DE102015012285A1

DE102015012285A1 - Verfahren und system zur additiven herstellung von kühldurchgängen unter verwendung einer hochenergiequelle

Info

Publication number: DE102015012285A1
Application number: DE102015012285.1A
Authority: DE
Inventors: Paul E. Denney; Steven R. Peters
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2016-04-07

Abstract

Ein Verfahren und ein System zum Herstellen geschlossener Kühlkanäle unter Verwendung einer hoch-intensiven Energiequelle und eines Füllstoffsubstratmaterials, auf dem eine Schicht ausgebildet wird, bevor das Substratmaterial entfernt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Bestimmte Ausführungsformen betreffen additive Herstellungsanwendungen. Genauer gesagt, betreffen bestimmte Ausführungsformen ein System und ein Verfahren zur Verwendung einer Kombination aus additiven Materialien und einem Energiequellensystem zur additiven Herstellung von Kühldurchgängen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Verschiedene industrielle Anwendungen erfordern die Verwendung mehrerer miteinander verbundener, geschlossener Kühlkanäle oder -durchgänge. Jedoch kann die Montage dieser Kanäle mit bekannten Verfahren schwierig sein und kann sehr lange dauern. Bekannte Verfahren verwenden wiederholte Hartlöt- und maschinelle Bearbeitungsschritte, die teuer und defektanfällig sind. Das ist besonders dann der Fall, wenn ungleiche Materialien für die Montage der Komponenten verwendet werden.
Weitere Einschränkungen und Nachteile herkömmlicher, traditioneller und vorgeschlagener Lösungsansätze erkennt der Fachmann durch Vergleichen solcher Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Um das Problem zu lösen und so in einem Verfahren und System zur additiven Herstellung von Kühldurchgängen die Geschwindigkeitsrate zu verbessern und/oder Defekte zu verringern oder sogar zu vermeiden, schlägt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2 vor. Bevorzugte Ausführungsformen können der Beschreibung, den Zeichnungen und/oder den abhängigen Ansprüchen entnommen werden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein System und ein Verfahren zur additiven Herstellung, wobei eine Hochenergievorrichtung eine Oberfläche eines Werkstücks mit einer Hochenergieentladung bestrahlt, um eine Schmelzpfütze auf einer Oberfläche des Werkstücks zu erzeugen. Eine Drahtzuführvorrichtung führt einen Draht zu der Pfütze, und eine Stromversorgung speist ein Erwärmungssignal in den Draht ein, wobei das Erwärmungssignal mehrere Stromimpulse umfasst und wobei jeder der Stromimpulse ein schmelzflüssiges Tröpfchen an einem distalen Ende des Drahtes erzeugt, der in die Pfütze hinein abgeschieden wird. Jeder der Stromimpulse erreicht einen Spitzenstrompegel, nachdem die Drahtzuführvorrichtung veranlasst hat, dass das distale Ende des Drahtes die Pfütze kontaktiert, und das Erwärmungssignal hat keinen Strom zwischen den mehreren Stromimpulsen. Die Drahtzuführvorrichtung steuert die Bewegung des Drahtes so, dass das distale Ende des Drahtes zwischen aufeinanderfolgenden Spitzenstrompegeln der Stromimpulse nicht mit der Pfütze in Kontakt steht, und die Stromversorgung den Erwärmungsstrom so steuert, dass zwischen dem Draht und dem Werkstück während der Stromimpulse kein Lichtbogen entsteht. Das im vorliegenden Dokument beschriebene additive Herstellungsverfahren und Variationen davon können für die Herstellung von Kühlkanälen verwendet werden, wobei die Kanäle mit einem Füllstoff gefüllt werden und ein additiven Herstellungsverfahren zum Schließen der Kanäle verwendet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden deutlicher erkennbar, indem im Detail beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen Folgendes zu sehen ist:
1 veranschaulicht ein Blockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines additiven Herstellungssystems der vorliegenden Erfindung;
2A bis 2D veranschaulichen einen Tröpfchenabscheidungsprozess gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 veranschaulicht eine andere Ansicht eines Tröpfchenabscheidungsprozesses gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4A bis 4B veranschaulichen repräsentative Stromwellenformen, die mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
5 veranschaulicht eine repräsentative Ausführungsform einer Spannungs- und Stromwellenform der vorliegenden Erfindung;
6A und 6B veranschaulichen die Verwendung eines Lasers, um die Tröpfchenabscheidung zu unterstützen;
7 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Drahterwärmungssystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
8A veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Stromwellenform, die mit dem System von 7 verwendet werden kann;
8B veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform von Wellenformen für Strom, Spannung, Drahtzufuhrgeschwindigkeit und Laserleistung für eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Drahterwärmungssystems der vorliegenden Erfindung;
10 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung mehrerer Drähte;
11 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Systems der vorliegenden Erfindung;
12 veranschaulicht ein Stromversorgungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13A und 13B veranschaulichen beispielhafte Erzeugnisse, die mit beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können;
14 veranschaulicht ein weiteres beispielhaftes Erzeugnis, das mit beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann;
15 veranschaulicht ein weiteres beispielhaftes additives Herstellungssystem der vorliegenden Erfindung; und
16 veranschaulicht eine seitliche Querschnittsansicht eines Kühlkanals, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun unten anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verständnis der Erfindung unterstützen und sollen den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich stets auf gleiche Elemente.
Der Begriff „additive Herstellung” wird im vorliegenden Dokument in einem weiten Sinne verwendet und kann sich auf jegliche Anwendungen beziehen, einschließlich Aufbauen, Konstruieren oder Erzeugen von Objekten oder Komponenten.
1 veranschaulicht ein Funktionsblockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines kombinierten Fülldrahtzufuhrvorrichtungs- und Energiequellensystems 100 zum Ausführen einer additiven Herstellung. Das System 100 enthält ein Laser-Teilsystem, das in der Lage ist, einen Laserstrahl 110 auf ein Werkstück 115 zu fokussieren, um das Werkstück 115 zu erwärmen. Das Laser-Teilsystem ist eine hoch-intensive Energiequelle. Das Laser-Teilsystem kann eine beliebige Form einer hochenergetischen Laserquelle sein, einschließlich beispielsweise Kohlendioxid-, Nd:YAG-, Yb-Scheiben-, YB-Faser-, Faserübertragungs- oder Direktdioden-Lasersysteme. Weitere Ausführungsformen des Systems können mindestens eines von Folgendem enthalten: einen Elektronenstrahl, ein Plasma-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Gas-Wolfram-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Gas-Metall-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Flussmittelkern-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, und ein Unterpulver-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, um als die hoch-intensive Energiequelle zu dienen. Die folgende Spezifikation nimmt wiederholt Bezug auf das Lasersystem, den Laserstrahl und die Laserstromversorgung; es versteht sich jedoch, dass diese Verweise nur beispielhafter Art sind, da jede beliebige hoch-intensive Energiequelle verwendet werden kann. Zum Beispiel kann eine hoch-intensive Energiequelle mindestens 500 W/cm² bereitstellen. Das Laser-Teilsystem enthält eine Laservorrichtung 120 und eine Laserstromversorgung 130, die miteinander wirkverbunden sind. Die Laserstromversorgung 130 liefert die Energie zum Betreiben der Laservorrichtung 120.
Das System 100 enthält außerdem ein Warmfülldrahtzufuhrvorrichtungs-Teilsystem, das in der Lage ist, mindestens einen ohmschen Fülldraht 140 bereitzustellen, um einen Kontakt mit dem Werkstück 115 in der Nähe des Laserstrahls 110 herzustellen. Natürlich versteht es sich, dass mit der Erwähnung des Werkstücks 115 im vorliegenden Text die Schmelzpfütze als Teil des Werkstücks 115 angesehen wird, so dass der Verweis auf einen Kontakt mit dem Werkstück 115 auch einen Kontakt mit der Pfütze enthält. Das Warmfülldrahtzufuhrvorrichtungs-Teilsystem enthält eine Fülldrahtzufuhrvorrichtung 150, ein Kontaktrohr 160 und eine Stromversorgung 170. Während des Betriebes wird der Fülldraht 140 durch elektrischen Strom aus der Stromversorgung 170, die zwischen dem Kontaktrohr 160 und dem Werkstück 115 wirkverbunden ist, widerstandserwärmt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Stromversorgung 170 eine gepulste Gleichstromversorgung, obgleich Wechselstrom- oder sonstige Arten von Stromversorgungen ebenfalls möglich sind. Der Draht 140 wird von der Fülldrahtzufuhrvorrichtung 150 durch das Kontaktrohr 160 in Richtung des Werkstücks 115 zugeführt und erstreckt sich über das Rohr 160 hinaus. Der Verlängerungsabschnitt des Drahtes 140 wird so widerstandserwärmt, dass der Verlängerungsabschnitt sich dem Schmelzpunkt annähert oder diesen erreicht, bevor er eine Schweißpfütze auf dem Werkstück berührt. Der Laserstrahl 110 dient zum Schmelzen eines Teils des Grundmetalls des Werkstücks 115, um eine Schweißpfütze zu bilden, und kann auch zum Schmelzen des Drahtes 140 auf das Werkstück 115 verwendet werden. Die Stromversorgung 170 liefert die Energie, die benötigt wird, um den Fülldraht 140 widerstandszuschmelzen. Wie weiter unten noch näher erläutert wird, liefert die Stromversorgung 170 in einigen Ausführungsformen die gesamte benötigte Energie, während in anderen Ausführungsformen der Lager oder eine sonstige hochenergetische Wärmequelle einen Teil der Energie liefern kann. Das Zuführvorrichtungs-Teilsystem kann gemäß bestimmten anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der Lage sein, gleichzeitig einen oder mehrere Drähte bereitzustellen. Dies wird unten noch ausführlicher besprochen.
Das System 100 enthält des Weiteren ein Bewegungssteuerungsteilsystem, das in der Lage ist, den Laserstrahl 110 (die Energiequelle) und den ohmschen Fülldraht 140 in derselben Richtung 125 entlang des Werkstücks 115 (wenigstens im relativen Sinn) dergestalt zu bewegen, dass der Laserstrahl 110 und der ohmsche Fülldraht 140 in einer festen Beziehung zueinander bleiben. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Relativbewegung zwischen dem Werkstück 115 und der Laser/Draht-Kombination erreicht werden, indem man das Werkstück 115 tatsächlich bewegt oder indem man die Laservorrichtung 120 und das Drahtzufuhrvorrichtungs-Teilsystem bewegt. In 1 enthält das Bewegungssteuerungsteilsystem eine Bewegungssteuereinheit 180, die mit einem Roboter 190 wirkverbunden ist. Die Bewegungssteuereinheit 180 steuert die Bewegung des Roboters 190. Der Roboter 190 ist mit dem Werkstück 115 wirkverbunden (zum Beispiel mechanisch daran befestigt), um das Werkstück 115 so in der Richtung 125 zu bewegen, dass sich der Laserstrahl 110 und der Draht 140 praktisch an dem Werkstück 115 entlang bewegen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Laservorrichtung 110 und das Kontaktrohr 160 in einem einzelnen Kopf integriert sein. Der Kopf kann über ein Bewegungssteuerungsteilsystem, das mit dem Kopf wirkverbunden ist, entlang des Werkstücks 115 bewegt werden.
Im Allgemeinen gibt es verschiedene Verfahren, wie eine hoch-intensive Energiequelle und ein Warmdraht relativ zu einem Werkstück bewegt werden können. Wenn das Werkstück zum Beispiel rund ist, so können die hoch-intensive Energiequelle und der Warmdraht ortsfest sein, und das Werkstück kann unter der hoch-intensiven Energiequelle und dem Warmdraht gedreht werden. Alternativ kann sich ein Roboterarm oder eine Linearzugvorrichtung parallel zu dem runden Werkstück bewegen, und während das Werkstück gedreht wird, können sich die hoch-intensive Energiequelle und der Warmdraht kontinuierlich oder schrittweise einmal je Umdrehung bewegen, um zum Beispiel Material auf die Oberfläche des runden Werkstücks aufzutragen. Wenn das Werkstück flach oder zumindest nicht rund ist, so kann das Werkstück unter der hoch-intensiven Energiequelle und dem Warmdraht bewegt werden, wie in 1 gezeigt. Jedoch kann auch ein Roboterarm oder eine Linearzugvorrichtung oder sogar ein an einem Träger montierter Schlitten dafür verwendet werden, eine hochintensive Energiequelle und einen Warmdrahtkopf relativ zu dem Werkstück zu bewegen.
Das System 100 enthält des Weiteren ein Abfühl- und Stromsteuerungsteilsystem 195, das mit dem Werkstück 115 und dem Kontaktrohr 160 wirkverbunden ist (d. h. praktisch mit dem Ausgang der Warmdrahtstromversorgung 170 verbunden ist) und in der Lage ist, einen Potenzialunterschied (d. h. eine Spannung V) zwischen dem Werkstück 115 und dem Warmdraht 140 und einen Strom (I) durch das Werkstück 115 und den Warmdraht 140 zu messen. Das Abfühl- und Stromsteuerungsteilsystem 195 kann des Weiteren in der Lage sein, einen Widerstandwert (R = V/I) und/oder einen Leistungswert (P = V·I) aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom zu berechnen. Im Allgemeinen beträgt, wenn der Warmdraht 140 in Kontakt mit dem Werkstück 115 steht, der Potenzialunterschied zwischen dem Warmdraht 140 und dem Werkstück 115 null Volt oder sehr nahe null Volt. Infolge dessen kann das Abfühl- und Stromsteuerungsteilsystem 195 abfühlen, wann der ohmsche Fülldraht 140 in Kontakt mit dem Werkstück 115 steht, und ist mit der Stromversorgung 170 wirkverbunden, um des Weiteren in der Lage zu sein, den Stromfluss durch den ohmschen Fülldraht 140 in Reaktion auf das Abfühlen zu steuern, wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 ein integraler Bestandteil der Stromversorgung 170 sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Bewegungssteuereinheit 180 des Weiteren mit der Laserstromversorgung 130 und/oder der Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 wirkverbunden sein. Auf diese Weise können die Bewegungssteuereinheit 180 und die Laserstromversorgung 130 miteinander kommunizieren, damit die Laserstromversorgung 130 weiß, wann sich das Werkstück 115 bewegt, und damit die Bewegungssteuereinheit 180 weiß, ob die Laservorrichtung 120 aktiv ist. Gleichermaßen können die Bewegungssteuereinheit 180 und die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 auf diese Weise miteinander kommunizieren, damit die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 weiß, wann sich das Werkstück 115 bewegt, und damit die Bewegungssteuereinheit 180 weiß, wann das Warmfülldrahtzufuhrvorrichtungs-Teilsystem aktiv ist. Eine solche Kommunikation kann dafür verwendet werden, Aktivitäten zwischen den verschiedenen Teilsystemen des Systems 100 zu koordinieren.
Wie allgemein bekannt ist, ist die additive Herstellung ein Prozess, bei dem ein Material auf ein Werkstück abgeschieden wird, um ein gewünschtes Erzeugnis zu erhalten. In einigen Anwendungen kann das Erzeugnis recht komplex sein. Jedoch sind bekannte Verfahren und Systeme, die zur additiven Herstellung verwendet werden, allgemein langsam und haben eine beschränkte Leistung. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung widmen sich diesen Problembereichen durch Bereitstellen eines schnellen und hoch-präzisen additiven Herstellungsverfahrens und -systems.
Das in 1 gezeigte System 100 ist ein solches beispielhaftes System, bei dem der Draht 140 wiederholt zu Tröpfchen geschmolzen und auf das Werkstück abgeschieden wird, um die gewünschte Form zu erzeugen. Dieser Prozess ist beispielhaft in den 2A–2D gezeigt. Wie in diesen Figuren gezeigt. Wie in 2A gezeigt, wird eine Oberfläche des Werkstücks durch den Laserstrahl 110 (oder eine andere Wärmequelle) bestrahlt, während der Draht 140 nicht in Kontakt mit dem Werkstück steht. Der Strahl 110 erzeugt eine Schmelzpfütze A auf der Oberfläche des Werkstücks. In den meisten Anwendungen hat die Pfütze A eine kleine Fläche, und die Einbrandtiefe ist nicht die, die für andere Operationen, wie zum Beispiel Schweißen oder Fügen, erforderlich wäre. Vielmehr wird die Pfütze A erzeugt, um die Oberfläche des Werkstücks vorzubereiten, ein Tröpfchen des Drahtes 140 zu empfangen und eine ausreichende Bondung mit ihm herzustellen. Darum muss die Strahldichte des Strahls 110 so sein, dass nur eine kleine Pfütze auf dem Werkstück erzeugt wird, ohne eine zu große Wärmezufuhr in das Werkstück zu bewirken oder eine zu große Pfütze zu erzeugen. Beim Erzeugen der Pfütze wird ein Tröpfchen D am distalen Ende des Drahtes 140 gebildet, während der Draht in die Pfütze A vorangeschoben wird, um einen Kontakt mit der Pfütze A herzustellen; siehe 2B. Nach dem Kontakt wird das Tröpfchen D auf die Pfütze A und das Werkstück abgeschieden (siehe 2C). Dieser Prozess wird wiederholt, um ein gewünschtes Werkstück zu erzeugen. In 2D ist ein optionaler Schritt gezeigt, in dem der Strahl 110 auf das abgeschiedene Tröpfchen D gerichtet wird, nachdem es sich von dem Draht 140 getrennt hat. In solchen Ausführungsformen kann der Strahl 110 dafür verwendet werden, die Werkstückoberfläche zu glätten und/oder zusätzliche Wärme zuzuführen, damit das Tröpfchen D vollständig in das Werkstück integriert werden kann. Des Weiteren kann der Strahl dafür verwendet werden, das Werkstück zusätzlich zu formen.
