CN109963685B - 用于将材料添加到铸件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括控制器、预处理机器和增材制造机器。预处理机器耦合到控制器。预处理机器包括预处理器，该预处理器配置成在部件上形成界面层。增材制造机器耦合到控制器。增材制造机器包括材料进给和成形梁。材料进给配置成在界面层上选择性地提供第一量的材料。成形梁构造成基本上熔化第一数的材料，从而在界面层上形成第一材料沉积的第一层。

Description

用于将材料添加到铸件的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年11月16日提交的题为“用于添加材料到铸件的系统和方法”的美国临时专利申请No.62/422,976的优先权，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及内燃机及其部件的制造系统和方法(processes)的领域。
背景技术
人们有很多对系统的各种部件(例如内燃机的部件)进行结构修理或改进的情况。例如，对于内燃机的部件，汽缸盖可能开裂并需要修理，或者对于目标应用发动机可以再制造以改进发动机。对于铸铁部件，可以通过电弧焊进行这种结构修理或改进。然而，电弧焊需要相对大量的预热，因此需要相对大量的能量。此外，电弧焊难以自动化，而是依赖于熟练的操作员，并且电弧焊不能提供为目标应用定制添加材料的质量的能力。
发明内容
在第一组实施方案中，系统包括控制器，预处理机器和增材制造机器。预处理机器耦合到控制器。预处理机器包括预处理器，该预处理器配置成在部件上形成界面层。增材制造机器耦合到控制器。增材制造机器包括材料进给和成形梁。材料进给配置成在界面层上选择性地提供第一量的材料。成形梁构造成基本上熔化第一量的材料，从而在界面层上形成第一材料沉积的第一层。
在第二组实施例中，一种用于在部件上沉积材料的方法包括：分析部件以确定部件的所需变化；在部件的目标区域形成挖掘(excavation)；在部件上施加界面层；在界面层上形成第一材料沉积物的第一层。
在第三组实施方案中，系统包括控制器、挖掘机器、预处理机器和增材制造机器。挖掘机器耦合到控制器。挖掘机器包括挖掘机，该挖掘机配置成选择性地从部件去除材料，从而形成挖掘。预处理机器耦合到控制器。预处理机器包括预处理器，该预处理器配置成选择性地在挖掘上形成界面层。增材制造机器耦合到控制器。增材制造机器被配置为在界面层上选择性地形成第一量的材料的第一沉积物。
附图说明
在以下附图和描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。根据说明书、附图和权利要求，本公开的其他特征、方面和优点将变得显而易见。
图1是根据实施例的用于在部件上形成材料沉积物的系统的示例的框图。
图2是根据实施例的在示例性方法中正在添加到部件的材料的横截面图。
图3是根据实施例的在示例性方法中已经添加到部件的材料的横截面图。
图4是根据实施例的在示例性方法中在部件上已形成的材料沉积物的俯视透视图。
图5是根据实施例的在示例性方法中在部件上已形成的两种材料沉积物的俯视透视图。
图6是根据实施例的在示例性方法中在部件上已形成的三种材料沉积物的俯视透视图。
图7是根据实施例的在示例性方法中在部件上已形成的材料沉积物的俯视透视图。
图8是根据实施例的在示例性方法中在部件上已形成的材料沉积物的详细俯视透视图。
图9是根据实施例的部件中的挖掘的顶部透视图。
图10是根据实施例的部件中的挖掘的俯视透视图。
图11是根据实施例的部件中的挖掘的俯视透视图。
图12是根据实施例的用于在部件上形成材料沉积物的方法的框图。
应当认识到，这些附图是用于说明目的的表示。提供附图的目的是为了说明且明确理解一个或多个实施方式，它们将不用于限制权利要求的范围或意义。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考了形成本发明的一部分的附图。在附图中，除非另有说明，否则相似的符号标识相似的部件。在具体实施方式、附图和权利要求中描述的说明性实施例并不意味着是限制性的。在不脱离这里呈现的主题的精神或范围的情况下，可以使用其他实施例，并且可以进行其他改变。容易理解的是，如本文中一般性描述并在附图中示出的本公开的方面可以以本公开创造部分的宽范围内各种不同的配置来布置、替换、组合和设计。
一般地参考附图，本公开的系统和技术涉及在部件上形成材料沉积物。在一些实施例中，系统和技术涉及在铸铁部件上形成材料沉积物，但是本公开不限于此。在一些实施例中，部件(例如，铸铁部件)可以是内燃机的部件(例如，柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机、丙烷发动机、增压发动机、非增压发动机或任何其他内燃机)。预处理包括在部件上形成界面层，以及使用添加制造(AM)机器在界面层上选择性地形成材料沉积物。界面层将部件与材料沉积物热隔离，使得保护材料沉积物和部件的结构完整性。以这种方式，与例如电弧焊相比，界面层有助于相对高速地形成材料沉积物。
