CN114423588A - 适用于挤出、增材制造、涂覆、修复、焊接、成形和材料生产的固态制造系统和工艺 - Google Patents
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Abstract
一种固态制造系统，该固态制造系统具有套筒，该套筒具有用于接收给料材料的中空部；摩擦模具，该摩擦模具可旋转地耦接在套筒的端部附近，摩擦模具和套筒沿旋转轴线相对于彼此为可旋转的并且配置为产生摩擦热，从而将套筒的中空部内的至少部分给料材料加热至延展性状态；推进系统，该推进系统可操作地耦接至套筒，该推进系统配置为沿旋转轴线在加工方向上推动给料材料；和挤出孔，该挤出孔配置为允许延展性给料材料响应于推进系统从挤出孔挤出。提供了一种类似配置的固态制造方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年7月17日提交的美国专利申请号16/931,744的优先权并且还要求2019年8月20日提交的美国临时申请号62/889,168的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开涉及固态制造，并且更具体地，涉及固态制造系统和工艺，该固态制造系统和工艺采用摩擦能量来局部软化材料以用于挤出、增材制造、涂覆、修复、焊接、成形和材料生产。
背景技术
本部分提供了与本公开有关的背景信息，这些背景信息不一定是现有技术。本部分提供了本公开的总体概述而不是本公开的全部范围或本公开的所有特征的全面公开。
增材制造(Additive manufacturing，AM)已经为制造业务带来了数字灵活性和材料使用效率，并且已经证明了在全球范围内彻底改变产品设计和生产的潜力。术语“增材制造”是指一次一层地构建三维基板的技术。每个连续层都与前一层材料结合。对于许多应用，增材制造提供了改善性能、优化几何形状和自由形式生产的完美三要素(trifecta)。
尽管增材制造在一些高价值应用中取得了成功，但融合类金属增材制造仍存在重大差距。例如，融合类增材制造仍然是一种低速、高成本的制造工艺。在融合类金属增材制造中尚未克服孔隙率和合金元素的损失。由于外延固化，融合类增材制造典型地会产生高度取向的柱状晶粒，这些柱状晶粒具有可能不适于某些结构性应用的各向异性机械性能。
与融合类增材制造相关的局限性可以通过固态增材制造(例如，MELD)在一定程度上解决，该MELD是一种固态增材制造工艺(参见美国专利公开号2008/0041921)。与融合类增材制造相比，MELD已显示出其优势。
然而，MELD的一个局限性是它需要使材料在沉积肩部(deposition shoulder)与沉积层之间达到延展性状态(malleable state)。这需要对沉积区域施加高锻造力。对于多层沉积而言，待沉积的后一层只能在一定时间后完成，从而使得前一层获得足够的强度来承受高锻造力。这显著降低了制造速度。此外，在没有足够的背部支承(back support)的情况下，MELD不能用于局部表面处理(surfacing)或修复薄壁结构。
本教导的固态增材制造工艺(Solid-State Additive Manufacturing Process,通常称为“柔触(SoftTouch)”)是新颖的并且通过在一些实施方案中采用的以下工艺步骤克服了上述局限性：(1)通过给料材料(feedstock material)与摩擦模具之间的摩擦使材料在沉积之前达到延展性状态；(2)将延展性的给料材料以糊状物的形式通过挤出孔挤出至基板上；以及，(3)继续沉积，直到完成所需的形状。由于给料材料在沉积之前已软化至延展性状态，因此在沉积过程中不需要对沉积基板或先前沉积的材料施加非常高的锻造力，从而实现高沉积速度，而无需在常规系统的层之间的等待时间。填充材料的局部软化是由局部加热和微观结构精细化引起的。由于沉积材料在沉积过程中处于延展性状态而不熔化，因此沉积层完全致密的，确保了良好的机械性能。
