JP2016060204A - 繊維強化ポリマーの押し出し堆積法 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱溶解積層法で連続繊維強化材を組み込むことが可能な技術の提供。【解決手段】３次元造形装置であって、サブストレート２３上で堆積ヘッド４０をラスター動作させることと、連続強化材が混入されたポリマーを堆積ヘッド４０からサブストレート２３上に押し出すことによって部品の造形部２２を付加的に形成することによって繊維強化ポリマー部品が製造される熱溶解積層法。【選択図】図１
Description
本開示は、概して付加製造技術（additive manufacturing techniques）に関し、より詳しくは、熱可塑性ポリマーなどの繊維強化ポリマーを堆積させるための方法及び装置に関する。
付加製造は、３Ｄ（三次元）ＣＡＤ（コンピューターエイデッドデザイン）ファイルから直接部品を製造するプロセスである。付加製造技術の１つに、熱溶解積層法（Fused deposition modeling）（ＦＤＭ：登録商標）として知られ、しばしば３Ｄプリンティングと呼ばれるものがあり、この方法では、熱可塑性ポリマー材の小さなビードを押し出すことによって当該材料の層を形成し、これがノズルから押し出された後に固化することによって部品が製造される。押し出しノズルは、数値制御機構によって、ツール経路に沿って移動又は「ラスター（raster）」動作を行い、造形台上に一度に一層ずつ下から上へと部品を作り上げていく。
ＦＤＭ（登録商標）などの既知の付加製造プロセスによって生産される部品は、例えば航空宇宙産業などの、高い構造性能が求められる用途での使用には適さない場合がある。より高い構造性能を実現するためには、これらの用途に用いる熱可塑性部品には、通常、不連続繊維又は連続繊維などの埋め込み強化材を使用する必要がある。しかしながら、熱溶解積層中に押し出し熱可塑性ポリマーに連続繊維強化材を組み込むことは、これまで実用的ではなかった。
不連続の（例えば、チョップド（chopped)）強化繊維を押し出しポリマーに導入することは既知である。例えば、直接のインライン配合成形プロセス（in-line compounding and molding process）を用いて強化ポリマー複合材料を成形する、PUSHTRUSION（登録商標）として知られる方法が開発されているが、この方法におけるモールド充填材料は、不連続繊維で強化された押し出しポリマーペレット又はストランド（strand）である。ただし、PUSHTRUSION（登録商標）法は、成形用の不連続繊維強化ポリマーストランド又はペレットを供給するための大きく重い産業機器を利用するものであり、ＦＤＭなどの付加製造技術における使用には適していない。
従って、部品の造形部を形成するために層状に堆積させるポリマーのビードに強化材を組み込むことが可能な、ＦＤＭなどの付加製造技術が必要とされている。また、上述のプロセスを行うためのエンドエフェクタであって、部品の造形部を形成する際に、液化ポリマーに連続強化材を混入することが可能なエンドエフェクタも必要とされている。
開示の実施形態は、付加製造技術によって強化ポリマー部品を製造するための方法及び装置を提供する。強化材は、連続状のものであってよく、熱溶解積層法と同様に、部品の造形部を形成すべくポリマーを層状に堆積させる際に、ポリマーの溶融ビード内に組み込まれる。実施形態によって、より高い構造性能を有する部品の製造が可能になる。連続的に強化されたポリマーの高解像度堆積が可能になる。
一実施形態によれば、堆積製造法（deposition fabrication method）が提供される。当該方法は、管にポリマーの加圧流を生成することと、加圧流内に繊維強化材を混入させることと、ポリマーと繊維強化材とのビードを、管からサブストレート上に堆積させること、とを含む。繊維強化材は管内に送給することによって混入される。繊維強化材は、フィラメント、トウ、粗紡、又はヤーンを含みうる。繊維強化材は、ドライな繊維強化材及び予備含浸された繊維強化材の一方を管に送給することによって混入させることができる。繊維強化材は、加熱してもよい。一変形例において、複数の不連続繊維強化材を連鎖状に連結し、当該連鎖状繊維強化材を加圧流に引き込むことによって混入させてもよい。当該方法は、繊維強化材を、加圧流のポリマーの融点より高い融点を有するポリマー内に封入することも含んでもよい。管の長さ方向に熱量が変化するように管を加熱することによって、所望のポリマー粘性を維持してもよい。任意の構成として、当該方法は、サブストレート上に繊維強化材を有しないポリマーのビードを堆積させることをさらに含んでもよい。加圧流は、ポリマーを加圧下で管に注入することによって生成される。ポリマーを加圧下で管に注入することは、管の上流端と下流端との間に圧力差を生じさせることを含む。当該方法は、加圧流及び／又は毛管作用を利用して、ポリマーと共に、繊維強化材を管に引き込むことも含んでもよい。繊維強化材は、これを管の上流端に導入することによって混入することができる。ポリマーは、繊維強化材の周りに環状に、管に導入される。
