(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品の積層造形用の３Ｄプリンタであって、前記３Ｄプリンタは、
フィラメントのマトリックス材内に延在する１つ又は複数の非弾性軸方向繊維ストランドを含む、未溶融の繊維強化複合フィラメントの繊維複合フィラメント供給部と、
前記部品を支持する可動プラテン体と、
前記可動プラテン体に対向し、複合フィラメントしごき先端、及び前記複合フィラメントしごき先端を前記マトリックス材の溶融温度よりも高く加熱するヒータを含むプリントヘッドと、
前記プリントヘッド及び前記プラテン体を３自由度で相対移動させる複数のアクチュエータと、
前記未溶融の繊維強化複合フィラメント、及び前記未溶融の繊維強化複合フィラメントの中に埋め込まれた前記非弾性繊維ストランドを、ある直線送り速度で前記プリントヘッド内に入れるフィラメントドライブと、
前記フィラメントドライブ及び前記しごき先端の間に位置し、前記マトリックス材の溶融温度未満に維持される冷却送りゾーンと、
前記ヒータ、前記フィラメントドライブ及び前記複数のアクチュエータに動作可能に接続されたコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記フィラメントドライブに、前記複合フィラメントの未接着の端部を、前記フィラメントドライブと前記しごき先端の間の前記冷却送りゾーンに保持させる命令を実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項２】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは前記フィラメントドライブに、前記複合フィラメントの前記未接着の端部を、前記プリントヘッドを通して前記加熱された複合フィラメントしごき先端へ、前記未接着の端部が、前記フィラメントの前記マトリックス材を溶融するのに十分な温度を有する場所を通る際、少なくとも現状の供給速度で進むよう、停止せずに前進させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項３】
請求項２に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記フィラメントドライブに、前記複合フィラメントの前記未接着の端部を、前記プリントヘッドを通して前記加熱された複合フィラメントしごき先端へ、前記未接着の端部が前記複合フィラメントしごき先端に隣接する前記プリントヘッドの内壁に接着するのに十分な伝熱を受けるのを防ぐのに十分な速度で前進させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項４】
請求項３に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記フィラメントドライブに、前記複合フィラメントの前記未接着の端部を、前記プリントヘッドを通して前記加熱された複合フィラメントしごき先端へ１００ｍｍ／ｓの速度で前進させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項５】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記フィラメントドライブに、前記複合フィラメントの前記未接着の端部を、前記プリントヘッドを通して前記加熱された複合フィラメントしごき先端へ、そして前記加熱された複合フィラメントしごき先端を越えて停止せずに前進させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項６】
請求項５に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記複数のアクチュエータに、前記フィラメントドライブが前記複合フィラメントの前記未接着の端部を前記加熱された複合フィラメントしごき先端に前進させるほぼその瞬間に、前記プリントヘッド及び前記プラテン体を少なくとも１つの自由度で相対移動させ始める命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項７】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記フィラメントドライブに、前記端部及び前記１つ又は複数の非弾性軸方向繊維ストランドの少なくとも一部分が前記プラテン体の部品内に固定されるまで前進させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項８】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記フィラメントドライブと前記しごき先端の間に位置するカッターを更に備え、前記コントローラは、前記カッターに、前記未溶融の繊維強化複合フィラメントを前記冷却送りゾーン内でせん断させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項９】
請求項８に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記未溶融の繊維強化複合フィラメントのせん断後、前記複数のアクチュエータに、残りの未溶融の繊維強化複合フィラメントを、前記プリントヘッドから前記冷却送りゾーン及び前記複合フィラメントしごき先端を通してドラグさせる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項１０】
請求項８に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記未溶融の繊維強化複合フィラメントのせん断後、前記フィラメントドライブに、前記未溶融の繊維強化複合フィラメントの前記未接着の端部を前記カッターに隣接する前記冷却送りゾーンに保持させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項１１】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記フィラメントドライブと前記しごき先端との間に位置するカッターを更に備え、前記コントローラは、前記カッターに、前記フィラメントドライブと前記しごき先端との間の前記冷却送りゾーンに前記未溶融の繊維強化複合フィラメントの前記未接着の端部を保持する前に、前記未溶融の繊維強化複合フィラメントをせん断させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項１２】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記フィラメントドライブと前記しごき先端との間に位置するカッターを更に備え、前記カッターは、
前記未溶融の繊維強化複合フィラメントの径未満の厚さを有する刃を駆動するアクチュエータと、
前記未溶融の繊維強化複合フィラメントを前記カッターに誘導する導入管と、
前記未溶融の繊維強化複合フィラメントを前記カッターから誘導する導出管とを備え、
前記刃は前記導入管と前記導出管との間で前記未溶融の繊維強化複合フィラメントをせん断し、前記導入管と前記導出管との間の距離及び前記刃の厚さのどちらも前記未溶融の繊維強化複合フィラメントの径以下である、３Ｄプリンタ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記カッターと前記導入管及び前記導出管の各々との間の隙間は前記カッターの厚さの１／４〜１／２未満であり、前記導出管の内径は前記導入管の内径よりも大きい、３Ｄプリンタ。
【請求項１４】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記複数のアクチュエータに、前記部品から前記プリントヘッドを通って前記フィラメントドライブに延在する、連続して埋め込まれた非弾性繊維を固定する部品を、前記フィラメントドライブが未溶融の繊維強化複合フィラメント及び前記未溶融の繊維強化複合フィラメントの中に埋め込まれた前記非弾性繊維を前進させる送り速度と実質的に同じ又はそれよりも速い印刷速度で移動させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項１５】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、クラッチを更に備え、該クラッチは前記フィラメントドライブをスリップさせ、前記印刷速度と前記送り速度の差に適応する、３Ｄプリンタ。
【請求項１６】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記冷却送りゾーン内に、前記未溶融の繊維強化複合フィラメントの径の１．５〜２．５倍の内径を有するすきまばめチャネルを更に備え、前記チャネルは、前記フィラメントを経路又は軌道に沿って誘導する、及び／又は前記フィラメントの曲がりを防ぐ、３Ｄプリンタ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記すきまばめチャネルと前記複合フィラメントしごき先端との間の前記プリントヘッドの内径は、前記未溶融の繊維強化複合フィラメントの径の２〜６倍であり、前記内径は前記未接着の端部が、前記複合フィラメントしごき先端に隣接する前記プリントヘッドの内壁に接着するのに十分な伝熱を受けるのを防ぐのに十分である、３Ｄプリンタ。
【請求項１８】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記冷却送りゾーン内に、前記フィラメントを経路又は軌道に沿って導き、及び／又は前記フィラメントの曲がりを防ぐすきまばめチャネルを更に備え、
前記すきまばめチャネルと前記複合フィラメントしごき先端との間の前記プリントヘッドの内径は、前記すきまばめチャネルの内径よりも大きい、３Ｄプリンタ。
【請求項１９】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記複数のアクチュエータ及び前記フィラメントドライブに、協働して、繊維強化複合フィラメントを押圧及び溶融する横方向圧力ゾーンを維持させ、前記プラテン体及びプリントヘッドが相対移動する際に前記プラテン体上に前記部品を形成する命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項２０】
請求項１９に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記複数のアクチュエータ及び前記フィラメントドライブに、協働して、前記フィラメントの前記非弾性軸方向ストランドに沿って圧縮力をかけさせる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項２１】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記複数のアクチュエータ及び前記フィラメントドライブに、前記加熱された複合フィラメントしごき先端の表面を使用して、前記溶融されたマトリックスフィラメントの側面にしごき力をかけて前記プラテン体上に前記部品を形成する命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項２２】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記複数のアクチュエータに、前記埋め込まれた非弾性繊維に沿って、そして埋め込まれた非弾性繊維を固定する部品と前記加熱された複合フィラメントしごき先端との間に、中立から正の張力をかけさせる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項２３】
請求項２２に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記中立から正の張力は、接着横列を前記部品から分離するのに必要なものよりも小さい、３Ｄプリンタ。
【請求項２４】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、接着横列を形成するために、前記フィラメントドライブを繊維強化複合フィラメントの堆積の前後に前記フィラメントを後退させないように制御する、３Ｄプリンタ。
【請求項２５】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記フィラメントドライブと前記しごき先端との間に位置するカッターを更に備え、前記カッターと前記複合フィラメントしごき先端との間の振れ距離を表す値を含むデータベースを更に備え、
前記コントローラは、前記複数のアクチュエータ及び前記フィラメントドライブに、ほぼ同期して休止させ、該休止中、前記カッターにその後前記未溶融の繊維強化複合フィラメントをせん断させ、前記複数のアクチュエータに、前記プリントヘッド及び前記プラテン体の相対移動を、少なくとも前記振れ距離で、少なくとも１つの自由度に沿って再開させ、前記繊維強化複合フィラメントの残りの接着を完了させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項２６】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記フィラメントドライブと前記しごき先端との間に位置するカッターを更に備え、前記カッターと前記複合フィラメントしごき先端との間の振れ距離を表す値を含むデータベースを更に備え、
前記コントローラは、前記複数のアクチュエータ及び前記フィラメントドライブに、少なくとも１つの共通の自由度に沿って、前記非弾性軸方向繊維ストランドを、前記複合フィラメントが前記部品に固定され、前記フィラメントドライブを通って送られる際に、前記繊維強化複合材内で前進させる速度とほぼ共通の速度で、ほぼ同時に駆動させる前に、前記フィラメントドライブに、前記未溶融の繊維強化複合フィラメントを前記振れ距離分前進させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項２７】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記複数のアクチュエータ及び前記フィラメントドライブに、前記加熱された複合フィラメントしごき先端を前記部品の上に保持させ、前記繊維強化複合フィラメントを、前記繊維強化複合フィラメントが堆積される際にしごき、前記繊維強化複合フィラメント内の非弾性軸方向繊維ストランドのほぼ楕円形の束を、前記部品の接着横列内の非弾性繊維ストランドのほぼ平坦なブロックに再成形させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項２８】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記複合フィラメントしごき先端に隣接して位置するカッターを更に備え、
前記コントローラは、前記カッターに、前記複合フィラメントしごき先端に隣接する前記複合フィラメントをせん断させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項２９】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記複数のアクチュエータに、前記プリントヘッド及び前記プラテン体を相対移動させ、前記フィラメントドライブに、前記フィラメントを前記複合フィラメントしごき先端を通して引き出させ、前記マトリックス材が少なくとも部分的に溶融されて張力を伝達することができない間、前記少なくとも１つの軸方向ストランドに沿って張力を維持する命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項３０】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記複数のアクチュエータに、前記プリントヘッド及び前記プラテン体を相対移動させ、前記フィラメントドライブに、前記複合フィラメントしごき先端と前記部品とを相互に平行移動させ、前記マトリックス材が溶融されて前記複合フィラメントしごき先端を通って引き出される際、前記繊維強化複合フィラメントを、少なくとも１つの軸方向ストランドを含む前記マトリックス材を前記複合フィラメントしごき先端で平坦化することによってしごかせる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項３１】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記マトリックス材は、１０〜１００ＭＰａの未溶融の極限引張強さ、及び１０ＭＰａ未満の溶融極限引張強さを有する熱可塑性樹脂を含み、前記少なくとも１つの軸方向ストランドは２００〜１０００００ＭＰａの極限引張強さを有するストランド材を含む、３Ｄプリンタ。
【請求項３２】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記フィラメントは１×１０Ｅ−５平方インチよりも大きく、２×１０Ｅ−３平方インチよりも小さい断面積を有する、３Ｄプリンタ。
【請求項３３】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記少なくとも１つの軸方向ストランドは、任意の断面の領域に、１００〜６０００の平行する連続軸方向ストランドを含む、３Ｄプリンタ。
【請求項３４】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記複数のアクチュエータに、前記プリントヘッド及び前記プラテン体を相対移動させ、及び前記フィラメントドライブに、前記部品の最上部からの前記複合フィラメントしごき先端の高さを、前記フィラメントの径より小さくなるように制御させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項３５】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記マトリックス材は、０．１〜５ＧＰａの未溶融弾性係数及び０．１ＧＰａ未満の溶融弾性係数を有する熱可塑性樹脂を有し、前記少なくとも１つの軸方向繊維ストランドは５〜１０００ＧＰａの弾性係数を有する、ストランド材を有する３Ｄプリンタ。
【請求項３６】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記複数のアクチュエータに、前記プリントヘッド及び前記プラテン体を相対移動させ、並びに前記フィラメントドライブに、前記送り速度及び前記印刷速度の内の少なくとも一方を制御させて前記繊維強化複合フィラメントを圧縮させ、前記部品に当接する前記フィラメントの端部を前記複合フィラメントしごき先端の下で横方向に平行移動させ、熱及び圧力をかけてしごかせる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項３７】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記コントローラは、前記複数のアクチュエータに、前記プリントヘッド及び前記プラテン体を相対移動させ、並びに前記フィラメントドライブに、前記溶融マトリックス材及び前記少なくとも１つの軸方向繊維ストランドを前記部品に圧入させて横方向及び垂直方向に接着横列を形成し、前記溶融マトリックス材及び前記少なくとも１つの軸方向繊維ストランドに前記複合フィラメントしごき先端でしごき力をかけるとともに、前記溶融マトリックス材及び前記少なくとも１つの軸方向繊維ストランドに対向する再成形力を、前記部品自身からの垂直の反力としてかけることによって、少なくとも２つの側面上で前記接着横列を平坦化させる命令を更に実行する、３Ｄプリンタ。
【請求項３８】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記フィラメントの前記マトリックス材は、半芳香ポリアミド、及び半芳香ポリアミドと線状ポリアミドとの混合物の内の一つから形成される、３Ｄプリンタ。
【請求項３９】
請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記フィラメントは０．００６インチ以上、０．０３０インチ以下の外径を有し、断面の領域のストランド数は３００〜１０００である、３Ｄプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の定めにより、２０１３年７月１７日に出願された米国仮特許出願第61/847,113号、２０１３年９月１５日に出願された同第61/878,029号、２０１３年９月１９日に出願された同第61/880,129号、２０１３年９月２４日に出願された同第61/881,946号、２０１３年９月２７日に出願された同第61/883,440号、２０１３年１１月１０日に出願された同第61/902,256号及び２０１３年１１月２２日に出願された同第61/907,431号の利益を主張するものであり、その全体の開示を参考として本明細書に援用し、また本願は、２０１４年３月２１日に出願された米国特許出願第14/222,318号及び２０１４年６月５日に出願された同第14/297,437号の一部継続出願であり、その全体の開示を参考として本明細書に援用する。本願は、２０１３年３月２２日に出願された米国仮特許出願第61/804,235号、２０１３年４月２４日に出願された同第61/815,531号、２０１３年６月５日に出願された同第61/831,600号にも関連し、その全体の開示を参考として本明細書に援用する。
