CN109834408A - 用于工具增材制造的方法和系统 - Google Patents

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詹森·K·弗拉姆
W·T·马修斯
迈克尔·A·科特曼
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Abstract

披露了一种增材制造系统，所述增材制造系统包括电极头，所述电极头包括电极阵列以沉积材料来形成三维零件。所述阵列包括第一多个电极和第二多个电极，所述第一多个电极由具有第一延展性和第一硬度的第一金属材料形成，所述第二多个电极由具有第二延展性和第二硬度的第二金属材料形成，其中，所述第一延展性大于所述第二延展性，并且所述第二硬度大于所述第一硬度。电源提供电力以用于为每个电极建立焊接电弧。驱动辊系统驱动每个电极。控制器连接至所述电源以控制所述增材制造系统的操作来使用所述第一多个电极形成所述零件的内部部分、并且控制所述增材制造系统的操作来使用所述第二多个电极形成所述零件的外部部分，使得所述零件的内部部分的延展性大于所述零件的外部部分的延展性。

Description

用于工具增材制造的方法和系统
相关申请的交叉引用
在此要求于2017年11月29日提交的美国临时专利申请序列号62/592,045的权益，并且其披露内容通过援引并入本文。
技术领域
本发明的实施例涉及与焊接或类似于焊接的技术(例如，包层)相关的系统和方法、并且更具体地涉及使用多种工艺的工具增材制造。
背景技术
常规地，增材制造工艺能够以相对较低的沉积速率(例如粉末：30-100cm3/hr；焊丝：800-2000cm3/hr)来制造近净形零件，其中逐层地构建每个零件。构建时间可能会很长，并且偶尔可能产生缺陷，比如由低热量输入造成的欠熔合。基于焊丝的增材制造工艺可以比基于粉末的工艺具有更高的沉积速率；但是，基于粉末的工艺可以具有更高的分辨率，以获得更详细的特征。因此，不同的增材制造工艺具有优点和缺点，这是在制造近净形零件时应考虑的。
传统上，在多种不同制造工艺中使用治具、固定装置、模口、模具、机床、切削工具、量规、以及其他工具(在本文中被统称为工具或工装)。此类工装典型地制成非常难以执行特定功能(例如，金属冲压或锻造)并且倾向于具有高碳含量。工装通常由非常硬的材料制成，所述材料由单件精炼材料机加工而成。例如，通常经由快速冷却来形成马氏体结构(例如，马氏体)而制造硬质工具。马氏体结构通常是指非常硬的钢结晶结构形式、但也可以指通过无扩散转变而形成的任何晶体结构。总体上，马氏体是碳在铁中的硬且非常脆的固溶体，铁是硬化钢的主要成分。虽然通常需要工装的硬度来执行制造功能，但是这样的硬质工装易于开裂，因为碳含量太高。然而，典型地，工装的仅一小部分表面在使用期间经受高应力和/或温度，而工装的其余部分并不。
发明内容
本发明的实施例包括与针对工装的增材制造相关的方法、组合物、以及结构。此类工装可以用于例如经由热或冷工艺来冲压、锻造或铸造金属、或用于挤压金属或塑料。而且，工装可以例如在注射模制工艺中用于注射金属、塑料或玻璃。此外，工装可以用于例如使用玻璃纤维或碳纤维的工艺中。此类工装可能需要在热和/或冷的环境中操作并且抵抗撞击、磨损、变形、腐蚀、热冲击和侵蚀中的一种或多种。例如，因瓦(Invar)是具有低热膨胀系数的镍-铁合金。本文所描述的用于工装增材制造的工艺、组合物以及结构与传统的非增材途径不同。由于此类沉积物的硬脆性，因此，经由增材制造来制造/制作工装(其含有高水平的碳)非常困难。因此，经由增材制造工艺来制造工装不使用与传统制成的工装相同的合金含量。对于工具增材制造，可以用某种其他合金来代替碳，并且控制冷却速率以提供工装的强度和其他希望特性。
在一个实施例中，一种增材制造系统包括电极头，所述电极头包括多个电极的阵列以用于逐层地沉积材料来形成三维(3D)零件。所述多个电极的阵列包括第一多个电极和第二多个电极，所述第一多个电极由具有第一延展性和第一硬度的第一金属材料形成，所述第二多个电极由具有第二延展性和第二硬度的第二金属材料形成，其中，所述第一延展性大于所述第二延展性，并且所述第二硬度大于所述第一硬度。电源被配置用于提供电力以用于为所述多个电极的阵列中的每个电极建立焊弧。驱动辊系统被配置用于驱动所述多个电极的阵列中的每个电极。控制器操作性地连接至电源并且被配置用于控制所述增材制造系统的操作来使用所述第一多个电极形成所述零件的内部部分、并且控制所述增材制造系统的操作来使用所述第二多个电极形成所述零件的外部部分，使得所述零件的内部部分的延展性大于所述零件的外部部分的延展性，所述外部部分环绕所述零件的内部部分。在一个实施例中，所述多个电极的阵列中的所述电极是可消耗型焊丝。在一个实施例中，所述控制器被编程为用于操作所述增材制造系统以在由所述零件的计算机辅助设计(CAD)模型定义的区域处沉积所述材料。所述增材制造系统可以包括操作性地连接至所述控制器的热喷涂子系统，其中，所述控制器被配置用于控制所述热喷涂子系统的操作来向所述零件施加金属涂层。所述增材制造系统可以包括操作性地连接至所述控制器的吹送粉末激光子系统，其中，所述控制器被配置用于控制所述吹送粉末激光子系统的操作以形成所述零件的高分辨率部分，所述高分辨率部分具有比所述内部部分和所述外部部分更高的分辨率。在一个实施例中，所述控制器被配置用于控制所述增材制造系统的操作以使用所述第一多个电极和所述第二多个电极两者来形成所述零件的、在所述内部部分与所述外部部分之间延伸的过渡部分，使得所述过渡部分是由所述第一金属材料和所述第二金属材料形成的合金。在另外的实施例中，所述第一金属材料与所述第二金属材料的比例从所述内部部分经过所述过渡部分到所述外部部分减小。