为了实现上述SoftTouch沉积的功能，根据本文的教导提供了SoftTouch固态增材制造系统和方法。SoftTouch固态增材制造系统和方法的最简单样式可以包括用于约束给料材料的套筒、位于套筒的一端部处的摩擦模具、可操作地耦接至套筒的推进系统、允许套筒内的给料材料挤出的挤出孔、以及用于使沉积材料成形的沉积表面。摩擦模具和套筒可以相对彼此旋转，但摩擦模具与套筒之间没有沿旋转轴线方向的相对运动。推进系统使给料材料能够相对于模具旋转，并且在一些实施方案中，沿旋转轴线方向相对于模具移动。在沉积过程中,摩擦模具与套筒内的给料材料之间的相对旋转会引起给料材料的摩擦加热，因此使给料材料在沉积之前达到延展性状态。在推进系统或其他合适系统的推动下通过挤出孔使延展性的给料材料挤出。将经挤出的材料沉积在基板的沉积表面上，直到实现所需的形状。
除了增材制造，在一些实施方案中，本教导的SoftTouch固态增材制造系统和方法可以用于涂覆、修复和/或焊接。
在一些实施方案中，SoftTouch固态增材制造系统和方法可以用于挤出、热机械加工、材料回收和材料制备、以及新材料生产。
在一些实施方案中，为SoftTouch开发的自激励式挤出系统(self-energizedextrusion systems)可以包括用于约束给料材料的套筒、位于套筒的一端部处的摩擦模具、可操作地耦接至套筒的推进系统、以及允许套筒内的给料材料挤出的挤出孔。摩擦模具和套筒可以相对于彼此旋转，但是摩擦模具与套筒之间没有沿旋转轴线方向的相对运动。推进系统使给料材料能够沿旋转轴线方向、相对于摩擦模具移动。在挤出过程中，摩擦模具与套筒内的给料材料之间的相对旋转会引起给料材料的摩擦加热，从而使给料材料在挤出之前达到延展性状态。延展性的给料材料在推进系统或其他合适系统的推动下从挤出孔挤出。
对于自激励式挤出系统和方法，摩擦模具和套筒相对于彼此旋转，但摩擦模具与套筒之间没有沿旋转轴线方向的相对运动。这不同于直接挤出系统和摩擦挤出系统。在直接挤出系统中，挤出模具完全不相对于套筒旋转。在摩擦挤出中，摩擦模具和套筒相对于彼此旋转，并且也沿工具旋转方向相对于彼此移动。
进一步的应用领域将从本文提供的描述中变得显而易见。这个发明内容中的描述和具体实施例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于所选实施方案的说明性目的，而不是所有可能的实现方式，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是根据本教导的原理的具有套筒、推进系统、摩擦模具和挤出孔的局部激励式挤出系统的截面图。模具和套筒相对于彼此旋转，但模具与套筒之间没有沿旋转轴线方向的相对运动。包括推送杆(push ram)的推进系统能够将套筒内的给料材料沿旋转轴线方向朝向模具移动。通过给料材料与摩擦模具之间的相对旋转来局部加热给料材料，然后通过摩擦模具中的一个挤出孔来将给料材料从套筒挤出。
图2是另一样式的局部激励式挤出系统的截面图，其中夹送辊(pinch roller)用作推进系统。
图3是另一样式的局部激励式挤出系统的截面图，其中当给料材料为颗粒形式时、旋转螺杆用作推进系统。
图4是另一种样式的局部激励式挤出系统的截面图，示出了可以如何将给料材料颗粒供给至套筒中。
图5是另一样式的局部激励式挤出系统的截面图，示出了在摩擦模具中的多个挤出孔。
图6是另一样式的局部激励式挤出系统的截面图，示出了挤出孔不在套筒壁中。
图7是另一样式的局部激励式挤出系统的截面图，示出了挤出孔不是直的。
图8是另一样式的局部激励式挤出系统的截面图，示出了对一个挤出孔施用的孔倒角。
图9是另一样式的局部激励式挤出系统的截面图，示出了套筒的一端部位于摩擦模具的表面上。
图10是另一样式的局部激励式挤出系统的截面图，示出了套筒的一端部位于摩擦模具中。
图11是另一样式的局部激励式挤出系统的截面图，示出了套筒模具的部件在套筒内。
图12示出了将二次材料加工系统添加至局部激励式挤出中、产生了一系列新的固态制造系统和方法的截面图。
图13示出了具有一个套筒、一个推进系统、一个摩擦模具、一个挤出孔和一个摩擦表面的SoftTouch沉积系统的截面图。从挤出孔中挤出的延展性的给料材料逐层沉积在基板表面上。
图14示出了将材料层沉积至基板上的缺陷(槽)中的SoftTouch沉积系统的截面图。
