CN109689268A - 用于金属焊接的流体冷却的接触末端组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种流体冷却的接触末端组件，该组件可用于这样的方法和系统中：这些方法和系统用于通过实体自由成形制造技术制造各物体，尤其是钛和钛合金物体，其中通过增加穿过金属线的电荷流速来增加沉积速率。

Description

用于金属焊接的流体冷却的接触末端组件
技术领域
本发明涉及一种通过实体自由成形制造技术制造物体的方法和装置，上述物体尤其是钛和钛合金物体。
背景技术
钛或钛合金制成的结构化金属部件通常是通过铸造、锻造或机加工坯料而制成。这些技术的缺点是昂贵的钛金属材料浪费大，并且在金属部件的制造中需要很长的准备时间。
完全致密的物理物体可以通过被称为快速成型、快速制作、分层制造、实体自由成形制造、增材制作、增材制造或3D打印的制造技术来制造。这种技术使用计算机辅助设计软件(CAD)来首先构建待制作物体的虚拟模型，然后将虚拟模型转换成通常水平定向的薄的平行式切片或层。然后，可以通过铺设连续的原材料层来制造物理物体，所述原材料层为液体糊状物、粉末或其它可分层、可铺展或流体形式，例如熔化的金属，例如来自熔化的焊线，或者预制为类似于虚拟层形状的片状材料，直到整个物体形成。这些层融合在一起，形成一个实心的致密物体。
实体自由成形制造是一种灵活的技术，能够以相对较快的生产率制造几乎任何形状的物体，通常每个物体的生产率从几个小时到几天不等。因此，这种技术适合于成形样机和小的生产量，并且可以扩大规模用于大批量生产。
分层制造技术可以扩展到包括建筑材料碎片的沉积，也就是说，物体虚拟模型的每个结构层被分成一组碎片，这些碎片并排放置时形成该层。这使得这样形成金属物体：根据物体的虚拟分层模型将金属线焊接到形成每一层的连续条带的基底上，并对每一层重复该过程，直到整个物理物体形成为止。该焊接技术的精度通常太差，不能直接形成具有可接受尺寸的物体。因此，成形的物体通常被认为是生坯物体或预成型物，需要加工成可接受的尺寸精度。
电子束自由成形制造技术是本领域已知的(例如，参见2002年8月5日至7日在德克萨斯州奥斯汀举行的第十三届实体自由成形制造研讨会上Taminger和Hafley的《电子束自由成形制造技术生产的2219铝的表征》；会议记录，德克萨斯大学奥斯汀分校(2002年)；第三届汽车复合材料年会论文集中《电子束自由成形制造技术：快速金属沉积工艺》，作者Taminger和Hafley，2003年9月9-10日，密歇根州特洛伊市塑料工程师协会(2003年)；以及Taminger和Hafley的《用于低成本近净形制造的电子束自由成形制造技术》，关于通过净形状加工进行成本效益制造的NATO/RTOAVT-139专家会议(荷兰阿姆斯特丹市，2006年)(NATO)，第9-25页))。Taminger和Hafley(2006年)描述了一种直接用计算机辅助设计数据结合电子束自由成形制造(EBF)技术制造结构化金属部件的方法和装置。该结构化部件是通过在金属焊线的连续层上焊接而成的，该金属焊线由电子束提供的热能进行焊接。EBF工艺包括：在高真空环境中，将金属线熔化到由聚焦电子束制造和维持的熔池中。电子束和焊线的定位是通过如下方式来实现的：使电子束炬和支撑基底的致动器沿着一个或更多个轴线(X、Y、Z和旋转)可移动地铰接，并通过四轴线运动控制系统调节电子束炬和支撑基底的位置。据称，该工艺在材料使用方面效率接近100％，在功耗方面有95％的效率。该方法既可用于大块金属沉积物，也可用于更精细的细分沉积物，并且与加工金属零件的常规方法相比，该方法声称在缩短准备时间以及降低材料和加工成本方面取得了显著的效果。该电子束技术的缺点是依赖于沉积室中10-1Pa或更低的高真空。
已知的是(例如，参见Adams，美国专利公开号2010/0193480)使用TIG焊炬通过实体自由成形制造(SFFF)技术来制造物体，其中在基底上沉积具有低延展性的连续金属原料层。通过使用电极激励流动气体来产生等离子体电弧，该电极具有提供给其的可变大小电流。等离子体流被导向预定的目标区域，以在沉积之前预热工件的预定目标区域。调节电流，将原料材料供给到等离子体流中，从而将熔融原料沉积在预定目标区域中。调节电流，在升高的温度(通常高于原料材料的脆韧性转变温度)下缓慢冷却熔融原料，从而在冷却阶段将材料应力的发生率降到最低。
Withers等人(美国专利公开号2006/185473)也描述了通过组合钛进料和合金组分，利用相对低成本的钛进料材料，使用TIG焊炬代替传统上用于实体自由成形制造(SFFF)工艺的昂贵激光器，这样显着降低了原材料成本。Withers等人还描述了使用混合有合金元素的钛海绵材料形成金属线，其中它可以与等离子焊炬或其他大功率能束结合用于SFFF工艺，以生产近净形钛部件。
Abbott等人(WO 2006/133034，2006年)公开了一种使用激光/电弧混合工艺制造复杂三维形状的直接金属沉积工艺，该工艺包括以下步骤：提供基底；和使用激光辐射在基底上沉积源自金属原料的第一熔融金属层，并公开了电弧。电弧可以通过使用金属原料作为电极的气体金属电弧焊接来提供。Abbott等人教导人们，结合气体金属电弧焊接使用激光辐射使电弧稳定，并且据称提供了更高的加工速率。Abbott等人利用了由金属线引导件引导和引出的金属线。金属线的金属在末端熔化，通过将末端定位在沉积点上来沉积熔融金属。熔化金属线所需的热量由在电极末端和工件/沉积基底之间扩展的电弧和照射沉积区域的激光提供。通过熔化由电弧加热的金属线进行的焊接被称为气体金属电弧焊接(GMAW)，在使用非反应性气体起弧的情况下，也称为金属惰性气体焊接(MIG-welding)。
要解决的问题是在基材上沉积材料以形成工件的速度。可以提高金属线的温度从而在金属线与电弧焊炬的电弧相互作用之前预热金属线。这可以通过增加通过电极的电荷流速(电流安培)或调节金属线的横截面来加强电极的电阻加热来实现。加热到400℃以上的钛金属或钛合金在与氧气接触时可能会被氧化。因此，有必要保护通过分层自由成形制造形成的需焊接和加热的物体免受周围大气中氧气的影响。
然而，使用高电流会产生许多问题。如果电流变化不受控制，金属线可能会快速过热，导致金属线回烧到接触末端。回烧会导致金属线与接触末端融合，使得不得不更换接触末端。使用高电流也会引起接触末端本身发热，并会导致接触末端过热。接触末端过热的结果之一就是末端伸长。根据接触末端的构造，这种伸长可能导致接触末端被重新定位成更靠近金属线，这会增加接触末端和金属线之间的摩擦，可能损坏或划伤金属线。过热引起的对接触末端几何形状的调整也可能因为热致伸长或不均匀性而导致不均匀的接触末端磨损。这可能使接触末端内形成电弧。接触末端的过热也可能导致在接触末端中形成微孔，这可能引起焊接设备不稳定地工作。
这些由于接触末端处使用大电流会引起的问题可能导致需要频繁更换接触末端，在最坏的情况下，需要清洗焊接设备。而更换接触末端和/或清洁设备需要关闭设备，停止生产。这使成本高，并会对生产力产生负面影响。
本领域还需要一种经济的方法以增大的金属沉积速率进行直接金属沉积。本领域还需要一种设备，该设备使直接金属沉积形成的产品的产量和收益增加，而没有由于过热而频繁更换接触末端的风险。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种设备，该设备使直接金属沉积形成的产品的产量和收益增加，而没有由于过热而频繁更换接触末端的风险。另一个目的是提供一种用于直接金属沉积形成的产品生产的设备，该设备可以利用高流速的电荷。本发明提供的设备可以处理大电流。例如，该设备可以处理100、200、300、350、400安培或更大的电流。本发明提供的设备还减轻了金属线和引导件的温度膨胀。
