CN110744198A - 具有全向构建路径的激光热丝增材沉积头 - Google Patents

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M·D·莱特萨
W·T·马修斯
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Abstract

披露了集成式激光热丝沉积头的实施例。在一个实施例中，所述沉积头包括结构框架、激光加工子系统、送丝装置、以及导电管。所述激光加工子系统安装在所述结构框架内，以沿纵向定向的方向将单束路径激光束朝向有待增材制造的基材或零件递送。所述送丝装置和导电管安装在所述框架内，以将可消耗填充焊丝相对于所述纵向定向的方向成一定角度地朝向所述基材或零件给送。在运动控制系统的引导下，所述沉积头可以相对于所述基材或零件全向移动来对所述零件进行增材制造，而无需从所述纵向定向的方向有角度地改变所述单束路径激光束的取向或旋转所述沉积头。

Description

具有全向构建路径的激光热丝增材沉积头
相关申请的交叉引用/援引并入
此美国专利申请要求于2018年7月19日提交的美国临时专利申请序列号62/700,398的优先权和权益，所述申请的所有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增材制造(经常同义地称为3D打印)相关的系统和方法，并且更具体地涉及允许全向构建路径的激光热丝增材沉积头。
背景技术
常规地，增材制造工艺能够以相对低的沉积速率来制造近净形零件，其中逐层地构建每个零件。然而，在沉积例如金属材料层时，沉积设备的取向可能必须不断地进行调节。这样不断的调节可能涉及复杂的路径规划和机器人操纵。此外，在某些激光热丝实施方式中的激光光学器件可能是相当复杂的，需要分裂并且然后重新组合激光束。这种复杂的光学实施方式可能是相当昂贵的。
发明内容
本发明的实施例包括与用于增材制造的激光热丝沉积头相关的系统和方法，所述激光热丝沉积头允许产生全向构建路径。一个实施例包括沉积头，所述沉积头包括集成到单一沉积头中的激光聚焦装置、送丝装置、以及填充焊丝接触尖端或管。沉积头的构型提供了纵向定向的激光束，其中填充焊丝与激光束的纵向轴线成30度以下的某一角度(例如，在一个实施例中为12度)地给送。纵向(长度方向的、线性)轴线与激光束路径在自由空间中朝向有待增材制造的基材或零件的表面的方向矢量相对应。这样的构型允许沉积头沿任何平移方向或路径(例如，相对于笛卡尔平面)移动，而无需改变沉积头的角度或垂直于所述路径平面旋转沉积头。产生的并且输送到加工部位的激光束沿着沉积头中的单一路径。例如，激光束没有被分裂成多条路径并且然后再合在一起。对于典型地用于对增材制造的零件进行分层和路径规划的可获得的软件，当需要调节沉积设备的旋转取向时加工的复杂性显著地增加。此外，如果必须考虑沉积设备的旋转取向，那么设备的缠绕和解绕以及工艺软管和实用工具的支持脐带也必须考虑在内，在一些情况下，使得显著更难、更贵、更时间密集、或基本上不可能生产具有中等复杂几何形状的增材制造零件。出于这些原因和在本文档上下文中没有提及的其他原因，具有在方向上取决于路径的旋转取向的沉积设备对于特定应用而言可能不太有利并且对于一般用途而言可能不太通用。
在一个实施例中，集成式激光热丝增材沉积头包括结构框架、激光加工子系统、送丝装置、以及导电管。所述激光加工子系统包括激光聚焦装置，所述激光聚焦装置安装在所述框架内并且被配置用于沿纵向定向的方向朝向有待增材制造的基材或零件的表面发射单束路径激光束。所述单束路径激光束在所述集成式激光热丝增材沉积头内不分裂或重新组合。所述送丝装置和导电管安装在所述框架内并且被配置用于相对于所述纵向定向的方向成1°与30°之间的某一角度地朝向所述基材或所述零件给送可消耗填充焊丝。经由导电管组件可在1°与30°之间手动调节所述角度，所述导电管组件配备有角度枢转接头。具体地，导电管集成到球形球窝旋转接头中并且联接至柔性焊丝导管，所述柔性焊丝导管随后附接至刚性安装的焊丝给送器，由此在焊丝进入激光束的路径时使得能够对所述焊丝进行角度调节和重新定位。在运动控制系统的引导下，所述沉积头被配置用于相对于所述基材或所述零件全向移动来对所述零件进行增材制造，而无需从所述纵向定向的方向(用于对零件的当前部分进行增材制造而建立的方向)有角度地改变所述单束路径激光束的取向，或者旋转所述沉积头。在一个实施例中，所述激光束与所述基材或所述零件汇聚处的第一位置与所述可消耗填充焊丝的尖端与所述基材或所述零件汇聚处的第二位置之间的距离是可手动调节的。在焊丝进入到激光束的路径中时经由两轴线性交叉滑动件(cross-slide)模块完成对所述焊丝的汇聚的微调，所述交叉滑动件模块固持热丝接触块和导电管组件。在一个实施例中，所述集成式激光热丝增材沉积头包括鼻锥、通用型软管和导管、以及水冷式热丝接触块。在一个实施例中，所述送丝装置包括马达和驱动滚柱。在一个实施例中，所述可消耗填充焊丝与所述纵向定向的方向成约30度以下的第一角度地接近所述沉积头内的导电管，并且然后与所述纵向定向的方向成约1度到5度的第二角度地离开所述导电管(例如，由于导电管是弯曲的)。在一个实施例中，所述激光装置在红外光谱中运行，从而提供最高达15千瓦的输出功率。在一个实施例中，可实现最高达约10.0千瓦/时的沉积速率。在一个实施例中，所述激光聚焦装置包括激光光聚焦光学器件模块、聚焦光学器件辅助气体入口、未穿孔的聚焦光学器件盖部滑动件、以及聚焦光学器件出口尖端中的至少一个。
