において、三次元印刷機は、作成プラテン又は部品に対する加熱押出しノズルの位置及び移動を検知する。加熱押出しノズルの位置及び移動の検出の後、110において、ノズルが所望の位置まで移動され、連続コア強化フィラメントが所望の位置に所望の経路及び方向に沿って押し出される。作成プラテン又は部品がノズルに対して移動される実施形態も想定されている。所望の終端点に達した後、112において連続コア強化フィラメントが切断される。次いで制御装置は、三次元部品が完成したかどうかを判定することができる。印刷プロセスが完了していない場合、制御装置は、次の連続コア強化フィラメントの部分を堆積させる前に、108に戻り、その間にノズルの現在の位置及び移動を検知することができる。部品が完成していた場合、最終的な部品を作成プラテンから取り外すことができる。或いは、最終的な部品に保護被覆を提供し且つ/又は図形若しくは画像を付与するために、116において二次印刷ヘッドを使用して部品上に任意選択の被覆を堆積させることができる。上述の諸ステップは上記で提示された順序とは異なる順序で行われてもよいことが、理解されるべきである。さらに、本開示は図2に示されたプロセスのみに限定されるものではないので、幾つかの実施形態では、追加的なステップが使用及び/又は省略され得る。
【００４２】
図3A〜3Eは、連続コア強化フィラメント2のコア構成の様々な実施形態を示す。特定のコアの構成に加えて、材料は実質的に空隙を含まないように処理されるが、これは、個々の層の結合、及び得られる最終的な構造の強度の両方に役立つ。
【００４３】
図3A及び3Bは、周囲のポリマー4又は樹脂に包まれた固体コア6aを含む連続コア強化フィラメントの断面を示す。ポリマー内、又はポリマーと固体コアとの間のどちらにも、空隙は実質的に存在しない。図3Aは、ポリマーの方に大きい比率を持つ断面を含む連続コア強化フィラメントを示す。図3Bは、より大きい固体コアを含みそれに応じて強化用コア材料の方に大きい比率を持つ断面を示す。任意の適切なポリマー面積に対する連続コア面積の割合が使用され得ることが、理解されるべきである。さらに、理論に拘束されることを望むものではないが、ポリマーの方に大きい比率を持つ材料は、より滑らかな表面仕上げと、より良好な各層間の接着とをもたらすことができる。反対に、連続コアフィラメントの方に大きい比率を持つ材料は、繊維材料が複合材料の強度の大部分を成し且つより大きい割合で存在するので、最終的に構成される構成要素の強度重量比を高めるために使用され得る。より大きいコアはまた、堆積される材料の伝導性を高めるために大きいコアを有することが望ましい場合があるので、コアが銅又は別の適切な電気的若しくは光学的に伝導性の材料で作られるときに有利であり得る。
【００４４】
図3C及び3Dは、連続コア強化フィラメント2のコア材料が、ポリマー4に取り囲まれ且つ含浸された連続マルチフィラメントコア材料6bである、さらに別の実施形態を示し、ポリマー4は、マルチフィラメントコアの断面に染み込まされている。図3Cは、ポリマー4に取り囲まれ且つ含浸された、より小さい比率のマルチフィラメントコア材料6bを示す。図3Dは、マルチフィラメントコア材料が断面全体をほぼ埋めるように非常に少量の樹脂と大きい比率のマルチフィラメントコア材料6bとを含む実施形態を示す。そのような実施形態では、ポリマー4は、マルチフィラメントコア材料6bをまとめるためにマルチフィラメントコア材料6bに含浸される結合剤として、より機能する。上述の固体コアと同様に、得られる連続コア強化フィラメント2に選択された強度、表面仕上げ、伝導性、接着力、又は他の所望の特性を与えるために、任意の適切なマルチフィラメントコア材料に対する樹脂の比率が使用され得る。
【００４５】
図3Eは、連続マルチフィラメントコアの一変形形態を示す。この実施形態では、連続コア強化フィラメント2は、ポリマー4に取り囲まれ且つ含浸された連続マルチフィラメントコア材料6bを依然として含む。しかし、コアはまた、一つ以上の二次的なコア材料のストランド6c及び6dを含む。これらの二次的なコア材料は、光学的に伝導性のもの、電気的に伝導性のもの、熱的に伝導性のもの、流体的に伝導性のもの、又は上記のうちの幾つかの組合せとされ得る。これらの二次的なコア材料は、電力、信号、熱、及び流体を伝導するため、並びに構造健全性監視及び他の所望の機能のために使用され得る。
【００４６】
上述のコア強化フィラメント2内に空隙を作るのを避けるために、ポリマー材料は、材料の初期製造中に溶融ポリマー又はポリマー樹脂が強化用繊維に染み込むように処理される。幾つかの実施形態では、ポリマーは、実質的にマルチフィラメントコアの断面全体に染み込まされ、それが実質的に空隙を含まない材料を提供するのに役立つ。所望のコア強化フィラメントを製造するために、コア強化フィラメントは、表面を活性化させるための一種以上の被覆剤で前処理され、続いて、いかなる空隙も形成することなしにポリマー又は樹脂がマルチフィラメントコアの断面に染み込むのを助長するために、温度、圧力などの一種以上の周囲条件、及び/又は可塑剤などの化学剤にさらされ得る。幾つかの実施形態では、このプロセスは、三次元印刷機の供給ヘッドへの進入に先立って行われ得る。しかし、他の実施形態では、コア強化フィラメントは、印刷プロセスに先立って完全に別個の機械で形成され、消耗印刷材料として提供される。後続の堆積プロセスは、コア材料をポリマー又は樹脂で湿潤させるほどの高温で実行される必要はないので、堆積プロセスは、典型的なシステムで必要とされるのよりも低い温度及び圧力で実行することができる。上記のプロセスは固体のコアにもマルチフィラメントコアにも適用することができるが、空隙を形成することなくマルチフィラメントコアに染み込ませることに関する難しさのために、このプロセスをマルチフィラメントコアに適用することがより有益である。さらに、別々に又はノズルへの導入に先立ってコア強化フィラメントを形成することにより、材料の幅及び比率をしっかりと制御することができ、結果として、材料が三次元印刷機に送り込まれるときの材料の送り量がより一定になる。
【００４７】
実質的に空隙を含まずに形成された上記の材料とは異なり、従来技術は、樹脂又は溶融ポリマーに浸漬されており且つそれ自体も使用され得る押出しプロセス中にマルチフィラメントコアと一緒に染み込まされたフィラメントを強化するステップを含む「グリーン」堆積プロセスを用いてきた。これを行うために、樹脂又はポリマーは、樹脂又はポリマーが強化用繊維に染み込むのを可能にするために粘度が十分に低くなるように、実質的に融点を超えて加熱される。このプロセスは、材料に圧力を加えて強化用繊維への染み込みを促進するローラのセットによって支援され得る。しかし、ローラの配置、及びローラから出るときのトウプレグの温度により、このプロセスは通常、最終的な形成の前に材料内に空隙を作ることになる。樹脂又はポリマーが強化用繊維に染み込んだ後、得られる「トウプレグ」又は「トウ」は通常、押出しの前に融点のすぐ上の温度に冷却される。しかし、以下でより詳細に説明されるように、このプロセスは通常空気中で行われ、この空気は、材料がノズルに挿入されるときに材料内に存在する空気と結合し、結果として、材料に周囲空気が捕捉されることになる。
【００４８】
そのような典型的なトウプレグの押出し中の染み込みプロセスが、図4に示されている。図に示されるように、染み込み及び押出しプロセスに先立って、グリーントウプレグ22が、複数の強化用繊維28及び周囲の空気量24と混合された複数のグリーンマトリクス樹脂粒子又はフィラメント24を含む。図に示されるように、強化用繊維28は、断面にわたって不規則に分散される。トウプレグ22が押出しノズルの加熱ゾーン30を通過するときに、材料は、繊維の湿潤を生じさせ且つ硬化樹脂32を形成するように加熱される。周囲空気26もまた、トウプレグに捕捉されて気泡34を形成する。すると、これらの捕捉された気泡34は、得られる印刷部品に埋め込まれる。さらに、気泡34は、繊維の非結合部分36を生ずる可能性がある。強化用繊維のこれらの非結合部分はポリマーと接触していないので、得られる複合材料は、この部分が弱くなる。対照的に、図3A〜3Eに示された例示的な実施形態における連続コア強化フィラメントは、実質的に空隙を含まず、また、少なくとも幾つかの実施形態では、コアは、周囲の樹脂の内部で中央に配置される。理論に拘束されることを望むものではないが、これにより、材料及び得られる部品は、より強くより一様になる。
【００４９】
目下説明中の三次元印刷機システムは、本明細書で説明される予含浸された又は湿潤されたコア強化フィラメントの使用を第一に対象とするが、幾つかの実施形態では、三次元印刷機システムは、図4に示されたグリーン混合トウプレグ22に類似した材料を使用し得る。しかし、上記のように、ノズル内での材料の硬化中には、捕捉された気泡の形成を避けることが望ましい。堆積材料内での気泡の形成を避けるための実行可能な一つの方法は、ノズル内を真空状態にすることである。ノズル内を真空状態にすることにより、トウプレグがノズル内で加熱され硬化されるときにトウプレグ内に捕捉される空気がなくなる。したがって、幾つかの実施形態では、ノズルは、固体又はマルチフィラメントのコアを含む連続グリーン材料の真空下での導入を可能とするように構成される。次いで連続グリーン材料は、コアへの樹脂又はポリマーの染み込みを促進して実質的に空隙を含まない材料を製造するために、連続グリーン材料に含まれる樹脂又はポリマーの融解温度より高い適切な温度まで真空下で加熱され得る。別の方法は、閉じ込められた空気を機械的に追い出すためにオフセットローラ又は以下で説明されるような他の構成によって設けられ得る遠回り経路を使用することである。場合により、遠回り経路を介した機械的な気泡の除去と併せて、真空も適用され得る。
【００５０】
三次元部品を印刷するために使用される材料に加えて、コア強化フィラメントを堆積させるために使用される特定のノズルもまた、最終的な部品の特性に影響を与える。例えば、典型的な三次元印刷機で使用される押出しノズルの幾何形状は、先細ノズルであり、これは図5を参照されたい。典型的な三次元印刷機で使用される先細ノズルは、典型的には、直径が約0.060インチから0.120インチ(1.5mm〜3mm)の供給材料を有する。この材料は、典型的には約0.008インチから0.016インチ(0.2mm〜0.4mm)の先端開口部まで細くなっているノズルを通して圧搾される。しかし、そのようなノズルは、以下で説明される理由から、連続コアを含む供給材料と共に使用するのには望ましくない場合がある。
【００５１】
理論に拘束されることを望むものではないが、供給材料が先細ノズルに送り込まれるときに、拘束的な幾何形状により、流動的なポリマーマトリクス材料が連続コアと比べて加速される。さらに、マトリクス及びコアは一般に、異なる熱膨張係数を有する。マトリクス材料はポリマーであるので、一般により大きい熱膨張係数を有する。したがって、マトリクス材料が加熱されると、先細ノズルの限られた空間内でマトリクス材料がより大きく膨張することにより、マトリクス材料はやはり繊維に対して加速する。注記された繊維に対するマトリクス材料の加速は、結果として、ノズル入口近くでのマトリクス材料流速Vmatrixを繊維材料流速Vfiberよりも低くすることになる。しかし、出口でのマトリクス材料流速Vmatrix'は、繊維材料流速Vfiberに等しい。図に示されるように、こうした先細ノズル内でのマトリクス材料及び繊維の速度の不一致は、結果的に堆積プロセス中にノズル内に繊維を集めることになる。このことは、目詰まりだけでなく、堆積プロセスの一様性の制御の難しさをもたらし得る。先細ノズルに関する問題点が上述されたが、本開示はこの様式において限定されるものではないので、本明細書で説明される実施形態と共に先細ノズルが使用されてもよいことが、理解されるべきである。
【００５２】
上記のことを考慮すると、所与のマトリクス及びコアの組合せに対してノズル全体にわたってマルチフィラメントコア材料6b又は他の適切なコアの個々のストランドとポリマー4又は他のマトリクス材料との一致した速度を維持することが可能なノズル幾何形状を提供することが望ましい。例えば、図6Aは、マトリクス材料の熱膨張に適合する増大するノズル径を持つ末広ノズル200を示す。図に示されるように、ノズル200は、直径D1を持つ入口202、増大する直径を持つ区間204、及び直径D1より大きい直径D2を持つ出口206を含む。理論に拘束されることを望むものではないが、予想されるノズル内でのマトリクス材料の膨張にノズル径を適合させることにより、マトリクス及び連続コア強化材は、ノズル全体にわたって相互に関して実質的に同じ速度に保たれる。したがって、マトリクス材料及び連続コアの線形押出し速度は同一であり、また、連続コアはノズル内に蓄積しない。
【００５３】
上記のことに加えて、幾つかの実施形態では、マトリクス材料及び連続コアは、比較的低い熱膨張係数を有する(炭素繊維及び液晶ポリマーなど)。そのような実施形態では、マトリクス材料及び強化用繊維は実質的に同じサイズのままでいるので、ノズル200は、実質的に同一の直径D3を有する入口202及び出口206を含むことができ、図6Bを参照されたい。したがって、幾つかのノズルの設計は末広がりの幾何形状を有する場合があるが、幾つかの実施形態では、ノズル幾何形状は、実質的に線形とされる場合があり、また、実質的に類似した入口領域と押出し領域とを有することができる。
【００５４】
ノズルの入口及び出口の相対的なサイズを制御することに加えて、ノズル200は丸みを帯びたノズル出口208を含むこともでき、これは図6Cを参照されたい。丸みを帯びたノズル出口208は、任意の適切な形態及びサイズを有することができる。例えば、丸みを帯びたノズル出口208は、外方に延在する縁、面取り部、高縁、円弧、又はノズル出口からの滑らかな移行部を提供する任意の他の適切な幾何形状によって具現化され得る。理論に拘束されることを望むものではないが、ノズルの内腔からの滑らかな移行部を提供する丸みを帯びたノズル出口は、連続材料がノズル200から押出されるときに連続材料に過度の応力を印加すること及び/又は連続材料を削ることを避けるのに役立ち得る。丸みを帯びたノズル出口によって提供されるこの滑らかな移行部は、堆積中の連続コアフィラメントの破壊を回避するのに役立ち得る。
【００５５】
図7は、印刷ヘッド内に一体化されたカッタなしで連続コア強化フィラメントを印刷することに伴う潜在的な不利益を示す。図に示されるように、印刷ヘッド300が、部品302を形成しており、且つ、材料の層304の最後の部分を堆積させているところが示されている。熱溶解積層法(FDM)としても知られる典型的な熱溶解フィラメント製法(FFF)は、印刷ヘッドを下層部品の近くに置き、また、押出されたプラスチックの上部にしばしば触れるので、外付けの切断機構を導入する余裕はほとんどない。実際、厚さがほぼゼロの刃がなければ、印刷ヘッドは、別個の切断機構又は人物が連続コアを切断して印刷プロセスを終了できるようにするために、部品に指定されていない終端超過部分306を印刷する必要がある。しかし、これは、各繊維の終端点に不要な終端超過部分306を残す。図7に示されるように、ハード取付けボス308などの複数の内部特徴の全てが、ボス内の各層に終端超過部分306を有するであろう。上記のことを考慮すると、一体化された切断機構は、より少ない後プロセスを可能とすることができ、また、より小さく且つより少ない終端超過部分を持つ目的の部品を機械が簡単に印刷できるようにするであろう。さらに、幾つかの実施形態では、また、以下でより詳細に説明されるように、切断機構は、終端超過部分の存在を完全に排除することができる。
【００５６】
図8は、三次元印刷機と共に使用するための切断機構の二つの実施形態を示す。図に示されるように、他の適切なフィラメントを使用することもできるがこの実例では連続コア強化フィラメント2aである適切な供給材料が、スプール38から取り出されて、駆動ローラ40及び遊び車42などの供給機構に通される。駆動ローラ40、又は任意の他の適切な供給機構は、この実例では、連続コア強化フィラメント2aに下流方向に向けられた力を印加するように構成され且つ配置される。したがって、連続コア強化フィラメント2aは、この力が印加されるときには固体又は半固体の状態であるような温度でいることができる。例えば、力は、材料が室温、材料のガラス転移温度より低い温度、室温とガラス転移温度との間の温度、又は印加される力を材料が支持することが可能な任意の他の適切な温度であるときに、材料に印加され得る。印加された下流への力により、連続コア強化フィラメント2aは、加熱ノズル10に入りそこから押し出されて、三次元部品を作り上げることになる。駆動ローラが示されたが、任意の適切な供給機構が使用されてもよいことが理解されるべきである。
【００５７】
第1の実施形態では、刃などの切断機構8aが、加熱押出しノズル10の出口に位置決めされる。そのような構成は、切断機構の作動が内部の連続コアを切断することにより堆積ストリップを完全に切断することを可能にする。さらに、幾つかの実施形態では、ノズル圧力は、切断プロセスの間維持され、また、切断刃は、内部ストランドを切断するようにも、ノズル出口を物理的に閉塞することにより連続繊維強化材料のさらなる押出しと滴下とを防止するようにも作動される。したがって、切断機構は、従来の三次元印刷機と比較して精密に選択された長さで、連続コア強化フィラメント並びに非強化材料の堆積を可能にする。
【００５８】
同一のシステムと統合して示された第2の図示の実施形態では、切断機構8bが、ノズル出口より上流に配置される。より具体的には、切断機構8bは、ノズルの高温端部内か、又は連続コア強化フィラメントが加熱されるのに先立ってさらに上流に配置され得る。幾つかの実施形態では、切断機構8bは、ノズル出口と供給機構40との間に配置される。そのような実施形態は、切断機構がノズル出口と部品との間の空間に収められる必要がないので、ノズル出口と部品との間により小さい間隙を使用することを可能にすることができる。個々の位置に応じて、切断機構8bは、温度が融解温度又は軟化温度よりも低いときに、また、幾つかの実施形態ではガラス転移温度よりも低いときに、連続コアフィラメント及び周囲のマトリクスを切断することができる。理論に拘束されることを望むものではないが、連続コア強化フィラメントがポリマーの融解温度、軟化温度、及び/又はガラス転移温度より低いときに連続コア強化フィラメントを切断することにより、刃にくっつく樹脂の傾向を軽減することができ、それにより機械の詰まりを減少させることができる。さらに、樹脂又はポリマーが融点よりも低いときに切断することは、堆積材料のより精密な計量を可能にするのに役立ち得る。連続コア強化フィラメントに沿った切断の位置は、最終的な部品における終端超過部分の存在を排除するように選択することができ、それにより複数の個別的な特徴の形成を容易にすることができる。
【００５９】
図に示されるように、連続コア強化フィラメントの下流部分2bは、上流の切断機構8bにより連続コア強化フィラメントの上流部分2aから切り離され得る。供給材料とその供給材料が内部に存在する案内チューブとの間の静合を維持することにより、切断されたストランドの下流部分2bは、駆動ローラ40又は任意の他の適切な供給機構によって駆動される上流部分2aにより、なおも機械に押し通され得る。理論に拘束されることを望むものではないが、先に堆積され且つ冷却される材料はまた、先に堆積された層に付着され、且つ、印刷ヘッドが部品に対して移動されるときに連続コア強化フィラメント2bを加熱押出しノズル10から引きずり出し、それにより、切断されたストランドの下流部分内に位置する連続コアに力が印加される。したがって、供給機構からの上流の力と連続コアを通じて伝達される下流の力との組合せが、材料の切断部分を堆積させるのに使用され得る。この場合もやはり、連続コア強化フィラメントに沿った切断の位置は、最終的な部品における終端超過部分の存在を排除するように選択することができる。
【００６０】
一体化された切断機構を含む実施形態が上記で示されてきたが、本開示はこの様式において限定されるものではないので、切断機構を含まない実施形態も可能である。例えば、連続材料の終端が必要とされないような、隣接するストリングの形で部品が印刷される実施形態が使用され得る。一つのそのような実施形態では、三次元印刷機械は繊維の終結を達成することができない場合があり、したがって、部品が完成するか、材料が使い果たされるか、使用者が堆積材料を切断するまで、或る長さの材料を印刷する。
【００６１】
連続繊維強化材料の切断は終端超過部分の存在を排除するのに役立つが、一様な堆積を確実にすること及び機械の詰まりを防ぐことを支援するために、材料の座屈を防ぐことも望ましい。理論に拘束されることを望むものではないが、材料の剛性は、材料の直径の二乗に比例する。したがって、大きい直径を持つ連続材料は、ノズルの入口に送り込まれるのに、図に示されているほどの支持は必要としない。しかし、連続材料の直径が減少するにつれて、連続材料の座屈と連続材料の中に含まれる任意の連続コアフィラメントが座屈しないこととを確実にするために、追加の特徴が必要とされ得る。例えば、材料の座屈の防止を支援するために、以下でより詳細に説明されるような静合する案内チューブが、供給機構をノズルの入口又は案内チューブにより接近させて位置決めすることと併せて使用され得る。したがって、一実施形態では、供給機構は、案内チューブ又はノズルへの入口から直径の約20倍、10倍、8倍、6倍、5倍、4倍、3倍、2倍、1倍未満、任意の他の適切な距離に配置され得る。