本发明的另一个目的是提供一种快速分层制造钛或钛合金物体的方法。
本发明解决了对执行直接金属沉积的改进的、经济的方法的需求。本发明进一步解决了对提高直接金属沉积成形部件的产量和收益的方法的需求，该部件具有平滑、明确的沉积边界。
本发明的另一个目的和优点是接触末端的改进减少了金属线进给问题，并使劳动力成本降低和生产率提高。需注意的是，尽管本发明是结合金属线的使用来描述的，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，可以使用任何合适尺寸和形状的可消耗电极。
本发明提供的设备通过供应线状的金属线，在金属线中使用相对高的电荷流速并用流体冷却系统冷却接触末端来增加沉积速率。流体冷却系统将各冷却通道结合到接触末端或引导件或两者中。这些冷却通道可以位于靠近电流流动的地方。在一些实施例中，这些冷却通道位于足够接近接触末端的位置，以使热能快速传递到冷却通道。
本发明提供了一种流体冷却的接触末端组件。图1中描述了一个示例性实施例。流体冷却的接触末端组件100可包括引导件120和电接触单元200，电接触单元200包含通过电连接部230连接到电源的接触末端215。在一些实施例中，接触末端组件100可包括流体冷却电接触单元200、或流体冷却引导件120、或流体冷却电接触单元200和流体冷却引导件120两者。
接触末端组件100还可包括压线组件190，以按压金属线使金属线与接触末端215接触。压线组件190可包括绝缘末端195，该绝缘末端195可以在压线组件190的作用下与金属线180接触，其中绝缘末端195按压金属线使金属线与接触末端215接触。压线组件190可用钛或钛合金制造或含有钛或钛合金。压线组件190可以连接到电接触单元200，例如通过使用轴进行连接，该轴允许压线组件190绕该轴自由移动，从而压线组件190可以将金属线压向接触末端215。连接轴可以是或可以涂覆有隔热材料，使得压线组件190可以与电接触单元200热隔离。在本发明提供的系统、装置和方法中，可消耗的接触末端215与引导件分离并隔开，并且在金属线已经穿过引导件的端部之后，金属线与接触末端接触。
压线组件190施加力以按压金属线180以使金属线180与接触末端215接触。压线组件190的力可以使用弹簧、液压装置、气动致动器、机械螺杆或电动活塞组件或其任意组合来产生。在一些实施例中，弹簧施加压力，使得压线组件190按压金属线180使金属线180与接触末端215接触。弹簧可以是压缩弹簧、拉伸弹簧或扭转弹簧。压线组件190可以包括多个弹簧，每个弹簧可以是压缩弹簧、拉伸弹簧或扭转弹簧。
流体冷却的接触末端组件可包括支撑元件350，引导件120和电接触单元200可以连接到支撑元件350以进行支撑。当接触末端组件100包括流体冷却引导件120时，支撑元件350可被配置成包括冷却剂供应入口570，其可连接成与引导件的冷却剂入口157流体连通；和冷却剂供应出口580，其可连接成与引导件的冷却剂出口159流体连通。通过在支撑元件350和任何附接的部件(例如电接触单元200)之间使用隔热材料560，支撑元件350可以与附接到支撑元件350的任何部件热隔离。隔热材料560不容易传递热能。可用作隔热材料的示例性材料包括陶瓷和塑料。
流体冷却的接触末端组件可包括通过紧固件465固定到支撑元件350的连接器450。连接器450可将金属线输送源400附接到支撑元件350，并且可包括开口460以容纳金属线。金属线被输送到引导件120的一端，穿过引导件120，并离开引导件120的另一端，在该端处金属线位于工件沉积点上方的等离子体电弧中。接触末端215可被定位成使得其在引导件120内的位置处与金属线接触。接触末端215可被定位成使得其在金属线离开引导件120的该端之后与金属线接触。接触末端215在限定的接触点处与金属线接触，该接触点不在进给方向上移动，从而使恒定长度的金属线通过电阻加热被加热。
如图2所示，电接触单元200可包括冷却系统，该冷却系统包括冷却剂入口225、连接到冷却剂入口225并与之流体连通的进入冷却剂通道226、连接到进入冷却剂通道226并与之流体连通的排出冷却剂通道227以及连接到排出冷却剂通道227并与之流体连通的冷却剂出口228。流体冷却的接触末端组件还包括位于电接触单元200下方的压线组件190，压线组件190被配置成按压金属线180使金属线180与电接触元件200的接触末端215接触。
图3中示出了流体冷却的接触末端组件的示例性引导件120。引导件120具有纵向中心轴线A-A’、第一端140、相反的第二端150，以及中心孔130，该中心孔130沿着引导件120的纵向中心轴线从其第一端140延伸并延伸到其相反的第二端150，金属线180可通过相反的第二端150进给。引导件120可包括电绝缘衬里160，该电绝缘衬里160位于中心孔130内并且至少从引导件120的第一端140到第二端150横穿引导件120。在所示的实施例中，电绝缘衬里160延伸经过第二端150。电绝缘衬里160包括引导通道170，该引导通道170在第一端140处具有入口孔145，在第二端150处具有出口孔155，并且沿着纵向中心轴线A-A’穿过线性电绝缘衬里160延伸，并且电绝缘衬里160将穿过线性圆柱形引导通道170的金属线180从入口孔145朝向出口孔155引导并进一步引导出出口孔155。电接触单元200的进入冷却剂通道226可被配置成在接触末端215附近形成多个互连的平行通道。这些通道可以平行于接触末端215，如图2所示，或者可以垂直于接触末端215，或者可以关于接触末端215的平面具有任何方位。互连通道形成穿过电接触单元200的连续流体通路，该流体通路将冷却剂入口225连接到冷却剂出口228。流体冷却的接触末端组件100的电接触单元200可以被配置成其位于引导件120上方。
在一些实施例中，流体冷却的接触末端组件100包括包含冷却系统的引导件120。图4A到图4C中描述了示例性实施例。冷却系统可包括：可连接成与流入冷却剂通道135流体连通的冷却剂入口157、连接到里流入冷却剂通道135并与之流体连通的流出冷却剂通道137以及连接到流出冷却剂通道137并与之流体连通的冷却剂出口159。冷却剂入口157可连接成与冷却剂供应入口570流体连通，并且冷却剂入口159可连接成与冷却剂供应出口580流体连通(见图1)。
在本发明中提供的流体冷却的接触末端组件中，引导件120可包括引导件120底部中的底部开口125，如图4A到图4C所示。底部开口使金属线的所有灰尘或颗粒能在靠近成形工件之前离开引导件120。引导件可由钛或钛合金、或者铜或铜合金制成，或包含钛或钛合金或者铜或铜合金。电接触单元200和接触末端215各自独立地可以由铜或铜合金或复合材料制成，或者可以包含铜或铜合金或复合材料，特别是铜/钨合金或复合材料。
本发明提供的流体冷却的接触末端组件被这样配置：在金属线180穿过引导件120之后，金属线180被定位在工件沉积点上方的PAW焊炬(等离子体电弧焊炬)的等离子体电弧中或等离子体转移电弧(PTA)焊炬的等离子体电弧中。
本发明还提供了通过实体自由成形制造技术制造金属材料的三维工件的方法，其中通过将金属材料的连续沉积物一起熔合到基材上来制造物体，其特征在于该方法使用流体冷却的接触末端组件。在所述方法中，基材与待制造的物体为相同的金属材料制成，基材用金属材料的连续沉积物分层，每个连续沉积物通过使用第一PAW焊炬获得。
在优选实施例中，流体冷却的接触末端组件与使用两个PAW焊炬的系统一起使用。第二PAW焊炬可用于预热基材，从而使其在熔化的金属材料待沉积的位置处能容纳熔化的金属线的熔融液滴。在一些实施例中，基材的至少一部分被预热PAW熔化，以使基材更能容纳。在一些实施例中，预热PAW焊炬施加足够的热量以在基材中的待沉积金属材料的位置形成熔池。