在一个实施例中，集成式激光热丝增材沉积头包括框架、激光加工子系统、以及导电管。激光加工子系统包括激光聚焦装置，所述激光聚焦装置安装在所述框架内并且被配置用于沿纵向定向的方向朝向有待增材制造的基材或零件的表面递送单束路径激光束。所述单束路径激光束在所述集成式激光热丝增材沉积头内不分裂或重新组合。所述导电管安装在所述框架内并且被配置用于接受来自外部送丝装置的可消耗填充焊丝并且相对于所述纵向定向的方向成1°与30°之间的某一角度地朝向所述基材或所述零件引导所述可消耗填充焊丝。在一个实施例中，所述角度在1°与30°之间可手动调节(例如，经由焊丝进入调节单元)。在运动控制系统的引导下，所述沉积头被配置用于相对于所述基材或所述零件全向移动来对所述零件进行增材制造，而无需从所述纵向定向的方向(用于对零件的当前部分进行增材制造而建立的方向)有角度地改变所述单束路径激光束的取向，或者旋转所述沉积头。在一个实施例中，所述激光束与所述基材或所述零件汇聚处的第一位置与所述可消耗填充焊丝的尖端与所述基材或所述零件汇聚处的第二位置之间的距离是可手动调节的。在一个实施例中，所述集成式激光热丝增材沉积头包括鼻锥、通用型软管和导管、以及水冷式接触块。在一个实施例中，所述可消耗填充焊丝与所述纵向定向的方向成约30度以下的第一角度地接近所述沉积头内的导电管，并且然后与所述纵向定向的方向成约1度到5度的第二角度地离开所述导电管(例如，由于导电管是弯曲的)。在一个实施例中，所述激光装置在红外光谱中运行，从而提供最高达15千瓦的输出功率。在一个实施例中，可实现最高达约10.0千瓦/时的沉积速率。在一个实施例中，所述激光聚焦装置包括激光光聚焦光学器件模块、聚焦光学器件辅助气体入口、未穿孔的聚焦光学器件盖部滑动件、以及聚焦光学器件出口尖端中的至少一个。在一个实施例中，所述集成式激光热丝增材沉积头包括热/电绝缘板、焊丝进入调节单元、鼻锥锁定套环、以及补充气体/尖端冷却气体导管中的至少一个。由纤维增强的高热容量聚合物材料构造的绝缘板主要用于防止电传导返回通过增材沉积头的结构框架并且通过机器人、控制器、或相关的系统布线。电流这种不受控制且未预料到的传输典型地损坏设备并且还有可能对沉积头加工性能具有有害影响。作为次要特征，热绝缘性质防止热传递超过水冷式加工头接触块并且传递到所述头的结构框架或没有用于主动控制温度的其他区域。焊丝进入调节单元允许微调沉积工艺的进给角，其中，特定应用可以示出由于工艺采用的多种不同的合金的物理性质和热性质的不同，在略微不同的进给角下轻微的沉积性能益处。根据一个实施例，鼻锥锁定套环是带螺纹的套环，所述套环使工艺鼻锥抵靠水冷式接触块紧固在位。如果鼻锥被损坏了还允许移除和维修或替换鼻锥，并且此外，允许为给定增材制造应用安装不同形状或设计的鼻锥。补充气体/尖端冷却气体导管在鼻锥内部供应惰性保护气体，从而将气体流引导到焊丝导电管的尖端上来帮助冷却尖端并且随后淹没沉积点和周围的零件构建区域。
根据以下对示例性实施例的详细描述并且根据附图，总体的创新性构思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，作为一个元件的内部部件而示出的另一个元件可以被实现为外部部件，反之亦然。此外，元件可以不是按比例绘制的。
图1展示了用于对零件进行增材制造的、具有集成式沉积头的增材制造隔室的一个实施例；
图2展示了在增材制造工艺中使用激光和填充焊丝的常规激光热丝(LHW)系统；
图3展示了在增材制造工艺期间当将熔融金属沉积到基材/层上时集成式沉积头的一个实施例的激光束、可消耗金属填充焊丝、接触尖端/管、保护气体、以及鼻锥之间的关系；
图4展示了竖直定向的集成式沉积头的一个实施例，示出了鼻锥和送丝装置；
图5展示了集成式沉积头的一部分的内部构型的一个实施例，所述集成式沉积头还经由气体软管和气体喷嘴提供补充气体/保护气体；
图6和图7示出了部分组装的集成式沉积头的实施例的两个视图，示出了通用型软管和导管；
图8至图10示出了盖部被移除的并且附接至机器人的臂的集成式沉积头的实施例的三个视图；
图11示出了包括驱动滚柱的送丝装置(盖部被移除)的一侧的一个实施例；
图12示出了集成式沉积头的鼻锥端的实施例，所述鼻锥端具有相对于竖直方向成某一陡的角度伸出的填充焊丝；
图13示出了附接至机器人的臂的集成式沉积头的一个实施例；
图14示出了集成式沉积头的一个实施例的鼻锥端，其中移除了鼻锥；
图15示出了在为了形成固体矩形块的增材制造工艺期间通过集成式沉积头的一个实施例沉积的多个金属层的第一实例；
图16示出了在为了形成空心圆柱形零件的增材制造工艺期间通过集成式沉积头的一个实施例沉积的多个金属层的第二实例；
图17和图18示出了附接至机器人的臂的小且轻的集成式沉积头的实施例；
图19展示了在增材制造系统中使用的示例性控制器的一个实施例；
图20展示了在所有的框架或盖部未附接的情况下的集成式沉积头的一个实施例的两个视图；
图21展示了集成式沉积头的一部分的内部构型的一个实施例，类似于图5，示出了多个不同部件细节；
图22展示了集成式沉积头的一个实施例的热丝加工子系统；
图23展示了集成式沉积头的一个实施例的激光加工子系统；
图24展示了图23的激光加工子系统的激光聚焦装置的一个实施例；并且
图25展示了集成式沉积头的一个实施例的沉积头结构框架。
具体实施方式
