JP2019529110A - Ｍｉｇ金属溶接用のコンタクトチップ組立体 - Google Patents

Abstract

電気エネルギー源と共にコンタクトチップ（２１５）を収容する電気接点ユニット（２００）を有し、電気接点ユニット（２００）がガイド（１２０）の出口開口部から距離をおいて位置決めされる、コンタクトチップ組立体。

Description

本発明は、金属不活性ガス溶接（ＭＩＧ溶接）において溶接ワイヤに電気的に接続し溶接ワイヤを案内するのに適したコンタクトチップに関する。

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使用量が多く、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、立体自由形状製造法、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され得る。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、液体、ペースト、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してもよい。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ことができる。

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連続生産に適しており、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。

（非特許文献１）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開示している。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との両方に用いられてもよく、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。

金属材料を溶接するための熱を提供するためにプラズマアークを使用することが知られている。この方法は、大気圧又はより高い圧力で用いられてもよく、したがって、この方法により、より簡単でコストのかからないプロセス設備が可能になる。そのような方法の１つは、プラズマ移行型アークが非消耗タングステン電極と溶接領域との間に形成されるガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ、ＴＩＧ溶接とも呼ばれる）として知られている。プラズマアークは通常、プラズマトーチを通じて送給されてアークの周囲に保護カバーを形成するガスにより保護される。ＴＩＧ溶接は、金属ワイヤ又は金属粉末を溶加材として溶融池内又はプラズマアーク中に送給することを含み得る。

Ａｂｂｏｔｔ ｅｔ ａｌ．（（特許文献１）、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の外に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。金属ワイヤを溶融するのに必要な熱は、レーザ照射と併せて電気アークにより供給される。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。

ＭＩＧ溶接における１つの必須のパラメータは、堆積箇所よりも上での金属ワイヤの先端／端部セクションの高い精度での位置決めと、更に、加工物／基材上への金属ワイヤの溶融速度ひいては堆積速度を制御できるようにする、消耗ワイヤとの安定した良好な電気的接触の確保である。この問題の１つの解決策は、Ｗｅｓｔｂｅｒｇ（（特許文献２）、１９３９）により説明されている。Ｗｅｓｔｂｅｒｇは、ワイヤ供給源から送給される真っ直ぐに伸ばされた金属製ワイヤの形態の、金属ワイヤを制御された速度で通過させる、開口付き銅製ノズルを開示している。銅製ノズルと加工物の両方は、銅製ノズルと加工物との間の電位を設定する電源に電気的に接続される。金属製ワイヤが銅製ノズルを通過するときに、金属ワイヤは、ノズルに接触し、これにより電源に電気的に接続される。金属製ワイヤの先端（端部セクション）が堆積／溶接領域よりも上のある距離に達すると、電位が、金属製ワイヤの先端から堆積／溶接領域に下方に延びる電気アークを生成する。電気アークは、到来する金属製ワイヤの先端を溶融させ、これにより、溶融金属材料を堆積／溶接領域上に堆積させる。

銅製ノズルの開口／案内チャネルを通る金属ワイヤ／金属製ワイヤの安全な通過を確実にするために、金属ワイヤよりも若干大きな直径の開口を有することが必要である。銅製ノズルと金属ワイヤとの比較的僅かな機械的接触の結果として、金属ワイヤとワイヤガイドとの不適切な電気的接触の問題が生じ、これにより、金属ワイヤの部片を局所的に溶融させ／引きちぎり、開口の閉塞の原因となる、不安定な電気アーク及び開口内部での放電／スパーク形成の問題がもたらされた。これらの問題は、Ｗｅｓｔｂｅｒｇでは、堆積部に最も近い銅製ノズルの端部セクションが半円筒に成形されていることと、ばね付勢されたローラホイールにより金属ワイヤを半円筒状ガイドチャネルに下方に押し付けることができ、ひいては銅製ノズルと金属ワイヤとの電気接触面積を増加させるように、円筒壁の約半分を除去することとにより、解決されると教示されている。同様の解決策は、Ｚｉｇｌｉｏｔｔｏの（（特許文献３）、２００１）に開示されており、この特許文献は、ＭＩＧ溶接トーチ用のコンタクトチップであって、本体を溶接トーチに締結するための接続手段を有する本体と、ワイヤを送給するための軸穴とを備え、コンタクトチップには、外壁から軸線に延びるＶ字状切り込みが設けられ、軸穴は切り込みの底部に至る、コンタクトチップを開示している。切り込みの底部は傾斜しており、且つ切り込みはノズルに隣接する軸線側に偏っている。Ｚｉｇｌｉｏｔｔｏのコンタクトチップには、切り込みの底部及び壁に対して溶接ワイヤを押圧するために切り込み内部に嵌り込む押圧手段が設けられ、押圧手段は、切り込み内部に嵌り込んで溶接ワイヤ上に載置されるばねからなり、ばねは、コンタクトチップ本体と結合する手段を有する。

同じ問題の他の解決策は、Ｂｅｄｎａｒｚ ｅｔ ａｌ．の（（特許文献４）、２００３）で知られており、この特許文献は、溶接電源からの電流を本体から電極に伝達できるように電極が通過できる孔を画定する本体を有する、金属ワイヤを使用する電気アーク溶接に好適な、コンタクトチップを開示している。入口端部と出口端部との間の孔の長さの一部において、本体は、本体が電極との１次電気接触を可能にするようになされる１次接触領域を少なくとも１つの領域に有する。孔の長さの残り部分に沿って、本体は、残り部に沿った本体と電極とのいかなる２次接触も孔の１次接触領域における１次電気接触を実質的に短絡させないようになされる。Ｂｅｄｎａｒｚ ｅｔ ａｌ．のいくつかの実施形態において、金属ワイヤに押し付けられる本体／電気接点の下流側の孔／案内チャネルの一部は、金属ワイヤの通過を緩和するためにより大きな直径を有し得る。案内チャネルのこの下流側セクションもまた、中心孔を有する電気絶縁性円筒材料を挿入することによりコンタクトチップの本体から電気的に絶縁されてもよい。

