【誤訳訂正書】
【提出日】平成22年10月15日(2010.10.15)
【誤訳訂正１】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】熱可塑性材料成型方法及び装置
【技術分野】
【０００１】
本出願は、2002年3月25日に出願され、現在は係属中の米国特許出願連続番号第10／104，394号の一部継続出願であり、その出願は、1997年12月18日に出願され、現在は放棄された米国特許出願連続番号第08／993，516号の分割出願である。
【０００２】
本発明は、熱可塑性材料成型方法及び装置に関し、特に、押出ダイを通過するときに成型される押出材料の厚さを変えるための調節可能なゲートを有する独自の動的ゲートダイを用いて、熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法、熱可塑性材料及び繊維から物品を形成するシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
従来、一般に、熱可塑性樹脂又は熱可塑性複合部品の成型を含む種々の成型システムが提供されてきた。真空成型において、加熱された熱可塑性材料のスラブ（一定厚さのシート）が真空型上に配置され、型と加熱されたプラスチック材料との間を真空引きしてプラスチック材料を型上に引き寄せる。同様に、圧縮成型において、予め加熱された材料の塊又はスラブが、材料を圧縮して所望の部品又は形状にする二つの成型型の間でプレスされる。
【０００４】
関連特許
材料の熱成型を用いる先行米国特許は、Winsteadの4つの特許、米国特許4，420，300号、米国特許4，421，712号、米国特許4，413，964号、及び米国特許3，789，095号に見られる。Winsteadの´712特許及び´300特許は、押出機、延伸手段、及び、雌型と、ホイール表面の実質的な弧の周りにシート材料を掛合するプラグアシスト部材を有する軌道周回装置を形成するように相互連結された複数のプラグアシスト手段とを有するホイールを含む、シート材料の連続熱成型のための装置に関する。Winsteadの´964特許は、熱可塑性材料のウェブから成型製品を連続的に押し出して形成するのと同時に、その製品をウェブから連続的に切り離し、その製品を積み重ねて処理し、ウェブの縁を再利用して更に押し出しに用いるための装置を教示する。この装置は、多角形回転型と二軸配向装置とを接続するフォロアローラによって二軸配向ウェブが連続的に位置決めされる外周面上の回転多角形形状を有する複数のモードキャビティを用いる。Winsteadの米国特許3，789，095号は、低密度の発泡熱可塑性材料を連続的に押し出して、そこから三次元の定形部材を製造する統合化された方法である。
【０００５】
Howellの米国特許3，868，209号は、加熱ステーションから成型ステーションの型機構まで共通の水平面を連続的に移動し、熱によって溶融する一対の熱可塑性シートから中空のプラスチック製品を製造するための二重シート熱形成機である。Held Jr．の米国特許3，868，209号は、2枚の熱可塑性材料を、空間の空いた関係にある加熱範囲を通し、二つの型半体の間を通過させることによって、その2枚の熱可塑性材料から中空部材を真空成型するための装置である。二つの型半体は、中空部材を成型するために各々のシートを各々の型の形状に適合させるように真空が各々のシートを引くときに結合される。Budzynskiらの米国特許5，551，860号は、一度に一つの型をその型を装着するための押出ダイハンドルと同時位置決めさせながら連続的に回転する回転型を有する瓶を形成するためのブロー成型装置である。Hujikの米国特許3，915，608号は、靴底を連続的に成型するために複数の工程ステーションを通して複数の型を回転させる回転テーブルを含む、多層靴底のための射出成型機である。Ludwigの米国特許3，302，243号は、プラスチックの靴を射出成型するための他の装置である。Lamerisらの米国特許3，224，043号は、プラスチック射出ノズルと位置決めさせるように回転させることができる少なくとも二つの型を有する射出成型機を教示する。Vismaraの米国特許4，698，001号は、成型プラスチック製のオートバイ用ヘルメットを製造するための機械であり、一対の型半体が複数の位置の間を移動する圧縮タイプの型を用いる。Krummの米国特許4，304，622号は、各々が半スラブ条体を各々のローラ組立体に押し出す一対の押出機を含み、熱可塑性合成樹脂の厚いスラブを生産するための装置である。ローラ組立体は、それらの間で圧密ニップを形成する最終ローラを有し、そこで二つの半スラブが互いに結合される。
【０００６】
混合材料及び他の方法
混合材料は、個々の材料より優れた特性又は性質を有する材料を形成する二つ又はそれ以上の成分の混合物から形成される材料である。大部分の混合材料は、二つの部分、すなわち、母材成分及び強化成分からなる。母材成分は、混合材料を互いに結合する材料であり、通常は強化成分ほど固くない。これらの材料は、高温で圧力をかけて形成される。母材は、強化材を所定の位置に閉じ込め、荷重を強化材に分散させる。強化材は、通常は、母材材料より固いため、混合材料内部の主な荷重支持成分である。強化材は、混合材料を形成する母材内に埋め込まれ、繊維から、織物、粒子、又は棒状体までの範囲の、多くの異なる形態に帰する。
【０００７】
混合材料構造は、自然界において何百万年間存在している。木材の微細構造又は貝殻のバイオセラミクスの調査は、自然界に見出される混合材料の発生が明らかにされ、現代の混合材料が本質的に自然界に見出される構造を模倣するように発展してきたことを示す。混合材料の最適な例が、コンクリートである。異なる形態のコンクリートによって、強化材がどのように作用するかに関する示唆が与えられる。セメントは、要素同士を集合的に保持する母材として働き、一方、砂、砂利、及び鋼鉄は、強化成分として働く。砂とセメントのみで作ったコンクリートは、セメント、砂、及び石から作ったコンクリートと比べると大変弱く、後者は、鋼鉄、砂、及び石で強化されたコンクリートほど強度がない。コンクリートの母材材料及び強化材料は、混和され、注入され、典型的に形成構造体として成型される。他の混合材料で作られた部品を生産する場合には、複合構造体又は部品の形は、複合構造体を形成するために用いられる型、ダイ、又は他の金型の形又は形状によって決定される。
【０００８】
プラスチック混合材料を含む多くの異なるタイプの混合材料が存在する。各々のプラスチック樹脂は、その固有の特性を有し、それが、異なる強化材と組み合わされたときに異なる機械的特性及び物理的特性を有する混合材料を形成する。今日存在するプラスチックポリマの数を考慮し、その数字に利用可能な強化剤の数を掛けると、可能な混合材料の数は膨大なものになる。プラスチック混合材料は、二つの主なカテゴリー、すなわち、熱硬化性混合材料と熱可塑性混合材料に分類される。
【０００９】
熱硬化性混合材料の場合には、加熱熱及び加圧の後に、熱硬化性樹脂は、材料の分子構造をクロス−リンクする化学変化を受ける。一旦硬化すると、熱硬化性部品は再び成型することはできない。熱硬化性プラスチックは、内部に見られる強固な架橋構造のため、高温耐性があり、大部分の熱可塑性材料より高い寸法安定性を備える。熱可塑性母材成分は、熱硬化性材料ほど制約されず、再利用し、形状を変えて、新しい部品を形成することができる。熱可塑性混合材料のための一般的な母材成分は、ポリプロピレン（PP）、ポリエチレン（PE）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、及びナイロンを含む。高強度高弾性率の繊維で強化して熱可塑性混合材料を形成する熱可塑性材料は、強度及び剛性、並びに、靱性及び寸法安定性が飛躍的に増大する。
【００１０】
混合材料は、幅広い産業において多数の用途に用いられる。典型的に、混合材料は、ファスナ又は他のコネクタを用いて組み立てられる合金構造体又は多成分金属構造体で作られる製品の代わりに用いられる。混合材料は、十分な強度を有するが、重量が軽くなる。このことは、自動車及び航空宇宙等の産業において特に重要であり、混合材料の使用によって、より軽く、より早く、より低燃費で、環境面で健全な航空機及び自動車が得られる。混合材料はまた、木材、ガラス繊維、及び他のより伝統的な材料を代替するように設計することができる。以下の産業、すなわち、航空宇宙、自動車、建設、家電、造船、運搬、医療、軍事、電気通信、運輸、及び廃棄物処理は、熱可塑性混合材料から作られる大型部品を使用する用途を有する産業の一部の列挙である。
【００１１】
一般に、他の属性の中でも、熱可塑性混合材料は、腐食に対する耐性を有し、多くの製造業にとってこれらの材料を特に魅力的なものにする長い疲労寿命を与える。疲労寿命は、材料摩耗又は深刻な応力を呈する前に、部品が仕様どおりに機能する能力を損なう時点まで持続する期間を指す。典型的に、混合（複合）材料は、特定の部分の重量を減少させる一方で、既存の部分の強度及び他の望ましい特性を与える必要がある用途に用いられる。大変高価な熱硬化性混合材料で作られる多数の部品が存在する。これらの種類の部品は、典型的に、先端混合材料と呼ばれ、軍事産業及び航空宇宙産業において最もよく利用される。
【００１２】
製品開発技術者及び生産技術者は、熱可塑性材料が現代の技術開発において絶えず増大する役割を果たすものと思っている。新しい熱可塑性樹脂が定期的に開発され、混合材料で作られた部品の製造に関連する費用を低減するために、より革新的な製造方法が導入され始めている。熱可塑性混合材料で作られた部品を製造するための費用が低減するに従い、熱可塑性混合材料を用いることが、多くの商業上及び産業上の用途にとってより有望な解決策になっている。
【００１３】
現時点で熱可塑性混合材料に利用可能な成型方法
熱可塑性混合材料について商業的に有用な製造技術の大部分は、熱硬化性混合材料を処理するための方法から応用された。これらの方法は、より低粘度で長い硬化時間を有する樹脂系について設計されているため、熱可塑性材料製造方法は、ある種の非効率性及び困難性を抱えている。現在使用されている熱可塑性混合材料を用いたいくつかの製造方法が存在する。最も一般的な方法の幾つかは、圧縮成型、射出成型、及びオートクレーブ処理を含み、これらのすべては、「ニアネットシェイプ（near−net shape）」部品、すなわち、成型後に所望の又は設計された形状と実質的に一致する部品の製造に用いることができる。熱可塑性混合材料を処理するための、それほど一般的ではない方法として、引き抜き成型、真空成型、ダイヤフラム成型、及び加熱プレス技術が挙げられる。
【００１４】
圧縮成型
圧縮成型は、熱可塑性混合材料の構造部品を商業的に製造するために用いられ、現在圧倒的に最も広く知られている方法である。典型的に、圧縮成型は、連続した又は細断された不規則な配向のグラスファイバと配合されたポリプロピレン又は同様の母材からなるガラスマット熱可塑性（GMT）混合材料を利用する。GMTは、サードパーティの材料化合物製造者によって生産され成型される標準的なサイズ又は特注サイズの平らなブランクとして販売されている。この予め含浸された混合材料（又は、その熱硬化性の同等物を用いるときに一般的に呼ばれるプリプレグ）を用いて、GMTの塊を、オーブン内で加熱し、次に成型型の上に置く。成型型の二つの型半体を、大きな圧力下で閉じ、樹脂及び繊維によって型キャビティ全体を満たす。部品が冷却されると、その部品は、取り出し機構を用いて型から取り除かれる。
【００１５】
一般に、GMT成型に用いられるマッチド成型ツールは、劣化することなく高い成型圧力の連続的な印加に耐えるように、高強度鋼から加工される。これらの型は、サイクル時間を早めて、表面仕上げの質を向上させるために、活発に加熱され、冷却されることが多い。GMT成型は、30秒から90秒の範囲のサイクル時間を有する最も生産的な混合材料製造方法の一つであると考えられる。しかし、圧縮成型は、高い能力のプレス機（2000〜3000トンの圧力）と高圧型とを購入するための大きな設備投資を必要とし、このため、生産量が多い場合にのみ効率的である。少量の小型部品は、既存のプレス機上でアルミニウム型を用いて製造し、ある程度のコストを節減することができる。この方法の他の欠点は、粘度の問題に起因する低繊維割合（20％から30％）と、中級程度の質の表面仕上げしか得られない能力である。
【００１６】
射出成型
射出成型は、非強化熱可塑性部品のために最も普及している製造方法であり、短繊維強化熱可塑性混合材料に用いられる最も一般的な方法になりつつある。この方法を用いる場合には、熱可塑性ペレットに短繊維を含浸させ、その熱可塑性ペレットを、通常は15，000〜30，000psiの範囲の射出圧力で、二つの部分からなる閉じた硬化鋼型の中に押し出す。型を加熱して高流量を達成し、次に直ちに型を冷却して歪みを最小化する。流体力学分析を用いて、特定の配向を有する繊維を種々の位置に与える型を設計することができるが、一般的に、射出成型部品は等方的である。最終的な部品内の繊維は、典型的に、わずか1／8インチの長さであり、最大の繊維含有量は、約40％である。この方法を若干変更したものは、樹脂注入成型（RTM）として知られている。RTM製造法は、高圧下において樹脂で満たされる型の中に配置されたマット繊維を利用する。この方法は、繊維を手作業で配向すること、及び、より繊維長の長いものを使用することができるという利点を有する。
