JP2019525843A - 金属溶接用の流体冷却式コンタクトチップ組立体 - Google Patents

Abstract

立体自由形状造形により物体、特にチタン体及びチタン合金体を製造するための方法及びシステムにおいて使用できる流体冷却式コンタクトチップ組立体であって、金属ワイヤを通る電荷の流量を増加させることにより堆積速度を増加させる、流体冷却式コンタクトチップ組立体が提供される。

Description

本発明は、立体自由形状造形により物体、特にチタン体及びチタン合金体を製造するための方法及び装置に関する。

チタン又はチタン合金で作製された構造化金属部品は、従来、ビレットから鋳造、鍛造又は機械加工することにより作製されている。これらの技法には、高価なチタン金属の材料を多く浪費し、金属部品の造形におけるリードタイムが長いという不都合がある。

十分に稠密な物理的物体は、高速プロトタイピング、高速製造法、積層製造法、立体自由形状造形法、付加造形法、付加製造法、又は３Ｄ印刷として知られる製造技術により作製することができる。この技術は、コンピュータ支援設計ソフトウェア（ＣＡＤ）を用いて、まず、作製すべき物体の仮想モデルを構築し、次に、その仮想モデルを、通常水平方向に向けられる薄い平行なスライス又は層に変換する。その後、物理的物体を、例えば溶融した溶接ワイヤからの、溶融金属などの、液状ペーストの形態、粉末の形態、又は他の積層可能な形態、塗り広げ可能な形態、若しくは流体形態の連続した原料の層、或いは仮想層の形状に類似するシート材料として予備成形された連続した原料の層を物体全体が形成されるまで積み重ねることにより作製することができる。それらの層を合わせて融着させ、立体稠密物体を形成する。

立体自由形状造形は、典型的には各物体に対して数時間から数日の範囲の比較的高速の生産速度でほぼ全ての形状の物体の作成を可能にする柔軟な技術である。したがって、この技術は、試作品の形成及び少量生産に適しており、大量生産に規模を拡大することができる。

積層製造法の技術を、複数片の構成材料の堆積を含むように拡張することができ、つまり、物体の仮想モデルの各構造層が、並べて置かれたときに層を形成する１組の部片に分割される。これにより、物体の仮想積層モデルに従って各層を形成する連続したストライプ状にワイヤを基材の上に溶接し、物理的物体全体が形成されるまで各層に対してプロセスを繰り返すことにより、金属物体を形成することができる。溶接技術の精度は、通常、許容可能な寸法の物体を直接形成できないほど粗い。したがって、形成される物体は、通常、許容可能な寸法精度まで機械加工する必要がある未加工物体又は予備成形品とみなされる。

電子ビーム自由形状製造が当該技術分野で知られている（例えば、（非特許文献１）、（非特許文献２）、及び（非特許文献３）を参照）。Ｔａｍｉｎｇｅｒ及びＨａｆｌｅｙ（２００６）は、電子ビーム自由形状造形（ＥＢＦ）と組み合わせてコンピュータ支援設計データから構造金属部品を直接製造する方法及び装置を説明している。構造部品は、電子ビームにより提供される熱エネルギーにより溶接される金属製溶接ワイヤの連続した層の上に溶接することにより構築される。ＥＢＦプロセスは、高真空環境において集束電子ビームにより作られ維持される溶融池内に金属ワイヤを溶融させることを伴う。電子ビーム及び溶接ワイヤの位置決めは、電子ビーム銃と基材を支持するアクチュエータとが１つ又は複数の軸線（Ｘ軸線、Ｙ軸線、Ｚ軸線、及び回転軸線）に沿って移動可能にヒンジ連結されるようにして、４軸運動制御システムにより電子ビーム銃及び支持基材の位置を調整することにより得られる。このプロセスは、材料の使用がほぼ１００％効率的であり電力消費が９５％効果的であると主張されている。この方法は、バルク金属堆積とより精巧で緻密な堆積の両方に用いることができ、この方法は、金属部品を機械加工する従来の手法と比較して、リードタイムの短縮と材料コスト及び機械加工コストの低減とに対して著しい効果を得ると主張されている。電子ビーム技術には、堆積室において１０^−１Ｐａ以下の高真空に依存するという不都合がある。

ＴＩＧ溶接トーチを使用して、立体自由形状造形（ＳＦＦＦ）（延性の低い金属供給原材料の連続した層が基材の上に堆積される）により物体を構築することが知られている（例えば、Ａｄａｍｓの（特許文献１）を参照）。電極を使用して流動ガスを励起することによりプラズマアークが生成され、電極には大きさの変化する電流が供給される。堆積前に加工物の所定の標的領域を予熱するために、プラズマ流が所定の標的領域に向けられる。電流が調節されるとともに、プラズマ流に供給原材料が送給されて、溶融した供給原料が所定の標的領域に堆積される。電流が調整されるとともに、溶融した供給原料が高温（典型的には供給原材料の脆性−延性遷移温度を超える温度）に徐々に冷却されて、冷却段階において材料応力の発生が最小限に抑えられる。

Ｗｉｔｈｅｒｓ ｅｔ ａｌ．（特許文献２）はまた、原料のコストを大幅に低減するようにチタン供給材と合金化成分とを組み合わせることによる比較的低コストのチタン供給材料を用いる、立体自由形状造形（ＳＦＦＦ）プロセスにおいて従来使用されてきた高価なレーザの代りにＴＩＧトーチを使用することを説明している。Ｗｉｔｈｅｒｓ ｅｔ ａｌ．はまた、合金化元素と混合されワイヤに成形されるチタンスポンジ材料であって、チタン製のニアネットシェイプの構成要素を生産するためにプラズマ溶接トーチ又は他の高出力エネルギービームとの組み合わせでＳＦＦＦプロセスにおいて使用できるチタンスポンジ材料の使用を説明している。

Ａｂｂｏｔｔ ｅｔ ａｌ．（（特許文献３）、２００６）は、基材を準備するステップと、レーザ放射及び電気アークを使用して金属供給原料から基材上に第１の溶融金属層を堆積させるステップとを含む、複雑な３次元形状を製造するためのレーザ／アークハイブリッド法を使用する直接金属堆積プロセスを開示している。電気アークは、金属供給原料を電極として使用するガスメタルアーク溶接により提供することができる。Ａｂｂｏｔｔ ｅｔ ａｌ．は、ガスメタルアーク溶接との組み合わせでのレーザ照射の使用がアークを安定させてより高い加工速度を提供するとされることを教示している。Ａｂｂｏｔｔ ｅｔ ａｌ．は、ワイヤガイドにより案内されてワイヤガイドから出る金属ワイヤを利用する。金属ワイヤの金属が端部において溶融され、堆積箇所の上に端部を位置決めすることにより溶融金属が堆積される。金属ワイヤを溶融させるのに必要な熱は、電極の先端と加工物／堆積基材との間に広がる電気アークにより且つ堆積領域に照射するレーザにより供給される。電気アークにより加熱される金属ワイヤを溶融させることによる溶接は、非反応性ガスを使用してアークを形成する場合には金属不活性ガス溶接（ＭＩＧ溶接）とも呼ばれる、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）として知られている。

対処すべき問題は、加工物を形成するための母材上への材料の堆積速度である。金属ワイヤがアークトーチのアークと相互作用する前に金属ワイヤの温度を上昇させて金属ワイヤを予熱することができる。金属ワイヤの予熱は、電極を通る電荷の流量（電流のアンペア）を増加させることにより、又は金属ワイヤの断面を調整して電極の抵抗加熱を高めることにより達成することができる。４００℃を超えて加熱されたチタン金属又はチタン合金は、酸素に接触すると酸化する可能性がある。したがって、積層自由形状製造により形成される溶接され加熱された物体を周囲雰囲気中の酸素から保護する必要がある。

しかしながら、大電流の使用により、多くの問題が引き起こされる可能性がある。電流の変化が制御されない場合、金属ワイヤの急速な過熱が起こり、コンタクトチップへの金属ワイヤのバーンバックを生じさせる可能性がある。バーンバックは、コンタクトチップとの金属ワイヤの融着をもたらす可能性があり、これにより、コンタクトチップの交換が必要となる。大電流の使用はまた、コンタクトチップ自体の温度を上昇させる可能性があり、且つコンタクトチップの過熱をもたらす可能性がある。コンタクトチップの過熱の結果の１つは、コンタクトチップの伸びであり得る。コンタクトチップの構成に応じて、かかる伸びの結果として、コンタクトチップが金属ワイヤのより近くに再配置される可能性があり、このことにより、コンタクトチップと金属ワイヤとの間の摩擦が増加する可能性があるとともに、金属ワイヤが損傷するか又は傷つく可能性がある。過熱が原因で起こるコンタクトチップの幾何形状の調整はまた、熱によって誘起される伸び又は凹凸によりコンタクトチップの偏摩耗をもたらす可能性がある。このことは、コンタクトチップ内での電気アークの形成につながる可能性がある。コンタクトチップの過熱はまた、コンタクトチップに微小孔の形成をもたらす可能性があり、微小孔の形成により溶接機器の誤作動が生じる可能性がある。

コンタクトチップにおける大電流の使用により起こり得るこれらの問題により、結果として、コンタクトチップの頻繁な交換と、最悪の場合のシナリオでは、溶接機器の清掃とが必要となる可能性がある。コンタクトチップを交換し且つ／又は機器を清掃するには、機器を停止して、生産を中断する必要がある。機器の停止及び生産の中断は、コストがかかり、生産性に悪影響を及ぼす。

また、当該技術分野では、増加した金属堆積速度で直接金属堆積を行う経済的な方法も必要である。更に、当該技術分野では、過熱に起因するコンタクトチップの頻繁な交換のリスクなしに直接金属堆積により形成される製品のスループット及び歩留まりの向上を可能にする機器が必要である。

米国特許出願公開第２０１０／０１９３４８０号明細書 米国特許出願公開第２００６／１８５４７３号明細書 国際公開第２００６／１３３０３４号パンフレット

Ｔａｍｉｎｇｅｒ ａｎｄ Ｈａｆｌｅｙ "Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ２２１９ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｆｒｅｅｆｏｒｍ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ" Ｐｒｅｓｅｔｎｅｄ ａｔ ｔｈｅ １３ｔｈ Ｓｏｌｉｄ Ｆｒｅｅｆｏｒｍ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ａｕｇｕｓｔ ５−７，２００２，Ａｕｓｔｉｎ，ＴＸ；Ｉｎ ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｕｎｉｖｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｘａｓ ａｔ Ａｕｓｔｉｎ （２００２） Ｔａｍｉｎｇｅｒ ａｎｄ Ｈａｆｌｅｙ（"Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｆｒｅｅｆｏｒｍ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ：Ａ Ｒａｐｉｄ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ" Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３ｒｄ Ａｎｎｕａｌ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ９−１０，２００３，Ｔｒｏｙ，ＭＩ，Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（２００３） Ｔａｍｉｎｇｅｒ ａｎｄ Ｈａｆｌｅｙ（"Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｆｒｅｅｆｏｒｍ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｏｓｔ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｎｅａｒ−Ｎｅｔ Ｓｈａｐｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ"，ＮＡＴＯ／ＲＴＯＡＶＴ−１３９ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ’Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ Ｃｏｓｔ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｖｉａ Ｎｅｔ Ｓｈａｐｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，２００６）（ＮＡＴＯ），ｐｐ９−２５）

