KR102353248B1 - 와이어 아크 정확도 조정 시스템 - Google Patents

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브레드 비그달
한스-마르틴 베르그 하가
톰-에릭 팔라
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노르스크 티타늄 아에스
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Abstract

본 발명은 자유 형상의 오브젝트, 특히 티타늄 또는 티타늄 합금, 또는 니켈 또는 니켈 합금, 와이어로 제조된 오브젝트들에 금속의 연속적인 디포지션을 제공하도록 임의 형상 제작에 의해 오브젝트들을 제조하기 위해 용접 토치의 열 소스에 대해 올바른 배향으로 금속 와이어(180)를 용접 토치에 연속적으로 피딩하기 위한 방법이 제공된다.

Description

와이어 아크 정확도 조정 시스템
[0001] 본 출원은 임의 형상 제작에 의해 오브젝트들을 제조하기 위해, 특히 티타늄 및 티타늄 합금, 또는 니켈 또는 니켈 합금, 와이어로 이루어진 오브젝트들을 제조하기 위해 용접 토치의 아크 내로의 금속 와이어의 원위 단부 또는 팁의 정확한 배치를 유지하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
[0002] 티타늄 또는 티타늄 합금들로 이루어진 구조화된 금속 부분들은 일반적으로 빌렛(billet)으로부터 주조, 단조 또는 기계 가공에 의해 제조된다. 이러한 기술들은 고가의 티타늄 금속의 높은 재료 사용 및 제조 시 큰 리드 타임들의 단점을 갖는다.
[0003] 완전히 치밀한 물리적 오브젝트들은 래피드 프로토타이핑(rapid prototyping), 쾌속 제작, 적층 제작, 임의 형상 제작(SFFF), 적층 제조, 적층 가공 또는 3D 프린팅으로 알려진 제작 기술에 의해 제조될 수 있다. 이러한 기술은 CAD(computer aided design) 소프트웨어를 채용하여 먼저 만들어질 오브젝트의 가상 모델을 구성하고, 그 다음 가상 모델을 일반적으로 수평으로 배향되는 얇은 평행한 슬라이스들 또는 층들로 변환한다. 이어서, 물리적 오브젝트는 액체, 페이스트, 분말의 형태 또는 예를 들어 용융된 용접 와이어로부터 용융 금속과 같은 다른 적층 가능한, 퍼짐 가능한 또는 유체 형태의, 또는 가상 층들의 형상과 닮은 시트 재료로서 예비 형성된 원재료의 연속적인 층들을 전체 오브젝트가 형성될 때까지 레잉 다운함으로써 제조될 수 있다. 이 층들은 함께 융합되어 고체의 치밀한 오브젝트를 형성할 수 있다.
[0004] 임의 형상 제작은 통상적으로 각 오브젝트에 대해 수 시간에서 수 일까지 변하는 비교적 빠른 생산 레이트들로 거의 임의의 형상의 오브젝트들을 생성하는 것을 허용하는 유연한 기술이다. 따라서 이 기술은 프로토타입들 및 소규모 생산 시리즈의 형성에 적합하며, 대량 생산을 위해 스케일-업될 수 있다.
[0005] 적층 제조 기술은 건축 재료의 피스들의 디포지션(deposition)을 포함하도록 확장될 수 있는데, 즉 오브젝트의 가상 모델의 각 구조적 층은 나란히 놓을 때 층을 형성하는 피스들의 세트로 나뉜다. 이는 오브젝트의 가상 적층 모델에 따라 각각의 층을 형성하는 연속적인 스트라이프들에서 기판 상에 와이어를 용접하고, 전체 물리적 오브젝트가 형성될 때까지 각 층에 대해 프로세스를 반복함으로써 금속 오브젝트들을 형성하는 것을 허용한다. 용접 기술의 정확도는 일반적으로 너무 거칠어 허용 가능한 치수들로 오브젝트를 직접 형성할 수 없다. 따라서, 형성된 오브젝트는 일반적으로 허용 가능한 치수 정밀도로 기계 가공될 필요가 있는 그린 오브젝트 또는 프리폼으로 간주될 것이다.
[0006] 금속 재료들을 용접하기 위한 열을 제공하기 위해 플라즈마 아크를 이용하는 것이 알려져 있다. 이 방법은 대기압 또는 고압에서 채용될 수 있으며, 따라서 보다 간단하고 저렴한 프로세스 장비의 사용을 허용한다. 그러한 방법 중 하나는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW, TIG(tungsten inert gas) 용접이라고도 함)으로 알려져 있는데, 여기서 플라즈마 이동 아크(plasma transferred arc)가 비-소모성 텅스텐 전극과 용접 영역 사이에 형성된다. 플라스마 아크는 일반적으로 아크 주위에 보호 커버를 형성하는 플라즈마 토치를 통해 피딩되는 가스에 의해 보호된다. TIG 용접은 금속 와이어 또는 금속 분말을 용융 풀 또는 플라스마 아크에 필러 재료로서 피딩하는 것을 포함할 수 있다.
[0007] TIG 용접 토치를 사용하여 임의 형상 제작(SFFF)에 의해 오브젝트를 형성하는 것이 공지되어 있고(예를 들어, 아담스(Adams) 미국 특허 공개 제2010/0193480호 참조), 여기서 낮은 연성을 갖는 금속 피드스톡 재료의 연속적인 층들이 기판 상에 적용된다. 플라즈마 스트림은 아크 전극을 사용하여 흐르는 가스에 에너지를 공급함으로써 생성되며, 아크 전극은 그에 대해 공급되는 가변 크기 전류를 갖는다. 플라즈마 스트림은 디포지션 이전에 미리 결정된 타겟된 영역을 예열하기 위해 미리 결정된 타겟된 영역으로 안내된다. 전류가 조정되고 금속 와이어와 같은 피드스톡 재료는 플라즈마 스트림 내로 도입되어 용융된 피드스톡을 미리 결정된 타겟된 영역에 디파짓(deposit)시킨다. 전류가 조정되고 용융된 피드스톡은 일반적으로 부서지기 쉬운 것 이상인 상승된 온도에서 피드스톡 재료의 연성 전이 온도로 천천히 냉각되어, 냉각 단계에서 재료 응력들의 발생을 최소화시킨다.
[0008] 위더즈 등(Withers et al.)(미국 특허 공보 제2006/185473호)는 또한 티타늄 피드와 합금 구성 요소들을 상당히 원 재료들의 비용을 감소시키는 방식으로 조합함으로써 비교적 저비용의 티타늄 피드 재료를 사용하여 SFFF 공정에서 전통적으로 사용되는 고가의 레이저 대신에 TIG 토치를 사용하는 것을 기술하고 있다. 위더즈 등은 합금 와이어보다 비용이 더 낮은 합금되지 않은 상업적으로 순수한 티타늄 와이어(CP Ti 와이어)가 사용될 수 있고, CP Ti 와이어는 용접 토치 또는 다른 고 파워 에너지 빔의 용융에서 CP Ti 와이어 및 분말 합금 구성 요소들을 결합하여 SFFF 공정에서 현장에서 분말 합금 구성 요소들과 결합될 수 있다고 교시하고 있다. 위더즈 등은 또한 티타늄 스폰지 재료는 합금 요소들과 혼합될 수 있고, 플라즈마 용접 토치 또는 다른 고 파워 에너지 빔과 함께 SFFF 공정에서 사용될 수 있는 와이어로 형성되어 니어 네트 형상의 티타늄 구성 요소들을 제조할 수 있다고 교시하고 있다.
[0009] 아보트 등(Abbott et al.)(WO 2006/133034, 2006)은 기판을 제공하고 레이저 복사선 및 전기 아크를 사용하여 금속 피드스톡으로부터 기판 상에 제1 용융 금속 층을 디파짓하는 단계들을 포함하는 복잡한 3 차원 형상들을 제조하기 위해 레이저/아크 하이브리드 공정을 이용하는 직접 금속 디포지션 공정을 개시한다. 전기 아크는 금속 피드스톡을 전극으로 사용하는 가스 금속 아크 용접 토치에 의해 제공될 수 있다. 아보트 등은 가스 금속 아크 용접과 함께 레이저 복사선의 사용은 아크를 안정화시키고 알려진 바에 따르면 더 높은 프로세싱 레이트들을 제공한다고 교시한다. 아보트 등은 와이어 가이드에 의해 안내되고 와이어 가이드로부터 빠져나오는 소모성 전극을 사용한다. 소모성 전극의 금속은 단부에서 용융되고, 용융 금속은 디포지션 지점 위에 단부를 위치 결정시킴으로써 디파짓된다. 소모성 전극을 용융시키기 위해 필요한 열은 전극의 팁과 워크피스/디포지션 기판 사이에서 팽창하는 전기 아크 및 디포지션 영역을 조사하는 레이저에 의해 공급될 수 있다. 전기 아크에 의해 가열된 소모성 전극을 용융시킴에 의한 용접은 가스 금속 아크 용접(GMAW)으로 알려져 있으며, 아크를 제조하기 위해 비-반응성 가스들을 사용하는 경우에는 금속 불활성 가스 용접(MIG 용접)이라고도 한다.
[0010] 용접 토치를 사용하여 금속 와이어로부터 워크피스의 표면으로 금속을 효과적으로 디파짓시키기 위해서는, 금속 와이어를 용접 토치에 대해 정확한 포지션에 유지할 필요가 있다. 금속 와이어가 아크 내에 유지되지 않으면, 이는 적절하게 용해되지 않거나 또는 올바른 포지션에 디파짓되지 않을 것이다.
[0011] 따라서, 금속 와이어를 용접 토치의 아크 내에서 적절한 포지션에 유지하면서 증가된 금속 디포지션 레이트로 직접 금속 디포지션을 수행하는 경제적인 방법이 이 분야에서 필요하다.
[0012] 발명의 요약
[0013] 본 발명의 목적은 금속 와이어를 용접 토치에 전달하기 위한 시스템을 제공하고, 플라즈마 아크 용접 토치의 아크와 같은 용접 토치에 의해 방출된 열 소스 내에 금속 와이어를 유지시켜서, 임의 형상 제작에 의해 금속 오브젝트들을 형성하는 것이다. 용접 토치는 금속 와이어를 용융시키기 위해 플라즈마 이동 아크(PTA) 토치, 전자 빔 또는 레이저 또는 이들의 조합과 같은 열 소스를 포함한다.
[0014] 본 명세서에서는 용접 토치에 의해 방출된 열 소스에 대해 정확한 포지션에 금속 와이어를 유지시켜 워크피스의 표면 상의 용융된 풀에 용융된 금속의 일정한 공급을 제공하여 워크피스에 추가된 금속의 층에 의도하지 않은 갭들 또는 불완전성들이 없게 하는 시스템이 제공된다.
[0015] 본 발명의 또 다른 목적은 금속 와이어 및 하나 또는 그 초과의 용접 토치들을 사용하여 티타늄 또는 티타늄 합금들, 또는 니켈 또는 니켈 합금들로 오브젝트들을 쾌속 적층 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 용접 토치에 대한 원하는 위치로 금속 와이어를 용접 토치에 전달하기 위한 시스템들 및 방법들을 제공함으로써 직접 금속 디포지션을 수행하는 개선되고 경제적인 방법에 대한 필요성을 해결하며, 이는 임의 형상 제작에서 금속의 디포지션의 속도들을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 매끄럽고 잘 정의된 디포지션 경계들을 갖는 왜곡 없는 직접 금속 디포지션 형성된 부분들의 처리량 및 수율을 증가시키는 방법에 대한 필요성을 해결한다. 본 발명은 금속 와이어의 사용과 관련하여 기술되었지만, 재료를 디파짓하기 위해 안내되고 용융될 수 있는 임의의 도전성 구조가 사용될 수 있으며, 예를 들어 적절한 크기 및 형상의 임의의 소모성 전극이 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
[0016] 고정된 메인 지지 프레임(900) 및 피봇 조인트(800)를 통해 유지 유닛에 의해 메인 지지 프레임(900)에 회전 가능하게 연결되고 회전 가능한 지지 피스톤(810)에 의해 현수되는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)을 포함하는 금속 와이어 위치 결정 시스템들이 본 명세서에서 제공된다. 플레이트(920)는 메인 지지 프레임(900)에 고정적으로 부착된다. 플레이트(920)는 내부 스레디드(threaded) 개구를 포함한다. 모터(570)는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)에 부착되고, 모터(570)는 플레이트(920)의 내부 스레디드 개구와 결합되는 스레디드 부재에 부착될 수 있다. 용접 토치(600)는 메인 지지 프레임(900)에 고정적으로 부착될 수 있다. 제2 용접 토치(610)는 또한 메인 지지 프레임(900)에 고정적으로 부착될 수 있다. 유지 유닛은 피봇 조인트(800)와 결합되는 회전 가능한 지지 피스톤(810)을 포함하는 지지부(820), 및 회전 가능한 지지 피스톤(810)에 연결되고 회전 가능한 지지 피스톤(810)을 피봇 가능하게 지지하는 커넥터(830)를 포함할 수 있으며, 지지부(820)는 메인 지지 프레임(900)에 고정적으로 부착된다. 이 시스템은 용접 토치(600)의 아크와 같은 용접 토치에 의해 방출된 열 소스의 포지션을 검출하는 검출기(700)를 포함한다. 본 발명이 PTA 토치의 아크와 관련하여 기술되었지만, 본 명세서에서 제공된 시스템은 금속 와이어의 단부를 용접 토치의 임의의 열 소스, 예를 들어 PAW 또는 PTA 용접 토치의 플라즈마 아크, 또는 전자 빔 용접 토치의 전자 빔, 또는 레이저 용접 토치의 레이저 빔 내로 재위치 결정하도록 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
[0017] 모터(570)는 스레디드 부재의 이동을 제어할 수 있는 제어 시스템과 통신할 수 있다. 제어 시스템은 스레디드 부재가 모터(570)에 의해 회전되는 양 및 방향을 제어할 수 있다. 스레디드 부재는 나사 또는 볼트일 수 있다. 모터(570)에 의한 일 방향으로의 스레디드 부재의 회전은 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)을 고정된 메인 지지 프레임(900)쪽으로 재위치 결정시키고, 모터(570)에 의한 반대 방향으로의 스레디드 부재의 회전은 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)을 고정된 메인 지지 프레임(900)으로부터 멀리 위치 결정시킨다. 이것은 금속 와이어(180)의 원위 단부가 재위치 결정되게 한다. 예를 들어, 모터(570)에 의한 시계 방향으로의 스레디드 부재의 회전은 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)을 고정된 메인 지지 프레임(900)쪽으로 재위치 결정시킬 수 있고, 모터(570)에 의한 반 시계 방향의 스레디드 부재의 회전은 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)을 고정된 메인 지지 프레임(900)으로부터 멀리 위치 결정시킬 수 있다. 대안적으로, 모터(570)에 의한 반 시계 방향의 스레디드 부재의 회전은 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)을 고정된 메인 지지 프레임(900)쪽으로 재위치 결정시킬 수 있고, 모터(570)에 의한 시계 방향의 스레디드 부재의 회전은 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)을 고정된 메인 지지 프레임(900)으로부터 멀리 재위치 결정시킬 수 있다.