界面层的优点在于界面层比部件更具延展性，因此界面层有助于减轻材料沉积物冷却时发生的材料沉积物中的热应力。没有界面层，在材料沉积物和铸铁部件之间将不存在热隔离。铸铁部件可以相对快速地散热，因此，在没有界面层的情况下，材料沉积物将过快地冷却，这可能导致材料沉积物的热影响区(HAZ)中的不期望的开裂。
另外，材料沉积物在形成时可能导致界面层至少部分熔化，从而增加界面层和部件之间的粘合强度。
材料沉积物分层形成；因此，另一个优点是每个材料沉积物的每个层可以由不同的材料形成或者可以形成为具有不同的特性。
本公开的系统和技术有助于减少再制造时间和原型制作时间，从而降低成本。此外，本公开的系统和技术有助于部件的复原或改进，而无需重新制造或对整个部件重新加工，这可能是时间和成本过高的。例如，本公开的系统和技术有助于改进部件的几何形状和/或性质，而无需对期望改进的新铸件进行改进的模制、重铸或再加工。
图1示出了用于在部件上添加材料沉积物的系统100。系统100包括控制器102、AM机器104、挖掘机器106和预处理机器107。
术语“控制器”包括用于处理数据的各种装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机、片上系统，或多个系统、编程处理器的一部分，或前述的组合。该装置可以包括专用逻辑电路，例如FPGA或ASIC。除了硬件之外，该装置还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时环境、虚拟机或它们中的一个或多个的组合的代码。装置和执行环境可以实现各种不同的计算模型基础结构，例如分布式计算和网格计算基础结构。
控制器102包括处理电路108，处理电路108包括处理器110、存储器112、部件分析模块114、成形模块116和输入/输出模块118。AM机器104包括成形梁120、材料进给122和传感器124。挖掘机器106包括挖掘机126和传感器128。预处理机器107包括预处理器130和传感器132。
虽然未示出，但应理解，AM机器104、挖掘机器106和预处理机器107中的任何一个可包括处理电路、处理器、存储器以及分别用于本地和/或共同控制AM机器104、挖掘机器106或预处理机器107或用于以其他方式对系统100作出贡献的任何所需模块。
这里的术语模块指的是用于执行所描述的功能的电路。电路可包括模拟电路部件、数字电路部件、或模拟和数字电路部件的组合。此外，电路可以包括实现来自非瞬态介质(例如，来自存储器)的指令以执行所描述的功能的部件，其中指令可以被硬编码为物理结构或软编码(例如，存储在存储器中的软件指令以特定方式配置电路)。模块可以分布跨越各种硬件或基于计算机的部件上。模块实现部件的非限制性示例包括提供本文中确定的任何值的传感器、提供本文确定的值的前兆任何值的传感器、包括通信芯片、振荡晶体、通信链路、电缆、双绞线、屏蔽器、变送器、接收器和/或收发器、逻辑电路、硬线逻辑电路、根据模块规范配置的处于特定非暂态状态的可重新配置逻辑电路的数据链路和/或网络硬件、至少一个电气、液压或气动执行机构的任何致动器、螺线管、运算放大器、模拟控制元件(弹簧、滤波器、积分器、加法器、分频器、增益元件)和/或数字控制元件。
这里包括模块的描述强调了控制器102的各方面的结构独立性，并且示出了控制器102的一组操作和职责。执行类似的整体操作的其他组被理解为在本公开的范围内。
在一些实现中，控制器102形成处理子系统的一部分，该处理子系统包括具有存储器、处理器和通信硬件的一个或多个计算设备。在某些实施方式中，控制器102被配置为执行某些操作，例如本文中关于图2–12所描述的那些操作。控制器102可以是单个设备或分布式设备。控制器102被配置为与AM机器104、挖掘机器106以及预处理机器107对接(例如，通信)。控制器102与AM机器104、挖掘机器106和预处理机器107配合以对部件进行期望的变化。例如，处理电路控制AM机器104、挖掘机器106和预处理机器107进行期望的变化。
处理器110可以包括微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、另一种类型的处理设备、离散处理电路或其组合。存储器112可以包括但不限于电子、光学、磁性或能够向处理器110提供程序指令的任何其他存储或传输设备。例如，存储器112可以包括只读存储器(ROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、闪存或处理器110可以从其读取指令的任何其他合适的存储器。指令可以包括以任何合适的编程语言生成的代码。处理器110可以访问存储在存储器112中的指令以执行归属于处理器110的功能。指令可以表示一个或多个计算机程序。