金属线可以被供给通过流体冷却的接触末端组件，使得其远端离开接触末端组件后位于基材上方，在该基材上将沉积熔融金属。在基材被预热的实施例中，金属线的远端在离开接触末端组件后可以位于基材的预热区域上，或者甚至位于基材中的熔池上，如果已经形成熔池的话。然后使用PAW焊炬加热和熔化金属线，使得如果进行了预热，金属线的熔融金属材料滴落到基材上以及基材的预热区域或熔融区域或部分熔融区域上。基材和/或一个或更多个PAW焊炬可以以预定图案移动，使得熔化的金属线的熔融金属材料的连续沉积物沉积在基材上并固化和形成三维工件。
还提供了通过实体自由成形制造技术制造金属材料的三维物体的方法，其中这些方法包括将金属材料的连续沉积物沉积到基材上。将金属线通过引导件供给到流体冷却电接触单元中来获得每个连续沉积物，所述流体冷却电接触单元将至少100安培的电流传导到金属线；和使用第一PAW焊炬加热并熔化金属线，使得熔融金属材料滴落到基材上。通过移动基材和第一PAW焊炬中的至少一者使得来自熔化的金属线的熔融金属材料的连续沉积物固化并形成三维物体，由此来限定沉积图案。可以在待沉积金属材料位置预热基材。使用第二PAW焊炬进行预热。还可以通过移动基材、第一PAW焊炬和第二PAW焊炬中的至少一者使得来自熔化的金属线的熔融金属材料的连续沉积物固化并形成三维物体，由此来限定沉积图案。在所提供的各方法中，流体冷却电接触单元包括冷却系统，该冷却系统可以包括：冷却剂入口，其可连接成与冷却剂供应入口流体连通；流入冷却剂通道，其连接到冷却剂入口并与其流体连通；流出冷却剂通道，其连接到流入冷却剂通道并与其流体连通；和冷却剂出口，其连接到流出冷却剂通道并与其流体连通。
在所提供的各方法中，引导件包括冷却系统，该冷却系统包括：冷却剂入口，其可连接成与冷却剂供应入口流体连通；流入冷却剂通道，其连接到冷却剂入口并与其流体连通；流出冷却剂通道，其连接到流入冷却剂通道并与其流体连通；和冷却剂出口，其连接到流出冷却剂通道并与其流体连通。金属线可以是或包含Al、Cr、Cu、Fe、Hf、Sn、Mn、Mo、Ni、Nb、Si、Ta、Ti、V、W或Zr，或其复合物或合金。在一些实施例中，金属线是包含钛或钛合金，或者镍或镍合金的线。
还提供了用于通过固体自由成形制造技术来制造金属材料的三维物体的系统。该系统可包括流体冷却引导件，用于将金属线引导到基材上方的位置；流体冷却电接触单元，其与金属线电接触以将至少100安培的电流传导到金属线；第一焊炬，其熔化所述金属线并使金属材料滴落在基材上；和待成形物体的计算机模型，其限定沉积轮廓，从而通过将金属材料的连续沉积物熔合到基材上来构建物理物体。该系统还可包括致动器托盘，该致动器托盘相对于至少焊炬移动基材。该系统可包括移动第一焊炬的致动器臂。该系统还可包括第二焊炬，该第二焊炬用于预热基材的待沉积金属材料的区域。该系统还可包括移动第二焊炬的致动器臂。
在下面的描述中将阐述本发明的其他特征和优点，并且通过该描述这些特征和优点部分地将变得显而易见，或者可以通过本发明的实践而被了解。本发明的目的和其它优点可通过书面描述和所附权利要求书及其附图中特别指出的结构来实现和获得。
应当理解，以上对本发明的一般描述和以下的详细描述是示例性和解释性的，并旨在为如所要求保护的本发明提供进一步的解释。
附图说明
本发明所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，它们被结合在此并构成了本说明书的一部分，这些附图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。为了清楚起见，附图不是按比例绘制的，并且省略了一些部件。
附图中：
图1是本发明提供的冷却接触末端组件的实施例的倾斜侧视图。
图2是本发明提供的冷却接触末端组件的示例性流体冷却电接触单元的示意图。
图3是引导件120的示例性构造的示意图。
图4A到图4C示出了流体冷却引导件的示例性实施例。在图4A中，示出了其中包含流体通路的示例性引导件120。图4B是一个实施例的俯视图，其中冷却剂流体围绕引导件120的周边循环。图4C是示例性引导件120的截面图，其包含线引导件的流入冷却剂通道135和线引导件的流出冷却剂通道137。
具体实施方式
A.定义
除非另外定义，否则这里所用的全部技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的相同含义。除非另有说明，否则在本发明中的整个公开内容中所涉及到的所有专利、专利申请、公开的申请和出版物、网站和其他公开的材料都全文引入作为参考。如果这里对术语有多种定义，以本节中的定义为准。当参考URL或其它该类标识或地址时，应当理解，该类标识可发生变化并且因特网上的特定信息可能变来变去，但是通过搜索互联网可以找到等同的信息。另外参考文献证实了这些信息的可用性及其公众传播。
除非特别说明，本发明中所用的单数形式“一个”、“一”和“该”也包括了复数的情况。
本发明中所用的范围和数量可以表示为“大约”一个特定值或范围。“大约”也包括确切的数量。因此，“大约5％”意味着“大约5％”和“5％”。“大约”是指应用或预期目的的一般实验误差。
如这里所用的术语第一、第二、第三等可以在此用来描述多种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应被这些术语所限制。这些术语可能只是用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分开。除非上下文明确指出，否则术语如“第一”、“第二”和其它数字术语在本发明中使用时并不暗含顺序或次序。因此，在不脱离示例性实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
如本发明中所使用，“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况确实发生或没有发生，并且这种描述包括该事件或情况发生的实例和该事件或情况没有发生的实例。例如，系统中的任选部件是指该部件可能存在于系统中，也可能不存在于系统中。
如本发明中所使用，术语“接触末端(contact tip)”是指在MIG焊接操作中电连接金属线的元件。
如本发明中所使用，“组合”是指两项或多项之间任何联合。联合可以是空间的，也可以是指用于共同目的两项或多项。
这里可互换使用的术语“等离子体转移电弧焊炬”或“PTA焊炬”是指任何这样的装置：该装置能够通过电弧放电将惰性气体流加热并激发成等离子体，然后将包括电弧的等离子体气体流通过孔口(例如喷嘴)转移出去，以形成延伸出孔口并将电弧的高热转移到目标区域的收缩羽流。电极和目标区域可以电连接到直流电源，使得PTA焊炬的电极变成阴极，而目标区域变成阳极。这将确保包括电弧在内的等离子体羽流将高度集中的热流输送到目标区域的小表面区域，同时极好地控制从PTA焊炬供应的热流的面积延伸和幅度。等离子体转移电弧的优点是提供稳定且一致的电弧，这些电弧游移小，并且对阴极和阳极之间的长度偏差有良好的耐受性。因此，PTA焊炬既适合于加热基材，例如熔化基材的至少一部分或在基材中形成熔池，也适合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，本发明并不依赖于任何特定选择或类型的PTA焊炬。可以使用任何已知或可想到的能够用作PTA焊炬的器件，该器件提供用于熔化金属电极线的稳定热源。
如本发明中所使用，“等离子体电弧焊炬”或“PAW焊炬”是指可用于等离子体电弧焊接的焊炬。该焊炬被设计成使得气体可以被加热到高温以形成等离子体并变得导电，然后等离子体将电弧传递到工件，电弧的高热可以熔化金属和/或将两块金属熔合在一起。PAW焊炬可包括用于收缩电弧从而增加电弧功率密度的喷嘴。等离子体气体通常是氩气。等离子体气体可以沿着电极供给，并在阴极附近被电离和加速。电弧可以指向工件，并且比自由燃烧电弧更稳定(例如在TIG焊炬中)。PAW焊炬通常还具有用于提供保护气体的外部喷嘴。保护气体可以是氩气、氦气或其组合，并且保护气体有助于使熔融金属的氧化最小化。电流通常高达400A，电压通常在大约25-35V的范围内(但是可以高达大约14kW)。PAW焊炬包括等离子体转移电弧焊炬。
