JP6956167B2 - ワイヤ・アーク精度調整システム - Google Patents

Description

本出願は、立体自由形状造形により物体、特にチタン及びチタン合金、又はニッケル若しくはニッケル合金のワイヤから作製される物体を製造するための溶接トーチのアーク中に金属ワイヤの先端部又は先端の高精度の配置を維持するシステム及び方法に関する。

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、立体自由形状造形法（ＳＦＦＦ）、付加造形法、付加製造法、及び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（ＣＡＤ）ソフトウェアを用いて、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してもよく、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。

金属材料を溶接する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の使用が可能になる。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、タングステン不活性ガス（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フィラー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。

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付与される）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）。アーク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流が生成され、アーク電極には大きさの変化する電流が供給される。堆積前に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、プラズマ流に金属ワイヤなどの供給原材料が導入されて、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仕方で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、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わりにＴＩＧトーチを使用することを説明している。Ｗｉｔｈｅｒｓ ｅｔ ａｌ．は、合金ワイヤよりもコストの低い、合金でない工業用純チタンワイヤ（ＣＰ Ｔｉワイヤ）を使用でき、溶接トーチ又は他の高出力エネルギービームの溶融においてＣＰ Ｔｉワイヤと粉末合金化成分とを結合することにより、ＳＦＦＦプロセスにおいてあるがままの状態でＣＰ Ｔｉワイヤを粉末合金化成分と結合することができることを教示している。Ｗｉｔｈｅｒｓ ｅｔ ａｌ．はまた、チタンスポンジ材料を合金化元素と混合してワイヤに成形でき、ここで、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、チタンスポンジ材料が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され得ることを教示している。

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説明している。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トーチ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放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消耗電極を利用する。消耗電極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。消耗電極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することができる。電気アークにより加熱される消耗電極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。

溶接トーチを使用して金属ワイヤから加工物の表面に金属を効果的に堆積させるためには、金属ワイヤを溶接トーチに対する正しい位置に維持することが必要である。金属ワイヤがアーク中に維持されなければ、金属ワイヤが正しい位置で適切に溶融しないか又は正しい位置に堆積されない。

よって、当該技術分野では、溶接トーチのアーク中における適切な位置に金属ワイヤを維持しながら、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

本発明の目的は、溶接トーチへの金属ワイヤの送出のためのシステムを提供することと、立体自由形状造形により金属物体を構築するための、プラズマアーク溶接トーチのアークなどの、溶接トーチにより放出される熱源中に金属ワイヤを維持することである。溶接トーチは、金属ワイヤを溶融させるための、プラズマ移行型アーク（ＰＴＡ）トーチ、電子ビーム、若しくはレーザ、又はこれらの組み合わせなどの、熱源を含む。

本明細書では、加工物に加えられた金属層に意図しない隙間又は不完全箇所が生じないように加工物の表面上の溶融池への溶融金属の一定の供給を行うために、溶接トーチにより放出される熱源に対して金属ワイヤを正しい位置に維持するシステムが提供される。

本発明の別の目的は、金属ワイヤ及び１つ又は複数の溶接トーチを使用して、チタン若しくはチタン合金、又はニッケル若しくはニッケル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、溶接トーチに対する所望の場所への金属ワイヤの溶接トーチへの送出のためのシステム及び方法を提供することにより、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し、このことにより、立体自由形状造形において金属の堆積速度の増加がもたらされ得る。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。

本明細書では、固定された主支持フレーム９００と、枢動継手８００を介して保持ユニットにより主支持フレーム９００に回転可能に接続されて回転可能な支持ピストン８１０により懸架された調節可能なガイド支持フレーム５００とを含む金属ワイヤ位置決めシステムが提供される。板９２０は、主支持フレーム９００に固定して取り付けられる。板９２０は雌ねじ開口部を含む。モータ５７０が調節可能なガイド支持フレーム５００に取り付けられ、モータ５７０は、板９２０の雌ねじ開口部と係合されるねじ部材に取り付けることができる。溶接トーチ６００は、主支持フレーム９００に固定して取り付けることができる。第２の溶接トーチ６１０もまた、主支持フレーム９００に固定して取り付けることができる。保持ユニットは、枢動継手８００と係合された回転可能な支持ピストン８１０を収容する支持体８２０と、回転可能な支持ピストン８１０に接続されて回転可能な支持ピストン８１０を枢動可能に支持するコネクタ８３０とを含むことができ、支持体８２０は主支持フレーム９００に固定して取り付けられる。システムは、溶接トーチ６００のアークなどの、溶接トーチにより放出された熱源の位置を検出する検出器７００を含む。本発明はＰＴＡトーチのアークとの相互関係において説明されるが、本明細書で提供されるシステムを、ＰＡＷ若しくはＰＴＡ溶接トーチのプラズマアーク、又は電子ビーム溶接トーチの電子ビーム、又はレーザ溶接トーチのレーザビームなどの、溶接トーチの任意の熱源中に金属ワイヤの端部を再配置するために使用できることに留意されたい。

モータ５７０は、ねじ部材の移動を制御できる制御システムと通信することができる。制御システムは、ねじ部材をモータ５７０により回転させる量及び方向を制御することができる。ねじ部材は、ねじ又はボルトとすることができる。モータ５７０によるねじ部材の一方向への回転により、調節可能なガイド支持フレーム５００が、固定された主支持フレーム９００に向けて再配置され、且つモータ５７０によるねじ部材の反対方向への回転により、調節可能なガイド支持フレーム５００が、固定された主支持フレーム９００から離れる方向に再配置される。この結果、金属ワイヤ１８０の先端部が再配置される。例えば、モータ５７０によるねじ部材の時計回りの回転により、調節可能なガイド支持フレーム５００を、固定された主支持フレーム９００に向けて再配置することができ、且つモータ５７０によるねじ部材の反時計回りの回転により、調節可能なガイド支持フレーム５００を、固定された主支持フレーム９００から離れる方向に再配置することができる。代替的に、モータ５７０によるねじ部材の反時計回りの回転により、調節可能なガイド支持フレーム５００を、固定された主支持フレーム９００に向けて再配置することができ、且つモータ５７０によるねじ部材の時計回りの回転により、調節可能なガイド支持フレーム５００を、固定された主支持フレーム９００から離れる方向に再配置することができる。

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部分的又は完全に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。コンピュータ可読プログラムは、ねじ部材の回転、モータ速度、温度、圧力、加工物の位置、堆積速度、又はこれらの任意の組み合わせなどの、パラメータを監視及び／又は調節するための適切なソフトウェアを含むことができる。例示の制御システムとしては、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システム、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。

金属ワイヤをトーチにより加工物上の溶融池内に溶融させることができるように適切な位置でトーチへの金属ワイヤの連続供給を行うために、製造プロセス中の適切な調節により、溶接トーチ６００のアークに対して金属ワイヤ１８０の先端部を所望の場所に維持することができる。プラズマアーク溶接トーチのプラズマアークなどの、溶接トーチにより放出される熱源に対してワイヤを再配置するために、調節可能なガイド支持フレームがねじ部材の回転運動により調節可能に再配置される。ねじ部材を包囲する可動スリーブを、ねじ部材を保護するために含めることができる。モータ５７０は、出力制御信号により駆動される直流モータとすることができ、又はステッピングモータとすることができる。モータ５７０がステッピングモータである場合に、いずれかの方向へのねじ部材の正確な量の回転は、モータに供給される励磁パルスの数を電子的に制御することにより達成することができる。

