CN109689266B - 线弧精度调整系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于相对于焊炬的热源以正确的取向将金属线(180)连续地供给到焊炬的方法，以用于通过自由实体制造来制造物体，以提供金属到自由物体、尤其是用钛或钛合金、或镍或镍合金、线制成的物体的连续沉积。

Description

线弧精度调整系统
技术领域
本申请涉及一种保持将金属线的远端或顶端精确地放置到焊炬的电弧中的系统和方法，以用于通过自由实体制造来制造物体(object，对象)，尤其是由钛和钛合金、或镍或镍合金、线制成的物体。
背景技术
由钛或钛合金制成的结构化金属部件通常通过从坯料铸造、锻造或加工制成。这些技术具有大量使用昂贵的钛金属材料和制造的交付时间长的缺点。
可以通过被称为快速原型制造、快速制造、分层制造、自由实体制造(SFFF)、增材制造、增量制造和3D打印的制造技术来制造全致密的物理物体。该技术采用计算机辅助设计(CAD)软件来首先构建待制造的物体的虚拟模型，且然后将虚拟模型转换成通常水平地定向的薄的平行切片或层。然后可以通过铺设呈液体、糊剂、粉末或其他可成层、可涂抹的形式或流体形式(诸如熔化的金属，例如来自熔化的焊丝，或预成形为类似于虚拟层的形状的片材)的连续原材料层直到形成整个物体来制造物理物体。这些层可以熔合在一起形成坚固的致密物体。
自由实体制造为一种允许以相对快的生产率创建几乎任何形状的物体的灵活技术，对于每个物体通常需要从几小时到几天不等。因此，该技术适用于原型的形成和小批量生产，并且可以按比例增加以进行大批量生产。
分层制造可以扩展为包括构造材料片(piece，部分)的沉积，即，物体的虚拟模型的每个结构层被分成一组片，这些片在并排放置时形成所述层。这允许通过根据物体的虚拟分层模型在形成每层的连续条纹中将金属线焊接到基板上、并且对每层重复该过程直到形成整个物理物体来形成金属物体。焊接技术的精度通常太粗糙以致不能直接形成具有可接受尺寸的物体。因此，所形成的物体通常被认为是需要加工到可接受尺寸精度的未加工物体或预成型件。
已知使用等离子弧来提供用于焊接金属材料的热。该方法可以在大气压或更高压力下采用，并因此允许使用更简单且更便宜的工艺设备。一种这样的方法被称为气体保护钨极弧焊(GTAW，也表示为钨极氩弧(TIG)焊)，其中在非消耗性钨电极和焊接区域之间形成等离子转移弧。等离子弧通常由通过等离子焊炬供给的气体来保护，该等离子焊炬供给的气体在电弧周围形成保护盖。TIG焊可以包括将金属线或金属粉末作为填料供给到熔池或等离子弧中。
已知通过自由实体制造(SFFF)使用TIG焊炬来构造物体(例如，参见Adams的美国专利公开第2010/0193480号)，其中将具有低延展性的连续金属原料材料层施加到基板上。等离子流通过使用电弧电极激励流动的气体来产生，该电弧电极具有提供给该电弧电极的可变幅值电流。在沉积之前，等离子流被引导到预定的目标区域以预热预定的目标区域。调节电流，并将原料材料(诸如金属线)引入等离子流中以将熔融原料沉积在预定的目标区域中。调节电流，并使熔融原料在升高的温度下缓慢冷却，该升高的温度通常高于原料材料在冷却阶段的脆韧转变温度，以使出现材料应力的可能性减到最小。
Withers等人(美国专利公开第2006/185473号)还描述了一组使用TIG焊炬代替传统上用于SFFF工艺的昂贵激光器，其通过以极大降低原材料的成本的方式组合钛进料和合金组分而具有相对低成本的钛进料。Withers等人教导说，可以使用成本低于合金线的非合金商用纯钛线(CP Ti丝)，并且可以通过在焊炬的熔体或其他高功率能量束中组合CP Ti丝和粉末合金组分在SFFF工艺中在现场将CP Ti丝与粉末合金组分相结合。Wither等人还教导说，钛海绵材料可以与合金元素混合并形成为线，其可以在SFFF工艺中与等离子焊炬或其他高功率能量束结合使用以产生近净形钛部件。
Abbott等人(WO 2006/133034，2006)描述了使用激光/电弧混合工艺制造复杂的三维形状的直接金属沉积工艺，其包括提供基板和使用激光辐射和电弧在基板上从金属原料沉积第一熔融金属层的步骤。电弧可以由气体金属电弧焊炬使用金属原料作为电极来提供。Abbott等人教导了激光辐射与气体金属电弧焊的结合使用可以稳定电弧并据称可以提供更高的加工速率。Abbott等人使用由线导向装置引导和从线导向装置引出的自耗电极。自耗电极的金属在端部熔化，并且通过将端部定位在沉积点上来沉积熔融金属。用于熔化自耗电极所需的热量可以通过解开在电极的顶端和工件/沉积基板之间的电弧、以及通过激光照射沉积区域来提供。通过熔化由电弧加热的自耗电极进行焊接被称为气体保护金属极弧焊(GMAW)，其中在使用非反应性气体来形成电弧的情况下也称为惰性气体保护焊(MIG焊接)。
为了使用焊炬有效地将金属从金属线沉积到工件的表面上，有必要将金属线相对于焊炬保持在正确位置。如果金属线没有保持在电弧内，它将不会正确地熔化或沉积在正确位置。
因此，在本领域中需要一种经济的方法，该方法用于以增加的金属沉积速率执行直接金属沉积，同时将金属线保持在焊炬的电弧内的适当位置。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种系统，其用于将金属线输送到焊炬并将金属线保持在由焊炬发出的热源(诸如等离子弧焊炬的电弧)中，以用于通过自由实体制造建造金属物体。焊炬包括用于熔化金属线的热源，诸如等离子转移弧(PTA)焊炬、电子束或激光器或它们的组合。
本文提供了一种系统，其将金属线相对于由焊炬发出的热源保持在正确位置，以向工件的表面上的熔池提供恒定的熔融金属供应，从而在添加至工件的金属层中不存在无意的间隙或缺陷。
本发明的另一个目的是提供一种使用金属线和一个或多个焊炬以钛或钛合金、或镍或镍合金快速分层制造物体的方法。本发明通过提供用于将金属线输送到焊炬的相对于焊炬的期望位置的系统和方法来解决对改进的、经济的执行直接金属沉积的方法的需求，这可以在自由实体制造中产生增加的金属沉积速度。本发明进一步解决了对提高具有光滑、明确限定的沉积边界的无变形直接金属沉积成形部件的生产能力和产量的方法的需求。需指出，尽管本发明与金属线的使用相关地进行描述，但是可以使用任何可以被引导和熔化以沉积材料的导电结构，例如可以使用任何适当尺寸和形状的自耗电极。
本文提供了金属线定位系统，其包括固定主支撑框架900和可调整导向支撑框架500，可调整导向支撑框架由保持单元经由枢转接头800可旋转地连接到主支撑框架900并且由可旋转支撑活塞810悬挂。板920固定地附接到主支撑框架900。板920包括内螺纹开口。马达570附接到可调整导向支撑框架500，并且马达570可附接到螺纹构件，该螺纹构件与板920中的内螺纹开口接合。焊炬600可以固定地附接到主支撑框架900。第二焊炬610也可以固定地附接到主支撑框架900。保持单元可包括支撑件820和连接器830，该支撑件包含与枢转接头800接合的可旋转支撑活塞810，该连接器连接到可旋转支撑活塞810并且可枢转地支撑可旋转支撑活塞810，支撑件820固定地附接到主支撑框架900。该系统包括检测器700，其检测由焊炬(诸如焊炬600)的电弧发出的热源的位置。需指出，尽管本发明与PTA焊炬的电弧相关地进行描述，但是本文提供的系统可用于将金属线的端部重新定位到焊炬的任何热源中，诸如PAW或PTA焊炬的等离子弧、或电子束焊炬的电子束、或激光焊炬的激光束。
马达570可以与控制系统连通，该控制系统可以控制螺纹构件的运动。控制系统可以控制螺纹构件由马达570旋转的量和方向。螺纹构件可以为螺钉或螺栓。通过马达570使螺纹构件在一个方向上旋转朝向固定主支撑框架900重新定位可调整导向支撑框架500，并且通过马达570使螺纹构件在相反方向上旋转远离固定主支撑框架900重新定位可调整导向支撑框架500。这致使金属线180的远端重新定位。例如，通过马达570使螺纹构件顺时针旋转可以朝向固定主支撑框架900重新定位可调整导向支撑框架500，并且通过马达570使螺纹构件逆时针旋转可以远离固定主支撑框架900重新定位可调整导向支撑框架500。替代地，通过马达570使螺纹构件逆时针旋转可以朝向固定主支撑框架900重新定位可调整导向支撑框架500，并且通过马达570使螺纹构件顺时针旋转可以远离固定主支撑框架900重新定位可调整导向支撑框架500。
