ES2946676T3 - Un sistema de posicionamiento de alambre de metal para un soplete de soldadura, con un sistema de ajuste de precisión de arco de alambre - Google Patents

Abstract

Se proporciona un método para proporcionar continuamente un alambre de metal (180) a un soplete de soldadura (600, 610) en la orientación correcta con respecto a la fuente de calor del soplete de soldar (600, 610) para fabricar objetos mediante fabricación sólida de forma libre para proporcionar una deposición continua de metal al objeto de forma libre, especialmente objetos hechos con alambre (180) de titanio o aleación de titanio, o níquel o aleación de níquel. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Un sistema de posicionamiento de alambre de metal para un soplete de soldadura, con un sistema de ajuste de precisión de arco de alambre

Campo de la invención

La presente solicitud se refiere a un sistema de posicionamiento de alambre de metal para mantener la colocación precisa de un extremo distal o punta de un alambre de metal en el arco de un soplete de soldadura para manufacturar objetos mediante fabricación sólida de forma libre, especialmente objetos hechos de alambre de titanio y aleación de titanio, o níquel o aleación de níquel.

Antecedentes de la invención

Las partes de metal estructuradas hechas de titanio o aleaciones de titanio se fabrican convencionalmente mediante fundición, forjado o mecanizado a partir de una palanquilla. Estas técnicas tienen la desventaja de un alto uso de material del costoso metal de titanio y grandes tiempos de espera en la fabricación.

Los objetos físicos completamente densos se pueden manufacturar mediante una tecnología de fabricación conocida como creación rápida de prototipos, manufacturación rápida, manufacturación en capas, fabricación sólida de forma libre (SFFF), fabricación aditiva, manufacturación aditiva e impresión 3D. Esta técnica emplea software de diseño asistido por ordenador (CAD) para construir primero un modelo virtual del objeto el cual se va a fabricar, y luego transformar el modelo virtual en finas rebanadas o capas paralelas, en general orientadas horizontalmente. El objeto físico se puede fabricar colocando capas sucesivas de materia prima en forma de líquido, pasta, polvo u otra forma de capas fluida, difusible o como metal fundido, por ejemplo, a partir de un alambre de soldadura fundido, o preformado como una hoja de material que se asemeja a la forma de las capas virtuales hasta que se forma todo el objeto. Las capas se pueden fusionar para formar un objeto denso sólido.

La fabricación sólida de forma libre es una técnica flexible que permite la creación de objetos de casi cualquier forma a tasas de producción relativamente rápidas, que varían típicamente de algunas horas a diversos días para cada objeto. Por lo tanto, la técnica es adecuada para la formación de prototipos y pequeñas series de producción, y puede ampliarse para una producción de gran volumen.

La técnica de manufacturación por capas puede ampliarse para incluir la deposición de piezas del material de construcción, es decir, cada capa estructural del modelo virtual del objeto se divide en un conjunto de piezas la cuales, colocadas una al lado de la otra, forman la capa. Esto permite formar objetos metálicos soldando un alambre sobre un sustrato en franjas sucesivas formando cada capa de acuerdo con el modelo virtual en capas del objeto, y repitiendo el proceso para cada capa hasta que se forma todo el objeto físico. La precisión de la técnica de soldadura suele ser demasiado burda para permitir formar directamente el objeto con dimensiones aceptables. Por lo tanto, el objeto formado en general se considerará un objeto verde o una preforma la cual debe mecanizarse con una precisión dimensional aceptable.

Se conoce el uso de un arco de plasma para proporcionar calor para soldar materiales metálicos. Este método puede emplearse a presiones atmosféricas o superiores y, por lo tanto, permite el uso de equipos de proceso más simples y menos costosos. Uno de dichos métodos se conoce como soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW, también denominada soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG)) donde se forma un arco de transferencia de plasma entre un electrodo de tungsteno no consumible y el área de soldadura. El arco de plasma en general está protegido por un gas que se alimenta a través del soplete de plasma formando una cubierta protectora alrededor del arco. La soldadura TIG puede incluir alimentar un alambre de metal o polvo de metal en el baño de fusión o el arco de plasma como material de relleno.

Se sabe (por ejemplo, véase Adams, Publicación de Patente de Estados Unidos número 2010/0193480) el uso de un soplete de soldadura TIG para construir objetos mediante fabricación sólida de forma libre (SFFF), donde se aplican capas sucesivas de materia prima metálica con baja ductilidad sobre un sustrato. Se crea una corriente de plasma energizando un gas que fluye usando un electrodo de arco, teniendo el electrodo de arco una corriente de magnitud variable suministrada al mismo. La corriente de plasma se dirige a una región objetivo predeterminada para precalentar la región objetivo predeterminada antes de la deposición. La corriente se ajusta y el material de la materia prima, tal como un alambre de metal, se introduce en la corriente de plasma para depositar la materia prima fundida en la región objetivo predeterminada. La corriente se ajusta y la materia prima fundida se enfría lentamente a una temperatura elevada, típicamente por encima de la temperatura de transición quebradiza a dúctil del material de la materia prima, en una fase de enfriamiento para minimizar la aparición de tensiones en el material.

Withers et al. (Publicación de patente de Estados Unidos número 2006/185473) también describe el uso de un soplete TIG en lugar del costoso láser tradicionalmente utilizado en un proceso SFFF con material de alimentación de titanio de relativamente bajo coste al combinar los componentes de aleación y alimentación de titanio de una manera que reduce considerablemente el coste de las materias primas. Withers et al. enseña que se puede usar un alambre de titanio comercialmente puro (alambre CP Ti) el cual tiene un coste menor que el alambre aleado, y que el alambre CP Ti se puede combinar con componentes de aleación en polvo in situ en el proceso SFFF combinando el alambre CP Ti y los componentes de aleación de polvo en la fundición del soplete de soldadura u otro haz de energía de alta potencia. Wither et al. también enseña que el material de esponja de titanio se puede mezclar con elementos de aleación y formar un alambre donde este se puede usar en un proceso SFFF en combinación con un soplete de soldadura por plasma u otro haz de energía de alta potencia para producir componentes de titanio con forma casi neta.

Abbott et al. (WO 2006/133034, 2006) describe un proceso de deposición directa de metal que usa un proceso híbrido de láser/arco para fabricar formas tridimensionales complejas que comprenden las etapas de proporcionar un sustrato y depositar una primera capa de metal fundido sobre el sustrato a partir de una materia prima de metal usando radiación láser y un arco eléctrico. El arco eléctrico puede proporcionarse mediante un soplete de soldadura por arco de metal con gas utilizando la materia prima de metal como electrodo. Abbott et al. enseña que el uso de radiación láser en combinación con soldadura por arco de metal con gas estabiliza el arco y supuestamente proporciona tasas de procesamiento más altas. Abbott et al. utiliza un electrodo consumible guiado y que sale de una guía de alambre. El metal del electrodo consumible se funde en el extremo y el metal fundido se deposita colocando el extremo sobre el punto de deposición. El calor requerido para fundir el electrodo consumible puede ser suministrado por un arco eléctrico que se expande entre la punta del electrodo y el sustrato de la pieza de trabajo/deposición, y por un láser que irradia el área de deposición. La soldadura mediante la fusión de un electrodo consumible calentado por un arco eléctrico se conoce como soldadura por arco de metal con gas (GMAW), de la cual, en el caso de utilizar gases no reactivos para hacer el arco, también se denomina soldadura con gas inerte de metal (soldadura MIG).

El documento JP S55143797U (punto de partida de la presente invención) divulga un dispositivo de ajuste de guía de alambre para ajustar la posición relativa entre un electrodo de un soplete de contacto de baño y un alambre de soldadura y está particularmente relacionado con un dispositivo de ajuste de ángulo. El dispositivo de ajuste de guía de alambre comprende un dispositivo (4) de ajuste vertical para ajustar la posición relativa entre el electrodo y el alambre de soldadura, un dispositivo (5) de ajuste izquierdo/derecho y un dispositivo (6) de ajuste de ángulo.

El documento EP 2644 306 divulga un dispositivo de soldadura y un método para controlar al menos un parámetro en un alimentador (3) de alambre de un alambre de soldadura calentado por resistencia en un soplete (2) de soldadura, preferiblemente soplete de soldadura de gas inerte de tungsteno, y un dispositivo (1) de soldadura, comprende guiar el alambre de soldadura a través de una boquilla de alambre del alimentador de alambre, que está unida al soplete de soldadura, y medir al menos una magnitud eléctrica del alambre de soldadura y usarla para la regulación, donde la ubicación de la boquilla de alambre con respecto al soplete de soldadura se ajusta como parámetro de control del alimentador de alambre dependiendo de la magnitud eléctrica medida del alambre de soldadura. También se incluye una reivindicación independiente para un dispositivo de soldadura que comprende un soplete de soldadura que tiene un electrodo (4), especialmente un soplete de soldadura de gas inerte de tungsteno con un alambre de soldadura calentado por resistencia, un alimentador de alambre fijado en un soplete de soldadura para alambre de soldadura, donde el alimentador de alambre tiene una boquilla de alambre unida al soplete de soldadura para guiar el alambre del alambre de soldadura, que comprende un dispositivo de medición y control para medir al menos una magnitud eléctrica del dispositivo de soldadura y para controlar la distancia del dispositivo de soldadura con respecto a una pieza de trabajo (7) a soldar dependiendo de la magnitud eléctrica medida.

El documento JP 2005081419 divulga un método de control automático para la soldadura por arco TIG en el que un electrodo de soldadura, un baño de fusión, una pared biselada y un alambre de relleno, teniendo cada uno diferentes niveles de luminancia, se separan de forma estable y se detectan a partir de una imagen fotografiada. y la soldadura por arco TIG se controla de manera estable de acuerdo con un valor de imagen medido. ;SOLUCIÓN: En imágenes de luminancia en las que se fotografía un área que incluye el electrodo de soldadura, el baño fundido, la pared del bisel y el alambre de relleno, el electrodo de soldadura, el baño fundido, la pared del bisel y el alambre de relleno se fotografían con exposición tiempo t1, t2 y t3 de manera que la diferencia de luminancia entre el electrodo de soldadura y el baño fundido, que entre el baño fundido y la pared de la ranura, y que entre el alambre de relleno y el baño fundido, son relativamente mayores, respectivamente. En el método de control automático para la soldadura por arco TIG, el control de copia de una línea central del electrodo de soldadura, el control del ancho de oscilación y el control de la posición de inserción del alambre de relleno se realizan con base en los valores medidos para las imágenes de luminancia del electrodo de soldadura, la pared de ranura, el baño de fusión y el alambre de relleno que se fotografían como se muestra arriba.

Con el fin de depositar eficazmente el metal de un alambre de metal en la superficie de una pieza de trabajo usando un soplete de soldadura, es necesario mantener el alambre de metal en la posición correcta con respecto al soplete de soldadura. Si el alambre de metal no se mantiene dentro del arco, no se fundirá adecuadamente ni se depositará en la posición correcta.

Por consiguiente, existe una necesidad en esta técnica de un método económico para realizar la deposición directa de metal a una tasa aumentada de deposición de metal a la vez que se mantiene el alambre de metal en la posición adecuada dentro del arco del soplete de soldadura.