在一个实施例中，所述增材制造系统包括电极头，所述电极头包括多个电极的阵列以用于逐层地沉积材料来形成三维(3D)零件。所述多个电极的阵列包括由第一金属组合物形成的第一多个电极、和由与所述第一金属组合物不同的第二金属组合物形成的第二多个电极。电源被配置用于提供电力以用于为所述多个电极的阵列中的每个电极建立焊弧。驱动辊系统被配置用于驱动所述多个电极的阵列中的每个电极。控制器操作性地连接至所述电源并且被配置用于：控制所述增材制造系统的操作以使用所述第一多个电极但不使用所述第二多个电极来形成所述零件的内部部分，控制所述增材制造系统的操作以使用所述第二多个电极但不使用所述第一多个电极来形成所述零件的外部部分，并且控制所述增材制造系统的操作以使用所述第一多个电极和所述第二多个电极两者来形成所述零件的、在所述内部部分与所述外部部分之间延伸的过渡部分，使得所述过渡部分是由所述第一金属组合物和所述第二金属组合物形成的合金。在一个实施例中，所述多个电极的阵列中的所述电极是可消耗型焊丝。在一个实施例中，所述控制器被编程为用于操作所述增材制造系统以在由所述零件的计算机辅助设计(CAD)模型定义的区域处沉积所述材料。所述增材制造系统可以包括操作性地连接至所述控制器的热喷涂子系统，其中，所述控制器被配置用于控制所述热喷涂子系统的操作来向所述零件施加金属涂层。所述增材制造系统可以包括操作性地连接至所述控制器的吹送粉末激光子系统，其中，所述控制器被配置用于控制所述吹送粉末激光子系统的操作以形成所述零件的高分辨率部分，所述高分辨率部分具有比所述内部部分和所述外部部分更高的分辨率。在一个实施例中，所述第一金属组合物与所述第二金属组合物的比例从所述内部部分经过所述过渡部分到所述外部部分减小。在另外的实施例中，所述第一金属组合物是碳钢，并且所述第二金属组合物是不锈钢。
一个实施例包括一种用于增材地制造零件以限制裂缝蔓延穿过所述零件的方法。所述方法包括提供一种增材制造系统，所述增材制造系统包括：电极头，所述电极头包括多个电极的阵列以用于逐层地沉积材料来形成所述零件，其中，所述多个电极的阵列包括第一多个电极和第二多个电极，所述第一多个电极由具有第一延展性和第一硬度的第一金属材料形成，所述第二多个电极由具有第二延展性和第二硬度的第二金属材料形成，其中，所述第一延展性大于所述第二延展性，并且所述第二硬度大于所述第一硬度；电源，所述电源被配置用于提供电力以用于为所述多个电极的阵列中的每个电极建立焊弧；驱动辊系统，所述驱动辊系统被配置用于驱动所述多个电极的阵列中的每个电极；以及操作性地连接至所述电源的控制器。所述方法进一步包括至少用所述第一多个电极和所述第二多个电极来增材地制造所述零件，包括：使用所述第一多个电极来形成所述零件的内部部分；使用所述第二多个电极来形成所述零件的外部部分，所述外部部分环绕所述零件的内部部分，其中，所述零件的内部部分的延展性大于所述零件的外部部分的延展性。在一个实施例中，所述方法包括：使用所述第一多个电极和所述第二多个电极两者来形成所述零件的、在所述内部部分与所述外部部分之间延伸的过渡部分，使得所述过渡部分是由所述第一金属材料和所述第二金属材料形成的合金。在另外的实施例中，所述第一金属材料与所述第二金属材料的比例从所述内部部分经过所述过渡部分到所述外部部分减小。在另外的实施例中，所述形成过渡部分的步骤包括：在增材制造期间调整所述第一多个电极和所述第二多个电极两者中的有效电极数目，以从所述内部部分到所述外部部分调整所述比例。在一个实施例中，所述方法包括：提供用于所述零件的内部冷却导管，其中，所述零件的内部部分是围绕内部冷却导管形成。在另外的实施例中，所述增材制造系统进一步包括热喷涂子系统，并且所述方法包括：通过所述热喷涂子系统向所述内部冷却管施加金属涂层。
根据以下对示例性实施例的详细描述、根据权利要求书并且根据附图，总体的创新性概念的许多方面将变得清楚。
附图说明
并入本说明书中并构成本说明书一部分的附图展示了本披露内容的不同实施例。应理解的是，附图中展示的元件边界(例如，框、框组、或者其他形状)表示边界的一个实施例。在一些实施例中，一个元件可以被设计成多个元件或者多个元件可以被设计成一个元件。在一些实施例中，作为另一个元件的内部部件示出的元件可以被实施为外部部件，并且反之亦然。此外，元件可以不是按比例绘制的。
图1展示了多电极增材制造子系统的实施例；
图2展示了电极头的实施例，所述电极头具有成阵列的被配置用于将材料沿行进方向沉积到工件上的多个电极；
图3展示了激光热丝(LHW)增材制造子系统的实施例；
图4展示了等离子体或热喷涂增材制造子系统的实施例；
图5展示了吹粉激光增材制造子系统的实施例；
图6展示了具有嵌入式冷却导管的机床的一部分的增材制造；
图7展示了示例性的增材制造的零件；
图8展示了增材地制造零件的示例性方法的流程图；并且
图9展示了增材制造子系统的示例性控制器的实施例。
具体实施方式
披露了多工艺增材制造系统和方法的实施例。将多种增材制造工艺和/或金属材料进行组合并用于形成近净形零件，以采用这些不同工艺提供的优点。可以用于制造近净形零件的示例性增材制造工艺包括单一系统中的粉末工艺、焊丝工艺、激光热丝工艺、以及热喷涂工艺。通过将高沉积速率且低分辨率的工艺(例如，基于焊丝的)与更低沉积速率但更高分辨率的工艺(例如，基于粉末的)进行组合，可以快速地制成大的零件，并且所述零件还包含精细的内部和外部特征，否则这些特征需要大量的二次加工。在零件的制造中使用多种金属材料可以允许所述零件的不同部分具有不同的特性(例如延展性或硬度)、并且可以允许在适当的情况下使用廉价的材料。
本文中的实例和附图仅仅是说明性的而不旨在限制本主题发明，本主题发明是通过权利要求的范围和精神来衡量。现在参照附图，示出的内容仅是出于展示本主题发明的示例性实施例的目的而不是出于限制其的目的，图1展示了示例性增材制造子系统的实施例，所述增材制造子系统总体上描绘为10、是多工艺增材制造系统的一部分。设想到了，子系统10可以典型地用于通过焊接工艺来逐层地增材制造零件，例如通过埋弧焊或电渣焊、气体保护金属电弧焊(GMAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)、以及气体保护钨极电弧焊(GTAW)。