本発明の目的は、過熱に起因するコンタクトチップの頻繁な交換のリスクなしに直接金属堆積により形成される製品のスループット及び歩留まりの向上を可能にする機器を提供することである。別の目的は、高流量の電荷を利用できる、直接金属堆積により形成される製品の生産に使用される機器を提供することである。本明細書で提供される機器は、大電流を扱うことができる。例えば、機器は、１００、２００、３００、３５０、４００アンペア、又はそれ以上の電流を扱うことができる。本明細書で提供される機器はまた、金属ワイヤ及びガイドの温度膨張を軽減する。

本発明の別の目的は、チタン又はチタン合金での物体の高速積層製造のための方法を提供することである。

本発明は、直接金属堆積を行う改良された経済的な方法の必要性に対処する。本発明は更に、直接金属堆積により形成される部品であって、平滑で明確に画定された堆積境界を有する部品のスループット及び歩留まりを向上させる方法の必要性に対処する。

本発明の別の目的及び利点は、コンタクトチップの改良により金属ワイヤ送給の問題が低減されるとともにより低い人件費及び生産性の向上がもたらされることである。本発明は金属ワイヤの使用との相互関係において説明されるが、材料を堆積させるために案内して溶融させることができる任意の導電性構造体を使用できる、例えば、適切なサイズ及び形状の任意の消耗電極を使用できることが留意される。

本明細書で提供される機器は、ワイヤの形態の金属ワイヤを供給し、金属ワイヤにおいて比較的高い流量の電荷を使用し、且つ流体冷却システムを用いてコンタクトチップを冷却することにより堆積速度を増加させる。流体冷却システムは、冷却チャネルをコンタクトチップ若しくはガイド又はこれらの両方に組み込んでいる。冷却チャネルは、電流が流れる場所の近くに位置決めすることができる。いくつかの実施形態において、冷却チャネルは、冷却チャネルへの熱エネルギーの迅速な伝達を可能にするためにコンタクトチップに十分に近接して位置する。

本明細書では、流体冷却式コンタクトチップ組立体が提供される。例示の実施形態が図１に描かれている。流体冷却式コンタクトチップ組立体１００は、ガイド１２０と、電気接続部２３０によって電源に接続されたコンタクトチップ２１５を収容する電気接点ユニット２００とを含むことができる。いくつかの実施形態において、コンタクトチップ組立体１００は、流体冷却式電気接点ユニット２００、若しくは流体冷却式ガイド１２０、又は流体冷却式電気接点ユニット２００と流体冷却式ガイド１２０の両方を含むことができる。

コンタクトチップ組立体１００はまた、金属ワイヤを押圧してコンタクトチップ２１５に接触させるためのワイヤ押圧組立体１９０を含むことができる。ワイヤ押圧組立体１９０は、ワイヤ押圧組立体１９０の作用により金属ワイヤ１８０に接触させることができる絶縁先端１９５を含むことができ、絶縁先端１９５は、金属ワイヤを押圧してコンタクトチップ２１５に接触させる。ワイヤ押圧組立体１９０は、Ｔｉ若しくはＴｉ合金で作製することができ、又はＴｉ若しくはＴｉ合金を含有することができる。ワイヤ押圧組立体１９０がコンタクトチップ２１５に対して金属ワイヤを押圧できるように、ワイヤ押圧組立体１９０がシャフトを中心に自由に移動することを可能にするシャフトを使用することなどにより、ワイヤ押圧組立体１９０を電気接点ユニット２００に接続することができる。接続シャフトは、ワイヤ押圧組立体１９０を電気接点ユニット２００から熱的に隔離できるように、断熱材料とすることができ又は断熱材料で被覆することができる。本明細書で提供されるシステム、装置及び方法において、消耗コンタクトチップ２１５は、ガイドとは別個のものであるとともにガイドから離れて位置し、且つ金属ワイヤは、金属ワイヤがガイドの端部分を通過した後にコンタクトチップに接触させる。

ワイヤ押圧組立体１９０は、金属ワイヤ１８０を押圧してコンタクトチップ２１５に接触させる力を及ぼす。ワイヤ押圧組立体１９０の力は、ばね、油圧機構、空気圧式アクチュエータ、機械ねじ、若しくは電動ピストン組立体、又はこれらの任意の組み合わせを使用して発生させることができる。いくつかの実施形態において、ばねは、ワイヤ押圧組立体１９０が金属ワイヤ１８０を押圧してコンタクトチップ２１５に接触させるようにする圧力を及ぼす。ばねは、圧縮ばね、引張ばね、又はねじりばねとすることができる。ワイヤ押圧組立体１９０は、複数のばねを含むことができ、これらばねの各々は、圧縮ばね、引張ばね、又はねじりばねとすることができる。

流体冷却式コンタクトチップ組立体は、支持のためにガイド１２０と電気接点ユニット２００とを接続できる支持要素３５０を含むことができる。コンタクトチップ組立体１００が流体冷却式ガイド１２０を含む場合に、支持要素３５０は、ガイド冷媒入口１５７と流体連通するように接続可能な冷媒供給入口５７０と、ガイド冷媒出口１５９と流体連通するように接続可能な冷媒供給出口５８０とを含むように構成することができる。支持要素３５０は、支持要素３５０と、電気接点ユニット２００などの、取り付けられた任意の構成要素との間に断熱材料５６０を使用することにより、支持要素３５０に取り付けられた構成要素のいずれからも熱的に隔離することができる。断熱材料５６０は、熱エネルギーを容易に伝達しない。断熱材料として使用できる例示の材料としては、セラミック及びプラスチックが挙げられる。

流体冷却式コンタクトチップ組立体は、締結具４６５を介して支持要素３５０に固定されたコネクタ４５０を含むことができる。コネクタ４５０は、金属ワイヤ送出源４００を支持要素３５０に取り付けることができ、且つ金属ワイヤを収めるための開口部４６０を含むことができる。金属ワイヤは、ガイド１２０の一端部へ送出され、ガイド１２０を通過して、ガイド１２０の他端部から出て、そこで、金属ワイヤが、加工物の堆積箇所よりも上のプラズマアーク中に位置決めされる。コンタクトチップ２１５は、ガイド１２０内の場所においてコンタクトチップ２１５を金属ワイヤに接触させるように位置決めすることができる。コンタクトチップ２１５は、金属ワイヤがガイド１２０の端部から出た後にコンタクトチップ２１５を金属ワイヤに接触させるように位置決めすることができる。コンタクトチップ２１５は、送給方向に動かない定められた接触箇所において金属ワイヤに接触させ、その結果、一定の長さの金属ワイヤが抵抗加熱により加熱される。

図２に示すように、電気接点ユニット２００は、冷媒入口２２５と、冷媒入口２２５に接続されて冷媒入口２２５と流体連通する進入冷媒チャネル２２６と、進入冷媒チャネル２２６に接続されて進入冷媒チャネル２２６と流体連通する退出冷媒チャネル２２７と、退出冷媒チャネル２２７に接続されて退出冷媒チャネル２２７と流体連通する冷媒出口２２８とを含む冷却システムを含むことができる。流体冷却式コンタクトチップ組立体はまた、電気接点ユニット２００よりも下に位置決めされて、金属ワイヤ１８０を押圧して電気接点要素２００のコンタクトチップ２１５に接触させるように構成されたワイヤ押圧組立体１９０を含む。

流体冷却式コンタクトチップ組立体の例示のガイド１２０が図３に描かれている。ガイド１２０は、長手方向中心軸線Ａ−Ａ’と、第１の端部１４０と、反対側の第２の端部１５０と、ガイド１２０の長手方向中心軸線に沿ってガイド１２０の第１の端部１４０からガイド１２０の第２の端部１５０に延びて延在する中心孔１３０であって、金属ワイヤ１８０を送給できる中心孔１３０とを有する。ガイド１２０は、中心孔１３０の内側に位置するとともに少なくともガイド１２０の第１の端部１４０から第２の端部１５０にガイド１２０を横切る電気絶縁性ライニング１６０を含むことができる。描かれている実施形態において、電気絶縁性ライニング１６０は、第２の端部１５０を越えて延びる。電気絶縁性ライニング１６０は、第１の端部１４０における入口開口部１４５と第２の端部１５０における出口開口部１５５とを有するとともに、長手方向中心軸線Ａ−Ａ’に沿って直線状の電気絶縁性ライニング１６０を貫通して延在するガイドチャネル１７０を含み、且つ電気絶縁性ライニング１６０は、直線円筒状ガイドチャネル１７０に通される金属ワイヤ１８０を入口開口部１４５から出口開口部１５５に向けて更には出口開口部１５５の外へ案内する。電気接点ユニット２００の進入冷媒チャネル２２６は、コンタクトチップ２１５の近傍に複数の相互接続された平行チャネルを形成するように構成することができる。これらのチャネルは、図２に描かれているように、コンタクトチップ２１５に対して平行とすることができ、又はコンタクトチップ２１５に直交することができ、又はコンタクトチップ２１５の平面に対して任意の向きを有することができる。相互接続されたチャネルは、電気接点ユニット２００を通る連続的な流体経路を形成し、流体経路は冷媒入口２２５を冷媒出口２２８に接続する。流体冷却式コンタクトチップ組立体１００の電気接点ユニット２００は、電気接点ユニット２００がガイド１２０よりも上に位置決めされるように構成することができる。

いくつかの実施形態において、流体冷却式コンタクトチップ組立体１００は、冷却システムを収容するガイド１２０を含む。例示の実施形態が図４Ａ〜図４Ｃに描かれている。冷却システムは、流入冷媒チャネル１３５と流体連通するように接続可能な冷媒入口１５７と、流入冷媒チャネル１３５に接続されて流入冷媒チャネル１３５と流体連通する流出冷媒チャネル１３７と、流出冷媒チャネル１３７に接続されて流出冷媒チャネル１３７と流体連通する冷媒出口１５９とを含むことができる。冷媒入口１５７は、冷媒供給入口５７０と流体連通するように接続可能であり、且つ冷媒入口１５９は、冷媒供給出口５８０と流体連通するように接続可能である（図１を参照）。

本明細書で提供される流体冷却式コンタクトチップ組立体において、ガイド１２０は、図４Ａ〜図４Ｃに描かれているように、ガイド１２０の底部に底部開口部１２５を含むことができる。底部開口部は、金属ワイヤのいかなる埃又は粒子も成形加工物に接近する前にガイド１２０から出ることを可能にする。ガイドは、Ｔｉ若しくはＴｉ合金、又はＣｕ若しくはＣｕ合金で作製することができ、或いはＴｉ若しくはＴｉ合金、又はＣｕ若しくはＣｕ合金を含むことができる。電気接点ユニット２００及びコンタクトチップ２１５は各々個別に、Ｃｕ又はＣｕ合金又は複合材、特に銅／タングステン合金又は複合材で作製することができ、或いはＣｕ又はＣｕ合金又は複合材、特に銅／タングステン合金又は複合材を含有することができる。

本明細書で提供される流体冷却式コンタクトチップ組立体は、金属ワイヤ１８０がガイド１２０を通過した後に金属ワイヤ１８０が加工物の堆積箇所よりも上のＰＡＷトーチの又はプラズマ移行型アーク（ＰＴＡ）トーチのプラズマアーク中に位置決めされるように構成される。

