JP6700012B2 - 複合ラミネート上へのパターンのプリント - Google Patents

Description

本開示は、概して、複合構造体に関し、より詳細には、複合ラミネート上へのモディファイア材料のプリントに関する。

複合構造体は、通常、樹脂マトリックスの中に埋め込まれた連続強化繊維を含む。複合ラミネートは、スタックに配列された複合プライのレイアップを含む複合構造体の一種である。複合レイアップの個々の複合プライは、スタッキングの前に樹脂をあらかじめ含浸されうる（例えば、プリプレグプライ）。プリプレグプライのスタックは、各プライの中の連続強化繊維が、特定の方向に配向されるように、配列されうる。熱がスタックに加えられ、各プライの中の樹脂の粘度を低下させ、樹脂が、隣接するプライの樹脂と混合することを可能にすると同時に、スタックが圧力を受けて圧密化され、複合レイアップの中からボイド及び揮発性物質を除去しうる。樹脂が、硬化状態へと硬化又は固化され、受動的又は能動的に冷却され、複合構造体をもたらしうる。あるいは、プリプレグプライを用いる代わりに、複合プライが、スタックに配列された乾燥繊維プリフォームとして提供されてもよい。液状樹脂が、スタックの中に注入されると同時に、熱及び／又は圧力が加えられ、樹脂を圧密化及び硬化し、その後、レイアップが、受動的又は能動的に冷却され、複合構造体をもたらしうる。

複合レイアップの各プライの中の強化繊維の方向を適合できることは、著しい性能上の利点を有する複合構造体をもたらす。そのような性能上の利点は、金属構造体の比強度及び比弾性率と比べて高い比強度及び高い比弾性率を含む。あいにく、従来の複合ラミネートは、性能上の利点を減じうる幾つかの特質を有する。例えば、従来の複合ラミネートは、複合ラミネートの中にクラックを阻止する特徴がないので、樹脂繊維界面で分離しやすいことがある。加えて、従来の複合アセンブリは、複合アセンブリを構成する共結合又は共硬化された複合ラミネート間の界面において比較的低いモードＩＩラミネート間剪断強度又は剥離強度を有しうる。

従来の複合ラミネートはまた、比較的低い電気伝導度を有し、これは、落雷の場合などに複合構造体を通って電流を運び分配する際に、課題を呈しうる。加えて、金属部品と界面を接する複合ラミネートは、複合ラミネートと金属材料の間に生じうる酸化又は還元反応の結果として腐食しやすいことがある。更に、従来の乾燥繊維複合プライは、乾燥繊維プライ同士がくっつくことを可能にし、乾燥繊維プライのプリフォームへの制御されたスタッキングを可能にするのに十分な粘着度に欠けることがある。

従来の複合ラミネートの樹脂繊維界面での分離の問題を解決しようとする試みは、複合レイアップの全体にわたって大量に熱可塑性材料をランダムに分布させることを含む。熱可塑性材料のランダムな分布は、モードＩＩのラミネート間強度を改善しうるけれども、従来の複合ラミネートの中の樹脂繊維界面での制御の欠如は、低いモードＩラミネート間強度をもたらし、これは、繊維トウの中でのクラックの伝播を防止するにあたり課題を呈しうる。従来の複合アセンブリの複合ラミネート間界面での低いモードＩＩラミネート間剪断強度に対処しようとする試みは、樹脂の中における強化剤の追加を含む。あいにく、樹脂強化剤は、樹脂の粘度を不必要に増加させ、繊維プリフォームの注入の最中に樹脂の流動を妨げうる比較的高い分子量を有しうる。従来の複合ラミネートの中での低い電気伝導度の問題に対処しようとする試みは、複合プライの表面にわたっての金属メッシュ又は金属箔の添加を含む。あいにく、個別の金属メッシュ又は金属箔の添加は、複合構造体のコスト、複雑性及び製造時間を増加させる。

複合ラミネートと金属部分の間の界面での腐食を防止しようとする試みは、腐食に対するバリアプライとして働くべき繊維ガラスの個別の層を界面に追加することを含む。あいにく、繊維ガラスの追加は、複合ラミネートを製造するコストと複雑性を増加させる。従来の乾燥繊維複合プライの中での低い粘着度の問題は、樹脂の中にエポキシ結合剤又はナイロンを追加することにより、又はハンダごてを用いて、複合プライを局所的に加熱し結合することにより、対処されてきた。あいにく、エポキシ結合剤又はナイロンは、乾燥繊維プリフォームのプライスタックを形成するために必要とされる温度と圧力の範囲を制限する有限の特性を有する。ハンダごてを用いた複合プライの局所的な結合は、複合構造体の製造時間を増やす、時間のかかる工程である。

以上からわかるように、クラック抵抗性の改良、ラミネート間剪断強度の改良、電気伝導度及び腐食抵抗性の増加、並びに広範囲な温度における粘着度の改良などの性能上の改良を提供する複合ラミネート及び製造方法に対する要求が、当技術分野に存在する。

複合ラミネートに関連する上記の要求は、第一の材料から形成される少なくとも一つの強化フィラメントを含みうる複合繊維を提供する本開示によって、具体的に対処される。第二の材料の長さ、幅、及び／又は厚さが、強化フィラメントの表面にわたって変わるようなプリントパターンで、第二の材料が、強化フィラメント上に体系的に堆積されうる。プリントパターンは、複合繊維を含有する複合構造体の一つ又は複数の特性を変える効果を有しうる。

別の実施形態において、樹脂と、樹脂の中に埋め込まれた複数の強化フィラメントを含みうる複合構造体が、開示される。強化フィラメントは、第一の材料から形成されうる。第二の材料の長さ、幅、及び／又は厚さが、強化フィラメントの表面にわたって変わるように、強化フィラメント上に体系的に堆積されうる第二の材料を、複合構造体は、含みうる。

複合繊維を生産する方法もまた、開示される。本方法は、第一の材料から形成される複数の強化フィラメントを提供することを含みうる。本方法は、プリンタ又はプリント装置の堆積ヘッドを用いて、複数の強化フィラメント上に第二の材料をプリントすることを追加的に含みうる。

上記の特徴、機能及び利点は、本開示の様々な実施形態において独立に達成可能であり、又は、更に他の実施形態において組み合わされてもよく、更なる詳細が、以下の説明及び図面を参照して理解可能である。

本開示のこれら及び他の特徴は、図面を参照することでより明白となり、図面の中では、全体を通して類似の番号が類似の部分を表している。

第一の材料から形成される強化繊維上にプリントされる一つ又は複数の材料を組み込んでおり、繊維トウ、一方向性テープ、及び／又は織物として構成されうる、複合構造体のブロック図である。 複合構造体の特性を改良するために、一つ又は複数の材料が上にプリントされうる一方向性プライのスタックを含んでいる複合レイアップの透視図である。 図２の線３に沿って取られた、ある長さの一方向性テープの一部分の上面図であり、一方向性プライの粘着度を改良するために、ドットの配列の形状で一方向性テープ上にプリントされた第二の材料（及び／又は第三の材料、第四の材料、等）のプリントパターンを示す。 ある長さの一方向性テープの一部分の上面図であり、一方向性テープの長さ方向に対して横に配向された垂直線の形状で一方向性テープ上にプリントされ、複合構造体の中での異方性伝導度を促進する、及び／又は複合構造体の中でのクラックの停止を容易にする第二の材料の例を示す。 ある長さの一方向性テープの一部分の上面図であり、クロスハッチパターンの形状で一方向性テープ上にプリントされ、複合構造体の中でのクラック阻止を容易にする第二の材料の例を示す。 ある長さの一方向性テープの一部分の上面図であり、曲線の組合せの形状で一方向性テープ上にプリントされた第二の材料（及び／又は第三の材料、第四の材料、等）の例を示す。 繊維トウの、ある長さの強化フィラメントの一部分の透視図であり、強化フィラメントとともに任意選択で含まれうるサイジング（例えば、表面被覆）を示す。 図３の線８に沿って取られた一方向性テープの断面図であり、一方向性テープの上面上にプリントされた第二の材料の分布の例を示す。 一方向性テープの断面図であり、一方向性テープの上面及び底面上にプリントされた第二の材料の分布の例を示す。 一方向性テープの断面図であり、複合構造体の隣接する複合プライの両方と直接に接触するプリントパターンの第二の材料の例を示す。 複合レイアップの断面図であり、同じ繊維配向を有する一方向性テープの隣接する複合プライの対を示し、複合プライの各々に対する第二の材料のプリントパターンの接触の例を示す。 隣接する複合プライの一方向性テープの断面図であり、一つの複合プライと直接に接触し、第二の材料のプリントパターンを隣接する複合プライに機械的に係合する第二の材料のプリントパターンを示す。 複合レイアップの一部分の断面図であり、様々な繊維配向を有する、一方向性テープの幾つかの隣接する複合プライを示し、隣接する複合プライに直接に接触する第二の材料を示し、隣接する一方向性テープの側面間に堆積された第二の材料を更に示す。 第二の材料のプリントパターンを繊維トウ上にプリントするためのシステムの例の概略図である。図１４Ａは、図１４の線１４Ａに沿って取られたプリント媒質の概略図であり、微粒子から作られるプリント媒質を示す。図１４Ｂは、フィラメントストランドから作られるプリント媒質の概略図である。図１４Ｃは、図１４の線１４Ｃに沿って取られた堆積ヘッドの先端の拡大図であり、繊維トウ上に形成されているピクセルを示す。 第二の材料のプリントパターンを複合レイアップ上に自動プリントするためのロボット装置の例の概略図である。 第二の材料のプリントパターンを織物又は一方向性テープ上にプリントするためのシステムの例の概略図である。 第二の材料のプリントパターンを織物及び又は一方向性テープ上に自動プリントするためのロボット装置の例の概略図である。 第二の材料のプリントパターンを繊維トウ、織物及び／又は一方向性テープ上に塗布する方法に含まれうる一つ又は複数の作業を示すフローチャートである。 図１４〜図１７に示されるシステムを用いてプリントパターンをプリントする方法に含まれうる一つ又は複数の作業を示すフローチャートである。 プリフォームツール上のレイアップの間に一つ又は複数の複合プライ上にプリントパターンをプリントする方法に含まれうる一つ又は複数の作業を示すフローチャートである。