本明細書で提供されるシステムにおいて、検出器７００は、調節可能なガイド支持フレーム５００に検出器支持体７１０によって取り付けることができる。検出器７００は、カメラ、ビデオカメラ、映像センサ、又はこれらの組み合わせを含むことができる。カメラは電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラとすることができる。プラズマアーク溶接トーチのプラズマアークなどの、溶接トーチにより放出される熱源、及び金属ワイヤ１８０の先端部の位置のカラー画像又は白黒画像は、検出器により撮影することができる。カメラの視野は、金属ワイヤ１８０の先端部がカメラの視野の概ね中心に位置するように調節することができる。ノイズを除去するために又は溶接トーチにより放出された熱源により生じるカメラが受ける光の量を低減して金属ワイヤ１８０の先端部の可視化を向上させるために、バンドパスフィルタをカメラの前面に配置することができる。いくつかの実施形態において、検出器７００は、金属ワイヤからの溶融金属溶滴の視覚的検出を行うためのカメラを含むことができる。溶滴移行角度を測定して精度を評価することができる。溶滴移行角度のずれは、溶接トーチにより放出される熱源中の金属ワイヤの先端部の位置を調節するために使用されるパラメータとすることができる。溶滴移行角度のずれは、ワイヤの位置の調節が必要であるかどうかを判断するために、単独で又は他のパラメータと共に使用することができる。必要であれば、調節は、カメラからの画像に基づいてリアルタイムに手動で行うことができる。調節は、カメラからの画像の画像解析、例えば溶滴移行角度に基づいてリアルタイムに自動的に行うことができる。

システムはまた、第１の電動ワイヤ送給器４７５と、モータ４７０と、回転カウンタ４６５と、第２の電動ワイヤ送給器４６０とを含むマスタ送給装置を含むことができる。第１の電動ワイヤ送給器４７５と第２の電動ワイヤ送給器４６０とにモータ４７０を動作可能に接続することができる。回転カウンタ４６５は、第１の電動ワイヤ送給器４７５と第２の電動ワイヤ送給器４６０との間に位置決めすることができる。このシステムはまた、第１の電動ワイヤ送給器４７５の前に位置決めされた回転カウンタ４８０を含むことができる。マスタ送給装置は、金属ワイヤ１８０がワイヤ供給システムを越えるときに捩れ、曲がり又は他の永久的な変形が決して金属ワイヤ１８０に導入されないようにするために、金属ワイヤ１８０の滑りを監視することができる。滑りは、回転カウンタ４８０により測定されたフリーホイール装置４８５の回転を回転カウンタ４６５により測定されたマスタ送給器の回転と比較することにより検出することができる。

本明細書で提供されるシステムにおいて、固定された主支持フレーム９００若しくは調節可能なガイド支持フレーム５００又はこれらの両方は、１つ若しくは複数の切り欠き、穿孔又は穴５５０を含むことができる。切り欠き、穿孔又は穴は、熱の放散を可能にする。過剰な熱はフレームの変形を生じさせる可能性がある。フレームにおける切り欠き、穿孔、又は穴は、フレームに取り付けられた支持要素の引張力、剪断力、及びねじり力にフレームが物理的に耐えることができるように、フレームの機械的強度へのいかなる悪影響も最小限に抑えながら熱放散を最大にするように設計される。

支持要素３００は、調節可能なガイド支持フレーム５００に取り付けることができる。ガイド１２０及びコンタクトチップ組立体２１０は、支持要素３００に取り付けることができる。コンタクトチップ組立体２１０は、交換可能なコンタクトチップを含むことができる。

金属ワイヤを溶接トーチに提供する方法も提供される。この方法は、溶接トーチにより放出される熱源中に金属ワイヤの先端部が位置決めされるように、ワイヤ供給源からガイドを通して或る量の金属ワイヤを前進させることと、溶接トーチにより放出される熱源に対する金属ワイヤの先端部の位置を検出することと、ガイドが取り付けられる調節可能なフレームを再配置することにより金属ワイヤの先端部の位置を調節することとを含む。提供される方法において、調節可能なフレームは、枢動継手と係合される回転可能な支持ピストンを収容する支持体と、回転可能な支持ピストンに接続されて回転可能な支持ピストンを枢動可能に支持するコネクタとを含む保持ユニットにより固定フレームに回転可能に取り付けることができ、支持体は固定フレームに固定して取り付けられる。

この方法において、調節可能なフレームは、固定フレームに取り付けられた板の雌ねじ開口部と係合させるねじ部材に取り付けられた位置変更モータを作動させることにより再配置することができ、且つ位置変更モータによる一方向へのねじ部材の回転により、調節可能なフレームが固定フレームに向けて再配置され、且つ位置変更モータによる反対方向へのねじ部材の回転により、調節可能なフレームが固定フレームから離れる方向に再配置される。位置変更モータは、ステッピングモータとすることができ、且つモータに供給される励磁パルスの数は、いずれかの方向へのねじ部材の正確な量の回転をもたらすように制御することができる。位置変更モータは、モータに提供される電力を変調するか、又はモータの移動の速度と方向と持続時間を調整するか、又は信号に応答してモータの自動作動を許容するか、又はこれらの任意の組み合わせを行う、モータ制御装置を使用して動作させることができる。

本方法において、マスタ送給装置は、第１の電動ワイヤ送給器と、ワイヤ駆動モータと、回転カウンタと、第２の電動ワイヤ送給器とを含むことができ、ワイヤ駆動モータは、溶接トーチにより放出される熱源へ金属ワイヤを前進させるために第１の電動ワイヤ送給器及び第２の電動ワイヤ送給器を駆動する。マスタ送給装置のワイヤ駆動モータは、出力制御信号により駆動される直流モータ、又はステッピングモータとすることができる。金属ワイヤの先端部の位置を検出することは、検出装置を使用して金属ワイヤの先端部を可視化することを含む。検出装置は、カメラを含むことができる。カメラは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラ、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ、又はこれらの組み合わせとすることができる。検出装置は、検出された光パターンのデジタル表現に変換できる画像を生成することができ、そのデジタル表現に応じて、金属ワイヤの先端部を再配置することができる。調節可能なフレームは、固定フレームに取り付けられた板の雌ねじ開口部と係合させるねじ部材に取り付けられた位置変更モータを作動させることにより再配置することができる。位置変更モータによりねじ部材を一方向に回転させることにより、調節可能なフレームが固定フレームに向けて再配置され、且つ位置変更モータによりねじ部材を反対方向に回転させることにより、調節可能なフレームが固定フレームから離れる方向に再配置される。位置変更モータは、ステッピングモータとすることができ、且つモータに供給される励磁パルスの数は、いずれかの方向へのねじ部材の正確な量の回転をもたらすように制御することができる。

ワイヤ供給源は、金属ワイヤが巻き付けられるスプールとすることができ、且つ方法は、金属ワイヤをマスタ送給システムへ前進させるために金属ワイヤをスプールから繰り出すことを含むことができる。提供される方法において、マスタ送給システムは、金属ワイヤに摩擦接触する溝付きローラを含むことができる。溝付きローラを回転させることにより、金属ワイヤが前進する。溝付きローラを回転させることは、溝付きローラの１つ又は複数に取り付けられたモータを作動させることにより達成することができる。方法は、溶接トーチがワイヤを溶融させることができるように溶接トーチの適切な場所に金属ワイヤを提供する。溶接トーチは熱源を含む。金属ワイヤを溶融させるために使用できる装置の例としては、移行型アーク（ＰＴＡ）トーチなどのプラズマアーク溶接（ＰＡＷ）トーチ、電子ビーム溶接トーチ、若しくはレーザ溶接トーチ、又はこれらの組み合わせが挙げられる。

例示のＰＡＷトーチはＰＴＡトーチである。ＰＴＡトーチは、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、特に非反応性ガスを使用してアークを形成する溶接などの、金属ワイヤを加熱して溶融させるために電気アークを生成することが可能な任意の構成を有することができる。金属ワイヤは、金属ワイヤとして使用されて、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れ、且つ溶融金属ワイヤは、加工物上の溶融池内に堆積されて、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。