[0018] 제어 시스템은 컴퓨터 프로세서 또는 중앙 처리 장치(CPU), CPU 디스플레이, 하나 또는 그 초과의 파워 공급 장치들, 파워 공급 장치 연결부들, 입력들 및/또는 출력들과 같은 신호 모듈들, 아날로그 신호들의 통합 실딩, 저장 디바이스들, 회로 기판들, 메모리 칩들 또는 다른 저장 매체, 그 안에 구현된 컴퓨터 판독 가능 프로그램을 갖는 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 프로그램은 시스템들의 임의의 하나 또는 조합을 부분적으로 또는 완전히 자동화하기 위한 적절한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 프로그램은 스레디드 부재의 회전, 모터 속도, 온도, 압력, 워크피스의 포지션, 디포지션 레이트, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 파라미터를 모니터링 및/또는 조정하기 위한 적절한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 예시적인 제어 시스템들은 지멘스 아게(Siemens AG)(뮌헨, 독일)의 SIMATIC-S7-1500, 보쉬 렉스로스 아게(Bosch Rexroth AG)(로어 암 마인, 독일)로부터 이용 가능한 IndraMotion MTX 시스템, 및 시그마테크 게엠베하 운트 코. 카게(SIGMATEK GmbH & Co. KG)(람프레히츠하우젠, 오스트리아)로부터 이용 가능한 SIGMATEK C-IPC 컴팩트 산업용 컴퓨터 시스템을 포함하지만, 그러나 이들에 제한되지 않는다.
[0019] 제조 공정 중의 적절한 조정은 적절한 포지션에서 토치에 금속 와이어의 연속적인 공급을 제공하도록 용접 토치(600)의 아크에 대해 원하는 위치에 금속 와이어(180)의 원위 단부를 유지할 수 있어서, 토치에 의해 금속 와이어가 워크피스 상의 용융된 풀로 용융될 수 있다. 스레디드 부재의 회전 운동은 플라스마 아크 용접 토치의 플라즈마 아크와 같은 용접 토치에 의해 방출된 열 소스에 대해 와이어를 재위치 결정하기 위해 조정 가능한 가이드 지지 프레임을 조정 가능하게 재위치 결정한다. 스레디드 부재를 둘러싸는 이동 가능한 슬리브가 스레디드 부재를 보호하기 위해 포함될 수 있다. 모터(570)는 파워 제어 신호에 의해 구동되는 직류 모터일 수 있거나 또는 스테퍼 모터일 수 있다. 모터(570)가 스테퍼 모터인 경우, 모터에 공급되는 에너자이징 펄스들의 개수를 전기적으로 제어함으로써 양 방향으로 스레디드 부재의 정확한 회전량이 달성될 수 있다.
[0020] 본 명세서에 제공된 시스템들에서, 검출기(700)는 검출기 지지부(710)에 의해 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)에 부착될 수 있다. 검출기(700)는 카메라, 비디오 카메라, 비디오 센서 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 카메라는 전하 결합 디바이스(CCD) 카메라일 수 있다. 플라즈마 아크 용접 토치의 플라즈마 아크와 같은 용접 토치에 의해 방출된 열 소스의 컬러 또는 흑백 이미지들, 및 금속 와이어(180)의 원위 단부의 포지션은 검출기에 의해 캡처될 수 있다. 카메라의 시야는 금속 와이어(180)의 원위 단부가 일반적으로 카메라의 시야의 중심 내에 있도록 조정될 수 있다. 밴드 패스 필터는 노이즈를 필터링 아웃하기 위해 또는 금속 와이어(180)의 원위 단부의 시각화를 개선하기 위해 카메라에 의해 수신된 용접 토치에 의해 방출된 열 소스에 의해 생성된 광의 양을 감소시키기 위해 카메라의 전방에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 검출기(700)는 금속 와이어로부터의 용융된 금속 액적들의 시각적 검출을 제공하는 카메라를 포함할 수 있다. 액적 이송 각도는 정확도를 게이징하기 위해 측정될 수 있다. 액적 이송 각도의 편차는 용접 토치에 의해 방출된 열 소스에서 금속 와이어의 원위 단부의 포지션을 조정하는데 사용되는 파라미터일 수 있다. 액적 이송 각도의 편차는 와이어의 포지션의 조정이 필요한지 여부를 결정하기 위해 단독으로 또는 다른 파라미터들과 함께 사용될 수 있다. 필요한 경우, 카메라로부터의 이미지를 기반으로 수동으로 실시간으로 조정들이 수행될 수 있다. 조정들은 카메라로부터의 이미지의 이미지 분석에 기초하여, 예를 들어 액적 이송 각도에 기초하여 자동으로 실시간으로 수행될 수 있다.
[0021] 시스템은 또한 제1 전동 와이어 피더(475), 모터(470), 회전 카운터(465) 및 제2 전동 와이어 피더(460)를 포함하는 마스터 피드 디바이스를 포함할 수 있다. 모터(470)는 제1 전동 와이어 피더(475) 및 제2 전동 와이어 피더(460)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 회전 카운터(465)는 제1 전동 와이어 피더(475)와 제2 전동 와이어 피더(460) 사이에 위치될 수 있다. 시스템은 또한 제1 전동 와이어 피더(475) 이전에 위치 결정된 회전 카운터(480)를 포함할 수 있다. 마스터 피드 디바이스는 금속 와이어(180)의 슬리피지를 모니터링하여 그것이 와이어 공급 시스템을 가로지를 때 꼬임들, 벤드들 또는 다른 영구적 변형들이 금속 와이어(180)에 도입되지 않도록 보장한다. 회전 카운터(480)에 의해 측정된 자유 휠 디바이스(485)의 회전과 회전 카운터(465)에 의해 측정된 마스터 피더의 회전을 비교함으로써 슬리피지가 검출될 수 있다.
[0022] 본 명세서에 제공된 시스템들에서, 고정된 메인 지지 프레임(900) 또는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500) 또는 둘 모두는 하나 또는 하나 초과의 컷 아웃, 천공 또는 구멍(550)을 포함할 수 있다. 컷 아웃들, 천공들 또는 구멍들은 열의 방산을 허용한다. 과열은 프레임의 변형을 발생시킬 수 있다. 프레임들의 컷 아웃들, 천공들 또는 구멍들은 프레임에 부착된 지지 요소들의 인장력, 전단력 및 비틀림 힘들을 프레임이 물리적으로 견딜 수 있도록 프레임의 기계적 강도에 대한 임의의 해로운 영향을 최소화하면서 열 방산을 최대화하도록 설계된다.
[0023] 지지 요소(300)는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)에 부착될 수 있다. 가이드(120) 및 컨택 팁 조립체(210)는 지지 요소(300)에 부착될 수 있다. 컨택 팁 조립체(210)는 교체 가능한 컨택 팁을 포함할 수 있다.
[0024] 또한 용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법이 제공된다. 이 방법은 금속 와이어의 원위 단부가 용접 토치에 의해 방출된 열 소스 내에 위치 결정되도록 가이드를 통해 와이어 공급 소스로부터 금속 와이어의 양을 전진시키는 단계, 용접 토치에 의해 방출된 열 소스에 대한 금속 와이어의 원위 단부의 포지션을 검출하는 단계; 및 가이드가 부착되는 조정 가능한 프레임을 재위치 결정함으로써 금속 와이어의 원위 단부의 포지션을 조정하는 단계를 포함한다. 제공된 방법들에서, 조정 가능한 프레임은 피봇 조인트와 결합되는 회전 가능한 지지 피스톤을 수용하는 지지부 및 회전 가능한 지지 피스톤에 연결되고 회전 가능한 지지 피스톤을 피봇 가능하게 지지하는 커넥터를 포함하는 유지 유닛에 의해 고정된 프레임에 회전 가능하게 부착될 수 있고, 이 지지부는 고정된 프레임에 고정적으로 부착된다.
[0025] 이 방법에서, 조정 가능한 프레임은 고정된 프레임에 부착된 플레이트의 내부 스레디드 개구와 결합되는 스레디드 부재에 부착된 재위치 결정 모터를 활성화시킴으로써 재위치 결정될 수 있고, 이 스레디드 부재를 재위치 결정 모터에 의해 일 방향으로 회전시키는 것은 조정 가능한 프레임을 고정된 프레임쪽으로 재위치 결정시키고, 이 스레디드 부재를 재위치 결정 모터에 의해 반대 방향으로 회전시키는 것은 조정 가능한 프레임을 고정된 프레임으로부터 멀리 위치 결정시킨다. 이 재위치 결정 모터는 스테퍼 모터이고, 모터에 공급되는 에너자이징 펄스들의 개수는 어느 방향으로든 스레디드 부재의 정확한 회전량을 제공하도록 제어될 수 있다. 재위치 결정 모터는 모터에 제공되는 파워를 변조하거나, 또는 모터의 속도 및 방향 및 운동 지속 기간을 조절하거나, 또는 신호에 응답하여 모터의 활성화의 오토매틱을 허용하거나, 또는 이들의 임의의 조합인 모터 제어기를 사용하여 작동될 수 있다.
[0026] 본 발명의 방법들에서, 마스터 피드 디바이스는 제1 전동 와이어 피더, 와이어 구동 모터, 회전 카운터 및 제2 전동 와이어 피더를 포함할 수 있으며, 와이어 구동 모터는 제1 및 제2 전동 와이어 피더들을 구동시켜 용접 토치에 의해 방출된 열 소스로 금속 와이어를 전진시킨다. 마스터 피드 디바이스의 와이어 구동 모터는 파워 제어 신호에 의해 구동되는 직류 모터 또는 스테퍼 모터일 수 있다. 금속 와이어의 원위 단부의 포지션을 검출하는 단계는 검출 디바이스를 사용하여 금속 와이어의 원위 단부를 시각화하는 단계를 포함한다. 검출 디바이스는 카메라를 포함할 수 있다. 카메라는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 카메라, CCD(Charge Coupled Device) 카메라 또는 이들의 조합일 수 있다. 검출 디바이스는 검출된 광 패턴의 디지털 표현으로 변환될 수 있는 이미지를 생성할 수 있으며, 디지털 표현에 응답하여, 금속 와이어의 원위 단부가 재위치 결정될 수 있다. 조정 가능한 프레임은 고정된 프레임에 부착된 플레이트의 내부 스레디드 개구와 결합되는 스레디드 부재에 부착된 재위치 결정 모터를 활성화시킴으로써 재위치 결정될 수 있다. 재위치 결정 모터에 의해 일 방향으로 스레디드 부재를 회전시키는 것은 조정 가능한 프레임을 고정된 프레임쪽으로 재위치 결정시키고, 재위치 결정 모터에 의해 반대 방향으로 스레디드 부재를 회전시키는 것은 조정 가능한 프레임을 고정된 프레임으로부터 멀리 위치 결정시킨다. 재위치 결정 모터는 스테퍼 모터일 수 있고, 모터에 공급되는 에너자이징 펄스들의 개수는 어느 방향으로든 스레디드 부재의 정확한 회전량을 제공하도록 제어될 수 있다.
[0027] 와이어 공급 소스는 금속 와이어가 권취되는 스풀일 수 있으며, 이 방법은 금속 와이어를 스풀로부터 권취 해제시켜 금속 와이어를 마스터 피드 시스템으로 전진시키는 단계를 포함할 수 있다. 제공된 방법들에서, 마스터 피드 시스템은 금속 와이어와 마찰 컨택하는 그루브드 롤러들을 포함할 수 있다. 그루브드 롤러들을 회전시키면 금속 와이어가 전진한다. 그루브드 롤러들을 회전시키는 것은 하나 또는 그 초과의 그루브드 롤러들에 부착된 모터를 활성화시킴으로써 달성될 수 있다. 이 방법들은 용접 토치가 와이어를 용융시킬 수 있도록 용접 토치의 적절한 위치에 금속 와이어를 제공한다. 용접 토치는 열 소스를 포함한다. 금속 와이어를 용융시키는데 사용될 수 있는 디바이스들의 예들은 PTA(transfer arc) 토치, 전자 빔 용접 토치 또는 레이저 용접 토치 또는 이들의 조합과 같은 플라즈마 아크 용접(PAW) 토치를 포함한다.
[0028] 예시적인 PAW 토치는 PTA 토치이다. PTA 토치는 아크를 생성하기 위해 특히 비 반응성 가스들을 사용하여, 가스 금속 아크 용접(GMAW)과 같이 금속 와이어를 가열 및 용융시키는 전기 아크를 생성할 수 있는 임의의 구성일 수 있다. 금속 와이어는 금속 와이어로 사용되며 전기 아크를 사용하여 토치에 의해 생성된 플라즈마에서 용융되고, 용융 금속 와이어는 워크피스 상의 용융된 풀 내로 디파짓되어, 니어 네트 형상 금속 본체들에 추가되어 이를 형성한다.
