(57)【要約】  複合部品を生産するための方法および装置は、複合部品がマトリクス材料内の強化または他の粒子の方向および空間分布上の正確な制御で組み立てられることを可能にするために提供される。当該方法および装置は、その部品の各層内に複雑な粒子配向を達成するために、種々の付加製造プロセスの間に適用される磁場を使用する。複合部品は、機械的、熱的、電気的および光学特性を含有する、強化された特性を達成することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合部品を生産する方法であって、
（ａ）ビルドプレートに隣り合う第１層の前駆体材料を導入し、前駆体材料は、マトリクス材料および磁気応答性粒子を含み、磁気応答性粒子は、少なくとも部分的に磁気材料を含むこと;
（ｂ）磁気応答性粒子を第１の磁場で第１の配置に向かせること;
（ｃ）第１層のマトリクス材料の第１部分を第１の配置に保持される第１部分内の磁気応答性粒子で固めること;
（ｄ）さらなる磁場で磁気応答性粒子のさらなる部分を第１の配置とは異なるさらなる配置に向かせること;
（ｅ）第１層のマトリクス材料のさらなる部分を、さらなる配置に保持されるさらなる部分内の磁気応答性粒子と固めること
を含む、前記方法。
【請求項２】
（ｆ）第１層のマトリクス材料の所定の部分が固められるまでステップ（ｄ）およびステップ（ｅ）を繰り返すこと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ｃ）およびステップ（ｅ）において、マトリクス材料が部分的に硬化され、完全に硬化され、固化され、重合され、または架橋される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第１層のマトリクス材料の所望の部分が固められたとき、ビルドプレートから第１層を除去し、第２層の、第１層に隣り合うビルドプレートに隣り合う追加の前駆体材料を導入することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
（ｇ）第１層に隣り合う第２層の追加の前駆体材料を導入すること；
（ｈ）磁場で第２層の粒子を第３の配置に向かせること;
（ｉ）第２層のマトリクス材料の第１部分を第３の配置に保持される第１部分内の磁気応答性粒子で固めること；
（ｊ）第３の配置とは異なる磁場で第４の配置に、磁気応答性粒子のさらなる部分を向かせること;
（ｋ）第２層のマトリクス材料の第２部分を、マトリクス材料を固めるために第４の配置に保持される第２部分内の磁気応答性粒子で固めること；
（ｌ）第２層のマトリクス材料の所望の部分が固められるまで、ステップ（ｊ）およびステップ（ｋ）を繰り返すこと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第１のおよびさらなる磁場が、第１層の面と平行な１以上の磁場源および第１層を備える面外の１以上の磁場源によって適用される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
マトリクス材料の第１部分およびマトリクス材料のさらなる部分の各々が、分離したボクセルを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１部分のボクセルが、さらなる部分のボクセルと空間を設ける、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
各ボクセルが、少なくとも約５０×５０×５０ミクロンの解像度を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
各層が少なくとも約５０ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
磁性材料が、強磁性材料、常磁性材料、超常磁性材料、酸化鉄、鉄、コバルト、ニッケル、鉄合金、またはニッケル合金を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
磁性材料が粒子、ミクロビーズ、ナノ粒子、やすり粉、繊維、フレーク、ロッド、ウィスカ、またはプレートレットを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
磁気応答性粒子が、磁性材料と結合された非磁性材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
非磁性材料が、酸化アルミニウム、リン酸カルシウム、銅、ガラス、硫酸カルシウム、ナイロン、ポリスチレン、または炭化ケイ素を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
非磁性材料が不連続繊維、ロッド、プレートレット、フレーク、またはウィスカを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
非磁性材料が磁性材料で被覆されている、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
磁気応答性粒子が少なくとも１次元において形状が異方性である、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
磁気応答性粒子が２００ｎｍ〜１０００μｍの範囲の最長寸法を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
磁気応答性粒子が１μｍ〜２０μｍの範囲の最長寸法を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
磁気応答性粒子が２〜２００の範囲のアスペクト比を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
磁性材料がフォトポリマーを含み、およびステップ（ｃ）およびステップ（ｅ）において、磁性材料がフォトポリマーの硬化を有効にするために選択された波長を有する放射線でマトリクス材料の選択されたボクセルの照明によって硬化される、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
放射線源が、波長３００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲にある、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
放射線源が紫外から赤外の範囲にある、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
磁性材料が光硬化性アクリル材料、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）材料、またはポリウレタン材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前駆体材料のマトリクス材料が、０．７ｍＰａ・ｓ〜１０Ｐａ・ｓの範囲の固化前の粘度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前駆体材料が、アクリル系フォトポリマーおよび酸化鉄ナノ粒子でラベル化された強化酸化アルミニウム・ミクロプレートレット粒子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
マトリクス材料に埋め込まれた磁気応答性粒子を含む複合部品であって、単一の層内の複数の磁気応答性粒子がマトリクス材料中に異なる方向性を有し、当該部分は、機械的特性、熱的特性、電気的特性、電磁性的特性および異方性である光学特性のうちの少なくとも１つを有する、前記複合部品。
【請求項２８】
特性が、引張強度、熱伝導率、導電率、不透明度または色の少なくとも１つを含む、請求項２７に記載の強化複合部品。
【請求項２９】
部品が超小型無人飛行機、カテーテル管、生体適合性のインプラント、補綴デバイス、矯正器具デバイス、航空宇宙部材、埋め込み電子部品、ヘルメット、ヘッドギア、身体部位のためのキャスト、機械的ハードウェアまたは開口部周囲の強化を含む、請求項２７に記載の強化複合部品品。
【請求項３０】
付加製造デバイスの少なくとも1つのプロセッサユニットによって実行されるとき、付加製造デバイスに複合部品品を含む３次元対象物を生成させる命令命令を記憶するコンピュータ読み取り可能な媒体であって、前記複合部品品が：
マトリクス材料に埋め込まれた磁気応答性粒子、マトリクス材料中の異なる方向性を有する単一の層内の複数の磁気応答性粒子、機械的特性、熱的特性、電気的特性および異方性である光学特性のうちの少なくとも１つを有する当該部品、
を含む、前記コンピュータ読み取り可能な媒体。
【請求項３１】
複合部品品を生産するための装置で：
前駆体材料のソースと連通するビルドプレートであって、前駆体材料はマトリクス材料および磁気応答性粒子を含み、磁気応答性粒子は少なくとも部分的に磁性材料を含む；
ビルドプレートに配置される前駆体材料の層に分離した分離したボクセルの放射線を適用するために配置される放射線源を分離した；
複数の方向性の磁場をビルドプレート上の前駆体材料の層に適用するために配置される複数の磁場源；および
ビルドプレート、放射線源および複数の磁場源と制御連通するプロセッサユニット；
を含む、前記装置。
【請求項３２】
複数の磁場源が、ビルドプレートに平行な平面内の磁力線の構成要素、およびビルドプレートに対して直角な平面の磁力線の構成要素を有する磁場を適用するために配置される、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
複数の磁場源が、ビルドプレートの平面と平行の方向の磁場を適用するために配置される少なくとも２つの磁場源、および１つのビルドプレートの平面から平面外の方向に磁場を適用するために配置される少なくとも1つの磁場源を含む、請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
複数の磁場源が、ビルドプレートの平面と平行の方向の磁場を適用するために配置される少なくとも２つのさらなる磁場源をさらに含有する、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
ビルドプレートの平面と平行の方向の少なくとも２つの磁場源が、互いに直角に配置される、請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
複数の磁場源の少なくとも一部がビルドプレートの平面の周りの運動のために支持される、請求項３１に記載の装置。
