KR20190039071A - 금속 용접을 위한 유체-냉각식 접촉 팁 조립체 - Google Patents
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-
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- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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Abstract
임의 형상 제작에 의해 물체들, 특히 티타늄 및 티타늄 합금 물체들을 제조하기 위한 방법들 및 시스템들에 사용될 수 있는 유체-냉각식 접촉 팁 조립체가 제공되며, 여기서 금속 와이어를 통한 전하의 유동 속도를 증가시킴으로써 침착 속도가 증가된다.
Description
[0001] 본 발명은 임의 형상 제작(solid freeform fabrication)에 의해 물체들(objects), 특히 티타늄 및 티타늄 합금 물체들을 제조하기 위한 방법 및 배열체에 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 소량 생산량의 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] 전자 빔 자유형상 제조(electron beam freeform manufacturing)가 당업계에 알려져 있다(예를 들면, Taminger and Hafley, "Characterization of 2219 Aluminum Produced by Electron Beam Freeform Fabrication", Presetned at the 13th Solid Freeform Fabrication Symposium, August 5-7, 2002, Austin, TX; In proceedings, Univrsity of Texas at Austin(2002); Taminger and Hafley, "Electron Beam Freeform Fabrication: A Rapid Metal Deposition Process", Proceedings of the 3rd Annual Automotive Composites Conference, September 9- 10, 2003, Troy, MI, Society of Plastics Engineers(2003); 및 Taminger and Hafley, "Electron Beam Freeform Fabrication for Cost Effective Near-Net Shape Manufacturing", NATO/RTOAVT-139 Specialists' Meeting on Cost Effective Manufacture via Net Shape Processing(Amsterdam, the Netherlands, 2006) (NATO), pp 9-25 참조). 타민저(Taminger) 및 하플리(Hafley)(2006)는 전자 빔 자유형상 제작(electron beam freeform fabrication; EBF)과 조합된 컴퓨터 보조 설계 데이터로부터 직접 구조적 금속 부품들을 제조하기 위한 방법 및 디바이스를 개시한다. 구조적 부품은 전자 빔에 의해 제공되는 열 에너지에 의해 용접되는 금속 용접 와이어의 연속적인 층들 상에 용접함으로써 축조된다. EBF 프로세스는 고진공 환경에서 집속된 전자 빔에 의해 제조 및 유지된 용융 풀(molten pool) 내로 금속 와이어를 용융시키는 것을 포함한다. 전자 빔 및 용접 와이어의 위치결정은 전자 빔 건(electron beam gun), 및 하나 또는 그 초과의 축(X, Y, Z 및 회전)을 따라 이동 가능하게 힌지(hinge) 결합된 기재를 지지하는 액추에이터(actuator)를 구비하고 4 축 모션 제어 시스템(four axis motion control system)에 의해 전자 빔 건 및 지지 기재의 포지션을 조절함으로써 얻어진다. 이 프로세스는 재료 사용에서 거의 100%의 효율 및 전력 소비에서 95%의 효율이 있는 것으로 주장된다. 이 방법은 벌크 금속 침착(bulk metal deposition) 및 보다 미세한 세부 침착들 둘 모두에 이용될 수 있으며, 이 방법은 금속 부품들을 기계가공하는 종래의 접근법과 비교하여 리드 타임 감소, 및 보다 낮은 재료 및 기계가공 비용들에 대한 상당한 효과를 얻는 것으로 주장된다. 전자 빔 기술은 침착 챔버(deposition chamber)에서 10-1 Pa 이하의 고진공에 의존한다는 단점을 갖고 있다.
[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 워크피스(workpiece)의 사전결정된 타깃 영역을 예열하기 위해 사전결정된 타깃 영역을 향해 지향된다. 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. 위더스 등은 합금 원소들과 혼합되고 와이어로 형성된 티타늄 스폰지 재료(titanium sponge material)를 사용하는 것을 개시하며, 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] 애보트(Abbott) 등(WO 2006/133034, 2006)은 기재를 제공하는 단계, 및 레이저 방사선(laser radiation)을 사용하여 금속 공급원료로부터 기재 상에 제1 용융 금속 층을 침착시키는 단계를 포함하는, 복잡한 3 차원 형상들을 제조하기 위한 레이저/아크 하이브리드 프로세스(laser/arc hybrid process)를 사용하는 직접적인 금속 침착 프로세스를 개시하고, 전기 아크가 개시되어 있다. 전기 아크는 전극으로서 금속 공급원료를 사용하는 가스 금속 아크 용접에 의해 제공될 수 있다. 애보트 등은 가스 금속 아크 용접과 조합한 레이저 방사선의 사용이 아크를 안정화시키고, 알려진 바에 의하면 보다 높은 처리 속도들을 제공한다고 교시하고 있다. 애보트 등은 와이어 가이드(wire guide)에 의해 안내되고 와이어 가이드로부터 빠져나가는 금속 와이어를 이용한다. 금속 와이어의 금속은 단부에서 용융되고, 용융된 금속은 침착 지점 위에 단부를 위치결정시킴으로써 침착된다. 금속 와이어를 용융시키는데 요구되는 열은 전극의 팁(tip)과 워크피스/침착 기재 사이에서 팽창하는 전기 아크에 의해, 그리고 침착 영역을 조사하는 레이저에 의해 공급된다. 전기 아크에 의해 가열된 금속 와이어를 용융시키는 것에 의한 용접은 가스 금속 아크 용접(GMAW)으로 알려져 있으며, 그것의 아크를 만들기 위해 비반응성 가스들을 사용하는 경우에는 또한 금속 불활성 가스 용접(MIG-용접)으로도 불려진다.
[0010] 해결되어야 할 문제는 워크피스를 형성하기 위한 베이스 재료(base material) 상에의 재료의 침착 속도이다. 금속 와이어가 아크 토치의 아크와 상호 작용하기 전에 금속 와이어를 예열하기 위해 금속 와이어의 온도를 증가시킬 수 있다. 이것은 전극을 통한 전하의 유동 속도(전류의 암페어)를 증가시키거나, 금속 와이어의 단면을 조절하여 전극의 저항 가열을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 400℃ 초과로 가열된 티타늄 금속 또는 티타늄 합금은 산소와 접촉 시에 산화를 겪을 수 있다. 따라서, 대기중의 산소에 대해 적층식 자유형상 제조에 의해 형성되는 용접 및 가열된 물체를 보호할 필요가 있다.
[0011] 그러나, 고전류의 사용은 다수의 문제를 생성할 수 있다. 전류의 변화가 제어되지 않으면, 금속 와이어의 급속 과열이 발생하여, 접촉 팁에 대한 금속 와이어의 번 백(burn back)을 초래할 수 있다. 번 백은 접촉 팁과의 금속 와이어의 융착을 초래할 수 있고, 이는 접촉 팁의 교체를 필요로 할 것이다. 고전류의 사용은 또한 접촉 팁 자체가 가열되게 할 수 있어, 접촉 팁의 과열을 초래할 수 있다. 접촉 팁의 과열 결과들 중 하나는 팁 신장일 수 있다. 접촉 팁의 구성에 따라, 그러한 신장은 접촉 팁이 금속 와이어에 보다 근접하게 재위치결정되게 할 수 있으며, 이는 접촉 팁과 금속 와이어 사이의 마찰을 증가시킬 수 있어, 금속 와이어를 손상시키거나 금속 와이어에 스크래치를 낼 수 있다. 과열에 의해 유발된 접촉 팁의 기하학적 형상의 변화는 또한, 열 유발 신장 또는 불균일성(unevenness) 때문에 불균일한 접촉 팁 마모를 초래할 수 있다. 이것은 접촉 팁 내에서의 전기 아크의 형성을 야기할 수 있다. 접촉 팁의 과열은 또한 접촉 팁에 미세기공들의 형성을 초래할 수 있으며, 이는 용접 장치가 불규칙적으로 작동하게 할 수 있다.
[0012] 접촉 팁에서의 고전류들의 사용에서 기인할 수 있는 이러한 문제들은 접촉 팁들의 빈번한 교체, 및 최악의 경우의 시나리오들에서, 용접 장치의 세정(cleaning)이 필요하게 할 수 있다. 접촉 팁의 교체 및/또는 장치의 세정은 장치를 가동 정지시켜 생산을 중단시키는 것을 필요로 한다. 이것은 비용이 많이 들며, 생산성에 부정적인 영향을 미친다.
[0013] 또한, 당업계에서는, 증가된 금속 침착 속도로 직접적인 금속 침착을 수행하는 경제적인 방법에 대한 요구가 존재한다. 더욱이, 당업계에서는, 과열로 인한 빈번한 접촉 팁 교체의 위험없이 직접적인 금속 침착 성형 제품들의 증가된 처리량(throughput) 및 수율(yield)을 허용하는 장치에 대한 요구가 존재한다.
[0014] 본 발명의 목적은 과열로 인한 빈번한 접촉 팁 교체의 위험없이 직접적인 금속 침착 성형 제품들의 증가된 처리량 및 수율을 허용하는 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 높은 전하 유동 속도들을 이용할 수 있는 직접적인 금속 침착 성형 제품 생산에 사용하기 위한 장치를 제공하는 것이다. 본원에 제공된 장치는 고전류를 핸들링(handling)할 수 있다. 예를 들면, 상기 장치는 100, 200, 300, 350, 400 암페어 또는 그 초과의 전류들을 핸들링할 수 있다. 본원에 제공된 장치는 또한 금속 와이어 및 가이드의 온도 팽창을 완화시킨다.
[0015] 본 발명의 다른 목적은 티타늄 또는 티타늄 합금들로의 물체들의 쾌속 적층식 제조를 위한 방법을 제공하는 것이다.
[0016] 본 발명은 직접적인 금속 침착을 수행하는 개선되고 경제적인 방법에 대한 요구들을 해결한다. 본 발명은 또한, 매끄럽고 잘 규정된 침착 경계들을 갖는 직접적인 금속 침착 성형 부품들의 처리량 및 수율을 증가시키는 방법에 대한 요구를 해결한다.
[0017] 본 발명의 다른 목적 및 이점은 접촉 팁 개선들이 금속 와이어 송급 문제들을 감소시키고 인건비를 보다 낮추고 생산성을 증가시키는 것이다. 본 발명은 금속 와이어의 사용과 상관하여 설명되지만, 재료를 침착하도록 안내 및 용융될 수 있는 임의의 전도성 구조가 사용될 수 있으며, 예를 들어 적절한 크기 및 형상의 임의의 소모성 전극이 사용될 수 있다는 것에 주목하자.
[0018] 본원에 제공된 장치는, 와이어 형태의 금속 와이어를 공급하고, 금속 와이어에서 비교적 높은 전하 유동 속도를 사용하며, 유체 냉각 시스템으로 접촉 팁을 냉각시킴으로써 침착 속도를 증가시킨다. 유체 냉각 시스템은 접촉 팁 또는 가이드 또는 둘 모두에 냉각 채널들(cooling channels)을 합체한다. 냉각 채널들은 전류가 유동하고 있는 곳에 근접하게 위치결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각 채널들은 냉각 채널들로의 열 에너지의 급속 전달을 허용하도록 접촉 팁에 충분히 근접하게 위치된다.
