CN109689270A - 金属线进给系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种用于向焊炬连续提供金属线以制造物体的线进给系统和方法，该焊炬用于通过实体自由成形制造物体，以向自由成形物体提供金属的连续堆积来制造物体、特别是用钛或钛合金线制成的物体。该系统包括线供应卷轴(50)、具有入口线位置检测器(110)的机柜、线进给装置(200)、至少三个松弛线引导件(300、400、500)、松弛线拉动装置(600)以及机柜出口引导件(1000)。

Description

金属线进给系统和方法
技术领域
本发明涉及用于通过实体自由成形制造来制造物体、特别是由钛和钛合金线制成的物体的进给金属线的系统和方法。
背景技术
由钛或钛合金制成的结构化金属部件通常通过铸造、锻造或机加工坯料而制成。这些技术所具有的缺点在于，昂贵的钛金属材料浪费高，并且在金属部件的制造中需要很长的前置时间。
完全致密的物理物体可以通过被称为快速原型制造、快速制造、分层制造、实体自由成形制造、添加制造、附加制造或3D打印的制造技术来制作。该技术采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平行切片或层。然后，物理物体可以通过铺设液体、糊状物、粉末形式或其它可分层、可涂抹或流体形式(诸如熔化的金属，例如来自熔化的焊丝)的连续原材料层来制作，或者预成形为类似于虚拟层形状的片材直到整个物体形成。这些层熔合在一起，以形成实心的致密物体。
实体自由成形制造是灵活的技术，其允许以相对快的生产速率创建几乎任何形状的物体，每个物体的生产速率通常从几个小时到几天不等。因此，该技术适合于原型和小生产系列的形成，并且可以扩大规模以进行大批量生产。
分层制造技术可以扩展到包括建筑材料片的堆积(沉积)，也就是说，物体虚拟模型的每个结构层被分成一组片，当该组片并排放置时形成该层。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带中将焊丝焊接到基板上，并对每层重复该过程直到整个物理物体形成为止，从而形成金属物体。焊接技术的精度通常太粗劣以致于不允许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未加工的物体或预成型件，需要机械加工成可接受的尺寸精度。
已知使用等离子弧为焊接金属材料提供热量。可以在大气压或更高的压力下采用这种方法，因此允许更简单且更廉价的工艺设备。一种这样的方法被称为气体钨极电弧焊接(GTAW，也表示为TIG)，其中在非消耗性钨电极与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炬进给的气体保护，该气体在电弧周围形成保护性气体屏蔽。TIG焊接可以包括将金属线或金属粉末作为填充材料进给到熔池或等离子弧中。其它焊接方法包括气体金属电弧焊接(GMAW)、金属惰性气体焊接(MIG)和金属活性气体焊接(MAG)，在消耗性电极(诸如金属线)与工件之间的电弧加热并熔化金属。
已知(例如，参见Adams的美国专利公开No.2010/0193480)使用TIG焊炬以通过实体自由成形制造(SFFF)来构建物体，其中具有低韧性的连续金属原料层堆积在基板上。通过使用电极激励流动气体来产生等离子弧，该电极具有被供应到其上的可变大小的电流。等离子体流可以被引导朝向预定的目标区域，以在堆积之前预热工件的预定目标区域。调节电流并将原材料进给到等离子体流中，以将熔化的原料堆积在预定的目标区域中。在冷却阶段，调节电流并使熔化的原料在升高的温度(通常高于原材料的脆性到韧性的转变温度)下缓慢地冷却，以使材料应力的发生最小化。
Withers等人(美国专利公开No.2006/185473)还描述了以显著降低原料成本的方式，通过将钛进料和合金成分结合而以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)工艺的昂贵的激光器。更具体地，在一个方面，本发明采用成本低于合金线的纯钛线(CP Ti)，并且通过在焊炬熔体或其它高功率能量束中将CP Ti线和粉末合金成分结合，从而在SFFF工艺中将CP Ti线和粉末合金成分原位结合。在另一个实施例中，本发明采用与合金元素混合并形成线的海绵钛材料，其中海绵钛材料可以与等离子焊炬或其它高功率能量束结合地用于SFFF工艺，以生产近净形(近终形)钛部件。
为了有效地使用焊炬将金属从金属线堆积到工件的表面上，需要将金属线保持在相对于焊炬的正确位置。金属线通常由卷轴提供。驱动线卷轴旋转的电机的输出扭矩可能是在稳定状态下(特别是从满载的卷轴)提供线的限制因素。线在卷轴上的旋转惯性可能限制线从卷轴上退绕以输送到焊炬的速度和加速度。对旋转惯性、速度和/或加速度的调节可足以引起用于将线输送到接触尖端组件的等离子弧的辊、引导轮或夹紧装置的滑动。滑动可能导致线变形，并且还产生线相对于等离子弧的期望位置和角度的偏差。滑动也限制了制造设备的操作速度。
散装线的旋转量、速度和/或加速度的变化也可能导致线进给速度的变化和金属线中张力量的变化。如果线进给速度或线在线源处的加速度的变化导致线源与将线输送到焊炬的等离子弧的进给辊和滑轮之间的张力过大，则增加的张力可能导致线形成扭结、弯曲或其它变形。高张力还可能导致将金属线拉回到线源，这将防止金属线到焊接电极的进给，导致不期望的不连续堆积层，或者堆积在正在制造的自由成形物体上的层中的非预期的孔或间隙。如果张力太低，则可能导致过量的松弛线。过量的线可能与其自身或机器的一部分缠结在一起，这可能导致线弯曲或扭结，使得线难以或不可能相对于等离子弧正确地定位。
此外，由于卷轴上的线的盘绕性质，线从卷轴上的退绕导致它离开卷轴时的位置的变化。在较高的使用率下，线的水平和垂直位置可能迅速变化，这可能导致用于将线输送到焊炬的辊、引导轮或夹紧装置的滑动。
因此，本领域需要以提高的金属堆积速率执行自由成形制造的经济方法。此外，本领域还需要以下系统和方法：增加在不使金属线滑动或变形的情况下被提供给焊炬的金属线的量，以便增加直接金属堆积成形产品的产量和产率。
发明内容
本发明的目的是提供用于将金属线输送到焊炬以通过实体自由成形制造来构建金属物体的系统。
本发明的另一目的是提供使用金属线和一个或多个焊炬快速分层制造钛或钛合金物体的方法。本发明通过提供用于在相对于等离子弧的期望位置处将金属线输送到焊炬的等离子弧的系统和方法，解决了对执行直接金属堆积的改进的、经济的方法的需要，这可以实现实体自由成形制造中金属堆积速率的增加。本发明进一步解决了对增加产量的方法的需要，并且可以生产具有平滑的、近净形堆积边界的无变形直接金属堆积成形的部件。
本发明提供一种金属线进给系统，用于从线源接收金属线并进给线以在实体自由成形制造系统中使用。该系统包括从线源接收金属线的机柜、监视线从线源进入机柜的位置的定位传感器、将线从线源推进到机柜中以在机柜内形成松弛线的环的线进给装置、检测并调节机柜内松弛线的量的一个或多个传感器以及线提供装置，该线提供装置拉动一定量的松弛线以将其提供给线引导件，从而相对于焊炬定位在预定的位置以被熔化到工件的表面上。焊炬可以是任何合适的设计或配置。示例性焊炬包括等离子弧焊炬、等离子转移弧焊炬、气体钨极弧焊炬、气体金属弧焊炬、金属惰性气体焊炬、金属活性气体焊炬、激光装置、电子束枪及其任意组合。
本文提供的线进给系统可以包括响应于一个或多个传感器的控制系统，以调节线从线源到机柜中的额外供应，从而调节松弛线环的尺寸，由此调节机柜内松弛线的量。
本文提供的是这样的金属线进给系统，该金属线进给系统可以包括：线供应单元，包括位置可调的线供应卷轴；机柜，包含用于将线从线供应单元拉入到机柜中的线张紧单元；线缓冲单元，创建松弛线环作为缓冲件；以及松弛线输送单元，从缓冲环拉出松弛线并将其从机柜进给到接触尖端组件，使得线进给到接触尖端组件的焊炬的等离子弧。
机柜可以包括：入口线位置检测器110，包含金属线180可以穿过的孔120；线进给装置200，包括机动带槽辊220、被动带槽辊205和附接到机动带槽辊220的电机225。带槽辊205和220可以配备有摩擦增强的(在摩擦方面增强的)表面。机动带槽辊220和被动带槽辊205一起在其间形成金属线180穿过的通道。机动带槽辊220和被动带槽辊205与金属线180的至少一部分摩擦接触，并且机动带槽辊220和被动带槽辊205的旋转将金属线180进给到线缓冲单元。
在本文提供的金属线进给系统中，入口线位置检测器110还包括传感器阵列122，其可以检测金属线180在孔120内的位置。示例性传感器包括光学传感器、光纤传感器、接近传感器、光电传感器、磁传感器以及它们的组合。这些传感器可以在市场上买到(例如，参见(日本京都的欧姆龙工业自动化公司)。在一些配置中，入口线位置检测器110包括光纤传感器阵列。传感器122可以与控制系统通信，并且可以向控制系统提供反馈，控制系统可以在X方向、Y方向或Z方向或其组合上重新定位线供应卷轴。控制系统可以响应于来自传感器122的反馈，提供线供应的定向控制。本文提供的系统的机柜可以包括透明窗或透明门或者这两者，以允许在不打开机柜的情况下观察机柜中的部件。透明窗或门可以由玻璃、亚克力(聚甲基丙烯酸甲酯或PMMA)、改性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)或聚碳酸酯制成。
