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特表2022-507945ハイブリッド固体付加および除去製造プロセス、使用される材料、およびハイブリッドプロセスによって造形される部品
(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】2022-01-18
(54)【発明の名称】ハイブリッド固体付加および除去製造プロセス、使用される材料、およびハイブリッドプロセスによって造形される部品
(51)【国際特許分類】
B22F 10/50 20210101AFI20220111BHJP
B29C 64/205 20170101ALI20220111BHJP
B29C 64/321 20170101ALI20220111BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20220111BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20220111BHJP
B22F 10/66 20210101ALI20220111BHJP
B22F 10/64 20210101ALI20220111BHJP
B23K 20/12 20060101ALI20220111BHJP
B22F 10/25 20210101ALI20220111BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20220111BHJP
C22C 1/04 20060101ALI20220111BHJP
B22F 12/50 20210101ALI20220111BHJP
B22F 12/60 20210101ALI20220111BHJP
B22F 12/20 20210101ALI20220111BHJP
【ＦＩ】
B22F10/50
B29C64/205
B29C64/321
B33Y10/00
B33Y30/00
B22F10/66
B22F10/64
B23K20/12 360
B22F10/25
B22F10/28
C22C1/04 Z
B22F12/50
B22F12/60
B22F12/20
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021529067
(86)(22)【出願日】2019-11-21
(85)【翻訳文提出日】2021-07-21
(86)【国際出願番号】 US2019062604
(87)【国際公開番号】W WO2020106952
(87)【国際公開日】2020-05-28
(31)【優先権主張番号】62/770,551
(32)【優先日】2018-11-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】520352791
【氏名又は名称】メルド マニュファクチュアリング コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100098475
【弁理士】
【氏名又は名称】倉澤 伊知郎
(74)【代理人】
【識別番号】100130937
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100144451
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 博子
(74)【代理人】
【識別番号】100159846
【弁理士】
【氏名又は名称】藤木 尚
(72)【発明者】
【氏名】コックス チェイス
(72)【発明者】
【氏名】ガルギロ クリストファー
(72)【発明者】
【氏名】ハードウィック ナンシー
【テーマコード（参考）】
4E167
4F213
4K018
【Ｆターム（参考）】
4E167AA02
4E167AA06
4E167AA07
4E167BG29
4E167CA04
4F213AC04
4F213WA25
4F213WB01
4F213WL02
4F213WL03
4F213WL13
4F213WL32
4F213WL55
4F213WW05
4F213WW24
4F213WW34
4K018AA14
4K018BA08
(57)【要約】
固体製造システムによって完全にまたは部分的に実行される、固体付加および除去製造プロセスが開示されている。例として、３Ｄ部品の印刷、コーティング、接合、または修理のための様々な材料の固体堆積プロセスが含まれる。機械加工、穿孔、表面溝入れ、表面活性化、および他のものなどの除去処理ステップも考察されている。加えて、他の手段によって実行される他のプロセスが、最終部品を作る際に言及されている。
【選択図】図１Ａ
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ハイブリッド製造プロセスであって、３Ｄ印刷された部品を形成するために１つ以上の付加ステップを介して、ハイブリッド製造システムによってフィラー材料（複数可）を堆積させることであって、任意選択的に、前記付加ステップは、
前記ハイブリッド製造システムの中空スピンドルまたはツールを介して１つ以上のフィラー材料を供給することと、
前記フィラー材料（複数可）を基板上に堆積させることと、
前記フィラー材料（複数可）および／または前記基板が界面領域において可鍛性および／または粘弾性状態になるように前記中空スピンドルまたはツールの回転するショルダによって法線力、剪断力、および／または摩擦力を適用することによって前記フィラー材料（複数可）および前記基板の塑性変形を生じさせ、それにより前記３Ｄ印刷された部品を作製することと、を含む、堆積させることと、
仕上げられた部品を形成するために、３Ｄ印刷された部品上および／または３Ｄ印刷された部品内に表面特徴および／または内部特徴が形成されるように、１つ以上の除去ステップを介してハイブリッド製造システムによって３Ｄ印刷された部品から材料を除去することと、を含む、ハイブリッド製造プロセス。
【請求項2】
前記ハイブリッド製造プロセスは、仕上げられた部品を完成させるために追加のツール、機械、および／または機器を必要としない、請求項１に記載のプロセス。
【請求項3】
前記ハイブリッド製造プロセスは、仕上げられた部品を完成させるために追加のツール、機械、および／または機器を必要とする、請求項１に記載のプロセス。
【請求項4】
他のツールおよび／または機械によって実行される１つ以上の造形後ステップによって、３Ｄ印刷された部品を造形することをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項5】
前記１つ以上の造形後ステップは、カレンダ加工ステップを含む、請求項４に記載のプロセス。
【請求項6】
前記１つ以上の造形後ステップは、低温ローラの１つ以上の対によっておよび／またはそれらの間で実行される圧縮ステップを含む、請求項４に記載のプロセス。
【請求項7】
前記１つ以上の造形後ステップは、高温ローラの１つ以上の対によっておよび／またはそれらの間で実行される圧縮ステップを含む、請求項４に記載のプロセス。
【請求項8】
前記１つ以上の造形後ステップは、前記３Ｄ印刷された部品を冷却することを含む、請求項４に記載のプロセス。
【請求項9】
前記１つ以上の造形後ステップは、前記３Ｄ印刷された部分を急冷することを含む、請求項４に記載のプロセス。
【請求項10】
前記１つ以上の造形後ステップは、前記３Ｄ印刷された部品を加熱することを含む、請求項４に記載のプロセス。
【請求項11】
前記１つ以上の造形後ステップは、前記３Ｄ印刷された部品をピーニングすることを含む、請求項４に記載のプロセス。
【請求項12】
前記１つ以上の造形後ステップは、前記３Ｄ印刷された部品をレーザ加工することを含む、請求項４に記載のプロセス。
【請求項13】
１つ以上の追加の処理ステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項14】
前記１つ以上の追加の処理ステップは、ピーニングを含む、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項15】
前記１つ以上の追加の処理ステップは、レーザ加工を含む、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項16】
前記１つ以上の追加の処理ステップは、冷却を含む、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項17】
前記１つ以上の追加の処理ステップは、急冷を含む、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項18】
前記ハイブリッド製造プロセスは、仕上げられた部品に内部特徴を作製することができる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項19】
前記ハイブリッド製造プロセスは、仕上げられた部品に表面特徴を作製することができる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項20】
前記ハイブリッド製造プロセスは、仕上げられた部品に加熱または冷却チャネルを作製することができる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項21】
前記ハイブリッド製造プロセスは、付加製造ステップ中に２つ以上のフィラー材料を堆積させることができる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項22】
前記ハイブリッド製造プロセスは、１つ以上の除去ステップを介して、３Ｄ印刷された部品から材料を除去することができる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項23】
前記１つ以上の除去ステップは、前記３Ｄ印刷された部品上および／またはその内部での穿孔を含む、請求項２２に記載のプロセス。
【請求項24】
前記１つ以上の除去ステップは、前記３Ｄ印刷された部品上および／またはその内部での切断を含む、請求項２２に記載のプロセス。
【請求項25】
前記１つ以上の除去ステップは、前記３Ｄ印刷された部品の表面仕上げを含む、請求項２２に記載のプロセス。
【請求項26】
前記１つ以上の除去ステップは、前記３Ｄ印刷された部品の機械加工を含む、請求項２２に記載のプロセス。
【請求項27】
前記ハイブリッド製造システムは、各々が異なる付加製造ステップまたは除去製造ステップを実行することができる少なくとも２つのツールを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項28】
前記ハイブリッド製造システムは、付加製造ステップおよび除去製造ステップの両方を実行することができる１つのツールのみからなる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項29】
前記３Ｄ印刷された部品に１つ以上の事前造形された構成要素を組み込むことをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項30】
前記１つ以上の事前造形された構成要素は、１つ以上のパイプを含む、請求項２９に記載のプロセス。
【請求項31】
付加製造プロセスであって、第１の材料と第２の材料を接合することを含み、
前記材料は共晶混合物を形成することができ、
前記第１の材料と前記第２の材料は、１つ以上の追加の材料を介して、共晶混合物を形成しない方法で接合され、
任意選択的に、固体付加製造ツールを介して１つ以上のフィラー材料を供給することと、前記固体付加製造ツールを前記第１の材料および／または前記第２の材料のうちの少なくとも１つの表面上で回転および並進させて、共晶混合物を形成せずに前記第１の材料および前記第２の材料を前記フィラー材料（複数可）と接合させることとを含む、付加製造プロセス。
【請求項32】
前記第１および前記第２の材料は、押し出しによって接合される、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項33】
前記第１および前記第２の材料は、少なくとも１つのプレートによって接合される、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項34】
前記第１および前記第２の材料は、前記少なくとも１つのプレートの１つの表面上で前記固体付加製造ツールを回転および並進させることによって接合される、請求項３３に記載のプロセス。
【請求項35】
前記第１および前記第２の材料は、前記少なくとも１つのプレートの２つ以上の表面上で前記固体付加製造ツールを回転および並進させることによって接合される、請求項３３に記載のプロセス。
