JP2024509659A - 複合材料からの３次元物体の自動製造 - Google Patents

Abstract

複合材料から３次元物体を製造する方法を説明する。方法は、マルチストランドフィラメントを含む複合材料を、マルチストランドフィラメントを囲むチキソトロピーマトリックス材料と共に押し出すように構成された押出ノズルの使用を含む。不連続な作業面の少なくとも一部を越えて空中に広がる３次元物体表面セグメントを押出成形し、同時に硬化エネルギー源を作動させて空中に広がる３次元物体表面セグメントを固定し、その強度を高める。空中に広がる３次元物体の押出成形された表面セグメントは十分に剛性があり、マンドレルを使用せずにその形状を維持する。

Description

本方法及び装置は、複合材料からの物体の製造、特に３次元物体の自動製造に関するものである。

複合材料は、少なくとも２つの個別の成分を含む材料である。通常、複合材料には、ガラス繊維、ケブラー（登録商標）、炭素繊維などの繊維強化材と樹脂が含まれる。樹脂は、エポキシ、ポリエステル樹脂、又はビニルエステルであり得る。２つの成分を混合して加工する際に、２つの成分は機械的及び化学的に結合して積層部品を形成する。複合材料の複合的な物理的強度及び性質は、個々の材料成分の性質のいずれかを超えている。樹脂は顔料又は染料を含み、複合材料に所望の色を提供することができ、塗装プロセスの必要性を低減する。最も頻繁に使用される炭素及びガラス繊維で強化された複合材料は多くの場合、漠然と「複合材」と呼ばれる。
複合材は、３次元物体、特に大型３次元物体の主要な製造材料（構築材料）である。

積層体の層を重ね、液状樹脂と組み合わせて硬化する、労働集約的なウェットレイアッププロセスは、現在でも主要な大型３次元物体の製造プロセスである。通常、大きくてかさばる３次元複合体は、２つ以上のパーツとして対応する数の型を使用して製造される。３次元物体を形成するパーツを合わせ、真空を加え、マットを接着する樹脂を注入する。樹脂が硬化したら、２つ以上のパーツをつなぎ合わせて３次元物体を形成する。注入技術は樹脂の導入及び硬化プロセスを簡略化するが、レイアップは依然として手間のかかるプロセスである。

ほとんどすべての３次元物体、特に大型３次元物体は、さらなる製造ステップを受ける。３次元物体の外面は、研磨、塗装、ワニスでコーティングすることができる。すべてのプロセスが依然として手作業であり、時間とコストがかかる。

複合材料はいくつかの理由で普及している。複合材料は軽量かつ高強度である。複合材料はほぼすべての環境に対して優れた耐性を有する。どの複合材料メーカーも、メーカーが好適な型又はマンドレルを持っているか、製造することができれば、ほぼすべての複合体を製造することができる。上記の複合材料から作られる３次元物体の製造ステップは、製造プロセスを遅らせ、製造される３次元物体のコストを増加させ、複合材料を無駄にする。

複合材料の軽量、環境安定性、及び強度の利点にもかかわらず、労働集約的で時間のかかる製造方法の高コストが、複合材料の発展及び使用を妨げている。

定義
複合材料シートの積層は、材料にさらなる強度を与えるために、１枚の複合材料シートを取り、それを別の複合材料シートに積層するプロセスである。

アラミド繊維は、「芳香族」と「ポリアミド」という言葉を組み合わせたものである。アラミド繊維は、少なくとも８５％が２つの芳香環に直接結合したアミド結合（－ＣＯ－ＮＨ－）である繊維の総称である。

複雑な形状の３次元物体とは、凸面又は凹面であり得る曲面、平面、及び物体の本体の外側に張り出し得る表面、又は中空物体の場合は３次元物体内部の中空空間又は空洞に突き出し得る表面を含む３次元の物理的物体を意味する。表面は傾斜し、様々な角度に配向され、様々な厚さ又はサイズを有することができる。

プリプレグは、エポキシ又は熱可塑性樹脂などの熱硬化性ポリマーマトリックス材料が既に存在する「予め含浸された」複合繊維又はストランドである。熱硬化性マトリックスは、安全な取り扱いを可能にするために部分的に硬化されている。このＢステージ材料は、完全な硬化を防ぐために特定の保管条件を必要とする。

端面準備は、製造された複合体セグメントの端部が次の複合体セグメントとの接続のために準備されるプロセスである。端面準備には、端径の縮小又は拡大、フランジング、面取りが含まれる。

フィラメントは繊維性材料の最小単位である。フィラメントは延伸及び紡糸の際に形成され、複合材用の繊維ストランドに集められる基本単位である。

フィラメントワインディングは、連続的な補強材（フィラメント、ワイヤー、糸、テープなど）の複合構造を製造するプロセスである。予めマトリックス材料を含浸させるかワインディング中に含浸させると、フィラメントは、回転しかつ取り外し可能な型又はマンドレルの上に、特定の応力条件を満たすために所定の方法で配置される。

エンドエフェクタは通常、ロボットアームの端に取り付けられたツールであり、所望の機能を行うツールである。機能は、材料堆積、スプレーペイント、完成した３次元物体の研磨であり得る。

本開示で使用される「ロボットアーム」という用語には、ロボットアーム、ガントリー、キャリッジを備えたレール／ガイド、及び荷物を持ち上げて運ぶことができる他の同等物が含まれる。

