CN109715338A - 用于mig金属焊接的接触末端组件 - Google Patents

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Abstract

一种具有包含带电能源的接触末端(215)的电接触单元(200)的接触末端组件，其中电接触单元(200)定位在远离引导件(120)的出口开口的一距离处。

Description

用于MIG金属焊接的接触末端组件
技术领域
本发明涉及一种适于在金属惰性气体焊接(MIG焊接)中电连接和引导焊丝的接触末端。
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、从坯料锻造或机械加工制成。这些技术有一个缺点，即制造过程中昂贵的钛金属的高材料uP25313PC00Dse及很长的准备时间。
可以通过称为快速原型制造、快速制造、分层制造、自由实体制造法(solidfreeform fabrication)、附加造型、附加制造或3D打印的制造技术来制造完全致密的实体物体。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平行切片或层。然后，实体物体可以通过铺设液体、糊状物、粉末或其它可分层、可铺展或流体形式(诸如熔融金属(例如来自熔融焊丝))的连续原材料层来制造，或者可以预成形为类似于虚拟层形状的片状材料直到整个物体形成。这些层可以熔合在一起形成坚固的致密物体。
自由实体制造是一种灵活的技术，其允许以相对快的生产速率创建几乎任何形状的物体，每个物体通常从几小时到几天不等。因此，该技术适用于原型和小生产批量的成形，并且可以扩大规模以进行大批量生产。
可以扩展分层制造技术以包括片状构造材料的沉积，也就是说，将对象的虚拟模型的每个结构层分成一组片，当它们并排放置时形成层。这允许根据物体的虚拟分层模型通过在形成每层的连续条纹中将丝焊接到基板上来形成金属物体，并且对每层重复该过程直到形成整个实体物体。焊接技术的精度通常太粗糙而不允许直接形成具有可接受尺寸的物体。因此，通常认为所形成的物体是需要加工成可接受的尺寸精度的绿色物体或预制件。
Taminger和Hafley(“用于成本效益的近净形制造的电子束自由成形制造(Electron Beam Freeform Fabrication for Cost Effective Near-Net ShapeManufacturing)”，NATO/RTOAVT-139名专家参加的通过净形加工的成本效益制造会议(阿姆斯特丹，荷兰，2006年)(NATO)，第9-25页)公开了一种用于结合电子束自由成形制造(EBF)直接从计算机辅助设计数据制造结构化金属部件的方法和装置。结构化部件通过焊接在金属焊丝的连续层上构建，通过由电子束提供的热能进行焊接。EBF工艺涉及将金属丝熔化成熔池，该熔池由高真空环境中的聚焦电子束制成并维持。通过使电子束枪和支撑基板的致动器沿一个或多个轴(X、Y、Z和旋转)可移动地铰接以及通过四轴运动控制系统调节电子束枪和支撑基板的位置来获得电子束和焊丝的定位。据称该工艺在材料使用方面有效率几乎为100％，并且在功耗方面有效率为95％。该方法可以用于块状金属沉积和更细小的精细沉积，并且与传统的金属部件加工方法相比，该方法要求对缩短提前期和降低材料及加工成本具有显着影响。电子束技术的缺点是依赖于沉积室中10-1Pa或更低的高真空度。
已知使用等离子体电弧来提供用于焊接金属材料的热量。该方法可以在大气压或更高压力下使用，并且因此允许更简单和更便宜的工艺设备。一种这样的方法被称为气体钨极电弧焊接(GTAW，也表示为TIG)，其在非消耗性钨电极和焊接区域之间形成等离子体转移电弧。等离子体电弧通常由通过等离子焊炬供给的气体保护，该等离子焊炬在电弧周围形成保护覆盖。TIG焊接可以包括将金属丝或金属粉末供给到熔池或等离子体电弧中作为填充材料。
Abbott等人(WO2006/133034，2006)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，该工艺包括提供基材和使用激光辐射在基材上由金属原料沉积第一熔融金属层的步骤，并且公开了一种电弧。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，并且据称可以提供更高的加工速率。Abbott等人利用由导线引导和从导线引出的金属丝。金属丝的金属在端部熔化，并且通过将端部定位在沉积点上来沉积熔融金属。用于熔化金属丝的所需热量由电弧和激光辐照提供。通过熔化由电弧加热的金属丝进行的焊接称为气体金属电弧焊接(GMAW)，其中在使用非活性气体来生成电弧的情况下也称为金属惰性气体焊接(MIG焊接)。
MIG焊接中的一个重要参数是将金属丝的末端/端部以非常高的精度定位在沉积点上方，并且还确保与消耗性金属丝的稳定和令人满意的电接触，以便能够控制熔融速率，并且从而控制金属丝在工件/基板上的沉积速率。Westberg(US 2,179,108,1939)描述了该问题的一种解决方案。Westberg公开了一种有孔的铜管嘴，该管嘴中，金属丝以从丝源供给的伸直金属丝的形式以受控的速度穿过。铜管嘴和工件都电连接到在它们之间设置电势的电源。当金属丝穿过铜管嘴时，它与管嘴接触并且因此电连接到电源。当金属丝的末端(端部区段)在沉积/焊接区域上方达到一定距离时，电势产生从金属丝的末端延伸并向下到沉积/焊接区域的电弧。电弧熔化引入的金属丝的末端，并且因此将熔融的金属材料沉积到沉积/焊接区域上。
为了确保金属丝/金属丝安全通过铜管嘴的孔/引导通道，有必要使孔的直径略大于金属丝的直径。铜管嘴和金属丝之间相对较低的机械接触导致了金属丝和导线之间的电接触不充分的问题，这给孔内的电弧和放电/火花形成带来了不稳定的问题，该问题会局部熔化/撕裂金属丝片段，并且导致孔的堵塞。Westberg中教导通过使最靠近沉积物的铜管嘴的端部成形为半圆柱形来解决这些问题，其是通过移除大约一半的圆柱形壁来实现的，从而能够通过加载了滚轮的弹簧将金属丝向下压到半圆柱形引导通道上，并且因此增加铜管嘴和金属丝之间的电接触面积。Zigliotto(EP1108491,2001)中公开了一种类似的解决方案，其公开了一种用于MIG焊炬的接触末端，包括具有用于将主体紧固到焊炬的连接装置的主体，以及用于供给焊丝的轴向孔，该接触末端设置有从外壁延伸到轴线的V形凹口，该轴向孔通向凹口的底部。凹口的底部是倾斜的，并且朝与管嘴相邻的轴线偏离。Zigliotto的接触末端设有装配在凹口内以将焊丝压靠在凹口底部和壁上的按压装置，该按压装置包括一个装配在凹口中并靠在焊丝上的弹簧，该弹簧具有用于连接末端体的装置。
Bednarz等人(WO2003/039800，2003)也给出了同样问题的另一个解决方案，其公开了一种适用于使用金属丝的电弧焊接的接触末端，该接触末端具有限定孔的主体，电极能够穿过该孔以使得来自焊接电源的电流能够从主体传递到电极。在入口端和出口端之间的孔的长度的一部分中，主体具有至少一个区域，主体适于在主接触区域中实现与电极的主要电接触。沿着孔的长度的其余部分，主体适于使得主体和电极之间沿着其余部分的任何次级接触基本上不会使孔的主要接触区域中的主要电接触短路。在Bednarz等人的一些实施例中，压在金属丝上的主体/电触点下游的孔/引导通道的部分可以具有较大的直径，以便缓解金属丝的通过。引导通道的下游部分也可以通过插入具有中心孔的电绝缘圆柱形材料而与接触末端的主体电绝缘。
