JP7323281B2 - 付加的製造のための方法及びシステム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
２０１７年１１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／５９２，０４５号の利益が本願により主張され、その開示が参照によって本願に援用される。

本発明の実施形態は、溶接又は溶接に似た技術（例えば、クラディング）、より詳しくは、例えばツール等の部品の付加的製造に関するシステム及び方法に関する。

従来、付加的製造プロセスは、ニアネットシェイプ部品を比較的低い溶着速度（例えば、粉末：３０～１００ｃｍ^３／時、ワイヤ：８００～２０００ｃｍ^３／時）で製作することができ、各部品は１層ずつ構築される。構築時間は長くなる可能性があり、時々、低い入熱に起因する融合不良等の欠陥が生じることがある。ワイヤを利用する付加的製造プロセスの溶着速度は粉末利用のプロセスより速い可能性があるが、粉末利用のプロセスのほうが、より細かい特徴物に関する分解能がより高い可能性がある。それゆえ、それぞれの付加的製造プロセスに長所と短所があり、ニアネットシェイプ部品を製造する際にこれらを考慮すべきである。

伝統的に、ジグ、固定具、金型、鋳型、工作機械、切削ツール、ゲージ、及びその他のツール（本明細書において、概してツール又はツーリングと呼ばれる）が様々な製造プロセスで使用される。このようなツーリングは典型的に、特定の機能（例えば、金属スタンピング又は鍛造）を行うために非常に硬く製造され、高い炭素含有率を有する傾向がある。ツーリングは多くの場合、非常に硬い材料で製造され、これは単体の鍛錬材料から機械加工される。例えば、硬いツールは多くの場合、急冷を通じてマルテンサイト構造（例えば、マルテンサイト）を形成することによって製造される。マルテンサイト構造は一般に、鋼鉄結晶構造の非常に硬い形態を指すが、無拡散変態により形成されるあらゆる結晶構造も指してよい。一般に、マルテンサイトは、焼き入れ鋼の主成分である、硬く、非常に脆い鉄中炭素固溶体である。製造機能を実行するためにツーリングの硬さが必要となることが多いが、このような硬いツーリングは、炭素含有量が非常に高いため、割れやすい。しかしながら、典型的に、使用中に高い応力及び／又は温度を受けるのはツーリングの表面の一部のみであり、ツーリングの残りの部分は受けない。

本発明の実施形態は、ツーリングなどの部品の付加的製造に関するプロセス、組成物、及び構造を含む。ツーリングは、例えば高温又は低温プロセスを通じた金属のスタンピング、鍛造、もしくは鋳造のために、又は金属もしくはプラスチックの押出しのために使用されてもよい。また、ツーリングは、例えば射出成形プロセスにおける金属、プラスチック、又はガラスの射出に使用されてもよい。さらに、ツーリングは、例えばファイバグラス又はカーボンファイバを用いるプロセスで使用されてもよい。このようなツーリングは、高温及び／又は低温環境で動作し、衝撃、摩耗、変形、腐食、熱衝撃、及び浸食のうちの１つ又は複数に耐えられる必要があるかもしれない。例えば、インバールは熱膨張率の低いニッケル鉄合金である。本明細書において説明するツーリングの付加的製造のためのプロセス、組成物、及び構造は、伝統的な非付加的方式とは異なる。付加的製造を通じた（炭素含有量の高い）ツーリングの製造／製作は、このような溶着物の硬くて脆い性質が原因で非常に難しい。したがって、付加的製造プロセスを通じたツーリングの製造は、従来法で製造されたツーリングと同じ合金成分を使用しない。付加的ツーリング製造のためには、炭素を何れかの別の合金に置き換えてもよく、冷却速度は、ツーリングの強度又はその他の所望の特性を提供するように制御される。本明細書に記載の実施形態は、ツーリング以外の金属部品（例えば、機械の部品又は建築用構造部材）の形成に応用でき、それゆえ、本開示はツーリングに限定されない。

１つの実施形態において、付加的製造システムは、第一及び第二のプレハブ金属部品を接続する３次元（３Ｄ）の取付構造を形成するために材料を１層ずつ溶着するための複数の電極の列を含む電極ヘッドを含む。複数の電極の列は、第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成される第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成される第二の複数の電極と、を含み、第一の延性は第二の延性より大きく、第二の硬度は第一の硬度より大きい。電源は、複数の電極の列の各電極のための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。駆動ロールシステムは、複数の電極の列の各電極を駆動するように構成される。コントローラは電源に動作的に接続され、第一の複数の電極を使って取付構造の内側部分を形成するために付加的製造システムの動作を制御し、第二の複数の電極を使って、取付構造の内側部分を取り囲む取付構造の外側部分を形成し、それによって取付構造の内側部分の延性が取付構造の外側部分の延性より大きくなるようにするために付加的製造システムの動作を制御するように構成される。１つの実施形態において、複数の電極の列の電極は消耗溶接ワイヤである。１つの実施形態において、コントローラは、取付構造のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルにより画定される領域に材料を溶着するために付加的製造システムを動作させるようにプログラムされる。１つの実施形態において、第一及び第二のプレハブ金属部品は鍛造金属部品である。１つの実施形態において、第一及び第二のプレハブ金属部品は鋳造金属部品である。１つの実施形態において、コントローラは、第一の複数の電極と第二の複数の電極の両方を使って、内側部分と外側部分との間に延びる、取付構造の移行部分を形成し、それによって移行部分は第一の金属材料及び第二の金属材料から形成される合金であるようにするために付加的製造システムの動作を制御するように構成される。別の実施形態において、第一の金属材料の第二の金属材料に対する割合は、移行部分を通じて内側部分から外側部分へと減少する。

１つの実施形態において、付加的製造システムは、３次元（３Ｄ）の部品を形成するために材料を１層ずつ溶着するための複数の電極の列を含む電極ヘッドを含む。複数の電極の列は、第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成される第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成される第二の複数の電極と、を含み、第一の延性は第二の延性より大きく、第二の硬度は第一の硬度より大きい。電源は、複数の電極の列の各電極のための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。駆動ロールシステムは、複数の電極の列の各電極を駆動するように構成される。コントローラは電源に動作的に接続され、第一の複数の電極を使って部品の内側部分を形成するために付加的製造システムの動作を制御し、第二の複数の電極を使って、部品の内側部分を取り囲む部品の外側部分を形成するために付加的製造システムの動作を制御するように構成され、それによって部品の内側部分の延性が部品の外側部分の延性より大きくなる。コントローラは、部品のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルにより画定される領域に材料を溶着するために付加的製造システムを動作させるようにプログラムされ、コンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルは、部品のための、部品のポストプロセス機械加工中に部品を保持するためのポストプロセス用取付具に物理的に対応する。１つの実施形態において、複数の電極の列の電極は消耗溶接ワイヤである。１つの実施形態において、取付構造は、実行される予定のポストプロセス機械加工に基づいて、ポストプロセス用取付具の中で部品を正しい向きにするような形状とされる。１つの実施形態において、コントローラは、第一の複数の電極と第二の複数の電極の両方を使って、内側部分と外側部分との間に延びる、部品の移行部分を形成し、それによって移行部分は第一の金属材料及び第二の金属材料から形成される合金であるようにするために付加的製造システムの動作を制御するように構成される。別の実施形態において、第一の金属材料の第二の金属材料に対する割合は、移行部分を通じて内側部分から外側部分へと減少する。

