(57)【要約】      （修正有）【課題】時間及びコスト面でより効率的に繊維強化構造物を積層製造（アディティブマニュファクチャリング）する、信頼性の高い手法の提供。【解決手段】繊維強化複合材構造物１０を製造するための３Ｄプリンティング方法であって、複数の強化繊維を含む開繊繊維束テープ１をテープサプライ３からマージングステーション４に供給し、複数の基材フィラメント５をマルチフィラメントサプライ６からマージングステーション４に供給し、複数の基材フィラメント５を開繊繊維束テープ１と共に押圧し、マージングステーション４で、開繊繊維束テープ１を複数の基材フィラメント５と共に基材フィラメント５の溶融温度（Ｔ）に加熱することにより、含浸繊維層７を形成し、含浸繊維層７を層複合体８としてプリントベッド９上に積層することにより、繊維強化複合材構造物１０を形成する方法。前記方法を実施するための３Ｄプリンタ１００。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化複合材構造物（１０）を製造するための３Ｄプリンティング方法（Ｍ）であって、
複数の強化繊維を含む開繊繊維束テープ（１）をテープサプライ（３、３'）からマージングステーション（４）に供給（Ｍ１）し、
複数の基材フィラメント（５）をマルチフィラメントサプライ（６）からマージングステーション（４）に供給（Ｍ２）し、
前記マージングステーション（４）で、前記複数の基材フィラメント（５）を前記開繊繊維束テープ（１）と共に押圧（Ｍ３）し、
前記マージングステーション（４）で、前記開繊繊維束テープ（１）を前記複数の基材フィラメント（５）と共に前記基材フィラメント（５）の溶融温度（Ｔ）に加熱（Ｍ４）することにより、含浸繊維層（７）を形成し、
前記含浸繊維層（７）を層複合体（８）としてプリントベッド（９）上に積層（Ｍ５）することにより、前記繊維強化複合材構造物（１０）を形成する
３Ｄプリンティング方法。
【請求項２】
請求項１に記載の３Ｄプリンティング方法（Ｍ）であって、
前記開繊繊維束テープ（１）は、前記複数の基材フィラメント（５）と共に、レーザービーム（１９）により加熱される
３Ｄプリンティング方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の３Ｄプリンティング方法（Ｍ）であって、
前記複数の基材フィラメント（５）は、前記開繊繊維束テープ（１）と共に、２つの押圧板（１２ａ、１２ｂ）に挟まれて押圧される
３Ｄプリンティング方法。
【請求項４】
請求項３に記載の３Ｄプリンティング方法（Ｍ）であって、
前記レーザービーム（１９）は、前記２つの押圧板（１２ａ、１２ｂ）の少なくとも一方を通過することで、前記開繊繊維束テープ（１）及び前記複数の基材フィラメント（５）まで伝導される
３Ｄプリンティング方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の３Ｄプリンティング方法（Ｍ）であって、
前記含浸繊維層（７）は、アイロン（１３）で前記含浸繊維層（７）を押し当てることにより積層される
３Ｄプリンティング方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の３Ｄプリンティング方法（Ｍ）であって、
前記３Ｄプリンティング方法は、さらに、
アディティブマニュファクチャリング技術あるいは３Ｄプリンティング技術を用いてプリントテーブル（１４）上に前記プリントベッドを予め形成（Ｍ０１）する
３Ｄプリンティング方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の３Ｄプリンティング方法（Ｍ）であって、
前記含浸繊維層（７）は、前記プリントベッド（９）の湾曲した積層面（１５）に沿って移動することにより、前記プリントベッド（９）上に前記層複合体（８）として積層される
３Ｄプリンティング方法。
【請求項８】
繊維強化複合部品（１０）を製造するための３Ｄプリンタ（１００）であって、
複数の強化繊維を含む開繊繊維束テープ（１）を供給するように構成されたテープサプライ（３、３'）と、
複数の基材フィラメント（５）を供給するように構成されたマルチフィラメントサプライ（６）と、
前記テープサプライ（３、３'）から前記開繊繊維束テープ（１）を受け入れ、前記マルチフィラメントサプライ（６）から複数の基材フィラメント（５）を受け入れ、前記複数の基材フィラメント（５）を前記開繊繊維束テープ（１）と共に押圧し、含浸繊維層（７）を形成するように前記開繊繊維束テープ（１）を前記複数の基材フィラメント（５）と共に前記基材フィラメント（５）の溶融温度（Ｔ）に加熱するように構成されたマージングステーション（４）と、
前記マージングステーション（４）から前記含浸繊維層（７）を受け入れ、前記含浸繊維層（７）を層複合体（８）としてプリントベッド（９）上に積層させることにより、前記繊維強化複合材部品（１０）を形成するように構成された第１のプリンタヘッド（１６）と
を具備する３Ｄプリンタ。
【請求項９】
請求項８に記載の３Ｄプリンタ（１００）であって、
レーザービーム（１９）を、前記マージングステーション（４）内の前記開繊繊維束テープ（１）及び前記複数の基材フィラメント（５）まで伝導させて、前記開繊繊維束テープ（１）及び前記複数の基材フィラメント（５）を加熱するように構成及び配置されたレーザー（２）
をさらに具備する３Ｄプリンタ。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の３Ｄプリンタ（１００）であって、
前記マージングステーション（４）内で前記複数の基材フィラメント（５）を前記開繊繊維束テープ（１）と共に押圧するように構成及び配置された２つの押圧板（１２ａ、１２ｂ）