別の実施形態によれば、複合材部品の製造方法が提供される。堆積ヘッドをサブストレート上でラスター動作させる。強化材を有するポリマーを堆積ヘッドからサブストレート上に押し出すことによって、部品の造形部を付加的に形成する。当該方法は、ポリマー内に不連続強化材を混入させること、あるいはこれに代えて、ポリマー内に連続強化材を混入させること、を含む。一変形例において、強化材を有しない造形部を押し出してもよい。押し出しは、ポリマー及び強化材を管の上流端に導入することと、ポリマーを、管を通って管の下流端まで流れさせることと、管を通る流れを利用して強化材を流れと共に管部内で引っ張ることによって、強化材を管を通って管の下流端まで引き込むことを含む。当該方法は、毛管作用を利用することによって、強化材の管内への引き込みを助けることをさらに含んでもよい。ポリマーは、加圧下でポリマーを強化材の周りに注入することによって導入される。押し出しは、ポリマー及び混入された強化材を、ダイから押し出すことを含む。当該方法は、堆積ヘッドのラスター動作中に、ポリマー及び強化材を切断することをさらに含んでもよい。
さらに別の実施形態によれば、繊維強化ポリマーの堆積を行うためのエンドエフェクタが提供される。当該エンドエフェクタは、連続繊維強化材の供給源と、流動可能ポリマーの供給源とを含む。ポリマー注入口と、連続繊維強化材の供給を受けるように構成された材料供給端部とを含む堆積ヘッドも設けられる。堆積ヘッドは、連続繊維強化材が内部に混入されたポリマーのビードを堆積させるように構成された堆積端部をさらに含む。エンドエフェクタは、混入バレルを加熱するためのヒーターをさらに含み、当該ヒーターは、混入バレルの長さ方向にコイル巻き数が変化する少なくとも１つの加熱コイルを含む。堆積ヘッドは、連続繊維強化材をポリマー内に混入させるように構成された混入バレルを含む。混入バレルは、連続繊維強化材と流動可能ポリマーとが合流する合流領域を含む。混入バレルは、堆積端部に連結された押し出しダイをさらに含んでもよい。混入バレルは、合流領域に連結され且つポリマー内に連続繊維強化材を混入させるように構成されたキャピラリー管をさらに含んでもよい。
上述した特徴、機能、利点は、本願の開示の様々な実施形態によって個別に達成することができ、あるいは、さらに他の実施形態と組み合わせてもよく、そのさらなる詳細は、以下の記載及び図面を参照することによって明らかになるものである。
例示的な実施形態に特有のものと考えられる新規の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。ただし、例示的な実施形態、及び、好ましい使用の形態、さらなる目的及び利点は、本開示の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を下記の添付図面と共に参照することによって、最も理解されるであろう。
図１を参照すると、開示の実施形態は、エンドエフェクタ２０を含み、当該エンドエフェクタは、プラットフォーム２４などのサブストレート２３上の三次元空間内で、任意の適当なマニピュレータ３０によってラスター動作させられるものである。マニピュレータ３０は、例えば限定するものではないが、数値制御されたガントリー機構（図示せず）、及び、多関節ロボットアーム（図示せず）又はこれに類する機構を含む。エンドエフェクタ２０とマニピュレータ３０の双方が、制御装置３２とビルド（build）プログラム３８又はこれに類するソフトウェアとの組み合わせによって、操作される。制御装置３２は、限定するものではないが、例えばＰＣ（パーソナルコンピューター）又はＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）などの、プログラムされた特殊目的コンピューター又は汎用コンピューターを含む。
エンドエフェクタ２０は、三次元の繊維強化ポリマー部品２６を、プラットフォーム２４上に一層２２ずつ形成するものであり、当該プラットフォームは、各強化ポリマー層２２が完成されるにつれて下方に移動する。ポリマー部品２６は、本明細書においてしばしば複合材部品２６と呼ばれ、１つ又は複数のＣＡＤ（コンピューターエイデッドデザイン）ファイル３４によって規定され、ＣＡＤファイルは、部品２６の表面を規定するＳＴＬ（ステレオリソグラフィー）フォーマットファイルに変換される。ＳＴＬファイル３６及び１つ又は複数のビルドプログラム３８を用いて、制御装置３２がエンドエフェクタ２０及びマニピュレータ３０の動作を制御する。マニピュレータ３０は、プラットフォーム２４上でエンドエフェクタ２０をラスター動作させ、後に固化する軟質の繊維強化ポリマーの溶融ビード４４を堆積させる。図１Ａに示すように、各溶融ビード４４は、内部に連続繊維強化材７６が混入された押し出しポリマー８０を含む。強化ポリマーが固化する際に、層２２同士が融着し、繊維強化複合材部品２６の様々な造形部が形成される。