次に、本開示の様々な実施形態を示す目的で示される図面を参照するが、図１に複合構造体１００のブロック図が示される。複合構造体１００は、複数の複合プライ１０６を含む複合レイアップ１０２又は複合ラミネート１０４として形成されうる。複合プライ１０６は、樹脂１１２の中に埋め込まれる強化繊維１１４を含みうる。強化繊維１１４は、複数の強化フィラメント１１６から作られうる。幾つかの例において、強化フィラメント１１６は、強化フィラメント１１６の製造中に強化フィラメント１１６のフィラメント表面１１８に塗布されうるサイジング１３８（例えば、図７を参照）又は保護被覆を含みうる。サイジング１３８は、強化フィラメント１１６の長さに沿って強化表面上に均一な又は非均一なサイジング厚さ１４０（図７）で堆積されうる表面仕上げであってもよい。サイジング１３８は、強化フィラメント１１６と樹脂１１２の間の付着性を改良し、及び／又は織る作業及び／又はプリプレグ作業の間などの処理の間に、強化フィラメントを破損から保護しうる。強化フィラメント１１６は、炭素材料又は非炭素材料などの第一の材料１２０から形成されうる。

有利には、本開示において、一つ又は複数のモディファイア材料（例えば、第二の材料、第三の材料、第四の材料、等）が、一つ又は複数の強化フィラメント１１６、繊維トウ１１４、一方向性テープ１３２（図２）、一方向性シート、織物１３４（図１６）、編んだ布、ノンクリンプ織物、複合プライ若しくはプリフォーム、又は様々な他の繊維形状のうちの任意の一つに、複合構造体１００の特性を変える手段として塗布されうる。第二の材料２０２の長さ２０４、幅２０６及び厚さ２０８のうちの少なくとも一つが、強化フィラメント、繊維トウ１１４、一方向性テープ１３２、一方向性シート、織物１３４、又は他の繊維形状の表面にわたって変わるように、モディファイア材料又は第二の材料２０２（図４）又は任意の数の他の材料（第二の材料、第三の材料、第四の材料、等）が、強化フィラメント、繊維トウ１１４、一方向性テープ１３２、一方向性シート、織物１３４、複合プライ１０６、又は他の繊維形状の長さ又は幅に沿ってあらかじめ決められたプリントパターン２００で体系的に堆積されうる。

幾つかの例において、第二の材料２０２が、サイジング１３８を欠く強化フィラメント１１６（図２）を含有する繊維形状（例えば、トウ、テープ、布）に塗布されうる。他の例において、第二の材料２０２が、強化フィラメント１１６のサイジング１３８、繊維トウ１１４、テープ、織物１３４（図１６）又は他の繊維形状の上に塗布されうる。プリントされるモディファイア材料又は第二の材料２０２が、強化フィラメント１１６の第一の材料１２０と異なってもよい。第二の材料２０２（例えば、モディファイア材料）が、一つ又は複数の強化フィラメント１１６、繊維トウ１１４（図２）、一方向性テープ１３２、織物１３４、又は複合レイアップ１０２の他の繊維形状の長さ及び／又は幅に沿って、精密に制御されたプリントパターン２００で体系的に堆積（例えば、三次元プリント）され、複合構造体１００の特性を変更しうる。第二の材料２０２は、インク、細粒、微粒子２６６、フィラメントストランド２６８、及び押出し媒質（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｍｅｄｉａ）の形状でプリント媒質２６４（図１４Ａ）としてプリントされうる。

第二の材料２０２は、限定されないが、人手塗布／プリント、スプレー被覆、融解堆積成形、リソグラフィ、ステレオリソグラフィ、フレキソ印刷、乾燥転写、レーザ焼結、選択的加熱焼結、プラスターベースの３Ｄプリンティング、層別堆積、インクジェットプリンティング、化学的／熱的結合及び押出し位置決め加工を含む他の製造技術に適用可能でありえ又は他の製造技術によってプリントされうる。第二の材料２０２（図４）は、有機モノマー、プレポリマー、ポリマー、金属粉末、無機フィラー、及び水溶液又は溶剤系溶液のうちの一つ又は複数を含みうる。第二の材料２０２はまた、ナノシリカ、ブロックコポリマー、グラフェン板状晶、カーボンナノチューブ及び他のタイプの材料などのフィラー又は二次相（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｐｈａｓｅｓ）を含みうる。有利には、プリントパターン２００は、複合構造体１００の中の特定の機能又は性能の改良を達成するために、複合ラミネート１０４（図２）の中に階層構造で提供されうる。

一つの例において、第二の材料２０２は、靱性の増加、引火抵抗の増加、電気伝導度の上昇、硬化収縮に関連する歪みの減少、反応熱に関連する歪みの減少、及び／又は反応熱に関連する樹脂劣化の減少のうちの少なくとも一つを提供するポリマーナノ粒子（図示せず）を含有しうる。ポリマーナノ粒子は、樹脂と同じ材料又は熱可塑性材料、アクリル類、フルオロカーボン、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアリールエーテルケトン、ポリエーテルイミド、熱硬化性材料、ポリウレタン、フェノール類、ポリイミド、スルホン化ポリマー（ポリフェニレンサルファイド）、導電性ポリマー（例えば、ポリアニリン）、ベンゾオキサジン誘導体、ビスマレイミド類、シアン酸エステル、ポリエステル、エポキシ、及びシルセスキオキサンのうちの少なくとも一つから作られうる。ポリマーナノ粒子はまた、以下の特性のうちの少なくとも一つを有しうる：少なくとも部分的に可溶性である、コアシース構成を有する、樹脂硬化収縮率よりも低いナノ粒子硬化収縮率を有する、樹脂ＣＴＥとは異なるナノ粒子ＣＴＥ、樹脂反応熱より低いナノ粒子反応熱、樹脂より大きい歪み性能、樹脂硬化プロセスの間に触媒又は硬化剤を放出する、及び触媒又は硬化剤が、樹脂１１２の反応速度を変更しうる。

任意の数のモディファイア材料（例えば、第二の材料２０２、第三の材料２１２、第四の材料、等）が、高度に制御された方法で、種々の上記繊維形状（例えば、フィラメント、繊維トウ、テープ及び／又は織物、等）のうちの任意の一つの上にプリントされうる。例えば、第二の材料２０２（図４）が、繊維強化複合ラミネート構造体のための、正確に規定された構造的及び／又は機能的モディファイア又は添加剤として、ナノスケールからメソスケール（例えば、１０^−９ｍｍ〜１０^−３ｍｍ）で、一つ又は複数の繊維１１４形状の上にプリントされうる。第二の材料２０２のプリントは、プリント媒質２６４（例えば、第二の材料２０２）の比較的高度な位置的正確性及び階層的制御を可能にする。幾つかの例において、第二の材料２０２は、第二の材料２０２の長さ２０４、幅２０６（図４）及び／又は厚さ２０８が、約０．０１〜１００ミクロンの範囲内にあるように、プリントされうる。有利には、第二の材料２０２の長さ２０４、幅２０６及び厚さ２０８が、複合構造体１００（図１）の特定の位置に所望の機能改良を与えるように、非常に正確な方法で制御されうる。例えば、以下でより詳細に説明されるように、第二の材料２０２の堆積（例えば、プリント）は、複合構造体のクラック抵抗性、ラミネート間剪断強度、電気伝導度、及び／又は腐食抵抗性を改良し得、及び／又は第二の材料２０２は、複合レイアップ１０２の中の複合プライ１０６の粘着度を増加させうる。