在本文提供的金属线进给系统中，线进给装置200可以经配置以将线从线供应卷轴进给到机柜中。包括压力装置800的线张紧单元20可以被包括进来以调节由带槽辊205施加在辊凹槽中的线上的压力(垂直力)的量。压力装置800可以包括液压、气动、机械或电子地驱动的活塞，该活塞在伸展时增加施加到带槽辊205的压力，并且当收缩时减少施加到带槽辊205的压力。包括压力装置800的张紧单元20调节被进给到机柜中的线180的量，以形成松弛线185的环。
金属线进给系统的线缓冲单元30可以包括至少三个松弛线引导件的组合。第一松弛线引导件300定位在线进给装置200之后并与其成一直线，第二松弛线引导件400定位到第一松弛线引导件300的右下方，第三松弛线引导件500定位到第一松弛线引导件300的左下方，其中第一松弛线引导件300和第三松弛线引导件500彼此平行地定位。松弛线引导件300、400和500形成并支撑松弛线185的环。在一些配置中，松弛线185的环由于重力作用在松弛线185的不受支撑的部分上而形成椭圆形。
第一松弛线引导件300可以包括：具有第一和第二凹槽的双槽辊305，该双槽辊附接到臂310，臂310枢转地连接到机柜的背板900；和具有第一和第二凹槽的双槽辊320，其中双槽辊305的第一凹槽和双槽辊320的第一凹槽形成通道，并且双槽辊305的第一凹槽由连接到支撑件330的臂310上的弹簧偏压，支撑件330连接到背板900。
第二松弛线引导件400可以包括带槽辊405，该带槽辊附接到臂410，臂410枢转地连接到机柜的背板900；和带槽辊420，其中带槽辊405的凹槽和带槽辊420的凹槽形成通道，并且带槽辊405的凹槽通过臂410上的弹簧连接到与背板900连接的支撑件430。第三松弛线引导件500可以包括带槽辊505，该带槽辊附接到臂510，臂510枢转地连接到机柜的背板900；和带槽辊520，其中带槽辊505的凹槽和带槽辊520的凹槽形成通道，并且带槽辊505的凹槽由连接到支撑件530的臂510上的弹簧偏压，支撑件530连接到背板900。松弛线引导件300、400和500形成从第一松弛线引导件300到第二松弛线引导件400再到第三松弛线引导件500然后再回到第一松弛线引导件300的环路径。
本文提供的金属线进给系统的线缓冲单元可以包括环感测装置700。环感测装置700可以定位成检测机柜中的松弛线环的至少一部分。在一些配置中，环感测装置700检测松弛线环的下部。环感测装置700可以包括一个或多个传感器。环感测装置700可以包括与控制系统通信的传感器730，当被致动时，该传感器730向控制系统发送信号，以将较少的金属线180进给到机柜中。环感测装置700可以包括与控制系统通信的传感器720，当被致动时，该传感器720向控制系统发送信号，以将更多的金属线180进给到机柜中。环感测装置700可以包括与控制系统通信的传感器740，当被致动时，该传感器740向控制系统发送信号，以停止将金属线180进给到机柜中。环感测装置700可以包括与控制系统通信的传感器710，当被致动时，该传感器710向控制系统发送信号以关闭线进给系统。环感测装置700可以包括传感器710、720、730和740的任意组合。其它类型或配置的传感器可用作环感测装置700。
金属进给系统的松弛线输送单元40可以包括松弛线拉动装置600，该松弛线拉动装置600包括机动带槽辊620和被动(非机动)带槽辊605以及附接到机动带槽辊620的电机625。被动带槽辊605和机动带槽辊620可以配备有摩擦增强的表面。机动带槽辊620和被动带槽辊605一起在其间形成金属线180穿过通道。机动带槽辊620和被动带槽辊605与松弛线180的至少一部分摩擦接触，并且机动带槽辊620和被动带槽辊605的旋转拉动松弛线185并将其经由腔室出口引导件1000进给出机柜，到达接触尖端组件的焊炬的等离子弧。
在本文提供的金属线进给系统中，机动带槽辊220、被动带槽辊205、机动带槽辊620和被动带槽辊605的凹槽的摩擦增强的表面可以包括表面上的突起。凹槽的摩擦增强的表面可以增加凹槽与穿过凹槽的线之间的摩擦力。增强的摩擦力可以减少线与凹槽之间的滑动。在本文提供的金属线进给系统中，电机225和电机625各自分别可以是由功率控制信号驱动的直流电机和步进电机。
包括压力装置850的松弛线输送单元40可以被包括进来以调节由被动带槽辊605施加在辊的凹槽中的松弛线上的压力(垂直力)的量。压力装置850可以包括液压、气动、机械或电子地驱动的活塞，该活塞在伸展时增加施加到被动带槽辊605的压力，并且当收缩时减少施加到被动带槽辊605的压力。线进给装置200的电机225可以连接到机动带槽辊220以旋转机动带槽辊220。松弛线拉动装置600的电机625可以连接到机动带槽辊620以旋转机动带槽辊620。线进给装置200的电机225可以经配置以独立于松弛线拉动装置600进行操作。
本发明还提供了向焊炬的等离子弧提供金属线的方法，该方法包括以下步骤：从线供应源推进足够量的金属线以形成松弛线的环；将一定量的松弛线从松弛线的环推进到焊炬；以及从线供应源供应额外的金属线，以补偿被推进到焊炬的松弛线的量，从而保持松弛线的环。从线供应源前进的松弛线的量通常足以保持松弛线的环，以允许将松弛线连续输送到焊炬。线供应源可以是金属线缠绕在其上的位置可调的卷轴，并且该方法还可以包括从卷轴退绕金属线，以提供待推进的金属线，从而形成松弛线的环。该方法可以包括在x方向、y方向或z方向或其组合上重新定位线供应卷轴以将从卷轴上退绕的线保持在期望的位置的步骤。
该方法可以包括旋转与金属线摩擦接触的辊以将金属线进给到机柜中的步骤。辊的旋转可以通过致动附接到辊的电机来实现，其中辊可以附接到电机的轴或与电机附接的轴。电机可以是步进电机、直流(DC)电机、无刷DC电机、通用电机、磁阻电机、磁滞电机、感应电机、同步电机、分流电机、串联电机、复合电机或其任意组合。由于松弛线的环可以充当线张紧单元与线拉动单元之间的缓冲，因此金属线从供应源的推进可以独立于一定量的松弛线从松弛线环向焊炬的等离子弧的推进。该方法还可以包括旋转与松弛线摩擦接触的辊，以将松弛线输送到焊炬。辊的旋转可以通过致动附接到辊的电机来实现，电机是步进电机或由功率控制信号驱动的直流电机。
本文提供的是金属线进给系统，该系统可以包括从线供应单元的线供应卷轴接收金属线180的机柜，该机柜包括包含孔120的入口线位置检测器110，金属线180通过该孔120进入机柜。包括线进给装置200的线张紧单元从线供应卷轴接收线，线进给装置包括机动带槽辊220、被动带槽辊205和附接到机动带槽辊220的电机225，线与机动带槽辊220和被动带槽辊205中的每个的凹槽的至少一部分摩擦连通。该系统还包括线缓冲单元，该线缓冲单元包括从金属线180形成松弛线185的环的三个或更多个松弛线引导件的组合。该系统还包括松弛线输送单元，该松弛线输送单元包括松弛线拉动装置600，该松弛线拉动装置600包括机动带槽辊620、被动带槽辊605和附接到机动带槽辊620的电机625，松弛线185与机动带槽辊620和被动带槽辊605中的每个的凹槽的至少一部分摩擦连通，松弛线拉动装置600经由机柜出口引导件1000将松弛线185从松弛线185的环推出机柜，到达气炬焊接装置的等离子弧。
在本文提供的金属线进给系统的线缓冲单元中，形成松弛线环的松弛线引导件的组合可以包括第一松弛线引导件300，第一松弛线引导件300包含：具有第一和第二凹槽的双槽辊305，该双槽辊连接到臂310，臂310枢转地连接到机柜的背板900；和具有第一和第二凹槽的双槽辊320，其中双槽辊305的第一凹槽和双槽辊320的第一凹槽形成通道并从机动带槽辊220接收金属线180，并且双槽辊305的第一凹槽被连接到支撑件330的臂310上的弹簧偏压成与金属线180接合，支撑件330连接到背板900。形成松弛线环的线引导件的组合可以包括定位到第一松弛线引导件300的右下方的第二松弛线引导件400，该第二松弛线引导件400在金属线180穿过由双槽辊305的第一凹槽和双槽辊320的第一凹槽形成的通道之后接收金属线180，第二松弛线引导件400包含：带槽辊405，该带槽辊附接到臂410，臂410枢转地连接到机柜的背板900；和带槽辊420，其中带槽辊405的凹槽和带槽辊420的凹槽形成通道并从第一松弛线引导件300接收金属线180，并且带槽辊405的凹槽被连接到支撑件430的臂410上的弹簧偏压成与金属线180接合，支撑件430连接到背板900。该组合可以包括定位到第一松弛线引导件300的左下方并平行于第二松弛线引导件400的第三松弛线引导件500，该第三松弛线引导件500在金属线180已穿过由带槽辊405的凹槽和带槽辊420的凹槽形成的通道之后接收金属线180，第三松弛线引导件500包含：带槽辊505，该带槽辊附接到臂510，臂510枢转地连接到机柜的背板900；和带槽辊520，其中带槽辊505的凹槽和带槽辊520的凹槽形成通道并从第二松弛线引导件400接收金属线180，并且带槽辊505的凹槽被连接到支撑件530的臂510上的弹簧偏压成与金属线180接合，支撑件530连接到背板900；金属线180在第二松弛线引导件400与第三松弛线引导件500之间形成松弛线185的环，并且穿过在带槽辊505与带槽辊520之间形成的通道，并前进通过在双槽辊305的第二凹槽与双槽辊320的第二凹槽之间形成的通道。