本発明者らの経験によれば、チャネルを詰まらせるか又は金属ワイヤの位置決めの際のずれにつながり得る案内チャネル内部の金属ワイヤ材料の溶融パールを形成し得る、コンタクトチップと金属ワイヤとの間のスパークエロージョン（意図しない放電）に起因する案内チャネルの目詰まりに関する問題がある。また、当該技術分野では、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、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を向上させる方法が必要である。

国際公開第２００６／１３３０３４号パンフレット 米国特許第２，１７９，１０８号明細書 欧州特許出願公開第１１０８４９１号明細書 国際公開第２００３／０３９８００号パンフレット

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、コンタクトチップのガイドの案内チャネル内部でのスパークエロージョンに関する問題を大幅に軽減する、ＭＩＧ溶接用のコンタクトチップ組立体を提供することである。本発明の他の目的は、金属物体、特に、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物体の高速積層製造方法を提供することである。例示の金属物体はチタン又はチタン合金を含む。

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、歪みのない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。

本発明は、スパーク又は他の原因に起因するガイドチャネルの目詰まりに関する問題を、ガイドを金属ワイヤから電気的に絶縁することと、金属ワイヤに電流を供給するために別個の電気接点を用いることとにより大幅に軽減できるという認識に基づいている。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。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。

図１Ａ〜図７Ｂを参照すると、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とを有するガイド１２０を含む、コンタクトチップ組立体１００が提供される。コンタクトチップ組立体１００はまた、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に延び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。コンタクトチップ組立体１００はまた、電気エネルギー源に電気的に接触するコンタクトチップ２１５を収容する電気接点ユニット２００を含む。電気接点ユニット２００は、図１Ａに図示するように、金属ワイヤ１８０を電気接点ユニット２００のコンタクトチップ２１５に露出させる切り欠きセクション１１５内に位置決めすることができる。電気接点ユニット２００は、図２、図３、図４Ａ及び図５に図示するように、出口開口部１５５から距離をおいて位置決めすることができる。組立体は、図１Ａ、図２及び図３に図示するように、電気接点要素２００のコンタクトチップ２１５を金属ワイヤ１８０に押し付けるための接点要素押圧組立体２１０を含むことができる。組立体は、図４Ａ及び図５に図示するように、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に接触させるためのワイヤ押圧組立体１９０を含むことができる。組立体は、ワイヤ押圧組立体１９０と接点要素押圧組立体２１０（図示せず）を含むことができる。

コンタクトチップ組立体は、図１Ｂ及び図４Ｂに図示するように、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１２５は、ワイヤの埃又は部片が成形片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は、チャネルを形成するように第２の端部１５０に延びることができる。ガイド１２０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若しくは組み合わせで作製するか、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若しくは組み合わせを含むことができる。例示のガイド１２０は、チタン若しくはチタン合金で作製されるか、又はチタン若しくはチタン合金を含むことができる。

コンタクトチップ２１５は、Ｃｕ若しくはＣｕ合金若しくはＣｕ複合材で作製されるか、又はＣｕ若しくはＣｕ合金若しくはＣｕ複合材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２１５は、Ｃｕ／Ｗ複合材を含む。

ガイド１２０が、ガイドチャネル１７０を形成する電気絶縁性ライニング１６０を含む場合に、図６Ａ〜図７Ｂに図示するように、コーティング１６５を電気絶縁性ライニング１６０の表面に含めることができる。コーティング１６５は、金属ワイヤ１８０がガイドチャネル１７０を通過するときに金属ワイヤ１８０に面する。本明細書で提供されるコンタクトチップ組立体はまた、金属ワイヤ１８０に接触する絶縁性先端１９５をワイヤ押圧組立体１９０の表面に含むことができる。例示の実施形態が図４Ａ及び図４Ｂに図示されている。

本明細書で提供されるコンタクトチップ組立体を収容する例示のシステムが図１２に図示されている。電気接点ユニット２００は、コンタクトチップ２１５を電源に接続する電気接続部２３０と、コンタクトチップ２１５をコンタクトチップ支持体２２０に接続する絶縁体コネクタ２４０とを含むことができる。コンタクトチップ組立体はまた、金属ワイヤ１８０を電気接点ユニット２００のコンタクトチップ２１５に露出させる切り欠きセクション１１５を含むことができる。

図１２に示すように、本明細書で提供されるコンタクトチップ組立体はまた、ガイド１２０及び電気接点ユニットを支持のために接続できる支持要素３００と、金属ワイヤ送出源４００と、支持要素３００を締結できるフレーム５００とを含むことができる。断熱材料３１０は、全ての接続部の間に存在することができる。図１２は、支持要素３００とガイド１２０との間、及び支持要素３００とフレーム５００との間の断熱材料３１０を示している。コンタクトチップ組立体は、概して、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プラズマ移行アーク（ＰＴＡ）トーチのプラズマアーク中に位置決めされるように位置決めされる。本明細書で提供されるコンタクトチップ組立体において、コンタクトチップ２１５は、ＰＴＡトーチから空間的に隔離させることができる。

立体自由形状造形による金属材料の３次元物体の製造中に金属ワイヤに電流を提供するための方法であって、ガイドを通して金属ワイヤを送給することと、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するコンタクトチップを準備することと、金属ワイヤがガイドの端部分を通過した後に金属ワイヤをコンタクトチップに接触させることとを含む、方法も提供される。

