JP2021104679A - ３ｄ印刷のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融堆積モデリング部品におけるボイド形成を抑制する３Ｄ印刷技術を提供する。【解決手段】３Ｄ印刷用の印刷ヘッドアセンブリおよびその使用方法が提供される。印刷ヘッドは、引力を用いて形成および位置決めすることができるバッキング手段を組み込んでいる。これは、連続する各層を下の層に印刷する必要なしに、ヘッドが三次元で動くことができる実施形態の可能性を生み出す。３Ｄ印刷プロセスの安全性および完全性を保証する方法もまた提供される。【選択図】図２

Description

本出願は、２０１６年９月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／４９５，７３９号（係属中）の利益を引用している。その出願の内容は、引用によりその全体が本明細書に組み込まれている。

本開示は、新規な３Ｄ印刷ヘッド、およびこの新規な印刷ヘッドによって可能にされた新規な３Ｄ付加製造プロセスに関する。このシステムおよび方法は、３Ｄ印刷の多くの望ましい機能に対処するものである。

付加製造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＡＭ）とサブトラクティブ製造（Ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＳＭ）
付加製造（ＡＭ）は、従来の「サブトラクティブ製造（ＳＭ）」アプローチではなく、対照的な概念を採用している。従来のＳＭプロセスでは、材料のバルクが機械加工され（例えば、切断、穴あけ、フライス削りなど）、バルク材料の一部が除去されて部品の所望の形状を形成する。ＡＭプロセスでは、原料が層ごとに付加されて部品の所望の形状を形成する。ＡＭプロセスにはさまざまなプロセスがあり、まだ開発途上である。一般的に言って、ＡＭプロセスはＳＭプロセスと比較して、材料を節約し、より複雑な形状を作り出すことができる。多くの場合、特別な工具投資や開発が必要ないので、ＡＭは少量生産（プロトタイピングなど）のコストも削減する。一方、ＡＭプロセスによって処理される部品は、使用される材料およびＡＭプロセス中に生じる欠陥のために、ＳＭプロセスによって処理される部品よりも一般的に弱い。さらに、ＡＭプロセスには製造業界で完全には受け入れられなくさせる多くの制限がある。それにもかかわらず、ＡＭの可能性は重要であり、研究者はＡＭプロセスを改善することに興味を持っている。一般的に言って、ＡＭプロセスにはさまざまな種類があるが、それらは４つの異なるクラスに分類することができる。

付加製造プロセスのクラス
ステレオリソグラフィ（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：ＳＬＡ）：ＡＭの最初のクラスは、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）を目的としてＣｈａｒｌｅｓ Ｈｕｌｌによって発明されたステレオリソグラフィを用いて１９８０年代に初めて実現された。ＳＬＡにおいて、液相の光硬化性樹脂はリザーバによって保持される。可動プラットフォームはリザーバの内側に配置され、もともと光硬化性樹脂に浸されている。レーザビームまたはＵＶ光のような光源が、プラットフォーム上の樹脂の薄層を硬化させるために所望の２Ｄ印刷パターンでプラットフォームに適用される。次にプラットフォームを光源のためにごくわずかな距離だけ離して移動させ、次に光源を再度適用して、次の２Ｄの樹脂層を既存の硬化樹脂層の上に硬化して堆積させる。光源の印刷パターンを徐々に変更することによって、２Ｄ印刷された樹脂層のパターンを変更して、すべての２Ｄ層の堆積が完了したら、所望の３Ｄ部品形状を次第に形成することができる。光源がリザーバの上に置かれている場合、プラットフォームは、ＳＬＡプロセス中に徐々に下方に移動すべきであり、これはトップダウン印刷と呼ばれる。一方、光源がリザーバの下にある（リザーバがガラス底を有する）場合、プラットフォームは、ＳＬＡプロセス中に徐々に上方に移動する。ＳＬＡは、約１００ｎｍ以内に制御することができる非常に優れた分解能を有する。しかしながら、ＳＬＡに使用するための光硬化性ポリマの選択は非常に限られている。したがって、ＳＬＡによって処理することができる材料もまた非常に限られている。さらに、光走査方向およびｚスタッキングプロセスは、ＳＬＡ印刷部品の異方性挙動を引き起こし、空隙を導入し得る。

粉体ベースの付加製造（Ｐｏｗｄｅｒ−Ｂａｓｅｄ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＰＢ−ＡＭ）：ＡＭの２番目のクラスは粉体ベースのＡＭであり、これは３つのわずかに異なるＡＭプロセス、すなわち三次元印刷（３ＤＰ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、およびレーザエンジニアリングネットシェーピング（ＬＥＮＳ）を含む。３ＤＰプロセスでは、粉末床をプラットフォーム内に最初に配置し、次いで液体バインダを粉末上にインクジェット印刷して選択された位置で粉末をバインドさせ、２Ｄパターン層を形成する。ローラを使用して印刷層の上に次の粉末層を塗布し、次いでバインダを再びインクジェット印刷して別の粉末層をバインドさせて前の２Ｄパターン層の上に別の２Ｄパターンを形成する。２Ｄ印刷層を徐々に加えることによって、３Ｄ部品が最終的に形成され、粉末床の内側に埋め込まれる。３ＤＰプロセスにおけるバインディングを強化するために、後熱が必要になる場合がある。３ＤＰプロセスで使用される粉末は、金属、セラミック、ポリマなどからのものであり得る。しかしながら、粗い表面仕上げおよび低解像度が知られている欠点である。選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）は、３ＤＰのバインダレス版である。ＳＬＳでは、高エネルギレーザビームを使用して粉末粒子を局所的に焼結し、それによってそれらを融合して３ＤＰプロセスと同様の２Ｄパターン層を形成する。ＳＬＳに使用される粉末材料は、それらが焼結プロセスをサポートすることができなければならないので、より制限される。粉末がより高い溶融温度を必要とする場合、電子ビームを使用してレーザビームを代用することができる。ＳＬＳでは、表面品質は通常３ＤＰよりは優れているが、ＳＬＡよりは劣る。ＳＬＳの変形は、ノズルを使用して基板上に粉末を広げるレーザエンジニアリングネットシェーピング（ＬＥＮＳ）であり、粉末床の使用に置き換わる。基板が損傷部分である場合は、ＬＥＮＳプロセスを使用して損傷部分を修理することもできる。

材料押し出しベースの付加製造（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ−ｂａｓｅｄ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＭＥＢ−ＡＭ）：ＭＥＢ−ＡＭのクラスで最もよく知られているプロセスは、溶融堆積モデル（ＦＤＭ）である。このプロセスでは、プラスチックフィラメントが押し出しヘッドに供給され、押し出しヘッドはフィラメントを溶融させ、溶融したフィラメント材料のビードを平らな基板上に押し出して堆積させる。次に溶融ビードは急速に冷却されて固体状態になる。堆積プロセスを続けると、２Ｄ層が基板上に次第に形成される。互いの上に多くの２Ｄ層を順次堆積することによって、３Ｄ部品が最終的に形成される。ビードの層間の空隙のために、ＭＥＢ−ＡＭによって形成された部品は非常に異方性があり、それらの機械的特性は加工パラメータに大きく依存する。ＭＥＢ−ＡＭによって印刷される典型的な材料は、ポリポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、およびポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）であり得る。

材料ジェット付加製造（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｊｅｔｔｉｎｇ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＭＪ−ＡＭ）：この方法は、インクジェットのプリンタヘッドを使用して、平坦な基板上に積み重ねられた光硬化性樹脂層を印刷する。各光硬化性樹脂層は、次の層が上に堆積される前に、光源（例えば、ＵＶ、レーザなど）によって硬化される。このプロセスは、光硬化性樹脂の化学的性質および不均一な硬化に関して問題がある。

既存の付加製造（ＡＭ）プロセスの問題点と課題
ＡＭプロセスの使用は依然として開発途上であるが、従来のサブトラクティブ製造（ＳＭ）プロセスで製造された部品と比較した不足もまた、ＡＭプロセスを検討することに関心のある人々および現在のユーザによってより詳しく調べられている。

経済的には、典型的には、ＡＭプロセスからのユニット当たりの製造コストは、従来のＳＭプロセスと比較してはるかに高い。また、大量生産の場合、ＡＭプロセスは通常ＳＭよりも時間がかかる。ただし、ＳＭが適していない場合のプロトタイピングや特殊部品の製造に、経済的にＡＭプロセスが適する場合がある。この点に関して、部品が複雑で高価であり、少量しか必要とされない場合、ＡＭはＳＭよりも適している傾向がある。

経済的な考慮に加えて、現在のＡＭプロセスは、ＳＭプロセスと比較して多くの重要な耐荷重性構成要素についてＡＭ部品を不適格にし得る技術的な問題を抱えている。具体的には、ＡＭ部品の材料強度は、ボイドおよび欠陥（ビード間の接合境界線または溶接線が互いの上に堆積するなど）のために低下する可能性がある。すべてのＡＭプロセスは、層ごとの堆積プロセスをとる。したがって、２つの層の間の接合境界は、各層の中心の材料と比較して、常にわずかに異なるプロセス条件および履歴を経験する。さらに、空気、湿気、塵埃、油、プロセス誘起応力、および温度履歴、光源露出履歴はすべて、接合境界が各層のコアと異なる原因となる。ボイドの存在もまた、従来のＡＭ部品に関するよく知られた問題である。さまざまな研究者がさまざまなＡＭプロセスを使用して撮影した顕微鏡写真の多くは、ＡＭ製造部品に大きなボイドを示している。例えば、溶融ポリマビードの表面張力は、ビード冷却プロセス中に常にビード表面を突形状にすることが示されている。したがって、次の層を形成するビードが突状ビード表面の上に塗布されると、ほぼ三角形のボイドが形成される。一例として、図１は、ＦＤＭ（すなわち、溶融堆積モデリング）部品におけるポリマビードと三角ボイドとの間の幾何学的関係を示す図である。ボイドサイズは、ビードの直径または断面と同程度の大きさである。そのようなボイド形成は、ＡＭ部品がＳＭ部品よりも弱くなり得る理由の１つである。このような弱さは、層の積層方向において特に顕著であり得る。急速硬化の残留応力、微細ビードの急速冷却、またはＵＶ硬化などの他の要因も、材料の特性を変え得る。その結果、ＡＭ部品は積層方向に弱くなる傾向がある。さらに、疲労負荷および環境劣化に直面した場合、ＡＭ部品は通常ＳＭ部品よりも耐久性が劣る。

他の技術的課題は、ＡＭプロセスで繊維強化材料を使用する能力である。ＡＭプロセスは平らな基板上への層ごとの堆積を利用するので、１つのアプローチはポリマ中に短い炭素繊維を混合し、ＦＤＭ法によって短い繊維強化ポリマ部品を製造することである。このアプローチでは、ＦＤＭのビード押し出しプロセスは、押し出しプロセス中に短い繊維を整列させ、押し出されたビードは非常に異方性が高い。しかしながら、繊維はあまり長くなりえず、そうでなければそれは押し出し機のヘッドを詰まらせる。長い連続的繊維は短い繊維よりも著しく優れた強化材であるので、繊維長に対するこの制限はいくつかの用途を制限的にする。

なされた進歩にもかかわらず、よく整列された短い炭素繊維強化ポリマ複合材料においてさえ、機械的特性は依然として従来の連続炭素繊維強化ポリマ複合材料よりも約一桁小さいことに留意すべきである。さらに、報告された研究のどれも、層ごとのＦＤＭプロセスの原理によって引き起こされるボイドの問題を軽減するための解決策を示していない。このようなボイドの発生は、不均一な特性を引き起こし、疲労に対して弱くなり、そして耐環境性および耐久性を著しく低下させる。

