使用高能源和熱焊絲用于增材制造的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)采用高強度能源制造工件從而產(chǎn)生熔池和至少一根電阻加熱焊絲，該至少一根電阻加熱焊絲被加熱到處于或接近其熔化溫度并且作為熔滴熔敷到該熔池中。
【專利說明】
使用高能源和熱焊絲用于增材制造的方法和系統(tǒng)優(yōu)先權(quán)[0001 ]本申請是2014年1月24日提交的第14/163,367號美國專利申請的部分繼續(xù)申請并 且要求其優(yōu)先權(quán)，該申請通過引用以其全部內(nèi)容結(jié)合在此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]某些實施例涉及增材制造應(yīng)用。更具體地，某些實施例涉及一種使用組合式填充焊絲送進(jìn)和能源系統(tǒng)用于增材制造應(yīng)用的系統(tǒng)和方法。背景
[0003]使用各種方法的增材制造的使用近來已經(jīng)得到發(fā)展。然而，已知的方法具有各種缺點。例如，一些工藝使用通常緩慢的金屬粉末并且會造成大量粉末浪費。使用基于電弧的系統(tǒng)的其他方法也緩慢并且不準(zhǔn)許制造高精度的制品。因此，需要可以高速、并且高精度水平操作的增材制造工藝和系統(tǒng)。
[0004]通過這種方法與本申請的其余部分中參照附圖闡述的本發(fā)明的實施例相比較，常規(guī)、傳統(tǒng)和所提出的方法的進(jìn)一步的局限性和缺點對本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言將變得明顯。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實施例包括一種用于增材制造的系統(tǒng)和方法，其中，高能裝置用高能放電照射工件的表面從而在該工件的表面上產(chǎn)生熔融熔池。送絲裝置將焊絲送進(jìn)到熔池，并且電源向焊絲供應(yīng)加熱信號，其中，該加熱信號包括多個電流脈沖，并且其中，這些電流脈沖中的每個電流脈沖在焊絲的熔敷到熔池中的遠(yuǎn)端上產(chǎn)生熔融熔滴。這些電流脈沖中的每個電流脈沖在送絲器引起焊絲的遠(yuǎn)端接觸所述熔池之后達(dá)到峰值電流電平，并且該加熱信號在這些電流脈沖中的該多個電流脈沖之間沒有電流。該送絲器控制焊絲的移動，這樣使得焊絲的遠(yuǎn)端在這些電流脈沖的后續(xù)峰值電流電平之間不與熔池接觸，并且該電源控制加熱電流，這樣使得在這些電流脈沖期間，在焊絲與工件之間不產(chǎn)生電弧。附圖簡要說明
[0006]通過參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的以上和/或其他方面將會更加明顯，在附圖中:
[0007]圖1展示了本發(fā)明的增材制造系統(tǒng)的示例性實施例的示意性框圖；
[0008]圖2A至圖2D展示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的熔滴熔敷過程；
[0009]圖3展示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的熔滴熔敷過程的另一個視圖；
[0010]圖4A至圖4B展示了可以與本發(fā)明的實施例一起使用的代表性電流波形；[〇〇11]圖5展示了本發(fā)明的電壓和電流波形的代表性實施例；[0〇12]圖6A和圖6B展示了用于幫助熔滴熔敷的激光器的利用；
[0013]圖7展示了根據(jù)本發(fā)明的方面的焊絲加熱系統(tǒng)的示例性實施例；
[0014]圖8A展示了可以與圖7的系統(tǒng)一起使用的電流波形的示例性實施例；
[0015]圖8B展示了本發(fā)明的示例性實施例的電流波形、電壓波形、送絲速度和激光功率的示例性實施例；
[0016]圖9展示了本發(fā)明的焊絲加熱系統(tǒng)的另一個示例性實施例；
[0017]圖10展示了使用多根焊絲的本發(fā)明的進(jìn)一步的示例性實施例；[〇〇18]圖11展示了本發(fā)明的系統(tǒng)的另一個示例性實施例；[〇〇19]圖12展示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的電源系統(tǒng)；
[0020]圖13展示了一次使用多個耗材的系統(tǒng)的實施例；
[0021]圖14展示了圖13中的系統(tǒng)的另一個實施例；
[0022]圖15展示了圖13中所示的系統(tǒng)的進(jìn)一步的示例性實施例；[0〇23]圖16展不了非粘結(jié)性制造襯底的不例性實施例；
[0024]圖17A至圖17C展示了非粘結(jié)性制造襯底的進(jìn)一步的示例性實施例；
[0025]圖18A展不了具有冷卻系統(tǒng)的非粘結(jié)性襯底的實施例；
[0026]圖18B展示了本發(fā)明的實施例可以使用的制造桁架結(jié)構(gòu)的示例性實施例；
[0027]圖19A至圖19C展示了可以與本文中所描述的系統(tǒng)一起使用的編結(jié)增材制造耗材的示例性實施例；[〇〇28]圖20A至圖20B展示了根據(jù)本發(fā)明的實施例已經(jīng)變形的示例性編結(jié)耗材；
[0029]圖20C展示了本文中所描述的雙絲熔敷接觸尖端組件的實施例；
[0030]圖20D展示了本發(fā)明的雙絲接觸尖端的進(jìn)一步的示例性實施例；
[0031]圖21A和圖21B展示了可以用于使耗材變形以便在熔敷過程中進(jìn)行輸送的本發(fā)明的示例性接觸尖端組件；
[0032]圖22展示了本發(fā)明的另一個示例性耗材；
[0033]圖23展示了用于本文中所描述的增材制造的耗材的進(jìn)一步的示例性實施例;并且 [〇〇34]圖24A至圖24D展示了本發(fā)明的實施例可以使用的增材制造耗材的附加示例性實施例。詳細(xì)說明
[0035]現(xiàn)在將參照附圖來描述本發(fā)明的示例性實施例。所描述的示例性實施例旨在幫助理解本發(fā)明，而并不旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。貫穿全文，相同的參考數(shù)字指代相同的元件。
[0036]術(shù)語“增材制造”在本文中以廣義方式使用并且可以指代任何應(yīng)用，包括建造、構(gòu)造、或創(chuàng)造物體或部件。
[0037]圖1展示了用于執(zhí)行增材制造的組合式填充焊絲送進(jìn)器和能源系統(tǒng)100的示例性實施例的功能性示意框圖。系統(tǒng)100包括能夠使激光束110聚焦到工件115上從而對工件115 加熱的激光器子系統(tǒng)。該激光器子系統(tǒng)是高強度能源。該激光器子系統(tǒng)可以是任何類型的高能激光源，包括但不限于二氧化碳、Nd:YAG、Yb-盤、YB-光纖、光纖輸送或直接二極管激光器系統(tǒng)。該系統(tǒng)的其他實施例可以包括用作高強度能源的電子束、等離子體弧焊子系統(tǒng)、鎢極氣體保護(hù)弧焊子系統(tǒng)、氣體保護(hù)金屬弧焊子系統(tǒng)、焊劑藥芯焊絲弧焊子系統(tǒng)、和埋弧焊子系統(tǒng)中的至少一者。以下說明將重復(fù)提到激光器系統(tǒng)、射束和電源，然而，應(yīng)理解的是，這種引用是示例性的，因為可以使用任何高強度能源。例如，高強度能源可以提供至少500W/ cm2。該激光器子系統(tǒng)包括彼此操作性地連接的激光器裝置120和激光器電源130。激光器電源130提供用于操作激光器裝置120的功率。[〇〇38]系統(tǒng)100還包括能夠提供至少一根電阻填充焊絲140來與激光束110附近的工件 115相接觸的熱填充焊絲送進(jìn)器子系統(tǒng)。當(dāng)然，應(yīng)理解的是，通過在本文中引用工件115,熔融熔池被認(rèn)為是工件115的一部分，因此對與工件115的接觸的引用包括與熔池的接觸。送絲器子系統(tǒng)包括填充焊絲送進(jìn)器150、導(dǎo)電管160、和電源170。在操作過程中，填充焊絲140 被來自操作性地連接在導(dǎo)電管160與工件115之間的電源170的電流電阻加熱。根據(jù)本發(fā)明的實施例，盡管交流(AC)或其他類型的電源也是可以的，但電源170是脈沖直流(DC)電源。 焊絲140從填充焊絲送進(jìn)器150通過導(dǎo)電管160被朝著工件115送進(jìn)并且延伸到該嘴160之夕卜。焊絲140的外延部分被電阻加熱，這樣使得外延部分在接觸到工件上的熔池之前接近或達(dá)到熔點。激光束110用于使工件115的基本金屬中的某些基本金屬熔化從而形成熔池并且還可以用于使焊絲140熔化到工件115上。電源170提供電阻熔化填充焊絲140所需的能量。 如以下將進(jìn)一步解釋的，在一些實施例中，電源170提供所需的所有能量，而在其他實施例中，激光器或其他高能熱源可以提供該能量中的一些能量。根據(jù)本發(fā)明的某些其他實施例， 送進(jìn)器子系統(tǒng)可能能夠同時提供一根或多根焊絲。這將在以下進(jìn)行更全面的討論。
[0039]系統(tǒng)100進(jìn)一步包括能夠使激光束110(能源)和電阻填充焊絲140沿著工件115朝同一方向125移動(至少在相對意義上)的運動控制子系統(tǒng)，這樣使得激光束110和電阻填充焊絲140彼此保持相對固定。根據(jù)各實施例，工件115與激光/焊絲組合之間的相對運動可以通過實際移動工件115或通過移動激光器裝置120和送絲器子系統(tǒng)來實現(xiàn)。在圖1中，運動控制子系統(tǒng)包括操作性地連接至機器人190的運動控制器180。運動控制器180控制機器人190 的運動。機器人190操作性地連接(例如，以機械方式固定)至工件115從而使工件115在方向 125上移動，這樣使得激光束110和焊絲140沿著工件115有效地行進(jìn)。根據(jù)本發(fā)明的替代性實施例，激光器裝置120和導(dǎo)電管160可以被集成到單個頭中。該頭可以經(jīng)由操作性地連接至該頭的運動控制子系統(tǒng)來沿著工件115移動。
[0040]通常，存在可以使高強度能源/焊絲相對于工件移動的若干種方法。如果工件是圓的，例如，高強度能源/焊絲可以是靜止的，而工件可以在該高強度能源/焊絲下旋轉(zhuǎn)?？商娲?，機器人臂或線性牽引機可以平行于圓形工件移動，當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)時，高強度能源/焊絲可以連續(xù)地移動或者每個循環(huán)轉(zhuǎn)位一次以便(例如)覆蓋圓形工件的表面。如果工件是扁平的或至少不是圓的，則工件可以如圖1中所示的在高強度能源/焊絲下移動。然而，機器人臂或線性牽引機或甚至安裝射束的滑架可以用于使高強度能源/焊絲頭相對于工件移動。 [0041 ]系統(tǒng)100進(jìn)一步包括感測和電流控制子系統(tǒng)195,該感測和電流控制子系統(tǒng)操作性地連接至工件115和導(dǎo)電管160(即，有效地連接至電源170的輸出端)并且能夠測量工件115 與焊絲140之間的電勢差(S卩，電壓V)和通過它們的電流(I)。感測和電流控制子系統(tǒng)195可能進(jìn)一步能夠從所測量的電壓和電流計算電阻值(R = V/I)和/或功率值(P = V*I)。通常，當(dāng)焊絲140與工件115接觸時，焊絲140與工件115之間的電勢差為零伏特或者非常接近零伏特。其結(jié)果是，如本文中稍后更詳細(xì)描述的，感測和電流控制子系統(tǒng)195能夠在電阻填充焊絲140與工件115接觸和操作性地連接至電源170時進(jìn)行感測，從而進(jìn)一步能夠響應(yīng)于該感測而控制通過電阻填充焊絲140的電流流動。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，感測和電流控制子系統(tǒng)195可以是電源170的組成部分。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的實施例，運動控制器180可以進(jìn)一步操作性地連接至激光器電源130和/或感測和電流控制器195。以此方式，運動控制器180和激光器電源130可以彼此通信，這樣使得激光器電源130知道工件115什么時候運動，并且這樣使得運動控制器180知道激光器裝置120是否是活動的。類似地，以此方式，運動控制器180以及感測和電流控制器195可以彼此通信，這樣使得感測和電流控制器195知道工件115什么時候運動，并且這樣使得運動控制器180知道填充焊絲送進(jìn)器子系統(tǒng)是否是活動的。這類通信可以用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)100的各子系統(tǒng)之間的活動。
[0043]如眾所周知的，增材制造是一種材料熔敷到工件上以便創(chuàng)造所期望的制造產(chǎn)品的工藝。在一些應(yīng)用中，制品會是非常復(fù)雜的。然而，用于增材制造的已知方法和系統(tǒng)常常是緩慢的并且具有的性能有限。本發(fā)明的實施例通過提供高速和高準(zhǔn)確度增材制造方法和系統(tǒng)解決了那些領(lǐng)域。
[0044]圖1中所描繪的系統(tǒng)100是這類示例性系統(tǒng)，其中，焊絲140被重復(fù)熔化成熔滴并且熔敷到工件上，從而產(chǎn)生所期望的形狀。圖2A至圖2D示例性描繪了這種工藝。如這些圖中所示。如圖2A中所示，工件的表面被激光束110(或其他熱源)照射，而焊絲140不與工件接觸。 射束110在工件的表面上產(chǎn)生熔融熔池A。在大多數(shù)應(yīng)用中，熔池A具有小面積，并且穿透水平將不是其他操作(如焊接或接合)所要求的穿透水平。相反，熔池A被產(chǎn)生為使工件的表面準(zhǔn)備接收來自焊絲140的熔滴并且引起與該熔滴的充分粘結(jié)。因此，射束110的射束密度使得在工件上僅產(chǎn)生小熔池而不引起太多的熱量輸入到工件中或造成熔池太大。一旦產(chǎn)生熔池，隨著焊絲被推進(jìn)到熔池A，熔滴D形成在焊絲140的遠(yuǎn)端以便與熔池A相接觸，見圖2B。在接觸之后，熔滴D熔敷到熔池A和工件上(見圖2C)。重復(fù)這個過程以便創(chuàng)造期望的工件。在圖 2D中，示出了可選步驟，在該步驟中，在熔敷的熔滴D與焊絲140分離之后，射束110被引導(dǎo)在所熔敷的熔滴處。在這類實施例中，射束110可以用于使工件表面平滑和/或添加附加熱量來允許熔滴D完全整合到工件上。進(jìn)一步地，該射束可以用于提供工件的附加成形。
[0045]圖3描繪了來自焊絲140的熔滴D的示例性熔敷過程。圖3的左邊緣上的圖像描繪了焊絲140與工件相接觸。電源170檢測到這個接觸，然后，該電源向焊絲140提供加熱電流，以便將該焊絲加熱到處于或接近焊絲140的熔化溫度。用于檢測工件與焊絲140之間的接觸的檢測電路可以被構(gòu)造并且像焊接電源中所使用的已知檢測電路一樣操作，并且因此不需要在本文中提供對該電路操作和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)解釋。來自電源170的加熱電流非常快速地斜升從而提供必要的能量來使熔滴D從焊絲140的末端熔化。然而，小心控制該電流，從而使得在焊絲140與工件之間不產(chǎn)生電弧。電弧的產(chǎn)生會證明對工件有破壞性并且因此不是令人期望的。因此，以為了防止形成電弧這類方式(以下進(jìn)行了進(jìn)一步解釋)控制電流。
[0046]轉(zhuǎn)回到圖3,焊絲140與工件相接觸并且電源170提供熔化電流(1)。在一些示例性實施例中，開路電壓0CV可以在接觸之前施加于焊絲140。在接觸之后，電流快速斜升以便使焊絲140的末端熔化從而產(chǎn)生有待熔敷(2)的熔滴D。電流還引起焊絲140正好在熔滴D上方頸狀收縮以便允許熔滴D與焊絲140分離(3)。然而，電流受到控制，這樣使得當(dāng)焊絲140頸狀收縮時，電流被關(guān)閉或大大減小，從而使得當(dāng)焊絲140與熔滴D分離時，焊絲140與工件之間不產(chǎn)生電弧(4)。在一些示例性實施例中，在熔滴D與焊絲140之間的連接斷開期間和就在其之前，焊絲140可以縮回離開工件。因為熔滴D與熔池相接觸，熔池的表面張力將會幫助使熔滴從焊絲140斷離。一旦熔滴已經(jīng)與焊絲140分離，焊絲140就被推進(jìn)以重復(fù)該過程，從而熔敷另一個熔滴。焊絲140可以被推進(jìn)到同一位置和/或下一個熔滴可以熔敷在任何期望的位置。
