JP7089034B2 - ソリッドステート積層造形システムならびに材料組成および構造背景 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年１０月３１日に出願された米国仮出願第６２／５７９，４８３号および２０１８年８月１日に出願された米国仮出願第６２／７１３，２７５号の開示に依存し、それらの出願日の優先権および利益を主張するものであり、それらの開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、３Ｄ印刷、コーティング、クラッディング、表面機能化、接合、摩擦力および他の力を使用する表面または部品全体の配合および／または修理、ならびに工作物（基材、部品）に対する消耗性フィラー材料の塑性変形および圧縮装填による発熱に使用されるソリッドステート積層造形システムに関する。本発明の実施形態は、運転プラットフォーム、プロセス制御システム、モータ、および可変周波数ドライブ；スピンドルシステムおよび非消耗性ツールを通して消耗性フィラー材料を基材上に分配することができる供給ユニット；ツールホルダーを通して回転するためのツールを駆動できるスピンドルシステム；ツールを保持するツールホルダー；堆積プロセス中にツールを交換するためのツールチェンジャー；ピンおよびナブの有無にかかわらずスロートおよび肩部を有する非消耗性部材を備える摩擦ベースの製作ツール；堆積プロセス中に制御されたガス雰囲気を保つために、空気、不活性ガス、またはガス混合物および区画を供給するためのユニット；供給ユニット、スピンドル、および／または主に液体状態の添加剤を供給するためのツールへの注入ポート；ならびに１つまたは複数のセンサーおよび監視ユニットを含む。加えて、ソリッドステート積層造形システムの実施形態は、ＭＭＣおよび強化ポリマー複合材などの合金、ハイブリッド、および複合材の製作が可能であり、他の従来の方法による製造が容易ではない好ましい装填レベルおよび制御された微細およびナノ構造および多孔性を有する。さらに、プロセスパラメータを制御することにより、ソリッドステート積層プロセスにより製造された部品の材料微細構造を調整するための方法が開示されている。特に、スピンドル角速度、スピンドルおよびツールトルク、引き下げ押し込み力、フィラー供給速度、横速度などを含むそのようなプロセスパラメータは、製造された部品の結晶粒径、結晶粒形状、および結晶粒配向（存在する場合）と相関する。場合によっては、いくつかのパラメータの組み合わせが結晶粒径に相関し、例えば、いくつかのパラメータ（スピンドル角速度、横速度、引き下げ力）の組み合わせの結果としてのプロセスでの熱入力は、結晶粒径に関連する。さらに、加熱または冷却の外部入力は、ソリッドステート積層造形プロセス中の微細構造の進化に関連する。また、潤滑剤または他の添加剤もしくは強化材の添加は、最終的な結晶粒径および結晶粒形状に影響を及ぼすと主張されている。ソリッドステート積層造形プロセスの前後の結晶粒径および結晶粒形状の例は、いくつかの特定の材料、すなわち、Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５超合金、Ａｌ合金、ステンレス鋼などに提供される。

通常、レイヤーバイレイヤー堆積によって３Ｄ物体を作製するために材料を接合するプロセスとして定義される積層造形（ＡＭ）は、多機能および多材料部品を製造できるが、いくつかの制限がある。非常に多くの場合、特定のサイトおよび方向に沿った不均質な特性につながる、界面の材料微細構造と非界面の材料微細構造との間に実質的な違いが存在する。そのような場合、製作された部品は、バルク材料の特性と比較して劣った特性を示す。

同様に、直接レーザ堆積、電子ビーム堆積、および成形金属堆積などの従来の金属ベースの積層造形技術は、通常、金属を層ごとに連続して堆積することにより、金属部品を作る。融合ベースのＡＭプロセスは、多くの場合、脆性鋳造構造、高温亀裂、および多孔性などの溶融および凝固に関連する問題を生じ、機械的性能の低下につながる。フレームスプレー、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）、デトネーションガン（Ｄ－ガン）、ワイヤーアーク、およびプラズマ堆積などのコーティング技法は、かなりの多孔性、有意な酸化物含有量、およびコーティングと基材との間の別々のインターフェースを製造する。典型的には、これらのコーティングプロセスは、比較的高温で動作し、材料が基材上に堆積するときに材料を溶融／酸化する。そのような従来の技法は、結晶粒成長および比較的高い処理温度に起因する強度の損失のために、ナノ結晶材料などの多くのタイプの基材およびコーティング材料を処理するのに好適ではない。利用可能な代替堆積プロセスは、コールドスプレー型堆積と呼ばれる。それは、典型的には、粒子が超音速ノズルを通して加速される比較的低温の溶射プロセスを伴う。しかしながら、これらの技法は、比較的高価であり、かつ／または一般に、低温粉砕によって製造されたナノ結晶アルミニウム粉末などの高アスペクト比の粒子を処理することができない場合がある。その結果、コールドスプレー法を使用して調製された製品は、典型的には、酸化物不純物を含有する。

これらの欠点を考慮すると、積層造形およびコーティング堆積法の改善が強く望まれている。実際、種々の材料および種々の材料形態（例えば、粉末、顆粒、ペレット、無視されたスクラップ片）を効率的かつ単純な方式で同様または異種基材上に堆積させることができ、その結果、基材と堆積させた層との間の高品質の接着、ならびに堆積させた個々の層の中で、機械的および他の特性が改善された製品が生じる摩擦ベースの製作システムが特に必要とされている。本発明者らは、摩擦撹拌に基づく非溶融／ソリッドステート積層造形方法が、慣習的なＡＭおよびコーティングプロセスの欠点を克服するように見えることを見出した。

本発明の実施形態は、ソリッドステート積層造形のための新しいシステムおよび方法を提供する。ソリッドステート積層造形技術は、基材（工作物）上に材料を堆積させ、材料の元の結晶粒径を微細化し、処理ゾーンで材料を混合して均質化し、かつ溶融することなく堆積させた材料と工作物との間に化学的または物理的な結合を生成することができるソリッドステート熱機械堆積プロセスである。

簡単に言うと、ソリッドステート積層造形プロセスの背後にある基本は、以下である：熱が、ツールと工作物材料との間の摩擦によって生成される（場合によっては、ピンがツール肩部から延在する場合、摩擦は、工作物表面ゾーンを通過するピンによって引き起こされる）；発熱により、回転ツール（および／または使用されている場合は回転ピン）の近くでかなりの量の塑性変形が可能になる；実質的なひずみが、工作物材料に付与され、その微細構造の微細化が生じる；ツールに隣接する材料が軟化し、軟化した材料が、機械的に撹拌されると同時に、ツール肩部から供給される機械的圧力を使用して、ツールの通路を介して添加されたフィラー材料と混合および接合される。

ソリステート積層造形技術は、そのエネルギーコストが比較的低く、苛酷な化学物質を使用せず、排気ガスおよび煙を生成しないため、環境にやさしい技術と見なされる。ソリッドステート積層造形プロセスのいくつかの利点は、以下のとおりである：それは、ソリッドステートであり、多くの場合単一ステッププロセスであり、熱に敏感で空気に敏感な材料で運転する可能性を提供し、事前の表面処理は必要ではなく、良好な寸法安定性（ソリッドステートで実行されるため、部品のゆがみが最小）を提供し、処理された工作物の表面深さを良好に制御可能であり、摩擦によって熱が発生するため、エネルギーをほとんど消費せず、このため、外部エネルギーは不要であり、材料の塑性変形を引き起こし、基材（工作物）との優れた結合特性を促進し、再現性が良好であるばかりでなく、プロセス自動化の可能性を提供する。

ツール回転速度、ツール肩部圧力、ピン（使用する場合）の侵入深さ、下向き力、並進速度、ツールのリード角およびツール設計、ピンの幾何学的形状、フィラー材料の形状、フィラー材料温度、フィラー材料の装填率などのようなソリッドステート積層造形処理パラメータを制御することにより、堆積させた材料層の組成ならびに微細およびナノ構造を厳密に制御することができる。さらに、マルチパスのソリッドステート積層造形プロセスでのツール速度およびオーバーラップを制御することにより、表面の微細／ナノ構造をさらに制御することができ、より大きな工作物エリアを処理することができる。

近年、特に航空宇宙および自動車産業では、主にエネルギー消費の削減および天然資源の保護を目標とする、軽量の構造部品に向かう傾向がある。例えば、軽量の構築物および部品がそれらの燃料消費に直接影響を及ぼすため、最新世代の航空機および車は、５０％超の複合材料を使用している。しかしながら、この軽量の構築物の概念は、軽量材料の使用を伴うだけでなく、構成材料の特性および／または機能性の有用な組み合わせをもたらす異なる材料、例えば、プラスチックと金属との組み合わせも伴う。例えば、軽量構造部品のための２つの潜在的なアプローチは、ハイブリッド金属－ポリマー材料の使用および鋼とアルミニウム合金との組み合わせである。金属－ポリマーハイブリッド材料の場合、金属は、通常、機械的応力に耐えるために使用されるが、優れた成形性および設計の高い自由度を提供するポリマー成分は、機能統合を引き継ぐことができる。鋼－アルミニウム合金の場合、鋼部分は、製品の高応力エリアに適用できるが、ひずみの少ないエリアは、はるかに軽いアルミニウムから製造される。しかしながら、これらの軽量組成物の本当の課題は、それらの製造である。例えば、ポリマー－金属複合材は、インモールド法によって、および時には成形後アセンブリ法によって製造されてきた。これは、通常、金属成分を射出成形型に入れることによって行われ、それは、同時に成形される射出成形されたポリマーと接合される。これらのプロセスでの主な課題は、金属とポリマーとの間の接着、および使用される高価な金型に加えて、設計の自由の制限である。これに関連して、いくつかの接合技法が提案されており、金属工作物とポリマー工作物との間のハイブリッド接合に、または接着結合、機械的締結、および溶接などの成形後アセンブリ法として一般的に使用されるが、それらのすべてが大きな欠点を抱えている。ソリッドステート積層造形は、良好な界面結合を有するハイブリッド構造を製造する、または異種材料で作製された構造をそれらの間の良好な接着で接合するための迅速、効率的、かつ低コストの方法のようである。

さらに、特定の設計および機能要件を満たすために構造部品または選択された表面エリアの表面特性を迅速に改質する必要性が高まっているため、表面工学の開発が促進されてきた。表面工学は、既存の表面を改質し、かつ／または特定の機能コーティングを追加することによって、基材の表面層の化学的および構造的特性の調整を可能にする。レーザ合金化、クラッディング、溶射、コールドスプレー、様々な液相堆積法、陽極酸化、化学気相成長（ＣＶＤ）、物理気相成長（ＰＶＤ）、高エネルギーレーザ溶融処理、高エネルギー電子ビーム照射、プラズマ溶射、キャスティング、および焼結などのような幅広いプロセスが表面工学に使用されてきた。従来のコーティング法の一部、例えば、溶射は、多孔質コーティングおよびコーティングと基材との間の不十分な結合を製造する可能性がある。他の従来のコーティングプロセスは、比較的高温を利用して、材料をその堆積前に溶融し、酸化物含有量が高いコーティングをもたらすその酸化を引き起こす可能性がある。高温処理方法は、通常、強度の低下が生じ、種々の基材およびコーティング材料の処理に好適ではない。反対に、ソリッドステート積層コーティングプロセスは、特定の特性向上および／または機能性の追加のための処理された基材および構成要素の表面層における組成的および構造的制御を提供する。処理された表面は、硬度、引張強度、疲労、腐食、および耐摩耗性などの機械的特性を向上させることができる。

さらに、ソリッドステート積層造形技術は、表面複合材を作製し、バルク基材または構造部品の表面の微細構造の特徴を改質する可能性を有する。バルク材料が溶融せずに生成された塑性変形により、基本的な基材組成を改質することなく表面特性の変化が可能である。工作物表面上へのソリッドステート積層堆積プロセス中に同じまたは異なるクラスのフィラー材料を添加する可能性により、表面複合材のｉｎ－ｓｉｔｕ生成、表面改質、表面コーティング、および表面機能化が可能になる。表面複合材は、ベース材料の特性を維持しながら、向上した表面上の複合材の特徴を示す。

