CN117355417A - 增材金属铸造系统及装置 - Google Patents

Abstract

用于通过构造具有模具区和物体区的生产层来增材铸造金属物体的系统和方法包括：构造当前生产层的模具区的模具构造单元；准备‑沉积‑后(PDP)单元，其包括将熔融金属沉积在物体区中的熔融金属沉积器、用于保持熔融金属沉积器的保持器、至少一个感应加热单元；用于支撑生产层的竖直堆叠的构建台；提供PDP单元和构建台之间的相对移动的可移动平台；以及控制器，其用于控制PDP单元和可移动平台而将熔融金属沉积在制造区域中，并控制PDP单元执行(1)在熔融金属沉积之前将制造区域预加热至预沉积温度，和/或(2)在熔融金属沉积之后将制造区域后加热至后沉积温度。

Description

增材金属铸造系统及装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年5月19日提交的IL专利申请283302的优先权，其替换申请文件于2021年11月29日提交，两者均通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般地涉及金属铸造，并且特别是，涉及用于增材金属铸造的装置。

背景技术

目前，对铸造金属产品的大部分需求通过传统铸造技术来满足，该传统铸造技术涉及到完整模具的生产，然后利用熔融金属填充模腔。在一些情况下，模具的生产包括制造铸造模型(样模)，模具由该铸造模型制成。

传统金属铸造的问题

铸造模型和模具的生产和管理显著增加了传统铸造的成本和周转时间。制造模型和模具既昂贵又耗时，在正在进行的铸造操作中使用它们需要对模具和模型进行清洁、维护、修理和修复。

模型和模具的长期储存和库存可能产生进一步的重大开支和管理负担。对于特定铸造金属零件(或部件)的大规模生产而言，这种努力可能是合理的，但在售后情况下，当市场对该特定零件的需求减少时，可能很难证明为生产该部件而维护模具和模型的持续开销是合理的。当继续制造该零件的成本变得过高时,该零件的替代供应通常变得限于现有库存。

传统的基于模具的铸造还具有进一步的缺陷：大(型)或复杂的铸件通常需要具有多个浇(口)杯、流道、冒口和延伸部的模具，这些浇杯、流道、冒口和延伸件占用了相当大比例的过量模具体积，在许多情况下，这会将铸件所需的熔融金属量最高增加50％。尽管过量金属通常可以被重新熔化和再利用，但在熔融(或熔化)过量金属时消耗的能量被浪费。传统铸造的另一缺陷是，特别大或复杂的零件不能总是以单件铸造，从而需要在铸造后将较小的零件焊接和/或螺栓连接在一起。

传统铸造的其他缺陷涉及在处理和操纵大量熔融金属的过程中固有的工业安全隐患、所涉及的高温以及通常伴随该过程的有毒烟雾。除了对制造人员的直接安全隐患之外，还有污染和其他有害环境影响的问题，所有这些均可能产生广泛而持久的后果。

增材金属铸造的优点

传统铸造的上述局限推动了各种直接增材金属铸造技术的发展。增材金属铸造有可能消除与先前讨论的模型和模具相关联的问题和限制，并有望将熔融金属限制于所包含的局部环境中的更容易管理的量值和范围(程度)内，以提高安全性并将环境危害的影响最小化。

目前的增材制造系统尤其是在以下已发表的文章中进行了描述：“ShapeDeposition Manufacturing(形状沉积制造)”，Merz等，载于Proceedings of the 1994International Solid Freeform Fabrication Symposium(1994年国际固体自由形式制造研讨会论文集)，第1-8页；“Shape deposition manufacturing of heterogeneousstructures(异质结构的形状沉积制造)”，Weiss等，载于Journal of ManufacturingSystems(《制造系统期刊》)，1997年第4期第16卷，第239-248页；以及“Shape DepositionManufacturing With Microcasting:Processing,Thermal and Mechanical Issues(具有微铸造的形状沉积制造：加工、热和机械问题)”，Amon等，载于Journal of ManufacturingScience and Engineering(《制造科学与工程期刊》)、Transactions of the ASME(《ASME学报》)，1998年8月，120(3)，第656-665页。另外令人感兴趣的是，维也纳技术大学于1994年5月发表了Robert Merz的博士论文(英文)，题为“Shape Deposition Manufacturing(形状沉积制造)”。

目前的增材金属铸造技术的缺陷

虽然目前的增材金属铸造技术潜在地解决了传统铸造的模具和模型相关问题，但其也带来了自身的限制和局限：

有限的产量、铸件尺寸和产品质量问题

就生产流程而言，目前的增材金属铸造技术通常具有有限的产量，并且已证明难以扩展到大的零件尺寸和质量。

此外，如上文引用的Merz的论文中所述，目前的增材金属制造通常表征出铸造缺陷，包括普遍存在的肉眼可见的空隙。这些缺陷使得增材铸造的产品不适于在许多应用中使用。

金属和金属源的限制

目前，金属增材制造通常基于直接沉积技术以及利用激光和电子束的粉末床融合技术。目前使用的有以下技术：基于激光的粉末床融合、激光粉末沉积、电子束粉末床融合、金属丝(或线)电弧/等离子弧沉积、金属丝(或线)电子沉积、定向能量沉积(DED)以及粘结剂喷射。其他直接沉积和基于烧结的技术在开发和采用的早期阶段可供使用。然而，这些技术通常仅限于低熔点金属且有时需要制造商将其熟悉的原料金属库存转换为基于金属粉末的(材料)源。

因此，需要一种增材金属铸造系统和装置，其克服上述限制，并有助于在较高熔点金属源库存的已建立和认证源的基础上在具有高质量和均匀性的铸造金属制造中获得经济且高效的产出。这些目标通过本发明得以实现。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种用于通过构造形成生产层的竖直堆叠的一系列生产层来铸造金属(或金属制)物体的铸造系统，其中所述一系列生产层的生产层具有模具区，其中所述一系列生产层的生产层具有模具区，其中所述一系列生产层具有由所述模具区限定的物体区或对象区(用于熔融金属沉积的区，或其中现在已固化的熔融金属先前被沉积的区)(即，物体区由模具区中的模腔的表面限定)，并且其中当前生产层(即，当前正在制造的生产层)被构造于竖直堆叠中的先前生产层(或前一生产层)的顶表面(即，先前制造的生产层的顶表面)上，所述系统包括：模具构造单元，其可操作，以构造当前生产层的模具区；准备-沉积-后处理(PDP)单元，其包括：熔融金属沉积器，其可操作，以将熔融金属沉积在由当前生产层的模具区限定的物体区中；保持器，其附接到所述熔融金属沉积器，用于保持所述熔融金属沉积器；至少一个感应加热单元，其附接到所述保持器；构建台，用于支撑生产层的竖直堆叠；可移动平台，其提供PDP单元与构建台之间的相对移动(或相对运动)，其中所述相对移动是沿着前进方向的；以及控制器，其用于控制PDP单元和可移动平台而将熔融金属沉积在当前生产层的物体区的制造区域中，并控制PDP单元执行以下各项中的至少一个：在熔融金属沉积之前将制造区域预加热至预沉积温度，以及在熔融金属沉积之后将制造区域后加热至后沉积温度。

根据本发明的一些实施例(其可以与本文中描述的其他实施例相结合)，该系统还包括控制器，以控制感应加热单元进行预加热、加热和后加热而影响先前生产层的物体区中的熔融区域和当前生产层的物体区中的区域的固化参数。

在相关实施例中，该系统还包括控制器，以控制感应加热单元执行预加热、加热和后加热而影响冷却当前生产层的物体区中的区域的参数。

感应加热单元可以包括单个感应加热线圈，该单个感应加热线圈相对于前进方向具有前导区段和尾随区段，并且沿着前进方向，前导区段可以预加热先前生产层的物体区中的制造区域，并且所述尾随区段用于对当前生产层的物体区中的制造区域进行后加热。

根据相关实施例，感应加热单元具有呈大致平面圆形形状的至少一个线圈。

感应加热单元可以具有其主轴平行于前进方向的大致平面椭圆形形状。感应加热单元可以具有其主轴垂直于前进方向的大致平面椭圆形形状。

感应加热单元可以具有大致圆锥形的形状，其在增材铸造系统的操作期间被定向为使得圆锥形的顶端比圆锥形的基部更靠近制造区域。

根据本发明的一些实施例(其可以与本文中描述的其他实施例相结合)，感应加热单元包括一个或多个感应加热线圈绕组，其中每个线圈绕组可以包括多个匝圈。感应加热单元可以包括多个绕组，所述多个绕组在感应加热线圈的第一部分中具有第一匝圈密度(每单位距离的匝圈数)且在感应加热线圈的第二部分中具有第二匝圈密度，其中第二匝圈密度(或第二密度)高于第一匝圈密度(或第一密度)。

感应加热单元可以具有垂直于构建台的中心轴线。在增材铸造系统的操作期间，感应加热单元可以相对于构建台以一定的角度倾斜。

一些实施例还包括控制器，以控制对感应加热单元的电力(或电功率)的提供，其中控制电力的提供包括控制以下各项中的至少一个：电流水平、电流幅度(或幅值)、电流极性、时序(定时)、持续时间、交流(AC)频率和AC相位。

在可以与本文中描述的其他实施例结合的各种实施例中，熔融金属单元包括金属杆(或棒)，其中感应加热熔化杆的梢端(或尖端)。在本发明的一些实施例(其可以与本文中描述的其他实施例结合)中，熔融金属单元的特点是具有坩埚，用于容纳由感应加热单元加热和熔化的金属。

可移动平台可以包括以下各项中的至少一个：移动PDP单元的可移动单元以及配置为移动构建台的可移动支架。

保持器可以包括用于旋转熔融金属沉积器的旋转单元。保持器可以包括致动器，用于在铸造系统的操作期间沿竖直轴线移动金属源杆。重要的是，注意到保持器不仅保持熔融金属沉积器(其附接到保持器)，而且保持器还附接到PDP单元，该PDP单元包括一个或多个感应加热单元。也就是说，熔融金属沉积器经由保持器物理连接到所述感应加热单元。熔融金属沉积器和感应加热器因此一起移动，通过保持器接合。

相关实施例提供了一种熔融金属供料器，用于向熔融金属沉积器提供新的熔融金属。

模具构造单元可以为模具沉积单元，其具有与模具沉积单元流体连接的未硬化模具材料的模具材料贮存器，用于将模具材料增材式地沉积在由构建规划(或方案)预定义的生产层的模具区中。

在本发明的一些实施例(其可以与本文中描述的其他实施例结合)中，模具构造由模具构造单元完成，该模具构造单元包含远程构造的模具部件的储备库，并包括模具传送单元，用于将模具部件从储备库传送到构建规划预定义的生产层中的模具区。

该系统还可以包括生产腔室，以在物体区生产期间容纳构建台和至少PDP单元，并在模具区构造期间容纳模具构造单元。生产腔室可以在物体区生产期间保持在第一温度，并且在模具区构造期间保持在不同于第一温度的第二温度。在相关的实施例中，生产腔室提供惰性气氛环境。