【技術分野】
【０００２】
本態様は３Ｄ印刷に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
当技術分野としての「３Ｄ印刷」は、ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ：Stereolithography）や融解フィラメント製法（ＦＦＦ: Fused Filament Fabrication）などの種々の方法を含む。ＳＬＡにおいては、典型的に、耐久性又は紫外線安定性のない概念実証作業に使用され高分解能部品が作製され、一方ＦＦＦにおいては、ノズルからＡＢＳの連続したフィラメントビーズ又は同様のポリマーが押し出される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
「複合積層」は従来３Ｄ印刷に関係するものではない。当技術分野において、予備含浸（「プリプレグ」）された複合繊維シートは樹脂結合剤によって２Ｄパターンに含浸される。その後１つ又は複数の個々のシートを型に層状に重ね、結合樹脂を加熱して液化させ、硬化させて最終品となる。
【０００５】
「複合フィラメントワインディング」も従来３Ｄ印刷に関係するものではない。当技術分野において、何千もの個々の炭素ストランドを含む粘着性のある「トウ（tow）」をカスタムマンドレルに巻き付けて回転対称品を形成する。任意の凹形状を「架橋する」ピンと張ったフィラメントのため、フィラメントワインディングは典型的には凸形状に制限される。
【０００６】
複合積層又は複合フィラメントワインディングの利益を提供する、商業的又は実験的３Ｄ「プリント」の技術はない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の実施形態及び／又は態様によれば、部品（a part）の積層造形のためのステップの１つの組み合わせ及び／又はそのようなステップのサブセット又はスーパーセットを用いる３Ｄプリンタは、フィラメントの、大きな空隙を有さないマトリックス材内に延在する１つ又は複数の軸方向繊維ストランドを含む、未溶融でボイドレスの繊維強化複合フィラメントの供給部を含む。未溶融の複合フィラメントは、フィラメントが導管ノズルの曲がりセクション（すなわち、任意選択で導管ノズル端と部品の間にフィラメント径以下の導管隙間を有する、部品に対向する導管ノズル端）に到着するまで、送り速度で、フィラメントの曲がりを防止するすきまばめゾーンに沿って送られる。フィラメントはマトリックス材の溶融温度よりも高い温度に加熱され、フィラメント内、特に横方向圧力ゾーン内でマトリックス材は格子間で（interstitially）溶融される。繊維強化複合フィラメントを部品の接着横列（bonded rank）に堆積（deposit）する際に、溶融マトリックス材と、しごきリップを有する繊維強化複合フィラメントの１つ又は複数の軸方向繊維ストランドとに、しごき力がかけられる。この場合、しごきリップは、しごきリップと部品の間の繊維強化複合フィラメントにおいて中立から正の張力が維持される印刷速度で、部品に隣接して平行移動される。この中立から正（すなわち、張力ゼロから僅かな張力）の張力は、部品から接着横列を分離させるために必要な張力よりも小さい。
【０００８】
本発明の第２の実施形態及び／又は態様によれば、部品の積層造形のためのステップの更なる若しくは代替の組み合わせ、及び／又はそのようなステップのサブセット若しくはスーパーセットを用いる３Ｄプリンタは、上述の供給ステップと、送り速度で繊維強化複合フィラメントを送るステップとを含む。フィラメントは、特に横方向圧力ゾーンで同様に加熱される。複合フィラメントの溶融マトリックス材及び少なくとも１つの軸方向繊維ストランドを、（例えば加熱されたプリントヘッドに、未溶融の状態で）通し、横方向圧力ゾーンで部品と接触させる。この横方向圧力ゾーンを部品に対して又は部品に隣接させて印刷速度で平行移動させ、フィラメント（繊維及びマトリックスを含む）の端部を溶融位置に持ってくる。この位置に到達させるため、フィラメントの端部を任意選択で曲げてもよい。溶融位置において、マトリックス材はフィラメント内で格子間で溶融される。
【０００９】
本発明の第３の実施形態及び／又は態様によれば、部品の積層造形のための３Ｄプリンタ及び／又はかかるプリンタによって実行される方法のステップのサブセット若しくはスーパーセットは、フィラメントの、大きな空隙を有さないマトリックス材内に延在する１つ又は複数の軸方向繊維ストランドを含む、未溶融でボイドレスの繊維強化複合フィラメントの繊維複合フィラメント（例えば、フィラメントひと巻き、又は個別のフィラメントセグメントのマガジン）の供給を含む。１つ又は複数の直線送り機構（例えば、材料送り速度と印刷速度の間に差動を可能にする滑りクラッチ又は一方向ベアリングを任意選択で含む、摩擦駆動ローラ若しくはコンベヤ、送りトラック、重力、油圧又はその他の圧力など）は、任意選択で、経路若しくは軌道に沿ってフィラメントを誘導する、及び／又はフィラメントの曲がりを防止する、すきまばめチャネル（例えば、チューブ、導管、固体内でチャネルを誘導するもの、コンベヤローラー又はボール）に沿って、送り速度で、未溶融の複合フィラメントを前進させる。プリントヘッドは、ヒータ並びに／又はホットゾーン並びに／又はホットキャビティ、１つ又は複数のフィラメントガイド、冷却送りゾーン並びに／又は冷却器、並びに／又は再成形リップ、圧入先端、しごき先端並びに／又はしごきプレート、並びに／又は、プリントヘッドをＸ，Ｙ，Ｚの任意の方向及び／若しくは更に１〜３つの回転自由度に移動させるリニア及び／若しくは回転アクチュエータの素子を、（全て任意選択及び／又は代替的に）含み得る。
【００１０】
本発明のこの第３の実施形態／態様及び任意選択でその他の実施形態／態様において、プラテン体（build platen）は、表面体（build surface）を含むことができるとともに、プラテン体をＸ，Ｙ，Ｚの任意の方向及び／又は更に１〜３の回転自由度に移動させる、１つ又は複数のリニアアクチュエータを含み得る。ヒータ（例えば、放射ヒータ、誘導ヒータ、熱風噴霧又は流体噴霧、抵抗ヒータ、電磁放射ビームを適用したもの、任意選択でしごき先端の加熱）は、（単一の繊維の周囲のマトリックス材、又は複数のストランドの場合、フィラメント内のストランド間を格子間で溶融するために）フィラメント、特にマトリックス材をマトリックス材の溶融温度よりも高い温度に加熱する。プリントヘッド及び／又はプラテン体のリニアアクチュエータ及び／又は回転アクチュエータは、各々単独で及び／又は協働して、印刷速度、すなわち接着横列が形成される速度を定める。コントローラは、ヒータ及びフィラメントの温度、並びに／又はヒータによって消耗されたエネルギーを、任意選択でセンサを介して監視する。
【００１１】
本発明の第３の実施形態／態様、及び任意選択でその他の実施形態／態様において、送り機構、すきまばめチャネル、プラテン体のリニア若しくは回転アクチュエータ及び／若しくはプリントヘッドのリニア若しくは回転アクチュエータ、ガイド、ホットキャビティ、並びに／又は再成形若しくはしごきリップ若しくは先端は、プラテン体上又は印刷される部分にフィラメントを圧入及び／又は溶融する横方向圧力ゾーンとして、（任意の組み合わせ若しくはその並べ替え、又は両方で）任意選択に協働させ得る。任意選択で、プリントヘッド及び／若しくはプラテン体のリニア及び回転アクチュエータ、並びに／又は１つ又は複数のリニア送り機構を、コントローラ監視力、変位及び／又は速度センサによって制御し、フィラメントの軸方向ストランド（例えば、送りローラ径に対して接線方向）に沿って圧縮力を加え、及び／又はプラテン体若しくは印刷される部分から反力をかけ、溶融されたマトリックスフィラメントをプラテン体又は部品の前の層に圧入し、接着横列（すなわち、ほぼ平らな面の下及びその片側に接着されたほぼ長方形の横列）を形成することができる。
【００１２】
本発明の第３の実施形態／態様及び任意選択でその他の実施形態／態様において、全く任意選択でそれに加えて、又はそれに代えて、プリントヘッド及び／若しくはプラテン体のリニア及び回転アクチュエータ、並びに／又は１つ又は複数のリニア送り機構を、コントローラ監視力、変位及び／又は速度センサによって制御し、横、斜め、下向きのしごき及び／又はしごき力を（任意選択で、再成形及び／又はしごきリップ、先端又はプレートであってもよい、プリントヘッドの表面又はその隣接部分を使用して）溶融マトリックスフィラメントの側面にかけ、溶融マトリックスフィラメントをプラテン体に対して又は部品の前の層内に圧入し、接着横列を形成する。全く任意選択でそれに加えて又はそれに代えて、プリントヘッド及び／若しくはプラテン体のリニア及び回転アクチュエータ並びに／又は１つ又は複数のリニア送り機構を、コントローラ監視力、変位及び／又は速度センサによって制御し、中立から正の張力を、フィラメントのストランド及び未溶融マトリックスを通して、並びに／又はプラテン体、先に堆積された接着横列及びプリントヘッド又は送り機構の間を（任意選択で、再成形及び／若しくはしごきリップ、先端、又はプレートである、プリントヘッドの表面又はその隣接部を使って、及び更に任意選択で、プリントヘッド若しくはガイドの内面、及び／若しくは送り機構クラッチ、スリップ、モータドライブ、アイドリング、モータ内部抵抗、並びに／又は小さな抵抗電流を使って）、部品に隣接して、再成形リップと部品の間の繊維強化複合フィラメントに中立から正の張力が維持される印刷速度でかけてもよい。この張力は、任意選択で、接着横列の形成を持続させるための、接着横列を部品から分離するために必要な張力よりも小さい、中立から正の張力であり、更に任意選択で及び／又は代替的に、溶融マトリックスによってプリントヘッドに接着された不連続な内部繊維からフィラメントを分離又はせん断するのに十分なものであってもよい。
【００１３】
本発明の第３の実施形態／態様及び任意選択で第１及び第２の実施形態／態様を含むその他の実施形態／態様において、プリントヘッド及び／若しくはプラテン体のリニア及び回転アクチュエータ、並びに／又は１つ又は複数のリニア送り機構を、コントローラ監視力、変位及び／又は速度センサによって制御し、横、斜め、下方向、再成形及び／又はしごき力を（任意選択で再成形及び／又はしごきリップ、先端、又はプレートであり得るプリントヘッドの表面又は隣接部を使用して）加え、プリンタ、フィラメント及び部品内の異なる印刷段階（例えば、スレッディング段階及び印刷段階）において異なる力のバランスを生成することができる。例えば、本発明の一実施形態又は態様において、プリントヘッド及び／又はプラテン体のリニア及び回転アクチュエータ、並びに／又は１つ又は複数のリニア送り機構を、コントローラ監視力、変位及び／又は速度センサによって制御し、横、斜め、下向きの再成形及び／又はしごき力（任意選択で再成形及び／又はしごきリップ、先端又はプレートである、プリントヘッドの表面又は隣接部を使用して）を、連続印刷段階では主に側圧及び軸方向の張力を介して、そしてスレッディング又は初期化段階においては主に側圧及び軸圧縮を介して接着横列へかけてもよい。
【００１４】
本発明の第４の実施形態及び／又は態様において、部品の積層造形用の３Ｄプリンタ及び／又はこのようなプリンタによって実行される方法のステップのサブセット又はスーパーセットは、フィラメントのマトリックス材に延在する１つ又は複数の非弾性軸方向繊維ストランドを含む未溶融の繊維強化複合フィラメントの繊維複合フィラメントの供給を含む。部品を支持する可動プラテン体が存在する。プリントヘッドはプラテン体に対向し、複合フィラメントしごき先端と、複合フィラメントしごき先端をマトリックス材の溶融温度以上に加熱するヒータとを含む。複数のプリントアクチュエータは、プリントヘッド及びプラテン体を３自由度で相対移動させ、フィラメントドライブは未溶融の繊維強化複合フィラメントとその中に埋め込まれた非弾性繊維ストランドとをリニア送り速度で移動させる。フィラメントドライブとしごき先端の間に位置する冷却送りゾーンをマトリックス材の溶融温度以下に維持する。ヒータ、フィラメントドライブ及びプリントアクチュエータに動作可能に接続されるコントローラは命令を実行し、そうすることによってフィラメントドライブは複合フィラメントの接着されていない終端をフィラメントドライブとしごき先端の間の冷却送りゾーンに保持する。コントローラは任意選択で接着された作動素子が下記に述べる機能を実行するよう、更なる命令を実行することができる。
【００１５】
本発明の第４の実施形態／態様及び任意選択でその他の実施形態／態様において（「その他の実施形態／態様」には、第１、第２、第３及び第４の実施形態／態様が含まれるが、それらに限定されない）、フィラメントドライブは複合フィラメントの未接着の終端を、プリントヘッドを通して加熱された複合フィラメントしごき先端まで、未接着の終端がフィラメントのマトリックス材を溶融するのに十分な温度を有する場所を通過する際、少なくとも電流送り速度で進むよう、停止することなく前進させる。全く任意選択で、フィラメントドライブは、複合フィラメントの未接着の終端を、プリントヘッドを通して加熱された複合フィラメントしごき先端まで、この未接着の終端が複合フィラメントしごき先端に隣接するプリントヘッドの内壁に接着する十分な熱伝導を受けないようにする十分な速度で前進させることができる。
【００１６】
これに加えて及び／又は任意選択で、本発明の第４の実施形態／態様及び任意選択でその他の実施形態／態様において、アクチュエータは、フィラメントドライブが複合フィラメントの未接着の終端を加熱された複合フィラメントしごき先端に前進させるほぼその瞬間に、プリントヘッド及びプラテン体を少なくとも１つの自由度で相対移動させ始める。それに代えて、又はそれに加え、フィラメントドライブは１つ又は複数の非弾性軸方向繊維ストランドの終端及び少なくとも一部がプラテン体の部品内に固定されるまで前進する。
【００１７】
それに加えて及び／又は任意選択で、本発明の第４の実施形態／態様及び任意選択でその他の実施形態／態様において、カッターをフィラメントドライブとしごき先端の間に設置し、これで冷却送りゾーン内の未溶融の繊維強化複合フィラメントを切断する。未溶融の繊維強化複合フィラメントの切断後、アクチュエータは残りの未溶融の繊維強化複合フィラメントをプリントヘッドから冷却送りゾーン及び複合フィラメントしごき先端を通してドラグし得る。それに代えて又はそれに加えて、未溶融の繊維強化複合フィラメントの切断後、フィラメントドライブは、カッターに隣接する冷却送りゾーンに、未溶融の繊維強化複合フィラメントの未接着の終端を保持し得る。それに代えて又はそれに加えて、カッターをフィラメントドライブとしごき先端の間に設置し、未溶融の繊維強化複合フィラメントの未接着の終端をフィラメントドライブとしごき先端の間の冷却送りゾーンに保持する前に、未溶融の繊維強化複合フィラメントを切断し得る。それに代えて又はそれに加えて、カッターは、導入管と導出管の間の未溶融の繊維強化複合フィラメントの径よりも小さい厚さを有する刃を有し、導入管と導出管の間の距離及び刃の厚さを未溶融の繊維強化複合フィラメントの径以下とすることができる。
【００１８】
それに加えて及び／又は任意選択で、本発明の第４の実施形態／態様及び任意選択でその他の実施形態／態様において、クラッチによってフィラメントドライブを滑らせ、印刷速度と送り速度の差を調整できるようにすることができる。全く任意選択でそれに代えて又はそれに加えて、冷却送りゾーン内のすきまばめチャネルは未溶融の繊維強化複合フィラメントの径の１．５〜２．５倍の内径を有し、経路又は軌道に沿ってフィラメントを誘導し、及び／又はフィラメントの曲がりを防止する。全く任意選択でそれに代えて又はそれに加えて、すきまばめチャネルと複合フィラメントしごき先端との間のプリントヘッドの内径は、未溶融の繊維強化複合フィラメントの径の２〜６倍であり、これは未接着の終端が複合フィラメントしごき先端に隣接するプリントヘッドの内壁に接着するのに十分な熱伝達を受け取らないようにするのに十分である。
【００１９】
それに加えて及び／又は任意選択で、本発明の第４の実施形態／態様及び任意選択でその他の実施形態／態様において、プリントアクチュエータ及びフィラメントドライブを協働させて繊維強化複合フィラメントを圧入、溶融し、プラテン体とプリントヘッドが相対移動する際にプラテン体上に部品を形成する横方向圧力ゾーンを維持し、並びに／又は協働させてフィラメントの非弾性軸方向ストランドに沿って圧縮力を加え、並びに／又は加熱された複合フィラメントしごき先端の表面を使って溶融されたマトリックスフィラメントの側面にしごき力を加え、プラテン体に部品を形成し、並びに／又は埋め込まれた非弾性繊維沿い、及び埋め込まれた非弾性繊維を固定する部品と加熱された複合フィラメントしごき先端の間に、中立から正の張力を加える。
【００２０】
それに加えて及び／又は任意選択で、本発明の第４の実施形態／態様及び任意選択でその他の実施形態／態様において、プリントアクチュエータ及びフィラメントドライブをほぼ同期して休止させ、この休止中にカッターが未溶融の繊維強化複合フィラメントを切断し、その後プリントヘッドとプラテン体を、少なくとも振れ距離（カッターとしごき先端との間の測定）の少なくとも１つの自由度に沿って相対移動させ、繊維強化複合フィラメントの残りの接着を完了させる。
【００２１】
それに加えて及び／又は任意選択で、本発明の第４の実施形態／態様及び任意選択でその他の実施形態／態様において、フィラメントドライブは、プリントアクチュエータ及びフィラメントドライブに、非弾性軸方向繊維ストランドを繊維強化複合フィラメント内で前進させるのとほぼ同じ速度で、それが部品に固定されてフィラメントドライブを通り過ぎる際、少なくとも１つの共通の自由度に沿ってほぼ同期して駆動させる前に、未溶融の繊維強化複合フィラメントを、振れ距離の分だけ前進させる。
【００２２】
それに加えて及び／又は任意選択で、本発明の第４の実施形態／態様及び任意選択でその他の実施形態／態様において、プリントアクチュエータ及びフィラメントドライブは、加熱された複合フィラメントしごき先端を、繊維強化複合フィラメントを繊維強化複合フィラメント内の非弾性軸方向繊維ストランドのほぼ楕円形の束を部品の接着横列内で非弾性繊維ストランドのほぼ平坦なブロックに再成形するために堆積させる際に、繊維強化複合フィラメントをしごくため、部品よりも高い位置に保持する。任意選択で又はそれに加えて、プリントヘッド及びプラテン体は相対移動して、マトリックス材が溶融されて複合フィラメントしごき先端から引き出される際に、複合フィラメントしごき先端で少なくとも１つの軸方向ストランドを含むマトリックス材を平らにすることによって繊維強化複合フィラメントをしごく。
【００２３】
上述の第１〜第４実施形態のステップ又は構造はどれも本発明にとって欠かせないものではなく、本発明はこれらのものの異なる組み合わせとして表すことができる。具体的には、繊維強化フィラメントの部品への圧入は、スレッディング又は初期化中、繊維複合体（一部は溶融され、一部はガラスマトリックスの、未溶融の繊維ストランド）に沿った軸圧縮、並びに／又は横方向圧力ゾーン（例えばプリントヘッド先端）における「しごき」及び／又は再成形、並びに／又はリップの再成形及び／若しくはプリントヘッドに付属された「しごき」プレートによって、任意選択で一時的に行なうことができる。各手法及び構造はそれ自体で有効であるが、本発明ではその並び替え及び組み合わせで用いられる。更に圧入は未溶融の繊維ストランドを介してフィラメントに維持されている圧縮又は張力と組み合わせて行なうことができる。圧入又はしごきは、横方向圧力ゾーン（例えばプリントヘッド先端）及び／若しくはしごきリップ並びに／又は付属の「しごき」プレートの上流及び下流に張力が存在する中で、あるいは圧入の下流及び横方向圧力ゾーン（例えばプリントヘッド先端）並びに／又はしごきリップ並びに／又は付属の「しごき」プレートの上流に張力が存在する中で、行なうことができる。
【００２４】
本発明のこれらの第１〜第４の実施形態又は態様の各々において、及び本発明のその他の実施形態又は態様において、任意選択で、マトリックス材は、約０．１〜５ＧＰａの未溶融弾性係数、及び／又は約１０〜１００ＭＰａの未溶融極限引張強さ、０．１ＧＰａ未満の溶融弾性係数及び１０ＭＰａ未満の溶融極限引張強さを有する熱可塑性樹脂を含み、１つ又は複数の軸方向繊維ストランドは、約５〜１０００ＧＰａの弾性係数と約２００〜１０００００ＭＰａの極限引張強さとを有する。これらの実施形態又は態様は、任意選択で、すきまばめゾーン、非接触ゾーン、横方向圧力ゾーンにおいて、接着横列をワークピースに接着する際、繊維強化複合フィラメントのほぼ一定した断面積を維持する。本発明のこれらの第１〜第３の実施形態又は態様の各々において、任意選択でフィラメントは１×１０Ｅ−５インチよりも大きく、２×１０Ｅ‐３インチよりも小さい断面積を有する。更に任意選択で、少なくとも１つの軸方向ストランドは、任意の断面積において、１００〜６０００の重なり合う軸方向ストランド又は平行して連続する軸方向ストランドを含む。このようなマトリックス材には、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、ポリ乳酸又は結晶高分子があり、このような軸方向ストランド材には炭素繊維、アラミド繊維又は繊維ガラスがある。
【００２５】
