KR20200087172A - 고체-상태의 첨가제 제조 시스템 및 재료 조성물 및 구조 - Google Patents

고체-상태의 첨가제 제조 시스템 및 재료 조성물 및 구조 Download PDF

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KR20200087172A
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Abstract

3D 구조체를 구축하고, 표면을 코팅 및 기능화하고, 구조체들을 접합시키고, 물체에 맞춤형 특징부를 추가하고, 고유 조성물들을 합성하고, 다양한 구조체를 수리하는 데 적용 가능한 고상 적층 제조법 적층 제조 시스템이 개시된다. 고상 적층 제조 시스템은 상이한 충전제들, 즉 금속, 금속 합금, MMC, 중합체, 플라스틱, 복합재, 혼성재, 및 구배 조성물의 부착을 가능하게 할 뿐만 아니라, 생성된 부착 구조체, 예를 들어 특정 나노 구조체/마이크로 구조체, 구배 구조체, 및 다공성 재료 구조체를 조절한다. 이 시스템은 다양한 형태의 충전재, 즉 봉, 와이어, 과립, 분말, 분말 충전 튜브, 스크랩 조각, 또는 이들의 조합을 부착시키기 위한 다양한 급송 설계, 스핀들 설계, 및 공구 설계를 수용하며, 다중 접근 지점이 있는 작업 플랫폼을 수용한다. 하나 또는 다수의 모터, 구동 및 모니터링 유닛은 피가공물, 스핀들, 및 공구의 이동을 제어하고, 급송 시스템을 통해 충전재를 이동시키며, 급송 시스템의 통로는 스핀들의 통로 및 공구의 통로와 연통된다.

Description

고체－상태의　첨가제　제조　시스템　및　재료　조성물　및　 구조
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2017년 10월 31일자로 출원된 미국 임시 출원 제62/579,483호와 2018년 8월 1일에 출원된 미국 임시 출원 제62/713,275호의 개시내용에 의존하는 것이고, 이들의 우선권과 출원일의 이익을 주장하며, 이들의 개시 내용은 그 전체가 본원에 인용되어 포함된다.
발명의 배경
기술분야
본 발명은 마찰력 및 다른 힘을 이용할 뿐만 아니라 피가공물(기판, 부품)에 대한 소모성 충전재의 소성 변형 및 압축 하중으로 인한 발생 열을 이용하여 표면 또는 전체 부품을 3D 프린팅, 코팅, 클래딩, 표면 기능화, 접합, 재료 합성, 및/또는 수리하는 데 사용되는 고상 적층 제조(solid-state additive manufacturing) 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시들은, 작업 플랫폼, 프로세스 제어 시스템, 모터, 및 가변 주파수 드라이브; 소모성 충전재를 스핀들 시스템 및 비소모성 공구를 통해 기판 상에 분배할 수 있는 급송 유닛(feeding unit); 공구 유지기를 통해 공구를 회전하도록 구동시킬 수 있는 스핀들 시스템; 공구를 유지시키는 공구 유지기(tool holder); 부착 공정 동안 공구를 교환하기 위한 공구 교환기; 핀 및 너브(nub)가 있거나 없는 견부 및 목부를 갖는 비소모성 부재를 포함하는 마찰 기반 제조 공구; 부착 공정 동안 제어된 가스 분위기를 유지하기 위해 공기, 불활성 가스, 또는 가스 혼합물을 격실로 공급하는 유닛; 첨가제를 주로 액체 상태로 공급하기 위한, 급송 유닛, 스핀들, 및/또는 공구로의 주입 포트; 및 하나 또는 다수의 센서 및 모니터링 유닛을 포함한다. 또한, 고상 적층 제조 시스템의 실시형태들은 합금, 혼성재, 및 복합재, 예컨대 바람직한 장입 수준 및 조절되는 미세- 및 나노-조직 및 다공성을 갖지만 다른 통상적인 방법에 의해서는 제조하기가 용이하기 않은 MMC 및 강화 폴리머 복합재를 제조할 수 있다. 또한, 공정 변수들을 제어함으로써 고상 첨가제 공정에 의해 제조되는 부품 중의 재료 미세 조직을 맞춤화하는(tailoring) 방법이 개시된다. 특히, 스핀들 각속도, 스핀들 및 공구 토크, 하향 누름력(down push force), 충전재 급송 속도(filler feeding rate), 횡단 속도(transverse velocity) 등을 포함한 이러한 공정 변수는 제조된 부품 중의 입자 크기, 입자 형상, 및 입자 배향(있는 경우)과 상관관계가 있다. 일부 경우에서, 몇몇 변수들의 조합은 입자 크기와 상관관계가 있는데, 예를 들면, 몇몇 변수들(스핀들 각속도, 횡단 속도, 하향 누름력)의 조합의 결과인 공정에서의 입열은 입자 크기와 관련이 있다. 더욱이, 외부에서의 가열 또는 냉각 입력은 고상 적층 제조 공정 동안의 미세 조직의 발전과 관련이 있다. 또한, 윤활제 또는 기타 첨가제 또는 강화제의 첨가는 최종 입자 크기 및 형상에 영향을 미친다고 주장되고 있다. 고상 적층 제조 공정 전과 후의 입자 크기 및 형상에 대한 예들이 몇몇 특정 재료, 즉 인코넬 625 초합금, 알루미늄 합금, 스테인리스강, 및 기타 재료에 제공된다.
일반적으로 다층박막적층(layer-by-layer deposition)에 의해 3D 물체를 만들기 위해 재료들을 접합시키는 공정으로 정의되는 적층 제조(AM: additive manufacturing)는 다기능 및 다중 재료의 부품을 제작할 수 있지만 몇 가지 제한이 있다. 계면 및 비계면 재료 미세 조직들 사이에는 아주 흔하게 상당한 차이가 존재하는데, 이는 특정 부위 및 방향에 따라 불균질한 특성을 초래한다. 이러한 경우에, 제조된 부품은 전체 재료의 특성에 비하여 열등한 특성을 나타낸다.
이와 유사하게, 직접 레이저 적층(direct laser deposition), 전자 빔 적층(electron beam deposition), 및 성형 금속 적층(shaped metal deposition)과 같은 종래의 금속 기반 적층 제조 기술은 일반적으로 금속 층을 층층이 연속적으로 적층하는 것을 통해 금속 부품을 만든다. 융합 기반 AM 공정은 종종 취성 주조 조직, 열간 균열 및 다공성과 같은 용융 및 응고와 관련된 문제를 종종 일으키고, 이는 기계적 성능의 저하를 초래한다. 화염 용사(flame spray), 고속 산소 연료(HVOF: high-velocity oxygen fuel), 폭발건(D-Gun: detonation-gun), 와이어 아크, 및 플라즈마 적층과 같은 코팅 기술은 코팅과 기판 사이에 상당한 다공성, 상당한 산화물 함량, 및 불연속 계면을 갖는 코팅을 생성한다. 전형적으로, 이들 코팅 공정은 비교적 높은 온도에서 작동하고, 재료를 기판 상에 적층되어감에 따라 용융/산화시킨다. 이러한 종래의 기술은 나노결정질 재료와 같은 많은 유형의 기판 및 코팅 재료를 처리하는 데에는 비교적 높은 처리 온도로 인해 초래되는 입자 성장 및 강도 손실로 인해 적합하지 않다. 이용 가능한 대안적인 적층 공정은 저온 분사 방식 적층(cold spray type depositing)으로 지칭된다. 전형적으로, 이는 초음속 노즐을 통해 입자를 가속시키는 비교적 저온의 용사 공정을 필요로 한다. 그러나 이러한 기술들은 비교적 비싸고, 그리고/또는 극저온 분쇄(cryo-milling)에 의해 생성된 나노결정질 알루미늄 분말과 같은 종횡비가 큰 입자를 일반적으로는 처리하지 못할 수 있다. 그 결과, 저온 분사 기술을 사용하여 제조된 제품은 일반적으로 산화물 불순물을 함유한다.
이러한 단점들을 고려하여, 적층 제조 및 코팅 적층 기술의 개선이 크게 요구된다. 실제로, 유사 또는 비유사 기판들에 다양한 재료 및 다양한 재료 형태(예를 들어, 분말, 과립, 펠릿, 경시된 스크랩 조각)를 효율적이고 간단한 방식으로 적층하여서 기판과 적층된 층 사이뿐만 아니라 적층된 개별 층들 사이에도 고품질 접착 결과를 가져오며 개선된 기계적 특성 및 기타 특성을 갖는 제품을 생성할 수 있는 마찰 기반 제조 시스템에 대한 구체적인 요구가 있다. 본 발명자들은 마찰 교반에 기초한 비용융/고상 적층 제조 방법이 전통적인 AM 및 코팅 공정의 단점을 극복해낼 것이라는 점을 발견했다.
본 발명의 실시형태들은 고상 적층 제조를 위한 새로운 시스템 및 방법을 제공한다. 고상 적층 제조 기술은 기판(피가공물)에 재료를 적층시키고, 재료의 원래 입자 크기를 미세화하고, 가공 구역에서 재료를 혼합 및 균질화하고, 적층 재료와 피가공물 사이에 용융 없이 화학 또는 물리적 결합을 일으킬 수 있는, 고상 열-기계식 적층 공정이다.
간단히 설명하자면, 고상 적층 제조 공정의 배경 원리는 다음과 같다: 공구와 피가공물 재료 사이의 마찰(그리고 특정 사례에서, 핀이 공구 견부에서 연장되는 경우에는, 핀이 피가공물 표면 영역을 통과함으로써 마찰이 야기됨)에 의해 열이 발생하고; 발생된 열은 회전 공구(및/또는 회전 핀이 사용되는 경우는 그 회전 핀) 근처에서 상당한 양의 소성 변형을 가능하게 하고; 피가공물 재료에 실질적인 변형이 가해져서 결과적으로 미세 조직이 미세화되고; 공구에 인접한 재료가 연화되고 그 연화된 재료가 기계식으로 교반되고, 이와 동시에, 공구 견부에 의해 공급되는 기계적 압력을 사용하여 공구의 통로를 통해 첨가되는 충전재 재료와 혼합 및 결합된다.
고상 적층 제조 기술은 에너지 비용이 비교적 낮고 가혹한 화학 물질을 사용하지 않고 배기 가스 및 증기가 발생하지 않기 때문에 친환경 기술로 간주된다. 고상 적층 제조 공정의 장점들 중 일부는 다음과 같다: 고상 적층 제조 공정은, 고체 상태이며 대체로 단일 단계의 공정이고, 열 민감성 재료 및 공기 민감성 재료로 작업할 수 있는 가능성을 제공하고, 사전에 표면을 준비할 필요가 없고, 우수한 치수 안정성을 제공하고(고상에서 수행되기 때문에 부품의 왜곡이 최소화됨), 가공되는 피가공물의 표면 깊이를 잘 제어할 수 있고, 열이 마찰에 의해 발생하기 때문에 에너지를 거의 소비하지 않고, 따라서 재료의 소성 변형을 일으키는 데 외부 에너지가 필요하지 않고, 기판(피가공물)과의 우수한 접착 특성을 촉진하며, 재현성이 우수할 뿐만 아니라, 공정 자동화 가능성을 제공한다.
고상 적층 제조 공정의 변수들, 예컨대 공구 회전 속도, 공구 견부 압력, 핀(사용되는 경우) 관통 깊이, 하향력, 병진 속도, 공구 선단 각도 및 공구 디자인, 핀 외형, 충전재 형태, 충전재 온도, 충전재 장입 속도 등을 제어함으로써, 적층되는 재료 층들의 조성과 미세 조직 및 나노 조직을 엄격하게 제어할 수 있다. 또한, 다중 통과 고상 적층 제조 공정에서는 공구 속도 및 중첩을 제어함으로써, 표면의 미세/나노 조직을 한층 더 제어할 수 있으며 더 큰 피가공물 영역을 가공할 수 있다.
최근에는 에너지 소비 감소 및 자연 자원 보존에 주로 목표로 두면서 특히 항공 우주 및 자동차 산업에서 경량 구조 부품 쪽으로 지향하는 경향이 있다. 예를 들어, 최신 세대의 항공기와 자동차는 경량 구조와 부품이 연료 소비에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 복합 재료를 50% 넘게 사용하고 있다. 그런데, 이러한 경량 구조 개념은 경량 재료를 사용하는 것을 포함할 뿐만 아니라, 구성 재료들의 특성들 및/또는 기능들의 유용한 조합이 생기게 하는 여러 가지 재료들의 조합, 예들 들어 플라스틱과 금속의 조합도 포함한다. 예를 들어, 경량 구조 부품에 대한 두 가지 가능한 접근법은 금속-고분자 혼성 재료(hybrid metal-polymer material)를 사용하는 것과, 강과 알루미늄 합금의 조합을 사용하는 것이다. 금속-고분자 혼성 재료의 경우, 금속은 일반적으로 기계적 응력을 견디는 데 사용되고, 우수한 성형성과 높은 설계 자유도를 제공하는 중합체 성분은 기능적 통합을 대신할 수 있다. 강-알루미늄 합금의 경우, 강 부분은 제품 중의 응력이 높은 영역에 적용될 수 있고, 긴장이 적은 영역은 훨씬 가벼운 알루미늄으로 제조될 수 있다. 그러나 이러한 경량 조성물에서 직면하는 실제 도전은 제조이다. 예를 들어, 중합체-금속 복합체는 인몰드(in-mold: 성형 동시 전사) 기술에 의해 제조되고, 때로는 성형 후 조립(post-mold assembly) 방법에 의해 제조되어왔다. 이는 금속 컴포넌트를 사출 금형 안에 넣고 그 금형 안에서 주입되는 중합체와 금속 컴포넌트가 결합되어서 동시에 성형됨으로써 행해지는 것이 일반적이다. 이러한 공정의 주요 과제는 고가의 금형이 사용된다는 것 외에도, 금속과 중합체 사이의 접착뿐만 아니라 제한된 설계 자유도이다. 이와 관련해서, 금속 피가공물과 중합체 피가공물 사이의 혼성 결합을 위해, 또는 성형 후 조립 방법으로서 예컨대 접착제 접착, 기계식 체결, 및 용접을 위해, 여러 가지 결합 기술이 제안되어서 일반적으로 사용되어왔지만, 이들 모두에서는 주요 결점들을 겪고 있다. 고상 적층 제조는, 계면 접착이 우수한 혼성 조직을 생성시키기 위해서나 또는 재료들 간의 부착이 우수한 비유사 재료들로 구성된 조직들을 결합시키기 위한, 빠르고 효율적이며 저렴한 방법인 것으로 보인다.
또한, 특정의 설계 및 기능 요건들을 충족시키기 위해 구조 부품 또는 선택된 표면 영역의 표면 특성을 신속하게 수정해야 할 필요성이 늘어나면서 표면 엔지니어링의 개발이 촉구되었다. 표면 엔지니어링은 기존 표면을 수정하고/하거나 특정 기능성 코팅을 추가함으로써 기판의 표면 층들의 화학적 및 구조적 특성을 맞춤화할 수 있다. 표면 엔지니어링에는 레이저 합금, 클래딩, 용사, 저온 분사, 다양한 액체 적층 방법, 아노다이징, 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 고에너지 레이저 용융 처리, 고에너지 전자 빔 조사, 플라즈마 용사, 주조, 및 소결 등과 같은 광범위한 공정이 사용되어왔다. 전통적인 코팅 기술들 중 일부 기술, 예를 들어 용사는 다공성 코팅을 생성하며 코팅과 기판 사이의 접착이 불량하다. 전통적인 코팅 공정들 중 다른 공정은 재료 적층 전에 재료를 용융시키기 위해 비교적 높은 온도를 이용하며, 재료의 산화를 가져오는 산화물 함량이 높은 코팅을 야기할 수 있다. 고온 처리 방법은 일반적으로 강도 손실을 초래하며, 다양한 기판 및 코팅 재료를 가공하는 데 적합하지 않다. 반면에, 고상 적층 코팅 공정은 특정 특성의 향상 및/또는 기능성 추가를 위해 가공되는 기판 및 컴포넌트의 표면 층들에서의 조성 제어 및 조직 제어를 제공한다. 가공된 표면은 경도, 인장 강도, 피로, 부식, 및 내마모성과 같은 기계적 특성이 향상될 수 있다.
또한, 고상 적층 제조 기술은, 표면 복합물을 제조할 수 있고 전체 기판 또는 구조 부품의 표면의 미세 조직 특징을 개질시킬 수 있는 잠재력을 갖는다. 전체 재료의 용융 없이 발생된 소성 변형으로 인해, 기본적인 기판 조성의 개질이 없는 표면 특성 변화가 가능하다. 피가공물 표면에서의 고상 적층 공정 동안 동일하거나 상이한 부류의 충전재 재료들을 첨가할 수 있는 가능성은 표면 복합물의 현장(in-situ) 생성, 표면 개질, 표면 코팅, 및 표면 기능화를 가능하게 한다. 표면 복합물은 기본 재료의 특성을 유지하면서 표면 상의 복합재의 향상된 특성을 나타낸다.
또한, 고상 적층 제조 기술은 현장 제조 전유 재료(in situ fabrication proprietary material) 조성물, 예컨대 금속 매트릭스 복합재(MMC: metal matrix composite)를 향해 성공적으로 발전해왔다. MMC, 즉 일반적으로 세라믹 상들로 강화된 금속은 비강화 금속에 비하여 높은 강도, 높은 탄성 계수, 및 개선된 내마모성, 내크리프성, 및 내피로성을 나타내어, 유망한 구조 재료가 되고 있다. 그러나, 이들 복합재도 또한 변형 불가능한 세라믹 보강 단계들의 통합으로 인해 연성 및 인성이 손실되는 어려움을 겪는데, 이는 이들 복합재의 일부 적용을 제한한다. 이들 경우에서, 부품의 표면층만이 세라믹 상에 의해 강화되는 반면에 전체의 컴포넌트는 인성이 더 높은 원래의 조성 및 구조를 유지하는 것이 바람직하다. 고상 적층 제조 시스템은 현장 MMC를 제조할 수 있는 가능성과, 유사 또는 비유사 재료 조성물들의 다른 많은 조합을 만들어낼 수 있는 가능성을 제공한다. 예를 들어 금속-중합체 복합재는 금속과 중합체 둘 다의 특성을 나타내며, 성능이 조직에 영향을 받으며 조직이 제조 방법에 영향을 받는 매우 중요한 구조 재료이다. 일반적으로, 금속-중합체 복합재의 제조 방법은 기계식 분쇄와 같은 혼합, 진공 아크 증착, 용융 혼합, 사출 성형 등과 증가시키는 온도의 조합을 이용한다. 고상 적층 제조 시스템은 복합재를 고상 및 제어된 환경에서 제조할 수 있으며, 이는 고온 및 주위 조건을 견딜 수 없는 많은 재료에 유리하다. 또한, 현장 제조 복합물은 후속해서 동일한 고상 적층 제조 시스템에 의해 적층될 수 있는데, 이는 고상 적층 제조 시스템을, 전유 조성물(proprietary composition)들을 피가공물의 표면에 합성(compounding)시켜서 적층시키거나, 또는 전유 조성물로 전체 물체를 제조(3D 프린팅)하는, 다용도 시스템이 되게 한다.
본 고상 적층 제조 기술은 또한 현장 외(ex-situ) 및 현장 (in-situ) 복합재를 생성하는 비용 효율적인 방법이다. 일반적으로, 현장 복합재는 무결함 강화 매트릭스 계면, 열역학적으로 보다 안정적인 보강재, 개선된 호환성, 및 피가공물과 함께 매트릭스와 보강재 간의 높은 접합 강도와 같은 많은 장점을 제공한다. 고상 적층 제조 공정을 이용하여 강화 입자를 피가공물에 첨가 및 분산시킬 수 있는 가능성은 기본(매트릭스) 재료의 기계적 특성, 마찰 공학적 특성, 자기 특성, 전기 특성, 및 기타 특성이 향상된 복합재의 생성을 가능하게 한다.
더욱이, 나노 입자를 포함하는 나노 복합재는, 입자의 나노미터 크기가 최대 1,000 m2/g 이상의 높은 비표면적을 초래하여 아주 낮은 도포 수준에서도 기본 재료 특성을 상당히 개선시키기 때문에, 그에 대한 관심을 증가시키고 있다. 나노 복합재에서 일반적으로 사용되는 나노 입자에는 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유, 몬모릴로나이트, 나노클레이, SiO2, Al2O3, TiO2, 나노실리카 등이 포함된다. 그 중에서도 단일 벽 및 다중 벽 탄소 나노튜브(SW-CNT 및 MW-CNT)는 초고 연성, 영률, 강도, 고유 전기 및 자기 특성으로 인해 매우 유망한 보강 재료이다. 그러나 CNT는 응집되기 쉬워서 중합체 또는 금속 매트릭스 중에 분산되기 어렵다. 따라서, CNT의 분산은 기본 중합체 복합재 또는 금속 복합재의 성능을 향상시키는 데 결정적으로 중요하다. CNT뿐만 아니라, 다른 유형의 강화 입자의 응리(segregation)도 통상적인 방법에 의한 현장 복합재의 제조에 있어서 주요 문제점인 것으로 보인다.
현장 나노-복합재들의 고상 적층 합성은 매트릭스 재료에 대한 계면 접합이 우수한 균일하게 분산된 보강재에 의해 야기되는 기계적 특성 및 기타 특성이 우수해지는 결과를 가져올 수 있다. 고상 적층 공정은 혼합을 촉진하기 위한 심한 소성 변형과, 현장 반응을 용이하게 하기 위한 상승시킨 온도와, 완전히 조밀한 고체를 형성하기 위한 열간 압밀(hot consolidation)의 상승 작용적 효과를 제공하므로 현장 복합재를 생성하기 위한 효과적인 경로인 것 같다. 또한, 마찰 교반 작용에 의한 입자 미세화와 사용된 강화 입자의 상승 작용적 효과는 균일하게 미세화된 입자 구조를 갖는 현장 복합재를 수득하게 할 수 있다.
