[发明专利]固态增材制造系统和材料的组成与结构

权利要求书

1.一种固态增材制造系统，其包括：

进料单元、主轴、刀具、电动机、驱动单元、控制单元、监测单元、接触式或非接触式传感器，电源和过程控制软件；

其中所述主轴和所述刀具各自具有内部通道，所述内部通道彼此间接或直接可操作地连通，以使填充材料从所述进料单元穿过所述主轴和刀具的所述内部通道到达工件，以及其中所述刀具和/或所述主轴的内部通道具有内表面，所述内表面能够与所述填充材料的外表面接合或者互锁以从所述主轴和/或刀具向所述填充材料提供旋转速度；

其中所述驱动单元、控制单元和/或监测单元中的一个或多个在使用期间能够提供所述主轴、所述刀具、所述工件和/或工件平台的协调移动；

其中，所述驱动单元、控制单元和/或监测单元能够将所述填充材料分配在所述工件上、垫板上、所述工件的腔中和/或两个或更多个工件之间的间隙中；

其中，由于所述刀具的旋转和/或平移移动，所述驱动单元、控制单元和/或监测单元能够引起摩擦、摩擦生热、待施加到所述填充材料上的一个或多个力和/或机械搅拌；以及

其中，所述驱动单元、控制单元和/或监测单元一同或者单独能够：

(i)控制所述工件平台在x轴、y轴、以及z轴的移动，

(ii)控制所述主轴和所述刀具在u轴和v轴的移动，u轴和v轴能够与x轴、y轴、或z轴相同或者不同，以及

(iii)控制工件围绕x轴、y轴、和z轴旋转；以及

其中通过调节一个或者多个处理参数，所述控制单元、所述监测单元和多个所述传感器一起能够提供具有期望的微结构的最终材料，所述处理参数包括温度，且所述处理参数还包括以下一个或者多个：

填充材料荷载率、进料速率、或者流速；荷载、压力、或者推力；所述主轴或者刀具的扭矩；所述主轴、刀具或者工件的旋转或者速度；或者所述刀具或者工件的横向运动或速度；

使得期望的微结构包括具有与所述填充材料和/或所述工件的微结构内的晶粒相比较，细化了至少5倍大小的晶粒。

2.根据权利要求1所述的系统，其中刀具保持器将驱动力赋予所述刀具，并且包括使所述填充材料能够从中穿过的通道。

3.根据权利要求1所述的系统，包括刀具更换器，所述刀具更换器包括具有1个、2个、3个或更多个刀具保持器的齿轮，以便不同的刀具互换。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述驱动单元能够控制所述主轴、所述刀具、销和/或所述工件平台在多个方向中的一个或者多个上移动。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述驱动单元能够提供围绕多个轴的一个或者多个旋转。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述主轴和所述刀具能够独立于所述工件在u方向和v方向上旋转和/或移动。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述刀具包括平坦台肩或特色台肩。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述特色台肩是锥形台肩。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述刀具包括具有表面特征的非消耗性台肩，所述表面特征提供对沉积的填充材料和/或工件表面的搅拌。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述刀具包括一个或多个侧刀具切割器。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述刀具包括一个或多个侧注入端口，以在所述填充材料沉积在所述工件上之前供应增材。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述刀具包括具有一个或多个凸节的台肩，其中所述凸节中的一个或多个凸节具有选自立方体、长方体、半球体、锥体、椭圆体、圆柱体、四面体和/或泪滴-叶轮形状的一个或多个几何结构。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述锥体为部分锥体。