金属材料の連続した堆積物を互いに母材上に融着させることにより物体が作製される、立体自由形状造形により金属材料の３次元加工物を製造するための方法も提供され、この方法は、流体冷却式コンタクトチップ組立体を使用することを特徴とする。この方法では、作製すべき物体の材料と同じ金属材料の母材に金属材料の連続した堆積物が積層され、連続した各堆積物は、第１のＰＡＷトーチを使用することにより得られる。

好ましい実施形態において、流体冷却式コンタクトチップ組立体は、２つのＰＡＷトーチを利用するシステムと共に使用される。第２のＰＡＷトーチは、溶融金属材料を堆積させるべき位置において、母材が溶融金属ワイヤの溶融液滴に対して受容的になるように、母材を予熱するために使用することができる。いくつかの実施形態では、母材をより受容的なものにするために、母材の少なくとも一部分が予熱用ＰＡＷにより溶融される。いくつかの実施形態では、予熱用ＰＡＷトーチにより十分な熱が加えられ、金属材料を堆積させるべき位置において母材に溶融池を形成する。

金属ワイヤは、コンタクトチップ組立体から出た後の金属ワイヤの先端部が、金属材料を堆積させるべき母材よりも上に位置決めされるように、流体冷却式コンタクトチップ組立体を通して送給することができる。母材が予熱される実施形態において、コンタクトチップ組立体から出た後の金属ワイヤの先端部は、母材の予熱領域又は更には母材の溶融池（生成されている場合）の上に位置決めすることができる。次いで、ＰＡＷトーチは、予熱が実行された場合に金属ワイヤからの溶融金属材料が母材に且つ母材の溶融領域又は部分溶融領域に滴り落ちるように金属ワイヤを加熱して溶融させるために使用される。母材及び／又は１つ若しくは複数のＰＡＷトーチは、溶融金属ワイヤからの溶融金属材料の連続した堆積物が母材上に堆積され固化して３次元加工物を形成するように所定のパターンで移動させることができる。

立体自由形状造形により金属材料の３次元物体を製造するための方法であって、金属材料の連続した堆積物を母材上に堆積させることを含む方法も提供される。金属ワイヤに少なくとも１００アンペアの電流を流す流体冷却式電気接点ユニットにガイドを通して金属ワイヤを送給することと、溶融金属材料が母材に滴り落ちるように第１のＰＡＷトーチを使用してワイヤを加熱して溶融させることとにより、連続した各堆積物が得られる。堆積パターンは、溶融ワイヤからの溶融金属材料の連続した堆積物が固化して３次元物体を形成するように母材及び第１のＰＡＷトーチの少なくとも一方を移動させることにより定められる。金属材料を堆積させるべき場所において母材を予熱することができる。予熱は、第２のＰＡＷトーチを使用して実行される。堆積パターンはまた、溶融ワイヤからの溶融金属材料の連続した堆積物が固化して３次元物体を形成するように母材、第１のＰＡＷトーチ、及び第２のＰＡＷトーチの少なくとも１つを移動させることにより定めることができる。提供される方法において、流体冷却式電気接点ユニットは、冷媒供給入口と流体連通するように接続可能な冷媒入口と、冷媒入口に接続されて冷媒入口と流体連通する流入冷媒チャネルと、流入冷媒チャネルに接続されて流入冷媒チャネルと流体連通する流出冷媒チャネルと、流出冷媒チャネルに接続されて流出冷媒チャネルと流体連通する冷媒出口とを含むことができる冷却システムを含む。

提供される方法において、ガイドは、冷媒供給入口と流体連通するように接続可能な冷媒入口と、冷媒入口に接続されて冷媒入口と流体連通する流入冷媒チャネルと、流入冷媒チャネルに接続されて流入冷媒チャネルと流体連通する流出冷媒チャネルと、流出冷媒チャネルに接続されて流出冷媒チャネルと流体連通する冷媒出口とを含む冷却システムを含むことができる。金属ワイヤは、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、若しくはＺｒ、又はこれらの複合材若しくは合金とするか、或いはＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、若しくはＺｒ、又はこれらの複合材若しくは合金を含有することができる。いくつかの実施形態において、金属ワイヤは、Ｔｉ若しくはＴｉ合金、又はニッケル若しくはニッケル合金を含有するワイヤである。

立体自由形状造形により金属材料の３次元物体を製造するためのシステムも提供される。システムは、金属ワイヤを母材よりも上の位置に案内するための流体冷却式ガイドと、金属ワイヤに少なくとも１００アンペアの電流を流すために金属ワイヤに電気的に接触する流体冷却式電気接点ユニットと、金属ワイヤを溶融させて金属材料が母材の上に滴り落ちるようにするための第１の溶接トーチと、金属材料の連続した堆積物を母材上に融着させることにより物理的物体が構築されるように堆積プロファイルを定めるための形成すべき物体のコンピュータモデルとを含むことができる。システムはまた、母材を少なくとも溶接トーチに対して移動させるアクチュエータトレイを含むことができる。システムは、第１の溶接トーチを移動させるアクチュエータアームを含むことができる。このシステムは、金属材料を堆積させるべき領域において母材を予熱するための第２の溶接トーチを更に含むことができる。システムはまた、第２の溶接トーチを移動させるアクチュエータアームを有することができる。

本発明の追加の特徴及び利点は、以下の説明に記載されており、且つ部分的にその説明から明らかになるか、又は本発明の実施により知ることができる。本発明の目的及び他の利点は、本明細書及び特許請求の範囲並びに添付の図面において特に指摘された構造により実現され達成されるであろう。

前述の一般的な説明と以下の詳細な説明の両方が、例示的且つ説明的なものであるとともに、特許請求される本発明の更なる解説を提供するように意図されていることを理解されたい。

本発明の更なる理解を提供するために含まれるとともに、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する、添付の図面は、本発明の実施形態を図示し、本説明とともに本発明の原理を解説する役割を果たす。明確にするために、図面は原寸に比例したものではなく、いくつかの構成要素が省略されている。

図１は、本明細書で提供される冷却式コンタクトチップ組立体の実施形態の側面斜視図である。 図２は、本明細書で提供される冷却式コンタクトチップ組立体の例示の流体冷却式電気接点ユニットの概略図である。 図３は、ガイド１２０の例示の構成の概略描写である。 図４Ａは、流体冷却式ガイドの例示の実施形態を示す。図４Ａでは、内部に流体経路を収容する例示のガイド１２０が示されている。 図４Ｂは、流体冷却式ガイドの例示の実施形態を示す。図４Ｂは、冷却流体をガイド１２０の周縁の周りに循環させる実施形態の上面図である。 図４Ｃは、流体冷却式ガイドの例示の実施形態を示す。図４Ｃは、ワイヤガイド流入冷媒チャネル１３５とワイヤガイド流出冷媒チャネル１３７とを収容する、例示のガイド１２０の断面図である。

Ａ．定義
別段の定めのない限り、本明細書で使用される全ての技術的及び科学的用語は、本発明が属する当該技術分野の当業者により一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書中の開示全体を通じて参照される、全ての特許、特許出願、公開出願及び刊行物、ウェブサイト、並びに他の公開資料は、別段の断りのない限り、それらの全体が参照により組み込まれる。本明細書中の用語について複数の定義が存在する場合、本節のものが優先する。ＵＲＬ又は他のそのような識別子若しくはアドレスが参照される場合、そのような識別子は変わる可能性があり、インターネット上の特定の情報は現れたり消えたりする可能性があるが、インターネットを検索することにより同等の情報を見出すことができることが理解される。それらの参照により、そのような情報の利用可能性及び公的な普及が証明される。

ここで使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈上別段の明確な指示のない限り、複数の指示対象を含む。

本明細書で使用される場合、範囲及び量は、「約」特定の値又は範囲として表すことができる。「約」は正確な量も含む。よって、「約５パーセント」とは「約５パーセント」及び「５パーセント」も意味する。「約」とは、意図される用途又は目的に対する典型的な実験誤差の範囲内を意味する。

種々の要素、構成要素、領域、層、及び／又はセクションを説明するために本明細書では第１の、第２の、第３のなどの用語が使用され得るが、本明細書で使用される場合には、これらの要素、構成要素、領域、層、及び／又はセクションがこれらの用語により限定されるべきではない。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層、又はセクションを別の領域、層、又はセクションと区別するためにのみ使用され得る。「第１の」、「第２の」などの用語及び他の数字用語は、本明細書で使用される場合、文脈上別段の明確な指示のない限り、配列又は順序を暗示するものではない。したがって、以下に述べる第１の要素、構成要素、領域、層、又はセクションを、例示の実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、又はセクションと呼ぶことができる。

本明細書で使用される場合、「任意選択の」又は「任意選択的に」とは、続いて説明される事象又は状況が起こるか又は起こらないことと、その説明には事象又は状況が起こる場合及び事象又は状況が起こらない場合が含まれることを意味する。例えば、システム内の任意選択の構成要素は、その構成要素がシステム内に存在してもしなくてもよいことを意味する。

本明細書で使用される場合、「コンタクトチップ」という用語は、ＭＩＧ溶接作業において金属ワイヤを電気的に接続する要素を指す。

本明細書で使用される場合、「組み合わせ」とは、２つの項目の間又は３つ以上の項目の中での任意の関係を指す。この関係は、空間的な関係とすることができ、又は共通目的のための２つ以上の項目の使用を指す。

本明細書で交換可能に使用される「プラズマ移行型アークトーチ」又は「ＰＴＡトーチ」という用語は、電気アーク放電によりプラズマへの不活性ガス流を加熱して励起し、その後、オリフィス（ノズルなど）を通して電気アークを含むプラズマガスの流れを移送し、オリフィスから延びてアークの強烈な熱を標的領域に伝達する抑制されたプルームを形成することができる、任意の装置を指す。ＰＴＡトーチの電極がカソードになり且つ標的領域がアノードになるように、電極及び標的領域を直流電源に電気的に接続することができる。これにより、電気アークを含むプラズマプルームが、ＰＴＡトーチから供給される熱流束の面積の広がり及び大きさの優れた制御により、標的領域の小さな表面積へ非常に集中した熱流を送出することが確実になる。プラズマ移行型アークには、ゆらぎがほとんどなく、カソードとアノードとの間の長さのずれに対して良好な耐性で、安定し且つ一貫したアークを提供するという利点がある。したがって、ＰＴＡトーチは、母材を加熱すること、例えば、母材の少なくとも一部分を溶融させることか、又は母材に溶融池を形成することと、金属ワイヤ供給材を加熱して溶融させることの両方に好適である。ＰＴＡトーチは、有利には、タングステンで作製された電極と、銅で作製されたノズルとを有し得る。しかしながら、本発明は、いかなる特定の選択又は種類のＰＴＡトーチにも拘束されない。金属電極ワイヤを溶融させる安定した熱源を提供するＰＴＡトーチとして機能できる任意の既知の又は考えられる装置を使用することができる。

本明細書で使用される場合、「プラズマアーク溶接トーチ」又は「ＰＡＷトーチ」とは、プラズマアーク溶接で使用できる溶接トーチを指す。トーチは、ガスが高温に加熱されプラズマを形成して導電性になり、次いで、プラズマが電気アークを加工物に移行させ、そして、アークの強烈な熱が金属を溶融させ且つ／又は２つの金属片を互いに融着させることができるように設計される。ＰＡＷトーチは、アークを絞るためのノズルを含むことができ、それにより、アークの出力密度を増加させる。プラズマガスは、典型的にはアルゴンである。プラズマガスを電極に沿って送給してカソードの近傍でイオン化し加速することができる。アークは、加工物の方に向けることができ、且つ（ＴＩＧトーチなどにおける）自由燃焼アークよりも安定している。ＰＡＷトーチはまた、典型的には、シールドガスを提供するための外側ノズルを有する。シールドガスは、アルゴン、ヘリウム、又はこれらの組み合わせとすることができ、且つシールドガスは、溶融金属の酸化を最小限に抑えるのを補助する。電流は、典型的には最大４００Ａであり、電圧は、典型的には約２５〜３５Ｖの範囲である（但し、最大約１４ｋＷとすることができる）。ＰＡＷトーチは、プラズマ移行型アークトーチを含む。

