JP7186512B2 - ハイブリッド溶着速度のニアネットシェイプ積層造形のための方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、溶接、又は溶接に似た技術（例えば、クラッディング）に関連したシステム及び方法に関し、より具体的には、マルチワイヤ溶接システムを使用した積層造形に関する。

従来、積層造形処理は、比較的に低い溶着速度（例えば、粉末：３０～１００ｃｍ^３／ｈｒ、ワイヤ：８００～２０００ｃｍ^２／ｈｒ）でニアネットシェイプ部品を製造することができ、各部品は層毎に構築される。構築時間は長くなることがあり、また時には、低い熱入力により引き起こされる融合不良などの欠陥が生じることがある。用途によっては、部品の内部は、時間及び部品の重量を低減するために、格子又は細かい平行線のパターンを使用して部分的にのみ充填される。そのような方式は、一部の用途（典型的には静的で既知の荷重条件）ではうまくいくが、完全に中身が詰まっている構造体よりもより強度が高くより高価な合金を使用することが多い。他の多くの用途は、予期しない又は動的な部品への荷重条件をサポートするために、完全に中身の詰まった構造を必要とする。

本発明の実施形態は、充填のためにマルチワイヤ溶接システムを使用する積層造形に関連したシステム及び方法を含む。一実施形態では、第１の金属溶着処理を使用して、第１の比較的低い溶着速度で、部品の層の外形線又は輪郭線を生成する。そのような低い溶着速度の処理は、高解像度の処理であることがある。第１の金属溶着処理は、例えば、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）技術、ガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡＷ）技術、レーザ・ホット・ワイヤ（ＬＨＷ）技術、又は粉体吹込み技術のうちのいずれかを用いることがある。第２の金属溶着処理は、部品の外形線又は輪郭線によって規定された空間を、第２の比較的に高い溶着速度で充填するために使用される。そのような高い溶着速度の処理は、低解像度の処理であることがある。第２の金属溶着処理は、例えば、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）技術を介して溶接金属材料を溶着させるように構成される平行マルチワイヤ溶接システムを用いることがある。平行マルチワイヤ溶接システムは、作製されることになる部品のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルによって規定される領域に溶接金属材料を溶着させるようにプログラムされる。第２の金属溶着処理は、高い溶着速度（即ち、第１の金属溶着処理よりも速い）、部品の高い最終密度、及びＳＡＷに関連した良好な機械的特性をもたらす。複数のワイヤの使用により、様々なチャンネルの充填幅及び長さに適応するように、溶着される金属材料の幅及び長さを変更し制御することが可能になる。一実施形態では、第１の金属溶着処理及び第２の金属溶着処理は、低溶着システム（例えば、ＬＨＷシステム）及び高溶着システム（例えば、平行マルチワイヤＳＡＷシステム）を使用して、並行して実行される。そのようなシステムを並行して使用すると、製造される部品の品質は、スケルトンを（低溶着速度処理を介して）生成し、このスケルトンを（高溶着速度処理を介して）充填し、これを部品の層毎に反復した態様で行う（例えば、スケルトン＋充填の後に、高解像度で低溶着速度の処理を使用した修正仕上げ処理を行う）ことにより、改善することができる。別の実施形態によれば、高溶着速度処理を最初に実施し、続いて低溶着速度処理を実施することがある。そのような高溶着とこれに続く低溶着のシーケンスは、特定の積層造形用途に対して適切であることがある。例えば、（高溶着サブシステムを使用した）基板層上に後に詳細なフィーチャが（低溶着サブシステムを使用して）追加されることがあり、詳細なフィーチャは、その後で充填はされない。一実施形態によれば、低溶着サブシステム及び／又は高溶着サブシステムは、（例えば、ＧＭＡＷにおける）並列のガスシールド電極を使用することができる。

一実施形態は、積層造形システムを含む。積層造形システムは、３次元（３Ｄ）部品を形成するために材料を層毎に順次溶着させるための複数の電極のアレイを有する。一実施形態では、材料は金属を含む。システムは、複数の電極のアレイのうちの各電極に溶接アークを確立するための電力を供給するように構成される電源も含む。システムは、複数の電極のアレイのうちの各電極を個別に駆動するように構成される駆動ロールを更に含む。システムは、制御装置も含む。制御装置は、第１の溶着速度で積層造形システムを動作させて部品の層の第１の解像度の輪郭線部分を形成するように構成される。制御装置はまた、第２の溶着速度で積層造形システムを動作させて、少なくとも部分的に、複数の電極のアレイのうちの可変の数の電極を使用して第２の溶着速度で可変の幅の溶着を提供することにより、部品の層の第２の解像度の充填部分を形成するようにも構成される。第１の溶着速度は第２の溶着速度よりも遅く、第１の解像度は第２の解像度よりも高い。一実施形態では、複数の電極のアレイのうちの電極は、消耗溶接ワイヤである。一実施形態では、積層造形システムはサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムである。一実施形態によれば、積層造形システムは、部品を支持するための回転可能なプラットフォームを含む。制御装置は、回転可能なプラットフォームを層間で９０°回転するように命令するように構成される。回転可能なプラットフォームは、電気的に駆動されても、空気圧によって駆動されても、又は液圧によって駆動されてもよい。一実施形態によれば、積層造形システムは、部品を支持するための平行移動可能なプラットフォームを含む。制御装置は、部品の層の充填部分を完了できるようにするために、第２の溶着速度での溶着の間に、複数の電極のアレイの進行方向に垂直に、平行移動可能プラットフォームを平行移動するように命令するように構成される。平行移動可能プラットフォームは、電気的に駆動されても、空気圧によって駆動されても、又は液圧によって駆動されてもよい。一実施形態では、制御装置は、複数の電極のアレイ及び複数の電極のアレイの進行方向を、層間で９０°回転するように命令するように構成される。複数の電極のアレイの回転は、電気的に駆動されても、空気圧によって駆動されても、又は液圧によって駆動されてもよい。一実施形態では、制御装置は、部品の層の充填部分を完了できるようにするために、第２の溶着速度での溶着の間に、複数の電極のアレイの進行方向に垂直に、複数の電極のアレイを平行移動するように命令するように構成される。複数の電極のアレイの平行移動は、電気的に駆動されても、空気圧によって駆動されても、又は液圧によって駆動されてもよい。制御装置は、部品のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルによって規定される領域に材料を溶着させるように積層造形システムを動作させるようにプログラムされる。

一実施形態は、積層造形方法を含む。一実施形態では、この方法は、第１の溶着速度で積層造形システムを動作させて、３次元（３Ｄ）部品の第１の層の第１の解像度の輪郭線部分を形成する工程を含む。この方法はまた、第２の溶着速度で積層造形システムを動作させて、少なくとも部分的に、進行方向に沿って積層造形システムの複数の電極のアレイのうちの電極の数を可変的に制御することにより、第２の溶着速度で可変の幅の溶着を提供することにより、部品の第１の層の第２の解像度の充填部分を形成する工程も含む。第１の溶着速度は第２の溶着速度よりも遅く、第１の解像度は第２の解像度よりも高い。一実施形態では、この方法は、部品の第１の層の充填部分を完了できるようにするために、第２の溶着速度での溶着の間に、複数の電極のアレイの進行方向に垂直に部品を平行移動する工程を含む。一実施形態では、この方法は、部品を９０°回転させる工程と、積層造形システムを第１の溶着速度で動作させて３次元（３Ｄ）部品の第２の層の第１の解像度の輪郭線部分を形成する工程と、積層造形システムを第２の溶着速度で動作させて部品の第２の層の第２の解像度の充填部分を形成する工程と、を含む。再び、進行方向に沿って、積層造形システムの複数の電極のアレイのうちの電極の数を可変的に制御することにより、可変の幅の溶着が第２の溶着速度で提供される。一実施形態では、この方法は、部品の第１の層の充填部分を完了できるようにするために、第２の溶着速度での溶着の間に、複数の電極のアレイの進行方向に垂直に複数の電極のアレイを平行移動する工程を含む。一実施形態では、この方法は、複数の電極のアレイ及び複数の電極のアレイの進行方向を９０°回転させる工程と、積層造形システムを第１の溶着速度で動作させて３次元（３Ｄ）部品の第２の層の第１の解像度の輪郭線部分を形成する工程と、積層造形システムを第２の溶着速度で動作させて部品の第２の層の第２の解像度の充填部分を形成する工程と、を含む。回転された進行方向に沿って、積層造形システムの複数の電極のアレイのうちの電極の数を可変的に制御することにより、可変の幅の溶着が第２の溶着速度で提供される。

