JP2021031053A - 付加的に製造された宇宙機パネル - Google Patents

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Abstract

【課題】サブトラクティブマニュファクチャリング又はコンポジットラミネート構造に使用される従来の部品設計は、付加製造(AM)では非効率的であるか、又は機能しない場合さえある。使用されるプロセスと材料によっては、サポートされていない形態が崩壊したり、繊細な形態が十分に明確にレンダリングされなかったり、反りや亀裂が発生したりする場合がある。従来の部品の機能を維持しながら、AM方法を効率的に使用できる新しい設計が必要である。
【解決手段】宇宙機パネルを付加的に製造する方法が、第1のスキン及び第1のスキンから離間した第2のスキンをプリントするステップを含む。この方法は、第1のスキンを第2のスキンに接続する第1のトラス構造をプリントするステップをさらに含む。
【選択図】図1

Description

宇宙は、衛星などの宇宙機にとって独特の敵対的な環境を提示する。特に熱管理は、放射線と軌道デブリの影響にダメージ与える危険性に加えて、挑戦的である。多くの宇宙機は、サンドイッチ構造パネルなどの強くて軽い複合材料で構成されている。ただし、このようなパネルには通常、2つの薄いスキンの間に接着されたコア材料が含まれているため、熱インピーダンスが高くなる。複合サンドイッチ構造パネルはまた、製造するのに高価で労働集約的である可能性がある。ツールのラッピングと抽出、個々のプライの正確な配置、及び硬化とレイアップの複数の段階には、それぞれかなりの時間と手間がかかる。シールドや補強などの局所的な形態の場合、生産後に個別の部品が取り付けられるため、追加の費用と労力が必要になる。
付加製造(AM)は、比較的低コストで迅速な生産を行う方法として、多くの業界で急速に普及している。AMは3Dプリントとしても知られており、オブジェクトを段階的に構築することにより、3Dモデルからソリッドオブジェクトを作成するために使用できる。AMは通常、目的のオブジェクトを作成するために選択的に結合又は溶融される原材料を適用する。原材料は通常、層状に適用され、個々の層の厚さは、使用される特定の技術に依存することができる。
多くの場合、原材料は顆粒又は粉末の形をしており、層として適用されてから、熱源によって選択的に溶融される。多くの場合、そのような材料のベッドの上面は溶融しており、成長しているワークピースはその後、ベッド自体の中にわずかに下げられる。次に、原材料の新しい層がベッドに適用され、次の層が前の層に溶融される。粒状原材料は、例えば、熱可塑性ポリマー、金属粉末、金属合金粉末、又はセラミック粉末を含み得、これらは、走査レーザー又は走査電子ビームなどのコンピューター制御される熱源を使用して溶融され得る。例示的な方法には、とりわけ、選択的レーザー溶融(SLM)、直接金属レーザー焼結(DMLS)、選択的レーザー焼結(SLS)、溶融堆積モデリング(FDM)、及び電子ビーム溶融(EBM)が含まれる。
サブトラクティブマニュファクチャリング又はコンポジットラミネート構造に使用される従来の部品設計は、AMでは非効率的であるか、又は機能しない場合さえある。使用されるプロセスと材料によっては、サポートされていない形態が崩壊したり、繊細な形態が十分に明確にレンダリングされなかったり、反りや亀裂が発生したりする場合がある。従来の部品の機能を維持しながら、AM方法を効率的に使用できる新しい設計が必要である。
本開示は、付加的に製造された宇宙機パネルに関するシステム、装置、及び方法を提供する。いくつかの例では、宇宙機パネルを付加的に製造する方法は、第1のスキン及び第1のスキンから離間した第2のスキンをプリントするステップを含み得る。この方法は、第1のスキンを第2のスキンに接続する第1のトラス構造をプリントするステップをさらに含み得る。
いくつかの例では、宇宙機パネルは、第1のスキンと、第1のスキンから離間した第2のスキンとを含み得る。パネルは、第1のスキンを第2のスキンに接続する第1のトラス構造をさらに含み得る。第1のスキン、第2のスキン、及び第1のトラス構造は、単一の付加的に製造されたユニットを形成し得る。
いくつかの例では、宇宙機は本体を含み得る。本体は、複数の付加的に製造されたパネルを含み得る。各パネルは、第1のスキン、第2のスキン、及びトラス構造を含み得る。第2のスキンは、第1のスキンから離間され得、トラス構造は、第1のスキンを第2のスキンに接続し得る。第1のスキン、第2のスキン、及びトラス構造は、単一の付加的に製造されたユニットを形成し得る。
特徴、機能、及び利点を、本開示の様々な例において独立して達成することができ、又は、さらに別の例で組み合わせることが可能であり、そのさらなる詳細が以下の説明及び図面を参照して理解され得る。
本開示の態様による、付加的に製造されたトラスパネルを含む例示的な宇宙機の概略図である。 付加的に製造された別の例示的な宇宙機パネルの等角図である。 図2のパネルの一部の立面図である。 図2のパネルのコア構造の等角図である。 線5−5に沿った図2のパネルの断面図である。 付加的に製造された別の例示的な宇宙機パネルの立面図である。 図6のパネルのコア構造の等角図である。 追加のスキン及びトラス構造を備えた、付加的に製造された別の例示的な宇宙機パネルの立面図である。 コア密度が変化した図8のパネルの立面図である。 スキンが局所的に厚くされている、図8のパネルの立面図である。 クローズアウト構造を備えた図8のパネルの立面図である。 直交方向からの図11のパネルの立面図である。 統合されたアクセス穴を備えた図8のパネルの立面図である。 図13のパネルの等角図である。 複数の統合された取り付け穴を備えた図8のパネルの立面図である。 図15のパネルの等角図である。 内部チャネルが第1のスキンに埋め込まれた、図8のパネルの等角図である。 例示的な付加製造の方法のステップを示すフローチャートである。 例示的な付加製造装置の概略図である。 本教示による、宇宙機パネルを付加的に製造する例示的な方法のステップを示すフローチャートである。
トラス構造を有する付加的に製造された宇宙機パネルの様々な態様及び例、並びに関連する方法を以下に説明し、関連する図面に示す。別段の指定がない限り、本教示による付加的に製造された宇宙機パネル、及び/又はその様々な構成要素は、本明細書に説明され、図示され、及び/又は組み込まれた構造、構成要素、機能性、及び/又は変形のうちの少なくとも1つを含むことができるが、必ずしも必要ではない。さらに、特に除外しない限り、本教示に関連して本明細書に説明され、図示され、及び/又は組み込まれたプロセスステップ、構造、構成要素、機能性、及び/又は変形は、開示された例の間で交換可能であることを含む、他の同様のデバイス及び方法に含まれてもよい。以下の様々な例の説明は、本質的に単なる例示に過ぎず、本開示、その用途、又は使用を限定するものでは決してない。さらに、以下に説明する例によって提供される利点は、本質的に例示的であり、すべての例が同じ利点又は同じ程度の利点を提供するわけではない。
この詳細な説明は、続いて(1)概要、(2)例、構成要素、及び代替例、(3)例示的な組み合わせ及び追加の例、(4)長所、特徴、及び利点、(5)結論のセクションを含む。例、構成要素、及び代替例のセクションは、サブセクションAからEにさらに分割されており、それぞれのサブセクションには適切なラベルが付いている。
概要
一般に、本教示による付加的に製造された宇宙機パネルは、トラス構造によって接続された2つのスキンを含み得る。パネルは、単一の付加的に製造されたユニットであってもよい。パネルはまた、コアによって接続された2つのフェイスシートを有するサンドイッチ構造又はサンドイッチ構造の複合材料として説明され得る。
図1は、例示的な宇宙機102の概略図である。この例では、宇宙機102は通信衛星として示されている。いくつかの例では、宇宙機は、天文宇宙観測所、打ち上げビークル、軌道宇宙ステーション、及び/又は任意の宇宙船であり得る。宇宙機は、パネル100を含む1つ又は複数の付加的に製造されたトラスパネルを含む本体又は一次構造104を有する。そのようなトラスパネルは、宇宙機102の内部又は外部構造に使用され得、及び/又は二次構造、取り外し可能なモジュール、機器ハウジング、及び/又は宇宙機の任意の適切な構造に使用され得る。1つ又は複数の付加的に製造されたトラスパネルは、宇宙環境の挑戦のために構成された形態を含み得る。
パネル100は、第1のスキン110、第2のスキン112、及びトラス構造114を含む。第1のスキン110は、第2のスキン112から離間しており、2つのスキンは平行である。図1では、パネル100は真横から描かれているが、この例では、パネル及びスキンのそれぞれは、平面範囲を有すると理解され得る。いくつかの例では、第1及び第2のスキンは、曲率及び/又はより複雑な形状を有し得る。トラス構造114は、第1のスキン110及び第2のスキン112に接続されている。次に、第1のスキンと第2のスキンはトラス構造によって接続される。
トラス構造114は、コア構造116のアレイを含む。各コア構造は、任意の適切な形状を有するトラス部材のフレームワークを含み得る。コア構造の形状は、パネル100全体にわたって均一であってもよいし、パネル内の箇所に応じて変化してもよい。例えば、コア構造116は、パネル100の予想される不均一な負荷に従って変化してもよく、及び/又はコア構造は、スキン110,112の曲率に従って変化してもよい。コア構造は、グリッド、繰り返しパターン、及び/又は任意の効果的な方法で配置され得る。