図２は、一方向性プライ１１０のラミネートスタックとして形成された複合構造体１００の例を示す。一方向性プライ１１０の各々が、並んで置かれた複数の平行な繊維トウ１１４を含みうる。示された例において、一つの複合プライ１０６の中の繊維１１４は、スタック中の隣接する複合プライ１０６（例えば、上又は下）の中の繊維１１４と非平行に配向されてもよい。しかしながら、複合プライ１０６のうちの一つ又は複数が、隣接する複合プライ１０６の中の繊維１１４と平行に配向される繊維１１４を含んでもよい。前述の通り、強化フィラメント１１６又は繊維１１４は、第一の材料１２０から形成されうる。一例において、第一の材料１２０（図１）は、炭素又はグラファイトであってよい。しかしながら、他の例において、強化フィラメント１１６又は繊維１１４は、非炭素材料から形成されてもよい。例えば、繊維１１４は、ホウ素、ガラス、セラミック、金属材料、及び／又は任意の他のタイプの繊維材料から形成されうる。

一方向性プライ１１０の各々の中の繊維１１４は、一方向性テープ１３２又は一方向性シート（図示せず）の平行繊維１１４として提供されうる。複合プライ１０６（図２）の各々が、複数の連続繊維トウ１１４を含みうる。単一の繊維トウ１１４が、一緒に束にされた数千の強化フィラメント１１６（例えば、１０００〜１００，０００又はそれより多い強化フィラメント）の束を含みうる。幾つかの例において、強化フィラメントは、５〜３０ミクロンのフィラメント断面幅又は直径を有しうる。例えば、炭素強化フィラメントは、約５〜７ミクロンのフィラメント断面幅を有しうる。ガラス強化フィラメントは、１０〜２５ミクロンのフィラメント断面幅を有しうる。示されていないけれども、本開示の複合繊維１１４は、繊維マットの中に組み入れられうるチョップドファイバー１１４をも包含しうる。この点において、本開示の複合繊維１１４はまた、任意の様々な他の繊維構成において提供されうるのであり、本明細書に開示された繊維構成に限定されない。本開示において、強化フィラメント、繊維、繊維トウ、及び複合繊維という用語は、交換可能に用いられうる。

幾つかの例において、複合構造体１００は、プリプレグ繊維トウ１１４（図２）、プリプレグ一方向性テープ１３２、及び他の形状のプリプレグから形成されうる、樹脂１１２をあらかじめ含浸されうる複合プライ１０６（例えば、プリプレグ複合プライ）から形成されうる。あるいは、複合構造体１００は、乾燥繊維プリフォーム１３６として形成されうる。例えば、複合構造体１００（図２）は、乾燥複合プライ１０６、繊維トウ１１４、乾燥一方向性テープ１３２（図４）、乾燥繊維シート、乾燥織布、織物、及び／又は他の形状の乾燥繊維をレイアップすることによって形成されうる。乾燥繊維形状が、複合プライ１０６のスタックに配列され、その上に第二の材料２０２がプリントされ、その後、樹脂１１２が、ウェットレイアッププロセスにおいて注入されうる。

本明細書に開示される任意の例において、樹脂１１２及び／又は強化フィラメント１１６は、熱可塑性材料又は熱硬化性材料から形成されうる。熱可塑性材料は、アクリル類、フルオロカーボン、ポリアミド、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアリールエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、及びポリエーテルイミドのうちの少なくとも一つを含みうる。熱硬化性材料は、ポリウレタン、フェノール類、ポリイミド、ビスマレイミド類、ポリエステル、エポキシ、シアン酸エステル、ポリスルホン、及びシルセスキオキサンのうちの一つを含みうる。加えて、本明細書に開示される任意の例において、樹脂１１２（図２）及び／又は強化フィラメント１１６又は繊維１１４（図２）は、炭素、炭化ケイ素、及びホウ素などの材料から形成されうる。強化フィラメント１１６又は繊維１１４はまた、Ｅガラス（アルミノホウケイ酸ガラス）、Ｓガラス（アルミノケイ酸ガラス）、純シリカ、ホウケイ酸ガラス、光学ガラス、及び他のガラス組成物などのガラスから形成されうる。

図３は、繊維トウ１１４又は一方向性テープ１３２の上にプリントされた、ドット２１４の配列の形状のプリントパターン２００を有する、ある長さの繊維トウ１１４又は一方向性テープ１３２の一部分の上面図である。上記のように、繊維トウ１１４又は一方向性テープ１３２は、連続強化フィラメント１１６の束１２２からなりうる。強化フィラメント１１６は、強化フィラメント１１６を覆うサイジング１３８（例えば、図７を参照）を含んでもよいし、含まなくてもよい。繊維トウ１１４若しくは一方向性テープ１３２は、乾燥繊維１１４として提供されてもよいし、又は繊維トウ１１４若しくは一方向性テープ１３２は、プリプレグとして提供されてもよい。ドット２１４の配列は、強化フィラメント１１６が形成されうる第一の材料１２０とは異なりうる一つ又は複数のモディファイア材料から形成されうる。例えば、ドット２１４の配列は、第一の材料１２０とは異なりうる第二の材料２０２から形成されうる。ドットの配列の中のドット２１４の幾つかは、第一の材料１２０及び／又は第二の材料２０２とは異なる組成物でありうる第三の材料２１２から形成されうる。第三の材料２１２は、第二の材料２０２と同じサイズ（例えば、長さ、幅、厚さ）でプリントされてもよいし、異なるサイズでプリントされてもよく、同じプリントパターンでプリントされてもよいし、異なるプリントパターンでプリントされてもよい。第四の材料（図示せず）、第五の材料（図示せず）、又は任意の数の他の材料が、異なる機能を提供するように、プリントされてもよい。例えば、異なる材料によって提供されうる、そのような追加の機能は、限定されないが、クラック抵抗性の改善、ラミネート間剪断強度の改善、電気伝導度及び腐食抵抗性の上昇、及び広範囲の温度における粘着度の改善を含みうる。第二、第三、第四、及び／又は第五又はそれより上の材料のうちの任意の一つが、上記の機能のうちの任意の一つを提供しうるということに、留意されたい。この点において、任意の数の材料が、上記の機能のうちの任意の一つ又は複数を提供する任意の数の方法で結合されうる。

ドット２１４の配列又は一つ又は複数のモディファイア材料の様々な他の幾何学的構成のうちの任意の構成が、プリントパターン２００（図３）に配列され、様々な異なる機能のうちの一つ又は複数を提供しうる。例えば、プリントパターン２００は、複合プライ１０６の粘着度を改善するように、構成されうる。一つ又は複数のモディファイア材料が、隣接する複合プライ１０６（図２）間の化学的結合及び／又は隣接する複合プライ１０６間の物理的連結を提供しうるプリントパターン２００において提供されうる。例えば、モディファイア材料が、繊維形状（例えば、繊維トウ、一方向性テープ、織物）の上にプリントされてもよく、モディファイア材料が、プリンタ２６０（図１４）によって繊維形状の上に塗布又はプリントされるときに、強化フィラメント１１６と接合してもよい。モディファイア材料は、隣接する複合プライ１０６に付着することを可能にする粘着性を有しうる。幾つかの例において、モディファイア材料は、隣接する複合プライ１０６の強化フィラメント１１６（図３）に係合可能でありうる歯２２４（図示せず）又はノッチなどの、プリントパターン２００上に形成される機械的特徴とともにプリントされてもよい。別の実施形態において、一つの複合プライ１０６上のプリントパターン２００は、下記のように、隣接する複合プライ１０６のプリントパターン２００と係合するための機械的特徴とともにプリントされてもよい。

更に、モディファイア材料は、複合レイアップ１０２の処理温度と両立するように、選択されうる。例えば、モディファイア材料は、室温から、樹脂１１２（図２）の圧密及び硬化と関連付けられる高い温度までの温度範囲内で、複合プライ１０６（図２）間の粘着度を提供するように、選択されうる。粘着度の改善は、乾燥繊維複合プライ又はプリプレグプライが、くっついて、複合繊維プライの制御されたハンドリング及び複合レイアップ１０２（図２）へのスタッキングを可能にしうる。この点において、プリントパターン２００によって提供される粘着度の改善は、スタッキング、真空バギング、樹脂注入、圧密、及び他の複合処理作業中、相対運動に対して複合プライ１０６を安定化しうる。