１つの実施形態は、部品を通じた亀裂の伝播を限定する、部品の付加的製造方法を含む。この方法は、部品を形成するために１層ずつ材料を溶着するための複数の電極の列を含む電極ヘッドであって、複数の電極の列は、第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成される第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成される第二の複数の電極と、を含み、第一の延性は第二の延性より大きく、第二の硬度は第一の硬度より大きい電極ヘッドと、複数の電極の列の各電極のための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た電源と、複数の電極の列の各電極を駆動するように構成された駆動ロールシステムと、電源に動作的に接続されたコントローラと、を含む付加的製造システムを提供するステップを含む。方法は、少なくとも第一の複数の電極と第二の複数の電極から部品を付加的製造するステップをさらに含み、これは、第一の複数の電極を使って部品の内側部分を形成するステップと、第二の複数の電極を使って、部品の内側部分を取り囲む部品の外側部分を形成するステップと、を含み、部品の内側部分の延性は部品の外側部分の延性より大きい。方法は、部品をプラズマカッティングすることによって部品の一部を除去し、部品の切断面を形成するステップをさらに含み、切断面の平均粗さは前記外側部分より低い。１つの実施形態において、方法は、第一の複数の電極と第二の複数の電極との両方を使って、内側部分と外側部分との間に延びる、部品の移行部分を形成するステップを含み、それによって移行部分は第一の金属材料と第二の金属材料の合金である。別の実施形態において、第一の金属材料の第二の金属材料に対する割合は、移行部分を通じて内側部分から外側部分へと減少する。別の実施形態において、移行部分を形成するステップは、付加的製造中に第一の複数の電極と第二の複数の電極との両方の作動電極数を調節して、内側部分から外側部分への前記割合を調節するステップを含む。１つの実施形態において、コントローラは、部品のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルにより画定される領域に材料を溶着するために付加的製造システムを動作させるようにプログラムされる。１つの実施形態において、部品は、部品のポストプロセス機械加工中に部品を保持するためのポストプロセス用取付具に物理的に対応する取付構造を含む。１つの実施形態において、部品は粉砕装置の切歯である。１つの実施形態において、部品は、第一及び第二のプレハブ金属部品間に延びる取付構造であり、第一及び第二のプレハブ金属部品は鍛造又は鋳造金属部品である。

全体的な発明的コンセプトの多数の態様は、例示的実施形態の以下の詳細な説明から、特許請求の範囲から、及び添付の図面から容易に明らかとなるであろう。

添付の図面は、本明細書の中に組み込まれ、その一部を構成し、本開示の各種の実施形態を示している。図面中に示されている要素の境界線（例えば、ボックス、ボックス群、又はその他の形状）は、境界線の１つの実施形態を表していることがわかるであろう。幾つかの実施形態において、１つの要素は複数の要素として設計されてもよく、複数の要素は１つの要素として設計されてもよい。幾つかの実施形態において、他の要素の内部構成要素として示されている要素は外部構成要素として実装されてもよく、その逆でもある。さらに要素は正しい縮尺で描かれていない可能性もある。

多電極付加的製造サブシステムのある実施形態を示す。 工作物上に材料を移動方向に溶着するように構成された複数の電極を列状に有する電極ヘッドのある実施形態を示す。 レーザホットワイヤ（ＬＨＷ）型付加的製造サブシステムのある実施形態を示す。 プラズマ又は溶射型付加的製造サブシステムのある実施形態を示す。 粉末送給レーザ型付加的製造サブシステムのある実施形態を示す。 ある例示的な、付加的製造で製造された部品を示す。 ある例示的な、付加的製造で製造された部品を示す。 ある例示的な、付加的製造で製造された部品及びその部品のためのポストプロセス用取付具を示す。 ある例示的な、付加的製造で製造された部品を示す。 付加的製造で製造された部品を有する粉砕装置の一部を示す。 部品を付加的製造で製造するある例示的な方法のフローチャートを示す。 付加的製造システムのある例示的なコントローラの実施形態を示す。

付加的製造システム及び方法の実施形態が開示される。ツール、ツールの構成要素、金属製構成要素間のジョイントもしくはユニオン、又は部品の取付用特徴物等のニアネットシェイプ部品の創出において、複数の金属材料を組み合わせて利用することにより、材料又はプロセスごとに提供される利点を利用する。ニアネットシェイプ部品の製造において利用されてもよい例示的な付加的製造プロセスは、粉末プロセス、ワイヤプロセス、レーザホットワイヤプロセス、及び溶射プロセスを含む。このようなプロセスは、１つの付加的製造システムの中で組み合わせることができる。高い溶着速度及び低分解能プロセス（例えば、ワイヤを用いる）をより低い溶着速度であるがより高分解能プロセス（例えば、粉末を用いる）と組み合わせることにより、大型部品は素早く製造できるだけでなく、微細な内側及び外側特徴物を含むことができ、これには、そのようにしなければ長時間にわたる二次的加工が必要となる。ある部品の製造において複数の金属材料を使用することによって、部品の異なる部分が異なる特性、例えば延性又は硬度を有することができ、適当であれば安価な材料の使用が可能となる。

本明細書中の例と図面は例示にすぎず、特許請求の範囲の範囲と主旨により画定される本発明を限定しようとするものではない。ここで、図示は単に本発明の例示的な実施形態を示すことを目的としており、これを限定するためではない図面を参照すると、図１は、多プロセス付加的製造システムの一部又は独立したシステムとすることのできる、概して１０において描かれた、ある例示的な付加的製造システムのある実施形態を示している。システム１０は典型的に、例えばサブマージアーク又はエレクトロスラグ溶接、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）、及びガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）等の溶接プロセスによって、部品を１層ずつ付加的製造するために使用されてもよいことが想定される。

図１に示されるように、付加的製造システム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）の列３０を同時に格納する。複数の電極３２は、連続的に送給することも、周期的に送給することも、又は所定の順序に基づいて送給することも可能であると認識すべきである。電極３２は、ガスシールド下で使用されるガスシールド型でも、セルフシールド型でも、又は金属コア又はフラックスコアワイヤであってもよい。コア入り電極の場合、電極シースは、カーボンスチール、ステンレススチール、又はニッケル合金であってもよいことが想定される。電極ヘッド２０は、電極３２が３Ｄ部品の層を形成するために材料を制御可能に溶着するために（例えば、関連する工作物の表面上に、材料を当初から溶着することによる）空間的に離間された構成であるように列３０を格納する。電極ヘッド２０は、電極３２を搬送するために列３０を格納する何れの適当な電極ヘッドとすることもでき、本発明はここに示される電極ヘッドに限定されない点を認識、理解すべきである。例えば、電極ヘッド２０は、列３０のための個別のコンタクトチップを利用するアセンブリ又は、電極列３０を全体として格納し、取り囲む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より供給されてもよい。コイル７０は複数の個別のコイルを含んでいてもよく、各コイルは１つの電極（例えば、溶接ワイヤ）を含み、これらは共通の回転軸に沿って配置される。フィラワイヤ又は付加材料を送達するさらに何れの方法を選択してもよく、それも本開示の実施形態の所期の適用範囲から逸脱しない。例えば、１つの実施形態において、電極ヘッド２０は、列状のワイヤの代わりに１つの消耗金属ワイヤを提供するように構成される。

図１に示されるように、電極ヘッド２０は、関連する複数の送給電極３２の列３０を受けるようになされる。システム１０は、電極３２の列３０を、電極ヘッド２０を通じて駆動するための手段を含む。駆動手段は複数の駆動ロール５０又はその他のワイヤフィーダデバイスを含むことが想定される。複数の駆動ロールまたは駆動ロールシステム５０の各々は、電極３２の１つ又は複数に関連付けられてもよい。１つの態様において、２つの電極３２が駆動ロール５０の１つの群に関連付けられてもよいが、電極の数とワイヤフィーダの数との間の関係は、付加的製造プロセスにおいて適当な何れの数の電極でも駆動ロールの１つの群に関連付けられうるように構成されてよいことが想定され、それも本開示の意図から逸脱しない。他の実施形態において、各電極はそれぞれの駆動ロール５０により駆動可能である。他の実施形態において、電極は、駆動ロール５０により、所定の順序又は第二の所定の順序に基づいて駆動でき、それに従って１つ又は複数の電極によって溶接アークが確立される。換言すれば、所定の順序が第一の電極、その後第二及び第三の電極間に溶接アークを確立する場合、第一の駆動ロール５０は第一の電極を駆動でき、第二の駆動ロール５０は第二及び第三の電極を駆動できる。さらに、駆動ロール５０と１つ又は複数の電極との間の他の関係も、適正な技術的判断により利用されてもよい。