パネル100は、単一の一体構造として付加的に製造又はプリントされてもよい。パネルはモノリシックとしても説明され得る。言い換えれば、スキン110,112及びトラス構造114は一緒にプリントされてもよく、パネルは、ジョイント又は継ぎ目なしでプリントされた材料で形成されてもよい。パネル100は構築軸を有し得る。パネルがプリントされると、材料の層が構築軸に垂直な平面に堆積され得る。いくつかの例では、構築軸は、スキン110,112の平面範囲に平行であってもよい。そのような例では、パネルはまた、垂直方向のスキン110,112でプリントされていると説明され得る。その結果、そのような例では、スキン110,112及びトラス構造114は、順次ではなく同時にすべてプリントされ得る。
各コア構造116のトラス部材は、トラス部材がプリント中に自立するように、構築軸に対して配向及び/又は成形され得る。すなわち、各コア構造116は、二次支持体、又はプリント後の支持材料の除去を必要とせずにプリントされ得る。例えば、トラス部材は、構築軸に対して45度以下の角度で延伸することができる。いくつかの例では、パネル100は、追加の構造及び/又は形態を含み得る。そのような例では、各構造及び/又は形態は、プリント中に自立するように配向、成形、及び/又は構成され得る。パネル100は、プリント後の機械加工などの後処理なしで製造するように構成され得る。
パネル100は、意図された使用、構造的機能、及び/又は宇宙機内の配置に従ってカスタマイズされてもよい。付加製造により、パネルの設計に柔軟性を持たせることができ、局所的な形態を組み込むことができる。例えば、パネル100は、構造的補強、熱拡散、又は熱放散のために局所的に厚くされ得る。別の例では、パネル100は、統合された導体及び/又は締め具係合構造などのアタッチメント形態を含み得る。別の例では、トラス構造114は、予想される一次負荷モードに対する抵抗を改善するように構成されてもよく、又は予想される負荷の不均一性に一致するように不均一であってもよい。設計の柔軟性と局所的な形態は、宇宙機パネルや、放射線、微小隕石及び軌道上デブリ(MMOD)の影響、熱条件などの宇宙環境の課題にとって特に重要であり得る。
例、構成要素、及び代替例
以下のセクションでは、付加的に製造された例示的な宇宙機パネルの選択された態様、並びに関連するシステム及び/又は方法について説明する。これらのセクションの例は説明のためのものであり、本開示の範囲全体を限定するものとして解釈されるべきではない。各セクションは、1つ又は複数の異なる例、及び/又は文脈上の若しくは関連する情報、機能、及び/又は構造を含むことができる。
A.例示的なピラミッド型トラス宇宙機パネル
図2〜図5に示すように、このセクションでは、例示的なピラミッド型トラス宇宙機パネル200について説明する。トラスパネル200は、上述のように、付加的に製造されたトラスパネルの例である。トラスパネル200は、第1のスキン210及び第2のスキン212を含む。第1及び第2のスキンは、トラス構造214によって接続されている。以下でさらに説明するように、スキン及びトラス構造のそれぞれは、トラスパネル200の所望の特性に従って成形、特徴付け、及び/又は構成され得る。トラスパネル200は、任意の宇宙機で使用するように構成され得る。トラスパネルは、例えば、構造コンポーネントとして、熱管理システムの一部として、放射線シールドとして、及び/又は、微小隕石及び軌道上デブリ(MMOD)シールドとして機能し得る。
トラスパネル200は、付加製造に適した任意の材料を含んでもよい。この例では、パネルは、レーザー焼結金属合金を含み、直接レーザー金属焼結によって製造される。アルミニウム合金は、有利な強度対重量比を提供し、効果的な熱放射及び/又は除去を提供することができる。単一の金属構造としてのスキン210,212及びトラス214の製造は、伝統的に製造されたサンドイッチパネルの接着材料によって引き起こされるインピーダンスを取り除くことにより、パネルの熱性能と熱除去を改善することができる。このような熱特性は、宇宙環境での熱管理に特に有利な場合がある。
この例では、トラスパネル200は、厚さが約1/2インチ、幅が3.5インチ、長さが6インチである。パネルの寸法は、パネルの製造に使用される装置の容量によって制約される場合がある。選択された付加製造装置の能力を超える所望の寸法を有するパネルを形成するために、トラスパネル200などの複数のパネルが別々にプリントされ、互いに接合されてもよい。例えば、トラスパネル200は、本明細書に記載されるように、別のパネルに溶接、接着、及び/又は固定されてもよい。
図2に示されるように、スキン210,212のそれぞれは、平面かつ長方形である。各スキンは、外面218及び平行な内面220を有する。第1のスキン210は、第2のスキン212と平行である。この例では、各スキンは全体にわたって均一な厚さを有し、2つのスキンは同一である。各スキンの厚さは約0.02インチである。いくつかの例では、以下のセクションCでさらに説明するように、1つ又は両方のスキンの厚さが異なり、及び/又は1つのスキンの厚さが他のスキンよりも大きい場合がある。
パネル200は、スキン210,212に平行に延伸する主軸222を有する。この例では、主軸222は、スキンの長方形形状の長辺に平行である。パネル200は、主軸222に従って付加的に製造され、主軸222は、構築軸又は垂直軸としても説明され得る。言い換えれば、パネルは、主軸222が付加製造装置の構築方向と整列するようにプリントされてもよい。例えば、パネル200は、構築プレートに平行な材料の層を堆積させることによって構築プレート上にプリントされてもよい。そのような例では、パネル200は、構築プレートに垂直な主軸222でプリントされてもよい。
主軸222はスキン210,212に平行であるので、スキンは垂直にプリントされていると説明され得る。第1のスキン210及び第2のスキン212の外面218及び内面220のそれぞれは、プリント全体を通じて構築方向に延伸することができる。このような向きにより、二次支持体なしで、良好な表面仕上げで、反りが制限されたスキンをプリントできる。このような向きはまた、パネル200の設置面積サイズを減少させることができる。付加製造機器、つまり3Dプリンターは、通常、プリント領域が限られている。例えば、プリンターの構築プレートの表面領域が限られている場合がある。プリント中にパネル200を垂直に向けることは、単一の堆積ランで複数のパネルを同時にプリントすることを可能にすることによって効率を改善することができる。
パネル200のトラス構造214は、図3〜図5により詳細に示されている。トラス構造は、ノード226の間に延伸する複数のトラス部材224を含む。図3に示されるように、各トラス部材は、第1のスキン210の内面220上のノードと第2のスキン212の内面上のノードとの間に延伸する。各トラス部材224は、形状がほぼ円筒形であり得る。
この例では、トラス構造214は、複数の三角形の補剛材228をさらに含む。各補剛材は、第1のスキン210又は第2のスキン212の内面220上に配置される。この例では、各補剛材の最大厚さは約0.04インチ、つまりスキン210,212の厚さの2倍である。補剛材228の最大厚さもまた、トラス部材224の直径にほぼ等しい。補剛材228及びトラス部材224は、任意の所望の厚さ又は直径を有することができる。補剛材及び/又はトラス部材の寸法は、パネル200の所望の構造特性に従って選択され得る。
各ノード226は補剛材に配置されている。補剛材228は、剛性及び座屈安定性などのスキン210,212の構造特性を改善することができ、トラス部材224とスキンとの間の接続を強化することができる。補剛材を含めると、望ましい構造特性を犠牲にすることなく、スキンの厚さを減らすことができる。パネルのスキン又は他の部分の厚さを減らすことにより、パネル200の全体の重量、材料費、及びプリント時間を減らすことができる。補剛材の三角形の断面形状により、限られた材料でスキン210,212を効果的に補強できる。補剛材は、薄いスキンのプリント適性も改善できる。言い換えれば、補剛材は、薄い又は繊細な構造を付加的に製造するときに発生する可能性がある反りや亀裂などの悪影響を低減又は防止することができる。
補剛材228は、パネル200のプリント中に自立するように構成される。より具体的には、補剛材の三角形の断面形状は、自立を可能にするように成形及び配向される。主軸222に加えて、パネル200は副軸230を有する。主軸222はまた、垂直軸として説明され得、副軸230はまた、水平軸として説明され得る。副軸230は、主軸222及びスキン210,212に対して垂直である。図3に示されるように、補剛材228の三角形の断面形状の各側は、副軸230に対して補剛材角度232で延伸する。角度232は、少なくとも35度であり得る。図示の例では、角度232は約40度である。
この例では、補剛材228は二等辺三角形の形状を有し、角度232は各側で一致している。いくつかの例では、補剛材は、不等辺三角形又は他の形状を有することができる。そのような例では、パネル200の構築方向に対して補剛材の下向きの表面は、副軸230に対して少なくとも35度の角度を形成することができる。
トラス構造214は、グリッド又はアレイに配置された複数のコアピラミッドフレームワーク234を含む。図4は、第1のコアピラミッド236を示している。コアピラミッド236は、4つのトラス部材224を含む。各トラス部材は、別個のベースノード238から単一の共通の上部ノード240まで延伸している。ベースノード238は、補剛材228の4つのセクションにより形成される正方形のコーナーに配置される。補剛材の追加セクションが上部ノード240から延伸している。