控制系统可包括计算机处理器或中央处理单元(CPU)、CPU显示器、一个或多个电源、电源连接、作为输入和/或输出的信号模块、模拟信号的集成屏蔽、存储装置、电路板、存储器芯片或其他存储介质、具有包含在其中的计算机可读程序的非暂时性计算机可读存储介质或其任何组合。计算机可读程序可以包含适当的软件，以用于部分地或完全地自动化系统中的任何一个或组合。计算机可读程序可包含用于监测和/或调整参数(诸如螺纹构件的旋转、马达速度、温度、压力、工件的位置、沉积率或其任何组合)的适当软件。示例性控制系统包括但不限于来自西门子股份公司(德国慕尼黑)的SIMATIC-S7-1500、可从博世力士乐股份公司(德国美茵河畔洛尔)获得的IndraMotion MTX系统、以及可从SIGMATEK股份公司&两合公司(奥地利兰普雷希茨豪森)获得的SIGMATEK C-IPC紧凑型工业计算机系统。
制造过程中的适当调整可以将金属线180的远端相对于焊炬600的电弧保持在期望位置，以在适当的位置向焊炬提供连续的金属线供应，使得金属线可以被焊炬熔化到工件上的熔池中。螺纹构件的旋转运动可调整地重新定位可调整导向支撑框架，以相对于由焊炬发出的热源(诸如等离子弧焊炬的等离子弧)重新定位线。可以包括环绕螺纹构件的可移动套筒以保护螺纹构件。马达570可以为由功率控制信号驱动的直流马达、或者可以为步进马达。当马达570为步进马达时，通过电子控制提供给马达的激励脉冲的数量，可以实现螺纹构件在任一方向上的精确旋转量。
在本文提供的系统中，检测器700可以通过检测器支撑件710附接到可调整导向支撑框架500。检测器700可包括照相机、摄像机、视频传感器或其组合。照相机可以为电荷耦合器件(CCD)照相机。由焊炬发出的热源(诸如等离子弧焊炬的等离子弧)的彩色或黑白图像、以及金属线180的远端的位置可以被检测器捕获。可以调整照相机的视场，使得金属线180的远端大体位于照相机的视场的中心内。带通过滤器可以放置在照相机前面，以滤除噪声或减少由照相机接收的由焊炬发出的热源产生的光量，以改善金属线180远端的可视化。在一些实施例中，检测器700可包括照相机，以提供来自金属线的熔融金属液滴的视觉检测。可以测量熔滴过渡的角度以计量精度。熔滴过渡的角度的偏差可以为用于调整金属线的远端在由焊炬发出的热源中的位置的参数。熔滴过渡的角度的偏差可以单独使用或与其他参数一起使用，以确定是否有必要调整线的位置。必要时，可以基于来自照相机的图像手动地实时进行调整。可以基于来自照相机的图像的图像分析(例如，熔滴过渡的角度)自动地实时进行调整。
该系统还可以包括主进给装置，该主进给装置包含第一机动送丝器475、马达470、旋转计数器465和第二机动送丝器460。马达470可以可操作地连接到第一机动送丝器475和第二机动送丝器460。旋转计数器465可以定位在第一机动送丝器475和第二机动送丝器460之间。该系统还可包括定位于第一机动送丝器475之前的旋转计数器480。主进给装置可以监测金属线180的滑动，以确保在金属线180穿过金属线供应系统时不会引起扭结、弯曲或其他永久性变形。可以通过比较由旋转计数器480测量的自由轮装置485的旋转与由旋转计数器465测量的主进给器的旋转来检测滑动。
在本文提供的系统中，固定主支撑框架900或可调整导向支撑框架500或两者可包括一个或不止一个切口、穿孔或孔550。切口、穿孔或孔允许散热。过热会导致框架的变形。框架中的切口、穿孔或孔被设计成使散热最大化，同时使对框架的机械强度的任何有害影响最小化，使得框架可以物理地承受附接到框架的支撑元件的拉伸、剪切和扭转力。
支撑元件300可以附接到可调整导向支撑框架500。导向装置120和接触顶端组件210可以附接到支撑元件300。接触顶端组件210可包括可更换的接触顶端。
还提供了一种向焊炬提供金属线的方法。该方法包括：通过导向装置从金属线供应源推进一定量的金属线，使得金属线的远端定位在由焊炬发出的热源中，检测金属线的远端相对于由焊炬发出的热源的位置，以及通过重新定位附接有导向装置的可调整框架来调整金属线的远端的位置。在所提供的方法中，可调整框架可通过保持单元可旋转地附接到固定框架，该保持单元包括支撑件和连接器，该支撑件包含与枢转接头接合的可旋转支撑活塞，该连接器连接到可旋转支撑活塞并可枢转地支撑可旋转支撑活塞，该支撑件固定地附接到固定框架。
在该方法中，可以通过以下方式重新定位可调整框架：启动附接到螺纹构件的重新定位马达，该螺纹构件与附接到固定框架的板中的内螺纹开口接合，并且通过重新定位马达使螺纹构件在一个方向上旋转来朝向固定框架重新定位可调整框架，并且通过重新定位马达使螺纹构件在相反方向上旋转来远离固定框架重新定位可调整框架。重新定位马达可以为步进马达，并且可以控制提供给马达的激励脉冲的数量，以提供螺纹构件在任一方向上的精确旋转量。重新定位马达可以使用马达控制器来操作，该马达控制器调节提供给马达的功率、或者调整马达的运动的速度和方向以及持续时间、或者允许响应于信号自动启动马达、或其任何组合。
在本发明方法中，主进给装置可包括第一机动送丝器、线驱动马达、旋转计数器和第二机动送丝器，线驱动马达驱动第一和第二机动送丝器，以将金属线推进到由焊炬发出的热源。主进给装置的线驱动马达可以为由功率控制信号驱动的直流马达或步进马达。检测金属线的远端的位置包括使用检测装置使金属线的远端可视化。检测装置可包括照相机。照相机可以为互补金属氧化物半导体(CMOS)照相机、电荷耦合器件(CCD)照相机或其组合。检测装置可以产生可以变成检测到的光图案的数字表示的图像，并且响应于该数字表示，可以重新定位金属线的远端。可以通过启动附接到螺纹构件的重新定位马达来重新定位可调整框架，该螺纹构件与附接到固定框架的板中的内螺纹开口接合。由重新定位马达使螺纹构件在一个方向上旋转朝向固定框架重新定位可调整框架，并且由重新定位马达使螺纹构件在相反方向上旋转远离固定框架重新定位可调整框架。重新定位马达可以为步进马达，并且可以控制提供给马达的激励脉冲的数量，以提供螺纹构件在任一方向上的精确旋转量。
线供应源可以为其上缠绕金属线的线轴，并且该方法可以包括从线轴解开金属线以将金属线推进到主进给系统。在所提供的方法中，主进给系统可包括与金属线摩擦接触的槽纹辊。旋转槽纹辊使金属线前进。旋转槽纹辊可以通过启动附接到一个或多个槽纹辊的马达来实现。该方法将金属线提供到焊炬的适当位置，使得焊炬可以熔化该线。焊炬包括热源。可用于熔化金属线的装置的示例包括等离子弧(PAW)焊炬，诸如转移弧(PTA)焊炬、电子束焊炬或激光焊炬或其组合。
示例性PAW焊炬为PTA焊炬。PTA焊炬可以为能够产生电弧以加热和熔化金属线的任何配置，诸如气体保护金属极弧焊(GMAW)，特别是使用非反应性气体来产生电弧。金属线用作金属线，并且通过使用电弧熔化在由焊炬产生的等离子中，并且熔化的金属线沉积在工件上的熔池中以添加至并形成近净形金属体。
焊炬可以为激光焊炬。激光焊炬产生具有足以将金属线熔化到基材上的热能的激光束。合适的激光焊炬的示例可包括掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器、CO2激光器、CO激光器、镱光纤耦合二极管激光器、Nd:玻璃激光器、掺钕正钒酸钇(Nd:YVO)激光器、Cr:ruby激光器、二极管激光器、二极管泵浦激光器、准分子激光器、气体激光器、半导体激光器、固态激光器、染料激光器、X射线激光器、自由电子激光器、离子激光器、混合气体激光器、化学激光器及其组合。优选的是Nd:YAG激光器和CO2激光器。
焊炬可以为电子束焊炬，其可以包括用于将金属线加热和熔化到基材上的电子束装置。电子束焊炬可以被布置和设置成将电子束引导到定位于基材上方(诸如基材中的熔池上方)的金属线的端部上，使得由电子束装置的电子束产生的热能熔化金属线的端部，形成熔融金属线的液滴，该液滴落到基材上或金属线的端部下方的熔池中。电子束焊炬的电子束也可以向熔池或在熔池附近贡献热能。
电子束焊炬可具有可变功率输出，其可调整成以提供金属线的基本上恒定的熔化速率的量向金属线提供基本上恒定的功率或能量。由电子束焊炬输送的功率或能量可以根据金属线的构成进行调整，使得金属线可以以恒定的速率进给并熔化到基材上或熔化在基材上的熔池中。电子束焊炬可包括单个电子束枪或不止一个电子束枪。
电子束焊炬可以操作成使得束电流基本上恒定，或者可以操作成使得在金属线熔化和熔融金属线沉积到工件上或沉积到工件上的熔池中期间可以改变束电流。检测器可用于检测由电子束焊炬产生的电子，或监测金属线的熔化。
