特許 7513404 固相付加製造のためのツールヘッドアセンブリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】固相付加製造のためのツールヘッドアセンブリ

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20240702BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 344

【請求項の数】 13

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2020029446

(22)【出願日】2020-02-25

(65)【公開番号】P2020175441

(43)【公開日】2020-10-29

【審査請求日】2023-01-27

(31)【優先権主張番号】16/391,065

(32)【優先日】2019-04-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500520743

【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(74)【代理人】

【識別番号】100163522

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 晋平

(74)【代理人】

【識別番号】100154922

【弁理士】

【氏名又は名称】崔 允辰

(72)【発明者】

【氏名】ラヴィ・ヴェルマ

【審査官】山内 隆平

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００９／０２００２７５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１９４７９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００３－０６２６８１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２０／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固相付加製造装置（１００）のためのツールヘッドアセンブリ（１０４）であって、前記ツールヘッドアセンブリ（１０４）が、
内部に材料を受け入れる材料通路（１２０）を備えたツールヘッド（１１０）であって、前記ツールヘッド（１１０）は、前記材料通路（１２０）から前記材料を前記固相付加製造装置（１００）の基板（１０２）上に堆積させて前記基板（１０２）上に前記材料の少なくとも１つの層（１４２）を形成するように構成され、前記ツールヘッド（１１０）は、前記ツールヘッド（１１０）の長さに沿って延伸する外側長手方向表面（１３２）と、縁部（１３６）で外側長手方向表面（１３２）と交差する端面（１３４）とを含み、前記ツールヘッド（１１０）の肩部（１３０）は、前記端面（１３４）及び前記縁部（１３６）によって画定され、前記肩部（１３０）は、前記材料と接触し、前記ツールヘッド（１１０）の回転が前記材料を摩擦攪拌する、ツールヘッド（１１０）と、
前記少なくとも１つの層（１４２）が前記基板（１０２）上に堆積される際に、前記少なくとも１つの層（１４２）の側面（１５４）に沿って延伸するように構成されたバリア（１１２）であって、前記バリア（１１２）は、前記材料が前記肩部（１３０）の縁部（１３６）を越えて押し出されるのを制限するように構成される、バリア（１１２）と
を備える、ツールヘッドアセンブリ（１０４）。

【請求項2】

前記バリア（１１２）が第１のバリア（１１２ａ）であり、前記側面（１５４）が第１の側面（１５４ａ）であり、前記少なくとも１つの層（１４２）が前記第１の側面（１５４ａ）の反対側に延伸する第２の側面（１５４ｂ）を備え、前記ツールヘッドアセンブリ（１０４）は、前記少なくとも１つの層（１４２）が前記基板（１０２）上に堆積される際に、前記少なくとも１つの層（１４２）の前記第２の側面（１５４ｂ）に沿って延伸する第２のバリア（１１２ｂ）を備える、請求項１に記載のツールヘッドアセンブリ（１０４）。

【請求項3】

前記ツールヘッド（１１０）は、前記ツールヘッド（１１０）が前記基板（１０２）上に前記材料の前記少なくとも１つの層（１４２）を堆積させる際に前記基板（１０２）の長手方向軸線（１０６）に沿って移動するように構成され、前記バリア（１１２）は、前記基板の前記長手方向軸線（１０６）に沿って前記ツールヘッド（１１０）とともに移動するように構成される、請求項１に記載のツールヘッドアセンブリ（１０４）。

【請求項4】

前記バリア（１１２）が軸受（１５２）を備える、請求項１に記載のツールヘッドアセンブリ（１０４）。

【請求項5】

前記バリア（１１２）は、前記少なくとも１つの層（１４２）の堆積中に前記バリア（１１２）が前記少なくとも１つの層（１４２）の長さに沿って移動する際に回転軸線（１５６）の周りを自由に回転するローラーを備える、請求項１に記載のツールヘッドアセンブリ（１０４）。

【請求項6】

前記バリアが、前記基板（１０２，３０２）の長手方向軸線（３０６）に沿って延伸するレール（３５２）を備え、前記レール（３５２）は、前記長手方向軸線（３０６）に沿った位置に固定されている、請求項１に記載のツールヘッドアセンブリ（１０４）。

【請求項7】

前記ツールヘッド（１１０）は、前記ツールヘッド（１１０）が前記基板（１０２，３０２）上に前記材料の前記少なくとも１つの層（１４２）を堆積させる際に前記基板（１０２，３０２）の長手方向軸線（３０６）に沿って移動するように構成され、前記バリア（１１２）は、前記長手方向軸線（３０６）に沿って前記ツールヘッド（１１０）とともに移動するように構成されたレール（３５２）を備える、請求項１に記載のツールヘッドアセンブリ（１０４）。

【請求項8】

前記ツールヘッド（１１０）は、前記ツールヘッド（１１０）が前記基板（１０２，３０２）上に前記材料の前記少なくとも１つの層（１４２）を堆積させる際に前記基板（１０２，３０２）の長手方向軸線（３０６）に沿って移動するように構成され、前記バリア（１１２）は、前記長手方向軸線（３０６）に沿って前記ツールヘッド（１１０）とともに移動するように構成されたレール（３５２）を備え、前記レール（３５２）は湾曲した形状を含む、請求項１に記載のツールヘッドアセンブリ（１０４）。

【請求項9】

前記ツールヘッド（１１０）は、前記ツールヘッド（１１０）が前記基板（１０２，３０２）上に前記材料の前記少なくとも１つの層（１４２）を堆積させる際に前記基板（１０２，３０２）の長手方向軸線（３０６）に沿って移動するように構成され、前記バリア（１１２）は、前記バリア（１１２）が前記長手方向軸線（３０６）に沿って前記ツールヘッド（１１０）と整列するように、前記ツールヘッド（１１０）と並んで配置される、請求項１に記載のツールヘッドアセンブリ（１０４）。

【請求項10】

前記ツールヘッド（１１０）は、前記ツールヘッド（１１０）が前記基板（１０２，３０２）上に前記材料の前記少なくとも１つの層（１４２）を堆積させる際に前記基板（１０２，３０２）の長手方向軸線（３０６）に沿って移動するように構成され、前記バリア（１１２）は前記長手方向軸線（３０６）に沿って前記ツールヘッド（１１０）の後ろに配置される、請求項１に記載のツールヘッドアセンブリ（１０４）。

【請求項11】

固相付加製造のための方法であって、
材料を基板（１０２）に堆積させ、それにより前記基板（１０２）上に前記材料の少なくとも１つの層（１４２）を形成するために前記材料をツールヘッド（１１０）から供給するステップと、
前記材料が前記基板（１０２）上に堆積される際に前記ツールヘッド（１１０）を回転させるステップと、
前記ツールヘッド（１１０）の回転が前記材料を摩擦攪拌するように前記材料を前記ツールヘッド（１１０）の肩部（１３０）に接触させるステップであって、前記ツールヘッド（１１０）は、前記ツールヘッド（１１０）の長さに沿って延伸する外側長手方向表面（１３２）と、縁部（１３６）で外側長手方向表面（１３２）と交差する端面（１３４）とを含み、前記肩部（１３０）は、前記端面（１３４）及び前記縁部（１３６）によって画定されている、ステップ、
前記材料を制限するために、前記材料が前記基板（１０２）上に堆積される際に、前記少なくとも１つの層（１４２）の側面（１５４）に沿って延伸するバリア（１１２）を使用して、前記材料が前記ツールヘッド（１１０）の前記肩部（１３０）の縁部（１３６）を越えて押し出されるのを制限するステップと
を含む、
方法。

【請求項12】

前記材料を供給するステップが、前記基板（１０２）の長手方向軸線（１０６）に沿って前記ツールヘッド（１１０）を移動させるステップを含み、前記材料を制限するステップが、前記ツールヘッド（１１０）とともに前記基板（１０２）の前記長手方向軸線（１０６）に沿って前記バリア（１１２）を移動させるステップを含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記材料を供給するステップが、前記基板（１０２）の長手方向軸線（１０６）に沿って前記ツールヘッド（１１０）を移動させるステップを含み、前記材料を制限するステップが、前記ツールヘッド（１１０）の後ろで前記長手方向軸線（１０６）に沿って前記バリア（１１２）を追跡するステップを含む、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

付加製造プロセスは、基板上に１つ又は複数の材料層を堆積させて、例えば、オブジェクトの製造、既存のオブジェクトの被覆、又はオブジェクトの既存の構造の修復など、構造を付加的に構築する。固相付加製造プロセスは、ステレオリソグラフィ、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、溶融フィラメント製造（ＦＦＦ）、及び選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）プロセスなど、供給材料を溶解する他の付加製造プロセスとは対照的に、仕上げ層を形成するために供給材料を可塑化することを含む。固相付加製造プロセスの一例は、付加的摩擦攪拌（ＡＦＳ）であり、これは一般に摩擦攪拌付加製造（ＦＳＡＭ）とも呼ばれる。ＡＦＳプロセスでは、回転ツールヘッドを使用して、供給材料（ロッド、粉末など）を回転させ、基板（又は最後に堆積した層）に押し付ける。軸方向の負荷と回転の下で、供給材料は局所的に加熱され、可塑化され、供給材料はツールヘッドの肩部の下で外側に押し出される。ツールヘッドが遠ざかると（例えば、横方向など）、ツールヘッドは基板に溶着した材料の層（又は最後に堆積した層）を残す。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0002】