図面を参照すると、本開示は、３Ｄ印刷用の印刷ヘッドアセンブリおよびそれを使用する方法を提供することによって従来技術を超える利点および代替物を提供する。印刷ヘッドは、引力を用いて形成および位置決めすることができるバッキング手段を組み込んでいる。これは、連続する各層を下の層に印刷する必要なしに、ヘッドが三次元で動くことができる実施形態の可能性を生み出す。

第１の態様では、３Ｄ印刷アセンブリ用の印刷ヘッドが提供され、印刷ヘッドは、バッキング手段と、未固化印刷材料を含有するフィラメントを基板上に押し出す手段と、フィラメントを基板の表面に圧縮する手段と、基板を前記圧縮する手段に向かって押圧する手段と、押圧する手段の形状を動的に変化させる手段と、複合材の固化時にフィラメントに対して印刷ヘッドを前進させる手段と、を含む。

第２の態様では、３Ｄ印刷アセンブリ用の印刷ヘッドが提供され、印刷ヘッドは、供給原料処理装置から未固化印刷材料を受け取り、フィラメントを基板上に押し出すように接続されたフィラメント出力ポートと、フィラメントが押し出されるとフィラメントと接触するように配置された押圧面と、基板と押圧面との間のフィラメントを圧縮するためにバッキング物品を押圧面に向けて引き付けるための場を放射するように構成された場エミッタと、を含む。

第３の態様では、ワークピースを印刷するための３Ｄ印刷システムが提供され、このシステムは、上記の印刷ヘッドのいずれかと、第１のアンカーユニットであって、クランプ面と前記アンカーユニット上の結合パッドとの間でフィラメントをクランプするように構成され、印刷ヘッドに対するアンカーユニットの位置を維持するように構成されたアンカー位置コントローラを含む、第１のアンカーユニットと、を含む。

第４の態様では、３Ｄ印刷によってワークピースを製造する方法が提供され、この方法は、未固化印刷材料を含むフィラメントを３Ｄ印刷ヘッドから基板上に押し出すステップと、引力場を放射してバッキング物品を引き付けて、基板と押圧面との間でフィラメントを圧縮するステップと、未固化複合材料を固化して固体印刷材料を生成するステップと、フィラメントに対して３Ｄ印刷ヘッドを前進させるステップと、を含む。

第５の態様では、３Ｄ印刷ヘッドを使用してワークピースを修理する方法が提供され、この方法は、未硬化印刷材料を３Ｄ印刷ヘッドからワークピースの損傷領域に押し出すステップと、引力場を放射してバッキング物品を引き付けて、基板と押圧面との間で未固化印刷材料を圧縮するステップと、未固化印刷材料を固化して固体印刷材料を生成するステップと、ワークピースに対して３Ｄ印刷ヘッドを前進させるステップと、を含む。

第６の態様では、上記の修理方法に従って修理されているワークピースが提供され、ワークピースが、固化マトリックスにおける長さが少なくとも１ｍｍの複数の繊維を有する複合材料を含む。

第７の態様では、複合材料からなる３Ｄ印刷ワークピースが提供され、前記複合材料が、リモートセンサによって読み取られるように構成されたＩＤ番号を収容する埋め込みＩＤモジュールを含む複数の繊維およびマトリックスを含む。

第８の態様では、複合材料からなる３Ｄ印刷ワークピースが提供され、前記複合材料が、信号に応答するように構成された埋め込みＩＤモジュールを含む複数の繊維およびマトリックスを含む。

第９の態様では、３Ｄ印刷ワークピースにおける知的財産コンプライアンスを検証する方法が提供され、この方法は、３Ｄプリンタを使用したワークピースの印刷中にワークピース内にＩＤモジュールを印刷するステップと、ＩＤコードを取得するためにＩＤモジュールを読み取るステップと、ＩＤコードを認証サーバに送信するステップと、肯定的または否定的な認証を示す認証信号を認証サーバから受信するステップと、を含む。

３Ｄ印刷ヘッドのいくつかの実施形態では、局所押圧ユニットおよび局所場エミッタは協調的に動作する。本開示の例示的な一態様では、局所押圧ユニットは、協調的に動作する少なくとも１つの局所押圧面を有する少なくとも１つの局所押圧パッドをさらに含み得る。本開示のさらなる例示的な態様では、局所場エミッタは、局所押圧面６に対して実質的に垂直な場を放射することができる。本開示のさらなる例示的な態様では、局所場エミッタによって放射された場は、局所化された力を誘起して、少なくとも１つのバッキング物品を局所押圧面６に向かって相対的に引っ張ることができる。本開示のさらなる例示的な態様では、少なくとも１つの新しいフィラメント９は、フィラメント出力ポートから押し出されてもよく、新しいフィラメントの形状および位置が押圧面およびバッキング物品によって制御されるように、局所押圧面６とバッキング物品との間の空間を通して方向付けられる。本開示のさらなる例示的な態様では、アセンブリは少なくとも１つのカッタ１１を備えることができ、カッタは必要に応じて新しいフィラメントを切断するために印刷ヘッドと連携して動作する。最後に、本開示のさらなる例示的な態様では、印刷ヘッドアセンブリは、少なくとも１つのテンショナを備えることができ、テンショナは、新しいフィラメントに対する抵抗を制御することができる。

上記は、特許請求された主題のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために単純化された要約を提示する。この要約は広範囲の概要ではない。これは、不可欠な要素または重要な要素を特定すること、または特許請求される主題の範囲を線引きすることを意図していない。その唯一の目的は、後で提示するより詳細な説明の前置きとして、いくつかの概念を簡略化した形で提示することである。

先行技術の溶融堆積モデリング部品におけるポリマビードと三角ボイドとの間の幾何学的関係を示す図である。 印刷ヘッドの実施形態の説明図である。これは図示および説明の目的のためだけであり、限定のためではない。 印刷ヘッドを使用して湾曲形状部品を印刷する方法の一実施形態の説明図である。 印刷ヘッドを使用して湾曲形状部品を印刷する方法の一実施形態の説明図である。

本開示は、新規な付加製造（すなわち３Ｄ印刷）方法および装置に関する。１つの例示的な特徴によれば、本開示と一致する方法および装置は、プラットフォームまたは支持媒体チャンバを必要とせずに層ごとに堆積された構造を構築する性能を提供する。

別の例示的な特徴によれば、本開示と一致する方法および装置を使用して、モールド（支持材料の一時的な足場または耐久性のあるモールド工具）を必要とせず、６軸印刷または７軸印刷またはより高度な３Ｄ印刷のような３Ｄ方向における印刷（堆積）方向を制御することができる。

別の例示的な特徴によれば、本開示と一致する方法および装置を使用して、従来のＡＭプロセスと比較して積層方向の強度を高めることができる。現在のすべてのＡＭプロセスは、粉末、液体、インク、溶融材料などの使用にかかわらず、層ごとの堆積である。層ごとの追加プロセスは、欠陥、例えばボイド、残留応力などを導入する。これらの種類の欠陥は、堆積方向がｘ、ｙ、またはｚであるにもかかわらず、現在のすべてのＡＭプロセスに現れる可能性がある。

別の例示的な特徴によれば、本開示と一致する方法および装置を使用して、連続的繊維強化複合材料、不連続的繊維強化複合材料、ならびに繊維強化を含まない材料などのさまざまな材料を印刷することができる。対照的に、現在の（ＦＤＭのような）ＡＭプロセスは、上述のような製造上の問題のために、短い不連続的繊維強化複合材料または／および繊維強化なしの材料しか印刷できないという欠点を有する。

新規な自由曲面構造（ＦＦＣＳ）印刷ヘッド
図２は、３Ｄ印刷ヘッド：自由曲面構造（ＦＦＣＳ）印刷ヘッドの例示的な実施形態の図である。これは図示および説明の目的のためだけのものであり、限定を意図するものではない。図２で番号付けされている要素は次のとおりである：

要素１：印刷ヘッド。
要素１−１：ポリマフィラメント、繊維トウ、微粒子、ナノ粒子、インク、またはそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、入ってくる供給原料を受け取って処理するための機構。

要素２：印刷ヘッド１の一部であるフィラメント出力ポート。印刷ヘッド１は、１つまたは複数のフィラメント出力ポートを有し得る。

要素３：印刷ヘッド１の一部である局所場エミッタ。印刷ヘッド１は、１つまたは複数の局所場エミッタを有し得る。

要素４：印刷ヘッド１の一部である局所押圧ユニット。印刷ヘッド１は、１つまたは複数の局所押圧ユニットを有し得る。

要素５：局所押圧ユニット４と関連する局所押圧パッド。局所押圧ユニット４は、１つまたは複数の局所押圧パッドを有し得る。

要素６：局所押圧パッド５と関連する局所押圧面。局所押圧パッドは、１つまたは複数の局所押圧面を有し得る。例えば、可能な構成を限定するものではないが、押圧パッド５は、異なる形状を有し得る異なるサブ領域を収容することができ、サブ領域間にチャネルを有し得る。押圧パッド５はまた、摩擦を減らすために、ボールローラまたはシリンダローラを含むがこれらに限定されない、いくつかの可動部品を収容し得る。

要素７：局所場エミッタ３によって放射された場。

要素８：場７に応答し、場７と協働してバッキング物品８に場の誘起力を発生させることができるバッキング物品。少なくとも１つのバッキング物品を用いて場７と関連付けることができる。

