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特表2024-532799複数の超音波圧縮成形ホーンの協調的な作動およびモーションを可能にする、圧縮成形のための超音波デバイス
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-09-10
(54)【発明の名称】複数の超音波圧縮成形ホーンの協調的な作動およびモーションを可能にする、圧縮成形のための超音波デバイス
(51)【国際特許分類】
B29C 64/209 20170101AFI20240903BHJP
B29C 64/118 20170101ALI20240903BHJP
B29C 64/393 20170101ALI20240903BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20240903BHJP
B29C 64/218 20170101ALI20240903BHJP
B29C 64/295 20170101ALI20240903BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20240903BHJP
B33Y 50/02 20150101ALI20240903BHJP
【ＦＩ】
B29C64/209
B29C64/118
B29C64/393
B33Y30/00
B29C64/218
B29C64/295
B33Y10/00
B33Y50/02
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024508691
(86)(22)【出願日】2022-03-28
(85)【翻訳文提出日】2024-04-10
(86)【国際出願番号】 US2022071379
(87)【国際公開番号】W WO2023019035
(87)【国際公開日】2023-02-16
(31)【優先権主張番号】17/400,701
(32)【優先日】2021-08-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ダイニーマ
(71)【出願人】
【識別番号】520128820
【氏名又は名称】ノースロップ グラマン システムズ コーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100210398
【弁理士】
【氏名又は名称】横尾 太郎
(72)【発明者】
【氏名】ベンソン，バーノン・エム
【テーマコード（参考）】
4F213
【Ｆターム（参考）】
4F213AB11
4F213AB16
4F213AB25
4F213AC02
4F213AD16
4F213WA25
4F213WB01
4F213WK01
4F213WK03
4F213WL02
4F213WL25
4F213WL32
4F213WL74
4F213WL85
(57)【要約】
ツールまたは基板の上で連続モノフィラメント材料または連続合成フィラメント材料を層ごとに敷設（ｌａｙ ｄｏｗｎ）することにより部品を製作するための連続フィラメント積層製造機械。本機械は、少なくとも３自由度で動くように動作可能であるシステムと、連続フィラメント材料を蒸着させるように構成された、システムに連結された配置モジュールと、を含む。配置モジュールは、材料を部品まで案内するためのガイドと、配置モジュールから蒸着されるときの材料を圧縮成形するための超音波圧縮成形デバイス（１６０）と、を含む。圧縮成形デバイスは、超音波駆動装置と、取り付け部材と、取り付け部材に独立して連結されて互いに独立して移動可能である複数の超音波ホーン（１６６）と、を含む。複数の超音波ホーンは、材料を融解させるかまたは流動させるために、および、ツールまたは基板に対して材料が融合されて圧縮成形されるようにするために、超音波で振動させられる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ツールまたは基板の上で連続モノフィラメント材料または連続合成フィラメント材料を層ごとに敷設することにより部品を製作するための連続フィラメント積層製造機械であって、少なくとも３自由度で動くように動作可能であるシステムと、
前記連続フィラメント材料を蒸着させるように構成された、前記システムに連結された配置モジュールと
を備え、
前記配置モジュールは、
前記材料を前記部品まで案内するためのガイドと、
前記配置モジュールから蒸着されるときの前記材料を圧縮成形するための少なくとも１つの超音波圧縮成形デバイスと
を含み、
前記少なくとも１つの圧縮成形デバイスは、
少なくとも１つの超音波駆動装置と、
前記超音波駆動装置によりそのモーションを直接に駆動される取り付け部材と、
前記取り付け部材に独立して連結された複数の超音波ホーンと
を含み、
前記複数の超音波ホーンが、前記ホーンの下で前記材料を融解させるかまたは流動させるために、および、前記ツールまたは前記基板に対して前記材料が融合されて圧縮成形されるようにするために、超音波で振動させられる、
連続フィラメント積層製造機械。
【請求項2】
前記複数の超音波ホーンがツール表面に対して一方向に独立して移動する、請求項１に記載の機械。
【請求項3】
前記少なくとも１つの超音波圧縮成形デバイスが単一の超音波駆動装置および複数のホーンを含む、請求項１に記載の機械。
【請求項4】
前記少なくとも１つの超音波駆動装置が、前記材料が蒸着されるときの方向に略平行である方向において前記取り付け部材および前記複数のホーンを振動させる、請求項１に記載の機械。
【請求項5】
前記少なくとも１つの超音波駆動装置が、前記材料が蒸着されるときの前記方向に対して略横方向である方向において前記取り付け部材および前記複数のホーンを振動させる、請求項１に記載の機械。
【請求項6】