电子束焊炬可从商业上获得并在本领域中描述。电子束焊炬可以选择成使其包含用于调整电子束的电磁线圈。电子束枪可以以朝向工件加速的聚焦电子流的形式提供能量。可以使用高电压电势(例如，大于约15kV，诸如在约15kV至约150kV的范围内)来加速电子。可以使用一个或多个加热丝在电子束焊炬内产生电子。电子束焊炬的功率输出通常可以通过限制或调整到达工件的电子流来控制。例如，可以使用高达约30kW的电子束功率，但通常在从约2.5kW至约10kW、或从约3kW至约6kW的范围内。电子束电流通常大于约100毫安，并且可以在约100毫安至约600毫安的范围内。电子束功率是可变的，并且通过使用在从约100V至约500V范围内的输入电压来产生。示例性输入电压为约110V。
还提供了通过自由实体制造来制造金属材料的三维物体的方法，其中该物体通过将金属材料的连续沉积物一起熔合到基材上而制成，该方法包括：使用第一加热装置预热基材的表面的至少一部分，直至包括在待沉积金属材料的位置处在基材的表面上形成熔池；在第二加热装置可以加热和熔化金属线的位置处将金属线提供给第二加热装置，使得来自熔化的线的熔融金属材料沉积到基材上，并且如果进行预热，则沉积到基材的预热或熔融或部分熔融的区域上，并且使基材相对于第一和第二加热装置的位置以预定图案移动，使得熔融金属材料的连续沉积物固化并形成三维物体。基材相对于加热装置的移动可以通过移动基材同时将一个或多个加热装置保持在固定位置、移动一个或多个加热装置同时将基材保持在固定位置、或移动基材和一个或多个加热装置来实现。基础基板和一个或多个加热装置的移动可以通过使用一个或多个致动器(诸如机械、液压和/或机械臂、移动基座或支撑件、导轨、轨道或类似装置)来完成。该方法可以使用PTA焊炬作为第一和第二加热装置。PTA焊炬可以电连接到直流电源，使得PTA焊炬的电极成为阴极，并且金属线成为阳极。在一些系统中，用于在基材中形成熔池的加热装置可以单独作为激光器或与另一激光器或PTA焊炬组合、或单独作为电子束枪或与另一电子束枪或激光器组合。
还提供了一种向焊炬提供金属线的方法。该方法可以包括以下步骤：从金属线供应源推进一定量的金属线，使得金属线的远端定位在由焊炬发出的热源中；连续地检测金属线的远端相对于由焊炬发出的热源的位置；并调整金属线的远端的位置，以确保它位于热源内。
本发明的附加特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分地从该描述中将显而易见，或者可以通过实施本发明来学习。本发明的目的和其他优点将通过书面说明书及其权利要求以及附图中特别指出的结构来实现和获得。
应当理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在提供对要求保护的本发明的进一步说明。
附图说明
被包括以提供对本发明的进一步理解并被结合到本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
在附图中：
图1为本文提供的金属线精度调整系统的实施例的示意性侧视图，示出了金属线供应系统的部件附接于此、通过保持单元可旋转地连接到主支撑框架900的可调整导向支撑框架500包括枢转接头800、与枢转接头800接合的可旋转支撑活塞810、包围可旋转支撑活塞810的支撑件820、以及连接到可旋转支撑活塞810并可枢转地支撑可旋转支撑活塞810的连接器830。
具体实施方式
A.定义
除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。除非另有说明，否则本文整个公开内容中提及的所有专利、专利申请、公开的申请和出版物、网站和其他公开材料均通过引用整体结合。如果本文的术语有多个定义，则以本节中的定义为准。应当理解，在引用URL或其他这样的标识符或地址的情况下，这样的标识符可以改变并且因特网上的特定信息可以来来去去，但是可以通过搜索因特网找到等同的信息。对此的引用证明了这些信息的可用性和公开传播。
如本文所用，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也包括复数形式。
如本文所用，范围和量可表示为“约”特定值或范围。“约”还包括确切的量。因此，“约5％”意味着“约5％”，也意味着“5％”。“约”意味着在应用或指定目的的典型实验误差范围内。
如本文所用，“可选的”或“可选地”是指随后描述的事件或情况发生或不发生，并且该描述包括事件或情况发生的实例和其不发生的实例。例如，系统中的可选部件意味着该部件可以存在或者可以不存在于系统中。
如本文所用，“组合”是指两个项目之间或两个以上项目之间的任何关联。该关联可以为空间的，或者指的是为了共同目的而使用两个或更多个项目。
如本文所用，“等离子弧焊炬”或“PAW焊炬”是指可用于等离子弧焊的焊炬。焊炬设计成使得气体可以被加热到高温以形成等离子并变得导电，然后等离子将电弧传递到工件，并且电弧的强热可以熔化金属和/或将两个金属件熔合在一起。PAW焊炬可包括用于收缩电弧的喷嘴，从而增加电弧的功率密度。等离子气体通常为氩气。等离子气体可以沿着电极供给并在阴极附近电离和加速。电弧可以指向工件并且比自由燃烧电弧(诸如在TIG焊炬中)更稳定。PAW焊炬通常还具有用于提供保护气体的外喷嘴。保护气体可以为氩气、氦气或其组合，并且保护气体有助于最小化熔融金属的氧化。在PAW焊炬中，电流通常可高达约400A，并且电压通常可在约25-35V之间(但可高达约14kW)。本发明不涉及任何特定选项或类型的PAW焊炬。可以使用能够用作PAW焊炬的任何已知或可想到的装置。示例性PAW焊炬为等离子转移弧(PTA)焊炬。
本文可互换使用的术语“等离子转移弧焊炬”或“PTA焊炬”是指能够通过电弧放电将惰性气体流加热和激励为等离子且然后将包括电弧的等离子气体流通过孔口(诸如喷嘴)转移出以形成收缩的羽流的任何装置，该羽流延伸出孔口并将电弧的强热传递到目标区域。电极和目标区域可以电连接到直流电源，使得PTA焊炬的电极变为阴极而目标区域变为阳极。这将确保包括电弧的等离子羽流向目标区域的小表面区域输送高度集中的热流，同时极好地控制从PTA焊炬供应的区域延伸和热通量的大小。等离子转移弧具有提供稳定且一致的电弧的优点，该电弧具有很少的漂移和对阴极和阳极之间的长度偏差的良好容限。因此，PTA焊炬既适用于在基材中形成熔池，也适用于加热和熔化金属线进料。PTA焊炬可有利地具有由钨制成的电极和由铜制成的喷嘴。然而，本发明不涉及任何特定选项或类型的PTA焊炬。可以使用能够用作PTA焊炬的任何已知或可想到的装置。
本文使用的术语“功率密度”是指诸如从等离子弧、激光束或电子束分配给单位面积的功率量。
如本文所用，本文可使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段应该不受这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或区段与另一个区域、层或区段区分开。除非上下文明确指出，否则本文使用的诸如“第一”、“第二”的术语和其他数字术语不暗示顺序或次序。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可以被称为第二元件、部件、区域、层或区段。
如本文所用的术语“金属材料”是指任何已知的或可想到的金属或金属合金，其可以形成为金属线并且在自由实体制造工艺中使用以形成三维物体。合适材料的示例包括但不限于；钛和钛合金，诸如Ti-6Al-4V合金。
本文使用的术语“类似金属材料”是指该金属材料具有与参考金属材料相同的金属或金属合金。
本文使用的术语“保持基板”是指目标基板，在该目标基板上使用SFFF或自由实体制造技术沉积与保持基板相同或不同的附加材料以形成工件。在示例性实施例中，保持基板为平板。在替代实施例中，保持基板可以为锻造部件。在替代实施例中，保持基板可以为待在其上沉积附加材料的物体。在示例性实施例中，保持基板可以成为工件的一部分。用于保持基板的材料可以为金属或金属合金。在示例性实施例中，保持基板由与线进给材料相同的金属制成。
本文使用的术语“基材”指用于接收熔融金属材料以形成三维物体的靶材。当沉积第一金属材料层时，基材将为保持基板。当一个或多个金属材料层已沉积在保持基板上时，基材将为沉积的金属材料的上层，其将沉积新的金属材料层。
如本文所用，“摩擦增强表面”是指经改变以表现出比相同材料的未处理光滑表面具有更多摩擦的表面。增强摩擦的对表面的改变可以包括使表面粗糙化，或者在表面上包括突出部，或者提供砂质表面。改变的表面增强了改变的表面和另一表面的摩擦接触(与未改变的表面相比)，诸如金属线与表面接触，以使改变的表面与其所接触的表面之间的滑动最小化。
如本文所用，术语“工件”是指使用自由实体制造生产的金属体。