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。众所周知，增材制造是一种将材料沉积(例如，以多个层)到基质/基材或零件上以便产生所期望的制造产品的工艺。根据一个实施例，有待增材制造的三维(3D)零件的多个层的图案被呈现出来并作为数字数据存储。所述数字数据可以例如来自CAD模型或来自被扫描零件。
增材制造设备的实施例可以包括例如基于激光的子系统、基于等离子的子系统、基于电弧的子系统、基于电子束的子系统、或基于电阻的子系统中的至少一者，以便例如通过熔化金属焊丝来沉积金属材料。此外，增材制造设备的一些实施例可以包括例如焊丝递送或给送系统，以给送/递送可消耗金属焊丝，以便在基质上增材制造3D零件。而且，增材制造设备的一些实施例可以包括例如运动控制元件(例如，机器人)或其他类型的控制元件(例如，光学控制元件)，以使激光束、等离子束、电弧、电子束或可消耗金属焊丝相对于基质或基材上正在增材制造的3D零件移动。
本文包含的图1和图2将集成式沉积头的实施例放入上下文中。参考图1，图1展示了增材制造隔室10的一个实施例，所述增材制造隔室配置有用于经由增材制造来制造金属零件的激光热丝设备。图1的激光热丝设备包括附接至机器人的臂的集成式沉积头。增材制造隔室10总体上包括框架12、布置在框架内的机器人14、以及同样相应地布置在框架内的第一桌台16和第二桌台18。增材制造隔室10对于以在下文中将更详细描述的方式增材制造零件(例如，22和24)是有用的。在图1所描绘的实施例中，框架12包括多个侧壁和门以包围机器人14以及桌台16和18。虽然示出了平面视图中大致矩形的构型，但是框架12和隔室10可以采用多种构型。
前通道门26安装至框架12上以便通到所述框架内部。前通道门26可以采用双折构型，其中门包括两个铰链组：将门26附接到框架12的第一铰链组和将门的一个面板附接到另一个面板的第二铰链组。然而，前通道门26可以采用其他构型，例如滑动门或摆动门。类似地，后通道门28也安装在框架12上。所描绘的实施例中的后通道门28也采用双折构型；然而，后通道门可以采用其他构型，如参照前通道门26所讨论的构型。在任一门上(仅在前门26上描绘)可以提供窗口32。窗口可以包括本领域已知的有色安全屏(例如，过滤适当激光波长的屏...例如，1064nm)。根据一个实施例，隔室10是CDRH级别1激光器包壳。
在框架12上与前门26相邻地提供了控制面板40。控制面板40上所提供的控制旋钮和/或开关与同样安装至框架12上的控件包壳42中容纳的控件进行通信。可以按与用于已知增材制造隔室的控件相类似的方式使用控制面板40上的控件来控制在增材制造隔室10中执行的操作。
在一个实施例中，机器人14安装在一个基座上，所述基座安装在支撑件上。在所描绘的实施例中的机器人14是相对于桌台16和18居中的并且包括多条移动轴线。如果希望的话，基座可以类似于转动架而相对于支撑件进行旋转。因此，有些驱动机构(例如，马达和传动装置(未示出))可以被容纳在基座中和/或支撑件中以用于使机器人14旋转。
在一个实施例中，沉积头60附接至机器人14的臂的远端。例如根据后文讨论的实施例，沉积头60是集成式激光热丝沉积头。在不需要改变沉积头60的旋转取向(即，在层的沉积期间沉积头的旋转取向可以保持不变)的情况下，沉积头60允许全向构建路径(沉积运动)。柔性管或导管62附接至沉积头60。可以储存在容器66中的可消耗金属焊丝64(用作热丝)通过导管62递送至沉积头60。在一个实施例中，焊丝给送器68附接至框架12(或机器人14)，以助于将可消耗金属焊丝64递送至沉积头60。在另一个实施例中，焊丝给送器68被集成在沉积头60中(例如，作为机载的集成焊丝给送模块)，如后文讨论的。
虽然机器人14被示出为安装至框架12的基部或下部部分，但是如果希望的话，机器人14可以安装至框架的上部结构并且向下悬垂到隔室10中。在一个实施例中，用于激光热丝操作的电源72安装并搁置在平台74上，所述平台连接至框架12并且可以是所述框架的一部分。电源72可以充当激光功率振荡器(以产生激光能)和焊接电源以在可消耗金属焊丝64穿过沉积头60时对所述可消耗金属焊丝供能。在另一个实施例中，电源72可以实施为两个分开的电源，一个电源用作用于产生激光能的激光功率振荡器并且另一个电源用于在可消耗金属焊丝64穿过沉积头60时加热所述可消耗金属焊丝。隔室控制器76与增材制造隔室10(包括机器人14)的激光热丝设备的不同部分进行通信并控制所述部分，并且搁置和安装在平台74上。根据又一个实施例，激光功率振荡器可以集成到沉积头60中(例如，用于较低功率应用)。
图2展示了在增材制造工艺中使用激光子系统和填充焊丝的常规激光热丝(LHW)系统100。系统100可以存在于与图1的增材制造隔室10类似的增材制造隔室中。然而，图2的系统100不包括集成式激光热丝沉积头。图2的系统100包括填充焊丝给送器和能量源。特别地，系统100包括能够使激光束110聚焦到基材或零件115上从而对基材或零件115加热的激光子系统。激光子系统可以是高强度能量源。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、或直接二极管激光系统(例如，光纤耦合直接二极管)。