前記取り付け部材が、複数のホーンを支持してその回転方向に対して横向きの方向において振動させるシャフトである、請求項５に記載の機械。
【請求項7】
前記少なくとも１つの超音波駆動装置が、前記取り付け部材の一方の側において前記複数のホーンに連結された第１の超音波駆動装置と、
前記取り付け部材の反対側において前記複数のホーンに連結された第２の超音波駆動装置と
である、
請求項５に記載の機械。
【請求項8】
前記少なくとも１つの圧縮成形デバイスが、複数の超音波ホーンを各々含む複数の圧縮成形デバイスであり、１つの圧縮成形デバイス内の前記複数のホーンが別の圧縮成形デバイス内の前記複数のホーンと互い違いである、
請求項１に記載の機械。
【請求項9】
前記複数の超音波ホーンが２つの別個の列のホーンとなるように構成され、前記ホーンが互いにオフセットされ、その結果、一方の列の前記ホーンが１つおきのフィラメントまたはフィラメントのリボンを圧縮成形し、もう一方の列の前記ホーンが残りのフィラメントまたはフィラメントのリボンを圧縮成形する、
請求項６に記載の機械。
【請求項10】
前記ホーンが互いに離間され、前記配置モジュールによって蒸着されるときの前記材料の圧縮成形フットプリントの重複部分を存在させるようにサイズ決めされる、請求項９に記載の機械。
【請求項11】
前記配置モジュールが、蒸着されるときの前記材料の圧縮成形および圧密を維持することを支援する冷却ローラーをさらに含む、請求項１に記載の機械。
【請求項12】
前記配置モジュールが、蒸着されるときの前記材料の圧縮成形および圧密を維持することを支援する冷却スキッドをさらに含む、請求項１に記載の機械。
【請求項13】
前記少なくとも１つの圧縮成形デバイスが、蒸着されるときの前記材料に対して前記ホーンを押圧するための、各ホーンのための別個の圧力デバイスを含む、請求項１に記載の機械。
【請求項14】
前記圧力デバイスが空気圧式圧力デバイスである、請求項１３に記載の機械。
【請求項15】
前記配置モジュールが、圧縮成形を達成するために前記システムにより空間内でプログラム通りに位置決めされる、請求項１に記載の機械。
【請求項16】
前記材料が、モノフィラメント、短繊維充填フィラメント、粒子充填フィラメント、ブレンデッドモノマーフィラメント、または長い不連続強化フィラメントである、請求項１に記載の機械。
【請求項17】
前記システムがロボットである、請求項１に記載の機械。
【請求項18】
ツールまたは基板の上で蒸着されるときの材料を加熱するための超音波圧縮成形デバイスであって、少なくとも１つの超音波駆動装置と、
前記超音波駆動装置によりそのモーションを直接に駆動される取り付け部材と、
前記取り付け部材に独立して連結された複数の超音波ホーンと
を備え、
前記複数の超音波ホーンが、前記ホーンの下で前記材料を融解させるかまたは流動させるために、および、前記基板または前記ツールに対して前記材料が融合されて圧縮成形されるようにするために、超音波で振動させられる、
超音波圧縮成形デバイス。
【請求項19】
前記複数の超音波ホーンがツール表面に対して一方向に独立して移動する、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項20】
前記少なくとも１つの超音波駆動装置が単一の超音波駆動装置である、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項21】
前記少なくとも１つの超音波駆動装置が、前記材料が蒸着されるときの方向に略平行である方向において前記取り付け部材および前記複数のホーンを振動させる、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項22】
前記少なくとも１つの超音波駆動装置が、前記材料が蒸着されるときの前記方向に対して略横方向である方向において前記取り付け部材および前記複数のホーンを振動させる、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項23】
前記取り付け部材が、複数のホーンを支持してその回転方向に対して横向きの方向において振動させるシャフトである、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項24】
前記少なくとも１つの超音波駆動装置が、前記取り付け部材の一方の側において前記複数のホーンに連結された第１の超音波駆動装置と、
前記取り付け部材の反対側において前記複数のホーンに連結された第２の超音波駆動装置と
である、
請求項１８に記載のデバイス。
【請求項25】
蒸着されるときの前記材料に対して前記ホーンを押圧するための、各ホーンのための別個の圧力デバイスをさらに備える、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項26】
圧縮成形される前記材料が、繊維強化されているかまたは繊維強化されていない熱可塑性プラスチック材料である、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項27】
圧縮成形される前記材料が、繊維強化されているかまたは繊維強化されていない熱硬化性材料である、請求項１８に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
[0001]本開示は、概して、連続フィラメント積層製造機械に関し、より詳細には、以前に蒸着した層に対してマトリックス材料を融合させることを目的として、蒸着されるときのマトリックス材料を融解させる超音波圧縮成形（ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）デバイスを含む連続フィラメント積層製造機械に関し、ここでは、デバイスは、互いに独立して移動可能である複数の超音波ホーンを含む。
【背景技術】