[0047]如之前討論的，也可以在熔滴D已經(jīng)熔敷在工件上之后利用激光束110在熔敷之后使工件平滑或以其他方式成形。此外，可以在熔敷過程中進(jìn)一步利用射束110。也就是，在一些示例性實施例中，射束110可以用于向焊絲140添加熱量從而幫助引起熔滴的形成和/或熔滴D與焊絲140的分離。這將在以下進(jìn)一步討論。[〇〇48]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4A和圖4B，每個圖描繪了本發(fā)明的示例性實施例可以利用的示例性電流波形。在圖4A中，如可以看到的，波形400具有多個脈沖401，其中每個脈沖表示來自焊絲 140的熔滴D的轉(zhuǎn)移。電流脈沖401在焊絲140接觸時開始。然后，電流使用斜升部分402增加到峰值電流電平401，該峰值電流電平就在焊絲140與熔滴D的分離之前發(fā)生。在這個實施例中，在斜升部分402過程中，電流不斷增加從而引起熔滴形成和在分離之前焊絲發(fā)生頸狀收縮。在熔滴D分離之前，電流在斜降部分404過程中快速減小，從而使得當(dāng)發(fā)生分離時，不產(chǎn)生電弧。在圖4A的波形400中，電流被切斷并且下降到零。然而，在本發(fā)明的其他示例性實施例中，電流會下降到較低的分離電平而不需要被完全切斷，直到發(fā)生分離。在這類實施例中，較低的分離電流電平將繼續(xù)向焊絲140添加熱量，從而幫助斷開熔滴D。[〇〇49]圖4B描繪了電流波形410的另一個示例性實施例。然而，在本實施例中，脈沖411具有利用多個不同斜坡速率區(qū)段的斜升部分402-如所示。在所示實施例中，在熔滴D分離之前，斜升部分402利用三個不同的斜坡速率402A、402B和402C。第一斜坡速率402A非常陡并且電流快速增加以便快速加熱焊絲140,從而盡快開始熔化過程。在電流達(dá)到第一電平405 之后，電流斜坡速率變成比第一斜坡速率更小的第二斜坡速率402B。在一些示例性實施例中，第一電流電平在脈沖的峰值電流電平413的35 %至60 %的范圍內(nèi)。斜坡速率402B小于初始斜坡速率402A以便幫助控制電流和防止形成電弧、或微電弧。在所示實施例中，第二斜坡速率被維持住直到熔滴D開始在焊絲140的遠(yuǎn)端形成。在所示實施例中，一旦熔滴D開始形成，電流斜坡速率就再次變成小于第二斜坡速率402B的第三斜坡速率402C。再次，斜坡速率的減少允許加強控制電流以便防止不注意產(chǎn)生電弧。如果電流增加太快，當(dāng)檢測到分離時會難以(因為各種問題，如系統(tǒng)電感)快速減小電流并且難以防止產(chǎn)生電弧。在一些示例性實施例中，第二斜坡速率與第三斜坡速率之間的過渡點407在脈沖411的峰值電流電平413 的50%至80%的范圍內(nèi)。與圖4A中的脈沖相同，當(dāng)檢測到熔滴分離時，電流顯著減少，這將在以下進(jìn)行更全面的解釋。還應(yīng)注意到，本發(fā)明的其他實施例可以使用不同的斜坡速率特征曲線而不脫離本發(fā)明的范圍或精神。例如，這些脈沖可以具有兩個不同的斜坡速率區(qū)段或者可以具有多于三個斜坡速率區(qū)段。此外，這些脈沖可以利用不斷變化的斜升。例如，電流可以跟隨反拋物曲線達(dá)到峰值電流電平，或者可以利用不同配置的組合，其中，恒定斜坡速率可以從焊絲接觸開始使用直到第一電流電平405,并且然后可以從那點開始使用反拋物曲線。
[0050]如本文中所解釋的，脈沖401/411的峰值電流電平將低于電弧發(fā)生電平，但在每個脈沖期間足以熔化掉熔滴D。本發(fā)明的示例性實施例可以利用不同的控制方法用于峰值電流電平。在一些示例性實施例中，峰值電流電平可以是由在增材制造之前輸入的不同的用戶輸入?yún)?shù)所確定的峰值電流閾值。這類參數(shù)包括焊絲材料類型、焊絲直徑、焊絲類型(藥芯￥.實芯)和每英寸熔滴數(shù)(DPI)。當(dāng)然，還可以利用其他參數(shù)。當(dāng)接收到此輸入信息時，電源170和/或控制器195可以利用不同的控制方法，如查找表，并且確定用于操作的峰值電流值?？商娲兀娫?70可以監(jiān)測電源170的輸出電流、電壓、和/或功率以確定何時將會發(fā)生分離并且相應(yīng)地控制電流。例如，可以監(jiān)測(使用預(yù)感電路等等)dv/dt、di/dt和/dp/dt，并且當(dāng)確定分離要發(fā)生時，關(guān)閉或減小電流。這將在以下進(jìn)行更詳細(xì)的說明。[〇〇51]以下討論了本發(fā)明的示例性實施例的用途和操作。在增材制造過程開始時，電源 170可以經(jīng)由電源170在焊絲140與工件115之間施加感測電壓。電源170可以根據(jù)感測和電流控制器195的命令來施加感測電壓。在一些實施例中，所施加的感測電壓不提供足夠的能量來顯著地加熱焊絲140。在施加感測電壓情況情況下，焊絲140的遠(yuǎn)端向工件115被推進(jìn)。 然后，激光器120發(fā)出射束110來加熱工件115的表面并且產(chǎn)生熔池從而接收焊絲140。送絲器150執(zhí)行該推進(jìn)，并且當(dāng)焊絲140的遠(yuǎn)端首先與工件115接觸時，感測到與工件的接觸。例如，控制器195可以命令電源170提供通過焊絲140的非常低的電流電平(例如，3到5安培)。 該感測可以通過感測和電流控制器195測量焊絲140(例如，經(jīng)由導(dǎo)電管160)與工件115之間的約零伏特(例如，0.4V)的電勢差完成。當(dāng)填充焊絲140的遠(yuǎn)端短路連接到工件115 (即，與工件接觸)時，填充焊絲140與工件115之間可能不存在顯著的電壓電平(高于零伏特)。
[0052]在接觸之后，電源170可以響應(yīng)于該感測而在限定的時間間隔內(nèi)(例如，若干毫秒) 被關(guān)閉。然后，電源170可以在限定的時間間隔結(jié)束時返回來被打開，從而施加通過焊絲140 的加熱電流流動。并且，在感測到接觸之后，射束110可以被關(guān)閉以便不向熔池或工件115添加太多熱量。在一些實施例中，激光束110可以持續(xù)保持著，從而幫助熔滴D的加熱和分離。 這將在以下進(jìn)行更詳細(xì)的討論。
[0053]在本發(fā)明的一些示例性實施例中，該過程可以包括響應(yīng)于該感測而停止推進(jìn)焊絲 140、在限定的時間間隔結(jié)束時重新開始推進(jìn)(S卩，重新推進(jìn))焊絲140、并且驗證在施加加熱電流流動之前、或者在施加加熱電流和并且熔滴D形成之后填充焊絲140的遠(yuǎn)端仍然與工件 115接觸。感測和電流控制器195可以命令送絲器150停止送進(jìn)并且命令系統(tǒng)100等待(例如， 若干毫秒)。在這類實施例中，感測和電流控制器195操作性地連接至送絲器150以便命令送絲器150開始和停止。感測和電流控制器195可以命令電源170施加加熱電流脈沖從而如上所述加熱焊絲140,并且可以重復(fù)這個過程以便在工件上熔敷多個熔滴。
[0054]在操作過程中，高強度能源(例如，激光器裝置120)和焊絲140可以沿著工件115移動從而按照所期望的那樣提供熔滴。運動控制器180命令機器人190相對于激光束110和焊絲140移動工件115。激光器電源130提供用于操作激光器裝置120形成激光束110的功率。在進(jìn)一步的實施例中，激光器裝置120包括光學(xué)器件，這些光學(xué)器件可以被調(diào)整成用于改變激光束110在工件的沖擊表面上的形狀。實施例可以使用射束形狀來控制熔敷過程的形狀，也就是通過使用矩形、橢圓或卵形形狀的射束，可以形成相對窄的熔敷物，從而形成較薄的圍壁結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，射束形狀可以用于在熔滴與耗材分離之后使熔敷物成形。
[0055]如以上討論的，確定焊絲140與熔滴D之間將要發(fā)生斷裂時，要關(guān)閉或大大減小脈沖電流。這可以用多種不同的方式完成。例如，這類感測可以通過感測和電流控制器195內(nèi)的預(yù)感電路測量焊絲140與工件115之間的電勢差(dv/dt)、通過它們的電流(di/dt)、它們之間的電阻(dr/dt )、或通過它們的功率(dp/dt)中的一者的變化速率完成。當(dāng)變化速率超過預(yù)定義值時，感測和電流控制器195正式預(yù)測接觸損耗將要發(fā)生。這類預(yù)感電路對于弧焊而言在本領(lǐng)域中是眾所周知的，并且其結(jié)構(gòu)和功能不需要在本文中進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0056]當(dāng)焊絲140的遠(yuǎn)端由于加熱而變得高度熔化時，遠(yuǎn)端將會開始從焊絲140上箍斷到工件115上。例如，那時，因為當(dāng)焊絲的遠(yuǎn)端箍斷時，其截面快速減小，所以電勢差或電壓增加。因此，通過測量這類變化速率，系統(tǒng)100可以預(yù)料遠(yuǎn)端何時將要箍斷并且與工件115脫離接觸。[〇〇57]如之前解釋的，當(dāng)感測到熔滴分離時，電源170可以關(guān)閉或大大減小電流。例如，在一些示例性實施例中，電流被減小到脈沖的峰值電流值的95%至85%的范圍內(nèi)。在示例性實施例中，這種電流減小在焊絲與熔池之間分離之前發(fā)生。
[0058]例如，圖5展示了分別與本申請的增材制造工藝相關(guān)聯(lián)的一對電壓和電流波形510 和520的示例性實施例。電壓波形510是由感測和電流控制器195在導(dǎo)電管160與工件115之間測量的。電流波形520是由感測和電流控制器195通過焊絲140與工件115測量的。
[0059]無論何時焊絲140要與工件115脫離接觸，電壓波形510的變化速率(S卩，dv/dt)將超過預(yù)定閾值，從而指示箍斷將要發(fā)生(見波形510的點511處的斜率)。作為替代方案，通過填充焊絲140和工件115的電流(d i/dt)的變化速率、它們之間的電阻(dr/dt)的變化速率、 或通過它們的功率(dp/dt)的變化速率可以替代地用于指示箍短將要發(fā)生。這類變化速率預(yù)感技術(shù)在本領(lǐng)域中是眾所周知的。在那個時間點，感測和電流控制器195將命令電源170 關(guān)閉(或至少大大減小)通過焊絲140的電流流動。
[0060]當(dāng)感測和電流控制器195感測到填充焊絲140的遠(yuǎn)端在某一時間間隔530(例如，電壓電平在點512處下降回到約零伏特)之后再次與工件115形成良好接觸時，感測和電流控制器195命令電源170使通過電阻填充焊絲140的電流流動朝著預(yù)定輸出電流電平550斜升 (見斜坡525)。時間間隔530可以是預(yù)定時間間隔。根據(jù)本發(fā)明的實施例，斜升從設(shè)定點值 540開始。當(dāng)能源120和焊絲140相對于工件115移動時和當(dāng)焊絲140由于送絲器150而朝著工件115推進(jìn)從而在所期望的位置熔敷熔滴時，這個過程重復(fù)進(jìn)行。以此方式，防止在焊絲140 的遠(yuǎn)端與工件115之間形成電弧。加熱電流的斜坡幫助防止當(dāng)不存在這類狀況時無意中將電壓變化速率解釋成為箍短狀況或形成電弧狀況。任何大的電流變化可能由于加熱電路的電感而引起采用錯誤的電壓讀數(shù)。當(dāng)電流逐漸斜升時，降低了電感效應(yīng)。
[0061]如之前解釋的，電源170向填充焊絲140提供加熱電流。電流從接觸尖端160流到焊絲140并且然后流到工件中。這個電阻加熱電流引起尖端160與工件之間的焊絲140達(dá)到處于或接近所采用的填充焊絲140的熔化溫度的溫度。當(dāng)然，達(dá)到填充焊絲140的熔化溫度所需的熱量將取決于焊絲140的大小和化學(xué)成分而不同。相應(yīng)地，在制造過程中達(dá)到焊絲的熔化溫度的熱量將取決于焊絲140而不同。如以下將進(jìn)一步討論的，填充焊絲的期望操作溫度可以是輸入到系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，從而使得在制造過程中維持期望的焊絲溫度。在任何情況下， 焊絲的溫度應(yīng)使得焊絲140可以將熔滴熔敷到熔池中。
[0062]在本發(fā)明的示例性實施例中，電源170供應(yīng)引起焊絲140的遠(yuǎn)端的至少一部分處于在其熔化溫度或高于其90 %的溫度下的電流。例如，當(dāng)使用具有大約2，000° F熔化溫度的填充焊絲140時，焊絲接觸時的焊絲溫度可以為大致1，800° F。當(dāng)然，應(yīng)理解的是，對應(yīng)的熔化溫度和所期望的操作溫度將至少根據(jù)填充焊絲140的合金、組成成分、直徑和送進(jìn)速率而不同。在進(jìn)一步的示例性實施例中，焊絲的多個部分被維持在處于焊絲的熔化溫度或高于其 95%的焊絲溫度下。當(dāng)然，在一些實施例中，焊絲的遠(yuǎn)端被加熱電流加熱至其熔化溫度的至少99%。因此，當(dāng)加熱后的熔滴與激光產(chǎn)生的熔融熔池接觸時，來自熔池的熱量可以向焊絲 140添加熱量從而在焊絲140的末端完全產(chǎn)生熔融熔滴，從而使得當(dāng)焊絲140被抽回時，熔滴粘附至熔池并且與其保持在一起。通過將填充焊絲140維持在接近于或處于其熔化溫度的溫度，焊絲140容易被熔化進(jìn)入或被消耗進(jìn)入熱源/激光器120產(chǎn)生的熔池中。也就是，焊絲 140處于當(dāng)焊絲140與熔池接觸時不造成使熔池顯著淬火的溫度。因為焊絲140的高溫，當(dāng)與熔池接觸時，焊絲快速熔化。在其他示例性實施例中，焊絲可以被加熱到處于其熔化溫度或高于其熔化溫度的75%。然而，當(dāng)加熱到接近75%的溫度時，將很可能的是，將需要附加熱量來使顯著熔化的熔滴轉(zhuǎn)移。
[0063]如之前描述的，在一些示例性實施例中，可以僅通過焊絲140進(jìn)入熔池中來促進(jìn)焊絲140完全熔化。然而，在其他示例性實施例中，焊絲140可以被加熱電流、熔池和沖擊在焊絲140的一部分上的激光束110的組合完全熔化。也就是，焊絲140的加熱/熔化可以由激光束110來幫助，這樣使得射束110有助于焊絲140的加熱。然而，因為許多填充焊絲140是由可以反射的材料制成的，如果使用反射激光類型，焊絲140應(yīng)被加熱到的溫度使得其表面反射率減小，從而允許射束110有助于加熱/熔化焊絲140。在這種配置的示例性實施例中，焊絲 140和射束110在焊絲140進(jìn)入熔池的點處相交。圖6A和圖6B中示出了這種情況。
