WO2015182675A1 - 三次元プリンティングシステム、三次元プリンティング方法、成形装置、繊維入りオブジェクト及びその製造方法 - Google Patents

三次元プリンティングシステム、三次元プリンティング方法、成形装置、繊維入りオブジェクト及びその製造方法 Download PDF

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fibers
filament
resin
cutting
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政人 上田
義鎭 平野
亮介 松崎
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学校法人日本大学
国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
学校法人東京理科大学
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Definitions

  • the present invention relates to a molding apparatus that forms a structure by placing a resin and then solidifying it, and more particularly to a three-dimensional printing system (three-dimensional printer), a three-dimensional printing method, a fiber-filled object, and a method for manufacturing the same.
  • a three-dimensional printing system three-dimensional printer
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2014-109509 for which it applied on May 27, 2014, and uses the content here.
  • a molding apparatus such as a 3D (three-dimensional) printer is known as an apparatus for modeling an object having a three-dimensional shape (see, for example, Patent Document 1).
  • 3D printers can easily model 3D objects without the need for relatively expensive molds and jigs, and 3D objects that are difficult to form with existing technology. can do.
  • 3D printers that use heat melting and laminating method, in which heat-melted resin is stacked little by little, are used for prototyping parts in the manufacturing industry because the manufacturing cost of the device is relatively low. .
  • CFRP Carbon-fiber-reinforced plastics
  • CFRPP carbon fiber reinforced thermoplastics
  • Non-Patent Document 1 describes a method for forming CFRTP using continuous fibers.
  • a fiber reinforced plastic part such as a CFRTP part can be molded using a 3D printer, it is possible to reduce the molding cost and form a complex shape.
  • An object of an aspect according to the present invention is to provide a three-dimensional printing system, a three-dimensional printing method, and a molding apparatus that can form an object to which a function based on fibers is added.
  • a three-dimensional printing system comprising: a platform to be stacked; a cutting device capable of cutting at least the fibers; and a controller for controlling an operation device including at least one of the head, the platform, and the cutting device. Is done.
  • a step of preparing three-dimensional model data and a step of laminating a print material based on the three-dimensional model data, a first continuous material including a resin and a second including a fiber Feeding the continuous material to the head; laminating a print material based on the first and second continuous materials from the head on a platform; and cutting at least the fibers.
  • a three-dimensional printing method is provided.
  • the present invention has a laminated structure formed by using a three-dimensional printing system, and the laminated structure has a first part and a second part in which the blending states of the fibers are different from each other.
  • An object with fibers is provided.
  • a fiber comprising: a step of preparing three-dimensional model data; and a step of forming a laminate using the three-dimensional printing system based on the three-dimensional model data.
  • a molding apparatus for forming a structure by solidifying a support member and a linear resin continuously disposed on the support member, It has a fiber introduction device for introducing fibers continuously formed in a linear resin, and a cutting device for cutting the fibers.
  • the apparatus includes a resin pushing device that pushes in the linear resin, and a heating device that is arranged on the downstream side of the resin pushing device and heats the linear resin. You may comprise so that the said fiber may be introduced from between the said resin pushing apparatus and the said heating apparatus.
  • molding apparatus WHEREIN The said fiber introduction apparatus is good also as a structure which has a fiber feeding apparatus which sends the said fiber.
  • the structure may include a control device that controls the cutting device so that a fiber portion into which the fiber is introduced and a resin portion formed only from the resin are provided.
  • an object to which a function based on fibers is added can be formed.
  • the strength of the structure can be improved by introducing the fiber into the resin and molding the structure.
  • the part which does not contain a fiber in linear resin can be provided by cut
  • the molding apparatus is an apparatus that forms a structure by continuously disposing filaments that are linear (thread-like) thermoplastic resins on a platform that is a plate-like support member.
  • the forming apparatus is an apparatus (3D printer, three-dimensional printing system) that mainly forms a three-dimensional structure by laminating filaments (printing material) on a platform in a softened state and then solidifying the same.
  • the filament used as the raw material of the structure is formed by linearly forming a thermoplastic resin such as PLA resin (polylactic acid), ABS resin, nylon resin, PET resin (polyethylene terephthalate), and acrylic resin. .
  • Thermoplastic resins other than those described above are also applicable as filaments.
  • the filament has a diameter of about 2 mm, for example.
  • the filament is taken out from the accommodated state wound around a predetermined reel (bobbin).
  • the size of the filament is not limited to the above.
  • the filament diameter is about 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, It can be 6.0, 6.5, 7.0, 7.5, 8.0, 8.5, 9.0, 9.5, or 10 mm.
  • the diameter of the filament may be less than 0.5 mm or 10 mm or more.
  • a filament is a continuous material that extends continuously along a central axis. In one example, the filaments have the same cross-sectional shape throughout the axial direction. In other examples, the filaments can have partially different cross-sectional shapes. As will be described later, the filaments can have other shapes such as strips or films. As will be described later, the cross-sectional shape of the filament is not limited to a circle (or an ellipse), and various shapes can be applied. The accommodation state of the filament is not limited to the wound type.
  • a molding apparatus 1 includes a casing 2, a platform (support member, pad) 3 disposed in the casing 2, and a head (printer head) that supplies the filament FL to the platform 3. ) 4 and a control device (controller) 5 as main components.
  • an arrow Z indicates a vertical direction (up and down direction)
  • an arrow X indicates a horizontal direction
  • an arrow Y indicates a horizontal direction that is orthogonal to the Z direction and the X direction.
  • the head 4 is continuous with a nozzle 7 and a material feed device (resin pushing device, material feeder, first feeder) 8 that feeds a filament (resin material, base material, first continuous material containing resin) FL to the nozzle 7.
  • molding apparatus 1 is the cutting apparatus (cutting unit, cutter) 10 which cut
  • at least a part of the filament heating device 21 is provided in the nozzle 7.
  • the material feeding device 8 is configured to feed the filament FL while pushing the filament FL into the nozzle 7.
  • Casing 2 is a box-shaped housing. In one example, a working window (opening) is provided on the front surface of the casing 2. In the casing 2, a platform 3, a head 4 and the like are accommodated.
  • the casing 2 can include an environment control unit (not shown) that controls the indoor environment as necessary.
  • the platform 3 has a rectangular plate (base plate) parallel to the bottom surface 2a of the casing 2.
  • the platform 3 is disposed below the head 4 and in the vicinity of the bottom of the casing 2.
  • the platform 3 is driven by the platform drive device 11 so as to be vertically movable along the Z-axis direction (vertical direction).
  • the platform 3 is provided with a platform heating device (not shown) for heating the arranged filament FL.
  • the platform 3 has a function of heating the filament FL disposed on the platform 3.
  • the platform heating device various mechanisms capable of controlling the temperature of the resin on the platform are applicable in addition to a plate heater, a surface heater, and the like.
  • the head 4 includes a mechanism as an injection device (extrusion device) that arranges the filament FL at an arbitrary position on the platform 3.
  • the filament FL and the carbon fiber FB are fed.
  • the head 4 is configured to be movable in at least two dimensions along a plane parallel to the platform 3 by the head driving device 13. Since the platform 3 is movable up and down, the distance (and relative positional relationship) between the nozzle 7 of the head 4 and the platform 3 can be freely adjusted.
  • the head driving device 13 drives the head 4 so that the head 4 can move to an arbitrary position on a plane parallel to the platform 3.
  • the head driving device 13 moves the head 4 in the horizontal direction.
  • the head driving device 13 includes an X-axis driving device 14 that moves the head 4 in a first direction along a plane parallel to the platform 3, and a first direction orthogonal to the first direction along the plane parallel to the platform 3. And a Y-axis drive device 15 that moves in two directions.
  • the X-axis drive device 14 and the Y-axis drive device 15 can have a configuration in which a stepping motor and a linear motion mechanism such as a ball screw are combined.
  • the head driving device 13 can have a robot arm.
  • the head 4 is movable along a plane parallel to the platform 3 using a robot arm.
  • the head 4 can be configured to be movable in three dimensions, or movable in six degrees of freedom (X, Y, Z, ⁇ X, ⁇ Y, ⁇ Z).
  • the head 4 is configured so that the attitude regarding at least a part of the tilt and the rotation angle can be adjusted. it can.
  • the head 4 is configured such that after the filamentary filament FL is heated to the vicinity of the melting point of the filament by the filament heating device 21, the softened filament FL is ejected with a predetermined thickness using the nozzle 7.
  • the nozzle 7 can be applied in various shapes.
  • the nozzle 7 has a cylindrical tube portion 22 and a tip portion 23 provided at one end of the tube portion 22.
  • An opening (nozzle opening, outlet opening) for injecting the filament FL is provided in the distal end portion 23.
  • the nozzle opening is set according to the target thickness of the filament FL to be ejected. For example, the nozzle opening can be changed by replacing the nozzle 7 with another nozzle.
  • the size of the nozzle opening (nozzle diameter) is, for example, 0.9 mm.
  • the size of the nozzle opening (nozzle diameter) is about 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, It can be 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 mm.
  • the size of the nozzle opening may be less than 0.1 mm, or 10 mm or more. Additionally and / or alternatively, a plurality of nozzles 7 can be provided in one head 4. The number of inlets (inlet ports) and the number of outlets (outlet ports) in the head 4 may be the same or different.
  • filament heating device 21 can be applied.
  • at least a part of the filament heating device 21 is fixed to the outer peripheral surface of the cylindrical portion 22.
  • the heating method of the filament heating device 21 include hot plate heating (surface heater, plate heater, aluminum foil heater), high frequency heating, induction heating, ultrasonic heating, laser heating, and the like.
  • Material feed device 8 is configured to feed filament FL.
  • the material feed device 8 is configured to push the filament FL into the inlet port of the nozzle 7.
  • the material feeding device 8 includes a pair of filament driving rollers (gears) 16 and a motor 17 that drives at least one of the filament driving rollers 16.
  • One of the drive rollers 16 may be replaced with a pusher pin (not shown), or a pusher pin may be provided as an auxiliary.
  • a stepping motor is applied as the motor 17.
  • various other motors such as a servo motor that can drive the filament driving roller 16 at an arbitrary speed are applicable as the motor 17.
  • the material feeding device 8 can be configured to feed a plurality of filaments (a plurality of first continuous materials) FL to one head 2.
  • the filament driving roller 16 can include a tire-shaped roller and a filament holding groove formed on the outer peripheral surface of the roller and extending in the circumferential direction.
  • a gap for the filament FL is formed by the pair of filament holding grooves of the pair of filament driving rollers 16.
  • the filament driving roller 16 is disposed so that the filament FL disposed in the gap is sandwiched between the pair of rollers 16.
  • the rotational speed of the filament driving roller 16 is controlled according to the supply amount of the filament FL supplied from the nozzle 7 of the head 4, for example.
  • the fiber introduction device 9 is configured to feed the carbon fiber FB.
  • the carbon fiber FB is guided to the inlet of the nozzle 7 through the fiber introduction device 9.
  • the fiber introduction device 9 can have a fiber pushing structure similar to the filament pushing structure of the material feed device 8.
  • the fiber introduction device 9 includes a pair of fiber drive rollers (gears) 18 that function as a feeder for feeding fibers, and a motor 19 that drives at least one of the pair of fiber drive rollers 18.
  • the control device 5 is configured to individually control the material feed device 8 and the fiber introduction device 9.
  • One of the drive rollers 18 may be replaced with a pusher pin, or a pusher pin may be provided as an auxiliary.
  • the motor 19 can be omitted.
  • the fiber element in the carbon fiber FB for example, a PAN (Polyacrylonitrile) carbon fiber that is a carbon fiber using an acrylic fiber can be employed.
  • the kind of fiber is not limited to the above.
  • the fiber introduction device 9 can be configured to feed a plurality of fibers FB (a plurality of second continuous materials) FB to one head 2.
  • the fiber introduction device 9 may have a comb member (not shown) arranged to arrange the flow of the fibers FB (or fiber elements CF).
  • the comb members are arranged to reduce or eliminate twisting of the fibers FB (or fiber elements CF), or to align or bundle the fibers FB (or fiber elements CF). Be placed.
  • the fiber introduction device 9 is configured to introduce the carbon fiber FB from between the material feed device 8 and the filament heating device 21.
  • the filament FL and the carbon fiber FC are combined at the rear position (upstream position) with respect to the nozzle 7.
  • the position (bonding position) for introducing the carbon fiber FB is not limited to this.
  • the carbon fiber FB may be introduced between the nozzle 7 and the platform 3 (front position (downstream position) with respect to the nozzle 7).
  • the carbon fiber (composite fiber) FB includes a plurality of fiber elements CF and a support member 25.
  • a plurality of fiber elements CF are wound around the peripheral surface of the support member 25.
  • a plurality of fiber elements CF are supported by a linear support member 25.
  • a plurality of carbon fibers CF are fixed to the outer peripheral surface of the support member 25 with an adhesive or the like.
  • the material of the support member 25 include a resin (including a synthetic resin and a fluororesin), a metal, and a composite material including a plurality of elements.
  • the support member 25 is formed of a plastic such as POM (polyacetal resin).
  • the support member 25 may be fed onto the platform 3 as a part of the print material PM. Alternatively, the support member 25 may be separated from the print material PM (fiber element CF) so that the support member 25 is not fed onto the platform 3.
  • the carbon fiber FB can have a structure in which a plurality of fiber elements CF and a plurality of support members 25 are twisted together.
  • the carbon fiber FB can have a structure having a plurality of fiber elements CF and a hollow type support member 25.
  • the carbon fiber FB can have a structure having a plurality of fiber elements CF and a multilayer support member 25.
  • the carbon fiber FB has a structure in which the fiber element CF is accommodated inside the support member 25, or the fiber element CF is a support member (coating material). It can have a structure covered with 25.