3 zeigt einen beispielhaften Abscheidungsprozess des Tröpfchens D auf dem Draht 140. Das Bild am linken Rand von 3 zeigt den Draht 140, wie er Kontakt mit dem Werkstück herstellt. Dieser Kontakt wird durch die Stromversorgung 170 detektiert, die dann einen Erwärmungsstrom in den Draht 140 einspeist, um den Draht auf die, oder in die Nähe einer, Schmelztemperatur für den Draht 140 zu erwärmen. Der Detektionskreis, der dafür verwendet wird, den Kontakt zwischen dem Werkstück und dem Draht 140 zu detektieren, kann so aufgebaut sein und so arbeiten wie bekannte Detektionskreise, die in Schweißstromversorgungen verwendet werden, so dass auf eine detaillierte Erläuterung der Funktionsweise und des Aufbaus des Kreises im vorliegenden Dokument verzichtet werden kann. Der Erwärmungsstrom der Stromversorgung 170 wird sehr schnell angehoben, um die nötige Energie zum Schmelzen des Tröpfchens D vom Ende des Drahtes 140 bereitzustellen. Jedoch wird der Strom sorgfältig so gesteuert, dass kein Lichtbogen zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück entsteht. Das Entstehen eines Lichtbogens könnte sich als zerstörerisch für das Werkstück herausstellen und ist somit unerwünscht. Darum muss der Strom in einer solchen Weise gesteuert werden (wie weiterer unten noch erläutert wird), dass die Entstehung eines Lichtbogens verhindert wird.
Wir kehren zu 3 zurück. Der Draht 140 stellt einen Kontakt zu dem Werkstück her, und die Stromversorgung 170 liefert einen Schmelzstrom (1). In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann eine Offenkreisspannung (Open Circuit Voltage) OCV vor dem Kontakt an den Draht 140 angelegt werden. Nach dem Kontakt wird der Strom schnell angehoben, um das Ende des Drahtes 140 zu schmelzen und ein abzuscheidendes Tröpfchen D zu erzeugen (2). Der Strom bewirkt auch, dass sich der Draht 140 knapp oberhalb des Tröpfchens D abschnürt, so dass sich das Tröpfchen D von dem Draht 140 ablösen kann (3). Jedoch wird der Strom so gesteuert, dass, während sich der Draht 140 abschnürt, der Strom entweder abgeschaltet oder deutlich reduziert wird, so dass, wenn sich der Draht 140 von dem Tröpfchen D trennt, kein Lichtbogen zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück (4) entsteht. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der Draht 140 während und kurz vor dem Unterbrechen der Verbindung zwischen dem Tröpfchen D und dem Draht 140 von dem Werkstück fort zurückgezogen werden. Weil das Tröpfchen D mit der Pfütze in Kontakt steht, hilft die Oberflächenspannung der Pfütze beim Ablösen des Tröpfchens von dem Draht 140. Sobald das Tröpfchen von dem Draht 140 getrennt wurde, wird der Draht 140 vorangeschoben, um den Prozess zu wiederholen und ein weiteres Tröpfchen abzuscheiden. Der Draht 140 kann an derselben Position vorangeschoben werden, und/oder das nächste Tröpfchen kann an irgendeiner gewünschten Position abgeschieden werden.
Wie zuvor besprochen, kann der Laserstrahl 110 auch verwendet werden, nachdem das Tröpfchen D auf dem Werkstück abgeschieden wurde, um das Werkstück nach der Abscheidung zu glätten oder auf sonstige Weise zu formen. Des Weiteren kann der Strahl 110 auch während des Abscheidungsprozesses verwendet werden. Das heißt, in einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der Strahl 110 dafür verwendet werden, Wärme zu dem Draht 140 hinzuzufügen, um das Herbeiführen der Bildung des Tröpfchens und/oder des Trennens des Tröpfchens D von dem Draht 140 zu unterstützen. Dies wird weiteren unten besprochen.
Wenden wir uns nun den 4A und 4B zu, die jeweils beispielhafte Stromwellenformen zeigen, die mit beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. In 4A, wie zu sehen ist, hat die Wellenform 400 mehrere Impulse 401, wobei jeder Impuls die Übertragung eines Tröpfchens D von dem Draht 140 darstellt. Ein Stromimpuls 401 wird zu dem Zeitpunkt begonnen, wo der Draht 140 einen Kontakt herstellt. Der Strom wird dann unter Verwendung eines Anstiegsabschnitts 402 auf einen Spitzenstrompegel 401 erhöht, der kurz vor der Trennung zwischen dem Draht 140 und dem Tröpfchen D eintritt. In dieser Ausführungsform wird der Strom während des Anstiegsabschnitts 402 kontinuierlich größer, um die Entstehung des Tröpfchens zu bewirken und das Abschnüren in dem Draht vor der Trennung herbeizuführen. Vor der Trennung des Tröpfchens D wird der Strom während eines Absenkungsabschnitts 404 rasch verringert, so dass, wenn die Trennung stattfindet, kein Lichtbogen entsteht. In der Wellenform 400 von 4A wird der Strom abgeschaltet und fällt auf Null. Jedoch kann der Strom in anderen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf einen niedrigeren Trennungspegel gesenkt werden und muss nicht vollständig abgeschaltet werden, bis die Trennung stattfindet. In solchen Ausführungsformen fügt der niedrigere Trennungsstrompegel dem Draht 140 weiterhin Wärme hinzu, wodurch das Ablösen des Tröpfchens D unterstützt wird.
4B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Stromwellenform 410. Jedoch haben in dieser Ausführungsform die Impulse 411 einen Anstiegsabschnitt 402, der mehrere verschiedene Anstiegsratensektionen verwendet, wie gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform verwendet der Anstiegsabschnitt 402 drei verschiedene Anstiegsraten 402A, 402B und 402C vor der Trennung des Tröpfchens D. Die erste Anstiegsrate 402A ist ein sehr steiler und schneller Stromanstieg, um den Draht 140 rasch zu erwärmen, um den Schmelzprozess so bald wie möglich zu starten.
Nachdem der Strom einen ersten Pegel 405 erreicht hat, wird die Stromanstiegsrate zu einer zweiten Anstiegsrate 402B geändert, die kleiner ist als die erste Anstiegsrate. In einigen beispielhaften Ausführungsformen liegt der erste Strompegel in einem Bereich von 35 bis 60% des Spitzenstrompegels 413 für den Impuls. Die Anstiegsrate 402B ist kleiner als die anfängliche Anstiegsrate 402A, um die Steuerung des Stroms zu unterstützen und die Entstehung eines Lichtbogen oder von Mikrolichtbögen zu verhindern. In der gezeigten Ausführungsform wird die zweite Anstiegsrate aufrechterhalten, bis sich das Tröpfchen D am distalen Ende des Drahtes 140 zu bilden beginnt. In der gezeigten Ausführungsform wird, sobald sich das Tröpfchen D zu bilden beginnt, die Stromanstiegsrate erneut zu einer dritten Anstiegsrate 402C geändert, die kleiner als die zweite Anstiegsrate 402B ist. Auch hier dient die Verringerung der Anstiegsrate dazu, die Steuerung des Stroms zu verbessern, um das ungewollte Entstehen eines Lichtbogens zu verhindern. Wenn der Strom zu rasch anstieg, so kann es (aufgrund verschiedener Probleme, wie zum Beispiel Systeminduktivität) schwierig sein, den Strom rasch zu senken, wenn die Trennung detektiert wird, und die Entstehung eines Lichtbogens zu verhindern. In einigen beispielhaften Ausführungsformen liegt der Übergangspunkt 407 zwischen der zweiten und der dritten Anstiegsrate in einem Bereich von 50 bis 80% des Spitzenstrompegels 413 des Impulses 411. Wie die Impulse in 4A wird der Strom signifikant reduziert, wenn die Trennung des Tröpfchens detektiert wird, was unten noch ausführlich erläutert wird. Es ist außerdem zu beachten, dass andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung andere Anstiegsratenprofile verwenden können, ohne vom Schutzumfang oder Wesen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können die Impulse zwei verschiedene Anstiegsratensektionen haben oder können mehr als drei haben. Des Weiteren können die Impulse einen Anstieg verwenden, der sich ständig verändert. Zum Beispiel kann der Strom einer inversen parabolischen Kurve zu dem Spitzenstrompegel folgen, oder kann eine Kombination verschiedener Konfigurationen verwenden, wobei eine konstante Anstiegsrate vom Drahtkontakt bis zum ersten Strompegel 405 verwendet wird und dann ab diesem Punkt eine inverse parabolische Kurve verwendet werden kann.
Wie im vorliegenden Dokument erläutert, müssen die Spitzenstrompegel der Impulse 401/411 unterhalb eines Lichtbogenentstehungspegels liegen, aber ausreichend sein, um das Tröpfchen D während jedes Impulses abzuschmelzen. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können verschiedene Steuerungsmethodologien für den Spitzenstrompegel verwenden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der Spitzenstrompegel eine Spitzenstromschwelle sein, die durch verschiedene Benutzereingabeparameter bestimmt wird, die vor der additiven Operation eingegeben werden. Zu solchen Parametern gehören Drahtmaterialart, Drahtdurchmesser, Drahtart (mit Kern oder Volldraht) und Tröpfchen-je-Inch (Droplets per Inch, DPI). Natürlich können auch andere Parameter verwendet werden. Bei Erhalt dieser Eingabe-Informationen können die Stromversorgung 170 und/oder die Steuereinheit 195 verschiedene Steuerungsmethodologien, wie zum Beispiel eine Nachschlagetabelle, verwenden und einen Spitzenstromwert für die Operation bestimmen. Alternativ kann die Stromversorgung 170 Ausgangsstrom, -spannung und/oder -leistung von der Stromversorgung 170 überwachen, um zu bestimmen, wann die Trennung stattfinden wird, und den Strom entsprechend zu steuern. Zum Beispiel können dv/dt, di/dt und/oder dp/dt überwacht werden (unter Verwendung eines Vorausschaukreises oder dergleichen), und wenn bestimmt wird, dass die Trennung stattfindet, so wird der Strom abgeschaltet oder reduziert. Dies wird unten noch ausführlicher erläutert.
Das Folgende ist eine Besprechung der Verwendung und der Funktionsweise beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Am Anfang eines additiven Herstellungsprozesses kann die Stromversorgung 170 eine Abfühlspannung zwischen dem Draht 140 und einem Werkstück 115 über die Stromquelle 170 anlegen. Die Abfühlspannung kann durch die Stromversorgung 170 unter der Steuerung der Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 angelegt werden. In einigen Ausführungsformen stellt die angelegte Abfühlspannung nicht genug Energie bereit, um den Draht 140 nennenswert zu erwärmen. Bei angelegter Abfühlspannung wird das distale Ende des Drahtes 140 in Richtung des Werkstücks 115 vorangeschoben. Der Laser 120 sendet dann einen Strahl 110 aus, um die Oberfläche des Werkstücks 115 zu erwärmen und eine Pfütze zu bilden, um den Draht 140 zu empfangen. Das Voranschieben wird durch die Drahtzuführvorrichtung 150 ausgeführt, und der Kontakt mit dem Werkstück wird abgefühlt, wenn das distale Ende des Drahtes 140 erstmals einen Kontakt mit dem Werkstück 115 herstellt. Zum Beispiel kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 die Warmdraht-Stromversorgung 170 anweisen, einen sehr niedrigen Strompegel (zum Beispiel 3 bis 5 A) durch den Warmdraht 140 zuzuführen. Ein solches Abfühlen kann durch die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 bewerkstelligt werden, indem sie einen Potenzialunterschied von etwa null Volt (zum Beispiel 0,4 V) zwischen dem Fülldraht 140 (zum Beispiel über das Kontaktrohr 160) und dem Werkstück 115 misst. Wenn das distale Ende des Fülldrahtes 140 mit dem Werkstück 115 kurzgeschlossen wird (d. h. einen Kontakt mit dem Werkstück herstellt), so existiert möglicherweise kein signifikanter Spannungspegel (über null Volt) zwischen dem Fülldraht 140 und dem Werkstück 115.
Nach dem Kontakt kann die Stromquelle 170 in Reaktion auf das Abfühlen über ein definiertes Zeitintervall (zum Beispiel mehrere Millisekunden) abgeschaltet werden. Dann kann die Stromquelle 170 am Ende des definierten Zeitintervalls wieder eingeschaltet werden, um einen Erwärmungsstrom durch den Draht 140 fließen zu lassen. Außerdem kann, nachdem der Kontakt abgefühlt wurde, der Strahl 110 abgeschaltet werden, damit nicht zu viel Wärme in die Pfütze oder das Werkstück 115 gelangt. In einigen Ausführungsformen kann der Laserstrahl 110 an bleiben, um die Erwärmung und Trennung des Tröpfchens D zu unterstützen. Dies wird unten noch ausführlicher besprochen.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Prozess enthalten, das Voranschieben des Drahtes 140 in Reaktion auf das Abfühlen anzuhalten, das Voranschieben des Drahtes 140 am Ende des definierten Zeitintervalls erneut zu beginnen (d. h. erneut voranzuschieben), und zu verifizieren, dass das distale Ende des Fülldrahtes 140 immer noch in Kontakt mit dem Werkstück 115 steht, bevor der Erwärmungsstrom angelegt wird, oder nachdem der Erwärmungsstrom angelegt und das Tröpfchen D ausgebildet wurde. Die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 kann die Drahtzuführvorrichtung 150 anweisen, das Zuführen zu stoppen, und kann das System 100 anweisen zu warten (zum Beispiel mehrere Millisekunden). In einer solchen Ausführungsform ist die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 mit der Drahtzuführvorrichtung 150 wirkverbunden, um die Drahtzuführvorrichtung 150 anzuweisen, zu starten und zu stoppen. Die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 kann die Stromversorgung 170 anweisen, die Erwärmungsstromimpulse zum Erwärmen des Drahtes 140 anzulegen, wie oben beschrieben, und dieser Prozess kann wiederholt werden, um mehreren Tröpfchen auf einem Werkstück abzuscheiden.
Während des Betriebes können die hoch-intensive Energiequelle (zum Beispiel die Laservorrichtung 120) und der Draht 140 entlang eines Werkstücks 115 bewegt werden, um die Tröpfchen nach Wunsch zu erzeugen. Die Bewegungssteuereinheit 180 weist den Roboter 190 an, das Werkstück 115 relativ zu dem Laserstrahl 110 und dem Draht 140 zu bewegen. Die Laserstromversorgung 130 stellt die Energie bereit, um die Laservorrichtung 120 zu betreiben und den Laserstrahl 110 zu bilden. In weiteren Ausführungsformen enthält die Laservorrichtung 120 eine Optik, die justiert werden kann, um die Form des Laserstrahls 110 auf der Auftrefffläche des Werkstücks zu ändern. Ausführungsformen können die Strahlform zur Steuerung der Form des Abscheidungsprozesses verwenden. Das heißt, durch Verwendung eines Strahls mit einer rechteckigen, elliptischen oder ovalen Form kann eine relativ schmale Abscheidung vorgenommen werden, wodurch eine dünnerwandige Struktur entsteht. Des Weiteren kann die Strahlform dafür verwendet werden, die Abscheidung zu formen, nachdem sich das Tröpfchen von dem Verbrauchsmaterial getrennt hat.
Wie oben besprochen, wird der Impulsstrom abgeschaltet oder deutlich reduziert, wenn bestimmt wird, dass das Ablösen zwischen dem Draht 140 und dem Tröpfchen D unmittelbar bevorsteht. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Zum Beispiel kann ein solches Abfühlen mit einem Vorausschaukreis innerhalb der Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 erreicht werden, der eine Änderungsrate eines Potenzialunterschieds zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 (dv/dt), eines Stroms durch den Draht 140 und das Werkstück 115 (di/dt), eines Widerstands zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 (dr/dt) oder einer Leistung durch den Draht 140 und das Werkstück 115 (dp/dt) misst. Wenn die Änderungsrate einen zuvor festgelegten Wert übersteigt, so prädiziert die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 formal, dass ein Verlust des Kontakts kurz bevor steht. Solche Vorausschaukreise sind dem Fachmann auf dem Gebiet des Lichtbogenschweißens vertraut, und ihr Aufbau und ihre Funktionsweise brauchen im vorliegenden Dokument nicht ausführlich beschrieben zu werden.
Wenn das distale Ende des Drahtes 140 aufgrund von Erwärmung hoch-schmelzflüssig wird, so beginnt das distale Ende, sich von dem Draht 140 auf das Werkstück 115 abzuschnüren. Zum Beispiel steigt in diesem Moment der Potenzialunterschied oder die Spannung, weil der Querschnitt des distalen Endes des Drahtes rasch abnimmt, während er sich abschnürt. Darum kann das System 100 durch Messen einer solchen Änderungsrate vorwegnehmen, wann das distale Ende kurz davor steht, sich abzuschnüren und den Kontakt mit dem Werkstück 115 zu verlieren.
Wie zuvor erläutert, kann, wenn die Trennung des Tröpfchens abgefühlt wird, der Strom durch die Stromversorgung 170 abgeschaltet oder deutlich reduziert werden. Zum Beispiel wird in einigen beispielhaften Ausführungsformen der Strom auf einen Bereich von 95 bis 85% des Spitzenstromwertes der Impulse reduziert. In beispielhaften Ausführungsformen erfolgt diese Stromreduzierung vor der Trennung zwischen dem Draht und der Pfütze.