[0064]如圖6A中所示，在一些示例性實施例中，射束110可以用于幫助熔滴D熔敷到工件 115上。也就是，射束110可以用于向焊絲140的遠(yuǎn)端添加熱量從而產(chǎn)生熔融熔滴。在這類實施例中，來自電源的加熱電流可以保持在遠(yuǎn)低于電弧發(fā)生電平的電平下，從而確保將不會產(chǎn)生電弧但可以實現(xiàn)正確的熔滴轉(zhuǎn)移。在這類實施例中，可以引導(dǎo)射束，這樣使得其僅沖擊熔滴D，或者在其他實施例中，射束110足夠大、被成形或光柵化，其方式為該射束沖擊熔滴的至少一部分和熔池的至少某個部分從而有助于向熔池添加熱量以接收熔滴D。在射束110 的能量密度的示例性實施例中，在該過程的這個階段過程中，當(dāng)該射束用于在工件115上產(chǎn)生熔池時，通常小于該射束的能量密度。[〇〇65]圖6B描繪了本發(fā)明的其他示例性實施例，其中，在焊絲140處的射束110就在熔滴上方從而幫助其與焊絲分離。在這類實施例中，當(dāng)感測到或確定焊絲140在熔滴上方頸狀收縮，射束110被引導(dǎo)至焊絲，位于熔滴D與焊絲140之間的連接處，這樣使得射束110幫助使兩者分離。這類實施例幫助防止生成電弧，因為不需要使用加熱電流來控制該分離。在一些示例性實施例中，射束110可以來自用于最初產(chǎn)生熔池的同一激光器120。然而，在其他實施例中，圖6B中的射束還可以從也由控制器195控制的第二單獨的激光器發(fā)出。因此，在這類實施例中，當(dāng)控制器和/或電源檢測到熔滴形成或熔滴D即將分離時，在激光束被引導(dǎo)向焊絲 140以引起期望的分離的同時，電源170的輸出電流可以下降。[〇〇66]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖7,示出了加熱系統(tǒng)700和接觸尖端組件707的示例性實施例。通常應(yīng)注意的是，本發(fā)明的實施例可以利用關(guān)于熱焊絲或一些焊接系統(tǒng)已知的接觸尖端160和電阻加熱系統(tǒng)，而沒有脫離本發(fā)明的精神或范圍。然而，在其他示例性實施例中，可以利用如圖7 中所示的系統(tǒng)700。在這個系統(tǒng)700中，接觸尖端組件由兩個導(dǎo)電部分701和703組成，這些導(dǎo)電部分通過絕緣部分705相互電隔離，該絕緣部分可以由任何電介質(zhì)材料制成。當(dāng)然，在其他實施例中，只要尖端部分701和703與彼此電隔離，就不需要存在絕緣部分。系統(tǒng)700還包括切換電路710，該切換電路將電流路徑切換到尖端部分701與工件115之間的電源170/切換離開該電源。在一些實施例中，可能令人期望的是在焊絲140不與工件115接觸時在制造過程中將焊絲140維持在某個閾值溫度。在焊絲140沒有與工件115接觸時(例如，在重新定位過程中)，不會有電流流過焊絲140,并且如此電阻加熱將會停止。當(dāng)然，殘余熱量將仍然存在，但會快速減退。這個實施例允許焊絲140被連續(xù)加熱，即使其不與工件115接觸。如所示，一條來自電源的引線聯(lián)接至接觸尖端組件707的上部部分703。在操作過程中，當(dāng)焊絲 140與工件接觸時，切換器710被定位成使得電流路徑從上部部分703開始、通過焊絲140和工件，從而返回到電源170(切換器710中的虛線)。然而，當(dāng)熔滴D與焊絲140分離并且與工件 115的接觸斷開時，切換器710被切換成使得電流路徑從接觸尖端部分703到接觸尖端部分 701并且回到電源170。這允許至少一些加熱電流流過工件從而在某一本底加熱電平下繼續(xù)電阻加熱焊絲。因為這類配置，焊絲可以被更快速地加熱到其期望的熔敷水平。如果熔滴熔敷物之間已經(jīng)有長持續(xù)時間，在該持續(xù)時間期間，焊絲可能冷卻，則尤其是這種情況。因此， 在示例性實施例中，當(dāng)切換器710處于將電流引導(dǎo)通過工件的第一位置上(第一電流路徑) 時，電源170提供一個或多個電流脈沖(如本文中概括描述的)，并且然后，當(dāng)該切換器處于將電流引導(dǎo)通過接觸尖端的兩個部分701/703從而在熔滴轉(zhuǎn)移中間保持加熱焊絲的第二位置上(第二電流路徑)時，電源170提供本底電流或加熱電流(其可以是例如恒定電流)。在一些實施例中，切換器可以在每個熔滴轉(zhuǎn)移脈沖之間進(jìn)行切換，而在其他實施例中，切換器可以在多個熔滴轉(zhuǎn)移脈沖之后切換。在示例性實施例中，本底電流電平/加熱電流電平被選擇成將焊絲保持在期望的-非熔化-溫度下的電平。如果溫度太高，則會變得難以將焊絲推到熔池。在一些示例性實施例中，本底電流/加熱電流在熔滴轉(zhuǎn)移脈沖期間達(dá)到的峰值電流電平的10%至70%的范圍內(nèi)。
[0067]應(yīng)注意的是，在圖7中，切換器710被顯示為在電源170外部。然而，這種描繪僅是為了清晰并且切換器可以在電源170內(nèi)部?？商娲?，切換器還可以在接觸尖端組件707內(nèi)部。 絕緣部分705可以由任何絕緣類型材料制成或者可以僅是部件701和703之間的隔離性間隙。該切換器可以由控制器195(如所示)控制或者取決于期望的配置而可以直接由電源170控制。
[0068]在其他示例性實施例中，焊絲預(yù)加熱裝置可以被定位在組件707的上游，該焊絲預(yù)加熱裝置在焊絲進(jìn)入尖端707之前對焊絲140進(jìn)行預(yù)加熱。例如，該預(yù)加熱裝置可以是感應(yīng)加熱裝置，其不需要電流流過焊絲140來加熱焊絲140。當(dāng)然，也可以使用電阻加熱系統(tǒng)。這個預(yù)加熱裝置可以用于將焊絲維持在如上所述的溫度下。進(jìn)一步地，預(yù)加熱裝置可以用于還在焊絲被熔敷之前從焊絲140中去除任何不期望的水分(當(dāng)使用Ti時，這特別重要)。這類預(yù)加熱系統(tǒng)是眾所周知的并且不需要進(jìn)行詳細(xì)描述。預(yù)加熱裝置可以被設(shè)置成用于在焊絲 140進(jìn)入尖端組件707之前將該焊絲加熱至預(yù)定溫度，從而允許來自電源170的電流用于輸送足夠的電流來完成熔敷過程。應(yīng)注意的是，預(yù)加熱裝置應(yīng)將焊絲140加熱到破壞焊絲140 的水平，這樣使得焊絲140可以被正確地推送通過尖端707。也就是，如果焊絲140太燙，則其會變得過于柔軟，當(dāng)被推送時，這可以破壞焊絲140的響應(yīng)性。[〇〇69]圖8A描繪了圖7中的系統(tǒng)700可以使用的示例性制造電流波形800。在圖8A中，基本電流波形800被顯示為包括兩個分量，脈沖部分801和本底部分803。脈沖部分由用于使如本文中所討論的熔滴熔敷的電流脈沖組成。在這些脈沖期間，電流從尖端部分703被引導(dǎo)通過工件115。然而，在本底部分期間，電流從尖端部分703被引導(dǎo)至部分701從而當(dāng)焊絲140不與工件115接觸時加熱該焊絲。當(dāng)然，應(yīng)注意的是，接觸尖端部分701 /703至如圖7中所示的正電源端子與負(fù)電源端子的連接是示例性的，并且這些連接可以基于所期望的系統(tǒng)設(shè)置和性能而被顛倒。如之前所解釋的，脈沖801之間的本底電流電平803用于將焊絲保持在熔滴熔敷物之間的所維持的溫度。在本發(fā)明的一些示例性實施例中，本底電流將焊絲140保持在處于焊絲140的熔化溫度的40 %至90 %的范圍內(nèi)的溫度。在其他示例性實施例中，電流803將焊絲140保持在處于焊絲140的熔化溫度的50%至80%的范圍內(nèi)的溫度。
[0070]另外應(yīng)注意的是，可能不期望或沒必要在每個脈沖801之間不斷地切換到本底電流。在高熔滴熔敷速率過程中，可能尤其是如此。也就是，在高熔滴熔敷速率過程中，焊絲 140將在熔滴之間被維持在高溫水平。因此，在一些示例性實施例中，僅在持續(xù)時間已經(jīng)期滿或者當(dāng)熔滴脈沖之間的持續(xù)時間超過閾值時間時才發(fā)生到本底加熱電流(如上所述)的切換。例如，在一些實施例中，如果脈沖之間的時間超過1秒，則系統(tǒng)700將使用如上所述的切換和本底加熱電流。也就是，如果所利用的制造方法具有高于所確定的閾值頻率的脈沖頻率，則將使用以上切換。在本發(fā)明的示例性實施例中，這個閾值在脈沖之間的0.5秒到2.5 秒范圍內(nèi)。在其他實施例中，系統(tǒng)700可以利用監(jiān)測脈沖之間的時間的定時器(在控制器195 和/或電源170內(nèi)部)，并且如果該時間超過閾值量，則將利用上述切換和本底加熱電流。例如，如果系統(tǒng)700確定脈沖之間的等待時間已經(jīng)超過閾值時間限制(例如，1秒)，則將利用本底加熱電流來將焊絲140保持在所期望的溫度。這類實施例可以用在所設(shè)定的閾值時間已經(jīng)期滿的實施例中，也就是，在系統(tǒng)700確定時間限制已經(jīng)期滿時實時使用，或者可以在系統(tǒng)700預(yù)測到下一個脈沖在時間限制期滿之前不會發(fā)生時使用。例如，如果系統(tǒng)700(例如， 控制器195)確定下一個脈沖在時間限制期滿之前不會發(fā)生(例如，由于工件115和/或焊絲 140的移動)，則系統(tǒng)700可以立即發(fā)起上述切換和本底加熱電流。在本發(fā)明的示例性實施例中，這個持續(xù)時間閾值在0.5秒到2.5秒范圍內(nèi)。
[0071]圖8B描繪了本發(fā)明的示例性實施例可以用于熔敷如本文中所描述的熔滴的示例性波形。這些示例性波形是針對根據(jù)本發(fā)明的實施例的單個熔滴的轉(zhuǎn)移。所示波形是針對激光功率810、送絲速度820、增材焊絲加熱電流830、和電壓840。應(yīng)理解到，所描述的波形旨在是示例性的，并且本發(fā)明的其他實施例可以使用具有與本文中所示或所描述的不同特征的其他波形。如所示，熔滴轉(zhuǎn)移周期在激光功率被引向工件的811開始，并且增加812到峰值激光功率水平813。在持續(xù)時間Tp之后，在點814，激光在工件上產(chǎn)生熔池。在這個點時，送絲器開始朝著熔池驅(qū)動增材焊絲。在于814產(chǎn)生熔池之后，送絲速度增加821到峰值送絲速度 822。在本發(fā)明的示例性實施例中，送絲速度在與焊絲的遠(yuǎn)端與熔池821’接觸時大致同一時間達(dá)到其峰值水平822。然而，在其他示例性實施例中，送絲速度可以在焊絲接觸之前達(dá)到其峰值水平822。如所示，在送絲過程開始的同時，開路電壓施加于焊絲841，從而使得該焊絲在焊絲與熔池接觸之前的某個點達(dá)到峰值電壓電平842。并且，當(dāng)焊絲與熔池接觸時，加熱電流830開始流動(在點831)，并且電壓840開始下降843。電壓下降到低于電弧檢測電壓 848的水平844，高于該電弧檢測電壓時，確定將產(chǎn)生電弧。[〇〇72]在焊絲與熔池接觸之后，激光功率810、送絲速度820和電流830被維持在其各自的峰值水平持續(xù)時間段Ta，在該時間段期間，焊絲的熔滴熔敷到熔池中。在熔敷時間段Ta期滿 (在815)之后，該熔敷時間段可以持續(xù)加熱電源(例如，使用定時器電路)所控制的預(yù)定時間段，激光功率隨著送絲速度823斜降816。在時間段Ta(頂點834)期滿之后并且在激光功率和送絲速度減小時，加熱電流830保持在其峰值電平833持續(xù)一段時間段。這幫助熔滴與焊絲分離。在熔滴添加期Ta之后，焊絲回縮期Tr開始。在電流830開始其斜降835(在點834開始) 之后，送絲速度減小到零(在點827)并且送絲器被控制成以峰值回縮速度825縮回焊絲824。并且，在回縮期期間，電流830減小到回?zé)娏麟娖?36,該回?zé)娏麟娖接糜诋?dāng)焊絲從熔池中被抽出時提供焊絲的回?zé)?。在焊絲回縮期Tr期間，電流830被維持在回?zé)娏麟娖?36直到電壓在點845處達(dá)到或超過電弧檢測電壓電平848,該電弧檢測電壓電平是由于焊絲與熔池分離引起的(導(dǎo)致電流下降和電壓增加)。當(dāng)達(dá)到電壓電平848時，發(fā)起消弧例程847從而防止產(chǎn)生電弧。在這個時間期間，電壓爬升到峰值電平846。
[0073]電弧檢測電壓電平848是電源和/或系統(tǒng)控制器用來確?；爻泛附z與工件之間不產(chǎn)生電弧的預(yù)定電平。電弧檢測電壓電平848由電源和/或系統(tǒng)控制器基于各項用戶輸入來設(shè)定，包括但不限于焊絲類型、焊絲直徑、工件材料類型、輸入的每英寸熔滴數(shù)、輸入的每分鐘熔滴數(shù)等。[〇〇74] 當(dāng)達(dá)到電弧檢測電壓電平848時(在點845)，電流830被電源切斷(837)并且焊絲停止回縮(826)，并且當(dāng)電流830和送絲速度820各自達(dá)到0時，熔滴轉(zhuǎn)移周期在點817結(jié)束。在所示實施例中，激光功率810還被顯示為在點817周期結(jié)束時被切斷。在其他示例性實施例中，在達(dá)到電弧電壓閾值848時(在點845 )，激光功率810被切斷。然后，針對多次熔滴熔敷來重復(fù)這個周期。[〇〇75]在一些示例性實施例中，(未示出)可以在熔滴轉(zhuǎn)移周期(如圖8B中所示)之間發(fā)起激光功率脈沖從而在熔滴轉(zhuǎn)移中間幫助使工件平滑或以其他方式向工件添加能量。例如， 可以在每個熔滴轉(zhuǎn)移周期中間發(fā)起激光功率脈沖，或者在其他實施例中，根據(jù)需要，可以在 n個熔滴轉(zhuǎn)移周期之后發(fā)起激光功率脈沖。
[0076]圖9描繪了本發(fā)明的另一個示例性系統(tǒng)900。系統(tǒng)900包括本底電源170’和脈沖電源170。除了本底加熱電流是由單獨的電源170 ’供應(yīng)的之外，這個系統(tǒng)的操作與以上討論的操作非常相似。因此，在一些實施例中，本底電源170’可以在制造過程中提供恒定加熱電流并且沒有必要提供以上討論的切換。除了脈沖電源170的峰值輸出電流由于電源170’提供的額外加熱/電流而可以減小以外，該脈沖電源按照本文中另外描述的那樣操作。在這類實施例中，脈沖電源170的控制或精度的水平可以得到提高。也就是，由于對電源170需求的電流較少，脈沖電源170可以更快地達(dá)到其峰值脈沖水平。當(dāng)然，在減小電流時亦將如此。電源 170/170’中的每個電源可以由控制器195控制，或者可以用主/從關(guān)系來配置，這是眾所周知的。此外，盡管為了清晰而單獨示出了這些電源，但它們可以被容納在單個單元中而不脫離本發(fā)明的精神或范圍。
[0077]并且，圖9中示出了另一個接觸尖端組件900,具有導(dǎo)電部分901和905以及絕緣部分903。在這個實施例中，導(dǎo)電部分905被配置成使得加熱電流被傳輸盡可能靠近焊絲140的外露遠(yuǎn)端。這類配置幫助確保焊絲的加熱保持盡可能靠近該遠(yuǎn)端，從而優(yōu)化本底加熱的效果。在進(jìn)一步的實施例中，焊絲140的遠(yuǎn)端從接觸尖端910的伸出量X保持為最小距離。如果伸出量X保持太長，則本底加熱電流產(chǎn)生的加熱效果會受到不利影響。因此，在一些示例性實施例中，伸出量X保持在0.1英寸到0.5英寸范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，伸出量保持在0.2英寸到0.4英寸范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，在附加示例性實施例中，為了獲得本底加熱產(chǎn)生的進(jìn)一步益處，在熔滴脈沖之間，焊絲140被完全或幾乎完全被縮回到接觸尖端910中，這樣使得伸出量X在0英寸到0.15英寸范圍內(nèi)。這類實施例能夠?qū)⒑附z140的遠(yuǎn)端保持在所期望的本底加熱溫度而不使焊絲140的不靠近遠(yuǎn)端的其他部分過熱。在其他示例性實施例中，伸出距離可以更大，特別是當(dāng)使用更大直徑的耗材時。例如，在一些示例性實施例中，伸出距離可以在0.75英寸到2英寸范圍內(nèi)。當(dāng)然，在一些其他實施例中，可以利用更長的伸出量。
[0078]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖10,描繪了另一個示例性系統(tǒng)1000,在該系統(tǒng)中，接觸尖端組件1010能夠?qū)⒉恢灰桓附z140/140’輸送到工件115。在一些增材制造操作中，可能期望的是針對不同的制造部分利用不同的焊絲。系統(tǒng)1000允許取決于制造所期望的而在不同焊絲之間進(jìn)行切換。盡管沒有示出，但每根焊絲140/140’可以聯(lián)接至其自己的送絲設(shè)備從而在制造過程中根據(jù)需要推進(jìn)、縮回對應(yīng)的焊絲140/140’。因此，在制造過程中，控制器195可以將接觸尖端組件1010定位成使得適當(dāng)?shù)暮附z用于制造。例如，可能期望的是使用具有第一特性的第一耗材140建造底座，并且然后向那個底座添加使用具有不同特性的焊絲140’制作的層，從而實現(xiàn)所期望的制造結(jié)果。例如，基于所期望的制造參數(shù)，焊絲140/140’可以具有不同的大小、形狀、和/或組成成分。還應(yīng)注意的是，盡管接觸尖端組件被顯示為僅具有兩根焊絲140/ 140’，但本發(fā)明的實施可以利用接觸尖端組件、或?qū)⒔佑|尖端分開從而提供任何數(shù)量的不同耗材。本發(fā)明的實施例在此方面不受限制。
[0079]此外，圖10中的接觸尖端組件1010被顯示為使得焊絲140/140’彼此不絕緣。在這類實施例中，將適當(dāng)?shù)暮附z推進(jìn)到工件115以便熔敷，并且如此，來自電源170的電流將被引導(dǎo)通過那根焊絲-從而引起熔敷。當(dāng)焊絲要更換時，在另一根焊絲被縮回的同時推進(jìn)另一根焊絲，這樣使得電流路徑現(xiàn)在通過另一根焊絲。在其他示例性實施例中，接觸尖端組件1010 可以被構(gòu)造成使得焊絲140/140’彼此電隔離。在這類實施例中，可以利用像關(guān)于圖7所討論的切換。在一些示例性實施例中，激光束(圖10中未示出)可以通過在兩根焊絲之間被掃描來影響或以其他方式改變焊絲140與140 ’之間在熔池中的能量分布。