在物体区生产期间，生产区域可以被保持为惰性环境。

根据本发明的另一方面，提供了一种通过按照构建规划在构建台上增材式地构建生产层来铸造物体的方法，该生产层具有由模具区限定的物体区，该方法包括利用具有熔融金属沉积器、用于保持熔融金属沉积器的保持器以及连接到保持器的感应加热单元的准备-沉积-后处理(PDP)单元：按照构建规划在构建台上构造当前生产层的模具区，然后，在提供PDP单元与构建台之间的相对移动的同时，向感应线圈提供电力(或电功率)，用于加热熔融金属沉积器的一部分，以在当前生产层的物体区中的制造区域中沉积金属，并且用于执行以下各项中的至少一个：将先前生产层的物体区中的区域预加热至第一温度，以及将当前生产层的物体区中的区域后加热至第二温度。

该方法可以进一步包括按照构建规划重复构建、预加热、加热和后加热。

所述构建可以包括通过与模具材料贮存器流体连接的模具沉积单元沉积来自模具材料贮存器的模具材料。所述构建可以包括通过模具传送单元将远程制造的模具部件从远程制造模具部件的储备库传送到由构建规划预定义的生产层中的模具区。

该方法还可以包括通过控制以下各项：电流水平、电流幅度、电流幅度、功率水平、电流极性、时序(定时)、占空比、功率因数、交流(AC)频率和交流(AC)相位中的至少一个来控制电力的提供。

提供电力可以包括可选地提供第一电力水平，用于对先前生产层的物体区中的区域进行预加热；

提供第二电力水平，用于熔化所述熔融金属沉积器的一部分中的金属；以及可选地提供第三电力水平，用于对当前生产层的物体区中的区域进行后加热。

第一电力水平可以基于将先前生产层的物体区中的区域加热至第一温度所需的电磁(EM)能量来确定；第二电力水平可以基于熔融所述熔融金属沉积器的一部分中的金属所需的EM能量来确定；并且第三电力水平可以基于加热当前生产层的物体区中的区域所需的EM能量来确定。

该方法还可以包括以下各项中的一个或多个：为熔融金属沉积器提供竖直移动，并控制熔融金属沉积器与先前生产层的物体区之间的工作距离(根据本发明的各种实施例，控制器可以改变PDP单元的相对位置，以确保所述工作距离大于当前生产层的模具区的高度，以及根据生产层的厚度改变PDP单元的相对位置)；确定所需的熔融金属沉积率；控制PDP单元与构建台之间的相对移动的速度和方向中的至少一个；确定熔融金属沉积分布(或轮廓)，并控制以下各项中的至少一个：熔融金属沉积器的竖直位置、熔融金属沉积器的速度、提供给感应加热单元的电力(或功率)水平，其中所述控制基于熔融金属沉积分布；测量熔融金属沉积器的一部分的温度，并控制以下各项中的至少一个：熔融金属沉积器的竖直位置、熔融金属沉积器的速度、提供给感应加热单元的电力(或功率)水平，其中所述控制基于测得的温度；加热先前生产层的物体区中的区域，使得在先前铸造的金属层的预加热期间由感应加热单元形成的预加热区域的宽度比在预加热线的顶部铸造的熔融金属线的宽度宽5％-50％。

附图说明

作为本发明的主题在本申请文件的结束部分中被特别指出并被清楚地主张。然而，本发明，关于组织以及操作方法两者，连同其目的、特征和优点通过参照以下的详细描述，在结合附图阅读时可以被最佳地理解，在附图中：

图1A是根据本发明的一些实施例的增材铸造系统的示意图；

图1B是根据本发明的一些实施例的图1A的增材铸造系统的框图；

图2A-2D是根据本发明的一些实施例的线圈布置的示意图；

图3A是根据本发明的一些实施例的增材铸造系统的示意图；

图3B是根据本发明的一些实施例的图3A的增材铸造系统的框图；

图4A和图4B是根据本发明的一些实施例用于金属物体的增材铸造的方法的流程图；

图5是根据本发明的一些实施例控制用于金属物体的增材铸造的系统的方法的详细流程图；以及

图6A至图6F描绘了对根据本发明的实施例制造的铸造物体的试样进行的冶金学评估的结果。

将认识到，为了图解说明的简化和清晰性，附图中示出的元件不一定按比例绘制。例如，为清晰起见，一些元件的尺寸可相对于其他元件被放大。此外，在被认为适当的情况下，参考数字可以在各个图之间重复，以指示对应或类似的元件。

具体实施方式

在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，未详细描述公知的方法、程序和部件，以免模糊本发明。

金属增材制造方案旨在能够实现最终零件的高分辨率和高精度复杂设计，消除模具制备和使用的需要，加快交付周期，提高制造安全性。

根据本发明的实施例，提供了用于数字规划和受控增材金属铸造的系统和方法。根据本发明的实施例，避免了使用模型。根据本发明的实施例，避免了使用诸如浇杯、流道、冒口和延伸部的额外模具特征。根据本发明的实施例，增材制造构思以新颖的铸造方式实现。金属物体的制造被规划为一系列的多个操作，逐生产层地执行。在每个操作中，构建包括模具区和物体区的生产层。根据本发明的实施例，生产层由在生产区域(由构建台限定的X-Y平面)之上行进的一组专用生产单元构建于构建台上。生产单元在X-Y生产平面之上的行进可以为连续行进或离散的(跳跃式)。

用于实施生产操作的生产单元组可以包括以下单元中的几个或全部：

模具构造单元(在非限制性示例中，用于沉积用于生产层的模具区的未硬化模具材料的模具沉积单元)；

模具精加工单元，用于在熔融金属沉积之前加工模具区；

预金属沉积单元(在非限制性示例中，用于表面处理和/或准备)

-预金属沉积单元在本文中也可以称为“预加工”单元；

熔融金属沉积单元，用于制造生产层的物体区。所述物体区被沉积在由模具区限定的区域中；

金属后加工单元，用于后加工所述金属区；以及

生产层后加工单元，用于在进行到下一生产层的生产之前对所述生产层进行后加工。

生产单元可以通过机械臂、移动台或其他装置移动。本发明不受用于X-Y运动的运动致动器的型式和种类的限制。

在进行到下一生产层之前，构建台和生产单元的相对位移被调整。例如，构建台的高度在Z方向上或通过调整生产单元的高度进行调整。这是结合各种操作来完成的，并且在一些情况下是根据当前生产层的厚度来完成的。本发明不受用于Z运动的运动致动器的型式和种类的限制。

部分或全部生产单元可以以连续方式或离散方式(跳跃)在构建台之上行进，从而限定多个制造区域或局部制造区域。

根据本发明的一个实施例，预金属沉积单元、金属沉积单元和金属后加工单元彼此物理连接，并共享行进机构。预沉积(预加工)、沉积和后沉积(后加工、后处理)的组合模块被称为“金属PDP单元”，其中字母PDP代表“准备、沉积和后处理”。

根据本发明的实施例，一些准备和后处理操作利用感应加热来实现。准备操作可以实现为在与制造区域相邻的先前制造的生产层的区域处预加热，并且后处理可以实现为将与所述制造区域相邻的当前生产层的区域后加热。

制造区域、先前生产层的区域以及当前生产层的区域构成以均质方式固化的熔池。例如，几毫米(5、10、50、100)直至几厘米(1、2、3、4、5、10和15)的熔池被创建。

在一些实施例中，金属加热、预加热和后加热的组合操作是在移动的同时在大区域模型中已经铸造的物体层与下一物体层之间具有完美结合的适当铸造所必需的。以这种方式，根据本发明的实施例的增材铸造确保在整个铸造产品中具有均一和各向同性的微晶粒结构的均质结合，消除了如先前引用的现有技术参考文献中提及的目前的增材工艺的铸造空隙和其他缺陷。

在一些实施例(其可以与本文中描述的其他实施例结合)中，预加热被施加(或应用)，以熔化先前生产层中的区域。金属加热被施加，以用于熔化金属并促进其在适当温度下的沉积。后加热被施加，以使得能够实现对所产生的金属区域的受控冷却。

根据不同的操作方面，可以免除预加热操作。例如，在先前生产层未(或很少)受到表面氧化的情况下。此外，在一些情况下，当前沉积的材料与先前沉积的层之间的结合可以仅基于后加热。

根据不同的操作方面，可以省略后加热步骤。在非限制性示例中，存在这样的情况，其中可以在不需要加热、例如利用冷却或者不需要施加额外加热的情况下获得期望的热分布。

根据本发明的实施例，至少预加热、加热和后加热的参数被控制。例如，温度、持续时间、热分布和附加参数被控制，以产生熔池的期望冷却分布。

在一些实施例中，后沉积处理本身或与整体(全局)环境温度控制相结合被用于控制沉积的金属的晶体结构和相态。在一些实施例中，在提供一系列生产层制造操作之后，将额外的整体加热和/或冷却操作施加于零件。

根据本发明的实施例，一些准备和后处理操作利用单个感应加热单元来实现。单个感应加热单元的如‘准备’或‘后处理’的功能取决于行进方向。

后处理可以进一步实现为冷却。

另外，后处理可以包括将材料添加到当前生产层的区域中。

后处理可以包括表面校准或平整(例如，使用机械和/或磁性手段)。

根据本发明的实施例，模具(也称为‘壳体’)用作生产层的物体区的形状的轮廓描绘器(轮廓限定件)。模具区的一部分可以围绕物体区，以创建物体材料将被置入其中的边界轮廓。模具区的一些部分可以在物体区的悬垂段被沉积时作为用于所述悬垂段的暂时支撑件。类似地，模具区的一些部分可以暂时地支撑模具区的悬垂段。

本发明不受模具型式和模具构建技术的限制。根据本发明的一个实施例，使用诸如3D(三维)打印的增材技术将模具区直接施设于构建台上。根据本发明的另一实施例，模具区层被远离构建台地制造，并且逐层安装在构建台上。

由于模具区(壳体)的使用，与其他增材金属铸造技术相比，更高的金属沉积流速是可行的。通过允许每个沉积部分(例如，液滴)在由模具区限定的边界内流动，能够实现连续的金属沉积。结果是，可以获得更高的生产产量。例如，在无粉末、无模具金属增材直接能量沉积(DED)技术中，沉积厚度在1、2或3mm(毫米)的量级，导致在20小时内产生1-3kg(千克)的生产率。根据本发明的实施例，可以在20小时内沉积500-1000kg或更多。

根据本发明的实施例，生产层可以在受控和封闭的环境中制造：构建台(连同在其上增材式地生成的生产层)被置于生产腔室内。生产单元(全部或部分)可以被置于封闭环境中，或者被允许进入封闭环境。通过将构建台置于封闭环境中并在封闭环境内实施各种生产操作，可以获得更高水平的生产控制和安全性。

在可以与本文中描述的其他实施例结合的一些实施例中，生产腔室包括一个或多个加热器，用于在其中获得所需温度。生产腔室中的温度被调节，以解决或处理以下考虑因素中的一个或多个：

