JP7470128B2 - 装置、方法およびコンピュータ可読媒体 - Google Patents

Description

本明細書で説明する実施の形態は、曲がった形材（curved material profiles）を形成するための方法および装置に関する。

陸、海、空の移動で使用されるコンポーネントの重量を減らすことは、燃料消費量の削減につながり、その結果、ＣＯ_２排出量の削減にもつながる。曲がった形材は、輪郭の複雑さが高い構造物を製造するための工業製造における構成要素として広く使用されている。例えば、アルミニウム合金製形材は、航空機産業のシートレール、ストリンガー、フレームや、自動車産業のウィンドウフレーム、ルーフレールなどの軽量コンポーネント構造の製造に使用される。

形材を曲げる既存の方法は、通常、形状圧延または押し出しにより直線的な形材を製造することから始まる。これに続いて、ストレッチ曲げ、ロータリードロー曲げ、プレス曲げ、またはロール曲げ（３ロール、４ロールおよび６ロール曲げ）などの曲げプロセスを行う。しかしながら、これらの方法には次の欠点がある。（i）所望の曲率の形材を実現するために複数のプロセスが必要であり、製造の生産性が低下する。（ii）曲げプロセスでは外部から大きな曲げひずみが加わるため、スプリングバック（spring-back）や断面の変形が生じることがある。（iii）中空構造の場合、断面の変形や座屈を避けるために、２次の曲げプロセスでさまざまな充填剤やマンドレルが使用される。（iv）形材を曲げるには大きな力が必要なため、重い機械が必要である。（v）骨組みが薄かったり、曲率がきつかったりすると、多くの中空形材を曲げることができない。

別の既存の方法は、押出機からの材料の出口に直接隣接して設置された装置を使って、押出形材を曲げることを含む。この方法もまた、特殊で複雑な曲げ装置やガイド装置が必要であるという欠点があり、上述の（ii）～（v）の問題を抱えている。さらなる既存の方法は、押出ダイに特徴を持たせることで、押出オリフィスの断面における押し出される材料の流速の変化を得ることを含む。しかしながら、適切なオリフィスの設計を得るのが複雑であることに加え、工具を変更しないと押出成形品の曲率を変更することができないため、この方法の適用には限界があります。

平面的に曲がった形材を製造する方法が存在する。これらの方法では、１回の作業で曲率が変化する形材を形成することができる。しかしながら、これらの方法で製造される形材は平面的な形材である（すなわち、材料は１つの平面でのみ曲がっている）。３次元形材を製造する（すなわち、材料に直交する２方向に曲率を持たせる）には、追加の作業が必要である。この追加作業には、上述の既存の方法を使用する必要があり、同様の欠点が生じる。

したがって、曲がった形材の製造を改善する必要がある。

本発明の態様および特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。

本発明の一態様によれば、材料を押し出すための装置が提供され、その装置は、第１方向および第２方向から押し出される材料を受け入れるように構成される押出ダイを備え、その押出ダイは材料が第３方向に押し出されるオリフィスを含み、第１方向、第２方向および第３方向はすべて同じ平面内にあるわけではなく、かつ、第１方向、第２方向および第３方向のいずれも他の方向と平行ではない。

第１方向、第２方向および第３方向がすべて同じ平面内にあるわけではなく、かつ、第１方向、第２方向および第３方向のいずれも他の方向と平行ではないことを考えると、材料は３次元に曲がった形状（profile）としてオリフィスから押し出される。つまり、押し出された材料は２つの直交する方向に曲がっている。第１方向から材料を供給することは、２つの直交する方向のうちの一方の方向における押し出される材料の曲率に寄与し、第２方向から材料を供給することは、２つの直交する方向のうちの他方の方向における押し出される材料の曲げに寄与する。

押出ダイは、第１方向に材料を選択的に供給することで押し出される材料を第１方向に曲げることができ、第２方向に材料を選択的に供給することで押し出される材料を第２方向に曲げることができるように、第１方向および第２方向から押し出される材料を受け入れるように構成されてもよい。押出ダイは、第１方向に材料を選択的に供給することで第１出力方向における押し出された材料の曲率を制御することができ、第２方向に材料を選択的に供給することで第２出力方向における押し出された材料の曲率を制御することができるように、第１方向および第２方向から押し出される材料を受け入れるように構成されてもよく、第１出力方向および第２出力方向は直交する。第１出力方向は、第３方向と直交してもよい。第２出力方向もまた、第３方向と直交してもよい。

第１方向は、第１出力方向に平行な第１方向成分を持った３次元ベクトルで表わされてもよい。同様に、第２方向は、第２出力方向に平行な第２方向成分を持った３次元ベクトルで表わされてもよく、第２方向成分は、第１方向成分と直交する。押出ダイは、第１方向および第２方向がそれぞれ３次元ベクトルで表されるとき、第１方向成分が押し出される材料を第１出力方向に曲げ、第２方向成分が押し出される材料を第２出力方向に曲げるように構成されてもよい。したがって、第１方向成分および第２方向成分のそれぞれは、押し出される材料を第１出力方向および第２出力方向にそれぞれ曲げるのに十分な大きさであってもよい。