【００６２】
座屈を防止することに加えて、幾つかの実施形態では、印刷された部品が対応する作成平面から引っ張り上げられるのを防ぐために、又は、連続コアの所望の量の緊張を提供するために、堆積強化用繊維に印加される最大限の張力若しくは引きずり力が制限される。力の制限は、あらゆる方法で提供され得る。例えば、引きずり力を制限するために、一方向ロッキング軸受が使用され得る。そのような実施形態では、駆動モータは、モータを回転させることにより駆動輪が駆動されて材料が押し出されるように、一方向ロッキング軸受を通じて駆動輪を回転させ得る。材料の引きずりが駆動輪の被動速度を超えると、一方向軸受は空転して、さらなる材料が供給機構及びノズルを通して引っ張られるようにし、それにより、効果的に供給速度を高めてヘッド移動速度と適合させ、それと同時に、駆動力が予め選択された限界以下になるように、駆動力を制限する。引きずり力はまた、相応の内蔵スリップを含むクラッチを使用して制限され得る。或いは、別の実施形態では、駆動輪並びに遊び車の垂直力及び摩擦係数は、特定の引きずり力を超えて連続材料が供給機構を通して引っ張られることを可能にするように選択され得る。力を制限する他の方法も使用可能である。さらに別の実施形態では、フィラメントが印刷機から引っ張られることを可能にするために、AC誘導モータ、又は、「オフ」位置に切り替えられる(これは例えば、実施形態に応じて、モータ端子に印加される小さな抵抗か又はモータ端子を開放することに相当し得る)DCモータが使用され得る。そのような実施形態では、モータは、所望の力の閾値を上回る引きずり力が印加されたときに惰性で回ることが可能とされて、フィラメントを印刷機から引き出せるようにすることができる。上記のことを考慮すると、フィラメントに印加される引きずり力が所望の力の閾値を上回るときにフィラメントが印刷機ノズルから引き出され得るような何らかの形態又は様式で、供給機構が構成される。さらに、幾つかの実施形態では、供給機構が、堆積速度、印刷機ヘッド速度、及び/又はフィラメントの緊張に基づく他の適切な制御パラメータのいずれかのフィードバック制御を提供するために、センサ及び制御装置のループを組み込み得る。
【００６３】
上述のようなフィラメントを印刷機ノズルから引き出すことを可能にするように構成された印刷機システムは、あらゆる方法で使用され得る。しかし、一実施形態では、印刷システムは、真っ直ぐな印刷セクションに沿ってフィラメントを印刷機ノズルから引きずり出す。そのような動作の間、印刷機ヘッドは所望の速度で移動されることができ、先の層又は印刷表面に付着される堆積材料は、印刷ノズル内のフィラメントに引きずり力を加える。したがって、フィラメントは、印刷システムから引き出されて、部品上に堆積される。湾曲部及び/又は隅部に沿った印刷の場合、印刷システムは、部品又は表面上に堆積フィラメントを押出し且つ/又は押し進める。当然ながら、動作中にフィラメントが印刷システムから引きずり出されない実施形態、並びに/又は湾曲部及び/若しくは隅部の印刷の際にフィラメントが印刷機ヘッドから引きずり出される実施形態も意図されている。
【００６４】
連続コア強化フィラメントを使用する目下説明中の三次元印刷法はまた、これまで三次元印刷機では架橋することができなかった大きなエアギャップの架橋を可能にする。理論に拘束されることを望むものではないが、非溶解の即ち固体の連続コアを含む緊張した連続コア強化フィラメントの堆積は、堆積材料が一方の端部では印刷ヘッドによって保持され他方の端部では印刷部品に付着されることを可能にする。次いで印刷ヘッドは、材料が垂れ下がることなしに、開いたギャップを横断することができる。したがって、印刷機は自由空間に印刷することができ、それにより、印刷機がギャップを飛び越えて、基本的に二点間に橋を印刷することが可能になる。これにより、可溶性の支持材料を使用することなしに、中空の構成要素を構成することが可能になる。
【００６５】
図8は、連続コア強化フィラメントによって可能とされる自由空間印刷を示す。位置44において部品に付着され且つ位置46において印刷ヘッドに保持されている連続コア強化フィラメント2bにより、ギャップ48に架橋することが可能になる。典型的なFFF印刷機では、押出し材料は、溶解しており且つ支持されていないので、垂れ下がってギャップ48に落ちることになる。しかし、非溶解材料の連続コアに溶解ポリマーを支持させることにより、自由空間での印刷が可能になり、多くの新しいタイプの印刷が有利に可能になる。例えば、ギャップ48に架橋し且つ対向する部分52及び54に固定される部分50により、図9に示された閉断面の箱が形成される。この実例は閉断面の橋を示すが、自由空間印刷は、典型的な非支持材料では印刷することができない片持ち梁及び非支持梁を製造するためにも使用することができる。
【００６６】
幾つかの実施形態では、コアを取り囲むポリマー材料を凝固させることにより垂れ下がりをさらに防止するために、冷却空気の噴射などの冷却機構が押出し材料に適用され得る。押出し材料は、ギャップを越える部分を持つ構成要素の作成中に継続的に冷却され得る。或いは、幾つかの実施形態では、押出し材料は、ギャップを越えて押出されている間だけ冷却され得る。理論に拘束されることを望むものではないが、材料がギャップを越えている間だけ選択的に材料を冷却することは、堆積材料がより長い期間高温にあってそれにより隣接する層間の拡散及び結合が高められるので、先に堆積された材料の層とのより良好な接着をもたらし得る。
【００６７】
上述の実施形態では、印刷機によって必要とされたときに連続コアを選択的に切断するために、ノズルの上流に切断刃が配置される。その方法は効果的である一方で、トウプレグが切断機構とノズルとの間で正確に「間隙を飛び越え」ない可能性がある。したがって、少なくとも幾つかの実施形態では、切断ステップの後にコア材料を再スレッディングすることの信頼性を高めることが望ましい。
【００６８】
以下でより詳細に説明されるように、幾つかの実施形態では、切断機構が、切断動作の後の支持のない間隙を減らす又は排除するように設計される。そのような実施形態では、チューブ形状の剪断カッタが使用され得る。以下でより詳細に説明されるように、トウプレグは、相互にすり動いてトウプレグを切断する、二つの交差するチューブの中に収容される。そのような実施形態では、相互に傾けられる二つのチューブの運動に対応するのに十分な間隙が存在する。チューブはその後、材料の供給を再開するために、整列するように戻される。この機構では、切断後にチューブが再び整列されるので、切断動作後に飛び越える間隙は、事実上存在しない。幾つかの実施形態では、切断動作に必要とされる間隙は、切断後に各案内チューブを軸方向に一緒に動かし、それにより間隙を排除し且つ繊維が間隙を飛び越えなければならなくなるのを防止することにより、減少又は排除される。他の実施形態では、また、以下でより詳細に説明されるように、切断機構は、間隙の必要性を排除するために、印刷機ヘッドノズルの先端に組み込まれ得る。
【００６９】
図10は、圧縮を基礎とした連続コア印刷ヘッドを示す。図に示されるように、入力材料は、張力を受けて供給ローラ40及び42に引き込まれる連続コアフィラメント2などのトウプレグである。連続コアフィラメント2の案内並びにローラ40及び42との位置合わせの維持を促進するために、幾つかの実施形態では、連続コアフィラメント2は、ローラの上流に位置決めされた案内チューブ74を通過する。ローラを通過した後、連続コアフィラメント2は、圧縮状態に置かれる。上記のように、圧縮下の材料の長さ、並びに印加される力の大きさによっては、連続コアフィラメント2は座屈し得る。したがって、幾つかの実施形態では、連続コアフィラメント2は、ローラの下流及びノズルの上流に位置決めされた静合案内チューブ72を通過する。案内チューブ72は、連続コアフィラメント2を案内し、且つ、連続コアフィラメント2の座屈を実質的に防ぐ。上記の実施形態と同様に、刃に対応する切断機構8が、案内チューブ72の下流に位置決めされる。印刷機ヘッド70と切断機構8との間に存在する間隙62は、図に示されている。連続コアフィラメント2が切断機構8によって切断されると、材料は、間隙62の一方の側から他方の側へと通過して受入チューブ64に入ることにより、「再スレッディング」される。幾つかの実施形態では、受入チューブ64は、全切断動作が固体材料内で生じるように、有利には材料のガラス転移温度を下回る。図示された実施形態では、受入チューブ64と熱溶解ノズル68との間に熱スペーサ66が配置される。熱スペーサ66は、熱溶解ノズル68から受入チューブ64への熱伝達を低下させる。前述の実施形態と同様に、連続コア材料2は、作成プレート16上に層14ごとに堆積される。図11は、上記の構成要素を含むシステムの写真である。
【００７０】
幾つかの実施形態では、図10に示されたデバイスと共に使用されるフィラメントは、スプール76上に用意される。この形態で用意される場合、材料は予め形成され、実質的に固体であり、且つ、実質的に硬質である。例えば、予含浸されたコア強化フィラメントが用意され得る。材料はすでに形成されているので、未硬化樹脂を含み得る若しくは含み得ないグリーントウプレグの場合のように使用中に種々の構成要素に張り付く及び/又は層間剥離する可能性は低い。予め形成された状態でフィラメントを用意することにより、フィラメントは、より取り扱いやすいことに加えて、圧縮力に耐えることができる。このことは、システムのスレッディング中の取り扱いと、本明細書で説明されるような圧縮を基礎とした印刷機ヘッドを使用する堆積中の材料への圧縮力の印加の、両方を容易にする。
【００７１】
理論に拘束されることを望むものではないが、図10に示された間隙62を飛び越えることの難しさは、少数の重要な領域に起因する。再スレッディングする上での第1の難しさは、フィラメントは、スレッディングされて両端部が完全に支持され且つ拘束された後よりも、端部が支持されていないスレッディング中の方が本質的により柔軟であるという事実に起因する。より具体的には、曲げモードは、一次曲げモードに対応する上流側端部でのみ拘束されたフィラメントよりも本質的により堅く且つ曲げ及び座屈しづらい、再スレッディングされるときの二次のものである。さらに、フィラメントがスレッディングされた後、下流部分は、続いて流れる材料の全てをチューブ内に案内するように機能する。最後に、フィラメントを切断することが供給材料の変形をもたらし、それによりフィラメントと受入チューブ64との位置のずれが生じる場合がある。この位置のずれにより、切断の後でフィラメントが適切に受入チューブ64に送り込まれなくなる場合がある。この変形は、堅いマトリクス材料及び鋭い切断刃の使用を通じて最小限に抑えることができる。しかし、刃の摩耗、及び、様々なタイプの材料を使用したいという望みは、幾つかの用途においてはスレッディングの信頼性を高めるために異なる切断機構又は追加の特徴を使用することが望ましくあり得ることを意味する。
【００７２】
切断機構を過ぎたフィラメントのスレッディングの信頼性を高める方法が幾つかある。例えば、一実施形態では、間隙62は、刃の導入を可能にするために、選択的に拡大又は縮小される。そのような実施形態では、使用されていないときには、切断機構8は間隙62から外され、案内チューブ72は受入チューブ64の方へ移動される。これにより、再スレッディング中に間隙62が縮小され、また、幾つかの実施形態では間隙62が排除される。或いは、案内チューブ72は、間隙を縮小するために、案内チューブの一部分が受入チューブ64に向かって移動する一方で案内チューブの別の部分が所定の位置に固定されたままでいるように、入れ子式に構成され且つ配置され得る。別の実施形態では、再スレッディングの誤りは、軸方向下方に案内チューブ72へ向けられる、空気などの加圧流体の流れを使用して軽減される。加圧流体は、図に示されるように切断機構8において案内チューブ72から出る。理論に拘束されることを望むものではないが、連続コアフィラメント2又は他の適切な材料が間隙62を通して進められるときに、軸方向の流体流れは、流体流れ内で材料を中央に置き、したがって材料と受入端部16との位置合わせを支援する。そのような実施形態はまた、有利には、使用中に案内チューブ72を冷却するように機能し得る。このことは、高速印刷及び/又はより高い印刷温度を促進するのに役立ち得る。流体流れはまた、案内チューブを通る材料の摩擦を軽減するのに役立ち得る。
【００７３】
図12Aは、剪断機構の一実施形態を示す。剪断機構もまた、図10の間隙62を排除し、それによりスレッディングの信頼性が高められる。上記と同様に、連続フィラメント400が、駆動輪408により圧縮状態で進められて、静合案内チューブ420に受け入れられる。材料は、圧縮状態で上部剪断ブロックガイド406、下部剪断ヘッド402、及び加熱印刷ヘッド404に通される。上部剪断ブロック406及び下部剪断ヘッド402は、フィラメントに剪断力を印加してフィラメントを切断するように、相互に変位される。図には特定の実施形態が示されているが、材料に剪断力をもたらすことが可能な任意の構成が使用され得ることが、理解されるべきである。例えば、第1及び第2の剪断要素は、フィラメントを受け入れる形状及びサイズとなされた、位置合わせされたチャネルを含むことができる。次いで、第1及び/又は第2の剪断要素は、フィラメントを切断するために、第1及び第2の剪断要素に形成されたチャネルをずらしてフィラメントに剪断力を印加するように、相互に変位され得る。さらに、剪断機構は、印刷ヘッド内に配置され得るが、本開示はそのように限定されるものではないので、印刷ヘッドの上流に配置されてもよい。
【００７４】
図12Bは、剪断ヘッド402に対して平行移動された上部剪断ブロック406を示す。上記のように、上部剪断ブロックが剪断ヘッドに対して平行移動されると、フィラメントの部分422は、連続フィラメント400から剪断されて離される。単純な切断が望まれる場合、剪断ヘッド402は、上部切断ブロック406に対して元の位置に帰還することができる。提示された略図では、上部ブロックが移動する。しかし、個々の設計に応じて、どちらかのブロック、又は両方のブロックが移動してもよい。剪断及び帰還の動作は、最も単純な切断構成である。剪断及び帰還の後、フィラメント400の端部は、完全に案内チューブ内に拘束される。したがって、飛び越えるべき間隙は存在せず、それにより、部品の次の部分のためにフィラメントを前方に送ることの信頼性が高められる。
【００７５】
単純に材料の剪断を行うことに加えて、幾つかの実施形態では、複数のタイプの材料及び/又は動作を用いる印刷性能を提供することが望ましくあり得る。図12Aは、任意選択の割出しステーション414及び416を含むシステムの一実施形態を示す。剪断ヘッド402がどちらかのステーションに平行移動されたときに、複数の有益な動作が追加的に生じ得る。一実施形態では、ステーション416は、清掃ステーションであり且つ清掃用材料410を含み、清掃用材料410は、ノズルを清掃するために印刷ヘッド404を通して供給され得る。一実例では、材料は、黄銅、銅、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属である。これにより、供給材料よりも高い融解温度を有する材料でノズルを加熱して清掃することが可能になる。一実施形態では、印刷ヘッド404は、印刷清掃ステーション、例えば背面隅部又は他の適切な場所へ移動される。次いで印刷ヘッド404は加熱されて、ステーション416に割り出される。次いで清掃用材料410が、存在するいかなる障害物をも清掃するために、ノズルを通して供給される。次いで、上部剪断ブロック406及び下部剪断ヘッド402の剪断動作が、犠牲的な清掃用片を断ち切ってそれらがノズルに引き戻されるのを防止し、したがってノズルへの汚染物質の導入を防止することができる。しかし、幾つかの例では、清掃剤が周期的にノズルを通して押し下げられたり引き戻されたりされ得る。別の実施形態では、清掃ステーション416は、所望の清掃機能を実行するために、高圧の空気、液体、固体、ガス、プラズマ、溶剤等のような任意の数の清掃剤をノズルに押し通すために使用される。
【００７６】
上記のことに加えて、幾つかの実施形態では、三次元印刷システムはまた、異なる材料412に対応するステーション414を含む。個々の用途に応じて、第2の材料は、銅などの導電性材料、光学繊維などの光学的に伝導性の材料、第2のコア強化フィラメント、プラスチック、セラミックス、金属、流体処理用剤、ハンダ、ハンダペースト、エポキシとされ得るが、本開示はそのように限定されるものではないので、任意の他の所望の材料とすることができる。そのような実施形態では、印刷ノズル404は、他のステーションのうちの一つから、第2の材料412を堆積させるためのステーション414へ割り出される。第2の材料を使用する印刷機能が完了すると、印刷ノズル404は、ステーション414から所望のステーション及び対応する材料へ割り出される。
【００７７】
図13は、剪断ブロック内に形成された複数のノズル404及び424を含む剪断ブロック402を示す。一実施形態では、ノズル404は、ノズル424よりも大きい印刷口を有して、より大径のトウプレグ及び/又は純ポリマー材料がより急速な量で堆積されることを可能にする。別の実施形態では、第2のノズル424は、実質的にノズル404と同じである。したがって、第2のノズル424は、ノズル404が詰まった場合に自動的に切り替えられて使用され得る交換用ノズルとして使用することができる。追加的なノズルを有することは、特に無人での印刷(例えば、夜間)における機械のダウン時間を短縮するであろう。上記のことと同様に、第1及び第2のノズル404、424は、異なるステーション間で割り出され得る。
【００７８】
図14Aは、入口502及び出口504を含むノズル500を示す。ノズル出口504の幾何形状は、鋭い出口隅部を含む。幾つかの実施形態は出口に鋭い隅部を持つノズルを使用し得るが、鋭い隅部は、連続コア印刷において繊維の切断をもたらし得る。さらに、鋭い隅部は、金属コアのめっき、及びコアに組み込まれた光学繊維ケーブルに適用された処理を削り取る場合がある。したがって、幾つかの実施形態では、ノズルの出口に滑らかな移行部を設けることが望ましい。図14Bは、面取りしたノズル出口506を示し、この面取りしたノズル出口506は、試験において繊維の剪断を減少させた。滑らかに丸みを帯びたノズル出口508は、有利には、非溶解連続コアの剪断及び切断を減少させる。ノズルの出口における移行部の個々の設計は、面取り部の角度、高縁の角度及び程度、移行部の長さなどの態様、並びに使用される個々の材料に応じて変化する他の適切な検討事項を含むことが、認識されるべきである。例えば、ケブラーは極めて摩耗に強いが、ガラス繊維は弱い。したがって、ケブラーには45度の面取り部を含むノズルで十分とされ得るが、このノズルはガラス繊維と一緒に使用すると、ストランドを破損することになり得る。しかし、追加的な面取り部、又は他の特徴を使用することにより、印刷中のガラス繊維コアの破損を排除することが可能になる。
【００７９】
図に示されるように、ノズル出口の幾何形状506及び508は、垂直面から水平面への滑らかな移行部を提供して、コア材料を誤って切断することを回避する。しかし、幾つかの実施形態では、フィラメントを切断するために連続コアを断ち切ることが望ましくあり得る。ノズル500の先端において連続コアを断ち切る一つの方法は、矢印210で示されるように、ノズルを垂直のZ方向に押し下げることである。図14Cに示されるように、幾つかの実施形態では、ノズル出口508の隅部は、出口が材料に衝突して材料を通過するときに出口が連続コアを断ち切れるようにするために、鋭くされてZ方向に向けられる。そのような方法を使用する材料の切断を促進するために、材料を緊張状態に置くことが望ましくあり得る。この緊張は、例えば供給機構を使用して材料のしっかりした保持を提供すること、供給機構を逆進させること、及び/又は印刷ヘッドを移動させることを含む、あらゆる方法で提供することができる。或いは、ノズル500は、材料をノズル出口の縁に対して引っ張って切断するために、供給機構が逆転されている間、固定されたままとされ得る。別の実施形態では、切断は、供給せずに印刷ヘッドを前進させてコアが断ち切られるまで緊張を高めることによりストランドがノズルから出てくる端点においてストランドを単純に「破壊する」ことによって、達成され得る。これは通常、ノズル出口の端点で生じる。この実施形態では、折衷的なノズル設計が選択され得る。ノズル出口の幾何形状は、切断を強化するために僅かに鋭くされ得る。