Zum Beispiel veranschaulicht 5 eine beispielhafte Ausführungsform eines Paares von Spannungs- und Stromwellenformen 510 bzw. 520, die mit einem additiven Herstellungsprozess der vorliegende Anwendung verknüpft sind. Die Spannungswellenform 510 wird durch die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 zwischen dem Kontaktrohr 160 und dem Werkstück 115 gemessen. Die Stromwellenform 520 wird von der Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 durch den Draht 140 und das Werkstück 115 gemessen.
Wann immer das distale Ende des Drahtes 140 kurz davor steht, den Kontakt mit dem Werkstück 115 zu verlieren, überschreitet die Änderungsrate der Spannungswellenform 510 (d. h. dv/dt) einen zuvor festgelegten Schwellenwert, was anzeigt, dass ein Abschnüren kurz bevor steht (siehe den Abstieg bei Punkt 511 der Wellenform 510). Statt dessen können als Alternativen eine Änderungsrate des Stroms durch den Draht 140 und das Werkstück 115 (di/dt), eine Änderungsrate des Widerstands zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 (dr/dt) oder eine Änderungsrate der Leistung durch den Draht 140 und das Werkstück 115 (dp/dt) dafür verwendet werden anzuzeigen, dass ein Abschnüren kurz bevor steht. Solche Änderungsraten-Vorhersagetechniken sind dem Fachmann vertraut. In diesem Moment weist die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 die Stromversorgung 170 an, den Stromfluss durch den Draht 140 abzuschalten (oder wenigstens deutlich zu verringern).
Wenn die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 erfühlt, dass das distale Ende des Fülldrahtes 140 nach einem Zeitintervall 530 wieder einen guten Kontakt mit dem Werkstück 115 hat (wenn zum Beispiel der Spannungspegel bei Punkt 512 auf etwa null Volt zurückfällt), so weist die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 die Stromversorgung 170 an, den Stromfluss durch den ohmschen Fülldraht 140 in Richtung eines zuvor festgelegten Ausgangsstrompegels 550 anzuheben (siehe Anstieg 525). Das Zeitintervall 530 kann ein zuvor festgelegtes Zeitintervall sein. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beginnt das Ansteigen an einem Sollpunktwert 540. Dieser Prozess wiederholt sich, während sich die Energiequelle 120 und der Draht 140 relativ zu dem Werkstück 115 bewegen und während der Draht 140 durch die Drahtzuführvorrichtung 150 in Richtung des Werkstücks 115 vorangeschoben wird, um Tröpfchen an den gewünschten Stellen abzuscheiden. Dadurch wird verhindert, dass sich ein Lichtbogen zwischen dem distalen Ende des Drahtes 140 und dem Werkstück 115 bildet. Das Erhöhen des Erwärmungsstroms hilft zu verhindern, dass eine Änderungsrate der Spannung ungewollt als eine Abschnürbedingung oder eine Lichtbogenbildungsbedingung interpretiert wird, wenn keine solche Bedingung existiert. Jede große Änderung des Stroms kann dazu führen, dass aufgrund der Induktivität in dem Erwärmungskreis eine fehlerhafte Spannungsablesung erfolgt. Wenn der Strom allmählich angehoben wird, so wird der Effekt der Induktivität reduziert.
Wie zuvor erläutert, speist die Stromversorgung 170 einen Erwärmungsstrom in den Fülldraht 140 ein. Der Strom fließt von der Kontaktspitze 160 zu dem Draht 140 und dann in das Werkstück. Dieser Widerstandserwärmungsstrom bewirkt, dass der Draht 140 zwischen der Spitze 160 und dem Werkstück eine Temperatur auf oder nahe der Schmelztemperatur des verwendeten Fülldrahtes 140 erreicht. Natürlich variiert die Wärme, die zum Erreichen der Schmelztemperatur des Fülldrahtes 140 benötigt wird, in Abhängigkeit von der Größe und chemischen Zusammensetzung des Drahtes 140. Dementsprechend variiert die Wärme zum Erreichen der gewünschten Temperatur des Drahtes während der Herstellung in Abhängigkeit von dem Draht 140. Wie weiter unten noch näher besprochen wird, kann die gewünschte Betriebstemperatur für den Fülldraht eine Dateneingabe in das System sein, dergestalt, dass die gewünschte Drahttemperatur während der Herstellung gehalten wird. In jedem Fall sollte die Temperatur des Drahtes so gewählt werden, dass der Draht 140 ein Tröpfchen in die Pfütze hinein abscheiden kann.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gibt die Stromversorgung 170 einen Strom aus, der mindestens einen Abschnitt des distalen Endes des Drahtes 140 auf eine Temperatur von oder über 90% seiner Schmelztemperatur bringt. Wenn zum Beispiel ein Fülldraht 140 mit einer Schmelztemperatur von etwa 2.000°F verwendet wird, so kann die Temperatur des Drahtes im Moment des Kontakts ungefähr 1.800°F betragen. Natürlich versteht es sich, dass die jeweiligen Schmelztemperaturen und gewünschten Betriebstemperaturen mindestens entsprechend der Legierung, der Zusammensetzung, dem Durchmesser und der Zufuhrrate des Fülldrahtes 140 variieren. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen werden Abschnitte des Drahtes auf einer Temperatur des Drahtes gehalten, die bei oder über 95% seiner Schmelztemperatur liegt. Natürlich wird in einigen Ausführungsformen das distale Ende des Drahtes durch den Erwärmungsstrom auf mindestens 99% seiner Schmelztemperatur erwärmt. Wenn also das erwärmte Tröpfchen in Kontakt mit der durch den Laser erzeugten Schmelzpfütze steht, so kann die Wärme von der Pfütze zusätzliche Wärme in den Draht 140 führen, um so vollständig das schmelzflüssige Tröpfchen am Ende des Drahtes 140 zu bilden, so dass das Tröpfchen an der Pfütze anhaftet und dort bleibt, wenn der Draht 140 zurückgezogen wird. Durch Halten des Fülldrahtes 140 auf einer Temperatur nahe oder auf seiner Schmelztemperatur wird der Draht 140 auf einfache Weise in die durch die Wärmequelle oder den Laser 120 erzeugte Pfütze hinein geschmolzen oder aufgezehrt. Das heißt, der Draht 140 hat eine Temperatur, die zu keinem nennenswerten Abschrecken der Pfütze führt, wenn der Draht 140 einen Kontakt mit der Pfütze herstellt. Aufgrund der hohen Temperatur des Drahtes 140 schmilzt der Draht schnell, wenn er in Kontakt mit der Pfütze kommt. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann der Draht auf oder über 75% seiner Schmelztemperatur erwärmter. Wenn jedoch eine Erwärmung auf eine Temperatur nahe 75% erfolgt, so ist es wahrscheinlich, dass zusätzliche Erwärmung nötig ist, um das Tröpfchen ausreichend schmelzflüssig für eine Übertragung zu machen, was unten noch näher besprochen wird.
Wie zuvor beschrieben, kann in einigen beispielhaften Ausführungsformen das vollständige Schmelzen des Drahtes 140 allein durch das Eintreten des Drahtes 140 in die Pfütze bewerkstelligt werden. Jedoch kann der Draht 140 in anderen beispielhaften Ausführungsformen auch durch eine Kombination aus dem Erwärmungsstrom, der Pfütze und des Laserstrahls 110, der auf einen Abschnitt des Drahtes 140 auftrifft, vollständig geschmolzen werden. Das heißt, das Erwärmen oder Schmelzen des Drahtes 140 kann durch den Laserstrahl 110 dergestalt unterstützt werden, dass der Strahl 110 zum Erwärmen des Drahtes 140 beiträgt. Weil jedoch viele Fülldrähte 140 aus Materialien bestehen, die reflektieren können, sollte, wenn ein reflektierender Laser verwendet wird, der Draht 140 auf eine solche Temperatur erwärmt werden, dass sein Oberflächenreflexionsvermögen reduziert wird, so dass der Strahl 110 zum Erwärmen oder Schmelzen des Drahtes 140 beitragen kann. In beispielhaften Ausführungsformen dieser Konfiguration überschneiden sich der Draht 140 und der Strahl 110 an dem Punkt, wo der Draht 140 in die Pfütze eintritt. Dies wird in den 6A und 6B gezeigt.
Wie in 6A gezeigt, kann in einigen beispielhaften Ausführungsformen der Strahl 110 dafür verwendet werden, die Abscheidung von Tröpfchen D auf das Werkstück 115 zu unterstützen. Das heißt, der Strahl 110 kann dafür verwendet werden, Wärme zu dem distalen Ende des Drahtes 140 hinzuzufügen, um das schmelzflüssige Tröpfchen zu erzeugen. In solchen Ausführungsformen kann der Erwärmungsstrom von der Stromversorgung auf einem Pegel weit unter einem Lichtbogenerzeugungspegel gehalten werden, wodurch sichergestellt wird, dass kein Lichtbogen entsteht, aber ein ordnungsgemäßer Tröpfchentransfer erreicht werden kann. In solchen Ausführungsformen kann der Strahl so gerichtet werden, dass es nur das Tröpfchen D trifft; oder in anderen Ausführungsformen ist der Strahl 110 groß genug oder ist so geformt oder gerastert, dass er mindestens auf einen Abschnitt des Tröpfchens und mindestens einen Teil der Pfütze auftrifft, um weiterhin Wärme zu der Pfütze hinzuzufügen, um das Tröpfchen D zu empfangen. In beispielhaften Ausführungsformen ist die Energiedichte des Strahls 110 während dieser Phase des Prozesses in der Regel geringer als die Energiedichte des Strahls, wenn er dafür verwendet wird, die Pfütze auf dem Werkstück 115 zu erzeugen.
6B zeigt weitere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei der Strahl 110 am Draht 140 kurz oberhalb des Tröpfchens anliegt, um seine Trennung von dem Draht zu unterstützen. In solchen Ausführungsformen wird, wenn abgefühlt oder bestimmt wird, dass sich der Draht 140 über dem Tröpfchen abschnürt, ein Strahl 110 auf den Draht an der Verbindung zwischen dem Tröpfchen D und dem Draht 140 gerichtet, so dass der Strahl 110 beim Trennen der beiden hilft. Solche Ausführungsformen helfen zu verhindern, dass ein Lichtbogen entsteht, weil es nicht nötig ist, den Erwärmungsstrom zum Steuern der Trennung zu verwenden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der Strahl 110 vom selben Laser 120 kommen, der zum ursprünglichen Erzeugen der Pfütze verwendet wird. Jedoch kann in anderen Ausführungsformen der Strahl in 6B auch von einem zweiten separaten Laser ausgesendet werden, der ebenfalls durch die Steuereinheit 195 gesteuert wird. Das heißt, wenn in solchen Ausführungsformen, die Steuereinheit und/oder die Stromversorgung die Entstehung eines Tröpfchens oder das unmittelbar bevorstehende Trennen des Tröpfchens D detektieren, so kann der Ausgangsstrom der Stromversorgung 170 gesenkt werden, während der Laserstrahl auf den Draht 140 gerichtet wird, um die gewünschte Trennung herbeizuführen.
Wenden wir uns nun 7 zu, wo eine beispielhafte Ausführungsform eines Erwärmungssystems 700 und einer Kontaktspitzenbaugruppe 707 gezeigt ist. Es ist allgemein festzuhalten, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Kontaktspitzen 160 und Widerstandserwärmungssysteme verwenden können, die mit Bezug auf Warmdraht- oder einige Schweißsysteme bekannt sind, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Jedoch kann in weiteren beispielhaften Ausführungsformen ein System 700, wie in 7 gezeigt, verwendet werden. In diesem System 700 besteht die Kontaktspitzenbaugruppe aus zwei leitfähigen Abschnitten 701 und 703, die durch einen Isolierabschnitt 705, der aus einem beliebigen dielektrischen Material bestehen kann, elektrisch voneinander isoliert sind. Natürlich kann in anderen Ausführungsformen auf den Isolierabschnitt verzichtet werden, solange die Spitzenabschnitte 701 und 703 elektrisch voneinander isoliert sind. Das System 700 enthält außerdem einen Umschaltkreis 710, der den Strompfad zu bzw. von der Stromversorgung 170 zwischen dem Kontaktspitzenabschnitt 701 und dem Werkstück 115 umschaltet. In einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, den Draht 140 während des Herstellungsprozesses auf einer Schwellentemperatur zu halten, während der Draht 140 nicht mit dem Werkstück 115 in Kontakt steht. Ohne dass der Draht 140 mit dem Werkstück 115 in Kontakt steht (zum Beispiel während einer Umpositionierung), fließt kein Strom durch den Draht 140, so dass die Widerstandserwärmung stoppt. Natürlich kann immer noch Restwärme vorhanden sein, die aber schnell abklingen kann. Diese Ausführungsform erlaubt eine kontinuierliche Erwärmung des Drahtes 140, selbst wenn er nicht in Kontakt mit dem Werkstück 115 steht. Wie gezeigt, ist ein Anschlussdraht von der Stromversorgung mit dem oberen Abschnitt 703 der Kontaktspitzenbaugruppe 707 gekoppelt. Während des Betriebes wird, wenn der Draht 140 in Kontakt mit dem Werkstück steht, der Schalter 710 so positioniert, dass der Strompfad vom oberen Abschnitt 703 durch den Draht 140 und das Werkstück führt und zur Stromversorgung 170 zurückkehrt (Strichlinie im Schalter 710). Wenn sich aber das Tröpfchen D von dem Draht 140 trennt und der Kontakt mit dem Werkstück 115 unterbrochen wird, so wird die Schalter 710 so umgelegt, dass der Strompfad von der Kontaktspitzenabschnitt 703 zum Kontaktspitzenabschnitt 701 und zurück zur Stromversorgung 170 führt. Dadurch kann wenigstens ein Teil des Erwärmungsstroms durch den Draht fließen, um den Draht auf einem gewissen Hintergrunderwärmungspegel weiter widerstandszuerwärmen. Dank einer solchen Konfiguration kann der Draht rascher auf seinen gewünschten Abscheidungspegel erwärmt werden. Das ist besonders dann der Fall, wenn eine lange Zeit zwischen Tröpfchenabscheidungen lag, während der sich der Draht abkühlen könnte. Darum gibt in beispielhaften Ausführungsformen die Stromversorgung 170 einen oder mehrere Stromimpulse (wie allgemein im vorliegenden Dokument beschrieben) aus, um Tröpfchen abzuscheiden, wenn sich der Schalter 710 in einer ersten Position befindet (erster Strompfad), die den Strom durch das Werkstück richtet, und dann gibt die Stromversorgung 170 einen Hintergrund- oder Erwärmungsstrom aus (der zum Beispiel ein Konstantstrom sein kann), wenn sich der Schalter in einer zweiten Position befindet (zweiter Strompfad), die den Strom durch beide Abschnitten 701/703 der Kontaktspitze richtet, um den Draht zwischen Tröpfchentransfers in einem erwärmten Zustand zu halten. In einigen Ausführungsformen kann der Schalter zwischen den einzelnen Tröpfchentransferimpulsen umschalten, während der Schalter in anderen Ausführungsformen nach mehreren Tröpfchentransferimpulsen umschalten kann. In beispielhaften Ausführungsformen wird der Hintergrund- bzw. Erwärmungsstrompegel als ein Pegel gewählt, der den Draht auf einer gewünschten (Nicht-Schmelz-)Temperatur hält. Wenn die Temperatur zu hoch ist, so kann es schwierig werden, den Draht zur Pfütze zu drücken. In einigen beispielhaften Ausführungsformen liegt der Hintergrund- bzw. Erwärmungsstrom in einem Bereich von 10 bis 70% eines Spitzenstrompegels, der während der Tröpfchentransferimpulse erreicht wird.
Es wird angemerkt, dass in 7 der Schalter 710 außerhalb der Stromversorgung 170 gezeigt ist. Jedoch dient diese Darstellung nur der besseren Übersichtlichkeit, und der Schalter kann auch innerhalb der Stromversorgung 170 angeordnet sein. Alternativ kann sich der Schalter auch innerhalb der Kontaktspitzenbaugruppe 707 befinden. Der Isolierabschnitt 705 kann aus jedem beliebigen Isoliermaterial bestehen oder kann einfach ein isolierender Spalt zwischen den Komponenten 701 und 703 sein. Je nach der gewünschten Konfiguration kann der Schalter durch die Steuereinheit 195 (wie gezeigt) gesteuert werden oder kann direkt durch die Stromversorgung 170 gesteuert werden.
In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann eine Drahtvorwärmvorrichtung stromaufwärts der Baugruppe 707 positioniert sein, die den Draht 140 vorwärmt, bevor er in die Spitze 707 eintritt. Zum Beispiel kann die Vorwärmvorrichtung eine Induktionserwärmungsvorrichtung sein, die keinen Stromfluss durch den Draht 140 erfordert, um den Draht 140 zu erwärmen. Natürlich können auch Widerstandserwärmungssysteme verwendet werden. Diese Vorwärmvorrichtung kann verwendet werden, um den Draht auf einer Temperatur zu halten, wie oben beschrieben wurde. Des Weiteren kann das Vorwärmen auch dafür verwendet werden, alle unerwünschte Feuchtigkeit von dem Draht 140 zu entfernen, bevor er abgeschieden wird (was besonders wichtig ist, wenn Ti verwendet wird). Solche Vorwärmsysteme sind allgemein bekannt und brauchen nicht ausführlich beschrieben zu werden. Die Vorwärmvorrichtung kann so einstellt werden, dass sie den Draht 140 auf eine zuvor festgelegte Temperatur erwärmt, bevor der Draht in die Spitzenbaugruppe 707 eintritt, wodurch der Strom von der Stromversorgung 170 dafür verwendet werden kann, genug Strom zu liefern, um den Abscheidungsprozess zu vollenden. Es ist anzumerken, dass die Vorwärmvorrichtung den Draht 140 auf einen Pegel erwärmen sollte, der den Draht 140 so konditioniert, dass der Draht 140 ordnungsgemäß durch die Spitze 707 geschoben werden kann. Das heißt, wenn der Draht 140 zu warm ist, so kann er übermäßig flexibel werden, was das Ansprechen des Drahtes 140 beim Schieben beeinträchtigen kann.