【0002】
[0002]融解フィラメント製造（ＦＦＦ：Ｆｕｓｅｄ ｆｉｌａｍｅｎｔ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）は３Ｄ印刷のための積層製造（ＡＭ：ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）プロセスである。通常、スプールからの連続フィラメントまたはホッパーからのペレットなどの原材料が加熱されたノズルに提供され、原材料は加熱されて溶融状態にあるフィラメントとしてノズルから押し出され、隣り合う列のストリップとして蒸着されて層を形成するが、ここでは、溶融状態のフィラメント（繊維強化されているかまたは繊維強化されていない）はノズルから押し出されるとすぐに硬くなり始めてしまう。この手法では複数の層が特定の構成となるように構築され、それにより所望の部品を作り出す。別法として、フィラメントはノズルの外部でレーザーなどによって加熱され得、構築されるときに部品の上に巻き付けられる。
【0003】
[0003]繊維強化されていない連続フィラメント材料は、通常、モノフィラメントと呼ばれ、ポリマー材料またはマトリックス材料のみを含有する。繊維強化されている連続フィラメント材料はしばしば複合フィラメントと呼ばれ、繊維強化材およびポリマーまたはマトリックス材料を含有する。ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＦまたはＰＰＳＵ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、およびポリフェニレン（ＰＰＳ）を含めた、高性能非晶質熱可塑性プラスチックまたは高性能半結晶熱可塑性プラスチックなどの多様な材料がＦＦＦのために使用され得る。ＦＦＦに適し得る他の材料には、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、リグニン、およびゴムが含まれる。フィラメントは不連続繊維または連続繊維によって補強され得る。一般的な繊維の例には、炭素繊維、ガラス繊維、石英ファイバー、およびケブラー（登録商標）繊維が含まれる。フィラメント形成に使用され得る他の材料には、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、ダイニーマ、耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）、ナイロン、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）共晶材料、プラスティシーン、室温硬化（ＲＴＶ：ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎ）シリコーンなどが含まれる。連続炭素繊維（ＣＣＦ）フィラメントなどの連続繊維フィラメントは高い強度を有する傾向があり、特定の製品で所望される。これらのフィラメントは、フィラメントの一方の端部からフィラメントのもう一方の端部まで延在して適切なポリマー内に封入されてそれにより所望のマトリックス強度を提供するような連続炭素または他の繊維を有することができる。加えて、炭素繊維はフィラメントの一方の端部からフィラメントのもう一方の端部までにおいて連続しないように切断され得るかまたは区切られ得、さらには適切なマトリックスを含浸するかまたは適切なマトリックスと一体に保持される。
【0004】
[0004]既知の積層製造３Ｄ印刷機械は、しばしば、積層材料をｘ－ｙ平面に敷設（ｌａｙ ｄｏｗｎ）するエンドエフェクタを有するガントリー形式の手法を採用する。しかし、ガントリー形式の機械による手法は、製造用地（ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｃｅｌｌ）にとっての、拡大縮小性、手ごろ感、および融通性における課題を有する。その理由は、作製される部品のサイズと必要とされるガントリー機械のサイズとの間に正相関性が存在し、ここでは、ガントリー機械が一度に１つの動作しか行うことができない、からである。非常に大きい部品は非常に大きい機械を必要とし、したがって必要とする占有面積および機械コストが増大する。ロボットによる手法はより高い融通性を提供し、より容易な拡大を実現する。例えば、複数のロボットが同じ用地で稼働することができる。加えて、各ロボットは可動であるベースに設置され得、可能であるベースは用地内のまたは用地の周りの多様な場所に再配置するのを可能にする。ロボットによる手法はロボットの姿勢を追加することを可能とし、それにより、複数のタスクを実施する複数のロボットを通して、自由度を増やし、３Ｄでの製造の能力を向上させ、製造柔軟性を向上させる。この種類の１つの既知のシステムは、Ｅｌｅｃｔｒｏｉｍｐａｃｔから入手可能であるｓｃａｌａｂｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｒｏｂｏｔｉｃ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ（ＳＣＲＡＭ）のシステムであり、これは、航空宇宙グレードの統合複合構造のツールレスの迅速な製造を可能にする産業用の真に６軸である連続繊維強化３Ｄプリンターである。
【0005】
[0005]積層製造される熱可塑性プラスチック材料の性質により、オーブンを採用すること、オートクレーブを採用すること、または、強度および剛体化のために複合マトリックスを完全に重合させる他のエネルギー付加手法を採用することなどの、後処理を行うことなく、完全に圧密した材料を作製することが可能となる。しかし、配置ヘッドを使用し、モノフィラメントまたは合成フィラメント（繊維で補強された）、あるいは、織物ストリップまたは網チューブなどの他の構成の強化材を使用して製作された積層製造の連続フィラメント複合構造は、空隙またはコールドボンド（ｃｏｌｄ ｂｏｎｄ）を排除するために隣り合う層の間の界面が一体に密には融合されない場合に十分な層間強度を有さないことになる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0006】