【００８０】
別の実施形態では、ノズルの一部分が、ノズルを通じた材料出力の切断を支援するために、鋭くされ且つノズル出口の内側に向けられ得る。図15A〜15Dに示されるように、ノズル600が、面取り型ノズルから出てくる連続コアフィラメント2又は他の適切な材料を収容する。図に示されるように、ノズル600は、滑らかに面取りされている。さらに、ノズル600は、ノズルの末端出口に配置されたリング602を含む。リング602の大部分は、リングの非切断部分であって、ノズルから出力されている材料に干渉しないように成形され且つ配置される。しかし、リング602はまた、ノズル600内に収容された材料に向かって鋭くされ且つ内側に向けられた切断部分602aを含み、これは図15B〜15Dを参照されたい。個々の実施形態にもよるが、切断部分602aは、鋭い切断刃である。切断部分は、刃物鋼、ステンレス、カーバイド、セラミックス、又は任意の適切な材料で作られ得る。図15Dに示されるように、幾つかの実施形態では、切断部分602aは、ノズル出口領域のうちの僅かな部分を占める。そのような実施形態では、切断部分602aは、ノズル出口内の指示された位置に恒久的に取り付けられてもよく、又は、本開示はそのように限定されるものではないので、印刷プロセス中には選択的に引っ込められ、印刷材料を切断することが望まれたときには選択的に切断位置に展開されてもよい。或いは、他の実施形態では、切断部分602aは、通常動作中にはノズルから出てくる材料に衝突しないように、ノズル出口の周辺部に埋め込まれる。例えば、切断部分602aは、図15Cに示されるように、ノズル出口の周辺部の一部を形成することができる。ノズル出口に対する切断部分602aの他の構成も意図されている。さらに、切断部分602aは、ノズルに取り付けられるリングと統合されたものとして示されたが、切断部分がノズル出口と一緒に形成されるか又はノズル出口に直接取り付けられる実施形態も意図されている。
【００８１】
図15A〜15Dに示された実施形態に関して、ノズルから押出されている例えば連続コアフィラメント2などの材料の切断が望まれたときには、ノズルは表面上に構成されている部品に対して方向Dに平行移動されるが、これは図に示された矢印を参照されたい。この平行移動の間、連続コアフィラメント2はノズルから供給されない。したがって、連続コアフィラメント2、及びその中に含まれるコアは、所定の位置に効果的に保持される。これにより、周囲のポリマーマトリクス4を通って切断部分602aの方へ変位されるコア材料6に張力が印加されることになる。増していく張力が連続コアフィラメント2に印加されるにつれて、コア6は切断部分602aによって切り開かれる。或いは、幾つかの実施形態では、コア材料6に所望の張力を加えて切断動作を実行するために、表面及び/若しくは部品が本開示のようにノズルに対して平行移動されるか、又は、供給機構を使用して連続コアフィラメント2が引っ込められる。
【００８２】
特定のサイズを持つ固体コアが図に示されてきたが、本開示はそのように限定されるものではないことが理解されるべきである。むしろ、そのような切断機構は、固体コア、マルチフィラメントコア、連続コア、半連続コア、純ポリマー、又は任意の他の所望の材料と共に使用することができる。さらに、コア材料6は、図に示された材料の比率よりも大きい又は小さい比率に対応するように、任意の適切なサイズとすることができる。上記のことに加えて、光学繊維ケーブルなどの幾つかの材料の場合、切断部分602aがコア6の側面に小さな切り口を形成し、そしてノズルが部品に対してさらに平行移動することにより、切断が完了する。複合繊維などの他の材料に対しては、丸みを帯びたノズルの幾何形状により、コア6が上述のように張力下に置かれているときに、コア6が切断部分602aの方へ向けられることになる。したがって、結果として得られる切断部分に向かうコアの圧密(例えば圧縮)により、比較的小さい断面の刃による大きい繊維の切断が可能になる。さらに別の実施形態では、コア6は、固体金属製コアであるか、又は、複数の金属製ストランドを含む。例えば、コアは、銅から作られ得る。そのような実施形態では、切断部分106aは、コアの十分な緊張によりノズル出口においてコアストランドがちぎられるように、材料に十分な弱点を作り出す。この場合も先と同様に、コアを緊張させることは、部品に対するノズルの平行移動、材料の逆送り(backdriving)、又はそれらの組合せを介して達成され得る。
【００８３】
さらに別の実施形態では、切断部分602aは、コアを断ち切るためにコアを加熱する高温発熱体であり、幾つかの用途ではホットナイフと呼ばれる。例えば、発熱体は、融解温度、炭化温度、又は十分な張力でコアがちぎられ得るほどにコアの引張り強さが低下する温度まで、コアを加熱し得る。発熱体はコアを直接にも間接的にも加熱できることが、理解されるべきである。さらに、幾つかの実施形態では、発熱体は広帯域加熱器であり、そのため、発熱体は、コアを急速に加熱して断ち切り、そして印刷部品に有害な熱を与えることなしに急速に冷える。一つの特定の実施形態では、発熱体は、コア及び/又は周囲材料を加熱することが可能な適切な周波数で動作する、誘導発熱体である。そのような実施形態では、誘導加熱器は、コアを断ち切るために、コアを所望の温度まで加熱する。そのような実施形態は、多くの異なる材料と共に使用することができる。しかし、一実施形態では、銅などの金属製コアを含む連続コアフィラメントと共に誘導加熱器が使用される。誘導発熱体は、ストランドを断ち切るために金属製コアを直接加熱する。発熱体がコアを間接的に加熱する場合では、コアを断ち切る前に材料に張力を加えることが必要とされないことがある。代わりに、ノズル出口において材料をちぎるために、コアが断ち切られて続いてノズルが平行移動され得る。
【００８４】
図16は、ノズル先端を基礎とした切断機構の別の実施形態を提示し、示された実施形態では、ノズル600の遠位端部上に切断要素604が配置される。任意の適切な構成を使用することができるが、図示された実施形態では、切断リングが、図に示されるようにノズルの遠位端部の周りに配置される。切断リング604は、図に示される堆積された連続コアフィラメント2に向けられた鋭い縁部を含む。そのような実施形態では、切断要素604、又はそのサブセクションは、連続コアフィラメント2のコアを断ち切るために、堆積材料に向けて下方に作動される。別のバージョンでは、内部ノズル600は、切断要素604に対して上方に平行移動される。そのような実施形態では、押出しノズル600は、ばね懸架され得る。したがって、供給ヘッドを部品の中に押し進め、それにより内側の供給ヘッドを切断リングに対して押し下げて切断リングがコア材料を断ち切ることができるようにすることにより、切断が遂行され得る。いずれの場合でも、連続コアフィラメント2は切断要素604と接触し、コア材料6は断ち切られる。
【００８５】
幾つかの異なるタイプの切断機構が上述されたが、コア及び/又は周囲マトリクスを断ち切ることが可能な任意の適切な切断機構が使用され得ることが、理解されるべきである。したがって、本開示は、本明細書で説明された切断機構、並びにこれらの実施形態で説明された特定のコア材料及び構成だけに限定されるべきではない。
【００８６】
上記のように、張力を基礎とした三次元印刷システムは、平面の又は凸面の形状を作れないこと、並びに、最初及び個々の切断後に印刷材料をシステムにスレッディングすることに関連する難しさを含む、幾つかの限界を示す。対照的に、圧縮を基礎とした三次元印刷システムは、平面及び凸面の形状を作れること、並びに材料のスレッディングの改善を含む、複数の便益を提供する。しかし、本開示はそのように限定されるものではないので、上記のように、幾つかの動作モード及び/又は幾つかの実施形態では、材料はシステムにより張力下で堆積され得る。
【００８７】
図10を再度参照すると、三次元印刷システムが、印刷機ヘッド70に送り込まれる連続コアフィラメント2に圧縮力を印加することが可能なローラ40などの供給機構を含み得る。しかし、上記のように、トウプレグ、ストランド、繊維、又は他の類似の材料の圧縮力を使用した押出しは、座屈を生じさせ得る。したがって、材料が圧縮下にあるときに材料の座屈を防ぐことが望ましい。理論に拘束されることを望むものではないが、複合繊維は、マトリクスによって所定の位置に保持されるときのように所定の位置に拘束されると、信じられないほど堅くなる。しかし、複合繊維は、軸外方向外への移動が制限されていないときに、予含浸された形態で乾燥したときには、容易に屈曲される。したがって、幾つかの実施形態では、軸外方向外への材料の移動を制限することが望ましい。これはあらゆる方法で達成することができるが、一実施形態では、また、上記のように、一つ以上の静合案内チューブ72が、供給機構と受入チューブ64又はノズルの他の入口との間に配置される。繊維長に沿って配置された一つ以上の静合案内チューブ72は、座屈を防ぐのに役立つ。ローラ40などの供給機構と案内チューブ72の入口との間の距離は、同様に材料の座屈を実質的に回避するように選択され得る。幾つかの実施形態では、案内チューブは、それらの形状及びサイズが実質的に連続コアフィラメント2に一致するように、静合し且つ滑らかであることが望ましい。一つの特定の実施形態では、案内チューブは、円形のハイポダーミックチューブである。しかし、卵形、正方形、テープ様の材料、又は任意の他の適切な形状とされた材料を受け入れるためのサイズ及び形状となされた案内チューブを含む実施形態も意図されている。幾つかの実施形態では、また、以下でより詳細に説明されるように、連続コアフィラメント2は、コアが外側ジャケットから突き出る場合がある張力創傷システムとは対照的に、滑らかな外側被覆及び/又は表面を含み得る。この滑らかな外表面は、有利には、静合案内チューブ内の材料の摩擦を減らすことができる。
【００８８】
幾つかの実施形態では、三次元印刷システムは、案内チューブを含まない。代わりに、供給機構は、供給機構からノズルの入口までの連続コアフィラメント2の長さが座屈を避けるのに十分に短くなるように、受入チューブ64などのノズルの入口に十分に近接して配置され得る。そのような実施形態では、供給機構によって印加される力を、ノズルに送り込まれる連続コアフィラメント又は他の材料の予想座屈力若しくは圧力を下回る閾値に制限することが望ましくあり得る。
【００８９】
圧縮力を使用して材料を堆積させることに加えて、目下説明中の三次元印刷機はまた、最終的な部品の特性を向上させるために、圧密圧力と共に使用され得る。例えば、図17Aは、圧密力又は圧力62を印加されながら印刷機ヘッド60から押し出される、連続コア強化フィラメント2などの複合材料を示す。圧密圧力は、初期形状を持つ初期の連続コア強化フィラメント2a(図17Bを参照されたい)を、先行する下方の層内に、また、第2の圧縮形状(図17Cを参照されたい)に圧縮する。圧縮された連続コア強化フィラメント2bは、同じ層上の隣接するストランド2cに広がり、且つ、下層の材料のストランド2d内に圧縮される。このタイプの圧密は、通常、圧力板又は真空バッグステップを通じて複合材で達成され、強化用繊維間の距離を短縮し、且つ、得られる部品の強度を高める。印刷機ヘッド70は、堆積材料に直接圧縮圧力を印加するのに使用することができるが、堆積材料を圧縮する他の方法も使用可能である。例えば、堆積材料は、ヘッドの後ろの付随圧力板を通じて印加される圧力、一度に層全体に圧縮圧力を印加する、部品全体にわたる全幅圧力板、及び/又は層内の樹脂をリフローし最終的な部品において所望の圧密量を得るように印加され得る熱を使用して、圧密され得る。
【００９０】
上記のように、また、図18Aを参照すると、熱溶解フィラメント製法(FFF)三次元印刷機で使用されるノズル700は、典型的には、固体の非溶融プラスチックが最初に入口702においてノズルに入りそして加熱ブロック704に入るときにそれを捕捉するために、ノズルの先端に狭窄部を用いる。収束ノズル出口706は、背圧又は減速力を印加し、それにより材料は、一度融解されたときにのみノズルを通過することが可能とされて、著しく小さい直径の出口706を通り抜けることができる。熱溶解フィラメント製法に関連する問題の一つは、材料を排出する手段を持たずに材料を捕捉する先細ノズルの設計により結果として生じる、印刷ヘッド(ノズル)の目詰まり及び閉塞である。さらに、劣化したプラスチックがノズル内に蓄積し、それが最終的にはノズルを目詰まりさせるか、押出される印刷ビードを変化させる。さらに、先細ノズルを清掃するために、供給されるフィラメントは、ノズルを通り、供給経路を汚染する可能性を持って、もとのフィラメントスプールへと逆向きに戻されなければならない。供給経路全体を通した逆進の後、汚染された供給材料の先端は供給スプールから切り離されなければならず、また、スプールは、機械に再スレッディングされなければならない。これらの理由から、大抵のFFF三次元印刷機のノズルは、一定間隔で交換される消耗品(wear item)と見なされる。
【００９１】
本発明者らは、先細ノズルに関連するこれらの限界を実感し、末広ノズルに関連する便益を認識した。末広ノズルでは、流入材料は、供給ゾーンから加熱溶解ゾーンに移行するにつれて膨張し、それにより、供給ゾーンに入ったいかなる粒子状物質も、より大きい加熱ゾーンから排出されることが可能になる。さらに、末広ノズルは、以下でより詳細に説明されるように、より清掃しやすく、また、ノズル全体を通して材料を引き抜くことに比べて材料がノズル出口を通じて除去される順方向送りの態様で材料を除去できるようにすることができる。
【００９２】
図18Bは、低温供給ゾーン712に流体連通された材料入口710を含むノズル708を示す。図示された実施形態では、入口710及び低温供給ゾーン712は、第1のサイズ及び形状を持つ空洞又はチャネルに相当する。低温供給ゾーン712は、加熱ゾーン714に流体連通されてその上部に配置される。内部に位置決めされたときのフィラメントの経路に対して直角な加熱ゾーン714内に示された空洞又はチャネルの断面積は、フィラメントの経路に対して直角な低温供給ゾーン712内に配置された空洞又はチャネルの断面積よりも大きい。さらに、幾つかの実施形態では、フィラメントの経路に対して直角なノズル出口の断面積は、ノズル入口のフィラメントの経路に対して直角な断面積よりも大きい。ノズルはまた、ノズル出口716を含む。使用中、材料は、ノズル入口710から低温供給ゾーン712を通過して加熱ゾーン714に入る。次いで材料は、ノズル出口716から出力される。幾つかの実施形態では、低温供給ゾーン712は、加熱ゾーン714の材料よりも熱伝導性に劣る材料で構成される。これにより、材料が軟化することなしに低温供給ゾーン712を通って加熱ゾーン714に入ることを可能にすることができる。一つの特定の実施形態では、ポリテトラフルオロエチレンなどの低摩擦供給チューブを使用することによって末広ノズルが形成され、この低摩擦供給チューブは、チューブより下流の加熱ゾーンの部分が覆われないように、ノズル内に配置されたより大きい直径の加熱ゾーンに送り込まれる。さらに、実施形態によっては、低温供給ゾーン及び加熱ゾーンのうちの一方又は両方が、ポリテトラフルオロエチレンなどの低摩擦材料で構成されるか被覆され得る。図には低温供給ゾーンと加熱ソーンとの間に鋭い移行部が示されているが、小さな入口から大きな出口まで緩やかな移行部が存在する末広ノズルの実施形態も意図されている。
【００９３】
FFFのありふれた故障モードのうちの一つは、いずれ起こる低温供給ゾーン内への融解ゾーンの変形上昇であり、「プラッギング」と呼ばれる。融解ゾーンがあまりにも高く供給ゾーンに入り込み、そして印刷中に冷えると、ヘッドが詰まる。末広ノズルを有することで、溶融プラスチックが小さいチャネルから末広ノズルのより大きい空洞へ運ばれることが可能になることにより、詰まりの可能性が著しく少なくなる。さらに、以下で説明されるように、末広ノズルは清掃も容易である。
【００９４】
図18Cは、加熱ゾーン714内に形成され取り除かれた栓718により末広ノズル708が閉塞されていた場合を示す。有利には、末広ノズルは、順方向送り清掃サイクルを使用して清掃することができる。一実施形態では、プラスチックが印刷床に付着するようにプラスチックの一部分を印刷床上に押出すことにより、順方向送り清掃サイクルが始まる。或いは、本開示はそのように限定されるものではないので、システムは、通常の作成プラットフォームから離れて印刷システムの後ろに配置された清掃領域上に、又は任意の他の適切な表面上に、材料を堆積させてもよい。表面への付着後、システムは、加熱ゾーン714内に配置された材料を材料の融解温度未満に冷却できるようにするために、冷却される。凝固の後、印刷床及びノズルは、ノズル708から栓718を取り出すために、相互に対して移動される。例えば、印刷床は、z方向において下げられ得る。或いは、ノズルを含む印刷機ヘッドが、垂直のz方向において印刷床から離れるように移動され得る。さらに、幾つかの実施形態では、供給材料に関連付けられた供給機構が、栓がノズルから引き出されるときに材料に追加的な力を印加するように駆動される。いずれにしても、栓はノズルから引き出され、有利にはそれまでに壁に張り付いた屑が除去され、また、供給材料をノズルから供給経路を通して引っ込めることなしに行われる。末広ノズルと共に任意の適切な材料を使用することができるが、幾つかの実施形態では、ナイロンを含む材料と共に末広ノズルが使用される。これは、ナイロンの熱膨張係数により冷却中に材料がノズルから離れる方向に僅かに引っ張れるので、また、ナイロンが低い摩擦係数を提示するので、有利であり得る。この場合も先と同様に、低温供給ゾーン及び加熱ゾーンのうちの一方又は両方にポリテトラフルオロエチレンを使用することは、ノズル内に形成された栓の容易な除去を促進することに役立ち得る。
【００９５】
栓を表面に付着させることにより末広ノズルが清掃される使用方法であるが、別の実施形態では、プラスチックの一部分を自由空気中に単純に押出すことにより、清掃サイクルが行われる。次いでプラスチックは、手によって除去されるか又は自動化されたプロセスを使用して除去される前に、冷却が可能とされ得る。材料が除去されると、その材料に付着したいかなる栓も除去される。
【００９６】
別の実施形態では、僅かに先細のノズルと共に、順方向送り清掃サイクルが使用される。例えば、60%以上の出口対入口比を持つ先細ノズルが使用され得るが、他の出口対入口比も使用可能である。そのようなノズルのための順方向押出し清掃方法は、溶融材料の一部分を押出すことを含み、また場合により、溶融材料の一部分を印刷床に付着させることを含む。次いで加熱ノズルは冷却される。冷却プロセス中、材料の放出部分は、加熱ゾーン内に位置する材料が延伸されそれにより材料の直径が減少するように、引っ張られる。材料は、加熱ゾーン内に位置する材料の直径がノズル出口の直径未満になるような程度まで延伸され得る。さらに、いったん材料が冷却すれば、さらに引っ張ることにより材料のポアソン比による直径の縮小が可能になり、それによりノズル内に位置する残余の除去がさらに促進される。幾つかの実施形態では、材料は、手又は他の外部手段により押出し材料に力を印加することによって延伸される。材料が表面に付着される他の実施形態では、印刷機ヘッド及び/又は表面は、材料に力を印加して所望の構造物を提供するために、上記のように相互に対して変位される。上記の方法は、順方向材料流れにより清掃されるべき僅かに先細のノズルの順方向送り清掃を可能にする。
【００９７】
末広ノズルについて上述されたが、FFF印刷のために直線ノズルが使用される実施形態も意図されている。図19Aは、ノズル出口722と実質的に同じサイズの入口724を含むノズル720を示す。連続コアフィラメント2などの材料が、低温供給ゾーン712を通って加熱ゾーン714に入る。一実施形態では、低温供給ゾーンは、ポリテトラフルオロエチレンなどの低い熱伝導係数を持つ材料から作られた低摩擦低温供給ゾーンである。それに対応して、加熱ゾーン714は、銅、ステンレス鋼、黄銅等のような、より熱伝導性のある材料から作られる。特定の構造にかかわらず、融解の後、連続コアフィラメント2は、作成プラテン16又は他の適切な表面上に堆積されてそれに付着される。直線ノズルは、理想的には、約0.001"から最大で0.2"程度の小径のフィラメントに適する。しかし、上記の直径よりも大きい直径を持つ材料も小さい直径を持つ材料も実質的に直線形のノズルと共に使用される実施形態もまた、意図されている。理論に拘束されることを望むものではないが、そうした小フィラメントに関連する低い熱質量は、フィラメントが急速に熱くなることを可能にする。さらに、小さな寸法により、これらの材料が印刷ヘッドに送り込まれるときと実質的に同じ寸法で押出されることが可能になる。末広ノズルと同様に、実質的に直線形のノズルは、冷却された栓を先端から取り除いてノズル内での粒子及び屑の集積を実質的に回避することを可能にする、順方向送り清掃サイクルの利点を提供する。
【００９８】
