JP6849588B2 - 磁場を用いる不連続性繊維複合体の付加製造 - Google Patents
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Description
本願は、2014年6月6日出願の米国仮出願番号62/008,914号、名称「Method for the Production of Discontinuous Fiber Architectures in Additive Manufacturing Processes With Magnetic Fields」の米国特許法35条§ 119(e)の下における優先権を主張し、その開示はここに参照によって組み入れられる。
未申請
ポリマーのプリントは、熱可塑性樹脂のための押出ベースの直描法によって、およびステレオリソグラフィ(SLA)ベースの熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のための光重合によって主に達成された。プリントされたポリマーは、軽量であるが、比較的弱い。このように、3Dプリントは、現在、繊維強化ポリマー複合体を製造する方向へ進んでいる。連続ストランド炭素繊維、ケブラーおよびガラス繊維強化ポリマーにプリントすることができる工業的自動繊維配置(AFP)プリンタが、開発された。これらのロボット配置プリンタは、ミリメートルより長い長さ尺度を有する強化繊維、およびXY平面に限られている方向制御を伴うセンチメートルより大きな形状に限られている。
本発明の一側面は、複合部品を生産する方法であり、以下を含む:
(a)ビルドプレートに隣接する第1層の前駆体材料を導入し、該前駆体材料は、マトリクス材料および磁気応答性粒子を含み、該磁気応答性粒子は、少なくとも部分的に磁気材料を含む;
(b)第1の磁場で、第1の配列の磁気応答性粒子を向かせ;
(c)第1の配列に保持された第1部分内での磁気応答性粒子で第1層のマトリクス材料の第1部分を固め;
(d)さらなる磁場で第1の配列と異なるさらなる配列の磁気応答性粒子のさらなる部分を向かせ;および、
(e)さらなる配列に保持されたさらなる部分内での磁気応答性粒子で第1層のマトリクス材料のさらなる部分を固める。
方法のさらなる側面において、ステップ(d)およびステップ(e)は、第1層のマトリクス材料の決定された部分が固められるまで、繰り返される。
方法のさらなる側面において、ステップ(c)およびステップ(e)は、マトリクス材料が部分的に硬化され、完全に硬化され、固体化され、重合され、または架橋される。
さらなる側面において、方法は、さらに以下を含む:
(g)第1層に隣接する第2層の付加前駆体材料を導くこと、
(h)磁場で第3の配列の第2層の粒子を向かせること;
(i)第3の配列に保持された第1部分内で、磁気応答性粒子で第2層のマトリクス材料の第1部分を固めること;
(j)第3の配列と異なる磁場で第4の配列の磁気応答性粒子のさらなる部分を向かせること;
(k)第4の配列に保持された第2部分内での磁気応答性粒子でマトリクス材料を強化するために、第2層のマトリクス材料の第2部分を固めること;
(l)第2層のマトリクス材料の所望の部分が固められるまで、ステップ(j)およびステップ(k)を繰り返すこと。
方法のさらなる側面において、マトリクス材料の第1部分の各々およびマトリクス材料のさらなる部分は、分離したボクセルを含む。
方法のさらなる側面において、第1部分のボクセルは、さらなる部分のボクセルによって間があいている。
方法のさらなる側面において、各ボクセルは、少なくとも約50×50×50ミクロンの解像度を有する。
方法のさらなる側面において、各層は、少なくとも約50ミクロンの厚さを有する。
方法のさらなる側面において、磁性材料は、強磁性材料、常磁性材料、超常磁性材料、酸化鉄、鉄、コバルト、ニッケル、鉄の合金、コバルト合金またはニッケル合金を含む。
方法のさらなる側面において、磁性材料は、粒子、ミクロビーズ、ナノ粒子、やすり屑、繊維、フレーク、ロッド、ウィスカまたはプレートレット含む。
方法のさらなる側面において、磁気応答性粒子は、磁性材料に連結する非磁性材料を含む。
該方法のさらなる側面において、非磁性材料は、不連続繊維、ロッド、プレートレット、フレークまたはウィスカを含む。
方法のさらなる側面において、非磁性材料は、磁性材料で被覆されている。
