JP2021533017A - 金属基複合材料製３次元物体の製造装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】補強材料と押出可能材料で作られる層の堆積から３次元物体を製造する方法が説明される。【手段】当該装置は、前記補強材料を運搬するように構成される長手孔を有して前記長手孔の外部に少なくとも一部を前記押出可能材料を運搬するように構成される供給部を含む押出アセンブリと、前記補強材料を前記押出アセンブリへ駆動する補強材料駆動機構と、補強材料と押出可能材料の層が上に堆積される構築プラットフォームを備える。

Description

優先権主張

本願は２０１８年７月３１日に出願された米国特許仮出願第６２／７１２６７１号に基づく優先権を主張する。その明細書のすべては本願に組み込まれる。

開示されている対象は概して３次元製造装置に関する。より詳細には開示されている対象は、材料層の堆積を利用して３次元物体を製造する３次元製造装置に関する。

熱溶融積層方式等は、熱可塑性材料等から３次元物体を製造する方法である。この方法を利用する機械は、材料の線を堆積して層を組み込むことによって３次元物体を製造することができる。他方これらのポリマー系の方法は長年絶えず開発され続けてきたが、ポリマー系システムに適用可能な物理的原則には困難―たとえば金属系材料との操作での欠陥並びに３次元物体の構造及び／又は強度における制約に関するもの―が伴う。

発明が解決する課題

従って、既存の装置内に存在する困難に対応するように３次元製造装置―一般的に３Ｄプリンタ、堆積製造装置等と呼ばれる―を改良する必要がある。

本開示の実施形態によると、補強材料と押出可能材料で作られる層の堆積から３次元物体を製造する装置が供される。当該装置は、前記補強材料を運搬するように構成される長手孔を有して前記長手孔の外部に少なくとも一部を前記押出可能材料を運搬するように構成される供給部を含む押出アセンブリと、前記補強材料を前記押出アセンブリへ駆動する補強材料駆動機構と、補強材料と押出可能材料の層が上に堆積される構築プラットフォームを備える。

本願の態様によると、前記押出アセンブリは、内部孔、上流端、及び下流端を有するバレルと、前記内部孔内で回転可能に設けられてねじ山及び長手孔を有するスクリューをさらに備える。前記スクリューは、前記長手孔を介して前記補強材料を前記下流端へ向けて運搬し、かつ、前記ねじ山によって前記スクリューと前記内部孔との間に設けられる前記押出可能材料を前記下流端へ運搬するように構成される。

本願の態様によると、当該装置は、前記押出アセンブリに取り付けられるセンサをさらに備える。前記センサは、ａ）押出力及びｂ）前記押出可能材料全体にわたって当該装置によって印加される押出圧力のうちの少なくとも１つを設定するための前記スクリューによって生じる力を測定する。

本願の態様によると、前記押出アセンブリは、前記バレルの前記下流端に取り付けられて流出口を有するノズルをさらに備える。前記ノズルは、前記流出口を介して前記スクリューによって運搬される前記押出可能材料と前記補強材料を同時に供給するように構成される。

本願の態様によると、前記補強材料駆動機構は、間に前記補強材料が導入される複数のローラーを備える。前記複数のローラーの少なくとも１つは動力化されるので、前記補強材料を前記押出アセンブリへ駆動する。

本願の態様によると、当該装置は、前記押出アセンブリの上流からある長さの前記補強材料を切断する切断部をさらに備える。

本願の態様によると、当該装置は、流入口、流出口、及び前記流入口を前記流出口へ接続して流体をやり取りするチャネルを有する押出ヘッドをさらに備える。それにより押出可能材料の流れが供されるとき、前記押出可能材料の流れは下流方向に進行する。

本願の態様によると、前記押出ヘッドは、前記チャネル内に位置するプラグをさらに備える。前記プラグは、ａ）前記押出ヘッドの前記流入口と前記流出口との間で前記材料の流れを阻止する流れない位置、及び、ｂ）前記押出ヘッドの前記流入口から前記流出口への前記材料の流れを可能にする他の位置のいずれか一において動作可能である。

本願の態様によると、前記押出ヘッドは、前記下流方向に抗して前記プラグを押す偏向印加手段さらに備える。流れのないときの圧力よりも大きな前記プラグに抗する圧力は前記変更印加手段を押し戻す。その結果前記プラグは、前記流れない位置を離れることで、前記材料の流れを前記押出ヘッドの前記流出口へ到達させることを可能にする。

本願の態様によると、前記押出ヘッドは前記押出アセンブリに取り付けられ、かつ、前記プラグは、前記変更印加手段によって押されて前記押出アセンブリへ向かう球形状の表面を有する。

本開示の実施形態によると、押出可能材料と補強材料の複数の層を堆積することによって３次元物体を製造するように構成される装置に取り付けられる押出アセンブリが供される。前記押出アセンブリは、内部孔、上流端、及び下流端を有するバレルと、前記内部孔内で回転可能に設けられてねじ山及び長手孔を有するスクリューと、前記バレルの前記下流端に取り付けられて流出口を有するノズルをさらに備える。前記スクリューは、前記長手孔を介して前記補強材料を前記下流端へ向けて運搬し、かつ、前記ねじ山によって前記スクリューと前記内部孔との間に設けられる前記押出可能材料を前記下流端へ運搬するように構成される。前記ノズルは、前記流出口を介して前記スクリューによって運搬される前記押出可能材料と前記補強材料を同時に供給するように構成される。

本願の態様によると、前記スクリューは軸を有し、かつ、前記長手孔は前記スクリューの軸と同軸である。

本願の態様によると、前記スクリューは長さを有し、かつ、前記長手孔は前記スクリューの長さにわたって延びる。

本願の態様によると、前記スクリューはスクリューの長さとねじ山が切られた長さを有し、かつ、前記ねじ山の長さは前記スクリューの長さよりも短い。

本願の態様によると、前記スクリューは、軸、ねじ山の長さ、及び、前記軸から前記ねじ山の半径方向の延びに基づいて測定される長直径を有し、かつ、前記長直径は前記ねじ山の長さにわたって一定である。