[0080]接觸尖端組件1010相對于工件115的定位和移動可以通過任何數(shù)量的裝置來實現(xiàn)。確切地，可以使用任何已知的機器人或運動控制系統(tǒng)而不脫離本發(fā)明的精神或范圍。也就是，可以使用任何已知的裝置或方法(包括機器人系統(tǒng))來定位適當(dāng)?shù)暮附z140/140’，并且其可以由控制器195來控制。例如，接觸尖端組件1010可以包括三根或更多根不同的焊絲并且可以類似于被旋轉(zhuǎn)和定位成允許利用適當(dāng)?shù)墓ぞ叩囊阎嬎銠C數(shù)控(CNC)機加工頭來構(gòu)造和利用。這類系統(tǒng)和控制邏輯可以用在本發(fā)明的實施例中以提供所期望的焊絲的所期望的定位。
[0081]本發(fā)明的實施例使用的焊絲具有具體制造操作需要的大小和化學(xué)成分。典型地， 焊絲具有圓形截面，其他實施例在此方面不受限制。其他示例性實施例可以基于制造方法和制造過程來利用具有非圓形截面的焊絲。例如，焊絲可以具有多邊形、卵形、或橢圓形形狀從而實現(xiàn)所期望的制造標(biāo)準(zhǔn)。圓形橫截面焊絲可以具有在0.010英寸至0.045英寸范圍內(nèi)的直徑。當(dāng)然，如果期望，可以使用更大的范圍(例如，高達(dá)5mm)，但隨著直徑增加，熔滴控制可能變得更加困難。由于使用本文中所描述的激光器和加熱控制方法，本發(fā)明的實施例可以提供非常精確的制造。利用更小直徑焊絲的實施例尤其如此，如在0.010英寸至0.020英寸范圍內(nèi)。通過使用這類小直徑，可以實現(xiàn)大DPI(每英寸熔滴數(shù))比，從而提供高度準(zhǔn)確和詳細(xì)的制造。焊絲的化學(xué)成分被選擇成提供所制造的部件期望的特性。進(jìn)一步地，所利用的焊絲可以具有實芯或金屬芯配置。藥芯焊絲可以用于產(chǎn)生復(fù)合材料構(gòu)造。例如，可以使用具有鋁護(hù)套和氧化鋁芯的藥芯焊絲。
[0082]應(yīng)進(jìn)一步注意的是，因為本文中所描述的工藝沒有使用電弧，本發(fā)明的大多數(shù)應(yīng)用將不需要任何種類的保護(hù)氣體。然而，在一些應(yīng)用中，可能期望的是使用保護(hù)氣體來防止氧化，或者用于其他目的。
[0083]圖11描繪了本發(fā)明的又另一個示例性實施例。圖11示出了如圖1所示的實施例類似的實施例。然而，為了清晰，沒有描繪某些部件和連接。圖1描繪了系統(tǒng)1100,其中，熱傳感器1110用于監(jiān)測焊絲140的溫度。熱傳感器1110可以是能夠檢測焊絲140的溫度的任何已知類型。傳感器1110可以與焊絲140接觸或者可以聯(lián)接至尖端160以便檢測焊絲的溫度。在本發(fā)明的進(jìn)一步的示例性實施例中，傳感器1110是使用能夠檢測小物體(如填充焊絲的直徑， 而不接觸焊絲140)的溫度的激光束或紅外束的類型。在這類實施例中，傳感器1110被定位成使得可以在焊絲140的伸出處檢測焊絲140的溫度，也就是，在尖端160的末端與熔池之間的某個點。傳感器1110還應(yīng)被定位成使得用于焊絲140的傳感器1110不感測熔池溫度。
[0084]傳感器1110聯(lián)接至感測和控制單元195(關(guān)于圖1所討論的)，這樣使得溫度反饋信息可以被提供給電源170和/或激光器電源130,從而使得可以優(yōu)化對系統(tǒng)1100的控制。例如，電源170的功率或輸出電流可以至少基于來自傳感器1110的反饋被調(diào)整。也就是，在本發(fā)明的實施例中，用戶可以輸入期望的溫度設(shè)置(針對給定的制造操作和/或焊絲140)或者感測和控制單元195可以基于其他用戶輸入數(shù)據(jù)(焊條類型等)來設(shè)定期望的溫度并且然后感測和控制單元195將至少控制電源170來維持那個期望的溫度。
[0085]在這類實施例中，可以解釋在焊絲140進(jìn)入熔池之前由于沖擊該焊絲的激光束110 而可能發(fā)生的焊絲140加熱。在本發(fā)明的實施例中，焊絲140的溫度僅經(jīng)由電源170通過控制焊絲140中的電流來控制。然而，如以上解釋的，在其他實施例中，焊絲140的加熱的至少某部分可以來自撞擊在焊絲140的至少一部分上的激光束110。如此，來自電源170的電流或功率不可以單獨表示焊絲140的溫度。如此，利用傳感器1110可以幫助通過控制電源170和/或激光器電源130來調(diào)節(jié)焊絲140的溫度。
[0086]在進(jìn)一步的示例性實施例(也在圖11中示出)中，溫度傳感器1120可以被引導(dǎo)來感測熔池的溫度。在這個實施例中，熔池的溫度還聯(lián)接至感測和控制單元195。然而，在另一個示例性實施例中，傳感器1120可以直接聯(lián)接至激光器電源130。來自傳感器1120的反饋用于控制激光器電源130/激光器120的輸出。也就是，激光束110的能量密度可以被修正以確保實現(xiàn)所期望的熔池溫度。
[0087]在本發(fā)明的又進(jìn)一步的示例性實施例中，不是將傳感器1120引導(dǎo)向熔池，該傳感器可以被引導(dǎo)向工件115的與熔池相鄰的區(qū)域。確切地，可能期望的是確保輸入到與熔敷位置相鄰的工件115的熱量被最小化。傳感器1120可以被定位成監(jiān)測這個對溫度敏感的區(qū)域， 這樣使得在熔敷位置相鄰處，不超過閾值溫度。例如，傳感器1120可以監(jiān)測工件溫度和基于感測到溫度減小射束110的能量密度。這類配置將確保在熔敷位置相鄰處的熱量輸入不超過期望的閾值。這類實施例可以用在輸入到工件中的熱量非常重要的精確制造操作中。
[0088]在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，感測和控制單元195可以聯(lián)接至送進(jìn)力檢測單元(未示出)，該送進(jìn)力檢測單元聯(lián)接至送絲機構(gòu)(未示出，但見圖1中的150)。送進(jìn)力檢測單元是已知的并且檢測當(dāng)使焊絲140送進(jìn)至工件115時施加于該焊絲的送進(jìn)力。例如，這類檢測單元可以監(jiān)測送絲器150中的送絲電機施加的扭矩，并且因此監(jiān)測與焊絲140的遠(yuǎn)端和工件115的接觸相關(guān)的參數(shù)。結(jié)合電流和/或電壓監(jiān)測，這可以用于在接觸到熔池之后停止送絲，從而允許熔滴D分離。當(dāng)然，如之前所指示的，控制器195可以只使用電壓和/或電流感測來檢測焊絲140與熔池之間的接觸并且當(dāng)接觸時(如果期望的話)可以單獨使用此信息來停止送絲。
[0089]在進(jìn)一步的示例性實施例中，傳感器1120可以用于檢測工件上的熔池面積的大小。在這類實施例中，傳感器1120可以是熱量傳感器或視覺傳感器并且用于監(jiān)測熔池的邊緣，從而監(jiān)測熔池的大小和/或位置。然后，控制器195使用檢測到的熔池信息來控制如上所述的系統(tǒng)的操作。
[0090]以下內(nèi)容提供了關(guān)于對本發(fā)明的各實施例可以使用的加熱脈沖的控制的進(jìn)一步討論。如之前提到的，當(dāng)焊絲140的遠(yuǎn)端與熔池/工件115接觸時，兩者之間的電壓可以處于或接近〇伏特。然而，在本發(fā)明的其他示例性實施例中，可以提供處于這類電平的電流，從而使得獲得高于〇伏特的電壓電平而不產(chǎn)生電弧。通過利用更高的電流值，可以使焊絲140以更快的速率達(dá)到高溫、更接近于焊條的熔化溫度。這允許更快速地進(jìn)行制造過程。在本發(fā)明的示例性實施例中，電源170監(jiān)測電壓，并且當(dāng)電壓在某個點達(dá)到或接近高于0伏特的電壓值時，電源170停止將電流流動到焊絲140以確保不產(chǎn)生電弧。至少部分由于所使用的焊絲 140的類型，電壓閾值電平通常將會變化。例如，在本發(fā)明的一些示例性實施例中，閾值電壓電平處于或低于6伏特。在另一個示例性實施例中，閾值電平處于或低于9伏特。在進(jìn)一步的示例性實施例中，閾值電平處于或低于14伏特，并且在附加示例性實施例中；閾值電平處于或低于16伏特。例如，當(dāng)使用低碳鋼焊絲時，電壓的閾值電平將是較低類型，而用于不銹鋼制造的焊絲可以在產(chǎn)生電弧之前應(yīng)付更高的電壓。因此，這類系統(tǒng)可以監(jiān)測電壓并且通過將電壓與電壓設(shè)定點進(jìn)行比較來控制加熱電流，這樣使得當(dāng)電壓超過、或預(yù)測將要超過電壓設(shè)定點時，切斷或減小電流。
[0091]在進(jìn)一步的示例性實施例中，不是維持低于如上閾值的電壓電平，電壓維持在操作范圍內(nèi)。在這類實施例中，期望的是將電壓維持在高于最小量，從而確保足夠高的電流來將焊絲維持在或接近其熔化溫度，但低于使得一定電壓電平，這樣使得不產(chǎn)生電弧。例如， 電壓可以被維持在1到16伏特范圍內(nèi)。在進(jìn)一步的示例性實施例中，電壓被維持在6到9伏特范圍內(nèi)。在另一個示例中，電壓可以被維持在12到16伏特之間。當(dāng)然，所期望的操作范圍可以受到用于制造操作的焊絲140的影響，這樣使得用于操作的范圍(或閾值)至少部分基于所使用的焊絲或所使用的焊絲的特征來選擇。在利用這類范圍時，范圍的底限被設(shè)定為焊絲可以充分熔敷在熔池中所在的電壓，并且范圍的上限被設(shè)定為使得避免產(chǎn)生電弧的電壓。
[0092]如之前所描述的，當(dāng)電壓超過期望的閾值電壓時，加熱電流被電源170切斷，這樣使得不產(chǎn)生電弧。因此，在這類實施例中，可以基于預(yù)定或選擇的斜坡速率(或多個斜坡速率)來驅(qū)動電流，直到達(dá)到電壓閾值并且然后電流被切斷或減小以防止形成電弧。
[0093]在上述許多實施例中，電源170包含用于監(jiān)測和維持如上所述電壓的電路。這種類型的電路的構(gòu)造對于本行業(yè)人員而言是已知的。然而，傳統(tǒng)上，這類電路已經(jīng)用于將電壓維持在高于用于弧焊的某一閾值。
[0094]如之前解釋的，加熱電流還可以被電源170監(jiān)測和/或調(diào)節(jié)。作為替代方案，除了監(jiān)測電壓、功率或電壓的某一電平/安培數(shù)特征以外，這也可以完成。也就是，電流可以被驅(qū)動至、或維持在期望的電平以確保焊絲140被維持在適當(dāng)?shù)臏囟?以便正確熔敷在熔池中，但還是低于電弧發(fā)生電流電平。例如，在這類實施例中，電壓和/或電流被監(jiān)測以確保任一者或兩者在指定范圍內(nèi)或低于期望的閾值。然后，電源170調(diào)節(jié)所供應(yīng)的電流以確保不產(chǎn)生電弧，但維持所期望的操作參數(shù)。
[0095]在本發(fā)明的又進(jìn)一步的示例性實施例中，加熱功率(VXI)也可以被電源170監(jiān)測和調(diào)節(jié)。確切地，在這類實施例中，用于加熱功率的電壓和電流被監(jiān)測從而維持在期望的電平、或在期望的范圍內(nèi)。因此，電源不僅調(diào)節(jié)到達(dá)焊絲的電壓或電流，而且還可以調(diào)節(jié)電流和電壓兩者。在這類實施例中，至焊絲的加熱功率可以被設(shè)定為閾值上限水平或最優(yōu)操作范圍，這樣使得功率被保持在低于閾值水平或在期望的范圍內(nèi)(類似于以上關(guān)于電壓討論的范圍)。再次，閾值或范圍設(shè)置將基于焊絲和正在執(zhí)行的制造的特征，并且可以至少部分到基于所選擇的填充焊絲。例如，可以確定具有0.045”直徑的低碳鋼焊條的最優(yōu)功率設(shè)置在1950至2，050瓦特范圍內(nèi)。電源將調(diào)節(jié)電壓和電流，這樣使得功率被驅(qū)動到這個操作范圍。類似地，如果功率閾值被設(shè)定在2,000瓦特，則電源將調(diào)節(jié)電壓和電流，從而使得功率水平不超過但接近這個閾值。[〇〇96]在本發(fā)明的進(jìn)一步的實施例中，電源170包含監(jiān)測加熱電壓(dv/dt)、電流(di/dt) 和/或功率(dp/dt)的變化速率的電路。這類電路經(jīng)常被稱為預(yù)感電路，并且其一般構(gòu)造是已知的。在這類實施例中，電壓、電流和/或功率的變化速率被監(jiān)測，這樣使得如果變化速率超過某一閾值，則至焊絲140的加熱電流被關(guān)閉。
[0097]在本發(fā)明的其他示例性實施例，還監(jiān)測電阻變化(dr/dt)。在這類實施例中，監(jiān)測接觸尖端與熔池之間的焊絲的電阻。如之前解釋的，隨著焊絲變熱，其開始頸狀收縮并且這會產(chǎn)生形成電弧的趨勢，在此時間期間，焊絲的電阻以指數(shù)方式增加。當(dāng)檢測到此增加時， 如上所述，電源的輸出被關(guān)閉以確保不產(chǎn)生電弧。實施例調(diào)節(jié)電壓、電流、或兩者以確保焊絲的電阻被維持在期望的水平。[〇〇98]圖12描繪了可以用于向焊絲140提供加熱電流的示例性系統(tǒng)1200。(應(yīng)注意的是， 為了清晰，沒有示出激光器系統(tǒng))。系統(tǒng)1200被顯示為具有電源1210(該電源可以是與如圖1 中所示的電源170類似的類型)。電源1210可以具有已知的焊接/加熱電源構(gòu)造，如逆變器式電源。因為這類電源的設(shè)計、操作和構(gòu)造時已知的，本文中將不詳細(xì)討論它們。電源1210包含用戶輸入端1220,該用戶輸入端允許用戶輸入數(shù)據(jù)，包括但不限于:焊絲類型、焊絲直徑、 期望的功率水平、期望的焊絲溫度、電壓和/或電流電平。當(dāng)然，可以根據(jù)需要利用其他輸入?yún)?shù)。用戶界面1220聯(lián)接至接收用戶輸入數(shù)據(jù)并且使用此信息為功率模塊1250產(chǎn)生所需操作設(shè)定點或范圍的CPU/控制器1230。功率模塊1250可以是任何已知的類型或構(gòu)造，包括逆變器式或變壓器式模塊。應(yīng)注意的是，還可以在控制器195上找出這些部件中的某個部件， 如用戶輸入端1220。[〇〇99] CPU/控制器1230可以用任何數(shù)量的方式確定所期望的操作參數(shù)，包括使用查找表。在這類實施例中，CPU/控制器1230利用輸入數(shù)據(jù)(例如，焊絲直徑和焊絲類型)來確定輸出端的期望的電流電平(適當(dāng)?shù)丶訜岷附z140)和閾值電壓或功率水平(或電壓或功率的可接受的操作范圍)。這是因為將焊絲140加熱到適當(dāng)溫度所需的電流將至少基于輸入?yún)?shù)。 也就是，鋁焊絲140可能比低碳鋼焊條具有更低的熔化溫度，并且因此需要更少的電流/功率來熔化焊絲140。此外，直徑更小的焊絲140將需要比直徑更大的焊絲更少的電流/功率。 并且，隨著制造速度增加(并且相應(yīng)地熔敷速率)，熔化焊絲所需的電流/功率水平可能更尚。
[0100]類似地，CPU/控制器1230將使用輸入數(shù)據(jù)來確定用于操作的電壓/功率閾值和/或范圍，這樣使得避免產(chǎn)生電弧。例如，針對具有0.045英寸的低碳鋼焊條，可以具有6到9伏特的電壓范圍，其中功率模塊1250被驅(qū)動從而將電壓維持在6到9伏特之間。在這類實施例中， 電流、電壓和/或功率被驅(qū)動從而維持6伏特最小值，其確保電流/功率足夠高從而適當(dāng)?shù)丶訜岷笚l，并且將電壓保持在或低于9伏特以確保不產(chǎn)生電弧并且不超過焊絲140的熔化溫度。當(dāng)然，其他設(shè)定點參數(shù)(電壓、電流、功率、或電阻速率變化)也可以根據(jù)期望來由CPU/控制器1230設(shè)定。