該方法のさらなる側面において、磁気応答性粒子は、少なくとも1次元において形状において異方性である。
該方法のさらなる側面において、磁気応答性粒子は、200nmから1000μmの範囲の最長寸法を有する。
該方法のさらなる側面において、磁気応答性粒子は、1μmから20μmの範囲の最長寸法を有する。
該方法のさらなる側面において、磁気応答性粒子は、2から200の範囲のアスペクト比を有する。
該方法のさらなる側面において、マトリクス材料はフォトポリマーを含み、そして、ステップ(c)およびステップ(e)において、マトリクス材料はフォトポリマーの硬化を有効にするように選択される波長を有する放射線でマトリクス材料の選択されたボクセルの照明によって硬化される。
該方法のさらなる側面において、放射線源は、波長300nm〜900nmの範囲である。
該方法のさらなる側面において、放射線源は、紫外線から赤外線の範囲である。
該方法のさらなる側面において、マトリクス材料は、光硬化が可能なアクリル材料、ポリメチルメタクリレート(PMMA)材またはポリウレタン材を含む。
該方法のさらなる側面において、前駆体材料のマトリクス材料は、0.7mPa・sから10Pa・sの範囲の固化の前の粘度を有する。
本発明の別の側面は、マトリクス材料に埋め込まれた磁気応答性粒子を含む複合部品で、単一の層内の複数の磁気応答性粒子は、マトリクス材料の異なる方向を有し、該部品は、機械的特性、熱的特性、電気的特性、電磁気的特性および異方性である光学特性のうちの少なくとも1つを有する。
複合部品のさらなる側面において、特性は、引張強度、熱伝導率、導電率、不透明度または色の少なくとも1つを含む。
複合部品のさらなる側面において、部品は、超小型無人飛行機、カテーテル管、生体適合性のインプラント、補綴デバイス、矯正器具デバイス、航空宇宙部材、埋め込み電子部品、ヘルメット、ヘッドギア、体の部位のための鋳造、機械的ハードウェアまたは開口部周囲の強化を含む。
前駆体材料のソースと連通するビルドプレートであって、該前駆体材料は、マトリクス材料および磁気応答性粒子を含み、該磁気応答性粒子は、部分的に少なくとも磁性材料を含む;
ビルドプレートに配置された前駆体材料の層に、分離したボクセルの放射線を適用するために配置された放射線源;
複数の方向の磁場をビルドプレート上の前駆体材料の層に適用するために配置された複数の磁場源;および、
ビルドプレート、放射線源、および複数の磁場源と制御連通するプロセッサユニット。
装置のさらなる側面において、複数の磁場源は、ビルドプレートに平行な平面の磁力線(field lines)の構成成分、およびビルドプレートに垂直な平面の磁力線の構成成分を有する磁場を適用するために配置される。
装置のさらなる側面において、複数の磁場源は、ビルドプレートの平面と平行な方向に磁場を適用するために配置される、少なくとも2つのさらなる磁場源をさらに含む。
装置のさらなる側面において、ビルドプレートの平面と平行な方向の少なくとも2つの磁場源は、互いに正しい角度で配置される。
装置のさらなる側面において、複数の磁場源の少なくとも一部分は、ビルドプレートの平面の周りの運動のために支持される。
装置のさらなる側面において、複数の磁場源の少なくとも一部分は、ビルドプレートの平面と平行な面の周りの運動のために支持される。
装置のさらなる側面において、磁場源の各々は、ソレノイドまたは電磁石を含む。
装置のさらなる側面において、ビルドプレートの平面に対して直角な平面の磁場源のうちの少なくとも1つは、開いたコア領域を囲むコイルを含有するソレノイドを含む。
装置のさらなる側面において、放射線源は、ビルドプレートへ、開いたコア領域を介して放射線を向けるように配置される。
装置のさらなる側面において、放射線源は、波長300nm〜900nmの範囲にある。
装置のさらなる側面において、放射線源は、紫外線から赤外線の範囲にある。
装置のさらなる側面において、放射線源は、放射線を分離したボクセルの選択されたものに向けるように作動している。
装置のさらなる側面において、放射線源は、デジタル・光プロジェクタを含む。
装置のさらなる側面において、リザーバは前駆体材料のソースを含み、およびビルドプレートはリザーバ内の、および上からリザーバ中への垂直運動のために載置される。
装置のさらなる側面において、リザーバは前駆体材料のソースを含み、および、磁場源の少なくとも一部分はリザーバ周辺で円周方向に配置される。