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方法も提供される。この方法は、ガイドの端部を越えたところで金属ワイヤをコンタクトチップに接触させるように構成された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により連続した各堆積物が得られる、金属材料の連続した堆積物を母材上に堆積させることと、溶融金属材料が母材の予熱領域に滴り落ちるようにワイヤを加熱して溶融させるためにＰＡＷトーチを使用することと、溶融金属材料の連続した堆積物が固化して３次元物体を形成するように母材及び／又はＰＡＷトーチを所定のパターンで移動させることとを含む。任意選択的に、第２のＰＡＷトーチは、金属材料を堆積させるべき位置において母材を予熱することができる。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中に溶融される。予熱は、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では、予熱中に十分な熱が加えられ、金属材料を堆積させるべき場所において母材に溶融池を形成する。金属ワイヤは、任意のワイヤの形態とすることができる。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又はＴｉ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ガイドと、ガイドの端部を越えたところで金属ワイヤに接触するように配設されたコンタクトチップと、ワイヤを母材上に溶融させるための溶接トーチと、溶融ワイヤ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。金属ワイヤ。システムは、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更に含むことができる。システムはまた、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。加えて、第２の溶接トーチはまた、ワイヤが溶融される場所において母材を予熱するために使用することができる。第２の溶接トーチはまた、アクチュエータにより移動させることができる。

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との両方が、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、本説明と共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１Ａは、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の側断面図を示す概略図であり、電気接点要素２００の一部分を収めることができる切り欠きセクション１１５の場所をガイド１２０の頂部分に示す。図示の実施形態では、切り欠きセクション１１５がガイド１２０の端部まで延びておらず、結果として、頂部セクションの先端側延長部１１０が得られる。 図１Ｂは、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の底面図を示す概略図であり、ワイヤの埃又は部片が成形片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を示す。 図２は、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の側断面図を示す概略図であり、電気接点要素２００の一部分を収めることができる切り欠きセクション１１５の場所をガイド１２０の頂部分に示す。図示の実施形態において、切り欠きセクション１１５は、ガイド１２０の端部まで延びている。 図３は、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の側断面図を示す概略図であり、電気接点要素２００の一部分を収めることができる切り欠きセクション１１５の場所をガイド１２０の頂部分に示す。図示の実施形態において、切り欠きセクション１１５はガイド１２０の端部に延び、且つ電気絶縁性ライニング１６０はガイド１２０を越えて延びる。 図４Ａは、金属ワイヤ１８０よりも下に位置し且つ電気接点要素２００の下に位置決めされたワイヤ押圧組立体１９０を含むコンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の側断面図を示す概略図である。図示の実施形態において、切り欠きセクション１１５はガイド１２０の端部に延び、且つ電気絶縁性ライニング１６０はガイド１２０を越えて延びる。 図４Ｂは、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の底面図を示す概略図であり、ワイヤの埃又は部片が成形片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を示す。描かれている実施形態において、底部開口部１２５は、ガイド１２０の第２の端部１５０に延びる。 図５は、金属ワイヤ１８０よりも下に位置し且つ電気接点要素２００の下に位置決めされたワイヤ押圧組立体１９０を含むコンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の側断面図を示す概略図である。図示の実施形態において、電気絶縁性ライニング１６０は、ガイド１２０を越えて延びる。 図６Ａは、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の正面断面視を示す概略図である。図６Ａでは、電気絶縁性ライニング１６０及びガイド１２０の断面が円形である。図６Ａは、電気絶縁性ライニング１６０上の任意選択のコーティング１６５の位置を示す。 図６Ｂは、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の正面断面視を示す概略図である。図６Ｂでは、電気絶縁性ライニング１６０の断面が正方形であり且つガイド１２０の断面が円形である。図６Ｂは、電気絶縁性ライニング１６０上の任意選択のコーティング１６５の位置を示す。 図７Ａは、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の正面断面視を示す概略図である。図７Ａでは、電気絶縁性ライニング１６０及びガイド１２０の断面が正方形である。図７Ａは、電気絶縁性ライニング１６０上の任意選択のコーティング１６５の位置を示す。 図７Ｂは、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の正面断面視を示す概略図である。図７Ｂでは、電気絶縁性ライニング１６０の断面が円形であり且つガイド１２０の断面が正方形である。図７Ｂは、電気絶縁性ライニング１６０上の任意選択のコーティング１６５の位置を示す。 図８は、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の側面図を示す図である。 図９は、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の上面図を示す図である。 図１０は、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の底面図を示す図である。 図１１は、コンタクトチップ組立体１００のガイド１２０の実施形態の正面図を示す図である。 図１２は、本明細書で提供されるコンタクトチップ組立体１００を含むシステムの実施形態の側面図を示す図である。

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、並びにその他の公開資料は、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。

本明細書で使用される場合、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。

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、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。

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、「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。したがって、ＰＴＡトーチは、母材を形成加熱すること、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、タングステンを含有する電極と、銅を含有する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２５〜３５Ｖ（最大でおよそ１４ｋＷ）である。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され且つ立体自由形状造形プロセスで用いられ得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られ得る、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され得る。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母材の予熱領域上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、母材を予熱することができる。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。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。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。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．コンタクトチップ組立体
立体自由形状造形法を使用してニアネットシェイプの金属体を製造するためのシステム及び方法であって、ガイドのガイドチャネル内部でのスパークエロージョンに関する問題を大幅に軽減するコンタクトチップ組立体を利用するシステム及び方法が提供される。スパークにより起こるガイドチャネル内での溶融物の蓄積は、ガイドチャネル内において無作為の電気的接続及び物理的移動をもたらす可能性があり、且つガイドを通る金属ワイヤに干渉し移動を妨げ得る堆積をガイドチャネル内にもたらす可能性がある。本発明者らは、スパーク若しくは他の原因に起因するガイドチャネルの目詰まり又はスパークにより起こる溶融物の蓄積に起因するガイドチャネルの変形による金属ワイヤの撓みに関する問題を、ガイドを金属ワイヤから電気的に絶縁することと、電流を金属ワイヤに供給するために別個の電気接点を使用することとにより大幅に軽減できることを見出した。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。