图15示出了将材料层沉积至组件A与组件B之间的间隙中的SoftTouch沉积系统的截面图。
图16显示了由SoftTouch沉积系统产生的不同类型接合部的截面图。
图17示出了通过套筒壁中的挤出孔将材料层沉积至基板表面上的SoftTouch沉积系统的截面图。
图18示出了具有位于摩擦模具与沉积材料之间的成形工具的SoftTouch沉积系统的截面图。
图19示出了使用成形工具来改善所产生的接合部表面质量的SoftTouch沉积系统的截面图。
图20示出了具有位于套筒与沉积材料之间的成形工具的SoftTouch沉积系统的截面图。
图21示出了具有在沉积系统之后将两个组件接合在一起的成形工具的SoftTouch沉积系统的俯视图。
图22示出了具有在沉积系统之后将多层材料沉积在基板上的成形工具的SoftTouch沉积系统的截面图。
图23为示出了杆如何能够将推力F1施加在填充材料上、而将拉力F2施加在相反方向上以减小施加在沉积层上的总施力的示例性实施方案。
图24为示出了辊如何能够将推力F1施加在线型填充材料上、而能够将拉力F2施加在相反方向上以减小施加在沉积层上的总施力的示例性实施方案。
图25为示出了能够如何施用料斗以连续地将给料材料送入套筒中、然后使用可选的成形工具将经挤出的材料沉积在基板上的示例性实施方案。
图26示出了将二次热机械加工系统添加至局部激励式挤出中而产生了一系列新的固态制造系统和方法的截面图。
图27示出了给料材料颗粒通过局部激励式挤出系统挤出、然后通过二次辊系统(rolling system)进一步加工的截面图。
图28示出了给料材料颗粒通过局部激励式挤出系统挤出、然后通过二次挤出系统进一步加工的截面图。
图29示出了使用本教导中的技术的挤出组件的可能截面。
图30示出了使用SoftTouch沉积生产的样品，其中铝合金层沉积在钢表面上。
贯穿说明书附图的若干视图，相应的附图标记指代相应的部件。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述实施例实施方案。
提供实施例实施方案使得本公开将为彻底的，并且范围将充分地传递给本领域技术人员。阐述了许多具体细节(诸如具体组件、设备和方法的实施例)，以提供对本公开的实施方案的透彻理解。对于本领域技术人员将是显而易见的是：不需要采用具体细节，实施例实施方案可以以许多不同的形式来体现，且具体细节不应被理解为限制本公开的范围。在一些实施例实施方案中，并未详细描述公知的过程、公知的设备结构和公知的技术。
本文中使用的术语仅为了描述特定实施例实施方案的目的，且不旨在是限制性的。如本文中所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”除非上下文另有明确指示，也可以旨在包括复数形式。术语“包含(comprises，comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”是包含性的，因此特指所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指定了执行顺序，否则本文描述的方法步骤、工艺和操作不应被解释为必须以所讨论或图示的特定顺序来执行。还应理解的是，可以采用附加或替代步骤。
当元件或层被称为“在另一元件或层上”、“接合至另一元件或层”、“连接至另一元件或层”或“耦接至另一元件或层”时，该元件或层可以直接在另一元件或层上、直接接合、连接或耦接至另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”，“直接接合至另一元件或层”、“直接连接至另一元件或层”或“直接耦接至另一元件或层”时，则可能没有中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应类似解释(例如，“在……之间”相对于“直接在……之间”，“邻近”相对于“直接邻近”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关的所列项目中的一个或多个的任意组合和所有组合。
尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在本文中被用于描述不同元件、组件、区域、层和/或区段，但是除非另有说明，否则这些元件、组件、区域、层和/或区段不应被这些术语限制。这些术语可以仅用将一个元件、组件、区域、层和/或区段与另一区域、层和/或区段区分开来。在本文中使用时，除非上下文明确指出，否则诸如“第一”、“第二”和其他数值项的术语并不暗指顺序或次序。因此，在不背离实施例实施方案的教导的情况下，下面讨论的第一元件、第一组件、第一区域、第一层或第一区段可以被称为第二元件、第二组件、第二区域、第二层或第二区段。
为了便于描述，空间的相关术语(例如“内部”、“外部”、“之下”、“下面”、“下方”、“之上”和“上面”等)可以在本文中用于描述附图中所示的一个元件或特征与另一个(另一些)元件或特征的关系。空间的相关术语可以旨在涵盖除了附图中描述的取向之外的设备在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的设备被翻转，则描述为在其他元件或特征“下方(below)”或“下面(beneath)”的元件将随后被定向为在其他元件或特征“上方(above)”。因此，实施例术语“下方(below)”可以涵盖上方和下方的取向。设备可以以其他方式定向(旋转90度或以其他取向定向)，并且在本文中使用的空间的相关描述词相应地进行解释。
根据本教导的原理，提供了一种具有有利构造和操作的固态制造工艺，该固态制造工艺可以用于但不限于挤出、增材制造、涂覆、接合、修复、成形、材料加工、材料回收和材料生产。
在一些实施方案中，如图1所示，实现“局部激励式挤出”的固态制造系统10和方法包括：至少一个套筒12，该套筒用于约束给料材料102；推进系统14(在一些实施方案中，该推进系统设置在套筒12的第一端部处)；摩擦模具16(在一些实施方案中，摩擦模具设置在套筒12的相对端部处)；以及，至少一个挤出孔、通道或孔口18，该挤出孔、通道或孔口允许挤出套筒12内的给料材料102。摩擦模具16和套筒12相对于彼此旋转，但是摩擦模具16与套筒12之间没有沿旋转轴线方向的相对运动。推进系统14将给料材料102沿旋转轴线方向朝向摩擦模具16移动。在加工过程中,摩擦模具16与套筒12内的给料材料102之间的相对摩擦局部加热给料材料102，并使给料材料102在挤出之前达到延展性状态。延展性的给料材料102在推进系统14的推动下通过至少一个挤出孔18从套筒12挤出。
在一些实施方案中，摩擦模具16由电机驱动来旋转，而套筒12不旋转。在一些实施方案中，套筒12由电机驱动来旋转，而摩擦模具16不旋转。在一些实施方案中，套筒12和摩擦模具16由不同的马达驱动并且以不同的速率旋转。在一些实施方案中，摩擦模具16和套筒12相对于彼此单独旋转。
在一些实施方案中，如图1所示，推进系统14可以设置在套筒12的第一端部处，并且推进系统14可以包括至少一个推送杆20，该推送杆20配置为沿箭头方向、朝向摩擦模具16推动给料材料102。在一些实施方案中，在推送杆20的端部处添加了防旋转键，从而避免给料材料102与推送杆20之间的相对旋转。
在一些实施方案中，推送杆20可以由任何常规的机械和液压装置获得。在一些实施方案中，推送杆20由液压伺服系统衍生而来。
在一些实施方案中，推进系统14可以包括辊系统22，该辊系统可以朝向摩擦模具16推动给料材料102。在一些实施方案中，如图2所示，推进系统14可以包括至少一对夹送辊24，该夹送辊可以朝向摩擦模具16推动给料材料102。
在一些实施方案中，如图3所示，推进系统14可以包括螺杆26，该螺杆配置为螺纹旋转并朝向摩擦模具16推动给料材料102。在一些实施方案中，螺杆和摩擦模具16以不同的速率和/或方向旋转。
通常，根据本教导的原理，可以通过温度升高来软化的任何材料(包括金属、热塑性塑料、复合材料和食品)都可以作为给料材料102使用。在一些实施方案中，给料材料102是颗粒的形式。在一些实施方案中，给料材料102是混合颗粒的形式。在一些实施方案中，给料材料102是混合颗粒和碳材料的形式。在一些实施方方案中，给料材料102是混合颗粒和石墨烯的形式。在一些实施方案中，给料材料102是混合颗粒和纤维的形式。在一些实施方案中，给料材料102是混合颗粒和纳米管的形式。在一些实施方案中，给料材料102是棒的形式。在一些实施方案中，给料材料102包括填充有其他材料的中空管。在一些实施方案中，在中空管中填充的材料为实心棒、颗粒、混合颗粒、颗粒和纳米管的混合物、颗粒和纤维的混合物、颗粒和石墨烯的混合物、或若干这些项目的混合物的形式。可以使用本教导的制造方法由这些给料材料制造新型材料和/或新型复合材料。