装置のさらなる側面において、リザーバは前駆体材料のソースを含み、および、磁場源の少なくとも1つはリザーバの下で垂直に配置される。
装置のさらなる側面において、磁場源は開いたコア領域を囲むコイルを含有するソレノイドを含み、および放射線源はビルドプレートに隣接するリザーバの前駆体材料の層へ、開いたコア領域を介して放射線を投射するためにソレノイドの下に配置される。
(a)ビルドプレートに隣接する第1層の前駆体材料のソースから、前駆体材料を導く;
(b)複数の磁場源の1以上を作動させて、第1の磁場で第1の配列の磁気応答性粒子を向けるために第1の磁場を第1層に適用する;
(c)放射線源を作動させて、第1の配列において保持される第1部分内での磁気応答性粒子で第1層のマトリクス材料の第1部分を固める;
(d)複数の磁場源の1以上を作動させて、さらなる磁場で第1の配列と異なるさらなる配列の磁気応答性粒子のさらなる部分を向けるためにさらなる磁場を適用する;
および、
(e)放射線源を作動させて、さらなる配列に保持されるさらなる部分内での磁気応答性粒子で第1層のマトリクス材料のさらなる部分を固める。
本願は、2014年6月6日に出願の米国仮出願番号第62/008914号 名称:「Method for the Production of Discontinuous Fiber Architectures in Additive Manufacturing Processes With Magnetic Fields」の全ての開示を参照によって組み入れる。
不連続繊維複合体は、強く、軽量で、著しい破砕靭性を有する材料のクラスを代表する。付加生産技術を不連続繊維強化複合体に適応させることへの困難は、プリントプロセスの間に、繊維の方向を制御する能力である。適用応力で配列される繊維は包囲するマトリクスを強化し、その一方で、直角繊維は欠陥として働き、ポリマーマトリクスを弱くする。ランダム化された繊維(制御のないシステムのための基準)は、これらの2つの両極端の間の領域で働き、延性をひどく犠牲にする一方で、無視し得る程度に複合体強度に影響を与える結果をもたらす。
ビルドプレートのための支持または可動ステージの任意の形態、および垂直にビルドプレートを動かす線形作動の任意のタイプも使用され得ることは言うまでもない。例えば、油圧または空気圧シリンダの配置は、構台を持ち上げるかまたは降ろすために提供され得る。構台は、他の構成を有することもできる。また、前駆体材料のソースは移動可能であり得る一方で、ビルドプレートは静止したままである。
一実施態様において、各磁場源142は、コア領域146を囲むコイル144から形成されるソレノイド電磁石である。いくつかのソレノイド(4つ−142a、142b、142c、142d−が示される実施態様において使用される)は、各コイルの軸がビルドプレートの平面と平行であるように、リザーバ周辺の周囲に水平面に配置される。示されるように、水平ソレノイドは、リザーバの周囲に等しく間隔を置かれ得る。水平ソレノイドの各々は、その磁場の強さを増加させるために、鉄芯を含有し得る。垂直ソレノイド142eは、そのコイルの軸が垂直であるかビルドプレートに対して直角であり、リザーバの下に提供される。垂直ソレノイドは水平ソレノイドよりもビルド層により近く間隔を置かれるので、そのコア領域146eは、開いて鉄芯がないままにされ得、および、まだ充分な強さの磁場を提供することができる。このように、放射線源からの放射線は、ビルドプレートに隣接するビルド層に達するために、垂直ソレノイドのコア領域を通過することができる。ソレノイドは、任意の適切な方法で装置のフレームに固定される。
放射線源130は、上記の通り、ビルドプレートに隣接する前駆体材料のビルド層内で放射線を選択されたボクセルに集中させることができる(図1参照。)。放射線源は、プロセッサユニットに与えられる命令に従って作動される。
照射の時間間隔は、プロセッサユニット160によって制御され得る。時間間隔は特定のマトリクス材料およびビルド層の厚みなどのパラメータに依存し、その結果、各ボクセルはマトリクス材料が所望の程度に凝固することを確実にするために充分な期間の間、照射する。