第１方向および第２方向は、デカルト座標で表されてもよい。第１方向は、３次元ベクトルで表されてもよい。第１方向は、非ゼロｘ成分、ｙ成分（ゼロまたは非ゼロである）およびゼロに等しいｚ成分を持った３次元ベクトルで表されてもよい。第２方向は、ｘ成分（ゼロまたは非ゼロである）、ｙ成分（ゼロまたは非ゼロである）および非ゼロｚ成分を持った３次元ベクトルで表されてもよい。第３方向（すなわち材料がオリフィスから押し出される方向）は、想定される（notional）ｙ軸と平行であってもよい。この場合、第１方向のｘ成分により、ｙ軸に沿って押し出された材料が想定されるｘ軸に向かって曲がる。同様に、第２方向のｚ成分により、ｙ軸に沿って押し出された材料が想定されるｚ軸に向かった曲がる。第２方向のｘ成分が非ゼロの場合、第２方向のｘ成分は、第１方向のｘ成分から生じる曲率と累積するか、オフセットするかのいずれかである（第１方向と第２方向の相対的な向きに依存する）。

第１方向および第３方向は、実質的に直交してもよい。第１方向と第３方向との間の角度を大きくすると、押出ダイにおける第１方向と第３方向との間の交点で発生する激しい塑性変形（ＳＰＤ）の量が増加する。材料のＳＰＤにより、超微細な粒径の押出形材が得られ、それにより押出形材の機械的特性が向上する。したがって、実質的に直交する構成は、押出ダイで発生するＳＰＤの量を増加させ、その結果、改善された機械的特性を生じさせる。同様に、第２方向および第３方向も実質的に直交してもよく、これも機械的特性の向上をもたらす。

第１方向および第２方向は、実質的に直交してもよい。第１方向と第２方向の実質的に直交する構成は、押し出された材料が曲がる方向に対する制御を向上させるので、押出しプロセスの改善された制御を提供する。説明すると、第１方向に材料を供給すると、押し出された材料は第１出力方向に曲がり、第２方向に材料を供給すると、押し出された材料は第１出力方向と直交する第２出力方向に曲がる。改良された制御は、第１方向に供給される材料が第２出力方向における材料の曲げに無視できる影響を与え、第２方向に供給される材料が第１出力方向における材料の曲げに無視できる影響を与えることから生じる。したがって、第１方向に材料を提供すると、第１方向に平行な第１出力方向に押し出される材料が曲がり、一方、第１出力方向に垂直な第２出力方向における押し出される材料の曲げに無視できる影響を与え、第２方向に材料を供給すると、第２出力方向に押し出される材料を曲がり、一方、第１出力方向における押し出される材料の曲げに無視できる影響を与えるように、第１方向および第２方向は実質的に直交していてもよい。

これは、押し出される材料が曲がる２つの方向を個別に制御できることを意味する。第１方向に材料を供給すると、第１出力方向のみの曲率が制御され、第２方向に材料を供給すると、第２出力方向のみの曲率が制御される（第１出力方向と第２出力方向は直交する）。

第１方向、第２方向および第３方向は、実質的に直交していてもよい。これにより、方向間の角度を大きくすることで生じるＳＰＤの増加により、機械的特性が改善された押出形材が得られる。また、この構成により、押し出される材料の２つの曲げ方向を独立して制御することもできる。

押出ダイはさらに、追加の方向（本明細書では第４方向と呼ばれ、材料は第１方向、第２方向および第４方向から受け入れられ、第３方向に押し出される）から押し出される材料を受け入れるように構成されてもよい。第４方向は、第１方向と実質的に反対向きであってもよい。すなわち、第１方向に材料を供給すると、押し出される材料は第１出力方向に曲がり、第１方向と実質的に反対向きである第４方向に材料を供給すると、押し出される材料は第１出力方向とは反対向きに曲がる。

第１方向および第２方向（および任意に第３方向）が実質的に直交している場合、第４方向は第１方向と実質的に反対向きであってもよい。これは、第１方向から材料を供給すると、押し出される材料は第１出力方向に曲がり、一方、第１出力方向に垂直な第２出力方向における曲げに無視できる影響を与え、第２方向から材料を供給すると、押し出される材料は第２出力方向に曲がり、一方、第１出力方向における曲げに無視できる影響を与え、第４方向から材料を供給すると、押し出される材料は第１出力方向とは反対の出力方向（したがって第２出力方向にも垂直）に曲がり、一方、第２出力方向における曲げに無視できる影響を与えることを意味する。

これは、第１方向および／または第４方向から材料を供給することで、第１出力方向および第３出力方向の平面における押し出される材料の曲率を制御できることを意味する。これは、第１方向から材料を供給すると、第４方向から材料が供給される場合とは反対方向に、押し出される材料が曲がるためである。これは、第１出力方向および第３出力方向の平面において、第１出力方向と平行な軸に沿って、押し出される材料が正または負の方向に曲がることを意味する。例えば、第１方向は想定されるｘ軸と平行であり、かつ、第４方向も想定されるｘ軸と平行であるが、第１方向とは反対向きであると仮定すると、第１方向から材料を供給すると、押し出される材料は正のｘ軸に向かって曲がり、第４方向から材料を供給すると、押し出される材料は負のｘ軸に向かって曲がる。

したがって、第４方向から材料を供給することで、第１出力方向（かつ、第１出力方向および第３出力方向の平面内）における押し出される材料の曲率の制御が改善される。また、第４方向から材料を供給することで、押し出される材料を１つの軸に沿って正または負の方向に曲げることができるため、押し出しプロセスにさらなる柔軟性がもたらされる。

押出ダイは、さらなる方向（本明細書では第５方向と呼ばれ、材料は第１方向、第２方向、第４方向および第５方向から受け入れられ、第３方向に押し出される）から押し出される材料を受け入れるように構成されてもよい。第５方向は、第３方向と実質的に反対向きであってもよい。すなわち、第２方向に材料を供給すると、押し出される材料は第２出力方向に曲がり、第２方向と実質的に反対向きである第５方向に材料を供給すると、押し出される材料は第２出力方向とは反対向きに曲がる。