一実施形態は、３次元（３Ｄ）部品を形成するために材料を層毎に順次溶着させるための積層造形システムを含む。このシステムは、第１の溶着速度で材料を溶着させて部品の層の第１の解像度の輪郭線部分を形成するように構成される第１のサブシステムを含む。このシステムは、第２の溶着速度で材料を溶着させて部品の層の第２の解像度の充填部分を形成するように構成される第２のサブシステムを含む。第２のサブシステムは、複数の電極のアレイと、複数の電極のアレイのうちの各電極に溶接アークを確立するための電力を供給するように構成される電源とを含む。第２のサブシステムは、複数の電極のアレイのうちの各電極を個別に駆動するように構成される駆動ロールも含む。第２のサブシステムは、少なくとも部分的に、複数の電極のアレイのうちの可変の数の電極を使用して第２の溶着速度で可変の幅の溶着を提供することにより、第２の溶着速度で第２のサブシステムを動作させるように構成される制御装置を更に含む。第１の溶着速度は第２の溶着速度よりも遅く、第１の解像度は第２の解像度よりも高い。一実施形態では、複数の電極のアレイのうちの電極は、消耗溶接ワイヤである。一実施形態では、第２のサブシステムはサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムである。一実施形態では、第１のサブシステムは、レーザ・ホット・ワイヤ（ＬＨＷ）システム、ガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡＷ）システム、又は粉体吹込みシステムである。

一般的な本発明の概念の多数の態様が、例示的な実施形態についての以降の詳細な説明、特許請求の範囲、及び添付の図面から、容易に明らかになるであろう。

添付の図面は、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成し、本開示の様々な実施形態を示す。図面において図示した要素の境界（例えば、ボックス、ボックスのグループ、又は他の形状）は、境界の一実施形態を表すことを理解されたい。実施形態によっては、１つの要素は複数の要素として設計されることがあり、又は、複数の要素は１つの要素として設計されることがある。実施形態によっては、別の要素の内部構成要素として示される要素は、外部構成要素として実装されることがあり、逆も同様である。更に、要素は正確な縮尺で描かれてはいないことがある。

多電極積層造形システムの一実施形態を示す。 進行方向に被溶接物上に材料を溶着させるように構成されるアレイ内の複数の電極を有する、電極ヘッドの一実施形態を示す。 レーザ・ホット・ワイヤ（ＬＨＷ）積層造形システムの一実施形態を示す。 少なくとも図１の積層造形システムを使用して部品を積層的に造形するために使用される、第１の溶着速度輪郭線処理とこれに続く第２の溶着速度充填処理の、一実施形態を示す。 第１の溶着速度処理を使用して部品の基本の内部形状を生成し、少なくとも図１の積層造形システムを使用して第２の溶着速度充填処理の使用を可能にする、一実施形態を示す。 少なくとも図１のシステムによって部品が積層的に造形されるにつれて部品を回転させる、一実施形態を示す。 ハイブリッド溶着速度積層造形法を使用して部品を作製するための方法の一実施形態の流れ図を示す。 図１の積層造形システムの例示的な制御装置の一実施形態を示す。

積層造形システム及び方法の実施形態を開示する。一実施形態では、積層造形システムは、３次元（３Ｄ）部品を形成するために材料を層毎に順次溶着させるための複数の電極のアレイを有する、マルチワイヤサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムである。マルチワイヤＳＡＷシステムは、特定の溶着速度で動作して、少なくとも部分的に、複数の電極のアレイのうちの可変の数の電極を使用してその特定の溶着速度で可変の幅の溶着を提供することにより、部品の層の充填部分を形成する。複数の電極のアレイの各電極は、同じ材料から作製されてもよく、又は、異なる電極は異なる材料から作製されてもよい。一実施形態では、電極材料は金属材料を含む。

本明細書中の例及び図面は例示的なものに過ぎず、主題発明を限定するように意図してはおらず、主題発明は特許請求の範囲及び趣旨によって判断される。ここで図面を参照するが、図の表示は、主題発明の例示的な実施形態を示す目的のためのものであり、限定する目的のためのものではない。図１は、１０で一般的に示される積層造形システムの一実施形態を示す。システム１０は、通常、サブマージアーク又はエレクトロスラグ溶接処理によって、層毎に部品を積層的に造形するために使用することができることが想定されているが、他の溶接処理、例えば、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）、ガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡＷ）などを用いることもできる。

図１に示すように、積層造形システム１０は電極ヘッド２０を含み、電極ヘッド２０は複数の電極３２（例えば、消耗溶接電極／ワイヤ）のアレイ３０を同時に収容する。なお、複数の電極３２は、連続的に送給されるか、周期的に送給されるか、又は所定の順序に基づいて送給されることができる（以下でより詳細に考察する）。電極３２は、ガスシールドされているか、セルフシールドされているか、又は金属芯入りであることがある。これらの電極は、ガスシールド下、サブマージアークフラックス下、又はエレクトロスラグ処理中で使用されることになるソリッドコア、金属コア、又はフラックス入りワイヤであることがある。芯入り電極の場合、電極シースは炭素鋼、ステンレス鋼、又はニッケル合金であり得ることが企図されている。電極ヘッド２０は、（例えば、関連する被溶接物の表面上に材料を最初に溶着させることにより）部品の層を形成するように、材料を制御可能に溶着させるために、電極３２同士が離間した構成になるようにアレイ３０を収容する。なお、電極ヘッド２０は、電極３２を送達するためにアレイ３０を収容する任意の適切な電極ヘッドとすることができ、主題発明は本明細書に示される電極ヘッドによって限定されない。例えば、電極ヘッド２０は、アレイ３０に対する個々のコンタクトチップを利用するアセンブリ、又は、電極アレイ３０をあまねく収容し覆うコンタクトアセンブリとすることができる。電極３２は、コイル７０から供給されてもよい。コイル７０は、共通の回転軸に沿って配置された複数の個別のコイルを含むことがあり、各コイルは、単一の電極（例えば、溶接ワイヤ）を含む。主題開示の実施形態の意図された適用範囲から逸脱することなく、フィラーワイヤ又は積層材料を送達する更に任意の態様を選択することができる。

図１に示すように、電極ヘッド２０は、関連する複数の送給電極３２のアレイ３０を受け取るように適合されている。システム１０は、電極ヘッド２０を通じて電極３２のアレイ３０を駆動するための手段を含む。駆動するための手段には、複数の駆動ロール５０又は他のワイヤ送給装置を含むことが想定されている。複数の駆動ロール５０のそれぞれは、電極３２のうちの１つ又は複数と関連付けられていることがある。一態様では、２つの電極３２が、単一の組の駆動ロール５０と関連付けられていることがあり、電極の数とワイヤ送給装置の数との関係は、主題開示の意図から逸脱することなく、積層造形処理で適切であるように、任意の数の電極を単一の組の駆動ロールと関連付けることができるように構成され得ることが想定されている。別の実施形態では、各電極はそれぞれの駆動ロール５０によって駆動されることができる。別の実施形態では、電極は、１つ又は複数の電極を用いて溶接アークを確立する所定の順序又は第２の所定の順序に基づいて、駆動ロール５０によって駆動されることがある。言い換えると、所定の順序が第１の電極、次いで第２及び第３の電極の間で溶接アークを確立する場合、第１の駆動ロール５０が第１の電極を駆動し、第２の駆動ロール５０が第２及び第３の電極を駆動することができる。更に、駆動ロール５０と１つ又は複数の電極との間の他の関係を、適切な工学的判断により使用することができる。