本明細書で使用される「金属材料」という用語は、３次元物体を形成するためにワイヤに成形し且つ立体自由形状造形プロセスで用いることができる任意の既知の若しくは考えられる金属又は金属合金を指す。好適な材料の例としては、限定されるものではないが、チタン及びチタン合金（すなわちＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金など）、ニッケル及びニッケル合金、並びに他の金属又は金属合金が挙げられる。

本明細書で使用される「母材」という用語は、金属材料を堆積させるべきターゲット材料を指す。母材は、金属材料の第１の層を堆積させるときの保持基材となる。金属材料の１つ又は複数の層が保持基材上に堆積されたときに、母材は、金属材料の新たな層を堆積させるべき堆積した金属材料の上部層となる。

本明細書で使用される「保持基材」という用語は、加工物を形成するように立体自由形状造形のＳＦＦＦの技術を使用して、保持基材の材料と同じか又は異なる、追加の材料が堆積される、最初に室内に搬入されるターゲット基材を指す。例示の実施形態において、保持基材は平坦なシートである。代替的な実施形態において、保持基材は鍛造部品であってもよい。代替的な実施形態において、保持基材は、追加の材料を堆積させるべき物体であってもよい。例示の実施形態において、保持基材は、加工物の一部になることができる。保持基材の材料は、金属又は金属合金とすることができる。例示の実施形態において、保持基材は、ワイヤ供給材料と同じ金属で作製される。

本明細書で使用される場合、「加工物」という用語は、立体自由形状造形法を使用して生産される金属体を指す。

本明細書で交換可能に使用される「コンピュータ支援設計モデル」又は「ＣＡＤモデル」という用語は、本発明の第２の態様による装置の制御システムにおいて用いることができる、形成すべき物体の任意の既知の又は考えられる仮想３次元表現であって、保持基材の位置及び移動を調整するように、且つ、物理的物体が、物体の仮想３次元モデルに従った物理的物体の構築を結果としてもたらすパターンで金属材料の連続した堆積物を保持基材又は母材上に融着させることにより構築されるように、ワイヤ送給器の組み込まれた溶接トーチを動作させるように用いることができる仮想３次元表現を指す。これは、例えば、まず仮想３次元モデルを１組の仮想平行水平層に分割し、次いで、平行層の各々を１組の仮想準１次元部片に分割することにより、３次元物体の仮想ベクトル化積層モデルを形成することにより得られ得る。そして、物理的物体は、物体の仮想ベクトル化積層モデルの第１の層に従うパターンで、金属材料供給材の一連の準１次元部片を支持基材上に堆積させ融着させるように、制御システムを関与させることにより形成することができる。その後、物体の仮想ベクトル化積層モデルの第２の層に従うパターンで、先に堆積した層の上に溶接可能な材料の一連の準１次元部片を堆積させ融着させることにより、物体の第２の層に対するシーケンスを繰り返す。物体全体が形成されるまで、物体の仮想ベクトル化積層モデルの各連続した層に対して、層毎に堆積及び融着プロセスの繰り返しに基づいて堆積が続く。

しかしながら、本発明は、本発明による装置の制御システムを実行するいかなる特定のＣＡＤモデル及び／又はコンピュータソフトウェアにも拘束されず、且つ本発明は、いかなる特定の種類の制御システムにも拘束されない。立体自由形状造形により金属３次元物体を構築できる任意の既知の又は考えられる制御システム（ＣＡＤモデル、コンピュータ支援製造（ＣＡＭ）システム又はソフトウェア、コンピュータソフトウェア、コンピュータハードウェア及びアクチュエータなど）が用いられてもよい。例示の実施形態において、制御システムは、母材を予熱するための第１のＰＡＷトーチと、金属材料の送給ワイヤを溶融池内に溶融させるための第２のＰＡＷトーチとを別個に動作させるように調節することができる。第１のＰＡＷトーチは、溶融金属材料を堆積させるべき位置において、母材が溶融金属ワイヤ、すなわち溶融金属材料の溶融液滴に対して受容的になるように、母材を予熱するのに十分なエネルギーを提供することができる。母材の予熱は、溶融金属ワイヤの金属溶滴により提供される金属材料による母材への適切な溶け込みを確実にすることができる。第１のＰＡＷトーチは、母材への溶け込みを深くすることにより母材と溶融金属材料との融着を促進する。いくつかの実施形態において、予熱では母材は溶融しない。代替的な実施形態では、母材をより受容的なものにするために、母材の少なくとも一部分が第１のＰＡＷにより溶融される。いくつかの実施形態では、第１のＰＡＷトーチにより十分な熱が加えられ、金属材料を堆積させるべき位置において母材に溶融池を形成する。

母材及びいずれか１つ又は複数のＰＡＷトーチの位置決めは、１つ又は複数のアクチュエータを使用して達成することができる。例示の実施形態において、母材は、母材が載置されるアクチュエータトレイを使用して再配置するか又は移動させることができる。アクチュエータトレイは、母材を任意の方向に移動させることができる。例示の実施形態において、アクチュエータトレイは、軌道又はレールシステム上に設置することができ、且つ母材を任意の所望の方向に移動させることができる。代替的に、アクチュエータトレイは、機械式アーム又はロボットアームを使用して動作させてもよい。アクチュエータはまた、油圧機構を使用して動作させてもよい。同様に、１つ又は複数のＰＡＷトーチは、１つ又は複数のアクチュエータを使用して移動させてもよい。例えば、１つ又は複数のＰＡＷトーチの各々は、ロボットアーム又は機械式アームなどの、個別に制御されるアクチュエータアームに取り付けられてもよい。アクチュエータはまた、油圧機構を使用して動作させてもよい。例えばレール又は軌道システムなどの、アクチュエータアーム用の他の種類の機構の使用も実現することができる。２つ以上のＰＡＷトーチが使用される例示の実施形態において、各ＰＡＷトーチは、個別に移動させることができる。２つ以上のＰＡＷトーチを使用する代替的な実施形態において、２つ以上のＰＡＷトーチの位置は、互いに対して固定することができ、且つ１つ又は複数のアクチュエータアームは、２つ以上のＰＡＷトーチを同時に移動させる。例示の実施形態において、アクチュエータトレイは、使用される唯一のアクチュエータであり、１つ又は複数のＰＡＷトーチを堆積中に固定位置に保つ。代替的な実施形態において、アクチュエータトレイは、１つの平面内において母材を２方向にのみを移動させ、その一方で、１つ又は複数のアクチュエータアームは、１つ又は複数のＰＡＷトーチを、例えばアクチュエータトレイが移動する平面に直交する、１方向にのみ移動させる。その逆、すなわち、１つ又は複数のアクチュエータアームが１つの平面内において１つ又は複数のＰＡＷトーチを２方向に移動させ、その一方で、アクチュエータトレイが母材を単一方向に沿って移動させる場合も当然あり得る。代替的な実施形態において、母材は、堆積中に固定位置に維持され、且つ１つ又は複数のアクチュエータアームは、１つ又は複数のＰＡＷトーチを移動させるために使用される。更に代替的な実施形態において、アクチュエータトレイ及び１つ又は複数のアクチュエータアームは全て、母材及び１つ又は複数のＰＡＷトーチを移動させるために使用される。

Ｂ．流体冷却式コンタクトチップ組立体
本明細書では、流体冷却式コンタクトチップ組立体が提供される。流体冷却式コンタクトチップ組立体は、過熱に起因するコンタクトチップの頻繁な交換のリスクなしに直接金属堆積により形成される製品のスループット及び歩留まりの向上を可能にする。流体冷却式コンタクトチップ組立体がコンタクトチップの近傍から熱エネルギーを除去するので、従来のコンタクトチップでの流量と比較して高流量の電荷を使用することができ、その結果、より速い速度で加工物を形成する、金属ワイヤから母材上へのより多くの金属の堆積に起因する、金属堆積により形成される製品の生産の生産速度の向上をもたらすことができる。流体冷却式コンタクトチップは、大電流を利用することができる。例えば、３５０、３７５、又は４００アンペア以上の電流を使用することができる。流体冷却式コンタクトチップ組立体は、内部にチャネルを収容する電気接点ユニットを含むことができ、チャネルは、冷却流体が電気接点ユニットから熱エネルギーを除去するように電気接点ユニットを通って流れることを可能にするように構成される。電気接点ユニットの流体チャネルは、チャネルがコンタクトチップの近傍に位置してコンタクトチップの近傍から熱エネルギーを除去するように構成することができる。このような冷却チャネルの構成は、コンタクトチップの近傍のいかなる過剰な熱エネルギーも除去することができ、且つコンタクトチップの熱膨張を防止することができる。本明細書で提供されるシステム、装置及び方法において、消耗コンタクトチップは、ガイドとは別個のものであるとともにガイドから離れて位置し、且つ金属ワイヤは、金属ワイヤがガイドの端部分を通過した後にコンタクトチップに接触させる。

流体冷却式コンタクトチップ組立体はまた、流体冷却式ガイドを含むことができる。ガイドは、金属ワイヤが横切ることができるガイドの長手方向中心軸線に沿って延在する中心孔を有する。ガイドは、電気接点ユニットよりも下に位置決めされ、且つ金属ワイヤは、ガイドの一端部から入り、ガイドを通過して、ガイドの他端部から出て、そこで、金属ワイヤが、加工物の堆積箇所よりも上のＰＴＡトーチのプラズマアーク中に位置決めされる。ガイドは、冷却流体経路を含むことができる。冷却流体経路は、冷媒チャネルに接続されて冷媒チャネルと流体連通するガイド冷媒入口を含み、冷媒チャネルは、ガイドを横切るとともに、ガイドが熱的に連通する電気接点ユニットから熱エネルギーを吸収するように冷却流体がガイドを通って流れることを可能にする。冷媒チャネルは、ガイド内に収容されるように工学的に設計することができる。例えば、冷却チャネルは、電気接点ユニットの少なくとも一部分に接触するガイドの上部分を冷却チャネルが横切るように位置決めすることができる。冷媒チャネルはまた、ガイドの縁部に配置することができる。

流体冷却式コンタクトチップ組立体１００の例示の実施形態が図１に示されている。図示の実施形態において、コンタクト組立体は、ガイド１２０と、電気接点ユニット２００と、ワイヤ押圧組立体１９０とを含む。支持要素３５０に電気接点ユニット２００を接続することができる。電気接点ユニット２００は、電気接点ユニット２００と支持要素３５０との間の接触領域に断熱材料５６０を使用することにより、支持要素３５０から熱的に隔離させることができる。断熱材料５６０が熱エネルギーを容易に伝達しないように断熱材料５６０を選択することができる。断熱材料５６０に使用できる例示の材料としては、セラミック及びプラスチックが挙げられる。例示のセラミックは、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｙ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｃｅ、Ｉｎ、及びＳｎの酸化物又は窒化物、並びにこれらの組み合わせを含む（例えば、米国特許第６，３４４，２８７号明細書（Ｃｅｌｉｋ ｅｔ ａｌ，２００２）、米国特許第４，５４０，８７９号明細書（Ｈａｅｒｔｈｅｒ ｅｔ ａｌ，１９８５）、及び米国特許第７，８９２，５９７号明細書（Ｈｏｏｋｅｒ ｅｔ ａｌ，２０１１）を参照）。