エンドエフェクタ２０は、堆積ヘッド４０含み、当該堆積ヘッドは、プラットフォーム２４又は層２２上に強化ポリマーの繊維強化溶融ビード４４を堆積させるための押し出しノズル又はダイ４２を備える。上述したように、ビード４４は、繊維強化材７６（図１、図２、図３及び図４）を含み、当該繊維強化材は、後に固化及び融着する層２２を形成するべくビード４４を押し出す際に、押し出しポリマー８０内に混入されたものである。押し出しノズル４２は、混入された繊維強化材７６を有するポリマービード４４を押し出すためのノズル開口４２ａ（図２）を有する。ノズル開口４２ａは、限定するものではないが円形、正方形、楕円系、リボン形又は矩形の断面などの所望の断面形状を有するものであってよい。
エンドエフェクタ２０は、繊維送給源４８、加圧ポリマー供給源５０、及び、１つ又は複数の適当なヒーター５２をさらに含む。ポリマー供給源５０は、例えば堆積ヘッド４０に供給されるポリマーの流動及び圧力を制御するために必要な、１つ又は複数の制御弁及び圧力調整器（図示せず）を含む。ヒーター５２は、液化し流動可能となるまでポリマーを加熱し、堆積ヘッド４０にも熱を供給することにより、ポリマー８０及び混入された繊維強化材７６が押し出しノズル４２を出るまで、所望のポリマー粘性を維持する。所望のポリマー粘性は、限定するものではないが、ポリマーの加熱温度、繊維強化材７６による熱吸収量、使用されるポリマー８０の種類及び剪断速度、ポリマー８０によって実現される繊維強化材７６の湿潤の度合い、堆積ヘッド４０からの所望押し出し速度、サブストレート２３上でのエンドエフェクタ２０のラスター動作速度などを含む、様々な要素によって決まる。ただし、概して、ポリマー８０は、繊維強化材７６を完全に湿潤（wet out）し且つ堆積ヘッド４０から押し出すのに十分な低い粘性を有するべきである。
任意には、繊維強化材７６が堆積ヘッド４０に送給されてポリマー８０に混入される前、及び／又はその最中に、ヒーター５２を用いて繊維強化材７６を加熱する。エンドエフェクタ２０は、層２２が堆積された後に繊維強化ポリマービード４４を切断する適当なカッター４６をさらに含む。カッター４６は、例えば限定するものではないが、ポリマー８０と混入繊維強化材７６の両方を切断するレーザーカッター、超音波ナイフ、又はギロチン刃などの機械式カッター（いずれも図示せず）を含む。
堆積ヘッド４０に供給されるポリマー８０は、少なくともガラス転移温度まで加熱すると粘性が低下し、その後冷却すると固化して硬化する任意の相変化可能なポリマーである。例えば、限定するものではないが、ポリマー供給源５０から堆積ヘッド４０に引き込まれるポリマー８０は、任意の適当な非晶質又は結晶質の熱可塑性ポリマー、熱硬化性コポリマー又は熱可塑性コポリマーを含む。
ポリマー８０に混入される繊維強化材７６は、カーボン、ガラス、セラミックもしくは金属の繊維又はこれらの繊維の組み合わせなどの、ポリマー８０と相性のよい１つ又は複数の繊維のフィラメント、トウ、ロービング（roving）、又はヤーンを含む。繊維強化材７６は、限定するものではないが、それぞれが個々のフィラメントを複数含む、１つ又は複数のトウ、粗紡、又はヤーンの形態であってもよい。例えば、いくつかの実施形態において、強化材７６は、２テックスと１６テックスとの間の長さ重量を有する単一のトウ、粗紡又はヤーンを含む。ここで、「テックス」とは、当該トウ、粗紡又はヤーンのスレッド（thread）の１０００メートルあたりの質量をグラム数で表したものである。繊維強化材７６は、ドライな繊維強化材であってもよいし、予備含浸された繊維強化材であってもよい。
トウ、粗紡又はヤーンは、ドライなフィラメントを含んでもよいが、いくつかの実施形態において、トウは、ポリマー供給源５０から引き入れられるポリマー８０と同じポリマー又は異なるポリマーで予備含浸されたものであってもよい。トウ、粗紡又はヤーンを比較的融点が高い第１のポリマー内に封入し、次に、封入されたトウを堆積ヘッド４０を通して送給する際に、第１のポリマーよりも融点の低い第２のポリマー内に混入することによって、強化ストランドを形成することも可能であろう。他の実施形態において、繊維強化材７６は、不連続な繊維強化材（例えばチョップドファイバー）を含んでもよく、当該不連続繊維強化材は、整列状態であれ非整列であれ、バインダーなどによって連鎖状（図示せず）に連結し、ポリマー８０の流れによって堆積ヘッド４０内に引き込み又は「プル（pull）」し、当該ポリマー内に連鎖状になった不連続繊維強化材７６を混入させることができる。