任意選択で、本発明の第１〜第４の実施形態又は態様、及び本発明のその他の実施形態又は態様の何れかにおいて、送り速度と印刷速度の内の少なくとも１つを任意選択で制御して、すきまばめゾーン内の繊維強化複合フィラメントの圧縮を維持する。これらの若しくはその他の実施形態若しくは態様に加えて、又はそれに代えて、任意選択で、スレッディング又は初期化段階で、フィラメントをしごきのすぐ上流の非接触ゾーンで加熱し、送り速度及び印刷速度を制御して、フィラメントに沿って延在する１つ又は複数の軸方向繊維ストランド内の軸方向圧縮力を介して、非接触ゾーン内のフィラメントに沿った軸方向圧縮を誘導する。本発明のこれらの及びその他の実施形態及び態様に加えて、又はそれに代えて、任意選択で、スレッディング又は初期化段階において、送り速度及び印刷速度の内の少なくとも１つを制御して繊維強化複合フィラメントを圧縮し、部品に当接するフィラメントの端部をしごきリップの下で横方向に平行移動させ、熱及び圧力を加えてしごく。本発明のこれらの及びその他の実施形態及び態様に加えて、又はそれに代えて、フィラメントをしごきリップによって加熱及び／又は溶融し、送り速度及び印刷速度の内の何れか又は両方を制御して、主にフィラメントに沿って延在する少なくとも１つの軸方向繊維ストランド内の張力を介して、しごきリップと部品の間の繊維強化複合フィラメントに中立から正の張力を維持する。
【００２６】
任意選択で、本発明の第１〜第４の実施形態又は態様、及び本発明のその他の実施形態又は態様の何れかにおいて、供給ステップを任意選択でカートリッジを介して行い、強化繊維材の製造又は形成速度（例えば繊維とマトリックスの混合）を印刷速度から分離する。
【００２７】
任意選択で、本発明の第１〜第４の実施形態又は態様、及び本発明のその他の実施形態又は態様の何れかにおいて、本方法はフィラメントで固体シェルを形成するステップを含み、及び／又はしごきリップに丸みをもたせることができる。本発明のこれらの及びその他の実施形態若しくは態様に加えて、又はそれに代えて、しごきリップを、導管ノズルの先端、又は導管ノズル若しくは印刷誘導入口の断面積よりも大きな導管ノズル小穴若しくは出口の断面積を有する印刷ガイドの先端に設置することができる。本発明のこれらの及びその他の実施形態若しくは態様に加えて、又はそれに代えて、加熱キャビティ又は非接触ゾーンの壁内の断面積は、すきまばめゾーンの断面積よりも大きい。
【００２８】
任意選択で、本発明の第１〜第４の実施形態又は態様、及び本発明のその他の実施形態又は態様の何れかにおいて、１つ又は複数の繊維コアを、フィラメントの軸方向に沿って延在する別個の一連のセグメント（a train of separate segments）として構成してもよい。この場合、セグメントは、フィラメントの軸方向に沿った、予めインデックスされた場所に設置してもよく、及び／又は、セグメントの内の少なくともいくつかをフィラメントの軸方向に沿って重なり合うように設置してもよい。本発明のこれらの及びその他の実施形態若しくは態様に加えて、又はそれに代えて、セグメントの平均長さは加熱又は非接触ゾーンの長さ以下とすることができる。
【００２９】
任意選択で、本発明の第１〜第４の実施形態又は態様、及び本発明のその他の実施形態又は態様の何れかにおいて、第１フィラメントの第１の所望パターンのマトリックス材の層への押出し／引抜き（push-pultrusion）プロセスは、マトリックス層の硬化（例えば、ステレオリソグラフィ又は選択的レーザ焼結）の前に、又はこれと平行して行ない、堆積第１フィラメントを含む部品の層を形成することができる。本発明のこれらの及びその他の実施形態若しくは態様に加えて、又はそれに代えて、この代替実施形態／態様は任意選択で、第１フィラメントを切断するステップ、及び第２フィラメントをマトリックス材の層の第２の所望パターンに堆積させるステップを含むことができる。
【００３０】
任意選択で、本発明の第１〜第４の実施形態又は態様、及び本発明のその他の実施形態又は態様の何れかにおいて、３Ｄプリンタは、印刷プロセスに亘ってボイドレスの、ほぼボイドレスの予め含浸された（プリプレグ）材料を使って構造体を印刷する。この材料の一形態は、すでにストランドに「吸い上げられた（wicked）」熱可塑性樹脂に予め含浸された複数の連続するストランドを有するコアを含む強化フィラメントであり、これに本発明の押出し／引抜き手法の内の１つを適用して３Ｄ構造体を形成する。湿潤した又は吸い上げたストランドを有する熱可塑性樹脂（又は未硬化の熱硬化性樹脂）で形成された複合材は「グリーン」ではなく、堅く、低摩擦で、ほぼボイドレスである。別の形態は単一の連続するソリッドコアを用いたものであってもよい。更に別の形態では区分された連続するコアを使用することができ、すなわち長手方向に沿った複数の部分に区分された連続するコアも考えられる。また別の形態では、相互に均等に離間した、又は重なりを含むの何れかの、ソリッドコア又は複数の個々のストランドを用いてもよい。本明細書において、印刷材料に関する「ボイドレス」は、上限のボイドの割合が１％〜５％で、下限は０％であり、印刷部品においては、上限のボイドの割合が１〜１３％、下限は０％である。任意選択で、押出し／引抜きプロセスを真空下で行ない、ボイドを更に低減させ又はなくすことができる。
【００３１】
繊維又はコア「強化」材を本明細書で説明する。繊維又はコアはフィラメントの内部にあってもよいし、コア材をフィラメントの外面に延在させてもよいし、マルチストランドを導入してもよい。「強化」を含む用語は、任意選択で、光ファイバー又は流体伝導材及び導電性材料などの複合材に過大な強化構造強度を提供しないストランド、繊維又はコアに拡大してもよい。加えて、コア強化材は、光ファイバー、流体伝導チャネル若しくはチューブ、導電ワイヤ又はストランドなどの材料によって提供される機能的な強化も含むと理解されたい。
【００３２】
本発明は任意選択で、押出し／引抜きの全プロセスを意図するものであり、これには本明細書に記載する種々の適合性材料の使用が含まれ、それらの多くは、積層造形のその他の方法の前プロセス（precursor）又は並行プロセスであり、特にステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）又は液状若しくは粒末状のマトリックスを使用したものである。押出し／引抜きプロセスでは、これらの方法によって作製された部品内又は部品の周囲にほぼボイドレスの部品を埋め込み、そうすることによって部品全体が増強された強度を呈することができるようになる。
【００３３】
押出し／引抜きプロセスを優勢方向に接着横列を載置するために使用する場合、これらの方向は任意選択で局所的及び全体的な異方性の強さを呈する。構造内の強化の方向性又は異方性は、任意選択で所望の場所及び方向における部品強度の向上を提供し、特定の設計要求事項を満たし、又はより軽量及び／若しくは強い部品の提供を可能にすることができる。
【００３４】
任意選択で、任意の上述の発明において、マトリックス材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）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）又は結晶高分子としてもよい。コア又はコアのストランドは、構造的、伝導的（電気的及び／又は熱的）、絶縁的（電気的及び／又は熱的）、光学及び／又は流体移送を提供する方法で強化させることができる。コア又はコアのストランドは、特に構造強化のために、炭素繊維、アラミド又は高強度のナイロン繊維、繊維ガラスを含んでもよい。更に、複数の種類の連続コア又はストランドと単一の連続コア強化フィラメントとを組み合わせて、電気的、光学的特性などの複数の機能性を提供することができる。
【００３５】
任意選択で、任意の上述の発明又は発明の実施形態若しくは態様において、樹脂対繊維比の異なる繊維強化複合フィラメントは、例えば、異なるプリントヘッドを使用して異なる段階で印刷するなど、部品の種々のセクションにおいて種々の特性を提供することができる。同様に、任意選択で、「低樹脂」繊維強化複合フィラメント骨格充填剤（skeletal filler）を内部構造に使用して強度対重量比を最大限にする（例えば断面積で３０％樹脂／７０％繊維）ことができる。「低樹脂」とは、断面積における樹脂の割合が３０％〜５０％のことである。同様に任意選択で「高樹脂」繊維強化複合フィラメントシェルコーティング（例えば、断面積で９０％樹脂／１０％繊維）を、下部のコア又はコアの個々の繊維ストランドによる印刷の可能性を防止するために使用することができる。これに加え、本発明のいくつかの実施形態又は態様において、消耗材の繊維含有量はゼロであってもよく、消耗材は、樹脂のみ、 及び／又は従来のＦＦＦでの印刷であってもよい。
【００３６】
記載したオプションは全て個々に、及び任意に動作可能に並べ替え、又は組み合わせて、本発明の第１、第２、第３及びその他の実施形態又は態様に適用し、それに含まれる行為又はステップを当業者が理解するような、本明細書に開示された装置の構造で実行し、装置の構造によって本明細書に開示される行為又はステップは当業者が理解するように実行される。本開示全体において、「may」という用語は、本発明に対する任意選択による追加、若しくは代替の材料、構造、又は発明を意味する。なお、「複数のアクチュエータ」にプラテン体及び／又はプリントヘッドを移動させるコントローラの記載に関しては、任意の１つ、２つ、３つ又はそれ以上のアクチュエータを個別に命令することを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】連続するコア強化フィラメントを使用する３Ｄ印刷システムの略図であり、図１Ａ及び図１Ｂは連続コア強化フィラメントプリントヘッドの略図であり、図１Ｃは複合材押出し及び繊維プリントヘッドのアセンブリの断面略図であり、図１Ｄは繊維プリントヘッドアセンブリの断面拡大図である。
【図２】図２は、３Ｄ印刷プロセスの代表フローチャートである。
【図３】図３Ａ〜３Ｅは、連続コア強化フィラメント２のコア構成の種々の実施形態を示す略図である。
【図４】図４は、図１の複合材の押出し及び繊維プリントヘッドアセンブリを使って印刷を行なうことのできる、３Ｄプリンタのブロック図及び略図である。
【図５】図５は、押出しと繊維印刷制御とを対比した複合タイミングチャートである。
【図６】図６Ａ〜６Ｃは、印刷システムのいくつかの実施形態で使用される導管ノズルの略図である。
【図７】図７は、繊維フィラメント送り機構、誘導管及びカッターアセンブリの平面側面図である。
【図８】図８は、空間に架かるカッター及び印刷プロセスを含む３Ｄ印刷システムの略図である。
【図９】図９は、囲まれた空間を含む、３Ｄ印刷システム及び／又はプロセスによって形成された部品の略図である。
【図１０】図１０は、導管を含む３Ｄ印刷システムの略図である。
【図１１】図１１は、図５に示す押出し及び繊維モードで印刷を行なうための、図１Ｃ及び図５に示すプリンタの制御及びコマンドの実行を説明するフローチャートである。
【図１２】図１２は、図５に示す繊維モードで印刷を行なうための、図１Ｃ及び図５に示すプリンタの制御及びコマンドの実行を説明するフローチャートである。
【図１３】図１３は、図５に示す押出しモードで印刷を行なうための、図１Ｃ及び図５に示すプリンタの制御及びコマンドの実行を説明するフローチャートである。
【図１４】図１４Ａ〜１４Ｃは、ノズル及び丸みを帯びた吹出ノズルをそれぞれ示す略図である。
【図１５】図１５Ａは、導管ノズル先端と一体化させたカッターの略断面図である。図１５Ｂは、図１４Ａに示す導管ノズル先端と一体化させて９０°回転させたカッターの略断面図である。図１５Ｃ，Ｄは、導管ノズル先端と一体化させたカッターの底面図である。
【図１６】図１６は、導管ノズル先端と一体化させたカッターの略断面図である。
【図１７】図１７Ａは、部品形成中に圧縮圧を加える３Ｄ印刷システムの略図である。図１７Ｂは、堆積前に印刷システムに利用される連続コア強化フィラメントの略図である。図１７Ｃは、圧縮圧を使って堆積した後の連続コア強化フィラメント及び周囲のビーズの略図である。
【図１８】図１８Ａは、従来技術の押出しノズルの略図である。図１８Ｂは、末広ノズルの略図である。図１８Ｃは、前進送りクリーニングサイクルにおける図１８Ｂの末広ノズルの略図である。
【図１９】図１９Ａは、直ノズルで印刷される連続コアフィラメントの略図である。図１９Ｂは、直ノズルで印刷されるグリーントウプレグの略図である。図１９Ｃ〜１９Ｅは、末広ノズルを通って印刷される連続コアフィラメントの略図である。
【図２０】図２０Ａは、低摩擦冷却送りゾーンを有する多材導管ノズルの略図である。図２０Ｂは、低摩擦冷却送りゾーンを含む僅かに先細状の導管ノズルの略図である。
【図２１】プリントアームと選択可能なプリンタヘッドを含む３Ｄ印刷システムの略図である。
【図２２】連続コア強化フィラメントを使用する３Ｄ印刷システムの略図である。
【図２３】図２３Ａは、堆積ヘッド内に設置された半連続コアフィラメントの略図である。図２３Ｂは、ノズル内に設置された重なり合うストランドを有する半連続コアフィラメントの略図である。図２３Ｃは、整列したストランドを有する、ノズル内に設置された半連続コアフィラメントの略図である。
【図２４】図２４Ａは、マルチフィラメント連続コアの略図である。図２４Ｂは、オフセットストランドを有する半連続コアフィラメントの略図である。図２４Ｃは、複数の整列したストランドを有する半連続コアフィラメントの略図である。図２４Ｄは、複数の整列したストランド及び１つ又は複数の連続ストランドを有する半連続コアフィラメントの略図である。
【図２５】図２５は、半連続コアフィラメントを使用したパターン充填の略図である。
【図２６】図２６は、堆積強化繊維を含むステレオリソグラフィ３Ｄ印刷プロセスの略図である。
【図２７】図２７は、堆積強化繊維を含むステレオリソグラフィ３Ｄ印刷プロセスの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
積層造形及び複合材積層の比較的最近の技術においては造語が一般的となっている。例えば、「プリプレグ（prepreg）」とは、樹脂マトリックス及び繊維アセンブリが複合材原料として事前に調合された、予め含浸された複合材である。「トウプレグ（Towpreg））」とは、「トウ」（例えば９５％という非常に高い繊維の割合の、数百から数千の繊維ストランドの束）と（室温において）粘着性のある樹脂との組み合わせで形成された「プリプレグ」であり、従来、含浸トウの繊維によって占められ（例えば繊維ストランドが７５％）、粘着性樹脂がフィラメント巻きプロセスにおいて、ほぼ隣接する繊維ストランド間でせん断を伝える手段として含浸され、トウプレグを回転部材に粘着させる。「引抜き成形」はトウプレグを生成するプロセスの１つであり、トウを繊維から引き抜き、−完全に張力をかけて行うプロセスにおいて−、樹脂に埋め込まれたトウを含む、細長く、典型的に硬い複合材を形成するものである。
【００３９】
本明細書で使用する「押出し」はその従来の意味を持ち、例えば、材料をダイに圧入し、その材料よりも小さな断面積を有する特定の形状となるようにするプロセスである。融解フィラメント製法（ＦＦＦ：Fused Filamaent Fabrication）は押出しプロセスである。同様に、「押出しノズル」は従来の意味を持ち、例えば、流体が閉鎖チャンバから流出（又は流入）する際、特に速度及び／又は制限断面積を増大させるために、押出し流量の方向又は特徴を制御するデバイスである。
【００４０】
一方で、本開示では造語である「押出し／引抜き（push-pultrusion）」を使用して、本発明に係る全ての新規プロセスを説明する。押出し／引抜きでは、押出しとは異なり、繊維強化複合材印刷材料の前進動作には、圧縮の開始、スレッディング、又は初期化段階、次に印刷材料がテーブル体、続いて部品内に接着横列を形成する際の、埋め込まれた繊維ストランド、並びに溶融／硬化及び未溶融／未硬化状態のマトリックスのプリントヘッドの至る所での引っ張り（tension）が含まれる。本開示ではまた「導管ノズル」又は「ノズレット」という造語を用いて本発明に係る終端プリントヘッドを説明するが、その中で、ＦＦＦノズルとは異なり、印刷材料内では大きな背圧又は追加速度は生成されず、（部品の接着横列に堆積されても）マトリックス及び埋め込まれた繊維を含む印刷材料の断面積はプロセス中ほぼ変わらない。
【００４１】
本明細書で使用する「堆積ヘッド」には押出しノズル、導管ノズル及び／又はハイブリッドノズルが含まれる。
【００４２】
本開示ではまた「プッシュ−プルプレグ（push-pulpreg）」という造語を使って押出し／引抜きで利用できる材料を説明し、これは、従来のトウプレグとは対照的に、樹脂は、好適には熱可塑性物質であり、（ｉ）十分な摩擦を提供し、露出された樹脂材料をローラー又はその他の摩擦送りによって送り、（ｉｉ）未溶融で、「ガラス」状の曲がりがなく、すきまばめチューブ又はチャネルを通して圧入されるくらいに十分に堅く（すなわち通常の未溶融の弾性係数）、剛性は埋め込まれた繊維ストランド、及びより少ない程度で未溶融のマトリックス樹脂によって提供され、（ｉｉｉ）及び／又は周囲環境において感知され得る「粘着（tack）」／分子拡散がない、すなわち周囲環境又は暖かい環境であっても「ガラス」状であるため、上述のようにチューブに粘着せずに容易に圧入させることができる。
【００４３】
圧密は、繊維を樹脂含浸するために使用されてきたプロセス中、繊維束、トウ、又は粗糸（rovering）から樹脂が空気を十分に置換できないことによって生じるボイドの除去に、典型的に有利である。個々に含浸されたプリプレグの撚り糸、トウ、パイル又は層は、オートクレーブで圧縮（compact）することにより、熱及び圧力によって圧密される。圧密のステップでは一般に、比較的長時間にわたって真空下で高圧及び高温をかけることが必要である。更に、オートクレーブ又はオーブンを使用する圧密プロセスのステップは、空気を除去するために真空をかけ、オートクレーブ内で圧密を行なうために必要な差圧を提供することを可能にするために、ツールに密閉された膜を積層する「袋詰め（bagging）」作業が必要である。このプロセスステップによって複合材部品の全体的な生産性がさらに減少する。従って、熱可塑性物質複合材にとって、ＡＴＬ／ＡＦＰマシンで基板にテープを積層しつつ低ボイド複合材にその場で圧密することは有利である。このプロセスは典型的にはその場ＡＴＬ／ＡＦＰと称され、このプロセスで使用される材料はその場グレードテープ（in-situ grade tape）と称される。
【００４４】
最後に、３Ｄ印刷技術において、「フィラメント」は典型的にはスプールされる材料体の全断面積のことを指し、一方で複合材技術において、「フィラメント」は、例えば、炭素繊維（例えば、「１Ｋトウ」は１０００の個々のストランドを有する）の個々の繊維のことを指す。本開示の目的では、「フィラメント」は３Ｄ印刷による意味で用いられ、「ストランド」は、例えば、マトリックスに埋め込まれ、共に複合材「フィラメント」全体を形成する個々の繊維のことを指す。
【００４５】
積層造形法では従来の鋳造法と比較して強度や耐久性が低下する。例えば、融解フィラメント製法では、堆積された材料（並びにエアポケット及びボイド）の隣接片（例えば、「接着横列」）間の結合が弱いため、相当する射出成形部品よりも弱い強度を呈することとなる。
【００４６】
プリプレグシート複合材の構成法は時間がかかって困難であり、高価である。更に、曲線の周りでプリプレグシートを曲げると繊維が重なり合い、曲がり、及び／又は変形して望ましくない柔軟なスポットが生じることがある。
【００４７】
市販の繊維「トウプレグ」をプラスチック槽を通して送り、マトリックス樹脂に加え、そして更にカスタムプリントヘッドを通して送ることは、非常に柔軟で高摩擦（粘着性のある）構造のため、実行可能な積層プロセスではない。更にこのプロセスでは、この複合材を造形する速度がそれを印刷する速度と結合される（依然として印刷実行可能である）。トウプレグは、典型的に、適切な「タック（tack）」（トウをツール上に堆積又は積層した後、その位置を維持するために十分な室温接着レベル）を必要とし、タックと共に販売される。更に、トウプレグの「グリーン」材は空気を取り込んでエアボイドを含む傾向にあり、これは高張力並びに／又はその後の真空及び／若しくは加熱ステップによってのみ除去される。これらのステップによっても印刷プロセスが遅くなる。
【００４８】
よって、積層又は巻き取りよりも速く、接着横列内への空気の取り込みを低減若しくは防止し、真空若しくは加熱の後工程を回避し、凹上に複合材を堆積させる能力を提供し、及び／又は表面又は複合材シェルに個別の形状（discrete features）を構成する複合材積層造形が必要である。
【００４９】
ここで図面に戻り、開示された材料及び３Ｄ印刷プロセスの特定の実施形態を説明する。
【００５０】
図１Ａは構造体を構成するために繊維強化複合フィラメント２を適用する前の３Ｄプリンタ３０００の実施形態を示す。繊維強化複合フィラメント２（本明細書では連続コア強化フィラメントとも称する）は、ほぼボイドレスで、内部の連続する単一コア又はマルチストランドコア６を被覆又は含浸するポリマー又は樹脂４を含むプッシュ−プルプレグであってもよい。
【００５１】
繊維強化複合フィラメント２を、マトリックス材が所定の粘度、及び／又は接着横列の所定の接着力、及び／又は表面処理を維持するために選択され、制御された押し込み／引抜き温度に（例えばバンドヒータ又はコイルヒータによって）加熱された導管ノズル１０を通して送る。いくつかの実施形態において、フィラメント２を、本明細書に記載するように、導管ノズル１０からドラグする、又は引き抜く。押し込み／引抜き温度はポリマー４の溶融温度よりも高くてもよく、ポリマー４の分解温度より低くてもよく、また、コア６の溶融温度又は分解温度の何れかより低くてもよい。
