JP7017269B2 - ３ｄプリント工程による複合材製品の製造方法及びその実施装置 - Google Patents

Description

本発明は、添加技術の分野に関し、複合材で作られた部品および構造体、例えばブラケット、フィッティング、基本部品、ウェアラブル製品、航空、ロケットおよび宇宙技術、医療、自動車産業などに使用されるメッシュおよびハニカム構造体の製造に使用することができる。

最新技術

当技術分野おいては複合繊維を使用する３Ｄプリント方法および装置が公知である。最も類似のものはMark Forgedの出願（USA）に記載されている。
［１］出願 ＵＳ２０１４０２９１８８６－３Ｄプリント、ＩＰＣ Ｂ２９Ｃ４７／００、２０１４年１０月２日公開；
［２］出願 ＵＳ２０１４０３２８９６３－繊維強化添加剤製造、ＩＰＣ Ｂ２９Ｃ６７/００、２０１４年１１月６日公開；
［３］出願 ＵＳ２０１４０３２８９６４－３Ｄプリント、ＩＰＣ Ｂ２９Ｃ６７／００、２０１４年１１月６日公開；
［４］出願 ＵＳ２０１４０３６１４６０－繊維強化添加剤製造方法、ＩＰＣ Ｂ２９Ｃ６５／４０、２０１４年１２月１１日公開
［５］出願 ＵＳ２０１５０１０８６７７－複合フィラメント加工付き３Ｄプリンター、ＩＰＣ Ｂ２９Ｃ６７／００、２０１５年４月２３日公開；
［６］出願 ＵＳ２０１５０１６５６９１－繊維強化添加剤製造方法、ＩＰＣ Ｂ２９Ｃ６７/００、２０１５年６月１８日公開；

これらの出願は、コア（充填剤）とプラスチックコーティング（母材）から成る複合繊維を使用した３Ｄプリントの方法について説明している。複合繊維は、連続または半連続繊維、例えば強化繊維、光ファイバー、導電性フィラメントなどを充填剤として包含する。母材は熱可塑性材である。プリント時には、繊維は母材の溶融温度よりも高い温度に加熱される。本発明のプリント方法は、上記の複合繊維が供給される特殊設計の押出機を含む３Ｄプリンターにおいて具現化される。

複合繊維は、連続繊維と母材が供給されてそれらの接合押出しを行う特殊な装置により製造される。含浸工程を向上させるために、繊維を予め真空処理する(空気や湿気を取り除く)ことができ、より良い処理を提供するために、繊維の平坦な束を生成するか、または繊維の束への母材の導入を促進する圧力を発生させるローラに通過させることができ、繊維と母材との連結を向上させるために、この繊維を表面活性物質、蒸気、オゾンなどにさらすことができる。

上記の解決策の欠点は、溶融物の粘度が非常に高いために、熱可塑性樹脂による繊維束の高品質な含浸の提供が困難であることである。得られた材料が高い多孔性を有することがあり、繊維は共に機能しない。高品質な含浸を実現するためには、材料を高圧（最大５０気圧）に曝す必要があるが、この場合、繊維が損傷し材料の内部構造が不均一になることがある。加えて、提案された方法は、あらかじめ含浸処理した複合繊維を押出機に供給することを含み、繊維と母材の体積分率の所定の比率を提供し、プリント工程における繊維の体積分率を変化させることを許容しない。

繊維束への熱可塑性樹脂の含浸に伴う困難を回避するために、繊維束に低粘度の熱硬化性バインダーを含浸させ、熱可塑性樹脂による相互接続を起こす２つの母材からなる材料を使用することができる。このような材料は、以下の特許に記載されている。
［７］ＲＵ ２１０７６２２－複合材で作られた高強度管胴の製造方法（オプション）、１９９８年３月２７日公開。
［８］ＵＳ ００６０７７５８０－回転体として成形された複合シェルとその形成方法、２０００年６月２０日公開。

しかしながら、特許に記載された材料を形成する方法は、回転体、例えばパイプラインや圧力シリンダーの巻き付けによる製造にのみ適用可能である。

本発明の本質

本発明が解決しようとする技術的課題は、複雑な形状及び内部構造を有する複合材から、高い物理的および機械的特性を有する機能部品を３Ｄプリントで製造することであり、航空機やロケット、宇宙技術で通例使用されるアルミニウム合金（ＡＭｇ６、Ｄ１６など）の特性を超える、密度に対する材料の比強度特性が向上した部品の製造である。これらの特性を達成するために、強化繊維束を母材で質的に含浸させることに、孔および空隙の除去が提供される。