【００１７】
射出成型は、熱可塑性方法の中で最も高速であり、そして、一般に、自動車及び消費財等の大量生産用途に用いられる。サイクル時間は、20秒から60秒の範囲である。射出成型はまた、高度に再現可能なニアネットシェイプ部品を生産する。挿入部、穴、及び心材の周囲を成型する能力は、他の利点である。最後に、射出成型及びRTMは、一般に、あらゆる方法の中で最良の表面仕上げを提供する。
【００１８】
上述の方法は、所要の型の大きさ及び射出成型機の規模により、射出成型によって生産することができる部品の大きさ及び重量に関して実質的な制限を受ける。このため、この方法は、小型から中型の部品に限定されてきた。構造強化の点から最も問題となるのは、射出成型方法において用いることができる強化繊維の長さに関する制限である。
【００１９】
オートクレーブ処理
オートクレーブ処理は、産業によって用いられる更に他の熱可塑性混合材料製造方法である。単一方向の繊維を有する熱可塑性プリプレグ又は織布を、片面の型の上に置く。表面仕上げのために、粘着を防止するために、及び、オートクレーブ内に配置された時点で真空に引くことができるように、プリプレグ集合体を数層のバギング材料で覆う。オートクレーブ内部で、混合材料を加熱し、圧力をかけて、材料の層を固化及び架橋させる。圧縮成型及び射出成型とは異なり、型は、オープン型であり、必要な圧力がはるかに小さいためアルミニウム又は鋼鉄のいずれかで形成することができる。
【００２０】
オートクレーブ方法は、時間がかかり、労働集約的であるため、高い精度が要求される大変大型の少量の部品について利用される。それは、製造ラインには適さない。この方法の重要な利点として、繊維の体積率が高いこと、及び、特定の材料特性を可能にするための繊維配向の制御が挙げられる。この方法は、金型が比較的安価であるため、試作品製造に特に有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献1】米国特許第4，420，300号明細書
【特許文献2】米国特許第4，421，712号明細書
【特許文献3】米国特許第4，413，964号明細書
【特許文献4】米国特許第3，789，095号明細書
【特許文献5】米国特許第3，868，209号明細書
【特許文献6】米国特許第5，551，860号明細書
【特許文献7】米国特許第3，915，608号明細書
【特許文献8】米国特許第3，224，043号明細書
【特許文献9】米国特許第4，698，001号明細書
【特許文献10】米国特許第4，304，622号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
「長い」繊維を必要とする熱可塑性混合材料のための成型方法
上述の方法のいずれも、成型プロセス時に大部分が壊れずに残る（例えば、約2分の1インチより長い）長繊維で強化された熱可塑性混合材料を生産することができず、このことは、大型でより複雑な部品の生産のために特に適正である。従来は、3ステップ方法、すなわち、（1）プリプレグ複合配合物の第三者による化合、（2）プリプレグ材料のオーブン内での加熱、（3）所望の部品を形成するために溶融した材料の型への挿入、を利用してこのような部品を成型した。この方法は、構造的に十分に強化された大型で複雑な部品を生産する場合に、産業の多用性を制限するといういくつかの欠点を有する。
【００２３】
一つの欠点は、シート成型方法が、厚さを変えた部品、又は、熱可塑性混合材料の「深絞り（deep−draw）」を必要とする部品を生産できないことである。押し出されたシートが厚くなるに従い、最終的な部品の構造形成に関する問題を避けるためにシートをその厚さ全体を通して均一に再溶融させることが困難になる。例えば、パレットの足の形成は、「垂直面」における材料の深絞りを必要とし、このため、押出シートの水平面全体に渡って均一ではないため、上面から垂直に押し出される足を有するパレットは、より厚い押出シートを用いて成型することができないパレットの深絞り部分である。均一な厚さを有する押出シートの幾何学的制限に関する他の欠点は明らかであり、本発明の説明とともに、以下により詳細に説明される。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、真空成型又は圧縮成型のいずれかを用いて熱可塑性混合材料部品の熱可塑性樹脂を生産するための成型システムを指示し、押出ダイから型に直接送られる部品を含み、熱可塑性スラブには、押出ダイを通して材料のシートを形成するために樹脂を流体状態に加熱するために用いられた熱が依然として残る。本発明は、熱可塑性材料成型方法及び装置に関し、特に、押出ダイを通過するときに成型される押出材料の厚さを変えるための調節可能なゲートを有する熱可塑性材料押出ダイを用いる熱可塑性材料成型方法及び装置に関する。
【００２５】
本発明は、また、熱可塑性材料のスラブを、材料のスラブを形成する押出機からステーションまでの間で回転させることができる型の上に直接送る連続熱成型システムに関する。熱可塑性材料は、一定厚さのプラスチックスラブから表面全体の厚さが可変的なプラスチックスラブに変化させるために、調節可能な押出ダイを通して押し出される。可変的な厚さは、特定の成型運転ごとに調節するか、又は、必要に応じて連続的に変えることができる。このため、成型部品が必要に応じてその全体に渡って厚い場所と薄い場所を持つことができるように、押出スラブ全体に渡って及び成型された部品の至る所で、異なる厚さを有する熱可塑性材料の連続成型が可能になる。本発明は、押出成型方法によって製造される所望の部品の大きさ、形状、組成、重量、又は強度に関して限定するものではない。
【００２６】
熱可塑性材料成型システムは、押出スラブの異なる部分において押出材料の厚さを変えるための調節可能なダイゲート部品、すなわち動的なダイ設定によって外形が規制される熱可塑性スラブの押出のための熱可塑性材料押出ダイを含む。熱可塑性材料押出ダイは、熱可塑性材料押出ダイから押し出された熱可塑性スラブを切断するためのトリマーを有する。真空型又は圧縮型のいずれかとし得る複数の熱可塑性材料型の各々は、一度に一つの型を、熱可塑性材料押出ダイから切り取られる熱可塑性スラブを受け取る位置に移動させるために、回転プラットフォーム等の移動可能なプラットフォームに取り付けられる。成型される部品は、加熱状態のままで押出ダイから送り出される加熱された熱可塑性材料のスラブから、可変的な厚さで形成される。複数の型をプラットフォームに取り付けて、一つの型を押出ダイから熱可塑性スラブを受け取るための積み込み位置に送り、第2の型を、形成された部品を型から取り出すための離脱位置に送る。プラットフォームは、往復プラットフォーム又は回転プラットフォームとしてもよく、他の型が熱可塑性スラブを受けている時に、各々の型を冷却することを可能にする。押出スラブの異なる部分において押出ダイを通過する押出材料の厚さを変えるために、熱可塑性材料押出ダイを調節する装置に従って熱可塑性材料押出ダイの設定を選択するステップを有する熱可塑性材料成型方法が提供される。熱可塑性材料は、流体状態まで加熱されて、押出スラブの異なる部分において押出材料の厚さを変化させ、厚さが可変的な押出熱可塑性スラブを所定の大きさに切り取り、加熱された熱可塑性材料の切り取ったスラブの各々を熱成型型上に導くように調節され、選択された熱可塑性材料押出ダイを通して押し出され、材料の押し出しの時に加熱された材料のスラブから可変的な厚さで成型部品が形成されるように型内の所定の部品を成型する。
【００２７】
この押出−成型方法は、また、押出機が、動的ダイを通して溶融した熱可塑性混合材料を分配し、その材料を動的ダイの位置に対して移動可能な下部型の上に直接重力降下させるため、（約2分の1インチより長い）長繊維によって強化された熱可塑性混合材料構造体の形成を容易にする。本明細書において用いられる場合に、「下部型」という用語は、熱可塑性材料が導かれるマッチド型の下半分を表す。同様に、「上部型」という用語は、上部及び下部の型半体が組み合わされたとき、すなわち閉じられたときに、内部で所望の熱可塑性部品が形成されるマッチド型の上半分を表す。下部型は、型キャビティを種々の量の熱可塑性混合材料で充填するように、台車によって移動させることができる。例えば、ある水平範囲に渡って、下部型及び上部型によって定められるキャビティがより大きい場合には、その範囲においてより多くの溶融した熱可塑性混合材料を受け取るように、下部型を減速させることができる。動的ダイは流量制御要素を使用し、その流量制御要素は、その流量制御要素の各々から異なる量の材料を供給し、その材料を下部型が移動する方向と垂直な方向にその下部型の幅全体に渡って選択的に堆積させるように、溶融した押出熱可塑性混合材料の流量を変えるか又は調整する。熱可塑性混合材料は、少なくとも10重量パーセントから最大で50〜60重量パーセントの濃度を有する（約2分の1インチより長い）長繊維を伴い、繊維破損割合が低い状態で成型することができる。溶融した押出熱可塑性混合材料が下部型の上に重力降下した後に、台車は、上部型を下部型の上に閉じて混合材料部品を形成するプレス内に自動的に移送される。
【００２８】
本発明の原理に従う一つの実施形態は、熱可塑性材料及び繊維から物品を形成するためのシステム及び方法を含む。本方法は、熱可塑性材料を加熱して、繊維と配合しながら溶融した熱可塑性材料を形成することを含む。溶融した熱可塑性材料を繊維と配合して、所望の重量濃度及び／又は体積濃度の繊維を有する溶融した混合材料を形成する。次に、所定の混合材料の流量になるように、動的ダイを通して溶融した混合材料を押し出し、物品を形成するための下部型の上に重力降下させる。下部型は、下部型の型キャビティに必要な材料の量と正確に一致する所定量の溶融した混合材料を下部型の上に堆積させるために、混合材料の流れを受け取りながら種々の速度で空間的及び時間的に不連続に移動させることができる。上部型を所定量の溶融した混合材料に押し付けて下部型の上に閉じ、物品を形成することができる。
【発明の効果】
【００２９】
何年間に渡り、混合材料製造産業において、圧縮成型又は射出成型の速度及び作業効率と、オートクレーブ成型の精度及び低い圧力で、大型の熱可塑性混合材料構造体又は部品を大量生産する方法を提供できないというギャップが存在していた。本発明の原理は、このギャップを埋めて、このような熱可塑性混合材料部品を生産する方法を提供する。本方法は、中程度の量から大量の部品生産に適しており、高い強化繊維濃度及び低い成型圧力で、大型の部品及び構造体を生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図1】本発明に係る成型システムの平面図である。
【図2】図1の成型装置の側面図である。
【図3A】本発明の方法の異なるステップにおける図1及び図2の型の平面図である。
【図3B】本発明の方法の異なるステップにおける図1及び図2の型の平面図である。
【図3C】本発明の方法の異なるステップにおける図1及び図2の型の平面図である。
【図3D】本発明の方法の異なるステップにおける図1及び図2の型の平面図である。
【図3E】本発明の方法の異なるステップにおける図1及び図2の型の平面図である。
【図4】図1及び図2の押出機の側面図である。
【図5】図4の押出機の背面図である。
【図6A】構造体部品を形成するように作動可能な、図1の押出成型システムの例示的な概念図である。
【図6B】図6Aの押出成型システム600aの他の例示的なブロック図である。
【図7】台車によって支持された下部型の上に押出混合材料を堆積させている図6Aの動的ダイの例示的な分解図である。
【図8A】混合材料を図6Aの下部型の上に堆積させるための二軸制御又は三軸制御のいずれかを用いることによって物品又は構造体部品を形成するために使用することができる押出成型方法を説明する例示的なフロー図である。
【図8B】三軸制御押出成型方法によって、図6Aの押出成型システムを使用して構造体部品を生産するための他の例示的なフロー図である。
【図9】図6Aの押出システムの構成要素内部で作動する制御装置とインターフェース接続される図6Aの制御装置の例示的なブロック図である。
【図10】図6Aの制御装置のより詳細な例示的ブロック図である。
【図11】図10の制御装置を作動させるプロセッサによって実行されるソフトウェアの例示的なブロック図である。
【図12】図6Aの押出成型システムによって押出混合材料を押し出すための、流量制御要素及びグリッドに区切られた下部型の例示的な概略図である。
【図13】混合材料を図6Aの下部型の上に堆積させるように位置決めされた流量制御要素の上面図である。
【図14】図6Aの押出成型システムによって生産されるパレットの角部の例示的な上面斜視図である。
【図15A】図6Aの押出成型システムによって形成される隠しリブを有するプラットフォームの例示的な底面斜視図である。
【図15B】図6Aの押出成型システムによって形成される隠しリブを有するプラットフォームの例示的な上面斜視図である。
【図16A】図6Aの押出成型システムによって形成される挿入物を有する例示的な構造体部品である。