[0029] 용접 토치는 레이저 용접 토치일 수 있다. 레이저 용접 토치는 금속 와이어를 베이스 재료 상에 용융시키기에 충분한 열 에너지의 레이저 빔을 생성한다. 적절한 레이저 용접 토치의 예들은 네오디뮴 도핑된 이트륨 알루미늄 가닛(Nd:YAG) 레이저, CO2 레이저, CO 레이저, 이터븀 파이버 결합 다이오드 레이저, Nd:유리 레이저, 네오디뮴 도핑된 이트륨 오로소바나데이트(Nd:YVO) 레이저, Cr:ruby 레이저, 다이오드 레이저, 다이오드 펌핑된 레이저, 엑시머 레이저, 가스 레이저, 반도체 레이저, 고상 레이저, 색소 레이저, X-선 레이저, 자유 전자 레이저, 이온 레이저, 가스 혼합 레이저, 화학적 레이저, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. Nd:YAG 레이저들 및 CO2 레이저들이 바람직하다.
[0030] 용접 토치는 베이스 재료 상에 금속 와이어를 가열 및 용융시키기 위한 전자 빔 디바이스를 포함할 수 있는 전자 빔 용접 토치일 수 있다. 전자 빔 용접 토치는 베이스 재료 위에, 예를 들어 베이스 재료 내의 용융된 풀 위에 위치 결정된 금속 와이어의 단부 상에 전자 빔을 지향시키도록 배열되고 배치될 수 있어, 전자 빔 디바이스의 전자 빔에 의해 생성된 열 에너지가 와이어의 단부를 용융시켜, 금속 와이어의 단부 아래의 용융된 풀 내로 또는 베이스 재료 상으로 드롭되는 용융된 금속 와이어의 액적들을 형성한다. 전자 빔 용접 토치의 전자 빔은 또한 용융된 풀에 또는 그 부근에 열 에너지를 기여할 수 있다.
[0031] 전자 빔 용접 토치는 실질적으로 일정한 파워 또는 에너지량을 금속 와이어의 실질적으로 일정한 용융 레이트를 제공하는 양으로 금속 와이어에 제공하도록 조정될 수 있는 가변 파워 출력을 가질 수 있다. 전자 빔 용접 토치에 의해 전달된 파워 또는 에너지는 금속 와이어의 구성에 따라 변조될 수 있어, 금속 와이어는 일정한 레이트로 피딩될 수 있고 베이스 재료 상으로 또는 베이스 재료 상의 용융된 풀 내로 용융된다. 전자 빔 용접 토치는 단일 전자 빔 건 또는 하나 초과의 전자 빔 건을 포함할 수 있다.
[0032] 전자 빔 용접 토치는 빔 전류가 실질적으로 일정하도록 작동될 수 있거나, 또는 금속 와이어의 용융 및 용융된 금속 와이어의 워크피스 상으로의 또는 워크피스 상의 용융된 풀 내로의 디포지션 동안 빔 전류가 변할 수 있도록 작동될 수 있다. 검출기는 전자 빔 용접 토치에 의해 생성된 전자들을 검출하거나 또는 금속 와이어의 용융을 모니터링하는데 사용될 수 있다.
[0033] 전자 빔 용접 토치들은 상업적으로 이용 가능하며 당업계에 설명되어 있다. 전자 빔 용접 토치는 이것이 전자 빔을 변조하기 위한 전자기 코일들을 포함하도록 선택될 수 있다. 전자 빔 건은 워크피스쪽으로 가속된 포커싱된 전자들의 스트림의 형태로 에너지를 제공할 수 있다. 전자들은 고전압 전위(예를 들어, 약 15 kV 초과, 예를 들어 약 15 kV 내지 약 150 kV의 범위)를 사용하여 가속될 수 있다. 전자들은 하나 또는 그 초과의 가열된 필라멘트들을 사용하여 전자 빔 용접 토치 내에서 생성될 수 있다. 전자 빔 용접 토치의 파워 출력은 전형적으로 워크피스에 대한 전자들의 흐름을 제한하거나 또는 변조함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 약 30 kW까지의 전자 빔 파워가 사용될 수 있지만, 그러나 일반적으로 약 2.5 kW 내지 약 10 kW, 또는 약 3 kW 내지 약 6 kW의 범위 내에 있다. 전자 빔 전류는 일반적으로 약 100 밀리암페어보다 크며, 약 100 밀리암페어 내지 약 600 밀리암페어의 범위 내에 있을 수 있다. 전자 빔 파워는 가변적이며, 약 100 V 내지 약 500 V의 범위의 입력 전압을 이용하여 생성된다. 예시적인 입력 전압은 약 110 V이다.
[0034] 또한, 임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3 차원 오브젝트를 제조하기 위한 방법들이 제공되며, 여기서 오브젝트는 금속 재료의 연속적인 디파짓들을 함께 베이스 재료 상에 융합시킴으로써 제조되며, 이 방법들은 금속 재료가 디파짓될 포지션에서 베이스 재료의 표면 상에 용융된 풀을 형성하는 단계를 포함하도록, 베이스 재료의 표면의 적어도 일부를 예열하기 위해 제1 가열 디바이스를 사용하는 단계; 예열이 수행된 경우 용융된 와이어로부터의 용융된 금속 재료가 베이스 재료 상으로 그리고 베이스 재료의 예열된 또는 용융된 또는 부분적으로 용융된 영역 상으로 디파짓되도록 제2 가열 디바이스가 금속 와이어를 가열 및 용융시킬 수 있는 포지션에서 제2 가열 디바이스에 금속 와이어를 제공하는 단계, 및 용융된 금속 재료의 연속적인 디파짓들이 응고되어 3 차원 오브젝트를 형성하도록 미리 결정된 패턴으로 제1 및 제2 가열 디바이스들의 포지션에 대해 베이스 재료를 이동시키는 단계를 포함한다. 가열 디바이스들에 대한 베이스 재료의 이동은, 하나 또는 그 초과의 가열 디바이스들을 고정된 포지션에 유지하면서 베이스 재료를 이동시키고, 베이스 재료를 고정된 포지션에 유지하면서 하나 또는 그 초과의 가열 디바이스들을 이동시키고, 또는 베이스 재료 및 하나 또는 그 초과의 가열 디바이스들을 이동시킴으로써 달성될 수 있다. 베이스 기판 및 하나 또는 그 초과의 가열 디바이스들의 이동은 기계식, 유압식 및/또는 로봇식 아암들, 이동식 받침대들 또는 지지부들, 레일들, 트랙들 또는 유사한 디바이스들과 같은 하나 또는 그 초과의 액추에이터들을 사용하여 달성될 수 있다. 이 방법은 제1 및 제2 가열 디바이스로서 PTA 토치를 이용할 수 있다. PTA 토치는 PTA 토치의 전극이 캐소드가 되고 금속 와이어가 애노드가 되도록 직류 파워 소스에 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 시스템들에서, 베이스 재료에 용융 풀을 형성하는데 사용되는 가열 디바이스는 단독으로 또는 다른 레이저 또는 PTA 토치와 조합된 레이저일 수 있거나, 또는 단독으로 또는 다른 전자 빔 건 또는 레이저와 조합된 전자 빔 건일 수 있다.
[0035] 또한 용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법이 제공된다. 이 방법들은 금속 와이어의 원위 단부가 용접 토치에 의해 방출된 열 소스 내에 위치 결정되도록 와이어 공급 소스로부터 금속 와이어의 양을 전진시키는 단계; 용접 토치에 의해 방출된 열 소스에 대한 금속 와이어의 원위 단부의 포지션을 연속적으로 검출하는 단계; 및 그것이 열 소스 내에 위치되도록 보장하기 위해 금속 와이어의 원위 단부의 포지션을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
[0036] 본 발명의 추가 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명에서 기술될 것이며, 일부는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이며, 또는 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다. 본 발명의 목적들 및 다른 장점들은 상세한 설명 및 청구항들뿐만 아니라 첨부된 도면들에서 특히 지적된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
[0037] 전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명적인 것이며 청구된 바와 같은 본 발명의 추가 설명을 제공하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다.
[0038] 본 발명의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 도시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
[0039] 도면에서:
[0040] 도 1은 금속 와이어 공급 시스템의 구성 요소들이 부착되는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)을 도시하는 본 명세서에 제공된 금속 와이어 정확도 조정 시스템의 일 실시예의 개략적인 측면도로서, 피봇 조인트(800), 피봇 조인트(800)와 결합되는 회전 가능한 지지 피스톤(810), 회전 가능한 지지 피스톤(810)을 둘러싸는 지지부(820), 및 회전 가능한 지지 피스톤(810)에 연결되고 회전 가능한 지지 피스톤(810)을 피봇 가능하게 지지하는 커넥터(830)를 포함하는 유지 유닛에 의해 메인 지지 프레임(900)에 부착되어 회전 가능하게 연결된다.
[0041] A. 정의들
[0042] 달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어들은 본 발명들이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 달리 언급되지 없는 한, 본 개시 전반에 걸쳐 언급된 모든 특허들, 특허 출원들, 공개된 출원들 및 공보들, 웹 사이트들 및 다른 공개된 자료들은 그 전체가 참고 문헌으로 인용된다. 본 명세서에서 용어들에 대한 복수의 정의들이 존재하는 경우, 이 섹션의 정의들이 우선한다. URL 또는 다른 이러한 식별자 또는 주소를 언급할 때, 그러한 식별자들이 변경될 수 있고 인터넷 상의 특정 정보가 오고 갈 수 있지만, 인터넷 검색을 통해 동등한 정보를 찾을 수 있는 것으로 이해한다. 이에 대한 참고 자료는 그러한 정보의 이용 가능성 및 대중 전파를 입증한다.
[0043] 여기에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명확하게 다르게 지시하지 않는 한 복수의 참조들을 포함한다.
[0044] 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 범위들 및 양들은 "약" 특정 값 또는 범위로 표현될 수 있다. "약"은 또한 정확한 양도 포함한다. 따라서 "약 5 %"는 "약 5 %" 및 또한 "5 %"를 의미한다. "약"은 의도된 적용 또는 목적에 대한 일반적인 실험 오류 내에 있다는 것을 의미한다.
[0045] 본 명세서에 사용된 바와 같이, "선택적인" 또는 "선택적으로"는 추후에 기술되는 이벤트 또는 상황이 발생하거나 또는 발생하지 않는다는 것을 의미하며, 상세한 설명은 이벤트 또는 상황이 발생하는 경우들 및 이것이 발생하지 않는 경우들을 포함한다. 예를 들어, 시스템에서의 선택적인 구성 요소는 구성 요소가 시스템에 존재할 수 있거나 또는 존재하지 않을 수 있다는 것을 의미한다.
[0046] 본 명세서에 사용된 바와 같이, "조합"은 2 개의 아이템들 사이 또는 2 개 초과의 아이템들 사이의 임의의 관련을 지칭한다. 관련은 공간적일 수 있거나 또는 일반적인 목적을 위해 2 개 또는 그 초과의 아이템들을 사용하는 것을 지칭할 수 있다.
[0047] 본 명세서에 사용된 바와 같이, "플라즈마 아크 용접 토치(Plasma Arc Welding torch)"또는 "PAW 토치"는 플라즈마 아크 용접에 사용될 수 있는 용접 토치를 지칭한다. 토치는 가스가 고온으로 가열되어 플라즈마를 형성할 수 있고 전기 전도성으로 되고, 플라즈마는 그 후 전기 아크를 워크피스에 전달하고, 아크의 강렬한 열은 금속을 용융시킬 수 있고 그리고/또는 금속의 두 피스들을 융합시킬 수 있도록 설계된다. PAW 토치는 아크를 압축하여 이로써 아크의 파워 밀도를 증가시키기 위한 노즐을 포함할 수 있다. 플라즈마 가스는 전형적으로 아르곤이다. 플라즈마 가스는 전극을 따라 피딩되고 캐소드 부근에서 이온화 및 가속될 수 있다. 아크는 워크피스쪽으로 향할 수 있으며, (TIG 토치에서와 같이) 자유 버닝 아크보다 더 안정적이다. PAW 토치는 또한 전형적으로 실딩 가스를 제공하기 위한 외부 노즐을 갖는다. 실딩 가스는 아르곤, 헬륨 또는 이들의 조합들일 수 있고, 실딩 가스는 용융 금속의 산화를 최소화하는 것을 보조한다. PAW 토치에서, 전류는 일반적으로 최대 400 A일 수 있고, 전압은 일반적으로 약 25 내지 35 V(최대 대략 14 kW)일 수 있다. 본 발명은 PAW 토치의 임의의 특정 선택 또는 유형에 한정되지 않는다. PAW 토치로서 기능할 수 있는 임의의 알려진 또는 고려될 수 있는 디바이스가 사용될 수 있다. 예시적인 PAW 토치들은 플라스마 이동 아크(plasma transferred arc)(PTA) 토치이다.
[0048] 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용되는 바와 같이 "플라즈마 이동 아크 토치" 또는 "PTA 토치"라는 용어는 전기 아크 방전에 의해 불활성 가스의 스트림을 플라즈마로 가열 및 여기시키고 그 후 전기 아크를 포함하는 플라즈마 가스의 흐름을 (노즐과 같은) 오리피스를 통해 전달시켜 오리피스로부터 연장되어 아크의 강렬한 열을 타겟 영역으로 전달하는 압축된 기둥을 형성할 수 있는 임의의 디바이스를 말한다. 전극 및 타겟 영역은 PTA 토치의 전극이 캐소드가 되고 타겟 영역이 애노드가 되도록 직류 파워 소스에 전기적으로 연결될 수 있다. 이것은 전기 아크를 포함하는 플라즈마 기둥이 PTA 토치로부터 공급되는 열 유속의 면적 확장 및 크기의 우수한 제어로 타겟 영역의 작은 표면 영역에 고도로 집중된 열 흐름을 전달하도록 보장할 것이다. 플라스마 이동 아크는 캐소드과 애노드 사이의 길이 편차들에 대해 적은 원더링(wandering) 및 양호한 공차를 갖는 안정되고 일정한 아크들을 제공한다는 장점을 갖는다. 따라서, PTA 토치는 베이스 재료에 용융 풀을 형성하고 금속 와이어 피드를 가열 및 용융시키는데 모두 적합하다. PTA 토치는 바람직하게는 텅스텐으로 제조된 전극 및 구리로 제조된 노즐을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명은 PTA 토치의 임의의 특정 선택 또는 유형에 한정되지 않는다. PTA 토치로서 기능할 수 있는 임의의 알려진 또는 고려될 수 있는 디바이스가 사용될 수 있다.