いくつかの実施態様において、プロセッサユニット160は、パーソナル・コンピュータ、ワークステーションまたはサーバーなどのコンピュータシステムの一部である。コンピュータシステムは、プログラム・モジュールなどのコンピュータ実行可能な命令によって行うことができ、当該プログラム・モジュールには、特定の作業を遂行するか、またはデータを操作する、ルーチン、サブルーチン、プログラム、オブジェクト、構成要素、データ構造体などを含有することができる。その他のコンピュータシステム構成も使用され得、それらには、携帯用デバイス、無線デバイス、スマートフォン、タブレットおよびラップトップ・コンピュータ、マルチプロセッサ・システム、マイクロプロセッサ系またはプログラム可能な家電、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含有する。コンピューティング環境は、イントラネット、ローカル・エリア・ネットワーク、ワイド・エリア・ネットワーク、インターネットなどのネットワークを含有し得る。コンピュータシステムは、いくつかのプログラム・モジュールおよびメモリが遠隔に位置する、および、いくらかのタスクが通信ネットワークを介して連結される遠隔デバイスによって遂行されることができる分散型コンピュータシステムであり得る。コンピュータシステムは、1以上の処理ユニット、メモリ、およびメモリを含有する様々なシステム構成要素を処理ユニット(単数または複数)に動作可能に連結するシステムバスを含有する、様々なハードウェア要素を含有することができる。プロセッサユニットが単一の中央演算処理装置(CPU)またはマルチプロセッサまたは並列プロセッサなどの複数の処理ユニットを含むように、1つまたは複数のプロセッサがあってもよい。本明細書で用いられる「プロセッサユニット」という用語は、これらのオプションおよびアーキテクチャのいずれかまたは全てを含有する。
本願明細書に記載されている方法は、選ばれた付加製造プロセスおよび装置に適合する任意の材料系(マトリクス材料および磁気応答性粒子)にも適用されることができる。好適なマトリクス材料としては、光硬化性アクリル材料、ポリメチルメタクリレート(PMMA)材またはポリウレタン材が挙げられるが、これに限定されるものではない。いくつかの実施態様では、固化より前のマトリクス材料の粘度は、0.7mPa・sから10Pa・sの範囲にあり得る。磁気応答性粒子は、例えば超音波処理または機械的撹拌によって、マトリクス材料内で十分に分散され得る。
磁気応答性粒子はそれ自体が磁性である粒子またはそれ自体が磁性の材料で被覆されている粒子のため、磁気応答性であり得る。磁気材料で被覆され得る非磁気粒子としては、限定されず、セラミック、金属およびポリマー、例えばリン酸カルシウム、ガラス(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化ホウ素、銅、マグネシウム・アルミニウム、金、銀、ポリスチレンなどが挙げられるが、これらに限定されない。粒子は多種多様な形状を有することができ、不連続繊維、ロッド、プレートレット、フレークまたはウィスカを含有する。粒子は少なくとも1次元の形状において典型的に異方性だが、球状粒子は、適用に応じて、いくつかの実施態様において用いられることができる。
磁性充填材または粒子は、例えば、酸化鉄ナノ粒子、鉄やすり屑、超常磁性ミクロビーズ、コバルト色のフレークおよびニッケル・ロッドを含むことができる。磁性粒子は多種多様な形状を有することができ、ミクロビーズ、ナノ粒子、やすり屑、繊維、ロッド、プレートレット、フレークまたはウィスカを含む。非磁性粒子の表面コーティングは、化学吸着、物理吸収または蒸発の方法によって提供されることができる。
例1
磁性アセンブリポリマーマトリクスを使用して顕微鏡的な粒子を配列することの実現可能性は、それらの低い粘性および制御可能な重合のためにUV硬化性樹脂で評価された。試験は、365nm光源で変性されたN―Scrypt 3Dn卓上シリーズ上で行われた。永久磁石は、異なる方向に磁場を適用するために採用された。2つの異なる充填材は、調査された:リン酸カルシウム・ロッドおよびアルミナ(Al2O3)プレートレット。採用される樹脂系は、1重量%のIrgacure 184(Ciba、Transparent光重合開始剤)、〜1体積%のAl2O3プレートレットまたはリン酸カルシウム・ロッドを有するアルコキシル化ペンタ・エリトリトール四アクリル酸塩(Sartomer)であった。サンプルは、樹脂を充填する容器に粒子を配列することによるステレオリソグラフィ(SLA)技術、および、ミクロ・ノズルでプリントする一方で粒子を配列する技術の両方を使用して作られた。