고상 적층 표면 기능화는 소모성 봉, 펠릿(과립), 또는 분말로 된 재료를 기판에 첨가하여 기판에 대한 접합이 양호한 코팅을 생성할 수 있기 때문에 열 민감성 재료에 특히 유용한 고상 가공 기술이다. 본 고상 적층 제조 시스템은 표면 MMC를 제조하기 위해 적용하는 것 외에, 중합체 표면 엔지니어링에도 사용될 수 있다. 중합체 재료의 표면 특성은 많은 응용에서 결정적으로 중요하며, 최외 분자 층의 구조 및 조성에 크게 영향을 받는다. 일반적으로, 코팅, 마찰 및 마모, 복합재 등과 같은 광범위한 응용에서 플라스틱 부품을 성공적으로 적용하기 위해서는 경도, 친수성 또는 소수성, 및 (미세) 결정성과 관련한 특별한 표면 특성이 필요하다. 다양한 진공 증착 방법이 플라스틱 기판 및 부품을 코팅하는 데 사용되고 있지만, 이 방법에는 진공 챔버, 부품 크기 제한, 때로는 플라즈마/이온 에칭과 같은 특수한 표면 준비가 필요하다. 졸-겔 코팅과 관련된 결과적인 어닐링 단계뿐만 아니라 용액 기반 방법도 사용된다. 고상 적층 공정은, 표면 에너지가 본질적으로 낮은 플라스틱에 접합시키기 어려운 비유사 표면 재료들을 표면 준비 또는 결과적인 높은 소부 온도 단계 없이 추가시키고 접합시킴으로써 중합체 기판 및 플라스틱 부품의 표면을 개질시키기 위한 매우 유용한 방법이 될 수 있다.
본 고상 적층 제조 기술은 국부적 화학 조성물 및/또는 상 함량을 조작할 수 있게 하므로, 구배 재료 조성물의 제조 및 구배 구조 변형도 또한 개시된 시스템을 사용하여 가능하다. 피가공물 표면 상에 유사 또는 상이한 재료 또는 도펀트(강화제) 또는 취입 가스를 제어 가능한 속도로 첨가하는 능력은 당해 기술분야에 알려진 다른 제조 방법으로는 단일 단계에서 달성할 수 없는 독특한 시스템 특성이다.
첨부된 도면은 본 발명의 실시형태의 특정 양태들을 예시하는 것으로, 본 발명을 제한하는 데 사용되어서는 안 된다. 기재된 설명과 함께, 도면은 본 발명의 특정 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 일 실시형태에 따른 고체 적층 제조 시스템을 예시하는 개략적 선도이다.
도 1b는 일 실시형태에 따른 고체 적층 제조 시스템의 부품들 및 부속품들의 상이한 이동 및 회전을 예시하는 선도이다.
도 2a는 실시형태들에 따른 연속적인 고체 (예를 들어, 봉형) 충전재를 위한 고상 적층 제조 시스템의 단면도의 선도이다.
도 2b는 실시형태들에 따른 불연속적인 고체 (예를 들어, 봉형) 충전재를 위한 고상 적층 제조 시스템의 단면도의 선도이다.
도 2c는 일 실시형태에 따른 분말형 또는 펠릿형 충전재를 위한 고상 적층 제조 시스템의 단면도의 개략적 선도이다.
도 3a는 일 실시형태에 따른 것으로, 서로 연통하는 내부 통로를 갖는 고상 적층 제조 스핀들 및 공구의 단면도를 나타내는 선도이다.
도 3b는 일 실시형태에 따른 것으로, 선택적인 주입 포트들과 측면 절단기들을 구비한 공구의 단면도를 나타내는 선도이다.
도 3c는 일 실시형태에 따른 것으로, 선택적인 중공 핀과 너브들을 구비한 공구의 단면도를 나타내는 선도이다.
도 3d는 일 실시형태에 따른 것으로, 선택적인 교체 가능 너브들을 구비한 공구의 단면도를 나타내는 선도이다.
도 3e 내지 도 3k는 실시형태들에 따른 상이한 공구 형상의 단면을 나타내는 선도이다.
도 3l 내지 도 3r은 실시형태들에 따른 것으로, 다양한 통로 단면을 갖는 공구 견부의 저면도를 나타내는 선도이다.
도 3s 내지 도 3v는 실시형태들에 따른 것으로, 다양한 통로 단면과 선택적인 너브를 갖는 공구 견부의 저면도를 나타내는 선도이다.
도 3w 내지 도 3y는 실시형태들에 따른 것으로, 다양한 통로 단면, 너브, 및/또는 상이한 견부 특징부를 갖는 공구 견부의 저면도를 나타내는 선도이다.
도 3z 내지 도 3ab는 실시형태들에 따른 것으로, 테이퍼형 공구 견부 외형을 갖는 공구의 단면을 나타내는 선도이다.
도 3ac 내지 도 3ad는 실시형태들에 따른 것으로, 테이퍼형 표면을 갖는 선택적인 중공 핀을 갖춘 공구의 단면을 나타내는 선도이다.
도 3ae 내지 도 3af는 실시형태들에 따른 것으로, 공구 통로가 단면 형상 및/또는 크기를 변경하는 공구의 단면을 나타내는 선도이다.
도 3ag는 실시형태들에 따른 것으로, 피가공물 표면 상에 분말 또는 펠릿 충전재를 전달하기 위해 공구 통로가 다수의 통로로 분할되는 공구의 단면을 나타내는 선도이다.
도 3ah는 실시형태들에 따른 것으로, 피가공물 표면 상에 분말 또는 펠릿 충전재를 전달하기 위해 공구 통로가 다수의 통로로 분할되는, 핀을 구비한 공구의 단면을 나타내는 선도이다.
도 3ai 내지 도 3aj는 실시형태들에 따른 것으로, 다수의 통로를 갖는 공구의 단면을 나타내는 선도이다.
도 3ak 내지 도 3am은 실시형태들에 따른 것으로, 다수의 통로와 선택적인 너브들을 갖는 공구 견부를 나타내는 선도이다.
도 4a는 일 실시형태에 따른 것으로, 피가공물 상에 재료를 적층시키는 고상 적층 제조 공정을 나타내는 개략적인 선도이다. 이 고상 적층 제조법 적층 제조 시스템으로 3D 프린팅, 코팅, 접합, 수리, 및 현장 표면 기능화와 같은 공정이 가능하다.
도 4b 내지 도 4g는 실시형태들에 따른 고상 적층 제조 3D 프링팅된 구조체들의 사진이다.
도 5a 내지 도 5e는 실시형태들에 따른 고상 적층 제조 시스템으로 코팅된 샘플들의 사진이다. 도 5a 내지 도 5d는 고상 적층 제조 공정으로 구리(Cu)로 코팅되고 그 후에 박리의 흔적을 보임이 없이 절곡된 탄탈륨(Ta) 및 니오븀(Nb)의 예들을 보여주고 있다. 도 5e는 Cu 기판(Cu185) 상에 중간층을 사용하지 않고 Al 재료(Al6061)를 고상 적층 제조법으로 코팅한 것을 보여주고 있다.
도 6a는 일 실시형태에 따른 것으로, 기본 충전재와 강화재(그리고 필요한 경우 첨가제)를 한 단계에서 혼합하고 압밀하고(consolidation) 적층시키는 것에 의해, 예컨대 금속 매트릭스 복합재(MMC), 중합체 복합재, 상호 침투 망상(IPN: inter-penetrating network), 강화재, 및 기타 등등의 전유 조성물을 현장 합성 및 제조하는 고상 적층 제조 공정의 개략적인 선도이다.
도 6b는 일 실시형태에 따른 것으로, 현장 제조된 Al-탄소 섬유 복합재의 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 6c는 일 실시형태에 따른 것으로, 알루미늄 매트릭스 중에 강화 Mo-입자(약 30% 체적 분율)가 비교적 균일하게 분포된 것을 보여주고 있는 적층된 Al-Mo 복합재의 주사 전자 현미경 이미지이고; 삽입된 이미지는, 매트릭스와 강화재 사이에 버퍼(Buffer) 층이 형성된 것을 보여주는 투과 전자 현미경 이미지이다.
도 6d는 일 실시형태에 따른 것으로, 피가공물 표면이 강화 입자로 채워진 포켓(구멍 또는 그로브)들을 갖는, 표면 복합물을 제조하는 고상 적층 제조 공정의 개략적인 선도이다.
도 6e는 일 실시형태에 따른 것으로, 피가공물 표면이 CNT와 같은 이방성 형상의 강화 입자로 채워진 포켓(구멍 또는 그로브)들을 갖는, 일 실시형태에 따른 표면 복합물을 제조하는 고상 적층 제조 공정의 개략적인 선도이다. 공구를 피가공물 표면을 따라 우선 횡 방향(preferential transverse)으로 이동시키지 않으면, 이방성 강화재의 무작위 방위(random orientation)가 달성된다.
도 6f는 일 실시형태에 따른 것으로, 피가공물 표면이 CNT와 같은 이방성 형상의 강화 입자로 채워진 포켓(구멍 또는 그로브)들을 갖는, 일 실시형태에 따른 표면 복합물을 제조하는 고상 적층 제조 공정의 개략적인 선도이다. 외부 장, 예를 들어 전기장 및/또는 공구의 우선 횡 방향으로의 이동을 적용함으로써, CNT 또는 탄소 섬유의 우선 방위(preferential orientation)가 달성된다.
도 6g 및 도 6h는 공구 목부를 통해 CNT 또는 탄소 섬유와 같은 일 실시형태에 따른 강화 입자를 포함하는 충전재를 적층시키는 고상 적층 공정의 개략적이 선도이다. 공구를 피가공물 표면을 따라 우선 횡 방향으로 이동시키지 않으면, 이방성 강화재의 무작위 방위가 달성된다(도 6g). 외부 장, 예를 들어 전기장 및/또는 공구의 우선 횡 방향으로의 이동을 적용함으로써, CNT 또는 탄소 섬유의 우선 방위가 달성된다(도 6h).
도 7a 및 도 7b는 일 실시형태에 따른 것으로, 고상 적층 제조 시스템으로 충전재를 적층하는 중에 취입 가스의 도움으로 재료를 적층시키는 공정을 예시하는 개략적인 선도이다. 취입 가스는 적층된 재료의 최종 조성, 즉 화학량론에 기여하거나(도 7a), 또는 적층된 표면층에 기공을 생성할 수 있다(도 7b).
도 8a 및 도 8b는 일 실시형태에 따른 것으로, 고상 적층 제조 시스템으로 구배 재료 조성 및/또는 구배 재료 구조의 생성을 보여주는 선도이다. 구배 조성 및/또는 구조는 적층된 층의 횡 방향으로 가능하거나(도 8a) 또는 z 방향(깊이)으로 가능하다(도 8b).
도 8c는 Al 기판 상에 적층하는 중에 Al/Fe 비를 변화시킨, 알루미늄과 철을 포함하는 구배 재료 조성물의 예를 보여주는 사진이다.
도 9a는 일 실시형태에 따른 것으로, 금속 중에 입자가 형성되는 과정을 보여주는 개략적인 선도이다.
도 9b 내지 도 9e는 일 실시형태에 따른 것으로, 고상 적층 공정 동안 및 후의 금속 내 잠재적 입자 형상 및 그 입자들의 배향을 나타내는 개략적인 선도로서, 도 9b 및 도 9c는 등축 입자를 보이고 있고, 도 9d는 방사상으로 배향된 입자를 보이고 있으며, 도 9e는 일반적으로 가공 및/또는 냉각 단계 동안 가해진 변형으로 인한 긴 입자를 보이고 있다.
도 10a 및 도 10b는 일 실시형태에 따른 것으로, 고상 적층 제조 공정 전(도 10a) 및 후(도 10b)의 인코넬 625의 미세 조직을 주사 전자 현미경으로 관찰된 대로 보여주는 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 10c는 일 실시형태에 따른 것으로, 펄스 플라즈마 아크에 의해 적층된 인코넬 625의 미세 조직을 보여주는 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 11a 및 도 11b는 일 실시형태에 따른 것으로, 고상 적층 제조 공정 전(도 11a) 및 후(도 11b)의 Ti-6Al-4V의 미세 조직을 주사 전자 현미경으로 관찰된 대로 보여주는 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 11c는 일 실시형태에 따른 것으로, 고상 적층 제조에 의해 적층된 Ti-6Al-4V의 기계적 강도 및 % 연신율을 동일한 재료에 대한 ASM 데이터와 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 일 실시형태에 따른 것으로, 고상 적층 제조 공정 전(도 12a) 및 후(도 12b)의 스테인레스강 316L의 미세 조직을 보여주는 현미경 이미지이다.
도 13a 및 도 13b는 일 실시형태에 따른 것으로, 고상 적층 제조 공정 전(도 13a) 및 후(도 13b)의 알루미늄 합금 Al2139의 미세 조직을 보여주는 현미경 이미지이다.
도 14a 및 도 14b는 일 실시형태에 따른 것으로, 고상 적층 제조 시스템으로 비유사 재료로 제조된 2개의 구조체들 간의 접합 공정을 보여주는 선도이다. 2개의 구조체들 사이의 접합부는 밀봉제로서 작용하는 충전재(도 14a)로 채워지거나, 또는 구조체들 사이에 생성된 접착의 추가적인 강화를 위한 강화 입자와 충전재로 채워진다(도 14b).
도 14c는 일 실시형태에 따른 것으로, Al 기판 상에 다공성 Al 발포체를 고상 적층법으로 접합시킨 것을 보여주는 사진이다.
도 15a는 일 실시형태에 따른 것으로, 균열이 있는 유결함 관형 구조체를 본 발명의 고상 적층 제조 시스템으로 배킹 플레이트를 사용하여 수리하는 공정을 보여주는 개략적인 선도이다.
도 15b는 일 실시형태에 따른 것으로, 헬리콥터 변속기 기어박스의 고상 적층법 수리를 보여주는, 즉 MgAz91 재료의 비융착 용접 가능 특성으로 인해 이전에는 수리할 수 없는 것으로 여겨졌던 파단된 리브가 동일한 주조 MgAz91 재료를 사용하여 수리되고 있는 것을 보여주는, 한 세트의 사진이다.
도 15c는 일 실시형태에 따른 것으로, 제트 전투기 미사일 레일 발사기의 고상 적층법 수리를 보여주는, 즉 위치 및 Al7075 재료로 인해 이전에는 수리할 수 없는 것으로 여겨졌던 마모된 브래킷 하부를 브래킷 상부와 동일한 재료로 프린팅하여 고상 적층 제조법으로 수리된 것을 보여주는, 한 세트의 사진이다.
도 15d는 일 실시형태에 따른 것으로, 원래의 고유 재료(니켈 알루미늄 황동(NAB: Nickel Aluminum Bronze))을 사용하여 심하게 움푹 파이고 부식된 프로펠러의 고상 적층법 수리를 보여주는 한 세트의 사진이다. 적층된 완전히 밀집된 NAB 층들은 다공성 및 공극을 없애서, 표면에 부식이 재발하는 것을 더욱더 방지한다.
이제부터는 본 발명의 다양한 예시적인 실시형태들을 상세하게 참조할 것이다. 예시적인 실시형태들에 대한 다음의 논의는 본 발명에 대한 제한으로서 의도된 것이 아님을 이해해야 한다. 오히려, 다음의 논의는 독자에게 본 발명의 특정 양태들과 특징들을 더 자세히 이해할 수 있게 해주기 위해 제공된다.
본 발명은 고상 적층 제조 시스템과, 그 개시된 시스템에 의해 수행되는 관련된 고상 열-기계적 공정에 관한 것이다. 또한, 본원에 개시된 시스템에 의해 생성된 재료, 조성물, 및 구조가 제공된다. 본 발명은 현장 MMC 또는 기타 복합물의 부분 제조, 코팅, 접합, 표면 개질, 기능화, 수리, 및 형성을 위하여 다양한 재료, 첨가제, 및 강화 입자를, 이러한 공정을 수행하는 고상 적층 제조 시스템을 사용하여, 피가공물에 적층시키는 것에 관한 것이다. 본 발명의 실시형태들의 고상 적층 제조 시스템은 기계, 급송 유닛, 스핀들 시스템, 공구 홀더, 및 공구를 포함한다. 추가 시스템 부품들과 부속품들도 또한 개시된다.
본 발명의 실시형태들의 고상 적층 제조 공작기계는, 코팅 재료를 기판의 재료에 적용되고, 부착되고, 적층되고, 그리고/또는 그 기판 재료와 상호 혼합될 수 있게 하여 기판 상에 코팅을 형성하는 공정 동안에, 적층되는 재료 및/또는 기판 재료의 마찰 가열, 압축 장입, 및/또는 기계적 교반을 부여할 수 있는 구성을 포함한다. 아래에서 상세히 논의되는 바와 같이, 실시형태들은 때때로 사용되는 적용 분야에 향상된 결과를 제공하는 동일하거나 상이한 코팅을 사용할 수 있게 한다.
본 출원에 제공된 예들과 설명에서 다양한 변형이 이루어질 수 있으며 그 변형은 또한 본 발명의 범위 내에 있도록 의도되어 있다는 것을 주지해야 한다. 예를 들어, 설명된 방법들은 설명된 방법 단계들 중 하나 이상의 단계를 임의의 순서로 사용하여 실시될 수 있다. 또한, 한 방법의 방법 단계들은 설명된 다른 방법들의 단계들 및/또는 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자(당업자)에게 공지된 방법 단계들과 상호 교환 및/또는 조합될 수 있다. 마찬가지로, 본 출원에 설명된 특정 공작기계(tooling)를 위한 특징들 및 구성들은 생략될 수 있고, 상호 교환될 수 있고, 그리고/또는 당업자에게 설명되거나 알려진 다른 특징들과 조합될 수 있다. 더욱이, 이러한 공작기계의 특정 세부 사항은 공작기계 자체 대신에 방법 단계들을 수행하는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 출원에 설명된 방법들의 특정 단계들을 수행하거나 특정 결과를 얻기 위한 공구도 또한 본 발명의 범위에 포함된다.
아주 일반적으로, 실시형태들은 기판 상에 재료(들)를 마찰 기반으로 적층시키기 위한 고상 적층 제조 시스템 및 공정에 관한 것이다. 이러한 공정은 기판 상에 표면층을 형성함으로써, 예를 들어, 기판에 대해 코팅 재료를 마찰 가열하고 압축 장입하는 것을 이용하여 기판 상에 코팅을 적층시킴으로써, 피가공물(기판, 부품)에 재료를 도포하는 단계를 포함하는데, 여기서 공구는 마찰 가열 및 압축 장입 동안 코팅 재료를 지지하고 적층물의 표면을 형성하고 전단시키도록 작동 가능하게 구성된다.
이러한 공정을 수행하기 위한 고상 적층 제조 공작기계는, 소모성 코팅 재료가 목부, 넥, 중앙, 내부, 또는 공구의 양단을 관통해서 배치된 관통공이라고 칭해질 수 있는 비소모성 부재의 내부 부분을 통해 공급되거나 아니면 그 내부 부분을 통해 배치될 수 있게, 설계 또는 구성되는 것이 바람직하다. 공구의 이 영역은 비원형 관통공 모양으로 구성할 수 있다.
공구를 위한 다양한 내부 기하 형태가 가능하다. 비원형 기하 형태의 경우, 소모성 충전재는 공구 목부의 표면에서 공구에 의해 공급 원료에 대해 가해지는 수직력으로 인해 공구의 비소모성 부분과 동일한 각속도로 회전하도록 강제되거나 회전하게 된다. 이러한 기하 형태는 예를 들면 정사각 관통공 및 타원형 관통공을 포함한다. 공구의 목부의 내부 표면에 의해 충전재의 표면에 오로지 접선력만 가해질 것으로 예상되는 구성에서, 공급 원료는 공구와 동일한 각속도로 회전되지 않을 것이다. 분리되거나 느슨하게 부착된 공급 원료와 조합된 공구 단면의 원형 기하 형태는 적층 재료와 공구가 동일하거나 상이한 속도로 회전하는 결과를 일으킬 것으로 예상된다.