１つの例示的な実施形態では、駆動ロール５０は、ある速度（例えば、ワイヤ送給速度）で電極ヘッド２０を通じて電極３２を駆動するように構成することができる。一実施形態では、複数の電極３２が、実質的に同じ速度で駆動されることがある。別の実施形態では、各電極３２を、積層造形処理の間に動的に特定され得る又は所定のそれぞれの速度で駆動することができる。例えば、１つ又は複数の電極３２に対する速度（例えば、ワイヤ送給速度）は、とりわけ、材料組成、溶接のタイプ、溶接パラメータ、被溶接物に基づいて予め決定することができる。別の実施形態では、１つ又は複数の電極に対する速度は、例えば、これらに限定するものではないが、とりわけ、ユーザ入力、フィードバック、電圧、電流、及び温度などの基準に基づいて、積層造形処理の間に動的に特定されることができる。

或いは、電極を溶融させるのに必要な電流を変更すること、それによって電極３２による溶融層材料内への熱入力を変更することが望ましい場合には、駆動ロール５０は、より遅いかつ／又はより速いワイヤ速度／ワイヤ送給速度で電極３２を送給するように構成される。例えば、１組の駆動ロール５０は、アレイ３０の外側に配置された電極３２を１つのワイヤ送給速度で送給するように構成されることがあり、一方、駆動ロール５０の別の組は、アレイ３０の内側に配置された電極３２を、外側の電極のワイヤ送給速度と比較して相対的により低いワイヤ送給速度で送給するように構成されることがある。

なお、駆動ロール５０を使用して、所定の速度に基づいて１つ又は複数の電極を駆動することができる。例えば、各駆動ロール５０を使用してアレイ３０内のそれぞれの電極３２を駆動することができ、各電極は固有でかつ特定のワイヤ送給速度で駆動される。例えば、各電極３２に対するワイヤ送給速度は、これらに限定するものではないが、とりわけ、ワイヤタイプ、部品材料組成、環境（例えば、空気の温度、湿度、等）、ワイヤゲージ、電極のタイプ、電圧、電流、積層造形動作を行うために使用される溶接装置、に基づいて、変化することがある。

主題発明の実施形態の一態様では、各電極３２は、溶接電源４０に接続されるように構成される。即ち、積層造形処理の間、例えば、溶接電力をアレイ３０内の各電極３２を通じて供給することができる。従って、積層材料が電極ヘッド２０の幅全体に渡って供給される。上記で示したように、溶接電源４０から、スタッド（図示せず）に一方の端部が取り付けられている溶接ケーブル（図示せず）を介して、電力を供給することができる。遠位端で、溶接ケーブルは、電極ヘッドコネクタを介して、電極ヘッド２０に接続されることができる。単一の溶接電源４０の例示的な場合では、単一の電極ヘッドコネクタが、溶接ケーブルからの電力を、一般に電極ヘッド２０に伝達することができる。更に、溶接ケーブルから電極ヘッド２０に電力を伝達するための他の手段を、適切な工学的判断により使用することができる。

電源４０は、関連する複数の送給電極のそれぞれと、関連する被溶接物又は部品５１との間に溶接アークを確立するための電力を供給する（図２を参照）。特に、１つ又は複数の電源４０は、所定の順序に基づいて、アレイ３０の１つ又は複数の電極３２に電力を供給することができる。例えば、所定の順序は、被溶接物又は部品５１上の電極ヘッド２０の位置に基づくことができる。別の場合では、所定の順序は、積層造形処理を開始するための電極ヘッド２０の動作の開始に基づくことができる。別の実施形態では、１つ又は複数の電源４０は、関連する複数の送給電極のそれぞれと、関連する被溶接物又は部品５１との間の溶接アークを終了させる。そのような実施形態では、１つ又は複数の電源４０は、第２の所定の順序で、アレイ３０の電極３２のうちの１つ又は複数に対する溶接アークを終了させることができる。例えば、第２の所定の順序は、被溶接物又は部品５１上の電極ヘッド２０の位置に基づくことができる。別の例では、第２の所定の順序は、積層造形処理を終了するための電極ヘッド２０の動作の停止に基づくことができる。

更に、電極３２と被溶接物又は部品５１との間の溶接アークの確立は、電源４０（例えば、電力を供給する、電力を供給しない、電力供給を終了する、等）又は駆動ロール５０（例えば、電極を駆動する、電極を駆動しない、電極の駆動を終了する、等）のうちの少なくとも１つによって、もたらすことができる。従って、アレイ３０内の電極３２は、所定の順序に基づいて活性化したり不活性化したりすることができ、活性化及び／又は不活性化は、電源４０及び／又は駆動ロール５０に基づくことができる。一実施形態では、主題発明は、積層造形処理のための、電極３２に対する溶接アークの確立の制御及び／又は電極３２に対する駆動の制御を提供することに関する。このように、個々の電極を効率的に「オン」又は「オフ」にして、層内に輪郭線を描かれた２Ｄ形状を作製することを可能にできる。

特定の実施形態では、センサ６０は、被溶接物又は部品５１上の電極ヘッド２０の位置、又は、被溶接物又は部品５１と比較したアレイ３０の少なくとも１つの電極３２の位置揃え、又は、被溶接物又は部品５１と比較したアレイ３０の少なくとも１つの電極３２の位置ずれ、のうちの少なくとも１つを検出するように構成される。センサ６０は、被溶接物又は部品５１を基準として少なくとも１つの電極３２の位置を検出するために、ある位置で電極ヘッド２０に結合又は固定することができる。例えば、センサ６０は電極ヘッド２０に水平に位置しているが、任意の適切な向きを用いることができることを理解されたい。別の実施形態では、複数のセンサ６０を使用することができる。例えば、各電極３２に対して１つのセンサを使用することができる。そのような例では、各電極３２に対するセンサ６０は、それぞれの電極３２と整列して垂直に向けられることができる。限定ではなく例として、センサ６０は、とりわけ、赤外線（ＩＲ）センサ又は近接センサとすることができる。センサ６０は、被溶接物又は部品５１の少なくとも一部に対する少なくとも１つの電極３２の位置揃え及び／又は位置ずれを検出する。特に、センサ６０は、電極３２が、溶接アークを確立するために被溶接物又は部品５１の一部と接触しているかつ／又は接触していないかどうかを検出する。別の例では、センサ６０は、電流及び／又は電圧のフローが電源４０及び被溶接物又は部品５１を通じて確立されているかどうかを検出することができる。なお、１つ又は複数の電極３２の位置揃えとは、溶接アークを被溶接物又は部品５１と電極３２との間で確立できるようにする接触を指す。更に、１つ又は複数の電極３２の位置ずれとは、溶接アークを被溶接物又は部品５１と電極３２との間で確立できるようにしない非接触を指す。

一実施形態によれば、システム１０は、電源４０、駆動ロール５０、及び電極ヘッド２０を制御する制御装置８０を含む。例えば、制御装置８０は、電源４０の電力の動作特性（出力電圧、出力電流、出力波形、等）を制御する。制御装置８０は、駆動ロール５０の動作特性（例えば、アレイ３０内の各電極３２に対するワイヤ送給速度及びアーク確立）も制御する。更に、制御装置８０は、電極ヘッド２０の動作特性（例えば、位置、移動速度、等）を制御する。一実施形態によれば、制御装置８０は電源４０に一体化されることがある。

一実施形態では、積層造形システム１０は、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムであり、このサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムは、制御装置８０によって制御されて積層造形システム１０を第１の溶着速度で動作させて、部品５１の層の第１の解像度の輪郭線部分を形成する。輪郭線部分は、部品５１の特定の層の最終形に近い外形線を形成し、この外形線は充填されることになる。制御装置８０はまた、積層造形システム１０を第２の溶着速度で動作させて、部品の層の第２の解像度の充填部分を形成する（即ち、輪郭線部分の間を充填するため）。層の充填部分は、例えば、本明細書で以下に説明するように、所定の順序に基づいて、電極ヘッド２０内の複数の電極のアレイの可変の数の電極３２を使用して、第２の溶着速度で可変の幅の溶着を提供することにより、形成することができる。

１つ又は複数の電極３２に対する溶接アーク及び／又は電極３２の駆動の確立は、所定の順序に基づくことができる。更に、電極３２のうちの１つ又は複数に対する溶接アーク及び／又は駆動の終了は、所定の順序に基づくことができる。別の実施形態では、少なくとも１つの駆動ロールの駆動の終了は、所定の順序に基づくことができる。以下は、主題発明で用いることができる様々な所定の順序の例であるが、これは例示のために過ぎず、本明細書に開示する様々な実施形態を限定するものとしてみなされるべきではない。更に、以下の例は、アレイ３０内に５個の電極を有する電極ヘッド２０に基づいている。更に、主題発明の実施形態の意図された適用範囲から逸脱することなく、アレイ３０に対して任意の数の電極３２を、適切な工学的判断により選択することができる。更に、アレイに対する電極３２は、主題発明の実施形態の意図された適用範囲から逸脱することなく、適切な工学的判断により、任意のパターン（例えば、とりわけ直線的、非直線的）で構成することができる。