Resumen de la invención

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema para suministrar alambre de metal a un soplete de soldadura y mantener el alambre de metal en la fuente de calor emitida por el soplete de soldadura, tal como el arco de un soplete de soldadura por arco de plasma, para construir objetos metálicos mediante fabricación sólida de forma libre. El soplete de soldadura incluye una fuente de calor, tal como un soplete de arco transferido por plasma (PTA), un haz de electrones o un láser, o una combinación de los mismos, para fundir un alambre de metal.

De acuerdo con la presente invención, un sistema de posicionamiento de alambre metálico se define en la reivindicación 1 que mantiene el alambre de metal en la posición correcta con respecto a la fuente de calor emitida por el soplete de soldadura para proporcionar un suministro constante de metal fundido al baño fundido. en la superficie de la pieza de trabajo para que no haya espacios o imperfecciones no intencionales en la capa de metal añadida a la pieza de trabajo.

Se definen realizaciones adicionales en las reivindicaciones dependientes 2-19.

Un sistema para la producción de un objeto de un material soldable por fabricación sólida de forma libre, que comprende dicho sistema de posicionamiento de alambre de metal se define en la reivindicación 20.

Una realización adicional de dicho sistema se define en la reivindicación 21 adjunta.

Un sistema de posicionamiento de alambre de metal incluyen un marco 900 de soporte principal fijo y un marco 500 de soporte de guía ajustable conectado de manera giratoria al marco 900 de soporte principal mediante una unidad de sujeción a través de una junta 800 de pivote y suspendido por un pistón 810 de soporte giratorio. Una placa 920 está unida de manera fija al marco 900 de soporte principal. La placa 920 incluye una abertura roscada interna. Un motor 570 está unido al marco 500 de soporte de guía ajustable, y el motor 570 está unido a un miembro roscado que se acopla con la abertura roscada internamente en la placa 920. Un soplete 600 de soldadura se puede unir de manera fija al marco 900 de soporte principal. Un segundo soplete 610 de soldadura también se puede unir de manera fija al marco 900 de soporte principal. La unidad de sujeción puede incluir un soporte 820 que contiene un pistón 810 de soporte giratorio acoplado con una junta 800 de pivote, y un conector 830 conectado al pistón 810 de soporte giratorio y que soporta de manera pivotante el pistón 810 de soporte giratorio, el soporte 820 unido de manera fija al marco 900 de soporte principal. El sistema incluye un detector 700 que detecta la posición de la fuente de calor emitida por un soplete de soldadura, tal como el arco del soplete 600 de soldadura. Cabe señalar que aunque la invención se describe en correlación con el arco de un soplete PTA, el sistema que se proporciona en el presente documento se puede utilizar para reposicionar el extremo de un alambre de metal en cualquier fuente de calor de un soplete de soldadura, tal como un arco de plasma de un soplete de soldadura PAW o PTA, o un haz de electrones de un soplete de soldadura por haz de electrones, o un haz de láser de un soplete de soldadura láser.

El motor 570 puede estar en comunicación con un sistema de control que puede controlar el movimiento del miembro roscado. El sistema de control puede controlar la cantidad y la dirección en que el motor 570 hace girar el miembro roscado. El miembro roscado puede ser un tornillo o un perno. La rotación del miembro roscado por el motor 570 en una dirección reposiciona el marco 500 de soporte de guía ajustable hacia el marco 900 de soporte principal fijo, y la rotación del miembro roscado por el motor 570 en la dirección opuesta reposiciona el marco 500 de soporte de guía ajustable lejos del marco 900 de soporte principal fijo. Esto da como resultado el reposicionamiento del extremo distal del alambre 180 de metal. Por ejemplo, la rotación del miembro roscado por el motor 570 en el sentido horario puede reposicionar el marco 500 de soporte de guía ajustable hacia el marco 900 de soporte principal fijo, y la rotación del miembro roscado por el motor 570 contraria al sentido horario puede reposicionar el marco 500 de soporte de guía ajustable lejos del marco 900 de soporte principal fijo. Alternativamente, la rotación del miembro roscado por el motor 570 contraria al sentido horario puede reposicionar el marco 500 de soporte de guía ajustable hacia el marco 900 de soporte principal fijo, y la rotación del miembro roscado por el motor 570 en el sentido horario puede reposicionar el marco 500 de soporte de guía ajustable lejos del marco 900 de soporte principal fijo.

El sistema de control puede incluir un procesador de ordenador o unidad de procesamiento central (CPU), pantalla de CPU, una o más fuentes de alimentación, conexiones de fuente de alimentación, módulos de señal como entradas y/o salidas, blindaje integrado de señales analógicas, dispositivos de almacenamiento, placas de circuito, chips de memoria u otro medio de almacenamiento, un medio de almacenamiento no transitorio legible por ordenador que tiene incorporado un programa legible por ordenador, o cualquier combinación de los mismos. El programa legible por ordenador puede contener software apropiado para automatizar parcial o completamente cualquiera de los sistemas o una combinación de ellos. El programa legible por ordenador puede contener software apropiado para monitorizar y/o ajustar un parámetro, tal como la rotación del miembro roscado, velocidad del motor, temperatura, presión, posición de la pieza de trabajo, tasa de deposición, o cualquier combinación de los mismos. Los sistemas de control de ejemplo incluyen, pero no se limitan a, el SIMATIC-S7-1500 de Siemens AG (Múnich, Alemania), el sistema IndraMotion MTX disponible de Bosch Rexroth AG (Lohr am Main, Alemania), y el sistema informático industrial compacto SIGMATEK C iPc disponible de SIGMATEK GmbH & Co. KG (Lamprechtshausen, Austria).

El ajuste apropiado durante el proceso de manufacturación puede mantener el extremo distal del alambre 180 de metal en la ubicación deseada con respecto al arco del soplete 600 de soldadura para proporcionar un suministro continuo de alambre de metal al soplete en la posición apropiada de modo que el soplete puede fundir alambre de metal en el baño de fusión de la pieza de trabajo. El movimiento de rotación del miembro roscado reposiciona de manera ajustable el marco de soporte de guía ajustable para reposicionar el alambre con respecto a la fuente de calor emitida por el soplete de soldadura, tal como el arco de plasma de un soplete de soldadura por arco de plasma. Puede incluirse un manguito móvil que rodea el miembro roscado para proteger el miembro roscado. El motor 570 puede ser un motor de corriente continua accionado por una señal de control de potencia o puede ser un motor paso a paso. Cuando el motor 570 es un motor paso a paso, se puede lograr una cantidad precisa de rotación del miembro roscado en cualquier dirección controlando de manera electrónica el número de pulsos de activación suministrados al motor.

En los sistemas que se proporcionan en el presente documento, el detector 700 se puede unir al marco 500 de soporte de guía ajustable mediante un soporte 710 de detector. El detector 700 puede incluir una cámara, una cámara de vídeo, un sensor de vídeo o combinaciones de los mismos. La cámara puede ser una cámara de dispositivo de carga acoplada (CCD). El detector puede capturar imágenes en color o en blanco y negro de la fuente de calor emitida por el soplete de soldadura, tal como el arco de plasma de un soplete de soldadura por arco de plasma, y la posición del extremo distal del alambre 180 de metal. El campo de visión de la cámara se puede ajustar de modo que el extremo distal del alambre 180 de metal esté en general dentro del centro del campo de visión de la cámara. Se puede colocar un filtro de paso de banda frente a la cámara con el fin de filtrar el ruido o reducir la cantidad de luz producida por la fuente de calor emitida por el soplete de soldadura que recibe la cámara con el fin de mejorar la visualización del extremo distal del alambre 180 de metal. En algunas realizaciones, el detector 700 puede incluir una cámara para proporcionar una detección visual de las gotas de metal fundido del alambre de metal. El ángulo de transferencia de gotas se puede medir para calibrar la precisión. La desviación en el ángulo de transferencia de las gotas puede ser un parámetro utilizado para realizar ajustes en la posición del extremo distal del alambre de metal en la fuente de calor emitida por un soplete de soldadura. La desviación en el ángulo de transferencia de gotas se puede utilizar sola o con otros parámetros para determinar si es necesario ajustar la posición del alambre. Cuando sea necesario, los ajustes se pueden realizar en tiempo real manualmente con base en la imagen de la cámara. Los ajustes se pueden realizar en tiempo real automáticamente con base en el análisis de la imagen de la cámara, por ejemplo, el ángulo de transferencia de gotas.

Los sistemas también pueden incluir un dispositivo de alimentación principal que contiene un primer alimentador 475 de alambre motorizado, un motor 470, un contador 465 de rotación, y un segundo alimentador 460 de alambre motorizado. El motor 470 se puede conectar operativamente al primer alimentador 475 de alambre motorizado y al segundo alimentador 460 de alambre motorizado. El contador 465 de rotación se puede colocar entre el primer alimentador 475 de alambre motorizado y el segundo alimentador 460 de alambre motorizado. El sistema también puede incluir un contador 480 de rotación colocado antes del primer alimentador 475 de alambre motorizado. El dispositivo de alimentación principal puede monitorizar el deslizamiento del alambre 180 de metal para asegurarse de que no se introduzcan torceduras, dobleces u otras deformaciones permanentes en el alambre 180 de metal cuando este atraviesa el sistema de suministro de alambre. El deslizamiento puede detectarse comparando la rotación del dispositivo 485 de rueda libre medida por el contador 480 de rotación con la rotación del alimentador principal medida por el contador 465 de rotación.

En los sistemas que se proporcionan en el presente documento, el marco 900 de soporte principal fijo o el marco 500 de soporte de guía ajustable o ambos pueden incluir uno o más de un recorte, perforación u orificio 550. Los recortes, perforaciones u orificios permiten la disipación de calor. El exceso de calor puede provocar la deformación del marco. Los recortes, perforaciones u orificios en los marcos están diseñados para maximizar la disipación de calor a la vez que minimizan cualquier efecto perjudicial sobre la resistencia mecánica del marco para que el marco pueda resistir físicamente las fuerzas de tracción, recorte, y torsión de los elementos de soporte unidos al marco.

Se puede unir un elemento 300 de soporte al marco 500 de soporte de guía ajustable. Se puede unir una guía 120 y un conjunto 210 de punta de contacto al elemento 300 de soporte. El conjunto 210 de punta de contacto puede incluir una punta de contacto reemplazable.

Las características y ventajas adicionales de la invención se expondrán en la descripción la cual sigue, y en parte serán evidentes a partir de la descripción, o se pueden aprender mediante la práctica de la invención. Los objetivos y otras ventajas de la invención se realizarán y alcanzarán mediante la estructura señalada particularmente en la descripción escrita y las reivindicaciones de la misma, así como en los dibujos adjuntos.

Debe entenderse que tanto la descripción general anterior como la siguiente descripción detallada son de ejemplo y explicativas y están destinadas a proporcionar una explicación adicional de la invención como se define en las reivindicaciones anexas.

Breve descripción de los dibujos

El dibujo adjunto, el cual se incluye para proporcionar una mayor comprensión de la invención y se incorpora y constituye una parte de esta especificación, ilustra una realización de la invención y en conjunto con la descripción sirve para explicar los principios de la invención.