電気接点ユニット２００は、コンタクトチップ２１５と、冷媒入口２２５と、冷媒出口２２８とを含む。冷媒入口２２５及び冷媒出口２２８は、電気接点ユニット２００内に収容されるとともに冷却流体が冷媒入口２２５から電気接点ユニット２００を通って特にコンタクトチップ２１５の近傍に流れることを可能にする、冷媒チャネル（図２に示す）を通じて流体連通し、冷却流体は、熱エネルギーを吸収した後に、冷媒出口２２８を通じて電気接点ユニット２００から出る。

電気接点ユニット２００のサイズは、電気接点ユニット２００を通ってコンタクトチップ２１５に至るより大きな電流の使用を可能にする。電気接点ユニット２００は、銅、銅合金、チタン、又はチタン合金で作製することができる。交換可能なコンタクトチップ２１５は、銅又は銅合金又は複合材で作製することができる。銅合金は、銅（ＡＳＴＭ Ｃｌａｓｓｅｓ ＩＩ〜Ｘ）のいずれかを含有することができる。銅合金又は複合材は、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｂｏ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｗ、Ｚｎ若しくはＺｒ又はこれらの組み合わせとの組み合わせで銅を含むことができる。特に、コンタクトチップ２１５は、銅とタングステンとの焼結複合材などの、銅とタングステンの組み合わせを含むことができる。電気接点ユニット２００は、コンタクトチップ２１５に電力を提供するための電気接続部２３０を含む。電気接続部２３０は、コンタクトチップ２１５を金属ワイヤに接触させたときに金属ワイヤがアノードになるように、コンタクトチップ２１５がＤＣ電源に電気的に接続されることを可能にする。ＰＴＡトーチの電極は、ＰＴＡトーチがカソードになるようにＤＣ電源に接続される。

図２及び図５は、電気接点ユニット２００の例示の実施形態を示している。図２及び図５には、冷却流体経路が示されており、この経路は、冷媒入口２２５と、電気接点ユニット２００を横切るとともに、流体が冷媒入口２２５からコンタクトチップ２１５の近傍の領域に流れることを可能にする進入冷媒チャネル２２６と、温められた冷媒が冷媒出口２２８を通じて電気接点ユニット２００から出ることを可能にする退出冷媒チャネル２２７とを含む。動作中に、流体冷媒は、熱交換器の機能を果たす、進入冷媒チャネル２２６を通って流れる。流体冷媒は、電気接点ユニット２００から熱エネルギーを吸収する。特定の実施形態において、進入冷媒チャネル２２６は、コンタクトチップ２１５の近傍の領域まで延びて、コンタクトチップ２１５から熱エネルギーを吸収することができる。電気接点ユニット２００内の冷却チャネルは、コンタクトチップ２１５からの熱の抽出を最大化するように構成することができる。熱エネルギーの吸収又は伝達を容易にするために、進入冷媒チャネル２２６には、特に、冷却流体と冷媒チャネル２２６の壁との表面接触を増加させることができる、ピン又はフィン又は他の同様の装置などの、突起を並べて設けることができる。

図２及び図３には、進入冷媒チャネル２２６が、コンタクトチップ２１５に平行な単層のチャネルを含むものとして示されているが、コンタクトチップ２１５よりも上の領域を横切るアーク、又は電気接点ユニット２００の長さにわたって延びる多数のチャネル、又は多層の進入冷媒チャネル２２６、又は電気接点ユニット２００の周縁に沿って位置決めされる進入冷媒チャネル、又はこれらの組み合わせなどの、他の構成を、電気接点ユニット２００を冷却するために使用することができる。

電気接点ユニット内で受けると予想される温度に適した任意の好適な冷却流体を使用することができる。例示の冷却流体は、水、Ｃ_１〜Ｃ_５アルコール、ポリアルファオレフィン、エチレングリコール若しくはプロピレングリコールなどのアルキレングリコール、又はこれらの混合物を含む。いくつかの実施形態において、冷却流体は、水、水とプロピレングリコールとの混合物、又は水とエチレングリコールとの混合物である。冷却流体は、塩、腐食防止剤、ｐＨ調整剤、又はこれらの組み合わせなどの、添加剤を含むことができる。

コンタクトチップ組立体１００はまた、ガイド１２０を含む。例示のガイドが図３に示されている。ガイド１２０は、長手方向中心軸線Ａ−Ａ’と、第１の端部１４０と、反対側の第２の端部１５０と、ガイド１２０の長手方向中心軸線に沿ってガイド１２０の第１の端部１４０からガイド１２０の第２の端部１５０に延びて延在する中心孔１３０とを有することができる。

図１に描かれているように、ガイド１２０は、概して、電気接点ユニット２００よりも下に位置決めされるが、電気接点ユニット２００は、ガイド１２０を電気接点ユニット２００よりも上に位置決めできるように構成することができる。金属ワイヤ（図１には図示せず）は、ガイド１２０の一端部から入り、ガイド１２０を通過して、ガイド１２０の他端部から出て、そこで、金属ワイヤが、加工物の堆積箇所よりも上のＰＡＷトーチのプラズマアーク中に位置決めされる。

ガイド１２０は、金属ワイヤを受け入れて金属ワイヤが支障なくガイドを通過することを可能にするように構成される限り、任意の形状を有することができる。いくつかの実施形態において、ガイド１２０は、図４Ａに示すように、略円形断面を備えたワイヤの形態である金属ワイヤを収めるために概ね円筒形状を有することができる。ガイド１２０の外側部分の形状は、円形、長円形、楕円形、又は多角形、例えば、正方形、三角形、矩形、五角形、六角形、八角形、若しくはこれらの任意の組み合わせである断面を有することができる。

ガイドは、ガイドを位置合わせするためか、又は支持体若しくは他の要素へのガイドの取り付けを可能にするためか、又は電気接点ユニット２００と係合し且つ／若しくはガイド１２０に対する電気接点ユニット２００の配置を案内するためなどの、外面からの突起又は凸部を含むことができる。例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示す実施形態は、支持体へのガイド１２０の取り付けを可能にする締結具突起１２２を含む。

ガイド１２０は、金属ワイヤのいかなる埃又は粒子も成形加工物に接近する前にガイド１２０から出ることを可能にする底部開口部１２５を含むことができる。底部開口部１２５は、ガイド１２０の端部に延びることができる。ガイド１２０は、図３に示すように、金属ワイヤ１８０が支持されずに出口開口部１５５から出るような先頭形とすることができる。図１及び図５に示すように、ワイヤ押圧組立体１９０の絶縁先端１９５は、金属ワイヤ１８０を押圧してコンタクトチップ２１５に接触させる。

ガイド１２０は、ガイド１２０の少なくとも一部分を金属ワイヤから隔てることができる電気絶縁性ライニング１６０を含むことができる。電気絶縁性ライニングは、金属ワイヤ１８０を完全に取り囲む必要はない。例えば、電気絶縁性ライニング１６０の底部の一部分を除去することができる。例えば、電気絶縁性ライニングの水平直径から測定して、約１０°〜約１８０°の角度をなす円弧セグメントを除去することができる。電気絶縁性ライニングが円形断面を有する場合、１８０°の角度をなす円弧セグメントの除去により、金属ワイヤ１８０の上部分を覆う半円形の電気絶縁性ライニングが得られる。

溶接中にガイドがさらされる条件での使用に好適な電気絶縁材料を含有する電気絶縁性ライニングを使用して、ガイドを金属ワイヤから電気的に絶縁することができる。電気絶縁材料は、電気絶縁性セラミックとするか、又は電気絶縁性セラミックを含有することができる。そのようなセラミックは、当該技術分野において知られており、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｙ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｃｅ、Ｉｎ、及びＳｎの酸化物又は窒化物、並びにこれらの組み合わせを含むことができる。電気絶縁材料は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化マグネシウム、酸化マグネシウム、石英、窒化ケイ素、窒化ホウ素、二酸化ジルコニウム、並びにこれらの混合物及び組み合わせとするか、又はこれらを含有することができる。電気絶縁性ライニングは、ガイド内に収容されるように構成することができる。電気絶縁性ライニングは、ガイドの一端部又は両端部から延びるように構成することができる。

電気絶縁性ライニングが金属ワイヤの通過する中心孔の近傍に絶縁性セラミックを含む場合に、絶縁性セラミックは、金属ワイヤ絶縁性セラミックの表面の粗さを低減するための表面処理を含むことができる。表面処理は、金属ワイヤが電気絶縁性ライニングを通過するときの金属ワイヤの擦傷又は引っ掻き傷を最小限に抑えるか又はなくすのに役立つことができる。例えば、電気絶縁性ライニングの表面は、ライニング表面と電極との間の摩擦を生じさせる引力を低減する表面光沢を含むように処理することができる。レーザグレージング処理は、摩擦を低減するとともにより平滑な絶縁性セラミック面を作り出すために、表面上の表面細孔、ひび割れ又は変形を低減するために使用することができる。電気絶縁性ライニングの表面は、ダイヤモンドライクカーボンコーティングを含むように処理することができる。摩擦を低減するためにＰＴＦＥを電気絶縁性ライニングの表面に塗布することができる。表面処理は、金属ワイヤと粗い絶縁性セラミック面との相互作用に起因して生じる可能性のある金属ワイヤの小片の形成を最小限に抑えるのに役立つことができる。

ガイド１２０は、ガイド１２０と支持要素３５０との間の接触箇所に断熱材料５６０を含めることにより、支持要素３５０から熱的に隔離させることができる。断熱材料５６０として使用できる例示の材料としては、セラミック及びプラスチックが挙げられる。

ガイド１２０は、冷却流体経路を含むことができる。冷却流体経路は、コンタクトチップ２１５の大電流により生じる可能性のある、ガイド１２０内の金属ワイヤの温度膨張を最小限に抑えるか又はなくすことができる。冷却流体経路は、ガイド１２０の温度膨張を最小限に抑えるか又はなくすことができる。ガイド１２０の熱膨張は、ガイドと金属ワイヤとの間の摩擦の増加をもたらす可能性があり、電極を損傷させるか又は傷つける可能性があり、これにより、金属ワイヤが変位して金属ワイヤがアーク中に適切に位置決めされない可能性がある。過熱が原因で起こるガイド１２０の幾何形状の変化はまた、熱によって誘起される伸び又は凹凸により偏った接触摩耗をもたらす可能性がある。ガイド１２０の過熱はまた、ガイド１２０に変形、微小孔又は疲労を生じさせる可能性があり、これにより、ガイド１２０が故障する可能性がある。

例示の実施形態が図４Ａに示されている。この実施形態において、冷却流体経路は、流入冷媒チャネル１３５に接続されて流入冷媒チャネル１３５と流体連通するガイド冷媒入口１５７を含み、流入冷媒チャネル１３５は、ガイド１２０を横切るとともに、ガイド１２０が熱的に連通する電気接点ユニット２００から熱エネルギーを吸収するように冷却流体がガイド１２０を通って流れることを可能にする。図示の実施形態において、流入冷媒チャネル１３５は、電気接点ユニット２００の少なくとも一部分に接触するガイド１２０の上部分を横切る。熱エネルギーを吸収した後に、冷却流体は、流出冷却チャネル１３７を通ってガイド冷媒出口１５９へ流れ、ガイド１２０から出る。