소모성 재료의 형태는 고형 봉, 분말, 분말로 채워진 고체 튜브, 스크랩 조각, 와이어, 펠릿, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 형태 또는 형상일 수 있다. 예를 들어, 코팅 재료는 기판 표면을 고정된 거리로 가로지르는 병진 이동과 조합된 하향 마찰력을 사용하여 기판 상에 적층시킬 수 있다. 충전재는 공구의 회전(그리고 결과적으로 공급 재료의 회전)을 이용하고 병진 운동과 같은 공구와 기판 사이의 기타 상대 운동을 이용하여 비소모성 공구의 목부를 통해 기판의 표면을 향하여 압송되어 그 표면에 적층됨으로써 소비된다. 하향력은 예를 들어 공구의 목부를 통해 재료를 당기거나 밀어냄으로써 충전재 봉에 가해질 수 있다. 바람직한 방법은 작동기를 사용하여 봉을 기판의 표면을 향해 밀어내는 것이다. 도시된 바와 같이, 비원형 관통공 및 이에 대응하는 형상의 충전재를 사용하는 것은 공구 내의 재료를 공구와 동일한 각속도로 회전하도록 강제하는 방식의 한 예일 수 있다. 특정의 적용에서는 충전재의 회전 운동이 요구될 수 있고, 충전재와 공구의 비소모성 부분의 내부 기하 형태 사이의 회전 운동은 사용 중에 겪지 않게 된다는 것을 알아냈다. 또한, 충전재를 원하는 시간 동안 기판을 향해 반연속적 또는 연속적으로 공급할 수 있도록 충전재를 공구를 통해 길이 방향으로 자유롭게 이동하도록 작동 가능하게 구성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 양태는 기판 상에 표면층을 형성하는 방법, 예컨대 유결함 표면 또는 유결함 물체를 수리하는 방법, 더 두꺼운 두께의 기판을 얻기 위해 표면을 쌓는 방법, 부품에 맞춤형 또는 사전 제작된 특징부를 추가하는 방법, 둘 이상의 부품들을 접합하는 방법, 또는 기판의 표면의 구멍을 채우는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 방법은 본 출원에 기술된 공작기계로 기판 상에 재료를 적층시키는 것과; 선택적으로, 예를 들어, 적층되는 재료를 기판의 재료와 결합시켜서 보다 균일한 적층-기판 계면을 형성하기 위한 기계적 수단을 포함하여, 적층되는 재료를 마찰 교반하는 것을 포함할 수 있다. 적층과 교반은 그 사이에 소정 길이의 시간이 있거나 없거나 간에 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다. 적층과 교반은 동일하거나 상이할 수 있는 단일 또는 별도의 공구로 수행될 수 있다.
고상 적층 제조 시스템의 실시형태들은, 충전재를 국소 영역에 또는 소정의 경로를 따라 배치하거나 또는 충전재를 전체 기판 또는 구조체에 대해 코팅으로서 배치하는 다양한 고상 적층 제조 공정을 수행할 수 있다. 개시된 고상 적층 제조 시스템의 다양성은, 마찰력 및 기타 힘, 마찰 가열, 및 기판 상으로의 충전재의 압축 장입을 이용하여, 기판의 표면을 구축, 수리, 전유 조성 합성(compound proprietary composition), 코팅, 또는 표면 개질할 수 있게 한다.
특정 방법은 마찰 교반, 마찰 가열, 및 기판에 대한 적층 재료의 압축 장입을 이용하여 기판 상에 재료를 적층시키는 것을 포함하고, 이에 의해 공구는 마찰 가열 및 압축 장입 동안 적층 재료를 지지하며, 적층물의 표면을 형성하고 전단시키도록 작동 가능하게 구성된다.
일부 실시형태들에서 공작기계는 전단 표면을 포함한다. 이 표면은 적층되는 적층 재료의 표면을 전단시켜 기판의 새로운 표면을 형성하는 데 사용된다. 전단 표면은, 예를 몇 가지만 들자면 칼라, 스핀들, 앤빌, 원통형 공구, 견부, 장비, 회전 공구, 전단 공구, 회전 공구, 교반 공구, 공구의 기하 형태, 또는 나사 형성 테이퍼형 공구를 포함하는 공작기계를 얻는 것을 포함한, 다양한 방식으로 공구에 통합될 수 있다. 전단 표면은 그의 기능에 의해, 예를 들어, 트랩핑(trapping)될 수 있거나, 압축될 수 있거나, 압착될 수 있거나, 또는 이와 달리 적어도 하향력을 기판 상의 적층된 코팅 재료 상에 그리고 그 코팅 재료를 통해 기판으로 가할 수 있는 공구의 표면(들)에 의해 더 완전하게 정의된다.
고상 적층 제조 시스템
본 발명의 일 실시형태는 도 1a에 제시된 바와 같은 고상 적층 제조 시스템을 제공한다. 실시형태들에 따르면, 도 1a의 시스템은 급송 유닛(101), 스핀들(102), 공구(103), 충전재(공급 원료)를 위한 통로(목부)(104), 피가공물(105), 가스 공급부(106), 외부 에너지원(예를 들어, 진동 발생원, 전기장 발생원, 자기장 발생원, UV 광원, 열원, 초음파 발생원 등, 또는 이들의 조합)(107), 배킹 플레이트(선택적임)(108), 플랫폼(가공물용 지지 테이블)(109), 온도, 압력, 토크, 병진 속도 및 각속도, 길이 등을 위한 다수의 센서(110), 구속부(111), 환경 챔버(112), 하나 이상의 전력 공급 장치(113), 다수의 모터(114), 다수의 제어 유닛(115), 다수의 모니터링 유닛(예를 들어, 카메라)(116), 하나 이상의 열교환기(117), 다수의 구동 유닛(118), 및 충전재(공급 원료)(119)를 포함하지만, 제공되는 구성 컴포넌트들로 제한되지는 않는다.
실시형태들에 따르면, 급송 유닛(101)은 소모성 충전재를 비소모성 공구(103)를 통해 기판 상에 분배할 수 있다. 마찰 기반 제조 공구(103)는 마찰 가열 및 압축 하중을 받을 때 변형에 저항할 수 있는 재료로 형성된 비소모성 본체와, 이 본체를 관통하여 길이 방향으로 통로를 형성하는 목부(104)를 포함하고, 상기 목부는 상기 본체가 회전하는 중에 당해 목부 내의 재료에 힘을 가하는 수단을 포함한다.
본 발명의 특정 실시형태들은 플랫폼(109), 공정 제어 소프트웨어(115), 모터(114), 및 가변 주파수 드라이브(118)를 포함하는 기계를 포함하며, 상기 플랫폼은 급송 유닛(101), 공구(103), 스핀들(102), 공정 제어 소프트웨어(115), 모터(114) 및 가변 주파수 드라이브(118)의 캐리어이며, 공정 제어 소프트웨어(115)는 공구 회전 속도 및 기판 이동 속도를 제어하며, 모터는 스핀들(102)을 통해 공구(103)를 작동시키며, 가변 주파수 드라이브(118)는 모터(114) 및 스핀들(102)을 통해 공구 회전 속도를 제어한다. 소프트웨어는 본원에 기술된 시스템의 임의의 하나 이상의 부분을 제어하기 위한, 그리고/또는 본원에 기술된 임의의 하나 이상의 방법 단계를 수행하기 위한, 그리고/또는 본원에 기술된 기능 및/또는 특징부를 갖는 임의의 하나 이상의 제품을 생성하기 위한, 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함할 수 있다.
도 1b는 예컨대 스핀들(102); 공구(103); 피가공물(105); 및 x축, y축 및 z축 각각을 중심으로 한 추가 이동 a, b, 및 c를 제공하는 하나, 둘, 또는 그 이상의 보조 A-축(118)과 함께 피가공물(109)을 지지하는 플랫폼(기부)과 같은 특정 시스템 컴포넌트들의 가능한 이동 및 회전을 도시하고 있다. 고상 적층 제조 시스템은, x축, y축, z축, u축, v축, a축, b축, c축 및 이들의 일부 또는 모두의 조합을 비제한적인 일 예로만 사용하여, 당업계에 알려진 수직 밀의 전형적인 CNC 축을 가로질러 병진 이동하는 다양한 고상 적층 제조 공정을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 피가공물(105) 플랫폼(기부(109))은 x 방향, y 방향, 및 z 방향으로 이동할 수 있고, 스핀들(102)과 공구(103)는 피가공물 플랫폼의 이동을 위한 축과 동일하거나 상이한 축일 수 있는 u축과 v축에서 독립적으로 움직일 수 있다(예를 들어, 도 1b 참조). 예를 들어, 도 1b에서, u축 및 v축은 위에서 보았을 때 스핀들 및/또는 공구 이동에 대응하고, x축, y축, 및 z축은 위에서 보았을 때 피가공물 및/또는 피가공물 플랫폼의 이동에 대응한다. 보조 A축 부분은 피가공물에 추가 이동을, 특히 x축, y축, 및 z축 각각을 중심으로 한 a, b, 및 c 회전을 추가한다. 다수의 A축 부분(118)(예를 들어, A1, A2)은 피가공물의 독립적 인 회전(a1, a2, b1, b2, c1, 및 c2)을 제공할 수 있다.
본 발명의 특정 실시형태들은 연속 고형(봉형) 충전재를 위한 급송 유닛을 포함한다(도 2a). 도 2a는 연속적인 고체(예를 들어, 봉형) 충전재를 위한, 급송 유닛(201), 스핀들(202), 및 작동 통로(204)를 갖는 공구(203)와 피가공물(205)의 단면도의 개략도이다. 기타 시스템 컴포넌트들, 예컨대 모터들(214), 스핀들용 구동 풀리들(218), 봉형 충전재(219), 부동(비구동)하는 보조 스핀들(223), 하부 스핀들(224), 공구 유지기(225), 가압판(226)도 또한 제시된다.
본 발명의 특정 실시형태들은 불연속 고형(봉형) 충전재를 위한 급송 유닛을 포함한다. 도 2b는 불연속 고체(예를 들어, 봉형) 충전재를 위한, 스핀들(202) 및 작동 통로(204)를 갖는 공구(203)와 피가공물(205)의 단면도를 포함한다. 기타 시스템 컴포넌트들, 예컨대 모터들(214), 스핀들용 구동 풀리들(218), 봉형 충전재(219), 작동기-하향력 드라이버(220), 푸시로드(221), 베어링(222)을 갖춘 고체 급송 푸시로드 및 작동기 스탠드, 부동(비구동)하는 보조 스핀들(223), 하부 스핀들(224), 공구 유지기(225), 가압판(226)도 또한 제시된다.
본 발명의 특정 실시형태들은 분말형 또는 펠릿형 충전재를 위한 급송 유닛을 포함한다(도 2c). 도 2b는 분말형 또는 펠릿형 충전재를 위한, 급송 유닛(201), 스핀들(202), 및 작동 통로(204)를 갖는 공구(203)와 피가공물(205)의 단면도를 포함한다. 기타 시스템 컴포넌트들, 예컨대 모터들(214), 스핀들용 구동 풀리들(218), 부동(비구동)하는 보조 스핀들(223), 하부 스핀들(224), 공구 유지기(225), 가압판(226), 측방향 전달 시스템(227), 혼합 다운튜브(228), 오거 구동 기구(229), 오거 어셈블리(230), 및 액체 첨가제(예를 들어, 윤활제, 촉매 등)를 위한 선택적 주입 포트들(231)도 또한 제시된다.
급송 유닛은 작동기(220), 푸시로드(221), 2개의 가이드 로드, 및 크로스 부재를 포함하고, 여기서 작동기는 공급 원료를 푸시로드를 통해 기판 상으로 누르는 하향력을 생성하며, 가이드 로드와 크로스 부재는 푸시로드를 안정화시키기 위한 것이다. 또한, 실시형태는 고형(봉) 충전재용 스핀들 하우징(도 2a 및 도 2b) 및 분말형 또는 펠릿형 충전재용 스핀들 하우징(도 2c)을 포함하고, 상기 스핀들 하우징은 베어링, 오일러 시스템 스핀들, 및 중심의 구멍을 포함하고, 상기 베어링은 스핀들(202)을 회전할 수 있게 하고, 상기 스핀들(202)은 공구(203)를 공구 홀더(225)를 통해 회전하도록 구동시키며, 상기 중심의 구멍은 공급 원료가 스핀들을 통과할 수 있게 한다.
또 다른 실시형태에서, 충전재에 첨가제(윤활제, 안정화제, 촉매, 개시제, 및 기타)를 첨가하기 위해 주입 포트들(231)이 급송 유닛 주위(예를 들어, 도 2c의 호퍼들 주위)에 설치된다.
다른 실시형태에서, 급송 시스템은 특정 산업 또는 응용 분야에서 무시되는 스크랩 조각 - 이 스크랩 조각들은 크기 및 형상이 상이하다 - 을 수용할 수 있다.
특정 실시형태들은 목부가 있는 공구 홀더(225)를 포함한다. 공구 홀더는 공구를 유지시키고 회전시킬 수 있으며, 목부는 공급 원료가 그를 통과할 수 있게 한다.
다른 실시형태는 하나 또는 다수의 공구를 교환할 수 있는 공구 교환기(도시되지 않음)를 포함하며; 이의 특정 예는 동일한 유형의 마모된 공구를 교체하기 위해 동일한 공구로 교환하는 것을 포함하거나, 또는 다른 예는 적층 공정 동안 적층되는 층에 상이한 기능을 부여하기 위한 목적을 가지고 다른 공구로 교환하는 것이다. 실시형태들에서, 공구 교환기는 선택적이고, 예를 들어, 배율이 다른 렌즈를 선택하여 작업 위치로 움직이거나 회전시킬 수 있는 현미경의 비틀림 헤드(twisting head)와 유사하게 구성될 수 있는데, 예를 들어, 공구 교환기는 휴면 위치에 배치된(예를 들어, 사용 대기) 다양한 공구를 포함할 수 있고, 선택된 공구를 활동 위치(예를 들어, 공구가 적극적으로 사용될 수 있는 위치)에 자동 또는 수동으로 위치시키는 기구를 포함할 수 있다. 다른 예는 트랙 두께 및 폭, 적층된 재료의 조성 및 구조 등에 영향을 미치는 적층 공정 동안 구현될 다양한 공구 기하 형태 및 공구 목부 디자인을 갖는 공구를 교환하는 것을 포함한다.
특정 실시형태들은 또한 본체 및 목부를 갖는 비소모성 부재를 포함하는 공구(203)를 포함하고; 상기 목부는, 상기 본체가 코팅 재료의 마찰 가열을 기판에 대해 부과하기에 충분한 속도로 회전될 때에 그 본체로부터의 코팅 재료에 회전을 부여하기 위해 목부 안에 배치된 소모성 코팅 재료에 마찰력 및 기타 힘들을 가하도록 한 형상으로 형성되고; 상기 본체는, 적층 재료를 목부로부터 기판으로 분배 및 압축 장입하기 위한 수단 및 상기 본체를 기판에 대해 회전 및 병진 이동시키는 수단과 작동 가능하게 연결되고; 상기 본체는 해당 본체와 상기 기판 사이의 체적부 내의 상기 기판 상에 장입된 적층 재료를 포획하고 상기 기판 상의 적층물의 표면을 형성 및 전단시키기 위한 표면을 포함한다.
일부 실시형태들에서, 스핀들(302)은 스핀들 통로(304A)를 포함하고, 공구(303)는 서로 작동 가능하게 연통하는 공구 통로(304B)를 포함한다(도 3a). 충전재(319)는 스핀들 통로(304A)를 통해 공급된다. 다른 실시형태들에서, 스핀들(302)의 주 통로(304A) 내의 충전재에 첨가제(윤활제, 안정화제, 촉매, 개시제, 및 기타)를 첨가하기 위해 하나 이상의 주입 포트(도시되지 않음)가 설치된다.
일부 실시형태들에 따르면, 공구 소재는 공구강, W계 재료, WC계 재료, WRe-HfC 재료, W-La 재료, 및 PCBN 재료일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
또 다른 실시형태에서, 비회전 공구 본체(303)는 내부 통로를 갖춘 하나 이상의 주입 포트(331)를 포함하고, 상기 내부 통로는 주 충전재에 윤활제, 가교제, 개시제, 촉매, 안정화제 등과 같은 첨가제가 공급되도록 하기 위해 상기 주입 포트(들)를 공구의 주 목부(304B)에 연결한다(도 3b).
일부 실시형태들에서, 공구(303)는, 공구의 주변 측면에 위치되며 적층 공정 동안 플래싱되는 "추가" 재료를 절단하는 데 사용되는 공구 절단기(332)와 같은 특정 부속품을 구비한다(도 3b).
또한, 일부 실시형태들에서, 목부(304C)를 갖는 핀(334)이 공구 견부로부터 연장되며, 상기 핀 목부(304C)는 공구 목부(304B)와 작동 가능하게 연통한다(도 3c). 모든 실시형태에서 핀(334)은 고상 적층 제조법 적층 제조 시스템의 선택적 컴포넌트이다. 핀(334)은 피가공물의 표면 영역과 충전재의 더 나은 교반을 가능하게 한다. 특정 실시형태들에서, 중공 핀은 상이한 재료들 또는 부품들의 더 나은 접합에 기여할 수 있으며, 핀 목부로부터 공급된 충전재는 밀봉재로 작용한다.
일부 실시형태들에서, 피가공물을 향하는 공구 견부는 공구 재료와 동일하거나 상이한 재료로 만들어진 적어도 하나의 너브(333)를 포함한다(도 3c).
일부 실시형태들에서, 공구 견부 상의 기하학적 구조체는, 적층된 재료의 기계적 교반을 향상시키기 위해 다양한 형상을 가지며 공구 견부의 다양한 위치에 위치된 너브들일 수 있다.
일부 실시형태들에서, 공구 견부는 공구 통로(304B)(도 3c)와 작동 가능하게 연통하는 통로(304C)를 갖는 핀(334) 안으로 연장될 수 있으며, 이는 상이한 재료들이 강도 높은 교반 및/또는 접합을 필요로 할 때 특히 유용하다.
또 다른 실시형태에서, 너브(333A)는 교체 가능하다(도 3d). 교체 가능한 너브는, 특정 마모를 겪을 후에 전체 공구가 아닌 그 너브만 교체해도 되게 하므로 공구 수명을 상당히 연장시킨다. 더욱이, 너브는 공구 재료보다 더 강하고 더 비싼 재료, 예를 들어 다이아몬드 또는 사파이어 또는 PCNB 또는 W-Rh-Hf 또는 Ti로 만들어질 수 있으므로, 덜 비싸지만 극한 마모 교반 조건을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강한 공구가 제공된다.
일부 실시형태들에서, 공구의 기하 형태는 편평하거나 볼록하거나 오목한 형상 또는 임의의 다른 형상을 갖는 견부에 따라 변한다. 다양한 형상의 공구의 단면의 일부 예가 도 3e 내지 도 3k에 제공되지만 이에 제한되지는 않는다.
실시형태들에서, 공구 본체는 내부 통로를 포함할 수 있다. 내부 통로는, 상이한 공구 견부들(303A)의 저면도를 통해 도시된 바와 같은, 정사각형, 원형, 타원형, 직사각형, 별형, 육각형, 또는 임의의 다른 단면 형상(도 3l 내지 도 3r) 등의 다양한 단면 형상(304B)을 가질 수 있다.
또한, 특정 실시형태들에서, 견부의 표면 특징부들 외에도, 다양한 형상 및 크기를 갖는 너브들(333)이 공구 견부(303A) 상의 상이한 위치들에 배치된다(도 3s 내지 도 3v). 이들 도면은 또한 다양한 통로 단면(304B)을 갖는 공구 견부(303A)를 도시하고 있다.
또 다른 실시형태들(도 3w 내지 도 3y)에서, 공구 견부(303A)는 특정 통로 단면(304B), 선택적 너브(333), 및 상이한 견부 특징부(303B)를 가질 수 있다. 표면 특징부(나선형, 프로펠러형 특징부 등)는 재료 변위 효율 및 그 아래에서의 교반을 증가시킬 수 있다.
다른 실시형태에서, 핀이 사용되는 경우, 공구는 테이퍼형 견부 및/또는 테이퍼형 중공 핀을 포함한다. 도 3z 내지 도 3ab는 테이퍼형 공구 견부 기하 형태(303C)를 갖는 공구(303)의 단면의 개략도이다. 도 3ac 내지 도 3ad는 테이퍼형 표면(334C)을 갖는 선택적 중공 핀을 갖춘 공구(303)의 단면의 개략도이다. 테이퍼형 견부 및/또는 핀(사용되는 경우)은 피가공물의 표면 영역에서 충전재와 더 잘 교반할 수 있다. 견부 및 핀(사용된 경우) 상의 테이퍼형 영역은 동일하거나 다양한 형상 및 크기의 특징부로 채워질 수 있다.
실시형태들에서, 공구 통로와 연통하는 스핀들의 통로는 급송 부분으로부터 스핀들과 공구를 통해 나아감에 따라 단면 형상 및 크기가 변화되게 할 수 있다. 도 3ae 내지 도 3af는 공구 통로(304B)가 단면 형상 및/또는 크기를 변화되게 하는 공구(303)의 단면의 개략도이다. 스핀들 또는 공구의 내부 통로는 발산 또는 수렴할 수 있으며, 동일한 방향 또는 반대 방향으로 발산 또는 수렴할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 스핀들 및/또는 공구는 충전재를 공급하기 위한 다수의 통로를 가질 수 있다. 도 3ag는 피가공물 표면 상에 분말 또는 펠릿 충전재를 전달하기 위해 공구 통로(304B)가 다수의 통로로 분할되는 공구(303)의 단면의 개략도이다.
도 3ah는 피가공물 표면 상에 분말 또는 펠릿 충전재를 전달하기 위해 공구 통로(304C)가 다수의 통로로 분할되는, 핀(304)을 갖춘 공구(303)의 단면의 개략도이다.
도 3ai 내지 도 3aj는 다수의 통로(304B)를 갖는 공구(303)의 단면의 개략도이다.
도 3ak 내지 도 3am은 다수의 통로(304B)와 선택적인 너브들(333)을 갖는 공구 견부(303A)의 저면도이다.
공구는 예를 들어 충전재가 피가공물 표면 상의 넓은 영역을 커버할 수 있도록 공구 통로의 단부를 향하여 2개 이상의 개구로 분기되는 통로를 포함할 수 있다(도 3ag 내지 도 3ah).
공구 견부에는 다수의 통로 외에도 움직이지 않거나 또는 교체 가능한 너브들이 포함될 수 있다. 통로는 임의의 단면 형상을 가질 수 있으며, 그 통로들 중 일부는 도 3l 내지 도 3r에 제시된 바와 같다. 다수의 통로의 경우에서, 도 3ak 내지 도 3am에 도시된 원형 단면은 단지 예로서만 제시되는 것이다.