本願の態様によると、前記スクリューはねじ山が切られた長さを有し、かつ、前記ねじ山は、前記ねじ山が切られた長さにわたって一定であるねじ山角を有する。

本願の態様によると、前記スクリューは、軸、ねじ山が切られた長さ、シャフト、及び前記軸からの前記シャフトの半径方向の延びに基づいて測定された短直径を有し、かつ、前記短直径は、前記シャフトが下流に延びるにつれて前記ねじ山が切られた長さにわたって増大する。

本願の態様によると、前記スクリューは、軸、シャフト、及びねじ山が切られた長さを有し、前記内部孔と共に前記軸を含む平面上の領域の複数の運搬空間を画定し、かつ、前記複数の運搬空間のうちの第１運搬空間の領域は前記複数の運搬空間のうちの第２運搬空間の領域よりも小さく、前記第１運搬空間は前記第２運搬空間に対して下流に位置する。

本願の態様によると、前記スクリューは、前記下流端の周囲に錐体ヘッドをさらに備える。

本願の態様によると、前記スクリューは、ねじ山が切られた長さ及び該ねじ山が切られた長さにわたって最大の直径を有するシャフトを有し、かつ、前記錐体ヘッドの最大直径は前記シャフトの最大直径よりも短い。

本願の態様によると、前記スクリューは接触面を有し、かつ、前記接触面を介して駆動される。

本開示の実施形態によると、押出可能材料と補強材料の複数の層を堆積することによって３次元物体を製造するように構成される装置に取り付けられる押出アセンブリが供される。当該押出アセンブリは、内部孔、上流端、及び下流端を有するバレルと、少なくとも一部が前記内部孔内に取り付けられて長手孔を有し、前記長手孔を介して前記補強材料を前記下流端へ向けて運搬し、かつ、前記内部孔内部で前記長手孔を排除する前記押出可能材料を前記下流端へ運搬するように構成される供給部と、前記バレルの前記下流端に取り付けられて流出口を有し、前記流出口を介して前記供給部によって運搬される前記押出可能材料と前記補強材料を同時に供給するように構成されるノズルを備える。

本開示の実施形態によると、押出可能材料と補強材料の複数の層を堆積することによって３次元物体を製造する装置が供される。当該装置は、前記補強材料を運搬するように構成される長手孔を有し、かつ、前記長手孔外部に前記押出可能材料を運搬するように構成される供給部を含む押出アセンブリと、前記押出アセンブリが取り付けられるフレームと、補強材料と押出可能材料の層が上に堆積される構築プラットフォームと、前記補強材料を前記押出アセンブリへ駆動する補強材料駆動機構と、前記押出アセンブリと流体をやり取りして前記押出可能材料を貯蔵するホッパーを備える。

本開示の実施形態によると、押出可能材料を用いて３次元物体を製造する装置が供される。当該押出アセンブリは、内部孔、上流端、及び下流端を有するバレルと、前記内部孔内で回転可能に設けられるスクリューであって該スクリューと前記内部孔との間に設けられる前記押出可能材料を前記下流端へ運搬するように構成されるスクリューと、前記スクリューへ機能的に取り付けられて、ａ）前記押出可能材料全体にわたって当該装置によって印加される押出力及びｂ）前記押出可能材料全体にわたって当該装置によって印加される押出圧力のうちの少なくとも１つを設定するための前記スクリューによって生じる力を測定するセンサを備える。

本願の態様によると、当該装置はフレームを備え、前記スクリューは上端と下端を有し、前記スクリューは前記上端にて前記フレームに取り付けられ、かつ、前記センサは前記上流端及び前記フレームに取り付けられる。

本開示の実施形態によると、押出可能材料流を用いて３次元物体を製造する装置用押出ヘッドが供される。当該押出ヘッドは、流入口、ノズル流出口、及び、前記押出可能材料流が前記流入口から前記ノズル流出口へ下流方向に進行するように前記ノズル流出口と前記流入口とを流体がやり取りするように接続するチャネルを有する本体部と、前記チャネル内に位置して、ａ）当該押出ヘッドの前記流入口と前記ノズル流出口との間で前記材料の流れを阻止する流れない位置、及び、ｂ）当該押出ヘッドの前記流入口から前記ノズル流出口への前記材料の流れを可能にする他の位置のいずれか一において動作可能なプラグと、前記下流方向に抗して前記プラグを押す偏向印加手段を備える。流れのないときの圧力よりも大きな前記プラグに抗する圧力は前記変更印加手段を押し戻す。その結果前記プラグは、前記流れない位置を離れることで、前記材料の流れを前記押出ヘッドの前記流出口へ到達させることを可能にする。

本願の態様によると、前記押出ヘッドは前記押出アセンブリに取り付けられ、かつ、前記プラグは、前記変更印加手段によって偏向方向に押されて前記押出アセンブリへ向かうことで、前記偏向方向と反対の方向に前記押出可能材料によって印加される圧力に依存して、前記押出可能材料の通過を阻止するか、又は、前記押出可能材料を運搬する球形状の表面を有する。

本開示の対象の特徴及び利点は、添付図面に表されているように、以降の選択された実施形態の詳細な説明に照らしてより明らかになる。やがて実現されるように、開示及び請求項に記載されている対象はすべて、請求項の技術的範囲から逸脱することなく様々な点において修正型をなし得る。したがって図面及び明細書は本質的には例示とみなされるべきであって限定ではない。対象の全範囲は請求項中で規定される。