本発明の技術的成果は、材料の比強度特性と物理的及び機械的特性を向上させること、気孔率を低減すること、およびプリント工程において繊維及び母材の体積分率を変化させる場合に均一な内部構造を提供することに存する。

この技術的成果は、連続繊維で強化された複合材から、繊維束に１５～６０％の体積分率で熱硬化性バインダーを含浸させ、バインダー硬化までの温度処理を供する複合繊維の製造を含む３Ｄプリントにより製品を製造する請求項に記載の方法により達成され、複合繊維フィラメントと熱可塑性材料が押出機へ供給され、押出機は熱可塑性材料の溶融温度および熱硬化性バインダーのガラス転移温度を超える温度に加熱され、熱可塑性材料は複合繊維と組み合わされ、プログラムされた経路に沿った押出機の移動と、熱可塑性材料と複合繊維が結合したときに得られた複合材がノズルを経由してテーブルの表面に押出され、冷却時に複合繊維が硬化し、熱可塑性材料の溶融物が固化して、複合繊維を共に連結させ、製品を形成し、一方で製品形成の工程では、トリミング機構が複合繊維を切断し、押出機が複合繊維および熱可塑性材料を押出しすることなく軌道の次のセクションに移動し、その後、複合繊維および熱可塑性材料の押出しが再開される。

また、技術的な成果は、強化繊維および／または機能繊維を繊維として使用することによって達成される。強化繊維とは、炭素および／またはガラスおよび／またはアラミドおよび／または玄武岩および／またはホウ素および／または金属繊維である。光ファイバーおよび／または導電性ファイバーが機能繊維として使用される。使用される熱硬化性バインダーは、フェノールホルムアルデヒド、ポリエステル、エポキシ、尿素、エポキシフェノール、シリコーン、ポリイミド、ビスマレイミドバインダーに基づく熱硬化性プラスチックである。熱可塑性材料は、フィラメントまたは顆粒または粉末の形態で供給される。使用される熱可塑性材料は、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリラクチド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタラートグリコールを包含する。押出機の移動は、テーブルの表面に対してプログラムされた軌道に沿って押出機を移動させることを可能にする少なくとも３座標の移動機構によって提供される。プログラムされた軌道に沿った押出機の移動は、制御システムによって複合繊維および熱可塑性材料の供給と同期し、さらに、制御システムは、押出機およびテーブルに予め割り当てられた温度、ならびに予め割り当てられた時間におけるトリミング機構のスイッチを入れた状態を維持する。製造の過程では、複合繊維はさらに熱可塑性材料の層で被覆される。

また、熱可塑性材料が追加の第２押出機にさらに供給され、熱可塑性材料の融点を超える温度に加熱され、押出機からの複合材および追加の第２押出機からの熱可塑性材料のテーブル表面への交互の押出しが行われ、技術的な成果が達成され、その工程中に、押出機からの押出しの一時的停止が必要な場合に複合材が切断される。

また、熱可塑性材料が追加の第２押出機にさらに供給され、熱可塑性材料の融点を超える温度に加熱されるので、技術的成果が達成され、また複合繊維の熱可塑性材料および熱硬化性バインダーが溶解しない物質に溶解することができる追加の熱可塑性材料が追加の第３押出機に供給され、追加の熱可塑性材料の溶融温度を超える温度に加熱され、次に、複合材の押出しが押出機から、熱可塑性材料の押出しが追加の第２押出機から、追加の熱可塑性材料の押出しが追加の第３押出機からテーブル表面に交互に次々に行われ、その工程中に、押出機からの押出しの一時的停止が必要な場合に複合材が切断される。

押出機および追加の第２および第３押出機の移動は、テーブルの表面に対してプログラムされた軌道に沿ってそれらを移動させることが可能な少なくとも３座標の移動機構によって行われる。

技術的な成果はまた、３Ｄプリント方法によって連続繊維で強化された複合材から製品を製造する請求項に記載の機械によって達成され、機械は、フィラメントの形態の複合繊維および熱可塑性材料用の入力チャネルを有し、ヒータ、チャンバー、温度センサおよび複合材の出力用ノズルを含む押出機と、熱可塑性材料とフィラメントの形態の複合繊維の供給機構と、補強フィラメントのトリミング機構と、テーブルと、テーブルの表面に対してプログラムされた軌道に沿って押出機を移動させることが可能な少なくとも３座標の移動機構とを含む。