【請求項36】
前記第１および前記第２の材料は、Ｔ構成で接合される、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項37】
前記第１および前記第２の材料は、コーナ接合構成で接合される、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項38】
前記付加製造プロセスは、欠陥のあるスポットまたは亀裂を有する部品または基板を修理することができる、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項39】
前記付加製造プロセスは、以前に堆積された下の層に１つの堆積された層材料を押し出すことによって３Ｄ部品を印刷することができる、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項40】
前記プロセスは、前記欠陥のあるスポットまたは亀裂を有する部品または基板を修理することができる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項41】
前記１つ以上の付加ステップおよび／または除去ステップは、空気以外の媒体中で実行される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項42】
前記媒体は、水である、請求項４１に記載のプロセス。
【請求項43】
前記１つ以上の付加ステップは、仕上げられた部品の微細構造を微細化することができる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項44】
前記微細構造は、超微細粒微細構造である、請求項４３に記載のプロセス。
【請求項45】
前記１つ以上の付加ステップは、仕上げられた部品をコーティングすることができる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項46】
１つ以上のモジュラプラットフォームを介して前記３Ｄ印刷された部品を支持することをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項47】
前記１つ以上の付加ステップは、異なるクラスの材料を組み込み、それらを一緒に接合する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項48】
前記仕上げられた部品は、サンドイッチ構造である、請求項１に記載のプロセス。
【請求項49】
前記ハイブリッド製造システムは、除去プロセスを実行するように構成された１つ以上のツールを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項50】
前記１つ以上のツールは、前記３Ｄ印刷された部品を穿孔することができる、請求項４９に記載のプロセス。
【請求項51】
前記１つ以上のツールは、前記３Ｄ印刷された部分に表面溝を付けることができる、請求項４９に記載のプロセス。
【請求項52】
前記中空スピンドルまたはツールは、内部通路と、前記フィラー材料（複数可）を追加するために必要に応じて前記内部通路を開閉する特徴とを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項53】
前記中空スピンドルまたはツールは、摩耗に耐えることができる仕上げを備えたショルダを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項54】
前記中空スピンドルまたはツールは、耐摩耗性材料を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項55】
前記１つ以上の付加ステップは、前記１つ以上の除去ステップの前に、またはその逆で実行される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項56】
前記１つ以上の付加ステップおよび前記１つ以上の除去ステップは、前記付加ステップおよび前記除去ステップが交互になるように実行される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項57】
少なくとも１つの付加ステップおよび少なくとも１つの除去ステップは、前記付加ステップおよび前記除去ステップが交互になるように実行される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項58】
ハイブリッド製造プロセスであって、第１の層を形成するために１つ以上の付加ステップを介してハイブリッド製造システムによってフィラー材料（複数可）を堆積させることであって、前記１つ以上の付加ステップは、
前記ハイブリッド製造システムの中空スピンドルまたはツールを介して１つ以上のフィラー材料を供給することと、
前記フィラー材料（複数可）を基板上に堆積させることと、
前記フィラー材料（複数可）および／または前記基板が界面領域において可鍛性および／または粘弾性状態になるように前記中空スピンドルまたはツールの回転するショルダによって法線力、剪断力、および／または摩擦力を適用することによって前記フィラー材料（複数可）および前記基板の塑性変形を生じさせ、それにより前記第１の層を作製することと、を含む、堆積させることと、
前記第１の層に特徴を穿孔、研削、またはフライス加工することと、
前記第１の層の上に第２の層を形成するために前記１つ以上の付加ステップを介して前記ハイブリッド製造システムによって前記フィラー材料を堆積させることと、を含む、ハイブリッド製造プロセス。
【請求項59】
前記特徴は、第１のチャネルである、請求項５８に記載のプロセス。
【請求項60】
前記第２の層に第２のチャネルを穿孔、研削、またはフライス加工することをさらに含み、前記第２のチャネルは前記第１のチャネルと連通している、請求項５９に記載のプロセス。
【請求項61】
前記第２の層が事前造形された部品の上に形成されるように、前記事前造形された部品を前記第１のチャネルに配置することをさらに含む、請求項５９に記載のプロセス。
【請求項62】
前記事前造形された部品は、パイプである、請求項６１に記載のプロセス。
【請求項63】
ハイブリッド製造プロセスであって、第１の層を形成するために１つ以上の付加ステップを介してハイブリッド製造システムによってフィラー材料（複数可）を堆積させることであって、前記１つ以上の付加ステップは、
前記ハイブリッド製造システムの中空スピンドルまたはツールを介して１つ以上のフィラー材料を供給することと、
前記フィラー材料（複数可）を基板上に堆積させることと、
前記フィラー材料（複数可）および／または前記基板が界面領域において可鍛性および／または粘弾性状態になるように前記中空スピンドルまたはツールの回転するショルダによって法線力、剪断力、および／または摩擦力を適用することによって前記フィラー材料（複数可）および前記基板の塑性変形を生じさせ、それにより前記第１の層を作製することと、を含む、堆積させることと、
前記第１の層の微細構造を変更する方法で、機械的な力、エネルギー源または冷却源を前記第１の層に適用することと、を含む、ハイブリッド製造プロセス。
【請求項64】
前記エネルギー源は、レーザ、プラズマ、または超音波である、請求項６３に記載の方法。
【請求項65】
前記冷却源は、氷、ドライアイス、空気、気体、または液体である、請求項６３に記載の方法。
【請求項66】
前記機械的な力は、応力、圧縮またはピーニングである、請求項６３に記載のプロセス。
【請求項67】
前記第１の層の上に第２の層を形成するために前記１つ以上の付加ステップを介して前記ハイブリッド製造システムによってフィラー材料（複数可）を堆積させることをさらに含み、前記第２の層の微細構造は前記第１の層とは異なる、請求項６３に記載のプロセス。
【請求項68】
ハイブリッド製造システムであって、１つ以上のフィラー材料を受け入れることができる本体およびスロートを有する第１のツールと、
前記フィラー材料に下向きの力を与えることができる押し下げアクチュエータと、を備え、
前記第１のツールは、前記フィラー材料（複数可）および／または前記フィラー材料の下に配設された基板に法線力、剪断力、および／または摩擦力を適用することによって前記スロートを通して排出されたときに前記フィラー材料（複数可）の塑性変形を生じさせることができるショルダを含み、
前記システムは、前記フィラー材料および／または前記基板を穿孔、研削、フライス加工、および／または切断することができる１つ以上の特徴をさらに含む、ハイブリッド製造システム。
【請求項69】
前記第１のツールは、中空ピンをさらに含み、前記１つ以上の特徴が前記中空ピン上に配設されている、請求項６８に記載のハイブリッド製造システム。
【請求項70】
前記１つ以上の特徴は、前記ツールの前記ショルダに配設されている、請求項６８に記載のハイブリッド製造システム。
【請求項71】
前記１つ以上の特徴は、前記第１のツールには配設されていないが、前記第２のツールに配設されている、請求項６８に記載のハイブリッド製造システム。
【請求項72】
前記第２のツールは、内部通路を有しない、請求項７１に記載のハイブリッド製造システム。
【請求項73】
前記１つ以上の特徴は、前記ツール内に格納することができる、請求項６８に記載のハイブリッド製造システム。
【請求項74】
前記内部通路を遮断または開放することができるドアをさらに含む、請求項６８に記載のハイブリッド製造システム。
【請求項75】
製造プロセスであって、複数の基板を互いに直交して隣接して配置することと、
前記基板の複数の表面上に１つ以上の付加ステップを介してフィラー材料（複数可）を堆積させることと、を含み、前記１つ以上の付加ステップは、
１つ以上の中空スピンドルまたはツールを介して１つ以上のフィラー材料を供給することと、
前記基板の複数の表面に前記フィラー材料（複数可）を堆積させることと、
前記フィラー材料（複数可）および／または前記基板が界面領域において可鍛性および／または粘弾性状態になるように前記１つ以上の中空スピンドルまたはツールの回転するショルダによって法線力、剪断力、および／または摩擦力を適用することによって前記フィラー材料（複数可）および前記基板の塑性変形を生じさせ、それにより前記基板の界面に結合を導入することと、を含む、製造プロセス。
【請求項76】
前記複数の表面は、互いに直交している、請求項７５に記載の製造プロセス。
【請求項77】
別個の中空スピンドルまたはツールは、各直交表面上にフィラー材料を堆積させる、請求項７６に記載の製造プロセス。
【請求項78】
製造プロセスであって、複数の基板を互いに直交して隣接して配置することと、
複数のプレートを前記複数の基板と連通して配置することと、
前記プレートの複数の表面上に１つ以上の付加ステップを介してハイブリッド製造システムによってフィラー材料（複数可）を堆積させることと、を含み、前記１つ以上の付加ステップは、
１つ以上の中空スピンドルまたはツールを介して１つ以上のフィラー材料を供給することと、
前記プレートの複数の表面に前記フィラー材料（複数可）を堆積させることと、
前記フィラー材料（複数可）および／または前記基板が界面領域において可鍛性および／または粘弾性状態になるように前記中空スピンドルまたはツールの回転するショルダによって法線力、剪断力、および／または摩擦力を適用することによって前記フィラー材料（複数可）および前記基板の塑性変形を生じさせ、それにより前記基板の界面に結合を導入することと、を含む、製造プロセス。
【請求項79】
前記プレートの複数の表面は、互いに直交している、請求項７８に記載の製造プロセス。
【請求項80】
別個の中空スピンドルまたはツールは、前記プレートの各直交表面上にフィラー材料を堆積させる、請求項７９に記載の製造プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１８年１１月２１日に出願された米国仮出願第ＵＳ６２／７７０，５５１号の開示に依拠し、その出願日の優先権および利益を主張する。
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１８年１１月２１日に出願された米国仮出願第ＵＳ６２／７７０，５５１号の開示に依拠し、その出願日の優先権および利益を主張する。
【背景技術】
【0002】
本発明は、固体製造、材料接合、および付加製造の分野を対象とする。より具体的には、本発明の実施形態は、仕上げられた３Ｄ物体または部品を作製するための付加および除去ステップを伴うハイブリッド固体製造プロセスを対象とする。
関連技術の説明
関連技術の説明
【0003】