複合材料から３次元物体を製造する方法を説明する。一実施例では、方法は、マルチストランドフィラメントを囲むチキソトロピーマトリックス材料と共にマルチストランドフィラメントを含む複合材料を押し出すように構成された押出ノズルの使用を含む。不連続な作業面の少なくとも一部を越えて空中に広がる３次元物体表面セグメントを押出成形し、同時に硬化エネルギー源を作動させて空中に広がる３次元物体表面セグメントを固定し、その強度を高める。空中に広がる３次元物体の押出成形された表面セグメントは十分に剛性があり、マンドレルを使用せずにその形状を維持する。

空間内で所望の向きを受け入れるように構成された受容面で終端している個別に調整可能な支柱によって形成される不連続な作業面が、製造された３次元物体を支持する。１つ以上のロボットアームが、好適なピックアップエンドエフェクタツールを移動及び操作して３次元物体の製造における複数の作業を行う。

一実施例では、３次元物体は層状に製造され、３次元物体の各層は異なる材料から押出成形される。いくつかの実施例では、空中に広がる３次元物体の表面セグメントを支持する１つ以上のリブを、表面セグメントの押出成形と同時に押出成形することができる。

いくつかの実施例では、調整可能な支持プラットフォームにわたって分散された金属又はポリマーグリッドが、３次元物体の複合材料の堆積のための基板として機能する。

複合材料から３次元物体を製造する方法には、マルチストランドフィラメントを囲むチキソトロピーマトリックス材料を備えた強化マルチストランドフィラメントの製造が含まれる。マルチストランドフィラメントは、平坦なストリップの形状にすることができる。平坦なストリップの面に異なる複数のコーティングを堆積させることができる。

複合材料から３次元物体を製造するための装置も開示される。装置は、個別に調整可能な複数の支柱によって形成される調整可能な支持プラットフォームと、複数のエンドエフェクタツールを操作するように構成された少なくとも１つのロボットアームとを含む。エンドエフェクタツールは、製造プロセスで必要になり得る、材料押出ノズル、グリッド拡散装置、ペイントブラシ、研磨ツールなどであり得る。

装置及び方法を理解し、実際にどのように実施できるかを理解するために、添付の図面を参照して、非限定的な実施例のみによって実施例を説明する。図中、同一符号は同一又は類似の部分を意味する。

複合材料から３次元物体を製造するための本装置の一実施例の側面図である。

図１の断面Ｃ－Ｃである。

図１の装置の熱硬化装置を示す一実施例である。

複合マルチストランドフィラメントの現場での製造の一実施例である。

複合平坦マルチストランドフィラメントの現場での製造の別の実施例である。

複合平坦マルチストランドフィラメントの現場での製造のさらなる実施例である。

複合平坦マルチストランドフィラメントの現場での製造のさらなる実施例である。

ストリップの同じ側が異なる厚さの層でコーティングされた複合平坦マルチストランドの平坦ストリップの現場での製造の一実施例である。

本装置の追加ユニットの制御及び動作を示すブロック図である。

複合材料から凸面及び凹面セグメントを含む３次元物体を製造する方法の一実施例である。

複合材料から凸面及び凹面セグメントを含む３次元物体を製造する方法の別の実施例である。

複合材料からの凸面及び凹面セグメントを含む３次元物体を製造する方法のさらなる実施例である。

支持格子を使用した３次元物体の製造方法を示す。

支持格子を使用した３次元物体の製造方法の追加図である。

３次元物体の２番目の面を印刷するために回転させた図６の３次元物体の図である。

部分的に作成された３次元物体の表面のフィラメントワインディングを示す一実施例である。

複合材料の重量、環境安定性、強度の利点にもかかわらず、高コストのツール及び労働集約的で時間のかかる製造方法が、複合材料の発展及び使用を妨げている。労働集約的な作業を大幅に削減し、マンドレル又は型の必要性を軽減し、製造される物体の品質を維持する低コストの製造プロセスが利用可能になれば、業界は急速に進歩するだろう。

本明細書は、複合材料からほぼあらゆる３次元物体を製造するための自動化された方法及び装置を開示する。自動化された製造方法は、彫刻、展示物、風力ローターブレードの製造、翼、ボートの製造に適用される。提案された方法は、製造コストを削減し、より高度な３次元物体プロファイル精度を提供する。

本明細書はまた、マルチストランドコアを囲むチキソトロピーマトリックス材料を有するマルチストランドフィラメントの製造を開示する。チキソトロピー材料による押出成形マルチストランドコアのコーティングは、結合されたマルチストランド材料のほぼ瞬時の硬化をサポートし、硬化プロセスを簡素化する。

本明細書はさらに、物体設置場所での３次元物体の製造に適用可能な大型３次元物体の製造のための方法及び装置を開示する。

装置
図１は、複合材料から３次元物体を製造するための装置の一実施例の側面図である。装置１００は、製造された３次元物体、例えば、支持プラットフォーム上に置かれた３次元物体１０８を支持するように構成された調整可能な支持プラットフォーム１０４を含む。３次元物体は複雑な物体であり、平面セグメントと曲面セグメントとを含む。曲面セグメントは、凸面又は凹面で構成され得る。長尺の３次元物体、例えば、風力ローターブレード、又はカヌーの本体を製造しなければならない場合、その寸法は調整可能な支持プラットフォーム１０４の妥当な寸法を超える可能性がある。個別に調整可能な複数の支柱１１６が、調整可能な支持プラットフォーム１０４を形成する。装置１００のセクション１１２もまた、延長され又は突き出させた３次元物体１０８の調整可能な支持プラットフォーム１０４のセグメントの上の張り出しを支持するように配置された、いくつかの独立した調整可能な３次元物体支柱１１６を含む。調整可能な支柱１１６は、Ｚ軸に沿って移動するように構成され、長尺物体１０８の調整可能な支持プラットフォーム１０４のセグメントの上の張り出しを受け入れる受容面１２０を含む。調整可能な支柱１１６の受容面１２０には、回転する球体１２４が配置され、物体１０８の位置変更を容易にすることができる。受容面１２０は、対称軸２０４（Ｚ軸）に関してあらゆる方向にほぼ３４０度（図２）の範囲で回転させることができ、調整可能な支柱１１６のあらゆる受容面１２０が、調整可能な支持プラットフォーム上のすべての場所であらゆる湾曲した３次元物体を支持できるようにする。いくつかの実施例では、受容面１２０を備えた調整可能な支柱１１６は、特定の３次元物体の製造要件を満たすように位置を変えることができる。