ただし、既存のシステムでは、ＡＦＳプロセスは比較的大量のばりを生成する可能性があり、１つ又は複数の二次加工プロセスでこのばりを除去して構造を仕上げる必要がある。例えば、可塑化された供給材料は、可塑化された材料と肩部との間に生じる摩擦によってのみ、ツールヘッドの肩部の縁部を越えて流れることを制限される。その結果、ＡＦＳプロセス中に、可塑化された供給材料が肩部の縁部を越えて押し出され（例えば、肩部の下から押し出され）、それによってばりが形成される。ＡＦＳプロセスによって生成されるばりは、例えばプロセス中に消費される（すなわち、堆積する）供給材料の５０％ほどの比較的大量であり得る。ばりの除去に必要な二次加工プロセスは、ＡＦＳプロセスを使用して構造を構築するのに必要なコストと時間を増加させる。より少ないばりを生成するために、ＡＦＳプロセス中に堆積される層の厚さは薄くなった。ただし、層の厚さが薄くなると、構造を構築するのに必要な層の数が増加し、より時間がかかり、コストもかかる。

【課題を解決するための手段】

【0003】

一態様では、固相付加製造装置のためのツールヘッドアセンブリが提供される。ツールヘッドアセンブリは、内部に材料を受け入れるように構成された材料通路を有するツールヘッドを含む。ツールヘッドは、材料通路から固相付加製造装置の基板上に材料を堆積させて、基板上に材料の少なくとも１つの層を形成するように構成される。ツールヘッドは材料に接触するように構成された肩部を含み、ツールヘッドの回転が材料を摩擦攪拌するようにする。ツールヘッドアセンブリは、少なくとも１つの層が基板上に堆積されるときに少なくとも１つの層の側面に沿って延伸するように構成されたバリアを含み、バリアは、材料が肩部の縁部を越えて押し出されるのを制限するように構成される。

【0004】

別の態様では、固相付加製造装置が提供される。固相付加製造装置は、基板と、内部に材料を受け入れるように構成された材料通路を有するツールヘッドとを含む。ツールヘッドは、材料を材料通路から基板上に堆積させて、基板上に材料の少なくとも１つの層を形成するように構成される。ツールヘッドは材料に接触するように構成された肩部を含み、ツールヘッドの回転が材料を摩擦攪拌するようにする。固相付加製造装置は、少なくとも１つの層が基板上に堆積されるときに少なくとも１つの層の側面に沿って延伸するように構成されたバリアを含み、バリアは、材料が肩部の縁部を越えて押し出されるのを制限するように構成される。

【0005】

別の態様では、固相付加製造のための方法が提供される。この方法は、材料を基板に堆積させ、それにより基板上に材料の少なくとも１つの層を形成するために材料をツールヘッドから供給するステップと、材料が基板上に堆積されるときにツールヘッドを回転させるステップと、ツールヘッドの回転が材料を摩擦攪拌するように材料をツールヘッドの肩部に接触させるステップと、材料が基板上に堆積されて材料を制限するときに、少なくとも１つの層の側面に沿って延伸するバリアを使用して、材料がツールヘッドの肩部の縁部を越えて押し出されるのを制限するステップと、を含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】固相付加製造（ＳＳＡＭ）装置の実装形態の斜視図である。

【図2】図１に示すＳＳＡＭ装置の断面図である。

【図3】図１及び図２に示すＳＳＡＭ装置の平面図である。

【図4】ＳＳＡＭ装置の別の実装形態の断面図である。

【図5】ＳＳＡＭ装置のさらに別の実装形態の平面図である。

【図6】図５に示すＳＳＡＭ装置の立面図である。

【図7】ＳＳＡＭ装置の別の実装形態の平面図である。

【図8】ＳＳＡＭ装置のさらに別の実装形態の斜視図である。

【図9】実装形態によるＳＳＡＭのための方法を示すフローチャートである。

【図10】航空機の実装形態の概略図である。

【図11】航空機の製造及び保守点検方法の実装形態のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

添付の図面と併せて読めば、上述の概要、ならびに特定の実施形態及び実装形態の以下の詳細な説明がより良く理解されよう。本明細書で使用される場合、「ａ」又は「ａｎ」に続いて単数形で記載される要素又はステップは、要素又はステップの複数を排除するものではないと理解されるべきである。また、「一実施形態」又は「一実装形態」への言及は、記載した形態を組み込んだ付加的な実施形態又は実装形態の存在を除外するものとして解釈されるものではない。さらに、特に明示的に述べられていない限り、特定の特性を有するある要素又は複数の要素を「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」又は「有する（ｈａｖｉｎｇ）」実施形態は、その特性を有していない追加の要素を含んでもよい。

【0008】

例えば、「上」、「下」、「上方」、「下方」、「垂直方向」などのさまざまな空間及び方向の用語が、本開示の実施形態及び実装形態を説明するために使用されるが、このような用語は図示された向きに関して単に使用されることが理解される。向きは反転、回転、又は変更することができ、構造が１８０度反転した場合は上面が下面になり、構造が９０度回転した場合は左側又は右側になる。

【0009】

本開示の特定の実装形態は、固相付加製造（ＳＳＡＭ）装置のためのツールヘッドアセンブリを提供する。ツールヘッドアセンブリは、内部に材料を受け入れるように構成された材料通路を有するツールヘッドを含む。ツールヘッドは、材料通路から固相付加製造装置の基板上に材料を堆積させて、基板上に材料の少なくとも１つの層を形成するように構成される。ツールヘッドは材料に接触するように構成された肩部を含み、ツールヘッドの回転が材料を摩擦攪拌するようにする。ツールヘッドアセンブリは、少なくとも１つの層が基板上に堆積されるときに少なくとも１つの層の側面に沿って延伸するように構成されたバリアを含み、バリアは、材料が肩部の縁部を越えて押し出されるのを制限するように構成される。

【0010】

本開示の特定の実装形態は、より少ないばりを生成するＳＳＡＭプロセスを可能にする。本開示の特定の実装形態は、ＳＳＡＭプロセスを使用して構築された構造を仕上げるために必要な１つ又は複数の二次仕上げプロセス（例えば、機械加工プロセスなど）の期間を短縮する。本開示の特定の実装形態は、ＳＳＡＭプロセスを使用して構築された構造を仕上げるために必要な二次仕上げプロセスの数を減らす。本開示の特定の実装形態は、１つ又は複数の二次仕上げプロセスの必要性を排除する。本開示の特定の実装形態は、ＳＳＡＭプロセスを使用して構造を構築するのに必要な時間量を削減する。本開示の特定の実装形態は、ＳＳＡＭプロセスを使用して構造を構築するコストを削減する。

【0011】

ここで図を参照すると、固相付加製造（ＳＳＡＭ）装置１００の実装形態の斜視図が図１に提供され、図２及び図３は、それぞれ、ＳＳＡＭ装置１００の断面図及び平面図を提供する。図１～図３を参照すると、ＳＳＡＭ装置１００は、基板又は既存のオブジェクト上に材料の１つ又は複数の層を堆積させることにより構造を付加的に構築するように構成される。例えば、いくつかの実装形態ではＳＳＡＭ装置１００を使用してオブジェクトを製造し、他の実装形態ではＳＳＡＭ装置１００を使用して既存のオブジェクトをクラッディング材料でクラッドするか、既存のオブジェクトの構造を修復する。本明細書に示され説明される実装形態では、ＳＳＡＭ装置１００は、ＡＦＳプロセスを使用して構造を構築するように構成された付加的摩擦攪拌（ＡＦＳ）装置である。しかし、本明細書の教示によって導かれる当業者は、ＳＳＡＭ装置１００が、一般に摩擦攪拌付加製造（ＦＳＡＭ）とも呼ばれるＡＦＳプロセスに限定されないことを理解するであろう。むしろ、本開示は、任意の他のタイプのＳＳＡＭプロセスに適用可能である。