일부 실시형태들에서, 환경 "챔버 또는 쉴드"(112)는 시스템의 융통성 있는 부분이다. 제어된 분위기에서의 적층이 필요할 때 유용한 피가공물, 공구, 및 스핀들 주위에 공간 인클로저를 제공한다. 특정 예에서, 밀폐된 환경에서의 가스 공급은 공기(산소)에 민감한 재료를 적층할 수 있으므로, 적층 동안 재료의 산화를 피한다. 다른 예에서, 밀폐된 공간은 충전재와 함께 적층된 재료의 최종 조성 및/또는 구조에 기여하는 특정 가스 환경을 제공한다. 이러한 방식에서, 금속 질화물이 질소 환경에서 금속 및 금속 합금으로부터 증착될 수 있거나, 또는 충전재를 증착하는 동안 공기 또는 가스를 취입시킴으로써 Al-발포체 및 중합체 발포체와 같은 다공성 구조체가 가능하다.
충전재
특정 실시형태들에서, 충전재 및 기판은 각각, 금속 재료, 금속 매트릭스 복합재(MMC), 중합체, 세라믹, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 테프론형 중합체, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리아미드(나일론), 스티렌, 엔지니어링 플라스틱(PSU, PEI, PEEK, PEAK)과 같은 플라스틱 조성물, 또는 강, Al, Ni, Cr, Cu, Co, Au, Ag, Mg, Cd, Pb, Pt, Ti, Zn, Fe, Nb, Ta, Mo, W, 또는 이들 금속 중 하나 이상이 구성된 합금으로부터 독립적으로 선택된 금속을 포함할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 충전재(119)는 봉, 분말, 펠릿, 분말 충전 튜브, 와이어, 또는 스크랩 조각, 또는 이들의 임의의 조합이다.
실시형태들에서, 충전재는 미세 입자 및 나노 입자, 섬유, 다중 벽 또는 단일 벽 탄소 나노 튜브(MW-CNT 및/또는 SW-CNT), 기본 재료의 특성을 향상시키기 위해 중합체 또는 금속에 추가되는 기타의 형태의 강화재일 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 충전재는 윤활제, 안정화제, 개시제, 촉매, 가교제 등과 같은 특정 첨가제와 함께 기본 매트릭스, 금속 또는 중합체, 금속 합금, 중합체 블렌드, 또는 복합물을 포함하는 조성물이다.
공구 본체의 회전 동안 목부 내의 재료에 다양한 힘을 생성하기 위한 수단은 비원형 단면 형상을 갖는 목부일 수 있다. 또한, 소모성 고체, 분말, 펠릿, 또는 분말 충전 튜브형 적층 재료를 포함하는 임의의 충전재가 적층 재료로서 사용될 수 있다. 분말형 적층 재료의 경우, 분말은 공구의 내부 목부 내에 느슨하게 또는 단단히 포장되며, 이 때 기밀 포장된 분말 충전재에 힘이 더 효과적으로 작용한다. 분말 충전재의 포장은 적층 공정 전 또는 동안에 달성된다.
일부 실시형태들에서, 공구와 적층 재료는 기판에 대해 회전하는 것이 바람직하다. 공구는 적층 재료에 부착될 수 있고, 선택적으로는, 적층되는 재료 상에 공구를 재배치 할 수 있게 하는 방식으로 부착될 수 있다. 이러한 실시형태들은 사용 동안 적층 재료와 공구 사이의 회전 속도 차이가 없도록 구성될 수 있다. 적층 재료와 공구는, 대안적으로, 적층 재료의 공구의 목부를 통한 연속 또는 반연속 공급 또는 적층이 이루어지게 부착될 수 없다. 이러한 설계에서, 사용하는 중에, 적층 동안의 적층 재료와 공구 사이에 회전 속도의 차이가 있을 수 있다. 유사하게, 실시형태들은 적층 재료가 공구에 독립적으로 또는 의존적으로 회전되게 하는 구성을 제공한다.
바람직하게는, 적층 재료는 공구의 목부를 통해 전달되고, 선택적으로는, 적층되는 재료를 목부를 통해 당기거나 밀어냄으로써 전달된다. 실시형태들에서, 적층 재료는 외부 표면을 가지고, 공구는 내부 표면을 가지며, 상기 외부 표면과 및 상기 내부 표면은 키 및 잠금 타입 맞춤이 이루어지게 상보적이다. 선택적으로, 공구의 목부와 적층 재료는 길이 방향으로 미끄럼 결합할 수 있다. 또한, 공구의 목부는 내경을 가질 수 있고 적층 재료는 상기 내경과 동심인 원통형 봉일 수 있다. 또한, 공구는 내부 표면을 갖는 목부를 구비할 수 있고, 적층 재료는 외부 표면을 가질 수 있으며, 이 표면들은 공구로부터의 코팅 재료에 회전 속도를 제공할 수 있도록 맞물리거나 연동될 수 있다. 바람직한 실시형태들에서, 적층 재료는 공구의 목부 내로 및/또는 그 목부를 통해 연속적 또는 반연속적으로 공급되고/되거나 전달된다. 기판의 새로운 표면을 형성하기 위한 임의의 적층 재료의 전단은 기판 상에 임의의 산화물 장벽 코팅을 분산시키는 방식으로 수행되는 것이 바람직하다.
고상 적층 3D 프린팅
일부 실시형태들에서, 개시된 고상 적층 제조 시스템은 3D 부품을 구축(3D 인쇄)할 수 있다. 도 4a는 충전재(419)를 피가공물(405) 상에 적층시켜서 결과적으로 적층된 층(435)을 생성하는 공정의 개략도이다. 고상 적층 제조 공정, 예컨대 3D 프린팅, 코팅, 접합, 수리, 및 현장 표면 기능화는 고상 적층 제조 시스템으로 가능하다. 공정 중에 하나 이상의 외부 에너지원(407), 예컨대 전기장 발생원, 자기장 발생원, 진동 발생원, 열원, UV 광원 등을 사용하는 것은 선택 사항이다.
고상 적층 제조법으로 프린팅된 물체의 몇 가지 예가 도 4b 내지 도 4g에 있다.
실시형태들에서, 고상 적층 제조 시스템에 의해 3D 적층으로 형성된 부품은, 예를 들어 높은 기계적 특성을 갖는 이방성 입자로 도핑된 충전재를 적층시킴으로써 성취된, 이방성 기계적 특성을 보인다. 이러한 충전재의 우선적 적층 및/또는 외부 에너지원(407)의 적용에 의해, 도펀트 입자들의 우선 방위가 가능해져서 이방성 기계적 특성을 갖는 부품의 산출이 가능하다.
실시형태들에서, 고상 적층 제조 적층 공정은 다른 제조 공정들과 조합하여 최종 단계 또는 시작 단계 또는 중간 단계로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 플라스틱 부품은 다른 공정, 예를 들어 사출 성형에 의해 생성되고, 그 다음, 부품을 코팅, 예를 들어 전도성 코팅을 하기 위해서나 또는 단순히 플라스틱 부품의 표면 개질을 일으키기 위한 고상 적층 제조 공정을 거치게 된다.
실시형태들에서, 고상 적층 제조 시스템은 수많은 재료의 다양한 3D 구조체(부품)의 적층에 적합하다. 일부 실시형태들에서, 이러한 부품들은 전도성 재료 또는 절연 재료로 만들어질 수 있다. 사용되는 전도성 재료는 본질적으로 전도성 재료일 수 있거나, 전도성 입자로 도핑된 절연 재료 또는 반도체 재료일 수 있다. 또 다른 실시형태들에서, 전도성 부품은 이방성 전도성을 나타내도록, 즉 특정 방향에서 향상된 전도성을 나타내는 반면에 다른 두 방향의 전도성은 훨씬 낮도록, 제조될 수 있다. 이는 절연 또는 반전도성 충전재에서 종횡비가 높은 전도성 도펀트를 사용하고 적층 공정 동안 충전재의 우선 방위를 사용함으로써 가능하다.
다른 실시형태들에서, 고강 적층 제조 시스템은 피가공물에 맞춤화 특징을 추가하거나 미리 만들어진 특징 또는 강화 구조 또는 다른 기능적 특징부를 부착시킬 수 있다. 구체적인 예에는 고압 용기와 같이 튜브형 피가공물에 미리 형성된 링을 부착하거나 부품에 플랜지를 추가하는 것이 포함된다.
고상 적층 코팅 및 표면 복합물
특정 실시형태들에서, 고상 적층 제조 시스템은 표면 기능화, 표면 보호, 표면 코팅, 및/또는 클래딩에 사용된다. 피가공물 상에 특정 충전재(들)를 사용하고 피가공물(기판, 부품)에 우수한 화학적(야금학적) 접착을 제공하는 코팅의 고상 적층 제조법의 적층은 피가공물 표면의 기능화 또는 보호를 목적으로 수행된다(도 5a 내지 도 5e). 단지 예로서, 피가공물 표면 상에 적층된 코팅은 항균 코팅, 내식성 코팅, 스크래치 방지 코팅, 난연성 코팅, 내구성 코팅, 마모 방지 코팅, 전기 절연 코팅, 전기 전도성 코팅, 자기 코팅, 높은 내탄도성 코팅, 현저한 부서짐 방지 코팅 등이다.
구체적인 실시예는 도 5a 내지 도 5d에 제시된 것과 같은 니오븀(Nb) 및 탄탈룸(Ta) 기판 상의 구리(Cu) 코팅을 포함한다. Cu와 Nb 사이 또는 Cu와 Ta 사이의 박리 또는 약한 결합의 징후를 나타내지 않는 Cu 재료를 고상 적층 제조법으로 적층시킨 후에, 코팅된 기판은 다른 방향으로 절곡되었다. 도 5e는 Al이 개시된 고상 적층 제조 시스템으로 구리(Cu) 기판 상에 적층된 다른 예인데, 이들 모든 경우에서, 제공된 이종 재료를 접착시키는 데 중간층, 밀봉재, 또는 접착제가 사용되지 않았다.
일부 실시형태들에서, 고상 적층 제조 시스템은 현장 표면 복합물을 형성하고 후속해서 그 복합물 층을 피가공물의 표면에만 적층시키는 데 사용되며, 이 경우에서 상기 복합물 층은 피가공물(부품, 기판)에 잘 접착된다. 또 다른 실시형태에서, 고상 적층 제조 시스템에 의해 형성된 현장 복합물은 전체 3D 프린팅된 물체를 구축하는 데 사용된다. 도 6a는 고상 적층 제조 시스템에 의해 기본 충전재(619)와 강화재(636)(그리고 필요한 경우 첨가제)를 한 단계에서 혼합하고 압밀하고 적층시키는 것에 의해, 예컨대 금속 매트릭스 복합재(MMC), 중합체 복합재, 상호 침투 망상, 강화재, 및 기타 등등의 전유 조성물을, 현장 합성 및 제조를 하는 공정을 개략적으로 예시하고 있다. 배킹 플레이트(후에 제거될 수 있음) 상에 또는 피가공물 표면 상에 직접적으로 전유 MMC, 복합물, 및 강화재의 적층물(635)을 적층하는 것이 가능하다.
고상 적층 공정에 의해 제조된 강화된 복합물의 예가 도 6b 내지 도 6c에 제공된다. 특히, 도 6b는 현장 제조된 Al-탄소 섬유 복합물의 주사 전자 현미경 이미지이다. 고상 적층 제조 시스템의 급송 부분에서 분쇄된 탄소(C) 섬유를 알루미늄(Al)에 첨가하여 개선된 기계적 특성을 갖는 복합물을 수득한다. 도 6c는 알루미늄 매트릭스 중에 강화 Mo-입자(약 30% 체적 분율)가 비교적 균일하게 분포된 것을 보여주고 있는 적층된 Al-Mo 복합물의 주사 전자 현미경 이미지이고, 삽입된 이미지는, 매트릭스와 강화재 사이에 버퍼 층이 형성된 것을 보여주는 투과 전자 현미경 이미지이다. Al 기재는 몰리브덴(Mo) 입자로 강화되어 있다. 두 경우 모두에서 강화 입자의 균일한 분포가 달성된다.
일부 실시형태들에서, 피가공물의 표면은 구멍으로 천공되어 있거나, 강화재로 채워진 포켓 또는 홈을 포함한다. 특정 너브의 기하 형태를 갖는 고상 적층 제조 공작기계를 통과시키고 피가공물 표면에 충전재를 첨가함으로써 표면 영역에서 강한 교반이 이루어져서 표면 복합물이 만들어진다. 이방성 강화 입자(예를 들어, CNT)의 경우, 외부 전기장 또는 자기장을 적용하고 그리고/또는 공구를 우선 방향으로 이동시킴으로써, 그 입자들의 우선 방위가 가능하다. 다른 실시형태에서, 이방성 강화 입자가 충전재와 함께 공구의 목부를 통해 피가공물 표면에 첨가된다.
도 6d는 강화재(및 첨가제)(636)를 피가공물의 표면의 포켓, 구멍, 또는 작은 그로브에 배치하면서 기본 충전재(619)를 공구 통로(604B)를 통해 첨가함으로써, 예컨대 금속 매트릭스 복합재(MMC), 중합체 복합재, 강화 재료 및 기타 등등과 같은, 표면 복합물(635A)의 현장 제조 공정을 개략적으로 예시하고 있다.
도 6d는 이방성 강화재(및 첨가제)(636)를 피가공물의 표면의 포켓, 구멍, 또는 작은 그로브에 배치하면서 기본 충전재(619)를 공구 통로(604B)를 통해 첨가함으로써, 이방성 형상을 갖는 강화재(예를 들어, 침상, 섬유상, 봉상 강화재)와의 표면 복합물(635A)을 현장 제조하는 공정을 개략적으로 예시하고 있다. 외부 에너지원(607)(예를 들어, 우선 방향의 전기장 또는 자기장)을 인가함으로써, 표면 복합물(635A) 내의 이방성 강화 입자(예를 들어, 탄소 나노 튜브, 분쇄된 탄소 섬유, 금속 섬유 등)가 우선 방위로 배향된다(도 6f).
도 6g는 기재(619) 및 강화재(그리고 필요한 경우 첨가제)가 모두 통로(604)를 통해 첨가되는, 적층 표면 복합물(635)의 현장 제조 공정을 개략적으로 예시하고 있다. 이방성 강화 입자(예를 들어, 탄소 나노 튜브, 분쇄된 탄소 섬유, 금속 섬유 등)의 경우에 외부 에너지원(607)(예를 들어, 우선 방향의 전기장 또는 자기장)을 인가함으로써, 표면 복합물(635)은 우선 방위로 배향된 강화 입자들로 구성될 것이다(도 6h).
일부 실시형태들에서, 피가공물 표면의 강화는 표면 구역에만 강화재를 첨가함으로써 달성된다.
또 다른 실시형태들에서, 전체 물체는 강화 충전 재료로 프린팅되므로, 그 전체 물체는 충전재로만 구축된 물체와 비교하여 향상된 특성(예를 들어, 기계적 특성)을 갖는다.
다른 실시형태들에서, 고상 적층 제조 시스템은 현장 외(ex situ) 복합물을 제조할 수 있다. 단지 예로서, 혼합 및 결합이 어려운 재료들이 고상 적층 제조 시스템 내에서 잘 교반되어 피가공물 상에 적층된다. 후속해서, 필요한 경우, 복합물은 피가공물로부터 분리될 수 있고, 이는 다른 제조 공정에서 맞춤화된 재료로서 추가로 사용될 것이다.
다른 실시형태에서, 금속 재료는 예비 중합체 또는 단량체 재료와 접촉하고 교반된다. 적층 및 결과적인 마찰 교반 동안, 마찰과 가열 모두에 의해, 예비 중합체 또는 단량체가 중합되어, 영향을 받는 영역에 3D-네트워크(가교 결합)를 형성하여서, 금속에 결합된다.
또 다른 실시형태에서, 예비 중합체 또는 단량체 재료가 추가적인 장, 예를 들어 전기장 또는 UV 광 노출 하에 놓이고, 그에 따라 적층된 층에서 가교 결합(또는 중합)이 발생하여, 화학적으로 결합된 조성물이 산출된다.
제어된 미세 조직 및 나노 조직의 고상 적층 제조
특정 실시형태들에서, 고상 적층 제조 시스템은 표면 층들을 강하게 교반함으로써 재료를 치밀화하고 그리고/또는 재료 입자를 미세화하는 데 사용된다. 이러한 치밀화된 층은 향상된 강도, 미세 경도, 및 더 우수한 마모 특성을 나타낸다.
또 다른 실시형태에서, 불활성 가스 공급 장치 및 제어된 가스 격실이 구비된 고상 적층 제조 시스템은 표면 적층 층을 생성하는 데 사용되고, 이 경우에서 층 조성(즉, 최종 적층 재료의 화학량론)은 취입 가스에 영향을 받는다. 도 7a는 가스 공급원(706)을 통한 취입 가스(공기, 불활성 가스)의 도움이 있는 재료 적층 공정을 개략적으로 예시하고 있다. 취입 가스는 최종 조성, 즉 적층된 재료 층(735)의 화학량론에 기여한다.
단지 예로서, Ti 또는 Ti-합금은 질소 환경에서 공구의 목부를 통해 기판에 첨가되는 충전재로서 사용되어, 경도 및 항균 기능성으로 알려진 TiN 표면층 조성물을 산출한다.
또 다른 실시형태에서, 피가공물 및 적층되는 재료의 표면 위로 가스가 취입되며, 이 경우에서 가스는 "차폐 효과"를 제공하고 적층 공정 동안 재료를 예를 들어 분해 또는 산화로부터 보호한다.
다른 실시형태에서, 고상 적층 제조 시스템은 가스(공기, O2, N2, Ar)를 사용하여, 고상 적층 제조 공정 동안 취입되는 가스의 도움으로 생성된 다공성 재료 및 발포체와 같은 특정 재료 구조를 생성한다. 개방형 및 폐쇄형 기공이 가능하며, 그 기공은 고상 적층 제조 공정 변수에 의해 제어되고 있다.
다른 실시형태에서, 밀도가 감소된 표면 재료 층이 가능하다. 기재의 특정 기계적 강도를 필요로 하지만 최종 경량 부품이 요구되는 응용 분야에서, 기판 상에 충전재를 적층하는 동안 가스를 취입함으로써 다공성 구조가 달성될 수 있다. 도 7b는 취입 가스의 도움이 있는 재료 적층 공정으로서 그 취입 가스가 적층 재료 층(735) 내에 기공을 생성하는 공정을 예시하고 있다.
단지 예로서, PVC 발포체 또는 Al-발포체가 각각 PVC 또는 Al의 마찰 교반 동안 가스를 취입으로써 형성될 수 있다.
일 실시형태에서, 고상 적층 제조 시스템의 이동하는 공구의 횡단 방향을 따라 구배 재료 조성이 발생한다. 충전재의 함량을 변화시킴으로써, 예를 들어 충전재 내의 강화 입자의 농도를 변화시킴으로써, 횡단 방향을 따라 동일하거나 상이한 수준의 강화 입자를 갖는 표면 복합물이 가능하다. 다른 실시형태에서, 적층된 층의 깊이를 따라 구배 재료 조성이 가능하다. 급송 시스템이 충전재, 강화 입자, 및 첨가제 안으로 진입하기 위한 다수의 포트를 포함한다는 사실과 결합된, 층별 적층을 수행하는 고상 적층 제조 시스템의 기능은, 적층되는 층들 각각의 조성을 변화시킬 수 있게 한다.
또 다른 실시형태에서, 고상 적층 제조 시스템의 이동하는 공구의 횡단 방향을 따라 구배 미세 조직/나노 조직이 발생한다. 적층 동안 공정 변수를 변경시킴으로써, 공구가 횡단 방향으로 이동함에 따라, 적층되는 층의 구조가 변경될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적층된 층의 깊이를 따라 구배 미세 조직/나노 조직이 발생한다. 각 층이 적층되는 동안 공정 변수가 변경될 수 있다는 사실과 결합된, 층별 적층을 수행하는 고상 적층 제조 시스템의 기능은, 동일하거나 상이한 및/또는 구배 미세 구조를 갖는 층을 가능하게 한다.
또 다른 실시형태에서, 가스 취입 유닛이 장착된 고상 적층 제조 시스템으로 구배 다공성 구조가 가능하다. 각 층이 적층되는 동안 가스 취입 속도 및 그 밖의 다른 공정 변수를 변화시킴으로써, 적층된 층들의 적층체를 따라 구배 다공성 구조가 가능하다.
또 다른 실시형태에서, 구배 기능성은 구배 재료 조성 및/또는 구배 구조를 적층시킴으로써 적층된 재료를 따라 달성된다.
도 8a 및 도 8b는 적층된 층(835)의 깊이를 따라 구배 재료 조성 및/또는 구배 재료 구조를 생성하는 공정을 개략적으로 예시하고 있다. 구배 조성 및/또는 구조는 적층된 층의 횡 방향인 x 방향으로 가능하거나(도 8a) 또는 z 방향(깊이)으로 가능하다(도 8b).
일 예로서, 개시된 고상 적층 제조 시스템에 의해 Al 기판 상에 적층된 구배 알루미늄(Al)/철(Fe) 재료 조성이 도시되어 있다. 도 8c는 Al-기판(피가공물) 상에 적층하는 동안 공급 원료 내의 Al/Fe의 비율을 변화시킴으로써 알루미늄(Al) 및 철(Fe)을 포함하는 구배 재료 조성물로 제작된 시료를 제시하고 있다.