溶接トーチは、レーザ溶接トーチとすることができる。レーザ溶接トーチは、金属ワイヤを母材上に溶融させるのに十分な熱エネルギーのレーザビームを発生させる。好適なレーザ溶接トーチの例としては、ネオジム添加イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザ、ＣＯ_２レーザ、ＣＯレーザ、イッテルビウムファイバ結合ダイオードレーザ、Ｎｄ：ガラスレーザ、ネオジム添加オルトバナジウム酸イットリウム（Ｎｄ：ＹＶＯ）レーザ、Ｃｒ：ルビーレーザ、ダイオードレーザ、ダイオード励起レーザ、エキシマレーザ、ガスレーザ、半導体レーザ、固体レーザ、色素レーザ、Ｘ線レーザ、自由電子レーザ、イオンレーザ、ガス混合物レーザ、化学レーザ、及びこれらの組み合わせを挙げることができる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ及びＣＯ_２レーザが好ましい。

溶接トーチは、金属ワイヤを加熱して母材上に溶融させるための電子ビーム装置を含むことができる電子ビーム溶接トーチとすることができる。電子ビーム溶接トーチは、電子ビーム装置の電子ビームにより生み出された熱エネルギーがワイヤの端部を溶融させて、金属ワイヤの端部の真下の母材上又は溶融池内に落下する溶融金属ワイヤの溶滴を形成するように、母材の溶融池よりも上になど、母材よりも上に位置決めされた金属ワイヤの端部に電子ビームを向けるように配設及び配置することができる。電子ビーム溶接トーチの電子ビームはまた、溶融池又は溶融池の近傍に熱エネルギーを与えることができる。

電子ビーム溶接トーチは、金属ワイヤの実質的に一定の溶融速度を提供する量で金属ワイヤに実質的に一定の電力又はエネルギー量を与えるように調節できる可変電力出力を有することができる。金属ワイヤを定速で送給して母材上に又は母材上の溶融池内に溶融させるために、電子ビーム溶接トーチにより送出される電力又はエネルギーを金属ワイヤの構成に応じて変調することができる。電子ビーム溶接トーチは、単一の電子ビーム銃又は２つ以上の電子ビーム銃を含むことができる。

電子ビーム溶接トーチは、ビーム電流が実質的に一定となるように動作させることができ、又は金属ワイヤの溶融及び加工物上への若しくは加工物上の溶融池内への溶融金属ワイヤの堆積中にビーム電流を変化させることができるように動作させることができる。検出器は、電子ビーム溶接トーチにより生成された電子を検出するために、又は金属ワイヤの溶融を監視するために使用することができる。

電子ビーム溶接トーチは、市販のものであり、且つ当該技術分野において説明されている。電子ビーム溶接トーチが電子ビームを変調するための電磁コイルを含むように電子ビーム溶接トーチを選択することができる。電子ビーム銃は、加工物に向かって加速される集中した電子の流れの形態のエネルギーを与えることができる。高電位差（例えば、約１５ｋＶよりも高い、約１５ｋＶ〜約１５０ｋＶの範囲など）を使用して電子を加速することができる。１つ又は複数の加熱されたフィラメントを使用して電子ビーム溶接トーチ内に電子を発生させてもよい。電子ビーム溶接トーチの電力出力は、典型的には、加工物への電子の流れを制限又は変調することにより制御することができる。例えば、最大約３０ｋＷの電子ビーム出力を使用することができるが、電子ビーム出力は、概して、約２．５ｋＷ〜約１０ｋＷ、又は約３ｋＷ〜約６ｋＷの範囲である。電子ビーム電流は、概して、約１００ミリアンペアよりも大きく、且つ約１００ミリアンペア〜約６００ミリアンペアの範囲とすることができる。電子ビーム出力は、可変であり、且つ約１００Ｖ〜約５００Ｖの範囲の入力電圧を使用することにより生成される。例示の入力電圧は約１１０Ｖである。

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次元物体を製造するための方法であって、金属材料を堆積させるべき母材の表面に溶融池を形成するまで、母材の表面の少なくとも一部分を予熱するために第１の加熱装置を使用することと、予熱が実行された場合に溶融ワイヤからの溶融金属材料が母材上及び母材の予熱領域又は溶融領域又は部分溶融領域上に堆積されるように、第２の加熱装置が金属ワイヤを加熱して溶融させる位置にある第２の加熱装置に金属ワイヤを提供することと、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、第１及び第２の加熱装置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を含む、方法が提供される。加熱装置に対する母材の移動は、１つ若しくは複数の加熱装置を固定位置に保ちながら母材を移動させ、母材を固定位置に保ちながら１つ若しくは複数の加熱装置を移動させ、又は母材及び１つ若しくは複数の加熱装置を移動させることにより達成することができる。ベース基材及び１つ又は複数の加熱装置の移動は、台座若しくは支持体、レール、軌道、又は類似の装置を移動させる、機械式アーム、油圧アーム、及び／又はロボットアームなどの、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。方法は、第１及び第２の加熱装置としてＰＴＡトーチを利用することができる。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、ＰＴＡトーチを直流電源に電気的に接続することができる。いくつかのシステムにおいて、母材に溶融池を形成するために使用される加熱装置は、単独での又は別のレーザ若しくはＰＴＡトーチとの組み合わせでの、レーザとするか、或いは単独での又は別の電子ビーム銃若しくはレーザとの組み合わせでの、電子ビーム銃とすることができる。

金属ワイヤを溶接トーチに提供する方法も提供される。この方法は、溶接トーチにより放出される熱源中に金属ワイヤの先端部が位置決めされるように、ワイヤ供給源から或る量の金属ワイヤを前進させることと、溶接トーチにより放出される熱源に対する金属ワイヤの先端部の位置を連続的に検出することと、金属ワイヤの先端部が熱源中に位置することを確実にするために先端部の位置を調節することとをステップとして含むことができる。

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。

図１は、金属ワイヤ供給システムの構成要素が取り付けられる調節可能なガイド支持フレーム５００であって、枢動継手８００と、枢動継手８００と係合された回転可能な支持ピストン８１０と、回転可能な支持ピストン８１０を囲む支持体８２０と、回転可能な支持ピストン８１０に接続されて回転可能な支持ピストン８１０を枢動可能に支持するコネクタ８３０とを含む保持ユニットにより主支持フレーム９００に回転可能に接続された、調節可能なガイド支持フレーム５００を示す、本明細書で提供される金属ワイヤ精度調整システムの実施形態の概略側面図である。

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。

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。ＰＡＷトーチにおいて、電流は、典型的には最大４００Ａとすることができ、且つ電圧は、典型的には約２５〜３５Ｖとすることができる（但し、最大約１４ｋＷとすることができる）。本発明は、いかなる特定の選択又は種類のＰＡＷトーチにも拘束されない。ＰＡＷ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。例示のＰＡＷトーチは、プラズマ移行型アーク（ＰＴＡ）トーチである。

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、電気アークを含むプラズマガスの流れをオリフィス（ノズルなど）を通して移送し、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に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。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「出力密度」という用語は、プラズマアーク、レーザビーム、又は電子ビームなどの、単位面積に分配される出力量を指す。

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「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合金などが挙げられる。

本明細書で使用される「同様の金属材料」という用語は、金属材料が基準金属材料と同じ金属又は金属合金からなることを意味する。

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ＳＦＦＦ又は立体自由形状造形の技術を使用して、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、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「母材」という用語は、３次元物体を形成するために溶融金属材料を受けるための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場合、「摩擦増強面」とは、同じ材料の未処理の平滑面よりも大きな摩擦を発揮するように改質された表面を指す。摩擦が増強された表面への改質は、表面を粗面化すること、又は表面に凸部を含むこと、又はざらついた表面を提供することを含むことができる。改質表面は、改質表面と改質表面の接触する表面との滑りを最小限に抑えるために、改質表面と、改質表面に接触する金属ワイヤなどの、別の表面との摩擦接触を（非改質表面と比較して）増強する。

