JP6546324B1 - 硬化剤の予備含浸を実施する付加製造システム - Google Patents

硬化剤の予備含浸を実施する付加製造システム Download PDF

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Abstract

【課題】 硬化剤の予備含浸を実施する付加製造システムを提供する。【解決手段】 複合構造体を付加製造するための方法が開示される。方法は、連続強化材をプリントヘッドに誘導することと、連続強化材にプリントヘッドの内部の第１のマトリックス成分をコーティングすることと、を含んでもよい。方法は、連続強化材に第２のマトリックス成分をコーティングすることと、プリントヘッドのノズルを通じて連続強化材を吐出することと、吐出中、プリントヘッドを複数の次元に移動することと、を更に含んでもよい。第１のマトリックス成分と第２のマトリックス成分とは相互作用して、連続強化材の周りでマトリックスの硬化を生じさせる。【選択図】図１

Description

技術分野
［0001］ 本開示は、全般的に、製造システムに関し、特に、硬化剤の予備含浸を実施する付加製造システムに関する。
背景技術
［0002］ 従来の付加製造は、コンピュータの案内制御下で材料の重なった層を堆積させることにより３次元部品を作製するプロセスである。付加製造の一般的な形態は、熱溶解積層法（ＦＤＭ：fused deposition modeling）として知られている。ＦＤＭを用いて、加熱されたプリントヘッド内に熱可塑性プラスチックを通過させ、液化させる。プリントヘッドから材料が吐出される際に、重なった２次元層の特定パターン及び形状で材料が堆積されるように、プリントヘッドを既定の軌道（ツールパスとして知られる）で移動させる。材料は、プリントヘッドを出た後、冷却し、最終形態へと硬化させる。最終形態の強度は、主として、プリントヘッドに供給される特定の熱可塑性プラスチックの性質及び２次元層のスタックにより形成される３次元形状の性質による。
［0003］ 最近開発された、従来のＦＤＭ製造の改良形態には、プリントヘッドから吐出される材料内に埋め込まれた連続繊維の使用（連続繊維３Ｄプリンティング−ＣＦ３Ｄ（商標）としても知られる）を含む。特に、マトリックスがプリントヘッドに供給され、同じく同一ヘッドに同時に通過させた１つ以上の連続繊維とともに吐出される（例えば、押し出し成形及び／又は引き抜き成形される）。マトリックスは、従来の熱可塑性プラスチック、粉末金属、液体マトリックス（例えば、ＵＶ硬化性及び／又は２液型樹脂）、又はこれらのいずれかと他の既知のマトリックスとの組み合わせであり得る。プリントヘッドを出る際、マトリックスの硬化を開始する及び／又は完了するために硬化エンハンサー（例えば、紫外線、超音波エミッタ、熱源、触媒供給源等）を活性化させる。この硬化はほぼ即座に行われ、自由空間内で無支持の構造体を作製することを可能にする。また、繊維、特に連続繊維が構造体内に埋め込まれている場合、構造体の強度はマトリックス依存強度を超えて増大する可能性がある。この技術の一例は、２０１６年１２月６日にTylerに対して発行された米国特許第９，５１１，５４３号（「’５４３特許」）に開示されている。
［0004］ 不透明繊維（例えば、炭素繊維）、高密度繊維、高濃度繊維、大径繊維等を含む一部の用途では、対応する繊維束の中心にあるマトリックス材料が十分な硬化促進（例えば、十分な硬化エネルギー、触媒等）を受けることが困難な場合がある。これに対処しなければ、得られる構造体の強度が不足する場合がある及び／又は構造体が不必要にたわむ場合がある。
［0005］ 開示されるシステムは、上記課題の１つ以上及び／又は他の従来技術の課題に対処することに関する。
概要
［0006］ 一態様では、本開示は、複合構造体の付加製造方法に関する。本方法は、連続強化材をプリントヘッドに誘導すること（directing）と、連続強化材にプリントヘッドの内部の第１のマトリックス成分をコーティングすることと、を含んでもよい。本方法は、連続強化材に第２のマトリックス成分をコーティングすることと、プリントヘッドのノズルを通じて連続強化材を吐出することと、吐出中、プリントヘッドを複数の次元に移動することと、を更に含んでもよい。第１のマトリックス成分と第２のマトリックス成分とは相互作用して、連続強化材の周りでマトリックスの硬化を生じさせる。