如图1中所展示的，增材制造子系统10包括电极头20，其中，电极头20同时容纳了多个电极32(例如，可消耗型焊接电极/焊丝)的阵列30。应了解的是，所述多个电极32可以被连续地给送、周期性地给送、或基于预定顺序给送。这些电极32可以为在气体保护下使用的气体保护的、自保护的、或金属芯的、或药芯焊丝。在有芯电极的实例中，考虑到了电极鞘可以为碳钢、不锈钢或镍合金。电极头20容纳阵列30，使得电极32处于间隔开的构型以用于可控地沉积材料以形成3D零件、例如工具的层(例如，通过初始地在相关联的工件表面上沉积材料)。应了解并理解的是，电极头20可以是容纳阵列30以递送这些电极32的任何合适的电极头，并且本主题创新不受此处所展示的电极头的限制。例如，电极头20可以是针对阵列30利用多个单独接触尖端的组件或是全盘容纳并包围电极阵列30的接触组件。电极32可以由盘卷70提供。盘卷70可以包括沿共同的旋转轴线安排的多个单独的线卷，每个线卷包含单个电极(例如，焊丝)。在不偏离本主题披露的实施例的既定覆盖范围的情况下，还可以选择递送填充焊丝或增材材料的任何方式。例如，在一个实施例中，电极头20被配置用于提供单一可消耗型金属焊丝、而不是焊丝阵列。
如图1所展示的，电极头20被适配成用于接收相关联的多个给送电极32的阵列30。子系统10包括用于驱使电极32的阵列30穿过电极头20的装置。设想到了，所述用于驱动的装置包括多个驱动辊、或驱动辊系统50或者其他焊丝给送器装置。所述多个驱动辊50中的每个驱动辊可以与电极32中的一个或多个电极相关联。在一个方面，两个电极32可以与单组驱动辊50相关联，但设想到了电极数目与焊丝给送器数目之间的关系可以被配置成使得，在不背离本主题披露的意图的情况下，适合于增材制造工艺的任何数目的电极可以与单组驱动辊相关联。在另一个实施例中，每个电极可以由相应的驱动辊50驱动。在另一个实施例中，可以基于用一个或多个电极建立焊弧的预定顺序或第二预定顺序由驱动辊50驱动所述(多个)电极。换句话说，如果预定顺序在第一电极、然后第二电极以及第三电极之间建立焊接电弧，则第一驱动辊50可以驱动第一电极并且第二驱动辊50可以驱动第二电极以及第三电极。也可以通过合理的工程判断来采用驱动辊50与一个或多个电极之间的其他关系。
在一个示例性实施例中，驱动辊50可以被配置用于驱使电极32以一定速率(例如，送丝速度)穿过电极头20。在一个实施例中，电极32可以以基本相同的速率被驱动。在另一个实施例中，可以以预定的或在增材制造过程期间动态识别的相应速率来驱动每个电极32。例如，一个或多个电极32的速率(例如，送丝速度)可以除其他之外基于材料组成、焊接类型、焊接参数、工件等来预先确定。在另一个实施例中，可以尤其基于比如但不限于用户输入、反馈、电压、电流以及温度等指标在增材制造工艺期间动态地识别一个或多个电极的速率。
替代性地，在可能希望改变熔化电极所需的电流，由此改变由电极32输入到熔化层材料中的热量的情况下，驱动辊50被配置用于以更慢和/或更快的焊丝速度/焊丝给送速率来给送电极32。例如，一组驱动辊50可以被配置用于以一个送丝速度给送被安排在阵列30的外侧的电极32，而不同的一组驱动辊50可以被配置用于以与外侧电极的送丝速度相比相对更低的送丝速度给送被安排在阵列30的内侧的电极32。
应了解的是，驱动辊50可以用于基于预定速度驱动一个或多个电极。例如，每个驱动辊50可以用于驱动阵列30中的相应电极32，其中每个电极是以具体且特定的送丝速度被驱动。例如，每个电极32的送丝速度可以尤其基于但不限于焊丝类型、零件材料组成、环境(例如，空气温度、湿度等)，焊丝规格、电极类型、电压、电流、用于执行增材制造操作的焊接装置而变化。
在本主题发明的实施例的一个方面，电极32中的每个电极被配置用于连接到焊接电源40。也就是说在增材制造工艺期间，例如，可以递送焊接电力穿过阵列30中的每一个电极32。因此，增材材料是在电极头20的宽度上递送的。如上面所表明的，当焊接电缆(未示出)的一端附接至接线柱(未示出)时，可以从焊接电源40通过焊接电缆来递送电力。在远端，焊接电缆可以通过电极头连接器连接到电极头20。在单一焊接电源40的示例性情况中，单一电极头连接器可以将来自这些焊接电缆的电力共同传输至电极头20。也可以通过合理的工程判断来采用将来自焊接电缆的电力传送到电极头20的其他方式。
电源40提供电力来在相关联的多个给送电极中的每一个电极与相关联的工件或零件51之间建立焊接电弧以增材地制造工具(见图2)。具体地，一个或多个电源40可以基于预定顺序向阵列30的一个或多个电极32提供电力。例如，预定顺序可以是基于电极头20在工件或零件51上的位置。在另一个实例中，预定顺序可以是基于电极头20的运动的开始，用于开始增材制造工艺。在另一个实施例中，一个或多个电源40终止相关联的多个给送电极中的每一个电极与相关联的工件或零件51之间的焊接电弧。在这样的实施例中，所述一个或多个电源40可以按第二预定顺序来终止阵列30的一个或多个电极32的焊接电弧。例如，第二预定顺序可以是基于电极头20在工件或零件51上的位置。在另一个示例中，第二预定顺序可以是基于电极头20的运动的停止，用于结束增材制造工艺。
此外，在电极32与工件或零件51之间建立焊接电弧可以由电源40(例如，供电、不供电、终止供电等)或驱动辊50(例如，驱动电极、不驱动电极、终止驱动电极等)中的至少一者来提供。因此，阵列30中的电极32可以基于预定顺序被激活或去激活，其中，激活和/或去激活可以基于电源40和/或驱动辊50。在一个实施例中，提供对电极32受控地建立焊接电弧和/或受控地驱动电极32以用于增材制造工艺。这样，单独的电极可以被有效地“启用”或“停用”以使得能够在3D零件的层内产生成形的2D形状。