根据发明人的经验，由于接触末端和金属丝之间的火花腐蚀(非预期的放电)带来的引导通道堵塞的问题，可能在引导通道内形成金属丝材料的熔融珍珠状物，进而可能堵塞通道或导致金属丝定位的偏差。在本领域中还需要一种执行直接金属沉积的经济方法。在本领域中还需要一种提高直接金属沉积成形产品的产量和产率的方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于MIG焊接的接触末端组件，其显着地减轻了与接触末端的引导件的引导通道内的电火花腐蚀有关的问题。本发明的另一个目的是提供一种用于金属物体的快速分层制造的方法，特别是含有Al、Cr、Cu、Fe、Hf、Sn、Mn、Mo、Ni、Nb、Si、Ta、Ti、V、W或者Zr，或者其复合物或合金的物体。示例性金属物体包括钛或钛合金。
本发明解决对执行直接金属沉积的改进的、经济的方法的需求。本发明进一步解决对提高具有光滑的、明确限定的沉积边界的无变形直接金属沉积成形部件的产量和产率的方法的需求。
本发明基于以下认识，即通过将引导件与金属丝电绝缘并采用单独的电触点向金属丝提供电流，可以显著减轻由于火花或其他原因导致的引导通道堵塞的问题。在本文提供的系统、装置和方法中，可消耗的接触末端与引导件分离并且分开，并且在金属丝穿过引导件的端部之后使金属丝与接触末端接触。应注意，尽管本发明是结合金属丝的使用而描述的，但是可以使用任何可以被引导并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可消耗电极。
参照图1A至7B，提供了一种接触末端组件100，其包括具有纵向中心轴线A-A'、第一端140和相对的第二端150，以及沿着引导件120的纵向中心轴线延伸并从其第一端140延伸到其第二端150的中心孔130的引导件120。接触末端组件100也可以包括中心孔130内的并且至少从引导件120的第一端140延伸到第二端150的电绝缘衬里160。电绝缘衬里160包括引导通道170，该引导通道170在第一端140处具有入口开口145，在第二端150处具有出口开口155，并且沿着纵向中心轴线A-A'穿过线性电绝缘衬里160；并且电绝缘衬里160将穿过线性圆柱形引导通道170的金属丝180从入口开口145引导向出口155并进一步引导出出口开口155。接触末端组件100还包括包含与电能源电接触的接触末端215的电接触单元200。如图1A所示，电接触单元200可以位于切口区段115内，该切口区段将金属丝180暴露于电接触单元200的接触末端215。如图2、3、4A以及5所示，电接触单元200可以定位在远离出口开口155的一距离处。如图1A、2以及3所示，该组件可以包括用于将电接触元件200的接触末端215按压到金属丝180上的接触元件按压组件210。如图4A和5所示，该组件可以包括用于将金属丝180按压至与电接触元件200的接触末端215接触的丝按压组件190。该组件可以包括丝按压组件190和接触元件按压组件210(图中未示出)。
如图1B和4B所示，接触末端组件可以包括引导件120底部的底部开口125。底部开口125允许灰尘或丝片段在靠近成形件之前离开引导件120。底部开口125可以延伸到第二端150以形成通道。引导件120可由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或组合制成，或者包括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或组合。示例性引导件120可以由钛或钛合金制成或者包括钛或钛合金。
接触末端215可以由Cu或Cu合金或Cu复合材料制成，或者包括Cu或Cu合金或Cu复合材料。在一些实施例中，接触末端215包括Cu/W复合材料。
如图6A至图7B所示，当引导件120包括形成引导通道170的电绝缘衬里160时，在电绝缘衬里160的表面上可以包括涂层165。当金属丝180穿过引导通道170时，涂层165面向金属丝180。本文提供的接触末端组件还可以包括在丝按压组件190的表面上的与金属丝180接触的绝缘末端195。图4A和4B示出了示例性实施例。
包含本文提供的接触末端组件的示例性系统在图12中示出。电接触单元200可以包括将接触末端215连接到电源的电连接件230和将接触末端215连接到接触末端支撑件220的绝缘体连接器240。接触末端组件也可以包括将金属丝180暴露于电接触单元200的接触末端215的切口区段115。
如图12所示，本文提供的接触末端组件也可以包括支撑元件300，引导件120和电接触单元可以连接到该支撑元件300以便支撑；金属丝输送源400；以及支撑元件300可以紧固到其上的框架500。绝热材料310可以存在于所有连接之间。图12示出了支撑元件300和引导件120之间以及支撑元件300和框架500之间的绝热材料310。接触末端组件通常定位成使得在金属丝180穿过引导件120之后，金属丝180被定位在工件沉积点上方的等离子转移电弧(PTA)焊炬的等离子体电弧中。在本文提供的接触末端组件中，接触末端215可以与PTA焊炬空间上隔离。
也提供了用于通过自由实体制造法在金属材料的三维物体制造期间向金属丝提供电流的方法，该方法包括通过引导件供给金属丝；提供与所述引导件分开并远离其的接触末端；以及在金属丝穿过引导件的端部之后，使金属丝与接触末端接触。
也提供了用于通过自由实体制造来制造金属材料的三维物体的方法。该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是通过将金属丝穿过引导件供给到电接触单元中而获得的，该电接触单元配置为通过引导件的端部使接触末端与金属丝接触；使用PAW焊炬加热和熔化丝，以使得熔融金属材料滴落到基材的预热区域上；以及以预定图案移动基材和/或PAW焊炬，以使得熔融金属材料的连续沉积物固化并形成三维物体。可选地，第二PAW焊炬可用于在沉积金属材料的位置预热基材。在一些实施例中，至少一部分基材在预热期间熔化，以使基材更易于接受。预热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，在预热期间施加足够的热量以在基材中形成金属材料沉积的熔池。金属丝可以是任何丝的形式。金属丝可以是或包含Al、Cr、Cu、Fe、Hf、Sn、Mn、Mo、Ni、Nb、Si、Ta、Ti、V、W或Zr，或者其复合物或合金。在一些实施例中，金属丝是包含Ti或Ti合金的丝。