加えて、フィラメントの形態の複合繊維を供給する機構がローラ方式なので、技術的な成果が得られる。熱可塑性材料をフィラメントの形態で供給する場合には、熱可塑性材料の供給機構をローラ方式にし、熱可塑性材料を顆粒または粉末の形態で供給する場合には、熱可塑性材料の供給機構をオーガ方式にする。本機械は、ヒータ、チャンバー、温度センサ、および熱可塑性材料の出力用ノズルを含み、熱可塑性材料用の入力チャネルを有する第２押出機をさらに含み、また、ヒータ、チャンバー、温度センサ、及び、複合繊維の熱可塑性材料および熱硬化性バインダーが溶解しない物質に溶解できる追加の熱可塑性材料の出力用ノズルを含み、追加の熱可塑性材料用の入力チャネルを有する追加の第３押出機を包含する。本機械は、テーブルの表面に対してプログラムされた軌道に沿って押出機、追加の第２および第３押出機を移動させることができる、少なくとも３座標の移動機構をさらに含む。

創出された３Ｄプリント方法は、バインダーを含浸させて硬化させた繊維の束である複合繊維の使用に基づいている。含浸させる材料は、前述の類似物とは対照的に、熱硬化性樹脂であることが必須である。熱硬化性樹脂は、良好な技術的特性、とりわけ、低粘度および現在使用されているすべての種類の強化繊維への良好な粘着性を有し、これにより、孔および空隙を除去しつつ、強化繊維束の母材への高品質な含浸、ならびに、その結果として、繊維と母材との結合工程が可能になる。同時に、高品質な含浸は、加圧、束を変形させるローラの存在、湾曲形状のチャネル、繊維表面の予備活性化および前述の類似物における問題を解決するために使用される他の動作を必要としない。

本発明の詳細、特徴および利点は、以下の図面を使用して、請求項に係る発明の他の態様の以下の説明において示される。
複合繊維の断面（１Ａ－複合繊維、１Б－熱可塑性コーティングを施した複合繊維）; 繊維強化複合材から製品を３Ｄプリントする機械の概略図； 押出機ノズルの概略図（３Ａ－球形または円錐形のノズル、３Б－レッジ付きノズル）； ３Ｄプリントにより作成された多層複合材の断面（４Ａ－四角形の配置による複合材、４Б－六角形の配置による複合材）； ３Ｄプリントにより作成された多層複合部品の断片; ３Ｄプリントにより作成された格子状の複合部品の断片; 複雑な構造の製品のプリント;

図中の以下の位置を番号で示す。
１－母材；
２－強化繊維；
３－機能繊維；
４－複合繊維（母材を含浸させた繊維の束）；
５－熱可塑性材料（熱可塑性樹脂）
６－熱可塑性コーティングを備えた複合繊維（複合繊維（母材含浸繊維束）に熱可塑性樹脂をコーティングしたもの）；
７－強化フィラメント（複合繊維または熱可塑性コーティングを施した複合繊維）；
８－強化フィラメント付きボビン；
９－押出機；
１０－熱可塑性材料のフィラメント（熱可塑性フィラメント）；
１１－熱可塑性フィラメント付きボビン；
１２－強化フィラメント供給機構；
１３－熱可塑性樹脂供給機構；
１５－強化フィラメント供給管；
１６－熱可塑性フィラメント供給管；
１７－ヒータ；
１８－温度センサ；
１９－押出機のチャンバー（強化フィラメントと熱可塑性樹脂が組み合わされる溶融用チャンバー）；
２０－ノズル
２１－テーブル（作業面）；
２２－複合材層；
２３－複合材（押出機のノズルから出る強化熱可塑性樹脂）;
２４－強化フィラメントトリミング機構；
２６－ノズル出口のフィレット；
２７－ノズルの外側球面；
２８－ノズルレッジ；
２９－製品例；
３０－複合繊維のピッチが小さい部分（複合繊維の体積含有率が大きい）;
３１－複合繊維のピッチが大きい部分（複合繊維の体積含有率が小さい）;
３２－部品の穴；
３３－複合繊維の孔補強列；
φ－複合繊維の配向角度；
３４－縦リブ；
３５－横リブ；
３６－リブ交差部；
３７－純粋な熱可塑性樹脂または個別の繊維で強化された熱可塑性樹脂を使用したプリント用の追加の第２押出機；
３８－支持構造体のプリント用の追加の第３押出機；
３９－支持構造体のプリント用の熱可塑性材料のフィラメント（追加の熱可塑性材料）；
４０－精緻な形状の製品；
４１－熱可塑性材料層；
４２－支持構造体