次に図２、図３及び図４に注目すると、これらの図は、エンドエフェクタ２０の成形部を含む、堆積ヘッド４０の細部を示している。堆積ヘッド４０は、長状の混入バレル６６を含み、当該バレルは、材料供給端部７０と、既に説明したように繊維強化ポリマーの溶融ビード４４（図１）を押し出し、堆積させるための材料堆積端部７２とを有する。混入バレル６６は、内部キャピラリー管６８を含み、当該内部キャピラリー管は、第１上流端６８ａと、上流端６８ａとは反対側の第２下流端６８ｂとを有する。キャピラリー管６８は、混入バレル６６の材料堆積端部７２から合流領域８６まで長手方向に延びており、合流領域で、合流領域８６の上流で混入バレル６６に導入されたポリマー８０の流れに、繊維強化材７６が導入され合流する。
繊維強化材７６がポリマー８０の流れに導入されると、繊維強化材７６とポリマー８０との粘性相互作用（viscous interaction）によって、繊維強化材７６が、キャピラリー管６８の上流端６８ａに、そして次にさらに内部まで、引き入れられる。繊維強化材７６は、合流領域８６に入ると、ポリマー８０の流れの中に混入させられ、ポリマー８０と共にキャピラリー管６８内を流れて混入バレル６６の材料堆積端部７２まで運ばれ、ここから、ポリマー８０と混入繊維強化材７６とが、ビード４４として一緒に押し出される。
所望の断面形状を有するポリマービード４４を押し出すため、キャピラリー管６８の下流端６８ｂは、押し出しダイ４２に連結されている。いくつかの実施形態において、押し出しダイ４２が必要でない場合もある。キャピラリー管６８は、内径「Ｄ」を有しており、当該内径は、堆積法の具体的な用途、製造する部品２６（図１）の造形解像度、繊維強化材７６の所望の体積割合を含め、様々な要素によって決まる。ポリマーに含まれる繊維強化材７６の体積割合は、キャピラリー管６８の内径「Ｄ］、並びに、繊維強化材７６を形成している繊維の数及び直径、の双方の関数である。キャピラリー管６８の長さも、繊維強化材７６をキャピラリー管６８内で移動させるのに必要な混入ポリマー／繊維相互作用の度合いに影響を与える。
混入バレル６６の材料供給端部７０は、中央にガイド管７４が設けられており、このガイド管内に、繊維送給源４８（図１）から繊維強化材７６が長手方向に送給される。ガイド管７４の下流端７４ａは、先細になっており、キャピラリー管６８と同軸上に並んだ中央開口８２（図３及び図４）を含む。繊維強化材７６は、ガイド管７４に送給された後、キャピラリー管６８と同軸上に並んだ開口８２を通って誘導され、合流領域８６に入り、当該合流領域内で、ガイド管７４の外側を通ってキャピラリー管６８に流入する溶融ポリマーと合流し、当該ポリマーに対して暴露され、且つ、当該ポリマーによって湿潤される。繊維強化材７６は、合流領域８６に入る際に、合流領域８６を通ってキャピラリー管６８に流入するポリマー８０内に混入される。
混入バレル６６の材料供給端部７０は、ガイド管７４を囲む環状のポリマー通路６９をさらに含む。一実施形態において、流動可能な溶融ポリマー８０は、（図示のように）材料供給端部７０のポリマー注入口６９ａから環状ポリマー通路６９に導入されるが、この際、繊維強化材７６がガイド管７４に送給される方向に略平行な方向に導入される。これに代えて、別の実施形態（図示せず）では、流動可能な溶融ポリマー８０を、混入バレル６６の側方から、繊維強化材７６がガイド管７４に送給される方向を横切る方向に、通路６９に、横断状に送給してもよい。
ポリマー８０は、ポリマー供給源５０からポリマー注入口６９ａに圧力「Ｐ1」で注入され、環状通路６９内を流れる。環状通路６９は先細になっており、ガイド管７４の先細端部７４ａと併合していることによって、流動ポリマー８０が繊維強化材７６の外側を流れてキャピラリー管６８の上流端６８ａに流入する。圧力「Ｐ1」は、混入バレル６６の材料堆積端部７２における大気圧「Ｐa」より大きく、このためキャピラリー管６８の両端６８ａ、６８ｂ間には圧力差Ｐ1−Ｐaが存在する。この圧力差は、繊維強化材７６を流動ポリマー８０内に引き込み混入させるのを助ける役割を果たす。
図１に示すヒーター５２は、混入バレル６６を囲む、あるいは図２に示すように混入バレルに埋設された、１つ又は複数の電気加熱コイル５２ａを含む。電気加熱コイル５２ａは、ポリマー８０を所望の粘度の流動可能状態に維持するために必要な熱を与える。繊維強化材７６が最初にキャピラリー管６８に引き込まれた際に確実に繊維強化材が十分に湿潤するようにするためには、混入バレル６６の材料供給端部７０の温度を材料堆積端部７２の温度よりも高い温度に維持することが望ましいであろう。ポリマー８０が混入バレル６６の長手方向に移動する際に当該ポリマーに供給される熱の量に変化を与え、これによってポリマー８０の粘度を制御するために、混入バレル６６の材料供給端部７０における加熱コイル５２ａのコイル巻き数を、材料堆積端部７２のコイル巻き数より大きくしてもよい。