计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言、声明或过程语言、并且可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程、对象或适用于计算环境的其他单元。计算机程序可以但不必对应于文件系统中的文件。程序可以存储在文件的一部分中，该文件保留其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)，存储在专用于所讨论的程序的单个文件中、或存储在多个协调文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)。
处理器110可以使用部件分析模块114来在修改之前分析部件的状况。该分析可以向处理器110提供部件的基线形状，相对于该基线将形成期望的变化。部件分析模块114可以与相机、3D扫描仪、x射线扫描仪、或其他成像设备配合以获得与部件有关的信息。例如，部件分析模块114可以便于扫描部件的缺陷。或者，部件分析模块114可以从数字文件接收或检索与部件有关的信息。例如，部件分析模块114可以访问数字部件档案(例如，库、数据库等)并从档案中检索部件的3D模型(或2D模型组)。
成形模块116根据从部件分析模块114提供的信息和关于所需的最终部件布置的信息确定对部件进行的改变。例如，成形模块116可以确定需要去除材料的位置、需要添加材料的位置、以及相对于来自部件分析模块114的有关部件的当前状态的信息的任何所需的属性变化。
输入/输出模块或模块118可以促进控制器102与AM机器104、挖掘机器106以及预处理机器107的交互。例如，输入/输出模块118可以将从处理器110接收的指令转换成可以由AM机器104、挖掘机器106、或预处理机器107读取的格式。另外，输入/输出模块118可以通过用户界面(未示出)向操作员提供信息或者从操作员接收命令。例如，输入/输出模块118可以向操作员提供部件的3D视图，其示出了对部件进行的期望的变化。在另一个示例中，输入/输出模块118可以从操作员接收对部件的期望的变化。例如，操作员可以在监视器上改变尺寸、属性、和/或期望变化的其他特性，并且输入/输出模块118可以将这些变化传达给成形模块116。在一些实施例中，输入/输出模块118还可以便于操作员选择(例如，通过触摸屏等)提供给部件分析模块114的存档内的部件的3D模型。
现在转向AM机器104，成形梁120可以是激光束、电子束或被配置为可控制地向目标位置提供热量的另一个光束。由成形梁120提供的热量熔化由材料进给122提供的材料。例如，材料进给122可以在目标位置处提供材料，并且成形梁120可以在目标位置处熔化材料。与电弧焊相比，成形梁120具有小的光斑尺寸和快速的扫略速度；因此，与电弧焊接相比，成形梁120可以形成具有增加的分辨率的特征。另外，AM机器104的使用可以是自动化的，因为成形梁120是机器可控的并且不依赖于熟练的操作员来产生期望的结果。
材料进给122可以使用各种机构提供材料，例如通过粉末进料、送丝或其他机构。材料进给122可以在控制器102指示的位置处提供材料。控制器102可控制成形梁120的尺寸、强度、位置、形状或其他性质。控制器102也可控制所提供的材料的数量、所提供的材料的类型、所提供的材料的位置以及材料进给122的其他性质。传感器124可以将与成形梁120、材料进给122、或部件有关的信息提供给控制器102。例如，传感器124可以向控制器102提供所添加的材料的当前形状或深度，成形模块116可以将其与期望的变化进行比较，使得输入/输出模块118可以向操作员显示该比较。
在某些情况下，可能希望在使用AM机器104将材料添加到部件之前首先使用挖掘机器106从部件去除材料。在这些情况下，成形模块116可以向挖掘机器106提供用于从部件去除材料的指令。例如，可能需要首先从部件上除去有缺陷的(例如，开裂的，腐蚀的等)区域。挖掘机126可包括各种材料去除机器中的一种或多种，去除例如磨机、水射流、钻机、等离子炬、或其他去除机器。传感器128可以将与挖掘机126有关的信息提供给控制器102。例如，传感器128可以向控制器102提供部件的当前形状，成形模块116可以将其与用于去除材料的指令进行比较，使得输入/输出模块118可以向操作员显示该比较。
当挖掘机器106用于产生挖掘时，AM机器104可在挖掘中形成材料沉积物。例如，AM机器104可以仅在挖掘机器106产生的挖掘内形成材料沉积物。或者，AM机器104可以部分地在挖掘机器106产生的挖掘内或外部形成材料沉积物。对于一些部件，期望的变化不需要使用挖掘机器106，因为不需要挖掘。例如，如果期望的变化仅仅是材料的添加，则可以不使用挖掘机器106。