図3に示されるように、第1のコアピラミッド236は、第1のスキン210上にベースノード238、及び第2のスキン212上に上部ノード240が向けられるように描かれている。各コアピラミッド234は、第1のスキンにベースを有し、第2のスキンに頂点を有すると説明され得る。あるいは、トラス構造214のトラス部材224は、それぞれが第2のスキンにベースを有し、第1のスキンに頂点を有するコアピラミッドのアレイに属するものとして見ることができる。したがって、パネル200は、負荷に対して対称的な応答を有し得る。
各コアピラミッド234は、プリント中に自立するように構成されている。より具体的には、コアピラミッドのトラス部材224はそれぞれ、自立を可能にするように選択された角度で延伸する。トラス部材224と副軸230との間の第1のトラス角度242が示されている。第1のトラス角度242は、パネル200の主軸及び副軸によって定義される平面にある。図示されていない第2のトラス角度も、主軸に垂直であるが副軸を含む平面内のトラス部材224と副軸230との間に画定される。
各トラス角度は、少なくとも35度であり、50度以下にすることができる。35度以上の角度は、トラス部材が二次支持体なしでプリントされることを可能にし得る。一方、50度以下の角度は、トラス部材によって形成されるトラスが十分に強いことを確実にし得る。この例では、コアピラミッド236は正方形のベースを有し、その結果、第1及び第2のトラス角度は等しい。この例では、トラス角度はそれぞれ40度である。
各コアピラミッド234はまた、パネル200の所望の構造特性に従って構成されてもよい。例えば、第1及び/又は第2のトラス角度を増加又は減少させて、パネルを所望の剛性に調整することができる。別の例では、各トラス部材224の直径は、パネル強度を改善するために増加され、又はパネル全体の重量を低減するために減少され得る。
図5は、パネル200の断面図であり、コアピラミッド234のテッセレーションパターン及び補剛材228のオフセットグリッドパターンを示している。第1のスキン210は、ギャップ又はオーバーラップのないコアピラミッドのアレイによって覆われ、各コアピラミッドのベースは、第1のスキン210の補剛材228に沿って隣接するコアピラミッドのベースと交わる。各コアピラミッド234は、隣接するコアピラミッドとベースノード238を共有する。側縁部244では、コアピラミッド234は切頭され、それぞれが2つのトラス部材224のみを含む。
第1のスキン210上の複数の補剛材228は、第1の正方形グリッド246を形成する。第2のスキン212(図3参照)上の複数の補剛材228は、第2の正方形グリッド248を形成する。各正方形グリッドは、第1の複数の平行な補剛材と、第1の複数と交差し、第1の複数に直交する第2の複数の平行な補剛材とを含む。第1及び第2の正方形グリッド246,248は、第1の正方形グリッド246の交点が第2の正方形グリッド248のグリッド正方形の中心と垂直に整列するように、互いにオフセットされている。第1の正方形グリッド246の交差はベースノード238と一致し、第2の正方形グリッド248の交差はコアピラミッド234の上部ノード240と一致する。
B.例示的な十字形トラス宇宙機パネル
図6及び図7に示されるように、このセクションは、例示的な十字形トラス宇宙機パネル300を説明する。トラスパネル300は、上述のように、付加的に製造されたトラスパネルの例である。トラスパネル300は、第1のスキン310及び第2のスキン312を含む。第1及び第2のスキンは、トラス構造314によって接続されている。トラス構造314は、剪断、引張り、又は座屈に対する抵抗などの、パネル300の選択された強度値を改善するように構成され得る。この例では、トラス構造314は、座屈荷重に対する抵抗のために構成される。
スキン310,312のそれぞれは、内面320を備えた平面かつ長方形である。第1のスキン310は、第2のスキン312と平行である。トラス構造314は、ノード326の間に延伸する複数の十字形又はX形のトラス部材324を含む。図6に示されるように、各トラス部材は、第1のスキン310の内面320上の一対のノードと第2のスキン312の内面上の一対のノードとの間に延伸する。各トラス部材324は、それぞれ形状がほぼ円筒形の4つの脚部325を含む。各脚部325は、ノード326からトラス部材の中央接合領域327まで延伸する。
この例では、トラス構造314は、複数の円形ボス328をさらに含む。各ボスは、第1のスキン310又は第2のスキン312のいずれかの内面320から垂直に延伸する。各ボスの周縁部はフィレットされており、ボスのプリント性と自立性を向上させている。ボスはノード326のそれぞれに配置されている。ボスは、トラス部材224とスキン310,312との間の接続を容易にし、強化することができる。
トラス構造314は、グリッド又はアレイに配置された複数のコアボックスフレームワーク334を含む。図4は、第1のコアボックス336を示している。コアボックス336は、正方形のボックス形状に配置された4つのトラス部材324を含み、各トラス部材はボックスの片側を形成する。ノード326は、ボックス形状のコーナーを画定する。2つのトラス部材324のそれぞれの1つの脚部325は、各ノードで交わる。
コアボックス334は、トラス構造314内で重複していると説明され得る。すなわち、コアボックス336は、4つのトラス部材324のそれぞれ1つを、4つの隣接するコアボックスのそれぞれ1つと共有すると説明され得る。トラス構造314はまた、複数の十字形の円筒形トラス部材を含むものとして説明され得る。そのような円筒形トラス部材のそれぞれは、第1のスキン310上のノード326と第2のスキン312上のノードとの間を斜めに延伸するものとして説明され得る。
各コアボックス334は、プリント中に自立するように構成される。より具体的には、コアボックスの脚部325はそれぞれ、自立を可能にするように選択された角度で延伸する。図3に示すように、各脚部325は、パネル300の副軸330とトラス角度342を画定する。副軸330は、パネル300の構築方向に垂直であってもよく、水平軸として説明され得る。各トラス角度は少なくとも35度にすることができる。この例では、コアボックス334の側面は正方形であり、各トラス部材324の脚部325のトラス角度は等しい。いくつかの例では、トラス部材324はコアボックス334の長方形の側面を形成してもよく、トラス角度は脚部の間で異なってもよい。この例では、各脚部325のトラス角度342は、それぞれ45度である。
C.例示的なトラスパネルの形態
図8〜図17に示すように、このセクションでは、例示的なトラスパネル400の潜在的な形態の複数の例について説明する。トラスパネル400は、上述のように、付加的に製造されたトラスパネルの例である。
トラスパネル400は、第1のスキン410及び第2のスキン412を含む。第1及び第2のスキンは、第1のトラス構造414によって接続されている。スキン410,412のそれぞれは、外面418及び内面420を備えた平面かつ長方形である。第1のスキン410は、第2のスキン412と平行である。
トラス構造414は、ノード426の間に延伸する複数のトラス部材424を含む。各トラス部材424は、第1のスキン410の内面420上のノードと第2のスキン412の内面上のノードとの間に延伸する。各トラス部材424は、形状がほぼ円筒形であってもよい。トラス構造414は、それぞれが4つのトラス部材424から形成され、グリッド、アレイ、及び/又はテッセレーションで配置される複数のコアピラミッドフレームワーク434を含む。
この例では、トラス構造414は、複数の円形ボス428をさらに含む。各ボスは、第1のスキン410又は第2のスキン412のいずれかの内面420から垂直に延伸する。各ボスの周縁部はフィレットされており、ボスのプリント性と自立性を向上させている。ボスは各ノード426に配置されている。ボスは、トラス部材424とスキン410,412との間の接続を容易にし、強化することができる。
図8は、第3のスキン450及び第2のトラス構造452を追加することにより、追加の強度及び剛性のためにカスタマイズされたパネル400を示している。第3のスキン450は、平面かつ長方形であり、第2のスキン412と平行であるが離間している。第3のスキンは、外面418及び平行な内面420を有する。この例では、第3のスキン450は全体にわたって均一な厚さを有し、第1、第2、及び第3のスキンは同一である。各スキンの厚さは約0.02インチである。
第3のスキン450は、第2のトラス構造452によって第2のスキン412に接続される。第2のスキン412は、第2のトラス構造452と第1のトラス構造414との間に挟まれている。第1のスキン410及び第3のスキン450の外面418は、トラスパネル400の外面を形成する。
この例では、第2のトラス構造452は、第1のトラス構造414と実質的に同一であり、ノード426間に延伸する複数のトラス部材424も含む。各トラス部材424は、第2のスキン412の外面418上のノードと第3のスキン450の内面420上のノードとの間に延伸する。第2のトラス構造452は、それぞれが4つのトラス部材424から形成され、グリッド、アレイ、及び/又はテッセレーションで配置される複数のコアピラミッドフレームワーク434を含む。
この例では、第2のスキン412の外面418上のノード426は、第2のスキンの内面420上のノード426と整列している。第1のトラス構造414のコアピラミッドフレームワーク434は、第2のトラス構造452のコアピラミッドフレームワークと整列している。第1及び第2のトラス構造のコアフレームワークの相対的な配置は、トラス間の所望の構造的補強又は他の構造的相互作用を提供するように選択され得る。