本文可互换使用的术语“计算机辅助设计模型”或“CAD模型”是指待形成的物体的任何已知或可想到的虚拟三维表示，其可以在根据本发明的第二方面的布置的控制系统中使用：以调整保持基板的位置和移动，并与集成的送丝器一起操作焊炬，使得通过将金属材料的连续沉积物以一图案熔合到保持基板上来构建物理物体，该图案致使根据物体的虚拟三维模型构建物理物体。这可以例如通过首先将虚拟三维模型划分为一组虚拟平行层且然后将每个平行层划分为一组虚拟准一维件通过形成三维模型的虚拟矢量化分层模型来获得。然后，可以通过接合控制系统来形成物理物体，以根据物体的虚拟矢量化分层模型的第一层将一系列金属材料的准一维件以一图案沉积和熔合到支撑基板上。然后，通过根据物体的虚拟矢量化分层模型的第二层将一系列可焊材料的准一维件以一图案沉积并熔合到先前沉积的层上来对于物体的第二层重复序列。对于物体的虚拟矢量化分层模型的每个连续层逐层重复连续的沉积和熔合过程，直到形成整个物体。然而，本发明不涉及用于运行根据本发明的布置的控制系统的任何特定CAD模型和/或计算机软件，并且本发明也不涉及任何特定类型的控制系统。可以采用能够通过自由实体制造来构建金属三维物体的任何已知或可想到的控制系统(CAD模型、计算机软件、计算机硬件和致动器等)。可以调节控制系统以单独操作第一焊炬，诸如PTA焊炬，以预热基材的表面，并且在一些应用中，至少部分地熔化表面的一部分以形成熔池，并且单独操作第二焊炬，诸如PTA焊炬，以将金属材料的供给线熔化到预热表面上和/或熔池中。
B.线位置控制系统
已确定，使用线位置控制系统可以增加熔融金属沉积到通过自由实体制造工艺生产的成形工件的速率，该线位置控制系统将金属线保持在适当的位置，使得金属线可以连续地供给到焊炬并保持在焊炬的电弧内的适当位置，以便于加热和熔化金属线。线进给速度可以保持基本上恒定，使得金属线连续地供给到焊炬以熔化到工件上。在适当的位置将金属线连续地供给到焊炬防止金属不期望地不连续地沉积到工件上。沉积的任何不连续性都可能导致工件的不完美、不规则和缺陷，这最终可能导致最终产品的分层、疲劳或破裂，从而可能使其无法用于其预期目的。通过将金属线相对于由焊炬发出的热源保持在适当位置，可以增加金属线的连续进给速率，从而允许增加熔融金属沉积到工件的速率。因此，金属线在由焊炬发出的热源中的恒定适当放置提高了自由实体制造工艺的效率。
可以从下面简要概述的附图、对本发明的当前优选实施例以下详细描述、以及所附权利要求获得对本发明及其范围的更完整的理解。
如图1所示，金属线弧精度系统包括可调整导向支撑框架500以及固定主支撑框架900，金属线供给部件附接到该可调整导向支撑框架。主支撑框架900包括保持单元，该保持单元包括枢转接头800、与枢转接头800接合的可旋转支撑活塞810、包围可旋转支撑活塞810的支撑件820、以及连接到可旋转支撑活塞810并且可枢转地支撑可旋转支撑活塞810的连接器830。保持单元附接到主支撑框架900。保持单元可以经由焊接、螺钉、螺栓或其他连接装置附接。在图1所示的实施例中，保持单元通过将支撑件820螺钉附接到主支撑框架900而附接到主支撑框架900。主支撑框架固定在位。主支撑框架900可包括诸如图1中所示的穿孔、孔或切口或其组合以散热。过热会导致框架的变形。
可旋转支撑活塞810可绕水平轴线旋转。可旋转支撑活塞810联接到枢转接头800，并且枢转接头800附接到可调整导向支撑框架500的一个面。主支撑框架900可以为适于支撑附接到框架的部件的任何材料。在一些实施例中，固定主支撑框架900可以为钢、不锈钢或镍合金，诸如英科耐尔(inconel)合金。连接器830附接到可旋转支撑活塞810的远端并将可旋转支撑活塞810悬挂在支撑820内。连接器830可包括轴承、轴承座圈、轴承内圈、轴或衬套或其组合的任何合适的构造和布置，以允许可旋转支撑活塞810的旋转。
可旋转支撑活塞810的相对远端联接到附接于可调整导向支撑框架500的枢转接头800。可旋转支撑活塞810具有足够的机械强度，以物理地承受以将其从主支撑框架900悬挂下来的方式支撑可调整导向支撑框架500的张力、剪切力和扭转力。可旋转支撑活塞810可以为适于支撑附接到活塞的部件的任何材料。在一些实施例中，支撑活塞810可以为不锈钢、碳钢、铬钢或镍合金，诸如英科耐尔合金。例如，活塞可由AIS 303不锈钢制成。枢转接头800可包括转体。枢转接头800允许可调整导向支撑框架500围绕水平轴线可变地旋转，使得可调整导向支撑框架500可以靠近或远离固定主支撑框架900定位。可调整导向支撑框架500相对于固定主支撑框架900的这种重新定位致使金属线180的远端相对于PTA焊炬600的电弧重新定位。可调整导向支撑框架500由具有足够机械强度的材料制成，以物理地承受支撑附接到可调整导向支撑框架500的部件的张力、剪切力和扭转力。示例性材料包括钢、碳钢、不锈钢、因瓦钢(也称为因瓦36)、钛和钛合金、镍和镍合金，诸如英科耐尔合金。在一些应用中，导向支撑框架500包含因瓦钢(含有36％镍)。导向支撑框架500可包括穿孔、孔或切口或其组合(诸如切口550中所示)以散热。过多的热会导致框架的变形和可能的永久性未对准。切口还减小了可调整导向支撑框架500的重量。
枢转接头800可包括轴承、轴承座圈、轴承内圈、轴或衬套或其组合的任何合适的构造和布置，以允许可旋转支撑活塞810和可调整导向支撑框架500的旋转。枢转接头800由具有足够机械强度的材料制成，以物理地承受支撑附接到可调整导向支撑框架500的部件的张力、剪切力和扭转力。在一些实施例中，枢转接头800可以为铝或铝合金、钛或钛合金、钢、不锈钢或镍合金，诸如英科耐尔合金。例如，枢转接头800可由EN AW-6063T6/6082T6铝合金制成。导向支撑框架500可以为适于支撑附接到框架的部件的任何材料。在一些实施例中，枢转接头800可以为钢、不锈钢、碳钢、铬钢、镍或镍合金，诸如英科耐尔合金。枢转接头800的部件为在自由实体制造期间产生的温度下抵抗调整的材料。例如，材料可以选择为与在约15℃至约100℃的范围内的温度相容。枢转接头800允许可调整导向支撑框架500相对于枢转轴线水平地移位。枢转接头800可以完全密封并且可以处理在任一方向上的旋转运动。枢转接头800可包括减摩轴承转体或滚柱轴承转体或其组合。应当理解，可以使用允许承载支撑件的旋转运动的任何类型的枢转装置。
马达570附接到螺纹构件并使螺纹构件旋转，该螺纹构件功能性地连接到连接于主支撑框架900的板920。螺纹构件的旋转产生并可控制地调整可调整导向支撑框架500的水平位移。马达570可以与马达控制器(未示出)连通并由马达控制器控制，该马达控制器可以控制螺纹构件的运动，诸如通过限制螺纹构件旋转的量和方向。马达控制器可以包括计算机软件和计算机硬件以及可选的致动器，并且可以被配置成调整提供给马达的功率、或者调整马达的运动的速度和方向以及持续时间、或者允许响应于信号自动启动马达或其任何组合。本发明不涉及用于运行马达控制器的任何特定计算机或计算机软件。马达控制器可以与控制系统分开或在控制系统的控制下。
螺纹构件可以为螺钉或螺栓或具有螺纹机构的类似连接器，该螺纹机构可以与附接到主支撑框架900的板920中的内螺纹开口接合以接收螺纹构件。附接到马达570的螺纹构件接合板920中的内螺纹开口以在可调整导向支撑框架500和主支撑框架900之间形成螺纹接合，由此可调整框架500响应于马达驱动的螺纹构件的旋转靠近或远离固定主支撑框架900移动。当与螺纹构件机械连通的马达570使螺纹构件在一个方向上旋转时，可调整导向支撑框架500朝向固定主支撑框架900重新定位，并且当马达570使螺纹构件在相反方向上旋转时，可调整导向支撑框架500远离固定主支撑框架900重新定位。可以包括可伸展和缩回的可移动套筒，以屏蔽和保护螺纹构件。
马达570可以为由功率控制信号驱动的传统直流(DC)马达，或者可以为步进马达，其通过电子控制提供给马达的激励脉冲的数量来允许螺纹构件的精确旋转量。马达570可以操作成在正向和反向方向上旋转。控制单元可以被编程为响应于金属线需要相对于焊炬的热源重新定位在期望或优选位置的指示而控制马达在正向和反向方向上的旋转。马达570可以包括与马达570连通的电子控制单元，该电子控制单元就可以被编程为一旦金属线的远端已正确地定位在焊炬电弧中的期望位置，几乎瞬时地停止步进马达的旋转。
焊炬通过附接到固定主支撑框架900而保持在位。焊炬可以发出热源，诸如等离子弧、激光束、电子束等。示例性焊炬包括等离子弧焊炬、气体保护钨极弧焊炬、气体保护金属极弧焊炬、金属极惰性气体保护焊炬、钨极惰性气体保护焊炬、激光焊炬、电子束焊炬以及它们的任何组合。焊炬的热源熔化相对于焊炬的热源输送到适当位置的金属线。