在具体实施例中，传感器60被配置用于检测以下至少一项：电极头20在工件或零件51上的位置、阵列30的至少一个电极32相对于工件或零件51的对齐、或者阵列30的至少一个电极32相对于工件或零件51的不对齐。传感器60可以在某一位置处联接或附连至电极头20，以便检测至少一个电极32相对于工件或零件51的位置。例如，传感器60以水平方式位于电极头20上，但应该了解的是，可以采用任何合适的取向。在另一个实施例中，可以使用多个传感器60。例如，可以对每个电极32使用一个传感器。在这样的示例中，各电极32的传感器60可以定向成与相应的电极32竖直成直线。以举例而非限制的方式，传感器60可以尤其是红外(IR)传感器或接近度传感器。传感器60检测至少一个电极32相对于工件或零件51的至少一部分的对齐和/或不对齐。特别是，传感器60检测对于建立焊接电弧而言电极32与工件或零件51的一部分是接触和/或不接触。在另一个示例中，传感器51可以检测是否建立了通过电源40和工件或零件51的电流和/或电压流动。应了解的是，一个或多个电极32的对齐是指允许在工件或零件51与电极32之间建立焊接电弧的接触。此外，应了解的是，一个或多个电极32的不对齐是指不允许在工件或零件51与电极32之间建立焊接电弧的非接触。
根据一个实施例，子系统10包括控制器80，所述控制器控制电源40、驱动辊50、以及电极头20。例如，控制器80控制电源40的电力的操作特性(输出电压、输出电流、输出波形等)。控制器80还控制驱动辊50的操作特性(例如，阵列30中每个电极32的给送速度以及电弧建立)。此外，控制器80控制电极头20的操作特性(例如，位置、行进速度等)。根据一个实施例，控制器80可以被集成到电源40中。根据一个实施例，表示待增材地制造的3D零件的多个层的图案并将其作为数字数据存储在控制器80内。控制器80可以被编程为用于操作所述增材制造系统以在由所述零件的计算机辅助设计(CAD)模型定义的区域处沉积材料。
参照图2，在阵列30中具有五(5)个电极32的电极头20可以沿受控的行进方向将材料沉积到基材或零件51上。根据一个实施例，可以在增材制造系统中使用平台93和机器人90以在被控制器80控制时旋转和/或平移基材或零件51。在替代性的实施例中，电极头20的运动可以类似地受控制器80控制来旋转和/或平移电极头20。
在实施例中，阵列30中的一些电极32具有与所述阵列中的其他电极不同的组成，以允许控制在层内的多个不同的位置处沉积多种材料、和/或控制在所沉积的层内的材料的混合动作。例如，一个或多个电极32可以是碳钢，并且一个或多个电极可以是不锈钢，或者根据需要为另一种金属。包括具有变化的组成的电极32的增材制造子系统10可以允许用多种材料来制造近净形零件、例如工具。电极32的组成可以按被认为适合于待执行的增材制造工艺的任何方式来分组。例如，具有给定组成的电极32可以彼此相邻地分组在一起。参照图2，电极A和B可以是一种组成，并且电极C至E可以是另一种组成。电极32的组成可以沿着电极头20交替，以便于不同金属的混合。例如，电极A、C和E可以是一种组成，并且电极B和D可以是另一种组成。在多焊丝增材制造子系统中，可以利用其他分组、并且使用具有变化的组成的额外电极。
在一个示例性实施例中，阵列30中的电极32中的一些电极(例如，第一多个电极)与其他电极(例如，第二多个电极)相比由昂贵的合金或金属制成。廉价的电极可以用于形成所制造的工具的一部分。由昂贵合金制成的电极32可以用于形成所制造的工具的其他部分。例如，昂贵合金可以用于向工具施加外涂层。在可能的情况下使用廉价电极将降低工具的总成本。控制器80操作性地连接至电源40，以控制增材制造系统的操作来使用适当的电极32形成工具的一部分。
在另一个示例性实施例中，阵列30中的电极32中的一些电极与其他电极相比由更具延展性或具有更低硬度的材料(例如，低碳钢)制成，其他电极可以由更硬且延展性更低的材料(例如，合金或高碳钢)形成以改进所制造工具的硬度。可以使用更具延展性的材料来形成工具的内部部分，并且可以应用硬质材料作为外涂层。通常需要工具的硬度来执行制造功能。然而，由于碳含量太高，这种硬质工装可能易于开裂。在较硬材料内部使用更具延展性的材料可以减少裂缝蔓延穿过工具。
可以控制形成电极32的不同材料的混合，以提供金属之间的希望过渡。从由给定材料形成的一个部分或层到由不同材料形成的另一部分或层的突然过渡可能导致特性(例如，热膨胀系数)的陡峭的陡梯。为了减少缺陷的发生，可以通过沉积包含两种材料并允许它们混合的层来实现这两种材料之间的缓慢过渡。可以通过相应地启用/停用电极32来逐渐调整一种材料与另一种材料的比例，直到仅施加后续材料来形成工具。例如，高碳钢基质可以缓慢地过渡到不锈钢外涂层。这可以通过启用越来越多的不锈钢电极并且停用越来越多的高碳钢电极来完成，因此工具的截面(例如，从基质到涂层)从高碳钢过渡为不锈钢。从高碳钢到不锈钢的缓慢过渡可以帮助减少所制造的工具中由于热膨胀导致的应力。图7示意性示出了由电极阵列提供的不同金属形成的增材制造的零件600的示例性截面。零件600的外部部分610由与内部部分620不同的金属组合物形成。在某个实施例中，外部部分610可以被认为是涂层、并且可以具有比内部部分620薄得多的截面。零件600还包括在内部部分620与外部部分610之间延伸的过渡部分630。过渡部分630可以通过将来自阵列中不同电极的金属材料共混形成合金(例如，由第一和第二金属材料形成)来形成。过渡部分630可以在整个截面上具有恒定的组成、或者提供从一种材料到另一种材料的缓慢过渡。例如，形成内部部分620的第一金属材料与形成外部部分610的第二金属材料的比例可以从内部部分经过过渡部分630到外部部分减小。
在上文所描述的增材制造子系统10中可以使用由不同材料形成的任意数目的不同电极32，并且所述子系统不必局限于由两种不同材料形成的电极32、而是可以包括多于两种不同类型的电极。