本明細書で提供されるコンタクトチップ組立体は、ガイドと、金属ワイヤをガイドに提供する金属ワイヤ送出源と、ワイヤを電源に電気的に接続する電気接点要素とを含む。ガイドは、金属ワイヤから電気的に絶縁され、且つ別個の電気接点ユニットは、電気接点ユニットのコンタクトチップを介して金属ワイヤに電流を供給する。ガイドは、プラズマアーク溶接に適合する任意の材料を有することができる。いくつかの実施形態において、ガイドは、チタンか、又はＡｌ、Ｖ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｓｉ、及びＭｎの１つ若しくは組み合わせとの組み合わせでＴｉを含有するチタン合金であるか、或いはチタンか、又はＡｌ、Ｖ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｓｉ、及びＭｎの１つ若しくは組み合わせとの組み合わせでＴｉを含有するチタン合金を含有する。例えば、例示のチタン合金としては、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−ｌＭｎ−０．５Ｗ−０．５Ｍｏ−０．２Ｓｉ、及びＴｉ−４８Ａｌ−２Ｎｂ−０．７Ｃｒ−０．３Ｓｉが挙げられる。

コンタクトチップは、銅若しくは銅合金であるか、又は銅若しくは銅合金を含む。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。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。

本明細書で提供されるコンタクトチップ組立体を収容するシステムの例示の実施形態が図１２に示される。図１２に描かれている例示のシステムにおいて、コンタクトチップ組立体は、ガイド１２０と、ガイド１２０よりも上に位置決めされた電気接点ユニット２００とを含む。電気接点ユニット２００は、コンタクトチップ２１５（図示せず）と、コンタクトチップ２１５をＤＣ電源などの電源と接続するための電気接続部２３０とを含む。電気接点ユニット２００は、コンタクトチップ２１５を押圧して金属ワイヤ１８０に接触させるためにコンタクトチップ支持体２２０に対して下向きの圧力を及ぼすことができるコンタクトチップ押圧組立体２１０を含むことができる。コンタクトチップ２１５を金属ワイヤ１８０に接触した状態に保つ下向きの圧力は、例えば、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することにより達成することができる。コンタクトチップ支持体２２０がコンタクトチップ２１５を押圧して金属ワイヤ１８０に接触したときに、ＰＴＡトーチ６００を含む電気回路を完成させることができる。

ガイド１２０及び電気接点ユニット２００は、支持要素３００に接続されて示されている。ガイド１２０及び電気接点ユニット２００は、接触箇所の間に断熱材料３１０を含めることにより支持要素３００から熱的に隔離される。支持要素３００は、フレーム５００に取り付けられて示されている。支持要素３００及びフレーム５００が単に例示的なものに過ぎないことを理解すべきである。他の支持構造も使用することができる。電気的にも絶縁された、金属ワイヤ送出源４００は、金属ワイヤ１８０をガイド１２０の一端部に提供する。金属ワイヤ１８０は、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１８０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。本明細書で提供される例示の構成では、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が存在する。これにより、安定した接触箇所を維持することが可能となる。このことはまた、アークに接触して溶融される前の金属ワイヤワイヤの安定した抵抗予熱を促進する。

ガイド１２０は、金属ワイヤ１８０を受け入れて金属ワイヤ１８０が支障なくガイド１２０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。例示のガイド１２０が図８〜図１１に詳細に示されている。図８に描かれているように、ガイド１２０は、略円形断面を備えたワイヤの形態である金属ワイヤ１８０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。図６Ａ及び図６Ｂには、ガイド１２０の断面が円形として示されている。図７Ａ及び図７Ｂには、ガイド１２０の断面が正方形として示されている。

例示の実施形態において、ガイド１２０は、流体冷却することができる。例えば、ガイドは、ガイドを通る流体流れのための内部経路を含むように設計することができる。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などの、任意の好適な流体とすることができる。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。

ガイドを位置合わせする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などのための、外面からの突起又は凸部を含むことができる。ガイド１２０の側面図を示す、図８に示すように、ガイド１２０は、（図１２に示すように）ガイド１２０を支持要素３００に接続するための締結具突起１２２及び１２４を含むことができる。締結具突起１２２及び１２４には、ガイド１２０を支持要素３００に取り付けるために使用できるボルト又はねじを収めるようにねじ山を付けることができる。ガイド１２０は、電気接点ユニット２００と係合し且つ／又は電気接点ユニット２００の配置を案内できる凸部１２７を含むことができる。

図８に示すように、ガイド１２０は、電気接点ユニット２００の端部の一部分を収めることができる切り欠きセクション１１５をガイド１２０の上部分に含むことができる。切り欠きセクション１１５は、結果として、切り欠き進入開口部１１２を含む第１の切り欠き壁１１１と、切り欠き退出開口部１１３を含む第２の切り欠き壁１１４の形成をもたらす。金属ワイヤ１８０は、切り欠き進入開口部１１２を通じて切り欠きセクション１１５内に入り、切り欠き退出開口部１１３を通じて切り欠きセクション１１５から出て、最終的に出口開口部１５５を通じてガイド１２０から出る。