さらに、ソリッドステート積層造形技術は、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）などの独自の材料組成をｉｎ ｓｉｔｕ製作するための進化に成功している。非強化金属と比較して、ＭＭＣ、すなわち、通常セラミック相で強化された金属は、それらを有望な構造材料にする、高強度、高弾性率、ならびに摩耗、クリープ、および疲労に対して改善された耐性を示す。しかしながら、これらの複合材はまた、それらの用途のいくつかを限定する非変形性セラミック強化相の組み込みによる延性および靭性の損失を被る。これらの場合、部品の表面層のみがセラミック相によって強化されるが、構成要素の大部分は、靭性がより高い元の組成および構造を維持することが望ましい。ソリッドステート積層造形システムは、ｉｎ ｓｉｔｕ ＭＭＣおよび同様または異種材料組成の多くの他の組み合わせを作製する可能性を提供する。例えば、金属－ポリマー複合材は、金属およびポリマーの両方の特性を示し、非常に重要な構造材料であり、その性能は、構造によって影響され、構造は、製造方法によって影響を受ける。一般に、金属－ポリマー複合材を製造するための方法は、メカニカルミリング、真空アーク堆積、溶融混合、射出成形などのような温度の上昇と混合との組み合わせを利用する。ソリッドステート積層造形システムは、ソリッドステートおよび制御された環境で複合材を製造することができ、これは、高温および周囲条件に耐えることができない多くの材料にとって好都合である。さらに、ｉｎ ｓｉｔｕ作製された複合材は、同じソリッドステート積層造形システムによって、続いて堆積させることができ、これは、それを独自の組成を工作物の表面上に配合および堆積させ、または独自の組成を有する物体全体を製造（３Ｄ印刷）する多目的システムにする。

本ソリッドステート積層造形技術はまた、ｅｘ－ｓｉｔｕおよびｉｎ－ｓｉｔｕ複合材を生成する費用効果の高い方法である。一般に、ｉｎ－ｓｉｔｕ複合材は、欠陥のない強化材－マトリックスインターフェース、より熱力学的に安定した強化材、改善された互換性、および強化材と工作物とのマトリックスとの間のより高い接着強度などの多くの利点を提供する。ソリッドステート積層造形プロセスを用いて強化粒子を工作物に添加および分散させる可能性により、ベース（マトリックス）材料の機械的、トライボロジー的、磁気的、電気的、および他の特性が改善された複合材を生成可能にする。

さらに、ナノ粒子を含むナノ複合材は、粒子のナノメートルサイズが最大１，０００ｍ２／ｇを超える高い比表面積につながり、したがって非常に低いドーピングレベルで基本的な材料特性を大幅に改善させるため、関心が高まっている。ナノ複合材で一般的に使用されるナノ粒子には、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、モンモリロナイト、ナノクレイ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ナノシリカなどのようなナノ粉末が含まれる。その中でも、単層および多層カーボンナノチューブ（ＳＷ－ＣＮＴおよびＭＷ－ＣＮＴ）は、それらの超高延性、ヤング率、強度、独自の電気的および磁気的特性のため、非常に有望な強化材料である。しかしながら、ＣＮＴは、凝集しやすく、したがって、ポリマーまたは金属マトリックス中に分散することが難しい。したがって、ＣＮＴの分散は、ベースポリマーまたは金属複合材の性能を改善するために非常に重要である。ＣＮＴだけでなく、他のタイプの強化粒子の分離は、従来の方法によるｉｎ ｓｉｔｕ複合材の製作における主要な問題のようである。

ｉｎ－ｓｉｔｕナノ複合材のソリッドステート積層配合は、マトリックス材料への良好な界面結合を有する均一に分散された強化材によって引き起こされる優れた機械的および他の特性を生じることができる。ソリッドステート積層プロセスは、混合を促進するための激しい塑性変形、ｉｎ－ｓｉｔｕ反応を促進するための高温、および完全に高密度な固体を形成するための高温圧密の相乗効果を提供するため、ｉｎ－ｓｉｔｕ複合材を生成するための効果的なルートのようである。さらに、摩擦撹拌作用による微粒化と使用された強化粒子との相乗効果により、均一に微細化された結晶粒構造を有するｉｎ－ｓｉｔｕ複合材をもたらすことができる。

ソリッドステート積層表面機能化は、ソリッドステート処理技術であり、消耗性ロッド、ペレット（顆粒）、または粉末からの材料を基材上に添加して、基材に対して良好な結合を有するコーティングを製造する可能性があるため、熱に敏感な材料に特に有用である。表面ＭＭＣを作製するためのその用途の他に、本ソリッドステート積層造形システムは、ポリマー表面工学に使用できる。ポリマー材料の表面特性は、多くの用途で非常に重要であり、最外部の分子層の構造および組成に強く影響される。一般に、硬度、親水性または疎水性、および（微）結晶性に関する特別な表面特性は、コーティング、摩擦および摩耗、複合材などの幅広い用途でプラスチック部品を成功裏に適用するために必要である。種々の真空堆積法が、プラスチック基材および部品をコーティングするために使用されているが、それらは、真空チャンバー、部品サイズの限定、および時にプラズマ／イオンエッチングのような特殊な表面処理が必要である。溶液ベースの方法も使用されており、その結果ゾル－ゲルコーティングに関連するアニーリングステップも使用される。ソリッドステート積層プロセスは、いかなる表面処理またはその結果としての高ベーキング温度ステップをすることなく、本来は低表面エネルギーのプラスチックに結合するのが難しい異種表面材料を添加および結合することにより、ポリマー基材およびプラスチック部品の表面を改質するのに非常に有用な方法であり得る。

本ソリッドステート積層造形技術は、局所的な化学組成および／または相含有量を操作することを可能にするので、勾配材料組成および勾配構造変形物の製作も、開示されたシステムで可能である。制御可能な速度で工作物表面上に同様もしくは異なる材料またはドーパント（強化剤）もしくはブローガスを添加する能力は、他の既知の製造方法では単一のステップで実現できない独特のシステム特徴である。

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。書かれた説明とともに、図面は本発明の特定の原理を説明するのに役立つ。

実施形態によるソリッドステート積層造形システムを示す概略図である。 実施形態によるソリッドステート積層造形システムの部品および付属品の異なる動きおよび回転を示す図である。 実施形態による連続的な固体（例えば、ロッド様）フィラー材料のためのソリッドステート積層造形システムの断面図の図である。 実施形態による不連続的な固体（例えば、ロッド様）フィラー材料のためのソリッドステート積層造形システムの断面図の図である。 実施形態による粉末またはペレット様フィラー材料のためのソリッドステート積層造形システムの断面図の概略図である。 実施形態による互いに連通する内部通路を有するソリッドステート積層造形スピンドルおよびツールの断面図を示す図である。 実施形態による任意の注入ポートおよび側面カッターを有するツールの断面図を示す図である。 実施形態による任意の中空ピンおよびナブを有するツールの断面図を示す図である。 実施形態による任意の交換可能なナブを有するツールの断面図を示す図である。 実施形態による異なるツール形状の断面を示す図である。 実施形態による様々な通路断面を有するツール肩部の底面図を示す図である。 実施形態による様々な通路断面および任意のナブを有するツール肩部の底面図を示す図である。 実施形態による様々な通路断面、ナブ、および／または異なる肩部特徴を有するツール肩部の底面図を示す図である。 実施形態によるテーパ状のツール肩部幾何学的形状を有するツールの断面を示す図である。 実施形態によるテーパ状の表面を有する任意の中空ピンを有するツールの断面図である。 実施形態によるツール通路が断面形状および／またはサイズを変化させるツールの断面を示す図である。 実施形態によるツール通路が複数の通路に分割されて、粉末またはペレットフィラー材料を工作物表面上に送達するツールの断面図である。 実施形態によるピン通路が複数の通路に分割されて、粉末またはペレットフィラー材料を工作物表面上に送達するピンを有するツールの断面を示す図である。 実施形態による複数の通路を有するツールの断面を示す図である 実施形態による複数の通路および任意のナブを有するツール肩部を示す図である。 実施形態による工作物上への材料堆積のソリッドステート積層造形プロセスを提示する概略図である。３Ｄ印刷、コーティング、接合、修理、およびｉｎ ｓｉｔｕ表面の機能化などのプロセスは、ソリッドステート積層造形システムで可能である。 実施形態によるソリッドステート積層造形の３Ｄ印刷された構造の写真である。 実施形態によるソリッドステート積層造形システムでコーティングされた試料の写真である。図５Ａ～Ｄは、ソリッドステート積層造形プロセスを用いて銅（Ｃｕ）でコーティングされ、その後曲げられ、層間剥離の兆候を示さないタンタル（Ｔａ）およびニオブ（Ｎｂ）の例を示す。図５Ｅは、いかなる中間層も使用しないＣｕ基材（Ｃｕ１８５）上のＡｌ材料（Ａｌ６０６１）のソリッドステート積層造形コーティングを示す。 実施形態によれば、１つのステップでベースフィラー材料と強化材（および必要であれば添加剤）との混合、固化、および堆積による金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）、ポリマー複合材、相互浸透ネットワーク（ＩＰＮ）、強化材料などのような独自の組成のソリッドステート積層造形プロセスのｉｎ ｓｉｔｕ配合および製作の概略図である。 実施形態によるｉｎ－ｓｉｔｕ製作されたＡｌ－炭素繊維複合材の走査型電子顕微鏡画像である。 堆積したままのＡｌ－Ｍｏ複合材の走査型電子顕微鏡画像であり、これは、アルミニウムマトリックス中の強化Ｍｏ粒子（約３０％の体積分率）の比較的均一な分布を示す；挿入図：実施形態によるマトリックスと強化材との間の緩衝層の形成を示す透過型電子顕微鏡画像である。 実施形態による工作物表面が強化粒子で充填されたポケット（穴または溝）を有する表面複合材を製造するソリッドステート積層造形プロセスの概略図である。 実施形態による工作物表面が、ＣＮＴなどの異方性形状の強化粒子で充填されたポケット（穴または溝）を有する、実施形態による表面複合材を製造するソリッドステート積層プロセスの概略図である。工作物表面に沿ってツールを優先的に横に移動させることなく、異方性強化材のランダムな配向が実現される。 実施形態による工作物表面が、ＣＮＴなどの異方性形状の強化粒子で充填されたポケット（穴または溝）を有する、実施形態による表面複合材を製造するソリッドステート積層プロセスの図である。外部電場、例えば、電場および／またはツールの優先的な横移動の適用により、ＣＮＴまたは炭素繊維の優先的な配向が実現される。 ツールスロートを通してＣＮＴまたは炭素繊維などの実施形態による強化粒子を含むフィラー材料を堆積させるソリッドステート積層プロセスの概略図である。工作物表面に沿ってツールを優先的に横に移動させることなく、異方性強化材のランダムな配向が実現される（図６Ｇ）。外部電場、例えば、電場もしくは磁場、および／またはツールの優先的な横移動の適用により、ＣＮＴまたは炭素繊維の優先的な配向が実現される（図６Ｈ）。 実施形態によるソリッドステート積層造形システムを用いたフィラー材料の堆積中のブローガスの助けによる材料堆積のプロセスを示す概略図である。ブローガスは、最終的な組成、すなわち、堆積させた材料の化学量論に寄与してもよく（図７Ａ）、または堆積させた表面層に細孔を生成してもよい（図７Ｂ）。 実施形態によるソリッドステート積層造形システムによる勾配材料組成および／または勾配材料構造の生成を示す図である。勾配組成および／または構造は、堆積させた層の横方向（図８Ａ）またはｚ方向（深さ）（図８Ｂ）で可能である。 Ａｌ基材上への堆積中にＡｌ／Ｆｅ比を変化させることによって、アルミニウムおよび鉄を含む勾配材料組成の例を示す写真である。 実施形態による金属中の結晶粒形成のプロセスを示す概略図である。 実施形態によるソリッドステート積層プロセス中および後の金属中の潜在的な結晶粒形状およびそれらの配向を示す概略図であり、図９ＢおよびＣは、等軸の結晶粒を示し；図９Ｄは、放射状に配向された結晶粒を示し；図９Ｅは、通常、処理および／または冷却ステップ中に適用されたひずみに起因する細長い結晶粒を示す。 実施形態による走査型電子顕微鏡で観察されたソリッドステート積層造形プロセスの前（図１０Ａ）および後（図１０Ｂ）のＩｎｃｏｎｅｌ ６２５の微細構造を示す走査型電子顕微鏡画像である。 実施形態によるパルスプラズマアークによって堆積されたＩｎｃｏｎｅｌ ６２５の微細構造を示す走査型電子顕微鏡画像である。 実施形態による走査型電子顕微鏡で観察されたソリッドステート積層プロセスの前（図１１Ａ）および後（図１１Ｂ）のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖの微細構造を示す走査型電子顕微鏡画像である。 実施形態による同じ材料のＡＳＭデータと比較した、ソリッドステート積層造形によって堆積されたＴｉ－６Ａｌ－４Ｖの機械的強度および伸長率％を示すグラフである。 実施形態によるソリッドステート積層造形プロセスの前（図１２Ａ）および後（図１２Ｂ）のステンレス鋼３１６Ｌの微細構造を示す顕微鏡画像である。 実施形態によるソリッドステート積層造形プロセスの前（図１３Ａ）および後（図１３Ｂ）のアルミニウム合金Ａｌ２１３９微細構造の微細構造を示す顕微鏡画像である。 実施形態によるソリッドステート積層造形システムを用いて異種材料で作製された２つの構造間の接合プロセスを示す図である。２つの構造間の接合部は、シーラントとして機能するフィラー材料（図１４Ａ）で充填されるか、または接合部は、構造間に生成された結合をさらに強化するためのフィラー材料および強化粒子で充填される（図１４Ｂ）。 実施形態によるＡｌ基材上の多孔質Ａｌ発泡体のソリッドステート積層接合を示す写真である。 実施形態によるバッキングプレートを使用する本ソリッドステート積層造形システムを用いた亀裂を有する欠陥管状構造を修理するプロセスを示す概略図である。 実施形態によるヘリコプターのトランスミッションギアボックスのソリッドステート積層修理を示す一連の写真である：以前は、ＭｇＡｚ９１材料の非融合溶接特性のために修理不可能と見なされていた破砕したリブは、同じ鋳造ＭｇＡｚ９１材料を使用して修理される。 実施形態によるジェット戦闘機ミサイルレールランチャーのソリッドステート積層修理を示す一連の写真である：以前は、場所および材料Ａｌ７０７５のために修理不可能と見なされていた下部の摩耗したブラケットは、ブラケットの上部に同じ材料を印刷することによりソリッドステート積層造形修理した。 実施形態による元の固有の材料（ニッケルアルミニウムブロンズ、ＮＡＢ）を使用する穴が大きく腐食したプロペラのソリッドステート積層修理を示す一連の写真である。堆積させた完全に高密度なＮＡＢ層は、多孔性および空洞を排除し、腐食が表面に戻るのをさらに防止する。