成功した配列は、バルク樹脂重合でステレオリソグラフィ技術を使用して、2つの異なる方向のアルミナプレートレットおよびリン酸カルシウム・ロッドで成し遂げられた。図13Aおよび図13Bは、垂直(図13A)および水平(図13B)磁場でのプレートレットのバルク配列実験のための実験的な手順を説明する。図13Cは図式的にプレートレット(図13Aに対応する)の垂直配列を説明し、および、図13Dは図式的に粒子(図13Bに対応する)の水平配列を説明する。図13Eは垂直に配列されたプレートレットを説明している上面図の顕微鏡写真であり、および、図13Fは水平に配列されたプレートレットを説明している上面図の顕微鏡写真である。図14Aは図式的にロッドの垂直配列を説明し、および、図14Bは図式的にロッドの水平配列を説明する。図14Cは垂直に配列されたロッド(面外またはステージに対して垂直)を説明している上面図の顕微鏡写真であり、および、図14Dは水平に配列されたロッド(面内またはステージに対して平行)を説明している上面図の顕微鏡写真である。
磁性応答強化粒子は、以下の通りに準備された:アルミナ(Al2O3)プレートレット(Allusionから得られた)は、ほぼ5%の表層被覆率の超常磁性酸化鉄(Fe3O4)ナノ粒子(EMG 705、Ferrotecから得られた)で、静電的に被覆された。10グラムのアルミナ粉は、200mLの脱イオン水に加えられて、激しく撹拌された。EMG 705の375μLは、それから60mLの脱イオン水中で分散され、粒子の撹拌混合物にゆっくりと加えられた。終夜の混合をさせた後に、粒子混合は、濾過されて、その後乾燥された。
樹脂は、イソボルニル・アクリルレート(IBOA、Sigmaから)および脂肪族ウレタン・ジアクリレート(Ebecryl 230、Allnexから)からなるポリマーブレンドであった。樹脂溶液は、2つの光重合開始剤、1―ヒドロキシ・シクロヘキシル・フェニル・ケトン(99%、Sigma)およびフェニル・ビス(2,4,6―トリメチル―ベンゾイル)ホスフィン酸化物(97%、Sigma)、それぞれ3%および1.5%の重量から成った。一旦樹脂が完全に混合されると、磁性アルミナプレートレットの選択された量が加えられた。
単一の層内の複数の分離したアーキテクチャを有する部品が生成された。図16A〜図16Eは、1層内の2つの異なる方向で生成されたミニチュア・チェス盤を説明し、光学特性の変化を示す。より不透明な(opqaue)領域は、面内に向けられたプレートレットを有し、面外に向けられる、より透明な領域よりも多くの光を吸収する。色の違いは、プレートレットの配向から生まれる;フィルムは、均一の濃度を有する。図16Bは、面外配列の10×拡大での光学顕微鏡検査画像を説明する;図16Cは、面内配列の10×拡大での光学顕微鏡検査画像を説明する。対応するプレートレット配向は、図16Dおよび図16Eにおいて略図で説明される。
剛性などの機械的特性上の繊維アーキテクチャの重要性は、図20において説明される。適用応力の方向に配列される繊維を有するサンプルのヤング率は、適用応力に対して垂直に配列される繊維を有するサンプルよりおよそ40%大きい。
方法において、回転磁場(3Hz)は、樹脂の強化粒子の所望の配列を成し遂げるために、400Gの大きさで適用された。適切な配列に、15秒がかかった。層は、それから露出され、紫外線光を使用して選択的に重合された。複数の配向は、配向および重合のプロセスを繰り返すことによって、単一の層において成し遂げられた。一旦層が完成すると、ビルドプレートはピール機能で持ち上げられ、および、新しい樹脂が以前の層と樹脂容器との間に流された。部品が完成するまで、このプロセスは層ごとに繰り返された。完成された部品は、イソプロピルアルコール中においてすすがれ、30分間、紫外線チャンバ(UVL―56、6W、365nm)において後硬化され、続いて、任意の残留応力を緩和するために熱処理された(90℃で1時間)。
光学特性を制御する例は、図21において説明される。単純な格子縞模様および自由の女神の画像は、アルミナ・ミクロプレートレットで方向的に強化されたウレタン/アクリルレート共重合体の固体複合ブロック内で製作された。格子縞模様において、各正方形の強化角度は、0°と90°の間を行き来する。アルミナ微粒子の配向は、複合体表面への光学変化に結果としてなる。面内強化は、より多くの光を散乱させて、より白く見える;面外強化は、より多くの光を吸収して、より暗く見える。格子縞模様を生成するプロセスは、2インチ×3インチの複合体層を作るのに正味2分かかった。強化ミクロ構造のSEM分析は、高水準な最終複合体の微粒子配列を明らかにした。