[0019] 본원에는, 유체-냉각식 접촉 팁 조립체(fluid-cooled contact tip assembly)가 제공된다. 예시적인 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 유체-냉각식 접촉 팁 조립체(100)는 가이드(120), 및 전기 접속부(230)에 의해 전원(electrical source)에 연결된 접촉 팁(215)을 포함하는 전기 접촉 유닛(200)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 접촉 팁 조립체(100)는 유체-냉각식 전기 접촉 유닛(200) 또는 유체-냉각식 가이드(120), 또는 유체-냉각식 전기 접촉 유닛(200) 및 유체-냉각식 가이드(120) 둘 모두를 포함할 수 있다.
[0020] 접촉 팁 조립체(100)는 또한 금속 와이어를 접촉 팁(215)과 접촉하도록 가압하기 위한 와이어 가압 조립체(190)를 포함할 수 있다. 와이어 가압 조립체(190)는 와이어 가압 조립체(190)의 동작을 통해 금속 와이어(180)와 접촉하게 될 수 있는 절연 팁(195)을 포함할 수 있으며, 절연 팁(195)이 금속 와이어를 접촉 팁(215)과 접촉하도록 가압한다. 와이어 가압 조립체(190)는 Ti 또는 Ti 합금으로 제조될 수 있거나, Ti 또는 Ti 합금을 포함할 수 있다. 와이어 가압 조립체(190)는, 예컨대 샤프트(shaft)를 사용함으로써 전기 접촉 유닛(200)에 연결될 수 있으며, 샤프트는 와이어 가압 조립체(190)가 샤프트를 중심으로 자유롭게 움직일 수 있게 하여, 와이어 가압 조립체(190)가 접촉 팁(215)에 대해 금속 와이어를 가압할 수 있도록 한다. 연결 샤프트는 와이어 가압 조립체(190)가 전기 접촉 유닛(200)으로부터 열적으로 격리될 수 있도록 단열 재료일 수 있거나, 단열 재료로 코팅될 수 있다. 본원에 제공된 시스템들, 디바이스들 및 방법들에서, 소모성 접촉 팁(215)은 가이드와 별개이고 가이드로부터 이격되어 있으며, 금속 와이어가 가이드의 단부 부분을 통과한 후에 금속 와이어가 접촉 팁과 접촉하게 된다.
[0021] 와이어 가압 조립체(190)는 힘을 가하여 금속 와이어(180)를 접촉 팁(215)과 접촉하도록 가압한다. 와이어 가압 조립체(190)의 힘은 스프링, 유압기기들(hydraulics), 공압 액추에이터들, 기계화 스크류들(mechanized screws) 또는 전동 피스톤 조립체(motorized piston assembly) 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스프링은 압력을 가하여, 와이어 가압 조립체(190)가 금속 와이어(180)를 접촉 팁(215)과 접촉하도록 가압하게 한다. 스프링은 압축 스프링, 인장 스프링 또는 비틀림 스프링일 수 있다. 와이어 가압 조립체(190)는 복수의 스프링들을 포함할 수 있으며, 스프링들 각각은 압축 스프링, 인장 스프링 또는 비틀림 스프링일 수 있다.
[0022] 유체-냉각식 접촉 팁 조립체는 가이드(120) 및 전기 접촉 유닛(200)이 지지를 위해 연결될 수 있는 지지 요소(350)를 포함할 수 있다. 접촉 팁 조립체(100)가 유체-냉각식 가이드(120)를 포함하는 경우, 지지 요소(350)는 가이드 냉각제 입구(157)와 유체 연통하도록 연결 가능한 냉각제 공급 입구(570), 및 가이드 냉각제 출구(159)와 유체 연통하도록 연결 가능한 냉각제 공급 출구(580)를 포함하도록 구성될 수 있다. 지지 요소(350)는 전기 접촉 유닛(200)과 같은 임의의 부착된 구성요소들과 지지 요소(350) 사이에 단열 재료(560)를 사용함으로써 지지 요소(350)에 부착된 임의의 구성요소들로부터 열적으로 격리될 수 있다. 단열 재료(560)는 열 에너지를 쉽게 전달하지 않는다. 단열 재료로서 사용될 수 있는 예시적인 재료들은 세라믹들 및 플라스틱들을 포함한다.
[0023] 유체-냉각식 접촉 팁 조립체는 체결구(fastener)(465)를 통해 지지 요소(350)에 부착된 커넥터(connector)(450)를 포함할 수 있다. 커넥터(450)는 지지 요소(350)에 금속 와이어 전달 소스(400)를 부착할 수 있고, 금속 와이어를 수용하기 위한 개구(460)를 포함할 수 있다. 금속 와이어는 가이드(120)의 일 단부에 전달되고, 가이드(120)를 통과하고, 가이드(120)의 타 단부를 빠져나가며, 워크피스의 침착 지점 위의 플라즈마 아크 내에 위치결정된다. 접촉 팁(215)은 가이드(120) 내의 소정 위치에서 금속 와이어와 접촉하게 되도록 위치결정될 수 있다. 접촉 팁(215)은 금속 와이어가 가이드(120)의 단부를 빠져나간 후에 금속 와이어와 접촉하게 되도록 위치결정될 수 있다. 접촉 팁(215)은 송급 방향으로 이동하지 않는 규정된 접촉 지점에서 금속 와이어와 접촉하게 되어, 일정한 길이의 금속 와이어가 저항 가열에 의해 가열된다.
[0024] 도 2에 도시된 바와 같이, 전기 접촉 유닛(200)은 냉각제 입구(225), 냉각제 입구(225)에 연결되고 그와 유체 연통하는 진입 냉각제 채널(226), 진입 냉각제 채널(226)에 연결되고 그와 유체 연통하는 배출 냉각제 채널(227), 및 배출 냉각제 채널(227)에 연결되고 그와 유체 연통하는 냉각제 출구(228)를 포함한다. 유체-냉각식 접촉 팁 조립체는 또한 전기 접촉 유닛(200) 아래에 위치결정되고 금속 와이어(180)를 전기 접촉 요소(200)의 접촉 팁(215)과 접촉하게 가압하도록 구성된 와이어 가압 조립체(190)를 포함한다.
[0025] 유체-냉각식 접촉 팁 조립체의 예시적인 가이드(120)가 도 3에 도시되어 있다. 가이드(120)는 종방향 중심축(A-A'), 제1 단부(140) 및 대향하는 제2 단부(150), 및 가이드(120)의 종방향 중심축을 따라 제1 단부(140)로부터 제2 단부(150)까지 연장되고 뻗어있는 중심 보어(130)를 가지며, 중심 보어(130)를 통해 금속 와이어(180)가 송급될 수 있다. 가이드(120)는 중심 보어(130)의 내측에 있고 적어도 가이드(120)의 제1 단부(140)로부터 제2 단부(150)까지 가이드(120)를 가로지르는 전기 절연 라이닝(electrically insulating lining)(160)을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 전기 절연 라이닝(160)은 제2 단부(150)를 지나 연장된다. 전기 절연 라이닝(160)은 제1 단부(140)에 입구 개구(145)를 갖고 제2 단부(150)에 출구 개구(155)를 가지며 종방향 중심축(A-A')을 따라 선형 전기 절연 라이닝(160)을 관통하는 가이드 채널(170)을 포함하며, 전기 절연 라이닝(160)은 선형 원통형 가이드 채널(170)을 통과하는 금속 와이어(180)를 입구 개구(145)로부터 출구 개구(155)를 향해 그리고 추가로 출구 개구(155) 외부로 안내한다. 전기 접촉 유닛(200)의 진입 냉각제 채널(226)은 접촉 팁(215) 부근에 복수의 상호연결된 평행한 채널들을 형성하도록 구성될 수 있다. 이들 채널들은, 도 2에 도시된 바와 같이, 접촉 팁(215)에 평행할 수 있거나, 접촉 팁(215)에 수직일 수 있거나, 또는 접촉 팁(215)의 평면에 대해 임의의 배향을 가질 수 있다. 상호연결된 채널들은 전기 접촉 유닛(200)을 통한 연속적인 유체 경로를 형성하며, 유체 경로는 냉각제 입구(225)를 냉각제 출구(228)에 연결한다. 유체-냉각식 접촉 팁 조립체(100)의 전기 접촉 유닛(200)은 가이드(120) 위에 위치결정되도록 구성될 수 있다.
[0026] 일부 실시예들에서, 유체-냉각식 접촉 팁 조립체(100)는 냉각 시스템을 포함하는 가이드(120)를 포함한다. 예시적인 실시예들이 도 4a 내지 도 4c에 도시되어 있다. 냉각 시스템은 유입 냉각제 채널(135)과 유체 연통하도록 연결 가능한 냉각제 입구(157), 유입 냉각제 채널(135)에 연결되고 그와 유체 연통하는 유출 냉각제 채널(137), 및 유출 냉각제 채널(137)에 연결되고 그와 유체 연통하는 냉각제 출구(159)를 포함할 수 있다. 냉각제 입구(157)는 냉각제 공급 입구(570)와 유체 연통하도록 연결 가능하고, 냉각제 입구(159)는 냉각제 공급 출구(580)와 유체 연통하도록 연결 가능하다(도 1 참조).
[0027] 본원에 제공된 유체-냉각식 접촉 팁 조립체에서, 가이드(120)는, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 가이드(120)의 하부에 하부 개구(125)를 포함할 수 있다. 하부 개구는 금속 와이어의 임의의 먼지 또는 입자들이 성형 워크피스 근처로 오기 전에 가이드(120)를 빠져나갈 수 있게 한다. 가이드는 Ti 또는 Ti 합금, 또는 Cu 또는 Cu 합금으로 구성될 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 전기 접촉 유닛(200) 및 접촉 팁(215)은 각각 독립적으로 Cu 또는 Cu 합금 또는 복합재, 특히 구리/텅스텐 합금 또는 복합재로 이루어질 수 있거나, 이를 포함할 수 있다.
[0028] 본원에 제공된 유체-냉각식 접촉 팁 조립체는, 금속 와이어(180)가 가이드(120)를 통과한 후에, 금속 와이어(180)가 워크피스의 침착 지점 위에서 PAW 토치 또는 플라즈마 이행형 아크(plasma transferred arc; PTA) 토치의 플라즈마 아크 내에 위치결정되도록 구성된다.
[0029] 또한, 임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3 차원 워크피스를 제조하기 위한 방법들이 제공되며, 물체는 베이스 재료 상에 금속 재료의 연속적인 침착물들을 함께 융착시킴으로써 제조되며, 상기 방법은 유체-냉각식 접촉 팁 조립체를 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 방법들에서, 제조될 물체와 동일한 금속 재료의 베이스 재료는 금속 재료의 연속적인 침착물들로 적층되고, 각각의 연속적인 침착물은 제1 PAW 토치를 사용함으로써 얻어진다.
