JP6061261B2 - 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

Description

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. ノズルを有し、樹脂を含む第１連続材料と繊維を含む第２連続材料とが個別にフィードされるヘッドと、
   前記ノズルの出口からの、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つに関する動作装置を制御するコントローラと、
   を備え、
   前記第１連続材料は、連続的に延在した線状の樹脂を含み、
   前記動作装置は、少なくとも前記第１連続材料を前記ノズルに向けて駆動するフィーダと、前記フィーダと前記ノズルの出口との間の結合位置で前記線状の樹脂に前記繊維が導入されるように前記線状の樹脂を軟化させる加熱ユニットと、を含む、三次元プリンティングシステム。
2. 前記ヘッドは、前記第１連続材料に対して前記第２連続材料が交差する角度で、前記第１連続材料に対して前記第２連続材料を案内する案内部を有する、
   請求項１に記載の三次元プリンティングシステム。
3. 前記加熱ユニットは、少なくとも前記線状の樹脂を加熱する第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. 前記切断装置は、前記結合位置に対して、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. 前記フィーダは、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. 前記フィーダは、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５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。
7. 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６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。
8. 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７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、個別に、ノズルを有するヘッドにフィードする工程と、
   （ｂ２）前記樹脂を軟化させる工程と、
   （ｂ３）前記ノズルの出口からの、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、
   （ｂ４）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、
   を含み、
   前記第１連続材料は、連続的に延在した線状の樹脂を含み、
   フィーダによって少なくとも前記第１連続材料が前記ノズルに向けて駆動され、
   前記フィーダと前記ノズルの出口との間の結合位置で前記線状の樹脂に前記繊維が導入されるように前記線状の樹脂が軟化する、三次元プリンティング方法。
10. 前記第２連続材料は、サポート部材に前記繊維が巻かれた構造を有する、
    請求項９に記載の三次元プリンティング方法。
11. 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、サポート部材に繊維が巻かれた構造を含む樹脂層を有する、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プリント材料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、
    連続的に延在した線状の樹脂をノズルに押し込む樹脂押込装置と、
    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、
    前記樹脂押込装置と前記ノズルの出口との間の結合位置で前記線状の樹脂内に前記繊維が導入されるように前記線状の樹脂を軟化させる加熱装置と、
    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. 前記線状の樹脂に対して前記繊維が交差する角度で、前記線状の樹脂に対して前記繊維を案内する案内部をさらに有す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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