在一些实施例中，AM机器104可以能够移除材料以及添加材料。例如，成形梁120可既能够去除又能熔化由材料进给122添加的材料。
预处理机器107为AM机器104提供界面层，依赖界面层形成材料沉积物。界面层将材料沉积物与部件热隔离，使得材料沉积物和部件的结构完整性得到保护。如果使用挖掘机器106，则预处理机器107可以在部件的挖掘部分上部分地或完全地提供界面层。预处理器130设置界面层。例如，预处理器130可以是热喷涂器、喷嘴、或用于提供材料的其他机构。传感器132可以将与预处理器130有关的信息提供给控制器102。例如，传感器132可以向控制器102提供界面层的当前厚度或轮廓，成形模块116可以将其与用于界面层的期望厚度或轮廓的指令进行比较，使得输入/输出模块118可以向操作员显示此比较。
图2-11以各种视图和透视图示出了根据本公开的实施例通过系统100向部件添加材料的技术。在一些实施例中，该工艺由作为车辆系统的一部分的内燃机的部件(例如，汽车、卡车、商用车辆、应急车辆、施工车辆等)的系统100实施；然而，本公开的概念不限于使用作为车辆系统的一部分的内燃机的实施方式。
图2示出了用于在内燃机的部件204上添加材料沉积物202的工艺200，如由系统100实施的那样。工艺200使用AM机器104以在部件204上执行AM。例如，工艺200可以使用成形梁120以在部件204上执行选择性激光烧结(SLS)或3D打印。工艺200包括以熔融形式将材料沉积物202添加到部件204，然后使材料沉积物202冷却和固化。应注意，在一些实施例中，非熔融材料可由材料进给122提供并转变成熔融形式，例如通过成形梁120。在一些实施例中，部件204由铸铁构成。部件204可以是例如汽缸盖、歧管(例如，进气歧管，排气歧管等)、涡轮增压器、或内燃机的其他部件，或另一系统的部件。
当部件204由铸铁构造时，工艺200存在若干挑战。因为工艺200使用激光，所以工艺200通常是相对低的热输入工艺，这是由于与电弧焊相比，成形梁120的光点尺寸小并且扫略速度快。另外，部件204可以相对较大并且由于部件204的冶金特性可以相对快速地散热。快速散热可导致材料沉积物202的HAZ中的材料沉积物202开裂，并且因此可以在结构上包括材料沉积物202。当形成附加的材料沉积层202时，可以放大这些效果。
为了抵消部件204的散热，工艺200包括在将材料沉积物202设置在部件204上之前，使用预处理机器107以低热输入工艺预处理部件204。预处理机器107在部件204上沉积界面层206。预处理机器107可以通过热喷涂将界面层206施加到部件204，或者通过使界面层206流到部件204上，例如通过钎焊工艺将界面层206施加到部件204。在一些实施例中，界面层206是镍基合金(例如，白铜，镍铁等)。与材料沉积物202的厚度相比，界面层206相对较薄。当界面层206接触部件204时，部件204的基板208部分可经历相变(例如，从α-铁(体心立方)到γ-铁(面心立方))。
可以由AM机器104通过激光沉积(例如，脉冲激光沉积(PLD))，激光熔覆(例如，激光热线包覆)或其他基于激光的技术在界面层206上形成材料沉积物202。在一些实施例中，当AM机器104使用激光沉积时，成形梁120熔化形成熔池的界面层206的一部分，并且通过材料进给122使粉末金属在熔池中积聚，从而形成材料沉积物202。在其他实施例中，当AM机器104使用激光熔覆时，成形梁120熔化形成熔池的界面层206的一部分，并且经由材料进给122将金属线进给到将其融化的熔融池中，从而形成材料沉积物202。
界面层206用于使基板208与材料沉积物202基本上热隔离。在完成工艺200之后，在界面层206上形成材料沉积物202。来自材料沉积物202的热量和来自用于形成材料沉积物202的成形梁120的热量可以使界面层206至少部分地熔化。该熔化增加了界面层206和基板208之间的粘合强度。随后形成材料沉积物202进一步增加了界面层206和基板208之间的粘合强度。
来自材料沉积物202的热量可以产生保持在界面层206中的HAZ。通过使用界面层206，来自材料沉积物202的热量在界面层206中保持足够长的时间以避免材料沉积物202的开裂，从而保护材料沉积物202的结构完整性。此外，界面层206用于通过用于形成材料沉积物202的成形梁120使基板208与直接加热基本上热隔离，从而也保护部件204的基板208部分的结构完整性。
当界面层206是基于镍的时，界面层206具有比由铁构成的基板208高得多的延展性。当材料沉积物202和界面层206冷却时，界面层206可以拉伸以适应由于冷却的收缩应力，而铁不会充分拉伸适应收缩应力。