激光子系统包括彼此操作性地连接的激光聚焦装置120和激光器电源130(激光功率振荡器)。激光器电源130提供功率以产生(例如，以光纤方式)提供给激光聚焦装置120的激光能。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根电阻填充焊丝140来在激光束110附近与基材或零件115进行接触。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与基材或零件115之间的电源170的电流进行电阻加热。电源170可以是脉冲直流(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朝向基材或零件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基材或零件115之前接近或达到熔点。根据一个实施例，热丝电源170提供热丝波形控制(主动增大电流、电压、和形状参数)以维持热丝工艺并且抑制电弧。激光束110可以用于使基材或零件115的基础金属中的一些熔化从而形成熔池和/或还可以用于使焊丝140熔化到基材或零件115上。电源170提供将填充焊丝140进行电阻熔化所需的能量。
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和电阻性填充焊丝140沿着基材或零件115朝同一受控方向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。基材或零件115与激光/焊丝组合之间的相对运动可以通过实际地移动基材或零件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2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至具有平台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，机械地紧固)到基材或零件115上以使基材或零件115在例如当前行进方向125上移动，使得激光束110和焊丝140沿着基材或零件115有效地行进。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。
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基材或零件115和导电管160(即，有效地连接至电源170的输出端)并且能够测量基材或零件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与基材或零件115接触时，焊丝140与基材或零件115之间的电势差为零伏特或者非常接近零伏特(相当低的电压)。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与基材或零件115接触时进行感测，并且操作性地连接至电源170时，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(例如，用于灭弧)。在一个实施例中，感测与电流控制器195可以是电源170的一体部分。
根据本发明的一个实施例，图2的系统100可以通过提供单一集成式激光热丝沉积头(例如，如图1中)进行修改，所述单一集成式激光热丝沉积头提供全向构建路径能力。在一个实施例中，至少激光聚焦装置、送丝装置、以及导电管被集成为单一沉积头(形成集成式沉积头)。集成式沉积头提供填充焊丝相对于由激光聚焦装置递送的激光束的纵向方向(朝向有待增材制造的基材或零件)的陡的进给角，如后文详细讨论的，从而允许实现构建路径全向性。纵向方向是激光束的中心线被引导朝向有待增材制造的基材或零件的表面所沿着的线性方向。
其中使用集成式沉积头的系统可以是图1的系统10或者可以包括图2的系统100的某些部件，包括激光器电源130、热丝电源170、运动控制器180、以及机器人190。然而，集成式沉积头附接至机器人的臂(例如，如图1中)，从而允许沉积头在运动控制器的控制下相对于基材/零件全向移动(例如，沿笛卡尔(例如，x-y)平面)，而无需有角度地改变沉积头的纵向取向或旋转取向。例如，根据一个实施例，在层的沉积期间，集成式沉积头可以保持在同一纵向定向的位置(例如，竖直定向的位置)，而无需旋转。所述纵向定向的位置允许在正在进行增材制造的零件的层的沉积期间通过机器人简单地使集成式沉积头移动，而不需要由运动控制器提供复杂的运动控制方案。此外，具有集成式沉积头意味着单独的激光子系统和单独的热丝子系统无需单独地移动并且彼此同步。
图3展示了在增材制造工艺期间当将熔融金属沉积到基材/层360上时集成式沉积头300的一个实施例的激光束310、可消耗金属填充焊丝320、接触尖端/管330、保护气体340、以及鼻锥350之间的关系。激光束310是竖直定向的并且聚焦在填充焊丝320的尖端与激光束310相遇的汇聚点370处。根据一个实施例，激光束310可以由光纤递送激光器产生。然而，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、或直接二极管激光系统(例如，光纤耦合直接二极管)。
填充焊丝320与激光束310的纵向(例如，竖直)方向380成30度以下的某一角度地定向。可消耗金属填充焊丝320经由接触尖端/管330预加热并且被给送到与基材/层360接触。热丝电源(在沉积头300的外部)提供电力来预加热填充焊丝320。根据一个实施例，热丝电源提供热丝波形控制(主动增大电流、电压、和形状参数)以维持热丝工艺并且抑制电弧。激光器电源(在激光聚焦装置外部的激光功率振荡器)产生激光能并且将其提供给激光聚焦装置(例如，以光纤的方式)，所述激光聚焦装置产生激光束310。激光束310使基材/(多个)先前增材构建层360熔化，和/或使预加热填充焊丝320熔化，以使熔融金属390熔接至基材/(多个)先前增材构建层360。图3示出了相对于基材/(多个)层360的沉积区域362和稀释区域364。图3还示出了可消耗金属填充焊丝320的预加热区域335。根据一个实施例，激光束310是单路径激光束310，所述单路径激光束在集成式沉积头300内不以任何方式分裂或重新组合。