をさらに具備する３Ｄプリンタ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の３Ｄプリンタ（１００）であって、
前記２つの押圧板（１２ａ、１２ｂ）の少なくとも一方は、前記レーザービーム（１９）を伝導するように透明に形成される
３Ｄプリンタ。
【請求項１２】
請求項８から１１のいずれか一項に記載の３Ｄプリンタ（１００）であって、
前記第１のプリンタヘッド（１６）は、前記含浸繊維層（７）を前記プリントベッド（９）に押し当てるように構成されたアイロン（１３）を有する
３Ｄプリンタ。
【請求項１３】
請求項８から１２のいずれか一項に記載の３Ｄプリンタ（１００）であって、
アディティブマニュファクチャリング技術あるいは３Ｄプリンティング技術を用いてプリントテーブル（１４）上に前記プリントベッド（９）を形成するように構成された第２のプリンタヘッド（１７）
をさらに具備する３Ｄプリンタ。
【請求項１４】
請求項８から１３のいずれか一項に記載の３Ｄプリンタ（１００）であって、
前記第１のプリンタヘッド（１６）は、前記プリントベッド（９）の湾曲した積層面（１５）に沿って前記含浸繊維層（７）を前記プリントベッド（９）上に積層可能なように、傾斜角を調整可能に構成される
３Ｄプリンタ。
【請求項１５】
請求項８から１４のいずれか一項に記載の３Ｄプリンタ（１００）であって、
前記基材フィラメント（５）は、熱可塑性材料から生成され、前記開繊繊維束テープ（１）は、複数の樹脂未含浸強化繊維からなり、各強化繊維はカーボンファイバー、アラミドファイバー、及びグラスファイバーからなるグループから選択される
３Ｄプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材構造物を製造するための３Ｄプリンティング方法及びこの種の方法を実施するための３Ｄプリンタに関する。
【背景技術】
【０００２】
３Ｄプリンティングやアディティブマニュファクチャリング（ＡＭ（additive manufacturing））の設計上の自由度の高さは格別である。このため、３Ｄプリンティングあるいはアディティブマニュファクチャリングは、エンジニアリング、建設、工業デザイン、自動車工業及び航空宇宙工業における様々な用途において、製造に広く使用されている。３Ｄプリンティングあるいはアディティブマニュファクチャリングには、様々な利点があるが、中でもとりわけ、低コストでかつ容易に、複雑な構造をもつ構造物を一体的に形成することが可能であるという利点がある。３次元物体を製造するための市販の装置、いわゆる３Ｄプリンタは、プラスチックや金属からなる構造を形成することができる。しかしながら、３Ｄプリンタの大半は、「非強化」構造物しかプリントすることができない。このため、繊維強化複合材構造物を製造するには、通常は、より一般的なプロセス（例えば、レイアップ法やフィラメントワインディング,（圧縮）成形等）を用いざるを得ない。
【０００３】
ごく近年は、解決策として、補強材として繊維を使用してプラスチック構造をプリントする技術が提案され始めている。例えば、特許文献１は、熱溶解フィラメント製法（ＦＦＦ、fused filament fabrication。熱溶解積層法（ＦＤＭ、fused deposition modelling）とも呼ばれる）を開示する。この方法によれば、ポリマーフィラメント及び繊維フィラメントを１つのノズルから同時に押し出すことにより、繊維強化構造物を製造する。ポリマーフィラメント及び繊維フィラメントは、ノズル内で加熱され結合してから、積層される。別の例としては、特許文献２乃至特許文献６がある。特許文献２乃至特許文献６の３Ｄプリンタ及び３Ｄプリンティング方法によれば、強化フィラメントを、一層一層積層する。強化フィラメントは、繊維束コアと、繊維束コアを囲む基材とからなる。繊維束コアは、多数の繊維（例えば、１０００本のカーボンファイバーを含む「１ｋの束」）を含む。フィラメントは、基材の溶融温度より高くかつコアの融点未満の温度で加熱され、その後、ノズル管から押し出され積層される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許公開公報第２０１５／０１６５６６６号
【特許文献２】米国特許公報第９，１２６，３６７号
【特許文献３】米国特許公報第９，１５６，２０５号
【特許文献４】米国特許公報第９，１８６，８４６号
【特許文献５】米国特許公報第９，１８６，８４８号
【特許文献６】米国特許公開公報第２０１４／０３６１４６０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、時間及びコスト面でより効率的に繊維強化構造物を積層製造（アディティブマニュファクチャリング）するための、信頼性の高い手法を提供することが望まれる。
すなわち、本発明の目的は、時間及びコスト面でより効率的に繊維強化構造物を積層製造（アディティブマニュファクチャリング）するための、信頼性の高い３Ｄプリンティング方法及び３Ｄプリンタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の形態によれば、繊維強化複合材構造物を製造するための３Ｄプリンティング方法において、複数の強化繊維を含む開繊繊維束テープをテープサプライからマージングステーションに供給し、複数の基材フィラメントをマルチフィラメントサプライからマージングステーションに供給し、前記マージングステーションで、前記複数の基材フィラメントを前記開繊繊維束テープと共に押圧し、前記マージングステーションで、前記開繊繊維束テープを前記複数の基材フィラメントと共に前記基材フィラメントの溶融温度に加熱することにより、含浸繊維層を形成し、前記含浸繊維層を層複合体としてプリントベッド上に積層することにより、前記繊維強化複合材構造物を形成する。