也提供了用于通过自由实体制造来制造金属材料的三维物体的系统。该系统可以包括用于将金属丝引导到基材上方的位置的引导件；设置成穿过引导件的端部接触金属丝的接触末端；将焊丝熔化到基材上的焊炬；以及限定沉积轮廓的待成形物体的计算机模型，以便通过将熔融金属丝的连续沉积物熔合到基材、金属丝上来构造实体物体。该系统还可以包括至少相对于焊炬移动基材的致动器托盘。该系统也可以包括移动焊炬的致动器臂。此外，第二焊炬也可以用于在熔化焊丝的位置预热基材。第二焊炬也可以由致动器移动。
本发明的附加特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分将从描述中显而易见，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
附图被并入以提供对本发明的进一步理解并且被并入并且构成本说明书的一部分，其示出了本发明的实施例，并且与说明书一起说明书以解释本发明的原理。为了清楚起见，附图没有按比例绘制，并且省略了一些组件。
在附图中：
图lA是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的侧剖视图的示意图，示出了引导件120的顶部中的可以容纳电接触元件200的一部分的切口区段115的位置。在所示的实施例中，切口区段115没有延伸到引导件120的端部，从而形成顶部的远端延伸部分110。
图1B是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的仰视图的示意图，示出了允许灰尘或丝片段在靠近成形件之前离开引导件120的底部开口125。
图2是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的侧剖视图的示意图，示出了引导件120的顶部中的可以容纳电接触元件200的一部分的切口区段115的位置。在所示的实施例中，切口区段115延伸到引导件120的端部。
图3是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的侧剖视图的示意图，示出了引导件120的顶部中的可以容纳电接触元件200的一部分的切口区段115的位置。在所示的实施例中，切口区段115延伸到引导件120的端部，并且电绝缘衬里160延伸超过引导件120。
图4A是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的侧剖视图的示意图，该接触末端组件100包含在金属丝180下方并且定位在电接触元件200下方的丝按压组件190。在所示的实施例中，切口区段115延伸到引导件120的端部，并且电绝缘衬里160延伸超过引导件120。
图4B是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的仰视图的示意图，示出了允许灰尘或丝片段在靠近成形件之前离开引导件120的底部开口125。在所描述的实施例中，底部开口125延伸到引导件120的第二端150。
图5是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的侧剖视图的示意图，该接触末端组件100包含在金属丝180下方并且定位在电接触元件200下方的丝按压组件190。在所示的实施例中，电绝缘衬里160延伸超过引导件120。
图6A和图6B是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的横截面正视图的示意图。在图6A中，电绝缘衬里160和引导件120的横截面是圆形的。在图6B中，电绝缘衬里160的横截面是正方形的，并且引导件120的横截面是圆形的。图6A和图6B示出了电绝缘衬里160上可选涂层165的位置。
图7A和图7B是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的横截面正视图的示意图。在图7A中，电绝缘衬里160和引导件120的横截面是正方形的。在图7B中，电绝缘衬里160的横截面是圆形的，并且引导件120的横截面是正方形的。图7A和图7B示出了电绝缘衬里160上可选涂层165的位置。
图8是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的侧视图的图。
图9是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的俯视图的图。
图10是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的仰视图的图。
图11是示出接触末端组件100的引导件120的实施例的前视图的图。
图12是示出包括本文提供的接触末端组件100的系统的实施例的侧视图的图。
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、网站以及其他公开材料均全文引入作为参考。在对本文的术语有多种定义的情况中，本节的这些定义优先。在参考URL或其他这样的标识符或地址的情况下，应当理解，这样的标识符可以改变并且因特网上的特定信息能变来变去，但是可以通过搜索因特网找到等同的信息。
参考资料证明了这些信息的可用性和公开传播。
这里使用的单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数指代物，除非上下文另有明确规定。
本文使用的术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语只是用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分开。诸如“第一”、“第二”以及其它数字术语的术语在本文中使用时并不意味着顺序或次序，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、组件、区域、层或部分可以称为第二元件、组件、区域、层或部分。
本文使用的范围和量可以表示为“大约”特定值或范围。“大约”还包括准确的量。因此，“大约5％”是指“大约5％”和“5％”。“大约”是指在应用或预期目的的典型实验误差范围内。
本文使用的“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事件或情况不发生的实例。例如，系统中的可选组件是指该组件可能存在于系统中或可能不存在于系统中。
本文使用的“组合”是指两个项目之间或两个以上项目之间的任何关联。关联可以是空间的，或是指两个或多个项目用于共同目的的使用。
本文中可互换使用的术语“等离子体转移电弧焊炬”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(例如管嘴)转移出去，以形成延伸出孔口并将电弧的强热转移到目标区域的收缩羽流的任何装置。电极和目标区域可以电连接到电源，使得PTA焊炬的电极变成阴极并且目标区域变成阳极。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，同时对从PTA焊炬供应的热流的面积延伸和幅度进行极好的控制。等离子体转移电弧焊炬的优点是提供稳定和一致的电弧，其几乎没有漂移，并且对阴极和阳极之间的长度偏差有很好的容限。因此，PTA焊炬既适合于形成对基材的加热，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丝进料。PTA焊炬可以有利地具有包含钨的电极和包含铜的管嘴。然而，本发明并不依赖于PTA焊炬的任何特定选择或类型。可以使用能够用作PTA焊炬的任何已知或可想到的装置，该PTA焊炬提供用于熔化金属电极丝的稳定热源。