［0007］ 別の態様では、本開示は、複合構造体を付加製造するためのシステムに関する。システムは、支持物と、支持物の端部に接続されたプリントヘッドと、を含んでもよい。プリントヘッドは、連続強化材に樹脂及び触媒のうちの１つをコーティングするチャンバを有する本体を有してもよい。プリントヘッドは、また、本体の吐出端部に接続されたノズルを含んでもよく、ノズルは、樹脂及び触媒の両方でコーティングされた連続強化材を吐出するように構成されている。システムは、支持物及びヘッドと通信するコントローラを更に含んでもよい。コントローラは、複合構造体の仕様に従い、ノズルから連続強化材を吐出中、支持物によってヘッドを複数の次元に選択的に移動させるように構成されていてもよい。
［0008］ 更に別の態様では、本開示は、複合構造体の付加製造において使用するためのプリプレグ材料に関する。プリプレグ材料は、連続強化材と、多液型マトリックスの触媒と、を含んでもよい。少なくとも樹脂も含む多液型マトリックスは、複合構造体を形成するために連続強化材の周りで硬化可能である。複合構造体の製造前、強化材は触媒で少なくとも部分的に飽和しており、樹脂を実質的に含有せず、強化材は複合構造体の約３５〜７０％を占めている。触媒は複合構造体の約０．１〜１０％を占めている。
［0009］開示される例示的な製造システムの概略図である。 ［0010］図１の製造システムとともに使用してもよい、開示される例示的なヘッドの概略図である。 ［0010］図１の製造システムとともに使用してもよい、開示される例示的なヘッドの概略図である。 ［0010］図１の製造システムとともに使用してもよい、開示される例示的なヘッドの概略図である。
詳細な説明
［0011］ 図１は、任意の所望の断面形状（例えば、円形、多角形等）を有する複合構造体１２を連続的に製造するために使用してもよい例示的なシステム１０を示す。システム１０は、少なくとも支持物１４及びヘッド１６を含んでもよい。ヘッド１６は、支持物１４に結合されており支持物１４によって動作する本体１８と、本体１８の反対側の吐出端部にあるノズル２０と、を有してもよい。図１の開示される実施形態では、支持物１４は、得られる構造体１２の長手方向軸線が３次元であるように、構造体１２の製造中、ヘッド１６を複数の方向に動かすことができるロボットアームである。しかしながら、その代わりに支持物１４は、構造体１２の製造中、同様にヘッド１６を複数の方向に動かすことができるオーバーヘッドガントリ又はハイブリッドガントリ／アームにすることができると考えられる。支持物１４は６軸運動が可能なものとして示しているが、所望であれば、ヘッド１６を同じ又は異なる手法で動かすことができる任意の他の種類の支持物１４も利用できると考えられる。いくつかの実施形態では、ドライブによりヘッド１６を支持物１４に機械的に結合してもよく、ドライブは、ヘッド１６に電力又は材料を協働して移動させる及び／又は供給する構成要素を含んでもよい。
［0012］ 本体１８は、マトリックス材料を受け入れる又はそうでなければ含むように構成されていてもよい。マトリックス材料は、硬化可能な任意の種類のマトリックス材料（例えば、液体樹脂、例えばゼロ揮発性有機化合物樹脂；粉末金属等）を含んでもよい。例示的な樹脂としては、熱硬化性樹脂、１液型又は多液型エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、カチオン性エポキシ、アクリル化エポキシ、ウレタン、エステル、熱可塑性プラスチック、感光性ポリマー、ポリエポキシド、チオール、アルケン、チオール−エン等が挙げられる。一実施形態では、本体１８内部のマトリックス材料は、例えば、対応する導管（図示せず）によってヘッド１６に流体的に接続された外部デバイス（例えば、押出機又は別の種類のポンプ（図示せず））により加圧されてもよい。別の実施形態では、しかしながら、圧力は、類似の種類のデバイスによって本体１８の完全に内部で発生させてもよい。更に他の実施形態では、マトリックス材料は、本体１８内に重力供給されてもよい及び／又は本体１８内で混合されてもよい。一部の例では、本体１８内部のマトリックス材料は、時期尚早の硬化を阻止するために冷却された状態及び／又は暗い状態に維持する必要があってもよい一方、他の例では、マトリックス材料は同じ理由で温かい状態に維持する必要があってもよい。いずれの状況においても、これらニーズに対処するために本体１８は特別に構成されて（例えば、絶縁されて、冷却されて及び／又は温められて）もよい。