En el dibujo:

La Figura 1 es una vista lateral esquemática de una realización del un sistema de ajuste de precisión de alambre de metal que se proporciona en el presente documento que muestra el marco 500 de soporte de guía ajustable al cual están unidos los componentes del sistema de suministro de alambre de metal, conectado de manera giratoria al marco 900 de soporte principal mediante una unidad de sujeción que incluye una junta 800 de pivote, un pistón 810 de soporte giratorio acoplado con la junta 800 de pivote, un soporte 820 que abarca el pistón 810 de soporte giratorio, y un conector 830 conectado al pistón 810 de soporte giratorio y que soporta de manera pivotante el pistón 810 de soporte giratorio.

Descripción detallada

A. Definiciones

A menos que se defina lo contrario, todos los términos técnicos y científicos usados en el presente documento tienen el mismo significado que el que entiende comúnmente un experto en la técnica a la cual pertenecen las invenciones. Todas las patentes, solicitudes de patente, aplicaciones y publicaciones publicadas, sitios web y otros materiales publicados a los que se hace referencia en toda la divulgación del presente documento, a menos que se indique lo contrario, se incorporan como referencia en su totalidad. En el caso de que haya una pluralidad de definiciones para los términos en el presente documento, prevalecerán las de esta sección. Cuando se hace referencia a una URL u otro identificador o dirección de este tipo, se entiende que dichos identificadores pueden cambiar y que información particular en Internet puede aparecer y desaparecer, pero se puede encontrar información equivalente buscando en Internet. La referencia a los mismos evidencia la disponibilidad y difusión pública de dicha información.

Como se usa aquí, las formas singulares “un”, “uno, una” y “el, la” incluyen referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

Como se usa en el presente documento, los rangos y cantidades se pueden expresar como “aproximadamente” un valor o rango particular. “Alrededor” también incluye la cantidad exacta. Por lo tanto, “alrededor del 5 por ciento” significa “alrededor del 5 por ciento” y también “5 por ciento”. “Alrededor” significa dentro de un error experimental típico para la aplicación o el propósito previsto.

Como se usa en el presente documento, “opcional” u “opcionalmente” significa que el evento o circunstancia descrito posteriormente ocurre o no ocurre, y que la descripción incluye casos en donde ocurre el evento o circunstancia y casos en donde no ocurre. Por ejemplo, un componente opcional en un sistema significa que el componente puede estar presente o no estar presente en el sistema.

Como se usa en el presente documento, una “combinación” se refiere a cualquier asociación entre dos elementos o entre más de dos elementos. La asociación puede ser espacial o hacer referencia al uso de dos o más elementos para un propósito común.

Como se usa en el presente documento, un “soplete de Soldadura por Arco de Plasma” o “soplete PAW” se refiere a un soplete de soldadura que puede usarse en la soldadura por arco de plasma. El soplete está diseñado para que un gas se pueda calentar a una temperatura alta para formar plasma y se vuelva conductivo manera eléctrica, el plasma luego transfiere un arco eléctrico a una pieza de trabajo, y el intenso calor del arco puede fundir el metal y/o fusionar dos piezas de metal juntas. Un soplete PAW puede incluir una boquilla para estrechar el arco aumentando así la densidad de potencia del arco. El gas de plasma típicamente es argón. El gas de plasma puede alimentarse a lo largo del electrodo e ionizarse y acelerarse en las proximidades de un cátodo. El arco se puede dirigir hacia la pieza de trabajo y es más estable que un arco de combustión libre (tal como en un soplete TIG). El soplete PAW también tiene típicamente una boquilla exterior para proporcionar un gas protector. El gas protector puede ser argón, helio o combinaciones de los mismos, y el gas protector ayuda a minimizar la oxidación del metal fundido. En un soplete PAW, la corriente típicamente puede ser de hasta aproximadamente 400 A, y el voltaje típicamente puede estar entre aproximadamente 25 - 35 V (pero puede ser de hasta aproximadamente 14 kW). La invención no está vinculada a ninguna elección o tipo específico de soplete PAW. Se puede utilizar cualquier dispositivo conocido o concebible que pueda funcionar como soplete PAW. Un soplete PAW de ejemplo es un soplete de arco transferido por plasma (PTA).

El término “soplete de arco transferido por plasma” o “soplete PTA”, como se usa indistintamente en el presente documento, se refiere a cualquier dispositivo capaz de calentar y excitar una corriente de gas inerte a plasma mediante una descarga de arco eléctrico y luego transferir el flujo de gas de plasma que incluye el arco eléctrico que sale a través de un orificio (tal como una boquilla) para formar una columna estrechada que se extiende fuera del orificio y transfiere el calor intenso del arco a una región objetivo. El electrodo y la región objetivo se pueden conectar de manera eléctrica a una fuente de alimentación de corriente continua de tal modo que el electrodo del soplete PTA se convierta en el cátodo y la región objetivo se convierta en el ánodo. Esto asegurará que la columna de plasma, que incluye el arco eléctrico, entregue un flujo de calor altamente concentrado a una pequeña área de superficie de la región objetivo con un excelente control de la extensión del área y la magnitud del flujo de calor que se suministra a partir del soplete PTA. Un arco transferido por plasma tiene la ventaja de proporcionar arcos estables y consistentes con poca desviación y buena tolerancia a las desviaciones de longitud entre el cátodo y el ánodo. Por lo tanto, el soplete PTA es adecuado tanto para formar un baño fundido en el material de base como para calentar y fundir la alimentación de alambre de metal. El soplete PTA puede tener ventajosamente un electrodo de tungsteno y una boquilla de cobre. Sin embargo, la invención no está vinculada a ninguna elección o tipo específico de soplete PTA. Se puede utilizar cualquier dispositivo conocido o concebible que pueda funcionar como soplete PTA.

El término “densidad de potencia”, como se usa en el presente documento, se refiere a una cantidad de potencia que se distribuye a una unidad de área, tal como un arco de plasma, un haz de láser o un haz de electrones.

Como se usa en el presente documento, los términos primero, segundo, tercero, etc. pueden usarse en el presente documento para describir diversos elementos, componentes, regiones, capas y/o secciones, estos elementos, componentes, regiones, capas y/o secciones no deben estar limitados por estos términos. Estos términos solo pueden usarse para distinguir un elemento, componente, región, capa o sección de otra región, capa o sección. Términos tales como “primero”, “segundo” y otros términos numéricos cuando se usan en el presente documento no implican una secuencia u orden a menos que se indique claramente en el contexto. Por lo tanto, un primer elemento, componente, región, capa o sección que se describe a continuación podría denominarse un segundo elemento, componente, región, capa o sección sin apartarse de las enseñanzas de las realizaciones de ejemplo.

El término “material metálico” como se usa en el presente documento, se refiere a cualquier metal o aleación de metal conocido o concebible que pueda formarse en un alambre y emplearse en un proceso de fabricación sólida de forma libre para formar un objeto tridimensional. Los ejemplos de materiales adecuados incluyen, pero no se limitan a; titanio y aleaciones de titanio tales como, por ejemplo, aleaciones Ti-6Al-4V.

El término “material metálico similar”, como se usa en el presente documento, significa que el material metálico es del mismo metal o aleación de metal que el material metálico de referencia.

El término “sustrato de sujeción” como se usa en el presente documento se refiere al sustrato objetivo sobre el cual se deposita material adicional, igual o diferente al del sustrato de sujeción, usando la técnica de SFFF o fabricación sólida de forma libre para formar una pieza de trabajo. En realizaciones de ejemplo, el sustrato de sujeción es una hoja plana. En realizaciones alternativas, el sustrato de sujeción puede ser una parte forjada. En realizaciones alternativas, el sustrato de sujeción puede ser un objeto sobre el cual se va a depositar material adicional. En realizaciones de ejemplo, el sustrato de sujeción puede convertirse en parte de la pieza de trabajo. El material para el sustrato de sujeción puede ser un metal o una aleación de metal. En realizaciones de ejemplo, el sustrato de sujeción está hecho del mismo metal que el material de alimentación de alambre.

El término “material de base”, como se usa en el presente documento, se refiere al material objetivo para recibir material metálico fundido para formar un objeto tridimensional. El material de base será el sustrato de sujeción cuando se deposita la primera capa de material metálico. Cuando se hayan depositado una o más capas de material metálico sobre el sustrato de sujeción, el material de base será la capa superior de material metálico depositado que ha depositado una nueva capa de material metálico.

Como se usa en el presente documento, “superficie mejorada por fricción” se refiere a una superficie que ha sido modificada para exhibir más fricción que una superficie lisa sin tratar del mismo material. Las modificaciones de la superficie que mejoran la fricción pueden incluir raspar la superficie, incluir protuberancias en la superficie, o proporcionar una superficie arenosa. La superficie modificada mejora el contacto por fricción (en comparación con una superficie no modificada) con la superficie modificada y otra superficie, tal como un alambre de metal en contacto con la superficie, para minimizar el deslizamiento entre la superficie modificada y la superficie en la cual está en contacto.

Como se usa en el presente documento, el término “pieza de trabajo” se refiere a un cuerpo de metal que se produce usando una fabricación sólida de forma libre.

El término “modelo de diseño asistido por ordenador” o “modelo CAD” como se usa indistintamente en el presente documento se refiere a cualquier representación tridimensional virtual conocida o concebible del objeto que se va a formar el cual puede emplearse en el sistema de control de la disposición de acuerdo con el segundo aspectro de la invención: para regular la posición y el movimiento del sustrato de sujeción y operar el soplete de soldadura con alimentador de alambre integrado de tal manera que se construya un objeto físico fusionando depósitos sucesivos del material metálico sobre el sustrato de sujeción en un patrón el cual da como resultado la construcción de un objeto físico de acuerdo con el modelo virtual tridimensional del objeto. Esto se puede obtener, por ejemplo, formando un modelo virtual en capas vectorizado del modelo tridimensional dividiendo primero el modelo virtual tridimensional en un conjunto de capas paralelas virtuales y luego dividiendo cada una de las capas paralelas en un conjunto de piezas virtuales cuasi unidimensionales. Luego, el objeto físico puede formarse activando el sistema de control para depositar y fusionar una serie de piezas cuasi unidimensionales del material metálico que se alimentan sobre el sustrato de soporte en un patrón de acuerdo con la primera capa del modelo virtual en capas vectorizado del objeto. Luego, se repite la secuencia para la segunda capa del objeto depositando y fusionando una serie de piezas cuasi unidimensionales del material soldable en la capa depositada anteriormente en un patrón de acuerdo con la segunda capa del modelo virtual en capas vectorizado del objeto. La repetición continúa del proceso de deposición y fusión capa por capa para cada capa sucesiva del modelo virtual en capas vectorizado del objeto hasta que se forma todo el objeto. Sin embargo, la invención no está vinculada a ningún modelo CAD específico y/o software de ordenador para ejecutar el sistema de control de la disposición de acuerdo con la invención, y tampoco la invención está vinculada a ningún tipo específico de sistema de control. Puede emplearse cualquier sistema de control conocido o concebible (modelo CAD, software informático, hardware y accionadores informáticos, etc.) capaz de construir objetos metálicos tridimensionales mediante fabricación sólida de forma libre. El sistema de control se puede ajustar para operar por separado un primer soplete de soldadura, tal como un soplete PTA, para precalentar la superficie del material de base y, en algunas aplicaciones, fundir al menos parcialmente una porción de la superficie para formar un baño de fusión, y un segundo soplete de soldadura, tal como un soplete PTA, para fundir el alambre de alimentación de material metálico sobre la superficie precalentada y/o en el baño fundido.