通过光学器件使沉积头的中心下降的同轴气体保护构型保护工艺和所沉积的金属，并且有助于阻止碎片朝向激光装置和光学器件移动。牺牲式聚焦光学器件盖部滑动件(其没有穿孔)也有助于保护激光装置和光学器件。盖部滑动件没有穿孔，这是因为可消耗填充焊丝不需要穿过盖部滑动件。填充焊丝的15度以下的陡的进给角提供增材构建路径的全向性。即，可以在不改变集成式沉积头的纵向取向或旋转取向的角度的情况下实现增材构建。总体上，焊丝尖端与激光光斑的空间关系倾向于在沉积头来回移动时改变。可以通过具有陡的填充焊丝进给角使这种移动最小化。此外，根据一个实施例，可消耗填充焊丝向上并且进入集成式沉积头的路径是相对笔直的。
图4展示了竖直定向的集成式沉积头400的一个实施例，示出了鼻锥410、以及具有驱动滚柱425的送丝装置420(机载的集成焊丝给送模块)。送丝装置420包括伺服控制驱动装置(伺服马达)以驱动所述驱动滚柱425，从而提供可消耗填充焊丝稳定且精确的给送。可消耗填充焊丝经由导管进入到集成式沉积头中。图5展示了集成式沉积头500的一部分的内部构型的一个实施例，所述集成式沉积头还经由气体软管510和气体喷嘴520提供补充气体/保护气体。图5还示出了鼻锥550。在一个实施例中，可消耗填充焊丝530的x-y位置可以相对于激光束540手动调节(即，可以对填充焊丝的尖端接近基材/层或汇聚点处的激光束光斑的中心有多近进行调节)。在焊丝进入到激光束的路径中时经由两轴线性燕尾式交叉滑动件模块完成对所述焊丝的汇聚的微调，所述交叉滑动件模块固持热丝接触块和导电管组件。交叉滑动件采用经由线性燕尾形互连在一起并且相对于彼此移动的三个板：基板、中间支架板、和上部安装板。这些板允许X-Y笛卡尔平面线性运动(沿2条垂直轴线)并且通过使用两个带螺纹的导引螺杆(每条运动轴线一个螺杆)进行调节。基板附接至绝缘板，并且因此附接至增材沉积头的结构框架。水冷式接触板附接至滑动件的上部安装板，使得接触板和接触尖端的位置可以相对于结构框架、刚附连至结构框架的激光聚焦光学器件装置、和激光束路径自身进行调节。在一个实施例中，在激光束540与填充焊丝530之间陡的角度是固定的。此外，根据另一个实施例，可消耗填充焊丝530相对于竖直激光束540的角度可以手动调节(例如，所述角度可以在1度与30度之间可连续调节)。经由导电管组件可在1°与30°之间手动调节所述角度，所述导电管组件配备有角度枢转接头。具体地，导电管集成到球形球窝旋转接头中并且联接至柔性焊丝导管，所述柔性焊丝导管随后附接至刚性安装的焊丝给送器，由此在焊丝进入激光束的路径时使得能够对所述焊丝进行角度调节和重新定位。为了扩展用途，使用锁紧定位螺钉来将角度位置固定和保持在固定的位置。松开定位螺钉允许通过使用手移动导电管并且随后通过重新上紧该定位螺钉而将所述导电管固定在新的位置来改变所述导电管的角度位置。根据替代性实施例，可消耗填充焊丝530相对于激光束的纵向方向成30度以下的某一角度(例如，12度)地接近沉积头内的导电管，并且然后由于导电管弯曲而几乎纵向地(例如，与纵向方向成1度至5度的某一角度地)离开导电管。
图6和图7示出了集成式沉积头600(部分组装的)的实施例的两个视图，示出了通用型软管和导管610(例如，用于焊丝、气体、水)、水冷式接触块620、和鼻锥630。图8至图10示出了集成式沉积头600的实施例的三个视图，所述集成式沉积头具有鼻锥630、并且附接至机器人的臂820，盖部被移除。图9的沉积头600还示出了送丝装置930，并且图10的沉积头600还清晰地示出了水冷式接触块620。图11示出了送丝装置930(盖部被移除)包括驱动滚柱935的一侧的一个实施例。送丝装置930的另一侧(未示出)包括用于驱动所述驱动滚柱935的马达和用于控制所述马达的集成式焊丝给送器电路控制板(见图20)。
图12示出了集成式沉积头600的鼻锥端的实施例，所述鼻锥端具有相对于纵向(例如，竖直)成某一陡的角度(小于30度)伸出的填充焊丝1210。水冷式接触块620阻止了鼻锥630变得太热，太热可能会损坏鼻锥630。如果不进行冷却的话，激光反射可能是强烈的并且使鼻锥630变热。根据不同实施例，可以使用主动或被动的水(或一些其他流体)冷却系统。到沉积头600的管系(导管610)为水冷式接触块620提供水(或其他流体)，并且其他管系(导管610)将水带出水冷式接触块620和沉积头600。在一些其他图(例如，图6、图10、图12、和图21)中也清晰地示出了水冷式接触块620。图13示出了集成式沉积头600的一个实施例，所述集成式沉积头附接至机器人的臂820。图14示出了集成式沉积头600的一个实施例的鼻锥端，其中移除了鼻锥630。可以看见补充气体喷嘴1410和焊丝导管1420(例如，用作导电管尖端)，所述焊丝导管具有延伸出焊丝导管(焊丝导电管尖端)1420的填充焊丝1210。补充气体喷嘴在鼻锥内部供应惰性保护气体，从而将气体流引导到焊丝导电管尖端上以帮助冷却导电管尖端并且随后淹没沉积点和周围的零件构建区域。