【請求項３７】
複数の磁場源の少なくとも一部分がビルドプレートの平面と平行な平面の周りの運動のために支持される、請求項３１に記載の装置。
【請求項３８】
磁場源の各々がソレノイドまたは電磁石を含む、請求項３１に記載の装置。
【請求項３９】
ビルドプレートの平面と平行な平面の磁場源の各々が、鉄芯を囲むコイルを含有するソレノイドを含む、請求項３１に記載の装置。
【請求項４０】
ビルドプレートの平面に対して直角な平面内の磁場源の少なくとも１つが、オープンコア領域を囲むコイルを含有するソレノイドを含む、請求項３１に記載の装置。
【請求項４１】
放射線源がビルドプレートにオープンコア領域を介して放射線を向けるように配置される、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
放射線源が、波長３００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲にある、請求項３１に記載の装置。
【請求項４３】
放射線源が紫外線から赤外線の範囲にある、請求項３１に記載の装置。
【請求項４４】
放射線源が放射線を分離した分離したボクセルの選択されたものに向けるように働く、請求項３１に記載の装置。
【請求項４５】
放射線源がデジタル光プロジェクタを含む、請求項３１に記載の装置。
【請求項４６】
ビルドプレートが前駆体材料のソースに関して垂直運動のために搭載される、請求項３１に記載の装置。
【請求項４７】
前駆体材料源を含むリザーバをさらに含み、およびビルドプレートが、リザーバ内および上からリザーバへの垂直運動のために搭載される、請求項３１に記載の装置。
【請求項４８】
前駆体材料源を含むリザーバをさらに含み、および磁場源の少なくとも一部分がリザーバ周囲の円周方向に配置される、請求項３１の記載の装置。
【請求項４９】
前駆体材料源を含むリザーバをさらに含み、および磁場源の少なくとも１つがリザーバの下に垂直に配置される、請求項３１に記載の装置。
【請求項５０】
磁場源がオープンコア領域を囲むコイルを含有するソレノイドを含み、および放射線源がビルドプレートに隣接するリザーバの前駆体材料の層に対してオープンコア領域を介して放射線を投射するように、ソレノイドの下に配置される、請求項３１に記載の装置。
【請求項５１】
プロセッサが、
（ａ）ビルドプレートに隣接して第１層の前駆体材料のソースから、前駆体材料を導入し；
（ｂ）複数の磁場源の１以上を作動させて、第１の磁場で第１の配列に磁場応答性粒子を向かせるために、第１の磁場を第１層に適用し；
（ｃ）放射線源を作動させて、第１の配列に保持される第１部分内の磁気応答性粒子で、第１層のマトリクス材料の第１部分を固め；
（ｄ）複数の磁場源の１以上を作動させて、さらなる磁場で第１の配列と異なるさらなる配列の磁気応答性粒子のさらなる部分を向かせるために、さらなる磁場を適用し；および
（ｅ）照射源を作動させて、さらなる配列に保持されるさらなる部分内の磁気応答性粒子で第１層のマトリクス材料のさらなる部分を固める：
命令を含む、請求項３１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１４年６月６日出願の米国仮出願番号６２／００８，９１４号、名称「Method for the Production of Discontinuous Fiber Architectures in Additive Manufacturing Processes With Magnetic Fields」の米国特許法３５条§ １１９（ｅ）の下における優先権を主張し、その開示はここに参照によって組み入れられる。
【０００２】
連邦支援研究または開発に関する陳述
未申請
【背景技術】
【０００３】
付加製造（時々、３Ｄプリントと称される）は、数十ミクロンにまで至る解像度のレベルで例えばポリマー、金属およびセラミックなどの様々な材料から複雑な３次元構造体を製作するために用いられる。ギアからジェットエンジン用の機能的な燃料ノズルまで、荷重支持の機械構造体は、これらの技術によって生産された。
ポリマーのプリントは、熱可塑性樹脂のための押出ベースの直描法によって、およびステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）ベースの熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のための光重合によって主に達成された。プリントされたポリマーは、軽量であるが、比較的弱い。このように、３Ｄプリントは、現在、繊維強化ポリマー複合体を製造する方向へ進んでいる。連続ストランド炭素繊維、ケブラーおよびガラス繊維強化ポリマーにプリントすることができる工業的自動繊維配置（ＡＦＰ）プリンタが、開発された。これらのロボット配置プリンタは、ミリメートルより長い長さ尺度を有する強化繊維、およびＸＹ平面に限られている方向制御を伴うセンチメートルより大きな形状に限られている。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、繊維の方向性が正確に制御され得る、高度にプログミング可能な不連続な強化構造物を創生するためにリアルタイム・コロイドアセンブリを採用する付加製造技術を提供する。
本発明の一側面は、複合部品を生産する方法であり、以下を含む：
（ａ）ビルドプレートに隣接する第１層の前駆体材料を導入し、該前駆体材料は、マトリクス材料および磁気応答性粒子を含み、該磁気応答性粒子は、少なくとも部分的に磁気材料を含む；
（ｂ）第１の磁場で、第１の配列の磁気応答性粒子を向かせ；
（ｃ）第１の配列に保持された第１部分内での磁気応答性粒子で第１層のマトリクス材料の第１部分を固め；
（ｄ）さらなる磁場で第１の配列と異なるさらなる配列の磁気応答性粒子のさらなる部分を向かせ；および、
（ｅ）さらなる配列に保持されたさらなる部分内での磁気応答性粒子で第１層のマトリクス材料のさらなる部分を固める。
方法のさらなる側面において、ステップ（ｄ）およびステップ（ｅ）は、第１層のマトリクス材料の決定された部分が固められるまで、繰り返される。
方法のさらなる側面において、ステップ（ｃ）およびステップ（ｅ）は、マトリクス材料が部分的に硬化され、完全に硬化され、固体化され、重合され、または架橋される。
【０００５】
方法のさらなる側面において、第１層のマトリクス材料の所望の部分が固められたときに、第１層はビルドプレートから取り除かれ、および、付加前駆体材料は第２層のビルドプレートに隣接して、および、第１層に隣接して導かれる。
さらなる側面において、方法は、さらに以下を含む：
（ｇ）第１層に隣接する第２層の付加前駆体材料を導くこと、
（ｈ）磁場で第３の配列の第２層の粒子を向かせること；
（ｉ）第３の配列に保持された第１部分内で、磁気応答性粒子で第２層のマトリクス材料の第１部分を固めること；
（ｊ）第３の配列と異なる磁場で第４の配列の磁気応答性粒子のさらなる部分を向かせること；
（ｋ）第４の配列に保持された第２部分内での磁気応答性粒子でマトリクス材料を強化するために、第２層のマトリクス材料の第２部分を固めること；
（ｌ）第２層のマトリクス材料の所望の部分が固められるまで、ステップ（ｊ）およびステップ（ｋ）を繰り返すこと。
【０００６】
方法のさらなる側面において、第１のおよびさらなる磁場は、第１層の平面に平行な１以上の磁場源、および、第１層を備える面外の１以上の磁場源によって、適用される。
方法のさらなる側面において、マトリクス材料の第１部分の各々およびマトリクス材料のさらなる部分は、分離したボクセルを含む。
方法のさらなる側面において、第１部分のボクセルは、さらなる部分のボクセルによって間があいている。
方法のさらなる側面において、各ボクセルは、少なくとも約５０×５０×５０ミクロンの解像度を有する。
方法のさらなる側面において、各層は、少なくとも約５０ミクロンの厚さを有する。
方法のさらなる側面において、磁性材料は、強磁性材料、常磁性材料、超常磁性材料、酸化鉄、鉄、コバルト、ニッケル、鉄の合金、コバルト合金またはニッケル合金を含む。
方法のさらなる側面において、磁性材料は、粒子、ミクロビーズ、ナノ粒子、やすり屑、繊維、フレーク、ロッド、ウィスカまたはプレートレット含む。
方法のさらなる側面において、磁気応答性粒子は、磁性材料に連結する非磁性材料を含む。
【０００７】
該方法のさらなる側面において、非磁性材料は、酸化アルミニウム、リン酸カルシウム、銅、ガラス、硫酸カルシウム、ナイロン、ポリスチレンまたは炭化ケイ素を含む。
該方法のさらなる側面において、非磁性材料は、不連続繊維、ロッド、プレートレット、フレークまたはウィスカを含む。
方法のさらなる側面において、非磁性材料は、磁性材料で被覆されている。
該方法のさらなる側面において、磁気応答性粒子は、少なくとも１次元において形状において異方性である。
該方法のさらなる側面において、磁気応答性粒子は、２００ｎｍから１０００μｍの範囲の最長寸法を有する。
該方法のさらなる側面において、磁気応答性粒子は、１μｍから２０μｍの範囲の最長寸法を有する。
該方法のさらなる側面において、磁気応答性粒子は、２から２００の範囲のアスペクト比を有する。
該方法のさらなる側面において、マトリクス材料はフォトポリマーを含み、そして、ステップ（ｃ）およびステップ（ｅ）において、マトリクス材料はフォトポリマーの硬化を有効にするように選択される波長を有する放射線でマトリクス材料の選択されたボクセルの照明によって硬化される。
該方法のさらなる側面において、放射線源は、波長３００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲である。
該方法のさらなる側面において、放射線源は、紫外線から赤外線の範囲である。
該方法のさらなる側面において、マトリクス材料は、光硬化が可能なアクリル材料、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）材またはポリウレタン材を含む。
該方法のさらなる側面において、前駆体材料のマトリクス材料は、０．７ｍＰａ・ｓから１０Ｐａ・ｓの範囲の固化の前の粘度を有する。
【０００８】
該方法のさらなる側面において、前駆体材料はアクリル系フォトポリマー、および酸化鉄ナノ粒子でラベル化された、強化酸化アルミニウム・ミクロプレートレット粒子を含む。
本発明の別の側面は、マトリクス材料に埋め込まれた磁気応答性粒子を含む複合部品で、単一の層内の複数の磁気応答性粒子は、マトリクス材料の異なる方向を有し、該部品は、機械的特性、熱的特性、電気的特性、電磁気的特性および異方性である光学特性のうちの少なくとも１つを有する。