B. Sistema de control de posición del alambre

Se ha determinado que la tasa de deposición de metal fundido en una pieza de trabajo moldeada que se produce mediante un proceso de fabricación de forma libre se puede aumentar utilizando un sistema de control de posición del alambre que mantiene un alambre de metal en la posición adecuada para que el alambre de metal pueda alimentarse continuamente al soplete de soldadura y mantenerse en una posición adecuada dentro del arco del soplete de soldadura para facilitar el calentamiento y la fusión del alambre de metal. La velocidad de alimentación del alambre se puede mantener sustancialmente constante de modo que el alambre de metal se alimente continuamente al soplete de soldadura para fundirlo sobre la pieza de trabajo. La alimentación continua de alambre de metal al soplete de soldadura en la posición adecuada impide una deposición discontinua no deseada de metal en la pieza de trabajo. Cualquier discontinuidad en la deposición puede resultar en imperfecciones, irregularidades, y fallas en la pieza de trabajo, las cuales en última instancia podrían conducir a la deslaminación, fatiga o agrietamiento del producto final, volviéndolo potencialmente inutilizable para el propósito previsto. Al mantener el alambre de metal en la posición adecuada con respecto a la fuente de calor emitida por el soplete de soldadura, se puede aumentar la tasa de alimentación continua de alambre de metal, lo que permite que aumente la tasa de deposición de metal fundido en la pieza de trabajo. Por consiguiente, la colocación adecuada constante del alambre de metal en la fuente de calor emitida por el soplete de soldadura aumenta la eficiencia del proceso de fabricación de forma libre.

Puede obtenerse una comprensión más completa de la presente invención y su alcance a partir del dibujo adjunto, el cual se resume brevemente a continuación, a partir de las siguientes descripciones detalladas de las realizaciones actualmente preferidas de la invención, y de las reivindicaciones adjuntas.

Como se muestra en la Figura 1, el sistema de precisión del arco de alambre de metal incluye un marco 500 de soporte de guía ajustable al cual están unidos los componentes de suministro de alambre de metal, y un marco 900 de soporte principal fijo. El marco 900 de soporte principal incluye una unidad de sujeción que incluye una junta 800 de pivote, un pistón 810 de soporte giratorio acoplado con la junta 800 de pivote, un soporte 820 que abarca el pistón 810 de soporte giratorio, y un conector 830 conectado al pistón 810 de soporte giratorio y que soporta de manera pivotante el pistón 810 de soporte giratorio. La unidad de sujeción está unida al marco 900 de soporte principal. La unidad de sujeción se puede unir mediante soldaduras, tornillos, pernos u otros dispositivos de conexión. En la realización que se muestra en la Figura 1, la unidad de sujeción está unida al marco 900 de soporte principal mediante tornillos que sujetan el soporte 820 al marco 900 de soporte principal. El marco de soporte principal está fijo en su posición. El marco 900 de soporte principal puede incluir perforaciones, orificios o recortes o combinaciones de los mismos, tal como se ilustra en la Figura 1, para disipar el calor. El exceso de calor puede provocar la deformación del marco.

El pistón 810 de soporte giratorio puede girar alrededor de un eje horizontal. El pistón 810 de soporte giratorio está acoplado a la junta 800 de pivote, y la junta 800 de pivote está unida a una cara del marco 500 de soporte de guía ajustable. El marco 900 de soporte principal puede ser de cualquier material adecuado para soportar los componentes unidos al marco. En algunas realizaciones, el marco 900 de soporte principal fijo puede ser de acero, acero inoxidable o una aleación de níquel, tal como una aleación de inconel. El conector 830 está unido a un extremo distal del pistón 810 de soporte giratorio y suspende el pistón 810 de soporte giratorio dentro del soporte 820. El conector 830 puede incluir cualquier construcción y disposición adecuadas de cojinetes, pistas de cojinete, conos de cojinete, ejes, o casquillos o combinaciones de los mismos para permitir la rotación del pistón 810 de soporte giratorio.

El extremo distal opuesto del pistón 810 de soporte giratorio está acoplado a una junta 800 de pivote unida al marco 500 de soporte de guía ajustable. El pistón 810 de soporte giratorio tiene suficiente resistencia mecánica para resistir físicamente las fuerzas de tracción, cizallamiento, y torsión de soportar el marco 500 de soporte de guía ajustable en su suspensión a partir del marco 900 de soporte principal. El pistón 810 de soporte giratorio puede ser de cualquier material adecuado para soportar los componentes unidos al pistón. En algunas realizaciones, el pistón 810 de soporte puede ser de acero inoxidable, acero al carbono, acero cromado, o una aleación de níquel tal como una aleación de inconel. Por ejemplo, el pistón se puede fabricar con acero inoxidable AIS 303. La junta 800 de pivote puede incluir una rótula. La junta 800 de pivote permite que el marco 500 de soporte de guía ajustable gire de manera variable alrededor de un eje horizontal de tal modo que el marco 500 de soporte de guía ajustable se pueda colocar más cerca o más lejos del marco 900 de soporte principal fijo. Este reposicionamiento del marco 500 de soporte de guía ajustable con respecto al marco 900 de soporte principal fijo da como resultado que el extremo distal del alambre 180 de metal se reposicione con respecto al arco del soplete PTA 600. El marco 500 de soporte de guía ajustable está hecho de un material que tiene suficiente resistencia mecánica para resistir físicamente las fuerzas de tracción, cizallamiento, y torsión de los componentes sujetos al marco 500 de soporte de guía ajustable. Los materiales de ejemplo incluyen acero, acero al carbono, acero inoxidable, acero Invar (también conocido como Invar 36), titanio y aleaciones de titanio, níquel y aleaciones de níquel, tal como inconel. En algunas aplicaciones, el marco 500 de soporte de guía contiene acero Invar (que contiene un 36% de níquel). El marco 500 de soporte de guía puede incluir perforaciones, orificios o recortes o combinaciones de los mismos, tal como se ilustra en el recorte 550, para disipar el calor. El exceso de calor puede provocar la deformación del marco y una posible desalineación permanente. Los recortes también reducen el peso del marco 500 de soporte de guía ajustable.

La junta 800 de pivote puede incluir cualquier construcción y disposición adecuadas de cojinetes, pistas de cojinete, conos de cojinete, ejes o casquillos o combinaciones de los mismos para permitir la rotación del pistón 810 de soporte giratorio y el marco 500 de soporte de guía ajustable. La junta 800 de pivote está hecha de un material que tiene suficiente resistencia mecánica para resistir físicamente las fuerzas de tracción, cizallamiento, y torsión de soportar los componentes unidos al marco 500 de soporte de guía ajustable. En algunas realizaciones, la junta 800 de pivote puede ser de aluminio o aleación de aluminio, titanio o aleación de titanio, acero, acero inoxidable, o una aleación de níquel tal como una aleación de inconel. Por ejemplo, la junta 800 de pivote se puede fabricar con aleación de aluminio EN AW-6063T6/6082T6. El marco 500 de soporte de guía puede ser de cualquier material adecuado para soportar los componentes unidos al marco. En algunas realizaciones, la junta 800 de pivote puede ser de acero, acero inoxidable, acero al carbono, acero cromado, níquel o una aleación de níquel tal como una aleación de inconel. Los componentes de la junta 800 de pivote son de un material resistente a la modulación a las temperaturas generadas durante la fabricación sólida de forma libre. Por ejemplo, el material se puede seleccionar para que sea compatible con temperaturas en el rango de aproximadamente 15°C a aproximadamente 100°C. La junta 800 de pivote permite que el marco 500 de soporte de guía ajustable se desplace horizontalmente con respecto al eje de pivote. La junta 800 de pivote se puede sellar completamente y puede manejar el movimiento giratorio en cualquier dirección. La junta 800 de pivote puede incluir rótulas de cojinete antifricción o rótulas de cojinete de rodillos o combinaciones de los mismos. Debe entenderse que se puede utilizar cualquier tipo de dispositivo pivotante que permita el movimiento giratorio de un soporte portador de carga.

Un motor 570 está unido y gira un miembro roscado que está conectado funcionalmente a la placa 920 conectada al marco 900 de soporte principal. La rotación del miembro roscado produce y ajusta de manera controlable el desplazamiento horizontal del marco 500 de soporte de guía ajustable. El motor 570 puede estar en comunicación y controlado por un controlador de motor (no se muestra) que puede controlar el movimiento del miembro roscado, tal como limitando la cantidad y la dirección en que gira el miembro roscado. El controlador del motor puede incluir software y hardware de ordenador y, opcionalmente, accionadores, y puede configurarse para modular la potencia que se proporciona al motor, o regular la velocidad y dirección y duración del movimiento del motor, o permitir la activación automática del motor en respuesta a una señal, o cualquier combinación de las mismas. La invención no está vinculada a ningún ordenador o software específico para ejecutar el controlador del motor. El controlador del motor puede estar separado o bajo el control del sistema de control.

El miembro roscado puede ser un tornillo o perno o conector similar que tiene un mecanismo de rosca de tornillo que puede acoplarse con una abertura roscada internamente en la placa 920 unida al marco 900 de soporte principal para recibir el miembro roscado. El miembro roscado unido al motor 570 se acopla a la abertura roscada internamente en la placa 920 para formar un acoplamiento roscado entre el marco 500 de soporte de guía ajustable y el marco 900 de soporte principal mediante el cual el marco 500 ajustable se acerca o aleja del marco 900 de soporte principal fijo en respuesta a la rotación del miembro roscado accionado por motor. Cuando el motor 570 en comunicación mecánica con el miembro roscado gira el miembro roscado en una dirección, el marco 500 de soporte de guía ajustable se reposiciona hacia el marco 900 de soporte principal fijo, y cuando el motor 570 gira en la dirección opuesta, el marco 500 de soporte de guía ajustable se reposiciona lejos del marco 900 de soporte principal fijo. Se puede incluir un manguito móvil que puede extenderse y retraerse para blindar y proteger el miembro roscado.

El motor 570 puede ser un motor convencional de corriente continua (CC) accionado por una señal de control de potencia, o puede ser un motor paso a paso que permite una cantidad precisa de rotación del miembro roscado controlando de manera electrónica el número de pulsos energizantes suministrados al motor. El motor 570 puede operar para girar en las direcciones de avance y retroceso. Se puede programar una unidad de control para controlar la rotación del motor en las direcciones de avance y retroceso en respuesta a una indicación de que el alambre de metal necesita reposicionarse para que esté en una posición deseada o preferida con respecto a la fuente de calor del soplete de soldadura. El motor 570 puede incluir una unidad de control electrónico en comunicación con el motor 570 que se puede programar para detener la rotación del motor paso a paso virtualmente de manera instantánea una vez que el extremo distal del alambre de metal se ha posicionado correctamente en la ubicación deseada en el arco del soplete de soldadura.

Un soplete de soldadura se mantiene en posición uniéndolo al marco 900 de soporte principal fijo. El soplete de soldadura puede emitir una fuente de calor, tal como un arco de plasma, un haz de láser, un haz de electrones o similares. Los sopletes de soldadura de ejemplo incluyen sopletes de soldadura de arco de plasma, sopletes de soldadura de arco de tungsteno de gas, sopletes de soldadura de arco de gas de metal, sopletes de soldadura de gas inerte de metal, sopletes de soldadura de gas inerte de tungsteno, sopletes de soldadura láser, sopletes de soldadura por haz de electrones, y cualquier combinación de los mismos. La fuente de calor del soplete de soldadura funde el alambre de metal entregado a la posición apropiada en relación con la fuente de calor del soplete de soldadura.

