(57)【要約】  導電性プラスチックの組成の配合、導電性プラスチックパーツ及び導電性コーティングの製造、ならびにプラスチックのリサイクルのための固体添加物製造方法が開示されている。電気伝導性または熱伝導性のプラスチックの組成が、配合され、次いで固体添加物製造システムでプリントされる。ソリッドステートで製造された組成、パーツ、及びコーティングは、熱伝導性と電気伝導性との両方であるように製造することもできる。ソリッドステートのプラスチックの廃棄物のリサイクル方法も開示されており、ここで、様々なプラスチックの廃棄物の材料及び形状が、ソリッドステートで処理される。プラスチックの廃棄物は、未使用プラスチック材料の混合することができるか、金属、セラミック、またはそれらの組合せなど、他のタイプの材料と混合することができる。プラスチックの廃棄物の供給原料は、異なるタイプの補強粒子またはファイバーで補強することができるか、様々な添加物が最終的な堆積物の特性を向上させるために添加される。【選択図】図４
2022500278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの導電性充填材及び少なくとも１つのポリマーまたはプラスチックを有する導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料を、固体添加物製造を使用して形成することと、
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料を、複数構成要素の部品の導電性コーティングまたは層として堆積させることによって導電性３Ｄオブジェクトを形成することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記堆積させることが、
前記少なくとも１つの導電性充填材及び前記少なくとも１つのポリマーまたはプラスチックを、固体添加物製造マシンの中空スピンドルまたはツールを介して供給することと、
前記中空ツールの回転肩部により、法線力、剪断力、及び／または摩擦力を印加することによって前記少なくとも１つの導電性充填材及び前記少なくとも１つのポリマーまたはプラスチックの激しい塑性変形を発生させることであって、前記少なくとも１つの導電性充填材及び／または前記少なくとも１つのポリマーまたはプラスチックが、界面領域において順応性のある及び／または粘弾性の状態にあるようになっており、成型された前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料を生成する、前記発生させることと、
によって実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料が、熱的に伝導性であるが、電気的に絶縁性の組成である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料が、電気的に伝導性であるが、熱的に絶縁性の組成である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記導電性ポリマーまたは熱的に絶縁プラスチック複合材料が、熱的及び電気的に伝導性である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料が、非導電性の基板またはオブジェクト上に堆積される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料が、導電性の基板またはオブジェクト上に堆積される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料が、静電気防止（ＡＳ）コーティングを形成するように堆積される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料が、静電気放電（ＥＳＤ）コーティングを形成するように堆積される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料が堆積され、電磁干渉（ＥＭＩ）シールドコーティングを形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記プラスチック複合材料の導電性が、１０2Ｓ／ｃｍより大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記プラスチック複合材料の導電性が、１Ｓ／ｃｍより大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料が堆積され、良好な熱管理特性を有するコーティングまたはオブジェクトを形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記プラスチック複合材料の熱伝導性が、１Ｗ／ｍＫより大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記プラスチック複合材料の熱伝導性が、１０Ｗ／ｍＫより大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料が、ミクロンサイズの導電性充填材を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料が、ナノサイズの導電性充填材を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料、及び／または前記導電性充填材が、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料、及び／または前記導電性充填材が、カーボンブラックを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料、及び／または前記導電性充填材が、グラファイトを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料、及び／または前記導電性充填材が、グラフェンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料、及び／または前記導電性充填材が、ＢＮを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料、及び／または前記導電性充填材が、Ａｌ2Ｏ3を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料、及び／または前記導電性充填材が、ＡｌＮを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料、及び／または前記導電性充填材が、細断されたスチールファイバーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料、及び／または前記導電性充填材が、細断された銅ファイバーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料、及び／または前記導電性充填材が、金属粒子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料、及び／または前記導電性充填材が、金属酸化物粒子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料、及び／または前記導電性充填材が、２つ以上の異なるタイプの導電性充填材を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３０】
前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料が、５×1０6／℃未満の熱膨張率（ＣＴＥ）を有している、請求項１に記載の方法。
【請求項３１】
堆積の間、前記少なくとも１つの導電性充填材が前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料内に３Ｄネットワークを形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３２】
１つまたは複数の固体添加物製造プロセスのパラメータを調整し、前記少なくとも１つの導電性充填材が前記導電性ポリマーまたは前記プラスチック複合材料内に３Ｄネットワークを形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３３】
前記１つまたは複数の固体添加物製造プロセスのパラメータには、充填材温度、スピンドル温度、ツール温度、ツール位置、下向きの力、ツール圧力、スピンドルトルク、スピンドルの角速度、ツールトルク、ツールの横断方向の速度、ツールの角速度、充填材の流量、ガス流量、及び振動が含まれる、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの導電性充填材が半導体である、請求項１に記載の方法。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの導電性充填材がセラミックである、請求項１に記載の方法。
【請求項３６】
前記少なくとも１つのポリマーまたはプラスチックが、反応性モノマーを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３７】
前記堆積ステップの間、前記反応性モノマーが、光及び／または熱のために架橋される、請求項１に記載の方法。
【請求項３８】
１つまたは複数のプラスチックの廃棄物を第１の材料として提供することと、
前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物を１つまたは複数の３Ｄプリントされた層またはオブジェクトに変換する方式で、１つまたは複数のプロセスパラメータを調整することにより、固体添加物製造マシンを使用して前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物材料を処理することと、
を含む、プラスチックリサイクル方法。
【請求項３９】
前記固体添加物製造プロセスが、
前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物材料を、前記固体添加物製造マシンの中空スピンドルまたはツールを介して供給することと、
前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物材料を基板及び／または第２の材料上に堆積させることであって、任意選択的に、前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物材料が、堆積の間にその材料の融点（Ｔｍ）未満の温度である、前記堆積させることと、
前記中空スピンドルまたは前記ツールの回転肩部により、法線力、剪断力、及び／または摩擦力を印加することによって前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物の激しい塑性変形を発生させることであって、前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物材料、前記基板及び／または前記第２の材料が、界面領域において順応性のある及び／または粘弾性の状態にあるようになっており、前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物材料を別の形態及び／または組成にリサイクルする、前記発生させることと、
を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物材料が内部を通過する前記中空ツールの回転肩部により、法線力、剪断力、及び／または摩擦力を印加することによって前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物材料の激しい塑性変形を生じるような方式、及び／または、前記基板及び／または前記第２の材料の表面領域において順応性のある状態とするような方式で、前記プロセスパラメータの１つまたは複数が調整される、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記第１の材料の１つまたは複数の層を基板及び／または第２の材料上に堆積させることをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１の材料が、プラスチックの廃棄物と未使用プラスチックとの混合物を含み、単一の供給原料として提供される、請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１の材料が、別々の供給原料として提供されるプラスチックの廃棄物と未使用プラスチック材料とを含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４４】
前記第１の材料が、単一の供給原料として提供される、プラスチックの廃棄物と金属との混合物を含んでいる、請求項３８に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１の材料が、別々の供給原料として提供されるプラスチックの廃棄物と金属材料とを含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４６】
前記第１の材料が、単一の供給原料として提供される、プラスチックの廃棄物とセラミックとの混合物を含んでいる、請求項３８に記載の方法。
【請求項４７】
前記第１の材料が、別々の供給原料として提供されるプラスチックの廃棄物とセラミック材料とを含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１の材料が、プラスチックの廃棄物と補強粒子との混合物を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４９】
前記第１の材料が、プラスチックの廃棄物と補強ファイバーとの混合物を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項５０】
前記第１の材料が、プラスチックの廃棄物と細断された補強ファイバーとの混合物を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１の材料が、プラスチックの廃棄物と潤滑剤との混合物を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項５２】
前記第１の材料が、プラスチックの廃棄物とマイクロ粒子との混合物を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項５３】
前記第１の材料が、プラスチックの廃棄物とナノ粒子との混合物を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項５４】