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次元モデル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。制御システムは、母材の表面を予熱して、いくつかの用途では、溶融池を形成するために表面の一部分を少なくとも部分的に溶融させるための、ＰＴＡトーチなどの、第１の溶接トーチと、予熱された表面上及び／又は溶融池内に金属材料の送給ワイヤを溶融させるための、ＰＴＡトーチなどの、第２の溶接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。

Ｂ．ワイヤ位置制御システム
金属ワイヤの加熱及び溶融を容易にするために、金属ワイヤを溶接トーチに連続的に送給して溶接トーチのアーク中の適切な位置に維持できるように、金属ワイヤを適切な位置に維持するワイヤ位置制御システムを使用して、自由形状造形プロセスにより生産される成形加工物への溶融金属の堆積速度を増加させることができることが分かっている。加工物上に溶融させるために金属ワイヤが溶接トーチに連続的に送給されるように、ワイヤ送給速度を実質的に一定に維持することができる。適切な位置での溶接トーチへの金属ワイヤの連続送給により、加工物への金属の望ましくない不連続な堆積が防止される。堆積のいかなる不連続箇所も、加工物に不完全さ、不規則性、及び欠陥をもたらす可能性があり、このことが、最終的に最終製品の層間剥離、疲労、又はひび割れにつながる可能性があり、潜在的に意図した目的に使用できなくする。溶接トーチにより放出される熱源に対して金属ワイヤを適切な位置に維持することにより、金属ワイヤの連続送給の速度を増加させることができ、加工物への溶融金属の堆積速度が増加することを可能にする。よって、溶接トーチにより放出される熱源中における金属ワイヤの一定の適切な配置により、自由形状造形プロセスの効率が高まる。

本発明及びその範囲のより完全な理解認識は、以下に簡潔にまとめられている、添付の図面から、本発明の現時点で好ましい実施形態の以下の詳細な説明から、及び添付の特許請求の範囲から得ることができる。

図１に示すように、金属ワイヤ・アーク精度システムは、金属ワイヤ供給構成要素が取り付けられる調節可能なガイド支持フレーム５００と、固定された主支持フレーム９００とを含む。主支持フレーム９００は、枢動継手８００と、枢動継手８００と係合された回転可能な支持ピストン８１０と、回転可能な支持ピストン８１０を囲む支持体８２０と、回転可能な支持ピストン８１０に接続されて回転可能な支持ピストン８１０を枢動可能に支持するコネクタ８３０とを含む保持ユニットを含む。保持ユニットは、主支持フレーム９００に取り付けられる。保持ユニットは、溶接部、ねじ、ボルト、又は他の接続装置を介して取り付けることができる。図１に示す実施形態において、保持ユニットは、支持体８２０を主支持フレーム９００に取り付けるねじにより主支持フレーム９００に取り付けられる。主支持フレームは適所に固定される。主支持フレーム９００は、熱を放散するための、図１に図示するような、穿孔、穴、若しくは切り欠き、又はこれらの組み合わせを含むことができる。過剰な熱はフレームの変形を生じさせる可能性がある。

回転可能な支持ピストン８１０は、水平軸線を中心に回転可能である。回転可能な支持ピストン８１０は、枢動継手８００に結合され、且つ枢動継手８００は、調節可能なガイド支持フレーム５００の１つの面に取り付けられる。主支持フレーム９００は、フレームに取り付けられた構成要素を支持するのに好適な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、固定された主支持フレーム９００は、鋼、ステンレス鋼、又はインコネル合金などのニッケル合金とすることができる。コネクタ８３０は、回転可能な支持ピストン８１０の先端部に取り付けられて、回転可能な支持ピストン８１０を支持体８２０内に懸架する。コネクタ８３０は、回転可能な支持ピストン８１０の回転を可能にする、軸受、軸受レース、軸受コーン、車軸、若しくはブッシュ、又はこれらの組み合わせの任意の好適な構造及び配置を含むことができる。

回転可能な支持ピストン８１０の反対側の先端部は、調節可能なガイド支持フレーム５００に取り付けられた枢動継手８００に結合される。回転可能な支持ピストン８１０は、主支持フレーム９００から懸架された状態で調節可能なガイド支持フレーム５００を支持する引張力、剪断力、及びねじり力に物理的に耐えるのに十分な機械的強度を有する。回転可能な支持ピストン８１０は、ピストンに取り付けられた構成要素を支持するのに好適な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、支持ピストン８１０は、ステンレス鋼、炭素鋼、クロモリ鋼、又はインコネル合金などのニッケル合金とすることができる。例えば、ピストンは、ＡＩＳ ３０３ステンレス鋼から造形することができる。枢動継手８００は、スイベルを含むことができる。枢動継手８００は、調節可能なガイド支持フレーム５００を、固定された主支持フレーム９００のより近くに又は固定された主支持フレーム９００からより遠くに位置決めできるように、水平軸線を中心に調節可能なガイド支持フレーム５００を可変的に旋回させることを可能にする。固定された主支持フレーム９００に対する調節可能なガイド支持フレーム５００のこの再配置の結果、金属ワイヤ１８０の先端部がＰＴＡトーチ６００のアークに対して再配置される。調節可能なガイド支持フレーム５００は、調節可能なガイド支持フレーム５００に取り付けられた構成要素を支持する引張力、剪断力、及びねじり力に物理的に耐えるのに十分な機械的強度を有する材料で作製される。例示の材料としては、鋼、炭素鋼、ステンレス鋼、インバー鋼（インバー３６としても知られる）、チタン及びチタン合金、ニッケル及びニッケル合金（インコネルなど）が挙げられる。いくつかの用途において、ガイド支持フレーム５００は、（３６％のニッケルを含有する）インバー鋼を含有する。ガイド支持フレーム５００は、熱を放散するための、切り欠き５５０において図示するような、穿孔、穴、若しくは切り欠き、又はこれらの組み合わせを含むことができる。過剰な熱は、フレームの変形及び起こり得る永久的なずれを生じさせる可能性がある。切り欠きはまた、調節可能なガイド支持フレーム５００を軽量化する。

枢動継手８００は、回転可能な支持ピストン８１０及び調節可能なガイド支持フレーム５００の回転を可能にする、軸受、軸受レース、軸受コーン、車軸、若しくはブッシュ、又はこれらの組み合わせの任意の好適な構造及び配置を含むことができる。枢動継手８００は、調節可能なガイド支持フレーム５００に取り付けられた構成要素を支持する引張力、剪断力、及びねじり力に物理的に耐えるのに十分な機械的強度を有する材料で作製される。いくつかの実施形態において、枢動継手８００は、アルミニウム若しくはアルミニウム合金、チタン若しくはチタン合金、鋼、ステンレス鋼、又はインコネル合金などのニッケル合金とすることができる。例えば、枢動継手８００は、アルミニウム合金ＥＮ ＡＷ−６０６３Ｔ６／６０８２Ｔ６から造形することができる。ガイド支持フレーム５００は、フレームに取り付けられた構成要素を支持するのに好適な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、枢動継手８００は、鋼、ステンレス鋼、炭素鋼、クロモリ鋼、ニッケル、又はインコネル合金などのニッケル合金とすることができる。枢動継手８００の構成要素は、立体自由形状造形中に発生する温度の変調に耐える材料を有する。例えば、材料は、約１５℃〜約１００℃の範囲の温度に適合するように選択することができる。枢動継手８００は、調節可能なガイド支持フレーム５００が枢動軸線に対して水平に変位することを許容する。枢動継手８００は、完全に密封することができ、且ついずれかの方向への回転運動を扱うことができる。枢動継手８００は、転がり軸受スイベル若しくはころ軸受スイベル又はこれらの組み合わせを含むことができる。耐荷重支持体の回転運動を許容する任意の種類の枢動装置を使用できることが理解されるべきである。