Un soplete de soldadura de ejemplo es un soplete PTA. El soplete PTA puede tener cualquier configuración capaz de crear un arco eléctrico para calentar y fundir el alambre de metal, tal como la soldadura por arco de metal con gas (GMAW), en particular utilizando gases no reactivos para hacer el arco. Se hace que el alambre de metal se derrita en el plasma producido por el soplete usando un arco eléctrico, y el alambre de metal que se funde se deposita en el área precalentada o en el baño fundido en la pieza de trabajo para agregar y formar los cuerpos metálicos de forma casi neta. La tasa de alimentación y el posicionamiento del alambre de metal pueden controlarse y modularse de acuerdo con el efecto de la fuente de alimentación del soplete PTA con el fin de garantizar que el alambre de metal se caliente continuamente y se derrita cuando este alcanza la posición deseada por encima del área precalentada o baño fundido en el material de base. Los sistemas de fabricación sólidos de forma libre pueden utilizar uno o más sopletes de soldadura. Los sistemas de soldadura de ejemplo se describen en Guldberg (WO 2011/019287), Irlanda et al.

(Patente de Estados Unidos número 7,220,935); Comon et al. (Patente de Estados Unidos número 9,145,832); Cooper et al. (Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos número US 2010/0276396); Biskup et al. (Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos número 2013/0140280); y Stempfer (Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos número 2014/0061165).

El alambre de metal en general se proporciona a un soplete de soldadura como un alambre recto sin curvas, torceduras o deformaciones. El sistema de precisión de arco de alambre que se proporciona en el presente documento se puede usar con cualquier sistema de fabricación sólida de forma libre, ya sea que el soplete de soldadura incluya un soplete PAW tal como, por ejemplo, un soplete de arco transferido por plasma (PTA), un haz de electrones, o un láser, o una combinación de los mismos, para fundir el alambre de metal. El sistema de precisión de arco de alambre que se proporciona en el presente documento se puede usar con un sistema de fabricación sólido de forma libre que usa un soplete de soldadura o una combinación de sopletes de soldadura. Cuando se utiliza una combinación de sopletes, todos los sopletes pueden ser iguales o se puede utilizar una combinación de sopletes diferentes. En algunas aplicaciones, se puede utilizar un solo soplete de soldadura que contenga un soplete de arco transferido por plasma (PTA), un haz de electrones, o un láser. En algunas aplicaciones, se puede usar un sistema de soplete de soldadura doble, donde un primer soplete forma un baño fundido en la superficie de una pieza de trabajo y un segundo soplete funde un alambre de metal en el baño fundido. El primer soplete puede contener un soplete de arco de plasma (PAW), un haz de electrones, o un láser y el segundo soplete puede contener un soplete de arco de plasma (PAW), un haz de electrones, o un láser. Por lo tanto, aunque se describen realizaciones de ejemplo usando sopletes PAW tales como sopletes PTA, estos ejemplos no son limitantes. El ajuste del alambre de metal descrito en el presente documento se puede implementar con cualquier tipo de fuente de calor descrita en el presente documento, que incluye sopletes láser y sopletes de haz de electrones. Al usar sopletes láser, en lugar de colocar el extremo del alambre de metal en el arco como se describe, el extremo del alambre de metal se coloca en el haz de láser. Asimismo, cuando se utilizan sopletes de haz de electrones, la posición del extremo del alambre de metal se ajusta para que esté en el haz de electrones en lugar del arco como se describe junto con el uso de sopletes PTA u otros sopletes PAW.

En una realización de ejemplo, el sistema de precisión de arco de alambre que se proporciona en el presente documento se puede usar en un sistema de dos sopletes, tal como se describe en Stempfer (Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos número US2014/0061165). En tales sistemas, es importante poder entregar un alambre de metal recto con el fin de mantener la alineación del alambre de metal en el arco del soplete de soldadura. Como se muestra en la Figura 1, un primer soplete PAW 600 y un segundo soplete PAW 610 están unidos al marco 900 de soporte principal fijo. Los sopletes 600 y 610 se pueden unir al soporte 650 de soplete, el cual está unido al marco 900 de soporte principal fijo mediante el soporte 940. El soplete PAW 600 y el soplete PAW 610 están fijados en posición para mantener su posición entre sí.

Como está configurado en la Figura 1, el soplete PAW 610 interactúa con una superficie del material de base para precalentar al menos una porción del material de base en la posición en la cual se va a depositar el material metálico. El soplete PAW 600 luego calienta y funde el alambre de metal de tal manera que el material metálico fundido del alambre fundido se deposite sobre el material de base y sobre el área precalentada o fundida o parcialmente fundida del material de base si se realizó el precalentamiento. Mover el material de base con respecto a la posición del primer y segundo sopletes PAW en un patrón predeterminado permite que los depósitos sucesivos de material metálico fundido formen el objeto tridimensional.

Los componentes del sistema de suministro de alambre están unidos al marco 500 de soporte de guía ajustable. Como se muestra en la Figura 1, una guía 490 de alambre, un dispositivo 485 de rueda libre, un contador 480 de rotación, y un dispositivo de alimentación principal que incluye un primer alimentador 475 de alambre motorizado, un motor 470, un contador 465 de rotación, y un segundo alimentador 460 de alambre motorizado están unidos al conector 495 del marco de suministro de alambre, el cual está unido al marco 500 de soporte de guía ajustable. El dispositivo de alimentación principal puede monitorizar el deslizamiento del alambre 180 de metal para asegurarse de que no se introduzcan torceduras, dobleces u otras deformaciones permanentes en el alambre 180 de metal a medida que este atraviesa el sistema de suministro de alambre. El deslizamiento puede detectarse comparando la rotación del dispositivo 485 de rueda libre con la rotación del alimentador principal.

La guía 490 de alambre puede incluir un primer rodillo ranurado y un segundo rodillo ranurado que forman un camino entre ellos a través del cual puede pasar el alambre 180 de metal. Opcionalmente, los rodillos ranurados pueden estar desplazados por un resorte para acoplarse con el alambre 180 de metal. El dispositivo 495 de rueda libre puede incluir un primer rodillo ranurado y un segundo rodillo ranurado que forman un camino entre ellos a través del cual puede pasar el alambre 180 de metal. Opcionalmente, los rodillos ranurados pueden estar desplazados por un resorte para acoplarse con el alambre 180 de metal. El dispositivo 495 de rueda libre puede recibir el alambre 180 de metal después de haber atravesado la guía 490 de alambre y alimentar el alambre 180 de metal en el contador 480 de rotación.

El dispositivo de alimentación principal incluye un motor 470 que está unido y puede accionar los rodillos ranurados de los alimentadores 460 y 475 de alambre motorizados. Los rodillos ranurados de los alimentadores 460 y 475 de alambre motorizados pueden incluir protuberancias en las ranuras de los mismos que pueden acoplarse con el alambre 180 de metal y haga avanzar el alambre 180 de metal a través de los rodillos. Las protuberancias en las ranuras pueden aumentar las fuerzas de fricción entre las ranuras de los rodillos y el alambre 180 de metal permitiendo que los rodillos se acoplen por fricción con el alambre 180 de metal y lo hagan avanzar a través de los rodillos. Los rodillos ranurados pueden estar hechos de un metal resistente al desgaste. Los rodillos ranurados pueden ser o contener un revestimiento de acero, acero al carbono, acero inoxidable, acero cromado, acero inoxidable, titanio, aleación de titanio, níquel o aleación de níquel.

Después de salir del alimentador 460 de alambre motorizado, el alambre 180 de metal se mueve a través del protector 400 de alambre para proporcionar el alambre de metal a la guía 120. El protector 400 de alambre puede minimizar cualquier contacto con otros elementos del sistema y proporciona un camino recto para entrega del alambre 180 de metal a la guía 120. El protector 400 de alambre puede estar hecho de cualquier material adecuado para transportar alambre 180 de metal. El protector 400 de alambre puede ser o puede contener una cerámica de aislamiento eléctrico. Tales cerámicas son conocidas en la técnica y pueden incluir los óxidos o nitruros de Al, B, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Ce, In y Sn y combinaciones de los mismos (por ejemplo, véanse las Patentes de Estados Unidos números 6,344,287 (Celik et al. al., 2002); 4,540,879 (Haerther et al., 1985); y 7,892,597 (Hooker et al., 2011)). El protector 400 de alambre puede ser o contener nitruro de aluminio, óxido de aluminio, nitruro de magnesio, óxido de magnesio, cuarzo, nitruro de silicio, nitruro de boro, óxido de circonio, dióxido de circonio y mezclas y combinaciones de los mismos. Una cerámica de ejemplo es el óxido de aluminio RAPAL® 100 (Rauschert Heinersdorf-Pressing GmbH, Pressing, Alemania). El protector 400 de alambre puede contener un orificio central a través del cual puede pasar el alambre 180 de metal. El orificio central tiene típicamente una forma que se adapta fácilmente al alambre 180 de metal. Por ejemplo, cuando el alambre 180 de metal tiene una sección transversal circular, el protector 400 de alambre puede incluir un orificio central con una sección transversal circular.

La cerámica de aislamiento puede incluir un tratamiento de la superficie en la superficie orientada al alambre de metal para reducir la rugosidad de la superficie orientada al alambre de metal. El tratamiento de la superficie puede ayudar a minimizar o eliminar el rasguño o rayado del alambre de metal al pasar a través de la cerámica de aislamiento. Por ejemplo, la superficie de la cerámica de aislamiento orientada hacia el alambre de metal puede tratarse para incluir un esmalte de superficie que reduce las fuerzas de atracción que provocan la fricción entre la superficie del protector del alambre y el alambre. El tratamiento de embarnizado con láser se puede utilizar para reducir los poros de la superficie, las grietas o las deformaciones en la superficie de la superficie cerámica para reducir la fricción y producir una superficie cerámica de aislamiento más suave. La superficie de la superficie cerámica se puede pulir. La superficie de la superficie cerámica puede tratarse para incluir un revestimiento de carbono similar al diamante. Se puede aplicar un fluoropolímero sintético, tal como politetrafluoroetileno (PTFE) a la superficie cerámica para reducir la fricción. El tratamiento de la superficie puede ayudar a minimizar la formación de pequeñas piezas de alambre de metal que pueden formarse debido a la interacción del alambre de metal con una superficie cerámica de aislamiento rugosa.

La guía 120 está unida al marco 500 de soporte de guía ajustable a través del elemento 300 de soporte. El protector 400 de alambre está unido al elemento 300 de soporte mediante el conector 450. El motor 470 puede estar en comunicación con un sistema de control en comunicación con el dispositivo de soldadura, y el sistema de control del sistema de control puede enviar una señal al motor 470 para hacer avanzar el alambre 180 de metal al dispositivo 600 de soplete de soldadura. El motor 470 puede hacer avanzar continuamente el alambre 180 de metal al dispositivo 600 de soplete de soldadura a menos que este reciba una señal a partir de un sistema de control para detener el avance del alambre 180 de metal. La guía puede ser de cualquier material compatible con la soldadura por arco de plasma. En algunos ejemplos, la guía es o contiene titanio o una aleación de titanio que contiene Ti en combinación con uno o una combinación de Al, V, Sn, Zr, Mo, Nb, Cr, W, Si y Mn. Por ejemplo, la guía puede ser un material que contenga Cu y W. Los ejemplos de aleaciones de titanio incluyen Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-45Al-2Nb-2Cr, Ti-47Al-2Nb-2Cr, Ti-47Al-2W-0.5Si, Ti-47Al-2Nb-1Mn-0.5W-0.5Mo-0.2Si, y Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si.