示例性焊炬为PTA焊炬。PTA焊炬可以为能够产生电弧以加热和熔化金属线的任何配置，诸如气体保护金属极弧焊(GMAW)，特别是使用非反应性气体来产生电弧。使用电弧使金属线在由焊炬产生的等离子中熔化，并且将熔化的金属线沉积在工件上的预热区域或熔池上，以添加并形成近净形金属体。金属线的进给速率和定位可以根据电源对PTA焊炬的影响进行控制和调整，以确保金属线被连续加热并在金属线到达基材中的预热区域或熔池上方的预定位置时熔化。自由实体制造系统可以使用一个或多个焊炬。示例性焊接系统在Guldberg(WO2011/019287)、Ireland等人(美国专利第7,220,935号)；Comon等人(美国专利第9,145,832号)；Cooper等人(美国专利申请公开第US 2010/0276396号)；Biskup等人(美国专利申请公开第2013/0140280号)；以及Stempfer(美国专利申请公开第2014/0061165号)中描述。
金属线通常作为没有弯曲、扭结或变形的直线提供给焊炬。本文提供的线弧精度系统可与任何自由实体制造系统一起使用，无论焊炬是包括PAW焊炬，诸如像等离子转移弧(PTA)焊炬、电子束还是包括激光器或其组合，以熔化金属线。本文提供的线弧精度系统可以与使用一个焊炬或焊炬的组合的自由实体制造系统一起使用。当使用焊炬的组合时，所有焊炬可以为相同的，或者可以使用不同焊炬的组合。在一些应用中，可以使用包含等离子转移弧(PTA)焊炬、电子束或激光器的单个焊炬。在一些应用中，可以使用双焊炬系统，其中第一焊炬在工件的表面上形成熔池，并且第二焊炬将金属线熔化到熔池中。第一焊炬可以包含等离子弧(PAW)焊炬、电子束或激光器，并且第二焊炬可以包含等离子弧(PAW)焊炬、电子束或激光器。因此，尽管使用诸如PTA焊炬的PAW焊炬描述了示例性实施例，但是这些示例不是限制性的。本文所述的金属线的调整可以用本文所述的任何类型的热源(包括激光焊炬和电子束焊炬)来实现。当使用激光焊炬时，不是如上所述将金属线的端部定位在弧中，而是将金属线的端部放置在激光束中。同样地，当使用电子束焊炬时，金属线端部的位置被调整为处于电子束中，而不是如结合使用PTA或其他PAW焊炬所描述的处于弧中。
在一个示例性实施例中，本文提供的线弧精度系统可以用在两个焊炬系统中，诸如Stempfer(美国专利申请公开第US2014/0061165号)中所述的。在这样的系统中，重要的是能够输送直的金属线以便保持金属线在焊炬的弧中的对准。如图1所示，第一PAW焊炬600和第二PAW焊炬610附接到固定主支撑框架900。焊炬600和610可以附接到焊炬支撑件650，该焊炬支撑件经由支撑件940附接到固定主支撑框架900。PAW焊炬600和PAW焊炬610固定就位以保持它们相对于彼此的位置。
如图1中所配置的，PAW焊炬610与基材的表面相互作用，以在待沉积金属材料的位置处预热基材的至少一部分。然后PAW焊炬600加热并熔化金属线，使得如果进行预热，来自熔化的线的熔融金属材料被沉积到基材上并沉积到基材的预热或熔融或部分熔融区域中。使基材相对于第一和第二PAW焊炬的位置以预定图案移动允许熔融金属材料的连续沉积以形成三维物体。
线供应系统的部件附接到可调整导向支撑框架500。如图1所示，线导向装置490、自由轮装置485、旋转计数器480和主进给装置附接到线供应框架连接器495，该主进给装置包括第一机动送丝器475、马达470、旋转计数器465和第二机动送丝器460，该线供应框架连接器495附接到可调整导向支撑框架500。主进给装置可以监测金属线180的滑动，以确保在金属线180穿过线供应系统时不会在其中引入扭结、弯曲或其他永久性变形。可以通过将自由轮装置485的旋转与主进给器的旋转进行比较来检测滑动。
线导向装置490可包括第一槽纹辊和第二槽纹辊，第一槽纹辊和第二槽纹辊在其间形成有通道，金属线180可穿过该通道。槽纹辊可选地可以通过弹簧偏置成与金属线180接合。自由轮装置495可包括第一槽纹辊和第二槽纹辊，第一槽纹辊和第二槽纹辊在其间形成有通道，金属线180可穿过该通道。槽纹辊可选地可以通过弹簧偏置成与金属线180接合。自由轮装置495在金属线180已穿过线导向装置490并且将金属线180供给到旋转计数器480中之后可以接收该金属线。
主进给装置包括马达470，该马达附接到机动送丝器460和475的槽纹辊并且可以驱动该槽纹辊。机动送丝器460和475的槽纹辊可以在其槽中包括突出部，该突出部可以与金属线180接合并使金属线180前进通过辊。槽中的突出部可以增加辊槽和金属线180之间的摩擦力，从而允许辊与金属线180摩擦地接合并使金属线前进通过辊。槽纹辊可以由耐磨金属制成。槽纹辊可以为或包含钢、碳钢、不锈钢、铬钢、不锈钢、钛、钛合金、镍或镍合金的涂层。
在离开机动送丝器4603之后，金属线180移动通过线保护器400以将金属线提供给导向装置120。线保护器400可以最小化与系统的其他元件的任何接触，并且提供用于将金属线180输送到导向装置120的直线路径。线保护器400可由适于传送金属线180的任何材料制成。线保护器400可以为或可以包含电绝缘陶瓷。这种陶瓷在本领域中是已知的，并且可以包括Al、B、Zr、Mg、Y、Ca、Si、Ce、In和Sn的氧化物或氮化物及其组合物(例如，参见美国专利第6,344,287号(Celik等人，2002)；第4,540,879号(Haerther等人，1985)；以及第7,892,597号(Hooker等人，2011))。线保护器400可以为或包含氮化铝、氧化铝、氮化镁、氧化镁、石英、氮化硅、氮化硼、氧化锆、二氧化锆及其混合物和组合物。示例性陶瓷为
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100氧化铝(德国普雷西希Rauschert Heinersdorf-Pressing股份公司)。线保护器400可以包含中心孔，金属线180可以穿过该中心孔。中心孔通常具有容易地容纳金属线180的形状。例如，当金属线180具有圆形横截面时，线保护器400可包括具有圆形横截面的中心孔。
绝缘陶瓷可以包括在面向金属线的表面上的表面处理，以减小面向金属线的表面的粗糙度。表面处理有助于最小化或消除在其穿过绝缘陶瓷时金属线的划痕或刻痕。例如，面向金属线的绝缘陶瓷的表面可以被处理成包括表面釉，该表面釉减少了线保护器表面和线之间的引起摩擦的吸引力。激光上釉处理可用于减少陶瓷表面的表面上的表面孔隙、裂缝或变形，以减少摩擦并产生更光滑的绝缘陶瓷表面。陶瓷表面的表面可以进行抛光。可以处理陶瓷表面的表面以包括类金刚石碳涂层。可以将合成含氟聚合物(诸如聚四氟乙烯(PTFE))施加到陶瓷表面以减少摩擦。表面处理可以有助于最小化由于金属线与粗糙的绝缘陶瓷表面的相互作用而形成的小段金属线的形成。
导向装置120经由支撑元件300附接到可调整导向支撑框架500。线保护器400通过连接器450附接到支撑元件300。马达470可以与控制系统连通，该控制系统可以与焊接装置连通，并且控制系统可以向马达470发送信号以使金属线180前进到焊炬装置600。马达470可以使金属线180连续地前进到焊炬装置600，除非它从控制系统接收信号以停止推进金属线180。导向装置可以为与等离子弧焊相容的任何材料。在一些实施例中，导向装置为或含有钛或钛合金，其含有Ti与Al、V、Sn、Zr、Mo、Nb、Cr、W、Si和Mn中的一种或其组合物的组合。例如，导向装置可以为含有Cu和W的材料。示例性钛合金包括Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-45Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2W-0.5Si、Ti-47Al-2Nb-lMn-0.5W-0.5Mo-0.2Si、以及Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si。
控制系统可包括计算机处理器或中央处理单元(CPU)、CPU显示器、一个或多个电源、电源连接、作为输入和/或输出的信号模块、模拟信号的集成屏蔽、存储装置、电路板、存储器芯片或其他存储介质、具有包含在其中的计算机可读程序的非暂时性计算机可读存储介质或其任何组合。计算机可读程序可以包含适当的软件，其用于部分地或完全地自动化系统中的任何一个或组合。计算机可读程序可以包含用于监测和/或调整参数(诸如马达的致动、马达速度、马达的运动的持续时间、温度、压力、工件的位置、沉积速率、来自成像装置的图像捕获及其分析或其任何组合)的适当软件。示例性控制系统包括但不限于来自西门子股份公司(德国慕尼黑)的SIMATIC-S7-1500、可从博世力士乐股份公司(德国美茵河畔洛尔)获得的IndraMotion MTX系统、以及可从SIGMATEK股份公司&两合公司(奥地利兰普雷希茨豪森)获得的SIGMATEK C-IPC紧凑型工业计算机系统。