図19Aに記載されたものに類似したノズルはまた、典型的なグリーントウプレグ734と共に使用され得る。しかしこれは、グリーントウプレグを使用する典型的な三次元印刷システムと同様の目詰まりを生じさせる場合がある。目詰まりは、最初のスティッチング操作で可撓性の複合ストランドをノズルに「押し」通そうとすることによって生じるものである。図19Bは、グリーントウプレグを部品又は作成プレートに付着させるために最初のスティッチング操作中にグリーントウプレグがノズル720を通して出力されるときに起こることを示す。即ち、意図されたようにノズルに押し通される代わりに、グリーントウプレグ734内の個々の繊維は、ノズルの壁に張り付く傾向があり、736において相応に曲がって巻き上がり始める。言い換えれば、グリーンの又は可撓性のトウプレグ内に配置された可撓性繊維は、ノズル内で薄い層に裂けて詰まりやすい。可撓性材料には、二液性エポキシ又はレーザ硬化樹脂のための溶融熱可塑性プラスチック及び/若しくは未硬化プラスチックが含まれ得るが、これらに限定されるものではなく、他の可撓性材料も使用可能である。
【００９９】
上記のこととは対照的に、末広ノズル内での予含浸連続コアフィラメントに関連するスティッチング操作は、そのような制限を受けない。より具体的には、図19C〜19Eは、目詰まりが減少するか又は実質的に排除されるように末広ノズルを通して供給される硬質の予含浸連続コアフィラメントを使用したスティッチング方法を示す。図19Cは、低温供給ゾーン712内に配置された連続コアフィラメント2を示す。特定の実施形態によっては、材料は、加熱ゾーン714から約5インチ以上に配置される場合があるが、他の距離も意図されている。さらに、材料がより大きな熱容量及び/又は剛性を有する実施形態では、材料は、スティッチングに先立って材料の予熱を行うために、加熱ゾーン714により接近して配置され得る。マトリクスの融解温度を下回る低温供給ゾーン712内に配置されている間、連続コアフィラメント2は、実質的に固体で硬い状態のままである。連続コアフィラメント2は、印刷の直前までこの位置に維持される。印刷の時点で、連続コアフィラメント2は、ノズルを通して速やかにスティッチングされる、即ちノズル出口を通して移動されるが、これは図19Dを参照されたい。低温供給ゾーン712は、材料がスティッチングされるときに、加熱ゾーン714に該当するより大きな空洞に送り込むので、連続コアフィラメント2は、依然として低温供給ゾーンの出口に位置するフィラメントの部分により加熱ゾーン714の壁への接触が制約されるが、これは図19Dを参照されたい。速やかにスティッチングを行うことにより、マトリクスの融解を最小限に抑えて複合材料の剛性を維持することができる。材料の剛性を維持すること、及び、材料がスティッチングされるまで融解を防ぐことにより、ノズル内での繊維の剥離、巻き上がり、及び/又は目詰まりを防ぐことが可能になる。これにより、供給材料をより容易に熱溶解ゾーンに押し込んで通せるようにすることができる。幾つかの実施形態では、ノズルを冷却してノズルの側面への張り付きの可能性を減らすために、スティッチングの前及び/又はスティッチング中に圧縮空気の噴射がノズルを通して流され得る。さらに、やはりノズルの側面への張り付きの可能性を減らすために、ノズルの加熱ゾーン714の加熱が、スティッチングプロセス中に軽減又は排除され得る。
【０１００】
連続コアフィラメント2の供給が続くにつれて、連続コアフィラメント2は、最終的には作成プラテン16又は他の適切な表面に接触する。次いで連続コアフィラメント2は、作成プラテン16に対するノズルの運動により、表面にわたって引きずられる。これにより、連続コアフィラメント2は、図19Eに示されるように加熱ゾーン714の壁に接触することになる。或いは、印刷機ヘッドを平行移動させる代わりに、ノズルの長さよりも長い長さまで材料が駆動されてもよい。前の部品の層により又は印刷床によりノズルの出口が閉塞されると、材料は座屈して加熱ゾーン714の壁に接触する。用いられる特定の方法にかかわらず、加熱ゾーン714の壁に接触した後、連続コアフィラメント2は、所望の表面及び/又は先に堆積された下位層への堆積材料の融合を可能しそれにより三次元印刷を可能にする所望の堆積温度まで加熱される。例えば、印刷ヘッドの平行移動が始まると、マトリクス材料は、加熱ゾーンの壁に接触して、マトリクス材料の融解温度まで加熱される。上記の方法で操作されるシステムにより得られたスティッチング速度は、約2500mm/minから5000mm/minの間のスティッチング速度が可能であった。しかし、スティッチング速度は、ノズル加熱、マトリクス材料、他の適切な設計考慮点に基づいて変化し得る。特定のスティッチング方法が上記で説明されたが、本開示はいずれかの特定の技法に限定されるものではないので、他のタイプのスティッチング技法及び融解技法も用いられ得ることが、留意されるべきである。
【０１０１】
やはり図19C〜19Eに示されるように、幾つかの実施形態では、ノズル708は、ノズル出口716の遠端部に配置された、丸みを帯びた若しくは面取りされた縁726、又は他の構造を含み得る。これは、二つの目的を果たすことができる。第1に、上記のように、ノズル出口における緩やかな移行部は、連続コアの破砕を回避するのに役立ち得る。さらに、幾つかの実施形態では、縁726は、連続コアフィラメント2が堆積されるときにそれに下方向の力を加えるように位置決めされる。これは実質的に、材料が堆積されるときにその材料に圧縮力を印加することができ、それにより、連続コアフィラメントを先の層に「アイロンがけ」することができる。上記のように、材料に印加される圧縮力は、小数の例を挙げれば強度の向上及び空隙の減少を含む、複数の便益を提供し得る。この圧縮力は、縁726を堆積表面に対して連続コアフィラメント2の直径未満の間隔に位置決めすることにより提供され得る。しかし、十分に剛性のある材料に対しては、連続コアフィラメントの直径よりも大きい間隔を使用して提供される圧縮力も使用可能である。この間隔は、上記のような距離計などの適切なセンサを使用して確認することができる。幾つかの実施形態では、縁726は、実質的に直線形のノズル720に、又は、本開示はそのように限定されるものではないので、僅かに先細のノズルに組み込まれるが、これは図20Aを参照されたい。
【０１０２】
上記の実施形態は、低温供給ゾーン及び別個の加熱ゾーンを含む末広ノズル並びに直線ノズルを対象としたが、先細ノズルが別個の低温供給ゾーン及び加熱ゾーンを含む実施形態も意図されている。例えば、図20Bは、加熱ゾーン714と流体連通している低温供給ゾーン712に絡むノズル入口730を含むノズル728を示す。加熱ゾーン714は、先細ノズルの出口732に組み込まれている。
【０１０３】
高アスペクト比の先細ノズルを使用する実施形態では、供給材料の蓄積を防止するように且つ/又はノズル出口に材料を通すのに必要とされる供給圧力を低下させるように最適化されたノズル幾何形状を使用することが望ましくあり得る。図21Aは、内壁802に位置合わせされた入口806を含む典型的なFFFノズル800を示す。内壁802は、入口806の面積未満の面積を持つノズル出口808に通じる先細部分804まで延在する。図21B〜21Dは、ノズル内で生成される背圧を減少させるために滑らかな移行部を含む種々の実施形態を示す。
【０１０４】
一実施形態では、図21Bに示されるように、ノズル810が、第1の直径を持つ入口806及び内壁812を含む。内壁812は、初めは垂直であり、続いて接線内方湾曲部814に移行する。約45度の曲率の後、反曲点816が生じ、内壁は曲率を反転させて、内壁812が垂直になるまで湾曲する。得られるノズル出口818は、入口810と心合されるが、縮小した第2の直径を有する。さらに、得られる出口からの出口流れは、入口流れと心合されることになるが、入口と心合されない出口を通る流れも意図されている。
【０１０５】
より低いポリマー鎖の整列度が望ましい場合、図21Bに示された第1の内方湾曲部分814は、流れを押出し方向に逆戻りさせる最終幾何形状がより典型的な面取り入口の後で流れを押出し方向に逆戻りさせるように、排除され得る。一つのそのような実施形態が、図21Cに示される。図に示されるように、ノズル820が、ノズル出口824に向けられた下方配向湾曲部822に移行する内壁を含む。図4Dは、ノズル826が、点830まで延在する標準的な面取りノズル部分828に移行し、点830において下方配向湾曲部832に移行してノズル出口834を画定する、別の実施形態を示す。特定のノズル幾何形状が図に示され且つ上記で説明されたが、本開示はそのように限定されるものではないので、他のタイプのノズル幾何形状が使用されてもよいことが理解されるべきである。
【０１０６】
幾つかの実施形態では、ノズルが、滴下を防止するための一つ以上の特徴を含む。例えば、ノズルが、ノズルへの空気の流入を防ぐために、印刷ノズルチャンバに関連付けられた一つ以上のガスケットなどの適切なシールを含み得る。これは、供給機構を使用して材料が積極的に押出されるまで、材料がノズルから出るのを実質的に防ぐことができる。場合により、印刷が停止している間もノズルからの滴下を防止するために、他の特徴を含むことが望ましくあり得る。一つの特定の実施形態では、ノズルが、ノズル出口を選択的に加熱してノズルからの材料の流れを選択的に開始及び停止することができる制御可能な加熱器を含み得る。この点について、膜又は小さな栓を形成して出口からの垂れを防止するために、加熱器の出力が低下されると出口近くの少量の樹脂が凝固され得る。加熱器に再度電力を通すか又は加熱器の出力を高めると、膜/栓が再融解して、ノズルからの材料の流れが可能になる。別の実施形態では、ノズルは、滴下を防止するために、ノズル内の圧力を選択的に低下させる特徴を含む。これは、真空ポンプ、閉塞空気圧シリンダ、又はノズルからの滴下が望ましくないときに吸引力を印加することが可能な他の適切な構成を使用して適用することができる。印刷が再開されるときには、空気圧シリンダは中立位置に戻され、それにより吸引力が除去される。図22は、一つのそのような実施形態を示す。図示された実施形態では、押出しノズル900が材料902を有し、材料902は、ノズル出口908から出る前に、一つ以上のガスケット910を通過して低温供給ゾーン914及び加熱ゾーン912に送り込まれる。空気チャネル904が、低温供給ゾーン914に接続され、且つ、空気圧シリンダ906と流体連通する。図に示されるように、材料902と低温供給ゾーン914との間に、空気が通過し得る間隙が存在する。したがって、空気チャネル904は、低温供給ゾーン914、並びに加熱ゾーン912内に位置する材料の両方と流体連通している。動作中、印刷が停止されたときには、空気圧シリンダ906は、空気チャネル904に選択的に吸引力を印加するために、第1の中立位置から第2の位置へ作動される。空気チャネル904は加熱ゾーン912内の材料と流体連通しているので、吸引力は、加熱ゾーン内に位置するポリマー融解物の滴下を実質的に防止することができる。印刷が再開すると、空気圧シリンダ906は中立位置に戻され得る。
【０１０７】
切断機構におけるノズルの様々な実施形態が上記で説明されたが、幾つかの実施形態では、切断するのに切断機構の使用を必要としないトウプレグ又は他の材料を使用することが望ましい。上記のことを考慮し、本発明者らは、半連続コアストランド複合材料を含む材料を三次元印刷機と共に使用することに関連する便益を認識した。そのような実施形態では、半連続コアを含む材料が、複数の個別ストランドに分割されたコアを有する。コアのこれらの個別ストランドは、固体コアに相当するか、又は、本開示はそのように限定されるものではないので、束ねられた複数の個別的なストランドに相当し得る。さらに、以下でより詳細に説明されるように、コアのこれらの個別セグメントは、重複しないように配置されるか、又は、様々な他の構成で材料内に配置され得る。いずれの場合でも、材料は、以下でより詳細に説明されるように材料に張力を印加することによって断ち切られ得る。張力は、印刷機の供給機構を逆向きに駆動すること、及び/又はノズルから材料を押出すことなしに印刷機ヘッドを印刷部品に対して平行移動させることにより、印加され得る。
【０１０８】
一実施形態では、半連続コアを含む材料が、個別的なストランドがノズルから引き出され得るように関連する三次元印刷機ノズルの融解ゾーンに対するサイズとなされたセグメントを含む。例えば、融解ゾーンは、少なくともプリプレグ繊維束内の個々の繊維のストランド長と同じくらいの長さ、プリプレグ繊維束内の個々の繊維のストランド長の半分の長さ、又は任意の他の適切な長さとされ得る。そのような実施形態では、印刷の終了時に、半連続コアを含む材料は、材料に張力を印加することによって断ち切られる。材料への張力の印加中、部品又は印刷表面上に堆積された材料に埋め込まれたストランドは、ノズル内に残っているストランドの一部分を引き出すための固定力を提供する。上記のように個々のストランドがノズルの融解ゾーンに対して適切なサイズとなされている場合、押出し材料内にもノズル内にも位置するストランドは、ノズルの融解ゾーン内に配置される。したがって、材料に張力が印加されると、融解ゾーン内に配置されたセグメントは、材料を断ち切るためにノズルの融解ゾーンから引き出される。より長いストランドが使用される実施形態では、少なくとも幾つかのストランドが堆積材料の溶融ゾーンから引き出されて、ノズル内に保持される場合も意図されている。上記の方法は、垂直に配向されたコア材料のストランドを生じさせ得る。この垂直のストランドは、場合により印刷ヘッドによって押し倒されるか、又は、続いて層に堆積され得る。垂直に配向されたストランドを材料層内に戦略的に配置することで、各層間の結合の強化がもたらされることにより、z方向における得られる部品の強度を高めることが可能とされ得る。
【０１０９】
別の実施形態では、対応するマトリクス材料に埋め込まれた半連続コアが、別個の割り出されたストランド長さを有する複数のストランドを含む。したがって、半連続コアの終端は、材料の長さに沿って予め定められた間隔で生じる。最初に、終端は予め定められた間隔で配置されるので、ストランド長さは、関連するノズルの融解ゾーンの長さよりも長くされ得る。例えば、一つの特定の実施形態では、半連続コアが、3インチの長さに配置され且つ一つの束からの繊維が次の束内まで延在しないようにきれいに分離された、個々のストランド又はストランド束を含み得る。そのような材料を使用する場合、三次元印刷機は、印刷において固有の停止点を持つストランドの中断点を調整するための経路計画アルゴリズムを実行し得る。この実施形態では、印刷機は半連続ストランドの中断点がノズル出口と位置合わせされるまで印刷プロセスを終結させることができないので、半連続ストランド長さに対応する最小充填サイズが存在する。したがって、ストランド長さが増大するにつれて、幾つかの実施形態では、最小特徴長さを持たない純樹脂で層の残りの部分を埋めることが有益であり得る。或いは、部品に空隙が残され得る。多くの幾何形状において、断面の外側部分は、中心部よりも高い強度を提供する。そのような場合、外側部分は、最後の整数ストランドが印刷パターンに適合しなくなるまで半連続ストランドから印刷されることができ、その時点で、残りの部分は、空のまま残されるか又は純樹脂で充填される。
【０１１０】
別の実施形態では、材料が上記の概念をどちらも含み得る。例えば、融解ゾーン内に位置する重なり合ったストランドを引きずり出すのに十分な間隔をノズル内の融解ゾーンが含むように、より長いストランド間の移行点に配置されたより短い長さの束と並列に、割り出された連続ストランドが使用され得る。この手法の利点は、長い方の整数連続ストランド間の境界における弱点を減少させることである。所与のコア及びマトリクス材料の切断中、切断力は、部品の歪み、持ち上げ、上流の繊維の破壊、又は他の有害効果を防止するのに十分な低さであることが望ましい。場合により、ストランドは、押出し中に破壊され得るが、これは終端点で許容される。ストランド長さは用途に基づいて変化し得るが、典型的なストランド長さは、約0.2"から、大規模な印刷のための36"までに及び得る。
【０１１１】
図23A〜24Dは、ノズルから堆積されている半連続コアフィラメントの様々な実施形態を示す。図24Aに示された連続コアフィラメント2とは対照的に。
【０１１２】
図23Aに示されるように、半連続コアフィラメント1000が、マトリクス材料1006内に配置された第1のストランド1002及び第2のストランド1004を含む。半連続コアフィラメント1000は、有利にはマトリクス材料のガラス転移温度を下回るノズルの低温供給ゾーン712に入る。続いて半連続材料1000は、融解ゾーンと呼ばれることもある加熱ゾーン714を流れる。半連続材料1000内に存在するマトリクス材料1006は、堆積に先立って加熱ゾーン714内で融解される。ノズルから出ると、半連続コアフィラメント1000は、定着点1005において部品又は作成プラテン16に付着される。次いで、様々な方法で切断手順が起こり得る。一実施形態では、切断は、半連続コアフィラメント1000を前進させることなしに印刷ヘッドを定着点1005に対して前方移動せることによって起こる。或いは、印刷ヘッドは動かないままでもよく、上流の半連続コアフィラメント1000は、所望の張力を印加するために引っ込められる。この場合もやはり、ノズル内に配置されるストランドの全長が加熱ゾーン714内に位置することを確実にするように、ストランド長さを加熱ゾーンの長さに対して適切にサイズ決めすることにより、定着点1005によってもたらされる張力が、ノズル内に配置された第2のストランド1004の残留部分が埋め込まれたストランドの残部を加熱ノズルから引き寄せることを可能にする。
【０１１３】
図23Aは2本の個別のストランドを示したが、図23B及び24Bは、マトリクス材料1006内に埋め込まれ且つ上記で説明されたものに類似した印刷機ヘッド内に配置されたサイズが均一なストランド1010の分布を含む、半連続コアフィラメント1008を示す。互い違いに配置された線内に3本のストランドが示されているが、これは不規則な又は互い違いに配置されたストランドの分布の簡易化した表現であることが、理解されるべきである。例えば、材料は、約1,000本の炭素繊維のストランド(1kトウ)を含むことができる。ストランド長さ1015の分布及び個々のストランドの位置決めは予想されるものであるが、各ストランド214は、実質的に同様の長さの多数の重なり合うストランドが存在するように、サイズ決めされ且つ分布され得る。加熱ゾーン714がストランド長さ1015に比例することを確実とすることにより、繊維の残部をより容易にノズルから引き出すことができる。例えば、理論に拘束されることを望むものではないが、さらに下流に配置された、即ち大部分が部品内に堆積されたストランドは、容易にノズルから引き出される。ノズル内に大部分が配置されたストランドは、ノズル内に留まる可能性が高い。半分はノズル内にあり半分はノズル外にあるストランドは、確率的に、ノズル内に留まるか、又は、堆積材料及びノズル内に収容されたストランドのおおよそ同等の長さに印加されるおおよそ同等の力のために、定着点1005によって引き出される。低温供給ゾーン714及びノズル出口移行部の設計などのノズル設計の様々なパラメータ、並びにポリマー融解物の粘度、ノズル出口から出た直後の印刷された半連続コアフィラメントの冷却の程度、並びに他の適切な考慮点が、材料に張力が印加されたときに半連続コアフィラメントがどのように断ち切られるかを決定する。
【０１１４】
図23C及び24Cは、コア材料の終結が実質的にセクションごとに完了し、それにより整数間隔でのきれいな切断が可能とされる、割り出された半連続コアフィラメント1012を示す。図に示されるように、材料は、マトリクス材料1006内に埋め込まれた一つ以上のコアセグメント1014の個々のセクションを含む。コア材料の個々のセクションは、予め割り出された位置1016において、コア材料の隣接するセクションから分離されている。そのような実施形態は、有利には、規定の位置での材料のきれいな切断を可能にする。これは、異なるセクション内の個々のストランドが相互に重なり合わないことにより、促進される。これはまた、関連するノズルの加熱ゾーン714の長さよりも長いストランド長さを使用することを可能にする。これはさらに、幾つかの実施形態では、より小さい加熱ゾーン714の使用を許容する。しかし、記された便益に加えて、異なるセクション内の個々のストランドは重なり合わないので、材料は、図に示された予め割り出された位置1016に対応するこれらの境界位置において低下した強度を呈示する。図25は、そのような半連続コアフィラメントの使用を示す。図に示されるように、複数のストランド1100が、部品又は作成プラテン上に堆積されている。ストランド1100は、印刷ヘッドが最後の通過をやり遂げて上記で説明されたように材料を1104において断ち切るまで、折返し点1102並びに他の特徴を形成するように堆積される。個々のストランドは部品上の残りの距離よりも長いので、残りの距離1106は、空隙として残されるか、又はポリマーなどの別個の材料で埋められ得る。