モータ５７０は、主支持フレーム９００に接続された板９２０に機能的に接続されるねじ部材に取り付けられてねじ部材を回転させる。ねじ部材の回転により、調節可能なガイド支持フレーム５００の水平方向の変位がもたらされ制御可能に調節される。モータ５７０は、ねじ部材を回転させる量及び方向を制限することなどにより、ねじ部材の移動を制御できるモータ制御装置（図示せず）と通信することができ且つモータ制御装置により制御することができる。モータ制御装置は、コンピュータソフトウェアと、コンピュータハードウェアと、任意選択的にアクチュエータとを含むことができ、且つモータに提供される電力を変調するように、又はモータの移動の速度と方向と持続時間を調整するように、又は信号に応答してモータの自動作動を許容するように、又はこれらの組み合わせを行うように構成することができる。本発明は、モータ制御装置を稼働させるためのいかなる特定のコンピュータ又はコンピュータソフトウェアにも拘束されない。モータ制御装置は、制御システムとは別個のものとするか、又は制御システムの制御下にあるものとすることができる。

ねじ部材は、ねじ部材を受け入れるように主支持フレーム９００に取り付けられた板９２０の雌ねじ開口部と係合できるねじ山機構を有するねじ又はボルト又は同様のコネクタとすることができる。モータ５７０に取り付けられたねじ部材は、板９２０の雌ねじ開口部に係合して、調節可能なガイド支持フレーム５００と主支持フレーム９００との間にねじ係合を形成し、このねじ係合により、調節可能なフレーム５００が、モータ駆動式ねじ部材の回転に応答して、固定された主支持フレーム９００に近づくか又は固定された主支持フレーム９００から遠ざかる。ねじ部材と機械的に連通するモータ５７０がねじ部材を一方向に回転させると、調節可能なガイド支持フレーム５００が、固定された主支持フレーム９００に向けて再配置され、且つモータ５７０が反対方向に回転すると、調節可能なガイド支持フレーム５００が、固定された主支持フレーム９００から離れる方向に再配置される。延出及び後退できる可動スリーブを、ねじ部材を遮蔽して保護するために含めることができる。

モータ５７０は、出力制御信号により駆動される従来の直流（ＤＣ）モータとすることができ、又はモータに供給される励磁パルスの数を電子的に制御することによりねじ部材の正確な量の回転を可能にするステッピングモータとすることができる。モータ５７０は、順方向及び逆方向に回転するように動作することができる。制御ユニットは、金属ワイヤが溶接トーチの熱源に対して所望の又は好ましい位置に位置するように再配置される必要があるという指示に応答して順方向及び逆方向のモータの回転を制御するようにプログラムすることができる。モータ５７０は、金属ワイヤの先端部が溶接トーチのアーク中の所望の場所に適切に位置決めされた時点で事実上瞬時にステッピングモータの回転を停止するようにプログラムすることができる、モータ５７０と通信する電子制御ユニットを含むことができる。

溶接トーチは、固定された主支持フレーム９００に取り付けられることにより適所に維持される。溶接トーチは、プラズマアーク、レーザビーム、電子ビーム、又はその他などの、熱源を放出することができる。例示の溶接トーチとしては、プラズマアーク溶接トーチ、ガスタングステンアーク溶接トーチ、ガスメタルアーク溶接トーチ、金属不活性ガス溶接トーチ、タングステン不活性ガス溶接トーチ、レーザ溶接トーチ、電子ビーム溶接トーチ、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。溶接トーチの熱源は、溶接トーチの熱源に対して適切な位置へ送出された金属ワイヤを溶融させる。

例示の溶接トーチはＰＴＡトーチである。ＰＴＡトーチは、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、特に非反応性ガスを使用してアークを形成する溶接などの、金属ワイヤを加熱して溶融させるために電気アークを生成することが可能な任意の構成を有することができる。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、加工物上の予熱領域又は溶融池に堆積されて、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。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又は溶融池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、ＰＴＡ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。立体自由形状造形システムは、１つ又は複数の溶接トーチを使用することができる。例示の溶接システムは、Ｇｕｌｄｂｅｒｇ（国際公開第２０１１／０１９２８７号パンフレット）、Ｉｒｅｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．（米国特許第７，２２０，９３５号明細書）、Ｃｏｍｏｎ ｅｔ ａｌ．（米国特許第９，１４５，８３２号明細書）、Ｃｏｏｐｅｒ ｅｔ ａｌ．（米国特許出願公開第２０１０／０２７６３９６号明細書）、Ｂｉｓｋｕｐ ｅｔ ａｌ．（米国特許出願公開第２０１３／０１４０２８０号明細書）、及びＳｔｅｍｐｆｅｒ（米国特許出願公開第２０１４／００６１１６５号明細書）で説明されている。

金属ワイヤは概して、湾曲、捩れ又は変形のない直線状ワイヤとして溶接トーチに提供される。本明細書で提供されるワイヤ・アーク精度システムは、溶接トーチが、金属ワイヤを溶融させるための、例えばプラズマ移行型アーク（ＰＴＡ）トーチなどのＰＡＷトーチ、電子ビーム、若しくはレーザ、又はこれらの組み合わせを含むかにかかわらず、任意の立体自由形状造形システムと共に使用することができる。本明細書で提供されるワイヤ・アーク精度システムは、１つの溶接トーチ又は溶接トーチの組み合わせを使用する立体自由形状造形システムと共に使用することができる。トーチの組み合わせが使用される場合に、トーチの全ては同じものとすることができ、又は異なるトーチの組み合わせを使用することができる。いくつかの用途では、プラズマ移行型アーク（ＰＴＡ）トーチ、電子ビーム、又はレーザを含む単一の溶接トーチを使用することができる。いくつかの用途では、第１のトーチが加工物の表面に溶融池を形成し且つ第２のトーチが金属ワイヤを溶融池内に溶融させる、二重溶接トーチシステムを使用することができる。第１のトーチは、プラズマアーク（ＰＡＷ）トーチ、電子ビーム、又はレーザを含むことができ、且つ第２のトーチは、プラズマアーク（ＰＡＷ）トーチ、電子ビーム、又はレーザを含むことができる。したがって、例示の実施形態についてはＰＴＡトーチなどのＰＡＷトーチを使用して説明されているが、これらの例は限定的なものではない。本明細書で説明する金属ワイヤの調節は、レーザトーチ及び電子ビームトーチを含む、本明細書で説明する任意の種類の熱源を用いて実現することができる。レーザトーチを使用する場合、説明したように金属ワイヤの端部をアーク中に位置決めする代わりに、金属ワイヤの端部がレーザビーム中に配置される。同様に、電子ビームトーチを使用する場合、金属ワイヤの端部の位置は、ＰＴＡトーチ又は他のＰＡＷトーチの使用と併せて説明したようにアーク中ではなく電子ビーム中に位置するように調節される。

例示の実施形態において、本明細書で提供されるワイヤ・アーク精度システムは、Ｓｔｅｍｐｆｅｒ（米国特許出願公開第２０１４／００６１１６５号明細書）で説明されているような、２トーチシステムにおいて使用することができる。かかるシステムでは、溶接トーチのアーク中における金属ワイヤの位置合わせを維持するように直線状金属ワイヤを送出することが重要である。図１に示すように、第１のＰＡＷトーチ６００及び第２のＰＡＷトーチ６１０は、固定された主支持フレーム９００に取り付けられる。トーチ６００及び６１０は、固定された主支持フレーム９００に支持体９４０を介して取り付けられる、トーチ支持体６５０に取り付けることができる。ＰＡＷトーチ６００及びＰＡＷトーチ６１０は、互いにそれらの位置関係を維持するために適所に固定される。