別の実施形態が図４Ｂ及び図４Ｃに描かれている。描かれている実施形態において、ガイド冷媒入口１５７は、ガイド１２０の縁部に配置される、流入冷媒チャネル１３５に接続されて流入冷媒チャネル１３５と流体連通する。熱エネルギーを吸収した後に、冷却流体は、ガイドチャネル１２０の別の縁部に配置される流出冷却チャネル１３７を通って流れ、ガイド冷媒出口１５９を通じてガイドチャネル１２０から出る。

図４Ａには、流入冷媒チャネル１３５が、ガイド１２０の上面に平行な単層のチャネルを含むものとして示されているが、ガイド１２０の上面に直交して配置されるチャネル、又はガイド１２０の長さにわたって延びる多数のチャネル、又は多層の流入冷媒チャネル１３５、又はガイド２００の周縁に沿って位置決めされる進入冷媒チャネルを含む組み合わせなどの、他の構成を、ガイド１２０を冷却するために使用することができる。

動作中に、冷却流体は、冷媒供給入口５７０を通ってガイド冷媒入口１５７へ流れ、熱エネルギーを吸収するように流入冷媒チャネル１３５を通って流れ、そして、温められた冷却流体が、流出冷却チャネル１３７を通って流れ、ガイド冷媒出口１５９を通じてガイドチャネル１２０から出る。図１を参照すると、ガイド冷媒入口１５７は冷媒供給入口５７０に接続され、且つガイド冷媒出口１５９は冷媒供給源５８０に接続される。熱エネルギーの吸収又は伝達を容易にするために、流入冷媒チャネル１３５には、特に、冷却流体と流入冷媒チャネル１３５の壁との表面接触を増加させることができる、ピン又はフィン又は他の同様の装置などの、突起を並べて設けることができる。

電気接点ユニット内で受けると予想される温度に適した任意の好適な冷却流体を使用することができる。例示の冷却流体は、水、Ｃ_１〜Ｃ_５アルコール、ポリアルファオレフィン、エチレングリコール若しくはプロピレングリコールなどのアルキレングリコール、又はこれらの混合物を含む。いくつかの実施形態において、冷却流体は、水、水とプロピレングリコールとの混合物、又は水とエチレングリコールとの混合物である。冷却流体は、塩、腐食防止剤、ｐＨ調整剤、又はこれらの組み合わせなどの、添加剤を含むことができる。冷却流体は比熱を有し、且つその質量流量は、ガイド１２０及び電気接点ユニット２００の効率的な冷却を達成するように調整することができる。

コネクタ４５０は、締結具４６５を介して支持要素３５０に固定することができる。コネクタ４５０は、金属ワイヤ送出源４００を支持要素３５０に取り付けることができ、且つ金属ワイヤを収めるための開口部４６０を含むことができる。金属ワイヤは、ガイド１２０の一端部へ送出され、ガイド１２０を通過して、ガイド１２０の他端部から出て、そこで、金属ワイヤが、加工物の堆積箇所よりも上のプラズマアーク中に位置決めされる。コンタクトチップ２１５は、ガイド１２０内の場所においてコンタクトチップ２１５を金属ワイヤに接触させるように位置決めすることができる。コンタクトチップ２１５は、金属ワイヤがガイド１２０の端部から出た後にコンタクトチップ２１５を金属ワイヤに接触させるように位置決めすることができる。

本明細書で提供されるコンタクトチップ組立体は、金属ワイヤを押圧してコンタクトチップに接触させるワイヤ押圧組立体を含む。ワイヤ押圧組立体は、ピン、クリップ、レバー、又は他の構造体を含む任意の構造体とすることができ、且つ金属ワイヤに圧力を加えて金属ワイヤをコンタクトチップに接触した状態に保つことができる、Ｌ字形状、直線形状、丸形状、又は角形状などの任意の形状を有することができる。ワイヤ押圧組立体は、押圧組立体の残り部分に電気を伝達せずに金属ワイヤに接触できる絶縁先端を含むことができる。代替的な実施形態において、押圧組立体は絶縁材料で完全に被覆される。例示の実施形態において、押圧組立体は、絶縁材料で作製される。本明細書で提供される構成では、金属ワイヤと電気接点ユニットのコンタクトチップとの間に単一の接触箇所を有することが可能である。この単一の接触箇所は、送給方向に動かない定められた接触箇所を提供することができる。これにより、一定の長さの金属ワイヤを抵抗加熱により加熱することが可能となる。例示の実施形態が図１に示されており、且つ異なる視点からの図が図３に示されている。ワイヤ押圧組立体１９０は、金属ワイヤ１８０を押圧してコンタクトチップ２１５に接触させる絶縁先端１９５を含む。絶縁先端は、コンタクトチップがさらされる環境及び温度に適合する任意の材料で作製することができる。例えば、押圧組立体の少なくとも先端に又は押圧組立体の先端若しくはより大きな部分のコーティングに使用できる絶縁材料は、電気絶縁性セラミックとするか、又は電気絶縁性セラミックを含有することができる。例示のセラミックは、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｙ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｃｅ、Ｉｎ、及びＳｎの酸化物又は窒化物、並びにこれらの組み合わせを含む。電気絶縁材料は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化マグネシウム、酸化マグネシウム、石英、窒化ケイ素、窒化ホウ素、二酸化ジルコニウム、並びにこれらの混合物及び組み合わせとするか、又はこれらを含有することができる。例示の実施形態において、押圧組立体は、Ｔｉ又はＴｉ合金で作製することができ、押圧組立体の先端は被覆されるか又は上記電気絶縁材料の１つで作製される。

いくつかの実施形態において、ワイヤ押圧組立体１９０は、金属ワイヤ１８０を押圧してコンタクトチップ２１５に接触させるために、金属ワイヤ１８０がワイヤ押圧組立体１９０の上を通るときに金属ワイヤ１８０に対して圧力を及ぼすことができる。例示の実施形態において、圧力は上向きの圧力である。金属ワイヤ１８０をコンタクトチップ２１５に接触した状態に保つ圧力は、例えばばねを使用することにより達成することができる。ばねは、コンタクトチップ１８０又はワイヤ押圧組立体１９０がワイヤを傷つけるほど強力ではないが、コンタクトチップ２１５と金属ワイヤ１８０との接触を維持するのに十分に強力であるような適切な強度又は大きさの力を及ぼすように選択することができる。ばねを使用して、結果としてワイヤ押圧組立体１９０が金属ワイヤを押圧してコンタクトチップ２１５に接触させる圧力を及ぼすことができる。圧縮ばね、引張ばね、若しくはねじりばね、又はこれらの任意の組み合わせなどの、任意の種類のばねを使用することができる。いくつかの実施形態では、約０．００１〜約１０Ｎ／ｍのばね定数を有する圧縮ばねを、金属ワイヤがコンタクトチップ２１５に接触するようにワイヤ押圧組立体１９０をコンタクトチップ２１５に向けて上方に押し上げるために使用することができる。

金属ワイヤの直径は、本発明のある実施形態によれば、約０．８ｍｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができる。金属ワイヤは、例えば１．０ｍｍ、１．６ｍｍ、２．４ｍｍなどの、実際に実現可能な任意の寸法を有することができる。金属ワイヤの送給速度及び位置決めは、金属ワイヤが母材の予熱領域よりも上の意図された位置に達したときに、金属ワイヤが連続的に加熱されて溶融されることを確実にするために、ＰＡＷトーチへの電力供給の効率に合わせて制御及び調整することができる。

電気接点ユニットは、金属ワイヤに接触させるコンタクトチップを収容する。コンタクトチップは、金属ワイヤを直流電源に電気的に接続する。例示の実施形態において、コンタクトチップは、コンタクトチップがワイヤに接触する曲面又は半曲面を有し得る。曲面又は半曲面は、接触させるべきワイヤを収めるような適切な大きさとすることができる。例えば、約１．６ｍｍの直径を有するワイヤに対して、コンタクトチップは、約１．８ｍｍの直径を有する曲面又は凹面を有し得る。また、コンタクトチップの表面積は、電流伝達により生じる過熱を回避するのに更に役立つように十分に大きくすることができる。例示の実施形態において、コンタクトチップの幅又は厚さは、約１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲とすることができる。コンタクトチップは、銅若しくは銅合金とするか、又は銅若しくは銅合金を含有することができる。銅合金は、銅（ＡＳＴＭ Ｃｌａｓｓｅｓ ＩＩ〜Ｘ）のいずれかを含有することができる。銅合金は、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｂｏ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｗ、Ｚｎ若しくはＺｒのいずれか１つ又はこれらの組み合わせとの組み合わせで銅を含むことができる。例えば、コンタクトチップは、ＷとＣｕとの焼結組成物、又はＣｕとＷとの合金を含むことができる。

自由形状造形により形成される金属体の標的領域に電源を接続することもできる。いくつかの実施形態では、金属ワイヤがカソードになり且つ標的領域がアノードになるように、電気的接続が行われる。いくつかの実施形態では、金属ワイヤがアノードになり且つ標的領域がカソードになるように、電気的接続が行われる。金属ワイヤがプラズマ移行型アーク（ＰＴＡ）トーチのアークの中に入ると、電気アークを含むプラズマプルームが、ＰＴＡトーチから供給される熱流束の面積の広がり及び大きさの優れた制御により、標的領域の小さな表面積へ非常に集中した熱流を送出する。ＰＴＡトーチには、ゆらぎがほとんどなく、カソードとアノードとの間の長さのずれに対して良好な耐性で、安定し且つ一貫したアークを提供するという利点がある。ＰＴＡトーチは、タングステンで作製された電極と、銅又は銅合金で作製されたノズルとを有することができる。しかしながら、本発明は、いかなる特定の選択又は種類のＰＴＡトーチにも拘束されない。ＰＴＡトーチとして機能できる任意の既知の又は考えられる装置を使用することができる。また、本発明は、ＰＴＡトーチではないＰＡＷトーチを使用して実現されてもよい。

電気絶縁材料は、電気接点ユニットをＰＡＷトーチのアークから隔離するために使用することができる。電気絶縁材料が出口開口部からある距離だけ延びるように、電気絶縁材料を金属ワイヤのガイドの出口開口部に位置決めすることができる。出口開口部から延びる電気絶縁材料の長さは、約０．１〜１０ｍｍ、又は約０．５〜５ｍｍ、又は約１ｍｍとすることができる。ガイド１２０の端部を越えて延びる電気絶縁材料１６０を示す、例示の実施形態が図４Ａに示されている。