いくつかの例では、第3のスキン450は、第2のスキン412及び/又は第1のスキン410とは異なり得る。いくつかの例では、第2のトラス構造452は、第1のトラス構造414とは異なり得る。第3のスキン450は、任意の望ましい厚さ及び/又は曲率を有することができ、第2のトラス構造452は、任意の所望の形状を有することができる。例えば、第2のトラス構造452は、例Bに記載されるように、複数のコアボックスフレームワークを含み得る。いくつかの例では、パネル400は、追加のスキン及びトラス構造をさらに含み得る。
パネル400に第3のスキン450及び第2のトラス構造452を含めることにより、座屈安定性を維持しながら、パネルの慣性モーメントを増大させることができる。このような修正は、微小隕石及び軌道上デブリ(MMOD)又は他の衝撃シールドに特に望ましい場合がある。このような修正はまた、座屈安定性などの所望の構造特性を低下させることなく、パネル400の厚さを増加させるために使用されてもよい。
図9は、可変コア密度で局所化された剛性を調整したパネル400を示している。図示の例では、パネル400は、第1の領域453及び第2の領域455を含む。各領域は、第1のスキン410、第2のスキン412、及びトラス構造414の一部を含む。第1の領域453では、トラス構造414は第1のコア構成454を有し、第2の領域455では、トラス構造414は第2のコア構成456を有する。第1の領域453及び第2の領域455は、第1のコア構成と第2のコア構成との間のインターフェース458で交わる。
第1のコア構成454では、コアピラミッド434は第1の密度を有する。第2のコア構成456では、コアピラミッド434は、第2のより高い密度を有する。言い換えれば、トラス構造414の各コアピラミッド434は、ベーススパン寸法を有する。第1の領域では、コアピラミッドは第1のベーススパン寸法AAを有し、第2の領域では、コアピラミッドは第2のベーススパン寸法BBを有する。第1のベーススパン寸法は、第2のベーススパン寸法より大きい。
この例では、コアピラミッド434はそれぞれ正方形のベースを有する。したがって、各領域453,455内で、コア密度は、スキン410,412の平面に平行な各方向で等しいと理解され得る。いくつかの例では、トラス構造414は、長方形のベースを有するコアピラミッド及び/又は他の形状のコア構造を含み得る。そのような例では、ベーススパン寸法、したがってコア構造の密度は方向によって異なる場合がある。
この例では、インターフェース458は、パネル400を横切って直線的に延伸すると理解され得る。領域453,455のそれぞれは、パネル400の長方形セクションを構成し得る。いくつかの例では、領域は、非線形インターフェース及び/又は任意の所望の形状を有し得る。例えば、第1の領域453は、ほぼ円形の形状を有し得、第2の領域455によって取り囲まれ得る。インターフェース458は、コア構造がインターフェースによって分割されないように、個々のコア構造の間の境界に沿って存在してもよい。
第1の領域453と比較して第2の領域455のより高い密度は、さらなる剛性を提供し得る。ただし、剛性の増加は、重量と材料コストの増加とのトレードオフになる可能性がある。パネル400全体にわたって密度が変化することにより、パネルの剛性を局所的に調整することができる。例えば、トラスコア構造の密度は、より強い又はより頻繁な負荷が発生すると予想される領域で増加する可能性がある一方で、密度は、制限された負荷が発生すると予想される領域では減少する可能性がある。
図10は、スキン410,412が局所的に厚くされたパネル400を示している。図示の例では、パネル400は補強領域457を含む。この領域は、対応して厚くなっている第1のスキン410及び第2のスキン412の両方を含めて示されている。いくつかの例では、補強領域は、一方のスキンのみが厚くなっていてもよく、又はスキンは異なる程度に厚くされてもよい。
補強領域457の外側では、第2のスキン412は厚さCCを有する。補強領域の内側では、第2のスキン412は厚さDDが増加している。増加した厚さは、第2のスキン412の外面418が全体にわたって平面のままであるように、スキンに対して内向きに延伸する。補強領域457の外側の境界では、スキンに2つの厚さの間に段階的な移行を提供するフィレット459が含まれている。フィレット459は、二次支持体なしで補強領域457をプリントできるように構成され得る。補強領域457は、一致する厚さにされた第1のスキン410をさらに含む。
この例では、補強領域457は、形状がほぼ正方形であると理解され得る。いくつかの例では、領域は、非線形境界及び任意の所望の形状を有し得る。例えば、補強領域は、パネルを構造体に組み立てた後、長方形、円形、及び/又はパネルに隣接する構造体に適合するような形状とすることができる。
補強領域457は、サンドイッチパネルに取り付けられた金属又は他の材料の別個のシートを通常含むシールドに取って代わり得る。この領域は、例えば、電子機器の放射線シールド用に構成されてもよい。そのような例では、補強領域457は、シールドされた電子機器と一致するように形作られてもよい。補強領域457は、熱管理目的のために追加的又は代替的に構成される。例えば、補強領域457は、電子機器の熱出力ゾーンからパネルの周囲部分まで延伸して、機器によって生成された熱の拡散及び除去を促進することができる。
補強領域457は、追加的又は代替的に、パネル400の構造的補強のために構成されてもよい。例えば、領域は、別のパネルへの溶接を意図したパネルの縁部に隣接する薄いストリップであってもよい。補強領域は、溶接接合部の熱影響ゾーンでの強度の損失を補う場合がある。別の例では、補強領域は、第2のスキン412のかなりの領域にわたって延伸して、統合されたダブラーとして機能し得る。このようなダブリングで、パネルの強度を高めることができる。
図11及び図12は、クローズアウト壁が統合されたパネル400を示している。統合されたクローズアウト壁は、サンドイッチパネルに通常固定されている別々のクローズアウト部を置き換えることができる。図示の例では、パネル400は、4つの縁部のそれぞれにクローズアウト部を含む。構築方向又は構築軸に対して、パネル400は、上部クローズアウト壁460、下部クローズアウト壁462、及び2つの側方クローズアウト壁464を含むものとして説明され得る。
図11は、構築軸に平行な平面に沿って切断され、上部及び下部クローズアウト壁の断面形状を示す、パネル400の断面図である。下部クローズアウト壁462は、パネル400の第1のプリント層を含み得、構築プレートの支持体上に直接堆積され得る。したがって、下部クローズアウト壁462は、平面であり、構築軸及びスキン410,412に対して垂直である。対照的に、上部クローズアウト壁460は、パネル400の最終プリント層を含み得る。したがって、二次支持体なしでプリントするために、上部クローズアウト壁は、アーチ型、面取り型、又は逆V字型になっている。
図12は、構築軸に垂直な平面に沿って切断され、側方クローズアウト壁の断面形状を示す、パネル400の断面図である。各側方クローズアウト壁464は、パネルの構築軸に平行に延伸することができる。したがって、側方クローズアウト壁は主に平面である。側方クローズアウト壁は、各コーナーに小さな面取り又はフィレットを含み、側方クローズアウト壁は、下部クローズアウト壁462及び上部クローズアウト壁460に接続する。
この例では、各クローズアウト壁は、パネル400の対応する縁部の全長にわたって延伸する。いくつかの例では、クローズアウト壁は、パネルの長さの一部のみに延伸してもよく、及び/又は、切れ目、開口部、又はアパーチャを含んでもよい。いくつかの例では、パネル400は、クローズアウト壁の1つ、2つ、又は3つのみを含み得る。パネル400は、クローズアウト壁から生じる追加の局所的な剛性及び/又は強度を活用できるように、設計、構成、及び/又は利用され得る。例えば、パネル400は、予想される最大負荷の領域に近接する上部クローズアウト壁460を有する構造に設置されて、上部クローズアウト壁に含まれる追加の材料に起因する剛性を利用することができる。
図13及び図14は、統合されたアクセス穴466を備えたパネル400を示している。アクセス穴466は、第1のスキン410の外面418からパネルを通って第2のスキン412の外側まで延伸する。アクセス穴は円形であり、一般に円筒形の壁468によって画定される。壁468は、トラス構造414と同様に、第1のスキン410を第2のスキン412に接続する。壁468は、トラス構造を含まないパネル400の領域において、スキンの間に配置される。すなわち、壁468は、トラス構造414のギャップを通って延伸する。
壁468は、外側467及び内側469を含む。内側469は円筒形であり、アクセス穴466を画定する。外側467はフィレットされており、スキン410,412のそれぞれの近くで最大の直径を有し、2つのスキンの中間の点で最小の直径を有する。外側のフィレット形状は、プリント中に壁468をサポートするのに役立ち、二次支持体なしでプリントを可能にし、アクセス穴466の円形を維持することができる。外側467のフィレット形状はまた、壁468とスキン410,412との間の強い接続を提供し、アクセス穴466に近接するパネル400の剛性及び/又は強度を改善し得る。
図示の例では、アクセス穴466は円形である。いくつかの例では、アクセス穴466は、ダイヤモンド形状を有してもよく、又は意図された用途に従って成形されてもよい。図示の例のように、アクセス穴の内側と外側は異なる場合があり、二次支持体なしで、表面粗さの望ましい制限内でプリントできるように構成され得る。