図１で構成されるように、ＰＡＷトーチ６１０は、母材の表面と相互作用して、金属材料を堆積されるべき位置において母材の少なくとも一部分を予熱する。次いで、ＰＡＷトーチ６００は、予熱が実行された場合に溶融ワイヤからの溶融金属材料が母材上に且つ母材の予熱領域又は溶融領域又は部分溶融領域上に堆積されるように金属ワイヤを加熱して溶融させる。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により、溶融金属材料の連続した堆積物が３次元物体を形成することが可能となる。

ワイヤ供給システムの構成要素は、調節可能なガイド支持フレーム５００に取り付けられる。図１に示すように、ワイヤガイド４９０、フリーホイール装置４８５、回転カウンタ４８０、及び第１の電動ワイヤ送給器４７５とモータ４７０と回転カウンタ４６５と第２の電動ワイヤ送給器４６０とを含むマスタ送給装置が、ワイヤ供給フレームコネクタ４９５に取り付けられ、このワイヤ供給フレームコネクタ４９５は、調節可能なガイド支持フレーム５００に取り付けられる。マスタ送給装置は、金属ワイヤ１８０がワイヤ供給システムを越えるときに捩れ、曲がり又は他の永久的な変形が決して金属ワイヤ１８０に導入されないようにするために、金属ワイヤ１８０の滑りを監視することができる。滑りは、フリーホイール装置４８５の回転をマスタ送給器の回転と比較することにより検出することができる。

ワイヤガイド４９０は、金属ワイヤ１８０が通過できる通路を第１の溝付きローラと第２の溝付きローラとの間に形成する、第１の溝付きローラと第２の溝付きローラとを含むことができる。溝付きローラは、任意選択的に、金属ワイヤ１８０と係合するようにばねにより付勢することができる。フリーホイール装置４９５は、金属ワイヤ１８０が通過できる通路を第１の溝付きローラと第２の溝付きローラとの間に形成する、第１の溝付きローラと第２の溝付きローラとを含むことができる。溝付きローラは、任意選択的に、金属ワイヤ１８０と係合するようにばねにより付勢することができる。フリーホイール装置４９５は、金属ワイヤ１８０がワイヤガイド４９０を越えた後に金属ワイヤ１８０を受け入れて、金属ワイヤ１８０を回転カウンタ４８０内に送給することができる。

マスタ送給装置は、電動ワイヤ送給器４６０及び４７５の溝付きローラに取り付けられてこれら溝付きローラを駆動できるモータ４７０を含む。電動ワイヤ送給器４６０及び４７５の溝付きローラは、金属ワイヤ１８０と係合してローラを通して金属ワイヤ１８０を前進させることができるローラの溝内に凸部を含むことができる。溝内の凸部は、ローラ溝と金属ワイヤ１８０との間の摩擦力を増加させることができ、ローラが金属ワイヤ１８０と摩擦係合してローラを通して金属ワイヤ１８０を前進させることを可能にする。溝付きローラは、耐摩耗金属で作製することができる。溝付きローラは、鋼、炭素鋼、ステンレス鋼、クロモリ鋼、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、ニッケル、若しくはニッケル合金のコーティングとするか、又はこのコーティングを含むことができる。

金属ワイヤ１８０は、電動ワイヤ送給器４６０から出た後に、ワイヤ保護具４００内を移動して金属ワイヤをガイド１２０に提供する。ワイヤ保護具４００は、システムの他の要素とのいかなる接触も最小限に抑えるとともに、金属ワイヤ１８０をガイド１２０へ送出するための直線通路を提供することができる。ワイヤ保護具４００は、金属ワイヤ１８０を搬送するのに好適な任意の材料で作製することができる。ワイヤ保護具４００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）。ワイヤ保護具４００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、酸化ジルコニウム、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。例示のセラミックは、ＲＡＰＡＬ（登録商標）１００ 酸化アルミニウム（Ｒａｕｓｃｈｅｒｔ Ｈｅｉｎｅｒｓｄｏｒｆ−Ｐｒｅｓｓｉｎｇ ＧｍｂＨ，Ｐｒｅｓｓｉｎｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ）である。ワイヤ保護具４００は、金属ワイヤ１８０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１８０を容易に収める形状を有することができる。例えば、金属ワイヤ１８０が円形断面を有する場合に、ワイヤ保護具４００は、円形断面を有する中心孔を含むことができる。

絶縁性セラミックは、金属ワイヤに面する表面の粗さを低減するために金属ワイヤに面する表面に表面処理を含むことができる。表面処理は、金属ワイヤが絶縁性セラミック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、金属ワイヤに面する絶縁性セラミックの表面は、ワイヤ保護具表面とワイヤ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、セラミック面の表面上の表面細孔、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。セラミック面の表面は、研磨することができる。セラミック面の表面は、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セラミック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、調節可能なガイド支持フレーム５００に支持要素３００を介して取り付けられる。ワイヤ保護具４００は、コネクタ４５０により支持要素３００に取り付けられる。モータ４７０は、溶接装置と通信する制御システムと通信することができ、且つ制御システム制御システムは、モータ４７０に信号を送信して金属ワイヤ１８０を溶接トーチ装置６００へ前進させることができる。モータ４７０は、モータ４７０が制御システムから信号を受信して金属ワイヤ１８０の前進を停止させるまで、金属ワイヤ１８０を溶接トーチ装置６００へ連続的に前進させることができる。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、ガイドは、ＣｕとＷとを含有する材料とすることができる。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。

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部分的又は完全に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。コンピュータ可読プログラムは、モータの作動、モータ速度、モータの移動の持続時間、温度、圧力、加工物の位置、堆積速度、撮像装置による画像取り込み及びその解析、又はこれらの任意の組み合わせなどの、パラメータを監視及び／又は調節するための適切なソフトウェアを含むことができる。例示の制御システムとしては、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システム、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。

支持要素３００にはまた、電気接点ユニット２００と電気接続部２３０とを含む、コンタクトチップ組立体２１０を取り付けることができる。電気接点ユニット２００は、金属ワイヤ１８０に接触する交換可能なコンタクトチップを収容する。電気接続部２３０は、金属ワイヤ１８０が電源に電気的に接続されることを可能にする。

接点ユニット２００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、接点ユニットは、Ｃｕ／Ｗ複合材などの、ＣｕとＷとを含有する材料とすることができる。

電気接点ユニット２００は、電気接点ユニット２００の交換可能なコンタクトチップを介して金属ワイヤ１８０に電流を供給する。交換可能なコンタクトチップは、銅若しくは銅合金であるか、又はこれらを含有する。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。コンタクトチップは、Ｃｕ／Ｗ複合材などの、ＣｕとＷとを含有する材料とすることができる。一例は、約８０％のＷと約２０％のＣｕとを含有する、Ｂｒｏｃａｄｕｒ ＷＫ２０（Ｂｒｏｕｗｅｒ Ｍｅｔａａｌ Ｂ．Ｖ．，Ｈｏｌｌａｎｄ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）である。任意の適切なコンタクトチップを使用することができる。例えば、コンタクトチップは、ワイヤを送給するための軸穴を含むことができ、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、この軸穴は切り込みの底部に至る。切り込みの底部は、ノズルに隣接する軸線に向けて傾斜させることができる。コンタクトチップは、溶接ワイヤを切り込み底部及び壁に対して押圧するための機構を含むことができ、機構は、切り込みに嵌め込まれて溶接ワイヤ上に載置されるばねを含む。

別のコンタクトチップ配置には、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ワイヤの形態の消耗電極を、制御された速度で通過させる、開口付き銅製ノズルを含めることができる。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。金属ワイヤの先端（先端部セクション）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領域上に堆積させる。

