JP4035325B2 - 積層成形品を構成するシステム及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は一般的に物質構成の分野に関し、より詳細には積層成形品を構成するためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
本発明の背景
積層品の製造（ＬＯＭ）は、コンピューター支援型デザイン（ＣＡＤ）ファイルから直接的に工業デザインのプロトタイプを組み立てるために使用される、商用の迅速なプロトタイプを造る工程である。ＬＯＭ工程において、製造される部品の立体モデルのＣＡＤファイルが最初に生成される。次いで、ＣＡＤモデルは、一連の薄い連続した層にスライスされる。次ぎに、このＣＡＤファイルは、積層製造アプローチによってその部品の三次元モデルを構築するために、ＬＯＭにある迅速プロトタイプ製造ユニットへ送られる。
【０００３】
積層製造アプローチは下記のように簡単に記載される。第一に、自動シート供給装置構造は、単一で特大の材料の層（織られたものか若しくはテープ）をＬＯＭ構築プラットフォームへ転送する。次に、熱したローラーは、構築層（層の背面は一般的に熱的に活性化される接着剤を含む）へ層を結合させる。次いで、レーザーは、ＣＡＤファイルからの特定の“スライス”層に対応する幾何学的な形状となるように層を切断する。その部分の容積に対応しない層の領域は、後の除去のためにレーザーでクロスハッチされる（平行線模様がマークされる）。連続する層の転送、ラミネーション、レーザー切断及びクロスハッチング段階は、対象物全体（現時点では、層のスタック（積み重ね）のクロスハッチされた容積に埋め込まれる。）が構成されるまで、ＣＡＤファイルの対応する幾何学的“スライス”層のそれぞれに関して実行される。最終のデキュービング段階（三次元のプロトタイプを露出させるためにクロスハッチされた部分を取り除く段階）において、レーザーでクロスハッチされたラミネーションスタックの領域は、三次元モデルを露出させるために手動で除去される。一般的に、標準的なＬＯＭ工程は、木材の三次元モデルに近い特性を有する三次元のモデルを生成する構造物質として紙の粘着性の背面シートを利用する。
【０００４】
既に記載の商用ＬＯＭ工程（指定の二次元ＬＯＭ）は、連続ファイバーの湾曲した合成物構造を製造する場合、平面構築技術では構成要素の湾曲方向に追随する補強ができないという主要な欠点がある。合成物の製造における二次元ＬＯＭのこの特定の欠点は、湾曲ＬＯＭ工程（指定の三次元ＬＯＭ）の開発によって克服された。三次元ＬＯＭでは、二次元ＬＯＭによって主軸（マンドレル）若しくはツールが最初に生成され、最終部分がその上に加工される。ツールは、湾曲部分全体の表面形状を生成するための型として役立つ。したがって、当該工程は、ツールの表面に積層成形品の層が連続して掛けられ、柔軟なエラストマーの加熱した隔板で固められるという点で従来の合成物工程に似ている。近年、様々な金属、セラミック、ポリマー及び合成物物質の部品を加工できるようにする特別なＬＯＭテープの処方が実現された。合成物構成部品を加工するためのＬＯＭの利点は、シート材料の取り扱いに対するその本来の性能、その高度のオートメーション、及び、（ＬＯＭ自身が生成する主軸以外に）加工のためのツールを必要としないという追加的な利点に基づく。
【０００５】
低いラミネーション温度を必要とする材料で製造される部品では、標準的なＬＯＭペーパーが、主軸／ツールのための構成物質として適当である場合が多い。しかしながら、より高いラミネーション温度、及び／若しくは、圧縮圧力を必要とする、ラミネートテープ、層、若しくは、プリプレグ材においては、主軸／ツールのための代替物質が必要とされる。それらの物質からかかる主軸／ツールを製造するために必要な時間、費用、及び、技術開発は、所望の部品を製造するために必要な時間、費用、及び技術開発と等しいものとなり得る。三次元ＬＯＭにおけるこれらツールのための必要条件は、効果的で迅速なプロトタイプ製造技術（特に迅速な合成物のプロトタイプの製造のためのもの）としての工程を魅力ないものにしてしまう。三次元ＬＯＭをより実行可能で迅速なプロトタイプ製造工程とするために、要求される主軸／ツールの形状を生成するための迅速な方法が必要とされる。加えて、三次元ＬＯＭの可能性を増大し、かつ、広げるために、複雑な湾曲を備える合成物部品を生成するための迅速な方法が必要とされる。