当前生产层的物体区与先前生产层的物体区之间的温差；

当前生产层的模具区与先前生产层的模具区之间的温差；

当前生产层的模具区和物体区之间的温差；

模具区的期望干燥/硬化速率；

物体区的期望固化速率；以及

将应用于当前生产层的模具区和/或物体区上的规划(或计划)热预加工和后加工。

在一些实施例(其可以与本文中描述的其他实施例结合)中，构建台包括一个或多个构建台加热器，并且控制器可操作，以将构建台加热并保持在预定的台温度。例如，对于灰铁物体的生产，台温度可以在500至750摄氏度的范围内保持恒定。在相关实施例中，构建台加热器提供用于预加热和/或后加热的热量。

在一些实施例中，控制器还可操作，以将构建台加热至用于模具区构造的第一构建台温度以及用于物体区生产的不同于第一构建台温度的第二构建台温度。

根据本发明的实施例，零件制造期间腔室、构建台和/或零件的整体温度被监测和控制。例如，熔炉可以用于循环热空气；构建台可以被加热；构建台可以包括加热器等。本发明不受整体温度控制的型式和种类的限制。

本发明的一些优点

根据本发明的实施例，通过控制生产腔室温度、构建台温度和铸造温度，可以增强以下性能和特征中的一个或多个：模具稳定性；单个生产层内的模具区之间或不同生产层的模具区之间的相互作用；宏观上和晶粒微观结构方面两者的物体区的同质性；铸造物体的各向同性体积性能；以及没有铸造缺陷。

在本发明的一些实施例中，该系统可以在开放的气氛环境中操作。根据本发明的其他实施例，生产环境可以在部分或全部生产操作期间被保持为密封的惰性气氛环境。所述惰性气氛环境可以通过若干种方式实现，其非限制性示例包括：使用密封的生产腔室、半密封的生产腔室或邻近生产点位提供的未密封的局部环境。本发明不受惰性气氛环境的实现的限制。

根据本发明的实施例，在完成所有生产层之后整体地执行模具移除。

本发明的附加优点和益处

如前所述，许多目前的增材金属铸造工艺要求制造商停止使用其常规原材料源并转而使用粉末金属源。本发明的一个优点是，它允许制造商继续使用其常规认证的原材料作为输入。

本发明的另一优点是有助于铸造操作的自动化，这目前需要熟练人员的参与和监督，不仅在生产线铸造中，而且在模型和模具的制备中。随着经验和熟练劳动力变得越来越难以找到，诸如本发明所支持的系统的全自动增材金属铸造系统将变得越来越必要。

现在参考图1A，其是根据本发明的一些实施例的增材铸造系统100的示意图。增材铸造系统100用于增材式地制造金属物体(或对象)。该物体是逐层制造的：包括金属区6和模具区8(由模具区横截面8A和8B表示)的先前铸造的生产层12被示出。包括物体区7A和模具区18(由模具区横截面18A和18B表示)的当前生产层14被示出。在生产层14的制造期间，物体区7A和可选地模具区18以顺序方式增材式地制造：在金属沉积操作期间，熔融金属被沉积在制造区域FA中。

图1A中未示出负责模具区构造的系统单元。

增材铸造系统100可以包括金属PDP(准备-沉积-后处理)单元10和可移动平台40，可移动平台保持PDP单元10，并配置为提供PDP单元10与构建台4之间的相对移动。为了便于解释，PDP单元10被示为在由构建台4限定的行进平面上沿着方向D1移动。在PDP单元10在行进平面上沿着方向D₁行进期间，一系列制造区域FA被限定出来，并且熔融金属被沉积在其中。为了图示和解释的清晰性，仅明确示出了一个制造区域FA。

在一些实施例中，PDP单元10的移动可以包括连续行进。根据诸如沉积流量、行进速度和其他因素的参数，可以沉积离散的液滴。在具有需要更高沉积流量的其他参数的另一实施例中，沉积熔融金属的连续射流或流。在进一步的实施例中，使用一系列移动-停止动作中的步进移动来执行离散沉积。

在一些实施例中，平面移动可以包括沿着由构建台限定的平面以行或列线性地来回运行PDP单元10(笛卡尔型移动)。可移动平台40可以在具有直角框架和线性轴(未示出)的笛卡尔坐标中实现。可移动平台40也可以实现为德尔塔系统，其采用附接到竖直轨道的多个臂。可以使用其他运动技术，例如选择性柔顺装配机械臂(SCARA)、H-bot、CoreXY等。在一些实施例中，可以使用极坐标来实现PDP单元10的移动，在表面之上循环PDP单元10。本发明不受运动型式和技术的限制。

在一些实施例中，PDP单元10可以包括保持器20，用于保持提供熔融金属/熔体9的熔融金属沉积器(或蓄积器)。作为非限制性示例，金属杆5在图1A中被示出。

在一些实施例中，可移动平台40可以包括连接器46，用于将可移动平台连接到构建台4。

在一些实施例中，每个物体区、例如物体区6和7的厚度可以为1-30mm。

在一些实施例中，直接置于构建台4上的第一、制造出的生产层仅由模具区8C组成。

在模具制造和物体制造操作期间，模具区可略高于物体区的规划厚度-这在图1A中通过横截面18A的高度与物体区7的上表面之间的微小差异来图解说明。可以提供模具区18与物体区7之间的高度差，以避免在物体区制造期间金属溢出，或者用于容纳通过金属沉积单元在相同或相邻的制造点位上的若干次行进而制造并由先前制造的模具区(图1中未示出)支撑的物体区。

在一些实施例中，可移动平台40可以包括以下各项中的至少一个：配置为移动金属沉积单元的可移动单元45，以及配置为移动构建台4的可移动支撑件46。在一些实施例中，可移动支撑件46可以被配置为相对于可移动单元45和金属沉积单元移动构建台4。在一些实施例中，构建台4可以被配置为沿至少一个轴线(例如，竖直方向)、两个轴线(如，在水平面中)或沿所有三个轴线移动。

在一些实施例中，系统100可以被配置为通过控制可移动单元45和/或可移动支撑件46的移动沿一个、两个或三个轴线提供PDP单元10与构建台4之间的相对移动。本发明不受构建台4与金属沉积单元之间的相对移动的实现方式的限制。

在一些实施例中，PDP单元10包括旋转单元，从而提供PDP单元10围绕其对称轴线的旋转。在一些实施例中，提供PDP单元与构建台之间的倾斜角度。例如，PDP单元10可以包括倾斜单元，从而使得PDP单元10能够相对于构建台倾斜。PDP单元10内的单元的内部运动(例如，沿z轴使一个或多个感应加热单元移位)也是可能的。本发明不受实现旋转运动和倾斜角度的方式的限制。

在一些实施例中，PDP单元还包括感应加热单元30。在相关实施例中，感应加热单元30被配置为：(1)将生产层6中与生产层7中的当前物体制造点位SP相邻的先前制造的物体区6A预加热至第一温度；(2)使用感应加热单元30的部分30A、30B的内侧熔融金属杆5的一部分；以及(3)将当前生产层7中的物体区7A后加热至第二温度。

在图1A所示的本发明的实施例中，以上描述的下列构造单元被实现为具有杆5的熔融金属沉积器和感应加热单元30：预加工金属生产单元-感应加热单元30的区段30A；金属沉积生产单元-杆5，其由感应加热单元30的内部部分加热，以及金属后加工单元-感应加热单元30的区段30B。

关于平行于前进方向D1的感应加热单元30的横截面(例如，图2中所示的轴线AA)，某些实施例提供了具有前导部分30A和尾随部分30B的感应加热单元30。前导部分30A将生产层6中的与生产层7中的当前物体制造点位SP相邻的先前制造的物体区6A预加热至第一温度，并且尾随部分30B将当前生产层7的物体区7A后加热至第二温度。

根据本发明，关键是要密切关注制造区域，在该区域处，熔融金属(呈液滴形式或窄熔融金属流的形式)与已固化的先前沉积的金属相遇。该小区域(毫米量级)是增加(新增)的金属变为铸造物体的一部分的位置。申请人已经意识到，目前的增材技术的缺陷可能由于缺乏对该小但关键区域的关注而导致。目前的增材工艺依赖于增加的熔融金属的热能将其结合到先前沉积的金属，但这不足以恰当地控制从液相到完全融合(整合)的固相的金属学转变，并导致不良的结合、不规则的晶粒微观结构(显微组织)、各向异性性能以及其他铸造缺陷。本发明的实施例通过提供集成PDP单元克服了这些问题，该集成PDP单元不仅沉积增材熔融金属，而且精确地控制增材熔融金属和固化金属的目标区两者的热性能。精确的控制使得能够减少或消除热冲击，并允许熔融金属与预先存在的金属无缝融合(集成)和结合。为了做到这一点，本发明的实施例提供了一种PDP单元，该PDP单元紧密地结合沉积和热(学)加热两者，用于毫米量级的小区域的协同加工。根据本发明实施例的PDP单元的关键特征是保持集成PDP单元内的熔融金属沉积单元和协同加热单元的紧密物理接近。通过以这种方式物理地接合这些关键的子单元，与独立的沉积和加热单元相关的系统误差被最小化，并且被降减为在目标物体(或目标对象)之上的PDP单元的运动的方向和速度问题(或事宜)。在预加热目标区域与新增的熔融金属的沉积之间必然会经过少量的时间。根据本发明在PDP单元中将熔融金属沉积器物理耦合至加热单元允许对该小的时间间隔进行精确控制，以使其影响最小化。相关参数可能涉及熔融金属沉积器-加热器组合的几何形状以及PDP单元的运动路径、速度和方向。根据本发明的相关实施例，这些参数可以连同适当配置的扫描图案和PDP单元在制造区域之上的工作距离的仔细补偿一起进行变化，以获得优异的冶金(学)条件，该冶金条件有利于新增的金属至现有金属物体的期望结合和融合(整合)。

在操作期间，如适用的话，在多个制造区域上一个制造区域接着另一个制造区域地依次实施以下行为。每个熔融金属沉积器单元在不同的时间一个接一个地经过制造区域及其附近：在移动的同时，感应加热单元30的部分30A将部分的生产层6预加热。热量被传递到预加热区域附近。此后，带有杆5的熔融金属沉积器到达预加热区域-制造区域FA并沉积金属。然后30B在该区域上方行进并对其进行后加热。可选地，施加(或应用)额外的后处理，例如冷却和非热处理操作。

随着PDP单元在正被生产的物体区之上移动，可能产生连续的熔池拖曳和连续的熔融金属沉积。在制造区域中，随着熔融金属沉积器接近制造区域并在其上方移动，在PDP单元预加热之后，熔池冷却。在一些实施例中，提供高于熔点的加热，以补偿在预加热器的通过与熔融金属沉积器的到达之间的制造区域的这种冷却。

根据本发明的实施例，物体区6A的一部分通过感应加热单元30的部分30A被预加热至高于熔点的温度；物体区6A的所述部分被熔化(至少其顶表面)，以形成深度约为1mm的熔池。然后，带有杆5的熔融金属沉积器越过熔池(物体区6A的预加热部分)并将熔融金属沉积在物体区6A的预加热部分的顶部。然后，感应加热单元30的部分30B在制造区域(现在构成物体区7A的一部分)之上移动，用于后加热。后加热可以支持将当前沉积的金属接合到先前沉积的金属部分。后加热也可以控制金属的冷却过程。