本発明の態様

作成された３Ｄプリントの方法は、複合繊維の使用に基づいている（図１Ａ）。複合繊維４は、母材１を含浸させ硬化させた繊維束である。束は、連続強化繊維２、例えば炭素、ガラス、アラミド、玄武岩、ホウ素、金属繊維ならびに機能繊維３、例えば光ファイバーおよび／または導電性繊維、例えば銅繊維を含むことができる。束は、例として、２、１００、１０００、３０００、６０００などの異なる数の繊維を包含することができる。含浸に使用される母材１は、フェノール－ホルムアルデヒド、ポリエステル、エポキシ、シリコーン、ポリイミド、ビスマレイミドおよび他の結合材に基づく熱硬化性プラスチック(熱硬化性樹脂)または熱硬化性バインダーと熱可塑性バインダーとの混合物である。熱硬化性樹脂は、良好な加工性、とりわけ、低粘度および現在使用されているすべての種類の強化繊維への良好な粘着性を有し、これにより、孔および空隙の非存在下で強化繊維束の母材への良好な含浸が可能になり、その結果として、繊維と母材との結合作用が可能になる。強化複合フィラメントの生成のために、束はバインダーで含浸されるので、バインダーの体積分率は１５～６０％となる。したがって、繊維と母材の体積分率の比は、８５％：１５％から４０％：６０％の範囲にすることができる。例として、繊維と母材の体積分率は、６０％：４０％、７０％：３０％、８０％：２０％またはそれ以外の比率を有することができる。束は、その後母材が完全に硬化するまで熱処理される。硬化の温度領域および時間は、母材の特定の種類および等級によって決まる。

別の態様は、複合繊維４を硬化後に、熱可塑性材料５(熱可塑性物質)、例えばアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリラクチド（ＰＬＡ)、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンテレフタレートグリコール、または他の熱可塑性材料で被覆する場合に可能である。
この目的のために、硬化した複合繊維４は、溶融した熱可塑性物質５で満たされたチャンバーを通過し、熱可塑性コーティング６で覆われた複合繊維に所定の直径と形状を提供する紡糸口金から出る。（図１Б）。

製品（部品）の製造は、図２に示す機械が行う。プリント時には、押出機９は、複合繊維４または熱可塑性コーティング６で覆われた複合繊維（図１Ａまたは図１Б）である強化フィラメント７（すなわち、フィラメント状の複合繊維）および熱可塑性材料５、例えばＡＢＳ、ＰＬＡ、ＰＡ、ＰＥＩ、ポリアセタール、ＰＥＴ、ポリスルホン、ＰＥＥＫまたは他の熱可塑性材料を受け入れて使用される。図２は、熱可塑性フィラメント１０の形態で供給される熱可塑性材料５を示しているが、請求項に係る発明の態様は、熱可塑性フィラメントの使用に限定されるものではなく、すなわち、フィラメント状の熱可塑性樹脂の代わりに、押出機内で顆粒状または粉末状の熱可塑性材料を供給する場合の態様も可能である。回転時にフィラメントを前進させるローラ方式の強化フィラメント供給機構１２によって、強化フィラメント７がボビン８から移動し、強化フィラメントの張力が制御される。回転を利用してフィラメントを前進させるローラ方式の熱可塑性樹脂供給機構１３によって、熱可塑性フィラメント１０の形態の熱可塑性材料５がボビン１１から供給される。熱可塑性材料５を顆粒状または粉末状で使用する場合、オーガ方式の熱可塑性樹脂供給機構がホッパーから供給する。

供給機構１２および１３は、押出機から異なる距離、例として、１mm、１０mm、５０mm、１００mm、３００mmなどで配置することができる。供給装置が押出機から離れた位置にある場合、熱可塑性材料５（すなわち、熱可塑性樹脂のフィラメント１０または顆粒または粉末）の押出機９への供給は供給管１６、および強化フィラメントは供給管１５を経由して行うことができる。