複合部品のさらなる側面において、特性は、引張強度、熱伝導率、導電率、不透明度または色の少なくとも１つを含む。
複合部品のさらなる側面において、部品は、超小型無人飛行機、カテーテル管、生体適合性のインプラント、補綴デバイス、矯正器具デバイス、航空宇宙部材、埋め込み電子部品、ヘルメット、ヘッドギア、体の部位のための鋳造、機械的ハードウェアまたは開口部周囲の強化を含む。
【０００９】
本発明のさらなる側面は、付加製造デバイスの少なくとも１つのプロセッサユニットによって実行されるとき、付加製造デバイスに複合部品を含む３次元対象物を生成させる命令を記憶するコンピュータ読み取り可能な媒体であり、および、該複合部品は以下を含む：マトリクス材料に埋め込まれた磁気応答性粒子、マトリクス材料の異なる方向を有する単一の層内の複数の磁気応答性粒子、当該部品は、機械的特性、熱的特性、電気的特性および異方性である光学特性のうちの少なくとも１つを有する。
【００１０】
本発明のなおさらなる側面は、複合部品を生産する装置であり、以下を含む：
前駆体材料のソースと連通するビルドプレートであって、該前駆体材料は、マトリクス材料および磁気応答性粒子を含み、該磁気応答性粒子は、部分的に少なくとも磁性材料を含む；
ビルドプレートに配置された前駆体材料の層に、分離したボクセルの放射線を適用するために配置された放射線源；
複数の方向の磁場をビルドプレート上の前駆体材料の層に適用するために配置された複数の磁場源；および、
ビルドプレート、放射線源、および複数の磁場源と制御連通するプロセッサユニット。
装置のさらなる側面において、複数の磁場源は、ビルドプレートに平行な平面の磁力線（field lines）の構成成分、およびビルドプレートに垂直な平面の磁力線の構成成分を有する磁場を適用するために配置される。
【００１１】
装置のさらなる側面において、複数の磁場源は、ビルドプレートの平面と平行な方向に磁場を適用するために配置される少なくとも２つの磁場源、および、ビルドプレートの面外の方向に磁場を適用するために配置される少なくとも１つの磁場源を含む。
装置のさらなる側面において、複数の磁場源は、ビルドプレートの平面と平行な方向に磁場を適用するために配置される、少なくとも２つのさらなる磁場源をさらに含む。
装置のさらなる側面において、ビルドプレートの平面と平行な方向の少なくとも２つの磁場源は、互いに正しい角度で配置される。
装置のさらなる側面において、複数の磁場源の少なくとも一部分は、ビルドプレートの平面の周りの運動のために支持される。
装置のさらなる側面において、複数の磁場源の少なくとも一部分は、ビルドプレートの平面と平行な面の周りの運動のために支持される。
装置のさらなる側面において、磁場源の各々は、ソレノイドまたは電磁石を含む。
【００１２】
装置のさらなる側面において、ビルドプレートの平面と平行な平面の磁場源の各々は、鉄芯を囲むコイルを含有するソレノイドを含む。
装置のさらなる側面において、ビルドプレートの平面に対して直角な平面の磁場源のうちの少なくとも１つは、開いたコア領域を囲むコイルを含有するソレノイドを含む。
装置のさらなる側面において、放射線源は、ビルドプレートへ、開いたコア領域を介して放射線を向けるように配置される。
装置のさらなる側面において、放射線源は、波長３００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲にある。
装置のさらなる側面において、放射線源は、紫外線から赤外線の範囲にある。
装置のさらなる側面において、放射線源は、放射線を分離したボクセルの選択されたものに向けるように作動している。
装置のさらなる側面において、放射線源は、デジタル・光プロジェクタを含む。
【００１３】
装置のさらなる側面において、ビルドプレートは、前駆体材料のソースに関して、垂直運動のために載置される。
装置のさらなる側面において、リザーバは前駆体材料のソースを含み、およびビルドプレートはリザーバ内の、および上からリザーバ中への垂直運動のために載置される。
装置のさらなる側面において、リザーバは前駆体材料のソースを含み、および、磁場源の少なくとも一部分はリザーバ周辺で円周方向に配置される。
装置のさらなる側面において、リザーバは前駆体材料のソースを含み、および、磁場源の少なくとも１つはリザーバの下で垂直に配置される。
装置のさらなる側面において、磁場源は開いたコア領域を囲むコイルを含有するソレノイドを含み、および放射線源はビルドプレートに隣接するリザーバの前駆体材料の層へ、開いたコア領域を介して放射線を投射するためにソレノイドの下に配置される。
【００１４】
装置のさらなる側面において、プロセッサは、次の命令を含む：
（ａ）ビルドプレートに隣接する第１層の前駆体材料のソースから、前駆体材料を導く；
（ｂ）複数の磁場源の１以上を作動させて、第１の磁場で第１の配列の磁気応答性粒子を向けるために第１の磁場を第１層に適用する；
（ｃ）放射線源を作動させて、第１の配列において保持される第１部分内での磁気応答性粒子で第１層のマトリクス材料の第１部分を固める；
（ｄ）複数の磁場源の１以上を作動させて、さらなる磁場で第１の配列と異なるさらなる配列の磁気応答性粒子のさらなる部分を向けるためにさらなる磁場を適用する；
および、
（ｅ）放射線源を作動させて、さらなる配列に保持されるさらなる部分内での磁気応答性粒子で第１層のマトリクス材料のさらなる部分を固める。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明は、添付の図面と併せて参照される以下の詳細な説明から、より完全に理解される：
【図１】図１は、付加製造方法の一実施態様の概略工程系統図である；
【図２】図２は、付加製造のための装置の一実施態様の等角図である；
【図３】図３は、明確化のために放射線源が除去された図２の装置の等角図である；
【図４】図４は、図２の磁場システムおよび線形運動システムの等角図である；
【図５】図５は、図２の磁場システムの等角図である；
【図６】図６は、線形運動システムの等角図である；
【図７】図７は、図２のビルドプレート、前駆体源および線形運動システムの正面図である；
【図８】図８は、図２の放射線源のデジタル軽量プロセッサの実施態様の分解略図である；
【図９】図９は、図２の装置での使用のためのプロセッサユニットの略式的なブロック図である。
【図１０】図１０は、表面を磁化するプレートレットの超高磁気応答を説明するグラフである；
【００１６】
【図１１】図１１は、表面を磁化するロッドの超高磁気応答を説明するグラフである；
【図１２Ａ】図１２Ａは、磁場の粒子の挙動を説明する模式図である；
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、磁場に付される流体の粒子上の粘着性ドラッグ（drag）を説明するグラフである；
【図１３Ａ】図１３Ａは、ステレオリソグラフィ・タイプ法を使用する磁気応答性プレートレットの垂直配列を提供するための実験的な手順の写真である；
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、ステレオリソグラフィ・タイプ法を使用する磁気応答性プレートレットの水平配列を提供するための実験的な手順の写真である；
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、図１３Ａのプレートレットの垂直な、面外配列を示す模式図である；
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、図１３Ｂのプレートレットの水平な、面内配列を示す模式図である；
【図１３Ｅ】図１３Ｅは、図１３Ａの実験的な手順からのサンプルの顕微鏡写真である；
【図１３Ｆ】図１３Ｆは、図１３Ｂの実験的な手順からのサンプルの顕微鏡写真である；
【図１４Ａ】図１４Ａは、図１３Ａと類似の実験的な手順からの磁気応答性ロッドの垂直な、面外配列を示す模式図である；
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１３Ｂと類似の実験的な手順からの磁気応答性ロッドの水平な、面内配列を示す模式図である；
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、図１４Ａの実験からのサンプルの顕微鏡写真である；
【図１４Ｄ】図１４Ｄは、図１４Ｂの実験からのサンプルの顕微鏡写真である；
【図１５Ａ】図１５Ａは、ミクロ・ノズルプリント法を使用して磁気応答性プレートレットの垂直配列を提供するための実験的な手順の写真である；
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、図１５Ａの実験的な手順からのサンプルの写真である；
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、図１５Ａのプレートレットの垂直な、面外配列を示す模式図である；
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、プレートレットの水平な、面内配列を示す模式図である；
【図１５Ｅ】図１５Ｅは、図１５Ｃの実験的な手順からのサンプルの顕微鏡写真である；
【図１５Ｆ】図１５Ｆは、図１５Ｄの実験的な手順からのサンプルの顕微鏡写真である；
【００１７】
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の方法の一実施態様によって形成される２つの分離したアルミナプレートレット方向を実演するチェス盤の写真である；
【図１６Ｂ】図１６Ｂ、および図１６Ｃは、面外配列（Ｂ）と面内配列（Ｃ）との間の界面におけるチェス盤の（１０×拡大での）顕微鏡写真である；
【図１６Ｃ】図１６Ｂ、および図１６Ｃは、面外配列（Ｂ）と面内配列（Ｃ）との間の界面におけるチェス盤の（１０×拡大での）顕微鏡写真である；
【図１６Ｄ】図１６Ｄは、図１６Ｂの面外配列を表す模式図である；
【図１６Ｅ】図１６Ｅは、図１６Ｃの面内配列を表す模式図である；
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の方法の一実施態様によって形成される１０体積％磁気応答性プレートレットを有する３次元ブロックの写真である；
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、図１７Ａのブロックのプレートレットの方向を表す模式図である；
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、界面の図１７Ａのブロックの走査電子顕微鏡画像である；