１つの例示的な実施形態において、駆動ロール５０は、電極ヘッド２０を通じて電極３２をある速度（例えば、ワイヤ送給速度）で駆動するように構成されてもよい。１つの実施形態において、電極３２は実質的に同じ速度で駆動できる。他の実施形態において、各電極３２はそれぞれの速度で駆動でき、これは事前に決定しておくことも、付加的製造プロセス中にダイナミックに特定することもできる。例えば、１つ又は複数の電極３２の速度（例えば、ワイヤ送給速度）は、材料の組成、溶接のタイプ、溶接パラメータ、工作物、その他に基づいて事前に決定できる。他の実施形態において、１つ又は複数の電極の速度は、付加的製造プロセス中に、ユーザの入力、フィードバック、電圧、電流、及び温度、その他等であるがこれらに限定されない基準に基づいてダイナミックに特定することができる。

代替的に、駆動ロール５０は、電極を溶融させるのに必要な電流を変化させ、それによって電極３２による溶融層材料への入熱を変化させることが望ましいかもしれない場合に、電極３２をより遅い及び／又はより速いワイヤ速度／ワイヤ送給速度で送給するように構成される。例えば、駆動ロール５０の１つの群は、列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てもよく、駆動ロール５０の別の群は、列３０の内側に配置された電極３２を外側の電極ワイヤ送給速度と比べて比較的低いワイヤ送給速度で送給するように構成されてもよい。

駆動ロール５０は１つ又は複数の電極を所定の速度に基づいて駆動するために使用できることを認識すべきである。例えば、各駆動ロール５０は、列３０内のそれぞれの電極３２を駆動するために使用でき、各電極は個別の特定のワイヤ送給速度で駆動される。例えば、各電極３２のワイヤ送給速度は、これらに限定されないが、ワイヤの種類、部品材料の組成、環境（例えば、気温、湿度、その他）、ワイヤのゲージ、電極の種類、電圧、電流、付加的製造の実行に使用される溶接デバイスその他に基づいて変えることができる。

本発明の実施形態の１つの態様において、電極３２の各々は溶接電源４０に接続されるように構成される。すなわち、付加的製造プロセス中に、例えば、溶接電源を列３０の電極３２の各々を通じて供給できる。したがって、付加材料は電極ヘッド２０の幅にわたり搬送される。前述のように、電源は、溶接電源４０から、スタッド（図示せず）の一端に取り付けられた溶接ケーブルを通じて供給されてもよい。先端部において、溶接ケーブルは電極ヘッドコネクタを通じて電極ヘッド２０に接続されてもよい。１つの溶接電源４０の例示的なケースでは、１つの電極ヘッドコネクタは電源を溶接ケーブルから電極ヘッド２０に共通して搬送してもよい。さらに、適正な技術的判断により、溶接ケーブルから電極ヘッド２０に電源を搬送するためのその他の手段が利用されてもよい。

電源４０は、部品を付加的製造するために関連する複数の供給電源の各々と関連する工作物又は部品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、列３０の１つ又は複数の電極３２に電源を供給できる。例えば、所定の順序は工作物又は部品５１上の電極ヘッド２０の位置に基づくことができる。他の例では、所定の順序は、付加的製造プロセスを始めるための電極ヘッド２０の動作開始に基づくことができる。他の実施形態において、１つ又は複数の電源４０は、関連する複数の送給された電極の各々と関連する工作物又は部品５１との間の溶接アークを終了させる。このような実施形態において、１つ又は複数の電源４０は、第二の所定の順序で列３０の電極３２の１つ又は複数のための溶接アークを終了させることができる。例えば、第二の所定の順序は、工作物又は部品５１上の電極ヘッド２０の位置に基づくことができる。他の例では、第二の所定の順序は、付加的製造プロセスを終わらせるための電極ヘッド２０の動作停止に基づくことができる。

さらに、電極３２と工作物又は部品５１との間の溶接アークの確立は、電気源４０の少なくとも１つによって（例えば、電力を供給する、電力を供給しない、電力供給を停止する、及びその他）、又は駆動ロール５０によって（例えば、電極を駆動する、電極を駆動しない、電極の駆動を停止する、及びその他）提供できる。それゆえ、列３０の中の電極３２は、所定の順序に基づいて作動させ、又は動作無効化でき、作動及び／又は動作無効化は、電源４０及び／又は駆動ロール５０に基づいて行うことができる。１つの実施形態において、電極３２への溶接アークの制御された確立及び／又は電極３２の制御された駆動が、付加的製造プロセスのために提供される。そのため、個々の電極は、３Ｄ部品の１層の中の輪郭の画定された２Ｄ形状の創出を可能にするために、事実上「オン」又は「オフ」にすることができる。

特定の実施形態において、センサ６０は、工作物又は部品５１上の電極ヘッド２０の位置、工作物又は部品５１と比較した列３０の少なくとも１つの電極３２の整列、又は工作物又は部品５１と比較した列３０の少なくとも１つの電極３２の位置ずれのうち少なくとも１つを検出するように構成される。センサ６０は、工作物又は部品５１に関する少なくとも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に連結し、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の上に水平に設置されるが、何れの適当な向きも利用できる点を認識すべきである。他の実施形態において、複数のセンサ６０を使用できる。例えば、１つのセンサを各電極３２のために使用できる。このような例において、各電極３２のためのセンサ６０は、それぞれの電極３２と垂直に整列した向きとすることができる。例えば、センサ６０は赤外（ＩＲ）センサ又は近接センサその他とすることができ、これらに限定されない。センサ６０は、少なくとも１つの電極３２の、工作物又は部品５１の少なくとも一部に関する整列及び／又は位置ずれを検出する。特に、センサ６０は、溶接アークを確立するために、電極３２が工作物又は部品５１の一部と接触している、及び／又は接触していないことを検出する。他の例において、センサ６０は、電流及び／又は電圧の流れが電源４０及び工作物又は部品５１を通じて確立されたか否かを検出できる。１つ又は複数の電極３２の整列とは、工作物５１と電極３２との間に溶接アークを確立できる接触を指すと認識すべきである。さらに、１つ又は複数の電極３２の位置ずれとは、工作物又は部品５１と電極３２との間に溶接アークを確立できない非接触を指すと認識すべきでる。

１つの実施形態によれば、システム１０はコントローラ８０を含み、これは電源４０、駆動ロール５０、及び電極ヘッド２０を制御する。例えば、コントローラ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。コントローラ８０はまた、駆動ロール５０の動作特性（例えば、列３０の各電極３２に関するワイヤ送給速度及びアーク確立）を制御する。さらに、コントローラ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。１つの実施形態によれば、コントローラ８０は、電源４０に組み込まれてもよい。付加的製造される３Ｄ部品の複数の層のパターンは、１つの実施形態によれば、コントローラ８０の中でデジタルデータとして表現され、記憶される。コントローラ８０は、付加的製造システムを動作させて、部品のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルにより画定された領域に材料を溶着させるようにプログラムできる。

図２を参照すると、列３０の中に５つの電極３２を有する電極ヘッド２０は、材料を基板又は部品５１の上に制御された移動方向に溶着できる。１つの実施形態によれば、付加的製造システムの中で、コントローラ８０の制御下で基板又は部品５１を回転及び／又は並進移動させるために、プラットフォーム９３とロボット９０が使用されてもよい。代替的な実施形態において、電極ヘッド２０の動きは、電極ヘッド２０を回転及び／又は並進移動させるようにコントローラ８０により同様に制御されてもよい。