様々なプリントパターン２００のうちの任意の一つ又は複数はまた、複合ラミネート１０４（図１０）の中の隣接するプライ間の改善されたプライブリッジングの形状において機能上提供しうる。例えば、一つ又は複数のモディファイア材料のプリントパターン２００（図１０）が、複合構造体１００の中にクラックを防止する又はクラックを阻止する特徴を提供しうる。例えば、一つ又は複数のモディファイア材料が、強化フィラメント１１６と樹脂１１２（図１０）の間の接着結合を改善しうる。加えて、一つ又は複数のモディファイア材料のプリントパターン２００が、複合構造体１００の中でのクラックの開始又はクラックの成長を抑制又は防止しうる強靱化メカニズムとして働きうる。以下でより詳しく説明されるように、一つ又は複数のモディファイア材料が、複合プライ１０６の隣接する対の間のラミネート間領域１０８（例えば、図１０〜図１３を参照）にブリッジをかけるように、正確に制御された長さ２０４、幅２０６及び／又は厚さ２０８で、繊維トウ１１４又は一方向性テープ１３２の上にプリントされうる。隣接する複合プライ１０６のブリッジングは、複合ラミネート１０４の中で局所化された応力集中を分散させ、それにより、複合ラミネート１０４の中でのクラックの開始又はクラックの成長を最小化及び防止しうる。

幾つかの例において、ドット２１４の配列の形状又は他の幾何学的構成におけるモディファイア材料のプリントは、複合ラミネート１０４の靱性を改善しうる。例えば、モディファイア材料のプリントパターン２００（図３）は、クラック形成及び／又はクラック成長を抑制又は防止する応力解放メカニズムとして、強化フィラメント１１６（図３）からのモディファイア材料粒子の制御された引抜き、解放、又は分離を誘起しうる。他の例において、複合ラミネート１０４（図２）が、あるタイプの荷重（例えば、ある大きさ及び／又は方向の荷重）を受けるときに、モディファイア材料は、モディファイア材料の制御された量の変形を可能にする組成又は機械的特性を有しうる。

本開示において、第二の材料２０２、第三の材料２１２、及び／又は任意の数の他のモディファイア材料が、三次元インクジェットプリンタ又は他のプリンタ構成などのプリンタ２６０の堆積ヘッド２６２（例えば、図１４〜図１７を参照）を用いて、繊維形状（例えば、繊維トウ、一方向性テープ、織物、等）の上に体系的にプリントされうる。一つ又は複数のモディファイア材料を繊維形状の上に塗布するプロセスは、繊維形状の上にあらかじめ決められたプリントパターン２００を形成するための追加のプロセスにおいて、プリンタ堆積ヘッド２６２が、モディファイア材料のピクセル２１０（図１４Ｃ）をプリントしうるサイズ（例えば、長さ、幅、厚さ）と位置における正確さを利用しうる。

プリンタ２６０の堆積ヘッド２６２は、１００ミクロンまでの直径及び１００ミクロンまでの厚さのピクセル２１０（図１４Ｃ）で材料（例えば、第二の材料２０２、第三の材料２１２、等）をプリントするように、構成されうる。幾つかの例において、各ピクセル２１０のサイズは、直径が約０．１〜１０ミクロンでありうる。他の例において、ピクセル２１０の各々は、少なくとも約０．０１ミクロンの各ピクセルの厚さで、繊維トウ、テープ又は布に塗布されうる。連続したピクセル２１０が、プリンタ２６０堆積ヘッド２６２（図１４Ｃ）を用いてプリントされ、最終的なプリントパターン２００（図１３）が、正確に制御された長さ２０４、幅２０６及び厚さ２０８を有するように、繊維トウ１１４又は他の繊維形状の上にプリントパターン２００を形成しうる。

図４は、一方向性テープ１３２の長さ方向に対して横に配向された垂直線２１６のプリントパターン２００でプリントされた第二の材料２０２を有する、ある長さの一方向性テープ１３２を示す。垂直線２１６のプリントパターン２００は、プリントパターン２００の垂直線２１６と平行な方向に沿って異方性電気伝導度を促進しうる。垂直線２１６の配列は、航空機への落雷の場合などに、複合構造体１００の至る所への電荷の輸送及び／又は分散を容易にしうる。垂直線２１６のプリントパターン２００はまた、複合構造体１００の中でのクラックの停止を容易にし、又はクラックの伝播を防止しうる。例えば、垂直線２１６は、強化フィラメント１１６の長さ方向（例えば、荷重を運ぶ方向）と垂直に荷重が加えられるときに強化フィラメント１１６の間の樹脂１１２の中に形成されうるクラックの伝播を防止しうる。

図５は、繊維トウ１１４の長さに沿ったクロスハッチパターン２１８の形状のプリントパターン２００を有する、ある長さの繊維トウ１１４を示す。図４に示される垂直線２１６と同様に、クロスハッチパターン２１８もまた、クラックの停止を容易にし、又は複合構造体１００の樹脂１１２（図２）に形成されうるクラックの伝播を防止しうる。クロスハッチパターン２１８はまた、複合構造体１００の至る所へ電荷を分散させるのに役立つ経路を提供しうる。クロスハッチパターン２１８のうちの一つ又は複数が、モディファイア材料のうちの一つ又は複数を用いてプリントされうる。例えば、クロスハッチパターン２１８は、強化フィラメント１１６が形成されうる第一の材料１２０とは異なりうる第二の材料２０２及び第三の材料２１２から形成されうる。第二の材料２０２は、熱サイクル中及び／又は複合構造体１００に対するある負荷条件の間の複合構造体１００（図２）の中のクラックの開始又はクラックの成長を防止するための強靱化メカニズムを提供するなどの、一つのタイプの機能を提供しうる。第三の材料２１２が、複合構造体１００の電気伝導度を改善するなどの、他のタイプの機能を複合構造体１００に提供しうる。

図６は、曲線２２０の組合せの形状のプリントパターン２００を有する、ある長さの一方向性テープ１３２を示す。曲線２２０は、上記のように、一つ又は複数のモディファイア材料から形成されうる。この点において、プリントパターン２００は、長さと幅が様々でありえ、様々なサイズ、形及び構成の組合せを含みうる。例えば、プリントパターン２００は、ドット２１４、線２１６（図４）、クロスハッチ２１８（図５）、及び／又は曲線２２０の任意の組合せ、又は種々の他のプリントパターン２００構成のうちの任意の一つを含みうる。

本明細書に開示される任意の例において、任意の一つ又は複数のモディファイア材料（例えば、第二の材料２０２、第三の材料２１２、等）が、種々の異なるプリントパターン２００のうちの任意の一つで、繊維形状（例えば、強化フィラメント、繊維トウ、一方向性テープ、織物、等）の上にプリントされうる。第二の材料２０２の長さ２０４、幅２０６（図３）及び厚さ２０８（図８）のうちの少なくとも一つが、一つ又は複数のフィラメント又は一つ又は複数の繊維１１４の表面にわたって変化するように、第二の材料２０２などのモディファイア材料が、体系的に堆積されうる。例えば、第二の材料２０２が、繊維トウ１１４、一方向性テープ１３２又は織物１３４（図１６）の長さの一部分に沿ってプリントパターン２００で体系的に堆積されうる。幾つかの例において、プリントパターン２００が、繊維トウ１１４、一方向性テープ１３２（図５）又は織物１３４の長さの一部分に沿って繰り返されうる。他の例において、プリントパターン２００は、繊維トウ１１４、一方向性テープ１３２又は織物１３４の長さに沿って、ランダムな間隔でプリントされうる。

認識されうるように、種々の異なるモディファイア材料のうちの任意の一つ又は複数が、プリントパターン２００（図６）の中に組み入れられ、複合構造体１００（図２）に一つ又は複数の所望の機能を提供しうる。この点において、複合ラミネートの繊維形状の上へのモディファイア材料の体系的な堆積は、モディファイア材料のない強化フィラメントを有する複合構造体の特性と比べて、少なくとも一つの複合構造体特性が変更される複合構造体１００をもたらしうる。変更される複合構造体特性は、靱性、体積分率、透磁率、弾性率、硬化収縮率、反応熱、フィラメント粘着度、引火性、及び電気伝導度、及び他のタイプの機能を含みうる。幾つかの例において、第三の材料２１２が、プリンタ２６０の堆積ヘッド２６２（図１４Ａ）を用いて、一つ又は複数の強化フィラメント１１６又は他の繊維形状の上に体系的に堆積されうる。第二の材料２０２及び第三の材料２１２を堆積させる結果として、第二の材料及び第三の材料のない強化フィラメントを有する複合構造体の特性と比べて、少なくとも二つ（２）の異なる複合構造体特性が変更される複合構造体１００がもたらされうる。

一つの実施形態において、接合している複合構成要素（図示せず）間の界面において複合構造体１００（図２）のラミネート間剪断強度及び／又は剥離強度を改善するために、一つ又は複数のモディファイア材料が、一つ又は複数のプリントパターン２００（図６）で繊維形状の上に塗布又はプリントされうる。例えば、樹脂注入ラミネート構造体の複合外皮と複合補強材の間の界面においてラミネート間剪断強度及び／又は剥離強度を改善するために、モディファイア材料が、プリントパターン２００で繊維形状の上に塗布されうる。他の例において、複合構造体１００が耐用年数の間に受けうる予測される環境的及び／又は機械的負荷条件を見据えて、複合構造体１００の破壊靱性、弾性率、及び／又は破壊ひずみを局所的に増加又は減少させるように、一つ又は複数のモディファイア材料が、ラミネート複合構造体１００の繊維トウ１１４、一方向性テープ１３２（図６）及び／又は織物１３４（図１６）のうちの一つ又は複数の上にプリントされうる。