[0101]如所示，電源1210的正極端子1221聯(lián)接至系統(tǒng)的接觸尖端160,而電源的負(fù)極端子聯(lián)接至工件W。因此，加熱電流通過正極端子1221被供應(yīng)至焊絲140并且通過負(fù)極端子1222 返回。這類配置是眾所周知的。[〇1〇2]反饋感測引線1223也聯(lián)接至電源1210。這條反饋感測引線可以監(jiān)測電壓并且將檢測到的電壓輸送到電壓檢測電路1240。電壓檢測電路1240將檢測到的電壓和/或檢測到的電壓變化速率傳達(dá)給相應(yīng)地控制模塊1250的操作的CPU/控制器1230。例如，如果檢測到的電壓低于期望的操作范圍，則CPU/控制器1230指令模塊1250增加其輸出(電流、電壓、和/或功率)，直到檢測到的電壓處于期望的操作范圍內(nèi)。類似地，如果檢測到的電壓處于或高于期望的閾值，則CPU/控制器1230指令模塊1250切斷到尖端160的電流流動，從而使得不產(chǎn)生電弧。如果電壓下降到低于期望的閾值，則CPU/控制器1230指令模塊1250供應(yīng)電流或電壓、 或兩者以繼續(xù)進(jìn)行制造過程。當(dāng)然，CPU/控制器1230還可以指令模塊1250維持或供應(yīng)期望的功率水平。當(dāng)然，可以利用類似的電流檢測電路，而為了清晰沒有示出。這類檢測電路是眾所周知的。
[0103]應(yīng)注意的是，檢測電路1240和CPU/控制器1230可以具有與圖1中所示的控制器195 類似的構(gòu)造和操作。在本發(fā)明的示例性實施例中，采樣/檢測速率是至少lOKHz。在其他示例性實施例中，檢測/采樣速率在lOOKHz到200KHz范圍內(nèi)。
[0104]在圖1和圖11中的每個圖中，為了清晰，單獨示出了激光器電源130、電源170以及感測和控制單元195。然而，在本發(fā)明的實施例中，這些部件可以被集成到單個系統(tǒng)中。本發(fā)明的各方面不需要和單獨物理單元或獨立式結(jié)構(gòu)一樣維持單獨討論的部件。
[0105]在上述一些示例性實施例中，系統(tǒng)可以用這類方式用于組合如上所述的包覆和熔滴熔敷。也就是，在構(gòu)造工件過程中，可以不一直要求具有高精度構(gòu)造，例如，在創(chuàng)造支撐襯底過程中。在這個構(gòu)造階段，可以使用熱焊絲包覆工藝。這類工藝(和系統(tǒng))在美國第13/ 212,025號申請中進(jìn)行了描述，該申請通過引用以其全文并入本文中。更確切地，本申請完全并入本文中，其程度為本申請描述了在包覆或其他類型的堆焊操作中使用熱焊絲系統(tǒng)熔敷材料的系統(tǒng)、使用方法、控制方法等。然后，當(dāng)期望更精確的熔敷方法來構(gòu)造工件時，控制器195切換到如上所述的熔滴熔敷方法?？刂破?95可以控制本文中所描述的系統(tǒng)來根據(jù)需要利用熔滴熔敷和包覆熔敷工藝實現(xiàn)所期望的構(gòu)造。[〇1〇6] 上述實施例可以實現(xiàn)高速熔滴熔敷。例如，本發(fā)明的實施例可以在10Hz到200Hz范圍實現(xiàn)熔滴熔敷。當(dāng)然，取決于操作參數(shù)，可以實現(xiàn)其他范圍。在一些實施例中，取決于操作參數(shù)中的一些參數(shù)，熔滴熔敷頻率可以高于200Hz。例如，直徑較大的焊絲將通常使用小于 200Hz的熔敷頻率，而如在0.010英寸到0.020英寸范圍內(nèi)的直徑較小的焊絲可以實現(xiàn)更快的頻率。影響熔滴熔敷頻率的其他因素包括激光功率、工件大小和形狀、焊絲大小、焊絲類型、行進(jìn)速度等。
[0107]圖13描繪了本發(fā)明的另一個示例性實施例，其中，多個耗材可以同時被熔敷。在所示實施例中，四個耗材正在被熔敷。然而，實施例在此方面不受限制，因為可以利用任何數(shù)量。在這類實施例中，由于單遍可以熔敷多個耗材，可以加速工件的建造。如以下進(jìn)一步描述的，可以獲得這類配置的其他優(yōu)點。
[0108]如示例性系統(tǒng)1300中所示，接觸尖端組件1305容納多個接觸尖端1303、1303’、 1303”、1303”’，其中每個將耗材140、140’、140”、140”(分別)輸送到正在創(chuàng)造的工件。在所示實施例中，這些接觸尖端中的每個接觸尖端彼此電隔離，這樣使得每個接觸尖端可以接收有待用于熔敷的單獨電流波形。例如，如示例性系統(tǒng)1300中所示，電源電聯(lián)接至每個接觸尖端，以便單獨提供和控制用于每個耗材的電流波形。如指出的，沒有在這個圖中示出系統(tǒng)控制器195。然而，系統(tǒng)1300可以包括如本文中前述控制器195,該控制器控制每個電源的操作、以及該操作。在所示實施例中，電源系統(tǒng)1310被顯示為具有不同的單獨電源模塊P.S.#1 至P.S.#4(1311、1312、1313和1314)，其中每個電源系統(tǒng)能夠輸出不同的電流來熔敷耗材。 這些電流中的每個電流可以類似于本文中所描述的示例性波形，具有不同的參數(shù)等。進(jìn)一步地，電源1311-1314中的每個電源可以與本文中關(guān)于圖1至圖12所討論的電源類似的方式被構(gòu)造和操作。在一些示例性實施例中，電源1311-1314中的每個電源可以是單個電源系統(tǒng) 1310中的單獨的電源模塊，例如，在單個殼體內(nèi)。在其他示例性實施例中，電源1311-1314中的每個電源可以是單獨且不同的電源，這些電源可以彼此鏈接以使其操作同步、和其他方式控制其操作。
[0109]在操作過程中，系統(tǒng)1300可以通過單遍熔敷多個層從而在襯底S上創(chuàng)造工件。在圖 13的實施例中，每個耗材140-140” ’正在創(chuàng)造單獨層1^1、1^2、1^3、1^4，其中每個后面的耗材正在于前面的層的頂上創(chuàng)造層。這通過使尖端1303-1303”’在如所示的方向上與彼此一致來完成。在熔敷過程中，領(lǐng)頭耗材140熔敷在襯底S上，從而創(chuàng)造第一層L#1，而后面的耗材 140 ’熔敷到前一個層L#1上，從而創(chuàng)造第二層L#2，等等。為了允許創(chuàng)造這些層，接觸尖端組件1305可以在不同的高度熔敷，這些接觸尖端相對于襯底S表面在不同的高度。如圖13中所示，這些接觸尖端具有交錯或臺階式形態(tài)，從而允許堆疊這些層。在其他示例性實施例中， 這些接觸尖端可以相對于該表面處于同一水平，但耗材的伸出距離可以被適當(dāng)調(diào)整以實現(xiàn)所期望的層堆疊。
[0110]在本發(fā)明的示例性實施例中，耗材之間的間距(在行進(jìn)方向上)為使得后續(xù)層可以被適當(dāng)?shù)貥?gòu)造在之前熔敷的層上。在示例性實施例中，該間距是使得耗材不熔敷在同一熔池中。也就是，后面的耗材不與前面的熔池接觸。然而，對應(yīng)的熔池在工件上與彼此相鄰。也就是，在示例性實施例中，雖然熔池彼此相鄰或接近，但其熔融部分不與彼此接觸。當(dāng)然，熔池可以在不同的高程水平(例如，見圖13)，并且熔池之間的熔敷物的溫度會非常高，但熔融部分彼此不接觸。
[0111]應(yīng)注意的是，盡管沒有在圖13中示出，但系統(tǒng)1300還可以使用如以上示例性實施中所描述的激光器或熱量輸入系統(tǒng)。確切地，系統(tǒng)1300可以使用激光器來創(chuàng)造熔融熔池和/ 或幫助熔化耗材。在一些示例性實施例中，單獨的射束可以被引導(dǎo)至每個單獨的耗材熔敷過程，并且可以針對每個對應(yīng)的熔敷過程被單獨控制。這些單獨的射束可以由單獨的激光發(fā)射裝置產(chǎn)生，或者可以來自單個激光發(fā)射裝置，但經(jīng)由光學(xué)器件和激光分光鏡等被分成多條單獨的射束。每個單獨的耗材140至140”’的熔敷可以像前述那樣受控制?？商娲?，在其他示例性實施例中，可以使用在熔敷過程中在耗材之間被光柵化從而為每個耗材熔敷過程提供所期望的熱量輸入的單個激光/熱量源。例如，激光束被光柵化到達(dá)每個耗材homo”’的熔敷物，并且在每個耗材位置的相互作用時間受到控制以針對每個熔敷操作實現(xiàn)所期望的熱量輸入。
[0112]在本發(fā)明的示例性實施例中，耗材140-140”’的類型、大小和組成成分是基于所期望的工件特性來選擇的。在一些實施例中，這些耗材140-140” ’的中每個耗材相同，具有相同的直徑和組成成分。然而，在其他示例性實施例中，這些耗材可以具有不同的特性。例如， 耗材140-140”’可以具有不同的直徑，這樣使得通過使用不同的直徑耗材，層L#l-L#4可以制作成具有不同的寬度。而且，這些耗材可以具有不同組成成分從而允許創(chuàng)造出在不同地方具有不同的物理/組成特征的工件。在這類實施例中，正在被制造的工件的組成成分可以 “飛快地”變化。也就是，第一材料可以用于制作工件的某些部分-使用一些接觸尖端-并且然后不使系統(tǒng)停止可以根據(jù)期望熔敷不同或附加材料。
[0113]例如，本發(fā)明的示例性實施例可以用于使用不銹鋼和低碳鋼的混合物來制造結(jié)構(gòu)或工件。進(jìn)一步地，可以用添加鎳材料來建造這類結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，這些僅僅是示例性的，并且本發(fā)明的實施例允許多種材料的混合物建造期望的結(jié)構(gòu)。在其他示例性實施例中，出于各種原因，包括工件的測量，非磁性材料/金屬帶或?qū)涌梢蕴砑拥焦ぜ?。不同的材料也可以用于將材料轉(zhuǎn)變成奧氏體不銹鋼。
[0114]除了耗材的不同特性/類型以外，本發(fā)明的實施例可以用不同的送絲速度輸送耗材140-140”’。也就是，在一些實施例中，所有耗材的送絲速度是相同的。然而，在其他實施例中，可能期望的是改變送絲速度。這可以經(jīng)由控制器195和耗材的對應(yīng)的送絲系統(tǒng)(為了清晰，未示出)完成。通過改變對應(yīng)的送絲速度，正在被創(chuàng)造的工件的物理特性會受到影響。 例如，可能期望的是具有層L#1至L#4中的比其他層更薄的至少一個層。在這類實施例中，更薄層的對應(yīng)耗材的送絲速度可以被減慢，從而產(chǎn)生更薄的層。
[0115]而且，在示例性實施例中，不同電流波形可以被提供至耗材140-140” ’。在所示系統(tǒng)1300中，存在向耗材提供對應(yīng)的熔敷電流的多個單獨的電源模塊1311-1314。在一些實施例中，這些電流中每個電流可以相同，而在其他實施例中，電流波形可以不同-具有不同的頻率、峰值電流電平等。當(dāng)使用不同的送絲速度和/或不同的耗材來確保正確的熔敷時，會是這種情況。
[0116]通過改變耗材140-140” ’中任一耗材的熔敷方面，系統(tǒng)1300為層L#l-L#4的創(chuàng)造提供了顯著靈活性。也就是，在示例性實施例中，耗材類型、組成成分、送絲速度、和熔敷電流波形中的任一者、或其組合相對于另一個耗材可以不同，以便實現(xiàn)層或熔敷過程的期望的特性。因此，本發(fā)明的實施例允許以耗材的任何熔敷層的構(gòu)造的相當(dāng)大的靈活性和精度來快速構(gòu)造或建造工件。也就是，基于使用不同的熔敷/耗材特性，不同的層可以具有不同的厚度、寬度、形狀等。
[0117]圖14描繪了圖13中所示的系統(tǒng)1300的另一個視圖。如所示和以上討論的，接觸尖端1303和1303’安裝到根據(jù)期望來定向、固持和移動接觸尖端的接觸尖端組件1305。進(jìn)一步地，如以上討論的，接觸尖端被固持在交錯或臺階式模式下以允許彼此上下創(chuàng)造層-如所示。在這類實施例中，對應(yīng)的耗材140、140’中的每個耗材的伸出量X被維持成總體相同的距離。然而，在其他實施例中，這不需要是這種情況。也就是，每個耗材140、140’的伸出距離X可以不同以實現(xiàn)期望的熔敷表現(xiàn)。實際上，在一些實施例中，接觸尖端1303、1303’可以被固定成使得其對應(yīng)的遠(yuǎn)端面相對于襯底S的表面彼此共面。在這類實施例中，當(dāng)層L#1、L#2按照所示被構(gòu)造時，后面的耗材(例如，140’)的伸出距離X將小于每個前面的耗材(例如， 140)。
[0118]進(jìn)一步地，如所示，在一些實施例中，接觸尖端1303、1303 ’在接觸尖端組件1305內(nèi)是可移動的。在這類實施例中，致動器機構(gòu)1320(如輥、致動器等)可以用于將接觸尖端 1303、1303’移入和移出接觸尖端組件1305以便提供正在被構(gòu)造的工件的期望的伸出量和/ 或幾何結(jié)構(gòu)。致動器1320還可以由控制器195控制(圖14中沒有)，這樣使得接觸尖端可以在熔敷過程中“飛快地”移動。例如，在熔敷過程中，接觸尖端的相對高度和/或耗材的伸出距離X可以被調(diào)整以實現(xiàn)正在被制造的工件的期望的幾何結(jié)構(gòu)。可以用如上所述的多種方式產(chǎn)生這種移動。例如，伺服機構(gòu)、電機控制輥、線性致動器等可以用于按照期望移動接觸尖端。這類控制增強了系統(tǒng)1300的制造能力的靈活性。
[0119]應(yīng)注意的是，雖然圖13和圖14描繪了接觸尖端組件1305,這樣使得耗材與行進(jìn)/熔敷方向一致，接觸尖端組件1305還可以被定位成側(cè)向配置，在該配置中，接觸尖端在與和行進(jìn)方向垂直的線上。也就是，這些接觸尖端可以并排以提供寬材料熔敷。在這類實施例中， 耗材彼此相鄰、而不是如圖13和圖14中所示的彼此上下熔敷。當(dāng)然，在其他示例性實施例中，接觸尖端組件1305可以被定向成使得這些接觸尖端相對于行進(jìn)方向有角度地定向。本發(fā)明的實施例在此方面不受限制。
[0120]圖15描繪了另一個示例性實施例，其中，接觸尖端組件1305相對于熔敷過程的行進(jìn)方向也是可旋轉(zhuǎn)的。如在這個自頂向下視圖中所示，在第一位置A上，如圖13和圖14中所示，耗材成一直線熔敷。隨著接觸尖端組件1305繼續(xù)行進(jìn)，其被旋轉(zhuǎn)到新的位置B，這樣使得層的熔敷改變形狀，如所示。接觸尖端組件1305可以通過任何已知裝置和方法來控制和旋轉(zhuǎn)，如通過使用步進(jìn)電機、電機、或任何其他已知系統(tǒng)(例如，機器人焊接中用于控制/促進(jìn)移動和旋轉(zhuǎn)的那些系統(tǒng))?？刂破?95可以用于控制接觸尖端組件1305相對于襯底S的旋轉(zhuǎn)/ 移動。通過使組件1305可旋轉(zhuǎn)，可以根據(jù)需要創(chuàng)造工件的形狀。例如，工件的壁厚可以根據(jù)需要增加/減小。進(jìn)一步地，在組件1305旋轉(zhuǎn)過程中，針對任何耗材的送絲速度、電流波形、 伸出量和/或接觸尖端位置中的任一者、或其組合可以被調(diào)整。例如，如在圖15中所示，在位置A之前，耗材中只有一個耗材被熔敷來創(chuàng)造層L#l，如所示。這可以是組件中的領(lǐng)頭耗材。 當(dāng)組件1305轉(zhuǎn)向時，第二耗材140 ’針對第二層L#2開始被熔敷，這樣使得熔敷物L(fēng)#2聯(lián)接至并且添加到第一層L#1上。這可以落下來，不是添加不期望的高度，而是僅增加正在被創(chuàng)造的工件的寬度。類似地，當(dāng)組件1305旋轉(zhuǎn)到期望的位置B時，后續(xù)耗材140”和140”’可以用類似方式和按順序開始熔敷。類似地，這種運動可以用于在工件上創(chuàng)造凸耳或懸突，而不需要用于外懸的額外支撐件。在這類實施例中，組件1305的旋轉(zhuǎn)和對耗材中任一耗材或所有耗材的熔敷的調(diào)整(如上所述)可以允許相對容易創(chuàng)造懸突。例如，對送進(jìn)速率和/或伸出量/ 接觸尖端深度定位的調(diào)整可以允許相對簡單地創(chuàng)造凸耳。
[0121]因此，系統(tǒng)1300大大提高了本文中所描述的增材制造工藝和系統(tǒng)的制造靈活性。
[0122]圖16、圖17A-C和圖18A描繪了本文中所描述的方法和系統(tǒng)可以使用的襯底1600的示例性實施例。襯底1600是導(dǎo)電的，以便為熔敷電流/波形提供電流路徑，但還具有非粘結(jié)性表面1610,這樣使得在完成制造過程之后，將工件從襯底1600上去除相對容易。
[0123]典型地，在增材制造中，正在構(gòu)造的工件被置于導(dǎo)電的襯底或表面上，以便為耗材加熱電流提供正確的電流路徑。然而，因為襯底是導(dǎo)電的(即，金屬的)，工件變得與襯底粘結(jié)。也就是，在工件的初始制造過程中，最初創(chuàng)造的層經(jīng)由熔敷過程變得粘附到襯底上。因為這個，需要附加加工步驟來將工件從襯底上去除并且可能從最終工件上去除一些襯底材料。這添加了附加加工并且產(chǎn)生對工件造成破壞的潛在風(fēng)險。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)理解的是，工件與襯底之間的粘結(jié)通常在工件與襯底之間存在熔合時發(fā)生，這樣使得來自工件的材料與襯底的材料在襯底上的摻和劑區(qū)中混合，與接合技術(shù)一致。本發(fā)明的實施例解決了這個問題。