在本文提供的金属线进给系统中，机动带槽辊220和被动带槽辊205的凹槽单独或组合地，并且机动带槽辊620和被动带槽辊605的凹槽单独或组合地，可以包括突起，以增加凹槽与金属线180之间的摩擦。只要摩擦增加技术不损坏线表面，就可以对辊的凹槽表面进行增加凹槽表面与金属线之间的摩擦力的任何修改。电机225和电机625各自分别可以选自分流电机、串联电机、复合电机、感应电机、同步电机、步进电机、DC电机、无刷DC电机、通用电机、磁阻电机和滞后电机。
金属线进给系统可以包括入口线位置检测器110，入口线位置检测器110可以包括检测线180在孔120内的位置的传感器122。传感器122可以与控制系统通信，该控制系统可以在X方向、Y方向或Z方向或其组合中的任意一个方向上重新定位线供应卷轴，控制卷轴的位置和定向，以保持金属线180在孔120中的期望位置。
在本文提供的金属线进给系统中，金属线180可以缠绕在线供应卷轴上，并且可以通过线进给装置200的动作被推进到机柜中。金属线180可以包含铝、铁、钴、铜、镍、碳、钛、钽、钨、铌、金、银、钯、铂、锆或其合金或组合。金属线180可以包含钛或包含与Al、V、Sn、Zr、Mo、Nb、Cr、W、Si和Mn中的一种或其组合结合的Ti的钛合金。金属线180可以包含选自包括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-1Mn-0.5W-0.5Mo-0.2Si和Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si的组的钛合金。金属线180可以具有基本上圆形的截面。金属线180可以具有范围在约0.5mm至约5mm内的直径。
本文提供的金属线进给系统可以包括压力装置800，以调节由被动带槽辊205施加在金属线180上的压力的量。压力装置800可以包括液压、气动、机械或电子地驱动的活塞，该活塞在伸展时增加施加到带槽辊205的压力，并且当收缩时减少施加到被动带槽辊205的压力。
本文提供的金属线进给系统可以包括压力装置850，以调节由被动带槽辊605施加在金属线180上的压力的量。压力装置850可以包括液压、气动、机械或电子地驱动的活塞，该活塞在伸展时增加施加到被动带槽辊605的压力，并且当收缩时减少施加到被动带槽辊605的压力。
线进给装置200的电机225可以连接到机动带槽辊220，以在机动带槽辊220与金属线180摩擦接触时旋转机动带槽辊220，以便推进金属线180。松弛线拉动装置600的电机625可以连接到机动带槽辊620，以在机动带槽辊620与松弛线185摩擦接触时旋转辊620，从而作为带槽辊620旋转的结果而拉动松弛线185。线进给装置200的电机225可以独立于松弛线拉动装置600进行操作。
在本文提供的金属线进给系统中，三个或更多个松弛线引导件的组合允许金属线180弯曲，从而以不导致金属线180永久变形的方式从金属线180形成松弛线185的环。
本发明还提供了向焊炬的等离子弧提供金属线的方法。该方法包括以下步骤：提供机柜以接收金属线；将足够量的金属线从线供应源进给到机柜中，以形成松弛线的环；将一定量的松弛线从松弛线环进给到焊炬的等离子弧；以及从线供应源供应额外的金属线，以补偿进给到焊炬的等离子弧的松弛线，从而保持松弛线的环。从线供应源供应的线量通常足以保持松弛线环，以允许松弛线连续输送到焊炬的等离子弧。机柜内的松弛线环保持在适当的位置，使得金属线可以连续地进给到焊炬的等离子弧并保持在焊炬的等离子弧内的预定位置。这确保了稳定且可靠的线进给速度，从而在堆积过程中提供了稳定的质量输入速率。金属线供应的不稳定性可能导致不稳定的堆积，也可能导致金属线回烧并停止生产。松弛线环允许金属线从线供应源到机柜中的进给独立于从松弛线环拉动一定量的松弛线以进给到焊炬的等离子弧。松弛线的环充当张紧单元与松弛线拉动单元之间的缓冲，张紧单元将金属线从供应源进给到机柜中，松弛线拉动单元从环中拉动松弛线以将其进给到等离子弧。
该方法可以包括旋转与金属线摩擦接触的辊，以将金属线输送到机柜中。旋转辊可以通过致动附接到辊的电机来实现。电机可以是分流电机、串联电机、复合电机、感应电机、同步电机、步进电机、DC电机、无刷DC电机、通用电机、磁阻电机或磁滞电机。在一些配置中，电机是步进电机或由功率控制信号驱动的直流电机。这些方法可以包括保持机柜内的预定量的松弛线，以通过将额外的金属线从线供应源输送到机柜中来保持松弛线的环。将金属线从供应源输送到机柜中可以独立于将一定量的松弛线从松弛线环进给到焊炬的等离子弧。
该方法可以包括旋转与金属线摩擦接触的辊，以将松弛线输送到焊炬。辊的旋转可以通过致动附接到辊的电机来实现。电机可以是任何电机，诸如步进电机或由功率控制信号驱动的直流电机。该方法提供金属线作为焊炬的等离子弧的消耗性电极。示例性焊炬是等离子弧焊炬(PAW焊炬)，诸如等离子转移弧(PTA焊炬)。PAW焊炬可以是能够产生电弧以加热并熔化金属线的任何配置，诸如气体金属弧焊接(GMAW)，特别是使用非反应气体来产生电弧(金属惰性气体焊接或MIG焊接)。金属线用作消耗性电极并在通过焊炬使用电弧而产生的等离子弧内熔化，熔化的金属线堆积到工件上的熔池中，以添加并形成近净形金属体。焊炬还可以包括激光装置、电子束枪或其组合。
本发明还提供了通过实体自由成形制造来制造金属材料的三维物体的方法，其中通过将金属材料的连续堆积物一起熔合到基材上来制造该物体，该方法包括：使用第一加热装置以在金属材料待堆积的位置处预热基材；将金属线提供给第二加热装置，以加热和熔化金属线，使得来自熔化的线的熔化金属材料堆积到基材上，并且如果实施了预热，则堆积到基材的预热或熔化或部分熔化区域上，并且以预定模式相对于第一和第二加热装置的位置移动基材，使得熔化金属材料的连续堆积固化并形成三维物体。该方法可以利用PAW焊炬诸如PTA焊炬作为第一和第二装置，或者利用PAW焊炬作为第一加热装置，利用PAW焊炬作为第二加热装置，或者利用激光器作为第一加热装置，激光装置作为第二加热装置，或者利用激光装置作为第一加热装置，电子束枪作为第二加热装置，或者利用电子束枪作为第一加热装置，激光装置作为第二加热装置，或者利用第一电子束枪作为第一加热装置，第二电子束枪作为第二加热装置。在包括PTA焊炬作为PAW焊炬的系统中，PTA焊炬可以电连接到直流电源，使得PTA焊炬的电极变为阴极，金属线变为阳极。该方法可以利用同轴送粉喷嘴激光系统作为第一加热装置，激光系统作为第二加热装置。该方法可以利用第一电子束装置作为第一加热装置，第二电子束装置作为第二加热装置。
本发明的附加特征和优点将在下面的描述中阐述并部分地从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来了解。本发明的目的和其它优点将通过在书面描述和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，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性和解释性的，旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。
附图说明
附图被包括以提供对本发明的进一步理解，并且被结合在本说明书中并构成本说明书的一部分，示出了本发明的实施例并与说明书一起用于解释本发明的原理。
在附图中：
图1是示出本文提供的金属线进给系统的部件的图。在图中示出线供应单元10、线张紧单元20、线缓冲单元30和松弛线输送单元40。这些单元相互作用以将金属线从线供应源移动到接触尖端组件的焊炬的等离子弧。
图2是本文提供的金属线进给系统的实施例的示意性前视图，示出机柜内的松弛线环。松弛线的环充当线缓冲件，其将进给来自供应卷轴的线的线进给系统与将松弛线进给到等离子弧或焊炬的松弛线拉动装置分开。
图3是示意性前斜视图，示出了示例性线供应单元的部件。
图4是本文提供的金属线进给系统的实施例的示意性特写视图，示出了金属线180经由入口线位置检测器110和包括第一接收轮130和第二接收轮135的线接收单元进入到机柜中。