与抵靠盖部滑动件供应到聚焦光学器件装置的气体喷流(这可以提高温度，因为其接触处于升高温度下的光学器件内的内部表面)相比，补充气体作为从加压储箱中释放出来的气体递送到处于或低于环境室温的热丝鼻锥中，结果是扩张并且经受温度下降。这种直接流动到导电管尖端上及其周围的更冷的气体流将帮助将热量传递出导电管尖端并且远离所述导电管尖端。此外，气体然后流出鼻锥并且包围沉积点，从而为主动沉积的、熔化的或几乎熔融的金属提供附加保护，当温度上升时，所述金属更易与杂质发生反应。根据特定应用和金属沉积物的合金组成，这种气体将最可能是氮气或氩气、或者可以是一些其他功能性惰性气体。图15示出了在用于形成固体矩形块1500的增材制造工艺期间通过集成式沉积头600的一个实施例沉积的多个金属层的第一实例。为了进行尺寸比较，示出了具有毫米(mm)增量的尺子1510。图16示出了在用于形成空心圆柱形件1600的增材制造工艺期间通过集成式沉积头600的一个实施例沉积的多个金属层的第二实例。
图17和图18示出了附接至机器人的臂1710的集成式沉积头1700的实施例。图17和图18的集成式沉积头1700比例如图13中示出的沉积头600在尺寸上更小并且在重量上更轻，并且因此，可以附接至相对小的机器人1750。在图17和图18的实施例中，送丝装置930(伺服驱动的焊丝给送器)不再集成到沉积头1700中，而是作为送丝装置1740在沉积头1700的外部。这有助于减小沉积头1700的尺寸和重量。在相似的实施例中，可以使用推拉式给送器构型，其中增材沉积头包含集成式驱动辊组和与安装于机器人的焊丝给送器联接的伺服马达，所述安装于机器人的焊丝给送器包含附加驱动辊和伺服马达。在此实施例中，沉积头包括机载的、集成的、独立的“拉”式焊丝给送器模块，所述焊丝给送器模块具有驱动辊、伺服马达、以及给送控制电路板。“推”式焊丝给送器独立地安装在沉积头的外部(例如，安装于机器人)。而且，铝基质和重量轻的盖部也有助于减小图17和图18的集成式沉积头1700的重量。此外，可以使用主动冷却，以允许实现更小且更轻的鼻锥1730。
图19展示了在增材制造系统中使用的示例性控制器1900的一个实施例。根据不同实施例，控制器1900可以例如用作隔室控制器(例如，图1的隔室控制器76)、运动控制器(例如，图2的运动控制器180)、电源(例如，图1的电源72、图2的激光器电源130、和/或图2的热丝电源170)的控制器。
控制器1900包括至少一个处理器1914，所述至少一个处理器经由总线子系统1912与多个外围设备通信。这些外围装置可以包括存储子系统1924(包括例如存储器子系统1928和文件存储子系统1926)、用户接口输入装置1922、用户接口输出装置1920以及网络接口子系统1916。这些输入装置和输出装置允许与控制器1900进行用户交互。网络接口子系统1916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。例如，系统100的运动控制器180可以与控制器1900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1922可以包括键盘、指示装置(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1900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1920可以包括显示子系统、打印机、传真机、或非视觉显示器(诸如音频输出装置)。显示子系统可以包括阴极射线管(CRT)、平板装置(诸如液晶显示器(LCD))、投影装置、或者用于创建可见图像的某种其他机构。显示子系统还可以诸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1900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1924存储了提供并且支持在此所描述的一些或所有功能的编程和数据构造(例如，软件模块)。例如，存储子系统1924可以包括有待增材制造的零件的CAD模型和用于在增材制造工艺期间标识沉积位置以调节集成式金属沉积头的位置的逻辑。
软件模块一般是由处理器1914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1928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)1930和存储有固定指令的只读存储器(ROM)1932。文件存储子系统1926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、与相关联的可移除介质一起的软盘驱动器、CD-ROM驱动器、光盘驱动器、或者可移除介质盒。实现某些实施例的功能的模块可以通过文件存储子系统1926存储在存储子系统1924中、或者存储在(多个)处理器1914可访问的其他机器中。
总线子系统1912提供了让控制器1900的各个部件和子系统按预期彼此通信的机构。虽然总线子系统1912被示意性地示为单一总线，但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1900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19所描绘的控制器1900的描述仅旨在作为具体实例用于说明一些实施例。控制器1900的具有比图19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。