【0012】

図１～図３に示されるように、ＳＳＡＭ装置１００は、基板１０２とツールヘッドアセンブリ１０４とを含む。基板１０２は、中心長手方向軸線１０６に沿って長さを延ばし、堆積表面１０８を含む。本明細書（例えば、以下の請求項や発明を実施するための形態の残りの部分など）で使用されるように、「基板」は、（１）オブジェクトを製造するために１つ又は複数の層が堆積される基板（例えば、基板１０２）；及び（２）クラッディング、修復などのために１つ又は複数の層が堆積される既存のオブジェクト、を指すために交換可能に使用される。さらに、本明細書（例えば、以下の請求項や発明を実施するための形態の残りの部分など）で使用されるように、「基板」「上に」材料を堆積させることは、（１）基板１０２の堆積表面１０８に材料を直接堆積させること；及び（２）以前に堆積された材料の介在層（例えば、最後に堆積した層、最上層、露出した表面を有する層など）に材料を直接的に堆積させることにより基板１０２上に材料を間接的に堆積させること、を指すために交換可能に使用される。ＳＳＡＭ装置１００によって実行されるＳＳＡＭプロセスは、開放された雰囲気でのプロセスである（すなわち、密閉されたエンクロージャの使用を必要としない）。それにもかかわらず、いくつかの実装形態では、基板１０２及びツールヘッドアセンブリ１０４は、密閉されたエンクロージャ（図示せず、例えば不活性ガスなどを含む）内に保持される。

【0013】

ツールヘッドアセンブリ１０４は、ツールヘッド１１０と、１つ又は複数のバリア１１２とを含む。以下により詳細に説明されるように、１つ又は複数のバリア１１２は、ＳＳＡＭプロセスによって生成されるばりの量を減らすように構成される。ツールヘッド１１０は、中心長手方向軸線１１４に沿って端部１１６から反対側の端部１１８まで長さを延ばしている（図１及び図２に示すが、図３には見えない）。ツールヘッド１１０は、入口１２２からノズル１２４まで中心長手方向軸線１１４に沿ってツールヘッド１１０の長さにわたって延伸する材料通路１２０を含む（図２に示すが、図１及び図３には見えない）。材料通路１２０の入口１２２は、材料通路１２０が供給源から供給材料を受け取るように、供給材料の供給源（図示せず）に動作可能に接続される。言い換えれば、供給源からの供給材料は、入口１２２を通って材料通路１２０に供給される。以下に説明するように、供給材料は、ノズル１２４を通って材料通路１２０を出て、それにより基板１０２上に堆積する。いくつかの実装形態では、供給材料は粉末であるが、他の実装形態では、供給材料は、例えばワイヤ、ロッド、液体など、ＳＳＡＭ装置１００によって材料を堆積させることを可能にする任意の他の形態を有する。ＳＳＡＭ装置１００を使用して構造を構築するために使用できる材料の例には、金属、複合金属、他の複合材料、ポリマー、プラスチック、エポキシなどが含まれるが、これらに限定されない。

【0014】

ツールヘッド１１０は、ＳＳＡＭ装置１００の動作中に回転するように構成される。例えば、ツールヘッド１１０は、駆動手段（図示せず；例えば、モータ、エンジンなど）に動作可能に接続されたスピンドル（図示せず）に固定される。駆動手段はスピンドルを回転させ、スピンドルは中心長手方向軸線１１４の周りにツールヘッド１１０を回転させる。他の実装形態では、他の任意のタイプの機構が追加的又は代替的に使用されて、中心長手方向軸線１１４の周りにツールヘッド１１０を回転させる。本明細書に示される実装形態では、ツールヘッド１１０は、矢印１２６によって示されるように、反時計回り方向に中心長手方向軸線１１４の周りを回転する。他の実装形態では、ツールヘッド１１０は、中心長手方向軸線１１４を中心に時計回り方向に回転するように構成されるか、時計回りと反時計回りの両方の方向に回転するように構成される。ＳＳＡＭ装置１００の動作中の中心長手方向軸線１１４の周りのツールヘッド１１０の回転は、以下でさらに詳細に説明される。

【0015】

ツールヘッド１１０の材料通路１２０は、ツールヘッド１１０が本明細書に開示されるように機能することを可能にする任意の断面形状を含む。いくつかの実装形態では、材料通路１２０は、その長さの少なくとも一部に沿って、供給材料の形状を補完する断面形状を含み（例えば、供給材料がロッドなどである実装形態）、ツールヘッド１１０とともに中心長手方向軸線１１４の周りの供給材料の回転を促進する。言い換えれば、いくつかの実装形態では、材料通路１２０と供給材料の断面形状は相補的であり、したがって、供給材料は、最小限の、又は全くない滑り量でツールヘッド１１０とともに回転するために、材料通路１２０と連動する。特定の一例では、材料通路１２０は、その長さの少なくとも一部に沿って長方形断面形状（例えば、正方形など）を含み、供給材料は、長方形の断面形状（例えば、正方形など）を有するロッドであり、ロッドは材料通路１２０と回転的に連動する。他の実装形態では、追加又は代替として、他の補完的な形状が使用される。供給材料がロッド以外のものである少なくともいくつかの実装形態では、ワイヤ、粉末、液体、又は別の形態の供給材料は、例えば供給材料と材料通路１２０との間の摩擦により、ＳＳＡＭ装置１００の動作中にツールヘッド１１０とともに回転する。

【0016】

ツールヘッド１１０はまた、ＳＳＡＭ装置１００の動作中に基板１０２の長さに沿って移動するように構成される。例えば、スピンドルは、基板１０２の中心長手方向軸線１０６に沿って移動し、それにより、次に、中心長手方向軸線１０６に沿ってツールヘッド１１０を移動させる（例えば、図１及び図３に示されるが、図２には示されていない矢印１２８の方向に）。別の実装形態では、例えば、モータ、エンジン、リニアアクチュエータ（例えば、ねじ式リニアアクチュエータ、油圧リニアアクチュエータ、空気圧リニアアクチュエータ、磁気可動リニアアクチュエータ、電気可動リニアアクチュエータ、リニアモータ、ソレノイド、車輪及び車軸アクチュエータ、カムアクチュエータ、電気機械式リニアアクチュエータ、伸縮式リニアアクチュエータなど）である任意の適切な駆動機構を使用して、ＳＳＡＭ装置１００の動作中に中心長手方向軸線１０６に沿ってツールヘッド１１０を移動させる。ＳＳＡＭ装置１００の動作中の基板１０２の長さに沿ったツールヘッド１１０の移動は、以下でさらに詳細に説明される。

【0017】

ツールヘッド１１０の端部１１８は、肩部１３０（図１及び図２に示されるが、図３には見えない）を含む。具体的には、ツールヘッド１１０は、ツールヘッド１１０の長さに沿って（すなわち、中心長手方向軸線１１４に沿って）延伸する外側長手方向表面１３２と、縁部１３６で外側長手方向表面１３２と交差する端面１３４（図１及び図２に示されるが、図３には見えない）とを含む。ツールヘッド１１０の端部１１８は、端面１３４、縁部１３６、及び外側長手方向表面１３２の一部を含む。ツールヘッド１１０の肩部１３０は、端面１３４及び縁部１３６によって画定される。肩部１３０は、堆積される各層の上限を画定する。以下でさらに詳細に説明するように、供給材料が基板１０２上に堆積されて層を形成すると、肩部１３０は堆積された材料と接触し、ツールヘッド１１０の回転が材料を摩擦攪拌する。

【0018】

ツールヘッド１１０は、図１～図３に示される形状に限定されず、他の実装形態において任意の他の適切な形状を有する。例えば、図４は、テーパ形状を含むツールヘッド２１０を有するツールヘッドアセンブリ２０４を含むＳＳＡＭ装置２００の別の実装形態を示している。ツールヘッド２１０は、中心長手方向軸線２１４に沿って端部２１６から反対側の端部２１８まで長さを延ばしている。ツールヘッド２１０は、入口２２２からノズル２２４まで中心長手方向軸線２１４に沿ってツールヘッド２１０の長さにわたって延伸する材料通路２２０を含む。ツールヘッド２１０は、中心長手方向軸線２１４に沿って延伸する外側長手方向表面２３２と、縁部２３６で外側長手方向表面２３２と交差する端面２３４とを含む。ツールヘッド２１０の端部２１８は肩部２３０を含み、より具体的には、肩部２３０は端面２３４及び縁部２３６によって画定される。図４に見られるように、外側長手方向表面２３２は、ツールヘッド２１０の端部２１８で中心長手方向軸線２１４に向かって内向きにテーパが付けられている。

【0019】

再び図１～図３を参照すると、動作中、供給材料源からの供給材料は、ツールヘッド１１０の材料通路１２０に供給される。ツールヘッド１１０が基板１０２の長さに沿って（例えば、矢印１２８の方向などに）移動すると、供給材料がノズル１２４を通ってツールヘッド１１０の材料通路１２０から出て、供給材料が基板１０２上に押し付けられる（すなわち、堆積される）。図１～図３に示される実装形態では、供給材料は、基板１０２上に以前に堆積された介在層１４２ｃの上面１４０上に直接堆積され、供給材料は基板１０２上に間接的に堆積されて層１４２ｄを形成する。介在層１４２ｃは、図１～図３に示される実装態様では最後に堆積された層であるが、他の実装態様では、層１４２ｄは、最後に堆積された層ではない層の露出表面上に堆積される。