【０１１５】
図24Dは、半連続コアフィラメントと連続コアフィラメントとの混成手法の一実例を示す。図示された実施形態では、材料1018が、マトリクス1006内に埋め込まれた一つ以上のコアセグメント1014を含む複数の別個のセクションを具備し、コアセグメント1014は、図24C及び25Cに関して上記で説明された実施形態と同様の予め割り出された位置に配置されている。材料はまた、材料の長さに沿って延在する、マトリクス1006内に埋め込まれた連続コア1020を含む。連続コア1020は、十分な張力を印加するだけで予め割り出された位置での材料の切断を可能にするように、十分な張力によって断ち切られ得るようなサイズとされ得る。或いは、上記で説明された様々な切断方法のうちの任意のものが使用されてもよい。
【０１１６】
上記の実施形態は、切断機構の使用なしに断ち切られ得る材料を対象としたが、本開示はそのように限定されるものではないので、半連続コアフィラメントは切断機構を含む三次元印刷システムと共に使用されてもよいことが、理解されるべきである。
【０１１７】
従来の複合構造では、複合材料の連続層は、複数の方向に部品の強度を提供するために、0°、45°、90°、及び他の所望の角度で積まれ得る。この部品の方向強度を制御する能力により、設計者は得られる部品の強度重量比を高めることが可能になる。したがって、別の実施形態では、三次元印刷機の制御装置が、一つ以上の特定の方向及び位置に軸方向配列を含んで強化用繊維を堆積させる機能性を含み得る。強化用繊維の軸方向配列は、層内の一つ以上の個々のセクションに対して選択されてもよく、また、個々の層に対して選択されてもよい。例えば、図26に示されるように、第1の層1200が第1の強化用繊維配向を有し、第2の層1202が第2の強化用繊維配向を有していてもよい。さらに、第1の層1200又は任意の他の所望の層内の第1のセクション1204が、同一の層内の第2のセクション1206又は任意の数の他のセクションとは異なる繊維方向を有していてもよい。
【０１１８】
部品内の方向強度を提供するために強化用繊維の軸方向配向を提供するという概念は、三次元印刷機でさらに実行され得る。より具体的には、図27A〜27Cは、異方特性による恩恵を受け得る電気モータ又は他の部品などの異方性物体の、印刷機ヘッド1310を用いる付加製造方法を示す。図示された実施形態では、部品1300が、垂直に配向されたサブコンポーネント1302を有し、このサブコンポーネント1302は、第1の配向においてXY印刷平面に位置合わせされた平面Aに向けられた部分を有して印刷されている。この特定例では、印刷材料は、印刷されるサブコンポーネント1302がモータの巻きコイルを形成するように、電導性コアを含む。図示された実施形態では、コイルは、Z方向に巻回される。モータコイルの印刷に使用するための特定の材料が説明されるが、本開示はいかなる特定の材料又は用途にも限定されるものではないので、他の材料があらゆる目的のための異方性部品に使用され得ることが、理解されるべきである。
【０１１９】
別のコイル又は他の異方性サブコンポーネントを部品1300上に形成するために、図27Bに示された固定具1304が印刷領域に追加されるが、この特徴が部品1300の形成中に印刷される実施形態も、形成前に印刷される実施形態も、形成後に印刷される実施形態も可能である。一実施形態では、固定具1304は、印刷平面1306に又はそれより下方に位置決めされ、且つ、続いて起こる堆積プロセス中に部品1300を保持するために起伏が付けられる。固定具はまた、続いて起こる印刷プロセス中に部品をさらに保持するために、真空吸引、テープ、機械的締結具、印刷されたスナップ嵌め、又は任意の他の適切な保持機構を含むことができる。
【０１２０】
固定具1304を位置決めした後、部品1300は固定具1304上に位置決めされ、次いで固定具1304は、次のサブコンポーネント1308が部品1300に付加され得るように、平面Aを平面A'に回転させた第2の配向で部品1300を保持する。図27Cに示されるように、サブコンポーネント1308は、先と同様にZ方向に堆積されるが、サブコンポーネント1302の平面から外れる。この例はモータのコイル巻線を形成することに関して説明されたが、連続コア強化フィラメントを様々な目的のための最適な方向に位置合わせできるようにするための部品又は印刷ヘッドの一連の所定の回転を使用して、任意の異方性物体が形成され得る。
【０１２１】
図28Aは、図27A〜27Cに記載されたプロセスで形成されたのと同じ異方性部品を示すが、複数の固定具を使用する代わりに、三次元印刷機は、部品1300並びに印刷機ヘッド1310を一つ以上の軸の周りで回転させることができる。図に示されるように、部品1300は、平面Aの配向を設定し且つ制御する回転軸1312により、所定の位置に保持される。図28Bでは、回転軸1312は、サブコンポーネント1302に対して直角の方向にサブコンポーネント1308を形成するために、90°回転されている。反対に、印刷機ヘッド510は、同様の結果を得るためにXT軸及び/又はYT軸の周りで回転され得る。図28A〜28Bが示すように、異方性の印刷を達成するための多くの方法が存在する。即ち、異方性部品を印刷するために、部品が移動及び回転されてもよく、印刷機ヘッドが移動及び回転されてもよく、又はその両方の組合せが使用されてもよい。機械の目的、及び部品の要求に基づいて、部品1300又は印刷機ヘッド1310の回転及び移動のどちらにも追加的な自由度が付加され得ることが、理解されるべきである。例えば、自動車関係の用途では、回転軸1312は、連続繊維をX-Y平面、Z-Y平面、又は中間の任意の平面に置けるようにするためにYT軸の周りでの車両フレームの回転を可能にする、回転式焼き串(rotisserie)に相当し得る。或いは、車両が回転されるにつれてその上に材料を継続的に堆積させるために、車体の外部輪郭を追跡する流体回転が使用され得る。そのような三次元印刷機は場合により、完全な輪郭の追跡並びに凸状及び凹状の両方のユニボディ構造の製造を可能にするために、印刷機ヘッドにXT軸を追加し得る。
【０１２２】
部品1300及び印刷機ヘッド1310を回転させることに加えて、幾つかの実施形態では、部品1300を支持するテーブル1314が、所与の繊維方向のスパン構成要素を可能にするために、ZT軸の周りで回転され得る。そのような実施形態は、方向の不変性を望む特有の供給及び堆積ヘッド要件を有するコア材料に、印刷ヘッドから部品まで一貫した印刷弧を提供し得る。
【０１２３】
別の実施形態では、部品の中心部は、一連の二次元平面として構成され得る。次いで三次元印刷機は、内部の中心部を覆って、面外の三次元シェルを形成することができる。中心部はシェルを支持し、それにより、シェルは中心部の外側上に構成されることが可能になり、またシェルは、部品の側面に、頂部を越えて、且つ/又は部品の裏側より下に、又は任意の他の位置に沿って延在することができる。理論に拘束されることを望むものではないが、そのような堆積方法は、より長く且つより連続的な材料長さに関連する部品強度の向上により、限界設定の防止、及び部品のねじり剛性の向上に役立ち得る。さらに連続繊維強化材料を面外に延ばすことで、典型的な接合継手よりも大きい面外強度がもたらされる。
【０１２４】
図29は、三次元印刷シェルを含む部品を形成するために使用され得る、図28A及び28Bに関して上述されたものに類似した三次元印刷機ヘッド1310を示す。印刷機ヘッド1310は、部品を作るために、連続コア強化フィラメント2などの任意の適切な消耗材料を作成プラテン1314上に一連の層1320にして堆積させる。印刷機ヘッド1310は、従来のXYZ方向に間接式に屈曲することができるだけでなく、XTYT及びZT方向に枢動することもできる。印刷機ヘッド1310を回転させる追加的な自由度により、印刷機は、シェル及び他の連続コア強化面外層、並びに二次元層を作り出すことが可能になる。
【０１２５】
図30A〜30Cは、図29に示された印刷機ヘッドを使用して形成された様々な部品を示す。図30Aは、XY平面において二次元層として堆積された複数のセクション1322を含む部品を示す。セクション1324及び1326は、Z方向に高められた強度を部品に与えるために、続いてZY平面に堆積される。図30Bは、シェル印刷の関連方法を示し、ここでは、層1328及び1330はXY平面に形成され、且つ、XY平面にもZY平面にも延在するシェル1332及び1334で覆われている。図に示されるように、シェル1332及び1334は、層1328及び1330から形成された下層の中心部と完全に重なり合う(部分1336を参照されたい)か、又は、シェルのうちの一つ以上が下層の中心部の一部分のみを覆っていてもよい。例えば、部分1338では、シェル1332は層1328及び1330の両方を覆う。しかし、シェル1334は、層1328とは完全には重なり合わず、図に示されるように階段状構造を作り出す。図30Cは、三次元印刷機の回転ヘッドが部品と支持表面との間にクリアランスを有するように、作成プラテン又は他の支持表面に対して部品を持ち上げるために支持材料1340が追加されて、部品中心部の下位層1344上へのシェル1342の堆積が可能になる、別の実施形態を示す。
【０１２６】
上述の印刷機ヘッドはまた、連続コア強化フィラメントの様々な配向を含む別個のサブセクションで部品を形成するために使用され得る。例えば、一つのサブセクション内の連続コア強化フィラメントの配向は、実質的にXY方向とされ得るが、別のサブセクションにおける方向は、XZ方向又はYZ方向とされ得る。そのような多方向性部品は、設計者に部品が強度を必要とする方向に正確に強化用繊維を延ばすことができるようにする。
【０１２７】
複合材料の高コストは、複合部品の広範囲にわたる採用に対する主要な障壁のうちの一つであった。したがって、幾つかの実施形態では、三次元印刷機が、選択された領域に高強度複合材料を使用し他の箇所に充填材料を使用する充填パターンを利用し得るが、これは図30D〜30Gを参照されたい。したがって、部品上に完全に複合材料のシェルを形成することが上述されたのとは対照的に、使用される所与の量の複合材料に対して部品の剛性を最大限に高めるために、部品の外端部上に部分的に複合材料のシェルが形成される。ナイロンプラスチックなどの低コストのマトリクス材料が充填材料として使用され得るが、他の材料が使用されてもよい。完全に充填材料1350から形成された部品が、図30Dに示される。図30Eに示されるように、複合材料1352が、部品の径方向外側のほとんどの部分に堆積され、所望の距離にわたって内方に延在して、剛性及び強度の所望の向上を実現する。部品の残りの部分は、充填材料1350で形成される。或いは、作成プラテンの一部が、充填されないままとされ得る。所望の強度及び/又は剛性に応じて、使用者は使用される複合材料1352の量を増減させることができる。これは、複合材料が部品の様々な隅部からどの程度延在するかに相当する。この複合材料1352の量の変化は、一連の図30D〜30Gによって示される。
【０１２８】
所与の強度及び剛性の水準に適切な充填パターンを決定すると、制御アルゴリズムが、指定の数の同心状充填通路にわたって部品の外側隅部及び壁セクションをたどる同心状充填パターンから始まり、次いで、部品の残りの部分は、所望の充填材料を使用して充填され得る。得られる構造は、最低限の複合材料の使用量に対して、部品の強度を最大限に高める。上記のプロセスは二次元平面のために説明されたが、上記のプロセスは三次元物体にも同様に適用されることが、理解されるべきである。
【０１２９】
図31A〜31Cは、様々なサブセクション内に異なる繊維配向を含む翼の様々な実施形態の断面を示す。翼について以下で説明されるが、説明される実施形態は他の用途及び構造にも同様に適用されることが、理解されるべきである。
【０１３０】
図31Aは、同一平面におけるプラスチック堆積により三次元部品の各セクションを作成する方法を示す。具体的には、セクション1350、1352、及び1354は全て、同一のXY平面配向で構成されている。図示された各セクションは、隣接する接触面において付着されるが、その境界は例示の目的のために誇張されている。別の実施形態では、また、図31Bに示されるように、別々のセクション1362、1364、及び1366で部品が構成され、ここではセクション1362及び1366の繊維配向1368及び1372は、セクション1364の繊維配向1370に直交する。理論に拘束されることを望むものではないが、セクション1364内の繊維を他のセクションに対して直角に配向することにより、得られる部品は、Z方向において遙かに大きい曲げ強度を有する。さらに、このようにして部品を構成することにより、設計者は、各セクションの相対的な厚さを決定して、各方向に沿った強度を規定することができる。
【０１３１】
図31Cは、異なる繊維配向を含むサブセクションと結合されたシェルを示す。この実施形態では、セクション1374、1376、及び1378は、中心部を形成するために同じ方向に堆積され、その後で、シェル1386が直交方向に印刷される。シェル1386は、単一の層、又は複数の層とされ得る。さらに、シェル1386の複数の層は、設計要件に応じて、中心部の下層のサブセクションに直交する以外に、様々な配向角度を含むことができる。この実施形態は繊維配向が全て同じ方向1380、1382、及び1384である内部セクションを示すが、サブセクション1374、1376、及び1378には図31Bに類似した異なる繊維配向も同様に設けられ得ることが、明白であるべきである。
【０１３２】
他の実施形態では、連続コア強化フィラメント、又は他の適切な消耗材料は、部品を硬化させることにより部品強度が高められるように、後硬化を必要とし得る。適切な硬化は、熱、光、レーザ、及び/又は放射を含むがこれらに限定されない任意の適切な方法を使用してもたらされ得る。この実施形態では、部品がプリプレグ複合材料で印刷されて、材料を完全に硬化するために、次の後硬化にさらされ得る。一つの特定の実施形態では、押出された複合材料がくっつき合うように、部分的に硬化されたエポキシに連続炭素繊維が埋め込まれるが、完全に硬化するために後硬化を必要とする。他の材料も同様に使用され得ることが、理解されるべきである。
【０１３３】
図32は、選択可能な印刷機ヘッドを含む三次元印刷機の任意選択の実施形態を示す。図示された実施形態では、印刷アーム1400が、自在接続部1404において印刷機ヘッド1402に付着することができる。連続コア強化フィラメントなどの適切な消耗材料1406が、前もって印刷機ヘッド1402に送り込まれるか、又は、消耗材料1406は、印刷機が印刷機1400に付着された後で印刷機に送り込まれ得る。別の印刷材料が所望されたときには、印刷アーム1400は、印刷機ヘッド1402を関連するホルダに戻す。続いて、印刷機1400は、違いをもたらすためにサイズが異なり且つ/又は異なる材料を含む消耗材料を印刷することが可能な印刷機ヘッド1408又は1410を拾い上げることができる。図示のように、そのような交換可能な印刷機ヘッドは、一度に一つずつ使用され、また有利には、印刷機ヘッド及びアームの組合せの質量を減少させる。理論に拘束されることを望むものではないが、これは、印刷機ヘッドの慣性が減少することにより、より高速な部品の印刷を可能にする。別の実施形態では、印刷アームは、同時に二つ以上の印刷機ヘッドのためのスロットを有し得る。そのようなヘッドは、異なる材料の供給、印刷色の塗布、卵巣除去堆積材料の表面被覆の適用、等をすることができる。任意の数の別々の選択可能な印刷ヘッドが提供され得ることが、理解されるべきである。例えば、印刷ヘッドは、一つの印刷ヘッドが「活動」位置にあり、他の印刷ヘッドが所定位置から外れるように回転されて印刷位置に回転され得る適切な時を待つようにして、タレットに取り付けられ得る。別の実施形態では、印刷アーム1400は、部品検査のための視角システム1412を拾い上げることができる。適切な視角システムには、カメラ、距離計、又は他の適切なシステムが含まれる。
【０１３４】
上記の実施形態のほとんどは、予め形成された連続コア強化フィラメントの使用を対象とするが、幾つかの実施形態では、連続コア強化フィラメントは、加熱押出しノズルにおいて樹脂マトリクスと固体連続コアとを結合させることによって形成され得る。樹脂マトリクス及び固体連続コアは、マルチフィラメントコアにおける複数の接触面と比較すると、樹脂が固体コアの連続的な周辺部を湿潤させることの容易性により、接触面沿いに空隙を形成することなしに結合されることが可能である。したがって、そのような実施形態は、堆積材料の特性を変えることが望ましい特定の使用法のものとされ得る。さらに、様々な所望の複合構造を堆積させるために、一種以上の樹脂マトリクス、連続コア、又はそれらの組合せを選択的に押出すことが特に有益であり得る。
【０１３５】
図33は、材料供給オプション1502、1504、及び1506を選択的に押出すことが可能なマルチエレメント印刷機ヘッド1500、並びに任意選択の切断機構8を示す。より具体的には、マルチエレメント印刷機ヘッド1500は、材料供給オプション1502、1504、及び1506のうちの任意のものを、単一のエレメントとして又は組み合わせて、選択的に堆積させることができる。本開示はいかなる特定の数の材料供給オプションにも限定されるものではないので他の材料供給オプションもマルチエレメント印刷機ヘッドに組み込まれ得ることが、理解されるべきである。
【０１３６】
マルチエレメント印刷機ヘッドの一つの具体例では、材料1502は、中央チャネルを通して供給される連続銅線である。さらに、材料1504は、ナイロンプラスチックなどの結合樹脂であり、材料1506は、可溶性支持材料などの異なる結合樹脂である。マルチエレメント印刷機ヘッド1500は、全てのエレメントを一度に押出すことができ、その場合、例えば、銅線1502は、底面はナイロン結合剤1504によって、また、上面は可溶性支持材料1506によって取り囲まれ得るが、これはセクション1508を参照されたい。マルチエレメント印刷機ヘッド1500はまた、ナイロン結合剤1504又は可溶性支持材料1506のどちらかにより別々に被覆された銅線1502を堆積させることができるが、これはセクション1510及び1514を参照されたい。或いは、マルチエレメント印刷機ヘッド1500は、上記の材料オプションを多くの目的のために単独で堆積させることができるが、これはセクション1512における裸の銅線を参照されたい。
【０１３７】
上述されたように一種以上の材料のうちの任意の材料を選択的に所与の位置に堆積させる能力は、三次元印刷法を使用した部品の構成のための多くの高度機能を可能にする。さらに、これらの材料を連続して選択的に堆積させる能力もまた、堆積プロセスを著しく高速にする。二種の具体的な樹脂材料及びコア材料が上記で説明されたが、任意の適切な樹脂及びコア材料が使用され得ること、並びに任意の数の様々な樹脂及びコアが提供され得ることが、理解されるべきである。例えば、単一のコア及び単一の樹脂が使用されてもよく、又は、複数のコア及び複数の樹脂がマルチエレメント印刷機ヘッドに提供されてもよい。
【０１３８】
関連する一実施形態では、マルチエレメント印刷機ヘッド1500は、印刷領域の予熱及び/又は押出し材料の急速冷却を可能にする空気ノズル1508を含むが、これは図33を参照されたい。空気ノズル1508を具備することにより、フライングリード、ギャップブリッジング、及び他の類似の特徴などの構造の形成が可能になる。例えば、印刷部品に配線を形成するために、導電性コア材料が、共押出しされる絶縁プラスチックと共にマルチエレメント印刷機ヘッド1500によって押し出され得る。次いで、配線の端部が、フライングリードとして終端され得る。これを達成するために、マルチエレメント印刷機ヘッドは、導電性コア及び絶縁ジャケットを釣合うように押し出しながら、持ち上がる。マルチエレメント印刷機ヘッドはまた、空気ノズル1508により絶縁ジャケットを任意に冷却することができる。次いで線の端部は、絶縁ジャケットなしで導電性コアが押出された「裸線」として印刷され得る。次いで切断機構8は、導電性コアを終端させることができる。上記の方法でフライングリードを形成することは、組立て時の下流のストリッピングステップを排除するために使用され得る。
【０１３９】
上記の実施形態は、三次元部品を作り出すために純樹脂及びそれらのコア材料に加えて連続コア強化フィラメントの連続的なフィラメントを印刷する三次元印刷機を対象としてきた。連続コア又は繊維の位置はまた、以下でより詳細に説明されるように、選択された位置及び方向で与えられるコア強化を三次元部品に提供するために、ステレオリソグラフィ及び選択的レーザ焼結などの三次元印刷法と共に使用され得る。
【０１４０】