[0124]圖16描繪了由導(dǎo)電材料制成的示例性襯底1600,該導(dǎo)電材料允許電流流過該襯底，但防止工件110粘結(jié)到該襯底上。例如，在一些示例性實施例中，該襯底可以由銅或石墨制成，銅或石墨導(dǎo)電但不會與鋁或鋼工件粘結(jié)。在示例性實施例中，襯底1600可以被制作成為具有多種不同材料的基質(zhì)。例如，襯底1600可以由不導(dǎo)電陶瓷或黏土材料基質(zhì)材料制成， 該基質(zhì)材料具有分布在陶瓷或黏土基質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)電(例如，金屬的)材料從而創(chuàng)造導(dǎo)電路徑。 如圖16中所示，不導(dǎo)電基質(zhì)1603具有遍布該不導(dǎo)電基質(zhì)的導(dǎo)電顆粒1605,可以形成從表面 1610到接地點1625的電流路徑-來自電源的引線可以連接至該接地點。在一些示例性實施例中，襯底1600可以主要是陶瓷，其中銅顆粒1605遍布分布，具有足夠的銅量來提供允許電流從襯底的工件表面?zhèn)鬟f到襯底的另一個位置的銅密度，接地或電流電纜固定到該另一個位置?？梢允倾~的導(dǎo)電材料1605可以是粉末、粒狀、串狀或帶狀形態(tài)。然而，導(dǎo)電材料應(yīng)分布成使得導(dǎo)電路徑形成為從表面1600到接地點1625。接地點1625可以定位在襯底1600上的任何地方。應(yīng)注意的是，在一些不例性實施例中，導(dǎo)電材料沒有必要均勾分布在整個襯底結(jié)構(gòu) 1600中，而是其應(yīng)充分分布在整個工件表面1610上從而提供電流路徑，從該電流路徑開始， 工件被定位在襯底表面1610上或在其上開始?；|(zhì)材料1603可以是任何材料、或者將不會與工件粘結(jié)的材料的組合。這些材料可以是不導(dǎo)電的并且具有高熔化溫度，從而使得在表面上形成工件的過程中，基質(zhì)1603的表面將不會熔化。如以上指示的，基質(zhì)材料可以是黏土、陶瓷中的任一者、或其組合。其他材料可以包括碳含量高的鑄鐵、或當(dāng)在表面上進(jìn)行增材過程時變得脆弱的任何其他合金。如上所述，增材過程具有相對低(如果有的話)摻合劑， 因此合金從襯底到建造體中的傳播將會是極小的。然而，傳播可以使得建造體的第一層變得脆弱，而同時仍然導(dǎo)電。當(dāng)建造體完成時，使用者于是可以輕易將脆弱的界面彎曲和折斷從而將建造體與襯底分開。如以上指示的，陶瓷材料可以用于襯底。這類陶瓷應(yīng)該具有高熔化溫度，如Al2〇3,或其他類似陶瓷。在另一個實例中，鋁材料或合金可以用作低碳鋼建造體的襯底。
[0125]在進(jìn)一步的示例性實施例中，襯底可以由金屬粉末制成，該金屬粉末具有的密度使得襯底為建造體工件提供期望的導(dǎo)電率和物理支撐。在這類實施例中，一旦完成，就可以從建造體件輕易敲掉粉末。在更進(jìn)一步的示例性實施例中，襯底可以由放置在不導(dǎo)電材料 (如陶瓷，其在底座材料內(nèi)可以具有或可以不具有導(dǎo)電材料)底座上的導(dǎo)電層(例如，銅、碳、 鐵等)組成。通過在底座材料上使用薄層，可以使對襯底的穿入度減小到最小，從而確保不粘結(jié)至襯底。
[0126]如圖16中所示，在一些示例性實施例中，襯底1600可以具有接觸區(qū)1620,導(dǎo)電材料存在于該接觸區(qū)內(nèi)，而該接觸區(qū)之外不存在導(dǎo)電材料，或者存在的范圍更小，這樣使得襯底1600在接觸區(qū)1620之外導(dǎo)電較弱或不導(dǎo)電。在這類實施例中，工件110起始于或被置于表面 1610上，這樣使得該工件與接觸區(qū)1620接觸從而確保充分的電接觸，因為在接觸區(qū)1620之外將存在極小導(dǎo)電率或不存在導(dǎo)電率。在這類實施例中，接觸區(qū)1620具有的面積小于表面 1610的面積。進(jìn)一步地，接觸區(qū)1620可以成形為任何期望的形狀。因此，在示例性實施例中， 為了開始增材制造過程，該過程在表面1610的接觸區(qū)1620開始以確保存在用于工件的電流路徑。當(dāng)構(gòu)造工件110時，只要工件被制作成為整件(因此具有恒定電流路徑)，工件的多個部分就可以在接觸區(qū)1620之外形成在表面1610上。因此，將一直為制造過程提供電流路徑， 并且工件110可以被制造在不與工件110粘結(jié)的導(dǎo)電表面1610上，從而允許容易去除和加工工件。
[0127]圖17A描繪了另一個示例性實施例，其中襯底1600具有導(dǎo)電材料的晶格1630,該晶格在襯底1600的表面1610上創(chuàng)造出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。晶格1630是由導(dǎo)電材料制成的，如銅，被嵌入在襯底1600的材料中(其可以是陶瓷、黏土或其他不導(dǎo)電材料)。晶格1630可以被形成為使得在表面1610上形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這樣使得不管有待形成的工件110的大小或取向如何，工件將接觸晶格1630的至少某一部分以提供所需的導(dǎo)電路徑。晶格1630要具有網(wǎng)眼大小以便為有待在襯底1600上制成的工件的大小提供所需的間距。在一些實施例中，晶格1630可以具有穿透襯底1600的深度，而在其他實施例中，晶格1630的深度不一直穿透襯底1600。進(jìn)一步地，晶格結(jié)構(gòu)1630被形成為使得該結(jié)構(gòu)整個都是導(dǎo)電的，這樣使得不管工件在哪兒與晶格結(jié)構(gòu)1630接觸，都有到接地點1625的電路徑。進(jìn)一步地，在示例性實施例中，晶格結(jié)構(gòu)1630 可以僅存在于襯底1600中的與關(guān)于圖16所描述的接觸區(qū)類似的接觸區(qū)中。也就是，暴露于表面1610下的晶格結(jié)構(gòu)僅在表面1610的離散區(qū)域(S卩，接觸區(qū))中并且該晶格聯(lián)接至接地點 1625。在這類實施例中，只要工件的某部分在接觸區(qū)內(nèi)并且與晶格1630的一部分接觸，則存在電流路徑從而允許制造工件。然而，再次，因為表面1610大部分是不導(dǎo)電的和非粘結(jié)性的，與已知襯底相比較，工件的去除和加工是容易的。
[0128]圖17B示出了可以與本文中的裝置一起使用的襯底1600的另一個示例性實施例。 在這個實施例中，襯底1600包括分布在整個襯底1600區(qū)域上的多個離散的接地點1651/ 1652/1653等。這些點可以呈圖案分布，如晶格圖案，這樣使得任何使用該襯底的系統(tǒng)的控制器知道其對應(yīng)的位置。這些接地點由導(dǎo)電材料制成，并且可以是電線、插腳等，并且可以穿過襯底1600,這樣使得它們各自也暴露在襯底1600的另一個表面上。在圖17B中所示的實施例中，這些接地點穿過襯底1600,這樣使得它們其他的末端暴露在襯底1600的底表面上。 在其他實施例中，如果期望的話，其他末端可以出自側(cè)面。接地點1651、1652、1653等中的每個接地點電聯(lián)接至切換電路1660，該切換電路也電聯(lián)接至系統(tǒng)的電源并且電聯(lián)接至控制器，該控制器控制著如下所述的電路1660內(nèi)的接地開關(guān)的操作。因為接地點的位置是已知的，增材過程可以在這些接地點之一(例如，點1651)上開始，該點用作增材過程的初始接地路徑。一旦該過程開始，可以沿著表面1610移動熔池直到該熔池到達(dá)下一個接地點1652。切換電路1660可以允許控制器將建造過程的接地點切換到離正在進(jìn)行的增材過程最近的接地點。也就是，當(dāng)該過程的接觸尖端移動時，接地點可以被切換以提供距離該操作最近的接地路徑。進(jìn)一步地，在其他示例性實施例中，切換電路1660可以打開不止一條接地路徑，通過多個接地點，從而增加可以用于該過程的電流量。進(jìn)一步地，在示例性實施例中，切換電路1660可以用于將接地電流路徑轉(zhuǎn)向到不同的位置以控制熔敷過程。例如，當(dāng)建造過程接近襯底1600的邊緣時，切換器1660可以切換到離襯底1600的中心更近的接地點以幫助控制熔敷過程和熔池。這還可以用于幫助控制電弧的方向，其程度為在熔敷過程中引發(fā)任何電弧。
[0129]圖17C示出了本發(fā)明的進(jìn)一步的示例性實施例，其中襯底1600進(jìn)一步包括電聯(lián)接所有接地點1651、1652、1653等的導(dǎo)線1670,并且導(dǎo)線1670聯(lián)接至電源，使熔敷電流的接地路徑完整。在這類實施例中，不需要使用如上所述的切換電路1660。在所示實施例中，導(dǎo)線 1670是安裝到襯底1600的表面上的導(dǎo)電板或?qū)щ妼?，所有接地點聯(lián)接至該導(dǎo)電板或?qū)щ妼?。?dāng)然，導(dǎo)線1670不需要在底表面上，但還可以在襯底1600的另一個表面上。在使用過程中，當(dāng)建造結(jié)構(gòu)接觸不止一個接地點1651等時，向?qū)Ь€1670提供附加接地路徑，從而再次允許在該過程中使用更多電流。在以上實施例中的任一實施例中，用于熔敷過程的控制器/電源可以控制熔敷電流電平，以便不超過任一接地點的可接受的電流電平。也就是，在建造過程開始時，如果僅使用一個接地點1651，則電流被控制成使得電流電平不超過單個接地點 1651的可接受的電平。為此，可能對接地點造成破壞。然而，當(dāng)建造體前進(jìn)到附加接地點時， 因為接觸的附加接地點-因為到導(dǎo)線1670的接地路徑數(shù)量增加，控制器可以引起電流電平上升。因此，在這類實施例中，因為控制器知道每個接地點的位置，當(dāng)利用多個接地點時，于是控制器可以增加電流。在這類實施例中，隨著接觸每個對應(yīng)的接地點，熔敷電流可以增量地增加，或者當(dāng)接觸合適數(shù)量的接地點時，熔敷電流可以在單個步驟中增加。例如，針對200 安培的熔敷電流，控制器可以確定(使用存儲的信息)這類電流電平需要最少4個接地點。控制器/電源可以利用第一較低的電流電平(例如，50安培)直到接觸至少4個接地點，此時，熔敷電流增加到最優(yōu)電平。在其他實施例中，在接觸每個新的接地點時，電流可以增量地增加，直到接觸最小量所需的接地點。例如，針對每個后續(xù)接地點，電流可以增加50安培，直到達(dá)到所期望的熔敷電流電平?？梢栽谙到y(tǒng)的控制器中預(yù)定/預(yù)編程電流增加步驟。
[0130]在本發(fā)明的示例性實施例中，接地點是電線或插腳，這些電線或插腳具有大于所使用的焊絲直徑的平均直徑的平均直徑。在示例性實施例中，接地點是具有比所使用的最大焊絲直徑大至少20%的平均直徑的插腳。在一些示例性實施例中，直徑在比直徑最大的焊絲的直徑大20%至80%的范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，如圖17C中所示，插腳可以具有較大的頭部區(qū)域，如所示，用于與工件附加接觸。也就是，這些插腳在襯底的接觸表面具有更大的頭部區(qū)域(例如，像釘子等)，見例如圖17C。在插腳1651等具有如圖17C中所示的形狀的意義上， 在考慮如以上討論的插腳的平均直徑時，沒有考慮較大的頭部區(qū)域。
[0131]在進(jìn)一步的示例性實施例中，接地點1651等(例如，插腳、電線、桿等)在襯底1600 中是可去除的和可替換的。例如，如圖17C中所示，這些插腳僅駐留在襯底中的孔中并且充當(dāng)上述接地點。通過摻合劑，這些插腳被固定到工件上，作為其建造體，并且然后當(dāng)完成后， 將工件與這些固定插腳一起去除。然后，可以經(jīng)由機加工過程去除這些插腳/桿等，并且新的插腳可以被放置在襯底1600中，用于下一個過程?？扇コ牟迥_1651等應(yīng)具有足夠的長度，從而與建造在襯底上的工件并且與接觸板1670接觸，從而使得可以形成正確的接地電流路徑。
[0132]圖18A描繪了本發(fā)明的示例性實施例，其中，襯底1600包含至少一個冷卻通道 1640，通過該至少一個冷卻通道，在制造工件過程中，或者至少在工件初始制造過程中，可以傳遞冷卻介質(zhì)。冷卻介質(zhì)可以是氣體或液體并且用于將襯底保持在一定溫度，這樣使得襯底1610的所有部分沒有熔化的，或者以其他方式粘附到工件上。通過經(jīng)由冷卻歧管/通道 1640的使用來冷卻襯底1600,襯底1610可以被保持是涼的，并且表面1610上的任何導(dǎo)電材料(例如，晶格結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電顆粒等)可以被保持是涼的，這樣使得形成在表面1610上的工件的任何層將不會熔化，或者以其他方式與表面1610上的導(dǎo)電部件粘結(jié)。其他實施例可以使用其他冷卻方法/工藝而不脫離本發(fā)明的范圍或精神。例如，可以使用被動熱管。
[0133]因此，在示例性實施例中，提供了襯底，該襯底提供所需的導(dǎo)電率，但還提供非粘結(jié)性表面，這樣使得工件在制造之后更容易去除和加工。
[0134]圖18B描繪了本文中所描述的示例性增材制造工藝可以使用的又另一個結(jié)構(gòu)。本文中所描述的增材制造工藝可以用于制造復(fù)雜和精致的工件。部件(如這些部件)的簡易制造可以通過從非水平的傳統(tǒng)襯底或作業(yè)表面開始制造過程而得到幫助。例如，可能有利的是制造懸掛配置的工件。也就是，可以更容易制造工件，其中，工件層的初始層/熔敷是懸掛的，這樣使得它們從襯底的底部開始延伸，與傳統(tǒng)自底向上的平坦表面襯底相反。圖18B中所示的實施例描繪了可以在這些情形下使用的示例性桁架結(jié)構(gòu)1800。桁架結(jié)構(gòu)1800可以具有多個支撐部件1810和1820,這些支撐部件彼此電聯(lián)接，從而允許電流流動。桁架結(jié)構(gòu)1800 被配置成使得針對給定的工件，根據(jù)期望，工件可以在在結(jié)構(gòu)1800上的任何點開始。例如， 如果上下顛倒地、或者從自上而下工藝制造工件更容易，則該部分可以在構(gòu)件1810和1820 之一上的點開始并且通過本文中所描述的工藝向下建造。當(dāng)然，正在使用的桁架結(jié)構(gòu)和焊燈/接觸尖端應(yīng)被設(shè)計成使得這些尖端正確定位在桁架結(jié)構(gòu)1800上。然后，根據(jù)需要，該部分可以從結(jié)構(gòu)1810/1820向下建造到襯底1600的表面。如所示，桁架結(jié)構(gòu)1800可以具有其自己的接地接觸點1825,或者可以簡單地是整個都導(dǎo)電的。進(jìn)一步地，在一些示例性實施例中，桁架結(jié)構(gòu)可以具有開始建造操作的接觸突起1830,工件的一部分的開頭固定到這些接觸突起上。這些突起1830充當(dāng)工件的開頭所固定到其上的接觸節(jié)點。這些突起可以使得更容易開始制造過程并且可以使得更容易將最后的部分與桁架結(jié)構(gòu)分開，而不破壞所制造的部分。這些突起1830可以與結(jié)構(gòu)1800的這些部分1810/1820制成一體。在其他實施例中，這些突起1830可以由不同的材料制成和/或可容易與結(jié)構(gòu)分開。例如，突起1830可以是具有頭部或突起部分的插腳或其他緊固件型部件，一部分可以固定到該頭部或突起部分上并且開始用于制造過程。當(dāng)完成之后，可以從桁架結(jié)構(gòu)中去除這些插腳，從而允許容易去除所制造的部分。桁架結(jié)構(gòu)1800可以采用任何期望的形狀或配置用于給定的制造過程。