図９は、ガイド１２０の上面図を示している。図に示すように、ガイド１２０は、切り欠きセクション１１５の真下に底部開口部１２５を含むことができる。底部開口部１２５は、金属ワイヤ１８０のいかなる埃又は粒子も成形片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は、図１０に示すように、ガイド１２０の第２の端部１５０に延びることができる。

図１１は、ガイド１２０の正面斜視図を示している。この図は、電気絶縁性ライニング１６０がガイド１２０の第２の端部１５０から延びる実施形態を図示している。金属ワイヤ１８０は、金属ワイヤ１８０が出口開口部１５５を通じてガイド１２０から出るときにある程度の距離にわたって電気絶縁性ライニング１６０により取り囲まれる。第２の端部１５０から延びる電気絶縁性ライニング１６０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１６０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１６０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１６０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（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１６０がガイド１２０の端部を越えて延びていない、例示の実施形態が図４Ａに示されている。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１６０がガイド１２０の端部を越えて延びる、例示の実施形態が図５に示されている。

切り欠きセクションが存在する場合に、電気絶縁性ライニングは、ガイド内に収容されて切り欠きセクション内には延びないように、又はガイドの端部を越えて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１６０がガイド１２０内に収容される、例示の実施形態が図２に示されている。切り欠きセクションが存在するいくつかの実施形態において、電気絶縁性ライニングは、切り欠きセクション内に延びるように、若しくはガイドの端部を越えて延びるように、又はこれらの両方であるように構成することができる。電気絶縁性ライニング１６０が切り欠きセクション１１５内に延び且つガイド１２０の端部を越えて延びる、例示の実施形態が図３に示されている。

電気絶縁性ライニングは、金属ワイヤが通過できる中心孔を含むことができる。中心孔は、典型的には、金属ワイヤを容易に収める形状を有する。例えば、金属ワイヤが、円形断面を有するワイヤである場合に、電気絶縁性ライニングは、円形断面を有する中心孔を含む。電気絶縁性ライニングの中心孔は、概して、金属ワイヤの直径よりも僅かに大きい直径を有する。この中心孔は、ワイヤ直径のばらつきなどの、金属ワイヤの断面サイズのいかなるばらつきにも対応する。例えば、金属ワイヤが金属ワイヤである場合、ワイヤ直径は、直径のある程度のばらつきを有する可能性があり、電気絶縁性ライニングの中心孔のサイズを決定するために、ばらつきの公差を使用することができる。例えば、電気絶縁性ライニングの中心孔は、金属ワイヤの形態の金属ワイヤの直径にばらつき公差の０．０１ｍｍを加えた直径を収めるような大きさとすることができる。

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。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの、合成フルオロポリマーは、摩擦を低減するために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。図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂの各々には、任意のコーティング１６５が、中心孔１３０に面する電気絶縁性ライニング１６０の表面上に示されている。

電気絶縁性ライニング１６０は、電気絶縁性ライニング１６０が、金属ワイヤ１８０を受け入れて金属ワイヤ１８０が電気絶縁性ライニング１６０を通過することを可能にする中心孔１３０を有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。絶縁性ライニング１６０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、若しくは八角形である断面を有することができる。図６Ａ及び図７Ｂに描かれているように、電気絶縁性ライニング１６０は、円形断面を有する中心孔１３０を備えた略円形断面を有することができる。図６Ｂ及び図７Ａは、円形断面を有する中心孔１３０を備えた正方形断面を有する電気絶縁性ライニング１６０を示している。

電気接点ユニットは、金属ワイヤに接触させる交換可能なコンタクトチップを収容する。既に述べたように、コンタクトチップは、ワイヤを収めるような大きさとされる曲面又は半曲面を有し得る。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、金属ワイヤを直流電源に電気的に接続する。電気的接続は、（交換可能なコンタクトチップを介して）電源とＰＴＡトーチの電極と金属ワイヤとを接続する回路が形成されるように行うことができる。金属ワイヤが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、金属ワイヤ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。

提供される方法では、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（ガスメタルアーク溶接、すなわちＧＭＡＷ）、特に非反応性ガスを使用してアークを形成する溶接（金属不活性ガス溶接、すなわちＭＩＧ溶接）が、金属物体の立体自由形状造形において使用される。これらの方法において、金属ワイヤは、電気アークを使用してトーチにより生み出されたプラズマ中で溶融させられ、且つ溶融金属ワイヤは、加工物上に堆積されて、金属体に加えられ、ニアネットシェイプの金属体を形成する。

電気絶縁材料はまた、ＰＴＡトーチのアークから電気接点ユニットを絶縁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、０．１〜１０ｍｍ、又は約０．５〜５ｍｍ、又は約１ｍｍとすることができる。

いくつかの実施形態において、電気接点ユニットは、金属ワイヤガイドの切り欠きセクション内に位置決めすることができ、且つガイドは、ガイドの出口開口部に位置決めされる電気絶縁材料を含むことができる。例示の実施形態が図８に示されており、この図は、電気接点ユニット２００を受け入れるガイド１２０の切り欠きセクション１１５と、ガイド１２０の端部を越えて延びる電気絶縁材料１６０とを示している。

電気絶縁材料は、プラズマアーク付近の温度で使用するのに好適な任意の材料を含み得る。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（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。