例えば、図２を参照すると、電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥが電極ヘッド２０内にあり得る。この例では、各電極に対するアークを順次に確立することは、所定の順序のための基礎であることがあり、その結果、溶接アークは次の順序：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥ、で確立される。別の例では、所定の順序は逐次的であるが、複数の電極が、以下の順序：Ａ及びＢ、Ｃ、Ｄ及びＥ、のように、実質的に同時にアークを確立することを含むことがある。別の例では、所定の順序は、以下の通り：Ａ及びＢ、Ｃ、Ｄ、及びＥ、であることがある。別の例では、所定の順序は、以下の通り：Ｅ、Ｄ、Ｃ、Ｂ、及びＡ、であることがある。更に別の例では、順序は、以下の通り：Ｅ及びＤ、Ｃ、Ｂ及びＡ、であることがある。別の例では、所定の順序は、Ｅ及びＤ、Ｃ、Ｂ、及びＡであることがある。

特定の例では、所定の順序を使用して電極３２のうちの１つ又は複数に対する溶接アークを確立することができ、第２の所定の順序を使用して電極３２のうちの１つ又は複数に対する溶接アークを終了させることができる。例えば、所定の順序及び／又は第２の所定の順序として上記の例を使用することができる。一実施形態では、積層造形システム１０を用いた積層造形動作の開始の間、所定の順序を使用することができ、その結果、溶接アークは以下の通り：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥ、に確立される。積層造形動作の停止の間、第２の所定の順序を使用することができ、その結果、溶接アークは以下の通り：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥ、に終了される。なお、任意の適切な組み合わせ、順序、及び／又はパターンを利用して、電極３２のうちの１つ又は複数に対して溶接アークを確立かつ／又は溶接アークを終了させることができる。

図２を参照すると、アレイ３０内に５個の電極３２を有する電極ヘッド２０が、被溶接物又は部品５１上に進行方向に材料を溶着させることができる。従来、アレイ３０内の電極３２は、連続的かつ同時に駆動される。更に、従来の技術は、複数の電極３２に対して同時に溶接アークを確立する。主題発明は、被溶接物又は部品５１上に材料を溶着させるために、溶接アークの確立及び／又は電極３２の駆動に対する所定の順序を可能にする。例えば、被溶接物又は部品５１は、開始点５２（例えば、開始位置）及び停止点５３（例えば、停止位置）を含み、開始点５２は電極ヘッド２０による溶着のための動作の開始に対応し、停止点は、電極ヘッド２０による溶着のための動作の停止に対応する。例えば、センサ６０は、開始点５２及び／又は停止点５３を検出することができる。なお、開始点５２及び停止点５３は、図２では互いに反対側の端部上に描かれているが、被溶接物又は部品５１上の任意の位置とすることができる。

一般的に、電極３２に対する溶接アークの確立及び／又は電極３２の駆動のために、所定の順序を用いることができる。図２では、逐次の順序は、電極が、電極ヘッド２０内での配置に基づいて、１度に１つずつ活性化及び／又は駆動される所定の順序とすることができる。例えば、電極３２は、溶接アークを右から開始し左へ移行するシーケンス（例えば、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、次いでＥ）で確立させて、開始点５２に従って被溶接物又は部品５１上に材料を溶着させることに対応することができる。例えば、電極３２は、右から開始し左へ移行するシーケンス（例えば、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、次いでＥ）で駆動されて、開始点５２に従って被溶接物又は部品５１上に材料を溶着させることに対応することができる。更に、逐次の順序は、電極が、電極ヘッド２０内での配置に基づいて、１度に１つずつ不活性化及び／又は駆動されなくなる所定の順序とすることができる。例えば、電極３２は、溶接アークを右から開始し左へ移行するシーケンス（例えば、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、次いでＥ）で終了させて、停止点５３に従って被溶接物又は部品５１上に材料を溶着させることに対応することができる。例えば、電極３２の駆動を、右から開始し左へ移行するシーケンス（例えば、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、次いでＥ）で終了させて、停止点５３に従って被溶接物又は部品５１上に材料を溶着させることに対応することができる。

別の実施形態では、動作の開始は、電極３２の駆動及び／又は電極３２に対する溶接アークの確立のための所定の順序を含むことができる。更に、動作の停止は、電極３２の駆動のための第２の所定の順序を含んで、電極３２に対する溶接アークを終了させるができる。なお、所定の順序（例えば、電極３２の駆動及び／又は溶接アークの確立に対する）は、被溶接物又は部品５１と比較した電極ヘッド２０の位置、電極ヘッド２０の動作の開始、積層造形処理の開始、等に対応することができる。更に、第２の所定の順序（例えば、電極３２の駆動の終了及び／又は溶接アークの終了に対する）は、被溶接物又は部品５１と比較した電極ヘッド２０の位置、電極ヘッド２０の動作の停止、積層造形処理の停止、等に対応することができることを理解されたい。しかしながら、一実施形態によれば、電極３２のそれぞれは、電極ヘッド２０も制御されて進行方向に沿って制御された移動速度で移動するときに、アークの開始／停止、ワイヤの開始／停止、及びワイヤ送給速度に関して制御装置８０によって個別に制御されることができる。一実施形態によれば、制御装置による電極３２のそれぞれの制御は、ＣＡＤモデルによって規定された領域にどのように材料を溶着させるかを決定するために、ＣＡＤモデルに関係する。

図３は、積層造形を行うための、フィラーワイヤ送給装置とエネルギー源システム１００との組み合わせの例示的な実施形態の機能的概略ブロック図を示す。一実施形態では、図３は、レーザ・ホット・ワイヤ（ＬＨＷ）積層造形システムの一実施形態を示す。システム１００は、被溶接物又は部品１１５上にレーザビーム１１０を集束させて被溶接物又は部品１１５を加熱することができるレーザサブシステムを含む。レーザサブシステムは、高強度のエネルギー源である。レーザサブシステムは、これらに限定するものではないが、二酸化炭素、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ－ディスク、ＹＢ－ファイバ、ファイバ・デリバード、又はダイレクトダイオードレーザシステムを含む、任意のタイプの高エネルギーレーザ源とすることができる。システムの他の実施形態は、電子ビーム、プラズマアーク溶接サブシステム、ガス・タングステン・アーク溶接サブシステム、ガスメタルアーク溶接サブシステム、フラックスコアードアーク溶接サブシステム、又は、高強度エネルギー源として機能するサブマージアーク溶接サブシステム、のうちの少なくとも１つを含むことができる。別の実施形態によれば、システム１００の要素の一部は、粉体吹込みシステムとして構成されることがある。

以下では、レーザシステム、ビーム、及び電源について繰り返し言及する。しかしながら、任意の高強度エネルギー源を使用することができるので、この言及は例示的なものであることを理解されたい。例えば、高強度エネルギー源は、少なくとも５００Ｗ／ｃｍ^２を供給することができる。レーザサブシステムは、互いに動作可能なように接続されているレーザ装置１２０及びレーザ電源１３０を含む。レーザ電源１３０は、レーザ装置１２０を動作させるための電力を供給する。