  • the carbon fiber FB has a structure in which a plurality of fiber elements CF are accommodated inside the support member 25, or a plurality of fiber elements CF are support members (coating materials). It can have a structure covered with 25.
  • the carbon fiber FB can have a structure in which the support member is omitted.
  • the carbon fiber FB has a relatively dense twisted yarn structure of a plurality of fiber elements CF.
  • the carbon fiber FB has a relatively sparse twisted yarn structure of a plurality of fiber elements CF.
  • the cutting device 10 includes a cutting unit (first cutter) 10A or a cutting unit (second cutter) 10B that cuts the carbon fiber FB introduced by the fiber introduction device 9.
  • the cutting device 10 has a cutting unit 10 ⁇ / b> A disposed on the downstream side of the fiber introduction device 9 and on the upstream side of the nozzle 7.
  • the cutting unit 10A has a rear cutting position (upstream cutting position) arranged rearward (upstream) with respect to a bonding position (for example, the nozzle 7) where the filament FL and the carbon fiber FB are connected.
  • the cutting unit 10 ⁇ / b> A is configured to cut the carbon fiber FB fed (for example, pushed) from the fiber introduction device 9.
  • the cutting unit 10A can cut the carbon fiber FB at a timing based on an instruction from the control device 5.
  • the cutting device 10 includes a cutting unit 10 ⁇ / b> B disposed on the downstream side of the nozzle 7.
  • the cutting unit 10B has a front cutting position (downstream cutting position) arranged forward (downstream) with respect to a bonding position (for example, the nozzle 7) where the filament FL and the carbon fiber FB are connected.
  • the cutting unit 10 ⁇ / b> B is configured to cut the print material PM pushed out from the nozzle 7.
  • the cutting unit 10B can cut the print material PM including the carbon fiber FB or the print material PM not including the carbon fiber FB at a timing based on an instruction from the control device 5.
  • the cutting device 10 has both a first cutting unit 10A having a rear cutting position (upstream cutting position) and a second cutting unit 10B having a front cutting position (downstream cutting position).
  • the first cutting unit 10A can cut the carbon fiber FB at a timing based on an instruction from the control device 5.
  • the second cutting unit 10B can cut the print material PM including the carbon fiber FB or the print material PM not including the carbon fiber FB at a timing based on an instruction from the control device 5.
  • the control device 5 selectively uses either the first cutting unit 10A or the second cutting unit 10B when cutting the carbon fiber FB.
  • the control device 5 uses both the first cutting unit 10A and the second cutting unit 10B substantially simultaneously when cutting the carbon fiber FB.
  • the cutting device 10 can be a laser cutting device using a laser such as a YAG laser.
  • the cutting device 10 can apply a mechanical configuration (cutter, roller cutter) having a saw (electric circular saw or the like) or a blade.
  • an ultrasonic cutting machine can be applied to the cutting device 10 (cutting units 10A and 10B).
  • the cutting device 10 can apply gas cutting, arc cutting, plasma cutting, or the like.
  • a voltage is applied to an electrode adjacent to the carbon fiber FB, and an arc is generated between the electrode and the carbon fiber.
  • the carbon fiber FB can be cut by the thermal energy of the arc.
  • a configuration in which a part of heat energy at the time of cutting is reused for a heating process such as heating of the filament FL can be applied.
  • a relative speed difference between the nozzle 7 and the platform 3 may be used as described later.
  • the control device 5 has a computer configured to control the operation devices including elements such as the head 4 (head drive device 13), the platform 3 (platform drive device 11), and the cutting device 10 in an integrated manner.
  • the control device 5 includes a control program for controlling an operation device including the head 4 and the like, a storage device for storing 3D data of a structure, and a processor (processor, processing circuitry, circuitry).
  • the three-dimensional data may include various parameters (mixing parameters) for specifying the blending state of the filament and the carbon fiber, including the position where the carbon fiber is contained, in addition to the parameters that specify the shape of the structure. it can.
  • the user inputs the shape data of the structure to the storage device of the control device 5.
  • the shape data is three-dimensional data (three-dimensional model data), which is sliced by a control program and converted into a stack of two-dimensional data. Furthermore, the printing process in the two-dimensional data of each layer is determined by the control program.
  • the control program determines the travel route of the nozzle 7 based on the determined two-dimensional data.
  • control device 5 feeds the filament FL and the carbon fiber FB, and laminates the material on the platform 3 (step 102). That is, the control device 5 moves the head 4 by controlling the head driving device 13 in accordance with the determined travel path of the nozzle 7. At the same time, the material feed device 8 and the fiber introduction device 9 of the head 4 are controlled to inject the filament FL and impregnate the filament FL with the carbon fiber FB. At this time, the filament FL can be softened by the filament heating device 21.
  • the fiber introduction device 9 is controlled so as to be synchronized with the material feed device 8, and the softened filament FL is impregnated into the carbon fiber FB introduced into the cylindrical portion 22 of the nozzle 7.
  • a filament FL softened print material
  • the filament FL disposed on the platform 3 is heated by a platform heating device (not shown), and the softened state of the filament FL is maintained.
  • control device 5 controls the cutting device 10 so that the carbon fiber FB is not supplied to a portion that does not require the carbon fiber.
  • the carbon fiber FB introduced from the fiber introduction device 9 is cut and the introduction of the carbon fiber FB is stopped based on the three-dimensional data in which the position to contain the carbon fiber is designated.
  • the structure to be formed includes the fiber part CP into which the carbon fiber FB is introduced and the resin part RP formed only with the resin.
  • the strength of the structure can be improved by introducing the carbon fiber FB into the filament FL and molding the structure. That is, the material forming the structure can be a resin reinforced with carbon fibers.
  • a portion not containing carbon fiber can be provided in the supplied filament FL. That is, the amount of carbon fibers contained per unit volume can be changed by adjusting the amount of carbon fibers contained in the structure. In this way, by changing the content of the carbon fiber, characteristics such as elasticity can be changed depending on the portion of the structure to be molded.
  • the carbon fiber FB is introduced into the filament FL, a combination of resin and fiber can be freely selected. That is, the material constituting the filament FL and the material constituting the fiber can be arbitrarily selected.
  • the carbon fiber FB has a structure in which the carbon fiber CF is held by the support member 25, the carbon fiber can be stably introduced into the filament FL without the carbon fiber CF being scattered.
  • control device 5 controls various control elements included in the operation device, whereby a structure (laminated product, three-dimensional structure) having a first portion and a second portion in which the compounding state of fibers with respect to resin is different.
  • a structure laminated product, three-dimensional structure
  • Objects, objects with fibers can be formed.
  • the blending state include the amount of fiber contained in the resin per unit volume, the continuous length of the fiber, the fiber orientation, the fiber structure, the impregnation rate of the resin into the fiber, and the void rate.
  • Control elements include cutting conditions (cutting position, cutting on / off, cutting conditions (output, etc.)) of the cutting device 10 (cutting units 10A, 10B), material feed device 8 and the like.
  • Drive conditions feed speed (filament supply amount), etc.
  • fiber introduction device 9 drive conditions (feed speed (fiber supply amount, etc.))
  • Conditions relative speed, relative movement direction, relative posture (tilt, rotation angle), relative movement distance
  • heating conditions heating position, heating distance, output (temperature), time, frequency, heating method of filament heating device 21 Etc.
  • the cutting unit 10A In the cutting process, by using the cutting unit 10A, it is possible to cut only the carbon fiber FB while supplying the filament FL onto the platform 3 during the lamination process. By supplying only the filament FL, a portion not including the carbon fiber FB is formed. Such a lamination process can be used, for example, to reduce the weight of an object.
  • the entire print material PM (carbon fiber FB and filament FL) can be cut during the lamination process (printing process, drawing process).
  • the material feed device 8 and the fiber introduction device 9 the feeding of the filament FL and the carbon fiber FB is stopped or at a low speed. Due to the cutting of the printing material PM, the supply of the printing material PM onto the platform 3 is substantially temporarily stopped. Then, after moving the head 4 and / or the platform 3, the lamination process can be resumed.
  • each continuous process (each continuous drawing) in the lamination process can be started and ended at an arbitrary position. That is, the print pattern (drawing pattern) is not limited to a single stroke, and the print pattern can be diversified.
  • the fiber content to the resin can be controlled by controlling the ratio of the amount of fiber and resin supplied.
  • the fiber content is changed by changing the feed rate of the carbon fiber FB while keeping the feed rate of the filament FL constant.
  • the fiber content is changed by changing the moving speed of the nozzle 7 (relative speed between the head 4 and the platform 3) while keeping the feed speed of the filament FL constant.
  • the moving speed of the nozzle 7 (relative speed between the head 4 and the platform 3) can be automatically controlled so as to coincide with the feed speed of the carbon fiber FB.
  • the fiber content in the corresponding lamination portion is zero.
  • the fiber content at the corresponding laminated portion is maximized.
  • the control apparatus 5 can replace with preparing 3D data beforehand and can employ
  • the filament FL and the fiber FB are fed by the operation of the operator, and the printing material PM is laminated on the platform 3.
  • the operator can input at least some of the control elements (parameters, control parameters, operating parameters) in the system 1.
  • the control device 5 stores control elements in the lamination process.
  • the system 1 can use stored control elements. In this way, by using the learning function, it is possible to automatically form a three-dimensional object that is substantially the same as the sample created by the operator's operation.
  • the operator can select a sample model for each layer during the lamination process.
  • various specifications such as fiber content and fiber arrangement direction are defined.
  • the operator can select a sample model and input other parameters (shape, size, etc.).
  • the system 1 executes a printing process based on parameters based on the sample model and parameters input by the operator. By repeatedly executing such a printing process for each layer, a three-dimensional object can be formed without preparing three-dimensional data in advance. In addition, it is possible to form a three-dimensional object by using various methods other than the above without preparing three-dimensional data in advance.
  • FIG. 8 is an example of a structure formed by the molding apparatus 1 and is a honeycomb board HB in which a core material having a honeycomb structure is sandwiched between plate-like members.
  • the honeycomb board HB is integrally formed using the molding apparatus 1. That is, the plate-like portion B and the honeycomb structure H are not separated from each other, and have a structure excellent in strength.
  • a part of this honeycomb board HB is formed by CFRTP.
  • the resin constituting the plate-like portion B of the honeycomb board HB contains carbon fibers as a reinforcing material.
  • the head 4 of the molding apparatus 1 supplies the carbon fiber FB together with the filament FL in the molding process of the plate-like part B, and the molding process of the part of the honeycomb structure H
  • the carbon fiber FB is cut and the introduction of the carbon fiber FB is stopped.
  • the plate-shaped part B of the honeycomb board HB is formed by the fiber part CP
  • the part of the honeycomb structure H is formed by the resin part RP.
  • the structure has a structure in which carbon fiber is introduced into a fiber part CP at a certain part and a resin part RP is not introduced into a carbon part at other parts, but the structure is not limited thereto.
  • the ratio of the carbon fibers CF may be gradually changed.
  • it can be set as the plate-shaped member D from which the ratio of the resin part RP with respect to the fiber part CP changes gradually. That is, a structure that gradually changes the strength of the structure can be used.
  • carbon fibers can be locally arranged to reinforce the threaded part (or threaded part) of the screw hole (female thread).
  • the arrangement state of the fibers in the two layers overlapping each other can be made different from each other.
  • the second layer ML2 in which the fiber extending direction is 90 ° different from that of the first layer ML1 is overlaid on the first layer ML1.
  • a third layer ML3 in which the fiber extending direction is 90 ° different from that of the second layer ML2 is overlaid on the second layer ML2.
  • the shift angle between layers can be set arbitrarily. In the example shown in FIG.
  • the second layer ML2 in the lamination process, the second layer ML2 whose fiber extending direction is 45 ° different from that of the first layer ML1 is overlaid on the first layer ML1.
  • a third layer ML3 in which the fiber extending direction is 45 ° different from that of the second layer ML2 is overlaid on the second layer ML2.
  • the second layer ML2 in which the fibers are arranged on the entire surface is overlaid on the first layer ML1 in which the fibers are arranged in a frame shape.
  • a third layer ML3 in which fibers are arranged in a frame shape is overlaid on the second layer ML2.
  • a plurality of stacked structures having different postures can be combined in the stacking process.
  • the second stacked structure MS2 is formed in a stacking direction that is 90 ° different from the stacking direction of the first stacked structure MS1 with respect to the first stacked structure MS1.
  • the shift angle (posture shift amount) between structures can be arbitrarily set.
  • a laminated structure containing fibers can be formed on an object prepared in advance.
  • a laminated structure MS1 containing fibers is formed on the surface of a plate-like object POB made of a predetermined material such as resin.
  • layers having curved surfaces can be stacked by appropriately controlling the parameters.
  • a plurality of layers ML1, ML2, and ML3 having the same curvature as the surface curvature of the object POB prepared in advance are sequentially stacked on the surface of the object POB.
  • objects having partially different fiber densities can be created.
  • an object having a laminated layer structure MS1 having a relatively low fiber density at the center and a relatively high fiber density near the outer surface is created.
  • FIG. 15 it is possible to create an object partially having a low-strength portion.
  • a plurality of regions MA1, MA2, MA3, MA4 surrounded by fibers arranged in a frame shape are provided, and low-strength portions LS1, LS2 are provided in portions between these regions.
  • an object having elastic directivity can be created.
  • FIG. 16 by appropriately controlling the arrangement structure of the fibers FB in the plate-like laminate MS1, a plate-like object that is relatively easily bent around a predetermined axis is created.
  • the molding apparatus 1 is provided separately from the filament heating apparatus 21 and includes a fiber heating unit (preheater, second heating unit) 51 for mainly heating the carbon fibers FB. Can have.