第１方向および第２方向（および任意に第３方向）が実質的に直交している場合、第５方向は第２方向と実質的に反対向きであってもよい。これは、第１方向および／または第４方向から材料を供給すると、押し出される材料は第１出力方向（または第１出力方向とは反対の方向）に曲がり、一方、第１出力方向に垂直な第２出力方向における曲げに無視できる影響を与え、第２方向から材料を供給すると、押し出される材料は第２出力方向に曲がり、一方、第１出力方向における曲げに無視できる影響を与え、第５方向から材料を供給すると、押し出される材料は第２出力方向とは反対の出力方向（したがって第１出力方向にも垂直）に曲がり、一方、第１出力方向における曲げに無視できる影響を与えることを意味する。

これは、第２方向および／または第５方向から材料を供給することで、第２出力方向および第３出力方向の平面における押し出される材料の曲率を制御できることを意味する。これは、第２方向から材料を供給すると、第５方向から材料が供給される場合とは反対方向に、押し出される材料が曲がるためである。これは、第２出力方向および第３出力方向の平面において、第２出力方向と平行な軸に沿って、押し出される材料が正または負の方向に曲がることを意味する。例えば、第２方向は想定されるｚ軸と平行であり、かつ、第５方向も想定されるｚ軸と平行であるが、第２方向とは反対向きであると仮定すると、第２方向から材料を供給すると、押し出される材料は正のｚ軸に向かって曲がり、第５方向から材料を供給すると、押し出される材料は負のｚ軸に向かって曲がる。

したがって、第５方向から材料を供給することで、第２出力方向（かつ、第２出力方向および第３出力方向の平面内）における押し出される材料の曲率の制御が改善される。したがって、第１方向、第２方向、第４方向および第５方向から材料を供給することで、押し出される材料が曲がる方向をさらに制御できる。また、第５方向から材料を供給することで、押し出される材料を２つの軸に沿って正または負の方向に曲げることができるため、押し出しプロセスにさらなる柔軟性がもたらされる。

押出ダイは、異なる速度で第１方向および第２方向（および、存在する場合は追加の方向（複数可））から材料を受け入れるように構成されてもよい。押出ダイは、材料の第１部分を第１速度で受け入れ、材料の第２部分を第２速度で受け入れるように構成されてもよい。すなわち、材料の一部が各方向で受け入れられてもよく、押出ダイは、材料の各部分を異なる速度で受け入れるように構成されてもよい。材料がオリフィスから押し出されるときに、材料が第１方向に受け入れられる速度を変えることができる。材料が第１方向に受け入れられる速度を変化させることで、押し出される材料の第１出力方向の曲率を押し出し中に変化させることができる。これにより、第１出力方向の曲率が変化する形材が得られる。

同様に、材料がオリフィスから押し出されるときに、材料が他の方向に受け入れられる速度も変化させてもよく、それにより、押し出される材料の曲率の制御を改善できる。

押出ダイは、第１断面積を有する開口部を介して第１方向から材料を受け入れ、第２断面積を有する開口部を介して第２方向から材料を受け入れるように構成されてもよく、第２断面積は第１断面積とは異なる。断面積の違いにより、材料が供給される所定の速度において、異なる出力方向に異なる曲率が生じる。したがって、材料は、第１方向および第２方向に同じ速度で材料を供給しても、一方の出力方向の曲率が他方の出力方向に比べて大きくなりうる。押出ダイは、さらに、断面積を有するそれぞれの開口部を介して他の各方向から材料を受け入れるように構成されてもよい。ある開口部の断面積は、他の開口部の断面積と異なっていてもよい。

装置は、複数の圧縮要素をさらに含んでいてもよく、押出ダイが押し出される材料を受け入れるように構成されている各方向について、複数の圧縮要素のうちの１つが、押し出される材料にその方向に力を加えるように構成される。例えば、第１圧縮要素は、材料に第１方向に力を与えるように構成され、第２圧縮要素は、材料に第２方向に力を与えるように構成されてもよい。各圧縮要素は、同時に移動するように構成されてもよい。各圧縮要素は、異なる速度で移動するように構成されてもよい。

装置は、複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つの動きを制御するための指示を提供するように構成されるコントローラをさらに備えてもよい。コントローラは、各圧縮要素が独立して移動するように各圧縮要素を制御するように構成されてもよい。コントローラは、複数の圧縮要素のうちの少なくとも２つが同時に移動するように指示するように構成されてもよい。コントローラは、複数の圧縮要素のうちの少なくとも２つが異なる速度で移動するように指示するように構成されてもよい。コントローラは、材料が押し出されるときに、複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つの速度を変化させるように構成されてもよい。

装置は、複数のチャンバをさらに備えてもよく、押出ダイが押し出される材料を受け入れるように構成されている各方向について、押し出される材料の一部が複数のチャンバのうちの１つに収容される。例えば、第１チャンバが材料の第１部分を収容するように構成され、第２チャンバが材料の第２部分を収容するように構成されてもよい。各チャンバは、それぞれの開口部を介して押出ダイと連通してもよい。材料の各部分は、それぞれの開口部を介してそれぞれの方向から提供されてもよい。例えば、材料の第１部分は、第１開口部を介して第１方向から提供され、材料の第２部分は、第２開口部を介して第２方向から提供されてもよい。

複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つは、複数のチャンバのうちの対応する１つの中に収容される材料の部分に力を加えるように構成される。複数のチャンバのうちの少なくとも１つは、材料が供給される方向のそれぞれ１つと整列してもよい。例えば、第１チャンバが第１方向と整列し、第２チャンバが第２方向と整列してもよい。複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つは、複数のチャンバのうちの対応する１つの内部と連通するように構成されてもよい。