8A zeigt eine beispielhafte Herstellungsstromwellenform 800, die mit dem System 700 in 7 verwendet werden kann. In 8A ist eine Basisstromwellenform 800 gezeigt, die zwei Komponenten umfasst: einen Impulsabschnitt 801 und einen Hintergrundabschnitt 803. Der Impulsabschnitt besteht aus Stromimpulsen, die verwendet werden, um Tröpfchen abzuscheiden, wie im vorliegenden Dokument besprochenen. Während dieser Impulse wird der Strom vom Spitzenabschnitt 703 durch das Werkstück 115 gerichtet. Jedoch wird der Strom während des Hintergrundabschnitts von dem Spitzenabschnitt 703 zum Abschnitt 701 gerichtet, um den Draht 140 zu erwärmen, wenn er nicht in Kontakt mit dem Werkstück 115 steht. Natürlich ist zu beachten, dass die Verbindungen der Kontaktspitzenabschnitte 701/703 zu den positiven und negativen Stromversorgungsanschlüssen, wie in 7 gezeigt, beispielhaft sind und dass die Verbindungen entsprechend der gewünschten Systemeinrichtung und -leistung auch umgekehrt werden können. Wie zuvor erläutert, wird der Hintergrundstrompegel 803 zwischen Impulsen 801 dafür verwendet, den Draht zwischen Tröpfchenabscheidungen auf einer Haltetemperatur zu halten. In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hält der Hintergrundstrom den Draht 140 auf einer Temperatur, die in einem Bereich von 40 bis 90% der Schmelztemperatur des Drahtes 140 liegt. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen hält der Strom 803 den Draht 140 auf einer Temperatur im Bereich von 50 bis 80% der Schmelztemperatur des Drahtes 140.
Es ist des Weiteren anzumerken, dass es möglicherweise nicht wünschenswert oder nötig ist, ständig zwischen den einzelnen Impulsen 801 zum Hintergrundstrom zu schalten. Das könnte besonders während einer hohen Tröpfchenabscheidungsrate zutreffen. Das heißt, während einer hohen Tröpfchenabscheidungsrate wird der Draht 140 zwischen den Tröpfchen auf einem hohen Temperaturpegel gehalten. Darum erfolgt in einigen beispielhaften Ausführungsformen das Umschalten zum Hintergrunderwärmungsstrom (wie oben beschrieben) erst nach dem Verstreichen einer Zeitdauer oder wenn die Dauer zwischen Tröpfchenimpulsen eine Schwellenzeit übersteigt. Zum Beispiel verwendet das System 700 in einigen Ausführungsformen, wenn die Zeit zwischen Impulsen 1 s übersteigen soll, das Umschalten und den Hintergrunderwärmungsstrom wie oben beschrieben. Das heißt, wenn das verwendete Herstellungsverfahren eine Impulsfrequenz über einer bestimmten Schwellenfrequenz hat, so wird das oben beschriebene Umschalten verwendet. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt diese Schwelle in einem Bereich von 0,5 bis 2,5 s zwischen Impulsen. In anderen Ausführungsformen kann das System 700 einen Zeitmesser (innerhalb der Steuereinheit 195 und/oder der Stromversorgung 170) verwenden, der die Zeit zwischen Impulsen überwacht, und wenn die Zeit einen Schwellenbetrag übersteigt, so werden das Umschalten und der Hintergrunderwärmungsstrom, wie oben beschrieben, verwendet. Wenn zum Beispiel das System 700 bestimmt, dass eine Latenz zwischen Impulsen ein Schwellenzeitlimit (zum Beispiel 1 s) überschritten hat, so wird der Hintergrunderwärmungsstrom dafür verwendet, den Draht 140 auf einer gewünschten Temperatur zu halten. Eine solche Ausführungsform kann in Ausführungsformen verwendet werden, wo die eingestellte Schwellenzeit abgelaufen ist; das heißt, das System 700 bestimmt in Echtzeit, dass das Zeitlimit abgelaufen ist, oder kann verwendet werden, wenn das System 700 vorhersagt, dass der nächste Impuls nicht vor Ablauf des Zeitlimits eintreten wird. Wenn zum Beispiel das System 700 (zum Beispiel die Steuereinheit 195) bestimmt, dass der nächste Impuls nicht vor Ablauf des Zeitlimits eintreten wird (zum Beispiel aufgrund einer Bewegung des Werkstücks 115 und/oder des Drahtes 140), so kann das System 700 sofort das Umschalten und den Hintergrunderwärmungsstrom, wie oben beschrieben, initiieren. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt diese Dauer-Schwelle in einem Bereich von 0,5 bis 2,5 Sekunden.
8B zeigt beispielhafte Wellenformen, die mit beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um ein Tröpfchen abzuscheiden, wie im vorliegenden Dokument beschrieben. Die beispielhaften Wellenformen dienen der Übertragung eines einzelnen Tröpfchens gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die gezeigten Wellenformen sind für Laserleistung 810, Drahtzufuhrgeschwindigkeit 820, additiven Drahterwärmungsstrom 830 und Spannung 840. Es versteht sich, dass die gezeigten Wellenformen nur beispielhaft sein sollen und dass andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung andere Wellenformen mit anderen Eigenschaften als denen verwenden können, die im vorliegenden Dokument gezeigt oder beschrieben sind. Wie gezeigt, beginnt der Tröpfchentransferzyklus bei 811, wo die Laserleistung auf das Werkstück gerichtet wird und auf einen Spitzen-Laserleistungspegel 813 erhöht wird 812. Nach einer Dauer Tp erzeugt der Laser eine Pfütze auf dem Werkstück bei Punkt 814. An diesem Punkt beginnt die Drahtzuführvorrichtung, den additiven Draht in Richtung der Pfütze zu bewegen. Die Drahtzufuhrgeschwindigkeit steigt 821 auf eine Spitzen-Drahtzufuhrgeschwindigkeit 822, nachdem die Pfütze bei 814 erzeugt wurde. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erreicht die Drahtzufuhrgeschwindigkeit ihren Spitzenpegel 822 ungefähr zur selben Zeit, zu der das distale Ende des Drahtes einen Kontakt mit der Pfütze 821' herstellt. Jedoch kann in weiteren beispielhaften Ausführungsformen die Drahtzufuhrgeschwindigkeit ihren Spitzenpegel 822 erreichen, bevor der Draht einen Kontakt herstellt. Wie gezeigt, wird zur selben Zeit, wo der Drahtzuführprozess beginnt, eine Offenkreisspannung an den Draht 841 angelegt, so dass er einen Spitzenspannungspegel 842 an einem Punkt erreicht, bevor der Draht einen Kontakt mit der Pfütze herstellt. Außerdem beginnt, wenn der Draht einen Kontakt mit der Pfütze herstellt, der Erwärmungsstrom 830 zu fließen (bei Punkt 831), und die Spannung 840 beginnt zu fallen 843. Die Spannung fällt auf einen Pegel 844, der unter einer Lichtbogendetektionsspannung 848 liegt, über der bestimmt wird, dass ein Lichtbogen erzeugt werden würde.
Nachdem der Draht einen Kontakt mit der Pfütze herstellt hat, werden die Laserleistung 810, die Drahtzufuhrgeschwindigkeit 820 und der Strom 830 über einen Zeitraum Ta, während dem ein Tröpfchen des Drahtes in die Pfütze abgeschieden wird, auf ihren jeweiligen Spitzenpegeln gehalten. Nach Ablauf des Abscheidungszeitraums Ta (bei 815), der eine zuvor festgelegte Zeitdauer haben kann, die durch die Erwärmungsstromversorgung (zum Beispiel unter Verwendung eines Zeitmesserkreises) gesteuert wird, wird die Laserleistung zusammen mit der Drahtzufuhrgeschwindigkeit 823 abgesenkt 816. Der Erwärmungsstrom 830 wird nach dem Ablauf des Zeitraums Ta (oberster Punkt 834) noch über einen Zeitraum auf seinem Spitzenpegel 833 erhalten, während die Laserleistung und die Drahtzufuhrgeschwindigkeit verringert werden. Dies hilft beim Trennen des Tröpfchens von dem Draht. Nach dem Tröpfchenzugabezeitraum Ta beginnt ein Drahtrückzugszeitraum Tr. Nachdem der Strom 830 sein Absenken 835 beginnt (Start bei Punkt 834), wird die Drahtzufuhrgeschwindigkeit auf Null reduziert (bei Punkt 827), und die Drahtzuführvorrichtung wird veranlasst, den Draht 824 mit einer Spitzenrückzugsgeschwindigkeit 825 zurückzuziehen. Außerdem wird der Strom 830 während des Rückzugszeitraums auf einen Rückbrennstrompegel 836 reduziert, der dafür verwendet wird, um ein Rückbrennen des Drahtes auszuführen, während er aus der Pfütze zurückgezogen wird. Während des Drahtrückzugszeitraums Tr wird der Strom 830 auf dem Rückbrennstrompegel 836 gehalten, bis die Spannung bei Punkt 845 den Lichtbogendetektionsspannungspegel 848 erreicht oder passiert, wozu es kommt, wenn sich der Draht von der Pfütze trennt (wodurch der Strom sinkt und die Spannung steigt). Wenn der Spannungspegel 848 erreicht ist, wird eine Lichtbogenunterdrückungsroutine 847 initiiert, um das Entstehen eines Lichtbogens zu verhindern. Während dieser Zeit steigt die Spannung auf einen Spitzenpegel 846.
Der Lichtbogendetektionsspannungspegel 848 ist ein zuvor festgelegter Pegel, der durch die Stromversorgung und/oder die Systemsteuereinheit verwendet wird, um sicherzustellen, dass kein Lichtbogen zwischen dem sich zurückziehenden Draht und dem Werkstück entsteht. Der Lichtbogendetektionsspannungspegel 848 wird durch die Stromversorgung und/oder die Systemsteuereinheit anhand verschiedener Benutzereingaben eingestellt, wie zum Beispiel Drahtart, Drahtdurchmesser, Werkstückmaterialart, Tröpfchen-je-Inch-Eingabe, Tröpfchen-je-Minute-Eingabe usw.
Wenn der Lichtbogendetektionsspannungspegel 848 erreicht ist (bei 845), so wird der Strom 830 durch die Stromversorgung abgeschaltet (837), und das Zurückziehen des Drahtes wird gestoppt (826), und der Tröpfchentransferzyklus endet bei Punkt 817, wenn der Strom 830 und die Drahtzufuhrgeschwindigkeit 820 jeweils 0 erreichen. In der gezeigten Ausführungsform ist auch gezeigt, dass die Laserleistung 810 am Ende des Zyklus bei Punkt 817 abgeschaltet wird. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird die Laserleistung 810 zu dem Zeitpunkt abgeschaltet, wo die Lichtbogenspannungsschwelle 848 erreicht ist (bei Punkt 845). Dieser Zyklus wird dann über mehrere Tröpfchenabscheidungen wiederholt.
In einigen (nicht gezeigten) beispielhaften Ausführungsformen kann ein Laserleistungsimpuls zwischen Tröpfchentransferzyklen initiiert werden (wie in 8B gezeigt), um ein Glätten des Werkstücks oder eine sonstige Zufuhr von Energie zu dem Werkstück zwischen Tröpfchentransfers zu unterstützen. Zum Beispiel kann ein Laserleistungsimpuls zwischen den einzelnen Tröpfchentransferzyklen initiiert werden, oder in anderen Ausführungsformen kann nach Bedarf ein Laserleistungsimpuls nach einer Anzahl n von Tröpfchentransferzyklen initiiert werden.
9 zeigt ein weiteres beispielhaftes System 900 der vorliegenden Erfindung. Das System 900 umfasst eine Hintergrundstromversorgung 170' und eine Pulsationsstromversorgung 170. Die Arbeitsweise dieses Systems ähnelt sehr der oben besprochenen, außer dass der Hintergrunderwärmungsstrom durch eine separate Stromversorgung 170' zugeführt wird. Darum kann in einigen Ausführungsformen die Hintergrundstromversorgung 170' einen konstanten Erwärmungsstrom während der Herstellung bereitstellen, und es ist nicht nötig, das oben besprochene Umschalten auszuführen. Die Pulsationsstromversorgung 170 arbeitet so, wie es an anderer Stelle im vorliegenden Text beschrieben wurde, außer dass dank der zusätzlichen Erwärmung bzw. des zusätzlichen Stroms, die bzw. der durch die Stromversorgung 170' bereitgestellt wird, ihr Spitzenausgangsstrom reduziert werden kann. In solchen Ausführungsformen kann der Grad an Steuerung oder Präzision mit der Impulsstromversorgung 170 erhöht werden. Das heißt, die Impulsstromversorgung 170 kann dank des geringeren Strombedarfs in der Stromversorgung 170 ihren Spitzenimpulspegel rascher erreichen. Natürlich gilt das Gleiche für abnehmenden Strom. Jede der Stromversorgungen 170/170' kann durch die Steuereinheit 195 gesteuert werden oder kann in einer Master/Slave-Beziehung konfiguriert werden, was allgemein bekannt ist. Des Weiteren sind diese Stromversorgungen zwar zur besseren Übersichtlichkeit separat gezeigt, doch sie können auch innerhalb einer einzelnen Einheit untergebracht werden, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Außerdem ist in 9 eine weitere Kontaktspitzenbaugruppe 900 gezeigt, die leitfähige Abschnitte 901 und 905 und einen Isolierabschnitt 903 aufweist. In dieser Ausführungsform ist der leitfähige Abschnitt 905 so konfiguriert, dass der Erwärmungsstrom so nahe wie möglich an dem frei liegenden distalen Ende des Drahtes 140 übertragen wird. Eine solche Konfiguration hilft sicherzustellen, dass die Erwärmung des Drahtes so nahe wie möglich am distalen Ende gehalten wird, wodurch die Effekte der Hintergrunderwärmung optimiert werden. In weiteren Ausführungsformen wird der Vorstand X des distalen Endes des Drahtes 140 von der Kontaktspitze 910 auf einer minimalen Distanz gehalten. Wenn der Vorstand X zu lange aufrecht gehalten wird, so können die Erwärmungseffekte des Hintergrunderwärmungsstroms beeinträchtigt werden. Darum wird in einigen beispielhaften Ausführungsformen der Vorstand X im Bereich von 0,1 bis 0,5 Inch aufrechterhalten. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird der Vorstand im Bereich von 0,2 bis 0,4 Inch aufrechterhalten. Des Weiteren wird in weiteren beispielhaften Ausführungsformen (um weitere Vorteile der Hintergrunderwärmung zu realisieren) der Draht 140 zwischen Tröpfchenimpulsen vollständig oder fast vollständig in die Kontaktspitze 900 zurückgezogen, so dass der Vorstand X in einem Bereich von 0 bis 0,15 Inch liegt. Solche Ausführungsformen sind in der Lage, das distale Ende des Drahtes 140 auf der gewünschten Hintergrunderwärmungstemperatur zu halten, ohne andere Abschnitte des Drahtes 140, die nicht nahe dem distalen Ende liegen, zu überhitzen. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann die Vorstehdistanz größer sein, besonders dann, wenn Verbrauchsmaterialien mit größerem Durchmesser verwendet werden. Zum Beispiel kann in einigen beispielhaften Ausführungsformen die Vorstehdistanz im Bereich von 0,75 bis 2 Inch liegen. Natürlich kann in einigen anderen Ausführungsformen ein längerer Vorstand verwendet werden.
Wenden wir uns nun 10 zu, wo ein weiteres beispielhaftes System 1000 gezeigt ist, wobei die Kontaktspitzenbaugruppe 1010 in der Lage ist, mehr als einen Draht 140/140' zu dem Werkstück 115 zuzuführen. In einigen additiven Herstellungsoperationen kann es wünschenswert sein, verschiedene Drähte für verschiedene Fertigungsabschnitte zu verwenden. Das System 1000 erlaubt das Umschalten zwischen verschiedenen Drähten in Abhängigkeit davon, was für die Herstellung gewünscht wird. Obgleich nicht gezeigt, kann jeder Draht 140/140' mit seiner eigenen Drahtzuführvorrichtung gekoppelt sein, um die jeweiligen Drähte 140/140' nach Bedarf während der Herstellung voranzuschieben oder zurückzuziehen. Darum kann die Steuereinheit 195 während der Herstellung die Kontaktspitzenbaugruppe 1010 so positionieren, dass der richtige Draht für die Herstellung verwendet wird. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, eine Basis mit einem ersten Verbrauchsmaterial 140 aufzubauen, das erste Eigenschaften hat, und dann zu dieser Basis eine Schicht hinzuzufügen, die mit dem Draht 140' hergestellt wird, der andere Eigenschaften hat, um ein gewünschtes Herstellungsergebnis zu erreichen. Zum Beispiel können die Drähte 140/140' je nach den gewünschten Herstellungsparametern verschiedene Größen, Formen und/oder Zusammensetzungen haben. Es ist außerdem zu beachten, dass zwar die Kontaktspitzenbaugruppe mit nur zwei Drähten 140/140' gezeigt ist, dass aber Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch eine Kontaktspitzenbaugruppe oder separate Kontaktspitzen verwenden können, um eine beliebige Anzahl variierender Verbrauchsmaterialien bereitzustellen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
Des Weiteren ist die Kontaktspitzenbaugruppe 1010 in 10 so gezeigt, dass die Drähte 140/140' nicht voneinander isoliert sind. In einer solchen Ausführungsform wird der richtige Draht zu dem Werkstück 115 zur Abscheidung vorangeschoben, und somit wird der Strom von der Stromversorgung 170 durch diesen Draht gerichtet, wodurch die Abscheidung erfolgt. Wenn der Draht gewechselt werden soll, so wird der andere Draht vorangeschoben, während der andere zurückgezogen wird, so dass der Strompfad nun durch den anderen Draht verläuft. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann die Kontaktspitzenbaugruppe 1010 so aufgebaut sein, dass die Drähte 140/140' elektrisch voneinander isoliert sind. In solchen Ausführungsformen kann Umschalten, wie mit Bezug auf 7 besprochen, verwendet werden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann ein Laserstrahl (in 10 nicht gezeigt) die Energieverteilung in die Pfütze zwischen den Drähten 140 und 140' beeinflussen oder auf sonstige Weise ändern, indem sie zwischen den zwei Drähten abgetastet wird.