使用の際には、１つ又は複数の繊維強化材７６は、ガイド管７４に緩み（loosely）状態で送給されるるため、繊維強化材は、何らかの実質的な圧縮力を受けることがなく、すなわち、ガイド管７４に押し込まれることがなく、これによって繊維強化材７６の座屈（buckling）を回避できる。前述したように、混入バレル６６は、ポリマー８０を流動可能状態に維持し且つ繊維強化材７６の実質的に完全な湿潤を確実に行える温度まで加熱される。圧力Ｐ1下のポリマー８０は、ポリマー注入口６９ａに導入され、環状通路６９を満たし、合流領域８６を通ってキャピラリー管６８の上流端６８ａに入るポリマー８０の流れを形成する。ポリマー注入口６９ａと材料堆積端部７２との間に設けられたポリマーの圧力差Ｐ1−Ｐaによって、キャピラリー管６８へのポリマー８０の流動が維持される。換言すれば、ポリマー８０は、比較的高い圧力Ｐ1のポリマー注入口６９ａから比較的低い圧力Ｐaの材料堆積端部７２に流れることにより、平衡を保とうとする。
圧力差Ｐ1−Ｐaによって生成される、合流領域８６を通るポリマー８０の流動によって、ポリマー８０は、繊維強化材７６を「つかみ」、当該繊維強化材を流動ポリマー８０と共にキャピラリー管６８の上流端６８ａに引き込み、ここで繊維強化材がポリマー８０に混入された状態となる。また、ポリマー８０と周囲のキャピラリー管６８との間の分子間力によって起こる毛管作用によって、繊維強化材７６がキャピラリー管６８に引き込まれる。繊維強化材７６がキャピラリー管６８に引き込まれる際に、繊維強化材７６は、流動ポリマー８０内に混入され、押し出され、次にポリマー８０と共に溶融ビード４４（図１）として堆積され、エンドエフェクタ２０がサブストレート２３上でラスター動作を行うにつれて、部品２６の連続層２２を形成する。
部品２６の層２２又はその他の造形部が形成されると、カッター４６がビード４４を切断し、エンドエフェクタ２０が次の層２２を堆積させる準備が整うまでポリマー供給源５０を遮断する。ビード４４を切断することによって、ポリマー８０と、ポリマー８０に混入された繊維強化材７６の両方が切断される。いくつかの実施形態において、強化材を含まない層２２を形成することを目的として純粋にポリマー８０だけの（繊維強化材を有しない）ビード４４を堆積させるため、一時的に繊維強化材７６の送給を中断してもよい。
次に図５に注目すると、同図は、上述のタイプのエンドエフェクタ２０を用いる堆積製造法を大まかに示したものである。まず、５４において、ポリマー８０の加圧流を、例えばキャピラリー管である管６８内に生成する。ポリマー８０の加圧流は、ポリマー注入口７９ａ（図２）と、キャピラリー管６８の下流端６８ｂとの間に圧力差を設けることによって生成することができる。５６において、繊維強化材７６を、加圧ポリマー流内に混入させる。いくつかの実施形態において、当該方法は、ポリマー８０の加圧流内に混入させる前に繊維強化材７６を加熱することを、任意の構成として含む。５８において、繊維強化材７６を内部に混入させたポリマー８０のビード４４を、管からサブストレート２３上に堆積させる。ポリマー８０の加圧流は、ポリマーがキャピラリー管６８の下流端６８ｂを出て材料堆積端部７２から堆積される圧力Ｐaよりも高い圧力Ｐ1でポリマー８０をキャピラリー管６８の上流端６８ａに供給することによって、生成することができる。
図６は、前述の付加製造技術によって複合材部品２６を製造する方法を大まかに示した図である。６０において、堆積ヘッド４０を、サブストレート２３上でラスター動作させる。６２において、混入された連続繊維強化材７６を有するポリマー８０を、堆積ヘッド４０からサブストレート２３上に押し出すことによって、複合材部品２６の造形部を付加的に形成する。混入された連続繊維強化材７６と共にポリマー８０を押し出すことは、キャピラリー管６８の上流端６８ａと下流端６８ｂとの圧力差Ｐ1−Ｐaによって生成されたポリマー８０の加圧流を、キャピラリー管６８に流すことよって実現することができる。
いくつかの用途において、製造速度を増すため、２つ以上の堆積ヘッド４０を有するエンドエフェクタ２０の使用が必要あるいは望ましい場合がある。図７を参照すると、複数の堆積ヘッド４０が、１つのエンドエフェクタ２０（図１）に、アレイ８８をなすよう集められている。各堆積ヘッド４０は、押し出しノズル４２を含んでおり、このノズルから、繊維強化ポリマーのビード（図示せず）をサブストレート２３（図１）上に堆積させることによって、部品の造形部を付加的に形成することができる。