本開示のさらなる特徴及び利点は、添付図面と以降の詳細な説明から明らかになる。
従来技術による３次元製造装置の部分断面斜視図である。 第１実施形態による図１の３次元製造装置の押出アセンブリの断面図である。 他の実施形態による図１の３次元製造装置の押出アセンブリの断面図である。 本開示の実施形態による図１の３次元製造装置の押出ヘッドの断面図である。 本開示の実施形態による図２のコンベヤスクリューの他端の部分断面図である。 コンベヤスクリューの上流端に補強材料を用いる３次元製造装置の一部の側面図である。 本開示の実施形態による３次元製造装置の押出ヘッドの断面図である。またＡとＢはそれぞれ、阻止された流れと障害のない流れに対応する構成を表している。 本開示の実施形態によるコンベヤスクリューの側面図である。

添付図面全体を通じて同様の特徴部には同様の参照番号が付されていることに留意して欲しい。

ここで本開示の実施形態について、好適実施形態が図示された添付図面を参照しながら以降でより十分に説明する。しかし上記事項は、多くの異なる形式で実施可能で、表されている実施形態に限定されると解されてはならない。

本願明細書について、明記されていないか、あるいは文章から明らかでない限り、単数形の事項は複数形を含むし、逆も真なりである。文法上の接続詞は、明記されているか文脈から明らかな場合を除いて、一緒にされた節、文、語等の任意かつすべての分離的及び共同的結合を表すことを意図する。よって「又は」は一般的に「及び／又は」を意味すると解されなければならない。

本明細書の値の範囲の列挙は、限定することを意図せず、代わりに、本明細書に別段の記載がない限り、範囲内にあるすべての値を個別に参照し、そのような範囲内の個々の値は、個別に記載されているかのように仕様に組み込まれる。ここに。数値を伴う場合、「約」、「ほぼ」などの単語は、意図された目的のために十分に動作するために当業者によって理解されるような逸脱を示すと解釈されるべきである。値および／または数値の範囲は、本明細書では例としてのみ提供されており、記載された実施形態の範囲に対する制限を構成するものではない。本明細書で提供される任意のすべての例または例示的な言語（「例えば」、「など」など）の使用は、単に実施形態をよりよく照らすことを意図しており、実施形態の範囲に制限をもたらさない。明細書のいかなる文言も、実施形態の実施に不可欠であるとして請求されていない要素を示すと解釈されるべきではない。

以下の説明において、「第１」、「第２」、「上」、「下」、「上」、「下」などの用語は、便宜上の言葉であり、限定用語として解釈されるべきではないことが理解される。

以下の説明は、熱溶解積層法または同様の技術を使用して、材料が「道路」、「経路」などの一連の層状の二次元パターンで押し出されて、デジタルから三次元オブジェクトを形成する三次元製造装置を強調する。しかしながら、マルチジェット印刷、ステレオリソグラフィー、デジタルライトプロセッサ（「ＤＬＰ」）三次元印刷、選択的レーザー焼結などを含むがこれらに限定されない多くの積層造形技術が当技術分野で知られていることが理解されよう。そのような技術は、より具体的な意味が明示的に提供されているか、文脈から明らかでない限り、以下に説明するシステムおよび方法から利益を得る可能性があり、そのようなすべての印刷／製造技術は、本開示の範囲内で、かつ、および「プリンタ」、「三次元プリンタ」、「製造システム」等の範囲内である。

図１を参照すると、３次元製造装置１００が、構築プラットフォーム１０２と、押出アセンブリ１２０と、Ｘ−Ｙ−Ｚ位置設定アセンブリ１０４と、３次元製造装置１００の作業体積内で３次元物体１１０を製造するこれまでの部品を制御する制御装置１０６を有することを当業者は理解する。より詳細には本開示の説明は３次元製造装置１００の押出アセンブリ１２０に関する。押出アセンブリ１２０は、押出可能材料２９０（押出可能材料２９０が押出アセンブリ１２０へ供給される連続の細片又は膜で構成される具体的な非限定的実施形態によって示される）を第１の固体状態から、押出可能材料２９０が２次元パターンの層を連続して重ね合わせるように堆積される第２の押出可能状態へ変換する。

ここで図２を参照すると、押出可能材料２２０を押し出すように構成される押出アセンブリ２００の概略的断面図が示されている。押出アセンブリ２２０は、３次元製造装置１００又は上述した類似の装置及びプリンタに取り外し可能かつ交換可能な状態で結合され得るモジュール型押出アセンブリであってよい。記載されていないが、本願明細書は、押出アセンブリ２００が３次元製造装置１００の他の部材と協働するモジュールとして取り付けられるような様々な方法によって取り付けられる押出アセンブリ２００を網羅する。これらの手法は当業者の一般的知識の一部であり、かつ、他の手法よりも一の手法を選択することは設計変更である。よって動作中に押出に関連する力に抗するときの押出アセンブリ２００の変位に関する要求を尊重する押出アセンブリ２００の取り付けに係る要求を満たすことが可能ないかなる手法も本願の押出アセンブリ２００に関して適切であると考えられることに留意して欲しい。押出アセンブリ２００は、押出可能材料２２０を押し出し、かつ、押出可能状態２２１で押出可能材料２２０を排出するように設計されるノズル２０４を有する押出ヘッド２０２を備える。