在操作中，与制造区域FA相邻的物体区6A和7A被局部液化。当熔融金属沉积到制造区域FA上时，沉积的熔融金属与物体区6A和7A中先前沉积的金属混合，从而产生无缝结合。在熔融金属沉积器移开之后，沉积的金属通过从物体区6A和7A到下方的先前沉积(并且现在固化)的金属块体的热(量)传递而冷却。

随着在多个制造区域(点位)上执行预加热-金属沉积-后加热的序列，当前物体生产层固化。

感应加热单元30由控制器(图1B中所示的控制器60)控制。控制器60可以控制操作的时序、占空比、温度和附加操作参数。在各种实施例中，控制器60经由数字控制系统、模拟控制系统或其组合来实现。

本文中的术语“控制器”表示用于执行、操作和/或控制过程的任何自动化设备，包括通用计算、数据处理设备和移动数据通信/处理设备，以及嵌入设备、装置、系统和数据通信/处理网络中的专用控制器和专用控制设备。应当理解，本发明的方法可以由控制器或类似设备或者在其指引下根据呈可执行程序、子例程和计算/数据处理设备应用(其体现为包含在非暂时性数据存储设备中的软件和/或固件)的形式的可执行指令、命令和/或数据来执行。

在一些实施例中，为感应加热单元30而产生的第二温度与第一温度相同。在其他实施例中，第二温度高于第一温度。

感应加热单元连接器30C和30D可以被连接到保持器20和/或可移动单元45。

感应加热单元30可以具有各种适当的形状或形式。在一些实施例中，感应加热单元30被实现为平面“煎饼”型感应加热线圈，如图2A所示。感应加热单元30的中心孔大于被熔化的杆5的直径。例如，感应加热线圈30可以是具有呈矩形横截面的铜管的5匝扁平(煎饼形)线圈。铜管横截面可以为10×20mm。在一些实施例中，杆5的直径可以为大约45mm，感应加热线圈30的中心孔的直径可以为大约60mm。在其他实施例中，感应加热单元中的孔不必大于杆5：来自杆5的熔融梢端的液滴将在圆锥形梢端的表面上流动，并通过中心滴落到制造区域。

根据图2A中示出的本发明的实施例，感应加热单元30由对称配置的感应加热线圈组成。作为非限制性示例，示出了具有5匝的大致平面状圆形线圈(“煎饼”)。感应加热单元30作为PDP单元10的一部分可以在生产平面中沿任何方向移动。由于其对称布置，圆形感应加热线圈(“煎饼”)的任何部分均可以相对于PDP单元的前进方向作为前导部分30A或尾随部分30B操作。

根据在图2B和图2C中以非限制性方式示出的本发明的其他实施例，感应加热单元30被设置成椭圆形的形状，其相对于优选轴线对称，并将感应加热单元的优选部分限定为相对于前进方向‘前导’和‘尾随’。在这种配置中，感应加热单元和/或PDP单元可以设有适当的运动自由度(例如，围绕图2A中所示的轴线BB)，以覆盖整个生产层。

图2D是根据另一实施例的感应加热单元30的横截面：感应加热单元30可以包括具有大致圆锥形的形状的线圈，该线圈被定向为使得在增材铸造系统的操作期间线圈的较小直径d₁比线圈的较大直径d₅更靠近制造区域。

在又一实施例中，感应加热单元30可以包括一个或多个生产层，并且每个生产层包括多个匝圈(未示出)。

在一些实施例中，由扁平煎饼形状限定的平面(图2中所示的平面A-A)平行于由构建台(图1A中的元件4)限定的生产平面。感应加热单元30的中心轴线B-B可以垂直于平面A-A，如图1A和图2中所示。

在又一实施例中，在增材铸造系统100的操作期间，感应加热单元30可以相对于水平面(例如，生产层6或7的上表面)以一定的角度(例如1-30度)倾斜。在这种情况下，当可移动平台20移动倾斜的感应加热线圈30时，感应加热单元30的更靠近水平面定位的部分用作‘前导’部分，从而提供预加热。

在又一实施例中，感应加热单元30可以包括多个偏心匝圈，其在感应加热单元30的第一部分中具有第一匝圈密度，并且在感应加热单元30的第二部分中具有比第一匝圈密度高的第二匝圈密度。在这种情况下，对于相同的电流，由感应加热单元30的第二部分耦合到金属层的能量密度可以高于由感应加热单元30的第一部分耦合的能量密度。

感应加热单元的形状不限于环形拓扑结构。例如，感应加热单元30可以包括一组两个发夹式线圈，使得30A和30B成为两个独立的感应加热单元。根据另一示例，感应加热单元可以包括‘拆分-n-返回’线圈。

感应加热单元可以包括一个或多个磁通集中器(MFC)，以放大磁场密度。还可以使用用于磁通集中器(MFC)的散热器(热沉)。本发明不受可使用的磁通集中器和散热器的型式、形状和设计的限制。

在一些实施例中，可以确定感应加热单元30的尺寸、宽度、高度、材料、结构、匝圈数以及与生产层6和7相距的距离，以便控制感应加热线圈30与杆5以及生产层6、7之间的磁能耦合。

例如，可以确定感应加热单元30的中心孔的尺寸，以优化感应加热线圈30与杆5之间的磁能耦合，以便提供杆5的受控熔融。

在另一实施例中，当感应加热单元30相对于生产层6和7的表面基本上水平地定位时，感应加热线圈30与新生产层7之间的能量耦合可以高于感应加热线圈10与先前生产层6之间的能量耦合，因为生产层7比生产层6更靠近感应加热线圈30。

在又一实施例中，为了改善生产层6与感应加热线圈30之间的能量耦合，感应加热单元30可以倾斜(如以上本文中所讨论)，从而缩短感应加热线圈的下表面与生产层6之间的距离。

在上述实施例中，感应加热单元30被描述为使用单个感应加热线圈来实现。本发明不受所使用的感应加热线圈的数量的限制，并且可以使用多个感应加热线圈来构成感应加热单元30的各种实施例，并做出适当的修改(变型)。

在一些实施例中，可移动平台20可以包括X-Y构建台、机械臂、伺服马达(电机)、齿轮、连接器等，其可以允许在铸造系统100的操作期间沿至少两个轴线(例如，在水平X-Y平面中)移动PDP单元10。

在一些实施例中，可移动平台40还可以被配置为也在Z方向上移动PDP单元10、以预定角度倾斜PDP单元10等。

在一些实施例中，可提供PDP单元10内的感应加热单元30的内部运动。例如，感应加热单元30可以沿z轴被移位。

在一些实施例中，可移动平台40可以被配置为在生产层之上移动感应加热线圈30，以执行连续的系列操作。可移动平台40可以在生产层6的物体区的表面之上执行第一平面移动，用于在生产层7的物体区的沉积之前预加热生产层6中的物体区。例如，杆5可以被提升到由部分30A、30B的内侧限定的加热区域之外。在降低杆5之后，可移动平台40可以在生产层6的物体区之上执行第二平面移动，用于熔化和沉积熔融金属，以铸造生产层7的物体区。然后，可移动平台40可以在生产层7的物体区之上执行第三平面移动，用于例如在提升杆5之后对生产层7中的物体区进行后处理，以便将生产层6和7的物体区接合在一起。

在一些实施例中，保持器20可以包括旋转单元(例如，电动马达和齿轮)，用于旋转杆5，以便提供杆5的均匀熔融。在一些实施例中，保持器20可以包括致动器，该致动器用于在增材铸造系统的操作期间沿竖直轴线移动杆。致动器可以包括被配置为在系统100的操作期间对杆5提供竖直运动的任何单元。致动器可以包括马达和齿轮组件，该马达和齿轮组合件被配置为将来自马达(例如电动马达)的旋转运动转换为杆5的竖直运动。

在一些实施例中，系统100可以包括供料器(未示出)，用于在呈杆的形式的熔融金属沉积器的情况下，当杆5达到最小长度(例如，100mm)时，将新的金属杆5提供给保持器20。

本发明不受所使用的熔融金属沉积器的类型的限制。为了便于解释，本发明参照呈金属杆(图1A中的元件5)的形式的熔融金属沉积器进行描述，但不一定如此。根据一个实施例，坩埚被使用。坩埚可接受固体金属或熔融金属。坩埚可接收例如由图1A中所示的感应加热单元30产生的热量。

本发明不受所使用的熔融金属沉积器的形状和尺寸的限制。为了便于解释，参照通过熔融金属沉积器沉积金属液滴描述了本发明。根据另一实施例，熔融金属沉积器被类似于槽地成形，从而与液滴沉积相比在更大的区域上产生更快的金属沉积。

在一些实施例中，系统100可以进一步包括至少一个传感器50，例如，用于测量杆5的梢端、熔融金属9、生产层6的物体区和/或生产层7的温度的IR相机(或摄像机)或高温计。在一些实施例中，系统100还可以包括其他传感器，例如可见波长相机、高温计、重量传感器54(例如，杆或坩埚重量传感器和/或构建台重量传感器)、立体视觉传感器(例如，用于测量生产层厚度)等。

现在参考图1B，其为根据本发明的一些实施例的图1A的增材铸造系统的框图。在一些实施例中，如参考图1A所讨论，系统100可以包括PDP单元10和可移动平台40。系统100还可以包括用于控制系统100的可控单元的控制器60。控制器60可以包括任何处理单元，例如被配置为执行根据本发明的实施例的方法、代码和指令的处理器62。所述方法、代码和指令可以存储在非暂时性存储器64中，例如，用于控制系统100的各种可控部件(例如，马达、电源(例如，电源90)、传感器(例如，传感器50、52、54)等)的指令。存储器64还可以包括与铸造设备100的操作相关的任何数据，例如，零件和/或模具的3D模型。在一些实施例中，控制器60还可以包括用于与外部设备(例如，电源90、热传感器50、相机52、重量传感器54、外部计算设备等)通信的任何输入/输出(I/O)单元66。I/O单元66可以包括任何通信单元、用户接口设备等。

在一些实施例中，系统100还可以包括电源90，其被配置为向至少一个感应加热线圈30提供频率范围例如在10kHz和400kHz之间且最大功率例如为200kW的AC电力(电功率)，向可移动平台40的电子部件和驱动器提供电力，向旋转单元的电子部件和驱动器以及保持器20的竖直运动致动器和/或传感器50提供电力。

在一些实施例中，控制器60可以配置为控制对至少一个感应加热线圈的电力的提供。在一些实施例中，控制电力的提供可以包括控制以下各项中的至少一个：电流水平、电流幅度、电流幅度、电流极性、时序、持续时间以及当前AC频率。