【０００７】
本発明の第２の形態によれば、繊維強化複合材部品を製造するための３Ｄプリンタは、複数の強化繊維を含む開繊繊維束テープを供給するように構成されたテープサプライと、複数の基材フィラメントを供給するように構成されたマルチフィラメントサプライと、前記テープサプライから前記開繊繊維束テープを受け入れ、前記マルチフィラメントサプライから複数の基材フィラメントを受け入れ、前記複数の基材フィラメントを前記開繊繊維束テープと共に押圧し、含浸繊維層を形成するように前記開繊繊維束テープを前記複数の基材フィラメントと共に前記基材フィラメントの溶融温度に加熱するように構成されたマージングステーションと、前記マージングステーションから前記含浸繊維層を受け入れ、前記含浸繊維層を層複合体としてプリントベッド上に積層させることにより、前記繊維強化複合材部品を形成するように構成された第１のプリンタヘッドとを具備する。
【０００８】
本発明の一思想によれば、１つのノズルから多数の繊維フィラメント（あるいは、繊維束や、多数の繊維）を押し出すのではなく、代わりに、開繊繊維束テープを用いる。開繊繊維束テープを用いることにより、繊維強化複合材構造物を極めて高速にアディティブマニュファクチャリングすることができる。何故なら、１つのプロセスステップにおいて、多数の繊維を含む平坦で薄い材料層を積層するからである。具体的には、１つのプリンティングプロセスステップにおいて、複数の強化繊維を含む開繊繊維束テープは、複数の基材フィラメントとマージ（一体化）して、含浸繊維層（未積層の）を形成してもよい。これにより、例えば、積層された材料／時間（例えば、積層された目付／秒、あるいは、被膜された材料層／秒として表される）で検討したときの、プリント速度が劇的に向上する可能性が広がる。何故なら、未含浸繊維の開繊繊維束テープが、プリンタヘッドから高速に供給され得るからである。これを実現するためには、複数の基材フィラメントと、開繊繊維束テープとを、厳密に同じ速度で処理すればよい。
【０００９】
従来技術に係る方法によれば、フィラメント単体を押し出すので、プリント速度が極めて遅い。何故なら、１本に繋がったフィラメントしか、一度に押し出せないからである。さらに、従来技術に係る方法において、フィラメントは、典型的には産業財産権で保護されており、非常に高価である。多くの場合、１０００本以上の繊維を含む単一の繊維束が使用されるが、これは相対的に大きく、従って、従来技術に係るレイアッププロセス等で得られたような均一性及び平滑性を得ることはできない。なお、従来技術に係るレイアッププロセスは、薄い一方向性の（ＵＤ、unidirectional）層の別個の繊維テープを、上面に重ね合わせるプロセスである。一方、開繊繊維束テープは、機械的又は電磁的開繊技術を用いて、所望の未含浸繊維タイプの繊維束を開繊して、特定の目付及び幅を有する平坦な一方向性のテープとすることにより、作成される。繊維束を開繊することで、幅の値を一定に保ちながら、非常に小さな目付かつ非常に薄い幅の一方向性のテープを作成することができる。原理上、所望の繊維を含むテープをさらに織り合わせ加工することで、繊維が直線的な配向となるファブリック（例えば、十字方向に積層された一方向性のテープを意味する）を作成してもよい。その結果、従来技術に係る十字方向に積層された一方向性のレイアップ構造物の機械的性能を強化し得るとともに、ファブリックの取り扱いを容易にし得る、開繊繊維束テープに想到した。
【００１０】
本発明において、開繊繊維束テープの意味は、一般に、開繊繊維の繊維束のテープを含み、従って、一方向性の開繊繊維束テープや、開繊繊維束テープを織り合わせて得た開繊繊維束ファブリックも含む。本発明に係る開繊繊維束テープは、市販されており、非常に小さな目付（例えば、１０〜２０ｇ／平方メートル以下）の、大型のスプールに取り付けられたテープである。これは、産業財産権で保護された、繊維一体型のフィラメントより大幅に安価である。開繊繊維束テープは、繊維強化材として極めて適している。何故なら、開繊繊維束テープは、入手し易く、樹脂に完全に浸漬できるからである。このため、本発明によれば、例えば、熱可塑性材料、樹脂又はその他の適当な材料で製造された基材フィラメントを提供する。基材フィラメントは、開繊繊維束テープに押し当てられ、基材フィラメントが溶融することにより、開繊繊維束テープと粘性状にマージ（一体化）する。なお、基材フィラメントは、片側のみから又は両側から同時に、開繊繊維束テープに押し当てればよい。これにより、片面の又は両面の含浸繊維層が製造される。
【００１１】
一般に、本発明の各形態は、３Ｄプリンティング技術あるいはアディティブマニュファクチャリング技術において、非常に有利である。何故なら、３Ｄ複合材構造物をプリンティングするにあたり、複合材構造物又は物体をさらに追加的に加工（フライス切削、カッタ切断又はドリル掘削等）する必要が無いからである。これにより、製造プロセスが、より効率的であり、材料及び時間の節約となる。一般に、物体（例えば、車両、船舶又は航空機等の輸送機械に用いられる物体や、輸送機械の一部として利用される物体）を、アディティブマニュファクチャリング技術を用いてプリンティングすれば、具体的には、コスト、重量、リードタイム、部品の計数及び製造の複雑さを低減するのに有利である。さらに、複合材構造物／物体の属性又は分野において望まれる技術的目的に鑑みて、プリンティングする複合材構造物又は物体の幾何学的及び機能的形状を、自由に設計し得る。
【００１２】