这里使用的术语“金属材料”是指任何已知的或可想到的金属或金属合金，其可以形成线并用于实体自由成形制造工艺中以形成三维物体。合适材料的例子包括但不限于钛和钛合金，例如Ti-6A1-4V合金、镍和镍合金以及其他金属或金属合金。
这里使用的术语“基材”是指其上待沉积金属材料的目标材料。当沉积第一层金属材料时，基材将是保持基底。当一层或多层金属材料已经沉积在保持基底上时，基材将是沉积的金属材料的上层，该上层将沉积新的金属材料层。
这里使用的术语“保持基底(holding substrate)”是指首先装载到腔室中的目标基底，在该腔室上使用实体自由成形制造(SFFF)技术沉积附加材料以形成工件，该附加材料与保持基底相同或不同。在示例性实施例中，保持基底是扁平的片材。在另选的实施例中，保持基底可以是锻造的部件。在另选的实施例中，保持基底可以是其上待沉积附加材料的物体。在示例性实施例中，保持基底可以成为工件的一部分。用于保持基底的材料可以是金属或金属合金。在示例性实施例中，保持基底由与送线材料相同的金属制成。
如本发明中所使用，术语“工件”是指使用实体自由成形制造生产的金属体。
这里可互换使用的术语“计算机辅助设计模型”或“CAD模型”是指待形成物体的任何已知或可想到的虚拟三维表示，其可用于根据本发明第二方面的设置的控制系统中：以调节保持基底的位置和移动，并用集成送线器操作焊炬，这样使得以一图案将金属材料的连续沉积物熔合到保持基底或基材上来构建物理物体，这使得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成一组虚拟平行水平层，然后将每个平行层划分成一组虚拟准一维碎片，从而形成三维物体的虚拟矢量化分层模型来获得。然后，按照根据物体的虚拟矢量化分层模型的第一层的图案，通过接合控制系统将金属材料的一系列准一维碎片沉积并熔合到支撑基底上可以形成物理物体。然后，按照根据物体的虚拟矢量化分层模型的第二层的图案，通过将可焊接材料的一系列准一维碎片沉积并熔合到前一沉积层上，来为物体的第二层重复此步骤。对于物体的虚拟矢量化分层模型的每个连续层，基于逐层重复沉积和熔合工艺，继续进行沉积，直到整个物体形成。
然而，本发明不被束缚于任何用于运行根据本发明布置的控制系统的特定CAD模型和/或计算机软件，并且本发明也不被束缚于任何特定类型的控制系统。任何已知或可想到的控制系统(CAD模型、计算机辅助制造(CAM)系统或软件、计算机软件、计算机硬件和致动器等)能够通过实体自由成形制造来构建金属三维物体，均可以被采用。在示例性实施例中，控制系统可以被调节以单独操作第一PAW焊炬来预热基材，并且操作第二PAW焊炬来将金属材料的送线熔化到熔融池中。第一PAW焊炬可以提供足够的能量来预热基材，从而使其在熔化的金属材料待沉积的位置处能容纳熔化的金属线(即熔融金属材料)的熔融液滴。预热基材可以确保熔融金属线的金属液滴提供的金属材料充分熔化到基材中。第一PAW焊炬通过加深基材中的熔化物来促进基材和熔化的金属材料之间的熔合。在一些实施例中，预热不会熔化基材。在另选的实施例中，基材的至少一部分被第一PAW熔化，以使基材更能容纳。在一些实施例中，第一PAW焊炬施加足够的热量以在基材中的待沉积金属材料的位置形成熔池。
基材和任何一个或更多个PAW焊炬的定位可以使用一个或更多个致动器来完成。在示例性实施例中，基材搁置在致动器托盘上，可以使用致动器托盘重新定位或移动该基材。致动器托盘可以在任何方向移动基材。在示例性实施例中，致动器托盘可以设置在导轨或轨道系统上，并且能够在任何期望的方向上移动基材。另选地，致动器托盘可以使用机械或机器人臂来操作。致动器也可以使用液压装置操作。同样地，可以使用一个或更多个致动器来移动一个或更多个PAW焊炬。例如，一个或更多个PAW焊炬中的每一个可以附接到单独控制的致动器臂，例如机器人或机械臂。各致动器也可以使用液压装置操作。也可以使用用于致动器臂的其它类型的机构，例如轨道或导轨系统。在使用两个或更多个PAW焊炬的示例性实施例中，每个PAW焊炬可以单独移动。在使用两个或更多个PAW焊炬的另选的实施例中，两个或更多个PAW焊炬的位置可以相对于彼此固定，并且一个或更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，致动器托盘是唯一使用的致动器，在沉积时将一个或更多个PAW焊炬保持在固定位置。在另选的实施例中，致动器托盘仅在一个平面内的两个方向上移动基材，而一个或更多个致动器臂仅在一个方向上(例如垂直于致动器托盘移动的平面)移动一个或更多个PAW焊炬。反之亦然，其中所述一个或更多个致动器臂在平面内沿两个方向移动一个或更多个PAW焊炬，而致动器托盘沿单一方向移动基材。在另选的实施例中，基材在沉积时保持在固定位置，而一个或更多个致动器臂用于移动一个或更多个PAW焊炬。在又一另选的实施例中，致动器托盘和一个或更多个致动器臂都用于移动基材和一个或更多个PAW焊炬。
B.流体冷却的接触末端组件
本发明提供了一种流体冷却的接触末端组件。该流体冷却的接触末端组件使直接金属沉积形成的产品的产量和收益增加，而没有由于过热而频繁更换接触末端的风险。因为流体冷却的接触末端组件从接触末端附近移除热能，所以可以使用比传统接触末端中更高的电荷流速，这会使金属沉积成形产品生产的生产率提高，其原因是更多的金属以更快的速度从金属线沉积到形成工件的基材上。流体冷却接触末端可以利用大电流。例如，可以使用350、375或400安培或更大的电流。流体冷却的接触末端组件可包括电接触单元，电接触单元中包含通道，这些通道均被配置成使冷却流体能流过电接触单元以从中去除热能。电接触单元的流体通道可以被配置成使得通道在接触末端附近，并且从接触末端附近移除热能。冷却通道的这种构造可以去除接触末端附近的任何多余热能，并且可以防止接触末端热膨胀。在本发明提供的系统、装置和方法中，可消耗的接触末端与引导件分离并隔开，并且在金属线已经穿过引导件的端部之后，金属线与接触末端接触。
流体冷却的接触末端组件还可包括流体冷却引导件。引导件具有沿引导件的纵向中心轴线延伸的中心孔，金属线可以横穿该中心孔。引导件位于电接触单元下方，而金属线进入引导件的一端，穿过引导件，并离开引导件的另一端，在该端金属线位于工件沉积点上方的PTA焊炬的等离子体电弧中。引导件可包括冷却流体通路。冷却流体通路包括引导件的冷却剂入口，该引导件的冷却剂入口连接到冷却剂通道并与其流体连通，冷却剂通道横穿引导件并使冷却流体能流过引导件以吸收与引导件热连通的电接触单元的热能。这些冷却剂通道可以设计成包含在引导件内。例如，冷却通道可以被定位成使得它们横穿与电接触单元的至少一部分接触的引导件的上部。这些冷却剂通道也可以设置在引导件的边缘上。
图1中示出了流体冷却的接触末端组件100的示例性实施例。在所示的实施例中，接触组件包括引导件120、电接触单元200和压线组件190。电接触单元200可以连接到支撑元件350。通过在电接触单元200和支撑元件350之间的接触区域中使用隔热材料560，电接触单元200可以与支撑元件350热隔离。可以选择隔热材料560，使得它不容易传递热能。可用作隔热材料560的示例性材料包括陶瓷和塑料。示例性陶瓷包括Al、B、Zr、Mg、Y、Ca、Si、Ce、In和Sn的氧化物或氮化物及其组合(例如，参见美国专利No.6,344,287(Celik等人，2002年)；No.4,540,879(Haerther等人，1985年)；和No.7,892,597(Hooker等人，2011年))。