[0006]以下の考察は、ツールまたは基板の上で連続モノフィラメント材料または連続合成フィラメント材料を層ごとに敷設（ｌａｙ ｄｏｗｎ）することにより部品を製作するための連続フィラメント積層製造機械を開示および説明する。本機械は、少なくとも３自由度で動くように動作可能である、ロボットなどの、システムと、連続フィラメント材料を蒸着させるように構成された、システムに連結された配置モジュールと、を含む。配置モジュールは、材料を部品まで案内するためのガイドと、配置モジュールから蒸着されるときの材料を圧縮成形するための少なくとも１つの超音波圧縮成形デバイスと、を含む。圧縮成形デバイスは、少なくとも１つの超音波駆動装置と、取り付け部材と、取り付け部材に独立して連結されて互いに独立して移動可能である複数の超音波ホーンと、を含む。複数の超音波ホーンは、材料を融解させるかまたは流動させるために、および、ツールまたは基板に対して材料が融合されて圧縮成形されるようにするために、超音波で振動させられる。
【0007】
[0007]添付図面と併せた以下の記述および添付の特許請求の範囲から本開示の追加の特徴が明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】[0008]ロボットと、エンドエフェクタと、を含む３Ｄ印刷機械を示す等角図である。
【図3】[0010]図１に示される機械のためのエンドエフェクタで使用され得る能動冷却／圧密要素共に、組み合わせで使用される超音波予熱源および超音波圧縮成形デバイスを含む連続フィラメント配置モジュールを示す切欠側面図である。
【図7】[0014]互いに対して１８０°の向きである２つの貫通孔を含む超音波圧縮成形デバイスのためのホーンを示す切欠側面図である。
【図8】[0015]貫通孔を各々有するホーンを含む２つの超音波圧縮成形デバイスを各々有する２つの互い違いの列を含む超音波圧縮成形組立体を示す側面図である。
【図10】[0017]一対の離間された平坦なホーンを含む超音波圧縮成形デバイスを示す等角図である。
【図11】[0018]平坦なホーンを備える２つの超音波圧縮成形デバイスを各々有する２つの互い違いの列を含む超音波圧縮成形組立体を示す上面図である。
【図12】[0019]表面輪郭に従うように独立したモーションを有する、単一のコンバータ、単一のブースター、および複数のホーン、を含む超音波圧縮成形デバイスを示す側面図である。
【図14】[0021]２つの同期されたコンバータと、２つのブースターと、複数のホーンと、を含む超音波圧縮成形デバイスを示す上面図である。
【図15】[0022]複数のローラーホーンと、図１に示される機械のためのエンドエフェクタで使用され得る横方向の作動方式と、を有する超音波圧縮成形デバイスを含む連続フィラメント配置モジュールを示す切欠側面図である。
【図17】[0024]複数のローラーホーンを備え、図１に示される機械のためのエンドエフェクタで使用され得る横方向の作動方式を有する、超音波圧縮成形デバイスの２つの互い違いの列を有する超音波圧縮成形組立体を含む連続フィラメント配置モジュールを示す切欠側面図である。
【図23】[0030]複数の往復動ディスクホーンを含む超音波圧縮成形デバイスを示す正面図である。
【図25】[0032]複数の円形往復動ディスクホーンを備え、図１に示される機械のためのエンドエフェクタで使用され得る、起伏のある表面に従うための独立した圧縮成形モーションを有する、超音波圧縮成形デバイスの２つの互い違いの列を有する超音波圧縮成形デバイス組立体を含む連続フィラメント配置モジュールを示す切欠側面図である。
【図27】[0034]近くにある後続の圧縮成形／冷却ローラーのためのスペースを提供する切欠部分を有する円形往復動ディスクホーンを含む超音波圧縮成形デバイスを示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
[0035]以前に蒸着した層に対してマトリックス材料を融合させるために、蒸着されるときのマトリックス材料を融解させる超音波圧縮成形デバイスを含む連続フィラメント積層製造機械を対象とする本開示の実施形態の以下の考察は、本質的に単に例示であり、本開示あるいはその用途または使用を限定することを意図されず、ここでは、本デバイスは、互いに対して独立して移動可能である複数の超音波ホーンを含む。
【0010】
[0036]図１は、ベース部分１４と、回転・枢動ジョイント１８によりベース部分１４に連結されたエクステンションアーム１６と、エルボー枢動ジョイント２２によりベース部分１４の反対側でエクステンションアーム１６に連結されたワーキングアーム２０と、を有するロボット１２を含む３Ｄ印刷機械１０の等角図である。エンドエフェクタ２６が、連結機構３０を有する枢動ジョイント２８により、ジョイント２２の反対側で、ワーキングアーム２０にある角度で連結される。ロボット１２は、エンドエフェクタ２６のための任意適切な位置決めデバイスを表すことを意図される。エンドエフェクタ２６は、本明細書で説明されるように複雑な構造を製作するための、溶融状態の合成フィラメント、モノフィラメントなどを敷設するための印刷ヘッド組立体として動作する。多様な用途のための多様なエンドエフェクタがロボット１２に取り付けられ得る。動作中、機械１０は、印刷プロセスの温度および部品の周囲の大気温度を制御することになるようにオーブン（図示せず）内に配置されても配置されなくてもよい、ことに留意されたい。
【0011】