  • the carbon fiber FB can be heated using a heating wire (such as a nichrome wire).
  • a heating wire such as a nichrome wire
  • a part in contact with the carbon fiber FB is used as an electrode, and the carbon fiber FB is energized and heated through the part.
  • a roller 18 (see FIG. 1) of the fiber introduction device 9 and another roller (not shown) can be used as a pair electrode, and current can be applied to the carbon fiber FB via these rollers.
  • the carbon fiber FB is irradiated with laser light from the laser unit.
  • the carbon fiber FB can be heated using the thermal energy of the laser beam.
  • this laser unit can be diverted as the cutting unit 10A of the carbon fiber FB by controlling the output.
  • the fiber heating unit 51 can further include a heat retaining device for retaining the heated carbon fiber FB.
  • the shape of the opening (exit opening) of the nozzle 7 can be a circle, an ellipse, a rectangle, a polygon, or an arbitrary shape.
  • the printing pitch (array pitch, shift distance) is set to be approximately the same as the nozzle opening width.
  • the shape of the internal passage of the nozzle 7 may have the same diameter as a whole along the axial direction, or may have a diameter that varies along the axial direction.
  • An appropriate change in the diameter of the internal passage is useful for improving the insertion property of the filament FL and the carbon fiber FB and improving the fiber content.
  • by reducing the number of fiber elements in the carbon fiber FB it is possible to improve the impregnation rate of the resin of the filament FL with respect to the fiber FB.
  • the impregnation rate can be improved by reducing the diameter of the opening (exit opening) of the nozzle 7.
  • the slit-like nozzle opening makes it possible to dispose the belt-like (sheet-like) print material PM on the platform 3.
  • the void ratio in the laminated structure can be reduced by the lamination process using the band-shaped print material PM.
  • the lamination process can be performed so that one continuous band partially overlaps another continuous band.
  • the cross-sectional shape of the filament FL can be a circle, an ellipse, a rectangle, a polygon, or an arbitrary shape.
  • a thin strip filament FL can be used.
  • the strip-shaped filament FL is wound around the carbon fiber FB, the filament FL and the carbon fiber FB are inserted into the nozzle 7 and coupled to each other. Thereby, the carbon fiber FB is covered with the filament FL, and the impregnation ratio of the resin to the fiber is improved.
  • the carbon fiber FB When combining the filament FL and the carbon fiber FB, the carbon fiber FB can be pressed against the filament FL using a heating roller.
  • the filament FL preferably has a shape suitable for a pressing process such as a band shape. By the bonding using the pressing process, the impregnation ratio of the resin to the fibers can be improved.
  • an appropriate tension is provided to the carbon fiber FB.
  • a difference can be provided between the driving force at a relatively front position (downstream position) and the driving force at a relatively rear position (upstream position).
  • an appropriate brake is provided for the carbon fiber FB at a relatively rear position (upstream position).
  • the platform 3 is movable up and down and the head 4 is horizontally movable in order to enable three-dimensional arrangement of the filament FL and the carbon fiber FB.
  • the head 4 in order to enable the three-dimensional arrangement of the filament FL and the carbon fiber FB, can be moved vertically and horizontally, for example, by a robot arm, while the platform 3 is fixed. It can be set as a simple structure. Various configurations can be applied as a unit capable of freely controlling the relative position and posture (tilt, rotation angle, etc.) between the platform 3 and the head 4.
  • the carbon fiber is used as the fiber impregnated with the filament FL.
  • the fiber is not limited to this as long as it functions as a reinforcing material.
  • the fibers can include first fibers and second fibers that are different from each other.
  • the fibers can include first fibers and second fibers that are similar in material and have different shapes and / or structures and twisting conditions.
  • the fiber can also include three or more types of fiber elements.
  • a plurality of fiber introduction devices 9 may be provided to introduce a plurality of carbon fibers FB into the filament FL.
  • the carbon fiber FB may be introduced from one fiber introduction device 9 and the glass fiber may be introduced from the other fiber introduction device 9.
  • carbon fiber can be introduced into a portion where rigidity is required, and glass fiber can be introduced into a portion where ductility is required.
  • the tension of the carbon fiber FB can also be controlled by controlling the rotation (driving force, braking force) of a predetermined reel (bobbin) 61 in which the carbon fiber FB is accommodated. That is, when the filament FL and the carbon fiber FB are bonded in or near the nozzle 7, a holding force acts on the carbon fiber FB in or near the nozzle 7. In this state, for example, the tension of the carbon fiber FB is maintained by fixing the rotation of the reel 61 or appropriately controlling the braking force of the reel 61. In this case, the tip position of the carbon fiber FB can be maintained even after the print material PM is cut using the cutting unit 10B. When the filament FL is fed again, the previous fixing control on the reel 61 is released.
  • the carbon fiber FB is also fed with the feeding of the filament FL.
  • the carbon fiber FB is prevented from being fed and only the filament FL is supplied onto the platform 3 as will be described later.
  • a strong tension acts on the carbon fiber FB to cut the fiber FB.
  • the angular speed of the reel 61 (speed at which the fiber FB is fed as the reel 61 rotates) is slightly smaller than the feed speed of the filament FL. It is possible to maintain a state in which a predetermined tension is continuously provided to the fiber FB. When the carbon fiber FB is fed with an appropriate tension, the carbon fiber FB is prevented from being twisted.
  • the moving speed of the nozzle 7 matches the feed speed of the carbon fiber FB in the normal mode. Can be controlled.
  • the feed speed of the fiber FB is lower than the moving speed of the nozzle 7, strong tension is provided to the fiber FB due to insufficient fiber supply, and the fiber FB is cut.
  • the blade 71 in the vicinity of the tip of the nozzle 7 promotes the cutting of the fiber FB.
  • the blade 71 is provided at one end of a cylindrical body 73 disposed so as to cover the nozzle 7.
  • the blade 71 has a corner portion (blade portion) provided with an acute angle in the circumferential direction.
  • the cutting with the blade 71 is promoted, so that the tension at the time of cutting is set to be relatively low, and the occurrence of defects of the fiber FB due to the strong tension at the time of cutting is prevented.
  • there are few components and the structure of a cutting device can be simplified.
  • the fiber is contained in the resin by controlling the rotation (driving force, braking force) of the reel 61 in which the carbon fiber FB is accommodated.
  • the rate (fiber content) can be adjusted.
  • the angular velocity of the reel 61 the velocity at which the fiber FB is fed as the reel 61 rotates
  • the combined state of the fiber FB and the filament FL is released, and only the filament FL is discharged from the nozzle 7. Is supplied on the platform 3.
  • the fiber content at the corresponding laminated portion is zero.
  • the reel angular velocity is the same as the filament FL feed rate, the fiber content at the corresponding stack location is maximized.
  • the fiber-containing object manufactured in the above embodiment can be a plastic at least partially reinforced with fibers.
  • the fiber reinforced plastic include CFRP (Carbon-fiber-reinforced plastic), CFRTP (Carbon-fiber-reinforced thermoplastic), FRP (Fiber-reinforced plastic, GFRP (Glass fiber-reinforced plastic)), and AFRP (Aramid fiber-reinforced plastic).
  • CFRP Carbon-fiber-reinforced plastic
  • CFRTP Carbon-fiber-reinforced thermoplastic
  • FRP Fiber-reinforced plastic
  • GFRP Glass fiber-reinforced plastic
  • AFRP Anaramid fiber-reinforced plastic
  • plastic and BFRP (Boron fiber-reinforced plastic).
  • Fiber is not limited to functioning as a reinforcing material.
  • Functions added / controlled by the fiber include, for example, physical functions (stiffness, weight, flexibility, toughness, extensibility, elasticity, bending strength, partial reinforcement (density, strength due to tissue structure), and wear resistance. ), Electrical functions (chargeability, conductivity, etc.), optical functions (transparency, gloss, color, UV cut, reflection, letters, patterns, appearance, etc.), chemical functions (flame retardant, antibacterial) Properties, acid resistance, alkali resistance, chemical resistance, substance absorbability, metal adsorption, weather resistance, thermal characteristics, heat retention, cold retention, etc.).
  • the thermoplastic resin is used as the base material constituting the filament FL.
  • other resins can be used as long as the softened state and the cured state can be artificially controlled. is there.
  • a photo-curing resin may be employed and the softened resin may be cured by the action of light energy.
  • the resin as the base material can include a first resin and a second resin that are different from each other.
  • the resin as the base material may include a first resin and a second resin that are similar in material and have different shapes and / or structures.
  • the resin as the base material can also include three or more types of resin elements.
  • the filament FL as the first continuous material and the carbon fiber FB as the second continuous material are individually fed to the head 4, and the filament FL and the carbon fiber FB are inside or near the nozzle 7.
  • a configuration in which the coupling position is coupled to the head 4 rearward (upstream) can be applied.
  • a configuration in which a continuous material in which the filament FL and the carbon fiber FB are combined in advance is fed to the head 4 can be applied.
  • the system 1 is configured such that the fiber FB (second continuous material) is fed to the filament FL (first continuous material) while the fiber FB intersects the filament FL. It may further include a guide unit (conductor, fiber conductor, interlacer, entangler, engager, enlace member) 81 for guiding the FB.
  • a guide unit conductor, fiber conductor, interlacer, entangler, engager, enlace member
  • one continuous fiber or a plurality of continuous fibers are supplied to one continuous filament FL.
  • the crossing angles ⁇ and ⁇ of the fibers FB (first fibers FB1 and second fibers FB2) with respect to the filament FL are about 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65. , 70, 75, 80, 85, 90 °, or more.
  • the intersection angle ⁇ of the first fiber FB1 and the intersection angle ⁇ of the second fiber FB2 with respect to the filament FL can be made substantially the same.
  • the intersection angle ⁇ of the first fiber FB1 and the intersection angle ⁇ of the second fiber FB2 with respect to the filament FL can be made different.
  • the feed of the fibers FB in the crossed state is advantageous for the engagement of the fibers FB with respect to the filaments FL and the stabilization of the retention of the fibers FB by the filaments FL.
  • the guide portion 81 can be configured such that the fiber FB is entangled with the filament FL.
  • the guide part 81 can be comprised so that the fiber FB may be sewn or knitted with respect to the filament FL.
  • the guide portion 81 can be configured to promote the engagement of the fiber FB with respect to the filament FL.
  • the guide portion 81 has a slope (inclined circumferential surface or curved surface (inclined curved surface)) 174 provided in the inlet port 173 in a member 172 provided with a hole 171 through which the filament FL passes.
  • the fiber FB is guided along the slope 174.
  • the fiber FB is fed to the filament FL in a state where the fiber FB along the slope 174 intersects the filament FL.
  • the guide portion 81 has a groove 175 provided in the vicinity of the inlet port 173 in the nozzle member 172.
  • the fiber FB is guided along the bottom surface of the groove 175.
  • the guide portion 81 has a hole 176 provided in the vicinity of the inlet port 173 in the nozzle member 172.
  • the fiber FB is guided along the hole 176.
  • the guide portion 81 has a tucker 181 configured to fasten (tuck) a part of the fiber FB with respect to the filament FL.
  • the tacker 181 includes a tack pin (or tack blade) 182 and a driver 183 that drives the tack pin 182.
  • the tucker 181 can include a heater 184 that heats at least a portion of the tack pin 182.
  • a part of the fiber FB is retained in the filament FL by being embedded in the filament FL.
  • a resin piece can be placed on a part of the fiber FB on the surface of the filament FL.
  • the engagement of the fiber FB with the filament FL is further promoted. Further, by temporarily softening / melting the filament FL (and / or the resin piece) by the heater 184, the engagement of the fiber FB with the filament FL is further promoted. Additionally and / or alternatively, an adhesive can be used to promote the engagement of the fiber FB with respect to the filament FL.
  • the guide unit 81 includes an interlacer (interlacer, entangler, engager, enlace member) 191 configured to entangle the fiber FB with the filament FL.
  • the interlacer 191 includes a needle 192 for providing a hook hole and / or a hook groove in the filament FL, and a driver 193 for driving the needle 192.
  • the interlacer 191 can include a heater 194 that heats at least a portion of the needle 192.
  • the interlacer 191 may include at least one of a guide member 195 that guides the fiber FB, a threader 196 that passes the fiber FB through the needle 192, and a holder 197 that holds the fiber FB with respect to the needle 192.
  • the interlacer 191 can also include a hook (eg, a rotary hook) 198 that supplies another fiber FB2 (FB) that is combined with the fiber FB1 (FB) supplied via the needle 192.
  • At least a part (member 172) of the guide portion 81 can be rotated around the axis of the filament FL while feeding the filament FL in the axial direction.
  • the cross state of the fiber FB and the filament FL via the guide portion 81 changes.
  • the fiber FB is wound around the filament FL in accordance with the change in the crossing state.
  • the control device 5 controls the operation device including the driver 178 for the member 172 so that the print material PM is fed from the head 4 toward the platform 3 in a state where the crossing state via the guide portion 81 is changed. To do.
  • the combination of the filament FL and the fiber FB and the supply of the print material PM including the fiber FB are performed simultaneously.
  • the fiber FB is fed to the nozzle 7 while being wound around the filament FL.
  • a print material PM containing fibers FB is fed from the nozzle 7 onto the platform 3.
  • the position of at least a part (the needle 192) of the guide portion 81 with respect to the filament FL (at least the position in the direction orthogonal to the axial direction of the filament FL). Can be changed.
  • the cross state of the fiber FB and the filament FL via the guide portion 81 changes.
  • the fibers FB are woven into the filaments FL as the crossing state changes.
  • the control device 5 controls the operation device including the driver 193 for the needle 192 so that the print material PM is fed from the head 4 toward the platform 3 in a state where the crossing state via the guide portion 81 is changed. To do.