図１に示す実施形態において、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。電気接点ユニット２００は、コンタクトチップを直流電源などの電源と接続するための電気接続部２３０に電気的に接続される交換可能なコンタクトチップを収容することができる。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。コンタクトチップを金属ワイヤに接触した状態に保つ下向きの圧力は、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。コンタクトチップ２１５が金属ワイヤ１８０に接触すると、ＰＴＡトーチ６００を含む電気回路が完成する。

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を含めることにより支持要素３００から熱的に隔離させることができる。金属ワイヤ１８０は、ガイド１２０の一端部に提供される。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。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。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。

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、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。例えば、１．６ｍｍの直径を有する金属ワイヤが使用される場合に、中心孔内の絶縁材は、ワイヤが中心孔を横切ることを容易にできるように約２ｍｍ〜３ｍｍの内径を有することができる。いくつかの構成において、ワイヤ出口の最先端は、ガイド内の別の場所で使用される電気絶縁性ライニングの内径とは異なる内径を有する電気絶縁性ライニングを有することができる。例えば、１．６ｍｍの直径を有するワイヤが使用される場合、中心孔内の絶縁材が約２ｍｍ〜３ｍｍの内径を有することができる一方で、ワイヤ出口の最先端は、約１．８ｍｍの内径を有する電気絶縁性ライニングを有することができる。最先端における電気絶縁性ライニングの内径は、ワイヤが通り抜けるのに十分に大きいが、ワイヤを所望の方向に案内するのに十分に小さくなるように選択することができる。

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、母材の溶融池よりも上などの、母材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、溶接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。溶接トーチの熱源は、金属ワイヤを溶融させるための、プラズマ移行型アーク（ＰＴＡ）トーチ、電子ビーム、若しくはレーザ、又はこれらの組み合わせを含むことができる。

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の電気絶縁性ライニングは、ガイド１２０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を通過することを可能にする中心孔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。

描かれている実施形態において、電気接点ユニット２００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ことができる。電気接点ユニット２００内の交換可能なコンタクトチップは、銅若しくは銅合金、又は銅とタングステンとの組み合わせなどの、銅複合材を含有する。コンタクトチップは市販のものであり、且つ本発明は、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。例示のコンタクトチップは、約８０％のＷと約２０％のＣｕとを含有する、Ｂｒｏｃａｄｕｒ ＷＫ２０などの、Ｂｒｏｕｗｅｒ Ｍｅｔａａｌ Ｂ．Ｖ．（Ｈｏｌｌａｎｄ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）から入手可能な、タングステンと銅との組み合わせから作られる。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し、この直流電源もまた、自由形状造形により形成される金属体の標的領域に接続される。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ＰＴＡトーチなどのＰＡＷ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に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。

交換可能な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、金属ワイヤへの及び電源と金属ワイヤと標的領域とを含む完成した回路への一定の電流を確保するために、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。コンタクトチップを金属ワイヤ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の範囲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。ばねの代わりに又はばねに加えて、押圧組立体は、コンタクトチップを金属ワイヤに接触した状態に保つ力を提供するために使用できる油圧シリンダを含むことができる。コンタクトチップ押圧組立体は、ワイヤを押圧してコンタクトチップに接触させる約１００〜約８００グラムを及ぼす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、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。ワイヤ押圧組立体は、金属ワイヤ１８０を押圧してコンタクトチップに接触させるために金属ワイヤ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に接触した状態に保つための上向きの圧力は、例えば、ばねに接続されたＬ字形クリップ、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。ばねは、コンタクトチップ１８０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の範囲のばね定数を有する圧縮ばねなどの、ばねを、コンタクトチップを金属ワイヤ１８０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。ワイヤをコンタクトチップに向けて押し出すために油圧ピストンへの油圧を使用することもできる。ワイヤ押圧組立体は、ワイヤを押圧してコンタクトチップに接触させる約１００〜約８００グラムを及ぼすように構成することができる。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を使用することができる。

また、ＰＴＡトーチ６００のアーク中における金属ワイヤ金属ワイヤ１８０の先端部の位置を検出できる検出器７００は、調節可能なガイド支持フレーム５００に取り付けられる。検出器７００は、検出器支持体７１０を介して調節可能なガイド支持フレーム５００に取り付けることができる。ＰＡＷトーチ６００のアーク、レーザトーチからのレーザビーム、又は電子ビームトーチからの電子ビームなどの、熱源に対する金属ワイヤ１８０の先端部の位置を可能にする任意の検出器を使用することができる。検出器は、カメラ、光センサ、イメージセンサ、フォトダイオード、フォトダイオードアレイ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサ、電荷結合素子（ＣＣＤ）、アクティブピクセルセンサ、電子センサ、電子現象検出機構、又はこれらの組み合わせを含むことができる。

例示の検出器は、ＰＡＷトーチ６００のアーク、又は代替的にレーザトーチからのレーザビーム、又は電子ビームトーチからの電子ビームに対する金属ワイヤ１８０の先端部の位置の可視化を可能にする１つ又は複数のカメラを含む。高ダイナミックレンジのＣＭＯＳカメラは、プラズマアーク、レーザビーム、若しくは電子ビーム、及び金属ワイヤ１８０の先端部の位置のカラー画像又は白黒画像を取得するための検出器７００として使用することができる。画像は、モニタなどの、ディスプレイ装置上にライブ表示することができる。ディスプレイ装置は、フラットパネルＬＥＤディスプレイ、液晶（ＬＣＤ）ディスプレイ、薄膜トランジスタディスプレイ、又はブラウン管ディスプレイを含むことができる。カメラの視野は、カメラを調節することにより且つ／又はカメラの視野の電子的調節により調節することができる。検出器７００は、検出器７００の焦点面が金属ワイヤ１８０の先端部との直線上にあり且つ金属ワイヤ１８０の先端部がカメラの視野の概ね中心に位置するように位置決めすることができる。カメラは、金属ワイヤ１８０の先端部の中心線がカメラの視野内に位置決めされるように、ＰＡＷトーチ、レーザトーチ、又は電子ビームトーチ、及び金属ワイヤ１８０の先端部に対して結像関係で位置決めされる。ノイズを除去するために及び／又はアークにより生じるカメラが受ける光の量を低減して金属ワイヤ１８０の先端部の明暗差のある可視化を向上させるために、バンドパスフィルタをカメラの前面に配置することができる。カメラを補完するために、能動的フィードバックを有する光検出器を、露光時間、ゲイン、ガンマ、及びトーンマッピング、又はこれらの任意の組み合わせを自動的に調節して明暗差を高めるために使用することができる。

使用されるフィルタは、溶接トーチの熱源に特有の波長が、フィルタにより遮断されるか、又は加熱される基材のための熱源を区別する機構を提供する、フィルタを通過する唯一の主波長となるように選択することができる。映像撮像センサは、所望の選択された波長を検出するようにプログラムすることができる。検出器は、溶接トーチに面するとともに溶接プロセス中に放出される光を監視するように構成することができる。検出された波長の変化は、金属ワイヤが溶接トーチの熱源中に適切に位置合わせされていないと判定するために使用することができる。そして、位置変更システムを作動させてワイヤの先端部の位置を変更するために、撮像システムが発生させた信号、又は制御システムが発生させた変換された信号を使用することができる。再配置はまた、映像画像に応じて作業者が手動で行うこともできる。