在一些实施例中，控制器60可以控制电源90，以为感应加热线圈30提供第一电力水平，用于预加热金属层6。在非限制性示例中，当铸造金属为铸铁并且感应加热单元如图2A所示时，电源90可以为感应加热线圈30提供115kHz下、30kW的电力。在一些实施例中，控制器60可以控制电源90，以为感应加热单元30提供第二电力水平，用于熔化杆5。在非限制性示例中，当杆5是直径为45mm的铸铁杆时，电源90可以为感应加热单元30提供115kHz下、40kW的电力。在一些实施例中，控制器60可以控制电源90，以为感应加热线圈30提供第三电力水平，用于后加热金属层7。在非限制性示例中，当铸造金属为铸铁并且感应加热单元如图2A所示时，电源90可以为感应加热线圈30提供115kHz下、35kW的电力。

在一些实施例中，系统100操作的其他方面也可以由控制器60控制，如关于图4A的方法所广泛讨论的那样。

在一些实施例中，系统100还包括用于制造模具区的模具构造单元。根据本发明的实施例，模具构造单元是模具沉积单元，其以增材的方式，例如使用3D(三维)打印技术，制造模具区。模具构造单元可以包括膏状模具材料的贮存器和与模具材料贮存器流体连接的模具沉积单元，用于在生产层的模具区中增材式地沉积模具材料。

在其他实施例中，模具区可以通过远程制造的模具层(例如采用砂型或陶瓷模具技术)来制造。模具构造单元可以被实现为具有远程制造的模具部件的储备库的模具传送单元，用于将硬化和成品的模具部件从储备库传送到由构建规划预定义的生产层中的模具区。

模具构造单元可以连接到或配备有可移动单元，以在构建台上移动并制造由构建规划预定义的模具区。本发明不受模具构造单元的运动的实现的限制。例如，图1A中所示的可移动单元40可以被连接到模具构造单元，以移动它来制造模具区。

在一些实施例中，如图1B所示，系统100可以进一步包括模具沉积单元80。模具沉积单元80可以被配置为沉积模具部分，例如，模具8的模具部分8A和8B。在一些实施例中，模具沉积单元80可以包括(膏状)模具材料贮存器82和与模具材料贮存器流体连接的模具沉积单元84，用于在预定义的模具区处增材式地沉积模具材料。在一些实施例中，模具沉积单元84可以包括用于浇注至少一种液体物质的一个或多个液体引入端口(例如，喷嘴、管口等)。在其他实施例中，模具沉积单元84可以与包含模具材料的模具材料贮存器82流体连接和/或可以包括所述模具材料贮存器82。在进一步的实施例中，模具材料贮存器82可以是被配置为存放(或保持)模具材料的任何罐、筒和匣。在相关实施例中，模具材料贮存器82可以包括搅拌器，用于在沉积之前搅拌模具材料贮存器82中的模具材料。

在某些实施例中，模具沉积单元80可以耦接(或耦合)到可移动单元40或附加的可移动单元(图1A-1B中未示出)，用于在构建台4上，例如，沿至少两个轴线，移动模具沉积单元80。

在各种实施例中，控制器60可以控制模具沉积单元80和可移动单元，以沉积诸如图1A所示的8A、8B、18A和18B的模具部分。

在一些实施例中，电源90可以为模具沉积单元80和可移动单元提供电力(或电能)。

在一些实施例中，模具材料可以包括或可以是适于从模具沉积单元80进行沉积或打印(印刷)的任何材料，并为在模具沉积之后浇注到模具中的特定液体材料提供形状。

在一些实施例中，模具材料可以包括与粘结剂混合并配置为在升高的温度下保持熔融金属的颗粒材料。颗粒材料可以包括陶瓷粉末(例如，氧化锆、氧化铝、氧化镁等)、砂子、粘土、金属粉末及其任何组合。在一些实施例中，模具材料可以进一步包括活化添加剂。例如，UV吸收颗粒、交联剂、吸热颗粒等。

在一些实施例中，不同的生产操作在不同的温度下进行。例如，控制器60使得便利于将第一温度用于金属沉积单元并且便利于将第二温度用于模具沉积单元80。例如，在铁铸件的情况下，金属沉积单元的温度可以为1100、1200或1300摄氏度，而模具沉积单元80的操作温度可以为约350、450、600摄氏度。

现在参考图3A，其是根据本发明的一些实施例的增材铸造系统150的示意图。关于图1A，类似的元件被赋予类似的参考数字。系统150与图1A所示系统100的不同之处在于PDP单元15的设计。

增材铸造系统150可以包括PDP沉积单元15和可移动平台40，所述可移动平台40保持PDP单元15，并配置为提供PDP单元15与构建台4之间例如沿着至少两个轴线的相对移动。系统150的可移动平台40可以与图1A所示的系统100的可移动平台40基本相同。

PDP单元15可以包括用于预加热先前加工的生产层的铸造物体区(例如，生产层6的金属区)的一部分的第一感应加热单元32、用于熔化金属杆5的第二感应加热线圈34、以及用于对当前生产层(例如，生产层7)的当前物体区的一部分进行后加热的第三感应加热线圈36。保持器20可以与系统100的保持器20基本相同，并且可以包括相同的附加部件，例如用于旋转杆5的旋转单元和/或用于沿竖直轴线移动杆5的致动器。

在一些实施例中，可以提供PDP单元10内的一个或多个感应加热单元32、34、36的内部运动。例如，预加热感应加热单元32和/或后加热感应加热单元36可以沿z轴移位。

在一些实施例中，类似于系统100，系统150可以包括用于将新杆5供给到保持器20的供料器(未示出)。

在一些实施例中，可移动平台40可以包括用于将可移动平台连接到构建台4的连接器46。

感应加热单元32、34和36可以使用呈各种形状的单个线圈或多个线圈来实现。在一些实施例中，感应加热单元32、34和36可以具有上面关于感应加热单元30披露的形状和构造中的任何一个。例如，第二感应加热单元34可以具有大致圆锥形的形状，其被定向使得在增材铸造系统的操作期间，线圈的顶端比线圈的基部更靠近制造区域。在另一示例中，感应加热单元32和36可以使用如图2A中所描绘的“煎饼”式线圈或利用发夹型线圈来实现。

在一些实施例中，第一感应加热单元32、第二感应加热单元34和第三感应加热单元36中的至少一个可以包括一个或多个线圈绕组；其中，每个线圈绕组可以包括一个或多个匝圈。在一些实施例中，第一感应加热单元32可以被组装成使得第一感应加热单元32的下表面位于与构建台4相距第一距离d处；在铸造系统的操作期间，第三感应线圈单元36位于与构建台4相距第二距离D处，第二距离D大于第一距离d，如图所示。在一些实施例中，在铸造系统的操作期间，第二感应加热单元34可以被组装成使得该线圈的下表面位于与构建台4相距第三距离D′处，第三距离D′大于第一距离d和第二距离D，如图所示。在一些实施例中，D与d之间的高度差基本上等于生产层7的沉积物体区的厚度，由此感应加热单元32在生产层6的先前物体区上方的高度基本上等于第三感应加热单元36在生产层7的沉积物体区上方的高度。在一些实施例中，感应加热单元之间的高度差可以变化，例如，以便利于不同的沉积金属厚度。

在各种实施例中，PDP单元在制造区域上方的工作距离是可调整的，以适应变化的工作条件。

在一些实施例中，系统150可以包括至少一个热传感器50，类似于系统100中的那样。在一些实施例中，系统150还可以包括其他传感器，例如可见波长相机、高温计、重量传感器(例如，杆重量传感器和/或构建台重量传感器)、立体视觉传感器(例如，用于测量生产层厚度)、距离传感器(例如，用于测量和保持d和D)等。

图3B是根据本发明的一些实施例的图3A的增材铸造系统的框图。在一些实施例中，系统150可以进一步包括控制器60、电源90和模具沉积单元80，它们与系统100的控制器60、电源90和模具沉积单元80基本相同。

在一些实施例中，控制器60可以被配置为控制从电源90向第一感应线圈32、第二感应线圈34和第三感应线圈36中的至少一个的电力的提供。在一些实施例中，控制电力的提供可以包括控制以下各项中的至少一个：电流水平、电流幅度、电流幅度、电流极性时序、持续时间以及当前AC频率。在非限制性示例中，当沉积铸铁时，第一线圈32可以被供以115kHz下、30kW的电力，第二线圈34被供以115kHz下、40kW的电力，并且第三线圈36被供以115Hz下、35kW的电力。

现在参考图4A，其为根据本发明的一些实施例的金属物体的增材铸造的方法400A的流程图。方法400A可以由图1A所示的系统100执行，其采用至少一个感应加热单元。

在步骤402中：按照构建规划在构建台上构造当前生产层的模具区。在一些实施例中，该方法可以首先包括在构建台4的顶部提供第一模具部分，例如，模具部分8A。在一些实施例中，该提供可以包括使用模具沉积单元80将第一模具部分8A沉积在构建台4上。在这种情况下，模具沉积单元80可以逐生产层地沉积(例如，打印)模具部分8A。可替代地，预成型模具部分8A可以被置于构建台4上。在一些实施例中，预成型模具部分8A可以由陶瓷材料或由凝结砂制成。

在步骤410中：可以向至少一个感应线圈提供电力。感应线圈30在图1A中示出，在单个感应加热单元的情况下，与熔融金属沉积器和保持器一起形成部分的PDP单元(图1A中所示的元件10、5、20)。例如，控制器60(图1B中所示)可以控制电源90，以根据电流水平、电流幅度、电流幅度、电流极性时序、持续时间以及当前AC频率中的至少一个的需要向第二感应线圈34提供电力。在一些实施例中，在增材铸造过程的每个阶段，控制器60可以向线圈30提供不同的电力(或功率)水平。

至少在执行步骤420、430和440的同时，在步骤450处，提供PDP单元与构建台之间的相对移动。

在步骤420中，在PDP单元在构建台上行进的同时：将先前生产层的物体区中的区域预加热至第一温度。例如，感应加热单元30可以被供以第一电力水平，用于预加热先前生产层6的区域。

在一些实施例中，可移动平台40可以在预加热过程中平面地移动感应加热单元30，以便确保生产层6的均匀加热。在一些实施例中，可移动平台40可以在竖直方向上移动感应加热单元30，以便确保感应加热单元30与生产层6之间的最佳磁能耦合。在一些实施例中，可移动平台40可以在平面移动前进方向上朝向或远离生产层6倾斜感应加热单元30，以便优化能量耦合。在一些实施例中，感应加热单元30可以被预倾斜，并且平台40可以为感应加热单元30提供平面运动。

在一些实施例中，可以选择所提供的电力(或功率)水平、持续时间、先前生产层6与感应加热单元30的下表面之间的距离、感应加热单元30的倾斜角度以及平台40的平面速度中的至少一个，以将生产层6预加热至预定的第一温度。

在一些实施例中，预定的第一温度可以高于生产层6的金属的熔化温度。例如，对于铁合金，所确定的第一温度可以为高于金属层6的熔化温度50℃。在一些实施例中，控制器60可以从传感器50(例如，IR相机、高温计或其他器件)接收从层6的表面获取的温度测量值，并且可以基于接收到的测量值调整所提供的电力(或功率)水平、持续时间、层6与感应加热单元30的下表面之间的距离、感应加热单元30的倾斜角度以及平台40的平面速度中的至少一个。