【００５２】
導管ノズル１０内を加熱してマトリックス材又はポリマー４をほぼ溶融した後、連続コア強化フィラメント２をプラテン体１６に適用して連続層１４を生成し、３Ｄ構造体を形成する。（ｉ）プラテン体１６の位置及び向き又は（ｉｉ）導管ノズル１０の位置及び向き、の内の１つ又は両方をコントローラ２０によって制御し、連続コア強化フィラメント２を所望の位置及び方向に堆積させる。位置及び向きの制御機構にはガントリーシステム、ロボットアーム及び／又はＨフレームが含まれ、これらには構成部品のプラテン体１６及び／又は層１４に対する導管ノズル１０の相対位置又は速度を監視するために、コントローラ２０に対する位置及び／又は変位センサが装備されている。コントローラ２０は感知されたＸ，Ｙ及び／若しくははＺ位置並びに／又は変位若しくは速度ベクトルを使って導管ノズル１０又はプラテン１６の次の動作を制御する。例えば、３Ｄプリンタ１０００はプラテン体１６までの距離を測定する距離計１５、３つの平行移動及び／又は３つの回転軸の何れかにおける変位変換器、距離インテグレータ及び／又は導管ノズル１０のプラテン体１６に対する位置若しくは移動を検出する加速器を含み得る。図１Ａに示す様に、（例えばレーザ）距離センサ１５は導管ノズル１０の前方のセクションを走査して、導管ノズル１０のＺ高さ又は必要とされる充填容積を修正して、所望の堆積プロファイルと一致させることができる。この測定は部品に検出されたボイドを充填するためにも使用することができる。距離計１５はフィラメントを適用した後に部品を測定して、堆積された接着横列の深さと位置を確認することができる。
【００５３】
３Ｄプリンタ１０００は、堆積プロセス中、（例えば尾部（tail）を形成せずに）連続コア強化フィラメントを切断する、コントローラ２０によって制御されるカッター８を含み、（ｉ）構造上に個々の形状及びコンポーネントを形成し、（ｉｉ）複数のセクション及び層において、堆積材料及び／又は接着横列の方向性又は異方性を制御することができる。図に示す様に、カッター８は導管ノズル小穴又は出口に位置する、曲げプレート１２と関連する切断刃である。その他のカッターにはレーザ、高圧空気、流体又はせん断機がある。
【００５４】
図１Ａは、例えば、１００％樹脂ＦＦＦ押出し、耐ＵＶコーティング、又は傷をつきにくくするコーティングを含む保護コーティングを印刷するため、３Ｄプリンタ１０００に任意選択で用いられる少なくとも１つの第２のプリントヘッド１８を示している。連結された、又は複合ＦＦＦプリントヘッド１８００を図に示すが、これは一般の保護コーティングに適用されるものである。
【００５５】
図１Ｂは構造体を構成するために繊維強化複合フィラメント２を適用する３Ｄプリンタ ３００１の実施形態を示す。同じ番号の特徴は図１Ａに示すものと同様である。
【００５６】
図１Ｂに示す様に、駆動ローラ４２とアイドルローラー４０の上流において、スプール（図示せず）は緩やかな張力で未溶融のボイドレス繊維強化複合フィラメントを供給する。フィラメントは、フィラメントの大きな空隙を有さないマトリックス材に延在する少なくとも１つの軸方向繊維ストランドを含む。本例において、繊維強化複合フィラメント２は、数百〜数千の連続する炭素繊維ストランド６Ａを含浸するナイロンマトリックス４Ａを含む、プッシュ−プルプレグである。
【００５７】
本明細書に記載する「ゾーン」は、スプール（図示せず）から部品までのフィラメントの軌道の一部分である。駆動ローラ４２及びアイドルローラー４０はフィラメントの曲がりを防ぐすきまばめゾーン３０１０，３０２０に沿って、送り速度（任意選択で図示しないコントローラによって変更可能、及び任意選択で印刷速度未満、印刷速度と送り速度の差はスリップクラッチ又は一方向ベアリングにより、フィラメントに沿って吸収される）で未溶融のフィラメントを送る、又は押す。非接触キャビティ又は非接触ゾーン７１４内において、複合フィラメントのマトリックス材を加熱してもよい。繊維６Ａは、スレッディング段階又は印刷プロセスの初めにおいて、ローラ４２，４０の送る力又は押す力が未溶融のマトリックスを通り、すきまばめゾーン３０１０，３０２０に沿って繊維に伝達される際に、軸圧縮を受け得る。
【００５８】
「スレッディング」はプッシュプレグ又はプッシュ−プルプレグを、出口を通して押し出す方法であり、プッシュプレグ又はプッシュプルプレグの剛性は、ステッチング動作の時間スケールにわたって、（プッシュプレグ又はプッシュプルプレグの曲がり又は広がり／ジャミングを防ぐために）粘着／ドラグ力よりも大きい。先ず、スレッディング段階において、フィラメント２の溶融マトリックス材６Ａ及び軸方向繊維ストランド４Ａは軸圧縮によって部品に圧入され、プラテン体及びプリントヘッドが相対的に平行移動する際、フィラメントの端部がしごきリップ７２６と接触し、続いて横方向圧力ゾーン３０４０において連続的にしごかれ、部品１４に接着横列が形成される。横方向圧力とはフィラメントの側面にかかる圧力であり、本明細書では「しごき」とも称する。矢印で示す様に、この（プリントヘッドの接着部品に沿った）横方向圧力ゾーン３０４０は印刷速度（印刷速度はプラテン１６及びプリントヘッドの両方又は何れか１つの平行移動によってもたらされるものであってもよい）で部品１４に隣接させ、平行移動させてもよい。
【００５９】
マトリックス材は、本例において、引っ張り及び圧縮弾性係数に関して、約０．１〜５ＧＰａの未溶融弾性係数と０．１ＧＰａ未満の溶融弾性係数とを有する熱可塑性樹脂であり、繊維ストランドは約５〜１０００ＧＰａの弾性係数を有するストランド材である。この様に、繊維のストランドは変形に十分強く、フィラメント全体を小さな隙間チャネルの制限された摩擦を通して「押圧」したり、マトリックスが溶融されている場合には自由空間を通して「押圧」すことも可能である。引っ張り極限強さに関しては、好適には、マトリックス材は約１０〜１００ＭＰａの未溶融極限引張強さと、１０ＭＰａ未満の溶融極限引張強さとを有する熱可塑性樹脂であり、少なくとも１つの軸方向ストランドは約２００〜１０００００ＭＰａの極限引張強さを有するストランド材である。このように、繊維の内部ストランドは伸縮又は弾きに対して十分に耐性があり、場合によってはマトリックスが十分固まる前に、フィラメント全体が接着横列から自由空間を通って延在する大きな距離にわたって中立から正の張力（すなわちゼロ以上の張力）に維持できるようにする。ほとんどのフィラメントは１×１０−５（１×１０Ｅ−５）インチよりも大きく、２×１０−３（１×１０Ｅ−３）インチよりも小さい断面積を有する。マルチストランド繊維の場合、フィラメントは任意の断面積において、１００〜６０００の重なり合う軸方向ストランド又は平行に連続する軸方向ストランド（特に炭素繊維ストランドの場合）を含む。
【００６０】
プリントヘッド若しくは導管ノズル７０８又はプラットフォーム体１６の何れか又は両方を平行移動させてもよい、例えば、送り速度及び／又は印刷速度を制御してスレッディング段階においてフィラメントの圧縮を維持し、印刷動作において中立から正の張力を維持する。フィラメント２のマトリックス材４Ａを非接触ゾーン３０３０において（特に導管ノズル７０８の壁に粘着する機会が少なくなるように）加熱して溶融し、しごきリップ又は先端７２６で溶融又は液化させることができる。非接触ゾーンのより大きい径、又は分岐径は、任意選択で、フィラメントの、非接触ゾーンを画定するキャビティの加熱された壁への接触を防ぐ。送り速度及び印刷速度を監視又は制御して、圧縮、中立又は正の張力を、支持されていないゾーン内において、並びに主にフィラメントに沿って延在する繊維ストランド内の軸圧縮又は引っ張り力を介して、維持することができる。
【００６１】
図１Ｂ及び図１Ｃに示す様に、横方向圧力ゾーン３０４０はフィラメント２を再成形するしごきリップ７２６を含んでいる。このしごきリップ７２６はフィラメント２を部品に圧縮又は圧入して接着横列を形成する部材であり得る。しごきリップ７２６はまた、横方向圧力ゾーン３０４０でフィラメント２のマトリックス材４Ａを溶融又は液化するために、加熱された壁７１４又はその他の熱源から伝導される熱を受け取る部材であり得る。任意選択で、横方向圧力ゾーン３０４０のしごきリップ７２６は、上面で溶融フィラメント２を平たくし、フィラメント２が接着横列に堆積される際にしごき力を溶融マトリックス材及び軸方向繊維ストランドにかける。これはしごきリップ７２６の底から下の層の上面までの高さを確実にフィラメントの直径未満とすることによって容易にすることができる。別の再成形力を、しごきリップ７２６に対して間隔を空けて、部品自身からの通常の反力として溶融マトリックス材及び軸方向繊維ストランドにかける。これにより、溶融マトリックス材４Ａ及び軸方向繊維ストランド６Ａが横方向圧力ゾーン３０４０で部品１４に圧入され、横方向及び垂直方向の接着横列（すなわち、しごきによって接着横列が隣接するランクに押し込まれる）が形成される際、少なくとも２つの側面上で接着横列が平坦化される。
【００６２】
従って、しごきリップ７２６及び部品自身からの垂直の反力は相互に対向し、溶融された複合フィラメントをその間に挟んで部品１４に接着横列を形成する。しごきによって加えられた圧力及び熱によって、隣接する横列への拡散及び繊維含浸が向上される。
【００６３】
図１Ｂに示す様に、本例において、未溶融の繊維強化フィラメントをすきまばめゾーン３０１０，３０２０で、又はこれに隣接して切断する。フィラメントは図１Ａに示す様に誘導管７２（すきまばめを有する）と導管ノズル７０８の間の溝６２で切断してもよく、又は例えば非接触ゾーン３０３０の上流の導管ノズル７０８内で切断してもよい。それに代えて、又はそれに加えて、コア強化フィラメントを、すきまばめゾーン３０１０，３０２０の何れか片方、又は何れか片方に隣接して設置されるカッター８、又はしごきリップ７２６によって切断することができる。すきまばめゾーン３０１０，３０２０は繊維強化複合フィラメント２の周りにすきまばめを形成する、任意選択で遮断されるチャネルを含み、これは好適には動きばめ又は隙間ロケーションフィットの内の１つであり、何れにおいてもフィラメントを軸圧縮であっても粘着や曲がりなく押すことができるくらいに十分な隙間である。
【００６４】
軸方向に沿った圧入／送り及び横方向圧力ゾーン３０４０内のしごきは必ずしも接着列を形成する唯一の力ではない。それに代えて、又はそれに加えて、横方向圧力ゾーン３０４０及び／又はしごきリップ７２６は、しごきリップ７２６と部品１４の接着横列との間の繊維強化複合フィラメント２で、中立から正の張力を維持する印刷速度で部品１４に対して平行移動する。この張力は接着横列を部品１４から離すのに必要な張力よりも小さい。
【００６５】
例えば、マトリックス材６Ａがしごきリップ又は先端７２６によって溶融された後、送り速度及び／又は印刷速度をコントローラ２０によって制御し、フィラメント２に沿って延在する繊維ストランド４Ａ内の張力を主に介して、しごきリップ７２６と部品１４の間の複合フィラメント２において中立から正の張力を維持することができる。これは、しごきリップから部品１４に圧力が解放される際、接着横列の端部、及び反対方向に新しい隣接する横列を始めるために向きを変える場合には特にそうである。これは例えば繊維強化複合フィラメント２を横方向圧力ゾーン３０４０で接続部（connection）から部品１４の第１部に引き抜き、そして横方向圧力ゾーン３０４０を自由空間で平行移動させ、その後繊維強化複合フィラメント２をしごいて部品１４の第２部に再度接着させることによって、空間に架橋を形成するために使用することができる。
【００６６】
本当の押出しプロセスとは異なり、フィラメント２の断面積はその間ほぼ維持され、ストランド、マトリックス、フィラメント２の何れも、知覚できるほど伸縮しない。巻き取られたプッシュ−プルプレグの送り速度及び接着横列の形成速度（印刷速度）はほぼ同じである（運び又は送りの部分に関しては、スリップクラッチ又は一方向ベアリングによって緩み、蓄積又は差（slack, cuild-up or differential）が発生するが）。時折送り速度及び圧縮速度を一時的及び差動的に制御して、しごきリップ７２６の下流で十分な中立から正の軸方向張力のバランスを保ってもよいし、スリップクラッチを使用して送り速度及び印刷速度の内の１つをスリップさせてもよい。しかしながら、接着横列がワークピース又は部品１４に取り付けられる際にも、繊維強化複合フィラメントのほぼ一定した断面積は、すきまばめゾーン、支持されていないゾーン、横方向圧力ゾーンで維持される。
【００６７】
図１ＣはＦＦＦ用の押出しプリントヘッド１８００及び押出しノズル１８０２と、連続繊維強化熱可塑性物質を堆積させるための繊維堆積プリントヘッド１９９及び導管ノズル７０８とを有する複合（デュアル）プリントヘッドの断面図である。同じ番号の特徴は図１Ａ及び図１Ｂに示されたものと同様である。これら２つの対照的な材料のタイプは必ずしも同時に印刷する必要はないため、これらを同じＸ−Ｙ機構（又はＸ−Ｙ−Ｚ）上に載置することは効率的であり得る。これによって２つのプリントヘッド１８００，１９９は製造においてオプショナルコンポーネント（例えば共通して構成されるヒートシンク、ヒータブロック又は絶縁ブロック）を共有し、動作において能動的なコンポーネント（例えば、部品ノズルインターフェース及び／又はヒートシンク用の共通の冷却ファン）を共有することができる。
【００６８】
各プリントヘッド１８００，１９９は独立して、それ自身の移動機構に設置することができるが、図１Ｃの様に隣接して並べて置くことにより、下記の様な対比が可能となる。
【００６９】
本明細書に示す様に、ＦＦＦプロセスでは上流の溶融材料内の圧力を使って下流の溶融材料を押出しノズルから押し出す。つまり印刷中、熱可塑性物質ＦＦＦ押出しのスライス、又はスライス内の経路セグメントは、部品材料をプリントヘッド１８００の加熱ゾーン内の容器１８０４，１８０８内に装填し続け、その中で材料が溶融され、前のセグメントが完成した後、可及的速やかに印刷の準備ができるようになる。フィラメントを未溶融の温度状態において上流で駆動させる間、鋭い熱勾配１８０８が熱遮断器又は熱抵抗器１８０９によって生成され、空冷によって維持された後、溶融材料の容器１８０４は駆動と加圧を待つ状態になる。
【００７０】
本明細書に示す様に、一方で、繊維強化熱可塑性物質フィラメントを非溶融位置（例えばテフロンチューブ７１３内）に保持し、これがスレッディングされて各々のセグメントとなって堆積されるようにする。「繊維力伝達」のプロセスは（例えば、７１２，６４，７２で比較的冷たい熱可塑性物質マトリックス及び／又は小さなクリアランスチューブを介して閉じ込められた）密閉繊維２の剛性を利用して、プリントヘッド１９９の繊維強化フィラメント堆積側を通して繊維及び樹脂束を押したり引いたりする。ここでは堆積ノズル７０８の先端７２６まで進む非溶融ストランド内及びそれに沿って延在する軸方向の力を使って、プラスチック樹脂コーティングを繊維と共に引き抜く。
【００７１】
繊維強化フィラメントを、それがしごき先端７２６から１／２〜３ｃｍ以内になるまで周囲温度及び／又はガラス遷移温度以下に維持する、すなわち、それを任意の加熱ゾーン３０４０，３０３０，３０３５の上流に維持する、及びそれらのゾーンから絶縁する／隔離することは、重大でないが有利である。
【００７２】
また、導管ノズル７０８の最後の１／４〜１ｃｍへの潜在的なフィラメントと壁の接触表面積又は接触の滞留時間を、本明細書に記載する技術によって低減させ、例えば、フィラメント径の１／２〜５倍の導管ノズルの最後のステージ７１４の内径を用いて、また例えば、１３サウ（thou）のフィラメントに４０サウの内径のノズルを用いることにより、ほぼ放射伝熱のみを可能とすることは、重大ではないが有利であり、上述の大きい方の内径７１４は小さい方の内径（例えばチャネル７１２で３２サウ）の下流にあり、キャビティ７１４の壁から離して、フィラメント２が通る際に内部レッジがそれを捕らえないようにする。本明細書に記載する様に、これは自己浄化技術でもあり、この場合、プリプレグ繊維の埋め込まれたフィラメント材２を熱い導管ノズル７０８の壁７１４と最小限に接触するように誘導し、フィラメント２を詰まりや束内の繊維ストランドの剥離なく通すことができる。
【００７３】
また、スレッディング中に、例えば１００ｍｍ／ｓ以上の十分なスレッディング速度を用いるなどの本明細書に記載する技術によって、導管ノズルの最後の１／４〜１ｃｍにおけるフィラメント２と壁７１４との潜在的な接触の滞留時間を低減させ、内径壁７１４などの隣接する表面からの伝熱量を低減させることは、重大でないが有利である。
【００７４】
これらの重大でない技術は組み合わせてもよい。導管ノズル温度がガラス遷移温度を上回ると、フィラメント２を非加熱ゾーンの上流に維持するとともに、フィラメント２を導管ノズル７０８にマトリックスの溶融を防ぐ程度に十分速く通すことにより、複合ストランドフィラメント２の導管ノズル７０８内での滞留時間を低減させることは有利であり得る。
【００７５】
非印刷時にプリプレグ連続繊維フィラメント２を熱い導管ノズル７０８の上流に配置する、及び／又は大きな径のノズル先端７１４〜７２６を使用することによって、ノズル７０８に繊維コアフィラメント２を押し入れる（スレッディング）能力を高め、ジャミングや詰まりが起こらないようにする、というのも繊維コアフィラメント２は接着及び摩擦によってノズル壁７１４に接着せず、押された時に広がらない傾向にあるからである。導管ノズル７０８の最後の部分７１４におけるマトリックス材の溶融の中には許容できるものもある、というのは、小さい内径７２６２，７１２及び繊維２は部品に通るのに十分な剛性を保持しているからである。しかしながら、これによって詰まる可能性が増大する。
【００７６】
スレッディングのために冷却導管ノズル７０８を使用するのは重大でなく、有利な代替とも言えない。この場合、導管ノズル７０８の温度をマトリックス材の溶融点（例えば４０℃）以下に下げ、冷却フィラメント２をそれに通す。この場合、スレッディングに短い滞留時間やフィラメント速度は要求されない。不利には、導管ノズル７０８は各々の印刷セグメントに対して冷却ステップと加熱ステップとを周期的に行なわなければならず、このため短いセグメントの印刷に対して印刷時間が大幅に増える可能性がある。
【００７７】
引き続き図１Ｃを参照すると、プリントヘッド１８００及び１９９は各々同じリニアガイドに取り付けられており、プリンタのＸ，Ｙモータ式機構はこれらを一緒に動かすようになっている。図に示す様に、ＦＦＦプリントヘッド１８００は溶融ゾーンを有する押出しノズル１８０２又は溶融容器１８０４と、ヒータブロック及びノズルを加熱するヒータ１８０６とを含んでいる。溶融容器１８０４は、加熱ブロックの外に取り付けられた熱抵抗器１８０９によって実質的に形成された高熱傾斜ゾーンへと続いている。ヒートシンクは熱抵抗器１８０９を囲み、熱傾斜を更に高める。熱傾斜は、熱抵抗器１８０９及び／又はテフロンチューブ１８１１内にある未溶融のゾーン１８１０から溶融容器１８０４を分離する。例えばボーデン管を通して駆動される１．７５〜１．８ｍｍ又は３ｍｍの熱可塑性物質フィラメントは、溶融容器１８０４内に押出し背圧を提供する。
【００７８】
プラテン体１６と平行に、これと隣接して、及びこれとほぼ同じ高さで、連続する繊維プリントヘッド１９９を、押出しプリントヘッド１８００に対して垂直の方向のみに動くように制限しながら、たわみ及び位置決めねじ構造を介して調節し、押出しプリントヘッド１８００に対して垂直方向に動かすことができる。図に示す様に、片方の連続繊維埋め込みフィラメントプリントヘッド１９９は導管ノズル７０８、複合しごき先端７２８及び制限された接触キャビティ７１４を含み、本例において、各々はヒータ７１５によって加熱される加熱ブロック内にある。冷却送りゾーン７１２は受入管６４内に形成され、これは剛体材の毛細血管状の受入管及び径の小さい（例えば内径３２サウ）、ノズル７０８内に延在するテフロン／ＰＴＦＥチューブを含む。冷却送りゾーンは、この場合、ＰＥＥＫ絶縁ブロック６６ａ及びヒートシンク６６ｂによって囲まれているが、これは全く任意選択である。動作中、繊維埋め込みフィラメントの未接着の終端を冷却送りゾーンで、例えばＰ１の高さに保持してもよい。距離Ｐ１及びカッターから先端までの距離Ｒ１をデータベースに保持し、本明細書に示すように、コントローラによって繊維埋め込みフィラメントを通して前進させることができる。任意選択でＦＦＦプリントヘッド１８００の熱抵抗器１８０９よりも熱抵抗の小さな熱抵抗器をテフロン／ＰＴＦＥチューブ、テフロン／ＰＥＥＫブロック６６ａ及びヒートシンク６６ｂと協働させ、冷却送りゾーン７１２からの遷移をマーキングする熱勾配を提供する。更に図に示す様に、コントローラ２０をカッター８、８Ａ及びアイドリングローラー４０に対向する供給ローラー４２に動作可能に接続する。
【００７９】
図１Ｄは導管ノズル７０８の略断面拡大図である。図１Ｄに示す様に、そして本質的に比例して（essentially proportionately）示す様に、受入管６４の内径（この場合、テフロン／ＰＴＦＥチューブが内径を形成する場所）はフィラメント２（例えば１３サウ）の内径の１．５〜２．５倍である（例えば３２サウ）。末端キャビティ７１４（例えば４０サウ）の内径又は内幅は、その中に示すフィラメント２の径の２〜６倍である。受入管の径はフィラメント径の１１／１０〜３倍、そして末端キャビティの内径はフィラメント径の２〜１２倍が好適な範囲と考えられる。末端キャビティは好適には受入管の径よりも大きい。
【００８０】