装置は、複数の圧縮要素ノーズをさらに備えてもよい。複数の圧縮要素ノーズのうちの少なくとも１つは、複数の圧縮要素の対応する１つと、押し出される材料のうちの対応する部分とをインタフェースするように構成されてもよい。複数の圧縮要素ノーズのうちの少なくとも１つは、複数のチャンバのうちの対応する１つの中に摺動可能に受け入れられてもよい。複数の圧縮要素ノーズのうちの少なくとも１つは、複数のチャンバのうちの対応する１つにおいて、押し出される材料の対応する部分をインタフェースしてもよい。すなわち、複数の圧縮要素ノーズのうちの対応する１つを介して、押し出される材料の対応する部分に力が加えられてもよい。

材料の少なくとも一部は、ビレットの形態であってもよい。各ビレットは、各圧縮要素によってビレットに力を加える前に、各チャンバに装填されてもよい。各ビレットは、各チャンバに装填される前に加熱されてもよい。

本開示の別の態様によれば、材料を押し出す方法が提供され、この方法は、押し出される材料を第１方向から押出ダイに供給することと、押し出される材料を第２方向から押出ダイに供給することと、押出ダイのオリフィスから第３方向に材料を押し出すことと、を含み、第１方向、第２方向および第３方向はすべて同じ平面内にあるわけではなく、第１方向、第２方向、および第３方向のいずれも他の方向と平行ではない。

第１方向および第２方向は、実質的に直交してもよい。第１方向、第２方向および第３方向は、実質的に直交してもよい。

方法は、押し出される材料を第４方向から押出ダイに供給することをさらに含んでもよく、第４方向は、第１方向とは実質的に反対向きである。方法は、押し出される材料を第５方向から押出ダイに供給することをさらに含んでもよく、第５方向は、第２方向とは実質的に反対向きである。

押し出される材料が押出ダイに供給される各方向について、その方向から押し出される材料を押出ダイに提供することは、押し出される材料に、複数の圧縮要素のうちの１つの圧縮要素からその方向に力を加えることを含んでもよい。

方法は、複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つの動きを制御することをさらに含んでもよい。複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つの動きを制御することは、複数の圧縮要素のうちの少なくとも２つを同時に動かすように指示することを含んでもよい。複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つの動きを制御することは、材料が押し出されるときに複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つの速度を変化させることを含んでもよい。

押し出される材料が押出ダイに供給される各方向について、その方向から押出ダイに押し出される材料を提供することは、押し出される材料の一部を複数のチャンバのうちの１つに収容することを含んでもよい。

本開示の一実施例のさらなる態様によれば、コンピュータによって実行されると、コンピュータに上記の段落に記載された方法を実行させる命令を含むコンピュータ可読媒体が提供される。

具体的な実施形態は、例示としてのみ、添付の図面を参照して以下に説明される。

図１は、３つのチャンバを有する装置の斜視断面図である。 図２は、図１に示した装置のコントローラを示す模式図である。 図３は、図１の装置を用いて押し出された曲がった第１形材の第１部分の斜視図である。 図４は、図３に示した第１部分を含む、図１の装置を用いて押し出された曲がった第１形材の斜視図である。 図５は、図１の装置を用いて押し出された曲がった第２形材の斜視図である。 図６は、図１の装置を用いて材料を押し出す方法のフロー図である。 図７は、４つのチャンバを有する装置の斜視断面図である。 図８は、図７の装置を用いて押し出された曲がった第３形材の斜視図である。

本開示の実施形態は、特に形材の押出しに関連して以下に説明される。しかしながら、本明細書で説明する装置および方法は、プラスチック、ポリマー、セラミック、粒状材料または他の非金属などの他の材料の形材の押出しにも適していることが理解されるであろう。

材料を押し出すための装置１００を図１に示す。装置１００は、押出ダイ１を備える。押出ダイ１は、第１開口部２と、第２開口部３と、第３開口部４と、を備える。押出ダイ１はまた、動作中に材料が押し出されるオリフィス６を備える。図１に示すように材料は、オリフィス６から負のｙ方向に押し出される。

装置１００はさらに、第１ビレットコンテナ７、第２ビレットコンテナ８および第３ビレットコンテナ９の形態の３つのチャンバをさらに備える。第１ビレットコンテナ７は、第１開口部２を介して押出ダイ１と連通している。第２ビレットコンテナ８は、第２開口部３を介して押出ダイ１と連通している。第３ビレットコンテナ９は、第３開口部４を介して押出ダイ１と連通している。

押出ダイ１は、第１ビレット１１、第２ビレット１２および第３ビレット１３の形態で押し出される材料を受け入れるように構成されている。

第１ビレット１１は、第１ビレットコンテナ７に収容されている。押出ダイ１は、第１開口部２を介して第１ビレット１１を受け入れるように構成されている。図１に示すように、押出ダイ１は正のｘ方向から第１ビレット１１を受け入れるように構成されている。

第２ビレット１２は、第２ビレットコンテナ８に収容されている。押出ダイ１は、第２開口部３を介して第２ビレット１２を受け入れるように構成されている。図１に示すように、押出ダイ１は負のｘ方向から第２ビレット１２を受け入れるように構成されている。

第３ビレット１３は、第３ビレットコンテナ９に収容されている。押出ダイ１は、第３開口部４を介して第３ビレット１３を受け入れるように構成されている。図１に示すように、押出ダイ１は正のｚ方向から第３ビレット１３を受け入れるように構成されている。