前記第１の材料の堆積の間にガスを供給し、多孔性の堆積を形成することをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項５５】
前記第１の材料が、プラスチックの廃棄物を含む第１のバッチと、未使用プラスチックを含む第２のバッチとを含んでおり、前記プラスチックの廃棄物と前記未使用プラスチックとが交互の層に堆積されることになる、請求項３８に記載の方法。
【請求項５６】
前記第１の材料が、前記プラスチックの廃棄物を含む第１のバッチと、前記金属を含む第２のバッチとを含んでおり、前記プラスチックの廃棄物と前記金属とが交互の層に堆積されることになる、請求項３８に記載の方法。
【請求項５７】
前記第１の材料が、前記プラスチックの廃棄物の第１のバッチと、前記セラミックの第２のバッチとを含んでおり、前記プラスチックの廃棄物と前記セラミックとが交互の層に堆積されることになる、請求項３８に記載の方法。
【請求項５８】
前記第１の材料が、前記プラスチックの廃棄物の約０％の容量から、前記プラスチックの廃棄物の約１００％の容量まで、または前記未使用プラスチックの約０％の容量から前記未使用プラスチックの約１００％の容量まで徐々に変化する、供給材料としての前記プラスチックの廃棄物及び前記未使用プラスチックを含んでいる、請求項３８に記載の方法。
【請求項５９】
前記第１の材料が、プラスチックボトル、プラスチックバッグ、及び／またはプラスチックカップなどの使用済みのプラスチックオブジェクトの細断によって生成された、プラスチックの細粒、ビーズ、ペレット、パウダー、または不定形なピースの形態のプラスチックの廃棄物を含んでいる、請求項３８に記載の方法。
【請求項６０】
前記使用済みのプラスチックオブジェクトをより小さいピースに細断して、前記第１の材料のための前記プラスチックの廃棄物を提供することをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項６１】
前記基板及び／または前記第２の材料がプラスチックを含み、前記プラスチックの廃棄物を含む前記第１の材料が、プラスチック基板の上に堆積される、請求項３８に記載の方法。
【請求項６２】
前記基板及び／または前記第２の材料が金属を含み、前記プラスチックの廃棄物を含む前記第１の材料が、金属基板の上に堆積される、請求項３８に記載の方法。
【請求項６３】
前記基板及び／または前記第２の材料がセラミックを含み、前記プラスチックの廃棄物を含む前記第１の材料が、セラミック基板の上に堆積される、請求項３８に記載の方法。
【請求項６４】
前記１つまたは複数の３Ｄプリントされた層またはオブジェクトが、３Ｄオブジェクトである、請求項３８に記載の方法。
【請求項６５】
前記１つまたは複数の３Ｄプリントされた層またはオブジェクトが、表面コーティングである、請求項３８に記載の方法。
【請求項６６】
前記１つまたは複数の３Ｄプリントされた層またはオブジェクトが、プラスチックブロックである、請求項３８に記載の方法。
【請求項６７】
前記１つまたは複数のプロセスパラメータが、充填材温度、スピンドル温度、ツール温度、ツール位置、下向きの力、ツール圧力、スピンドルトルク、スピンドルの角速度、ツールトルク、ツールの横断方向の速度、ツールの角速度、充填材の流量、ガス流量、及び／または振動から選択される固体添加物製造プロセスパラメータである、請求項３８に記載の方法。
【請求項６８】
前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物が、
ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、
ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、
ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、
ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）、
ＰＰ（ポリプロピレン）、
ＰＳ（ポリスチレン）、
アクリル、ナイロン、ポリカーボネート、及びポリ乳酸（ＰＬＡ）などの他のプラスチック、
の１つまたは複数を含んでいる、請求項３８に記載の方法。
【請求項６９】
請求項３８に記載の方法によって生成された３Ｄプリント層、オブジェクト、または製品。
【請求項７０】
前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物が、
ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、
ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、
ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、
ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）、
ＰＰ（ポリプロピレン）、
ＰＳ（ポリスチレン）、
アクリル、ナイロン、ポリカーボネート、及びポリ乳酸（ＰＬＡ）などの他のプラスチック、
の１つまたは複数を含む、請求項６９に記載の３Ｄプリント層、オブジェクト、または製品。
【請求項７１】
前記１つまたは複数のプラスチックの廃棄物が、剛性プラスチックを含む、請求項６９に記載の３Ｄプリント層、オブジェクト、または製品。
【請求項７２】
プラスチックパイプ、プラスチックタイル、もしくはプラスチックブロックであるか、またはプラスチックパイプ、プラスチックタイル、もしくはプラスチックブロックの構成要素である、請求項６９に記載の３Ｄプリント層、オブジェクト、または製品。
【請求項７３】
３Ｄプリントオブジェクトであって、第２の層に隣接した第１の層を含み、前記第１の層がプラスチックの廃棄物またはリサイクルされたプラスチックを含み、前記第２の層が未使用プラスチックを含んでいる、前記３Ｄプリントオブジェクト。
【請求項７４】
３Ｄプリントオブジェクトであって、第２の層に隣接した前記第１の層を含み、前記第１の層がプラスチックの廃棄物またはリサイクルされたプラスチックを含み、前記第２の層がプラスチックを含んでいない、前記３Ｄプリントオブジェクト。
【請求項７５】
前記第２の層が金属を含んでいる、請求項７４に記載の３Ｄプリントオブジェクト。
【請求項７６】
前記第２の層がセラミックを含んでいる、請求項７４に記載の３Ｄプリントオブジェクト。
【請求項７７】
前記第２の層が金属とセラミックとの両方を含んでいる、請求項７４に記載の３Ｄプリントオブジェクト。
【請求項７８】
３Ｄプリントオブジェクトであって、第２の層に隣接した第１の層を含み、前記第１の層が第１のプラスチックの廃棄物を含み、前記第２の層が、前記第１の層の前記プラスチックの廃棄物とは異なる第２のプラスチックの廃棄物を含んでいる、前記３Ｄプリントオブジェクト。
【請求項７９】
前記第１のプラスチックの廃棄物及び前記第２のプラスチックの廃棄物が、
ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、
ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、
ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、
ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）、
ＰＰ（ポリプロピレン）、
ＰＳ（ポリスチレン）、
アクリル、ナイロン、ポリカーボネート、及びポリ乳酸（ＰＬＡ）などの他のプラスチック、
から選択される、請求項７８に記載の３Ｄプリントオブジェクト。
【請求項８０】
プラスチックパイプ、プラスチックタイル、またはプラスチックブロックである、請求項７８に記載の３Ｄプリントオブジェクト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年９月１１日に出願された米国仮出願第６２／７２９，８３６号及び２０１８年１０月３日に出願された米国仮出願第６２／７４０，７５８号の開示に依存するとともに、出願日の優先権及び利益を主張する。これらの各々は、その全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、固体添加物製造の分野を対象としている。より詳細には、本発明の実施形態は、１つまたは複数の導電性ポリマーを有する製品の、固体添加物製造の方法に関する。各実施形態は、プラスチックの廃棄物を供給材料として組み込む固体添加物製造の方法にも関する。本方法は、供給ユニット、スピンドル、ツール、モーター、駆動ユニット、制御ユニット、監視ユニット、電力供給源、及びプロセス制御ソフトウェアの１つまたは複数を含む固体添加物製造マシンで実施され、スピンドル及びツールの各々は内部の通路を有しており、この通路は、充填材が供給ユニットから、スピンドル及びツールの内部の通路を通ってワークピースに達するように、間接的または直接的に、互いに操作可能に連通している。固体添加物製造マシンは、ツールの回転肩部により、法線力、剪断力、及び／または摩擦力を印加することにより、充填材の激しい塑性変形を生成し、それにより、充填材がインターフェース領域において順応性のある、及び／または粘弾性の状態になり、それにより、プラスチックの廃棄物が組み込まれた、成形された導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料または３Ｄプリントされた層またはオブジェクトを提供する。各実施形態は、開示の方法によって製造される製品にも関する。
【０００３】
導電性プラスチック
プラスチックは通常、電気的及び熱的に絶縁性の材料である。導電性プラスチックに関する関心が、これらプラスチックが金属に比較して与える、調整可能な導電性、より軽量の重量、固有の腐食／酸化耐性、広範囲の利用可能な特性、設計の柔軟性及び良好な加工性（所望の３Ｄ形状のプリントを含む）、拡張性、経済性（金属及び加工されたパーツよりも低コスト、より低い輸送コスト）、ならびにリサイクルに好適であることなど、多くの利点によって促されてきた。
【０００４】
多くの用途では、導電性プラスチック部品の製造は、その重量がより軽量であること、及び金属の加工にしばしば必要とされる二次過程を除去することから生じる、対応可能生に起因して、好ましい。また、多くのプラスチックは、凹み、チッピング、スクラッチ、腐食、及び化学物質に対して耐性がある。
【０００５】
導電性プラスチック
プラスチックは、その絶縁性に起因して、接地されている場合であっても、非常に容易に帯電する。プラスチック材料は、静電気で帯電した状態でとどまる。帯電したプラスチック材料は、制御されていない静電気放電（ＥＳＤ）のリスクを生じ得る。接地でさえも、一般的な（絶縁性の）プラスチック材料から電荷を除去することはない。導電性プラスチック複合材料は、絶縁プラスチックとは異なり、導電性の能力を有している。接地されている場合、導電性プラスチックは、このプラスチックが静電気を蓄積しないことから、零電位のままである。数年にわたり、導電性ポリマーが、カーボンブラック、グラファイト、金属繊維、薄片、カーボンファイバーなどの導電性充填材、ならびに、カーボンナノチューブ及び金属ナノ粒子などのナノサイズの充填材を付加することによって開発されてきている。
【０００６】
プラスチック材料の使用は、制御されない静電気放電が防止され、除去されなければならない用途において制限される。帯電しない（すなわち、消散する）導電性プラスチック複合材料は、電荷の安全な消散を確実にする。導電性プラスチック複合材料に関する用途のもっとも大きいエリアの１つが、エレクトロニクス産業に見出されている。たとえば、エレクトロニクスの製造において、もっとも重要な製造ステップが、特別なＥＳＤ保護エリア（ＥＰＡ）で実施される。ＥＰＡ内部では、すべてのオブジェクト及び作業者は、同じ電位になるように接地されていなければならない。ＥＰＡ内部のすべてのプラスチック部品は、導電性プラスチック複合材料で構成されるべきである。導電性プラスチックの複合材料は、感度のよいエレクトロニクス構成要素のパッケージングのためにも必要であり、また、航空宇宙産業の構成要素、医療用デバイス、ならびに、自動車、コンピュータ、及び電気器具の産業でも使用される。特定の用途には、自動車の燃料システム、インク及び危険な液体のための導電性貯蔵容器が含まれ、医療用デバイス、たとえばエアゾールデバイスでは、そのようなプラスチックは、物質がデバイス自体に付着することなく、エアゾールデバイスがパウダーまたは液体の全投与量を分配することを確実にする。プラスチックの導電性の規定のレンジは、制御ユニット、センサー、及びエンクロージャに必要である。
【０００７】
導電性プラスチックの他の用途には、静電気放電（ＥＳＤ）制御、及び電磁干渉（ＥＭＩ）のシールドの用途が含まれる。電磁（ＥＭ）シールドは、エレクトロニクス及びケーブルを導電性材料または磁性材料で囲んで、入ってくるか、または出ていく電磁周波数（ＥＭＦ）の放射に対して保護する操作である。ＥＭシールドは、いくつかの理由のために行われる。もっとも一般的な目的は、電磁干渉（ＥＭＩ）が、感度のよい電子機器に影響することを防止することである。航空機の避雷保護は、導電性の粒子が充填されたポリマー複合材料によって実証されている。
【０００８】
本来的に電気を通すことができる、たとえばポリアニリン、ポリチオフェン、及びポリピロールなどの特定のポリマーも存在するが、これらは、しばしば、不安定な導電材料（酸素及び湿気に対する暴露に敏感である）であり、低い導電率を有し、処理が困難である。
【０００９】
熱伝導性プラスチック
プラスチックの断熱は、特定の用途には有益であるが、多くの発熱用途におけるプラスチックの有用性を制限する。この理由は、そのような断熱により、ホットスポット及び、デバイス温度の上昇など、望ましくない影響を生じるためである。熱伝導性プラスチック、または、いわゆる、熱管理能力を有するプラスチックは、金属の伝熱及び冷却能力を、熱可塑性材料の設計自由度、軽量化、及びコストの利点と合わせるために作り出されたものである。充填材を付加することにより、熱伝導性をプラスチックに付与することは、印加された熱に対してプラスチック部品が反応する方法を変化させる。この理由は、熱管理が、性能、耐用年数、及び電子デバイスの信頼性に重要であるためである。「良好な」熱伝導性プラスチック材料は、印加された熱エネルギーに単に耐えるよりむしろ、熱エネルギーを管理する。
【００１０】
熱伝導性プラスチック部品が有用となる用途には、ヒートシンクなどの多くの熱管理用途、及び、電子機器内で発熱が生じる用途におけるものなどの他の熱除去部品、装置、照明装置（たとえばＬＥＤライト）、自動車製品、及び多くの他の産業上の製品が含まれる。センサーのプラスチックハウジングは、導電性プラスチックを必要としている。たとえば、温度センサーでは、熱伝導性プラスチックの封止が、温度センサー自体の応答性を向上させる助けになり得る。熱伝導性複合材料は、モーター及びモーターボビンを封止するためにも使用される。燃料ポンプは、氷点下の温度において燃料を流し続けることを補助するために熱伝導性プラスチックを使用する。