積層造形システム１００はまた、レーザビーム１１０の近傍で被溶接物又は部品１１５と接触するように少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０を提供することができる、ホットフィラーワイヤ送給装置サブシステムも含む。勿論、本明細書の被溶接物又は部品１１５を参照することにより、溶融池は被溶接物又は部品１１５の一部とみなされ、従って、被溶接物又は部品１１５との接触に対して言及することは、溶融池との接触を含むことが、理解される。ワイヤ送給装置サブシステムは、フィラーワイヤ送給装置１５０、接触管１６０、及び電源１７０を含む。動作中、フィラーワイヤ１４０は電源１７０からの電流によって抵抗加熱され、電源１７０は接触管１６０と被溶接物又は部品１１５との間に動作可能なように接続されている。一実施形態によれば、電源１７０はパルス状直流（ＤＣ）電源であるが、交流（ＡＣ）又は他のタイプの電源も同様に可能である。ワイヤ１４０は、フィラーワイヤ送給装置１５０から接触管１６０を通って被溶接物又は部品１１５に向けて送給され、管１６０を超えて延在している。ワイヤ１４０の延在部分は抵抗加熱され、その結果、延在部分は、被溶接物又は部品上の溶融池と接触する前に融点に近づく又は達する。レーザビーム１１０は、被溶接物又は部品１１５の母材の一部を溶融させて溶融池を形成するように作用し、被溶接物又は部品１１５上にワイヤ１４０を溶融させるために使用することもできる。電源１７０は、フィラーワイヤ１４０を抵抗溶融させるのに必要なエネルギーを供給する。実施形態によっては、電源１７０は、必要とされるエネルギーの全てを供給するが、一方、他の実施形態では、レーザ又は他の高エネルギー熱源が、エネルギーの一部を供給することができる。送給装置サブシステムは、本発明の特定の他の実施形態に従って、１つ又は複数のワイヤを同時に供給することができる。

システム１００は、レーザビーム１１０及び抵抗性フィラーワイヤ１４０が互いに一定の関係のままであるように、レーザビーム１１０（エネルギー源）及び抵抗性フィラーワイヤ１４０を（少なくとも相対的な意味で）被溶接物又は部品１１５に沿って同じ方向１２５に移動させることができる、動作制御サブシステムを更に含む。様々な実施形態に従って、被溶接物又は部品１１５とレーザ／ワイヤの組み合わせとの間の相対的な動きは、被溶接物又は部品１１５を実際に移動させることによって、又はレーザ装置１２０及びワイヤ送給装置サブシステムを移動させることによって、達成することができる。図３では、動作制御サブシステムは、プラットフォーム１９３（例えば、回転可能なプラットフォーム及び／又は平行移動可能なプラットフォーム）を有するロボット１９０に動作可能なように接続される動作制御装置１８０を含む。動作制御装置１８０は、ロボット１９０の動作を制御する。ロボット１９０は、プラットフォーム１９３を介して被溶接物又は部品１１５に動作可能なように接続されて（例えば、機械的に固定されて）、レーザビーム１１０及びワイヤ１４０が被溶接物又は部品１１５に沿って実質上移動するように、被溶接物又は部品１１５を方向１２５に動かす。本発明の代替的な実施形態によれば、レーザ装置１２０及び接触管１６０は、単一のヘッドに一体化されていることがある。ヘッドは、ヘッドに動作可能なように接続された動作制御サブシステムを介して、被溶接物又は部品１１５に沿って移動することができる。実施形態によっては、動作制御装置１８０は、プラットフォーム１９３を９０°回転することができるように、かつ／又は進行方向１２５に垂直な方向に平行移動することができるように、ロボット１９０を制御するようにプログラムされる。

同様に、プラットフォーム１９３及びロボット１９０に類似しているプラットフォーム９３及びロボット９０（図２を参照）を図１の積層造形システム１０内で使用して、一実施形態に従って、制御装置８０によって制御して、被溶接物又は部品５１を回転及び／又は平行移動することができる。代替的な実施形態では、図１の積層造形システム１０の電極ヘッド２０の動作を、制御装置８０によって同様に制御して、電極ヘッド２０を回転及び／又は平行移動することができる。そのような回転及び／又は平行移動を提供する理由は、本明細書で後程考察する。

一般的に、高強度エネルギー源／ワイヤを被溶接物又は部品に対して移動させることができる幾つかの方法がある。被溶接物又は部品が球形である場合、例えば、高強度エネルギー源／ワイヤは静止しており、被溶接物又は部品は高強度エネルギー源／ワイヤの下で回転されることがある。或いは、ロボットアーム又は線形トラクターは球形の被溶接物又は部品に対して平行に移動することができ、被溶接物又は部品が回転すると、高強度エネルギー源／ワイヤは連続的に移動して又は回転毎に一度所定の位置に動いて、例えば、球形の被溶接物又は部品の表面を覆うことができる。被溶接物又は部品が平坦であるか又は少なくとも球形ではない場合、被溶接物又は部品は、図３に示すように、高強度エネルギー源／ワイヤの下で移動することができる。しかしながら、ロボットアーム又は線形トラクター又は更にはビームを取り付けたキャリッジを使用して、高強度エネルギー源／ワイヤヘッドを被溶接物又は部品に対して移動させることができる。様々な実施形態によれば、プラットフォーム１９３を駆動するロボット１９０は、電気的に、空気圧的に、又は液圧的に駆動されることがある。

積層造形システム１００は、感知及び電流制御サブシステム１９５を更に含み、この感知及び電流制御サブシステム１９５は、被溶接物又は部品１１５及び接触管１６０に動作可能なように接続され（即ち、電源１７０の出力に実質的に接続され）、被溶接物又は部品１１５とワイヤ１４０との間の電位差（即ち、電圧Ｖ）及びこれらを流れる電流（Ｉ）を測定することができる。感知及び電流制御サブシステム１９５は更に、測定された電圧及び電流から抵抗値（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）及び／又は電力値（Ｐ＝Ｖ＊Ｉ）を計算することができる。一般的に、ワイヤ１４０が被溶接物又は部品１１５と接触している場合、ワイヤ１４０と被溶接物又は部品１１５との間の電位差はゼロボルトか又はゼロボルトに非常に近い値である。その結果、感知及び電流制御サブシステム１９５は、抵抗性フィラーワイヤ１４０が被溶接物又は部品１１５と接触している場合を感知することができ、また、電源１７０と動作可能なように接続されて、感知に応答して抵抗性フィラーワイヤ１４０を流れる電流のフローを制御することが更にできる。別の実施形態によれば、感知及び電流制御装置１９５は、電源１７０の一体化部分であることがある。

一実施形態によれば、動作制御装置１８０は更に、レーザ電源１３０並びに／又は感知及び電流制御装置１９５に動作可能なように接続されることがある。このようにして、動作制御装置１８０及びレーザ電源１３０は互いに通信することができ、その結果、レーザ電源１３０はいつ被溶接物又は部品１１５が動いているかを知り、動作制御装置１８０はレーザ装置１２０がアクティブであるかどうかを知る。同様に、このようにして、動作制御装置１８０並びに感知及び電流制御装置１９５は互いに通信することができ、その結果、感知及び電流制御装置１９５はいつ被溶接物又は部品１１５が動いているかを知り、動作制御装置１８０はフィラーワイヤ送給装置サブシステムがアクティブであるかどうかを知る。そのような通信を使用して、積層造形システム１００の様々なサブシステム間の活動を調整することができる。

一般的に知られているように、積層造形は、所望の製造製品を作製するために被加工物又は部品上に材料を堆積させる処理である。用途によっては、製造物品は非常に複雑であることがある。しかしながら、積層造形に使用される既知の方法及びシステムは、遅くてかつ性能が制限される傾向がある。本発明の実施形態は、高速でかつ高精度の積層造形方法及びシステムを提供することにより、これらの問題領域に対処する。

図３に示したシステム１００は、例示的なシステムであり、ワイヤ１４０は繰り返し液滴状に溶融されて被溶接物上に溶着して、所望の形状を生成する。被溶接物又は部品の表面は、ワイヤ１４０が被溶接物又は部品と接触していない間に、レーザビーム１１０（又は、他の熱源）によって照射される。ビーム１１０は、被溶接物又は部品の表面上に溶融池を生成する。大抵の用途では、溶融池の面積は小さく、浸透のレベルは、溶接又は接合などの他の操作に必要とされるレベルではない。むしろ、溶融池は、ワイヤ１４０からの液滴を受け取り、この液滴との十分な結合がおきるように被溶接物又は部品の表面を整えるために、生成される。従って、ビーム１１０のビーム密度は、被溶接物又は部品への過剰な熱入力を発生させることなく、又は大きすぎる溶融池を生成することなく、被溶接物又は部品上に小さな溶融池のみが生成されるようなものでなくてはならない。溶融池が生成されると、ワイヤが溶融池と接触するように溶融池に向かって進む際に、ワイヤ１４０の先端部に液滴が形成される。接触の後で、液滴は溶融池及び被溶接物又は部品上に溶着する。この処理は、所望の被溶接物又は部品を生成するために繰り返される。一実施形態では、ビーム１１０は、液滴がワイヤ１４０から離れた後で、溶着した液滴に向けられる。一実施形態では、ビーム１１０を使用して、被溶接物又は部品の表面を滑らかにし、かつ／又は追加の熱を加えて液滴が被溶接物又は部品に完全に一体化され得るようにすることができる。更に、ビームを使用して、被溶接物又は部品の追加の成形をもたらすことができる。