【図16B】図6Aの押出成型システムによって形成される挿入物を有する例示的な構造体部品である。
【図17】図6Aの押出成型システムを使用して、ファスナ、支持体、又は他の要素等の挿入物を、図16A及び図16Bに示されるような構造体部品に埋め込むための工程を説明する例示的なフロー図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図面の図1及び図2に示すように、押出機11と型交換ステーション12と圧縮型ステーション13とを有し、熱可塑性樹脂又は熱可塑性混合材料から部品を熱成型するための熱成型装置10が示されている。押出機は、ヒータが熱可塑性材料を加熱して流体材料にするオーガー15に熱可塑性樹脂又は混合材料を供給するために、上部に取り付けられたホッパー14を有し、オーガー15は、押出機の経路の長さに沿ってその経路の最後にある押出ダイ16に流体材料を供給している。押出機を通り、押出ダイの外に送り出される材料は、ダイ16の端部に取り付けられたトリマー17を用いて切断される。材料は、概して平板スラブ（図示しない）の状態で押し出され、押出ダイ16から出るときにトリマー17によって所定部分で切り取られる。支持プラットフォーム18は、熱可塑性材料のスラブを受け取るために、押出ダイ16の下で、移動する型半体19を直接支持する。移動する型半体19は、（型半体19´として示されるように）その型半体19を、プラットフォーム18から、図1において両矢印21´によって示されるように回転させるための中心回転シャフト22に取り付けられた回転プラットフォーム21上に移動させることができるようにする車輪20を有する。回転プラットフォーム21の上には、（型半体23´として示されるように）型半体19がプラットフォーム18上にある間に圧縮型ステーション13に送ることができる第2の型半体23が載っている。型半体23´は、圧縮型ステーションにおいて、成型工程が行われる移動プラテン26に取り付けられ、停止状態にある共通の固定された型半体25の真下で、静止プラットホーム24の上に直接支持することができる。このように、型半体19及び23は、一方の型が熱可塑性スラブを取り込んでいる間に、他方の型半体が部品を成型することができるように、行き来させることができる。移動する型半体19、23の各々は、型半体を回転プラットフォーム21からプラットフォーム18又は静止プラットホーム24の上に駆動するための電気モータ27を有する。移動する型半体の速度を制御するために、線形トランスデューサ28をプラットフォーム18に取り付けることができる。
【００３２】
この点において、押出機11は、依然として熱エネルギーを含んでいる加熱された押出スラブを、そのスラブを圧縮型ステーション13に送り、熱可塑性材料のシートを再加熱する必要なく部品に成型する移動型半体上に、生産することが理解されなければならない。また、図4及び図5に関連して後述されるように、熱可塑性スラブは、型から作られる熱成型部品を強化するために、その幅全体に渡って厚さが可変的なものとすることもできる。
【００３３】
図3A〜図3Eに示すように、本発明によるプレス工程において一連の位置にある型半体19、19´及び23、23´を有する熱可塑性材料成型装置10が示されている。各々の図には、押し出す前に熱可塑性樹脂又は混合材料を加熱するオーガー15に、熱可塑性樹脂又は混合材料を供給するホッパー14を有する押出機11が描かれている。図3Aにおいて、型半体23´は空であり、型半体19は、押出機11から直接ホットメルトが充填されている。図3Bにおいて、型搬送装置が、型半体19及び23´を回転するターンテーブル21の上に移動させる。図3Cにおいて、回転するターンテーブル21は、スラブを一方の型半体の上に積み込むためのステーションと、スラブを積んだ型半体19´を圧縮又は真空成型機13の中に入れるためのステーションとの間を、中心軸シャフト22（図示しない）上で回転する。図3Dにおいて、型半体19´は、プレス13内に移動し、一方、空の型半体23は、熱可塑性材料のスラブを積み込むために押出ダイ16の下に移動する。図3Eにおいて、型半体19´を冷却加圧して部品を取り出し、一方、型半体23´は、搬送装置によって押出ダイ16の下に移動したときに、完全に充填されるまでホットメルトが充填される。
【００３４】
図4及び図5に示すように、図1及び図2のオーガー15を用いて流体状の熱可塑性材料を供給するためのチャネル32を持ち、押出チャネル33を通して口34から押出熱可塑性材料のシート又はスラブを生成するダイ本体31を有する押出ダイ30が示されている。ダイ30は、ゲート・アクチュエータ・モータ37によって駆動されるねじ軸36に各々が接続された複数のゲート板３５有し、ゲート・アクチュエータ・モータ37は、油圧モータ又は空気モータとすることができるが、図示されるように、遠隔制御装置40に繋がる制御ライン38を有する電気ステッピングモータであり、遠隔制御装置40は、ゲート板35を出し入れしてチャネル部41を通過する熱可塑性スラブの厚さを変えるように、モータ37を段階的に回転させることができる。図5において、複数の板を駆動する複数のモータ37が示されており、各々の板は隣の板と接して取り付けられ、押出スラブの幅に渡って変えることができる厚さを有する出力部分34からスラブを生成するために、各々の板を別個に制御し、それにより、チャネル41内のゲート板35を種々のパターン変化させる。ゲート35は、押出ダイのいずれかの部分の厚さを調節するように各々のゲートを個々に  ねじ入れ又は出すことによって手動で制御することができ、代替的に、必要に応じて遠隔制御によって押出スラブのいずれかの部分の厚さを変えるように、コンピュータプログラムとし得る制御装置40によって制御できることも明らかである。
【００３５】
熱可塑性スラブの押し出しのために、熱可塑性材料押出ダイ16又は30を選択することを含む熱可塑性材料成型方法が提供され、その押出ダイは、押出スラブの異なる部分において押出材料の厚さを変えるための調節可能なダイゲート部材を有する。本方法は、押出スラブの異なる部分において熱可塑性材料押出ダイを通過する押出材料の厚さを変えるために熱可塑性材料押出ダイを調節し、次に、熱可塑性材料を加熱して流体にし、流体状の熱可塑性材料のスラブを、選択され調節された熱可塑性材料押出ダイを通して押し出すことを含む。次に、熱可塑性スラブは、切り取られ、熱成型型19又は23内の加熱された熱可塑性材料の上に導かれ、成型装置13内で成型されて、厚さが可変的な部品を形成する。
【００３６】
この点において、成型過程にある押出スラブの異なる部分の厚さを変えるように連続的に制御できる押出ダイを用いて、厚さが可変的な部品を熱成型することが可能な熱可塑性材料成型方法及び装置が提供されていること、及び、成型は達成されたが、熱可塑性スラブは、押出方法からの熱エネルギーを利用するように依然として加熱されていることが明確になるべきである。しかし、本発明は、示される形態に限定されるものではなく、限定的なものよりもむしろ例示的なことも明確にすべきである。例えば、押出材料は、概して平板スラブとして説明されることがあるが、以下のようなもの、すなわち、（1）再加熱を避けるために、圧縮型ステーション13に送られたときに熱エネルギーを含むもの、（2）幅全体に渡って厚さが可変的なもの、（3）押出機11から型半体19に充填されるときにホットメルトであるもの、（4）押出材料の幅全体に渡って、及び押出材料の異なる部分において、厚さを変えるために、複数のゲート板35を用いるもの、及び最後に、（5）形成される部品において可変的な厚さを達成するために、選択され調節された押出ダイを通して溶融した熱可塑性材料を押し出すもの、としても説明される。このように、押出機は、一般に、垂直面において、及び型上の両水平方向に渡って、可変的な厚さで型半体、すなわち下部型の上に重力降下する熱可塑性混合材料の溶融流を、動的ダイを通して提供する。
【００３７】
上述の押出―成型方法は、数個の名前を言うと、ガラス、炭素、金属、又は有機繊維で強化され、中型から大型の熱可塑性混合材料構造体を製造するためには理想的である。押出成型方法は、材料配合又は母材成分と強化成分との化合を統合し自動化して、材料を受け取る時に動きが制御されるマッチド型の下半分に重力降下する所定の量の溶融した混合材料を分配するコンピュータ制御された押出システムと、型の上半分を下半分に押し付けて所望の構造体又は部品を形成するために型の下半分を受け取る圧縮型ステーションとを含む。マッチド型の下半分は、低速でより厚く、及び、高速でより薄く、材料を堆積させることができるように、種々の速度で空間的及び時間的に不連続に移動する。上述の熱可塑性装置10は、押出成型方法を実施するための一つの実施形態である。（粉砕再生材料若しくはペレット状熱可塑性材料、又は必要に応じて、熱硬化性エポキシのいずれかの形態とし得る）未加工の樹脂は、長さが約2分の1インチより長い強化繊維と共に、押出機のフィーダ又はホッパーに供給される母材成分である。混合材料は、押出機11によって配合及び／又は化合され、図6A及び図6Bに示される実施形態を用いて後述されるように、ゲート35を用いて押出機11の出力を制御し、押出機11の位置に対する下部型半体19の動きを制御することによって、下部型半体19上に「知的に」堆積させることができる。これらの実施形態において、マッチド型の下部は、動的ダイの下で不連続に移動する台車に固定される。マッチド型の下部は、正確な量の押出混合材料を受け取り、次に、圧縮型ステーション内に移動する。
【００３８】
混合材料を形成するために押出成型方法において使用することができる熱可塑性母材材料は、その技術分野において理解されている熱可塑性樹脂を含む。本発明の原理に従って使用することができる熱可塑性樹脂は、押出機11によって溶融及び配合することができるいずれかの熱可塑性樹脂を含む。このような熱可塑性樹脂の例は、この例が完全なリストであることを意図するものではなく、押出成型システムを利用して構造的な部品を形成する時に、他の熱可塑性樹脂及び材料を使用することができるという了解の下で、表1に与えられている。また、表1の熱可塑性樹脂は、単独で、又はこれらのいずれかの組み合わせで、用いることができる。
【００３９】
ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ナイロン、ポリメチル、ポリメタクリレート、アクリル、ポリウレタン、及びこれらの混合物を含む特定の熱可塑性材料が、特に、押出成型方法に適していた。
【００４０】
熱可塑性混合材料のための強化成分として働く繊維は、一般に、熱可塑性樹脂を強化するために使用することができる材料を含む。本発明の原理に従って用いるのに適した繊維材料は、ガラス、炭素、金属、及び、天然材料（例えば、亜麻、綿）を単独で又は組み合わせたものを含むが、これらに限定されるものではない。その技術分野において理解されるように、列挙されていない他の繊維を使用することもできる。繊維の直径は、一般に、限定されないが、より大型の構造体部品を成型するための繊維の直径は、一般に、1μmから20μmまでの範囲である。しかし、繊維の直径は、所望の構造体部品の強度、所望の繊維の密度、構造体部品の大きさ等を含む多くの要因に応じて、より大きくできることが理解されなければならない。特に、機械的特性を向上させる効果は、約1μmから約9μmの直径を有する繊維を用いた場合に著しい。
【００４１】
繊維内に束ねられたフィラメントの数は、また、一般に、限定されない。しかし、取り扱いを考慮すると、10，000から20，000のフィラメント又はモノフィラメントの繊維束が一般に望ましい。これらの強化繊維のロービングは、シラン又は他の結合剤による表面処理の後に用いることができる。熱可塑性樹脂との界面結合を向上させるために、例えばポリエステル樹脂の場合には、熱可塑性フィルム成型ポリマ、結合剤、繊維潤滑剤等によって表面処理を行うことができる。このような表面処理は、処理済みの強化繊維の使用に先立って行うか、又は、表面処理は、押出方法を実行して中断することなく溶融した熱可塑性混合材料を形成するために、強化繊維が押出機に供給される直前に行うことができる。最終的な使用目的に応じていずれかの組成比を用いて熱可塑性混合材料及び成型品を形成することが可能であるため、熱可塑性樹脂と繊維の比は特に限定されない。しかし、構造体部品について十分な構造的支持を与えるためには、その技術分野において理解されるように、繊維の含有量は、一般に5重量％から50重量％である。繊維の含有量は、一般に10重量％から70重量％であり、より大型の物品に生産について所望の機械的特性を達成するためには40重量％が好ましいことが分かった。
【００４２】
繊維の平均的繊維長は、約2分の1インチよりも長い。しかし、押出成型システム600aによって生産される典型的な構造体部品は、約1インチより長い繊維長を利用する。平均的な繊維長が1インチより短いときは、大型品について所望の機械的特性を得るのが難しいことに留意すべきである。熱可塑性混合材料内の繊維の分布は、一般に均一であり、溶融され圧縮されたときに繊維と熱可塑性樹脂は分離しない。繊維の分布又は分配は、繊維がシングルフィラメントのレベルからマルチフィラメント（数十の繊維の束）のレベルに分散する方法を含む。一つの実施形態において、約5つの繊維の束を分散させて、効率及び構造的性能を与える。また、「コーミング度（degree of combing）」は、顕微鏡で構造体の断面を観察し、1000又はそれ以上の観察可能な強化繊維全体における10又はそれ以上の束の強化繊維の数の比率を求めることによって、評価することができる（（10又はそれ以上の束の強化繊維の全数／強化繊維の全数）×100（％））。本発明の原理によって得られる典型的な値は、最高で約60％であり、一般に、35％を下回ることになる。