【００１１】
従来、アルミニウムは、電子機器内でより高い熱フラックスを制御するための主要な材料である。しかし、ときには、空気の対流が表面から熱を除去できるよりも速く製品の表面に熱を伝える事例など、アルミニウムの高い熱伝導性を有効に利用することができない。多くの用途における伝熱は、対流によって制限されるものであり、伝導性によって制限される（たとえば、材料に依存する）ものではない。熱伝導性プラスチックは、いくつかの金属の設計に等しい伝熱を提供することができる。通常、対流が制限因子である多くの用途に関し、熱伝導性プラスチックが金属よりも良好にフィットする。
【００１２】
さらに、熱伝導性プラスチックは、通常、金属よりも低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有し、それにより、差異のある膨張に起因する応力を低減させることができる。実際、プラスチックは、シリコンまたはセラミックの熱膨張係数により密にマッチする。
【００１３】
導電性プラスチックの合成の課題
プラスチックの熱及び／または電気伝導性を向上させるために、プラスチックを複合及び変更することに関連する、いくつかの技術的課題が存在する。初期費用が高いことが、導電性プラスチックの合成をより広く許容することの、もっとも大きい障害の１つである。重要な要素は、良好な電気及び／または熱伝導性を達成するために使用される高額の充填材である。このことは、導電性プラスチックの合成が、金属よりもかなりの費用がかかることに繋がる。さらに、導電性プラスチック材料を形成することは、導電性充填材をポリマーマトリクスに混合するシンプルなステップではない。ポリマー全体にわたる導電ネットワークの良好な分散及び形成がしばしば必要とされる。このネットワークは、電荷及び／または熱を通すための通路としての役割を果たす。そうでなければ、導電性粒子が絶縁ポリマー媒体を通して良好に分散されていないが、絶縁された集合体を形成する場合、最終的な複合材料は、まったく導電性ではない。この複合材料は、絶縁ポリマー内に補足された（または絶縁ポリマーがコーティングされた）導電性粒子複合材料である。
【００１４】
今日まで、既知の混合方法は、導電性粒子を、通常は溶融状態のポリマー、すなわち、材料の融点Ｔmより上の温度で添加することを伴う。このことには、ポリマー材料をそのＴmより上まで加熱するためのエネルギーが必要である。また、さらに、これら混合方法の多くは、導電性粒子の集合体となる結果となるか、または、必要な導電性の値に達するように、導電性充填材の導入レベルを高くする必要がある。
【００１５】
さらに、高度な電気的及び／または熱的な伝導性を確実にするために、高密度の導電性充填材が必要である。このことは、ベースポリマーの他の特性（たとえば、加工性、機械的特性）に負の影響を生じ得る。導電性充填材の含有量が多くなると、（充填材が良好に分散されていると仮定して）良好な導電性の組成を与えるが、この含有量は、通常、（溶融粘度が顕著に増大することに起因して）ベースポリマーの機械的特性及び加工性に負の影響を生じる。したがって、各材料のタイプに関し、充填材の量及び所望の特性に関し、妥協する必要がある。
【００１６】
ミクロンサイズの導電性粒子に対し、ナノサイズの導電性粒子を使用することは、導電性充填材の高い導入レベルの問題を解決する場合がある。通常、ポリマー複合材料が導電性となる密度はかなり低く、ときには、ミクロンサイズの導電性充填材を使用した組成と比較し、ナノサイズの導電性充填材を使用した組成に関して１０倍小さくなる。たとえば、特定のポリマーに関する浸透ゾーン、すなわち、絶縁材料から導電材料への変化は、１０ｖｏｌ％から２０ｖｏｌ％のミクロンサイズの導電性充填材、または、同じ導電性充填材がナノメートルサイズの粒子で使用される場合は０．５ｖｏｌ％から１ｖｏｌ％で、両方のケースで良好な分散が達成されたとの仮定の下で、生じる場合がある。当然、充填材の導入レベルは、形態構造、粒子形状、及び、異方性の充填材粒子のケースではアスペクト比によってさらに影響される。
【００１７】
十分な電気的及び／または熱的な伝導性の値を有する導電性ポリマー複合材料に繋がる、導電性充填材をポリマーマトリクス材料内に良好に分散させることの上述の課題を考慮すると、導電性ポリマーベースの複合材料、ならびに、導電性コーティング及び導電性部品としての複合材料の堆積を形成する、費用効果が高くかつ混合に有効な方法が必要とされている。
【００１８】
プラスチックのリサイクル
プラスチックのリサイクルは、異なるタイプのプラスチック材料を、様々な他の製品、通常はダウンサイジングされた製品に再処理するために、それらプラスチック材料を回収するプロセスである。プラスチックのリサイクルは、未使用プラスチックを形成するために必要なエネルギー及び天然資源を節約する助けになる。実際、プラスチックの９０％は、再生不可能な化石燃料から作られている。プラスチックの廃棄物をリサイクルすることにより、廃棄物が埋立地に蓄積し、地上を占め、他のタイプの廃棄物とともに有毒ガスを放出することがなくなる。潜在的にリサイクルされ得るこのプラスチックの廃棄物のほとんどは、リサイクルできないプラスチックに加え、海洋及び埋立地で終わる。国際連合は、海洋におけるプラスチック汚染を「惑星の危機」と称している。別の研究により、海洋のプラスチック量が、２０５０年までに（重量で）魚を超えることが概算されている。さらに、向こう数年の間、プラスチックの生産は減速することはない。次の２０年の間に２倍になり、２０５０年までにほぼ４倍になることが予測されている。
【００１９】
プラスチックの廃棄物は、大きな問題となってきているが、プラスチックの廃棄物の９％だけしかリサイクルされていない。リサイクルの前に必要とされる技術的ハードルなど、このための多くの理由が存在している。廃棄物は、たとえば、並べ換え、洗浄、細断、分類、及びそれに次ぐ、新たな製品、通常はダウンサイジングされた製品への射出成型または鋳造など、いくつかの段階を経る必要がある。並べ換えは、異なるタイプのプラスチックを分ける必要がある、時間のかかるプロセスである。この理由は、同じであるか同様の特性のプラスチックのみを一緒にリサイクルすることができ、また、非常に多くの異なる種類のプラスチック材料が存在し、その多くが環境内で非常に永続性があり、不活性であるように形成されているためである。さらに、最終的に埋立地となる前に限られた回数だけ、リサイクルできるのみである。ときには、リサイクル可能なプラスチック材料の値段が、より低いオイルの値段により、リサイクルされたプラスチックの低い需要及びその限られた用途のために、未使用プラスチックの値段よりも高い。したがって、多くのプラスチックリサイクル会社は閉鎖し、プラスチックのリサイクルのための新たな技術を開発することに関する関心は限られている。
【００２０】
プラスチックに関する２つの主要なリサイクル方法が、プラスチックの機械的リサイクルと化学的リサイクルである。機械的リサイクルは、プラスチックがより小さいピースに切断され、洗浄され、溶融され、あらたな製品へと再成形される場合である。化学的リサイクルは、プラスチックの結合を分子レベルで破壊する。各プラスチック材料は、特徴的な結合を有しており、特別な触媒（化学物質）が、これら特定の結合を攻撃するために使用される。理想的には、プラスチックはモノマーレベルに崩され（触媒が解重合を生じる）、このモノマーが、次いで、同じ新鮮な、またはいわゆる「未使用」プラスチックを形成するために使用され得る。しかし、化学的リサイクルは、通常、非常に高い温度を必要とし、分離する必要がある複数の製品の混合物を生じ、別の緩慢かつ高額のプロセスを生じる。
【００２１】
したがって、プラスチックのリサイクルの上述の課題を克服し、リサイクルの前に並べ換え及び他の緩慢な段階を経ることなく、迅速な方法で様々なプラスチック材料をリサイクルすることが可能である、安価な技術が必要とされている。
【発明の概要】
【００２２】
本開示の各実施形態は、固体添加物製造技術による、導電性プラスチック複合材料、導電性コーティング、たとえばＥＭＩシールド、静電気防止（ＡＳ）及びＥＳＤコーティング、及び３Ｄ導電性プラスチックオブジェクトの、費用効果のある製造を対象としている。導電性充填材を熱可塑性ポリマー材料に現場で混合するための方法、及びその後の堆積が開示されている。さらに、各実施形態は、現場で細断し、混合し、かつ後の３Ｄパーツ及びコーティングに堆積させることによってプラスチック廃棄物をリサイクルするための方法を対象としている。各実施形態は、開示の方法によって製造された任意の製品も含んでいる。
【００２３】
本開示の実施例には、限定ではないが、以下が含まれる。
【００２４】
実施形態１は、少なくとも１つの導電性充填材及び少なくとも１つのポリマーまたはプラスチックを有する導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料を、固体添加物製造を使用して形成することと、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料を、複数構成要素の部品内の導電性コーティングまたは層として堆積させることによって導電性３Ｄオブジェクトを形成することと、を含む、方法である。そのような方法は、少なくとも１つの導電性充填材及び少なくとも１つのポリマーまたはプラスチックを有する導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料を、固体添加物製造を通して形成する方法が含まれ、固体添加物製造プロセスが、少なくとも１つの導電性充填材及び少なくとも１つのポリマーまたはプラスチックを、固体添加物製造マシンの中空スピンドルまたはツールを通して供給することと、少なくとも１つの導電性充填材を、少なくとも１つのポリマーまたはプラスチック上か、またはともに堆積させることと、中空ツールの回転肩部により、法線力、剪断力、及び／または摩擦力を印加することによって少なくとも１つの導電性充填材及び少なくとも１つのポリマーまたはプラスチックの激しい塑性変形を発生させることであって、それにより、少なくとも１つの導電性充填材及び／または少なくとも１つのポリマーまたはプラスチックが、界面領域において順応性のある及び／または粘弾性の状態にあるようになっており、それにより、成型された導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料を生成する、発生させることと、を含んでいる。
【００２５】
実施形態２は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、導電性コーティング、導電性層、または導電性３Ｄオブジェクトを含む、実施形態１に記載の方法である。
【００２６】
実施形態３は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、熱的に伝導性であるが、電気的に絶縁性の組成である、実施形態１または実施形態２に記載の方法である。
【００２７】
実施形態４は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、電気的に伝導性であるが、熱的に絶縁性の組成である、実施形態１から実施形態３のいずれかに記載の方法である。
【００２８】
実施形態５は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、熱的及び電気的に伝導性である、実施形態１から実施形態４のいずれかに記載の方法である。
【００２９】
実施形態６は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、非導電性の基板またはオブジェクト上に堆積される、実施形態１から実施形態５のいずれかに記載の方法である。
【００３０】
実施形態７は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、導電性の基板またはオブジェクト上に堆積される、実施形態１から実施形態６のいずれかに記載の方法である。
【００３１】
実施形態８は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、静電気防止（ＡＳ）コーティングを形成するように堆積される、実施形態１から実施形態７のいずれかに記載の方法である。
【００３２】
実施形態９は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、静電気放電（ＥＳＤ）コーティングを形成するように堆積される、実施形態１から実施形態８のいずれかに記載の方法である。
【００３３】
実施形態１０は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、電磁干渉（ＥＭＩ）シールドコーティングを形成するように堆積される、実施形態１から実施形態９のいずれかに記載の方法である。
【００３４】
実施形態１１は、プラスチック複合材料の導電性が、１０2Ｓ／ｃｍより大きい、実施形態１から実施形態１０のいずれかに記載の方法である。
【００３５】
実施形態１２は、プラスチック複合材料の導電性が、１Ｓ／ｃｍより大きい、実施形態１から実施形態１１のいずれかに記載の方法である。
【００３６】
実施形態１３は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、良好な熱管理特性を有するコーティングまたはオブジェクトを形成するように堆積される、実施形態１から実施形態１２のいずれかに記載の方法である。
【００３７】
実施形態１４は、プラスチック複合材料の熱伝導性が、１Ｗ／ｍＫより大きい、実施形態１から実施形態１３のいずれかに記載の方法である。
【００３８】
実施形態１５は、プラスチック複合材料の熱伝導性が、１０Ｗ／ｍＫより大きい、実施形態１から実施形態１４のいずれかに記載の方法である。
【００３９】
実施形態１６は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、ミクロンサイズの導電性充填材を含む、実施形態１から実施形態１５のいずれかに記載の方法である。
【００４０】
実施形態１７は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、ナノサイズの導電性充填材を含む、実施形態１から実施形態１６のいずれかに記載の方法である。
【００４１】
実施形態１８は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料、及び／または導電性充填材が、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む、実施形態１から実施形態１７のいずれかに記載の方法である。
【００４２】
実施形態１９は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料、及び／または導電性充填材が、カーボンブラックを含む、実施形態１から実施形態１８のいずれかに記載の方法である。
【００４３】