这里使用的“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。将焊炬设计成使得可以将气体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，并且电弧的高热可以熔化金属和/或将两块金属熔合在一起。PAW焊炬可以包括用于收缩电弧从而增加电弧功率密度的管嘴。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，并在阴极附近电离和加速。电弧可以指向工件并且比自由燃烧电弧(例如在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部管嘴。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。电流典型值高达400A，电压典型值为25-35V(最高达约14kW)。PAW焊炬包括等离子体转移电弧焊炬。
本文使用的术语“金属材料”是指任何已知的或可想象的可以形成丝并用于自由实体制造工艺中以形成三维物体的金属或金属合金。合适材料的实例包括但不限于钛和钛合金，例如Ti-6A1-4V合金、镍和镍合金以及其它金属或金属合金。
这里使用的术语“基材”是指其上沉积金属材料的目标材料。当沉积第一层金属材料时，其将是保持基板。当一层或多层金属材料沉积在保持基板上时，基材将是沉积金属材料的上层，该沉积金属材料将沉积新的金属材料层。
本文使用的术语“保持基板”是指首先装载到腔室中的目标基板，在该腔室上使用固体自由成形制造的SFFF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，保持基板是平板。在替代性实施例中，保持基板可以是锻造部件。在替代性实施例中，保持基板可以是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是金属或金属合金。在示例性实施例中，保持基板由与焊丝进给材料相同的金属制成。
本文使用的术语“工件”是指使用自由实体制造法生产的金属体。
本文中可互换使用的术语“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象的虚拟三维表示，其可用在根据本发明第二方面的装置的控制系统中：用于调节保持基板的位置和移动，并使用集成焊丝进给器操作焊炬，从而通过用图案将金属材料的连续沉积物熔合到保持基板上来构建实体物体，其导致根据物体的虚拟三维模型构建实体物体。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片段，从而形成三维对象的虚拟矢量化分层模型来获得。然后，实体物体可以通过接合控制系统来形成，以便根据物体的虚拟矢量化分层模型的第一层以图案来沉积和熔合供给到支撑基板上的一系列准一维金属材料片。然后，通过根据对象的虚拟矢量化分层模型的第二层以一定图案将一系列准一维可焊材料沉积并熔合到先前沉积层上，重复对象的第二层的序列。对于物体的虚拟矢量化分层模型的每个连续层，沉积基于逐层重复沉积和熔合工艺继续进行，直到整个物体形成。
然而，本发明不依赖于用于运行根据本发明的装置的控制系统的任何特定CAD模型和/或计算机软件，并且本发明也不依赖于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法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、计算机辅助制造(CAM)系统或软件、计算机软件、计算机硬件以及致动器等)。在示例性实施例中，可以调节控制系统以分别操作第一PAW焊炬和第二PAW焊炬，分别用以预热基材和将金属材料的馈丝熔化到基材的预热区域上。第一PAW焊炬可以预热基材，使得其在熔融金属材料将要沉积的位置处接受熔融金属丝的熔融液滴，即熔融金属材料。在一些实施例中，预热不会熔化基材。在替代性实施例中，至少一部分基材通过第一PAW熔化，以使基材更容易接受。在一些实施例中，第一PAW焊炬施加足够的热量以在基材中要沉积金属材料的位置处形成熔池。
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，其中基材搁置在致动器托盘上。致动器托盘可以沿任何方向移动基材。在示例性实施例中，致动器托盘可以设置在轨道或轨道系统上并且能够沿任何期望的方向移动基材。或者，可以使用机械臂或机械臂来操作致动器托盘。也可以使用液压操作致动器。类似地，可以使用一个或多个致动器移动一个或多个PAW焊炬。例如，一个或多个PAW焊炬中的每一个可以附接到独立控制的致动器臂，例如机器人或机械臂。还可以实现将其他类型的机构用于致动器臂，例如轨道或轨道系统。也可以使用液压操作致动器。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，致动器托盘是所使用的唯一致动器，在沉积期间将一个或多个PAW焊炬保持在固定位置。在替代性实施例中，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上移动一个或多个PAW焊炬，例如垂直于致动器托盘移动的平面。相反的情况也可以是这样，其中一个或多个致动器臂在平面内沿两个方向移动一个或多个PAW焊炬，并且同时致动器托盘沿单个方向移动基材。在替代性实施例中，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。在另一个替代性实施例中，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。
B.接触末端组件
提供了使用自由实体制造法来制造近净形金属体的系统和方法，该系统和方法利用接触末端组件，显着地减轻了与引导件的引导通道内的火花腐蚀相关的问题。由火花引起的引导通道内的积聚可能导致引导通道内的随机电连接和物理移动，并且可能导致引导通道内的沉积，该沉积可能干扰或阻止金属丝通过引导件的移动。发明人已经确定，由于因火花引起的积聚导致的引导通道中的变形而导致的由于火花或其他原因引起的引导通道堵塞或者金属丝的偏转的问题可以通过使引导件与金属丝电绝缘，并使用单独的电触点向金属丝提供电流而显著减轻。在本文提供的系统、装置和方法中，可消耗的接触末端与引导件分离并且分开，并且在金属丝穿过引导件的端部之后使金属丝与接触末端接触。