ある実施形態において、列３０内の幾つかの電極３２は、その列の中の他の電極と異なる組成を有し、それによって層内の異なる場所における複数の材料の溶着を制御すること、及び／又は溶着された層内での材料の混合作用を制御することが可能となる。例えば、１つ又は複数の電極３２はカーボンスチールであってもよく、１つ又は複数の電極はステンレススチール、又は他の所望の金属であってもよい。様々な組成の電極３２を含む付加的製造システム１０により、複数の材料からニアネットシェイプ部品（このような部品の例は後述する）を製造することを可能にできる。電極３２の組成は、実行される予定の付加的製造プロセスにとって適当であると考えられる何れの方法でもグループ分けできる。例えば、ある組成の電極３２を相互の付近にまとめることができる。図２に関して、電極Ａ及びＢは１つの組成であってもよく、電極Ｃ～Ｅは別の組成であってもよい。電極３２の組成は、電極ヘッド２０に沿って交互に配列し、異なる金属が混ざりやすくすることができる。例えば、電極Ａ、Ｃ、及びＥは１つの組成であってもよく、電極Ｂ及びＤは別の組成であってもよい。他のグループ分け及び異なる組成の追加の電極の使用がマルチワイヤ付加的製造サブシステムで使用されてもよい。

１つの例示的実施形態において、列３０の中の電極３２の幾つか（例えば、第一の複数の電極）は、他の電極（例えば、第二の複数の電極）と比較して高価な合金又は金属から製作される。安価な電極は、製造される部品の一部を形成するために使用できる。高価な合金で製作される電極３２は、製造される部品の他の部分を形成するために使用できる。例えば、高価な合金は、部品に外側コーティングを塗布するために使用できる。可能な場所に安価な電極を使用することは、部品の全体的コストを削減するのに役立つ。コントローラ８０は電源４０に動作的に接続されて、付加的製造システムの動作を制御し、適当な電極３２を使って部品の部分を形成する。

他の例示的実施形態において、製造される部品の硬度を高めるために列３０の中の電極３２の幾つかは、より硬く、より延性の低い材料（例えば、合金又は高炭素スチール）から形成されてもよい他の電極と比較して、より延性が高い、又はより硬度の低い材料（例えば、低炭素スチール）で製作される。より延性の高い材料は部品の内側部分を形成するために使用でき、硬い材料は外側コーティングとして塗布できる。部品の硬さは、切削又は研削等の製造機能を実行するために必要となることが多い。しかしながら、このような硬い部品（例えば、ツーリング）は、炭素含有率が非常に高いため、割れやすいかもしれない。より硬い材料の内側に、より延性の高い材料を使用することによって、部品を通じた亀裂の伝播を減らすことができる。

電極３２を形成する異なる材料の混合を制御して、１つの金属から他の金属への所望の移行を提供できる。ある材料から形成される１つの部分又は層から、異なる材料から形成される他の部分又は層へと急激に移行させると、熱膨張率等の特性の勾配が急峻になる可能性がある。欠陥の発生率を低減させるために、両方の材料を含む層を溶着してこれらが混ざるようにすることにより、１つの材料から他の材料への緩やかな移行を実現できる。１つの材料の他方に対する割合は、電極３２を相応に作動させ／動作無効化することによって徐々に調節することができ、最終的に後続の材料のみが塗布されてツールが形成される。例えば、高炭素スチールの母材をステンレススチールの外側コーティングへと緩やかに移行させることができる。これは、ツールの断面積（例えば、母材からコーティングまで）が高炭素からステンレススチールへと移行するのにつれて、より多くの数のステンレススチール電極を作動させ、より多くの数の高炭素スチール電極を動作無効化することによって実行できる。高炭素スチールからステンレススチールへの緩やかな移行は、製造されたツールにおける熱膨張による応力の軽減を助けることができる。図７は、電極の列により提供される異なる金属から形成される付加的製造による部品６００の例示的な断面を図式的に示す。部品６００の外側部分６１０は、内側部分６２０とは異なる金属組成から形成される。特定の実施形態において、外側部分６１０はコーティングと考えることができ、内側部分６２０よりはるかに薄い断面を有することができる。部品６００はまた、内側部分６２０と外側部分６１０との間に延びる移行部分６３０も含む。移行部分６３０は、列の中の異なる電極からの金属材料を混和して合金を形成する（例えば、第一及び第二の金属材料から形成される）ことによって形成できる。移行部分６３０は、その断面を通じて一貫した組成を有するか、１つの材料から他の材料への緩やかな移行を提供できる。例えば、内側部分６２０を形成する第一の金属材料の、外側部分６１０を形成する第二の金属材料に対する割合は、移行部分６３０を通じて内側部分から外側部分へと減少させることができる。

上述の付加的製造システム１０では異なる材料から形成される幾つの異なる電極３２でも使用でき、このシステムは、２種類の材料か形成される電極３２に限定される必要はなく、３種類以上の電極を含むことができる。

図３は、付加的製造を実行するための、フィラワイヤフィーダとエネルギー源の複合システム１００の例示的実施形態の機能概略ブロック図を示す。１つの実施形態において、図３はレーザホットワイヤ（ＬＨＷ）型付加的製造システムのある実施形態を示す。レーザホットワイヤ型付加的製造システムは、上述のマルチワイヤシステムと共に使用して、部品を製造することができる。システム１００は、レーザビーム１１０を工作物又は部品１１５の上に集束させて、工作物又は部品１１５を加熱することの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エネルギー源である。レーザサブシステムは、何れのタイプの高エネルギーレーザ源とすることもでき、これには炭酸ガス、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ－ディスク、ＹＢ－ファイバ、ファイバ送達型、又は直接ダイオードレーザシステムが含まれるがこれらに限定されない。システムの他の実施形態は、高強度エネルギー源として機能する、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、フラックスコアアーク溶接サブシステム、又は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つを含んでいてもよい。他の実施形態によれば、サブシステム１００の要素の一部は、粉末送給システムとして構成されてもよい。

以下は、レーザシステム、ビーム、及び電源に繰り返し言及する。しかしながら、理解すべき点として、何れの高強度エネルギー源でも使用してよいため、この言及は例示的である。例えば、高強度エネルギー源は、少なくとも５００Ｗ／ｃｍ^２を供給できる。レーザサブシステムは、相互に動作的に接続されたレーザデバイス１２０とレーザ電源１３０を含む。レーザ電源１３０は、レーザデバイス１２０を動作させるための電源を供給する。

付加的製造システム１００はまた、少なくとも１つの抵抗フィラワイヤ１４０を送給してレーザビーム１１０の付近で工作物又は部品１１５と接触させることのできるホットフィラワイヤフィーダサブシステムも含む。もちろん、本明細書における工作物又は部品１１５への言及により、溶融池は工作物又は部品１１５の一部と考えられ、それゆえ、工作物又は部品１１５と接触するとの言及は、溶融池との接触も含むことが理解される。ワイヤフィーダサブシステムは、フィラワイヤフィーダ１５０、コンタクトチューブ１６０、及び電源１７０を含む。動作中、フィラワイヤ１４０は、コンタクトチューブ１６０と工作物又は部品１１５との間に動作的に接続される電源１７０からの電流により抵抗加熱される。１つの実施形態によれば、電源１７０はパルス式直流電源であるが、交流（ＡＣ）又はその他のタイプの電力供給もまた可能である。ワイヤ１４０は、フィラワイヤフィーダ１５０からコンタクトチューブ１６０を通じて工作物又は部品１１５に向かって送給され、チューブ１６０より先まで延びる。ワイヤ１４０の延長部分は抵抗加熱され、それによって延長部分は工作物又は部品の溶融池に接触する前に溶融点に近付くか、到達する。レーザビーム１１０は、工作物又は部品１１５の基本金属の一部を溶融させて、溶融池を形成する役割を果たし、及びワイヤ１４０を工作物又は部品１１５の上に溶融させるためにも使用できる。電源１７０はフィラワイヤ１４０を抵抗加熱するために必要なエネルギーを提供する。幾つかの実施形態において、電源１７０は必要なエネルギーの全部を供給し、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できる。本発明の特定の他の実施形態によれば、フィーダサブシステムは１つ又は複数のワイヤに同時に供給できてもよい。