  • the combination of the filament FL and the fiber FB and the supply of the print material PM including the fiber FB are performed simultaneously.
  • the fiber FB is fed to the nozzle 7 while being woven into the filament FL.
  • a print material PM containing fibers FB is fed from the nozzle 7 onto the platform 3.
  • the system 1 is configured to feed a plurality of fibers (a plurality of second continuous materials) FB1 and FB2 to one filament (a first continuous material) FL. it can.
  • the system 1 can be configured to feed a plurality of filaments (a plurality of first continuous materials) FL1, FL2, and FL3 to one nozzle 7.
  • the system 1 can have a head 4 having two nozzles 7A and 7B.
  • a cutting unit 10BA having a front cutting position (downstream cutting position) is disposed in the vicinity of the nozzle 7A.
  • a cutting unit 10BB having a front cutting position (downstream cutting position) is arranged in the vicinity of the nozzle 7B.
  • the printing material PM1 containing fibers is fed from the nozzle 7A, and the printing material PM2 containing no fibers is fed from the nozzle 7B.
  • the cutting units 10BA and 10BB can individually cut the print materials PM1 and PM2 at a timing based on an instruction from the control device 5.
  • the number of nozzles provided in one head can be three or more.
  • the system 1 can have two heads 4A and 4B each having nozzles 7A and 7B.
  • a cutting unit 10BA having a front cutting position (downstream cutting position) is disposed in the vicinity of the nozzle 7A.
  • a cutting unit 10BB having a front cutting position (downstream cutting position) is arranged in the vicinity of the nozzle 7B.
  • the printing material PM1 containing fibers is fed from the nozzle 7A, and the printing material PM2 containing no fibers is fed from the nozzle 7B.
  • the cutting units 10BA and 10BB can individually cut the print materials PM1 and PM2 at a timing based on an instruction from the control device 5.
  • the number of heads in one system 1 can be three or more.
  • SYMBOLS 1 Molding apparatus (3D printer, three-dimensional printing system), 2 ... Casing, 3 ... Platform (support member), 4 ... Head (printer head), 5 ... Control apparatus (controller), 7 ... Nozzle, 8 ... Material feed Device (resin pushing device), 9 ... Fiber introducing device, 10 ... Cutting device (cutting unit), 11 ... Platform drive device, 13 ... Head drive device, 14 ... X-axis drive device, 15 ... Y-axis drive device, 16 ... Filament drive roller, 17 ... motor, 18 ... fiber drive roller (fiber feed device), 19 ... motor, 21 ... filament heating device, 22 ... cylinder part, 23 ... tip part, 25 ... support member, B ... plate-shaped part , H ... honeycomb structure, FB ... carbon fiber (fiber), CF ... carbon fiber, CP ... fiber part, FL ... filament (linear resin), RP ... tree Part

Abstract

　三次元プリンティングシステム（１）は、樹脂を含む第１連続材料（ＦＬ）と繊維を含む第２連続材料（ＦＢ）とがフィードされるヘッド（２）と、ヘッドからの、第１及び第２連続材料に基づくプリント材料が積層されるプラットフォーム（３）と、少なくとも繊維を切断可能な切断装置（１０）と、ヘッドとプラットフォームと切断装置との少なくとも１つを含む動作装置を制御するコントローラ（５）と、を備える。

Description

三次元プリンティングシステム、三次元プリンティング方法、成形装置、繊維入りオブジェクト及びその製造方法
　本発明は、樹脂を配置した後に固化させることによって構造物を形成する成形装置に関し、特に、三次元プリンティングシステム（三次元プリンター）、三次元プリンティング方法、繊維入りオブジェクト及びその製造方法に関する。
　本願は、２０１４年５月２７日に出願された特願２０１４－１０９５０９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　例えば、立体的な形状を有する物体を造形する装置として、３Ｄ（三次元）プリンタなどの成形装置が知られている（例えば特許文献１参照）。３Ｄプリンタは、比較的高いコストのかかる金型や治具などを必要とせずに三次元形状の物体を容易に造形することができ、また、既存技術では形成が難しい三次元形状の物体も造形することができる。３Ｄプリンタの中でも、熱で融解した樹脂を少しずつ積み重ねていく熱溶解積層法方式を用いた３Ｄプリンタは、装置の製造コストが比較的低いため、製造業において部品の試作などに使用されている。
　一方で、金属材料よりも比剛性や比強度に優れる炭素繊維強化プラスチック（Carbon-fiber-reinforced plastic，ＣＦＲＰ）や、炭素繊維強化熱可塑プラスチック（Carbon-fiber-reinforced thermoplastics，ＣＦＲＴＰ）は、例えば、燃費削減のために軽量化が求められる自動車への適用が進められている。
　非特許文献１には、連続繊維を用いたＣＦＲＴＰの成形方法について記載されている。
特表２００５－５３１４３９号公報
Andreas Fischer, Steve Rommel, Thomas Bauernhansl,「New Fiber Matrix Process with 3D Fiber Printer」, Digital Product and Process Development Systems IFIP Advances in Information and Communication Technology, Volume 411, 2013, ドイツ, Springer Berlin Heidelberg, 2013年, Volume 411, 167-175ページ
　３Ｄプリンタを用いて、ＣＦＲＴＰ部品等の繊維強化プラスチックの部品を成形することができれば、成形コストの削減を図ることはもちろん、複雑形状の造形も可能となる。
　本発明にかかる態様の目的は、繊維に基づく機能が付加されたオブジェクトを形成可能な三次元プリンティングシステム、三次元プリンティング方法、及び成形装置を提供することにある。
　本発明の一態様によれば、樹脂を含む第１連続材料と繊維を含む第２連続材料とがフィードされるヘッドと、前記ヘッドからの、前記第１及び第２連続材料に基づくプリント材料が積層されるプラットフォームと、少なくとも前記繊維を切断可能な切断装置と、前記ヘッドと前記プラットフォームと前記切断装置との少なくとも１つを含む動作装置を制御するコントローラと、を備える、三次元プリンティングシステムが提供される。
　本発明の別の態様によれば、三次元モデルデータを用意する工程と、三次元モデルデータに基づいて、プリント材料を積層する工程であり、樹脂を含む第１連続材料と繊維を含む第２連続材料とをヘッドにフィードする工程と、前記ヘッドからの、前記第１及び第２連続材料に基づくプリント材料をプラットフォーム上に積層する工程と、少なくとも前記繊維を切断する工程と、を有する前記工程と、を含む、三次元プリンティング方法が提供される。
　本発明の別の態様によれば、三次元プリンティングシステムを用いて形成された積層構造を有し、前記積層構造は、前記繊維の配合状態が互いに異なる第１部分と第２部分とを有する、繊維入りオブジェクトが提供される。
　本発明の別の態様によれば、三次元モデルデータを用意する工程と、前記三次元モデルデータに基づいて、上記の三次元プリンティングシステムを用いて積層物を形成する工程と、を含む、繊維入りオブジェクトの製造方法が提供される。
　本発明の別の態様によれば、成形装置は、支持部材と、前記支持部材の上に線状の樹脂を連続して配置した後、固化させることによって構造物を形成する成形装置において、前記線状の樹脂内に連続的に形成された繊維を導入する繊維導入装置と、前記繊維を切断する切断装置と、を有することを特徴とする。
　上記成形装置において、前記線状の樹脂を押し込む樹脂押込装置と、前記樹脂押込装置の下流側に配置され、前記線状の樹脂を加熱する加熱装置と、を有し、前記繊維導入装置は、前記繊維を前記樹脂押込装置と前記加熱装置との間から導入するように構成してもよい。
　上記成形装置において、前記繊維導入装置は、前記繊維を送る繊維送り装置を有する構成としてもよい。
　また、前記構造物において、前記繊維が導入される繊維部と、前記樹脂のみにて形成される樹脂部とが設けられるように、前記切断装置を制御する制御装置を有する構成としてもよい。
　本発明にかかる態様によれば、繊維に基づく機能が付加されたオブジェクトを形成することができる。
　一実施形態において、樹脂内に繊維を導入して構造物を成形することによって、構造物の強度を向上させることができる。また一実施形態において、切断装置を用いて繊維を切断することによって、線状の樹脂において繊維の含まれない部分を設けることができる。即ち、構造物に含まれる繊維の量を調整することができる。
一実施形態の成形装置（三次元プリンティングシステム）の概略構成図である。 一実施形態の炭素繊維の概略図である。 炭素繊維の他の例を示す模式断面図である。 炭素繊維の他の例を示す模式断面図である。 炭素繊維の他の例を示す模式断面図である。 成形装置の変形例を示す概略構成図である。 成形装置の変形例を示す概略構成図である。 成形装置の変形例を示す概略構成図である。 三次元プリンティング方法の一例を示すフローチャート図である。 成形装置によって成形される構造物の一例である。 成形装置によって成形される構造物の一例である。 積層プロセスの一例を示す模式図である。 積層プロセスの一例を示す模式図である。 成形装置によって成形される構造物の一例である。 成形装置によって成形される構造物の一例である。 成形装置によって成形される構造物の一例である。 成形装置によって成形される構造物の一例である。 成形装置によって成形される構造物の一例である。 成形装置の変形例を示す概略構成図である。 成形装置の変形例を示す概略構成図である。 切断装置の他の例を示す模式断面図である。 繊維の案内部の一例を示す模式図である。 繊維の案内部の一例を示す模式図である。 繊維の案内部の一例を示す模式図である。 成形装置の変形例を示す模式図である。 成形装置の変形例を示す模式図である。 成形装置の変形例を示す模式図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　本実施形態において、成形装置は、線状（糸状）の熱可塑性樹脂であるフィラメントを板状の支持部材であるプラットフォームの上に連続的に配置することによって構造物を形成する装置である。一例において、成形装置は、フィラメント（プリント材料）を軟化状態でプラットフォームに積層した後、固化させることによって、主に三次元構造物を形成する装置（３Ｄプリンタ、三次元プリンティングシステム）である。