通常は一層ごとの堆積により３Ｄ物体を作るために材料を接合するプロセスとして定義される付加製造または３Ｄ印刷は、多機能および多材料の部品を作製することができる。しかしながら、３Ｄ印刷された層の間の界面が３Ｄ構築された物体に弱いスポットを導入することが非常によくある。つまり、機械的特性の実質的な相違が、３Ｄ物体における界面と非界面との材料の微小構造の間に存在し、特定の部位および方向に沿って不均質な特性（失敗）につながる。そのような場合、造形された部品は、バルク材料（複数可）の特性と比較して劣った特性を示す。
【0004】
除去製造は、材料の固体ブロックから材料を連続的に切断することによって３Ｄ物体が作られるプロセスである。ＣＮＣマシンによって材料を切断することにより、除去製造を行うことができる。ＣＮＣマシンの高度なバージョンは、複数のツールを利用し、少なくとも３つの軸（ｘ、ｙ、およびｚ）を中心に切断するため、オペレータがワークピース（物体）を回転させる必要性を最小限に抑える。
【0005】
多くの用途では、付加および除去製造ステップの連続的な実行、または３Ｄ物体のいわゆるハイブリッド付加製造がしばしば必要とされる。ハイブリッド付加製造は、一般に、１つのマシンにおける付加製造（３Ｄ印刷）および除去製造（ＣＮＣフライス加工）技術の組み合わせと見なされている。
【0006】
固体付加製造技術は、１つの材料、複数の材料、または独自開発の組成物をワークピースに堆積させ、処理された界面ゾーンにおいて材料を混合および均質化し、堆積された材料とワークピースと間にそれらを溶融させずに良好な結合を生じさせることができる、固体熱機械的堆積プロセスである。簡単に言えば、非溶融固体付加製造技術は、内部通路を含む固体付加製造ツールを介して堆積された材料間の摩擦に基づいており、摩擦力および他の力、ならびに生じた熱が、回転ツールの近くで大きな材料変形を生じさせる。ツールに隣接する材料（ツールを介して供給されるフィラー材料およびワークピースの表面材料層）は、しばしばいわゆる可鍛性の状態にあり、機械的に攪拌され、混合される。その非溶融性により、固体付加製造技術は、類似もしくは非類似の材料、または共晶混合物を形成しかつ当技術分野で知られている他の技術によって接合することができなかった材料の堆付加の間に、強い界面をもたらす。さらに、固体付加製造システムは、他の技術に関連する課題を克服しながら、付加ステップおよび除去ステップを実行することにより、ハイブリッド付加製造を介して３Ｄ物体を製造する可能性を提供する。
【発明の概要】
【0007】
本発明の実施形態は、仕上げられた３Ｄ物体または部品を作製するために付加および除去ステップを伴うハイブリッド固体製造プロセスを対象とする。本発明の様々な実施形態が以下に提供される。ただし、これらは限定的であると解釈されるべきではない。
【0008】
実施形態１ハイブリッド製造プロセスであって、
【0009】
３Ｄ印刷された部品を形成するために１つ以上の付加ステップを介してハイブリッド製造システムによってフィラー材料（複数可）を堆積させることを含み、１つ以上の付加ステップは、
【0010】
ハイブリッド製造システムの中空スピンドルまたはツールを介して１つ以上のフィラー材料を供給することと、
【0011】
フィラー材料（複数可）を基板上に堆積させることと、
【0012】
フィラー材料（複数可）および／または基板が界面領域において可鍛性および／または粘弾性状態になるように中空スピンドルまたはツールの回転するショルダによって法線力、剪断力、および／または摩擦力を適用することによってフィラー材料（複数可）および基板の、激しい塑性変形などの塑性変形を生じさせ、それにより３Ｄ印刷された部品を作製することと、
【0013】
仕上げられた部品を形成するために３Ｄ印刷された部品上および／または３Ｄ印刷された部品内に表面特徴および／または内部特徴が形成されるように、１つ以上の除去ステップを介してハイブリッド製造システムによって３Ｄ印刷された部品から材料を除去することと、を含む、ハイブリッド製造プロセス。
【0014】
実施形態２ハイブリッド製造プロセスは、仕上げられた部品を完成させるために追加のツール、機械、および／または機器を必要としない、実施形態１に記載のプロセス。
【0015】
実施形態３ハイブリッド製造プロセスは、仕上げられた部品を完成させるために追加のツール、機械、および／または機器を必要とする、実施形態１に記載のプロセス。
【0016】
実施形態４他のツールおよび／または機械によって実行される１つ以上の造形後ステップによって３Ｄ印刷された部品を造形することをさらに含む、実施形態１または任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0017】
実施形態５１つ以上の造形後ステップは、カレンダ加工ステップを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0018】
実施形態６１つ以上の造形後ステップは、低温ローラの１つ以上の対によっておよび／またはそれらの間で実行される圧縮ステップを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0019】
実施形態７１つ以上の造形後ステップは、高温ローラの１つ以上の対によっておよび／またはそれらの間で実行される圧縮ステップを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0020】
実施形態８１つ以上の造形後ステップは、３Ｄ印刷された部品を冷却することを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0021】
実施形態９１つ以上の造形後ステップは、３Ｄ印刷された部品を急冷することを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0022】
実施形態１０１つ以上の造形後ステップは、３Ｄ印刷された部品を加熱することを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0023】
実施形態１１１つ以上の造形後ステップは、３Ｄ印刷された部品をピーニングすることを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0024】
実施形態１２１つ以上の造形後ステップは、３Ｄ印刷された部品をレーザ加工することを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0025】
実施形態１３１つ以上の追加の処理ステップをさらに含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0026】
実施形態１４１つ以上の追加の処理ステップは、ピーニングを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0027】
実施形態１５１つ以上の追加の処理ステップは、レーザ加工を含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0028】
実施形態１６１つ以上の追加の処理ステップは、冷却を含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0029】
実施形態１７１つ以上の追加の処理ステップは、急冷を含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0030】
実施形態１８ハイブリッド製造プロセスは、仕上げられた部品に内部特徴を作製することができる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0031】
実施形態１９ハイブリッド製造プロセスは、仕上げられた部品に表面特徴を作製することができる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0032】
実施形態２０ハイブリッド製造プロセスは、仕上げられた部品に加熱または冷却チャネルを作製することができる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0033】
実施形態２１ハイブリッド製造プロセスは、付加製造ステップ中に２つ以上のフィラー材料を堆積させることができる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0034】
実施形態２２ハイブリッド製造プロセスは、１つ以上の除去ステップを介して３Ｄ印刷された部品から材料を除去することができる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0035】
実施形態２３１つ以上の除去ステップは、３Ｄ印刷された部品上および／または３Ｄ印刷された部品内での穿孔を含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0036】
実施形態２４１つ以上の除去ステップは、３Ｄ印刷された部品上および／または３Ｄ印刷された部品内での切断を含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0037】
実施形態２５１つ以上の除去ステップは、３Ｄ印刷された部品の表面仕上げを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0038】
実施形態２６１つ以上の除去ステップは、３Ｄ印刷された部品の機械加工を含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0039】
実施形態２７ハイブリッド製造システムは、各々が異なる付加製造ステップまたは除去製造ステップを実行することができる少なくとも２つのツールを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0040】
実施形態２８ハイブリッド製造システムは、付加製造ステップおよび除去製造ステップの両方を実行することができる１つのツールのみからなる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0041】
実施形態２９３Ｄ印刷された部品に１つ以上の事前造形された構成要素を組み込むことをさらに含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0042】
実施形態３０１つ以上の事前造形された構成要素は、１つ以上のパイプを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0043】
実施形態３１付加製造プロセスであって
【0044】
第１の材料と第２の材料を接合することを含み、
【0045】
材料は共晶混合物を形成することができ、
【0046】
第１の材料と第２の材料は、１つ以上の追加の材料を介して、共晶混合物を形成しない方法で接合され、
【0047】
任意選択的に、固体付加製造ツールを介して１つ以上のフィラー材料を供給すること、および固体付加製造ツールを第１の材料および／または第２の材料の少なくとも１つの表面上で回転および並進させて、共晶混合物を形成せずに第１の材料および第２の材料をフィラー材料（複数可）と接合させることを含む、付加製造プロセス。
【0048】
実施形態３２第１および第２の材料は、押し出しによって接合される、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0049】
実施形態３３第１および第２の材料は、少なくとも１つのプレートによって接合される、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0050】
実施形態３４第１および第２の材料は、少なくとも１つのプレートの１つの表面上で固体付加製造ツールを回転および並進させることによって接合される、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0051】
実施形態３５第１および第２の材料は、少なくとも１つのプレートの２つ以上の表面上で固体付加製造ツールを回転および並進させることによって接合される、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0052】
実施形態３６第１および第２の材料は、Ｔ構成で接合される、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0053】
実施形態３７第１および第２の材料は、コーナ接合構成で接合される、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0054】
実施形態３８付加製造プロセスは、欠陥のあるスポットまたは亀裂を有する部品または基板を修理することができる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0055】