調整可能な支柱１１６の配置の頻度は、装置１００によって異なる可能性がある。調整可能な支柱１１６の回転する球体１２４が挿入された受容面１２０間の距離は、３次元物体１０８の表面の最小限のたるみをサポートするように選択される（図１）。いくつかの実施例では、回転する円柱が回転する球体１２４に取って代わる。モーターが回転する円柱に接続され、円柱を操作し、製造された３次元物体の回転などの位置変更を支援することができる。

装置１００はガイド１４０を含むことができる。少なくとも１つのロボットアーム１４４がガイド１４０に取り付けられ、又はガイド１４０と共に移動することができる。通常、ガイドは３次元物体の最長寸法に沿ってロボットアームの動きをサポートする。１つ以上のロボットアーム１４４が、異なる作業を行うように構成され得る。例えば、複合材料押出ノズル１４８、塗料吹き付けヘッド、３次元物体研磨装置、その他必要なものを有する。ロボットアーム１４４は、複合材料押出ノズル１４８及びロボットアーム１４４に接続された他のエンドエフェクタ（ツール）を３方向又は３軸（Ｘ、Ｙ、及びＺ）に動かす。ロボットアーム１４４は、３軸のそれぞれの周りのエンドエフェクタの回転をサポートする。

いくつかの実施例では、装置１００は、調整可能な支持プラットフォーム１０４及び１１２の下側から動作する少なくとも１つのロボットアームを有する複数のロボットアームを含むことができる。調整可能な支柱１１６を特定の場所に位置変更することで、調整可能な支持プラットフォーム１０４及び１１２に下からアクセスするロボットアームの動作を容易にすることができる。

材料の押し出しの過程で、調整可能な支持プラットフォーム１０４は、製造された３次元物体を支持する。調整可能な支持プラットフォーム１０４の幅は、３次元物体の少なくとも１つの寸法を設定する。この場合、調整可能な支持プラットフォーム１０４の幅は、１メートルから４メートルの幅とすることができる。調整可能な支柱の数は、製造される３次元物体の長さを調整するために使用できる。

１つ以上の硬化放射線源１６２が、押し出されたフィラメント１６６の硬化を促進することができる。装置１００（図１）のいくつかの実施例は、押し出された材料を硬化するための複数の手段を含むことができる。硬化源の一実施例は、押出ノズルの近くに配置された複数の紫外線放射源１６２であり得る。さらなる実施例では、硬化放射線源は、３次元物体の押し出されたばかりの要素に放射線を向けるように配置することができる。

レーザービーム又はレーザービームの使用に基づく他の光学的位置合わせ器具１７０を、調整可能な支柱１１６の受容面１２０の位置合わせ及び較正に使用することができる。この特徴は、オフサイト（現場）の３次元物体製造設備の一般的な位置合わせ及び較正を容易にする。

熱は、押し出された材料の一部を硬化し得る。装置１００は、いくつかのＩＲ（赤外線）源３０４（図３）又は、３次元物体の押し出されたばかりの要素を加熱するように配置された単純なヒーターさえも含むことができる。ＩＲ源３０４は、製造される３次元物体に沿ってロボットアームによって移動されるブリッジ型ホルダ３０８に配置することができる。代わりに、ＩＲ源３０４を製造される３次元物体と共にＩＲ源を運ぶガントリーに配置することもできる。

押出成形
図４Ａは、米国特許出願公開第２０１４／０３２８９６４号、国際出願公開第２０１９／２４５３６３号、及び欧州特許第３２３１５９２号に開示されているものと同様のモードで製造された強化マルチストランドフィラメントを押し出すように構成された押出ノズル４０４の一実施例である。一実施例では、強化マルチストランドフィラメント４０６は、３次元物体の製造と共に製造現場で製造される。代わりに、事前に製造され、第三者から購入されたマルチストランドフィラメント（プリプレグ）が用いられ得る。一実施例では、強化フィラメント４０６は、マルチストランドコア４０８と、マルチストランドコアを囲むマトリックス材料４１２と、強化フィラメント４０６の急速凝固をサポートする追加のコーティング４１６とを含む。追加のコーティング４１６はまた、マルチストランド強化フィラメント４０６の表面を滑らかにする。強化フィラメントのコア４０８は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、又はケブラーストランドから成る材料群のうちの１つであり得る。フィラメントマトリックス４１２は、二成分エポキシ、速硬化エポキシ、ポリエステル樹脂、又はビニルエステルから成る材料群のうちの１つなどのポリマーであり得る。エポキシ成分は、押し出し前に混合チャンバ４２４で混合され、マルチストランドコア又はフィラメントと共に押し出される。

さらなる実施例では、プリプレグ材料であり得る強化フィラメント４０６は、マトリックス材料を囲む追加のコーティング層４１６を含む。例えば、追加のコーティング材料は、強化フィラメント４０６の急速凝固をサポートするカチオン硬化エポキシ又はチキソトロピー材料であり得る。