パネル400は、アクセスの必要性に従って配置された、任意の適切な数のアクセス穴を含み得る。例えば、アクセス穴466は、ケーブル、パイプ、ワイヤリングハーネス、及び他のアタッチメントをパネル400に通すために使用され得る。別の例では、アクセス穴466は、パネルを含む構造の内部の目視検査又は手動メンテナンスに使用されてもよい。パネル400のプリントされた設計へのアクセス穴466の統合は、完成したサンドイッチパネルにおけるアクセス穴の典型的な穿孔に取って代わることができる。
図15及び図16は、複数の統合された取り付けアパーチャ470を備えたパネル400を示している。アパーチャは、複数のパネルの組み立て、パネルへのモジュール若しくはアクセサリの取り付け、パネルの反対側の構造部材へのモジュール若しくはアクセサリの取り付け、及び/又は任意の望ましい取り付け、固定、及び/又はアタッチメントを容易にするように構成され得る。
各取り付けアパーチャ470は、第1のスキン410の外面418からパネルを通って第2のスキン412の外側まで延伸する。取り付けアパーチャは円形であり、それぞれが円筒形の壁472によって画定されている。各壁472は、トラス構造414と同様に、第1のスキン410を第2のスキン412に接続する。壁472は、トラス構造を含まないパネル400の領域のそれぞれにあるスキンの間に配置される。すなわち、各壁472は、トラス構造414のギャップを通って延伸する。
各壁472は、外側467及び内側469を含む。内側469は円筒形であり、対応する取り付けアパーチャ470を画定する。外側467は、スキン410,412のそれぞれに近接するフィレットを含み、壁472とスキン410,412との間に強い接続を提供し、アクセス取り付けアパーチャ470に近接するパネル400の剛性及び/又は強度を改善する。各壁472は、二次支持体なしでプリントするように構成され得る。いくつかの例では、内側469及び/又は外側467は、ダイヤモンド形状の断面、又は他の所望の形状を有し得る。
パネル400は、意図された取り付けに応じたサイズ及び位置にある、任意の適切な数の取り付けアパーチャを含むことができる。この例では、パネル400は、正方形モジュールをパネルに固定できるように配置された4つの取り付けアパーチャを含む。各取り付けアパーチャは、取り付けに使用するボルトを受け入れるサイズである。いくつかの例では、取り付けアパーチャは、パネル400とのねじ込み係合を可能にするために、ねじ込みブッシングを受け入れるようなサイズであり得る。
図17は、統合された内部チャネル474を備えたパネル400を示している。チャネル474は、第1のスキン410及び/又は第2のスキン412内にプリントされた1つ又は複数の壁475によって画定され得る。図示の例では、パネルの第2のスキン412は、チャネル474の統合を可能にするために、厚さEEが増加している。この例では、厚さEEは約1/4インチであり、チャネル474は約0.02インチの直径を有する。チャネルは、第2のスキンに埋め込まれたものとして、及び/又は第2のスキン412と第1のスキン410との間に埋め込まれたものとして説明され得る。チャネル474は、断面が円形として示されているが、ダイヤモンド形状を含む、二次支持体なしでプリントを可能にする任意の断面形状を有することができる。
チャネル474は、第1のアパーチャ476からスキン412を通って第2のアパーチャ478まで延伸する。チャネルは、複数のターンと分岐パスを含む例示的なパターンで図17に示されている。いくつかの例では、チャネル474は、単一の連続経路、行き止まり部分、チャネルサイズ及び/又は第2のスキン412の外面418若しくは内面420の近くの変動、及び/又は任意の所望の形態を含み得る。図示の例では、アパーチャ476,478は、第2のスキン412の縁部部分に配置されている。いくつかの例では、一方又は両方のアパーチャは、外面418、内面420、及び/又は第2のスキンの異なる縁部に配置されてもよい。いくつかの例では、パネル400及び/又は第2のスキン412は、流体管理システムの接続を可能にするように構成された追加の構造及び/又は形態をさらに含み得る。
チャネル474は、チャネルの意図された機能に従って構成され得る。例えば、チャネルは、パネル400に隣接して設置された機器の能動的な冷却を容易にするように構成されてもよい。そのような例では、チャネル474は、選択された冷却液の滑らかな流れを可能にし、複数のスイッチバック及び/又は並列分岐を含めることによって機器に隣接するパネルの領域に流体を実質的に露出するように構成され得る。別の例では、チャネルは、パネル400を通る燃料又は潤滑剤の輸送を可能にするように構成されてもよい。そのような例では、チャネル474は、パネルを通る単純かつ直接的な経路で流体の迅速な流れを可能にするように構成され得る。
D.例示的な付加製造の方法
このセクションでは、ワークピースの付加製造の例示的な方法のステップについて説明する。図18を参照されたい。図19に示される例示的な付加製造デバイスの態様は、以下で説明される方法ステップで利用されてもよい。適切な場合には、各ステップを実行する際に使用され得る構成要素及びシステムを参照することができる。これらの参照は例示のためのものであり、方法の任意の特定のステップを実行する可能な仕方を限定することを意図するものではない。
図18は、例示的な方法で実行されるステップを示すフローチャートであり、方法の完全なプロセス又はすべてのステップを列挙していない場合がある。方法500の様々なステップが以下で説明され図18に示されるが、ステップは必ずしもすべて実行される必要はなく、場合によっては、同時に又は示された順序と異なる順序で実行されてもよい。
ステップ510で、順序付けられた複数の層を記述するデジタル情報が受信される。デジタル情報は、図19に示すように、付加製造デバイス610のコンピューターコントローラー612によって受信されてもよい。付加製造デバイスは、プリンター又はファブリケーターと呼ばれてもよい。コンピューターコントローラー612は、デジタル設計情報を受け取り、プリンター610の機能を制御するように構成された任意のデータ処理システムを含むことができる。図19に示す例示的なコンピューターコントローラーは、プリンター機能を制御するためのプロセッサ614と、受信したデータを格納するためのメモリ616とを含む。
受信した情報は、三次元オブジェクトの層を構成する複数の二次元パターンの幾何データ及び/又は設計詳細を含むことができ、三次元オブジェクトは、トラスパネルなどの製造されるワークピース628である。層は、断面又はスライスとしても説明され得る。複数の層は、層に番号を付けるか、又は最初の層から最後の層まで編成することができるように順序付けられている。
方法500のステップ512は、プリンター610の構築環境620に配置された構築プラットフォーム618上に原材料を堆積するステップを含む。構築プラットフォームは、製造軸622に沿ってコンピューターコントローラー612によって移動可能な支持体を含み得る。構築プラットフォームは、製造軸622に垂直な平面を有することができる。
原材料は、付加製造に適した任意の材料であってもよく、通常は流体又は粉末であり、限定はしないが、フォトポリマー樹脂、熱可塑性樹脂、石膏、セラミック、及び金属が含まれる。材料は、ホッパー、タンク、又は粉末床などの原材料供給源624から分配されてもよい。例えば、アルミニウム粉末は、コンピューターコントローラー612によって作動されるブラシアームによって、構築プラットフォーム618上の粉末床から掃引されてもよい。
原材料は、構築プラットフォーム618上に均一に分配されてもよく、又は選択されたパターンで堆積されてもよい。堆積は、コンピューターコントローラー612の制御下で行われてもよい。いくつかの例では、構築プラットフォーム618は、原材料に沈められてもよく、堆積は、重力又は流体圧力によって達成されてもよい。いくつかの例では、原材料供給源624に接続されたプリントヘッド626が、順序付けられた複数の層の最初の層に対応するパターンで原材料を堆積させることができる。
ステップ514で、最初の層を生成するために原材料が変更される。言い換えれば、順序付けられた複数の層の最初の層を記述し、コンピューターコントローラー612によって指示された設計情報に従って、堆積された材料に物理的変化が誘発され、最初の層が構築プラットフォーム上の物理的オブジェクトとして実現される。
材料は、コンピューターコントローラー612によって制御される、プリンター610のプリントヘッド626によって作用され得る。例えば、プリントヘッドは、光への曝露によってフォトポリマーを硬化させるか、又は熱への曝露によって金属粉末を焼結させるレーザーを含み得る。プリントヘッドは、最初の層の受信デジタル情報に描かれた経路、及び/又は受信デジタル情報に基づいてプロセッサ614によって計算された経路をたどるようにコンピューターコントローラー612によって指示され得る。
ステップ516は、構築プラットフォームを再配置するステップを含む。いくつかの例では、構築プラットフォーム618は、プリントヘッド626から選択された距離を開始し得る。選択された距離は、プリントヘッドによって実行される手順によって決定され得る。層の生成に続いて、構築プラットフォームは、コンピューターコントローラー612によって、製造軸622に沿って、層の厚さだけプリントヘッド626から離れた位置に再配置され得る。すなわち、生成された層の上面がプリントヘッド626から選択された距離になるように、構築プラットフォームを移動させることができる。