明瞭さのために、以下で説明される実施形態は、ステレオリソグラフィプロセスを対象とする。しかし、層の形成に先立って又は層の形成中に連続コア又は繊維を堆積させる概念は、コア材料の周囲に固化されたマトリクスを含む複合材料を製造するためにマトリクスが液体又は粉体の形状であるあらゆる付加製造プロセスに適用され得ることが、理解されるべきである。例えば、以下で説明される方法は、選択的レーザ焼結にも適用することができ、選択的レーザ焼結は、まさにステレオリソグラフィに類似しているが、液状樹脂と比べて構成媒体に粉末樹脂を使用する。さらに、連続コア強化フィラメントに関して上記された連続コアフィラメントのうちの任意のものを使用することができる。したがって、連続コアは、構造特性、電気伝導特性、光学伝導特性、及び/又は流体伝導特性を目的として使用され得る。
【０１４１】
一実施形態では、ステレオリソグラフィプロセスが、三次元部品を形成するために使用される。ステレオリソグラフィでは、印刷される層は、典型的には、UV光、特定の波長のレーザ、又は他の類似の方法で硬化され得る樹脂で覆われる。特定の硬化方法にかかわらず、選択的に樹脂を固めて先の下位層に結合させるために、樹脂を硬化するのに使用される光が部品の表面上を通過する。このプロセスは、三次元部品が構成されるまで複数の層に繰り返される。しかし、典型的なステレオリソグラフィプロセスでは、一方向に配向された強化用材料は使用されず、そのため、最終的な部品の全体強度がより低くなる。
【０１４２】
固体の材料もマルチフィラメントの材料も含む様々なタイプの連続コアフィラメントに関連する強度並びに機能性の向上を実現するために、各層の堆積に関連するステレオリソグラフィプロセスは、連続コアフィラメントを含む複合構成要素の所望の位置及び方向における構成を可能にする二段階プロセスに変更され得る。より具体的には、連続コア又は繊維が、印刷される層内の所望の位置及び方向に堆積され得る。堆積される連続コアフィラメントは、完全に樹脂に沈められるか、又は部分的に樹脂に沈められ得る。連続繊維が所望の位置及び方向に堆積された後、隣接する樹脂が硬化されて繊維の周りで固まる。本開示はこの様式において限定されるものではないので、これは、連続繊維が堆積されるときに行われてもよいし、連続繊維が堆積された後で行われてもよい。一実施形態では、連続繊維を切断する必要なしに、層全体が単一の連続繊維で印刷される。他の実施形態では、印刷された層の異なるセクションに様々な配向で強化用繊維が提供され得る。複数の位置及び方向での連続繊維の堆積を容易にするために、連続繊維は、上述されたものに類似した単純な切断機構又は他の適切な機構を使用して終結され得る。用途によっては、樹脂を固めるために使用されるのと同じレーザが、連続コアフィラメントを切断するために使用され得る。
【０１４３】
図34は、上記で説明されたステレオリソグラフィプロセスの一実施形態を示す。図に示されるように、部品1600が、ステレオリソグラフィを使用してプラテン1602上に作成されている。部品1600は、トレイ1606に収容された液状樹脂材料1604に浸される。液状樹脂材料は、任意の適切な感光性ポリマーとすることができる。樹脂浴に加えて、部品1600の形成中、プラテン1602は、部品1600を液状樹脂材料1604に浸された状態に保つために、各層の形成後、層の厚さに対応する連続的により低くなる位置に移動される。各層の形成中、連続コアフィラメント1608が、ノズル1610から供給されて、部品1600上に堆積される。ノズル1610は、形成されている層内の所望の位置並びに所望の方向に連続コアフィラメント1608を堆積させるように制御される。さらに、幾つかの実施形態では、連続コアフィラメント1608の供給速度は、すでに堆積された連続コアフィラメントをかき乱すのを避けるために、ノズル1610の速度と等しくされる。図示された実施形態では、連続コアフィラメント1608が堆積されるにつれて、レーザ1612、又は他の適切なタイプの電磁放射線が、ノズル1610の進行路の後方の位置1614にある連続コアフィラメント1608を取り囲む樹脂を硬化させるために向けられる。位置1614とノズル1610との間隔は、硬化の前に連続コアフィラメントを完全に液状樹脂内に沈めることができるように、また、ノズル1606に近すぎる位置にレーザ1612を向けることによって起こり得る干渉問題を回避するように、選択され得る。レーザは、発生源1616によって生成され、制御可能なミラー1618によって向けられる。三次元印刷機はまた、上記のように連続コアフィラメントの終結を可能にするために、切断機構1620を含む。
【０１４４】
ステレオリソグラフィプロセスの別の実施形態では、堆積された連続コアフィラメントは、一つ以上の「タック」によって所定の位置に保持される。これらのタックは、追加のコア材料が堆積されている間に連続コアフィラメントを所定の位置に保持する十分な量の硬化樹脂材料に相当する。次いで、隣接するストランド間の交差結合が最大限に高められるように、材料の残りの部分が硬化され得る。最終的な部品に所望の特性を与えるために、あらゆる硬化パターンが使用され得る。例えば、十分な数のストランドが層上に堆積されて所定の位置に仮付けされたときには、樹脂は、堆積された連続コアフィラメントのストランドの方向に直交するビードに硬化され得る。理論に拘束されることを望むものではないが、堆積されたストランドに直交する方向に樹脂を硬化することは、隣接するストランド間の結合を高めて、堆積された連続コアフィラメントのストランドの方向に直交する方向において部品の強度を向上させることができる。特定の硬化パターンが説明されたが、所望の幾何形状及び方向強度に必要とされるであろうように、他の硬化パターンも使用可能である。
【０１４５】
図35は、上記で説明されたステレオリソグラフィプロセスの一実施形態を示す。図に示されるように、連続コアフィラメント1608が、図示されていないノズルにより連続コアフィラメントが堆積されるにつれて、レーザ1612により複数の別々の点1622において所定の位置に仮付けされる。連続コアフィラメント1608の一部分又は全部を堆積させた後、レーザ1612は、液状樹脂材料1604を硬化させて現在の層を形成するために、所定のパターンに沿って向けられる。上記のシステムと同様に、レーザ、又は他の適切な電磁放射線が、発生源1616によって生成され、制御可能なミラー1618によって向けられる。図によって示されるように、液状樹脂材料1604は、堆積された連続コアフィラメント1608のストランドの方向に直角に配向された線1624に対応するパターンで硬化され得る。理論に拘束されることを望むものではないが、硬化の前線は連続コアフィラメント1608のストランドに直交するので、ストランド間の交差結合が強化される。層のうちの別々の部分が異なる方向に配向された連続コアフィラメントのストランドを含む場合には、硬化パターンは、層の各部分において連続繊維コア材料のストランドの方向に直交する線を含み得ることが、理解されるべきである。連続繊維に直角に配向された線を含む特定の硬化パターンが説明されたが、本開示はいかなる特定の硬化パターンの配向にも限定されるものではないので、連続繊維に平行に配向された線の硬化パターンを含めて他のパターンも使用可能である。
【０１４６】
連続コア強化フィラメントを堆積させることに関して上述された三次元印刷プロセスと同様に、より強い最終的な部品を形成するために、ステレオリソグラフィプロセス中に連続コアフィラメントと樹脂マトリクスとの接触面沿いの空隙の形成を回避することが望ましくあり得る。したがって、液状樹脂材料の硬化の前に連続コアフィラメントの湿潤を促進することが望ましくあり得る。幾つかの実施形態では、連続繊維の湿潤は、単に一定の時間を必要とし得る。そのような実施形態では、液状樹脂材料は、十分な時間が過ぎた後で硬化されることができ、また、ノズルの後ろのレーザの追従距離に対応し得る。他の実施形態では、連続コアフィラメントは、連続マルチフィラメントコア材料とされ得る。そのような実施形態は、複数のフィラメント間での液状樹脂材料の染み込みを促進することが望ましい。連続繊維の湿潤、及び連続マルチフィラメントコアの断面内への樹脂の染み込みは、液状樹脂材料を高温に維持すること、連続繊維に湿潤剤を使用すること、システムに真空を印加すること、又は任意の他の適切な方法によって促進され得る。
【０１４７】
三次元印刷プロセスを使用して部品を形成するための幾つかのシステム及び方法、並びにこれらのシステム及び方法と共に使用される材料について説明してきたが、幾つかの特定の用途及び構成要素を以下により詳細に説明する。
【０１４８】
最も単純な用途では、目下説明中の三次元印刷プロセスは、上記で説明されたように、所望の方向及び位置において構造特性を向上させた、複合材料を使用した部品の形成に使用され得る。別の実施形態では、光学的又は電気的に伝導性の連続コアが、誘導子、コンデンサ、アンテナ、変圧器、熱だめ、VIA、熱VIA、並びに部品内に直接形成される複数の他の可能な電気的及び光学的な構成要素を含む部品を構成するために使用され得る。部品はまた、流体チャネル及び熱交換器、並びに他の適用可能な流体のデバイス及び構成要素を形成するために、流体伝導性コアを含んで構成され得る。
【０１４９】
幾つかの実施形態では、部品はまた、構造検査及び構造健全性監視を可能にするために、部品内に直接形成される歪みゲージなどのセンサを含んで構成され得る。例えば、歪みゲージを形成するために、印刷された銅コア材料のクラスタが層に追加され得る。同様に、構造監視の理由から、光学繊維が部品に選択的に追加され得る。光学繊維はまた、感度を高めるためのより長いループ長さ、並びに構成要素の統合及び簡易化した製造を含む、複数の可能な利点を有する光ファイバジャイロスコープのコイルを形成するために、ループに印刷され得る。例えば、ジャイロの光学コイルは、翼の一部として関連外部容器の内側に印刷されてもよく、又は、任意の数の他の部品と共に印刷されてもよい。さらに、光学繊維は、同様に三次元印刷を使用して形成され得る電気モータのためのシャフトエンコーダの一部として印刷されてもよい。
【０１５０】
図36は、上記で説明された多くの構成要素を組み込んだ印刷部品を示し、構成要素は、説明された三次元印刷プロセスを使用して部品内に直接形成されている。印刷部品1700は、印刷された各電気構成要素を接続するための印刷電気配線1702、並びに印刷電気配線1702によって接続された印刷誘導子1704及び印刷アンテナ1706を含む。印刷部品1700はまた、印刷光ファイバケーブル1708を含む。さらに、実施形態に応じて、印刷部品1700は、チップ1710やコネクタ1712などの他の構成要素を印刷部品に接続するための、図示されていない接触子又はリード線を含み得る。
【０１５１】
図37〜39は、付加製造法を使用した多層プリント回路基板(PCB)のための印刷及び形成プロセスを示す。減法的なPCBレイアウトと同様に、パッド及び配線のパターンが設計され、次いで図に示されるように印刷され得る。しかし、PCBの付加製造法のプロセスは、一台の機械を使用して作業台上で実行するのに十分に単純であり、したがって設計サイクルの大幅な加速が可能になる。
【０１５２】
図37は、作成プラテン16上での多層PCB1800の印刷を示す。PCB1800は、加熱押出しノズル10と切断機構8とを含む印刷機ヘッドを使用して堆積される導電性コア材料1802及び絶縁材料1804を含んで形成される。上述のマルチエレメント印刷機ヘッドと同様に、導電性コア材料1802及び絶縁材料1804は、個別に又は一緒に、選択的に堆積され得る。さらに、幾つかの実施形態では、導電性コア材料1802は、堆積複合材料での空隙の形成を最小限に抑えるために、中実である。絶縁材料1804なしで導電性コア材料1802を印刷すると、空隙1806を形成することができ、その後のPCB1800内の複数の層の接続に使用するためのバイアの形成が可能になる。所望の用途に応じて、空隙1806は、導電性コア材料1802から作られた一つ以上の配線に関連付けられる場合もあればそうでない場合もある。
【０１５３】
図38及び39は、プリント回路基板1800に様々な構造を形成するために目下説明中の三次元印刷機を使用することができる幾つかの代表的な方法を示す。上述のように、プリント回路基板1800は、配線及び空隙の様々な組合せを含んで印刷され得る。例えば、空隙1812が、配線として機能する単一の導電性コア材料1802に関連付けられる。その後、空隙1812は、ハンダパッド1814を形成するために、ハンダ又はハンダペーストで充填される。同様のやり方で、空隙1816は、二本の配線に関連付けられて、二つ以上の印刷層間に電気的に接続されたバイア1818を形成するために、同様にハンダ又はハンダペーストで充填され得る。上記の代替形態として、空隙1820が配線に関連付けられない場合がある。そのような空隙もまた、熱バイア1822として機能するために、ハンダ又はハンダペーストで充填され得る。ハンダ及び/又はハンダペーストは単独で用いられ得るが、一実施形態では、ハンダ充填は、ハンダ又は同等の電気的結合剤1808を分注するために使用される任意選択の印刷ヘッド1810を使用して行われ得る。ハンダは、溶融ハンダとして、又は、任意の適切な技法を使用する後処理熱硬化のためのハンダペーストとして適用され得る。回路基板内に様々な構成要素及び配線を印刷する能力は、ハンダ及び/又はハンダペーストを使用する能力と相まって、プリント回路基板のプロトタイピングプロセスをさらに速めるのに役立ち得る。上記のことに加えて、同一の機械、別の機械、又は手動により、プリント回路基板上に別個の構成要素を設置することができる。続いて、プリント回路基板は、別個の構成要素をプリント回路基板に結合させて部品を仕上げるために、加熱され得る。プリント回路基板のための製造プロセスが上述されたが、三次元印刷される構成要素内に様々な構造を選択的に形成する能力はあらゆる用途に使用され得ることが、理解されるべきである。
【０１５４】
目下説明中の三次元印刷のシステム及び方法はまた、複合構造を形成するために使用することができる。複合構造の概略図が図41Aに示され、この図はサンドイッチパネル複合部品を示す。上部セクション1900及び下部セクション1902が、比較的頑丈な部分を形成するために連続コア強化フィラメントを使用して印刷される。対照的に、中間セクション1904は、上部セクション1900及び下部セクション1902とは異なる特性を有するように印刷され得る。例えば中間セクション1904は、連続コア強化フィラメント、純樹脂、さらには三次元印刷される発泡材料すら使用してハニカムパターンに印刷された複数の層を含むことができる。これは、三次元印刷機を使用する、より低密度の中心部を含む複合部品の製造を可能にする。典型的な三次元印刷プロセスを使用したのでは製造が容易ではない他の複合構造も、目下説明中のシステム、材料、及び方法を使用して製造することができる。
【０１５５】
幾つかの異なるタイプの用途について上述されたが、本明細書で説明される三次元印刷システム及び材料は、あらゆる構造及び/又は構成要素の製造に使用され得ることが、理解されるべきである。本開示はこの様式において限定されるものではないので、例えば、本明細書で説明される三次元印刷システム及び材料は、航空機の構成要素、車の部品、スポーツ用品、家庭用電化製品、医療デバイス、及び任意の他の適切な構成要素又は構造を製造するために使用され得る。
【０１５６】
繊維配向を利用した所望の方向における特性を含む様々な複合構造を形成するために連続コア強化フィラメントを使用することに加えて、幾つかの実施形態では、繊維方向以外の方向に追加的な強度を与えることが望ましい。例えば、連続コア強化フィラメントは、材料の全体的な強度、又は繊維コアの方向以外の方向における材料の強度を高めるために、追加の複合材料を含み得る。例えば、図41Bは、実質的に垂直に積み付けられたカーボンナノチューブ2002を含む炭素繊維コア材料2000の走査電子顕微鏡像を示す。理論に拘束されることを望むものではないが、コア上に実質的に垂直な小繊維部材を積み付けることにより、複合材料の剪断強度が高められ、また、有利には、得られる部品の強度が、繊維方向に対して実質的に類直な方向において高められる。そのような実施形態は、部品が所与の層に沿って裂ける傾向を抑えるのに役立ち得る。
【０１５７】
従来の複合材料では、繊維が積層され、事後に穴が開けられた(減法的機械加工)。これは図40Aに示されており、図40Aは、純ポリマーフィラメント又はコア強化フィラメントを使用して形成され得る複数の層1850を示す。やはり図に示されるように、穿孔又は他の適切な機械加工プロセスを使用して、穴1852が後から部品に形成される。対照的に、幾つかの実施形態では、コア強化フィラメント1854が、部品内に直接に穴を形成するために使用されるが、これは図40B及び40Cを参照されたい。より具体的には、コア強化フィラメント1854は、穴に達して穴の周りを伝い、次いで来た方向から出ていくが、フィラメントが別の方向に出ていく実施形態も意図されている。この形成方法に関連する便益は、コア強化フィラメント内のコアにより、穴が周方向において強化されることである。図40Bに示されるように、コア強化フィラメント1854は、接線方向に円形のパターンを入力する。これは、ねじ込まれるねじに有効である。別のバージョンでは、コア強化フィラメント1854は、円の中心に円形のパターンを入力する。当然ながら、他のパターンを入力する位置も使用可能であることが、理解されるべきである。一実施形態では、入口角は、各連続層において互い違いにされる(PPAでも説明される)。例えば、二つの層がある場合、第1の層の進入角度は0度とされ、一方で第2の層の進入角度は180度とされ得る。これにより、部品に継目が作られることが防止される。10個の層がある場合、進入角度は、36度ごと、又は任意の他の所望のパターン若しくは構成とされ得る。
【０１５８】
上記のように、典型的なトウプレグは空隙を含むが、これは、ノズルを通過するときのグリーントウプレグの温度及び速度、並びにグリーントウプレグ及び含浸トウプレグの領域の差などの考慮点に起因し得る。熱可塑性プラスチックの比較的高い粘度のため、例えば、押出材料のセクションもまた、典型的には完全には湿潤されない。こうした「乾いた」弱点は、時期尚早の、また、しばしば突発的でもある、構成要素障害をもたらし得る。
【０１５９】
上記のことを考慮すると、含浸ステップ中のトウプレグの湿潤又は含浸を改善することが望ましい。これを行う一つの方法は、一つ以上の繊維及びマトリクス材料を含む材料を、マトリクス材料を軟化した状態又は流体の状態に維持しながら、材料の方向の変化を複数回引き起こす遠回り経路に通すことである。例えば、ポリマーマトリクスの場合、ポリマーは、ポリマー融解物として作用するために適切な温度に維持され得るが、遠回り経路は、機械的にマトリクス材料を繊維の状態にする働きをする。このプロセスは、プロセス時間を短縮するのに役立つと同時に、繊維の湿潤を助長して実質的に空隙を含まない材料を提供するのにも役立ち得る。さらに、熱可塑性プラスチックマトリクス材料などのマトリクス材料の高温での滞留時間を短縮することにより、材料の劣化が低減され、それにより、複合材料を使用して形成される得られる部品の強度がさらに高められることになる。上記のプロセスは、連続コア材料にも半連続コア材料にも使用することができる。
【０１６０】
幾つかの実施形態では、所望の材料を形成するために使用される遠回り経路が、消耗材料を製造するために使用される独立型システムの一部とされる。或いは、他の実施形態では、遠回り経路が、印刷ヘッドの圧縮ステージに組み入れられる。そのような実施形態では、磨かれた表面を含む、壁が平滑な一つ以上の案内チューブを使用することにより、印刷ヘッド内の摩擦が最小限に抑えられ得る。さらに、一つ以上の案内チューブは、圧縮された繊維が座屈したり印刷ヘッドを詰まらせたりしないように、材料に対して静合され得る。
【０１６１】
図42は、遠回り経路含浸システムを含む三次元印刷機ヘッド2102の一つの可能な実施形態を示す。図示された実施形態では、連続コアフィラメント2100が、供給機構2110(例えば、図示のローラ)により、切断機構2104に入れられ、受入セクション2106を通されて、ノズルの加熱ゾーン2112に入れられる。加熱ゾーン2112を通過するときに、連続コアフィラメント2100は、材料がノズルから印刷床2118上の一つ以上の層2116に押出されるのに先立って、少なくとも第1の方向における第1の曲りと第2の方向における第2の曲りとを経るチャネルに相当する遠回り経路2108を通過する。結果として得られる遠回り経路の形状は、やや正弦曲線状の経路を形成する。しかし、任意の数の曲り及び任意の所望の曲率が遠回り経路を形成するために使用され得ることが、理解されるべきである。上記の印刷機ヘッドと同様に、印刷プロセスは、制御装置2114を使用して制御することができ、この制御装置2114は、含浸プロセスを制御することもできる。図示された実施形態に関連する利点は、入力材料の含浸に役立つ遠回り経路4内での連続コアフィラメント2100の機械的な往復運動によってもたらされる。
【０１６２】