[0030] 바람직한 실시예들에서, 유체-냉각식 접촉 팁 조립체는 2 개의 PAW 토치들을 이용하는 시스템과 함께 사용된다. 제2 PAW 토치는 용융된 금속 재료가 침착될 포지션에서 용융된 금속 와이어의 용융된 방울들에 수용적이도록 베이스 재료를 예열하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 베이스 재료의 적어도 일부분은 예열 PAW에 의해 용융되어 베이스 재료를 보다 수용적이게 만든다. 일부 실시예들에서, 예열 PAW 토치에 의해 충분한 열이 인가되어 금속 재료가 침착될 포지션에서 베이스 재료에 용융 풀을 형성한다.
[0031] 금속 와이어는 유체-냉각식 접촉 팁 조립체를 통해 송급될 수 있어, 접촉 팁 조립체를 빠져나간 후의 금속 와이어의 말단부는 금속 재료가 침착될 베이스 재료 위에 위치결정된다. 베이스 재료가 예열되는 실시예들에서, 접촉 팁 조립체를 빠져나간 후의 금속 와이어의 말단부는 베이스 재료의 예열된 영역, 또는 생성되었다면 심지어 베이스 재료 내의 용융 풀 위에도 위치결정될 수 있다. 다음에, PAW 토치는 예열이 수행되었으면 금속 와이어로부터의 용융 금속 재료가 베이스 재료 상으로 그리고 베이스 재료의 예열되거나 용융되거나 부분적으로 용융된 영역 상으로 적하하도록 금속 와이어를 가열 및 용융시키는데 사용된다. 베이스 재료 및/또는 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들은, 용융된 금속 와이어로부터의 용융 금속 재료의 연속적인 침착물들이 베이스 재료 상에 침착되고 응고되어 3 차원 워크피스를 형성하도록 사전결정된 패턴으로 이동될 수 있다.
[0032] 또한, 임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 연속적인 물체를 제조하기 위한 방법들이 제공되며, 상기 방법들은 베이스 재료 상에 금속 재료의 연속적인 침착물들을 침착하는 것을 포함한다. 각각의 연속적인 침착물은 금속 와이어에 적어도 100 암페어의 전류를 전도시키는 유체-냉각식 전기 접촉 유닛 내로 가이드를 통해 금속 와이어를 공급하는 것; 및 용융 금속 재료가 베이스 재료 상으로 적하하도록 와이어를 가열 및 용융시키기 위해 제1 PAW 토치를 사용하는 것에 의해 얻어진다. 침착 패턴은, 용융된 와이어로부터의 용융 금속 재료의 연속적인 침착물들이 응고되어 3 차원 물체를 형성하도록 베이스 재료 및 제1 PAW 토치 중 적어도 하나를 이동시킴으로써 규정된다. 베이스 재료는 금속 재료가 침착될 곳에서 예열될 수 있다. 예열은 제2 PAW 토치를 사용하여 수행된다. 침착 패턴은 또한, 용융된 와이어로부터의 용융 금속 재료의 연속적인 침착물들이 응고되어 3 차원 물체를 형성하도록 베이스 재료, 제1 PAW 토치 및 제2 PAW 토치 중 적어도 하나를 이동시킴으로써 규정될 수 있다. 제공된 방법들에서, 유체-냉각식 전기 접촉 유닛은, 냉각제 공급 입구와 유체 연통하도록 연결 가능한 냉각제 입구; 냉각제 입구에 연결되고 그와 유체 연통하는 유입 냉각제 채널; 유입 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 유출 냉각제 채널; 및 유출 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 냉각제 출구를 포함할 수 있는 냉각 시스템을 포함한다.
[0033] 제공된 방법들에서, 가이드는, 냉각제 공급 입구와 유체 연통하도록 연결 가능한 냉각제 입구; 냉각제 입구에 연결되고 그와 유체 연통하는 유입 냉각제 채널; 유입 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 유출 냉각제 채널; 및 유출 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 냉각제 출구를 포함하는 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 금속 와이어는 Al, Cr, Cu, Fe, Hf, Sn, Mn, Mo, Ni, Nb, Si, Ta, Ti, V, W 또는 Zr, 또는 이들의 복합재들 또는 합금들일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속 와이어는 Ti 또는 Ti 합금, 또는 니켈 또는 니켈 합금을 포함하는 와이어이다.
[0034] 또한, 임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3 차원 물체를 제조하기 위한 시스템들이 제공된다. 상기 시스템들은 금속 와이어를 베이스 재료 위의 포지션으로 안내하기 위한 유체-냉각식 가이드; 금속 와이어에 적어도 100 암페어의 전류를 전도시키기 위해 금속 와이어와 전기 접촉하는 유체-냉각식 전기 접촉 유닛; 금속 와이어를 용융시켜 금속 재료를 베이스 재료 위로 적하시키기 위한 제1 용접 토치; 및 베이스 재료 상에 금속 재료의 연속적인 침착물들을 융착시킴으로써 물리적 물체가 축조되도록 침착 프로파일(deposition profile)을 규정하기 위한, 형성될 물체의 컴퓨터 모델(computer model)을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 또한, 적어도 용접 토치에 대해 베이스 재료를 이동시키는 액추에이터 트레이(actuator tray)를 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 제1 용접 토치를 이동시키는 액추에이터 아암(actuator arm)을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 금속 재료가 침착될 영역에서 베이스 재료를 예열하기 위한 제2 용접 토치를 더 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 제2 용접 토치를 이동시키는 액추에이터 아암을 가질 수 있다.
[0035] 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.
[0036] 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.
[0037] 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. 명확화를 위해, 도면들은 일정한 축척으로 되어 있지 않고, 일부 구성요소들이 생략되어 있다.
[0038] 도면들에 있어서:
[0039] 도 1은 본원에 제공된 냉각식 접촉 팁 조립체의 실시예의 측면 사시도이다.
[0040] 도 2는 본원에 제공된 냉각식 접촉 팁 조립체의 예시적인 유체-냉각식 전기 접촉 유닛의 개략도이다.
[0041] 도 3은 가이드(120)의 예시적인 구성의 개략도이다.
[0042] 도 4a 내지 도 4c는 유체-냉각식 가이드의 예시적인 실시예들을 도시한다. 도 4a에서, 내부에 유체 경로를 포함하는 예시적인 가이드(120)가 도시되어있다. 도 4b는 냉각제 유체가 가이드(120)의 주변부 주위로 순환되는 실시예의 평면도이다. 도 4c는 와이어 가이드 유입 냉각제 채널(135) 및 와이어 가이드 유출 냉각제 채널(137)을 포함하는 예시적인 가이드(120)의 단면도이다.
[0038] 도면들에 있어서:
[0039] 도 1은 본원에 제공된 냉각식 접촉 팁 조립체의 실시예의 측면 사시도이다.
[0040] 도 2는 본원에 제공된 냉각식 접촉 팁 조립체의 예시적인 유체-냉각식 전기 접촉 유닛의 개략도이다.
[0041] 도 3은 가이드(120)의 예시적인 구성의 개략도이다.
[0042] 도 4a 내지 도 4c는 유체-냉각식 가이드의 예시적인 실시예들을 도시한다. 도 4a에서, 내부에 유체 경로를 포함하는 예시적인 가이드(120)가 도시되어있다. 도 4b는 냉각제 유체가 가이드(120)의 주변부 주위로 순환되는 실시예의 평면도이다. 도 4c는 와이어 가이드 유입 냉각제 채널(135) 및 와이어 가이드 유출 냉각제 채널(137)을 포함하는 예시적인 가이드(120)의 단면도이다.
[0043] A. 정의들
[0044] 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.
[0045] 본원에서 사용된 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 문맥상 명확하게 달리 지시되지 않는 한 복수 지시 대상들을 포함한다.
[0046] 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.
[0047] 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.
[0048] 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. 예를 들면, 시스템의 선택적인 구성요소는 구성요소가 시스템에 존재할 수 있거나 존재하지 않을 수 있다는 것을 의미한다.
[0049] 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "접촉 팁"은 MIG-용접 작업에서 금속 와이어를 전기적으로 연결하는 요소를 지칭한다.
[0050] 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.
[0051] 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 전원 공급기에 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 재료를 가열하여 예를 들어 베이스 재료의 적어도 일부분을 용융시키거나 베이스 재료에 용융 풀을 형성하는 것뿐만 아니라, 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.
[0052] 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. 전류는 전형적으로 약 400 A 이하이고, 전압은 전형적으로 약 25 내지 35 V의 범위이다(그러나, 약 14 kW 이하일 수 있음). PAW 토치들은 플라즈마 이행형 아크 토치들을 포함한다.
[0053] 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 합금들, 니켈 및 니켈 합금들 및 기타 금속들 및 금속 합금들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
[0054] 본원에서 사용된 바와 같은 용어 "베이스 재료(base material)"는 금속 재료가 침착될 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.
[0055] 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, 챔버들 내에 최초로 로딩된 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.
[0056] 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "워크피스(workpiece)"는 임의 형상 제작을 사용하여 제조되는 금속 몸체를 지칭한다.
[0057] 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 또는 베이스 재료 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.
[0058] 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 보조 제조(CAM) 시스템 또는 소프트웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 컴퓨터 하드웨어 및 액추에이터 등)이 이용될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제어 시스템은 베이스 재료를 예열하기 위한 제1 PAW 토치, 및 금속 재료의 송급 와이어를 용융 풀 내로 용융시키기 위한 제2 PAW 토치를 개별적으로 작동시키도록 조정될 수 있다. 제1 PAW 토치는 용융된 금속 재료가 침착되는 포지션에서 용융된 금속 와이어의 용융 방울들, 즉 용융된 금속 재료에 수용적이도록 베이스 재료를 예열하기에 충분한 에너지를 제공할 수 있다. 베이스 재료의 예열은, 용융된 금속 와이어의 금속 액적에 의해 제공된 금속 재료에 의한 베이스 재료에 대한 적절한 용입(melt-in)을 보장할 수 있다. 제1 PAW 토치는 베이스 재료에의 용융을 깊게 함으로써 베이스 재료와 용융된 금속 재료 사이의 융착을 증진시킨다. 일부 실시예들에서, 예열은 베이스 재료를 용융시키지 않는다. 대안적인 실시예들에서, 베이스 재료의 적어도 일부분은 제1 PAW에 의해 용융되어 베이스 재료를 보다 수용적이게 만든다. 일부 실시예들에서, 예열 PAW 토치에 의해 충분한 열이 인가되어 금속 재료가 침착될 포지션에서 베이스 재료에 용융 풀을 형성한다.