いくつかの例では、構築プラットフォーム618は、原材料分配コンポーネントなどのプリンター610の別の要素と整列して開始することができる。層の生成に続いて、構築プラットフォームは、生成された層の上面がプリンター610の他の要素と位置合わせされるように、製造軸622に沿ってコンピューターコントローラー612によって再配置されてもよい。いくつかの例では、ステップ516で、構築プラットフォーム618の代わりに、又はそれに加えて、プリントヘッド626を再配置することができる。いくつかの例では、ステップ516はスキップされてもよい。
ステップ518では、方法500の前のステップで生成された層上に原材料が堆積される。ステップ512について説明したように、原材料は任意の適切な材料であってよく、任意の適切な方法で堆積されてよい。ステップ520では、ステップ514について前述したように、次の層を生成するために原材料が変更される。
ステップ516から520は、最後の層が生成されるまで、受信したデジタル情報の複数の層の各層を生成するために繰り返されてもよい。生成された最初から最後の層は、受信したデジタル情報に記述されているように、ワークピース628を含むことができる。必要に応じて、ワークピースをプリンターから取り外し、後処理することができる。例えば、ワークピースは、構築プラットフォームの構築プレートから機械加工されてもよく、その後、機械加工又は他の方法によって、細部又は滑らかな表面がさらに仕上げられてもよい。
E.宇宙機パネルを付加的に製造する例示的な方法
このセクションは、宇宙機パネルを付加的に製造する例示的な方法700のステップを説明する。図20を参照されたい。上記のパネル及び/又は方法の態様は、以下に記載される方法ステップにおいて利用及び/又は参照され得る。適切な場合には、各ステップを実行する際に使用され得る構成要素及びシステムを参照することができる。これらの参照は例示のためのものであり、方法の任意の特定のステップを実行する可能な仕方を限定することを意図するものではない。
図20は、例示的な方法で実行されるステップを示すフローチャートであり、方法の完全なプロセス又はすべてのステップを列挙していない場合がある。方法700の様々なステップが以下で説明され図20に示されるが、ステップは必ずしもすべて実行される必要はなく、場合によっては、同時に又は示された順序と異なる順序で実行されてもよい。
ステップ710で、方法は、第1のスキン及び第2のスキンをプリントするステップを含む。スキンは、フェイスシート及び/又は壁としても説明され得る。スキンは、上記の方法500などの任意の効果的な付加製造方法に従ってプリントされてもよい。スキンは、レーザー焼結金属又は金属合金を含むがこれらに限定されない任意の材料でプリントされてもよい。
第1のスキンは、第2のスキンから離間されていてもよく、第2のスキンと平行であってもよい。各スキンは、一般に平面の範囲と限られた厚さを有してもよい。スキンの厚さは、等しくても、異なっていてもよく、及び/又はスキン全体で変化していてもよい。スキンは、使用する付加製造装置の構築方向に従ってプリントされ得る。各スキンは、内側と外側を有し、内側と外側のそれぞれは、プリント中に構築方向と平行に延伸する。ステップ710はまた、スキンを垂直方向にプリントするものとして説明されてもよく、及び/又はスキンは、プリント中の構築方向に平行であるとして説明されてもよい。
方法のステップ712は、接続トラスをプリントするステップを含む。トラスは、第1のスキンに接続されてもよく、第2のスキンに接続されてもよく、それにより、第1のスキンを第2のスキンに接続する。トラスは、第1のスキンと第2のスキンとの間に挟まれている、及び/又は第1のスキンと第2のスキンを含むパネルのコアを形成していると説明されてもよい。
トラスは、コア構造のアレイに配置された複数の細長い及び/又は十字形の部材を含み得る。各コア構造は、ピラミッド型フレームワークや直方体型フレームワークなどの幾何学的フレームワークを含み得る。複数の細長い部材は、部材が構造トラスとして機能し、第1のスキンと第2のスキンとの間で荷重を伝達するように配置され得る。各部材は、トラスが二次支持体なしでプリントできるように構成及び/又は配向され得る。すなわち、トラスは、犠牲支持構造を後で除去する必要なしにプリント可能であり得る。
トラスは、第1及び第2のスキンと同時にプリントされてもよい。すなわち、ステップ710及び712は同時に実行されてもよい。プリント中に堆積される材料の各層は、第1のスキンの一部、トラスの一部、及び第2のスキンの一部を含むことができる。第1及び第2のスキン並びにトラスは、単一のモノリシック構造としてプリントされてもよい。つまり、スキンとトラスを一緒にプリントして、ジョイントや継ぎ目のないプリント材料のパネルを形成することができる。
ステップ714で、方法は、パネルの統合された形態をプリントするステップを含む。いくつかの例示的なオプション形態が図20に示されているが、任意の適切な構造的及び/又は機能的形態がステップ714の一部としてプリントされてもよい。ステップ714及びサブステップ716〜724のそれぞれは、ステップ710及び712と同時に少なくとも部分的に実行されてもよい。すなわち、第1及び第2のスキン並びにトラス構造のプリントのある期間の間、統合された形態が同時にプリントされてもよい。すべてのプリント形態は、パネルのモノリシック構造の一部としてプリントされ得る。すべてのプリント形態は、二次支持体なしでプリントするように構成され得る。
オプションのサブステップ716は、例えば図17に示されるように、第1のスキンの内部にチャネルをプリントするステップを含む。第1のスキンは、チャネルの統合を可能にするために厚さを増してプリントされてもよい。チャネルは、第2のスキンに埋め込まれたものとして、及び/又は第1のスキンと第2のスキンとの間に埋め込まれたものとして説明され得る。チャネルは、任意の適切な断面形状及び/又は経路を有し得、チャネルの意図された機能に従って構成され得る。例えば、チャネルは、パネルに隣接して設置された機器の加熱又は冷却を容易にするように構成されてもよい。チャネルは、第1のスキン及び/又は第2のスキン内にプリントされた1つ又は複数の壁によって画定される。
オプションのサブステップ718は、パネルを通るチャネルをプリントするステップを含む。チャネルは、第1のスキンの外側からパネルを通って第2のスキンの外側まで延伸することができる。チャネルは、管状壁によって画定され得る。例えば、チャネルは、円形の断面形状を有し得、円筒形の壁によって画定され得る。壁は、第1のスキンと第2のスキンとの間に配置されてもよく、トラスのギャップを通って延伸してもよい。
オプションのサブステップ720は、第3のスキン及び第2のトラスをプリントするステップを含む。第2のトラスは、ステップ712でプリントされたトラスと実質的に同一であり得るか、又は任意の所望の形状を有し得、及び/又は任意の適切なコアフレームワークを含み得る。2つのトラスのコアフレームワークの相対的な配置は、所望の構造的補強又は他の構造的相互作用を提供するように選択されてもよい。第3のスキンは、第2のスキンと平行であってもよいが、第2のスキンから離間されていてもよい。第1、第2、及び第3のスキンは、形状及び厚さが一致していてもよい。第3のスキンは、第2のトラスによって第2のスキンに接続されてもよい。第2のスキンは、第2のトラスとステップ712でプリントされたトラスとの間に挟まれてもよい。第1及び第3のスキンは、トラスパネルの外面を形成することができる。
オプションのサブステップ722は、第1のスキンの厚くなった部分をプリントするステップを含む。厚くなった部分は、長方形、円形、パネルを構造に組み立てた後にパネルに隣接する構造に適合する形状、及び/又は任意の適切な形状であり得る。増加した厚さは、第1のスキンの外面が厚くした影響を受けないように、スキンに対して内側に延伸することができる。厚くなった部分の外側境界で、第1のスキンは、増加した厚さとスキンの残りの部分との間の段階的な移行を提供するように構成されたフィレット、面取り、又は他の成形を含み得る。いくつかの例では、サブステップ722は、第1のスキン上の複数の厚くなった部分及び/又は第2のスキン上の1つ又は複数の厚くなった部分をプリントするステップを含み得る。
オプションのサブステップ724は、三角形のスキン補剛材をプリントするステップを含む。スキン補剛材は、第1のスキン及び/又は第2のスキンの内側及び/又は外側にプリントされてもよい。スキン補剛材は、細長い局所的に厚くされたスキンを備えてもよく、任意の適切なパターンで配置されてもよい。例えば、スキン補剛材は、グリッド及び/又は格子パターンを形成することができる。スキン補剛材は、トラス部材の第1及び/又は第2のスキンへの接続を容易にするために、トラスのノードと一致するように配置され得る。
オプションのサブステップ726は、パネルの縁部に沿ってクローズアウト壁をプリントするステップを含む。クローズアウト壁は、第1のスキンと第2のスキンとの間に延伸することができ、両方のスキンに対して垂直に延伸することができる。クローズアウト壁は、壁のプリントに使用される付加製造方法の構築方向又は構築軸に対する壁の向きに従って構成され得、それにより、クローズアウト壁は二次支持体なしでプリントできる。例えば、構築軸に平行に延伸するクローズアウト壁は、実質的に平面であり得る。別の例では、構築軸に垂直に延伸するクローズアウト壁は、平面のフェイスと、傾斜した及び/又は逆v字形のフェイスとを有し得る。いくつかの例では、サブステップ726は、パネルの他の縁部に沿って追加のクローズアウト壁をプリントするステップ、及び/又はパネルの各縁部に沿ってクローズアウト壁をプリントするステップを含み得る。