在图2所示的实施例中，每个材料沉积物202由多层210构成，例如，第一层211、第二层213、和第三层215(以及可能的其他层)，随着材料进给122沉积并随后由成形梁120加热。当材料进给122垂直沉积材料时，工艺200不需要预热部件204或界面层206。材料沉积物202由高度H和宽度W限定。层210(例如，第一层211、第二层213、第三层215等)的宽度基本上等于材料沉积物202的宽度W，并且层210由厚度T限定。由于材料进给122的垂直沉积，每个层210向下面的已形成的层210和界面层206提供热量。例如，第二层213向第一层211提供热量。以这种方式，界面层206中的散热是渐进的，并且最小化材料沉积物202和部件204中的不期望的热应力。
在一些实施例中，部件204包括由挖掘机器106形成的挖掘212。挖掘212由深度D和长度L限定。挖掘212可以由挖掘机器106以各种形状和尺寸形成，使得部件204适合于目标应用或目标修复过程。在其他实施例中，部件204不包括挖掘212。在一些实施例中，AM机器104使得材料沉积物202位于由挖掘机器106形成的挖掘212内。例如，在部件204中存在缺陷(例如，裂缝、凹痕、划痕等)的位置下，工艺200可以通过挖掘机器106去除缺陷，然后通过AM机器104使用材料沉积物202选择性地填充挖掘212。根据工艺200，由AM机器104形成的材料沉积物202的高度H可以超过由挖掘机器106形成的挖掘212的深度D；然而，深度D可以等于或大于高度H。
从上面的讨论可以看出，可以通过工艺200可控制地挖掘和替换部件204中的某些特征。例如，可以通过工艺200和由材料沉积物202构造的新端口可控制地挖掘头部铸件中的端口。更一般地，可以针对目标应用可控制地再制造部件204。
图3示出了多个材料沉积物202，每个材料沉积物202包括多个层210，例如，由AM机器104在界面层206上形成的第一层211、第二层213、和第三层215(以及可能的其他层)，界面层206由预处理机器107形成在部件204的基板208上。因为工艺200具有以分层方式形成材料沉积物202的能力，所以可以通过AM机器104，每个层210(例如，第一层211、第二层213、第三层215等)由不同材料构成(例如，通过材料进给122为每个层210沉积不同材料)或者为每个层210构造具有不同性质(例如，通过成形梁120不同地加热每个层210，通过材料进给122为每个层210提供不同的材料等)。以这种方式，材料沉积物202可以具有分级组成。在一些实施例中，一些或所有材料沉积物202可以在特定层中具有相同的材料(例如，每个材料沉积物202的第二层可以是相同的材料)。作为比较，电弧焊通常不能定制每层沉积物以具有不同的性质。因此，电弧焊不能产生具有分级组成的沉积物。
如图3所示，材料沉积物202具有第一公共层300、第二公共层302、第三公共层304、第四公共层306、和第五公共层308。在示例性实施例中，第一公共层300由80/20镍/铁构成，第二公共层302由60/40镍/铁构成，第三公共层304由40/40镍/铁和铬镍铁合金20构成，第四公共层306由20/20镍/铁和铬镍铁合金60构成，第五公共层308由铬镍铁合金100构成，使得在这个例子中材料沉积物202从80/20镍/铁逐渐过渡到铬镍铁合金100。
工艺200可用于去除部件204中的特征，其中特征由一种材料构成，并用相同或不同的材料(相同或不同的尺寸和形状)替换特征。例如，层210(例如，第一层211、第二层213、第三层215等)可以具有允许材料沉积物202具有更有利特性的材料。以这种方式，工艺200可用于选择性地再制造部件204以提供具有更有利特性的替换特征。
在一些实施例中，工艺200可以用于锻造部件，在这种情况下工艺200可以用于提供相对于锻造部件的需要的适当特性。例如，部件204可以是锻铁气缸盖，其需要更高强度的安装孔。在该示例之后，可以实施工艺200以在安装孔附近形成高强度材料的材料沉积物202。
材料沉积物202可以由AM机器104在部件204的目标长度上形成。取决于组合的材料沉积物202的目标长度(例如，图2中的长度L)与宽度(例如，图2中的单个材料沉积物202的宽度W)之间的比率，可以选择垂直地或水平地形成材料沉积物202。例如，如果比率低于目标阈值，则可以选择水平地形成材料沉积物202。在这些情况下，可以以往复方式依次水平形成层210，直到材料沉积物202达到期望的高度(例如，图2中的高度H).即使当AM机器104用于水平地沉积材料时，工艺200也不需要预热部件204或界面层206。在一些实施例中，目标阈值可以与界面层206、基板208和层210的可接受温度范围相关。例如，可以选择目标阈值，使得界面层206保持期望的温度。然而，即使该比率指示水平沉积材料沉积物202的层210，控制器102也可选择垂直沉积材料沉积物202的层。