実施形態２０は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料、及び／または導電性充填材が、グラファイトを含む、実施形態１から実施形態１９のいずれかに記載の方法である。
【００４４】
実施形態２１は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料、及び／または導電性充填材が、グラフェンを含む、実施形態１から実施形態２０のいずれかに記載の方法である。
【００４５】
実施形態２２は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料、及び／または導電性充填材が、ＢＮを含む、実施形態１から実施形態２１のいずれかに記載の方法である。
【００４６】
実施形態２３は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料、及び／または導電性充填材が、Ａｌ2Ｏ3を含む、実施形態１から実施形態２２のいずれかに記載の方法である。
【００４７】
実施形態２４は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料、及び／または導電性充填材が、ＡｌＮを含む、実施形態１から実施形態２３のいずれかに記載の方法である。
【００４８】
実施形態２５は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料、及び／または導電性充填材が、細断されたスチールファイバーを含む、実施形態１から実施形態２４のいずれかに記載の方法である。
【００４９】
実施形態２６は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料、及び／または導電性充填材が、細断された銅ファイバーを含む、実施形態１から実施形態２５のいずれかに記載の方法である。
【００５０】
実施形態２７は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料、及び／または導電性充填材が、金属粒子を含む、実施形態１から実施形態２６のいずれかに記載の方法である。
【００５１】
実施形態２８は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料、及び／または導電性充填材が、金属酸化物粒子を含む、実施形態１から実施形態２７のいずれかに記載の方法である。
【００５２】
実施形態２９は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料、及び／または導電性充填材が、２つ以上の異なるタイプの導電性充填材を含む、実施形態１から実施形態２８のいずれかに記載の方法である。
【００５３】
実施形態３０は、導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料が、５×1０6／℃未満の熱膨張率（ＣＴＥ）を有している、実施形態１から実施形態２９のいずれかに記載の方法である。
【００５４】
実施形態３１は、堆積の間、少なくとも１つの導電性充填材が導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料内に３Ｄネットワークを形成する、実施形態１から実施形態３０のいずれかに記載の方法である。
【００５５】
実施形態３２は、少なくとも１つの導電性充填材が導電性ポリマーまたはプラスチック複合材料内に３Ｄネットワークを形成するように、１つまたは複数の固体添加物製造プロセスのパラメータが調整される、実施形態１から実施形態３１のいずれかに記載の方法である。
【００５６】
実施形態３３は、１つまたは複数の固体添加物製造プロセスのパラメータには、充填材温度、スピンドル温度、ツール温度、ツール位置、下向きの力、ツール圧力、スピンドルトルク、スピンドルの角速度、ツールトルク、ツールの横断方向の速度、ツールの角速度、充填材の流量、ガス流量、及び振動が含まれる、実施形態１から実施形態３２のいずれかに記載の方法である。
【００５７】
実施形態３４は、少なくとも１つの導電性充填材が半導体である、実施形態１から実施形態３３のいずれかに記載の方法である。
【００５８】
実施形態３５は、少なくとも１つの導電性充填材がセラミックである、実施形態１から実施形態３４のいずれかに記載の方法である。
【００５９】
実施形態３６は、少なくとも１つのポリマーまたはプラスチックが、反応性モノマーを含んでいる、実施形態１から実施形態３５のいずれかに記載の方法である。
【００６０】
実施形態３７は、堆積ステップの間、反応性モノマーが、光及び／または熱のために架橋される、実施形態１から実施形態３６のいずれかに記載の方法である。
【００６１】
実施形態３８は、１つまたは複数のプラスチックの廃棄物を第１の材料として提供することと、１つまたは複数のプラスチックの廃棄物を１つまたは複数の３Ｄプリントされた層またはオブジェクトに変換する方式で、１つまたは複数のプロセスパラメータを調整することにより、固体添加物製造マシンを使用して１つまたは複数のプラスチックの廃棄物材料を処理することと、を含む、プラスチックリサイクル方法である。そのような方法には、固体添加物製造マシンでプラスチックの廃棄物をリサイクルする方法が含まれ、この方法は、固体添加物製造マシン内にプラスチックの廃棄物を含む第１の材料を提供することと、固体添加物製造プロセスから生じる、プラスチックの廃棄物を３Ｄプリントされた層またはオブジェクトに組み込む方式で、１つまたは複数の固体添加物製造プロセスパラメータを調整することと、を含み、固体添加物製造プロセスが、第１の材料を、固体添加物製造マシンの中空スピンドルまたはツールを通して供給することと、第１の材料を第２の材料上に堆積させることであって、第１の材料が、堆積の間その融点（Ｔｍ）未満である、堆積させることと、中空ツールの回転肩部により、法線力、剪断力、及び／または摩擦力を印加することにより、第１の材料の激しい塑性変形を生成し、それにより、第１の材料及び第２の材料が界面領域において順応性のある、及び／または粘弾性の状態になり、それにより、プラスチックの廃棄物が組み込まれた、結果としての固体添加物製造の３Ｄプリントされた層またはオブジェクトを提供することと、を含んでいる。
【００６２】
実施形態３９は、固体添加物製造プロセスパラメータの１つまたは複数が、法線力、剪断力、及び／または摩擦力を適用することによって第１の材料の激しい塑性変形を生じる方式で調整される、実施形態３８に記載の方法である。
【００６３】
実施形態４０は、固体添加物製造プロセスが、変形された第１の材料が、中空ツールの回転肩部によって堆積される、第２の材料の表面領域における順応性のある状態にする、実施形態３８または実施形態３９に記載の方法である。
【００６４】
実施形態４１は、第１の材料の１つまたは複数の層を第２の材料上に堆積させることをさらに含む、実施形態３８から実施形態４０のいずれかに記載の方法である。
【００６５】
実施形態４２は、第１の材料が、プラスチックの廃棄物と未使用プラスチックとの混合物を含み、単一の供給原料として提供される、実施形態３８から実施形態４１のいずれかに記載の方法である。
【００６６】
実施形態４３は、第１の材料が、別々の供給原料として提供されるプラスチックの廃棄物と未使用プラスチック材料とを含む、実施形態３８から実施形態４２のいずれかに記載の方法である。
【００６７】
実施形態４４は、第１の材料が、単一の供給原料として提供される、プラスチックの廃棄物と金属との混合物を含んでいる実施形態３８から実施形態４３のいずれかに記載の方法である。
【００６８】
実施形態４５は、第１の材料が、別々の供給原料として提供されるプラスチックの廃棄物と金属材料とを含む、実施形態３８から実施形態４４のいずれかに記載の方法である。
【００６９】
実施形態４６は、第１の材料が、単一の供給原料として提供される、プラスチックの廃棄物とセラミックとの混合物を含んでいる実施形態３８から実施形態４５のいずれかに記載の方法である。
【００７０】
実施形態４７は、第１の材料が、別々の供給原料として提供されるプラスチックの廃棄物とセラミック材料とを含む、実施形態３８から実施形態４６のいずれかに記載の方法である。
【００７１】
実施形態４８は、第１の材料が、プラスチックの廃棄物と補強粒子との混合物を含む、実施形態３８から実施形態４７のいずれかに記載の方法である。
【００７２】
実施形態４９は、第１の材料が、プラスチックの廃棄物と補強ファイバーとの混合物を含む、実施形態３８から実施形態４８のいずれかに記載の方法である。
【００７３】
実施形態５０は、第１の材料が、プラスチックの廃棄物と細断された補強ファイバーとの混合物を含む、実施形態３８から実施形態４９のいずれかに記載の方法である。
【００７４】
実施形態５１は、第１の材料が、プラスチックの廃棄物と潤滑剤との混合物を含む、実施形態３８から実施形態５０のいずれかに記載の方法である。
【００７５】
実施形態５２は、第１の材料が、プラスチックの廃棄物とマイクロ粒子との混合物を含む、実施形態３８から実施形態５１のいずれかに記載の方法である。
【００７６】
実施形態５３は、第１の材料が、プラスチックの廃棄物とナノ粒子との混合物を含む、実施形態３８から実施形態５２のいずれかに記載の方法である。
【００７７】
実施形態５４は、多孔性の堆積を形成するように、第１の材料の堆積の間にガスを供給することをさらに含む、実施形態３８から実施形態５３のいずれかに記載の方法である。
【００７８】
実施形態５５は、第１の材料が、プラスチックの廃棄物を含む第１のバッチと、未使用プラスチックを含む第２のバッチとを含んでおり、プラスチックの廃棄物と未使用プラスチックとが交互の層に堆積されることになる、実施形態３８から実施形態５４のいずれかに記載の方法である。
【００７９】
実施形態５６は、第１の材料が、プラスチックの廃棄物を含む第１のバッチと、金属を含む第２のバッチとを含んでおり、プラスチックの廃棄物と金属とが交互の層に堆積されることになる、実施形態３８から実施形態５５のいずれかに記載の方法である。
【００８０】
実施形態５７は、第１の材料が、プラスチックの廃棄物の第１のバッチと、セラミックの第２のバッチとを含んでおり、プラスチックの廃棄物とセラミックとが交互の層に堆積されることになる、実施形態３８から実施形態５６のいずれかに記載の方法である。
【００８１】
実施形態５８は、第１の材料が、プラスチックの廃棄物の約０％の容量から、プラスチックの廃棄物の約１００％の容量まで、または未使用プラスチックの約０％の容量から未使用プラスチックの約１００％の容量まで徐々に変化する、供給材料としてのプラスチックの廃棄物及び未使用プラスチックを含んでいる、実施形態３８から実施形態５７のいずれかに記載の方法である。
【００８２】
実施形態５９は、第１の材料が、プラスチックボトル、プラスチックバッグ、及び／またはプラスチックカップなどの使用済みのプラスチックオブジェクトの細断によって生成された、プラスチックの細粒、ビーズ、ペレット、パウダー、または不定形なピースの形態のプラスチックの廃棄物を含んでいる、実施形態３８から実施形態５８のいずれかに記載の方法である。
【００８３】
実施形態６０は、使用済みのプラスチックオブジェクトをより小さいピースに細断して、第１の材料のためのプラスチックの廃棄物を提供することをさらに含む、実施形態３８から実施形態５９のいずれかに記載の方法である。
【００８４】
実施形態６１は、基板及び／または第２の材料がプラスチックを含み、プラスチックの廃棄物を含む第１の材料が、プラスチック基板の上に堆積される、実施形態３８から実施形態６０のいずれかに記載の方法である。
【００８５】
実施形態６２は、基板及び／または第２の材料が金属を含み、プラスチックの廃棄物を含む第１の材料が、金属基板の上に堆積される、実施形態３８から実施形態６１のいずれかに記載の方法である。
【００８６】
実施形態６３は、基板及び／または第２の材料がセラミックを含み、プラスチックの廃棄物を含む第１の材料が、セラミック基板の上に堆積される、実施形態３８から実施形態６２のいずれかに記載の方法である。
【００８７】
実施形態６４は、結果としての、プラスチックの廃棄物が組み込まれた状態で、固体添加物製造３Ｄプリントされた層またはオブジェクトが、３Ｄオブジェクトである、実施形態３８から実施形態６３のいずれかに記載の方法である。
【００８８】
実施形態６５は、結果としての、プラスチックの廃棄物が組み込まれた状態で、固体添加物製造３Ｄプリントされた層またはオブジェクトが、表面コーティングである、実施形態３８から実施形態６４のいずれかに記載の方法である。
【００８９】
実施形態６６は、結果としての、プラスチックの廃棄物が組み込まれた状態で、固体添加物製造３Ｄプリントされた層またはオブジェクトが、プラスチックブロックである、実施形態３８から実施形態６５のいずれかに記載の方法である。
【００９０】
実施形態６７は、１つまたは複数の固体添加物製造プロセスのパラメータには、充填材温度、スピンドル温度、ツール温度、ツール位置、下向きの力、ツール圧力、スピンドルトルク、スピンドルの角速度、ツールトルク、ツールの横断方向の速度、ツールの角速度、充填材の流量、ガス流量、及び／または振動の１つまたは複数が含まれる、実施形態３８から実施形態６６のいずれかに記載の方法である。
【００９１】
実施形態６８は、プラスチックの廃棄物が、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、アクリル、ナイロン、ポリカーボネート、及びポリ乳酸（ＰＬＡ）などの他のプラスチックの、プラスチックの１つまたは複数を含んでいる、実施形態３８から実施形態６７のいずれかに記載の方法である。
【００９２】
実施形態６９は、実施形態３８から実施形態６８のいずれかに記載の方法によって製造される、３Ｄプリントされた層、オブジェクト、または製品である。
【００９３】
実施形態７０は、プラスチックの廃棄物またはリサイクルされたプラスチックが、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、アクリル、ナイロン、ポリカーボネート、及びポリ乳酸（ＰＬＡ）などの他のプラスチックの、１つまたは複数を含む、実施形態６９に記載の３Ｄプリント層、オブジェクト、または製品である。
【００９４】
実施形態７１は、プラスチックの廃棄物またはリサイクルされたプラスチックが、剛性プラスチックを含む、実施形態６９または実施形態７０に記載の３Ｄプリント層、オブジェクト、または製品である。
【００９５】
実施形態７２は、プラスチックパイプ、プラスチックタイル、もしくはプラスチックブロックであるか、またはプラスチックパイプ、プラスチックタイル、もしくはプラスチックブロックの構成要素である、実施形態６９から実施形態７１のいずれかに記載の３Ｄプリント層、オブジェクト、または製品である。
【００９６】
実施形態７３は、第１の層であって、第２の層に隣接した第１の層を含み、この第１の層がプラスチックの廃棄物またはリサイクルされたプラスチックを含み、この第２の層が未使用プラスチックを含んでいる、３Ｄプリントオブジェクトである。