电接触单元200包括接触末端215、冷却剂入口225和冷却剂出口228。冷却剂入口225与冷却剂出口228经由包含在电接触单元200内的冷却剂通道(图2中示出)流体连通，这些冷却剂通道允许冷却流体从冷却剂入口225流过电接触单元200，特别是在接触末端215附近，并且在吸收热能之后，冷却流体经由冷却剂出口228离开电接触单元200。
电接触单元200的尺寸使得能使用经过电接触单元200并到达接触末端215的较大电流。电接触单元200可以由铜、铜合金、钛或钛合金制成。可更换的接触末端215可以由铜或铜合金或复合材料制成。铜合金可以包含美国材料试验协会(ASTM)II级至X级的任何铜。铜合金或复合材料可包括铜与Ag、Al、Be、Bo、Cr、In、Mg、Ni、Sn、Sr、W、Zn或Zr或其组合的组合。特别地，接触末端215可包括铜和钨的组合，例如烧结的铜/钨复合物。电接触单元200包括电连接部230以向接触末端215供电。电连接部230使接触末端215能电连接到直流电源，使得当接触末端215与金属线接触时，金属线变成阳极。PTA焊炬的电极连接到直流电源，使得PTA焊炬成为阴极。
图2和图5示出了电接触单元200的示例性实施例。在图2和图5中示出了冷却流体通路，该通路包括：冷却剂入口225；进入冷却剂通道226，其横穿电接触单元200并使流体能从冷却剂入口225流到接触末端215附近的区域；和排出冷却剂通道227，其使加热的冷却剂能经由冷却剂出口228离开电接触单元200。在操作中，流体冷却剂流过作为热交换器的进入冷却剂通道226。流体冷却剂从电接触单元200吸收热能。在特定实施例中，进入冷却剂通道226可延伸至接触末端215附近的区域，吸收来自接触末端215的热能。电接触单元200中的冷却通道可被配置成最大限度地从接触末端215提取热量。为了便于吸收或传递热能，进入冷却剂通道226可以衬有凸起，例如销或翅片或其它类似器件，这些凸起尤其可以增加冷却流体和冷却剂通道226的壁之间的表面接触。
尽管进入冷却剂通道226在图2和图3中示出为包括与接触末端215平行的单层通道，但是可以使用其它构造来冷却电接触单元200，例如横穿接触末端215上方区域的弧，或者延伸电接触单元200的长度的多个通道，或者多层进入冷却剂通道226，或者沿着电接触单元200的外围定位的进入冷却剂通道，或其组合。
可以使用适合于预期在电接触单元中可能出现的温度的任何合适的冷却流体。示例性冷却流体包括水、C1-C5醇、聚α烯烃、烷撑二醇，例如乙二醇或丙二醇，或其混合物。在一些实施例中，冷却流体是水、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，例如盐、缓蚀剂、pH调节剂或其组合。
接触末端组件100还包括引导件120。图3中示出了一个示例性引导件。引导件120可具有纵向中心轴线A-A’、第一端140，相反的第二端150，以及中心孔130，该中心孔130沿着引导件120的纵向中心轴线从其第一端140延伸并延伸到其第二端150。
如图1所示，引导件120通常位于电接触单元200的下方，但是电接触单元200可以被配置成使得引导件120可以位于电接触单元200的上方。金属线(图1中未示出)进入到引导件120的一端，穿过引导件120，并离开引导件120的另一端，在该端处金属线位于工件沉积点上方的PAW焊炬的等离子体电弧中。
引导件120可以是任何形状，只要其被配置成接收金属线并使金属线能不受阻碍地穿过引导件。在一些实施例中，引导件120可具有大致圆柱形形状以容纳金属线，该金属线为具有大致圆形横截面的线的形式，如图4A所示。引导件120的外部的形状可以具有圆形、卵形、椭圆形或多边形的横截面，例如正方形、三角形、矩形、五边形、六边形、八边形或其任意组合。
引导件可包括在外表面的凸起或突出物，以使该引导件对齐，或者使引导件能附接到支架或其他元件，或者相对于引导件120接合和/或引导放置电接触单元200。例如，图4A和图4B所示的实施例包括紧固件凸起122，其使引导件120能附接到支架上。
引导件120可包括底部开口125，底部开口125使金属线的所有灰尘或颗粒能在靠近成形工件之前离开引导件120。底部开口125可以延伸到引导件120的端部。引导件120可以被截断，使得金属线180从出口孔155不受支撑地离开，如图3所示。如图1和图5所示，压线组件190的绝缘末端195按压金属线180使金属线180与接触末端215接触。
引导件120可包括电绝缘衬里160，电绝缘衬里160可将引导件120的至少一部分与金属线分开。电绝缘衬里不必完全包围金属线180。例如，电绝缘衬里160的底部的一部分可以被移除。例如，从电绝缘衬里的水平直径测量，可以去除对着从大约10°到大约180°的角度的弧段。当电绝缘衬里具有圆形横截面时，去除对着180°的角度的弧段使得半圆形电绝缘衬里覆盖金属线180的上部。
使用包含电绝缘材料的电绝缘衬里，可以将引导件与金属线电绝缘，该电绝缘材料适合于在焊接过程中引导件暴露的条件下使用。电绝缘材料可以是或包含电绝缘陶瓷。这种陶瓷在本领域中是已知的，并且可包括Al、B、Zr、Mg、Y、Ca、Si、Ce、In和Sn的氧化物或氮化物及其组合。电绝缘材料可以是或包含氮化铝、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。电绝缘衬里可以被配置成包含在引导件内。电绝缘衬里可以被配置成从引导件的一端或两端延伸。
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，绝缘陶瓷可包括表面处理以降低金属线绝缘陶瓷表面的粗糙度。表面处理可以有助于最小化或消除金属线穿过电绝缘衬里时的划痕或刻痕。例如，电绝缘衬里的表面可被处理成包括表面釉，该表面釉降低了衬里表面和电极之间产生摩擦的吸引力。激光上釉处理可用于减少表面孔隙、裂纹或变形，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。PTFE可应用于电绝缘衬里的表面以减少摩擦。表面处理有助于最小化小片金属线的形成，小片金属线是由于金属线与粗糙的绝缘陶瓷表面的相互作用而形成的。
通过在引导件120和支撑元件350之间的接触点之间包括隔热材料560，引导件120可以与支撑元件350热隔离。可用作隔热材料560的示例性材料包括陶瓷和塑料。
引导件120可包括冷却流体通路。冷却流体通路可以最小化或消除可能由接触末端215的大电流引起的引导件120内的金属线的温度膨胀。冷却流体通路可以最小化或消除引导件120的温度膨胀。引导件120的热膨胀会导致引导件和金属线之间的摩擦增加，会损坏或划伤电极，这可能会使金属线移位使其不能恰当地定位在电弧中。过热引起的引导件120的几何形状的变化也可能因为热致伸长或不均匀性而导致不均匀的接触磨损。引导件120的过热也可导致引导件120中形成变形、微孔或疲劳，这可导致引导件120失效。
图4A中示出了一个示例性实施例。在本实施例中，冷却流体通路包括引导件的冷却剂入口157，该引导件的冷却剂入口157连接到流入冷却剂通道135并与其流体连通，流入冷却剂通道135横穿引导件120并使冷却流体能流过引导件120吸收与引导件120热连通的电接触单元200的热能。在所示的实施例中，流入冷却剂通道135横穿与电接触单元200的至少一部分接触的引导件120的上部。在吸收热能之后，冷却流体流过了流出冷却剂通道137，到达引导件的冷却剂出口159以离开引导件120。
图4B和图4C中描述了另一个示例性实施例。在所述的实施例中，引导件的冷却剂入口157连接到设置在引导件120边缘上的流入冷却剂通道135并与之流体连通。在吸收热能之后，冷却流体流过设置在引导通道120的另一边缘上的流出冷却剂通道137，并经由引导件的冷却剂出口159离开引导通道120。