ステップ728は、パネルを別のパネルに接続するステップを含む。パネルは、縁部又は側部領域に沿って接続され得、面内又は別のパネルに対してある角度で接続され得る。パネルは、任意の有効な手段で接続され得る。例えば、パネルは、隣接するパネルに溶接及び/又はボルト留めされてもよい。
方法700は、パネルの後処理を含まなくてもよい。すなわち、パネルは、表面粗さの平滑化、犠牲支持材料の除去、及び/又は追加の形態の機械加工が必要とされないように設計及びプリントされてもよい。
F.例示的な組み合わせ及び追加の例
このセクションでは、一連の段落として制限なしに提示されている、付加的に製造された例示的なトラスパネルの態様と形態について説明し、その一部又はすべては、明瞭さと効率のために英数字で指定されているものもある。これらの各段落を、任意の適切な方法で、1つ又は複数の他の段落、及び/又は本出願の他の場所からの開示と組み合わせることができる。以下の段落のいくつかは、他の段落を明確に参照し、さらに限定して、適切な組み合わせのいくつかの例を制限なく提供する。
A0.パネルを付加的に製造する方法であって、
第1のスキン及び第1のスキンから離間した第2のスキンをプリントするステップと、
第1のスキンを第2のスキンに接続する第1のトラス構造をプリントするステップと
を含む、方法。
A1.第1のスキンが第2のスキンと平行である、A0に記載の方法。
A2.第1のスキン及び第2のスキンのそれぞれが外側及び内側を有し、内側及び外側のそれぞれが、プリントステップ中に構築方向に延伸する、A0又はA1に記載の方法。
A3.第1のトラス構造がコア構造のアレイを含む、A0〜A2のいずれかに記載の方法。
A4.各コア構造がピラミッド型フレームワークを有する、A3に記載の方法。
A5.各コア構造が、複数の十字形トラス部材を含むフレームワークを有する、A3又はA4に記載の方法。
A6.コア構造の密度がパネルの第1の部分からパネルの第2の部分まで変化する、A3〜A5のいずれかに記載の方法。
A7.第1のスキンと第2のスキンとの間にチャネルをプリントするステップ
をさらに含む、A0〜A6のいずれかに記載の方法。
A8.チャネルをプリントするステップが、第1のスキンと第2のスキンとの間に埋め込まれた内部チャネルを形成するために、第1のスキンと第2のスキンとの間に1つ又は複数の壁をプリントするステップを含む、A7に記載の方法。
A9.チャネルをプリントするステップが、パネルの片側からパネルの反対側に第1及び第2のスキンを通るチャネルを形成するために、1つ又は複数の壁をプリントするステップを含む、A7又はA8に記載の方法。
A10.第3のスキンをプリントするステップと、
第2のスキンを第3のスキンに接続する第2のトラス構造をプリントするステップと
をさらに含む、A0〜A9のいずれかに記載の方法。
A11.第1のスキンをプリントするステップが、第1のスキンの厚くなった部分をプリントするステップを含む、A0〜A10のいずれかに記載の方法。
A12.パネルの縁部部分に沿って第1のスキンと第2のスキンとの間のクローズアウト壁をプリントするステップ
をさらに含む、A0〜A11のいずれかに記載の方法。
A13.パネルの端部を別の付加的に製造されたパネルの端部に接続するステップをさらに含む、A0〜A12のいずれかに記載の方法。
A14.プリントステップが、レーザー焼結金属の複数の層を堆積させるステップを含む、A0〜A13のいずれかに記載の方法。
A15.第1のスキン、第2のスキン、及び第1のトラス構造が同時にプリントされる、A0〜A14のいずれかに記載の方法。
A16.第1のスキンの局所的に厚くなった部分をプリントするステップ
をさらに含む、A0〜A15のいずれかに記載の方法。
A17.厚くなった部分が熱ダブラー又は構造ダブラーとして機能するように構成されている、A16に記載の方法。
A18.第1のトラス構造がコア構造のアレイを含み、方法が、
パネルの第1の領域の第1の所望の剛性及びパネルの第2の領域の第2の所望の剛性を選択するステップと、
パネルの第1の領域に第1の密度のコア構造をプリントし、パネルの第2の領域に第2の密度のコア構造をプリントするステップであって、第1の密度は第1の所望の剛性に対応し、第2の密度は第2の所望の剛性に対応する、ステップと
をさらに含む、A0〜A17のいずれかに記載の方法。
A19.第2のスキンから離間した第3のスキンをプリントするステップと、
第2のスキンを第3のスキンに接続する第2のトラス構造をプリントするステップと
をさらに含む、A0〜A18のいずれかに記載の方法。
A20.第1のトラス構造は、第1及び第2のスキンの内側のノードを介して接続されたX形トラス部材のアレイを含む、A0〜A19のいずれかに記載の方法。
A21.第1のトラス構造がコア構造のアレイを含み、各コア構造が正四角錐形状を有する、A0からA20のいずれかに記載の方法。
B0.第1のスキンと、
第1のスキンから離間した第2のスキンと、
第1のスキンを第2のスキンに接続する第1のトラス構造であって、第1のスキン、第2のスキン、及び第1のトラス構造は、単一の付加的に製造されたユニットを形成する、第1のトラス構造と
を備える、パネル。
B1.第1のスキンが第2のスキンに平行である、B0に記載のパネル。
B2.第1のトラス構造が、第1及び第2のスキンの内側のノードを介して接続されたX形トラス部材のアレイを含む、B0又はB1に記載のパネル。
B3.第1のトラス構造がコア構造のアレイを含む、B0〜B2のいずれかに記載のパネル。
B4.各コア構造がピラミッド型フレームワークを有する、B3に記載のパネル。
B5.各コア構造が正四角錐形状を有する、B3又はB4に記載のパネル。
B6.各コア構造が、複数の十字形トラス部材を含むフレームワークを有する、B3〜B5のいずれかに記載のパネル。
B7.コア構造の密度が、パネルの第1の部分からパネルの第2の部分まで変化する、B3〜B6のいずれかに記載のパネル。
B8.第1のスキンと第2のスキンとの間に埋め込まれた内部通路を形成する、第1のスキンと第2のスキンとの間の1つ又は複数の壁
をさらに備える、B0〜B7のいずれかに記載のパネル。
B9.パネルの片側からパネルの反対側への第1及び第2のスキンを通る通路を形成する、第1のスキンと第2のスキンとの間の1つ又は複数の壁
をさらに備える、B0〜B8のいずれかに記載のパネル。
B10.第3のスキンと、
第2のスキンを第3のスキンに接続する第2のトラス構造と
をさらに備える、B0〜B9のいずれかに記載のパネル。
B11.第1のスキンが付加的に製造された厚くなった部分を含む、B0〜B10のいずれかに記載のパネル。
B12.厚くなった部分が、熱ダブラー又は構造ダブラーとして機能するように構成されている、B11に記載のパネル。
B13.パネルの縁部部分に沿った第1のスキンと第2のスキンとの間の付加的に製造されたクローズアウト壁
をさらに備える、B0〜B12のいずれかに記載のパネル。
B14.第1のスキン、第2のスキン、及びトラス構造がレーザー焼結金属で構成されている、B0〜B13のいずれかに記載のパネル。
B15.(a)衝撃シールド又は(b)放射線シールドの一方のために構成された局所シールドをさらに備える、B0〜B14のいずれかに記載のパネル。
B16.複数の付加的に製造されたパネルを含む本体を備える宇宙機であって、
各付加的に製造されたパネルは、B0〜B15のいずれかに記載のパネルである、
宇宙機。
C0.A0〜A21のいずれかに従って実行される一連のプリントステップ中に三次元構造を支持するための構築プレートを含む付加製造装置
を備える、パネル製造システム。
C1.一連のプリントステップ中に三次元構造を支持するための構築プレートを含む付加製造装置と、
プリントされた第1のスキン及び第1のスキンから離間してプリントされた第2のスキンであって、各スキンは、構築プレートに接続された縁部部分と、構築プレートに垂直な平面の外面とを有する、第1のスキン及び第2のスキンと、
第1のスキンを第2のスキンに接続するプリントされたトラス構造と
を備える、パネル製造システム。
C2.付加製造装置が、A0〜A21のいずれかに記載の方法を実行するように構成されている、C1に記載のパネル製造システム。
C3.パネルが宇宙機パネルである、A0〜C2のいずれかに記載のパネル。
D0.複数の付加的に製造されたパネルを含む本体を備える宇宙機であって、
各付加的に製造されたパネルは、
第1のスキンと
第1のスキンから離間した第2のスキンと、
第1のスキンを第2のスキンに接続するトラス構造であって、第1のスキン、第2のスキン、及びトラス構造は、単一の付加的に製造されたユニットを形成する、トラス構造と
を含む、宇宙機。
D1.各付加的に製造されたパネルが、B0〜B15のいずれかに記載のパネルである、D0に記載の宇宙機。
D2.各付加的に製造されたパネルが、A0〜A21に記載のいずれかの方法及び/又はC0〜C2に記載のシステムを使用して作成される、D0〜D1に記載の宇宙機。
長所、特徴、及び利点
本明細書に記載されている付加的に製造されたトラスパネルの異なる例は、宇宙機パネルを製造するための既知の解決策に勝るいくつかの利点を提供する。例えば、本明細書で説明される例示的な例は、パネルの迅速なオンデマンド生産を可能にする。
さらに、他の利点の中でも、本明細書で説明する例示的な例は、製造サイクル時間を削減し、これには、製造ステップ数、タッチ作業時間、及び生産後のテストの削減が含まれる。
さらに、他の利点の中でも、本明細書で説明する例示的な例は、例えば、フェイスシートとコア構造との間のインピーダンスを接着材料から取り除くことによって、熱性能と熱除去を改善する。
さらに、他の利点の中でも、本明細書で説明する例示的な例は、取り付け点、補剛材、及び/又はヒートパイプなどの構造的特徴を、パネルの一部として統合及び製造することを可能にする。