押出アセンブリ２００は、押出可能状態２２１で押出可能材料２２０を押し出すように設計されるノズル２０４を有する押出ヘッド２０２を備える。押出アセンブリ２００はバケットコンパートメント２０８―たとえばホッパー―さらに備える。本開示の実施形態によるバケットコンパートメント２０８は、固体状態の押出可能材料２２０が供される場合に粉末、ペレット、又はビーズ状態の押出可能材料２２０を含む。押出アセンブリ２００は、ノズル２０４へ運搬される押出可能材料２２０を押出温度まで加熱可能な加熱部２４０をさらに備える。押出アセンブリ２００は、バケットコンパートメント２０８から加熱部２４０及び押出ヘッド２０２へ押出可能材料２２０を運搬する運搬手段２３０をさらに備える。押出アセンブリ２００は、ビーズ、ペレット、及び粉末状態の様々な材料が供給されるように設計される。バケットコンパートメント２０８及び該バケットコンパートメント２０８のコンベヤスクリュー２３２への接続は、これらの様々な材料が妨害されることなく進行するように構成される。コンベヤスクリュー２３２へ供給される材料の性質は固有の材料であってよい。本開示の実施形態によると、供給される材料（別名基本材料）は複数の材料の混合物―たとえば金属、及び、装置を通るときには柔らかくて一旦押し出されると固化する結合剤―である。その処理は、後で従来の処理によってばらばらにされて浸漬される「緑の」部分を生成する。加熱部２４０は、押出可能な材料の混合物によって要求される温度で動作するように構成される一方で、その材料の混合物の一部は、その混合物の成分が押出アセンブリ２００によって処理可能な温度で選ばれてよい。

本開示の実施形態によると、バケットコンパートメント２０８はまた、ホッパーと呼ばれてよいし、あるいはホッパーを備えてよい。ホッパーは、押出アセンブリ２００内のホッパーから該ホッパー中に含まれるビーズ、ペレット、又は粉末状態の押出可能材料２２０を運搬するために押出アセンブリ２００と流体をやり取りする。

本開示の実施形態によると、図２で表されているように、ホッパーは押出アセンブリ２００の近くに設けられてよい。本開示の実施形態によると、ホッパーは押出アセンブリ２００から離れた位置に設けられてよい。その場合、ホッパーと押出アセンブリ２００とを流体がやり取りするように接続する導管又は運搬手段が存在する。ホッパーと押出アセンブリ２００との間での圧力勾配に基づき、重力に従って動作する自然の流れに基づき、及び／又は、押出可能材料にわたって印加される力学的な力に従って、押出可能材料２２０はホッパーから導管又は運搬手段を通って運搬される。

本開示の実施形態によると、使用される材料は、熱可塑性材料―たとえばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ乳酸、ポリカーボネート、アクリロニトリルブタジエンスチレン、及びポリエステルエーテルケトン―を含む単一材料又は複数の熱可塑性材料の混合材料を含んでよい。材料は、結合剤―たとえばポリマー、ワックス、及びオイル―と混合されるときに使用可能な様々な粉末（金属、セラミックス）の混合物を含んでよい。金属射出成型供給材料―たとえば炭素鋼（１００８，１０１０，１０７０，１０８０）ステンレス鋼（１５−５ＰＨ，１７−４ＰＨ，３０３，３０４，３１６，４１０）、合金鋼（４１２０，４１３０，４３４０）―並びに他の金属及び合金―たとえばアルミニウム、銅、コバルト、チタン、及びタングステン―が用いられてよい。、ライア社（Ｒｙｅｒ Ｉｎｃ．：http://www.ryerinc.com/index.html）はそのような供給材料を供給する会社として非常に有名である。セラミックス―たとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）及びジルコニア（ＺｒＯ_２）―が供給材料して用いられ得る。インマテック（Ｉｎｍａｔｅｃ：http://www.inmatec-gmbh.com/cms/index.php/en/）は、セラミックスの供給材料を供給する会社としてよく知られたドイツ企業である。加熱部は、現在温度センサによって制限されている５００℃に到達可能である。

本開示の実施形態によると、運搬手段２３０は、加熱部２４０と同軸に設けられる、より詳細には加熱部２４０を貫通するコンベヤスクリュー２３２―別名スクリュー２３２―を備える。従って押出可能材料２２０は、加熱部２４０内部のコンベヤスクリュー２３２のねじ山２３４によって、下流方向の押出ヘッド２０２へ向けられる。より詳細には押出可能材料２２０は、コンベヤスクリュー２３２の表面と加熱部２４０の内壁２４２との間の空間内で運搬される。押出可能材料２２０は徐々に所望の温度へ加熱される。

前述した加熱部２４０は、内部孔３５８と、上流端３８２と、流体をやり取りするようにノズル２０４と接続する下流端３８４を有するバレル３５６を備えることに留意して欲しい。内部孔３５８は、コンベヤスクリュー２３２の動作、及び、ノズル２０４へ向かう押出可能材料の変位のための空間を提供する。

本開示の実施形態によると、バレル３５６は熱を発生させることが可能である。その結果上述の加熱部２４０となる。他の実施形態では、加熱は、別個の加熱部によってバレル３５６全体にわたってなされてよい。そのためバレル３５６は、上述した押出可能材料２２０が下流端３８４へ進行するための空間、及び、加熱源と前記空間内を進行する押出可能材料２２０との間での熱伝導を供する受動部品である。熱伝導の結果、押出可能材料２２０はバレル３５６内を進行する間に固体状態から液体の押出可能状態へ変化する。

本開示の実施形態によると、加熱部２４０は、コンベヤスクリュー２３２／３３２のねじ山が設けられた部分に沿って、コンベヤスクリュー２３２（又は後述するコンベヤスクリュー３３２）のねじ山が設けられた部分全体（後述）にわたって、又は、押出可能材料の短い進路にわたって押出可能材料を加熱する。

コンベヤスクリュー２３２は、ノズル２０４に接近し、ノズル２０４付近の、又はノズル２０４に隣接する押出端２３６―別名下流端２３６―と、バケットコンパートメント２０８がコンベヤスクリュー２３２の内部空間と接続する供給領域上方に位置する他端２３８―別名上流端２３８―を有する。コンベヤスクリュー２３２は、上流端２３８では供給領域２１８の上方へ駆動される。

従ってバケットコンパートメント２０８及び加熱部２４０の内壁２４２とノズル２０４との間の空間は、押出可能材料２２０が強制的に下流方向に運搬される通路２４４を画定する。その際、押出可能材料２２０は供給領域２１８内での供給状態から、ノズル２０４付近での押出可能状態へ変化する。その結果、ノズル２０４を介して押し出されるように準備される。