システム１００は、レーザビーム１１０（エネルギー源）と抵抗フィラワイヤ１４０を、工作物又は部品１１５に沿って（少なくとも相対的な意味で）同じ方向１２５に移動させて、レーザビーム１１０と抵抗フィラワイヤ１４０が相互に固定された関係のままとなるようにすることのできる動き制御サブシステムをさらに含む。各種の実施形態によれば、工作物又は部品１１５とレーザ／ワイヤの組合せとの間の相対的動きは、工作物又は部品１１５を実際に移動させることによって、又はレーザデバイス１２０とワイヤフィーダサブシステムを移動させることによって達成されてもよい。図３において、動き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／又は並進移動可能なプラットフォーム）を有するロボットに動作的に接続された動きコントローラ１８０を含む。動きコントローラ１８０は、ロボット１９０の動きを制御する。ロボット１９０は、工作物又は部品１１５に、プラットフォーム１９３を介して動作的に接続され（例えば、機械的に固定され）、工作物又は部品１１５を、移動方向１２５に移動させ、それによってレーザビーム１１０とワイヤ１４０を工作物又は部品１１５に沿って事実上移動させる。本発明の代替的な実施形態によれば、レーザデバイス１１０とコンタクトチューブ１６０は、１つのヘッドに組み込まれてもよい。ヘッドは、工作物又は部品１１５に沿って、ヘッドに動作的に接続された動き制御サブシステムを通じて移動されてもよい。

一般に、高強度エネルギー源／ワイヤが工作物又は部品に関して移動される方法はいくつかある。例えば、工作物又は部品が丸い場合、高強度エネルギー源／ワイヤは静止していてもよく、工作物又は部品が高強度エネルギー源／ワイヤの下で回転させられてもよい。代替的に、ロボットアーム又はリニアトラクタは、丸い工作物又は部品に平行に移動してもよく、工作物又は部品が回転させられている間に、高強度エネルギー源／ワイヤを連続的に、又は１回転に１度の割出しで移動されて、例えば丸い工作物又は部品の表面に積層してもよい。工作物又は部品が平坦であるか、少なくとも丸くない場合、工作物又は部品は、図３に示されるように、高強度エネルギー源／ワイヤの下で移動されてもよい。しかしながら、ロボットアーム又はリニアトラクタ、さらにはビーム取付キャリッジを使って、高強度エネルギー源／ワイヤヘッドを工作物又は部品に関して移動させてもよい。各種の実施形態によれば、プラットフォーム１９３を駆動するロボット１９０は、電気、空気圧、又は油圧により駆動されてもよい。

付加的製造システム１００は、感知及び電流制御サブシステム１９５をさらに含み、これは工作物又は部品１１５及びコンタクトチューブ１６０に動作的に接続され（すなわち、電源１７０の出力に事実上接続され）、工作物又は部品１１５とワイヤ１４０との間の電位差（すなわち、電圧Ｖ）及びそれを通る電流（Ｉ）を測定できる。感知及び電流制御サブシステム１９５はさらに、測定された電圧と電流から抵抗値（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）及び／又は電力値（Ｐ＝Ｖ^＊Ｉ）を計算することができてもよい。一般に、ワイヤ１４０が工作物又は部品１１５と接触しているとき、ワイヤ１４０と工作物又は部品１１５との間の電位差はゼロボルトであるか、又はゼロボルトに非常に近い。その結果、感知及び電流制御サブシステム１９５は、抵抗フィラワイヤ１４０が工作物又は部品１１５と接触したことを感知でき、電源１７０と動作的に接続されることにより、さらに感知に応答して抵抗フィラワイヤ１４０を通る電流の流れを制御できる。他の実施形態において、感知及び電流コントローラ１９５は、電源１７０の一体部分であってもよい。

１つの実施形態によれば、動きコントローラ１８０はさらに、レーザ電源１３０及び／又は感知及び電流コントローラ１９５に動作的に接続されてもよい。このようにして、動きコントローラ１８０とレーザ電源１３０は相互に通信してもよく、それによってレーザ電源１３０には、工作物又は部品１１５が移動中であることがわかり、動きコントローラ１８０には、レーザデバイス１２０が作動中であることがわかる。同様に、このようにして、動きコントローラ１８０と感知及び電流コントローラ１９５は相互に通信してもよく、それによって感知及び電流コントローラ１９５には、工作物又は部品１１５が移動中であることがわかり、動きコントローラ１８０には、フィラワイヤフィーダサブシステムが作動中であることがわかる。このような通信は、付加的製造サブシステム１００の各種のサブシステム間の動作を調整するために使用されてよい。

図４は、付加的製造を実行するためのプラズマ又は溶射サブシステムのある例示的な実施形態の概略ブロック図を示す。プラズマ又は溶射システム３００は、上述のマルチワイヤシステム又はレーザホットワイヤシステムと共に使用して、部品を製造できる。プラズマ又は溶射システム３００はプラズマトーチ３１０を含み、これはプラズマジェット３２０を生成してフィードストック（例えば、金属粉末３３０）を溶融、溶着し、基板を被覆する。工作機械または他の部品の製造において、溶射プロセスは、例えば硬化表面で部品を被覆するために使用できる。プラズマ又は溶射システム３００は、プラズマトーチ３１０に電源供給するための電源３４０と、プラズマ又は溶射システムの動作を制御するためのコントローラ３５０と、をさらに含む。プラズマ又は溶射システム３００は、レーザホットワイヤ付加的製造サブシステムに関して上述したものと同様の動き制御サブシステムをさらに含むことができる。例えば、プラズマ又は溶射システム３００は、ロボット３６５及び関連する動きコントローラ３７０を使い、基板３６０とプラズマトーチ３１０との間の相対的な動きを制御できる。ロボット３６５は、基板３６０に取り付けられて基板をプラズマトーチ３１０に関して移動させるように図式的に示されている。しかしながら、ロボット３６５はプラズマトーチ３１０に接続されて、トーチを基板３６０に関して移動させてもよい。プラズマ又は溶射付加的製造デバイスは当業界で知られており、詳細な説明は不要である。

図５は、レーザビーム及び同軸の粉末流を使って付加的製造を実行するための粉末送給レーザシステム４００のある例示的な実施形態の概略ブロック図を示す。粉末送給レーザシステム４００は、上述のマルチワイヤシステム、レーザホットワイヤシステム、及び／又はプラズマ又は溶射システムと共に使用して、金属部品を製造できる。粉末送給レーザシステム４００はレーザデバイス４１０を含み、これはレーザビーム４２０を基板４６０へと、粉末金属４３０の供給と同軸で方向付け、金属材料を焼結させて、基板を被覆する。粉末送給レーザシステム４００は、製造されたツールまたは他の部品を（例えば、硬い外面で）被覆するため、又は部品を１層ずつ構築するために使用できる。粉末送給レーザシステム４００は、レーザデバイス４１０に接続されたレーザ電源４４０と、粉末送給レーザシステムの動作を制御するためのコントメーラ４５０と、をさらに含む。粉末送給レーザシステム４００は、レーザホットワイヤ型付加的製造システムに関して上述したものと同様の動き制御サブシステムをさらに含むことができる。例えば、粉末送給レーザシステム４００は、ロボット４６５及び関連する動きコントローラ４７０を使って、基板４６０とレーザデバイス４１０との間の相対的な動きを制御できる。ロボット４６５は、基板４６０に取り付けられて基板をレーザデバイス４１０に関して移動させるように図式的に示されている。しかしながら、ロボット４６５はレーザデバイス４１０に接続されて、レーザデバイスを基板４６０に関して移動させてもよい。粉末送給レーザ型付加的製造デバイスは当業界で知られており、詳細な説明は不要である。