実施形態３９付加製造プロセスは、以前に堆積された下の層に１つの堆積された層材料を押し出すことによって３Ｄ部品を印刷することができる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0056】
実施形態４０プロセスは、欠陥のあるスポットまたは亀裂を有する部品または基板を修理することができる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0057】
実施形態４１１つ以上の付加ステップおよび／または除去ステップは、空気以外の媒体中で実行される、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0058】
実施形態４２媒体は、水である、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0059】
実施形態４３１つ以上の付加ステップは、仕上げられた部品の微細構造を精製することができる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0060】
実施形態４４微細構造は、超微細粒微細構造である、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0061】
実施形態４５１つ以上の付加ステップは、仕上げられた部品をコーティングすることができる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0062】
実施形態４６１つ以上のモジュラプラットフォームを介して３Ｄ印刷部品を支持することをさらに含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0063】
実施形態４７１つ以上の付加ステップは、異なるクラスの材料を組み込み、それらを一緒に接合する、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0064】
実施形態４８仕上げられた部品は、サンドイッチ構造である、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0065】
実施形態４９ハイブリッド製造システムは、除去プロセスを実行するように構成された１つ以上のツールを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0066】
実施形態５０１つ以上のツールは、３Ｄ印刷された部品を穿孔することができる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0067】
実施形態５１１つ以上のツールは、３Ｄ印刷された部品に表面溝を付けることができる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0068】
実施形態５２中空スピンドルまたはツールは、内部通路と、フィラー材料（複数可）を追加するために必要に応じて内部通路を開閉する特徴とを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0069】
実施形態５３中空スピンドルまたはツールは、摩耗に耐えることができる仕上げを備えたショルダを含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0070】
実施形態５４中空スピンドルまたはツールは、耐摩耗性材料を含む、先行する実施形態のいずれかに記載のプロセス。
【0071】
実施形態５５１つ以上の付加ステップは、１つ以上の除去ステップの前に、またはその逆で実行される、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0072】
実施形態５６１つ以上の付加ステップおよび１つ以上の除去ステップは、付加ステップおよび除去ステップが交互になるように実行される、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0073】
実施形態５７少なくとも１つの付加ステップおよび少なくとも１つの除去ステップは、付加ステップおよび除去ステップが交互になるように実行される、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0074】
実施形態５８ハイブリッド製造プロセスであって、
【0075】
第１の層を形成するために１つ以上の付加ステップを介してハイブリッド製造システムによってフィラー材料（複数可）を堆積させることを含み、１つ以上の付加ステップは、
【0076】
ハイブリッド製造システムの中空スピンドルまたはツールを介して１つ以上のフィラー材料を供給することと、
【0077】
フィラー材料（複数可）を基板上に堆積させることと、
【0078】
フィラー材料（複数可）および／または基板が界面領域において可鍛性および／または粘弾性になるように中空スピンドルまたはツールの回転するショルダによって法線力、剪断力、および／または摩擦力を適用することによってフィラー材料（複数可）および基板の、激しい塑性変形などの塑性変形を生じさせ、それにより第１の層を作製することと、
【0079】
第１の層に特徴を穿孔、研削、またはフライス加工することと、
【0080】
第１の層の上に第２の層を形成するために１つ以上の付加ステップを介してハイブリッド製造システムによってフィラー材料を堆積させることと、を含む、ハイブリッド製造プロセス。
【0081】
実施形態５９特徴は、第１のチャネルである、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0082】
実施形態６０第２の層に第２のチャネルを穿孔、研削、またはフライス加工することをさらに含み、第２のチャネルは第１のチャネルと連通している、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0083】
実施形態６１第２の層が事前造形された部品の上に形成されるように、事前造形された部品を第１のチャネルに配置することをさらに含む、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0084】
実施形態６２事前造形された部品は、パイプである、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0085】
実施形態６３ハイブリッド製造プロセスであって、
【0086】
第１の層を形成するために１つ以上の付加ステップを介してハイブリッド製造システムによってフィラー材料（複数可）を堆積させることを含み、１つ以上の付加ステップは、
【0087】
ハイブリッド製造システムの中空スピンドルまたはツールを介して１つ以上のフィラー材料を供給することと、
【0088】
フィラー材料（複数可）を基板上に堆積させることと、
【0089】
フィラー材料および／または基板が界面領域において可鍛性および／または粘弾性状態になるように中空スピンドルまたはツールの回転するショルダによって法線力、剪断力、および／または摩擦力を適用することによってフィラー材料（複数可）および基板の、激しい塑性変形などの塑性変形を生じさせ、それにより第１の層を作製することと、
【0090】
第１の層の微細構造を変更する方法で、機械的な力、エネルギー源、または冷却源を第１の層に適用することと、を含む、ハイブリッド製造プロセス。
【0091】
実施形態６４エネルギー源は、レーザ、プラズマ、または超音波である、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0092】
実施形態６５冷却源は、氷、ドライアイス、空気、気体、または液体である、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0093】
実施形態６６機械的な力は、応力、圧縮、またはピーニングである、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0094】
実施形態６７第１の層の上に第２の層を形成するために１つ以上の付加ステップを介してハイブリッド製造システムによってフィラー材料（複数可）を堆積させることをさらに含み、第２の層の微細構造は第１の層とは異なる、任意の先行する実施形態に記載のプロセス。
【0095】
実施形態６８ハイブリッド製造システムであって、
【0096】
１つ以上のフィラー材料を受け入れることができる本体およびスロートを有する第１のツールと、
【0097】
フィラー材料に下向きの力を与えることができる押し下げアクチュエータと、を備え、
【0098】
第１のツールは、フィラー材料（複数可）および／またはフィラー材料の下に配設された基板に法線力、剪断力、および／または摩擦力を適用することによってスロートを通して排出されたときにフィラー材料（複数可）の、激しい塑性変形などの塑性変形を生じさせることができるショルダを含み、
【0099】
システムは、フィラー材料および／または基板を穿孔、研削、フライス加工、および／または切断することができる１つ以上の特徴をさらに含む、ハイブリッド製造システム。
【0100】
実施形態６９第１のツールは、中空ピンをさらに含み、１つ以上の特徴は、中空ピン上に配設されている、任意の先行する実施形態に記載のハイブリッド製造システム。
【0101】
実施形態７０１つ以上の特徴は、ツールのショルダに配設されている、任意の先行する実施形態に記載のハイブリッド製造システム。
【0102】
実施形態７１１つ以上の特徴は、第１のツール上に配設されていないが、第２のツール上に配設されている、任意の先行する実施形態に記載のハイブリッド製造システム。
【0103】
実施形態７２第２のツールは、内部通路を有しない、任意の先行する実施形態に記載のハイブリッド製造システム。
【0104】
実施形態７３１つ以上の特徴をツール内に格納することができる、任意の先行する実施形態に記載のハイブリッド製造システム。
【0105】
実施形態７４内部通路を遮断または開放することができるドアをさらに含む、任意の先行する実施形態に記載のハイブリッド製造システム。
【0106】
実施形態７５製造プロセスであって、
【0107】
複数の基板を互いに直交して隣接して配置することと、
【0108】
基板の複数の表面上に１つ以上の付加ステップを介してフィラー材料（複数可）を堆積させ、１つ以上の付加ステップは、
【0109】
１つ以上の中空スピンドルまたはツールを介して１つ以上のフィラー材料を供給することと、
【0110】
基板の複数の表面にフィラー材料（複数可）を堆積させることと、
【0111】
フィラー材料（複数可）および／または基板が界面領域において可鍛性および／または粘弾性状態になるように１つ以上の中空スピンドルまたはツールの回転するショルダによって法線力、剪断力、および／または摩擦力を適用することによってフィラー材料（複数可）および基板の、激しい塑性変形などの塑性変形を生じさせ、それにより基板の界面に結合を導入することと、を含む、製造プロセス。
【0112】
実施形態７６複数の表面は、互いに直交している、任意の先行する実施形態の製造プロセス。
【0113】
実施形態７７別個の中空スピンドルまたはツールは、各直交表面上にフィラー材料を堆積させる、任意の先行する実施形態の製造プロセス。
【0114】
実施形態７８製造プロセスであって、
【0115】
複数の基板を互いに直交して隣接して配置することと、
【0116】
複数のプレートを複数の基板と連通して配置することと、
【0117】
プレートの複数の表面上に１つ以上の付加ステップを介してハイブリッド製造システムによってフィラー材料（複数可）を堆積させることと、を含み、１つ以上の付加ステップは、
【0118】
１つ以上の中空スピンドルまたはツールを介して１つ以上のフィラー材料を供給することと、
【0119】
プレートの複数の表面にフィラー材料（複数可）を堆積させることと、
【0120】
フィラー材料（複数可）および／またはプレートが界面領域において可鍛性および／または粘弾性状態になるように中空スピンドルまたはツールの回転するショルダによって法線力、剪断力、および／または摩擦力を適用することによってフィラー材料（複数可）およびプレートの、激しい塑性変形などの塑性変形を生じさせ、それにより基板の界面に結合を導入することと、を含む、製造プロセス。
【0121】
実施形態７９複数のプレートの表面は、互いに直交している、任意の先行する実施形態の製造プロセス。
【0122】
実施形態８０別個の中空スピンドルまたはツールは、プレートの各直交表面上にフィラー材料を堆積させる、任意の先行する実施形態の製造プロセス。
【0123】
これらおよび他の実施形態ならびにそれらの特徴および利点は、前述の詳細な説明で明らかになるであろう。
【0124】