本開示では、強化マルチストランドフィラメント４０６はさらに、別のコーティングシステム４２８を通過する。コーティングシステム４２８は、元のマルチストランドフィラメント４０２をチキソトロピー材料４１６の層でコーティングする。チキソトロピー材料は、強化及びコーティングされたフィラメント４０６のほぼ瞬時の硬化をサポートする。チキソトロピー材料は、本出願の譲受人から入手可能な独自のフォトポリマー材料であるＤｉｍｅｎｇｅｌ（登録商標）などであり得る。矢印４３０は、マルチストランドフィラメントの進行方向を示す。

さらなる実施例では、マルチストランドフィラメントは平坦なストリップ４３４として製造される（図４Ｂ）。ストリップ４３４は、プリプレグとして事前に製造し、２つのローラー４３６及び４３８を通して供給することができた。平坦なストリップの利点は、異なるコーティング／材料によってストリップのそれぞれの面４４２～４４４を容易にコーティングすることができ、コーティングされた層のそれぞれが、平坦なストリップ４３４－１を形成する、異なる厚さであり得ることである。例えば、面４４２は速硬化又は二成分エポキシによってコーティングすることができ、面４４４はチキソトロピー材料によってコーティングすることができる。ストリップ４３４－１は、マルチストランドコアとコーティングシステム４４０を提供することによって、３次元物体製造現場で製造することができる。

速硬化エポキシは、円柱形のストリップ又は平坦なストリップの形の強化フィラメントの急速凝固をサポートするカチオン硬化エポキシであり得る。チキソトロピー材料は、本出願の譲受人から市販されている材料であり得る。

既に説明したように、強化フィラメント４３４のコアは、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、又はケブラーストランドから成る材料群のうちの１つであり得る。

図４Ｃは、各ブラシ４４６－４４８が同一又は異なる材料で平坦なストリップ４３４の両側をコーティングすることができる、ブラシコーティングシステムを示す。図４Ｄは、材料スプレーノズル４５０が平坦なストリップの両側に異なる材料４５２又は４５４を吹き付ける、スプレーコーティングシステムを示す。図４Ｅ－１は、異なる厚さの層４６０及び４６２を形成する異なる方法でコーティングされた平坦なストリップの実施例である。図４Ｅ－２は、１つ以上のインクジェットノズルが平坦なストリップ４３４の同じ側に異なる材料４７２－１、４７２－２、及び４７２－３を堆積する実施例を示す。堆積された材料は、同じ厚さ又は異なる厚さであり得る。

押出ノズル４０４（図４Ａ）は、チキソトロピー材料によって強化及びコーティングされたマルチストランドフィラメント４０６、４３４－１などを押し出し、３次元物体１０８（図１）の平面セグメント及び曲面セグメントを形成する。同じ譲受人及び発明者の米国特許第１０，６３９，８４６号は、押出ノズルのそれぞれが他の押出ノズルから独立して動作するマルチノズル押出装置を開示している。この装置は、３次元物体１０８などの異なるセグメントの同時印刷をサポートする。ノズル断面の他のサイズ及び形状、例えば、六角形、正方形、楕円形、長方形を、特定の３次元物体の要件に応じて使用することができる。押出ノズル４０４（図４Ａ）の直径は、典型的には２．０～２．５ｍｍである。長方形又は楕円形のノズルは、幅１．０～２．５ｍｍ、長さ５．０～１０．０ｍｍであり得るが、他の大きなサイズ又は小さなサイズも可能である。ノズルは交換可能であり、装置１００（図１）が様々な構造表面を有する部品を製造することを可能にする。

マルチストランドフィラメント４０６及び他の強化フィラメントが押し出され又はコーティングされる供給速度も、コーティングの厚さを調整することができる。一実施例では、複数の押出ヘッドの使用が想定されている。複数のフィーダーが、複数のストランドを押し出して複数の押出ヘッドに供給するように動作することができる。装置１００は、複数のフィーダーを交互に入れ替え、異なるマルチストランドフィラメントを３次元物体の異なるセグメントに適用することができる。

装置の追加ユニット
図５は、装置１００の追加ユニット、それらの制御、及び動作のブロック図である。装置１００は、装置１００の動作を制御する制御コンピュータ１５２を含む（図１）。制御コンピュータ１５２は、ＣＡＤシステムから製造される３次元物体、例えば３次元物体１０８の輪郭（プロファイル）及び長さを受信する。コンピュータ１５２は、３次元物体１０８の輪郭曲率（プロファイル）及び長さに適合するように調整可能な支柱１１６（図１）の受容面１２０の角度及び高さを調整する。制御コンピュータ１５２は、１つ以上のロボットアーム１４４の移動、材料トラフノズル１４８の押出速度、硬化エネルギーレベル、及び他の３次元物体製造パラメータを制御する。

制御コンピュータ１５２は、必要に応じて、３次元物体研磨装置５０４、塗料吹き付け装置５０８、ワニス堆積装置５１２などのロボットアームを制御する。ロボットアーム１４４又は同様のものは、ロボットアームに接続された押出ノズル１４８及び他のエンドエフェクタ（ツール）を３方向又は３軸（Ｘ、Ｙ、及びＺ）に動かし、エンドエフェクタの回転をサポートする。

制御コンピュータ１５２は、複数のロボットアーム１４４を同時に、例えば、異なるノズルを通して異なる材料の移動及び押し出しを制御するように構成された、いくつかのロボットアーム、３次元物体と他の異なる表面セグメントの同時ペイントを制御するように構成することができる。

ロボットアーム
ロボットアームは、モーターによって作動されるジョイントによって動かされる一連のリンクである。通常、エンドエフェクタが一連のリンクの端に取り付けられる。エンドエフェクタは、所望の機能を果たすツールである。ロボットアームは、エンドエフェクタをある場所から別の場所へと移動させる。本明細書は、押し出された材料を堆積し、塗料を吹き付け、完成した３次元物体を研磨するのに適したいくつかのエンドエフェクタツールの使用を開示している。ロボットアームは、交換可能な複数のエンドエフェクタツールを操作するように構成されている。いくつかのロボットアームは、同時にいくつかのエンドエフェクタツールを操作することができる。