附接到支撑元件300的还可以为接触顶端组件210，其包括电接触单元200和电连接器230。电接触单元200包含与金属线180接触的可更换接触顶端。电连接器230允许金属线180电连接到电源。
接触单元200可以为或包含铜或铜合金。铜合金可包含任何铜ASTM第II类至X类。铜合金可包括铜与Ag、Al、Be、Bo、Cr、In、Mg、Ni、Sn、Sr、W、Zn或Zr或其组合物的组合。例如，接触单元可以为包含Cu和W的材料，诸如CU/W复合物。
电接触单元200经由电接触单元200的可更换接触顶端将电流供应到金属线180。可更换接触顶端为或包含铜或铜合金。铜合金可包含任何铜ASTM第II类至X类。铜合金可包括铜与Ag、Al、Be、Bo、Cr、In、Mg、Ni、Sn、Sr、W、Zn或Zr或其组合物的组合。接触顶端可以为包含Cu和W的材料，诸如Cu/W复合物。一个示例为Brocadur WK20(荷兰Brouwer Metaal私人有限公司)，其含有约80％W和20％Cu。可以使用任何适当的接触顶端布置。例如，接触顶端可以包括用于供给线的轴向孔，接触顶端设置有V形凹口，该V形凹口从外壁延伸到轴线，该轴向孔通向凹口的底部。凹口的底部可以朝向与喷嘴相邻的轴线倾斜。接触顶端可包括用于将焊丝压在凹口底部和壁上的机构，该机构包括装配在凹口中并搁置在焊丝上的弹簧。
另一种接触顶端布置可以包括带孔的铜喷嘴，从线供给装置供给的呈直线金属线形式的自耗电极以受控的速度通过该带孔的喷嘴。铜喷嘴和工件都电连接到电源，在它们之间设置电势。当金属线穿过铜喷嘴时，它与喷嘴接触并因此电连接到电源。当金属线的顶端(远端区段)到达沉积/焊接区域上方的一距离时，电势产生从金属线的顶端向下延伸到沉积/焊接区域的电弧。电弧熔化进入的金属线的顶端，从而将熔融的金属材料沉积到沉积区域上。
在图1所示的实施例中，导向装置120定位于电接触单元200下方。电接触单元200可包含可更换的接触顶端，其电连接到电连接器230以用于将接触顶端与电源(诸如DC电源)进行连接。电接触单元200可以向接触顶端施加向下的压力，以将接触顶端215挤压成与金属线180接触。保持接触顶端与金属线接触的向下压力可以例如通过使用弹簧来实现。当接触顶端215与金属线180接触时，完成具有PTA焊炬600的电路。
导向装置120和电接触单元200被示出为连接到支撑元件300。通过在接触点之间包括绝热材料，导向装置120和电接触单元200可以与支撑元件300热隔离。金属线180设置在导向装置120的一端。金属线180穿过导向装置120并离开导向装置120的另一端，在此，其在工件的沉积点上方定位于等离子弧中。导向装置120可以为任何形状，只要它被配置为接收金属线180并允许金属线180无阻碍地穿过导向装置120。导向装置120的外部部分的形状可具有圆形、卵形线、椭圆形或多边形的横截面，例如方形、三角形、矩形、五边形、六边形、八边形或其任何组合。
导向装置120可以为流体冷却的。例如，导向装置可以设计成包括用于使流体流过导向装置的内部路径。流体可以为任何合适的流体，诸如水、C1-C5醇、聚α-烯烃、二元醇(诸如乙二醇或丙二醇)或其混合物。在一些实施例中，冷却流体为水、水和丙二醇的混合物或水和乙二醇的混合物。冷却流体可包括添加剂，诸如盐、腐蚀抑制剂、pH调节剂或其组合物。
导向装置可以使用电绝缘衬里与金属线电绝缘，该电绝缘衬里包含电绝缘材料，该电绝缘材料适于用在焊接期间导向装置将暴露的情况。电绝缘材料可以为或包含电绝缘陶瓷。这种陶瓷在本领域中是已知的，并且可以包括Al、B、Zr、Mg、Y、Ca、Si、Ce、In和Sn的氧化物或氮化物及其组合物(例如，参见美国专利第6,344,287号(Celik等人，2002)；第4,540,879号(Haerther等人，1985)；以及第7,892,597号(Hooker等人，2011))。电绝缘材料可以为或包含氮化铝、氧化铝、氮化镁、氧化镁、石英、氮化硅、氮化硼、二氧化锆及其混合物和组合物。
电绝缘衬里可以包含中心孔，金属线可以穿过该中心孔。中心孔通常具有容易地容纳金属线的形状。例如，当金属线具有圆形横截面时，电绝缘衬里包括具有圆形横截面的中心孔。电绝缘衬里的中心孔所具有的直径通常略大于金属线的直径。例如，如果使用所具有的直径为1.6mm的金属线，则中心孔中的绝缘体可具有约2mm至3mm的内径，以便于线横穿中心孔。在一些配置中，线出口的最顶端可以具有电绝缘衬里，该电绝缘衬里具有的内径不同于在导向装置中其他地方使用的电绝缘衬里的内径。例如，当使用所具有的直径为1.6mm的金属线时，中心孔中的绝缘体可以具有约2mm至3mm的内径，线出口的最顶端可以具有所具有的内径约为1.8mm的电绝缘衬里。最顶端处的电绝缘衬里的内径可以选择成使得其足够大以使线能够穿过但足够小以便在期望方向引导线。
根据本发明的某些实施例，金属线的直径可以在从约0.8mm至约5mm的范围内。金属线可以具有任何实际可实现的尺寸，例如1.0mm、1.6mm、2.4mm等。金属线的进给速率和定位可以根据电源对焊炬的影响进行控制和调整，以确保金属线连续地加热并在其到达基材上方(诸如基材中的熔池上方)的预期位置时熔化。焊炬的热源可包括等离子转移弧(PTA)焊炬、电子束或激光器或其组合以熔化金属线。
当电绝缘衬里在金属线穿过的中心孔附近包括绝缘陶瓷时，绝缘陶瓷可以包括表面处理以减小金属线绝缘陶瓷表面的粗糙度。表面处理有助于最小化或消除在其穿过电绝缘衬里时金属线的划痕或刻痕。例如，电绝缘衬里的表面可以被处理成包括表面釉，该表面釉减少了衬里表面和电极之间的引起摩擦的吸引力。激光上釉处理可用于减少表面上的表面孔隙、裂缝或变形，以减少摩擦并产生更光滑的绝缘陶瓷表面。电绝缘衬里的表面可以被处理成包括类金刚石碳涂层。可以将PTFE施加于电绝缘衬里的表面以减少摩擦。表面处理可以有助于最小化由于金属线与粗糙的绝缘陶瓷表面的相互作用而形成的小段金属线的形成。
导向装置120的电绝缘衬里可以为任何形状，只要它被配置成具有中心孔，该中心孔接收金属线180并允许金属线180穿过电绝缘衬里。绝缘衬里的外部部分的形状可具有圆形、卵形线、椭圆形或多边形的横截面，例如方形、三角形、矩形、五边形、六边形、八边形。
在所示实施例中，电接触单元200可包含可更换的接触顶端，该接触顶端与金属线接触。电接触单元200内的可更换接触顶端包含铜或铜合金或铜复合物，诸如铜和钨的组合物。接触顶端为可从商业上获得的，并且本发明不限于任何特定类型的接触顶端。示例性的接触顶端由钨和铜的组合制作，其可从Brouwer Metaal私人有限公司(荷兰)获得，诸如Brocadur WK20，其含有约80％W和20％Cu。接触顶端将金属线电连接到直流电源，其还连接到通过自由实体制造形成的金属体的目标区域。在一些实施例中，进行电连接，使得金属线为阴极而目标区域为阳极。在一些实施例中，进行电连接，使得金属线为阳极而目标区域为阴极。当金属线进入PAW焊炬(诸如PTA焊炬)的弧时，包括电弧的等离子羽流向目标区域的小表面区域输送高度集中的热流，同时极好地控制从PTA焊炬供应的热通量的区域延伸和大小。PTA焊炬具有提供稳定且一致的弧的优点，其具有很少的漂移和对阴极和阳极之间的长度偏差的良好容限。PTA焊炬可以具有由钨制成的电极和由铜或铜合金制成的喷嘴。然而，本发明不涉及任何特定选项或类型的PTA焊炬。可以使用能够用作PTA焊炬的任何已知或可想到的装置。
可更换接触顶端可以附接到电接触单元内的圆柱形支撑件。在一些实施例中，通过使用介入的隔热材料使接触顶端与圆柱形支撑件热绝缘。任何能够承受接触顶端可能暴露的温度的绝热材料都适合在电接触单元内使用。示例性的绝热材料为陶瓷，其也可以被选择为电绝缘的，这将最小化或防止任何电流从接触顶端传递到电接触单元。上述任何陶瓷都可用于构造适当的配件，以用于将接触顶端附接到电接触单元内的圆柱形支撑件。