【図１７Ｄ】図１７Ｄは、界面の図１７Ａのブロックの走査電子顕微鏡画像である；
【図１７Ｅ】図１７Ｅは、一方向の図１７Ａブロックの走査電子顕微鏡画像である；
【図１７Ｆ】図１７Ｆは、一方向の図１７Ａのブロックの走査電子顕微鏡画像である；
【図１８】図１８は、張力テストのための本発明の方法の一実施態様によって形成された１０％のアルミナ粒子を有する犬の骨の写真である；
【図１９】図１９は、本発明の方法の実施態様によって、およびテープキャスティング法によって作られる犬骨状試験片のヤング率を比較する標準偏差を有するバープロットである；
【図２０】図２０は、テープキャスティング法によってなされた、異なるプレートレット方向と犬骨状試験片のヤング率を比較した標準偏差を有するバープロットである；
【００１８】
【図２１】図２１は、本発明の一実施態様によって作られる変化に富む粒子方向によって提供される、変化に富む光学特性を説明するチェッカー盤、自由の女神の画像、および線形バンドの画像の図である；
【図２２Ａ】図２２Ａは、個々のボクセルの模式図である；
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、本発明の方法の実施態様によって形成されるモノリシックな複合体の破裂時のヤング率および歪のグラフである。
【図２２Ｃ】図２２Ｃは、本発明の方法の実施態様によって形成される３次元アーキテクチャの表面の２次元の硬度マッピングである；
【図２２Ｄ】図２２Ｄは、円形の欠陥の周りのプログラム可能な強化アーキテクチャを有するサンプルの図である；
【図２２Ｅ】図２２Ｅは、図２２Ｄのサンプルの２本の軸に沿った引張強度のグラフである。
【図２３Ａ】図２３Ａは、異なる角度で強化が向けられた３次元モノリシックな犬の骨の様々な張力荷重下での機械的な故障機構を説明する。ここで、スケールバーは、上部および下部の列に対してそれぞれ５００μｍおよび２５μｍである；
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、バルクフィルムの強化方向にマッチし、および対比する島を有するアーキテクチャを説明する。ここで、スケールバーは５００μｍである；
【図２４】図２４は、様々な粒子方向、および粒子のない場合のヤング率を説明する；
【図２５Ａ−Ｂ】図２５Ａおよび図２５Ｂは、異なる粒子方向を有する犬骨状試験片に行われる張力試験からの失敗モードを説明する；
【図２６】図２６は、中心の同心円状に強化された穴を有する犬骨状試験片に行われる張力試験からの失敗モードを説明する；
【図２７】図２７は、標本の硬度マッピングを説明する；および、
【図２８Ａ−Ｄ】図２８Ａ〜図２８Ｄは、様々な粒子方向を有する破砕を操作する能力を説明する。
【００１９】
発明の詳細な説明
本願は、２０１４年６月６日に出願の米国仮出願番号第６２／００８９１４号  名称：「Method for the Production of Discontinuous Fiber Architectures in Additive Manufacturing Processes With Magnetic Fields」の全ての開示を参照によって組み入れる。
不連続繊維複合体は、強く、軽量で、著しい破砕靭性を有する材料のクラスを代表する。付加生産技術を不連続繊維強化複合体に適応させることへの困難は、プリントプロセスの間に、繊維の方向を制御する能力である。適用応力で配列される繊維は包囲するマトリクスを強化し、その一方で、直角繊維は欠陥として働き、ポリマーマトリクスを弱くする。ランダム化された繊維（制御のないシステムのための基準）は、これらの２つの両極端の間の領域で働き、延性をひどく犠牲にする一方で、無視し得る程度に複合体強度に影響を与える結果をもたらす。
【００２０】
強化複合部品などの複合部品を生産するための方法と装置が提供され、それは、複雑なミクロ構造的な粒子方向を有する複合材料を製作するために、磁気アセンブリと付加製造を結合することによる製造の間、部品の各層内の繊維または他の粒子の方向に渡る制御を可能にする。方法と装置は、複合材料内で強化または他の粒子の方向に渡る完全かつプログラミング可能な制御を提供するために、層ごとの製造プロセスの間、誘導されたコロイド・アセンブリを採用する。例えば、この方法と装置で、多機能性能と同様に、強化された機械的特性、例えば、限定されるものではないが、より大きな剛性、増加した強度、ミクロンオーダーのハードおよびソフト相、およびより高い破砕エネルギー特性を示す複合材料を可能にする、強化アーキテクチャが生産され得る。強化された機械的特性に加えて、熱、電気、および、光学特性などの他の強化された特性を有する複合部品が生産され得る。当該方法は、堅固、低コスト、大量生産可能、持続可能であり、および、プログラム可能な特性を有する強くて軽量の複合部品の新規なクラスを可能にし得る。
【００２１】
本願明細書に記載されている方法と装置を採用して、複合部品は、前駆体液体形態のマトリクス材料内で分散する磁気応答性粒子を含有する前駆体材料から形成される。磁気応答性粒子の各々の少なくとも一部分は、磁気材料を含む。例えば、粒子は、磁気粒子でラベル化された非磁気材料から形成され得るか、または完全に磁気材料から形成され得る。磁気応答性粒子は、意図された特性を完成した複合部品に与えるために、任意の所望の形状または構成をも有し得る。例としては、不連続繊維、ロッド、プレートレット、フレーク、ウィスカおよびプレートレットが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２２】
例えば紫外線へ露出する重合によって、マトリクス材料は、固められ得る。マトリクス材料の固化は、当該プロセスの間の異なる方向を有する後に適用される磁場の存在下、または当該装置によって、マトリクス材料の固化された部分の所望の方向に磁気応答性粒子を維持するのに十分である。固化としては、凝固、部分的な硬化、完全な硬化、重合および架橋が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２３】
前駆体材料は、付加製造装置に導入される。付加製造装置は、層によって複合部品層を生産するための命令およびデータ・ファイルを含有するプロセッサユニットを含有し得る。データ・ファイルは、生産される部品のアーキテクチャを特定するコンピュータ支援設計ファイル（例えば．ｓｔｌ）であり得る。データ・ファイルは、部品の各層内の磁気応答性粒子の所望の方向を含有する。各層内で、粒子は、異なる方向を有し得る。データ・ファイルは、比較可能な粒子方向を有する各層の各部分を定義するデータを含有する。例えば、各層はボクセル（ボリューム・ピクセル）の配列によって定義され、および、各部分はボクセルの配列からのボクセルのサブセットによって定義される。各部分は、単一の連続領域であり得るか、または複数の分離領域であり得る。ボクセル解像度は、少なくとも約５０×５０×５０ミクロンであり得る。
【００２４】
一実施態様において、図１を参照して、ステップ１で、マトリクス材料２０に磁気応答性粒子１２を有する前駆体材料１０は、例えばビルドプレート１６に隣接する第１層１４において付加製造装置に、導入される。ステップ２で、第１の磁場１８は、第１の配列に磁気応答性粒子１２を向かせるために、前駆体材料に適用される。磁場の適用期間は、適用磁場の強さ、適用場（applied field）の回転頻度、前駆体材料の粘性、磁気応答性粒子に含有される磁気材料の量、および磁気応答性粒子の配置などの要因に依存し得る。いくつかの実施態様において、期間は、１秒から５分の範囲にあり得る。いくつかの実施態様において、磁場の強さは、５０エルステッドから１０００エルステッドの範囲にあり得る。ステップ３で、第１層１４内のマトリクス材料の、活性ボクセルである第１部分２２は、その後固化され、その一方で、この第１部分内の磁気応答性粒子１２’の方向が固定するように、磁場をオンに維持する。例えば、固化は、紫外線２４などの適当な波長の放射線を有するマトリクス材料に活性ボクセルを重合することによって成し遂げられ得る。固化ステップの期間は、選択された特定のマトリクス材料、および材料が部分的に硬化するかまたは完全に硬化するかどうかなどの因子に依存し得る。いくつかの実施態様において、当該期間は、２秒から２０秒の範囲にあり得る。
【００２５】
ステップ４で、第２の磁場２６は、その後、第２の配列に、残留する、まだ移動可能な粒子１２”を向かせるために、第１層１４の前駆体材料１０に適用される。第１部分の強化粒子１２’は、第２の磁場の適用時に配列の外に移動しない。なぜならば、それらはそれらが埋められるマトリクス材料の固化によって位置に固定されるからである。ステップ５において、今や活性ボクセルを形成する第１層１４の第２部分２８のマトリクス材料は、その後固化され、それによって、第２部分の粒子の方向を固定する。例えば紫外線３２で任意の残留強化粒子を向かせるために磁場を適用するこれらのステップは、選択された部分のマトリクス材料の活性ボクセルの固化が続き、層内で粒子の任意の所望の方向を達成するために、任意の適当な回数繰り返され得る。一旦第１層１４の選択された部分が完全に固化されると、ステップ６において、第１層は垂直に、例えばピール・プロセスに移され、その結果、付加前駆体材料３４は、ビルドプレートおよび第１層１４との間の、ビルドプレート１６に隣接する場所中へ流れ得る（生産される部品の形状に応じて、全ての層が固化されなくてもよいことは言うまでもない。）。
【００２６】
磁気応答性粒子を向かせるように磁場を適用するステップは、選択された部分のマトリクス材料の固化が続き、その後、任意の適当な回数繰り返され、第２層内で磁気応答性粒子の任意の所望の方向を達成する。一旦第２層の選択された部分が完全に固化されると、第３の層および任意の次の層もこれらのステップを繰り返すことによって同様に構築され得る。このように、複合部品は、粒子の任意の所望の複雑な方向および形状で層ごとに構築され得る。
【００２７】
当該プロセスに従って複合部品を生産する装置１００の一実施態様は、図２〜９に説明される。装置は、ビルドプレート１１０または前駆体材料のソース１２０と連通するように移動可能な、プリントステージを含有する。放射線源１３０は、ビルドプレートに隣接する前駆体材料の層に分離したボクセルの放射線を適用するために配置される。複数の方向の磁場をビルドプレート上の前駆体材料の層に適用することができる、１以上の磁場源１４２を有する磁場システム１４０が提供される。
【００２８】