［0013］ マトリックス材料は、任意の数の連続強化材（例えば、別個の繊維、屑麻、粗糸及び／又は材料シート）をコーティングするため、覆うため、又はそうでなければ覆い囲むために使用してもよく、強化材とともに、複合構造体１２の少なくとも一部分（例えば壁）を構成してもよい。強化材は、本体１８内に（例えば、別個の内部スプール（図示せず）に）保存されてもよく、又はそうでなければ本体１８に通してもよい（例えば、外部スプール２１から供給される、図２〜図４を参照）。複数の強化材が同時に使用される場合、強化材は、同じ直径及び断面形状（例えば、円形、四角形、平坦等）を有する同一種類のものであってもよい、又は異なる直径及び／若しくは断面形状を有する異なる種類のものであってもよい。強化材としては、例えば、炭素繊維、植物繊維、木材繊維、ミネラル繊維、ガラス繊維、金属ワイヤ、光学管等が挙げられ得る。用語「強化材」は、ノズル２０から吐出されるマトリックス材料に少なくとも一部入れることができる、構造的種類及び非構造的種類両方の連続材料を含むものであることに留意されたい。
［0014］ 強化材が本体１８を通過している間、強化材は、マトリックス材料に曝され（例えば、コーティングされ）てもよい。マトリックス材料、乾燥強化材、及び／又はマトリックス材料に既に曝された強化材（例えば、濡れた強化材）は、当業者に明らかな任意の手法で本体１８内に給送してもよい。
［0015］ マトリックス材料及び強化材は少なくとも２つの異なる動作モードによってノズル２０から吐出されてもよい。第１の動作モードでは、ヘッド１６が支持物１４によって動作するとマトリックス材料及び強化材がノズル２０から押し出され（例えば、圧力及び／又は機械的力下で押される）、構造体１２の３次元形状が作成される。第２の動作モードでは、吐出中、強化材に引張応力が生じるように、少なくとも強化材がノズル２０から引かれる。この動作モードでは、マトリックス材料は強化材に密着することで同様に強化材とともにノズル２０から引かれてもよい及び／又はマトリックス材料は引かれる強化材とともに圧力下でノズル２０から吐出されてもよい。マトリックス材料がノズル２０から引かれる第２の動作モードでは、強化材に生じる張力は構造体１２の強度を増加し得る一方、より長い無支持材料がより直線の軌道を有することも可能にする（即ち、張力は、構造体１２の自立支持を与えるように、重力の力に反して作用し得る）。
［0016］ 強化材は、ヘッド１６がアンカー点２２から離れた結果、ノズル２０から引かれてもよい。特に、構造体形成の開始時、ある長さのマトリックス含浸強化材をノズル２０から引き及び／又は押し、アンカー点２２上に堆積させ、吐出された材料がアンカー点２２に付着するように硬化させてもよい。その後、ヘッド１６をアンカー点２２から離してもよく、相対運動によって強化材をノズル２０から引かせてもよい。所望であれば、本体１８内における強化材の移動は（例えば、１つ以上の内部及び／又は外部送り機構（図示せず）によって）補助され得ることに留意されたい。しかしながら、ノズル２０からの強化材の吐出速度は、強化材内に張力が生成され、維持されるように、主としてヘッド１６とアンカー点２２との間の相対運動によるものであり得る。ヘッド１６がアンカー点２２から離される代わりに又はこれに加えて、アンカー点２２をヘッド１６から離すことができると考えられる。
［0017］ １つ以上の硬化エンハンサー（例えば、紫外線、超音波エミッタ、レーザー、ヒータ、触媒ディスペンサ等）２４がヘッド１６（例えば、本体１８の基部、本体１８の内部、本体１８の外部に、又はそうでなければノズル２０に隣接して）の近傍（例えば、ヘッド１６内、ヘッド１６上及び／又はヘッド１６の後ろ）に取り付けられていてもよく、マトリックス材料がヘッド１６から吐出される際、マトリックス材料の硬化速度及び／又は品質を高めるように構成されていてもよい。硬化エンハンサー２４は、構造体１２の形成中、構造体１２の内部表面及び／又は外部表面をエネルギー（例えば、紫外線、電磁放射、振動、熱、化学触媒、硬化剤、又は開始剤等）に選択的に曝露するように制御されてもよい。エネルギーは、マトリックス材料内で起こる化学反応の速度を増加してもよく、材料を焼結してもよく、材料を硬化させてもよく、又はそうでなければヘッド１６から吐出する際に材料を硬化させてもよい。