在步骤430中：加热熔融金属沉积器的一部分，以在当前生产层的物体区中的制造区域上沉积金属。例如，诸如图1A中所示的杆5的熔融金属沉积器可以被熔化，以例如在先前生产层的物体区的顶部铸造新铸造的金属物体区。例如，电源90可以向感应加热单元30提供相同的电力水平或第二电力水平，用于熔化杆5的梢端区域。在一些实施例中，可以基于熔化杆的梢端区域所需的EM能量来确定第二电力水平。在一些实施例中，附加的参数可以控制由熔化杆5所提供的熔体9流的类型。熔体9可以作为连续、受控的熔融金属流被提供。可替代地，熔体9可以以熔融液滴的形式被提供。

在步骤440中：将当前生产层的物体区中的区域后加热至第二温度。例如，感应加热单元30可以被供以第三电力水平，用于后加热当前生产层7的区域。

可选地，可以在步骤440中进行附加的后处理行为，例如，材料添加、表面校准或平整、冷却等。

在一些实施例中，可以选择所提供的电力(或功率)水平、持续时间、层7与感应加热单元30的下表面之间的距离、线圈30的倾斜角度以及平台40的平面速度中的至少一个，以将层7后加热至预定的第二温度。在一些实施例中，预定的第二温度可以高于层7的金属的熔化温度。例如，对于铁合金，所确定的第二温度可以为高于层7的熔化温度100℃。在一些实施例中，控制器60可以从传感器50(例如，IR相机、高温计或其他器件)接收从层7的表面获取的温度测量值，并且可以基于接收到的测量值调整所提供的电力(或功率)水平、持续时间、层7与线圈30的下表面之间的距离、线圈30的倾斜角度以及平台40的平面速度中的至少一个。

在一些实施例中，感应加热单元30可以在加热和熔化杆的梢端的同时，同时地预加热先前生产层的物体区中的区域。

在一些实施例中，感应加热单元30可以在加热和熔化杆的梢端的同时，同时地加热当前生产层的物体区中的区域。

在一些实施例中，感应加热单元30可以在加热和熔化杆的梢端的同时并且在预加热先前生产层的物体区中的区域的同时，同时地加热当前生产层的物体区中的区域。

在一些实施例中，可以控制保持器20，以向熔融金属沉积器(例如，杆5)提供竖直移动，从而控制杆5的熔融梢端与当前生产层和先前生产层的物体区中的区域之间的距离。在一些实施例中，该距离越短，形成连续流的可能性越高。在一些实施例中，可以确定所需的熔体流速或流量(例如，熔融金属量/秒)。在一些实施例中，控制器60可以基于所确定的熔体流速控制杆5的竖直速度(例如，通过控制保持器20的致动器)、提供给感应加热单元30的电流和提供给感应热单元30的功率中的至少一个。

在一些实施例中，可以确定熔体流分布或廓线(例如，连续流、液滴等)。在一些实施例中，控制器60可以基于所确定的熔体流分布来控制以下各项中的至少一个：熔融金属沉积器(例如，杆5)的竖直位置，例如，通过控制保持器20的致动器；熔融金属沉积器的竖直速度；提供给感应加热单元的电流；以及提供给感应加热器单元的电力。

在一些实施例中，可以通过传感器50连续地测量或不定期地测量杆5的梢端的温度和/或熔体9的温度。在一些实施例中，控制器60可以基于测得的温度控制杆的竖直位置、杆的竖直速度、提供给线圈的电流以及提供给线圈的功率中的至少一个，例如，以确保杆的受控熔化。

在一些实施例中，在沉积期间，随着PDP单元10的前进而形成的熔融金属线的宽度可能影响预加热期间所需的能量(能源量)。例如，提供给感应加热单元30以用于预加热先前生产层的物体区的电力(或功率)量可以被确定为使得预加热区域的宽度比沉积在预加热区域的顶部的熔融金属线的宽度宽。在非限制性示例中，在先前生产层的物体区的预加热期间由感应加热单元形成的预加热区域的宽度比熔融金属区域的宽度宽5-50％。

在一些实施例中，为了确保层7的均匀的后加热，可移动平台40可以在后加热过程期间平面地移动感应加热单元30。在一些实施例中，为了确保感应加热单元30与层7之间的最佳磁能耦合，可移动平台40可以在竖直方向上移动感应加热单元30。在一些实施例中，为了优化能量耦合，可移动平台40可以在平面移动前进方向上朝向或远离层7倾斜感应加热单元30。在一些实施例中，感应加热单元30可以被预倾斜，并且平台40可以为线圈30提供平面运动。

如本领域技术人员所理解，预定的第一温度、熔化温度和预定的第二温度取决于正被铸造的金属的类型。

在一些实施例中，控制器60可以控制系统100(例如，控制可移动平台40，以在步骤420、430和440中的任何一个期间移动感应加热单元30，从而预加热先前生产层6的整个物体区，沉积当前生产层7的整个物体区，以及对当前生产层7的整个物体区进行后加热。

在一些实施例中，系统100可以允许在步骤450期间以连续的方式执行步骤420、430和440。例如，供应到感应加热单元30的AC电力、感应加热单元30的内匝圈上方的杆5的高度、层6和7上方的感应加热单元30的高度以及向前运动的速度被调整，使得杆5的温度高于熔化温度，先前生产层6的区域的温度处于第一预定温度并且当前生产层7的区域的温度处于第二预定温度。

在一些实施例中，系统100可以允许连续地执行步骤420和430，由此供应到感应加热单元30的AC电力、感应加热单元30的内匝圈上方的杆5的高度、层6上方的感应加热单元30的高度以及向前运动的速度被调整，使得杆5的温度高于熔化温度，层6中的区域的温度处于第一预定温度。在一些实施例中，系统100可以允许连续地执行步骤430和440，由此供应到感应加热单元30的AC电力、感应加热单元30的内匝圈上方的杆5的高度、层7上方的感应加热单元30的高度以及向前运动的速度被调整，使得杆5的温度高于熔化温度，层7中的区域的温度处于第二预定温度。

现在参考图4B，其为根据本发明的一些实施例用于金属物体的增材铸造的方法400B的流程图。方法400B可以由参照图3A披露并且采用至少三个感应加热单元32、34和36的系统150执行。

因此，方法400B在按照构建规划在构建台上构造当前生产层的模具区的步骤402之后并且在提供PDP单元与构建台之间的相对移动的步骤450期间包括：

在步骤420B中：可选地，向PDP单元的第一感应线圈提供电力并将先前生产层的物体区的区域预加热至第一温度。例如，控制器60可以控制电源90，以根据电流水平、电流幅度、电流幅度、电流极性、时序、持续时间以及当前AC频率中的至少一个的需要向第二感应线圈34提供电力。

在步骤430B中：向PDP单元的第二感应线圈提供电力，并加热熔融金属沉积器的一部分，以在当前产生层的物体区中的制造区域上沉积金属。

在一些实施例中，感应加热单元32可以被供以第一电力水平，用于预加热先前生产层6中的区域。在一些实施例中，可移动平台40可以在预加热过程期间平面地移动感应加热单元32，以便确保层6中的区域的均匀加热。

在一些实施例中，可移动平台40可以在竖直方向上移动感应加热单元32，以便确保感应加热单元与层6中的区域之间的最佳磁能耦合。在一些实施例中，可移动平台40可以在平面移动前进方向上朝向或远离层6倾斜感应加热单元32，以便优化能量耦合。在一些实施例中，感应加热单元32可以被预倾斜，并且平台40可以为感应加热单元提供平面运动。

在一些实施例中，可以选择所提供的功率(或电力)水平、持续时间、层6(或其区域)与感应加热单元32的下表面之间的距离、感应加热单元30的倾斜角度以及平台40的平面速度中的至少一个，以将层6或其部分预加热至预定的第一温度。在一些实施例中，预定的第一温度可以高于层6的金属的熔化温度。例如，对于铁合金，所确定的第一温度可以高于层6的熔化温度50℃。在一些实施例中，控制器60可以从传感器50(例如，IR相机、高温计或其他器件)接收从层6的表面获取的温度测量值，并且可以基于接收到的测量值调整所提供的功率水平、持续时间、层6与感应加热单元32的下表面之间的距离、感应加热单元32的倾斜角度以及平台40的平面速度中的至少一个。

在步骤430B中，可以向第二感应线圈提供电力，用于在熔融金属沉积器(例如，金属杆5)处熔化金属，以在先前生产层的顶部沉积当前金属层。在一些实施例中，电源90可以向第二线圈34提供第二电力水平，以熔化杆5的梢端。例如，控制器60可以控制电源90，以根据电流水平、电流幅度、电流幅度、电流极性时序、持续时间以及当前AC频率中的至少一个的需要向第二感应线圈34提供电力。

在一些实施例中，第二电力水平可以基于熔化杆的梢端所需的EM能量来确定。在一些实施例中，附加参数可以控制由熔化杆5提供的熔体流9的类型。熔体9可以作为连续、受控的熔融金属流被提供。可替代地，熔体9可以以熔融液滴的形式被提供。在一些实施例中，可移动平台40可以在沉积过程期间平面地移动感应加热单元34，以便确保熔体至层7的提供。

在一些实施例中，保持器20可以被控制，以对杆5提供竖直移动，从而控制杆5的熔融梢端与先前生产层6之间的距离，如上文关于图4A中所示的方法400的步骤430所讨论的那样。在一些实施例中，控制器60可以基于所确定的熔体流分布和/或从诸如传感器50的传感器接收到的测量值来控制杆的竖直位置(例如，通过控制保持器20的致动器)、杆的竖直速度、提供给线圈的电流以及提供给线圈的功率中的至少一个，如上文所讨论的那样。

在步骤440B中：可选地，向PDP单元的第三感应线圈提供电力，并且将当前生产层的物体区中的区域后加热至第二温度。例如，控制器60可以控制电源90，以为感应加热单元36提供第三电力水平，用于后加热当前生产层7。在一些实施例中，控制器60可以控制电源90，以根据电流水平、电流幅度、电流幅度、电流极性、时序、持续时间以及当前AC频率中的至少一个的需要向第三感应加热单元36提供电力。

在一些实施例中，可移动平台40可以在后加热过程期间平面移动感应加热单元36，以便确保层7或其区域的均匀后加热。在一些实施例中，可移动平台40可以在竖直方向上移动感应加热单元36，以便确保感应加热单元36与层7之间的最佳磁能耦合。在一些实施例中，可移动平台40可以在平面运动行进方向上朝向或远离层7倾斜感应加热单元36，以便优化能量耦合。在一些实施例中，感应加热单元36可以被预倾斜，并且平台40可以为线圈36提供平面运动。

在一些实施例中，可以选择所提供的电力(或功率)水平、持续时间、层7与感应加热单元36的下表面之间的距离、感应加热单元的倾斜角度以及平台40的平面速度中的至少一个，以将层7或其区域后加热至预定的第二温度。在一些实施例中，预定的第二温度可以高于层7的金属的熔化温度。例如，对于铁合金，所确定的第一温度可以高于层7的熔化温度100℃。在一些实施例中，控制器60可以从传感器50(例如，IR相机、高温计或其他器件)接收从层7的表面获取的温度测量值，并且可以基于接收到的测量值调整所提供的电力(或功率)水平、持续时间、层7与感应加热单元36的下表面之间的距离、感应加热单元36的倾斜角度以及平台40的平面速度中的至少一个。