押出機９は、ヒータ１７によって、熱可塑性材料１０の溶融温度および強化フィラメント７の熱硬化性母材１のガラス転移温度を超える温度に加熱されるが、強化フィラメント７の母材１の破壊温度を超えるべきではない。ヒータ１７は、異なる種類、例えばカートリッジ、クランプ、フラットおよび他の種類であることができる。温度は、センサ１８、例として熱電対またはサーミスタによって制御される。この温度で、熱可塑性フィラメント１０は溶融し、強化フィラメント７に接続された押出機チャンバー１９を満たす。強化フィラメント７が熱可塑性コーティングを備えた複合繊維６である場合（図１Б）、複合繊維の熱可塑性被覆（熱可塑性樹脂５）も溶融する。したがって、複合材２３（熱可塑性樹脂の溶融物に囲まれた複合繊維４）は、押出機チャンバーから出る。供給機構１３のローラは、回転しながら熱可塑性フィラメント１０を押出機チャンバー１９内に入力チャネルを経由して押し込み、熱可塑性樹脂を供給する。この場合、供給機構としてオーガを使用すると、オーガもまた回転し、顆粒または粉末状の熱可塑性樹脂を押出機チャンバー１９に移動させる(押す)。供給機構１２のローラは、回転しながら強化フィラメント７を押出機チャンバー１９内に入力チャネルを経由して移動させ、強化フィラメントを供給する。熱可塑性樹脂溶融物の圧力がチャンバー１９内で生成され、複合繊維が熱可塑性樹脂と共にノズル２０を経由してテーブル２１の表面（作業面）上に複合材２３（強化熱可塑性樹脂）の形態で押し出される。供給機構１２および１３の動作と同時に、押出機は製品の形状に従ってテーブル２１に対して移動する。押出機をテーブルに対して移動させるために、押出機およびテーブルは、少なくとも３座標の移動機構、好ましくは６座標機構(いわゆる位置決めシステム)上に設置することができる。複合繊維４の母材１は、加熱の影響で軟化し、これにより曲がり、テーブル２１上で押出機の軌跡を繰り返しながら合わさることが可能になる。熱可塑性溶融物は押出機を出ると固化し、複合繊維４は冷却され、高い機械的特性を有する複合材層２２を形成しつつ再び硬化する。この場合、冷却後、複合繊維４は、熱可塑性層のおかげで、テーブル２１の表面または製品の前の層に付着する。テーブル２１は、熱可塑性層を有する複合繊維をより確実に付着させるために加熱することができる。

したがって、テーブル２１に対する押出機９の速度と比較して、供給機構１２のローラを用いて強化フィラメント７の供給量を減らすことにより、繊維２および／または繊維３のゆがみ矯正および材料の機械的特性の改善のために強化フィラメントの張力を発生させることができる。逆に、強化フィラメント７の供給量を増やすことで、軌道の曲率が大きい場合には滑らないように強化フィラメントの張力を下げることができる。

複合繊維４の母材１を溶融させずに軟化させるだけで、複合繊維４の内側にある強化束の繊維２および／または繊維３の位置を保持することが必須である。

押出機に熱可塑性フィラメントではなく、顆粒状または粉末状の熱可塑性樹脂が供給される場合、供給機構は、供給ローラの代わりにオーガを含み、このオーガは、ホッパーから顆粒または粉末を捕捉し、それらを加熱した押出機に供給する。チャンバー１９内の圧力は、ローラが熱可塑性フィラメントを押すことによって、またはオーガが顆粒または粉末を押すことによって生成される。

機械は、製品のセクション間を移動する時、複合材２２の層の間を移動する時、および製品のプリントの終了時に強化フィラメント７を切断するように設計されたトリミング機構２４を包含する。トリミング機構２４は、供給機構１２と押出機９との間、またはノズル２０の出口に配置することができる。後者の場合、複合材２３の切断、すなわち、熱可塑性樹脂５の溶融物に囲まれた複合繊維４のトリミングが行われる。工程中、トリミング機構２４の可動部分、例としてナイフは、プリント工程の妨げにならないように、ノズル２０の上方にあるかまたはノズルから離れているべきである。切断時には、押出機９が上昇し、トリミング機構が作動し、ノズル２０のエッジと製品との間の複合材２２を切断する。

機械は、テーブル２１に関する押出機９の移動機構及び供給機構１２、１３のプログラムされた同時移動、押出機９およびテーブル２１の所定の温度の維持、ならびに特定の時点のトリミング機構２４の動作を提供する制御システムを含む。