本開示の実施形態は、様々な潜在的な用途に使用することができ、特に、繊維強化ポリマー部品が使用される、例えば航空宇宙、船舶、自動車、及びその他の用途を含む運輸産業において使用することができる。従って、次に図８及び図９を参照すると、本開示の実施形態は、図８に示すように航空機の製造及びサービス方法９０に関連させ、また、図９に示すように航空機９２に関連させて使用することができる。開示の実施形態の航空機における用途は、例えば、限定するものではないが、従来の方法では製造が困難である、あるいは費用がかかる、プロトタイプの部品、低生産性の（low production run）部品及び補強構造体を含む。生産開始前の工程として、例示的な方法９０は、航空機９２の仕様決定及び設計９４と、材料調達９６とを含む。生産中の工程としては、航空機９２の部品及び小組立品（subassembly）の製造９８及びシステムインテグレーション１００が行われる。部品及び小組立品の製造９８の間、開示の方法及び装置は、後にシステムインテグレーション１００の部品として組み込まれる部品又は小組立品を生産するために採用される。また、他の部品の組み付け及び／又は組み込みを可能にする部品の製造にも、実施形態を用いることができる。その後、航空機９２は、例えば認証及び納品１０２の工程を経て、就航１０４に入る。顧客によるサービス１０４中は、航空機９２は、定例のメンテナンス及びサービス１０６に組み込まれ、これは、変更、再構成、改装なども含む場合もある。開示の実施形態は、メンテナンス及びサービス１０６の一部としての部品の修理又は交換に用いる部品又はコンポーネントの製造に用いてもよい。
方法９０の各工程は、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレーター（例えば顧客）によって実行または実施することができる。説明のために言及すると、システムインテグレーターは、航空機メーカー及び主要システム（majority-system）下請業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。第三者は、売主、下請業者、供給業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体（military entity）、サービス組織（service organization）などであってもよい。
図９に示すように、方法９０によって製造される航空機９２は、例えば、複数のシステム１１０と内装１１２とを備えた機体１０８を含む。ハイレベルシステム１１０の例としては、１つ又はそれ以上の駆動系１１４、電気系１１６、油圧系１２２、環境系１２０が挙げられる。また、その他のシステムをいくつ含んでいてもよい。また、航空宇宙産業に用いた場合を例として説明したが、本開示の原理は、例えば船舶及び自動車産業などの他の産業に適用してもよい。開示の実施形態は、機体１０８、システム１１０のいずれか又は内装１１２に用いられる、カスタムデザインされた繊維強化ポリマー部品、プロトタイプの繊維強化ポリマー部品、又は低生産性の繊維強化ポリマー部品を作製するために用いてもよい。
本明細書で具体化したシステム及び方法は、製造及びサービス方法９０における、１つ又は複数のどの段階において採用してもよい。例えば、製造工程９８で作製される部品又は小部品は、航空機１２０のサービス中に作製される部品又は小部品と同様に作製することができる。また、１つ又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、例えば、実質的に航空機９２の組み立て速度を速めたりコストを削減したりすることによって、製造段階９８及び１００で用いてもよい。同様に、１つ又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機９２のサービス中に、例えばメンテナンス及びサービス１０６に用いてもよいが、これに限定されない。
本明細書において、「少なくとも１つの」という語句がアイテムのリストと共に用いられる場合は、リストアップされたアイテムの１つ又は複数の様々な組み合わせを使用してもよいということであり、リストの各アイテムの１つだけを必要とする場合もあることを意味する。例えば、「アイテムＡ、アイテムＢ、アイテムＣの少なくとも１つ」は、限定するものではないが、アイテムＡ、アイテムＡとアイテムＢ、又はアイテムＢを含む。この例は、アイテムＡとアイテムＢとアイテムＣ、又は、アイテムＢとアイテムＣ、をさらに含んでもよい。アイテムは、特定のオブジェクト、もの、又はカテゴリーでありうる。換言すれば、「少なくとも１つの」は、任意の組み合わせ又は数のアイテムをリストから使用してもよいが、リスト上の全てのアイテムを必要とするわけではないということを意味する。
従って、要約すると、本発明の第１の側面によれば、以下のものが提供される。
Ａ１．管にポリマーの加圧流を生成することと、
前記加圧流内に繊維強化材を混入させることと、
前記ポリマーと前記繊維強化材とのビードを、前記管からサブストレート上に堆積させること、とを含む、堆積製造法。
前記加圧流内に繊維強化材を混入させることと、
前記ポリマーと前記繊維強化材とのビードを、前記管からサブストレート上に堆積させること、とを含む、堆積製造法。
Ａ２．前記繊維強化材を混入させることは、トウ、粗紡、及びヤーンの少なくとも１つを前記管に送給することを含む、項Ａ１に記載の堆積製造法。
Ａ３．前記繊維強化材を混入させることは、ドライな繊維強化材及び予備含浸された繊維強化材の一方を前記管に送給することを含む、項Ａ１に記載の堆積製造法。