次に、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が、本発明に対する限定を意図する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。

本発明は、開示されたシステムによって実行されるソリッドステート積層造形システムおよび関連するソリッドステート熱機械プロセスに関する。さらに、開示されたシステムによって生成された材料、組成、および構造が提示される。本発明は、そのようなプロセスを実行するためにソリッドステート積層造形システムを使用することによる部品製作、コーティング、接合、表面改質、機能化、修理、およびｉｎ ｓｉｔｕＭＭＣ、または他の複合材の形成のための工作物への種々の材料、添加剤、および強化粒子の堆積に関する。本発明の実施形態のソリッドステート積層製作システムは、機械、供給ユニット、スピンドルシステム、ツールホルダー、およびツールを含む。追加のシステム部品および付属品も開示される。

本発明の実施形態のソリッドステート積層造形ツールは、処理中に堆積させた材料および／または基材材料の摩擦加熱、圧縮装填、および／または機械的撹拌を付与して、コーティング材料を基材の材料に適用、接着、堆積、および／または混合して、基材上にコーティングを形成することを可能にすることができる構成を含む。以下で詳細に考察するように、実施形態は、同じまたは異なるコーティングの使用を可能にし、それらが時々使用される用途において改善された結果を提供する。

本出願で提供される例および説明では、様々な修正を行うことができ、本発明の範囲内で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、説明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および／または組み合わされてもよい。同様に、本出願に記載されている特定のツールの特徴および構成は、省略、交換、および／または当業者に記載または知られている他の特徴と組み合わされてもよい。さらになお、そのようなツールの特定の詳細がツール自体の代わりに方法ステップの実行に関連して説明されている場合でも、特定の結果を得るため、または本出願に記載の方法の特定のステップを実行するためのツーリングも本発明の範囲に含まれる。

非常に一般的に、実施形態は、基材上への材料（複数可）の摩擦ベースの堆積のためのソリッドステート積層造形システムおよびプロセスを対象とする。そのようなプロセスは、基材上に表面層を形成することにより、例えば、基材に対するコーティング材料の摩擦加熱および圧縮装填を使用して基材上にコーティングを堆積させることにより、工作物（基材、部品）に堆積材料を適用することを含み、ツールは、摩擦加熱および圧縮装填中にコーティング材料を支持し、堆積物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る。

そのようなプロセスを実行するためのソリッドステート積層造形ツールは、好ましくは、消耗性コーティング材料が、非消耗性部材の内部を通って供給または他の方法で配置可能なように設計または構成され、これは、ツールの反対側の端部に配置されたスロート、ネック、センター、内部、または貫通穴と呼ばれてもよい。ツールのこの領域は、非円形の貫通穴形状で構成できる。

ツーリング用の様々な内部幾何学的形状が可能である。非円形の幾何学的形状では、原料に対してツールスロートの表面でツールによって作用する垂直力により、消耗性フィラー材料は、ツールの非消耗性部分と同じ角速度で強制または回転させられる。そのような幾何学的形状には、例として、正方形の貫通穴および楕円形の貫通穴が含まれる。ツールのスロートの内面によってフィラー材料の表面上に作用するのが接線力のみであると予想される構成では、原料は、ツールと同じ角速度で回転しない。ツールの断面についての円形の幾何学的形状は、取り外された、または緩く取り付けられた原料と組み合わせて、堆積材料およびツールが、同じまたは異なる速度で回転することが予想される。

消耗性材料の形態は、少し例を挙げると、固体バー、粉末、粉末で充填された固体管、スクラップ片、ワイヤー、ペレット、またはそれらの任意の組み合わせなどの任意の形態または形状であり得る。例えば、コーティング材料は、一定の距離で基材の表面を横切る並進運動と組み合わせて下向きの摩擦力を使用して基材上に堆積させることができる。フィラー材料は、ツールの回転（およびその結果として供給材料）ならびに並進運動などのツールと基材との間の他の相対運動を使用して、非消耗性ツールのスロートを通して基材の表面に向かって押し付けて、その上に堆積させることによって消費される。下向き力は、例えば、ツールのスロートを通して材料を引張るまたは押し込むことによって、フィラーロッドに課すことができる。好ましい方法は、アクチュエータでロッドを基材の表面に向かって押し込むことである。示されるように、非円形の貫通穴および対応する形状のフィラー材料の使用は、ツールと同じ角速度でスピンするようにツール中の材料を強制する方法の一例であり得る。特定の用途では、フィラー材料の回転運動が望ましい場合があり、使用中に、フィラー材料とツールの非消耗部分の内部幾何学的形状との間の回転運動を受けないことが見出された。さらに、所望の期間、材料を基材に向けて半連続的または連続的に供給することを可能にするために、フィラー材料が、ツールを通して長さ方向に自由に移動するように動作可能に構成されることが望ましい。

本発明の別の態様は、欠陥表面もしくは欠陥物体を修理すること、表面を構築してより厚い基材を得ること、カスタマイズされたもしくは事前に作製された機能を部品に追加すること、２つ以上の部品を一緒に接合すること、または基材の表面における穴を充填することなどの基材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リングを用いて基材上に材料を堆積させること、および任意で、堆積させた材料を摩擦撹拌することを含み、例えば、堆積させた材料を基材の材料と組み合わせて、より均質な堆積－基材界面を形成するための機械的手段を含むことができる。堆積および撹拌は、同時に、またはその間のある期間の有無にかかわらず連続して実行することができる。堆積および撹拌は、同じまたは異なり得る単一または別個のツールで実行することができる。

ソリッドステート積層造形システムの実施形態は、様々なソリッドステート積層造形プロセスを実行することができ、これは、局所的エリアに、もしくは所定の経路に沿ってフィラー材料を配置する、または基材全体もしくは構造全体の上にコーティングとしてフィラー材料を配置する。開示されたソリッドステート積層造形システムの多様性により、摩擦力および他の力、摩擦加熱、ならびに基材上へのフィラー材料の圧縮装填を使用して、基材の構築、修理、独自の組成の配合、基材の表面のコーティングまたは改質が可能になる。

特定の方法は、摩擦撹拌、摩擦加熱、および基材に対する堆積材料の圧縮装填を使用して基材上に材料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装填中に堆積材料を支持し、堆積物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る。

いくつかの実施形態におけるツーリングは、剪断表面を含む。この表面は、堆積される堆積材料の表面を剪断して、基材の新しい表面を形成するために使用される。剪断面は、少し例を挙げると、カラー、スピンドル、アンビル、円筒形ツール、肩部、装置、回転ツール、剪断ツール、スピニングツール、撹拌ツール、ツール幾何学的形状、またはスレッドテーパ状のツールを含む種々の方法でツール中に組み込むことができる。剪断表面は、その機能、例えば、基材上に堆積させたコーティング材料におよびコーティング材料を通して基材に閉じ込め、圧縮、圧密、または他の方法で少なくとも下向き力を作用させることができるツールの表面（複数可）によってより完全に画定される。

ソリッドステート積層造形システム
本発明の実施形態は、図１Ａに提示されるようなソリッドステート積層造形システムを提供する。実施形態によれば、図１Ａのシステムは、提示された構成要素、すなわち、供給ユニット１０１、スピンドル１０２、ツール１０３、フィラー材料（原料）のための通路（スロート）１０４、工作物１０５、ガス供給１０６、外部エネルギー源（例えば、振動、電場、磁場、ＵＶ光、熱、超音波などのための源、またはそれらの組み合わせ）１０７、バッキングプレート（任意）１０８、プラットフォーム（工作物の支持テーブル）１０９、温度、圧力、トルク、並進および角速度、長さなどのための複数のセンサー１１０、制約１１１、環境チャンバー１１２、１つ以上の電源１１３、複数のモータ１１４、複数の制御ユニット１１５、複数の監視ユニット（例えば、カメラ）１１６、１つ以上の熱交換器１１７、複数の駆動ユニット１１８、ならびにフィラー材料（原料）１１９を含むが、これらに限定されない。

実施形態によれば、供給ユニット１０１は、非消耗性ツール１０３を通して基材上に消耗性フィラー材料を分配することができる。摩擦ベースの製作ツーリング１０３は、摩擦加熱および圧縮装填に供され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性本体、ならびに本体を縦方向に通過する通路を画定し、本体の回転中にスロート中の材料に力を作用させるための手段を備えるスロート１０４を含む。

本発明の特定の実施形態は、プラットフォーム１０９、制御プロセスソフトウェア１１５、モータ１１４、および可変周波数ドライブ１１８を備える機械を含み、プラットフォームは、供給ユニット１０１、ツール１０３、スピンドル１０２、プロセス制御ソフトウェア１１５、モータ１１４、および可変周波数ドライブ１１８のキャリアであり、プロセス制御ソフトウェア１１５は、ツール回転速度および基材移動速度を制御し、モータは、スピンドル１０２を通してツール１０３を作動し、可変周波数ドライブ１１８は、モータ１１４およびスピンドル１０２を通してツール回転速度を制御する。ソフトウェアは、本明細書に記載のシステムのうちの任意の１つ以上の部品を制御するため、かつ／または本明細書に記載の方法ステップのうちの任意の１つ以上を遂行するため、かつ／または本書に記載の機能および／もしくは機能を有する任意の１つ以上の製品を作るためのコンピュータ実行可能命令を含むことができる。

図１Ｂは、スピンドル１０２、ツール１０３、工作物１０５、および１つ、２つ、またはそれ以上の補助Ａ軸１１８とともに工作物１０９を支持するプラットフォーム（基部）などの特定のシステム構成要素の潜在的な動きおよび回転を示し、これらは、それぞれｘ、ｙ、およびｚ軸の周りの追加の動きａ、ｂ、およびｃを提供する。ソリッドステート積層造形システムは、単なる例としてこれらに限定されないが、ｘ、ｙ、ｚ、ｕ、ｖ、ａ、ｂ、およびｃ軸、ならびにそれらの一部またはすべての任意の組み合わせを使用する当技術分野で知られている縦型ミルの典型的なＣＮＣ軸を横切って並進する様々なソリッドステート積層造形プロセスを実行できる。より具体的には、工作物１０５のプラットフォーム（基部１０９）は、ｘ、ｙ、およびｚ方向に移動でき、スピンドル１０２およびツール１０３は、ｕおよびｖ軸で独立して移動でき、これらは、工作物プラットフォームの動きの軸と同じまたは異なる軸であり得る（例えば、図１Ｂを参照）。例えば、図１Ｂでは、ｕおよびｖ軸は、上から見たようなスピンドルおよび／またはツールの動きに対応し、ｘ、ｙ、およびｚ軸は、上から見たような工作物および／または工作物プラットフォームの動きに対応する。補助Ａ軸部品は、工作物に追加の動き、特に、それぞれｘ、ｙ、およびｚ軸の周りのａ、ｂ、およびｃ回転を追加する。複数のＡ軸部品１１８（例えば、Ａ１、Ａ２）は、工作物の独立した回転（ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｃ１、およびｃ２）を提供することができる。

