JP2015042490A - 周期的に変調した構造物の共押出 - Google Patents

Abstract

【課題】線形ではない均一な押出物のストライプである押出構造物を生成するために、経時的な材料の流れを変化させることが可能である。【解決手段】第１のストライプが長さに沿って可変幅を有する、所定長を有する材料からなる構造物の少なくとも１つのストライプである、さらに前記少なくとも１つのストライプが２つのストライプを含み、前記第１のストライプの幅が第２のストライプに相補的に変化する、また、前記第１のストライプ及び前記第２のストライプが同じ材料からなる構造物。【選択図】図５

Description

本発明は、周期的に変調した構造物の共押出に関する。

表面上に材料を堆積するために押出ヘッドを介してペースト及び他の粘性材料を押出することが可能である。プロセスは、時には、大型機械におけるダイを使用した押出プロセスと区別するためにマイクロ押出と称されることがある。押出ヘッドから出る材料は、一般に押出物と称される。押出ヘッドは、典型的には、ある種の容器から材料を受け取るための少なくとも１つの入力口と、押出物がヘッドから出るのを可能とするための少なくとも１つの出力口又はダイ又はノズルとを有する。材料の容器に接続されたポンプは、順次押出物のストライプに影響を及ぼす流れを制御する。

ほとんどの用途では、押出物のストライプが均一な形状及び密度を有することが望ましい。押出されるという用語は、一般に、１次元構造としての材料の単一のストライプを指す。２つ以上の材料のストライプを有する構造は、２次元と称される。複数のパスにおいて押出ヘッドを使用して制限された３次元構造を形成することが可能であるが、製造上の問題及びコストは、そのアプローチを困難にする。中空空洞、突出部及び他の「隠された」特徴は、追加の押出経路及び／又は追加の処理工程を必要とする。一般に、２次元押出構造物は、押出物の複数の線形のストライプを有する。

押出ヘッドによって３次元以上であって必ずしも直線ではない特徴を作成することができることは、いくつかの用途についての表面積及び材料利用における利点を有するであろう。線形ではない均一な押出物のストライプである押出構造物を生成するために、経時的な材料の流れを変化させることが可能である。

図１は、先行技術の２次元構造物を示す図である。 図２は、犠牲材料の除去後の先行技術の２次元構造物を示す図である。 図３は、先行技術にかかる方法で形成された３次元構造物を示す図である。 図４は、様々な幅を有する材料の略３次元構造物の実施形態を示す図である。 図５は、様々な幅の相補的パターンを有する２つの材料からなる略３次元構造物の実施形態を示す図である。 図６は、３つの材料からなる略３次元構造物の実施形態を示す図である。 図７は、押出ヘッドにおける圧力を変調するシステムの実施形態を示す図である。 図８は、押出ヘッドにおけるペースト圧力のグラフである。

図１は、先行技術にかかる２次元構造物を示している。それは、材料の少なくとも２本のストライプを有するという点で２次元である。押出成形において、押出ヘッドにおける１つの円形又は矩形のスロットから得られる最も単純な構造物は、一般に、１次元（１Ｄ）であると考えられる。複雑さの次のレベルは、図１に示される１０のような複数のスロットを有する押出ヘッドから得られる２次元構造物を包含するであろう。同じ材料１４が同じ又は異なる形態からなる異なるスロットから同時に押出されることができ、又は、１２及び１４などの複数の材料が複数のスロットから共押出されることができる。いくつかの構造物において、第２の材料１２は、図２に示されるように、除去後に構造物の第２の材料が空気となる場合、構造物にギャップを形成するように犠牲にされることができる。

複雑性のさらなるレベルは、通常は２４及び２６などの押出材料の層を形成するように押出ヘッドの複数のパスを有する２０のような３Ｄ構造物を実現することであろう。真の３Ｄ構造物は、通常は押出ヘッドの単一パスを使用して実現することができない空隙、突出物、内側に凹んだ特徴などの隠された特徴を含むことができる。しかしながら、単一パスの押出ヘッドからの複数の材料からなる単純なストライプ又は通路よりも高い複雑度を有する「略３Ｄ」構造物を実現することができる。

ここでの実施形態は、「略３Ｄ」又は２．５Ｄ構造物と称されることができる。得られた材料のストライプの特徴は、それらの長さに沿って可変幅を有する材料の単純なストライプよりも複雑である。これは、経時的に材料を押出するのに使用される圧力を変化させることによって実現されることができる。図４は、そのような「略３Ｄ」構造物３０の実施形態又は表現を示している。押出ストライプ３４は、それらの長さに沿って可変幅を有し、ここでは周期的に変調したストライプと称される。ストライプは、押出ヘッドから、単一の材料３４から押出されることができる。可変幅は、示されるように周期的パターンを有することができるが、可変幅はまた、非周期的又はランダム化されたパターンを有していてもよい。しかしながら、第１の押出物の周期的パターンの使用は、いくつかの変形例を可能とする。

図５は、周期的に変化する幅の押出物のストライプを有する略３Ｄ構造物を示している。第１の押出物３４は、可変幅からなる第１のパターンを有する。第２の押出物３６は、第２のパターンの幅広部及び幅狭部が第１のパターンの幅狭部及び幅広部に合う場合に相補的な第２のパターンを有する。２つのパターンは、各パターンについて経時的に異なってポンプを周期的に変調することによって実現される。経時的な材料の流れの変調は、パターンの形成を可能とする。