　構造物の原材料となるフィラメントは、例えば、ＰＬＡ樹脂（polylactic acid、ポリ乳酸）、ＡＢＳ樹脂、ナイロン樹脂、ＰＥＴ樹脂（polyethylene terephthalate）、アクリル樹脂などの熱可塑性樹脂を線状に形成したものである。上記以外の熱可塑性樹脂もフィラメントとして適用可能である。フィラメントは、例えば、２ｍｍ程度の直径を有する。例えば、所定のリール（ボビン）に巻回された収容状態からフィラメントが取り出される。フィラメントのサイズは、上記に限定されない。フィラメントの直径は、約０．５、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０、４．５、５．０、５．５、６．０、６．５、７．０、７．５、８．０、８．５、９．０、９．５、又は１０ｍｍにできる。また、フィラメントの直径は、０．５ｍｍ未満であってもよく、１０ｍｍ以上であってもよい。フィラメントは、中心軸に沿って連続的に延在した連続材料である。一例において、フィラメントは、軸方向の全体にわたり同じ断面形状を有する。他の例において、フィラメントは、部分的に異なる断面形状を有することができる。後述するように、フィラメントは、帯状又はフィルム状などの他の形状を有することができる。後述するように、フィラメントの断面形状として、円（又は楕円）に限定されず、様々な形状が適用可能である。フィラメントの収容状態は、巻回タイプに限定されない。
　本実施形態において、図１に示すように、成形装置１は、ケーシング２と、ケーシング２内に配置されたプラットフォーム（支持部材、パッド）３と、プラットフォーム３にフィラメントＦＬを供給するヘッド（プリンタヘッド）４と、制御装置（コントローラ）５と、を主な構成要素として有している。図１において、矢印Ｚは鉛直方向（上下方向）を示し、矢印Ｘは水平方向の一方向を示し、矢印Ｙは水平方向であってＺ方向及びＸ方向に直交する方向を示している。
　ヘッド４は、ノズル７と、ノズル７にフィラメント（樹脂材料、ベース材料、樹脂を含む第１連続材料）ＦＬをフィードする材料フィード装置（樹脂押込装置、材料フィーダ、第１フィーダ）８と、連続的に形成された炭素繊維（炭素繊維束、繊維、機能材料、繊維を含む第２連続材料）ＦＢをフィラメントＦＬに供給する繊維導入装置（繊維ガイドユニット、繊維フィーダ、第２フィーダ）９とを有している。また、本実施形態において、成形装置１は、炭素繊維ＦＢを切断する切断装置（切断ユニット、カッター）１０と、フィラメントＦＬを加熱するフィラメント加熱装置（樹脂軟化ユニット、ヒータ、第１加熱ユニット）２１とをさらに有している。一例において、フィラメント加熱装置２１の少なくとも一部がノズル７に設けられている。一例において、材料フィード装置８は、ノズル７にフィラメントＦＬを押し込みながらフィラメントＦＬをフィードするように構成される。
　ケーシング２は、箱形状の筐体である。一例において、ケーシング２の前面に、作業用の窓（開口）が設けられる。ケーシング２内には、プラットフォーム３、ヘッド４などが収容されている。ケーシング２は、必要に応じて室内の環境を制御する環境制御ユニット（不図示）を備えることができる。
　本実施形態において、プラットフォーム３は、ケーシング２の底面２ａと平行な矩形板（ベースプレート）を有する。プラットフォーム３は、ヘッド４の下方であって、ケーシング２の底部近傍に配置されている。一例において、プラットフォーム３は、プラットフォーム駆動装置１１によってＺ軸方向（鉛直方向）に沿って上下移動可能に駆動される。一例において、プラットフォーム３には、配置されたフィラメントＦＬを加熱するためのプラットフォーム加熱装置（図示せず）が設けられる。換言すれば、プラットフォーム３は、プラットフォーム３上に配置されたフィラメントＦＬを加熱する機能を有している。プラットフォーム加熱装置として、プレートヒータ、面ヒータ等の他、プラットフォーム上の樹脂の温度を制御可能な様々な機構が適用可能である。
　本実施形態において、ヘッド４は、プラットフォーム３上の任意の位置にフィラメントＦＬを配置する射出装置（押出装置）としての機構を備える。ヘッド４において、フィラメントＦＬと炭素繊維ＦＢとがフィードされる。ヘッド４は、ヘッド駆動装置１３によってプラットフォーム３に平行な平面に沿って少なくとも二次元に移動可能に構成されている。プラットフォーム３が上下動自在であることによって、ヘッド４のノズル７とプラットフォーム３との距離（及び相対位置関係）は自在に調整可能である。
　ヘッド駆動装置１３は、プラットフォーム３と平行な面上の任意の位置にヘッド４が移動可能となるように、ヘッド４を駆動する。本実施形態において、プラットフォーム３は、Ｚ軸方向（鉛直方向）に直交する支持面を有しているため、ヘッド駆動装置１３は、ヘッド４を水平方向に移動させる。
　ヘッド駆動装置１３は、ヘッド４をプラットフォーム３と平行な面上に沿う第一方向に移動させるＸ軸駆動装置１４と、ヘッド４をプラットフォーム３と平行な面上に沿う第一方向と直交する第二方向に移動させるＹ軸駆動装置１５とを有する。一例において、Ｘ軸駆動装置１４とＹ軸駆動装置１５とは、ステッピングモータと、ボールねじなどの直動機構を組み合わせた構成を有することができる。
　ヘッド駆動装置１３は、様々なタイプを適用できる。例えば、ヘッド駆動装置１３は、ロボットアームを有することができる。一例において、ロボットアームを用いて、ヘッド４がプラットフォーム３と平行な面に沿って移動可能である。別の一例において、ヘッド４は、三次元に移動可能、あるいは６自由度（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θＸ、θＹ、θＺ）に移動可能に構成できる。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向におけるヘッド４とプラットフォーム３との相対的な位置関係に加え、傾き及び回転角度の少なくとも一部に関する姿勢が調整可能となるように、ヘッド４を構成できる。
　ヘッド４は、糸状のフィラメントＦＬをフィラメント加熱装置２１によってフィラメントの融点近傍まで加熱した後、ノズル７を用いて、軟化状態のフィラメントＦＬを所定の太さで射出するように構成される。
　ノズル７は様々な形状を適用可能である。本実施形態において、ノズル７は、円筒状を有する筒部２２と、筒部２２の一端に設けられた先端部２３とを有している。先端部２３には、フィラメントＦＬを射出する開口（ノズル開口、出口開口）が設けられている。ノズル開口は、射出するフィラメントＦＬの目標太さに応じて設定される。例えば、ノズル７を別のノズルに交換することで、ノズル開口を変更することができる。ノズル開口の大きさ（ノズル径）は例えば、０．９ｍｍである。ノズル開口の大きさ（ノズル径）は、約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０ｍｍにできる。ノズル開口の大きさ（ノズル径）を、０．１ｍｍ未満としてもよく、１０ｍｍ以上としてもよい。追加的及び／又は代替的に、複数のノズル７を１つのヘッド４に設けることができる。ヘッド４における入口（入口ポート）の数と出口（出口ポート）の数は同じでもよく異なってもよい。
　フィラメント加熱装置２１は様々なタイプが適用可能である。一例において、フィラメント加熱装置２１は、その少なくとも一部が筒部２２の外周面に固定されている。フィラメント加熱装置２１の加熱方法としては、例えば、熱板加熱（面ヒータ、プレートヒータ、アルミ箔ヒーター）、高周波加熱、誘導加熱、超音波加熱、レーザ加熱などが挙げられる。
　材料フィード装置８は、フィラメントＦＬをフィードするように構成される。一例において、材料フィード装置８は、フィラメントＦＬをノズル７の入口ポートに押し込むように構成される。一例において、材料フィード装置８は、一対のフィラメント駆動ローラ（ギア）１６と、フィラメント駆動ローラ１６のうち少なくとも１つを駆動するモータ１７と、を有している。駆動ローラ１６の１つをプッシャーピン（不図示）に置換してもよく、又は補助的にプッシャーピンを設けてもよい。一例において、モータ１７として、ステッピングモータが適用される。別の一例において、モータ１７として、フィラメント駆動ローラ１６を任意の速度で駆動可能な、サーボモータなど他の様々なモータが適用可能である。追加的及び／又は代替的に、材料フィード装置８は、１つのヘッド２に対して、複数のフィラメント（複数の第１連続材料）ＦＬをフィードするように構成できる。
　一例において、フィラメント駆動ローラ１６は、タイヤ形状のローラと、ローラの外周面に形成された周方向に延びるフィラメント保持溝とを有することができる。一対のフィラメント駆動ローラ１６の一対のフィラメント保持溝によってフィラメントＦＬのためのギャップが形成される。そのギャップ内に配置されたフィラメントＦＬが一対のローラ１６に挟まれるように、フィラメント駆動ローラ１６が配置される。フィラメント駆動ローラ１６の回転速度は、例えば、ヘッド４のノズル７から供給されるフィラメントＦＬの供給量に応じて制御される。
　繊維導入装置９は、炭素繊維ＦＢをフィードするように構成される。一例において、繊維導入装置９を介して炭素繊維ＦＢがノズル７の入口に案内される。繊維導入装置９は、材料フィード装置８のフィラメント押込構造と同様の繊維押込構造を有することができる。一例において、繊維導入装置９は、繊維を送るフィーダとして機能する一対の繊維駆動ローラ（ギア）１８と、一対の繊維駆動ローラ１８の少なくとも１つを駆動するモータ１９と、を有している。制御装置５は、材料フィード装置８と繊維導入装置９とを個別に制御するように構成される。駆動ローラ１８の１つをプッシャーピンに置換してもよく、又は補助的にプッシャーピンを設けてもよい。他の例において、材料フィード装置８の駆動力によって炭素繊維ＦＢがフィードされる場合、モータ１９を省く構成とすることができる。炭素繊維ＦＢにおける繊維要素としては、例えば、アクリル繊維を使用した炭素繊維であるＰＡＮ系（Polyacrylonitrile）炭素繊維を採用することができる。繊維の種類は、上記に限定されない。追加的及び／又は代替的に、繊維導入装置９は、１つのヘッド２に対して、複数の繊維ＦＢ（複数の第２連続材料）ＦＢをフィードするように構成できる。追加的に、繊維導入装置９は、繊維ＦＢ（又は繊維要素ＣＦ）の流れを整えるように配置された櫛部材（不図示）を有することができる。一例において、櫛部材は、繊維ＦＢ（又は繊維要素ＣＦ）の捻じれを緩和する又は解消するように配置される、あるいは、複数の繊維ＦＢ（又は複数の繊維要素ＣＦ）を揃える又は纏めるように配置される。
　本実施形態において、繊維導入装置９は、材料フィード装置８とフィラメント加熱装置２１との間から炭素繊維ＦＢを導入するように構成されている。この場合、ノズル７に対して後方位置（上流位置）において、フィラメントＦＬと炭素繊維ＦＣとが結合される。なお、炭素繊維ＦＢを導入する位置（結合位置）は、これに限定されない。例えば、ノズル７とプラットフォーム３との間（ノズル７に対して前方位置（下流位置））にて炭素繊維ＦＢを導入する構成としてもよい。
　一例において、図２に示すように、炭素繊維（複合繊維）ＦＢは、複数の繊維要素ＣＦとサポート部材２５とを有する。サポート部材２５の周面に、複数の繊維要素ＣＦが巻かれている。複数の繊維要素ＣＦが線状のサポート部材２５によって支持されている。一例において、複数の炭素繊維ＣＦがサポート部材２５の外周面に接着剤などによって固定されている。サポート部材２５の材料としては、例えば、樹脂（合成樹脂、フッ素樹脂を含む）、金属、複数要素からなる複合材などが挙げられる。一例において、サポート部材２５は、ＰＯＭ（ポリアセタール樹脂）などのプラスチックによって形成される。サポート部材２５を形成する材料としては、弾性を有するものが好ましく、金属製のワイヤなどの採用も可能である。なお、サポート部材２５は、プリント材料ＰＭの一部としてプラットフォーム３上にフィードされてもよい。あるいは、プリント材料ＰＭ（繊維要素ＣＦ）からサポート部材２５を分離して、サポート部材２５がプラットフォーム３上にフィードされないようにしてもよい。
　別の例において、図３（ａ）の断面図に示すように、炭素繊維ＦＢは、複数の繊維要素ＣＦと複数のサポート部材２５とが一緒に撚糸された構造を有することができる。あるいは、図３（ｂ）の断面図に示すように、炭素繊維ＦＢは、複数の繊維要素ＣＦと、中空タイプのサポート部材２５とを有する構造を有することができる。あるいは、図３（ｃ）の断面図に示すように、炭素繊維ＦＢは、複数の繊維要素ＣＦと、多層型のサポート部材２５とを有する構造を有することができる。
　さらに別の例において、図４（ａ）の断面図に示すように、炭素繊維ＦＢは、サポート部材２５の内側に繊維要素ＣＦが収容された構造、又は繊維要素ＣＦがサポート部材（コーティング材）２５で覆われた構造を有することができる。あるいは、図４（ｂ）の断面図に示すように、炭素繊維ＦＢは、サポート部材２５の内側に複数の繊維要素ＣＦが収容された構造、又は複数の繊維要素ＣＦがサポート部材（コーティング材）２５で覆われた構造を有することができる。
　さらに別の例において、図５（ａ）及び（ｂ）の断面図に示すように、炭素繊維ＦＢは、サポート部材を省いた構造を有することができる。図５（ａ）において、炭素繊維ＦＢは、複数の繊維要素ＣＦの比較的密な撚糸構造を有する。図５（ｂ）において、炭素繊維ＦＢは、複数の繊維要素ＣＦの比較的疎な撚糸構造を有する。
　図６Ａ及び図６Ｂにおいて、切断装置１０は、繊維導入装置９によって導入される炭素繊維ＦＢを切断する切断ユニット（第１カッター）１０Ａ又は切断ユニット（第２カッター）１０Ｂを有する。図６Ａにおいて、切断装置１０は、繊維導入装置９の下流側かつノズル７の上流側に配置された切断ユニット１０Ａを有する。切断ユニット１０Ａは、フィラメントＦＬと炭素繊維ＦＢとが結びつく結合位置（例えばノズル７）に対して後方（上流側）に配される後方切断位置（上流切断位置）を有する。切断ユニット１０Ａは、繊維導入装置９からフィードされる（例えば、押し込まれる）炭素繊維ＦＢを切断するように構成されている。切断ユニット１０Ａは、制御装置５からの指示に基づくタイミングで、炭素繊維ＦＢを切断することができる。図６Ｂにおいて、切断装置１０は、ノズル７の下流側に配置された切断ユニット１０Ｂを有する。切断ユニット１０Ｂは、フィラメントＦＬと炭素繊維ＦＢとが結びつく結合位置（例えばノズル７）に対して前方（下流側）に配される前方切断位置（下流切断位置）を有する。切断ユニット１０Ｂは、ノズル７から押し出される、プリント材料ＰＭを切断するように構成されている。切断ユニット１０Ｂは、制御装置５からの指示に基づくタイミングで、炭素繊維ＦＢを含むプリント材料ＰＭ又は炭素繊維ＦＢを含まないプリント材料ＰＭを切断することができる。