【００４３】
図6Aは、構造体部品を形成するように作動可能な押出成型システム600aの例示的な概略図である。押出成型システム600aは、混合材料から構造体部品を形成するように統合された多数の個別構成要素からなる。構成要素は、材料受取ユニット602、ヒータ618、押出機604、動的ダイ606、台車608、圧縮プレス610、及び、制御装置612を含む。押出成型システム600aを構成するために、他の補助的な構成要素も含むことができる。
【００４４】
材料受取ユニット602は、押し出されて熱可塑性混合材料を形成することになる材料M1及びM2を各々受け取るための、一つ又はそれ以上のホッパー又はフィーダ614及び615を含むものとし得る。付加的なフィーダを使用して、異なる化合物を形成するための付加的な材料又は添加剤を受け取ることができることが理解されなければならない。簡単な例において、材料M1及びM2は、出発材料、すなわち、ペレット状であることが好ましい強化熱可塑性材料を表す。M1及びM2は、同じ強化熱可塑性材料とすることも、異なる強化熱可塑性材料とすることもできる。熱可塑性材料は、その技術分野において理解されるように、ガラス又は炭素繊維等の繊維によって強化することができる。本発明の原理に従って非熱可塑性材料を使用できることが理解されなければならない。
【００４５】
ヒータ618は、熱可塑性材料M1及びM2を予熱する。押出機604は、フィーダチャネル616に結合され、加熱された熱可塑性材料M1及びM2をオーガー620によって混合するように作動する。押出機604は、また、熱可塑性材料を溶融する。オーガー602は、熱可塑性材料を混合し、押出機604を通して流すように作動可能な、らせん形状又は他のいずれかの形状とし得る。押出機の出力チャネル622は、押出機604に結合され、熱可塑性材料を動的ダイ606に搬送するために使用される。
【００４６】
動的ダイ606は、複数の流量制御要素624a〜624n（集合的に624）を含む。流量制御要素624は、動的ダイ606から押出混合材料625を制御するように作動可能な他のゲート、バルブ、又は他の機構とすることができ、ここで、押出混合材料625a〜625n（集合的に625）は、流量制御要素624において、又はその下において、平面Pを横切る体積流量が変わる。異なる堆積流量の出力は、1時間当たり0〜約3000ポンドの範囲である。堆積流量のより好ましい範囲は、1時間当たり約2500ポンド〜約3000ポンドである。一つの実施形態において、流量制御要素624は、調節可能な流量制御要素624からの混合材料の流れを個々に又は集合的に変化させるように作動可能な、電気モータ（例えば、ステッピングモータ）、油圧アクチュエータ、空気アクチュエータ、又は他のアクチュエータ等の別個のアクチュエータによって上昇又は下降するゲートである。流量制御要素624は、個々の隣接する要素が連続した流量制御要素624となるように、隣接して構成することができる。代替的に、流量制御要素624は、隣接する流量制御要素624から流れる混合材料が型の上に広がるまで分離したままとなるように、離して構成することができる。流量制御要素624は、トリマー17として作動させるのに適していることが理解されなければならない。本発明の実施形態において、溶融した混合材料を押出機604及び動的ダイ606の間に配置したアキュムレータに送り、そこから、プランジャ又は他の作動機構を用いて、混合材料を下部型に送ることができる。
【００４７】
押出混合材料625が、所定の垂直距離「落下距離（d）」で動的ダイ606の下を通過する下部型626に重力降下又は下部型626の上に堆積するように、台車608は、動的ダイ606の下を移動させられることができる。下部型626は、構造体部品を形成するために用いられるキャビティ630を定める。押出混合材料625は、下部型626及び上部型632におけるキャビティ630によって定められる容積を充填するように下部型626の上に堆積し628、構造体部品を形成する。二軸制御方法において、混合材料625aは、不連続な移動及び可変速度に基づき、動的ダイ606から垂直面（P）を横切って実質的に一定体積流量で下部型626の上に堆積し、垂直面（P）に沿って実質的に同じ厚さ又は体積を有する混合材料層628を形成して、下部型626及び上部型632のキャビティ630を充填する。三軸制御方法において、混合材料は、動的ダイ606から垂直面（P）を横切って異なる体積流量で下部型626の上に堆積し、垂直面（P）に沿って異なる厚さ又は体積を有する混合材料層628を形成して、下部型626及び上部型632のキャビティ630を充填する。二軸制御方法は、垂直面における深さが実質的に一定キャビティ630を有する型に混合材料を堆積させるのに利用でき、三軸制御方法は、深さが異なるキャビティ630を有する型に混合材料を堆積させるのに利用できることが理解されなければならない。
【００４８】
台車608は、レール636に沿った移動を与える車輪634を更に含む。レール636は、台車608が動的ダイ606の下で移動し、プレス610内に入ることを可能にする。プレス610は、上部型632を下部型626に押し付けるように作動する。本発明の原理は、混合材料層628を動的ダイ606から下部型626に直接堆積させるため、従来の熱可塑性材料成型方法と比べて成型方法に必要な力を低減させるにもかかわらず、プレス610によって加えられる力は、依然として、車輪634がレール636に接触したままの場合には、車輪634に損傷を与えるのに十分なである。このため、車輪634は、プレス610の基部640の上面638との間で、選択的に掛合又は離脱させることができる。一つの実施形態において、台車608は、膨張チューブが膨らんだときに車輪634がレール636と掛合して台車608がダイ606の下からプレス610まで移動可能となるように、台車608に結合された膨張チューブ（図示しない）によって上昇する。チューブが収縮した場合に、台車608の本体がプレス610の基部640の上面638上に乗るように、車輪634が離脱される。他の作動構造要素を用いて台車608の支持から車輪634を掛合又は離脱することができるが、車輪634を掛合又は離脱する機能は、実質的に同じものとすべきであることが理解されなければならない。例えば、台車608の基板と接触するように、プレス610の基部640の上面638を上昇させることができる。
【００４９】
制御装置612は、押出成型方法600を構成する種々の構成要素に電気的に結合される。制御装置612は、構造体部品の形成を取りまとめるように作動するプロセッサベースのユニットである。一つには、制御装置612は、混合材料の温度、押出混合材料625の体積流量、並びに、押出混合材料625を受け取る下部型626の、台車608を介した移動の位置及び速度を制御することによって、混合材料が下部型626上に堆積するのを制御するように作動する。制御装置612は更に、熱可塑性材料を加熱するヒータ618を制御するように作動する。制御装置612は、押出機604を通って動的ダイ606に入る混合材料の実質的に一定流量を維持するように、オーガー620の速度を制御することができる。代替的に、制御装置612は、押出機604からの混合材料の体積流量を変化させるために、オーガー620の速度を変化させることができる。制御装置612は、更に、押出機604及び動的ダイ606の中のヒータ（図示しない）を制御することができる。形成される構造体部品に基づき、押出混合材料625を下部型626に供給する動的ダイ606について、所定のパラメータの組を定めることができる。パラメータは、流量制御要素624を選択的に位置決めし、台車608の移動が、生産される構造体部品を定めるキャビティ630に応じた混合材料の体積流量と位置的に同期するように、定めることができる。
【００５０】
台車608は更に、制御装置612によって制御され、押出混合材料625を加熱又は溶融状態に維持するように作動可能なヒータ（図示しない）を含むことができる。制御装置は、必要な台車の速度を変えることによって、押出混合材料625が下部型626に供給されている間に、台車608を制御することができる。下部型626への押出混合材料625の供給が終了すると、制御装置612は、台車608をプレス610に動かす。次に、制御装置612は、プレス610が、車輪634を損傷することなく上部型632を下部型626に押し付けることができるように、上述のように軌道636から車輪634を離脱する機構（図示しない）に信号を送る。
【００５１】
図6Bは、図6Aの押出成型システム600aの他の例示的なブロック図である。押出成型システム600bは、構造体部品を形成する下部型626を支持する台車608を受け入れるように作動可能な二つのプレス610a及び610bに対応するように構成される。二つの台車608は、単一の押出機604及び動的ダイ606によって複数の構造体部品を形成するために、軌道又はレール636によって支持できることが理解されなければならない。一つの実施形態において、車輪634及びレール636を使用して台車608を移動させることができるが、他の移動機構を使用して台車608の移動を制御できることが理解されなければならない。例えば、コンベア、懸架装置、又は軌道駆動システムを使用して、台車608の移動を制御することができる。
【００５２】
制御装置612を複数の構造体部品に対応するように構成すると、押出成型システム600bが、異なるプレス610a及び610bによって異なる構造体部品を同時に形成できる。制御装置612は、複数の構造体部品を形成するように作動可能なパラメータを記録することができるため、制御装置612は、汎用ソフトウェア・プログラムのパラメータを使用することによって動的ダイ606並びに台車608a及び608bの制御を簡単に変化させ、それにより、単一の押出機604及び動的ダイ606を用いて二つの異なる構造体部品を形成することができる。付加的なプレス610及び台車608を使用して、単一の押出機604及び動的ダイ606によってより多くの構造体部品を実質的に同時に生産できることが理解されなければならない。
【００５３】
図7は、台車608によって支持される下部型626の上へ押出混合材料625を堆積させる動的ダイ606の例示的な分解図である。示されるように、動的ダイ606は、複数の流量制御要素624a〜624iを含む。流量制御要素624の数は、形成される構造体部品の解像度、すなわち詳細さに応じて、増加又は減少することができることが理解されなければならない。示されるように、流量制御要素624は、各々の流量制御要素624に関連して、より多くの又はより少ない押出混合材料625の体積流量を与えるために、異なる高さに位置決めされる。例えば、流量制御要素624aは、混合材料が動的ダイ606のその区域を通過しないように、完全に閉鎖される。このため、閉鎖された流量制御要素624aに関する体積流量faは、ゼロである。流量制御要素624bは、高さh1を有する開口部を形成するように開かれ、それにより、押出混合材料625bの体積流量fbを与える。同様に、流量制御要素624cは、より高い体積流量fcで下部型626上に出力される押出混合材料625cのためのより大きな開口部を形成するように開かれる。
【００５４】
流量制御要素624の各々に関連する押出混合材料625の濃淡の変化によって示されるように、流量制御要素624は、下部型626及び上部型632によって形成される構造体部品に基づいて、動的に調節することができる。このため、形成される構造体部品（例えば、ある範囲全体にわたる深絞り）に基づき、流量制御要素624を調節して、下部型626及び上部型632の限られた範囲に渡って押出混合材料625の体積流量を変化させることができる。言い換えれば、下部型626及び上部型632によって定められるキャビティ630に基づいて、混合材料層628の厚さを変えることができる。例えば、混合材料層範囲628aは、混合材料層範囲628bより薄く、下部型626におけるキャビティ630の他の場所より深いドラフトを有するキャビティ630aを充填するために十分な厚さである。言い換えれば、押出混合材料層628は、型626及び632によって定められるキャビティ630の深さに基づいて、動的に変化する。押出成型システム600aで実施することが可能な二軸制御方法及び三軸制御方法のいずれにおいても、押出混合材料625の体積流量と台車608の移動速度とに基づいて、押出混合材料層628を、厚さに関して動的に変化させることができる。
【００５５】
下部型上への押出混合材料の堆積は、生産される構造体部品に従い、二軸又は三軸において堆積させる押出混合材料の量を制御することによって、遂行される。二軸制御の場合には、台車の移動は、堆積の軸線に沿って種々の量で押出混合材料を堆積させるように、移動の軸線に沿って制御することができる。三軸制御の場合には、押出機の出力は、流量制御要素を含む動的ダイを使用することができ、それにより、移動の軸線に直角な軸線に沿って下部型の上に同時に堆積する異なる体積流量を与える。下部型の特定の場所に押出混合材料を堆積させるために、軸外制御又は非軸制御に関する他の実施形態を提供できることが理解されなければならない。