[0037]エンドエフェクタ２６は、外側ハウジング３４と、連結機構３０に解除可能におよび回転可能に接続された回転可能なコネクタ３６と、を含み、ここでは、ハウジング３４は中にある種々の構成要素を示すために透過的に示される。これらの構成要素は、多様な材料の複数のフィラメント４２がその上に巻き付けられるところである、ここでは３つのである複数のスプール４０と、スプール４０から離すかたちでフィラメント４２を選択的に独立してドロー（ｄｒａｗ）するためのモータ４４と、シャフト５６によりフィラメント供給組立体４８に連結された直角ギアボックス３２と、インデックスモータ５８によって回されるバレル４６を有する回転組立体３８であって、バレル４６を介してフィラメント４２がドローされたり融解されたりする、回転組立体３８と、バレル４６の端部に設置されたエンドプレート５４と、プレート５４を通って延在し、押出機モジュールの一部である、ノズル組立体５０と、を含む。スプール４０は示されるようにエンドエフェクタ２６に設置され得るか、または離れたところに設置され得、その場合は材料がチューブ（図示せず）を通してエンドエフェクタ２６に供給される。
【0012】
[0038]本開示は、フィラメント接着性、層間特性、部品の公差、表面の平滑性を向上させ、部品の空隙率を低下させる、積層製造されたモノマー部品および繊維強化された複合部品を超音波により圧縮成形して圧密させるための種々のデバイスおよび組立体を提案する。積層製造プロセスで行われる層を重ねるプロセス中に超音波圧縮成形を適用することにより、層間強度および製品の一貫性／品質が改善され得、増大した複合材料に適用することが可能となる。本開示は、より具体的には、フィラメントマトリックス材料を融解／流動させてフィラメントマトリックス材料を先行する層にまたはツール表面に融合するための超音波圧縮成形・圧密デバイスを含む連続フィラメント積層製造機械を説明する。超音波圧縮成形・圧密デバイスは、機械的エネルギー、レーザーエネルギー、および／または熱エネルギーと組み合わされ得る。超音波圧密は、部品が部品制作の途中にあるときにまたは部品製作の終わりにあるときに行われ得る。超音波圧密は、適用される新しい材料さらにはツールに加えられる新しい材料とのより良好な結合のためにツールを予熱するのに使用され得る。超音波圧密は各層で実施され得るかまたは指定の数の層で実施され得る。超音波圧密は特定の場所または構造部に限定され得る。本プロセスは手動で実施され得るか、あるいは、自動のおよび／またはロボットの統合製造システムを介して、実施され得る。
【0013】
[0039]図２は、エンドエフェクタ２６に関連して提供され得る種類のモジュールの非限定の一実施例である連続フィラメント配置モジュール６０の切欠側面図であり、ここでは、モジュール６０は、本明細書で考察されるオペレーションを実施するための必要な構成要素および要素を含む。モジュール６０は、モジュールをロボット１２に連結するためのロボットヘッドインターフェース７４と、ボディ部分８６と、を含む。通常は、連続繊維フィラメント、短繊維充填フィラメント、粒子充填フィラメント、ブレンデッドモノマーフィラメント、または長い不連続強化フィラメント押出材料などの、繊維を封入する熱可塑性プラスチックマトリックスで構成された、モノフィラメントまたは合成フィラメントである、適切なフィラメントまたはリボン６２（平坦な長方形形状となるように一体に接合された複数のフィラメント）が、上述した手法でツール６８の上に構築されるときに、スプール８８からリボンガイド６４を通してドローされ、部品６６の上に敷設され、ここでは、モジュール６０は左から右に移動させられる。リボン６２は、その平坦な断面形状のために本明細書でリボンと称される。しかし、円形フィラメントなどの他の形状の複合材料も採用され得る。モジュール６０の先端側に設置された拡散レーザー７２が、モジュール６０から出るときのリボン６２の背面側までおよび下にある層またはツール６８までレーザービームを誘導し、それによりリボン６２を融解させるか流動させ、それによりリボン６２を融合させて部品６６を形成する。冷却ローラー７０が圧縮成形を維持するのを支援し、さらには、リボン６２を部品６６に対して凝固させるために熱を吸収するのを支援する。
【0014】
[0040]超音波圧縮成形デバイス７６が、ツール６８に対して所望の小さい角度を有するように、適切な手法でモジュール６０の後端側に設置される。デバイス７６は、デバイス電子機器を収容するコンバータ７８と、超音波ホーン８４までの不動接続ポイントを通る超音波信号を増幅させる増倍器またはブースター８０と、を含む。ホーン８４がモジュール６０から出るときのリボン６２の手前側に接触し、リボン６２を融解させるかまたは流動させることを目的として、および、場合によって超音波テープラミネーション（ＵＴＬ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔａｐｅ ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）と称されるように、空隙、含有物、気泡などを低減するために部品６６に対してリボン６２がさらに融合されて圧縮成形されるようにすることを目的として、追加の加熱を実現するように超音波で振動させられる。モジュール６０は、リボン６２に対してホーン８４およびローラー７０の所望の圧力を提供するための必要な構成要素を含み、ここでは、空気圧力が採用され得るか、または、それらの位置が、ロボット１２によって制御されることにより、空間内で、ツール表面／部品表面に対して、および、融解して固定の高さとなるように圧縮成形される材料に対して、固定の位置で保持され得る。
【0015】