本文提供的接触末端组件包括引导件、将金属丝提供给引导件的金属丝输送源，以及将丝电连接到电源的电接触元件。引导件与金属丝电绝缘，并且单独的电接触单元经由电接触单元的接触末端将电流供应到金属丝。引导件可以是与等离子体电弧焊相容的任何材料。在一些实施例中，引导件是或者包含钛或钛合金，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。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。
接触末端是或者包含铜或铜合金。铜合金可以包含ASTM的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，或它们组合物中的任何一种。例如，接触末端可以包括W和Cu的烧结组合物，或Cu和W的合金。在示例性实施例中，接触末端可以具有弯曲或半弯曲表面，其在该表面处接触导线。可以适当地确定弯曲的或半弯曲的表面的尺寸以容纳待接触的丝。例如，对于直径约为1.6mm的导线，接触末端可以具有直径约为1.8mm的弯曲或凹入表面。而且，接触末端的表面积可以足够大，以帮助避免由电流传递引起的过热。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。
包含本文提供的接触末端组件的系统的示例性实施例在图12中示出。在图12描绘的示例性系统中，接触末端组件包括引导件120和位于引导件120上方的电接触单元200。电接触单元200包含可更换的接触末端215(图中未示出)和用于将接触末端215与电源(例如DC电源)连接的电连接件230。电接触单元200可以包括可以向接触末端支撑件220施加向下的压力以便将接触末端215按压成与金属丝180接触的接触末端按压组件210。保持接触末端215与金属丝180接触的向下压力例如可以通过使用弹簧、液压、气动致动器、机械螺钉或电动活塞组件或其任何组合来实现。当接触末端支撑件220将接触末端215按压成与金属丝180接触时，可以构成具有PTA焊炬600的电路。
引导件120和电接触单元200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310，引导件120和电接触单元200与支撑元件300热隔离。示出的支撑元件300附接到框架500。应当理解，支撑元件300和框架500仅仅是说明性的。也可以使用其他支撑结构。同样电绝缘的金属丝输送源400将金属丝180提供到引导件120的一端。金属丝180穿过引导件120并离开引导件120的另一端，在那里金属丝180位于工件沉积点上方的等离子体电弧中。利用本文提供的示例性配置，在金属丝和电接触单元的接触末端之间存在单个接触点。这允许保持稳定的接触点。这也促进了金属丝丝在与电弧接触并熔化之前的稳定电阻预热。
引导件120可以是任何形状，只要其配置为接收金属丝180并允许金属丝180无阻碍地穿过引导件120。在图8至图11中详细示出了示例性引导件120。如图8所示，引导件120可具有大致圆柱形的形状，以容纳金属丝180，金属丝180为具有大致圆形横截面的丝的形式。引导件120的外部的形状可以具有圆形、椭圆形、卵形或诸如正方形、三角形、矩形、五边形、六边形、八边形或其任意组合的多边形的横截面。在图6A和图6B中，引导件120的横截面示出为圆形。在图7A和图7B中，引导件120的横截面示出为正方形。
在示例性实施例中，引导件120可以是流体冷却的。例如，引导件可以设计成包括用于流体流过引导件的内部路径。流体可以是任何合适的流体，例如水、C1-C5醇、聚α烯烃、亚烷基二醇(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。冷却流体可以包括添加剂，例如盐、腐蚀抑制剂、pH调节剂或其组合。
引导件可以包括来自外表面的凸起或突起，例如用以对准引导件，或用以允许引导件附接到支撑件或其他元件。如图8(其示出了引导件120的侧视图)所示，引导件120可以包括用于将引导件120连接到支撑元件300(如图12所示)的紧固件突起122和124。紧固件突出部122和124可以是带螺纹的，以容纳可用于将引导件120附接到支撑元件300的螺栓或螺钉。引导件120可以包括突起127，突起127可与电接触单元200的放置接合和/或引导电接触单元200的放置。
如图8所示，引导件120可以包括引导件120上部的可以容纳电接触单元200的端部的一部分的切口区段115。切口区段115导致包含切口入口112的切口第一壁111和包含切口出口113的切口第二壁114的形成。金属丝180通过切口入口112进入切口区段115，并通过切口出口113离开切口区段115，最终通过出口开口155离开引导件120。
图9示出了引导件120的俯视图。如图中所示，引导件120可以包括在切口区段115下方的底部开口125。底部开口125允许金属丝180的任何灰尘或颗粒在靠近成形件之前离开引导件120。如图10所示，底部开口125可以延伸到引导件120的第二端150。
图11示出了引导件120的倾斜前视图。该视图示出了电绝缘衬里160从引导件120的第二端150延伸的实施例。当金属丝180通过出口开口155离开引导件120时，电绝缘衬里160包围金属丝180一段距离。从第二端150延伸的电绝缘衬里160不必完全包围金属丝180。例如，可以去除电绝缘衬里160的底部的一部分。例如，从电绝缘衬里160的水平直径测量，可以去除对着约10°至约180°角度的弧段。当电绝缘衬里160具有圆形横截面时，去除对着180°角的弧段导致半圆形电绝缘衬里160覆盖金属丝180的上部。
引导件可以使用包含电绝缘材料的电绝缘衬里与金属丝电绝缘，该电绝缘材料适用于在焊接期间将引导件暴露的条件。电绝缘材料可以是或者包含电绝缘陶瓷。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(例如，参见美国专利，专利号为6,344,287(Celik等人，2002)；4,540,879(Haerther等人,1985)；以及7,892,597(Hooker等人,2011))。电绝缘材料可以是或者包含氮化铝、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。
电绝缘衬里可以配置为包含在引导件中。图4A中示出了示例性实施例，其中电绝缘衬里160不延伸超过引导件120的端部。电绝缘衬里可以配置为从引导件的一端或两端延伸。图5中示出了示例性实施例，其中电绝缘衬里160延伸超过引导件120的端部。
当存在切口区段时，电绝缘衬里可以配置为包含在引导件内并且不延伸到切口区段中或延伸超过引导件的端部。图2中示出了示例性实施例，其中电绝缘衬里160包含在引导件120内。在一些实施例中，当存在切口区段时，电绝缘衬里可以配置为延伸到切口区段中或延伸超过引导件的端部或两者。图3中示出了示例性实施例，其中电绝缘衬里160延伸到切口区段115中并延伸超过引导件120的端部。