尽管流入冷却剂通道135在图4A中示出为包括平行于引导件120的上表面的单层通道，但是可以使用其它构造来冷却引导件120，例如垂直于引导件120的上表面放置的通道，或者延伸引导件120长度的多个通道，或者多层的流入冷却剂通道135，或者包括沿着引导件200的外围定位的进入冷却剂通道的组合。
在操作中，冷却流体流过冷却剂供应入口570到达引导件的冷却剂入口157，冷却流体流过流入冷却剂通道135以吸收热能，并且升温后的冷却流体流过流出冷却剂通道137并经由引导件的冷却剂出口159离开引导通道120。参照图1，引导件的冷却剂入口157连接到冷却剂供应入口570，并且引导件的冷却剂出口159连接到冷却剂供应出口580。为了便于吸收或传递热能，流入冷却剂通道135可以衬有凸起，例如销或翅片或其它类似器件，这些凸起尤其可以增加冷却流体和流入冷却剂通道135的壁之间的表面接触。
可以使用适合于预期在电接触单元中可能出现的温度的任何合适的冷却流体。示例性冷却流体包括水、C1-C5醇、聚α烯烃、烷撑二醇，例如乙二醇或丙二醇，或其混合物。在一些实施例中，冷却流体是水、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，例如盐、缓蚀剂、pH调节剂或其组合。冷却流体具有比热，并且质量流率可以被调节以实现引导件120和电接触单元200的有效冷却。
连接器450可以通过紧固件465固定到支撑元件350。连接器450可将金属线输送源400附接到支撑元件350，并且可包括开口460以容纳金属线。金属线被输送到引导件120的一端，穿过引导件120，并离开引导件120的另一端，在该端处金属线位于工件沉积点上方的等离子体电弧中。接触末端215可被定位成使得其在引导件120内的位置处与金属线接触。接触末端215可被定位成使得其在金属线离开引导件120的该端之后与金属线接触。
本发明提供的接触末端组件还包括压线组件，其按压金属线使金属线与接触末端接触。压线组件可以是任何结构，包括销、夹子、杠杆或其他结构，并且可具有任何形状，例如L形、直形、圆形或角形，其可以向金属线施加压力来保持金属线与接触末端接触。压线组件可包括绝缘末端，该绝缘末端可以接触金属线，而不会向压线组件的其余部分传送电力。在另选的实施例中，压线组件完全涂覆有绝缘材料。在示例性实施例中，压线组件由绝缘材料制成。利用这里提供的构造，可以在金属线和电接触单元的接触末端之间具有单点接触。这可以提供限定的接触点，该接触点不会在进给方向上移动。这使得恒定长度的金属线通过电阻加热被加热。图1中示出了示例性实施例，并且图3中示出了从不同角度看的视图。压线组件190包括绝缘末端195，其按压金属线180使金属线180与接触末端215接触。绝缘末端可以由与接触末端将暴露的环境和温度相容的任何材料制成。例如，可用于压线组件的至少末端的绝缘材料，或者用于压线组件的末端或更大部分的涂层的绝缘材料可以是或包含电绝缘陶瓷。示例性陶瓷包括Al、B、Zr、Mg、Y、Ca、Si、Ce、In和Sn的氧化物或氮化物及其组合。电绝缘材料可以是或包含氮化铝、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。在示例性实施例中，压线组件可由钛或钛合金制成，压线组件的末端被涂覆有上述所列电绝缘材料之一或由上述所列电绝缘材料之一制成。
在一些实施例中，当金属线180经过压线组件190时，压线组件190可以对金属线180施加压力，以按压金属线180使金属线180与接触末端215接触。在示例性实施例中，压力是向上的压力。保持金属线180与接触末端215接触的压力可以通过例如使用弹簧来实现。可以选择弹簧施加适当强度或大小的力，以免太大的力使接触末端180或压线组件190刮伤线，但力的大小足以保持接触末端215和金属线180之间的接触。弹簧可用于施加压力，该压力致使压线组件190按压金属线使金属线与接触末端215接触。可以使用任何类型的弹簧，例如压缩弹簧、拉伸弹簧或扭转弹簧，或者其任意组合。在一些实施例中，具有从大约0.001N/m到大约10N/m的弹簧常数的压缩弹簧可用于迫使压线组件190向上朝向接触末端215，使得金属线接触接触末端215。
根据本发明的某些实施例，金属线的直径可以在约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PAW焊炬的供电效果来调控，以确保金属线在到达基材中预热区域上方的预定位置时被持续加热和熔化。
电接触单元包含与金属线接触的接触末端。接触末端将金属线电连接到直流电源。在示例性实施例中，接触末端可以具有弯曲或半弯曲表面，在该表面处其接触金属线。弯曲的或半弯曲的表面可以适当地确定尺寸以容纳要接触的线。例如，对于直径约为1.6mm的线，接触末端可具有直径约为1.8mm的曲面或凹面。此外，接触末端的表面积可以足够大，以进一步帮助避免由电流转移引起的过热。在示例性实施例中，接触末端的宽度或厚度可以在约1mm至约10mm的范围内。接触末端可以是或包含铜或铜合金。铜合金可以包含美国材料试验协会II级至X级的任何铜。铜合金可以包括铜与Ag、Al、Be、Bo、Cr、In、Mg、Ni、Sn、Sr、W、Zn或Zr中的任何一种或其组合的组合。例如，接触末端可以包括钨和铜的烧结组合物，或者铜和钨的合金。
电源也可以连接到通过自由成形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，从而使得金属线是阴极，而目标区域是阳极。在一些实施例中，进行电连接，从而使得金属线是阳极，而目标区域是阴极。当金属线进入等离子体转移电弧(PTA)焊炬的电弧时，包括电弧的等离子体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焊炬供应的热流的面积延伸和幅度。PTA焊炬的优点是提供稳定且一致的电弧，这些电弧游移小，并且对阴极和阳极之间的长度偏差有良好的耐受性。PTA焊炬可具有由钨制成的电极和由铜或铜合金制成的喷嘴。然而，本发明并不依赖于任何特定选择或类型的PTA焊炬。可以使用任何已知或可想到的能够用作PTA焊炬的器件。此外，本发明可以使用不是PTA焊炬的PAW焊炬来实现。
电绝缘材料可用于将电接触单元与PAW焊炬的电弧隔离。电绝缘材料可以定位在金属线的引导件的出口孔处，使得其从出口孔延伸一定距离。从出口孔延伸的电绝缘材料的长度可以是约0.1mm至10mm，或约0.5mm至5mm，或约1mm。图4A中示出了一个示例性实施例，其示出了延伸通过引导件120的端部的电绝缘材料160。
流体冷却的接触末端组件可用于通过实体自由成形制造技术制造金属材料的三维工件的方法中，其中通过将金属材料的连续沉积物一起熔合到基材上来制造物体。在优选实施例中，流体冷却的接触末端组件与使用两个PAW焊炬的，更优选地两个PTA焊炬的，系统一起使用，如专利WO2012/134299(Stempfer，2012)中所述。在本发明所述方法中，基材与待制造的物体为相同的金属材料制成，基材用连续的金属材料沉积物分层，每个连续沉积物是通过使用第一PAW焊炬预热来获得，并且在金属材料将要沉积的位置处的基材制作得更能容纳来自熔化的金属线的熔融金属液滴，将金属线供给通过流体冷却的接触末端组件，使得其远端离开接触末端组件后位于预热的基材上方，在该预热的基材上将沉积熔融金属，并且使用第二PAW焊炬加热和熔化金属线，使得来自金属线的熔融金属材料滴落到基材的预热表面上，以及以预定图案相对于第一PAW焊炬和第二PAW焊炬的位置移动基材，使得熔融金属材料的连续沉积物固化并形成三维工件。第一PAW焊炬可向基材施加能量，以确保来自基材预热表面上的熔化的金属线的过热金属液滴充分熔化。在一些实施例中，第一PAW焊炬施加足够的能量来熔化基材表面的至少一部分。在一些实施例中，第一PAW焊炬在基材中形成熔池，该熔池形成在将施加来自熔化的金属线的熔融金属液滴的位置处。