要素９：フィラメント出力ポート２から押し出される新しいフィラメント。新しいフィラメント９は、３Ｄ部品の最新の堆積を形成するために使用される。

要素１０：テンショナ。

要素１１：新しいフィラメント９を切断するためのカッタ。

要素１２：印刷ヘッド１の位置（座標および角度）を制御するためのロボットアームなどの印刷ヘッド位置制御機構。

要素１３：３Ｄ部品の既存の堆積層。例えば、これに限定されないが、既存の堆積層は、新しいフィラメント９の層を層ごとに堆積することによって確立することができる。

要素１４：印刷ヘッド１に対する局所押圧ユニット４の相対位置を制御するための相対位置コントローラ。

要素１５：印刷ヘッド１の補助ローラ。

新規な印刷ヘッド１の動作概念は、図２を用いて説明することができ、図２は説明の目的のためだけであり、本開示の範囲および詳細を限定するものではない。図２に示すように、図示の例示的な印刷ヘッド１は、少なくとも１つのフィラメント出力ポート２と、少なくとも１つの接続された局所場エミッタ３と、少なくとも１つの接続された局所押圧ユニット４とを含む。本出願の目的のために、用語「接続された」は、これらの要素が協調して使用され、移動され、そして制御されることを意味する。これらの間の接続は、（ギアボックス、油圧シリンダ、ベルト、アクチュエータ、またはサーボなどであるがこれらに限定されない）追加の協調制御機構と直接的に取り付けられてもよいし、または間接的に関連付けられてもよい。また、接続関係は固定されても調整可能でもよい。これはまた、入ってくる供給原料を受け取って処理するための機構１−１も有する。本開示において使用に適した供給原料は、ポリマフィラメント、繊維トウ、微粒子、ナノ粒子、インク、またはそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない。図示の例示の構造では、局所押圧ユニット４は、少なくとも１つの局所押圧パッド５を有する。局所押圧パッド５は、少なくとも１つの局所押圧面６を有する。局所押圧面６は、局所押圧パッド５に押圧される物体に対する局所押圧パッド５の有効接触面として定義される。説明だけの目的として、物体が４つの平らなサブパッドを含む局所押圧パッド５に対して押圧される場合、４つの局所押圧面がある。比較的平坦な物体を押圧するために局所押圧パッド５としてシリンダローラが使用される場合、局所押圧面６は、シリンダローラと比較的平坦な物体との間の小さい接触領域である。３Ｄ印刷の実施のために、局所押圧面６は、印刷ヘッド１によって印刷される部分よりもかなり小さいことに留意されたい。局所押圧面６のサイズが小さいほど、印刷ヘッド１の解像度が高くなることに留意されたい。限定ではなく例として、局所押圧面６の面積は、印刷される部分の表面積の１／１６未満であり得る。局所場エミッタ３は、局所押圧面６にほぼ垂直（すなわち直角）に少なくとも１つの場７を放射することができる。局所場エミッタ３によって放射された場７は、局所的な力を誘起して、１つまたは複数のバッキング物品８を局所押圧面６に向かって相対的に引っ張る。反対の場はまたバッキング物品８を局所押圧面６から相対的に離れる方向に押すこともできることに留意されたい。本開示での使用に適したバッキング物品８は、限定されないが、小さな鋼球、局所場エミッタ３によって放射される磁場（場７のタイプ）に反応し、局所押圧面６に向かって引っ張られる鉄粒子を含有するポリマ物品、または連続片もしくは複数片の可撓性ゴムを含む。本開示では、局所押圧面６の位置および形状は、各新しいフィラメント９が配置されるように設計されている正確な経路に沿って移動するための局所成形工具表面としての役割を果たすように正確に制御される。これは、局所押圧ユニット４の下で押圧される新しいフィラメント９の曲率を正確に制御するために行われる。フィラメント出力ポート２から押し出されたばかりの新しいフィラメント９は非常に柔軟であり成形することができる（すなわち、固化していない）（例えば、ＦＤＭフィラメントは押し出されたばかりのときに溶融している）ので、局所押圧面６（または複数の協調局所押圧面６のアセンブリ）の形状および位置を正確に制御することは、３Ｄ印刷部品においてその役割を果たすために新しいフィラメント９の（局所押圧面６に面する）所望の表面形状および位置を正確に制御するのに非常に有効であり得る。プロセス起因の残留応力の蓄積または設計された予荷重応力要件は、３Ｄ部品印刷が完了したとき、または設計されたサービスで使用されたときにフィラメントの位置および形状を変える可能性があることに留意されたい。したがって、好ましい実施では、配置プロセス中の新しいフィラメント配置の位置および形状設計は、そのような予想される変化を補償するべきである。さらに、好ましい実施形態では、適切な数値シミュレーション（有限要素解析など）を使用してそのような変化を推測し、予測された変化を部品設計に組み込むことができる。また、図２に示すように、局所場エミッタ３によって放射された場７は、バッキング物品８と遠隔的に相互作用している。したがって、場７を制御してバッキング物品８にかかる場の誘起力を調整することができ、これにより、局所成形工具表面の役割を果たしている局所押圧面６に及ぼされる圧縮力を効果的に制御することができる。これは、局所押圧面６に対して圧縮されている（新しいフィラメント９のような、しかしこれに限定されない）対象の局所的な形状、位置、および材料圧縮を定義することができる。

別の例示的なシステムでは、バッキング物品８と局所押圧面６との係合を解除するために場７をオフにすることができる。本開示の別の実施形態では、バッキング物品８を押圧面６から反発させるように場７の方向を切り替えることができる。本開示での使用に適した場の例は、それだけには限定されないが、磁場、静電場、流体圧力（バッキング物品８に圧力によって誘起された力を伝導するための適切なチャネルがある場合、真空圧など）、またはそれらの任意の組み合わせを含む。複数の場を使用することにより、部品印刷プロセス中に１つの場の有効性が低下した場合に、より多くの制御能力を得ることができ、または異なる適用可能な場に移行／切り替えを行うことができる。場の強さを変えることによって、局所押圧面６とバッキング物品８との間に挿入された任意の物体の局所的な材料の圧縮および膨張を制御することができる。

局所圧縮制御は、所望の局所材料特性を制御し、ボイド含有量を減少させ、さらに残留応力も制御するか、または形状記憶材料（形状記憶ポリマまたは形状記憶合金など）の変形を、それらが局所的押圧面６とバッキング物品８との間に配置されている間に予負荷するのを助けることができることに留意されたい。新しいフィラメント９に繊維（例えば炭素繊維）が装填されている場合、（一部のＦＲＰプリプレグで予め製造された樹脂ブリードチャネルのような）新しいフィラメント９、または局所加圧パッド５、または印刷ヘッド１と協働する付属品のいずれかに関連する適切なマトリックス除去機構を用いて、場を制御し、それによって圧縮を制御し、マトリックス除去機構を介してフィラメント９の過剰なマトリックスを除去することができる。これにより、新しいフィラメント９内に高い繊維体積分率が生じる。本開示での使用に適したマトリックス除去機構の例は、限定するわけではないが、局所押圧パッド５によって新しいフィラメント９から搾り出された過剰な樹脂マトリックスを集めるために低圧容器に接続された樹脂フローチャネルまたは樹脂ブリード織物を含む。局所押圧面６の垂直方向における材料圧縮制御（およびまた膨張可能材料の膨張制御）に加えて、フィラメント方向に沿った新しいフィラメント９の張力／圧縮を制御することも可能である。

図２に示すテンショナ１０は、フィラメント出力ポート２から局所押圧面６に向かって引っ張られている間に、新しいフィラメント９に対する抵抗を制御することができる。したがって、新しいフィラメント９の張力も、局所押圧面６の下で圧縮されている間にテンショナ１０によって制御することができる。さらに、クランプとして、２つ以上（すなわち複数）の組の局所押圧面６およびバッキング物品８を使用することができる。複数のクランプを協調的に相対的に移動させて制御することによって、予荷重応力を変化させ、クランプ間の材料層を変形させることができる。これは、材料特性を局所的に設計するためのさらなる自由度を開く。別の注記では、材料層が形状記憶合金または形状記憶ポリマなどの少なくとも１つの形状記憶材料を含む場合、そのような材料層は、印刷プロセス中のこの予張力または予変形アプローチによって局所的にプログラムされることができる。形状記憶材料がプログラムされることによって、印刷ヘッド１によって４Ｄ部品も印刷することができる。圧縮はまた、従来のＦＤＭプロセスにおける一般的な欠陥であるフィラメントスタッキングによるフィラメント間ボイドを減らすのを助けることができる。

必要に応じて、新しいフィラメント９を切断するために、カッタ１１を印刷ヘッド１に装備することができる。本開示における使用に適したカッタ１１は、これらに限定されないが、ブレード、レーザ、または超音波カッタを含む。

図示の例示の構成では、印刷ヘッド１は、ロボットアームまたはロボットなどの印刷ヘッド位置制御機構１２に取り付けられている。印刷ヘッド１の「位置（ｐｏｓｉｔｉｏｎ）」は、印刷ヘッド１の「位置（ｌｏｃａｔｉｏｎ）」および「位置合わせ（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）」を指すことに留意されたい。説明の目的のためだけに、３Ｄ空間において、オブジェクトの位置は（ｘ、ｙ、ｚ）座標として表すことができ、位置合わせは、ｘ、ｙ、ｚ軸座標系に対するオブジェクトの任意の線の２つの角度として表すことができ、例えば、球面座標系は、２つの角度を用いてベクトルの位置合わせ（方向）を定義する。

層ごとの堆積中に、より多くの新しいフィラメント９を追加することによって、１つまたは複数の既存の堆積層１３と、既存の堆積層１３の上に配置され得る追加の新しいフィラメント９とが存在する。印刷ヘッド１が通過すると、新しいフィラメント９がフィラメント出力ポート２から押し出されて既存の堆積層１３の上に適用されることができる。適用可能であれば、材料圧縮制御およびフィラメント張力制御を適用して、所望の応力および所望の繊維体積分率の下で新しいフィラメント９を既存の堆積層１３に圧縮および結合することができる。場７は圧縮を制御するために使用することができ、テンショナ１０は新しいフィラメント９に張力を加えるために使用することができる。局所押圧面６およびバッキング物品８の複数の組によって形成される複数のクランプは、新しいフィラメント９が一組の押圧面６およびバッキング物品８によって既存の層１３に圧縮および結合されている間に、既存の堆積層１３の位置、形状、および変形を制御するのも助けることができる。

別の例示的なシステムによれば、既存の堆積層１３は、３Ｄ印刷部品の一部として組み込まれるインサートとして、３Ｄ印刷以外の他の堆積方法または好ましい製造方法によっても作製することができる。このプラクティスにより、（コスト、品質、機能性などによる）好ましい製造方法を用いた他の材料および機能的物体も、印刷ヘッド１による３Ｄ部品印刷に使用することが可能になる。そのようなシナリオの適切な例は、ワイヤレスセンサモジュールまたはアクチュエータモジュールなどの機能モジュールを３Ｄ部品に組み込むことである。多くの機能モジュールは、典型的には、３Ｄ印刷部品に組み込まれる前にエクスビボで組み立てられ試験されることが好ましい。時には、無線センサモジュールは、３Ｄ印刷プロセス中にパラメータを感知することによって印刷プロセスを助けることもできる。多くの場合、センサモジュールは、印刷処理後の部品のライフサイクル中にも使用することができる。センサモジュールによって検出することができるパラメータの適切な例は、これらに限られないが、応力、歪み、電気的特性（比誘電率および導電率など）、熱的特性（例えば、熱伝導率または比熱を測定するための小さな熱線法の使用）、機械的特性（例えば、粗さおよび硬さ）、座標（すなわち、位置）、および／または角度（例えば、ＧＰＳ、加速度計、方向センサなどを使用）、圧力、温度、湿度、化学成分、音響特性（例えば、音波屈折率または反射率）、密度、放射線不透過性、およびセンサ識別番号（印刷部品の他のセンサモジュールと区別するため）、を含む。３Ｄ印刷部品の機能に影響を及ぼし得る生成されたアクチュエータモジュールのパラメータまたは励起の適切な例は、これらに限定されないが、応力、力、歪み、熱、音、電波、および磁気波を含む。

１つの例示的な構成では、印刷ヘッド１に対する局所押圧ユニット４の相対位置を制御することが好ましい。この構成では、印刷ヘッド１に対する局所押圧ユニット４の相対位置を制御するための相対位置コントローラ１４がある。

印刷解像度をさらに向上させるために、局所押圧面６は異なる形状を有し得る。本開示と一致する１つの例示的なシステムでは、印刷ヘッド１は、局所押圧面６の異なる形状を置き換えることができる。別の例示的なシステムでは、局所印刷ユニット４は、局所印刷面６の形状を調整することができる。説明の目的であり制限するものではないが、局所印刷面は、平らな面から凹面、凸面、またはサドル面などの曲面に変えて、印刷部品の詳細を作製することができる。この変更は、異なる印刷パッドを交換することによって、または局所印刷面を形成するためにアクチュエータ変形可撓性膜を使用することによって達成することができる。

他の例示的な構成によれば、複数の局所押圧ユニット４を印刷ヘッド１に使用することができる。他の例示的な構成によれば、複数の局所押圧パッド５を印刷ヘッド１に使用することができる。他の例示的な構成によれば、複数の局所押圧パッド５を局所押圧ユニット４に使用することができる。他の例示的な構成によれば、局所的押圧パッド５は、複数の局所押圧面６を有し得る。他の例示的な構成によれば、局所押圧パッド５は、シリンダローラまたはボールローラなどの１つまたは複数の回転要素を有し得る。

本開示と一致する１つの例示的なシステムによれば、バッキング物品８は、３Ｄ印刷部品１０３に取り付けることができ、３Ｄ印刷部品１０３の一部である。本開示と一致する他の例示的なシステムでは、バッキング物品８は、３Ｄ印刷部品１０３から取り外すことができる。本開示と一致する他の例示的なシステムでは、バッキング物品８は、印刷プロセスの前に事前製造される。本開示と一致する別の例示的なシステムでは、バッキング物品８は印刷プロセス中に製造される。本開示と一致する他の例示的なシステムでは、バッキング物品８を新しいフィラメント９に含めることができる。本開示と一致する別の例示的なシステムでは、バッキング物品８を既存の堆積層１３に含めることができる。本開示と一致する他の例示的なシステムでは、バッキング物品８は新しいフィラメント９に含まれない。本開示と一致する他の例示的なシステムでは、バッキング物品８は、既存の堆積層１３に含まれない。