电绝缘衬里可以包含金属丝可以穿过的中心孔。中心孔通常具有容易容纳金属丝的形状。例如，当金属丝是具有圆形横截面的丝时，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的直径通常略大于金属丝的直径。这适应金属丝横截面尺寸的任何变化，例如丝直径的变化。例如，当金属丝是金属丝时，丝直径可以具有一定的直径变化，并且可以使用变化公差来确定电绝缘衬里的中心孔的尺寸。例如，可以设定电绝缘衬里的中心孔的尺寸以适应金属丝形式的金属丝的直径加上0.01mm的方差公差
根据本发明的某些实施例，金属丝的直径可以在约0.8mm至约5mm的范围内。金属丝可具有任何实际可实现的尺寸，例如1.0mm、1.6mm、2.4mm等。金属丝的进给速度和位置可以根据PAW焊炬的供电效果来控制和调节，以确保金属丝在到达基材预热区域上方的预定位置时被持续加热和熔化。
当电绝缘衬里在金属丝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降低金属丝绝缘陶瓷表面的粗糙度。表面处理有助于最小化或消除金属丝穿过电绝缘衬里时的刮擦或划痕。例如，电绝缘衬里的表面可以处理成包括表面釉，该表面釉降低造成衬里表面和电极之间吸引力的摩擦。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处理成包括类金刚石碳涂层。可以将合成含氟聚合物(例如聚四氟乙烯(PTFE))施加到电绝缘衬里的表面上以减少摩擦。表面处理可以有助于最小化由于金属丝与粗糙的绝缘陶瓷表面的相互作用而形成的小金属丝片段的形成。在图6A、图6B、图7A和图7B中的每一个中，在电绝缘衬里160面向中心孔130的表面上都示出了可选涂层165。
电绝缘衬里160可以是任何形状，只要其配置为具有接收金属丝180并允许金属丝180穿过电绝缘衬里160的中心孔130。绝缘衬里160的外部部分的形状可以具有圆形、椭圆形、卵形或诸如正方形、三角形、矩形、五边形、六边形或八边形的多边形的横截面。如图6A和图7B所示，电绝缘衬里160可具有基本上圆形的横截面，其中心孔130具有圆形横截面。图6B和7A示出了具有方形横截面的电绝缘衬里160，其中心孔130具有圆形横截面。
电接触单元包含与金属丝接触的可更换接触末端。如前所述，接触末端可以具有弯曲或半弯曲表面，其尺寸适于容纳导线。而且，接触末端的表面积可以足够大，以帮助避免由电流传递引起的过热。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。接触末端将金属丝电连接到直流电源。可以进行电连接，以便形成连接电源、PTA焊炬的电极以及金属丝(通过可更换的接触末端)的电路。当金属丝进入PTA焊炬的电弧时，包括电弧的等离子体羽流将高度集中的热流传递到金属丝的小的表面区域。PTA焊炬可以具有由钨制成的电极和由铜或铜合金制成的管嘴。然而，本发明并不依赖于PTA焊炬的任何特定选择或类型。可以使用能够用作PTA焊炬的任何已知或可想到的装置。而且，可以使用PAW焊炬而非PTA焊炬实现本发明。
在所提供的方法中，通过熔化由电弧(气体金属电弧焊接或GMAW)加热的金属丝进行焊接，特别是使用非活性气体来制造用于金属物体的固体自由成形制造的电弧(金属惰性气体焊接或MIG焊接)。在这些方法中，使用电弧使金属丝在由焊炬产生的等离子体中熔化，并且熔化的金属丝沉积在工件上以添加并形成近净形金属体。
电绝缘材料也可用于将电接触单元与PTA焊炬的电弧隔离。电绝缘材料可以定位在金属丝的引导件的出口处，使得它从出口开口延伸一定距离。从出口开口延伸的电绝缘材料的长度可以是0.1至10mm，或从约0.5至5mm，或约1mm。
在一些实施例中，电接触单元可以定位在金属丝引导件的切口区段内，并且引导件可以包括定位在引导件的出口开口处的电绝缘材料。图8中示出了示出用于接收电接触单元200的引导件120的切口区段115和延伸超过引导件120的端部的电绝缘材料160的示例性实施例。
电绝缘材料可以包括适合在等离子体电弧附近的温度下使用的任何材料。电绝缘材料可以是或者包含电绝缘陶瓷。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(例如，参见美国专利，专利号为6,344,287(Celik等人，2002)；4,540,879(Haerther等人,1985)；以及7,892,597(Hooker等人，2011))。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。
电接触单元内的接触末端包含铜或铜合金。接触末端是可商购的(例如，来自Brouwer Metaal b.v.)，并且本发明不限于任何特定类型的接触末端。接触末端可以附连至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末端与圆柱形支撑件热绝缘。任何能够承受接触末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。示例性的绝热材料是陶瓷，其也可以选择为电绝缘的，这将最小化或防止任何电流从接触末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，用于将接触末端附接到电接触单元内的圆柱形支撑件上。
电接触单元内的接触末端保持与金属丝接触，以确保到金属丝和包含电源、金属丝以及目标区域的完整电路的恒定电流。在一些实施例中，接触末端通过接触末端按压组件保持与金属丝接触。接触末端按压组件可以是电接触单元的一部分，或者可以是单独的元件。如图6A中示意性所示，接触末端按压组件210可以对接触末端支撑件220施加向下的压力，以按压接触末端215与金属丝180接触。保持接触末端215与金属丝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，可以选择弹簧以施加适当强度或大小的力，使得其强度不会太大以至于接触末端215划伤金属丝180，而是足够强以保持接触末端215和金属丝180之间的接触。依据所选择的配置，可以使用具有从约0.001至约10N/m的弹簧常数的弹簧(例如压缩弹簧)来迫使接触末端215向下抵压金属丝180。
在一些实施例中，接触末端经由丝按压组件保持与金属丝接触。如图9中示意性示出的，当金属丝180经过金属丝按压组件190时，金属丝按压组件190可以对金属丝180施加向上的压力，以将金属丝180按压成与接触末端215接触。保持金属丝180与接触末端215接触的向上压力例如可以通过使用附接到弹簧、液压装置、机械螺钉或机动活塞组件的销、杠杆或夹子(例如L形夹子)来实现。销或夹子接触金属丝并将金属丝向上推动至与接触末端接触。向上的力可以由弹簧、液压装置、机械螺钉或电动活塞组件或其组合提供。将金属丝按压成与接触末端接触的力可以选择为具有适当的强度或大小，使得其强度不会太大以至于接触末端180或丝按压组件190刮伤金属丝，例如金属丝，而是足够大以保持接触末端215和金属丝180之间的连续接触。依据所选择的配置，可以使用具有从约0.001至约10N/m的弹簧常数的弹簧(例如压缩弹簧)来迫使丝按压组件190向上朝向接触末端215。在一些实施例中，使用向下按压接触末端的接触末端按压组件和向上按压金属丝的丝按压组件的组合。或者，接触末端按压组件向上按压并且丝按压组件向下按压金属丝。在另外的替代性实施例中，接触末端组件不按压，并且导线仅通过金属丝按压组件与接触末端接触。或者，不使用金属丝按压组件，并且通过接触末端组件将接触末端按压在金属丝上。在另一个替代性实施例中，没有压力施加到金属丝或接触末端。