[0059] 베이스 재료 및 어느 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들의 위치결정은 하나 또는 그 초과의 액추에이터들을 사용하여 달성될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 베이스 재료는 그 위에 베이스 재료가 안착되는 액추에이터 트레이를 사용하여 재위치결정 또는 이동될 수 있다. 액추에이터 트레이는 베이스 재료를 임의의 방향으로 이동시킬 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 액추에이터 트레이는 트랙 또는 레일 시스템(track or rail system) 상에 설치될 수 있고, 임의의 원하는 방향으로 베이스 재료를 이동시킬 수 있다. 대안적으로, 액추에이터 트레이는 기계 또는 로봇 아암을 사용하여 작동될 수 있다. 액추에이터는 또한 유압기기들을 사용하여 작동될 수 있다. 유사하게는, 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들은 하나 또는 그 초과의 액추에이터들을 사용하여 이동될 수 있다. 예를 들면, 하나 또는 그 초과의 PAW 토치 각각은 로봇 또는 기계 아암과 같은 독립적으로 제어되는 액추에이터 아암에 부착될 수 있다. 액추에이터들은 또한 유압기기들을 사용하여 작동될 수 있다. 예를 들어 레일 또는 트랙 시스템들과 같은, 액추에이터 아암을 위한 다른 유형들의 기구들의 사용도 또한 구현될 수 있다. 2 개 또한 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 있으며, 하나 또는 그 초과의 액추에이터 아암들은 2 개 또는 그 초과의 PAW 토치들을 동시에 이동시킨다. 예시적인 실시예들에서, 액추에이터 트레이는 침착 동안에 고정 포지션에 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들을 유지하는 사용된 유일한 액추에이터이다. 대안적인 실시예들에서, 액추에이터 트레이는 하나의 평면에서 2 개의 방향들로만 베이스 재료를 이동시키는 한편, 하나 또는 그 초과의 액추에이터 아암들은 하나의 방향으로만, 예를 들어 액추에이터 트레이가 이동하는 평면에 수직으로, 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들을 이동시킨다. 그 반대일 수도 있으며, 하나 또는 그 초과의 액추에이터 아암들이 평면 내에서 2 개의 방향들로 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들을 이동시키는 한편, 액추에이터 트레이가 단일 방향을 따라 베이스 재료를 이동시킨다. 대안적인 실시예들에서, 베이스 재료는 침착 동안에 고정 포지션에 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 아암들이 모두 베이스 재료 및 하나 또는 그 초과의 PAW 토치들을 이동시키는데 사용된다.
B. 유체-냉각식 접촉 팁 조립체
[0060] 본원에는, 유체-냉각식 접촉 팁 조립체가 제공된다. 유체-냉각식 접촉 팁 조립체는 과열로 인한 빈번한 접촉 팁 교체의 위험없이 직접적인 금속 침착 성형 제품들의 증가된 처리량 및 수율을 허용한다. 유체-냉각식 접촉 팁 조립체는 접촉 팁 부근으로부터 열 에너지를 제거하기 때문에, 전통적인 접촉 팁보다 높은 전하 유동 속도가 사용될 수 있으며, 이는 보다 빠른 속도로 워크피스를 형성하는 베이스 재료 상에 금속 와이어로부터의 보다 많은 금속의 침착으로 인해 금속 침착 성형 제품 생산의 생산 속도들을 증가시킬 수 있다. 유체-냉각식 접촉 팁은 고전류를 이용할 수 있다. 예를 들면, 350, 375 또는 400 암페어 또는 그 초과의 전류가 사용될 수 있다. 유체-냉각식 접촉 팁 조립체는 내부에 채널들을 포함하는 전기 접촉 유닛을 포함할 수 있으며, 채널들은 냉각 유체가 전기 접촉 유닛을 통해 유동하여 그로부터 열 에너지를 제거할 수 있게 하도록 구성된다. 전기 접촉 유닛의 유체 채널들은, 채널들이 접촉 팁 부근에 있고 접촉 팁 부근으로부터 열 에너지를 제거하도록 구성될 수 있다. 그러한 냉각 채널들의 구성은 접촉 팁 부근의 임의의 과도한 열 에너지를 제거할 수 있고, 접촉 팁의 열 팽창을 방지할 수 있다. 본원에 제공된 시스템들, 디바이스들 및 방법들에서, 소모성 접촉 팁은 가이드와 별개이고 가이드로부터 이격되어 있으며, 금속 와이어가 가이드의 단부 부분을 통과한 후에 금속 와이어가 접촉 팁과 접촉하게 된다.
[0061] 유체-냉각식 접촉 팁 조립체는 또한 유체-냉각식 가이드를 포함할 수 있다. 가이드는 금속 와이어가 가로지를 수 있는 가이드의 종방향 중심축을 따라 뻗어있는 중심 보어를 갖는다. 가이드는 전기 접촉 유닛 아래에 위치결정되고, 금속 와이어는 가이드의 일 단부로 진입하고, 가이드를 통과하고, 가이드의 타 단부를 빠져나가며, 워크피스의 침착 지점 위의 PTA 토치의 플라즈마 아크 내에 위치결정된다. 가이드는 냉각 유체 경로를 포함할 수 있다. 냉각 유체 경로는 가이드를 가로지르는 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 가이드 냉각제 입구를 포함하며, 냉각제 채널은 냉각 유체가 가이드를 통해 유동하여 가이드가 열 연통하는 전기 접촉 유닛으로부터 열 에너지를 흡수할 수 있게 한다. 냉각제 채널들은 가이드 내에 포함되도록 공학적으로 설계될 수 있다. 예를 들면, 냉각 채널은 전기 접촉 유닛의 적어도 일부분과 접촉하는 가이드의 상측 부분을 가로지르도록 위치결정될 수 있다. 냉각제 채널들은 또한 가이드의 에지 상에 배치될 수 있다.
[0062] 유체-냉각식 접촉 팁 조립체(100)의 예시적인 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 접촉 조립체는 가이드(120), 전기 접촉 유닛(200) 및 와이어 가압 조립체(190)를 포함한다. 전기 접촉 유닛(200)은 지지 요소(350)에 연결될 수 있다. 전기 접촉 유닛(200)은 전기 접촉 유닛(200)과 지지 요소(350) 사이의 접촉 영역에 단열 재료(560)를 사용함으로써 지지 요소(350)로부터 열적으로 격리될 수 있다. 단열 재료(560)는 열 에너지를 쉽게 전달하지 않도록 선택될 수 있다. 단열 재료(560)에 사용될 수 있는 예시적인 재료들은 세라믹들 및 플라스틱들을 포함한다. 예시적인 세라믹들은 Al, B, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Ce, In 및 Sn, 및 이들의 조합물들의 산화물들 또는 질화물들을 포함한다(예를 들면, 미국 특허 제6,344,287호(셀릭(Celik) 등, 2002); 제4,540,879제(해르더(Haerther) 등, 1985); 및 제7,892,597제(후커(Hooker) 등, 2011) 참조).
[0063] 전기 접촉 유닛(200)은 접촉 팁(215), 냉각제 입구(225) 및 냉각제 출구(228)를 포함한다. 냉각제 입구(225) 및 냉각제 출구(228)는 전기 접촉 유닛(200) 내에 수용된 냉각제 채널들(도 2에 도시됨)을 통해 유체 연통하며, 냉각제 채널들은 냉각 유체가 냉각제 입구(225)로부터 전기 접촉 유닛(200)을 통해, 특히 접촉 팁(215) 부근으로 유동할 수 있게 하고, 열 에너지를 흡수한 후에, 냉각 유체는 냉각제 출구(228)를 통해 전기 접촉 유닛(200)을 빠져나간다.
[0064] 전기 접촉 유닛(200)의 크기는 전기 접촉 유닛(200)을 통한 그리고 콘택트 팁(215)으로의 보다 높은 전류의 사용을 허용한다. 전기 접촉 유닛(200)은 구리, 구리 합금, 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조될 수 있다. 교체 가능한 접촉 팁(215)은 구리 또는 구리 합금 또는 복합재로 제조될 수 있다. 구리 합금은 구리 ASTM 등급 Ⅱ 내지 Ⅹ 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 구리 합금 또는 복합재는 Ag, Al, Be, Bo, Cr, In, Mg, Ni, Sn, Sr, W, Zn 또는 Zr, 또는 이들의 조합물들과 조합하여 구리를 포함할 수 있다. 특히, 접촉 팁(215)은 소결된 구리/텅스텐 복합재와 같은 구리 및 텅스텐의 조합물을 포함할 수 있다. 전기 접촉 유닛(200)은 접촉 팁(215)에 전력을 제공하기 위한 전기 접속부(230)를 포함한다. 전기 접속부(230)는 접촉 팁(215)이 금속 와이어와 접촉하게 될 때 금속 와이어가 애노드(anode)가 되도록, 접촉 팁(215)이 DC 전원 공급기에 전기적으로 연결될 수 있게 한다. PTA 토치의 전극은 PTA 토치가 캐소드(cathode)가 되도록 DC 전원 공급기에 연결된다.
[0065] 도 2 및 도 5는 전기 접촉 유닛(200)의 실시예를 도시하고 있다. 도 2 및 도 5에는, 냉각 유체 경로가 도시되어 있으며, 경로는 냉각제 입구(225)와, 전기 접촉 유닛(200)을 가로지르고 냉각제 입구(225)로부터 접촉 팁 부근의 영역으로의 유체 유동을 허용하는 진입 냉각제 채널(226)과, 가온된 냉각제(warmed coolant)가 전기 접촉 유닛(200)으로부터 냉각제 출구(228)를 통해 빠져나갈 수 있게 하는 배출 냉각제 채널(227)을 포함한다. 작동 시에, 유체 냉각제는 열 교환기로서 작용하는 진입 냉각제 채널(226)을 통해 유동한다. 유체 냉각제는 전기 접촉 유닛(200)으로부터 열 에너지를 흡수한다. 특정 실시예들에서, 진입 냉각제 채널(226)은 접촉 팁(215) 부근의 영역까지 연장되어 접촉 팁(215)으로부터 열 에너지를 흡수할 수 있다. 전기 접촉 유닛(200) 내의 냉각 채널들은 접촉 팁(215)으로부터의 열 추출을 최대화하도록 구성될 수 있다. 열 에너지의 흡수 또는 전달을 용이하게 하기 위해, 진입 냉각제 채널(226)은, 그 중에서도, 냉각 유체와 냉각제 채널(226)의 벽들 사이의 표면 접촉을 증가시킬 수 있는 핀들(pins) 또는 돌기들(fins) 또는 다른 유사한 디바이스들과 같은 돌출부들로 라이닝될 수 있다.
[0066] 진입 냉각제 채널(226)이 접촉 팁(215)에 평행한 채널들의 단일 층을 포함하는 것으로 도 2 및 도 3에 도시되어 있지만, 접촉 팁(215) 위의 영역을 가로지르는 호들(arcs), 또는 전기 접촉 유닛(200)의 길이로 연장되는 다중 채널들 또는 진입 냉각제 채널들(226)의 다중 층들, 또는 전기 접촉 유닛(200)의 주변부를 따라 위치결정된 진입 냉각제 채널들, 또는 이들의 조합들과 같은 다른 구성들이 전기 접촉 유닛(200)을 냉각시키는데 사용될 수 있다.
[0067] 전기 접촉 유닛 내에서 마주칠 것으로 예상되는 온도에 적절한 임의의 적합한 냉각 유체가 사용될 수 있다. 예시적인 냉각 유체들은 물, C1-C5 알코올, 폴리알파올레핀, 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜과 같은 알킬렌 글리콜, 또는 이들의 혼합물들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 냉각 유체는 물, 물과 프로필렌 글리콜의 혼합물, 또는 물과 에틸렌 글리콜의 혼합물이다. 냉각 유체는 염들, 부식 방지제들, pH 조절제들 또는 이들의 조합물들과 같은 첨가제들을 포함할 수 있다.