图5是本文提供的金属线系统的实施例的示意性特写视图，示出了：包括压力装置800的张紧单元，将线从线源进给到机柜中；在机柜内形成并保持一定量的松弛线的松弛线引导件的组合；以及包括压力装置850的松弛线拉动单元，拉动一定量的松弛线以将其进给到焊炬的等离子弧。
图6是示例性线进给装置200的示意性特写视图。
图7是示例性线缓冲单元30的示意性特写视图，该线缓冲单元30包括形成松弛线环的一系列的三个松弛线引导件300、400和500。
图8是示例性松弛线拉动装置600的示意性特写。
具体实施方式
A.定义
除非另有定义，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，否则在本文的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、网站和其它公开的材料都以引证方式全文并入。如果本文对术语有多种定义，则以本节中的定义为准。当参考URL或其它这样的标识符或地址时，可以理解，这此类标识符可以改变并且互联网上的特定信息可以来来往往，但是可以通过搜索互联网找到等同的信息。对它们进行参考证明了此类信息的可用性和公开传播。
这里使用的单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数指代物，除非上下文另有明确规定。
如本文所使用的，范围和数量可以表示为“大约(about)”特定值或范围。“大约”还包括确切的数量。因此，“大约5％”意味着“大约5％”和“5％”。“大约”意味着预期的应用或目的的典型实验误差。
如本文所使用的，“可选的(optional)”或“可选地(optionally)”意味着随后描述的事件或情况确实发生或没有发生，并且该描述包括事件或情况发生的实例和事件或情况没有发生的实例。
例如，系统中的可选部件意味着该部件可能存在于系统中，也可能不存在于系统中。
如本文所使用的，“组合(combination)”是指两个项目之间或两个以上项目之间的任何关联。该关联可以是空间的，也可以是指两个或更多个项目用于共同的目的。
如本文所使用的，“等离子弧焊炬”或“PAW焊炬”是指可以用于等离子弧焊接的焊炬。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，电弧的强热可以熔化金属和/或将两块金属熔合在一起。PAW焊炬可以包括用于限制弧的喷嘴，从而增加弧的功率密度。等离子体气体通常是氩气。等离子体气体可以沿着电极被进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更稳定(诸如在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，保护气体有助于使熔化金属的氧化最小化。在PAW焊炬中，电流通常可以高达约400A，电压通常可以在约25V-35V之间(但可高达app.14kW)。本发明并不受限于任何特定选择或类型的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焊炬是等离子转移弧(PTA)焊炬。
这里可互换使用的术语“等离子转移弧焊炬”或“PTA焊炬”是指以下任意装置：能够通过电弧放电将惰性气体流加热并激发成等离子，然后将包括电弧的等离子气体流通过孔口(诸如喷嘴)转移出去，以形成延伸出孔口并将弧的强热传递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焊炬的电极变为阴极，目标区域变为阳极。这将确保包括电弧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，同时对从PTA焊炬供应的热流的面积延伸和幅度进行优异的控制。等离子转移弧具有的优点是提供稳定且一致的电弧，该电弧具有很小的漂移，并且对阴极和阳极之间的长度偏差有很好的容限。因此，PTA焊炬既适合于在基材中形成熔池，也适合于加热和熔化金属线进料。PTA焊炬可以有利地具有由钨制成的电极和由铜制成的喷嘴。然而，本发明并不受限于任何特定选择或类型的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，该装置提供用于熔化金属电极线的稳定热源。
本文使用的术语“功率密度”是指例如从等离子弧、激光束或电子束分配到单位面积的功率量。
本文使用的术语“金属材料”是指任何已知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-6A1-4V合金。
本文使用的术语“类似金属材料”是指金属材料与参考金属材料具有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或实体自由形式制造技术使与保持基板相同或不同的附加材料堆积以形成工件。在示例性实施例中，保持基板是平板。在替代实施例中，保持基板可以是锻造部件。在替代实施例中，保持基板可以是其上堆积有附加材料的物体。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是金属或金属合金。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。
如本文所使用的，术语第一、第二、第三等可以在本文中用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语可以仅用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分。术语诸如“第一”、“第二”和其它数字术语在本文中使用时并不暗示顺序或次序，除非上下文明确指出。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。
本文使用的术语“基材”是指用于接收熔化金属材料以形成三维物体的目标材料。当堆积第一层金属材料时，基材将是保持基板。当一层或多层金属材料已堆积在保持基板上时，基材将是堆积的金属材料的上层，该上层将堆积新的金属材料层。
如本文所使用的，“松弛线”是指线的未保持拉紧或未保持在张力下的部分。
如本文所使用的，“直接金属堆积”是指添加分层制造工艺或3D打印技术，其中工件由计算机辅助设计模型生产。
如本文所使用的，“摩擦增强的表面”是指经修改以显示出比相同材料的未处理的光滑表面更多摩擦的表面。对增强摩擦的表面的修改可以包括使表面粗糙化，或者在表面上包括突起，或者提供经研磨的表面。经修改的表面可以增强与修改的表面和另一表面(诸如与表面接触的金属线)的摩擦接触(与未修改的表面相比)，以使修改的表面与其接触的表面之间的滑动最小化。
如本文所使用的，术语“工件”是指使用实体自由成形制造生产的金属体。
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，其可以用于根据本发明的第二方面的布置的控制系统：以调节保持基板的位置和移动，并用集成的线进给器操作焊炬，使得通过以导致根据物体的虚拟三维模型构建物理物体的图案将金属材料的连续堆积物熔合在保持基板上来构建物理物体。例如，这可以通过首先将虚拟三维模型划分成一组虚拟平行的水平层，然后将平行层中的每个划分成一组虚拟的准一维片，从而形成三维物体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，以根据物体的虚拟矢量化分层模型的第一层的图案将金属材料进料的一系列准一维片堆积并熔合到支撑基板上来形成物理物体。然后，通过以根据物体的虚拟矢量化分层模型的第二层的图案，将可焊接材料的一系列准一维片堆积并熔合到预先堆积的层上，而重复物体的第二层的序列。对于物体的虚拟矢量化分层模型的每个连续层，基于逐层堆积和熔合过程的重复，堆积继续直到整个物体形成。然而，本发明并不受限于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，并且本发明也不受限于任何特定类型的控制系统。可以使用能够通过实体自由成形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)，只要该控制系统被调整为单独地操作一个第一PAW焊炬来预热表面和/或形成熔池，以及操作第二PAW焊炬来将金属材料的进给线熔化到熔池中即可。
B.金属线进给系统
已经确定，可以使用金属线进给系统来提高熔化金属堆积到使用直接金属堆积(例如，添加制造)制造的成形工件的速率，该金属线进给系统将机柜内的一定量的松弛线保持在适当位置作为缓冲，使得金属线可以连续进给到接触尖端组件的焊炬的等离子弧。在图1中示出代表性金属线进给系统的示意图。该系统包括线供应单元10、线张紧单元20、线缓冲单元30以及松弛线输送单元40。虽然这些单元被示意性地示出为彼此分离，但是这些单元中的两个或更多个或全部可以包含在单个结构，诸如腔室或壳体中。