图3展示了用于执行增材制造的组合式填充焊丝给送器与能量源子系统100的示例性实施例的功能性示意性框图。在一个实施例中，图3展示了激光热丝(LHW)增材制造子系统的实施例。激光热丝增材制造子系统可以与上文所描述的多焊丝子系统结合使用，以制造例如工具。子系统100包括能够使激光束110聚焦到工件或零件115上从而对工件或零件115加热的激光子系统。所述激光器子系统是高强度能量源。所述激光子系统可以是任何类型的高能激光源，包括但不限于二氧化碳、Nd:YAG、Yb-盘、YB-光纤、光纤递送激光系统、或直接二极管激光系统。所述系统的其他实施例可以包括以下至少一种作为高强度能量源：电子束、等离子体电弧焊子系统、气体保护钨极电弧焊子系统、气体保护金属电弧焊子系统、药芯焊丝电弧焊子系统、或埋弧焊子系统。根据另一个实施例，系统100的一部分元件可以被配置为吹送粉末系统。
以下将反复提到激光系统、束、和电源。然而，应当了解的是，这种提及是示例性的，因为可以使用任何高强度能量源。例如，高强度能量源可以提供至少500W/cm2。所述激光子系统包括彼此操作性地连接的激光装置120和激光器电源130。激光器电源130提供用于操作激光装置120的电力。
增材制造子系统100还包括热填充焊丝给送器子系统，所述热填充焊丝给送器子系统能够提供至少一个电阻性填充焊丝140来在激光束110附近与工件或零件115相接触。当然，应当了解的是，通过在此提及工件或零件115，熔融熔池被认为是工件或零件115的一部分，因此提及与工件或零件115接触包括与熔池的接触。所述焊丝给送器子系统包括填充焊丝给送器150、导电管160、和电源170。在操作过程中，填充焊丝140被来自操作性地连接在导电管160与工件或零件115之间的电源170的电流进行电阻加热。根据一个实施例，电源170是脉冲直流(DC)电源，但是交流(AC)或其他类型的电源也是可能的。焊丝140从填充焊丝给送器150穿过导电管160朝向工件或零件115给送并且延伸到管160之外。焊丝140的延伸部被电阻加热，使得所述延伸部在接触到工件或零件上的熔池之前接近或达到熔点。激光束110用于使工件或零件115的基础金属中的一些基础金属熔化从而形成熔池并且还可以用于使焊丝140熔化到工件或零件115上。电源170提供将填充焊丝140进行电阻熔化所需的能量。在一些实施例中，电源170提供所需的所有能量，而在其他实施例中，激光或其他高能量热源可以提供所述能量中的一些能量。根据本发明的某些其他实施例，给送器子系统可能能够同时提供一个或多个焊丝。
系统100进一步包括运动控制子系统，所述运动控制子系统能够使激光束110(能量源)和电阻性填充焊丝140沿着工件或零件115朝同一方向125移动(至少在相对意义上)，使得激光束110和电阻性填充焊丝140保持彼此固定的关系。根据多个不同实施例，工件或零件115与激光/焊丝组合之间的相对运动可以通过实际地移动工件或零件115或通过移动激光装置120和焊丝给送器子系统来实现。在图3中，运动控制子系统包括运动控制器180，所述运动控制器操作性地连接到具有平台193(例如，可旋转平台和/或可平移平台)的机器人190。运动控制器180控制机器人190的运动。机器人190经由平台193操作性地连接(例如，机械地固定)到工件或零件115上以使工件或零件115在方向125上移动，使得激光束110和焊丝140沿着工件115有效地行进。根据本发明的替代性实施例，激光装置110和导电管160可以被整合到单一头部中。所述头部可以经由操作性地连接到所述头部上的运动控制子系统来沿着工件或零件115移动。
通常，在若干种方法中，可以使高强度能量源/焊丝相对于工件或零件移动。如果工件或零件是例如圆的，则高强度能量源/焊丝可以是静止的并且工件或零件可以在所述高强度能量源/焊丝下方旋转。替代性地，机器人臂或线性牵引机可以平行于圆形工件或零件移动，当工件或零件旋转时，高强度能量源/焊丝可以连续地移动或者每个循环转位一次以便例如覆盖圆形工件或零件的表面。如果工件或零件是平的或至少不是圆的，则工件或零件可以如图3中所示的在高强度能量源/焊丝下方移动。然而，机器人臂或线性牵引机或甚至安装在梁上的支架可以用于使高强度能量源/焊丝头相对于工件或零件移动。根据多个不同实施例，驱动平台193的机器人190可以被电动地、气动地或液压地驱动。
增材制造子系统100进一步包括感测与电流控制子系统195，所述感测与电流控制子系统操作性地连接至工件或零件115和导电管160(即，有效地连接至电源170的输出端)并且能够测量工件或零件115与焊丝140之间的电势差(即，电压V)和通过它们的电流(I)。感测与电流控制子系统195可以进一步能够根据测得的电压和电流来计算电阻值(R＝V/I)和/或功率值(P＝V*I)。通常，当焊丝140与工件或零件115接触时，焊丝140与工件或零件115之间的电势差为零伏特或者非常接近零伏特。其结果是，感测与电流控制子系统195能够在电阻性填充焊丝140与工件或零件115接触并且操作性地连接至电源170时进行感测，从而进一步能够响应于所述感测而控制通过电阻性填充焊丝140的电流流动。根据另一个实施例，感测与电流控制器195可以是电源170的一体部分。
根据一个实施例，运动控制器180可以进一步操作性地连接到激光器电源130和/或感测与电流控制器195。以此方式，运动控制器180和激光器电源130可以彼此通信，使得激光器电源130知道工件或零件115什么时候正在运动，并且使得运动控制器180知道激光装置120是否是启用的。类似地，以此方式，运动控制器180以及感测与电流控制器195可以彼此通信，使得感测与电流控制器195知道工件或零件115什么时候正在运动，并且使得运动控制器180知道填充焊丝给送器子系统是否是启用的。这样的通信可以用于协调增材制造系统100的不同子系统之间的活动。