[0068] 접촉 팁 조립체(100)는 또한 가이드(120)를 포함한다. 예시적인 가이드가 도 3에 도시되어 있다. 가이드(120)는 종방향 중심축(A-A'), 제1 단부(140) 및 대향하는 제2 단부(150), 및 가이드(120)의 종방향 중심축을 따라 제1 단부(140)로부터 제2 단부(150)까지 연장되고 뻗어있는 중심 보어(130)를 갖는다.
[0069] 도 1에 도시된 바와 같이, 가이드(120)는 일반적으로 전기 접촉 유닛(200) 아래에 위치결정되지만, 전기 접촉 유닛(200)은 가이드(120)가 전기 접촉 유닛(200) 위에 위치결정될 수 있도록 구성될 수 있다. 금속 와이어(도 1에 도시되지 않음)는 가이드(120)의 일 단부로 진입하고, 가이드(120)를 통과하고, 가이드(120)의 타 단부를 빠져나가며, 워크피스의 침착 지점 위의 PAW 토치의 플라즈마 아크 내에 위치결정된다.
[0070] 가이드(120)는 금속 와이어를 수용하고 금속 와이어가 방해없이 가이드를 통과할 수 있게 하도록 구성되는 한, 임의의 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 가이드(120)는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 실질적으로 원형인 단면을 갖는 와이어의 형태인 금속 와이어를 수용하도록 대체로 원통형 형상을 가질 수 있다. 가이드(120)의 외부 부분의 형상은 원형, 계란형(oval), 타원형(elliptical) 또는 다각형, 예를 들어 정사각형, 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 팔각형, 또는 이들의 임의의 조합인 단면을 가질 수 있다.
[0071] 가이드는, 예를 들어 가이드를 정렬하거나, 지지체 또는 다른 요소들에 대한 가이드의 부착을 허용하거나, 또는 전기 접촉 유닛(200)과 결합하고, 및/또는 가이드(120)에 대한 전기 접촉 유닛(200)의 배치를 안내하기 위해, 외부 표면으로부터의 돌출부들 또는 돌기부들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 4a 및 도 4b에 도시된 실시예들은 지지체에 대한 가이드(120)의 부착을 허용하는 체결구 돌출부(122)를 포함한다.
[0072] 가이드(120)는 금속 와이어의 임의의 먼지 또는 입자들이 성형 워크피스 근처로 오기 전에 가이드(120)를 빠져나갈 수 있게 하는 하부 개구(125)를 포함할 수 있다. 하부 개구(125)는 가이드(120)의 단부까지 연장될 수 있다. 가이드(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 금속 와이어(180)가 출구 개구(155)로부터 지지되지 않은 채로 빠져나가도록 절두형일 수 있다. 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 와이어 가압 조립체(190)의 절연 팁(195)은 금속 와이어(180)를 접촉 팁(215)과 접촉하도록 가압한다.
[0073] 가이드(120)는 금속 와이어로부터 가이드(120)의 적어도 일부를 분리할 수 있는 전기 절연 라이닝(160)을 포함할 수 있다. 전기 절연 라이닝은 금속 와이어(180)를 완전히 둘러쌀 필요는 없다. 예를 들면, 전기 절연 라이닝(160)의 하부의 일부분이 제거될 수 있다. 예를 들면, 전기 절연 라이닝의 수평방향 직경으로부터 측정하면, 약 10° 내지 약 180°의 각도를 이루는 호 세그먼트(arc segment)가 제거될 수 있다. 전기 절연 라이닝이 원형 단면을 갖는 경우, 180°의 각도를 이루는 호 세그먼트의 제거는 금속 와이어(180)의 상측 부분을 덮는 반원형 전기 절연 라이닝을 생성한다.
[0074] 가이드는 용접 동안에 가이드가 노출되는 조건들에서 사용하기에 적합한 전기 절연 재료를 포함하는 전기 절연 라이닝을 사용하여 금속 와이어로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 전기 절연 재료는 전기 절연성 세라믹일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 그러한 세라믹들은 당업계에 알려져 있으며, Al, B, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Ce, In 및 Sn, 및 이들의 조합물들의 산화물들 또는 질화물들을 포함할 수 있다. 전기 절연 재료는 질화알루미늄, 산화알루미늄, 질화마그네슘, 산화마그네슘, 석영, 질화규소, 질화붕소, 이산화지르코늄, 및 이들의 혼합물들 및 조합물들일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 전기 절연 라이닝은 가이드 내에 수용되도록 구성될 수 있다. 전기 절연 라이닝은 가이드의 일 단부 또는 양 단부들로부터 연장되도록 구성될 수 있다.
[0075] 전기 절연 라이닝이 금속 와이어가 통과하는 중심 보어 부근에 절연성 세라믹을 포함하는 경우, 절연성 세라믹은 금속 와이어 절연성 세라믹의 표면의 거칠기를 감소시키는 표면 처리를 포함할 수 있다. 표면 처리는 금속 와이어가 전기 절연 라이닝을 통과할 때 금속 와이어의 스크래치 또는 스코어링(scoring)을 최소화하거나 제거하는 것을 도울 수 있다. 예를 들면, 전기 절연 라이닝의 표면은 라이닝 표면과 전극 사이의 마찰-유발 인력들을 감소시키는 표면 유약(surface glaze)을 포함하도록 처리될 수 있다. 레이저 유약 처리는 마찰을 감소시키고 보다 매끄러운 절연성 세라믹 표면을 생성하기 위해 표면 상의 표면 기공들, 균열들 또는 변형들을 감소시키는데 사용될 수 있다. 전기 절연 라이닝의 표면은 다이아몬드형-탄소 코팅(diamond-like-carbon coating)을 포함하도록 처리될 수 있다. PTFE가 마찰을 감소시키기 위해 전기 절연 라이닝의 표면에 적용될 수 있다. 표면 처리는 거친 절연성 세라믹 표면과 금속 와이어의 상호 작용으로 인해 형성될 수 있는 금속 와이어 작은 피스들의 형성을 최소화하는 것을 도울 수 있다.
[0076] 가이드(120)는, 가이드(120)와 지지 요소(350) 사이의 접촉 지점들 사이에 단열 재료(560)를 포함함으로써 지지 요소(350)로부터 열적으로 격리될 수 있다. 단열 재료(560)로서 사용될 수 있는 예시적인 재료들은 세라믹들 및 플라스틱들을 포함한다.
[0077] 가이드(120)는 냉각 유체 경로를 포함할 수 있다. 냉각 유체 경로는 접촉 팁(215)의 고전류에 의해 유발될 수 있는, 가이드(120) 내에서의 금속 와이어의 온도 팽창을 최소화하거나 제거할 수 있다. 냉각 유체 경로는 가이드(120)의 온도 팽창을 최소화하거나 제거할 수 있다. 가이드(120)의 열 팽창은 가이드와 금속 와이어 사이의 증가된 마찰을 초래할 수 있으며, 이는 전극을 손상시키거나 전극에 스크래치를 낼 수 있어, 금속 와이어가 아크에 적절하게 위치결정될 수 없도록 금속 와이어를 변위시킬 수 있다. 과열에 의해 유발된 가이드(120)의 기하학적 형상의 변화들은 또한 열 유발 신장 또는 불균일성 때문에 불균일한 접촉 마모를 초래할 수 있다. 가이드(120)의 과열은 또한 가이드(120)에의 변형들, 미세기공들 또는 피로의 형성을 초래할 수 있으며, 이는 가이드(120)의 파괴(failure)를 초래할 수 있다.
[0078] 예시적인 실시예가 도 4a에 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 냉각 유체 경로는 유입 냉각제 채널(135)에 연결되고 그와 유체 연통하는 가이드 냉각제 입구(157)를 포함하며, 유입 냉각제 채널(135)은 가이드(120)를 가로지르고, 냉각 유체가 가이드(120)를 통해 유동하여 가이드(120)가 열 연통하는 전기 접촉 유닛(200)으로부터 열 에너지를 흡수할 수 있게 한다. 도시된 실시예에서, 유입 냉각제 채널(135)은 전기 접촉 유닛(200)의 적어도 일부분과 접촉하는 가이드(120)의 상측 부분을 가로지른다. 열 에너지를 흡수한 후에, 냉각 유체는 유출 냉각 채널(137)을 통해 가이드 냉각제 출구(159)로 유동하여 가이드(120)를 빠져나간다.
[0079] 다른 실시예가 도 4b 및 도 4c에 도시되어 있다. 도시된 실시예들에서, 가이드 냉각제 입구(157)는 가이드(120)의 에지 상에 배치된 유입 냉각제 채널(135)에 연결되고 그와 유체 연통한다. 열 에너지를 흡수한 후에, 냉각 유체는 안내 채널(120)의 다른 에지 상에 배치된 유출 냉각 채널(137)을 통해 유동하고, 가이드 냉각제 출구(159)를 통해 안내 채널(120)을 빠져나간다.
[0080] 유입 냉각제 채널(135)이 가이드(120)의 상측 표면에 평행한 채널들의 단일 층을 포함하는 것으로 도 4a에 도시되어 있지만, 가이드(120)의 상측 표면에 수직으로 배치된 채널들, 또는 가이드(120)의 길이로 연장되는 다중 채널들, 또는 유입 냉각제 채널(135)의 다중 층들 또는 가이드(200)의 주변부를 따라 위치결정되는 진입 냉각제 채널들을 포함하는 조합들과 같은 다른 구성들이 가이드(120)를 냉각시키는데 사용될 수 있다.
[0081] 작동 시에, 냉각 유체는 냉각제 공급 입구(157)를 가이드 냉각제 입구(570)로 유동하고, 유입 냉각제 채널(135)을 통해 유동하여 열 에너지를 흡수하고, 가온된 냉각 유체는 유출 냉각 채널(137)을 통해 유동하고, 가이드 냉각제 출구(159)를 통해 안내 채널(120)을 빠져나간다. 도 1을 참조하면, 가이드 냉각제 입구(157)는 냉각제 공급 입구(570)에 연결되고, 가이드 냉각제 출구(159)는 냉각제 공급 출구(580)에 연결된다. 열 에너지의 흡수 또는 전달을 용이하게 하기 위해, 유입 냉각제 채널(135)은, 그 중에서도, 냉각 유체와 유입 냉각제 채널(135)의 벽들 사이의 표면 접촉을 증가시킬 수 있는 핀들 또는 돌기들 또는 다른 유사한 디바이스들과 같은 돌출부들로 라이닝될 수 있다.
[0082] 전기 접촉 유닛 내에서 마주칠 것으로 예상되는 온도에 적절한 임의의 적합한 냉각 유체가 사용될 수 있다. 예시적인 냉각 유체들은 물, C1-C5 알코올, 폴리알파올레핀, 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜과 같은 알킬렌 글리콜, 또는 이들의 혼합물들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 냉각 유체는 물, 물과 프로필렌 글리콜의 혼합물, 또는 물과 에틸렌 글리콜의 혼합물이다. 냉각 유체는 염들, 부식 방지제들, pH 조절제들 또는 이들의 조합물들과 같은 첨가제들을 포함할 수 있다. 냉각 유체는 비열을 가지며, 질량 유량은 가이드(120) 및 전기 접촉 유닛(200)의 효율적인 냉각을 달성하도록 조절될 수 있다.
