KR20190038795A - 금속 와이어 송급 시스템 및 방법 - Google Patents

금속 와이어 송급 시스템 및 방법 Download PDF

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다이어 롤스타드
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Abstract

자유형상 물체에 금속의 연속적인 침착을 제공하는 임의 형상 제작에 의해 물체들, 특히 티타늄 또는 티타늄 합금 와이어로 제조된 물체들을 제조하기 위해 용접 토치에 금속 와이어를 연속적으로 제공하기 위한 와이어 송급 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 시스템은 와이어 공급 스풀(50)과, 진입 와이어 포지션 검출기(110), 와이어 송급 장치(200), 적어도 3 개의 슬랙 와이어 가이드들(300, 400, 500), 슬랙 와이어 당김 장치(600) 및 캐비닛 출구 가이드(1000)를 갖는 캐비닛을 포함한다.

Description

금속 와이어 송급 시스템 및 방법
[0001] 본 발명은 임의 형상 제작(solid freeform fabrication)에 의해 물체들(objects), 특히 티타늄 및 티타늄 합금 와이어로 제조된 물체들을 제조하기 위한 금속 와이어(metal wire)를 송급하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
[0002] 티타늄 또는 티타늄 합금들로 제조된 구조화된 금속 부품들은 전통적으로 빌릿(billet)으로부터 주조, 단조 또는 기계가공에 의해 제조된다. 이들 기술들은 고가의 티타늄 금속의 높은 재료 낭비 및 금속 부품의 제작 시의 많은 리드 타임들(lead times)의 단점을 갖는다.
[0003] 완전 조밀한 물리적 물체들은 쾌속 조형(rapid prototyping), 쾌속 제조(rapid manufacturing), 적층식 제조(layered manufacturing), 임의 형상 제작, 적층 제작(additive fabrication), 적층 제조(additive manufacturing) 또는 3D 프린팅으로 알려진 제조 기술에 의해 제조될 수 있다. 이러한 기술은 컴퓨터 보조 설계 소프트웨어(Computer Aided Design Software; CAD)를 이용하여, 먼저 제조될 물체의 가상 모델(virtual model)을 구성한 후에, 가상 모델을 통상적으로 수평방향으로 배향된 얇은 평행 슬라이스들(slices) 또는 층들로 변환한다. 다음에, 물리적 물체는 액체, 페이스트(paste), 분말의 형태, 또는 예를 들어 용융된 용접 와이어로부터의 용융 금속과 같은, 다른 적층 가능한, 퍼짐 가능한 또는 유체 형태의 원재료의 연속 층들을 배치함으로써 제조되거나, 또는 전체 물체가 형성될 때까지 가상 층들의 형상과 유사한 시트 재료(sheet material)로서 예비 성형될 수 있다. 이 층들은 함께 융착되어 고형의 조밀 물체를 형성한다.
[0004] 임의 형상 제작은 전형적으로 각 물체마다 몇 시간으로부터 며칠까지 변화하는, 비교적 빠른 생산 속도들로 거의 모든 형상의 물체들의 생성을 허용하는 유연한 기술이다. 따라서, 이 기술은 프로토타입들(prototypes) 및 소규모 생산 시리즈의 형성에 적합하며, 대량 생산으로 확장될 수 있다.
[0005] 적층식 제조 기술은 구성 재료의 피스들(pieces)의 침착(deposition)을 포함하도록 확장될 수 있으며, 즉 물체의 가상 모델의 각각의 구조적 층은 나란히 놓여질 때 층을 형성하는 한 세트의 피스들로 분할된다. 이것은 물체의 가상 적층식 모델에 따라 각각의 층을 형성하는 연속 스트라이프들(stripes)에서 기재(substrate) 상에 와이어를 용접하고, 전체 물리적 물체가 형성될 때까지 각각의 층에 대해 프로세스를 반복함으로써 금속 물체들을 형성하는 것을 허용한다. 용접 기술의 정밀도는 통상적으로 허용 가능한 치수들로 물체를 직접 형성하는 것을 허용하기에는 너무 조악하다. 따라서, 형성된 물체는 통상적으로 허용 가능한 치수 정밀도로 기계가공될 필요가 있는 미가공 물체(green object) 또는 예비-성형품으로 간주될 것이다.
[0006] 금속 재료들을 용접하기 위한 열을 제공하기 위해 플라즈마 아크(plasma arc)를 사용하는 것이 알려져 있다. 이러한 방법은 대기압 또는 보다 높은 압력들에서 이용될 수 있으며, 그에 따라 보다 간단하고 보다 저렴한 프로세스 장비를 허용한다. 그러한 하나의 방법은 플라즈마 이행형 아크(plasma transferred arc)가 비소모성 텅스텐 전극과 용접 영역 사이에 형성되는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW, 또한 TIG라고도 함)으로 알려져 있다. 플라스마 아크는 통상적으로 플라즈마 토치를 통해 송급되어 아크 주위에 보호 가스 실드(protective gas shield)를 형성하는 가스에 의해 보호된다. TIG 용접은 필러 재료(filler material)로서 금속 와이어 또는 금속 분말을 용융 풀(melting pool) 또는 플라스마 아크에 송급하는 것을 포함할 수 있다. 다른 용접 방법들은 가스 금속 아크 용접(GMAW), 금속 불활성 가스(MIG) 용접 및 금속 활성 가스(MAG) 용접을 포함하며, 여기서 금속 와이어와 같은 소모성 전극과 워크피스(workpiece) 사이의 전기 아크가 금속을 가열 및 용융시킨다.
[0007] 임의 형상 제작(SFFF)에 의해 물체들을 축조하기 위해 TIG-용접 토치를 사용하는 것이 알려져 있으며(예를 들면, 아담스(Adams)의 미국 특허 공개 제2010/0193480호 참조), 여기서 낮은 연성을 갖는 금속 공급원료(feedstock) 재료의 연속 층들이 기재 상에 침착된다. 플라즈마 아크는 전극을 사용하여 유동하는 가스에 에너지를 가함으로써 생성되며, 전극에는 가변적인 크기의 전류가 공급된다. 플라즈마 스트림(plasma stream)은 침착 이전에 워크피스의 사전결정된 타깃 영역을 예열하기 위해 사전결정된 타깃 영역을 향해 지향될 수 있다. 전류가 조정되고 공급원료 재료가 플라즈마 스트림 내로 송급되어 사전결정된 타깃 영역에 용융된 공급원료를 침착시킨다. 전류가 조정되고, 용융된 공급원료는 냉각 단계에서 상승된 온도, 전형적으로 공급원료 재료의 취성-연성 전이 온도 위로 서서히 냉각되어, 재료 응력들의 발생을 최소화시킨다.
[0008] 위더스(Withers) 등(미국 특허 출원 공개 제2006/185473호)은 또한, 원재료들의 비용을 상당히 감소시키는 방식으로 티타늄 송급물과 합금 성분들을 조합함으로써 비교적 저가의 티타늄 송급 재료와 함께, 임의 형상 제작(SFFF) 프로세스에서 전통적으로 사용되는 고가의 레이저 대신에 TIG 토치를 사용하는 것을 개시하고 있다. 보다 상세하게는, 일 태양에서, 본 발명은 합금된 와이어보다 비용이 저렴한 순수한 티타늄 와이어(CP Ti)를 이용하고, 용접 토치 또는 다른 고출력 에너지 빔의 용융물에서 CP Ti 와이어와 분말 합금 성분들을 조합함으로써 SFFF 프로세스의 현장에서 CP Ti 와이어를 분말 합금 성분들과 조합시킨다. 다른 실시예에서, 이 발명은 합금 원소들과 혼합되고 와이어로 형성된 티타늄 스폰지 재료(titanium sponge material)를 이용하며, 이 티타늄 스폰지 재료는 최종 형상에 근접한(near net shaped) 티타늄 구성요소들을 제조하기 위해 플라즈마 용접 토치 또는 다른 고출력 에너지 빔과 조합하여 SFFF 공정에서 사용될 수 있다.
[0009] 용접 토치를 사용하여 금속 와이어로부터 워크피스의 표면 상에 금속을 효과적으로 침착시키기 위해서, 금속 와이어를 용접 토치에 대한 정확한 포지션에 유지할 필요가 있다. 금속 와이어는 종종 스풀(spool)로부터 제공된다. 와이어 스풀의 회전을 구동하는 모터들의 출력 토크는 정상 상태에서, 특히 완전히 로딩된 스풀로부터 와이어를 제공하는데 있어서 제한 인자(limiting factor)가 될 수 있다. 스풀 상에서의 와이어의 회전 관성은 와이어가 스풀로부터 풀려서 용접 토치로 전달될 수 있는 속도 및 가속도를 제한할 수 있다. 회전 관성, 속도 및/또는 가속도의 조절은 접촉 팁 조립체(contact tip assembly)의 플라즈마 아크에 와이어를 전달하는데 사용되는 롤러들(rollers), 안내 휠들(guiding wheels) 또는 클램핑 장치들(clamping devices)로부터의 미끄러짐(slippage)을 유발하기에 충분할 수 있다. 미끄러짐은 와이어의 변형을 초래할 수 있고, 또한 플라즈마 아크에 대한 와이어의 원하는 포지션 및 각도에 있어서의 편차를 생성할 수 있다. 미끄러짐은 또한 제작 장비의 작동 속도를 제한한다.
[0010] 벌크 와이어(bulk wire)의 회전 질량, 속도 및/또는 가속도의 변화들은 와이어 송급 속도의 변동 및 금속 와이어의 장력 양의 변동들을 초래할 수 있다. 와이어 소스에서 와이어 송급 속도 또는 가속도의 변동이 와이어를 용접 토치의 플라즈마 아크에 전달하는 송급기 롤러들(feeder rollers) 및 풀리들(pulleys)과 와이어 소스 사이의 너무 많은 장력을 초래하는 경우, 증가된 장력은 와이어의 킹크(kink), 굴곡(bend) 또는 다른 변형의 형성을 초래할 수 있다. 높은 장력은 또한 금속 와이어가 와이어 소스를 향해 다시 당겨지게 할 수 있으며, 이는 용접 전극에의 금속 와이어의 송급을 방해하여, 원치않는 불연속 침착 층, 또는 제조되는 자유형상 물체 상에 침착되는 층 내의 의도하지 않은 구멍 또는 갭(gap)을 초래한다. 장력이 너무 낮으면, 슬랙 와이어(slack wire)가 과도해질 수 있다. 과도한 와이어는 자체로 또는 기계의 일부와 얽힐 수 있고, 이는 와이어에 굴곡부들 또는 킹크부들을 야기하여, 플라스마 아크에 대해 와이어를 정확하게 위치결정하는 것을 어렵게 하거나 불가능하게 할 수 있다.
[0011] 또한, 스풀로부터의 와이어의 풀림은 스풀 상에의 와이어의 코일링 성질(coiled nature)로 인해 와이어가 스풀을 떠날 때 와이어의 포지션의 변화들을 초래한다. 보다 높은 사용 속도들에서, 와이어의 수평 및 수직 포지션은 급속하게 변화할 수 있으며, 이는 와이어를 용접 토치에 전달하는데 사용되는 롤러들, 안내 휠들 또는 클램핑 장치들로부터의 미끄러짐을 초래할 수 있다.
[0012] 따라서, 당업계에서는, 증가된 금속 침착 속도로 임의 형상 제작을 수행하는 경제적인 방법에 대한 요구가 존재한다. 또한, 당업계에서는, 직접적인 금속 침착 성형 제품들의 처리량(throughput) 및 수율(yield)을 증가시키기 위해 금속 와이어의 미끄러짐 또는 변형없이 용접 토치에 제공될 수 있는 금속 와이어의 양을 증가시키는 시스템 및 방법에 대한 요구가 존재한다.
[0013] 본 발명의 목적은 임의 형상 제작에 의해 금속 물체들을 축조하기 위해 용접 토치에 금속 와이어를 전달하기 위한 시스템을 제공하는 것이다.
[0014] 본 발명의 다른 목적은 금속 와이어 및 하나 또는 그 초과의 용접 토치들을 사용하여 티타늄 또는 티타늄 합금 물체들을 쾌속 적층식으로 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 플라스마 아크에 대해 원하는 위치에서 용접 토치의 플라즈마 아크에 금속 와이어를 전달하기 위한 시스템들 및 방법들을 제공함으로써 직접적인 금속 침착을 수행하는 개선되고 경제적인 방법에 대한 요구들을 해결하며, 이에 의해 임의 형상 제작에서 금속 침착 속도를 증가시킬 수 있다. 본 발명은 처리량을 증가시키는 방법에 대한 요구를 추가로 해결하고, 최종 형상에 근접한 매끄러운 침착 경계들을 갖는 왜곡없는(distortion-free) 직접적인 금속 침착 성형 부품들을 제조할 수 있다.
[0015] 본 혁신은 와이어 소스로부터 금속 와이어를 수용하고 임의 형상 제작 시스템에 사용될 와이어를 송급하기 위한 금속 와이어 송급 시스템을 제공한다. 이 시스템은 와이어 소스로부터 금속 와이어를 수용하는 캐비닛(cabinet), 와이어 소스로부터 캐비닛으로 진입하는 와이어의 포지션을 모니터링하는 위치결정 센서(positioning sensor), 와이어 소스로부터 캐비닛 내로 와이어를 전진시켜 캐비닛 내에 슬랙 와이어의 루프를 형성하는 와이어 송급 장치(wire-feeding device), 캐비닛 내의 슬랙 와이어의 양을 검출 및 조절하는 하나 또는 그 초과의 센서, 및 소정량의 슬랙 와이어를 당겨서, 용접 토치에 대해 사전결정된 포지션에 위치결정되어 워크피스의 표면 상에 용융되도록 이 와이어를 와이어 가이드에 제공하는 와이어 제공 장치를 포함한다. 용접 토치는 임의의 적절한 설계 또는 구성을 가질 수 있다. 예시적인 용접 토치들은 플라즈마 아크 용접 토치들, 플라즈마 이행형 아크 용접 토치들, 가스 텅스텐 아크 용접 토치들, 가스 금속 아크 용접 토치들, 금속 불활성 가스 용접 토치들, 금속 활성 가스 용접 토치들, 레이저 장치들, 전자 빔 건들(electron beam guns) 및 이들의 임의의 조합을 포함한다.
[0016] 본원에 제공된 와이어 송급 시스템은 센서(들)에 응답하여 와이어 소스로부터 캐비닛 내로의 추가적인 와이어의 공급을 조절함으로써 슬랙 와이어의 루프 크기 및 그에 따른 캐비닛 내의 슬랙 와이어의 양을 조절하는 제어 시스템을 포함할 수 있다.
[0017] 본원에는, 포지션 조정 가능한 와이어 공급 스풀(wire supply spool)을 포함하는 와이어 공급 유닛(wire supply unit); 캐비닛―금속 와이어를 와이어 공급 유닛으로부터 캐비닛 내로 당기기 위한 와이어 장력 유닛(wire tension unit)을 포함함―; 슬랙 와이어의 루프를 버퍼(buffer)로서 생성하는 와이어 버퍼 유닛(wire buffer unit); 금속 와이어가 접촉 팁 조립체의 용접 토치의 플라즈마 아크에 송급되도록 슬랙 와이어를 버퍼 루프로부터 당겨서 캐비닛 외부로 접촉 팁 조립체로 송급하는 슬랙 와이어 전달 유닛을 포함한다.