本発明の特定の実施形態は、連続的な固体（ロッド）様フィラー材料のための供給ユニットを含む（図２Ａ）。図２Ａは、供給ユニット２０１、動作通路２０４を有するスピンドル２０２およびツール２０３、ならびに連続的な固体（例えば、ロッド様）フィラー材料のための工作物２０５の断面図の概略図である。モータ２１４、スピンドル用駆動プーリ２１８、ロッドフィラー材料２１９、フローティング（非駆動）であるセカンダリースピンドル２２３、下部スピンドル２２４、ツールホルダー２２５、および圧力プレート２２６などの他のシステム構成要素も提示される。

本発明の特定の実施形態は、不連続な固体（ロッド）様フィラー材料のための供給ユニットを含む。図２Ｂは、動作通路２０４を有するスピンドル２０２およびツール２０３、ならびに不連続な固体（例えば、ロッド様）フィラー材料のための工作物２０５の断面図を含む。モータ２１４、スピンドル用駆動プーリ２１８、ロッドフィラー材料２１９、アクチュエータ下向き力駆動装置２２０、プッシュロッド２２１、固体供給プッシュロッドおよびベアリング付きアクチュエータスタンド２２２、フローティング（非駆動）であるセカンダリースピンドル２２３、下部スピンドル２２４、ツールホルダー２２５、ならびに圧力プレート２２６などの他のシステム構成要素も提示される。

本発明の特定の実施形態は、粉末またはペレット型のフィラー材料のための供給ユニットを含む（図２Ｃ）。図２Ｃは、供給ユニット２０１、動作通路２０４を有するスピンドル２０２およびツール２０３、ならびに粉末またはペレット様のフィラー材料のための工作物２０５の断面図を含む。モータ２１４、スピンドル２１８用の駆動プーリ、フローティング（非駆動）であるセカンダリースピンドル２２３、下部スピンドル２２４、ツールホルダー２２５、圧力プレート２２６、横方向送達システム２２７、混合ダウンチューブ２２８、オーガ駆動機構２２９、オーガアセンブリ２３０、および任意の液体添加剤（例えば、潤滑剤、触媒など）のための注入ポート２３１などの他のシステム構成要素も提示される。

供給ユニットは、アクチュエータ２２０、プッシュロッド２２１、２つのガイドロッド、および交差部材を含み、アクチュエータは、下向き力を作り、プッシュロッドを通して原料を基材上に押し込み、ガイドロッドおよび交差部材は、プッシュロッドを安定させるものである。さらに、実施形態は、ベアリング、給油システムスピンドル、および中央の穴を備える、固体（ロッド）フィラー材料（図２Ａおよび２Ｂ）ならびに粉末またはペレット型のフィラー材料（図２Ｃ）のためのスピンドルハウジングを含み、ベアリングは、スピンドル２０２の回転を可能にし、スピンドル２０２は、ツールホルダー２２５を通して回転するためのツール２０３を駆動し、中央の穴は、原料がスピンドルを通り抜けることを可能にする。

さらに別の実施形態では、注入ポート２３１は、供給ユニットの周り（例えば、図２Ｃ中のホッパーの周り）に設置されて、添加剤（潤滑剤、安定剤、触媒、開始剤など）をフィラー材料に添加する。

別の実施形態では、供給システムは、特定の産業または用途から無視されたスクラップ片を受け入れることができ、片はサイズおよび形状が異なる。

特定の実施形態は、スロートを有するツールホルダー２２５を含む。ツールホルダーは、ツールを保持して回転させることができ、スロートは、原料がそれを通り抜けることを可能にする。

別の実施形態は、１つまたは複数のツールの変化を可能にするツールチェンジャー（図示せず）を含み；特定の例は、同じタイプの摩耗したツールを交換する目的で同じツールと変化させることを含み、または別の例は、堆積プロセス中に堆積させた層に異なる機能を付与する目的で異なるツールに変化させる。実施形態では、ツールチェンジャーは、任意であり、例えば、異なる倍率のレンズを選択し、運転位置に移動または回転させることができる顕微鏡のねじりヘッドと同様に構成することができ、例えば、ツールチェンジャーは、休止状態の位置に配置された（例えば、使用されるのを待機する）種々のツールを備えることができ、選択されたツールを能動的な位置（例えば、ツールを能動的に使用できる場所）に自動または手動で位置付けるための機構を備えることができる。他の例には、種々のツール幾何学的形状を有するツールを変化させること、ならびにトラックの厚さおよび幅、堆積させた材料の組成および構造などに影響を及ぼす、堆積プロセス中に実装されるツールスロートの設計が含まれる。

特定の実施形態は、本体およびスロートを有する非消耗性部材を備えるツール２０３も含み、スロートは、基材に対するコーティング材料に摩擦加熱を作用させるのに十分な速度で回転させたときに、本体からコーティング材料に回転を付与するための内部に配置された消耗性コーティング材料に摩擦力および他の力を加えるように形作られており；本体は、スロートから基材上への堆積材料の分散および圧縮装填のための手段、ならびに基材に対して本体を回転および並進させるための手段と動作可能に接続されており；本体は、基材上に装填された堆積物材料を本体と基材との間の容積に閉じ込めるため、および基材上の堆積物の表面を形成および剪断するための表面を備える。

いくつかの実施形態では、スピンドル３０２は、スピンドル通路３０４Ａを含み、ツール３０３は、互いに動作可能に連通するツール通路３０４Ｂを含む（図３Ａ）。フィラー材料３１９は、スピンドル通路３０４Ａを通して供給される。他の実施形態では、スピンドル３０２の主通路３０４Ａ中のフィラー材料に添加剤（潤滑剤、安定剤、触媒、開始剤など）を添加するために１つ以上の注入ポート（図示せず）が設置される。

いくつかの実施形態によれば、ツール材料は、以下のツール鋼、Ｗベースの材料、ＷＣベースの材料、ＷＲｅ－ＨｆＣ材料、Ｗ－Ｌａ材料、およびＰＣＢＮ材料であり得るが、これらに限定されない。

さらに別の実施形態では、非回転ツール本体３０３は、潤滑剤、架橋剤、開始剤、触媒、安定剤などのような主フィラー材料に添加剤を供給するためのポートをツールの主スロート３０４Ｂに接続する内部通路を有する１つ以上の注入ポート３３１を備える（図３Ｂ）。

いくつかの実施形態では、ツール３０３は、ツールの外周側に位置するツールカッター３３２などの特定の付属品を装備し、堆積プロセス中に点滅する「余分な」材料を切断するために使用されている（図３Ｂ）。

さらに、いくつかの実施形態では、スロート３０４Ｃを有するピン３３４は、ツール肩部から延在し、ピンスロート３０４Ｃは、ツールスロート３０４Ｂと動作可能に連通する（図３Ｃ）。すべての実施形態におけるピン３３４は、ソリッドステート積層造形システムの任意の構成要素である。ピン３３４は、工作物の表面領域およびフィラー材料のより良い撹拌を可能にする。特定の実施形態では、中空ピンは、異種材料または部品のより良い接合に寄与する可能性があり、ピンスロートから供給されたフィラー材料がシーラントとして機能する。

いくつかの実施形態では、工作物に面するツール肩部は、ツール材料と同じまたは異なる材料で作製された少なくとも１つのナブ３３３を備える（図３Ｃ）。

いくつかの実施形態では、ツール肩部上の幾何学的構造は、堆積させた材料の機械的撹拌を向上させるための様々な形状を有し、かつツール肩部の様々な位置に位置するナブであり得る。

いくつかの実施形態では、ツール肩部は、通路３０４Ｃがツール通路３０４Ｂ（図３Ｃ）と動作可能に連通するピン３３４に延在し得、これは、異種材料が強力な撹拌および／または接合を必要とするときに特に有用である。

さらに他の実施形態では、ナブ３３３Ａは、交換可能である（図３Ｄ）。交換可能なナブは、ツール全体ではなく、特定の摩耗を受けた後でナブのみを交換できるため、ツールの寿命を大幅に延長させる。さらに、ナブは、ツール材料よりも強くて高価な材料、例えば、ダイヤモンドまたはサファイアまたはＰＣＮＢまたはＷ－Ｒｈ－ＨｆまたはＴｉで作製することができるため、より安価なツールであるが、依然として、極端な摩耗の撹拌条件を抑えるのに十分な強度を提供する。

いくつかの実施形態では、ツール幾何学的形状は、平坦、凸状もしくは凹状形状、または任意の他の形状を有する肩部により変更される。様々な形状のツールの断面のいくつかの例が与えられているが、図３Ｅ～Ｋに提示されているものに限定されない。

実施形態では、ツール本体は、内部通路を備えることができる。通路は、異なるツール肩部３０３Ａの底面図を介して示されるように、正方形、円形、楕円形、長方形、星様、六角形、または任意の他の断面形状（図３Ｌ～３Ｒ）などの種々の断面形状３０４Ｂを有する場合がある。

さらに、特定の実施形態では、肩部の表面特徴の他に、様々な形状およびサイズを有するナブ３３３が、ツール肩部３０３Ａ上の異なる場所で変位される（図３Ｓ～３Ｖ）。これらの図は、様々な通路断面３０４Ｂを有するツール肩部３０３Ａも示す。

さらに他の実施形態（図３Ｗ～３Ｙ）では、ツール肩部３０３Ａは、特定の通路断面３０４Ｂ、任意のナブ３３３、および異なる肩部特徴３０３Ｂを有する場合がある。表面の特徴（らせん、プロペラタイプ型の特徴など）は、材料の変位およびその下での撹拌の効率を増加させることができる。

別の実施形態では、ピンが使用される場合、ツールは、テーパ状の肩部および／またはテーパ状の中空ピンを備える。図３Ｚ～ＡＢは、テーパ状のツール肩部幾何学的形状３０３Ｃを有するツール３０３の断面の概略図である。図３ＡＣ～ＡＤは、テーパ状の表面３３４Ｃを有する任意の中空ピンを有するツール３０３の断面の概略図である。テーパ状の肩部および／またはピン（使用する場合）により、工作物の表面エリアでフィラー材料とより良く撹拌可能になる。肩部上のテーパ状のゾーンおよびピン（使用する場合）は、同じまたは様々な形状およびサイズの特徴で満たされる場合がある。

実施形態では、ツール通路と連通するスピンドルの通路は、それが供給セクションからスピンドルおよびツールを通って前進するときに、その断面形状およびサイズを変化させてもよい。図３ＡＥ～ＡＦは、ツール通路３０４Ｂが断面形状および／またはサイズを変化させるツール３０３の断面の概略図である。スピンドルまたはツールの内部通路は、分岐または集中する可能性があり、同じ方向または反対方向に分岐または集中する可能性がある。

いくつかの実施形態では、スピンドルおよび／またはツールは、フィラー材料を供給するための複数の通路を有する場合がある。図３ＡＧは、ツール通路３０４Ｂが複数の通路に分割して、粉末またはペレットフィラー材料を工作物表面上に送達するツール３０３の断面の概略図である。

図３ＡＨは、ピン３０４を有するツール３０３の断面の概略図であり、ピン通路３０４Ｃは、複数の通路に分割して、粉末またはペレットフィラー材料を工作物表面上に送達する。

図３ＡＩ～ＡＪは、複数の通路３０４Ｂを有するツール３０３の断面の概略図である。

図３ＡＫ～ＡＭは、複数の通路３０４Ｂおよび任意のナブ３３３を有するツール肩部３０３Ａの底面図である。

ツールは、例えば、フィラー材料が工作物表面のより広いエリアを覆うために、ツール通路の端部に向かって２つ以上の開口部で分岐する通路を含むことができる（図３ＡＧ～３ＡＨ）。

ツール肩部は、複数の通路に加えて、静的または交換可能なナブを含むことができる。通路は、任意の断面形状を有することができ、それらのいくつかは、図３Ｌ～３Ｒに提示されるとおりである。複数の通路の場合、図３ＡＫ～３ＡＭに示される円形断面は、単なる例として提示される。