ここで図３を参照すると、他の実施形態による押出アセンブリ３００の断面図が示されている。押出アセンブリ３００は、外的な特性の少なくとも一部についてコンベヤスクリュー２３２と同様の特性を有するコンベヤスクリュー３３２を備える。コンベヤスクリュー３３２は、軸に沿って延びる導管３５０―別名長手孔３５０―さらに備える。導管３５０は、コンベヤスクリュー３３２の長さの上流端３３８から下流端３３６まで延びる。導管３５０は、補強材料２２２―たとえば金属（たとえば細線状の鋼又はタングステン）、リボン又は細線状のファイバ中のガラスと炭素、又は、ポリマー（たとえば同様の状態のケブラー（登録商標））―の通路を供するように構成される。補強材料２２２は、押出可能材料２２０と混合され、かつ、押出可能材料２２０と共に押し出される。押出アセンブリ３００は、コンベヤスクリュー３３２の上方又はノズル２０４の端部に位置する切断部３２０をさらに備える。たとえば剪断機構は、補強材料２２２の長さを切断するのに用いられる。長さは、押出可能材料２２０が３次元物体１１０を製造するために横たえる際に沿う経路に従って設計される。

ここでさらに図８を参照すると、コンベヤスクリュー２３２／３３２は大抵、バレル３５６の内部孔３５８内部で動作する。ねじ山３８６は、押出可能材料２２０を下流端３８４へ向けて下流方向へ押すように構成される。コンベヤスクリュー２３２／３３２は、下流端３８４から離れた上流端３８２を有する。コンベヤスクリュー２３２／３３２は、直接的又は間接的に―たとえばギア、ストラップ、非接触磁気駆動等を介して―回転駆動される。ねじ山３８６は、上流面３８８と下流面３９０を有する。上流面３８８は押出可能材料２２０と接触して、コンベヤスクリュー２３２／３３２の回転時に押出可能材料２２０を強制的に下流へ向ける。

図８では視認できないが、コンベヤスクリュー３３２は、長手孔（図６）と同軸の回転軸を有する。長手孔３５０は、コンベヤスクリュー３３２の長さ３８０にわたって延び、コンベヤスクリュー３３２のねじ山を備えない部分にわたって延びる。

さらにコンベヤスクリュー２３２／３３２は、スクリューの短直径３７６を画定するシャフト３７８を有する。コンベヤスクリュー２３２／３３２は、ねじ山３８６の端部３９２に従って画定されるスクリューの長直径３７４をさらに有する。回転軸を通る任意の平面に従って、スクリューの短直径３７６の表面、ねじ山３８６の上流面３８８、バレル３５６の内部孔３５８の対応する表面、及び隣接するねじ山３８６の下流面３９０は共に、コンベヤスクリュー２３２／３３２によって運搬される押出可能材料２２０によって占められるよって運搬空間３９４は、ピッチ３９６すなわち隣接するねじ山３８６同士の距離、ねじ山の角度、ねじ山の短直径３７６、及びねじ山の長直径３７４によって特徴づけられる。ねじ山の長直径３７４は、内部孔３５８の直径に対応するか、あるいは略内部孔３５８の直径である。

図示された実施形態によると、ねじ山３８６は、コンベヤスクリュー２３２／３３２の部分長さ３８１にわたって連続して延びる単一のらせんねじ山を備えてよい。

ねじ山３８６のピッチ３９６はさらに、コンベヤスクリュー２３２／３３２のねじ山部分にわたって一定であってよい。

ねじ山３８６は、コンベヤスクリュー２３２／３３２の長さに沿ったねじ山の位置にかかわらず一定の厚さ（ねじ山３８６の上流面３８８と下流面３９０との間の距離）をさらに有してよい。ねじ山３８６は、シャフト３７８からのねじ山３８６の遠さに関わらず一定の厚さをさらに有してよい。

本開示の実施形態（不図示）によると、ねじ山３８６の厚さの変化は、ねじ山３８６が下流へ延びる（厚さが増大する）、及び／又はシャフト３７８から遠ざかる（厚さが減少する）につれて起こってもよい。

他の実施形態（不図示）によると、ねじ山３８６は複数のらせん状のねじ山を有してよい。本開示の実施形態によると、ねじ山の一又はすべてはスクリューの長直径３７４と一致する直径を有する。

他の実施形態（不図示）によると、ねじ山３８６のピッチ３９６は、ねじ山３８６が下流へ延びるにつれて変化―たとえば減少―する。

材料が下流へ進行するにつれて運搬空間を減少させるため、さらにシャフト３７８の寸法は変化し、コンベヤスクリュー２３２／３３２の特徴部が下流端３８４へ近づくことでコンベヤスクリュー２３２／３３２の短直径３７６は増大する。

さらにコンベヤスクリュー２３２／３３２は、コンベヤスクリュー２３２／３３２のねじ山部分の上限に肩部３７２を有する。肩部３７２は、スクリューの長直径３７４以上の外直径３７０を有する。肩部３７２は、押出可能材料２２０の上流への流れを防止する。

さらに図２と図３を参照すると、バレル３５６は、直径が可変の内部孔３５８を有する。内部孔３５８の上流部は、最小直径にて内側孔３５８の下流部と接合する錐体形状を有する。バレル３５６の上流部は、固体状態の押出可能材料２２０をコンベヤスクリュー２３２／３３２へ供給するための漏斗として動作する。

本開示の実施形態によると、肩部３７２は、略内部孔３５８の直径を有する。その結果、肩部３７２は、バレル３５６の錐体部分内において内部孔３５８と（略）隣接する。

コンベヤスクリュー２３２／３３２は、上流端で、コンベヤスクリュー２３２／３３２を回転駆動する駆動機構（不図示）と係合するように構成される駆動係合面３６８―別名接触面３６８―を有する。本開示の実施形態によると、軸に対向する駆動係合面３６８の接触面の性質は、補強材料２２２の細線の通路及び後述する実施形態による切断部３２０の動作のために、コンベヤスクリュー２３２／３３２の上流端３８２を解放する。