[0018] 캐비닛은 금속 와이어(180)가 통과할 수 있는 개구(120)를 포함하는 진입 와이어 포지션 검출기(110); 전동 홈형 롤러(motorized grooved roller)(220), 수동 홈형 롤러(passive grooved roller)(205) 및 홈형 롤러(220)에 부착된 모터(225)를 포함하는 와이어 송급 장치(200)를 포함할 수 있다. 홈형 롤러들(205 및 220)은 마찰 증대 표면이 구비될 수 있다. 전동 홈형 롤러(220) 및 수동 홈형 롤러(205)는 함께 그 사이에 금속 와이어(180)가 통과하는 통로를 형성한다. 전동 홈형 롤러(220) 및 수동 홈형 롤러(205)는 금속 와이어(180)의 적어도 일부분과 마찰 접촉하고, 전동 홈형 롤러(220) 및 수동 홈형 롤러(205)의 회전은 금속 와이어(180)를 와이어 버퍼 유닛으로 송급한다.
[0019] 본원에 제공된 금속 와이어 송급 시스템들에서, 진입 와이어 포지션 검출기(110)는 개구(120) 내에서의 와이어(180)의 포지션을 검출할 수 있는 센서들(122)의 어레이를 더 포함한다. 예시적인 센서들은 광학 센서들, 광섬유 센서들, 근접 센서들, 광전 센서들, 자기 센서들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 이들 센서들은 상업적으로 입수 가능하다(예를 들면, Industrial Automation-Omron Corporation(Kyoto, Japan) 참조). 일부 구성들에서, 진입 와이어 포지션 검출기(110)는 광섬유 센서들의 어레이를 포함한다. 센서(122)는 와이어 공급 스풀을 X-방향, Y-방향 또는 Z-방향 또는 이들의 조합들로 재위치결정시킬 수 있는 제어 시스템과 통신할 수 있고 피드백(feedback)을 제어 시스템에 제공할 수 있다. 제어 시스템은 센서(122)로부터의 피드백에 응답하여 와이어 공급의 배향 제어를 제공할 수 있다. 본원에 제공된 시스템들의 캐비닛은 캐비닛을 개방하지 않고 캐비닛 내의 구성요소들의 관찰을 허용하도록 투명 윈도우(transparent window) 또는 투명 도어(transparent door) 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 투명 윈도우 또는 도어는 유리, 아크릴(폴리(메틸메타크릴레이트) 또는 PMMA), 글리콜-변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG) 또는 폴리카보네이트로 제조될 수 있다.
[0020] 본원에 제공된 금속 와이어 송급 시스템들에서, 와이어 송급 장치(200)는 와이어 공급 스풀로부터 캐비닛 내로 와이어를 송급하도록 구성될 수 있다. 롤러의 홈 내의 와이어 상에 홈형 롤러(205)에 의해 가해지는 압력(수직력)의 양을 조절하기 위해, 압력 장치(800)를 포함하는 와이어 장력 유닛(20)이 포함될 수 있다. 압력 장치(800)는 신장 시에 홈형 롤러(205)에 인가되는 압력을 증가시키고 수축 시에 홈형 롤러(205)에 인가되는 압력을 감소시키는 유압식, 공압식, 기계적 또는 전자적으로 구동되는 피스톤(piston)을 포함할 수 있다. 압력 장치(800)를 포함하는 장력 유닛(20)은 캐비닛 내로 송급되는 와이어(180)의 양을 조절하여 슬랙 와이어(185)의 루프를 형성한다.
[0021] 금속 와이어 송급 시스템의 와이어 버퍼 유닛(30)은 적어도 3 개의 와이어 가이드들의 조합을 포함할 수 있다. 제1 와이어 가이드(300)는 와이어 송급 장치(200) 이후에 그와 일렬로 위치결정되고, 제2 와이어 가이드(400)는 와이어 가이드(300)의 우측 및 그 아래에 위치결정되고, 제3 와이어 가이드(500)는 와이어 가이드(300)의 좌측 및 그 아래에 위치결정되고, 와이어 가이드(300) 및 와이어 가이드(500)는 서로 평행하게 위치결정된다. 와이어 가이드들(300, 400 및 500)은 슬랙 와이어(185)의 루프를 형성 및 지지한다. 일부 구성들에서, 슬랙 와이어(185)의 루프는 슬랙 와이어(185)의 비지지 부분에 대한 중력의 작용으로 인해 타원 형상을 형성한다.
[0022] 제1 와이어 가이드(300)는, 제1 및 제2 홈을 갖고, 캐비닛의 백 플레이트(back plate)(900)에 피봇식으로 연결된 아암(arm)(310)에 부착된 이중 홈형 롤러(305); 및 제1 및 제2 홈을 갖는 이중 홈형 롤러(320)를 포함하며, 롤러(305)의 제1 홈과 롤러(320)의 제1 홈은 채널(channel)을 형성하고, 롤러(305)의 제1 홈은 백 플레이트(900)에 연결된 지지체(330)에 연결되는 아암(310) 상의 스프링에 의해 편향된다.
[0023] 제2 와이어 가이드(400)는 캐비닛의 백 플레이트(900)에 피봇식으로 연결된 아암(410)에 부착된 홈형 롤러(405); 및 홈형 롤러(420)를 포함하며, 롤러(405)의 홈과 롤러(420)의 홈은 채널을 형성하고, 롤러(405)의 홈은 백 플레이트(900)에 연결된 지지체(430)에 연결되는 아암(410) 상의 스프링에 의해 편향된다. 제3 와이어 가이드(500)는 캐비닛의 백 플레이트(900)에 피봇식으로 연결된 아암(510)에 부착된 홈형 롤러(505); 및 홈형 롤러(520)를 포함하며, 롤러(505)의 홈과 롤러(520)의 홈은 채널을 형성하고, 롤러(505)의 홈은 백 플레이트(900)에 연결된 지지체(530)에 연결되는 아암(510) 상의 스프링에 의해 편향된다. 와이어 가이드들(300, 400 및 500)은 와이어 가이드(300)로부터 와이어 가이드(400)로, 와이어 가이드(500)로, 그리고 다시 와이어 가이드(300)로의 루프 경로(loop pathway)를 형성한다.
[0024] 본원에 제공된 금속 와이어 송급 시스템들의 와이어 버퍼 유닛은 루프 감지 장치(700)를 포함할 수 있다. 루프 감지 장치(700)는 캐비닛 내의 슬랙 와이어의 루프의 적어도 일부분을 검출하도록 위치결정될 수 있다. 일부 구성들에서, 루프 감지 장치(700)는 슬랙 와이어의 루프의 하측 부분을 검출한다. 루프 감지 장치(700)는 하나 또는 그 초과의 센서들을 포함할 수 있다. 루프 감지 장치(700)는 제어 시스템과 통신하는 센서(730)를 포함할 수 있으며, 센서(730)는 활성화 시에 보다 적은 금속 와이어(180)를 캐비닛 내로 송급하도록 제어 시스템에 신호를 송신한다. 루프 감지 장치(700)는 제어 시스템과 통신하는 센서(720)를 포함할 수 있으며, 센서(720)는 활성화 시에 보다 많은 금속 와이어(180)를 캐비닛 내로 송급하도록 제어 시스템에 신호를 송신한다. 루프 감지 장치(700)는 제어 시스템과 통신하는 센서(740)를 포함할 수 있으며, 센서(740)는 활성화 시에 금속 와이어(180)를 캐비닛 내로 송급하는 것을 중지하도록 제어 시스템에 신호를 송신한다. 루프 감지 장치(700)는 제어 시스템과 통신하는 센서(710)를 포함할 수 있으며, 센서(710)는 활성화 시에 와이어 송급 시스템을 가동 정지하도록 제어 시스템에 신호를 송신한다. 루프 감지 장치(700)는 센서들(710, 720, 730 및 740)의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 센서들의 다른 유형들 또는 구성들이 루프 감지 장치(700)로서 사용될 수 있다.
[0025] 금속 송급 시스템의 슬랙 와이어 전달 유닛(40)은 전동 홈형 롤러(620) 및 수동(비전동) 홈형 롤러(605)와, 홈형 롤러(620)에 부착된 모터(625)를 포함하는 슬랙 와이어 당김 장치(600)를 포함할 수 있다. 홈형 롤러들(605 및 620)은 마찰 증대 표면을 구비할 수 있다. 전동 홈형 롤러(620)와 수동 홈형 롤러(605)는 함께 그 사이에 금속 와이어(180)가 통과하는 통로를 형성한다. 전동 홈형 롤러(620) 및 수동 홈형 롤러(605)는 슬랙 와이어(180)의 적어도 일부분과 마찰 접촉하고, 전동 홈형 롤러(620) 및 수동 홈형 롤러(605)의 회전은 슬랙 와이어(185)를 당겨서, 캐비닛 외부로 챔버 출구 가이드(1000)를 통해 접촉 팁 조립체의 용접 토치의 플라즈마 아크로 송급한다.
[0026] 본원에 제공된 금속 와이어 송급 시스템들에서, 롤러들(220, 205, 620 및 605)의 홈들의 마찰 증대 표면은 표면 상에 돌출부들을 포함할 수 있다. 홈들의 마찰 증대 표면은 홈들과 이 홈들을 통과하는 와이어 사이의 마찰력들을 증가시킬 수 있다. 증대된 마찰력들은 와이어와 홈들 사이의 미끄러짐을 감소시킬 수 있다. 본원에 제공된 금속 와이어 송급 시스템들에서, 모터(225) 및 모터(625)는 각각 개별적으로 전력 제어 신호에 의해 구동되는 직류 모터 및 스테퍼 모터(stepper motor)일 수 있다.
[0027] 롤러의 홈 내의 슬랙 와이어 상에 홈형 롤러(605)에 의해 가해지는 압력(수직력)의 양을 조절하기 위해, 압력 장치(850)를 포함하는 슬랙 와이어 전달 유닛(40)이 포함될 수 있다. 압력 장치(850)는 신장 시에 홈형 롤러(605)에 인가되는 압력을 증가시키고, 수축 시에 홈형 롤러(605)에 인가되는 압력을 감소시키는 유압식, 공압식, 기계적 또는 전자적으로 구동되는 피스톤을 포함할 수 있다. 와이어 송급 장치(200)의 모터(225)는 홈형 롤러(220)에 연결되어 롤러(220)를 회전시킬 수 있다. 슬랙 와이어 당김 장치(600)의 모터(625)는 홈형 롤러(620)에 연결되어 롤러(620)를 회전시킬 수 있다. 와이어 송급 장치(200)의 모터(225)는 슬랙 와이어 당김 장치(600)와 독립적으로 작동하도록 구성될 수 있다.
[0028] 또한, 용접 토치의 플라즈마 아크에 금속 와이어를 제공하는 방법들이 제공되며, 상기 방법은, 슬랙 와이어의 루프를 형성하기 위해 와이어 공급 소스로부터 충분한 양의 금속 와이어를 전진시키는 단계; 슬랙 와이어의 루프로부터 용접 토치로 소정량의 슬랙 와이어를 전진시키는 단계; 및 슬랙 와이어의 루프를 유지하도록 용접 토치로 전진된 슬랙 와이어의 양을 보상하기 위해 와이어 공급 소스로부터 추가적인 금속 와이어를 공급하는 단계를 포함한다. 와이어 공급 소스로부터 전진된 슬랙 와이어의 양은 용접 토치로의 슬랙 와이어의 연속적인 전달을 허용하기 위해 슬랙 와이어의 루프를 유지하기에 충분하다. 와이어 공급 소스는 금속 와이어가 권취되는 포지션 조정 가능한 스풀일 수 있으며, 상기 방법은 슬랙 와이어의 루프를 형성하도록 전진될 금속 와이어를 제공하기 위해 스풀로부터 금속 와이어를 푸는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 스풀로부터 원하는 포지션으로 풀려진 와이어를 유지하기 위해 와이어 공급 스풀을 x-방향, y-방향 또는 z-방향 또는 이들의 조합들로 재위치결정시키는 단계를 포함할 수 있다.
[0029] 상기 방법들은 금속 와이어를 캐비닛 내로 송급하기 위해 금속 와이어와 마찰 접촉 상태로 롤러를 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 롤러의 회전은 롤러에 부착된 모터를 활성화시킴으로써 달성될 수 있으며, 롤러는 모터의 샤프트 또는 모터에 부착된 샤프트에 부착될 수 있다. 모터는 스테퍼 모터, 직류(DC) 모터, 브러시리스(brushless) DC 모터, 범용 모터, 릴럭턴스 모터(reluctance motor), 히스테리시스 모터(hysteresis motor), 유도 모터, 동기 모터, 분권 모터(shunt motor), 직권 모터(series motor), 복합 모터(compounded motors) 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 와이어 장력 유닛과 와이어 당김 유닛 사이의 버퍼로서 작용할 수 있는 슬랙 와이어의 루프로 인해, 공급 소스로부터의 금속 와이어의 전진은 소정량의 슬랙 와이어를 슬랙 와이어의 루프로부터 용접 토치의 플라즈마 아크로 전진시키는 것과 독립적일 수 있다. 상기 방법들은 또한, 슬랙 와이어를 용접 토치로 전달하기 위해 슬랙 와이어와 마찰 접촉 상태로 롤러를 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 롤러의 회전은 롤러에 부착된 모터를 활성화시킴으로써 달성될 수 있으며, 모터는 전력 제어 신호에 의해 구동되는 직류 모터 또는 스테퍼 모터이다.
[0030] 본원에는, 와이어 공급 유닛의 와이어 공급 스풀로부터 금속 와이어(180)를 수용하는 캐비닛을 포함할 수 있는 금속 와이어 송급 시스템들이 제공되며, 캐비닛은 개구(120)를 포함하는 진입 와이어 포지션 검출기(110)를 포함하며, 이 개구(120)를 통해 금속 와이어(180)가 캐비닛에 진입한다. 와이어 송급 장치(200)를 포함하는 와이어 장력 유닛은 와이어 공급 스풀로부터 와이어를 수용하고, 와이어 송급 장치는 전동 홈형 롤러(220), 수동 홈형 롤러(205), 및 홈형 롤러(220)에 부착된 모터(225)를 포함하며, 와이어는 전동 홈형 롤러(220) 및 수동 홈형 롤러(205) 각각의 홈의 적어도 일부분과 마찰 연통한다. 상기 시스템은 또한, 금속 와이어(180)로부터 슬랙 와이어(185)의 루프를 형성하는 3 개 또는 그 초과의 와이어 가이드들의 조합을 포함하는 와이어 버퍼 유닛을 포함한다. 상기 시스템은 또한, 전동 홈형 롤러(620), 수동 홈형 롤러(605), 및 홈형 롤러(620)에 부착된 모터(625)를 포함하는 슬랙 와이어 당김 장치(600)를 포함하는 슬랙 와이어 전달 유닛을 포함하며, 슬랙 와이어(185)는 전동 홈형 롤러(620) 및 수동 홈형 롤러(605) 각각의 홈의 적어도 일부분과 마찰 연통하고, 슬랙 와이어 당김 장치(600)는 슬랙 와이어(185)의 루프로부터의 슬랙 금속 와이어(185)를 캐비닛 외부로 캐비닛 출구 가이드(1000)를 통해 토치 용접 장치의 플라즈마 아크로 전진시킨다.