［0018］ コントローラ２６が設けられ、支持物１４、ヘッド１６、任意の数及び種類の硬化エンハンサー２４に通信的に結合されていてもよい。コントローラ２６は、システム１０及び／若しくは構造体１２の動作を制御するための手段を含む１つのプロセッサ又は複数のプロセッサを組み込んでもよい。コントローラ２６は、１つ以上の汎用若しくは特殊用途向けプロセッサ又はマイクロプロセッサを含んでもよい。コントローラ２６は、例えば、設計限界、性能特性、動作命令、マトリックスの特性、強化材の特性、構造体１２の特性、及び対応するシステム１０の各構成要素のパラメータなどのデータを記憶するためのメモリを更に含んでもよい又はこのようなメモリと対応付けられてもよい。電源回路、信号調整回路、ソレノイド／モータドライバ回路、通信回路、及び他の適切な回路を含む他の種々の既知の回路をコントローラ２６と対応付けてもよい。更に、コントローラ２６は、有線及び／又は無線伝送によってシステム１０の他の構成要素と通信可能であってもよい。
［0019］ コントローラ２６のメモリに１つ以上のマップを記憶し、構造体１２の製造中に使用してもよい。これらマップはそれぞれ、ルックアップテーブル、グラフ及び／又は式の形態のデータの集合体を含んでもよい。開示される実施形態では、マップは、硬化エンハンサー２４、構造体１２内の異なる位置にある対応するマトリックス及び／又は対応する強化材の所望の特性を決定するためにコントローラ２６によって使用される。特性としてはとりわけ、構造体１２内の特定位置に吐出される強化材及び／若しくはマトリックスの種類、数量及び／若しくは構成、並びに／又は所望の硬化の量、形状及び／若しくは位置が挙げられ得る。コントローラ２６は、その後、構造体１２が所望の状態で製造されるように、支持物１４の動作（例えば、ヘッド１６の位置及び／又は姿勢）及び／又はノズル２０からの材料の吐出（材料の種類、材料の所望の性能、材料の架橋要件、吐出速度等）を、硬化エンハンサー２４の動作と相関させてもよい。
［0020］ 一部の用途では、ヘッド１６内を通る各繊維が、ノズル２０から吐出される前に、マトリックス材料で十分にコーティングされていることが確実となる（即ち、適切な結合及び硬化を確実にするほど十分にコーティングされる）よう注意を払わなければならない。図２に示すように、繊維は、本体１８の内部に配置された１つ以上のチャンバ２８内を移動する間、マトリックス材料に曝されてもよい。
［0021］ 図２の実施形態では、ヘッド１６の内部で強化材に適用されるマトリックス材料は多液型マトリックスである。特に、マトリックスは、第１のマトリックス成分（例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、又は別の種類の樹脂）と、少なくとも第２のマトリックス成分（例えば、硬化剤、触媒、又は別の開始剤）とを含み、これらは、制御された条件下で、共に反応して又は反応させて、対応する強化材を収容する硬化された（cured）及び硬化された（hardened）マトリックスを形成する。強化材に第１のマトリックス成分及び第２のマトリックス成分を別々にコーティングするために少なくとも２つの別個のチャンバ２８が図２の本体１８の内部に配置されている。これらチャンバ２８は、ヘッド１６内における強化材の移動方向（例えば、スプール２１からノズル２０まで）に関して、第２のチャンバ２８ｂと連続的に配置された第１のチャンバ２８ａを含む。この例では、第１のチャンバ２８ａは第１のマトリックス成分及び第２のマトリックス成分のうちの１つを含む一方、第２のチャンバ２８ｂは第１のマトリックス成分及び第２のマトリックス成分のうちのもう一方を含む。本体１８内における第１のマトリックス成分の順番及び第２のマトリックス成分の順番の両方が、本開示では企図されることに留意されたい。
［0022］ 第１のマトリックス成分及び／又は第２のマトリックス成分は対応するチャンバ２８ａ，２８ｂにいくつかの異なる手法で供給されてもよい。例えば、第１のマトリックス成分及び第２のマトリックス成分のうちの１つ又は両方は、噴射口３０（図４を参照）を通じて気体流、液体流、又は粉体流として；供給入口３２又は噴射口３０を通じて液体浴として；加圧導管３４、供給入口３２、又は噴射口３０を通じて懸濁粉体として；又は当該技術分野で既知の別の手法で供給されてもよい。いくつかの実施形態では、第１のチャンバ２８ａと第２のチャンバ２８ｂとの間（及び／又は第２のチャンバ２８ｂの下流側）に、コーティング済みの強化材が第２のチャンバ２８ｂに入る前に（及び／又はコーティング済みの強化材がノズル２０に入る直前に）強化材から余分なマトリックス成分を除去するための調整デバイス３６（例えば、対向するローラ、スキージ、ワイパ、ブラシ、空気噴射口等）が配置されていてもよい。