【０００６】
別の迅速なプロトタイプを造る技術は、再構成可能ツール（ＲＴ）を活用する。一般的に、再構成可能ツールは、横断面の表面形状が特定の成形加工の適用に依存して変化し得る、個々に移動可能な金属ピンの配列からなる。再構成可能ツールは、様々なツール表面を生成すべく個別のピンの位置を迅速に変えることを可能にするために、コンピューターソフト・アルゴリズムと連動する。通常は、ダイピンによって引き起こされる陥凹形成部分を除去するために、エラストマーのインターポレーティング層が、再構成可能ツール表面と整形される材料との間に配置される。このインターポレーティング層は、より滑らかなツール表面の輪郭を生成する。最初に、ＲＴはシート金属部品において迅速なプロトタイプを造るために利用された。しかしながら、近年、ＲＴは様々な金属、セラミック、ポリマー及び合成物材料から部品を製造することを可能にするよう発展してきた。複合材料部品の製造におけるＲＴの利点は、シート材料を形成するためのその本来の性能及びオートメーションの高い度合いに基づく。ＲＴの概念は、複雑な弯曲を備えた複合部品を製造する迅速な方法として、合成物形成とＬＯＭに基づいたプロトタイプを造る技術との両者の能力を高めて拡張するために必要である。
【０００７】
これらのシステム及び方法が従前のアプローチを超えた著しい改良を提供する一方で、物質構成の分野での課題は、より高い柔軟性及び適応性を有した、より多くのより良い技術の需要とともに増加し続けた。したがって、積層成形品を構成するための新規で迅速なシステム及び方法の必要性が生じた。
【０００８】
本発明の概要
本発明に従って、以前に開発されたシステム及び方法に関連した欠点及び問題を実質上除去するか縮小する、積層成形品を構成するためのシステム及び方法が提供される。
【０００９】
積層成形品を構成するためのシステムが開示される。システムは、層のスタックを形成するために連続して１つ以上の層を積み重ねる層の供給装置を含む。コンピューターは、各層が層のスタックの一部になった後、各層を所望の形状へ切断するようにレーザーに命令する。次いで、層のスタックは再構成可能ツール上に置かれる。続いてアクチュエーターが再構成可能ツールの要素を所定の形状へ再構成している一方で、適用された圧力は、再構成可能ツールに対して層のスタックを押し付ける。より詳細な実施態様において、ダイアフラム成形のような合成物形成工程が、再構成可能ツールの要素が再構成される前に層のスタックを圧縮するために使用される。
【００１０】
積層成形品を構成するための方法が開示される。この方法は４つの段階を含む。段階１は、層のスタックを作成するために、層のスタックをレイアップする積層品の生産工程の利用を必要とする。段階２は、再構成可能ツール上に層のスタックを置くことを必要とする。段階３は、再構成可能ツールに対して層のスタックを押し付けることを必要とし、最終段階は、再構成可能ツールを所望の形状に構成することを必要とする。より特定の実施態様において、追加的な段階は、再構成可能ツールを所望の形状へ構成する段階以前に、２つの弾力性隔板間に層のスタックを配置して層のスタックを圧縮するための段階を提供する。
【００１１】
本発明の技術的な利点は、合成物の三次元ＬＯＭのような高温材料加工に適したＬＯＭにおける主軸／ツールの迅速な生成である。それらの高温度ツールを開発し、製造する時間及びコストは、構成される実際の構造を開発し、製造する時間及びコストと伝統的に等しいものとなり得る。
【００１２】
本発明の別の技術的利点は、複雑な湾曲を備える合成物構造を製造するＬＯＭ及びＲＴを利用するための性能である。合成物構造を製造するためのＬＯＭの利点は、シート材料を取り扱うためのその本来の性能、その高度のオートメーション、及び、その加工に常設のツールを必要としないという追加的な利点に基づく。合成物構造を製造するためのＲＴの利点は、シート材料を形成するためのその本来の性能、及び、その高度のオートメーションに基づく。
【００１３】
本発明の追加的な技術的利点は、合成物形成の能力を伸ばすことであり、最終形成工程以前の、ＬＯＭに基づいたレーザーによる切断及び射出段階によって、より広範囲にわたる複雑なデザイン及び形状をもたらすことである。最終形成以前の自動化されたレーザーによる切断及び射出段階は、形成中の物質のしわとゆがみを最小限にする。