プロセッサユニット１６０は、メモリ１６２を含有し、装置の１以上の要素と制御連通するように提供され得、当該装置は、層ごとのやり方で３次元部品を生成するための命令に従って装置の操作を制御するために、ビルドプレート１１０、前駆体材料のソース１２０、放射線源１３０および複数の磁場源１４２を含有する（図９を参照。）。多くのまたはほとんどの実施態様において、コンピュータ支援設計ファイルは、生産される部品のアーキテクチャを定義するために提供される。技術分野において知られるように、所望の部品のためのコンピュータ支援設計ファイル（例えば．ｓｔｌファイル）は、任意の所望の方法で生成され得る。設計ファイルは、．ｊｐｅｇまたは．ｔｉｆｆなどの他のフォーマットを有し得る。プロセッサユニットは、設計ファイルに従って所望の部品の生産を成し遂げるために、装置、例えばＧ−コード等を制御する命令を含有する。
【００２９】
特に図６―７を参照して、装置の一実施態様は、フレーム１０２に関して垂直運動のために支持されるビルドプレート１１０を含有する。リザーバ１２０などの前駆体材料のソースは、ビルドプレートがリザーバの中へ下げられ得るように、ビルドプレートの下のフレームによって支持される。さらに下で記載される放射線源１３０は、リザーバに沈められるときに、ビルドプレートと隣接する前駆体材料のビルド層に放射線を適用するために位置する。磁場システム１４０は、ビルドプレートに任意の所望の方向の磁場を適用するために、ビルドプレートを囲んで提供される。
【００３０】
ビルドプレート１１０は、前駆体材料のリザーバに関して、垂直運動のために任意の適切な方法で支持され得る。一実施態様において、ビルドプレートは、親ねじ機構１１４に取り付けられるＸ形の構台１１２を有する運動アセンブリ１１１から吊り下げられる。より詳しくは、Ｘ形の構台の１本のアームは、２本の斜めに配置された親ねじ１１６に沿った線形運動のために、ナット１１３または他の取付け部材によって両端に載置される。各親ねじはステッパーモータなどのモータ１１７によって回転され得、その上端部に連結される。Ｘ形の構台の他のアームは、２本の斜めに配置された配列ロッド１１８または案内ロッドに沿って以下の線形運動のために載置される。親ねじおよび配列ロッドは、適切に支持され、例えば線形軸受支持体で、フレームの支持板にそれらの下端で固定される。各親ねじの上端は、適切なプレート部材１１５によって、配列ロッドのうちの１本の上端に固定される。ビルドプレートを上下させることが所望されるときに、ステッパーモータは作動され、親ねじを回転させ、ナット１１３を介して構台の線形運動を引き起こす。ピール操作の間、ビルドプレートの一端は、ビルドプレートに傾斜を与えるために、わずかに垂直に持ち上げられる。それから、ビルドプレートが再び水平になるまで、ビルドプレートの他端は持ち上げられる。ビルドプレートを傾ける動作によって、最近固化されたビルド層をビルドプレートから分離させる。自動調心軸受１１９は、滑らかなおよび反復可能なピール機能を確実にするために、構台アームを配列ロッドに取り付けるために用いられ得る。ビルドプレートは、必要に応じてビルド層の分離を援助するために、非粘着コーティングを含有し得る。
【００３１】
一旦ビルドプレート１１０に隣接するビルド層が適切に固化されると、それは、ビルド層内で成し遂げられる粒子の方向の数に依存して、多くのステップをとってもよく、ビルドプレートは、上記の通り、ビルドプレートからたった今固化されたビルド層を分離するためにピール操作において傾けられる。ビルドプレートは、それがたった今固化されたビルド層の上に間隔を置かれるように平らにされ、および、リザーバのさらなる液体前駆体材料は、空間を充填するために流入する。
ビルドプレートのための支持または可動ステージの任意の形態、および垂直にビルドプレートを動かす線形作動の任意のタイプも使用され得ることは言うまでもない。例えば、油圧または空気圧シリンダの配置は、構台を持ち上げるかまたは降ろすために提供され得る。構台は、他の構成を有することもできる。また、前駆体材料のソースは移動可能であり得る一方で、ビルドプレートは静止したままである。
【００３２】
磁場システム１４０は、可変的な強さおよび勾配の磁場を各々提供することができる、複数の磁場源１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄ、１４２ｅを含有する。各磁場源は、独立して制御可能であり得、および、複数のソースは、任意の方向の磁場もリザーバのビルドプレートに隣接してビルド層に適用され得るように、同時に制御可能であり得る。
一実施態様において、各磁場源１４２は、コア領域１４６を囲むコイル１４４から形成されるソレノイド電磁石である。いくつかのソレノイド（４つ−１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄ−が示される実施態様において使用される）は、各コイルの軸がビルドプレートの平面と平行であるように、リザーバ周辺の周囲に水平面に配置される。示されるように、水平ソレノイドは、リザーバの周囲に等しく間隔を置かれ得る。水平ソレノイドの各々は、その磁場の強さを増加させるために、鉄芯を含有し得る。垂直ソレノイド１４２ｅは、そのコイルの軸が垂直であるかビルドプレートに対して直角であり、リザーバの下に提供される。垂直ソレノイドは水平ソレノイドよりもビルド層により近く間隔を置かれるので、そのコア領域１４６ｅは、開いて鉄芯がないままにされ得、および、まだ充分な強さの磁場を提供することができる。このように、放射線源からの放射線は、ビルドプレートに隣接するビルド層に達するために、垂直ソレノイドのコア領域を通過することができる。ソレノイドは、任意の適切な方法で装置のフレームに固定される。
【００３３】
ソレノイド１４２はプロセッサユニット１６０の制御下で制御可能であり、それはビルド層を介して任意の３次元方向の磁場を適用するために各ソレノイドによって適用される磁場の強さおよび期間を制御し得る。このように、磁性粒子は、生産される部品のための命令に従って所望の任意の方向をも与えられ得る。加えて、磁場は、例えばプレートレット粒子の第２の軸を回転する磁場などに合わせるために、暫定的に制御可能であり得る。磁場は、ビルド層がさらに以下で記載されている放射線源によって十分に凝固するまで、維持されることができる。
【００３４】
他の任意の適切な磁場システムも用いられ得ることは言うまでもない。例えば、磁場は、永久磁石、磁性テープ、ハンドヘルド磁石または通電ワイヤから適用され得る。磁場源は、製造プロセスの間、システムのビルドプレートの近くの他の場所において、または、材料の周りの空間において取り付けられ得る。上記の実施態様において、必要に応じて、追加の垂直ソレノイドは、リザーバおよびビルドプレートより上に提供され得る。かかる追加の垂直ソレノイドは、ビルドプレートの各ピール操作およびリフトで移動されることも必要である。ソレノイドが重い傾向にあるので、より大きなモータが必要に応じて用いられ得る。
放射線源１３０は、上記の通り、ビルドプレートに隣接する前駆体材料のビルド層内で放射線を選択されたボクセルに集中させることができる（図１参照。）。放射線源は、プロセッサユニットに与えられる命令に従って作動される。
【００３５】
一実施態様において、放射線源１３０は、チップ上にピクセル・アレイにおいて配置される、多くのミクロミラー１３４または顕微鏡ミラーを含有するデジタル・光プロジェクタ１３２を含む。ミクロミラー・アレイは、前駆体材料のビルド層のボクセルのＸＹ解像度に対応する。光源１３６はミクロミラーを照らすために配置され、それはビルド層の方へ放射線を反射する。レンズまたはレンズシステム１３８は、ビルドプレート１１０に隣接するビルド層に放射線を集中させるために提供される。特に、オンの位置が、ビルド層内で対応するボクセル上へ放射線源から照射を導いて集中させるように、鏡は、個々に再配置され得るか、またはオンとオフの位置の間で切り替えられ得る。照明は、例えば、どのボクセルを照射すべきかを特定することによって生産される部品を記載するデータ・ファイルを使用して提供されるプロセッサユニットによって制御される。このように、選択されたボクセルだけが、任意の１つのステップの間、マトリクス材料を硬化させるか、または、さもなければ固化させるために照らされる。ミクロミラーは任意の適切な個々のピクセル・サイズでもあり得、および、アプリケーションに応じて、任意のサイズ・ピクセル・アレイが提供され得る。
【００３６】
光源１３６は、部品を生産するために用いる特定のマトリクス材料を硬化させるために、任意の所望の波長の放射線を提供し得る。いくつかの実施態様において、波長は、紫外線から可視光そして赤外線の範囲にあり得る。いくつかの実施態様において、波長は、３００ｎｍから９００ｎｍの波長の範囲にあり得る。光源は、例えば、キセノンアークランプ、ＬＥＤまたはレーザーであり得る。
照射の時間間隔は、プロセッサユニット１６０によって制御され得る。時間間隔は特定のマトリクス材料およびビルド層の厚みなどのパラメータに依存し、その結果、各ボクセルはマトリクス材料が所望の程度に凝固することを確実にするために充分な期間の間、照射する。
【００３７】
他のタイプの光プロジェクタまたは光処理デバイスが、用いられ得る。例えば、走査型ミクロミラーまたはレーザー装置である。
いくつかの実施態様において、プロセッサユニット１６０は、パーソナル・コンピュータ、ワークステーションまたはサーバーなどのコンピュータシステムの一部である。コンピュータシステムは、プログラム・モジュールなどのコンピュータ実行可能な命令によって行うことができ、当該プログラム・モジュールには、特定の作業を遂行するか、またはデータを操作する、ルーチン、サブルーチン、プログラム、オブジェクト、構成要素、データ構造体などを含有することができる。その他のコンピュータシステム構成も使用され得、それらには、携帯用デバイス、無線デバイス、スマートフォン、タブレットおよびラップトップ・コンピュータ、マルチプロセッサ・システム、マイクロプロセッサ系またはプログラム可能な家電、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含有する。コンピューティング環境は、イントラネット、ローカル・エリア・ネットワーク、ワイド・エリア・ネットワーク、インターネットなどのネットワークを含有し得る。コンピュータシステムは、いくつかのプログラム・モジュールおよびメモリが遠隔に位置する、および、いくらかのタスクが通信ネットワークを介して連結される遠隔デバイスによって遂行されることができる分散型コンピュータシステムであり得る。コンピュータシステムは、１以上の処理ユニット、メモリ、およびメモリを含有する様々なシステム構成要素を処理ユニット（単数または複数）に動作可能に連結するシステムバスを含有する、様々なハードウェア要素を含有することができる。プロセッサユニットが単一の中央演算処理装置（ＣＰＵ）またはマルチプロセッサまたは並列プロセッサなどの複数の処理ユニットを含むように、１つまたは複数のプロセッサがあってもよい。本明細書で用いられる「プロセッサユニット」という用語は、これらのオプションおよびアーキテクチャのいずれかまたは全てを含有する。