流体冷却式コンタクトチップ組立体は、金属材料の連続した堆積物を互いに母材上に融着させることにより物体が作製される、立体自由形状造形により金属材料の３次元加工物を製造するための方法において使用することができる。好ましい実施形態において、流体冷却式コンタクトチップ組立体は、国際公開第２０１２／１３４２９９号パンフレット（Ｓｔｅｍｐｆｅｒ，２０１２）で説明されているような、２つのＰＡＷトーチ、より好ましくは２つのＰＴＡトーチを利用するシステムと共に使用される。本明細書で提供される方法において、作製すべき物体の材料と同じ金属材料の母材には、金属材料の連続した堆積物が積層され、連続した各堆積物は、溶融金属ワイヤからの溶融金属の溶滴に対して母材をより受容的なものにするために、金属材料を堆積させるべき位置において第１のＰＡＷトーチを使用して母材を予熱することと、コンタクトチップ組立体から出た後の金属ワイヤの先端部が、溶融金属を堆積させるべき予熱された母材よりも上に位置決めされるように、流体冷却式コンタクトチップ組立体を通して金属ワイヤを送給することと、金属ワイヤからの溶融金属材料が母材の予熱表面に滴り落ちるように第２のＰＡＷトーチを使用して金属ワイヤを加熱して溶融させることと、溶融金属材料の連続した堆積物が固化して３次元加工物を形成するように、第１及び第２のＰＡＷトーチの位置に対して母材を所定のパターンで移動させることとにより得られる。第１のＰＡＷトーチは、母材の予熱表面上の溶融金属ワイヤからの過熱した金属溶滴の適切な溶け込みを確実にするために母材にエネルギーを付与することができる。いくつかの実施形態では、母材の表面の少なくとも一部分を溶融させるのに十分なエネルギーが第１のＰＡＷトーチにより付与される。いくつかの実施形態において、第１のＰＡＷトーチは、溶融金属ワイヤからの溶融金属溶滴を加えるべき位置において母材に溶融池を形成する。

２トーチシステムは、母材への熱供給とは関係なく金属ワイヤへの熱供給を増加させることを可能にする。これらの構成では、ＰＴＡトーチを使用するときに、第１のＰＴＡトーチの電極と母材との間のアーク放電により電荷を移動させる電気回路を画定するために、（溶融金属ワイヤの溶融溶滴に対する母材の受容性を高めるなどのために、母材を加熱するために母材よりも上に位置決めされた）第１のＰＴＡトーチの電極が負極性になり且つ母材が正極性になるように、直流電源を接続することができる。第２のＰＴＡトーチの電極と金属ワイヤとの間のアーク放電により電荷を移動させる電気回路を形成するために、直流電源の負極を、（流体冷却式コンタクトチップ組立体から出た金属ワイヤの先端部付近に位置決めされた）第２のＰＴＡトーチの電極に接続することができ、且つ正極が金属ワイヤに接続される。第１のＰＴＡトーチ及び第２のＰＴＡトーチは、同じか又は別個の電源を有することができ、且つトーチの各々への電力供給を個別に調整するための同じか又は別個の調整器を有することができる。

Ｃ．例
以下の例は、単に例示的な目的のために含まれており、本明細書で提供される実施形態の範囲を限定することを意図するものではない。

流体冷却式コンタクトチップ組立体の実施形態の例が図１に概略的に示されている。例示の実施形態において、コンタクト組立体は、チタンで作製されたガイド１２０と、銅で作製された電気接点ユニット２００と、少なくとも部分的に絶縁性セラミックで被覆された、チタンで作製されたワイヤ押圧組立体１９０とを含む。図示のように、電気接点ユニット２００は、コンタクトチップ２１５がＰＴＡトーチ付近に位置するように構成され位置決めされる。図１には示さない、別個に制御されるＰＴＡトーチが、母材を予熱するために使用される。第１のＰＴＡトーチは、溶融金属材料を堆積させるべき位置において、母材が溶融金属ワイヤの溶融液滴に対して受容的になるように、母材を予熱する。いくつかの実施形態では、母材をより受容的なものにするために、母材の少なくとも一部分が第１のＰＴＡにより溶融される。いくつかの実施形態では、第１のＰＴＡトーチにより十分な熱が加えられ、金属材料を堆積させるべき位置において母材に溶融池を形成する。別個の第２のＰＴＡトーチは、金属ワイヤを溶融させる。この装置は、母材を予熱するために母材に付与される熱エネルギーの量とは無関係に、金属ワイヤに発生する熱エネルギーの量を増加させることを可能にする。

電気接点ユニット２００は、チタンで作製された支持要素３５０に接続される。電気接点ユニット２００は、電気接点ユニット２００と支持要素３５０との間の接触領域にプラスチック又はセラミックを隔離材料５６０として使用することにより、支持要素３５０から熱的に隔離される。隔離材料５６０は、熱エネルギーを容易に伝達しない材料である。隔離材料として使用できる例示の材料としては、セラミック及びプラスチックが挙げられる。電気接点ユニット２００は、金属ワイヤがガイド１２０の端部から出た後にコンタクトチップ２１５を金属ワイヤに接触させるように位置決めされた銅合金製のコンタクトチップ２１５を含む。

電気接点ユニット２００は、冷媒入口２２５と冷媒出口２２８とを含む冷却システムを含む。冷媒入口２２５及び冷媒出口２２８は、電気接点ユニット２００内に収容されるとともに冷却流体が冷媒入口２２５から電気接点ユニット２００を通って特にコンタクトチップ２１５の近傍に流れることを可能にする、冷媒チャネル（図２に示す）を通じて流体連通し、冷却流体は、熱エネルギーを吸収した後に、冷媒出口２２８を通じて電気接点ユニット２００から出る。この例において、冷却流体は水であった。

電気接点ユニット２００は、コンタクトチップ２１５に電力を提供するための電気接続部２３０を含む。電気接続部２３０は、コンタクトチップ２１５を金属ワイヤに接触させたときに金属ワイヤがアノードになるように、コンタクトチップ２１５をＤＣ電源に接続する。ＰＴＡトーチの電極は、ＰＴＡトーチがカソードになるようにＤＣ電源に接続される。

例のコンタクトチップ組立体１００はまた、チタン製のガイド１２０を含む。ガイド１２０は、電気接点ユニット２００よりも下に位置決めされる。金属ワイヤは、ガイド１２０の一端部から入り、ガイド１２０を通過して、ガイド１２０の他端部から出て、そこで、金属ワイヤが、加工物の堆積箇所よりも上のＰＴＡトーチのプラズマアーク中に位置決めされる。図示の例では、金属ワイヤがガイド１２０から出た後にコンタクトチップ２１５を金属ワイヤに接触させる。この例において、ガイド１２０は、図４Ａに示すように、略円形断面を備えたワイヤの形態である金属ワイヤを収めるために概ね円筒形状及び円形断面を有する。ガイド１２０の外側部分の形状は、円形断面を有する。この例のガイド１２０は、図４Ａ及び図４Ｂに図示するように、支持体３５０へのガイド１２０の取り付けを可能にする締結具突起１２２を含む。この例のガイド１２０はまた、金属ワイヤのいかなる埃又は粒子も成形加工物に接近する前にガイド１２０から出ることを可能にする底部開口部１２５を含む。

この例において、ガイド１２０は、金属ワイヤがガイド１２０から出るときにガイド１２０を金属ワイヤから隔離して金属ワイヤの一部分を完全に取り囲む、酸化アルミニウムセラミック製の電気絶縁性ライニング１６０をガイド１２０の退出端部に含む（図４Ｂを参照）。ガイド１２０は、ガイド１２０と支持要素３５０との間の接触箇所の間にセラミック又はプラスチック断熱材を含めることにより、支持要素３５０から熱的に隔離される。

この例において、ガイド１２０は、冷却流体が水である冷却流体経路を含む。冷却流体経路は、流入冷媒チャネル１３５に接続されて流入冷媒チャネル１３５と流体連通するガイド冷媒入口１５７を含み、流入冷媒チャネル１３５は、ガイド１２０を横切るとともに、ガイド１２０が熱的に連通する電気接点ユニット２００から熱エネルギーを吸収するように冷却流体がガイド１２０を通って流れることを可能にする。この例において、流入冷媒チャネル１３５は、電気接点ユニット２００の少なくとも一部分に接触するガイド１２０の上部分を横切る。熱エネルギーを吸収した後に、冷却流体は、流出冷却チャネル１３７を通ってガイド冷媒出口１５９へ流れ、ガイド１２０から出る。

上述のように、流体冷却式コンタクトチップ組立体が、国際特許出願の国際公開第２０１２／１３４２９９号パンフレット（Ｓｔｅｍｐｆｅｒ，２０１２）で説明されているような、２トーチ溶接システムにおいて使用された。２トーチシステムは、金属ワイヤへの熱流束を増加させるとともに溶融金属性金属ワイヤの堆積速度を増加させることが、同時に母材を過熱させずに且つスパッタ発生のリスク又は母材の過剰な溶融又は母材における過剰な溶融池の形成なしに、可能となるように、母材への熱供給とは関係なく金属ワイヤへの熱供給を増加させることを可能にする。この例では、第１のＰＴＡトーチの電極と母材との間のアーク放電により電荷を移動させる電気回路を画定するために、（母材を予熱するために母材よりも上に位置決めされた）第１のＰＴＡトーチの電極が負極性になり且つ母材が正極性になるように、直流電源が接続される。第２のＰＴＡトーチの電極と金属ワイヤとの間のアーク放電により電荷を移動させる電気回路を形成するために、（流体冷却式コンタクトチップ組立体から出た金属ワイヤの先端部付近に位置決めされた）第２のＰＴＡトーチの電極を直流電源の負極に接続し、且つ金属ワイヤを正極に接続した。この例において、第１のＰＴＡトーチ及び第２のＰＴＡトーチは、別個の電源と、トーチの各々への電力供給を個別に調整するための別個の調整器とを有していた。母材の堆積領域の温度と金属ワイヤの温度とを監視するための別個の熱検出器を各ＰＴＡトーチと共に使用した。アークの幅及び位置決めを調整するために磁気アーク偏向手段も使用した。

使用された金属ワイヤは、２．４ｍｍの直径を有するグレード５のチタン合金であった。金属ワイヤの送給速度（ワイヤ速度）及び位置決めは、先端部が母材の予熱領域よりも上の意図された位置に達したときに、金属ワイヤが連続的に加熱されて溶融されることを確実にするために、第２のＰＴＡトーチへの電力供給の効率に従って制御及び調整された。この例では、（母材よりも上の）第１のＰＴＡトーチには約２５０アンペア（Ａ）の電流が提供され、且つ第２のＰＴＡトーチには最大３００Ａの電流が提供された。約５ｋｇ／ｈの堆積速度が達成された。

制御システム（コンピュータ支援製造システムなど）は同時に、意図された堆積スポット（形成すべき物体のＣＡＤモデルにより与えられる）に位置するように母材及び１つ若しくは複数のＰＡＷ又はＰＴＡトーチを常に位置決めし移動させる１つ若しくは複数のアクチュエータ（図示せず）を動作させてアクチュエータの係合を調整するように関与させることができる。制御システムはまた、母材の予熱領域、すなわち母材の溶融池が、溶融金属材料を堆積させるべき場所となるように、予熱用ＰＡＷ又はＰＴＡトーチを制御する任意のアクチュエータを動作させるように関与させることができる。