在一些实施方案中，给料材料102可以从套筒12的一端部供给至套筒12中(图1、图2和图3)。在一些实施方案中，诸如颗粒形式的给料材料102可以经由形成在套筒12的壁中的输入孔口来供给。在一些实施方案中，诸如颗粒形式的给料材料102可以通过连接至套筒12的壁的至少一个料斗28供给至套筒12中(图4)。
在一些实施方案中，给料材料102通过摩擦模具16中的至少一个挤出孔18从套筒12挤出。在一些实施方案中，给料材料102仅通过摩擦模具16中的一个挤出孔18从套筒12挤出(图1)。在一些实施方案中，给料材料102通过摩擦模具16中的多个挤出孔从套筒12挤出(图5)。在一些实施方案中，给料材料102通过摩擦模具16的中心处的挤出孔从套筒12挤出(图1)。在一些实施方案中，给料材料102通过不在摩擦模具16的中心处的挤出孔从套筒12挤出(图5)。
在一些实施方案中，给料材料102通过套筒12的壁中的至少一个挤出孔18从套筒12挤出。在一些实施方案中，给料材料102通过套筒12的壁中的一个挤出孔18从套筒12挤出(图6)。在一些实施方案中，给料材料102通过套筒12的壁中的多个挤出孔从套筒12挤出。
在一些实施方案中，至少一个挤出孔18为圆孔。在一些实施方案中，至少一个挤出孔18不是圆形的。在一些实施方案中，挤出孔18可以是复杂的形状。在一些实施方案中，挤出孔18为直孔(straight hole)。在一些实施方案中，至少一个挤出孔18是蜿蜒通道(图17)。
摩擦模具16可以由在室温和升高温度下都足够坚固的任何材料制成，这些材料包括但不限于工具钢、超级合金、碳化物合金、耐火合金、复合材料和陶瓷。
摩擦模具16的形状可以是圆板(在截面上)，但是在一些实施方案中，可以是对特定应用具有导电性的任何形状。在一些实施方案中，抵靠给料材料102的摩擦模具16表面是平坦的。在一些实施方案中，抵靠给料材料102的摩擦模具16表面是凹形的。在一些实施方案中，孔18可以包括施用于至少一个挤出孔的倒角30，从而确保给料材料102完全流动(图8)。
除了光滑的表面外，还可以在摩擦模具16的表面上添加不同的特征，以增强摩擦和由此产生的热量。在一些实施方案中，特征可以添加至抵靠给料材料102的摩擦模具16表面上。在一些实施方案中，抵靠给料材料102的摩擦模具16表面包括凹槽。在一些实施方案中，抵靠给料材料102的摩擦模具16表面包括突起。在一些实施方案中，抵靠给料材料102的摩擦模具16表面包括凹痕，从而增加表面粗糙度并因此增强摩擦和产生的热量。
套筒12与摩擦模具16之间的结合可以有多种方式。应该允许套筒12与摩擦模具16之间的不紧密接触以实现相对旋转。应该使套筒12与摩擦模具16之间的间隙最小化，以确保延展性的给料材料102不会无意中从间隙挤出。在某些情况下，挤出孔18可以位于摩擦模具16与套筒12之间，但是这种挤出孔18不能被认为是套筒12与摩擦模具16之间的间隙，而是挤出孔。在一些实施方案中，套筒12的一端部直接接触摩擦模具16。在一些实施方案中，在套筒12与摩擦模具16之间使用衬套。在一些实施方案中，套筒12的一端部位于摩擦模具16的表面上(图9)。在一些实施方案中，套筒12的一端部位于摩擦模具16中(图10)。在一些实施方案中，摩擦模具16的一个或多个部件在套筒12内(图11)，反之亦然。
套筒12可以由在室温和升高温度下都足够坚固的任何材料制成，这些材料包括但不限于碳钢、工具钢、超级合金、碳化物合金、耐火合金、复合材料和陶瓷。套筒12可以包括中空腔32。中空腔32可以具有圆形或非圆形截面。在一些实施方案中，中空腔32可以包括矩形截面。在一些实施方案中，可以在套筒12的壁上添加一个或多个平行特征，从而阻止给料材料102相对于套筒12的旋转。