更に、図１Ｄに本質的に比例させて示す様に、加熱された複合フィラメントしごき先端７２６は、部品に対して部品の上のフィラメント径よりも小さい高さで移動し、繊維強化複合フィラメントが繊維強化複合フィラメントにおける非弾性軸方向繊維ストランド（２ａ）のほぼ楕円形又は円形の束から、部品の接着横列（２Ｃ）における非弾性繊維ストランドのほぼ平坦なブロックに再成形されるように堆積される際に、その繊維強化複合フィラメントをしごく。
【００８１】
複合プリントヘッドの特徴は本明細書に記載する発明内のものである。例えば、本発明のオプションとして、（２つ以上の）複合プリントヘッドの設けられた３Ｄプリンタ及び印刷プロセスの提供が考えられる。片方のプリントヘッド１９９は、本明細書に記載する様に熱及び圧力で堆積繊維をしごく複合フィラメントしごき先端７０８と、堆積繊維と適合する熱可塑性物質を押出すが、熱可塑性物質をしごかない押出し先端１８０２とを含み（流動化熱可塑性物質の「しごき」は不可能ではないにしても可能性は低い）、及び／又は片方のプリントヘッド１９９はフィラメント及び熱可塑性物質をノズル先端７２６から実質的に離れた印刷セグメントの間に保持し、もう片方のプリントヘッド１８００は溶融熱可塑性物質容器１８０４をノズル１８０２先端と直接隣接する印刷セグメント間に維持し、及び／又は片方のプリントヘッド１９９はカッター８を用いて１つの印刷セグメントを次の印刷セグメントから分離するために、冷却送りゾーン７１２内において先端７０８から周知の距離Ｒ１でフィラメント２をせん断し、もう片方のプリントヘッド１８００はカッターを用いず、熱勾配１８０９の近くのフィラメントを溶かして１つのセグメントを次のセグメントから分離する。
【００８２】
それに加えて、又はそれに代えて、本発明のオプションとして、（２つ以上の）複合プリントヘッドの設けられた３Ｄプリンタ及び印刷プロセスの提供が考えられる。片方のプリントヘッド１９９は末端キャビティ７１４を含み、このキャビティに設置された、又はこのキャビティを通る、一部溶融、又は溶融熱可塑性物質含有フィラメント２の少なくとも４倍の容量を有し、これによってフィラメントはそのキャビティ７１４の壁に実質的に接触せず、壁を湿潤せず、又は壁に接着しない。もう片方のプリントヘッド１８００は一部溶融、又は溶融熱可塑性物質含有フィラメント２と同じ容量を有する末端キャビティ７１４を含み、これによって溶融熱可塑性物質は容器１８０４の壁に完全に接触し、壁を湿潤し、及び／又は壁に接着する。
【００８３】
それに加えて、又はそれに代えて、本発明のオプションとして、（２つ以上の）複合プリントヘッドの設けられた３Ｄプリンタ及び印刷プロセスの提供が考えられる。プリントヘッド１９９に誘導するフィラメント送り機構は、連続長フィラメント２をほぼ一定した断面積及び直線送り速度（linear feed rate）でプリントヘッド１９９のほぼ全体を通って前進させ、プラテン体１６の部品１４に堆積させ、もう片方のプリントヘッド１８００は、熱勾配１８０９でノズル１８０２に隣接させて、及びノズルの上流において溶解、遷移する。断面積及び直線送り速度は、例えば１．７５ｍｍの供給フィラメントに関しては、直線送り速度のおよそ１０〜２０倍（例えばフィラメントの１／１５の断面で印刷）、３．０ｍｍの供給フィラメントに関しては、直線送り速度のおよそ４０〜６０倍（例えばフィラメントの１／５０の断面で印刷）である。
【００８４】
（２つ以上の）複合プリントヘッドの設けられた３Ｄプリンタ及び印刷プロセスを提供する本発明の上述の何れか又は全ての変形として、下記が考えられる。この場合、各プリントヘッド１９９，１８００はテフロン／ＰＴＦＥ又は他の低摩擦チャネルを含み、及び／又は各プリントヘッド１９９、１８００は個々のノズル７０８、１８０２と未溶融ゾーンとの間に１／２〜２／３の温度降下を提供する熱抵抗器を含み、この熱抵抗器は、ステンレススチール、ハステロイ（Hastelloy：登録商標）、インコネル（Inconel：登録商標）、インコロイ（Incoloy：登録商標）、セラミック又はセラミック複合材の内の１つである。
【００８５】
図２は図１Ａ，１Ｂ及び１Ｃ又は図４に示すシステム及びコントローラを使用する３Ｄ印刷プロセスの略フローチャートである。図２には、個々に又は任意の組み合わせで図２に開示する発明の実施形態又は態様にいくらの修正を施した、更なるオプションステップを点線又は「Ａ」を末尾に付けて示すが、ここに示すステップのどれも、本質的に必要な場合を除き、個々に重大なものではなく、又図示する順序に限られない。先ず、ステップＳ１０３において（例えばスプールからプッシュ−プルプレグとして）連続コア又はマルチストランド繊維強化フィラメント２を供給する。ステップＳ１０３Ａに示す様に、カートリッジの形態での供給が重要である、というのもこれによってプッシュ−プルプレグの製造と印刷のプロセスを完全に独立させるからである。つまり、プッシュ−プルプレグの製造又は印刷の何れかは速度を制限する要因であり、準備したカートリッジ又は交換式フィラメントロールを使用することによって、各々を独立して製造することができる。ステップＳ１０５において、フィラメント２を供給又はスプールから（例えばローラーによって）引抜き、未溶融の比較的堅い状態で、フィラメントが押されて供給される際にその曲がりを防止するすきまばめ、又は一連のすきまばめを通して送る。任意選択で、ステップＳ１０５Ａに示す様に、スレッディング又はステッチングプロセス中、フィラメントは、送り（feed）の下流でフィラメント２内の軸圧縮（なお、これは横方向圧入ステップＳ１１１後のオプションステップＳ１１３Ａで軸方向の中立又は正の張力へと変わり得る）を維持し、加熱された導管ノズル７０８に送られる。
【００８６】
ステップＳ１０７において、フィラメント（及びマトリックス材）を、繊維の溶融温度よりも高く、そして連続コア又はストランドの溶融温度よりも低い所望の温度に加熱する。このステップの完了は図２に示すものと順序が異なる、すなわち、しごき先端７２６又はその他の加熱ゾーンの加熱はステップＳ１０７で開始させることができるが、実際の溶融はステップＳ１１Ａのみで生じる。更に、加熱ゾーンはオプションステップＳ１０７Ａに示す様な、経路に沿った最終ゾーン、すなわちしごき先端又は非接触ゾーンであり得る。このステップによってマトリックス材を完全に溶融し、フィラメントの形状を円形又は楕円形の断面から四角形又は長方形の断面へと、部品に梱包／圧入される際、断面積をほぼ同じに保ちながら変化させることができる。オプションステップＳ１０７Ａに示す様に、この加熱は導管ノズルの先端のしごき先端７２６で行なうことができる。更に、非接触ゾーン７１４又は３０３０内で、導管ノズル７０８の壁はフィラメント２から十分に離れており、プラスチックを加熱しても、ガラス遷移又は粘着形態によってフィラメントは壁に接着しない。ステップＳ１０８において、３Ｄプリンタ１０００，１９９のコントローラ２０は（任意選択でステップＳ１０８Ａにおいて本明細書に記載するセンサを使用して）、プラテン体１６又は部品に対して導管ノズル７０８の位置、速度又は加速度を制御し、その間、距離及び各ゾーン又は各ゾーン内の温度特性を監視することができる。
【００８７】
ステップＳ１１０において、コントローラ２０は、加熱導管ノズル７０８の位置及び動きを制御しながら、送り速度、印刷速度、カッター８及び／若しくは温度を制御し、スレッディング段階又は印刷段階においてぴったりした（close fitting）ゾーン３０１０又は３０２０（カッター８の上流及び下流）並びに加熱及び／若しくは非接触ゾーン７１４，３０３０において軸圧縮を維持する、並びに／又はゾーン３０４０内の圧入、圧縮又は平坦化圧力を制御する、並びに／又は印刷段階において、部品１４内の接着横列と横方向圧力ゾーン３０４０及び／若しくはしごきリップ２０８，５０８及び／若しくは７２６との間のフィラメント内で軸方向の中立から正の張力に制御する。
【００８８】
ステップＳ１１１において、コントローラ１２０の制御下でフィラメント（マトリックス及び繊維）２を部品１４に圧入する。任意選択で、ステップＳ１１１Ａに示す様に、これをしごきリップ又は先端２０８，５０８及び／若しくは７２６で行ない、これは滑らかであるが（アラミドなどの耐摩耗繊維用の）ドクターブレードにより近い。同時にステップＳ１１３で、圧入ゾーン３０４０及び／又はプラテン体若しくはプラットフォーム１６を、相対的に平行移動させる（任意選択で３軸、更に任意選択で３つの回転軸に回転させる）。任意選択で、オプションステップＳ１１３Ａに示す様に、このＳ１１３ステップでは先端２０８，５０８及び／又は７２６と部品１４との間のフィラメントにおいて中立又は正の張力を維持及び／又は増加させる。
【００８９】
ステップＳ１１５において、しごき（圧入及び加熱）及び相対平行移動（又は多軸のための相対的な印刷動作）により、溶融マトリックスの底面及び側面をフィラメント２内に接着して部品１４に接着横列が形成される。本明細書に記載する様に、そしてステップＳ１１５Ａに示す様に、これらの横列は任意選択でタイトな牛耕式（boustrophedon）横列とすることができ、また円形、楕円形、又は扁平ループ（例えば長い部分がレーストラック状）としてもよく、「ザンボニ（製氷車）」パターンの小さな回転で進ませてもよく、これらのパターン又は他のパターンの何れかにおいて、１つの層を下の層に平行に、又は重なり合うように、又は下の層に直角に（垂直）連続して積層することができる。
【００９０】
ステップＳ１１７において、所望する終端点に到達した後に、連続コア強化フィラメントを切断してもよい。ステップＳ１１７及びＳ１１７Ａで述べた様に、「切断」には、圧縮ゾーン３０１０，３０２０内の位置、具体的には導管ノズル８の上流での、マトリックス材の未溶融、ガラス状のフィラメントの切断が含まれる。「切断」には導管ノズル７０８の下流又はそれに隣接する場所での切断も含まれる。更に「切断」には、連続するストランドがフィラメント内の個々の分離されたセグメントに形成される実施形態に関して、導管ノズル７０８及びプラテン体１６を相互に離して引抜き、連続する繊維の１つのセグメントが次のセグメントと隣接する場所でマトリックス材を分離させるステップを含むことができる。そしてコントローラ２０は３Ｄ部品が完成したかどうかを決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、コントローラはステップＳ１０８に戻り、そこで次の連続コア強化フィラメント片を堆積させる前に、導管ノズルの現在の位置及び動きを感知する。部品が完成している場合、最終品をプラテン体から取り除くことができる。あるいはＳ１２１で第２のプリントヘッドを使ってオプションのコーティングを部品上に堆積して保護被覆を提供する、及び／又はその最終品に図又は画像を適用することができる。
【００９１】
図３Ａ〜図３Ｄは本発明において役に立つ、可能性ある種々のフィラメントの略図であるが、これらは必ずしも原寸に比例しているわけではない。図３Ａ及び図３Ｂはソリッドの連続コア６ａ（例えばガラス繊維）を有し、熱可塑性物質ポリマー４又は樹脂で囲まれた断面を表しており、図３Ａでは断面積における樹脂の比率が７０％を上回り、図３Ｂでは３０％未満である。図３Ｃ及び図３Ｄは熱可塑性樹脂によって包囲され、吸い上げ／湿潤されたマルチストランド繊維を有する断面積を示し、図３Ｃにおいて樹脂の比率は６０％を上回り、繊維は全て外周の径の１／４以上であり、図３Ｄにおいては３０％未満で、繊維がフィラメント中に分布し、外周から突出している。図３Ｅは図３Ｄと同様の断面積を示しているが、１つ又は複数の個々の第２の機能的ストランド６ｃ及び６ｄを含んでいる（電力、信号、熱及び／又は流体を伝導する電気、光、熱又は流体伝導特性並びに構造の健全性の監視及びその他の所望する機能を有する）。炭素繊維に関して、プッシュ−プルプレグ法で印刷するための樹脂量は３０〜９０％（すなわち断面積で１０〜７０％の繊維）である。
【００９２】
本発明の一実施形態又は態様によれば、ポリマー材料をプッシュ−プルプレグとして予め含浸し、材料の最初の製造中、強化繊維、任意選択でマルチフィラメントの全断面に、溶融ポリマー又は樹脂が吸い上げられるようにする。任意選択で、本発明のこの態様によれば、繊維ストランドにコーティング又は可塑剤などの媒介、放射によるエネルギーの適用、温度、圧力又は超音波を適用することによって前処理を行い、ポリマー又は樹脂がボイドなくマルチフィラメントコアの断面に吸い上げられるように補助することができる。印刷プロセスにおけるゾーン３０３０の加熱温度は、ボイドを充填するための湿潤、吸い上げ、タッキング又は格子間での浸透を達成させるために必要な温度又はエネルギーよりも低く、溶融材の粘度は高い。ボイドレスプリプレグとしてプッシュ−プルプレグを調合することにより、フィラメント幅及びその他の特性（例えば、剛性、滑らかさ）を予め決定することができ、複雑な測定や（同じ又は異なる）種々のフィラメントの制御の必要性を低減させることができる。
【００９３】
本発明の一実施形態又は態様によれば、導管ノズル７０８の加熱部７１４内を真空とし、マトリックス材の溶融中に空気（ボイドを含む）を除去することができる。これは、真空下の固体又はマルチフィラメントコアを含む、空気ボイドを有する（例えば「グリーン材料」）フィラメントにも使用することができる。本発明におけるボイドの真空による除去に代えて、又はこれに加えて、フィラメントを、オフセットローラー又はその他の構成によって設けられた遠回り経路を通し、機械的に封入空気を解消することができる。
【００９４】
図４はメカニズム、センサ及びその中のアクチュエータを制御し、命令を実行して図５に示す制御プロファイル、並びに図２及び図１１〜図１３に示すプロセスを行う３Ｄプリンタのブロック図及び制御システムを示している。プリンタは概略的に示され、３つのコマンドモータ１１６，１１８及び１２０の潜在的な構成を示している。尚、このプリンタは図１Ｃに示すプリントヘッド１９９，１８００の複合アセンブリを含み得る。
【００９５】
図４に示す様に、３Ｄプリンタ３００１は繊維ヘッドヒータ７１５に動作可能に接続されたコントローラ２０、繊維フィラメントドライブ４２及び複数のアクチュエータ１１６，１１８，１２０を含み、コントローラ２０は命令を実行し、この命令によってフィラメントドライブは繊維フィラメントドライブ４２としごき先端７２６の間の冷却送りゾーン７１２に、複合フィラメント２の未接着の終端２を保持する。命令はフラッシュメモリに保持し、ＲＡＭ（図示せず、コントローラ２０に埋め込むことができる）で実行される。本明細書に記載する様に、噴霧コートを塗布するアクチュエータ１１４もコントローラ２０に接続させる。繊維ドライブ４２に加え、フィラメント送り１８３０をコントローラで制御し、押出しプリントヘッド１８００に供給する。プリントヘッド基板１１０を任意選択で複合プリントヘッド１９９，１８００に取り付け、それと一緒に移動させ、リボンケーブルを介して主要コントローラ２０に接続させ、特定の入力及び出力を行なう。しごき先端７２６の温度をサーミスタ又は熱電対１０２によってコントローラ２０で監視し、任意の片方の押出しプリントヘッド１８００においてヒータブロック保持ノズル１８０２の温度を、サーミスタ又は熱電対１８３２で測定する。しごき先端７２６を加熱するヒータ７１５と押出しノズル１８０２を加熱するヒータ１８０６とをコントローラ２０で制御する。冷却用のヒートシンクファン１０６及び部品ファン１０８をプリントヘッド１９９，１８００で共有し、コントローラ２０によって制御する。距離計１５もコントローラ２０によって監視する。サーボモータ、ソレノイド又はその同等物であるカッター８のアクチュエータも動作可能に接続させる。プリントヘッド１９９、１８００の何れかを（例えばドリップ制御のために）部品から離すリフティング用のリフタモータも制御することができる。アクチュエータ１１６，１１８，１２０がそれらの移動範囲の端部に到達したことを検出するリミットスイッチ１１２もコントローラ２０によって監視する。
【００９６】
図４に示す様に、別個のマイクロコントローラを含み得る更なるブレークアウトボード（breakout board）１２２によって、コントローラ２０にユーザインターフェース及び接続性が提供される。８０２．１１Ｗｉ−Ｆｉトランシーバによってコントローラはローカル無線ネットワーク及びインターネットに接続され、遠隔入力、コマンド及び制御パラメータを送受信する。タッチスクリーン表示パネル１２８はユーザフィードバックを提供し、ユーザからの入力、コマンド、制御パラメータを受信する。フラッシュメモリ１２６及びＲＡＭ１３０はユーザインターフェースマイクロコントローラ及びコントローラ２０用プログラム及びアクティブ命令を保存する。
【００９７】
図５は、例えば図１２のルーチンを表す命令に従って実行される、繊維プリントヘッド１９９のスレッディング及びセグメント印刷動作を表すタイミングチャートと、図１３のルーチン（又は別の押出しプリントヘッド）を表す命令に従って実行される押出しプリントヘッド１８００の比較又はもう片方の押出し動作を表すタイミングチャートとを含む。比較の便宜上、各タイミングチャートは、時間Ｔ４（繊維）及びＴ３４（押出し）において並んでセグメントの印刷を開始するが、実際に複数のプリントヘッドが同じ駆動アセンブリに設置されている場合はそうではない。
【００９８】
図５の上部の、時間Ｔ０で繊維堆積プロセスが開始され、コントローラ２０は繊維ドライブ４２に繊維フィラメント２をそれが置かれている場所（例えば冷却送りゾーン７１２、又はカッター８に隣接する場所、又は両方）から前進させるように命令する。スレッディング速度「Ｔ」はフラッシュ及び／又はＲＡＭのデータベースに保持する。これによってスレッディングプロセスが開始される。なお、スレッディングプロセスの開始には前の横列（Ｔ６’に示す）からの切断は含まれない。スレッディングプロセスは、繊維フィラメント２がしごき先端７２６まで、時間Ｔ２、スレッディング速度Ｔで振れ距離Ｒ１（フラッシュ又及び／又はＲＡＭのデータベースに保存されている）の分だけ駆動される間継続される。この点で、繊維フィラメント２の未接着の終端は、これが第１セグメントである場合、部品１４又はプラテン体１６自体に到着している。Ｔ２で繊維フィラメント２の堆積が開始される。図５はＴ２における速度の遷移を示す、すなわち、スレッディング速度Ｔは送り速度Ｆよりも速いが、送り速度Ｆはスレッディング速度と同等、それよりも速い、又は遅い。
【００９９】
より重要なことは、Ｔ２とほぼ同期して、Ｔ４において、アクチュエータ１１６，１１８の内の少なくとも１つが駆動され、プラテン体１６をプリントヘッド１９９に対してその送り速度Ｆと同じ速度で移動させ始めることである。アクチュエータ１１６，１１８はどちらも同じ方向又は反対方向に駆動される、又は必要に応じてアイドル状態とさせることによって、任意の２次方向に真直ぐ、斜め、又は湾曲した経路セグメントが形成される。本明細書に詳細を示す様に、滑り機構によって、繊維ドライブ４２が滑る間、繊維フィラメント２をリップ７２６によってしごき、プリントヘッド１９９から引き抜くことができ、又、アクチュエータ１１６，１１８及びドライブ４２をより能動的に制御若しくはフィードバック制御し、繊維フィラメント２内に中立から正の張力を維持することができる。Ｔ４は好適にはＴ２とほぼ同期しているが、Ｔ２よりも僅かに（例えば１、２ｍｍ）前後させてもよい。繊維ドライブ４２とアクチュエータ１１６，１１８の各々とは、印刷されるセグメントに沿って繊維の予定された経路を駆動し続ける。タイミングチャートの中断箇所（break）は可変長セグメントに適応する。
【０１００】
セグメントの端部が近づくと、繊維フィラメント２をせん断しなければならない。好適には、繊維ドライブ４２及びアクティブアクチュエータ１１６及び／又は１１８の中の１つ又は両方を、せん断前に、例えば繊維ドライブ４２に関してはＴ６、そして例示的アクティブアクチュエータ１１６及び１１８に関してはＴ８で休止させる。繊維フィラメント２を部品１４と繊維ドライブ４２の間に保持し、何れかによって駆動させてもよい。カッター８を駆動して繊維フィラメントをＡ７において迅速にせん断する。次に繊維フィラメント２の振れ距離Ｒ１がカッター８に向かって延在するプリントヘッド１９９に残っているが、まだ印刷しなければならない。従って、繊維ドライブ４２は休止の後に再スタートしない（その必要性はない）が、アクチュエータ１１６，１１８はＴ１０で繊維フィラメント２の尾部が部品１４に結合されるまで、再度振れ距離Ｒ１分、セグメントのコントローラ有向経路に追従し続ける。本発明のオプション部分として、接着横列又はセグメントの部品１４への印刷及び／又はしごきの少なくとも一部を、フィラメントドライブ４２を印刷するフィラメント２に接触させずに行う。図５に示す様に、早い時間Ｔ６’，Ｔ７’，Ｔ８’及びＴ１０’までは、前のセグメントは同じステップに従い得る。同様に、次のセグメントも同じステップに従う、及び／又はプラテン体１６には（Ｔ１２で）別のスライスで別のセグメントを始めるため、一段下にインデックスして（indexed down）もよい。
【０１０１】
なお、図５の上部を参照すると、Ｔ０とＴ２の間のスレッディングプロセスは、セグメント経路が始まる直前に行うことが好ましく、セグメント経路を開始する前に行わなければならないが、アイドル期間中の振れ距離を利用してもよい。例えば、Ｔ６の直後、又はＴ８’〜Ｔ４のスパン中の任意の時点で、繊維ドライブ４２は繊維を少なくとも冷却送りゾーン７１２の端部の、繊維フィラメント２の未接着の終端が未溶融の状態である位置の、しごきリップにもっと近い場所に前進させてもよい。アクチュエータ１１６，１１８がせん断された繊維フィラメント２の逃げを印刷及び／又はしごいて印刷セグメントを完了させる間、繊維送り４２から冷却送りゾーン７１２内の位置へ、経路に沿って繊維フィラメント２を前進させるのは、本発明のオプションの部分である。
【０１０２】