添付の図面は、本発明の実施形態の特定の態様を示しており、本発明を限定するために使用されるべきではない。書面による説明とともに、図面は、本発明の特定の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【0125】
【図1A】一実施形態による、結合プレートの固体付加製造プロセスの概略図である。
【図2A】一実施形態による、プレートの少なくとも１つが溝、穴、または他の表面のくぼみを有する、結合プレートの固体付加製造プロセスの概略図である。
【図2B】プレートが異なる溝、穴、または他の表面のくぼみを有する、固体付加製造プロセスの製品の様々な実施形態の概略図である。
【図2C】プレートが異なる溝、穴、または他の表面のくぼみを有する、固体付加製造プロセスの製品の様々な実施形態の概略図である。
【図2D】プレートが異なる溝、穴、または他の表面のくぼみを有する、固体付加製造プロセスの製品の様々な実施形態の概略図である。
【図3A】実施形態による、異なる方向に向けられた複数の固体付加製造動作によってプレートを接合することによって製品が作られる、固体付加製造プロセスの製品の概略図である。
【図3B】実施形態による、異なる方向に向けられた複数の固体付加製造動作によって異なる材料を堆積することによって製品が作られる、固体付加製造プロセスの製品の概略図である。
【図5A】一実施形態による、コーナ接合において接合される２つの材料を示す概略図である。
【図7A】実施形態による、１つ以上の堆付加におけるチャネルの形成を示す概略図である。
【図7B】実施形態による、１つ以上の堆付加におけるチャネルの形成を示す概略図である。
【図7C】実施形態による、１つ以上の堆付加におけるチャネルの形成を示す概略図である。
【図7D】実施形態による、１つ以上の堆付加におけるチャネルの形成を示す概略図である。
【図7E】実施形態による、１つ以上の堆付加におけるチャネルの形成を示す概略図である。
【図9A】一実施形態による、付加および除去ステップにより構築された部品、ならびに固体付加製造された部品への別の構成要素の組み込みを示す概略図である。
【図9B】一実施形態による、付加および除去ステップにより構築された部品、ならびに固体付加製造された部品への別の構成要素の組み込みを示す概略図である。
【図9C】一実施形態による、付加および除去ステップにより構築された部品、ならびに固体付加製造された部品への別の構成要素の組み込みを示す概略図である。
【図9D】一実施形態による、付加および除去ステップにより構築された部品、ならびに固体付加製造された部品への別の構成要素の組み込みを示す概略図である。
【図9E】一実施形態による、付加および除去ステップにより構築された部品、ならびに固体付加製造された部品への固体製造システムへの別の構成要素の組み込みを示す写真である。
【図9F】一実施形態による、付加および除去ステップにより構築された部品、ならびに固体付加製造された部品への固体製造システムへの別の構成要素の組み込みを示す写真である。
【図9G】一実施形態による、付加および除去ステップにより構築された部品、ならびに固体付加製造された部品への固体製造システムへの別の構成要素の組み込みを示す写真である。
【図9H】一実施形態による、付加および除去ステップにより構築された部品、ならびに固体付加製造された部品への固体製造システムへの別の構成要素の組み込みを示す写真である。
【図10】一実施形態による、高温ローラもしくは低温ローラの１つ以上の対を通過する、またはカレンダ加工機器を通過する、堆積された層のスタックを示す概略図であり、印刷されたスタックが層のより薄いスタックに圧縮されている。
【図11】一実施形態による、固体付加製造プロセスによる、柔らかい材料から作られた第１の層、およびそれに次ぐより硬い材料から作られた特徴の堆積を示す概略図である。
【図12A】実施形態による、ピーニングステップを経た堆付加の概略図である。
【図12B】実施形態による、ピーニングステップを経た堆付加の概略図である。
【図12C】実施形態による、ピーニングステップを経た堆付加の概略図である。
【図12D】実施形態による、ピーニングステップを経た堆付加の概略図である。
【図13A】実施形態による、固体付加製造プロセスによる層の堆積中に急速冷却を達成するために適用される冷気またはガスを示す概略図である。
【図13B】実施形態による、固体付加製造プロセスによる層の堆積中に急速冷却を達成するために適用される冷気またはガスを示す概略図である。
【図13C】一実施形態による、固体付加製造プロセスによる層の堆積中に急速冷却を達成するために適用される低温液体または低温固体材料を示す概略図である。
【図13D】一実施形態による、固体付加製造プロセス中のツールを介した堆積が循環する低温媒体中で行われることを示す概略図である。
【図14A】実施形態による、層を堆積させるために使用され、堆付加の表面に沿って移動して微細化された微細構造を生じるように再び使用される固体付加製造ツールを示す概略図である。
【図14B】実施形態による、層を堆積させるために使用され、堆付加の表面に沿って移動して微細化された微細構造を生じるように再び使用される固体付加製造ツールを示す概略図である。
【図14C】一実施形態による、固体付加製造ツールの形状および／またはツールショルダの特徴が、元の堆積ステップと繰り返されるステップとの間で変化することを示す概略図である。
【図14D】一実施形態による、固体付加製造ツール間の切り替えのステップを示す概略図である。
【図15】一実施形態による、固体付加製造中の１つ以上のローラの適用を示す概略図である。
【図16A】表面が腐食した部品を示す概略図である。
【図17A】一実施形態による、固体付加製造プロセスで押し出された硬化リブを備えたプレートを示す写真である。
【図17B】一実施形態による、固体付加印刷のための基板として使用されるスロット（ダイ）を備えたプレートを示す概略図である。
【図17C】基板の裏側の材料と、スロット（ダイ）を通じてプレートの裏側に押し出されてリブおよび／またはロッキング構造（図１７Ｃおよび１７Ｄ）またはコーティング（１７Ｅ）を形成した材料とを示す概略図である。
【図17D】基板の裏側の材料と、スロット（ダイ）を通じてプレートの裏側に押し出されてリブおよび／またはロッキング構造（図１７Ｃおよび１７Ｄ）またはコーティング（１７Ｅ）を形成した材料とを示す概略図である。
【図17E】基板の裏側の材料と、スロット（ダイ）を通じてプレートの裏側に押し出されてリブおよび／またはロッキング構造（図１７Ｃおよび１７Ｄ）またはコーティング（１７Ｅ）を形成した材料とを示す概略図である。
【図19A】実施形態による、固体付加製造プロセス中に埋め込まれたセラミックまたは高性能プラスチックから作られた六角形の部品を示す概略図である。
【図19B】実施形態による、固体付加製造プロセス中に埋め込まれたセラミックまたは高性能プラスチックから作られた六角形の部品を示す概略図である。
【図19C】実施形態による、固体付加製造プロセス中に埋め込まれたセラミックまたは高性能プラスチックから作られた六角形の部品を示す概略図である。
【図19D】一実施形態による、固体付加製造プロセスにより堆積されたアルミニウム層に埋め込まれたセラミック六角形部品を示す写真である。
【図20】一実施形態による、ハイブリッド付加および除去固体製造ステップ中に追加される複合体またはプリプレグ層を示す概略図である。
【図21A】実施形態による、様々な形状、延長部、および／または表面特徴を有するハイブリッド固体堆積／溝入れツールを示す概略図である。
【図21B】実施形態による、様々な形状、延長部、および／または表面特徴を有するハイブリッド固体堆積／溝入れツールを示す概略図である。
【図21C】実施形態による、様々な形状、延長部、および／または表面特徴を有するハイブリッド固体堆積／溝入れツールを示す概略図である。
【図21D】実施形態による、様々な形状、延長部、および／または表面特徴を有するハイブリッド固体堆積／溝入れツールを示す概略図である。
【図21E】実施形態による、様々な形状、延長部、および／または表面特徴を有するハイブリッド固体堆積／溝入れツールを示す概略図である。
【図21F】実施形態による、様々な形状、延長部、および／または表面特徴を有するハイブリッド固体堆積／溝入れツールを示す概略図である。
【図21G】実施形態による、様々な形状、延長部、および／または表面特徴を有するハイブリッド固体堆積／溝入れツールを示す概略図である。
【図21H】実施形態による、様々な形状、延長部、および／または表面特徴を有するハイブリッド固体堆積／溝入れツールを示す概略図である。
【図21I】実施形態による、様々な形状、延長部、および／または表面特徴を有するハイブリッド固体堆積／溝入れツールを示す概略図である。
【図21J】実施形態による、様々な形状、延長部、および／または表面特徴を有するハイブリッド固体堆積／溝入れツールを示す概略図である。
【図21K】実施形態による、様々な形状、延長部、および／または表面特徴を有するハイブリッド固体堆積／溝入れツールを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0126】
ここで、本発明の様々な例示的な実施形態を詳細に参照する。例示的な実施形態の以下の考察は、本発明に対する限定として意図されたものではないことを理解されたい。むしろ、以下の考察は、読者に本発明の特定の態様および特徴のより詳細な理解を与えるために提供される。
【0127】
本発明は、付加および除去製造ステップを介して３Ｄ物体を作製するための固体付加製造法に関する。固体付加製造システムおよび他の製造システムを使用した３Ｄ物体の製造方法、または造形後方法も開示される。共晶の形成を回避することによって共晶混合物を形成する傾向がある材料を接合する方法も開示される。
【0128】
本出願で提供される実施例および説明では、様々な修正を行うことができ、これは本発明の範囲内にあることも意図されていることに留意されたい。例えば、記載された製造方法は、記載された方法ステップのうちの１つ以上を使用して、任意の順序で実施することができる。さらに、１つの方法の方法ステップは、記載された他の方法のステップおよび／または当業者に知られている方法ステップと交換され得るおよび／または組み合わされ得る。同様に、本出願で説明される特定のツールの特徴および構成は、省略、交換、および／または、説明されるかもしくは当業者に知られている他の特徴と組み合わされ得る。さらに、特定の結果を得るためのツール、または本出願に記載された方法の特定のステップを実行するためのツールもまた、本発明の範囲に含まれる。
【0129】
いくつかの実施形態では、固体付加製造システムを使用して、２つの材料１０１および１０２で作られている十分に結合された部品または基板を作り、ここで、材料１０１および１０２は、高温および／または圧力にさらされたときに共晶混合物を形成する傾向がある（図１Ａ）。１０１と１０２の材料の固体付加製造接合は、材料１０１と１０２との間の界面で共晶混合物を形成することなく行われる。材料の接合は、下のプレート１０１に接合する必要があるプレート１０２の上に第３の材料１０３を適用することによって行われる。固体付加製造ツールの動作は、材料１０３を堆積することによって始まり、次に、動作は、材料１０３の堆積された層の表面に沿って続く（図１Ａ）。固体付加製造ツール１０４の間接的な動作は、下にあるプレート１０２および１０１ならびにそれらの界面に加熱および圧力を課すが、層１０３の表面に沿って課されるものよりもはるかに低い温度および圧力を課す。特定の実施形態では、固体付加製造ツール１０４は、実際には材料１０１内へ材料１０２を押し出させ、したがって、結合された１０１－１０２材料の最終的な外観は、混合された材料１０１および１０２の界面層を含む（図１Ｂ）。他の実施形態では、プレート１０３は、プレート１０１に結合される必要があるプレート１０２の上部に適用される。
【0130】
共晶混合物を形成する材料系の例は、アルミニウム／鋼系（例えば、Ａｌ５０８３またはＡｌ１１００および鋼３０４）、アルミニウム／マグネシウム系、および他の金属または他の材料の組み合わせであるが、それらに限定されない。
【0131】
いくつかの実施形態では、図２Ａ～図２Ｃに示されるように、底プレート２０１の表面は、溝、穴、または他の表面のくぼみ２０１Ａを含む。材料２０３（またはプレート２０３）の上部での間接的な固体付加製造ツール２０４の動作により、材料２０２（またはプレート２０２）はプレート２０１の溝または穴に押し出され（「押し込まれ」）、２つのプレート２０１および２０２は、共晶混合物を形成することなく、およびそれらの界面において溶融が発生することなく接合される（図２Ａおよび図２Ｂ）。プレート２０１の表面上のくぼみ２０１Ａは、接合する必要のある２つの異なる材料間の良好な接合を提供する、鳩尾形状および他のインターロック形状を含む任意の形状およびサイズとすることができる（図２Ｃ）。