Ａ４．前記繊維強化材を混入させることは、連続繊維強化材及び不連続繊維強化材の一方を前記管に送給することを含む、項Ａ１に記載の堆積製造法。
Ａ５．前記繊維強化材を加熱することをさらに含む、項Ａ１に記載の堆積製造法。
Ａ６．複数の不連続繊維強化材を連鎖状に連結することをさらに含み、
繊維強化材を混入させることは、前記連鎖状繊維強化材を前記加圧流に引き込むことを含む、項Ａ１に記載の堆積製造法。
繊維強化材を混入させることは、前記連鎖状繊維強化材を前記加圧流に引き込むことを含む、項Ａ１に記載の堆積製造法。
Ａ７．前記繊維強化材を、前記加圧流の状態にある前記ポリマーの融点より高い融点を有するポリマー内に封入することをさらに含む、項Ａ１に記載の堆積製造法。
Ａ８．前記管の長さ方向に熱量が変化するように前記管を加熱することによって、前記ポリマーの所望の粘性を維持することをさらに含む、項Ａ１に記載の堆積製造法。
Ａ９．前記サブストレート上に前記繊維強化材を有しないポリマーのビードを堆積させることをさらに含み、項Ａ１に記載の堆積製造法。
Ａ１０．前記加圧流を生成することは、前記ポリマーを加圧下で前記管に注入することを含む、項Ａ１に記載の堆積製造法。
Ａ１１．前記ポリマーを加圧下で前記管に注入することは、前記管の上流端と下流端との間に圧力差を生じさせることを含む、項Ａ１０に記載の堆積製造法。
Ａ１２．前記加圧流を用いて前記管に前記繊維強化材を引き込むことをさらに含む、項Ａ１０に記載の堆積製造法。
Ａ１３．毛管作用を用いて前記管に前記繊維強化材を引き込むことをさらに含む、項Ａ１０に記載の堆積製造法。
Ａ１４．前記繊維強化材を混入させることは、前記繊維強化材を前記管の上流端に導入することを含む、項Ａ１０に記載の方法。
Ａ１５．前記繊維強化材を前記管の上流端に導入することは、前記ポリマーを前記繊維強化材の周りに環状に導入することを含む、項１４に記載堆積製造法。
本発明の第２の側面によれば、以下のものが提供される。
Ｂ１．サブストレート上で堆積ヘッドをラスター動作させることと、
強化材を有するポリマーを前記堆積ヘッドから前記サブストレート上に押し出すことによって前記複合材部品の造形部を付加的に形成すること、とを含む、複合材部品の製造方法。
強化材を有するポリマーを前記堆積ヘッドから前記サブストレート上に押し出すことによって前記複合材部品の造形部を付加的に形成すること、とを含む、複合材部品の製造方法。
Ｂ２．前記ポリマー内に不連続強化材を混入させることをさらに含む、項Ｂ１に記載の方法。
Ｂ３．前記ポリマー内に連続強化材を混入させることをさらに含む、項Ｂ１に記載の方法。
Ｂ４．前記複合材部品の造形部を付加的に形成することは、前記堆積ヘッドから前記サブストレート上への、前記強化材を有する前記ポリマーの押し出しを中断し、前記強化材を有しないポリマーの押し出しを継続することを含む、項Ｂ１に記載の方法。
Ｂ５．前記強化材を有する前記ポリマーを押し出すことは、
前記強化材を有する前記ポリマーを管の上流端に導入することと、
前記ポリマーを、前記管を通って前記管の下流端まで流れさせることと、
前記管を通る流れを利用して、前記強化材を前記流れと共に前記管部内で引っ張ることにより、前記強化材を前記管を通って前記管の下流端まで引き込むことを含む、項Ｂ１に記載の方法。
前記強化材を有する前記ポリマーを管の上流端に導入することと、
前記ポリマーを、前記管を通って前記管の下流端まで流れさせることと、
前記管を通る流れを利用して、前記強化材を前記流れと共に前記管部内で引っ張ることにより、前記強化材を前記管を通って前記管の下流端まで引き込むことを含む、項Ｂ１に記載の方法。
Ｂ６．毛管作用を利用することによって、前記強化材の前記管内への引き込みを助けることをさらに含む、項Ｂ５に記載の方法。
Ｂ７．前記強化材を有するポリマーを導入することは、加圧下で前記ポリマーを前記強化材の周りに注入することを含む、項Ｂ５に記載の方法。
Ｂ８．前記押し出すことは、前記強化材を有する前記ポリマーを、管及びダイから押し出すことを含む、項Ｂ１に記載の方法。
Ｂ９．前記堆積ヘッドのラスター動作中に前記強化材を有する前記ポリマーを切断することをさらに含む、項Ｂ１に記載の方法。
本発明の第３の側面によれば、以下のものが提供される。
Ｃ１．連続繊維強化材の供給源と、
流動可能ポリマーの供給源と、
ポリマー注入口、及び、連続繊維強化材の供給を受けるように構成された材料供給端部、を含む堆積ヘッド、とを含み、
前記堆積ヘッドは、前記連続繊維強化材が内部に混入されたポリマーのビードを堆積させるように構成された堆積端部をさらに含む、
繊維強化ポリマーの堆積を行うためのエンドエフェクタ。
流動可能ポリマーの供給源と、
ポリマー注入口、及び、連続繊維強化材の供給を受けるように構成された材料供給端部、を含む堆積ヘッド、とを含み、
前記堆積ヘッドは、前記連続繊維強化材が内部に混入されたポリマーのビードを堆積させるように構成された堆積端部をさらに含む、
繊維強化ポリマーの堆積を行うためのエンドエフェクタ。