从以下简要概述的附图、本发明当前优选实施例的以下详细描述以及所附权利要求，可以获得对本发明及其范围的更完整的理解。在图2中示出了示例性金属线进给系统的一部分的示意图，该示意图未描述线供应单元。
示例性线供应单元10的部件在图3中示出。线供应单元10包含允许将金属线180提供给线张紧单元20的部件。如图3所示，金属线180可以从金属线供应卷轴50提供给线进给系统。线供应卷轴50可以安装成围绕竖直支撑元件60上的枢轴55旋转，竖直支撑元件60可移动地连接到横向支撑元件65，横向支撑元件65可移动地连接到第一侧向支撑件70和第二侧向支撑件71。枢轴55可移动地连接到竖直支撑元件60，以允许枢轴55和线供应卷轴50相对于Y轴竖直地(相对于地面上下地)移动，从而允许供应卷轴50相对于地面升高或降低。这允许从供应卷轴50脱落的金属线180保持在与进入包含线张紧单元、线缓冲单元和松弛线输送单元的机柜的入口孔相同的高度处。
竖直支撑元件60可以包括液压、气动、机械或电动提升系统，以调整枢轴55的竖直位置，从而调节金属线供应卷轴50的竖直位置。在图3中描绘了机动化的轨道系统，但是可以使用任何提升系统。金属线供应卷轴50的竖直定位的改变允许从供应卷轴50去卷绕的金属线180基本上保持与从卷轴移除的线相同的高度，这解决了当线从卷轴上退绕时卷绕到供应卷轴50上的线的直径减小的问题。
竖直支撑元件60可移动地连接到横向支撑元件65，以允许竖直支撑元件60相对于X轴水平地(当从图3所示的角度观察时，向左和向右地)移动。这允许线供应卷轴50重新定位成更靠近或进一步远离线进给系统的机柜。横向支撑元件65可以包括液压、气动、机械或电动系统，以调整竖直支撑元件60的位置，从而调节金属线供应卷轴50的水平位置。在图3中描绘了机动化的轨道系统，但是任何重新定位系统都可以用于调整竖直支撑元件60的位置。
横向支撑元件65可移动地附接到侧向支撑元件70和71，这允许横向支撑元件65相对于Z轴向前和向后(当从图3所示的角度观察时，朝向和远离)地移动。这允许从金属线供应卷轴50去卷绕的金属线180重新定位，以便当线从供应卷轴50退绕时，将金属线180基本上保持在感测装置110(在图7中详细地示出)的孔120的中心内。侧向支撑元件70和71中的每个可以包括液压、气动、机械或电动系统，以调整横向支撑元件65的位置，从而调节金属线供应卷轴50的位置。在图3中描绘了机动化的轨道系统，但是任何重新定位系统都可以用于调整横向支撑元件65的位置。
侧向支撑件70可以附接到前安装支撑件72和后安装支撑件74，前安装支撑件72和后安装支撑件74例如可以通过穿过安装板的螺栓和螺母可移除地固定到地面上。侧向支撑件71可以附接到前安装支撑件73和后安装支撑件75，前安装支撑件73和后安装支撑件75例如可以通过穿过安装板的螺栓和螺母可移除地固定到地面上。前安装支撑件72和73或后安装支撑件74和75可以使用横梁彼此附接。图2描绘了使用横梁78彼此附接的后安装支撑件74和75。
控制系统(未示出)可以接收来自线进给系统的感测装置110(在图2和图4中示出，在图5中部分地示出)的信号，以在X方向、Y方向或Z方向上重新定位金属线供应卷轴，以便在金属线180通过入口孔120进入机柜时，保持金属线180的期望定位。控制系统可以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、电源连接器、作为输入和/或输出的信号模块、模拟信号的集成屏蔽、存储设备、电路板、存储器芯片或其它存储介质、具有在其中实施的计算机可读程序的非暂时性计算机可读存储介质、或其任意组合。计算机可读程序可以包含用于使系统中的任何一个或组合部分地或完全地自动化的适当软件。计算机可读程序可以包含用于监视和/或调整参数的适当软件。示例性参数包括传感器中的一个或多个的状态、金属线的张紧、金属线通过目标位置的速率、在线供应卷轴上剩余的金属线量或其任意组合。示例性控制系统包括但不限于西门子公司(德国慕尼黑)的SIMATIC-S7-1500、可向博世力士乐公司(德国Lohr am Main)购买的IndraMotion MTX系统以及可向SIGMATEKGmbH&Co.KG(奥地利兰普雷希茨豪森)购买的SIGMATEK C-IPC紧凑型工业计算机系统。
控制系统可以包括能够运行程序的计算机，该程序可以在必要方向上引导枢轴55的竖直位置、竖直支撑元件60的位置和横向支撑元件65的位置中的任意一个或组合的重新定位机制的致动，以将金属线180基本上保持在机柜的孔120的中心，机柜包括：线进给装置200；线缓冲单元，包括一系列三个松弛线引导件300、400和500，用于形成松弛线185的环；以及松弛线拉动装置600，其拉动松弛线185并将松弛线经由腔室出口引导件1000(参见图2)进给出机柜。
已经确定，可以使用金属线进给系统来提高熔化金属堆积到成形工件的速率，该金属线进给系统将机柜内的一定量的松弛线保持在适当位置，使得金属线可以连续地进给到焊炬的等离子弧，并保持在焊炬的等离子弧内的预定位置。松弛线环可以充当缓冲件，以保持稳定且可靠的线进给速度，从而确保生产过程的稳定的质量输入速率。不稳定性不仅导致不稳定的堆积，还导致线回烧并停止生产。松弛线环可以使线速度、张紧或位置的不稳定性最小化。线进给速度可以保持基本恒定，使得金属线连续地进给到焊炬的等离子弧，以熔化到工件上。将金属线连续进给到焊炬防止了金属不平稳或不连续地堆积到工件上。堆积的任何无意的不连续性都可能导致工件的缺陷、不规则和瑕疵，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的目的。提高金属线的连续进给速率还允许熔化金属堆积到工件的速率提高，从而提高自由成形制造工艺的效率。
参照图1，可以独立于松弛线输送单元40来控制线张紧单元20。因此，金属线可以通过金属线张紧单元20的动作从线供应单元10以与通过松弛线输送单元40的动作将松弛线提供给线进给机柜外部的焊炬的等离子弧的速率不同或基本相同的速率而进给到机柜中。利用这种布置，通过线张紧单元20的动作进给到机柜中的线的量可以独立于由松弛线输送单元拉动以进给到焊炬的等离子弧的松弛线的量。
通常，金属线可以设置在其上缠绕有金属线的供应卷轴上。为了将金属线提供给机柜，需要旋转缠绕在供应卷轴上的全部金属线。通过张紧单元将线从线供应卷轴移除的质量和惯性效应可以通过机柜内的松弛线环与提供给焊炬的线隔离。因为从线源卷轴移除线的质量和惯性效应与输送到焊炬的线隔离，所以机柜内的线滑动被最小化。此外，来自线供应卷轴的可能导致线被拉回到线供应卷轴的任何惯性效应可以通过松弛线环来消除，从而使得可以向焊炬的等离子弧输送金属线的连续供应，并且使熔化金属在工件上的任何不期望的不连续堆积最小化。因为向焊炬的等离子弧提供金属线的连续供应，所以可以平稳且连续地保持堆积过程。
可以使用线张紧单元20将金属线从线供应单元10进给到机柜中。如图2、图4和图5所示，线进给系统可以包括包含孔120的感测装置110，来自线供应卷轴50的金属线180可以通过孔120进给到机柜中。金属线180可以通过由线进给装置200施加的张力基本上保持在孔120的中心。如图4所示，金属线180可以经由感测装置110中的孔120进入机柜，并且可以穿过包括被动接收轮130和被动接收轮135的线接收单元，被动接收轮130和被动接收轮135一起用于其间的金属线180可以穿过的通道。接收轮130或接收轮135可选地可以由弹簧偏压成与金属线180接合。参照图5，金属线180可以通过施加在被动带槽辊205和机动带槽辊220之间的金属线180上的拉力被推进通过可选支架140和145。支架140和145可以用作其它装置的安装平台。例如，用于当金属线180进入机柜时观察金属线180的照相机可以安装到支架140。用于去除任何松散材料或碎屑的刷子可以安装到支架145。在一些配置中，省略了支架140和145。
参照图2，机柜可以包括限定机柜后部的背板900。附接到背板900的是框架100，限定机柜的侧向外边缘的侧壁附接到框架100(在图中未示出)。顶板和底板可选地可以连接到侧壁(在图中未示出)，并且当存在时可以分别限定机柜的顶部和底部。上部透明窗103可以经由铰链(未示出)连接到框架100，并且两个下部透明门104经由铰链101连接到框架100。透明窗103和两个下部透明门104构成机柜的前面。窗和门可以由任何材料诸如玻璃、丙烯酸(聚甲基丙烯酸甲酯或PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯改性(PETG)或聚碳酸酯制成。透明的窗和门允许金属线进给系统的可视化，而不需要打开机柜的窗或门。传感器122可以定位在孔120周围，以确定金属线180在孔120中移动到机柜中时的位置。传感器122可以向控制系统(未示出)发送信息，该控制系统可以在X方向、Y方向和/或Z方向上重新定位金属线供应卷轴，以便在金属线180通过孔120进入机柜时保持金属线180的期望定位。示例性传感器包括光学传感器、光纤传感器、接近传感器、光电传感器、磁传感器以及它们的组合。这些传感器可以在市场上买到(例如，参见日本京都的欧姆龙工业自动化公司)。在一些配置中，光纤传感器的阵列可以定位在孔120周围。