フリーフォームフォーメーション（ＦＦＦ、free form formaion）、ダイレクトマニュファクチャリング（ＤＭ、direct manufacturing）熱溶解積層法（ＦＤＭ、fused deposition modelling）、パウダーベッドプリンティング（ＰＢＰ、powder bed printing）、薄膜積層法（ＬＯＭ、laminated object manufacturing）、光造形法（ＳＬ、stereolithography）、選択的レーザー焼結法（ＳＬＳ、selective laser sintering）、選択的レーザー溶融法（ＳＬＭ、selective laser melting）、選択的加熱焼結法（ＳＨＳ、selective heat sintering）、電子ビーム溶融法（ＥＢＭ、electron beam melting）、ダイレクトインクライティング（ＤＩＷ、direct ink writing）、デジタルライトプロセシング（ＤＬＰ、digital light processing）及びアディティブレイヤーマニュファクチャリング（ＡＬＭ、additive layer manufacturing）は、アディティブマニュファクチャリング（ＡＭ、additive manufacturing）法の一般的階層にあたり、これらを３Ｄプリンティング技術と称する。これらのシステムは、デジタルモデルデータに基づき、３次元物体を生成するのに用いられる。具体的には、形成すべき物体の断面パターンを製造し、材料の層を連続的に積み重ねることにより、３次元のソリッドな物体を形成する。以下の説明において、このような方法を、アディティブマニュファクチャリングあるいは３Ｄプリンティングと称するが、一般的な意味で用いるものである。通常、アディティブマニュファクチャリング技術あるいは３Ｄプリンティング技術において、材料を一層一層選択的に積層し、材料を選択的に熱溶解又は凝固し、必要に応じて、余分な材料を除去する。現在、３Ｄプリンティングは、プロトタイプ作成に用いられるとともに、エンジニアリング、建設、工業デザイン、自動車工業及び航空宇宙工業における様々な用途において、分散型製造に広く使用されている。
【００１３】
本発明に係る有利な実施形態及び活用形態は、添付の特許請求の範囲に記載される。
【００１４】
一実施形態に係る３Ｄプリンティング方法において、開繊繊維束テープは、複数の基材フィラメントと共に、レーザービームにより加熱されてもよい。従って、一実施形態において、３Ｄプリンタは、レーザービームを、前記マージングステーション内の前記開繊繊維束テープ及び前記複数の基材フィラメントまで伝導させて、前記開繊繊維束テープ及び前記複数の基材フィラメントを加熱するように構成及び配置されたレーザーをさらに具備してもよい。従って、本実施形態において、レーザーで精密に温度を操作し得るので、複数の基材フィラメントは、非常にコスト効率の高くかつ適切に制御された状態で溶融し得る。
【００１５】
一実施形態に係る３Ｄプリンティング方法において、前記複数の基材フィラメントは、前記開繊繊維束テープと共に、２つの押圧板に挟まれて押圧されもよい。従って、一実施形態によれば、３Ｄプリンタは、前記マージングステーション内で前記複数の基材フィラメントを前記開繊繊維束テープと共に押圧するように構成及び配置された２つの押圧板をさらに具備してもよい。これにより、２つの押圧板は、一種のトンネルを形成し、適切に制御された状態で、複数の基材フィラメントを開繊繊維束テープと共にガイド及び供給し、一緒に押圧する。
【００１６】
一実施形態に係る３Ｄプリンティング方法において、前記レーザービームは、前記２つの押圧板の少なくとも一方を通過することで、前記開繊繊維束テープ及び前記複数の基材フィラメントまで伝導されてもよい。従って、一実施形態によれば、３Ｄプリンタにおいて、前記２つの押圧板の少なくとも一方は、前記レーザービームを伝導するように透明に形成されてもよい。例えば、一方又は両方の押圧板は、レーザービームが通過可能な、透明のガラス又はガラス類似の材料で形成してもよい。従って、２つの押圧板の間には、空間が設けられる。空間内で、複数の基材フィラメントが開繊繊維束テープと共に押圧され、加熱される。これにより、複数の基材フィラメント及び開繊繊維束テープがマージ（一体化）し、１つの含浸繊維層を形成する。１つの含浸繊維層は、プリントベッドに供給される。
【００１７】
一実施形態に係る３Ｄプリンティング方法において、前記含浸繊維層は、アイロンで前記含浸繊維層を押し当てることにより積層されてもよい。従って、一実施形態によれば、３Ｄプリンタにおいて、前記第１のプリンタヘッドは、前記含浸繊維層を前記プリントベッドに押し当てるように構成されたアイロンを有してもよい。具体的には、アイロンは、加熱により、溶融、流体又は半流動性状の含浸繊維層を、プリントベッド及び／又は積層済の繊維強化材料に押し当てるよう構成されてもよい。これにより、平滑で切れ目が無く、割れ目、空間又は空洞等の形成されていない複合材構造物の積層体が形成される。
【００１８】
一実施形態に係る３Ｄプリンティング方法において、切断装置により、アイロンの上で又は付近で含浸繊維層を切断してもよい。従って、一実施形態によれば、３Ｄプリンタにおいて、３Ｄプリンタ及び／又は第１のプリンタヘッドは、アイロンの上で又は付近で含浸繊維層を切断するよう構成された切断装置を有してもよい。
【００１９】