图20展示了在所有的框架或盖部未附接、并且具有集成的焊丝给送器的情况下的集成式沉积头2000的一个实施例的两个视图。第一视图从焊丝给送器2010的马达侧示出了沉积头2000，具有马达2015和用于控制马达2015的集成的焊丝给送器电路控制板2016。在一个实施例中，板2016有助于控制“推拉”式焊丝给送操作，以保持同一给送速率。在一个实施例中，板2016还用于控制气体螺线管，以控制气体的流动。第二视图从焊丝给送器2010的驱动滚柱侧示出了沉积头2000，具有驱动滚柱2017。激光加工子系统2020被示出为连同鼻锥2030在一起在组件内、在焊丝给送器2010下方。根据一个实施例，激光加工子系统2020包括激光聚焦装置，所述激光聚焦装置在红外光谱中运行并且提供1千瓦(kW)到15千瓦之间的输出功率。例如，在4kW时，预期可以实现2.0到3.5千瓦/时之间的沉积速率。
图21类似于图5展示了图20的集成式沉积头2000的一部分2100的内部构型的一个实施例，示出了多个不同部件细节。部分2100包括沉积头包壳2101、夹具2105、柔性靴形部2110、具有密封件2115的夹具、以及热/电绝缘板2120。部分2100还包括焊丝进入调节单元2125、水冷式接触块2130、鼻锥锁定套环2135、补充气体/尖端冷却气体导管2140、以及鼻锥2145。部分2100产生并发射激光光束2150并且给送填充焊丝2155。部分2100还包括焊丝接触尖端2160、冷却通路2165、焊丝导管管和衬套2170、以及热丝加工导电引线(在背景中)2175。在一个实施例中，导电引线2175对焊丝导管管和衬套2170提供电流并且是水冷式的，从而允许导电引线2175具有相对小的直径。部分2100还包括聚焦光学器件出口尖端2180、聚焦光学器件辅助气体入口2185、未穿孔的聚焦光学器件盖部滑动件2190、以及激光光聚焦光学器件模块2195。
盖部滑动件2190有助于防止不希望的材料/粒子(例如，飞溅物、烟气)到达聚焦光学器件模块2195中。进入到聚焦光学器件辅助气体入口2185的气体(例如，氩气)也有助于防止不希望的材料/粒子(例如，飞溅物、烟气)到达聚焦光学器件模块2195中。夹具2105，具有密封件2115的夹具，以及柔性靴形部2110有助于保持气体密封在部分2100所期望的区域内，而不允许周围环境空气进入。为了使填充焊丝2155相对于激光光束2150移动的目的，这允许沉积头2000的鼻锥部分相对于部分2100的上部移动。水冷式接触块2130在块内具有通路2165以允许流体(例如，水)循环来冷却鼻锥区域。
绝缘板2120的主要目的是用于防止电传导返回通过增材沉积头的结构框架并且通过机器人、控制器、或相关的系统布线。焊丝进入调节单元2125允许微调沉积工艺的进给角，其中，特定应用可以示出由于工艺采用的多种不同的合金的物理性质和热性质的不同，在略微不同的进给角下轻微的沉积性能益处。鼻锥锁定套环2135允许移除/安装各种鼻锥(例如，经由带螺纹的连接件)。补充气体/尖端冷却气体导管2140提供气体来帮助冷却接触尖端区域并且用气体淹没所述区域。总体上，在鼻锥区域内，来自补充气体/尖端冷却气体导管2140的气体将比来自气体入口2185的气体更冷。在补充气体/尖端冷却气体导管2140的端部处的孔或孔口用于聚焦气体以形成笔直的气体流。聚焦光学器件出口尖端2180有助于产生爆发的气体从而帮助防止材料/粒子(例如，飞溅物、烟气)返回到激光光聚焦光学器件模块2195。
图22展示了集成式沉积头2000的一个实施例的热丝加工子系统2200，所述集成式沉积头具有带驱动滚柱2017的焊丝给送器2010。焊丝加工子系统2200被配置用于将填充焊丝2155给送穿过焊丝导管管和衬套(wire conduit tube and liner)2170以实现如本文中之前描述的相对于纵向方向(例如，竖直方向)的角度。图23展示了集成式沉积头2000的一个实施例的激光加工子系统2300，示出了具有激光光聚焦光学器件模块2195、聚焦光学器件盖部滑动件2190(未穿孔)、以及聚焦光学器件辅助气体入口2185的激光聚焦装置2350。激光加工子系统2300被配置用于产生激光束2150。图24展示了图23的激光加工子系统2300的激光聚焦装置2350的一个实施例，示出了激光光聚焦光学器件模块2195、聚焦光学器件辅助气体入口2185、聚焦光学器件盖部滑动件2190、以及聚焦光学器件出口尖端2180。图25展示了集成式沉积头2000的一个实施例的沉积头结构框架2500，所述沉积头结构框架被配置用于包围集成式沉积头2000的内部部件。在一个实施例中，结构框架2500包括可移除盖部，所述可移除盖部被配置用于允许触及集成式沉积头2000的某些内部部件。
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35 U.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效物所限定的总体创新性构思的精神和范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (20)

1.一种集成式激光热丝增材沉积头，所述沉积头包括：
结构框架；
激光加工子系统，所述激光加工子系统包括激光聚焦装置，所述激光聚焦装置安装在所述框架内并且被配置用于沿纵向定向的方向朝向有待增材制造的基材或零件递送单束路径激光束；以及