【００５６】
台車と、下部型に供給される混合材料とを制御することによって、厚い連続層から円又は楕円の細い輪郭に至るまで、あらゆるパターンを下部型上に形成することができ、個別的数学によって記述することができるあらゆる二次元形状を、材料を用いて描くことができる。更に、所与の範囲に堆積させられる混合材料の体積が制御されるため、三次元パターンを生成して、例えば深いドラフト及び／又は隠しリブを伴う構造体部品を提供することができる。構造体部品が冷却されると、エジェクタを用いて固まった材料を型から押し出すことができる。本発明の原理は、二つ又はそれ以上の固有の部品を同時に生産できるように設計し、それにより、実質的に連続的な混合材料の流れを用いることにより生産効率を最大にすることができる。
【００５７】
押出成型方法の価値―付加利益
押出成型システムを用いると、大型の長繊維強化プラスチック部品を、インライン式で、かつ、大変低い処理コストで、生産することができる。押出システムの特徴によって、（1）材料汎用性、（2）堆積方法、（3）低圧、及び（4）装置効率性を提供する強化プラスチック部品生産ラインが得られる。材料汎用性は、インライン化合から材料コスト及び装置コストの両方を節減し、更に材料特性の汎用性を与える。堆積方法は、材料堆積方法に付加価値を付与し、より複雑な形状（例えば、大き等ラフト及びリブ）、より良好な材料の流れ、型の中に大きなインサートを含ませる時の容易さを可能にする。低圧は、成型圧力の低減に向けられ、型と装置の両方の摩耗を減少させ、大変小さな応力を構造体部品に閉じ込める。装置効率性は、同時に二つ又はそれ以上の全く異なる型を用いて押出システムの効率を向上させる能力をもたらし、それにより、生産作業を行うのに必要な装置の数を減少させる。更に、本発明の原理による材料供給システムは、多くの既存の装置と統合することができる。
【００５８】
材料汎用性
押出成型方法によって、いくつかの異なる種類の樹脂及び繊維を用いて愛顧の混合材料配合物を化合することが可能になる。押出システムは、上述のように、いくつかの樹脂を用いて部品を生産することができる。従来の圧縮成型を用いる場合は、樹脂を繊維及び所望の添加剤と混合したブランクとして一般に知られる予め製造された熱可塑性シートを、熱可塑性シート生産者から購入する。しかし、これらのブランクは、複数の中間業者を経るため、及び、通常は所定の混合物の状態でのみ販売されるため、高価である。本発明の原理による押出成型方法を利用することにより、これらのコストは、原材料を使用し、予め製造されたシートを購入する必要なく構造体部品を生産するインライン式化合方法によって、低減することができる。押出成型システムは、材料を予熱するオーブンを必要とせず、加熱されたシートを型に移動させるように作動するため、人件費及び装置費も大幅に低減する。運転員が必要に応じて化合比を制御するため、例えば、成型の間に特性を変化させる能力、又は段階的な色の変化を生成する能力を含むほぼ無限の汎用性が、方法に加えられる。また、シート成型とは異なり、押出成型システムは、溶融強度を有する材料を必要とせず、これがシステムに付加的な汎用性を与える。一つの実施形態において、押出成型システムは、熱硬化性樹脂を使用して構造体部品を生産することができる。押出成型システムはまた、50パーセントを超える達成可能な繊維の体積分率と、繊維長の85パーセント又はそれ以上が原材料から最終的な部品まで維持された1インチから4インチ又はそれ以上の繊維長とで強化するために、上述のように、炭素、ガラス、及び他の繊維を含む種々の繊維材料を用いることができる。
【００５９】
堆積方法
本発明の原理による押出システムは、例えば深いドラフト又は隠しリブのためにより多くの材料が使用可能になる型の範囲において、混合材料の可変配置（variable composite material lay−down）を可能にし、それにより、成型及び圧縮の時に使用される力を最小にする。混合材料の可変配置によって、その技術分野において理解されるように、典型的な圧縮成型方法を用いる場合と比べて、より高い精度、より充填された型、及び、より少数の「ショートショット」がもたらされる。可変配置によって、構造体部品の両側に成型される大きな構造部、並びに、構造体部品内へのインサート又は芯の配置を可能にする。最後に、材料は、（予めシートにされ、次に型に圧入されるのとは対照的に）溶融状態で型の上に堆積されるときに相対的に大変低い粘度を有するため、繊維は、捕捉されることも望ましくない方向になることもなく、容易にリブに入り、大きな寸法面積を覆うことができる。
【００６０】
低―圧
押出成型プロセス時に堆積する熱可塑性混合材料は、加熱され予め化合されたシートからの熱可塑性混合材料より流動性が高く、このため、熱可塑性混合材料をより簡単に型の中に流すことを可能にする。型の中に堆積する混合材料の流動性は、他の大部分の成型方法に優る大変低減された成型圧力要件に繋がる。圧縮成型に用いられる圧力である1平方インチ当たり1000ポンドに対して、この方法のためのプレスは、一般に、1平方インチ当たり100ポンドの範囲で作動する。この低い圧力は、より少ない摩耗につながり、それにより、型とプレスの両方に関する維持費を低減する。低い圧力のため、200，000ドル以上の経費がかかる可能性のあるスチール金型を必要とせず、300，000サイクルが可能なアルミニウム型をわずか40，000ドルで製造することができる。より安価な金型もまた、将来の設計変更にとって汎用性の高さに繋がる。熱可塑性樹脂は、低圧下で型の面の上に移って成型されるため、材料内には低い応力しか閉じ込められず、それにより、より良好な寸法公差とより少ない反りに繋がる。
【００６１】
機械効率性
押出成型方法は、同時に稼働する二つ又はそれ以上の型を用いることができるため、部品当たりの平均サイクルが減少し、第２の型を充填及び圧縮する時に第1の型を取り出すことができ、生産性が向上する。また、押出成型システムは、最小限の重複する構成要素を使用する。一つの実施形態において、押出システムは、各々の型について別個のプレスを使用するが、他の設備は、型の組の間で統合して共有し、ソフトウェアを容易に変更して、他の型を取り入れることができる。押出供給システム600aを更に現在の製造設備に統合し、既存の圧縮型及びプレスを組み合わせることができる。
【００６２】
図8Aは、混合材料を下部型626上に堆積させるための二軸制御又は三軸制御のいずれかを用いることによって物品又は構造体部品を形成するために使用できる押出成型方法を説明する例示的なフロー図である。押出成型方法は、ステップ802において開始する。ステップ804において、熱可塑性材料を加熱して溶融した熱可塑性材料を作り、ステップ806において、繊維と配合して混合材料を形成する。ステップ808(708)において、溶融した混合材料は、動的ダイを通して供給され、下部型626上に重力降下する。二軸押出制御方法に関しては、ダイからの一定出力を使用できる。二軸方法において、台車の移動は、一定速度で維持される。三軸押出制御方法において、動的ダイ606は、可変速の台車又は型と共に使用できる。二軸押出制御方法及び三軸押出制御方法のいずれの場合も、ステップ810において、下部型626は、下部型626及び上部型632によって定められるキャビティ630に必要な混合材料の量に合うように、混合材料を受け取りながら空間的及び時間的に移動することができる。ステップ812において、上部型632を下部型626に押し付けて、混合材料を下部型626及び上部型632内でプレスする。方法は、ステップ814で終了する。
【００６３】
図8Bは、三軸制御押出成型方法により、図6Aの押出成型システム600aを使用して構造体部品を生産するための例示的なフロー図である。構造体部品生産方法は、ステップ816において開始する。ステップ818において、熱可塑性材料を受け取る。ステップ822において、熱可塑性材料を加熱する。一つの実施形態において、熱可塑性材料は、溶けた状態又は溶融した状態まで加熱される。ステップ820において、所定の繊維長を有する繊維を受け取る。ステップ822において、繊維を加熱された熱可塑性材料と配合して、混合材料を形成する。繊維オーガーラス又は他の補強材料で作られた繊維の長いストランドとして、大型の構造体部品を形成することができる。例えば、長さが2分の1インチから4インチ又はそれ以上の繊維長を使用して、構造体部品を形成することができる。
【００６４】
ステップ826において、混合材料が押し出される。押出方法において、混合材料を押し出すのに使用されるオーガー620又は他の機構は、繊維の損傷を実質的に回避すように構成して、元の繊維長が実質的に維持される（例えば、85％又はそれ以上）ようにする。例えば、スクリュータイプのオーガー620を用いる場合には、ネジ山の間隔は、繊維の長さより長くなるようにそれにより、繊維の損傷を実質的に回避する。
【００６５】
ステップ828において、押出混合材料625は、下部型626上への押出混合材料625の堆積を制御する平面を横切って、異なる体積流量で動的に出力される。ステップ830において、下部型626は、平面Pを横切る異なる体積流量に関して、押出混合材料625を受け取るように位置的に同期させることができる。一つの実施形態において、型626の位置的同期は、一定速度又は調節可能な速度で並進させることができる台車608の上方の高さdに設置される流量制御要素624に従って行われる。例えば、一定、すなわち、平らな押出混合材料層628を堆積させるために、台車608は、実質的に一定速度で移動させることができるが、押出混合材料層628の体積を増加又は減少させるためには、台車608は、それぞれより遅い速度で、又はより早い速度で、移動させることができる。ステップ832において、押出混合材料層628となった押出混合材料625は、型626内でプレスされ、熱可塑性構造体部品を形成する。構造体部品形成方法は、ステップ834で終了する。
【００６６】
図9は、図6Aにおける押出システム600aの構成要素内で作動する制御装置と通信するように構成された制御装置612の例示的なブロック図900である。制御装置612は、その技術分野において理解されるように、デジタル及び／又はアナログの通信チャネルを用いて、双方向通信のための種々の制御装置と通信する。構成要素内部で作動する制御装置は、その技術分野において理解されるように、プロセッサベースで作動する開ループ又は閉ループ制御ソフトウェアとすることができ、制御装置612に対するスレーブコンピュータとして作動する。代替的に、制御装置は、制御装置612に対するスレーブユニットとして作動するアナログ回路又はデジタル回路といった非プロセッサベースの制御装置とし得る。
【００６７】
フィーダー614は、混合材料M1と繊維材料M2とを混合するためのフィーダー614の速度及び温度を制御するように作動する速度及び温度制御装置902を含むことができる。フィーダー速度及び温度制御装置902は、モータ及びヒータを制御する単一又は複数の制御装置で構成することができる。制御装置612は、フィーダー614の速度及び温度を指定又は命令するように作動し、一方、フィーダー614の速度及び温度制御装置902は、制御装置612から受けた命令を実行するように作動する。例えば、動的ダイ606を介して押し出されている混合材料の量に基づいて、制御装置612は、押出機604に送られる材料M1及びM2の速度を大きくすることができる。
【００６８】
制御装置612は、更に、ヒータ制御装置904と通信する。制御装置612は、ヒータ制御装置904から受信したフィードバックデータに基づいて、制御データをヒータ制御装置904に送信することができる。例えば、送り動作の間にヒータ制御装置904の温度が下がった場合には、制御装置612は、ヒータ618の温度を上げるように、制御データ1018によってヒータ制御装置904に命令を出すことができる。代替的に、ヒータ制御装置904は、その技術分野において理解されるようなフィードバック調整回路を使用して、温度を、制御装置612によって命令された温度に調整し、監視目的で単に温度を制御装置612に報告することができる。
【００６９】
制御装置612は、更に、押出機速度及び温度制御装置906と通信し、オーガー620の速度及び押出機604の温度の制御を与える。押出機速度及び温度制御装置906は、押出機604の範囲内部の複数のヒータを制御し、各々のヒータの温度を制御装置612に送信するように作動可能とし得る。押出機速度及び温度制御装置906は、複数の制御装置で構成できることが理解されなければならない。
【００７０】
制御装置612は、更に、動的ダイ606の流量制御要素624を制御する動的ダイ制御装置908と通信する。動的ダイ制御装置908は、流量制御要素624の各々を、集合的に又は個々に制御するように作動することができる。代替的に、流量制御要素624の各々は、別個の制御装置によって個々に制御することができる。このため、制御装置612は、開ループ方式で、流量制御要素624の各々についての位置を設定するために、動的ダイ制御装置908に命令を出すように作動することができる。例えば、ステッピングモータを開ループ方式で使用できる。各流量制御要素624の現実の位置は、制御装置612が流量制御要素624の位置を制御するために利用するために、フィードバックデータ1022によって制御装置612に返信することができる。