図１のｘ方向、ｙ方向およびｚ方向は直交している。

装置１００は、第１パンチノーズ１５、第２パンチノーズ１６および第３パンチノーズ１７の形態の３つの圧縮要素ノーズをさらに備える。第１パンチノーズ１５は、第１ビレット１１および第１ビレットコンテナ７と適合する。第１パンチノーズ１５は、第１ビレットコンテナ７内に摺動可能に受け入れられる。第２パンチノーズ１６は、第２ビレット１２および第２ビレットコンテナ８と適合する。第２パンチノーズ１６は、第２ビレットコンテナ８内に摺動可能に受け入れられる。第３パンチノーズ１７は、第３ビレット１３および第３ビレットコンテナ９と適合する。第３パンチノーズ１７は、第３ビレットコンテナ９内に摺動可能に受け入れられる。

装置１００は、第１パンチ１９、第２パンチ２０および第３パンチ２１の形態の３つの圧縮要素をさらに備える。第１パンチ１９は、押出ダイ１から第１開口部２を通して見たときに、第１パンチノーズ１５の後方に位置する。第２パンチ２０は、押出ダイ１から第２開口部３を通して見たときに、第２パンチノーズ１６の後方に位置する。第３パンチ２１は、押出ダイ１から第３開口部４を通して見たときに、第３パンチノーズ１７の後方に位置する。

図２に示すように、装置１００は、コントローラ５０をさらに備える。コントローラ５０は、第１パンチ１９、第２パンチ２０および第３パンチ２１の動きを制御するための指示を与えるように構成されている。コントローラ５０は、アクチュエータ（不図示）を用いて各パンチの動きを制御する。コントローラ５０は、動作時に、第１パンチ１９、第２パンチ２０および第３パンチ２１が同時に移動するように指示するように構成されている。コントローラ５０はまた、動作時に、第１パンチ１９、第２パンチ２０および第３パンチ２１の速度を変化させるように構成されている。

動作時には、第１パンチノーズ１５、第２パンチノーズ１６、第３パンチノーズ１７に、それぞれ第１パンチ１９、第２パンチ２０、第３パンチ２１を介して、同時に力が加えられる。図１では、第１パンチノーズ１５の速度はｖ_１と表記され、第２パンチノーズ１６の速度はｖ_２と表記され、第３パンチノーズ１７の速度はｖ_３と表記される。第１パンチノーズ１５には、負のｘ方向に力が加えられる。第２パンチノーズ１６には、正のｘ方向に力が加えられる。第３パンチノーズ１７には、負のｚ方向に力が加えられる。

第１パンチ１９、第２パンチ２０、第３パンチ２１に力が加えられると、第１ビレット１１、第２ビレット１２、第３ビレット１３が、それぞれ第１開口部２、第２開口部３、第３開口部４を介して押出ダイ１に押し込まれる。第１ビレット１１は、第１開口部２を介して、正のｘ方向から押出ダイ１に押し込まれる。第２ビレット１２は、第２開口部３を介して負のｘ方向から押出ダイ１に押し込まれる。第３ビレット１３は、第３開口部４を介して正のｚ方向から押出ダイ１に押し込まれる。そして材料は、押出ダイ１のオリフィス６から負のｙ方向に押し出される。

第１パンチノーズ１５、第２パンチノーズ１６および第３パンチノーズ１７によって供給される質量流量を変化させることによって、３次元的に曲がった形材を生成することができる。すなわち、オリフィス６から負のｙ方向に押し出される材料（すなわち押出成形物）を、ｘ方向およびｚ方向に１曲げることができる。

図１の装置１００を用いて押し出された、曲がった第１押出形材２３の第１部分を図３に示す。第１押出形材２３を製造するために、第１パンチ１９、第２パンチ２０および第３パンチ２１を押出ダイ１に向かって移動させる。押出成形物は、図３において矢印で示す流れ方向２４に押し出される。

第１パンチノーズ１５の速度ｖ_１は、第２パンチノーズ１６の速度ｖ_２よりも遅くなるように制御される。これにより、押出ダイ１のオリフィス６を横切る流速勾配が生じ、その結果、押出成形物が正のｘ方向に曲がる。

その一方で、第３パンチノーズ１７は速度ｖ_３で負のｚ方向に移動する。第３パンチノーズ１７の負のｚ方向への速度ｖ_３は、負のｚ方向における押出成形物の曲げをもたらす。

正および負のｘ方向の速度ｖ_１およびｖ_２と、負のｚ方向に沿った速度ｖ_３との共同作用は、点２５から点２６までの３次元的に曲がった形状を有する第１押出形材２３をもたらす。

図１の装置１００を用いて押し出された、曲がった第１押出形材２３の第２部分を図４に示す。点２６から点２７まで、第１パンチノーズ１５の速度ｖ_１は、第２パンチノーズ１６の速度ｖ_２よりも速くなるように増加している。この速度差により、第１押出形材２３は、負のｘ方向に曲がっている。

点２６から点２７まで、第３パンチノーズ１７の速度ｖ_３は維持される。正および負のｘ方向の速度ｖ_１およびｖ_２と、負のｚ方向に沿った速度ｖ_３との共同作用は、点２６から点２７まで、点２５から点２６までの３次元的に曲がった形状とは異なる３次元的に曲がった形状を有する第１押出形材２３をもたらす。

図１の装置１００を用いて押し出された、曲がった第２押出形材３３を図５に示す。押出成形物は、図５において矢印で示す流れ方向３４に押し出される。第２押出形材３３を製造するために、第１パンチノーズ１５の速度ｖ_１は、第２パンチノーズ１６の速度ｖ_２よりも速い。これにより、押出ダイ１のオリフィス６を横切る流速勾配が生じ、その結果、押出成形物が負のｘ方向に曲がる。

その一方で、第３パンチノーズ１７は、速度ｖ_３で負のｚ方向に移動される。負のｚ方向における第３パンチノーズ１７の速度ｖ_３は、負のｚ方向における押出成形物の曲げをもたらす。