Positionierung und Bewegung der Kontaktspitzenbaugruppe 1010 relativ zu dem Werkstück 115 können auf verschiedene Weise beeinflusst werden. Genauer gesagt, kann jedes bekannte robotische oder Bewegungssteuerungssystem verwendet werden, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das heißt, der richtige Draht 140/140' kann unter Verwendung jedes bekannten Mittels oder Verfahrens positioniert werden, einschließlich robotischer Systeme, und kann durch die Steuereinheit 195 gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Kontaktspitzenbaugruppe 1010 drei oder mehr verschiedene Drähte umfassen und kann ähnlich den bekannten numerisch computergesteuerten (CNC) Bearbeitungsköpfen aufgebaut und verwendet werden, die gedreht und positioniert werden, um die Verwendung geeigneter Werkzeuge zu erlauben. Solche Systeme und Steuerungslogik können in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die gewünschte Positionierung des gewünschten Drahtes auszuführen.
Die Drähte (oder Verbrauchsmaterialien), die mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, müssen eine Größe und chemische Zusammensetzung entsprechend den Erfordernissen einer bestimmten Herstellungsoperation haben. In der Regel haben die Drähte einen kreisrunden Querschnitt, aber andere Ausführungsformen sind nicht darauf beschränkt. Andere beispielhafte Ausführungsformen können entsprechend dem Herstellungsverfahren und Herstellungsprozess Drähte mit einem nicht-kreisrunden Querschnitt verwenden. Zum Beispiel können die Drähte eine polygonale, ovale oder elliptische Form haben, um gewünschte Herstellungskriterien zu erfüllen. Drähte mit kreisrundem Querschnitt können einen Durchmesser im Bereich von 0,010 bis 0,045 Inch haben. Natürlich können gewünschtenfalls auch größere Bereiche (zum Beispiel bis 5 mm) verwendet werden, aber die Steuerung des Tröpfchens kann schwieriger werden, wenn der Durchmesser größer wird. Dank der Verwendung der im vorliegenden Dokument beschriebenen Laser und Erwärmungssteuerungsmethodologien können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine sehr präzise Herstellung ermöglichen. Das gilt insbesondere für Ausführungsformen, die Drähte mit kleinerem Durchmesser verwenden, wie zum Beispiel im Bereich von 0,010 bis 0,020 Inch. Durch die Verwendung solcher kleinen Durchmesser kann ein großes DPI (Tröpfchen-je-Inch)-Verhältnis erreicht werden, wodurch eine hoch-präzise und detaillierte Herstellung ermöglicht wird. Die chemische Zusammensetzung der Drähte ist so zu wählen, dass die gewünschten Eigenschaften für die hergestellte Komponente erreicht werden. Des Weiteren können der oder die verwendeten Drähte entweder eine massive oder eine Metallkernkonfiguration haben. Mit einem Kern versehene Drähte können verwendet werden, um einen Verbundmaterialaufbau zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein mit einem Kern versehener Draht mit einem Aluminiummantel und einem Aluminiumoxidkern verwendet werden.
Es ist des Weiteren anzumerken, dass die meisten Anwendungen der vorliegenden Erfindung keinerlei Schutzgas erfordern, weil kein Lichtbogen mit den im vorliegenden Dokument beschriebenen Prozessen verwendet wird. Jedoch kann es in einigen Anwendungen wünschenswert sein, ein Schutzgas zu verwenden, um Oxidation zu verhindern, oder für andere Zwecke.
11 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 11 zeigt eine Ausführungsform ähnlich der in 1 gezeigten. Jedoch sind bestimmte Komponenten und Verbindungen aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt. 1 zeigt ein System 1100, in dem ein Wärmesensor 1110 zum Überwachen der Temperatur des Drahtes 140 verwendet wird. Der Wärmesensor 1410 kann von jeder bekannten Art sein, die zum Detektieren der Temperatur des Drahtes 140 befähigt ist. Der Sensor 1110 kann einen Kontakt mit dem Draht 140 herstellen oder kann mit der Spitze 160 gekoppelt sein, um die Temperatur des Drahtes detektieren zu können. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Sensor 1110 von einer Art, die einen Laser- oder Infrarotstrahl verwendet, der in der Lage ist, die Temperatur eines kleinen Objekts, wie zum Beispiel den Durchmesser eines Fülldrahtes, zu detektieren, ohne den Draht 140 zu berühren. In einer solchen Ausführungsform ist der Sensor 1110 so positioniert, dass die Temperatur des Drahtes 140 am Vorstand des Drahtes 140 detektiert werden kann; also an einem Punkt zwischen dem Ende der Spitze 160 und der Schweißpfütze. Der Sensor 1110 sollte außerdem so positioniert werden, dass der Sensor 1110 für den Draht 140 nicht die Temperatur der Schweißpfütze abfühlt.
Der Sensor 1110 ist mit der Abfühl- und Steuereinheit 195 (mit Bezug auf 1 besprochen) gekoppelt, so dass Temperaturrückmeldungsinformationen an die Stromversorgung 170 und/oder die Laserstromversorgung 130 übermittelt werden können, so dass die Steuerung des Systems 1100 optimiert werden kann. Zum Beispiel kann die Leistungs- oder Stromabgabe der Stromversorgung 170 auf der Basis mindestens der Rückmeldung von dem Sensor 1110 justiert werden. Das heißt, in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann entweder der Nutzer eine gewünschte Temperatureinstellung (für eine bestimmte Schweißnaht und/oder einen bestimmten Draht 140) eingeben, oder die Abfühl- und Steuereinheit 195 kann eine gewünschte Temperatur auf der Basis anderer Nutzereingabedaten (Drahtzufuhrgeschwindigkeit, Elektrodentyp usw.) einstellen, und dann würde die Abfühl- und Steuereinheit 195 mindestens die Stromversorgung 170 so steuern, dass die gewünschte Temperatur beibehalten wird.
In einer solchen Ausführungsform ist es möglich, die Erwärmung des Drahtes 140 zu berücksichtigen, zu der es infolge des Laserstrahls 110 kommen kann, der auf den Draht 140 auftrifft, bevor der Draht in die Schweißpfütze eintritt. In Ausführungsformen der Erfindung kann die Temperatur des Drahtes 140 nur über die Stromversorgung 170 gesteuert werden, indem der Strom in dem Draht 140 gesteuert wird. Jedoch kann, wie oben erläutert, in anderen Ausführungsformen mindestens ein Teil der Erwärmung des Drahtes 140 von dem Laserstrahl 110 kommen, der auf mindestens einen Teil des Drahtes 140 auftrifft. Insofern muss der Strom oder die Leistung von der Stromversorgung 170 allein nicht für die Temperatur des Drahtes 140 repräsentativ sein. Dementsprechend kann die Verwendung des Sensors 1110 das Regeln der Temperatur des Drahtes 140 durch die Steuerung der Stromversorgung 170 und/oder der Laserstromversorgung 130 unterstützen.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform (auch in 11 gezeigt) wird ein Temperatursensor 1120 angewiesen, die Temperatur der Schweißpfütze abzufühlen. In dieser Ausführungsform wird die Temperatur der Schweißpfütze auch in die Abfühl- und Steuereinheit 195 eingekoppelt. Jedoch kann der Sensor 1120 in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform auch direkt mit der Laserstromversorgung 130 gekoppelt sein. Die Rückmeldung von dem Sensor 1120 wird zum Steuern des Ausgangs der Laserstromversorgung 130 oder des Lasers 120 verwendet. Das heißt, die Energiedichte des Laserstrahls 110 kann modifiziert werden, um sicherzustellen, dass die gewünschte Schweißpfützentemperatur erreicht wird.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Sensor 1120 nicht auf die Pfütze gerichtet, sondern er kann auf einen Bereich des Werkstücks 115 neben der Schweißpfütze gerichtet werden. Genauer gesagt, kann es wünschenswert sein sicherzustellen, dass die Wärmezufuhr zu dem Werkstück 115 neben der Abscheidungsstelle minimiert wird. Der Sensor 1120 kann so positioniert sein, dass dieser temperatursensible Bereich überwacht wird, damit eine Schwellentemperatur neben der Abscheidungsstelle nicht überschritten wird. Zum Beispiel kann der Sensor 1120 die Werkstücktemperatur überwachen und die Energiedichte des Strahls 110 anhand der abgefühlten Temperatur verringern. Eine solche Konfiguration würde sicherstellen, dass die Wärmezufuhr neben der Abscheidungsstelle eine gewünschte Schwelle nicht überschreiten würde. Eine solche Ausführungsform kann in Präzisionsfertigungsoperationen verwendet werden, wo die Wärmezufuhr in das Werkstück von Bedeutung ist.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Abfühl- und Steuereinheit 195 mit einer Zufuhrkraftdetektionseinheit (nicht gezeigt) gekoppelt sein, die mit dem Drahtzufuhrmechanismus (nicht gezeigt, aber siehe 150 in 1) gekoppelt ist. Die Zufuhrkraftdetektionseinheiten sind bekannt und detektieren die Zufuhrkraft, die an den Draht 140 angelegt wird, während er zu dem Werkstück 115 geführt wird. Zum Beispiel kann eine solche Detektionseinheit das Drehmoment, das durch einen Drahtzufuhrmotor in der Drahtzufuhrvorrichtung 150 angelegt wird, und somit Parameter mit Bezug auf den Kontakt zwischen dem distalen Ende des Drahtes 140 und dem Werkstück 115 überwachen. Dies kann in Verbindung mit einer Strom- und/oder Spannungsüberwachung dafür verwendet werden, die Zufuhr des Drahtes zu stoppen, nachdem ein Kontakt mit der Pfütze hergestellt wurde, um die Trennung des Tröpfchens D zu erlauben. Natürlich kann die Steuereinheit 195, wie bereits angemerkt, nur das Spannungs- und/oder Stromabfühlen verwenden, um den Kontakt zwischen dem Draht 140 und der Pfütze zu detektieren, und kann diese Informationen allein verwenden, um die Drahtzufuhr gewünschtenfalls zu stoppen, wenn der Kontakt hergestellt wurde.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der Sensor 1120 dafür verwendet werden, die Größe des Pfützenbereichs auf dem Werkstück zu detektieren. In solchen Ausführungsformen kann der Sensor 1120 entweder ein Wärmesensor oder ein visueller Sensor sein und kann dafür verwendet werden, einen Rand der Pfütze zu überwachen, um die Größe und/oder Position der Pfütze zu überwachen. Die Steuereinheit 195 verwendet dann die detektierten Pfützeninformationen zur Steuerung des Betriebes des Systems, wie oben beschrieben.
Im Folgenden wird die Steuerung des Erwärmungsimpulsstroms, der mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, weiter besprochen. Wie oben angemerkt, kann, wenn das distale Ende des Drahtes 140 in Kontakt mit der Pfütze oder dem Werkstück 115 steht, die Spannung zwischen den beiden auf oder nahe 0 Volt sein. Jedoch ist es in weiteren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich, einen Strom auf einem solchen Pegel bereitzustellen, dass ein Spannungspegel über 0 Volt erhalten wird, ohne einen Lichtbogen zu erzeugen. Durch die Verwendung höherer Stromwerte ist es möglich, den Draht 140 hohe Temperaturen, die näher an einer Elektrodenschmelztemperatur liegen, mit einer schnelleren Rate erreichen zu lassen. Dadurch kann der Herstellungsprozess schneller vonstattengehen. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überwacht die Stromversorgung 170 die Spannung, und wenn die Spannung einen Spannungswert an einem Punkt über 0 Volt erreicht oder sich diesem nähert, so beendet die Stromversorgung 170 das Einspeisen von Strom in den Draht 140, um sicherzustellen, dass kein Lichtbogen entsteht. Der Spannungsschwellenpegel variiert in der Regel mindestens teilweise aufgrund der Art des verwendeten Drahtes 140. Zum Beispiel liegt in einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Schwellenspannungspegel bei oder unter 6 Volt. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform liegt der Schwellenpegel bei oder unter 9 Volt. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform liegt der Schwellenpegel bei oder unter 14 Volt, und in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform liegt der Schwellenpegel bei oder unter 16 Volt. Wenn zum Beispiel Weichstahldrähte verwendet werden, so ist der Schwellenpegel für die Spannung von niedrigeren Typ, während Drähte, die zur Herstellung von Edelstahl gedacht sind, die höhere Spannung vertragen, bevor ein Lichtbogen erzeugt wird. Darum kann ein solches System die Spannung überwachen und den Erwärmungsstrom steuern, indem die Spannung mit einem Spannungssollpunkt verglichen wird, so dass, wenn die Spannung den Spannungssollpunkt übersteigt, oder wenn vorhergesagt wird, dass sie den Spannungssollpunkt übersteigt, der Strom abgeschaltet oder reduziert wird.
In weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird ein Spannungspegel nicht, wie oben, unterhalb einer Schwelle gehalten, sondern die Spannung wird in einem Betriebsbereich aufrechterhalten. In einer solchen Ausführungsform ist es wünschenswert, die Spannung über einem Mindestbetrag zu halten, der einen Strom sicherstellt, der hoch genug ist, um den Draht bei oder nahe seiner Schmelztemperatur zu halten, aber unterhalb eines Spannungspegels zu halten, so dass kein Lichtbogen entsteht. Zum Beispiel kann die Spannung in einem Bereich von 1 bis 16 Volt gehalten werden. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird die Spannung in einem Bereich von 6 bis 9 Volt gehalten. In einem weiteren Beispiel kann die Spannung zwischen 12 und 16 Volt gehalten werden. Natürlich kann der gewünschte Betriebsbereich durch den Draht 140 beeinflusst werden, der für die Herstellungsoperation verwendet, so dass ein Bereich (oder eine Schwelle), der für einen Arbeitsvorgang verwendet wird, wenigstens zum Teil anhand des verwendeten Drahtes oder der Eigenschaften des verwendeten Drahtes ausgewählt wird. Bei Verwendung eines solchen Bereichs wird das untere Ende des Bereich auf eine Spannung eingestellt, bei der der Draht ausreichend in der Pfütze abgeschieden werden kann, und das obere Ende des Bereichs wird auf eine solche Spannung eingestellt, dass die Entstehung eines Lichtbogens vermieden wird.
Wie zuvor beschrieben, wird der Erwärmungsstrom durch die Stromversorgung 170 abgeschaltet, wenn die Spannung eine gewünschte Schwellenspannung übersteigt, so dass kein Lichtbogen entsteht. Darum kann in solchen Ausführungsformen der Strom auf der Basis einer oder mehrerer zuvor festgelegter oder ausgewählter Anstiegsraten angesteuert werden, bis die Spannungsschwelle erreicht ist, und dann wird der Strom abgeschaltet oder reduziert, um Lichtbogenbildung zu verhindern.
In vielen der oben beschriebenen Ausführungsformen enthält die Stromversorgung 170 Schaltungen, die verwendet werden, um die Spannung wie oben beschrieben zu überwachen und aufrecht zu halten. Der Aufbau solcher Schaltungsformen ist dem Fachmann bekannt. Jedoch sind solche Schaltungen herkömmlicherweise dafür verwendet worden, die Spannung oberhalb einer bestimmten Schwelle für das Lichtbogenschweißen zu halten.
Wie zuvor erläutert, kann der Erwärmungsstrom auch durch die Stromversorgung 170 überwacht und/oder geregelt werden. Dies kann alternativ zusätzlich zur Überwachung von Spannung, Leistung oder eines Pegels einer Spannungs- oder Stromstärkekennlinie erfolgen. Das heißt, der Strom kann auf einen gewünschten Pegel angesteuert oder auf einem gewünschten Pegel gehalten werden, um sicherzustellen, dass der Draht 140 auf einer richtigen Temperatur für ein ordnungsgemäßes Abscheiden in der Pfütze, aber trotzdem unter einem Lichtbogenerzeugungsstrompegel gehalten wird. Zum Beispiel werden in einer solchen Ausführungsform Spannung und/oder Strom überwacht, um sicherzustellen, dass eines oder beide innerhalb eines angegebenen Bereichs oder unter einer gewünschten Schwelle liegen. Die Stromversorgung 170 regelt dann den zugeführten Strom, um sicherzustellen, dass kein Lichtbogen entsteht, aber die gewünschten Betriebsparameter beibehalten werden.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auch die Erwärmungsleistung (V × I) durch die Stromversorgung 170 überwacht und geregelt werden. Genauer gesagt, werden in solchen Ausführungsformen die Spannung und der Strom für die Erwärmungsleistung überwacht, um auf einem gewünschten Pegel oder in einem gewünschten Bereich gehalten zu werden. Darum regelt die Stromversorgung nicht nur die Spannung oder den Strom zu dem Draht, sondern kann sowohl den Strom als auch die Spannung regeln. In solchen Ausführungsformen kann die Erwärmungsleistung zu dem Draht auf einen oberen Schwellenpegel oder einen optimalen Betriebsbereich eingestellt werden, so dass die Leistung entweder unter dem Schwellenpegel oder innerhalb des gewünschten Bereichs gehalten wird (ähnlich dem, was oben mit Bezug auf die Spannung besprochen wurde). Auch hier basieren die Schwellen- oder Bereichseinstellungen auf den Eigenschaften des Drahtes und des ausgeführten Herstellungsvorgangs, und kann – wenigstens zum Teil – auf dem ausgewählten Fülldraht basieren. Zum Beispiel kann bestimmt werden, dass eine optimale Leistungseinstellung für eine Weichstahlelektrode mit einem Durchmesser von 0,045'' in einem Bereich von 1950 bis 2050 Watt liegt. Die Stromversorgung regelt die Spannung und den Strom so, dass die Leistung auf diesen Betriebsbereich angesteuert wird. Wenn die Leistungsschwelle auf 2000 Watt eingestellt wird, so regelt die Stromversorgung gleichermaßen die Spannung und den Strom so, dass der Leistungspegel diese Schwelle nicht übersteigt, sondern nahe bei ihr liegt.