他の例において、一つ又は複数のモディファイア材料が、ラミネート複合構造体と金属部品の間で防食バリアとして機能するプリントパターンで、繊維形状に塗布されうる。この点において、プリントパターン２００（図６）が、炭素繊維ラミネートと、アルミニウム部品などの金属部品の間で起こりうる酸化及び／又は還元反応に対して防食バリアとして作用しうる。別の例において、一つ又は複数のモディファイア材料が、複合構造体１００（図２）の引火性、煙、及び／又は毒性の特質を改善するように、繊維形状の上にプリントされうる。有利には、本明細書に開示される任意の例において、モディファイア材料が、予想される運航環境及び／又は負荷条件に対応して、複合ラミネート１０４（図２）の特性を局所的に適合させるように、繊維形状の上にプリントされうる。例えば、モディファイア材料が、複合ラミネート１０４の負荷条件に適応させるために、複合ラミネート１０４の中の様々な場所で弾性率を変えるように、プリントされうる。この点において、一つ又は複数の異なるタイプ、量、及び幾何学的構成のモディファイア材料をレイアップ１０２の特定の領域における繊維トウ、テープ、プライ、及び／又は織物にプリントすることによって、複合構造体１００の性能が、複合構造体１００の予想される運航条件及び動作環境に適合されうる。

図７は、繊維トウ１１４（図５）の強化フィラメント１１６のある長さの一部分を示し、強化フィラメント１１６とともに任意選択的に含まれうるサイジング１３８（例えば、表面被覆）を示す。上記のように、サイジング１３８が、強化フィラメント１１６の製造中に塗布されうる。サイジング１３８は、製造中、及び／又は複合プライ１０６の織り上げ及び／又はレイアップなどの後処理中の破損などの損傷から、強化フィラメント１１６を保護しうる。

図８は、第一の材料１２０の複数の強化フィラメント１１６から形成される繊維トウ１１４及び／又は一方向性テープ１３２の断面を示す。強化フィラメント１１６の束１２２の外側部分の上にプリントされるモディファイア材料（例えば、第二の材料２０２）のプリントパターン２００もまた示される。モディファイア材料が、繊維トウ１１４及び／又は一方向性テープ１３２の上面１２８の上にプリントされているのが示される。上記のように、モディファイア材料が、所望の厚さ２０８でプリントされうる。例えば、モディファイア材料が、１００ミクロンまでかそれより大きい厚さ２０８でプリントされうる。

図９は、複数の又は束１２２の強化フィラメント１１６から形成される繊維トウ１１４及び／又は一方向性テープ１３２の断面を示す。モディファイア材料（例えば、第二の材料２０２）が、強化フィラメント１１６の束１２２と関連付けられる少なくとも二つ（２）の異なる平面１２４上にプリントパターン２００でプリントされうる。例えば、プリントパターン２００が、一方向性テープ１３２の上面１２８と底面１３０の両方に塗布されうる。モディファイア材料が、上面１２８及び底面１３０に隣接する複合プライ１０６とのプライブリッジングを可能にするように、分散されたパターンでかつ所望の厚さ２０８でプリントされうる。加えて、プリントパターンが、一方向性テープ（例えば、図１３を参照）の一つ又は複数の側面に塗布されうる。

図１０は、複合レイアップ１０２（図２）の断面図であり、複合構造体１００の隣接する複合プライ１０６の一方向性テープ１３２を接着するプリントパターン２００を示す。モディファイア材料のプリントパターン２００が、複合プライ１０６の機械的連結及び／又は化学的相互作用を可能にする深さで、複合プライ１０６の一つ又は両方の強化フィラメント１１６に塗布されうる。図１０において、モディファイア材料のプリントパターン２００は、複合プライ１０６の両方と直接に接触し、両方との粘着度を改善することもあるし、又は粘着性に接合することもある。図１０における一方向性プライ１１０は、同じ繊維配向を有するけれども、モディファイア材料は、異なる繊維配向を有する隣接する複合プライ１０６を直接に接合しうる。一つの例において、プリントパターン２００は、限定されないが、ボールとソケット、フックとループ、 ありつぎくさびと溝、湾曲した先端とくぼみ、生物工学的な連結特徴部、不規則な三次元形状、及び任意の他のタイプの幾何学的特徴を含む、プライの機械的連結のための幾何学的特徴（図示せず）の任意の組合せを含むように、長さ、幅、及び高さにおいて様々でありえる。

図１１は、一方向性テープ１３２の一対の隣接する複合プライ１０６を含む複合レイアップ１０２（図２）の断面図である。モディファイア材料が、複合プライ１０６の各々の上にプリントされうる。一つの複合プライ１０６のモディファイア材料が、隣接する複合プライ１０６のモディファイア材料と接触しうる。モディファイア材料は、互いに機械的及び／又は化学的に連結されうる。本明細書に開示される任意の例において、モディファイア材料の組成は、モディファイア材料間の接触が、モディファイア材料間の混和性の又は非混和性の相互作用を伴う界面をもたらすように、選択されうる。

更に、任意の一つ又は複数のモディファイア材料が、樹脂１１２（図２）に可溶性、部分的に可溶性、又は不溶性でありうる。可溶性又は部分的に可溶性のモディファイア材料は、樹脂の硬化特性（例えば、硬化時間及び／又は硬化温度）を局所的に変えるために、樹脂の硬化中に触媒又は硬化剤を放出するように構成されうる。この点において、可溶性材料が、前もって決められた温度に達し、モディファイア材料が、触媒又は硬化剤を樹脂の中に次第に放出し、それにより、モディファイア材料がない樹脂の硬化時間と比べて樹脂の硬化時間を減少させるとき、モディファイア材料は、少なくとも部分的に樹脂に溶けうる。加えて、任意の一つ又は複数のモディファイア材料は、樹脂の反応熱よりも低い反応熱を有することがありえ、これは、硬化温度を局所的に低下させ、それにより、繊維１１４の熱膨張率（ＣＴＥ）に対する樹脂の熱膨張率（ＣＴＥ）における差の結果としての複合ラミネートの中の局所的な熱変形を減少させる効果を有しうる。別の例において、任意の一つ又は複数のモディファイア材料が、多孔性でありえ、複合構造体が外的負荷又は力を受けるときに、少なくとも一つの方向に沿って樹脂の歪み性能を局所的に増加させうる。

図１２は、モディファイア材料が、各複合プライ１０６のモディファイア材料の連結を容易にするように、複合プライ１０６の各々の上にプリントされうる複合レイアップ１０２（図２）の断面図である。複合プライ１０６の各々の上のモディファイア材料のプリントパターン２００は、機械的連結特徴部２２２とともにプリントされうる。例えば、複合プライ１０６の一つの上のプリントパターン２００は、対向する複合プライ１０６のモディファイア材料の上にプリントされうる対応する機械的連結特徴部２２２と物理的に係合し、連結するための歯２２４、フック又は他の機械的特徴部を含みうる。幾つかの例において、図１２の一つの複合プライ１０６のモディファイア材料は、隣接する複合プライ１０６のモディファイア材料と化学的に連結するように構成されうる。

図１３は、異なる繊維配向を有する一方向性テープ１３２の幾つかの隣接する複合プライ１０６を示す、複合レイアップ１０２（図２）の断面図である。モディファイア材料のプリントパターン２００が、隣接する複合プライ１０６間の粘着度及び／又はプライブリッジングの改善を容易にする又は可能にするように、複合プライ１０６上にプリントされうる。プリントパターン２００はまた、隣接する一方向性テープ１３２の側面１３１間にも塗布されうる。本明細書に開示される任意の例において、モディファイア材料は、任意の数の所望の機能を複合ラミネート１０４に提供するために、一つ又は複数の繊維形状の上にプリントされうる。例えば、モディファイア材料は、粘着度、電気伝導度、腐食抵抗、ラミネート間剪断強度及び破壊靱性、クラック阻止性能、熱特性、及び他の機能を改善するために、プリントされうる。有利には、マイクロスケールの正確さで反復可能な方法で各プリントパタ―ン２００の材料、サイズ、幾何学的形状及び位置を正確に制御する能力は、複合ラミネートの特定の性能の改善をもたらしうる。