　図６Ｃにおいて、切断装置１０は、後方切断位置（上流切断位置）を有する第１切断ユニット１０Ａと、前方切断位置（下流切断位置）を有する第２切断ユニット１０Ｂとの両方を有する。第１切断ユニット１０Ａは、制御装置５からの指示に基づくタイミングで、炭素繊維ＦＢを切断することができる。第２切断ユニット１０Ｂは、制御装置５からの指示に基づくタイミングで、炭素繊維ＦＢを含むプリント材料ＰＭ又は炭素繊維ＦＢを含まないプリント材料ＰＭを切断することができる。制御装置５は、炭素繊維ＦＢの切断に際し、第１切断ユニット１０Ａ及び第２切断ユニット１０Ｂのいずれかを選択的に使用する。あるいは、制御装置５は、炭素繊維ＦＢの切断に際し、第１切断ユニット１０Ａ及び第２切断ユニット１０Ｂの両方を実質的同時に使用する。
　切断装置１０（切断ユニット１０Ａ、１０Ｂ）としては、炭素繊維ＦＢを切断可能な様々なタイプが適用可能である。一例において、切断装置１０（切断ユニット１０Ａ、１０Ｂ）は、ＹＡＧレーザなどのレーザを用いたレーザ切断装置を適用できる。別の例において、切断装置１０（切断ユニット１０Ａ、１０Ｂ）は、鋸（電動丸鋸など）又はブレードを有する機械的な構成（カッター、ローラカッター）を適用できる。さらに別の例において、切断装置１０（切断ユニット１０Ａ、１０Ｂ）は、超音波切断機を適用できる。さらに別の例において、切断装置１０（切断ユニット１０Ａ、１０Ｂ）は、ガス切断、アーク切断、プラズマ切断等を適用できる。アーク切断の一例において、炭素繊維ＦＢに近接した電極に電圧が与えられ、電極と炭素繊維の間にアークが発生する。アークの熱エネルギーにより炭素繊維ＦＢを切断することができる。一例において、切断時の熱エネルギーの一部を、フィラメントＦＬの加熱などの加熱プロセスに再利用する構成を適用できる。なお、炭素繊維ＦＢ（プリント材料ＰＭ）の切断において、後述するように、ノズル７とプラットフォーム３の間の相対速度差を利用してもよい。
　制御装置５は、ヘッド４（ヘッド駆動装置１３）、及びプラットフォーム３（プラットフォーム駆動装置１１）、切断装置１０などの要素を含む動作装置を統括的に制御を行うように構成されたコンピュータを有する。具体的には、制御装置５は、ヘッド４などを含む動作装置を制御する制御プログラム、構造物の３Ｄデータなどを記憶する記憶装置、及び制御プログラムを実行するためのプロセッサ（processor, processing circuitry, circuitry）を有する。
　次に、成形装置１の動作について説明する。
　本実施形態において、成形装置１の使用にあたっては、図７のフローチャート図に示すように、使用者は、構造物の三次元データを用意する（ステップ１０１）。三次元データは、構造物の形状を指定するパラメータに加え、炭素繊維を含有させる位置などを含む、フィラメントと炭素繊維との配合状態を指定するための様々なパラメータ（配合パラメータ）を含むことができる。
　使用者は、制御装置５の記憶装置に、構造物の形状データをインプットする。形状データは三次元データ（三次元モデルデータ）であり、制御プログラムによってスライスされ、二次元データを積層したものに変換される。さらに、制御プログラムによって、各層の二次元データにおける印刷行程が決定される。制御プログラムは、決定された二次元データに基づいて、ノズル７の走行経路を決定する。
　次に、制御装置５は、フィラメントＦＬと炭素繊維ＦＢとをフィードし、プラットフォーム３上で材料を積層する（ステップ１０２）。すなわち、制御装置５は、決定されたノズル７の走行経路に従って、ヘッド駆動装置１３を制御して、ヘッド４を移動させる。同時に、ヘッド４の材料フィード装置８、及び繊維導入装置９を制御して、フィラメントＦＬを射出するとともに炭素繊維ＦＢをフィラメントＦＬに含浸させる。この際、フィラメントＦＬはフィラメント加熱装置２１によって軟化可能である。
　一方、繊維導入装置９は、材料フィード装置８と同期するように制御され、軟化されたフィラメントＦＬがノズル７の筒部２２に導入された炭素繊維ＦＢに含浸する。その結果、ノズル７の先端からは、炭素繊維を含んだフィラメントＦＬ（軟化状態のプリント材料）が射出される。プラットフォーム３に配置されたフィラメントＦＬは、図示しないプラットフォーム加熱装置によって加熱され、フィラメントＦＬの軟化状態が保たれる。
　また、制御装置５は、炭素繊維を必要としない部位に炭素繊維ＦＢが供給されないように、切断装置１０を制御する。具体的には、炭素繊維を含有させる位置が指定された三次元データに基づいて、繊維導入装置９から導入される炭素繊維ＦＢを切断するとともに、炭素繊維ＦＢの導入を停止する。これにより、形成される構造物は、炭素繊維ＦＢが導入される繊維部ＣＰと、樹脂のみにて形成される樹脂部ＲＰと、を含むものとなる。積層プロセスで形成された積層構造物を固化させることによって、三次元構造物（繊維入りオブジェクト）が形成される（ステップ１０３）。
　上記実施形態によれば、フィラメントＦＬ内に炭素繊維ＦＢを導入して構造物を成形することによって、構造物の強度を向上させることができる。即ち、構造物を形成する材料を炭素繊維によって強化された樹脂とすることができる。
　また、切断装置１０を用いて炭素繊維ＦＢを切断することによって、例えば、供給されるフィラメントＦＬにおいて炭素繊維の含まれない部分を設けることができる。即ち、構造物に含まれる炭素繊維の量を調整して、単位体積当たりに含まれる炭素繊維の量を変更することができる。このように、炭素繊維の含有量を変更することで、成形される構造物の部位によって弾性などの特性を変更することができる。
　また、フィラメントＦＬに対して炭素繊維ＦＢを導入する構成としたことによって、樹脂と繊維の組み合わせを自由に選択することができる。即ち、フィラメントＦＬを構成する材料や、繊維を構成する材料を任意に選ぶことができる。
　また、炭素繊維ＦＢを、炭素繊維ＣＦがサポート部材２５によって保持されている構造としたことによって、炭素繊維ＣＦがばらけることなく、安定して炭素繊維をフィラメントＦＬに導入することができる。
　また、繊維との結合により、ヘッド４（ノズル７）でのフィラメントＦＬの目詰まりが防止される。
　本実施形態において、制御装置５によって動作装置に含まれる様々な制御要素を制御することにより、樹脂に対する繊維の配合状態が異なる第１部分と第２部分とを有する構造物（積層物、三次元オブジェクト、繊維入りオブジェクト）を形成することができる。配合状態としては、単位体積当たりの樹脂に含まれる繊維の量、繊維の連続長さ、繊維の向き、繊維の組織構造、繊維に対する樹脂の含浸率、及びボイド率、などが挙げられる。
　制御要素（パラメータ、制御パラメータ、動作パラメータ）としては、切断装置１０（切断ユニット１０Ａ、１０Ｂ）の切断条件（切断位置、切断のオン・オフ、切断条件（出力など）など）、材料フィード装置８の駆動条件（フィード速度（フィラメントの供給量）など）、繊維導入装置９の駆動条件（フィード速度（繊維の供給量）など）、ヘッド４（ノズル７）とプラットフォーム３との間の相対的な条件（相対速度、相対移動方向、相対的な姿勢（傾き、回転角度）、相対移動距離）、フィラメント加熱装置２１の加熱条件（加熱位置、加熱距離、出力（温度）、時間、回数、加熱方法など）などが挙げられる。
　切断プロセスにおいて、切断ユニット１０Ａを用いることにより、積層プロセス中に、プラットフォーム３上にフィラメントＦＬを供給しつつ、炭素繊維ＦＢのみを切断することができる。フィラメントＦＬだけが供給されることにより、炭素繊維ＦＢを含まない部位が形成される。こうした積層プロセスは、例えば、オブジェクトの軽量化に用いることができる。
　一方、切断プロセスにおいて、切断ユニット１０Ｂを用いることにより、積層プロセス（印刷プロセス、描画プロセス）中に、プリント材料ＰＭ（炭素繊維ＦＢ及びフィラメントＦＬ）の全体を切断することができる。この際、材料フィード装置８及び繊維導入装置９を制御することにより、フィラメントＦＬ及び炭素繊維ＦＢのフィードが停止される又は低速度となる。プリント材料ＰＭの切断により、プラットフォーム３上へのプリント材料ＰＭの供給が実質的に一時停止される。そして、ヘッド４及び／又はプラットフォーム３を移動させた後に、積層プロセスを再開することができる。その結果、積層プロセスにおける各連続処理（各連続描画）を任意の位置で開始及び終了できる。すなわち、印刷パターン（描画パターン）が一筆書きに限定されないなど、印刷パターンの多様化が図られる。
　ここで、繊維と樹脂との供給量の比率を制御することにより、樹脂に対する繊維の含有率（繊維含有率）を制御できる。一例において、フィラメントＦＬのフィード速度を一定のまま、炭素繊維ＦＢのフィード速度を変えることにより、繊維含有率が変化する。あるいは、フィラメントＦＬのフィード速度を一定のまま、ノズル７の移動速度（ヘッド４とプラットフォーム３との間の相対速度）を変えることにより、繊維含有率が変化する。なお、一例において、ノズル７の移動速度（ヘッド４とプラットフォーム３との間の相対速度）が炭素繊維ＦＢのフィード速度と一致するように自動制御することができる。
　積層プロセスの一例において、繊維の供給量がゼロのとき、対応積層箇所における繊維含有率はゼロとなる。フィラメントＦＬのフィード速度と炭素繊維ＦＢのフィード速度が同じとき、対応積層箇所における繊維含有率が最大となる。なお、処理速度を上げる場合は、例えば、フィラメントＦＬのフィード速度と、炭素繊維ＦＢのフィード速度を同じ比率で上げるとよい。
　このように、上記実施形態では、制御要素が多く、積層プロセスの選択肢の幅が広い。したがって、様々な構造の繊維入りオブジェクトを形成することができる。
　なお、三次元データを予め用意することに代えて、三次元プリンティングシステム１（制御装置５）が学習機能を有する構成を採用できる。一例において、オペレータの操作によってフィラメントＦＬと繊維ＦＢとがフィードされ、プラットフォーム３上でプリント材料ＰＭが積層される。積層プロセスにおける操作において、オペレータは、システム１における制御要素（パラメータ、制御パラメータ、動作パラメータ）の少なくとも一部を入力することができる。制御装置５は、積層プロセスにおける制御要素を記憶する。新たなオブジェクトの作成において、システム１は、記憶された制御要素を使用することができる。このように、学習機能を利用することにより、オペレータの操作によって作成したサンプルと実質的に同じ三次元オブジェクトを自動的に形成することができる。
　代替的に、オペレータは、積層プロセスに際して、層ごとにサンプルモデルを選択することができる。各サンプルモデルにおいて、繊維含有率や繊維の配列方向などの諸仕様が定められている。オペレータは、サンプルモデルを選択するとともに、その他のパラメータ（形状、サイズ等）を入力できる。システム１は、サンプルモデルに基づくパラメータと、オペレータにより入力されたパラメータとに基づいてプリントプロセスを実行する。こうしたプリントプロセスを層ごとに繰り返し実行することにより、三次元データを予め用意することなく、三次元オブジェクトを形成することができる。この他、上記以外の様々な方法を用いて、三次元データを予め用意することなく、三次元オブジェクトを形成することが可能である。
　次に、本実施形態の成形装置１によって形成される構造物（繊維入りオブジェクト）について説明する。
　図８は、成形装置１によって形成される構造物の一例であり、ハニカム構造のコア材を板状の部材でサンドイッチした、ハニカムボードＨＢである。このハニカムボードＨＢは、成形装置１を用いて一体的に形成されている。即ち、板状の部位Ｂと、ハニカム構造Ｈの部位は別体として張り合わせた構造とはされておらず、強度的に優れた構造となっている。
　また、このハニカムボードＨＢは、その一部がＣＦＲＴＰによって形成されている。具体的には、板状の部位ＢのみがＣＦＲＴＰによって形成されている。換言すれば、ハニカムボードＨＢの板状の部位Ｂを構成する樹脂には補強材として炭素繊維が含まれている。このような構造のハニカムボードＨＢを形成するために、成形装置１のヘッド４は、板状の部位Ｂの成形過程においてはフィラメントＦＬとともに炭素繊維ＦＢを供給し、ハニカム構造Ｈの部位の成形過程においては、フィラメントＦＬのみを供給するために炭素繊維ＦＢを切断して炭素繊維ＦＢの導入を停止する。これにより、ハニカムボードＨＢの板状の部位Ｂは繊維部ＣＰによって形成され、ハニカム構造Ｈの部位は樹脂部ＲＰによって形成される。
　また、上記構造物は、ある部位で炭素繊維を導入して繊維部ＣＰとし、その他の部位では炭素繊維を導入せず樹脂部ＲＰとする構成としたが、これに限ることはない。例えば、図９に示すように、板状の部材Ｄにおいて、徐々に炭素繊維ＣＦの割合を変化させるようにしてもよい。これにより、繊維部ＣＰに対する樹脂部ＲＰの割合が徐々に変化する板状の部材Ｄとすることができる。即ち、構造物の強度を徐々に変化させるような構造とすることもできる。
　また、その他の例として、ネジ孔（雌ネジ）の山部（又は雄ネジの山部）を強化するために局部的に炭素繊維を配置することもできる。
　図１０に示すように、積層プロセスにおいて、互いに重なる２つの層における繊維の配列状態を互いに異なるようにできる。図１０（ａ）に示す例では、積層プロセスにおいて、第１層ＭＬ１の上に、繊維の延在方向が第１層ＭＬ１のそれとは９０°異なる第２層ＭＬ２が重ねられる。また、第２層ＭＬ２の上に、繊維の延在方向が第２層ＭＬ２のそれとは９０°異なる第３層ＭＬ３が重ねられる。層間のシフト角は、任意に設定可能である。図１０（ｂ）に示す例では、積層プロセスにおいて、第１層ＭＬ１の上に、繊維の延在方向が第１層ＭＬ１のそれとは４５°異なる第２層ＭＬ２が重ねられる。また、第２層ＭＬ２の上に、繊維の延在方向が第２層ＭＬ２のそれとは４５°異なる第３層ＭＬ３が重ねられる。図１０（ｃ）に示す例では、積層プロセスにおいて、枠状に繊維が配置された第１層ＭＬ１の上に、一面全的に均一な条件で繊維が配置された第２層ＭＬ２が重ねられる。また、第２層ＭＬ２の上に、枠状に繊維が配置された第３層ＭＬ３が重ねられる。