[0031] 본원에 제공된 금속 와이어 송급 시스템들의 와이어 버퍼 유닛에서, 슬랙 와이어의 루프를 형성하는 와이어 가이드들의 조합은, 제1 및 제2 홈을 갖고, 캐비닛의 백 플레이트(900)에 피봇식으로 연결된 아암(310)에 부착된 이중 홈형 롤러(305); 및 제1 및 제2 홈을 갖는 이중 홈형 롤러(320)를 포함하는 제1 와이어 가이드(300)를 포함할 수 있으며, 롤러(305)의 제1 홈과 롤러(320)의 제1 홈은 채널을 형성하고 전동 롤러(220)로부터 금속 와이어(180)를 수용하고, 롤러(305)의 제1 홈은 백 플레이트(900)에 연결된 지지체(330)에 연결되는 아암(310) 상의 스프링에 의해 금속 와이어(180)와 결합하도록 편향된다. 슬랙 와이어의 루프를 형성하는 와이어 가이드들의 조합은 와이어 가이드(300)의 우측 및 그 아래에 위치결정된 제2 와이어 가이드(400)를 포함할 수 있으며, 제2 와이어 가이드(400)는 롤러(305)의 제1 홈 및 롤러(320)의 제1 홈에 의해 형성된 채널을 가로지른 후의 금속 와이어(180)를 수용하고, 와이어 가이드(400)는 캐비닛의 백 플레이트(900)에 피봇식으로 연결된 아암(410)에 부착된 홈형 롤러(405); 및 홈형 롤러(420)를 포함하며, 롤러(405)의 홈과 롤러(420)의 홈은 채널을 형성하고 와이어 가이드(300)로부터 금속 와이어(180)를 수용하고, 롤러(405)의 홈은 백 플레이트(900)에 연결된 지지체(430)에 연결되는 아암(410) 상의 스프링에 의해 금속 와이어와 결합하도록 편향된다. 이 조합은 와이어 가이드(300)의 좌측 및 그 아래에 와이어 가이드(400)에 평행하게 위치결정된 제3 와이어 가이드(500)를 포함할 수 있으며, 와이어 가이드(500)는 롤러(405)의 홈 및 롤러(420)의 홈에 의해 형성된 채널을 가로지른 후의 금속 와이어(180)를 수용하고, 와이어 가이드(500)는 캐비닛의 백 플레이트(900)에 피봇식으로 연결된 아암(510)에 부착된 홈형 롤러(505); 및 홈형 롤러(520)를 포함하며, 롤러(505)의 홈과 롤러(520)의 홈은 채널을 형성하고 와이어 가이드(400)로부터 금속 와이어(180)를 수용하고, 롤러(505)의 홈은 백 플레이트(900)에 연결된 지지체(530)에 연결되는 아암(510) 상의 스프링에 의해 금속 와이어(180)와 결합하도록 편향되고; 금속 와이어(180)는 와이어 가이드(400)와 와이어 가이드(500) 사이에 슬랙 와이어(185)의 루프를 형성하고, 롤러(505 및 520) 사이에 형성된 채널을 가로지르고, 롤러(305)의 제2 홈과 롤러(320)의 제2 홈 사이에 형성된 채널을 통해 전진한다.
[0032] 본원에 제공된 금속 와이어 송급 시스템들에서, 홈들과 금속 와이어(180) 사이의 마찰을 증가시키기 위한 돌출부들을, 전동 롤러(220) 및 수동 롤러(205)의 홈들이 개별적으로 또는 조합하여 포함할 수 있고, 전동 롤러(620) 및 수동 롤러(605)의 홈들이 개별적으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 마찰 증가 기술들이 와이어 표면을 손상시키지 않는 한, 홈의 표면과 금속 와이어 사이의 마찰력을 증가시키는 롤러의 홈의 표면의 임의의 변형이 사용될 수 있다. 모터(225) 및 모터(625) 각각은 분권 모터들, 직권 모터들, 혼합 모터들, 유도 모터들, 동기 모터들, 스테퍼 모터들, DC 모터들, 브러시리스 DC 모터들, 범용 모터들, 릴럭턴스 모터들 및 히스테리시스 모터들 중에서 개별적으로 선택될 수 있다.
[0033] 금속 와이어 송급 시스템은 개구(120) 내에서의 와이어(180)의 포지션을 검출하는 센서(122)를 포함할 수 있는 진입 와이어 포지션 검출기(110)를 포함할 수 있다. 센서(122)는, 개구(120) 내에서의 금속 와이어(180)의 원하는 포지션을 유지하기 위해, 와이어 공급 스풀을 X-방향, Y-방향 또는 Z-방향 중 어느 하나 또는 이들의 조합들로 재위치결정하여, 스풀의 포지션 및 배향을 제어할 수 있는 제어 시스템(120)과 통신할 수 있다.
[0034] 본원에 제공된 금속 와이어 송급 시스템들에서, 금속 와이어(180)는 와이어 공급 스풀 상에 권취될 수 있고, 와이어 송급 장치(200)의 동작을 통해 캐비닛 내로 전진될 수 있다. 금속 와이어(180)는 알루미늄, 철, 코발트, 구리, 니켈, 탄소, 티타늄, 탄탈, 텅스텐, 니오븀, 금, 은, 팔라듐, 백금, 지르코늄 또는 이들의 합금 또는 조합물을 포함할 수 있다. 금속 와이어(180)는 Al, V, Sn, Zr, Mo, Nb, Cr, W, Si 및 Mn 중 하나 또는 조합물과 조합하여 Ti를 포함하는 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함할 수 있다. 금속 와이어(180)는 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-45Al-2Nb-2Cr, Ti-47Al-2Nb-2Cr, Ti-47Al-2W-0.5Si, Ti-47Al-2Nb-1Mn-0.5W-0.5Mo-0.2Si 및 Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 티타늄 합금을 포함할 수 있다. 금속 와이어(180)는 실질적으로 원형인 단면을 가질 수 있다. 금속 와이어(180)는 약 0.5 ㎜ 내지 약 5 ㎜ 범위의 직경을 가질 수 있다.
[0035] 본원에 제공된 금속 와이어 송급 시스템들은 금속 와이어(180) 상에 홈형 롤러(205)에 의해 가해지는 압력의 양을 조절하기 위한 압력 장치(800)를 포함할 수 있다. 압력 장치(800)는, 신장 시에 홈형 롤러(205)에 인가되는 압력을 증가시키고 수축 시에 홈형 롤러(205)에 인가되는 압력을 감소시키는 유압식, 공압식, 기계적 또는 전자적으로 구동되는 피스톤을 포함할 수 있다.
[0036] 본원에 제공된 금속 와이어 송급 시스템들은 금속 와이어(180) 상에 홈형 롤러(605)에 의해 가해지는 압력의 양을 조절하기 위한 압력 장치(850)를 포함할 수 있다. 압력 장치(850)는, 신장 시에 홈형 롤러(605)에 인가되는 압력을 증가시키고 수축 시에 홈형 롤러(605)에 인가되는 압력을 감소시키는 유압식, 공압식, 기계적 또는 전자적으로 구동되는 피스톤을 포함할 수 있다.
[0037] 와이어 송급 장치(200)의 모터(225)는 홈형 롤러(220)에 연결되어 롤러(220)를 회전시킬 수 있는 한편, 롤러(220)는 금속 와이어(180)와 마찰 접촉하여 금속 와이어(180)를 전진시킨다. 슬랙 와이어 당김 장치(600)의 모터(625)는 홈형 롤러(620)에 연결되어 롤러(620)를 회전시킬 수 있는 한편, 롤러(620)는 슬랙 와이어(185)와 마찰 접촉하여 홈형 롤러(620)의 회전의 결과로서 슬랙 금속 와이어(185)를 당긴다. 와이어 송급 장치(200)의 모터(225)는 슬랙 와이어 당김 장치(600)와 독립적으로 작동할 수 있다.
[0038] 본원에 제공된 금속 와이어 송급 시스템들에서, 3 개 또는 그 초과의 와이어 가이드들의 조합은 금속 와이어(180)에 영구 변형을 초래하지 않는 방식으로 금속 와이어(180)로부터 슬랙 와이어(185)의 루프를 형성하기 위해 금속 와이어(180)가 구부러지게 한다.
[0039] 또한, 용접 토치의 플라즈마 아크에 금속 와이어를 제공하는 방법들이 제공된다. 상기 방법들은 금속 와이어를 수용하기 위한 캐비닛을 제공하는 단계; 슬랙 와이어의 루프를 형성하기 위해 충분한 양의 금속 와이어를 와이어 공급 소스로부터 캐비닛 내로 송급하는 단계; 슬랙 와이어의 루프로부터 용접 토치의 플라즈마 아크로 소정량의 슬랙 와이어를 송급하는 단계; 슬랙 와이어의 루프를 유지하도록 용접 토치의 플라즈마 아크에 송급되는 슬랙 와이어를 보상하기 위해 와이어 공급 소스로부터 추가적인 금속 와이어를 공급하는 단계를 포함한다. 와이어 공급 소스로부터 공급되는 와이어의 양은 일반적으로 용접 토치의 플라즈마 아크로의 슬랙 와이어의 연속적인 전달을 허용하기 위해 슬랙 와이어의 루프를 유지하기에 충분하다. 금속 와이어가 용접 토치의 플라즈마 아크에 연속적으로 공급되고 용접 토치의 플라즈마 아크 내의 사전결정된 포지션에 유지될 수 있도록 캐비닛 내의 슬랙 와이어의 루프가 적절한 포지션에 유지된다. 이것은 안정적이고 신뢰성있는 와이어 송급 속도를 보장하여, 침착 프로세스에서 안정적인 대량 투입 속도를 제공한다. 금속 와이어 공급의 불안정성은 불안정한 침착을 야기할 수 있으며, 또한 와이어의 번-백(burn-back) 및 생산 중단을 초래할 수 있다. 슬랙 와이어 루프는, 와이어 공급 소스로부터 캐비닛 내로의 금속 와이어의 송급이 용접 토치의 플라스마 아크에 송급하기 위해 슬랙 와이어 루프로부터 소정량의 슬랙 와이어를 당기는 것과 독립적일 수 있게 한다. 슬랙 와이어의 루프는 공급 소스로부터 캐비닛 내로 금속 와이어를 송급하는 장력 유닛과, 루프로부터 슬랙 와이어를 당겨서 플라즈마 아크에 송급하는 슬랙 와이어 당김 유닛 사이의 버퍼로서 작용한다.
[0040] 상기 방법들은 금속 와이어를 캐비닛 내로 전달하기 위해 금속 와이어와 마찰 접촉 상태로 롤러를 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 롤러의 회전은 롤러에 부착된 모터를 활성화시킴으로써 달성될 수 있다. 모터는 분권 모터, 직권 모터, 혼합 모터, 유도 모터, 동기 모터, 스테퍼 모터, DC 모터, 브러시리스 DC 모터, 범용 모터, 릴럭턴스 모터 또는 히스테리시스 모터일 수 있다. 일부 구성들에서, 모터는 전력 제어 신호에 의해 구동되는 직류 모터 또는 스테퍼 모터이다. 상기 방법들은 와이어 공급 소스로부터 캐비닛 내로 추가적인 금속 와이어를 전달함으로써 슬랙 와이어의 루프를 유지하기 위해 캐비닛 내에 사전결정된 양의 슬랙 와이어를 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 공급 소스로부터 캐비닛 내로의 금속 와이어의 전달은 소정량의 슬랙 와이어를 슬랙 와이어의 루프로부터 용접 토치의 플라즈마 아크로 송급하는 것과는 독립적일 수 있다.
[0041] 상기 방법들은 슬랙 와이어를 용접 토치에 전달하기 위해 금속 와이어와 마찰 접촉 상태로 롤러를 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 롤러의 회전은 롤러에 부착된 모터를 활성화시킴으로써 달성될 수 있다. 모터는 전력 제어 신호에 의해 구동되는 직류 모터 또는 스테퍼 모터와 같은 임의의 모터일 수 있다. 상기 방법들은 용접 토치의 플라즈마 아크에 소모성 전극으로서 금속 와이어를 제공한다. 예시적인 용접 토치는 플라즈마 이행형 아크(PTA 토치)와 같은 플라즈마 아크 용접 토치(PAW 토치)이다. PAW 토치는, 특히 비반응성 가스들을 사용하여 아크(금속 불활성 가스 용접 또는 MIG-용접)를 만드는, 가스 금속 아크 용접(GMAW)과 같은, 금속 와이어를 가열 및 용융시키는 전기 아크를 생성할 수 있는 임의의 구성일 수 있다. 금속 와이어는 소모성 전극으로 사용되고, 전기 아크를 사용하여 용접 토치에 의해 생성된 플라즈마 아크 내부에서 용융되며, 용융 금속 와이어는 워크피스 상의 용융 풀 내에 침착되어 최종 형상에 근접한 금속 몸체들에 부가하거나 이들을 형성한다. 용접 토치는 또한 레이저 장치, 전자 빔 건 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다.
[0042] 또한, 임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3 차원 물체를 제조하기 위한 방법들이 제공되며, 물체는 베이스 재료(base material) 상에 금속 재료의 연속적인 침착물들을 함께 융착시킴으로써 제조되며, 상기 방법들은 금속 재료가 침착될 포지션에 있는 베이스 재료를 예열하기 위해 제1 가열 장치를 사용하는 단계; 금속 와이어를 가열 및 용융시켜, 용융된 와이어로부터의 용융 금속 재료가 베이스 재료 상에, 그리고 예열이 수행되는 경우 베이스 재료의 예열되거나 용융되거나 부분적으로 용융된 영역 상에 침착되게 하기 위해 제2 가열 장치에 금속 와이어를 제공하는 단계, 용융 금속 재료의 연속적인 침착물들이 응고되어 3 차원 물체를 형성하도록 사전결정된 패턴으로 제1 및 제2 가열 장치들의 포지션에 대해 베이스 재료를 이동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 제1 및 제2 장치로서의 PTA 토치와 같은 PAW 토치, 또는 제1 가열 장치로서의 PAW 토치 및 제2 가열 장치로서의 PAW 토치, 또는 제1 가열 장치로서의 레이저 및 제2 가열 장치로서의 레이저 장치, 또는 제1 가열 장치로서의 레이저 장치 및 제2 가열 장치로서의 전자 빔 건, 또는 제1 가열 장치로서의 전자 빔 건 및 제2 가열 장치로서의 레이저 장치, 또는 제1 가열 장치로서의 제1 전자 빔 건 및 제2 가열 장치로서의 제2 전자 빔 건을 이용할 수 있다. PAW 토치로서 PTA 토치를 포함하는 시스템들에서, PTA 토치는 PTA 토치의 전극이 캐소드(cathode)가 되고 금속 와이어가 애노드(anode)가 되도록 직류 전원에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 방법들은 제1 가열 장치로서의 동축 분말 송급 노즐 레이저 시스템(coaxial powder feed nozzle laser system) 및 제2 가열 장치로서의 레이저 시스템을 이용할 수 있다. 상기 방법들은 제1 가열 장치로서의 제1 전자 빔 장치 및 제2 가열 장치로서의 제2 전자 빔 장치를 이용할 수 있다.