このように、第１の積層造形システム１０及び第２の積層造形システム１００について本明細書で説明してきた。積層造形システム１０及び１００を別個に又は組み合わせて（例えば、より大きなシステムを形成するためのサブシステムとして）使用して、本明細書で説明する積層造形動作を行うことができる。例えば、一実施形態では、システム１０を第１のサブシステムとして使用して、第２のサブシステムとして使用されるシステム１００と組み合わせて、複合の又はハイブリッドのシステムを形成することができる。ハイブリッドシステムでは、サブシステム１００を使用して材料を第１の溶着速度で溶着させて、部品の層の第１の解像度の輪郭線部分を形成し、この第１の解像度の輪郭線部分は、後に材料で充填されることになる。サブシステム１０を使用して、第２の溶着速度で材料を溶着させて、少なくとも、例えば、電極ヘッド内の複数の電極のアレイのうちの可変の数の電極を使用して第２の溶着速度で可変の幅の溶着を提供することにより、部品の層の第２の解像度の充填部分を形成する。一実施形態では、第１の溶着速度は第２の溶着速度よりも遅く、第１の解像度は第２の解像度よりも高い。このようにして、部品は層毎に積層的に造形されることができ、各層は、まずサブシステム１００を使用して第１の溶着速度で高解像度の輪郭線構築を行い、次いでサブシステム１０を使用して第２の溶着速度で低解像度の充填構築を行うことにより、構築される。

別の実施形態では、積層造形システム１０を単独で使用して、層毎に部品を積層的に造形することができる。各層は、例えば、システム１０の１つの電極を使用して第１の溶着速度で高解像度の輪郭線構築をまず行い、次いでシステム１０の複数の電極を使用して第２の溶着速度で低解像度の充填構築を行うことにより、構築される。再び、高解像度の輪郭線構築が第１の溶着速度で行われ、低解像度の充填構築が第２の溶着速度で行われ、第１の溶着速度は第２の溶着速度よりも遅い。

図４Ａ～図４Ｃは、少なくとも図１の積層造形システム１０を使用して、層毎に部品４００を積層的に造形するために使用される、第１の溶着速度輪郭線処理とこれに続く第２の溶着速度充填処理の、一実施形態を示す。図４Ａでは、システム１０の単一の電極（図４Ａでは円によって表わされている）を使用して、低溶着速度で部品４００の層の輪郭線部分４１０及び４２０を溶着させる。単一の電極を低溶着速度で使用することにより、輪郭線部分の高解像度の溶着がもたらされる。解像度要件が厳しくない他の実施形態では、例えば、２個又は３個の電極を使用して輪郭線部分を溶着させることができる。

図４Ｂでは、システム１０の複数の電極（図４Ｂでは複数の円によって表わされている）を使用して、高溶着速度で部品４００全体に渡り層の充填部分４３０を溶着させる。高溶着速度で複数の電極を使用することにより、充填部分４３０の低解像度の溶着がもたらされる。輪郭線部分４１０及び４２０は、充填部分４３０の輪郭を描く境界線として機能する。図４Ｂに示すように、複数の電極は、矩形の穴４４０（フィーチャの例）が層内に形成されるように、部品４００の層全体に渡って材料を溶着させる。複数の電極のうちの中央の電極（ワイヤ）による材料の溶着は、矩形の穴４４０を形成するように、停止され、再開される。他の実施形態によれば、システム１０が部品を横切って移動する際に電極を「オン及びオフ」することによって材料の溶着を制御することにより、部品の層内に他のフィーチャ（例えば、穴以外）を形成することができる。このようにして、システム１０は、変化する幅及び長さの溶着されたフィーチャを形成することができる。

図４Ｃには、最終的な積層造形部品４００が示されている。部品４００は、例えば、材料が（例えば、積層造形システムの制御装置によって制御されて）コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルによって規定された領域に溶着されるように、部品４００のＣＡＤモデルに従って、層毎に構築される。矩形の穴４４０は、部品４００の全ての層を貫通するように描かれている。図４Ａ～４Ｃに示した工程は、高充填溶着速度、高い最終密度、及びＳＡＷに関連した良好な機械的特性を提供する。一実施形態では、部品４００は、硬質材料及び軟質材料の交互の層から作製されることがある。別の実施形態では、輪郭線部分は、充填部分とは異なる材料から作製されることがある。更に、一実施形態によれば、最終的な仕上げ工程を部品上で行うことがある（例えば、機械加工、熱処理、鍛造、等）。

別の実施形態によれば、輪郭線部分は図３のシステム１００によって溶着させ、充填部分は図１のシステム１０によって溶着させることができる。このようにして、輪郭線部分（低溶着処理）及び充填部分（高溶着処理）を反復して生成することにより、独立かつ平行な低溶着処理及び高溶着処理を行って品質を改善することができる。

図５は、第１の溶着速度処理を使用して部品５００の基本の内部形状を生成し、少なくとも図１の積層造形システム１０を使用して第２の溶着速度充填処理の使用を可能にする、一実施形態を示す。高溶着速度処理によって容易に充填することができない複雑な内部形状の場合、低溶着速度処理を使用して層のより多くの部分を充填して、基本の充填形状を生成することができる。例えば、図５に示すように、円形の穴５２０を有する正方形のフィーチャ５１０を、低溶着速度処理を使用して部品５００の層の内部に形成することができる。外側輪郭線部分５３０もまた、低溶着速度処理を使用して形成することができる。例えば、図１のシステム１０の複数の電極を使用して、高溶着速度処理を使用して層の残りの部分を充填することができる。一般的に、低溶着速度処理を使用して、任意の複雑な内部又は外部フィーチャを形成することができる。

一実施形態によれば、ヘッド２０よりも幅の広い部品に適応するために、充填部分が溶着されると、部品は図１のシステム１０の電極ヘッド２０の進行方向に垂直に平行移動されることがある。或いは、別の実施形態では、電極ヘッド２０が、代わりに、進行方向に垂直に平行移動されることがある。

図６Ａ～図６Ｄは、少なくとも図１のシステム１０によって部品が積層的に造形されるにつれて部品６００を回転させる、一実施形態を示す。図６Ａでは、部品６００の第１の層の第１の輪郭外形部分６１０及び第１の充填部分６２０が、部品６００が第１の方向を向いているときに溶着されたものとして示されている。図６Ｂでは、部品６００は、第２の向きに９０°回転されたものとして示されている。図６Ｃでは、部品６００の第２の層の第２の輪郭外形部分６３０及び第２の充填部分６４０が、第１の層の上に溶着されたものとして示されている。このようにして、例えば本明細書で説明したシステム１０及び１００を使用して、部品を積層的に造形することができ、部品は、部品の各層の溶着の間に９０°回転される。

図６Ｄは、部品６００が構築されたときの回転に起因する、最終部品６００の充填層を示す。層間でこのように部品を回転させることは、層の歪みを最小化するのに役立ち、また、部品の全般的な強度及び耐久性を増すことができる。一実施形態では、部品は、システム１０の制御装置８０の制御下で、ロボット９０及びプラットフォーム９３を介して回転される。別の実施形態によれば、部品を回転させる代わりに、システム１０の電極ヘッド２０を９０°回転させて、同じように交互に回転された部品の層の形成を実質的に達成することができる。

図７は、ハイブリッド溶着速度積層造形法を使用して部品を作製するための方法７００の一実施形態の流れ図を示す。７１０で、積層造形システムを第１の溶着速度で動作させて、３次元（３Ｄ）部品の第１の層の第１の解像度の輪郭線部分を形成する。７２０で、積層造形システムを第２の溶着速度で動作させて、第１の層の第２の解像度の充填部分を形成する。充填部分は、進行方向に沿って、積層造形システムの複数の電極のアレイのうちの電極（例えば、ワイヤ）の数を可変的に制御することにより、可変の幅の溶着を第２の溶着速度で提供することにより、形成される。一実施形態では、第１の溶着速度は第２の溶着速度よりも遅く、第１の解像度は第２の解像度よりも高い。