提案した方法の主な特徴の一つは、プリント工程で複合繊維４と熱可塑性樹脂の体積比を制御できることである。これは、供給機構１３によって図２に示す押出機９への熱可塑性フィラメント１０の供給量と、供給機構１２による強化フィラメント７の供給量を調節することによって提供される。したがって、押出機のチャンバー１９内の熱可塑性樹脂の圧力を変化させることができ、それゆえに、ノズル２０から出る複合材２３における樹脂の量を変化させることができる。押し出された材料（複合材２３）における熱可塑性樹脂の体積分率が２０～７０％となるように、供給機構１２と１３のローラの回転速度が制御システムによって制御される。この場合、得られた複合材２３における複合繊維４の体積比は、３０～８０％であることができるが、これは、複合材２３における繊維２および／または繊維３の体積比１２～６８％に相当する。したがって、製品の異なる部分で複合繊維４の体積比率が異なる部品を製造することができる。押出機に熱可塑性フィラメントではなく、顆粒状または粉末状の熱可塑性樹脂を供給する場合、供給オーガの回転速度を調節することによって熱可塑性樹脂の体積比が制御される。また、押出機の移動速度に関して回転速度を変える際には、強化フィラメント７を前進させる供給機構１２のローラが強化フィラメント７の張力を制御し、それゆえにテーブル２１上に配置された複合材２３の複合繊維４が制御される。ローラは、強化フィラメント７がプリント軌道からずれることを回避するために軌道の直線部分では強化フィラメント７の張力を増加させて減速させることができ、曲線部分ではその張力を減少させて加速させることができる。

得られた複合材２３の特性を最大にするために、図３に示すように、特殊な形状のノズルが使用される。複合繊維４の母材１は溶融せず、軟化するだけなので、複合繊維４は、破断につながる鋭い屈曲を受けることができない。そのため、ノズルの出口での鋭い屈曲および複合繊維４への損傷を避けるために、チャネルは、フィレットまたは丸みを有する必要がある。得られた製品内に配置した繊維の多孔性および圧縮を低減するために、図３Ａに示されるように、ノズルは滑らかな球形を有することができる。この場合、ノズル２７の側面は球体の形状を有し、ノズル面にはトロイダル面が形成されており、この面は敷設機のローラの場合と同様に、プリント時に材料に接触圧を加えながら敷かれた複合材の表面に沿って摺動する。高温の熱可塑性樹脂、例えばＰＥＥＫをプリントに使用する場合には、複合材２２の層同士の良好な融着性を確保するために、新たな層を配置する場所の近傍で材料を温める必要がある。この目的のために、ノズル出口の周りにレッジ２８を有する図３Бに示されたノズルを使用することができる。加熱されたレッジは、ノズル出口の周りの強化熱可塑性樹脂の加熱を提供し、前の層への敷設層２２のより良い融着性を確実にする。

複合材（強化熱可塑性樹脂）２３は、プリント時に直径０．２～１．０mmの複合繊維を一つ並べることで形成されるため、公知の屈曲ならびに配置方法とは対照的に、この方法は、複合材の内部構造、すなわち複合繊維４の位置をそれらの配置によってより柔軟に制御することができ、例として、図４Ａに示すように四角形、換言すれば、複合繊維４を熱可塑性母材５中において上下に配置することで、または、図４Бに示すように六角形、換言すれば、母材５中に複合繊維４をオフセットして配置することで、複合繊維の体積比を増加させることができ、それゆえに製品の機械的特性を向上させることができる。

また、層内の複合繊維４の敷設経路を柔軟に制御することができる。図５は、考えられた方法で製造することができる複合製品の断片を示す。複合繊維４の配向角度φは、製品２９の異なる部分で異なることができる。加えて、押出機９における強化フィラメント７と熱可塑性樹脂１０(もしくは顆粒状または粉状の熱可塑性樹脂)の供給量や、複合繊維４を敷設する際に繊維同士の間隔を変えることにより、得られた複合材における複合繊維４と熱可塑性樹脂５との体積比を変え、繊維含有量の高い部分３０と繊維含有量の低い部分３１とを有する製品を製造することができる。この特徴は、より耐久性のある軽量な製品を得るために、材料の構造の柔軟な制御とその最適化を提供する。加えて、考えられた方法では、製品の弱点、例えば穴３２を複合繊維３３の一つまたは複数の列で輪郭に沿って縁取ることによって強化することを可能にする。