複合材料の剛性、強さ、耐久性および多機能性に広いプログラム可能性を提供するために、強化アーキテクチャを調整する能力が調査された。すべてのボクセルが同じ配向を有する複合材料のモノリシックなブロックが調製され、各軸に沿って材料強度を計測するために、引張試験に供された(図22Aおよび図22B)。強化で合わせられる軸に沿った引張試験は、複合体理論から予想されたであろうとおり、強化された剛性および延性を呈した。ミクロアーキテクチャは、製作されて、局所材料特性を測定し、材料特性が複雑なアーキテクチャの各ボクセルにおいて維持されることを確認するために、硬度マッピングに供された(図22C)。面外に配列された強化を有するボクセルは、面内強化だけを有する材料に対して、面外硬度の著しい増大を示した。
図24を参照すると、硬化した複合樹脂の機械的特性は、ASTM‐D638 IVダイを使用して製作されたシートからサンプルを打ち抜くことによって調製された試験片で、試験された。試験片は、万能試験機械(Instron)上で試験された。平行、垂直、および適用引張負荷に対してある角度での、3つの主要な強化配向が、試験され、純粋なポリマーも同様に試験された。負荷に平行に配列された15体積%強化粒子を有する複合体は、300%より大きな剛性の増加を示した。適用負荷に垂直に配列された粒子を有する複合体は、純粋なポリマーに対して200%の剛性の増加を示した。
図25Aおよび図25Bを参照すると、引張試験は、10%容積比率のAl2O3プレートレット、および、適用負荷の軸に平行に、垂直に、および適用負荷の軸から45°で配列された強化を有する、犬骨状試験片で行われた。各グループの破断面は、垂直な強化を有する試験片の裂開に対して、45°に配列した試験片に対するせん断支配された破砕に平行な強化を有する試験片の通常の応力支配された破砕と異なっていた。各配向のための破断面のSEM画像は、クラック伝播上の強化配向の効果を説明する。適用荷重の軸に沿って強化されたサンプル(平行配列)は、改良された機械的特性およびより大きな降伏の可視の兆候を明示した。クラックは、真の容易軸を有しない強化配向に対して伝播し、粗いがランダムである。ある角度に強化されたサンプルは、強化粒子の角度と一致するクラック伝播を明示した。適用負荷に直交して強化されたサンプルは、プレートレットに平行に伝播するクラックのために裂開を明示した。境界およびインタフェースが欠陥としての役目を果たすさないことを実証するために、張力試験片は、小さな領域を除いて平行配列で製作された。試験されるとき、不具合はインタフェースでよりもむしろ、より弱い領域の中心に位置していた。
導電性または非導電性充填材などの、異方性およびプログラムされた熱伝導性を有する複合材料および部品が、提供され得。応用は、航空宇宙部材、組込型電子機器などを含有する。
光学的に異なる充填材、またはプログラム可能な光学フィルタでのアーキテクチャの複合体など、強化された光学特性を有する複合材料および部品は、提供されることができる。
本発明は、特定の好ましい実施態様と連動して記載されていた。本発明が、示され、および記載される建造、動作、正確な材料または実施態様の正確な詳細に限られないこと、および、様々な修正、等価物の置換、組成に対する変更、および本願明細書において開示される実施態様への他の変化が、当業者にとって明らかであることは、理解されるべきである。
Claims (25)
- 複合部品を生産する方法であって、
(a)ビルドプレートに隣り合う第1層の前駆体材料を導入し、前駆体材料は、マトリクス材料および磁気応答性粒子を含み、磁気応答性粒子は、少なくとも部分的に磁気材料を含むこと;
(b)磁気応答性粒子を第1の磁場で第1の配置に向かせること;
(c)分離したボクセルの第1サブセット上に放射線源からの放射線を集中させて分離したボクセルの第1サブセットを同時に固めることにより、第1層のマトリクス材料の第1部分を第1の配置に保持される第1部分内の磁気応答性粒子で固めること;
(d)さらなる磁場で磁気応答性粒子のさらなる部分を第1の配置とは異なるさらなる配置に向かせること;
(e)分離したボクセルのさらなるサブセット上に放射線源からの放射線を集中させて分離したボクセルのさらなるサブセットを同時に固めることにより、第1層のマトリクス材料のさらなる部分を、さらなる配置に保持されるさらなる部分内の磁気応答性粒子と固めること