图4展示了用于执行增材制造的等离子体或热喷涂子系统300的示例性实施例的示意性框图。等离子体或热喷涂子系统300可以与上文所描述的多焊丝子系统或激光热丝子系统结合使用，以制造例如工具。等离子体或热喷涂子系统300包括等离子体炬310，所述等离子体炬产生等离子体射流320以熔化原料(例如，金属粉末330)并将其沉积来涂覆基材。在制造机床时，可以使用热喷涂工艺来将工具涂覆成具有例如硬化表面。等离子体或热喷涂子系统300进一步包括对等离子体炬310供电的电源340、以及用于控制等离子体或热喷涂子系统的操作的控制器350。等离子体或热喷涂子系统300可以进一步包括与上文关于激光热丝增材制造子系统所讨论的运动控制子系统相似的运动控制子系统。例如，等离子体或热喷涂子系统300可以使用机器人365和相关联的运动控制器370来控制基材360与等离子体炬310之间的相对运动。机器人365被示意性地示为附接至基材360上以将所述基材相对于等离子体炬310移动。然而，机器人365可以连接至等离子体炬310上以将所述炬相对于基材360移动。等离子体或热喷涂增材制造装置是本领域已知的并且不必详细描述。
图5展示了使用激光束与共轴粉末流来执行增材制造的吹送粉末激光子系统400的示例性实施例的示意性框图。吹送粉末激光子系统400可以与上文所描述的多焊丝子系统、激光热丝子系统、和/或等离子体或热喷涂子系统结合使用，以制造例如工具。吹送粉末激光子系统400包括激光装置410，所述激光装置将激光束420与粉末状金属430的供应共轴地朝向基材460引导，以烧结金属材料并且涂覆所述基材。吹送粉末激光子系统400可以用于涂覆所制造的工具(例如，具有硬质外表面)、或逐层地构建工具。吹送粉末激光子系统400进一步包括连接至激光装置410的激光器电源440、以及用于控制所述吹送粉末激光子系统的操作的控制器450。吹送粉末激光子系统400可以进一步包括类似于上文关于激光热丝增材制造子系统所讨论的运动控制子系统。例如，吹送粉末激光子系统400可以使用机器人465和相关联的运动控制器470来控制基材460与激光装置410之间的相对运动。机器人465被示意性地示为附接至基材460上以将所述基材相对于激光装置410移动。然而，机器人465可以连接至激光装置410上以将所述激光装置相对于基材410移动。吹送粉末激光增材制造装置是本领域已知的并且不必详细描述。
上文已经描述了用于制造工具的多种不同的示例性增材制造工艺(焊丝工艺、热喷涂工艺、粉末工艺)。这些工艺具有优点和缺点、但是可以在制造工艺期间一起用于单一系统中来将它们所提供的优点最大化。例如，图1的多焊丝系统的电极头20可以被提供为机器人的可互换臂端工具(EOAT)的一部分。类似地，上文所描述的激光装置和等离子体炬可以被提供为机器人的EOAT。在机床的增材制造期间，机器人可以利用多个不同的增材制造EOAT来形成机床的不同部分。可以使用较高速度、较低分辨率的工艺(比如，图1中所描绘的多焊丝工艺、或图3中所描绘的激光热丝工艺)来快速地构建工具的一些部分。具有精细细节的其他部分可以受益于较低速度、较高分辨率的工艺，比如图5中所描绘的吹送粉末工艺。还有其他部分、比如机床的外表面可以受益于热喷涂(图4)。在多工艺系统中，机器人被编程为使用适当的增材制造EOAT来形成机床的不同部分，以改进制造速度和/或减小机床的总成本。在单一系统中使用多种工艺(例如，使用单一机器人和多个增材制造EOAT)可以使得能够生产包含各种各样长度尺度的机床。通过将较高沉积速率和较低分辨率的工艺与较低沉积速率但较高分辨率的工艺进行组合，可以快速地制成却还包含精细的内部和外部特征的大的工具，否则这些特征需要大量的二次加工(例如，机加工)。
这样的多工艺系统还使得能够在结构中使用多种不同的材料，否则所述结构不一定是可能的或者容易生产的。一些材料仅以粉末或丝的形式可商购。因此，多工艺系统可以允许将此类材料包含在通用工具中。其他材料可以受益于用优于另一种工艺的一种工艺来沉积。例如，使用含有碳化物的药芯焊丝的激光热丝将与基于电弧的工艺不同地沉积。因此，可以基于希望材料的沉积特性来针对其选择适当的增材制造工艺。
图6示意性地示出了可以如何增材地制造机床的一部分以包含内部冷却导管500。在使用时可能有必要从工装中去除热量。增材制造可以允许产生复杂形状的机床、并且允许在工装中嵌入多种不同形状的冷却导管。例如，冷却导管可以具有可能难以或不可能嵌入常规制造的工装中的形状，并且冷却导管可以精确地定位在工具中以最大化从潜在的局部热点移除热量。冷却导管500可以放到作为待制造的机床的一部分的基材510上。基材510本身可以使用例如上文所描述的子系统之一来增材地制造。替代性地，基材510可以由库存原料使用常规的机加工工艺形成。可以使用上文所描述的增材制造子系统中的任意子系统来围绕冷却导管500构建层520、530以形成工具。例如，可以初始地使用热喷涂或吹送粉末激光子系统来涂覆冷却导管500，并且可以使用多电极或激光热丝子系统来围绕所涂覆的冷却导管构建层520、530。当希望高沉积速率时，可以使用多电极子系统。然而，当比如靠近工具的边缘或在冷却导管500的周围希望高分辨率、精确沉积时，可以使用不同的子系统(例如，激光热丝或吹送粉末)。高分辨率工艺可以产生精细的内部和外部特征，否则这些特征需要进行大量的二次加工。在某些实施例中，工具的内部部分可以由延展性或廉价的材料形成，并且工具的外表面可以由更硬和/或更昂贵的材料形成。如果希望，可以通过在增材制造期间将金属混合来实现从内部材料到外部材料的缓慢过渡，以逐渐调整其比例(例如，以减小工具中由于其成分金属的热膨胀而导致的应力)。应了解的是，可以使用常规的机加工工艺来形成层510、520、530以包含用于冷却导管500的开口。在将冷却导管500安装在层510、520、530中之后，可以使用焊接工艺将所述层附接在一起，并且接着使用例如等离子体或热喷涂来对工具进行涂覆。