[0049] 본 명세서에서 사용되는 "파워 밀도"라는 용어는 예를 들어 플라즈마 아크, 레이저 빔 또는 전자 빔으로부터의 단위 영역에 분배되는 파워의 양을 지칭한다.
[0050] 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 제1, 제2, 제3 등의 용어들은 다양한 요소들, 구성 요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있으며, 이들 요소들, 구성 요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들은 이들 용어들에 의해 제한되어서는 안 된다. 이들 용어들은 하나의 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션을 다른 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때 "제1", "제2" 및 다른 수치 용어들과 같은 용어들은 문맥에 의해 명확하게 표시되지 않는 한 시퀀스 또는 순서를 의미하지 않는다. 따라서, 이하에서 논의되는 제1 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션은 예시적인 실시예들의 교시들을 벗어나지 않고 제2 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션으로 지칭될 수 있다.
[0051] 본 명세서에 사용되는 바와 같이 용어 "금속 재료"는 3 차원 오브젝트를 형성하기 위해 와이어로 형성되고 임의 형상 제작 공정에 채용될 수 있는 임의의 공지된 또는 고려될 수 있는 금속 또는 금속 합금을 지칭한다. 적합한 재료들의 예들은 티타늄 및 즉 Ti-6Al-4V 합금들과 같은 티타늄 합금들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
[0052] 본 명세서에 사용된 용어 "유사한 금속 재료"는 금속 재료가 기준 금속 재료와 동일한 금속 또는 금속 합금인 것을 의미한다.
[0053] 본 명세서에 사용된 용어 "유지 기판"은 유지 기판의 것과 동일한 또는 상이한 추가의 재료가 워크피스를 형성하기 위해 임의 형상 제작 또는 SFFF의 기술을 사용하여 디파짓되는 타겟 기판을 지칭한다. 예시적인 실시예들에서, 유지 기판은 편평한 시트이다. 대안적인 실시예들에서, 유지 기판은 포징된 부분일 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 유지 기판은 추가의 재료가 디파짓되는 오브젝트일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 유지 기판은 워크피스의 일부가 될 수 있다. 유지 기판에 대한 재료는 금속 또는 금속 합금일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 유지 기판은 와이어 피드 재료와 동일한 금속으로 제조된다.
[0054] 본 명세서에서 사용되는 "베이스 재료"라는 용어는 3 차원 오브젝트를 형성하기 위한 용융 금속 재료를 수용하기 위한 타겟 재료를 지칭한다. 베이스 재료는 금속 재료의 제1 층을 디파짓할 때 유지 기판이 될 것이다. 금속 재료의 하나 또는 그 초과의 층들이 유지 기판 상에 디파짓될 때, 베이스 재료는 금속 재료의 새로운 층을 디파짓시키는 디파짓된 금속 재료의 상부 층일 것이다.
[0055] 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "마찰적으로 강화된 표면"은 동일한 재료의 미-처리된 매끄러운 표면보다 더 많은 마찰을 나타내도록 수정된 표면을 지칭한다. 마찰을 강화시킨 표면에 대한 수정들은 표면을 거칠게 만들거나 또는 표면 상에 돌출부들을 포함시키거나, 또는 그릿티드(gritted) 표면을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 수정된 표면은 수정된 표면과 그것이 접촉하는 표면 사이의 슬립을 최소화하기 위해, 표면과 컨택하는 금속 와이어와 같은, 다른 표면 및 수정된 표면과의 마찰 컨택을 (비-수정된 표면과 비교하여) 향상시킨다.
[0056] 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "워크피스"는 임의 형상 제작을 사용하여 제조되는 금속 본체를 지칭한다.
[0057] 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용되는 용어 "컴퓨터 보조 설계 모델" 또는 "CAD 모델"은 유지 기판의 포지션 및 이동을 조절하고 통합된 와이어 피더로 용접 토치를 작동시켜 금속 재료의 연속적인 디파짓들을 유지 기판 상에 오브젝트의 가상 3 차원 모델에 따라 물리적 오브젝트를 형성하게 하는 패턴으로 융합시킴으로써 물리적인 오브젝트가 형성되도록: 본 발명의 제2 양태에 따른 배열의 제어 시스템에서 채용될 수 있는 형성될 오브젝트의 임의의 알려지거나 또는 고려될 수 있는 가상 3 차원 표현을 지칭한다. 이것은 예를 들어 가상 3 차원 모델을 가상의 평행한 수평 층들의 세트로 우선 분할하고 그 다음 각각의 평행한 층들을 가상 준 1 차원 피스들의 세트로 분할함으로써 3 차원 모델의 가상 벡터화된 계층화된 모델을 형성함으로써 얻어질 수 있다. 이어서, 제어 시스템을 결합하여 금속 재료 피드의 일련의 준 1 차원 피스들을 지지 기판 상에 오브젝트의 가상 벡터화된 계층화된 모델의 제1 층에 따른 패턴으로 디파짓하고 융합시킴으로써, 물리적 오브젝트를 형성할 수 있다. 이어서, 오브젝트의 가상 벡터화된 계층화된 모델의 제2 층에 따른 패턴으로 이전의 디파짓된 층 상에 용접 가능한 재료의 준 1 차원 피스들의 시리즈를 디파짓하고 그리고 융합시킴으로써 오브젝트의 제2 층에 대한 시퀀스를 반복한다. 전체 오브젝트가 형성될 때까지 오브젝트의 가상 벡터화된 계층화된 모델의 각각의 연속적인 층에 대한 층별 디포지션 및 융합 공정의 반복을 반복하여 계속한다. 그러나, 본 발명은 본 발명에 따른 배열의 제어 시스템을 작동시키기 위한 임의의 특정 CAD 모델 및/또는 컴퓨터 소프트웨어에 한정되지 않으며, 본 발명은 임의의 특정 유형의 제어 시스템에 한정되지 않는다. 임의 형상 제작에 의해 금속의 3 차원 오브젝트들을 형성할 수 있는 임의의 공지된 또는 고려될 수 있는 제어 시스템(CAD 모델, 컴퓨터 소프트웨어, 컴퓨터 하드웨어 및 액추에이터들 등)이 채용될 수 있다. 제어 시스템은 베이스 재료의 표면을 예열하고, 일부 적용예들에서는, 표면의 일부를 적어도 부분적으로 용융시켜 용융된 풀을 형성하기 위해 PTA 토치와 같은 제1 용접 토치, 및 예열된 표면 상으로 그리고/또는 용융된 풀 내로 금속 재료의 피드 와이어를 용융시키기 위해 PTA 토치와 같은 제2 용접 토치를 개별적으로 작동시키도록 조정될 수 있다.
B. 와이어 포지션 제어 시스템
[0058] 임의 형상 제작 공정에 의해 제조된 형성 워크피스에 대한 용융 금속의 디포지션 레이트는 금속 와이어가 연속적으로 용접 토치에 피딩될 수 있고 용접 토치의 아크 내의 적절한 포지션에 유지되어 금속 와이어의 가열 및 용융을 용이하게 하도록 금속 와이어를 적절한 포지션에 유지하는 와이어 포지션 제어 시스템을 사용하여 증가될 수 있다. 와이어 피드 속도는 실질적으로 일정하게 유지되어 금속 와이어가 용접 토치에 연속적으로 피딩되어 워크피스 상으로 용융될 수 있다. 적절한 포지션에서 용접 토치에 금속 와이어를 연속적으로 피딩하면 워크피스에 원치 않는 불연속적인 금속의 디포지션이 방지된다. 디포지션의 임의의 불연속성으로 인해 워크피스에 불완전성들, 불규칙성들 및 결함들이 생길 수 있으며, 이는 궁극적으로 최종 제품의 박리, 피로 또는 크래킹으로 이어질 수 있어, 그 의도된 목적으로 사용될 수 없게 될 수 있다. 용접 토치에 의해 방출된 열 소스에 대해 금속 와이어를 적절한 포지션에 유지함으로써, 금속 와이어의 연속적인 피드의 레이트가 증가될 수 있어, 워크피스에 대한 용융 금속의 디포지션의 레이트가 증가되는 것이 허용될 수 있다. 따라서, 용접 토치에 의해 방출된 열 소스 내의 금속 와이어의 일정한 적절한 배치는 임의 형상 제작 공정의 효율을 증가시킨다.
[0059] 본 발명의 보다 완전한 이해 및 인식 및 그 범위는 본 발명의 현재 바람직한 실시예들의 다음의 상세한 설명들로부터 그리고 첨부된 청구항들로부터 아래에 간단히 요약되는 첨부 도면들로부터 얻어질 수 있다.
[0060] 도 1에 도시된 바와 같이, 금속 와이어 아크 정확도 시스템은 금속 와이어 공급 구성 요소들이 부착되는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500), 및 고정된 메인 지지 프레임(900)을 포함한다. 메인 지지 프레임(900)은 피봇 조인트(800), 피봇 조인트(800)와 결합하는 회전 가능한 지지 피스톤(810), 회전 가능한 지지 피스톤(810)을 둘러싸는 지지부(820), 및 회전 가능한 지지 피스톤(810)에 연결되고 회전 가능한 지지 피스톤(810)을 피봇 가능하게 지지하는 커넥터(830)를 포함하는 유지 유닛을 포함한다. 유지 유닛은 메인 지지 프레임(900)에 부착된다. 유지 유닛은 용접, 나사들, 볼트들 또는 다른 연결 디바이스들을 통해 부착될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 유지 유닛은 메인 지지 프레임(900)에 지지부(820)를 부착하는 나사들에 의해 메인 지지 프레임(900)에 부착된다. 메인 지지 프레임은 제 포지션에 고정되어 있다. 메인 지지 프레임(900)은 도 1에 도시된 바와 같이 천공들, 구멍들 또는 컷 아웃들 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있어, 열을 방산한다. 과열은 프레임의 변형을 야기시킬 수 있다.
[0061] 회전 가능한 지지 피스톤(810)은 수평 축 주위로 회전 가능하다. 회전 가능한 지지 피스톤(810)은 피봇 조인트(800)에 결합되고, 피봇 조인트(800)는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)의 일 면에 부착된다. 메인 지지 프레임(900)은 프레임에 부착된 구성 요소들을 지지하기에 적합한 임의의 재료로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 고정된 메인 지지 프레임(900)은 스틸, 스테인리스 스틸 또는 인코넬 합금과 같은 니켈 합금일 수 있다. 커넥터(830)는 회전 가능한 지지 피스톤(810)의 원위 단부에 부착되고, 지지부(820) 내에서 회전 가능한 지지 피스톤(810)을 현수한다. 커넥터(830)는 회전 가능한 지지 피스톤(810)의 회전을 허용하도록 베어링들, 베어링 레이스들, 베어링 콘들, 축들 또는 부싱들 또는 이들의 조합들의 임의의 적절한 구성 및 배열을 포함할 수 있다.
[0062] 회전 가능한 지지 피스톤(810)의 대향 원위 단부는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)에 부착된 피봇 조인트(800)에 결합된다. 회전 가능한 지지 피스톤(810)은 메인 지지 프레임(900)으로부터의 그 현수 시 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)을 지지하는 인장력, 전단력 및 비틀림 힘들을 물리적으로 견디기에 충분한 기계적 강도를 갖는다. 회전 가능한 지지 피스톤(810)은 피스톤에 부착된 구성 요소들을 지지하기에 적합한 임의의 재료로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 지지 피스톤(810)은 스테인리스 스틸, 카본 스틸, 크로몰리 스틸 또는 인코넬 합금과 같은 니켈 합금일 수 있다. 예를 들어, 피스톤은 AIS 303 스테인리스 스틸로 제작될 수 있다. 피봇 조인트(800)는 스위블(swivel)을 포함할 수 있다. 피봇 조인트(800)는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)이 고정된 메인 지지 프레임(900)에 더 가깝게 또는 더 멀리 위치 결정될 수 있도록 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)이 수평 축을 중심으로 가변적으로 스위블되도록 허용한다. 고정된 메인 지지 프레임(900)에 대한 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)의 이러한 재위치 결정은 금속 와이어(180)의 원위 단부가 PTA 토치(600)의 아크에 대해 재위치 결정되도록 한다. 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)은 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)에 부착된 구성 요소들을 지지하는 인장력, 전단력 및 비틀림 힘들을 물리적으로 견디기에 충분한 기계적 강도를 갖는 재료로 제조된다. 예시적인 재료들은 스틸, 탄소강, 스테인리스 스틸, 인바 스틸(Invar 36으로도 공지되어 있음), 티타늄 및 티타늄 합금, 니켈 및 인코넬과 같은 니켈 합금을 포함한다. 일부 적용예들에서, 가이드 지지 프레임(500)은 인바 스틸(36 % 니켈 함유)을 포함한다. 가이드 지지 프레임(500)은 컷 아웃(550)으로 도시된 바와 같이, 열을 방산시키기 위해 천공들, 구멍들 또는 컷 아웃들 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 과열은 프레임의 변형과 가능한 영구적인 오정렬의 원인이 될 수 있다. 또한, 컷 아웃들은 또한 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)의 무게를 감소시킨다.