一実施形態に係る３Ｄプリンティング方法において、前記３Ｄプリンティング方法は、さらに、アディティブマニュファクチャリング技術あるいは３Ｄプリンティング技術を用いてプリントテーブル上に前記プリントベッドを予め形成してもよい。従って、一実施形態によれば、３Ｄプリンタは、アディティブマニュファクチャリング技術あるいは３Ｄプリンティング技術を用いてプリントテーブル上に前記プリントベッドを形成するように構成された第２のプリンタヘッドをさらに具備してもよい。例えば、第２のプリンタヘッドは、ＦＤＭプリンタヘッド等で構成すればよく、繊維強化材を含まない、プラスチック又は金属の３次元構造物を形成可能であればよい。繊維強化材を含む繊維強化複合材構造物を非平面状の配向（即ち、平坦で水平のプリントベッド又はプリントテーブルに対して角度の付いた配向）でプリントするために、このような第２のプリンタヘッドを用いて、角度の付いたあるいは湾曲したプリントベッドをプリントしてもよい。例えば、第２のプリンタヘッドは、第１のプリンタヘッドより前方に配置してもよい。あるいは、第２のプリンタヘッドは、第１のプリンタヘッドから機械的に分離された完全独立型のプリンタヘッドとしてもよい。従って、第１のプリンタヘッドにより実際に複合材構造物をプリントするのに先立って、プリントベッドをプリントしておけばよい。あるいは、複合材構造物と並行して（即ち、同時に）、プリントベッドをプリントしてもよい。従って、プリントベッド（即ち、その上で部品が実際に作成される、３Ｄプリンタのビルドプレート）は、それ自体プリンティングにより作成されてもよい。例えば、プリントベッドは、プラスチック及び／又は金属材料で形成してもよい。例えば、Ｌ字形状の繊維強化複合材構造物を、形成してもよい。なお、Ｌ字形状の両方の部位（即ち、水平の部位と、垂直の部位）は、強化材を含んでもよい。
【００２０】
一実施形態に係る３Ｄプリンティング方法において、前記含浸繊維層は、前記プリントベッドの湾曲した積層面に沿って移動することにより、前記プリントベッド上に前記層複合体として積層されてもよい。従って、一実施形態によれば、３Ｄプリンタにおいて、前記第１のプリンタヘッドは、前記プリントベッドの湾曲した積層面に沿って前記含浸繊維層を前記プリントベッド上に積層可能なように、傾斜角を調整可能に構成されてもよい。例えば、第１のプリンタヘッドは、予めプリントされた又は並行してプリントされる角度の付いたあるいは湾曲したサポートベッド上に、含浸繊維層を積層するのに用いてもよい。従って、第１のプリンタヘッドは、プリンティングソフトウェアにより指定される所定の複合材構造形状に自動的に従うよう構成されてもよい。
【００２１】
一実施形態に係る３Ｄプリンティング方法において、３Ｄプリンティング方法は、さらに、プリントベッド加熱装置で、プリントベッドを予備加熱（プレヒート）してもよい。従って、一実施形態によれば、３Ｄプリンタは、プリントベッドを予備加熱（プレヒート）するよう構成されたプリントベッド加熱装置をさらに具備してもよい。プリントベッドを加熱しておくことにより、歪み等（即ち、温度が下がるときにプラスチック材料が不均一に収縮することに起因する、複合材構造物の不要な変形）を防止して、プリント品質を向上する。加熱したベッド上でプリントすることで、プリンティングプロセス中にプリント済の部位の熱を保つことができ、プラスチックの温度が融点未満に下がったときにプラスチックをより均一に収縮させることができる。加熱したベッドを使うことで、通常、完成品としての構造物を、より高品質とすることができる。
【００２２】
一実施形態によれば、３Ｄプリンタにおいて、前記基材フィラメントは、熱可塑性材料から生成されてもよい。熱可塑性材料は、薄く平坦な開繊繊維束テープと組み合わせるのに特に適しており、容易かつコスト効率高く、高品質かつ構造的に完全な含浸繊維層を形成することが可能となる。適当な熱可塑性材料は、有機熱可塑性材料ポリマー、例えば、ポリアリールエーテルケトン、具体的には、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ、polyetheretherketone）又はポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ、polyetherketoneketone）等を含む。これらの材料は、軽量、耐熱性、機械的強度及び耐化学性の特徴を有し、このため、しばしば、輸送工業のみならず一般的な機械エンジニアリングにも用いられる。
【００２３】
一実施形態によれば、３Ｄプリンタにおいて、前記開繊繊維束テープは、複数の樹脂未含浸強化繊維からなり、各強化繊維はカーボンファイバー、アラミドファイバー、及びグラスファイバーからなるグループから選択されてもよい。
【００２４】
一実施形態によれば、３Ｄプリンタは、自動品質制御システムをさらに具備してもよい。品質制御システムは、３Ｄプリンタの３Ｄプリンティングプロセスの少なくとも１つの品質パラメータを評価し、少なくとも１つの品質パラメータに基づき３Ｄプリンタを制御するよう構成される。自動品質制御システムは、制御装置及びセンサ装置を有してもよい。センサ装置は、３Ｄプリンティングプロセスのセンサデータを記録するよう構成されてもよい。制御装置は、記録したセンサデータに基づき、３Ｄプリンティングプロセスの少なくとも１つの品質パラメータを判断し評価するよう構成されてもよい。制御装置は、少なくとも１つの品質パラメータが所定のプリンティング制限に適合する又は不適合であると評価すると、少なくとも１つの品質パラメータの評価に基づき、３Ｄプリンタを制御するよう構成されてもよい。例えば、センサ装置は、赤外線センサ、音響センサ、視覚センサ（例えば、映像情報を分析する）、加速度センサ、熱センサ、三角測量センサ等で構成すればよい。例えば、センサ装置は、３Ｄプリンタ又はレーザービームのノイズレベル又はエネルギー消費量を監視するよう構成してもよい。あるいは、センサ装置は、歪み、プレートからの剥離、不整合、亀裂、変色、位置ずれ、層同士の剥離、圧力により生じる破砕や変形、残留応力、プリント済の部位の配向、支持構造物の配向等を検出するよう構成してもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る特徴を有する３Ｄプリンティング方法及び３Ｄプリンタによって、時間及びコスト面でより効率的に繊維強化複合材構造物を積層製造（アディティブマニュファクチャリング）するための、信頼性の高い手法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に係る繊維強化複合材構造物を製造するための３Ｄプリンタを模式的に示す斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態に係る繊維強化複合材構造物を製造するための３Ｄプリンタを模式的に示す概略的側面図である。