図５の下部を参照すると、押出し印刷が異なっている。セグメントが例えばＴ３２で開始されると、呼び圧Ｐ（より高い送り速度）を非常に短期間で、セグメントの端部がセグメントの残りの部分と確実に水平となるようにする。アクチュエータ１１６，１１８はプリントヘッド１８００を、最初はＴ３４での押出し送りとほぼ本質的に同期して移動させる。押出しドライブ１８３０によって前進された熱可塑性物質フィラメントの線形前進速度Ｅは、印刷速度と大幅に（例えば１０〜１００倍）異なる、というのも、純粋な熱可塑性物質フィラメントが全て溶融されて容器１８０４に蓄積され、続いて小径ノズル１８０２から押出されるからである。押出しドライブはＴ３６で、プリントヘッド１８００を駆動させるアクチュエータ１１６，１１８はＴ４０におけるセグメントの終わりで、押出し速度を僅かに下げ得る。しかしながら、容器１８０４の圧力は、主に押出しドライブ１８３０によるフィラメントの高速後退により、Ｔ３８で解放される。次のセグメントも同じステップに従うことができ、及び／又はプラテン体１６には別のスライスの別のセグメントを始めるため、一段下に（Ｔ４２で）インデックスさせてもよい。
【０１０３】
本明細書ではコア強化フィラメントを一致した速度で通す堆積ヘッドを「導管ノズル」と称し、供給フィラメントよりも速い速度で、背圧下において溶融非強化ポリマーを狭めて（neck down）押出す堆積ヘッドを（「押出し」の従来の意味により）「押出しノズル」と称する。
【０１０４】
導管ノズル全体において繊維材６ｂとポリマーマトリックス４のストランドとの速度を一致させ続ける直ノズル及び分岐導管ノズルの一群（a family）を図６Ａ〜図６Ｃに示す。図６Ａはマトリックス材の熱膨張に適合して増大する導管ノズルの絞り径を有する分岐 導管ノズル２００を示し、導管ノズル２００は径Ｄ１の入口２０２、増大する径２０４を有する断面、及びＤ１よりも大きな径Ｄ２を有する出口２０６を含む。或いは、マトリックス材及び繊維ストランドの両方が（炭素繊維及び液晶ポリマーのような）比較的低い熱膨張係数を有する場合、導管ノズル２００は図６Ｂに示す様な、ほぼ同じ径Ｄ３を有する入口２０２及び出口２０６を含み得る。導管ノズル２００又は７０８はまた、図６Ｃに示す様な丸みを帯びた出口２０８又は７２６を含み得る。例えば、丸みを帯びた出口２０８は外向きに延在するリップ、面取りされた面、フィレット面、又はアークもしくは出口からの円滑な遷移を提供する適切な形状によって具現化することができ、これによって印刷の際にフィラメントの破砕、フィラメントへの応力の付与、及び／又はフィラメントの剥離を防ぐことができる。
【０１０５】
図８は３Ｄプリンタで使用するカッターの２つの実施形態を示している。例えば図１Ａ又は図１Ｂを参照して説明した同様の要素と実質的に類似している。フィラメント２又は２ａはスプール３８から供給され、フィラメント２ａに下方向の力をかける駆動ローラー４０及びアイドルホイール４２によって引き抜かれて送られる。非加熱、又は周囲温度又は室温で、何れの場合においてもガラス遷移温度以下であるこのゾーン（３０１０又は３０２０）において、この力がかかる際、フィラメント２ａのマトリックスは固体又は「ガラス」状である。かけられるこの下向の力はガラス状マトリックス４Ａを介して繊維ストランド６Ａに送られ、これは加熱された導管ノズル１０からフィラメント全体を押し、その後マトリックスは溶融されるにも係らず、３Ｄ部品が形成される。カッター８，８ａ，８ｂの位置は最終部品の末端のオーバーラン（tag-end over-runs）の存在を低減又は削除する、又は有利であればそれらが柔軟に生成されるようにする。
【０１０６】
カッター８ａ（例えば刃）を導管ノズル１０の出口に設置し、カッター８ａの駆動によって内部繊維ストランドをせん断することによって、堆積片又は接着横列の完全な切断が可能となり、並びに／又は導管ノズルの小穴又は出口を物理的に遮断することによって、更なる前進及び／若しくは滴下を防止することが可能となる。カッター８ａ又は８ｂにより、コントローラ２０によって制御されるように、精密に制御された長さでフィラメント（繊維強化又は非強化）の堆積が可能となる。あるいは、カッター８ｂを導管ノズル１０の上流の導管ノズル１０出口と送り機構４０の間に設置することにより、導管ノズル１０出口と部品の間の溝が小さくなる。これに代えて、又はこれに加えて、カッター８ｂは、マトリックス温度が溶融、軟化又はガラス遷移温度以下でフィラメントを切断し、樹脂が刃に粘着しにくいようにし、これによって機械的ジャミングを低減することができ、及び／又は堆積材料のより精密な計測が可能となる。
【０１０７】
図１０に示す様に、フィラメント２と導管の間に比較的密接した（しかしいかなる場合においても結合しない）適合（すきまばめ３０１０又はより大きな導管とすることができる）が維持されるのであれば、切断ストランドの下流部２ｂは、駆動ローラー４０によって駆動される、当接する上流部２ａによって押される。予め（冷却）接着横列を接着し、導管ノズル１０とプラテン体１６が相対移動する際、張力下でフィラメント２ｂを導管ノズル１０から「ドラグ」する。送り機構の上流の力と、フィラメント及びフィラメントのストランドの未溶融、又はガラス部を介して伝達された下流の力との組み合わせを接着横列の堆積に使用する。
【０１０８】
上述の様に、カッター８，８ａ，８ｂはオプションであるが、材料の曲がりを防止し、均一な堆積を保証し、機械的ジャミングを防止する。更に、小径（例えば３０サウ未満）の連続繊維フィラメントは曲がりやすい。この場合、締まりばめチューブ（a close fitting guide tube）１０、又は送り機構４２，４０に隣接し及び／又は導管ノズル７０８に近い６４，７１２（ゾーン３０１０，３０２０内）の締まりばめ導管は、材料の曲がり防止を助けるだろう。従って、一実施形態において、送り機構４２，４０を導管又はノズルの入口から約３〜８径未満のところに設置してもよい。一つの特定の実施形態において、導管は丸みを帯びた細長い管である。しかしながらフィラメントの形状が円形以外（例えば、楕円、四角、又はテープ）の場合、導管をそれに適合した大きさ又は形状にする。任意選択で、フィラメント２は、繊維をフィラメント２の外周から突出させない円滑な外部コーティング及び／又は表面を含んでもよい（導管内の摩擦又は抵抗を低減させる）。
【０１０９】
いくつかの実施形態において、３Ｄ印刷システムは導管を含まない。代わりに、送り機構を受入管６４のようなノズルの入口に十分近づけて設置し、送り機構から導管ノズルの入口までの連続コアフィラメント２の長さを曲がりが回避されるほど十分に短くしてもよい。このような実施形態において、送り機構によってかけられる力を、連続コアフィラメント又はノズルに送られるその他の材料の、予想される曲げ力又は圧力以下の閾値に制限することが望ましい。
【０１１０】
いくつかの実施形態において、堆積された強化繊維にかかる最大張力又はドラグ力を制限して、印刷部品が対応する形成面（build plane）から引き上げられるのを防止し、又は連続コアの中立から正の所望する引っ張り量を提供する。例えば、一方向ロックベアリングをドラグ力を制限するために使用することができる（例えば、送りローラーの速度を印刷速度よりも遅く設定しても、一方向ベアリングを使うと、フィラメントをローラーから、これらのローラーが駆動されるよりも速く引き抜くことができる）。このような実施形態において、駆動モータ４２は駆動ホイールを一方向ロッキングベアリングにより、モータの回転によってホイールが駆動され、材料を前進させるようにすることができる。材料のドラグが駆動ホイールの駆動速度を上回る場合、一方向ベアリングは滑り、送り機構及びノズルを通して更に材料が引き抜かれるようにし、駆動力を予め選択した制限未満となるように制限しながら、印刷速度又はヘッド移動速度と一致するように送り速度を効率的に上げることができる。ドラグ力（中立からの正の張力）も適切な内蔵スリップ（commensurate built-in slip）を有するクラッチを使用することによって制限することができる。あるいは、別の実施形態において、駆動及びアイドルホイールの垂直の力及び摩擦係数は、連続材料が特定のドラグ力以上で送り機構から引き抜かれるように選択することができる。それに代えて、又はそれに加えて、「ＯＦＦ」位置に切り換えるＡＣ誘導モータ又はＤＣモータ（例えば、小さな抵抗がモータ端子又は開放モータ端子に与えられる）を、フィラメントがモータ抵抗に逆らってプリンタから引き抜かれるように使用することができる。このような実施形態において、所望する力の閾値以上のドラグ力を与えてフィラメントがプリンタから引き出されるようにする場合、モータをフリーホイールとすることができる。これらを考慮に入れ、いくつかの形態または方法で、送り機構を、フィラメントにかけられるドラグ力が所望の力閾値よりも大きい場合、フィラメントがプリンタの導管ノズルから引き抜かれるように構成することができる。更に、いくつかの実施形態において、送り機構にセンサ及びコントローラループを一体化させて、堆積速度、プリンタヘッド速度及び／又はフィラメントの張力に基づくその他の適切な制御パラメータの何れかの、フィードバック制御を提供することができる。
【０１１１】
本明細書に記載する本発明の実施形態又は態様によれば、印刷プロセスは全段階で同じであってもよいし、又はプリンタ、フィラメント及び部品で異なる印刷段階（例えば、スレッディング段階と印刷段階、及び／又は直線段階と曲線段階）において異なる力のバランスを生み出してもよい。例えば、本発明の一実施形態又は態様において、プリンタは、主要な連続印刷段階では、接着横列を主に横方向の圧入及び軸方向張力を介して適用し、フィラメントの端部を最初にプラテン又は部品に当接させ、次にしごき先端の溶解下で平行移動させるスレッディング段階では、主に横方向圧入及び軸方向圧縮を介して適用させてもよい。
【０１１２】
本明細書に記載する本発明の実施形態又は態様によれば、印刷システムは、軸方向の中立から正の張力下において、フィラメント２をプリンタ導管ノズル７０８から真直ぐな印刷セクションに沿ってドラグし得る（そしてこの張力は導管ノズル７０８を通り越し、送り速度で制御される送り機構４２，４０へと延びるが、スリップ又はクラッチ機構を有することができる）。このような動作中、プリンタヘッドをコントローラ２０によって所望の速度でずらし、又は平行移動させてもよく、前の層又は印刷面に接着させた堆積材及び／又は接着横列は、印刷ノズル内でフィラメントにドラグ力をかける。フィラメントを印刷システムから引き抜いて部品１４に堆積させる。一方で、それに加えて、又はそれに代えて、本明細書に記載する本発明の実施形態又は態様によれば、曲線及び／又は角に沿って印刷する場合、印刷システムの送り機構４２，４０、送り速度及び印刷速度をコントローラ２０によって制御し、堆積フィラメントを部品又は表面体１６に押圧する。しかしながら、直線動作中にフィラメントを印刷システムから押し出す、並びに／又は曲線及び／若しくは角を印刷する際にフィラメントをプリンタヘッドからドラグする、実施形態又は態様も考えられ、フィラメントをほぼ常にドラグする、又はほぼ常に押し出す、実施形態又は態様も考えられる。
【０１１３】
非溶融ストランドを含む、張力のかかった内部ストランド強化フィラメントの堆積により、堆積材料をプリントヘッドによって押し出し、（遠）端部で印刷部品に接着させることができる。プリントヘッドは張力下で材料をたるませることなく開放溝にフィラメントを吊るし、（可溶性支持材料を使用、又は使用せずに）中空コアコンポーネントを構成することができる。
【０１１４】
図８は連続コア強化フィラメントによって可能となる自由空間印刷を示す。連続コア強化フィラメント２ｂはポイント４４において部品に接着させ、ポイント４６においてプリントヘッドで保持されると、溝４８に架橋する。張力のかかった内部繊維ストランドがない場合、溶融マトリックス材はたるんで溝４８に落下することが考えられる。一例では、図９に示す閉セクションボックスを、溝４８が架橋され、対向するセクション５２及び５４に固定されたセクション５０によって形成する。このような自由空間印刷を、典型的な支持されていない材料では印刷することのできない、片持ち梁の作製にも使用することができる。このような場合、任意選択で、冷却空気の噴霧などによる冷却機構により、溝に架かる間、形成された領域全体又はほぼ全体を連続的に冷却し、又は溝に架かる間、材料の一部を固めてコアを取り囲むポリマー材を固めることにより、たわみを防止することができる。溝に架かる間のみ材料を選択的に冷却すると、残りの部分により良い接着がもたらされる、というのも隣接する層の間に強化された拡散結合が維持されるからである。
【０１１５】
上述の実施形態において、導管ノズルの上流に切断刃を設置し、プリンタが要求した時に連続コアを選択的にせん断する。この方法は効果的であるが、強化フィラメントがカッターとノズルの間の「溝を適切に飛び越えられない」場合がある。従って、少なくともいくつかの実施形態において、切断ステップの後にコア材を再スレッディングする確実性を増大させることが望ましい。カッターは、切断作業後に支持されていない溝を減らす又は無くすように設計され得る。例えば、フィラメントを導く２つの当接した同軸チューブを一時的に相互にずらしてフィラメントをせん断する、チューブ状のせん断カッターがある。
【０１１６】
図１０は図１Ａ及び図１Ｂと同様に、プリンタ機構を示したものである。図７は図１０に示すカッター及び駆動システムのシステム実装詳細図であり、駆動ローラー及びアイドルローラー４０、並びにぴったりしたチューブ（close fitting tube）７２及びフィラメント２（各々の径は非常に小さく、１０サウと５０サウとの間）を含んでいる。同じ符合の部品は同じ特徴を示す。図１０に示す様に、フィラメント２は張力下で送りローラー４０，４２に引き込まれ、フィラメント２とローラー４０，４２の整列の誘導、維持を促進するために、フィラメント２をローラー４０，４２の上流の導管７４に通す。ローラー４０，４２を通した後、連続コアフィラメント２は（少なくとも任意の導管又は素子内の摩擦に打ち勝つくらい十分な）軸方向に圧縮される。圧縮された材料の長さ及びかけられる力の強さによって、連続コアフィラメント２は曲がることがある。よって、連続コアフィラメント２はローラー４０，４２の下流で導管ノズル６８の上流に位置するぴったりした導管７２（例えばすきまばめ）を通り抜ける。導管７２はフィラメント２を誘導し、連続コアフィラメント２の曲がりを防止する。溝６２はプリンタヘッド７０とカッター８の間に存在する。
【０１１７】
フィラメント２は、切断されると、溝６２の片側を通って受入管６４へと「再スレッディング」される。受入管６４自身は任意選択で材料のガラス遷移温度以下とすることができる。任意選択で、受入管６４と導管ノズル６８における加熱部品との間の熱スペーサ又は熱抵抗器６６により、熱い導管ノズル６８から受入管６４への伝熱を低減させる。
【０１１８】
図１０において、再スレッディングの難しさ（例えば、システム全体、一方で印刷を開始するプリントヘッドの終端を通すスレッディング又はステッチングプロセスの間）に直面する、というのも、フィラメントは柔軟で、端部が支持されていないと曲がる、又は座屈する傾向にあり、それがスレッディングされると両端が完全に支持され、第１オーダー曲げモードに制約されるからである。フィラメントがスレッディングされた後、下流部は後に続くフィラメントを全て誘導する。特に鈍く厚い刃でフィラメントが切断されるとフィラメントの端部が変形し、フィラメント２と受入管６４との不整合が大きくなる。
【０１１９】
カッター８，８ａ又は８ｂにフィラメントを通すスレッディングの信頼性を高めるために、不使用時、カッター８を溝６２から取り除き、再スレッディング中に導管７２を（下に）ずらす及び／又は受入管６４にはめ込んで（telescope）もよい。導管７２と受入管６４の間の隙間（溝）は低減させることができ、又はチューブ６４，７２を本質的にカッター８の刃に当接させてもよい。あるいは空気などの加圧流体を導管７２へと軸方向下方に向け、軸方向の流体の流れによって材料を中央に配置して（center）、材料を受入端１６と整合させることができる（そして高速印刷及び／又は高温印刷のために導管７２を冷却して、導管内で材料の摩擦を低減させることができる）。
【０１２０】
図７（平面図）の上方に示す様に、導管７４は、フィラメント径の１．５〜２．５倍の内径を有する毛細管を含み、フィラメント径の変化と共に容易に変えることができ、ボーデンチューブに容易に接続できる。ぴったりしたチューブ７２（任意選択でテフロン／ＰＴＦＥから作製されたフレキシブルチューブとの組み合わせ）はフィラメント２の径の１．５〜２．５倍の内径を有する、同様の毛細管を更に含むことができ、一方で受入管６４はこの代わりに、又はこれに加えて、フィラメント２の径の１．５〜３倍の内径を有する毛細管を含むことができる（そして同様の径のテフロン／ＰＴＦＥボーデン管に接続することができる）。好適に、及び任意選択で、受入管７４の毛細管はぴったりしたチューブ７２の毛細管よりも大きな径、特に内径を有する。図７に示す様に、駆動ローラ（及びモータ）を、アイドルローラー４０の反対側でカッター８に近接させて、滑り機構４３と共に取り付けてもよい。
【０１２１】
図７（側面図）の下方に示す様に、カッター刃８ｆは非常に薄く尖ったものであってもよいし、鈍い刃でもよく、例えば図７に示す様に、その支持アーム９で、それがフィラメント２に対して垂直の方向でカッター刃８ｆに押し付けられず、フィラメントを迅速に引き抜く、又はフィラメントを横断し、回転してフィラメント２をスライスするように回転するよう、フィラメントに対して高角度で配置されている。カッター８のアセンブリは、未溶融の繊維強化複合フィラメント２の径よりも小さな厚さを有する刃８ｆを駆動するアクチュエータ８ｄと、未溶融の繊維強化複合フィラメント２をカッター刃８ｆに誘導する導入管（ぴったりしたチューブ７２の例示的毛細管）及び未溶融の繊維強化複合フィラメント２をカッター刃８から誘導する導出管（受入管６４の例示的毛細管）とを含み、刃８ｆは導入管７２と導出管６４の間の未溶融の繊維強化複合フィラメント２をせん断し、導入管と導出管の間の距離（例えば７サウ）と刃の厚さ（例えば５サウ）のどちらも未溶融の繊維強化複合フィラメントの径（例えば１３サウ、最低でも５〜８サウ）以下である。好適には、カッター刃８ｆと導入管７２及び導出管６４の各々との間の隙間（例えば１サウ）は、カッター刃８ｆの厚さの１／４〜１／２未満であり、導出管６４の内径は導入管７２の内径よりも大きい。図７及び図１Ｃに示す様に、リンク機構８ｅは支持アーム９に取り付けられたカッター８のサーボ、モータ、ソレノイド又はその他のアクチュエータに、迅速な動作及び／又は迅速な戻りを提供することができる。
【０１２２】
図１１〜図１３は図２のフローチャートの１つの特別な実行を示すフローチャートである。具体的には、図１２は繊維複合体印刷プロセスを詳しく説明するものであり、図５のタイミングチャート及び図１Ｃ及び図１Ｄの詳細図と同様に、ステップ番号を含む同じ符号は同じ機能を反映している。同じ機能を反映している同じステップ番号であっても、フローチャートでは順序の異なる場合がある。図１３は、機能を対照及び連結する目的で、図１Ｃに示すＦＦＦプリントヘッド１８００に適用することのできるＦＦＦ制御プロセスを示している。図１１は、連結機能として、図１Ｃにおいて共同取り付けされたＦＦＦ押出しヘッド１８００及び繊維強化フィラメントプリントヘッド１９９の代替的使用及び共同使用を行なうために実行することのできる、連結機能としての制御ルーチンを示している。
【０１２３】
図１１において、コントローラ２０は、印刷開始時に、ステップＳ１０において次に印刷するセグメントが繊維セグメントか否かを決定し、繊維フィラメントセグメントの場合にはＳ１２に進み、例えば、ベース、充填又はコーティングを含むその他のセグメントの場合にはステップＳ１４（例えば図１３）に進む。図２及び図１２を参照してステップＳ１２を詳しく説明する。ルーチンＳ１２及びＳ１４の各々又は何れかにおいてセグメントが完了すると、図１１のルーチンはステップＳ１６でスライスが完了したか否かを確認し、セグメントがスライス内に残っている場合、次の計画されたセグメントに進み、ステップＳ１８において繊維セグメント及び／又は非繊維セグメントの決定及び印刷を続ける。同様に、ステップＳ１６でスライスが完了した後、スライスがステップＳ２０で残っている場合、ルーチンはステップＳ２２で次に計画されているスライスに進み、繊維セグメント及び／又は非繊維セグメントの決定及び印刷を続ける。本明細書で使用する「セグメント」は、先端と終端を持つ直線の列、路又は横列を指し、開放又は閉鎖、線、ループ、曲線、直線などとすることができる。セグメントはプリントヘッドが材料の連続堆積を開始すると始まり、プリントヘッドが堆積を止めると終わる。「スライス」は３Ｄプリンタに印刷される単一の層又は積層であり、スライスには１つのセグメント、複数のセグメント、セルの格子充填（lattice fill of cells）、種々の材料、及び／又は繊維の埋め込まれたフィラメントセグメントと純粋なポリマーセグメントとの組み合わせがある。「部品」は、部品を形成するための複数のスライスを含む。図１２の制御ルーチンにより、図１Ｃの複合プリントヘッド１９９，１８００を含む２つの異なるプリントヘッドと、図５の両方のタイミングチャートとを使用したデュアルモード印刷が可能になる。
【０１２４】