一例であり限定ではないが、本開示と一致する使用に適したバッキング物品の例は、限定するものではないが、印刷ヘッド用に予め製造された付属品として供給される鋼粒子で充填された軟質ゴムパッドの小片を含む。これらの小さなゴムパッドは、３Ｄ印刷部品１０３から取り外すことができ、印刷プロセスが終了した後に取り出すことができる。そのような小片のゴムパッドは再利用可能であり得、必ずしも３Ｄ印刷プロセス後に３Ｄ印刷部品１０３の一部にはならない。本開示と一致する１つの例示的なシステムでは、鋼性の繊維または粒子は、新しいフィラメント９への、または新しいフィラメント９からの特定の種類のポリママトリックスに充填されてもよく、それによってちょうどフィラメント出力ポート２から押し出しながら新しいフィラメント９とバッキング物品８の２つの役割を有する新しいフィラメントを確立することができる。その後、第２の新しいフィラメント９を第１のフィラメントの上に堆積させることができ、第１のフィラメントは今や既存の堆積層１３とバッキング物品８の２つの役割を担う。この例示的な構造では、バッキング物品８は３Ｄ印刷部品１０３の一部となる（第１のフィラメント層が除去されない場合）。

他の例示的なシステムによれば、鋼性の繊維または粒子を含有する第１のフィラメント層は、３Ｄ印刷部品の他の部分の役割を損なうことなくポリママトリックスのそのような除去を達成できる限り除去される。例えば、水溶性ポリマを第１の鋼充填フィラメントのポリママトリックスとして使用し、続いて印刷プロセスの後に水で溶解することができる。この例示的なシステムによれば、これらのポリマが水によって洗い流されないように、他のフィラメント中の異なる種類のポリマを使用することができる。

他の例示的なシステムによれば、第１のフィラメントのポリママトリックスは、ｐＨ感受性であるか、または特定の環境にさらされた後に分解し得る。当業者には、この目的のためにも使用され得る他の水溶性工具材料が知られていよう。第１のフィラメントの除去は、３Ｄ印刷プロセス中、３Ｄ印刷プロセス後、または３Ｄ印刷部品の使用中に、例えば第１の鋼充填フィラメントが３Ｄ部品と共に残っている場合に達成することができ、その磁場応答特性を使用して、組み立てプロセス中または（誘導加熱層としての）結合線の亀裂を直している間に、３Ｄ印刷部品１０３を他の部品と接着接合するのを助けることができる。

本開示と一致する他の例示的なシステムによれば、磁気応答特性を使用して印加磁場によってクランプ力を発生させることができる。例えば、印刷ヘッド１が損傷３Ｄ印刷部品１０３の上に修理を印刷するために使用され、損傷部品がその中にこの磁気応答層（すなわちバッキング層８）を有する場合、印刷ヘッド１を使用して、損傷部品を修理するために損傷領域の上に新しいフィラメントを圧縮して結合することができる。この場合、修理プロセスの前に損傷領域を最初にクリーニングする必要がある。

本開示と一致する他の例示的なシステムによれば、修理プロセスのための新しいフィラメントは、部品１０３の元のフィラメントと同じ種類のフィラメントである。本開示と一致する他の例示的なシステムによれば、修理プロセスのための新しいフィラメントは、部品１０３の元のフィラメントとは異なる種類のフィラメントである。例えば、元のフィラメントが炭素繊維強化エポキシである場合、損傷層を除去し、修理のために同じ炭素繊維強化エポキシを印刷することができる。一方、炭素繊維強化エポキシ層の損傷が部品１０３の浅い表面層の亀裂（剥離または割れなど）のように最小である場合、樹脂フィルムフィラメントを損傷領域に印刷して押し付け、部品１０３を修理するために補修用樹脂を亀裂に流し込んで埋めることができる。

本開示と一致する他の例示的なシステムによれば、鋼性の繊維または粒子を含有する第１のフィラメントは、３Ｄ印刷部品には残らない。例えば、鋼性の繊維または粒子が何らかの理由で３Ｄ印刷部品の最適化された機能に干渉する場合である。例えば、鋼は部品の重量を増やし、使用中に錆びることがある。さらに、ステンレス鋼は膨張性があり、市場分析に応じて費用対効果に合わない場合がある。

バッキング物品８が新しいフィラメント９にも既存の堆積層１３にも含まれていない場合、バッキング物品搬送機構を印刷システムに含めて、バッキング物品８を印刷ヘッド１の近くに配置し、場７によって捕捉することができる。限定ではなく単なる例として、本開示での使用に適したバッキング物品搬送機構は、これらに限定されないが、バッキング物品８を印刷ヘッド１の近くに搬送するための補助ロボットまたはそのアーム、バッキング物品８を近くの目標領域に発射するための発射装置、目標領域の近くに小さいバッキング物品を噴霧する（または吹く）ための噴霧器（または送風機）、またはより長い距離からバッキング物品８を引き付けるための非常に強い場７、またはそれらの任意の組み合わせを含む。例えば、近くのトレイからバッキング物品８をピックアップするために場７の強度を高めることができる。別の例は、補助ロボット（またはロボットアーム）に場７と同じ場も放射させ、バッキング物品８を印刷ヘッド１の近くに搬送し、バッキング物品８を取り除くために印刷ヘッド１からの場強度を徐々に増加させることである。本開示と一致する別の例示的なシステムによれば、印刷ヘッド１がバッキング物品８を補助ロボット（またはロボットアーム）に渡すことを可能にするために、プロセスが逆にされる。

印刷ヘッド１は、フィラメントおよび印刷材料の熱管理および固化制御にも対処することができる。そのような制御は、温度、熱、紫外線、超音波、およびレーザによって達成することができる。本開示と一致する１つの例示的なシステムによれば、印刷ヘッド１は、少なくとも１つの冷却構成要素、例えば水冷チャネルまたは熱電冷却器を備える。本開示と一致する他の例示的なシステムによれば、印刷ヘッド１は、加熱のための少なくとも１つのエネルギ源を備え得る。適切なエネルギ源の例は、これらに限定されないが、電気加熱素子、ＵＶランプ、超音波源加熱、誘導加熱素子、マイクロ波加熱素子、またはレーザ源を含む。新しいフィラメント９が導電性材料を含有する場合、誘導加熱は、新しいフィラメント９の厚さにかかわらず、新しいフィラメント９の均一で速い加熱に非常に効果的であり得ることに留意されたい。

１つの例示的なシステムによれば、誘導加熱は、厚い新しいフィラメント９を加熱するために使用され、新しいフィラメント９は導電性である。本開示と一致する別の例示的なシステムでは、印刷ヘッド１は、新しいフィラメント９と既存の堆積層１３との間の最良のバインディング結果を達成するために、既存の堆積層１３に予熱または予冷を施す能力を有する。本開示と一致する別の例示的なシステムでは、既存の堆積層１３を予熱または予冷する能力を使用して、熱応力、ポリマ収縮による応力、相変化起因の収縮による応力など、プロセス起因の残留応力を低減する。

本開示と一致する１つの例示的なシステムでは、バッキング物品８は既存の堆積層１３とは異なる。しかしながら、本開示と一致する別の例示的なシステムでは、バッキング物品８も既存の堆積層１３とすることができる。したがって、場は、既存の堆積層１３に力を直接誘起する。例えば、真空の吸引（圧力場）を使用して、固体の不透過性の既存の堆積層１３を局所押圧面６に向かって引っ張り、固体の不透過性の既存の堆積層１３に新しいフィラメント９を圧縮して堆積することができる。あるいは、堆積層１３がかなりの量の鉄量を含有する場合は、磁場を直接印加して同じ結果を達成することができる。

弱い場の誘起力は、最適な材料圧縮制御およびクランプ力を提供することができない場合がある。したがって、場の誘起力は、上述したように本開示の本質的な能力を達成するために有意な材料圧縮制御およびクランプ力を生み出すために十分に強い必要がある。本開示と一致する１つの例示的なシステムでは、局所場エミッタ３によって放射される場は、局所押圧面６を貫通する。本開示と一致する別の例示的なシステムでは、局所場エミッタ３によって放射された場７は、局所押圧面６を貫通しない。本開示と一致する別の例示的なシステムでは、局所場エミッタ３によって放射された場７は、周囲領域に印加され、局所押圧面６を貫通しない。

既存の堆積層１３が（空気などの流体に対して）透過性である場合には、場７、（真空）圧力場、およびバッキング物品８は、非多孔質膜材料で作ることができる。しかしながら、磁場および鉄含有バッキング物品は、圧力場に基づく手法よりも効果的であり得ることが想定される。バッキング物品８に対してより能力の高い制御を生み出すためには、圧力場を磁場と共に使用することの組み合わせが望ましい場合がある。

中空物体を３Ｄ印刷することが望ましい場合がある。本開示と一致する１つの例示的なシステムによれば、バッキング物品８は、新しいフィラメント９と既存の堆積層１３との間のキャビティ内に封入することができる。これは、新しいフィラメント９の印刷された堆積と既存の堆積層１３との間に開いた中空の間隙を作り出し、それによって中空エンベロープ／キャビティの３Ｄ印刷を可能にする。キャビティ内に封入されたバッキング物品８は、３Ｄ印刷された物体の内側に残されるか、または部品が印刷された後に取り除かれ得る。例えば、バッキング物品８として小さいステンレス鋼球を使用し、バッキング物品を使用して中空３Ｄ部品を印刷する場合、中空３Ｄ印刷部品を通る小さな開口部を介してボールを取り出すことができる。

局所押圧パッド５および局所押圧ユニット４はまた、多くの追加の特徴を組み込むこともできる。局所押圧パッド５は、真空を引くかまたは過剰な樹脂マトリックスもしくは空気（または揮発性ガス）を除去するのを助けるために、多孔性またはいくつかの真空チャネルを有し得る。局所押圧ユニット４はまた、新しいフィラメント９および既存の堆積層１３およびそれらの間の結合界面の物理的または化学的特性を検出するためのセンサも有し得る。本開示における使用に適した特性は、これらに限定されないが、材料硬度、空隙、温度、ポリママトリックスの硬化度、厚さ、繊維体積分率、モジュラス、およびレオロジー挙動を含む。本開示における使用に適したセンサは、これらに限定されないが、超音波センサ、音響エミッションセンサ、熱電対、誘電体センサ、材料硬度センサ、および小型顕微鏡レンズ／カメラを含む。

印刷ヘッド１はセンサを内蔵することもできる。例えば、印刷ヘッド１は、印刷領域の近くの温度を監視し、加熱および冷却管理（予熱および予冷を含む）を補助するためのサーモグラフィカメラを組み込むことができる。印刷ヘッド１はまた、部品を印刷している空間における自身の位置を決定することができるセンサを組み込むことができる。例えば、視覚センサは、新しい３Ｄ印刷部品を印刷するように割り当てられている狭い作業空間内で周囲に当たる（または干渉する）ことを回避するために、印刷ヘッド１がその相対位置を検出することを可能にする。本開示の重要な特徴の１つは、プラットフォームまたは支持媒体チャンバを必要としないことである。これは、最初に３Ｄ部品を現場から離れた場所（オフサイト）で印刷してからその部品を現場に出荷するのではなく、３Ｄ部品を現場にて（オンサイト）印刷する能力を可能にするため、重要である。したがって、本開示のオンサイト３Ｄ印刷能力は、そのような実用的なシナリオにとって非常に有用であろう。また、現場の状況に合わせて３Ｄ印刷部品を修正する必要がある場合は、オンサイト印刷能力を簡単に実現することができる。