正および負のｘ方向の速度ｖ_１およびｖ_２と、負のｚ方向に沿った速度ｖ_３との共同作用は、点３５から点３６までの３次元的に曲がった形状を有する第２押出形材３３をもたらす。

点３６から点３７にかけて、ｖ_１とｖ_２の比（すなわちｖ_１／ｖ_２）は減少し、これは、ｖ_１とｖ_２の差が、材料が点３５から点３６まで押し出されたときの速度差よりも小さくなることを意味する。これは、第２押出形材３３が、依然として負のｘ方向に曲がっているが曲率半径が大きくなっていることを意味する。

その一方で、速度ｖ_３の方向は逆になり、これは、第３パンチノーズ１７が後方（すなわち正のｚ方向）に移動することを意味する。第３パンチノーズ１７は、ｖ_１およびｖ_２よりも遅い速度ｖ_３で移動される。速度ｖ_３の方向の反転は、正のｚ方向における押出成形物の湾曲をもたらす。

正および負のｘ方向の速度ｖ_１およびｖ_２と、正のｚ方向の速度ｖ_３との共同作用は、点３５から点３６まで、点３５から点３６までの３次元的に曲がった形状とは異なる３次元的に曲がった形状を有する第２押出形材３３をもたらす。

図１の装置１００を用いて材料を押し出す方法のフロー図を図６に示す。ブロック６０では、第１ビレット１１、第２ビレット１２、第３ビレット１３は、それぞれ、第１ビレットコンテナ７、第２ビレットコンテナ８、第３ビレットコンテナ９に押し込まれる。ブロック６２では、第１ビレット１１が押出ダイ１に押し込まれるように、第１パンチノーズ１５を速度ｖ_１で移動させる力が加えられる。ブロック６４では、第２ビレット１２が押出ダイ１に押し込まれるように、第２パンチノーズ１６を速度ｖ_１とは異なる速度ｖ_２で移動させる力が加えられる。ブロック６６では、第３ビレット１３が押出ダイ１に押し込まれるように、第３パンチノーズ１７を速度ｖ_３で移動させる力が加えられる。ブロック６８では、材料が押出ダイ１のオリフィス６押し出される。

図１に示した装置１００の変形例を図７に示す。図７の装置１７０は、図１の装置１００のすべての特徴を含む。

さらに、図７の装置１７０の押出ダイ７１は、第４開口部５を備える。図７の装置１７０はまた、第４ビレットコンテナ１０の形態の追加チャンバを備える。第４ビレットコンテナ１０は、第４開口部５を介して押出ダイ７１と連通している。押出ダイ７１はされに、第４ビレット１４の形態で押し出される材料を受け入れるように構成されている。

第４ビレット１４は、第４ビレットコンテナ１０に収容されている。押出ダイ７１はさらに、第４開口部５を介して第４ビレット１４を受け入れるように構成されている。図７に示すように、押出ダイ７１は負のｚ方向から第４ビレット１４を受け入れるように構成されている。

図７の装置１７０は、第４パンチノーズ１８の形態の追加の圧縮要素ノーズをさらに備える。第４パンチノーズ１８は、第４ビレット１４および第４ビレットコンテナ１０と適合する。第４パンチノーズ１８は、第４ビレットコンテナ１０内に摺動可能に受け入れられる。

図７の装置１７０は、第４パンチ２２の形態の追加の圧縮要素をさらに備える。第４パンチ２２は、押出ダイ１から第４開口部５を通して見たときに、第４パンチノーズ１８の後方に位置する。コントローラ５０（図２に示される）は、図７の装置１７０の第４パンチ２２の動きを制御するための指示を与えるように構成されている。コントローラ５０は、動作時に、第１パンチ１９、第２パンチ２０、第３パンチ２１および第４パンチ２２が同時に移動するように指示するように構成されている。コントローラ５０はまた、動作時に、第４パンチ２２の速度を変化させるように構成されている。

動作時には、第１パンチノーズ１５、第２パンチノーズ１６、第３パンチノーズ１７、第４パンチノーズ１８に、それぞれ第１パンチ１９、第２パンチ２０、第３パンチ２１、第４パンチ２２を介して、同時に力が加えられる。図７では、第１パンチノーズ１５の速度はｖ_１と表記され、第２パンチノーズ１６の速度はｖ_２と表記され、第３パンチノーズ１７の速度はｖ_３と表記され、第３パンチノーズ１７の速度はｖ_４と表記される。第１パンチノーズ１５には、負のｘ方向に力が加えられる。第２パンチノーズ１６には、正のｘ方向に力が加えられる。第３パンチノーズ１７には、負のｚ方向に力が加えられる。第４パンチノーズ１８には、正のｚ方向に力が加えられる。

第１パンチ１９、第２パンチ２０、第３パンチ２１、第４パンチ２２に力が加えられると、第１ビレット１１、第２ビレット１２、第３ビレット１３、第４ビレット１４が、それぞれ第１開口部２、第２開口部３、第３開口部４、第４開口部５を介して押出ダイ７１に押し込まれる。第１ビレット１１は、第１開口部２を介して、正のｘ方向から押出ダイ７１に押し込まれる。第２ビレット１２は、第２開口部３を介して負のｘ方向から押出ダイ７１に押し込まれる。第３ビレット１３は、第３開口部４を介して正のｚ方向から押出ダイ７１に押し込まれる。第４ビレット１４は、第４開口部５を介して負のｚ方向から押出ダイ７１に押し込まれる。そして材料は、押出ダイ７１のオリフィス６から負のｙ方向に押し出される。