일부 실시형태들에서, 고상 적층 제조 공정 후의 재료 미세 조직(예를 들어, 재료 입자)은 우선 방위를 갖지 않으며, 그 재료는 등방성을 나타낸다. 사용된 공급 재료에 따라, 금속, 금속 합금, 또는 금속 매트릭스 복합재(MMC) 중의 입자는 그 공급 재료의 입자에 비해 미세화되어, 적층된 층 또는 부품에 훨씬 더 우수한 기계적 성질을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 고상 적층 제조 공정 동안 및 후에 재결정화가 일어난다. 다른 실시형태들에서, 고상 적층 제조 공정 조건에 따라, 입자 성장이 발생한다.
특정 실시형태들에서, 단일의 고상 적층 제조 공정 변수를 사용하여, 제조되는 재료의 최종 미세 조직에 영향을 준다. 특정 실시형태들에서, 한 세트의 고상 적층 제조 공정 변수들을 사용하여, 최종 미세 조직(들)에 영향을 준다.
일부 실시형태들에서는, 관찰 규모에 따라서, 특정의 고상 적층 제조 공정 동안의 미세 조직의 변화가 중간 규모 또는 미세 규모에서는 발생하지만 거시 규모에서는 발생하지 않는다. 다른 실시형태들에서, 재료 미세 조직의 변화가 3가지 규모(거시 규모, 중간 규모, 미세 규모) 모두에서 발생한다.
일부 실시형태들에서, 미세 조직을 제어하는 데 열이 사용된다. 고상 적층 제조 공정에 공급되거나 고상 적층 제조 공정 동안 발생되는 열이 많을수록 제조되는 재료의 온도가 더 높아져서 입자가 더 커진다. 제조되는 재료는 여전히 그의 융점(Tm) 아래에, 즉 소위 가단성 상태에 있고, 일반적으로 이 범위는 0.4 Tm 내지 0.8 Tm이다. 고상 적층 제조 공정 동안 재료 온도를 엄격하게 제어함으로써, 최종 제조된 부품의 입자 크기 및 형상을 맞게 조정할 수 있다. 결과적으로, 부품의 기계적 특성을 예측할 수 있다.
알려진 바와 같이, 온도가 내려감에 따라, 재료 유형 및 그 재료의 결정화 경향에 의존해서, 원자가 핵 또는 "불순물"주위에서 조직화되어 결정이 형성되기 시작한다. 결정(또는 결정이라고 불리는 입자)은 재료 전체가 주변 온도에 도달할 때까지 계속 성장한다. 결정은 성장하는 동안 서로 충돌하기 시작하여, 그 결정들 사이에, 원자들이 불규칙하게 배열되는 경계를 일으킨다. 입계라고도 하는 이러한 경계는 때로는 재료의 결정 구조의 결함으로 간주된다. 입자 형성 과정이 도 9a에 개략적으로 도시되어 있다. 미세 입자 크기는 일반적으로 금속에서 바람직한데(항상 그런 것은 아님), 그 이유는 그 입자들이 항복 응력을 일으키고 많은 다른 기계적 특성이 원래의 충전재에 비해 향상되기 때문이다. 더 미세한 입자 크기를 촉진하는 한 가지 방법은 빠른 응고(급냉)인데, 이는 아래에서 설명될 것이다. 또한, 많은 핵 생성 부위들의 존재는 미세한 입자 크기의 근원이 될 것이다.
도 9b 내지 도 9e는 재료 처리 동안 적용된 스트레인의 크기 및 방향과 가열 및 냉각 조건과 재료에 좌우되어 형성될 수 있는 잠재적인 입자의 개략도이다.
일부 실시형태들에서, 고상 적층 제조 공정은 더 큰 입자(예를 들어, 도 9b에 제시된 등축 입자, 또는 비등축 입자)를 갖는 초기 재료로부터 등축 미세화 입자(도 9c)를 생성하는 것이다. 다른 실시형태들에서, 재료 여하에 따라, 가장 흔한 경우로서 재료의 냉각을 위해 충분한 냉각 시간이 허용되는 경우, 방사상 입자(도 9d)가 관찰된다. 또 다른 실시형태에서, 재료의 가공 및/또는 냉각 단계 동안 방향성 스트레인/응력이 가해질 때, 길고 배향된 입자가 가능하다(도 9e).
일부 실시형태들에서, 이러한 입자는 고상 적층 공정 동안 회피된다. 이는 중합체의 결정질 상에 비해 비정질 상이 바람직한 일부 중합체에 있어서는 특히 중요하다. 한 예는 고상 적층법 적층 단계 후에 중합체 재료가 빠르게 냉각되거나 급냉되는 경우이다.
일 실시형태에서, 온도는 스핀들 및 공구 각속도에 의해 제어된다. 각속도가 높을수록 더 많은 열이 발생하고, 재료의 온도가 높을수록 최종 생산된 부품에서 더 큰 입자가 발견된다.
일부 실시형태들에서, 입자 크기를 제어하는 데 층(트랙) 두께가 사용된다. 고상 적층 제조 공작기계가 기판 표면을 1회 통과하는 동안 적층된 층이 얇을수록 일반적으로 더 큰 입자 크기가 생긴다.
다른 실시형태에서, 최종 부품의 미세 조직을 제어하는 데 하향 (누름) 힘이 사용된다. 하향력이 높을수록 적층된 층 내의 입자 크기가 더 작아진다.
다른 실시형태들에서, 입자 크기를 제어하는 데 기판의 표면 위에서의 공구의 횡단 속도가 사용된다. 증가된 공구 횡단 속도에 의해, 적층된 층 내에 더 작은 입자 크기가 생성된다.
다른 실시형태에서, 하향력, 스핀들 각속도, 및 공구 횡단 속도와 밀접한 관련이 있는 것은, 첨가된 재료(충전재)와 기판 사이에서 발생되는 마찰이다. 충전재와 기판 사이의 마찰이 높을수록 최종 부품 내의 입자 크기가 더 작아진다.
다른 실시형태들에서, 재료의 온도를 제어하는 데 사용되는 열은, 고상 적층 제조 공정 동안에, 발생되는 마찰의 결과로서 생성된다. 다른 실시형태들에서, 열은 보조 수단, 즉 외부 가열원에 의해 공정에 도입된다.
일부 실시형태들에서, 입자 크기를 제어하는 데 재료의 가열 속도 및 최종 부품의 냉각 속도가 사용된다. 단지 예로서, 재료의 가열 속도가 높을수록 더 큰 입자 크기가 생긴다. 다른 예로서, 최종 부품의 냉각 속도가 높을수록 더 작은 입자 크기가 생긴다. 다른 예로서, 최종 부품의 급냉(quenching)은 최소의 입자 크기가 생기게 한다.
특정 실시형태들에서, 입자 크기는 윤활제 및/또는 다른 유형의 첨가제의 첨가에 의해 제어된다. 고상 적층 제조 공정 변수와 결합된, 충전재 및 첨가제 유형에 따라, 다양한 맞춤형 입자가 가능하다.
일부 실시형태들에서, 강화재, 예를 들어 탄소 섬유(연속 또는 분쇄된 섬유), 탄소 나노 튜브(CNT), 질화붕소(BN) 등을 적은 백분율의 양으로 도입시키는 것은, 강화재가 없는 조성물에 비교되게, 입자 모양 및 크기를 변경한다. 변경된 미세 조직에 더하여, 대부분의 경우 최종 재료는 상당히 개선된 기계적 특성을 나타내며, 어떤 경우에는 변경된 전기적, 자기적, 및 기타 특성을 나타낸다.
특정 실시형태들에서, 첨가된 충전제 또는 첨가제 또는 강화제는 재료 내에 결정화를 일으키는 개시 지점(불순물/핵)으로서 작용한다. 다른 실시형태들에서, 첨가제 또는 강화제는 재료, 예를 들어 일부 중합체 내에서의 결정화 과정을 억제하는 데 사용되고, 최종 재료는 백분율 결정화도가 낮은 비정질 또는 반결정질이다.
일부 실시형태들에서, 고상 적층 제조 공정은 적층된 재료의 등축 입자 및 등방성 기계적 및 기타 특성을 갖는 재료를 산출한다. 다른 실시형태들에서, 고상 적층 제조 공정은 방향성 입자가 생기게 하며, 결과적으로는 이방성 기계적 및 기타 특성을 갖는 재료를 산출한다. 한 예는 결과적인 입자가 단방향인 경우이다.
일부 실시형태들에서, 고상 적층 제조 공정은 균질 미세 조직을 갖는 재료를 산출한다. 한 예는 적층된 재료가 좁은 범위, 예를 들어 1 내지 10 ㎛의 범위, 더욱 바람직하게는 1 내지 5 ㎛의 범위 내의 크기의 입자들로 주로 이루어지는 경우이다. 다른 예는 고상 적층 제조 공정이 특정 형상의 입자를 갖는 재료를 산출하는 경우이다.
다른 실시형태들에서, 고상 적층 제조 공정은 비균질 미세 조직을 갖는 재료를 산출한다. 특정의 고상 적층 제조 공정 변수를 제어함으로써 소정의 범위의 입자 형상 및/또는 넓은 범위의 입자 크기가 달성될 수 있다.
특정 실시형태들에서, 고상 적층 제조 공정은 재료 내에 상 변형을 일으킬 수 있고, 결과적인 미세 조직 및 기계적 특성이 맞춤화된다.
일부 실시형태들에서, 백분율 결정화도, 즉 결정질/비정질 상의 비는 특정의 고상 적층 제조 변수를 통해 제어된다. 다른 실시형태들에서, 백분율 결정화도는 한 세트의 고상 적층 제조 변수들을 통해 맞춤화된다.
특정 실시형태들에서, 고상 적층 제조 공정은 재료의 결정 구조(결정 격자)를 제어한다. 다른 실시형태에서, 결정 격자 배향은 고상 적층법에 의한 재료 적층 후에 변경된다. 또 다른 실시형태에서, 재료 내의 등축 격자 배향은 고상 적층 공정에 의해 달성된다.
일부 실시형태들에서, 재료의 조직은 특정의 고상 적층 제조 공정 변수를 통해, 또는 고상 적층 제조 공정 변수들의 조합을 통해 제어된다.
특정 실시형태들에서, 고상 적층 제조 공정 변수는 주어진 재료 유형에 대해 특정 유형의 미세 조직이 생기게 하는 방식으로 조정된다. 예를 들어, 한 세트의 변수들이 입자 또는 구정(spherulite)을 특정 금속 재료 내에 생기게 할 수 있다. 다른 세트의 공정 변수들이 원래 결정의 재결정화를 생기게 할 수 있고, 또 다른 세트의 공정 조건들이 결정 격자 유형 및/또는 격자 배향의 변화를 일으킬 수 있다.
특정 실시형태들에서, 동일한 재료 내 2개 이상의 상의 공존이 고상 적층 제조 공정 변수에 의해 제어된다. 한 예는 최종 고상 적층 제조법으로 적층된 재료가 연속하는 상을 포함하고 이 상 내에 다른 상(또는 상들)이 분포되는 경우이다. 다른 예는 재료의 고상 적층법에 의한 재료 적층 후에 둘 이상의 공존하는 연속 상이 생성되는 경우이다. 최종의 상들 중 하나가 초기 재료의 상과 동일할 수 있거나, 또는 결과적인 상들이 원래 재료의 상(들)과 아주 다를 수 있다.
특정 실시형태들에서, 기판 상의 제조된 부품 또는 적층된 층(코팅)의 냉각은 자연적인 수단, 즉 주변 환경에서의 대류에 의한다. 다른 실시형태에서, 제조되는 부품(또는 코팅되는 기판) 아래로 냉각 유체가 도입되고 열교환기에 의해 냉각이 일어난다. 또 다른 실시형태에서, 가열된 부품을 냉각시키거나 심지어 급냉하는 외부 냉각원에 의해 냉각이 발생한다.
하기 표 1에는 적층된 재료의 입자 크기에 대한 고상 적층 공정의 변수들 중 일부 변수의 영향을 요약한 것이 제공된다.
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일부 실시형태들에서, 입자 형상 및 조성은 적층이 일어나는 주변 분위기에 의해 조절된다. 일 예에서, 주변 환경 내 산소(O2)와 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 가스와 같은 불활성 가스의 제어된 조성이 적층 영역 내에 퍼지된다. 가스 조성 여하에 따라, 가스 환경(소위, 적층 동안의 차폐 가스)이 100% 불활성 가스(예를 들어, Ar)인 경우, 입자는 순수 금속 또는 MMC 또는 합금일 수 있다. 다른 예에서, 주변(차폐) 가스가 더 높은 백분율의 산소를 함유하는 경우, 입자는 관여된 금속의 산화물로 구성될 수 있다. 이러한 경우의 입자는 금속으로만 구성된 입자보다 더 단단하다. 차폐 가스 중의 O2/불활성 가스 비율을 제어함으로써, 최종 적층 재료 중의 입자 형상 및 그 재료의 경도를 제어할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 입자 크기는, 예컨대 상이한 크기로 분포된 분말, 고체 봉, 비드, 과립, 스크랩 조각, 및 금속 세이빙 등과 같은, 그러나 이에 제한되지 않은, 공급 원료 유형에 의해 다루어진다. 재료 유형에 따라 크게 달라지는 것으로, 분말 공급 원료는 일부 재료의 경우에서는 작은 입자 크기가 생기게 하는 반면, 다른 재료의 경우에서는 최종 미세 조직에 어떠한 영향도 미치지 않을 수 있다.
일 실시형태에서, 제조된 부품의 입자 형상 및 크기에 영향을 주기 위해 여러 변수들의 조합이 사용된다. 예를 들어, 낮은 횡단 속도와 결합된 높은 스핀들 각속도의 결과로서의 높은 입열은 더 큰 입자가 생기게 한다. 이러한 큰 입자는 낮은 강도를 가지지만 높은 연성을 나타낼 것이다.
다른 실시형태에서, 높은 횡단 속도와 결합된 낮은 스핀들 각속도를 통해 달성되는 낮은 입열은 작은 입자가 생기게 할 것이고, 이는 높은 강도를 가지지만 낮은 연성을 갖게 될 것이다.
일부 실시형태들에서, 구배 미세 구조는 층을 적층하는 동안 고상 적층 제조 공정 변수를 변경함으로써 얻어질 수 있다. 단지 예로서, 하나의 층을 적층하는 동안 횡단 속도가 변경된다. 적층을 높은 속도에서 시작하여서 지속적으로 더 낮은 속도로 변경된다. 이 적층 동안, 층 내의 입자 크기는 동일한 층 내에서 큰 입자에서 작은 입자로 변한다. 따라서, 미세 조직(입자) 크기의 구배가 적층된 층을 따라 달성된다. 다른 예에서, 하나의 층이 더 높은 일정한 횡단 속도로 적층된다. 그 다음 층은 약간 낮은 속도로 적층되고, 이 공정은 각 후속 층이 이전 층보다 낮은 속도로 적층되게 하는 방식으로 계속된다. 이러한 방식으로, 미세 조직/입자 크기의 구배를 갖는 부품이 제조된다. 부품 두께를 따라 구배가 발생된다. 또 다른 예에서, 입자 크기의 구배가 스핀들 각속도의 변화로 인해 발생한다. 예를 들어, 적층을 특정 시간 동안 300rpm에서 시작하고, 그 다음, 주어진 시간 동안 500rpm으로 증가시키고, 그 다음 또 증가시키는 단계 등등을, 마지막 단계에서 1500rpm으로 증가시킬 때까지, 계속한다. 적층된 층 내의 미세 조직은 고상 적층 제조 공정 시작 시에는 크기가 작고, 스핀들 각속도가 증가함에 따라 시간에 따라 증가한다.
다른 실시형태들에서, 입자 형상이 고상 적층 제조 공정 동안 변한다. 예를 들어, 스핀들의 각속도의 증가에 의해, 입자 크기 변화에 더하여, 입자의 형태가 예를 들어 긴 형상(타원형)에서 더 구형인 형상으로 변한다.
이하에는 고상 적층 제조 증착을 거친 다양한 재료의 입자 형상과 크기에 대한 정보가 있는 특정 실시예가 제공된다.
실시예 1 인코넬 625 초합금
항공 우주, 항공, 해양 등의 많은 산업 응용 분야에서는 강도와 연성을 포함한 고온의 기계적 안정성이 필요하다. 그러한 특성은 초합금에 의해 제공되며, 많은 것들 중에서도 특히 니켈계 초합금인 인코넬(Inconel) 625가 널리 산업적으로 사용되었다. 이 합금은 1000℃ 이상의 온도에서 높은 강도, 우수한 연성, 및 내식성을 제공할 뿐만 아니라 공격적인 환경에서의 내산화성의 추가적인 이점을 제공한다.
이하에서는 고상 적층 공정으로 제조된 부품의 상이한 영역들에 인코넬 625 초합금 재료로 형성된 미세 조직이 광범위하게 개시될 것이다.
도 10a 및 도 10b는 고상 적층 제조 공정 전후의 인코넬 625 재료의 미세 조직을 도시한다. 고상 적층 제조 전에 평균 입자 크기는 12 μm이고(도 10a), 고상 적층 제조 후의 평균 입자 크기는 5 μm이며(도 10b)이며, 이러한 미세화된 미세 조직으로 인해, 적층된 인코넬 625 층은 원래 인코넬 625 재료보다 우수한 기계적 성질을 보였다. 인코넬 625의 적층에 사용된 다른 기술과 비교할 때, 고상 적층 제조법으로 생성된 미세화된 미세 조직은 예를 들어 펄스 플라즈마 아크 증착에 의해 생성된 미세 조직(도 10c)보다 우수하였다.
금속 입자는 일반적으로 방위를 갖는다. 개별 입자들이 서로 어떻게 배향되느냐에 따라, 전체 부분이 한 방향 또는 다른 방향으로 더 강할 수, 즉 이방성 기계적 특성을 가질 수 있다. 주어진 방향에서 응력에 견딜 수 있는 이러한 다른 강도가 때로는 바람직할 수 있지만, 대부분의 경우에서는, 모든 방향에서 강도가 동일할 때, 즉 등방성 특성을 가질 때 부품이 가장 잘 작동한다. 고상 적층 공정은 등축 입자 구조를 생성하는데, 이는 입자들이 모든 축에서 비슷한 방식으로 서로에 대해 배향된다는 것을 의미하고, 이는 제조된 부품이 모든 방향에서 유사한 강도를 갖는다는 것을 의미한다.
실시예 2 Ti-6Al-4V 재료
다른 실시예는, 고상 적층 제조 시스템으로 적층 시, 도 11a 내지 도 11c에 도시된 바와 같이, 모재에 비해 현저한 입자 미세화 및 개선된 기계적 특성을 나타내는 완전히 조밀한 조성을 갖는 Ti-6Al-4V 재료이다. 이 재료는 입자 크기가 약 60 내지 70 μm인데, 이는 고상 적층 제조 공정 후 5 내지 6 μm로 감소한다(도 11a 및 11b 비교). 고상 적층 제조법으로 적층된 Ti-6Al-4V 재료는 도 11c에 제시된 바와 같이 극한 인장 강도와 항복 강도 모두가 각각 23% 및 24% 증가한 것을 보여주었다.
실시예 3 스테인리스 강
고상 적층 제조 공정 전후의 스테인리스강 316L 미세 조직이 도 12a 및 도 12b에 각각 제공되어 있다. 50 내지 70 μm 크기의 입자가 고상 적층 공정 후에 5 내지 10 μm로 감소했다.
실시예 4 알루미늄 합금 Al2139
다른 실시예는 고상 적층 제조 전에는 입자 크기가 약 400 μm이고 그 후에는 입자 크기가 5 μm의 크기인 알루미늄 합금 Al2139가 도 13a 및 도 13b에 각각 제공된다.
실시예 5 알루미늄 몰리브덴 복합물
다른 실시예는 상이한 분말들을 현장 합성하고, 그들을 금속 매트릭스 복합재(MMC) 또는 기타 전유 조성물로서 고화성형하고, 그 다음 이들을 결과적으로 적층될 수 있는 공급 재료로서 사용하는 것으로; 이들 단계 모두는 고상 적층 제조 시스템으로 빠르게 수행된다. Al-Mo, Al-W 및 Al-SiC와 같은 MMC 재료는 최대 30 부피%의 강화 분율로 성공적으로 입증되었다. 특정 실시예는 도 6c에 도시된 바와 같이 Al-매트릭스 내에 Mo-입자가 비교적 균일하게 분포된 Al-Mo 복합물이다. 강한 마찰력 및 기타 힘들, 높은 온도, 및 상이한 재료들 간의 긴밀한 접촉으로 인한 가혹한 소성 형성 때문에, 기계적으로 유도되는 혼합은 일반적으로 비혼화성 재료에서 발생한다. 예를 들어, Al-Mo계에서, Al-Mo 금속간 상의 층은 매트릭스-강화 계면에 형성되며, 이는 접착력을 향상시키고 계면 다공성을 방지할 것으로 예상된다. 그 복합물은 공극이 관찰됨이 없이 완전히 조밀하고 이와 동시에 기계적 성질은 상당히 개선될 것으로 예상된다는 사실을 마이크로 X-레이 컴퓨터 단층 촬영이 확인해준다.
고상 적층 접합
특정 실시양태들에서, 고상 적층 제조 시스템은 마찰 교반 용접과 같은 당업계에 공지된 다른 방법으로는 접합시키기 어려운 이종 재료를 접합시키기 위해 사용된다. 충전재는 이종 재료로 만들어진 2개의 부품들 사이의 접합부에 추가되며 밀봉재 역할을 한다. 배킹 플레이트 사용은 선택적인 것이다.