本開示と一致する１つの例示的なシステムによれば、印刷ヘッド１は、例えば、印刷ヘッド１によって放射された信号または場に応答することができるセンサまたは／およびアクチュエータモジュールまたは小粒子または繊維を追加するなど、部品に埋め込まれたまたは堆積された１つまたは複数の機能モジュールを介して３Ｄ印刷部品１０３と相互作用するための機構を追加する。粒子または繊維は、バーコード、ＱＲコード、線形コードなどの迅速な識別に適した任意のパターンに配置することができる。一例は、印刷プロセス中にモジュールによって測定された（表面温度とは対照的な）部品内部の温度を得ることである。別の例は、識別読取機構を利用していくつかのモジュールの識別番号を検索することであり、これらのモジュールは、戦略的な場所に配置され、３Ｄ印刷プロセスおよび／または後の組み立ておよび／または二次加工（切断、トリミングなど）の際に、部品の重要な位置の特定を補助するように設計される。モジュールから収集されたその他の任意のパラメータは、製造プロセスを補助するために使用することができ、一意のモジュール識別番号で登録することができる。各３Ｄ印刷部品１０３が一意のモジュール識別番号を有するモジュールを有する場合、３Ｄ印刷部品１０３の完全な製造履歴を記録し、そのデータを品質管理、サービス、および修理のための基準として使用することができる。

本開示と一致する別の例示的なシステムでは、前述の機構（印刷ヘッド１が１つまたは複数の機能モジュールを介して３Ｄ印刷部品１０３と相互作用するための）をセキュリティ保護として使用することができる。印刷ヘッド１と３Ｄ印刷部品１０３との間の相互作用機構が３Ｄ印刷および後の組み立て、サービスまたは修理の間に必要なステップである場合には、まず、印刷ファイルを検証するためのこれらのモジュールを取得しないと、他の人は、（たとえ印刷ファイルを有していたとしても）最初に３Ｄ部品設計ＩＰ所有者から本物のモジュールを取得しないと３Ｄ部品を成功裏に印刷することができない。次に、ハッカーが悪意を持って３Ｄ印刷の設計ファイルを変更した場合、すべての主要モジュールとモジュール識別番号に関連して記録された履歴とを望ましい製造公差内で一致させる見込みは、依然として非常に低く、いずれにせよ製造システムによって容易に検出される。例えば、ハッカーが印刷ヘッド１の移動経路を変更して、フィラメント堆積経路がモジュールＡからモジュールＢへ移動するという当初設計された経路ではなく、モジュールＡからモジュールＣへ移動するように変更されると、ハッカーが変更した印刷経路の下でモジュールＡ、Ｂ、Ｃによって登録された温度履歴は、大幅に異なる加熱シーケンス／タイミングの元の設計の下でモジュールＡ、Ｂ、Ｃによって登録された温度履歴と明らかに異なる。誘電特性、超音波応答などのようなより多くの物理的パラメータも履歴に含む場合、経路が悪意を持って変更されているかどうかを検出することはさらに容易になる。そのような機能モジュールを１０個配備すると、悪意を持って印刷経路を変更して、システムによって発見されずにこれらの不良部品が印刷されるのを見ることは極めて困難になる。例えば、炭素繊維複合材部品が印刷される場合、その元のプライシーケンス（すなわち各プライの繊維方向）は一般に、特定の負荷環境に関して弾性応答（振動、疲労、プライ関連破損モードなど）における特定の基準を達成するように慎重に設計される。さらに、例えば、（約３０層以上の繊維層を有する厚さ３ｍｍの飛行機の表皮の典型的な複合材料について）ハッカーが内層の繊維方向を変え、目に見える表面層の繊維方向を変えないままにした場合、セクションごとに破砕してテストしない限り、どのテストでも検出することは非常に困難である。これは、おそらく、新しい部品を作るよりも広範囲で時間がかかる。本開示のこの実施形態によって可能になるセキュリティは、許可なしに印刷ファイルを変更して印刷することについてハッカーの悪意のある攻撃を阻止するのに非常に役立つであろう。

３Ｄ印刷ワークピースにおける知的財産コンプライアンスを検証する方法の例示的実施形態は、３Ｄプリンタを使用したワークピースの印刷中にワークピース内にＩＤモジュールを印刷することを含む。その後、ＩＤモジュールが読み取られＩＤコードが取得され、これが認証サーバに送信される。次いで、肯定的または否定的な認証を示す認証信号が認証サーバから受信される。ＩＤモジュールが読み取られるタイミングに応じて、この方法はさまざまな種類の知的財産の検証に使用することができる。

例えば、ＩＤモジュールは、ワークピースの設計が海賊版ではないことを保証する手段として、印刷プロセス中に読み取られることがある。一旦ＩＤモジュールが印刷されると、ＩＤモジュールが読み取られ、そしてＩＤコードが認証サーバで検証されて、設計ファイルが許可されたユーザによって使用されることを保証する。許可信号が肯定的であれば、印刷を続けることができる。許可信号が否定的である（設計ファイルが海賊版であることを意味する）場合、印刷は中止される。海賊版設計ファイルを破壊するために海賊版設計ファイルに上書きすること、第三者に海賊行為通知を送信すること、既に印刷されたワークピースの一部を印刷ヘッドに破壊させること、または３Ｄプリンタのファームウェアを上書きすることなど、否定的な許可信号に対する追加の応答が使用され得る。

肯定的な認証信号は、追加のアクションをトリガーし得る。例えば、ＩＤコードに関連するライセンシーが識別されることができ、ワークピースを印刷するためのライセンシーのアカウントに使用料を徴収することができる。別の例として、記録はワークピースから作成され得、ワークピース保管のチェーン内の当事者（例えば、商品を認証したい買い手）によって調査されることができる。

この方法はまた、自動化された品質管理（ＱＣ）を実行して、ワークピースにおける原因不明の設計偏差をチェックするためにも使用され得る。そのような方法では、ワークピースの構造および寸法は、１つまたは複数のモジュールの位置を決定し、その位置をＱＣサーバに報告することによってチェックすることができ、それによってワークピースが正しく製造されたことを保証する。例えば、本方法のいくつかの実施形態では、第１のＩＤモジュールはワークピースの第１の位置に印刷され、第２のＩＤモジュールはワークピースの第２の位置に印刷される。次に、第１および第２のＩＤモジュールの位置がプリンタまたは他のローカル装置によって検出され、その位置がＱＣサーバに送信される。次いで、ＱＣサーバは、ワークピース内の第１および第２のモジュールの位置をワークピースの設計におけるそれらの意図された位置と比較し、ＱＣ確認信号を送信する。このアプローチは、プリンタハードウェアの欠陥、プリンタソフトウェアの欠陥、設計ファイルの不正コピー、およびプリンタソフトウェアまたは設計ファイルの悪意のある改ざんなど、複数の原因から発生するワークピースの欠陥を説明するために使用することができる。一般に、特定の許容誤差範囲内で、ある程度の偏差は許容される。本方法のいくつかの実施形態では、ＱＣ確認信号は、第１および第２のＩＤモジュールの相対位置が第１および第２のＩＤモジュールの相対位置についての設計仕様の許容範囲内にあるかどうかを通信する。

この方法はまた、商取引の流れの中でワークピースを入手した当事者が、そのワークピースが不正な偽造物（「模倣品」）ではないことを検証するためにも使用することができる。そのようなバージョンの方法では、ＩＤモジュールはワークピースを入手する当事者によって読み取られ、ＩＤコードは認証サーバに送信される。認証サーバは、模倣の兆候についてＩＤコードをチェックする。そのような兆候には、ＩＤコードが別のワークピースについて既に報告されていること、ＩＤコードがライセンスを受けたワークピースのＩＤモジュールに使用されたことのある記録の欠如、および模倣ワークピースに関連するＩＤコードの記録が含まれる。模倣の１つまたは複数の兆候が見つかった場合、模倣信号を入手する当事者に送り返すことができる。

プリンタと削除サーバ（例えば、認証サーバとＱＣサーバ）との間の通信を伴う方法の任意の実施形態では、送信者および／または受信者を認証するため、または通信を暗号化するためにセキュリティ対策を講じることができる。例えば、一方または両方の当事者が、送信者の識別子を認証する安全な証明書を送信することができる。さらに、送信者の秘密鍵を使用して任意の信号を暗号化することができ、送信者の公開鍵を使用して信号を復号することができる。

本開示と一致する特定の実施形態では、３Ｄ印刷部品上の印刷ヘッド１のより相対的な動き制御を追加するために、１つまたは複数の補助ローラ１５を印刷ヘッド１上に追加することができる。１つの例示的なシステムでは、補助ローラ１５は印刷ヘッド１に接続される。他の例示的なシステムでは、補助ローラ１５は、適切な場合局所押圧ユニット４に接続される。補助ローラ１５を移動させて、既存の堆積層１３上または／および新しいフィラメント９上の３Ｄ印刷部品１０３を押し、局所押圧面６上の圧力を低減および制御するのを補助することができる。補助ローラ１５の他の主な用途は、局所押圧面６と既存の堆積層１３との間の正確な間隙（すなわち距離）を制御することによって、新しいフィラメント９の正確な厚さを制御することである。必要な場合、補助ローラ１５はまた、局所押圧パッド５を３Ｄ印刷部品１０３の表面から持ち上げるのを補助することができる。本開示の一実施形態では、少なくとも１つの補助ローラ１５は、１つまたは複数のモータによって駆動される。したがって、補助ローラ１５は、３Ｄ印刷部品の表面上を移動する印刷ヘッド１への追加の押し力または引きずり力を制御することができる。補助ローラ１５によるこのような押しまたは引きずり制御はまた、新しいフィラメント９に加えられる張力を制御するために、テンショナ１０および印刷ヘッド位置制御機構１２を補助することもできる。補助ローラ１５は電動化されることが好ましい。

印刷ヘッド１は、単一の新しいフィラメント９または複数の新しいフィラメント９を取り扱うことができる。印刷ヘッド１は、単一の新しいフィラメント出力ポート２または複数のフィラメント出力ポート２を有し得る。印刷ヘッド１は、１種類の新しいフィラメント９または複数種類のフィラメント９を使用することができる。

印刷ヘッドにより可能となった新規な印刷方法およびシステム
印刷ヘッド１は、従来の３Ｄ印刷方法と比較して異なる３Ｄ方法を取り、（他の付加製造方法で必要とされる）プラットフォームまたは支持媒体チャンバに頼ることなくフィラメントを（一般に）３Ｄ部品に直接印刷することを可能にする。本開示と一致する１つの例示的な実施において、新規の自由曲面構造（ＦＦＣＳ）印刷方法が本明細書において以下に記載される。図３（ａ）および図３（ｂ）は、説明の目的でのみ使用されており、決して本発明を限定することを意図していない。

図３は、印刷ヘッドを使用して湾曲形状部品を印刷する方法の説明図である。

要素１：印刷ヘッド１。図３では、上記の開示で記載されたそのすべての機能を有すると仮定される。

要素８：場７に応答し、場７と協働してバッキング物品に場の誘起力を発生させることができるバッキング物品。

要素１２：印刷ヘッド１の位置（座標および角度）を制御するためのロボットアームなどの印刷ヘッド位置制御機構。

要素１０１：３Ｄ印刷プロセス中に印刷されている３Ｄ印刷部品１０３を固定するために使用されるアンカーユニット。

要素１０１−１：アンカーユニット１０１の位置を制御するためのアンカー位置制御機構。これは、ロボットアーム、地面に固定されたトラス、または周囲の環境などであり得る。

要素１０１−２：アンカーユニットが印刷部品を保持するのを助けるための結合パッド。これは、アンカーユニット１０１とそれ自体との間に３Ｄ部品１０３をクランプするために効果的なクランプ力を提供するために使用され得る。