[0043] 본 발명의 추가적인 특징들 및 이점들은 하기의 설명에 기술될 것이며, 이 설명으로부터 부분적으로 명백해지거나, 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다. 본 발명의 목적들 및 다른 이점들은 본원의 기재된 설명 및 청구범위뿐만 아니라, 첨부된 도면들에서 특히 지적된 구조에 의해 실현 및 달성될 것이다.
[0044] 상기의 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명 둘 모두는 예시적이고 설명적인 것이며, 청구된 바와 같은 본 발명의 추가의 설명을 제공하도록 의도된 것이라는 것이 이해되어야 한다.
[0045] 본 발명의 추가의 이해를 제공하도록 포함되고 본 명세서에 합체되거나 그 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들을 도시하고, 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
[0046] 도면들에 있어서:
[0047] 도 1은 본원에 제공된 금속 와이어 송급기 시스템의 구성요소들을 도시하는 다이어그램이다. 이 다이어그램에는, 와이어 공급 유닛(10), 와이어 장력 유닛(20), 와이어 버퍼 유닛(30) 및 슬랙 와이어 전달 유닛(40)이 도시되어 있다. 유닛들은 와이어 공급 소스로부터 접촉 팁 조립체의 용접 토치의 플라즈마 아크로 금속 와이어를 이동시키도록 상호 작용한다.
[0048] 도 2는 캐비닛 내의 슬랙 와이어 루프를 도시하는, 본원에 제공된 금속 와이어 송급기 시스템의 일 실시예의 개략적인 정면도이다. 슬랙 와이어의 루프는 슬랙 와이어를 플라스마 아크 또는 용접 토치에 송급하는 슬랙 와이어 당김 장치로부터, 공급 스풀로부터 와이어를 송급하는 와이어 송급 시스템을 분리하는 와이어 버퍼로서 작용한다.
[0049] 도 3은 예시적인 와이어 공급 유닛의 구성요소들을 도시하는 개략적인 정면 사시도이다.
[0050] 도 4는, 진입 와이어 포지션 검출기(110), 및 제1 수용 휠(130) 및 제2 수용 휠(135)을 포함하는 와이어 수용 유닛을 통해 캐비닛 내로의 금속 와이어(180)의 진입을 도시하는, 본원에 제공된 금속 와이어 송급기 시스템의 실시예의 개략적인 확대도이다.
[0051] 도 5는, 와이어 소스로부터 캐비닛 내로 와이어를 송급하는 압력 장치(800)를 포함하는 장력 유닛, 캐비닛 내에 소정량의 슬랙 와이어를 형성 및 유지하는 와이어 가이드들의 조합, 소정량의 슬랙 와이어를 당겨서 용접 토치의 플라즈마 아크에 송급하는 압력 장치(850)를 포함하는 슬랙 와이어 당김 유닛을 도시하는, 본원에 제공된 금속 와이어 시스템의 실시예의 개략적인 확대도이다.
[0052] 도 6은 예시적인 와이어 송급 장치(200)의 개략적인 확대도이다.
[0053] 도 7은 슬랙 와이어의 루프를 형성하는 일련의 3 개의 와이어 가이드들(300, 400 및 500)을 포함하는 예시적인 와이어 버퍼 유닛(30)의 개략적인 확대도이다.
[0054] 도 8은 예시적인 슬랙 와이어 당김 장치(600)의 개략적인 확대도이다.
A. 정의들
[0055] 달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명들이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원의 전체 개시에 걸쳐 언급된 모든 특허들, 특허 출원들, 공개 출원들 및 공보들, 웹사이트들 및 다른 공개 자료들은, 달리 언급되지 않는 한, 그 전체가 참조로 포함된다. 본원의 용어들에 대한 복수의 정의들이 있는 경우에, 본 섹션의 정의들이 우선한다. URL이나, 다른 그러한 식별자 또는 주소가 참조되는 경우, 그러한 식별자들은 변경될 수 있고, 인터넷 상의 특정 정보가 왔다갔다할 수 있지만, 인터넷을 검색함으로써 동등한 정보를 찾을 수 있는 것으로 이해된다. 그에 대한 참조는 그러한 정보의 이용 가능성 및 대중 전파를 명시하는 것이다.
[0056] 본원에서 사용된 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 문맥상 명확하게 달리 지시되지 않는 한 복수 지시 대상들을 포함한다.
[0057] 본원에서 사용된 바와 같이, 범위들 및 양들은 특정 값 또는 범위에 대해 "약"으로 표현될 수 있다. "약"은 또한 정확한 양도 포함한다. 따라서, "약 5%"는 "약 5%" 및 "5%"도 의미한다. "약"은 의도된 응용 또는 목적에 대한 전형적인 실험 오차 이내를 의미한다.
[0058] 본원에서 사용된 바와 같이, "선택적" 또는 "선택적으로"는 이후에 설명되는 사건(event) 또는 상황이 발생하거나 발생하지 않으며, 설명이 사건 또는 상황이 발생하는 경우들 및 발생하지 않는 경우들을 포함한다는 것을 의미한다.
[0059] 예를 들면, 시스템의 선택적인 구성요소는 구성요소가 시스템에 존재할 수 있거나 존재하지 않을 수 있다는 것을 의미한다.
[0060] 본원에서 사용된 바와 같이, "조합"은 2 개의 물품들 사이 또는 2 개 초과의 물품들 사이의 임의의 연관을 지칭한다. 이 연관은 공간적일 수 있거나, 통상적인 목적을 위해 2 개 또는 그 초과의 물품들의 사용을 지칭할 수 있다.
[0061] 본원에서 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 형성하고 전기 전도성으로 될 수 있고, 다음에 플라즈마가 전기 아크를 워크피스에 전달하고, 아크의 강렬한 열이 금속을 용융시키고, 및/또는 금속의 2 개의 피스들을 함께 융착시킬 수 있도록 설계된다. PAW 토치는 아크를 압축시켜 아크의 전력 밀도를 증가시키기 위한 노즐을 포함할 수 있다. 플라즈마 가스는 전형적으로 아르곤이다. 플라즈마 가스는 전극을 따라 송급되고 캐소드 부근에서 이온화되고 가속될 수 있다. 아크는 워크피스를 향해 지향될 수 있으며, (예컨대, TIG 토치에서의) 자유 연소 아크보다 안정적이다. PAW 토치는 또한 전형적으로 차폐 가스를 제공하기 위한 외부 노즐을 갖는다. 차폐 가스는 아르곤, 헬륨 또는 이들의 조합들일 수 있고, 차폐 가스는 용융 금속의 산화를 최소화하는 것을 돕는다. PAW 토치에서, 전류는 전형적으로 약 400 A 이하일 수 있고, 전압은 전형적으로 약 25 내지 35 V일 수 있다(그러나, 약 14 kW 이하일 수 있음). 본 발명은 PAW 토치의 임의의 특정 선택 또는 유형과 결부되지는 않는다. PAW 토치로서 기능할 수 있는 임의의 알려지거나 상상 가능한 장치가 사용될 수 있다. 예시적인 PAW 토치는 플라즈마 이행형 아크(PTA) 토치이다.
[0062] 본원에서 상호 교환 가능하게 사용된 바와 같은 용어 "플라즈마 이행형 아크 토치(plasma transferred arc torch)" 또는 "PTA 토치"는, 전기 아크 방전에 의해 불활성 가스의 스트림을 가열하여 플라즈마로 여기시키고, 다음에 전기 아크를 포함하는 플라즈마 가스의 유동을 오리피스(orifice)(예컨대, 노즐)를 통해 외부로 전달하여, 오리피스 외부로 연장되고 아크의 강렬한 열을 타깃 영역으로 전달하는 압축된 플룸(constricted plume)을 형성할 수 있는 임의의 장치를 지칭한다. 전극 및 타깃 영역은 PTA 토치의 전극이 캐소드가 되고 타깃 영역이 애노드가 되도록 직류 전원에 전기적으로 연결될 수 있다. 이것은 전기 아크를 포함하는 플라즈마 플룸이 PTA 토치로부터 공급되는 열 플럭스(heat flux)의 면적 확장 및 크기의 우수한 제어에 의해 타깃 영역의 작은 표면 영역에 고도로 집중된 열 유동을 전달하는 것을 보장할 것이다. 플라즈마 이행형 아크는 캐소드와 애노드 사이의 길이 편차들에 대해 거의 원더링(wandering)하지 않고 양호하게 허용하는 것에 의해 안정적이고 일관된 아크들을 제공하는 이점을 갖는다. 따라서, PTA 토치는 베이스 재료에 용융 풀을 형성하는 것 및 금속 와이어 송급물을 가열 및 용융시키는 것 모두에 적합하다. PTA 토치는 유리하게는 텅스텐으로 제조된 전극 및 구리로 제조된 노즐을 갖는다. 그러나, 본 발명은 PTA 토치의 임의의 특정 선택 또는 유형과 결부되지는 않는다. 금속 전극 와이어를 용융시키기 위한 안정적인 열원을 제공하는 PTA 토치로서 기능할 수 있는 임의의 알려지거나 상상 가능한 장치가 사용될 수 있다.
[0063] 본원에서 사용된 바와 같은 용어 "전력 밀도"는, 예를 들어 플라즈마 아크, 레이저 빔 또는 전자 빔으로부터, 단위 면적에 분배되는 전력의 양을 지칭한다.
[0064] 본원에 사용된 바와 같은 용어 "금속 재료"는 와이어로 형성되고 3 차원 물체를 형성하기 위해 임의 형상 제작 프로세스에 이용될 수 있는 임의의 알려지거나 상상 가능한 금속 또는 금속 합금을 지칭한다. 적합한 재료들의 예들은 티타늄 및 티타늄 합금, 예컨대, 즉 Ti-6Al-4V 합금들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
[0065] 본원에 사용된 바와 같은 용어 "유사한 금속 재료"는 금속 재료가 기준 금속 재료와 동일한 금속 또는 금속 합금인 것을 의미한다.
[0066] 본원에서 사용된 바와 같은 용어 "유지 기재(holding substrate)"는 유지 기재의 재료와 동일하거나 상이한 추가적인 재료가 워크피스를 형성하기 위해 SFFF 또는 임의 형상 제작의 기술을 사용하여 침착되는 타깃 기재를 지칭한다. 예시적인 실시예들에서, 유지 기재는 편평한 시트이다. 대안적인 실시예들에서, 유지 기재는 단조 부품일 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 유지 기재는 추가적인 재료가 침착될 물체일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 유지 기재는 워크피스의 일부가 될 수 있다. 유지 기재를 위한 재료는 금속 또는 금속 합금일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 유지 기재는 와이어 송급 재료와 동일한 금속으로 제조된다.
[0067] 본원에서 사용된 바와 같이, 용어들 제1, 제2, 제3 등은 본원에서 다양한 요소들, 구성요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들을 설명하는데 사용될 수 있으며, 이들 요소들, 구성요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들은 이들 용어들에 의해 한정되지 않아야 한다. 이들 용어들은 하나의 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션을 다른 영역, 층 또는 섹션과 구별하는데에만 사용될 수 있다. 본원에서 사용된 경우의 "제1", "제2" 및 다른 수치 용어들과 같은 용어들은 문맥에 의해 명확하게 표시되지 않는 한 시퀀스(sequence) 또는 순서를 의미하지 않는다. 따라서, 하기에서 논의되는 제1 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션은 예시적인 실시예들의 교시들을 벗어남이 없이 제2 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션으로 칭해질 수 있다.
[0068] 본원에서 사용된 바와 같은 용어 "베이스 재료(base material)"는 3 차원 물체를 형성하기 위한 용융 금속 재료를 수용하기 위한 타깃 재료를 지칭한다. 베이스 재료는 금속 재료의 제1 층을 침착하는 경우에는 유지 기재일 것이다. 금속 재료의 하나 또는 그 초과의 층들이 유지 기재 상에 침착되었을 경우, 베이스 재료는 금속 재료의 새로운 층을 침착시키려는 침착된 금속 재료의 상측 층일 것이다.
[0069] 본원에서 사용된 바와 같이, "슬랙 와이어(slack wire)"는 팽팽하게 유지되지 않거나, 장력하에 유지되지 않은 와이어의 그 부분을 지칭한다.
[0070] 본원에서 사용된 바와 같이, "직접적인 금속 침착(direct metal deposition)"은 워크피스가 컴퓨터-보조 설계 모델로부터 제조되는 적층 제조 프로세스 또는 3D 프린팅 기술을 지칭한다.
[0071] 본원에서 사용된 바와 같이, "마찰 증대 표면(frictionally enhanced surface)"은 동일한 재료의 미처리된 매끄러운 표면보다 많은 마찰을 나타내도록 변형된 표면을 지칭한다. 마찰을 증대시키는 표면에 대한 변형들은 표면을 거칠게 하는 것, 또는 표면 상에 돌출부들을 포함하는 것, 또는 모래 살포형 표면(gritted surface)을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 변형된 표면은 변형된 표면과 다른 표면, 예컨대 표면과 접촉하는 금속 와이어의 마찰 접촉을 (변형되지 않은 표면과 비교하여) 증대시켜서, 변형된 표면과 이 변형된 표면에 접촉하는 표면 사이의 미끄러짐을 최소화할 수 있다.
[0072] 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "워크피스(work piece)"는 임의 형상 제작을 사용하여 제조되는 금속 몸체를 지칭한다.
[0073] 본원에서 상호 교환 가능하게 사용되는 바와 같은 용어 "컴퓨터 보조 설계 모델" 또는 "CAD-모델"은 본 발명의 제2 양태에 따른 배열체의 제어 시스템에 이용될 수 있는, 형성될 물체의 임의의 알려지거나 상상 가능한 가상 3 차원 표현을 지칭한다: 유지 기재의 포지션 및 이동을 조절하고, 통합된 와이어 송급기로 용접 토치를 작동시켜, 물체의 가상 3 차원 모델에 따라 물리적 물체를 축조하게 하는 패턴으로 금속 재료의 연속적인 침착물들을 유지 기재 상에 융착함으로써 물리적 물체가 축조된다. 예를 들면, 이것은, 먼저 가상 3 차원 모델을 가상의 평행한 수평 층들의 세트로 분할한 후에, 각각의 평행한 층들을 가상의 의사(quasi) 1 차원 피스들의 세트로 분할함으로써 3 차원 물체의 가상의 벡터화된 적층식 모델을 형성하는 것에 의해 얻어질 수 있다. 다음에, 물리적 물체는, 제어 시스템을 결합시켜, 물체의 가상의 벡터화된 적층식 모델의 제1 층에 따른 패턴으로 금속 재료 송급물의 일련의 의사 1 차원 피스들을 지지 기재 상에 침착하여 융착시킴으로써 형성될 수 있다. 다음에, 물체의 가상의 벡터화된 적층식 모델의 제2 층에 따른 패턴으로 용접 가능한 재료의 일련의 의사 1 차원 피스들을 이전의 침착된 층 상에 침착하여 융착시킴으로써, 물체의 제2 층에 대해 시퀀스를 반복한다. 침착은, 침착 및 융착 프로세스의 반복에 기초하여, 전체 물체가 형성될 때까지 물체의 가상의 벡터화된 적층식 모델의 각각의 연속적인 층에 대해 층간에 계속된다. 그러나, 본 발명은 본 발명에 따른 배열체의 제어 시스템을 작동시키기 위한 임의의 특정 CAD-모델 및/또는 컴퓨터 소프트웨어와 결부되지는 않으며, 본 발명은 임의의 특정 유형의 제어 시스템과 결부되지도 않는다. 임의 형상 제작에 의해 금속 3 차원 물체들을 축조할 수 있는 임의의 알려지거나 상상 가능한 제어 시스템(CAD-모델, 컴퓨터 소프트웨어, 컴퓨터 하드웨어 및 액추에이터 등)은, 제어 시스템이 표면을 예열하고 및/또는 용융 풀을 형성하기 위한 하나의 제1 PAW 토치, 및 금속 재료의 송급 와이어를 용융 풀 내로 용융시키기 위한 제2 PAW 토치를 개별적으로 작동시키도록 조정되는 한, 이용될 수 있다.