【0132】
特定の実施形態では、上部材料２０３の固体付加適用を介した材料２０１内への材料２０２の押し出しを使用して、界面溶融することなく、かつ共晶を形成することなく、材料２０１内に、より硬い材料２０２の硬化構造を生じさせる（図２Ｄ）。さらに別の実施形態では、材料２０１内へ押し出された材料２０２は、補強構造２０１Ａとして機能する。さらに他の実施形態では、プレート２０１へのプレート２０２の接合は、プレート２０３を使用し、プレート２０３の表面に沿って固体付加製造ツールを適用することによって行われる。
【0133】
いくつかの実施形態では、物体（部品）は、物体の２つ以上の表面上での複数の固体付加製造ツール３０４の動作によって作られ、例えば、物体は、異なる方向に向けられた固体付加製造動作によって作られる（図３Ａ）。例えば、部品は、共晶混合物を形成する材料３０１、３０２、および３０３で作られる。共晶混合物の形成を回避するために、プレート３０５Ａ、３０５Ｂ、および３０５Ｃを利用して、界面３０１－３０２、３０１－３０３、および３０２－３０３に良好な結合を提供する。固体付加製造ツール３０４は、プレート３０５Ａの表面に沿って高強度の摩擦および他の力を加え、プラットフォーム３０６上に配置することができる材料３０３内への材料３０１および３０２の押し出しを可能にする。次に、物体を９０°回転させ、固体付加製造ツール３０４の動作がプレート３０５Ｂの表面に沿って加えられ、材料３０１および３０２の結合を可能にする。界面３０１－３０２のより強い横方向結合のために、物体は、固体付加製造ツール３０４がプレート３０５Ｃの表面に沿って同様に動作を加えるように回転させられる。いくつかの実施形態では、材料３０１、３０２、および３０３のより良好な接合を達成するために、３０１Ａおよび３０３Ａ（図３Ａおよび図３Ｂ）などのいくつかの材料の表面に溝または他のインターロック構造が、接合プロセスの前に形成される。
【0134】
特定の実施形態では、図３Ｂに示されるように、前の実施形態（図３Ａ）で使用されるプレート３０５Ａ、３０５Ｂ、および３０５Ｃの代わりに、固体付加製造ツール３０４の動作は、３０１、３０２、および３０３ブロックの表面への直接的な材料３０７、３０８、および３０９の堆積を含み、図３Ｂに示されるように、材料３０７、３０８、および３０９は、いずれの材料３０１、３０２、および３０３とも共晶混合物を形成しないが、界面３０１－３０２、３０１－３０３、および３０２－３０３を十分に結合するために使用される。材料３０７、３０８、および３０９は、同じまたは異なる材料とすることができる。
【0135】
特定の実施形態では、部品４０１および４０２は、界面において溶融を生じずに接合される必要がある（図４Ａ）。材料４０３および４０４は、固体付加製造システムにより４０１－４０２接合部の近くに堆積され（図４Ｂ）、固体付加製造ツールは、堆積された材料４０３および４０４の上に摩擦力および他の力を適用し続け、接合部に溶融を生じることなく４０１－４０２接合部をさらに強化する。材料４０３および４０４は、同じまたは異なる材料とすることができる。他の実施形態では、プレート４０３および４０４は、４０１－４０２接合部の近くに配置され、固体付加製造ツールは、これらのプレートの表面に沿って動作する。さらに別の実施形態では、追加のプレート、例えば、４０５などが追加されて、４０１と４０２との間の接合領域における良好な結合および非溶融を確実にする（図４Ｃ）。
【0136】
いくつかの実施形態では、第３のプレートは、異種材料５０１および５０２、または異種材料で作られた部品５０１および５０２のコーナ接合のために使用される（図５Ａ）。特定の実施形態では、２つの異種部品５０１および５０２は、材料５０３を接合部内へ押し出すことによって一緒に接合され、接合部は、材料５０３またはプレート５０３の表面に沿って固体付加製造ツールの動作を介して押し付けられる（図５Ｂ）。別の実施形態では、固体付加製造ツールの動作は、異なる方向に沿って、例えば、プレート５０３Ａ、５０３Ｂ、５０４Ａ、および５０４Ｂの表面に沿って適用される（図５Ｃ）。他の実施形態では、部品５０１および５０２は、接合部内の材料の押し出しなしに、ただし５０１－５０２接合部の近く（周囲）に５０３および５０４材料を堆積させることによって接合される（図５Ｄ）。別の実施形態では、プレート５０３および５０４は、接合部５０１－５０２の周りに配置され、固体付加製造ツールの動作がこれらのプレートの表面に沿って適用される。さらに別の実施形態では、材料５０１、５０２、５０３、および５０４が共晶混合物を形成し、溶融が界面において回避されるべきである場合、他の材料またはプレート、例えば、材料／プレート５０５および５０６が適用され、固体付加製造ツールの動作がそれらの界面において行われる（図５Ｅ）。
【0137】
いくつかの実施形態では、固体付加製造システムは、高温および／または高圧下で修理される場合、共晶混合物を形成する可能性がある材料で作られた、到達困難なスポットまたは部品の修理に使用される。単なる一例として、欠陥（亀裂）６０１Ｃを有する、管状構造６０１Ａ（図６Ａ）または半管状構造６０１Ｂ（図６Ｄ）、または他の任意の湾曲構造は、欠陥スポットの周り（両側）に配置された１つまたは２つの湾曲プレート６０２および６０３を使用することによって修理することができる（図６Ｂおよび図６Ｅ）。プレートの１つの表面に沿った（例えば、湾曲したプレート６０２に沿った）固体付加製造ツールの動作によって、材料６０２は、欠陥スポット（亀裂）６０１Ｃ内に押し出される（押し込まれる）。修理プロセスの後、下にあるプレート６０３を取り除くことができ、一方、必要に応じて、余分な上部材料６０２を機械加工によって取り除くことができる（図６Ｃおよび図６Ｆ）。
【0138】
特定の実施形態では、固体製造システムは、ハイブリッドマルチタスクシステムとして機能し、付加製造ステップ、ならびに除去製造ステップおよび他の処理ステップを実行する。
【0139】
特定の実施形態では、固体付加製造堆積された部品（物体）は、内部チャネル、例えば、冷却または加熱チャネル７０５（図７Ｂ～図７Ｅ）を含む。ハイブリッド固体付加製造システムを使用するそのような部品の造形は、以下のステップ、（ｉ）プラットフォーム７０６上の第１の層７０１の固体付加堆積（図７Ａ）、（ｉｉ）堆付加７０１における特徴（例えば、チャネル７０５）の穿孔／フライス加工（図７Ｂ）、（ｉｉｉ）別の層７０２の堆積（図７Ｃ）、（ｉｖ）内部特徴、例えば、チャネル７０５の穿孔／フライス加工（図７Ｄ）、および（ｖ）内部特徴、例えば、チャネル７０５を有する最終物体が製造されるまで必要に応じて上記のステップを繰り返すこと、を含むが、これらのステップに限定されない。例えば、堆積された層が接続された内部チャネル７０５を有する、プラットフォーム７０６上の４つの固体印刷された層７０１、７０２、７０３、および７０４で作られた物体が、図７Ｅに示されている。
【0140】
実施形態では、固体付加製造システムは、任意選択的に、最初に層、例えば、８０１、８０２、８０３、および８０４をプラットフォーム８０６上に堆積することによって１つ以上またはすべての付加製造ステップを実行し（図８Ａ）、次に材料除去の除去製造ステップが、必要な表面特徴および／または内部特徴、例えば、チャネル８０５をもたらすために実行される（図８Ｂ）。
【0141】
いくつかの実施形態では、固体製造システムは、付加製造動作に加えて、除去製造動作を実行する。除去製造ステップは、フライス加工、旋削、研削、および／または穿孔などのプロセスによって材料を除去（または材料を切断）する。他の実施形態では、固体製造システムは、付加製造ステップのみを実行する一方、除去製造ステップ（フライス加工、旋削、研削、穿孔）は、他のタイプの機械およびツールによって実行される。
【0142】
特定の実施形態では、付加および除去ステップを必要とする部品は、固体製造システムによって構築され、当技術分野で知られている異なる技術によって造形される他の構成要素（複数可）が、固体付加製造された部品に組み込まれる。例えば、固体付加造形は、プラットフォーム９０６上に層９０１を堆積することから始まる（図９Ａ）。次に、層９０１は、チャネル９０５を作るために特定の場所から材料を取り除くための除去ステップを経て、チャネル９０５に、異なる技術によって製造された構成要素、例えば、パイプが配置される（図９Ｂ）。次のステップでは、異なる技術によって作られた構成要素、例えば、パイプ９０７が、層９０１におけるチャネル９０５に配置され、その後、固体付加製造機械は、層９０１および埋め込まれたパイプ９０７の上に次の層９０２の堆積ステップを開始する（図９Ｄ）。そのような部品の写真が図９Ｅに示されているのに対し、図９Ｆは、固体付加製造機械によって初期層９０１および９０２の上に追加の層が構築された同じ部品を示す。図９Ｇおよび図９Ｈは、異なる角度から見た、構築された同じ部品の写真である。
【0143】
特定の実施形態では、固体付加製造堆積された層および部品は、異なる造形後方法を受ける。例えば、一実施形態では、堆付加１００１Ａ、１００２Ａ、および１００３Ａのスタックは、ローラ１００８Ａおよび１００８Ｂの対などの、高温または低温ローラの１つ以上のセット、またはカレンダ加工機器を通過させられ、印刷されたスタックは、層１００１Ｂ、１００２Ｂ、および１００３Ｂのより薄いスタックに圧縮される（図１０）。これは、層のスタックを造形するための当技術分野で知られている他の方法と比較して有利であり、なぜなら、固体付加製造技術は、スタック内の異なる（または異種）材料から作られた層の間の良好な結合を提供し、この結合は、その後、造形後の様々な操作を受けたとき、層間剥離の兆候を示さないからである。
【0144】
特定の実施形態では、固体付加製造機械は、図１１に示されるように、軟質材料１１０１Ａから作られた第１の層を堆積させ、次に、より硬い材料１１０２Ａから作られた特徴を堆積させる。次に、構築された部品は、低温もしくは高温ローラ、ローラの１つ以上の対１１０８、または油圧プレスの間に配置され、より硬い材料１１０２Ａから作られた特徴は、より軟質の材料から作られた下の層１１０１Ｂ内へ完全にまたは部分的に埋め込まれる。埋め込まれた材料１１０２Ｂの形状は、最初に堆積された材料１１０２Ａと同じであり得るか、または異なる可能性がある。
【0145】
特定の実施形態では、堆積物は、以下のプロセスのいずれかによって、すなわちショットピーニング、レーザピーニング、超音波ピーニング、またはそれらの組み合わせによって実行されるピーニングステップを受ける。例えば、一実施形態では、固体付加製造プロセスによって堆積された層１２０１Ａは、ピーニング、ショット、レーザもしくは超音波ピーニング、またはそれらの組み合わせ１２０９を受ける（図１２Ａ）。ピーニングプロセスは、堆付加１２０１Ｂにおける元の微細構造の微細化をもたらす。次に、追加の層を固体付加製造プロセスによって堆積させることができ、これらの層は、ピーニングプロセス１２０９を受けることができ、これにより、微細構造１２０２Ｂへの、元の微細構造１２０２Ａの微細化された微細構造が生じる（図１２Ｂ）。これらのステップは、構造または部品を構築するために必要に応じて複数回繰り返すことができる。微細構造１２０２Ｂは、元の固体付加製造された微細構造１２０２Ａと比較して微細化されており、いくつかの実施形態では、材料に応じて、粒子サイズは５～１０μｍの範囲、より好ましくは１～５μｍの範囲、または１μｍ未満であり、したがって超微細粒状（ＵＦＧ）微細構造を示す。
【0146】
いくつかの実施形態では、ピーニングプロセスは、図１２Ｃおよび図１２Ｄに概略的に示されているプロセスのような堆積ステップとともに実行される。固体付加製造ツール１２０４は、第１の層１２０１Ａ（図１２Ｃ）を堆積させ、その後、ピーニングデバイス１２０９は、堆積された１２０１Ａ層の表面に影響を及ぼし、微細構造の微細化を引き起こして、微細構造１２０１Ｂをもたらす。次に、追加の層１２０２Ａが、固体付加製造ツール１２０４によって、微細化された構造を有する層１２０１Ｂの上に堆積され、その結果、ピーニングデバイス１２０９は、第２の層１２０２Ａの微細構造の微細化を引き起こし、微細化された微細構造１２０２Ｂをもたらす（図１２Ｄ）。微細化された微細構造は、ＵＦＧ微細構造の範囲、または元の粒子よりもはるかに小さい粒子の他の範囲にあることができる。
【0147】
特定の実施形態では、結晶粒微細化は、固体付加製造された堆積物の急速な冷却または急冷によって可能になる。単なる一例として、冷気またはガス（ＣＯ2）１３１０が、固体付加製造ツール１３０４による層の堆積中に吹き付けられ、微細化された微細構造またはＵＦＧ微細構造１３０１をもたらす（図１３Ａ）。微細化された微細構造１３０１、１３０２などを有する複数の堆積物は、ツール１３０４を用いた固体堆積のステップと、それに続く低温ガス１３１０を用いた微細構造微細化のステップを複数回繰り返すことによって可能である（図１３Ｂ）。