【００１４】
本発明のより完全な理解及びさらなる特質及び利点のために、添付の図面と共に得られる下記の記載が論及される。
【００１５】
本発明の詳細な記載
本発明の好ましい実施態様及びその好ましい利点は、同一の参照数字が同一部分を示す、図１乃至４の詳細な記載を参照することによって理解される。
【００１６】
図１は、本発明に従った積層品の製造（“ＬＯＭ”）工程を例示する概略図である。ＬＯＭは、コンピューター支援型デザイン（“ＣＡＤ”）ファイルから工業的デザインのプロトタイプを製造する技術において周知の迅速なプロトタイプを造る工程である。典型的なＬＯＭ工程において、通常自動化されている層の供給装置１０１は、層１００を構築プラットフォーム９８に供給する。層のスタック１０２を形成するためにローラー９６は、層を結合して一緒にさせる。層１００は、一般的に、熱的に活性化される接着剤を含む、厚い紙のシートと同様のテープ材料である。しかしながら、層１００は、金属、セラミック、ポリマー若しくは合成物などの別の種類のシート材料であってもよい。一般的に、ローラー９６は、加熱ローラーであって、ローラーが層１００の長さに沿って回転しローラーが層１００に対して圧力を及ぼす場合、熱が層１００の後ろの接着剤を活性化し、それによって層１００を真下の層１００に結合させるようにする。各層１００が構築プラットフォーム９８に供給されると、コンピューター１０６は、レーザー１０４に命令し、各層１００を所望の形状に切断させる。層１００のある部分１２０は、その後の除去のためにクロスハッチされる。この除去は、時々、デキュービングと呼ばれる。デキュービングは、三次元のプロトタイプを露出させるためにクロスハッチされた部分１２０を取り除く。本発明を用いて、利用可能な複雑な形状の範囲を拡張するために、ＬＯＭ工程において射出段階が採用されてもよい。層１００が積層されると、所望の形状及びクロスハッチング部分１２０の切断に加えて、レーザー１０４は、各層１００において、Ｖ型ノッチ、又は、スロット若しくはスリットなどの他の形状をカットする。層のスタック１０２が複雑な形に形成されるので、この射出段階は、層１００のしわを緩和する。この工程は、層１００を複雑な形態上に良好に適合させることを可能にする点において、仕立てに似ている。層のスタック１０２が一旦完成されると、それは、図２で示されるような再構成可能ツール１１２に転送される。
【００１７】
図２は、本発明に従い積層成形品を構成する一つの方法を例示する概略図である。示される方法は、ダイアフラム成形及び再構成可能ツールの組み合わせである。合成物形成の技術で周知であるダイアフラム成形において、弾力性隔板１０８が層のスタック１０２の上部に配置され、かつ、インターポレーティング層１１０が層のスタック１０２の下側に配置され、サンドイッチ状構造を形成する。下記で議論される図３は、このサンドイッチ状構造をより詳細に例示する。弾力性隔板１０８及びインターポレーティング層１１０は、通常、一般的にはポリマーである同じ物質から形成される。しかしながら、ポリウレタン、ラバー及びネオプレンなどの他の物質から形成されてもよい。それらの柔軟な層は、合成物形成の技術において周知である。弾力性隔板１０８及びインターポレーティング層１１０の両者は、典型的には、一般的に金属で作られているフレーム１３０内に入れられる。フレーム１３０の一つの目的は、それらの柔軟な物質を容易に取り扱うことを可能にすることである。フレーム１３０は、取り扱い目的のために十分に固い限り、如何なる種類の材料で形成されてもよい。
【００１８】
図２を参照するに、弾力性隔板１０８、層のスタック１０２及びインターポレーティング層１１０を造り上げるサンドイッチ状構造は、再構成可能なツール１１２の上部に位置して示される。特定の適用に依存して、再構成可能なツール１１２は、層のスタック１０２がその上部に位置する場合、平らな位置若しくはわずかに湾曲した位置などの任意の初期の形態として形成できる。真空源１１６は、弾力性隔板１０８及びインターポレーティング層１１０の間の空間に接続されている。真空は層のスタック１０２を圧縮するためにこの空間を吸引し、それによって層のスタック１０２の効果的な形成を容易にする。真空プレス１３２は、再構成可能なツール１１２に接続している。真空は吸引作用を造るために再構成可能なツール１１２で吸引され、それによって層のスタック１０２は、ピン１１４によって定義される表面である、再構成可能なツール１１２の表面に対して押し付けられる。