[0063] 피봇 조인트(800)는 회전 가능한 지지 피스톤(810) 및 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)의 회전을 허용하도록 베어링들, 베어링 레이스들, 베어링 콘들, 축들 또는 부싱들 또는 이들의 조합들의 임의의 적절한 구성 및 배열을 포함할 수 있다. 피봇 조인트(800)는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)에 부착된 구성 요소들을 지지하는 인장력, 전단력 및 비틀림 힘들을 물리적으로 견디기에 충분한 기계적 강도를 갖는 재료로 제조된다. 일부 실시예들에서, 피봇 조인트(800)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 티타늄 또는 티타늄 합금, 스틸, 스테인리스 스틸 또는 인코넬 합금과 같은 니켈 합금일 수 있다. 예를 들어, 피봇 조인트(800)는 EN AW-6063T6/6082T6 알루미늄 합금으로 제조될 수 있다. 가이드 지지 프레임(500)은 프레임에 부착된 구성 요소들을 지지하기에 적합한 임의의 재료로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 피봇 조인트(800)는 스틸, 스테인리스 스틸, 탄소강, 크로몰리 스틸, 니켈, 또는 인코넬 합금과 같은 니켈 합금일 수 있다. 피봇 조인트(800)의 구성 요소들은 임의 형상 제작 중에 생성된 온도들에서의 변조에 내성을 갖는 재료로 이루어진다. 예를 들어, 재료는 약 15 ℃ 내지 약 100 ℃ 범위의 온도들과 양립할 수 있도록 선택될 수 있다. 피봇 조인트(800)는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)이 피봇 축에 대해 수평 방향으로 변위되도록 허용한다. 피봇 조인트(800)는 완전히 밀봉될 수 있고 어느 방향으로든 회전 운동을 처리할 수 있다. 피봇 조인트(800)는 마찰 방지 베어링 스위블들 또는 롤러 베어링 스위블들 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 내하중 지지부의 회전 운동을 가능하게 하는 임의의 유형의 피봇 디바이스가 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
[0064] 모터(570)는 메인 지지 프레임(900)에 연결된 플레이트(920)에 기능적으로 연결된 스레디드 부재에 부착되어 이를 회전시킨다. 스레디드 부재의 회전은 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)의 수평 변위를 생성시키고 제어 가능하게 조정한다. 모터(570)는 예를 들어 스레디드 부재가 회전되는 양 및 방향을 제한함으로써 스레디드 부재의 움직임을 제어할 수 있는 모터 제어기(도시되지 않음)와 통신하고 이에 의해 제어될 수 있다. 모터 제어기는 컴퓨터 소프트웨어 및 컴퓨터 하드웨어 및 선택적으로 액추에이터들을 포함할 수 있으며, 모터에 제공되는 파워를 변조하거나, 또는 모터의 속도 및 방향 및 지속 시간을 조절하거나, 또는 신호에 응답하여 모터의 활성화의 오토매틱을 허용하거나, 또는 이들의 임의의 조합을 수행하도록 구성될 수 있다. 본 발명은 모터 제어기를 구동하기 위한 임의의 특정 컴퓨터 또는 컴퓨터 소프트웨어에 한정되지 않는다. 모터 제어기는 제어 시스템과 별도일 수 있거나 또는 제어 시스템의 제어 하에 있을 수 있다.
[0065] 스레디드 부재는 스레디드 부재를 수용하기 위해 메인 지지 프레임(900)에 부착된 플레이트(920)의 내부 스레디드 개구와 결합할 수 있는 나사 스레드 메커니즘을 갖는 나사 또는 볼트 또는 유사한 커넥터일 수 있다. 모터(570)에 부착된 스레디드 부재는 플레이트(920)의 내부 스레디드 개구와 결합하여 조정 가능한 프레임(500)이 모터 구동식 스레디드 부재의 회전에 응답하여 고정된 메인 지지 프레임(900)에 더 가깝게 또는 이로부터 더 멀리 이동하게 하는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)과 메인 지지 프레임(900) 사이의 스레디드 결합을 형성한다. 스레디드 부재와 기계적으로 연결된 모터(570)가 스레디드 부재를 일 방향으로 회전시킬 때, 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)은 고정된 메인 지지 프레임(900)쪽으로 재위치 결정되고, 모터(570)가 반대 방향으로 회전하면, 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)은 고정된 메인 지지 프레임(900)으로부터 멀리 재위치 결정된다. 연장되고 수축될 수 있는 이동 가능한 슬리브가 스레디드 부재를 실딩하고 보호하기 위해 포함될 수 있다.
[0066] 모터(570)는 파워 제어 신호에 의해 구동되는 종래의 직류(DC) 모터일 수 있거나, 또는 모터에 공급된 에너자이징 펄스들의 개수를 전자적으로 제어함으로써 스레디드 부재의 정확한 회전량을 가능하게 하는 스테퍼 모터일 수 있다. 모터(570)는 정방향 및 역방향으로 회전하도록 작동할 수 있다. 제어 유닛은 금속 와이어가 용접 토치의 열 소스에 대해 원하는 또는 바람직한 포지션에 위치하도록 재위치 결정될 필요가 있다는 표시에 응답하여 정방향 및 역방향으로 모터의 회전을 제어하도록 프로그래밍될 수 있다. 모터(570)는 일단 금속 와이어의 원위 단부가 용접 토치의 아크의 원하는 위치에 적절하게 위치 결정되면 스테퍼 모터의 회전을 사실상 순간에 정지시키도록 프로그래밍될 수 있는 모터(570)와 통신하는 전자 제어 유닛을 포함할 수 있다.
[0067] 용접 토치는 고정된 메인 지지 프레임(900)에 부착됨으로써 제 포지션에 유지된다. 용접 토치는 플라즈마 아크, 레이저 빔, 전자 빔 등과 같은 열 소스를 방출할 수 있다. 예시적인 용접 토치들은 플라즈마 아크 용접 토치들, 가스 텅스텐 아크 용접 토치들, 가스 금속 아크 용접 토치들, 금속 불활성 가스 용접 토치들, 텅스텐 불활성 가스 용접 토치들, 레이저 용접 토치들, 전자 빔 용접 토치들, 및 이들의 임의의 조합을 포함한다. 용접 토치의 열 소스는 용접 토치의 열 소스와 관련하여 적절한 포지션으로 전달된 금속 와이어를 용융시킨다.
[0068] 예시적인 용접 토치는 PTA 토치이다. PTA 토치는 특히 아크를 생성하기 위해 비 반응성 가스를 사용하여 가스 금속 아크 용접(GMAW)과 같이 금속 와이어를 가열 및 용융시키는 전기 아크를 생성할 수 있는 임의의 구성일 수 있다. 전기 아크를 사용하여 토치에 의해 생성된 플라즈마에서 금속 와이어가 용융되도록 되고, 용융 금속 와이어는 워크피스 상의 예열된 영역 또는 용융된 풀 상에 디파짓되어 니어 네트 형상의 금속 본체들에 추가되어 이를 형성한다. 금속 와이어의 피드 레이트 및 위치 결정은 PTA 토치에 대한 파워 공급의 영향에 따라 제어 및 변조될 수 있어 금속 와이어가 지속적으로 가열되고 이것이 베이스 재료의 예열된 영역 또는 용융된 풀 위의 의도된 포지션에 도달할 때 용융되는 것을 보장한다. 임의 형상 제작 시스템들은 하나 또는 그 초과의 용접 토치들을 사용할 수 있다. 예시적인 용접 시스템들은 굴트베르크(Guldberg)(WO 2011/019287), 아이얼랜드 등(Ireland et al.)(미국 특허 제7,220,935호); 코몬 등(Comon et al.)(미국 특허 제9,145,832호); 쿠퍼 등(Cooper et al.)(미국 특허 출원 공개 제2010/0276396호); 비스쿱 등(Biskup et al.)(미국 특허 출원 공개 제2013/0140280호); 및 스템퍼(Stempfer)(미국 특허 출원 공개 제2014/0061165호)에 설명되어 있다.
[0069] 금속 와이어는 일반적으로 곡선들, 꼬임들 또는 변형들 없이 직선 와이어로서 용접 토치에 제공된다. 본 명세서에 제공된 와이어 아크 정확도 시스템은 금속 와이어를 용융시키기 위해 용접 토치가 예를 들어 플라즈마 이동 아크(PTA) 토치, 전자 빔 또는 레이저 또는 이들의 조합과 같은 PAW 토치를 포함하든지간에 임의의 임의 형상 제작 시스템에 사용될 수 있다. 본 명세서에서 제공된 와이어 아크 정확도 시스템은 하나의 용접 토치 또는 용접 토치들의 조합을 사용하는 임의 형상 제작 시스템에 사용될 수 있다. 토치들의 조합이 사용될 때, 모든 토치들은 동일하거나, 또는 다른 토치들의 조합이 사용될 수 있다. 일부 적용예들에서, 플라즈마 이동 아크(PTA) 토치, 전자 빔 또는 레이저를 포함하는 단일 용접 토치가 사용될 수 있다. 일부 적용예들에서, 이중 용접 토치 시스템을 사용할 수 있는데, 여기서 제1 토치는 워크피스의 표면에 용융 풀을 형성하고 제2 토치는 용융된 풀 내로 금속 와이어를 용융시킨다. 제1 토치에는 플라즈마 아크(PAW) 토치, 전자 빔 또는 레이저가 포함될 수 있으며 제2 토치에는 플라즈마 아크(PAW) 토치, 전자 빔 또는 레이저가 포함될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예들이 PTA 토치들과 같은 PAW 토치들을 사용하여 기술되었지만, 이들 예들은 제한적이지 않다. 본 명세서에서 설명된 금속 와이어의 조정은 레이저 토치들 및 전자 빔 토치들을 포함하여 본 명세서에 기술된 임의의 유형의 열 소스로 구현될 수 있다. 레이저 토치들을 사용하는 경우, 설명된 바와 같이 금속 와이어의 단부를 아크 내로 재위치 결정하는 대신에, 금속 와이어의 단부를 레이저 빔 내에 배치시킨다. 마찬가지로, 전자 빔 토치들을 사용할 때, PTA 또는 다른 PAW 토치들의 사용과 관련하여 기술된 바와 같이 금속 와이어의 단부의 포지션은 아크보다는 전자 빔 내에 있도록 조정된다.
[0070] 예시적인 실시예에서, 본 명세서에 제공된 와이어 아크 정확도 시스템은 스템퍼(Stempfer)(미국 특허 출원 공개 제2014/0061165호)에 설명된 바와 같은 2 개의 토치 시스템에 사용될 수 있다. 그러한 시스템들에서, 용접 토치의 아크에 금속 와이어의 정렬을 유지하기 위해 직선 금속 와이어를 전달할 수 있는 것이 중요하다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 PAW 토치(600) 및 제2 PAW 토치(610)는 고정된 메인 지지 프레임(900)에 부착된다. 토치들(600, 610)은 지지부(940)를 통해 고정된 메인 지지 프레임(900)에 부착되는 토치 지지부(650)에 부착될 수 있다. PAW 토치(600) 및 PAW 토치(610)는 서로에 대한 그들의 포지션을 유지하도록 제 위치에 고정된다.
[0071] 도 1에 도시된 바와 같이, PAW 토치(610)는 베이스 재료의 표면과 상호 작용하여 금속 재료가 디파짓될 포지션에서 베이스 재료의 적어도 일부를 예열한다. 그 다음, PAW 토치(600)는 금속 와이어를 가열 및 용융시켜 예열이 수행되는 경우 용융된 와이어로부터의 용융 금속 재료가 베이스 재료 상으로 그리고 베이스 재료의 예열되거나 또는 용융되거나 또는 부분적으로 용융된 영역 상으로 디파짓된다. 제1 및 제2 PAW 토치들의 포지션에 대해 베이스 재료를 미리 결정된 패턴으로 이동시키는 것은 용융 금속 재료의 연속적인 디파짓들이 3 차원 오브젝트를 형성하도록 허용한다.
[0072] 와이어 공급 시스템의 구성 요소들은 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)에 부착된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 와이어 가이드(490), 자유 휠 디바이스(485), 회전 카운터(480) 및 제1 전동 와이어 피더(475), 모터(470), 회전 카운터(465) 및 제2 전동 와이어 피더(460)를 포함하는 마스터 피드 디바이스는 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)에 부착된 와이어 공급 프레임 커넥터(495)에 부착된다. 마스터 피드 디바이스는 금속 와이어(180)의 슬리피지에 대해 모니터링하여 그것이 와이어 공급 시스템을 가로지를 때 꼬임들, 벤드들 또는 다른 영구 변형들이 금속 와이어(180)에 유입되지 않도록 보장할 수 있다. 슬리피지는 자유 휠 디바이스(485)의 회전을 마스터 피더의 회전과 비교함으로써 검출될 수 있다.
[0073] 와이어 가이드(490)는 금속 와이어(180)가 통과할 수 있는 경로를 그 사이에 형성하는 제1 그루브드 롤러 및 제2 그루브드 롤러를 포함할 수 있다. 그루브드 롤러들은 선택적으로 금속 와이어(180)와 결합하도록 스프링에 의해 편향될 수 있다. 자유 휠 디바이스(495)는 금속 와이어(180)가 통과할 수 있는 경로를 그 사이에 형성하는 제1 그루브드 롤러 및 제2 그루브드 롤러를 포함할 수 있다. 그루브드 롤러들은 선택적으로 금속 와이어(180)와 결합하도록 스프링에 의해 편향될 수 있다. 자유 휠 디바이스(495)는 그것이 와이어 가이드(490)를 가로 질러 금속 와이어(180)를 회전 카운터(480) 내로 피딩한 후에 금속 와이어(180)를 수용할 수 있다.
[0074] 마스터 피드 디바이스는 전동 와이어 피더들(460 및 475)의 그루브드 롤러들에 부착되고 이들을 구동할 수 있는 모터(470)를 포함한다. 전동 와이어 피더들(460 및 475)의 그루브드 롤러들은 그 그루브들에 금속 와이어(180)와 결합하고 롤러들을 통해 금속 와이어(180)를 전진시킬 수 있는 돌출부들을 포함할 수 있다. 그루브들의 돌출부들은 롤러 그루브들과 금속 와이어(180) 사이의 마찰력들을 증가시켜 롤러들이 금속 와이어(180)와 마찰 결합되어 롤러들을 통해 이를 전진시킬 수 있게 허용한다. 그루브드 롤러들은 내마모성 금속으로 제작될 수 있다. 그루브드 롤러들은 스틸, 탄소강, 스테인리스 스틸, 크로몰리 스틸, 스테인리스 스틸, 티타늄, 티타늄 합금, 니켈 또는 니켈 합금의 코팅일 수 있거나 또는 이들을 포함할 수 있다.