このようにして、強化材に付着している任意の余分なマトリックス成分が、第２のチャンバ２８ｂの内部にある次に供給されるマトリックス成分と混合されること（及び第２のチャンバ２８ｂ内部の混合物の対応する時期尚早の硬化）を阻止してもよい。一部の用途では、機械的手段（例えば、触媒コーティング済みの強化材を覆い囲み、噴射口３０まで延びている管）を使用して、触媒とベースマトリックスとの時期尚早の混合を阻止してもよい。他の実施形態では、マトリックス成分の硬化は主として、第２のチャンバ２８ｂ内部の望ましくない混合に関わらず、マトリックス成分の温度が最小閾値を超えた場合にのみ急速に開始又は進行してもよい。これら実施形態では、ヘッド１６の本体１８は、時期尚早の硬化を阻止するために最小閾値未満に維持されてもよい。
［0023］ ヘッド１６を通過する強化材の軸線にほぼ直交して方向付けられた１つの噴射口３０を示しているが、所望であれば、任意の数の噴射口３０を使用し、異なる角度で方向付けることができると考えられることに留意されたい。例えば、噴射口３０は、ノズル２０に向かって下方に且つ強化材の軸線に対して斜角で傾斜させることができる。これにより、一部の用途では、マトリックスリザーバ２８内の触媒の跳ね及び汚染の低減を補助してもよい。加えて、所望であれば、噴射口３０にパージ流体（例えば、鉱油）を定期的に（例えば、製造イベントの開始及び／又は終了時に）通過させることができると考えられる。
［0024］ 強化材が第１及び第２のチャンバ２８ａ，２８ｂを通過する際、強化材は、第１のマトリックス成分及び第２のマトリックス成分の重なった内層及び外層でコーティングされてもよい。いくつかの実施形態では、層は、強化材がノズル２０に達するまで実質的に分離されたままである。他の実施形態では、強化材がノズル２０に達する前に、第１のマトリックス成分と第２のマトリックス成分のいくらかの混合がそれらの対応する境界において起こる。ノズル２０の上流でどれほどの混合が行われるかを問わず、集束し、ノズル２０を通じて吐出されるコーティング済みの強化材の機械的な動きによって、第１のマトリックス成分と第２のマトリックス成分の混合を高めてもよい。また、ノズル２０を出る際、混合の増加及び硬化エンハンサー２４によるエネルギーへの曝露両方の結果として、硬化が開始し、加速してもよい。一部の用途では、ノズル２０における２つのマトリックス成分の混合（及び／又は周囲条件に対する混合済みの成分の曝露）は完全な硬化に十分な場合があるため、硬化エンハンサー２４が必要ない場合があると考えられる。更に、所望であれば、硬化の速度を増加するためにノズル２０（例えば、ノズル２０の先端部）は通電することができる（例えば、加熱される、振動される等）と考えられる。
［0025］ いくつかの実施形態では、上述の２つのマトリックス成分に加えて、添加物又は第３のマトリックス成分を第１のマトリックス成分及び第２のマトリックス成分のうちの１つ又は両方に混合してもよい。添加物は、例えば、フィラー及び／又は追加の若しくは異なる触媒を含んでもよい。所望であれば、例えば、ＵＶ硬化開始剤（例えば、第２のマトリックス成分とは異なる）を第１のマトリックス成分に混合することができる。ＵＶ硬化開始剤は、硬化エンハンサー２４の光エネルギーに曝露時、強化材をコーティングするマトリックス混合物の温度を上述の最小閾値温度に上昇させるのに十分なものであってもよい。その後、強化材をコーティングする混合物の第２のマトリックス成分は、トリガーされて混合物の第１のマトリックス成分の十分且つ完全な硬化を生じさせてもよい。
［0026］ いくつかの状況では、ヘッド１６に供給される強化材は、束ねられ、織られ、撚られ、又はそうでなければまとめられた多く（例えば、数千）の個々の繊維を含んでもよい。これらの状況では、十分量の第１のマトリックス成分及び／又は第２のマトリックス成分が個々の繊維をそれぞれ確実にコーティングするのは困難な場合がある。これは、大きな屑麻又は厚い繊維のリボンをヘッド１６に高速で通過させる場合、更により困難になる場合がある。この理由から、マトリックス成分が真ん中の繊維により完全に及び／又はより迅速に浸透できるように屑麻又はリボンを分割する及び／又は平らにするのを補助する１つ以上の繊維細切機構３８がヘッド１６に備えられていてもよい。機構３８は、チャンバ２８の上流及び／又はチャンバ２８の間の位置の、本体１８の内部及び／又は外部に配置されていてもよい。機構３８は、例えば、ブラシ、突起（例えば、ローラ、フィンガ又は固定バンプ）の蛇行路、空気及び／又は樹脂噴射口、並びに他の類似のデバイスを含んでもよい。