“局部激励式挤出”系统和方法可以进一步发展成更复杂的固态制造系统和方法。由于从挤出孔18挤出的材料102处于热延展性状态，因此经挤出的材料102可以进行进一步的材料加工，以用于成形、增材制造、填充缺陷等目的。
上述“局部激励式挤出”的任何变化也适用于其后开发的固态制造工艺。
在一些实施方案中，一种固态制造方法和系统包括：至少一个套筒12；一个推进系统14，该推进系统位于套筒12的另一端部处；一个摩擦模具16，该摩擦模具位于套筒12的一端部处；一个挤出孔18，该挤出孔允许挤出套筒12内的给料材料102；以及，一个二次材料加工系统55，该二次材料加工系统可以进一步加工经挤出的材料102(图12)。摩擦模具16和套筒12相对于彼此单独地旋转，但是摩擦模具与套筒之间没有沿旋转轴线方向的相对运动。推进系统14沿旋转轴线方向、朝向摩擦模具16推动给料材料102。在加工过程中，摩擦模具16与套筒12内的给料材料102之间的相对摩擦局部地加热给料材料102，并使给料材料102在挤出之前达到延展性状态。延展性的给料材料102在推进系统14的作用下通过至少一个挤出孔18从套筒12挤出。从挤出孔18挤出的材料102可以通过二次材料加工系统55进行进一步的材料加工。在一些实施方案中，摩擦模具16和套筒12相对于彼此单独旋转。
在一些实施方案中，二次材料加工系统55可以是涂抹表面(plastering surface)19。固态加工系统和方法可以是SoftTouch沉积系统和方法。SoftTouch沉积系统和方法包括：至少一个套筒12；一个摩擦模具16，该摩擦模具位于套筒12的一端部处；一个推进系统14，该推进系统位于套筒12的另一端部处、一个挤出孔18，该挤出孔允许套筒12内的给料材料102从套筒12挤出；以及，一个沉积表面，该沉积表面可以将经挤出的材料102沉积在基板104上。摩擦模具16和套筒12相对于彼此旋转，但是摩擦模具与套筒之间没有沿旋转轴线方向的相对运动。给料系统将给料材料102沿旋转轴线方向、朝向摩擦模具16推动。在加工过程中,摩擦模具16与套筒12内的给料材料102之间的相对摩擦局部地加热给料材料102，并使给料材料102在挤出之前达到延展性状态。延展性的给料材料102在推进系统14的作用下通过至少一个挤出孔18从套筒12挤出。最后一步是通过至少一个涂抹表面19将经挤出的材料102沉积至基板104上。在一些实施方案中，涂抹表面19可以是摩擦模具16的一个表面。
SoftTouch沉积能够在沉积期间在保持高沉积质量的情况下，在沉积材料102上施加相对低的沉积力。对于某些应用而言，在沉积的过程中施加更高的沉积力是没有限制的。
在一些实施方案中，“将经挤出的材料102沉积在基板上”包括将经挤出的材料102沉积在基板104的至少一个表面上(图13)。
在一些实施方案中，“将经挤出的材料102沉积在基板上”包括将经挤出的材料102沉积在基板104的至少一个缺陷中(图14)。缺陷可以是凹痕、凹槽或裂缝中的任何一种。
在一些实施方案中，“将经挤出的材料102沉积在基板上”包括将经挤出的材料102沉积在至少两个组件之间的至少一个间隙中，从而将组件接合在一起(图15)。在一些实施方案中，使用底肩60以增加接合加工(joining processing)的稳健性。在一些实施方案中，底肩60通过“C”形框架刚性地连接至制造系统10。在一些实施方案中，需要接合的组件被放置在坚固的背板上。
在一些实施方案中，可以使用沉积材料102来填充组件A与组件B之间的间隙(图16a)。在一些实施方案中，组件A和组件B是相同的材料。在一些实施方案中，组件A和组件B是不同的材料。在一些实施方案中，间隙由沉积材料102完全填充(图16a)。在一些实施方案中，间隙由沉积材料102过度填充(over filled)(图16b)。在一些实施方案中，间隙由沉积材料102过度填充(图16b)。在一些实施方案中，制造“V”形间隙以便于填充(图16c)。在一些实施方案中，组件A和组件B的厚度是不同的(图16d)。在一些实施方案中，填充金属用作厚度不同的组件A与组件B之间的平滑过渡区(图16e)。在一些实施方案中，可以使用沉积材料102来填充多个组件之间的间隙(图16e)。