図１２は任意選択で繊維セグメントを図１１のマスターフローチャートで印刷する決定から始まる。先ず、本明細書の例えば図５に示すスレッディングプロセスを実行する。スレッディングプロセス（任意選択でステップＳ１０３，Ｓ１０３Ａと、Ｓ１０５、Ｓ１０５Ｓとの間）の一部の前、又はそれと同時に、プリントヘッド１９９をステップＳ１０４Ａにおいて印刷開始場所にインデックス（index）し、繊維ドライブ４２によって繊維フィラメント２を冷却送りゾーン７１２の保持位置（これは任意選択で本明細書に記載する様に、そしてステップＳ１０４Ｂに示す様に、カッターに隣接した、マトリックス材の温度が溶融温度以下に保たれる任意の準備位置（any ready position）であってもよい）に前進させる。図２のステップＳ１１１での準備において、同時に、プラテンをステップＳ１１１Ｂで繊維フィラメント２の径より小さいプリントヘッド１９９の下の位置にインデックスする。例えば、０．００８〜０．１ｍｍ２の断面積を有する１３サウの繊維の埋め込まれたフィラメント２を、厚さ０．１ｍｍ、幅０．９ｍｍの平坦な列に圧縮し、しごきリップ７２６を前の列より０．１ｍｍ上に配置してもよい。本明細書に開示する本発明のオプションとして、ほぼ円形又は楕円形の繊維の埋め込まれたフィラメントを熱及び／又は圧力で圧縮し、しごき、及び／又は平らに変形させ（場合によっては長方形の横列にする）、平らにした接着横列の高さをその径の１／２未満、好適には１／３未満とし、厚さをその径の２倍以上とすることが考えられる。これらのステップＳ１０４Ａ，Ｓ１１１Ｂ及びＳ１０４Ｂは同時に発生するように示されている、というのもこれらは相互に依存せず、任意の順序で又は一部若しくは全体を同時に行なうことができるのである。
【０１２５】
ステップＳ１１０Ａにおいて、図２のステップＳ１１０のサブセット又はスーパーセットとして、繊維強化フィラメント２を繊維ドライブ４２によってスレッディング速度で送り、これは図５を参照して説明するように、フィラメント２がこのような壁に接着するのに、そして振れ距離Ｒ１（又は「切断から先端までの（cut-to-tip）」距離、すなわちカッター８から先端７２６までの距離）にステップＳ１１０Ｂ内で到着するまで、大量の伝熱を防ぐのに十分な速度である。スレッディングはこの時に完了する。ドライブ４２による繊維の前進を停止せず、次に、プリントヘッド１９９をアクチュエータ１１６，１１８によって、ステップＳ１１３Ｂにおいてプログラムされた繊維セグメント経路に沿って移動させる（更に任意選択で図２のステップＳ１１３Ａの特定の張力を維持する）。これは図５に示される様にしごき又は印刷速度で行い、本開示は繊維ドライブ４２のスレッディング速度とは異なる。同時に、ステップＳ１１３において、繊維送りドライバ４２は、任意選択で図１２に示す様にそして本明細書に示す様に、例えばプリントヘッド１９９のしごき速度の０．９５倍以上の、印刷速度又はしごき速度未満の（制御する非弾性の埋め込まれた繊維が直進する）速度で繊維フィラメント２を前進させ続ける。Ｓ１１３Ｃの繊維送り速度は任意選択で、スレッディング速度と異なる、又は同じである。
【０１２６】
図５を参照して示す様に、振れ距離Ｒ１が印刷されないままである場合、システム内の繊維をしごき先端７２６からＲ１の距離でせん断する必要がある。従ってルーチンは、ステップＳ１１７ＢでＲ１の距離分進み、セグメントの終了がセグメントに沿って発生するか否かを確認する。なお、カッター駆動コマンドは、経路、スライス又は事前のＳＬＴ分析による振れ距離Ｒ１に従って、セグメント経路に沿って正しい時間又は距離でマークを行い、ステップ１１７Ｂにおいて事前に遷移セグメントの終了を予測するのではなく、ステップＳ１１７Ｃ及びＳ１１７Ｄにおける経路に沿った確認を行なうのと同等になるようにすることができる。図１２のステップＳ１１７Ｂ〜Ｓ１１７Ｄは図２のステップＳ１１７，Ｓ１１７Ａのサブセット又はスーパーセットである。
【０１２７】
振れ距離Ｒ１が印刷されないままである場合、プリントヘッドアクチュエータ１１６，１１８及び繊維フィラメント送りドライブ４２をステップＳ１１７Ｃで休止させ、続いて繊維フィラメント２をステップＳ１１７Ｄで、カッター８のアクチュエータへのコントローラ２０のコマンドによってせん断する。図５に示す様に、繊維の余り又は不足はプログラムされたセグメント経路に沿って引き続き積層しなければならない。従って、計画された繊維セグメントＳ１１３Ｄが印刷プロセスにおいてステップＳ１１３Ｄで完了しない場合、プリントヘッド１９９（必ずしも休止したままの繊維フィラメントドライブ４２ではない）の必要なアクチュエータ１１６，１１８を、ステップ１１３Ｅで再スタート及び／又は継続させる。ステップＤ１１３Ｄ及びＳ１１３Ｅは図２のステップＳ１１３及びＳ１１３Ａのサブセット又はスーパーセットである。繊維セグメントが完了すると、プロセスは主要な印刷ルーチンに戻り、スライス内の次のセグメントが繊維フィラメントセグメントか否かを決定する。なお、図１２のルーチンは図１１又は図１３から独立して行なうことができる、すなわち、ＦＦＦ型の複合プリントヘッド１８００のないプリンタでは、例えば図２６のＳＬＡ型プリンタと共に行なうことができる。
【０１２８】
上述の様に、図１２の制御ルーチンによってデュアルモード印刷が可能となる。図１３は非繊維コマンドの実行を示す。図１３において、ＦＦＦプリントヘッド１８００及びプラテン１６はステップＳ１２１で最初の印刷位置にインデックスされ、押出しドライブ１８３０は、システムにすでにロードされている段階に加えてフィラメント押出しの準備を迅速に行い、圧力を増大させ （図５のＴ３２に対応するステップＳ１２３）、押出しのために送り続ける。ステップＳ１２５において、図５の時間Ｔ３４に対応して、プリントヘッド１８００は移動して押出しを受け取る。ステップＳ１２７で、押出しドライブ１８３０はプリントヘッドが移動する速度の何分の一かの速度でＦＦＦフィラメントを溶融容器１８０４に前進させ続け、背圧を生成して液化した熱可塑性樹脂で充填された加圧容器１８０４内に材料を押出す。セグメントが終了すると、押出しドライブ１８３０及びプリントヘッド１８００はステップＳ１３１で迅速に休止し、ステップＳ１３３で戻り動作（例えば１５ｍｍの戻り）を行なって溶融容器に圧力を放出し、好適にはノズル１８０２の先端で負圧を生成し、例えば、液だれ（dripping）又は尾引き（tailing）を防止する。図１１から呼び出された場合（if called from Fig. 11）、プロセスは図１１の制御に戻る。
【０１２９】
図１４Ａ〜図１４Ｃは出口の異なる導管ノズルの一群を示す。図１４Ａは入口５０２及び出口５０４を含む導管ノズル５００を示し、この出口はアラミドなどのいくつかのフィラメント２に適しているが、耐摩擦のない、繊維ガラス、炭素、金属コアのめっき、光ファイバーケーブルへの処理などの、繊維に損傷をもたらす可能性のある、鋭い出口角を含んでいる。図１４Ｂは円滑な遷移の、複数の面取り（例えば２ヶ所、又は４５度の面取り）がなされた導管ノズルの小穴又は出口５０６を示し、これは繊維のせん断を低減させる。図１４Ｃは円滑な丸みを帯びた導管ノズル出口又はしごき先端５０８を示し、これは非溶融ストランドのせん断及び切断を低減させる。
【０１３０】
代替例において、矢印５１０で示す様に、鋭いエッジの導管ノズルを垂直方向のＺ方向に押し下げてフィラメント２をせん断することが望ましい。図１４Ｃに示す様に、導管ノズル５０８の角は鋭く、Ｚ方向を向き、フィラメント２に対して力がかけられると連続フィラメントをせん断する（任意選択で張力下、任意選択で送り機構の駆動及び／又はプリントヘッドの移動又はテーブル体の移動によって提供される）。図１５Ａ〜図１５Ｄに示す様に、導管ノズルの一部を任意選択で尖らせ、導管ノズルの小穴の内部又は出口の方に向け、切断材料が導管ノズルから出るのを助ける。図に示す様に、滑らかに面取りされた導管ノズル６００はフィラメント２を含み、これは面取りされた導管ノズル６００及び導管ノズルの遠端出口に位置するリング６０２から出る。リング６０２の第１の部分は非切断部であり、フィラメント２を妨害しないような形状及び配置となっており、リング６０２の第２の部分は切断部又は刃６０２ａを含み（任意選択でスチール、カーバイト又はセラミック）、これは図１５Ｂ〜図１５Ｄに示す様に鋭く、導管ノズル６００内に含まれるフィラメント２に向かって内側に配向され、導管ノズル小穴又は出口面積の１／１０未満を占有している。切断部６０２ａは、以下、すなわち、永久に取り付ける、印刷中選択的に後退させ、切断する時に前進させる、導管ノズルの小穴又は出口の外周に凹状に形成する、図１５Ｂに示す様に導管ノズル出口の外周の一部を形成する、導管ノズルの小穴又は出口と一体形成する、及び／又は導管ノズルの小穴又は出口に取り付ける、の何れかとすることができる。
【０１３１】
図１５Ａ〜図１５Ｄに示す作動において、導管ノズル６００を表面に構成された部品に対してＤの方向に平行移動させ、一方でフィラメント２を所定の位置に静止及び／又は保持し、結果としてコア材６が引っ張られる。連続コアフィラメント２にかけられる張力が増大すると、コア６は切断部６０２ａによって切断される。あるいは、表面及び／又は部品を、導管ノズル又は張力のかかったフィラメントに対し、送り機構を使って平行移動させてせん断動作を行なう。図１６は導管ノズル先端のカッターの別の実施形態を示し、その実施形態において、切断リング６０４はすでに堆積されたフィラメント２に配向された鋭利な末端縁を有し、導管ノズル６００及び鋭利な縁に曝される部品に対して駆動され、フィラメントを切断素子６０４と接触させてコア材６を切断する。
【０１３２】
光ファイバーケーブルなどの脆弱な材料の場合、切断部６０２ａ又は６０４は小さな刻み目（score）を形成し、導管ノズル及び部品を更に相対的に平行移動させることによって切断を完了させることができる。複合材繊維などのその他の材料に関しては、導管ノズルの丸みを帯びた形状により、コア６は張力下で切断部６０２ａ又は６０４の方を向き、その結果として生じる切断部に向かう統合（例えば圧縮）により、大きな繊維を比較的小さな断面の刃で切断することが可能となる。金属繊維又は延性材の場合、切断部６０２ａ又は６０４は、コアの十分な張力でコアストランドを導管ノズル出口で切断できる程に十分に弱いポイントを材料内に生成することができる。
【０１３３】
切断部６０２ａ又は６０４はホットナイフと称される高温加熱素子であり、これは直接的又は間接的に繊維を溶融温度、炭化温度、又はコアの引張り強さが、コアが十分な張力で切断される程に十分に弱くなる温度に加熱する。加熱素子は印刷部品に危害を与えずに迅速に加熱及び冷却を行なう高帯域ヒータ、又は、繊維への加熱を隔離する誘導加熱素子であってもよい。
【０１３４】
本明細書に記載する本発明の実施形態又は態様によれば、溶融されたマトリックスフィラメント２の接着横列への軸圧縮及び／又は横方向の圧入により、最終的な部品の特性が高まる。例えば、図１７Ａは圧縮力、軸圧縮又は側圧６２のかかった複合材繊維強化フィラメント２を示す。軸圧縮からの圧縮圧力及びゾーン３０４０でのしごきリップ５０８，７２６，２０８による平坦化によって、図１７Ｂに示すほぼ円形の断面のフィラメント２ａは、図１７Ｃに示す様な下の層及び第２のほぼ長方形の断面の圧縮形状に圧縮又は再成形される。フィラメント全体は成形される際に接着横列（すなわち、下の層及び同じ層の前の横列に接着される）を形成する。フィラメント２ｂは分散し、内部ストランドは同じ層上の隣接する接着横列２ｃに押し入り、下層の成形フィラメント又は材料２ｄの接着横列に圧縮される。成形フィラメント又は接着横列のこの圧入、圧縮又は拡散によって強化繊維間の距離が短くなり、結果として生じる部品の強度が増大する（そして圧力板又は真空包装による後処理を使用した複合材の積層で達成される従来の技術にとってかわるものとなる）。従って、本明細書に記載する本発明の実施形態又は態様によれば、フィラメント２の軸圧縮及び／又は特にゾーン３０４０におけるプリンタヘッド７０、導管ノズル又はしごきリップ５０８，７２６，２０８による物理的な圧入を、圧縮圧力を堆積材又は接着横列に直接かけ、それらを横及び／又は下の横列に拡散、圧縮又は平坦化させるために使用することができる。断面積はほぼ同じに、又は全く同じに維持される。それに代えて、又はそれに加えて、本発明のいくつかの実施形態又は態様において、圧力を、プリントヘッドの背後にある尾圧力板（tailing pressure plate）にかけてもよく、圧縮圧力が層全体に一度にかかる、部品全体に亘る全幅圧力板にかけてもよく、及び／又は熱、圧力、若しくは真空を印刷中若しくは各層の後に、部品にかけ、全体として層内で樹脂をリフローし、最終部品において所望の圧縮量（壁を一緒に押してボイドを低減又は削減する）を達成させてもよい。
【０１３５】
上述の様に、そして図１８Ａを参照すると、融解フィラメント製法（ＦＦＦ）３Ｄプリンタに使用されるノズル７００には、典型的に、ノズル７００の先端に構造体が用いられるため、最終的にプリントヘッド（ノズル）の詰まりやジャミングがもたらされる。ほとんどのＦＦＦ３Ｄプリンタに取り付けられるノズルは消耗品と考えられ、定期的に交換する。
【０１３６】
本発明のいくつかの実施形態又は態様による分岐導管ノズルにおいて、材料は送りゾーンから加熱溶融ゾーンに遷移するにつれて膨張し、送りゾーンに入った粒子状物質は、より大きな加熱ゾーンから排出させることができる。分岐導管ノズルの洗浄は容易に行うことができ、材料をフィードフォワード的（feed forward manner）に除去することができる。
【０１３７】
以下において、「流体接続」は流れが可能になる連続接続という意味で使用され、別段の指定のない限り、任意の特定の段階でフィラメント２が流体であるかないかを示唆するものではない。図１８Ｂは冷却送りゾーン７１２へ接続され、それから加熱ゾーン７１４に流体接続される材料入口７１０を含む導管ノズル７０８を示している。加熱ゾーン７１４のキャビティ又は経路及び／若しくは出口７１６の（流れ方向に垂直な）断面積は、冷却送りゾーン７１２に位置するキャビティ又は経路及び／又は入口７１０の（流れ方向に垂直な）断面積よりも大きい。冷却送りゾーン７１２は加熱ゾーン７１４よりも熱伝導の小さな材料によって構成することができ、そうすることによってフィラメント２は冷却送りゾーン７１２を通り、軟化せずに加熱ゾーン７１４に流れることができる。
【０１３８】
一つの特別な実施形態において、分岐導管ノズル７０８をポリテトラフルオロエチレンなどの低摩擦送り管を使って形成し、これは加熱ゾーンの一部がチューブの下流で露出されるように、導管ノズル内にある大きな径の加熱ゾーンに供給される。それに加えて、又はそれに代えて、加熱ゾーンをポリテトラフルオロエチレンなどの低摩擦材料で構成又は被覆し、冷却送りゾーン７１２から加熱ゾーン７１４への遷移に、段差を設け、面取りをし、曲線をつけ又は滑らかにすることができる。
【０１３９】
図１８Ｃは、加熱ゾーン７１４内で使用中に形成されそして取り外されたプラグ７１８によって分岐導管ノズル７０８が塞がれる場合を示す。分岐導管ノズル７０８は前送り洗浄サイクル、例えば、プラスチック部分を印刷ベッド又はこれに隣接する洗浄領域に適用して接着させることから始め、その後に接着したプラスチックを溶融温度以下に冷却する（冷却したままにしておく）ことによって洗浄することができ、この際、印刷ベッド及び導管ノズルは相対移動して、プラグ７１８は導管ノズル７０８（任意選択で送り機構の上流のフィラメントからの未溶融の圧縮力の補助を受ける）から抽出される。任意の適切な材料を分岐ノズルに使用することができるが、ナイロン及びナイロン類（nylon relatives）は特に有利である、というのも、ナイロンの熱膨張係数によってナイロンは冷却中導管ノズルから僅かに引きだされ、ナイロンは低摩擦係数を呈するからである。冷却送り及び加熱ゾーンの何れか又は両方におけるポリテトラフルオロエチレンの壁は、プラグの除去を助ける。洗浄サイクルは、プラスチックのセクションが自由空気に押出され、手又は自動ツールを使って取り除かれるので、接着ステップなしで行なうこともできる。
【０１４０】
直導管ノズルの場合、特に約０．００１”〜０．２”のオーダーの小径フィラメントの場合、図１９Ａに示す様に、導管ノズル７２０は導管ノズル小穴又は出口７２２とほぼ同じサイズの入口７２４を含むことができる。ストランド強化複合フィラメント２などの材料は冷却送りゾーン７１２を通って加熱ゾーン７１４（例えば、これらのゾーンの何れか又は両方は、低摩擦の、及び／又はポリテトラフルオロエチレンの壁を有する）へと流れる。加熱ゾーン７１４は熱伝導性があり、例えば、銅、ステンレススチール、真鍮などから作られている。フィラメント２をプラテン体１６又は洗浄領域に接着させ、図１８Ｂ及び図１８Ｃに関して記載されたプロセスを実行する。これには小さな径のフィラメントが適している、というのも、熱質量が低いとそれらを迅速に加熱し、プリントヘッドに送られたサイズとほぼ同じサイズで押出す（ＦＦＦの場合）ことができるからである。図１９Ｂは仮定上の状態を示し、従来のグリーントウプレグは直導管ノズル内で分裂している。
【０１４１】
図１９Ｃ〜図１９Ｅは本発明の実施形態又は態様によるスレッディング法を示し、この場合、分岐導管ノズル７０８を通して送られる固いプッシュ−プルプレグストランドフィラメントを使用して詰まりを低減、又はなくす。「スレッディング」とは、この文脈において、接着横列の連続堆積（真直ぐなセクション及び列）の印刷における第１のステップであり、フィラメント２の切断、流出、分離後のみに再度行い、そうでない場合には再度始めなければならない。図１９Ｃは冷却送りゾーン７１２内に設置された連続コアフィラメント２を示しており、冷却送りゾーン７１２は加熱ゾーン７１４から５インチ以上離して始めることができる。フィラメント２が大きな熱容量及び／又は剛性を有する場合、冷却送りゾーンは加熱ゾーン７１４の近くから始まり、ステッチング前に材料の予備加熱を提供する。冷却送りゾーン７１２（マトリックスの溶融温度以下）内では、フィラメント２は実質的に固いままであり、印刷直前までこの場所に維持される。
【０１４２】
印刷が開始されると、図１９Ｄに示す様にフィラメント２を迅速に送って導管ノズルに通す。冷却送りゾーン７１２はフィラメントをより大きなキャビティ加熱ゾーン７１４へと供給し、フィラメント２は、図１９Ｄに示す様に、冷却送りゾーン７１２内に残っている上流フィラメントの剛性により、加熱ゾーン７１４の壁への接触が制限される。剛性を維持し、材料が出口を通るまで溶融及び壁との接触を防ぐことにより、繊維の剥離、巻き上がり及び／又は導管ノズル内への詰まりを防止し、フィラメント２をより簡単に熱い溶融ゾーン７１４に押し込み、そこに通すことができる。いくつかの実施形態において、圧縮空気をスレッディング前及び／又はその最中に導管ノズルを通して噴出させて導管ノズルを冷却することにより、ノズルの側面へ付着する機会を低減させることができる。更に、ステッチングプロセス中、導管ノズルの加熱ゾーン７１４における加熱を低減又はなくすことにより、ノズルの側面に付着する機会を低減させることができる。
【０１４３】
連続コアフィラメント２の供給が続くと、連続コアフィラメント２はプラテン体１６又は前の層と接触する。それからフィラメント２は導管ノズルのプラテン体１６に対する動きによって表面に沿って載置され又は押される。短い距離内において、フィラメント２は加熱ゾーン７１４に隣接する丸みを帯びた若しくは面取りされたリップ７２６の壁に接触し、又は図１９Ｅ又は図２０Ａに示す様に、リップ７２６又はその近くにおいて、加熱ゾーン７１４の壁にほとんど接触する。あるいは、プリンタヘッドを平行移動させる代わりに、フィラメント２を導管ノズルの長さよりも長く駆動させ、出口が前の層又は印刷ベッドで遮断されると、フィラメントは同じ様に曲がる（buckles to the same effect）。丸みを帯びた又は面取りされたしごきリップ７２６及び加熱ゾーン７１４の壁に接触させた後、連続コアフィラメント２を堆積温度（例えばマトリックスの溶融温度）に加熱し、堆積材料をプラテン体及び／又は前の層に融合させる。スレッディング速度は約２５００ｍｍ／分〜５０００ｍｍ／分である。
【０１４４】
導管ノズル小穴又は出口７１６の遠心端に位置する丸みを帯びた又は面取りされたリップ７２６は、導管ノズルの小穴又は出口に緩やかな遷移を提供し、連続コアが破砕されないように助け、連続コアフィラメント２に、それが堆積される際、下向きの圧縮、圧入又はしごき力を加える。つまり、「しごき」とは、（ｉ）フィラメントの側面に対するほぼ側面の若しくは横向きの力（例えば、フィラメントが水平に設置されている場合には下向きの力）が、（ｉｉ）滑らかな面（一部がプラテン体に平行、又はプラテン体に平行し、その接線によって丸みがつけられている）によってかけられ、（ｉｉｉ）それが溶融フィラメントに圧入されて接着横列となる際に印刷方向に平行移動される行為を指す。丸みを帯びた、又は面取りされたリップは下向きの力を提供し、プラテン体に平行な、その下方の円滑な面を平行移動させ、連続コアフィラメントを前の層にしごく。しごきはリップ７２６を連続コアフィラメント２の径未満である堆積面から離して設置することによって行なわれ、及び／又は接着横列の高さをフィラメント２の径未満に設定することによって行なわれるが、適切な圧縮力はこの行為がなくとも達成させることができる（例えば、十分に固い材料で、軸圧縮力のみを使って、リップをフィラメント２の径よりも遠く離して設置する）。リップ７２６から前の層若しくはプラテン体までのこの距離、又は接着横列の高さは、適切なセンサを使って確認することができる。
【０１４５】
本明細書に記載するしごき及び／又は軸圧縮は分岐導管ノズルを必要としない。例えば、しごき又はしごきリップ又は先端７２６は、図２０Ａに示す様に、ほぼ真直ぐな導管ノズル７２０又は僅かに先細導管ノズルと一体化させてもよい。それに代えて、又はそれに加えて、先細導管ノズルは、例えば図２０Ｂに示す様に、別個の冷却送りゾーン及び加熱ゾーンを使用することができる、図２０Ｂは加熱ゾーン７１４、そして先細導管ノズル小穴又は出口７３２と流体接続する冷却送りゾーン７１２に送る導管ノズル入口７３０を含む先細導管ノズル７２８を示す。