【００３８】
上記の実施態様に加えて、複合部品を形成する磁気応答性粒子の使用は、様々な付加製造プロセスおよび設備、例えば他のステレオリソグラフィ・システム、３Ｄプリントシステム、直描（direct-write）システム、選択的なレーザー焼結およびヒューズのついた堆積モデリングで、採用されることができる。
本願明細書に記載されている方法は、選ばれた付加製造プロセスおよび装置に適合する任意の材料系（マトリクス材料および磁気応答性粒子）にも適用されることができる。好適なマトリクス材料としては、光硬化性アクリル材料、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）材またはポリウレタン材が挙げられるが、これに限定されるものではない。いくつかの実施態様では、固化より前のマトリクス材料の粘度は、０．７ｍＰａ・ｓから１０Ｐａ・ｓの範囲にあり得る。磁気応答性粒子は、例えば超音波処理または機械的撹拌によって、マトリクス材料内で十分に分散され得る。
【００３９】
１つの実施例において、材料系は、それらを磁場に影響されやすくするために酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）ナノ粒子でラベル化される、強化酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）ミクロプレートレット粒子を備えるアクリル系フォトポリマーを含む樹脂を使用する。より詳しくは、１つの実施例で、感紫外線性樹脂は、最初に脂肪族ウレタン・ジアクリレート（Ｅｂｅｃｒｙｌ（登録商標）２３０）とイソボルニル・アクリレート（ＩＢＯＡ ― Ｓｉｇｍａ）を重量比１：３で混合することで作られた。光重合開始剤は、それぞれ、２％および３％の重量で加えられて、終夜撹拌された。ポリマーブレンドの粘度が、ウーベローデ粘度計（ＳｉｍｐｌｅＶＩＳ、サイズ２Ｃ）を使用して測定され、１４０ｃｐｓであるとわかった。磁化された強化粒子（Ａｌ２Ｏ３）は、所望の容積比率で樹脂に加えられて、単分散性（monodispersity）を確実にするために微小チップソニファイア（sonifier）（Ｂｒａｎｓｏｎ  ２５０、２０％のデューティサイクル、１０分間の４０Ｗ出力）を使用して、３０ｍＬの容積において超音波で破砕された。最後に、結果として生じる混合は、泡がプリントプロセスの間、障害を引き起こすのを防止するために、すべての溶解ガスを除去するために脱ガスされた。
【００４０】
いくつかの実施形態では、磁気応答性粒子は、２００ｎｍから１０００μｍの範囲の最長寸法を有する。いくつかの実施形態では、磁気応答性粒子は、１μｍから２０μｍの範囲の最長寸法を有する。いくつかの実施形態では、磁気応答性粒子は、２から２００の範囲の縦横比を有する。
磁気応答性粒子はそれ自体が磁性である粒子またはそれ自体が磁性の材料で被覆されている粒子のため、磁気応答性であり得る。磁気材料で被覆され得る非磁気粒子としては、限定されず、セラミック、金属およびポリマー、例えばリン酸カルシウム、ガラス（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ホウ素、銅、マグネシウム・アルミニウム、金、銀、ポリスチレンなどが挙げられるが、これらに限定されない。粒子は多種多様な形状を有することができ、不連続繊維、ロッド、プレートレット、フレークまたはウィスカを含有する。粒子は少なくとも１次元の形状において典型的に異方性だが、球状粒子は、適用に応じて、いくつかの実施態様において用いられることができる。
磁性充填材または粒子は、例えば、酸化鉄ナノ粒子、鉄やすり屑、超常磁性ミクロビーズ、コバルト色のフレークおよびニッケル・ロッドを含むことができる。磁性粒子は多種多様な形状を有することができ、ミクロビーズ、ナノ粒子、やすり屑、繊維、ロッド、プレートレット、フレークまたはウィスカを含む。非磁性粒子の表面コーティングは、化学吸着、物理吸収または蒸発の方法によって提供されることができる。
【００４１】
非磁性微粒子は、周知の技術によって、酸化鉄ナノ粒子などの磁性ナノ粒子で磁気的にラベル化され得る。かかるラベル化は、材料および形状の多様な各種取り合わせを有する粒子に適用されることができる。１つの実施例においてＡｌ２Ｏ３（アルミナ）粒子を磁化するために、超常磁性酸化鉄ナノ粒子（ＥＭＧ  ７０５、３．９体積％Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅｒｒｏｔｅｃ）の３７５μＬは、微粒子の均一のコーティングを確実にするために、２００ｍＬの脱イオン水の１０グラムのＡｌ２Ｏ３によって滴定される。混合は、磁性攪拌子を使用して、終夜撹拌される。酸化鉄上の負に荷電するリガンド―コーティングは、ナノ粒子がアルミナ粒子の表面に静電的に吸着することを可能にする。続いて粒子は、濾過され、乾燥される。一旦乾燥が完了すると、磁化されたアルミナ粒子は任意の所望の容積比率でもフォトポリマーまたは他のマトリクス材料に加えられることができる。
【００４２】
２００ｎｍから１０００μｍの範囲の長さ尺度を有する粒子は、本発明の方法の最適に強い磁気応答を提供するために、磁気的にラベル化され得る。磁力は、原子および分子力（ブラウン運動）と同様に体積力（重力および粘着性ドラッグ）と競争して作動する。より大きな粒子は、コロイド磁気アセンブリを非常に支配することができる重力、剪断、その他のような容積測定現象によって、著しい体積力を経験する。同様に、著しく小さな粒子は、アセンブリを中断させるために働くブラウン運動によって支配されることができる。最適磁気応答に結果としてなる粒径の範囲は、粒子寸法、密度、磁性感受性、流体粘度および適用磁場の強さなどのいくつかの要因に依存する。例えば、図１０および図１１の位相図は、わずか０．５体積％の表面コーティングを有する粒子のための配向磁界（alignment field）の関数としてのサイズを明示する。特に、図１０および１１が表面が磁化されたプレートレット粒子およびロッド形の粒子の磁性反応のグラフである。理論上最小の配向磁界、Ｈｍｉｎは、図１０において縦横比ｓ＝３７のプレートレットのために、および、図１１において縦横比ｓ＝３０のロッドのために、プロットされる。粒子は、０．５体積％の磁性ナノ粒子の表面コーティングを有する。３．９８および２．５ｇ／ｃｍ３の比重値が、それぞれ、実験的に検討されたアルミナプレートレットおよび硫酸カルシウム・ロッドと整合して算出において使われた。Erb, R.M., Libanori R., Rothfuchs, N., Studart, A.R. Composites Reinforced in Three Dimensions by Using low Magnetic Fields. Science 2012, 335 (6065): 199-204を参照。
【００４３】
さらなる説明として、参照は図１２ＡおよびＢになされる。アルミナプレートレットを扁円の楕円体と解釈して、流体の中に懸濁される磁化されたプレートレットの運動は、分析的表現を使用して記載されることができる。磁場が適用されるとき、プレートレットは、磁場でプレートレットの長い軸を配列させるために働く磁性トルクを経験する。このトルクは、同様の大きさにされた楕円シェルによってプレートレットに適用され、および、以下の式によって記載されることができる：
【００４４】
【数１】
2017527474.tif 000003
ここで、μｏは、自由空間の透過性であり（μｏ＝４π・１０−７、［Ｎ／Ａ２］の単位）、χｐｓは、粒子（寸法のない）の容積感受性であり、Ｈｏは、外部の磁場（［Ａ／ｍ］の単位）であり、および、Ψは垂直軸に対する粒子の長い軸の角度である。この磁性トルクは、それが流体において回転するにつれてプレートレットが経験する粘着性ドラッグによって釣り合い、それはプレートレットの運動に対して働き、以下の式によって表されることができる：
【００４５】
【数２】
2017527474.tif 000004
ここで、ｆ／ｆ０は、ペリン摩擦要因であり、分析的に解析されることができる。懸濁されたプレートレットに適用される磁性および剪断トルクを釣り合わせることは、プレートレット角加速度の算出を考慮に入れる：
【００４６】
【数３】
2017527474.tif 000005
ここで、ｍは粒子の質量であり、および、Ｉはピン留めされない楕円体の慣性モーメントである。式１にトルクを代入することは、例えば、Ｍａｔｌａｂを使用して解析し得る非線形の、２次微分方程式に至る。数値解は、製作プロセスの間の方向付けのために必要な時間を見積もるために用いられた。
【００４７】
多くの実験が行われ、そこにおいて複合材料のサンプルが、本願明細書に記載される方法の実施態様に従って作られた。
例１
磁性アセンブリポリマーマトリクスを使用して顕微鏡的な粒子を配列することの実現可能性は、それらの低い粘性および制御可能な重合のためにＵＶ硬化性樹脂で評価された。試験は、３６５ｎｍ光源で変性されたＮ―Ｓｃｒｙｐｔ  ３Ｄｎ卓上シリーズ上で行われた。永久磁石は、異なる方向に磁場を適用するために採用された。２つの異なる充填材は、調査された：リン酸カルシウム・ロッドおよびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）プレートレット。採用される樹脂系は、１重量％のＩｒｇａｃｕｒｅ  １８４（Ｃｉｂａ、Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ光重合開始剤）、〜１体積％のＡｌ２Ｏ３プレートレットまたはリン酸カルシウム・ロッドを有するアルコキシル化ペンタ・エリトリトール四アクリル酸塩（Ｓａｒｔｏｍｅｒ）であった。サンプルは、樹脂を充填する容器に粒子を配列することによるステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）技術、および、ミクロ・ノズルでプリントする一方で粒子を配列する技術の両方を使用して作られた。
【００４８】
バルク樹脂容器において配列される粒子は、重合の前に磁場において配列するために５分が許された。プリントされた配列実験のために、粒子は、配列するために、３０秒を与えられるだけであった。すべての画像は、送信された照明を有する光学顕微鏡で、５×で撮られる。