７３０で、部品（又は、複数の電極のアレイ）は、部品の第１の層の充填部分を完了できるようにするために、第２の溶着速度での溶着の間に、複数の電極のアレイの進行方向に垂直に平行移動される。そのような平行移動は、例えば、部品の幅が複数の電極のアレイよりも広い場合に適切であることがある。７４０で、部品（又は複数の電極のアレイ及び進行方向）は、部品の次の層を形成するための準備として、９０度回転される。そのような回転は、層の歪みを最小化するのに役立ち、また、部品の全般的な強度及び耐久性を増すことができる。７５０で、溶着されるべき部品の更なる層が存在するかどうかについて判定が行われる。溶着されるべき更なる層が存在する場合には、方法７００は７１０に戻って次の層を溶着させる。さもなければ、方法７００は終了する。工程７１０～７５０は、溶着されるべき部品の各層に対して繰り返される。部品及び／又は複数の電極のアレイは、電気的な駆動手段、空気圧的な駆動手段、又は液圧的な駆動手段、のうちの少なくとも１つを介して、本明細書で前に説明したように、回転及び／又は平行移動させることができる。

図８は、図１の積層造形システム１０の例示的な制御装置８０の一実施形態を示す。制御装置８０は、バスサブシステム８１２を介して複数の周辺装置と通信する少なくとも１つのプロセッサ８１４を含む。これらの周辺装置は、例えばメモリサブシステム８２８及びファイルストレージサブシステム８２６を含むストレージサブシステム８２４、ユーザインターフェース入力装置８２２、ユーザインターフェース出力装置８２０、並びにネットワークインターフェースサブシステム８１６を含むことがある。入力装置及び出力装置は、制御装置８０とのユーザのやり取りを可能にする。ネットワークインターフェースサブシステム８１６は、外部のネットワークとのインターフェースを提供し、他のコンピュータシステムの対応するインターフェース装置と結合されている。例えば、システム１００の動作制御装置１８０は、制御装置８０と１つ又は複数の特性を共有することができ、例えば、従来のコンピュータ、デジタル信号プロセッサ、及び／又は他のコンピュータ装置であり得る。

ユーザインターフェース入力装置８２２は、キーボードと、マウス、トラックボール、タッチパッド、又はグラフィックスタブレットなどのポインティングデバイスと、スキャナと、ディスプレイに組み込まれたタッチスクリーンと、音声認識システム、マイクロホンなどのオーディオ入力装置と、及び／又は他のタイプの入力装置と、を含むことがある。一般的に、「入力装置」という用語の使用は、制御装置８０又は通信ネットワークに情報を入力するための全ての可能なタイプの装置及び方法を含むことが意図されている。

ユーザインターフェース出力装置８２０は、ディスプレイサブシステム、プリンタ、ファックス機、又はオーディオ出力装置などの非視覚的表示を含むことがある。ディスプレイサブシステムは、ブラウン管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの平面パネル装置、投影装置、又は可視画像を生成するための何等かの他の機構を含むことがある。ディスプレイサブシステムは、オーディオ出力装置を介してなど、非視覚的表示も提供することがある。一般的に、「出力装置」という用語の使用は、制御装置８０からユーザに又は別の機械若しくはコンピュータシステムに情報を出力するための全ての可能なタイプの装置及び方法を含むことが意図されている。

ストレージサブシステム８２４は、本明細書に記載するモジュールの一部又は全部の機能を提供するプログラミング及びデータ構造を保存する。例えば、ストレージサブシステム８２４は、積層的に造形されるべき部品のＣＡＤモデルと、溶接位置の変動を特定し、溶接装置を調節して特定された変動に適応するためのロジックとを、を含むことがある。

これらのソフトウェアモジュールは、一般的に、プロセッサ８１４単独で、又は他のプロセッサと組み合わせて、実行される。ストレージサブシステム内で使用されるメモリ８２８は、プログラムの実行中に命令及びデータを記憶するための主ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３０及び固定の命令を保存する読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８３２を含む、幾つかのメモリを含むことができる。ファイルストレージサブシステム８２６は、プログラム及びデータファイルのための永続的なストレージを提供することができ、ハードディスクドライブ、フロッピーディスクドライブに加えて関連する取り外し可能な媒体、ＣＤ－ＲＯＭドライブ、光学式ドライブ、又は取り外し可能な媒体のカートリッジを含むことがある。特定の実施形態の機能を実装するモジュールは、ストレージサブシステム８２４内のファイルストレージサブシステム８２６によって、又はプロセッサ８１４によってアクセス可能な他のマシンに保存されることがある。

バスサブシステム８１２は、制御装置８０の様々な構成要素及びサブシステムを意図したように互いに通信させるための機構を提供する。バスサブシステム８１２は単一のバスとして概略的に示されているが、バスサブシステムの代替的な実施形態では複数のバスを使用することがある。

制御装置８０は、ワークステーション、サーバ、コンピューティングクラスター、ブレードサーバ、サーバーファーム、又は任意の他のデータ処理システム若しくはコンピュータ装置を含む、様々なタイプのものとすることができる。コンピュータ装置及びネットワークの絶え間なく変化し続ける性質のため、図８で示した制御装置８０の説明は、幾つかの実施形態を示す目的のための特定の例に過ぎないことが意図されている。図８に示した制御装置よりも多くの又は少ない構成要素を有する制御装置８０の他の多数の構成が可能である。

開示される実施形態を相当に詳細に図示し説明したが、添付の特許請求の範囲をそのような詳細に制限する又は多少なりとも限定することは意図していない。勿論、発明対象の様々な態様を説明する目的のために、構成要素又は方法の全ての考えられる組み合わせを記載することは不可能である。従って、本開示は、図示し説明した特定の詳細又は例示的な例に限定されない。従って、この開示は、米国特許法第１０１条（３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１０１）の法定の発明対象要件を満足する添付の特許請求の範囲内に該当する変更例、修正例、及び変形例を包含することが意図されている。特定の実施形態についての上記の説明は、例として与えられた。与えられた開示から、当業者であれば、一般的な本発明の概念及び付随する利点を理解するだけでなく、開示された構造及び方法に対する様々な明らかな変更例及び修正例を見出すであろう。従って、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって規定される、一般的な本発明の概念の趣旨及び範囲内に該当するそのような変更例及び修正例の全てを包含することが求められている。

１０ 積層造形システム
２０ 電極ヘッド
３０ アレイ
３２ 電極
４０ 溶接電源
５０ 駆動ロール
５１ 被溶接物又は部品
５２ 開始点
５３ 停止点
６０ センサ
７０ コイル
８０ 制御装置
９０ ロボット
９３ プラットフォーム
１００ 積層造形システム
１１０ レーザビーム
１１５ 被溶接物又は部品
１２０ レーザ装置
１２５ 方向
１３０ レーザ電源
１４０ 抵抗性フィラーワイヤ
１５０ フィラーワイヤ送給装置
１６０ 接触管
１７０ 電源
１８０ 動作制御装置
１９０ ロボット
１９３ プラットフォーム
１９５ 感知及び電流制御サブシステム
４００ 部品
４１０ 輪郭線部分
４２０ 輪郭線部分
４３０ 充填部分
４４０ 矩形の穴
５００ 部品
５１０ 正方形のフィーチャ
５２０ 円形の穴
５３０ 外側輪郭線部分
６００ 部品
６１０ 第１の輪郭外形部分
６２０ 第１の充填部分
６３０ 第２の輪郭外形部分
６４０ 第２の充填部分
８１２ バスサブシステム
８１４ プロセッサ
８１６ ネットワークインターフェースサブシステム
８２０ ユーザインターフェース出力装置
８２２ ユーザインターフェース入力装置
８２４ ストレージサブシステム
８２６ ファイルストレージサブシステム
８２８ メモリサブシステム
８３０ 主ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
８３２ 読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）

Claims (20)