B. 금속 와이어 송급 시스템
[0074] 직접적인 금속 침착(예를 들면, 적층 제조)을 사용하여 제조되는 성형 워크피스에 대한 용융 금속의 침착 속도는 금속 와이어가 접촉 팁 조립체의 용접 토치의 플라즈마 아크에 연속적으로 송급될 수 있도록 적절한 포지션에서 캐비닛 내에 소정량의 슬랙 와이어를 버퍼로서 유지하는 금속 와이어 송급 시스템을 사용하여 증가될 수 있는 것으로 결정되었다. 대표적인 금속 와이어 송급 시스템의 다이어그램이 도 1에 도시되어 있다. 상기 시스템은 와이어 공급 유닛(10), 와이어 장력 유닛(20), 와이어 버퍼 유닛(30) 및 슬랙 와이어 전달 유닛(40)을 포함한다. 유닛들이 서로 분리되어 있는 것으로 모식적으로 도시되어 있지만, 2 개 또는 그 초과의 유닛들, 또는 모든 유닛들은 챔버 또는 하우징과 같은 단일 구조체 내에 수납될 수 있다.
[0075] 본 발명 및 그 범위의 보다 완전한 이해는 하기에서 간단히 요약된 첨부 도면들로부터, 본 발명의 현재 바람직한 실시예들에 대한 하기의 상세한 설명으로부터, 그리고 첨부된 청구범위로부터 얻어질 수 있다. 와이어 공급 유닛을 도시하고 있지 않은 예시적인 금속 와이어 송급 시스템의 일부분의 개략도가 도 2에 도시되어 있다.
[0076] 예시적인 와이어 공급 유닛(10)의 구성요소들이 도 3에 도시되어 있다. 와이어 공급 유닛(10)은 금속 와이어(180)가 와이어 장력 유닛(20)에 제공될 수 있게 하는 구성요소들을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 금속 와이어(180)는 금속 와이어 공급 스풀(50)로부터 와이어 송급 시스템에 제공될 수 있다. 와이어 공급 스풀(50)은 제1 측방향 지지체(70) 및 제2 측방향 지지체(71)에 이동 가능하게 연결된 횡단 지지 요소(65)에 이동 가능하게 연결된 수직 지지 요소(60) 상의 피봇부(55)를 중심으로 회전하도록 장착될 수 있다. 피봇부(55)는 수직 지지 요소(60)에 이동 가능하게 연결되어 피봇부(55) 및 와이어 공급 스풀(50)이 Y 축에 대해 수직으로(지면에 대해 상하로) 이동할 수 있게 하여, 공급 스풀(50)이 바닥에 대해 상승 또는 하강될 수 있게 한다. 이것은 공급 스풀(50)로부터 나오는 금속 와이어(180)가 와이어 장력 유닛, 와이어 버퍼 유닛 및 슬랙 와이어 전달 유닛을 포함하는 캐비닛 내로의 진입 개구와 동일한 높이로 유지될 수 있게 한다.
[0077] 수직 지지 요소(60)는 금속 와이어 공급 스풀(50)의 수직 포지션을 조절하기 위해 피봇부(55)의 수직 포지션을 조정하기 위한 유압식, 공압식, 기계적 또는 전기적 리프팅 시스템(lifting system)을 포함할 수 있다. 전동 트랙 시스템(motorized track system)이 도 3에 도시되어 있지만, 임의의 리프팅 시스템이 사용될 수 있다. 금속 와이어 공급 스풀(50)의 수직 포지션의 변경들은 와이어가 스풀로부터 제거될 때 공급 스풀(50)로부터 풀리는 금속 와이어(180)가 실질적으로 동일한 높이로 유지될 수 있게 하며, 이는 와이어가 스풀로부터 풀릴 때 공급 스풀(50) 상에 감겨진 와이어의 직경 감소를 해결한다.
[0078] 수직 지지 요소(60)는 횡단 지지 요소(65)에 이동 가능하게 연결되어 수직 지지 요소(60)가 X 축에 대해 수평으로(도 3에 도시된 관점에서 볼 때 좌우로) 이동할 수 있게 한다. 이것은 와이어 공급 스풀(50)이 와이어 송급 시스템의 캐비닛에 보다 근접하게 또는 그로부터 더 멀리 재위치결정될 수 있게 한다. 횡단 지지 요소(65)는 금속 와이어 공급 스풀(50)의 수평 포지션을 조절하기 위해 수직 지지 요소(60)의 포지션을 조정하기 위한 유압식, 공압식, 기계적 또는 전기적 시스템을 포함할 수 있다. 전동 트랙 시스템이 도 3에 도시되어 있지만, 임의의 재위치결정 시스템이 수직 지지 요소(60)의 포지션을 조정하는데 사용될 수 있다.
[0079] 횡단 지지 요소(65)는 측방향 지지 요소들(70 및 71)에 이동 가능하게 부착되어, 횡단 지지 요소(65)가 Z 축에 대해 전방 및 후방으로(도 3에 도시된 관점에서 볼 때 전후로) 이동될 수 있게 한다. 이것은 금속 와이어 공급 스풀(50)로부터 풀리는 금속 와이어(180)가 재위치결정되어 와이어가 공급 스풀(50)로부터 풀릴 때 감지 장치(110)(도 7에 상세하게 도시됨)의 개구(120)의 실질적으로 중심 내에 금속 와이어(180)를 유지할 수 있게 한다. 각각의 측방향 지지 요소들(70 및 71)은 금속 와이어 공급 스풀(50)의 포지션을 조절하기 위해 횡단 지지 요소(65)의 포지션을 조정하기 위한 유압식, 공압식, 기계적 또는 전기적 시스템을 포함할 수 있다. 전동 트랙 시스템이 도 3에 도시되어 있지만, 임의의 재위치결정 시스템이 횡단 지지 요소(65)의 포지션을 조정하는데 사용될 수 있다.
[0080] 측방향 지지체(70)는, 예컨대 장착 플레이트(mounting plate)를 관통하는 볼트들 및 너트들을 통해 지면에 제거 가능하게 고정될 수 있는 전방 장착 지지체(72) 및 후방 장착 지지체(74)에 부착될 수 있다. 측방향 지지체(71)는, 예컨대 장착 플레이트를 관통하는 볼트들 및 너트들을 통해 지면에 제거 가능하게 고정될 수 있는 전방 장착 지지체(73) 및 후방 장착 지지체(75)에 부착될 수 있다. 전방 장착 지지체들(72 및 73) 또는 후방 장착 지지체들(74 및 75)은 크로스빔(crossbeam)을 사용하여 서로 부착될 수 있다. 도 2는 크로스빔(78)을 사용하여 서로 부착된 후방 장착 지지체들(74 및 75)을 도시하고 있다.
[0081] 제어 시스템(도시되지 않음)은 와이어 송급 시스템의 감지 장치(110)(도 2 및 도 4와, 부분적으로 도 5에 도시됨)로부터 신호들을 수신하여, 진입 개구(120)를 통해 캐비닛에 진입할 때 금속 와이어(180)의 원하는 포지션을 유지하기 위해 X-방향, Y-방향 또는 Z-방향으로 금속 와이어 공급 스풀을 재위치결정할 수 있다. 제어 시스템은 컴퓨터 프로세서 또는 중앙 처리 유닛(CPU), CPU 디스플레이, 하나 또는 그 초과의 전원 공급 장치들, 전원 공급 연결부들, 입력부들 및/또는 출력부들과 같은 신호 모듈들, 아날로그 신호들의 통합 차폐부, 저장 장치들, 회로 기판들, 메모리 칩들 또는 다른 저장 매체, 컴퓨터 판독 가능 프로그램이 그 안에 구현된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 프로그램은 시스템들의 어느 하나 또는 조합을 부분적으로 또는 완전히 자동화하기에 적절한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 프로그램은 파라미터(parameter)를 모니터링 및/또는 조정하기에 적절한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 예시적인 파라미터들은 하나 또는 그 초과의 센서들의 상태, 금속 와이어의 장력, 금속 와이어가 타깃 포지션을 통과하는 속도, 와이어 공급 스풀 상에 남아있는 금속 와이어의 양, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 예시적인 제어 시스템들은, Siemens AG(Munich, Germany)의 SIMATIC-S7-1500, Bosch Rexroth AG(Lohr am Main, Germany)로부터 입수 가능한 IndraMotion MTX 시스템, 및 SIGMATEK GmbH & Co. KG(Lamprechtshausen, Austria)로부터 입수 가능한 SIGMATEK C-IPC 콤팩트 산업용 컴퓨터 시스템을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
[0082] 제어 시스템은, 와이어 송급 장치(200)를 수납하는 캐비닛의 개구(120)의 실질적으로 중심에 금속 와이어(180)를 유지하기 위해 필요한 방향(들)으로, 피봇부(55)의 수직 포지션, 수직 지지 요소(60)의 포지션, 및 횡단 지지 요소(65)의 포지션 중 어느 하나 또는 조합의 재위치결정 기구들의 활성화를 지시할 수 있는 프로그램을 실행할 수 있는 컴퓨터를 포함할 수 있으며, 와이어 버퍼 유닛은 슬랙 와이어(185)의 루프를 형성하는데 사용된 일련의 3 개의 와이어 가이드들(300, 400 및 500), 및 슬랙 와이어(185)를 당겨서 챔버 출구 가이드(1000)(도 2 참조)를 통해 캐비닛 외부로 송급하는 슬랙 와이어 당김 장치(600)를 포함한다.
[0083] 성형 워크피스에 대한 용융 금속의 침착 속도는 금속 와이어가 용접 토치의 플라즈마 아크에 연속적으로 송급되고 용접 토지의 플라즈마 아크 내의 사전결정된 위치에서 유지될 수 있도록 적절한 포지션에서 캐비닛 내에 소정량의 슬랙 와이어를 버퍼로서 유지하는 금속 와이어 송급 시스템을 사용하여 증가될 수 있는 것으로 결정되었다. 슬랙 와이어의 루프는 안정적이고 신뢰성있는 와이어 송급 속도를 유지하기 위한 버퍼로서 작용하여, 제조 프로세스에서의 안정적인 대량 투입 속도를 보장할 수 있다. 불안정성들은 불안정한 침착뿐만 아니라 와이어의 번-백 및 생산 중단을 야기할 수 있다. 슬랙 와이어의 루프는 와이어 속도, 장력 또는 포지션에 있어서의 불안정성들을 최소화할 수 있다. 와이어 송급 속도는 금속 와이어가 용접 토치의 플라즈마 아크에 연속적으로 송급되어 워크피스 상에 용융되도록 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 용접 토치에 대한 금속 와이어의 연속적인 송급은 워크피스에의 금속의 원활하지 않거나 불연속적인 침착을 방지할 수 있다. 임의의 의도하지 않은 침착의 불연속성은 워크피스의 결함부들, 불규칙부들 및 흠들을 초래할 수 있으며, 이는 궁극적으로 최종 제품의 박리, 피로 또는 균열을 야기하여, 잠재적으로 의도된 목적에 사용할 수 없게 될 수 있다. 금속 와이어의 연속적인 송급의 속도 증가는 또한, 워크피스에 대한 용융 금속의 침착 속도가 증가될 수 있게 하여, 임의 형상 제작 프로세스의 효율을 증대시킨다.
[0084] 도 1을 참조하면, 와이어 장력 유닛(20)은 슬랙 와이어 전달 유닛(40)과 독립적으로 제어될 수 있다. 따라서, 금속 와이어는, 슬랙 와이어가 슬랙 와이어 전달 유닛(20)의 동작에 의해 와이어 송급 캐비닛 외부의 용접 토치의 플라즈마 아크에 제공되는 속도와 상이하거나 실질적으로 동일할 수 있는 속도로, 와이어 장력 유닛(20)의 동작에 의해 와이어 공급 유닛(10)으로부터 캐비닛 내로 공급될 수 있다. 이러한 배열에 따르면, 와이어 장력 유닛(20)의 동작에 의해 캐비닛 내로 송급되는 와이어의 양은 용접 토치의 플라즈마 아크에 송급하기 위해 슬랙 와이어 전달 유닛에 의해 당겨진 슬랙 와이어의 양과 독립적일 수 있다.
[0085] 일반적으로, 금속 와이어는 금속 와이어가 권취된 공급 스풀 상에 제공될 수 있다. 금속 와이어를 캐비닛에 제공하기 위해, 공급 스풀 상에 권취된 와이어의 전체 질량이 회전될 필요가 있다. 장력 유닛에 의해 와이어 공급 스풀로부터 와이어를 제거하는 질량 및 관성 작용들은 캐비닛 내의 슬랙 와이어의 루프에 의해 용접 토치에 제공된 와이어로부터 격리될 수 있다. 와이어 소스 스풀로부터 와이어를 제거하는 질량 및 관성 작용들이 용접 토치로 전달되는 와이어로부터 격리되기 때문에, 캐비닛 내에서의 와이어 미끄러짐이 최소화된다. 또한, 와이어가 와이어 공급 스풀을 향해 다시 당겨질 수 있게 하는 와이어 공급 스풀로부터의 임의의 관성 작용들은 슬랙 와이어의 루프에 의해 제거되고, 이에 의해 용접 토치의 플라즈마 아크에의 금속 와이어의 연속적인 공급을 전달하는 것을 가능하게 하여, 워크피스 상에의 용융 금속의 임의의 원치않는 불연속적 침착을 최소화한다. 금속 와이어의 연속적인 공급이 용접 토치의 플라즈마 아크에 제공되기 때문에, 침착 프로세스는 원활하고 연속적으로 유지될 수 있다.