複合材中の複合繊維４の体積分率を制御する上記の可能性により、リブ付き強化複合構造体またはセル状複合構造体を製造することができる。このような構造の断片を図６に示す。一例として、図６は、交差する縦リブ３４及び横リブ３５からなる構造を示すが、この種類の実際の構造は、直線と曲線双方の異なる軌道に沿った方向を持つ任意の数のリブを含むことができる。リブは複合材層２２からなり、複合繊維４を含む。この設計を具現化するために、複合材層２２内の複合繊維４の体積比は、リブ交差ゾーン３６において、および交差ゾーンの間のリブの部分において異なることが必要であり、交差部の間のリブ材料内の複合繊維４の体積含有率は、５０％未満、好ましくは４０％である。さもなければ、交差ゾーン３６の材料の厚さはリブ３４および３５よりも厚くなり、繊維の湾曲が交差ゾーン３６に現れ、構造の強度を低下させる。この設計は、考えられた方法により具現化できる。この目的のために、押出機が交差部の間のリブ部分を通過する時、樹脂フィラメント１０の押出機９への供給量は、形成される複合材中の複合繊維４の体積含有率が５０％未満（好ましくは４０％）となり、および熱可塑性樹脂５中の複合繊維４の体積含有率が５０％より大きくなる (好ましくは６０％)ように設定されなければならず、押出機が交差ゾーン３６を通過する時、樹脂フィラメント１０の供給量は急激に減少し、その後、動作が停止または反対方向に開始して、押出機チャンバー１９内の樹脂の圧力を急激に減少させ、これにより、交差ゾーン３６内の熱可塑性樹脂５の体積分率が０から２０％(好ましくは２０％)の値まで減少する。リブが薄い厚み（最大３mm）を有する場合、プリント時に、熱可塑性樹脂５の余剰分を交差ゾーン３６から押し出すことができるので、樹脂フィラメント１０の供給量の変化は、交差ゾーン３６を通過する時必要ではない。

精緻な形状の製品を製造するためには、このプリント方法を具現化する機械は、樹脂フィラメント１０（または顆粒状または粉状の熱可塑性樹脂）および補強フィラメント７が供給される、上述の、複合材によるプリント用の少なくとも一つの押出機９を含むべきである。複雑な製品の製造のための機械の能力を拡張するために、当該機械は、樹脂プリント用の周知の押出機である追加の第２押出機３７および／または追加の第３押出機３８を含むことができる。追加の第２押出機３７は、純粋な樹脂を用いたプリント用に設計され、そこでは樹脂フィラメント１０（熱可塑性材料）が供給され、第１押出機９に供給されたもの（第１押出機に供給されたものと同一の顆粒状または粉末状の熱可塑性樹脂）と同一である。追加の第３の押出機３８は、支持構造体４２のプリント用に設計され、この目的のために、押出機には、製品の製造の終了時に、例として、化学的に、製品の残りの部分を損傷しない方法で除去することができる（すなわち、損傷のない熱可塑性材料および複合繊維の熱硬化性バインダーである）支持構造体４２をプリントするために付加的な熱可塑性材料３９（樹脂糸状または末状または顆粒状）が供給され、このように一時的な支持構造体の製造に使用される。したがって、部分的に複合材２３、部分的に純粋な樹脂４１および部分的に後で除去される支持材４２からなる製品４０（図７）を製造することができる。この場合、製品の製造は、公知の屈曲ならびに配置方法と同様に技術的な段取り作業を必要としない。純粋な樹脂のフィラメント(粉末または顆粒)１０の供給に加えて、押出機９および３７には、様々な含有物、例として強化繊維（炭素、ガラスなど）の細切れまたは様々な粒子を含む熱可塑性フィラメントを供給することができる。このような含有物は、製品の機械的特性のさらなる向上、硬度および熱伝導率の増加、熱膨張係数の減少、または他の目的に役立つ。

Claims (16)