【0020】

ツールヘッド１１０が基板１０２に沿って移動して供給材料を基板１０２上に堆積させるときに、ツールヘッド１１０は供給材料を摩擦攪拌する。具体的には、ツールヘッド１１０は、中心長手方向軸線１１４に沿って矢印１３８の方向に軸方向に負荷がかけられ（図１及び図２に示すが、図３にはラベル付けされていない）、供給材料が、ツールヘッド１１０の肩部１３０の下（すなわち、介在層１４２ｃの上面１４０と肩部１３０の端面１３４との間）で外側に押し出される。ツールヘッド１１０の肩部１３０と堆積材料との間の接触、中心長手方向軸線１１４の周りのツールヘッド１１０（及び少なくともいくつかの実施形態では供給材料）の回転、及び軸方向の負荷から生じる下向きの圧力は摩擦を発生させ、摩擦により加熱され、それにより堆積した材料が可塑化される。可塑化された材料が冷えると、可塑化された材料は固化して可塑化された材料を介在層１４２ｃに融着させ、それにより仕上げ層１４２ｄを形成する（仕上げ層１４２ｄは図１～図３では部分的にのみ仕上げられているように示されている）。したがって、ツールヘッド１１０が基板１０２に沿って移動すると、ツールヘッド１１０は、介在層１４２ｃに融着された材料の層（すなわち、仕上げ層１４２ｄ）を残す。任意選択で、ツールヘッド１１０は、材料の攪拌を容易にするために矢印１３８の方向に肩部１３０から外側に延伸するピン又は他の突起（図示せず）を含む。

【0021】

図１～図３に示されるように、堆積される層１４２ｄは第４の層である。具体的には、図１～図３のＳＳＡＭ装置１００のＳＳＡＭプロセスを使用して構築される構造１４４は、第１の層１４２ａ、第２の層１４２ｂ、第３の層１４２ｃ（例えば、介在層１４２ｃ）、及び第４の層１４２ｄ（例えば、仕上げ層１４２ｄ）を含む。仕上げられると、構造１４４は、任意の数の層１４２（例えば、４つ以上の層など）を含む。他の実装形態では、構造１４４は、４層未満の任意の数の層１４２（例えば、３層、２層、又は１層）を含む。

【0022】

本明細書に示される実装形態は、矢印１２８の方向に中心長手方向軸線１０６に沿って移動して、細長いストリップの形状を有する図示の例示的な層（例えば、図示の層１４２ａ～１４２ｄなど）を形成するツールヘッド１１０を示している。本明細書に示される実装形態を使用して構築された層（例えば、層１４２など）の比較的単純な平行六面体形状及び全体の構造（例えば、構造１４４など）は、単に一般的なＳＳＡＭ装置１００の動作を示す例として意図されている。言い換えれば、ＳＳＡＭ装置１００は、本明細書に示される形状を有する層の堆積又は構造の構築に限定されない。むしろ、ツールヘッド１１０は、基板１０２に沿った任意の方向（直線であるか、中心長手方向軸線１０６に対して平行、垂直、又は斜めであるか、などにかかわらず）に移動して、任意の形状を有する層を形成し、任意の形状の構造を構築するように構成される。例えば、いくつかの実装形態では、ツールヘッド１１０は、矢印１２８の方向に移動することに加えて、又はその代わりに、中心長手方向軸線１０６に沿って反対方向１４６（図１及び図３に示されるが、図２にはラベル付けされていない）に移動するように構成される。いくつかの実装形態では、ツールヘッド１１０は、中心長手方向軸線１０６に沿って移動することに加えて、又はその代わりに、基板１０２の幅に沿って（すなわち、中心長手方向軸線１４８に沿って）移動するように構成される。さらに、いくつかの実装形態では、ツールヘッド１１０は、例えば１つ又は複数の湾曲部を含む経路に沿って、波の経路に沿って、１つ又は複数の屈曲部、角部などを含む経路に沿って、線形ではない（すなわち直線ではない）１つ又は複数の方向に（すなわち経路に沿って）移動するように構成される。

【0023】

矢印１２８の方向に加えて、又はその代わりに、ツールヘッド１１０を基板１０２に沿って１つ又は複数の他の方向（中心長手方向軸線１０６に平行かにかかわらず）に移動させることにより、ＳＳＡＭ装置１００は、本明細書に示される層と比較して、異なる向き、形状、及び／又は同様のもの（例えば、より複雑な層形状、異なる仕上げ構造形状など）を有する１つ又は複数の層を形成することができる。特定の一例では、いくつかの層は、中心長手方向軸線１０６に沿ってツールヘッド１１０を移動させることにより堆積され、一方、他の層は、例えば網状構造を構築するために中心長手方向軸線１４８に沿ってツールヘッド１１０を移動させることにより堆積される。別の例は、１つ又は複数の湾曲した形状を含む構造を構築するために、１つ又は複数の湾曲部を含む経路に沿ってツールヘッド１１０を移動させることを含む。さらに別の例は、１つ又は複数の屈曲部、角部などを含む経路に沿ってツールヘッド１１０を移動させて、非線形経路に沿って延伸することを含む構造を構築することを含む。

【0024】

上述のように、ツールヘッドアセンブリ１０４は、ＳＳＡＭプロセスによって生成されるばりの量を低減する１つ又は複数のバリア（例えば、バリア１１２）を含む。図１～図３に示される実装形態では、バリア１１２のそれぞれは、支持シャフト１５０及び軸受１５２を含む。図１～図３に見られるように、バリア１１２のそれぞれの軸受１５２は、堆積される層（例えば、層１４２ｄ）の対応する側面１５４に沿って延伸する。具体的には、バリア１１２ａの軸受１５２ａは、層１４２ｄの側面１５４ａに沿って延伸し、バリア１１２ｂの軸受１５２ｂは、層１４２ｄの側面１５４ｂに沿って延伸する。図１～図３に見られるように、層１４２ｄの側面１５４ａは、側面１５４ｂの反対側に延伸している。バリア１１２ａ及び１１２ｂのそれぞれは、本明細書では「第１」及び／又は「第２」のバリアと呼ばれることがある。側面１５４ａ及び１５４ｂのそれぞれは、本明細書では「第１」及び／又は「第２」の側面と呼ばれることがある。

【0025】

図１～図３の実装形態において、バリア１１２のそれぞれの軸受１５２は、回転軸線１５６の周りを自由に回転するように構成されたローラーである。動作中、バリア１１２は、ツールヘッド１１０が基板１０２に対して移動する場合に（例えば、中心長手方向軸線１０６に沿って、中心長手方向軸線１４８に沿ってなど）、ツールヘッド１１０とともに移動して、基板１０２上に層１４２ｄを堆積させる。バリア１１２が基板１０２に沿ってツールヘッド１１０とともに移動する際、軸受１５２ａと１５２ｂとの間の摩擦、堆積される材料、及び／又は軸受１５２ａと１５２ｂとツールヘッド１１０の外側長手方向表面１３２との間の摩擦により、軸受１５２ａ及び１５２ｂは、対応する回転軸線１５６の周りでそれぞれの方向１５８及び１６０に回転する。したがって、各軸受１５２のローラーは、ツールヘッド１１０による層１４２ｄの堆積中にバリア１１２が層１４２ｄの長さに沿って移動するとき、回転軸線１５６の周りを回転する。

【0026】

層１４２ｄがツールヘッド１１０によって基板１０２上に堆積されると、軸受１５２ａ及び１５２ｂはそれぞれの側面１５４ａ及び１５４ｂに沿って延伸し、軸受１５２は層１４２ｄの可塑化された材料が肩部１３０の縁部１３６を越えて押し出されるのを制限する。具体的には、軸受１５２は、側面１５４に沿って物理的バリアを提供し、縁部１３６を通過して流れ、それにより肩部１３０の下から押し出される可塑化された材料の量を低減する。したがって、バリア１１２は、層１４２ｄが基板１０２上に堆積されるときに生成されるばりの量を低減する。したがって、構造１４４の各連続層１４２が基板１０２上に堆積されると、バリア１１２は、可塑化された材料が肩部１３０の下から押し出されるのを制限し、それによって構造１４４上に形成されるばりの量を低減する。いくつかの実装形態では、バリア１１２は、ＳＳＡＭ堆積プロセスによって生成されるばりの量を少なくとも約５０％、約２５％～約７５％、少なくとも約９０％など低減する。

【0027】

完全に構築された構造１４４のばりの量を低減することにより、バリア１１２のいくつかの実装形態は、ＳＳＡＭ装置１００を使用して構築された構造１４４を仕上げるために必要な１つ又は複数の二次仕上げプロセス（例えば、機械加工プロセスなど）の期間及び／又は数を減らす。いくつかの実装形態では、バリア１１２は、１つ又は複数の二次仕上げプロセスの必要性を排除する。したがって、ＳＳＡＭ装置１００のいくつかの実装形態は、ＳＳＡＭプロセスを使用して構造１４４を構築するのに必要な時間量を削減し、及び／又はＳＳＡＭプロセスを使用して構造１４４を構築するコストを削減する。