[0083] 커넥터(450)는 체결구(465)를 통해 지지 요소(350)에 부착될 수 있다. 커넥터(450)는 지지 요소(350)에 금속 와이어 전달 소스(400)를 부착할 수 있고, 금속 와이어를 수용하기 위한 개구(460)를 포함할 수 있다. 금속 와이어는 가이드(120)의 일 단부에 전달되고, 가이드(120)를 통과하고, 가이드(120)의 타 단부를 빠져나가며, 워크피스의 침착 지점 위의 플라즈마 아크 내에 위치결정된다. 접촉 팁(215)은 가이드(120) 내의 위치에서 금속 와이어와 접촉하게 되도록 위치결정될 수 있다. 접촉 팁(215)은 금속 와이어가 가이드(120)의 단부를 빠져나간 후에 금속 와이어와 접촉하게 되도록 위치결정될 수 있다.
[0084] 본원에 제공된 접촉 팁 조립체는 금속 와이어를 접촉 팁과 접촉하도록 가압하는 와이어 가압 조립체를 포함한다. 와이어 가압 조립체는 핀, 클립(clip), 레버(lever) 또는 다른 구조물을 포함하는 임의의 구조물일 수 있고, 금속 와이어에 압력을 인가하여 접촉 팁과의 접촉을 유지할 수 있는, L 자형, 직선형, 원형 또는 각진 형상과 같은 임의의 형상을 가질 수 있다. 와이어 가압 조립체는 가압 조립체의 나머지에 전기를 전달하지 않고서 금속 와이어와 접촉할 수 있는 절연 팁을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 가압 조립체는 절연 재료로 완전히 코팅된다. 예시적인 실시예들에서, 가압 조립체는 절연 재료로 제조된다. 본원에 제공된 구성에 따르면, 금속 와이어와 전기 접촉 유닛의 접촉 팁 사이에 단일의 접촉 지점을 갖는 것이 가능하다. 이것은 송급 방향으로 이동하지 않는 규정된 접촉 지점을 제공할 수 있다. 이것은 일정한 길이의 금속 와이어가 저항 가열에 의해 가열될 수 있게 한다. 예시적인 실시예가 도 1에 도시되어 있으며, 다른 관점에서의 도면이 도 3에 도시되어 있다. 와이어 가압 조립체(190)는 금속 와이어(180)를 접촉 팁(215)과 접촉하도록 가압하는 절연 팁(195)을 포함한다. 절연 팁은 접촉 팁이 노출되는 환경 및 온도와 양립 가능한 임의의 재료로 제조될 수 있다. 예를 들면, 적어도 가압 조립체의 팁에, 또는 가압 조립체의 팁 또는 보다 큰 부분의 코팅에 사용될 수 있는 절연 재료들은 전기 절연성 세라믹일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 예시적인 세라믹들은 Al, B, Zr, Mg, Y, Ca, Si, Ce, In 및 Sn, 및 이들의 조합물들의 산화물들 또는 질화물들을 포함한다. 전기 절연 재료는 질화알루미늄, 산화알루미늄, 질화마그네슘, 산화마그네슘, 석영, 질화규소, 질화붕소, 이산화지르코늄, 및 이들의 혼합물들 및 조합물들일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 가압 조립체는 Ti 또는 Ti 합금으로 제조될 수 있으며, 가압 조립체의 팁은 상기에 열거된 전기 절연 재료들 중 하나로 코팅되거나 제조된다.
[0085] 일부 실시예들에서, 와이어 가압 조립체(190)는 금속 와이어(180)가 와이어 가압 조립체(190)를 통과하여 금속 와이어(180)를 접촉 팁(215)과 접촉하도록 가압할 때 금속 와이어(180)에 대해 압력을 가할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 압력은 상향 압력이다. 금속 와이어(180)를 접촉 팁(215)과 접촉 상태로 유지하기 위한 압력은, 예를 들어 스프링을 사용함으로써 달성될 수 있다. 스프링은, 접촉 팁(180) 또는 와이어 가압 조립체(190)가 와이어에 스크래치를 낼 정도로 강하지는 않지만, 콘택트 팁(215)과 금속 와이어(180) 사이의 접촉을 유지하기에 충분히 강하도록, 적절한 강도 또는 크기의 힘을 가하도록 선택될 수 있다. 스프링은 와이어 가압 조립체(190)가 금속 와이어를 접촉 팁(215)과 접촉하도록 가압하게 하는 압력을 가하는데 사용될 수 있다. 압축 스프링, 인장 스프링 또는 비틀림 스프링 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 유형의 스프링이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속 와이어가 접촉 팁(215)과 접촉하도록 와이어 가압 조립체(190)를 접촉 팁(215)을 향해 상방으로 강제하기 위해, 약 0.001 내지 약 10 N/m의 스프링 상수를 갖는 압축 스프링이 사용될 수 있다.
[0086] 본 발명의 특정 실시예들에 따른 금속 와이어의 직경은 약 0.8 ㎜ 내지 약 5 ㎜의 범위일 수 있다. 금속 와이어는 임의의 실제로 구현 가능한 치수, 예를 들어 1.0 ㎜, 1.6 ㎜, 2.4 ㎜ 등을 가질 수 있다. 금속 와이어의 송급 속도 및 포지션은, 금속 와이어가 연속적으로 가열되고 금속 와이어가 베이스 재료의 예열된 영역 위의 의도된 포지션에 도달할 때 용융되는 것을 보장하기 위해, PAW 토치에 대한 전력 공급의 영향에 따라 제어 및 조절될 수 있다.
[0087] 전기 접촉 유닛은 금속 와이어와 접촉하게 되는 접촉 팁을 포함한다. 접촉 팁은 금속 와이어를 직류 전원 공급기에 전기적으로 연결한다. 예시적인 실시예들에서, 접촉 팁은 와이어와 접촉하는 곡선형 표면 또는 반곡선형 표면을 가질 수 있다. 곡선형 표면 또는 반곡선형 표면은 접촉될 와이어를 수용하도록 적절하게 크기 설정될 수 있다. 예를 들면, 약 1.6 ㎜의 직경을 갖는 와이어의 경우, 접촉 팁은 약 1.8 ㎜의 직경을 갖는 곡선형 또는 오목한 표면을 가질 수 있다. 또한, 접촉 팁의 표면적은 전류 전달에 의해 유발되는 과열을 회피하는 것을 더 돕기에 충분히 클 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 접촉 팁의 폭 또는 두께는 약 1 ㎜ 내지 약 10 ㎜의 범위 일 수 있다. 접촉 팁은 구리 또는 구리 합금일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 구리 합금은 구리 ASTM 등급 Ⅱ 내지 Ⅹ 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 구리 합금은 Ag, Al, Be, Bo, Cr, In, Mg, Ni, Sn, Sr, W, Zn 또는 Zr, 또는 이들의 조합물들 중 어느 하나와 조합하여 구리를 포함할 수 있다. 예를 들면, 접촉 팁은 W 및 Cu의 소결된 조성물, 또는 Cu 및 W의 합금을 포함할 수 있다.
[0088] 전원 공급기는 또한 임의 형상 제작에 의해 형성되는 금속 몸체의 타깃 영역에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속 와이어가 캐소드가 되고 타깃 영역이 애노드가 되도록 전기 연결이 이루어진다. 일부 실시예들에서, 금속 와이어가 애노드가 되고 타깃 영역이 캐소드가 되도록 전기 연결이 이루어진다. 금속 와이어가 플라즈마 이행형 아크(PTA) 토치의 아크에 진입하는 경우, 전기 아크를 포함하는 플라즈마 플룸(plasma plume)은 PTA 토치로부터 공급되는 열 플럭스의 면적 확장 및 크기의 우수한 제어에 의해 타깃 영역의 작은 표면 영역에 고도로 집중된 열 유동을 전달한다. PTA 토치는 캐소드와 애노드 사이의 길이 편차들에 대해 거의 원더링(wandering)하지 않고 양호하게 허용하는 것에 의해 안정적이고 일관된 아크들을 제공하는 이점을 갖는다. PTA 토치는 텅스텐으로 제조된 전극 및 구리 또는 구리 합금으로 제조된 노즐을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명은 PTA 토치의 임의의 특정 선택 또는 유형과 결부되지는 않는다. PTA 토치로서 기능할 수 있는 임의의 알려지거나 상상 가능한 디바이스가 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 PTA 토치가 아닌 PAW 토치를 사용하여 구현될 수 있다.
[0089] 전기 절연 재료는 PAW 토치의 아크로부터 전기 접촉 유닛을 격리시키는데 사용될 수 있다. 전기 절연 재료는 출구 개구로부터 일정 거리만큼 연장되도록 금속 와이어의 가이드의 출구 개구에 위치결정될 수 있다. 출구 개구로부터 연장되는 전기 절연 재료의 길이는 약 0.1 내지 10 ㎜, 또는 약 0.5 내지 5 ㎜, 또는 약 1 ㎜일 수 있다. 예시적인 실시예가 도 4a에 도시되어 있으며, 도 4a는 가이드(120)의 단부를 지나 연장되는 전기 절연 재료(160)가 도시하고 있다.
[0090] 유체-냉각식 접촉 팁 조립체는 임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3 차원 워크피스를 제조하기 위한 방법들에 사용될 수 있으며, 물체는 베이스 재료 상에 금속 재료의 연속적인 침착물들을 함께 융착시킴으로써 제조된다. 바람직한 실시예들에서, 유체-냉각식 접촉 팁 조립체는, WO 2012/134299(스템퍼(Stempfer), 2012)에 개시된 바와 같이, 2 개의 PAW 토치들, 보다 바람직하게는 2 개의 PTA 토치들을 이용하는 시스템과 함께 사용된다. 본원에 제공된 방법들에서, 제조될 물체와 동일한 금속 재료의 베이스 재료는 금속 재료의 연속적인 침착물들로 적층되고, 각각의 연속적인 침착물은, 제1 PAW 토치를 사용하여 금속 재료가 침착될 포지션에서 베이스 재료를 예열하여 용융된 금속 와이어로부터의 용융 금속의 액적들에 보다 수용적이게 만드는 것과, 금속 와이어를 유체-냉각식 접촉 팁 조립체를 통해 송급하여, 접촉 팁 조립체를 빠져나간 후의 금속 와이어의 말단부가 용융 금속이 침착될 예열된 베이스 재료 위로 위치결정되는 것과, 제2 PAW 토치를 사용하여 금속 와이어를 가열 및 용융시켜, 금속 와이어로부터의 용융 금속 재료가 베이스 재료의 예열된 표면 상으로 적하하는 것과, 제1 및 제2 PAW 토치들의 포지션에 대해 베이스 재료를 사전결정된 패턴으로 이동시켜, 용융 금속 재료의 연속적인 침착물들이 응고되어 3 차원 워크피스를 형성하는 것에 의해 얻어진다. 제1 PAW 토치는 베이스 재료에 에너지를 인가하여, 베이스 재료의 예열된 표면 상의 용융된 금속 와이어로부터의 과열된 금속 액적의 적절한 용입을 보장할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 PAW 토치에 의해 충분한 에너지가 인가되어 베이스 재료의 표면의 적어도 일부분을 용융시킨다. 일부 실시예들에서, 제1 PAW 토치는 용융된 금속 와이어로부터의 용융 금속 액적들이 적용될 포지션에서 베이스 재료에 용융 풀을 형성한다.