【００９７】
実施形態７４は、第１の層であって、第２の層に隣接した第１の層を含み、この第１の層がプラスチックの廃棄物またはリサイクルされたプラスチックを含み、この第２の層がプラスチックを含んでいない、３Ｄプリントオブジェクトである。
【００９８】
実施形態７５は、第２の層が金属を含んでいる、実施形態７４に記載の３Ｄプリントオブジェクトである。
【００９９】
実施形態７６は、第２の層がセラミックを含んでいる、実施形態７４に記載の３Ｄプリントオブジェクトである。
【０１００】
実施形態７７は、第２の層が金属とセラミックとの両方を含んでいる、実施形態７４に記載の３Ｄプリントオブジェクトである。
【０１０１】
実施形態７８は、３Ｄプリントオブジェクトであって、第２の層に隣接した第１の層を含み、第１の層が第１のプラスチックの廃棄物を含み、第２の層が、第１の層のプラスチックの廃棄物とは異なる第２のプラスチックの廃棄物を含んでいる、３Ｄプリントオブジェクトである。
【０１０２】
実施形態７９は、第１のプラスチックの廃棄物及び第２のプラスチックの廃棄物が、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、アクリル、ナイロン、ポリカーボネート、及びポリ乳酸（ＰＬＡ）などの他のプラスチックから選択される、実施形態７８に記載の３Ｄプリントオブジェクトである。
【０１０３】
実施形態８０は、プラスチックパイプ、プラスチックタイル、またはプラスチックブロックである、実施形態７８または実施形態７９に記載の３Ｄプリントオブジェクトである。
【０１０４】
これら及び他の実施形態は、以下の詳細な説明で一層精巧なものになるであろう。
【０１０５】
添付図面は、本発明の実施形態の特定の態様を図示しており、本発明を限定するためには使用されるべきではない。記載の詳細な説明とともに、図面は、本発明の特定の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】絶縁性、半導性、及び導電性の材料に関する導電性の値を提供する図であり、ここで、導電性ポリマーの組成が、ポリマーマトリクスにおける導電性充填材の分散の様々な方法（固体添加物製造とは異なる）によって形成されている。
【図２Ａ】実施形態に係る、導電性プラスチック層の現場での配合及び堆積、ならびに既存のパーツ上でのコーティングが可能である固体添加物製造システムの概略図である。
【図２Ｂ】実施形態に係る、導電性プラスチック層の現場での配合及び堆積、ならびに既存のパーツ上でのコーティングが可能である固体添加物製造システムの概略図である。
【図３Ａ】実施形態に係る、絶縁性及び「導電性」のネットワークの形成の潜在的な実施例の概略図である。実施例には、３Ｄ導電性ネットワークを形成するのに十分ではない低い導入レベル（図３Ａ）、及び、３Ｄ導電性ネットワークを形成するのに十分なより高い導入レベル（図３Ｂ）での粒子タイプの導電性充填材、ならびに、導電性３Ｄネットワークを与えない絶縁された集合体を形成する粒子タイプの充填材（図３Ｃ）が含まれる。
【図３Ｂ】実施形態に係る、絶縁性及び「導電性」のネットワークの形成の潜在的な実施例の概略図である。実施例には、３Ｄ導電性ネットワークを形成するのに十分ではない低い導入レベル（図３Ａ）、及び、３Ｄ導電性ネットワークを形成するのに十分なより高い導入レベル（図３Ｂ）での粒子タイプの導電性充填材、ならびに、導電性３Ｄネットワークを与えない絶縁された集合体を形成する粒子タイプの充填材（図３Ｃ）が含まれる。
【図３Ｃ】実施形態に係る、絶縁性及び「導電性」のネットワークの形成の潜在的な実施例の概略図である。実施例には、３Ｄ導電性ネットワークを形成するのに十分ではない低い導入レベル（図３Ａ）、及び、３Ｄ導電性ネットワークを形成するのに十分なより高い導入レベル（図３Ｂ）での粒子タイプの導電性充填材、ならびに、導電性３Ｄネットワークを与えない絶縁された集合体を形成する粒子タイプの充填材（図３Ｃ）が含まれる。
【図３Ｄ】実施形態に係る、絶縁性及び「導電性」のネットワークの形成の潜在的な実施例の概略図である。絶縁材料を与える、低い導入レベル（図３Ｄ）、及び、導電ネットワークを与えるより高い導入レベル（図３Ｅ及び図３Ｆ）でのニードル状またはロッド状の導電性充填材も提供される。
【図３Ｅ】実施形態に係る、絶縁性及び「導電性」のネットワークの形成の潜在的な実施例の概略図である。絶縁材料を与える、低い導入レベル（図３Ｄ）、及び、導電ネットワークを与えるより高い導入レベル（図３Ｅ及び図３Ｆ）でのニードル状またはロッド状の導電性充填材も提供される。
【図３Ｆ】実施形態に係る、絶縁性及び「導電性」のネットワークの形成の潜在的な実施例の概略図である。絶縁材料を与える、低い導入レベル（図３Ｄ）、及び、導電ネットワークを与えるより高い導入レベル（図３Ｅ及び図３Ｆ）でのニードル状またはロッド状の導電性充填材も提供される。
【図３Ｇ】実施形態に係る、絶縁性及び「導電性」のネットワークの形成の潜在的な実施例の概略図である。それぞれ絶縁材料と導電材料とになる、低い導入レベルとより高い導入レベルとでの、細断されたファイバータイプの充填材の実施例が、図３Ｇと図３Ｈとに提供されている。
【図３Ｈ】実施形態に係る、絶縁性及び「導電性」のネットワークの形成の潜在的な実施例の概略図である。それぞれ絶縁材料と導電材料とになる、低い導入レベルとより高い導入レベルとでの、細断されたファイバータイプの充填材の実施例が、図３Ｇと図３Ｈとに提供されている。
【図４】実施形態に係る、様々なタイプのプラスチック廃棄物を受領及び細断し、それらの後の堆積が可能である固体添加物製造システムの概略図である。
【図５Ａ】実施形態に係る、基板上の、ソリッドステートの、添加製造され堆積されたプラスチックの廃棄物の層の概略図である。
【図５Ｂ】実施形態に係る、２つの異なるプラスチックの廃棄物の供給原料からの、２つの異なる層の固体添加物製造の堆積の概略図である。
【図５Ｃ】実施形態に係る、未使用プラスチック及びプラスチックの廃棄物を含む供給原料からの層の固体添加物製造の堆積の概略図である。
【図５Ｄ】実施形態に係る、供給原料として未使用プラスチック及びプラスチックの廃棄物を使用した、横断方向に沿う固体添加物製造で生成された組成の勾配の概略図である。
【図５Ｅ】実施形態に係る、異なる割合の未使用プラスチック及びプラスチックの廃棄物の供給原料を使用した、堆積された層の厚さに沿う固体添加物製造で生成された組成の勾配の概略図である。
【図５Ｆ】実施形態に係る、リサイクルされたプラスチックの層と、他のタイプの層、たとえば未使用プラスチック層とを含む、交互の固体添加物製造で堆積された層の概略図である。
【図６Ａ】実施形態に係る、通常は構造的に弱いゾーンである２つの相間に相の境界が示されている、２つのプラスチックＸ及びＹの間の相の分離を示す概略図である。
【図６Ｂ】実施形態に係る、相溶剤を使用した結果として、異なる相を含むポリマーシステム内で相の境界が示されていない概略図である。
【図７Ａ】実施形態に係る、かみ合いを使用した、未使用プラスチック（ＶＰ）とリサイクルされたプラスチックの廃棄物（ＷＰ）との、固体添加物製造で堆積された層の断面の概略図である。
【図７Ｂ】実施形態に係る、異なるかみ合いの断面の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０１０７】
ここで、本発明の様々な例示的実施形態を詳細に参照する。例示的実施形態の以下の詳細な説明は、本発明の限定としては意図されていないことを理解されたい。むしろ、以下の詳細な説明は、本発明の特定の態様及び特徴のより詳細な理解を読み手に与えるために提供されている。
【０１０８】
本明細書で仕様される場合、「固体添加物製造」は、「添加物の摩擦攪拌」及び／または本明細書に記載の任意のプロセス、たとえば、供給原料を、ツールを通して搬送し、供給原料及び／または基板の一方または両方を、全体として、または部分的に変形させて、供給原料及び基板及び／または１つまたは複数の追加の構造的特徴を結合することを可能にする方式で供給原料及び／または基板を処理する、回転可能及び／または移動可能なツールを使用した製造プロセスなどに言及するとともに相互交換可能である。
【０１０９】
本明細書で使用される場合、「コーティング材料」との用語は、「充填材」及び／または「供給原料」及び／または「消耗物」及び／または「消耗材料」と相互交換可能に使用される。これらの各々は、独立してまたは集合的に、本開示に記載されるような回転する攪拌ツールのスロートを通して供給される添加材料に関連する。
【０１１０】
固体添加物製造技術により、マトリクスを溶融することなく、導電性充填材の粒子の、熱可塑性マトリクス内での現場での混合及び分散が可能にされ、一方、結果としての製品を電気的及び／または熱的に伝導性とする。絶縁性、半導性、及び導電性の材料に関する導電性の値を提供する図であり、ここで、導電性ポリマーの組成が、ポリマーマトリクスにおける導電性充填材の分散の様々な方法（固体添加物製造とは異なる）によって形成されている図が、図１に提供されている。
【０１１１】
固体添加物製造技術は、材料を溶融することなく、開いた雰囲気で作動する、環境に優しい技術である。固体添加物製造システムは、熱機械的手段によって材料を堆積させる。このシステムは、堆積された材料と、その上に堆積されている材料との両方を順応性のあるものにするように、様々な力と回転との組合せに起因して、材料内の激しい塑性変形を生じる。材料はソリッドステートであり、競合する技術との特有の相違がある。摩擦攪拌動作に起因して、個別の粒／粒子／ピースが、より小さいサイズまで砕かれ、まとめられる。全体の操作は、空中で発生し、固体添加物製造システムを、動作するのに複雑ではなく、かつ安価とする。固体添加物製造プロセスが完結した後は、焼きなましまたは焼結などの、競合する溶融ベースのプロセスによって必要とされる追加のステップは不要である。
【０１１２】
固体添加物製造プロセスで処理される熱可塑性ポリマーは、粘弾性状態にある。すなわち、材料のガラス転移温度Ｔgより上であるが、依然としてその融点Ｔm未満である温度にある。このことは、高分子材料内に粒子を分散させるための他の既知の方法すべてとの主要な差異である。このことは、材料を溶融させるエネルギーが不要であることから、固体添加物製造プロセスが、他の既知のプロセスと比較してエネルギーコストがより低いことをも意味する。導電性充填材の添加、及びポリマー内のそれらの分散は、固体添加物製造システム内で生成される極度の力、摩擦力、及び他のタイプの力によって促進される。これら力は、溶融状態ではないポリマーの粘性を低減させる。さらに、固体添加物製造システムは、現場で生成された導電性の組成を、所望の３Ｄオブジェクト、層、及び／またはコーティングに同時に堆積させることが可能である。
【０１１３】
固体添加物製造技術は、異なるプラスチック材料の現場での細断、混合、及び統合と、その後の望ましい３Ｄ形状またはコーティングへのプリントが可能である。このため、固体添加物製造技術は、慣習的なプラスチックリサイクル産業において必要とされる準備段階を必要とすることなく、様々な使用済みのプラスチック材料及びプラスチックオブジェクトを処理する安価な方法である。
【０１１４】
いくつかの態様では、導電性粒子をポリマー材料（またはプラスチック合成製品）に添加することは、ベースポリマー材料の電気伝導性と熱伝導性との両方の向上に寄与する。他の態様では、添加された導電性粒子は、マトリクス材料の導電性を向上させ、またさらに、別の態様では、導電性添加物により、熱伝導性のみが向上する。図２Ａは、導電性プラスチック合成製品の現場での合成と、後のその製品の堆積とが可能である、固体添加物製造システムの概略的表示である。本システムは、供給セクション（ホッパー）２０２Ａを備えており、ここで、供給原料２０１（または複数の供給原料の流れ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃ）が固体添加物製造システムに入る。固体添加物製造システムの供給原料として使用される未加工のポリマーまたはプラスチック合成製品（２０１Ａ）は、限定ではないが、細粒、パウダー、ペレット、ワイヤー、バー、シート、及び／またはこれらの組合せの形態のいずれかで供給される、未使用のポリマーまたは使用済みの（リサイクルされた）プラスチックである。導電性充填材も、システム内への、連続しているかまたは不連続の供給流、たとえば２０１Ｂとして供給される。必要であれば、様々な他の添加物、たとえば表面活性剤、安定化材など（２０１Ｃ）が、ポリマーマトリクスと導電性粒子との間の良好な分散及び混和性を可能にするように添加される。供給原料は、次いで、固体添加物製造システムのスピンドル２０２Ｂを通る。ここでは、供給原料が順応性のある状態に変化され、次いで、中空ツール２０２Ｃを介して基板上に堆積される。さらなる固体添加物製造システムの要素には、材料の堆積が、空気／酸素に対して反応しやすいケースに関する、不活性ガス供給部２０２Ｄと、紫外光（ＵＶ）、可視光、または赤外光（ＩＲ）として供給される外部のエネルギーが、導電性組成物２０３Ａの堆積の助けになるケースに関する、光源または熱源２０２Ｅと、が含まれる場合がある。
【０１１５】
いくつかの実施形態では、複合された導電性組成物２０３Ａが、３Ｄ構造またはパーツを構築するために、複数層２０３Ｂ、２０３Ｃ、及び２０３Ｄに堆積される（図２Ａ）。他の実施形態では、複合された導電性組成物２０３Ａは、既存の基板、構造、またはパーツ２０４の頂部上に、導電性コーティングまたは導電性層２０３Ｂとして堆積される（図２Ｂ）。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、供給割合、スピンドル及びツールの回転、スピンドル及びツールの温度、ならびにトルクなどの、固体添加物製造のプロセスパラメータを調整することにより、固体添加物製造システムが、導電性充填材の良好な分散と、ポリマー（プラスチック材料）を通しての導電性の３Ｄ浸透ネットワークの形成と、を提供する。固体添加物製造プロセスの状態は、容易に調整可能であり、他のポリマー特性の中で、ポリマーマトリクスのタイプ、そのガラス転移温度（Ｔg）及び融点（Ｔm）、摩擦係数及び圧縮強さに応じて制御される。実施例には、導電性粒子タイプの充填材（図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃ）を添加することが含まれ、ここで、重要な充填材の量が、導電性粒子の連続したネットワーク（図３Ｂ）を形成するため、そしてひいては、導電材料の組成の形成に必要である。低い導入レベルでは、良好な分散のプロセスの状態においても、３Ｄ空間内の連続したネットワークは形成されない（図３Ａ）。固体添加物製造プロセスの状態が特定の材料のタイプ、及び充填材のタイプのために調整されていない場合、最終的な組成は、絶縁媒体内の充填材粒子のクランプ（集合体）を含む絶縁材料となる（図３Ｃ）。
【０１１７】