[0041]モジュール６０は、リボン６２および部品６６を融解させるかまたは流動させるのにレーザーを採用する。しかし、他のモジュールは同じ目的のために他の熱源を採用することもできる。図３は、配置モジュール６０と同様である連続フィラメント配置モジュール９０の切欠側面図であり、ここでは、同様の要素は同じ参照符号によって示される。この実施形態では、レーザー７２が熱源９２に置き換えられ、熱源９２は同様にモジュール９０の先端側に設置され、部品６６を形成するために、超音波ホーン８４を用いてリボン６２および部品６６の融合の前に部品６６を予熱する。熱源９２は、デバイス７６と同様の超音波デバイス、誘導加熱器、赤外線加熱器などの、本明細書で説明される目的に適する任意の熱源となり得る。この実施形態に加えて、ローラー７０は、敷設されるときのリボン６２に接触することになるようにモジュール９０の後端側に設置されるスキッド９４に置き換えられる。部品６６に対してリボン６２をさらに圧縮成形するために圧力がスキッド９４に加えられ、ここでは、リボン６２を圧密状態で凝固させるためにスキッド９４が冷却される。
【0016】
[0042]積層製造ヘッドの他の構成要素とのパッケージングを改善するために、ならびに、リボン６２の加熱効率を上げるためにおよびリボン６２の圧縮成形を強化するために、多様な超音波圧縮成形デバイスデザインが採用され得る。図４は、配置モジュール６０と同様である連続フィラメント配置モジュール１００の切欠側面図であり、ここでは、同様の要素は同じ参照符号によって示される。この実施形態では、レーザー７２が、モジュール１００の先端側に設置されるホーン１０４を含む超音波圧縮成形デバイス１０２に置き換えられ、その結果、リボン６２がホーン１０４内の開口部を通過するようになりさらにホーン先端部の下を通過するようになり、ここで、ホーン先端部がリボン６２を融解させるかまたは流動させ、それよりリボン６２を融合させて部品６６を形成する。ホーン１０４は、積層製造ヘッドとの圧縮成形源のパッケージングを改善するためのリボン６２のためのガイドとして機能する、リボン６２が通過するところである湾曲ガイド孔１０６を含む。冷却ローラー１０８は、リボン６２を凝固温度まで冷却しながら圧密を維持することにより部品６６に対してリボン６２を形成するのを支援する。図５は、湾曲孔１０６をより良好に示すためにデバイス１０２から離間されたホーン先端部の切欠側面図であり、図６は、湾曲孔１０６をより良好に示すためにデバイス１０２から離間されたホーン先端部の切欠上面図である。
【0017】
[0043]この種類のホーンは、材料が表面（ここで、材料が摩擦するかまたは圧縮成形される）を横断するように通過するときに、摩耗を受ける。図７に示される別の実施形態では、ホーン１０４は、孔１０６に対して１８０°の向きの別の湾曲ガイド孔９８を含み、その結果、ホーン１０４が１８０°回転させられ得るかまたは１８０°で割り出され得るようになり、ここでは、孔９８は、リボン６２を受け入れるときに孔１０６を以前に配置していたところと同じ位置に配置されることになる。したがって、ホーン１０４の摩耗によりその性能の低下した場合、積層製造プロセスを中断することなくホーン１０４が回転させられ得る。ホーン１０４の回転を説明したように効果的なものとするためにはホーン１０４が対称性を有することが必要であることに留意されたい。しかし、ホーンを回転させることを必要としない他の用途の場合、他の形状も適用可能となり得る。
【0018】
[0044]いくつかの配置モジュールデザインは複数のリボン６２を同時に敷設するのを可能にする。しかし、このような他の実施形態では、特定のホーンが、そのホーンによって蒸着されるリボンより幅広となり得る。したがって、リボン６２の隣接する列の間に空間または隙間が発生することになり、これは部品の完全性のためにはまたは他の点においても望ましくないものである可能性がある。１つのホーンを別のホーンの前方または後方に置くように複数のホーンを互い違いにしてオフセットさせることにより、このような隙間が排除され得る。図８は、各々ガイド孔を有して互いに対してオフセットされたホーン１１６および１１８を含む２つの圧縮成形デバイスを各々有する２つの互い違いの列１１２および１１４を含む超音波圧縮成形組立体１１０の側面図であり、図９は、各々ガイド孔を有して互いに対してオフセットされたホーン１１６および１１８を含む２つの圧縮成形デバイスを各々有する２つの互い違いの列１１２および１１４を含む超音波圧縮成形組立体１１０の上面図である。特には、ホーン１１６および１１８は、先行のホーンによって蒸着されたリボン６２の間の隙間を後続のホーンによって埋めることによりリボン９６が蒸着されることになるように、互いに対して位置決めされる。複数のホーンおよび付随の材料供給経路は、形成物の輪郭が変化するときに座屈または歪曲を回避するために材料の細いリボンの独立したモーションを可能にする。
【0019】
[0045]上で考察される超音波コンバータ／ブースター／ホーン組立体は構成が概略円形である。超音波組立体を平坦にするように再構成することも可能であり、その結果、超音波組立体が一体に密にされ得るようになり、部品６６の輪郭により密に従うことができるようになり、ここでは、複数のリボンが同時に敷設され得、またここでは、ホーンの間に有意な隙間が存在しない。この実施形態は図１０に示され、図１０は、それぞれのブースター１３０および１２６ならびにコンバータ１３２および１２８に接続された一対の離間された平坦なホーン１２２および１２４を含む超音波圧縮成形デバイス１２０を示す。複数のホーンを備える第２の圧縮成形デバイスが、リボンを重ねるのを実現するために圧縮成形組立体１１０と同様の互い違いのかたちで圧縮成形デバイス１２０と同じモジュールにさらに設置され得る。
【0020】
[0046]図１１では、コンバータ１５０と、ブースター１５２と、ホーン１５６と、を各々含む４つの超音波圧縮成形デバイス１４２、１４４，１４６，および１４８を含む超音波圧縮成形組立体１４０が示され、ここでは、ホーン１５６は隣り合うデバイスの間の空間より幅広である。デバイス１４２および１４６は１つの圧縮成形面にあり、デバイス１４４および１４８は別の圧縮成形面にあり、その結果、ホーン１５６が互いに干渉しなくなる。