【0028】

いくつかの実施形態では、層１４２ｄの厚さＴ（図１及び図２に示されるが、図３にはラベル付けされていない）に対する１つ又は複数の軸受１５２の高さＨ（図１及び図２に示されるが、図３にはラベル付けされていない）は、層１４２ｄの堆積中に生成されるばりの量の低減を促進するように選択される。例えば、いくつかの実装形態では、軸受１５２が層１４２ｃの上面１４０を過ぎて中心長手方向軸線１１４に沿って延伸する（図１及び図２に示す）、及び／又は肩部１３０の縁部１３６を過ぎて中心長手方向軸線１１４に沿って延伸するように、軸受１５２の１つ又は複数は層１４２ｄの厚さＴと比較してより大きい高さＨを有する。他の実装形態では、軸受１５２の１つ又は複数の高さＨは層１４２ｄの厚さＴにほぼ等しく、軸受１５２の上面及び下面が、それぞれ層１４２ｃの縁部１３６及び上面１４０とほぼ整列するようになっている。

【0029】

図１～図３に示される実装形態では、軸受１５２のローラーは、軸受１５２が支持シャフト１５０に対して自由に回転するように、対応する支持シャフト１５０に取り付けられる。他の実装形態では、支持シャフト１５０は、回転軸線１５６の周りを自由に回転するように構成され、軸受１５２のローラーは、支持シャフト１５０にしっかりと固定され、ともに回転する。

【0030】

上述したように、バリア１１２は、ツールヘッド１１０が基板１０２に対して移動するときにツールヘッド１１０とともに移動し、層１４２ｄを基板１０２上に堆積させる。いくつかの実装形態では、バリア１１２のうちの１つ又は複数が、ツールヘッド１１０とともに共通の固定具（図示せず）に取り付けられ、層１４２ｄを堆積させるために共通の固定具がツールヘッド１１０及びバリア１１２の両方を基板１０２に沿って移動させる。さらに、いくつかの実装形態では、バリア１１２のうちの１つ又は複数が、ツールヘッド１１０を移動させて層１４２ｄを堆積させる固定具とともに移動するように構成される異なる固定具（図示せず）に取り付けられる。

【0031】

図１～図３に示される実装形態では、２つのバリア１１２ａ及び１１２ｂが提供されるが、いくつかの実装形態では、構造１４４の１つ又は複数の層１４２の堆積中に１つのバリア１１２のみが使用される。例えば、基板１０２上に以前に堆積された層１４２に直接隣接する（例えば、隣り合うなど）層１４２を堆積させるとき、いくつかの実装形態では、以前に堆積された層１４２の側面（図示せず）は、バリア１１２の１つの代わりに堆積される層１４２の１つの側面１５４に沿ったバリアとして使用される。

【0032】

上記の説明から明らかなように、バリア１１２は、層１４２の幅Ｗ（すなわち、対向する側面１５４間の距離）を制御する。図１～図３に示される実装形態では、軸受１５２の周囲を画定する軸受１５２の半径方向最外表面１６２は、図２及び図３に最もよく示されているように、中心長手方向軸線１４８に沿ってツールヘッド１１０の肩部１３０の縁部１３６とほぼ整列する。いくつかの実装形態では、１つ又は複数の軸受１５２の半径方向最外表面１６２は、ツールヘッド１１０の中心長手方向軸線１１４に概ね向かう方向に縁部１３６を越えて延伸し、１つ又は複数の軸受１５２が肩部１３０の端面１３４の下に延伸するように選択的に配置可能である。言い換えれば、中心長手方向軸線１４８に沿って縁部１３６と整列する代わりに、１つ又は複数の軸受１５２の半径方向最外表面１６２は、中心長手方向軸線１４８に沿って縁部１３６からツールヘッド１１０の中心長手方向軸線１１４に向かってオフセットしている。

【0033】

１つ又は複数の軸受１５２の半径方向最外表面１６２を延伸させることにより、ＳＳＡＭ装置１００は、肩部１３０の端面１３４の幅（例えば、直径など）より小さい幅Ｗを１つ又は複数の層１４２に提供することができる。さらに、いくつかの実装形態では、１つ又は複数の軸受１５２の半径方向最外表面１６２は、層１４２の堆積中に中心長手方向軸線１４８に沿って選択的に移動可能であり（すなわち、ツールヘッド１１０が基板１０２に沿って移動して層１４２を堆積させるとき）、例えば、層１４２の長さに沿って可変幅Ｗ（例えば、テーパ幅Ｗなど）で堆積される層１４２を提供し、スカラップ及び／又は他の非線形プロファイルなどで堆積される層１４２の側面１５４の一方又は両方を提供する。

【0034】

いくつかの実装形態では、バリア１１２は、１つ又は複数の層１４２の側面１５４の形状を制御するために使用される。例えば、１つ又は複数の軸受１５２の半径方向最外表面１６２は、いくつかの実装形態では凹形又は凸形を有し、それぞれ相補的な凸形又は凹形で堆積される層１４２の対応する側面１５４を提供する。

【0035】

構造１４４の第１の層１４２ａを堆積させる場合、いくつかの実装形態では、軸受１５２の下面１６４（図１及び図２に示されるが、図３には見えない）は、基板１０２の堆積表面１０８から離間し（すなわち、方向１６６で中心長手方向軸線１１４に沿ってオフセットしている）、基板１０２が回転軸線１５６の周りの軸受１５２の回転と干渉するのを防ぐ。堆積表面１０８から離間することに加えて、又はその代わりに、いくつかの実装形態では、軸受１５２は、１つ又は複数の摩擦低減要素（例えば、コーティング、潤滑剤など）を備え、軸受１５２が第１の層１４２ａの堆積中に回転軸線１５６の周りを自由に回転できるようにする。

【0036】

バリア１１２は、図１～図３に示されるようにローラーを含むことに限定されない。むしろ、他の実装形態では、バリア１１２の１つ又は複数は、追加的又は代替的に、バリア１１２が本明細書で説明及び／又は図示されるように機能することを可能にする任意の他のタイプの転動要素及び／又は軸受を含む。バリア１１２として使用するのに適した他のタイプの転動要素及び／又は軸受の例には、転動要素軸受、ボール軸受、ころ軸受などが含まれるが、これらに限定されない。

【0037】

さらに、バリア１１２は、転動要素及び／又は軸受を含むことに限定されず、むしろ、バリア１１２の他の実装形態は、バリア１１２が本明細書で説明及び／又は図示されるように機能することを可能にする任意の他の構造を含む。例えば、図５及び図６は、ＳＳＡＭ装置３００の別の実装形態を示している。ＳＳＡＭ装置３００は、ツールヘッド３１０と、ＳＳＡＭプロセスによって生成されるばりの量を低減する１つ又は複数のバリア３１２とを有するツールヘッドアセンブリ３０４を含む。図５及び図６に示される実装形態では、各バリア３１２は、堆積される層３４２ｄの対応する側面３５４に沿って延伸するレール３５２を含む。具体的には、バリア３１２ａのレール３５２ａは層３４２ｄの側面３５４ａに沿って延伸し、バリア３１２ｂのレール３５２ｂは層３４２ｄの側面３５４ｂに沿って延伸する。バリア３１２ａ及び３１２ｂのそれぞれは、本明細書では「第１」及び／又は「第２」のバリアと呼ばれることがある。側面３５４ａ及び３５４ｂのそれぞれは、本明細書では「第１」及び／又は「第２」の側面と呼ばれることがある。

【0038】

図５及び図６の実装形態において、図５に最もよく見られるように、レール３５２の各々は湾曲した形状を含む。しかし、他の実装形態では、レール３５２のうちの１つ又は複数は、ほぼ真っ直ぐに（例えば、ＳＳＡＭ装置１００の基板３０２の中心長手方向軸線３０６にほぼ平行に）延伸する。レール３５２は、ツールヘッド３１０が基板３０２に対して移動するときにツールヘッド３１０とともに移動して、層３４２ｄを基板３０２上に堆積させるように構成される。層３４２ｄがツールヘッド３１０によって基板３０２上に堆積されると、レール３５２ａ及び３５２ｂは、それぞれの側面３５４ａ及び３５４ｂに沿って延伸し、レール３５２は、層３４２ｄの可塑化された材料がツールヘッド３１０の肩部３３０の縁部３３６（図５に示されているが、図６では見えない）を越えて押し出されるのを制限する。具体的には、レール３５２は、側面３５４に沿って物理的バリアを提供し、縁部３３６を通過して流れ、それにより肩部３３０の下から押し出される可塑化された材料の量を低減する。したがって、レール３５２は、層３４２ｄが基板３０２上に堆積されるときに生成されるばりの量を低減する。したがって、構築される構造の各連続層３４２が基板３０２上に堆積されると、バリア３１２は、可塑化された材料が肩部３３０の下から押し出されることを制限し、それにより構造上に形成されるばりの量を低減する。いくつかの実装形態では、バリア３１２は、ＳＳＡＭ堆積プロセスによって生成されるばりの量を少なくとも約５０％、約２５％～約７５％、少なくとも約９０％など低減する。