コンベヤスクリュー２３２／３３２は、下流端３８２にて、スクリューのシャフト３７８よりも直径が短い下流シャフト３６２から延びる錐体ヘッド３６６を備える。スクリューシャフト３７８に対する下流シャフト３７８の直径の差異によって、押出可能材料２２０は、下流シャフト３７８及び錐体ヘッド３６６に沿って流れることが可能となる。

コンベヤスクリュー３３２の錐体ヘッド３６６は、長手方向にコンベヤスクリュー３３２と交差する長手孔３５０が存在することで生じる開口部３６４となる。

長手孔３５０がコンベヤスクリュー３３２と同軸であり、かつ、及び錐体ヘッド３６６が錐体形状という性質によって、開口部３６４は、コンベヤスクリュー３３２の回転軸に対して垂直な平面に沿った環状端部を有することに留意して欲しい。

補強材料２２２は、経路に沿って錐体ヘッド３６６の開口部３６４を貫通する出口までの経路に沿った押出可能材料２２０との接触から絶縁されていることにも留意して欲しい。よって運搬空間３９４内での押出可能材料２２０の加熱が補強材料２２２の温度に及ぼす影響は限られる。

ここで図６を参照すると、切断部３２０は、補強材料２２２が長手孔３５０へ入り込む前にコンベヤスクリュー３３２の上流端３８２の周りに取り付けられるブレード３２２を有する。補強材料２２２は、長手孔３５０へ入る前の連続する細線状又は柱状の材料、及び、一旦長手孔３５０内に入ってからの補強材料の断片からなる列の端から端までで構成されることに留意して欲しい。細線駆動機構３２４（別名補強材料駆動機構）は、補強材料２２２の細線つまりは補強材料２２２の端から端までを押すことで、補強材料２２２の切断長で押出処理を与える。

切断部３２０はコンベヤスクリュー３３２の上流端３３８の周りで補強材料を切断するので、導管３５０は列をなす補強材料の押出サイズ長さで満たされる。補強材料の運動は、上流端３３８で補強材料２２２にわたって印加される押す力と下流端３３６で押出サイズ長さの補強材料２２２を吸引する真空力のうちの少なくとも１つ―通常はそれらの結合―によって保証される。

本開示の実施形態によると、細線駆動機構３２４は、補強材料２２２の速さを制御する一対の自動化又は被駆動ローラー３２６を備える。本開示の実施形態によると、複数のローラーのうちの一はモーターによって駆動される一方で、複数のローラーのうちの他は、圧力を維持してローラー３２６間の細線の変位によって駆動する受動ローラーである。

本開示の実施形態によると、切断部３２０及び細線駆動機構３２４は互いに独立して駆動される。そのため切断部３２０及び細線駆動機構３２４を制御することによって、長手孔３５０内で列をなす補強材料２２２の断片の長さを変化させることができる。

他の実施形態によると、切断部３２０は、ノズル２０４の周りで補強材料２２２を切断するせん断機構である。

押出可能材料２２０と補強材料２２２の流れは互いに独立に駆動されるので、一方はコンベヤスクリュー２３２を介して他方は細線駆動機構３２４（図６）を介することで、押出可能材料２２０と共に堆積される補強材料２２２の長さは厳密に制御され得ることに留意して欲しい。制御手段の例には、材料運搬機構の速さの独立制御、及び、温度と押出可能材料２２０にわたって印加される圧力の制御が含まれる。実行される堆積の長さに依存して、補強材料２２２の長さを長くし、かつ、短く制御可能に変化させることで、堆積長さを超えることによって又は堆積中に生じる曲線と一致させることの困難さによって補強材料２２２が所望の幾何学形状から逸脱することなく最適な補強を供することは有利となり得る。

さらに補強材料２２２が短時間で押出可能材料２２０と混合され、補強材料２２２の少なくとも一部はバレル３５６内の押出可能材料２２０を溶融するのに用いられる熱から断熱され、その時点での溶液は、熱に対する感度が可変である様々な補強材料２２２−補強材料２２２がノズル２０４内で押出可能材料２２０と接触する短時間での熱に耐え得る押出可能材料２２０よりも融点の低い材料が含まれる−との動作が可能である。

ここで図４と図７Ａ〜図７Ｂを参照すると、コンベヤスクリュー２３２／３３２の下流端２３６／３３６（図２と図３参照）の周りで加熱部２４０に永続的又は取り外し可能に取り付けられる押出ヘッド２０２の断面が表されている。非限定的実施形態による押出ヘッド２０２は加熱部２４０へねじ込まれる。それにより押出ヘッド２０２は、押出可能材料２２０が流入口４６２からノズル２０４へ流れるように通路２４４とチャネル４４４とを流体がやり取りするように接続しながら解放可能に取り付けられる。

本開示の実施形態によると、押出ヘッド２０２は流れ停止アセンブリ４６０を備える。流れ停止アセンブリ４６０はプラグ４６６を備える。プラグ４６６は、プラグ４６６がチャネル４４４からの押出可能材料２２０の流れを妨害又は阻止することで流れがノズル２０４へ到達するのを防止する流れない位置と、チャネル４４４がプラグ４６６によって供される妨害の少なくとも一部から解放される第２位置との間で移動可能である。