同じ譲受人の米国特許第８，９７４，２１３号、第９，１６２，３９１号、及び第９，５２７，２４３号は、押し出された層の間に金属又はポリマーのネット又はグリッドを挿入することによって３次元物体を強化する方法を開示している。別の実施例では、好適なピックアップエンドエフェクタツールを備えたロボットアーム１４４又は同様のものを配置して、金属又はポリマーのグリッド（ネット）８０４（図８）をピックアップし、調整可能な支持体１１６の受容面１２０の上に広げることができる。適切に選択されたメッシュを備えたこのようなグリッドは、押し出された材料を蒸着するのに便利な基板を提供する。

ロボットアームは、コンピュータ１５２に所望のフィードバックを提供し、ロボットアームの動きを調整する、内蔵の圧力センサ、ビジョンセンサなどを有することができる。

本開示では、１つ以上のロボットアームがレール１４０に取り付けられ、レールのロボットアームの移動をサポートする。少なくとも１つの衝突検出センサが、起こり得る衝突に関してロボットアームの移動を制御するコンピュータを提供するように動作する。

ロボットアーム１４４は、調整可能な支持プラットフォームの表面と調整可能な支持セクション１１２のすべてのポイントに到達し、押出成形された３次元物体の表面セグメントに対してノズル１４８を常に垂直に維持するように構成される。ロボットアーム１４４に取り付けられたノズル１４８は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれの周りを少なくとも１８０度回転することができる。ノズル１４８を保持するロボットアームの使用は、一度のセットアップでアーク／リブ全体（図７Ａ）の押し出しをサポートする。

複合材料の３次元物体の製造の過程で、ロボットアーム１４４は、押出ノズル１４８を縦方向ガイド１４０の至る所に縦方向ガイド１４０に沿って移動させ、３次元物体の調整可能なプラットフォーム１０４及び１１２（図６）及び調整可能な支持面に対して異なる角度で強化フィラメント（図６と７）を堆積させる。強化フィラメントは、螺旋状のパターンで３次元物体に当てられる。螺旋の角度は、連続的な層を作るのに必要な数の螺旋を堆積させるように調整することができる。

速硬化エポキシのマトリックスを使用した強化フィラメントの少なくとも１つの層を３次元物体に螺旋パターンで取り付けて連続的な表面を形成することができる。二成分エポキシのマトリックスを備えたマルチストランドフィラメントが、３次元物体の後続の層を形成することができる。このような３次元物体構造は、３次元物体に追加の強度を提供する。最良の結果の強度を得るための層間での材料の他の変更及び置換は、開示範囲内にある。

実施例
図６は、複合材料から作られた３次元物体６００を押出成形する方法の一実施例である。３次元物体６００は、凸面セグメント６０４及び凹面セグメント６０８を含む。３次元物体６００のすべての表面セグメントは同じレベルで終端し、調整可能な支持プラットフォーム１０４／１１２上に３次元物体６００の平面又は平坦な表面６０２を形成する。ＣＡＤシステムが、制御コンピュータ１５２に３次元物体６００に関する情報を提供する。制御コンピュータ１５２は、支柱１１６のすべての受容面１２０を水平にし、調整可能な支持プラットフォームの平面を形成するように動作する。

装置１００（図１）は、複合材料を押し出し、凸面セグメント６０４と凹面セグメント６０８のアークを形成する。凸面セグメント６０４と凹面セグメント６０８のアークは、調整可能な支持プラットフォーム１０４／１１２に接続される。別の実施例では、平面６０２を形成する複合材料のストリップが、強い閉じた輪郭を形成することができる。押し出された材料、例えば、チキソトロピー材料は、ノズル４０４を出た直後に硬化し、平面６０２、凸面６０４、及び凹面６０８を形成する材料のストリップは、それらの重量で変形しないほど十分に硬くなる。押し出された複合材料によって形成された、空中に広がる３次元物体の表面セグメント６０４及び６０８は十分に硬く、空中に浮いたままである。３次元物体の表面セグメント６０４及び６０８の製造にはマンドレルは使用されなかった。

別の実施例では、装置１００は材料のストリップを押し出して平面６０２の輪郭を形成する。装置１００（図１）は、平面６０２の輪郭に接続された凸面セグメント６０４及び凹面セグメント６０８のアークを押し出し続ける。

平面６０２のセグメントを形成する材料のストリップは、３次元物体６００の輪郭を強化する一種の中間サポートであり、すべてのパスで印刷されるとは限らない。

ロボットアーム１４４は、押出ノズル４０４を３方向又は３軸（Ｘ、Ｙ、及びＺ）に動かし、３軸のそれぞれの周りの押出ノズル４０４の回転をサポートする。移動の過程で、ノズル４０４は、強化及びコーティングされたフィラメント４０６を押し出し、少なくとも３次元物体６００のセグメントを形成する。ノズル１４８は、ノズル４０４と同様の移動を行うように構成される。

１つの押出ノズルが動作すると、３次元物体６００のセグメントが順次押出成形される。同じ譲受人及び発明者の米国特許第１０，６３９，８４６号は、押出ノズルのそれぞれが他の押出ノズルから独立して動作するマルチノズル押出装置を開示している。このような装置は、３次元物体６００の異なるセグメントの同時印刷をサポートする。本製造方法によれば、３次元物体６００の製造はマンドレル又は型を必要としない。