成功した配列は、バルク樹脂重合でステレオリソグラフィ技術を使用して、２つの異なる方向のアルミナプレートレットおよびリン酸カルシウム・ロッドで成し遂げられた。図１３Ａおよび図１３Ｂは、垂直（図１３Ａ）および水平（図１３Ｂ）磁場でのプレートレットのバルク配列実験のための実験的な手順を説明する。図１３Ｃは図式的にプレートレット（図１３Ａに対応する）の垂直配列を説明し、および、図１３Ｄは図式的に粒子（図１３Ｂに対応する）の水平配列を説明する。図１３Ｅは垂直に配列されたプレートレットを説明している上面図の顕微鏡写真であり、および、図１３Ｆは水平に配列されたプレートレットを説明している上面図の顕微鏡写真である。図１４Ａは図式的にロッドの垂直配列を説明し、および、図１４Ｂは図式的にロッドの水平配列を説明する。図１４Ｃは垂直に配列されたロッド（面外またはステージに対して垂直）を説明している上面図の顕微鏡写真であり、および、図１４Ｄは水平に配列されたロッド（面内またはステージに対して平行）を説明している上面図の顕微鏡写真である。
【００４９】
加えて、ミクロ・ノズルプリント方法を使用しているアルミナプレートレットのための２つの異なる方向の成功した粒子配列が、明示された。図１５Ａ〜図１５Ｆを参照。図１５Ａは実験的な準備を説明する。図１５Ｂは結果として生じる部品を説明する。図１５Ｃは図式的にプレートレットの垂直配列を説明し、および、図１５Ｄは図式的にプレートレットの水平配列を説明する。図１５Ｅは垂直に配列されたプレートレット（面外またはステージに対して垂直）を説明している上面図の顕微鏡写真であり、および、図１５Ｆは水平に配列されたプレートレット（面内またはステージに対して平行）を説明している上面図の顕微鏡写真である。
【００５０】
例２〜４
磁性応答強化粒子は、以下の通りに準備された：アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）プレートレット（Ａｌｌｕｓｉｏｎから得られた）は、ほぼ５％の表層被覆率の超常磁性酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）ナノ粒子（ＥＭＧ  ７０５、Ｆｅｒｒｏｔｅｃから得られた）で、静電的に被覆された。１０グラムのアルミナ粉は、２００ｍＬの脱イオン水に加えられて、激しく撹拌された。ＥＭＧ  ７０５の３７５μＬは、それから６０ｍＬの脱イオン水中で分散され、粒子の撹拌混合物にゆっくりと加えられた。終夜の混合をさせた後に、粒子混合は、濾過されて、その後乾燥された。
樹脂は、イソボルニル・アクリルレート（ＩＢＯＡ、Ｓｉｇｍａから）および脂肪族ウレタン・ジアクリレート（Ｅｂｅｃｒｙｌ  ２３０、Ａｌｌｎｅｘから）からなるポリマーブレンドであった。樹脂溶液は、２つの光重合開始剤、１―ヒドロキシ・シクロヘキシル・フェニル・ケトン（９９％、Ｓｉｇｍａ）およびフェニル・ビス（２，４，６―トリメチル―ベンゾイル）ホスフィン酸化物（９７％、Ｓｉｇｍａ）、それぞれ３％および１．５％の重量から成った。一旦樹脂が完全に混合されると、磁性アルミナプレートレットの選択された量が加えられた。
【００５１】
予備結果は、ｍＵＶｅから注文されるステレオリソグラフィ・プリンタ・キットおよびｎＳｃｒｙｐｔ  ３ｄｎの分配システムを使用して集められた。ｍＵＶｅキットは、非商業的な樹脂および磁場に適応するために、カスタムステージおよびレーザシステムが取り付けられた。
単一の層内の複数の分離したアーキテクチャを有する部品が生成された。図１６Ａ〜図１６Ｅは、１層内の２つの異なる方向で生成されたミニチュア・チェス盤を説明し、光学特性の変化を示す。より不透明な（opqaue）領域は、面内に向けられたプレートレットを有し、面外に向けられる、より透明な領域よりも多くの光を吸収する。色の違いは、プレートレットの配向から生まれる；フィルムは、均一の濃度を有する。図１６Ｂは、面外配列の１０×拡大での光学顕微鏡検査画像を説明する；図１６Ｃは、面内配列の１０×拡大での光学顕微鏡検査画像を説明する。対応するプレートレット配向は、図１６Ｄおよび図１６Ｅにおいて略図で説明される。
【００５２】
プログラム可能な配向を収容する複数の層を有する複合部品も、明示された。例えば、１×１×０．２５ｃｍのブロックは、面内および面外両方の粒子配列で製作された。図１７Ａ〜図１７Ｆを参照。図１７Ａは、１０体積％の磁性応答プレートレットを有する１ブロックの写真である。図１７Ｂは、ブロックをプログラムして製作するために用いられる配向図の概略図である。走査電子顕微鏡検査画像は、界面での面内および面外配列を検証し（図１７Ｃおよび図１７Ｄ）、その一方で、図１７Ｅおよび図１７Ｆは、各配向のより詳細な分析を提供する。
【００５３】
機械的特性上の強化方向の効果も、調査された。引張試験のための犬骨状試験片（図１８を参照）は、様々な配列で１０体積％のアルミナプレートレットで製作された。アルミナプレートレット（未配向の）を有する試験片は、図１９に示されるように、強化プレートレットなしのプリントされた犬骨状試験片よりほぼ１００％大きなヤング率を示した。
剛性などの機械的特性上の繊維アーキテクチャの重要性は、図２０において説明される。適用応力の方向に配列される繊維を有するサンプルのヤング率は、適用応力に対して垂直に配列される繊維を有するサンプルよりおよそ４０％大きい。
【００５４】
以下の実施例において、図２〜図９に関して実質的に上記の装置が提供され、デジタル・光プロジェクタ（ＶｉｅｗＳｏｎｉｃ  ＰＪＤ７８２０ｈｄ）を制御するためのオープンソースソフトウェア（Ｃｒｅａｔｉｏｎ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ）、および垂直またはｚ軸運動のための２つのＮＥＭＡ―１７ステッパーモータを使用した。ソフトウェアは、．ｓｔｌファイルを、各横断面を重合させるために用いられる一連の高解像度ベクトル・ファイルに変換する。フレーム（ｍＵＶｅ３Ｄから）は、回転希土類磁石またはコンピュータ制御のソレノイドのいずれかによる磁場の適用を許容するために修正された。
方法において、回転磁場（３Ｈｚ）は、樹脂の強化粒子の所望の配列を成し遂げるために、４００Ｇの大きさで適用された。適切な配列に、１５秒がかかった。層は、それから露出され、紫外線光を使用して選択的に重合された。複数の配向は、配向および重合のプロセスを繰り返すことによって、単一の層において成し遂げられた。一旦層が完成すると、ビルドプレートはピール機能で持ち上げられ、および、新しい樹脂が以前の層と樹脂容器との間に流された。部品が完成するまで、このプロセスは層ごとに繰り返された。完成された部品は、イソプロピルアルコール中においてすすがれ、３０分間、紫外線チャンバ（ＵＶＬ―５６、６Ｗ、３６５ｎｍ）において後硬化され、続いて、任意の残留応力を緩和するために熱処理された（９０℃で１時間）。
【００５５】
例５
光学特性を制御する例は、図２１において説明される。単純な格子縞模様および自由の女神の画像は、アルミナ・ミクロプレートレットで方向的に強化されたウレタン／アクリルレート共重合体の固体複合ブロック内で製作された。格子縞模様において、各正方形の強化角度は、０°と９０°の間を行き来する。アルミナ微粒子の配向は、複合体表面への光学変化に結果としてなる。面内強化は、より多くの光を散乱させて、より白く見える；面外強化は、より多くの光を吸収して、より暗く見える。格子縞模様を生成するプロセスは、２インチ×３インチの複合体層を作るのに正味２分かかった。強化ミクロ構造のＳＥＭ分析は、高水準な最終複合体の微粒子配列を明らかにした。
【００５６】
例６
複合材料の剛性、強さ、耐久性および多機能性に広いプログラム可能性を提供するために、強化アーキテクチャを調整する能力が調査された。すべてのボクセルが同じ配向を有する複合材料のモノリシックなブロックが調製され、各軸に沿って材料強度を計測するために、引張試験に供された（図２２Ａおよび図２２Ｂ）。強化で合わせられる軸に沿った引張試験は、複合体理論から予想されたであろうとおり、強化された剛性および延性を呈した。ミクロアーキテクチャは、製作されて、局所材料特性を測定し、材料特性が複雑なアーキテクチャの各ボクセルにおいて維持されることを確認するために、硬度マッピングに供された（図２２Ｃ）。面外に配列された強化を有するボクセルは、面内強化だけを有する材料に対して、面外硬度の著しい増大を示した。
【００５７】
ミクロ構造設計の破砕靭性上の効果を調査するために、開口部または円形もしくは円筒状欠陥を有する構造は、様々な強化形状で作られ（図２２Ｄ）、１つの形状は「骨単位に吹き込まれた」（osteon-inspired）ものであり、そこにおいて強化は円周方向に開口部を囲み、および２つはモノリシックに配列された強化を有する。これらのアーキテクチャは、円筒状欠陥を囲む、予想される歪みを観察するために、有限要素分析でモデル化された。強化しているプレートレットの方位を有する「骨単位に吹き込まれた」構造は、応力が適用される軸から独立している最小限の歪み集中を示した（図２２Ｅ）。本発明の方法を使用して、ミクロ構造的な強化アーキテクチャは、ミクロ構造的な強化アーキテクチャを最適化するために、ＦＥＡ分析で迅速に評価されることができる。
【００５８】
骨単位構造は、破砕が各アーキテクチャにおいて異なって発生することを明らかにする。円周アーキテクチャがクラック伝播経路の偏差を示す一方で、配列されたモノリシック構造の２次軸は、裂開に関連したまっすぐな、速いクラック伝播を示す。本発明の方法は、ミクロアーキテクチャの生産がクラック経路の偏差を強調することを可能にする。これらの効果を調査するために、モノリシックなサンプルは、垂直に（θ＝９０°）、鋭角で（θ＝４５°）、および適用応力と平行（θ＝０°）に配向された強化粒子で作られた。図２３Ａは、各サンプルの異なる失敗モード：最小の塑性変形および高いクラック先端強度を有する、もろい裂開破砕；曲げられた平面を有する、応力に支配された破砕；および、剪断に支配された破砕を、説明する。このように、複合部品は、クラック伝播経路を実質的に調整するために、予期される荷重を与えられる特定の失敗モードを呈するように１ボクセルずつ設計されることができる。図２３Ｂは、変化する強化配向の島（５００μｍ×５００μｍ）を含有する構造を示す。島方向がバルク方向に一致するとき、モノリシック構造体が作られ、および、失敗機構は予測可能である。島方向およびバルク方向が対照をなすとき、クラックは材料を通って進ませることができる。クラックの操舵は、複合ミクロ構造の破砕強靱化機構に渡って制御切り替えを提供する。失敗機構は、部品の選択領域からクラックを偏らせるように、材料中へプログラムされることができる。この点に関して、複数の配向の存在下でのクラック伝播は、界面でよりも、より弱い相で起こる点に留意すべきである。