[0086] 금속 와이어는 와이어 장력 유닛(20)을 사용하여 와이어 공급 유닛(10)으로부터 캐비닛 내로 송급될 수 있다. 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 와이어 송급 시스템은 와이어 공급 스풀(50)로부터의 금속 와이어(180)를 캐비닛 내로 송급할 수 있는 개구(120)를 포함하는 감지 장치(110)를 포함할 수 있다. 금속 와이어(180)는 와이어 송급 장치(200)에 의해 가해지는 장력을 통해 개구(120)의 실질적으로 중심에 유지될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 와이어(180)는 감지 장치(110)의 개구(120)를 통해 캐비닛에 진입할 수 있고, 수동 수용 휠(130) 및 수동 수용 휠(135)을 포함하는 와이어 수용 유닛을 통해 이동할 수 있으며, 수동 수용 휠(130) 및 수동 수용 휠(135)은 함께 그 사이에 금속 와이어(180)가 통과할 수 있는 채널을 형성한다. 수용 휠(130) 또는 수용 휠(135)은 선택적으로 금속 와이어(180)와 결합하도록 스프링에 의해 편향될 수 있다. 도 5를 참조하면, 금속 와이어(180)는 수동 홈형 롤러(205)와 전동 홈형 롤러(220) 사이의 금속 와이어(180) 상에 가해지는 견인력(pulling force)에 의해 선택적인 브래킷들(brackets)(140 및 145)을 통해 전진될 수 있다. 브래킷들(140 및 145)은 다른 장치들을 위한 장착 플랫폼들(mounting platforms)로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 금속 와이어(180)가 캐비닛에 진입할 때 이 금속 와이어(180)를 관찰하기 위한 카메라가 브래킷(140)에 장착될 수 있다. 임의의 헐거운 재료 또는 부스러기(debris)를 제거하기 위한 브러시(brush)가 브래킷(145)에 장착될 수 있다. 일부 구성들에서, 브래킷들(140 및 145)은 생략된다.
[0087] 도 2를 참조하면, 캐비닛은 캐비닛의 배면 부분을 한정하는 백 플레이트(900)를 포함할 수 있다. 백 플레이트(900)에는 프레임(100)이 부착되고, 이 프레임(100)에는 캐비닛의 측방향 외측 에지들을 한정하는 측벽들이 부착된다(도면에 도시되지 않음). 천장과 바닥은 선택적으로 측벽들에 연결될 수 있으며(도면에 도시되지 않음), 존재하는 경우 캐비닛의 상부와 하부를 각각 한정할 수 있다. 상측 투명 윈도우(103)는 힌지들(hinges)(도시되지 않음)을 통해 프레임(100)에 연결될 수 있으며, 2 개의 하측 투명 도어들(104)은 힌지들(101)을 통해 프레임(100)에 연결된다. 투명 윈도우(103) 및 2 개의 하측 투명 도어들(104)은 캐비닛의 전방을 구성한다. 윈도우 및 도어들은 유리, 아크릴(폴리메틸메타크릴레이트 또는 PMMA), 글리콜-변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG), 또는 폴리카보네이트와 같은 임의의 재료로 제조될 수 있다. 투명 윈도우 및 도어들은 캐비닛의 윈도우 또는 도어들을 개방할 필요 없이 금속 와이어 송급 시스템의 가시화를 허용한다. 센서들(122)은 금속 와이어(180)가 개구(120) 내에서 캐비닛 내로 이동할 때 금속 와이어(180)의 포지션을 결정하기 위해 개구(120) 주위에 위치결정될 수 있다. 센서들(122)은, 금속 와이어(180)가 개구(120)를 통해 캐비닛에 진입함에 따라 금속 와이어(180)의 원하는 포지션을 유지하기 위해 금속 와이어 공급 스풀을 X-방향, Y-방향 및/또는 Z-방향으로 재위치결정시킬 수 있는 제어 시스템(도시되지 않음)에 정보를 송신할 수 있다. 예시적인 센서들은 광학 센서들, 광섬유 센서들, 근접 센서들, 광전 센서들, 자기 센서들 및 이들의 조합들을 포함한다. 이들 센서들은 상업적으로 입수 가능하다(예를 들면, Industrial Automation-Omron Corporation(Kyoto, Japan) 참조). 일부 구성들에서, 광섬유 센서들의 어레이가 개구(120) 주위에 위치결정될 수 있다.
[0088] 여전히 도 2를 참조하면, 캐비닛 출구 가이드(1000)는 금속 와이어(180)를 캐비닛 외부로, 그리고 플라즈마 아크 용접 토치의 와이어 가이드 내로 지향시킬 수 있다. 캐비닛 출구 가이드(1000)는, 감지 장치(110)의 개구(120)와 캐비닛 출구 가이드(1000)를 연결하면 직선이 생기도록, 감지 장치(110)와 일렬로 그리고 감지 장치(110)에 평행하게 직접 캐비닛의 측벽에 위치결정될 수 있다. 캐비닛은 와이어를 우발적인 접촉으로부터 보호하고, 금속 와이어(180)를 맨손으로 만지는 것을 방지한다. 이것은 와이어의 오염을 최소화할 수 있으며, 이는 와이어 오염이 침착된 작업 제품에 결함부들을 유발할 수 있기 때문에 바람직하다. 캐비닛은 윈도우(102) 및/또는 도어들(104)의 상태를 모니터링하는 하나 또는 그 초과의 센서들을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 윈도우(102) 및/또는 도어들(104) 중 하나가 개방될 때마다 침착 프로세스가 중지되도록 프로그래밍될 수 있다. 예시적인 센서들은 전기 접촉 센서들, 광학 센서들, 근접 센서들, 광전 센서들, 자기 센서들 및 이들의 조합들을 포함한다. 예를 들면, 원통형 근접 센서(Industrial Automation-Omron Corporation(Kyoto, Japan))가 윈도우나 도어들 또는 둘 모두에 사용될 수 있다.
[0089] 예시적인 와이어 장력 유닛은 와이어 공급 스풀로부터 송급되는 와이어와 마찰 접촉을 하는 전동 롤러를 포함할 수 있는 와이어 송급 장치를 포함한다. 모터가 금속 와이어를 캐비닛 내에 송급하기 위해 롤러를 회전시킬 수 있다. 모든 유형의 모터가 사용될 수 있다. 예시적인 모터들은 분권 모터들, 직권 모터들, 혼합 모터들, 유도 모터들, 동기 모터들, 스테퍼 모터들, DC 모터들, 브러시리스 DC 모터들, 범용 모터들, 릴럭턴스 모터들 및 히스테리시스 모터들을 포함한다. 와이어 공급 롤러를 구동하는 모터는 전력 제어 신호에 의해 구동되는 종래의 DC 모터일 수 있다. 전력 제어 신호는 전력이 공급되는 작동 시간(on-time) 및 전력이 공급되지 않는 비작동 시간(off-time)을 한정하는 반복 듀티 사이클(duty cycle) 특성을 가질 수 있다. 모터는 롤러에 직접 부착될 수 있거나, 롤러는 모터의 샤프트, 또는 모터에 부착된 샤프트에 부착될 수 있다. 감속 기어 헤드(speed reducing gear head)가 모터를 롤러에 연결하는데 사용될 수 있다. 듀티 사이클 특성을 갖는 전력 제어 신호를 사용하여 모터를 구동하는 것은 회전 관성 또는 단계적 감속(wind-down) 작용들을 제어하고 회피하는 능력 때문에 와이어의 전진에 대한 정밀한 제어를 허용한다. 결론적으로, 과도한 양의 추가적인 와이어가 캐비닛 내에 공급되지 않고, 원하는 양의 슬랙 와이어를 유지하기에 충분한 양만이 캐비닛 내로 이송된다. 와이어 공급 롤러를 구동하는 모터는 구동 모터에 공급되는 전력 펄스들의 수를 전자적으로 제어함으로써 와이어 공급 스풀로부터 캐비닛 내로 정밀한 양의 와이어가 전진될 수 있게 하는 스테퍼 모터일 수 있다.
[0090] 예시적인 와이어 송급 장치(200)가 도 6에 도시되어 있다. 공급 스풀(50)로부터의 금속 와이어(180)(도 3에 도시됨)는 모터(225)에 부착된 전동 홈형 롤러(220) 및 수동 홈형 롤러(205)를 포함하는 와이어 송급 장치(200)의 동작에 의해 캐비닛 내로 송급된다. 모터(225)는 전력 제어 신호에 의해 구동되는 종래의 직류(DC) 모터와 같은 임의의 모터일 수 있거나, 구동 모터에 공급되는 전기 명령 펄스들의 수를 전자적으로 제어함으로써 정밀한 양의 와이어가 와이어 공급 스풀로부터 캐비닛 내로 전진될 수 있게 하는 스테퍼 모터일 수 있다. 금속 와이어(180)는 모터(225)에 부착된 전동 홈형 롤러(220)의 홈과 수동 홈형 롤러(205)의 홈 사이의 포지션으로 지향된다. 홈형 롤러(205) 및 홈형 롤러(220)는 금속 와이어(180)와 결합하고 롤러들 사이의 홈을 통해 금속 와이어(180)를 당길 수 있는 돌출부들을 홈에 포함할 수 있다. 홈의 돌출부들은 롤러 홈과 금속 와이어(180) 사이의 마찰력들을 증가시켜, 롤러들이 금속 와이어(180)와 마찰 결합하여 금속 와이어(180)를 롤러를 통해 전진시킬 수 있게 한다.
[0091] 수동 홈형 롤러(205) 및 전동 홈형 롤러(220)는 전형적으로 강철로 제조되지만, Inconel® 니켈-크롬 합금, Monel® 니켈-구리 합금 또는 ToughMet® 구리-니켈-주석 합금들과 같은 다른 합금들로 제조될 수 있다. 롤러가 강철로 제조되거나 강철을 포함하는 경우, 강철은 탄소강 또는 스테인리스강일 수 있다. 예시적인 강들은 S355, S355JR, S355J2, S355J2+N 및 S450J0을 포함한다. 홈형 롤러들은 상업적으로 입수 가능하다(예를 들면, Products for Industry, Inc.(Brighton, CO, USA) 및 SBI International(Hollabrun, Austria)로부터 입수 가능함).
[0092] 수동 홈형 롤러(205)에 의해 금속 와이어(180) 상에 가해지는 수직 압력의 양은 홈형 롤러(205)의 홈의 구성뿐만 아니라 압력 장치(800)에 의해 가해지는 압력의 선택에 의해 조정될 수 있다. 롤러는 V-홈, U-홈, 테이퍼형 홈, 원통형 홈, 60° 홈, 90° 홈, 또는 시브형 홈(sheave type groove)을 가질 수 있다. 압력 장치(800)에 의해 가해지는 압력의 증가는 홈형 롤러(205)에 의해 와이어 상에 가해지는 핀치 압력(pinch pressure)을 증가시킨다. 압력 장치(800)에 의해 너무 적은 압력이 가해지면, 홈형 롤러(205)와 홈형 롤러(220) 사이로부터 금속 와이어(180)의 미끄러짐이 발생할 수 있다. 압력 장치(800)에 의해 너무 많은 압력이 가해지면, 금속 와이어(180)의 변형이 발생할 수 있다. 압력 장치(800)에 의해 3 bar 이하의 압력이 인가될 수 있다. 압력 장치(800)는 신장 시에 홈형 롤러(205)에 인가되는 압력을 증가시키고 수축 시에 홈형 롤러(205)에 인가되는 압력을 감소시키는 유압식, 공압식, 기계적 또는 전자적으로 구동되는 피스톤을 포함할 수 있다. 모터(225)의 동작은 전동 홈형 롤러(220)와 와이어 공급 스풀(50) 사이의 금속 와이어(180)에 장력을 생성한다. 금속 와이어(180)는 이러한 장력을 통해 개구(120)의 실질적으로 중심에 유지될 수 있다.
[0093] 수동 홈형 롤러(205)와 전동 홈형 롤러(220) 사이에 생성된 통로를 통과한 후, 금속 와이어(180)는 수동 홈형 롤러들을 포함하는 와이어 가이드들의 조합을 포함하는 와이어 버퍼 유닛(30)으로 이동하여 캐비닛 내에 슬랙 와이어(185)의 루프를 형성한다. 와이어 버퍼 유닛(30)을 위한 와이어 가이드들의 예시적인 구성이 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 구성에서, 일련의 3 개의 수동 와이어 가이드들(300, 400 및 500)이 슬랙 와이어의 루프를 형성하는데 사용된다. 와이어 가이드들(300, 400 및 500)의 홈형 롤러들은 매끄럽고, 전형적으로 강철로 제조된다. 강철은 탄소강 또는 스테인리스강일 수 있다. 예시적인 강철은 S355, S355JR, S355J2, S355J2+N 및 S450J0을 포함한다. 전동 홈형 롤러(220)를 떠난 후에, 금속 와이어(180)는 이중 홈형 롤러(305) 및 이중 홈형 롤러(320)를 포함하는 이중 홈형 와이어 가이드(300)의 제1 홈에 진입한다. 롤러(305)는 아암(310)에 부착될 수 있으며, 아암(310)은 백 플레이트(900)에 피봇식으로 연결될 수 있어, 아암(310)이 백 플레이트(900)에 평행한 평면에서 연결축을 중심으로 수동적으로 회전할 수 있다. 롤러(305)는 금속 와이어(180)와 결합하도록 지지체(330)에 연결된 스프링에 의해 편향될 수 있다.
[0094] 금속 와이어(180)는 와이어 가이드(300)의 롤러들(305 및 320) 사이에 형성된 채널을 통해 안내되고, 와이어 가이드(300)의 이중 홈형 롤러(320)의 우측 및 그 아래에 위치결정된 와이어 가이드(400)를 향해 이동한다. 와이어 가이드(400)는 홈형 롤러(405) 및 홈형 롤러(420)를 포함할 수 있다. 롤러(405)는 아암(410)에 부착될 수 있으며, 아암(410)은 백 플레이트(900)에 피봇식으로 연결될 수 있어, 아암(410)이 백 플레이트(900)에 평행한 평면에서 연결축을 중심으로 수동적으로 회전할 수 있다. 롤러(405)는 금속 와이어(180)와 결합하도록 지지체(430)에 연결된 스프링에 의해 편향될 수 있다.
[0095] 금속 와이어(180)는 와이어 가이드(400)의 롤러들(405 및 420) 사이에 형성된 채널을 통해 안내되고, 와이어 가이드(500)를 향해 이동할 때 슬랙 와이어의 루프를 형성하며, 와이어 가이드(500)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 이중 홈형 롤러(320)의 좌측 및 그 아래에 위치결정된다. 와이어 가이드(500)는 홈형 롤러(505) 및 홈형 롤러(520)를 포함한다. 롤러(505)는 아암(510)에 부착될 수 있으며, 아암(510)은 백 플레이트(900)에 피봇식으로 연결될 수 있어, 아암(510)이 백 플레이트(900)에 평행한 평면에서 연결축을 중심으로 수동적으로 회전할 수 있다. 롤러(505)는 금속 와이어(180)와 결합하도록 지지체(530)에 연결된 스프링에 의해 편향될 수 있다. 와이어 가이드들(400 및 500) 사이의 금속 와이어(180)는 슬랙 와이어(185)의 단일 루프를 형성한다. 슬랙 와이어(185)의 루프는 와이어 가이드들(400 및 500) 사이의 비지지 금속 와이어 상의 중력의 작용들로 인해 타원 형상을 형성할 수 있다.