空気、油あるいは別の再構成可能なツールにおけるピンアレイのような代わりの加圧媒体を表し得る押圧１２８は、層のスタック１０２の効率的な形成を促進する再構成可能なツール１１２の下から吸引されている真空に加えて、再構成可能なツール１１２上からの外部の機械的な力を適用するかもしれない。しかしながら、真空の押圧１３２若しくは押圧１２８の何れかは層のスタック１０２に唯一の力を適用するかもしれない。特定の実施態様において、層のスタック１０２が、外部の熱、層のスタック自身の重量、若しくは両者の組合せの作用によって再構成可能なツール１１２に対して自然に変形できる場合に、真空の押圧１３２若しくは押圧１２８の何れも再構成可能なツール１１２の表面に層のスタック１０２を強いるために使用されない。
【００１９】
さらに、図２は再構成可能ツール１１２に接続するアクチュエーター１２４を示している。アクチュエーター１２４は、再構成可能ツール１１２のピン１１４の位置を決定するために使用される機構である。一般的には、アクチュエーター１２４は、電動ギヤー構造であるか、若しくは、各ピンに専属の個々の構造で構成されてもよい。それらの機能は再構成可能ツールの技術において周知である。しかしながら、アクチュエーター１２４は、水圧若しくは空気圧機構などの他の種類の機構を含んでもよい。再構成可能ツール１１２のピン１１４の位置付けは、自動化されてもよく、自動化されなくてもよいが、典型的には自動化されている。層のスタック１０２が圧縮され、かつ、再構成可能ツール１１２の表面へ層のスタック１０２が押し付けられた後、アクチュエーター１２４は、所定の形状になるまでピン１１４を再構成するために使用される。この形状は、その最終形態での積層成形品１２２における所望の形状である。また、前述の工程は、（特定部品の表面形状に応じて）順番を逆にし、最終のツール形状が最初に再構成され、その後、再構成可能ツール１１２の表面に材料を接触させてさらなる形成を行うために層のスタック１０２に真空若しくは圧力を適用させるようにしてもよい。熱源１１８は、層１００で使用される材料の種類に応じて、層のスタック１０２を硬化するために、層のスタック１０２に接続されてもよい。熱源１１８は、合成物物質の硬化の技術において周知である任意の従来の熱源であってもよいが、一般的には、放射熱、ブローエアー熱（対流熱）、若しくは加熱ブランケットのいずれかである。ピン１１４の再構成後、及び、任意の所望の硬化後、積層成形品１２２は、弾力性隔板１０８とインターポレーティング層１１０との間から除去される。ＬＯＭと、再構成可能ツールと、ダイアフラム成形との組み合わせは、積層成形品１２２の複雑なデザイン及び形状を可能にする。
【００２０】
図３は、弾力性隔板１０８とインターポレーティング層１１０との間に挟まれた層のスタック１０２をより詳細に例示する。層のスタック１０２は、層１００及びクロスハッチされた部分１２０を含む。再構成可能なツール１１２のピン１１４もまた示される。ピン１１４は、半円形であるヘッド形状を有するように示される。ピン１１４のヘッドにおいて使用できる多くの別の形状がある。実施例として、ピン１１４は、ピンが正方形状若しくは長方形状である場合にコーン型ヘッドを有してもよい。さらに、ピン１１４は、平らなプレートから形成されてもよい。ピン１１４が別個であるという性質のために、積層成形品１２２の陥凹形成が起こるかもしれない。一般的にこの理由で既に言及されたインターポレーティング層１１０が使用される。インターポレーティング層１１０は、形成中における層のスタック１０２のどんな陥凹形成の影響も緩和する。しかしながら、インターポレーティング層は必須ではなく、ダイアフラム成形工程から除外されてもよい。同様のことが弾力性隔板１０８に対しても言え、それがダイアフラム成形工程から除外されてもよい。さらに、弾力性隔板１０８及びインターポレーティング層１１０のいずれもが使用されなくてもよい。この場合、ダイアフラム成形工程は存在せず、そろいの再構成可能ツールセットを使用することなどの異なる合成物形成工程が使用されるか、若しくは、層のスタック１０２が層のスタック自身の重量下で形成するために十分に密であるかのいずれかである。
【００２１】