【図２】本発明の別の実施形態に係る、図１Ａ及び図１Ｂに示す３Ｄプリンタにより繊維強化複合材構造物を製造するための３Ｄプリンティング方法を示すフローチャートである。
【図３Ａ】図２に示す３Ｄプリンティング方法のステップを例示する模式図である。
【図３Ｂ】図２に示す３Ｄプリンティング方法のステップを例示する模式図である。
【図３Ｃ】図２に示す３Ｄプリンティング方法のステップを例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
例示的な各実施形態及び添付図面を参照し、本発明をより詳細に説明する。
【００２８】
添付図面は、本発明をよりよく理解するためのものであり、本明細書の一部を構成する。本図面は、本発明の各実施形態を説明し、また、本明細書とともに、本発明の原理を説明するのに寄与する。本発明の他の各実施形態及び本発明の意図する多数の有利な点は、以下の「発明を実施するための形態」を参照してよりよく理解されるため、容易に認められるであろう。図面中の各要素は、相互の相対的な大きさを必ずしも示しているわけではない。各図において、特に断りの無い限り、類似の参照符号は、類似又は機能的に類似の構成要素を示す。
【００２９】
具体的な各実施形態をここに説明し記載するが、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、ここに示し記載する具体的な各実施形態に代えて、各種の代替物及び／又は均等物を実装してもよいことは、当業者には明らかである。一般に、本出願は、ここに考察する具体的な各実施形態におけるあらゆる改変物又はバリエーションを網羅することを意図している。
【００３０】
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る３Ｄプリンタ１００であって、繊維強化複合材構造物１０を製造するための３Ｄプリンタ１００を模式的に示す。具体的には、図１Ａは、３Ｄプリンタ１００を示す斜視図である。図１Ｂは、３Ｄプリンタ１００を示す概略的側面図である。
【００３１】
繊維強化複合材構造物１０は、何らかの３次元繊維強化複合材構造物、言い換えれば、プリントテーブル上で材料を層状に積層することにより形成され得る物体であればよい。単に理解を容易にする目的で、図１Ａ及び図１Ｂは、平矩形状の繊維強化複合材構造物１０を模式的に描く。繊維強化複合材構造物１０は、例えば輸送工業（例えば、車両、船舶又は航空機）に用いられるよう構成され得る。繊維強化複合材構造物１０は、含浸繊維層７の層複合体８により形成される。含浸繊維層７は、３Ｄプリンタ１００の第１のプリンタヘッド１６から供給されたものである。繊維強化複合材構造物１０を形成するために、層複合体８は、プリントベッド９上に一層一層選択的に、重なり合って積層される。その結果、層複合体８は結合し、１つの繊維強化複合材構造物１０を形成する。
【００３２】
図２は、図１Ａ及び図１Ｂの３Ｄプリンタ１００で用いられる、繊維強化複合材構造物１０を製造するための３Ｄプリンティング方法Ｍを示すフローチャートである。３Ｄプリンティング方法Ｍは、概して、ステップＭ１において、複数の強化繊維を含む開繊繊維束テープ１をテープサプライ３、３'からマージングステーション４に供給する（図１Ａ及び図１Ｂ参照）。開繊繊維束テープ１は、機械的又は電磁的開繊技術を用いて、樹脂未含浸強化繊維タイプの繊維束（例えば、カーボンファイバー、アラミドファイバー若しくはグラスファイバー又はこれらの複数種類の組み合わせ）を開繊して、特定の目付及び幅を有する平坦なテープとすることにより、作成される。加えて、このテープをさらに織り合わせ加工あるいは織り交ぜ加工することで、繊維が様々な配向となるファブリックを作成してもよい。本発明において、開繊繊維束テープ１は、開繊繊維の繊維束のテープを概して意味する。従って、開繊繊維束テープ１は、一方向性の開繊繊維束テープも意味するし、開繊繊維束テープを織り合わせたあるいは織り交ぜた開繊繊維束テープファブリックをも意味する。図１Ａに示すように、開繊繊維束テープ１は、２個のテープサプライ３、３'から供給される。２つのテープサプライ３、３'は、それぞれスプールとして構成される。第１のテープサプライ３は、幅広の開繊繊維束テープ１を供給し、第２のテープサプライ３'は、幅狭の開繊繊維束テープ１を供給する。異なる幅はそれぞれ、各種目的に従って最適な幅とすればよい。例えば、繊維強化複合材構造物１０の広面積の部位を全体的にプリントするには、幅広を選択すればよい。繊維強化複合材構造物１０の縁をプリントするには、あるいは、繊維配列及び繊維配向に精密な調整が必要となるより繊細な部位をプリントするには、最適な幅狭とするのがよい。２つのテープサプライ３、３'を有する３Ｄプリンタ１００の、図示の変形例は、単に説明の目的で選択したにすぎない。目下、当業者は、特定分野での用途に応じて、容易に、多数の各種変形例に利点を見出すことが考えられる。例えば、多くの用途において、１つのテープサプライ３で十分であると考えられる。一方、他の使用事例では異なる種類の開繊繊維束テープ１を供給する多数のテープサプライ３、３'が必要であると考えられる。