他の実施例には、絶縁プラスチック材料内に導電性のニードル状またはロッド状の充填材を分散させることが含まれる（図３Ｄ、図３Ｅ、及び図３Ｆ）。低い導入レベルでは、導電性充填材の３Ｄネットワークは形成されず、このため、結果は絶縁複合材料となる（図３Ｄ）。より高い導入レベルでは、３Ｄ導電性ネットワークは、充填材のアスペクト比に応じて形成される（図３Ｅ及び図３Ｆ）。より高いアスペクト比の充填材（図３Ｆ）は、より低いアスペクト比の充填材（図３Ｅ）よりもかなり低い導入レベルで３Ｄネットワークを与える。概して、ロッド状の充填材に関する導入レベルは、通常、同じプラスチック材料内に３Ｄネットワークを形成するためには、粒子タイプの充填材の導入レベルよりかなり低い。
【０１１８】
特定の実施例では、細断された導電性ファイバー、たとえばスチールファイバー、銅ファイバー、カーボンファイバーなどが、導電性充填材として使用される（図３Ｇ及び図３Ｈ）。充填材のアスペクト比及び導入レベルに大きく依存する導電性組成物の合成（図３Ｈ）は、特定の固体添加物製造の処理条件で可能である。このことは、溶融させることなく、高度な「流動性」を生じさせる。図３Ｇは、導電性ファイバーの導入レベルが重要なレベルよりも低い場合の絶縁組成物の概略図である。
【０１１９】
いくつかの実施形態では、２つ以上の充填材の組合せが、最終的な固体添加物製造で処理された組成物の、必要な電気的及び／または熱的な伝導性の値を達成するために使用される。一実施例には、所望の導電性を達成するために、プラスチックマトリクスに添加される、グラフェンシートの粒子と、球状の金属または金属酸化物の粒子との混合が含まれる。別の実施例には、個別の充填材が別々に使用される場合に必要とされるレベルよりもかなり低い充填材の導入レベルにおいて、所望の導電性の値を達成するために、粒子状の充填材と組み合わせられた、ファイバー状またはニードル状の充填材が含まれる。
【０１２０】
特定の態様では、ポリアミド（ＰＡＡ）、ナイロン６及びナイロン６６（Ｎｙ６、Ｎｙ６６）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエステル、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオレフィン（ＰＰ、ＬＤＰＥ、ＨＤＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などのポリマーマトリクスが、導電性プラスチック複合材料、導電性コーティング、及び導電性パーツの固体添加物製造のために使用される。
【０１２１】
他の態様では、熱可塑性エラストマーが、導電性充填材とともに固体添加物製造システムに供給されて、導電性のエラストマー組成物及びパーツを形成する。
【０１２２】
いくつかの態様では、反応性の化学種（モノマー）を含む固体添加物製造で配合されたプラスチック合成製品は、さらに、固体添加物製造の堆積ステップの間、ＵＶ光または熱２０２Ｅのおかげで架橋される（図２Ａ）。
【０１２３】
特定の実施形態では、プラスチック材料が、細断されたスチールファイバーまたはスチールパウダーとともに固体添加物製造供給システムに添加されて、ＥＭシールド複合材料と、ＥＭシールド機能を必要とするパーツ及び表面上への後のその堆積とを提供する。スチールファイバーの充填材のケースでは、パウダーまたは粒子で充填されたプラスチックで得られものに比べ、より低い導入レベルにおける高いシールド効果が可能である。
【０１２４】
他の実施形態では、単層及び多層のカーボンナノチューブ（ＳＷ−ＣＮＴ及びＭＷ−ＣＮＴ）、カーボンブラック、または他のタイプの金属ファイバーまたは粒子が、プラスチック材料に添加されて、有効なＥＭＩシールドコーティングまたはパーツ構築層を形成する。
【０１２５】
いくつかの実施形態では、固体添加物製造供給システム内のプラスチック材料は、細断された銅ワイヤーまたは銅パウダー／粒子とともに混合され、電気的及び熱的に伝導性のプラスチック複合材料となる。
【０１２６】
いくつかの実施形態では、固体添加物製造で配合された導電性熱可塑性の組成物により、静電気防止（ＡＳ）保護、または静電気放電からの保護（ＥＳＤ）が提供される。
【０１２７】
特定の態様では、フレーク、小板、または細断されたシートの形態の電気的及び／または熱的に伝導性の充填材が使用される。特定の実施例には、セラミック導電性粒子を使用した固体添加物製造プロセスによって製造された、電子製品のパッケージングで使用するための、低い熱膨張率及び良好な機械的強度を有する、熱伝導性であるが、電気的に絶縁性のプラスチック複合材料が含まれる。たとえば、ＢＮ、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮなどのセラミック粒子が、導電性プラスチックの固体添加物製造において、導電性充填材として使用される。
【０１２８】
固体添加物製造で配合されたプラスチック合成製品は、パーツ全体に均等に、かつ熱源から離れるように、熱が分散されることを可能にする。良好な導電体であるが、多くの用途ではその対流冷却によって限定される従来の金属とは異なり、固体添加物製造で配合されたプラスチック複合材料は、より高い効率を与える。この理由は、対流の割合と熱伝導性の割合とが密にマッチするためである。
【０１２９】
特定の実施形態では、プラスチックの導電性が、アルミニウムフレーク、カーボンファイバー、カーボンブラックパウダー、カーボンナノチューブ、ステンレス鋼ファイバー、金属パウダー、及びニッケルコーティングされたポリマーファイバーの添加によって向上される場合がある。さらに別の実施例では、グラフェンまたはグラファイトが固体添加物製造技術によって導電性プラスチックを製造するために使用される。
【０１３０】
いくつかの実施形態では、高いアスペクト比、たとえば、Ｌを充填材長さ、Ｗを充填材の幅として、Ｌ／Ｗ＞１０を有する、異方性導電性充填材が、固体添加物製造プロセスで使用される。より低いアスペクト比の充填材で形成された合成製品よりも低い充填材の導入レベル（１０ｖｏｌ％未満）が、固体添加物製造導電性プラスチック合成製品を形成するために必要とされる。
【０１３１】
さらに、充填されたプラスチック複合材料の熱伝導性及び電気伝導性が、充填材の導入、充填材の形態構造、充填材のアスペクト比及び向き（ある場合）、ならびに全体の組成のマイクロ構造及びナノ構造に依存することが知られている。特定の態様では、特定のプロセスの状況に結合された固体添加物製造システムは、低い粘性のプラスチック媒体内の（異方性の充填材のケースにおける）充填材の特有の分布及び方向付けが可能である。
【０１３２】
いくつかの実施形態では、電気及び熱を伝えるグラファイトファイバーまたはグラファイト粒子が、ハンドヘルドの通信デバイスなど、無線周波干渉（ＲＦＩ）のシールドが必要とされる用途に関し、導電性プラスチックを形成する固体添加物製造プロセスで使用される。
【０１３３】
他の実施形態では、熱伝導性であるが、電気的に絶縁性であるセラミック添加物が、固体添加物製造で配合されたプラスチック複合材料に添加される。一方、一般的な熱可塑性材料は、約０．２Ｗ／ｍＫの熱伝導性を有している。すなわち、熱的に絶縁性である。固体添加物製造で配合されたプラスチックの特定の実施例は、１Ｗ／ｍＫから１０Ｗ／ｍＫか、その１０倍も高い範囲の導電性を有することができる。
【０１３４】
いくつかの実施形態には、１０-2Ｓ／ｃｍを超える導電性の値を有する、固体添加物製造で形成されたプラスチック複合材料、及び、１Ｓ／ｃｍを超える導電性を有する組成が含まれる。
【０１３５】
特定の実施形態は、異方性の導電特性を有するプラスチックの固体添加物製造に関する。このことは、液晶性ポリマー（ＬＣＰ）マトリクス及び／または異方性導電性充填材を使用することによって達成される。固体添加物製造の堆積ステップの間、ＬＣＰ分子及び／または充填材は、堆積されたコーティングまたは３Ｄオブジェクト内で方向付けられることになる。
【０１３６】
特定の実施形態では、固体添加物製造の供給システムは、ポリマー（プラスチック）の廃棄物をリサイクルするために使用される（図４）。この目的のために、供給セクション４０２Ａは、ホッパーと、非常に多くの場合、シュレッダーとを備えている。ホッパー及びシュレッダーは、様々なプラスチックの材料及び形状を許容及び処理するように設計されている。シュレッダーは、プラスチックをより小さいピースにカットするように設計されている。本システムは、スピンドル４０２Ｂ、中空ツール４０２Ｃ、不活性ガス供給ユニット４０２Ｄ、及び外部のフィールドユニット４０２Ｅ（たとえば、ＵＶ光源、熱源）をさらに備えている。供給原料として使用されるプラスチックの廃棄物４０１は、未使用プラスチック、及び／または、充填材、相溶剤、及び安定化材などの添加物と混合させることができる。
【０１３７】
特定の実施形態では、通常はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で形成された使用済みのプラスチックボトルが、固体添加物製造システムにおける供給材料としての役割を果たす。ボトルキャップは、ポリプロピレン（ＰＰ）またはポリエチレン（ＰＥ）などの異なるプラスチック材料で通常は形成されており、ボトルから分離する必要はない。このことは、他のプラスチックのリサイクル技術のケースではない。
【０１３８】
別の実施形態では、使用済みのプラスチックボトルは、他のプラスチックの廃棄物、たとえば買い物用のプラスチックバッグと、固体添加物製造の供給システム内で様々な割合で混合され、３Ｄプリントされたパーツへと、ともに処理される。
【０１３９】
いくつかの実施形態では、ポリスチレン（ＰＳ）またはポリスチレンフォーム（たとえば、スタイロフォーム）またはその両方が、供給材料として使用される。他の実施形態では、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）が細断されたオブジェクトが、固体添加物製造システムの供給原料として使用される。
【０１４０】
各実施形態によれば、プラスチックの標準的な樹脂識別コード（ＲＩＣ：Ｒｅｓｉｎ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｃｏｄｅ  ）に応じて列挙される、以下のプラスチックのいずれかまたはすべてが、供給材料として使用される。
♯１−ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、
♯２−ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、
♯３−ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、
♯４−ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）、
♯５−ＰＰ（ポリプロピレン）、
♯６−ＰＳ（ポリスチレン）、
♯７−アクリル、ナイロン、ポリカーボネート、及びポリ乳酸（ＰＬＡ）などの他のプラスチック。
【０１４１】
各実施形態では、使用済みのプラスチックの供給物が、固体添加物製造システムによってプラスチックフォームに変換される。実施例として、使用済みのプラスチック材料が、小ピースにカットされると、この小ピースが次いで激しく変形及び統合され、材料は、吹き出されたガス（Ｎ2）のおかげで堆積される。最終的に堆積された層は多孔性であり、固体添加物製造のプロセスの条件に応じて、開いているか閉じられた孔またはその両方を含んでいる。別の実施例では、大きく異なる融点（Ｔm）を有する２つのタイプのプラスチックが、供給原料として使用される。固体添加物製造のプロセスの間、（より低いＴmの）一方の材料が、（より高いＴmの）他の堆積された材料内に包含された孔を形成するガスに分解される。
【０１４２】
いくつかの実施形態では、固体添加物製造システム内のプラスチックの廃棄物の供給原料から来る、固体添加物製造で堆積された層５０３は、プラスチック、セラミック、または金属材料で形成された基板５０４上に堆積される（図５Ａ）。
【０１４３】
各実施形態では、２つ以上の異なるプラスチックの廃棄物材料または細断されたプラスチックオブジェクト、またはそれらの組合せの混合物が、固体添加物製造システム内の単一の供給原料として使用され、様々なプラスチック材料で形成された、リサイクルされたプラスチック層となる。他の実施形態では、異なるプラスチックの廃棄物材料が、固体添加物製造マシン内の異なる供給原料として使用され、別々の層５０３Ａ及び５０３Ｂとして堆積される（図５Ｂ）。
【０１４４】
特定の実施形態では、未使用プラスチックまたはリサイクルされたプラスチックが、供給セクションでともに混合され、基板５０４上の単一の層５０３Ｃとして堆積される（図５Ｃ）。
【０１４５】
各実施形態では、未使用プラスチック（ＶＰ）とプラスチックの廃棄物（ＷＰ）とが、ＶＰ／ＷＰが容量で０／１００％から、容量で約１００／０％までの範囲の異なる容量のパーセンテージで、固体添加物製造システム内の供給原料として使用される。ＶＰ及びＷＰは、これらが堆積される前に、固体添加物製造マシンの供給セクションで、異なる割合で同時にともに混合することができる。いくつかの実施形態では、ＶＰ及びＷＰは、同じタイプのプラスチックであり、一方、他の実施形態では、これらは異なるタイプのプラスチックである。
【０１４６】
いくつかの実施形態では、ＶＰ／ＷＰの割合は、固体添加物製造の堆積プロセスの間、供給原料内で変化し、固体添加物製造でプリントされたオブジェクト、または固体添加物製造で堆積された層の中での組成の勾配を生じる（図５Ｄ及び図５Ｅ）。組成の勾配は、堆積方向に沿って達成することができる。すなわち、いくつかの実施形態では、平行移動の方向であり（図５Ｄ）、一方、他の実施形態では、勾配は、堆積された層５０３Ｂ、５０３Ｃ、５０３Ｄ、５０３Ｅ、５０３Ｆ、５０３Ｇ、及び５０３Ｈの厚さに沿って形成される。層５０３Ｂ、５０３Ｃ、５０３Ｄ、５０３Ｅ、５０３Ｆ、５０３Ｇ及び５０３Ｈは、それぞれ、図５Ｅに示すように、たとえばＶＰ／ＷＰが０／１００、１０／９０、３０／７０、５０／５０、７０／３０、９０／１０、及び１００／０に対応する。
【０１４７】
いくつかの実施例では、組成の勾配は、堆積方向に沿ってか、または堆積された層の厚さに沿って、変化するＶＰ／ＷＰの割合、またはプラスチックのタイプ（たとえば、プラスチックＡ／プラスチックＢの割合）に関し、任意の変化とすることができる。他の実施例では、勾配は、変化するプラスチック／セラミックまたはプラスチック／金属の割合の任意の変化とすることができる。
【０１４８】
特定の実施形態では、ＶＰ及びＷＰは、固体添加物製造プロセスにおいて、別々の供給原料として使用される。たとえば、固体添加物製造マシン内の供給原料は、図５Ｆに示されるように、それぞれ交互になっているＶＰ層５０３ＨとＷＰ層５０３Ｂとになる、交互になっているＶＰ材料とＷＰ材料とである。別の実施形態では、ＷＰ層は、金属の中間層と交互になっており、さらに別の実施形態では、ＷＰ層は、セラミックまたは金属の中間層と交互になっている。関連する層のすべての厚さは、同じか異なるものとすることができる。
【０１４９】