丝按压组件可在其表面上包括绝缘末端，该绝缘末端与金属丝接合并与金属丝接触。如图4A所示，可选的绝缘末端195显示在丝按压组件190的表面上，并且是绝缘末端195接触金属丝。绝缘末端可以由与接触末端将暴露的环境和温度兼容的任何材料制成。例如，丝按压组件上的绝缘末端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者包含氮化铝、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。
C.实施例
包括以下实施例仅用于说明目的，并不旨在限制本文提供的实施例的范围。
第一示例性实施例
图1A和IB示意性地示出了接触末端组件的第一示例性实施例。如图中所示，接触末端组件包括具有纵向中心轴线A-A'、第一端140和相对的第二端150，以及沿引导件120的纵向中心轴线延伸并从其第一端140延伸到其第二端150的线性中心孔130的引导件120。还存在中心孔130内部的电绝缘衬里160，电绝缘衬里160至少从引导件120的第一端140延伸到第二端150。电绝缘衬里160包括在第一端140处具有入口开口145并在第二端150处具有出口开口155，并且沿着纵向中心轴线A-A'穿过线性电绝缘衬里160的引导通道170。电绝缘衬里160引导穿过线性圆柱形引导通道170的金属丝180从入口开口145经过中心孔130朝向并进一步离开出口开口155。接触末端组件还包括包含与电能源电接触的接触末端215的电接触单元200，其中电接触单元200位于远离出口开口155的一定距离处。接触末端组件还包括接触元件按压组件210，用于将电接触单元200的接触末端215按压到金属丝180上。如图1B所示，引导件120的底部包括底部开口125，该底部开口125允许灰尘或丝片段在靠近成形件之前离开引导件120。在示例性实施例中，引导件120由Ti-6A1-4V合金制成，接触末端215是W/Cu复合材料，并且接触末端按压组件包括压缩弹簧。
在使用中，金属丝180是由Ti-6A1-4V合金制成的丝，其由送丝器连续供给并进入入口开口145并经由引导通道170横穿引导件120。接触末端215经由陶瓷的绝缘体连接器240连接到接触末端支撑件220，并且经由接触末端按压组件210中的压缩弹簧的力向下推抵金属丝180。金属丝经由出口开口155离开引导件120并且定位成使得其远端位于基材上的沉积区域处的预热区域上方。金属丝以远端的熔融速率加热，使得熔融电极的液滴连续地供应到基材的预热区域。在一些实施例中，熔融电极的液滴连续地供应到基材上的熔池中。
在示例性实施例中，等离子体转移电弧由PTA焊炬形成，该PTA焊炬电连接到DC电源，使得PTA焊炬的电极变为阴极并且金属丝变为阳极。等离子体转移电弧是连续的并且被引导以加热并熔化金属丝的远端。调节DC电源的效果以根据电丝的进给速度保持加热和熔融速率，使得将熔化的金属丝的液滴(在该示例中为Ti-6AL-4V合金丝)的形成定时以保持熔化的丝连续滴在基材的预热表面上，或滴在基材上的熔池中。由DC电源提供的效果和丝的进给速度由控制系统不断地监视和调节，使得基材熔池的基材的预热区域以提供的Ti-6A1-4V合金的预期沉积速率的速率供应熔化的丝。
可同时接合控制系统(例如计算机辅助制造系统)以操作和调节一个或多个致动器(未示出)的接合，所述致动器恒定地定位和移动基材和一个或多个PAW或PTA焊炬，使得由要形成的物体的CAD模型给出预期沉积点。控制系统还可以用于操作控制预热PAW或PTA焊炬的任何致动器，使得基材的预热区域或基材中的熔池是熔融金属材料将要沉积的位置。
本文描述的本发明的示例性实施例中使用的控制系统可以提供沉积设备的部分或完全自动化。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、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用于使系统中的任何一个或组合自动化的适当软件。示例性控制模块包括但不限于来自Siemens AG(慕尼黑，德国)的SIMATIC-S7-1500、可来自Bosch Rexroth AG(美因河畔洛尔，德国)的IndraMotion MTX系统。以及可从SIGMATEK GmbH&Co获得的SIGMATEKC-IPC紧凑型工业计算机系统。KG(兰普雷奇豪森，奥地利)。
第二示例性实施例
图4A和4B示意性地示出了接触末端组件的第二示例性实施例。如图中所示，接触末端组件包括具有纵向中心轴线A-A'、第一端140和相对的第二端150，以及沿引导件120的纵向中心轴线延伸并从其第一端140延伸到其第二端150的线性中心孔130的引导件120。还存在中心孔130内部的电绝缘衬里160，电绝缘衬里160至少从引导件120的第一端140延伸到第二端150。电绝缘衬里160包括在第一端140处具有入口开口145并在第二端150处具有出口开口155，并且沿着纵向中心轴线A-A'穿过线性电绝缘衬里160的引导通道170。电绝缘衬里160引导穿过线性圆柱形引导通道170的金属丝180从入口开口145经过中心孔130朝向并进一步离开出口开口155。接触末端组件还包括包含与电能源电接触的接触末端215的电接触单元200，其中电接触单元200位于远离出口开口155的一定距离处。接触末端组件还包括丝按压组件190，用于将金属丝180按压成与电接触单元200的接触末端115接触。在示例性实施例中，丝按压组件190具有陶瓷的绝缘末端195。丝按压组件190包括保持绝缘末端195与金属丝180接触的弹簧。
在使用中，金属丝180是由Ti-6A1-4V合金制成的丝，其由送丝器连续供给并进入入口开口145并经由引导通道170横穿引导件120。接触末端215通过陶瓷绝缘体连接器240连接到处于固定位置的接触末端支撑件220。金属丝180通过丝按压组件190中的压缩弹簧的力向上推抵接触末端215。金属丝经由出口开口155离开引导件120，并且在经过丝按压组件190之上之后定位成使得其远端位于基材上的沉积区域处的基材的预热区域的上方。金属丝以远端的熔融速率加热，使得熔融电极的液滴连续地供应到基材的预热区域。
等离子体转移电弧由PTA焊炬形成，该PTA焊炬电连接到DC电源，使得PTA焊炬的电极变为阴极而金属丝变为阳极。等离子体转移电弧是连续的并且被引导以加热并熔化金属丝的远端。调节DC电源的效果以根据电丝的进给速度保持加热和熔融速率，使得将熔化的金属丝的液滴(在该示例中为Ti-6AL-4V合金丝)的形成定时以保持熔化的丝连续滴在基材的预热区域上。由DC电源提供的效果和丝的供给速度由控制系统不断地监视和调节，使得基材的预热区域以提供的Ti-6A1-4V合金的预期沉积速率的速率供应熔化的丝。控制系统同时接合以操作和调节致动器(未示出)的接合，该致动器恒定地定位和移动基材，使得接收熔融金属的基材的预热区域通过要形成的对象的CAD模型位于给定的沉积点处。