を含む、前記方法。 - (f)第1層のマトリクス材料の所定の部分が固められるまでステップ(d)およびステップ(e)を繰り返すこと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - ステップ(c)およびステップ(e)において、マトリクス材料が部分的に硬化され、完全に硬化され、固化され、重合され、または架橋される、請求項1または2に記載の方法。
- 第1層のマトリクス材料の所望の部分が固められたとき、ビルドプレートから第1層を除去し、第2層の、第1層に隣り合うビルドプレートに隣り合う追加の前駆体材料を導入することをさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- (g)第1層に隣り合う第2層の追加の前駆体材料を導入すること;
(h)磁場で第2層の粒子を第3の配置に向かせること;
(i)第2層のマトリクス材料の第1部分を第3の配置に保持される第1部分内の磁気応答性粒子で固めること;
(j)第3の配置とは異なる磁場で第4の配置に、磁気応答性粒子のさらなる部分を向かせること;
(k)第2層のマトリクス材料の第2部分を、マトリクス材料を固めるために第4の配置に保持される第2部分内の磁気応答性粒子で固めること;
(l)第2層のマトリクス材料の所望の部分が固められるまで、ステップ(j)およびステップ(k)を繰り返すこと
をさらに含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。 - 第1のおよびさらなる磁場が、第1層の面と平行な1以上の磁場源および第1層を備える面外の1以上の磁場源によって適用される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 第1部分のボクセルが、さらなる部分のボクセルと空間を設ける、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 磁性材料が、
強磁性材料、常磁性材料、超常磁性材料、酸化鉄、鉄、コバルト、ニッケル、鉄合金、またはニッケル合金;および、ミクロビーズ、ナノ粒子、やすり粉、繊維、フレーク、ロッド、ウィスカ、またはプレートレットの1以上を含み;または、
磁気応答性粒子が、
磁性材料と結合された非磁性材料、および
好ましくは、
酸化アルミニウム、リン酸カルシウム、銅、ガラス、硫酸カルシウム、ナイロン、ポリスチレン、または炭化ケイ素を含む、非磁性材料;
不連続繊維、ロッド、プレートレット、フレーク、またはウィスカを含む、非磁性材料;および
磁性材料で被覆されている、非磁性材料;
の1以上を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。 - 磁気応答性粒子が、200nm〜1000μm、より好ましくは、1μm〜20μmの範囲の最長寸法を有し;および/または
磁気応答性粒子が、2〜200の範囲のアスペクト比を有する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。 - 磁性材料が、以下:
フォトポリマーを含み、およびステップ(c)およびステップ(e)において、磁性材料がフォトポリマーの硬化を有効にするために選択された波長を有する放射線でマトリクス材料の選択されたボクセルの照明によって硬化される、
光硬化性アクリル材料、ポリメチルメタクリレート(PMMA)材料、またはポリウレタン材料を含む;および
0.7mPa・s〜10Pa・sの範囲の固化前の粘度を有する材料を含む、の1以上を含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。 - 放射線源が、波長300nm〜900nmの範囲にある、または、放射線源が、紫外から赤外の範囲にある、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 複合部品品を生産するための装置で:
前駆体材料のソースと連通するビルドプレートであって、前駆体材料はマトリクス材料および磁気応答性粒子を含み、磁気応答性粒子は少なくとも部分的に磁性材料を含む;
ビルドプレートに配置される前駆体材料の層に分離した分離したボクセルの放射線を適用するために配置される放射線源を分離した;