【００７１】
制御装置612は、更に、台車608と結合され、台車608の位置及び下部型626の温度とを制御するように作動可能な台車制御装置910と通信する。制御装置612は、台車608を制御装置612によって命令された位置まで駆動するサーボとして作動する台車制御装置910に制御信号1018を与えることができ、押出混合材料625を下部型626上に堆積させる場合には、それに応じて下部型626を位置決めする。下部型626上に堆積する押出混合材料層628は、堆積時には溶融しているが、最初に堆積した押出混合材料層628は、後の押出混合材料625が堆積するに従い冷却される。このため、制御装置612は、押出混合材料625の堆積の時間及び／又は熱可塑性材料M1の溶融状態温度要件等の他の因子に基づいて、押出混合材料層628の温度を実質的に一定温度に維持するように、制御データ1018を台車制御装置910に送信することができる。フィードバックデータ1022は、制御装置612が管理及び監視機能を実行することができるように、台車608の現在の温度並びに位置及び速度の状態及び下部型626の温度を与えることができる。
【００７２】
制御装置612は、更に、押出成型システム600aのヒータ及び／又はクーラの温度を制御するように作動可能な加熱／冷却制御装置912と通信する。加熱／冷却制御装置912は、熱可塑性材料M1、周囲温度、生産されている構造体部品の性質、生産速度等といった多数の因子に基づいて、その加熱／冷却制御装置912に特定の温度又は可変温度で作動するように命令する制御データ1018を、制御装置612から受信することができる。加熱／冷却制御装置912は、システムレベルのヒータ及びクーラ、又は、構成要素レベルのヒータ及びクーラを制御することができる。フィードバックデータ1022は、制御装置612が管理及び監視機能を実行することができるように、現在の温度と、ヒータ及びクーラの状態とを与えることができる。
【００７３】
制御装置612は更に、上部型632のプレス動作及び温度を制御するように作動可能なプレス制御装置914と通信する。プレス制御装置914は、プレス610の製造者がプレス610と共に提供する標準的な制御装置とし得る。同様に、プレス制御装置914は、上部型632の温度を制御する温度制御装置を含むものとし得る。代替的に、温度制御装置は、プレス610の製造者によって提供されるプレス制御装置914とは無関係なものとし得る。フィードバックデータ1022は、制御装置612が管理及び監視機能を実行することができるように、プレスの現在の位置及び力及び上部型632の温度を与えることができる。
【００７４】
制御装置612は更に、成型された構造体部品上の取り出し動作を制御するように作動可能な取り出しツール制御装置916と通信する。プレス610がプレス動作を終了したというプレス制御装置914からの通知を制御装置612が受信したことに応答して、制御装置612は、成型された構造体部品の取り出しを開始するように、制御信号1018を取り出しツール制御装置916に送ることができる。このため、フィードバックデータ1022を使用して、取り出しツールの現在の動作を示すことができる。フィードバックデータ1022が、取り出しツールが成型された構造体部品を取り出すのが困難であることを示す場合には、押出成型システム600aのオペレータは、取り出しツール、下部型626若しくは上部型632、プレス610、下部型626若しくは上部型632のヒータ若しくはクーラ、又は、押出成型システム600aの他の構成要素若しくは機能に関して、問題が存在することを認識させることができる。
【００７５】
制御装置612は、押出成型システム600aの構成要素の各々についての主制御装置となるように構成されることができるが、制御装置612は、より分散型の制御装置として構成要素を管理するように構成され得ることが理解されなければならない。言い換えるならば、構成要素の制御装置は、機能を実行するように制御装置612によって命令されるサーボとしてではなく、生産されている構造体部品のパラメータを用いて動作パラメータ及び制御パラメータを計算するより知的な制御装置として作動することができる。例えば、押出成型システム600aが、台車608に結合するようにもしないようにもできる静止した下部型626に対して押出機604の出力を変えるか又は動かすように構成された場合には、制御装置612は、台車608の移動ではなく押出機604の出力の動きを制御するようにプログラムすることができる。
【００７６】
図10は、図6Aの制御装置612の例示的なブロック図である。制御装置612は、メモリ1004及びユーザインターフェース1006に結合されたプロセッサ1002を含む。ユーザインターフェース1006は、タッチスクリーン、電子ディスプレイ及びキーボード、ペンベースのインターフェース、又は、その技術分野において理解される他のいずれかのユーザインターフェースとし得る。プロセッサ1002は更に、入力／出力（I／O）ユニットと、情報をデータベース又はファイル1012a〜1012n（集合的に1012）に記録する記憶ユニット1010とに結合される。データベース1012は、下部型626若しくは上部型632に関連するデータ等の、押出成型システム600aを制御するための制御パラメータを記録するために使用できる。データベース1012は更に、押出システム600aの作動の時に押出システム600aからフィードバックされるデータを記録するために使用できる。
【００７７】
プロセッサ1002は、押出成型システム600aの種々の構成要素を制御し、且つ、データベース1012を管理するために使用されるソフトウェア1014を実行するように作動可能である。押出成型システム600aを制御する場合には、ソフトウェア1014は、I／Oユニット1008及び制御バス1016を介して押出成型システム600aと通信する。制御データ1018は、制御バス1016を通るデータパケット及び／又はアナログ制御信号によって、押出成型システム600aに送信される。制御バス1016は、各々が押出成型システム600aの異なる構成要素と関連する複数の制御バスで構成できることが理解されなければならない。制御バス1016は、シリアルプロトコル又はパラレルプロトコルを使用して作動できることを更に理解されたい。
【００７８】
単一又は複数バス構造とし得るフィードバックバス1020は、作動する時に押出成型システム600aからデータ1022をフィードバックするように作動可能である。フィードバックデータ1022は、温度、位置、速度、レベル、圧力、又は押出成型システム600aから測定される他のセンサ情報といったセンサデータとし得る。このため、I／Oユニット1008は、押出成型システム600aからフィードバックデータ1022を受信し、ソフトウェア1014によって利用するためにフィードバックデータ1022をプロセッサ1002に送信するように作動可能である。ソフトウェア1014は、フィードバックデータをデータベース1012に記録し、フィードバックデータ1022を使用して押出成型システム600aの構成要素を制御することができる。例えば、ヒータ制御装置904によって制御装置612にフィードバックされるヒータの温度について、ヒータ618の温度が低くなりすぎた場合には、制御装置612は、ヒータの温度を上げるように、制御データ1018によってヒータ618に命令を出すことができる。制御装置612又は構成要素（例えば、ヒータ）は、構成要素の制御又は調整を行うために、その技術分野において理解される自動制御システムを含むものとすることができる。
【００７９】
作動において、制御装置612は、押出成型システム600aによって一つ又はそれ以上の構造体部品を生産するための制御パラメータを記録することができる。例えば、キャビティ630の寸法等の、型626及び632のパラメータに関連するデータを、データベース1012に記録することができる。種々の構造体部品について複数のパラメータの組を記録することによって、押出成型システム600aを使用して、実質的に同時に構造体部品を形成することができる。プロセッサ1002は、実質的に同時に構造体部品を形成するように、異なるパラメータの組を平行して用いてソフトウェア1014を実行することができる。すなわち、一つの構造体部品がプレスされているときに、押出混合材料625を下部型626上に与えることによって動的ダイ606を介して他の構造体部品を形成することができる。
【００８０】
図11は、プロセッサ1002によって実行されるソフトウェア1014の例示的なブロック図である。システムマネージャ1100が、制御装置612の種々の状況を管理するように作動可能である。システムマネージャ1100は、オペレータインターフェース1102、システムドライバ1104、及びデータベースマネージャ1106とインターフェース接続される。
【００８１】
オペレータインターフェース1102は、押出成型システム600aを手動で制御し、又は、構造体部品を生産するためのプログラム及び／又はプロファイルを構築するために、押出成型システム600aのオペレータにインターフェースを提供するために使用される。オペレータインターフェース1102は、予めプログラムされているときには構造体部品を生産するためのプログラムをオペレータが選択できるようにするプログラムセレクタ1108と通信する。例えば、押出成型システム600aを制御して、下部型626及び上部型632に従ってパレットの設計者によって定められたパレットを生産するために、パレットを生産するように構築されたプログラムをオペレータインターフェース1102を介してオペレータによって選択することができる。一つの実施形態において、プログラムセレクタ1108は、構成部品を制御するための特定のパラメータの組を使用して押出成型システム600aを制御することによって特定の構造体部品を生産する汎用プログラムを単に選択するのみである。プログラムセレクタ1108は、オペレータが、特殊な構造体部品を形成するために特殊なパラメータの組を選択する、及び／又は、構造体部品を形成するための方法を変更するようにパラメータを編集することを可能にするパラメータセレクタ／エディタ1110と通信することができる。パラメータセレクタ／エディタ1110は、種々の異なるパラメータデータファイルから、異なる構造体部品を形成するために押出成型システム600aの構成要素を駆動する制御装置612が利用可能な特殊なパラメータの組を選択するために、データベースマネージャ1106とインターフェース接続することができる。例えば、データベースマネージャ1106は、パレット、I−ビーム、バックボード等を生産するためのパラメータの組にアクセスすることができる。押出成型システム600aの構成要素の各々は、汎用ドライバによって制御することができ、それに応じて、構造体部品を生産するために選択されたパラメータは、押出成型システム600aの構成要素の各々の動作を変えられることが理解されなければならない。
【００８２】
システムドライバ1104は、その技術分野において理解されるように、押出成型システム600aの構成要素を統合するために使用される。例えば、個々のシステムドライバ1104を使用して、フィーダー614、ヒータ618、押出機604、動的ダイ606、台車608、及びプレス610を制御することができる。システムドライバ1104は、押出成型システム600aのオペレータによってカスタマイズできるものとするか、又は、プレス610のように特定の構成要素の製造者によって提供される汎用ドライバとすることができる。構造体部品を生産する押出成型システム600aの作動の時に、システムドライバ1104は、構造体部品を生産するように選択されたパラメータを使用して、押出成型システム600aの構成要素を駆動することができる。
【００８３】
押出成型システム600aの構成要素を制御する時に、データベース1012及び状態警報フィードバックマネージャ1114は、押出成型システム600aの構成要素の各々についてフィードバック制御を供給するために使用される。例えば、ヒータ618は、温度センサ（図示しない）によって現実の温度をフィードバックすることができる。ヒータ618の測定温度に基づいて、ヒータ618を制御するために使用されるシステムドライバ1104は、現実の温度測定値に従ってヒータ618の温度を上昇又は下降させることができる。このため、他のセンサは、押出成型システム600a内の構成要素の各々及び／又は混合材料の、温度、圧力、速度、重量、位置等をフィードバックするために使用できる。構成要素の致命的な故障の場合には、警報が制御装置612にフィードバックされ、状態警報フィードバックマネージャ1114によって検出される。警報が重大な故障であると判断された場合には、システムドライバ1104は、ハードウェアの損傷とオペレータの負傷とを防止するために、押出成型システム600aの一つ又はそれ以上の構成要素を停止することができる。このような警報に応答して、システムマネージャ1100は、オペレータインターフェース1102を起動して故障を表示し、修正措置に関する注意等を提供することができる。