図４は、本発明に従い積層成形品を構成する一つの方法を表示するフローチャートである。一つの実施態様において、ＬＯＭ工程は、段階３００で層のスタック１０２を造るために活用される。ＬＯＭ工程は、段階３０２においてコンピューター１０６で三次元形状を生成する副段階、段階３０４において三次元形状をスライスして電子層にする副段階、段階３０６において積層を形成するために層１００を供給し、かつ、結合する副段階、段階３０８においてその電子層に対応する形状へ層１００を切断する副段階、及び、層のスタック１０２が形成されるまで段階３１０において供給／結合／切断の処理を繰り返す副段階を含む。次いで、層のスタック１０２は、段階３１２において、弾力性隔板１０８とインターポレーティング層１１０との間に置かれる。その後、弾力性隔板１０８、層のスタック１０２、及び、インターポレーティング層１１０は、段階３１４において、再構成可能ツール１１２上に配置される。層のスタック１０２は、段階３１６において、弾力性隔板１０８とインターポレーティング層１１０との間の容積を真空吸引することによって圧縮される。次いで、弾力性隔板１０８、層のスタック１０２、及び、インターポレーティング層１１０は、段階３１８において、再構成可能ツール１１２の表面に対して押し付けられる。また、再構成可能ツール１１２の表面は、段階３２０において、所望の形状に設定される。また、デキュービング段階は、クロスハッチされた部分１２０がマークされた後でならばいつでも実行され得る。
【００２２】
本発明の実施態様及び本発明の利点が詳細に記載されたが、特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨及び範囲を逸脱しなければ、当業者は様々な修正、追加、及び削除が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従い層のスタックを構成する一の方法を例示する概略図である。
【図２】本発明に従い積層成形品を構成する一の方法を例示する概略図である。
【図３】本発明の実施において有用な再構成可能ツールのピン、インターポレーター、積層成形品、及び、弾力性隔板をより詳細に例示する。
【図４】本発明に従い積層成形品を構成する一つの方法を表示するフローチャートである。

Claims (18)

1. 合成物物質から形成される複数の層と；
   層のスタックを形成するために連続して複数の層を積み重ねる層供給装置と；
   前記層を切断するためのレーザーと；
   当該コンピューターでデザインされた形状に前記複数の層を切断するために前記レーザーに命令するコンピューターと；
   前記層のスタックの両側に配置される、弾力のある隔板及びインターポレーティング層と、
   前記弾力のある隔板と前記インターポレーティング層との間の空間に接続される、前記層のスタックを圧縮するための真空源と、
   前記層のスタック、前記弾力のある隔板及び前記インターポレーティング層が配置される側の表面形状を変形する再構成可能ツールと；
   前記再構成可能ツールの表面形状を変形するためのアクチュエーターと；
   を含有することを特徴とする積層成形品を構成するためのシステム。
2. 前記再構成可能ツールに対して前記層のスタックを押しつけるための押圧をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記押圧は、真空吸引しながら前記再構成可能ツールに対して前記層のスタックを押し付けるための真空プレスを含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記押圧は、前記再構成可能ツールに対して前記層のスタックを押し付けるために前記層のスタックに作用する力であって、空気圧、油圧又は前記再構成可能ツールとは別の再構成可能ツールによる力を含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
5. 前記層のスタックを硬化させるための熱源をさらに含有し、前記熱源は前記弾力のある隔板と前記インターポレーティング層とによって形成される前記空間に接続することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 二つの弾力のある隔板間に合成物物質から形成される層のスタックを含む空間を形成するよう、前記二つの弾力のある隔板間に前記層のスタックを置く段階と；
   表面形状を変形できる再構成可能ツール上に前記層のスタックを位置付ける段階と；