第１パンチノーズ１５、第２パンチノーズ１６、第３パンチノーズ１７および第４パンチノーズ１８によって供給される質量流量を変化させることによって、３次元的に曲がった形材を生成することができる。すなわち、オリフィス６から負のｙ方向に押し出される材料（すなわち押出成形物）を、ｘ方向およびｚ方向に曲げることができる。

第４パンチノーズ１８の追加は、ｖ_１とｖ_２の比およびｖ_３とｖ_４の比の両方を任意に調整できることを意味する。これにより、押し出された材料の曲率をｘ方向とｚ方向に制御できる。

図７の装置１７０を用いて押し出された、曲がった第３押出形材４３を図８に示す。第３押出形材４３を製造するために、第１パンチ１９、第２パンチ２０、第３パンチ２１および第４パンチ２２を押出ダイ７１に向かって移動させる。押出成形物は、図８において矢印で示す流れ方向４４に押し出される。

点４５から点４５にかけて、第１パンチノーズ１５の速度ｖ_１は第２パンチノーズ１６のｖ_２よりも速く、第３パンチノーズ１７のｖ_３は、第４パンチノーズ１８の速度ｖ_４よりも遅い。これは、第３押出形材４３が、負のｘ方向と正のｚ方向に同時に曲がっていることを意味する。したがって、第３押出形材は、点４５から点４６までの３次元的に曲がった形状を有する。

点４６から点４７にかけて、第１パンチノーズ１５の速度ｖ_１は第２パンチノーズ１６の速度ｖ_２よりも遅く、第３パンチノーズ１７の速度ｖ_３は第４パンチノーズ１８の速度ｖ_４よりも速い。これは、第３押出形材４３は、正のｘ方向と負のｚ方向と負のｚ方向に同時に曲がっていることを意味する。したがって、第３押出形材は、点４５から点４６までの３次元的に曲がった形状を有する。

ｖ１とｖ２の比およびｖ３とｖ４の比を調整することで、３次元押出形材の曲率を柔軟に変化させ、正確に制御することができる。

図１の装置１００の変形例について説明する。これらの変形例は、図７の装置１７０にも適用できる。

３次元に曲がった形材は、図１の装置１００または図７の装置１７０を用いて、コンピュータ可読媒体に記憶された命令を使用することによって製造することができる。コンピュータ可読媒体は、命令が格納されているメモリと、プロセッサとを備えるコンピューティングデバイスによって実行されてもよい。プロセッサは、３次元に曲がった形材を製造するための命令を実行するように構成されている。例えば、コンピューティングデバイスは、図２のコントローラ５０であってもよい。コントローラ５０は、押出形材を製造するために、第１パンチ１５、第２パンチ１６、第３パンチ１７の動きを制御するための命令を実行してもよい。

図１の装置１００の押出ダイ１は、３方向（すなわち、正のｘ方向、負のｘ方向および正のｚ方向）から押し出される材料を受け入れるように構成されているように示されているが、装置が２方向から材料を受け入れるように構成されている場合でも、３次元に曲がった形材を製造することができる。この場合、装置は、例えば、第２開口部３、第２ビレットコンテナ８、第２パンチノーズ１６、第２パンチ２０を備えていなくてもよい。したがって、この例では、第２ビレット１２は使用されない。

図１に示す装置の構成を参照すると、材料が正のｘ方向と正のｚ方向からのみ受け入れられる場合、負のｘ方向の速度ｖ_１により、押し出された材料は負のｘ方向に曲がり、負のｚ方向の速度ｖ_３により、押し出された材料は負のｚ方向に曲がる。

これは、負のｘ方向と負のｚ方向に同時に曲がった押出形材が製造されることを意味する。したがって、３次元に曲がった形材を製造できる。正のｘ方向および正のｚ方向への曲げは、図１の装置１００に介して上述したように、速度ｖ_１およびｖ_３の方向を反転させることで達成できる。

また、押し出される材料を受け入れるために押出ダイが配置される方向は、互いに直交する必要はない。また、押し出される材料を受け入れるために押出ダイが配置される各方向は、材料がオリフィスから押し出される方向と直交する必要はない。

図１に示す座標系では、押出ダイは、３次元速度ベクトル｛ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１｝で表される第１方向と、３次元速度ベクトル｛ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２｝で表される第２方向から、押し出される材料を受け入れるように構成されてもよい。押出ダイはさらに、オリフィスを介して材料を押し出すように構成されてもよい。この例では、オリフィスは、想定されるｙ軸と平行である。

第１方向から材料を供給することは、押し出された材料が第１方向に曲がっていることを意味する。同様に、第２方向から材料を供給することは、押し出された材料が第２方向に曲がっていることを意味する。第１方向を表す速度ベクトルのｘ_１がゼロでない場合、第１方向に材料を供給すると、押し出された材料はｘ方向に曲がる。例えば、ｘ_１が負の場合、押し出された材料は負のｘ方向に曲がる。

同様に、第２方向を表す速度ベクトルのｚ_２がゼロでない場合、第２方向に材料を供給すると、押し出された材料はｚ方向に曲がる。例えば、ｚ_２が負の場合、押し出された材料は負のｚ方向に曲がる。

この例では、２つの方向の相対的な向きは、ｚ成分がゼロである速度ベクトルで第１方向を概念的に表すことで、より簡単に理解することができる。したがって、ｘ方向に曲がった材料を押し出すためには、第１方向は非ゼロのｘ成分を持つことになる。速度ベクトルのｙ成分は、ゼロまたは非ゼロにすることができる。したがって、第１方向の速度ベクトルは、｛ｘ_１≠０，ｙ_１，ｚ_１＝０｝と表すことができる。