［0027］ 図３は、同じく、多液型マトリックスでコーティングされた強化材を吐出するように構成されたヘッド１６の別の実施形態を示す。この実施形態では、しかしながら、本体１８は１つのチャンバ２８を含む。１つのチャンバ２８は、添加物あり又はなしの上述の第１のマトリックス成分又は第２のマトリックス成分のいずれかを保持してもよい。強化材は残りのマトリックス成分で既にコーティングされ、プリプレグ材料として（例えば、スプール２１から及び／又は上流及び外部コーティングチャンバ（図示せず）から）ヘッド１６に供給されてもよい。換言すると、ヘッド１６は、多液型マトリックスの一部のみを適用し、残りの液は先に及び／又は上流位置で強化材に既に適用されるように構成されていてもよい。この実施形態では、プリプレグ材料は、材料がヘッド１６に供給される前、材料の寿命を延ばす状態、例えば、乾燥状態、冷却状態、及び／又は暗状態に確実に維持されるよう注意を払うべきである。
［0028］ 図４は、同じく、多液型マトリックスでコーティングされた強化材を吐出するように構成された１つのチャンバヘッド１６を有する別の実施形態を示す。図３の実施形態と同様に、図４の１つのチャンバ２８は、（添加物あり又はなしの）上述の第１のマトリックス成分又は第２のマトリックス成分のいずれかを保持してもよい。残りのマトリックス成分は、吐出端部においてヘッド１６に注入してもよく、噴霧してもよく、又はそうでなければ送ってもよい（例えば、噴射口３０、入口３２、及び／又は導管３４を通じて）。一例では、残りのマトリックス成分は、ノズル２０のすぐ上流のチャンバ２８の吐出端部において本体１８に送ってもよい。別の実施形態では、残りのマトリックス成分はノズル２０に直接送られる。マトリックス成分を送る位置は、マトリックス成分の適切な混合を確実にするためにノズル２０の先端部の上流の十分に遠くにすべきであるが、ノズル２０の内部における時期尚早の硬化を阻止するために十分に下流にすべきである。図４の実施形態では、ヘッド１６に供給される強化材は、所望であれば、乾燥繊維又は別の材料（例えば添加物）を予備含浸させた繊維を含んでもよいと考えられる。
［0029］ 構造体１２の製造に用いられる特定の実施形態（例えば、図２、図３又は図４の実施形態）を問わず、構造体１２は、少なくとも３つの主要構成成分を含んでもよい。上述のように、これら構成成分は、強化材（例えば、連続繊維、屑麻、リボン、シート等）、第１のマトリックス成分（例えば、エポキシ樹脂などの樹脂）、及び第２のマトリックス成分（例えば、硬化剤、触媒、開始剤等）を含んでもよい。またいくつかの実施形態では、添加物（例えば、ＵＶ硬化開始剤）を製造工程の任意の所望の時点で第１のマトリックス成分及び／又は第２のマトリックス成分に混合してもよい。本開示の目的では、強化材は、構造体１２の約（例えば、設計公差内）３５〜７０（例えば、重量及び／又は体積）％を含んでもよく、第１のマトリックス成分は構造体１２の約３０〜５０％を含んでもよく、第２のマトリックス成分は構造体１２の約０．１〜１０％を含んでもよい。添加物を含む実施形態では、添加物は約０〜１０％を含んでもよい。
産業上の利用可能性
［0030］ 開示されるシステムは、任意の所望の断面形状、長さ、密度及び／又は強度を有する複合構造体を連続的に製造するために使用してもよい。複合構造体は、同じ又は異なる種類、直径、形状、構成の任意の数の異なる強化材を含んでもよく、及び／又は任意の数の異なるマトリックスからなる。ここで、システム１０の動作を詳細に記載する。
［0031］ 製造イベントの開始時、所望の構造体１２に関する情報をシステム１０に（例えば、支持物１４、硬化エンハンサー２４、噴射口３０、調整デバイス３６、繊維細切機構３８、及び／又は任意の他の関連構成要素の動作の調整を担うコントローラ２６に）ロードしてもよい。この情報にはとりわけ、大きさ（例えば、直径、壁厚、長さ等）、輪郭（例えば、軌道）、表面特徴（例えば、隆起の大きさ、位置、厚み、長さ；フランジの大きさ、位置、厚み、長さ等）、接続部の幾何学的配置（例えば、カップリング、Ｔ字管、スプライス等の位置及び大きさ）、特定位置のマトリックス条件、特定位置の強化材条件、所望の硬化速度、硬化位置、硬化形状、硬化量等を含んでもよい。その代わりに又はそれに加えて、この情報は、所望であれば、製造イベント中、異なる時間に及び／又は連続的にシステム１０にロードされてもよいことに留意されたい。