　図１１に示すように、積層プロセスにおいて、姿勢が互いに異なる複数の積層構造を組み合わせることができる。図１１において、第１積層構造ＭＳ１に対して、第１積層構造ＭＳ１の積層方向とは９０°異なる積層方向で第２積層構造ＭＳ２が形成される。構造間でのシフト角（姿勢シフト量）は、任意に設定可能である。
　図１２に示すように、予め用意された物体に対して、繊維入りの積層構造を形成することができる。図１２において、樹脂等の所定の材料からなる板状の物体ＰＯＢの表面上に繊維入りの積層構造ＭＳ１が形成される。
　図１３に示すように、パラメータを適切に制御することにより、曲面を有する層を積み重ねることも可能である。図１３において、例えば、予め用意された物体ＰＯＢの表面の曲率と同じ曲率を有する複数の層ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３がその物体ＰＯＢの表面上に順に重ねられる。
　図１４に示すように、繊維密度が部分的に異なるオブジェクトを作成することができる。図１４において、パラメータを適切に制御することにより、中央での繊維密度が比較的低く、外表面近傍の繊維密度が比較的高い積層層構造ＭＳ１を有するオブジェクトが作成される。
　図１５に示すように、部分的に低強度部を有するオブジェクトを作成することができる。図１５において、枠状に配置された繊維に囲まれた複数の領域ＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３、ＭＡ４が設けられ、それらの領域の間の部分に低強度部ＬＳ１、ＬＳ２が設けられる。
　図１６に示すように、弾性指向性を有するオブジェクトを作成することができる。図１６において、板状の積層体ＭＳ１における繊維ＦＢの配列構造を適切に制御することにより、所定の軸の周りに比較的湾曲しやすい板状オブジェクトが作成される。
　次に、上記した実施形態の変形例について説明する。
　一変形例において、図１７に示すように、成形装置１は、フィラメント加熱装置２１とは別に設けられ、主に炭素繊維ＦＢを加熱するための繊維加熱ユニット（プレヒータ、第２加熱ユニット）５１を有することができる。
　繊維加熱ユニット５１は様々なタイプが適用可能である。加熱方法としては、例えば、熱線加熱、高周波加熱、誘導加熱、超音波加熱、レーザ加熱などが挙げられる。一例において、繊維加熱ユニット５１において、電熱線（ニクロム線など）を用いて炭素繊維ＦＢを加熱することができる。あるいは、炭素繊維ＦＢに接する部品を電極とし、その部品を介して炭素繊維ＦＢを通電加熱する。例えば、繊維導入装置９のローラ１８（図１参照）と、別のローラ（不図示）とをペア電極とし、それらのローラを介して炭素繊維ＦＢに電流を印加することができる。あるいは、レーザユニットからのレーザ光を炭素繊維ＦＢに照射する。レーザ光の熱エネルギーを用いて、炭素繊維ＦＢを加熱することができる。なお、このレーザユニットは、出力を制御することにより、炭素繊維ＦＢの切断ユニット１０Ａとして流用することが可能である。なお、繊維加熱ユニット５１は、加熱後の炭素繊維ＦＢを保温するための保温装置をさらに備えることができる。
　図６Ａに戻り、ノズル７の開口（出口開口）の形状は、円、楕円、矩形、多角形、又は任意の形状にできる。一例において、矩形状のノズル開口を用いることにより、積層構造におけるボイド率の低減化を図ることができる。この場合、例えば、印刷ピッチ（配列ピッチ、シフト距離）がノズル開口幅と同程度に設定される。
　また、ノズル７の内部通路の形状は、軸方向に沿って全体的に同じ径を有してもよく、軸方向に沿って変化する径を有してもよい。内部通路の適切な径変化は、フィラメントＦＬ及び炭素繊維ＦＢの挿通性の向上や、繊維含有率の向上に役立つ。また、一例において、炭素繊維ＦＢにおける繊維要素の数を減らすことで、繊維ＦＢに対するフィラメントＦＬの樹脂の含浸率の向上を図ることができる。あるいは、ノズル７の開口（出口開口）の小径化により、含浸率の向上を図ることができる。
　スリット状のノズル開口は、帯状（シート状）のプリント材料ＰＭをプラットフォーム３上に配置することを可能にする。帯状のプリント材料ＰＭによる積層プロセスにより、積層構造におけるボイド率の低減化を図ることができる。この場合、層間の隙間の最小化を目的として、例えば、１つの連続的な帯が別の連続的な帯に部分的に重なるように積層プロセスを実行することができる。
　フィラメントＦＬの断面形状は、円、楕円、矩形、多角形、又は任意の形状にできる。一例において、薄い帯状のフィラメントＦＬを用いることができる。例えば、帯状のフィラメントＦＬが炭素繊維ＦＢの周りに巻かれながら、フィラメントＦＬと炭素繊維ＦＢとがノズル７に挿入されて互いに結合される。これにより、炭素繊維ＦＢがフィラメントＦＬで覆われ、繊維に対する樹脂の含浸率の向上が図られる。
　フィラメントＦＬと炭素繊維ＦＢとの結合に際し、加熱ローラを用いてフィラメントＦＬに炭素繊維ＦＢを押圧することができる。この場合、フィラメントＦＬは、帯状などの押圧処理に適した形状を有するのが好ましい。押圧処理を用いた結合により、繊維に対する樹脂の含浸率の向上が図られる。
　炭素繊維ＦＢのフィードに際し、適切な張力が炭素繊維ＦＢに提供されるのが好ましい。一例において、比較的前方位置（下流位置）での駆動力と比較的後方位置（上流位置）での駆動力に差を設けることができる。あるいは、比較的後方位置（上流位置）において炭素繊維ＦＢに対して適切なブレーキを提供する。炭素繊維ＦＢが適切な張力を有してフィードされることにより、炭素繊維ＦＢのねじれが防止される。また、案内ローラの周面に炭素繊維ＦＢを当接させることによっても、炭素繊維ＦＢのねじれが防止される。
　なお、上記実施形態では、フィラメントＦＬ及び炭素繊維ＦＢの三次元的な配置を可能とするために、プラットフォーム３を上下移動自在とするとともに、ヘッド４を水平移動自在とする構成とした。他の例において、フィラメントＦＬ及び炭素繊維ＦＢの三次元的な配置を可能とするために、ヘッド４を、例えばロボットアームにより、上下移動及び水平移動自在とする一方で、プラットフォーム３を固定するような構成とすることができる。プラットフォーム３とヘッド４との相対的な位置及び姿勢（傾き、回転角度など）を自在に制御可能なユニットとして、様々な構成が適用可能である。
　また、上記実施形態では、フィラメントＦＬを含浸させる繊維として炭素繊維を採用したが、強化材として機能する繊維であればこれに限ることはない。例えば、ガラス繊維、樹脂繊維の採用も可能である。繊維は、互いに材質が異なる第１繊維と第２繊維を含むことができる。繊維は、材質は同様でかつ形状及び／又は構造や撚糸条件が互いに異なる第１繊維及び第２繊維を含むことができる。繊維は、３種類以上の繊維要素を含むこともできる。
　また、繊維導入装置９を複数設けて、フィラメントＦＬに複数の炭素繊維ＦＢを導入する構成としてもよい。この場合、一方の繊維導入装置９から炭素繊維ＦＢを導入し、他方の繊維導入装置９からガラス繊維を導入する構成としてもよい。このような構成とすることによって、例えば、剛性が要求される部位に炭素繊維を導入するとともに、延性が要求される部位にガラス繊維を導入することができる。
　図１８に示すように、炭素繊維ＦＢが収容されている所定のリール（ボビン）６１の回転（駆動力、制動力）を制御することによっても、炭素繊維ＦＢの張力を制御できる。すなわち、ノズル７内又はその近傍で、フィラメントＦＬと炭素繊維ＦＢとが結合しているとき、ノズル７内又はその近傍において炭素繊維ＦＢに保持力が作用する。この状態において、例えば、リール６１の回転を固定する、又はリール６１の制動力を適切に制御することにより、炭素繊維ＦＢの張力が維持される。この場合、切断ユニット１０Ｂを用いてプリント材料ＰＭを切断した後であっても、炭素繊維ＦＢの先端位置を維持可能である。再び、フィラメントＦＬがフィードされる際に、リール６１における先の固定制御を解除する。その結果、フィラメントＦＬのフィードに伴い、炭素繊維ＦＢもフィードされる。なお、固定制御の解除を行わない場合には、後述するように、炭素繊維ＦＢはフィードが防止され、フィラメントＦＬのみがプラットフォーム３上に供給される。あるいは、炭素繊維ＦＢに強い張力が作用して繊維ＦＢが切断される。
　一例において、繊維ＦＢとフィラメントＦＬとの結合状態が比較的弱い場合、リール６１の角速度（リール６１の回転に伴って繊維ＦＢがフィードされる速度）をフィラメントＦＬのフィード速度に比べて少し小さくしておくことにより、繊維ＦＢに継続的に所定の張力が提供された状態を維持することが可能である。炭素繊維ＦＢが適切な張力を有してフィードされることにより、炭素繊維ＦＢのねじれが防止される。
　一例において、繊維ＦＢとフィラメントＦＬとの結合状態が比較的強い場合、通常のモードにおいて、ノズル７の移動速度（ヘッド４とプラットフォーム３との間の相対速度）が炭素繊維ＦＢのフィード速度と一致するように制御することができる。一方、繊維ＦＢのフィード速度がノズル７の移動速度に比べて低い場合、繊維供給不足に伴って繊維ＦＢに強い張力が提供されて繊維ＦＢが切断される。
　この場合、図１９に示すように、ノズル７の先端近傍にブレード７１を配置することにより、繊維ＦＢの切断が促進される。一例において、ブレード７１は、ノズル７を覆うように配置される筒体７３の一端に設けられる。ブレード７１は、周方向にわたって鋭角が設けられた角部（刃部）を有する。この形態では、ブレード７１による切断の促進により、切断時の張力が比較的低く設定され、切断時の強い張力に伴う繊維ＦＢの不具合の発生が防止される。また、この形態では、構成部品が少なく、切断装置の構成の簡素化が図られる。
　図１８に戻り、繊維ＦＢとフィラメントＦＬとの結合状態が比較的弱い場合、炭素繊維ＦＢが収容されているリール６１の回転（駆動力、制動力）を制御することにより、樹脂に対する繊維の含有率（繊維含有率）を調整可能である。積層プロセスの一例において、リール６１の角速度（リール６１の回転に伴って繊維ＦＢがフィードされる速度）がゼロのとき、繊維ＦＢとフィラメントＦＬとの結合状態が解けて、ノズル７からフィラメントＦＬだけがプラットフォーム３上に供給される。その結果、対応積層箇所における繊維含有率はゼロとなる。リールの角速度がフィラメントＦＬのフィード速度と同じとき、対応積層箇所における繊維含有率が最大となる。
　なお、上記実施形態で製造される繊維入りオブジェクトは、少なくとも一部が繊維により強化されたプラスチックにできる。繊維強化プラスチックとして、例えば、ＣＦＲＰ（Carbon-fiber-reinforced plastic）、ＣＦＲＴＰ（Carbon-fiber-reinforced thermoplastics）、ＦＲＰ（Fiber-reinforced plastic、ＧＦＲＰ（Glass fiber-reinforced plastic））、ＡＦＲＰ（Aramid fiber-reinforced plastic）、ＢＦＲＰ（Boron fiber-reinforced plastic）などが挙げられる。
　繊維は強化材として機能することに限定されない。繊維により付加／制御される機能として、例えば、物理的機能（剛性、重量、柔軟性、靱性、伸び性、弾力性、曲げ強さ、部分的な補強（密度、組織構造による強度）、耐摩耗性など）、電気的機能（帯電性、導電性など）、光学的機能（透過性、光沢、色彩、紫外線カット、反射、文字、柄、外観性など）、化学的機能（難燃性、抗菌性、耐酸性、耐アルカリ性、耐薬品性、物質吸収性、金属吸着性、耐候性、熱特性、保温性、保冷性など）が挙げられる。
　また、上記実施形態では、フィラメントＦＬを構成するベース材としての樹脂として熱可塑性樹脂を用いたが、人為的に軟化状態と硬化状態とを制御することができれば、他の樹脂の採用も可能である。例えば、光硬化性樹脂を採用して、軟化状態の樹脂を光エネルギーの作用で硬化させてもよい。ベース材としての樹脂は、互いに材質が異なる第１樹脂と第２樹脂を含むことができる。また、ベース材としての樹脂は、材質は同様でかつ形状及び／又は構造が互いに異なる第１樹脂及び第２樹脂を含むことができる。ベース材としての樹脂は、３種類以上の樹脂要素を含むこともできる。
　また、上記の実施形態では、第１連続材料としてのフィラメントＦＬと第２連続材料としての炭素繊維ＦＢが個別にヘッド４にフィードされ、ノズル７の内部又はその近傍でフィラメントＦＬと炭素繊維ＦＢが結合される。別の実施形態において、結合位置をヘッド４に対して後方（上流）で結合する構成を適用できる。あるいは、予めフィラメントＦＬと炭素繊維ＦＢとが結びついた連続材料がヘッド４にフィードされる構成を適用できる。
　図２０に示すように、システム１は、フィラメントＦＬに対して繊維ＦＢが交差した状態で、フィラメントＦＬ（第１連続材料）に対して繊維ＦＢ（第２連続材料）がフィードされるように繊維ＦＢを案内する案内部（conductor, fiber conductor, interlacer, entangler, engager, enlace member）８１をさらに有することができる。一例において、１つの連続するフィラメントＦＬに対して、１つの連続する繊維、又は複数の連続する繊維が供給される。フィラメントＦＬに対する繊維ＦＢ（第１繊維ＦＢ１、第２繊維ＦＢ２）の交差角度α、βは、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０°、又はそれ以上にできる。図２０（ｃ）に示すように、フィラメントＦＬに対する、第１繊維ＦＢ１の交差角度αと、第２繊維ＦＢ２の交差角度βとは、実質的に同じにできる。図２０（ｄ）に示すように、フィラメントＦＬに対する、第１繊維ＦＢ１の交差角度αと、第２繊維ＦＢ２の交差角度βとは、異なるようにできる。交差状態での繊維ＦＢのフィードは、フィラメントＦＬに対する繊維ＦＢの係合や、フィラメントＦＬによる繊維ＦＢの保持の安定化に有利である。