两个焊炬系统使得可能增加对金属线的热量供应，而与对基材的热量供应无关。在这些构造中，当使用PTA焊炬时，可以连接直流电源使得第一PTA焊炬的电极(位于基材上方以加热基材，从而增加基材对熔化的金属线的熔融液滴的容纳性)变成负极，而基材变成正极以限定电路，在该电路中，电荷通过第一PTA焊炬的电极和基材之间的电弧放电来转移。直流电源的负极可以连接到第二PTA焊炬(位于离开流体冷却的接触末端组件的金属线的远端的附近)的电极，而正极连接到金属线以形成电路，在该电路中，电荷通过第二PTA焊炬的电极和金属线之间的电弧放电来转移。第一PTA焊炬和第二PTA焊炬可以具有相同或单独的电源，并且可以具有相同或单独的调节器，调节器用于独立地调节每个焊炬的电力供应。
C.实例
以下实例仅用于说明目的，并不旨在限制本发明提供的实施例的范围。
图1示意性地示出了流体冷却的接触末端组件的实施例的实例。在实例性实施例中，接触组件包括由钛制成的引导件120、由铜制成的电接触单元200和由钛制成的至少部分涂覆有绝缘陶瓷的压线组件190。如图所示，电接触单元200被配置和定位成使得接触末端215靠近PTA焊炬。单独控制的PTA焊炬(图1中未示出)用于预热基材。第一PTA焊炬预热基材，从而使其在熔化的金属材料待沉积的位置处能容纳熔化的金属线的熔融液滴。在一些实施例中，基材的至少一部分被第一PTA熔化，以使基材更能容纳。在一些实施例中，第一PTA焊炬施加足够的热量以在基材中的待沉积金属材料的位置形成熔池。单独的第二PTA焊炬熔化金属线。这种设置使得有可能增加金属线中产生的热能的量，而与施加到基材上预热基材的热能的量无关。
电接触单元200连接到钛制的支撑元件350。通过在电接触单元200和支撑元件350之间的接触区域中使用塑料或陶瓷作为隔热材料560，电接触单元200可与支撑元件350热隔离。隔热材料560是不容易传递热能的材料。可用作隔热材料的示例性材料包括陶瓷和塑料。电接触单元200包括铜合金接触末端215，定位成使得接触末端215在金属线离开引导件120的一端之后与金属线接触。
电接触单元200包括冷却系统，其包括冷却剂入口225和冷却剂出口228。冷却剂入口225与冷却剂出口228经由包含在电接触单元200内的冷却剂通道(图2中示出)流体连通，并且使得冷却流体从冷却剂入口225流过电接触单元200，特别是在接触末端215附近，并且在吸收热能之后，冷却流体经由冷却剂出口228离开电接触单元200。在该实例中，冷却液是水。
电接触单元200包括电连接部230以向接触末端215供电。电连接部230将接触末端215连接到直流电源，使得当接触末端215与金属线接触时，金属线变成阳极。PTA焊炬的电极连接到直流电源，使得PTA焊炬成为阴极。
本实例的接触末端组件100还包括钛引导件120。引导件120位于电接触单元200下方。金属线进入到引导件120的一端，穿过引导件120，并离开引导件120的另一端，在该端处金属线位于工件沉积点上方的PTA焊炬的等离子体电弧中。在所示的实例中，接触末端215在金属线离开引导件120之后与金属线接触。在该实例中，引导件120具有大致圆柱形形状和圆形横截面以容纳金属线，该金属线为具有大致圆形横截面的线的形式，如图4A所示。引导件120的外部形状具有圆形横截面。该实例的引导件120包括紧固件凸起122，其使引导件120能附接到支架350，如图4A和图4B所示。该实例的引导件120还包括底部开口125，该底部开口125使金属线的所有灰尘或颗粒能在靠近成形工件之前离开引导件120。
在该实例中，引导件120包括在引导件120出口端处的氧化铝陶瓷电绝缘衬里160，该衬里将引导件120与金属线分开，并在金属线的部分离开引导件120时完全包围金属线的该部分(见图4B)。通过在引导件120和支撑元件350之间的接触点之间包括陶瓷或塑料隔热材料，引导件120与支撑元件350热隔离。
在该实例中，引导件120包括冷却流体通路，该冷却流体通路中的冷却流体为水。冷却流体通路包括引导件的冷却剂入口157，该引导件的冷却剂入口157连接到流入冷却剂通道135并与其流体连通，流入冷却剂通道135横穿引导件120并允许冷却流体流过引导件120以吸收与引导件120热连通的电接触单元200的热能。在该实例中，流入冷却剂通道135横穿与电接触单元200的至少一部分接触的引导件120的上部。在吸收热能之后，冷却流体流过流出冷却剂通道137，到达引导件的冷却剂出口159以离开引导件120。
如上所述，流体冷却的接触末端组件用于双焊炬焊接系统中，如国际专利申请公开WO2012/134299(Stempfer，2012年)中所述。双焊炬系统使得可以独立于对基材的热供应来增加对金属线的热供应，从而可以增加金属线的热通量并增加熔融金属线的沉积速率，而不会同时使基材过热，也不会有飞溅、基材过度熔化或在基材中形成过度熔池的风险。在该实例中，连接直流电源，使得第一PTA焊炬(位于基材上方以预热基材)的电极变为负极，而基材变为正极以限定电路，在该电路中，电荷通过第一PTA焊炬的电极和基材之间的电弧放电来转移。第二PTA焊炬(位于离开流体冷却的接触末端组件的金属线的远端的附近)的电极连接到直流电源的负极，而金属线连接到正极，以形成电路，在该电路中，电荷通过第二PTA焊炬的电极和金属线之间的电弧放电来转移。在该实例中，第一PTA焊炬和第二PTA焊炬具有单独的电源和单独的调节器，用于独立地调节每个焊炬的电力供应。单独的热探测器与每个PTA焊炬使用，以监测基材沉积区域的温度和金属线的温度。磁性电弧偏转装置也用于调节电弧的宽度和定位。
使用的金属线是直径为2.4mm的5级钛合金。金属线的进给速率(线速度)和定位可以根据向第二PTA焊炬的供电效果来调控，以确保在远端到达基材的预热区域上方的预定位置时金属线被持续加热和熔化。在该实例中，第一PTA焊炬(在基材上方)提供约250安培(A)的电流，而第二PTA焊炬提供高达300A的电流。沉积速率达到约5kg/h。
控制系统(例如计算机辅助制造系统)可以同时接合，以操作和调节一个或更多个致动器(未示出)的接合，该致动器恒定地定位和移动基材和一个或更多个PAW或PTA焊炬，使得预期的沉积点由待形成的物体的CAD模型给出。控制系统也可以被接合以操作对预热PAW或PTA焊炬进行控制的任何致动器，使得基材的预热区域或基材中的熔融池为熔化的金属材料将沉积处。
在此描述的本发明的示例性实施例中使用的控制系统可满足沉积设备的部分或完全自动化。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、一个或更多个电源、电源连接部、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、其中包含计算机可读程序的非暂时性计算机可读存储介质、或其任意组合。计算机可读程序可以包含用于使任何一个系统或系统组合自动化的适当软件。示例性控制模块包括但不限于西门子公司(德国慕尼黑)的SIMATIC-S7-1500、博世力士乐公司(德国洛儿美因(Lohr Am Main))的Indra Motion MTX系统。以及西格玛股份有限公司(SIGMATEK GmbH&Co.KG)(奥地利兰普雷奇豪森)的SIGMATEK C-IPC小型工业计算机系统。
对于本领域技术人员来说显然的是，可以在不背离本发明的范围的情况下对本发明作出各种修改和改变。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物范围内的本发明的各种修改和改变。
附图标记列表
以下是说明书和附图中所使用的标号的列表。
100 接触末端组件
120 引导件
122 紧固件凸起