In weiteren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält die Stromversorgung 170 Schaltungen, die die Änderungsrate der Erwärmungsspannung (dv/dt), des Erwärmungsstroms (di/dt) und/oder der Erwärmungsleistung (dp/dt) überwachen. Solche Schaltungen werden oft als Vorausschauschaltungen bezeichnet, und ihr allgemeiner Aufbau ist bekannt. In solchen Ausführungsformen wird die Änderungsrate der Spannung, des Stroms und/oder der Leistung so überwacht, dass, wenn die Änderungsrate eine bestimmte Schwelle übersteigt, der Erwärmungsstrom zu dem Draht 140 abgeschaltet wird.
In weiteren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird auch die Änderung des Widerstands (dr/dt) überwacht. In einer solchen Ausführungsform wird der Widerstand in dem Draht zwischen der Kontaktspitze und der Pfütze überwacht. Wie zuvor erläutert, beginnt sich der Draht im Zuge seiner Erwärmung abzuschnüren, und dies kann zu der Tendenz führen, einen Lichtbogen zu bilden, und während dieser Zeit nimmt der Widerstand in dem Draht exponentiell zu. Wenn diese Zunahme detektiert wird, so wird das Ausgangssignal der Stromversorgung abgeschaltet, wie im vorliegenden Dokument beschrieben, um sicherzustellen, dass kein Lichtbogen erzeugt wird. Ausführungsformen regeln die Spannung, den Strom oder beides, um sicherzustellen, dass der Widerstand in dem Draht auf einem gewünschten Pegel gehalten wird.
12 zeigt ein beispielhaftes System 1200, das dafür verwendet werden kann, den Erwärmungsstrom zu dem Draht 140 zu leiten. (Es ist zu beachten, dass das Lasersystem aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt ist). Das System 1200 ist mit einer Stromversorgung 1210 gezeigt (die von einer ähnlichen Art sein kann wie die, die als 170 in 1 gezeigt ist). Die Stromversorgung 1210 kann von einem bekannten Schweiß- oder Erwärmungsstromversorgungsaufbau sein, wie zum Beispiel eine Wechselrichter-Stromversorgung. Weil das Design, die Funktionsweise und die Bauweise solcher Stromversorgungen bekannt sind, werden sie im vorliegenden Text nicht ausführlich besprochen. Die Stromversorgung 1210 enthält eine Benutzereingabe 1220, die es einem Nutzer erlaubt, Daten einzugeben, einschließlich beispielsweise Drahtart, Drahtdurchmesser, ein gewünschter Leistungspegel, eine gewünschte Drahttemperatur oder ein Spannungs- und/oder Strompegel. Natürlich können nach Bedarf auch andere Eingangsparameter verwendet werden. Die Benutzerschnittstelle 1220 ist mit einer CPU oder Steuereinheit 1230 gekoppelt, die die Nutzereingabedaten empfängt und diese Informationen verwendet, um die benötigten Betriebssollpunkte oder -bereiche für das Leistungsmodul 1250 zu erzeugen. Das Leistungsmodul 1250 kann von jeder bekannten Art oder Konstruktion sein, einschließlich ein Wechselrichter- oder Transformatormodul. Es wird angemerkt, dass einige dieser Komponenten, wie zum Beispiel die Benutzereingabe 1220, auch in der Steuereinheit 195 verwendet werden können.
Die CPU oder Steuereinheit 1230 kann die gewünschten Betriebsparameter auf zahlreiche verschiedene Arten bestimmen, einschließlich unter Verwendung einer Nachschlagetabelle. In einer solchen Ausführungsform verwendet die CPU oder Steuereinheit 1230 die Eingangsdaten, zum Beispiel Drahtdurchmesser und Drahtart, zum Bestimmen des gewünschten Strompegels für den Ausgang (um den Draht 140 zweckmäßig zu erwärmen) und der Schwellenspannung oder des Leistungspegels (oder des akzeptablen Betriebsbereichs von Spannung oder Leistung). Der Grund dafür ist, dass der benötigte Strom zum Erwärmen des Drahtes 140 auf die entsprechende Temperatur mindestens auf den Eingangsparametern basiert. Das heißt, ein Aluminiumdraht 140 kann eine niedrigere Schmelztemperatur haben als eine Weichstahlelektrode und erfordert somit weniger Strom oder Leistung, um den Draht 140 zu schmelzen. Außerdem erfordert ein Draht 140 mit kleinerem Durchmesser weniger Strom oder Leistung als ein Draht mit größerem Durchmesser. Darüber hinaus wächst mit zunehmender Fertigungsgeschwindigkeit (und dementsprechend höherer Abscheidungsrate) auch der benötigte Strom- oder Leistungspegel zum Schmelzen des Drahtes.
Gleichermaßen werden die Eingangsdaten durch die CPU oder Steuereinheit 1230 zum Bestimmen der Spannungs- oder Leistungsschwellen und/oder -bereiche (zum Beispiel Leistung, Strom und/oder Spannung) für den Betrieb dergestalt verwendet, dass die Entstehung eines Lichtbogens vermieden wird. Zum Beispiel kann für eine Weichstahlelektrode mit einem Durchmesser von 0,045 Inch eine Spannungsbereichseinstellung 6 bis 9 Volt betragen, wobei das Leistungsmodul 1250 so angesteuert wird, dass die Spannung zwischen 6 und 9 Volt gehalten wird. In einer solchen Ausführungsform werden Strom, Spannung und/oder Leistung so angesteuert, dass ein Minimum von 6 Volt gehalten wird, was sicherstellt, dass der Strom oder die Leistung hinreichend hoch ist, um die Elektrode richtig zu erwärmen, und die Spannung auf oder unter 9 Volt zu halten, um sicherzustellen, dass kein Lichtbogen erzeugt wird und dass eine Schmelztemperatur des Drahtes 140 nicht überschritten wird. Natürlich können nach Bedarf auch andere Sollpunktparameter, wie zum Beispiel Spannungs-, Strom-, Leistungs- oder Widerstandsratenänderungen, durch die CPU oder Steuereinheit 1230 eingestellt werden.
Wie gezeigt, ist ein positiver Anschluss 1221 der Stromversorgung 1210 mit der Kontaktspitze 160 des Systems gekoppelt, und ein negativer Anschluss der Stromversorgung ist mit dem Werkstück W gekoppelt. Das heißt, ein Erwärmungsstrom wird durch den positiven Anschluss 1221 zu dem Draht 140 geleitet und durch den negativen Anschluss 1222 zurückgeführt. Eine solche Konfiguration ist allgemein bekannt.
Ein Rückmeldungs-Abfühl-Anschlussdraht 1223 ist ebenfalls mit der Stromversorgung 1210 gekoppelt. Dieser Rückmeldungs-Abfühl-Anschlussdraht kann die Spannung überwachen und die detektierte Spannung in einen Spannungsdetektionskreis 1240 einspeisen. Der Spannungsdetektionskreis 1240 übermittelt die detektierte Spannung und/oder die detektierte Spannungsänderungsrate an die CPU oder Steuereinheit 1230, die den Betrieb des Moduls 1250 entsprechend steuert. Wenn zum Beispiel die detektierte Spannung unter einem gewünschten Betriebsbereich liegt, so instruiert die CPU oder Steuereinheit 1230 das Modul 1250, seinen Ausgang (Strom, Spannung und/oder Leistung) zu erhöhen, bis die detektierte Spannung innerhalb des gewünschten Betriebsbereichs liegt. Gleichermaßen instruiert die CPU oder Steuereinheit 1230, wenn die detektierte Spannung auf oder über einer gewünschten Schwelle liegt, das Modul 1250, den Stromfluss zu der Spitze 160 abzuschalten, so dass kein Lichtbogen erzeugt wird. Wenn die Spannung unter die gewünschte Schwelle fällt, so instruiert die CPU oder Steuereinheit 1230 das Modul 1250, einen Strom oder eine Spannung oder beides zu liefern, um den Fertigungsprozess fortzusetzen. Natürlich kann die CPU oder Steuereinheit 1230 das Modul 1250 auch instruieren, einen gewünschten Leistungspegel zu halten oder zu liefern. Natürlich kann ein ähnlicher Stromdetektionskreis verwendet werden und ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Solche Detektionskreise sind allgemein bekannt.
Es ist anzumerken, dass der Detektionskreis 1240 und die CPU oder Steuereinheit 1230 eine ähnliche Bau- und Funktionsweise wie die in 1 gezeigte Steuereinheit 195 haben können. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beträgt die Abtast- oder Detektionsrate mindestens 10 kHz. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt die Abtast- oder Detektionsrate im Bereich von 100 bis 200 kHz.
In jeder der 1 und 11 sind die Laserstromversorgung 130, die Stromversorgung 170 und die Abfühl- und Steuereinheit 195 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit separat gezeigt. Jedoch können in Ausführungsformen der Erfindung diese Komponenten auch in einem einzelnen System integriert werden. Aspekte der vorliegenden Erfindung erfordern nicht, dass die oben einzeln besprochenen Komponenten als separate physische Einheiten oder eigenständige Strukturen beibehalten werden müssen.
In einigen oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen kann das System in einer solchen Weise verwendet werden, dass Plattieren und Tröpfchenabscheidung wie oben beschrieben kombiniert werden. Das heißt, während der Herstellung eines Werkstücks braucht es nicht immer erforderlich zu sein, ein hochpräzises Verfahren anzuwenden, beispielsweise während der Herstellung eines Stützsubstrats. Während dieser Herstellungsphase kann ein Warmdrahtplattierungsprozess verwendet werden. Ein solcher Prozess (und solche Systeme) wird in der US-Anmeldung Nr. 13/212,025 beschrieben, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in das vorliegende Dokument aufgenommen wird. Genauer gesagt, wird diese Anwendung insofern vollständig in das vorliegende Dokument aufgenommen, als es die Systeme, Verwendungsverfahren, Steuerungsmethodologien usw. beschreibt, die verwendet werden, um Material unter Verwendung eines Warmdrahtsystems in einer Plattierungs- oder sonstigen Art von Auftragsschweißoperation abzuscheiden. Wenn dann ein präziseres Abscheidungsverfahren zur Herstellung des Werkstücks gewünscht wird, so wechselt die Steuereinheit 195 zu einem Tröpfchenabscheidungsverfahren, wie oben beschrieben. Die Steuereinheit 195 kann die im vorliegenden Dokument beschriebenen Systeme steuern, um nach Bedarf Tröpfchenabscheidungs- und Plattierungsabscheidungsprozesse zu verwenden, um das gewünschte Fertigungsergebnis zu erreichen.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen können eine schnelle Tröpfchenabscheidung erreichen. Zum Beispiel können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Tröpfchenabscheidung im Bereich von 10 bis 200 Hz erreichen. Natürlich können in Abhängigkeit von den Parametern des Arbeitsvorgangs auch andere Bereiche erreicht werden. In einigen Ausführungsformen kann die Tröpfchenabscheidungsfrequenz in Abhängigkeit von einigen der Parameter des Arbeitsvorgangs höher als 200 Hz sein. Zum Beispiel wird für Drähte mit größerem Durchmesser in der Regel eine Abscheidungsfrequenz von weniger als 200 Hz verwendet, während Drähte mit kleinerem Durchmesser, wie zum Beispiel im Bereich von 0,010 bis 0,020 Inch, schnellere Frequenzen erreichen können. Weitere Faktoren, die die Tröpfchenabscheidungsfrequenz beeinflussen können, sind Laserleistung, Werkstückgröße und -form, Drahtgröße, Drahtart, Vorschubgeschwindigkeit usw.
Wie oben angedeutet, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mehrere Anwendungen haben und können zum Fertigen vieler verschiedener Komponenten verwendet werden. Zum Beispiel können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dafür verwendet werden, mehrere geschlossene Kühlkanäle zu fertigen und zu montieren. Geschlossene Kühlkanäle werden in einer Reihe von Hochtemperaturanwendungen verwendet. Zum Beispiel können solche Kühlkanäle für Raketentriebwerksdüsen verwendet werden. In einigen solchen Anwendungen werden Kanäle aus Kupfer miteinander verbunden, und eine Außenhaut oder Schicht aus hochtemperaturfester Nickellegierung wird auf den Kanälen angeordnet. Wie oben kurz angesprochen, sind die bekannten Verfahren zum Hartlöten und zur maschinellen Bearbeitung solcher Konstruktionen defektanfällig und können viel Zeit für die Fertigstellung erfordern. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn die Form des Werkstücks komplex ist. Jedoch können Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung dafür verwendet werden, diese Arten von Komponenten und Baugruppen mit einer relativ hohen Geschwindigkeit mit allenfalls wenigen Defekten zu fertigen. Dies wird weiteren unten mit Bezug auf die 13, 14 und 15 besprochen.
Jede der 13 und 14 zeigt eine schaubildhafte Darstellung einer beispielhaften Kühlstruktur, wie oben besprochen. In der Regel wird eine solche Struktur in Hochtemperaturanwendungen verwendet, wo die Struktur dafür verwendet wird, die Dissipation großer Wärmemengen zu unterstützen, wie zum Beispiel bei Raketentriebwerksdüsen usw. Die Gesamtform der Strukturen kann gekrümmt und relativ komplex sein, wodurch traditionelle Herstellungsverfahren schwierig werden. Des Weiteren ist anzumerken, dass die Figuren zwar Querschnitte mit einer relativ geringen Anzahl von Kanälen zeigen, dass aber Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch dafür verwendet werden können, hoch-komplexe Strukturen mit einer großen Anzahl verbundener Kanäle zu fertigen. Die Figuren sollen nur beispielhaft sein.
Wenden wir uns nun 13A zu (13B wird später noch ausführlich besprochen). Wie gezeigt, sind mehrere U-förmige Kanäle 210 an einem Stoß 211 miteinander gekoppelt. (Es wird angemerkt, dass der U-förmige Querschnitt beispielhaft ist und dass Ausführungsformen nicht auf das Verbinden von Kanälen dieser Form beschränkt sind). Nach ihrer Herstellung haben die Kanäle 210 ein offenes oberes Ende, das gleichmäßig bedeckt ist, um die Kanäle 210 zu schließen. Darum haben die mehreren Kanäle 210 vor der vollendeten Montage mindestens eine Öffnung an einem Ende. Des Weiteren können in einigen Ausführungsformen die Seitenwände der Kanäle 210 so gewinkelt sein, dass, wenn mehrere Kanäle nebeneinander angeordnet werden, sie eine gekrümmte Struktur bilden, wie zum Beispiel eine Triebwerksdüse. In einigen beispielhaften Ausführungsformen bestehen die Kanäle aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder irgendeinem anderen Material, das hochwärmeleitfähig ist. In traditionellen Herstellungsprozessen können die Kanäle 210 unter Verwendung bekannter Schweißtechniken miteinander verschweißt werden. Das ist langsam und defektanfällig. Wie oben angesprochen, erfordern viele Anwendungen, dass bei den Kanälen 210 die offenen Enden geschlossen werden, um geschlossene Kanäle mit einem Hohlraum 213 zu erzeugen. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen die Kanäle 210 und erzeugen die geschlossenen Hohlräume 213 (aus einer Querschnittsperspektive) unter Verwendung der im vorliegenden Dokument und unten beschriebenen Methodologie und Systeme.
Wie gezeigt, werden die Kanäle 210 so nebeneinander gelegt, dass Seiten der Kanäle am Stoß 211 aneinander grenzen. Entweder bevor oder nachdem die Kanäle 210 positioniert werden, werden die Kanäle 210 mit einem Füllstoff 220 gefüllt. In beispielhaften Ausführungsformen ist der Füllstoff 220 ein Pulver. Das Pulver kann ein Pulver auf Aluminiumoxidbasis oder Siliziumdioxidbasis sein. Zum Beispiel kann das Pulver ein Al₂O₃-Pulver, ein SiO₂-Pulver oder eine Kombination davon sein. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann das Pulver ein Keramikpulver sein. In beispielhaften Ausführungsformen hat der Füllstoff 220 (zum Beispiel Pulver) eine Schmelztemperatur, die höher ist als die Schmelztemperatur des Materials für die Abscheidungsschicht 115. Dies unterstützt die Steuerung des Einbrands des Lasers und hilft sicherzustellen, dass die Abscheidungsschicht 115 wie gewünscht ausgebildet wird. Das Pulver oder der sonstige Füllstoff 220 füllt die Kanäle 210 auf eine gewünschte Höhe bis oder nahe zur Oberseite der Kanäle 210 aus. Dieser Füllstoff 220 fungiert als ein Bett, auf dem eine Abscheidungsschicht 115 mittels eines additiven Herstellungsprozesses ausgebildet wird. Zum Beispiel können beispielhafte, oben besprochene additive Herstellungsverfahren und -systeme dafür verwendet werden, die Schicht 115 auf der Oberfläche des Füllstoffs 220 abzuscheiden und die Kanäle 210 zu verbinden, wie gezeigt. Zum Beispiel kann jedes der Systeme, die mit Bezug auf die im vorliegenden Dokument besprochenen 1 und 11 beschrieben sind, dafür verwendet werden, die Schicht 115 auf den Kanälen 210 und dem Füllstoff 220 abzuscheiden. Das heißt, das additive Drahtverbrauchsmaterial kann in dem Füllstoff 220 unter Verwendung eines im vorliegenden Dokument beschriebenen additiven Herstellungsprozesses abgeschieden werden.