1. 積層造形システムであって、
   ３次元（３Ｄ）部品を形成するために材料を層毎に順次溶着させるための複数の電極のアレイと、
   前記複数の電極のアレイのうちの各電極に溶接アークを確立するための電力を供給するように構成される電源と、
   前記複数の電極のアレイのうちの各電極を個別に駆動するように構成される駆動ロールと、
   制御装置であって、
   第１の溶着速度で前記積層造形システムを動作させて前記部品の層内の少なくとも２つの溶着されたフィーチャの第１の解像度の輪郭線部分を形成し、
   第２の溶着速度で前記積層造形システムを動作させて、少なくとも部分的に、前記複数の電極のアレイのうちの可変の数の電極を使用して前記第２の溶着速度で可変の幅の溶着を前記部品の前記層にわたって提供することにより、前記部品の前記層内の少なくとも２つの溶着されたフィーチャの第２の解像度の充填部分を形成するように構成され、
   前記少なくとも２つの溶着されたフィーチャのそれぞれは、前記層内でさまざまな幅及び長さを有し、
   前記少なくとも２つの溶着されたフィーチャのそれぞれは、前記第１の解像度の輪郭線部分及び前記第２の解像度の充填部分を含み、
   前記第１の溶着速度は前記第２の溶着速度よりも遅く、前記第１の解像度は前記第２の解像度よりも高い、制御装置と、
   を備える、積層造形システム。
2. 前記複数の電極のアレイのうちの前記電極は消耗溶接ワイヤである、請求項１に記載の積層造形システム。
3. 前記積層造形システムはサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムである、請求項１に記載の積層造形システム。
4. 前記部品を支持するための回転可能なプラットフォームを更に備え、前記制御装置は層間で前記回転可能なプラットフォームを９０°回転するように命令するように構成され、前記回転可能なプラットフォームは、電気駆動式、空気圧駆動式、又は液圧駆動式のうちの１つである、請求項１に記載の積層造形システム。
5. 前記部品を支持するための平行移動可能なプラットフォームを更に備え、前記制御装置は、前記部品の前記層の前記充填部分を完了できるようにするために、前記第２の溶着速度での溶着の間に、前記複数の電極のアレイの進行方向に垂直に、前記平行移動可能なプラットフォームを平行移動するように命令するように構成され、前記平行移動可能なプラットフォームは、電気駆動式、空気圧駆動式、又は液圧駆動式のうちの１つである、請求項１に記載の積層造形システム。
6. 前記制御装置は、前記複数の電極のアレイ及び前記複数の電極のアレイの進行方向を層間で９０°回転するように命令するように構成され、前記複数の電極のアレイの前記回転は、電気駆動式、空気圧駆動式、又は液圧駆動式のうちの１つである、請求項１に記載の積層造形システム。
7. 前記制御装置は、前記部品の前記層の前記充填部分を完了できるようにするために、前記第２の溶着速度での溶着の間に、前記複数の電極のアレイの進行方向に垂直に、前記複数の電極のアレイを平行移動するように命令するように構成され、前記複数の電極のアレイの前記平行移動は、電気駆動式、空気圧駆動式、又は液圧駆動式のうちの１つである、請求項１に記載の積層造形システム。
8. 前記制御装置は、前記部品のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルによって規定される領域に前記材料を溶着させるように前記積層造形システムを動作させるようにプログラムされる、請求項１に記載の積層造形システム。
9. 前記材料は金属を含む、請求項１に記載の積層造形システム。
10. 積層造形方法であって、
    積層造形システムを第１の溶着速度で動作させて、３次元（３Ｄ）部品の第１の層内の少なくとも２つの溶着されたフィーチャの第１の解像度の輪郭線部分を形成する工程と、
    前記積層造形システムを第２の溶着速度で動作させて、少なくとも部分的に、進行方向に沿って前記積層造形システムの複数の電極のアレイのうちの電極の数を可変的に制御することにより、前記第２の溶着速度で可変の幅の溶着を前記部品の前記第１の層にわたって提供することにより、前記部品の前記第１の層内の少なくとも２つの溶着されたフィーチャの第２の解像度の充填部分を形成する工程と、を含み、
    前記少なくとも２つの溶着されたフィーチャのそれぞれは、前記第１の層内でさまざまな幅及び長さを有し、
    前記少なくとも２つの溶着されたフィーチャのそれぞれは、前記第１の解像度の輪郭線部分及び前記第２の解像度の充填部分を含み、
    前記第１の溶着速度は前記第２の溶着速度よりも遅く、前記第１の解像度は前記第２の解像度よりも高い、積層造形方法。
11. 前記部品の前記第１の層の前記充填部分を完了できるようにするために、前記第２の溶着速度での溶着の間に、前記複数の電極のアレイの前記進行方向に垂直に前記部品を平行移動する工程を更に含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記部品を９０度回転させる工程と、
    前記積層造形システムを前記第１の溶着速度で動作させて、前記３次元（３Ｄ）部品の第２の層の第１の解像度の輪郭線部分を形成する工程と、
    前記積層造形システムを前記第２の溶着速度で動作させて、少なくとも部分的に、前記進行方向に沿って前記積層造形システムの前記複数の電極のアレイのうちの電極の数を可変的に制御することにより、前記第２の溶着速度で可変の幅の溶着を提供することにより、前記部品の前記第２の層の第２の解像度の充填部分を形成する工程と、
    を更に含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記部品の前記第１の層の前記充填部分を完了できるようにするために、前記第２の溶着速度での溶着の間に、前記複数の電極のアレイの前記進行方向に垂直に前記複数の電極のアレイを平行移動する工程を更に含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記複数の電極のアレイ及び前記複数の電極のアレイの前記進行方向を９０°回転させる工程と、
    前記積層造形システムを前記第１の溶着速度で動作させて、前記３次元（３Ｄ）部品の第２の層の第１の解像度の輪郭線部分を形成する工程と、
    前記積層造形システムを前記第２の溶着速度で動作させて、少なくとも部分的に、回転された前記進行方向に沿って前記積層造形システムの前記複数の電極のアレイのうちの電極の数を可変的に制御することにより、前記第２の溶着速度で可変の幅の溶着を提供することにより、前記部品の前記第２の層の第２の解像度の充填部分を形成する工程と、
    を更に含む、請求項１０に記載の方法。
15. ３次元（３Ｄ）部品を形成するために材料を層毎に順次溶着させるための積層造形システムであって、
    第１の溶着速度で材料を溶着させて前記部品の層内の少なくとも２つの溶着されたフィーチャの第１の解像度の輪郭線部分を形成するように構成される第１のサブシステムと、
    第２の溶着速度で材料を溶着させて前記部品の前記層内の少なくとも２つの溶着されたフィーチャの第２の解像度の充填部分を形成するように構成される第２のサブシステムであって、
    複数の電極のアレイと、
    前記複数の電極のアレイのうちの各電極に溶接アークを確立するための電力を供給するように構成される電源と、
    前記複数の電極のアレイのうちの各電極を個別に駆動するように構成される駆動ロールと、
    少なくとも部分的に、前記複数の電極のアレイのうちの可変の数の電極を使用して前記第２の溶着速度で可変の幅の溶着を前記部品の前記層にわたって提供することにより、前記第２の溶着速度で前記第２のサブシステムを動作させるように構成される制御装置と、を備える第２のサブシステムと、を備え、
    前記少なくとも２つの溶着されたフィーチャのそれぞれは、前記層内でさまざまな幅及び長さを有し、
    前記少なくとも２つの溶着されたフィーチャのそれぞれは、前記第１の解像度の輪郭線部分及び前記第２の解像度の充填部分を含み、
    前記第１の溶着速度は前記第２の溶着速度よりも遅く、前記第１の解像度は前記第２の解像度よりも高い、積層造形システム。
16. 前記複数の電極のアレイのうちの前記電極は消耗溶接ワイヤである、請求項１５に記載の積層造形システム。
17. 前記第２のサブシステムはサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムである、請求項１５に記載の積層造形システム。
18. 前記第１のサブシステムはレーザ・ホット・ワイヤ（ＬＨＷ）システムである、請求項１５に記載の積層造形システム。
19. 前記第１のサブシステムはガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡＷ）システムである、請求項１５に記載の積層造形システム。
20. 前記第１のサブシステムは粉体吹込みシステムである、請求項１５に記載の積層造形システム。

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