図１４は、第二の材料２０２のプリントパターン２００を繊維トウ１１４又は一方向性テープ又は形状の上にプリントするためのシステムの例の概略図である。示された例において、システムは、繊維トウ１１４のボビン２８２を含む。繊維トウ１１４（図１３）は、乾燥繊維であってもよいし、又は繊維トウ１１４は、あらかじめ樹脂１１２（図２）を含浸されていてもよい。繊維トウ１１４は、フィードローラー２７０を経由してプリンタベッド２５６の中に送り込まれうる。プリンタベッド２５６は、モディファイア材料をプリントパターン２００で繊維トウ１１４の上にプリントするための堆積ヘッド２６２を有するプリンタ２６０を含みうる。幾つかの例において、ある長さの繊維トウ１１４がプリンタベッド２５６の中に移動し、停止して、プリンタ２６０がその長さの繊維トウ１１４の上にプリントパターン２００を塗布することを可能にしうるパルスプリント作業にとって望ましいかもしれないように、プリンタ２６０は、紙面に対して左右方向に沿ったガイドトラック２５８に沿って可動であってよい。プリンタ２６０はまた、トウがプリンタベッド２５６の中で静止している間に、紙面の中に入る方向及び紙面から出る方向に可動であってもよい。他の例において、プリンタ２６０が繊維トウ１１４の上にプリントパターン２００を連続的にプリントする間、プリンタ２６０が静止しており、繊維トウ１１４が、プリンタベッド２５６を通って連続的に可動であってもよい。

図１４において、プリンタ２６０は、プリントパターン２００のデジタルモデル２５２に基づくコンピュータ可読プリントプログラム２５４命令（例えば、コード）に応じて、作動しうる。幾つかの例において、プリントパターン２００のデジタルモデル２５２は、コンピュータ２５０上に生成され得、コンピュータ２５０のスクリーン上に表示されているのが示されるプリントパターン２００のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルに基づいてもよい。プリントプログラム２５４は、堆積ヘッド２６２の位置制御を提供してもよく、プリント媒質２６４（例えば、モディファイア材料）を用いてプリントされうるプリントパターン２００のサイズ、形状及び一般的構成をも制御しうる。幾つかの例において、プリンタベッド２５６は、繊維トウ１１４（図１３）の上へのプリントパターン２００のプリントの進捗の観察用のディスプレイ２７４を含んでよい。繊維トウ１１４上へのプリントパターンのプリントの後、プリントされた繊維トウ２７６は、ボビン２８２上に巻かれうる。示されていないけれども、プリントされた繊維トウ２７６のボビン２８２は、手作業のレイアッププロセスで及び／又は自動テープ布設機械（図示せず）を用いることによって繊維トウ１１４が複合ラミネート１０４へとレイアップされうる複合レイアップエリアに輸送されうる。

図１４Ａは、微粒子２６６から作られるプリント媒質２６４の一例の概略図である。微粒子２６６は、大体球状の形で提供されうる。しかしながら他の形が考えられる。図１４Ｂは、フィラメントストランド２６８から作られるプリント媒質２６４の概略図である。上記の通り、プリント媒質２６４（例えば、モディファイア材料）は、有機モノマー、プレポリマー、ポリマー、金属粉末、無機フィラー、及び他のモディファイア材料を含みうる。図１４Ｃは、堆積ヘッド２６２の先端の拡大図であり、ピクセル２１０が繊維トウ１１４の上に形成されているところを示す。上記の通り、各ピクセル２１０が、１００ミクロンまでの又はそれより大きい直径を有し得、少なくとも約０．１ミクロンの厚さ２０８を有しうる。堆積ヘッド２６２は、所望の厚さ２０８、長さ２０４、幅２０６及び幾何学的形状のプリントパターン２００を形成するために、連続したピクセル２１０をプリントしうる。

図１５は、モディファイア材料のプリントパターン２００を繊維トウ上にプリントするためのロボット装置２７２の例の概略図である。示されている例において、ロボット装置２７２は、一方向性テープ１３２（図１３）の複合ラミネート１０４に対してプリンタ２６０の堆積ヘッド２６２を位置決めするための多関節アームを含みうる。ロボット装置２７２は、複合ラミネート１０４のスタックの中の連続する複合プライ１０６の上にモディファイア材料のあらかじめ決められたプリントパターン２００をプリントするように、プリンタ２６０を制御しうる。ロボット装置２７２は、図１４のプリンタベッド２５６のために記載された配列と同様に、プリントパターン２００のデジタルモデル２５２に基づいたコンピュータ可読プリントプログラム２５４命令（例えば、コード）に応じて、操作されうる。

図１６は、モディファイア材料のプリントパターン２００を織物１３４又は一方向性テープ１３２又はシートの上にプリントするためのプリンタベッド２５６の例の概略図である。示された例において、システムは、乾燥織物でもよいし、プリプレグ織物でもよい織物１３４のロール２８４を含む。織物１３４が、フィードローラー２７０を経由して、織物１３４の上にプリントパターン２００でモディファイア材料をプリントするための堆積ヘッド２６２を伴うプリンタ２６０を有するプリンタベッド２５６の中に連続的に送り込まれうる。プリンタ２６０は静止していてもよいし、又は、図１４の上記配列と同様に、プリンタ２６０は、プリンタベッド２５６に対して様々な異なる方向のうちの任意の一つに可動であってもよい。織物１３４の上にプリントパターン２００をプリントした後に、プリントされた繊維トウ２７８が、ロール２８６の上に巻かれうる。

図１６のシステムは、任意選択で、パルスモード配列で作動されてもよく、パルスモード配列では、織物１３４の断片又はある長さが、プリンタ２６０ヘッドの中に移動されることができ、その長さの織物１３４の上にプリントパターン２００を堆積させている間、プリンタ２６０が動かされることができ、その後、プリントされた織物２７８がロール２８６の上に巻かれることができる。新たな長さの織物１３４が、プリントのために、プリンタベッド２５６の中に送り込まれうる。図１４に示された繊維トウ１１４プリントシステムもまた、パルスモード配列で作動されうる。

図１７は、織物１３４及び／又は一方向性テープ１３２（図１６）又はシートの上へのモディファイア材料のプリントパターン２００の自動プリント用のロボット装置２７２の例を示す。ロボット装置２７２は、図１６についての上記の方法と同様な方法で操作されうる。この点において、プリントプログラム２５４により、ロボット装置２７２は、複合レイアップ１０２に対してプリンタ２６０を位置決めし、同時に、堆積ヘッド２６２が、あらかじめ決められたプリントパターン２００をプリントするように制御されうる。

図１８は、繊維トウ１１４（図４）、織物１３４（図１６）、及び／又は一方向性テープ１３２（図４）の上に第二の材料２０２（図４）のパターンを塗布する方法３００に含まれうる一つ又は複数の作業を示すフローチャートである。方法３００のステップ３０２は、第一の材料１２０から形成される複数の強化フィラメント１１６（図４）を供給することを含みうる。上記のように、複数の強化フィラメント１１６は、繊維トウ、一方向性テープ、織物、又は他の繊維形状として供給されうる。

方法３００のステップ３０４は、プリンタ２６０の堆積ヘッド２６２を用いて複数の強化フィラメント１１６の上に第二の材料２０２をプリントすることを含みうる。例えば、図１４と図１６は、繊維形状に対して堆積ヘッド２６２を位置決めするためのプリンタベッド２５６のプリンタ２６０を含むシステムを示す。図１５と図１７は、複合ラミネート１０４に対してプリンタ２６０の堆積ヘッド２６２を位置決めするための多関節アームを有するロボット装置２７２を示す。幾つかの例において、堆積ヘッド２６２は、コンピュータ２５０上のあらかじめ決められたプリントパターン２００生成器のデジタルモデル２５２（コンピュータ支援設計モデル）から導出されうるプリントプログラム２５４のプログラム可能なコードに基づいて移動され又は位置決めされうる。

認識されうるように、代替的なシステムが、繊維形状の上にモディファイア材料をプリントするために実行されうる。モディファイア材料のプリントは、繊維トウ１１４（図８）、一方向性テープ１３２（図９）、織物１３４、及び／又は繊維プリフォーム１３６の製造中などの、一つ又は複数の形状の強化フィラメント１１６（図８）の製造中に行われうる。モディファイア材料のプリントは、複数の強化フィラメント１１６を含有する繊維プリフォーム１３６（図２）に対してプリンタ堆積ヘッド２６２を移動させることによって、及び／又は繊維プリフォーム１３６のレイアップ中に繊維プリフォームの上に第二の材料２０２（図１３）をプリントすることによって実行されうる。

幾つかの例において、プリントパターン２００は、約０．０１〜５００ミクロンの長さ２０４、幅２０６及び／又は厚さ２０８を有するモディファイア材料から形成されうる。幾つかの例において、第二の材料２０２は、複数の強化フィラメント１１６の外側部分１２６の上に、あらかじめ決められたプリントパターン２００でプリントされうる。例えば、図８〜図１３は、繊維トウ１１４、一方向性テープ１３２の上面１２８及び／又は底面１３０の上に堆積されたプリントパターン２００を示す。上記のように、モディファイア材料（例えば、プリント媒質）は、限定されないが、図１４Ａと図１４Ｂにそれぞれ示されるように、微粒子２６６及び／又はフィラメントストランド２６８を含む、様々な異なるサイズ、形状、材料、及び構成のうちの任意の一つにおいて提供されうる。