Jedoch wird in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Laser 120 so gesteuert, dass der Einbrand des Strahls 110 begrenzt wird, um seine gewünschte Tiefe zu erreichen. Das heißt, der Laser 120 wird so gesteuert, dass die Schicht 115 eine gewünschte durchschnittliche Dicke T über ihre Breite hat. Außerdem wird der Laser 120 so gesteuert, dass er nicht zu tief in den Füllstoff 220 einbrennt. Der Grund dafür ist, dass, nachdem die Schicht 115 auf den Kanäle und dem Füllstoff 220 ausgebildet wurde, der Füllstoff von einem offenen Längsende der jeweiligen Kanäle 210 entfernt wird. Beim Entfernen des Füllstoffs 220 entsteht ein geschlossener Hohlraum 213 (aus einer Querschnittsperspektive) mit den gewünschten Eigenschaften. Diese Methodologie erzeugt eine gewünschte Schicht 115, die die Kanäle 210 schließt, ohne die Probleme, die man bei Verfahren des Standes der Technik findet.
Des Weiteren kann, wie gezeigt, die Leistung des Lasers variiert werden, um einen tieferen Einbrand in den Fugen 211 zwischen den Kanälen 210 zu erzeugen, um das Verbinden der Kanäle miteinander zu unterstützen. Genauer gesagt, wird, wie gezeigt, wenn der Laserstrahl 110 die jeweiligen Seitenwände 215 der Kanäle 210 erreicht, die Laserleistung erhöht, um den Einbrand auf eine Tiefe D zu verstärken, die größer ist als die durchschnittliche Dicke T der Schicht 115. Diese Methodologie erzeugt eine Schichtkappe 115' und Einbrandabschnitte 115'' in den Stößen 211. In dieser Ausführungsform werden die Einbrandabschnitte 115'' dafür verwendet, das Verbinden der Kanäle 210 miteinander zu unterstützen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen können die Kanäle 210 mittels bekannter Hartlöttechniken aneinander befestigt werden, wobei die Seitenwände 215 mittels Hartlöten aneinander befestigt werden, bevor die Schicht 115 hinzugefügt wird. Jedoch können in Ausführungsformen, wo die Einbrandabschnitte 115' verwendet werden, diese eine Tiefe D im Bereich des 1,5- bis 3-fachen der durchschnittlichen Dicke T des Kappenabschnitts 115' der Schicht 115 aufweisen. In beispielhaften Ausführungsformen, wo die Tiefe D dicker als die Schicht 115 ist, wird die durchschnittliche Dicke T der Schicht 115 unter Verwendung von Abschnitten der Schicht 115 über den Hohlräumen 213 gemessen.
In anderen beispielhaften Ausführungsformen braucht die Schicht 115 nicht die Einbrandabschnitte 115'' zu haben, und dies ist allgemein in 14 gezeigt, wo die Schicht 115 auf eine relativ konstante Dicke über die Kanäle 210 hinweg ausgebildet wird. 14 zeigt die Hohlräume 214, nachdem das stützende Pulver oder die stützenden Materialien 220 entfernt wurden. Darum können, wie in 14 gezeigt, beispielhafte Ausführungsformen der im vorliegenden Dokument besprochenen additiven Herstellungssysteme und -prozesse geschlossene Kanäle erzeugen, wie gezeigt, wobei ein Füllmaterial 220 als ein Substrat während des Erzeugens der Schicht 115 mittels der im vorliegenden Dokument beschriebenen additiven Herstellungsprozesse verwendet wird.
In beispielhaften Ausführungsformen wird die Schicht 115 aus einem Material hergestellt, das sich von dem Material für die Kanäle 210 unterscheidet. Wenn zum Beispiel die Kanäle 210 Kupfer sind, so kann die Schicht 115 Edelstahl oder andere Chrom- oder Nickel-basierte Materialien sein. Natürlich kann die Schicht 115 auch aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material wie die Kanäle 210 bestehen.
Des Weiteren kann, wie oben angesprochen, der Füllstoff 220 aus einem Material bestehen, das eine höhere Schmelztemperatur als das Material hat, das für die Schicht 115 und/oder das Material verwendet wird, aus dem die Kanäle 210 bestehen. Dies hilft beim Steuern der Dicke der Schicht 115 und der Einbrandtiefe des Lasers, um sicherzustellen, dass eine gewünschte Schichtgeometrie erreicht wird.
Zusätzlich zur Verwendung eines Draht-basierten Verbrauchsmaterials zum Herstellen der Schicht 115 können weitere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Pulver-basiertes Verbrauchsmaterial verwenden, um die Schicht 115 zu erzeugen. Eine beispielhafte Ausführungsform eines solchen Systems 1500 ist in 15 gezeigt. Das System 1500 hat eine Anzahl von Komponenten, die den Komponenten ähneln, die in den oben beschriebenen Systemen verwendet werden (siehe zum Beispiel 1 und 11), und diese gleichen Komponenten werden hier nicht ausführlich besprochen, da ihre Funktionsweise ähnlich ist. Wie gezeigt, enthält das System 1500 ein Pulverzufuhrsystem 160, das ein Pulver oder einen anderen Füllstoff enthält und über die Leitung 145 zu einem Trichter 140 zuführt. Der Trichter 140 hat ein Ventil 147, das den Fluss des Pulvers 165 steuert und hilft, es zu dem Werkstück zu leiten. Es ist anzumerken, dass das Pulverzufuhrsystem in seiner allgemein gezeigten und beschriebenen Form ähnlich den bekannten Flussmittel- oder Pulverzufuhrsystemen konfiguriert und betrieben werden kann, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Des Weiteren kann das Zufuhrsystem jede Art von Pulver oder körnigem Material zuführen und ist nicht auf die Zufuhr von Flussmittel beschränkt.
In dem System 1500 wird – weitgehend wie bei dem oben beschriebenen Prozess – ein Pulver oder sonstiger Füllstoff 220 in den Kanälen 210 abgeschieden, um als ein Substrat oder Träger für den additiven Herstellungsprozess zu dienen, um die Schicht 115 zu erzeugen. In solchen Ausführungsformen wird außerdem ein Pulver verwendet, um die Schicht 115 zu erzeugen, wie in jeder der 13A, 13B und 14 gezeigt. Das heißt, anstatt ein Drahtverbrauchsmaterial, wie oben beschrieben, zu verwenden, wird ein Pulver mit der gewünschten Zusammensetzung auf den Kanälen und dem Pulver/Füllstoff 220 so angeordnet, dass, wenn der Laser 120 dieses Pulver bestrahlt, die Schicht 115 erzeugt wird. Der Laser 120 wird so gesteuert, dass der Strahl nicht zu tief in den Füllstoff 220 einbrennt und nur bis auf eine Tiefe strahlt, die benötigt wird, um die gewünschte durchschnittliche Dicke T für die Schicht 115 zu erreichen. Wie bei der obigen Ausführungsform wird, wenn die Bestrahlung vollendet ist und die Schicht ausgebildet wurde, der Füllstoff 220 von den nun geschlossenen Kanäle 210 entfernt, und eine Struktur ähnlich der, die in 14 gezeigt ist, wird erreicht. Dies ist allgemein in 16 gezeigt, wo eine Seitenansicht eines beispielhaften Kanals 210 gezeigt ist. Wie gezeigt, wird der Füllstoff 220 in dem Kanal abgeschieden, wie oben beschrieben. Eine zweite Schicht aus Pulvermaterial 221 wird auf dem Füllstoff 220 abgeschieden, und dieses Pulver 221 wird durch den Laser 120 bestrahlt, so dass das Pulver 221 schmelzflüssig wird und sich in die Schicht 115 mit einer gewünschten Dicke T und chemischen Zusammensetzung hinein verfestigt. Darum muss das Pulver 221 die chemische Zusammensetzung der gewünschten chemischen Zusammensetzung der Schicht haben. Wo der Laserstrahl 110 auf das Pulver 221 trifft, wird eine schmelzflüssige Interaktionszone P erzeugt, wo das Pulver 221 geschmolzen wird, um die Schicht 115 zu bilden. Der Einbrand dieser Zone P muss so sein, dass eine gewünschte Dicke T der Schicht 115 erhalten wird.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen sind der Füllstoff 220 und die Schicht aus Pulver 221 die gleichen. In solchen Ausführungsformen scheidet das Pulverabscheidungssystem eine Überfüllung an Pulver in die Kanäle ab, so dass die Schicht 115 mit der gewünschten Dicke T gebildet werden kann. Dann wird der Laser 120 so gesteuert, dass er nur auf eine Tiefe des Pulvers strahlt, um die gewünschte Schichtdicke T zu erreichen. Des Weiteren kann in weiteren beispielhaften Ausführungsformen, wo der Füllstoff 200 und die Schicht aus Pulver 221 die gleichen sind, der Laser 120 so gesteuert werden, dass die Schicht 115 variierende Tiefen innerhalb der Kanäle erhält. Zum Beispiel kann der Laser so gesteuert werden, dass sich Vorsprünge aus dem Boden der Schicht und in die Kanäle hinein erstrecken können, wenn die Schicht 115 ausgebildet ist. Dies kann die Wärmeleitung verbessern oder der Schicht 115 zusätzliche Festigkeit verleihen.
Jedoch kann in weiteren beispielhaften Ausführungsformen das Füllstoffpulver 220 ein Flussmittel der oben beschriebenen Art sein, um als ein Substrat für die Bildung der Schicht 115 mit dem Laser zu dienen. Das heißt, der Füllstoff 220 ist ein Pulver mit einer anderen chemischen Zusammensetzung und/oder anderen thermischen Eigenschaften als die Schicht aus Pulver 221.
In jeder der obigen Ausführungsformen wird nach Vollendung der Schicht 115 das gesamte übrig gebliebene lose Pulver aus den Kanälen entfernt, was zu der beispielhaft in 14 gezeigten Struktur führt.
Das in 15 gezeigte System 1500 kann für jede der oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden. Jedoch muss in Ausführungsformen, wo sich die Schicht aus Pulver 221 von dem Füllstoffpulver 220 unterscheidet, entweder das abgeschiedene Pulver geändert werden, oder ein zweites Pulverabscheidungssystem (in 15 nicht gezeigt) sollte verwendet werden, um die gewünschte Schicht aus Pulver 221 auf das Füllstoffpulver 220 abzuscheiden.
Es wird angemerkt, dass die Leistungsdichte und/oder die Strahlinteraktionszeit so zu steuern sind, dass der Einbrand des Laserstrahls 110 und die schmelzflüssige Interaktionszone die gewünschte durchschnittliche Dicke für die Schicht 115 erzeugen. Die Leistungsdichte und/oder die Interaktionszeit können durch die Steuereinheit 195 gesteuert werden. In beispielhaften Ausführungsformen sollte der Laserstrahl eine Leistungsdichte im Bereich von 104 bis 106 Watt/cm² haben. Natürlich versteht es sich, dass die Leistungsdichte variieren kann und von der Schmelztemperatur des Materials und der Interaktionszeit des Lasers abhängt. Jedoch sollte die Leistungsdichte so gewählt werden, dass eine Schlüssellochverarbeitung vermieden wird.
Des Weiteren können, wie oben mit Bezug auf 13A/13B beschrieben, die Einbrandabschnitte 115'' unter Verwendung eines Pulvers 221 hergestellt werden, um die Schicht 115 zu erzeugen. Jedoch ist anzumerken, dass in solchen Ausführungsformen wahrscheinlich eine zusätzliche Menge an Pulver in den Regionen nötig sein wird, wo die Einbrandabschnitte 115'' erzeugt werden, um sicherzustellen, dass ausreichend Material abgeschieden wird und die Oberfläche der Schicht 115 auf einer gewünschten Ebene gehalten wird. Dies kann durch das System 1500 geschehen, indem der Fluss des Pulvers mittels der Steuereinheit 195 gesteuert wird.
Während die oben besprochenen Ausführungsformen ein Füllstoffpulver 220 verwenden, um als ein Substrat für die Bildung der Schicht 115 zu dienen, kann des Weiteren in anderen beispielhaften Ausführungsformen der Füllstoff 220 eine feste Komponente oder Struktur sein, die entfernt wird, nachdem die Schicht gebildet wurde. Zum Beispiel könnte eine feste Keramik-basierte Struktur in den Hohlräumen 213 der Kanäle angeordnet werden, um als ein Trägersubstrat für die Bildung der Schicht 115 zu dienen. Wie der Füllstoff 220, stützt dieses Substrat das schmelzflüssige Material in der schmelzflüssigen Interaktionszone P während des Prozesses, so dass die Schicht 115 mit der gewünschten Dicke T erzeugt wird. Nachdem die Schicht 115 erzeugt wurde, wird die Stützstruktur entfernt.
Dies ist allgemein in 13B gezeigt, die eine Struktur ähnlich der zeigt, die in 13A gezeigt ist. Jedoch wird anstelle eines Füllstoffs 220 in den Hohlräumen 213 eine feste Stützstruktur verwendet. Zum Beispiel kann in einigen beispielhaften Ausführungsformen ein fester Träger 218 (in den linken zwei Kanälen 210 von 13B gezeigt) dafür verwendet werden, eine Substratoberfläche für die zu erzeugende Schicht 115 bereitzustellen. Wie oben besprochen, kann der Träger 218 aus einem Material hergestellt werden, das eine höhere Schmelztemperatur als das Material für die Schicht 115 hat, um sicherzustellen, dass die Schicht 115 auf eine gewünschte Tiefe ausgebildet wird, und um jegliches Verbinden zwischen der Schicht 115 und der Struktur 218 zu verhindern. Zum Beispiel kann die Struktur 218 aus Kohlenstoff, Wolfram oder Legierungen davon gebildet werden. Wie gezeigt, kann die Struktur 218 so geformt sein, dass sie den größten Teil des Hohlraums 213 ausfüllt. Jedoch braucht dies in anderen beispielhaften Ausführungsformen nicht der Fall zu sein, solange das Öffnungsende des Hohlraums 213 ausreichend geschlossen ist, um die Bildung der Schicht 115 zu erlauben. Zum Beispiel braucht die Struktur 218 nur eine Fläche 218' zu haben, die eine Geometrie hat, um den Hohlraum 213 an seinem offenen Ende auszufüllen, so dass der untere Rand der Schicht 115 nach Wunsch gebildet wird. Ein Beispiel einer solchen Form wäre eine „T”- oder „I”-förmige Struktur. In einigen Ausführungsformen würde die Verwendung einer solchen Struktur 218 das Strömen eines Kühlgases (zum Beispiel Luft) entlang der Struktur 218 während der Herstellung der Schicht 115 erlauben, um das Kühlen der Struktur während der Herstellung zu unterstützen. Alternativ, wie in den rechten zwei Kanälen 210 in 13B gezeigt, wird eine Stützstruktur 217 verwendet, die mindestens einen Hohlraum/Kanal 219 hat, durch den während der Bildung der Schicht 115 ein Kühlmedium geleitet wird. Der Kanal 219 kann entweder ein flüssiges (zum Beispiel Wasser) oder ein gasförmiges (zum Beispiel Luft) Kühlmedium aufnehmen. Ähnlich der obigen Struktur 218 kann die Struktur 217 jede beliebige Form haben, um in den Kanal 213 zu passen, solange die Stützfläche 217' so geformt ist, dass die genügend Stützung für die Bildung der Schicht 115 bietet. In einigen beispielhaften Ausführungsformen können die Träger 217 jeweils mehrere Kühlmittelkanäle 219 aufweisen und/oder können mit anderen Strukturen 217 in einem verteilerartigen Format zusammengekoppelt sein, um die gewünschte Kühlung bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen brauchen für den Herstellungsprozess keine Kühlmittelkanäle 219 in jedem Hohlraum 213 der Kanäle 210 verwendet zu werden. Das heißt, in einigen Hohlräumen 213 können die Kühlmittelkanäle 219 verwendet werden, während in anderen entweder ein fester oder ein pulverförmiger Füllstoff verwendet werden kann.
Es wird angemerkt, dass in 13B ein kleiner Spalt zwischen den Strukturen 218 und 217 und der Schicht 115 gezeigt ist. Dieser Spalt ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit in den Figuren gezeigt, und es versteht sich, dass die Strukturen in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Kanäle 213 auch vollständig ausfüllen können und/oder der Boden der Schicht 115 die Flächen 218' oder 217' berührt.
Des Weiteren kann es, in Abhängigkeit von der Anwendung des fertigen Werkstücks, wünschenswert sein, die Oberfläche der Schicht 115 maschinell zu bearbeiten oder auf sonstige Weise zu glätten. Dies kann mittels beliebiger bekannter Techniken der maschinellen Bearbeitung geschehen. Des Weiteren können in Abhängigkeit von der Anwendung zusätzliche Plattierungsschichten auf der Schicht 115 ausgebildet werden.
Es wird angemerkt, dass sich die obigen Besprechungen auf die Verwendung eines pulverförmigen Füllstoffs 220 oder Pulvers für die Bildung der Schicht beziehen. Jedoch sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf die Korn- oder Teilchengröße des verwendeten Füllstoffs 220 beschränkt.