图8展示了用于增材地制造零件(例如，以限制裂缝蔓延穿过所述零件)的方法的示例性实施例的流程图。在710处，提供增材制造系统。所述增材制造系统可以包括电极头，所述电极头包括多个电极的阵列以用于逐层地沉积材料来形成零件，其中，所述多个电极的阵列包括第一多个电极和第二多个电极，所述第一多个电极由具有第一延展性和第一硬度的第一金属材料形成，所述第二多个电极由具有第二延展性和第二硬度的第二金属材料形成，其中，所述第一延展性大于所述第二延展性，并且所述第二硬度大于所述第一硬度。所述增材制造系统可以进一步包括电源，所述电源被配置用于提供电力以用于为所述多个电极的阵列中的每个电极建立焊弧；驱动辊系统，所述驱动辊系统被配置用于驱动所述多个电极的阵列中的每个电极；以及操作性地连接至所述电源的控制器。所述方法进一步包括至少用所述第一多个电极和所述第二多个电极来增材地制造所述零件。增材地制造零件可以包括使用所述第一多个电极来形成零件的内部部分720。可以提供用于所述零件的内部冷却导管，并且可以经由增材制造技术来围绕所述内部冷却导管形成内部部分。所述方法可以进一步包括使用所述第一多个电极和所述第二多个电极两者来形成零件的、在所述内部部分与所述外部部分之间延伸的过渡部分730，使得所述过渡部分是由所述第一金属材料和所述第二金属材料形成的合金。所述第一金属材料与所述第二金属材料的比例可以从所述内部部分经过所述过渡部分到所述外部部分减小。所述形成过渡部分的步骤730可以包括：在增材制造期间调整所述第一多个电极和所述第二多个电极两者中的有效电极数目，以从所述内部部分到所述外部部分调整第一金属材料与第二金属材料的比例。所述方法可以进一步包括：使用所述多个第二多个电极来形成零件的外部部分740，所述外部部分环绕所述零件的内部部分。所述零件的内部部分的延展性可以大于所述零件的外部部分的延展性以限制裂缝蔓延穿过所述零件。
图9展示了增材制造子系统的示例性控制器80的实施例。控制器80包括至少一个处理器814，所述至少一个处理器经由总线子系统812与多个外围设备通信。这些外围装置可以包括存储子系统824(包括例如存储器子系统828和文件存储子系统826)、用户接口输入装置822、用户接口输出装置820以及网络接口子系统816。这些输入装置和输出装置允许与控制器80进行用户交互。网络接口子系统816提供到外网的接口并且联接到其他计算机系统中的对应接口装置上。例如，系统100的运动控制器180可以与控制器80共享一个或多个特征，并且可以是例如常规计算机、数字信号处理器和/或其他计算装置。
用户接口输入装置822可以包括键盘、定点装置(诸如鼠标、追踪球、触摸板、或图形输入板)、扫描仪、并入显示器中的触摸屏、音频输入装置(诸如声音识别系统、麦克风和/或其他类型的输入装置)。总体上，使用术语“输入装置”旨在包括将信息输入到控制器80中或到通信网络上的所有可能类型的装置和方式。
用户接口输出装置820可以包括显示子系统、打印机、传真机、或非视觉显示器(例如，音频输出装置)。显示子系统可以包括阴极射线管(CRT)、平板装置(例如，液晶显示器(LCD))、投影装置，或者用于创建可见图像的某种其他机构。显示子系统还可以例如经由音频输出装置来提供非视觉显示。总体上，使用的术语“输出装置”旨在包括将来自控制器80的信息输出到用户或到另一个机器或计算机系统的所有可能类型的装置和方式。
存储子系统824存储了提供在此所描述的一些或所有模块的功能的编程和数据构造。例如，存储子系统824可以包括待增材制造的零件、比如工具的CAD模型和用于识别焊接位置的变化并调整焊接装置以适应所识别到的变化的逻辑。
这些软件模块一般是由处理器814单独地或与其他处理器组合地执行的。存储子系统中使用的存储器828可以包括多个存储器，包括：在程序执行过程中用于存储指令和数据的主随机存取存储器(RAM)830和存储有固定指令的只读存储器(ROM)832。文件存储子系统826可以对程序和数据文件提供永久存储并且可以包括硬盘驱动器、与相关联的可去除介质一起的软盘驱动器、CD-ROM驱动器、光盘驱动器，或者可去除介质盒。实现某些实施例的功能的这些模块可以通过文件存储子系统826存储在存储子系统824中、或者存储在一个或多个处理器814可访问的其他机器中。
总线子系统812提供了让控制器80的这些不同部件和子系统按预期彼此通信的机构。虽然总线子系统812被示意性地示为单一总线，但是所述总线子系统的替代性实施例可以使用多条总线。
控制器80可以为各种不同的类型，包括工作站、服务器、计算集群、刀片式服务器、服务器群、或任何其他数据处理系统或计算装置。由于计算装置和网络的性质不断变化，对图9所描绘的控制器80的描述仅旨在作为具体实例用于说明一些实施例。控制器80的具有比图9所描述的控制器更多或更少部件的许多其他构型是可能的。
虽然已经相当详细地展示和描述了所披露实施例，但是意图并不是约束或以任何方式将所附权利要求的范围限制于这种细节。当然，出于描述主题的各个方面的目的，不可能描述部件或方法的每种可想到组合。因此，本披露不限于所示出和描述的具体细节或展示性实例。因此，本披露旨在包含落入所附权利要求的范围内的、满足35U.S.C.§101的法定主题要求的变更、修改和变化。以上对特定实施例的描述是通过实例的方式给出的。根据所给出的披露内容，本领域技术人员将不仅理解总体创新性概念和伴随的优点，而且还将发现对所披露的结构和方法的各种明显的改变和修改。因此，所寻求的是涵盖落入如由所附权利要求及其等同物所限定的总体创新性概念的精神和范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (20)

1.一种增材制造系统，包括：
电极头，所述电极头包括多个电极的阵列以用于逐层地沉积材料来形成三维(3D)零件，其中，所述多个电极的阵列包括第一多个电极和第二多个电极，所述第一多个电极由具有第一延展性和第一硬度的第一金属材料形成，所述第二多个电极由具有第二延展性和第二硬度的第二金属材料形成，其中，所述第一延展性大于所述第二延展性，并且所述第二硬度大于所述第一硬度；
电源，所述电源被配置用于提供电力来加热所述多个电极的阵列中的每个电极；
驱动辊系统，所述驱动辊系统被配置用于驱动所述多个电极的阵列中的每个电极；以及
控制器，所述控制器操作性地连接至所述电源并且被配置用于：
控制所述增材制造系统的操作以使用所述第一多个电极来形成所述零件的内部部分，并且
控制所述增材制造系统的操作以使用所述第二多个电极来形成所述零件的外部部分，使得所述零件的内部部分的延展性大于所述零件的外部部分的延展性，所述外部部分环绕所述零件的内部部分。