一つの例において、第二の材料２０２（図１）のプリントは、織物の繊維トウのディボット及び／若しくは交点における又はプライ間及び／若しくはテープ間における樹脂リッチポケット（図示せず）の中への第二の材料２０２のターゲット配置を含みうる。一つの実施形態において、織物又はプリプレグの複合プライをレイアップするプロセスの間、複合構造体１００の温度の変化から生ずるマイクロクラッキング又は応力クラッキングを防止するために、ポリマーナノ粒子（図示せず）が、織物の繊維トウのディボット及び／又は交点などにおける樹脂リッチポケットの中に配置されうる。

図１９は、図１４〜図１７に概略的に示されたシステムのうちの一つを用いて、繊維形状の上にプリントパターン２００をプリントする方法４００に含まれうる一つ又は複数の作業を示すフローチャートである。本方法のステップ４０２は、繊維トウ１１４、織物１３４又は一方向性テープ１３２などの、プリントされるべき繊維形状を用意することを含みうる。ステップ４０４は、繊維トウ１１４をボビンの上にロードすること、又は織物１３４又は一方向性テープ１３２をロールの上にロードすることを含みうる。ステップ４０６は、図１４及び図１６に示されるように、繊維トウ１１４又は織物１３４をプリンタベッド２５６へ移すこと、又は図１５及び図１７に示されるように、繊維トウ１１４、一方向性テープ１３２、又は織物１３４の上にロボット装置２７２のプリンタ２６０を位置決めすることを含みうる。

本方法４００のステップ４０８は、繊維トウ１１４、織物１３４、又は一方向性テープ１３２の上にプリントするためのプリント媒質２６４を用意することを含みうる。ステップ４１０は、図１４〜図１７に示されるように、プリント媒質２６４をプリンタ２６０の中にロードすることを含みうる。ステップ４１２は、繊維形状の上にプリントされるべきプリントパターン２００を設計することを含みうる。例えば、コンピュータ２５０が、プリントパターン２００のデジタルモデル２５２を作り出すために用いられうる。ステップ４１６は、デジタルモデル２５２に基づいて数値制御（Ｎ／Ｃ）三次元プリントプログラム２５４（例えば、コード）を作り出すことを含みうる。プリントプログラム２５４は、モディファイア材料が繊維形状の上にプリントされる際の長さ、幅、高さ、及び／又は幾何学的形状に関する命令を含みうる。

ステップ４１８は、プリンタベッド２５６（図１４と図１６）又はロボット装置２７２（図１５と図１７）のプリンタを作動させるために、プリントプログラム２５４を走らせることを含みうる。ステップ４２０は、繊維トウ１１４、織物１３４又は一方向性テープ１３２の上にプリントパターン２００をプリントすることを含みうる。上記のように、堆積ヘッド２６２が繊維形状の上にプリントパターン２００をプリントする間、繊維形状は、連続的に又はパルス的に繊維ベッドの中を通されうる。あるいは、繊維形状が、図１５と図１７に示されるように静止していてもよく、ロボット装置２７２が、プリントパターン２００を複合ラミネート１０４の上にプリントするために、堆積ヘッド２６２を移動させてもよい。ステップ４２２は、プリントされた繊維トウ／テープ又はプリントされた織物１３４を、それぞれボビン２８２又はロール２８６の上にロードすることを含みうる。

本方法は、ボビン２８２又はロール２８６をレイアップエリア（図示せず）に運ぶこと、及びプリントされた繊維形状を複合ラミネート１０４へとレイアップすることを含んでもよい。プリントされた繊維形状は、プリントパターン２００（図１４）を含み、スタックに配列されたプリプレグ繊維を含みうる。プリプレグ樹脂の粘度を低下させて、隣接する複合プライ１０６（図１３）の樹脂を混ざり合わせるために、熱がスタックに加えられてもよい。樹脂は、固化状態へと硬化され及び／又は固化されてもよく、その後、樹脂は、受動的又は能動的に冷却され、複合構造体１００を形成してもよい。あるいは、プリントされた繊維形状は、プリントパターン２００を含み、スタックに配列されうる乾燥繊維であってもよい。液状樹脂が、スタックの中に注入されてもよく、熱及び／又は圧力が加えられ、固化状態へと固まり、硬化及び／又は固化してもよく、その後、樹脂１１２（図２）が、受動的又は能動的に冷却され、複合構造体１００を形成してもよい。

図２０は、プリフォームツール（図示せず）上のレイアップの間に一つ又は複数の複合プライ１０６上に一つ又は複数のプリントパターン２００をプリントする方法５００に含まれうる一つ又は複数の作業を示すフローチャートである。本方法のステップ５０２は、図１９に関して説明されたのと類似の仕方で、プリント媒質２６４とプリントプログラム２５４を一つ又は複数のロボット装置２７２に提供することを含みうる。例えば、プリント媒質２６４は、図１７に示されたロボット装置２７２と同様なロボット装置２７２の堆積ヘッド２６２の中にロードされうる。コンピュータ支援設計プログラムを用いて、数値制御（Ｎ／Ｃ）三次元プリントプログラム２５４（例えば、コード）に変換され、ロボット装置２７２の中にロードされうる、プリントパターン２００のデジタルモデル２５２（図１７）を作成することなどにより、プリントパターン２００が設計されうる。

本方法５００のステップ５０４は、その上に一つ又は複数の複合プライ１０６がレイアップされうるプリフォームツール（図示せず）を提供することを含みうる。例えば、プリプレグ又は乾燥繊維複合プライ１０６が、製造されるべき最終的な複合構造体１００の大体の形状にプレカットされうる。複合プライ１０６の一つ又は複数が、本方法５００のステップ５０６の間に、プリフォームツールの上にレイアップされうる。

本方法５００のステップ５０８は、堆積ヘッド２６２にプリントパターン２００を複合プライ１０６の上にプリントさせるように、ロボット装置２７２を作動させることを含みうる。上記のように、堆積ヘッド２６２は、複合プライ１０６の任意の部分の上に任意の数の様々なパターン２００で任意の数の様々な材料を塗布又はプリントするように構成されうる。例えば、最終的な複合構造体の中のクラック抵抗性を改良するための靱性の増加などの特定の機能を提供するために、第二の材料が、複合プライ１０６の上にプリントされてもよい。限定しないが、ラミネート間剪断強度の改良、電気伝導度及び腐食抵抗の上昇、広範囲の温度における粘着度の改良、又は任意の数の他の機能などの特定の機能を提供するために、第三の材料、第四の材料、及び任意の数の追加の材料が、任意の数のプリントパターン２００で複合プライ１０６の上にプリントされてもよい。

複合プライ１０６の上へのプリントを終えた後に、一つ又は複数の追加の複合プライ１０６が、以前にプリントされた複合プライ１０６の上にレイアップされてもよく、ロボット装置２７２の堆積ヘッド２６２が、新しく置かれた複合プライ１０６の上に別のプリントパターン２００をプリントしてもよい。本方法のステップ５１０は、所望の数の複合プライ１０６がレイアップ及び／又はプリントされるまで、レイアップステップ５０６及びプリントステップ５０８を繰り返すことを含みうる。有利には、上記方法は、任意の数の異なるタイプのプリント媒質又は材料（例えば、第二の材料、第三の材料、等）を用いて、複合レイアップ１０２の特定の領域にプリントパターン２００を塗布する際の高度の正確さと柔軟性を可能にする。

本開示の一態様によれば、樹脂と、樹脂の中に埋め込まれ、第一の材料から形成される複数の強化フィラメントと、長さ、幅、又は厚さのうちの少なくとも一つが、複数の強化フィラメントのフィラメント表面にわたって変わるように、複数の強化フィラメントの上に体系的に堆積された第二の材料とを含む複合構造体が提供される。有利には、複合構造体は、第二の材料のない強化フィラメントを有する複合構造体の複合構造体特性に対して、強化フィラメントの上への第二の材料の体系的堆積により変更される少なくとも一つの複合構造体特性を有する複合構造体である。有利には、複合構造体は、変更される複合構造体特性が、靱性、体積分率、透磁率、弾性率、硬化収縮率、フィラメント粘着度、引火性、及び電気伝導度のうちの少なくとも一つを含む複合構造体である。有利には、複合構造体は、プリンタの堆積ヘッドを用いて少なくとも一つの強化フィラメントの上に体系的に堆積された第三の材料を含む一つ又は複数の追加の材料を更に含む。そして、複合構造体は、第二及び第三の材料のない強化フィラメントを有する複合構造体の複合構造体特性に対して、少なくとも一つの強化フィラメントへのそれぞれ第二及び第三の材料のプリントにより変更される少なくとも二つの異なる複合体構造特性を有する。