図43Aは、システムに入力するときの連続コアフィラメント2100の一つの可能な実施形態を示す。図に示されるように、連続コアフィラメント2100は、繊維又は粒子の形態のマトリクス材料2122と一緒に束ねられた一本以上の繊維2120を含む、混合グリーントウプレグに相当する。加熱ゾーン及び遠回り経路を通過すると、連続コアフィラメント2100はマトリクス材料2122により完全に湿潤されていて、実質的に空隙を含まない連続コアフィラメントを提供するが、これは図43Bを参照されたい。
【０１６３】
別の実施形態では、遠回り経路は、オフセットしたローラによって設けられ、これらのローラは、固定されていてもよく、又は、最初のスレッディングの際には好都合に広がって直線状の経路を提供し、その後接近して所望の遠回り経路を設けるように構成されてもよい。図44A及び44Bは、そのような実施形態の、一つの実施可能態様を示す。図に示されるように、所望の遠回り経路を設けるために、三つ以上のローラ204が印刷機ヘッド2102内に配置される。使用中、連続コアフィラメント2100は、供給機構2110によりオフセットしたローラに通され、印刷機ヘッドに供給される。図44Bは、任意選択の装填方式を示す。そのような実施形態では、ローラ2124は、連続コアフィラメント2100でのシステムのスレッディングを容易にするために、図44Aに示されるような遠回り経路を各ローラが形成する第1の位置と、印刷機ヘッド2102の入口から出口までの経路を各ローラが妨げない第2の位置との間で選択的に移動可能とされるが、これは図44Bを参照されたい。材料がローラ2124を越えてスレッディングされた後、各ローラは、図44Aに示された遠回り経路を形成するために、第1の位置に戻ることができる。
【０１６４】
別の実施形態では、図示されていないが、印刷ヘッド内に配置される遠回り経路が、ポリテトラフルオロエチレンチューブなどの可撓性チューブによって形成される。可撓性チューブは、印刷機ヘッドのスレッディングを可能にするために選択的に直線形状に配置される。続いて、可撓性チューブは、上述のようにそこを通過する連続コアフィラメントの含浸を促進するために、スレッディングが完了した後で遠回り経路に変形される。
【０１６５】
場合により、完全に湿潤又は含浸された材料を印刷機ヘッドの供給機構に提供することが望ましい。そのような実施形態では、連続コアフィラメント2100の遠回り経路での湿潤が、結果として得られる実質的に空隙を含まない材料を三次元印刷機の圧縮側に送り込むのに先立って、三次元印刷機の張力側内で前処理ステップとして行われるが、これは図45を参照されたい。図に示されるように、連続コアフィラメント2100は、予調整装置2124に入る。上記のように、予調整装置124に入るときには、連続コアフィラメント2100は、一つ以上の繊維及びマトリクス材料を含む混合トウプレグに相当し得る。連続コアフィラメント2100は、予調整装置2124を通過するにつれて、加熱され、且つ、一連のオフセットローラ2126又は材料の含浸を促進する他の適切な構成によって設けられ得る遠回り経路を通過する。予調整装置2124を通過した後、連続コアフィラメント2100は、一連の駆動ローラに相当する供給機構2110を通過する。供給機構2110は、真空圧力システム2132を含む印刷ヘッド2130に連続コアフィラメント2100を送り込む。真空圧力システム2132、又は他の適切なシステムは、印刷ヘッド内の連続コアフィラメント2100に印加される圧力を変化させる。理論に拘束されることを望むものではないが、こうした圧力の変化は、繊維の含浸を促進し、且つ、トウプレグ内の空気溜りを破裂させ得る。別の好ましい実施形態では、図に示された振動ポンプの代わりに、連続的な真空ラインが真空圧力システム2032のために使用される。さらに、印刷ヘッド内の圧力を変化させるために真空が印加され得るが、印刷ヘッドに正圧が印加される実施形態も意図されている。
【０１６６】
さらに別の実施形態では、グリーン連続コアフィラメント内に含有されたマトリクス材料は、マトリクスが高温で流動が可能な間に一つ以上の圧縮ローラのセットを通過することにより、繊維に入り込まされる。図46は、印刷ヘッド内に配置された圧縮ローラ2136の第1及び第2のセットを含む三次元印刷ヘッド2034の一実施形態を示す。図に示されるように、連続コアフィラメント2100は印刷ヘッドを通過し、そこで連続コアフィラメント2100は、加熱されて、圧縮ローラの二つのセットによる二回続く圧縮を受ける。ローラの二つのセットが図に示されているが、印刷ヘッド内に追加のローラを使用することもできる。
【０１６７】
別の実施形態では、マトリクス材料を連続コアフィラメントの繊維コアに入り込ませるために、周期的に振動する圧力及び/又は真空が使用される。理論に拘束されることを望むものではないが、材料に対する圧力を低下させる、又は真空度を高めることにより、空隙が除去される。反対に、圧力を高める、又は真空度を低下させることにより、繊維トウプレグの周囲の空気圧が高まるにつれて、樹脂がより深く繊維トウプレグ内に押し込まれる。本開示はそのように限定されるものではないので、上記のプロセスは、真空、正圧、又はそれらの組合せのいずれかで全面的に行われてもよい。例えば、周囲圧力と高圧との間、周囲圧力と真空との間、又は正圧と真空との間で材料が循環されてもよい。
【０１６８】
上記の実施形態では、マトリクスを繊維コアに機械的に入り込ませることにより、様々な出発材料から実質的に空隙を含まないトウプレグを製造することが可能とされる。例えば、混合トウプレグが使用され得る。さらなる実施形態では、ポリマーマトリクスが部分的にのみ下層の繊維に染み込まされる平たいトウプレグが、トウプレグを湿潤させるために、上述の遠回り経路湿潤法にさらされる。様々なタイプのトウプレグを製造できるようにすることに加えて、前処理として使用される場合、精密な押出しダイが、含浸材料を三次元印刷機からの押出しに所望されるサイズ及び形状に形成するために使用され得る。例えば、材料は円形の断面を有し得るが、任意の他の適切な形状の断面も使用され得る。
【０１６９】
所望される場合、印刷ヘッド2102から出力される材料の比較的広い幅に沿って一定の厚さを維持するために、精密なローラのセットが使用され得る。そのような実施形態は、平らなトウプレグなどの幅広の材料を扱うときに使用されるものであり得る。図47は第1の方向に平行移動している印刷ヘッド2102を示す。印刷ヘッドのノズル2136が、従圧縮ローラ2138に取り付けられている。ローラは、印刷床2140上に堆積された材料に圧縮力を与える。実施形態に応じて、従ローラ2138は、あらゆる機構を使用して、Z軸の周りで間接式に屈曲することができる。例えば、一実施形態では、印刷ヘッド2102は、ローラが印刷ヘッドの動程を常に追従するように、軸受上で自由回転している。別の実施形態では、印刷ヘッド402全体が、回転するように構成される。或いは、印刷床2140が、所望の追従及び変位を得るために回転され得る。
【０１７０】
図48は、上述の材料を使用することが可能な高速連続コア印刷機の一実施形態を示す。図示された実施形態では、印刷機は、複数のノズルを含む印刷アーム2200を備える。ノズルには、純樹脂2208を印刷するように構成された純樹脂ノズル2202が含まれる。印刷アーム2200はまた、細部の作業で使用するための連続コアフィラメント2210を印刷するように構成された連続コアフィラメントノズル2204を含む。さらに、印刷アーム2200は、一つ以上の印刷可能テープ2212を印刷することができるテープ分配ヘッド2206を含む。テープ分配ヘッドは、上記の印刷可能テープを使用して大きな充填セクションを速やかに印刷することを可能にする。しかし、本開示はそのように限定されるものではないので、テープでは充填することのできない細部の作業及び間隙は、純樹脂ノズル2202又は連続コアフィラメントノズル2204のいずれかによって充填され得る。幅広のテープ充填剤を使用する上記の方法及びシステムは、印刷機の速度を大幅に向上させて、より高いスループットと、比例したより低いコストとを可能にする。
【０１７１】
上記のように幾つかの実施形態では、様々な理由から、材料に滑らかな外表面を提供することが望ましい。以下で詳述されるように、滑らかな外表面、所望の形状、及び/又は所望のサイズは、いろいろな方法で得られ得る。
【０１７２】
一実施形態では、コア強化フィラメントが、トウ、束、ヤーン、ストリング、ロープ、スレッド、撚糸、若しくは他の適切な形態の軸方向に整列された連続繊維又は半連続繊維を含む、内部部分を有する。内部部分はまた、繊維が埋め込まれるマトリクスを含む。コア強化フィラメントはまた、フィラメントの内部部分上に堆積された外部被覆を含む。外部被覆は、所望の断面形状及びサイズを提供するための形状及びサイズとなされ得る。結果として得られるコア強化フィラメントは、上述のような三次元印刷プロセスに使用することができるが、本開示はそのように限定されるものではないので、他の適切な三次元印刷プロセスにも同様に使用することができる。
【０１７３】
関連する一実施形態では、コア強化フィラメントを製造するための方法が、任意の適切な方法を使用してトウ、束、ヤーン、ストリング、ロープ、スレッド、コード、又は撚糸をポリマーマトリクスに埋め込むことを含む。続いて、結果として得られるフィラメントは、上記の外部被覆を形成するために、ポリマーと共に押し出される。以下でより詳細に説明されるように、外部被覆は、フィラメントの内部部分のマトリクス材料と同じ材料で、又は異なる材料で作られ得る。
【０１７４】
図49Aは、三次元印刷システムで使用するための滑らかな外側被覆を含む完全に湿潤又は含浸されたコア強化フィラメントを作るためのプロセスを示す。図に示されるように、連続コアエレメント2300が、共押出しダイ2302に引き入れられる。幾つかの実施形態では、連続コアエレメント2300は、以下でより詳細に説明されるように、共押出しダイ2302に入る前に2301において種々の前処理を受ける。共押出しダイ2302に導入されると、連続コアエレメント2300は、混合点2304においてマトリクス材料2306を含浸される。ポリマーでの連続コアエレメントの湿潤若しくは含浸中又はそれに先立って、捕捉された空気を連続コアフィラメントから除去するために、任意選択の真空ステップが用いられ得る。図49B及び49Cは、整列された複数の強化用繊維を含むトウプレグとされ得る種々の出発連続コアエレメント2300の断面を示す。完全な湿潤又は含浸がこのステップの主な目的なので(従来の共押出しダイにおいては被覆だけが目的なのとは対照的に)、混合ステップの温度及び圧力は、繊維束にわたって所望の完全な湿潤/含浸を得るために高められ得る。或いは、又は上記のことに加えて、材料の湿潤/含浸をさらに促進するために、上述のように遠回り経路及び/又は変動圧力が適用され得る。
【０１７５】
多くの炭素繊維及びガラス繊維のトウプレグは、最初はテープ様の体裁であるので、共押出しダイのダイ出口2308は、滑らかで一定の直径の複合フィラメントを提供するために、連続コアエレメント及びポリマーマトリクス材料を所望の形状及びサイズに統合するように機能し得る。しかし、フィラメントは、典型的なフィラメント製造プロセスで生じるように、共押出しダイの下流で変形し始める。本発明者らは、この変形は、射出成形部品をあまりに早く取り出すことにより型の外側に出たときに射出成形部品が歪むことにある程度類似した、支持なしで押出し品を冷却することによる人為的な影響であることに気付いた。したがって、幾つかの実施形態では、冷却チューブ2312、及び動作的に結合された冷却ジャケットなどの冷却要素2310が、押出し材料に位置合わせされてそれを支持する。したがって、押出されたコア強化フィラメントは、所望のサイズ及び形状に強いられている間に冷却されることが可能になる。フィラメントがチューブに入り次第、又はチューブの長さに沿った箇所において、潤滑剤が有利には適用され得る。潤滑剤は、後で蒸発するか又は洗い落とされ得る。潤滑剤は、チューブ内のコア強化フィラメントの引きずり摩擦を軽減して、「スキッピング」即ち冷却中に冷却チューブを通してフィラメントを引きずることによる表面の荒れを実質的に防止するか少なくとも減少させるように機能することができる。コア材料、並びにコア材料の対応する圧縮率及び延性に応じて、冷却チューブは、所望の形状及びサイズを得るために、内径の異なる一連の「ダイ」を有して作られ得る。或いは、特定の材料に対して、冷却チューブの所定の位置に複数の別個の「冷却ダイ」が使用されてもよい。出力コア強化材料2314は、図49E〜49Fに示された断面に類似した断面を呈示し得る。材料は、冷却チューブ又はダイで使用される圧縮量に応じて、チューブ又はダイの形状に程度の差はあれ一致する様々な断面プロフィルを呈示し得る。
【０１７６】
幾つかの実施形態では、コア強化フィラメントは、第2の共押出しダイ2316に送り込まれ、そこでコア強化フィラメントは、被覆付きコア強化フィラメント2322としてダイ出口2320から出力されるのに先立って、ポリマー又は樹脂などの別のマトリクス材料2318で被覆される。この外側被覆2326は、内部部分2324上に配置される。外側被覆2326は、内部部分内のマトリクス材料2306と同じ材料、又は異なる材料で作られ得る。したがって、外側被覆2326は、先に堆積された層への結合性、耐摩耗性、又は任意の他のいろいろな所望の特性などの、所望の性能特性を提供するように選択され得る。さらに、幾つかの実施形態では、外側被覆2326は、図49G〜49Iに提示された断面図に示されるように、滑らかで繊維のない外径を提供する。図49Gは、連続コアを形成する複数のフィラメントの他に、異なるマトリクス材料で形成された内部部分2324及び外側被覆2326を含む、コア強化フィラメントの一実施形態を提示する。図49Hは、連続コアを形成する複数のフィラメントの他に、同じマトリクス材料で形成された内部部分2324及び外側被覆2326を含む、コア強化フィラメントの一実施形態を示す。図49Iは、固体連続コア2300を含む内部部分2324を有するコア強化フィラメントの一実施形態を提示する。内側及び外側のマトリクス材料は、熱可塑性プラスチック、熱硬化性樹脂、樹脂、エポキシ、セラミックス、金属、蝋、等を含むがこれらに限定されない、複合材料に使用される任意の適切な結合剤とすることができる。
【０１７７】
図50Aは、外側被覆と結合される繊維の完全な湿潤/含浸を達成するためのローラを基礎とした代替的な方法を示す。上記のことと同様に、コア材料2300は、図50B及び50Cに示されるような断面を有し得る。さらに、コア材料2300は、2301において任意選択の前処理ステップにさらされ得る。コア材料2300は、コア材料の断面を平らにして図50Dに示された扁平な断面形状2332にするように構成され且つ配置された分散ローラ2330のセットに通される。理論に拘束されることを望むものではないが、連続コアの個々の繊維を扁平な形状に分散させることは、マトリクス材料2306が混合点2304において扁平な連続コアエレメント2332に導入されるときに、マトリクス材料2306の湿潤/含浸を促進するのに役立ち得る。上記のことと同様に、連続コアエレメント及びマトリクス材料は、マトリクス材料の含浸をさらに促進するために、遠回り経路及び/又は変動圧力にさらされ得る。さらに、図示された実施形態では、システムは、混合点2304より下流に配置されたローラ2334のセットを任意で含むことができる。ローラ2334は、マトリクス材料2306をさらに連続コアエレメント2300内に押しやるために、複合フィラメントに力を印加することができる。結果として得られる複合扁平テープ2336の断面が、図50Eに示される。結果として得られる扁平複合テープ2336は、続いて成形ダイ2338に送り込まれる。このステップは、材料をリフローさせるために十分な温度まで加熱される加熱成形ダイにより、又は、複合扁平テープがダイに入るときに十分な温度で形成され得るようにローラ2334の出口に十分に接近して配置された成形ダイ2338により達成され得る。この場合もやはり、上記のことと同様に、コア強化フィラメント2314が冷えるときにその断面を支持するために、任意選択の冷却チューブ2312及び関連する冷却要素2310が成形ダイ2338に付随され得るが、これは図50F〜50Gを参照されたい。次いで、上述のような被覆付きコア強化フィラメント2322を形成するために、コート強化フィラメントに外側被覆が加えられ得る。
【０１７８】
上述の実施形態は、実質的に空隙を含まない、完全に湿潤され完全に染み込みされた材料の使用を対象としてきたが、説明された外側被覆及び含浸方法は、空隙を含む材料にも同様に使用され得ることが、留意されるべきである。さらに、湿潤されていないグリーン材料も、本明細書で説明される三次元印刷機と共に使用することができる。さらに、製造プロセスに関して、扁平テープや丸みを帯びた断面プロフィルなどの様々な形状が上述されたが、本開示はそのように限定されるものではないので、材料及び/又は結果として得られるコア強化フィラメントの任意の適切な形状が可能である。
【０１７９】
前述の複合フィラメントの内部部分及び外側被覆に使用される二種のポリマーマトリクス結合剤の組成は、以下の要因、即ち、ポリマー鎖のポリマー分子量、ポリマー重量配分、分岐度、化学構造、及び、可塑材、融解粘度調節剤、UV安定剤、熱安定剤、光学的光沢剤、着色剤、顔料、又は充填剤などのポリマー処理添加剤といった要因のうちの一つ以上によって異なり得る。二種の異なる結合剤組成によるコア強化フィラメントの製造は、特定の加工特性又は完成した部品の特性のどちらに修正若しくは制御が所望されるのかに応じて、幾つかの異なる方法で実践され得る。
【０１８０】
一実施形態では、フィラメントの内部部分内の繊維の一様な分散、及び円形の断面形状を維持することが望ましい。そのような実施形態では、内部部分のポリマーマトリクスは、外側被覆内のポリマーマトリクスの溶融点よりも高い溶融点を呈示し得る。したがって、フィラメントの内部部分は、外部被覆が適用されるときに、固体の、又は少なくとも半固体の、強粘性状態のままでいる。それに応じて、共押出しによる外側被覆のポリマーマトリクスの適用中に、連続コア内に収容された繊維は所定の位置に留まり、また、フィラメントはその円形の断面形状を保持し、それと同時に、共押出しステップ中に連続繊維がフィラメントの内部部分の溶融マトリクスを通り抜けてフィラメントの外側被覆に移動することが回避される。
【０１８１】
別の実施形態では、マトリクス結合剤による繊維トウプレグの含浸/湿潤を向上させることが望ましい。したがって、幾つかの実施形態では、フィラメントの内部部分内のマトリクス材料として、より低粘性のポリマー融解物が使用される。好ましくは、フィラメントの内部部分に使用されるポリマーマトリクス材料は、低い粘性を有するだけでなく、向上された繊維表面の界面湿潤を呈示するべきである。理論に拘束されることを望むものではないが、これは、吸収ポリマー融解物の界面エネルギーと連続繊維材料の界面エネルギーとを釣合わせることによって得ることができる。外部被覆に使用されるポリマーマトリクス材料は、内部のマトリクスポリマーよりも高い融解粘度を持つポリマーを含み得る。外部のポリマーマトリクス材料はまた、内部のポリマーよりも低い融解点を呈示し得る。連続コアに向かう外側被覆マトリクスの湿潤特性は、原理上これらは直接接触しないはずなので、あまり重要なことではない。
【０１８２】
さらに別の実施形態では、ポリマー融解物及び連続コアフィラメントの界面エネルギーの変更を介して下層の束への外部被覆の接着を促進することが望ましい。界面エネルギーは、ポリマー骨格内の極性基の含量及びタイプを変化させること、例えば界面活性剤、オイル、無機充填剤等の界面活性成分を融解物に加えること、繊維を電気ガス放電プラズマ、化学蒸気堆積、オゾンに曝露すること、溶液由来の表面改質化合物との反応又はそれによる被覆を含むがこれらに限定されない、多くの方法によって制御され得る。
【０１８３】
別の実施形態では、フィラメントが三次元印刷機によって堆積されるときにフィラメントの層間結合を強化するために、界面エネルギー調節剤も使用され得る。例えば、既存の層への新規の層の接着を促進するために、印刷ヘッドによりオゾンが堆積され得る。別の実施形態では、作成チャンバは、露出面を活性化させるために、十分な比率のオゾンで満たされ得る。
【０１８４】
本発明のさらに別の実施形態では、新たに堆積されるフィラメントの堆積点の近傍及び/又はすぐ前方の小領域に選択的に加熱蒸気の流れを当てることにより、新たに押出される繊維に富むフィラメントの下位層への接合強度を向上させることが、有利であり得る。
【０１８５】
別の実施形態では、新たに堆積されるフィラメント表面の堆積点の近傍及びすぐ前方の小領域に十分な濃度のオゾンを含む空気又は他の気体の流れを選択的に向けることにより、新たに押出される繊維に富むフィラメントと下位層との間の結合強度が向上され得ることが、意図されている。オゾンは、有機ポリマーの原子的に厚い表面層と容易に反応して、水酸基、オゾニド、過酸化物、ヒドロペルオキシド、アルデヒド、及びカルボン酸基などの数多くの極性反応表面基を作り出し、それらの非常によく反応する化学的性質及び/又は極性により、表面層とインク、接着剤、又は他のポリマー結合剤などの別の材料との結合が促進される。