[0091] 2 개의 토치 시스템은 베이스 재료에 대한 열 공급과 독립적으로 금속 와이어로의 열 공급을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 구성들에서, PTA 토치를 사용하는 경우, 제1 PTA 토치의 전극(베이스 재료를 가열하여, 예컨대 용융된 금속 와이어의 용융 액적들에 대한 베이스 재료의 수용성을 증가시키기 위해 베이스 재료 위에 위치결정됨)이 음의 극성이 되고, 베이스 재료가 양의 극성이 되어, 전하가 제1 PTA 토치의 전극과 베이스 재료 사이의 아크 방전에 의해 전달되는 전기 회로를 한정하도록 직류 전원 공급기가 연결될 수 있다. 직류 전원 공급기의 음극은 제2 PTA 토치의 전극(유체-냉각식 접촉 팁 조립체를 빠져나가는 금속 와이어의 말단부 근처에 위치결정됨)에 연결될 수 있고, 양극은 금속 와이어에 연결되어, 전하가 제2 PTA 토치의 전극과 베이스 재료 사이의 아크 방전에 의해 전달되는 전기 회로를 형성한다. 제1 및 제2 PTA 토치들은 동일 또는 별개 전원 공급기들을 가질 수 있으며, 각각의 토치들에 대한 전력 공급을 독립적으로 조절하기 위한 동일 또는 별개 레귤레이터들(regulators)을 가질 수 있다.
C. 예들
[0092] 하기의 예는 예시의 목적으로만 의도되고, 본원에 제공된 실시예들의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다.
[0093] 유체-냉각식 접촉 팁 조립체의 실시예의 예가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 예시적인 실시예에서, 접촉 조립체는 티타늄으로 제조된 가이드(120), 구리로 제조된 전기 접촉 유닛(200) 및 절연 세라믹으로 적어도 부분적으로 코팅된 티타늄으로 제조된 와이어 가압 조립체(190)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 전기 접촉 유닛(200)은 접촉 팁(215)이 PTA 토치 근처에 있도록 구성 및 위치결정된다. 별개로 제어되는 PTA 토치(도 1에 도시되지 않음)가 베이스 재료를 예열하는데 사용된다. 제1 PTA 토치는 용융된 금속 재료가 침착될 포지션에서 용융된 금속 와이어의 용융 방울들에 수용적이도록 베이스 재료를 예열한다. 일부 실시예들에서, 베이스 재료의 적어도 일부분은 제1 PTA에 의해 용융되어, 베이스 재료를 보다 수용적이게 만든다. 일부 실시예들에서, 제1 PTA 토치에 의해 충분한 열이 인가되어 금속 재료가 침착될 포지션에서 베이스 재료에 용융 풀을 형성한다. 별개의 제2 PTA 토치는 금속 와이어를 용융시킨다. 이러한 배열은 베이스 재료를 예열하기 위해 베이스 재료에 인가되는 열 에너지의 양과는 독립적으로 금속 와이어에 발생되는 열 에너지의 양을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
[0094] 전기 접촉 유닛(200)은 티타늄으로 제조된 지지 요소(350)에 연결된다. 전기 접촉 유닛(200)과 지지 요소(350) 사이의 접촉 영역에 격리 재료(560)로서 플라스틱 또는 세라믹을 사용함으로써, 전기 접촉 유닛(200)이 지지 요소(350)로부터 열적으로 격리된다. 격리 재료(560)는 열 에너지를 쉽게 전달하지 않는 재료이다. 격리 재료로서 사용될 수 있는 예시적인 재료들은 세라믹들 및 플라스틱들을 포함한다. 전기 접촉 유닛(200)은 구리 합금의 접촉 팁(215)을 포함하며, 접촉 팁(215)은 금속 와이어가 가이드(120)의 단부를 빠져나간 후에 접촉 팁(215)이 금속 와이어와 접촉하게 되도록 위치결정된다.
[0095] 전기 접촉 유닛(200)은 냉각제 입구(225) 및 냉각제 출구(228)를 포함하는 냉각 시스템을 포함한다. 냉각제 입구(225) 및 냉각제 출구(228)는 전기 접촉 유닛(200) 내에 수용되는 냉각제 채널들(도 2에 도시됨)을 통해 유체 연통하며, 냉각제 채널들은 냉각 유체가 냉각제 입구(225)로부터 전기 접촉 유닛(200)을 통해, 특히 접촉 팁(215) 부근으로 유동할 수 있게 하고, 열 에너지를 흡수한 후에, 냉각 유체는 냉각제 출구(228)를 통해 전기 접촉 유닛(200)을 빠져나간다. 이러한 예에서, 냉각 유체는 물이었다.
[0096] 전기 접촉 유닛(200)은 접촉 팁(215)에 전력을 제공하기 위한 전기 접속부(230)를 포함한다. 전기 접속부(230)는 접촉 팁(215)이 금속 와이어와 접촉하게 될 때 금속 와이어가 애노드가 되도록 접촉 팁(215)을 DC 전원 공급기에 연결한다. PTA 토치의 전극은 PTA 토치가 캐소드가 되도록 DC 전원 공급기에 연결된다.
[0097] 이 예의 접촉 팁 조립체(100)는 또한 티타늄의 가이드(120)를 포함한다. 가이드(120)는 전기 접촉 유닛(200) 아래에 위치결정된다. 금속 와이어는 가이드(120)의 일 단부로 진입하고, 가이드(120)를 통과하고, 가이드(120)의 타 단부를 빠져나가며, 워크피스의 침착 지점 위의 PTA 토치의 플라즈마 아크 내에 위치결정된다. 도시된 예에서, 금속 와이어가 가이드(120)를 빠져나간 후에, 접촉 팁(215)은 금속 와이어와 접촉하게 된다. 이 예에서, 가이드(120)는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 실질적으로 원형인 단면을 갖는 와이어의 형태인 금속 와이어를 수용하도록 대체로 원통형인 형상 및 원형 단면을 갖는다. 가이드(120)의 외부 부분의 형상은 원형 단면을 갖는다. 이 예의 가이드(120)는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 지지체(350)에 대한 가이드(120)의 부착을 허용하는 체결구 돌출부(122)를 포함한다. 이 예의 가이드(120)는 또한, 금속 와이어의 임의의 먼지 또는 입자들이 성형 워크피스 근처로 오기 전에 가이드(120)를 빠져나갈 수 있게 하는 하부 개구(125)를 포함한다.
[0098] 이러한 예에서, 가이드(120)는 가이드(120)의 배출 단부에 산화알루미늄 세라믹의 전기 절연 라이닝(160)을 포함하며, 전기 절연 라이닝(160)은 금속 와이어로부터 가이드(120)를 분리시키고, 금속 와이어가 가이드(120)를 빠져나올 때의 금속 와이어의 부분을 완전히 둘러싸고 있다(도 4b 참조). 가이드(120)는 가이드(120)와 지지 요소(350) 사이의 접촉 지점들 사이에 세라믹 또는 플라스틱의 단열 재료를 포함함으로써 지지 요소(350)로부터 열적으로 격리된다.
[0099] 이러한 예에서, 가이드(120)는 냉각 유체 경로를 포함하며, 냉각 유체는 물이다. 냉각 유체 경로는 유입 냉각제 채널(135)에 연결되고 그와 유체 연통하는 가이드 냉각제 입구(157)를 포함하며, 유입 냉각제 채널(135)은 가이드(120)를 가로지르고, 냉각 유체가 가이드(120)를 통해 유동하여 가이드(120)가 열 연통하는 전기 접촉 유닛(200)으로부터 열 에너지를 흡수할 수 있게 한다. 이러한 예에서, 유입 냉각제 채널(135)은 전기 접촉 유닛(200)의 적어도 일부분과 접촉하는 가이드(120)의 상측 부분을 가로지른다. 열 에너지를 흡수한 후에, 냉각 유체는 유출 냉각 채널(137)을 통해 가이드 냉각제 출구(159)로 유동하여 가이드(120)를 빠져나간다.
[00100] 상기에서 언급된 바와 같이, 유체-냉각식 접촉 팁 조립체는 국제 특허 출원 공보 제WO 2012/134299호(스템퍼, 2012)에 개시된 바와 같은 2 토치 용접 시스템에 사용되었다. 2 개의 토치 시스템은 베이스 재료에 대한 열 공급과 독립적으로 금속 와이어에 대한 열 공급을 증가시키는 것을 가능하게 하며, 그에 따라 베이스 재료의 스패터(spatter) 또는 과도한 용융의 위험없이 또는 베이스 재료에 과도한 용융 풀을 형성하는 위험없이 그리고 동시에 베이스 재료를 과열하는 일 없이, 금속 와이어로의 열 플럭스를 증가시키고 용융 금속의 금속 와이어의 침착 속도를 증가시키는 것이 가능해진다. 이러한 예에서, 제1 PTA 토치의 전극(베이스 재료를 예열하기 위해 베이스 재료 위에 위치결정됨)이 음의 극성이 되고, 베이스 재료가 양의 극성이 되어, 전하가 제1 PTA 토치의 전극과 베이스 재료 사이의 아크 방전에 의해 전달되는 전기 회로를 한정하도록 직류 전원 공급기가 연결된다. 제2 PTA 토치의 전극(유체-냉각식 접촉 팁 조립체를 빠져나가는 금속 와이어의 말단부 근처에 위치결정됨)은 직류 전원 공급기의 음극에 연결되고 금속 와이어는 양극에 연결되어, 전하가 제2 PTA 토치의 전극과 베이스 재료 사이의 아크 방전에 의해 전달되는 전기 회로를 형성하였다. 이러한 예에서, 제1 및 제2 PTA 토치들은 별개의 전원 공급기들, 및 각각의 토치들에 대한 전력 공급을 독립적으로 조절하기 위한 별개의 레귤레이터들을 가졌다. 각각의 PTA 토치와 함께, 별개의 열 검출기들이 베이스 재료의 침착 영역 온도 및 금속 와이어의 온도를 모니터링하는데 사용되었다. 자기 아크 편향 수단(magnetic arc deflection means)이 또한 아크의 폭 및 포지션을 조절하는데 사용되었다.
[00101] 사용된 금속 와이어는 2.4 ㎜의 직경을 갖는 등급 5의 티타늄 합금이었다. 금속 와이어의 송급 속도(와이어 속도) 및 포지션은, 금속 와이어가 연속적으로 가열되고 말단부가 베이스 재료의 예열된 영역 위의 의도된 포지션에 도달할 때 용융되는 것을 보장하기 위해, 제2 PAW 토치에 대한 전력 공급의 영향에 따라 제어 및 조절되었다. 이러한 예에서, (베이스 재료 위의) 제1 PTA 토치에는 약 250 암페어(A)의 전류가 제공되었고, 제2 PTA 토치에는 300 A 이하의 전류가 제공되었다. 약 5 kg/h의 침착 속도가 달성되었다.