仍然参照图2，机柜出口引导件1000可以将金属线180引导出机柜，并进入等离子弧焊炬的线引导件。机柜出口引导件1000可以直接与感测装置110成一直线并与其平行地定位在机柜的侧壁中，使得如果感测装置110的孔120和机柜出口引导件1000连接，则产生直线。机柜保护电线免于意外接触并禁止金属线180被裸手接触。这可以使金属线的污染最小化，这是期望的，因为线污染可能造成堆积的工作产品中的缺陷。机柜可以包括监控窗102和/或门104的状态的一个或多个传感器。控制系统可以被编程，使得每当窗102和/或门104中的一个打开时堆积过程就停止。示例性传感器包括电接触传感器、光学传感器、接近传感器、光电传感器、磁传感器以及它们的组合。例如，圆柱形接近传感器(日本京都欧姆龙工业自动化公司)可以在窗或门或者在这两者上使用。
示例性线张紧单元包括线进给装置，该线进给装置可以包括与从线供应卷轴进给的线摩擦接触的机动辊。电机可以旋转辊，以将金属线进给到机柜中。可以使用任何类型的电机。示例性电机包括分流电机、串联电机、复合电机、感应电机、同步电机、步进电机、DC电机、无刷DC电机、通用电机、磁阻电机和磁滞电机。驱动线供应辊的电机可以是由功率控制信号驱动的常规DC电机。功率控制信号可以具有重复占空比特性，该特性限定供电期间的接通时间和不供电期间的断开时间。电机可以直接附接到辊，或者辊可以附接到电机的轴或与电机附接的轴。减速齿轮头可以用于将电机连接到辊。使用具有占空比特性的功率控制信号来运行电机，因为能够控制并避免旋转惯性或风力下降效应，所以允许精确地控制线的推进。因此，未将过量的额外线供应到机柜中，而是仅将足够量的线带入机柜中以保持期望量的松弛线。驱动线供应辊的电机可以是步进电机，其通过电子控制供应到驱动电机的功率脉冲的数量，允许将精确量的线从线供应卷轴推进到机柜中。
在图6中描绘了示例性线进给装置200。来自供应卷轴50(在图3中示出)的金属线180通过线进给装置200的动作被进给到机柜中，线进给装置200包括附接到电机225的机动带槽辊220并包括被动带槽辊205。电机225可以是任何电机，诸如由功率控制信号驱动的常规直流(DC)电机，或者可以是步进电机，其通过电子控制供应到驱动电机的电指令脉冲的数量，允许将精确量的线从线供应卷轴推进到机柜中。金属线180被引导到附接到电机225的机动带槽辊220的凹槽与被动带槽辊205的凹槽之间的位置。被动带槽辊205和机动带槽辊220可以包括凹槽中的突起，该突起可以与金属线180接合，并且拉动金属线180通过辊之间的凹槽。凹槽中的突起可以增加辊凹槽与金属线180之间的摩擦力，从而允许辊与金属线180摩擦地接合并将其推进通过辊。
被动带槽辊205和机动带槽辊220通常由钢制成，但也可以由其它合金诸如镍铬合金、镍铜合金或铜镍锡合金制成。当辊由钢制成或包含钢时，该钢可以是碳钢或不锈钢。示例性钢包括S355、S355JR、S355J2、S355J2+N以及S450J0。带槽辊可在市场上买到(例如，来自美国布赖顿工业产品有限公司和奥地利霍拉布伦的SBIInternational)。
被动带槽辊205施加在金属线180上的垂直压力的量可以通过选择凹槽在被动带槽辊205中的配置以及压力装置800所施加的压力来调整。辊可以具有V形槽、U形槽、锥形槽、圆柱形槽、60°槽、90°槽或滑轮型槽。增加压力装置800所施加的压力会增加被动带槽辊205施加在线上的夹紧压力。如果压力装置800所施加的压力太小，则可能发生金属线180从被动带槽辊205与机动带槽辊220的之间滑动。如果压力装置800所施加的压力太大，则金属线180可能发生变形。压力装置800可以施加高达3巴的压力。压力装置800可以包括液压、气动、机械或电子地驱动的活塞，该活塞在伸展时增加施加到被动带槽辊205的压力，并且在收缩时减小施加到被动带槽辊205的压力。电机225的动作在机动带槽辊220与线供应卷轴50之间的金属线180上产生张力。金属线180可以通过该张力基本上保持在孔120的中心。
在穿过被动带槽辊205与机动带槽辊220之间形成的通道之后，金属线180行进到线缓冲单元30，线缓冲单元30包括包含被动带槽辊的松弛线引导件的组合，以在机柜内形成松弛线185的环。在图7中描绘了用于线缓冲单元30的松弛线引导件的示例性配置。在图7所示的配置中，一系列三个被动松弛线引导件300、400和500用于形成松弛线环。松弛线引导件300、400和500的带槽辊是光滑的，并且通常由钢制成。钢可以是碳钢或不锈钢。示例性钢包括S355、S355JR、S355J2、S355J2+N以及S450J0。在离开机动带槽辊220之后，金属线180进入包含双槽辊305和双槽辊320的双槽线引导件300的第一凹槽。双槽辊305可以附接到臂310，臂310可以枢转地连接到背板900，使得臂310可以在平行于背板900的平面中被动地围绕连接轴旋转。双槽辊305可以由连接到支撑件330的弹簧偏压成与金属线180接合。
金属线180被引导通过在第一松弛线引导件300的双槽辊305与双槽辊320之间形成的通道，并且朝向定位到第一松弛线引导件300的双槽辊320的右下方的第二松弛线引导件400行进。第二松弛线引导件400可以包括带槽辊405和带槽辊420。带槽辊405可以附接到臂410，臂410可以枢转地连接到背板900，使得臂410可以在平行于背板900的平面中被动地围绕连接轴旋转。带槽辊405可以由连接到支撑件430的弹簧偏压成与金属线180接合。
金属线180被引导通过在第二松弛线引导件400的带槽辊405与带槽辊420之间形成的通道，并且当其朝向第三松弛线引导件500行进时形成松弛线的环，第三松弛线引导件500定位到双槽辊320的左下方，如图2所示。第三松弛线引导件500包括带槽辊505和带槽辊520。带槽辊505可以附接到臂510，臂510可以枢转地连接到背板900，使得臂510可以在平行于背板900的平面中被动地围绕连接轴旋转。带槽辊505可以由连接到支撑件530的弹簧偏压成与金属线180接合。金属线180在第二和第三松弛线引导件400和500之间形成单个松弛线185的环。由于重力作用在第二和第三松弛线引导件400和500之间的不受支撑的金属线上，松弛线185的环可以形成椭圆形。
允许进入机柜的松弛线越多，单个松弛线185的环就变得越大。松弛线185的环充当缓冲件，以确保在正确的定向上有足够的金属线180以跟上对堆积过程的需求。当以更高的速度执行堆积过程时，可以允许更多的金属线180进入机柜中，并且松弛线185的环可以相对较大，使得其可以占据机柜的大部分。当以较慢的速度执行堆积过程时，需要较少的松弛线，因此可以允许较少的金属线180进入机柜中，并且松弛线185的环可以较小，使得其占据机柜的较小部分。
本文提供的金属线进给系统可以包括环感测装置700，环感测装置700可以检测机柜中松弛线环的存在。如图2所示，示例性环感测装置可以包括多个传感器。如图2所示，环感测装置700包括可以用于确定机柜内松弛线的量的传感器710、720、730和740。这些传感器可以响应于从传感器接收到的反馈与控制系统通信。当传感器感测到金属线180时，每个传感器可以分别向控制系统发送信号。响应于来自传感器的信号，控制系统可以调节从线源拉入机柜中的额外线的供应，从而调节松弛线环的尺寸，并且因此调节机柜内松弛线的量。示例性传感器包括光学传感器、光纤传感器、接近传感器、光电传感器、磁传感器以及它们的组合。这些传感器可在市场上买到(例如，参见日本京都的欧姆龙工业自动化公司)。在一些配置中，传感器710、720、730和740是光纤传感器或接近传感器，其不需要与松弛线接触。
例如，在图2所示的示例性实施例中，随着额外的金属线180通过线进给装置200的动作被带入机柜中，松弛线185的环的底部开始下降。由于松弛线引导件300、400和500的定位以及重力对不受支撑的松弛线的影响，松弛线185的环通常具有椭圆形形状。当松弛线185的环的底部位于传感器720附近时，传感器720向控制系统发送信号。控制系统被预编程为响应于来自传感器720的信号将更多的线进给到机柜中。随着更多的金属线180被进给到机柜中，松弛线环的下部下降。当松弛线185的环的底部位于传感器730附近时，传感器730向控制系统发送信号。控制系统被预编程为响应于来自传感器730的信号将更少的线进给到机柜中。松弛线185的环的底部与传感器720和730之间的相互作用可以导致机柜内松弛线的基本恒定的供应，以在堆积过程中供应焊炬的等离子弧。