押出ヘッド２０２は、流入口４６２と、ノズル流出口４６８と、材料流が流入口４６２からノズル流出口４６８へ下流方向へ進行するためにノズル流出口４６８と流入口４６２とを流体がやり取りするように接続するチャネル４４４を備える本体部を有する。押出ヘッド２０２は、チャネル４４４内に位置するプラグ４６６をさらに備える。プラグ４６６は、流入口４６２とノズル流出口４６８との間で材料の流れを阻止する流れない位置（図７Ｂ、プラグ４６６は上流に偏向する）、及び、流入口４６２からノズル流出口４６８への材料の流れを可能にする他の位置（図７Ｂ、プラグ４６６は下流に押される）において動作可能である。押出ヘッド２０２は、流れの方向に抗するプラグ４６６に対向して−別名上流方向に−押す偏向手段４６４−たとえばばね４６４−をさらに備える。従ってプラグ４６６に抗する圧力が流れない圧力よりも高い結果、プラグ４６６は、流れない位置から離れることで、材料の流れはノズルの流出口４６８へ到達する。押出ヘッド２０２は、流れない位置にあるときにプラグ４６６と隣接することで周囲の流れを完全に止める肩部４７４を備える。

本開示の実施形態によると、流れ停止アセンブリ４６０から上流の材料の圧力の少なくとも一部は、コンベヤスクリュー２３２／３３２の回転速さ、ホッパーの周りでの押出可能材料２２０の供給圧力、コンベヤスクリュー２３２／３３２の回転方向、及び、長手方向に沿った変位−材料の流れを停止及び開始するときに圧力を減少させるために上流の向きに、かつ、圧力を増大させるときには下流の方向−によって制御される。

本開示の実施形態によると、プラグ４６６は、阻止面４７６と、プラグ４６６が偏向手段４６４によって接触する偏向面４７８を有する球形状、錐体形状、又は円筒形状である。コンベヤスクリュー２３２／３３２は、偏向手段４６４に抗して下流方向にプラグ４６６を押す圧力を運搬材料内に生成する。

本開示の実施形態（不図示）によると、コンベヤスクリュー２３２は、押出可能材料２２０の流れを止める最上流位置と押出可能材料２２０の流れを開始する最下流位置との間で移動可能に取り付けられるとき、最下流位置でプラグ４６６と接触するように構成される。そのためプラグ４６６を流れの方向に押すことに関与することで、ノズル流出口４６８への下方への自由な材料の流れを可能にする。

ここで図５を参照すると、本開示の実施形態によるコンベヤスクリュー２３２／３３２の上端の取付の断面が図示されている。コンベヤスクリュー２３２／３３２は、３次元製造装置１００のフレーム５７２に取り付けられる。駆動機構（不図示）は、コンベヤ２３２／３３２を回転させることで、押出可能材料２２０を押出ヘッド２０２へ向けて強制的に運搬するように動作する。コンベヤスクリュー２３２／３３２とフレーム５７２との間でコンベヤスクリュー２３２／３３２とフレーム５７２のうちの一に取り付けられるセンサ５７４は、スクリュー軸に平行な力を検知、換言すると検出し、その力を信号に変換して、それらの信号を制御装置１０６（図１参照）へ伝えるように構成される。

本開示の実施形態によると、コンベヤスクリュー２３２／３３２の回転を駆動する駆動機構はモーターであり、より詳細にはステッパーである。本開示の具体的実施形態によると、フィールド指向制御（ＦＯＣ）モーターである。ＦＯＣモーターは、該ＦＯＣモーターによって印加されるトルクとＦＯＣモーターの速さに関する情報を供するように構成される制御盤を備える（モーターと制御盤は図示されていない）。制御盤は、位置―別名回転角−、トルク、及び速さのうちの少なくとも一を示唆する信号を制御装置１０６へ供するように構成される。

本開示の実施形態によると、センサ５７及び任意でＦＯＣモーターからの利用可能な情報（たとえば検知された長手方向の力のみか、ＦＯＣの速さとＦＯＣのトルクと共に）を利用する制御装置１０６は、得られた圧力と力のうちの少なくとも一を内部アルゴリズムに基づいて判断する。本明細書では、得られた圧力は、加熱部２４０内部での通路２４４−別名運搬空間−内と押出ヘッド２０２内のチャネル４４４内での押出可能材料２２０によって生じる圧力を指称する。本明細書では、得られた力は、コンベヤスクリュー２３２／３３２の回転に抗するようにコンベヤスクリュー２３２／３３２にわたって押出可能材料２２０によって印加される力を指称する。

本開示の実施形態によると、センサ５７４は、フレーム５７２に取り付けられたひずみゲージである。

好適実施形態が上で説明され、かつ、添付図面で表されてきたが、本開示から逸脱することなく修正型をなし得ることは当業者には明らかである。そのような修正型は、本開示の技術的範囲に含まれる可能な変化型とみなされる。

Claims (22)