　一実施形態において、フィラメントＦＬに対して繊維ＦＢが絡むように案内部８１を構成できる。あるいは、フィラメントＦＬに対して繊維ＦＢが縫い付けられるように又は編み込まれるように案内部８１を構成できる。あるいは、フィラメントＦＬに対して繊維ＦＢの係合を促すように案内部８１を構成できる。
　図２１（ａ）において、案内部８１は、フィラメントＦＬを通す孔１７１が設けられた部材１７２において入口ポート１７３に設けられた斜面（傾斜周面、又は湾曲面（傾斜曲面））１７４を有する。一例において、斜面１７４に沿って繊維ＦＢが案内される。斜面１７４に沿った繊維ＦＢがフィラメントＦＬに対して交差した状態で、フィラメントＦＬに対して繊維ＦＢがフィードされる。図２１（ｂ）において、案内部８１は、ノズル部材１７２において入口ポート１７３の近傍に設けられた溝１７５を有する。一例において、溝１７５の底面に沿って繊維ＦＢが案内される。図２１（ｃ）において、案内部８１は、ノズル部材１７２において入口ポート１７３の近傍に設けられた孔１７６を有する。一例において、孔１７６に沿って繊維ＦＢが案内される。
　図２２（ａ）において、案内部８１は、フィラメントＦＬに対して繊維ＦＢの一部を留める（タックする）ように構成されたタッカー１８１を有する。一例において、タッカー１８１は、タックピン（又はタックブレード）１８２と、タックピン１８２を駆動するドライバ１８３とを有する。必要に応じて、タッカー１８１は、タックピン１８２の少なくとも一部を加熱するヒータ１８４を有することができる。繊維ＦＢの一部がフィラメントＦＬに埋め込まれることにより、繊維ＦＢの一部がフィラメントＦＬに留められる。こうしたタックプロセスにより、フィラメントＦＬに対する繊維ＦＢの係合が促される。追加的に、フィラメントＦＬの表面上の繊維ＦＢの一部の上に樹脂ピースを載せることもできる。その樹脂ピースをタックピン１８２で押圧することにより、フィラメントＦＬに対する繊維ＦＢの係合がさらに促される。また、ヒータ１８４によってフィラメントＦＬ（及び／又は樹脂ピース）を一時的に軟化／溶融させることにより、フィラメントＦＬに対する繊維ＦＢの係合がさらに促される。追加的及び／又は代替的に、接着剤を用いて、フィラメントＦＬに対する繊維ＦＢの係合を促すことができる。
　図２２（ｂ）において、案内部８１は、フィラメントＦＬに繊維ＦＢを絡ませるように構成されたインターレーサ（interlacer, entangler, engager, enlace member）１９１を有する。一例において、インターレーサ１９１は、フィラメントＦＬにフック孔及び／又はフック溝を設けるための針１９２と、針１９２を駆動するドライバ１９３とを有する。必要に応じて、インターレーサ１９１は、針１９２の少なくとも一部を加熱するヒータ１９４を有することができる。また、インターレーサ１９１は、繊維ＦＢを案内する案内部材１９５、針１９２に繊維ＦＢを通すスレッダ１９６、及び針１９２に対して繊維ＦＢを保持するホルダ１９７の少なくとも１つを有することができる。また、インターレーサ１９１は、針１９２を介して供給される繊維ＦＢ１（ＦＢ）と組み合わされる別の繊維ＦＢ２（ＦＢ）を供給するフック（例えばロータリフック）１９８を有することができる。
　図２３（ａ）の一例において、フィラメントＦＬを軸方向にフィードしながら、案内部８１の少なくとも一部（部材１７２）をフィラメントＦＬの軸周りで回転させることができる。こうした相対移動（相対位置関係の変化）により、繊維ＦＢとフィラメントＦＬとの案内部８１を介した交差状態が変化する。本例において、交差状態の変化に伴い、繊維ＦＢがフィラメントＦＬに巻きつけられる。制御装置５は、案内部８１を介した交差状態が変化している状態でプリント材料ＰＭがヘッド４からプラットフォーム３に向けてフィードされるように、部材１７２用のドライバ１７８を含む動作装置を制御する。フィラメントＦＬと繊維ＦＢとの結合と、繊維ＦＢを含むプリント材料ＰＭの供給とが同時に実行される。繊維ＦＢがフィラメントＦＬに巻きつきながらノズル７にフィードされる。繊維ＦＢを含むプリント材料ＰＭがノズル７からプラットフォーム３上にフィードされる。フィラメントＦＬのフィード速度に対して、相対移動の速度を調整することにより、フィラメントＦＬのフィード速度に対する繊維ＦＢのフィード速度が変化する。その結果、樹脂に対する繊維の含有率（プリント材料ＰＭにおける繊維含有率）を変化させることができる。
　図２３（ｂ）の一例において、フィラメントＦＬを軸方向にフィードしながら、案内部８１の少なくとも一部（針１９２）のフィラメントＦＬに対する位置（少なくとも、フィラメントＦＬの軸方向と直交する方向の位置）を変化させることができる。こうした相対移動（相対位置関係の変化）により、繊維ＦＢとフィラメントＦＬとの案内部８１を介した交差状態が変化する。本例において、交差状態の変化に伴い、繊維ＦＢがフィラメントＦＬに織り込まれる。制御装置５は、案内部８１を介した交差状態が変化している状態でプリント材料ＰＭがヘッド４からプラットフォーム３に向けてフィードされるように、針１９２用のドライバ１９３を含む動作装置を制御する。フィラメントＦＬと繊維ＦＢとの結合と、繊維ＦＢを含むプリント材料ＰＭの供給とが同時に実行される。繊維ＦＢがフィラメントＦＬに織り込まれながらノズル７にフィードされる。繊維ＦＢを含むプリント材料ＰＭがノズル７からプラットフォーム３上にフィードされる。フィラメントＦＬのフィード速度に対して、相対移動の速度を調整することにより、フィラメントＦＬのフィード速度に対する繊維ＦＢのフィード速度が変化する。その結果、プリント材料ＰＭにおける繊維含有率を変化させることができる。
　図２４（ａ）の一例に示すように、システム１は、１つのフィラメント（第１連続材料）ＦＬに対して、複数の繊維（複数の第２連続材料）ＦＢ１、ＦＢ２をフィードするように構成できる。図２４（ｂ）に示すように、システム１は、１つのノズル７に対して、複数のフィラメント（複数の第１連続材料）ＦＬ１、ＦＬ２、ＦＬ３をフィードするように構成できる。
　図２５（ａ）に示すように、システム１は、２つのノズル７Ａ，７Ｂを有するヘッド４を有することができる。一例において、ノズル７Ａの近傍には、前方切断位置（下流切断位置）を有する切断ユニット１０ＢＡが配置されている。ノズル７Ｂの近傍には、前方切断位置（下流切断位置）を有する切断ユニット１０ＢＢが配置されている。一例において、ノズル７Ａから繊維を含むプリント材料ＰＭ１がフィードされ、ノズル７Ｂから繊維を含まないプリント材料ＰＭ２がフィードされる。切断ユニット１０ＢＡ、１０ＢＢは、制御装置５からの指示に基づくタイミングで、個別にプリント材料ＰＭ１、ＰＭ２を切断することができる。代替的に、１つのヘッドに設けられるノズルの数は３以上にできる。
　図２５（ｂ）に示すように、システム１は、ノズル７Ａ，７Ｂをそれぞれ有する２つのヘッド４Ａ、４Ｂを有することができる。一例において、ノズル７Ａの近傍には、前方切断位置（下流切断位置）を有する切断ユニット１０ＢＡが配置されている。ノズル７Ｂの近傍には、前方切断位置（下流切断位置）を有する切断ユニット１０ＢＢが配置されている。一例において、ノズル７Ａから繊維を含むプリント材料ＰＭ１がフィードされ、ノズル７Ｂから繊維を含まないプリント材料ＰＭ２がフィードされる。切断ユニット１０ＢＡ、１０ＢＢは、制御装置５からの指示に基づくタイミングで、個別にプリント材料ＰＭ１、ＰＭ２を切断することができる。代替的に、１つのシステム１におけるヘッドの数は３以上にできる。
　以上、代表的な様々な実施形態の内容について開示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。本発明は、添付の請求の範囲に規定された、本発明の精神と範囲内にあるすべての変形、代替、及び等価物を含むものとする。
　１…成形装置（３Ｄプリンタ、三次元プリンティングシステム）、２…ケーシング、３…プラットフォーム（支持部材）、４…ヘッド（プリンタヘッド）、５…制御装置（コントローラ）、７…ノズル、８…材料フィード装置（樹脂押込装置）、９…繊維導入装置、１０…切断装置（切断ユニット）、１１…プラットフォーム駆動装置、１３…ヘッド駆動装置、１４…Ｘ軸駆動装置、１５…Ｙ軸駆動装置、１６…フィラメント駆動ローラ、１７…モータ、１８…繊維駆動ローラ（繊維送り装置）、１９…モータ、２１…フィラメント加熱装置、２２…筒部、２３…先端部、２５…サポート部材、Ｂ…板状の部位、Ｈ…ハニカム構造、ＦＢ…炭素繊維（繊維）、ＣＦ…炭素繊維、ＣＰ…繊維部、ＦＬ…フィラメント（線状の樹脂）、ＲＰ…樹脂部

Claims (16)

  1. 　樹脂を含む第１連続材料と繊維を含む第２連続材料とがフィードされるヘッドと、
    　前記ヘッドからの、前記第１及び第２連続材料に基づくプリント材料が積層されるプラットフォームと、
    　少なくとも前記繊維を切断可能な切断装置と、
    　前記ヘッドと前記プラットフォームと前記切断装置との少なくとも１つを含む動作装置を制御するコントローラと、
    　を備える、三次元プリンティングシステム。
  2. 　前記切断装置は、前記第１連続材料と前記第２連続材料とが結びつく結合位置に対して、後方に配される後方切断位置、及び前方に配される前方切断位置の少なくとも１つを有する、請求項１に記載の三次元プリンティングシステム。
  3. 　前記動作装置は、前記第１連続材料のための第１フィーダと、前記第２連続材料のための第２フィーダとをさらに含み、
    　前記コントローラは、前記第１フィーダと前記第２フィーダとを個別に制御する、
    　請求項１又は請求項２に記載の三次元プリンティングシステム。
  4. 　前記動作装置は、前記第１連続材料に対して前記第２連続材料が交差した状態で前記第１連続材料に対して前記第２連続材料がフィードされるように、前記第２連続材料を案内する案内部をさらに含み、
    　前記コントローラは、前記案内部を介した前記交差状態が変化している状態で前記プリント材料が前記ヘッドから前記プラットフォームに向けてフィードされるように、前記動作装置を制御する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の三次元プリンティングシステム。
  5. 　前記コントローラは、前記繊維の配合状態が互いに異なる第１部分と第２部分とを有する積層物が形成されるように、前記動作装置を制御する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の三次元プリンティングシステム。
  6. 　前記配合状態は、（ａ）単位体積当たりの樹脂に含まれる繊維の量、（ｂ）繊維の連続長さ、（ｃ）繊維の向き、（ｄ）繊維の組織構造、（ｅ）繊維に対する樹脂の含浸率、及び（ｆ）ボイド率、の少なくとも１つを含む、請求項５に記載の三次元プリンティングシステム。
  7. 　前記動作装置は、前記樹脂を加熱する第１加熱ユニットと、前記第１加熱ユニットとは別に設けられ、前記繊維を加熱する第２加熱ユニットとを有する、請求項１から請求項６いずれか一項に記載の三次元プリンティングシステム。
  8. 　前記第１連続材料と前記第２連続材料とが結びつく結合位置が前記ヘッドに対して後方に配される、又は、予め前記第１連続材料と前記第２連続材料とが結びついた材料が前記ヘッドにフィードされる、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の三次元プリンティングシステム。
  9. 　（ａ）三次元モデルデータを用意する工程と、
    　（ｂ）三次元モデルデータに基づいて、プリント材料を積層する工程であり、
    　　（ｂ１）樹脂を含む第１連続材料と繊維を含む第２連続材料とをヘッドにフィードする工程と、
    　　（ｂ２）前記ヘッドからの、前記第１及び第２連続材料に基づくプリント材料をプラットフォーム上に積層する工程と、
    　　（ｂ３）少なくとも前記繊維を切断する工程と、
    　　を有する前記工程と、
    　を含む、三次元プリンティング方法。
  10. 　三次元プリンティングシステムを用いて形成された積層構造を有し、
    　前記積層構造は、前記繊維の配合状態が互いに異なる第１部分と第２部分とを有する、繊維入りオブジェクト。
  11. 　前記積層構造は、（ａ）前記繊維の配合状態が互いに異なる複数の層、及び（ｂ）前記繊維の配合状態がその層内で部分的に異なる層、の少なくとも１つを有する、請求項１０に記載の繊維入りオブジェクト。
  12. 　三次元モデルデータを用意する工程と、
    　前記三次元モデルデータに基づいて、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の三次元プリンティングシステムを用いて積層物を形成する工程と、
    　を含む、繊維入りオブジェクトの製造方法。
  13. 　支持部材と、
    　前記支持部材の上に線状の樹脂を連続して配置した後、固化させることによって構造物を形成する成形装置において、
    　前記線状の樹脂内に連続的に形成された繊維を導入する繊維導入装置と、
    　前記繊維を切断する切断装置と、を有することを特徴とする成形装置。
  14. 　前記線状の樹脂を押し込む樹脂押込装置と、
    　前記樹脂押込装置の下流側に配置され、前記線状の樹脂を加熱する加熱装置と、を有し、
    　前記繊維導入装置は、前記繊維を前記樹脂押込装置と前記加熱装置との間から導入するように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の成形装置。
  15. 　前記繊維導入装置は、前記繊維を送る繊維送り装置を有することを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の成形装置。
  16. 　前記構造物において、前記繊維が導入される繊維部と、前記樹脂のみにて形成される樹脂部とが設けられるように、前記切断装置を制御する制御装置を有することを特徴とする請求項１３から請求項１５のいずれか一項に記載の成形装置。
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