以上、金属製構成要素の製造に使用するための各種の例示的な付加的製造プロセス（ワイヤプロセス、溶射プロセス、粉末プロセス）を説明した。これらのプロセスには長所と短所があるが、製造プロセス中に１つのシステムの中で併用することにより、それらが提供する長所を最大限にすることができる。例えば、部品の幾つかの部分は、図１に示されるマルチワイヤプロセス又は図３に示されるレーザホットワイヤプロセス等の、より高速低分解能のプロセスを使って素早く構築されてもよい。微細部分を有するその他の部分は、図５に示される粉末送給プロセス等の、より低速高分解能プロセスの利益を受けてもよい。工作機械の外面等、更に別の部分は、溶射コーティング（図４）の利益を受けてもよい。多プロセスシステムでは、付加的製造で製造される部品の様々な部分を、適当な付加的製造システムを使って生産して、製造速度を改善し、及び／又はツールの全体的なコストを削減できる。より高い溶着速度で、より低分解能のプロセスをより低い溶着速度であるが、より高分解能のプロセスと組み合わせることによって、大型の部品を素早く製作できるだけでなく、微細な内側及び外側特徴物を含むことができ、これらには、そのようにしなければ長時間にわたる二次的なポストプロセス（例えば、機械加工）が必要となる。

多プロセスシステムではまた、ある構造において複数の異なる材料を使用することができ、これは本来であれば必ずしも可能とはかぎらない、又は容易に生産できるとはかぎらない。材料には、粉末又はワイヤの何れかの形態でしか市販されていないものもある。それゆえ、多プロセスシステムにより、このような材料を共通の部品に含めることが可能となる。その他の材料は、他のプロセスより１つのプロセスによる溶着から利益を受けるかもしれない。例えば、カーバイドを含むコア入りワイヤを使用するレーザホットワイヤは、アーク利用のプロセスとは異なるように溶着される。それゆえ、適当な付加的製造プロセスは、所望の材料について、その溶着特性に基づいて選択できる。

図６は、上述の付加的製造システムの１つ又は複数を使用して製造できる例示的な部品５００を示す。部品５００は、２つ又はそれ以上のプレハブ金属部品５０２、５０４を相互に結合するように付加的製造で製造された３次元取付構造（例えば、ジョイント又はユニット）である。プレハブ金属部品は、それ自体を付加的製造で製造することも、従来のように製造（例えば、工作、鋳造、鍛造等）することもできる。取付構造５００は、従来の（例えば、サブトラクティブ）製造プロセスを使ったのでは生産が困難又は不可能な、内部空洞又は全体的形状を有する特徴を有するプレハブ部品５０２、５０４間の融合ユニオンを創出できる。取付構造５００は、プレハブ部品５０２、５０４を相互に取り付けることに加えて、全体的なデバイス又は構築物の他の構造的構成要素（例えば、第三の部品）を形成する。それゆえ、取付構造５００は、２つの部品を相互に結合する単なる溶接ジョイントとは異なり、それ自体が部品（例えば、湾曲ビーム）と部品５０２、５０４間のジョイントとを兼ねている。図６において、例示的なプレハブ金属部品５０２、５０４はＩビームであり、取付構造５００は、内部開口５０６を有する湾曲ビームである。当業者であれば、取付構造として付加的製造で製造された第三の部品により、例えばホイールスポークをハブに、又はブーム掘削機のアームを結合ナックルに、結合できる多くのプレハブ部品がわかる。

図８は、上述の付加的製造システムの１つ又は複数を使用して製造できる別の例示的な部品５１０を示す。部品５１０は、一体形成された取付構造５１２を含む。取付構造５１２は、取付具５１４の中で部品を正しく方向付けるような形状とされ、そのように部品５１０上に位置付けられる。取付具５１４は部品５１０を、その部品のポストプロセス機械加工（例えば、穴あけ、切削等）を行うために保持する。それゆえ、取付具５１４は、ポストプロセス用取付具と考えることができる。固定具５１４は、計算機数値制御（ＣＮＣ）機械加工ツールの一部とすることができる。付加的製造で製造された取付構造５１２は、部品のための自己取付特徴部を提供し、それによってこれは取付具の中で正しく位置付けられ、取付具のカスタム設定はほとんど必要ない。図８において、取付構造５１２は、取付具５１４の中の開口５１６の中に受けられるバー又はピンの形態である。取付具５１４は、取付具の中に部品５１０を保持するためのクランプ５１８又はその他の固定機構を有することができる。例示的な部品５１０は円柱形であるが、例示的な取付構造５１２は、円柱の中心軸から半径方向にずらされて、ツールによるポストプロセス機械加工（例えば、円柱の中心軸から半径方向にずらされた穴５２０の穴あけ）のために正しく円柱を正しい向きにする。付加的製造で製造された部品５１０は、ＣＡＤモデルにより規定できる。ＣＡＤモデルは、取付構造５１２を含むことができ、これは所期のポストプロセス用取付具の構成に物理的に対応する。付加的製造システムのためのコントローラは、部品のＣＡＤモデルにより画定された領域に材料を堆積させて、部品及びその取付構造を形成する。取付構造５１２は、例えばオペレータ又はプログラマにより部品５１０のＣＡＤモデルに手作業で追加できる。しかしながら、特定の実施形態において、取付構造は、選択されたポストプロセス用取付具又は機械加工作業及び部品の形状又は構造的詳細に基づいて、プロセッサによって自動的に生成できる。

付加的製造により製造された部品は、例えば鋳造又は鍛造部品と比較して、高い表面粗さを有する傾向がある。これは、部品の１層ずつの構築及びその結果として生じる表面の凹凸による。例えば平均粗さＲ_ａ又は二乗平均面粗さＲ_ｑ等、表面粗さを特徴付けるための様々な既知の方法がある。その他の粗さパラメータも当業者に知られている。付加的製造により製造された部品の場合、寸法的な要求の厳しい縁部、例えば、その他の他の構成要素と正しい向きにしなければならない取付縁部又は端部等を作ることが困難でありうる。このような、寸法的な要求の厳しい縁部は、ポストプロセス機械加工により作られてもよい。しかしながら、部品を取付具の中に正確に取り付けることは、部品の表面粗さが高いこと、又は付加的製造プロセスの分解能が低いことにより難しいかもしれない。付加的製造により製造される部品が、例えば４１ｘｘ鋼等の硬質金属材料から製作される場合、寸法的な要求の厳しい縁部又は表面を部品の中に切り出すことは難しい可能性がある。しかしながら、これは、プラズマカッタを使って部品の一部を除去し、部品の「印刷された」外面より平均粗さが低い切断面を作ることによって実現できる。

図９及び１０は粉砕装置の一部を示しており、これは、上述のプロセスの１つ又は複数を使って付加的製造され、その後プラズマカッティングによりポストプロセスされてもよく、それによって部品の外面の残りの部分（例えば、印刷面）より平均粗さの低い、寸法的な要求の厳しい切断面（例えば、取付面）が形成される。粉砕装置、例えば木材シュレッダは、硬質の衝撃せん断歯５５０を使って廃材を割き、粉砕するように設計されている。歯５５０は、ロータ５５２に取り付けることができ、これは回転して廃材を破砕し、それを排出スクリーンを通るように駆動する。歯５５０は、ロータ５５２に直接取り付けるか、又は取付ブロック５５４に取り付けることができる。歯５５０、ロータ５５２、及び／又は取付ブロック５５４は、付加的製造で製造できる。歯５５０、及び任意選択により取付ブロック５５４は、４１ｘｘ鋼等の硬質金属で製作できる。歯５５０をそれぞれの取付ブロック５５４に正しく取り付けるために、プラズマ切断面５５６が歯に作られることができ、対応するプラズマ切断面５５８は取付ブロックに作ることができる。プラズマ切断面は、鋭利な縁部を有し、その表面粗さは歯５５０及び取付ブロック５５４のその他の部分より低い。