【０１８６】
さらに別の実施形態では、作成プラットフォームからの部品又は部品の一部分の持ち上がりの防止を助長するために、作成プラットフォームとの結合強度を高めることが望ましい。したがって、幾つかの実施形態では、前述のプラットフォームへの押出しフィラメントの接着を促進するために、作成プラットフォームに界面エネルギー調節剤が適用される。幾つかの実施形態では、上記の接着修正形態は、箱の隅部などの小数の重要な領域において作成プラットフォームへの第1の結合層の接着性を高めるために使用され、それにより、最も部品がプラットフォームから剥がれやすい場所に、より強力な接着がもたらされる。しかし、箱の中心部は、容易な取り外しを促進するために、実質的に界面エネルギー調節剤なしとされ得る。
【０１８７】
上記の実施形態に関して、堆積されるオゾン、蒸気、若しくは他の界面エネルギー調節剤のタイミング及び/又は量は、所望の接着の水準を得るために変更され得ることが、理解されるべきである。
【０１８８】
別の実施形態では、マトリクス材料に磁性充填剤が込められる。磁性充填剤は、鉄若しくは鋼鉄のように磁性的に活性であってもよく、又は、本開示はそのように限定されるものではないので、磁化されてもよい。電子装置の連続コア印刷の場合、磁性充填剤は、三次元印刷される駆動部材を形成するために使用され得る。さらに、磁気マトリクス粒子は、印刷中に部品を印刷テーブルに磁気的に張り付け、そして印刷の完了時に解放するために使用され得る。磁気材料は、最終的な部品に取り込まれてもよく、又は、有利には、材料の他の部分と同様の特性を呈示する類似したマトリクスを含む除去可能な支持材料に取り込まれてもよい。
【０１８９】
さらに別の実施形態では、磁気的に活性な充填粒子は、X線又は金属センサを使用した材料若しくは支持構造の測定及び検出を可能にする。例えば、支持材料に金属粉末を含む材料を使用し、モデル材料には金属粉末を含む材料を使用しなければ、全ての支持材料の除去の容易な検出が可能になるはずである。別の実施形態では、磁性材料は、さもなければ目に見えないであろうX線での複雑な特徴の検出を可能にするために、部品の一部又は全てに追加される。
【０１９０】
幾つかの実施形態では、連続炭素繊維などの連続コアが、上記の連続炭素繊維に対する優れた湿潤特性及び接着特性を呈示する半芳香族ポリアミド及び/又は半芳香族ポリアミドと線状ポリアミドとの混合物と結合される。そのような半芳香族ポリアミドの例は、グリボリーHT1(Grivory HT1)、グリボリーHT2(Grivory HT2)、グリボリーHT3(Grivory HT3)、及び他の類似の混合物などの、EMSグリボリー(EMS-Grivory)、Domat/Ems、Switzerlandからの半芳香族ポリアミドと線状ポリアミドとの混合物を含む。連続強化繊維トウプレグを高温融解及び繊維湿潤ポリアミド並びにそれらの混合物と結合させることにより、複合トウの押出し性、優れた繊維-マトリクス湿潤性、繊維トウプレグへの樹脂の完全な浸透、及び繊維-マトリクス境界面における優れた剪断強度を確実とすると同時に、並外れた機械的強度、並びに120℃及びより高い温度使用温度での長期温度安定性を特徴とする部品が製造され得る。
【０１９１】
上記の任意選択の前処理は、コア材料の完全な湿潤、及びコア材料の中心部へのマトリクス材料の染み込みを促進するように意図されている。様々なタイプの前処理は、機械的前処理、レオロジー前処理、及び繊維湿潤前処理などの分類区分を含み得る。用いられる特定の方法は、選択されたマトリクス材料、及び選択されたコアに依存する。
【０１９２】
適切な機械的前処理は、樹脂又は融解物(即ち、浸漬被覆)との接触の前に、コアの個々の繊維を、機械的手段又は空気圧手段により、扁平なリボン形状のトウプレグに広げることを含む。或いは、繊維間に捕捉された気泡を膨張させて除去するように、また、真空が解放されたときに樹脂又は融解物を繊維間のすき間の空間に押し込むように周期的に真空排気されるチャンバ内の融解物を、トウプレグが通過してもよい。さらに、より高い空気圧の周期的サイクルが、閉じ込められた気泡のサイズを変化させ、且つ、空気-繊維境界面の再生を強制し、それにより気泡の移動を促進することにより、プロセスの有効性を高め得る。さらに、樹脂又はポリマーミルクが、従来の共押出しプロセス中に単に連続コアを取り囲むのに比較して、連続コアを通じて注入されるように、連続コアの片側から注入され得る。他の機械的前処理も可能であることが、理解されるべきである。
【０１９３】
連続コアの適切なレオロジー的前処理は、低粘度若しくは高メルトフローインデックスの樹脂又はポリマー融解物の使用を含む。さらに、低い分子量及び/又は線状鎖を呈示するポリマーが使用され得る。粘度の大きな変化を伴う鋭い溶融点遷移を呈示するポリマーも使用され得る。そのような遷移は、ポリアミドによって呈示される典型的な特性である。マトリクス材料の含浸の向上をもたらし得るより高度の融解物の乱流及び非層状の融解物の流れを誘発するために、多ポート融解物注入、傾斜チャネル、並びに溝付きの又は螺旋溝の押出しチャネル表面「形態」などの様々な特徴が使用され得る。有効融解粘度を低下させ且つ繊維表面での滑りを向上させるために使用される融解粘度調節剤及び潤滑剤もまた、使用され得る。
【０１９４】
適切な繊維湿潤前処理は、融解物と繊維表面との間の似た成分同士の相互作用を得るためにその後に溶媒蒸発が続く希薄なポリマー溶液由来の同じ又は類似のポリマーの非常に薄い層を持つ繊維表面を排除することを含み得る。中性且つ相溶性の溶媒中のポリマー又は樹脂の溶液は、約0.1wt.-%から1wt.-%、又はより高い濃度を有し得る。さらに、繊維表面の極性をもたらす若しくは変化させるため、且つ/又は、湿潤/含浸(接触角)、及び物理的若しくは化学的にポリマーマトリクスと繊維表面とを結合させることによる接着性(マトリクス-繊維界面の剪断強度)に影響を及ぼす化学反応性の高い表面基をもたらすために、一つ以上の表面活性化方法が使用され得る。適切な表面活性化方法の幾つかの例は、空気中での大気圧表面酸化、酸素、酸化窒素、又はハロゲン化された硫黄、ケイ素、若しくは他の揮発性化合物などの他の反応性ガスに富む空気、並びに高圧コロナ放電(印刷のためのポリオレフィンフィルム表面の活性化で広く使用される方法)を含むが、これらに限定されない。空気、酸素、又は上記に列挙された他のガス中での低圧プラズマ活性化技法もまた、プロセス条件(時間、圧力、放電エネルギー(バイアス電圧)、滞留時間、及び反応性ガスの組成によって画定される化学的特性を含む反応性化学的表面基をもたらすために使用され得る。繊維表面はまた、特に高温でのヘキサメチルジシラザン(HMDS)蒸気の存在下でのシラン処理などの気相及び液相での活性化法、並びに、トリス(エトキシ)-3-アミノプロプルシラン、トリス(エトキシ)グリシジルシラン、テトラアルコキシチタネート等の有機シリコン又は有機チタンの接着促進剤を使用する溶媒相表面改質を使用して、化学的に活性化され得る。
【０１９５】
本教示は様々な実施形態及び実例と併せて説明されてきたが、本教示がそのような実施形態又は実例に限定されることは意図されていない。むしろ、本教示は、当業者には理解されるであろうように、様々な代替、修正、及び均等物を含む。したがって、上記の説明、及び図面は、ただ実例としてだけのものである。
【図１】
2019031083.tif 000003
【図２】
2019031083.tif 000004
【図３Ａ】
2019031083.tif 000005
【図３Ｂ】
2019031083.tif 000006
【図３Ｃ】
2019031083.tif 000007
【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５】
2019031083.tif 000011
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
2019031083.tif 000016
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図１９Ｅ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２４Ｄ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３０Ｄ】
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【図３０Ｅ】
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【図３０Ｆ】
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【図３０Ｇ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０Ａ】
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【図４０Ｂ】
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【図４０Ｃ】
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【図４１Ａ】
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【図４１Ｂ】
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【図４２】
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【図４３Ａ】
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【図４３Ｂ】
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【図４４Ａ】
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【図４４Ｂ】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９Ａ】
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【図４９Ｂ】
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【図４９Ｃ】
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【図４９Ｄ】
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【図４９Ｅ】
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【図４９Ｆ】
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【図４９Ｇ】
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【図４９Ｈ】
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【図４９Ｉ】
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【図５０Ａ】
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【図５０Ｂ】
2019031083.tif 000103
【図５０Ｃ】
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【図５０Ｄ】
2019031083.tif 000105
【図５０Ｅ】
2019031083.tif 000106
【図５０Ｆ】
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【図５０Ｇ】
2019031083.tif 000108
【図５０Ｈ】
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【図５０Ｉ】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年10月4日(2018.10.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品を製造するための方法であって、
マルチストランド繊維コアの繊維ストランドに含浸するマトリクス材料を含む強化フィラメントを供給するステップと、
前記強化フィラメントをノズルの内側のチャネルを通して該ノズルの遠位端部を出て外側の丸みを帯びた縁に送り込むステップと、
前記強化フィラメントを案内して前記外側の丸みを帯びた縁に沿って引きずり出し、前記強化フィラメントの方向を堆積表面に平行に移行させるステップと、
前記外側の丸みを帯びた縁によって前記強化フィラメントに熱を印加して前記マトリクス材料を軟化させるステップと、
前記外側の丸みを帯びた縁によって前記堆積表面に向けて下方向の力を印加して前記外側の丸みを帯びた縁と前記堆積表面との間で前記強化フィラメントの中の前記繊維ストランドを広げ、前記部品を形成するステップと、を含む、方法。
【請求項２】
前記マトリクス材料が熱可塑性樹脂を含んでいる、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記強化フィラメントによって、充填材料から形成された前記部品の径方向内側の部分を少なくとも部分的に取り囲む前記部品のシェルを形成するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記ノズルの前記外側の丸みを帯びた縁において又はそれより上流において前記強化フィラメントを切断するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記ノズルの前記外側の丸みを帯びた縁と供給機構との間で前記強化フィラメントを切断するステップをさらに含む、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記マルチストランド繊維コアが連続繊維ストランドを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
前記マルチストランド繊維コアが半連続繊維ストランドを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
関連する供給機構の力の閾値よりも前記強化フィラメントに印加される引きずり力の方が大きいときに、前記強化フィラメントを前記ノズルから引き出すステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
部品を製造するための方法であって、
繊維強化フィラメントを加熱ノズルの内側のチャネルを通して加熱された外側の縁に送り込むステップ、
前記繊維強化フィラメントを案内して前記内側のチャネルから曲げ前記加熱された外側の縁と堆積表面との間を通過させるステップ、及び
前記加熱ノズルの前記加熱された外側の縁と前記堆積表面との間で前記繊維強化フィラメントに広げる力を印加して前記繊維強化フィラメントを前記堆積表面内に向けて下へアイロンがけするステップ、を含む、方法。
【請求項１０】
前記広げる力は、前記内側のチャネルの方向に対して水平な前記堆積表面の平面へ向けて下方へ印加された圧縮力である、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記繊維強化フィラメントのマトリクス材料が、前記ノズルの前記内側のチャネルに送り込まれるときには実質的に固体である、請求項9に記載の方法。
【請求項１２】
前記マトリクス材料が熱可塑性樹脂を含んでいる、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
前記加熱された外側の縁を当てて前記繊維強化フィラメントの中のマルチストランド繊維コアの繊維ストランドの軟化温度よりも低温で前記マトリクス材料を軟化させる、請求項11に記載の方法。
【請求項１４】
前記マルチストランド繊維コアが連続繊維ストランドを含む、請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
前記マルチストランド繊維コアが半連続繊維ストランドを含む、請求項13に記載の方法。
【請求項１６】
前記強化フィラメントは、前記ノズルの前記内側のチャネルへ予含浸フィラメントとして供給される、請求項1に記載の方法。
【請求項１７】
前記強化フィラメントは、前記内側のチャネルから、前記外側の丸みを帯びた縁に沿って、前記内側のチャンネルの方向に対して水平な前記堆積表面の平面へ、滑らかな移行部に沿って案内される、請求項1に記載の方法。
【請求項１８】
前記下方向の力は、前記強化フィラメントの第1の断面形状を、前記強化フィラメントの第2の、扁平な断面形状に圧縮する圧密圧力を作り出す、請求項1に記載の方法。
【請求項１９】
前記下方向の力は、前記外側の丸みを帯びた縁を、前記強化フィラメントの断面の直径未満で前記強化フィラメントの中の前記繊維ストランドを広げるのに十分な間隔に位置決めすることにより提供される、請求項1に記載の方法。
【請求項２０】
前記ノズルの前記内側のチャネルは非末広であり、前記ノズルの出口の直径は前記ノズルの入口の直径以上である、請求項1に記載の方法。
【請求項２１】
前記繊維強化フィラメントは、前記加熱ノズルの前記内側のチャネルへ予含浸フィラメントとして供給される、請求項9に記載の方法。
【請求項２２】
前記繊維強化フィラメントは、前記内側のチャネルから、前記加熱された外側の縁に沿って、前記内側のチャンネルの方向に対して水平な前記堆積表面の平面へ、滑らかな移行部に沿って案内される、請求項9に記載の方法。
【請求項２３】
前記広げる力は、前記繊維強化フィラメントの第1の断面形状を、前記繊維強化フィラメントの第2の、扁平な断面形状に圧縮する圧密圧力作り出す、請求項9に記載の方法。
【請求項２４】
前記広げる力は、前記加熱された外側の縁を、前記繊維強化フィラメントの断面の直径未満で前記繊維強化フィラメントの中の前記繊維ストランドを広げるのに十分な間隔に位置決めすることにより提供される、請求項9に記載の方法。
【請求項２５】
前記加熱ノズルの前記内側のチャネルは非末広であり、前記加熱ノズルの出口の直径は前記加熱ノズルの入口の直径以上である、請求項9に記載の方法。
【請求項２６】
前記加熱された外側の縁は、外側の丸みを帯びた縁である、請求項9に記載の方法。
【請求項２７】
前記繊維強化フィラメントを案内するステップは、前記繊維強化フィラメントを案内して前記外側の丸みを帯びた縁に沿って引きずり出し、前記繊維強化フィラメントの方向を堆積表面に平行に移行させるステップを含む、請求項26に記載の方法。
【請求項２８】
前記繊維強化フィラメントによって、充填材料から形成された前記部品の径方向内側の部分を少なくとも部分的に取り囲む前記部品のシェルを形成するステップをさらに含む、請求項9に記載の方法。
【請求項２９】
前記加熱ノズルの前記加熱された外側の縁において又はそれより上流において前記繊維強化フィラメントを切断するステップをさらに含む、請求項9に記載の方法。
【請求項３０】
前記加熱ノズルの前記加熱された外側の縁と供給機構との間で前記繊維強化フィラメントを切断するステップをさらに含む、請求項29に記載の方法。
【請求項３１】
関連する供給機構の力の閾値よりも前記繊維強化フィラメントに印加される引きずり力の方が大きいときに、前記繊維強化フィラメントを前記加熱ノズルから引き出すステップをさらに含む、請求項9に記載の方法。
【請求項３２】
前記外側の丸みを帯びた縁によって熱を印加するステップは、前記外側の丸みを帯びた縁によって前記強化フィラメントに熱を印加して前記繊維ストランドの融解温度よりも低い温度で前記マトリクス材料を軟化させるステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３３】
前記外側の丸みを帯びた縁によって熱を印加するステップは、前記外側の丸みを帯びた縁によって前記強化フィラメントに熱を印加して前記繊維ストランドの軟化温度よりも低い温度で前記マトリクス材料を軟化させるステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３４】
前記外側の丸みを帯びた縁によって熱を印加するステップは、前記外側の丸みを帯びた縁によって前記強化フィラメントに熱を印加して前記繊維ストランドの転移温度よりも低い温度で前記マトリクス材料を軟化させるステップを含む、請求項1に記載の方法。
【外国語明細書】
2019031083000001.pdf