电接触单元内的接触顶端保持与金属线接触，以确保到达金属线的恒定电流和包含电源、金属线和目标区域的完整电路。在一些实施例中，接触顶端经由接触顶端挤压组件保持与金属线接触。接触顶端挤压组件可以为电接触单元的一部分，或者可以为单独的元件。保持接触顶端与金属线180接触的向下压力可以通过使用例如弹簧、液压装置、机械化螺钉或电动活塞组件来实现。当使用弹簧时，弹簧可以选择成施加适当强度或大小的力，使得它不会太强以致接触顶端刮擦金属线180但是足够强以保持接触顶端和金属线180之间的接触。根据所选择的配置，所具有的弹簧常数在从约0.001至约10N/m的范围内的弹簧(例如压缩弹簧)可用于迫使接触顶端向下抵靠金属线180。作为弹簧的替代或补充，挤压组件可包括液压缸，该液压缸可用于提供力以保持接触顶端与金属线接触。接触顶端挤压组件可被配置为施加从约100至约800克挤压以使金属线与接触顶端接触。
在一些实施例中，接触顶端经由线挤压组件保持与金属线接触。线挤压组件可以向金属线180施加向上压力以将金属线180挤压成与接触顶端接触。保持金属线180与接触顶端接触的向上压力可以例如通过使用连接到弹簧、液压装置、机械化螺钉或电动活塞组件的L形夹具来实现。弹簧可以选择成施加适当强度或大小的力，使得它不会太强以致接触顶端180刮擦金属线但是足够强以保持接触顶端和金属线180之间的接触。根据所选择的配置，可以使用所具有的弹簧常数在从约0.001至约10N/m的范围内的弹簧，诸如压缩弹簧，以迫使线180向上朝向接触顶端。液压活塞上的液压也可用于迫使线朝向接触顶端。线挤压组件可被配置为施加从约100至约800克挤压以使线与接触顶端接触。在一些实施例中，可以使用用于向下挤压接触顶端的接触顶端挤压组件以及用于向上挤压金属线的线挤压组件的组合。
检测器700也附接到可调整导向支撑框架500，该检测器可以检测金属线180的远端在PTA焊炬600的弧中的位置。检测器700可以经由检测器支撑件710附接到可调整导向支撑框架500。可以使用允许金属线180的远端相对于热源(诸如PAW焊炬600的弧、形成激光焊炬的激光束或来自电子束焊炬的电子束)的位置的任何检测器。检测器可包括照相机、光学传感器、图像传感器、光电二极管、光电二极管阵列、互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器、电荷耦合器件(CCD)、有源像素传感器、电子传感器、电子现象检测机构或其组合。
一个示例性检测器包括一个或多个照相机，其允许金属线180的远端相对于PAW焊炬600的弧(或者替代地，形成激光焊炬的激光束或来自电子束焊炬的电子束)的位置的可视化。高动态范围CMOS照相机可以用作检测器700，以获得等离子弧、激光束或电子束的彩色或黑白图像以及金属线180的远端的位置。图像可以实时显示在显示装置(诸如监视器)上。显示装置可包括平板LED显示器、液晶(LCD)显示器、薄膜晶体管显示器或阴极射线管显示器。可以通过调整照相机和/或通过电子调整照相机的视场来调整照相机的视场。检测器700可以被定位成使得其焦平面与金属线180的远端成一直线，并且金属线180的远端大体上处于照相机的视场的中心内。照相机被定位成相对于PAW焊炬、激光焊炬或电子束焊炬和金属线180的远端进行成像，使得金属线180的远端的中心线定位于照相机的视场内。带通过滤器可以放置在照相机前面，以滤除噪声和/或减少由照相机接收的弧产生的光量，从而改善金属线180远端的对比度可视化。作为照相机的补充，具有主动反馈的光电检测器可用于自动调整曝光时间、增益、伽玛和色调映射或其任何组合，以改善对比度。
使用的过滤器可以选择成使得焊炬的热源所特有的波长被过滤器阻挡，或者仅是主波长通过过滤器，从而提供了区分用于加热基板的热源的机制。可以对视频成像传感器进行编程以检测期望的所选波长。检测器可以被配置成使得其面向焊炬并监测在焊接过程中发出的光。检测到的波长的变化可用于确定金属线未正确地对准在焊炬的热源内。由成像系统产生的信号或由控制系统产生的转换信号然后可用于启动重新定位系统，以改变线的远端的位置。还可以由操作员响应于视频图像手动地执行重新定位。
一个或多个检测器700可以与控制系统通信，该控制系统也与马达570通信。当控制系统从检测器700接收到金属线180的远端需要重新定位的信号时，控制系统可以向马达570提供信号，以调整可调整导向支撑框架500和固定主支撑框架900之间的角度关系，以使金属线180的远端移动，诸如将远端重新定位或保持在PAW焊炬600的弧内。信号处理控制盒(诸如具有设计成用于处理从照相机获得的信号的信号处理软件的计算机)可用于处理来自检测器700的数据并推断出线的中心点，诸如基于装置附接的主支撑框架在其视场(例如，焊炬支撑件650或熔化器焊炬600(在其视场中))中的固定参考点，并且基于动态特征，诸如弧形状、弧浓缩、沉积的串的中心线、液滴偏离等。可以在监视器上显示推断出的用于调整导向支撑框架500的角度校正因子，以进行手动校正，或者信号处理控制盒可以经由软件或经由直接信号接口向马达570自动发送信息。因此，可以连续地监测来自检测器700的信号并将其用于识别需要重新定位的金属线的远端。在一些应用中，响应于来自检测器700的信号的反馈控制机构可用于调整导向支撑框架500。在示例性实施例中，金属线的远端响应于连续监测检测其位置而连续地重新定位，以确保金属线的远端处于或保持在由焊炬发出的热源中。在示例性实施例中，热源为等离子弧、激光束、电子束或通过所使用的焊炬的其他辐射。
金属线180可以为用于焊炬焊接中的任何金属。金属线可以为或含有钛。金属线可以为或含有钛合金，该钛合金含有Ti与Al、V、Sn、Zr、Mo、Nb、Cr、W、Si和Mn中的一种或其组合物的组合。例如，示例性钛合金包括Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-45Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2W-0.5Si、Ti-47Al-2Nb-lMn-0.5W-0.5Mo-0.2Si、以及Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si。金属线可包含铝、铁、钴、铜、镍、碳、钛、钽、钨、铌、金、银、钯、铂、锆、它们的合金以及它们的组合物。金属线可具有圆形横截面。金属线的直径可以在从约0.5mm至约5mm的范围内。金属线可以具有任何实际可实现的尺寸，例如1.0mm、1.6mm、2.4mm等。熔化的金属线可以根据使用待形成的物体的计算机模型产生的沉积轮廓沉积在基材上，使得通过将金属材料的连续沉积物熔合到基材上来构建物体。
可以使用一个或多个致动器来实现基材和任何一个或多个PAW焊炬的定位。在示例性实施例中，可以使用致动器托盘重新定位或移动基材，基材搁置在该致动器托盘上。致动器托盘可以在任何方向上移动基材。在示例性实施例中，致动器托盘可以设置在轨道或导轨系统上并能够在任何期望的方向上移动基材。替代地，可以使用机械臂或机械手臂来操作致动器托盘。致动器也可以使用液压系统来操作。类似地，可以使用一个或多个致动器来移动一个或多个PAW焊炬。例如，一个或多个PAW焊炬中的每个PAW焊炬可以附接到独立控制的致动器臂，诸如机械臂或机械手臂。还可以实现将其他类型的机构用于致动器臂，诸如像导轨或轨道系统。致动器也可以使用液压系统来操作。在其中使用两个或更多个PAW焊炬的示例性实施例中，每个PAW焊炬可以独立地移动。在使用两个或更多个PAW焊炬的替代实施例中，两个或更多个PAW焊炬的位置可相对于彼此固定，并且一个或多个致动器臂同时移动两个或更多个PAW焊炬。在示例性实施例中，致动器托盘为所使用的唯一致动器，其在沉积期间将一个或多个PAW焊炬保持在固定位置。在替代实施例中，致动器托盘仅在一个平面内的两个方向上移动基材，而一个或多个致动器臂仅在一个方向(例如垂直于致动器托盘移动的平面的一个方向)上移动一个或多个PAW焊炬。相反的情况也是如此，其中一个或多个致动器臂在一平面内的两个方向上移动一个或多个PAW焊炬，同时致动器托盘沿单个方向移动基材。在替代实施例中，基材在沉积期间保持在固定位置，并且一个或多个致动器臂用于移动一个或多个PAW焊炬。在又一个替代实施例中，致动器托盘和一个或多个致动器臂都用于移动基材和一个或多个PAW焊炬。计算机辅助制造(CAM)系统或软件可以响应于沉积轮廓引导致动器托盘、第一致动器臂、第二致动器臂或其任何组合的移动。
尽管前面的描述包含重要细节，但是不应该将其解释为限制本发明的范围，而是提供对本发明的各种实施例的说明。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。因此，旨在使本发明覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的本发明的修改和变化。
附图标记列表
以下为说明书和附图中使用的附图标记的列表：
120 导向装置