いくつかの実施形態では、環境「チャンバーまたは遮蔽」１１２は、システムの柔軟な部分である。それは、制御された雰囲気での堆積が必要なときに有用な、工作物、ツール、およびスピンドルの周りの空間エンクロージャを提供する。具体例では、閉鎖環境でのガスの供給により、空気（酸素）材料に敏感な材料の堆積が可能になり、これによって、堆積中の材料の酸化が回避される。他の例では、閉鎖空間は、フィラー材料とともに堆積させた材料の最終的な組成および／または構造に寄与する特定のガス環境を提供する。このようにして、金属窒化物は、窒素環境で金属および金属合金から堆積させることが可能であり、またはＡｌ発泡体およびポリマー発泡体などの多孔質構造は、フィラー材料の堆積中に空気またはガスを吹き付けることによって、可能である。

フィラー材料
特定の実施形態では、フィラー材料および基材はそれぞれ、金属材料、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）、ポリマー、セラミック、ポリオレフィン、ポリウレタン、テフロン型ポリマー、ポリエステル、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリアミド（ナイロン）、スチレン、エンジニアリングプラスチック（ＰＳＵ、ＰＥＩ、ＰＥＥＫ、ＰＥＡＫ）などのプラスチック組成物、または鋼、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、もしくはこれらの金属のうちの１つ以上を構成する合金から独立して選択された金属であり得る。

いくつかの実施形態では、フィラー材料１１９は、ロッド、粉末、ペレット、粉末充填管、ワイヤー、またはスクラップ片、またはそれらの任意の組み合わせである。

実施形態では、フィラー材料は、ベース材料の特性を向上させるためにポリマーまたは金属に添加されたマイクロおよびナノ粒子、繊維、多層または単層カーボンナノチューブ（ＭＷ－ＣＮＴおよび／もしくはＳＷ－ＣＮＴ）などの形態の強化材料であり得る。

さらに別の実施形態では、フィラー材料は、潤滑剤、安定剤、開始剤、触媒、架橋剤などのような特定の添加剤を有する、ベースマトリックス、金属もしくはポリマー、金属合金、ポリマーブレンド、または複合材を含む組成物である。

ツール本体の回転中にスロート中の材料に様々な力を与えるための手段は、非円形の断面形状を有するスロートであり得る。加えて、消耗性の固体、粉末、ペレット、または粉末充填管型の堆積材料を含む、任意のフィラー材料が堆積材料として使用され得る。粉末型の堆積材料の場合、粉末は、ツールの内部スロート内に緩くまたは密に詰められ、力は密に詰められた粉末フィラー材料により効率的に作用する。粉末フィラー材料を詰めることは、堆積プロセスの前または間に実現される。

いくつかの実施形態では、ツールおよび堆積材料は、好ましくは、基材に対して回転する。ツールは、堆積材料に、かつ任意で堆積させた材料上のツールの再配置を可能にするように取り付けることができる。そのような実施形態は、使用中に堆積材料とツールとの間の回転速度に差がないように構成することができる。あるいは、堆積材料およびツールは、ツールのスロートを通して堆積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られなくてもよい。そのような設計では、使用中、堆積中に堆積材料とツールとの間の回転速度に差がある可能性がある。同様に、実施形態は、堆積材料がツールとは独立してまたは依存して回転することを提供する。

好ましくは、堆積材料は、ツールのスロートを通して、および任意で堆積材料をスロートを通して引張るまたは押し込むことによって送達される。実施形態では、堆積材料は外面を有し、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嵌合を可能にするように相補的である。任意で、ツールのスロートおよび堆積材料は、長手方向のスライド係合が可能である。なおさらに、ツールのスロートは、内径を有することができ、堆積材料は、内径と同心の円筒形ロッドであり得る。さらにまだ、ツールは、内面を有するスロートを有することができ、堆積材料は、表面が、係合または相互係止して、ツールからコーティング材料に回転速度を提供することができる外面を有することができる。好ましい実施形態では、堆積材料は、ツールのスロートの中へおよび／またはそれ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。基材の新しい表面を形成するための任意の堆積させた材料の剪断は、好ましくは、基材上に任意の酸化物バリアコーティングを分散させるように実行される。

ソリッドステート積層３Ｄ印刷
いくつかの実施形態では、開示されたソリッドステート積層造形システムは、（３Ｄ印刷）３Ｄ部品を構築することができる。図４Ａは、堆積させた層４３５を生じる、工作物４０５上へのフィラー材料４１９の堆積のプロセスの概略図である。ソリッドステート積層造形システムでは、３Ｄ印刷、コーティング、接合、修理、およびｉｎ ｓｉｔｕ表面機能化などのソリッドステート積層製造プロセスが可能である。プロセス中の１つ以上の外部エネルギー源４０７、例えば、電場、磁場、振動、熱、ＵＶ光などの使用は、任意である。

ソリッドステート積層造形印刷された物体のいくつかの例は、図４Ｂ～４Ｇにある。

実施形態では、３Ｄ堆積を伴うソリッドステート積層造形システムによって形成された部品は、例えば、高い機械的特性を有する異方性粒子でドープされたフィラー材料を堆積することによって実現される異方性機械的特性を示す。そのようなフィラー材料の優先的な堆積および／または外部エネルギー源４０７の適用により、ドーパント粒子の優先的な配向が可能であり、異方性機械的特性を有する部品が得られる。

実施形態では、ソリッドステート積層造形堆積プロセスは、最終的なステップもしくは開始ステップとして、または中間ステップとして、他の製造プロセスと組み合わせて使用することができる。例えば、プラスチック部品は、異なるプロセス、例えば、射出成形によって製造され、次いで、部品を、例えば、導電性コーティングでコーティングするための、または単にプラスチック部品の表面改質を引き起こすためのソリッドステート積層造形堆積プロセスに供される。

実施形態では、ソリッドステート積層造形システムは、多数の材料の種々の３Ｄ構造（部品）の堆積に好適である。いくつかの実施形態では、そのような部品は、導電性材料または絶縁材料で作製することができる。使用される導電性材料は、本質的に導電性の材料であり得るか、または導電性粒子でドープされた絶縁材料もしくは半導体材料であり得る。さらに他の実施形態では、導電性部品は、異方性導電性を示すように作製することができ、すなわち、特定の方向で向上した導電性を示すが、他の２つの方向での導電性は、はるかに低い。これは、絶縁または半導電性フィラー材料における高アスペクト比および堆積プロセス中のそれらの優先的な配向を有する導電性ドーパントを使用することによって、可能である。

他の実施形態では、ソリッドステート積層造形システムは、カスタマイズされた特徴を追加するか、または既製の特徴もしくは強化構造または他の機能的特徴を工作物に取り付けることができる。具体例には、高圧容器などの管状工作物への事前成形リングを取り付けること、または部品へフランジを追加することが含まれる。

ソリッドステート積層コーティングおよび表面複合材
特定の実施形態では、ソリッドステート積層造形システムは、表面機能化、表面保護、表面コーティング、および／またはクラッディングに使用される。工作物上に特定のフィラー材料（複数可）を使用し、工作物（基材、部品）に良好な化学（冶金）結合を提供するコーティングのソリッドステート積層造形堆積は、工作物表面を機能化または保護する目的で行われる（図５Ａ～Ｅ）。単なる一例として、工作物表面上の堆積コーティングは、抗菌コーティング、耐腐食性コーティング、耐スクラッチコーティング、難燃性コーティング、耐久性コーティング、耐摩耗性コーティング、電気絶縁コーティング、導電性コーティング、磁気コーティング、高い弾道抵抗性を有するコーティング、顕著な飛散防止性を有するコーティングなどである。

具体例には、図５Ａ～Ｄに提示されているもののようなニオブ（Ｎｂ）およびタンタル（Ｔａ）基材上の銅（Ｃｕ）のコーティングが含まれる。コーティングされた基材は、Ｃｕ材料のソリッドステート積層造形堆積後に、異なる方向に曲げられ、層剥離またはＣｕとＮｂとの間、もしくはＣｕとＴａとの間の弱い結合の兆候を示さない。図５Ｅは、開示されたソリッドステート積層造形システムでＡｌが銅（Ｃｕ）基材上に堆積させた別の例であり、これらのすべての場合において、中間層、シーラント、または接着剤は、提示された異種材料を結合するために使用しなかった。

いくつかの実施形態では、ソリッドステート積層造形システムを使用して、ｉｎ ｓｉｔｕ表面複合材を形成し、その後、工作物の表面上にのみ複合材層を堆積させ、複合材層は、工作物（部品、基材に十分に結合される。さらに別の実施形態では、ソリッドステート積層造形システムによって形成されたｉｎ ｓｉｔｕ複合材を使用して、３Ｄ印刷された物体全体を構築する。図６Ａは、ソリッドステート積層造形システムによる１つのステップでベースフィラー材料６１９と強化材６３６（および必要であれば添加剤）との混合、固化、および堆積による、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）、ポリマー複合材、相互浸透ネットワーク（ＩＰＮ）、強化材料などのような独自の組成のｉｎ ｓｉｔｕ配合および製作のプロセスを概略的に示す。バッキングプレート（後で除去できる）上、または工作物の表面上に直接の独自のＭＭＣ、複合材、および強化材料の堆積物６３５が可能である。

ソリッドステート積層プロセスによって製作された強化された複合材の例が図６Ｂ～Ｃに示されている。特に、図６Ｂは、ｉｎ ｓｉｔｕ製作されたＡｌ－炭素繊維複合材の走査型電子顕微鏡画像である。細断炭素（Ｃ）繊維は、機械的特性が改善された複合材をもたらすソリッドステート積層造形システムの供給セクションでアルミニウム（Ａｌ）に添加される。図６Ｃは、堆積したままのＡｌ－Ｍｏ複合材の走査型電子顕微鏡画像であり、これは、アルミニウムマトリックス中の強化Ｍｏ粒子（約３０％の体積分率）の比較的均一な分布を示し、挿入図は、マトリックスと強化材との間の緩衝層の形成を示す透過型電子顕微鏡画像である。Ａｌベース材料は、モリブデン（Ｍｏ）粒子で強化されている。どちらの場合も、強化粒子の均一な分布が達成される。

いくつかの実施形態では、工作物の表面は、穴が開けられるか、または強化材で充填されたポケットもしくは溝を含有する。特定のナブの幾何学的形状を有するソリッドステート積層造形ツールを通過し、工作物の表面上にフィラー材料を添加することは、表面ゾーンで激しい撹拌が提供され、表面複合が作製される。異方性強化粒子（例えば、ＣＮＴ）の場合、外部の電場もしくは磁場の適用、および／またはツールを優先方向に移動することにより、それらの優先的な配向が可能である。他の実施形態では、フィラー材料とともの異方性強化粒子は、ツールのスロートを介して工作物表面上に添加される。

図６Ｄは、ツール通路６０４Ｂを介してベースフィラー材料６１９を添加することによる、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）、ポリマー複合材、強化された材料などのような表面複合材６３５Ａのｉｎ ｓｉｔｕ製作のプロセスを概略的に示し、強化材（および添加剤）６３６は、工作物の表面上のポケット、穴、または溝に入れられる。

図６Ｅは、ツール通路６０４Ｂを介してベースフィラー材料６１９を添加することによる異方性形状の強化材（例えば、針様、繊維様、ロッド様強化材）を有する表面複合材６３５Ａのｉｎ ｓｉｔｕ製作のプロセスを概略的に示し、異方性強化材６３６は、工作物の表面上のポケット、穴、または溝に入れられる。外部エネルギー源６０７（例えば、好ましい方向の電場または磁場）を適用することにより、表面複合材６３５Ａ中の異方性強化粒子（例えば、カーボンナノチューブ、細断炭素繊維、金属繊維など）が優先的に配向される（図６Ｆ）。

図６Ｇは、ベース材料６１９および強化材（および必要な場合は添加剤）の両方が通路６０４を介して添加される、堆積させた表面複合材６３５のｉｎ ｓｉｔｕ製作のプロセスを概略的に示す。異方性強化粒子（例えば、カーボンナノチューブ、細断炭素繊維、金属繊維など）の場合に外部エネルギー源６０７（例えば、好ましい方向の電場または磁場）を適用することにより、表面複合材６３５は、優先的に配向された強化粒子で構成される（図６Ｈ）。

いくつかの実施形態では、工作物表面の強化は、強化材を表面ゾーンのみに添加することによって実現される。

さらに他の実施形態では、物体全体が強化されたフィラー材料から印刷され、したがって、物体全体は、フィラー材料のみから構築された物体と比較して改善された特性（例えば、機械的）を有する。