いくつかの実施形態では、プラスチックの供給原料とともに、潤滑剤、相溶剤、可塑剤、充填材、及び／または任意の他の添加物が、固体添加物製造プロセスにおいて使用される。添加物は、異なるピースまたは異なる材料の混合及び適合性を向上させることの助けになるか、またはもろいプラスチックのケースでは、良好な流動特性を提供することができる。さらに別の実施形態では、使用済みのプラスチックが、通常は、未使用プラスチック材料よりももろいことから、慣習的ではない低分子量の複合材料、たとえば、オリゴマー、長鎖分子、エラストマーなどが、最終的な堆積された層／製品の一定程度の弾性及び／または延性を提供するために使用される。
【０１５０】
別の実施形態では、補強粒子または繊維が、使用済みのプラスチックの固体添加物製造供給原料に添加される。補強粒子または繊維は、限定することなく、カーボンファイバー、グラスファイバー、金属粒子、金属ファイバー、セラミック粒子、及び高性能ポリマーファイバーのカテゴリーから選択することができる。
【０１５１】
異なるタイプのプラスチックが混合され、ともに溶融される場合、これらは、オイルと水とのように、相が分かれる傾向にある。すなわち、異なる相を形成する。高分子系における異なる相を分離する相の境界は、結果として得られる材料の構造的脆弱性を生じる。このことは、限定された用途において使用することができる（図６Ａ）。実施例には、２つのもっとも広く使用される有用なプラスチック、ポリプロピレンとポリエチレンと、またはプラスチックＸとプラスチックＹとが含まれ、これらの相は分離され、これらをともにリサイクル及び処理することに関する能力を制限する。相の分離の問題を避けるために、相溶剤などの様々な化学物質が、リサイクルの間の相の分離に関連する困難性を克服するために提案されている。
【０１５２】
固体添加物製造プロセスの間、材料は溶融されないが、その融点（Ｔm）未満では、いわゆる順応性状態にある。ともにリサイクルする必要がある２つ以上の異なるプラスチック材料を混合することの問題は、相溶剤を添加することによって解決される（図６Ｂ）。通常、相溶剤はブロック共重合体であり、この中で、ブロック共重合体のあるブロック（パーツ）が、混合物内のプラスチック材料の１つに適合し（混合でき）、一方、他のブロックが、他のプラスチック材料に適合する。相溶剤は、グラフト共重合体またはヘッド−テール分子（ｈｅａｄ−ｔａｉｌ  ｍｏｌｅｃｕｌｅ）または分岐したタイプの分子とすることもできる。
【０１５３】
特定の実施形態では、固体添加物製造で処理されたプラスチックの廃棄物の層は、オブジェクトまたは基板へのコーティングとして添加される。他の実施形態では、固体添加物製造でプリントされたプラスチックの廃棄物の層が、ＶＰと、金属またはセラミック層との間の「安価な充填材」の層として追加される。
【０１５４】
いくつかの実施形態では、基板の表面及び／または任意の層が、隣接する層への接着を向上させるように処理される。処理には、限定ではないが、レーザー処理、プラズマ処理、コロナ処理、化学的な表面の機能化、エッチング、プライマー／定着剤の使用、及びイオン衝撃の処理のいずれか、またはこれらの任意の組合せが含まれる場合がある。
【０１５５】
他の実施形態では、かみ合い７０５Ａが層の１つに形成されて、たとえば、固体添加物製造プロセスによって両方が堆積された、ＷＰ層７０３Ｂに接着されたＶＰ層７０３Ａ、またはその逆の場合において、層間の接着を向上させている（図７Ａ）。蟻継タイプのかみ合い７０５Ｂ、ならびに他のタイプのかみ合い７０５Ｃ、７０５Ｄ、及び７０５Ｅも製造することができる（図７Ｂ）。
【０１５６】
いくつかの実施形態では、使用済みのプラスチックボトルとともに、固体添加物製造マシンは、カップ、キャップ、蓋、ストロー、食品ラップ、柔軟なパッケージング、フォイル、フィルム、買い物袋などを許容及び処理することが可能である。これらのいくつかは、生成されたバルクプラスチックの廃棄物とは異なる、その量の少なさ、または化学的特性に起因して、現在までリサイクル不可能である。
【０１５７】
特定の実施形態では、様々な製品が、固体添加物製造プロセスによって製造されている。たとえば、プラスチックパイプ、プラスチックタイル（フロアリング製品）、及び他の製品が、プラスチックの廃棄物の供給原料、または、特定の比率のプラスチックの廃棄物を含む供給原料から処理される。他の実施例では、プラスチックブロックは、プラスチックの廃棄物の供給原料から処理される。これらは、当該技術で既知である他のプロセスまたは操作により、後に所望のオブジェクト及び形状に成形される。
【０１５８】
別の実施形態では、基板（複数可）及び／または充填材は、金属または金属材料を含んでいる。充填材、または基板（複数可）は、たとえば、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｎ、またはＦｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、またはこれらの金属の１つまたは複数を含む合金を含む、任意の金属から独立して選択することができる。各実施形態では、基板（複数可）及び／または充填材は、高分子材料である。充填材として有用な高分子材料の非限定的な実施例には、ポリオレフィン、ポリエステル、ナイロン、ビニル、ポリビニル、アクリル、ポリアクリル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリウレタンなどが含まれる。
【０１５９】
またさらに別の実施形態では、充填材は、少なくとも１つの金属材料と少なくとも１つの高分子材料とを含む複合材料である。他の実施形態では、複数の材料の組合せは、インターフェースにおいて複合材料を生成するために使用することができる。
【０１６０】
各実施形態では、基板（複数可）は、たとえば２’×２’、２’×３’、２’×４’、３’×４’、４’×４’、５’×５’、６’×４’など、約１インチから約２０フィートの幅及び／または長さを含む、結合のための様々な寸法で、金属シートまたは金属プレートまたはプラスチックシートまたはプレートなどのシートまたはプレートとして提供することができる。シートのサイズは、任意の所望の用途に大きく依存するとともに、フィットさせることができる。上述の基板（複数可）の深さは、マイクロメートルからセンチメートルの大きさとすることができる。
【０１６１】
これら固体添加物製造の実施形態では、充填材（たとえば、固形のバーまたはパウダー、及び／またはポリマー）は、固体添加物製造システムを通して供給することができ、ここで、摩擦及び断熱の加熱が、充填材の回転移動及び印加される下向きの力に起因して、充填材／基板のインターフェースで発生する。インターフェースにおいて生じる摩擦及び断熱の加熱は、充填材と基板とのインターフェースにおける激しい塑性変形となる。
【０１６２】
充填材は、限定ではないが、本明細書に記載の任意のポリマーフォーム、及び１）単一または複合の組成の金属またはプラスチックのパウダーまたはロッド、２）供給材料として混合及び使用することができるマトリクスの金属及び補強パウダー、または、３）（たとえば、チューブまたは他の中空シリンダタイプの構造を形成するように）穴を開けることができ、補強パウダーで充填されたマトリクスの固形ロッド、または金属マトリクスの複合材用と補強材料との混合を含む、いくつかの形態とすることができる。後者の混合のケースでは、マトリクスと補強物との混合は、製造プロセスの間にさらに発生し得る。各実施形態では、充填材は、固形金属ロッドとすることができる。一実施形態では、充填材はアルミニウムである。
【０１６３】
各実施形態では、充填材が、基板に対する充填材の摩擦加熱及び圧縮荷重、ならびに、回転摩擦ツールの移動を使用して基板に結合される。充填材は、消耗材料とすることができる。このことは、摩擦加熱及び圧縮荷重が処理の間に印加される際に、充填材がそのもともとの形態から消費されるとともに、基板に適用されることを意味する。そのような消耗材料は、少し挙げると、パウダー、ペレット、ロッド、及びパウダーが充填されたシリンダーを含む任意の形態とすることができる。より詳細には、印加された荷重が増大するにつれて、ツールと基板とのインターフェースにおける充填材及び基板が、摩擦及び断熱の加熱の結果として順応性のあるものとなり、また、圧縮荷重の下でともに結合される。
【０１６４】
回転ツールは、様々な形態を取ることができる。たとえば、ツールは、米国公開出願第２００８／００４１９２１号、米国公開出願第２０１０／０２８５２０７号、米国公開出願第２０１２／０００９３３９号、米国公開出願第２０１２／０２７９４４１号、及び米国公開出願第２０１２／０２７９４４２号、ならびに国際特許出願公開第ＷＯ２０１３／００２８６９号、及び国際特許出願公開第ＷＯ２０１９／０８９７６４号のいずれかに記載のように構成することができる。これら公開された出願／刊行物は、本明細書で参照することによりその全体が組み込まれる。本発明の方法を実施するための摩擦ベースの製造ツールは、好ましくは、充填材を、非消費部材の内部を通して供給するか、非消費部材の内部を通して別様に堆積させることを許容するように設計または構成されている。この非消費部材は、スロート、ネック、中心、内部、または、ツールの両端を通して配置された貫通穴と称することができる。ツールのこの領域は、非円形の貫通穴形状で構成することができる。ツールに関する様々な内部の幾何学形状が可能である。非円形の幾何学形状では、充填材は、供給原料に対し、ツールスロートの表面において、ツールによって印加される法線力に起因して、ツールの非消費部分と同じ角速度で回転するように強制されるか回転させられる。そのような幾何学形状は、実施例として、正方形の貫通穴、及び楕円形の貫通穴を含むことができる。接線力のみが、ツールのスロートの内部表面によって充填材の表面に印加されると予期することができる構成において、供給原料は、ツールと同じ角速度では回転されることはない。そのような実施形態には、分離されているか、緩められて取り付けられている供給原料と組み合わせて、ツールの断面に関して円形の幾何学形状を含むことができる。このことは、充填材及びツールの異なる速度での回転に繋がると予測される。本開示で使用される場合、「添加物の摩擦−攪拌ツール」、「摩擦−攪拌ツール」、「非消費の摩擦−攪拌ツール」、「回転する非消費の摩擦−攪拌ツール」との用語は、相互交換可能に使用することができる。
【０１６５】
各実施形態では、ツールのスロートは、非円形の断面形状を有した形状とすることができる。さらに望ましいのは、ツールのスロートが、内部に配置された固形、パウダー、またはパウダーで充填されたチューブのタイプの充填材に法線力を印加するような形状であるツールである。各実施形態は、摩擦加熱及び圧縮荷重が、分配された充填材が、充填材−基板のインターフェースにおいて基板の材料と混合されることを可能にするのに十分な程度であることを確実にする特徴を含むこともできる。
【０１６６】
より詳細には、回転ツールから充填材に伝達される力の大きさは、２つの間の摩擦係数に依存する。このため、摩擦係数が著しく低く、充填材の回転を発生させるために必要な内部の力が著しく高い場合、ツールは、筒状の充填材の回転を生じることなく（または、ツールよりも低い速度で回転を発生させる）、回転することができる。動作中のいくつかの状況下では、ツールと、ツールの内部の充填材との間の回転速度の差異が、いくらかの充填材がツールの内部に堆積されることに繋がり得、この充填材の集積は問題となり得る。適切なサイズの正方形−正方形または楕円形−楕円形の形状の充填材−分配器の幾何学形状など、特定のツール内の幾何学形状を有することにより、この課題を低減させることができる。ツールと充填材との間の回転速度の差異を低減させる別の方法は、ツールのスロート内に密にフィットするように充填材のロッドを製造すること、または、充填材をツールのスロート内に別様に密にパックすることである。
【０１６７】
ツール内の充填材に法線力を印加することが可能であるツールの内部の断面の任意の形状を使用することができる。スロート表面の幾何学形状及び充填材の幾何学形状は、一時的または恒久的に、ツールと充填材との係合及び係合解除、ツールと供給材料とのかみ合い、ツールと供給材料とのアタッチメントを提供するように構成することができるか、充填材がツールに依存して回転することを可能にする任意の構成とすることができる。
【０１６８】
ツール（スロート）の内側表面形状、及び充填材の対応する形状は、特定の用途に適切な方式で構築することができる。これら表面の形状には、限定する意味はないが、正方形、矩形、楕円形、卵形、三角形、または通常は任意の非円形の多角形を含むことができる。さらなる形状には、いくつかを挙げると、星形、ヒナギク形、鍵形及び鍵穴形、ダイアモンド形など、より特有の形状を含むことができる。むしろ、充填材の外側表面の形状は、ツールのスロートの表面と同じタイプの形状である必要はない。たとえば、矩形の断面を有するツールのスロート内に挿入するために、正方形の断面を有する充填材のロッドを有することからの利点が存在し得るか、その逆があり得る。ここで、矩形の断面を有する充填材のロッドは、正方形の断面を有するツールのスロート内に配置することができ、この中で、充填材のロッドの角は、側部が側部に接触する代わりに、正方形のスロートの側部に接触し得る。特定の用途は、ツールの動作の間、スロート内の充填材により大きいまたは小さい力を印加する必要があり得る。充填材とツールとの同軸形状及び非常に密な公差により、特定の利点を実現することができる。さらに、異なる形状は、ツールの内部と、対応する充填材のロッドとの両方の製造のその容易性に起因して、異なる用途により適したものとすることができるか、高度に望ましいものとすることができる。当業者は、本開示の利益により、特定の用途のために使用する適切な形状を知っているであろう。
【０１６９】
添加物摩擦攪拌ツールのさらなる実施形態には、スロートを有するツールを含むことができ、ここで、充填材とスロートとは、攪拌ツールのスロートを通して充填材を連続して供給するように操作可能に構成することができる。各実施形態では、充填材はパウダーであり、ツールのスロートは中空シリンダーであり、ツールのスロート内に配置されたねじ錐形状の部材は、ツールのスロートを通して基板へパウダー材料を押すように使用される。充填材は、攪拌ツールのスロートを通して充填材を引っ張るか押すことによって搬送することができる。
【０１７０】
追加の実施形態は、摩擦加熱及び圧縮荷重にさらされた際に変形を防止することができる材料で形成された非消費本体、非消費本体を通しての長手方向の通路を規定する内部形状を有するスロート、ツールのスロート内に配置されたねじ錐であり、ツールと異なる速度でこのねじ錐を回転させるため、及びパウダー状の充填材を、ツールのスロートを通して押し出すための手段を有する、ねじ錐、を備えた、ツールまたは添加物摩擦攪拌ツールを備えることができ、それにより、非消費本体は、基板に対し、充填材の摩擦及び断熱の加熱、ならびに圧縮荷重を向上させるために、操作可能に構成され、充填材及び基板が可塑化する結果となる。
【０１７１】