在一些实施例中，可能期望系统100将若干材料沉积物202组合在一起，使得材料沉积物202的组经由AM机器104一起形成，然后继续形成另一组材料沉积物202。例如，可以通过AM机器104按顺序(例如圆形、螺旋形成顺序)形成一组三个材料沉积物202。
工艺200可以通过或垂直或水平地形成材料沉积物202依据所有材料沉积物202的目标长度与单个材料沉积物202的宽度之间的比率来减轻材料沉积物202和部件204中经历的热应力。通过减轻热应力，工艺200保护材料沉积物202和部件204的结构完整性。另外，工艺200不需要预热基板208和/或部件204。
图4-6示出了工艺200的示例，其中初始材料沉积物400、中间材料沉积物500、和最终材料沉积物600由AM机器104以渐进阶段形成。在图4中，初始材料沉积物400形成在部件204上的界面层206上，然后，如图5所示，中间材料沉积物500形成在邻近初始材料沉积物400的界面层206上，然后如图6所示，最终材料沉积物600形成在邻近初始材料沉积物400并与中间材料沉积物500相邻的界面层206上。在一个示例中，先形成每个层210初始材料沉积物400、中间材料沉积物500和最终材料沉积物600每一个(例如，第一层211，第二层213，第三层215等)，然后再沉积初始材料沉积物400、中间材料沉积物500和最终材料沉积物600中的另外两个。
在其他实施例中，首先形成初始材料沉积物400的第一层211，然后形成中间材料沉积物500的第一层211，然后形成最终材料沉积物600的第一层211，然后在初始材料沉积物400的第一层211上形成初始材料沉积物400的第二层213，以此类推。
图7和8示出了部件204上的材料沉积物202。材料沉积物202可以由AM机器104以各种形状、尺寸和配置添加到部件204，使得部件204由系统100再制造以用于目标应用。根据各种实施例，由成形梁120在工艺200中施加的热量使得材料沉积物202与部件204结合，使得材料沉积物202在结构上耦合到部件204。在工艺200中，由于施加来自成形梁120的热量和随后的冷却，材料沉积物202经历相变(例如，从粉末到熔融到固体等)。
图9-11示出了在工艺200中由挖掘机器106形成的挖掘212的各种设计。根据各种实施例，部件204中的挖掘212由挖掘机器106形成，使得减小随后形成的材料沉积物202中的残余应力。例如，如图9所示，挖掘212可以由挖掘机器106形成，使得挖掘212具有锐角。在另一个例子中，如图10所示，挖掘212可以由挖掘机器106形成，使得挖掘212具有混合角度。在又一个例子中，如图11所示，挖掘212可以由挖掘机器106形成，使得挖掘212具有较小的渐变角度。工艺200可以被实施为使得挖掘212由挖掘机器106形成以减少材料沉积物202中的残余应力并且使得AM机器104形成材料沉积物202以选择性地替换和/或添加材料，使得部件204针对目标应用而定制。
尽管在某些情况下已经针对铸铁的部件204描述了工艺200，但是应当理解，工艺200可以类似地用由其他材料(例如铁合金、钢和其他金属材料)构成的部件204实现。
图12示出了使用系统100在部件204上形成材料沉积物202的方法1200。首先，在1202处，分析部件204的期望的变化。该分析由控制器102中的部件分析模块114执行。例如，操作员可以接收内燃机的气缸盖并且可能希望改变气缸盖，使得可以实现内燃机的不同压缩比。在另一个示例中，在1202处，可以扫描部件204的缺陷以确定为消除缺陷对部件的所需的变化。在该示例之后，所需变化可以是挖掘和替换部件204的缺陷区域。
根据应用，系统100可利用挖掘机器106在1204处在部件的目标区域中形成挖掘212。例如，可以形成挖掘212以选择性地去除缺陷区域，例如包含开裂或瑕疵的区域。接下来，在1206处，预处理机器107在部件上施加界面层206。例如，在204处，预处理机器107可以在由挖掘机器106形成的挖掘212内施加界面层206。
在1208处，AM机器104在界面层206上形成材料沉积物202的第一层211。例如，材料进给122在界面层206上沉积用于第一层211的一定量的材料，并且成形梁120将材料熔化到材料沉积物202的第一层211中。依据期望的变化，可能需要用于材料沉积物202的更多层210(例如，第二层213、第三层215等)和/或附加的材料沉积物202。如果材料沉积物202需要附加层210，则在1210处，AM机器104以连续顺序在材料沉积物202上沉积附加层210，直到材料沉积物202具有所需数量的层210。如果需要附加的材料沉积物202，则工艺200对于每个附加材料沉积物202循环回到1208。一旦所有计划的材料沉积物202的所有层都已由AM机器104形成，则部件204可具有所需变化。在一些应用中，期望在1212处对部件204进行精加工(例如，抛光、砂磨、珩磨、铰孔、抛光、涂漆、涂覆等)。例如，在1212处，部件204可以由操作员和/或自动机械进行扩孔。