180 金属线
200 电接触单元
210 接触顶端组件
230 电连接器
300 支撑元件
400 线保护器
450 连接器
460 机动辊
465 旋转计数器
470 马达
475 机动辊
480 旋转计数器
485 导向辊
490 导向辊
495 线供应框架连接器
500 可调整导向支撑框架
550 切口
570 马达
600 第一PTA焊炬
610 第二PTA焊炬
650 焊炬支撑件
700 检测器(照相机)
710 检测器支撑件
800 枢转接头
810 可旋转支撑活塞
820 支撑件
830 连接器
900 主支撑框架
920 板(接合由马达驱动的螺纹构件)
930 支撑件
940 支撑件

Claims (35)

1.一种向焊炬提供金属线的方法，包括以下步骤：
从线供应源通过导向装置推进一定量的金属线，使得所述金属线的远端定位于由焊炬发出的热源中；
检测所述金属线的所述远端相对于由所述焊炬发出的所述热源的位置；以及
通过重新定位所述导向装置所附接的能调整框架来调整所述金属线的所述远端相对于所述热源的位置，其中，所述能调整框架能旋转地附接到固定框架，并且重新定位包括朝向或远离所述固定框架水平地枢转所述能调整框架。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能调整框架通过保持单元能旋转地附接到所述固定框架，所述保持单元包括支撑件和连接器，所述支撑件包含与枢转接头接合的能旋转支撑活塞，所述连接器连接到所述能旋转支撑活塞并能枢转地支撑所述能旋转支撑活塞，所述支撑件固定地附接到所述固定框架。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过以下方式重新定位所述能调整框架：启动附接到螺纹构件的重新定位马达，所述螺纹构件与附接到所述固定框架的板中的内螺纹开口接合，并且由所述重新定位马达使所述螺纹构件在一个方向上旋转来朝向所述固定框架重新定位所述能调整框架，并且由所述重新定位马达使所述螺纹构件在相反方向上旋转来远离所述固定框架重新定位所述能调整框架。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述重新定位马达为步进马达，并且控制提供给所述马达的激励脉冲的数量，以提供所述螺纹构件在任一方向上的精确旋转量。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述重新定位马达使用马达控制器来操作，所述马达控制器调节提供给所述马达的功率、或者调整所述马达的运动的速度和方向以及持续时间、或者允许响应于信号自动启动所述马达、或它们的任何组合。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，使用主进给装置推进所述金属线，所述主进给装置包括第一机动送丝器、线驱动马达、旋转计数器和第二机动送丝器，所述线驱动马达驱动所述第一机动送丝器和所述第二机动送丝器以将所述金属线推进到由所述焊炬发出的所述热源。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述线驱动马达为由功率控制信号驱动的直流马达或步进马达。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述线驱动马达使用马达控制器来操作，所述马达控制器调节提供给所述马达的功率、或者调整所述马达的运动的速度和方向以及持续时间、或者允许响应于信号自动启动所述马达、或它们的任何组合。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，检测所述金属线的所述远端的位置包括使用照相机使所述金属线的所述远端可视化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述照相机为互补金属氧化物半导体照相机。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述互补金属氧化物半导体照相机产生能变成检测到的光图案的数字表示的图像，并且响应于所述数字表示，重新定位所述金属线的所述远端。
12.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述焊炬为等离子弧焊炬、气体保护金属极弧焊炬、激光焊炬、电子束焊炬、或它们的任何组合。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，持续地进行检测所述金属线的所述远端的位置。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述气体保护金属极弧焊炬为气体保护钨极弧焊炬。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述气体保护金属极弧焊炬为金属极惰性气体保护焊炬。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述金属极惰性气体保护焊炬为钨极惰性气体保护焊炬。
17.一种金属线定位系统，包括：
板，所述板包括内螺纹开口，所述板固定地附接到主框架；
保持单元，所述保持单元附接到所述主框架，所述保持单元包括与枢转接头接合的能旋转支撑活塞、以及连接到所述能旋转支撑活塞并能枢转地支撑所述能旋转支撑活塞的连接器；
能调整导向支撑框架，所述能调整导向支撑框架经由所述枢转接头通过所述保持单元能旋转地附接到所述主框架并由所述能旋转支撑活塞悬挂；
线导向装置，所述线导向装置附接到所述能调整导向支撑框架；
马达，所述马达附接到所述能调整导向支撑框架，所述马达附接到螺纹构件，所述螺纹构件与所述板中的所述内螺纹开口接合，使得所述能调整导向支撑框架响应于所述螺纹构件的旋转朝向或远离所述主框架水平地枢转；以及
检测器，所述检测器检测焊炬的弧的位置。
18.根据权利要求17所述的系统，还包括与所述马达连通的控制系统，所述控制系统控制所述马达的旋转且因此控制所述螺纹构件的运动。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述控制系统控制所述螺纹构件旋转的量和方向。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述螺纹构件为螺钉或螺栓。
21.根据权利要求17所述的系统，其中，所述螺纹构件由所述马达在一个方向上的旋转朝向所述主框架重新定位所述能调整导向支撑框架，并且所述螺纹构件由所述马达在相反方向上的旋转远离所述主框架重新定位所述能调整导向支撑框架。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的系统，还包括环绕所述螺纹构件的能移动套筒。
23.根据权利要求17至21中任一项所述的系统，其中：
所述马达为由功率控制信号驱动的直流马达。
24.根据权利要求17至21中任一项所述的系统，其中，所述马达为步进马达。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述步进马达允许通过电子地控制提供给所述马达的激励脉冲的数量来实现所述螺纹构件在任一方向上的旋转。
26.根据权利要求17至21中任一项所述的系统，其中，所述检测器通过检测器支撑件附接到所述能调整导向支撑框架。
27.根据权利要求17至21中任一项所述的系统，其中，所述检测器包括照相机。
28.根据权利要求17至21中任一项所述的系统，还包括主进给装置，所述主进给装置包括第一机动送丝器、送丝器马达、旋转计数器和第二机动送丝器。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述送丝器马达驱动所述第一机动送丝器和所述第二机动送丝器。
30.根据权利要求28所述的系统，其中，所述旋转计数器定位在所述第一机动送丝器和所述第二机动送丝器之间。
31.根据权利要求30所述的系统，还包括定位于所述第一机动送丝器之前的旋转计数器。
32.根据权利要求17至21中任一项所述的系统，其中，所述主框架包括切口或孔。
33.根据权利要求17至21中任一项所述的系统，其中，所述能调整导向支撑框架包括切口或孔。
34.根据权利要求32所述的系统，其中，所述孔为穿孔。
35.根据权利要求33所述的系统，其中，所述孔为穿孔。
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