【0021】
[0047]複数のフィラメントまたはリボンを同時に圧縮成形する複数の超音波ホーンを横に並べて提供することには、一般にはホーンが互いに独立して移動しないことを理由としてリボンが起伏のある表面で製作される可能性があるという課題が呈される。図１２は、単一のコンバータ１６２と、単一のブースター１６４と、を含む超音波圧縮成形デバイス１６０の側面図であり、図１３は、単一のコンバータ１６２と、単一のブースター１６４と、を含む超音波圧縮成形デバイス１６０の上面図である。ここでは３つである複数の離間されたホーン１６６が、ブースター１６４に連結された設置棒１６８に独立して枢動可能に設置される。さらにアーム１７０がその不動ポイントでブースター１６４に連結され、別個の空気圧作動デバイス１７４がアーム１７０および各々のホーン１６６に設置される。アーム１７０および空気圧デバイス１７４が同時に蒸着されているリボンを圧縮成形するとき、アーム１７０は振動せず、空気圧デバイス１７４はホーン１６６に圧力を加える。したがって、部品の製作中にデバイス１６０がモジュールと共に移動するとき、ホーン１６６は空気圧作動デバイス１７４の付勢力に逆らって部品６６の輪郭に沿って別個に上下に移動することになる。いくつかの事例では、空気圧作動デバイス１７４を排除することを目的としておよび空間内でのホーン１６６の位置決めをロボット１２によって制御するのを可能にすることを目的として、個別のホーンの位置を固定することが望ましい可能性がある、ことに留意されたい。
【0022】
[0048]同時に敷設されるリボンの数が何らかの限界を超えて増えると、上で考察した種類の単一の圧縮成形組立体で複数のコンバータおよびブースターを採用することが望ましい可能性がある。これが図１４に示され、図１４は、圧縮成形デバイス１６０と同様である超音波圧縮成形デバイス１８０の上面図を示し、ここでは、同様の要素は同じ参照符号によって示される。このデザインでは、圧縮成形デバイス１８０は、設置棒１８２に各々別個に枢動可能に連結された６つのホーン１６６を含み、ここでは、設置棒１８２が、ブースター１６４のうちの２つのブースターおよびコンバータ１６２のうちの２つのコンバータに連結される。２つのコンバータ１６２は同期され、その結果、ホーン１６６の適切なモーションが実現される。
【0023】
[0049]本明細書で考察される種類の超音波圧縮成形デバイスの他の構成は、パッケージングをコンパクトするなどの種々の利点を提供することができる。図１５は、モジュール６０と同様である連続フィラメント配置モジュール１９０の切欠側面図であり、ここでは、同様の要素は同じ参照符号によって示される。このデザインでは、超音波圧縮成形デバイス７６が超音波圧縮成形デバイス１９２に置き換えられ、ここでは、図１６がモジュール１９０から分離されたデバイス１９２の上面図である。上で考察されるデザインの場合、超音波ホーンは、リボン６２を敷設した方向と平行である方向に振動させられる。モジュール１９０の場合、超音波ホーンは、リボン６２を敷設した方向に対して垂直である方向に振動させられる。特には、デバイス１９２は、共通のシャフト１９６に回転可能に設置された複数の離間された円形ローラーホーン１９４を含む。シャフト１９６の一方の端部が、ブースター１９８およびコンバータ２００で作られた１つの超音波駆動装置に固定され、シャフト１９６のもう一方の端部が、ブースター２０２およびコンバータ２０４で作られた別の超音波駆動装置に固定され、ここでは、設置アーム２０６がブースター１９８および２０２に固定される。コンバータ２００および２０４ならびにブースター１９８および２０２は同期され、シャフト１９６を軸方向に振動させ、それによりホーン１９４の転動方向に対して横方向にホーン１９４を振動させる。したがって、ホーン１９４は加えられる圧力により追加的なリボンの圧縮成形を実現する。ローラーホーン１９４の数がこのデザインでは６つであることに留意されたい。しかし、任意適切な数のリボンを敷設するのに任意適切な数のローラーホーン１９４が採用され得ることから、これは例であり、ここでは、リボンの数はローラーホーン１９４の数より少なくてもまたは多くてもよい。さらに、超音波コンバータおよびブースターの組み合わせの数は図１６では２つであることに留意されたい。しかし、圧縮成形されるリボンおよび材料の数に応じて、単一のコンバータおよびブースターの組み合わせも使用され得る。
【0024】
[0050]ローラーホーン１９４を独立して振動および転動させるためにはローラーホーン１９４の間に小さい隙間が必要である。しかし、これらの隙間に位置合わせされた材料の超音波圧縮成形を実現することが望ましい可能性がある。図１７は、モジュール６０と同様である連続繊維配置モジュール２１０の切欠側面図であり、ここでは、同様の要素は同じ参照符号によって示される。このデザインでは、超音波圧縮成形デバイス７６が、前方超音波圧縮成形デバイス２１４と、後方超音波圧縮成形デバイス２１６と、を含む超音波圧縮成形デバイス組立体２１２に置き換えられ、ここでは、図１８がモジュール２１０から分離された組立体２１２の上面図である。第２のスプール２１８、リボン２２０、およびリボンガイド２０８が、圧縮成形デバイス２１６のために提供される。前方圧縮成形デバイス２１４は１組の３つのローラーホーン２２２を含み、ここでは、各ホーン２２２が別個のエクステンションアーム２２４上で回転可能である。後方圧縮成形デイバス２１６は１組の３つのローラーホーン２２６を含み、ここでは、各ホーン２２６が別個のエクステンションアーム２２８の上で回転可能であり、ここでは、ローラーホーン２２６はローラーホーン２２２より幅広であり、圧縮成形されているリボン６２より幅広であり、ローラーホーン２２２の圧縮成形フットプリントに重なるように位置合わせされ、その結果、リボン界面のところには非圧縮成形時に小さい隙間も存在しなくなる。