【0148】
他の実施形態では、低温液体（例えば、水）または低温固体材料（例えば、ドライアイス）１３１１は、堆付加を急速に冷却するためにツール１３０４を介した堆積中に配設され、したがって、堆積された微細構造１３０１の微細化を引き起こす（図１３Ｃ）。
【0149】
さらに別の実施形態では、ツール１３０４を介した堆積は、循環する低温媒体１３１２内で行われ、したがって、微細構造の微細化は、堆積中に同時に行われる（図１３Ｄ）。
【0150】
特定の実施形態では、プラズマまたはレーザ動作を使用して、堆付加の微細構造に変化を生じさせる。
【0151】
特定の実施形態では、ツール１４０４は、層１４０１Ａを堆積させるために使用され、ツールは、堆積された層の表面に沿って移動して、微細化された微細構造またはさらにＵＦＧ微細構造１４０１Ｂを生じさせるために再び使用される（図１４Ａ）。特に、同じツールが、元の層１４０１Ａを堆積させるために使用され、繰り返しの動きで、フィラー材料を追加せずに圧縮および／または摩擦ツールとしてのみ使用されるが、他の実施形態では、元のステップにおけるフィラー材料の堆積速度は、繰り返されるステップにおいて材料を追加する速度とは異なる。処理条件、例えば、ツールの回転、ツールの横方向の速度、ツールの温度などは、元の堆積ステップと繰り返される動きの間で異なる。これらの動作ステップは、必要に応じて複数回繰り返され、微細化された微細構造１４０１Ｂ、１４０２Ｂなどを備えた層から作られた構造または部品を構築する（図１４Ｂ）。
【0152】
他の実施形態では、ツールの形状および／またはツールショルダの特徴は、元の堆積ステップと繰り返されるステップとの間で変化する（図１４Ｃ）。例えば、特定の形状／ツールショルダ特徴１４０４Ａを備えたツールは、層１４０１Ａの元の固体堆積において使用される。次に、ツールは、形状のないツール／ツール特徴のないツール１４０４Ｂに切り替えられ、堆付加１４０１Ａの表面に沿って移動し、微細構造の微細化またはＵＦＧ微細構造１４０４Ｂを生じさせる。ツール１４０４Ａおよび１４０４Ｂを切り替えるこれらのステップは、微細化された微細構造１４０１Ｂ、１４０２Ｂなどを備えた複数の層から作られた部品または構造を構築する際に、必要に応じて複数回繰り返すことができる（図１４Ｄ）。
【0153】
特定の実施形態では、１つ以上のローラ１５１３がプラットフォーム１５０６の下で使用され、そこでは、固体付加製造がツール１５０４を介して行われる（図１５）。堆付加１５０１の微細構造は、下のローラ１５１３の動きによって影響を受ける。ローラ１５１３は、堆積中およびその後、ツール１５０４およびプラットフォーム１５０６によって堆付加に適用される応力を制御する。
【0154】
いくつかの態様において、固体製造ハイブリッド機械は、修理が困難な部品または溶接不可能な材料から作られた部品の修理に使用される。修理プロセスは、付加ステップのみ、または除去ステップのみ、またはその両方（付加ステップおよび除去ステップの組み合わせ）を伴い得る。例えば、一実施形態では、部品１６０１Ａの表面は、非常に腐食した１６０１Ｂである（図１６Ａ）。この部品は、当技術分野で知られている従来の方法による腐食した表面の修理プロセスをより困難にする表面開口部１６０１Ｃを備えた空洞を含む。事前の表面処理なしの腐食した部品１６０１Ａは、固体付加修理プロセスを受け、追加の層１６０２が、部品１６０１Ａの腐食した表面の上に追加される（図１６Ｂ）。次に、機械加工の次のステップで、余分な材料が取り除かれ、腐食した表面が層１６０２で覆われ、これは、部品１６０１Ａが作られた材料と同じまたは異なる材料とすることができる（図１６Ｃ）。固体付加製造修理プロセスの特定の例を図１６Ｄおよび図１６Ｅに示す。内部穴のあるブレードは、事前の表面処理を行わずに固体付加製造プロセスにより修理され（図１６Ｄ）、次に修理されたブレードが機械加工される（図１６Ｅ）。
【0155】
いくつかの態様において、ハイブリッド固体付加製造システムは、ボンド（接着剤）を構造物における弱点として導入する、事前造形された部品を構造物に結合することなど、当技術分野で知られている他のプロセスによって追加または製造することが困難な特徴の押し出しに使用される。特定の実施形態では、強化リブまたは硬化リブは、固体付加製造によって押し出され、固体付加プロセスにより押し出された硬化リブを備えたプレートの写真が図１７Ａに示されている。この目的のために、一実施形態では、固体付加印刷のための基板１７０６として使用されるプレートは、スロット（ダイ）１７０６Ａを有する（図１７Ｂ）。固体付加製造ツール１７０４は、基板１７０６の裏側に材料を堆積させ、材料１７０２Ａは、スロット（ダイ）を通ってプレートの裏側に押し出され、リブ１７０２Ｃ、増強および／またはロッキング構造１７０２Ｄを形成する（図１７Ｃおよび図１７Ｄ）。特定の実施形態では、材料１７０２Ａの流動特性および適用される処理条件に応じて、基板１７０６Ａのスロット全体に押し出された材料１７０２Ａは、基板１７０６Ａの裏側におけるコーティング１７０２Ｅとして機能する（図１７Ｅ）。表側は、余分な堆積した材料を除去するために研磨または機械加工することができる。
【0156】
いくつかの態様において、大きな物体は、固体付加製造プロセスによって構築され、そのような大きな物体を支持するためのモジュラプラットフォームが使用される。特定の例は、４つの構成部品１８０６Ａ、１８０６Ｂ、１８０６Ｃ、および１８０６Ｄを含むモジュラプラットフォームを伴う（図１８Ａ）。そのようなプラットフォームは、ハイブリッド固体付加および除去製造ステップによる大きなおよび／または重い部品１８０１の構築中の応力を効率的に支持する。別の実施形態では、モジュラプラットフォームは、ハイブリッド固体製造プロセスによって修理を受けるパイプ１８０２などの細長い物体を支持するために、プレート１８０６Ａおよび１８０６Ｂを含む細長い大きなアスペクト比のプラットフォームを含む（図１８Ｂ）。
【0157】
いくつかの態様において、最終的な物体の一部は、ハイブリッド固体製造プロセスの前に造形される。そのような部品は、最終的な所望の構造を実現するためのテンプレートまたは構築ブロックとして使用される。例えば、一実施形態では、セラミックまたは高性能プラスチック１９０１Ａから作られた六角形部品がプラットフォーム／基板１９０６上に配置され（図１９Ａ）、次いで、材料１９０１Ｂが、これらの部品１９０１Ａの周りに固体付加製造ツール１９０４を介して堆積される（図１９Ｂ）。いくつかの実施形態では、初期基板／プラットフォーム１９０６Ａ、部品１９０１Ａを含む堆付加１９０１Ｂ、次いで、堆付加１９０２Ｂに埋め込まれた部品１９０２Ａを備える別の基板１９０６Ｂなどを含む多層複合構造を達成するために、ステップを複数回繰り返すことができる（図１９Ｃ）。埋め込まれたセラミック六角形部品を備えるそのような構造は、弾道および他の軍事用途において使用することができる。固体付加製造によって堆積され、その後機械加工されたアルミニウム層に埋め込まれたセラミック六角形部品の写真を図１９Ｄに示す。
【0158】
いくつかの態様において、複合層またはプリプレグ層は、ハイブリッド付加および除去固体製造ステップの間に追加される。一実施形態では、例えば、ポリマーマトリックスに一軸または二軸に配置された炭素繊維を含む複合層２００３は、基板２００６の上に配置され、次いで、次の層２００１が、固体付加製造によって複合層２００３の上に堆積される（図２０）。別の実施形態では、層２００３は、プリプレグ層、例えば、一軸、二軸、または多軸に配置された炭素繊維または他の繊維のシートである。いくつかの実施形態では、複合層またはプリプレグ層２００３は、表面の活性化または機能化を誘発し、下の層（基板）および上の層へのより良好な結合を促進するために、化学的手段、レーザもしくはプラズマ、または任意の他の手段によって前もって処理される。複数の複合層および／またはプリプレグ層ならびにそれらの間の固体堆付加を含む多層構造を構築するために、これらのステップを繰り返すことができる。
【0159】
いくつかの態様において、フィラー材料の堆積、および部品または基板の表面への溝、穴、またはチャネルの導入はすべて、様々な形状、延長部および／または表面特徴を有するハイブリッド固体堆積／溝入れツールを用いて実行される。一実施形態では、ツールは、フィラー材料を供給するための通路（チャネル）２１０４Ｂ、フィラー材料を供給するための延長部－中空ピン２１０４Ｃ、および穿孔特徴２１０４Ｄを備えた本体２１０４Ａを有する（図２１Ａ）。チャネルを有しないが、異なる穿孔特徴２１０４Ｅまたは切断特徴２１０４Ｆのみを有するツールが、それぞれ、図２１Ｂおよび図２１Ｃに示されている。形状およびサイズが類似または異なる１つ以上の穿孔または切削ツール延長部２１０４Ｆおよび２１０４Ｇが、ツールショルダから延在していてもよい（図２１Ｄおよび図２１Ｅ）。ツールショルダと、その延長部との間の高強度の摩擦および他の力を部品または基板の表面に適用することにより、穿孔が行われる。穴またはチャネルの形成後、穿孔ツールを、それを通じてフィラー材料が追加される内部通路を備える固体付加製造ツールと切り替えることにより、次の製造ステップが実行される。
【0160】
他の実施形態では、付加および除去製造ステップの両方を実行することができるハイブリッド固体製造ツールが使用される。一例として、固体製造ツールにおけるツール延長部は、格納可能２１０４Ｈである（図２１Ｆおよび図２１Ｇ）。より具体的には、延長部がツールショルダから延長されると、フィラー材料通路は「ドア」２１０４Ｉによって閉鎖される（図２１Ｆ）。延長部がツールの本体内に格納されると、通路が開き、フィラーが作業面を通過できるようになる（図２１Ｇ）。
【0161】
いくつかの実施形態では、ツール表面は、ツール堆積中および穿孔中の耐摩耗性（摩耗抵抗）を増大させるためにセラミックコーティング２１０４Ｊでコーティングされるのに対し（図２１Ｈ）、他の実施形態では、ツールの一部２１０４Ｋは、ツール耐摩耗性、ひいては寿命を増大させるためにセラミック材料で造形される（図２１Ｉ）。高い耐摩耗性／摩耗抵抗を有することが当技術分野で知られている他の任意の材料が、ツールコーティング２１０４Ｊまたはツール部分２１０４Ｋを作るために使用され得る。さらに別の実施形態では、増大した耐摩耗性を有するツール部分は、より良好な混合、穿孔、または他の操作を可能にするために、突起または他の表面特徴を有することができる（図２１Ｊおよび図２１Ｋ）。
【0162】
実施形態によれば、固体付加製造プロセス（複数可）は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国出願公開第２０１０／０２８５２０７号、第２０１２／０２７９４４１号、第２０１５／０１６５５４６号、第２０１７／０２１６９６２号に記載された任意のツール（固体付加製造ツール）であり得るまたはそれらを含む機械またはシステム（例えば、本明細書において互換的に使用される、固体付加製造機械または固体付加製造システム）によって実行される。一実施形態によれば、固体付加製造機械または固体付加製造システムは、摩擦ベース製造ツールを含み、摩擦ベース造形ツールは、摩擦加熱および圧縮荷重を受けたときに変形に抵抗することができる材料から形成された非消耗本体と、本体を通って長さ方向に通路を画定し、かつ本体の回転中にスロートの材料に法線力を加えるように成形されたスロートと、を含む。
【0163】
別の実施形態によれば、固体付加製造機械は、本体およびスロートを有する非消耗部材を含み、スロートは、基板に対するコーティング材料の摩擦加熱を課すのに十分な速度で回転させられたときに本体からコーティング材料に回転を与えるために、スロート内に配設された消耗材料に法線力を加えるように成形されており、本体は、スロートから基板への消耗材料の分配および圧縮負荷のための下向き力アクチュエータと、基板に対して本体を回転および並進させるための１つ以上のアクチュエータまたはモータと、に動作可能に接続されており、本体は、基板に積載された消耗材料を本体と基板との間の容積に捕捉するための、および基板上のコーティングの表面を形成および剪断するための表面を含む。
【0164】
他の特定の実施形態は、以下を含む摩擦ベース造形ツールを含む。（ａ）基板上への堆積前にその中に配設された消耗コーティングまたはフィラー材料を収容するための中空内部を含むスピンドル部材であって、スピンドルの内部は、スピンドルの回転中に消耗材料を回転させるために、スピンドルの内部に配設された消耗材料に法線力を加えるように成形されている、スピンドル部材と、（ｂ）下向き力アクチュエータであって、スピンドルから基板への消耗材料の分配および圧縮負荷のためにスピンドルと、基板に対してスピンドルを回転および並進させるための１つ以上のモータまたはアクチュエータと動作可能に通信する、下向き力アクチュエータと、を含み、スピンドルは、平坦な表面形状、または積載された消耗材料の機械的攪拌を強化するための構造を備えた表面形状を有するショルダ表面を含み、そのショルダ表面は、積載された消耗材料をショルダと基板との間の容積に捕捉するように、および基板上のコーティングの表面を形成および剪断するように動作可能に構成されている。