[0075] 전동 와이어 피더(460)를 빠져 나간 후에, 금속 와이어(180)는 와이어 프로텍터(400)를 통해 이동하여 금속 와이어를 가이드(120)에 제공한다. 와이어 프로텍터(400)는 시스템의 다른 요소들과의 임의의 컨택을 최소화할 수 있고, 금속 와이어(180)를 가이드(120)에 전달하기 위한 직선 경로를 제공한다. 와이어 프로텍터(400)는 금속 와이어(180)를 운반하기에 적합한 임의의 재료로 제조될 수 있다. 와이어 프로텍터(400)는 전기적으로 절연성인 세라믹일 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다. 이러한 세라믹들은 당업계에 공지되어 있으며, Al, B, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Ce, In 및 Sn 및 이들의 조합들의 산화물들 또는 질화물들을 포함할 수 있다(예를 들어, 미국 특허 제6,344,287호(셀틱 등(Celik et al), 2002); 제4,540,879호(해르터 등(Haerther et al), 1985); 및 제7,892,597호(후커 등(Hooker et al), 2011) 참조). 와이어 프로텍터(400)는 질화 알루미늄, 산화 알루미늄, 질화 마그네슘, 산화 마그네슘, 석영, 질화규소, 질화 붕소, 산화 지르코늄, 이산화 지르코늄 및 이들의 혼합물들 및 조합들일 수 있거나 또는 이들을 포함할 수 있다. 예시적인 세라믹은 RAPAL® 100 산화 알루미늄(라우쉐르트 하이너스도르프-프레싱 게엠베하, 프레싱, 독일(Rauschert Heinersdorf-Pressing GmbH, Pressing, Germany))이다. 와이어 프로텍터(400)는 금속 와이어(180)가 통과할 수 있는 중심 보어를 포함할 수 있다. 중심 보어는 전형적으로 금속 와이어(180)를 용이하게 수용하는 형상으로 이루어진다. 예를 들어, 금속 와이어(180)가 원형 단면을 가질 때, 와이어 프로텍터(400)는 원형 단면을 갖는 중심 보어를 포함할 수 있다.
[0076] 절연성 세라믹은 금속 와이어와 대면하는 표면의 거칠기를 감소시키기 위해 금속 와이어와 대면하는 표면 상에 표면 처리를 포함할 수 있다. 표면 처리는 그것이 절연성 세라믹을 통과할 때 금속 와이어의 스크래칭 또는 스코링을 최소화하거나 또는 제거하는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 금속 와이어에 대면하는 절연성 세라믹의 표면은 와이어 프로텍터 표면과 와이어 사이의 마찰 유발 인력들을 감소시키는 표면 글레이즈를 포함하도록 처리될 수 있다. 레이저 글레이징 처리는 마찰을 줄이고 더 매끄러운 절연성 세라믹 표면을 만들기 위해 세라믹 표면의 표면 상에 표면 포어들, 크랙들 또는 변형들을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 세라믹 표면의 표면은 연마될 수 있다. 세라믹 표면의 표면은 다이아몬드와 같은 탄소 코팅을 포함하도록 처리될 수 있다. 마찰을 감소시키기 위해 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 합성 불소 중합체를 세라믹 표면에 적용할 수 있다. 표면 처리는 거친 절연성 세라믹 표면과 금속 와이어의 상호 작용으로 인해 형성될 수 있는 작은 금속 와이어 피스들의 형성을 최소화하는데 도움이 될 수 있다.
[0077] 가이드(120)는 지지 요소(300)를 통해 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)에 부착된다. 와이어 프로텍터(400)는 커넥터(450)에 의해 지지 요소(300)에 부착된다. 모터(470)는 용접 디바이스와 통신하는 제어 시스템과 통신할 수 있고, 제어 시스템 제어 시스템은 금속 와이어(180)를 용접 토치 디바이스(600)로 전진시키기 위해 모터(470)에 신호를 보낼 수 있다. 모터(470)는 그것이 제어 시스템으로부터 신호를 수신하여 금속 와이어(180)의 전진을 정지시키지 않으면 용접 토치 디바이스(600)에 금속 와이어(180)를 연속적으로 전진시킬 수 있다. 가이드는 플라즈마 아크 용접과 양립 가능한 임의의 재료로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 가이드는 Al, V, Sn, Zr, Mo, Nb, Cr, W, Si 및 Mn 중 하나 또는 조합과 함께 Ti를 함유하는 티타늄 또는 티타늄 합금이거나 또는 이들을 포함한다. 예를 들면, 가이드는 Cu 및 W를 함유하는 재료일 수 있다. 예시적인 티타늄 합금들은 Ti-6A1-4V, 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-1Mn-0.5W-0.5Mo-0.2Si, 및 Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si를 포함한다.
[0078] 제어 시스템은 컴퓨터 프로세서 또는 중앙 처리 유닛(CPU), CPU 디스플레이, 하나 또는 그 초과의 파워 공급 장치들, 파워 공급 연결부들, 입력들 및/또는 출력들로서의 신호 모듈들, 아날로그 신호들의 통합 실딩, 저장 디바이스들, 회로 기판들, 메모리 칩들 또는 다른 저장 매체, 그 안에 구현된 컴퓨터 판독 가능 프로그램을 갖는 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 프로그램은 시스템들의 임의의 하나 또는 조합을 부분적으로 또는 완전히 자동화하기 위한 적절한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 프로그램은 모터의 작동, 모터 속도, 모터의 운동 지속 기간, 온도, 압력, 워크피스의 포지션, 디포지션 레이트, 이미징 디바이스 및 그 분석으로부터의 이미지 캡처, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 파라미터를 모니터링 및/또는 조정하기 위한 적절한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 예시적인 제어 시스템들은 지멘스 아게(Siemens AG)(뮌헨, 독일)의 SIMATIC-S7-1500, 보쉬 렉스로스 아게(Bosch Rexroth AG)(로어 암 마인, 독일)로부터 이용 가능한 IndraMotion MTX 시스템, 및 시그마텍 게엠베하 운트 코. 카게(SIGMATEK GmbH & Co. KG)(람프레히츠하우젠, 오스트리아)로부터 이용 가능한 SIGMATEK C-IPC 컴팩트 산업용 컴퓨터 시스템을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
[0079] 또한 지지 요소(300)에는 전기 컨택 유닛(200) 및 전기 연결부(230)를 포함하는 컨택 팁 조립체(210)가 부착될 수 있다. 전기 컨택 유닛(200)은 금속 와이어(180)와 컨택하게 되는 교체 가능한 컨택 팁을 포함한다. 전기 연결부(230)는 금속 와이어(180)가 전력 공급 장치에 전기적으로 연결되도록 허용한다.
[0080] 컨택 유닛(200)은 구리 또는 구리 합금일 수 있거나 또는 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다. 구리 합금은 구리 ASTM 클래스 II 내지 X 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 구리 합금은 Ag, Al, Be, Bo, Cr, In, Mg, Ni, Sn, Sr, W, Zn 또는 Zr 또는 이들의 조합들과 조합된 구리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컨택 유닛은 CU/W 복합체와 같은 Cu 및 W를 함유하는 재료일 수 있다.
[0081] 전기 컨택 유닛(200)은 전기 컨택 유닛(200)의 교체 가능한 컨택 팁을 통해 금속 와이어(180)에 전류를 공급한다. 교체 가능한 컨택 팁은 구리 또는 구리 합금이거나 또는 이들을 포함한다. 구리 합금은 구리 ASTM 클래스 II 내지 X 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 구리 합금은 Ag, Al, Be, Bo, Cr, In, Mg, Ni, Sn, Sr, W, Zn 또는 Zr 또는 이들의 조합들과 조합된 구리를 포함할 수 있다. 컨택 팁은 Cu/W 복합체와 같은 Cu 및 W를 함유하는 재료일 수 있다. 일 예는 Brocadur WK20(브로우버 메탈 베.파우.(Brouwer Metaal B.V.), 홀란드, 네덜란드)이고, 이는 약 80 %의 W와 20 %의 Cu를 함유하고 있다. 임의의 적절한 컨택 팁 배열체가 사용될 수 있다. 예를 들어, 컨택 팁은 와이어를 피딩하기 위한 축 방향 구멍을 포함할 수 있으며, 컨택 팁에는 외측 벽으로부터 축까지 연장되는 V 형 노치가 제공되고, 축 방향 구멍은 노치의 바닥으로 이어진다. 노치의 바닥은 노즐에 인접한 축을 향해 기울어질 수 있다. 컨택 팁은 노치 바닥 및 벽에 대해 용접 와이어를 가압하기 위한 메커니즘을 포함할 수 있으며, 이 메커니즘은 노치에 피팅되고 용접 와이어 상에 안착되는 스프링을 포함한다.
[0082] 다른 컨택 팁 배열체는 와이어 공급 장치로부터 피딩되는 곧게 펴진 금속 와이어 형태의 소모성 전극이 제어된 속도로 통과하도록 만들어진 애퍼처드 구리 노즐을 포함할 수 있다. 구리 노즐 및 워크피스는 모두 그들 사이의 전위를 설정하는 전력 공급 장치에 전기적으로 연결되어 있다. 금속 와이어가 구리 노즐을 통과하면 이는 노즐과 컨택하게 되어 따라서 전력 공급 장치에 전기적으로 연결된다. 금속 와이어의 팁(원위 단부 섹션)이 디포지션/용접 영역 위에 일정 거리에 도달하면, 전위는 금속 와이어의 팁으로부터 디포지션/용접 영역까지 연장되는 전기 아크를 생성한다. 전기 아크는 들어오는 금속 와이어의 팁을 용융시켜 따라서 용융된 금속 재료를 디포지션 영역 상으로 디파짓한다.
[0083] 도 1에 도시된 실시예에서, 가이드(120)는 전기 컨택 유닛(200) 아래에 위치 결정된다. 전기 컨택 유닛(200)은 컨택 팁을 DC 파워 소스와 같은 파워 소스와 연결하기 위해 전기 연결부(230)에 전기적으로 연결된 교체 가능한 컨택 팁을 포함할 수 있다. 전기 컨택 유닛(200)은 컨택 팁에 대해 하향 압력을 가하여 컨택 팁(215)을 금속 와이어(180)와 컨택하도록 가압할 수 있다. 컨택 팁을 금속 와이어와 컨택 상태로 유지하는 하향 압력은 예를 들어 스프링을 사용하여 달성될 수 있다. 컨택 팁(215)이 금속 와이어(180)와 컨택할 때, PTA 토치(600)를 갖는 전기 회로가 완성된다.
[0084] 가이드(120) 및 전기 컨택 유닛(200)은 지지 요소(300)에 연결되어 도시되어 있다. 가이드(120) 및 전기 컨택 유닛(200)은 컨택 지점들 사이에 단열 재료를 포함함으로써 지지 요소(300)로부터 열적으로 격리될 수 있다. 금속 와이어(180)는 가이드(120)의 일 단부에 제공된다. 금속 와이어(180)는 가이드(120)를 통과하여 가이드(120)의 다른 단부를 빠져 나가며, 여기서 이는 워크피스의 디포지션 지점 위의 플라즈마 아크 내에 위치 결정된다. 가이드(120)는 그것이 금속 와이어(180)를 수용하고 금속 와이어(180)가 방해 없이 가이드(120)를 통과하는 것을 허용하도록 구성되는 한 임의의 형상으로 이루어질 수 있다. 가이드(120)의 외부 부분의 형상은 예를 들어, 정사각형, 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 팔각형 또는 이들의 임의의 조합과 같은 원형, 계란형, 타원형 또는 다각형인 단면을 가질 수 있다.
[0085] 가이드(120)는 유체 냉각될 수 있다. 예를 들어, 가이드는 가이드를 통한 유체 흐름을 위한 내부 경로를 포함하도록 설계될 수 있다. 유체는 물, C1-C5 알콜, 폴리 알파올레핀, 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜과 같은 알킬렌 글리콜 또는 이들의 혼합물들과 같은 임의의 적합한 유체일 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각 유체는 물, 물과 프로필렌 글리콜의 혼합물, 또는 물과 에틸렌 글리콜의 혼합물이다. 냉각 유체는 염들, 부식 방지제들, pH 조절제들 또는 이들의 조합들과 같은 첨가제들을 포함할 수 있다.
[0086] 가이드는 용접 중에 가이드가 노출되는 조건들에서 사용하기에 적합한 전기적 절연 재료를 함유하는 전기적 절연 라이닝을 사용하여 금속 와이어로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 전기 절연 재료는 전기적으로 절연성인 세라믹일 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다. 이러한 세라믹들은 당업계에 공지되어 있으며, Al, B, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Ce, In 및 Sn 및 이들의 조합들의 산화물들 또는 질화물들을 포함할 수 있다(예를 들어, 미국 특허들 제6,344,287호(셀틱 등(Celik et al), 2002); 제4,540,879호(해르터 등(Haerther et al), 1985); 및 제7,892,597호(후커 등(Hooker et al), 2011) 참조). 전기 절연 재료는 질화 알루미늄, 산화 알루미늄, 질화 마그네슘, 산화 마그네슘, 석영, 질화 규소, 질화 붕소, 이산화 지르코늄 및 이들의 혼합물들 및 조합들일 수 있거나 또는 이들을 포함할 수 있다.