다른 실시형태들에서, 2종의 이종 재료로 제조된 부품들 사이의 접합부는 보강 입자로 부분적으로 채워지고, 접합부를 통과하는 고상 적층 제조 시스템의 공구는 강화제를 포함한 현재의 재료를 모두 교반하여 그 2개의 부품들 사이의 양호한 접착을 제공한다. 배킹 플레이트 사용은 선택적인 것이다.
일부 실시형태들에서, 접합부(즉, 접합되거나 용접되는 두 구조체 사이의 공간)는 강화 재료로 채워지며, 여기서 강화제는 섬유 또는 입자, CNT 등으로 강화시킨 것으로, 구조체들 사이의 접착을 더욱 강화시킨다.
또 다른 실시형태에서, 고상 적층 제조 시스템은 접합 강도를 향상시키기 위해 접합부에 강화 섬유를, 단지 예로서 탄소 섬유 또는 CNT인 섬유만을, 추가함으로써 이종 재료로 이루어진 부품들을 접합시키는 데 사용된다. 배킹 플레이트는 선택적인 것이다.
도 14a 및 도 14b는 동일하거나 유사하거나 상이한 재료들로 제조된 2개의 피가공물(1405)의 접합 공정의 개략도이다. 2개의 구조체 사이의 접합부는 밀봉제로서 작용하는 충전재(1419)로 채워진다. 부가적으로, 두 피가공물(1405) 사이의 접합부는 피가공물 사이에 생성된 접착부의 추가적인 강화를 위해 강화 입자 (1436)로 채워질 수 있다(도 14b). 도 14c는 알루미늄(Al) 발포체 재료를 알루미늄(Al) 기판에 결합시킨 사진이다.
고상 적층 수리
일부 실시형태들에서, 고상 적층 제조 시스템은 임의의 형상 및 크기의 편평한 또는 만곡된 표면, 관형 및 기타 피가공물의 결함 및 손상을 수리할 수 있다. 고상 적층 제조 시스템은, 충전재를 사용하여 피가공물의 구멍 또는 결함 균열부를 충전시킬 수 있고, 배킹 플레이트를 사용하거나 사용하지 않고 그 구멍/균열부에 충전재를 적층시킬 수 있다. 단지 예로서, 고상 적층 제조 시스템은 결함 지점을 수리하기 위해 피가공물의 기본 재료와 동일한 재료를 사용한다. 다른 실시예에서, 고상 적층 제조 시스템은 이종 재료 또는 강화된 재료를 사용하여 피가공물을 수리하고, 수리된 지점에 강화된 강도를 제공한다.
특정 실시형태에서, 고상 적층 제조 시스템은 다른 수단으로는 수리할 수 없는 복잡한 형상의 피가공물, 예를 들어 레일의 결함 또는 균열부를 수리하는 데 사용된다. 다른 실시형태에서, 고상 적층 제조 시스템은 도달하기 어려운 피가공물 상의 위치를 수리하는 데 사용된다. 또 다른 실시형태에서, 고상 적층 제조 시스템은 배킹 플레이트를 삽입함으로써 국부적으로 보수될 수 있는 표면 균열부를 갖는 파이프를 보수하는 데 사용된다. 도 15a는 결함이 있는 관형 구조체(피가공물)(1505)를 배킹 플레이트(1508)를 사용하여 수리하는 공정의 개략도이다. 또한, 파이프는 예를 들어 마모 또는 부식에 대해 추가로 강화되거나 보호되도록 오버코팅될 수 있다.
구체적인 예는 헬리콥터 변속기 기어박스의 수리를 포함한다(도 15b). 기어박스를 제조한 재료(MgAz91 재료)의 비융합 용접 특성으로 인해, 파괴된 리브는 수리할 수 없는 것으로 여겨졌다. 고상 적층 제조 시스템은 기어박스와 동일한 기본 재료를 사용하여 기어박스 손상을 수리하였고, 수리된 위치에 더욱 향상된 강도를 제공한다.
또 다른 실시예는 손상 위치와 기본 재료(Al7075)로 인해 수리할 수 없는 것으로 여겼던 레일 발사대 시스템의 고상 적층 제조법 수리이다. 레일 발사대의 결함 지점은 동일한 재료를 사용하여 수리된다(도 15c).
또 다른 실시예에서, 해군 프로펠러의 심하게 움푹 파이고 부식된 표면이 고상 적층 제조 시스템에 의해 수리되었다(도 15d). 고상 적층 제조 시스템은 원래의 고유 재료(니켈 알루미늄 황동(NAB: Nickel Aluminum Bronze))을 사용하였다. 적층된 완전히 밀집된 NAB 층들은 다공성 및 공극을 없애서, 표면에 부식이 재발하는 것을 더욱더 방지한다.
본 발명은 다양한 특징을 갖는 특정 실시예들을 참조하여 설명되었다. 위에 제공된 개시내용에 비추어 볼 때, 본 발명을 실시함에 있어서 본 발명의 범위 및 기술적 사상을 벗어나지 않는 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게는 자명해질 것이다. 당업자는 개시된 특징들이 주어진 응용 또는 설계의 요건 및 사양에 기초하여 단독으로 사용되거나, 임의의 조합으로 사용되거나, 생략될 수 있음을 인식할 것이다. 한 실시형태가 특정 특징들을 "포함"한다는 언급을 할 때, 그 실시예는 대안적으로 그 특징들 중 임의의 하나 또는 그 이상으로 "구성" 또는 "본질적으로 구성"될 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명의 그 밖의 다른 실시형태들은 본 발명의 명세서 및 실시를 고려할 때 당업자에게 명백할 것이다.
특히 본 명세서에 값의 범위가 제공되는 경우, 그 범위의 상한과 하한 사이의 각각의 값도 또한 구체적으로 개시되는 것임을 주지해야 한다. 이들의 더 작은 범위의 상한과 하한도 또한 그 범위에 독립적으로 포함되거나 배제될 수 있다. 단수 형태("a," "an," 및 "the")는 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다. 본 명세서 및 실시예는 본질적으로 예시적인 것으로 간주되고 본 발명의 본질을 벗어나지 않는 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도되어 있다. 또한, 본 개시내용에 인용된 모든 참고 문헌은 각각 그 전체 내용이 본원에 인용되어 포함되고, 그렇기 때문에, 본 발명의 가능한 개시내용을 보충하는 효율적인 방안을 제공할 뿐만 아니라 본 기술분야의 통상의 기술 수준을 상세히 설명하는 배경을 제공한다.

Claims (340)

  1. 고상 적층 제조 시스템으로서,
    급송 유닛, 스핀들, 공구, 모터, 구동 유닛, 제어 유닛, 모니터링 유닛, 전원 공급 장치, 및 공정 제어 소프트웨어를 포함하고;
    상기 스핀들과 상기 공구 각각은 내부 통로를 가지며, 이 내부 통로는 충전재가 상기 급송 유닛으로부터 당해 스핀들과 공구의 내부 통로를 통해 피가공물로 통과하도록 하기 위해 서로 간접적으로 또는 직접적으로 작동 가능하게 연통되고;
    상기 구동 유닛, 제어 유닛, 및/또는 모니터링 유닛 중 하나 이상은 사용 중에 스핀들, 공구, 피가공물 및/또는 피가공물 플랫폼의 조화된 이동을 제공하고;
    상기 구동 유닛, 제어 유닛 및/또는 모니터링 유닛은 사용 중에 충전재를 피가공물의 표면, 배킹 플레이트의 표면, 피가공물의 공동, 및/또는 둘 이상의 피가공물 사이의 간극부에 분배하고;
    상기 구동 유닛, 제어 유닛, 및/또는 모니터링 유닛은 사용 중에 상기 공구의 회전 및/또는 병진 이동의 결과로서 마찰, 마찰 가열, 충전재에 가해지는 한 가지 이상의 힘, 및/또는 기계식 교반을 일으키는, 고상 적층 제조 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 공구 홀더가 상기 공구에 구동을 부여하고, 상기 충전재를 통과시킬 수 있는 통로를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 공구 교환기가 상이한 공구들을 교환하기 위한 1개, 2개, 3개, 또는 그 이상의 공구 홀더를 갖춘 기어를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 구동 유닛은 상기 스핀들, 상기 공구, 핀, 및/또는 상기 피가공물 플랫폼의 x 방향, y 방향, z 방향, u 방향, v 방향, a 방향, b 방향, 및 c 방향의 이동과, 이들의 임의의 조합을 제어할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 구동 유닛은 a 방향, b 방향, 및/또는 c 방향(즉, a1, a2, b1, b2, c1, c2)의 다중 회전을 제공할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스핀들 및 상기 공구는 상기 피가공물 위에서 u 방향 및 v 방향으로 회전 및/또는 이동할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 공구는 2종 이상의 충전재가 통과할 수 있는 다수의 통로를 갖는 본체를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 공구는 편평한 견부, 또는 특징부를 갖춘 견부, 또는 테이퍼형 견부, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 공구는 적층된 충전재 및/또는 피가공물 표면의 교반을 제공하는 표면 특징부를 갖춘 비소모성 견부를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 공구는 하나 이상의 측면 공구 절단기를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 공구는 피가공물에 충전재를 적층시키기 전에 첨가제를 공급하기 위한 하나 이상의 측면 주입 지점을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 공구는 하나 이상의 너브를 갖는 견부를 포함하고, 상기 너브들 중 하나 이상은 정육면체형, 직육면체형, 반구형, 원뿔형, 부분 원뿔형, 부분 정사각형-기부 피라미드형, 타원형, 원통형, 4면체형 및/또는 눈물방울 임펠러형에서 선택된 하나 이상의 기하학적 구조를 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 공구는 다른 너브와 동일하거나 상이한 높이를 갖는 적어도 하나의 너브를 갖는 견부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 너브는 상기 공구의 견부 상의 다양한 위치에 위치된, 고상 적층 제조 시스템.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 공구는 적어도 하나의 교체 가능한 너브를 갖는 견부를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 배킹 플레이트를 포함하고, 상기 피가공물 플랫폼은 x 방향, y 방향 및/또는 z 방향 이동으로 이동할 수 있는 능력을 갖는 기부를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 기부는 z 방향 이동에 더하여 x 방향, y 방향, 및/또는 a 방향, 또는 이들의 임의의 조합 방향으로 이동 및/또는 회전하는 능력을 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 기부는 z 방향 이동에 더하여 x 방향, y 방향, a 방향, 및/또는 b 방향, 또는 이들의 임의의 조합 방향으로 이동 및/또는 회전하는 능력을 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 기부는 z 방향 이동에 더하여 x 방향, y 방향, a 방향, b 방향, 및/또는 c 방향, 또는 이들의 임의의 조합 방향으로 이동 및/또는 회전하는 능력을 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  19. 제1항 또는 제18항에 있어서, 상기 피가공물 플랫폼은, 피가공물들을 i) 함께 결합시키는 동안, ii) 수리하는 동안, iii) 코팅 또는 표면 개질하는 동안, 및/또는 iv) 피가공물의 맞춤형 특징부를 추가하는 동안, 하나 또는 다수의 피가공물을 지지하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 충전재, 상기 스핀들, 상기 공구, 핀, 상기 피가공물 플랫폼 및/또는 상기 배킹 플레이트의 온도 제어를 제공하기 위한 하나 이상의 가열 및/또는 냉각 시스템을 포함하는 고상 적층 제조 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 적층 공정 동안 차폐하기 위한 그리고/또는 적층된 충전재 층의 최종 조성 및/또는 구조에 영향을 주기 위한 N2, Ar, 및 기타 가스, 또는 이들의 가스 혼합물과 같은 가스를 제공하기 위한 하나 이상의 가스 공급 유닛을, 선택적으로는 당해 시스템에 내장된 방식으로, 포함하는 고상 적층 제조 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 제어된 환경 격실이 작업 구역 내에 제어된 가스 환경을 가능하게 하는 덮인 공간을 상기 스핀들, 공구, 피가공물, 및/또는 플랫폼 주위에 제공하는, 고상 적층 제조 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 전기장, 자기장, 초음파, 진동, 및/또는 광, 예컨대 UV 광, 가시광, 또는 IR 광 파장을 공급할 수 있는 하나 이상의 외부 에너지원을 포함하는 고상 적층 제조 시스템.
  24. 제1항에 있어서, 다수의 접촉식 센서 또는 비접촉식 센서를 포함하는 고상 적층 제조 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 상기 제어 유닛들 중 하나 이상은 다수의 온도, 하중, 토크 및/또는 압력 검출기들, 및/또는 온도, 토크 및/또는 압력의 피드백 제어기들을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 다수의 검출기들 및/또는 피드백 제어기들은 충전재의 공급 속도, 하중 및/또는 온도의 제어를 제공하는, 고상 적층 제조 시스템.
  27. 제1항에 있어서, 상기 프로세스 제어 소프트웨어는, 상기 공구의 가해지는 토크, 하중, 압력, 스핀들 회전, 공구 회전 및/또는 횡단 이동과 관련하여, 그리고/또는 피가공물의 횡단 이동, 온도 및/또는 각 회전과 관련하여, 마찰력, 기타 가해진 힘 및/또는 적층을 제어하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  28. 제1항에 있어서, 상기 공정 제어 소프트웨어는 맞춤화된 특성을 갖는 제어된 미세 조직 및 나노 조직을 갖는 제품을 생성하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  29. 제1항에 있어서, 상기 공정 제어 소프트웨어는 제품의 미세화된 입자 구조를 생성하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  30. 제1항에 있어서, 상기 공정 제어 소프트웨어는 상기 공구가 이동하는 횡단 방향을 따라 구배 재료 조성 및/또는 구배 재료 구조를 갖는 제품을 생성하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  31. 제1항에 있어서, 상기 공정 제어 소프트웨어는 적층된 층의 깊이를 따라 구배 재료 조성 및/또는 구배 재료 구조를 갖는 제품을 생성하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  32. 제1항에 있어서, 상기 공정 제어 소프트웨어는 구배 기능을 갖는 적층물을 생성하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  33. 제1항에 있어서, 상기 공정 제어 소프트웨어는 판들 사이에 보강재를 갖는 2개 이상의 판을 포함하는 샌드위치 구조를 만들기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  34. 제1항에 있어서, 상기 공정 제어 소프트웨어는 판들 사이에 발포 재료 층을 갖는 2개 이상의 판을 포함하는 샌드위치 구조를 만들기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  35. 고상 적층 제조 시스템으로서,
    급송 유닛,
    충전재,
    스핀들,
    공구,
    모터,
    구동 유닛,
    제어 유닛,
    모니터링 유닛,
    전원 공급 장치,
    플랫폼,
    피가공물, 및/또는
    공정 제어 소프트웨어 중 임의의 것 또는 모두 중에서 하나 이상을 포함하고,
    선택적으로, 상기 스핀들, 상기 공구, 및/또는 핀(제공된 경우)은, 충전재가 상기 급송 유닛으로부터 당해 스핀들, 공구, 및 핀(제공된 경우)을 통해 피가공물 상으로 통과하도록 하기 위해 서로 작동 가능하게 연통되는 내부 통로를 가지며; 그리고/또는
    선택적으로, 당해 시스템은 상기 스핀들, 공구, 핀(제공된 경우), 피가공물, 및/또는 피가공물 플랫폼의 조화된 이동을 제공하는 하나 이상의 구동 유닛, 제어 유닛, 및 모니터링 유닛을 포함하고; 그리고/또는
    선택적으로, 당해 시스템은 충전재를 피가공물 표면 또는 배킹 플레이트 상으로, 또는 피가공물의 공동 안으로, 또는 2개 이상의 피가공물 사이의 간극부 안으로 압축하여 장입하고 분배하며; 그리고/또는
    선택적으로, 당해 시스템은 마찰, 마찰 가열을 발생시키고/발생시키거나, 충전재에 상이한 힘들을 가하고/가하거나, 공구가 피가공물 표면을 따라 회전 및/또는 병진 이동함에 따라 기계식 교반을 일으키는, 고상 적층 제조 시스템.
  36. 제35항에 있어서, 상기 급송 유닛은 1종 이상의 충전재를, 봉, 와이어, 분말 충전 튜브, 봉형 충전재, 분말, 블록, 시트, 과립, 및/또는 스크랩 조각, 또는 이들의 조합과 같은 하나 이상의 재료 형태로, 스핀들에 연속 또는 불연속적으로 공급하는, 고상 적층 제조 시스템.
  37. 제36항에 있어서, 상기 급송 유닛은 적층된 재료의 조성을 제어하기 위해 다양한 재료, 첨가제, 및/또는 강화 도펀트를 첨가하기 위한 하나, 둘, 또는 그 이상의 입구를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  38. 제36항에 있어서, 상기 급송 유닛은 충전재 안으로 촉매, 윤활제, 및/또는 개시제와 같은 액체 첨가제를 공급하기 위한 하나 또는 다수의 주입 지점을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  39. 제36항에 있어서, 상기 급송 유닛은 봉형 충전재를 연속 또는 불연속적으로 공급하기 위한 내부 통로를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  40. 제36항에 있어서, 상기 급송 유닛은 분말 충전재를 연속 또는 불연속적으로 공급하도록 구성된 오거 스크류 구성을 포함하는 내부 통로를 갖춘 본체를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  41. 제36항에 있어서, 상기 급송 유닛은 과립상(펠릿) 충전재를 연속 또는 불연속적으로 공급하도록 구성된 오거 스크류 구성을 포함하는 내부 통로를 갖춘 본체를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  42. 제36항에 있어서, 상기 급송 유닛은 내부 통로와, 봉형 충전재를 당해 급송 유닛의 내부 통로 안으로 밀어 넣기 위한 가압 박음 유닛(press driving unit)(작동기-하향력 드라이버)을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  43. 제36항에 있어서, 상기 급송 유닛은 임의의 형상 및 크기의 스크랩 재료 및 스크랩 조각을 수용하고 이들을 연속 층으로서 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  44. 제37항에 있어서, 상기 충전재는 1종 이상의 금속, 금속 합금, 금속 매트릭스 복합재(MMC), 중합체, 중합체 복합재, 플라스틱, 혼성 재료, 및/또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  45. 제36항에 있어서, 상기 봉형 재료는, 스핀들의 내부 통로, 상기 공구의 본체 및/또는 상기 핀(제공된 경우)의 본체 내에 배치될 때, 회전은 할 수 없고 수직 방향으로만 이동할 수 있거나, 또는 회전할 수 있으며 세로 방향 외에 시계 방향, 반시계 방향, 또는 이들의 임의의 조합 방향으로 회전하는, 고상 적층 제조 시스템.
  46. 제37항에 있어서, 상기 분말 재료는 윤활제, 안정화제, UV 차단제, 개시제, 및/또는 촉매 등과 같은 첨가제를 포함하고/하거나, 상기 급송 유닛을 통과하는 중에 상기 첨가제와 혼합되는, 고상 적층 제조 시스템.
  47. 제36항에 있어서, 상기 분말 재료는 강화재를 포함하고/하거나 상기 급송 유닛을 통과하는 중에 상기 강화재와 혼합되는, 고상 적층 제조 시스템.
  48. 제35항에 있어서, 상기 스핀들의 내부 통로는 분말, 과립, 봉, 시트, 스크랩 조각 및/또는 이들의 조합과 같은 다양한 충전재 형태의 통과를 지지하기 위한 내부 공간을 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  49. 제35항에 있어서, 상기 공구 홀더가 상기 공구에 구동을 부여하고, 상기 충전재를 통과시킬 수 있는 통로를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  50. 제35항에 있어서, 상기 공구 교환기는 상기 충전재가 적층되는 동안에 상호 교환될 수 있는 상이한 공구들을 위한 1개, 2개, 3개 또는 그 이상의 공구 홀더를 갖는 기어를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  51. 제35항에 있어서, 상기 구동 유닛은 상기 스핀들, 상기 공구, 및/또는 상기 피가공물 플랫폼의 x 방향, y 방향, z 방향, u 방향, v 방향, a 방향, b 방향, 및 c 방향의 이동을 제어할 수 있고, 이들의 임의의 조합을 제공할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  52. 제51항에 있어서, 상기 구동 유닛은 a 방향, b 방향, 및/또는 c 방향(즉, a1, a2, b1, b2, c1, c2)의 다중 회전을 제공할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  53. 제35항에 있어서, 상기 스핀들 및 상기 공구는 상기 피가공물 위에서 u 방향 및 v 방향으로 회전 및/또는 이동할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  54. 제35항에 있어서, 상기 공구는 상기 충전재를 통과시킬 수 있는 내부 통로를 갖춘 본체를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  55. 제35항에 있어서, 상기 공구는 원통형 또는 임의의 다른 본체 형상을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  56. 제35항에 있어서, 상기 공구는 2종 이상의 충전재가 피가공물 상으로 통과할 수 있는 다수의 통로를 갖춘 본체를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  57. 제56항에 있어서, 상기 공구는 편평한 견부, 또는 특징부를 갖춘 견부, 또는 테이퍼형 견부, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  58. 제56항에 있어서, 상기 공구는 적층된 재료와 피가공물의 표면 재료의 더 양호한 교반을 제공하는 표면 특징부를 갖춘 비소모성 견부를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  59. 제56항에 있어서, 상기 공구는 측면 공구 절단기를 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  60. 제56항에 있어서, 상기 공구는 피가공물 상에 충전재가 적층되기 전에 첨가제를 공급하기 위한 측면 주입 지점을 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  61. 제56항에 있어서, 상기 공구는 하나 이상의 너브를 갖는 견부를 포함하고, 상기 너브는 정육면체형, 직육면체형, 반구형, 원뿔형, 부분 원뿔형, 부분 정사각형-기부 피라미드형, 타원형, 원통형, 4면체형 및/또는 눈물방울 임펠러형에서 선택된 하나 이상의 기하학적 구조를 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  62. 제56항에 있어서, 상기 공구는 적어도 하나의 너브를 갖는 견부를 포함하고, 상기 너브(들)는 동일 또는 상이한 높이를 가지며 상기 공구 견부의 다양한 위치에 위치된, 고상 적층 제조 시스템.