他の実施形態では、ソリッドステート積層造形システムは、ｅｘ ｓｉｔｕ複合材を製造することができる。単なる一例として、混合および結合するのが困難な材料は、ソリッドステート積層造形システム内で十分に撹拌され、工作物上に堆積される。その後、必要に応じて、複合材を工作物から分離でき、さらに他の製造プロセスでカスタマイズされた材料として使用する。

別の実施形態では、金属材料をプレポリマーまたはモノマー材料と接触させ、撹拌する。堆積およびその後の摩擦撹拌中に、摩擦および加熱の両方によって、プレポリマーまたはモノマーが重合し、影響を受けるゾーンで３Ｄネットワーク（架橋）を形成し、それによって、金属に結合する。

さらに別の実施形態では、プレポリマーまたはモノマー材料は、追加の場、例えば、電場またはＵＶ光への曝露に供され、それによって、堆積（層）において化学結合組成物をもたらす架橋（または重合）が起こる。

制御された微細およびナノ構造のソリッドステート積層造形
特定の実施形態では、ソリッドステート積層造形システムは、表面層の激しい撹拌による材料の高密度化および／または材料の微粒化に使用される。そのような緻密化された層は、改善された強度、微小硬度、およびより良い摩耗特性を示す。

さらに別の実施形態では、不活性ガス供給および制御されたガス区画を装備したソリッドステート積層造形システムは、表面堆積させた層を製造するために使用され、層組成（すなわち、最終的な堆積させた材料の化学量論）は、ブローガスの影響を受ける。図７Ａは、ガス供給源７０６を介したブローガス（空気、不活性ガス）の助けによる材料堆積のプロセスを概略的に示す。ブローガスは、堆積させた材料層７３５の最終的な組成、すなわち化学量論に寄与する。

単なる一例として、ＴｉまたはＴｉ合金は、その硬度および抗菌機能で知られているＴｉＮ表面層組成物をもたらす窒素環境において、ツールのスロートを介して基材に添加されるフィラー材料として使用される。

さらに別の実施形態では、ガスは、工作物および堆積させた材料の表面の上に吹き付けられ、ガスは、「遮蔽効果」を提供し、堆積プロセス中に材料を例えば劣化または酸化から保護する。

別の実施形態では、ソリッドステート積層造形システムは、ガス（空気、Ｏ２、Ｎ２、Ａｒ）を使用して、ソリッドステート積層造形プロセス中に吹き込まれるガスの助けにより製造される多孔質材料および発泡体などの特定の材料構造を生成する。開放および閉鎖細孔が可能であり、それらは、ソリッドステート積層造形プロセスパラメータによって制御されている。

別の実施形態では、密度が低減された表面材料層が可能である。基材上へのフィラー材料の堆積中にガスを吹き付けることにより、ベース材料の特定の機械的強度が依然として必要であるが、最終的な軽量部品も必要である用途では、多孔質構造を実現できる。図７Ｂは、ブローガスの助けによる材料堆積のプロセスを示しており、ガスは、堆積させた材料層７３５中に細孔を生成する。

単なる一例として、ＰＶＣ発泡体またはＡｌ発泡体は、それぞれＰＶＣまたはＡｌの摩擦撹拌中にガスを吹き付けることによって形成することができる。

一実施形態では、ソリッドステート積層造形システムの移動ツールの横方向に沿った勾配材料組成が生じる。フィラー材料の含有量を変化させることにより、例えば、フィラー中の強化粒子の濃度を変化させることにより、横方向に沿って同じまたは異なるレベルの強化粒子を有する表面複合材が可能である。別の実施形態では、堆積させた層の深さに沿った勾配材料組成が可能である。供給システムがフィラー材料、強化粒子、および添加剤に入るいくつかのポートを含有するという事実と相まって、レイヤーバイレイヤー堆積を行うソリッドステート積層造形システムの能力により、堆積させた各層の組成における変形物を可能にする。

さらに別の実施形態では、ソリッドステート積層造形システムの移動ツールの横方向に沿った勾配微細／ナノ構造が生じる。堆積中にプロセスパラメータを変化させることにより、ツールが横方向に移動するときに、堆積させた層の構造を変化させることができる。

いくつかの実施形態では、堆積させた層の深さに沿った勾配微細／ナノ構造が生じる。各層の堆積中にプロセスパラメータが変動する可能性があるという事実と相まって、レイヤーバイレイヤー堆積を行うソリッドステート積層造形システムの能力により、同じもしくは異なるかつ／または勾配微細構造を有する層が可能である。

さらに別の実施形態では、ガス吹き付けユニットを装備したソリッドステート積層造形システムを用いて勾配多孔質構造が可能である。各層の堆積中にガス吹き付け速度および他のプロセスパラメータを変動させることにより、堆積させた層のスタックに沿って勾配多孔質構造が可能である。

さらに別の実施形態では、勾配機能性は、勾配材料組成および／または勾配構造を堆積させることによって、堆積させた材料に沿って実現される。

図８Ａ～Ｂは、堆積させた層８３５における勾配材料組成および／または勾配材料構造の生成のプロセスを概略的に示す。勾配組成および／または構造は、堆積させた層の横のｘ方向（図８Ａ）またはｚ方向（すなわち深さ）（図８Ｂ）に生成することができる。

一例として、開示されたソリッドステート積層造形システムによってＡｌ基材上に堆積させた勾配アルミニウム（Ａｌ）／鉄（Ｆｅ）材料組成が示される。図８Ｃは、Ａｌ基材（工作物）上への堆積中に原料中のＡｌ／Ｆｅ比を変化させることにより、アルミニウム（Ａｌ）および鉄（Ｆｅ）を含む勾配材料組成の製作された試験片を提示する。

いくつかの実施形態では、ソリッドステート積層造形プロセス後の材料微細構造（例えば、材料結晶粒）は、優先的な配向を有さず、材料は、等方性特性を示す。使用される供給材料に応じて、金属、金属合金、または金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）中の結晶粒は、堆積させた層または部品においてさらにより良い機械的特性をもたらす供給材料中の結晶粒と比較して微細化さる。いくつかの実施形態では、再結晶化は、ソリッドステート積層造形プロセス中およびその後に生じる。他の実施形態では、ソリッドステート積層造形プロセス条件に応じて、結晶粒成長が生じる。

特定の実施形態では、単一のソリッドステート積層造形プロセスのパラメータを使用して、製造された材料中の最終的な微細構造に影響を及ぼす。他の実施形態では、一連のソリッドステート積層造形プロセスパラメータを使用して、最終的な微細構造に影響を及ぼす。

観察の規模に応じて、いくつかの実施形態では、特定のソリッドステート積層造形プロセス中の微細構造における変化は、メソまたはマイクロ規模で生じるが、マクロ規模では生じない。他の実施形態では、材料微細構造における変化は、３つすべてのスケール（マクロスケール、メソスケール、およびマイクロスケール）で生じる。

いくつかの実施形態では、熱は、微細構造を制御するために使用される。ソリッドステート積層造形プロセスに供給される、またはソリッドステート積層造形プロセス中に生成されるより多くの熱により、製造される材料のより高い温度およびより大きな結晶粒が生じる。製造された材料は、依然としてその融点（Ｔｍ）未満の範囲、すなわち、いわゆる可鍛性状態にあり、通常、この範囲は、０．４Ｔｍ～０．８Ｔｍである。ソリッドステート積層造形プロセス中の材料温度を厳密に制御することにより、最終的な製造部品中の結晶粒径および形状を調整できる。その結果、部品の機械的特性は、予測可能である。

知られているように、温度が下がると、材料のタイプおよび結晶化するその傾向に応じて、原子は、核または「不純物」の周りに組織化され、結晶が形成され始める。結晶（または、いわゆる結晶粒）は、材料のすべてが周囲温度に達するまで成長し続ける。それらの成長中、それらは互いに衝突し始め、原子が不規則に配列されている結晶間の境界を生じさせる。結晶粒界とも呼ばれるこれらの境界は、材料の結晶構造における欠陥と見なされることがある。結晶粒形成のプロセスは、図９Ａに概略的に示される。降伏応力を生じさせ、他の多くの機械的特性が元のフィラー材料と比較して改善されるため、通常、金属では微細な結晶粒径が望まれる（ただし、常にではない）。より微細な結晶粒径を促進する１つの方法は、急速凝固（急冷）であり、これは、以下で考察する。また、多くの核生成サイトが存在すると、微細な結晶粒径が生じる。

図９Ｂ～Ｅは、材料、加熱、および冷却条件、ならびに材料処理中に適用されたひずみの大きさおよび方向に応じて形成され得る可能性のある結晶粒の概略図である。

いくつかの実施形態では、ソリッドステート積層造形プロセスは、より大きな結晶粒（例えば、図９Ｂに提示された等軸化結晶粒、または非等軸化結晶粒）を有する初期材料から等軸微細化された結晶粒（図９Ｃ）を生成している。他の実施形態では、材料に応じて、最も頻繁には、材料の冷却に十分な冷却時間が可能な場合、放射状結晶粒（図９Ｄ）が観察される。さらに別の実施形態では、材料の処理および／または冷却ステップ中に方向性ひずみ／応力が適用されると、細長く配向した結晶粒が可能になる（図９Ｅ）。

いくつかの実施形態では、結晶粒は、ソリッドステート積層プロセス中に回避される。これは、一部のポリマーにとって特に重要であり、アモルファス相は、ポリマーの結晶相よりも望ましい。例は、ソリッドステート積層堆積ステップ後にポリマー材料が迅速に冷却または急冷されるときである。

一実施形態では、温度は、スピンドルおよびツールの角速度によって制御される。角速度が大きいほど、より多くの熱が発生し、材料の温度が高くなるため、最終的な製造された部品には、より大きな結晶粒が見られる。

いくつかの実施形態では、層（トラック）の厚さは、結晶粒径を制御するために使用される。基材表面の上のソリッドステート積層造形ツールの１回の通過中に堆積させたティッカー層は、通常、より大きな結晶粒径をもたらす。

別の実施形態では、引き下げ（押し込み）力は、得られた部品の微細構造を制御するために使用される。引き下げ力が高いほど、堆積させた層中の結晶粒径は小さくなる。

他の実施形態では、基材の表面の上のツールの横速度を使用して、結晶粒径を制御する。ツールの横速度を上げることにより、堆積させた層に小さな結晶粒径が製造される。

別の実施形態では、引き下げ力、スピンドル角速度、およびツールの横速度に密接に関連して、添加した材料（フィラー）と基材との間に生成される摩擦である。フィラーと基材との間の摩擦が高いほど、得られた部品における結晶粒径は小さくなることが分かる。

他の実施形態では、材料の温度を制御するために使用される熱は、生成された摩擦の結果として、ソリッドステート積層造形プロセス中に生成される。他の実施形態では、熱は、補助手段によって、すなわち、外部加熱源によってプロセス中に導入される。

いくつかの実施形態では、材料を加熱する速度および得られた部品を冷却する速度を使用して、結晶粒径を制御する。単なる一例として、材料のより高い加熱速度は、より大きな結晶粒径をもたらす。別の例では、得られた部品の冷却速度が高いほど、より小さな結晶粒径をもたらす。さらに別の例では、得られた部品の急冷は、最小の結晶粒径をもたらす。

特定の実施形態では、結晶粒径は、潤滑剤および／または他のタイプの添加剤の添加によって制御される。ソリッドステート積層造形プロセスパラメータと相まったフィラー材料および添加剤のタイプに応じて、種々の調整された結晶粒が可能である。

いくつかの実施形態では、小さな割合の強化材料、例えば、炭素繊維（連続または細断繊維）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、窒化ホウ素（ＢＮ）などの導入により、強化材なしの複合材と比較して、結晶粒の形状およびサイズを変える。変えた微細構造に加えて、ほとんどの場合の最終的な材料は、大幅に改善された機械的特性を示し、場合によっては、電気的、磁気的、および他の特性を変えた。

特定の実施形態では、添加されたフィラーまたは添加剤もしくは強化材は、材料に結晶化を引き起こす開始スポット（不純物／核）として機能する。別の実施形態では、添加剤または強化材を使用して、例えば、いくつかのポリマーにおける材料の結晶化プロセスを抑制し、最終的な材料は、低い割合の結晶化度を有するアモルファスまたは半結晶性である。

いくつかの実施形態では、ソリッドステート積層造形プロセスは、堆積させた材料の等軸結晶粒ならびに等方性機械的および他の特性を有する材料をもたらす。他の実施形態では、ソリッドステート積層造形プロセスは、方向性結晶粒をもたらし、その結果、異方性機械的および他の特性を有する材料をもたらす。一例は、得られた結晶粒が一方向性であるときである。