本明細書に記載されている付加的製造される部品は、上述の付加的製造システム又はプロセスの１つ又は複数を使って製作できる。部品は、特定の所望の特性を有する複数の金属材料から製作できる。例えば、図１及び２に示されるマルチワイヤシステムを使用して、より延性の高い内側部分を有し、その一方でより硬い外側部分を有し、部品を通じて亀裂の伝播を減少させるように部品を製造することができる。前述のように、列３０の電極３２の中には、より硬く、より延性の低い材料（例えば、合金又は高炭素鋼）から生成されてもよい他の電極と比較して、より延性が高い、又は硬度の低い材料（例えば、低炭素鋼）で製作できるものがある。より延性の高い材料は、部品の内側部分を形成するために使用でき、硬質材料は外側コーティングとして堆積させることができる。

図１１は、部品の付加的製造方法（例えば、部品を通じた亀裂の伝播を制限するため）のある例示的な実施形態のフローチャートを示す。７１０で、付加的製造システムが提供される。付加的製造システムは、部品を形成するために材料を１層ずつ溶着するための複数の電極の列を含む電極ヘッドを含むことができ、複数の電極の列は、第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成された第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成された第二の複数の電極と、を含み、第一の延性は第二の延性より大きく、第二の硬度は第一の硬度より大きい。付加的製造システムは、複数の電極の列の各電極の溶接アークを確立するための電源を供給するように構成された電源と、複数の電極の列の各電極を駆動するように構成された駆動ロールシステムと、電源に動作的に接続されたコントローラと、をさらに含むことができる。方法は、少なくとも第一の複数の電極と第二の複数の電極とから部品を付加的製造するステップをさらに含む。部品を付加的製造するステップは、第一の複数の電極を使って部品の内側部分を形成するステップ７２０を含むことができる。方法は、第一の複数の電極と第二の複数の電極との両方を使って、内側部分と外側部分との間に延びる、部品の移行部分を形成するステップ７３０をさらに含むことができ、それによって、移行部分は第一の金属材料と第二の金属材料とから形成される合金である。第一の金属材料の第二の金属材料に対する割合は、移行部分を通じて内側部分から外側部分へと減少させることができる。移行部分を形成するステップ７３０は、付加的製造中に、第一の複数の電極と第二の複数の電極との両方の作動電極数を調節することにより、内側部分から外側部分へと、第一の金属材料の第二の金属材料に対する割合を調節するステップを含むことができる。方法は、第二の複数の電極を使って、部品の内側部分を取り囲む、部品の外側部分を形成するステップ７４０をさらに含むことができる。部品の内側部分の延性は部品の外側部分の延性より大きくし、部品を通じた亀裂の伝播を制限することができる。方法は、部品をプラズマカッティングして部品の一部を除去し、切断面を形成するステップをさらに含むことができ、切断面は前記外側部分７５０より低い平均粗さを有する。

図１２は、付加的製造サブシステムの例示的コントローラ８０のある実施形態を示す。コントローラ８０は、少なくとも１つのプロセッサ８１４を含み、これはバスサブシステム８１２を介して他の多数の周辺デバイスと通信する。これらの周辺デバイスには、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、ユーザインタフェース入力デバイス８２２、ユーザインタフェース出力デバイス８２０、及びネットワークインタフェースサブシステム８１６が含まれていてもよい。入力及び出力デバイスにより、コントローラ８０とのユーザインタラクションが可能となる。ネットワークインタフェースサブシステム８１６は、外部ネットワークとのインタフェースを提供し、他のコンピュータシステム内の、それに対応するインタフェースデバイスに連結される。例えば、システム１００の動きコントローラ１８０は、コントローラ８０と１つ又は複数の特性を共有していてもよく、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／又はその他のコンピューティングデバイスであってもよい。

ユーザインタフェース入力デバイス８２２には、キーボード、マウス、トラックボール、タッチパッド、又はグラフィクスタブレット等のポインティングデバイス、スキャナ、ディスプレイに組み込まれたタッチスクリーン、音声認識システム等の音声入力デバイス、マイクロフォン、及び／又はその他のタイプの入力デバイスが含まれていてもよい。一般に、「入力デバイス」という用語の使用は、コントローラ８０への、又は通信ネットワーク上への情報を入力するための、あらゆる可能なタイプのデバイス及び方法を含むものとする。

ユーザインタフェース出力デバイス８２０には、表示サブシステム、プリンタ、ファックスマシン、又は音声出力デバイス等の非視覚的ディスプレイが含まれていてもよい。表示サブシステムには、陰極管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣ）等のフラットパネルデバイス、プロジェクトデバイス、又は他の幾つかの視覚的画像創出機構が含まれていてもよい。表示サブシステムはまた、音声出力デバイス等を介して非視覚的表示を提供してもよい。一般に、「出力デバイス」という用語の使用は、コントローラ８０からユーザへ、又は他のマシンもしくはコンピュータシステムに情報を出力するためのすべての可能なタイプのデバイス及び方法を含むものとする。

ストレージサブシステム８２４は、本明細書に記載されているモジュールの機能の幾つか又は全部を提供するブログミング及びデータ構成を記憶する。例えば、ストレージサブシステム８２４には、付加的製造される予定の部品のＣＡＤモデル、ツールなどの、及び、溶接位置の変化を特定し、溶接デバイスを調節して特定された変化に対応するためのロジックが含まれていてもよい。

これらのソフトウェアモジュールは一般に、プロセッサ８１４単独で、又は他のプロセッサとの組合せにより実行される。ストレージサブシステムで使用されるメモリ８２８は、プログラム実行中に命令とデータを記憶するための主要なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３０及び、固定された命令が記憶されるリートオンリメモリ（ＲＯＭ）８３２を含む多数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の固定記憶域を提供でき、これにはハードディスクドライブ、関連するリムーバブルメディアとフロッピディスクドライブ、ＣＤ－ＲＯＭドライブ、光ドライブ、又はリムーバブルメディアカートリッジが含まれていてもよい。特定の実施形態の機能を実行するモジュールは、ストレージサブシステム８２４内のストレージサブシステム８２６によって、又はプロセッサ８１４がアクセス可能なその他のマシンの中に記憶されてもよい。

バスサブシステム８１２は、コントローラ８０の各種のコンポーネント及びサブシステムが意図されるように相互に通信できるような機構を提供する。バスサブシステム８１２は１本のバスとして図式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は複数のバスを使用してもよい。

コントローラ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、ブレードサーバ、サーバファーム、又は他のあらゆるデータ処理システムもしくはコンピューティングデバイスを含む様々なタイプとすることができる。コンピューティングデバイスとネットワークの性質が常に移り変わることから、図１２に示されるコントローラ８０の説明は、幾つかの実施形態を例示することを目的とした具体的な例とされているにすぎない。図１２に示されるコントローラより多くの、又はそれより少ないコンポーネントを有する、コントローラ８０の他の多数の構成が可能である。

開示された実施形態はかなり詳しく図示され、説明されているが、付属の特許請求の範囲を制約し、このような詳細に如何様かに限定することは意図されていない。もちろん、主旨の様々な態様を説明するために、構成要素や方法論の考えうるあらゆる組合せを述べることは不可能である。したがって、本開示は図示され、説明された具体的な詳細又は説明的な例には限定されない。それゆえ、本開示は、米国特許法第１０１条の主旨に関する法定要件を満たす、付属の特許請求の範囲内に含まれる変更、改良、及び改変を包含するものとする。具体的な実施形態の上記の説明は、例として提示された。その開示から、当業者であれば、全体的な発明的コンセプトと付随する利益を理解するだけでなく、開示された構造と方法に対する様々な明らかな変更と改良を着想するであろう。したがって、付属の特許請求の範囲により定義される全体的な発明的コンセプトの主旨と範囲に含まれるすべての変更及び改良ならびにその均等物が包含されることが求められる。