1. 連続繊維で強化された複合材から３Ｄプリントにより製品を製造する方法であって、
   繊維束に体積分率１５～６０％の熱硬化性バインダーを含浸させ、当該バインダーが硬化するまで温度処理に供することで複合繊維を得ること、
   フィラメント状の複合繊維と熱可塑性材料を押出機に供給すること、
   熱可塑性材料が複合繊維と結合している間に、押出機を熱可塑性材料の融点および熱硬化性バインダーのガラス転移温度を超える温度に加熱すること、
   押出機をプログラムされた軌道に沿って移動させ、熱可塑性材料を複合繊維と結合させて得られた複合材をテーブル表面上にノズルを経由して押出すこと、を含み、複合繊維は冷却時に硬化し、熱可塑性材料の溶融物が結合する複合繊維を一緒に固めて製品を形成し、
   製品を形成する工程では、トリミング機構によって複合繊維の切断を行い、プログラムされた軌道の次のセクションに複合材を押出すことなく押出機を移動させ、その後、複合材の押出しを再開する、方法。
2. 複合繊維を得るために使用される繊維束が強化繊維または機能繊維、またはその両方を含む、請求項１に記載の方法。
3. 強化繊維が炭素またはガラスまたはアラミドまたは玄武岩またはホウ素または金属繊維、またはこれらの繊維の組み合わせを含む、請求項２に記載の方法。
4. 機能性繊維が光ファイバーまたは導電性繊維を含む、請求項２に記載の方法。
5. 熱硬化性バインダーがフェノールホルムアルデヒド、ポリエステル、エポキシ、尿素、エポキシフェノール、シリコーン、ポリイミドまたはビスマレイミドバインダーに基づく熱硬化性プラスチックである、請求項１に記載の方法。
6. 熱可塑性材料がフィラメントまたは顆粒または粉末として供給される、請求項１に記載の方法。
7. 熱可塑性材料がアクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリラクチド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレートグリコールを含む、請求項１に記載の方法。
8. プログラムされた軌道に沿ってテーブルの表面に対して押出機の移動を可能にする少なくとも３座標の移動機構によって押出機の移動が行われる、請求項１に記載の方法。
9. プログラムされた軌道に沿った前記押出機の移動が、制御システムによって複合繊維および熱可塑性材料の供給と同期し、さらに、制御システムは、押出機に事前に割り当てられた温度およびテーブル表面の温度、ならびに予め割り当てられた時間におけるトリミング機構のスイッチを入れた状態を維持する、請求項１に記載の方法。
10. 製造中に複合繊維が熱可塑性材料の層によってさらに被覆される、請求項１に記載の方法。
11. 押出機からの押出しの一時的停止が必要なときに複合繊維の切断を行いながら、熱可塑性材料を追加の第２押出機にさらに供給し、熱可塑性材料の融点を超える温度に加熱し、テーブル表面上に、押出機から複合材を押出し、追加の第２押出機から熱可塑性材料を押出す、請求項１に記載の方法。
12. テーブルの表面に対してプログラムされた軌道に沿って押出機を移動させることが可能な少なくとも３座標の移動機構によって、押出機および追加の第２押出機の移動を行う、請求項１１に記載の方法。
13. 熱可塑性材料が追加の第２押出機にさらに供給され、熱可塑性材料の融点を超える温度に加熱され、さらに複合繊維の熱可塑性材料および熱硬化性バインダーが溶解しない物質に溶解できる追加の熱可塑性材が、追加の第３押出機に供給され、追加の熱可塑性材料の溶融温度を超える温度に加熱され、次に、複合材の押出しが押出機から、熱可塑性材料の押出しが追加の第２押出機から、追加の熱可塑性材料の押出しが追加の第３押出機から、テーブル表面上に行われ、押出機からの押出しの一時的停止が必要な場合に複合繊維が切断される、請求項１に記載の方法。
14. テーブルの表面に対してプログラムされた軌道に沿って押出機を移動させることが可能な少なくとも３座標の移動機構によって、押出機および追加の第２押出機および第３押出機の移動を行う、請求項１３に記載の方法。
15. 請求項１に記載の方法により連続繊維で強化された複合材から製品を製造する機械であって、
    ヒータ、チャンバー、温度センサ、および複合材の出力用ノズルを含み、フィラメント状の複合繊維および熱可塑性材料用の入力チャネルを有する押出機と、
    熱可塑性材料と複合繊維の供給機構と、
    強化フィラメント用のトリミング機構と、
    表面を有するテーブルと、
    テーブルの表面に対してプログラムされた軌道に沿って押出機を移動させることが可能な、少なくとも３座標の移動機構を含み、
    ヒータ、チャンバー、温度センサおよび熱可塑性材料の出力用ノズルを含み、熱可塑性材料の入力チャネルを有する第２押出機をさらに含み、また、
    ヒータ、チャンバー、温度センサ、及び、複合繊維の熱可塑性材料および熱硬化性バインダーが溶解しない物質に溶解できる追加の熱可塑性材料の出力用ノズルを含み、追加の熱可塑性材料用の入力チャネルを有する第３押出機を含む、機械。
16. テーブルの表面に対してプログラムされた軌道に沿って押出機、追加の第２および第３押出機を移動させることが可能な少なくとも３座標の移動機構をさらに含む、請求項１５に記載の機械。

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