在一些实施方案中，涂抹表面19是摩擦模具16的一个表面(图13)。在一些实施方案中，涂抹表面19在套筒12的表面上(图17)。在一些实施方案中，涂抹表面19位于成形工具62的表面上。在一些实施方案中，成形工具62位于挤出模具与沉积材料102之间(图18和图19)。在一些实施方案中，成形工具62位于套筒12与沉积材料102之间(图20)。在一些实施方案中，成形工具62位于挤出孔18的后面(图21、图22)。
在一些实施方案中，多于一个涂抹表面可以用于更好地控制沉积材料。在一些实施方案中，一个涂抹表面19是摩擦模具16的一个表面，并且另一个涂抹表面19是成形工具62的表面(图22)。在一些实施方案中，一个涂抹表面19在套筒12的表面上，并且另一个涂抹表面19在成形工具62的表面上。
在一些实施方案中，涂抹表面19是平的。在一些实施方案中，涂抹表面19被加工成不同的形状以实现更复杂的沉积外观。在一些实施方案中，涂抹表面19是光滑的以获得光滑的沉积表面。在一些实施方案中，涂抹表面19是粗糙的以促进沉积材料的变形。在一些实施方案中，涂抹表面19包括突起52以改善沉积材料的变形(图22)。在一些实施方案中，涂抹表面19上的突起52比沉积层的厚度长，且改善了层之间的沉积材料的混合(图22)。
在一些实施方案中，涂抹表面19可以完成沉积而无需相对于待沉积的基板104横向移动(图17)。在一些实施方案中，涂抹表面19相对于待沉积的基板横向、且在基板104上沉积至少一层材料102(图14)。在一些实施方案中，涂抹表面19相对于待沉积的基板横向且竖直地移动、并且在基板104上沉积多层材料102直到已经实现了期望的形状。
在一些实施方案中，SoftTouch沉积系统安装在机械臂上以产生更复杂的形状。在一些实施方案中，SoftTouch沉积系统也可以安装在允许沉积表面在各个方向上移动的其他机器本体上。
在一些实施方案中，如图23所示，推力(F1)可以经由推送杆(推进系统14)施加至给料材料102。相对较低的拉力(F2)可以施加在旋转中空主轴40上，该旋转中空主轴与摩擦模具16具有刚性连接(例如连杆系统42)。施加至沉积区域的总锻造力等于F1与F2之间的差。
在一些实施方案中，如图24所示，施加至给料材料102的推力(F1')可以通过辊系统(推进系统14)来实现。相对较低的拉力(F2')可以施加在旋转中空主轴40上，该旋转中空主轴与摩擦模具16具有刚性连接(例如连杆系统42)。施加至沉积区域的总锻造力等于F1'与F2'之间的差。
在一些实施方案中，如图25所示，颗粒形式的给料材料102通过料斗28供给至套筒12中，然后通过旋转螺杆朝向旋转摩擦模具16推动。螺杆和摩擦模具16以不同的速率或方向旋转。这样的布置允许给料材料102的连续供给以及材料102从用于沉积的挤出模具连续挤出。可选的成形工具62可以用于定制沉积质量。
在一些实施方案中，如图26所示，固态制造系统的二次材料加工系统55包括二次热机械加工系统63。
在一些实施方案中，如图27所示，二次热机械加工系统63包括辊系统66。在辊系统66之前可以使用可选的温度控制系统64(诸如冷却系统)。
在一些实施方案中，如图28所示，二次热机械加工系统63包括挤出系统68。可以在挤出之前使用可选的温度控制系统64(诸如感应加热线圈)。
在一些实施方案中，二次热机械加工63系统包括成形系统。
在一些实施方案中，如图28所示，由固态制造系统挤出的材料102的截面可以是简单的方形框架或更复杂的形状。
为了改善工具寿命或进一步改善材料102挤出的质量、沉积和材料102加工，可以对套筒12和摩擦模具16施加温度控制系统。在一些实施方案中，一个或多个冷却通道被添加至摩擦模具16。在一些实施方案中，在套管12周围添加了加热系统。加热可以通过常规方式实现。
SoftTouch相对于现有方法的优势和改进是更高的沉积速度；降低制造成本；适用于金属、聚合物和复合材料；适用于自动化和机器人应用；适用于增材制造、涂覆、缺陷修复和接合；适用于制造多材料102结构；适用于非晶涂覆；加工过程中没有批量金属；产生的部件具有等轴细晶粒锻造显微结构(热机械加工和再结晶的结果)，而不是铸造结构(液体凝固的结果)；产生的部件具有完全致密的微观结构并且没有气孔缺陷，较高的机械性能和耐腐蚀性；可以是对环境敞开(open-to-atmosphere)的加工；操作不需要特殊的真空和腔室，使其成为更安全、更高效和完全可放大的技术；以及，最低的能源消耗且环境友好。