第２方向は、第１方向と直交している必要はない。ｚ方向に曲がった材料を押し出すために、第２方向は非ゼロのｚ成分を持つ速度ベクトルを有する。速度ベクトルのｘ成分およびｙ成分は、それぞれゼロまたは非ゼロとすることができる。したがって、第２方向の速度ベクトルは、｛ｘ_２，ｙ_２＝０，ｚ_２≠０｝と表すことができる。

第１方向の非ゼロのｘ成分は、押し出された材料がｘ方向に曲がっていることを意味する。第２方向の非ゼロのｚ成分は、押し出された材料がｚ方向に曲がっていることを意味する。第２方向のｘ成分が非ゼロの場合、２つの方向のｘ成分の相対的な大きさと方向に応じて、第１方向のｘ成分と累積するか、第１方向のｘ成分による曲率を減少させることになる。

３次元押出形材は、材料が押出ダイに受け入れられる開口部の断面積を調整することによって、製造されてもよい。断面積を調整すると、所定のパンチ速度における押出ダイへの材料の質量流量が変化する。質量流量は、開口部の断面積を調整したり、パンチの速度を調整したりすることによっても変更できる。

ホットビレットまたはコールドビレットが、熱間押出または冷間押出ためのチャンバに配置されてもよい。中空の押出形材を製造するために、マンドレルを押出ダイの中に配置してもよい。

上述の実施形態は例示としてのみ記載されており、記載された実施形態はすべての点で例示としてのみ考慮されるべきであり、限定的ではない。記載された実施形態の変形は、本発明の範囲から逸脱することなく行われ得ることが理解されるであろう。また、記載されていないが、添付の特許請求の範囲内にある多くの変形例があることも明らかであろう。

Claims (21)

1. 材料を３次元的に曲がった形状に押し出す装置であって、
   第１方向および第２方向から押し出される材料を受け入れるように構成される押出ダイを備え、
   前記押出ダイは、材料が第３方向に押し出されるオリフィスを含み、
   前記第１方向、前記第２方向および前記第３方向は、すべて同じ平面内にあるわけではなく、かつ、前記第１方向、前記第２方向および前記第３方向のいずれも、他の方向と平行ではなく、材料が前記オリフィスから３次元的に曲がった形状に押し出される、装置。
2. 前記第１方向および前記第２方向は実質的に直交している、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１方向、前記第２方向および前記第３方向は実質的に直交している、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記押出ダイは、第４方向から押し出される材料を受け入れるように構成され、
   前記第４方向は、前記第１方向と実質的に反対向きである、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記押出ダイは、第５方向から押し出される材料を受け入れるように構成され、
   前記第５方向は、前記第２方向と実質的に反対向きである、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 複数の圧縮要素をさらに備え、
   前記押出ダイが押し出される材料を受け入れるように構成されている各方向について、前記複数の圧縮要素のうちの１つが、押し出される材料にその方向に力を加えるように構成されている、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. 前記複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つの動きを制御するための指示を提供するように構成されるコントローラをさらに備える、請求項６に記載の装置。
8. 前記コントローラは、前記複数の圧縮要素のうちの少なくとも２つが同時に移動するように指示するように構成される、請求項７に記載の装置。
9. 前記コントローラは、前記材料が押し出されるときに、前記複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つの速度を変化させるように構成される、請求項７または８に記載の装置。
10. 複数のチャンバをさらに備え、
    前記押出ダイが押し出される材料を受け入れるように構成されている各方向について、押し出される材料の一部が前記複数のチャンバの１つに収容される、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
11. 材料を３次元的に曲がった形状に押し出す方法であって、
    押し出される材料を第１方向から押出ダイに供給することと、
    押し出される材料を第２方向から前記押出ダイに供給することと、
    前記押出ダイのオリフィスから第３方向に材料を押し出すことと、
    を含み、
    前記第１方向、前記第２方向および前記第３方向はすべて同じ平面内にあるわけではなく、前記第１方向、前記第２方向、および前記第３方向のいずれも他の方向と平行ではなく、材料が前記オリフィスから３次元的に曲がった形状に押し出される、方法。
12. 前記第１方向およひ前記第２方向は、実質的に直交している、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１方向、前記第２方向および前記第３方向は、実質的に直交している、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 押し出される材料を第４方向から前記押出ダイに供給することをさらに含み、
    前記第４方向は、前記第１方向とは実質的に反対向きである、請求項１１から１３のいずれかに記載の方法。
15. 押し出される材料を第５方向から前記押出ダイに提供することをさらに含み、
    前記第５方向は、前記第２方向と実質的に反対向きである、請求項１１から１４のいずれかに記載の方法。
16. 押し出される材料が前記押出ダイに供給される各方向について、その方向から押し出される材料を前記押出ダイに提供することは、押し出される材料に、複数の圧縮要素のうちの１つの圧縮要素からその方向に力を加えることを含む、請求項１１から１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つの動きを制御することをさらに含む、請求項１６に、記載の方法。
18. 前記複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つの動きを制御することは、前記複数の圧縮要素のうちの少なくとも２つを同時に動かすように指示することを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つの動きを制御することは、前記材料が押し出されるときに前記複数の圧縮要素のうちの少なくとも１つの速度を変化させることを含む、請求項１７または１８に記載の方法。
20. 押し出される材料が前記押出ダイに提供される各方向について、その方向から前記押出ダイに押し出される材料を供給することは、押し出される前記材料の一部を複数のチャンバのうちの１つに収容することを含む、請求項１１から１９のいずれかに記載の方法。
21. コンピュータによって実行されると前記コンピュータに請求項１１から２０のいずれかに記載の前記方法を実行させる命令を含む、コンピュータ可読媒体。

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