要素１０３：３Ｄ印刷部品。これは、まだ３Ｄ印刷プロセス中の場合は、印刷中の部品の一部になり得る。

要素１０５：印刷ヘッド１の移動方向。

要素１０７：印刷ヘッド１および印刷ヘッド位置制御機構１２を制御するためのコントローラ。

３Ｄ部品１０３を印刷するために、１つ以上の印刷ヘッド１は、最初に、図３（ａ）に示すように、アンカーユニット１０１によって固定されている一端を有する新しいフィラメント９のセクションを供給する。アンカーユニット１０１は、その位置を精密に制御するためのアンカー位置制御機構１０１−１を有する。結合パッド１０１−２は、アンカーユニット１０１が固化した新しいフィラメント９を効果的にクランプするのを助けるために使用することができる。印刷ヘッド１は、少なくとも１つのバッキング物品８を制御するために局所場エミッタ３から場７を放射し、少なくとも１つの局所押圧ユニット４と協働して新しいフィラメント９の位置（すなわち座標および角度）および圧縮を制御し、一旦印刷ヘッド１を出た新しいフィラメント９が所望の形状および圧縮で固化されるように上述した特徴として新しいフィラメント９を成形して固化させことによって機能する。上述のように新しいフィラメント９の張力を制御することもできることに留意されたい。印刷ヘッド１の局所押圧ユニット４および場エミッタ３による形状および圧縮制御の下で、印刷ヘッド１を移動させ、３次元空間内の設計経路に沿って徐々により多くの新しいフィラメント９を回転させて固化させることによって、３Ｄ部品１０３のより多くの堆積層を生成することができる。より多くの新しいフィラメント９を堆積させるための徐々に進展する印刷経路を用いてこの手順を繰り返すことによって、図３（ｂ）に示すように、３Ｄ印刷部品１０３を成長させ、既存の堆積層１３の上部により多くの新しいフィラメント９を堆積させることができる。図３（ｂ）に示すように、適切な場合、複数組のアンカーユニット１０１を使用して、３Ｄ印刷部品１０３をよりよく支持することができる。３Ｄ印刷部品１０３のサイズが単一のアンカーユニット１０１で保持するには大きくなり過ぎる場合には、単一の組の強力で拡張性のあるアンカーシステムと比較して複数の組のアンカーシステムが非常に有用かつ費用効果的である。

１つの例示的な実施によれば、アンカーユニット１０１は、結合パッド１０１−２を引き付け、その結果強いクランプ能力を提供するために局所場（磁場など）を使用することができる。別の例示的な実施によれば、アンカーユニット１０１は、アンカーユニット１０１を３Ｄ印刷部品１０３の異なる相対位置に移動させるために、クランプ力を解放（または低減）することによって、３Ｄ印刷部品１０３におけるその固定位置を移動して、３Ｄ印刷部品１０３を固定するためにその強いクランプ力を再開することができる。他の例示的な実施によれば、印刷ヘッド１はまた、３Ｄ印刷部品１０１を固定するためのアンカーシステムとして使用することもできる。上述のように、アンカーユニット１０１による支持と共に、それぞれの設計された新しいフィラメント９の配置経路に沿って移動し、既存の堆積層１３を押し出された新しいフィラメント９に対して圧縮するように印刷ヘッド１を適切に制御することによって、モールドまたは支持媒体チャンバを使用せずに３Ｄ部品１０３を印刷することができる。

１つの例示的な実施によれば、３Ｄ印刷システムは１つの印刷ヘッド１を有する。他の例示的な実施によれば、３Ｄ印刷のために複数の印刷ヘッド１が協働することができる。例えば、ｘ個のロボットアーム（ｘは１、２、３…などとすることができる）によって制御されるｘ個の印刷ヘッド１を有し、コントローラ１０７のコマンドまたは複数のコントローラ１０７の協調したコマンドの下で一緒に動作することができる。各印刷ヘッド１は、新しいフィラメント９を堆積すること、アンカーユニット１０１として働くこと、埋め込まれた機能モジュール（無線センサモジュールまたはアクチュエータモジュールなど）と相互作用すること、３Ｄ印刷部品の製造パラメータを感知すること、（前述の視覚センサおよびサーモグラフィカメラを介するなどして）周囲環境を感知すること、情報をコントローラ１０７に送信すること、またはそれらの任意の組み合わせの役割を果たすことができる。他の例示的な実施によれば、コントローラ１０７は、印刷される部品の設計を分析し、３Ｄ部品を印刷するために単一の印刷ヘッド１または複数の印刷ヘッド１のいずれかを動作させるための最適化されたコマンドを生成することができる。

バッキング物品８が新しいフィラメント９にも既存の堆積層１３にも含まれていない場合、バッキング物品８を印刷ヘッド１の近くに配置するのを助けるバッキング物品搬送機構を印刷アセンブリに含めて、バッキング物品８が場７によって捕捉されるようにすることができる。バッキング物品搬送機構の適切な例は、これらに限定されないが、バッキング物品８を印刷ヘッド１の近くに搬送するための例えばドローン（またはロボットアーム）などの補助ロボット、バッキング物品８を目標領域の近くに発射するための発射装置、目標領域の近くに小さいバッキング物品を噴霧する（または吹く）ための噴霧器（または送風機）、バッキング物品８をより遠くから引き付けるための非常に強い場７、および前述のアプローチの任意の組み合わせを含む。１つの例示的な実施では、アンカーユニット１０１は、結合パッド１０１−２を引き付けるために局所場（磁場など）を使用することができ、結合パッド１０１−２は、バッキング物品搬送機構と同じ方法で搬送することができる。

一部の状況では、いくつかの材料は重くて柔らかい可能性があり、したがって部品の厚さが薄く、他の寸法（すなわち長さおよび幅）の少なくとも１つが長い場合、固化したフィラメントおよび層は自身を支持できない。言い換えれば、３Ｄ印刷部品１０３の特定の部分が垂れ下がり、その相対位置を保持するのに十分堅くない可能性がある。これは、２つのアンカー位置間のスパンを減らすためにより多くのアンカーユニット１０１を使用することによって軽減することができる。設計修正が許されるなら、長さと幅を増やすために動く前に印刷された部分の剛性が十分に強くなるように印刷する（通常は厚さを増すことは部分をより硬くする）ほうがよい。一方、印刷ヘッド１の１つの重要な特徴は、この懸念を処理するための暗黙の解決策を既に有していることである。前述のように、印刷ヘッド１は、識別情報読み取り機構を使用して、いくつかのモジュールの識別番号を検索することができ、モジュールは、戦略的位置に配置され、３Ｄ印刷プロセス（または／および後に組み立てる、または／および二次加工、例えば切断、トリミングなど）の間に部品の重要な位置を見つけるのを助けるように設計されている。モジュール識別番号を部品設計ファイル内の対応する正しい位置と関連付けることができるので、モジュールの近くの設計された経路をたどることによって、垂れ下がっている既存の堆積層１３の上に新しいフィラメント９を依然印刷することができ、バッキング物品８を使用して垂れ下がった既存の堆積層１３を新しいフィラメント９と結合される正しい位置に戻すことができる。

１つの例示的な実施によれば、複数の印刷ヘッド１または複数の可動アンカーユニット１０１を追加して、堆積させるべき新しいフィラメント９の設計された場所の近くで垂れ下がった（または柔らかい）３Ｄ部品１０３の材料の局所的な伸張および位置制御を実行することにより、結果をさらに向上させることができる。その目的は、印刷ヘッド１が作用するために、垂れ下がった３Ｄ部品から区分的に正確に位置決めされかつ十分に拡張された平面を形成することである。各印刷ヘッド１はまた、相対的に移動することができる複数の局所押圧ユニット４も備え得る。複数の局所押圧ユニット４はまた、複数の印刷ヘッド１または複数の可動アンカーユニット１０１を使用するのと同様の貢献も提供することができる。さらに、電動補助ローラ１５は、局所押圧ユニット４の下で垂れ下がった部分を正確に動かすのを助けることもできる。すなわち、印刷ヘッド１の方法は、モールドおよび支持媒体チャンバがなくても、軟質材料の任意の部分で作られた３Ｄ部品の印刷を可能にすることができる。

別の例示的な実施によれば、コントローラ１０７は、部品１０３の設計された３Ｄ印刷手順を処理し、印刷ヘッド位置制御機構１２および印刷ヘッド１（フィラメント出力ポート２、場エミッタ５、および局所押圧ユニット４を含む）を制御して３Ｄ部品１０３を成功裏に印刷するために使用される。１つの例示的な実施では、コントローラ１０７は、少なくとも１組のアンカーユニット１０１およびアンカー位置制御機構１０１−１を制御するために使用される。別の例示的な実施では、コントローラ１０７は、印刷ヘッド１によって感知されたデータを分析し、その次のステップの制御コマンドにおける必要な調整のためにそのデータを元の設計と比較する。ほんの一例として、印刷ヘッド１によって感知されたデータは、３Ｄ印刷部品１０３に埋め込まれた少なくとも１つの機能モジュールの識別番号を含み得る。別の例示的な実施によれば、コントローラ１０７は、印刷ヘッド１によって感知されたデータを３Ｄ印刷部品１０３の加工履歴データに記録する。別の例示的な実施によれば、３Ｄ印刷部品１０３の加工履歴データは、少なくとも１つの機能モジュールに対応するパラメータを含む。

新しい３Ｄ部品を印刷することに加えて、バッキング物品８または（新しいフィラメント９を損傷部分に圧縮および結合するために有効な場の誘起力を生み出すことができる）同等のものが部品の損傷した部分に与えられると、この方法は損傷部分の修理にも適用できる。例えば、バッキング物品８が損傷部分の既存の堆積層１３に含まれる場合、損傷部分に新しいフィラメント９を印刷して損傷部分を修理または改造するために印刷ヘッド１を使用することができる。バッキング物品８と印刷ヘッド１とが協働して、新しいフィラメント９を損傷領域の損傷部分に圧縮して結合する。３Ｄ印刷修理の前に、事前のクリーニングと表面処理（表面の研磨やゴミの除去など）が必要になる場合があることに留意されたい。一方、バッキング物品８が損傷部分の既存の堆積層１３に含まれていない場合、上述したのと同じ圧縮および結合の効果を達成するために、損傷部分に少なくとも１つのバッキング物品８を供給し、印刷ヘッド１と協働して損傷部分に新しいフィラメント９を印刷して損傷部分を修理または改造することができる。１つの例示的な実施によれば、この方法は、新しい部品を製造するために使用することができる。別の例示的な実施において、この方法は、損傷した部品を修理するために使用することができる。

もちろん、前述のものの変形および修正は本開示の範囲内である。本発明を説明する文脈における（特に以下の特許請求の範囲の文脈における）用語「１つの（ａ）」および「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」および類似の指示対象の使用は、本明細書で他に指示がない限り、または文脈によって明らかに否定されない限り、単数形および複数形の両方を網羅すると解釈されるべきである。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「含有する、収容する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」は、特に断りのない限り、オープンエンドの用語（すなわち、「含むが、限定されない」を意味する）として解釈されるべきである。本明細書における値の範囲の列挙は、本明細書において別段の指定がない限り、単にその範囲内に含まれる各個別の値を個々に指す簡潔な方法として役立つことを意図しており、それぞれ別々の値は、あたかも本明細書に個々に記載されているかのように本明細書に組み込まれる。本明細書に記載のすべての方法は、本明細書に別段の指示がない限りまたは文脈によって明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で実行することができる。本明細書で提供されるありとあらゆる例、または例示的な言語（例えば、「など」）の使用は、単に本発明をよりよく明らかにするためのものであり、特に記載のない限り本発明の範囲を制限するものではない。本明細書中のいかなる言語も、特許請求されていない要素を本発明の実施に必須であると示すと解釈されるべきではない。