装置１００は、層の集合体としての３次元物体６００の製造をサポートすることができる。層は異なる材料の層であり得る。例えば、層の１つは速硬化エポキシを用いて製造し、別の層は二成分エポキシを用いて製造することができる。単一の押出ヘッドを備えた装置１００は、異なる層を順次押出成形する。複数の押出ヘッドを備えた装置は、異なる材料による層を同時に押出成形することができる。

同じ譲受人の米国特許第１０，３２８，６３５号は、３次元物体の製造のための方法及び装置を開示している。複数の同一の３次元物体の場合、装置６００は適切な材料を使用して型を製造するように構成することができる。型は、同一の３次元物体の製造（成形）に使用することができる。開示された方法は、同一の３次元物体の製造時間を節約し、それらの製造コストを削減する。

図７Ａは、複合材料による凸面セグメント及び凹面セグメントを含む３次元物体の製造方法の別の実施例である。高さが５０ｍｍを超え、不連続又は個別に調整可能なプラットフォーム表面１０４／１１２にまたがる長尺の３次元物体の表面セグメントの強度は、内部支持壁又はリブ７０４を追加することによって強化することができる。内部支持リブ７０４は、３次元物体６００の凸セグメント６０４及び凹セグメント６０８と同時に印刷することができる。内部支持壁又はリブ（図７）は、３次元物体の輪郭に正確に従う。いくつかの実施例では、リブ又は壁７０４は、完全な３次元物体の断面を示すように、すなわち３６０度周囲に広がるように製造することができる。３６０度周囲に広がるリブは、３次元物体の位置変更、例えば、３次元物体の回転をサポートすることができる。

内部支持壁（図７Ｂ）は、１組の柱７１０又は他の形状であり得る。ケーブル又はチューブの導入をサポートする開口部を、支持壁に作成するか又は柱７１０の間に入れることができる。内部支持壁と柱の配置の位置及び頻度は、製造された３次元物体の完全性を維持するために選択することができる。

別の実施例では、３次元物体に平坦な表面がない場合、装置１００は、ロボットアーム８１２又は別のロボットアームを使用して調整可能な支柱１１６の関連する受容面１２０の上に金属又はポリマーのグリッド（ネット）８０４を広げることによって、３次元物体の製造を開始することができる。制御コンピュータ１５２（図１）は、ＣＡＤシステムから３次元物体のデータを受信し、製造される３次元物体の曲率及び長さに適合するように支持部材１１６のすべての受容面１２０を配置するべく動作する。ネット又はグリッド８０４の使用は、あらゆる３次元物体形状の押し出しをサポートする。図８Ｂは、ロボットアーム８１２によるグリッド基板８０４の広がりを示す。

ロボットアームは、押出ノズル４０４を３方向又は３軸（Ｘ、Ｙ、及びＺ）に移動させ、３軸のそれぞれの周りの押出ノズル４０４の回転をサポートする。移動の過程で、ノズル４０４は強化及びコーティングされたフィラメント４０６を押し出し、３次元物体の少なくとも一部を形成する。製造された３次元物体は、凸面セグメント又は凹面セグメントを含むことができる。

図６及び図７に示した両方の実施例において、製造される３次元物体は、３次元物体の強度及び機能的要素を強化するいくつかの内部構造を含むことができる。ハニカムのような制御された多孔構造を有する複合材料は、３次元物体の強度を高めることが知られている。例えば、押出成形された制御された多孔構造は、セル壁のピッチ及び高さを可変にすることができる。例えば、風力ローターブレードの場合、スパー部分は、ブレードの長さに沿ってピッチを変化させるハニカム構造を有することができる。

複合材料で作られた３次元物体の製造が完了すると、３次元物体６００（図９）は位置を変えることができ、例えば、３次元物体の面の一方を中心に１８０度回転させることができる。３次元物体の回転は、支柱１１６の適切な調整とロボットアームの使用によって実現することができる。物体６００のアーク６０４と６０８の反対側に向けられた追加の凸又は凹セグメント９００を製造することができる。

３次元物体の製造が完了すると、ほぼ完成した３次元物体のアセンブリを研磨する必要がある。サンドペーパーを備えたパッドを保持する１つ以上のロボットアームを作動させて、風力ローターブレード１０００の外面を研磨することができる。同様の方法で、ロボットアームを使用して塗料吹き付け装置を操作し、風力ローターブレードの表面を塗装してワニスで覆うことができる。

装置１００（図１）は、従来のエアフォイルプロファイルの断面を有する３次元物体の製造に適している。エアフォイルは、飛行機の翼、風力タービンのブレードのプロファイルであり、他の３次元物体は凸面と凹面とを含む。エアフォイル及びカヌーは、比較的長尺の物体である。本製造方法は、物体をいくつかのセクションに切断し、各セクションを別々に製造し、それらを１つの長尺の３次元物体へと接続することによって、このような長尺の３次元物体を製造することを提案している。適切な端面準備に続いて、グリッド、フィラメントワインディング、及びより強い材料の押し出しを使用することによって、接続領域の強度を高めることができる。

同じ譲受人の米国特許第８，９７４，２１３号、第９，１６２，３９１号、及び第９，５２７，２４３号は、押し出された層の間に金属又はポリマーのネット又はグリッドを挿入することによって３次元物体を強化する方法を開示している。これらの特許に記載された方法によって印刷された３次元物体は、平坦な表面又は均一な曲率を有する表面の上にグリッドを広げる。物体６００は、正の曲率６０４及び負の曲率６０８を有するセグメント６０４を有する。一実施例では、グリッドは、製造される３次元物体セグメントに従ってセグメント化することができる。別の実施例では、異なるフィラメントワインディングを異なる３次元物体セグメントに適用できる。