【0039】

完全に構築された構造のばりの量を低減することにより、バリア３１２は、ＳＳＡＭ装置３００を使用して構築された構造を仕上げるのに必要な１つ又は複数の二次仕上げプロセス（例えば、機械加工プロセスなど）の期間及び／又は数を減らす。いくつかの実装形態では、バリア３１２は、１つ又は複数の二次仕上げプロセスの必要性を排除する。したがって、ＳＳＡＭ装置３００のいくつかの実装形態は、ＳＳＡＭプロセスを使用して構造を構築するのに必要な時間量を削減し、及び／又はＳＳＡＭプロセスを使用して構造を構築するコストを削減する。

【0040】

図７は、ＳＳＡＭ装置４００の別の実装形態を示している。ＳＳＡＭ装置４００は、ツールヘッド４１０と、ＳＳＡＭプロセスによって生成されるばりの量を低減する１つ又は複数のバリア４１２とを有するツールヘッドアセンブリ４０４を含む。図７に示される実装形態では、各バリア４１２は、ＳＳＡＭ装置４００の基板４０２の中心長手方向軸線４０６に沿って延伸するレール４５２を含む。図７に示されるように、各レール４５２が層４４２ｄの最終的な全長のほぼ全体に沿って堆積される層４４２ｄの対応する側面４５４に沿って延伸するように、各レール４５２は中心長手方向軸線４０６に沿った位置に固定される。図７に示される各バリア４１２は、本明細書では「第１」及び／又は「第２」のバリアと呼ばれることがあり、図７に示される各側面４５４は、本明細書では「第１」及び／又は「第２」の側面と呼ばれることがある。

【0041】

動作中、層４４２ｄがツールヘッド４１０によって基板４０２上に堆積されると、レール４５２は側面４５４に沿って延伸し、レール４５２は、層４４２ｄの可塑化された材料が、ツールヘッド４１０の肩部（見えない）の縁部４３６を越えて押し出されるのを制限する。具体的には、レール４５２は、側面４５４に沿って物理的バリアを提供し、縁部４３６を通過して流れ、それにより肩部の下から押し出される可塑化された材料の量を低減する。したがって、レール４５２は、層４４２ｄが基板４０２上に堆積されるときに生成されるばりの量を低減する。したがって、構築中の構造の各連続層４４２が基板４０２上に堆積されると、バリア４１２は、結果として得られる完全に構築された構造上に形成されるばりの量を低減する。いくつかの実装形態では、バリア４１２は、ＳＳＡＭ堆積プロセスによって生成されるばりの量を少なくとも約５０％、約２５％～約７５％、少なくとも約９０％など低減する。

【0042】

完全に構築された構造のばりの量を低減することにより、バリア４１２のいくつかの実装形態は、ＳＳＡＭ装置４００を使用して構築された構造を仕上げるのに必要な１つ又は複数の二次仕上げプロセス（例えば、機械加工プロセスなど）の期間及び／又は数を減らす。いくつかの実装形態では、バリア４１２は、１つ又は複数の二次仕上げプロセスの必要性を排除する。したがって、ＳＳＡＭ装置４００のいくつかの実装形態は、ＳＳＡＭプロセスを使用して構造を構築するのに必要な時間量を削減し、及び／又はＳＳＡＭプロセスを使用して構造を構築するコストを削減する。

【0043】

再び図１～図３を参照すると、バリア１１２は、バリア１１２ａ及び１１２ｂがそれぞれ基板１０２の中心長手方向軸線１０６に沿ってツールヘッド１１０と整列するように、ツールヘッド１１０と並んで配置される。図８は、ＳＳＡＭ装置５００のバリア５１２がＳＳＡＭ装置５００のツールヘッド５１０の後ろに配置されている、ＳＳＡＭ装置５００の別の実装形態を示している。具体的には、ＳＳＡＭ装置５００は、ツールヘッド５１０と、ＳＳＡＭプロセスによって生成されるばりの量を低減する１つ又は複数のバリア５１２とを含むツールヘッドアセンブリ５０４を含む。図８に示される実装形態では、各バリア５１２は、支持シャフト５５０と、回転軸線５５６の周りを自由に回転するように構成されたローラーである軸受５５２とを含む。図８に見られるように、各バリア５１２の軸受５５２は、堆積される層５４２ｄの対応する側面５５４（そのうちの１つのみが見える）に沿って延伸する。図８に示される各バリア５１２は、本明細書では「第１」及び／又は「第２」のバリアと呼ばれることがある。層５４２ｄの側面５５４のそれぞれは、本明細書では「第１」及び／又は「第２」の側面と呼ばれることがある。

【0044】

図８の実装形態は、任意選択で、１つ又は複数の他のバリア５６８を含む。本明細書に示されるように、１つ又は複数の他のバリア５６８は、支持シャフト５７０と、回転軸線５７４の周りを自由に回転するように構成されたローラーである軸受５７２とを含む。しかし、１つ又は複数の他のバリア５６８はローラーに限定されない。むしろ、他の実装形態では、１つ又は複数の他のバリア５６８は、追加的又は代替的に、１つ又は複数の他のバリア５６８が本明細書で説明及び／又は図示されるように機能することを可能にする任意の他のタイプの転動要素及び／又は軸受（例えば、転動要素軸受、ボール軸受、ころ軸受など）を含む。さらに、１つ又は複数の他のバリア５６８は、転動要素及び／又は軸受を含むことに限定されず、むしろ、他のバリア５６８の実装形態は、１つ又は複数の他のバリア５６８が本明細書で説明及び／又は図示されるように機能することを可能にする任意の他の構造を含む。

【0045】

上記で簡単に説明したように、ＳＳＡＭ装置５００のバリア５１２は、ＳＳＡＭ装置５００のツールヘッド５１０の後ろに配置される。具体的には、図８に示すように、バリア５１２は、ＳＳＡＭ装置５００の基板５０２の中心長手方向軸線５０６に沿って矢印５４６の方向にツールヘッド５１０からオフセットしている。図８にも見られるように、１つ又は複数の他のバリア５６８も、方向５４６の中心長手方向軸線５０６に沿ってツールヘッド５１０からオフセットしている。動作中、ツールヘッド５１０が基板５０２に対して移動すると、バリア５１２及び５６８はツールヘッド５１０とともに移動し、層５４２ｄを基板５０２上に堆積させる。基板５０２に沿って移動する間、バリア５１２及び５６８はツールヘッド５１０の後ろを追跡する。言い換えれば、ツールヘッド５１０は、層５４２ｄの堆積中にバリア５１２及び５６８の前方に移動する。バリア５１２がツールヘッド５１０の後ろに移動すると、バリア５１２は、層５４２ｄの可塑化された材料がツールヘッド５１０の肩部５３０の縁部５３６を越えて押し出されるのを制限する。したがって、バリア５１２は、層５４２ｄが基板５０２上に堆積されるときに生成されるばりの量を低減する。したがって、バリア５１２は、ＳＳＡＭ装置５００によって構築された構造上に形成されるばりの量を低減する。いくつかの実装形態では、バリア５１２は、ＳＳＡＭ堆積プロセスによって生成されるばりの量を少なくとも約５０％、約２５％～約７５％、少なくとも約９０％など低減する。

【0046】

ＳＳＡＭプロセスによって生成されるばりの量を低減することにより、バリア５１２のいくつかの実装形態は、ＳＳＡＭ装置５００を使用して構築された構造を仕上げるのに必要な１つ又は複数の二次仕上げプロセス（例えば、機械加工プロセスなど）の期間及び／又は数を減らす。いくつかの実装形態では、バリア５１２は、１つ又は複数の二次仕上げプロセスの必要性を排除する。したがって、ＳＳＡＭ装置５００のいくつかの実装形態は、ＳＳＡＭプロセスを使用して構造を構築するのに必要な時間量を削減し、及び／又はＳＳＡＭプロセスを使用して構造を構築するコストを削減する。

【0047】

層５４２ｄの堆積中に１つ又は複数の他のバリア５６８がツールヘッド５１０の後ろに移動すると、１つ又は複数の他のバリア５６８の軸受５７２は、層５４２ｄの上面５７６に沿って層５４２ｄの可塑化された材料を制限し、例えば、層５４２ｄに所定の厚さＴ_１を提供し、層５４２ｄの上面５７６に所定の表面仕上げを提供する。

【0048】

バリア５１２及び５６８は、バリア５１２及び／又は５６８が本明細書で説明されるように機能することを可能にする任意の距離で、ツールヘッド５１０から中心長手方向軸線５０６に沿ってオフセットされる。いくつかの実装形態では、ツールヘッド５１０からの中心長手方向軸線５０６に沿ったバリア５１２及び５６８の距離は、層５４２の１つ又は複数を堆積させる間などの、基板５０２に沿ったツールヘッド５１０の移動速度に基づいて、ＳＳＡＭプロセスの温度に基づいて選択される。