電気接点ユニット内のコンタクトチップは、銅若しくは銅合金を含有する。コンタクトチップは、（例えば、Ｂｒｏｕｗｅｒ Ｍｅｔａａｌ ｂ．ｖ．から）市販されており、本発明は、いかなる特定の種類のコンタクトチップにも限定されない。コンタクトチップは、電気接点ユニット内の円筒状支持体に取り付けることができる。いくつかの実施形態において、コンタクトチップは、介在する断熱材料を使用することにより円筒状支持体から断熱される。コンタクトチップがさらされる可能性のある温度に耐えることができる任意の断熱材料が、電気接点ユニット内での使用に適している。例示の断熱材料はセラミックであり、断熱材料はまた、電気絶縁性となるように選択することもでき、この材料は、コンタクトチップから電気接点ユニットに電流が伝達されるのを最小限に抑えるか又は防止する。上で説明したセラミックのいずれも、電気接点ユニット内の円筒状支持体にコンタクトチップを取り付けるための適切な取付具を構築するために使用することができる。

電気接点ユニット内のコンタクトチップは、金属ワイヤへの一定の電流と、電源と金属ワイヤと標的領域とを含む完成した回路とを確保するために、金属ワイヤに接触した状態に維持される。いくつかの実施形態において、コンタクトチップは、コンタクトチップ押圧組立体を介して金属ワイヤに接触した状態に維持される。コンタクトチップ押圧組立体は、電気接点ユニットの一部とすることができ、又は別個の要素とすることができる。図６Ａに概略的に示すように、コンタクトチップ押圧組立体２１０は、コンタクトチップ２１５を押圧して金属ワイヤ１８０に接触させるためにコンタクトチップ支持体２２０に対して下向きの圧力を及ぼすことができる。コンタクトチップ２１５を金属ワイヤ１８０に接触した状態に保つ下向きの圧力は、例えば、ばね、油圧機構、機械ねじ、又は電動ピストン組立体を使用することにより達成することができる。ばねが使用される場合に、ばねは、コンタクトチップ２１５が金属ワイヤ１８０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。選択される構成に応じて、約０．００１〜約１０Ｎ／ｍのばね定数を有する、圧縮ばねなどの、ばねを、コンタクトチップ２１５を金属ワイヤ１８０に対して下方に押し下げるために使用することができる。

いくつかの実施形態において、コンタクトチップは、ワイヤ押圧組立体を介して金属ワイヤに接触した状態に維持される。図９に概略的に示すように、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に対して上向きの圧力を及ぼすことができる。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ための上向きの圧力は、例えば、ピン、レバー、若しくはばねに取り付けられた、Ｌ字形クリップなどの、クリップ、油圧機構、機械ねじ、又は電動ピストン組立体を使用することにより達成することができる。ピン又はクリップは、金属ワイヤに接触し、金属ワイヤを押し上げてコンタクトチップに接触させる。上向きの力は、ばね、油圧機構、機械ねじ、若しくは電動ピストン組立体、又はこれらの組み合わせにより与えることができる。金属ワイヤを押圧してコンタクトチップに接触させる力は、コンタクトチップ１８０又はワイヤ押圧組立体１９０が金属ワイヤ、例えば金属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との連続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となるように選択することができる。選択される構成に応じて、約０．００１〜約１０Ｎ／ｍのばね定数を有する圧縮ばねなどの、ばねを、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、単独で又は組み合わせて使用することができる。いくつかの実施形態では、コンタクトチップを下方に押圧するコンタクトチップ押圧組立体と金属ワイヤを上方に押圧するワイヤ押圧組立体との組み合わせが使用される。代替的に、コンタクトチップ押圧組立体は上方に押圧し、且つワイヤ押圧組立体は金属ワイヤを下方に押圧する。更に代替的な実施形態において、コンタクトチップ組立体は押圧せず、金属ワイヤ押圧組立体によってのみワイヤをコンタクトチップに接触させる。代替的に、ワイヤ金属押圧組立体は使用されず、コンタクトチップがコンタクトチップ組立体によりワイヤに対して押圧される。更に代替的な実施形態では、金属ワイヤ又はコンタクトチップのいずれにも圧力が加えられない。

ワイヤ押圧組立体は、金属ワイヤとの境界を有して金属ワイヤに接触する絶縁性先端をワイヤ押圧組立体の表面に含むことができる。図４Ａに示すように、任意選択の絶縁性先端１９５が、ワイヤ押圧組立体１９０の表面上に示されており、且つ金属ワイヤに接触する絶縁性先端１９５である。絶縁性先端は、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、ワイヤ押圧組立体における絶縁性先端は、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。

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。

第１の例示の実施形態
コンタクトチップ組立体の第１の例示の実施形態が図１Ａ及び図１Ｂに概略的に示されている。図に図示するように、コンタクトチップ組立体は、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に延びて延在する直線状の中心孔１３０とを有するガイド１２０を含む。また、中心孔１３０の内側には電気絶縁性ライニング１６０も存在し、電気絶縁性ライニング１６０は、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を含む。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から中心孔１３０を通じて出口開口部１５５に向けて更には出口開口部１５５の外へ案内する。コンタクトチップ組立体はまた、電気エネルギー源に電気的に接触するコンタクトチップ２１５を収容する電気接点ユニット２００を含み、コンタクトチップ組立体において、電気接点ユニット２００は、出口開口部１５５から距離をおいて位置する。コンタクトチップ組立体はまた、電気接点ユニット２００のコンタクトチップ２１５を金属ワイヤ１８０に押し付けるための接点要素押圧組立体２１０を含む。図１Ｂに図示するように、ガイド１２０の底部は、ワイヤの埃又は部片が成形片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。例示の実施形態において、ガイド１２０はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金で作製され、コンタクトチップ２１５はＷ／Ｃｕ複合材であり、且つコンタクトチップ押圧組立体は圧縮ばねを含む。