複数の方向性の磁場をビルドプレート上の前駆体材料の層に適用するために配置される複数の磁場源;および
ビルドプレート、放射線源および複数の磁場源と制御連通するプロセッサユニット;を含み、
プロセッサは、
(a)ビルドプレートに隣接して第1層の前駆体材料のソースから、前駆体材料を導入し;
(b)複数の磁場源の1以上を作動させて、第1の磁場で第1の配列に磁場応答性粒子を向かせるために、第1の磁場を第1層に適用し;
(c)放射線源を作動させて、分離したボクセルの第1サブセット上に放射線源からの放射線を集中させることにより、第1の配列に保持される第1部分内の磁気応答性粒子で、第1層のマトリクス材料の第1部分における分離したボクセルの第1サブセットを同時に固め;
(d)複数の磁場源の1以上を作動させて、さらなる磁場で第1の配列と異なるさらなる配列の磁気応答性粒子のさらなる部分を向かせるために、さらなる磁場を適用し;および
(e)照射源を作動させて、分離したボクセルのさらなるサブセット上に放射線源からの放射線を集中させることにより、さらなる配列に保持されるさらなる部分内の磁気応答性粒子で第1層のマトリクス材料のさらなる部分における分離したボクセルのさらなるサブセットを同時に固める:
命令を含む、前記装置。 - 複数の磁場源が、ビルドプレートに平行な平面内の磁力線の構成要素、およびビルドプレートに対して直角な平面の磁力線の構成要素を有する磁場を適用するために配置される、請求項12に記載の装置。
- 複数の磁場源が、ビルドプレートの平面と平行の方向の磁場を適用するために配置される少なくとも2つの磁場源、および1つのビルドプレートの平面から平面外の方向に磁場を適用するために配置される少なくとも1つの磁場源を含む、請求項12または13に記載の装置。
- 複数の磁場源が、ビルドプレートの平面と平行の方向の磁場を適用するために配置される少なくとも2つのさらなる磁場源をさらに含有する、または
ビルドプレートの平面と平行の方向の少なくとも2つの磁場源が、互いに直角に配置される、請求項14に記載の装置。 - 複数の磁場源の少なくとも一部がビルドプレートの平面、またはビルドプレートの平面と平行な平面の周りの運動のために支持される、請求項12〜15のいずれか一項に記載の装置。
- 磁場源が、ソレノイド、鉄芯を囲むコイルを含有するソレノイド、オープンコア領域を囲むコイルを含有するソレノイドまたは電磁石を含む、請求項12〜16のいずれか一項に記載の装置。
- ビルドプレートの平面に対して直角な平面内の磁場源の少なくとも1つが、オープンコア領域を囲むコイルを含有するソレノイドを含み、放射線源がビルドプレートにオープンコア領域を介して放射線を向けるように配置される、請求項12〜17のいずれか一項に記載の装置。
- 放射線源が、波長300nm〜900nmの範囲にある、または放射線源が、紫外線から赤外線の範囲にある、請求項12〜18のいずれか一項に記載の装置。
- 放射線源が放射線を分離した分離したボクセルの選択されたものに向けるように働く、請求項12〜19のいずれか一項に記載の装置。
- 放射線源がデジタル光プロジェクタを含む、請求項12〜20のいずれか一項に記載の装置。
- ビルドプレートが前駆体材料のソースに関して垂直運動のために搭載される、請求項12〜21のいずれか一項に記載の装置。
- 前駆体材料源を含むリザーバをさらに含み、以下:
ビルドプレートが、リザーバ内および上からリザーバへの垂直運動のために搭載される、
磁場源の少なくとも一部分がリザーバ周囲の円周方向に配置される、
磁場源の少なくとも1つがオープンコア領域を囲むコイルを含有するソレノイドを含み、および放射線源がビルドプレートに隣接するリザーバの前駆体材料の層に対してオープンコア領域を介して放射線を投射するように配置される、の1以上をさらに含む、請求項12〜22のいずれか一項に記載の装置。 - ステップ(c)およびステップ(e)のそれぞれが、第1層上のピクセル・アレイに放射線源からの照明を投射することを含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
- ステップ(c)およびステップ(e)のそれぞれが、第1層内の選択されたボクセル上にデジタル光プロジェクタからの照明を投射することを含む、請求項1〜11および24のいずれか一項に記載の方法。
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