さらに、他の利点の中でも、本明細書で説明する例示的な例は、熱影響ゾーンの強度損失に対応するために、局所的な補強又は放射スポットシールド、アクセスポイント、剛性調整、熱拡散と放熱の調整、及び溶接接合部の厚みなどの特徴を含む、高度なカスタマイズと局所的な設計を可能にする。
特に高強度で軽量の金属合金パネルの場合、これらの機能を実行できる既知のシステムやデバイスはない。したがって、本明細書で説明される例示的な例は、宇宙機の構造パネルに特に有用である。しかしながら、本明細書に記載のすべての例が同じ利点又は同じ程度の利点を提供するわけではない。
結論
上述の開示は、独立した有用性を有する複数の異なる例を包含することができる。これらの各々は好ましい形態で開示されているが、本明細書に開示され例示されたその特定の例は、多くの変形が可能であるため、限定的な意味で考慮されるべきではない。本開示内でセクションの見出しが使用されている点で、そのような見出しは構成的な目的のためだけのものである。本開示の主題は、本明細書に開示される様々な要素、特徴、機能、及び/又は特性のすべての新規かつ非自明な組合せ及び部分的組合せを含む。以下の請求項は、新規かつ非自明と見なされる特定の組合せ及び部分的組合せを特に指摘する。特徴、機能、要素、及び/又は特性の他の組合せ及び部分的組合せは、本出願又は関連する出願から優先権を主張する出願において特許請求されてもよい。そのような特許請求の範囲は、元の特許請求の範囲よりも広い、狭い、等しい、又は異なるかにかかわらず、本開示の主題の範囲内に含まれると見なされる。
100 パネル
102 宇宙機
104 本体
110 第1のスキン
112 第2のスキン
114 トラス構造
116 コア構造
200 パネル
210 第1のスキン
212 第2のスキン
214 トラス構造
218 外面
220 内面
222 主軸
224 トラス部材
226 ノード
228 補剛材
230 副軸
232 補剛材角度
234 コアピラミッド/コアピラミッドフレームワーク
236 コアピラミッド
238 ベースノード
240 上部ノード
242 第1のトラス角度
244 側縁部/端部/縁部部分
246 第1の正方形グリッド
248 第2の正方形グリッド
300 パネル
310 第1のスキン
312 第2のスキン
314 トラス構造
320 内面
324 トラス部材
325 脚部
326 ノード
327 中央接合領域
328 円形ボス
330 副軸
334 コアボックス/コアボックスフレームワーク
336 コアボックス
342 トラス角度
400 パネル
410 第1のスキン
412 第2のスキン
414 トラス構造
418 外面
420 内面
424 トラス部材
426 ノード
428 円形ボス
434 コアピラミッド/コアピラミッドフレームワーク
450 第3のスキン
452 第2のトラス構造
453 第1の領域
454 第1のコア構成
455 第2の領域
456 第2のコア構成
457 補強領域
458 インターフェース
459 フィレット
460 上部クローズアウト壁
462 下部クローズアウト壁
464 側方クローズアウト壁
466 アクセス穴/チャネル/通路
467 外側
468 壁
469 内側
470 取り付けアパーチャ/チャネル/通路
472 壁
474 チャネル/通路
475 壁
476 第1のアパーチャ
478 第2のアパーチャ
610 付加製造デバイス/プリンター
612 コンピューターコントローラー
614 プロセッサ
616 メモリ
618 構築プラットフォーム
620 構築環境
622 製造軸
624 原材料供給源
626 プリントヘッド
628 ワークピース

Claims (14)

  1. 宇宙機パネル(100,200,300,400)を付加的に製造する方法(700)であって、前記方法が、
    第1のスキン(110,210,310,410)及び前記第1のスキンから離間した第2のスキン(112,212,312,412)をプリントするステップ(710)と、
    前記第1のスキンを前記第2のスキンに接続する第1のトラス構造(114,214,314,414)をプリントするステップ(712)と
    を含む、方法(700)。
  2. 前記第1のスキン(110,210,310,410)の局所的に厚くなった部分(457)をプリントするステップ(722)
    をさらに含む、請求項1に記載の方法(700)。
  3. 前記第1のトラス構造(114,214,314,414)がコア構造(116,234,334,434)のアレイを含み、
    前記パネル(100,200,300,400)の第1の領域(453)のための第1の所望の剛性及び前記パネルの第2の領域(455)のための第2の所望の剛性を選択するステップと、
    前記パネルの前記第1の領域に第1の密度のコア構造(454)をプリントし、前記パネルの前記第2の領域に第2の密度のコア構造(456)をプリントするステップであって、前記第1の密度は前記第1の所望の剛性に対応し、前記第2の密度は前記第2の所望の剛性に対応する、ステップと
    をさらに含む、請求項1又は2に記載の方法(700)。
  4. 前記第1のスキン内に埋め込まれた内部チャネル(474)を形成する、前記第1のスキン(110,112,210,212,310,312,410,412)内の壁(475)をプリントするステップ(716)
    をさらに含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法(700)。
  5. 前記パネル(100,200,300,400)の片側から前記パネルの反対側への前記第1及び第2のスキン(110,112,210,212,310,312,410,412)を通るチャネル(466,470)を形成するために、1つ又は複数の壁(468,472)をプリントするステップ(718)
    をさらに含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法(700)。
  6. 前記パネル(100,200,300,400)の端部(244)を別の付加的に製造されたパネルの端部に接続するステップをさらに含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法(700)。
  7. 前記第2のスキン(112,212,312,412)から離間した第3のスキン(450)をプリントするステップ(720)と、
    前記第2のスキンを前記第3のスキンに接続する第2のトラス構造(452)をプリントするステップ(720)と
    をさらに含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法(700)。
  8. 複数の付加的に製造されたパネル(100,200,300,400)を含む本体(104)を備える宇宙機(102)であって、各付加的に製造されたパネルは、
    第1のスキン(110,210,310,410)と、
    前記第1のスキンから離間した第2のスキン(112,212,312,412)と、
    前記第1のスキンを前記第2のスキンに接続するトラス構造(114,214,314,414)であって、前記第1のスキン、前記第2のスキン、及び前記トラス構造は、単一の付加的に製造されたユニットを形成する、トラス構造(114,214,314,414)と
    を含む、宇宙機(102)。
  9. 第1のスキン(110,210,310,410)と、
    前記第1のスキンから離間した第2のスキン(112,212,312,412)と、
    前記第1のスキンを前記第2のスキンに接続する第1のトラス構造(114,214,314,414)であって、前記第1のスキン、前記第2のスキン、及び前記第1のトラス構造は、単一の付加的に製造されたユニットを形成する、第1のトラス構造(114,214,314,414)と
    を備える、宇宙機パネル(100,200,300,400)。
  10. (a)衝撃シールド又は(b)放射線シールドの一方のために構成された局所シールド(457)をさらに備える、請求項9に記載のパネル(100,200,300,400)。
  11. 前記第1のトラス構造(114,214,314,414)が、コア構造(116,234,334,434)のアレイを含む、請求項9から10のいずれか一項に記載のパネル(100,200,300,400)。
  12. 前記第1及び第2のスキンとの間に埋め込まれた内部通路(474)を形成する、前記第1のスキン(110,210,310,410)と前記第2のスキン(112,212,312,412)との間の1つ又は複数の壁
    をさらに備える、請求項9から11のいずれか一項に記載のパネル(100,200,300,400)。
  13. 前記パネルの片側から前記パネルの反対側への前記第1及び第2のスキンを通る通路(466,470)を形成する、前記第1のスキン(110,210,310,410)と前記第2のスキン(112,212,312,412)との間の1つ又は複数の壁(468,472)
    をさらに備える、請求項9から12のいずれか一項に記載のパネル(100,200,300,400)。
  14. 前記パネルの縁部部分(244)に沿った、前記第1のスキン(110,210,310,410)と前記第2のスキン(112,212,312,412)との間の付加的に製造されたクローズアウト壁(460,462,464)
    をさらに備える、請求項9から13のいずれか一項に記載のパネル(100,200,300,400)。
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