送丝装置和导电管，所述送丝装置和所述导电管安装在所述框架内并且被配置用于相对于所述纵向定向的方向成1°与30°之间的某一角度地朝向所述基材或所述零件给送可消耗填充焊丝，
其中，在运动控制系统的引导下，所述沉积头被配置用于相对于所述基材或所述零件全向移动来对所述零件进行增材制造，而无需：
从所述纵向定向的方向有角度地改变所述单束路径激光束的取向，或者
旋转所述沉积头。
2.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述角度在1°与30°之间可手动调节。
3.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述激光束与所述基材或所述零件汇聚处的第一位置与所述可消耗填充焊丝的尖端与所述基材或所述零件汇聚处的第二位置之间的距离是可手动调节的。
4.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述单束路径激光束在所述集成式激光热丝增材沉积头内不分裂或重新组合。
5.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，进一步包括鼻锥、通用型软管和导管、以及水冷式接触块。
6.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述送丝装置包括马达和驱动滚柱。
7.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述可消耗填充焊丝与所述纵向定向的方向成约30度以下的第一角度地接近所述沉积头内的导电管，并且然后与所述纵向定向地方向成约1度到5度的第二角度地离开所述导电管。
8.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述激光聚焦装置在红外光谱中运行，从而提供最高达15千瓦的输出功率。
9.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，可实现最高达约10.0千瓦/时的沉积速率。
10.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述激光聚焦装置包括激光光聚焦光学器件模块、聚焦光学器件辅助气体入口、未穿孔的聚焦光学器件盖部滑动件、以及聚焦光学器件出口尖端中的至少一个。
11.一种集成式激光热丝增材沉积头，所述沉积头包括：
结构框架；
激光加工子系统，所述激光加工子系统包括激光聚焦装置，所述激光聚焦装置安装在所述框架内并且被配置用于沿纵向定向的方向朝向有待增材制造的基材或零件递送单束路径激光束；以及
导电管，所述导电管安装在所述框架内并且被配置用于接受来自外部送丝装置的可消耗填充焊丝并且相对于所述纵向定向的方向成1°与30°之间的某一角度地朝向所述基材或所述零件引导所述可消耗填充焊丝，
其中，在运动控制系统的引导下，所述沉积头被配置用于相对于所述基材或所述零件全向移动来对所述零件进行增材制造，而无需：
从所述纵向定向的方向有角度地改变所述单束路径激光束的取向，或者
旋转所述沉积头。
12.如权利要求11所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述角度在1°与30°之间可手动调节。
13.如权利要求11所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述激光束与所述基材或所述零件汇聚处的第一位置与所述可消耗填充焊丝的尖端与所述基材或所述零件汇聚处的第二位置之间的距离是可手动调节的。
14.如权利要求11所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述单束路径激光束在所述集成式激光热丝增材沉积头内不分裂或重新组合。
15.如权利要求11所述的集成式激光热丝增材沉积头，进一步包括鼻锥、通用型软管和导管、以及水冷式接触块。
16.如权利要求11所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述可消耗填充焊丝与所述纵向定向的方向成约30度以下的第一角度地接近所述沉积头内的导电管，并且然后与所述纵向定向地方向成约1度到5度的第二角度地离开所述导电管。
17.如权利要求11所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述激光聚焦装置在红外光谱中运行，从而提供最高达15千瓦的输出功率。
18.如权利要求11所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，可实现最高达约10.0千瓦/时的沉积速率。
19.如权利要求11所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述激光聚焦装置包括激光光聚焦光学器件模块、聚焦光学器件辅助气体入口、未穿孔的聚焦光学器件盖部滑动件、以及聚焦光学器件出口尖端中的至少一个。
20.如权利要求11所述的集成式激光热丝增材沉积头，进一步包括热/电绝缘板、焊丝进入调节单元、鼻锥锁定套环、以及补充气体/尖端冷却气体导管中的至少一个。
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