いくつかの実施形態では、ソリッドステート積層造形プロセスは、均質な微細構造を有する材料をもたらす。一例は、堆積させた材料が主に狭い範囲内、例えば１～１０μｍの範囲、より好ましくは１～５μｍの範囲のサイズの結晶粒からなるときである。別の例は、ソリッドステート積層造形プロセスが特定の形状の結晶粒を有する材料をもたらすときである。

別の実施形態では、ソリッドステート積層造形プロセスは、不均質な微細構造を有する材料をもたらす。ある範囲の結晶粒形状および／または幅広い範囲の結晶粒径は、特定のソリッドステート積層造形プロセスパラメータを制御することによって実現できる。

特定の実施形態では、ソリッドステート積層造形プロセスは、材料中の相変態を引き起こすことができ、結果として生じる微細構造および機械的特性が調整される。

いくつかの実施形態では、結晶化度の割合、すなわち結晶性／アモルファス相の比は、特定のソリッドステート積層造形パラメータを介して制御される。他の実施形態では、パーセント結晶化度は、一連のソリッドステート積層造形パラメータを介して調整される。

特定の実施形態では、ソリッドステート積層造形プロセスは、材料の結晶構造（結晶格子）を制御する。別の実施形態では、結晶格子配向は、材料のソリッドステート積層堆積後に変化させる。さらに別の実施形態では、材料における等軸格子配向は、ソリッドステート積層プロセスによって実現される。

いくつかの実施形態では、材料のテクスチャは、特定のソリッドステート積層造形プロセスパラメータまたはソリッドステート積層造形プロセスパラメータの組み合わせを通して制御される。

特定の実施形態では、ソリッドステート積層造形プロセスパラメータは、所与の材料タイプについての特定の微細構造タイプを生じるように調節される。例えば、一連のパラメータにより、特定の金属材料中に結晶粒または球晶をもたらす可能性がある。他の一連のプロセスパラメータは、元の微結晶の再結晶化をもたらす可能性があり、さらに別の一連のプロセス条件は、結晶格子タイプにおける変化および／または格子配向における変化を引き起こす可能性がある。

特定の実施形態では、同じ材料内の２つ以上の相の共存は、ソリッドステート積層造形プロセスパラメータによって制御されている。一例は、最終的なソリッドステート積層造形堆積させた材料が連続相を含有するときであり、別の相（または複数可）は、その内部に分散される。別の例は、２つ以上の共存する連続相が、材料のソリッドステート積層造形堆積後に生成されるときである。最終的な相のうちの１つは、初期材料の相と同じであるか、または結果として生じる相は、元の材料の相（複数可）とは非常に異なる可能性がある。

特定の実施形態では、基材上の製造部品または堆積させた層（コーティング）の冷却は、自然な手段による、すなわち、周囲環境における対流によるものである。別の実施形態では、製造される部品（またはコーティングされる基材）の下に冷却流体が導入され、熱交換器によって冷却が起こる。さらに別の実施形態では、冷却は、外部冷却源によって生じ、加熱された部品の冷却またはさらに急冷を引き起こす。

以下の表１に、堆積させた材料の結晶粒径に対するいくつかのソリッドステート積層プロセスパラメータの影響の概要を示す。

いくつかの実施形態では、結晶粒の形状および組成は、堆積が起こる周囲雰囲気によって管理される。一例では、酸素（Ｏ_２）および周囲環境中のアルゴン（Ａｒ）または窒素（Ｎ_２）ガスのような不活性ガスの制御された組成が、堆積エリアでパージされる。ガス組成に応じて、ガス環境（堆積中のいわゆる遮蔽ガス）が１００％不活性ガス（例えば、Ａｒ）である場合、結晶粒は、純粋な金属またはＭＭＣもしくは合金であり得る。別の例では、周囲の（遮蔽）ガスが高い割合の酸素を含有する場合、結晶粒は、関連する金属の酸化物で構成され得る。そのような場合、結晶粒は、金属のみで構成される結晶粒よりも硬くなる。遮蔽ガス中のＯ_２／不活性ガス比を制御することにより、最終的な堆積させた材料での結晶粒形状およびその硬度を制御できる。

さらに別の実施形態では、結晶粒径は、異なるサイズ分布の粉末、中実のロッド、ビーズ、顆粒、スクラップ片、および金属の削りくずなどであるがこれらに限定されない、原料のタイプによって操作される。材料のタイプに大きく依存して、粉末の原料は、一部の材料ではより小さな結晶粒径をもたらすが、他の材料では最終的な微細構造にいかなる影響も及ぼさない場合がある。

一実施形態では、いくつかのパラメータの組み合わせを使用して、製造部品中の結晶粒の形状およびサイズに影響を及ぼす。例えば、低い横速度と相まって、高いスピンドル角速度の結果としての高い熱入力が、より大きな結晶粒をもたらす。そのような大きな結晶粒は、強度が低くなるが、延性は高くなる。

別の実施形態では、高い横速度と相まって、低いスピンドル角速度を介して実現される低い熱入力は、より高い強度を有するがより低い延性を有する小さな結晶粒を生じる。

いくつかの実施形態では、層の堆積中にソリッドステート積層造形プロセスパラメータを変化させることにより、勾配微細構造を得ることができる。単なる例として、単層堆積中に横速度が変化する。堆積は、より高速で始まり、より低速に連続的に変化する。この堆積中に、層中の結晶粒径は、同じ層内の大きな結晶粒から小さな結晶粒に変化する。したがって、微細構造（結晶粒）のサイズにおける勾配が、堆積させた層に沿って実現される。別の例では、１つの層が一定のより高い横速度で堆積される。次の層は、わずかに遅い速度で堆積され、後続の各層が前の層よりも遅い速度で堆積されるようにプロセスが継続する。このようにして、微細構造／結晶粒径において勾配を有する部品が製造される。勾配は、部品の厚さに沿って生じる。さらに別の例では、スピンドル角速度における変化により、結晶粒径での勾配が生じる。例えば、堆積は、特定の時間の間３００ｒｐｍで始まり、次いで、所与の期間の間５００ｒｐｍまで増加し、最終ステップで１５００ｒｐｍに増加するまで同様に続く。堆積させた層中の微細構造は、ソリッドステート積層造形プロセスの初頭ではサイズが小さく、スピンドル角速度が増加するにつれて時間とともに増加する。

他の実施形態では、結晶粒形状は、ソリッドステート積層造形プロセス中に変化する。例えば、スピンドルの角速度の増加により、結晶粒径の変化に加えて、結晶粒の形状は、例えば細長い（楕円）形状からより球形の形状に変化する。

以下は、ソリッドステート積層造形堆積に供された異なる材料の結晶粒形状およびサイズに関する情報を伴う特定の例を示す。

実施例１．Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５超合金
航空宇宙、航空、船舶などのような多くの産業用途では、強度および延性を含む高温の機械的安定性が求められている。そのような特性は、超合金によって提供され、その中でも、ニッケルベースの超合金であるＩｎｃｏｎｅｌ ６２５が、幅広い産業用途を獲得している。この合金は、１０００℃を超える温度で高い強度、良好な延性、および耐食性を提供するだけでなく、攻撃的な環境での耐酸化性の追加の利点を提供することが見出された。

以下は、ソリッドステート積層プロセスで製造された部品の異なる領域でのＩｎｃｏｎｅｌ ６２５超合金材料で形成された微細構造を広範囲に開示している。

図１０Ａおよび１０Ｂは、ソリッドステート積層造形プロセスの前後のＩｎｃｏｎｅｌ ６２５材料の微細構造を示す。ソリッドステート積層造形前は、平均結晶粒径は、１２μｍ（図１０Ａ）であるが、ソリッドステート積層造形後の平均結晶粒径は、５μｍ（図１０Ｂ）であり、これらの微細化された微細構造により、堆積させたＩｎｃｏｎｅｌ ６２５層は、元のＩｎｃｏｎｅｌ ６２５材料よりもより良い機械的特性を示す。Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５の堆積に使用される他の技術と比較して、ソリッドステート積層造形によって生成された微細化された微細構造は、例えば、パルスプラズマアーク堆積によって生成された微細構造よりも優れている（図１０Ｃ）。

金属結晶粒は、通常、配向を有する。個々の結晶粒が互いにどのように配向しているかに応じて、部品全体が一方向または別の方向に強くなり得、すなわち、異方性機械的特性を有する場合がある。所与の方向での応力に耐えるためのこの異なる強度は、時に望ましくなり得るが、ほとんどの場合、部品は、すべての方向でその強度が等しい、すなわち、等方性の特性を有するときに最もよい働きをする。ソリッドステート積層プロセスは、等軸化結晶粒構造を作り、これは、結晶粒がすべての軸で同じように互いに配向されることを意味し、製造された部品がすべての方向で同様の強度を有することを意味する。

実施例２．Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ材料
別の例は、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ材料であり、これは、図１１Ａ～Ｃに示されるように、ソリッドステート積層造形システムでの堆積時に、母材よりも大幅な微粒化および改善された機械的特性を示す完全に高密度の組成を有した。材料のサイズは、約６０～７０μｍであり、これはソリッドステート積層造形プロセス後に５～６μｍに減少される（図１１Ａと１１Ｂとを比較されたい）。図１１Ｃに提示されるように、ソリッドステート積層造形で堆積させたＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ材料は、それぞれ２３％および２４％の極限の引張および降伏強度の両方において有意な増加を示した。

実施例３．ステンレス鋼
ソリッドステート積層造形プロセス前後のステンレス鋼３１６Ｌの微細構造が、それぞれ図１２Ａおよび１２Ｂに示される。５０～７０μｍのサイズを有する結晶粒は、ソリッドステート積層プロセス後に５～１０μｍに減少した。

実施例４．アルミニウム合金Ａｌ２１３９
別の例は、アルミニウム合金Ａｌ２１３９であり；ソリッドステート積層造形前の約４００μｍのサイズおよびソリッドステート積層造形後の５μｍのサイズを有するその結晶粒は、それぞれ図１３Ａおよび１３Ｂに提供される。

実施例５．アルミニウム－モリブデン複合材
別の例は、異なる粉末をｉｎ ｓｉｔｕ配合し、それらを金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）または他の独自の組成として統合し、次いで、それらを結果として堆積できる供給材料として使用して、すべてのステップをソリッドステート積層造形システムを用いて迅速に実行した。Ａｌ－Ｍｏ、Ａｌ－Ｗ、およびＡｌ－ＳｉＣのようなＭＭＣ材料は、最大３０体積％の強化率で成功裏に実証されている。特定の例は、図６Ｃに示されるように、Ａｌマトリックス内のＭｏ粒子の比較的均一な分布を有するＡｌ－Ｍｏ複合材である。激しい摩擦ならびに他の力、高温、および異なる材料間の密接な接触による厳しいプラスチック形成により、通常は非混和性材料で機械的に引き起こされる混合が生じる。例えば、Ａｌ－Ｍｏシステムでは、マトリックス－強化材界面にＡｌ－Ｍｏ金属間相の層が形成され、これにより、接着性が向上し、界面の多孔性が防止されると予想される。マイクロＸ線コンピュータ断層撮影は、複合材が、空洞が観察されることなく完全に高密度であることを確認するが、機械的特性は、大幅に改善されると予想される。

ソリッドステート積層接合
特定の実施形態では、ソリッドステート積層造形システムは、摩擦撹拌溶接などの当技術分野で知られている他の方法による接合が困難である異種材料を接合するために使用される。フィラー材料は、異種材料で作製された２つの部品間の接合部に添加され、シーラントとして機能する。バッキングプレートの使用は、任意である。

他の実施形態では、２つの異種材料で作製された部品間の接合部は、強化粒子で部分的に充填され、接合部を通過するソリッドステート積層造形システムのツールは、強化材を含むすべての本材料を撹拌し、２つの部品間での良好な結合を提供する。バッキングプレートの使用は、任意である。

いくつかの実施形態では、接合部（すなわち、接合または溶接される２つの構造間の空間）は、強化材料で充填され、強化材は、強化繊維または粒子、ＣＮＴなどであり、これらは構造間の結合をさらに強化する。

さらに別の実施形態では、ソリッドステート積層造形システムを使用して、接合部に強化繊維、例えば、炭素繊維またはＣＮＴである繊維のみを添加することによって異種材料の部品を接合して、接合強度を向上させる。バッキングプレートは、任意である。