各実施形態では、ツール及びねじ錐は、基板に対して回転する。さらなる実施形態では、ツール及びねじ錐は、互いに対して回転する。すなわち、ねじ錐とツール本体との間の回転速度の差が存在する。充填材と基板、ツール、またはねじ錐との間の、いくらかの相対回転が存在し得る。充填材及びツールは、互いに対して取り付けられておらず、ツールのスロートを通しての充填材の、連続しているか半連続した供給または堆積が可能になっている。
【０１７２】
たとえば、基板に結合される充填材は、「押し付け」方法を使用して基板表面に適用することができ、ここで、回転プランジングツール、たとえばねじ錐が、スピンドルなどの回転ツールを通して充填材を押し出す。供給材料は、非常に大量の充填材をツール本体に、補充可能な容器から、ツールと操作可能に通信して提供することによるものを含む様々な方法で導入することができる。
【０１７３】
各実施形態では、充填材は、パウダー状の固体であり、ねじ錐の形状のプランジングツール（たとえば、ねじ部材）を使用して、ツール本体を通して供給される。そのような実施形態では、プランジングツールは、基板に向かう方向に移動するか「突っ込む」ように設計することができる。たとえば、ねじ錐自体のねじ山の構成は、パウダー状の供給材料に十分な力を提供して、ツールに対してねじ錐が垂直方向に移動する必要なく、堆積のために、充填材を基板に向けることが可能である。
【０１７４】
スピンドル及びプランジングツールが回転すると、充填材の圧縮荷重及び摩擦加熱が、下向きの力（基板に向いた力）で充填材を基板表面に押し付けることと、添加物の摩擦攪拌ツールの回転速度とによって実施される。
【０１７５】
結合プロセスの間、スピンドルは、ねじ錐よりもわずかに遅い速度で回転することができる。代替的には、各実施形態では、スピンドルは、ねじ錐よりも速く回転されることができる。各実施形態で重要なことは、充填材を添付する間、スピンドルとねじ錐との間に相対回転が生じることである。回転速度の差異に起因して、ねじ錐のねじ部分により、ツールから出る材料を基板に向けさせるように、ツール本体を通して充填材を押し出すための手段が提供される。ねじは、線形アクチュエータまたは空気圧式シリンダーまたは、供給原料の表面を押す他の機械的力とほぼ同じように、供給材料を基板に向けて押す供給原料への力を与える。さらにまた、いくつかの用途では、充填材の堆積の間に、ツール本体及び／またはねじ錐の回転速度を変更することが所望であり得る。
【０１７６】
基板上の充填材の堆積の割合は、ねじ錐のねじとスピンドルとの間の回転速度の差異などのパラメータを変更すること、または、ねじ錐上のねじ山のピッチを変更することにより、調整することができる。所望の場合は、特定の用途に関し、たとえば外部の熱源により、ツール本体の内側または外側の充填材温度を制御することが認められ得る。充填材のそのような熱によって生じる軟化は、材料の付与量を増大させる。
【０１７７】
本明細書の文脈では、「充填材料」、「消費材料」、「消費充填材料」、「供給材料」、「供給原料」などの用語は、添加物の摩擦攪拌／固体添加物製造ツールから基板に付与されるように適用される材料に言及するように、相互交換可能に使用することができる。一実施形態では、パウダー状の充填材が、スロート内の充填材に一定の変位を適用するために、ツールスロート内に配置されたねじ錐と組み合わせて使用される。
【０１７８】
充填材（たとえば、パウダーまたは固形供給原料）は、ツールを出るように、回転するスピンドルを通して供給することができ、ここで、充填材の回転移動と、印加される下向きの力とに起因して、充填材／基板のインターフェースにおいて摩擦加熱が生じる。インターフェースにおいて生じる摩擦及び断熱の加熱は、基板及び充填材をインターフェースにおいて塑性変形させるように作用し、基板と充填材との間での冶金による接着または他の接着に繋がる。
【０１７９】
機構は、スピンドル内にパウダーを供給し、充填材がスピンドル内に適合されることを確実にしつつ、スピンドルの外にパウダーを出すために使用することができる。このシステムは、ねじ錐のねじを利用して、規定の割合でパウダーをスピンドルに通す。このことは、この目的を達成することが可能である１つの手段である。スピンドルの向きに適合された固形ストックを供給し、スピンドルの明確な速度で回転するさらなる方法が考えられる。たとえば、スピンドルとともに回転する金属の回転ミルタイプの機構を使用して、充填材に力を印加することができる。
【０１８０】
そのような実施形態では、スピンドルは、所望の回転速度でスピンし、ねじ錐のねじは、同じ回転方向に異なる回転速度で駆動し、このことは、スピンドルの外に材料を押し出すように作用する。摩擦攪拌ツールの回転角速度または速度は、ω１として識別され、ねじ錐の回転角速度は、ω２として識別される。本明細書の文脈では、「回転速度（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ  ｓｐｅｅｄ）」、「回転速度（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）」、「角速度（ａｎｇｕｌａｒ  ｓｐｅｅｄ）」、及び「角速度（ａｎｇｕｌａｒ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）」は、相互交換可能に使用され、使用中のツールの構成要素の角速度に言及することができる。ねじ錐のねじは、スピンドルよりも遅い速度で回転することができるか、ねじ錐のねじは、スピンドルよりも速く回転することができる。重要なことは、充填材を、ツールのスロートを通させるために、スピンドルとねじ錐との間に相対回転が生じることである。
【０１８１】
ねじ山が形成されたねじ錐のねじのピッチと、ねじの容積測定のピッチの割合とは、一定の状況下で堆積量に影響し、また、特定の目的を達成するために変更され得る。ねじ錐上のねじ山のピッチを変更して、特定の所望の結果を得ることは、当該技術の範囲内にある。本明細書で使用される、「ツール」、「摩擦攪拌ツール」、「スピンドル」、「ツール本体」などの用語は、ツールを通して供給材料を保持及び分配するための、ツールを長手方向の通る通路を備えている、ツール本体の外側部分に言及するために使用することができる。この通路、またはスロートは、概して、中空のシリンダー状の形状である。中空シリンダーは、ねじ錐及びパウダー材料を収容するための、ツールの頂部のより広い開口と、供給材料がツールから分配されるツールのベース部のより小さい開口とを有するように構成することができる。このため、ツールのスロートの形状は、ツールのスロートの長さにわたって一定である必要はなく、ツールの一方の長手方向の端部から他方へ収束するように構成することができる。ツールのスロートは、第１の直径の中空シリンダーの形状である第１の領域を備えることができる。この領域は、第２のより小さい直径の中空シリンダーの形状である、第２の領域に変化することができる。変化領域は、第１の領域と第２の領域とが継ぎ目なしで接続されるように、収束する中空シリンダーまたは漏斗形状の領域とすることができる。
【０１８２】
ツール本体内に配置されているのは、ねじ錐である。本明細書の文脈では、「ねじ錐」、「ねじ」、及び「プランジャ」は、スロートを通して材料を押すまたは引っ張るための、ツールスロート内部に配置されたツールの構成要素に言及するために使用することができる。各実施形態では、ねじ錐は、摩擦攪拌ツール本体の構成要素と考慮することができる。ねじ錐は、ねじ山を有するねじの概略的形状を有することができるか、ばねのようならせん状の構成の形状とすることができる。ツールスロート内に配置される場合、ねじ錐とスロートとの間で供給材料が通ることを可能にするように、ねじ錐と、ツールスロートの内部表面との間にクリアランスが存在し得る。ツールスロートの表面の内側には、スリーブ及びボアが含まれる。他の実施形態では、スロートの表面からの干渉なしに、ねじ錐の回転を可能にする十分な空間のみが存在する。好ましくは、ねじ錐及びツール本体またはスピンドルは、互いに取り付けられていない。各々は、基板表面に対して構成要素を回転及び平行移動させるための手段により、操作可能に接続されており、それにより、ねじ錐とツールとが、異なる速度で回転できるが、同じ速度で基板に対して平行移動できるようになっている。ねじ錐は、ねじ錐とツール本体との間に相対的な平行移動が存在しないような方式で、ツールスロート内に配置することができる。
【０１８３】
パウダー状の材料は、流体化されたパウダーの運搬システムを使用して、スピンドルの頂部内に供給することができる。任意のタイプのパウダー運搬システムを本明細書に記載のツール及びシステムと関連して使用することができる。たとえば、ホッパーなどの、重力で供給するパウダー供給システムを使用することができる。そのような供給システムの１つが、Ｓｐｒｉｎｇｆｉｅｌｄ，ＯｈｉｏのＰａｌｍｅｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇからの、Ｐａｌｍｅｒ  Ｐ−Ｓｅｒｉｅｓ  Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  Ｐｏｗｄｅｒ  Ｆｅｅｄｅｒである。このシステムは、毎時０．１立方フィートから１４０立方フィートの供給材料を搬送することが可能であり、また、柔軟なポリウレタンホッパー、ステンレス鋼マッサージングパドル、３０４ステンレス鋼供給チューブ及びねじ錐、９０ボルトのＤＣギアヘッド駆動モーター、柔軟なローラーチェーン駆動システム、シールされたドライブトレイン及びキャビネット、ならびに、ソリッドステートのコントロール及びプッシュボタンコントロールを備えている。供給システムは、好ましくは、パウダー充填材を保持するためのリザーバ、リザーバに追加されたパウダー（複数可）を混合するためのミキサー、及び、ホッパーからツール本体のスロートに供給材料を搬送するための通路と、を備えている。供給材料がツール内へ、及びツールから分配される際に、より多くの供給材料がホッパーからツールに搬送される。この方式で、供給材料は、連続的または半連続的に搬送される。重力で供給される分配システムは、ツール内の材料が分配されるとすぐに、使用中に、供給材料が自動的にホッパーから摩擦攪拌ツールに分配されることを可能にする。
【０１８４】
各実施形態では、パウダータイプの混合物を、攪拌ツールに操作可能に接続されたホッパーに追加することができる。代替的には、いくつかの異なるタイプのパウダーをホッパーに個別に追加し、次いで、ホッパー内で混合し、混合物として摩擦攪拌ツールに、使用中に分配することができる。たとえば、金属パウダー及びセラミックパウダーは、同時にスピンドル内に、同じであるか別のホッパーから供給することができ、統合／堆積されると、充填材は、金属マトリクス複合材料（ＭＭＣ）となる。本明細書で使用される場合、「金属マトリクス複合材料」との用語は、ある連続した金属相を有し、この金属相が、その内部に分散された別の不連続の相を有する材料を意味する。金属マトリクスは、純粋な金属、金属の合金、または金属間化合物を備えることができる。不連続の相は、炭化物、ホウ化物、窒化物、及び／または酸化物などのセラミックを含むことができる。不連続のセラミック相のいくつかの実施例には、ＳｉＣ、ＴｉＢ2、及びＡｌ2Ｏ3が含まれる。不連続の相は、様々なタイプのアルミナイドなどの金属間化合物をも含むことができる。ＴｉＡｌなどのチタンアルミナイド及びＮｉ3Ａｌなどのニッケルアルミナイドを、不連続の相として提供することができる。金属マトリクスは、通常、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｆｅなどを含むことができる。同様に、金属パウダー及びプラスチックパウダー、またはセラミックパウダー及びプラスチックパウダーを、同時に、異なる時間に、同じホッパーから、または別のホッパーから、供給することができる。
【０１８５】
本発明は、様々な特徴を有する特定の実施形態を参照して記載されている。上述の本開示に照らし、当業者には、本発明の実行の中で、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、様々な変更及び変形を行うことができることを理解されたい。当業者は、開示の特徴が、単独で使用されるか、任意の組合せで使用されるか、所与の用途または設計の要請及び詳細に基づいて省略され得ることを理解するであろう。実施形態が特定の特徴を「備えている」と言及する場合、実施形態は、代替的に、その特徴のいずれか１つまたは複数で「構成されている」か、または「基本的に構成されている」ものとすることができることを理解されたい。本発明の他の実施形態は、明細書を考察することから、及び本発明の実行から、当業者には明らかとなる。
【０１８６】
特に、値の範囲が本明細書で提供されている場合、その範囲の上限と下限との間の各値も、明確に開示されていることに留意されたい。これらのより小さい範囲の上限及び下限は、独立してそのレンジに含まれるか除外される場合がある。単数の形態である「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」には、文脈で別様に明確に記載されていない限り、複数の言及を含んでいる。本明細書及び実施例が、性質が例示的ものとして考慮されること、及び、本発明の本質から逸脱しないその変形形態が、本発明の範囲内になることが意図されている。さらに、本開示で引用された参照物のすべては、各々が独立して、本明細書で参照することによってその全体が組み込まれており、また、したがって、本発明の機能付与的開示を補強する有効な方法を提供すること、及び、当業者に、背景の詳細を提供することが意図されている。
【図１】
2022500278.tif 000003
【図２Ａ】
2022500278.tif 000004
【図２Ｂ】
2022500278.tif 000005
【図３Ａ】
2022500278.tif 000006
【図３Ｂ】
2022500278.tif 000007
【図３Ｃ】
2022500278.tif 000008
【図３Ｄ】
2022500278.tif 000009
【図３Ｅ】
2022500278.tif 000010
【図３Ｆ】
2022500278.tif 000011
【図３Ｇ】
2022500278.tif 000012
【図３Ｈ】
2022500278.tif 000013
【図４】
2022500278.tif 000014
【図５Ａ】
2022500278.tif 000015
【図５Ｂ】
2022500278.tif 000016
【図５Ｃ】
2022500278.tif 000017
【図５Ｄ】
2022500278.tif 000018
【図５Ｅ】
2022500278.tif 000019
【図５Ｆ】
2022500278.tif 000020
【図６Ａ】
2022500278.tif 000021
【図６Ｂ】
2022500278.tif 000022
【図７Ａ】
2022500278.tif 000023
【図７Ｂ】
2022500278.tif 000024
【国際調査報告】
2022500278.tif 000025
2022500278.tif 000026
2022500278.tif 000027
2022500278.tif 000028