【０１４６】
本明細書に記載する、「半連続」ストランド複合材は、その長さに沿って複数の個別のストランドにセグメント化されたコアを有する。これらの個別のストランドは単一のセグメント化されたストランド、又は束ねられた、しかもそれらの長さに沿ってセグメント化された、複数の個別のフィラメントストランドであり得る。個別のセグメントは重なり合わないように配置させることができる。本明細書において、材料は、切断する代わりに、ほとんどの場合、マトリックスを溶融又は軟化させる間、そして最も有益なのは印刷サイクルの終わりに、張力をかけてせん断することができる。張力は、プリンタの送り機構をバックドライビングする、及び／又は材料をノズルから押出さずにプリンタヘッドを印刷部品に対して平行移動させる、の内の何れかによってかけることができる。
【０１４７】
図２１は選択可能なプリンタヘッドを有する３Ｄプリンタのオプションの実施形態を示す。この実施形態において、プリントアーム１４００はユニバーサル継手１４０４でプリンタヘッド１４０２に取り付けることができる。連続コア強化フィラメントのような適切な消耗材料１４０６は先にプリンタヘッド１４０２に供給することができる、又はプリンタ１４００に接着させた後にプリンタに供給することができる。別の印刷材料が所望される場合、プリントアーム１４００はプリンタヘッド１４０２を関連するホルダに戻す。続いてプリンタ１４００は、サイズが異なる、及び／又は異なる材料を含む消耗材料を印刷することのできるプリンタヘッド１４０８又は１４１０をピックアップすることができる。
【０１４８】
図２２は３Ｄ印刷シェルを含む部品を形成するために使用する３Ｄプリンタヘッド１３１０を示す。プリンタヘッド１３１０は先ず一連の層１３２０（繊維強化樹脂又は純粋な樹脂、若しくは任意の組み合わせとすることができる）を堆積させて部品を形成する。プリンタヘッド１３１０は従来のＸＹＺ方向をつなぐとともに、ＸＴ，ＹＴ及びＺＴ方向に旋回させることができる。
【０１４９】
図２３Ａ〜図２４Ｄは、図２４Ａに示す連続ストランドコアフィラメント２とは対照的に、ノズルから堆積される半連続ストランドコアフィラメントの種々の実施形態を示している。
【０１５０】
対応するマトリックス材に埋め込まれた半連続ストランドも個別のインデックスされたストランド長を有することができ、この場合、半連続コアの終結（termination）は、フィラメントの長さに沿って予め定められた間隔で発生する（そしてストランド長さは関連する導管ノズルの溶融ゾーンの長さよりも長くすることができる）。半連続ストランドコアは、１つの束の繊維が次の束に当接するが、次の束に延在しないようにきれいに分離され、３インチ（例えば２〜５インチ）の長さに配置された個々の分離ストランド又はストランド束を含み得る。コントローラ２０によって制御される経路計画アルゴリズムは、ストランドの切れ目（breaks）を印刷の端部、角、縁およびのその他の停止ポイントと整合させることができる。カッターを有さず、インデックスされたストランドを使うプリンタが、半連続ストランド内のインデックスされた切れ目がノズルの小穴又は出口と整合するまで印刷プロセスを終了させることができない場合、コントローラ２０は任意選択で最小の長さよりも下の領域を樹脂で充填する。例えば、多くの形状において、断面の外側部はコアよりも強度がある。このような場合、外側のセクションは半連続ストランドから最後の完全なストランド（integer strand）が印刷パターンに合わなくなるまで（その時点で残りは空のままにしておく、又は純粋な樹脂で充填する）印刷することができる。
【０１５１】
図２３Ａに示す様に、第１ストランド１００２及び第２ストランド１００４を含む半連続コアフィラメント１０００は、マトリックス１００６内に位置している。フィラメント１０００をマトリックスのガラス遷移温度以下の、導管ノズルの冷却送りゾーン７１２に入れる。続いてフィラメント１０００を加熱又は溶融ゾーン７１４に流す。フィラメント１０００内のマトリックス１００６を堆積前に加熱ゾーン７１４内で溶融させる。ノズルから出ると、フィラメント１０００は固定点１００５で部品又はプラテン体１６に接着する。せん断は半連続コアフィラメント１０００を前進させることなくプリントヘッドを固定点１００５へと前方に動かすことによって発生し、あるいはプリントヘッドを静止させたままで上流の半連続コアフィラメント１０００を後退させて所望の張力をかける。固定点１００５によって提供された張力により、導管ノズル内に位置する第２ストランド １００４の残りの部分は、残りの埋め込まれたストランドを加熱されたノズルから引き出すことができる。
【０１５２】
図２３Ｃ及び図２４Ｃはインデックスされた半連続コアフィラメント１０１２を示しており、コア材の切断は各セクションでほぼ完了しているため、整数距離での滑らかななせん断が可能となる。コア材の個々のセクションは予めインデックスされた場所１０１６で、コア材と隣接するセクションから分離される。材料はこれらの図に示される予めインデックスされた場所１０１６に対応する境界において、（例えば埋め込まれた繊維を含む接着横列と比較して）強度の減少を呈する。図２５はこのような半連続コアフィラメントの使用を示している。図に示す様に、複数のストランド１１００が部品又はプラテン体に堆積されている。ストランド１１００はプリントヘッドがストランドを最後に通し、上述の様に１１０４で材料がせん断されるまで、折返しやその他の形状が形成され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はボイドとして残すか、又はポリマーのような別個の材料で充填することができる。
【０１５３】
図２３Ａは２つの個々のストランドを示すが、図２３Ｂ及び図２４Ｂはマトリックス１００６に埋め込まれた同様の大きさのストランド１０１０の分布を含む半連続コアフィラメント１００８を示している。３つのストランドは互いにずらした線で示されているが、これはランダムな、又は交互にずれたストランドの分布を簡単に示したものである。例えば、材料は約１０００のストランドの炭素繊維を含む（繊維束は「１ｋトウ（tow）」と称されるが、本実施形態においてこのトウは、本明細書に記載する様にボイドがなく、熱可塑性物質マトリックスに適切に埋め込まれなくてはならない）。ストランド２１４は、ほぼ同じ長さの重なり合うストランドが大量にあるような大きさであり、分布させることができる。従って、半連続ストランドフィラメントは、個々のストランドが導管ノズルの出口から引き出されるように、プリンタ導管ノズルの溶融ゾーンに対応する大きさのセグメントを含む。溶融ゾーンは、プリプレグ繊維束における個々の繊維ストランドの長さと少なくとも同じ長さとすることができ、又はプリプレグ繊維束の個々の繊維のストランドの長さの半分とすることができる。材料を引っ張ってフィラメントを分離させる間、部品に埋め込まれた又は印刷面に接着されたストランドは、ノズル内に残っているストランドの一部を引き出す固定力を提供する。長いストランドの場合、ストランドの一部はノズル内に保持され、これは垂直に配向されるストランドとなり、任意選択でプリントヘッドで押すことができ、又は任意選択で、次に材料層内に垂直に配向されるストランドとして戦略的に配置された層に堆積させることができる。
【０１５４】
材料をインデックスされたストランドと重なり合うストランドとを組み合わせたものとすることができる。例えば、インデックスされた連続ストランドを、長いストランドと長いストランドの間の遷移点に位置する、より短い長さの束と平行して使用し、導管ノズルの溶融ゾーンが溶融ゾーンにある重なり合うストランドを引き出す程に十分な距離を含むようにすることができる。この手法の利点は長い完全な連続ストランド間における境界の弱い点（weak point）を低減させることである。所定のコア及びマトリックス材のせん断中、せん断力は、部品の歪み、押し上げ、上流における繊維の破断又はその他の有害な影響を防ぐよう、十分に小さいことが望ましい。場合によってストランドは抽出中に破断する可能性があり、これは切断点においては許容される。ストランドの長さは用途によって変えてもよいが、典型的なストランドの長さは大きなスケールの印刷の場合には約０．２”〜３６”とすることができる。
【０１５５】
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の混合手法の例を示す。本実施形態において、材料１０１８は、上述の、図２４Ｃ及び図２５Ｃに関する実施形態と同様に、予めインデックスされた場所に位置するマトリックス１００６内に埋め込まれた１つ又は複数のコアセグメントを含む。この材料も材料の長さに沿って延在するマトリックス１００６内に埋め込まれた連続コア１０２０を含む。連続コアは、予めインデックスされた場所で十分な引っ張り力をかけるだけで、材料のせん断を可能にするのに十分な引っ張り力によってせん断することのできる大きさにすることができる。あるいは、上述の切断方法の何れかを使用することができる。
【０１５６】
複合材の連続層は、従来の積層と同様に、０°，４５°，９０°及びその他の所望の角度に載置して複数の方向の部品強度を提供し、強度対重量率を増大させることができる。コントローラ２０を制御して強化繊維を軸方向に整列させ、１つ又は複数の特定の方向及び場所に機能的に堆積させることができる。強化繊維の軸方向の整列は層内の１つ又は複数の個々のセクションに対して選択することができ、個々の層に対して選択することもできる。例えば、図２６に示す様に、第１層１２００は第１の強化繊維の配向を有し、第２層１２０２は第２の強化繊維の配向を有し得る。更に、第１層１２００又はその他の任意の層内の第１セクション１２０４は、第２セクション１２０６又は同じ層内の任意の数のその他のセクションと異なる繊維の配向を有し得る。
【０１５７】
本発明の一実施形態又は態様は熱可塑性物質マトリックスを使用するが、ハイブリッドシステムが可能である。強化フィラメントには、例えば、熱、光、レーザ及び／又は放射などの硬化サイクルによって処理されるマトリックスを用いることができる。例えば、連続炭素繊維を一部が硬化されたエポキシに埋め込み、押し出されたコンポーネントを相互に接着させることができるが、完全に固めるための後硬化が必要である。同様に、本発明の一実施形態又は態様は、予め形成された連続コア強化フィラメントを使用し、いくつかの実施形態において、連続コア強化フィラメントは、樹脂マトリックスと固い連続コアとを加熱された押出しノズル内で混合することによって形成することができる。樹脂マトリックス及び固い連続コアは、マルチストランドコア内の複数のインターフェースと比較すると、樹脂がソリッドコアの連続する外周を簡単に湿潤させるので、インターフェースに沿ってボイドを形成することなく混合することができる。従って、こ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場合に、特に使用することができる。
【０１５８】
図２６はステレオリソグラフィ（及び／又は選択的レーザ焼結）を用いて埋め込まれた繊維の周りにマトリックスを提供するハイブリッドシステム、すなわち、液状又は粉末状の連続樹脂を、集中放射硬化光線（レーザ、ＵＶ）をスイープすることによって所望の層構造に層毎に凝固させるプロセスを示す。強度の増大、並びに固体及びマルチストランド材料を含む異なるタイプの連続コアフィラメントに関連する機能性を提供するために、各層の堆積に関連するステレオリソグラフィプロセスを２ステップのプロセスに修正することができ、このプロセスによって、所望する場所及び方向に連続コアフィラメントを含む複合材コンポーネントを構成することが可能となる。連続コア又は繊維は、全体又は一部を樹脂に沈め、印刷する層内の所望する場所及び方向に堆積させることができる。連続繊維を所望する場所及び方向に堆積した後、隣接する樹脂を硬化して繊維の周りを固める。これは連続繊維を堆積させる際、又は連続繊維を堆積した後に行なうことができる。一実施形態において、層全体を、連続繊維を切断する必要なく、単一の連続繊維で印刷する。その他の実施形態において、強化繊維を印刷層の異なるセクションに異なる配向で設けることができる。連続繊維の複数の場所及び方向への堆積を容易にするために、連続繊維を本明細書に記載する様にカッターを使って、又は樹脂を固めるために使用するレーザによって切断することができる。
【０１５９】
図２６はステレオリソグラフィを使ってプラテン１６０２に構成した部品１６００を示す。部品１６００はトレイ１６０６に含まれる液体樹脂（感光性ポリマー）材１６０４に含浸されている。部品１６００の形成中、プラテン１６０２は、層厚によって各層が形成されるにつれて徐々に下に移動され、部品１６００を沈んだままの状態にする。各層の形成中、連続コアフィラメント１６０８を導管ノズル１６１０を通して送り、部品１６００に堆積させる。導管ノズル１６１０を制御して、連続コアフィラメント１６０８を、形成される層の所望の場所及び所望の方向に堆積させる。連続コアフィラメント１６０８の送り速度を導管ノズル１６１０の速度と等しくし、既に堆積させた連続コアフィラメントを妨害しないようにしてもよい。連続コアフィラメント１６０８を堆積させる際、適切な電磁放射（例えばレーザ１６１２）を使い、導管ノズル１６１０の移動経路の背後の場所１６１４で、連続コアフィラメント１６０８を囲む樹脂を硬化する。場所１６１４と導管ノズル１６１０との間の距離は、連続コアフィラメントが硬化前に完全に液体に沈むように選択することができる。レーザは光源１６１６によって生成され、制御可能なミラー１６１８によって方向が定められる。３Ｄプリンタもカッター１６２０を含み、上述の様な連続コアフィラメントの切断が可能になる。
【０１６０】
任意選択で、堆積フィラメントを１つ又は複数の「タック（tack）」で適所に保持する、タックはコア材を更に堆積させる間、連続コアフィラメントを適所に保持するために十分な量の硬化樹脂材料である。連続コアフィラメントを図示しないノズルによって堆積させる際、図２７に示す様に、連続コアフィラメント１６０８はレーザ１６１２によって複数の個別の点１６２２において適所に留められる。連続コアフィラメント１６０８の一部又は全体を堆積した後、レーザ１６１２を所定のパターンに沿って向け、液体樹脂材料１６０４を硬化し、電流層を形成する。上述のシステムと同様に、適切な電磁放射（例えばレーザ１６１２）を光源１６１６によって生成し、制御可能なミラー１６１８によって方向を定める。材料の残り（balance）は、隣接するストランド間の架橋を最大限にするように硬化してもよく、例えば、十分な数のストランドを層上に堆積し、適所に留めた場合、樹脂を連続コアフィラメントの堆積ストランドの方向に垂直なビーズ内で硬化させてもよい。堆積ストランドに垂直な方向の樹脂の硬化は隣接するストランド間の結合を増大させ、連続コアフィラメントの堆積ストランドの方向に垂直な方向の部品強度を向上させる。層の別個の部分が異なる方向を向いた連続コアフィラメントのストランドを含んでいる場合、硬化パターンは層の各部分における連続繊維コア材のストランドの方向に垂直又は平行なラインを含み得る。
【０１６１】
ステレオリソグラフィプロセス中、連続コアフィラメントと樹脂マトリックスの間のインターフェースに沿ったボイドの形成を回避するために、湿潤又は吸い上げを促進させることが望ましい。連続繊維の湿潤及び樹脂の連続マルチストランドコアの断面への吸い上げは、湿潤剤を連続繊維上に使用し、システムに真空を適用し、又はその他の適切な方法によって液体樹脂材を高温に一定時間維持することによって促進させることができる。
【０１６２】
繊維の配向を利用した、所望する方向の特性を有する種々の複合材構造体を形成する連続コア強化フィラメントの使用に加え、いくつかの実施形態において、繊維方向以外の方向に更なる強度を提供することが望ましい。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、又は繊維コア方向以外の方向の材料の強度を高めるため、更なる複合材材料を含み得る。例えば、炭素繊維コア材はほぼ垂直に搭載された炭素ナノチューブを含み得る。小さな繊維部材をコアにほぼ垂直に搭載することによって複合材のせん断強度が増大し、有利には、結果として生じる部品の繊維方向にほぼ垂直方向の強度を増大させる。このような実施形態は所定の層に沿った部品の剥離しやすさを低減させるのに役立つ。
【０１６３】
複合フィラメントの内部及び外部のコーティングに使用される２つのポリマーマトリックス結合剤の組成物は、以下の要因、例えば、ポリマー分子量、ポリマー重量配分、分岐度、ポリマー鎖及び可塑剤及び溶融粘度調整剤、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加工添加剤の中の１つ又は複数の点で異なる。
【０１６４】
別の実施形態において、プラットフォームとの結合を増大させ、部品又は部品のセクションがプラットフォームから押し上げられないようにすることが望ましい。従っていくつかの実施形態において、表面エネルギー調整剤をプラットフォームに塗布して、押出しフィラメントのプラットフォームへの接着を促進させてもよい。いくつかの実施形態において、上述の接着調整剤を、箱の隅などのいくつかの主要領域で第１結合層のプラットフォームへの接着を増大させるために使用し、部品がプラットフォームから剥離する可能性の最も高い部分に大きな接着をもたらすことができる。しかしながら箱の中心には表面エネルギー調整剤をほぼ使用せず、除去がしやすい様にしてもよい。
【０１６５】
いくつかの実施形態において、連続炭素繊維などの連続コアを、半芳香族ポリアミド並びに／又は上述の連続炭素繊維に優れた湿潤及び接着特性を呈する線状ポリアミドとの半芳香族ポリアミド混合物と組み合わせる。このような半芳香族ポリアミドの例として、Grivory HT1、Grivory HT2、Grivory HT3などの、スイスのEMS-Grivoryにある、Domat/Emsの半芳香及び線状ポリアミドの混合物並びにその他の同様の混合物がある。連続強化繊維トウプレグを高温溶融及び繊維湿潤ポリアミド並びにそれらの混合物と組み合わせることにより、複合トウの押出し能力、繊維とマトリックスの優れた湿潤能力、繊維トウプレグの樹脂への完璧な浸透及び繊維とマトリックスのインターフェースにおける優れたせん断強度を保証しつつ、非常に優れた機械的強度及び長期間に亘る温度の安定性（１２０℃以上）の特徴を持つ部品を製造することができる。
【０１６６】
連続コアの適切な前処理には、低粘度又は高溶融フローインデックス樹脂又はポリマー融解の使用が含まれる。更に、低分子重量及び／又は線状鎖を呈するポリマーを使用してもよい。粘度が大きく変化する鋭い溶融点遷移を呈するポリマーも使用することができる。このような遷移はポリアミドの呈する典型的な特性である。
【０１６７】
適切な繊維湿潤前処理には、同じ又は同様のポリマーの非常に薄い層を有する繊維表面の希薄なポリマー溶液からの除去、その後の溶融面及び繊維面の間に同等の（like-to-like）相互作用を得るための溶媒蒸発が含まれる。中立及び適合溶媒内のポリマー又は樹脂の溶液は、約０．１重量％〜１重量％又はそれ以上の濃度とすることができる。更に、１つ又は複数の表面活性化法を用いて、繊維表面の極性の変化及び／又はポリマーマトリックスを繊維面と物理的又は化学的に結合することによる、湿潤／含浸（接触角度）及び接着（マトリックスと繊維の界面せん断強度）に影響を与える化学反応表面グループを導入してもよい。繊維面は、特に高温での、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）蒸気の存在下におけるシラン処理などの、気相及び液相における活性化法、及びトリス（エポキシ）−３−アミノプロピルシラン、トリス（エポキシ）グリシジルシラン、テトラアルコキシチタン酸塩などの有機ケイ素又は有機チタン接着促進剤を用いた溶媒相表面改質を使って化学的に活性化することもできる。
【０１６８】
なお、本明細書に記載する特定の測定値には下記のＳＩ単位系が相当する。
0006483113.tif 000002
【図１Ａ】
0006483113.tif 000003
【図１Ｂ】
0006483113.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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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１８】
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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２１】
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【図２２】
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【図２３】
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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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