El sistema de control puede incluir un procesador de ordenador o unidad de procesamiento central (CPU), pantalla de CPU, una o más fuentes de alimentación, conexiones de fuente de alimentación, módulos de señal como entradas y/o salidas, blindaje integrado de señales analógicas, dispositivos de almacenamiento, placas de circuito, chips de memoria u otro medio de almacenamiento, un medio de almacenamiento no transitorio legible por ordenador que tiene un programa legible por ordenador incorporado en el mismo, o cualquier combinación de los mismos. El programa legible por ordenador puede contener software apropiado para automatizar parcial o completamente cualquiera de los sistemas o una combinación de ellos. El programa legible por ordenador puede contener el software apropiado para monitorizar y/o ajustar un parámetro, tal como el accionamiento de un motor, la velocidad del motor, la duración del movimiento del motor, la temperatura, la presión, la posición de la pieza de trabajo, la tasa de deposición, la captura de imágenes de un dispositivo de imágenes y su análisis, o cualquier combinación de los mismos. Los sistemas de control de ejemplo incluyen, pero no se limitan a, el SIMATIC-S7-1500 de Siemens AG (Múnich, Alemania), el sistema IndraMotion m Tx disponible de Bosch Rexroth AG (Lohr am Main, Alemania), y el sistema informático industrial compacto SIGMATEK C-IPC disponible de SIGMAT^e K GmbH & Co. KG (Lamprechtshausen, Austria).

También unido al elemento 300 de soporte puede estar el conjunto 210 de punta de contacto, el cual incluye la unidad 200 de contacto eléctrico y la conexión 230 eléctrica. La unidad 200 de contacto eléctrico contiene la punta de contacto reemplazable que entra en contacto con el alambre 180 de metal. La conexión 230 eléctrica permite que el alambre 180 de metal se conecte de manera eléctrica a la fuente de alimentación eléctrica.

La unidad 200 de contacto puede ser o contener cobre o una aleación de cobre. La aleación de cobre puede contener cualquiera de las clases II a X de ASTM de cobre. La aleación de cobre puede incluir cobre en combinación con Ag, Al, Be, Bo, Cr, In, Mg, Ni, Sn, Sr, W, Zn o Zr o combinaciones de los mismos. Por ejemplo, la unidad de contacto puede ser un material que contenga Cu y W, tal como un compuesto CU/W.

La unidad 200 de contacto eléctrico suministra la corriente eléctrica al alambre 180 de metal a través de una punta de contacto reemplazable de la unidad 200 de contacto eléctrico. La punta de contacto reemplazable es o contiene cobre o una aleación de cobre. La aleación de cobre puede contener cualquiera de las clases II a X de ASTM de cobre. La aleación de cobre puede incluir cobre en combinación con Ag, Al, Be, Bo, Cr, In, Mg, Ni, Sn, Sr, W, Zn o Zr o combinaciones de los mismos. La punta de contacto puede ser un material que contenga Cu y W, tal como un compuesto de Cu/W. Un ejemplo es Brocadur WK₂₀ (Brouwer Metaal B.V, Holanda, Países Bajos), el cual contiene aproximadamente un 80% de W y un 20% de Cu. Se puede utilizar cualquier disposición de punta de contacto adecuada. Por ejemplo, una punta de contacto puede incluir un orificio axial para alimentar el alambre, estando provista la punta de contacto con una muesca en forma de V la cual se extiende a partir de la pared exterior hasta el eje, llevando el orificio axial a la parte inferior de la muesca. La parte inferior de la muesca se puede inclinar hacia el eje adyacente a una boquilla. La punta de contacto puede incluir un mecanismo para presionar el alambre de soldadura contra la parte inferior y las paredes de la muesca, el mecanismo que incluye un resorte colocado en la muesca y apoyado sobre el alambre de soldadura.

Otra disposición de punta de contacto puede incluir una boquilla de cobre perforada a partir de la cual se hace pasar un electrodo consumible, en la forma de alambre de metal enderezado que se alimenta a partir de un suministro de alambre, a una velocidad controlada. Tanto la boquilla de cobre como la pieza de trabajo están conectadas de manera eléctrica a una fuente de alimentación eléctrica que establece un potencial eléctrico entre ellas. Cuando el alambre de metal pasa a través de la boquilla de cobre, entra en contacto con la boquilla y, por lo tanto, se conecta de manera eléctrica a la fuente de alimentación eléctrica. Cuando la punta (la sección del extremo distal) del alambre de metal alcanza una cierta distancia por encima del área de deposición/soldadura, el potencial eléctrico crea un arco eléctrico que se extiende a partir de la punta del alambre de metal hasta el área de deposición/soldadura. El arco eléctrico funde la punta del alambre de metal entrante y deposita así material metálico fundido en el área de deposición.

En la realización que se muestra en la Figura 1, se coloca una guía 120 debajo de una unidad 200 de contacto eléctrico. La unidad 200 de contacto eléctrico puede contener una punta de contacto reemplazable conectada de manera eléctrica a la conexión 230 eléctrica para conectar la punta de contacto con una fuente de alimentación, tal como una fuente de alimentación de CC. La unidad 200 de contacto eléctrico puede ejercer una presión hacia abajo contra la punta de contacto para presionar la punta 215 de contacto en contacto con el alambre 180 de metal. La presión hacia abajo para mantener la punta de contacto en contacto con el alambre de metal se puede lograr, por ejemplo, usando un resorte. Cuando la punta 215 de contacto está en contacto con el alambre 180 de metal, se completa un circuito eléctrico con el soplete PTA 600.

La guía 120 y la unidad 200 de contacto eléctrico se muestran conectadas a un elemento 300 de soporte. La guía 120 y la unidad 200 de contacto eléctrico pueden aislarse térmicamente del elemento 300 de soporte que incluye un material de aislamiento térmico entre los puntos de contacto. El alambre 180 de metal se proporciona en un extremo de la guía 120. El alambre 180 de metal pasa a través de la guía 120 y sale por el otro extremo de la guía 120, donde este se coloca en el arco de plasma por encima del punto de deposición de la pieza de trabajo. La guía 120 puede tener cualquier forma, siempre que esté configurada para recibir un alambre 180 de metal y permitir que el alambre 180 de metal pase a través de la guía 120 sin obstáculos. La forma de la porción exterior de la guía 120 puede tener una sección transversal circular, ovalada, elíptica, o poligonal, por ejemplo, cuadrada, triangular, rectangular, pentagonal, hexagonal, octagonal, o cualquier combinación de las mismas.

La guía 120 se puede enfriar por fluido. Por ejemplo, la guía puede diseñarse para incluir un camino interno para el flujo de fluido a través de la guía. El fluido puede ser cualquier fluido adecuado, tal como agua, un alcohol C¹-C⁵, una polialfaolefina, un alquilen glicol, tal como etilenglicol o propilenglicol, o mezclas de los mismos. En algunas realizaciones, el fluido refrigerante es agua, una mezcla de agua y propilenglicol, o una mezcla de agua y etilenglicol. El fluido refrigerante puede incluir aditivos, tales como sales, inhibidores de corrosión, ajustadores de pH o combinaciones de los mismos.

La guía puede aislarse de manera eléctrica del alambre de metal utilizando un revestimiento de aislamiento eléctrico que contiene un material de aislamiento eléctrico adecuado para su uso en las condiciones a las cuales estaría expuesta la guía durante la soldadura. El material de aislamiento eléctrico puede ser o contener una cerámica de aislamiento eléctrico. Tales cerámicas son conocidas en la técnica y pueden incluir los óxidos o nitruros de Al, B, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Ce, In y Sn y combinaciones de los mismos (por ejemplo, véanse las Patentes de Estados Unidos números 6,344,287 (Celik et al., 2002); 4,540,879 (Haerther et al., 1985); y 7,892,597 (Hookeret al., 2011)). El material de aislamiento eléctrico puede ser o contener nitruro de aluminio, óxido de aluminio, nitruro de magnesio, óxido de magnesio, cuarzo, nitruro de silicio, nitruro de boro, dióxido de circonio y mezclas y combinaciones de los mismos.

El revestimiento de aislamiento eléctrico puede contener un orificio central a través del cual puede pasar el alambre de metal. El orificio central tiene típicamente una forma que se adapta fácilmente al alambre de metal. Por ejemplo, cuando el alambre de metal tiene una sección transversal circular, el revestimiento de aislamiento eléctrico incluye un orificio central con una sección transversal circular. El orificio central del revestimiento de aislamiento eléctrico en general tiene un diámetro que es ligeramente mayor que el diámetro del alambre de metal. Por ejemplo, si se utiliza un alambre de metal que tiene un diámetro de 1.6 mm, el aislamiento en el orificio central puede tener un diámetro interior de aproximadamente 2 mm a 3 mm para permitir que el alambre atraviese fácilmente el orificio central. En algunas configuraciones, la punta misma de la salida del alambre puede tener un revestimiento de aislamiento eléctrico que tiene un diámetro interior diferente del diámetro interior del revestimiento de aislamiento eléctrico utilizado en otras partes en la guía. Por ejemplo, cuando se utiliza un alambre que tiene un diámetro de 1.6 mm, a la vez que el aislamiento en el orificio central puede tener un diámetro interior de aproximadamente 2 mm a 3 mm, la punta misma de la salida del alambre puede tener un revestimiento de aislamiento eléctrico que tiene un diámetro interior de aproximadamente 1.8 mm. El diámetro interior del revestimiento de aislamiento eléctrico en la punta se puede seleccionar de modo que sea lo suficientemente grande para que pase el alambre pero lo suficientemente pequeño para guiar el alambre en la dirección deseada.

El diámetro del alambre de metal, de acuerdo con ciertas realizaciones de la presente invención, puede oscilar entre aproximadamente 0.8 mm y aproximadamente 5 mm. El alambre de metal puede tener cualquier dimensión que se puede implementar en la práctica, por ejemplo, 1.0 mm, 1.6 mm, 2.4 mm, etc. La tasa de alimentación y el posicionamiento del alambre de metal se pueden controlar y modular de acuerdo con el efecto de la fuente de alimentación al soplete de soldadura con el fin de asegurar que el alambre de metal se caliente continuamente y se funda cuando alcanza la posición deseada sobre el material de base, tal como por ejemplo sobre un baño fundido en el material de base. La fuente de calor del soplete de soldadura puede incluir un soplete de arco transferido por plasma (PTA), un haz de electrones, o un láser, o una combinación de los mismos, para fundir el alambre de metal.