アーム２２４および２２８は、それぞれ、釣り合いおもりとして機能するために、ならびに、エクステンションアーム２３４に連結された空気圧デバイス２３２によりリボン６２に対してホーン２２２および２２６が圧縮される得るところである場所を提供するために、ローラーホーン２２２および２２６から延在する。アーム２２４の各々が、シャフト２４４により、一方の端部のところでブースター２３６およびコンバータ２３８に固定され、反対側の端部のところでブースター２４０およびコンバータ２４２に固定される。さらに、一対のブースターおよびコンバータが、同様の手法でローラーホーン２２６を振動させるのに使用される。１つのローラーのセットに対して２つのコンバータおよびブースターのセットが示されるが、いくつかの事例では、１つのローラーのセットに対して１つのみのコンバータおよびブースターのセットが必要となる場合もある、ことに留意されたい。さらに、いくつかの事例では、空気圧デバイス２３２を排除するために、および、フィラメント配置・圧密モジュールを移動させるときにロボット制御装置により空間内でのホーン２２２および２２６の位置を制御するのを可能にするために、空間内での超音波ホーンの位置を固定することが有利である、ことに留意されたい。図１９は、ローラーホーン２２２によって圧縮成形されているリボン２４６と、ローラーホーン２２６によって圧縮成形されているリボン２４８と、を示し、ここでは、ローラーホーン２２６がさらにリボン２４６の縁部を圧縮成形する。
【0025】
[0051]図２０は、モジュール６０と同様である連続フィラメント配置モジュール２６０の切欠側面図であり、ここでは、同様の要素は同じ参照符号によって示される。このデザインでは、超音波圧縮成形デバイス７６が超音波圧縮成形デバイス２６２に置き換えられ、ここでは、図２１がモジュール２６０から分離されたデバイス２６２の上面図であり、図２２がモジュール２６０から分離されたデバイス２６２の正面図である。デバイス２６２は、頂部タブ２６６を有して中央位置でフレーム２６８に堅固に設置された円形往復動ホーン２６４を含む。デバイス２６２はブースター２７０を通して棒２７４に連結された超音波駆動装置２７２をさらに含み、棒２７４はさらにタブ２６６に連結され、ここでは、駆動装置２７２は、リボン６２を敷設するときの方向において、リボン６２に接触するところであるホーン表面を前後に振動させる。一対の空気圧デバイス２７６および２７８がフレーム２６８に連結され、ホーン２６４に対して下向きの圧力を加える。いくつかの事例では、空気圧デバイス２７６および２７８が排除され得、ロボットデバイスが圧縮成形エンドエフェクタを操作することにより空間内でのローラーホーンの位置が固定される、ことに留意されたい。
【0026】
[0052]図２３は圧縮成形デバイス２６２と同様である超音波圧縮成形デバイス２８０の正面図であり、図２４は圧縮成形デバイス２６２と同様である超音波圧縮成形デバイス２８０の上面図であるが、ここでは、単一のホーン２６４が、頂部タブ２８４を各々有する複数の離間された円形往復動ホーン２８２に置き換えられ、ここでは、同様の要素は同じ参照符号によって示される。ホーン２８２は、フレーム２９８に設置されたシャフト２９６に回転可能に固定される。連結棒２８６が、連結棒２８６上にあるタブと、連結棒２８６上にあるタブを通って延びるピン３２６と、を介して、すべてのタブ２８４に連結され、一対の超音波駆動装置２８８および２９０が、ブースター３１６および３１８を介して、それぞれ棒２９２および２９４により連結棒２８６に連結される。デバイス２８０は２つの超音波駆動装置のセットを有するように示されるが、必要である場合に１つのまたは３つ以上の超音波駆動装置のセットを用いて駆動されてもよいことに留意されたい。
【0027】
[0053]図２５はモジュール２１０と同様である連続フィラメント配置モジュール３００の切欠側面図であり、ここでは、同様の要素は同じ参照符号によって示される。このデザインでは、超音波圧縮成形組立体２１２は、前方超音波圧縮成形デバイス３０４および後方超音波圧縮成形デバイス３０６を含む超音波圧縮成形デバイス組立体３０２に置き換えられる。ローラーホーンを採用する代わりに、デバイス３０４および３０６は、個別の超音波駆動装置３１０および３１４によりそれぞれ振動させられる円形往復動ホーン３０８および３１２を採用し、それにより、リボン６２および２２０を敷設するときの方向においてリボン６２およびリボン２２０との接触点にモーションを与える。図２６は、ホーン３０８と３１２との間の互い違いの重なりを示している、図１８と同様である、モジュール２１０から離間された組立体３０２の正面図である。
【0028】
[0054]上で考察した往復動超音波ホーンの種々の実施形態は円形である。しかし、ホーンとリボン６２との間の接触ポイントのみにより超音波加熱が引き起こされることから、これらは必ずしも円形である必要はない。図２７は、超音波圧縮成形デバイス３０４と同様である超音波圧縮成形デバイス３２０の側面図であり、ここでは、同様の要素は同じ参照符号によって示される。このデザインでは、円形切欠部３２２がホーン３０８の背面側に形成され、ローラー３２４が切欠部３２２に配置され、ここでは、ローラー３２４は上で考察したローラー８６と同じ手法で動作する。
【0029】
[0055]上記の考察は単に本開示の例示の実施形態を開示して説明するものである。以下の特許請求の範囲で定義される本開示の精神および範囲から逸脱することなく本発明において多様な変更形態、修正形態、および変形形態が作られ得ることを、これらの考察ならびに添付図面および特許請求の範囲から当業者であれば容易に認識するであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【国際調査報告】