[00102] 제어 시스템(예컨대, 컴퓨터 보조 제조 시스템)은, 의도된 침착 스폿이 형성될 물체의 CAD-모델에 의해 주어지도록, 베이스 재료 및 하나 또는 그 초과의 PAW 또는 PTA 토치들을 일정하게 위치결정 및 이동시키는 하나 또는 그 초과의 액추에이터들(도시되지 않음)의 결합을 작동 및 조절하도록 동시에 관여될 수 있다. 제어 시스템은 또한, 베이스 재료의 예열된 영역 또는 베이스 재료 내의 용융 풀이 용융된 금속 재료가 침착되는 곳이 되도록 예열 PAW 또는 PTA 토치를 제어하는 임의의 액추에이터를 작동시키도록 관여될 수 있다.
[00103] 본원에서 설명된 본 발명의 예시적인 실시예들에서 사용되는 제어 시스템은 침착 장치의 부분 또는 완전 자동화를 제공할 수 있다. 제어 시스템은 컴퓨터 프로세서 또는 중앙 처리 유닛(CPU), CPU 디스플레이, 하나 또는 그 초과의 전원 공급기들, 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 자동화하기에 적절한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 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.
[00104] 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.
100 접촉 팁 조립체
120 가이드
122 체결구 돌출부
125 하부 개구
130 중심 보어
135 와이어 가이드의 유입 냉각제 채널
137 와이어 가이드의 유출 냉각제 채널
140 제1 단부
145 입구 개구
150 제2 단부
155 출구 개구
157 와이어 가이드 냉각제 입구
159 와이어 가이드 냉각제 출구
160 전기 절연 라이닝
170 가이드 채널
180 금속 와이어(와이어)
190 와이어 가압 조립체
195 절연 팁
200 전기 접촉 유닛
215 접촉 팁
225 냉각제 입구
226 진입 냉각제 채널
227 배출 냉각제 채널
228 냉각제 출구
230 전기 접속부
350 지지 요소
400 금속 와이어 전달 소스
450 커넥터
460 금속 와이어를 수용하기 위한 개구
465 체결구
560 단열 재료
570 냉각제 공급 입구
580 냉각제 공급 출구
100 접촉 팁 조립체
120 가이드
122 체결구 돌출부
125 하부 개구
130 중심 보어
135 와이어 가이드의 유입 냉각제 채널
137 와이어 가이드의 유출 냉각제 채널
140 제1 단부
145 입구 개구
150 제2 단부
155 출구 개구
157 와이어 가이드 냉각제 입구
159 와이어 가이드 냉각제 출구
160 전기 절연 라이닝
170 가이드 채널
180 금속 와이어(와이어)
190 와이어 가압 조립체
195 절연 팁
200 전기 접촉 유닛
215 접촉 팁
225 냉각제 입구
226 진입 냉각제 채널
227 배출 냉각제 채널
228 냉각제 출구
230 전기 접속부
350 지지 요소
400 금속 와이어 전달 소스
450 커넥터
460 금속 와이어를 수용하기 위한 개구
465 체결구
560 단열 재료
570 냉각제 공급 입구
580 냉각제 공급 출구
Claims (29)
- 유체-냉각식 접촉 팁 조립체(fluid-cooled contact tip assembly)로서,
가이드(guide);
전기 접촉 유닛―상기 전기 접촉 유닛은,
전원에 연결된 접촉 팁(contact tip); 및
냉각 시스템을 포함하며, 상기 냉각 시스템은,
냉각제 입구;
상기 냉각제 입구에 연결되고 그와 유체 연통하는 진입 냉각제 채널(entry coolant channel);
상기 진입 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 배출 냉각제 채널(exit coolant channel); 및
상기 배출 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 냉각제 출구를 포함함―; 및
금속 와이어를 상기 전기 접촉 요소의 접촉 팁과 접촉하게 가압하도록 구성된 와이어 가압 조립체(wire pressing assembly)를 포함하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제1 항에 있어서,
상기 가이드는,
종방향 중심축, 제1 단부, 대향하는 제2 단부, 및 상기 제1 단부로부터 상기 대향하는 제2 단부까지 상기 가이드의 종방향 중심축을 따라 연장되고 뻗어있는 중심 보어(center bore)―상기 중심 보어를 통해 금속 와이어가 송급될 수 있음―; 및
냉각 시스템을 포함하며, 상기 냉각 시스템은,
냉각제 공급 입구와 유체 연통하도록 연결 가능한 냉각제 입구;
상기 냉각제 입구에 연결되고 그와 유체 연통하는 유입 냉각제 채널(incoming coolant channel);
상기 유입 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 유출 냉각제 채널(outgoing coolant channel); 및
상기 유출 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 냉각제 출구를 포함하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 진입 냉각제 채널은 상기 접촉 팁의 부근에 복수의 상호연결된 평행한 채널들을 포함하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가이드는 하부 개구를 더 포함하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가이드는 Ti 또는 Ti 합금을 포함하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 접촉 유닛은 Cu 또는 Cu 합금을 포함하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 접촉 팁은 Cu 또는 Cu 합금을 포함하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
와이어 가압 조립체는, 와이어 가압 조립체가 상기 금속 와이어를 상기 접촉 팁과 접촉하도록 가압하게 하는 압력을 가하는 스프링을 포함하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제8 항에 있어서,
상기 와이어 가압 조립체는 절연 팁(insulated tip)을 포함하며, 상기 절연 팁은 상기 금속 와이어를 상기 접촉 팁과 접촉하도록 가압할 때 상기 금속 와이어와 접촉하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
와이어 가압 조립체는 Ti 또는 Ti 합금을 포함하고, 전기 접촉 유닛에 연결되는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가이드 및 상기 전기 접촉 유닛이 연결되는 지지 요소; 및
금속 와이어 전달 소스(metal wire delivery source)를 더 포함하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제11 항에 있어서,
상기 지지 요소와 상기 전기 접촉 유닛 사이에 단열 재료를 더 포함하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제11 항에 있어서,
상기 지지 요소는,
상기 가이드 냉각제 입구와 유체 연통하도록 연결 가능한 냉각제 공급 입구; 및
상기 가이드 냉각제 출구와 유체 연통하도록 연결 가능한 냉각제 공급 출구를 더 포함하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 와이어가 상기 가이드를 통과한 후에, 상기 금속 와이어는 워크피스 위의 플라즈마 아크와 접촉하는,
유체-냉각식 접촉 팁 조립체. - 임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3 차원 물체를 제조하기 위한 방법으로서,
베이스 재료 상에 금속 재료의 연속적인 침착물들을 침착하는 단계를 포함하며, 각각의 연속적인 침착물은,
금속 와이어에 전류를 전도시키는 유체-냉각식 전기 접촉 유닛 내로 가이드를 통해 금속 와이어를 송급하는 단계; 및
제1 PAW 토치(torch)를 사용하여, 용융 금속 재료가 상기 베이스 재료 상으로 적하하도록 상기 와이어를 가열 및 용융시키는 단계에 의해 얻어지는,
3 차원 물체의 제조 방법. - 제15 항에 있어서,
용융된 와이어의 용융 금속 재료의 연속적인 침착물들이 응고되어 상기 3 차원 물체를 형성하도록 상기 베이스 재료 및 상기 제1 PAW 토치 중 적어도 하나를 이동시킴으로써 침착 패턴을 규정하는 단계를 더 포함하는,
3 차원 물체의 제조 방법. - 제15 항 또는 제16 항에 있어서,
상기 금속 재료가 침착될 상기 베이스 재료를 예열하는 단계를 더 포함하는,
3 차원 물체의 제조 방법. - 제17 항에 있어서,
상기 예열은 제2 PAW 토치를 사용하여 수행되는,
3 차원 물체의 제조 방법. - 제18 항에 있어서,
용융된 와이어의 용융 금속 재료의 연속적인 침착물들이 응고되어 상기 3 차원 물체를 형성하도록 상기 베이스 재료, 제1 PAW 토치 및 제2 PAW 토치 중 적어도 하나를 이동시킴으로써 침착 패턴을 규정하는 단계를 더 포함하는,
3 차원 물체의 제조 방법. - 제15 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유체-냉각식 전기 접촉 유닛은 냉각 시스템을 포함하며, 상기 냉각 시스템은,
냉각제 공급 입구와 유체 연통하도록 연결 가능한 냉각제 입구;
상기 냉각제 입구에 연결되고 그와 유체 연통하는 유입 냉각제 채널;
상기 유입 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 유출 냉각제 채널; 및
상기 유출 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 냉각제 출구를 포함하는,
3 차원 물체의 제조 방법. - 제15 항 내지 제20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가이드는 냉각 시스템을 포함하며, 상기 냉각 시스템은,
냉각제 공급 입구와 유체 연통하도록 연결 가능한 냉각제 입구;
상기 냉각제 입구에 연결되고 그와 유체 연통하는 유입 냉각제 채널;
상기 유입 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 유출 냉각제 채널; 및
상기 유출 냉각제 채널에 연결되고 그와 유체 연통하는 냉각제 출구를 포함하는,
3 차원 물체의 제조 방법. - 제15 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 와이어는 임의의 와이어의 형태이며, Al, Cr, Cu, Fe, Hf, Sn, Mn, Mo, Ni, Nb, Si, Ta, Ti, V, W 또는 Zr, 또는 이들의 복합재들 또는 합금들을 포함하는,
3 차원 물체의 제조 방법. - 제15 항 내지 제22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 와이어에 전도된 전류는 적어도 100 암페어인,
3 차원 물체의 제조 방법. - 임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3 차원 물체를 제조하기 위한 시스템으로서,
금속 재료를 베이스 재료 위의 포지션으로 안내하기 위한 유체-냉각식 가이드;
금속 와이어에 전류를 전도시키기 위해 상기 금속 와이어와 전기적으로 접촉하는 유체-냉각식 전기 접촉 유닛;
상기 금속 와이어를 용융시키고 금속 재료가 상기 베이스 재료 위로 적하되게 하는 제1 용접 토치; 및
상기 금속 재료의 연속적인 침착물들을 상기 베이스 재료 상에 융착시킴으로써 물리적 물체가 축조되도록 침착 프로파일(deposition profile)을 규정하기 위한, 형성될 물체의 컴퓨터 모델(computer model)을 포함하는,
3 차원 물체의 제조 시스템. - 제24 항에 있어서,
적어도 상기 용접 토치에 대해 상기 베이스 재료를 이동시키는 액추에이터 트레이(actuator tray)를 더 포함하는,
3 차원 물체의 제조 시스템. - 제24 항 또는 제25 항에 있어서,
상기 제1 용접 토치를 이동시키는 액추에이터 아암(actuator arm)을 더 포함하는,
3 차원 물체의 제조 시스템. - 제24 항 내지 제26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 재료가 침착될 영역에서 상기 베이스 재료를 예열하기 위한 제2 용접 토치를 더 포함하는,
3 차원 물체의 제조 시스템. - 제27 항에 있어서,
상기 제2 용접 토치를 이동시키는 액추에이터 아암을 더 포함하는,
3 차원 물체의 제조 시스템. - 제24 항 내지 제28 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 와이어에 전도되는 전류는 적어도 100 암페어인,
3 차원 물체의 제조 방법.
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