【0049】

図９は、一実装形態によるＳＳＡＭのための方法６００を示すフローチャートである。方法６００は、６０２で、材料を基板上に堆積させ、それにより基板上に材料の少なくとも１つの層を形成するためにツールヘッドを通して材料を供給するステップを含む。いくつかの実装形態では、６０２で材料を供給するステップは、６０２ａで、基板の長手方向軸線に沿ってツールヘッドを移動させるステップを含む。６０４で、方法６００は、材料が基板上に堆積されるときにツールヘッドを回転させるステップを含む。６０６で、方法６００は、ツールヘッドの回転が材料を摩擦攪拌するように、材料をツールヘッドの肩部と接触させるステップを含む。

【0050】

方法６００は、６０８で、材料が基板上に堆積されて材料を制限する場合に、少なくとも１つの層の側面に沿って延伸するバリアを使用して、材料がツールヘッドの肩部の縁部を越えて押し出されるのを制限するステップを含む。いくつかの実装形態では、６０８での制限するステップは、６０８ａで、ツールヘッドで基板の長手方向軸線に沿ってバリアを移動させるステップを含む。６０８での制限するステップは、６０８ｂで、いくつかの実装形態では、ツールヘッドの後ろで長手方向軸線に沿ってバリアを追跡するステップを含む。さらに、いくつかの実装形態では、６０８での制限するステップは、６０８ｃで、軸受、ローラー、及び／又はレールを設けるステップを含む。

【0051】

ここで図１０を参照すると、本開示の例は、複数の高レベルシステム７０４及び内部７０６を備えた機体７０２を含む航空機７００の１つ又は複数の部分を構築するためにＳＳＡＭプロセスを使用する文脈で説明され得る。高レベルシステム７０４の例には、推進システム７０８、電気システム７１０、作動油システム７１２、制御システム７１４、及び環境システム７１６の１つ又は複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれてもよい。航空宇宙の例が示されているが、本原理は、限定されないが、自動車産業や海洋産業などの他の産業にも適用され得る。

【0052】

本開示の例は、図１１に示されるように、航空機の製造及び保守点検方法８００の文脈で説明することができる。製造前に、例示的な方法８００は、航空機（例えば、図１０に示される航空機７００など）及び材料調達８０４の仕様及び設計８０２を含むことができる。製造中に、構成要素及び部分組立品の製造８０６と航空機のシステム統合８０８が行われる。その後、航空機は、認証及び搬送８１０を経て就航中８１２になることができる。顧客の就航中、航空機は、（修正、再構成、改修などを含み得る）日常の整備及び保守点検８１４のためにスケジュールされている。

【0053】

例示的な方法８００の各プロセスを、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータ（例えば、顧客）が実行することができる。この説明の目的のために、システムインテグレータは、非限定的に、任意の数の航空機製造業者及び主要システムの下請業者を含んでもよく、第三者は、非限定的に、任意の数のベンダ、下請業者、及びサプライヤを含んでもよく、オペレータは、航空会社、リース会社、軍部、サービス組織等であってもよい。

【0054】

本明細書で説明されるシステムには、任意の数の他のシステムを含めることができることに留意されたい。また、航空宇宙の例が示されているが、本原理は、限定されないが、自動車産業や海洋産業などの他の産業にも適用され得る。

【0055】

本明細書に示され又は記載されたシステム及び方法を、製造及び保守点検方法８００のいずれか１つ又は複数のステージの間に使用することができる。例えば、構成要素及び部分組立品の製造８０６に対応する構成要素又は部分組立品を、航空機が就航中に生産された構成要素又は部分組立品と同様の方法で製造することができる。また、システム、方法、又はそれらの組み合わせの１つ又は複数の態様は、例えば、航空機の組み立てを実質的に促進するか又はコストを削減することにより、部分組立品の製造８０６及びシステム統合８０８の製造状態中に利用できる。同様に、装置又は方法の実現の１つ又は複数の態様、又はそれらの組み合わせは、航空機が就航中、例えば、整備及び保守点検８１４中に、例えば制限なく利用することができる。

【0056】

本開示のさまざまな実装形態は、より少ないばりを生成するＳＳＡＭプロセスを可能にする。さらに、本開示のさまざまな実装形態は、ＳＳＡＭプロセスを使用して構築された構造を仕上げるために必要な１つ又は複数の二次仕上げプロセス（例えば、機械加工プロセスなど）の期間を短縮する。本開示のさまざまな実装形態は、ＳＳＡＭプロセスを使用して構築された構造を仕上げるために必要な二次仕上げプロセスの数を減らす。本開示のさまざまな実装形態は、１つ又は複数の二次仕上げプロセスの必要性を排除する。本開示のさまざまな実装形態は、ＳＳＡＭプロセスを使用して構造を構築するのに必要な時間量を削減する。さらに、本開示のさまざまな実装形態は、ＳＳＡＭプロセスを使用して構造を構築するコストを削減する。

【0057】

次の条項では、さらなる態様について説明する。

【0058】

条項セットＡ：
Ａ１．固相付加製造装置のためのツールヘッドアセンブリが、
内部に材料を受け入れるように構成された材料通路を備えたツールヘッドであって、ツールヘッドは、材料通路から材料を固相付加製造装置の基板上に堆積させて基板上に材料の少なくとも１つの層を形成するように構成され、ツールヘッドは材料に接触するように構成された肩部を備え、ツールヘッドの回転が材料を摩擦攪拌する、ツールヘッドと、
少なくとも１つの層が基板上に堆積されるときに、少なくとも１つの層の側面に沿って延伸するように構成されたバリアであって、バリアは材料が肩部の縁部を越えて押し出されるのを制限するように構成される、バリアと
を備える、ツールヘッドアセンブリ。

【0059】

Ａ２．バリアが第１のバリアであり、側面が第１の側面であり、少なくとも１つの層が第１の側面の反対側に延伸する第２の側面を備え、ツールヘッドアセンブリは、少なくとも１つの層が基板上に堆積されると、少なくとも１つの層の第２の側面に沿って延伸するように構成された第２のバリアを備える、条項Ａ１に記載のツールヘッドアセンブリ。

【0060】

Ａ３．ツールヘッドは、ツールヘッドが基板上に材料の少なくとも１つの層を堆積させるときに基板の長手方向軸線に沿って移動するように構成され、バリアは基板の長手方向軸線に沿ってツールヘッドとともに移動するように構成される、条項Ａ１に記載のツールヘッドアセンブリ。

【0061】

Ａ４．バリアが軸受を備える、条項Ａ１に記載のツールヘッドアセンブリ。

【0062】

Ａ５．バリアは、少なくとも１つの層の堆積中にバリアが少なくとも１つの層の長さに沿って移動するときに回転軸線の周りを自由に回転するように構成されたローラーを備える、条項Ａ１に記載のツールヘッドアセンブリ。

【0063】

Ａ６．バリアが、ローラー、転動要素軸受、ボール軸受、又はころ軸受のうちの少なくとも１つを含む転動要素を備える、条項Ａ１に記載のツールヘッドアセンブリ。

【0064】

Ａ７．バリアが、基板の長手方向軸線に沿って延伸するレールを備え、レールは、長手方向軸線に沿った位置に固定されている、条項Ａ１に記載のツールヘッドアセンブリ。

【0065】

Ａ８．ツールヘッドは、ツールヘッドが基板上に材料の少なくとも１つの層を堆積させるときに基板の長手方向軸線に沿って移動するように構成され、バリアは、ツールヘッドとともに長手方向軸線に沿って移動するように構成されたレールを備える、条項Ａ１に記載のツールヘッドアセンブリ。

【0066】

Ａ９．ツールヘッドは、ツールヘッドが基板上に材料の少なくとも１つの層を堆積させるときに基板の長手方向軸線に沿って移動するように構成され、バリアは、ツールヘッドとともに長手方向軸線に沿って移動するように構成されたレールを備え、レールは湾曲した形状を含む、条項Ａ１に記載のツールヘッドアセンブリ。

【0067】

Ａ１０．ツールヘッドは、ツールヘッドが基板上に材料の少なくとも１つの層を堆積させるときに基板の長手方向軸線に沿って移動するように構成され、バリアは、バリアが長手方向軸線に沿ってツールヘッドと整列するようにツールヘッドと並んで配置される、条項Ａ１に記載のツールヘッドアセンブリ。

【0068】

Ａ１１．ツールヘッドは、ツールヘッドが基板上に材料の少なくとも１つの層を堆積させるときに基板の長手方向軸線に沿って移動するように構成され、バリアは長手方向軸線に沿ってツールヘッドの後ろに配置される、条項Ａ１に記載のツールヘッドアセンブリ。