[0096] 캐비닛에 진입하도록 허용되는 슬랙 와이어가 많을수록, 슬랙 와이어(185)의 단일 루프가 커진다. 슬랙 와이어(185)의 루프는 침착 프로세스의 요구들을 따라가는 정확한 배향으로 충분한 금속 와이어(180)가 있다는 것을 확실하게 하기 위한 버퍼로서 작용한다. 침착 프로세스가 보다 고속으로 수행되고 있는 경우, 보다 많은 금속 와이어(180)가 캐비닛 내로 허용될 수 있고, 슬랙 와이어(185)의 루프는 캐비닛의 많은 부분을 차지할 수 있도록 비교적 클 수 있다. 침착 프로세스가 보다 저속으로 수행되고 있는 경우, 보다 적은 슬랙 와이어가 요구되고, 그에 따라 보다 적은 금속 와이어(180)가 캐비닛 내로 허용될 수 있고, 슬랙 와이어(185)의 루프는 캐비닛의 보다 작은 부분을 차지하도록 보다 작을 수 있다.
[0097] 본원에 제공된 금속 와이어 송급 시스템은 캐비닛 내의 슬랙 와이어 루프의 존재를 검출할 수 있는 루프 감지 장치(700)를 포함할 수 있다. 예시적인 루프 감지 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 루프 감지 장치(700)는 캐비닛 내의 슬랙 와이어의 양을 결정하는데 사용될 수 있는 센서들(710, 720, 730 및 740)을 포함한다. 센서들은 센서들로부터 수신된 피드백에 응답하는 제어 시스템과 통신할 수 있다. 각각의 센서는 금속 와이어(180)가 센서에 의해 감지될 때 제어 시스템에 신호를 개별적으로 송신할 수 있다. 센서로부터의 신호에 응답하여, 제어 시스템은 와이어 소스로부터 캐비닛 내로 인입되는 추가적인 와이어의 공급을 조절하고, 이에 의해 슬랙 와이어 루프의 크기 및 그에 따른 캐비닛 내의 슬랙 와이어의 양을 조절할 수 있다. 예시적인 센서들은 광학 센서들, 광섬유 센서들, 근접 센서들, 광전 센서들, 자기 센서들 및 이들의 조합들을 포함한다. 이들 센서들은 상업적으로 입수 가능하다(예를 들면, Industrial Automation-Omron Corporation(Kyoto, Japan) 참조). 일부 구성들에서, 센서들(710, 720, 730 및 740)은 슬랙 와이어와의 접촉을 필요로 하지 않는 광섬유 센서들 또는 근접 센서들이다.
[0098] 예를 들면, 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 추가적인 금속 와이어(180)가 와이어 송급 장치(200)의 동작들을 통해 캐비닛 내로 이송됨에 따라, 슬랙 와이어(185)의 루프의 하부가 하강하기 시작한다. 와이어 가이드들(300, 400 및 500)의 포지션 및 비지지 슬랙 와이어에 대한 중력의 작용으로 인해, 슬랙 와이어(185)의 루프는 대체로 타원 형상을 갖는다. 슬랙 와이어(185)의 루프의 하부가 센서(720)의 근방에 있는 경우, 센서(720)는 제어 시스템에 신호를 송신한다. 제어 시스템은 센서(720)로부터의 신호에 응답하여 보다 많은 와이어를 캐비닛 내로 송급하도록 사전 프로그래밍된다. 보다 많은 금속 와이어(180)가 캐비닛 내로 송급됨에 따라, 슬랙 와이어의 루프의 하측 부분이 하강한다. 슬랙 와이어(185)의 루프의 하부가 센서(730)의 근방에 있는 경우, 센서(730)는 제어 시스템에 신호를 송신한다. 제어 시스템은 센서(730)로부터의 신호에 응답하여 보다 적은 와이어를 캐비닛 내로 송급하도록 사전 프로그래밍된다. 슬랙 와이어(185)의 루프의 하부와 센서들(720 및 730) 사이의 상호 작용은 침착 프로세스 동안에 용접 토치의 플라즈마 아크를 공급하기 위해 캐비닛 내로의 슬랙 와이어의 실질적으로 일정한 공급을 초래할 수 있다.
[0099] 침착 프로세스가 상당히 느려지는 경우, 슬랙 와이어(185)의 루프의 하부는 캐비닛의 바닥을 향해 하강하고, 센서(740)에 근접하게 되어 센서(740)에 의해 검출된다. 자신과 얽히거나, 다른 방식으로 시스템을 통한 와이어의 용이한 통과를 방해할 수 있는 과도한 슬랙 와이어가 캐비닛 내에 모이는 것을 방지하기 위해, 제어 시스템은 센서(740)로부터의 신호를 수신할 때, 추가적인 금속 와이어(180)가 캐비닛 내로 진입하는 것을 중지시키기 위해 모터(225)를 정지하도록 프로그래밍될 수 있다.
[00100] 침착 프로세스가 상당히 가속되는 경우, 또는 와이어 송급 공급이 금속 와이어(180)에 대한 요구를 따라갈 수 없는 경우, 슬랙 와이어(185)의 루프의 하부가 캐비닛의 상부를 향해 상승하여, 먼저 센서(720)와 근접하게 된다. 센서(720)로부터 제어 시스템으로의 신호에 응답하여 충분한 금속 와이어가 캐비닛 내로 이송되지 않으면, 슬랙 와이어(185)의 루프의 하부가 상향 상승을 계속한다. 루프는 결국 센서(710)와 근접하게 되어 센서(710)에 의해 검출될 것이다. 센서(710)는 신호를 제어 시스템에 송신하고, 제어 시스템은 센서(710)로부터 신호를 수신할 때, 모터들(225 및 625) 및 플라즈마 아크 용접 토치를 포함하여 전체 시스템을 가동 정지시켜 침착 프로세스를 중단시키도록 프로그래밍될 수 있다. 가동 정지는 장비에 대한 손상의 위험성을 최소화한다.
[00101] 슬랙 와이어(185)가 와이어 가이드(500)의 롤러들을 떠난 후에, 슬랙 와이어(185)는 와이어 가이드(300)의 이중 홈형 롤러(305)의 제2 홈과 이중 홈형 롤러(320)의 제2 홈 사이의 채널을 통해 안내되고, 전동 홈형 롤러(620)에 연결된 모터(625) 및 수동 홈형 롤러(605)를 포함하는 슬랙 와이어 당김 장치(600)를 향해 이동한다.
[00102] 모터(625)는 전력 제어 신호에 의해 구동되는 종래의 직류(DC) 모터와 같은 임의의 모터일 수 있거나, 구동 모터에 공급되는 전기 명령 펄스들의 수를 전자적으로 제어함으로써 정밀한 양의 와이어가 와이어 공급 스풀로부터 캐비닛 내로 전진될 수 있게 하는 스테퍼 모터일 수 있다. 슬랙 와이어(185)는 모터(625)에 부착된 전동 홈형 롤러(620)와 수동 홈형 롤러(605) 사이의 포지션으로 지향된다. 수동 홈형 롤러(605) 또는 전동 홈형 롤러(620) 또는 둘 모두는 슬랙 와이어(185)와 결합하여 롤러들을 통해 슬랙 와이어(185)를 전진시킬 수 있는 돌출부들을 홈에 포함할 수 있다. 홈의 돌출부들은 롤러 홈과 슬랙 와이어(185) 사이의 마찰력들을 증가시켜 롤러들이 슬랙 와이어(185)와 마찰 결합하여 슬랙 와이어(185)를 롤러들을 통해 당길 수 있게 한다.
[00103] 수동 홈형 롤러(605) 및 전동 홈형 롤러(620)는 전형적으로 강철로 제조되지만, Inconel® 니켈-크롬 합금, Monel® 니켈-구리 합금 또는 ToughMet® 구리-니켈-주석 합금들과 같은 다른 합금들로 제조될 수 있다. 롤러가 강철로 제조되거나 강철을 포함하는 경우, 강철은 탄소강 또는 스테인리스강일 수 있다. 예시적인 강들은 S355, S355JR, S355J2, S355J2+N 및 S450J0을 포함한다. 홈형 롤러들은 상업적으로 입수 가능하다(예를 들면, Products for Industry, Inc.(Brighton, CO, USA) 및 SBI International(Hollabrun, Austria)로부터 입수 가능함).
[00104] 수동 홈형 롤러(605)에 의해 슬랙 와이어(185) 상에 가해지는 수직 압력의 양은 홈형 롤러(605)의 홈의 구성뿐만 아니라, 압력 장치(850)에 의해 가해지는 압력의 선택에 의해 조정될 수 있다. 롤러는 V-홈, U-홈, 테이퍼형 홈, 원통형 홈, 60° 홈, 90° 홈 또는 시브형 홈을 가질 수 있다. 압력 장치(850)에 의해 가해지는 압력의 증가는 홈형 롤러(605)에 의해 와이어 상에 가해지는 핀치 압력을 증가시킨다. 압력 장치(850)에 의해 너무 적은 압력이 가해지면, 홈형 롤러(605)와 전동 홈형 롤러(620) 사이로부터 슬랙 와이어(185)의 미끄러짐이 발생할 수 있다. 압력 장치(850)에 의해 너무 많은 압력이 가해지면, 금속 와이어(180)의 변형이 발생할 수 있다. 압력 장치(800)에 의해 3 bar 이하의 압력이 인가될 수 있다.
[00105] 압력 장치(850)는 신장 시에 수동 홈형 롤러(605)에 인가되는 압력을 증가시키고 수축 시에 수동 홈형 롤러(605)에 인가되는 압력을 감소시키는 유압식, 공압식, 기계적 또는 전자적으로 구동되는 피스톤을 포함할 수 있다. 모터(625)의 동작은 와이어를 당겨서, 슬랙 와이어(185)의 루프의 크기를 감소시킨다. 모터들(225 및 625)은 개별적으로 작동될 수 있고, 이들 각각의 동작들은 캐비닛 내의 슬랙 와이어의 양 및 슬랙 와이어(185)의 루프의 크기를 조정할 수 있다. 홈형 롤러(605) 및 전동 홈형 롤러(620)를 통과한 후에, 슬랙 와이어(185)는 캐비닛 출구 가이드(1000)를 통해 이동하고, 플라즈마 아크 용접 토치 장치의 와이어 가이드로 전달된다.
[00106] 모터(625)는 용접 장치와 통신할 수 있으며, 용접 장치는 용접 토치 장치에 슬랙 와이어(185)를 공급하기 위해 캐비닛 출구 가이드(1000)를 통해 캐비닛 외부로 슬랙 와이어(185)를 전진시키도록 모터(625)에 신호를 송신할 수 있다.
[00107] 슬랙 와이어(185)의 루프는 와이어의 수요측 상의 슬랙 와이어 당김 유닛의 당김 동작이 금속 와이어(180)를 제공하는 공급 스풀(50)에 의해 유발되는 가능한 부정적인 영향들로부터 분리될 수 있게 한다. 스풀로부터의 임의의 회전 관성 및 와이어 스풀로부터 인출된 와이어의 질량은 와이어 송급 시스템의 유입 부분(예컨대, 장력 유닛의 감지 장치(110) 및 모터(225))에 의해 해결되거나, 슬랙 와이어(185)의 루프에 의해 흡수되어, 그것이 용접 토치 부근의 와이어에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 이 시스템은 와이어 송급 시스템의 입구측에서의 와이어의 풀림이 와이어를 용접 토치로 전진시키는 것과 분리될 수 있게 한다. 슬랙 와이어의 루프가 와이어 가이드들(400 및 500)로부터 캐비닛 내에서 자유롭게 매달려 있기 때문에, 루프의 와이어는 장력하에 있지 않고, 모터(225 또는 625)의 동작들에 의해 용이하게 전진될 수 있다. 슬랙 와이어(185)의 루프는 또한 워크피스 상에 금속의 침착을 중단하지 않고서 와이어 공급 스풀(50)이 교체될 수 있게 한다. 슬랙 와이어(185)의 루프는 또한, 와이어 공급 스풀(50)과 용접 토치의 와이어 공급기 사이에 버퍼로서 소정 길이의 와이어를 제공함으로써 와이어가 일정한 속도로 용접 토치에 제공될 수 있게 한다.
[00108] 와이어 송급 시스템은 와이어 공급 스풀의 회전 관성으로 인해 생길 수 있는 와이어의 미끄러짐을 감소시키도록 설계되어 있다. 미끄러짐은 용접 토치의 아크에 금속 와이어를 정렬하고자 할 때 나타나는 와이어의 변형들 또는 다른 문제들을 유발할 수 있다. 바람직한 실시예들에서, 와이어는 일부 시스템들에서 사용되는 바와 같이 곡선형이 아닌 직선형이다. 특히, 금속 와이어는 직선형이며, 스템퍼(Stempfer)(미국 특허 출원 공개 제2014/0061165호)에 개시된 바와 같은 2 개의 토치 시스템에서 사용될 수 있다. 그러한 시스템들에서, 용접 토치의 플라즈마 아크에 금속 와이어의 정렬을 유지하기 위해 와이어 송급 유닛이 직선형 금속 와이어를 전달할 수 있다는 것이 중요하다.
[00109] 감지 장치(110)를 제외한 캐비닛 내의 와이어 송급 시스템의 구성요소들 각각은 궁극적으로 백 플레이트(900)에 연결된다. 백 플레이트(900)는 와이어 송급 시스템의 구성요소들을 지지하기에 적합한 임의의 재료를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 백 플레이트(900)는 탄소강, 스테인리스강, S355, S355JR, S355J2, S355J2+N 및 S450J0 중에서 선택된 강철, AA 6063, AA 6063-T6, EN AW-6063T6, AW-6082-T6 및 EN AW-6063T6/6082T6 중에서 선택된 알루미늄 합금과 같은 알루미늄 합금, Inconel® 니켈-크롬 합금, Monel® 니켈-구리 합금, 또는 ToughMet® 구리-니켈-주석 합금일 수 있다.
[00110] 슬랙 와이어(185)의 루프를 형성하는 금속 와이어(180)는 플라즈마 아크 용접, 특히 플라즈마 이행형 아크 용접에 사용되는 임의의 금속일 수 있다. 금속 와이어는 티타늄일 수 있거나 티타늄을 포함할 수 있다. 금속 와이어는 Al, V, Sn, Zr, Mo, Nb, Cr, W, Si 및 Mn 중 하나 또는 조합물과 조합하여 Ti를 포함하는 티타늄 합금일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들면, 예시적인 티타늄 합금들은 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-45Al-2Nb-2Cr, Ti-47Al-2Nb-2Cr, Ti-47Al-2W-0.5Si, Ti-47Al-2Nb-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. 금속 와이어는 임의의 직경 또는 치수를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속 와이어의 직경은 약 0.1 ㎜ 내지 약 10 ㎜의 범위일 수 있다. 예를 들면, 금속 와이어는, 예컨대 1.0 ㎜, 1.6 ㎜ 또는 2.4 ㎜의 직경을 가질 수 있다.