一実施例では、３次元物体を単一の固体として製造することができる。別の実施例では、３次元物体の大きなセグメント、例えば半分（図６）が製造される。他の表面セグメントを製造するために、３次元物体６００を再配置して、例えば回転させて他の表面セグメント９００（図９）の製造を容易にすることができる。受容面１２０（図６）の角度の変更は、３次元物体の第２の面を印刷するために回転される３次元物体６００の回転をサポートする。受容面１２０の位置の変更、ローラーの操作、ロボットハンドの使用などは、３次元物体の位置変更のプロセスを支援することができる。

図１０は、部分的に作成された３次元物体の表面のフィラメントワインディングを示す実施例である。フィラメントワインディングは、部分的に製造された３次元物体１０００を強化し、その上に３次元物体材料の追加の層を堆積できる便利な基板を提供する。３次元物体は、ローラーの操作、ロボットアームの使用、及び同様のプロセスを含むさまざまな手段によって、フィラメントワインディングのために位置を変えることができる。

３次元物体の製造が完了すると、ほぼ完成した３次元物体のアセンブリを研磨する必要がある。サンドペーパーを備えたパッドを保持する１つ以上のロボットアームを作動させて、３次元物体、例えば、風力ローターブレードの外面を研磨することができる。同様の方法で、ロボットアームを使用して塗料吹き付け装置を操作し、風力ローターブレードの表面を塗装してワニスで覆うことができる。

本明細書は添付の図面及び実施例を参照しているが、本明細書の技術的主旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更及び修正を加えることができることが当業者には理解されるであろう。

Claims (43)