本開示の一態様によれば、第一の材料から形成される少なくとも一つの強化フィラメントと、少なくとも一つの強化フィラメントの表面にわたって第二の材料の長さ、幅及び厚さのうちの少なくとも一つが変わるようなパターンで、少なくとも一つの強化フィラメントの上に体系的に堆積された第二の材料とを含む複合繊維が提供される。有利には、複合繊維は、表面が、複合繊維の上面、底面及び側面のうちの少なくとも一つを含む複合繊維である。有利には、複合繊維は、少なくとも一つの強化フィラメントが、繊維トウ、一方向性テープ、織物、ノンクリンプ織物、編物、複合プライ及びプリフォームのうちの少なくとも一つの形状の複数の強化フィラメントを含む、複合繊維である。

本開示の一態様によれば、第一の材料から形成される複数の強化フィラメントを提供することと、プリンタの堆積ヘッドを用いて、複数の強化フィラメントの上に第二の材料をプリントすることとを含む、複合繊維を生産する方法が提供される。有利には、本方法は、第二の材料をプリントするステップが、繊維トウの製造中、一方向性テープの製造中、織物の製造中、及び／又はプリフォームの製造中に行われる方法である。

本開示の例示的な実施形態が、航空機、宇宙船、衛星、又は他の航空宇宙コンポーネントを製造する及び／又は保守点検する方法（図示せず）の面において記載されうる。プリプロダクション、コンポーネント製造、及び／又は保守点検は、航空宇宙部品の仕様及び設計並びに材料調達を含みうる。製造段階では、コンポーネント及びサブアセンブリの製造と、航空宇宙コンポーネントのシステムインテグレーションが行われる。その後、航空機、宇宙船、衛星、又は他の航空宇宙コンポーネントは、認可及び納品を経て、運航に供されうる。

一つの例において、製造及び保守点検方法によって製造された航空宇宙コンポーネントは、複数のシステムと内装を有する機体を含みうる。複数のシステムの例には、推進システム、電気システム、油圧システム、及び環境システムのうちの一又は複数が含まれうる。任意の数の他のシステムが、含まれてもよい。航空宇宙産業の例を示したが、様々な例示的な実施形態は、自動車産業などの他の産業にも適用され得る。

本明細書に具現化された装置及び方法は、航空宇宙コンポーネント製造及び／又は保守点検方法の少なくとも一つに段階で用いられうる。詳細には、複合構造体１００（例えば、図１）、被覆、射出成形プラスチック、及び／又は接着剤が、航空宇宙コンポーネント製造及び保守点検方法の任意の一つの段階で製造されうる。例えば、限定しないが、複合構造体が、コンポーネント及びサブアセンブリ製造、システムインテグレーション、定期的な整備及び保守、又は航空機製造及び保守点検の他のある段階のうちの少なくとも一つにおいて製造されうる。更に、複合構造体は、航空宇宙コンポーネントの一つ又は複数の構造体の中で用いられうる。例えば、複合構造体は、航空機、宇宙船、衛星、又は他の航空宇宙コンポーネントの機体、内装、又は何らかの他の部分の構造体の中に含まれうる。

本開示の追加の修正及び改良が、当業者には明らかであろう。したがって、本明細書に説明され図示されている、部分の特定の組み合わせは、本開示のある実施形態のみを表すことを意図し、本開示の趣旨及び範囲に含まれる代替的な実施形態又は装置を限定することを意図していない。

１００ 複合構造体
１０２ 複合レイアップ
１０４ 複合ラミネート
１０６ 複合プライ
１０８ プライ間のラミネート間領域
１１０ 一方向性プライ
１１２ 樹脂
１１４ 繊維トウ（複合繊維）
１１６ 強化フィラメント
１１８ フィラメント表面
１２０ 第一の材料
１２２ 強化フィラメントの束
１２４ 束の平面
１２６ 繊維の束の外側部分
１２８ 上面
１３０ 底面
１３１ 側面
１３２ 一方向性テープ
１３４ 織物
１３６ 繊維プリフォーム
１３８ サイジング
１４０ サイジング厚さ
２００ プリントパターン
２０２ 第二の材料
２０４ 長さ
２０６ 幅
２０８ 厚さ
２１０ ピクセル
２１２ 第三の材料
２１４ ドット
２１６ 線
２１８ クロスハッチパターン
２２０ 曲線
２２２ 機械的連結特徴部
２２４ 歯
２５０ コンピュータ
２５２ デジタルモデル−ＣＡＤモデル
２５４ プリントプログラム−コード
２５６ プリンタベッド
２５８ ガイドトラック
２６０ プリンタ
２６２ 堆積ヘッド
２６４ プリント媒質
２６６ 微粒子
２６８ フィラメントストランド
２７０ フィードローラー
２７２ ロボット装置
２７４ プリントパターンのディスプレイ
２７６ プリントされた繊維トウ
２７８ プリントされた織物又はテープ
２８０ 繊維トウのボビン
２８２ プリントされた繊維トウのボビン
２８４ 織物／テープのロール
２８６ プリントされた織物／テープのロール
３００ 一般的な製造方法
４００ システムでの製造方法
５００ プライ上のプリント方法

Claims (14)

1. 第一の材料から形成される少なくとも一つの強化フィラメント（１１６）と、
   第二の材料の長さ、幅、及び厚さのうちの少なくとも一つが、前記少なくとも一つの強化フィラメントの表面にわたって変わるようなパターンで、前記少なくとも一つの強化フィラメントの上に堆積される第二の材料とを含み、
   前記第二の材料は、少なくとも一つの強化フィラメントの上にプリントされたピクセルであって、各々が１００ミクロンまでの厚さを有するピクセルである、複合繊維。
2. 前記強化フィラメント（１１６）が、前記少なくとも一つの強化フィラメントのフィラメント表面に均一なサイジング厚さで塗布されるサイジングを含み、
   前記第二の材料が、前記少なくとも一つの強化フィラメントの前記サイジングの上に堆積される、請求項１に記載の複合繊維。
3. 前記第二の材料の前記長さ、前記幅、及び前記厚さのうちの少なくとも一つが、約０．０１〜１００ミクロンである、請求項１又は２に記載の複合繊維。
4. 前記第二の材料が、インク、細粒、押出し媒質、有機モノマー、プレポリマー、ポリマー、金属粉末、水溶液又は溶剤系溶液中の無機フィラー、シリカ、ブロックコポリマー、グラフェン板状晶、ポリマーナノ粒子、及びカーボンナノチューブのうちの任意の一つ又は複数を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の複合繊維。
5. 前記第二の材料が、プリント装置の堆積ヘッドを用いて、前記少なくとも一つの強化フィラメント（１１６）の上に塗布される、請求項１から４のいずれか一項に記載の複合繊維。
6. 前記少なくとも一つの強化フィラメント（１１６）の上に堆積される第三の材料を含む一つ又は複数の追加の材料を更に含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の複合繊維。
7. 前記第二の材料が、前記複合繊維を形成する強化フィラメント（１１６）の束と関連する少なくとも二つの異なる表面に塗布される、請求項１から６のいずれか一項に記載の複合繊維。
8. 第一の材料から形成される複数の強化フィラメント（１１６）を用意することと、
   プリンタの堆積ヘッドを用いて、前記複数の強化フィラメントの上に第二の材料をプリントすることであって、各々が１００ミクロンまでの厚さを有するピクセルとして、少なくとも一つの強化フィラメントの上に、前記第二の材料をプリントすることと、
   を含む、複合繊維を生産する方法。
9. 前記第二の材料が、約０．０１〜５００ミクロンの長さ及び幅のうちの少なくとも一つを有する、請求項８に記載の方法。
10. 前記第二の材料をプリントするステップが、
    前記第二の材料を予め決められたプリントパターンで前記複数の強化フィラメントの外側部分の上にプリントすることを含む、請求項８又は９に記載の方法。
11. 前記第二の材料が、粒子及び／又はフィラメントストランドを含む、請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第二の材料をプリントするステップが、
    予め決められたプリントパターンのデジタルモデル（コンピュータ支援設計モデル）から導出されたプログラム可能なコードに基づいて、前記強化フィラメント（１１６）に対して前記堆積ヘッドを移動させることを含む、請求項８から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記第二の材料をプリントするステップが、
    以下の繊維形状：繊維トウ、一方向性テープ、織物、ノンクリンプ織物、編物、複合プライ及びプリフォームのうちの少なくとも一つで提供される一つ又は複数の束の強化フィラメント（１１６）の外側部分に前記第二の材料をプリントすることを含む、請求項８から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第二の材料をプリントするステップが、
    前記複数の強化フィラメント（１１６）を含む繊維プリフォームに対して前記堆積ヘッドを移動させることと、
    前記繊維プリフォームのレイアップ中に前記第二の材料を前記繊維プリフォームの上にプリントすることとを含む、請求項８から１３のいずれか一項に記載の方法。

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