1. 補強材料と押出可能材料で作られる層の堆積から３次元物体を製造する装置であって、
   前記補強材料を運搬するように構成される長手孔を有して前記長手孔の外部に少なくとも一部を前記押出可能材料を運搬するように構成される供給部を含む押出アセンブリと、
   前記補強材料を前記押出アセンブリへ駆動する補強材料駆動機構と、
   補強材料と押出可能材料の層が上に堆積される構築プラットフォーム、
   を備える装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   前記押出アセンブリは、内部孔、上流端、及び下流端を有するバレルと、前記内部孔内で回転可能に設けられてねじ山及び長手孔を有するスクリューをさらに備え、
   前記スクリューは、前記長手孔を介して前記補強材料を前記下流端へ向けて運搬し、かつ、前記ねじ山によって前記スクリューと前記内部孔との間に設けられる前記押出可能材料を前記下流端へ運搬するように構成される、
   装置。
3. 請求項２に記載の装置であって、前記押出アセンブリに取り付けられるセンサをさらに備え、
   前記センサは、ａ）押出力及びｂ）前記押出可能材料全体にわたって当該装置によって印加される押出圧力のうちの少なくとも１つを設定するための前記スクリューによって生じる力を測定する、
   装置。
4. 請求項２に記載の装置であって、
   前記押出アセンブリは、前記バレルの前記下流端に取り付けられて流出口を有するノズルをさらに備え、
   前記ノズルは、前記流出口を介して前記スクリューによって運搬される前記押出可能材料と前記補強材料を同時に供給するように構成される、
   装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置であって、
   前記補強材料駆動機構は、間に前記補強材料が導入される複数のローラーを備え、
   前記複数のローラーの少なくとも１つは動力化されることで、前記補強材料を前記押出アセンブリへ駆動する、
   装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置であって、前記押出アセンブリの上流からある長さの前記補強材料を切断する切断部をさらに備える、装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置であって、流入口、流出口、及び前記流入口を前記流出口へ接続して流体をやり取りするチャネルを有する押出ヘッドをさらに備え、
   それにより押出可能材料の流れが供されるとき、前記押出可能材料の流れは下流方向に進行する、
   装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、
   前記押出ヘッドは、前記チャネル内に位置するプラグをさらに備え、
   前記プラグは、ａ）前記押出ヘッドの前記流入口と前記流出口との間で前記材料の流れを阻止する流れない位置、及び、ｂ）前記押出ヘッドの前記流入口から前記流出口への前記材料の流れを可能にする他の位置のいずれか一において動作可能である、
   装置。
9. 請求項８に記載の装置であって、
   前記押出ヘッドは、前記下流方向に抗して前記プラグを押す偏向印加手段さらに備え、
   流れのないときの圧力よりも大きな前記プラグに抗する圧力は前記変更印加手段を押し戻し、その結果前記プラグは、前記流れない位置を離れることで、前記材料の流れを前記押出ヘッドの前記流出口へ到達させることを可能にする、
   装置。
10. 請求項９に記載の装置であって、
    前記押出ヘッドは前記押出アセンブリに取り付けられ、かつ、
    前記プラグは、前記変更印加手段によって押されて前記押出アセンブリへ向かう球形状の表面を有する、
    装置。
11. 押出可能材料と補強材料の複数の層を堆積することによって３次元物体を製造するように構成される装置に取り付けられる押出アセンブリであって、
    内部孔、上流端、及び下流端を有するバレルと、
    前記内部孔内で回転可能に設けられてねじ山及び長手孔を有し、前記長手孔を介して前記補強材料を前記下流端へ向けて運搬し、かつ、前記ねじ山によって前記スクリューと前記内部孔との間に設けられる前記押出可能材料を前記下流端へ運搬するように構成されるスクリューと、
    前記バレルの前記下流端に取り付けられて流出口を有し、前記流出口を介して前記スクリューによって運搬される前記押出可能材料と前記補強材料を同時に供給するように構成されるノズルを備える押出アセンブリ。
12. 請求項１１に記載の押出アセンブリであって、
    前記スクリューは軸を有し、かつ、
    前記長手孔は前記スクリューの軸と同軸である、
    押出アセンブリ。
13. 請求項１１又は１２に記載の押出アセンブリであって、
    前記スクリューは長さを有し、かつ、
    前記長手孔は前記スクリューの長さにわたって延びる、
    押出アセンブリ。
14. 請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の押出アセンブリであって、
    前記スクリューはスクリューの長さとねじ山が切られた長さを有し、かつ、
    前記ねじ山の長さは前記スクリューの長さよりも短い、
    押出アセンブリ。
15. 請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の押出アセンブリであって、
    前記スクリューは、軸、ねじ山の長さ、及び、前記軸から前記ねじ山の半径方向の延びに基づいて測定される長直径を有し、かつ、
    前記長直径は前記ねじ山の長さにわたって一定である、
    押出アセンブリ。
16. 請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の押出アセンブリであって、
    前記スクリューはねじ山が切られた長さを有し、かつ、
    前記ねじ山は、前記ねじ山が切られた長さにわたって一定であるねじ山角を有する、
    押出アセンブリ。
17. 請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の押出アセンブリであって、
    前記スクリューは、軸、ねじ山が切られた長さ、シャフト、及び前記軸からの前記シャフトの半径方向の延びに基づいて測定された短直径を有し、かつ、
    前記短直径は、前記シャフトが下流に延びるにつれて前記ねじ山が切られた長さにわたって増大する、
    押出アセンブリ。
18. 請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の押出アセンブリであって、
    前記スクリューは、軸、シャフト、及びねじ山が切られた長さを有し、前記内部孔と共に前記軸を含む平面上の領域の複数の運搬空間を画定し、かつ、
    前記複数の運搬空間のうちの第１運搬空間の領域は前記複数の運搬空間のうちの第２運搬空間の領域よりも小さく、
    前記第１運搬空間は前記第２運搬空間に対して下流に位置する、
    押出アセンブリ。
19. 請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の押出アセンブリであって、前記スクリューは、前記下流端の周囲に錐体ヘッドをさらに備える、押出アセンブリ。
20. 請求項１９に記載の押出アセンブリであって、
    前記スクリューは、ねじ山が切られた長さ及び該ねじ山が切られた長さにわたって最大の直径を有するシャフトを有し、
    前記錐体ヘッドは最大直径を有し、かつ、
    前記錐体ヘッドの最大直径は前記シャフトの最大直径よりも短い、
    押出アセンブリ。
21. 請求項２０に記載の押出アセンブリであって、前記スクリューは接触面を有し、かつ、前記接触面を介して駆動される、押出アセンブリ。
22. 押出可能材料と補強材料の複数の層を堆積することによって３次元物体を製造するように構成される装置に取り付けられる押出アセンブリであって、
    内部孔、上流端、及び下流端を有するバレルと、
    少なくとも一部が前記内部孔内に取り付けられて長手孔を有し、前記長手孔を介して前記補強材料を前記下流端へ向けて運搬し、かつ、前記内部孔内部で前記長手孔を排除する前記押出可能材料を前記下流端へ運搬するように構成される供給部と、
    前記バレルの前記下流端に取り付けられて流出口を有し、前記流出口を介して前記供給部によって運搬される前記押出可能材料と前記補強材料を同時に供給するように構成されるノズル、
    を備える押出アセンブリ。

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