Cuando el revestimiento de aislamiento eléctrico incluye una cerámica de aislamiento en las proximidades del orificio central a través del cual pasa el alambre de metal, la cerámica de aislamiento puede incluir un tratamiento de la superficie para reducir la rugosidad de la superficie de la cerámica de aislamiento del alambre de metal. El tratamiento de la superficie puede ayudar a minimizar o eliminar el rasguño o rayado del alambre de metal cuando este pasa a través del revestimiento de aislamiento eléctrico. Por ejemplo, la superficie del revestimiento de aislamiento eléctrico puede tratarse para incluir un barniz de superficie que reduzca las fuerzas de atracción que provocan la fricción entre la superficie del revestimiento y el electrodo. El tratamiento de embarnizado con láser se puede utilizar para reducir los poros de la superficie, las grietas o las deformaciones en la superficie para reducir la fricción y producir una superficie cerámica de aislamiento más suave. La superficie del revestimiento de aislamiento eléctrico se puede tratar para incluir un revestimiento de carbono similar al diamante. Se puede aplicar PTFE a la superficie del revestimiento de aislamiento eléctrico para reducir la fricción. El tratamiento de la superficie puede ayudar a minimizar la formación de pequeñas piezas de alambre de metal que pueden formarse debido a la interacción del alambre de metal con una superficie cerámica de aislamiento rugosa.

El revestimiento de aislamiento eléctrico de la guía 120 puede tener cualquier forma, siempre que esté configurado para tener un orificio central que reciba un alambre 180 de metal y permita que el alambre 180 de metal pase a través del revestimiento de aislamiento eléctrico. La forma de la porción exterior del revestimiento de aislamiento puede tener una sección transversal circular, ovalada, elíptica, o poligonal, por ejemplo, cuadrada, triangular, rectangular, pentagonal, hexagonal u octogonal.

En la realización que se representa, la unidad 200 de contacto eléctrico puede contener una punta de contacto reemplazable que se pone en contacto con el alambre de metal. La punta de contacto reemplazable dentro de la unidad 200 de contacto eléctrico contiene cobre o una aleación de cobre, o un compuesto de cobre, tal como una combinación de cobre y tungsteno. Las puntas de contacto están disponibles comercialmente, y la invención no está limitadas a algún tipo específico de punta de contacto. Se prepara una punta de contacto de ejemplo a partir de una combinación de tungsteno y cobre, disponible a partir de Brouwer Metaal B.V. (Holanda, Países Bajos), tal como Brocadur WK₂₀, la cual contiene aproximadamente 80% W y 20% Cu. La punta de contacto conecta de manera eléctrica el alambre de metal a una fuente de alimentación de corriente continua, la cual también está conectada a la región objetivo del cuerpo de metal que se forma mediante la fabricación de forma libre. En algunas realizaciones, la conexión eléctrica se realiza de tal modo que el alambre de metal sea el cátodo y la región objetivo sea el ánodo. En algunas realizaciones, la conexión eléctrica se realiza de modo que el alambre de metal sea el ánodo y la región objetivo sea el cátodo. Cuando el alambre de metal entra en el arco del soplete PAW, tal como un soplete PTA, la columna de plasma que incluye el arco eléctrico, entrega un flujo de calor altamente concentrado a una pequeña área de superficie de la región objetivo con un excelente control de la extensión del área y la magnitud del flujo de calor que se suministra a partir del soplete PTA. Un soplete PTA tiene la ventaja de proporcionar arcos estables y consistentes con poca desviación y buena tolerancia a las desviaciones de longitud entre el cátodo y el ánodo. El soplete PTA puede tener un electrodo de tungsteno y una boquilla de cobre o aleación de cobre. Sin embargo, la invención no está vinculada a ninguna elección o tipo específico de soplete PTA. Se puede utilizar cualquier dispositivo conocido o concebible que pueda funcionar como soplete PTA.

La punta de contacto reemplazable se puede unir a un soporte cilíndrico dentro de la unidad de contacto eléctrico. En algunas realizaciones, la punta de contacto está aislada térmicamente del soporte cilíndrico mediante el uso de un material de aislamiento térmico intermedio. Cualquier material de aislamiento térmico que pueda soportar las temperaturas a las cuales podría estar expuesta la punta de contacto es apropiado para su uso dentro de la unidad de contacto eléctrico. Un material de aislamiento térmico de ejemplo es la cerámica, la cual también se puede seleccionar para que sea de aislamiento eléctrico, lo cual minimizaría o impediría que la corriente eléctrica se transfiera a partir de la punta de contacto a la unidad de contacto eléctrico. Cualquiera de las cerámicas descritas anteriormente podría usarse para construir un accesorio apropiado para unir la punta de contacto al soporte cilindrico dentro de la unidad de contacto eléctrico.

La punta de contacto dentro de la unidad de contacto eléctrico se mantiene en contacto con el alambre de metal para asegurar una corriente constante al alambre de metal y un circuito completo que contiene la fuente de energía, el alambre de metal y el área objetivo. En algunas realizaciones, la punta de contacto se mantiene en contacto con el alambre de metal mediante un conjunto de presión de la punta de contacto. El conjunto de presión de la punta de contacto puede ser parte de la unidad de contacto eléctrico, o puede ser un elemento separado. La presión hacia abajo para mantener la punta de contacto en contacto con el alambre 180 de metal se puede lograr usando, por ejemplo, un resorte, sistema hidráulico, tornillos mecanizados o un conjunto de pistón motorizado. Cuando se usa un resorte, se puede seleccionar el resorte para que ejerza una fuerza de intensidad o magnitud apropiadas de modo que no sea tan fuerte como para que la punta de contacto raye el alambre 180 de metal pero lo suficientemente fuerte como para mantener el contacto entre la punta de contacto y el alambre 180 de metal. Dependiendo de la configuración elegida, se puede usar un resorte, tal como un resorte de compresión, que tenga una constante elástica en el rango de aproximadamente 0.001 a aproximadamente 10 N/m para forzar la punta de contacto hacia abajo contra el alambre 180 de metal. En lugar de, o además de un resorte, el conjunto de presión puede incluir un cilindro hidráulico que puede usarse para proporcionar una fuerza para mantener la punta de contacto en contacto con el alambre de metal. El conjunto de presión de la punta de contacto puede configurarse para que ejerza a partir de aproximadamente 100 hasta aproximadamente 800 gramos de presión al alambre para que entre en contacto con la punta de contacto.

En algunas realizaciones, la punta de contacto se mantiene en contacto con el alambre de metal mediante un conjunto de prensado de alambre. El conjunto de prensado de alambre puede ejercer una presión hacia arriba contra el alambre 180 de metal para presionar el alambre 180 de metal en contacto con la punta de contacto. La presión hacia arriba para mantener el alambre 180 de metal en contacto con la punta de contacto se puede lograr, por ejemplo, usando un gancho en forma de L conectado a un resorte, sistema hidráulico, tornillos mecanizados o un conjunto de pistón motorizado. El resorte puede seleccionarse para ejercer una fuerza de magnitud o intensidad apropiadas de modo que no sea tan fuerte como para que la punta 180 de contacto raye el alambre, pero lo suficientemente fuerte para mantener el contacto entre la punta de contacto y el alambre 180 de metal. Dependiendo de la configuración elegida, se puede usar un resorte, tal como un resorte de compresión que tiene una constante elástica en el rango de aproximadamente 0.001 a aproximadamente 10 N/m) para forzar el alambre 180 hacia arriba hacia la punta de contacto. La presión hidráulica en un pistón hidráulico también se puede usar para forzar el alambre hacia la punta de contacto. El conjunto de prensado de alambre se puede configurar para ejercer de aproximadamente 100 a aproximadamente 800 gramos de presado del alambre para que entre en contacto con la punta de contacto. En algunas realizaciones, se puede utilizar una combinación de un conjunto de prensado de la punta de contacto para presionar la punta de contacto hacia abajo, y un conjunto de prensado del alambre para presionar el alambre de metal hacia arriba.

También unido al marco 500 de soporte de guía ajustable hay un detector 700 que puede detectar la posición del extremo distal del alambre de metal alambre 180 de metal en el arco del soplete PTA 600. El detector 700 se puede unir al marco 500 de soporte de guía ajustable a través del soporte 710 de detector. Cualquier detector que permita la posición del extremo distal del alambre 180 de metal con respecto a la fuente de calor, tal como el arco del soplete PAW 600, el haz de láser forma un soplete láser, o se puede utilizar el haz de electrones de un soplete de haz de electrones. El detector puede incluir una cámara, un sensor óptico, un sensor de imagen, un fotodiodo, una matriz de fotodiodos, un sensor semiconductivo de óxido de metal complementario (CMOS), un dispositivo de carga acoplada (CCD), un sensor de píxeles activos, un sensor de electrones, un mecanismo de detección de fenómenos de electrones, o una combinación de los mismos.

Un detector de ejemplo incluye una o más cámaras que permiten visualizar la posición del extremo distal del alambre 180 de metal con respecto al arco del soplete 600 pAw o alternativamente, el haz de láser forma un soplete láser, o el haz de electrones de un soplete de haz de electrones. Se puede utilizar una cámara CMOS de alto rango dinámico como el detector 700 para obtener imágenes en color o en blanco y negro del arco de plasma, haz de láser, o haz de electrones y la posición del extremo distal del alambre 180 de metal. Las imágenes pueden visualizarse en vivo en un dispositivo de visualización, tal como un monitor. El dispositivo de visualización puede incluir una pantalla LED de panel plano, una pantalla de cristal líquido (LCD), una pantalla de transistor de película delgada, o una pantalla de tubo de rayos catódicos. El campo de visión de la cámara se puede ajustar ajustando la cámara y/o mediante el ajuste electrónico del campo de visión de la cámara. El detector 700 puede colocarse de modo que su plano focal esté en línea con el extremo distal del alambre 180 de metal y el extremo distal del alambre 180 de metal esté en general dentro del centro del campo de visión de la cámara. La cámara se coloca en relación de formación de imágenes con el soplete PAW, el soplete láser, o el soplete de haz de electrones y el extremo distal del alambre 180 de metal de tal manera que la línea central del extremo distal del alambre 180 de metal se coloca dentro del campo de visión de la cámara. Se puede colocar un filtro de paso de banda frente a la cámara con el fin de filtrar el ruido y/o reducir la cantidad de luz producida por el arco recibida por la cámara con el fin de mejorar la visualización del contraste del extremo distal del alambre 180 de metal. Como complemento de la cámara, se puede utilizar un foto detector con retroalimentación activa para ajustar automáticamente el tiempo de exposición, la ganancia, el gamma, y el mapeo de tonos o cualquier combinación de los mismos, para mejorar el contraste.

El filtro utilizado puede seleccionarse de modo que una longitud de onda específica de la fuente de calor del soplete de soldadura sea bloqueada por el filtro o sea la única longitud de onda dominante que pase a través del filtro, proporcionando un mecanismo para distinguir la fuente de calor para el sustrato calentado. Se puede programar un sensor de imágenes de vídeo para detectar la longitud de onda seleccionada deseada. El detector se puede configurar para que esté frente al soplete de soldadura y monitorice la luz emitida durante el proceso de soldadura. Los cambios en las longitudes de onda detectadas se pueden utilizar para determinar que el alambre de metal no esté alineado correctamente dentro de la fuente de calor del soplete de soldadura. Las señales generadas por el sistema de imágenes, o las señales convertidas generadas por el sistema de control, se pueden usar para activar el sistema de reposicionamiento para cambiar la posición del extremo distal del alambre. El reposicionamiento también puede ser realizado manualmente por un operador en respuesta a la imagen de vídeo.