  63. 제56항에 있어서, 상기 공구는 적어도 하나의 교체 가능한 너브를 갖는 견부를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  64. 제35항에 있어서, 상기 피가공물 플랫폼은 z 방향 이동 이외에 x 방향 및/또는 y 방향으로 이동하는 능력을 갖는 기부와, 선택적인 배킹 플레이트를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  65. 제64항에 있어서, 상기 기부는 z 방향 이동에 더하여 x 방향, y 방향, 및/또는 a 방향, 또는 이들의 임의의 조합 방향으로 이동 및/또는 회전하는 능력을 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  66. 제64항에 있어서, 상기 기부는 z 방향 이동에 더하여 x 방향, y 방향, a 방향, 및/또는 b 방향, 또는 이들의 임의의 조합 방향으로 이동 및/또는 회전하는 능력을 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  67. 제64항에 있어서, 상기 기부는 z 방향 이동에 더하여 x 방향, y 방향, a 방향, b 방향, 및/또는 c 방향, 또는 이들의 임의의 조합 방향으로 이동 및/또는 회전하는 능력을 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  68. 제64항에 있어서, 상기 피가공물 플랫폼은 하나 또는 다수의 피가공물을 지지하도록 구성되고, 상기 피가공물들은 i) 함께 결합되거나, ii) 수리되거나, iii) 코팅 또는 표면 개질되거나, 또는 iv) 맞춤형 특징부들이 피가공물에 추가되는, 고상 적층 제조 시스템.
  69. 제35항에 있어서, 상기 가열 및 냉각 시스템은 상기 충전재, 상기 스핀들, 상기 공구, 상기 핀(제공된 경우), 상기 피가공물 플랫폼 및/또는 상기 배킹 플레이트의 온도 제어를 제공하는, 고상 적층 제조 시스템.
  70. 제35항에 있어서, 상기 가스 공급 유닛은 적층 공정 동안 차폐하기 위해 필요한 N2, Ar, 및 기타 가스, 또는 이들의 가스 혼합물과 같은 가스를 제공하기 위해 내장된, 고상 적층 제조 시스템.
  71. 제35항에 있어서, 상기 가스 공급 유닛은 적층된 재료 층의 최종 조성 및/또는 구조를 위해 필요한 공기, N2, Ar, 및 기타 가스, 또는 이들의 가스 혼합물과 같은 가스를 제공하기 위해 내장된, 고상 적층 제조 시스템.
  72. 제35항에 있어서, 제어된 환경 격실이 작업 구역 내에 제어된 가스 환경을 가능하게 하는 덮인 공간을 상기 스핀들, 공구, 피가공물, 및/또는 플랫폼 주위에 제공하는, 고상 적층 제조 시스템.
  73. 제35항에 있어서, 상기 외부 에너지원은 충전재의 처리 및/또는 적층된 재료의 최종 조성 및 구조의 처리를 위해 전기장, 자기장, 초음파, 진동 및/또는 광, 예컨대 UV 광, 가시광, 또는 IR 광 파장을 시스템의 상이한 위치에 공급할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  74. 제35항에 있어서, 당해 시스템의 상이한 위치에 위치된, 온도, 하중, 토크, 및/또는 압력을 감지하기 위한 다수의 접촉식 또는 비접촉식 센서, 및/또는 카메라를 포함하는 고상 적층 제조 시스템.
  75. 제35항에 있어서, 상기 다수의 제어 유닛은 다수의 온도, 하중, 토크 및/또는 압력 검출기들, 및/또는 온도, 토크 및/또는 압력의 피드백 제어기들을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  76. 제75항에 있어서, 상기 다수의 제어 유닛은 충전재의 공급 속도, 하중 및/또는 온도의 제어를 제공하는, 고상 적층 제조 시스템.
  77. 제35항에 있어서, 상기 프로세스 제어 소프트웨어는, 가해지는 토크, 하중, 압력, 스핀들 회전, 공구 회전 및/또는 횡단 이동과 관련하여, 그리고/또는 피가공물의 횡단 이동, 온도 및/또는 각 회전과 관련하여, 마찰력, 기타 가해진 힘 및/또는 적층 공정을 제어하는, 고상 적층 제조 시스템.
  78. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 상이한 형상 및 크기의 3D 부품을 구축하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  79. 제78항에 있어서, 당해 시스템은 등방성 특성을 갖는 3D 부품을 구축하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  80. 제78항에 있어서, 당해 시스템은 이방성 특성을 갖는 3D 부품을 구축하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  81. 제78항에 있어서, 당해 시스템은 구배 특성을 갖는 3D 부품을 구축하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  82. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 접합될 필요가 있는 동일하거나 유사하거나 상이한 재료들로 제조된 2개의 피가공물 사이의 공간 안에 충전재를 공구 통로를 통해 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  83. 제82항에 있어서, 당해 시스템은 접합될 필요가 있는 동일하거나 유사하거나 상이한 부품들 또는 재료들로 제조된 2개의 피가공물 사이에 강화 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  84. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물 상에 맞춤형 특징부를 구축하는 방식으로 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  85. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물 상에 미리 만들어진 또는 맞춤형 특징부를 부착하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  86. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 보호 코팅, 예컨대 내식성 코팅, 내화 코팅, 마모 방지 코팅, 전도성 코팅, 자기 코팅, 절연 코팅, 항균 코팅, 초소수성 코팅, 긁힘 방지 코팅, 내구성 코팅, 파손 방지 코팅 및/또는 내탄도 코팅을 제공하기 위해 피가공물 표면에 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  87. 제35항에 있어서, 당해 시스템은, 피가공물과 상호 작용하여 피가공물 표면의 기능화를 일으킬 수 있는 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  88. 제35항에 있어서, 당해 시스템은, 피가공물과 상호 작용하여 표면 복합물을 제공할 수 있는 충전재를 피가공물의 표면에 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  89. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물의 결함 지점(균열부)에 충전재를 적층시켜서 수리할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  90. 제89항에 있어서, 당해 시스템은 편평한 피가공물을 수리할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  91. 제89항에 있어서, 당해 시스템은 곡형 피가공물을 수리할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  92. 제89항에 있어서, 당해 시스템은 도달하기 어려운 위치에 있는 복잡한 형상의 피가공물, 예를 들어 레일 시스템 또는 기어박스를 수리할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  93. 제89항에 있어서, 당해 시스템은 배킹 플레이트를 사용하여 표면 또는 부품을 수리할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  94. 제89항에 있어서, 당해 시스템은 배킹 플레이트를 사용하지 않고 표면 또는 부품을 수리할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  95. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물의 공동 내에 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  96. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 다양한 금속, MMC, 중합체, 플라스틱 조성물, 및 복합재 내에 강화재 및/또는 입자를 분산시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  97. 제96항에 있어서, 당해 시스템은 현장 합성하고 후속하여 맞춤형 조성물을 피가공물의 표면 상에 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  98. 제96항에 있어서, 당해 시스템은 현장 합성하고 후속하여 상기 맞춤형 조성물로부터 3D 물체를 구축할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  99. 제96항에 있어서, 당해 시스템은 다른 공정으로 부품을 구축하는 데 유용한 재료들을 현장 외 합성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  100. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 제어된 가스 환경 하에서 작동할 수 있고, 기본 충전재 및 취입 가스의 결과인 조성을 갖는 재료를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  101. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 제어된 가스 환경 하에서 작동할 수 있고, 충전재 및 취입 가스의 결과인 다공성 구조를 갖는 재료를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  102. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 맞춤형 특성을 산출하는 제어된 미세 조직 및 나노 조직을 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  103. 제102항에 있어서, 당해 시스템은 미세화된 입자 구조를 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  104. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 이동하는 공구의 횡단 방향을 따라 구배 재료 조성 및/또는 구배 재료 구조를 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  105. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 적층된 층의 깊이를 따라 구배 재료 조성 및/또는 구배 재료 구조를 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  106. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 구배 기능을 갖는 적층물을 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  107. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 플레이트들 사이에 보강재를 갖는 2개 이상의 플레이트를 포함하는 샌드위치 구조를 형성하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  108. 제35항에 있어서, 당해 시스템은 플레이트들 사이에 발포 재료 층을 갖는 2개 이상의 플레이트를 포함하는 샌드위치 구조를 형성하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  109. 재료 미세 조직을 제어하는 방법으로서,
    고상 적층 제조 시스템에 의해 1종 이상의 재료를 적층시키는 단계를 포함하고,
    적층되는 상기 재료는 그의 융점(Tm) 아래에 있고,
    상기 재료는 고상 적층 제조 시스템 내에서 발생된 강한 마찰력 및 기타 힘들로 인해 소성 변형된 상태에 있고,
    결과적으로 맞춤화된 최종 재료의 기계적 특성을 갖는 최종 재료를 얻을 수 있도록 상기 재료의 미세 조직의 미세화가 발생하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  110. 제35항 또는 제109항에 있어서, 당해 방법은 등축 미세 조직을 갖는 재료를 생성하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  111. 제35항 또는 제109항에 있어서, 상기 재료는 등축 입자를 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  112. 제35항 또는 제109항에 있어서, 당해 방법은 등방 기계적 특성을 갖는 재료를 생성하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  113. 제35항 또는 제109항에 있어서, 당해 방법은 단방향 미세 조직을 갖는 재료를 생성하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  114. 제35항 또는 제109항에 있어서, 당해 방법은 양방향 미세 조직을 갖는 재료를 생성하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  115. 제35항 또는 제109항에 있어서, 당해 방법은 양방향 기계적 특성을 갖는 재료를 생성하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  116. 제35항 또는 제109항에 있어서, 당해 방법은 균질 미세 조직을 갖는 재료를 수득하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  117. 제35항 또는 제109항에 있어서, 당해 방법은 비균질 미세 조직을 갖는 재료를 수득하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  118. 제35항 또는 제109항에 있어서, 당해 방법은 1 내지 10 μm 범위의 평균 크기를 갖는 미세 조직(예를 들어, 입자)을 갖는 재료를 생성하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  119. 제35항 또는 제109항에 있어서, 당해 방법은 원래 입자의 크기를 그 원래 입자들에 비해 적어도 5배가 되게 미세화하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  120. 제35항 또는 제109항에 있어서, 당해 방법은 원래 입자의 크기를 원래 재료에 비해 적어도 10배의 크기가 되게 미세화하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  121. 제35항 또는 제109항에 있어서, 상기 미세 조직은 특정의 공정 변수에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  122. 제121항에 있어서, 상기 미세 조직은 스핀들 및 공구의 각속도에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  123. 제121항에 있어서, 상기 미세 조직은 스핀들/공구의 토크에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  124. 제121항에 있어서, 상기 미세 조직은 코팅되거나 적층된 기판 위에서 이동하는 공구의 횡단 속도에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  125. 제121항에 있어서, 상기 미세 조직은 사용 중에 발생된 열에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  126. 제121항에 있어서, 상기 미세 조직은 충전재에 가해지는 하향/누름력에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  127. 제121항에 있어서, 상기 미세 조직은 적층된 층의 두께에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  128. 제121항에 있어서, 상기 미세 조직은 충전재의 가열 속도에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  129. 제121항에 있어서, 상기 미세 조직은 적층된 층의 냉각 속도에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  130. 제121항에 있어서, 상기 미세 조직은 충전재 유량에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  131. 제35항 또는 제109항에 있어서, 상기 미세 조직은 여러 공정 변수들의 조합에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  132. 제35항 또는 제109항에 있어서, 상기 재료가 0.4 내지 0.8Tm까지 가열되고, 여기서 Tm은 상기 재료의 융점인, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  133. 제35항 또는 제109항에 있어서, 상기 미세 조직의 형상, 크기, 및 조성이 취입 가스로서 사용된 가스 조성에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  134. 제35항 또는 제109항에 있어서, 당해 방법은 완전히 비정질인 중합체 재료를 생성하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  135. 제35항 또는 제109항에 있어서, 상기 미세 조직은 윤활제에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  136. 제35항 또는 제109항에 있어서, 상기 미세 조직은 첨가제에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  137. 고상 적층 제조 시스템으로서,
    급송 유닛,
    충전재,
    스핀들,
    공구 홀더,
    공구 교환기,
    공구,
    주입 포트들,
    적층 구속부들,
    피가공물,
    배킹 플레이트
    피가공물 플랫폼,
    가스 공급 유닛,
    제어된 환경 격실,
    하나 이상의 모터,
    다수의 구동 유닛,
    다수의 제어 유닛,
    다수의 모니터링 유닛,
    다수의 접촉식 및 비접촉식 센서,
    다수의 가열 및 냉각 시스템,
    전기장, 자기장, 초음파, 진동, 및/또는 UV 광을 제공할 수 있는 다수의 외부 에너지원,
    전원 공급 장치, 및/또는
    공정 제어 소프트웨어 중 임의의 것 또는 모두 중에서 하나 이상을 포함하고;
    선택적으로, 상기 스핀들, 상기 공구, 및/또는 상기 핀(제공된 경우)은, 충전재가 상기 급송 유닛으로부터 당해 스핀들, 공구, 및 핀(제공된 경우)을 통해 피가공물 상으로 통과하도록 하기 위해 서로 작동 가능하게 연통되는 내부 통로를 가지며;
    그리고/또는
    선택적으로, 당해 시스템은 상기 스핀들, 공구, 핀(제공된 경우), 피가공물, 및/또는 피가공물 플랫폼의 조화된 이동을 제공하는 하나 이상의 구동 유닛, 제어 유닛, 및 모니터링 유닛을 포함하고;
    그리고/또는
    선택적으로, 당해 시스템은 적층 전 및 적층 동안 충전재 및/또는 피가공물의 온도 제어를 위한 하나 이상의 열원, 외부 장 발생원 및/또는 냉각 유닛을 포함하고;
    그리고/또는
    선택적으로, 당해 시스템은 충전재를 피가공물 표면 또는 배킹 플레이트 상으로, 또는 피가공물의 공동 안으로, 또는 2개 이상의 피가공물 사이의 간극부 안으로 압축하여 장입하고 분배하고;
    그리고/또는
    선택적으로, 당해 시스템은 공구가 피가공물 표면을 따라 회전 및/또는 병진 이동함에 따라 마찰, 마찰 가열 및/또는 기계식 교반을 일으키고;
    그리고/또는
    선택적으로, 당해 시스템은, 적층식 마찰 교반 용접, 또는 용접을 위한 고상 적층 제조를 위해 적용할 수 있고, 기판들의 적층식 마찰 교반 고상 결합, 또는 기판들을 결합시키기 위한 고상 적층 제조를 위해 적용할 수 있고, 3D 구조체의 적층식 마찰 교반 적층, 또는 3D 구조체의 적층에 의한 고상 적층 제조를 위해 적용할 수 있고, 구조체의 적층식 마찰 교반 보강(강화), 또는 구조체의 보강(강화)에 의한 고상 적층 제조를 위해 적용할 수 있고, 기판의 적층식 마찰 교반 코팅, 또는 기판을 코팅하는 고상 적층 제조를 위해 적용할 수 있고, 표면의 적층식 마찰 교반 기능화, 또는 표면의 기능화에 의한 고상 적층 제조를 위해 적용할 수 있고, 그리고/또는 하나 이상의 다양한 구조체의 적층식 마찰 교반 수리, 또는 하나 이상의 다양한 구조체의 수리에 의한 고상 적층 제조를 위해 적용할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  138. 제137항에 있어서, 상기 급송 유닛은 상기 충전재를, 봉, 와이어, 분말 충전 튜브, 봉형 충전재, 분말, 및/또는 과립, 또는 이들의 조합과 같은 한 가지 또는 상이한 형태로, 스핀들에 연속 또는 불연속적으로 공급하는, 고상 적층 제조 시스템.
  139. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 급송 유닛은 충전재 조성을 제어하기 위해 다양한 재료, 도펀트, 및/또는 보강재를 첨가하기 위한 하나 또는 다수의 입구를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  140. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 급송 유닛은 충전재 안으로 액체 첨가제(예컨대, 촉매, 윤활제, 및/또는 개시제)를 공급하기 위한 하나 또는 다수의 주입 지점을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  141. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 급송 유닛은 봉형 충전재를 연속 및/또는 불연속적으로 공급하기 위한 내부 통로를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  142. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 급송 유닛은 분말 충전재를 연속 및/또는 불연속적으로 공급하도록 구성된 오거 스크류 구성을 포함하는 내부 통로를 갖춘 본체를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  143. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 급송 유닛은 과립상(펠릿) 충전재를 연속 및/또는 불연속적으로 공급하도록 구성된 오거 스크류 구성을 포함하는 내부 통로를 갖춘 본체를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  144. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 급송 유닛은 내부 통로와, 봉형 충전재를 당해 급송 유닛의 내부 통로 안으로 밀어 넣기 위한 가압 박음 유닛(press driving unit)(작동기-하향력 드라이버)을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  145. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전재는 봉형 재료, 분말, 펠릿(과립상) 재료, 분말 충전 튜브, 및/또는 이들의 임의의 조합인, 고상 적층 제조 시스템.
  146. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전재는 1종, 2종, 또는 그 이상의 금속, 금속 합금, MMC 복합재, 중합체, 플라스틱, 혼성 재료, 및/또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  147. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 봉형 재료는, 스핀들의 내부 통로, 상기 공구의 본체 및/또는 상기 핀(제공된 경우)의 본체 내에 배치될 때, 회전은 할 수 없고 수직 방향으로만 이동할 수 있거나, 또는 회전할 수 있으며 세로 방향 외에 시계 방향, 반시계 방향, 또는 이들의 임의의 조합 방향으로 회전하는, 고상 적층 제조 시스템.
  148. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분말 재료는 윤활제, 안정화제, UV 차단제, 개시제, 및/또는 촉매 등과 같은 첨가제를 포함하고/하거나, 상기 급송 유닛을 통과하는 중에 상기 첨가제와 혼합되는, 고상 적층 제조 시스템.
  149. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분말 재료는 강화재를 포함하고/하거나, 상기 급송 유닛을 통과하는 중에 상기 강화재와 혼합되는, 고상 적층 제조 시스템.
  150. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분말 재료는 CNT를 포함하고/하거나, 상기 급송 유닛을 통과하는 중에 상기 CNT와 혼합되는, 고상 적층 제조 시스템.
  151. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스핀들은, 충전재의 공급을 지지하는 내부 통로를 갖는 스핀들을 포함하고, 상기 내부 통로는 공구의 내부 통로, 스핀들, 모터, 및/또는 스핀들과 임의의 오일러 유닛을 회전시키기 위한 베어링과 연통하는, 고상 적층 제조 시스템.
  152. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스핀들의 내부 통로는 분말, 과립, 봉, 및 이들의 조합과 같은 다양한 충전재 형태의 통과를 지지하기 위한 내부 공간을 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  153. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스핀들은 봉형 충전재를 아래로 누르는 푸시로드를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  154. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스핀들은 분말 압밀(powder consolidation)을 위한 오거 구동 기구 및 오거 어셈블리를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  155. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구 홀더가 상기 공구에 구동을 부여하고, 상기 충전재를 통과시킬 수 있는 통로를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  156. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구 교환기는 상기 충전재가 마찰 교반 적층되는 동안에 상호 교환될 수 있는 상이한 공구들을 위한 1개, 2개, 3개 또는 그 이상의 공구 홀더를 갖는 기어를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  157. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 피가공물을 따라 회전 및/또는 병진 이동을 할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  158. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 움직이지 않거나(회전하지 않거나), 시계 방향, 반시계 방향, 또는 이들의 조합 방향으로 회전하는, 고상 적층 제조 시스템.
  159. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 상기 충전재를 통과시킬 수 있는 내부 통로를 갖춘 본체를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  160. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 원통형 또는 임의의 다른 본체 형상을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  161. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 편평한, 오목한, 또는 볼록한 바닥(견부) 형상을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  162. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 2종 이상의 충전재가 피가공물 상으로 통과할 수 있는 다수의 통로를 갖춘 본체를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  163. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 충전재 및/또는 강화재가 피가공물 상으로 공급되게 하는 다수의 통로를 갖춘 본체를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  164. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 원형, 정사각형, 직사각형, 타원형, 육각형, 별형, 또는 기타 단면 형상을 갖는 하나 이상의 통로를 갖춘 본체를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  165. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 상기 기판 상의 넓은 영역을 커버하기 위해 다수의 개구로 분기되는 통로를 갖춘 본체를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  166. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 편평한 견부, 또는 특징부를 갖춘 견부, 또는 테이퍼형 견부, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  167. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 비 소모성 견부를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  168. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 테이퍼형 견부를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  169. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 적층된 재료와 피가공물의 표면 재료의 더 양호한 교반을 제공하는 표면 특징부를 갖춘 견부를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  170. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 측면 공구 절단기를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  171. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 피가공물 상에 충전재가 적층되기 전에 첨가제를 공급하기 위한 측면 주입 지점을 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  172. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 공구의 통로와 작동 가능하게 연통하는 통로를 갖춘 연장 핀을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  173. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 공구 본체의 바닥면으로부터 연장되는 중공 핀을 포함하고, 상기 중공 핀은 피가공물 내로 침투하여 2개의 피가공물 사이에 강한 기계적 교반 또는 관통을 일으킬 수 있고 피가공물들 간의 용접을 생성하는, 고상 적층 제조 시스템.