尽管本公开包含具体的实现细节，但是这些不应被解释为对可以要求保护的范围的限制，而是作为特定实施方式特有的特征的描述。在单独实施方式的上下文中在本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实现。相反地，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管上述的特征可以描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声明，但是在某些情况下可以从组合中去除来自所要求保护的组合的一个或多个特征，所要求保护的组合可以针对子组合的子组合或变型。
应当注意，在本说明书中对“前”、“后”、“上”、“顶”、“底”、“基座”、“下”等的引用用于识别各种部件，因为它们以图为导向。这些术语并不意味着限制它们描述的部件，因为在不同的实施例中各种部件可以不同地定向。
此外，出于本公开的目的，术语“耦合”意指两个构件直接或间接地彼此连接。这种连接本质上可以是固定的或者本质上是可移动的和/或这种连接可以允许两个构件之间的流体流动、电、电信号、或其他类型的信号或通信。这样的连接可以通过两个构件或者两个构件和任何另外的中间构部件彼此一体地形成为单个整体，或者通过两个构件或者两个构件和任何另外的中间构件相互连接来实现。这种连接本质上可以是永久性的，或者可选地，本质上可以是可去除的或可释放的。
重要的是要注意，在各种示例实现中所示的系统的构造和布置是说明性的而非限制性的。在所描述的实施方式的精神和/或范围内的所有改变和修改都希望被保护。应该理解的是，一些特征可能不是必需的，并且缺乏各种特征的实施方式可以被认为是在本申请的范围内，所述范围由随后的权利要求限定。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，除非特别指出相反，否则该项目可以包括一部分和/或整个项目。

Claims (24)

1.一种将材料沉积到部件的系统，其特征在于，所述系统包括：
控制器；
耦合到所述控制器的挖掘机器，所述挖掘机器包括挖掘机，所述挖掘机配置成选择性地从部件去除材料，形成挖掘；
预处理机器，其耦合到所述控制器，所述预处理机器包括预处理器，所述预处理器配置成在所述挖掘上通过从所述预处理器推进的热喷涂形成界面层；和
增材制造机器，所述增材制造机器耦合到控制器，所述增材制造机器包括：
材料进给，被配置为在界面层上选择性地提供第一数量的材料；和
成形梁，所述成形梁构造成基本上熔化第一数量的材料，在界面层上形成第一材料沉积物的第一层。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述部件是铸铁部件。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，从所述部件选择性地去除所述材料包括选择性地去除所述部件的有缺陷部分。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述材料进给还被配置为在所述第一材料沉积物的第一层上选择性地提供第二数量的材料；和
其中，成形梁进一步构造成基本上熔化第一材料沉积物的第一层上的第二数量的材料，在第一材料沉积物的第一层上形成所述第一材料沉积物的第二层。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述材料进给还被配置为在与所述第一材料沉积物相邻的界面层上选择性地提供第三数量的材料；和
其中，所述成形梁还构造成基本上熔化第三数量的材料，在界面层上形成第二材料沉积物的第一层。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述材料进给还被配置为在与所述第一材料沉积物相邻的界面层上选择性地提供第二数量的材料；
其中，所述成形梁还构造成基本上熔化所述第二数量的材料，在所述界面层上形成第二材料沉积物的第一层；
其中，所述材料进给还被配置为在所述第一材料沉积物的第一层上选择性地提供第三数量的材料；和
其中，所述成形梁进一步构造成基本上熔化第一材料沉积物的第一层上的第三数量的材料，在第一材料沉积物的第一层上形成所述第一材料沉积物的第二层。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述材料进给还被配置为在与所述第一材料沉积物相邻的界面层上选择性地提供第二数量的材料；
其中，所述成形梁还构造成基本上熔化所述第二数量的材料，在所述界面层上形成第二材料沉积物的第一层；
其中，所述材料进给还被配置为在所述第二材料沉积物的第一层上选择性地提供第三数量的材料；和