【0069】

条項セットＢ：
Ｂ１．固相付加製造装置であって、
基板と、
内部に材料を受け入れるように構成された材料通路を備えたツールヘッドであって、ツールヘッドは、材料通路から材料を基板上に堆積させて基板上に材料の少なくとも１つの層を形成するように構成され、ツールヘッドは材料に接触するように構成された肩部を備え、ツールヘッドの回転が材料を摩擦攪拌する、ツールヘッドと、
少なくとも１つの層が基板上に堆積されるときに、少なくとも１つの層の側面に沿って延伸するように構成されたバリアであって、バリアは材料が肩部の縁部を越えて押し出されるのを制限するように構成される、バリアと
を備える、固相付加製造装置。

【0070】

Ｂ２．バリアが第１のバリアであり、側面が第１の側面であり、少なくとも１つの層が第１の側面の反対側に延伸する第２の側面を備え、ツールヘッドは、少なくとも１つの層が基板上に堆積されると、少なくとも１つの層の第２の側面に沿って延伸するように構成された第２のバリアを備える、条項Ｂ１に記載の固相付加製造装置。

【0071】

Ｂ３．基板が長手方向軸線に沿って伸びて延伸し、ツールヘッドは、ツールヘッドが基板上に材料の少なくとも１つの層を堆積させるときに基板の長手方向軸線に沿って移動するように構成され、バリアは、基板の長手方向軸線に沿ってツールヘッドとともに移動するように構成される、条項Ｂ１に記載の固相付加製造装置。

【0072】

Ｂ４．バリアは、少なくとも１つの層の堆積中にバリアが少なくとも１つの層の長さに沿って移動するときに回転軸線の周りを自由に回転するように構成されたローラーを備える、条項Ｂ１に記載の固相付加製造装置。

【0073】

Ｂ５．バリアが、レール又は転動要素のうちの少なくとも１つを備える、条項Ｂ１に記載の固相付加製造装置。

【0074】

条項セットＣ：
Ｃ１：固相付加製造のための方法であって、
材料を基板に堆積させ、それにより基板上に材料の少なくとも１つの層を形成するために材料をツールヘッドから供給するステップと、
材料が基板上に堆積されるときにツールヘッドを回転させるステップと、
ツールヘッドの回転が材料を摩擦攪拌するように材料をツールヘッドの肩部に接触させるステップと、
材料が基板上に堆積されて材料を制限するときに、少なくとも１つの層の側面に沿って延伸するバリアを使用して、材料がツールヘッドの肩部の縁部を越えて押し出されるのを制限するステップと
を含む、方法。

【0075】

Ｃ２．材料を供給するステップが、基板の長手方向軸線に沿ってツールヘッドを移動させるステップを含み、材料を制限するステップが、ツールヘッドで基板の長手方向軸線に沿ってバリアを移動させるステップを含む、条項Ｃ１に記載の方法。

【0076】

Ｃ３．バリアが、軸受、ローラー、又はレールの少なくとも１つを設けるステップを含む、条項Ｃ１に記載の方法。

【0077】

Ｃ４．材料を供給するステップが、基板の長手方向軸線に沿ってツールヘッドを移動させるステップを含み、材料を制限するステップが、ツールヘッドの後ろで長手方向軸線に沿ってバリアを追跡するステップを含む、条項Ｃ１に記載の方法。

【0078】

本明細書で使用される、タスク又は動作を実行する「ように構成された（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｔｏ）」構造、制限、又は要素は、特に構造的に形成され、構築され、又はタスクもしくは動作に対応するように適合されている。明確にする目的及び誤解を避けるために、タスク又は動作を実行するように変更されることが単に可能なオブジェクトは、本明細書で使用されるタスク又は動作を実行する「ように構成され（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｔｏ）」ていない。

【0079】

当業者には明らかであるように、本明細書で与えられる任意の範囲又は値は、求められる効果を失うことなく拡張又は変更することができる。

【0080】

主題は構造的特徴及び／又は方法論的行為に特有の言語で説明されているが、添付の特許請求の範囲で定義される主題は必ずしも上記の特定の特徴又は行為に限定されないことを理解されたい。むしろ、上記の特定の特徴及び行為は、特許請求の範囲を実装する例示的な形態として開示されている。

【0081】

上述の利益及び利点は、一実施形態に関連するか、又はいくつかの実施形態に関連し得ることが理解されよう。実施形態は、述べられた問題のいずれか又はすべてを解決するもの、又は述べられた利益及び利点のいずれか又はすべてを有するものに限定されない。さらに、「ある」アイテムへの言及は、それらのアイテムの１つ又は複数を指すことが理解されよう。

【0082】

本明細書で例示及び説明される実施形態ならびに本明細書で具体的に説明されないが特許請求の範囲の範囲内の実施形態は、油圧アキュムレータの二重使用のための手段を構成する。

【0083】

本明細書では、「含む」という用語は、１つ又は複数の追加の特徴又は行為の存在を除外することなく、その後に続く特徴又は行為を含めることを意味するために使用される。

【0084】

本明細書で図示及び説明される開示の例における動作の実行の順序は、特に指定されない限り必須ではない。すなわち、動作は、特に指定されない限り、任意の順序で実行することができ、本開示の例は、本明細書に開示されるものよりも多い又は少ない動作を含むことができる。例えば、別の動作（例えば、異なるステップ）の前、同時、又は後に特定の動作を実行することは、本開示の態様の範囲内であると考えられる。

【0085】

本開示の態様の要素又はその例を紹介するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、１つ又は複数の要素があることを意味するものとする。「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は、包括的であることを意図しており、リストされた要素以外の追加の要素が存在する可能性があることを意味する。「例示的（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」という用語は、「の例（ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ）」を意味するものである。「Ａ、Ｂ、及びＣの１つ又は複数」という語句は、「Ａの少なくとも１つ及び／又はＢの少なくとも１つ及び／又はＣの少なくとも１つ」を意味する。

【0086】

本開示の態様を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲で定義される本開示の態様の範囲から逸脱することなく修正及び変更が可能であることは明らかである。本開示の態様の範囲から逸脱することなく、上記の構造、製品、及び方法にさまざまな変更を加えることができるため、上記の説明に含まれ、添付の図面に示されているすべての事項は、限定的な意味ではなく、例示として解釈されるものとする。

【0087】

上記の説明は例示であって限定されないことを意図することが理解されるべきである。例えば、上述の実施形態（及び／又はその態様）を、互いに組み合わせて使用することができる。加えて、本開示のさまざまな実施形態の教示に、その範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を適合するために、多くの変更がなされ得る。本明細書中に記載される材料の寸法及びタイプは、本開示のさまざまな実施形態のパラメータを画定することを意図されているが、本実施形態は、決して限定的ではなく例示的な実施形態である。多くの他の実施形態は、上記の説明を検討することにより当業者には明らかにされよう。本開示のさまざまな実施形態の範囲は、したがって、その請求項が権利を有する均等物の全範囲とともに、添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。添付の特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」や「ここで（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」という用語は、普通の英語の各用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」や「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」と同等として使用される。また、用語「第１（ｆｉｒｓｔ）」、「第２（ｓｅｃｏｎｄ）」、及び「第３（ｔｈｉｒｄ）」などは、単にラベルとして使用され、これらの対象に数の要件を課すことを意図するものではない。さらに、以下の特許請求の範囲の制限は、ミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、このクレームの限定がさらなる構造の機能ボイドの記述に続く「手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」のフレーズを明示的に使用しない限り、米国特許法第１１２条（ｆ）に基づいて解釈されるものではない。

【0088】

この記載は、ベストモードを含む本開示のさまざまな実施形態を開示するために例を使用し、また、当業者が、任意のデバイス又はシステムを作製及び使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実行することを含む、本開示のさまざまな実施形態を実施することを可能にする。本開示のさまざまな実施形態の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。例が特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、又は例が特許請求の範囲の文言と実質的でない差を有する同等の構造的要素を含む場合、このような他の例は、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

【符号の説明】

【0089】

１００ 固相付加製造（ＳＳＡＭ）装置
１０２ 基板
１０４ ツールヘッドアセンブリ
１０６ 中心長手方向軸線
１０８ 堆積表面
１１０ ツールヘッド
１１２，１１２ａ，１１２ｂ バリア
１１４ 中心長手方向軸線
１１６，１１８ 端部
１２０ 材料通路
１２２ 入口
１２４ ノズル
１３０ 肩部
１３２ 外側長手方向表面
１３４ 端面
１３６ 縁部
１４０ 上面
１４２ 連続層
１４２ａ 第１の層
１４２ｂ 第２の層
１４２ｃ 第３の層、介在層
１４２ｄ 第４の層、仕上げ層
１４４ 構造
１４８ 中心長手方向軸線
１５０ 支持シャフト
１５２，１５２ａ，１５２ｂ 軸受
１５４，１５４ａ，１５４ｂ 側面
１５６ 回転軸線
１６２ 半径方向最外表面
１６４ 下面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】