金属ワイヤ１８０は、使用時に、ワイヤ送給器により連続的に供給され、入口開口部１４５内に入り、ガイドチャネル１７０を通ってガイド１２０を横切る、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金で作製されたワイヤである。コンタクトチップ２１５は、セラミックである、絶縁体コネクタ２４０を介して、コンタクトチップ支持体２２０に接続され、コンタクトチップ押圧組立体２１０内の圧縮ばねの力により金属ワイヤ１８０に対して押し下げられる。金属ワイヤは、出口開口部１５５を通じてガイド１２０から出て、金属ワイヤの先端部が母材上の堆積領域における予熱領域よりも上に位置するように位置決めされる。金属ワイヤは、溶融電極の溶滴が母材の予熱領域に連続的に供給されるような先端部の溶融速度で加熱される。いくつかの実施形態において、溶融電極の溶滴は、母材上の溶融池に連続的に供給される。

例示の実施形態において、プラズマ移行型アークは、ＰＴＡトーチの電極がカソードになり且つ金属ワイヤがアノードになるようにＤＣ電源に電気的に接続されるＰＴＡトーチにより形成される。プラズマ移行型アークは、連続的であるとともに、金属ワイヤの先端部を加熱して溶融させるように向けられる。ＤＣ電源の効率は、母材の予熱表面への又は母材上の溶融池内への溶融ワイヤの連続的な滴下を維持するように溶融金属ワイヤ（この例ではＴｉ−６ＡＬ−４Ｖ合金ワイヤ）の溶滴の形成のタイミングが図られるように、ワイヤの送給速度に従って加熱及び溶融速度を維持するように調整される。ＤＣ電源により提供される効率及びワイヤの送給速度は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の意図された堆積速度を提供する速度で溶融ワイヤが母材の溶融池の母材の予熱領域に供給されるように、制御システムにより常に監視され調整される。

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、予熱する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化シールド、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）からの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。

第２の例示の実施形態
コンタクトチップ組立体の第２の例示の実施形態が図４Ａ及び図４Ｂに概略的に示されている。図に図示するように、コンタクトチップ組立体は、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に延びて延在する直線状の中心孔１３０とを有するガイド１２０を含む。また、中心孔１３０の内側には電気絶縁性ライニング１６０も存在し、電気絶縁性ライニング１６０は、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を含む。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から中心孔１３０を通じて出口開口部１５５に向けて更には出口開口部１５５の外へ案内する。コンタクトチップ組立体はまた、電気エネルギー源に電気的に接触するコンタクトチップ２１５を収容する電気接点ユニット２００を含み、コンタクトチップ組立体において、電気接点ユニット２００は、出口開口部１５５から距離をおいて位置する。コンタクトチップ組立体はまた、金属ワイヤ１８０を押圧して電気接点ユニット２００のコンタクトチップ１１５に接触させるためのワイヤ押圧組立体１９０を含む。例示の実施形態において、ワイヤ押圧組立体１９０は、セラミックである絶縁性先端１９５を有する。ワイヤ押圧組立体１９０は、絶縁性先端１９５を金属ワイヤ１８０に接触した状態に維持するばねを含む。

金属ワイヤ１８０は、使用時に、ワイヤ送給器により連続的に供給され、入口開口部１４５内に入り、ガイドチャネル１７０を通ってガイド１２０を横切る、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金で作製されたワイヤである。コンタクトチップ２１５は、セラミックである、絶縁体コネクタ２４０を介して、固定位置にある、コンタクトチップ支持体２２０に接続され、且つ金属ワイヤ１８０は、ワイヤ押圧組立体１９０内の圧縮ばねの力によりコンタクトチップ２１５に対して押し上げられる。金属ワイヤは、出口開口部１５５を通じてガイド１２０から出て、ワイヤ押圧組立体１９０よりも上を通過した後に、金属ワイヤの先端部が母材上の堆積領域における母材の予熱領域よりも上に位置するように位置決めされる。金属ワイヤは、溶融電極の溶滴が母材上の予熱領域に連続的に供給されるような先端部の溶融速度で加熱される。

プラズマ移行型アークは、ＰＴＡトーチの電極がカソードになり且つ金属ワイヤがアノードになるようにＤＣ電源に電気的に接続されるＰＴＡトーチにより形成される。プラズマ移行型アークは、連続的であるとともに、金属ワイヤの先端部を加熱して溶融させるように向けられる。ＤＣ電源の効率は、母材上の予熱領域への溶融ワイヤの連続的な滴下を維持するように溶融金属ワイヤ（この例ではＴｉ−６ＡＬ−４Ｖ合金ワイヤ）の溶滴の形成のタイミングが図られるように、ワイヤの送給速度に従って加熱及び溶融速度を維持するように調整される。ＤＣ電源により提供される効率及びワイヤの送給速度は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の意図された堆積速度を提供する速度で溶融ワイヤが母材の予熱領域に供給されるように、制御システムにより常に監視され調整される。制御システムは同時に、溶融金属を受ける母材の予熱領域が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を常に位置決めし移動させるアクチュエータ（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、図面及び付随する説明で使用される参照番号の一覧表である。
Ａ−Ａ’ 長手方向中心軸線
Ｂ−Ｂ’ 垂直方向軸線
１００ コンタクトチップ組立体
１１０ 先端側延長部
１１１ 第１の切り欠き壁
１１２ 切り欠き進入開口部
１１３ 切り欠き退出開口部
１１４ 第２の切り欠き壁
１１５ 切り欠きセクション
１２０ ガイド
１２２ 締結具突起１
１２４ 締結具突起２
１２５ 底部開口部
１２７ 凸部
１３０ 中心孔
１４０ 第１の端部
１４５ 入口開口部
１５０ 第２の端部
１５５ 出口開口部
１６０ 電気絶縁性ライニング
１６５ コーティング
１７０ ガイドチャネル
１８０ 金属ワイヤ
１９０ ワイヤ押圧組立体
１９５ 絶縁性先端
２００ 電気接点ユニット
２１０ コンタクトチップ押圧組立体
２１５ コンタクトチップ
２２０ コンタクトチップ支持体
２３０ 電気接続部
２４０ 任意選択の絶縁体コネクタ
３００ 支持要素
３１０ 断熱材料
４００ 金属ワイヤ送出源
５００ フレーム
６００ ＰＡＷトーチ