1. 複合材料から３次元物体を製造する方法であって、
   マルチストランドフィラメントを含む複合材料を、前記マルチストランドフィラメントを囲むチキソトロピーマトリックス材料と共に提供することと、
   前記複合材料を押し出すように構成された少なくとも１つの押出ノズルを提供することと、
   不連続な作業面の少なくとも一部を越えて空中に広がる３次元物体表面セグメントを押出成形することと、
   硬化エネルギー源を作動させて、空中に広がる３次元物体表面セグメントを固定し、その強度を高めることと
   を含み、
   押出成形された空中に広がる３次元物体表面セグメントは十分に剛性があり、マンドレルを使用せずにその形状を維持する、方法。
2. 空中に広がる３次元物体表面セグメントは製造される３次元物体の表面輪郭と一致する、請求項１に記載の方法。
3. 前記３次元物体表面セグメントを押出成形するのと同時に、硬化エネルギー源を作動させて空中に広がる３次元物体表面セグメントの完全な硬化を促進する、請求項１に記載の方法。
4. 前記不連続な作業面を、空間内で所望の向きを受け入れるように構成されたパッドで終端している個別に調整可能な支柱によって形成する、請求項１に記載の方法。
5. 前記３次元物体セグメントの製造において複数の作業を行うために好適なピックアップエンドエフェクタツールを備えたロボットアームを使用する、請求項１に記載の方法。
6. 前記好適なピックアップエンドエフェクタツールが、ノズル、ペイントブラシ、研磨ツール、及びグリッドピックアップツールから成るツール群のうちの１つである、請求項５に記載の方法。
7. 前記３次元物体を層状に押出成形し、各層を異なる材料から押出成形される、請求項１に記載の方法。
8. 前記空中に広がる３次元物体表面セグメントを支持するリブを押出成形する、請求項１に記載の方法。
9. 前記３次元物体表面セグメントを支持するリブが３６０度周囲に広がり、前記リブは前記３次元物体の位置変更をサポートする、請求項１に記載の方法。
10. 製造現場でマルチストランドコアを囲むチキソトロピーマトリックス材料を備えたマルチストランドフィラメントを製造する、請求項１に記載の方法。
11. 押出成形されたマルチストランドコアをチキソトロピー材料でコーティングする、請求項１に記載の方法。
12. 複合材料から３次元物体を製造する方法であって、
    マルチストランドフィラメントを、前記マルチストランドフィラメントを囲むチキソトロピーマトリックス材料と共に提供することと、
    複合材料を押し出すように構成された押出ノズルを提供することと、
    不連続な作業面を提供し、前記不連続な作業面の少なくとも一部を越えて空中に広がる少なくとも１つの３次元物体表面セグメントを押出成形することと、
    硬化エネルギー源を作動させて空中に広がる３次元物体作業面の完全な硬化を促進することと、
    を含み、空中に広がる押し出された複合材料によって形成される３次元物体表面セグメントは十分に剛性があり、空中に浮いたままである、方法。
13. 前記空中に広がる３次元物体表面セグメントは、空間内でその方向を連続的に変える、請求項１２に記載の方法。
14. 前記３次元物体の製造はマンドレルの使用を必要としない、請求項１２に記載の方法。
15. 前記３次元物体の強度は、押し出された層の間に金属又はポリマーのグリッドを挿入することによって強化される、請求項１２に記載の方法。
16. ロボットアームを使用して調整可能な支持の受容面上に金属又はポリマーのグリッドをピックアップして広げる、請求項１２に記載の方法。
17. 金属又はポリマーのグリッドが、前記３次元物体の複合材料の堆積のための基板として機能する、請求項１２に記載の方法。
18. 複合材料から３次元物体を製造する方法であって、
    マルチストランドフィラメントを含む複合材料を、前記マルチストランドフィラメントを囲むチキソトロピーマトリックス材料と共に提供することと、
    前記複合材料を押し出すように構成された押し出し部材を提供することと、
    受容面で終端している複数の個別の支柱を備える作業面を提供し、個別の作業面の少なくとも一部を越えて空中に広がる少なくとも１つの３次元物体表面セグメントを押出成形することと
    を含み、前記個別の支柱を終端させる前記受容面は、前記空中に広がる３次元物体表面セグメントの向きに一致する空間内の向きを受け入れるように構成される、方法。
19. 硬化エネルギー源を作動させて、空中に人がる３次元物体表面セグメントの完全な硬化を促進する、請求項１８に記載の方法。
20. 空中に広がる３次元物体表面セグメントは十分に剛性があり、マンドレルを使用せずに空中に浮いたままである、請求項１８に記載の方法。
21. 方法は、３次元物体を成形するための型の製造を含む、請求項１８に記載の方法。
22. 複合材料から３次元物体を製造する方法であって、
    マルチストランドフィラメントを、前記マルチストランドフィラメントを囲むチキソトロピーマトリックス材料と共に提供することと、
    複合材料を押し出すように構成された押出ノズルを提供することと、
    不連続な作業面を提供し、前記不連続な作業面にわたってグリッドを分散させることと、
    グリッドで覆われた不連続な作業面の少なくとも一部を越えて空中に広がる少なくとも１つの３次元物体表面セグメントを押出成形することと、
    硬化エネルギー源を作動し、空中に広がる３次元物体作業面の完全な硬化を促進することと
    を含み、空中に広がる押し出された複合材料によって形成される３次元物体表面セグメントは十分に剛性があり、空中に浮いたままである、方法。
23. 強化マルチストランドフィラメントの製造方法であって、
    マルチストランドコア材料を提供することと、
    前記マルチストランド繊維材料をマトリックス材料堆積装置に通すことと、
    前記マトリックス堆積装置を作動して前記マルチストランド繊維材料をマトリックス材料で覆うことと
    を含み、前記マトリックス材料はチキソトロピー材料である、方法。
24. 前記チキソトロピー材料は前記マルチストランドフィラメントの即時硬化をサポートする、請求項２２に記載の方法。
25. 前記マルチストランドフィラメントを平坦なストリップの形状に押し出す、請求項２２に記載の方法。
26. 前記平坦なストリップの面に異なる材料の複数のコーティングを施す、請求項２４に記載の方法。
27. 前記ストリップのそれぞれの面に異なる組成を有する材料を塗布することによって前記平坦なストリップに異なる品質を提供する、請求項２２に記載の方法。
28. マルチストランドフィラメントプリプレグの強度を高める方法であって、
    マルチストランドプリプレグフィラメント材料を提供することと、
    前記マルチストランドプリプレグフィラメント材料をマトリックス材料堆積装置に通すことと、
    前記マトリックス堆積装置を作動して前記をチキソトロピー材料の層で覆うことと
    を含み、前記チキソトロピー材料の層は前記マルチストランドフィラメントの即時硬化をサポートする、方法。
29. マルチストランドフィラメントを追加のコーティングで覆い、前記マルチストランドフィラメントの強度を高める、請求項２７に記載の方法。
30. マルチストランドフィラメントを追加のコーティングで覆い、前記マルチストランドフィラメントの表面を改善する、請求項２７に記載の方法。
31. 複合材料から３次元物体を製造するための装置であって、
    複数の個別に調整可能な支柱によって形成された調整可能な支持プラットフォームと、
    製造される３次元物体の複合材料を押し出すように構成された少なくとも１つの材料押出ノズルと、
    複数のエンドエフェクタツールを操作するように構成された少なくとも１つのロボットアームと
    を含み、少なくとも１つのロボットアームは、少なくとも１つの押出ノズルを押出成形された３次元物体の表面セグメントの表面に対して垂直に維持する、装置。
32. 前記材料押出ノズルは、マルチストランドフィラメントを囲むチキソトロピーマトリックス材料を有するマルチストランドフィラメントを含む前記複合材料を押し出すように構成される、請求項３０に記載の装置。
33. 前記個別に調整可能な支柱は、空間内で所望の向きを受け入れるように構成された物体受容面で終端している、請求項３０に記載の装置。
34. 物体受容面がそれぞれの調整可能な支柱を終端させ、前記物体受容面は、前記調整可能な支柱の対称軸（Ｚ軸）に関して任意の方向に３４０度回転する、請求項３２に記載の装置。
35. 前記複合材料押出ノズルを保持する前記ロボットアームは、空中に広がる３次元物体表面要素の輪郭に従うように構成される、請求項３０に記載の装置。
36. 少なくとも１つのロボットアームが、交換可能な複数のエンドエフェクタツールを操作するように構成される、請求項３０に記載の装置。
37. 制御コンピュータが、前記空中に広がる３次元物体表面セグメントの輪郭をＣＡＤシステムから受信する、請求項３４に記載の装置。
38. 少なくとも１つのロボットアームが前記材料押出ノズルを移動させ、前記押出ノズルを前記押出成形された３次元物体の表面セグメントに対して垂直に維持する、請求項３０に記載の装置。
39. 制御コンピュータが、前記押出ノズルの角度を前記押出成形された３次元物体の表面セグメントに対して垂直に保つように前記押出ノズルの角度を動的に変更する、請求項３０に記載の装置。
40. 前記押出ノズルの断面が、円形断面、長方形断面、及び六角形断面から成る断面群のうちの１つである、請求項３０に記載の装置。
41. 前記押出ノズルは追加のコーティングでマルチストランドフィラメントを覆い、前記追加のコーティングは前記マルチストランドフィラメントの強度を高める、請求項３０に記載の装置。
42. 少なくとも１つのロボットアームが、製造される３次元物体のすべての点に到達するように構成される、請求項３０に記載の装置。
43. ３次元物体の製造はマンドレル又は型の使用を必要としない、請求項３０に記載の装置。

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