【００８４】
図12は、流量制御要素624a−624f及びグリッド1202へ区切られた下部型626の例示的概略図である。グリッド間隔は、y軸に沿って（間隔1〜5として示される）流量制御要素624により定められ、x軸に沿って間隔a〜eにより定められる。y軸に沿ってより多くの流量制御要素624を使用し、x軸に沿ってより小さな間隔を定めることによって、より解像度の高いグリッドが得られることが理解されなければならない。形成される具体的な構造体部品に応じて、より高い解像度か又はより低い解像度が望ましく、より高い解像度又はより低い解像度を定めるようにオペレータによって設定されるパラメータは、構造体部品を生産するために用いるために、データベースマネージャ1106を介して制御装置612に記録することができる。
【００８５】
表2-表10は、押出成型システム600aの構成要素を制御するために使用される例示的データ表である。具体的には、表は、構成要素を制御するための制御データ1018と、構成要素から制御装置612が受信したフィードバックデータ1022とを提供する。表2は、熱可塑性混合材料M1と、繊維材料M2と、構造体部品を形成する他のいずれかの材料（例えば、色）とを送るのに用いられるフィーダー614の制御のために提供される。示されるように、制御データ1018は、各々のフィーダー614が材料を押出成型システム600aに供給している速度を含み、フィードバックデータ1022は、現在各々のフィーダー614内にある材料のレベルを含む。押出成型システム600aの作動の時に、フィーダー614から供給される材料の速度が制御され、フィーダー614内の材料のレベルが測定され、オペレータは、追加の材料をフィーダー614に加えることができるように、フィーダー614内で最低量に達したことに応答して、材料のレベルの通知を受けることができる。
【００８６】
表3は、押出機604におけるヒータの温度制御を示す例示的表である。押出機604が、7つの温度範囲1〜nを有するとして定められる場合には、各々の範囲の温度は、加熱若しくは冷却、オン若しくはオフ、及び／又は、特定の温度（図示しない）に設定されるように定められる押出機温度制御によって設定することができる。フィードバックデータ1022は、押出機604の各範囲の現実の温度を含むことができる。このため、温度センサは、押出機604の各々の範囲に組み込まれ、検出された温度は、フィードバック制御のためにフィードバックバス1020を介して制御装置612にフィードバックされる。
【００８７】
表4は、押出機604内で作動するオーガー620を駆動するモータ（図示しない）の速度制御を示す例示的表である。制御データ1018は、モータを駆動するために設定する速度データを含む。モータの現実の速度及び負荷は、フィードバックデータ1022によって、制御データ1018を介して押出機604のオーガー620の速度を制御するために使用されるシステムドライバ1104にフィードバックされる。
【００８８】
表5は、動的ダイ606のヒータの温度制御を定める。制御データ1018は、動的ダイ606内部の範囲1〜nによって定めることができる。押出機604の温度制御と同様に、ヒータ618は、動的ダイ606内部の異なる範囲の温度を制御及び／又は調整するために、加熱及び冷却制御、及び／又は、オン及びオフ設定を含むことができる。このため、フィードバックデータ1022は、動的ダイ606の制御のために、動的ダイ606内部の範囲の各々についての現実の温度を含むことができる。
【００８９】
表6は、動的ダイ606の流量制御要素624の制御のための例示的データである。制御データは、示されるように、流量制御要素1〜nと、各々の流量制御要素624について1〜mの範囲の位置とを含む。流量制御要素624は、ほぼ無限の数の位置を有するものすることができることが理解されなければならない。しかし、実際上、流量制御要素の位置は、典型的に、例えば0〜6インチまでの範囲の4分の1インチごと等のように、ある所定の位置を持つように設定される。流量制御要素624の位置を制御する場合には、ステッピングモータ又は他の種類のモータを使用できる。制御装置612によって動的ダイ606に送信される制御データ1018間の位置の偏差を、その技術分野において理解されるようにフィードバックデータ1022を介してフィードバックループによって修正することができるように、流量制御要素624についてのフィードバックデータ1022は、流量制御要素624の現在の位置を含む。
【００９０】
表7は、下部型626の温度制御を示す例示的表である。同様の表を、上部型632の温度を制御するために使用できることが理解されなければならない。示されるように、下部型626は、多数の範囲1〜nに分割することができ、ヒータ及び／又はクーラを各々の範囲に適用して、制御データ1018によって命令されるように下部型626を加熱及び冷却することができる。このため、制御装置612によってフィードバック制御を実行して、下部型626の温度を調整することができるように、フィードバックデータ1022は、下部型626の現実の温度を提供することができる。例えば、押出混合材料625が下部型626に加えられるときに、範囲全体に渡って下部型626の温度を調整して、混合材料が下部型626上に堆積し、型626及び632から構造体部品が取り出されるまで、時間及び他の要因に基づいて押出混合材料層628の温度を調整することができる。
【００９１】
表8は、台車608を制御するための例示的な制御パラメータを示す例示的な表である。示されるように、制御データ1018は、台車608の位置制御、速度制御、及びリフト制御を含む。台車608の動きを制御するために付加的な制御データ1018を含むことができることが理解されなければならない。例えば、加速度、回転位置若しくは角度位置、又は他の動的制御データを使用して、下部型626上に堆積又は重力降下している押出混合材料625の投入に対して下部型626を適切に位置決めするように、台車608を移動又は同期させることができる。台車608についてのフィードバックデータ1022は、台車608の現実の位置及び現在の速度を含むことができる。リフト制御データは、下部型626への押出混合材料625の堆積の時に、及び押出混合材料層628をプレス610によって型626及び634内でプレスする時に、それぞれ台車608の車輪634を掛合及び離脱するために使用できる。車輪634がリフト機構（例えば、空気チューブ）によって離脱されるまでプレス610が始動しないことを確実にするために、リフトの現実の位置をフィードバックすることができる。
【００９２】
表9は、プレス610の制御を示す例示的な表である。制御データ1018は、ロック制御データ及びサイクルプレス時間を含むことができる。フィードバックデータ1022は、プレス610内の台車608の位置及びプレス盤の位置を含むことができる。プレスを制御するために、他の制御パラメータ及びフィードバックパラメータを更に含むことができる。例えば、上部型632の温度制御、プレス610の力等を含むこともできる。
【００９３】
表10は、プレスの終了後に、及び必要に応じて、構造体部品を形成する時の冷却方法の終了後に、型626及び632から形成された構造体部品を取り出す取り出しツール（図示しない）の制御のための例示的な表を示す。制御データ1018は、取り出し開始サイクルを含むことができ、フィードバックデータ1022は、単一の取り出しツール位置を含むことができる。複数の取り出しツール、又は、一つの取り出しツールの要素を使用することができ、他のセンサによるフィードバックデータを検出して制御装置612にフィードバックできることが理解されなければならない。
【００９４】
図13は、混合材料を図6Aの下部型626の上に堆積させるために位置決めされた流量制御要素624a〜624iの上面図である。示されるように、流量制御要素624は、y軸に沿って位置決めされ、押出混合材料625を下部型626の上に堆積させるための三軸制御を行う。このため、押出混合材料625を堆積させるためのx軸制御は、流量制御要素624の下において異なる速度で台車608の移動を制御することによって行うことができ、押出混合材料625を堆積させるためのy軸制御は、流量制御要素624の調節によって行うことができ、押出混合材料625を堆積させるためのz軸制御は、x軸及びy軸に沿って押出混合材料625の堆積を制御することによって行うことができる。
【００９５】
押出混合材料625を堆積させるための、x軸、y軸、及びz軸に沿った制御は、（1）押出機604からの混合材料の体積流量を、オーガー620の回転速度によって制御すること、（2）台車608の移動の速度を一の軸で制御すること、（3）一の流量制御要素624又は一様に作動する複数の流量制御要素624を有する押出機604の出力の開口部を制御すること、（4）複数の流量制御要素624を個々に制御すること、及び（5）台車608の動きを複数の軸で制御すること、を含む種々の技術を用いて行うことができる。これらの技術の各々は、他の変数が一定に維持されるものと仮定している。例えば、技術（1）は、押出機604の出力開口部が固定されており、台車608が出力開口部の下を一定速度で移動するものと仮定している。技術（2）は、押出機604からの混合材料の体積流量が一定であり、押出機604の出力開口部が固定されているものと仮定している。しかし、技術（1）、（2）、及び（4）を組み合わせた図6Aに関して説明したように、これらの技術を組み合わせて、下部型626上への押出混合材料625の配置を更に制御できることが理解されなければならない。技術（5）は、下部型626に関するx軸及びy軸を制御するだけでなく、z軸及びいずれかの数の軸周りの回転を制御することも含む。技術（5）を用いて下部型626に関するこのような制御を行うことによって、他の方法では不可能な場合もある種々の構造体部品を形成することができる。要するに、本発明の方法の種々の要素の全体的なコンピュータ制御は、押出方法と所望の部品の生産との調整、及び、方法全体の作動性に関して、重要な役割を果たす。
【００９６】
最後に、下部型626の移動を制御しないで、押出機604からの出力開口部を移動させることによって、静止し又は移動する下部型626の上に押出混合材料625を堆積させることができる。例えば、レール又は他の機械的構造に沿って移動する出力開口部を制御して、下部型626上の特定の場所に混合材料を堆積させることができる。このような機構の例として、レーザジェットプリンタがある。
【００９７】
再び図13に示すように、流量制御要素624と、動的ダイ606の下を通過する下部型626との関係が示されており、インチによる右側の数字は、動的ダイ606の下を通過する台車608の位置と対応する。下部型626は台車608より小さいため、下部型626は、台車608内の10インチの位置から始まる。表11及び表12は、流量制御要素624についての速度制御及びゲート制御のためのパラメータを示す例示的な表である。このパラメータは、押出成型システム600aを用いてパレットを生産するために使用することができる。
【００９８】
表11及び表12は、流量制御要素624及び台車608の移動の間の位置同期を示す。二つの構成要素（すなわち、動的ダイ606及び台車608）の間の動きを調整することによって、下部型626及び上部型632のキャビティ630の容積によって規制されるとおりに、下部型626に沿った位置に押出混合材料625を堆積させることができる。言い換えれば、押出混合材料625を下部型626の上に堆積させて、下部型626及び上部型632のキャビティ630を満たすのに十分な厚さの押出混合材料層628を形成し、それにより、構造体部品の特定の場所に深いドラフトと隠しリブを形成する能力を提供する。
【００９９】
図14は、図6Aの押出成型システム600aによって生産されるパレット1400の角部の例示的な上面斜視図である。示されるように、パレット1400の基部1402のドラフト、すなわち深さd1は、パレット1400の足1404の深さd2より浅い。本発明の原理を用いて下部型626上への押出混合材料625の堆積を制御することによって、補強材料M2（例えば、長ストランド繊維）を用いて、特定の範囲により深いドラフトd2を有する足1040のような構造を持つ大型の構造体部品を形成することができる。
【０１００】
図15A及び図15Bは、各々、隠しリブ1502a〜1502e（集合的に1502）を有するプラットフォーム1500の例示的な底面斜視図及び上面斜視図である。示されるように、隠しリブ1502は、高さは様々であるが、一つ又はそれ以上の範囲上に一定体積を有する。このため、隠しリブ1502を有する範囲上にはより多くの押出混合材料625を堆積させ、隠しリブ1502のない範囲上にはより少ない押出混合材料625を堆積させる。プラットフォーム1500は、押出成型システム600aを用いて単一成型の混合材料構造体として形成されるため、複数の部品で構成されるプラットフォームと比べて構造的な脆弱性が低い。
【０１０１】
挿入技術