已经出于说明和描述的目的提供了实施方案的前述描述。并不旨在穷举或限制本公开。特定实施方案的各个元件或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适用的情况下是可互换的，并且可以在选定实施方案中使用，即使未具体示出或描述。同样也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为与本公开背离，并且所有这样的修改旨在包括在本公开的范围内。
Claims (20)
1.一种固态制造系统，所述固态制造系统包括：
套筒，所述套筒具有用于接收给料材料的中空部；
摩擦模具，所述摩擦模具可旋转地耦接在所述套筒的端部附近，所述摩擦模具和所述套筒沿旋转轴线相对于彼此为可旋转的并且配置为产生摩擦热以将所述套筒的所述中空部内的至少部分所述给料材料加热至延展性状态；
推进系统，所述推进系统可操作地耦接至所述套筒，所述推进系统配置为沿所述旋转轴线在加工方向上推动所述给料材料；和
挤出孔，所述挤出孔配置为允许延展性的所述给料材料响应于所述推进系统从所述挤出孔挤出。
2.根据权利要求1所述的固态制造系统，其中，所述推进系统包括推送杆。
3.根据权利要求1所述的固态制造系统，其中，所述推进系统包括夹送辊。
4.根据权利要求1所述的固态制造系统，其中，所述推进系统包括旋转螺杆。
5.根据权利要求1所述的固态制造系统，其中，所述挤出孔延伸穿过所述摩擦模具。
6.根据权利要求1所述的固态制造系统，其中，所述挤出孔延伸穿过所述套筒的壁。
7.根据权利要求1所述的固态制造系统，所述固态制造系统还包括料斗系统，所述料斗系统配置为将所述给料材料运送至所述套筒的所述中空部，所述给料材料为颗粒形式。
8.根据权利要求1所述的固态制造系统，其中，配置为允许延展性的所述给料材料响应于所述推进系统从所述挤出孔挤出的所述挤出孔，包括配置为将经挤出的材料沉积至基板上的挤出孔。
9.根据权利要求1所述的固态制造系统，其中，配置为允许延展性的所述给料材料响应于所述推进系统从所述挤出孔挤出的所述挤出孔，包括配置为将经挤出的材料沉积至组件的表面上的挤出孔。
10.根据权利要求1所述的固态制造系统，其中，配置为允许延展性的所述给料材料响应于所述推进系统从所述挤出孔挤出的所述挤出孔，包括配置为将经挤出的材料沉积至组件的缺陷上的挤出孔。
11.根据权利要求1所述的固态制造系统，其中，配置为允许延展性的所述给料材料响应于所述推进系统从所述挤出孔挤出的所述挤出孔，包括配置为将经挤出的材料沉积在至少两个组件之间的间隙中的挤出孔。
12.根据权利要求1所述的固态制造系统，所述固态制造系统还包括成形工具，所述成形工具配置为加工经挤出的材料。
13.根据权利要求12所述的固态制造系统，其中，所述成形工具包括辊系统。
14.根据权利要求12所述的固态制造系统，其中，所述成形工具包括锻造系统。
15.根据权利要求12所述的固态制造系统，其中，所述成形工具包括成形系统。
16.一种固态制造方法，所述固态制造方法包括：
在加工方向上沿套筒的轴线、并抵靠邻近所述套筒的一端部的摩擦模具向所述套筒内的给料材料施加推动力，；
由于所述摩擦模具与所述给料材料之间的相对旋转摩擦产生摩擦热，从而将所述套筒内的至少部分所述给料材料加热至延展性状态；
响应于所述推动力，将处于所述延展性状态的所述给料材料从挤出孔挤出。
17.根据权利要求16所述的固态制造方法，所述固态制造方法还包括使用二次热机械加工系统加工从所述挤出孔挤出的延展性的所述给料材料。
18.根据权利要求16所述的固态制造方法，所述固态制造方法还包括将从所述挤出孔挤出的延展性的所述给料材料沉积至基板上。
19.根据权利要求16所述的固态制造方法，其中，所述给料材料包括金属颗粒。
20.根据权利要求16所述的固态制造方法，其中，所述给料材料包括混合的金属颗粒和碳材料。
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