Ｃ２．前記堆積ヘッドは、
前記連続繊維強化材を前記ポリマー内に混入させるように構成された混入バレルを含み、
前記混入バレルは、前記連続繊維強化材と前記流動可能ポリマーとが合流する合流領域を含む、項Ｃ１に記載のエンドエフェクタ。
前記連続繊維強化材を前記ポリマー内に混入させるように構成された混入バレルを含み、
前記混入バレルは、前記連続繊維強化材と前記流動可能ポリマーとが合流する合流領域を含む、項Ｃ１に記載のエンドエフェクタ。
Ｃ３．前記混入バレルは、前記堆積端部に連結された押し出しダイをさらに含む、項Ｃ２に記載のエンドエフェクタ。
Ｃ４．前記混入バレルは、前記合流領域に連結され且つ前記ポリマー内に前記連続繊維強化材を混入させるように構成されたキャピラリー管をさらに含む、項Ｃ２に記載のエンドエフェクタ。
Ｃ５．前記キャピラリー管は、前記合流領域に連結された上流端と、前記連続繊維強化材が内部に混入されたポリマーを押し出すように構成された下流端とを含む、項Ｃ４に記載のエンドエフェクタ。
Ｃ６．前記混入バレルを加熱するためのヒーターをさらに含み、前記ヒーターは、前記混入バレルの長さ方向にコイル巻き数が変化する少なくとも１つの加熱コイルを含む、項Ｃ２に記載のエンドエフェクタ。
様々な例示的な実施形態の説明は、例示および説明のために提示したものであり、すべてを網羅することや、開示した形態での実施に限定することを意図するものではない。多くの変更または変形が当業者には明らかであろう。また、例示的な実施形態は、他の例示的な実施形態とは異なる利点をもたらしうる。選択した実施形態は、実施形態の原理及び実際の用途を最も的確に説明するために、且つ、当業者が、想定した特定の用途に適した種々の改変を加えた様々な実施形態のための開示を理解できるようにするために、選択且つ記載したものである。
Claims (15)
- 管にポリマーの加圧流を生成することと、
前記加圧流内に繊維強化材を混入させることと、
前記ポリマーと前記繊維強化材とのビードを、前記管からサブストレート上に堆積させること、とを含む、堆積製造法。 - 前記繊維強化材を混入させることは、トウ、粗紡、及びヤーンの少なくとも１つを前記管に送給することを含む、請求項１に記載の堆積製造法。
- 前記繊維強化材を混入させることは、ドライな繊維強化材及び予備含浸された繊維強化材の一方を前記管に送給することを含む、請求項１に記載の堆積製造法。
- 前記繊維強化材を混入させることは、連続繊維強化材及び不連続繊維強化材の一方を前記管に送給することを含む、請求項１に記載の堆積製造法。
- 複数の不連続繊維強化材を連鎖状に連結することをさらに含み、
繊維強化材を混入させることは、前記連鎖状繊維強化材を前記加圧流に引き込むことを含む、請求項１に記載の堆積製造法。 - 前記繊維強化材を、前記加圧流の前記ポリマーの融点より高い融点を有するポリマー内に封入することをさらに含む、請求項１に記載の堆積製造法。
- 前記管の長さ方向に熱量が変化するように前記管を加熱することによって、前記ポリマーの所望の粘性を維持することをさらに含む、請求項１に記載の堆積製造法。
- 前記加圧流を生成することは、前記ポリマーを加圧下で前記管に注入することを含む、請求項１に記載の堆積製造法。
- 前記ポリマーを加圧下で前記管に注入することは、前記管の上流端と下流端との間に圧力差を生じさせることを含む、請求項８に記載の堆積製造法。
- 連続繊維強化材の供給源と、
流動可能ポリマーの供給源と、
ポリマー注入口、及び、連続繊維強化材の供給を受けるように構成された材料供給端部、を含む堆積ヘッド、とを含み、
前記堆積ヘッドは、前記連続繊維強化材が内部に混入されたポリマーのビードを堆積させるように構成された堆積端部をさらに含む、
繊維強化ポリマーの堆積を行うためのエンドエフェクタ。 - 前記堆積ヘッドは、
前記連続繊維強化材を前記ポリマー内に混入させるように構成された混入バレルを含み、
前記混入バレルは、前記連続繊維強化材と前記流動可能ポリマーとが合流する合流領域を含む、請求項１０に記載のエンドエフェクタ。 - 前記混入バレルは、前記堆積端部に連結された押し出しダイをさらに含む、請求項１１に記載のエンドエフェクタ。
- 前記混入バレルは、前記合流領域に連結され且つ前記ポリマー内に前記連続繊維強化材を混入させるように構成されたキャピラリー管をさらに含む、請求項１１に記載のエンドエフェクタ。
- 前記キャピラリー管は、前記合流領域に連結された上流端と、前記連続繊維強化材が内部に混入されたポリマーを押し出すように構成された下流端とを含む、請求項１３に記載のエンドエフェクタ。
- 前記混入バレルを加熱するためのヒーターをさらに含み、前記ヒーターは、前記混入バレルの長さ方向にコイル巻き数が変化する少なくとも１つの加熱コイルを含む、請求項１１に記載のエンドエフェクタ。
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