【0165】
いくつかの実施形態では、スロートは、非円形の断面形状を有する。さらに、消耗固体、粉末、または粉末充填チューブタイプコーティング材料を含む消耗材料として、任意のフィラー材料を使用することができる。粉末タイプのコーティング材料の場合、粉末はツールの内部スロート内に緩くまたは密に詰めることができ、法線力が、密に詰められた粉末フィラー材料に、より効率的に加えられる。粉末フィラー材料の詰め込みは、コーティングプロセスの前または最中に行うことができる。
【0166】
さらに、消耗フィラー材料部材と組み合わされた、本明細書に記載の任意の構成、または本明細書に記載の本発明による方法を実施するために必要な任意の構成を含むツール構成が、提供される。したがって、本発明のツール実施形態は、非消耗部分（熱および圧力下での変形に抵抗する）を単独で、または消耗コーティング材料もしくは消耗フィラー材料（例えば、そのような消耗材料は、非消耗部分がさらされる熱および圧力の量の下で変形、溶融、または可塑化するものを含む）と一緒に含む。
【0167】
本発明の別の態様は、傷ついた表面を修理する、異なる厚さの基板を得るために表面を構築する、２つ以上の基板を一緒に接合する、または基板の表面における穴を充填するなど、基板上に表面層を形成する方法を提供することである。そのような方法は、本出願に記載のツールを用いて基板上にコーティングまたはフィラー材料を堆積させること、および任意選択的に、例えば、堆積されたコーティング材料を基板の材料と組み合わせてより均質なコーティング－基板界面を形成するための機械的手段を含む、堆積されたコーティング材料を摩擦攪拌することを含むことができる。堆積および攪拌は、同時に実行することも、それらの間で間隔を空けて、または間隔を空けずに順に実行することができる。堆積および攪拌は、単一のツール、または同じもしくは異なる別個のツールを使用して実行することもできる。
【0168】
特定の方法は、基板に対するコーティング材料の摩擦加熱および圧縮負荷を使用して基板上にコーティングを堆積させることを含み、それにより、ツールは、摩擦加熱および圧縮負荷中にコーティング材料を支持し、コーティングの表面を形成および剪断するように動作可能に構成されている。
【0169】
実施形態では、ツールおよび消耗材料は、好ましくは、基板に対して回転する。ツールは、消耗材料に取り付けることができ、任意選択的に、コーティング材料上でのツールの再配置を可能にする方法で取り付けることができる。そのような実施形態は、使用中にコーティング材料とツールとの回転速度の差がないように構成することができる。あるいは、消耗材料およびツールは、ツールのスロートを通じた消耗材料の連続的または半連続的な供給または堆積を可能にするために取り付けることができない。そのような設計では、使用中、堆積中に消耗材料とツールとの間で回転速度に差がある可能性がある。同様に、実施形態は、ツールとは独立してまたはツールに依存して回転される消耗材料を提供する。
【0170】
好ましくは、消耗材料は、ツールのスロートを通して、かつ任意選択的に、消耗材料を、スロートを通して引き出すかまたは押し出すことによって送達される。実施形態では、消耗材料は外面を有し、ツールは内面を有し、外面および内面は、キーおよびロックタイプの篏合を可能にするために相補的である。任意選択的に、ツールのスロートおよび消耗材料は、縦方向にスライド可能に係合することができる。さらに、ツールのスロートは内径を有することができ、消耗材料は、内径に対して同心の円筒形のロッドとすることができる。さらに、ツールは、内面を備えたスロートを有することができ、消耗材料は外面を有することができ、これらの面は、係合またはインターロックして、ツールから消耗材料に回転速度を提供することができる好ましい実施形態では、消耗フィラーまたはコーティング材料は、ツールのスロート内におよび／またはツールを通して連続的または半連続的に供給および／または送達される。基板の新しい表面を形成するための任意の堆積させられた消耗材料の剪断は、好ましくは、基板上に任意の酸化物バリアコーティングを分散させる方法で行われる。
【0171】
本発明のさらに別の態様は、基板上に表面層を形成する方法を提供することであり、これは、基板の穴を充填することを含む。この方法は、充填材料の粉末を穴（複数可）に配置し、摩擦加熱および圧縮荷重を穴内の充填材料粉末に適用して、充填材料を固めることを含む。
【0172】
さらに別の実施形態では、固体付加製造機械は、本明細書に記載されているツールを含むことに加えて、基板を含む。消耗フィラー材料または基板（複数可）として機能することができる材料は、金属および金属材料、ポリマーおよびポリマー材料、セラミックおよび他の強化材料、ならびにこれらの材料の組み合わせを含むことができる。実施形態では、フィラー材料は、基板材料（複数可）の材料と同種または異種の材料とすることができる。フィラー材料および基板（複数可）は、ポリマー材料または金属材料を含むことができ、限定されることなく、金属－金属の組み合わせ、金属マトリックス複合体、ポリマー、ポリマーマトリックス複合体、ポリマー－ポリマーの組み合わせ、金属－ポリマーの組み合わせ、金属－セラミックの組み合わせ、およびポリマー－セラミックの組み合わせを含む。
【0173】
１つの特定の実施形態では、フィラー材料は、本明細書に記載の任意の形態の金属または金属フィラー材料などの導電性材料を含む。導電性フィラー材料、または基板（複数可）は、例えば、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｎ、またはＦｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、金属酸化物、またはこれらの金属の１つ以上を含む合金を含む、任意の金属から独立して選択することができる。実施形態では、フィラー材料または基板（複数可）は、ポリマー材料またはプラスチック材料などの非導電性材料を含む。フィラー材料として有用なポリマー材料の非限定的な例は、ポリオレフィン、ポリエステル、ナイロン、ビニル、ポリビニル、アクリル、ポリアクリル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリウレタンなどを含む。追加の例を以下に示す。
【0174】
さらに別の実施形態では、フィラー材料は、少なくとも１つの金属材料および少なくとも１つのポリマー材料を含む複合材料である。他の実施形態では、界面において複合材を作製するために複数の材料の組み合わせを使用することができる。
【0175】
フィラー材料は、以下を含むがこれらに限定されないいくつかの形態とすることができる：１）単一組成の金属粉末またはロッド；２）マトリックス金属と強化粉末を混合して、供給材料として使用することができる；または３）マトリックスの固体ロッドに穴を開けて（例えば、チューブまたは他の中空円筒タイプの構造を作り出すために）、補強粉末、または金属マトリックス複合材と補強材の混合物を充填することができる。後者では、マトリックスと補強材の混合は、造形プロセス中にさらに行うことができる。実施形態では、フィラー材料は、中実の金属ロッドであり得る。一実施形態では、フィラー材料はアルミニウムである。
【0176】
実施形態によれば、フィラー材料および／または基板（複数可）は、プラスチック、ホモポリマー、コポリマー、またはポリマー材料から独立して選択され、ポリマー材料は、ポリエステル、ナイロン、ポリビニル、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリアクリル酸、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴもしくはＰＥＴＥ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、ナイロン（Ｎｙ６、Ｎｙ６６）、ポリラクチド、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリウレタン、エンジニアリングポリマー、例えば、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）、ポリフェニレン・スルファイド（ＰＰＳ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポニフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリフェニレン・スルファイド（ＰＰＳ）、ポリオキシメチレンプラスチック（ＰＯＭ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリアクリルアミド（ＰＡＲＡ）、および／またはポリオレフィン、例えば、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリプロピレン、複合材、混合物、強化材料、もしくは金属マトリックスおよびセラミック相を含む金属マトリックス複合材を含み、ここで、金属マトリックスは、金属、金属合金、または金属間化合物のうちの１つ以上を含み、セラミック相は、セラミックを含み、金属材料、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）、セラミック、セラミック材料、例えば、ＳｉＣ、ＴｉＢ２、および／またはＡｌ２Ｏ３などから独立して選択され、金属は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、金属酸化物、またはこれらの金属の１つ以上を含む合金を含み、ならびに任意のこれらの材料の組み合わせを含む。
【0177】
本発明は、様々な特徴を有する特定の実施形態を参照して説明されてきた。上記の開示に照らして、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明の実施において様々な修正および変形を行うことができることは当業者には明らかであろう。当業者は、開示された特徴が、所与の用途または設計の要件および仕様に基づいて、単独で使用され得る、任意の組み合わせで使用され得る、または省略され得ることを認識するであろう。ある実施形態が特定の特徴を「含む」ことに言及する場合、その実施形態は、代替的に、その特徴の任意の１つ以上「からなる」または「から本質的になる」ことができることを理解されたい。本発明の他の実施形態は、本発明の仕様および実施を考慮することにより当業者に明らかであろう。
【0178】
特に、本明細書において値の範囲が提供されている場合、その範囲の上限と下限との間の各値も具体的に開示されていることに留意されたい。これらのより小さい範囲の上限と下限は、独立してその範囲に含まれ得るかまたは除外され得る。単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別段の定めをしないかぎり、複数の指示対象を含む。明細書および実施例は、本質的に例示的なものと見なされ、本発明の本質から逸脱しない変形は、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。さらに、本開示において引用されるすべての参考文献は、各々個々に参照によりその全体が本明細書に組み込まれ、したがって、本発明の開示を可能にすることを補足する効率的な方法を提供するとともに、当業者のレベルを詳述する背景を提供することが意図されている。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図9E】
【図9F】
【図9G】
【図9H】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図12D】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図13D】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図14D】
【図15】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図16D】
【図16E】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図17D】
【図17E】
【図18A】
【図18B】
【図19A】
【図19B】
【図19C】
【図19D】
【図20】
【図21A】
【図21B】
【図21C】
【図21D】
【図21E】
【図21F】
【図21G】
【図21H】
【図21I】
【図21J】
【図21K】
【国際調査報告】