本発明を実施するために本発明者が知っている最良の形態を含め、本発明の好ましい実施形態が本明細書に記載された。これらの好ましい実施形態の変形は、前述の説明を読めば当業者には明らかになるであろう。本発明者は、当業者がそのような変形を適切に行うことを期待し、そして本発明者は本明細書に具体的に記載されたものとは別の方法で本発明を実施することを意図する。したがって、本発明は、適用法によって許容されるように、本明細書に添付の特許請求の範囲に列挙されている主題のすべての修正形態および均等物を含む。さらに、そのすべての可能な変形形態における上記の要素の任意の組み合わせは、本明細書中に別段の指示がない限りまたは文脈によって明らかに矛盾しない限り、本発明に包含される。

Claims (129)

1. ３Ｄ印刷アセンブリ用の印刷ヘッドであって、
   （ａ）バッキング手段と、
   （ｂ）未固化印刷材料を含むフィラメントを基板上に押し出す手段と、
   （ｃ）フィラメントを基板の表面に圧縮する手段と、
   （ｄ）基板を前記圧縮する手段に向かって押圧する手段と、
   （ｅ）押圧する手段の形状を動的に変化させる手段と、
   （ｆ）印刷材料の固化時にフィラメントに対して印刷ヘッドを前進させる手段と、
   を含む、印刷ヘッド。
2. 印刷材料が、強化繊維とマトリックス材料との複合材料である、請求項１に記載の印刷ヘッド。
3. 印刷材料が、押圧する手段の長さを超える長さを有する強化繊維を含有する、請求項１に記載の印刷ヘッド。
4. 印刷材料が、長さが少なくとも１ｍｍの強化繊維を含有する、請求項１に記載の印刷ヘッド。
5. 印刷材料が、形状記憶材料からなる強化繊維を含有する、請求項１に記載の印刷ヘッド。
6. フィラメントが基板上に配置されたら前記フィラメント上の張力を制御する手段を含む、請求項１に記載の印刷ヘッド。
7. フィラメントを切断する手段を含む、請求項１に記載の印刷ヘッド。
8. 過剰な印刷材料を除去する手段を含む、請求項１に記載の印刷ヘッド。
9. 未固化印刷材料を固化する手段を含む、請求項１に記載の印刷ヘッド。
10. 押圧する手段および動的に変化させる手段が、バッキング手段に作用して圧縮する手段に向けて力ベクトルを付与する場を放射する場発生器を含み、バッキング手段が、前記力ベクトルを基板に付与するか、またはバッキング手段が、基板であり、場が、バッキング手段の制御された形状を変化させ、維持することができる、請求項１に記載の印刷ヘッド。
11. ３Ｄ印刷アセンブリ用の印刷ヘッドであって、
    （ａ）供給原料処理装置から未固化印刷材料を受け取り、未固化印刷材料を含むフィラメントと共に押し出すように接続されたフィラメント出力ポートと、
    （ｂ）フィラメントが押し出されるとフィラメントと接触するように配置された押圧面と、
    （ｃ）基板と押圧面との間のフィラメントを圧縮するためにバッキング物品を押圧面に向けて引き付けるための場を放射するように構成された場エミッタと、
    を含む、印刷ヘッド。
12. バッキング物品が、基板である、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
13. 基板が、バッキング物品とフィラメントとの間に配置される、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
14. 出力ポートと押圧面との間でフィラメントに張力をかけるように配置されたテンショナを含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
15. 出力ポートから押し出された後にフィラメントを切断するように配置されたカッタを含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
16. 出力ポートから押し出された後にフィラメントを切断するように配置されたサーマルカッタを含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
17. 出力ポートから押し出された後にフィラメントを切断するように配置されたブレードカッタを含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
18. 押し出しの後に未固化印刷材料を照射するように配置された紫外線光源を含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
19. 押し出しの後に未固化印刷材料を冷却するように配置された冷却ユニットを含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
20. 押し出しの後に過剰な未固化印刷材料を除去するように配置された吸引ユニットを含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
21. 押し出しの後に過剰な未固化印刷材料を除去するように配置された樹脂ブリードチャネルを含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
22. 押し出しの後に過剰な未固化印刷材料を除去するように配置された樹脂ブリードファブリックを含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
23. 場エミッタが、場を放射して、押圧面に対してほぼ垂直である引力ベクトルを付与するように構成されている、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
24. 場エミッタが、場を放射して、バッキング物品の形状を変化させ維持するように構成されている、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
25. 押圧面をバッキング物品とほぼ平行に保つことを可能にしながら、印刷ヘッドを並進移動させるために印刷ヘッドに接続された位置制御装置を含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
26. 未固化印刷材料が、未固化ポリマ樹脂である、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
27. 場エミッタが、磁場エミッタである、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
28. 場エミッタが、静電場エミッタである、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
29. 場エミッタが、電磁場エミッタである、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
30. 場エミッタが、圧力場エミッタである、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
31. 場エミッタが、複数の種類の場を同時に放射することが可能である、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
32. 基板と接触し、基板と印刷ヘッドとの間の設定距離を維持するように配置されたローラを含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
33. 基板と接触し、基板と印刷ヘッドとの間の設定距離を維持するように配置された複数のローラを含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
34. バッキング物品が、磁性材料を含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
35. 押し出しの後にフィラメントを視覚的に監視するように配置されたセンサを含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
36. 印刷ヘッドを回転させる、印刷ヘッドを並進させる、またはその両方を行うためのアクチュエータを含む、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
37. 未固化印刷材料が、強化繊維とマトリックス材料との複合物である、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
38. フィラメントが、押圧する手段の長さを超える長さを有する強化繊維を含有する、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
39. フィラメントが、長さが少なくとも１ｍｍの強化繊維を含有する、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
40. フィラメントが、形状記憶材料からなる強化繊維を含有する、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
41. ワークピースを印刷するための３Ｄ印刷システムであって、
    （ａ）請求項１１から４０のいずれか一項に記載の印刷ヘッドと、
    （ｂ）第１のアンカーユニットであって、クランプ面と前記アンカーユニット上の結合パッドとの間でフィラメントをクランプするように構成され、印刷ヘッドに対するアンカーユニットの位置を維持するように構成されたアンカー位置コントローラを含む、第１のアンカーユニットと、
    を含む、３Ｄ印刷システム。
42. 基板をクランプするように構成され、印刷ヘッドが第１のアンカーユニットと第２のアンカーユニットとの間にあるように配置された第２のアンカーユニットを含む、請求項４１に記載の３Ｄ印刷システム。
43. 印刷ヘッドが、第１のアンカーユニットに対して印刷ヘッドを並進させる、印刷ヘッドを回転させる、またはその両方を行うように構成されたヘッドアクチュエータを含む、請求項４１に記載の３Ｄ印刷システム。
44. 第１のアンカーユニットが、印刷ヘッドに対して第１のアンカーユニットを並進させる、第１のアンカーユニットを回転させる、またはその両方を行うように構成されたアンカーアクチュエータを含む、請求項４１に記載の３Ｄ印刷システム。
45. ワークピースが印刷されるときにワークピースの特性を監視するように配置された電磁センサを含む、請求項４１に記載の３Ｄ印刷システム。
46. ワークピースが印刷されるときにワークピースを硬化させるように配置された固化ユニットを含み、固化ユニットは、紫外線ランプおよび冷却ユニットからなるグループから選択される、請求項４１に記載の３Ｄ印刷システム。
47. ポリマ樹脂をフィラメント出力ポートに流体状態で搬送するように接続された、未固化ポリマ樹脂を収容する樹脂リザーバを含む、請求項４１に記載の３Ｄ印刷システム。
48. 熱可塑性樹脂をフィラメント出力ポートに流体状態で搬送するように接続された、熱可塑性樹脂を収容する樹脂リザーバを含む、請求項４１に記載の３Ｄ印刷システム。
49. 印刷材料が、バッキング物品の長さよりも大きい長さを有する複数の強化繊維を含む、請求項４１に記載の３Ｄ印刷システム。
50. 印刷材料が、長さが０．４ｍｍを超える複数の強化繊維を含む、請求項４１に記載の３Ｄ印刷システム。
51. 印刷材料が、長さが１ｍｍを超える複数の強化繊維を含む、請求項４１に記載の３Ｄ印刷システム。
52. 印刷材料が、１．５、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０ｍｍを超える長さを有する複数の強化繊維を含む、請求項４１に記載の３Ｄ印刷システム。
53. 印刷材料が、形状記憶材料からなる複数の強化繊維を含む、請求項４１に記載の３Ｄ印刷システム。
54. ３Ｄ印刷によってワークピースを製造する方法であって、
    （ａ）未固化印刷材料を含有するフィラメントを基板上に押し出すステップと、
    （ｂ）引力場を放射してバッキング物品を引き付けて、基板と押圧面との間でフィラメントを圧縮するステップと、
    （ｃ）未固化印刷材料を固化して固体印刷材料を生成するステップと、
    （ｄ）フィラメントに対して３Ｄ印刷ヘッドを前進させるステップと、
    を含む、方法。
55. フィラメントを制御された配向に押し出すステップと、複合材料が固化するまで制御された配向を維持するステップと、を含む、請求項５４に記載の方法。
56. 引力場が、固化プロセス中にバッキング物品に制御された形状をとり維持させる、請求項５４に記載の方法。
57. 押し出しの後にフィラメントに所望の張力をかけるステップを含む、請求項５４に記載の方法。
58. 固化が実質的に完了するまで、押し出しの後にフィラメントに所望の張力をかけるステップを含む、請求項５４に記載の方法。
59. フィラメントの自由端をアンカーユニットで固定するステップを含む、請求項５４に記載の方法。
60. 印刷ヘッドに対して制御された距離および配向でフィラメントの自由端をアンカーユニットで固定するステップを含む、請求項５４に記載の方法。
61. 基板が、固化した印刷材料の既存の層である、請求項５４に記載の方法。
62. 基板が、バッキング物品である、請求項５４に記載の方法。
63. 印刷材料が、繊維とマトリックス材料とを含有する複合材料である、請求項５４に記載の方法。
64. 印刷材料が、バッキング物品の長さを超える長さを有する強化繊維を含有する、請求項５４に記載の方法。