［0032］ 構成要素の情報に基づき、特定のノズル２０及び／又は硬化エンハンサー構成をヘッド１６に（例えば、本体１８の吐出端部に）接続してもよく、１つ以上の異なる（例えば、異なる大きさ、形状及び／若しくは種類の）強化材及び／若しくはマトリックス材料をシステム１０内に選択的に実装してもよい及び／又はノズル２０に連続的に供給してもよい。対応する強化材（例えば、プリプレグ又は乾燥繊維、屑麻、リボン、又はシート）を１つ以上の繊維細切機構３８（例えば、隣接するブラシの毛の間及び／又は突起上若しくは突起の周り等）及びノズル２０に通過させ、その後、引張機械（図示せず）及び／又は取付具（例えば、アンカー点２２）に接続してもよい。マトリックス材料の実装には、チャンバ２８の充填及び／又はヘッド１６への押出機（図示せず）の結合を含んでもよい。
［0033］ ヘッド１６は、コントローラ２６の制御下で、マトリックスコーティング済み強化材が対応するアンカー点２２に又はアンカー点２２上に配置されるように支持物１４によって移動させてもよい。硬化エンハンサー２４を、その後、選択的に作動させ（例えば、オン／オフにされる及び／又はコントローラ２６によって強度が調整される）、強化材を覆い囲むマトリックス材料の硬化を生じさせ、それによって、強化材をアンカー点２２に結合してもよい。
［0034］ その後、システム１０の動作を制御するために構成要素の情報を使用してもよい。例えば、強化材を繊維細切機構３８内に引き、分割及び／又は平坦にし、第１のマトリックス成分内に浸し、調整デバイス３６により絞り、第２のマトリックス成分内に浸し、その後、ノズル２０から吐出してもよい。この時点で、得られる構造体１２の軸線が所望の軌道（例えば、自由空間の、無支持の３Ｄ軌道）に追従するように、コントローラ２６は、支持物１４によってヘッド１６を所望の状態に選択的に移動させる。加えて、液体マトリックス混合物の硬化を開始する、加速する又は完了するために、材料吐出中、硬化エンハンサー２４をコントローラ２６により選択的に作動させてもよい。構造体１２が所望の長さに成長すると、構造体１２を任意の所望の手法でヘッド１６から分離（例えば、切断）してもよい。
［0035］ 開示されるシステム及びヘッドに種々の修正及び変形を施すことができることは当業者には明らかであろう。他の実施形態は、明細書並びに開示されるシステム及びヘッドの手法を考慮すると当業者には明らかであろう。明細書及び例は、単なる例示であるとみなされ、実際の範囲は以下の特許請求の範囲及びこれらの均等物によって示されるものとする。
１０ システム
１２ 複合構造体
１４ 支持物
１６ ヘッド
１８ 本体
２０ ノズル
２１ 外部スプール
２２ アンカー点
２４ 硬化エンハンサー
２６ コントローラ
２８ チャンバ
２８ａ 第１のチャンバ
２８ｂ 第２のチャンバ
３０ 噴射口
３２ 供給入口
３４ 加圧導管
３６ 調整デバイス
３８ 繊維細切機構

Claims (20)

  1. 複合構造体の付加製造方法であって、
    連続強化材をプリントヘッドに誘導することと、
    前記連続強化材に前記プリントヘッドの内部の第１のマトリックス成分をコーティングすることと、
    前記連続強化材に前記第１のマトリックス成分と異なる第２のマトリックス成分をコーティングすることと、
    前記プリントヘッドのノズルを通じて前記連続強化材を吐出することと、
    前記吐出中、前記プリントヘッドを複数の次元に移動することと、
    を含み、
    前記第１のマトリックス成分と前記第２のマトリックス成分とは相互作用して、前記連続強化材の周りでマトリックスの硬化を生じさせる、
    方法。
  2. 前記第１のマトリックス成分は樹脂であり、
    前記第２のマトリックス成分は触媒、硬化剤、及び開始剤のうちの１つである、
    請求項１に記載の方法。
  3. 前記連続強化材に前記第２のマトリックス成分をコーティングすることは、前記連続強化材に前記第１のマトリックス成分をコーティングした後、前記プリントヘッド内部の前記連続強化材に前記第２のマトリックス成分をコーティングすることを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記連続強化材に前記第２のマトリックス成分をコーティングすることは、第１のマトリックス成分チャンバの吐出端部において前記第２のマトリックス成分を前記プリントヘッドに誘導すること、又は前記第２のマトリックス成分を前記ノズルに誘導することのうちの少なくとも１つを含む、請求項３に記載の方法。