El uno o más detectores 700 pueden estar en comunicación con el sistema de control, el cual también está en comunicación con el motor 570. Cuando el sistema de control recibe una señal del detector 700 de que el extremo distal del alambre 180 de metal necesita ser reposicionado, el sistema de control puede proporcionar una señal al motor 570 para modular la relación angular entre el marco 500 de soporte de guía ajustable y el marco 900 de soporte principal fijo para mover el extremo distal del alambre 180 de metal, tal como para reposicionar o mantener el extremo distal dentro del arco del soplete 600 PAW. Se puede usar una caja de control de procesamiento de señales, tal como un ordenador con software de procesamiento de señal diseñado para procesar señales que se obtienen a partir de una cámara) para procesar los datos del detector 700 y deducir el punto central del alambre, tal como con base en puntos de referencia fijos en los dispositivos conectados al marco de soporte principal en su campo de visión (por ejemplo, soporte 650 de soplete o soplete 600 fusor (en su campo de visión), y con base en características dinámicas tales como la forma del arco, la concentración del arco, la línea central de la cuerda depositada, la desviación de las gotas, etc. El factor de corrección angular deducido para ajustar el marco 500 de soporte de guía se puede mostrar en un monitor para la corrección manual, o la caja de control de procesamiento de señales puede enviar automáticamente la información de manera electrónica a través del software o a través de la interfaz de señal directa al motor 570. En consecuencia, las señales del detector 700 se pueden monitorizar continuamente y usar para identificar el extremo distal del alambre de metal que se debe reposicionar. En algunas aplicaciones, los mecanismos de control de retroalimentación que responden a las señales del detector 700 se pueden usar para ajustar el marco 500 de soporte de guía. En realizaciones de ejemplo, el extremo distal del alambre de metal se reposiciona continuamente en respuesta a la monitorización continua que detecta su posición para asegurar que el extremo distal del alambre de metal está o permanece en la fuente de calor emitida por el soplete de soldadura. En realizaciones de ejemplo, la fuente de calor es el arco de plasma, el haz de láser, el haz de electrones u otra emisión del soplete de soldadura utilizado.

El alambre 180 de metal puede ser de cualquier metal utilizado en la soldadura con soplete. El alambre de metal puede ser o contener titanio. El alambre de metal puede ser o contener una aleación de titanio que contiene Ti en combinación con uno o una combinación de Al, V, Sn, Zr, Mo, Nb, Cr, W, Si, y Mn. Por ejemplo, las aleaciones de titanio de ejemplo incluyen Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-45Al-2Nb-2Cr, Ti-47Al-2Nb-2Cr, Ti-47Al-2W-0.5Si, Ti-47Al-2Nb-1Mn-0.5W-0.5Mo-0.2Si. y Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si. El alambre de metal puede contener aluminio, hierro, cobalto, cobre, níquel, carbono, titanio, tántalo, tungsteno, niobio, oro, plata, paladio, platino, circonio, aleaciones de los mismos, y combinaciones de los mismos. El alambre de metal puede tener una sección transversal circular. El diámetro del alambre puede estar en el rango entre aproximadamente 0.5 mm a aproximadamente 5 mm. El alambre de metal puede tener cualquier dimensión que se puede implementar en la práctica, por ejemplo, 1.0 mm, 1.6 mm, 2.4 mm, etc. El alambre de metal fundido se puede depositar sobre el material de base de acuerdo con el perfil de deposición producido usando un modelo de ordenador del objeto a ser formado de tal manera que el objeto se construye fusionando sucesivos depósitos del material metálico sobre el material de base.

El posicionamiento del material de base y uno o más sopletes PAW se puede lograr usando uno o más accionadores. En realizaciones de ejemplo, el material de base se puede reposicionar o mover usando una bandeja de accionador sobre la cual descansa el material de base. La bandeja del accionador puede mover el material de base en cualquier dirección. En realizaciones de ejemplo, la bandeja del accionador se puede colocar en un sistema de vía o riel y puede mover el material de base en cualquier dirección deseada. Alternativamente, la bandeja del accionador se puede operar usando un brazo mecánico o robótico. El accionador también se puede operar usando sistemas hidráulicos. De manera similar, uno o más sopletes PAW se pueden mover usando uno o más accionadores. Por ejemplo, cada uno de los uno o más sopletes ^pA^w se puede unir a un brazo accionador controlado independientemente, tal como un brazo robótico o mecánico. También se puede implementar el uso de otros tipos de mecanismos para el brazo accionador, tal como por ejemplo sistemas de riel o vía. Los accionadores también se pueden operar usando sistemas hidráulicos. En realizaciones de ejemplo en los cuales se utilizan dos o más sopletes PAW, cada soplete PAW se puede mover de forma independiente. En realización alternativa que utiliza dos o más sopletes PAW, la posición de dos o más sopletes PAW puede fijarse entre sí y uno o más brazos accionadores mueven los dos o más sopletes PAW simultáneamente. En realizaciones de ejemplo, la bandeja del accionador es el único accionador utilizado, manteniendo uno o más sopletes PAW en una posición fija durante la deposición. En realizaciones alternativas, la bandeja del accionador mueve el material de base solo dentro de dos direcciones en un plano, a la vez que uno o más brazos del accionador mueven uno o más sopletes PAW en una sola dirección, por ejemplo, perpendicularmente al plano en el cual se mueve la bandeja del accionador. Lo contrario también puede ser cierto, cuando uno o más brazos accionadores mueven uno o más sopletes PAW en dos direcciones dentro de un plano a la vez que la bandeja del accionador mueve el material de base a lo largo de una sola dirección. En realizaciones alternativas, el material de base se mantiene en una posición fija durante la deposición, y se utilizan uno o más brazos accionadores para mover uno o más sopletes PAW. Aún en una realización alternativa, se utilizan una bandeja de accionador y uno o más brazos de accionador para mover el material de base y uno o más sopletes PAW. Un sistema o software de fabricación asistida por ordenador (CAM) puede dirigir el movimiento de la bandeja del accionador, el primer brazo del accionador, el segundo brazo del accionador o cualquier combinación de los mismos en respuesta al perfil de deposición.

Aunque la descripción anterior contiene detalles significativos, no debe interpretarse como una limitación del alcance de la invención, sino más bien como que proporciona ilustraciones de diversas realizaciones de la invención.

Lista de signos de referencia

Será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención. Por lo tanto, se pretende que la presente invención cubra las modificaciones y variaciones de esta invención siempre que estén dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.

200 Unidad de contacto eléctrico

210 Conjunto de punta de contacto

230 Conexión eléctrica

300 Elemento de soporte

400 Protector de alambre

450 Conector

460 Rodillos motorizados

465 Contador de rotación

470 Motor

475 Rodillos motorizados

480 Contador de rotación

485 Rodillos de guía

490 Rodillos de guía

495 Conector del marco de suministro de alambre

500 Marco de soporte de guía ajustable

550 Recorte

570 Motor

600 Primer soplete PTA

610 Segundo soplete PTA

650 Soporte de soplete

700 Detector (cámara)

710 Soporte del detector

800 Junta de pivote

810 Pistón de soporte giratorio

820 Soporte

830 Conector

900 Marco de soporte principal

920 Placa (acoplando el miembro roscado accionado por el motor)

930 Soporte

940 Soporte

Claims (21)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de posicionamiento de alambre de metal, caracterizado porque comprende:

Un marco (900),

una placa (920) que contiene una abertura roscada internamente, la placa unida de manera fija al marco principal; una unidad de sujeción unida al marco principal, comprendiendo la unidad de sujeción un pistón (810) de soporte giratorio acoplado con una junta (800) de pivote y un conector (830) conectado al pistón de soporte giratorio y soportando pivotantemente el pistón de soporte giratorio;

un marco (500) de soporte de guía ajustable conectado de forma giratoria al marco (900) principal por la unidad de sujeción a través de la junta (800) de pivote y suspendido por el pistón (810) de soporte giratorio;

un motor (570) unido al marco (500) de soporte de la guía ajustable, el motor unido a un miembro roscado que se engancha con la abertura internamente roscada en la placa (920) de tal manera que el marco (500) de soporte de la guía ajustable se reposiciona hacia o lejos del marco principal en respuesta a una rotación del miembro roscado; y un detector (700) que detecta la posición de un arco de soplete de soldadura.

2. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además un sistema de control en comunicación con el motor (570), el sistema de control controla una rotación del motor y, por lo tanto, el movimiento del miembro roscado.

3. El sistema de la reivindicación 2, en el que el sistema de control controla una cantidad y una dirección en la que gira el elemento roscado.

4. El sistema de la reivindicación 1, en el que el miembro roscado es un tornillo o perno.

5. El sistema de la reivindicación 1, en el que la rotación del miembro roscado por el motor (570) en una dirección reposiciona el marco (500) de soporte de guía ajustable hacia el marco (900) principal, y la rotación del miembro roscado por el motor en la dirección opuesta reposiciona el marco de soporte de la guía ajustable lejos del marco principal.

6. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además un manguito móvil que rodea el elemento roscado.

7. El sistema de la reivindicación 1, en el que el motor es un motor de corriente continua accionado por una señal de control de potencia.

8. El sistema de la reivindicación 1, en el que el motor (570) es un motor paso a paso.

9. El sistema de la reivindicación 8, el motor paso a paso permite una rotación del miembro roscado en cualquier dirección controlando electrónicamente el número de pulsos de energización suministrados al motor.

10. El sistema de la reivindicación 1, en el que el detector está unido al marco (500) de soporte de la guía ajustable mediante un soporte (710) de detector.

11. El sistema de la reivindicación 1, en el que el detector comprende una cámara.

12. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además un dispositivo de alimentación maestro que contiene un primer alimentador (475) de alambre motorizado, un motor (470) del alimentador de alambre, un contador (465) de rotación y un segundo alimentador (460) de alambre motorizado.

13. El sistema de la reivindicación 12, en el que el motor (470) del alimentador de alambre acciona el primer alimentador de alambre motorizado (475) y el segundo alimentador (460) de alambre motorizado.

14. El sistema de la reivindicación 12, en el que el contador (465) de rotación está situado entre el primer alimentador (475) de alambre motorizado y el segundo alimentador (460) de alambre motorizado.

15. El sistema de la reivindicación 14, que comprende además un contador (480) de rotación colocado antes del primer alimentador (475) de alambre motorizado.

16. El sistema de la reivindicación 1, en el que el marco (900) principal comprende un corte, perforación u orificio.

17. El sistema de la reivindicación 1, en el que el marco (500) de soporte de guía ajustable comprende un corte, perforación u orificio.

18. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además:

un elemento (300) de soporte unido al marco (500) de soporte de guía ajustable;

un elemento (120) guía unido al elemento de soporte; y

un conjunto (210) de punta de contacto unido al elemento de soporte.

19. El sistema de la reivindicación 18, en el que el conjunto (210) de punta de contacto comprende una punta de contacto reemplazable.

20. Un sistema para la producción de un objeto de un material soldable por fabricación sólida de forma libre, que comprende:

un sistema de posicionamiento de alambre de metal de acuerdo con la reivindicación 1; y

un primer soplete de soldadura unido de manera fija al marco (900) principal.

21. El sistema de la reivindicación 20, que comprende además un segundo soplete de soldadura unido de forma fija al marco (900) principal.