2.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述多电极阵列的电极是可消耗型焊丝。
3.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述控制器被编程为用于操作所述增材制造系统以在由所述零件的计算机辅助设计(CAD)模型定义的区域处沉积所述材料。
4.如权利要求1所述的增材制造系统，进一步包括操作性地连接至所述控制器的热喷涂子系统，其中，所述控制器被配置用于控制所述热喷涂子系统的操作来向所述零件施加金属涂层。
5.如权利要求1所述的增材制造系统，进一步包括操作性地连接至所述控制器的吹粉激光子系统，其中，所述控制器被配置用于控制所述吹粉激光子系统的操作以形成所述零件的高分辨率部分，所述高分辨率部分具有比所述内部部分和所述外部部分更高的分辨率。
6.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述控制器被配置用于控制所述增材制造系统的操作以使用所述第一多个电极和所述第二多个电极两者来形成所述零件的、在所述内部部分与所述外部部分之间延伸的过渡部分，使得所述过渡部分是由所述第一金属材料和所述第二金属材料形成的合金。
7.如权利要求6所述的增材制造系统，其中，所述第一金属材料与所述第二金属材料的比例从所述内部部分经过所述过渡部分到所述外部部分减小。
8.一种增材制造系统，包括：
电极头，所述电极头包括多个电极的阵列以用于逐层地沉积材料来形成三维(3D)零件，其中，所述多个电极的阵列包括由第一金属组合物形成的第一多个电极、和由与所述第一金属组合物不同的第二金属组合物形成的第二多个电极；
电源，所述电源被配置用于提供电力来加热所述多个电极的阵列中的每个电极；
驱动辊系统，所述驱动辊系统被配置用于驱动所述多个电极的阵列中的每个电极；以及
控制器，所述控制器操作性地连接至所述电源并且被配置用于：
控制所述增材制造系统的操作以使用所述第一多个电极但不使用所述第二多个电极来形成所述零件的内部部分，
控制所述增材制造系统的操作以使用所述第二多个电极但不使用所述第一多个电极来形成所述零件的外部部分，并且
控制所述增材制造系统的操作以使用所述第一多个电极和所述第二多个电极两者来形成所述零件的、在所述内部部分与所述外部部分之间延伸的过渡部分，使得所述过渡部分是由所述第一金属组合物和所述第二金属组合物形成的合金。
9.如权利要求8所述的增材制造系统，其中，所述多电极阵列的电极是可消耗型焊丝。
10.如权利要求8所述的增材制造系统，其中，所述控制器被编程为用于操作所述增材制造系统以在由所述零件的计算机辅助设计(CAD)模型定义的区域处沉积所述材料。
11.如权利要求8所述的增材制造系统，进一步包括操作性地连接至所述控制器的热喷涂子系统，其中，所述控制器被配置用于控制所述热喷涂子系统的操作来向所述零件施加金属涂层。
12.如权利要求8所述的增材制造系统，进一步包括操作性地连接至所述控制器的吹粉激光子系统，其中，所述控制器被配置用于控制所述吹粉激光子系统的操作以形成所述零件的高分辨率部分，所述高分辨率部分具有比所述内部部分和所述外部部分更高的分辨率。
13.如权利要求8所述的增材制造系统，其中，所述第一金属组合物与所述第二金属组合物的比例从所述内部部分经过所述过渡部分到所述外部部分减小。
14.如权利要求13所述的增材制造系统，其中，所述第一金属组合物是碳钢，并且所述第二金属组合物是不锈钢。
15.一种用于增材地制造零件以限制裂缝蔓延穿过所述零件的方法，包括以下步骤：
提供增材制造系统，所述增材制造系统包括：
电极头，所述电极头包括多个电极的阵列以用于逐层地沉积材料来形成所述零件，其中，所述多个电极的阵列包括第一多个电极和第二多个电极，所述第一多个电极由具有第一延展性和第一硬度的第一金属材料形成，所述第二多个电极由具有第二延展性和第二硬度的第二金属材料形成，其中，所述第一延展性大于所述第二延展性，并且所述第二硬度大于所述第一硬度；
电源，所述电源被配置用于提供电力以用于为所述多个电极的阵列中的每个电极建立电弧；
驱动辊系统，所述驱动辊系统被配置用于驱动所述多个电极的阵列中的每个电极；以及
操作性地连接至所述电源的控制器；
至少用所述第一多个电极和所述第二多个电极来增材地制造所述零件，包括：
使用所述第一多个电极来形成所述零件的内部部分；并且
使用所述第二多个电极来形成所述零件的外部部分，所述外部部分环绕所述零件的内部部分，其中，所述零件的内部部分的延展性大于所述零件的外部部分的延展性。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：使用所述第一多个电极和所述第二多个电极两者来形成所述零件的、在所述内部部分与所述外部部分之间延伸的过渡部分，使得所述过渡部分是由所述第一金属材料和所述第二金属材料形成的合金。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一金属材料与所述第二金属材料的比例从所述内部部分经过所述过渡部分到所述外部部分减小。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述形成过渡部分的步骤包括：在增材制造期间调整所述第一多个电极和所述第二多个电极两者中的有效电极数目，以从所述内部部分到所述外部部分调整所述比例。
19.如权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：提供用于所述零件的内部冷却导管，其中，所述零件的内部部分围绕所述内部冷却导管形成。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述增材制造系统进一步包括热喷涂子系统，所述方法进一步包括以下步骤：通过所述热喷涂子系统向所述内部冷却导管施加金属涂层。
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