１０ 付加的製造システム
３０ 列
３２ 電極
５００ 部品
５０２、５０４ プレハブ金属部品
５０６ 内部開口
５１０ 部品
５１２ 取付構造
５１４ 取付具
５１６ 開口
５１８ クランプ
５２０ 穴
５５０ 歯
５５２ ロータ
５５４ 取付ブロック
６１０ 外側部分
６２０ 内側部分
６３０ 移行部分
８１２ バスサブシステム
８１６ ネットワークインタフェースサブシステム
８２０ ユーザインタフェース出力デバイス
８２２ ユーザインタフェース入力デバイス

Claims (20)

1. 付加的製造システムにおいて、
   材料を１層ずつ溶着して独立した３次元（３Ｄ）取付構造を形成し、その後に該独立した３次元取付構造を第一及び第二のプレハブ金属部品に接続するための一連の複数の電極を含む電極ヘッドであって、前記一連の複数の電極は、第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成される第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成される第二の複数の電極と、を含み、前記第一の延性は前記第二の延性より大きく、前記第二の硬度は前記第一の硬度より大きい電極ヘッドと、
   前記一連の複数の電極の各電極のための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た電源と、
   前記一連の複数の電極の各電極を駆動するように構成される駆動ロールシステムと、
   前記電源に動作的に接続され、
   前記第一の複数の電極を使って前記取付構造の内側部分を形成するために前記付加的製造システムの動作を制御し、
   前記第二の複数の電極を使って、前記取付構造の前記内側部分を取り囲む前記取付構造の外側部分を形成し、それによって前記取付構造の前記内側部分の延性が前記取付構造の前記外側部分の延性より大きくなるようにするために前記付加的製造システムの前記動作を制御する
   ように構成されたコントローラと、
   を含む付加的製造システム。
2. 前記一連の複数の電極の前記電極は消耗溶接ワイヤである、請求項１に記載の付加的製造システム。
3. 前記コントローラは、前記取付構造のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルにより画定される領域に前記材料を溶着するために前記付加的製造システムを動作させるようにプログラムされた、請求項１に記載の付加的製造システム。
4. 前記第一及び第二のプレハブ金属部品は鍛造金属である、請求項１に記載の付加的製造システム。
5. 前記第一及び第二のプレハブ金属部品は鋳造金属部品である、請求項１に記載の付加的製造システム。
6. 前記コントローラは、前記第一の複数の電極と前記第二の複数の電極の両方を使って、前記内側部分と前記外側部分との間に延びる、前記取付構造の移行部分を形成し、前記移行部分は前記第一の金属材料及び前記第二の金属材料から形成される合金であるようにするために前記付加的製造システムの前記動作を制御するように構成される、請求項１に記載の付加的製造システム。
7. 前記第一の金属材料の前記第二の金属材料に対する割合は、前記移行部分を通じて前記内側部分から前記外側部分へと減少する、請求項６に記載の付加的製造システム。
8. 付加的製造システムにおいて、
   ３次元（３Ｄ）部品を形成するために材料を１層ずつ溶着するための一連の複数の電極を含む電極ヘッドであって、前記一連の複数の電極は、第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成される第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成される第二の複数の電極と、を含み、前記第一の延性は前記第二の延性より大きく、前記第二の硬度は前記第一の硬度より大きい電極ヘッドと、
   前記一連の複数の電極の各電極のための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、
   前記一連の複数の電極の各電極を駆動するように構成される駆動ロールシステムであって、該駆動ロールシステムは、前記一連の複数の電極の各電極を可変な所定の速度で駆動するようさらに構成され、該可変な所定の速度は各電極の延性及び硬度に基づいて決定される、駆動ロールシステムと、
   前記電源に動作的に接続され、
   前記第一の複数の電極を使って部品の内側部分を形成するために前記付加的製造システムの動作を制御し、
   前記第二の複数の電極を使って、前記部品の前記内側部分を取り囲む前記部品の外側部分を形成し、前記部品の前記内側部分の延性が前記部品の前記外側部分の延性より大きくなるようにするために前記付加的製造システムの前記動作を制御する
   ように構成されるコントローラであって、
   前記部品のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルにより画定される領域に前記材料を溶着するために前記付加的製造システムを動作させるようにプログラムされ、前記コンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルは、前記部品のための、前記部品のポストプロセス機械加工中に前記部品を保持するためのポストプロセス用取付具に物理的に対応するような取付構造を画定する、コントローラと、
   を含む付加的製造システム。
9. 前記一連の複数の電極前記電極は消耗溶接ワイヤである、請求項８に記載の付加的製造システム。
10. 前記取付構造は、実行される予定の前記ポストプロセス機械加工に基づいて、前記ポストプロセス用取付具の中で前記部品を正しい向きにするような形状とされる、請求項８に記載の付加的製造システム。
11. 前記コントローラは、前記第一の複数の電極と前記第二の複数の電極の両方を使って、前記内側部分と前記外側部分との間に延びる、前記部品の移行部分を形成し、前記移行部分は前記第一の金属材料及び前記第二の金属材料から形成される合金であるようにするために前記付加的製造システムの前記動作を制御するように構成される、請求項８に記載の付加的製造システム。
12. 前記第一の金属材料の前記第二の金属材料に対する割合は、前記移行部分を通じて前記内側部分から前記外側部分へと減少する、請求項１１に記載の付加的製造システム。
13. 部品を通じた亀裂の伝播が制限されるように部品を付加的製造により製造する方法において、
    前記部品を形成するために材料を１層ずつ溶着するための一連の複数の電極を含む電極ヘッドであって、前記一連の複数の電極は、第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成される第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成される第二の複数の電極と、を含み、前記第一の延性は前記第二の延性より大きく、前記第二の硬度は前記第一の硬度より大きい電極ヘッドと、
    前記一連の複数の電極の各電極のための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た電源と、
    前記一連の複数の電極の各電極を駆動するように構成された駆動ロールシステムと、
    前記電源に動作的に接続されたコントローラと、
    を含む付加的製造システムを提供するステップと、
    少なくとも前記第一の複数の電極と前記第二の複数の電極から前記部品を付加的製造するステップであって、
    前記第一の複数の電極を使って前記部品の内側部分を形成するステップと、
    前記第二の複数の電極を使って前記部品の前記内側部分を取り囲む、前記部品の外側部分を形成し、前記部品の前記内側部分は前記部品の前記外側部分より高い延性を有するようにするステップと、
    を含むステップと、
    前記部品をプラズマカッティングすることによって前記部品の一部を除去し、前記部品の切断面を形成するステップであって、前記切断面の平均粗さは前記外側部分より低いようなステップと、
    を含む方法。
14. 前記、第一の複数の電極と前記第二の複数の電極の両方を使って、前記内側部分と前記外側部分との間に延びる、前記部品の移行部分を形成し、それによって前記移行部分は前記第一の金属材料と前記第二の金属材料の合金であるようにするステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第一の金属材料の前記第二の金属材料に対する割合は、前記移行部分を通じて前記内側部分から前記外側部分へと減少する、請求項１４に記載の方法。
16. 移行部分を形成する前記ステップは、付加的製造中に前記第一の複数の電極と前記第二の複数の電極の両方の作動電極数を調節して、前記内側部分から前記外側部分へと前記割合を調節するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記コントローラは、前記部品のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルにより画定される領域に前記材料を溶着するために付加的製造システムを動作させるようにプログラムされる、請求項１３に記載の方法。
18. 前記部品は、前記部品のポストプロセス機械加工中に前記部品を保持するためのポストプロセス用取付具に物理的に対応する取付構造を含む、請求項１３に記載の方法。
19. 前記部品は粉砕装置の切歯である、請求項１３に記載の方法。
20. 前記部品は、第一及び第二のプレハブ金属部品を接続する独立した取付構造であり、第一及び第二のプレハブ金属部品は鍛造又は鋳造金属部品である、請求項１３に記載の方法。

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