Wie aus den oben beschriebenen Ausführungsformen zu erkennen ist, kann die Herstellung von Hochtemperatur-Kühlkanälen signifikant verbessert werden. Die Kühlkanäle können – im Vergleich zu bekannten Systemen – schnell und mit nur wenigen Defekten verbunden und mit einer Kappschicht 115 geschlossen werden. Außerdem können die im vorliegenden Dokument beschriebenen additiven Herstellungssysteme nicht nur die Schicht 115 bilden, wie oben beschrieben, sondern auch gleichzeitig benachbarte Kanäle 210 verbinden, wie in Bezug auf die Ausführungsform von 13 beschrieben wurde.
Eine mit einem Computer gekoppelte Benutzerschnittstelle veranschaulicht eine mögliche Hardware-Konfiguration zum Unterstützen der im vorliegenden Dokument beschriebenen Systeme und Verfahren, einschließlich der Steuereinheit 195, oder ähnlicher Systeme, die zum Steuern und/oder Betreiben der im vorliegenden Dokument beschriebenen Systeme verwendet werden. Um zusätzlichen Kontext für verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung bereitzustellen, soll die folgende Besprechung eine kurze, allgemeine Beschreibung einer geeigneten Computerumgebung geben, in der die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung implementiert werden können. Der Fachmann erkennt, dass die Erfindung auch in Kombination mit anderen Programmmodulen und/oder als eine Kombination von Hardware und/oder Software implementiert werden kann. Allgemein enthalten Programmmodule Routinen, Programme, Komponenten, Datenstrukturen usw., die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren.
Darüber hinaus ist dem Fachmann klar, dass die erfindungsgemäßen Verfahren auch mit anderen Computersystemkonfigurationen praktiziert werden können, einschließlich Einzelprozessor- oder Mehrprozessor-Computersystemen, Minicomputern, Großrechnern sowie Personalcomputern, handgehaltenen Computergeräten, Mikroprozessor-gestützter oder programmierbarer Konsumelektronik und dergleichen, von denen jedes mit einer oder mehreren zugehörigen Vorrichtungen wirkgekoppelt sein kann. Die veranschaulichten Aspekte der Erfindung können auch in dezentralen Computerumgebungen praktiziert werden, wo bestimmte Aufgaben durch räumlich abgesetzte Verarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die über ein Kommunikationsnetzwerk miteinander vernetzt sind. In einer dezentralen Computerumgebung können Programmmodule sowohl in lokalen als auch in räumlich abgesetzten Speichervorrichtungen angeordnet sein.
Die Steuereinheit 195 kann eine beispielhafte Umgebung zum Implementieren verschiedener Aspekte der Erfindung verwenden, einschließlich eines Computers, wobei der Computer eine Verarbeitungseinheit, einen Systemspeicher und einen Systembus enthält. Der Systembus koppelt Systemkomponenten, einschließlich beispielsweise den Systemspeicher, mit der Verarbeitungseinheit. Die Verarbeitungseinheit kann ein beliebiger von verschiedenen handelsüblichen Prozessoren sein.
Duale Mikroprozessoren und andere Mehrprozessorarchitekturen können ebenfalls als die Verarbeitungseinheit verwendet werden.
Der Systembus kann eine beliebige von verschiedenen Arten einer Busstruktur sein, einschließlich eines Speicherbusses oder Speichercontrollers, eines peripheren Busses und eines lokalen Busses, die eine Vielzahl verschiedener handelsüblicher Busarchitekturen verwenden. Der Systemspeicher kann Nurlesespeicher (ROM) und Direktzugriffsspeicher (RAM) enthalten. Ein Basic Input/Output System (BIOS), das die grundlegenden Routinen enthält, die helfen, Informationen zwischen Elementen innerhalb des Computers zu übertragen, wie zum Beispiel während des Hochfahrens, wird im ROM gespeichert.
Die Steuereinheit 195 kann des Weiteren ein Festplattenlaufwerk, ein Magnetdisklaufwerk, zum Beispiel zum Lesen oder Beschreiben einer Wechseldisk, und ein Optisches-Disk-Laufwerk zum Beispiel zum Lesen einer CD-ROM-Disk oder zum Lesen und Beschreiben anderer optischer Medien enthalten. Der Steuereinheit 195 kann mindestens eine Form computerlesbarer Medien enthalten. Computerlesbare Medien können beliebige verfügbare Medien sein, auf die der Computer zugreifen kann. Als nicht-einschränkende Beispiele können computerlesbare Medien Computerspeichermedien und Kommunikationsmedien umfassen. Computerspeichermedien enthalten flüchtige und nicht-flüchtige, Wechsel- oder Nichtwechsel-Medien, die in beliebigen Verfahren oder Technologien implementiert sind, zum Speichern von Informationen, wie zum Beispiel computerlesbaren Instruktionen, Datenstrukturen, Programmmodulen oder anderen Daten. Zu Computerspeichermedien gehören beispielsweise RAM, ROM, EEPROM, Flash-Speicher oder andere Speichertechnologien, CD-ROM, Digital Versatile Disks (DVD) oder andere magnetische Speichervorrichtungen oder sonstige Medien, die zum Speichern der gewünschten Informationen verwendet werden können und auf die mittels einer mit der Steuereinheit 195 gekoppelten Benutzerschnittstelle zugegriffen werden kann.
Kommunikationsmedien verkörpern in der Regel computerlesbare Instruktionen, Datenstrukturen, Programmmodule oder andere Daten in einem modulierten Datensignal, wie zum Beispiel eine Trägerwelle oder andere Transportmechanismen, und beinhalten jegliche Informationsübermittlungsmedien. Der Begriff „moduliertes Datensignal” meint ein Signal, bei dem eine oder mehrere seiner Eigenschaften in einer solchen Weise eingestellt oder geändert werden, dass Informationen in dem Signal codiert werden. Als nicht-einschränkende Beispiele beinhalten Kommunikationsmedien verdrahtete Medien, wie zum Beispiel ein verdrahtetes Netzwerk oder eine direkt verdrahtete Verbindung, und drahtlose Medien, wie zum Beispiel akustische, HF-, Infrarot- und andere drahtlose Medien. Kombinationen des oben Genannten sind ebenfalls in den Deutungsbereich computerlesbarer Medien aufzunehmen.
Eine Anzahl von Programmmodulen kann in den Laufwerken und im RAM gespeichert werden, einschließlich eines Betriebssystems, eines oder mehrerer Anwendungsprogramme, sonstiger Programmmodule und Programmdaten. Das Betriebssystem in dem Computer oder der Benutzerschnittstelle 300 kann ein beliebiges aus einer Anzahl handelsüblicher Betriebssysteme sein.
Des Weiteren kann ein Benutzer Befehle und Informationen in den Computer mit einer Tastatur und einem Zeigegerät, wie zum Beispiel einer Maus, eingeben. Zu anderen Eingabegeräten können ein Mikrofon, eine Infrarotfernbedienung, ein Trackball, ein Stifteingabegerät, ein Joystick, ein Gamepad, ein Digitalisiertablett, eine Satellitenschüssel, ein Scanner oder dergleichen gehören. Diese und andere Eingabegeräte sind oft mit der Verarbeitungseinheit durch eine Serielle-Port-Schnittstelle verbunden, die mit dem Systembus gekoppelt ist, können aber auch durch andere Schnittstellen verbunden sein, wie zum Beispiel einen parallelen Port, einen Gameport, einen Universal Serial Bus („USB”), eine IR-Schnittstelle und/oder verschiedene Drahtlostechnologien. Ein Monitor oder eine andere Art von Anzeigevorrichtung kann ebenfalls mit dem Systembus über eine Schnittstelle, wie zum Beispiel einen Videoadapter, verbunden sein. Eine visuelle Ausgabe kann auch mit einem Fernanzeige-Netzwerkprotokoll, wie zum Beispiel einem Remote Desktop Protocol (VNC) X-Window-System usw., erreicht werden. Zusätzlich zur visuellen Ausgabe enthält ein Computer in der Regel auch andere Ausgabe-Peripheriegeräte, wie zum Beispiel Lautsprecher, Drucker usw.
Ein Anzeigefeld kann mit einer mit der Steuereinheit 195 gekoppelten Benutzerschnittstelle verwendet werden, um Daten zu präsentieren, die elektronisch von der Verarbeitungseinheit kommend erhalten werden. Zum Beispiel kann das Anzeigefeld ein LCD-, Plasma-, KSR- oder ein sonstiger Monitor sein, der Daten elektronisch präsentiert. Alternativ oder zusätzlich kann das Anzeigefeld empfangene Daten in einem ausgedruckten Format präsentieren, wie zum Beispiel mit einem Drucker, einem Fax, einem Plotter usw. Das Anzeigefeld kann Daten in jeder Farbe präsentieren und kann Daten von einer Benutzerschnittstelle über jedes beliebige Drahtlos- oder Festverdrahtungsprotokoll und/oder jeden beliebigen Drahtlos- oder Festverdrahtungsstandard empfangen.
Der Computer kann in einer vernetzten Umgebung unter Verwendung logischer und/oder physischer Verbindungen zu einem oder mehreren räumlich abgesetzten Computern, wie zum Beispiel einem oder mehreren räumlich abgesetzten Computern, arbeiten. Der eine oder die mehreren räumlich abgesetzten Computer können eine Workstation, ein Server-Computer, ein Router, ein Personalcomputer, ein Mikroprozessor-basiertes Unterhaltungsgerät, ein Peer-Gerät oder ein sonstiger gemeinsamer Netzknoten sein und enthalten in der Regel viele oder alle Elemente, die mit Bezug auf den Computer beschrieben sind. Die gezeigten logischen Verbindungen beinhalten ein Nahbereichsnetz (LAN) und ein Fernbereichsnetz (WAN). Solche Vernetzungsumgebungen finden sich häufig in Büros, unternehmensweiten Computernetzen, Intranets und im Internet.
Bei Verwendung in einer LAN-Netzwerkumgebung ist der Computer mit dem lokalen Netzwerk über eine Netzwerkschnittstelle oder einen Netzwerkadapter verbunden. Bei Verwendung in einer WAN-Netzwerkumgebung enthält der Computer in der Regel ein Modem, oder ist mit einem Kommunikationsserver in dem LAN verbunden, oder hat andere Mittel zum Herstellen einer Kommunikation über das WAN, wie zum Beispiel das Internet. In einer vernetzten Umgebung können Programmmodule, die mit Bezug auf den Computer oder Teile davon gezeigt sind, in der räumlich abgesetzten Speichervorrichtung gespeichert werden. Es versteht sich, dass die im vorliegenden Dokument beschriebenen Netzwerkverbindungen beispielhaft sind und dass auch andere Mittel zum Herstellen einer Kommunikationsstrecke zwischen den Computern verwendet werden können.
Obgleich die Erfindung mit Bezug auf konkrete Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente substituiert werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne ihren Schutzumfang zu verlassen. Darum ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die konkret offenbarten Ausführungsformen zu beschränken ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.
Bezugszeichenliste

100: System
110: Laserstrahl
115: Werkstück
115': Schichtkappe oder Abscheidungsschicht
115'': Einbrandabschnitte
120: Laservorrichtung
125: Richtung
130: Stromversorgung
140: Draht oder Trichter
140': Draht
145: Leitung
147: Ventil
150: Drahtzuführer oder Drahtzuführvorrichtung
160: Kontaktrohr
165: Pulver
170: Stromversorgung
170': Hintergrundstromversorgung
180: Bewegungssteuereinheit
190: Roboter
195: Teilsystem oder Steuereinheit
210: Kanäle
211: Stoß
213: Hohlraum
214: Hohlräume
215: Seitenwände
217: Stützstruktur
217': Stützfläche
218: fester Träger oder Struktur
218': Oberfläche
219: Hohlraum/Kanal
220: Füllstoff oder Material
221: Pulvermaterial
300: Benutzerschnittstelle
400: Wellenform
401: Impulse
402: Anstiegsabschnitt
402A: Anstiegsrate
402B: Anstiegsrate
402C: Anstiegsrate
404: Absenkungsabschnitt
405: erster Pegel
410: Wellenform
411: Impulse
413: Strompegel
510: Wellenform
511: Punkt
520: Wellenform
525: Anstieg
530: Zeitintervall
540: Wert
550: Pegel
700: System
701: Abschnitt
703: Abschnitt
705: Isolierabschnitt
707: Spitzenbaugruppe
710: Umschaltkreis
800: Wellenform
801: Impulsabschnitt
803: Strompegel
810: Laserleistung
811: Schritt
812: Schritt
813: Spitzen-Laserleistungspegel
814: Punkt
815: Schritt
816: Schritt
817: Punkt
820: Drahtzufuhrgeschwindigkeit
821: Schritt
821': Pfütze
822: Spitzen-Drahtzufuhrgeschwindigkeit
823: Drahtzufuhrgeschwindigkeit
824: Draht
825: Spitzenrückzugsgeschwindigkeit
826: Schritt
827: Punkt
830: Erwärmungsstrom
831: Punkt
833: Spitzenpegel
834: oberster Punkt
835: Absenken
836: Rückbrennstrompegel
837: Stromversorgung
840: Spannung
841: Draht
842: Spitzenspannungspegel
843: Abfall
844: Pegel
845: Punkt
847: Lichtbogenunterdrückungsroutine
848: Lichtbogendetektionsspannungspegel
900: beispielhaftes System
901: leitfähiger Abschnitt
903: Isolierabschnitt
905: leitfähiger Abschnitt
910: Kontaktspitze
1000: beispielhaftes System
1010: Kontaktspitzenbaugruppe
1100: System
1110: Wärmesensor
1120: Temperatursensor
1200: beispielhaftes System
1210: Stromversorgung
1220: Benutzereingabe
1221: positiver Anschluss
1222: negativer Anschluss
1223: Abfühl-Anschlussdraht
1230: CPU/Steuereinheit
1240: Spannungsdetektionskreis
1250: Leistungsmodul
1500: System
A: Pfütze
D: Tröpfchen oder Tiefe
OCV: Offenkreisspannung
P: Interaktionszone
T: Dicke
Ta: Zeitraum
Tr: Drahtrückzugszeitraum
X: Vorstand
W: Werkstück

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kanals, das Folgendes umfasst: Bereitstellen mehrerer Kanalstrukturen, die nebeneinander positioniert sind, wobei jede der Kanalstrukturen einen Hohlraum und einen offenen Abschnitt, der den Hohlraum frei legt, aufweist, und wobei jede der Kanalstrukturen ähnlich ausgerichtet ist; Bereitstellen eines Füllstoffs in dem Hohlraum einer jeden der Kanalstrukturen, wobei der Füllstoff jeweils eine Stützfläche neben dem offenen Abschnitt einer jeden der Kanalstrukturen bereitstellt; Ausbilden einer Schicht über jede der mehreren Kanalstrukturen hinweg, die jeden der offenen Abschnitte bedeckt, wobei das Ausbilden der Schicht Folgendes umfasst: Abscheiden eines Materials auf die Kanalstrukturen und die Stützstrukturen, um die Schicht zu bilden; und Bestrahlen des Materials mit einer hoch-intensiven Wärmequelle, um das Material zu schmelzen und die Schicht zu bilden, und Steuern der hoch-intensiven Wärmequelle dergestalt, dass, die Stützfläche des Füllstoffs in jeder der Kanalstrukturen während des Ausbildens der Schicht nicht geschmolzen wird, und Entfernen des Füllstoffs aus jedem der Hohlräume.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die hoch-intensive Wärmequelle ein Laser ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Füllstoff ein Pulver ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens einer des Füllstoffs eine feste Struktur ist, die eine inneren Hohlraum aufweist, und wobei das Verfahren des Weiteren umfasst, während der Bildung der Schicht ein Kühlmittel durch den inneren Hohlraum strömen zu lassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede der Kanalstrukturen Seitenwände aufweist, und das Verfahren des Weiteren umfasst, mindestens einige der Kanalstrukturen unter Verwendung der Hochenergie-Wärmequelle oder des Lasers und des Materials aneinander zu befestigen, um benachbarte Seitenwände miteinander zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Schicht eine durchschnittliche Dicke T über den Hohlräumen aufweist, und das Material eine maximale Tiefe D aufweist, wobei das Material verwendet wird, um die benachbarten Seitenwände miteinander zu verbinden, und wobei das Verhältnis von D zu T in einem Bereich von 1,5 bis 3 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Füllstoff ein Pulver mit einer Schmelztemperatur ist, die höher als die Schmelztemperatur des Materials ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Füllstoff ein Pulver ist, das Al₂O₃ und/oder SiO₂ umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mindestens einer des Füllstoffs eine feste Struktur ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die mindestens eine feste Struktur aus Kohlenstoff, einer Kohlenstofflegierung, Wolfram oder einer Wolframlegierung besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Füllstoff ein Pulver mit der gleichen chemischen Zusammensetzung wie das Material ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Material für die Schicht als ein Pulver abgeschieden wird, bevor es durch die hoch-intensive Wärmequelle oder den Laser bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Füllstoff und das Material für die Schicht gleichzeitig in die Hohlräume und auf die Kanalstrukturen abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abscheiden des Materials Folgendes umfasst: Verwenden der hoch-intensiven Wärmequelle oder des Lasers, um eine Schmelzpfütze in dem Material zu erzeugen; Zuführen eines Drahtes in die Pfütze; und Zuführen eines Erwärmungssignals zu dem Draht, wobei das Erwärmungssignal mehrere Stromimpulse umfasst und wobei jedes der Stromimpuls ein schmelzflüssiges Tröpfchen an einem distalen Ende des Drahtes erzeugt, das in die Pfütze hinein abgeschieden wird.