図１４Ａ～Ｂは、同じ、同様、または異種材料で作製された２つの工作物１４０５の接合プロセスの概略図である。２つの構造間の接合部は、シーラントとして機能するフィラー材料１４１９で充填される。加えて、２つの工作物１４０５間の接合部は、工作物間に生成された結合をさらに強化するための強化粒子１４３６で充填することができる（図１４Ｂ）。図１４Ｃは、アルミニウム（Ａｌ）基材に接合されたアルミニウム（Ａｌ）発泡材料の写真である。

ソリッドステート積層修理
いくつかの実施形態では、ソリッドステート積層造形システムは、任意の形状およびサイズの平面または曲面、管状、および他の工作物の欠陥および損傷を修理することができる。ソリッドステート積層造形システムは、バッキングプレートを使用するかどうかにかかわらず、フィラー材料を使用して穴／亀裂にフィラー材料を堆積させることによって、工作物中の穴または欠陥亀裂を充填することができる。単なる例として、ソリッドステート積層造形システムは、工作物のベース材料と同じ材料を使用して、その欠陥スポットを修理する。他の例では、ソリッドステート積層造形システムは、異種材料または強化材料を使用して、工作物を修理し、修理されたスポットにおける向上した強度を提供する。

特定の実施形態では、ソリッドステート積層造形システムを使用して、他の手段によって修理できない複雑な形状の工作物、例えば、レールの欠陥または亀裂を修理する。別の実施形態では、ソリッドステート積層造形システムを使用して、到達するのが難しい工作物上の場所を修理する。さらに別の実施形態では、ソリッドステート積層造形システムを使用して、バッキングプレートを挿入することによって局所的に修理することができる表面亀裂を有するパイプを修理する。図１５Ａは、バッキングプレート１５０８を使用する欠陥管状構造（工作物）１５０５の修理プロセスの概略図である。さらに、パイプをオーバーコーティングして、例えば、摩耗または腐食からさらに強化または保護することができる。

具体例には、ヘリコプターのトランスミッションギアボックスの修理が含まれる（図１５Ｂ）。破損したリブは、ギアボックスが作製された材料（ＭｇＡｚ９１材料）の非融合溶接性のため、修理不可能と見なされた。ソリッドステート積層造形システムは、ギアボックスと同じベース材料を使用してギアボックスの損傷を修理し、修理された場所の強度をさらに向上させた。

別の例は、レールランチャーシステムのソリッドステート積層造形修理であり、これは、損傷の場所およびベース材料（Ａｌ７０７５）のために修理不可能と見なされた。レールランチャーの欠陥スポットは、同じ材料を使用して修理される（図１５Ｃ）。

さらに別の例では、海軍プロペラの大きく窪んだ腐食した表面をソリッドステート積層造形システムによって修理した（図１５Ｄ）。ソリッドステート積層造形システムは、元の固有の材料（ニッケルアルミニウムブロンズ、ＮＡＢ）を使用した。堆積させた完全に高密度なＮＡＢ層は、多孔性および空洞を排除し、腐食が表面に戻るのをさらに防止する。

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してきた。上記で提供された開示に照らして、本発明の範囲または趣旨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更を行うことができることが当業者には明らかであろう。当業者は、開示された特徴が、単独で、任意の組み合わせで使用され得るか、または所与の用途もしくは設計の要件および仕様に基づいて省略され得ることを認識する。実施形態が特定の特徴を「含む」と言及するとき、実施形態は、代替として、特徴のうちの任意の１つ以上「からなる」または「本質的にからなる」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れば当業者には明らかであろう。

特に、本明細書で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。これらのより小さな範囲の上限および下限は、独立して範囲に含まれるか除外されてもよい。単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」には、文脈から明らかにそうでないと指示されていない限り、複数の指示対象が含まれる。本明細書および実施例は、本質的に例示と見なされ、本発明の本質から逸脱しない変形物は、本発明の範囲内にあることが意図されている。さらに、この開示で引用されているすべての参考文献は、それぞれ個別にその全体として参照により本明細書に組み込まれており、したがって、本発明の有効な開示を補足する効率的な方法を提供するとともに、当業者のレベルの詳細を説明する背景を提供することを意図している。

Claims (25)

1. ソリッドステート積層造形システムであって、
   供給ユニット、スピンドル、ツール、モータ、駆動ユニット、制御ユニット、監視ユニット、複数の接触又は非接触センサー、電源、及びプロセス制御ソフトウェアを備え、
   前記スピンドル及び前記ツールがそれぞれ、間接的又は直接的に互いに動作可能に連通する内部通路であって、フィラー材料が前記供給ユニットから前記スピンドル及び前記ツールの前記内部通路を通って工作物まで通過するための内部通路を有し、
   前記駆動ユニット、前記制御ユニット、及び前記監視ユニットは、協働して又は単独で、
   （ｉ）使用中に、前記スピンドル、前記ツール、前記工作物、及び／又は工作物プラットフォームの協調運動を提供することが可能であり、
   （ｉｉ）前記工作物上、バックプレート上、前記工作物の空洞中、及び／又は２つ以上の工作物間の隙間中に前記フィラー材料を分配することが可能であり、
   （ｉｉｉ）前記ツールの回転及び／若しくは並進運動を起こすことが可能であり、
   前記ツールの回転及び／若しくは並進運動は、
   機械的撹拌、摩擦、摩擦加熱の一つ以上、及び／又は、
   前記フィラー材料に適用されるひずみ、トルク、荷重、及び圧力から選択される１つ以上の適用された力を起こし、
   前記制御ユニット、前記監視ユニット、及び前記複数の接触又は非接触センサーは、協働して、製造されている材料の温度の制御により、所望の微細構造を有する最終的な材料を提供することが可能である、ソリッドステート積層造形システム。
2. ツールホルダーが、前記ツールに駆動力を与え、前記フィラー材料がそこを通過することを可能にする通路を備える、請求項１に記載のシステム。
3. 一つ又は複数のツールを交換するためのツールチェンジャーを備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記駆動ユニットが、複数の方向の一つ又はそれ以上において、前記スピンドル、前記ツール、ピン、及び／又は前記工作物プラットフォームの動きを制御することができる、請求項１に記載のシステム。
5. 前記駆動ユニットが、一つ又は複数の軸について回転を与えることができる、請求項４に記載のシステム。
6. 前記スピンドル及び前記ツールが、前記工作物の上で、独立に、回転及び／又は移動することができる、請求項１に記載のシステム。
7. 前記ツールが、
   ２つ以上のフィラー材料が通過し得る複数の通路を有する本体、又は
   平坦な肩部、若しくは特徴的な肩部、若しくはテーパ状の肩部、又は任意の組み合わせ、又は、
   堆積させたフィラー材料及び／又は工作物表面の撹拌を提供する表面特徴を有する非消耗性肩部、又は
   １つ以上の側面ツールカッター、又は
   前記工作物上への前記フィラー材料の堆積前に添加剤を供給するために１つ以上の側面注入点、又は
   １つ以上のナブを有する肩部であって、前記ナブのうちの１つ以上が、立方体、直方体、半球、円錐、部分円錐、部分正方形ベースの錐体、楕円体、円柱、四面体、及び／又は、涙形インペラ形状から選択される１つ以上の幾何学的構造である、肩部、又は
   別のナブと同じ又は異なる高さを有する少なくとも１つのナブを有する肩部であって、前記ナブが、前記ツールの肩部上の様々な位置に位置する、肩部、又は
   少なくとも１つの交換可能なナブを有する肩部、
   のうち一つ以上を備える、請求項１に記載のシステム。
8. バッキングプレートを備え、前記工作物プラットフォームが、互いに直行するｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に沿って、ｘ、ｙ、及び／又はｚ方向の動きで移動する能力を有する基部を備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記基部は、前記ｘ軸、前記ｙ軸、及び前記ｚ軸の一つ以上の周りを回転する能力を有する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記工作物プラットフォームが、ｉ）一緒に接合する、ｉｉ）修理する、ｉｉｉ）コーティング若しくは表面改質、及び／又はｉｖ）前記工作物のカスタマイズされた特徴を追加する間に１つ若しくは複数の工作物を支持するように構成される、請求項１に記載のシステム。
11. 前記フィラー材料、前記スピンドル、前記ツール、ピン、前記工作物プラットフォーム、及び／又は前記バッキングプレートの温度制御を提供するために１つ以上の加熱及び／又は冷却システムを備える、請求項１に記載のシステム。
12. 前記供給ユニットは、ロッド、ワイヤー、粉末充填管、ロッド様フィラー材料、粉末、ブロック、シート、顆粒、及び／若しくはスクラップ片、又はそれらの組み合わせなどの１つ以上の材料形態で１つ以上のフィラー材料の連続的又は不連続的な供給を行う、請求項１に記載のシステム。
13. 前記供給ユニットは、
    前記堆積させた材料組成を制御するために、様々な材料、添加剤、及び／又は強化ドーパントを添加するための１つ、２つ、又はそれ以上の入口、又は
    触媒、潤滑剤、及び／又は開始剤などの液体添加剤を前記フィラー材料に供給するための１つ又はいくつかの注入点、又は
    ロッド型フィラー材料の連続的又は不連続的な供給を提供するための内部通路、又は
    粉末フィラー材料の連続的又は不連続的な供給を提供するように構成されたオーガスクリュー構成を備える内部通路を有する本体、又は
    粒状（ペレット）フィラー材料の連続的又は不連続的な供給を提供するように構成されたオーガスクリュー構成を備える内部通路を有する本体、又は
    内部通路及び前記ロッド様フィラー材料を前記供給ユニットの前記内部通路に押し込む
    ためのプレス駆動ユニット（アクチュエータ下向き力駆動装置）
    を備える、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記供給ユニットは、スクラップ材料及びスクラップ片の任意の形状及びサイズを受け入れ、それらを連続層として堆積させることができる、請求項１に記載のシステム。
15. 堆積プロセス中の遮断に必要な、及び／又は堆積させた材料層の最終的な組成及び／又は構造に必要なガス又はガス混合物を供給する一つ以上のガス供給ユニットを備える、請求項１に記載のシステム。
16. 制御された環境区画が、前記スピンドル、ツール、工作物、及び／又はプラットフォームの周りに覆われた空間を提供し、前記運転ゾーン中の制御されたガス環境を可能にする、請求項１に記載のシステム。
17. 電場、磁場、超音波、振動、及び／又は光を供給することができる１つ以上の外部エネルギー源を備える、請求項１に記載のシステム。
18. 前記プロセス制御ソフトウェアが、
    摩擦力、
    適用されたひずみ、トルク、荷重、及び／又は圧力から選択される一つ以上の適用された力、及び／又は
    堆積、及び／又は
    前記ツール又は前記工作物の回転及び／若しくは並進運動、又は温度を制御するためのコンピュータ実行可能命令を含む、請求項１に記載のシステム。
19. 請求項１に記載のシステムを用いて３次元構造を製造する方法。
20. 材料微細構造を制御する方法であって、
    ソリッドステート積層造形システムによって１つ以上の第１の材料を堆積させることであって、前記堆積される第１の材料が、その融点（Ｔｍ）未満であり、前記第１の材料が、前記ソリッドステート積層造形システムにより生成された摩擦力及び／又は他の力により塑性変形した状態にある、ことと、
    前記第１の材料の微細構造を微細化して最終的な材料微細構造を有する最終的な材料を得ることであって、前記最終的な材料微細構造は、スピンドル及び／又は前記積層造形システムのツールの角速度、前記スピンドル及び／又は前記ツールのトルク、前記スピンドル及び／又は前記ツールの速度、前記第１の材料及び／又は前記最終的な材料の温度の制御を用いて制御される、ことと、
    を含む方法。
21. 前記最終的な材料微細構造は、前記第１の材料の微細構造の粒子と比較して少なくとも１桁又は少なくとも５倍微細化されたサイズを有する粒子を備える、請求項２０に記載の方法。
22. 前記最終的な材料微細構造の形状、サイズ、及び組成が、ブローガス及び前記ブローガスの組成物によって制御される、請求項２０に記載の方法。
23. 前記最終的な材料微細構造が、添加剤によって制御される、請求項２０に記載の方法。
24. 前記最終的な材料の前記所望の微細構造は、前記フィラー材料又は前記工作物の微細構造の粒子と比較して少なくとも１桁又は少なくとも５倍微細化されたサイズを有する粒子を備える、請求項１に記載のシステム。
25. 前記最終的な材料は、アルミニウムを含み、前記最終的な材料の前記所望の微細構造は、前記フィラー材料又は前記工作物の微細構造の粒子と比較して少なくとも１桁又は少なくとも５倍微細化されたサイズを有する粒子を備える、請求項１に記載のシステム。

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