【００５９】
例７：張力試験
図２４を参照すると、硬化した複合樹脂の機械的特性は、ＡＳＴＭ‐Ｄ６３８  ＩＶダイを使用して製作されたシートからサンプルを打ち抜くことによって調製された試験片で、試験された。試験片は、万能試験機械（Ｉｎｓｔｒｏｎ）上で試験された。平行、垂直、および適用引張負荷に対してある角度での、３つの主要な強化配向が、試験され、純粋なポリマーも同様に試験された。負荷に平行に配列された１５体積％強化粒子を有する複合体は、３００％より大きな剛性の増加を示した。適用負荷に垂直に配列された粒子を有する複合体は、純粋なポリマーに対して２００％の剛性の増加を示した。
【００６０】
例８：界面分析
図２５Ａおよび図２５Ｂを参照すると、引張試験は、１０％容積比率のＡｌ２Ｏ３プレートレット、および、適用負荷の軸に平行に、垂直に、および適用負荷の軸から４５°で配列された強化を有する、犬骨状試験片で行われた。各グループの破断面は、垂直な強化を有する試験片の裂開に対して、４５°に配列した試験片に対するせん断支配された破砕に平行な強化を有する試験片の通常の応力支配された破砕と異なっていた。各配向のための破断面のＳＥＭ画像は、クラック伝播上の強化配向の効果を説明する。適用荷重の軸に沿って強化されたサンプル（平行配列）は、改良された機械的特性およびより大きな降伏の可視の兆候を明示した。クラックは、真の容易軸を有しない強化配向に対して伝播し、粗いがランダムである。ある角度に強化されたサンプルは、強化粒子の角度と一致するクラック伝播を明示した。適用負荷に直交して強化されたサンプルは、プレートレットに平行に伝播するクラックのために裂開を明示した。境界およびインタフェースが欠陥としての役目を果たすさないことを実証するために、張力試験片は、小さな領域を除いて平行配列で製作された。試験されるとき、不具合はインタフェースでよりもむしろ、より弱い領域の中心に位置していた。
【００６１】
図２６を参照すると、犬骨状試験片は、中心の、同心円状に強化された（「骨単位に吹き込まれた」）穴で製作された。引張試験結果は、それにおいて機械的特性が適用荷重から独立している、等方性の機械的反応を示した。適用負荷に平行に（強軸）、および適用負荷に垂直（弱軸）に配向された強化を有する犬骨状試験片もまた、試験された。試験片は、試験片の各グループの間の分離の出所としての界面領域を除去するために、中心の穴の周囲の８つの分離した領域で製作された。欠陥を囲む領域の強化配向は、失敗挙動と同様に機械的特性の著しい変化に結果としてなった。特に、負荷に対して垂直な強化を有する試験片のクラック経路は、裂開されたインタフェースで失敗し、一方で、より直接的でないクラック経路は、平行なまたは円周の強化を有する試験片で起こった。
【００６２】
図２７は、それにおいて内側と外側の領域が面内配向を有し、中心バンドが面外配向を有する直線パターンを有する試験片の硬度マッピングを説明する。この試験片は、２２×２２×３ｍｍ（２０層）で、１５％容積比率アルミナ粒子を含有した。硬度マッピングは、０．９８Ｎの適用力、１５秒の滞留時間、および１．５ｍｍの押込み間隔を有するＶｉｃｋｅｒｓミクロ押込みを使用して行われ、それは平均の対角線の長さ（ほぼ２００ミクロン）の５倍より大きい。サンプルの厚さおよび試験場間隔は、押込みが次の試験に影響を及ぼすことを防止した。サンプル全体で集められたデータ・ポイント（合計７７）は、等高線図上に見られることができる。表面プロットは、試験片を正確に表すために、１．５ｍｍの格子および最近隣内挿を有するＭａｔＬａｂを使用して生み出された。
【００６３】
図２８Ａ―Ｄは、パターン化された配向を有する単純な、均一の試験片を使用して破砕挙動を操作する能力を説明する。各試験片において、小さなクラックが始められ、および、試験片はその後、２ｍｍ／分での歪みにさらされた。順序づけられた領域のサイズおよびスケールを変えることによって、クラック経路を変えることができた。図２８Ａにおいて、試験片は、クラック伝播に対して強化された小さな島（より暗い正方形）を有し、一方で、残りの領域（マトリクス位相）は、クラック伝播のための優先方向または容易軸のない面内に配向された。クラックは、マトリクス相に維持され、強化された領域のいずれにも入らなかった。島がクラック方向（容易軸）に平行に配列された試験片において、クラックは、破砕エネルギーを最小化するために、より暗い領域に進んだ（図２８Ｂ）。図２８Ｃの試験片において、島は相殺され、および図２８Ａの試験片におけるよりもわずかに大きかった。この場合において、強化された島を通したクラック伝播は、島の周りの伝播より大きなエネルギーを必要とし、明らかにクラック偏差を提供した。しかしながら、図２８Ｄのレンガおよびモルタルパターンにおけるように、強化された領域があまりに密接に間隔を置かれた所において、クラック経路は、パターン化された配向によって影響を受けなかった。
【００６４】
方法および方法によって製造される複合材料および部品は、様々な産業において応用を有する。強度重量比を含有する強化された機械的特性を有する複合材料および部品は、形状および剪断が繊維配列を決定する射出成形複合体で製作された、比較可能な材料と比較して強化された強さを提供することができる。複合材料および部品は、軍事的応用のための、超小型無人飛行機などの強くて軽いデバイス生産を可能にすることができる。患者に特有であり、材料特性を最大化するように設計される、カスタマイズされた生医学的デバイス、インプラント、矯正器具および人工装具が、生産され得る。
導電性または非導電性充填材などの、異方性およびプログラムされた熱伝導性を有する複合材料および部品が、提供され得。応用は、航空宇宙部材、組込型電子機器などを含有する。
光学的に異なる充填材、またはプログラム可能な光学フィルタでのアーキテクチャの複合体など、強化された光学特性を有する複合材料および部品は、提供されることができる。
【００６５】
本願明細書において開示されるプロセスおよび装置は、不連続繊維複合体が、様々な付加製造プロセスの間、磁場を使用して、強化粒子の配向および空間分布に渡って正確な制御で組み立てられることを可能にする。この技術は、それらが本質的に磁性であるかどうかに関らず、多種多様な強化充填材を目標とし、事実上任意の複雑な形状への製作の間にそれらを構築するために、磁場を使用して、非侵襲性の低エネルギーアセンブリ技術を結合する。方法と装置は、均一の、異方性の（一方向に特有な）、または非常に異質の（材料の全体に渡って特有な）機械的、熱的、電気的および光学特性（例えば、張力強度、熱伝導率、導電率および不透明性／色）を有する材料を作り出すために、用いられることができる。本発明の方法は、高度にプログラム可能であり、再生可能である。対照的に、現在の付加製造技術は、ポリマー‐セラミック複合体のプリントを許容せず、強化アーキテクチャに渡る制御を有する複合体を許容しないことは言うまでもない。３次元において強化された複合体を作り出す他の方法、例えば繊維織物またはｚ‐ピニングは、この方法および装置で可能である強化配向に渡る、高い空間分解能を成し遂げない。
【００６６】
本願明細書において記載される実施態様の様々な特徴が、様々な方法で結合されることができることは言うまでもない。例えば、１つの実施態様と連動して記載されている特徴は、たとえ明確にその実施態様と連動して記載されていない場合であっても、他の１つの実施態様に含有されてもよい。
本発明は、特定の好ましい実施態様と連動して記載されていた。本発明が、示され、および記載される建造、動作、正確な材料または実施態様の正確な詳細に限られないこと、および、様々な修正、等価物の置換、組成に対する変更、および本願明細書において開示される実施態様への他の変化が、当業者にとって明らかであることは、理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ−Ｆ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ−Ｄ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ−Ｆ】
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【図１６Ａ−Ｅ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１７Ｅ】
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【図１７Ｆ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２２Ｅ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５Ａ−Ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８Ａ−Ｄ】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年4月6日(2016.4.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ−Ｆ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ−Ｄ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５ＥＦ】
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【図１６Ａ−Ｅ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１７Ｅ】
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【図１７Ｆ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２２Ｅ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５Ａ−Ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８Ａ−Ｄ】
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【国際調査報告】
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