  5. 前記連続強化材に前記第２のマトリックス成分をコーティングすることは、前記連続強化材に前記第１のマトリックス成分をコーティングする前に前記連続強化材に前記第２のマトリックス成分をコーティングすることを含む、請求項２に記載の方法。
  6. 前記連続強化材に前記第２のマトリックス成分をコーティングすることは、前記連続強化材を前記プリントヘッドに誘導する前に前記連続強化材をコーティングすることを含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記連続強化材が前記ノズルから吐出された後、前記連続強化材をコーティングしている前記第１のマトリックス成分と前記第２のマトリックス成分との混合物を硬化エネルギーに曝露することを更に含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記硬化エネルギーは紫外線である、請求項７に記載の方法。
  9. 前記連続強化材に前記第１のマトリックス成分及び前記第２のマトリックス成分のうちの少なくとも１つをコーティングする前に、前記連続強化材を分割すること及び平坦化することのうちの少なくとも１つを更に含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記連続強化材に前記第１のマトリックス成分をコーティングすることは、前記連続強化材を前記第１のマトリックス成分の浴に浸すことを含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記連続強化材に前記第１のマトリックス成分をコーティングすることは、前記連続強化材を、前記第１のマトリックス成分の気体及び粉体のうちの少なくとも１つに曝露することを含む、請求項１に記載の方法。
  12. 複合構造体の付加製造方法であって、
    触媒がコーティングされている連続強化材をプリントヘッドに誘導することと、
    前記連続強化材に前記プリントヘッドの内部の樹脂をコーティングすることであって、該樹脂が前記触媒と異なる、ことと、
    前記プリントヘッドのノズルを通じて前記連続強化材を吐出することと、
    前記吐出中、前記プリントヘッドを複数の次元に移動することと、
    を含む、方法。
  13. 前記連続強化材に前記触媒をコーティングすることと、
    前記連続強化材が前記プリントヘッドに入る前に、前記触媒を少なくとも部分的に硬化させることと、
    を更に含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記連続強化材が前記ノズルから吐出された後、前記連続強化材をコーティングしている前記触媒と前記樹脂との混合物を硬化エネルギーに曝露することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
  15. 前記硬化エネルギーは紫外線である、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記連続強化材に前記樹脂をコーティングすることは、前記連続強化材を前記樹脂の浴に浸すこと及び樹脂を前記連続強化材に噴霧することのうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の方法。
  17. 複合構造体の付加製造方法であって、
    プリントヘッドの内部の触媒の浴を通じて連続強化材を誘導することと、
    前記プリントヘッドの内部の樹脂の浴を通じて前記連続強化材を誘導することと、
    前記プリントヘッドのノズルを通じて前記連続強化材を吐出することと、
    前記吐出中、前記プリントヘッドを複数の次元に移動することと、
    を含む、方法。
  18. 前記連続強化材が前記ノズルから吐出された後、前記連続強化材をコーティングしている前記触媒と前記樹脂との混合物を硬化エネルギーに曝露することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記硬化エネルギーは紫外線である、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記触媒の浴及び前記樹脂の浴のうちの少なくとも１つを通じて前記連続強化材を誘導する前に、前記連続強化材を分割すること及び平坦化することのうちの少なくとも１つを更に含む、請求項１７に記載の方法。
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