  174. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 통로를 갖춘 테이퍼형 핀을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  175. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 적어도 2 개의 너브를 갖는 견부를 포함하고, 상기 너브는 입방체형, 직육면체형, 반구형, 원뿔형, 부분 원뿔형, 부분 사각형 기부 피라미드형, 타원형, 원통형, 4 면체형, 눈물방울 임펠러형 등으로부터 선택된 하나 이상의 기하학적 구조를 갖는, 고상 적층 제조 시스템.
  176. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 적어도 2개의 너브를 갖는 견부를 포함하고, 상기 너브는 동일하거나 상이한 높이를 가지며 공구의 견부 상의 다양한 위치에 위치된, 고상 적층 제조 시스템.
  177. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 적어도 2개의 교체 가능한 너브를 갖는 견부를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  178. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는, 표면 특징부들 및 너브들을 갖는 견부를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  179. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피가공물 플랫폼은 x축 및 y축 방향으로 이동하는 능력을 갖는 피가공물 기부와, 선택적인 배킹 플레이트를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  180. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피가공물 플랫폼은, i) 용접시킬 2개 이상의 기판, ii) 함께 결합시키거나 수리할 다수의 기판 또는 시트, iii) 결합시키거나 수리할 다수의 원형/관형 부품, 또는 iv) 코팅되거나 표면 개질될 하나 이상의 기판 또는 부품과 같은 하나 또는 다수의 피가공물을 지지하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  181. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 유닛은 상기 스핀들, 상기 공구, 및/또는 상기 피가공물의 이동을 제어할 수 있는 x축, y축, z축, 및/또는 각 이동 드라이브를 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  182. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 및 냉각 시스템은 상기 충전재, 상기 스핀들, 상기 공구, 상기 핀(사용된 경우), 상기 피가공물 플랫폼 및/또는 상기 배킹 플레이트의 온도 제어를 제공하는, 고상 적층 제조 시스템.
  183. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공급 유닛은 마찰 교반 공정 동안 차폐하기 위해 필요한 N2, Ar, 및 기타 가스, 또는 이들의 가스 혼합물과 같은 가스를 제공하기 위해 내장된, 고상 적층 제조 시스템.
  184. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공급 유닛은 적층된 재료 층의 최종 조성 및/또는 구조를 위해 필요한 N2, Ar, 및 기타 가스, 또는 이들의 가스 혼합물과 같은 가스를 제공하기 위해 내장된, 고상 적층 제조 시스템.
  185. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 제어된 환경 격실이 작업 구역 내에 제어된 가스 환경을 가능하게 하는 덮인 공간을 상기 스핀들, 공구, 피가공물, 및/또는 플랫폼 주위에 제공하는, 고상 적층 제조 시스템.
  186. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어된 환경 격실은 고상 적층 제조 공정 동안 차폐 가스 환경을 제공하는, 고상 적층 제조 시스템.
  187. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어된 환경 격실은 적층된 재료의 최종 조성 및/또는 최종 구조를 위한 가스 환경을 제공하는, 고상 적층 제조 시스템.
  188. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 에너지원은 충전재의 처리 및/또는 적층된 재료의 최종 조성 및 구조의 처리를 위해 전기장, 자기장, 초음파, 진동 및/또는 광, 예컨대 UV 광, 가시광, 또는 IR 광 파장을 공급할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  189. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 하나, 둘, 또는 그 이상의 외부 에너지원이, 충전재의 및/또는 적층된 층 내에서의 양호한 혼합 및 균질화를 위한 에너지를 제공하는, 고상 적층 제조 시스템.
  190. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 동일하거나 상이한 유형의 다수의 외부 에너지원이, 상기 급송 유닛, 상기 스핀들, 상기 공구의 근처 또는 주변, 그리고/ 또는 피가공물의 근처 또는 주변과 같은, 상이한 위치에 설치되는, 고상 적층 제조 시스템.
  191. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 에너지원은, 충전재 내에서의 이방성 강화 입자의 우선 방위를 가능하게 하고, 그 결과, 적층된 층 내에서 이방성 강화 입자의 우선 방위를 가능하게 하기 위한 전기장 및/또는 자기장 발생원인, 고상 적층 제조 시스템.
  192. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 에너지원은 적층 동안 또는 적층 직후에 중간형(단량체형 또는 예비 중합체형) 충전재의 광중합(가교 결합)을 가능하게 하는 UV 램프와 같은 광원인, 고상 적층 제조 시스템.
  193. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 에너지원은 적층 동안 및 적층 후에 충전재 내에 조성 변화 및/또는 구조 변화를 일으키고/일으키거나 화학 반응을 일으킬 수 있는 특정 파장의 레이저와 같은 고강도 광원인, 고상 적층 제조 시스템.
  194. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 에너지원은 적층 동안 및/또는 적층 후에 충전재에 추가적인 가열을 제공하는 IR 스펙트럼 범위의 광원인, 고상 적층 제조 시스템.
  195. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 에너지원은, 상기 급송 유닛 내 충전재를 혼합할 수 있고 하향 이동시킬 수 있는 진동 발생 유닛(진동 모터)인, 고상 적층 제조 시스템.
  196. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 에너지원은, 상기 급송 유닛 내 충전재를 혼합 및/또는 균질화시킬 수 초음파 발생기인, 고상 적층 제조 시스템.
  197. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 접촉식 또는 비접촉식 센서는 온도, 하중, 토크 및/또는 압력 검출 센서인, 고상 적층 제조 시스템.
  198. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 접촉식 또는 비접촉식 센서는 당해 시스템의 상이한 위치에, 즉 상기 급송 유닛, 스핀들, 공구, 핀, 및/또는 피가공물 플랫폼의 근처, 내부, 또는 주변에 위치된, 고상 적층 제조 시스템.
  199. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 모니터링 유닛은 마찰 교반 공정의 현장 모니터링을 제공하고/하거나 적층된 재료의 품질을 모니터링하게 배치된 카메라들을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  200. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 제어 유닛은 다수의 온도, 하중, 토크 및/또는 압력 검출기들, 및/또는 온도, 토크 및/또는 압력의 피드백 제어기들을 포함하는, 고상 적층 제조 시스템.
  201. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 제어 유닛은 충전재의 공급 속도, 하중 및/또는 온도의 제어를 제공하는, 고상 적층 제조 시스템.
  202. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세스 제어 소프트웨어는, 가해지는 토크, 하중, 압력, 스핀들 회전, 공구 회전 및/또는 횡단 이동과 관련하여, 그리고/또는 피가공물의 횡단 이동, 온도 및/또는 각 회전과 관련하여, 마찰 교반 적층 공정을 제어하는, 고상 적층 제조 시스템.
  203. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 용접될 필요가 있는 동일하거나 유사하거나 상이한 재료들로 제조된 2개의 피가공물 사이의 공간 안에 충전재를 공구 통로 및 핀(제공된 경우)을 통해 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  204. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 화학 또는 금속 접착에 의해 또는 교합 기구(interlocking mechanisms)에 의해 접합될 동일하거나 유사하거나 상이한 재료들로 제조된 2개의 피가공물 사이의 공간에 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  205. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 접합될 필요가 있는 동일하거나 유사하거나 상이한 재료들로 제조된 2개의 피가공물 사이에 강화 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  206. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물을 보강하는 방식으로 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  207. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물 상에 보강 리브를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  208. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 튜브형 피가공물 상에 보강 링을 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  209. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물 상에 임의의 보강 3D 구조체를 구축하는 방식으로 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  210. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물에 미리 만들어진 리브 또는 링을 부착시키도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  211. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 플레이트들 사이에 보강재를 갖는 2개 이상의 플레이트를 포함하는 샌드위치 구조를 형성하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  212. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 플레이트들 사이에 발포 재료 층을 갖는 2개 이상의 플레이트를 포함하는 샌드위치 구조를 형성하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  213. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 절연 구조체로서 적용 가능한 발포 재료가 개재된 2개 이상의 플레이트를 포함하는 샌드위치 구조를 형성하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  214. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 음향 제어용 구조체로서 적용 가능한 발포 재료가 개재된 2개 이상의 플레이트를 포함하는 샌드위치 구조를 형성하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  215. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 상이한 형상의 3D 부품들을 제작하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  216. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 3D 전도성 부품들을 제작하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  217. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 3D 단열 부품들을 제작하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  218. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 이방성 전도 특성을 갖는 3D 부품들을 제작하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  219. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 이방성 기계적 특성을 갖는 3D 부품들을 제작하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  220. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 구배 전도성을 갖는 3D 부품들을 제작하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  221. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 구배 기계적 특성을 갖는 3D 부품들을 제작하도록 구성된, 고상 적층 제조 시스템.
  222. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물의 표면에 보호 코팅을 제공하기 위해 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  223. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물의 표면에 내식성 코팅을 제공하기 위해 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  224. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물의 표면에 내마모성 코팅을 제공하기 위해 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  225. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물의 표면에 항균 코팅을 제공하기 위해 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  226. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물의 표면에 전도성 코팅을 제공하기 위해 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  227. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물의 표면에 단열 코팅을 제공하기 위해 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  228. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물의 표면에 내화성 코팅을 제공하기 위해 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  229. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은, 피가공물과 상호 작용하여 피가공물 표면의 기능화를 일으킬 수 있는 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  230. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물 표면에 피가공물과 상호 작용하는 충전재를 적층시켜서 표면 복합물을 제공할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  231. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물의 표면에 강화 복합 코팅을 제공하기 위해 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  232. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물의 결함 지점(균열부)에 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  233. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 피가공물의 공동 내에 충전재를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  234. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 다양한 금속, MMC, 중합체, 플라스틱 조성물, 및 복합재 내에 강화재 및/또는 입자를 분산시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  235. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, SiC, B4C, TiO2, SiO2, MoS2, CeO, Al2O3, 점토, 그래핀, 및/또는 기타 금속, 금속 산화물 및/또는 세라믹 미세 크기 입자 및/또는 나노 크기 입자를 분배할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  236. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 강화 입자를 5 내지 80 부피% 범위의 장입 수준으로 분배할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  237. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 강화 섬유를 분배할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  238. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 종횡비가 높은 이방성 입자를 분배할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  239. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 탄소 나노 튜브(CNT)와 같은 종횡비가 높은 이방성 입자를 분배하고 그리고/또는 배향시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  240. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 상이한 금속, MMC, 중합체, 플라스틱 조성물, 및/또는 복합재 중에 CNT를 분산시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  241. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 CNT의 특성 및/또는 그의 종횡비에 영향을 주지 않으면서 단일 벽 및/또는 다중 벽 탄소 나노 튜브(SW CNT 및 MW CNT)를 분산시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  242. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 CNT를 1 부피% 이상의 장입 수준에서 분배할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  243. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 금속 매트릭스 내에 내화성 금속을 분배할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  244. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 다양한 MMC, 합금, 및/또는 복합재를 형성시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  245. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 다양한 강화된 중합체 복합재를 형성시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  246. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 다양한 금속-중합체 복합재를 형성시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  247. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 편평한 구조체, 관형/원형 구조체, 및/또는 임의의 기타 구조체인 결함 구조체를 수리할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  248. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 고온 고강도 재료를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  249. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 인코넬과 같은 고온 고강도 재료를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  250. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 제어된 취입 가스 환경 하에서 작동할 수 있고, 기본 충전재 및 취입 가스의 결과인 조성을 갖는 재료를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  251. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 제어된 가스 환경 하에서 작동할 수 있고, 기본 Ti 또는 Ti- 합금 재료 및 취입 N2 가스의 결과인 TiN 재료를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  252. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 제어된 취입 가스 환경 하에서 작동할 수 있고, 충전재 및 취입 가스의 결과인 다공성 구조를 갖는 재료를 적층시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  253. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 향상된 특성이 생기게 하는 미세화된 미세 조직 및 나노 조직을 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  254. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 미세화된 입자 구조를 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  255. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 균질화된 미세 조직을 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  256. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 이방성 적층 코팅재를 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  257. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 이방성 전기 특성을 갖는 적층 코팅을 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  258. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 이방성 자기 특성을 갖는 적층 재료를 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  259. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 이방성 기계적 특성을 갖는 적층 재료를 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  260. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 이동하는 공구의 횡단 방향을 따라 구배 재료 조성을 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  261. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 이동하는 공구의 횡단 방향을 따라 구배 재료 구조를 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  262. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 적층된 층의 깊이를 따라 구배 재료 조성을 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  263. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 적층된 층의 깊이를 따라 구배 재료 구조를 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  264. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 금속과 중합체 간의 접착이 우수한 중합체-금속 구조를 생성할 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  265. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 상이한 플라스틱 기판들 또는 임의의 다른 형상들을 그들 사이의 고강도 접착을 유지하며 접합시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  266. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 상이한 플라스틱 기판들 또는 임의의 다른 형상들을 그들 사이의 고강도 접착을 유지하며 접합시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  267. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 상이한 금속 기판들 또는 임의의 다른 형상들을 그들 사이의 고강도 접착을 유지하며 접합시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  268. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 상이한 세라믹 기판들 또는 임의의 다른 형상들을 그들 사이의 고강도 접착을 유지하며 접합시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  269. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 세라믹과 플라스틱 기판들 또는 임의의 다른 형상들을 그들 사이의 고강도 접착을 유지하며 접합시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  270. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 금속과 플라스틱 기판들 또는 임의의 다른 형상들을 그들 사이의 고강도 접착을 유지하며 접합시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  271. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당해 시스템은 세라믹과 금속 기판들 또는 임의의 다른 형상들을 그들 사이의 고강도 접착을 유지하며 접합시킬 수 있는, 고상 적층 제조 시스템.
  272. 고상 적층 제조 기계로 재료 미세 조직을 제어하는 방법으로서, 하나 이상의 공정 제어 변수를 조정하되 고상 적층 제조 공정의 제품의 결과적인 재료 미세 조직에 영향을 미치거나 제어를 가하는 방식으로 조정하는 것을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  273. 제272항에 있어서, 상기 고상 적층 제조 공정은,
    상기 고상 적층 제조 기계의 중공 스핀들 또는 공구를 통해 제1 재료를 급송하는 단계;
    상기 제1 재료를 제2 재료 상에 적층시키는 단계로서, 상기 제1 재료는 적층 동안 그의 융점(Tm) 아래에 있는, 단계; 및
    상기 제1 및 제2 재료가 계면 영역에서 가단성 및/또는 점탄성 상태에 있도록, 중공 공구의 회전식 견부에 의해 수직력, 전단력 및/또는 마찰력을 가함으로써 상기 제1 재료의 소성 변형을 발생시켜, 이에 의해 고상 적층 제조 공정의 제품 내에 결과적인 재료 미세 조직이 생성되도록 하는 단계를 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  274. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 온도(열), 하향 (누름) 힘, 마찰력, 충전제 유량, 스핀들/공구 각속도, 스핀들/공구 토크, 공구의 횡단 속도, 제1 재료의 가열 속도, 냉각 속도, 또는 층 두께 중 임의의 하나 이상을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  275. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결과적인 재료 미세 조직은 고상 적층 제조 공정의 제품의 기계적 특성이 맞춤화되고/되거나 제어되도록 영향을 받거나 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  276. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 등축 미세 조직이 생성되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  277. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 등축 미세 조직은 입자인, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  278. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 등방성 기계적 특성을 갖는 재료가 생성되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  279. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 단방향 미세 조직을 갖는 재료가 생성되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  280. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 양방향 미세 조직을 갖는 재료가 생성되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  281. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 양방향 기계적 특성을 갖는 재료가 생성되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  282. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 균질 미세 조직을 갖는 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  283. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 비균질 미세 조직을 갖는 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  284. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 평균 크기가 1 내지 10 μm 범위인 미세 조직(예를 들어, 입자)을 갖는 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  285. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 원래 입자의 크기가 적어도 5배 변화되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  286. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 원래 입자의 크기가 적어도 10배 크기로 변화되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  287. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수가 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  288. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 3개 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수가 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  289. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 4개 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수가 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  290. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 5개 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수가 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  291. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 스핀들/공구의 각속도만 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  292. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 스핀들/공구의 토크만 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  293. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 공구의 횡단 속도만 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  294. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 온도(열)만 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  295. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 제1 재료에 가해지는 하향/누름 힘만 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  296. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 적층되는 층의 두께만 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  297. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 제1 재료의 가열 속도만 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  298. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 제1 재료의 냉각 속도만 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  299. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 제1 재료의 유량만 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  300. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 제2 재료의 온도만 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  301. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 재료 및/또는 상기 제2 재료가 0.4 내지 0.6 Tm까지 가열되고, 여기서 Tm은 상기 제1 재료 및/또는 상기 제2 재료의 융점인, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  302. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 재료 및/또는 상기 제2 재료가 0.6 내지 0.8Tm까지 가열되고, 여기서 Tm은 상기 제1 재료 및/또는 상기 제2 재료의 융점인, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  303. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 재료 및/또는 상기 제2 재료가 0.8 내지 0.9Tm까지 가열되고, 여기서 Tm은 상기 제1 재료 및/또는 상기 제2 재료의 융점인, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  304. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 고상 적층 제조 공정 동안 차폐 가스로서 사용되는 가스 조성물이 결과적인 재료 미세 조직에 영향을 미치거나 제어를 가하도록 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  305. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결과적인 재료 미세 조직의 형상, 크기, 및/또는 조성이 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  306. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결과적인 재료 미세 조직의 조성이 높은 금속 산화물 함량을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  307. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결과적인 재료 미세 조직의 조성이 높은 순수 금속 함량을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  308. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결과적인 재료 미세 조직의 조성이 높은 산화물 함량을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  309. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결과적인 재료 미세 조직의 조성이 높은 질화물 함량을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  310. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 적층된 층의 횡단 방향을 따라 구배 미세 조직을 갖는 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  311. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 적층된 층의 두께 방향을 따라 구배 미세 조직을 갖는 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  312. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 적층된 층의 구배 재료 화학 조성을 따라 구배 미세 조직을 갖는 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  313. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 완전히 비정질인 중합체 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  314. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 부분적 결정질(반결정질) 중합체가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  315. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 층상 결정질 미세 조직을 갖는 고성능 중합체 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  316. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 구정 미세 조직(spherulite microstructure)을 갖는 중합체 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  317. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 배향된 중합체 사슬을 갖는 중합체 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  318. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 이방성 기계적 특성을 갖는 재료가 생성되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  319. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결과적인 재료 미세 조직이 상기 제1 재료에 첨가된 첨가제에 의해 제어되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  320. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 첨가제가 강화제인, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  321. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 첨가제가 윤활제인, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  322. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 연성과 비교해서 증가된 연성을 갖는 결과적인 재료 미세 조직이 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  323. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 인장 특성과 비교해서 증가된 인장 특성을 갖는 결과적인 재료 미세 조직이 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  324. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 미립자가 균일하게 분포된 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  325. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 나노 입자가 균일하게 분포된 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  326. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 미립자가 구배 분포된 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  327. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 나노 입자가 구배 분포된 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  328. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수는 2종 이상의 재료 성분이 균일하게 분포된 재료가 산출되게 조정되는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  329. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결과적인 재료 미세 조직은 입자 크기인, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  330. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 결과적인 재료 미세 조직에 영향을 미치거나 제어를 가하는 방식으로 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수를 조정하는 것은, 결과적인 입자 크기가 증가하도록 온도를 증가시키는 것을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  331. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 결과적인 재료 미세 조직에 영향을 미치거나 제어를 가하는 방식으로 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수를 조정하는 것은, 결과적인 입자 크기가 감소하도록 하향 (누름) 힘을 증가시키는 것을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  332. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 결과적인 재료 미세 조직에 영향을 미치거나 제어를 가하는 방식으로 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수를 조정하는 것은, 결과적인 입자 크기가 감소하도록 마찰력을 증가시키는 것을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  333. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 결과적인 재료 미세 조직에 영향을 미치거나 제어를 가하는 방식으로 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수를 조정하는 것은, 결과적인 입자 크기가 증가하도록 충전재 유량을 증가시키는 것을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  334. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 결과적인 재료 미세 조직에 영향을 미치거나 제어를 가하는 방식으로 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수를 조정하는 것은, 결과적인 입자 크기가 증가하도록 스핀들/공구의 각속도를 증가시키는 것을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  335. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 결과적인 재료 미세 조직에 영향을 미치거나 제어를 가하는 방식으로 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수를 조정하는 것은, 결과적인 입자 크기가 감소하도록 스핀들/공구의 토크를 증가시키는 것을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  336. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 결과적인 재료 미세 조직에 영향을 미치거나 제어를 가하는 방식으로 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수를 조정하는 것은, 결과적인 입자 크기가 감소하도록 공구의 횡단 속도를 증가시키는 것을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  337. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 결과적인 재료 미세 조직에 영향을 미치거나 제어를 가하는 방식으로 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수를 조정하는 것은, 결과적인 입자 크기가 증가하도록 상기 제1 재료 및/또는 상기 제2 재료의 가열 속도를 증가시키는 것을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  338. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 결과적인 재료 미세 조직에 영향을 미치거나 제어를 가하는 방식으로 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수를 조정하는 것은, 결과적인 입자 크기가 감소하도록 상기 제1 재료 및/또는 상기 제2 재료의 냉각 속도를 증가시키는 것을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  339. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 결과적인 재료 미세 조직에 영향을 미치거나 제어를 가하는 방식으로 상기 하나 이상의 고상 적층 제조 공정 제어 변수를 조정하는 것은, 결과적인 입자 크기가 증가하도록 층 두께를 증가시키는 것을 포함하는, 재료 미세 조직을 제어하는 방법.
  340. 선행하는 항들 중 어느 한 항의 방법 또는 시스템에 의해 생성된 입체 구조체.
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