如果堆积过程显著减慢，则松弛线185的环的底部朝向机柜的底板下降，并且接近传感器740并被传感器740检测。为了防止过多的松弛线聚集在机柜中(这可能导致松弛线缠结在其自身上或者以其它方式阻碍线容易地通过系统)，控制系统可以被编程为当它接收到来自传感器740的信号时，停止电机225以阻止额外的金属线180进入机柜。
如果堆积过程显著加速，或者如果线进给供应跟不上对金属线180的需求，则松弛线185的环的底部朝向机柜的顶部上升，首先接近传感器720。如果响应于从传感器720到控制系统的信号，未将足够的金属线带入机柜中，则松弛线185的环的底部继续向上上升。该环最终将接近传感器710并被传感器710检测。传感器710向控制系统发送信号，控制系统可以被编程为当其接收到来自传感器710的信号时关闭整个系统(包括电机225和625以及等离子弧焊炬)，从而停止堆积过程。关机使损坏设备的风险最小化。
在松弛线185离开第三松弛线引导件500的辊之后，松弛线185被引导通过第一松弛线引导件300的双槽辊305的第二凹槽与双槽辊320的第二凹槽之间的通道，并朝向松弛线拉动装置600行进，该松弛线拉动装置600包括连接到机动带槽辊620的电机625并包括被动带槽辊605。
电机625可以是任何电机，诸如由功率控制信号驱动的常规直流(DC)电机，或者步进电机，其通过电子控制供应到驱动电机的输入电脉冲的数量，允许将精确量的线从线供应卷轴推进到机柜中。松弛线185被引导到附接到电机625的机动带槽辊620与被动带槽辊605之间的位置。被动带槽辊605或机动带槽辊620或这两者都可以包括凹槽中的突起，该突起可以与松弛线185接合并将松弛线185推进通过辊。凹槽中的突起可以增加辊凹槽与松弛线185之间的摩擦力，从而允许辊与松弛线185摩擦接合并将其拉动通过辊。
被动带槽辊605和机动带槽辊620通常由钢制成，但也可以由其它合金诸如镍铬合金、镍铜合金或铜镍锡合金制成。当辊由钢制成或包含钢时，该钢可以是碳钢或不锈钢。示例性钢包括S355、S355JR、S355J2、S355J2+N以及S450J0。带槽辊可在市场上买到(例如，来自美国布赖顿工业产品有限公司和奥地利霍拉布伦的SBIInternational)。
被动带槽辊605施加在金属线180上的垂直压力的量可以通过选择凹槽在被动带槽辊605中的配置以及压力装置850所施加的压力来调整。辊可以具有V形槽、U形槽、锥形槽、圆柱形槽、60°槽、90°槽或滑轮型槽。增加压力装置850所施加的压力会增加被动带槽辊605施加在线上的夹紧压力。如果压力装置850所施加的压力太小，则可能发生金属线180从被动带槽辊605与机动带槽辊620之间滑动。如果压力装置850所施加的压力太大，则金属线180可能发生变形。压力装置850可以施加高达3巴的压力。
压力装置850可以包括液压、气动、机械或电子地驱动的活塞，该活塞在伸展时增加施加到被动带槽辊605的压力，并且在收缩时减小施加到被动带槽辊605的压力。电机625的动作拉动线，导致松弛线185的环的尺寸减小。电机225和625可以单独操作，它们各自的动作可以调整机柜内松弛线的数量和松弛线185的环的尺寸。在穿过带槽辊605和机动带槽辊620之后，松弛线185行进通过机柜出口引导件1000，并被输送到等离子弧焊炬装置的线引导件。
电机625可以与焊接装置通信，焊接装置可以向电机625发送信号，以经由机柜出口引导件1000将松弛线185推出机柜，从而向焊炬装置供应松弛线185。
松弛线185的环允许松弛线拉动单元在线的需求侧的拉动动作与由提供金属线180的供应卷轴50导致的可能的负面影响分离。来自卷轴的任何旋转惯性和从线卷轴抽出的线的质量可以由线进给系统的入口部分(诸如张紧单元的感测装置110和电机225)解决，或者由松弛线185的环吸收，从而防止将其传送到邻近焊炬的线。该系统允许线在线进给系统入口侧的去卷绕与将线推进到焊炬分离。因为松弛线的环自由悬挂在机柜内，远离第二和第三松弛线引导件400和500，所以环的线不受张力并且可以通过电机225或625的动作容易地被推进。松弛线185的环还允许在不停止工件上的金属堆积的情况下更换线供应卷轴50。松弛线185的环还允许通过在线供应卷轴50与焊炬的线提供器之间提供一定长度的线作为缓冲而以恒定速度将线提供给焊炬。
线进给系统被设计成用于减少由于线供应卷轴的旋转惯性而可能发生的线的滑动。滑动可能导致线变形或在试图将焊炬电弧中的金属线对准时显现出其它问题。在优选实施例中，线是直的而不是如在一些系统中使用的那样是弯曲的。特别地，金属线是直的并且可以用于双焊炬系统，诸如在Stempfer(美国专利申请公开No.US2014/0061165)中所述。在此类系统中，重要的是线进给单元能够输送直的金属线，以便保持金属线在焊炬的等离子弧中的对准。
除了感测装置110之外，机柜内的线进给系统的部件中的每个最终连接到背板900。背板900可以是适于支撑线进给系统的部件的任何材料。在一些实施例中，背板900可以是碳钢、不锈钢、选自S355、S355JR、S355J2、S355J2+N以及S450J0的钢、铝合金(诸如选自AA 6063、AA6063-T6、EN AW-6063T6、AW-6082-T6和EN AW-6063T6/6082T6的铝合金)、镍铬合金、镍铜合金或铜镍锡合金。
形成松弛线185的环的金属线180可以是在等离子弧焊接、特别是等离子转移弧焊接中使用的任何金属。金属线可以是或包含钛。金属线可以是或包含与Al、V、Sn、Zr、Mo、Nb、Cr、W、Si和Mn中的一种或其组合结合的Ti的钛合金。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-1Mn-0.5W-0.5Mo-0.2Si和Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si。金属线可以包含铝、铁、钴、铜、镍、碳、钛、钽、钨、铌、金、银、钯、铂、锆、其合金以及它们的组合。金属线可以具有圆形的截面。金属线可以具有任何直径或尺寸。在一些实施例中，金属线的直径可以在约0.1mm至约10mm的范围内。例如，金属线可以具有例如1.0mm、1.6mm或2.4mm的直径。
线供应系统可以用于向任何焊炬供应金属线。示例性焊炬是PAW焊炬。PAW焊炬可以是能够产生电弧以加热并熔化金属线的任何配置，诸如气体金属弧焊接(GMAW)，特别是使用惰性气体来制造电弧(金属惰性气体焊接或MIG焊接)。示例性PAW焊炬是PTA焊炬。使金属线熔化在通过焊炬使用电弧而产生的等离子体中，并且将熔化的金属线堆积到工件上的熔池中，以添加并形成近净形金属体。金属线的进给速度和位置可以根据PAW焊炬的供电效应来控制和调节，以便确保金属线在到达基材中的熔池上方的预期位置时被连续加热和熔化。在Guldberg(WO 2011/019287)、Ireland等人(美国专利No.7,220,935)；Comon等人(美国专利No.9,145,832)；Cooper等人(美国专利申请公开No.2010/0276396)；Biskup等人(美国专利申请公开No.2013/0140280)；以及Stempfer(美国专利申请公开No.2014/0061165)的文献中描述了示例性焊接系统。
尽管前面的描述非常详细地描述了本发明，但是不应当将其解释为限制本发明的范围，而是提供了本发明的各种实施例的说明。
对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在不脱离本发明范围的情况下，对本发明进行各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖本发明的修改和变化，只要它们落入所附权利要求及其等同物的范围内。
附图标记说明
以下是在说明书和附图中使用的附图标记的列表。
10：线供应装置
20：线张紧装置
30：线缓冲装置
40：松弛线输送装置
50：线供应卷轴
55：枢轴
60：竖直支撑元件
65：横向支撑元件
70：第一侧向支撑元件
71：第二侧向支撑元件
72：前安装支撑件
73：前安装支撑件
74：后安装支撑件
75：后安装支撑件
78：框架横梁
100：框架
101：铰链
103：上部透明窗
104：(一个或多个)下部透明门
110：感测装置
120：孔
122：位置传感器
130：线接收单元的第一接收轮
135：线接收单元的第二接收轮
140：可选支架
145：可选支架
180：金属线
185：松弛线
200：线进给装置
205：被动带槽辊
210：臂
220：机动带槽辊
225：电机
300：第一松弛线引导件
305：双槽辊
310：臂
320：双槽辊
330：支撑件
400：第二松弛线引导件
405：被动带槽辊
410：臂
420：被动带槽辊
430：支撑件
500：第三松弛线引导件
505：被动带槽辊
510：臂
520：被动带槽辊
530：支撑件
600：松弛线拉动装置
605：被动带槽辊
610：臂
620：机动带槽辊
625：电机