65. 印刷材料が、１ｍｍを超える長さを有する強化繊維を含有する、請求項５４に記載の方法。
66. 印刷材料が、１．５、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０ｍｍを超える長さを有する強化繊維を含有する、請求項５４に記載の方法。
67. 印刷材料が、形状記憶材料からなる強化繊維を含有する、請求項５４に記載の方法。
68. 押し出しの後に過剰な未固化印刷材料を除去するステップを含む、請求項５４に記載の方法。
69. 樹脂ブリードチャネル、樹脂ブリードファブリック、および吸引ユニットからなるグループから選択される除去手段を使用して、押し出しの後に過剰な未固化印刷材料を除去するステップを含む、請求項５４に記載の方法。
70. 製造中にワークピースの第１の位置と第２の位置の相対位置を決定するステップを含む、請求項５４に記載の方法。
71. 印刷ヘッドを３次元までの設計経路に沿って並進させるステップと、前記経路に沿って未固化印刷材料を押し出すステップとを含む、請求項５４に記載の方法。
72. 印刷ヘッドを２から３次元の設計経路に沿って並進させるステップと、前記経路に沿って未固化印刷材料を押し出すステップとを含む、請求項５４に記載の方法。
73. 印刷ヘッドを３次元の設計経路に沿って並進させるステップと、前記経路に沿って未固化印刷材料を押し出すステップとを含む、請求項５４に記載の方法。
74. 印刷ヘッドを３次元までの設計経路に沿って並進させるステップと、前記経路に沿ってフィラメントを押し出すステップとを含む、請求項５４に記載の方法。
75. 印刷ヘッドを２から３次元の設計経路に沿って並進させるステップと、前記経路に沿ってフィラメントを押し出すステップとを含む、請求項５４に記載の方法。
76. 印刷ヘッドを３次元の設計経路に沿って並進させるステップと、前記経路に沿ってフィラメントを押し出すステップとを含む、請求項５４に記載の方法。
77. ＩＤ番号を収容するワークピース内の第１の埋め込みモジュールを読み取るステップを含む、請求項５４に記載の方法。
78. ＩＤ番号を収容する第１の埋め込みモジュールを読み取るステップと、ＩＤ番号を収容する第２の埋め込みモジュールを読み取るステップと、第１のモジュールと第２のモジュールとの間の相対位置の変位を決定するステップと、第１のモジュールと第２のモジュールとの間の相対位置の変位が所定の値から大きく逸脱している場合、警報信号を送信するステップと、を含む、請求項５４に記載の方法。
79. 請求項５４に記載の方法の生成物であるワークピースであって、ワークピースが、固化したマトリックスにおける長さが少なくとも１ｍｍの複数の強化繊維を有する印刷材料を含む、ワークピース。
80. ３Ｄ印刷ヘッドを使用してワークピースを修理する方法であって、
    （ａ）未硬化印刷材料を３Ｄ印刷ヘッドからワークピースの損傷領域に押し出すステップと、
    （ｂ）引力場を放射してバッキング物品を引き付けて、基板と押圧面との間で未固化印刷材料を圧縮するステップと、
    （ｃ）未固化印刷材料を固化して固体印刷材料を生成するステップと、
    （ｄ）ワークピースに対して３Ｄ印刷ヘッドを前進させるステップと、
    を含む、方法。
81. ワークピースが、バッキング物品である、請求項８０に記載の方法。
82. ワークピースが、バッキング物品と押圧面との間に配置される、請求項８０に記載の方法。
83. 未固化印刷材料が、強化繊維および未固化ポリマ樹脂を含む、請求項８０に記載の方法。
84. 未固化印刷材料が、未固化ポリマ樹脂を含有するフィラメントとして押し出され、方法が、フィラメントを制御された配向に押し出すステップと、ポリマ樹脂が固化するまで制御された配向を維持するステップと、を含む、請求項８０に記載の方法。
85. 未固化印刷材料が、強化繊維および未固化ポリマ樹脂を含有するフィラメントとして押し出され、方法が、押し出しの後にフィラメントに所望の張力をかけるステップを含む、請求項８０に記載の方法。
86. 未固化印刷材料が、強化繊維および未固化ポリマ樹脂を含有するフィラメントとして押し出され、方法が、固化が実質的に完了するまで押し出しの後にフィラメントに所望の張力をかけるステップを含む、請求項８０に記載の方法。
87. 未固化印刷材料が、強化繊維および未固化ポリマ樹脂を含有するフィラメントとして押し出され、方法が、フィラメントの自由端をアンカーユニットで固定するステップを含む、請求項８０に記載の方法。
88. 未固化印刷材料が、強化繊維および未固化ポリマ樹脂を含有するフィラメントとして押し出され、方法が、印刷ヘッドに対して制御された距離および配向でフィラメントの自由端をアンカーユニットで固定するステップを含む、請求項８０に記載の方法。
89. 未固化印刷材料が、強化繊維および未固化ポリマ樹脂を含有するフィラメントとして押し出され、繊維は、バッキング物品の長さを超える長さを有する、請求項８０に記載の方法。
90. 未固化印刷材料が、強化繊維および未固化ポリマ樹脂を含有するフィラメントとして押し出され、繊維は、１ｍｍを超える長さを有する、請求項８０に記載の方法。
91. 未固化印刷材料が、強化繊維および未固化ポリマ樹脂を含有するフィラメントとして押し出され、繊維は、１．５、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０ｍｍを超える長さを有する、請求項８０に記載の方法。
92. 未固化印刷材料が、強化繊維および未固化ポリマ樹脂を含有するフィラメントとして押し出され、繊維は、形状記憶材料からなる、請求項８０に記載の方法。
93. 押し出しの後に過剰な未固化印刷材料を除去するステップを含む、請求項８０に記載の方法。
94. 樹脂ブリードチャネル、樹脂ブリードファブリック、および吸引ユニットからなるグループから選択される除去手段を使用して、押し出しの後に過剰な未固化印刷材料を除去するステップを含む、請求項８０に記載の方法。
95. 印刷ヘッドを３次元までの設計経路に沿って並進させるステップと、前記経路に沿って未固化印刷材料を押し出すステップとを含む、請求項８０に記載の方法。
96. 印刷ヘッドを２から３次元の設計経路に沿って並進させるステップと、前記経路に沿って未固化印刷材料を押し出すステップとを含む、請求項８０に記載の方法。
97. 印刷ヘッドを３次元の設計経路に沿って並進させるステップと、前記経路に沿って未固化印刷材料を押し出すステップとを含む、請求項８０に記載の方法。
98. 印刷ヘッドを３次元までの設計経路に沿って並進させるステップと、前記経路に沿ってフィラメントを押し出すステップとを含む、請求項８０に記載の方法。
99. 印刷ヘッドを２から３次元の設計経路に沿って並進させるステップと、前記経路に沿ってフィラメントを押し出すステップとを含む、請求項８０に記載の方法。
100. 印刷ヘッドを３次元の設計経路に沿って並進させるステップと、前記経路に沿ってフィラメントを押し出すステップとを含む、請求項８０に記載の方法。
101. ワークピースが、固化したマトリックスにおける長さが少なくとも１ｍｍの複数の強化繊維を有する印刷材料を含む、請求項８０に記載の方法に従って修理されているワークピース。
102. 印刷材料が、リモートセンサによって読み取られるように構成されたＩＤ番号を収容する埋め込みＩＤモジュールを含む複数の強化繊維およびマトリックスを含む、前記印刷材料からなる３Ｄ印刷ワークピース。
103. モジュールが、ＩＤ番号を符号化するように構成された複数の磁性粒子を含む、請求項１０２に記載の３Ｄ印刷ワークピース。
104. モジュールが、ＩＤ番号を符号化するように構成された所定の物理的特性を有する複数の粒子を含み、所定の物理的特性が、比熱、音波屈折率、比密度、放射線不透過性、熱伝導率、電気伝導率、高周波誘導スペクトル、粗さ、および硬さから選択される、請求項１０２に記載の３Ｄ印刷ワークピース。
105. モジュールが、部品印刷中に処理履歴情報を記録し、そのＩＤの下に登録する、請求項１０２に記載の３Ｄ印刷ワークピース。
106. モジュールが、各々が配向を有する複数の繊維を含み、ＩＤ番号が、繊維の配向で符号化されている、請求項１０２に記載の３Ｄ印刷ワークピース。
107. 第２の埋め込みモジュールを含み、２つの埋め込みモジュールが、互いに相対位置の所定の変位に配置されている、請求項１０２に記載の３Ｄ印刷ワークピース。
108. 複合材料が、信号に応答するように構成された埋め込みＩＤモジュールを含む複数の繊維およびマトリックスを含む、前記複合材料からなる３Ｄ印刷ワークピース。
109. モジュールが、３Ｄ印刷ヘッドからの信号に応答するように構成されたアクチュエータモジュールである、請求項１０８に記載の３Ｄ印刷ワークピース。
110. モジュールが、３Ｄ印刷ヘッドからの信号に応答するように構成されたセンサモジュールである、請求項１０８に記載の３Ｄ印刷ワークピース。
111. モジュールが、センサモジュールの状態を示す第２の信号を送信することによって３Ｄ印刷ヘッドからの信号に応答するように構成されたセンサモジュールであり、状態が、温度、歪み、応力、および位置からなるグループから選択される、請求項１０８に記載の３Ｄ印刷ワークピース。
112. モジュールが、信号に応答して形状を変化させる形状記憶材料から構成されている、請求項１０８に記載の３Ｄ印刷ワークピース。
113. モジュールが、第１の信号に応答して第２の信号を送信するように構成され、前記第２の信号がＩＤ番号を符号化する、請求項１０８に記載の３Ｄ印刷ワークピース。
114. モジュールが、ＩＤ番号を符号化するように構成された複数の磁性粒子を含む、請求項１０８に記載の３Ｄ印刷ワークピース。
115. モジュールが、ＩＤ番号を符号化するように構成された所定の物理的特性を有する複数の粒子を含み、所定の物理的特性が、比熱、音波屈折率、比密度、放射線不透過性、熱伝導率、電気伝導率、高周波誘導スペクトル、粗さ、および硬さから選択される、請求項１０８に記載の３Ｄ印刷ワークピース。
116. ３Ｄ印刷ワークピースにおける知的財産コンプライアンスを検証する方法であって、
     （ａ）３Ｄプリンタを使用したワークピースの印刷中にワークピース内にＩＤモジュールを印刷するステップと、
     （ｂ）ＩＤモジュールを読み取って、ＩＤコードを取得するステップと、
     （ｃ）ＩＤコードを認証サーバに送信するステップと、
     （ｄ）肯定的または否定的な認証を示す認証信号を認証サーバから受信するステップと、
     を含む、方法。
117. ＩＤモジュールが、ワークピースの３Ｄ印刷中に読み取られ、方法が、認証信号が否定的な認証を示す場合にワークピースの３Ｄ印刷を中止するステップを含む、請求項１１６に記載の方法。
118. 認証信号が肯定的な認証を示す場合、方法は、３Ｄプリンタに関連するライセンシーを識別するステップと、ライセンシーにロイヤリティーを発生させるステップと、を含む、請求項１１６に記載の方法。
119. 認証信号が肯定的な認証を示す場合、方法は、ＩＤコードを使用して検証済みの認可済みワークピースの記録を作成するステップを含む、請求項１１６に記載の方法。
120. 第１のＩＤモジュールがワークピース内の第１の位置に印刷され、方法が、ワークピースの印刷中に第２の位置で３Ｄプリンタを使用してワークピース内に第２のＩＤモジュールを印刷するステップと、第１および第２のＩＤモジュールの相対位置を検出するステップと、前記相対位置を品質管理サーバに送信するステップと、品質管理サーバから品質管理確認信号を受信するステップと、を含む、請求項１１６に記載の方法。
121. 品質管理サーバが、第１および第２のＩＤモジュールの相対位置を第１および第２のＩＤモジュールの相対位置についての設計仕様と比較し、品質管理確認信号が、第１および第２のＩＤモジュールの相対位置が第１および第２のＩＤモジュールの相対位置についての設計仕様の許容範囲内にあるかどうかを通信する、請求項１２０に記載の方法。
122. 品質管理信号が、品質管理サーバの識別子を認証する安全な証明書を含む、請求項１２０に記載の方法。
123. 品質管理信号が、品質管理サーバの秘密鍵を使用して暗号化され、認証信号が、品質管理サーバの公開鍵を使用して復号することができる、請求項１２０に記載の方法。
124. 認証信号が、認証サーバの識別子を認証する安全な証明書を含む、請求項１１６に記載の方法。
125. 認証信号が、認証サーバの秘密鍵を使用して暗号化され、認証信号が、認証サーバの公開鍵を使用して復号することができる、請求項１１６に記載の方法。
126. ＩＤモジュールが、ワークピースの３Ｄ印刷後に読み取られ、方法が、認証信号が否定的な認証を示す場合に電子模倣通知を送信するステップを含む、請求項１１６に記載の方法。
127. モジュールが、ＩＤ番号を符号化するように構成された複数の磁性粒子を含む、請求項１１６に記載の方法。
128. モジュールが、ＩＤ番号を符号化するように構成された所定の物理的特性を有する複数の粒子を含み、所定の物理的特性が、比熱、音波屈折率、比密度、放射線不透過性、熱伝導率、電気伝導率、高周波誘導スペクトル、粗さ、および硬さから選択される、請求項１１６に記載の方法。
129. ＩＤモジュールが、ワークピースを修理する前に読み取られ、方法が、認証信号が否定的な認証を示す場合にワークピースの修理を中止するステップを含む、請求項１１６に記載の方法。

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