本明細書で説明する本発明の例示の実施形態において使用される制御システムは、堆積機器の部分的又は完全な自動化を提供することができる。制御システムは、コンピュータプロセッサ若しくは中央処理装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵディスプレイ、１つ若しくは複数の電源、電源接続部、入力及び／若しくは出力としての信号モジュール、アナログ信号の一体型シールド、記憶装置、回路基板、メモリチップ若しくは他の記憶媒体、内部で具現化されたコンピュータ可読プログラムを有する非一時的コンピュータ可読記憶媒体、又はこれらの任意の組み合わせを含むことができる。コンピュータ可読プログラムは、システムのいずれか１つ又は組み合わせを自動化するための適切なソフトウェアを含むことができる。例示の制御モジュールとしては、限定されるものではないが、Ｓｉｅｍｅｎｓ ＡＧ（Ｍｕｎｉｃｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ）のＳＩＭＡＴＩＣ−Ｓ７−１５００、Ｂｏｓｃｈ Ｒｅｘｒｏｔｈ ＡＧ（Ｌｏｈｒ ａｍ Ｍａｉｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から入手可能なＩｎｄｒａＭｏｔｉｏｎ ＭＴＸ ｓｙｓｔｅｍ、及びＳＩＧＭＡＴＥＫ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．ＫＧ（Ｌａｍｐｒｅｃｈｔｓｈａｕｓｅｎ，Ａｕｓｔｒｉａ）から入手可能なＳＩＧＭＡＴＥＫ Ｃ−ＩＰＣ（小型の産業用コンピュータシステム）が挙げられる。

本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に種々の修正及び変形を加えることができることは、当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、本発明の修正及び変形が添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内にあるという条件でそれら修正及び変形を網羅することが意図される。

以下は、明細書及び添付の図面で使用される参照番号の一覧表である。
１００ コンタクトチップ組立体
１２０ ガイド
１２２ 締結具突起
１２５ 底部開口部
１３０ 中心孔
１３５ ワイヤガイド流入冷媒チャネル
１３７ ワイヤガイド流出冷媒チャネル
１４０ 第１の端部
１４５ 入口開口部
１５０ 第２の端部
１５５ 出口開口部
１５７ ワイヤガイド冷媒入口
１５９ ワイヤガイド冷媒出口
１６０ 電気絶縁性ライニング
１７０ ガイドチャネル
１８０ 金属ワイヤ（ワイヤ）
１９０ ワイヤ押圧組立体
１９５ 絶縁先端
２００ 電気接点ユニット
２１５ コンタクトチップ
２２５ 冷媒入口
２２６ 進入冷媒チャネル
２２７ 退出冷媒チャネル
２２８ 冷媒出口
２３０ 電気接続部
３５０ 支持要素
４００ 金属ワイヤ送出源
４５０ コネクタ
４６０ 金属ワイヤを収めるための開口部
４６５ 締結具
５６０ 断熱材料
５７０ 冷媒供給入口
５８０ 冷媒供給出口

図２は、電気接点ユニット２００の例示の実施形態を示している。図２及び図５には、冷却流体経路が示されており、この経路は、冷媒入口２２５と、電気接点ユニット２００を横切るとともに、流体が冷媒入口２２５からコンタクトチップ２１５の近傍の領域に流れることを可能にする進入冷媒チャネル２２６と、温められた冷媒が冷媒出口２２８を通じて電気接点ユニット２００から出ることを可能にする退出冷媒チャネル２２７とを含む。動作中に、流体冷媒は、熱交換器の機能を果たす、進入冷媒チャネル２２６を通って流れる。流体冷媒は、電気接点ユニット２００から熱エネルギーを吸収する。特定の実施形態において、進入冷媒チャネル２２６は、コンタクトチップ２１５の近傍の領域まで延びて、コンタクトチップ２１５から熱エネルギーを吸収することができる。電気接点ユニット２００内の冷却チャネルは、コンタクトチップ２１５からの熱の抽出を最大化するように構成することができる。熱エネルギーの吸収又は伝達を容易にするために、進入冷媒チャネル２２６には、特に、冷却流体と冷媒チャネル２２６の壁との表面接触を増加させることができる、ピン又はフィン又は他の同様の装置などの、突起を並べて設けることができる。

図２には、進入冷媒チャネル２２６が、コンタクトチップ２１５に平行な単層のチャネルを含むものとして示されているが、コンタクトチップ２１５よりも上の領域を横切るアーク、又は電気接点ユニット２００の長さにわたって延びる多数のチャネル、又は多層の進入冷媒チャネル２２６、又は電気接点ユニット２００の周縁に沿って位置決めされる進入冷媒チャネル、又はこれらの組み合わせなどの、他の構成を、電気接点ユニット２００を冷却するために使用することができる。

ガイド１２０は、金属ワイヤのいかなる埃又は粒子も成形加工物に接近する前にガイド１２０から出ることを可能にする底部開口部１２５を含むことができる。底部開口部１２５は、ガイド１２０の端部に延びることができる。ガイド１２０は、図３に示すように、金属ワイヤ１８０が支持されずに出口開口部１５５から出るような先頭形とすることができる。図１に示すように、ワイヤ押圧組立体１９０の絶縁先端１９５は、金属ワイヤ１８０を押圧してコンタクトチップ２１５に接触させる。

Claims (29)

1. 流体冷却式コンタクトチップ組立体であって、
   ガイドと、
   電気接点ユニットであって、
   電源に接続されたコンタクトチップと、
   冷却システムであって、
   冷媒入口と、
   前記冷媒入口に接続されて前記冷媒入口と流体連通する進入冷媒チャネルと、
   前記進入冷媒チャネルに接続されて前記進入冷媒チャネルと流体連通する退出冷媒チャネルと、
   前記退出冷媒チャネルに接続されて前記退出冷媒チャネルと流体連通する冷媒出口と、
   金属ワイヤを押圧して電気接点要素の前記コンタクトチップに接触させるように構成されたワイヤ押圧組立体と
   を含む冷却システムと
   を備える電気接点ユニットと
   を備える、流体冷却式コンタクトチップ組立体。
2. 前記ガイドが、
   長手方向中心軸線と、第１の端部と、反対側の第２の端部と、前記ガイドの前記長手方向中心軸線に沿って前記第１の端部から前記反対側の第２の端部に延びて延在する中心孔であって、金属ワイヤを送給できる中心孔と、
   冷却システムであって、
   冷媒供給入口と流体連通するように接続可能な冷媒入口と、
   前記冷媒入口に接続されて前記冷媒入口と流体連通する流入冷媒チャネルと、
   前記流入冷媒チャネルに接続されて前記流入冷媒チャネルと流体連通する流出冷媒チャネルと、
   前記流出冷媒チャネルに接続されて前記流出冷媒チャネルと流体連通する冷媒出口と
   を含む冷却システムを備える、請求項１に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
3. 前記進入冷媒チャネルが、前記コンタクトチップの近傍に複数の相互接続された平行チャネルを備える、請求項１〜２のいずれか一項に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
4. 前記ガイドが底部開口部を更に備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
5. 前記ガイドがＴｉ又はＴｉ合金を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
6. 前記電気接点ユニットがＣｕ又はＣｕ合金を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
7. 前記コンタクトチップがＣｕ又はＣｕ合金を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
8. ワイヤ押圧組立体は、前記ワイヤ押圧組立体が前記金属ワイヤを押圧して前記コンタクトチップに接触させるようにする圧力を及ぼすばねを備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
9. 前記ワイヤ押圧組立体が絶縁先端を備え、
   前記絶縁先端が、前記金属ワイヤを押圧して前記コンタクトチップに接触させるときに前記金属ワイヤに接触する、請求項８に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
10. 前記ワイヤ押圧組立体が、Ｔｉ又はＴｉ合金を含み、且つ電気接点ユニットに接続される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
11. 前記ガイド及び前記電気接点ユニットが接続される支持要素と、
    金属ワイヤ送出源と
    を更に備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
12. 前記支持要素と前記電気接点ユニットとの間に断熱材料を更に含む、請求項１１に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
13. 前記支持要素が、
    前記ガイド冷媒入口と流体連通するように接続可能な冷媒供給入口と、
    前記ガイド冷媒出口と流体連通するように接続可能な冷媒供給出口と
    を更に備える、請求項１１に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
14. 前記金属ワイヤが前記ガイドを通過した後に、前記金属ワイヤが、加工物よりも上のプラズマアークに接触する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の流体冷却式コンタクトチップ組立体。
15. 立体自由形状造形により金属材料の３次元物体を製造するための方法であって、
    金属材料の連続した堆積物を前記母材上に堆積させることを含み、
    金属ワイヤに電流を流す流体冷却式電気接点ユニットにガイドを通して金属ワイヤを送給することと、
    溶融金属材料が母材に滴り落ちるように第１のＰＡＷトーチを使用して前記ワイヤを加熱して溶融させることと
    により、連続した各堆積物が得られる、方法。
16. 前記溶融ワイヤからの溶融金属材料の前記連続した堆積物が固化して前記３次元物体を形成するように前記母材及び前記第１のＰＡＷトーチの少なくとも一方を移動させることにより堆積パターンを定めることを更に含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記金属材料を堆積させるべき場所において前記母材を予熱することを更に含む、請求項１５〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記予熱することが、第２のＰＡＷトーチを使用して実行される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記溶融ワイヤからの溶融金属材料の前記連続した堆積物が固化して前記３次元物体を形成するように前記母材、前記第１のＰＡＷトーチ及び前記第２のＰＡＷトーチの少なくとも１つを移動させることにより堆積パターンを定めることを更に含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記流体冷却式電気接点ユニットが、
    冷却システムであって、
    冷媒供給入口と流体連通するように接続可能な冷媒入口と
    前記冷媒入口に接続されて前記冷媒入口と流体連通する流入冷媒チャネルと、
    前記流入冷媒チャネルに接続されて前記流入冷媒チャネルと流体連通する流出冷媒チャネルと、
    前記流出冷媒チャネルに接続されて前記流出冷媒チャネルと流体連通する冷媒出口と
    を備える冷却システムを含む、請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記ガイドが、
    冷却システムであって、
    冷媒供給入口と流体連通するように接続可能な冷媒入口と
    前記冷媒入口に接続されて前記冷媒入口と流体連通する流入冷媒チャネルと、
    前記流入冷媒チャネルに接続されて前記流入冷媒チャネルと流体連通する流出冷媒チャネルと、
    前記流出冷媒チャネルに接続されて前記流出冷媒チャネルと流体連通する冷媒出口とを備える冷却システムを含む、請求項１５〜２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記金属ワイヤが、任意のワイヤの形態であり、且つＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、若しくはＺｒ、又はこれらの複合材若しくは合金を含む、請求項１５〜２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記金属ワイヤに流される電流が少なくとも１００アンペアである、請求項１５〜２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 立体自由形状造形により金属材料の３次元物体を製造するためのシステムであって、
    金属ワイヤを母材よりも上の位置に案内するための流体冷却式ガイドと、
    前記金属ワイヤに電流を流すために前記金属ワイヤに電気的に接触する流体冷却式電気接点ユニットと、
    前記金属ワイヤを溶融させて金属材料が前記母材の上に滴り落ちるようにするための第１の溶接トーチと、
    前記金属材料の連続した堆積物を前記母材上に融着させることにより物理的物体が構築されるように堆積プロファイルを定めるために形成される前記物体のコンピュータモデルと
    を備える、システム。
25. 前記母材を少なくとも前記溶接トーチに対して移動させるアクチュエータトレイを更に備える、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記第１の溶接トーチを移動させるアクチュエータアームを更に備える、請求項２４〜２５のいずれか一項に記載のシステム。
27. 前記金属材料を堆積させるべき領域において前記母材を予熱するための第２の溶接トーチを更に備える、請求項２４〜２６のいずれか一項に記載のシステム。
28. 前記第２の溶接トーチを移動させるアクチュエータアームを更に備える、請求項２７に記載のシステム。
29. 前記金属ワイヤに流される電流が少なくとも１００アンペアである、請求項２４〜２８のいずれか一項に記載の方法。

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