[0087] 전기 절연 라이닝은 금속 와이어가 통과할 수 있는 중심 보어를 포함할 수 있다. 중심 보어는 전형적으로 금속 와이어를 쉽게 수용할 수 있는 형상으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 금속 와이어가 원형 단면을 갖는 경우, 전기 절연 라이닝은 원형 단면을 갖는 중심 보어를 포함한다. 전기 절연 라이닝의 중심 보어는 일반적으로 금속 와이어의 직경보다 약간 더 큰 직경을 갖는다. 예를 들어, 직경이 1.6 mm인 금속 와이어가 사용되는 경우, 중심 보어의 절연체는 중심 보어를 통한 와이어의 횡단을 용이하게 하기 위해 약 2 mm 내지 3 mm의 내부 직경을 가질 수 있다. 일부 구성들의 경우, 바로 와이어 출구의 팁은 가이드의 다른 곳에서 사용되는 전기 절연 라이닝의 내부 직경과 다른 내부 직경을 갖는 전기 절연 라이닝을 가질 수 있다. 예를 들어, 직경이 1.6 mm인 와이어가 사용될 때, 중심 보어 내의 절연체는 약 2 mm 내지 3 mm의 내부 직경을 가질 수 있지만, 바로 와이어 출구의 팁은 내부 직경이 약 1.8 mm인 전기 절연 라이닝을 가질 수 있다. 바로 그 팁의 전기 절연 라이닝의 내부 직경은 와이어가 통과하기에 충분히 크지만 그러나 와이어를 원하는 방향으로 안내하기에 충분히 작도록 선택될 수 있다.
[0088] 본 발명의 특정 실시예들에 따른 금속 와이어의 직경은 약 0.8 mm 내지 약 5 mm 범위일 수 있다. 금속 와이어는 임의의 실제 구현 가능한 치수, 예를 들어, 1.0 mm, 1.6 mm, 2.4 mm 등을 가질 수 있다. 금속 와이어의 피드 레이트 및 위치 결정은 금속 와이어가 연속적으로 가열되어 그것이 베이스 재료 위의, 예를 들어 이 베이스 재료 내의 용융된 풀 위의 의도된 포지션에 도달할 때 용융되는 것을 보장하기 위해 용접 토치에 대한 파워 공급 장치의 영향에 따라 제어 및 변조될 수 있다. 용접 토치의 열 소스는 금속 와이어를 용융시키기 위해 플라즈마 이동 아크(PTA) 토치, 전자 빔 또는 레이저 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
[0089] 전기 절연 라이닝이 금속 와이어가 통과하는 중심 보어 부근에 절연성 세라믹을 포함하는 경우, 절연성 세라믹은 금속 와이어 절연성 세라믹의 표면의 거칠기를 감소시키도록 표면 처리를 포함할 수 있다. 표면 처리는 그것이 전기 절연 라이닝을 통과할 때 금속 와이어의 스크래칭 또는 스코링을 최소화하거나 또는 제거하는데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 전기 절연 라이닝의 표면은 라이닝 표면과 전극 사이의 마찰 유발 인력들을 감소시키는 표면 글레이즈를 포함하도록 처리될 수 있다. 레이저 글레이징 처리는 마찰을 줄이고 더 매끄러운 절연성 세라믹 표면을 생성하기 위해 표면 상의 표면 포어들, 크랙들 또는 변형들을 감소시키기 위해 사용할 수 있다. 전기 절연 라이닝의 표면은 다이아몬드와 같은 탄소 코팅을 포함하도록 처리될 수 있다. PTFE는 마찰을 줄이기 위해 전기 절연 라이닝의 표면에 적용될 수 있다. 표면 처리는 거친 절연성 세라믹 표면과 금속 와이어의 상호 작용으로 인해 형성될 수 있는 작은 금속 와이어 피스들의 형성을 최소화하는데 도움이 될 수 있다.
[0090] 가이드(120)의 전기 절연 라이닝은 그것이 금속 와이어(180)를 수용하고 금속 와이어(180)가 전기 절연 라이닝을 통과하게 허용하는 중심 보어를 갖도록 구성되는 한 임의의 형상으로 이루어질 수 있다. 절연 라이닝의 외부 부분의 형상은 원형, 계란형, 타원형 또는 다각형, 예를 들어 정사각형, 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형 또는 팔각형인 단면을 가질 수 있다.
[0091] 도시된 실시예에서, 전기 컨택 유닛(200)은 금속 와이어와 컨택하게 되는 교체 가능한 컨택 팁을 포함할 수 있다. 전기 컨택 유닛(200) 내의 교체 가능한 컨택 팁은 구리 또는 구리 합금, 또는 구리와 텅스텐의 조합과 같은 구리 복합체를 포함한다. 컨택 팁들은 상업적으로 이용 가능하며, 본 발명은 임의의 특정 유형의 컨택 팁에 제한되지 않는다. 예시적인 컨택 팁은 약 80 %의 W 및 20 %의 Cu를 함유하는 Brocadur WK20과 같은 브로우버 메탈 베.파우.(Brouwer Metaal B.V.)(홀란드, 네덜란드)로부터 이용 가능한 텅스텐 및 구리의 조합으로부터 준비된다. 컨택 팁은 금속 와이어를 임의 형상 제작에 의해 형성되는 금속 본체의 타겟 영역에 또한 연결되는 직류 파워 소스에 전기적으로 연결한다. 일부 실시예들에서, 금속 와이어가 캐소드이고 타겟 영역이 애노드가 되도록 전기 연결이 이루어진다. 일부 실시예들에서는, 금속 와이어가 애노드이고 타겟 영역이 캐소드가 되도록 전기 연결이 이루어진다. 금속 와이어가 PTA 토치와 같은 PAW 토치의 아크에 들어갈 때, 전기 아크를 포함하는 플라즈마 기둥이 PTA 토치로부터 공급되는 열 유속의 면적 확장 및 크기의 우수한 제어로 타겟 영역의 작은 표면 영역에 고도로 집중된 열 흐름을 전달한다. PTA 토치는 캐소드과 애퍼처 사이의 길이 편차들에 대해 적은 원더링 및 양호한 공차를 갖는 안정되고 일정한 아크들을 제공한다는 장점을 갖는다. PTA 토치는 텅스텐으로 만든 전극 및 구리 또는 구리 합금으로 만든 노즐을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명은 PTA-토치의 특정 선택 또는 유형에 한정되지 않는다. PTA 토치로서 기능할 수 있는 임의의 공지된 또는 고려될 수 있는 디바이스가 사용될 수 있다.
[0092] 교체 가능한 컨택 팁은 전기 컨택 유닛 내의 원통형 지지부에 부착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컨택 팁은 개재된 단열 재료를 사용함으로써 원통형 지지부로부터 열적으로 격리된다. 컨택 팁이 노출될 수 있는 온도를 견딜 수 있는 임의의 단열 재료는 전기 컨택 유닛 내에서 사용하기에 적합하다. 예시적인 단열 재료는 전류가 컨택 팁으로부터 전기 컨택 유닛으로 전달되는 것을 최소화하거나 또는 방지하는 전기적 절연성으로 선택될 수도 있는 세라믹이다. 위에서 기술된 임의의 세라믹들은 컨택 팁을 전기 컨택 유닛 내의 원통형 지지부에 부착하기 위한 적절한 피팅을 구성하는데 사용될 수 있다.
[0093] 전기 컨택 유닛 내의 컨택 팁은 금속 와이어에 일정한 전류 및 파워 소스, 금속 와이어 및 타겟 영역을 포함하는 완성된 회로를 보장하기 위해 금속 와이어와 컨택하여 유지된다. 일부 실시예들에서, 컨택 팁은 컨택 팁 가압 조립체를 통해 금속 와이어와 컨택하여 유지된다. 컨택 팁 가압 조립체는 전기 컨택 유닛의 일부일 수 있거나, 또는 별도의 요소일 수 있다. 컨택 팁을 금속 와이어(180)와 컨택 상태로 유지하는 하향 압력은 예를 들어 스프링, 유압 장치, 기계화된 나사들 또는 전동 피스톤 조립체를 사용함으로써 달성될 수 있다. 스프링이 사용될 때, 스프링은 컨택 팁이 금속 와이어(180)를 스크래칭할 정도로 강하지는 않지만 컨택 팁과 금속 와이어(180) 사이의 컨택을 유지하기에 충분히 강하도록 적절한 강도 또는 크기의 힘을 가하도록 선택될 수 있다. 선택된 구성에 따라, 약 0.001 내지 약 10 N/m 범위의 스프링 상수를 갖는 압축 스프링과 같은 스프링이 컨택 팁을 금속 와이어(180)에 대해 가압하도록 사용될 수 있다. 스프링 대신에 또는 스프링에 추가하여, 가압 조립체는 컨택 팁을 금속 와이어와 컨택되게 유지하는 힘을 제공하는데 사용될 수 있는 유압 실린더를 포함할 수 있다. 컨택 팁 가압 조립체는 와이어를 가압하여 컨택 팁과 컨택하게 하도록 약 100 내지 약 800 그램을 가하도록 구성될 수 있다.
[0094] 일부 실시예들에서, 컨택 팁은 와이어 가압 조립체를 통해 금속 와이어와 컨택하여 유지된다. 와이어 가압 조립체는 금속 와이어(180)에 대해 상향 압력을 가하여 금속 와이어(180)를 컨택 팁과 컨택하게 가압할 수 있다. 금속 와이어(180)를 컨택 팁과 컨택 상태로 유지하는 상향 압력은, 예를 들어 스프링, 유압 장치, 기계화된 나사들 또는 전동 피스톤 어셈블리에 연결된 L 자형 클립을 사용하여 달성될 수 있다. 스프링은 컨택 팁(180)이 와이어를 스크래칭할 정도로 강하지는 않지만 컨택 팁과 금속 와이어(180) 사이의 컨택을 유지하기에 충분히 강하도록 적절한 강도 또는 크기의 힘을 가하도록 선택될 수 있다. 선택되는 구성에 따라, 약 0.001 내지 약 10 N/m 범위의 스프링 상수를 갖는 압축 스프링과 같은 스프링이 와이어(180)를 컨택 팁을 향해 위로 가압하도록 사용될 수 있다. 또한 유압 피스톤의 유압을 사용하여 와이어를 컨택 팁쪽으로 가압할 수도 있다. 와이어 가압 조립체는 와이어를 가압하여 컨택 팁과 컨택하게 하는 약 100 내지 약 800 그램을 가하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컨택 팁을 하향으로 가압하는 컨택 팁 가압 조립체와 금속 와이어를 상향으로 가압하는 와이어 가압 조립체의 조합이 사용될 수 있다.
[0095] 또한, 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)에는 PTA 토치(600)의 아크 내의 금속 와이어 금속 와이어(180)의 원위 단부의 포지션을 검출할 수 있는 검출기(700)가 부착된다. 검출기(700)는 검출기 지지부(710)를 통해 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)에 부착될 수 있다. PAW 토치(600)의 아크, 레이저 토치로부터의 레이저 빔, 또는 전자 빔 토치로부터의 전자 빔과 같은 열 소스에 대한 금속 와이어(180)의 원위 단부의 포지션을 허용하는 임의의 검출기가 사용될 수 있다. 검출기는 카메라, 광 센서, 이미지 센서, 포토 다이오드, 포토 다이오드 어레이, CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 센서, 전하 결합 디바이스(CCD), 능동 픽셀 센서, 전자 센서, 전자 현상 검출 메커니즘, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
[0096] 예시적인 검출기는 PAW 토치(600)의 아크에 대해 금속 와이어(180)의 원위 단부의 포지션을 시각화시키는 것을 허용하는 하나 또는 그 초과의 카메라, 또는 대안적으로 레이저 토치로부터의 레이저 빔, 또는 전자 빔 토치로부터의 전자 빔을 포함한다. 고 동적 범위 CMOS 카메라는 플라즈마 아크, 레이저 빔 또는 전자 빔의 컬러 또는 흑백 이미지들 및 금속 와이어(180)의 원위 단부의 포지션을 얻기 위해 검출기(700)로서 사용될 수 있다. 이미지들은 모니터와 같은 디스플레이 디바이스에 실시간으로 표시될 수 있다. 디스플레이 디바이스는 평면 패널 LED 디스플레이, 액정(LCD) 디스플레이, 박막 트랜지스터 디스플레이 또는 음극선 관 디스플레이를 포함할 수 있다. 카메라의 시야는 카메라를 조정함으로써 그리고/또는 카메라의 시야를 전자적으로 조정함으로써 조정될 수 있다. 검출기(700)는 그 초점 평면이 금속 와이어(180)의 원위 단부와 일치하고 금속 와이어(180)의 원위 단부가 일반적으로 카메라의 시야의 중심 내에 있도록 위치 결정될 수 있다. 카메라는 PAW 토치, 레이저 토치, 또는 전자 빔 토치 및 금속 와이어(180)의 원위 단부에 대한 이미징 관계에 위치 결정되어, 금속 와이어(180)의 원위 단부의 중심선이 금속 와이어(180)의 시야 내에 위치 결정된다. 밴드 패스 필터는 노이즈를 필터링 아웃하기 위해 그리고/또는 금속 와이어(180)의 원위 단부의 콘트라스트 시각화를 향상시키기 위해 카메라에 의해 수신된 아크에 의해 생성된 광의 양을 감소시키기 위해 카메라의 전방에 배치될 수 있다. 카메라를 보완하기 위해, 액티브 피드백을 갖는 광 검출기를 사용하여 노출 시간, 게인, 감마 및 톤 맵핑 또는 이들의 임의의 조합을 자동으로 조정하여 콘트라스트를 향상시킬 수 있다.
[0097] 사용된 필터는 용접 토치의 열 소스에 고유한 파장이 필터에 의해 차단되거나 또는 필터를 통과하는 유일한 주된 파장이 되도록 선택될 수 있어, 가열된 기판에 대한 열 소스를 구별하는 메커니즘을 제공한다. 비디오 이미징 센서는 원하는 선택된 파장을 검출하도록 프로그래밍될 수 있다. 검출기는 그것이 용접 토치와 대면하고 용접 공정 중에 방출되는 광을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 검출된 파장들에서의 변화는 금속 와이어가 용접 토치의 열 소스 내에 적절히 정렬되지 않았는지를 결정하는데 사용될 수 있다. 이미징 시스템에 의해 생성된 신호들, 또는 제어 시스템에 의해 생성된 변환된 신호들은 이 경우 재위치 결정 시스템을 활성화하여 와이어의 원위 단부의 포지션을 변경하는데 사용될 수 있다. 재위치 결정은 또한 비디오 이미지에 대한 응답으로 작동자에 의해 수동으로 수행될 수도 있다.