700：环感测装置
710：传感器
720：传感器
730：传感器
740：传感器
780：支撑元件
790：支撑元件
800：压力装置
850：压力装置
900：背板
1000：机柜出口引导件。

Claims (28)

1.一种金属线进给系统，包括：
位置可调的线供应卷轴；
机柜，包括包含孔的入口线位置检测器；
线进给装置，包括第一机动带槽辊、第一被动带槽辊和附接到所述第一机动带槽辊的第一电机，其中所述第一机动带槽辊和所述第一被动带槽辊之间形成一通道；
至少三个松弛线引导件的组合，其中的第一松弛线引导件定位在所述线进给装置之后并与所述线进给装置成一直线，其中的第二松弛线引导件定位在所述第一松弛线引导件的右下方，并且其中的第三松弛线引导件定位在所述第一松弛线引导件的左下方；
松弛线拉动装置，包括第二机动带槽辊、第二被动带槽辊和附接到所述第二机动带槽辊的第二电机，其中所述第二机动带槽辊和所述第二被动带槽辊之间形成一通道；以及
机柜出口引导件。
2.根据权利要求1所述的金属线进给系统，其中：
所述第一松弛线引导件包括：
具有第一凹槽和第二凹槽的第一双槽辊，所述第一双槽辊附接到第一臂，所述第一臂枢转地连接到所述机柜的背板；以及
具有第一凹槽和第二凹槽的第二双槽辊，其中所述第一双槽辊的所述第一凹槽和所述第二双槽辊的所述第一凹槽之间形成一通道，并且所述第一双槽辊的所述第一凹槽由连接到第一支撑件的所述第一臂上的弹簧偏压，所述第一支撑件连接到所述机柜的背板；
所述第二松弛线引导件包括：
第三被动带槽辊，附接到枢转地连接到所述机柜的背板的第二臂；以及
第四被动带槽辊，其中所述第三被动辊的凹槽和所述第四被动辊的凹槽之间形成通道，并且所述第三被动辊的凹槽由连接到第二支撑件的所述第二臂上的弹簧偏压，所述第二支撑件连接到所述机柜的背板；并且
所述第三松弛线引导件包括：
第五被动带槽辊，附接到枢转地连接至所述机柜的背板的第三臂；和
第六被动带槽辊，其中所述第五被动带槽辊的凹槽和所述第六被动带槽辊的凹槽之间形成通道，并且所述第五被动带槽辊的凹槽由连接到第三支撑件的所述第三臂上的弹簧偏压，所述第三支撑件连接到所述机柜的背板；
其中所述第一松弛线引导件、所述第二松弛线引导件和所述第三松弛线引导件形成从所述第一松弛线引导件到所述第二松弛线引导件再到所述第三松弛线引导件然后再回到所述第一松弛线引导件的环形路径。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的金属线进给系统，其中所述第一机动带槽辊、所述第一被动带槽辊、所述第二机动带槽辊和所述第二被动带槽辊中的任一个或其组合的凹槽的表面在摩擦方面得以增强。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的金属线进给系统，其中所述第一电机和所述第二电机各自分别从步进电机和由功率控制信号驱动的直流电机中选择。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的金属线进给系统，其中所述入口线位置检测器还包括第一传感器，所述第一传感器检测所述孔内的金属线的位置。
6.根据权利要求5所述的金属线进给系统，其中所述第一传感器与控制系统进行通信，所述控制系统能够在X方向、Y方向和Z方向中的至少一个方向或其任意组合上重新定位所述线供应卷轴。
7.根据权利要求7所述的金属线进给系统，其中所述机柜还包括透明窗口、或透明门、或透明窗和透明门两者，以允许在不打开所述机柜的情况下观察所述机柜中的部件。
8.根据权利要求7所述的金属线进给系统，其中所述透明窗或透明门由玻璃、亚克力(聚甲基丙烯酸甲酯或PMMA)、改性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)或聚碳酸酯制成。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的金属线进给系统，其中所述线进给装置经配置以将缠绕在所述线供应卷轴上的线进给到所述机柜中。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的金属线进给系统，还包括第一压力装置，以调节由所述第一被动带槽辊施加的压力的量。
11.根据权利要求10所述的金属线进给系统，其中所述第一压力装置包括液压、气动、机械或电子地驱动的活塞，该活塞在沿第一方向移动时增加施加到所述第一被动带槽辊的压力，并且在沿第二方向移动时减少施加到所述第一被动带槽辊的压力。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的金属线进给系统，还包括第二压力装置，以调节由所述第二被动带槽辊施加的压力的量。
13.根据权利要求12所述的金属线进给系统，其中所述第二压力装置包括液压、气动、机械或电子地驱动的活塞，该活塞在沿第一方向移动时增加施加到所述第二被动带槽辊的压力，并且在沿第二方向移动时减少施加到所述第二被动带槽辊的压力。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的金属线进给系统，其中所述线进给装置的所述第一电机连接到所述第一机动带槽辊，以旋转所述第一机动带槽辊。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的金属线进给系统，其中所述松弛线拉动装置的所述第二电机连接到所述第二机动带槽辊，以旋转所述第二机动带槽辊。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的金属线进给系统，其中所述线进给装置的所述第一电机独立于所述松弛线拉动装置而进行操作。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的金属线进给系统，其中所述机柜还包括环感测装置。
18.根据权利要求17所述的金属线进给系统，所述环感测装置包括：
a)与控制系统通信的第一传感器，其中当所述第一传感器感测到松弛线的环时，所述第一传感器向所述控制系统发送信号以关闭所述金属线进给系统并停止堆积过程；或者
b)与所述控制系统通信的第二传感器，其中当所述第二传感器感测到所述松弛线的环时，所述第二传感器向所述控制系统发送信号以将更多的金属线进给到所述机柜中；或者
c)与所述控制系统通信的第三传感器，其中当所述第三传感器感测到所述松弛线的环时，所述第三传感器向所述控制系统发送信号以将更少的金属线进给到所述机柜中；或者
d)与所述控制系统通信的第四传感器，其中当所述第四传感器感测到所述松弛线的环时，所述第四传感器向所述控制系统发送信号以停止将金属线进给到所述机柜中；或者
e)上面的a)、b)、c)和d)的任意组合。
19.一种向焊炬提供金属线的方法，包括：
从线供应源推进足够量的金属线以形成松弛线的环；
将一定量的松弛线从所述松弛线的环推进到所述焊炬的等离子弧；以及
从所述线供应源供应额外的金属线，以补偿被推进到所述焊炬的松弛线的量，从而保持所述松弛线的环。
20.根据权利要求19所述的方法，其中从所述线供应源推进的松弛线的量足以保持所述松弛线的环，以允许将松弛线连续输送到所述焊炬。
21.根据权利要求19-20中任一项所述的方法，其中所述线供应源是上面缠绕有金属线的位置可调的卷轴，并且所述方法还包括从所述卷轴退绕金属线，以提供待推进的金属线，从而形成所述松弛线的环。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括在X方向、Y方向和Z方向中的至少一个方向或其组合上重新定位所述卷轴，以将从所述卷轴退绕的金属线保持在期望的位置。
23.根据权利要求19-22中任一项所述的方法，还包括旋转与金属线摩擦接触的辊，以将金属线推进到机柜中。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述辊的旋转通过致动附接到所述辊的电机来实现，并且该电机是步进电机或由功率控制信号驱动的直流电机。
25.根据权利要求19-24中任一项所述的方法，其中金属线从所述供应源的推进独立于一定量的松弛线从所述松弛线的环向所述焊炬的推进。
26.根据权利要求19-25中任一项所述的方法，还包括旋转与松弛线摩擦接触的辊，以将松弛线输送到所述焊炬。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述辊的旋转通过致动附接到所述辊的电机来实现，并且该电机是步进电机或由功率控制信号驱动的直流电机。
28.根据权利要求19-27中任一项所述的方法，其中所述焊炬选自：等离子弧焊炬、等离子转移弧焊炬、气体钨极弧焊炬、气体金属弧焊炬、金属惰性气体焊炬、金属活性气体焊炬、激光装置、电子束枪或其任意组合。
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