【００３３】
さらに図２を参照し、さらに、方法ＭのステップＭ２において、複数の基材フィラメント５をマルチフィラメントサプライ６からマージングステーション４に供給する。複数の基材フィラメント５は、熱可塑性材料、樹脂又は別の適当な材料（溶融して繊維強化複合材構造物１０の基質を形成し得る材料）から形成すればよい。適当な熱可塑性材料は、有機熱可塑性材料ポリマー、例えば、ポリアリールエーテルケトン、具体的には、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ、polyetheretherketone）又はポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ、polyetherketoneketone）等を含む。マルチフィラメントサプライ６は、複数本のフィラメントを供給するスプールとして構成される。しかしながら、本発明の各原理に従って、異なる構成に基づく各種変形例を提供してもよい。例えば、マルチフィラメントサプライ６は、単一のスプールとして構成するのではなく、分離した多数のスプールとして準備し、異なる種類の複数の基材を供給可能としてもよい。
【００３４】
さらに図２を参照し、さらに、方法ＭのステップＭ３において、マージングステーション４で、複数の基材フィラメント５を開繊繊維束テープ１と共に押圧する。複数の基材フィラメント５は、開繊繊維束テープ１と共に、２つの押圧板１２ａ、１２ｂに挟まれて押圧される。
【００３５】
さらに図２を参照し、さらに、方法ＭのステップＭ４において、マージングステーション４で、開繊繊維束テープ１を複数の基材フィラメント５と共に基材フィラメント５の溶融温度Ｔに加熱することにより、含浸繊維層７を形成する。開繊繊維束テープ１は、複数の基材フィラメント５と共に、レーザービーム１９により加熱される。レーザービーム１９は、２つの押圧板１２ａ、１２ｂの少なくとも一方を通過することで、開繊繊維束テープ１及び複数の基材フィラメント５まで伝導される。これを実現するため、押圧板１２ａ、１２ｂの少なくとも一方は、レーザービーム１９を伝導するように透明に形成される。図１Ａ及び図１Ｂの実施形態において、右側の押圧板１２ｂは、具体的には、透明の板、例えば、ガラス板で構成すればよい。一方、左側の押圧板１２ａは、金属板等で構成すればよい。しかしながら、原理上、両方の押圧板１２、１２ｂをガラス板で形成してもよい。例えば、２以上のレーザー２が設けられるような本発明の一実施形態において、例えば、マージングステーション４の両側にそれぞれ１つずつレーザーが設けられる場合である。
【００３６】
従って、マージングステーション４内の複数の基材フィラメント５及び開繊繊維束テープ１に圧力及び温度を印加することにより、多数の基材フィラメント５が開繊繊維束テープ１とマージ（一体化）して、未硬化の含浸繊維層７、即ち、未結合の基材（例えば、熱可塑性材料や、強化繊維（例えば、炭素繊維））を形成する。
【００３７】
さらに図２を参照し、さらに、方法ＭのステップＭ５において、第１のプリンタヘッド１６により、含浸繊維層７を層複合体８としてプリントベッド９上に積層することにより、繊維強化複合材構造物１０を形成する。含浸繊維層７は、アイロン１３で含浸繊維層７を押し当てることにより積層される。具体的には、アイロン１３は、含浸繊維層７に含まれる基材が溶融又は流体状を維持する程度に加熱すればよい。これにより、含浸繊維層７をプリントベッド９に押し当てたとき、積層済の繊維強化材料が、平滑で切れ目が無く、（不要な）割れ目、空間又は空洞等の形成されていない繊維強化複合材構造物１０の積層体が形成される。図１Ｂに示すように、３Ｄプリンタ１００において、アイロン１３の上流に、即ち、マージングステーション４とアイロン１３との間に、切断装置１１が設けられる。切断装置１１は、アイロン１３の上で又は付近で含浸繊維層を切断するよう構成される。続いて、積層された材料は、結合し、完成品としての繊維強化複合材構造物１０を形成すればよい。
【００３８】
さらに図１Ｂを参照し、３Ｄプリンタ１００には、自動品質制御システム２０が設けらる。自動品質制御システム２０は、３Ｄプリンタ１００の３Ｄプリンティングプロセスの少なくとも１つの品質パラメータＰ１を評価し、少なくとも１つの品質パラメータＰ１に基づき３Ｄプリンタ１００を制御するよう構成される。これを実現するため、自動品質制御システム２０は、制御装置２１及びセンサ装置２２を有する。センサ装置２２は、３ＤプリンティングプロセスのセンサデータＳを記録するよう構成される。一方、制御装置２１は、記録したセンサデータＳに基づき、３Ｄプリンティングプロセスの少なくとも１つの品質パラメータＰ１を判断し評価するよう構成される。制御装置２１は、少なくとも１つの品質パラメータＰ１が所定のプリンティング制限Ｐ０に適合する又は不適合であると評価すると、少なくとも１つの品質パラメータＰ１の評価に基づき、３Ｄプリンタ１００を制御するよう構成される。例えば、センサ装置２２は、赤外線センサ、音響センサ、視覚センサ、加速度センサ、熱センサ、三角測量センサ等で構成すればよい。従って、センサデータＳは、センサに応じて記録したデータ（例えば、熱赤外線画像、測定温度等）とすればよい。例えば、少なくとも１つの品質パラメータＰ１は、唯一（不変）の分析パラメータでもよいし、あるいは、特定のセンサデータＳに基づき可変でもよい。あるいは、品質パラメータＰ１は、センサから入力された多数の異なる値から算出される、１つの多変数の分析量又は数個の多変数の分析量でもよい。具体的な一実施形態において、品質パラメータは、品質予測パラメータ等に相当するものでもよい。自動品質制御システム２０は、品質予測パラメータを基準として、どのようにプリンティングプロセスを進めるか判断すればよい。例えば、自動品質制御システム２０は、シミュレーションで生成したプロセス情報を、実際の情報（即ち、測定情報）に重ね合わせればよい。これにより、自動品質制御システム２０は、実際の値が理想値又はシミュレーション値に不適合である場合、この結果に基づき、３Ｄプリンタ１００を制御することが可能となる。例えば、自動品質制御システム２０は、エラー時に３Ｄプリンタ１００を停止し、これにより、フィードバック制御を効率的に実行することができる。