[0098] 하나 또는 그 초과의 검출기들(700)은 또한 모터(570)와 통신하는 제어 시스템과 통신할 수 있다. 제어 시스템이 금속 와이어(180)의 원위 단부가 재위치 결정될 필요가 있다는 신호를 검출기(700)로부터 수신할 때, 제어 시스템은 모터(570)에 신호를 제공하여 조정 가능한 가이드 지지 프레임(500)과 고정된 메인 지지 프레임(900) 사이의 각도 관계를 변조하여 예를 들어 PAW 토치(600)의 아크 내에서 원위 단부를 재위치 결정시키거나 또는 유지하는 것과 같이 금속 와이어(180)의 원위 단부를 이동시킨다. 카메라로부터 획득한 신호들을 처리하기 위해 설계된 신호 처리 소프트웨어를 갖는 컴퓨터와 같은 신호 처리 제어 박스를 사용하여, 예를 들어 그의 시야에서의 메인 지지 프레임에 부착된 디바이스들 상의 고정 기준점들[예를 들어, 토치 지지부(650) 또는 용융 토치(600)(그의 시야에서의)]에 기초하여, 그리고 아크 형상, 아크 농도, 디파짓된 스트링의 중심선, 액적 편향 등과 같은 동적인 특징들에 기초하여, 검출기(700)로부터의 데이터를 처리하고 와이어의 중심 지점을 추론할 수 있다. 가이드 지지 프레임(500)을 조정하기 위해 추정된 각도 보정 인자는 수동 보정을 위해 모니터 상에 디스플레이될 수 있거나, 또는 신호 처리 제어 박스는 소프트웨어를 통해 또는 모터(570)에 대한 직접 신호 인터페이스를 통해 정보를 전자적으로 자동으로 전송할 수 있다. 따라서, 검출기(700)로부터의 신호는 계속적으로 모니터링될 수 있고 금속 와이어의 원위 단부가 재위치 결정될 필요가 있는지를 식별하는데 사용될 수 있다. 일부 적용예에서, 검출기(700)로부터의 신호들에 응답하는 피드백 제어 메커니즘들이 가이드 지지 프레임(500)을 조정하는데 사용될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 금속 와이어의 원위 단부는 용접 와이어의 원위 단부가 용접 토치에 의해 방출된 열 소스 내에 있거나 또는 유지되도록 보장하기 위해 그 포지션을 검출하는 연속적인 모니터링에 응답하여 연속적으로 재위치 결정된다. 예시적인 실시예들에서, 열 소스는 플라즈마 아크, 레이저 빔, 전자 빔 또는 사용된 용접 토치에 의한 다른 방출 중 하나이다.
[0099] 금속 와이어(180)는 토치 용접에 사용되는 임의의 금속일 수 있다. 금속 와이어는 티타늄일 수 있거나 또는 티타늄을 포함할 수 있다. 금속 와이어는 Al, V, Sn, Zr, Mo, Nb, Cr, W, Si 및 Mn 중 하나 또는 조합과 조합된 Ti를 함유하는 티타늄 합금일 수 있거나 또는 이들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시적인 티타늄 합금들은 Ti-6A1-4V, 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-1Mn-0.5W-0.5Mo-0.2Si, 및 Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si을 포함한다. 금속 와이어는 알루미늄, 철, 코발트, 구리, 니켈, 탄소, 티타늄, 탄탈, 텅스텐, 니오븀, 금, 은, 팔라듐, 백금, 지르코늄, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 금속 와이어는 원형 단면을 가질 수 있다. 와이어의 직경은 약 0.5 mm 내지 약 5 mm 범위일 수 있다. 금속 와이어는 임의의 실제 구현 가능한 치수, 예를 들어, 1.0 mm, 1.6 mm, 2.4 mm 등을 가질 수 있다. 용융된 금속 와이어는 형성될 오브젝트의 컴퓨터 모델을 사용하여 생성된 디포지션 프로파일에 따라 베이스 재료 상에 디파짓될 수 있으므로, 오브젝트는 베이스 재료 상에 금속 재료의 연속적인 디파짓들을 융합시킴으로써 형성된다.
[00100] 베이스 재료 및 임의의 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들의 위치 결정은 하나 또는 그 초과의 액추에이터를 사용하여 달성될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 베이스 재료는 베이스 재료가 안착되어 있는 액추에이터 트레이를 사용하여 재위치 결정되거나 또는 이동될 수 있다. 액추에이터 트레이는 베이스 재료를 임의의 방향으로 이동시킬 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 액추에이터 트레이는 트랙 또는 레일 시스템 상에 설정될 수 있고, 임의의 원하는 방향으로 베이스 재료를 이동시킬 수 있다. 대안적으로, 액추에이터 트레이는 기계식 또는 로봇식 아암을 사용하여 작동될 수 있다. 액추에이터는 유압 장치를 사용하여 작동될 수도 있다. 유사하게, 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들은 하나 또는 그 초과의 액추에이터들을 사용하여 이동될 수 있다. 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 PAW 토치 각각은 로봇식 또는 기계식 아암과 같이 독립적으로 제어되는 액추에이터 아암에 부착될 수 있다. 예를 들어 레일 또는 트랙 시스템들과 같은 액추에이터 아암을 위한 다른 유형들의 메커니즘들의 사용도 구현될 수 있다. 액추에이터들은 유압 장치를 사용하여 작동될 수도 있다. 2 개 또는 그 초과의 PAW 토치들이 사용되는 예시적인 실시예들에서, 각각의 PAW 토치는 독립적으로 이동될 수 있다. 2 개 또는 그 초과의 PAW 토치들을 사용하는 대안적인 실시예에서, 2 개 또는 그 초과의 PAW 토치들의 포지션은 서로에 대해 고정될 수 있고, 하나 또는 그 초과의 액추에이터 아암들은 2 개 또는 그 초과의 PAW 토치들을 동시에 이동시킨다. 예시적인 실시예들에서, 액추에이터 트레이는 디포지션 동안 고정 포지션에 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들을 유지하면서 사용되는 유일한 액추에이터이다. 대안적인 실시예들에서, 액추에이터 트레이는 하나의 평면에서 2 개의 방향 내에서만 베이스 재료를 이동시키고, 한편 하나 또는 그 초과의 액추에이터 아암들은 예를 들어 액추에이터 트레이가 이동하는 평면에 수직으로 하나의 방향으로만 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들을 이동시킨다. 또한, 하나 또는 그 초과의 액추에이터 아암들이 평면 내에서 2 개의 방향들로 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들을 이동시키고 한편 액추에이터 트레이는 단일 방향을 따라 베이스 재료를 이동시키는 경우, 그 반대일 수도 있다. 대안적인 실시예들에서, 베이스 재료는 디포지션 동안 고정된 위치에 유지되고, 하나 또는 그 초과의 액추에이터 아암들이 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들을 이동시키는데 사용된다. 또 대안적인 실시예에서, 액추에이터 트레이 및 하나 또는 그 초과의 액추에이터 아암들은 모두 베이스 재료 및 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들을 이동시키는데 사용된다. 컴퓨터 보조 제조(CAM) 시스템 또는 소프트웨어는 디포지션 프로파일에 응답하여 액추에이터 트레이, 제1 액추에이터 아암, 제2 액추에이터 아암 또는 이들의 임의의 조합의 이동을 지시할 수 있다.
[00101] 전술한 설명은 상당한 세부 사항을 포함하지만, 이는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 오히려 본 발명의 다양한 실시예들에 대한 예시를 제공하는 것으로 해석되어야 한다.
[00102] 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명에 대한 다양한 수정들 및 변형들이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 그들이 첨부된 청구항들 및 그 균등물들의 범위 내에 있다면 본 발명의 수정들 및 변형들을 포함하는 것으로 의도된다.
다음은 상세한 설명 및 첨부 도면들에서 사용되는 참조 번호들의 목록이다.
120 : 가이드
180 : 금속 와이어
200 : 전기 컨택 유닛
210 : 컨택 팁 어셈블리
230 : 전기 연결부
300 : 지지 요소
400 : 와이어 프로텍터
450 : 커넥터
460 : 전동 롤러들
465 : 회전 카운터
470 : 모터
475 : 전동 롤러들
480 : 회전 카운터
485 : 가이드 롤러들
490 : 가이드 롤러들
495 : 와이어 공급 프레임 커넥터
500 : 조정 가능한 가이드 지지 프레임
550 : 컷 아웃
570 : 모터
600 : 제1 PTA 토치
610 : 제2 PTA 토치
650 : 토치 지지부
700 : 검출기(카메라)
710 : 검출기 지지부
800 : 피봇 조인트
810 : 회전 가능한 지지 피스톤
820 : 지지부
830 : 커넥터
900 : 메인 지지 프레임
920 : 플레이트(모터에 의해 구동되는 스레디드 부재와 결합)
930 : 지지부
940 : 지지부

Claims (13)

  1. 용접 토치(welding torch)에 금속 와이어(metal wire)를 제공하는 방법으로서,
    상기 금속 와이어의 원위 단부(distal end)가 용접 토치에 의해 방출된 열 소스 내에 위치 결정되도록 가이드를 통해 와이어 공급 소스로부터 소정량의 상기 금속 와이어를 전진시키는 단계;
    상기 용접 토치에 의해 방출된 상기 열 소스에 대한 상기 금속 와이어의 상기 원위 단부의 포지션을 검출하는 단계; 및
    상기 가이드가 부착되는 조정 가능한 프레임을 재위치 결정함으로써 상기 열 소스에 대한 상기 금속 와이어의 상기 원위 단부의 상기 포지션을 조정하는 단계를 포함하고,
    상기 조정 가능한 프레임은 고정된 프레임에 회전 가능하게 부착되며, 상기 재위치 결정하는 단계는, 상기 조정 가능한 프레임을 상기 고정된 프레임을 향하거나 멀어지도록 수평으로 피봇시키는 것을 포함하는,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 조정 가능한 프레임은 피봇 조인트와 결합되는 회전 가능한 지지 피스톤을 보유하는 지지부 및 상기 회전 가능한 지지 피스톤에 연결되고 상기 회전 가능한 지지 피스톤을 피봇 가능하게 지지하는 커넥터를 포함하는 유지 유닛에 의해 고정된 프레임에 회전 가능하게 부착되고, 상기 지지부는 상기 고정된 프레임에 고정적으로 부착되는,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 조정 가능한 프레임은 상기 고정된 프레임에 부착된 플레이트의 내부 스레디드(threaded) 개구와 결합되는 스레디드 부재에 부착된 재위치 결정 모터를 활성화시킴으로써 재위치 결정되고, 상기 스레디드 부재를 상기 재위치 결정 모터에 의해 일 방향으로 회전시키는 것은 상기 조정 가능한 프레임을 상기 고정된 프레임쪽으로 재위치 결정시키고, 상기 스레디드 부재를 상기 재위치 결정 모터에 의해 반대 방향으로 회전시키는 것은 상기 조정 가능한 프레임을 상기 고정된 프레임으로부터 멀리 위치 결정시키는,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 재위치 결정 모터는 스테퍼 모터(stepper motor)이고, 상기 모터에 공급되는 에너자이징 펄스들(energizing pulses)의 개수는 어느 방향으로든 상기 스레디드 부재의 정확한 회전량을 제공하도록 제어되는,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 재위치 결정 모터는 상기 모터에 제공되는 파워(power)를 변조하거나, 또는 상기 모터의 속도 및 방향 및 운동 지속 기간을 조절하거나, 또는 신호에 응답하여 상기 모터의 활성화의 오토매틱(automatic)을 허용하거나, 또는 이들의 임의의 조합인 모터 제어기를 사용하여 작동되는,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 와이어는 제1 전동 와이어 피더(first motorized wire feeder), 와이어 구동 모터(wire drive motor), 회전 카운터(rotation counter) 및 제2 전동 와이어 피더를 포함하는 마스터 피드 디바이스(master feed device)를 사용하여 전진되고, 상기 와이어 구동 모터는 상기 용접 토치에 의해 방출된 상기 열 소스로 상기 금속 와이어를 전진시키기 위해 상기 제1 및 제2 전동 와이어 피더들을 구동시키는,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 와이어 구동 모터는 파워 제어 신호에 의해 구동되는 직류 모터 또는 스테퍼 모터인,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 와이어 구동 모터는 상기 모터에 제공되는 파워를 변조하거나, 또는 상기 모터의 속도 및 방향 및 운동 지속 기간(duration)을 조절하거나, 또는 신호에 응답하여 상기 모터의 활성화의 오토매틱을 허용하거나, 또는 이들의 임의의 조합인 모터 제어기를 사용하여 작동되는,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
  9. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 와이어의 상기 원위 단부의 상기 포지션을 검출하는 단계는 카메라를 사용하여 상기 금속 와이어의 상기 원위 단부를 시각화하는 단계를 포함하는,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 카메라는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 카메라인,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 CMOS 카메라는 검출된 광 패턴의 디지털 표현으로 변환될 수 있는 이미지를 생성하고, 상기 디지털 표현에 응답하여, 상기 금속 와이어의 상기 원위 단부는 재위치 결정되는,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
  12. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 토치는 플라즈마 아크 용접 토치, 가스 텅스텐 아크 용접 토치, 가스 금속 아크 용접 토치, 금속 불활성 가스 용접 토치, 텅스텐 불활성 가스 용접 토치, 레이저 용접 토치, 전자 빔 용접 토치, 또는 이들의 임의의 조합인,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 와이어의 상기 원위 단부의 상기 포지션을 검출하는 단계는, 연속적으로 수행되는,
    용접 토치에 금속 와이어를 제공하는 방법.
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