在一些实施例中，系统150可以允许在执行步骤450的同时连续地执行步骤420B、430B、440B，使得引导PDP单元15的前进的感应加热单元32可选地预加热层6或其区域，随后是感应加热单元36，其连续地熔化杆5的梢端并沉积熔体9。在一些实施例中，当前生产层7的沉积后的物体区可以立即被感应加热单元36后加热。因此，在构建台上的单次运行(单个道次)中，系统150可以执行层6和7的可选的预加热、沉积和可选的后加热。

在一些实施例中，控制器60可以控制系统150，以可选地预加热层6的整个物体区，然后沉积层7的整个物体区，然后可选地后加热层7的整个物体区。可替代地，控制器60可以控制系统150，以可选地预加热先前生产层6的区域(例如，单一线)，然后沉积层7的第一部分(例如，线)，并且后加热层7的沉积的第一部分，对附加的区域重复该过程。

在一些实施例中，可以重复步骤402-450，以便逐层地铸造3D金属物体。

现在参考图5，其是根据本发明一些实施例控制用于金属物体的增材铸造系统的方法500的流程图。在一些实施例中，方法500可以由包括在系统100和150两者中的控制器60执行。在步骤510中，控制器60可以设定各种铸造参数的目标值。例如，在步骤513中，控制器60可以设定用于沉积熔体9的目标质量流速dM/dt。在另一示例中，在步骤514中，控制器60可以设定流的类型(例如，连续的、液滴等)。在又一示例中，在步骤516中，控制器60可以设定预加热层6或其区域所需的第一温度和/或后加热层7或其区域的第二温度中的任何一个。在一些实施例中，在步骤518中，控制器60可以设定熔体流9所需的温度。

在步骤520中，控制器60可以接收来自一个或多个传感器的测量值。例如，在步骤521中，控制器60可以接收杆5的梢端的温度。在另一示例中，在步骤522中，控制器60可以接收杆5的(例如，来自保持器20的致动器)相对于构建台4的竖直位置/竖直速度(或速率)。在步骤523中，控制器60可以接收来自重量传感器54的质量流速dM/dt测量值(例如，通过暂时测量杆9和/或构建台4的重量)。在步骤524中，控制器60可以从相机52接收熔体流的图像。在一些实施例中，使用已知的图像分析方法，控制器60可以确定熔体流的类型和/或宽度。在步骤526中，控制器60可以例如从传感器50接收层6和/或层7的温度测量值。在步骤528中，控制器60可以例如从传感器50接收熔体流9的温度测量值。

在步骤530中，控制器60可以将步骤520中测得的参数与步骤510中设定的所需参数进行比较。在一些实施例中，控制器60可以基于所述比较来调整系统100和/或150的一个或多个操作参数。控制器60可以增大/减小线圈和/或杆与层之间的竖直距离，以便增大/减小温度。在一些实施例中，控制器60可以增大/减小提供给线圈的电力。例如，在步骤532中，控制器60可以调整第一电力水平、第二电力水平和第三电力水平中的至少一个的功率/电流。在另一示例中，在步骤534中，控制器60可以通过控制可移动平台40和/或构建台4来控制PDP单元10或15的移动(例如，平面的/竖直的)。在又一示例中，控制器60可以通过控制保持器20的致动器来控制杆5的竖直速度(步骤536)和/或竖直位置(步骤538)。

加热制造区域(包括多个制造区域的加热)包括加热至金属物体的熔化温度处或高于该熔化温度的预沉积温度，从而在所述多个制造区域上沉积金属之前在制造区域中创建熔融金属的熔池(或熔体池)，以影响熔融金属与所述多个制造区域的结合，其中所述制造区域中的每一个在金属沉积之前和期间被保持在惰性环境下。

铸造方法还可以包括在所述多个制造区域上沉积金属之后，将所述多个制造区域加热至后沉积目标温度，以影响多个工作区域的热冷却分布。

根据本发明的一个方面，提供了一种铸造系统，其用于通过构造形成竖直堆叠的多个生产层来铸造金属物体，其中，所述多个生产层的生产层具有模具区，其中所述多个生产层的生产层具有由所述模具区限定的物体区，并且其中当前生产层被构造于所述竖直堆叠的先前(或前一)生产层的顶表面上，所述系统包括：模具构造单元，其可操作，以构造当前生产层的模具区；准备-沉积-后处理(PDP)单元，其包括：熔融金属沉积器，其可操作，以将熔融金属沉积在由当前生产层的模具区限定的物体区中；保持器，其附接到熔融金属沉积器，用于保持熔融金属沉积器；附接到保持器的至少一个感应加热单元；构建台，用于支撑生产层的竖直堆叠；可移动平台，其提供PDP单元与构建台之间的相对移动，其中所述相对移动是沿着前进方向的；惰性气体单元，用于在熔融金属沉积之前和期间至少将当前生产层的物体区的制造区域保持在惰性环境下，以及控制器，用于控制PDP单元和可移动平台而在制造区域中沉积熔融金属，并控制PDP单元执行以下各项中的至少一个(或至少一项)：(1)在熔融金属沉积之前将制造区域预加热至预沉积温度，以及(2)在熔融金属沉积之后将制造区域后加热至后沉积温度。

根据本发明的一个方面，提供了一种铸造方法，其用于通过一个当前生产层接着另一个当前生产层地生产具有模具区和由模具区限定的物体区的多个生产层来增材式地铸造金属物体，包括：在生产当前生产层的物体区之前构造当前生产层的模具区；沿着前进方向移动准备-沉积-后处理(PDP)单元，所述准备-沉积-后处理(PDP)单元包括：熔融金属沉积器，其可操作，以将熔融金属沉积在由当前生产层的模具区限定的物体区中；保持器，其附接到熔融金属沉积器，用于保持熔融金属沉积器，以及附接到保持器的至少一个感应加热单元；按照构建规划在当前生产层的物体区处的多个制造区域中以预定沉积温度沉积熔融金属；以及加热所述多个制造区域，其中加热所述多个制造区域包括在将金属沉积在所述多个制造区域上之前将所述多个制造区域加热至等于或高于所述金属物体的熔化温度的目标预沉积温度，从而在所述制造区域中创建熔融金属的熔池，以影响所述熔融金属与所述多个制造区域的结合，其中在金属沉积之前和期间每个制造区域被保持在惰性环境下。

PDP单元在其用于模具区的空腔内的金属沉积的背景下被描述。然而，PDP单元的使用不限于此。PDP单元可以用于使用未构造于与物体区相同的生产层上的模具或模具区来铸造金属物体。PDP单元可以用于在根本不需要任何模具的情况下铸造金属物体。

因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于增材金属铸造的准备-沉积-后处理(PDP)单元，该PDP单元可以包括：熔融金属沉积器，其可操作，以在制造区域中沉积熔融金属；保持器，其附接到熔融金属沉积器，用于保持熔融金属沉积器；附接到保持器的至少一个感应加热单元；可移动平台，其为PDP单元提供沿着前进方向的相对移动；以及控制器，其用于控制PDP单元和可移动平台以在制造区域中沉积熔融金属，并且控制PDP单元执行以下各项中的至少一个：(1)在熔融金属沉积之前将制造区域预加热至预沉积温度，以及(2)在熔融金属沉积之后将制造区域后加热至后沉积温度。

控制器可以是可操作的，以控制所述至少一个感应加热单元而加热熔融金属沉积器的一部分。控制器可以是可操作的，以控制所述至少一个感应加热单元而在制造区域中的金属的上表面中创建熔池。控制器可以是可操作的，以控制所述至少一个感应加热单元而影响以下各项中的一个或多个：(1)熔池的热参数，(2)制造区域的热参数，以及(3)制造区域的冷却分布。控制器可以是可操作的，以向所述至少一个感应加热单元提供电力。

控制器可以是可操作的，以改变PDP单元在制造区域上方的工作距离。控制器可以是可操作的，以改变以下一项或多项在制造区域上方的工作距离：(1)熔融金属沉积器，(2)保持器，以及(3)所述至少一个感应加热单元。

相对于前进方向，所述至少一个感应加热单元可以具有前导区段和尾随区段，并且其中，沿着前进方向，前导区段可操作，以在熔融金属沉积之前预加热制造区域，并且尾随区段可操作，以在熔融金属沉积之后对制造区域进行后加热。所述至少一个感应加热单元可以包括磁感应线圈，所述磁感应线圈具有选自于由以下各项组成的群组的形状：(1)大致圆形的平面形状；(2)具有平行于前进方向的主轴的大致椭圆形的平面形状；(3)具有垂直于前进方向的主轴的大致椭圆形的平面形状；(4)在操作期间被定向为使得其顶端比其基部更靠近制造区域的大致圆锥形的形状。所述至少一个感应加热单元可以包括磁感应线圈，所述磁感应线圈具有多个绕组，所述多个绕组在所述至少一个电感加热单元的第一部分中具有第一绕组密度并且在所述至少一个感应加热单元的第二部分中具有第二绕组密度，并且其中所述第二绕组密度(或第二密度)大于所述第一绕组密度(或第一密度)。所述至少一个感应加热单元可以具有垂直于构建台的中心轴线或者在操作期间相对于构建台以预定角度倾斜。

熔融金属沉积器可以包括选自于由以下各项组成的群组的熔融金属源：(1)金属杆，其中所述至少一个感应加热单元可操作，以熔化金属杆的梢端；以及(2)坩埚，其可操作，以容纳熔融金属，并且其中所述至少一个感应加热单元可操作，以将熔融金属保持在熔融状态。

PDP单元可以进一步包括熔融金属供料器，用于向熔融金属沉积器提供熔融金属。

根据本发明的一个方面，提供了一种铸造方法，其用于使用准备-沉积-后处理(PDP)单元来铸造金属物体，所述准备-沉积-后处理(PDP)单元具有熔融金属沉积器、用于PDP单元的保持器、以及附接到所述保持器的至少一个感应加热单元，该方法包括：提供PDP单元的相对移动；向所述至少一个感应加热单元提供电力，用于：加热所述熔融金属沉积器以将熔融金属沉积在制造区域上；以及执行以下各项中的至少一个：在沉积熔融金属之前，将制造区域预加热至第一温度，以及在沉积熔融金属之后，将制造区域后加热至第二温度。

所述铸造方法可以进一步包括以下各项中的一个或多个：(1)提供熔融金属沉积器的相对竖直移动，并控制熔融金属沉积器与制造区域之间的距离；(2)确定所需的熔融金属沉积速率；(3)控制PDP单元的相对移动的速度和方向中的至少一个；(4)确定熔融金属沉积分布，并控制以下各项中的至少一个：熔融金属沉积器的竖直位置、熔融金属沉积器的速度、以及提供给所述至少一个感应加热单元的电力水平，其中所述控制基于熔融金属沉积分布；(5)测量熔融金属沉积器的一部分的温度，并控制以下各项中的至少一个：熔融金属沉积器的竖直位置、熔融金属沉积的速度、以及提供给所述至少一个感应加热单元的电力水平，其中所述控制基于测得的温度；以及(6)对制造区域进行后加热。