[00111] 와이어 송급 시스템은 임의의 용접 토치에 금속 와이어를 공급하는데 사용될 수 있다. 예시적인 용접 토치는 PAW 토치이다. PAW 토치는, 특히 불활성 가스들을 사용하여 아크(금속 불활성 가스 용접 또는 MIG-용접)를 만드는, 가스 금속 아크 용접(GMAW)과 같은, 금속 와이어를 가열 및 용융시키는 전기 아크를 생성할 수 있는 임의의 구성일 수 있다. 예시적인 PAW 토치는 PTA 토치이다. 금속 와이어는 전기 아크를 사용하여 토치에 의해 생성된 플라즈마에서 용융되게 되며, 용융 금속 와이어는 워크피스 상의 용융 풀 내에 침착되어 최종 형상에 근접한 금속 몸체들에 부가하거나 이들을 형성한다. 금속 와이어의 송급 속도 및 포지션은, 금속 와이어가 연속적으로 가열되고 베이스 재료 내의 용융 풀 위의 의도된 포지션에 도달할 때 용융되는 것을 보장하기 위해, PAW 토치에 대한 전력 공급의 영향에 따라 제어 및 조절될 수 있다. 예시적인 용접 시스템들은 굴드베르그(Guldberg)(WO 2011/019287); 아일랜드(Ireland) 등(미국 특허 제7,220,935호); 코몬(Comon) 등(미국 특허 제9,145,832호); 쿠퍼(Cooper) 등(미국 특허 출원 공개 제2010/0276396호); 비스컵(Biskup) 등(미국 특허 출원 공개 제2013/0140280호); 및 스템퍼(미국 특허 출원 공개 제2014/0061165호)에 개시되어 있다.
[00112] 상기의 설명은 혁신을 상당히 상세하게 설명하고 있지만, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 오히려 본 발명의 다양한 실시예들의 예시들을 제공하는 것으로 해석되어야 한다.
[00113] 당업자에게는, 다양한 변형들 및 변경들이 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 발명에서 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 변형들 및 변경들이 첨부된 청구범위 및 그 동등물의 범위 내에 있다면 이들을 커버하는 것으로 의도된다.
하기는 설명 및 첨부 도면들에 사용된 참조 번호들의 목록이다.
10 : 와이어 공급 유닛
20 : 와이어 장력 유닛
30 : 와이어 버퍼 유닛
40 : 슬랙 와이어 전달 유닛
50 : 와이어 공급 스풀
55 : 피봇부
60 : 수직 지지 요소
65 : 횡단 지지 요소
70 : 제1 측방향 지지 요소
71 : 제2 측방향 지지 요소
72 : 전방 장착 지지체
73 : 전방 장착 지지체
74 : 후방 장착 지지체
75 : 후방 장착 지지체
78 : 프레임 크로스빔
100 : 프레임
101 : 힌지
103 : 상측 투명 윈도우
104 : 하측 투명 도어(들)
110 : 감지 장치
120 : 개구
122 : 포지션 센서
130 : 와이어 수용 유닛의 제1 수용 휠
135 : 와이어 수용 유닛의 제2 수용 휠
140 : 선택적인 브래킷
145 : 선택적인 브래킷
180 : 금속 와이어
185 : 슬랙 와이어
200 : 와이어 송급 장치
205 : 수동 홈형 롤러
210 : 아암
220 : 전동 홈형 롤러
225 : 모터
300 : 제1 슬랙 와이어 가이드
305 : 이중 홈형 롤러
310 : 아암
320 : 이중 홈형 롤러
330 : 지지체
400 : 제2 슬랙 와이어 가이드
405 : 수동 홈형 롤러
410 : 아암
420 : 수동 홈형 롤러
430 : 지지체
500 : 제3 슬랙 와이어 가이드
505 : 수동 홈형 롤러
510 : 아암
520 : 수동 홈형 롤러
530 : 지지체
600 : 슬랙 와이어 당김 장치
605 : 수동 홈형 롤러
610 : 아암
620 : 전동 홈형 롤러
625 : 모터
700 : 루프 감지 장치
710 : 센서
720 : 센서
730 : 센서
740 : 센서
780 : 지지 요소
790 : 지지 요소
800 : 압력 장치
850 : 압력 장치
900 : 백 플레이트
1000 : 캐비닛 출구 가이드

Claims (28)

  1. 금속 와이어 송급 시스템(metal wire feeding system)으로서,
    포지션 조정 가능한 와이어 공급 스풀(wire supply spool);
    개구를 포함하는 진입 와이어 포지션 검출기를 포함하는 캐비닛(cabinet);
    제1 전동 홈형 롤러(motorized grooved roller), 제1 수동 홈형 롤러(passive grooved roller), 및 상기 제1 전동 홈형 롤러에 부착된 제1 모터를 포함하는 와이어 송급 장치―상기 제1 전동 홈형 롤러 및 상기 제1 수동 홈형 롤러는 그 사이에 채널(channel)을 형성함―;
    적어도 3 개의 슬랙 와이어 가이드들(slack wire guides)의 조합―제1 슬랙 와이어 가이드는 상기 와이어 송급 장치 이후에 그와 일렬로 위치결정되고, 제2 슬랙 와이어 가이드는 상기 제1 슬랙 와이어 가이드의 우측 및 그 아래에 위치결정되고, 제3 슬랙 와이어 가이드는 상기 제1 슬랙 와이어 가이드의 좌측 및 그 아래에 위치결정됨―;
    제2 전동 홈형 롤러, 제2 수동 홈형 롤러, 및 상기 제2 전동 홈형 롤러에 부착된 제2 모터를 포함하는 슬랙 와이어 당김 장치(slack wire pulling device)―상기 제2 전동 홈형 롤러 및 상기 제2 수동 홈형 롤러는 그 사이에 채널을 형성함―; 및
    캐비닛 출구 가이드(cabinet exit guide)를 포함하는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 슬랙 와이어 가이드는,
    제1 및 제2 홈을 가지며, 상기 캐비닛의 백 플레이트(back plate)에 피봇식으로 연결된 제1 아암(arm)에 부착된 제1 이중 홈형 롤러; 및
    제1 및 제2 홈을 갖는 제2 이중 홈형 롤러를 포함하며, 상기 제1 홈형 롤러의 제1 홈 및 상기 제2 홈형 롤러의 제1 홈은 그 사이에 채널을 형성하고, 상기 제1 이중 홈형 롤러의 제1 홈은 상기 캐비닛의 백 플레이트에 연결된 제1 지지체에 연결되는 상기 제1 아암 상의 스프링에 의해 편향되며;
    상기 제2 슬랙 와이어 가이드는,
    상기 캐비닛의 백 플레이트에 피봇식으로 연결된 제2 아암에 부착된 제3 수동 홈형 롤러; 및
    제4 수동 홈형 롤러를 포함하며, 상기 제3 수동 롤러의 홈 및 상기 제4 수동 롤러의 홈은 그 사이에 채널을 형성하고, 상기 제3 수동 롤러의 홈은 상기 캐비닛의 백 플레이트에 연결된 제2 지지체에 연결되는 상기 제2 아암 상의 스프링에 의해 편향되며;
    상기 제3 슬랙 와이어 가이드는,
    상기 캐비닛의 백 플레이트에 피봇식으로 연결된 제3 아암에 부착된 제5 수동 홈형 롤러; 및
    제6 수동 홈형 롤러를 포함하며, 상기 제5 수동 롤러의 홈 및 상기 제6 수동 롤러의 홈은 그 사이에 채널을 형성하고, 상기 제5 수동 롤러의 홈은 상기 캐비닛의 백 플레이트에 연결된 제3 지지체에 연결되는 상기 제3 아암 상의 스프링에 의해 편향되며;
    상기 제1, 제2 및 제3 슬랙 와이어 가이드들은 상기 제1 와이어 가이드로부터 상기 제2 와이어 가이드로, 상기 제3 와이어 가이드로, 그리고 다시 상기 제1 와이어 가이드로의 루프 경로(loop pathway)를 형성하는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제1 전동 홈형 롤러, 제1 수동 홈형 롤러, 제2 전동 홈형 롤러 및 제2 수동 홈형 롤러 중 어느 하나 또는 조합의 홈의 표면은 마찰 증대되는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 각각은 전력 제어 신호에 의해 구동되는 직류 모터 및 스테퍼 모터 중에서 선택되는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진입 와이어 포지션 검출기는 상기 개구 내의 금속 와이어의 포지션을 검출하는 제1 센서를 더 포함하는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 센서는 상기 와이어 공급 스풀을 X-방향, Y-방향 또는 Z-방향 중 적어도 하나 또는 이들의 임의의 조합으로 재위치결정시킬 수 있는 제어 시스템과 통신하는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  7. 제7 항에 있어서,
    상기 캐비닛은 상기 캐비닛을 개방하지 않고서 상기 캐비닛 내의 구성요소들의 관찰을 허용하기 위해 투명 윈도우(transparent window) 또는 투명 도어(transparent door) 또는 둘 모두를 더 포함하는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 투명 윈도우 또는 투명 도어는 유리, 아크릴(폴리(메틸메타크릴레이트) 또는 PMMA), 글리콜-변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG) 또는 폴리카보네이트로 제조되는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 와이어 송급 장치는 상기 와이어 공급 스풀 상에 권취된 와이어를 상기 캐비닛 내로 송급하도록 구성되는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 수동 홈형 롤러에 의해 가해지는 압력의 양을 조절하기 위한 제1 압력 장치를 더 포함하는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 압력 장치는, 제1 방향으로 이동될 때 상기 제1 수동 홈형 롤러에 인가되는 압력을 증가시키고 제2 방향으로 이동될 때 상기 제1 수동 홈형 롤러에 인가되는 압력을 감소시키는 유압식, 공압식, 기계적 또는 전자적으로 구동되는 피스톤(piston)을 포함하는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 수동 홈형 롤러에 의해 가해지는 압력의 양을 조절하기 위한 제2 압력 장치를 더 포함하는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제2 압력 장치는, 제1 방향으로 이동될 때 상기 제2 수동 홈형 롤러에 인가되는 압력을 증가시키고 제2 방향으로 이동될 때 상기 제2 수동 홈형 롤러에 인가되는 압력을 감소시키는 유압식, 공압식, 기계적 또는 전자적으로 구동되는 피스톤을 포함하는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  14. 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 와이어 송급 장치의 제1 모터는 상기 제1 전동 홈형 롤러에 연결되어 상기 제1 전동 홈형 롤러를 회전시키는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  15. 제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬랙 와이어 당김 장치의 제2 모터는 상기 제2 전동 홈형 롤러에 연결되어 상기 제2 전동 홈형 롤러를 회전시키는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  16. 제1 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 와이어 송급 장치의 제1 모터는 상기 슬랙 와이어 당김 장치와 독립적으로 작동하는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  17. 제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐비닛은 루프 감지 장치(loop sensing device)를 더 포함하는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 루프 감지 장치는,
    a) 제어 시스템과 통신하는 제1 센서―상기 제1 센서가 상기 슬랙 와이어의 루프를 감지한 경우, 상기 제1 센서는 상기 와이어 송급 시스템 및 침착 프로세스를 가동 정지시키도록 상기 제어 시스템에 신호를 송신함―; 또는
    b) 제어 시스템과 통신하는 제2 센서―상기 제2 센서가 상기 슬랙 와이어의 루프를 감지한 경우, 상기 제2 센서는 보다 많은 금속 와이어를 상기 캐비닛 내로 송급하도록 상기 제어 시스템에 신호를 송신함―; 또는
    c) 제어 시스템과 통신하는 제3 센서―상기 제3 센서가 상기 슬랙 와이어의 루프를 감지한 경우, 보다 적은 금속 와이어를 상기 캐비닛 내로 송급하도록 상기 제어 시스템에 신호를 송신함―; 또는
    d) 제어 시스템과 통신하는 제4 센서―상기 제4 센서가 상기 슬랙 와이어의 루프를 감지한 경우, 상기 제4 센서는 금속 와이어를 상기 캐비닛 내로 송급하는 것을 중지하도록 상기 제어 시스템에 신호를 송신함―;또는
    e) a), b), c) 및 d)의 임의의 조합을 포함하는,
    금속 와이어 송급 시스템.
  19. 금속 와이어를 용접 토치에 제공하는 방법으로서,
    슬랙 와이어의 루프를 형성하기 위해 와이어 공급 소스로부터 충분한 양의 금속 와이어를 전진시키는 단계;
    상기 슬랙 와이어의 루프로부터 용접 토치의 플라즈마 아크로 소정량의 슬랙 와이어를 전진시키는 단계; 및
    슬랙 와이어의 루프를 유지하도록 상기 용접 토치로 전진된 슬랙 와이어의 양을 보상하기 위해 상기 와이어 공급 소스로부터 추가적인 금속 와이어를 공급하는 단계를 포함하는,
    금속 와이어를 용접 토치에 제공하는 방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 와이어 공급 소스로부터 전진된 슬랙 와이어의 양은 상기 용접 토치로의 슬랙 와이어의 연속적인 전달을 허용하기 위해 상기 슬랙 와이어의 루프를 유지하기에 충분한,
    금속 와이어를 용접 토치에 제공하는 방법.
  21. 제19 항 또는 제20 항에 있어서,
    상기 와이어 공급 소스는 상기 금속 와이어가 권취되는 포지션 조정 가능한 스풀이며, 상기 방법은 상기 슬랙 와이어의 루프를 형성하도록 전진될 상기 금속 와이어를 제공하기 위해 상기 스풀로부터 상기 금속 와이어를 푸는 단계를 더 포함하는,
    금속 와이어를 용접 토치에 제공하는 방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 스풀로부터 원하는 포지션으로 풀려진 상기 와이어를 유지하기 위해 상기 와이어 공급 스풀을 X-방향, Y-방향 또는 Z-방향 중 적어도 하나, 또는 이들의 조합들로 재위치결정시키는 단계를 더 포함하는,
    금속 와이어를 용접 토치에 제공하는 방법.
  23. 제19 항 내지 제22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 와이어를 상기 캐비닛 내로 전진시키기 위해 상기 금속 와이어와 마찰 접촉 상태로 롤러를 회전시키는 단계를 더 포함하는,
    금속 와이어를 용접 토치에 제공하는 방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 롤러의 회전은 상기 롤러에 부착된 모터를 활성화시킴으로써 달성되고, 상기 모터는 전력 제어 신호에 의해 구동되는 직류 모터 또는 스테퍼 모터인,
    금속 와이어를 용접 토치에 제공하는 방법.
  25. 제19 항 내지 제24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 소스로부터의 상기 금속 와이어의 전진은 상기 슬랙 와이어의 루프로부터 상기 용접 토치로 소정량의 슬랙 와이어를 전진시키는 것과 독립적인,
    금속 와이어를 용접 토치에 제공하는 방법.
  26. 제19 항 내지 제25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬랙 와이어를 상기 용접 토치로 전달하기 위해 상기 슬랙 와이어와 마찰 접촉 상태로 롤러를 회전시키는 단계를 더 포함하는,
    금속 와이어를 용접 토치에 제공하는 방법.
  27. 제26 항에 있어서,
    상기 롤러의 회전은 상기 롤러에 부착된 모터를 활성화시킴으로써 달성되고, 상기 모터는 전력 제어 신호에 의해 구동되는 직류 모터 또는 스테퍼 모터인,
    금속 와이어를 용접 토치에 제공하는 방법.
  28. 제19 항 내지 제27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 토치는, 플라즈마 아크 용접 토치, 플라즈마 이행형 아크 토치(plasma transferred arc torch), 가스 텅스텐 아크 용접 토치, 가스 금속 아크 용접 토치, 금속 불활성 가스 용접 토치, 금속 활성 가스 용접 토치, 레이저 장치, 전자 빔 건(electron beam gun) 또는 이들의 임의의 조합 중에서 선택되는,
    금속 와이어를 용접 토치에 제공하는 방법.
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