其中，成形梁进一步构造成基本上熔化所述第二材料沉积物的第一层上的第三数量的材料，在第二材料沉积物的第一层上形成第二材料沉积物的第二层。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括传感器，所述传感器被配置为确定所述第一材料沉积物的所述第一层的深度并将所述深度提供给所述控制器。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制器被配置为将所述深度与目标深度进行比较；和
其中所述材料进给还被配置为基于所述深度和目标深度之间的比较，选择性地将第二数量的材料提供在(i)在第一材料沉积物的第一层上或(ii)在与第一材料沉积物相邻的界面层上。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制器被配置为将所述深度与目标深度进行比较；
其中所述材料进给还配置成基于所述深度和目标深度之间的比较，选择性将第二数量的材料提供在(i)在第一材料沉积物的第一层上或(ii)在与第一材料沉积物相邻的界面层上；
其中所述第一数量的材料包括第一镍基合金；和
其中所述第二数量的材料包括不同于第一镍基合金的第二镍基合金。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述界面层将所述部件与(i)在界面层上提供作为第一数量的材料的材料进给和(ii)在界面层上熔化作为第一数量的材料的成形梁热隔离。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述界面层具有第一厚度，并且所述第一材料沉积物的第一层具有第二厚度；和
其中所述第一厚度小于所述第二厚度。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述材料进给被配置为选择性地在所述挖掘内提供所述第一数量的材料。
14.一种在部件上沉积材料的方法，其特征在于，所述方法包括：
分析部件以确定部件的所需变化；
在部件的目标区域形成挖掘；
通过在所述挖掘上流动界面层或在所述挖掘上喷射热喷涂在挖掘上施加界面层；和
在所述界面层上形成第一材料沉积物的第一层。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述部件是铸造部件。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述铸造部件是铸铁部件。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括在(i)在第一材料沉积物的第一层上或(ii)在与第一材料沉积物相邻的界面层上，形成第二材料沉积物的第二层。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：
确定第一材料沉积物的第一层的深度；
将所述深度与目标深度进行比较；和
基于所述深度与目标深度的比较，(i)在第一材料沉积物的第一层上或(ii)在与第一材料沉积物相邻的界面层上，形成第二材料沉积物的第二层。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述界面层上形成所述第一材料沉积物的第一层包括在所述挖掘内形成所述第一材料沉积物的第一层。
20.一种将材料沉积到部件的系统，其特征在于，所述系统包括：
控制器；
挖掘机器，其耦合到控制器，所述挖掘机器包括挖掘机，所述挖掘机配置成选择性地从部件去除材料从而形成挖掘；
耦合到控制器的预处理机器，所述预处理机器包括预处理器，所述预处理器配置成通过在挖掘上喷射热喷涂在挖掘上选择性地形成界面层；和
增材制造机器，所述增材制造机器耦合到控制器，所述增材制造机器被配置为选择性地在界面层上形成第一数量的材料的第一沉积物。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述部件是铸铁部件。
22.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述增材制造机器还被配置为选择性地(i)在第一沉积物或(ii)在与第一沉积物相邻的界面层上，形成第二数量的材料的第二沉积物。
23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，所述界面层具有第一厚度，并且所述第一沉积物具有第二厚度，所述第一厚度小于所述第二厚度；
其中所述第一数量的材料包括第一镍基合金；和
其中所述第二数量的材料包括不同于第一镍基合金的第二镍基合金。
24.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述增材制造机器被配置为在挖掘内选择性地形成所述第一数量的材料的第一沉积物。
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