   前記二つの弾力のある隔板が前記層のスタックを圧縮するよう前記二つの弾力のある隔板間を真空吸引する段階と；及び
   前記再構成可能ツールの表面をコンピューターでデザインされた形状に形成する段階と
   を含有することを特徴とする積層成形品を構成するための方法。
7. 前記コンピューターでデザインされた形状へ前記再構成可能ツールの表面を形成する前記段階以前に、前記再構成可能ツールに対して前記層のスタックを押し付ける段階をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記積層成形品の生産工程は、
   コンピューターで三次元の形状を生成する段階と；
   前記三次元の形状を複数の層へスライスする段階と；
   スタックを形成するために合成物物質から形成される複数の層を連続して供給する段階であって、前記層が前記スタックに供給され、かつ、結合された後で、各層が所望の形状にレーザー切断され、各層の前記所望の形状は前記三次元の形状の各層に対応することを特徴とする段階と；及び
   前記層のスタックを造るために前記層をまとめて圧縮する段階と
   を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 前記位置付ける段階において、前記再構成可能ツールは、平らな表面を形成するよう構成された複数のピンを有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. 前記位置付ける段階において、前記再構成可能ツールは、湾曲する表面を形成するよう構成された複数のピンを有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
11. 前記層のスタックを硬化させる段階をさらに含有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
12. 各層の一部をレーザー切断する段階をさらに含有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
13. 二つの弾力のある隔板間に層のスタックを置く段階と；
    表面形状を生成するために再構成可能な複数のピンを有する再構成可能ツール上に前記層のスタックを含有する前記二つの弾力のある隔板を置く段階と；
    前記二つの弾力のある隔板が前記層のスタックを圧縮するよう前記二つの弾力のある隔板間を真空吸引する段階と；
    前記再構成可能ツールに対して前記層のスタックを押し付ける段階と；
    前記再構成可能ツールの表面をコンピューターでデザインされた形状に形成する段階と；及び
    前記層のスタックを硬化させる段階と、
    を含有することを特徴とする積層成形品を構成するための方法。
14. 前記層は合成物物質から形成されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記積層成形品の生産工程は、
    コンピューターで三次元の形状を生成する段階と；
    前記三次元の形状を複数の層へスライスする段階と；
    スタックを形成するために連続して複数の層を供給する段階と；
    前記層が前記スタックに供給された後に、各層を所望の形状に切断する段階であって、各層の所望の形状は前記三次元の形状の各層に対応することを特徴とする段階と；及び
    前記層のスタックを造るために前記層をまとめて結合する段階と、
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記硬化させる段階は、少なくとも一つの前記弾力のある隔板に熱源を接続する段階を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 各層のある部分をマーキングし、後に除去する段階をさらに含有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
18. 各層のある部分にスロット、スリット又はＶ型ノッチを形成する段階をさらに含有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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