１つ又は複数の検出器７００は、制御システムと通信することができ、この制御システムはまたモータ５７０と通信する。金属ワイヤ１８０の先端部が再配置される必要があるという信号を制御システムが検出器７００から受信したときに、制御システムは、調節可能なガイド支持フレーム５００と、固定された主支持フレーム９００との角度関係を調整して、金属ワイヤ１８０の先端部を移動させるために、例えば、ＰＡＷトーチ６００のアーク中に先端部を再配置又は維持するために、モータ５７０に信号を提供することができる。例えば、カメラの視野内の主支持フレームに取り付けられた装置（例えば、カメラの視野内のトーチ支持体６５０又は溶融トーチ６００）における固定基準点に基づいて、及びアーク形状、アークの集中、堆積した紐状部の中心線、溶滴偏向などの、動的特徴に基づいて、検出器７００からのデータを処理してワイヤの中心点を推定するために、カメラから取得した信号を処理するように設計された）信号処理ソフトウェアを備えたコンピュータなどの、信号処理制御ボックスを使用することができる。ガイド支持フレーム５００を調節するための推定された角度補正係数を手動補正のためにモニタ上に表示することができ、又は信号処理制御ボックスは、ソフトウェアを介して又は直接信号インターフェースを介して情報をモータ５７０に電子的に自動送信することができる。よって、検出器７００からの信号を、連続的に監視して、金属ワイヤの先端部が再配置される必要があることを確認するために使用することができる。いくつかの用途において、検出器７００からの信号に応答するフィードバック制御機構は、ガイド支持フレーム５００を調節するために使用することができる。例示の実施形態において、金属ワイヤの先端部は、溶接トーチにより放出される熱源中に金属ワイヤの先端部が位置するか又は留まることを確実にするために、先端部の位置の連続的な検出監視に応答して連続的に再配置される。例示の実施形態において、熱源は、プラズマアーク、レーザビーム、電子ビーム、又は使用される溶接トーチによる他の放出である。

金属ワイヤ１８０は、トーチ溶接で使用される任意の金属を有することができる。金属ワイヤは、チタンとするか、又はチタンを含有することができる。金属ワイヤは、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とするか、又はこのチタン合金を含有することができる。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。金属ワイヤは、アルミニウム、鉄、コバルト、銅、ニッケル、炭素、チタン、タンタル、タングステン、ニオブ、金、銀、パラジウム、白金、ジルコニウム、これらの合金、及びこれらの組み合わせを含有することができる。金属ワイヤは、円形断面を有することができる。ワイヤの直径は、約０．５ｍｍ〜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。溶融金属ワイヤは、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体が構築されるように、形成すべき物体のコンピュータモデルを使用して作られた堆積プロファイルに合わせて母材上に堆積させることができる。

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、一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。コンピュータ支援製造（ＣＡＭ）システム又はソフトウェアは、堆積プロファイルに応じて、アクチュエータトレイ、第１のアクチュエータアーム、第２のアクチュエータアーム、又はこれらの任意の組み合わせの移動を指示することができる。

前述の説明は重要な詳細を含むが、この説明は、本発明の範囲を限定するものとしてではなく、むしろ本発明の種々の実施形態の例示を提供するものとして解釈されるべきである。

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。
１２０ ガイド
１８０ 金属ワイヤ
２００ 電気接点ユニット
２１０ コンタクトチップ組立体
２３０ 電気接続部
３００ 支持要素
４００ ワイヤ保護具
４５０ コネクタ
４６０ 電動ローラ
４６５ 回転カウンタ
４７０ モータ
４７５ 電動ローラ
４８０ 回転カウンタ
４８５ ガイドローラ
４９０ ガイドローラ
４９５ ワイヤ供給フレームコネクタ
５００ 調節可能なガイド支持フレーム
５５０ 切り欠き
５７０ モータ
６００ 第１のＰＴＡトーチ
６１０ 第２のＰＴＡトーチ
６５０ トーチ支持体
７００ 検出器（カメラ）
７１０ 検出器支持体
８００ 枢動継手
８１０ 回転可能な支持ピストン
８２０ 支持体
８３０ コネクタ
９００ 主支持フレーム
９２０ 板（モータにより駆動されるねじ部材に係合する）
９３０ 支持体
９４０ 支持体

Claims (13)

1. 金属ワイヤを溶接トーチに提供する方法であって、
   溶接トーチにより放出される熱源中に前記金属ワイヤの先端部が位置決めされるように、ワイヤ供給源からガイドを通してある量の前記金属ワイヤを前進させるステップと、
   前記溶接トーチにより放出される前記熱源に対する前記金属ワイヤの前記先端部の前記位置を検出するステップと、
   前記ガイドが取り付けられる調節可能なフレームを再配置することにより前記熱源に対する前記金属ワイヤの前記先端部の前記位置を調節するステップであって、前記調節可能なフレームは固定フレームに回転可能に取り付けられ、前記再配置することは、前記調節可能なフレームを前記固定フレームに向けて又は前記固定フレームから離れる方向に回転することを含む、前記ステップと
   を含む、方法。
2. 前記調節可能なフレームが、枢動継手と係合される回転可能な支持ピストンを収容する支持体と、前記回転可能な支持ピストンに接続されて前記回転可能な支持ピストンを枢動可能に支持するコネクタとを備える保持ユニットにより固定フレームに回転可能に取り付けられ、前記支持体が前記固定フレームに固定して取り付けられる、請求項１に記載の方法。
3. 前記調節可能なフレームが、前記固定フレームに取り付けられた板の雌ねじ開口部と係合させるねじ部材に取り付けられた位置変更モータを作動させることにより再配置され、且つ前記位置変更モータによる一方向への前記ねじ部材の回転により、前記調節可能なフレームが前記固定フレームに向けて再配置され、且つ前記位置変更モータによる反対方向への前記ねじ部材の回転により、前記調節可能なフレームが前記固定フレームから離れる方向に再配置される、請求項２に記載の方法。
4. 前記位置変更モータがステッピングモータであり、且つ前記モータに供給される励磁パルスの数が、いずれかの方向への前記ねじ部材の正確な量の回転をもたらすように制御される、請求項３に記載の方法。
5. 前記位置変更モータが、前記モータに提供される電力を変調するか、又は前記モータの移動の速度と方向と持続時間を調整するか、信号に応答して前記モータの自動作動を許容するか、又はこれらの任意の組み合わせを行う、モータ制御装置を使用して動作させられる、請求項３に記載の方法。
6. 前記金属ワイヤが、第１の電動ワイヤ送給器と、ワイヤ駆動モータと、回転カウンタと、第２の電動ワイヤ送給器とを備えるマスタ送給装置を使用して前進させられ、前記ワイヤ駆動モータが、前記溶接トーチにより放出される前記熱源へ前記金属ワイヤを前進させるために前記第１の電動ワイヤ送給器及び前記第２の電動ワイヤ送給器を駆動する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ワイヤ駆動モータが、出力制御信号により駆動される直流モータ又はステッピングモータである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ワイヤ駆動モータが、前記モータに提供される電力を変調するか、又は前記モータの移動の速度と方向と持続時間を調整するか、信号に応答して前記モータの自動作動を許容するか、又はこれらの任意の組み合わせを行う、モータ制御装置を使用して動作させられる、請求項７に記載の方法。
9. 前記金属ワイヤの前記先端部の前記位置を検出することが、カメラを使用して前記金属ワイヤの前記先端部を可視化することを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記カメラが、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラである、請求項７に記載の方法。
11. 前記ＣＭＯＳカメラが、検出された光パターンのデジタル表現に変換できる画像を生成し、前記デジタル表現に応じて、前記金属ワイヤの前記先端部が再配置される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記溶接トーチが、プラズマアーク溶接トーチ、ガスタングステンアーク溶接トーチ、ガスメタルアーク溶接トーチ、金属不活性ガス溶接トーチ、タングステン不活性ガス溶接トーチ、レーザ溶接トーチ、電子ビーム溶接トーチ、又はこれらの任意の組み合わせである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記金属ワイヤの前記先端部の前記位置を検出することが連続的に行われる、請求項１に記載の方法。

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