２つの材料は、押出ヘッドを介して押出されることができる任意の材料から構成することができる。通常、材料はペーストである。材料は、互いに分離したままである。材料は、他の材料の混合物とすることができるが、この議論の目的のために、それらが押出物として印刷ヘッドを出るときには、それらはそれぞれ１つの材料である。同様に、２つの押出物は、それらが一緒に押出されることができたとしても、互いに分離したままである。いくつかの混合は、材料の境界において発生することがあるが、それぞれの整合性は、実質的に維持される。ここでの例が２つの材料を述べていることに留意しなければならないが、３つ以上の材料が使用されてもよい。

図６は、３つ以上の材料を有する略３次元構造物の一例を示している。押出物３４及び３６は、構造物内に他の押出物３８を有する。材料は、上述したように時間的に変調されるが、押出物３４及び３８は、押出物３６のパターンを補完するパターンを形成するように互いに同位相で変調されるであろう。例えば、押出物は、押出物３４、押出物３６、押出物３８、押出物３６、押出物３４などのパターンを形成することができる。

ペーストは、例として、導電性又は電気化学的に活性な構造物を形成するであろう材料を含むことができる。電気化学的に活性な材料は、電池の一部を構成する電極構造に使用されることができる。非活性材料は、フィラーとして使用された後に犠牲にされることができる。非活性又は犠牲材料が使用される場合、乾燥、焼結などされて非活性材料が除去されると、他の材料に置き換えられることができる。しかし、第２の材料が空気である場合、他の材料がその後に導入されない場合には、そのギャップは残るであろう。

例えば、材料の１つが電気化学的に活性である場合には、正弦波変調を仮定した単純モデルは、従来の線形押出構造物と比較して、得られた構造物が、約２１％大きい外周を有するとともに、押出されたストライプの中心線と最も近い境界との間において約１０％未満の平均距離を有することを示した。これは、表面積を増加させ、内部と境界との間の平均距離を減少させ、例えば、機能性材料の反応速度や利用率を高めることができる。そのような小さな改善でさえも、電池製造などのコストに敏感なビジネスにおいては経済的に重要である可能性がある。

特徴の長さに沿って幅を変えるために、分配システムは、押出ヘッドからペーストを強制的に出す圧力を形成するためにポンプを使用する。一実施形態は、ポンプからの流れを変調するためにスプール弁を使用する。スプール弁は、通常、ケースに収容されたシリンダから構成される。ケースは、一方側の容器及びポンプに対して接続する弁のシステムを含んでいる。弁におけるスプールは、チャンネルを開放又は閉鎖するための流体の流れレベルに応答してシステムにおいて摺動又は回転する。容器からの流体は、開放チャンネルを介して流れる。典型的には、スプール弁は、必要位置へとスプールを回転させるように弁を作動させる制御装置を有する。図６は、この種のシステムの例を示している。

図７において、モータ／ポンプ４０は、１つの材料の容器又は複数の材料の容器に対して接続するであろう。コントローラ４６は、ポンプ／モータ及び／又は弁４２を制御することができる。そして、流体は、圧力に応答して押出ヘッド４４から流出する。一実施形態において、１８ミリ秒（ｍｓｅｃ）の圧力変調サイクルが使用される。

図８は、急速な部分的ストロークについての下流ペースト圧力応答のグラフ表現を示している。ペースト＃１は、本実施形態においては機能性ペーストであり、＃２は、犠牲ペーストである。曲線５０は、ペースト＃１の圧力であり、曲線５２は、ペースト＃２についてのものである。

他の実施形態は、ピストンを順次駆動するであろうカムを駆動するために回転モータを使用することができる。他のピストンの実施形態は、高圧ペースト上に押圧するのに十分な力を生成するために機械的リンク機構を必要とするであろう線形可動コイル型アクチュエータを使用することができる。

他の変形例及び変更例が存在する。これまでの実施形態は、材料が横方向に互いに隣接していることを想定していた。材料が垂直に積層されることができることもまた可能である。さらに、材料の縦方向の厚さは、任意の厚さとすることができる。通常、厚さは、約１０ミクロン以上とすることができる。

Claims (10)

1. 所定長を有する材料からなる少なくとも１つのストライプを備え、第１のストライプが長さに沿って可変幅を有する構造物。
2. 前記少なくとも１つのストライプが２つのストライプを含み、前記第１のストライプの幅が第２のストライプに相補的に変化する、請求項１に記載の構造物。
3. 前記第１のストライプ及び前記第２のストライプが同じ材料からなる、請求項２に記載の構造物。
4. 前記第１のストライプ及び前記第２のストライプが異なる材料からなる、請求項２に記載の構造物。
5. 前記２つのストライプが横方向に互いに隣接している、請求項２に記載の構造物。
6. 前記２つのストライプが縦方向に互いに隣接している、請求項２に記載の構造物。
7. 前記少なくとも１つのストライプが３つのストライプを含む、請求項１に記載の構造物。
8. 幅広及び幅狭部の第１のパターンを有する、基板上の第１の材料と、
   前記第１のパターンに相補的な幅広及び幅狭部の第２のパターンを有する、基板上の第２の材料とを備える構造物。
9. 前記第１の材料及び前記第２の材料が同じ材料からなる、請求項８に記載の構造物。
10. 前記第１の材料及び前記第２の材料が異なる材料からなる、請求項９に記載の構造物。
    

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