Claims (25)

1. ガイドであって、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ガイドの前記第１の端部から前記第２の端部に延在する中心孔と、を有するガイドと、
   前記中心孔の内側に位置するとともに少なくとも前記ガイドの前記第１の端部から前記第２の端部に延在する電気絶縁性ライニングと、
   電気エネルギー源に電気的に接触するコンタクトチップを収容する電気接点ユニットであって、前記ガイドの前記第２の端部を越えたところで金属ワイヤを前記コンタクトチップに接触させるように配設される前記電気接点ユニットと、
   を備える、コンタクトチップ組立体。
2. 前記金属ワイヤを押圧して前記電気接点要素の前記コンタクトチップに接触させるためのワイヤ押圧組立体を更に備える、請求項１に記載のコンタクトチップ組立体。
3. 前記電気接点要素の前記コンタクトチップを前記金属ワイヤに押し付けるための接点要素押圧組立体を更に備える、請求項１〜２のいずれか一項に記載のコンタクトチップ組立体。
4. ワイヤ押圧組立体と、接点要素押圧組立体とを更に備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコンタクトチップ組立体。
5. 前記電気絶縁性ライニングが、前記第１の端部における入口開口部と、前記第２の端部における出口開口部とを有するとともに、前記長手方向中心軸線に沿って前記電気絶縁性ライニングを貫通して延在するガイドチャネルを備え、且つ前記直線円筒状ガイドチャネルに通される金属ワイヤを前記入口開口部から前記出口開口部に向けて更には前記出口開口部の外へ案内する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のコンタクトチップ組立体。
6. 前記電気接点ユニットが、前記出口開口部から距離をおいて位置決めされる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のコンタクトチップ組立体。
7. 前記ガイドの底部に底部開口部を更に備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のコンタクトチップ組立体。
8. 前記底部開口部が前記第２の端部まで延びている、請求項７に記載のコンタクトチップ組立体。
9. 前記ガイドが、Ｔｉ、又はＴｉ合金、又はＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、若しくはＺｒ、若しくはこれらの組み合わせを含有する複合材で作製されるか、或いはＴｉ、又はＴｉ合金、又はＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、若しくはＺｒ、若しくはこれらの組み合わせを含有する複合材を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のコンタクトチップ組立体。
10. 前記コンタクトチップが、導電性金属、又は導電性金属合金、又はＣｕを単独で若しくはＷと組み合わせて含む導電性複合材で作製されるか、或いは導電性金属、又は導電性金属合金、又はＣｕを単独で若しくはＷと組み合わせて含む導電性複合材を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のコンタクトチップ組立体。
11. 前記ガイドチャネルを形成する前記電気絶縁性ライニングの表面にコーティングを更に備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のコンタクトチップ組立体。
12. 前記金属ワイヤに接触する前記ワイヤ押圧組立体の表面に絶縁性先端を更に備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のコンタクトチップ組立体。
13. 前記電気接点ユニットが、
    前記コンタクトチップを電源に接続する電気接続部と、
    前記コンタクトチップをコンタクトチップ支持体に接続する絶縁体コネクタと
    を備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のコンタクトチップ組立体。
14. 前記金属ワイヤを前記電気接点ユニットの前記コンタクトチップに露出させる切り欠きセクションを更に備える、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のコンタクトチップ組立体。
15. 前記ガイド及び前記電気接点ユニットを支持のために接続できる支持要素と、
    金属ワイヤ送出源と、
    前記支持要素を取り付けることができるフレームと
    を更に備える、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のコンタクトチップ組立体。
16. 断熱材料が、前記支持要素と前記ガイドとの間、前記支持要素と前記電気接点ユニットとの間、及び前記支持要素と前記フレームとの間に存在する、請求項１５に記載のコンタクトチップ組立体。
17. 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の堆積箇所よりも上の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位置決めされる、請求項１５に記載のコンタクトチップ組立体。
18. 前記コンタクトチップが、前記ＰＴＡトーチから空間的に隔離される、請求項１７に記載のコンタクトチップ組立体。
19. 立体自由形状造形による金属材料の３次元物体の製造中に金属ワイヤに電流を提供するための方法であって、
    ガイドを通して金属ワイヤを送給することと、
    前記ガイドとは別個のものであるとともに前記ガイドから離れて位置するコンタクトチップを準備することと、
    前記金属ワイヤが前記ガイドの端部分を通過した後に前記金属ワイヤを前記コンタクトチップに接触させることと
    を含む、方法。
20. 前記金属ワイヤが、ワイヤの形態であり、且つＴｉ又はＴｉ合金を含む、請求項１９に記載の方法。
21. 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ガイドと、
    前記ガイドの端部を越えたところで前記金属ワイヤに接触するように配設されたコンタクトチップと、
    前記ワイヤを溶融させて金属材料が母材に滴り落ちるようにするための溶接トーチと、
    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の形成すべき前記物体のコンピュータモデルと
    を備える、システム。
22. 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２１に記載のシステム。
23. 前記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２１〜２２のいずれか一項に記載のシステム。
24. 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２１〜２３のいずれか一項に記載のシステム。
25. 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２４に記載のシステム。

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