[0135]在示例性實施例中，桁架結(jié)構(gòu)1800可以是允許電流傳遞到襯底1600的金屬結(jié)構(gòu)， 這可以是上述實施例中的任何實施例。在其他示例性實施例中，桁架結(jié)構(gòu)可以由如以上關(guān)于圖16和圖17概括描述的非粘結(jié)性、但導(dǎo)電的材料制成。在任何情況下，結(jié)構(gòu)1800應(yīng)被構(gòu)造成使得其可以提供至襯底1600或接地點1825的電流路徑，從而允許正確的加熱電流流動。
[0136]圖19A、圖19B和圖19C展示了本文中所描述的本發(fā)明的實施例可以使用的增材制造耗材1900的示例性實施例。應(yīng)概括理解的是，直徑大的實芯耗材需要更多的電流/能量來熔化耗材。然而，直徑較小的耗材需要較少的電流/能量來熔化，這樣使得需要更少的電流/ 能量量來熔化集體具有與單個直徑較大的實芯焊絲相同的截面面積的多根直徑較小的耗材。因此，本發(fā)明的一些示例性實施例中所使用的耗材是由多根編結(jié)的焊絲1903制成的編結(jié)耗材1900。在一些實施例中，這些焊絲1903相同，具有相同的直徑和組成成分。然而，在其他示例性實施例中，焊絲1903可以彼此不同。例如，在一些實施例中，兩種不同的焊絲類型可以用于制成編結(jié)耗材1900。在這類實施例中，這些焊絲可以基于直徑和/或組成成分而不同。例如，中心焊絲可以具有第一直徑和第一組成成分，而周邊焊絲1903具有第二直徑和第二組成成分，第二直徑和第二組成成分兩者均不同于該第一直徑和第一組成成分。這允許使用具有定制特性的耗材1900來用于特別的制造過程。應(yīng)注意的是，本文中所描述的用于熔敷實芯或藥芯耗材的方法和系統(tǒng)可以用于熔敷編結(jié)耗材，如圖19A中所示的編結(jié)耗材。
[0137]進(jìn)一步地，在圖19A中所示的實施例中，中心焊絲1903’是非編結(jié)焊絲，而外周邊焊絲1903編結(jié)在中心焊絲1903’周圍?？梢杂每傮w上螺旋形圖案、沿著耗材1900的長度進(jìn)行編結(jié)。
[0138]在一些示例性實施例中，耗材1900的編結(jié)可以用于增加耗材類型的相對送絲速度。例如，如圖19A中所示，中心焊絲1903’可以是第一類型/材料，而周圍的焊絲1903可以是不同的類型/材料。因為周圍的(外側(cè))焊絲的長度比中心焊絲更長，針對耗材1900的給定長度，每根對應(yīng)的焊絲類型的有效熔敷速率是不同的。不同焊絲類型的有效相對熔敷速率還會受到給定熔池中焊絲類型的相對數(shù)量的影響。因此，本發(fā)明的實施例允許提高熔敷化學(xué)成分的靈活性。
[0139]圖19B至圖19C描繪了本發(fā)明的實施例可以使用的耗材的另一個示例性實施例。然而，與圖19A中的耗材1900不同，圖19B和圖19C中的耗材1900在耗材的芯處具有空隙1910， 在該空隙中，芯1910被多根編結(jié)焊絲1903包圍。這個空心耗材構(gòu)造允許耗材1900在熔敷過程中被擠壓和“成形”，以便允許熔敷過程是可定制的。這將在以下進(jìn)行更詳細(xì)的說明。 [〇14〇]形成耗材1900的外部部分的焊絲1903的編結(jié)以總體上螺旋形圖案完成，類似于已知的焊絲編結(jié)方法，但空隙1910維持在耗材1900的芯處。與圖19A中相同，在一些實施例中， 焊絲1903可以具有相同的直徑和組成部分，而在其他實施例中，焊絲1903可以具有不同的特性。圖19C中描繪了這個的示例，其中，編結(jié)包括具有第一直徑和組成成分的第一焊絲類型1903、和具有第二直徑和組成成分的第二焊絲類型1905。當(dāng)然，在一些實施例中，即使焊絲1903/1905的直徑不同，組成成分也可以是相同的。如圖19C中所示，不同的焊絲1903/ 1905在耗材1900的截面周邊周圍交替。在進(jìn)一步的示例性實施例中，這些焊絲1903/1905可以具有不同的熔化溫度，不同的熔化溫度可以根據(jù)需要提供定制熔敷輪廓和分層。
[0141]空隙1910的尺寸應(yīng)被確定為使得耗材1900 ’在熔敷過程中保持相對穩(wěn)定。如果空隙太大，耗材會變得不穩(wěn)定并且在熔敷過程中將不維持其完整性。在示例性實施例中，空隙 1910的直徑在耗材1900 ’的有效直徑的5 %至40 %的范圍內(nèi)?！翱障?910的直徑”是可以裝配在空隙1910內(nèi)的最大圓形截面的直徑，如圖19C中虛線圓所示。耗材1900’的“有效直徑”是具有與組成耗材1900’的所有焊絲1903/1905的組合式截面面積相同的截面面積的圓的直徑。
[0142]如以上指示的，具有中心空隙1910的耗材1900在熔敷過程中被成形為允許改變耗材的熔敷特性。這在圖20A和圖20B中進(jìn)行了概括描繪，其中，耗材1900相對于耗材的行進(jìn)方向被朝著一個方向擠壓，從而實現(xiàn)所期望的熔敷寬度。如本文中所描述的，本發(fā)明的工藝和系統(tǒng)可以用于經(jīng)由增材制造來形成復(fù)雜的形狀。因此，可以形成具有不同厚度的工件和形狀等。由于空隙，圖19B和圖19C中所示的耗材1900允許形成這些復(fù)雜的形狀和不同的厚度。 在圖20A中，耗材朝著與行進(jìn)方向垂直的方向被擠壓，這相對于行進(jìn)方向使耗材1900變窄。 通過這樣做，產(chǎn)生的熔敷將比耗材的原始直徑更窄。類似地，圖20B描繪了同一耗材1900朝沿著行進(jìn)方向的方向被擠壓，這引起相對于行進(jìn)方向使耗材1900加寬。如此，使用這類擠壓，可以根據(jù)需要形成較寬的熔敷物。如以上闡述的，空隙1910應(yīng)具有的大小/直徑允許耗材1900變形從而與其非壓縮狀態(tài)相比改變其相對寬度。
[0143]在一些示例性實施例中，空隙1910可以填充有熔敷所需要的期望的化學(xué)成分的焊劑或粉末。這可以幫助向建造體輸送不容易形成焊絲、或者可通過熔化焊絲來傳遞的期望材料。例如，耐磨粉末可以作為焊劑被添加。[〇144]圖20C描繪了本發(fā)明的實施例可以使用的接觸尖端組件2000和耗材輸送系統(tǒng)和方法的另一個示例性實施例。在這個實施例中，至少兩個耗材2010和2020被引導(dǎo)至接觸尖端組件2000和接觸尖端2040,該接觸尖端具有允許兩個耗材穿過的孔2030。與以上實施例不同，耗材2010和2020沒有被編結(jié)。它們可以輸送自同一耗材源(線軸、卷軸等等)或者可以輸送自單獨的來源。進(jìn)一步地，它們可以是相同的耗材，具有相同的尺寸和組成成分，或者根據(jù)給定的制造操作所期望的，可以不相同。在進(jìn)一步的示例性實施例中，可以按不同的速率送進(jìn)耗材2010和2020,并且在一些實施例中，在熔敷過程中，送進(jìn)速率可以“飛快地”變化。 這類實施例允許在熔敷過程中定制建造體的合金。例如，在該過程的第一部分過程中，可以按相同的速率送進(jìn)耗材2010和2020,但在建造過程的不同階段，耗材2010根據(jù)需要而放緩或加速，從而創(chuàng)造出期望的熔敷物化學(xué)成分。[〇145]進(jìn)一步地，雖然示出了兩個耗材，但根據(jù)需要，其他實施例可以使用三個或更多個耗材。在所示實施例中，正如已知耗材輸送系統(tǒng)一樣，耗材2010和2020被輸送到孔2030(該孔可以是橢圓形的、或者是容納耗材的任何其他形狀)并且然后被引導(dǎo)至工件。在熔敷過程中，接觸尖端2040被定向成使得耗材提供所期望的熔敷輪廓。進(jìn)一步地，接觸尖端2040是可旋轉(zhuǎn)的(與上述實施例一樣)從而允許耗材按照設(shè)計被定向并且使熔敷過程的形狀或輪廓根據(jù)期望來改變。例如，如所示，左邊的取向示出了排成一行的取向，該取向?qū)⒃诠ぜ咸峁┱鄯笪?，但由于耗材朝著行進(jìn)方向排成一行，高度得到增加。然后，根據(jù)需要，接觸尖端 2040可以被旋轉(zhuǎn)到右邊所示的位置。該旋轉(zhuǎn)可以由控制器195和電機等實現(xiàn)，并且可以在熔敷方向變化過程中使用，而不需要改變焊燈的取向。當(dāng)期望在行進(jìn)方向上增加熔敷物的寬度時，可以使用在右邊的定位。還應(yīng)注意的是，在一些實施例中，可能沒有必要同時送進(jìn)兩個耗材2010和2020。在這類實施例中，耗材2010和2020將通過單獨的送絲器(未示出)被送進(jìn)，并且控制器195可以控制送進(jìn)這些耗材中的哪個耗材，或者它們是否被同時送進(jìn)。在這類實施例中，沒有被送進(jìn)的耗材不需要從孔2030中抽回并且因此可以用于維持被送進(jìn)的耗材的定位。在這類實施例中，耗材的送進(jìn)可以由控制器195控制，該控制器將在過程中的給定時刻根據(jù)需要送進(jìn)這些耗材中的任一個耗材、或兩個耗材。
[0146] 進(jìn)一步地，在圖20C中所示的實施例中，耗材2010和2020中的每個耗材共享同一電流，因為它們通過單個孔2030被引導(dǎo)。在這類實施例中，電流可以來自單個電源，并且每個耗材共享電流。然而，圖20D描繪了一個不同的示例性實施例。在圖20D中所示的實施例中， 接觸尖端組件2000包含兩個可電隔離的接觸尖端部分2015和2025。尖端部分2015和2025分別輸送耗材2010和2020。然而，組件2000包含可以將尖端部分2015和2025彼此電聯(lián)接的開關(guān)裝置或機構(gòu)2050,這樣使得這些部分共享電流，或者可以將這些尖端部分彼此電隔離。在示例性實施例中，這些尖端部分2015和2025中的每個尖端部分聯(lián)接至單獨的電源(PS#1和 PS#2)。當(dāng)開關(guān)2050處于斷開位置時，每個對應(yīng)的電源可以向?qū)?yīng)的耗材提供單獨且不同的加熱電流。在這類實施例中，耗材可以按照不同的速率進(jìn)行熔敷，和/或在大小和組成成分上可以不同。這可以受到控制和用作上述使用多個耗材的類似實施例。然而，在這個實施例中，根據(jù)需要，控制器195可以選擇開關(guān)，此時，接觸尖端部分2015和2025電聯(lián)接并且可以共享來自這些電源P.S.#1或P.S.#2之一的單個電流信號。在這類實施例中，針對給定操作，可能僅需要單個電源，從而減少功率使用和/或消除了對同步信號的需要。在這類實施例中， 開關(guān)2050可以閉合，這樣使得尖端部分2015和2025中的每個尖端部分現(xiàn)在可以彼此聯(lián)接， 從而使得耗材2010和2020共享來自單個來源的同一信號。當(dāng)開關(guān)2050斷開時，這些尖端部分彼此電隔離(經(jīng)由電介質(zhì)材料或其他適當(dāng)?shù)氖侄?，并且如果要熔敷兩個耗材，則它們將從單獨的電源接收單獨的信號?？商娲?，在熔敷操作過程中的某個點，可能僅需要的是需要熔敷單個耗材。因此，僅操作一個電源，但出于安全目的，開關(guān)2050被斷開以將另一個耗材隔尚。開關(guān)機構(gòu)2050可以是能夠隔尚和連接尖端部分2015和2025的任何開關(guān)結(jié)構(gòu)，并且可以集成到尖端組件2000,或者根據(jù)期望，可以遠(yuǎn)離組件2000。
[0147]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖21A和圖21B，示出了使用圖19B的耗材1900的代表性接觸尖端組件 1950的簡圖。圖21A和圖21B示出了在接觸尖端組件1950的出口部分向上看的視圖，其中圖 21A描繪了處于非壓縮狀態(tài)的耗材，而圖21B描繪了處于壓縮狀態(tài)的耗材1900。應(yīng)注意的是， 以下對接觸尖端組件1950的描述旨在是示例性的，并且本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)理解到，其他配置和設(shè)計可以用于使耗材1900根據(jù)所期望的來成形，從而在增材制造過程中實現(xiàn)所期望的熔敷。
[0148]如所示，接觸尖端組件1950具有耗材開口 1951，耗材穿過該開口。雖然開口 1951被顯示為是正方形的，但本發(fā)明的實施例在此方面不受限制，并且只要耗材1900在其壓縮和非壓縮狀態(tài)兩者下均可以穿過，就可以使用其他形狀。在所示實施例中，組件1950具有兩對接觸活塞1953和1955。這些活塞可相對于開口 1951移動，如所示，這樣使得它們可以延伸到開口內(nèi)并且因此在耗材1900上施加壓縮力。接觸活塞1953和1955被定向成使得一對活塞 1953朝著與另一組活塞1955的移動方向垂直的方向移動。因此，如圖21B中所示，活塞1953/ 1955可以朝所期望的方向擠壓耗材1900從而實現(xiàn)所期望的形狀。每組活塞可以經(jīng)由已知的致動裝置1956移動，如線性致動器等，并且可以由控制器195(未在這些圖中示出)控制。進(jìn)一步地，每個活塞1953/1955被配置成用于向耗材1900提供加熱電流波形，這樣使得加熱電流經(jīng)由這些活塞被輸送到耗材1900。應(yīng)注意的是，盡管在圖中示出了一個致動器1956和偏壓1957,但針對每個活塞，示例性實施例將具有類似的部件。
[0149]如圖21A中所示，在非壓縮狀態(tài)期間，每個活塞1953/1955與耗材1900接觸從而輸送加熱電流?；钊?953/1955相對于開口 1951被固持在位，從而確保耗材1900維持在其自然狀態(tài)下。然后，在熔敷過程中，確定(例如，通過控制器)耗材的寬度應(yīng)改變以實現(xiàn)所期望的熔敷配置，根據(jù)需要，耗材應(yīng)被制作得更寬或更窄?；诖诵畔?，控制器195引起這些活塞 1955(經(jīng)由致動器1956)被致動并且向內(nèi)移動從而如圖21B中所示壓縮耗材1900。此外，為了適應(yīng)耗材1900的形狀變化，活塞1953被抽回，從而允許耗材的形狀變化。然而，在示例性實施例中，被抽回的活塞1953仍然與耗材1900接觸從而將耗材1900固持在正確的位置并且輸送加熱電流。
[0150]在熔敷過程中，耗材1900的形狀可以通過使活塞移動來“飛速地”變化，從而實現(xiàn)所期望的形狀。例如，控制器195可以在熔敷過程中根據(jù)需要來控制活塞1953/1955縮回和延伸從而改變耗材1900的形狀，從寬熔敷到窄熔敷并且再返回，而不停止熔敷過程。
[0151]如以上闡述的，活塞1953/1955的移動/致動可以通過實現(xiàn)期望的運動的任何已知致動器、移動裝置實現(xiàn)。在一些示例性實施例中，(本文中未示出)對應(yīng)的活塞對中的每個活塞可以彼此機械聯(lián)動，這樣使得其相對運動彼此維持一致。在這類實施例中，不是針對每個活塞具有單獨的致動器，單個致動器可以用于每個對應(yīng)的對，并且因為機械聯(lián)動，每個活塞將適當(dāng)?shù)匾苿印?br>[0152]進(jìn)一步地，如以上指示的，控制器195可以基于有待構(gòu)造的期望形狀來控制活塞的致動。在進(jìn)一步的示例性實施例中，在熔敷操作過程中，組件1950可以按照期望進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)所期望的形狀。也就是，組件1950可以聯(lián)接至旋轉(zhuǎn)電機和/或機器人臂(或其他類似的運動裝置)和控制器195(或其他系統(tǒng)控制器)可以根據(jù)需要引起組件旋轉(zhuǎn)，并且將這些活塞中的任何活塞激活從而實現(xiàn)所期望的耗材、和因此熔敷、形狀。
[0153]圖22描繪了本發(fā)明的實施例可以使用的耗材2000的另一個示例性實施例。耗材2000包括焊絲2003的類似的編結(jié)結(jié)構(gòu)，具有如上所述的空間2010，而且還包括護(hù)套2015。護(hù)套2015可以被構(gòu)造和形成為類似于用于焊接或銅焊耗材的已知護(hù)套結(jié)構(gòu)。如所示，在這個實施例中，護(hù)套2015完全包圍焊絲2003并且具有接縫2017，其是對接縫。護(hù)套2015可以由期望熔敷在工件上的任何材料制成。在一些實施例中，護(hù)套2015可以是與焊絲2003相同的材料，而在其他實施例中，護(hù)套可以由不同的材料制成/具有不同的組成成分。護(hù)套2015還可以幫助耗材2000在其由圖21A和圖21B中的接觸尖端組件中的活塞重新形成之后維持其形狀。確切地，焊絲通過孔1951被擠壓將引起護(hù)套2015塑性變形，從而引起耗材2000更容易保持住期望的形狀。這可以允許耗材2000的伸出量在熔敷過程中增加。