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，本发明旨在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。
参考标记列表
以下是在说明书和附图说明中使用的附图标记的列表。
A-A' 纵向中心轴线
B-B' 竖直轴线
100 接触末端组件
110 远端延伸部分
111 切口第一壁
112 切口入口
113 切口出口
114 切口第二壁
115 切口区段
120 引导件
122 紧固件突起1
124 紧固件突起2
125 底部开口
127 凸出部
130 中心孔
140 第一端
145 入口开口
150 第二端
155 出口开口
160 电绝缘衬里
165 涂层
170 引导通道
180 金属丝
190 丝按压组件
195 绝缘末端
200 电接触单元
210 接触末端按压组件
215 接触末端
220 接触末端支撑件
230 电连接件
240 可选的绝缘体连接器
300 支撑元件
310 绝热材料
400 金属丝输送源
500 框架
600 PAW焊炬

Claims (25)

1.一种接触末端组件，包括：
引导件，具有纵向中心轴线、第一端和相对的第二端，以及沿着所述引导件的所述纵向中心轴线延伸并且从所述引导件的第一端延伸到所述引导件的第二端的中心孔；
电绝缘衬里，在所述中心孔的内部，并且至少从所述引导件的所述第一端延伸到所述第二端；以及
电接触单元，包含与电能源电接触的接触末端，所述电接触单元布置成使穿过所述引导件的所述第二端后的金属丝与所述接触末端接触。
2.根据权利要求1所述的接触末端组件，还包括丝按压组件，用于将所述金属丝按压成与所述电接触元件的所述接触末端接触。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的接触末端组件，还包括接触元件按压组件，用于将所述电接触元件的所述接触末端按压到所述金属丝上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的接触末端组件，还包括丝按压组件和接触元件按压组件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的接触末端组件，其中，所述电绝缘衬里包括引导通道，所述引导通道在所述第一端处具有入口开口并在所述第二端处具有出口开口，并且该引导通道沿着所述纵向中心轴线穿过所述电绝缘衬里，并且
所述电绝缘衬里引导金属丝从所述入口开口穿过线性圆柱形的引导通道而朝向所述出口开口，并进一步离开所述出口开口。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的接触末端组件，其中，所述电接触单元定位在远离所述出口开口的一距离处。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的接触末端组件，还包括在所述引导件的底部中的底部开口。
8.根据权利要求7所述的接触末端组件，其中，所述底部开口延伸到所述第二端。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的接触末端组件，其中，所述引导件由Ti或Ti合金或复合材料制成或者包括Ti或Ti合金或该复合材料，所述复合材料包含Al、Cr、Cu、Fe、Hf、Sn、Mn、Mo、Ni、Nb、Si、Ta、V、W、或Zr，或其组合。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的接触末端组件，其中，所述接触末端由导电金属或金属合金或复合物制成、或者包括导电金属或金属合金或该复合物，该复合物只包含Cu或包含Cu与W。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的接触末端组件，还包括在所述电绝缘衬里的形成所述引导通道的表面上的涂层。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的接触末端组件，还包括在所述丝按压组件的与所述金属丝接触的表面上的绝缘末端。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的接触末端组件，其中，所述电接触单元包括：
电连接件，将所述接触末端连接到电源；
绝缘体连接器，将所述接触末端连接到接触末端支撑件。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的接触末端组件，还包括切口区段，该切口区段将所述金属丝暴露于所述电接触单元的所述接触末端。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的接触末端组件，还包括：
支撑元件，所述引导件和所述电接触单元能连接到该支撑元件上以便支撑；
金属丝输送源；以及
框架，所述支撑元件能附接到该框架。
16.根据权利要求15所述的接触末端组件，其中，绝热材料存在于：
所述支撑元件和所述引导件之间；
所述支撑元件和所述电接触单元之间；以及
所述支撑元件和所述框架之间。
17.根据权利要求15所述的接触末端组件，定位成使得在所述金属丝穿过所述引导件之后，所述金属丝定位在工件的沉积点上方的等离子体转移电弧(PTA)焊炬的等离子体电弧中。
18.根据权利要求17所述的接触末端组件，其中，所述接触末端与所述PTA焊炬空间上隔离。
19.一种在通过自由实体制造法而制造金属材料的三维物体期间向金属丝提供电流的方法，包括：
通过引导件供给金属丝；
提供与所述引导件分开并远离所述引导件的接触末端；以及
在所述金属丝穿过所述引导件的端部之后，使所述金属丝与所述接触末端接触。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述金属丝为丝的形式并且包括Ti或Ti合金。
21.一种用于通过自由实体制造法来制造金属材料的三维物体的系统，包括：
引导件，用于将金属丝引导至基材上方位置；
接触末端，设置成接触穿过所述引导件的端部后的所述金属丝；
焊炬，熔化金属丝并使金属材料滴到基材上；以及
待成形物体的计算机模型，限定沉积轮廓，使得通过使所述基材上的所述金属材料的连续沉积物熔合来构造实体物体。
22.根据权利要求21所述的系统，还包括至少相对于所述焊炬移动所述基材的致动器托盘。
23.根据权利要求21至22中任一项所述的系统，还包括移动所述焊炬的致动器臂。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的系统，还包括用于在待沉积所述金属材料的区域中预热所述基材的第二焊炬。
25.根据权利要求24所述的系统，还包括移动所述第二焊炬的致动器臂。
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