本发明参照利用感应加热实现的预处理(或预加工)和后处理(或后加工)进行了讨论。本发明不限于感应加热，并且可以使用其他加热技术，例如采用等离子体或火炬(焊炬)。

在整个说明书中使用的术语“金属”或“金属制”是指适用于熔化和铸造的任何金属和/或金属合金，例如，铁合金、铝合金、铜合金、镍合金、镁合金等。本发明不受铸造材料的类型的限制，并且可以应用于其他金属(包括灰铸铁、球墨铸铁和钢)的增材铸造。

虽然本文中已经图示和描述了本发明的某些特征，但是本领域的普通技术人员现在应可以想到许多修改(变型)、替换、变化和等效内容。因此，应当理解，所附权利要求意欲涵盖落在本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。

附录-金属学评估

图6A至图6F描绘了对根据本发明的实施例生产的铸造物体的试样进行的金属学评估的结果。

生产了三个铸造金属物体用于评估，其分别标记为1、2和3。这些金属物体为从每个边长为15cm的铸造金属立方体上切下的竖直切片。铸造立方体在具有受控的氧气含量的气氛中进行。基(底)层为0.5cm厚的烧结氧化铝陶瓷的15cm×15cm的方块。金属被增材式地沉积在模具腔内的顺序层的竖直堆叠中，所述模具腔由烧结氧化铝陶瓷的15cm×15cm的中空方形框架模具形成。沉积和加热由呈光栅扫描图案的可移动加热和分配单元执行。

图6A是切片2的照片。该侧面最初为铸造立方体的外侧面(x-z平面)，该表面未经过任何精加工处理--例如，图6A中可见的微弱水平线为模具形成的压痕。

图6B是显示切片2的背面的照片。这是切片2的内侧，并且在从立方体切片后被抛光。图6C是切片2的摄影透视图。抛光表面的平滑性在该视图中可见。

将物体1和3切割成金属试样：水平底部试样(左、中、右)；水平顶部试样(左、中、右)和竖直试样(左、中、右)。试样具有32mm的量规长度，总长度在65-70mm之间，厚度在1.8-2.45mm的范围内，且宽度在4.9-5.5mm的范围内。

对来自标记为1的铸件的18个试样和来自标记为3的铸件的17个试样进行了元素分析、机械和强度测试。

使用XRF光谱进行元素分析。仅对主要合金成分进行分析，以验证铸件中以及铸件1和3之间不同试样的差异或相似性。图6D中的表格描绘了代表性试样的元素分析。元素分析验证了上部和底部试样、左侧、中间和右侧试样以及铸件1和3试样之间的相似性。

机械和强度测试在伺服液压张力测试机MTS 370.10上进行。施加的应变速率为0.14min-1。基部长度为25mm的伸长计用于测量应变数据，并保持附着于试样上直到断裂。

图6E和图6F是所有试样的应力-应变图。应力-应变图具有对于铸铁而言典型的相似外观。机械强度测试验证了上部和底部试样；左侧、中间和右侧试样；以及铸件1和3试样之间的相似性。

总体而言，分析的零件1和3之间未显示出显著差异，表明了铸造零件的机械性能方面的高度一致性。

Claims (20)

1.一种铸造系统，其用于通过构造形成竖直堆叠的多个生产层来铸造金属物体，其中，所述多个生产层的生产层具有模具区，其中所述多个生产层的生产层具有由所述模具区限定的物体区，并且其中当前生产层被构造于所述竖直堆叠的先前生产层的顶表面上，所述系统包括：

模具构造单元，其可操作，以构造所述当前生产层的模具区；

准备-沉积-后处理(PDP)单元，其包括：

熔融金属沉积器，其可操作，以将熔融金属沉积在由所述当前生产层的模具区限定的物体区中；

保持器，其附接到所述熔融金属沉积器，用于保持所述熔融金属沉积器；

至少一个感应加热单元，其附接到所述保持器；

构建台，用于支撑生产层的竖直堆叠；

可移动平台，其提供所述PDP单元与所述构建台之间的相对移动，其中所述相对移动是沿着前进方向的；以及

控制器，其用于控制所述PDP单元和所述可移动平台而在所述当前生产层的物体区的制造区域中沉积熔融金属，并且控制所述PDP单元，以执行以下各项中的至少一个：

(1)在熔融金属沉积之前将所述制造区域预加热至预沉积温度，以及

(2)在熔融金属沉积之后将所述制造区域后加热至后沉积温度。

2.根据权利要求1所述的铸造系统，其中，所述控制器可操作，以控制所述至少一个感应加热单元而加热所述熔融金属沉积器的一部分。

3.根据权利要求1所述的铸造系统，其中，所述控制器可操作，以控制所述至少一个感应加热单元而在所述制造区域中的金属的上表面中创建熔池。

4.根据权利要求3所述的铸造系统，其中，所述控制器可操作，以控制所述至少一个感应加热单元而影响以下各项中的一个或多个：

(1)所述熔池的热参数，

(2)所述制造区域的热参数，以及

(3)所述制造区域的冷却分布。

5.根据权利要求1所述的铸造系统，其中，所述至少一个感应加热单元相对于所述前进方向具有前导区段和尾随区段，并且其中，沿着所述前进方向，所述前导区段可操作，以在熔融金属沉积之前预加热所述制造区域，并且所述尾随区段可操作，以在熔融金属沉积之后对所述制造区域进行后加热。

6.根据权利要求1所述的铸造系统，其中，所述控制器可操作，以改变所述PDP单元在制造区域上方的工作距离，并且其中对应于所述制造区域的所述工作距离大于所述模具区的高度。

7.根据权利要求1所述的铸造系统，其中，所述控制器可操作，以改变以下各项中的一个或多个在所述制造区域上方的工作距离：

(1)所述熔融金属沉积器，

(2)所述保持器，以及

(3)所述至少一个感应加热单元。

8.根据权利要求1所述的铸造系统，其中，所述至少一个感应加热单元包括磁感应线圈，所述磁感应线圈具有选自于由以下各项组成的群组的形状：

(1)大致圆形的平面形状；

(2)具有平行于所述前进方向的主轴的大致椭圆形的平面形状；

(3)具有垂直于所述前进方向的主轴的大致椭圆形的平面形状；以及

(4)在操作期间被定向为使得其顶端比其基部更靠近所述制造区域的大致圆锥形的形状。

9.根据权利要求1所述的铸造系统，其中，所述至少一个感应加热单元包括具有多个绕组的磁感应线圈，所述多个绕组在所述至少一个感应加热单元的第一部分中具有第一绕组密度且在所述至少一个感应加热单元的第二部分中具有第二绕组密度，并且其中所述第二绕组密度大于所述第一绕组密度。

10.根据权利要求1所述的铸造系统，其中，所述至少一个感应加热单元具有垂直于所述构建台的中心轴线或者在操作期间相对于所述构建台以预定角度倾斜。

11.根据权利要求1所述的铸造系统，其中，所述控制器可操作，以向所述至少一个感应加热单元提供电力，其中提供电力包括控制以下各项中的至少一个：电流、电压、极性、时序、占空比、功率因数、交流频率和交流相位。

12.根据权利要求1所述的铸造系统，其中，所述熔融金属沉积器包括选自于由以下各项组成的群组的熔融金属源：

(1)金属杆，其中所述至少一个感应加热单元可操作，以熔化所述金属杆的梢端；以及

(2)坩埚，其可操作，以容纳熔融金属，并且其中所述至少一个加热感应单元可操作，以将所述熔融金属保持在熔融状态。

13.根据权利要求1所述的铸造系统，还包括熔融金属供料器，其用于向所述熔融金属沉积器提供熔融金属。

14.根据权利要求1所述的铸造系统，还包括生产腔室，其在生产层制造期间容纳所述构建台、所述模具构造单元和所述PDP单元，其中生产层制造包括：模具区构造、熔融金属沉积、预加热和后加热；并且其中所述控制器可操作，以根据所述当前生产层的厚度来改变所述构建台相对于所述生产腔室的高度。

15.根据权利要求14所述的铸造系统，其中，所述生产腔室在模具区生产期间被保持在第一温度，并且在熔融金属沉积期间被保持在不同于所述第一温度的第二温度。

16.根据权利要求1所述的铸造系统，其中，所述制造区域在PDP单元操作期间在生产腔室中被保持在惰性气氛环境中。

17.一种铸造方法，其用于使用准备-沉积-后处理(PDP)单元通过按照构建规划顺序地在构建台上构造形成竖直堆叠的多个生产层来铸造金属物体，所述准备-沉积-后处理(PDP)单元具有熔融金属沉积器、用于所述PDP单元的保持器、以及附接到所述保持器的至少一个感应加热单元，其中所述多个生产层的生产层具有模具区，并且其中所述多个生产层的生产层具有由所述模具区限定的物体区，所述方法包括：

按照所述构建规划构造当前生产层的模具区，其中所述当前生产层的模具区限定所述当前生产层的物体区；

提供所述PDP单元与所述构建台之间的相对移动；

向所述至少一个感应加热单元提供电力，用于：

加热所述熔融金属沉积器，以将熔融金属沉积在所述物体区中的制造区域上；以及

执行以下各项中的至少一个：

在沉积熔融金属之前，将先前生产层的物体区中的区域预加热至第一温度，以及

在沉积熔融金属之后，将所述当前生产层的物体区中的区域后加热至第二温度。

18.根据权利要求17所述的铸造方法，进一步包括：

通过控制以下各项中的至少一个来控制提供电力：

电流、电压、极性、时序、占空比、功率因数、交流频率和交流相位。

19.根据权利要求17所述的铸造方法，其中，提供电力包括：

提供第一电力水平，用于预加热所述先前生产层的物体区中的区域；

提供第二电力水平，用于在所述熔融金属沉积器中熔化金属；以及

可选地提供第三电力水平，用于对所述当前生产层的物体区中的区域进行后加热。

20.根据权利要求17所述的铸造方法，进一步包括以下各项中的一个或多个：

提供所述熔融金属沉积器的竖直移动并控制所述熔融金属沉积器与先前生产层的物体区之间的距离；

确定所需的熔融金属沉积速率；

控制所述PDP单元与所述构建台之间的相对移动的速度和方向中的至少一个；

确定熔融金属沉积分布，并控制以下各项中的至少一个：所述熔融金属沉积器的竖直位置、所述熔融金属沉积器的速度、以及提供给所述至少一个感应加热单元的电力水平，

其中所述控制基于所述熔融金属沉积分布；

测量所述熔融金属沉积器的一部分的温度并控制以下各项中的至少一个：所述熔融金属沉积器的竖直位置、所述熔融金属沉积器的速度、以及提供给所述至少一个感应加热单元的电力水平，其中所述控制基于测得的温度；

预加热先前生产的层的物体区中的区域，使得在预加热所述先前生产的层期间预加热区域的宽度宽于在预加热线的顶部生产的熔融金属线的宽度。