形成する大型部品に強度を与えるために繊維を配合した混合材料を用いて構造体部品を形成することに加えて、更に、特定の範囲に挿入又は埋め込まれた、付加物、ファスナ、及び／又は、補強材といった他の成分を有することによって構造的に改良される構造体部品がある。例えば、相互接続性を備えるべき構造体部品は、強力で信頼性の高い相互接続を与えるように、混合材料から延びる金属部品を使用することがある。一つのこのような構造体部品は、図16Aに示されるような、スケートリンク用の床仕上げ材1600の一部である。床仕上げ材1600は、熱可塑性材料M1及び繊維M2で形成することができる熱可塑性材料1602と、金属で作られるファスナ1604とを含む。
【０１０２】
床仕上げ材1600を形成するとき、押出混合材料層628が、ファスナ1604との結合層1606を形成してファスナ1604の位置を保持するように、ファスナ1604を下部型626の中に位置決め又は配置される。ファスナ1604を床仕上げ材1600に更に固定するために、ファスナ1604に穴（図示しない）を設けて、押出混合材料層628がその穴を埋めることができるようにする。形成方法の時に、ファスナ1604の位置を保持するように、下部型626の中にアクチュエータを配置し、押出混合材料層628がまだ溶融状態の時に、制御装置612によってアクチュエータをはずすことができる。代替的に、ファスナ1604は、上部型632の中に配置できることが理解されなければならない。
【０１０３】
図16Bは、救急医師によって用いられることが多い脊柱矯正板1610の例示的な一部である。脊柱矯正板1610は、混合材料1612で作られ、混合材料1612の中に被包された挿入物1614を含む。挿入物1614は、脊柱矯正板1610が強化され、軽量化され、x線を通すように、カーボンファイバチューブとし得る。挿入物を被包するとき、下部型626は、押出混合材料層628が挿入物1614との結合層1616を形成する間に、挿入物1614を所定の位置に保持するアクチュエータ又は簡単なピンを有することができる。この場合も同様に、押出混合材料層628がアクチュエータ又はピンによって残されるあらゆるボイドを埋めるように、押出混合材料層628が溶融状態にある間に、アクチュエータ及び／又はピンをはずすことができる。挿入物1614は、特定の用途又は形成される構造体部品に基づいて、実質的にいずれかの材料とすることができることが理解されなければならない。
【０１０４】
図17は、図6Aの押出成型システム600aを使用して、ファスナ、支持体、又は他の要素等の挿入物を構造体部品に埋め込み又は挿入するための工程を説明する例示的なフロー図1700である。挿入方法は、ステップ1702において開始する。ステップ1704において、下部型626又は上部型632のいずれかの中に挿入物を配置する。ステップ1706において、下部型626の上に、溶融した押出混合材料625を堆積させる。形成される構造体部品に挿入物を固定するために、ステップ1708において、挿入物の少なくとも一部の周囲に押出混合材料を形成する。一つの実施形態において、挿入物は、押出混合材料625の中に被包されるか、又は完全に埋め込まれる（例えば、図16Bを参照されたい）。代替的に、挿入物の一部が構造体部品から延びるように、挿入物の一部のみが押出混合材料625の中に埋め込まれる。
【０１０５】
ステップ1710において、仮に、いずれかの支持体を用いて下部型626又は上部型623の中に挿入物を配置する場合に、支持体が除去される。アクチュエータ制御のもの、簡単な機械ピン、又は、下部型626の上に押出混合材料625を堆積させる間に挿入物を支持できる他の機構とし得る支持体は、ステップ1712において押出混合材料層628が固まる前に、除去される。押出混合材料層628は、プレス、真空引き、又は構造体部品を形成する他の工程の間に、自然冷却又は強制冷却することによって固めることができる。押出混合材料層628が固まる前に支持体を除去することによって、支持体によって生じる隙間を埋めることができ、それにより、構造体部品に支持体の跡も弱い所も残さない。ステップ1714において、少なくとも一部が埋め込まれた挿入物を有する構造体部品を、型626及び632から取り出す。ステップ1716において、挿入方法は終了する。
【０１０６】
本発明の他の実施形態において、挿入物が、請求の範囲に記載されている発明の方法によって差し入れられる。図17において説明される方法と類似する方法で、請求の範囲に記載されている押出成型システムを使用して、ファスナ、支持体、又は他の要素等の挿入物を押出熱可塑性材料で被包することができる。本発明の他の実施形態において、請求の範囲に記載されている押出成型システムを使用して、種々の厚さの複数の材料層を順に重ねて堆積させることができる。具体的には、熱可塑性材料の第1の層を下部型の中に押し出し、その後、同じ熱可塑性材料又は異なる熱可塑性材料の第2の層を、第1の層の上に層状に重ねる。本発明の特定の実施形態において、第1の押出層に第2の押出層を層状に重ねる前に、又は代わりに、第1の押出層の上に挿入物を置くことができる。この「積層」形態は、熱可塑性材料と、同一の又は異なる成分と、異なる挿入材料との複数の層を有する構造体の形成を容易にすることができる。先の説明は本発明の履行のための選択された実施形態であり、本発明の範囲はこの説明に限定されない。本発明の範囲は、代わりに以下の請求の範囲により定義される。
【０１０７】
【表１】熱可塑性樹脂の合成樹脂
2006509648.tif 000001
【０１０８】
【表２】材料フィーダー
2006509648.tif 000002
【０１０９】
【表３】押出し機温度制御
2006509648.tif 000003
【０１１０】
【表４】押出し機モータ制御
2006509648.tif 000004
【０１１１】
【表５】動的ダイ温度制御
2006509648.tif 000005
【０１１２】
【表６】動的ダイ流量制御要素制御
2006509648.tif 000006
【０１１３】
【表７】加熱／冷却型制御
2006509648.tif 000007
【０１１４】
【表８】台車制御
2006509648.tif 000008
【０１１５】
【表９】プレス制御
2006509648.tif 000009
【０１１６】
【表１０】取り出しツール制御
2006509648.tif 000010
【０１１７】
【表１１】台車制御パラメータ
2006509648.tif 000011
【０１１８】
【表１２】流量制御要素パラメータ
2006509648.tif 000012
【符号の説明】
【０１１９】
１０：熱可塑性材料成型装置
１１：押出機
１２：型交換ステーション
１３：圧縮型ステーション
１４：ホッパー
１５：オーガー
１６：押出ダイ
１７：トリマー
１８：プラットホーム
１９：型半体
２０：車輪
２１：回転プラットホーム
２２：中心回転シャフト
２３：第二の型半体
２４：静止プラットホーム
【誤訳訂正２】
【訂正対象書類名】特許請求の範囲
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維と配合するための溶融した熱可塑性材料を形成するために、熱可塑性材料を加熱すること、
一定の繊維重量濃度を有する溶融混合材料を形成するために、前記溶融した熱可塑性材料を前記繊維と混合すること、
物品を形成するための下部型上へ重力降下する混合材料の流れを形成するために、前記溶融した混合材料を押出すこと、
下部の型キャビティ及び上部型に一致する所定量の溶融した混合材料を前記下部型の上に堆積させるために、混合材料の流れを受け取りながら空間的及び時間的に該下部型を移動させること、
上部型を前記所定量の溶融した混合材料に押し付けて前記下部型の上に閉じ、物品を形成すること、
を含む熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項２】
前記下部型へ送られる溶融した混合材料の量を変化させるために、前記混合材料の流れを制御することを更に含む請求項１に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項３】
前記配合が、前記溶融した熱可塑性材料を、略最少１．５インチ及び略４インチの間の長さの繊維と、配合することを含む請求項１に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項４】
前記配合が、略少なくとも１０重量パーセントの繊維濃度を有する溶融した熱可塑性混合材料を形成する請求項１に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項５】
前記下部型の移動が、型上で厚みが変化する所定量の溶融した混合材料を形成する請求項１に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項６】
前記下部型の動きが１軸に沿う請求項１に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項７】
前記押出しが、非破壊繊維の略８５パーセントの最少値を有する溶融した混合材料を形成する請求項１に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項８】
前記重力降下が、前記下部型へ略同じ容積流量で前記混合材料を流す請求項１に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項９】
前記重力降下が、前記下部型へ種々の容積流量で前記混合材料を流す請求項１に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項１０】
更に、前記下部型へ重力降下させられた溶融した混合材料の容積流量を変えるために前記押出しを制御することを含む請求項１に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項１１】
前記溶融した混合材料の重力降下が、前記下部型へ直接なされる請求項１に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項１２】
前記溶融した混合材料が、前記下部型内の挿入物へ押出される請求項１に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項１３】
前記挿入物が、熱可塑性材料内へ部分的に埋め込まれる請求項１２に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項１４】
前記挿入物が、熱可塑性材料内に完全に埋め込まれる請求項１２に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項１５】
前記挿入物が、熱可塑性材料で被包される請求項１２に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項１６】
熱可塑性材料の第１層が、前記下部型へ押出される請求項１２に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項１７】
熱可塑性材料の第２層が、前記第１層の上方に積層される請求項１６に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項１８】
前記挿入物が、前記第１層上に位置する請求項１６に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項１９】
前記挿入物が、前記第１層に部分的に埋め込まれる請求項１８に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項２０】
前記挿入物が、前記第１層内に完全に埋め込まれる請求項１８に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項２１】
前記熱可塑性材料の第２層が、前記挿入物の上方に積層される請求項１８に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成する方法。
【請求項２２】
繊維と配合するための溶融した熱可塑性材料を形成するために、熱可塑性材料を加熱する手段、
一定の繊維重量濃度を有する溶融混合材料を形成するために、前記溶融した熱可塑性材料を前記繊維と混合する手段、
物品を形成するための下部型上へ重力降下する混合材料の流れを形成するために、前記溶融した混合材料を押出す手段、
下部の型キャビティ及び上部型に一致する所定量の溶融した混合材料を前記下部型の上に堆積させるために、混合材料の流れを受け取りながら空間的及び時間的に該下部型を移動させる手段、
上部型を前記所定量の溶融した混合材料に押し付けて前記下部型の上に閉じ、物品を形成する手段、
を含む熱可塑性材料及び繊維から物品を形成するシステム。
【請求項２３】
前記下部型へ送られる前記溶融した混合材料の量を変化させるために混合材料の流れを制御する手段を更に含む請求項２０に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成するシステム。
【請求項２４】
更に、前記下部型へ重力降下させられる溶融した混合材料の容積流量を変化させるために、前記押出し手段を制御するための手段を含む請求項２０に記載する熱可塑性材料及び繊維から物品を形成するシステム。