【００３９】
方法Ｍは、オプションのステップＭ０２をさらに含んでもよい。ステップＭ０２において、プリントベッド加熱装置１８で、プリントベッド９を予備加熱（プレヒート）する。プリントベッド９を加熱しておくことにより、プリント品質を向上し、繊維強化複合材構造物１０がゆがんだり、その他不要に変形したりするのを避けることができる。加熱したベッド上でプリントすることで、プリンティングプロセス中にプリント済の部位の熱を保つことができ、プラスチックの温度が融点未満に下がったときにプラスチックをより均一に収縮させることができる。加熱したベッドを使うことで、通常、完成品としての構造物を、より高品質とすることができる。
【００４０】
図２に示す方法Ｍは、オプションのステップＭ０１をさらに含んでもよい。ステップＭ０１において、アディティブマニュファクチャリング技術あるいは３Ｄプリンティング技術を用いて、プリントテーブル１４上にプリントベッド９を形成する。従って、一実施形態において、３Ｄプリンタ１００は、第２のプリンタヘッド（図示せず）をさらに有してもよい。第２のプリンタヘッドは、アディティブマニュファクチャリング技術を用いて、プリントテーブル１４上にプリントベッド９を形成するよう構成される。本実施形態において、プリントベッド９は、次に又は同時に繊維強化複合材構造物１０をプリントする際のサポートベッドとしての役割を持つ。プリントベッド９は、繊維強化複合材構造物１０を実際にプリントする前に予めプリントしておいてもよいし、あるいは、繊維強化複合材構造物１０と同時にプリントしてもよい。図３Ａ乃至３Ｃを参照し、第２のプリンタヘッド（図示せず）は、第１のプリンタヘッド１６から機械的に分離された完全独立型のプリンタヘッドとすればよい。従って、第１のプリンタヘッド１６により実際に複合材構造物をプリントするのに先立って、プリントベッド９をプリントしておけばよい（図３Ａ及び図３Ｂの矢印は、プリントベッド９のプリント方向を示す）。この点、図３Ａに示すプリントテーブル１４において、プリントテーブル１４上にプリントベッド９がプリントされている。プリントベッド９は、プリントテーブル１４の上面に、プラスチック又は金属材料で形成すればよい。例えば、第２のプリンタヘッドは、ＦＤＭ（fused deposition modelling、熱溶解積層法）プリンタヘッド等で構成すればよく、繊維強化材を含まない、プラスチック又は金属の３次元構造物を形成可能であればよい。従って、角度の付いたあるいは湾曲した構造のプリントベッド９を、プリントすることができる。これにより、予めプリントしたプリントベッド９に沿って、全体的に３次元方向に繊維が配向した繊維強化複合材構造物１０（図３Ｃの矢印は、繊維強化の方向を示す）を、次にプリントしやすくなる（図３Ａ乃至３Ｃ参照）。このため、第１のプリンタヘッド１６は、プリントベッド９の湾曲したあるいは角度の付いた積層面１５に沿って含浸繊維層７がプリントベッド９上に積層可能なように、傾斜角を調整可能に構成すればよい。
【００４１】
上記「発明を実施するための形態」において、各種特徴は、本開示を合理化する目的で、１以上の例にグループ化される。上記説明は、例示を意図しており、限定的なものででないと理解される。上記説明は、全ての代替物、変更物及び均等物を網羅することを意図している。上記の明細書を参照し、多数の他の変形例が存在することは、当業者にとって明らかである。
【００４２】
本発明の原理及びその実際の適用を最も適切に説明するために、各実施形態を選択し説明した。これにより、当業者は、特定の使用計画に即して、本発明及び各種実施形態を各種変更例と共に最も適切に利用することができる。上記の明細書を参照し、多数の他の変形例が存在することは、当業者にとって明らかである。
【符号の説明】
【００４３】
１・・・開繊繊維束テープ
２・・・レーザー
３、３'・・・テープサプライ
４・・・マージングステーション
５・・・基材フィラメント
６・・・マルチフィラメントサプライ
７・・・含浸繊維層
８・・・層複合体
９・・・プリントベッド
１０・・・繊維強化複合材構造物
１１・・・切断装置
１２ａ、１２ｂ・・・押圧板
１３・・・アイロン
１４・・・プリントテーブル
１５・・・積層面
１６・・・第１のプリンタヘッド
１７・・・第２のプリンタヘッド
１８・・・プリントベッド加熱装置
１９・・・レーザービーム
２０・・・品質制御システム
２１・・・制御装置
２２・・・センサ装置
１００・・・３Ｄプリンタ
Ｍ・・・３Ｄプリンティング方法
Ｍ０１・・・方法ステップ
Ｍ０２・・・方法ステップ
Ｍ１・・・方法ステップ
Ｍ２・・・方法ステップ
Ｍ３・・・方法ステップ
Ｍ４・・・方法ステップ
Ｍ５・・・方法ステップ
Ｐ０・・・プリンティング制限
Ｐ１・・・品質パラメータ
Ｓ・・・センサデータ
Ｔ・・・溶融温度
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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