125 底部开口
130 中心孔
135 线引导件的流入冷却剂通道
137 线引导件的流出冷却剂通道
140 第一端
145 入口孔
150 第二端
155 出口孔
157 线引导件的冷却剂入口
159 线引导件的冷却剂出口
160 电绝缘衬里
170 引导通道
180 金属线(线)
190 压线组件
195 绝缘末端
200 电接触单元
215 接触末端
225 冷却剂入口
226 进入冷却剂通道
227 排出冷却剂通道
228 冷却剂出口
230 电连接部
350 支撑元件
400 金属线输送源
450 连接器
460 容纳金属线的开口
465 紧固件
560 隔热材料
570 冷却剂供应入口
580 冷却剂供应出口

Claims (29)

1.一种流体冷却的接触末端组件，包括：
引导件；
电接触单元，包括：
接触末端，连接到电源；和
冷却系统，包括：
冷却剂入口；
进入冷却剂通道，连接到所述冷却剂入口并与所述冷却剂入口流体连通；
排出冷却剂通道，连接到所述进入冷却剂通道并与所述进入冷却剂通道流体连通；和
冷却剂出口，连接到所述排出冷却剂通道并与所述排出冷却剂通道流体连通；以及
压线组件，被配置成按压金属线以使金属线与所述电接触元件的所述接触末端接触。
2.根据权利要求1所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述引导件包括：
纵向中心轴线、第一端、相反的第二端和中心孔，所述中心孔沿着所述引导件的所述纵向中心轴线从所述第一端延伸并延伸到所述相反的第二端，金属线能够通过所述相反的第二端进给；和
冷却系统，包括：
冷却剂入口，能连接成与冷却剂供应入口流体连通；
流入冷却剂通道，连接到所述冷却剂入口并与所述冷却剂入口流体连通；
流出冷却剂通道，连接到所述流入冷却剂通道并与所述流入冷却剂通道流体连通；和
冷却剂出口，连接到所述流出冷却剂通道并与所述流出冷却剂通道流体连通。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述进入冷却剂通道包括在所述接触末端附近的多个互连的平行通道。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述引导件还包括底部开口。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述引导件还包括钛或钛合金。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述电接触单元包括铜或铜合金。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述接触末端包括铜或铜合金。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中压组件包括弹簧，所述弹簧施加压力使得压线组件按压所述金属线以使所述金属线与所述接触末端接触。
9.根据权利要求8所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述压线组件包括绝缘末端，当按压所述金属线以使所述金属线与所述接触末端接触时，所述绝缘末端接触所述金属线。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述压组件包括钛或钛合金，并连接到电接触单元。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，还包括：
支撑元件，所述引导件和所述电接触单元连接到所述支撑元件；和
金属线输送源。
12.根据权利要求11所述的流体冷却的接触末端组件，还包括位于所述支撑元件和所述电接触单元之间的隔热材料。
13.根据权利要求11所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述支撑元件还包括：
冷却剂供应入口，能连接成与所述引导件的冷却剂入口流体连通；和
冷却剂供应出口，能连接成与所述引导件的冷却剂出口流体连通。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中在所述金属线穿过所述引导件之后，所述金属线接触位于工件上方的等离子体电弧。
15.一种通过实体自由成形制造技术制造金属材料的三维物体的方法，包括：
将金属材料的连续沉积物沉积到基材上，其中每个连续沉积物通过以下方式获得：
将金属线通过引导件供给到流体冷却电接触单元中，所述流体冷却电接触单元将电流传导到金属线；以及
使用第一PAW焊炬加热并熔化所述金属线，使得熔融金属材料滴落到所述基材上。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：通过移动所述基材和所述第一PAW焊炬中的至少一者使得来自熔化的金属线的熔融金属材料的连续沉积物固化并形成所述三维物体，由此来限定沉积图案。
17.根据权利要求15-16中任一项所述的方法，还包括在待沉积所述金属材料的位置预热所述基材。
18.根据权利要求17所述的方法，其中使用第二PAW焊炬进行所述预热。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：通过移动所述基材、所述第一PAW焊炬和所述第二PAW焊炬中的至少一者使得来自熔化的金属线的熔融金属材料的连续沉积物固化并形成所述三维物体，由此来限定沉积图案。
20.根据权利要求15-19中任一项所述的方法，其中所述流体冷却电接触单元包括冷却系统，该冷却系统包括：
冷却剂入口，能连接成与冷却剂供应入口流体连通；
流入冷却剂通道，连接到所述冷却剂入口并与所述冷却剂入口流体连通；
流出冷却剂通道，连接到所述流入冷却剂通道并与所述流入冷却剂通道流体连通；和
冷却剂出口，连接到所述流出冷却剂通道并与所述流出冷却剂通道流体连通。
21.根据权利要求15-20中任一项所述的方法，其中所述引导件包括冷却系统，该冷却系统包括：
冷却剂入口，能连接成与冷却剂供应入口流体连通；
流入冷却剂通道，连接到所述冷却剂入口并与所述冷却剂入口流体连通；
流出冷却剂通道，连接到所述流入冷却剂通道并与所述流入冷却剂通道流体连通；和
冷却剂出口，连接到所述流出冷却剂通道并与所述流出冷却剂通道流体连通。
22.根据权利要求15-21中任一项所述的方法，其中所述金属线是任何线的形式，并且包括Al、Cr、Cu、Fe、Hf、Sn、Mn、Mo、Ni、Nb、Si、Ta、Ti、V、W或Zr、或它们的复合物或合金。
23.根据权利要求15-22中任一项所述的方法，其中传导至所述金属线的电流为至少100安培。
24.一种通过实体自由成形制造技术制造金属材料的三维物体的系统，包括：
流体冷却引导件，用于将金属线引导到基材上方的位置；
流体冷却电接触单元，与所述金属线电接触以将电流传导到所述金属线；
第一焊炬，熔化所述金属线并使金属材料滴落在所述基材上；以及
待成形物体的计算机模型，以限定沉积轮廓，从而通过将所述金属材料的连续沉积物熔合到所述基材上来构建物理物体。
25.根据权利要求24所述的系统，还包括致动器托盘，所述致动器托盘使所述基材至少相对于所述焊炬移动。
26.根据权利要求24-25中任一项所述的系统，还包括移动所述第一焊炬的致动器臂。
27.根据权利要求24-26中任一项所述的系统，还包括第二焊炬，所述第二焊炬用于在将要沉积所述金属材料的区域中预热所述基材。
28.根据权利要求27中所述的系统，还包括移动所述第二焊炬的致动器臂。
29.根据权利要求24-28中任一项所述的方法，其中传导至所述金属线的电流为至少100安培。
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