[0154]圖23描繪了本發(fā)明的實施例可以使用的另一個示例性耗材2100。耗材2100包含護(hù)套2110和芯2120，其中，護(hù)套2110具有比芯2120更低的熔化溫度。通過具有這種相異的熔化溫度，耗材2100的實施例可以提供對部件制造的增強控制。在自始至終耗材在總體相同的溫度熔化的實施例中，產(chǎn)生的熔融熔池的動態(tài)在熔敷和建造過程中起到重要的作用。在某些情形下，對熔池的控制會是困難的，特別是在高精度制造工藝中，或者在正構(gòu)造的工件的厚度非常薄時。在這類應(yīng)用中，熔池動態(tài)會難以控制和解釋。然而，當(dāng)使用耗材2100時，護(hù)套2110在芯2120之前熔化。熔融護(hù)套材料于是提供熔融基質(zhì)來將芯材料粘附到工件上。在這類應(yīng)用中，熔池的重要性減小，并且在一些情形下，熔池可以被消除。進(jìn)一步地，在替代性實施例中，隨著熔池和熔融護(hù)套材料將一起工作來將芯材料粘附到工件上，熔池的大小和/或深度會減小。如此，當(dāng)使用耗材2100時，熔池的動態(tài)會沒那么重要。
[0155]在示例性實施例中，芯2120可以是實芯，而在其他實施例中，芯2120可以是期望的材料的粉末或顆粒。在這類實施例中，耗材2100可以被成形為(如以上討論的)實現(xiàn)所期望的熔敷。也就是，因為芯2120可以是粉末或顆粒狀的，耗材2100的外部部分可以被成形和擠壓以實現(xiàn)所期望的耗材輪廓。在附加實施例中，耗材可以被構(gòu)造成和至少圖22中所示的那個相同，其中，護(hù)套圍繞多根單獨的焊絲，并且其中，這些焊絲2003中的至少一些(或全部)焊絲具有比護(hù)套2015更高的熔化溫度。實際上，在這類實施例中的一些實施例中，焊絲2003相對于彼此可以具有不同的熔化溫度。例如，焊絲2003中的第一多根焊絲可以具有第一熔化溫度(高于護(hù)套熔化溫度)，而焊絲2003中的第二多根焊絲可以具有比焊絲2003中的這些第一焊絲的熔化溫度更高或更低的熔化溫度。這類實施例可以為熔化和建造耗材的輪廓提供增加的靈活性。進(jìn)一步地，在一些實施例中，熱源(例如，激光器)和/或電流被控制，這樣使得芯2120的至少某一部分在熔敷過程中也被熔化。然而，在其他實施例中，芯2120的材料在熔敷過程中沒有被熔化。也就是，護(hù)套2110被熔化，并且液態(tài)護(hù)套材料用于將未熔化的芯材料固定到工件上。在這類實施例中，以分層方式創(chuàng)造工件，在熔融護(hù)套材料與芯材料之間交替。應(yīng)注意的是，盡管圖23描繪了耗材2100具有圓形截面，但本發(fā)明的實施例在此方面不受限制。耗材2100還可以具有按照期望使工件的構(gòu)造受益的任何期望的形狀。例如，耗材2100可以具有正方形、矩形、多邊形、或橢圓形截面。當(dāng)然，也可以使用其他形狀。
[0156]在示例性實施例中，護(hù)套2110和芯2120的材料被選擇成使得護(hù)套2110在處于比芯材料的溫度低5%到45%范圍內(nèi)的溫度下熔化。在進(jìn)一步的示例性實施例中，護(hù)套2110的熔化溫度在芯材料的熔化溫度的1 %至35 %的范圍內(nèi)。當(dāng)然，護(hù)套和芯中每者的材料的確切組成成分應(yīng)基于正在建造的工件的期望的組成成分和構(gòu)造來進(jìn)行選擇。
[0157]圖24A描繪了另一個示例性實施例，其中，耗材2200具有非圓形截面，并且護(hù)套材料2210沒有在耗材2200的整個周邊周圍延伸。也就是，耗材2200具有不對稱的截面。例如，在所示實施例中，護(hù)套材料2210的位置僅在耗材的芯材料2220的一側(cè)。圖24B描繪了另一個這類示例性實施例，其中，耗材的總體形狀是六邊形，并且護(hù)套材料2210’僅覆蓋芯2220’的六邊形截面的5條邊。當(dāng)然，基于耗材的期望的性能和熔敷特性，可以使用其他形狀和覆蓋范圍。圖24C是另一個示例性實施例，其示出了具有對稱截面的耗材2200”，但護(hù)套材料2210”和芯材料2220”的分布不是對稱的。這種配置允許使用接觸尖端和被設(shè)計用于典型的對稱耗材的設(shè)備來使用耗材，但耗材本身是不對稱的。在這類實施例中，護(hù)套材料2210熔化并且為耗材的芯部分2220提供粘附，但不從耗材的周圍熔化。在這類實施例中，在熔敷過程期間，在粘附之前，耗材可以按照期望被定向。護(hù)套材料充當(dāng)將芯材料結(jié)合或粘結(jié)到工件上的粘附材料。進(jìn)一步地，在這類實施例中，電流/熱量輸入受到控制以確保保留所期望的護(hù)套材料熔化而不完全熔化芯材料。
[0158]圖24D是本發(fā)明的實施例可以使用的耗材2200”’的進(jìn)一步的示例性實施例。除了護(hù)套層2210” ’具有分層構(gòu)造以外，耗材2200” ’類似于以上討論的那些耗材。在這類實施例中，護(hù)套層2210”’可以是固體材料或者可以是焊劑。實際上，在以上討論的實施例中的任何實施例中，護(hù)套層可以是焊劑，而不是固體金屬護(hù)套。在那些實施例中，在一些應(yīng)用中，可能期望將材料置于在熔敷過程期間不應(yīng)被熔化的(或者使熔化最小化)焊劑護(hù)套內(nèi)。為了實現(xiàn)這種情況，一些實施例使用分層護(hù)套/焊劑2210” ’，其中，靠著芯2220” ’的表面S的焊劑的組成成分與在該焊劑的外邊緣的焊劑的化學(xué)成分不同。圖24D將此示出為層A和層B，其中，層A具有第一組成成分，而層B具有第二組成成分。這些層的創(chuàng)造可以使用不需要在文本中討論的已知熔敷技術(shù)。這種類型的構(gòu)造允許層B中的材料遠(yuǎn)離芯2220”’中的直接熱量，這將以其他方式熔化層B中的組成部分。例如，可能期望的是，將碳化鎢熔敷在熔池中，如果它們與芯2220”’直接接觸，則其可能容易熔化。在這個實施例中，層A充當(dāng)熱量緩沖區(qū)，從而允許層B的材料熔敷而極少熔化或不熔化。當(dāng)然，應(yīng)理解到，兩個層A和B之間的劃分不需要是清晰的精確直線，但可以是從一種組成成分到另一種組成成分的轉(zhuǎn)移。進(jìn)一步地，層B相對于層A的形狀和相對截面面積可以基于該應(yīng)用的期望組成成分來確定。圖24D被示出為示例性實施例，并且可以使用其他形狀和配置，而沒有脫離本發(fā)明的精神或范圍。
[0159]聯(lián)接至計算機的用戶界面展示了一個用于支持本文中所描述的系統(tǒng)和方法的可能硬件配置，包括控制器195、或用于控制和/或操作本文中所描述的系統(tǒng)的類似系統(tǒng)。為了為本發(fā)明的不同方面提供附加上下文，以下討論旨在提供對合適計算環(huán)境的簡要、概括描述，在該計算環(huán)境中可以實現(xiàn)本發(fā)明的不同方面。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，本發(fā)明還可以結(jié)合其他程序模塊和/或作為硬件與軟件的組合來實現(xiàn)。一般而言，程序模塊包括執(zhí)行具體任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)具體抽象數(shù)據(jù)類型的例程、程序、部件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。
[0160]而且，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，本發(fā)明方法可以用其他計算機系統(tǒng)配置來實踐，包括單處理器或多處理器計算機系統(tǒng)、微型計算機、大型計算機、以及個人計算機、手持式計算裝置、基于微處理器的或可編程的消費電子產(chǎn)品等等，其中每個可以操作性地聯(lián)接至一個或多個相關(guān)聯(lián)的裝置。所展示的本發(fā)明的各方面還可以在某些任務(wù)是由通過通信網(wǎng)絡(luò)鏈接的遠(yuǎn)程處理裝置執(zhí)行的分布式計算環(huán)境中實踐。在分布式計算環(huán)境中，程序模塊既可以位于本地存儲器存儲裝置中又可以位于遠(yuǎn)程存儲器存儲裝置中。
[0161]控制器195可以利用示例性環(huán)境用于實現(xiàn)本發(fā)明的不同方面，包括計算機，其中，該計算機包括處理單元、系統(tǒng)存儲器和系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線將系統(tǒng)部件聯(lián)接起來，包括但不限于將系統(tǒng)存儲器聯(lián)接至處理單元。該處理單元可以是不同的可商購處理器中的任何處理器。還可以采用雙微處理器以及其他多處理器架構(gòu)作為處理單元。
[0162]該系統(tǒng)總線可以是若干類型的總線結(jié)構(gòu)中的任何一種，包括存儲器總線或存儲器控制器、外圍總線、以及使用各種各樣的可商購總線架構(gòu)的本地總線。系統(tǒng)存儲器可以包括只讀存儲器(ROM)與隨機存取存儲器(RAM)。包含如在啟動期間幫助在計算機內(nèi)的元件之間傳遞信息的基本例程的基本輸入/輸出系統(tǒng)(B1S)存儲在ROM中。
[0163]控制器195可以進(jìn)一步包括硬盤驅(qū)動器、磁盤驅(qū)動器(例如，用于從可移除磁盤讀取或?qū)懭氲狡渲?、以及光盤驅(qū)動器(例如，用于讀取⑶-ROM盤或從其他光介質(zhì)讀取或?qū)懭氲狡渲?。控制器195可以包括至少某一種形式的計算機可讀介質(zhì)。計算機可讀介質(zhì)可以是可以由計算機訪問的任何可用的介質(zhì)。舉例來講，但無限制，計算機可讀介質(zhì)可以包括計算機存儲介質(zhì)和通信介質(zhì)。計算機存儲介質(zhì)包括在任何方法或技術(shù)中實現(xiàn)的用于存儲信息(如計算機可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊、或其他數(shù)據(jù))的易失性和非易失性、可移除和不可移除介質(zhì)。計算機存儲介質(zhì)包括但不限于RAM、R0M、EEPR0M、閃存或其他存儲器技術(shù)、CD-R0M、數(shù)字多功能盤(DVD)或其他光存儲裝置、或者可以用于存儲所期望的信息且可以由聯(lián)接至控制器195的用戶界面訪問的任何其他介質(zhì)。
[0164]通信介質(zhì)通常實施計算機可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊或在已調(diào)制的數(shù)據(jù)信號(如載波或其他運輸機制)中的其他數(shù)據(jù)并包括任何信息輸送介質(zhì)。術(shù)語“已調(diào)制的數(shù)據(jù)信號”是指以編碼信號中的信息的這種方式使其特性中的一種或多種特性被設(shè)置或改變的信號。舉例來講而非限制地，通信介質(zhì)包括有線介質(zhì)(如有線網(wǎng)絡(luò)或直接有線連接)以及無線介質(zhì)(如聲學(xué)、RF、紅外線及其他無線介質(zhì))。上述任何內(nèi)容的組合還應(yīng)包括在計算機可讀存儲介質(zhì)的范圍中。
[0165]可以將多個程序模塊存儲在驅(qū)動器和RAM中，包括操作系統(tǒng)、一個或多個應(yīng)用程序、其他程序模塊和程序數(shù)據(jù)。計算機中的操作系統(tǒng)或用戶界面300可以是多種可商購操作系統(tǒng)中的任一種操作系統(tǒng)。
[0166]此外，使用者可以通過鍵盤和定點裝置(如鼠標(biāo))將命令和信息輸入到計算機中。其他輸入裝置可以包括傳聲器、IR遠(yuǎn)程控件、跟蹤球、筆輸入裝置、操縱桿、游戲板、數(shù)字化平板、圓盤式衛(wèi)星天線、掃描儀等等。這些和其他輸入裝置經(jīng)常通過聯(lián)接至系統(tǒng)總線上的串行端口接口連接至處理單元上，但可以通過其他接口(總線結(jié)構(gòu)(如并行端口、游戲端口、通用串行總線(“USB”)、IR接口)和/或不同的無線技術(shù)來連接。監(jiān)視器或其他類型的顯示裝置也可以經(jīng)由接口(如視頻適配器)連接到系統(tǒng)總線。還可以通過遠(yuǎn)程顯示網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(遠(yuǎn)程桌面協(xié)議、VNC、X-Window系統(tǒng)等)來完成視覺輸出。除了視覺輸出以外，計算機通常包括其他外圍輸出裝置，如揚聲器、打印機等。
[0167]顯示器可以與聯(lián)接至控制器195的用戶界面一起用于呈現(xiàn)從處理單元電子地接收的數(shù)據(jù)。例如，顯示器可以是電子地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的LCD式、等離子體式、CRT式等監(jiān)視器?？商娲鼗虼送?，顯示器可以呈現(xiàn)硬拷貝格式的接收數(shù)據(jù)，如打印機、傳真、繪圖儀等。顯示器可以用任何顏色呈現(xiàn)數(shù)據(jù)并且可以經(jīng)由任何無線或硬線協(xié)議和/或標(biāo)準(zhǔn)來從用戶界面接收數(shù)據(jù)。
[0168]計算機可以在使用至一個或多個遠(yuǎn)程計算機(如遠(yuǎn)程計算機)的邏輯和/或物理連接的聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下操作。遠(yuǎn)程計算機可以是工作站、服務(wù)器計算機、路由器、個人計算機、基于微處理器的娛樂電器、對等裝置或其他常見的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并且通常包括關(guān)于計算機描述的元件中的許多或所有元件。所描繪的邏輯連接包括局域網(wǎng)(LAN)以及廣域網(wǎng)(WAN)。這類聯(lián)網(wǎng)環(huán)境在辦公室、企業(yè)范圍的計算機網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)中是司空見慣的。
[0169]當(dāng)用于LAN聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中時，計算機通過網(wǎng)絡(luò)接口或適配器連接至局域網(wǎng)。當(dāng)用于WAN聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中時，計算機通常包括調(diào)制解調(diào)器，或者連接至LAN上的通信服務(wù)器，或者具有用于在WAN(如互聯(lián)網(wǎng))上建立連接的其他裝置。在聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，關(guān)于計算機或其多個部分描繪的程序模塊可以存儲在遠(yuǎn)程存儲器存儲裝置中。將認(rèn)識到，本文中所描述的網(wǎng)絡(luò)連接是示例性的并且可以使用在計算機之間建立通信鏈路的其他裝置。
[0170]雖然已經(jīng)參照某些實施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以做出各種改變并且替換等效物。此外，可以進(jìn)行許多修改以使具體的情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的傳授內(nèi)容而不脫離其范圍。因此，本發(fā)明不旨在局限于所披露的具體實施例，而是本發(fā)明將包括落在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有實施例。
【主權(quán)項】
1.一種增材制造系統(tǒng)，包括:一個高能裝置，該高能裝置以高能放電照射一個工件的一個表面從而在所述工件的一 個表面上產(chǎn)生一個熔融熔池；以及一個電源，該電源向一個耗材焊絲供應(yīng)一個加熱信號，其中，所述加熱信號包括多個電 流脈沖，并且其中，所述多個電流脈沖中的每個電流脈沖在所述耗材的熔敷到所述熔池中 的遠(yuǎn)端上產(chǎn)生一個熔融熔滴；其中，所述多個電流脈沖中的每個電流脈沖在所述耗材的所述遠(yuǎn)端接觸到所述熔池之 后達(dá)到一個峰值電流電平，其中，所述加熱信號在所述多個電流脈沖中的所述多個電流脈沖之間沒有電流；其中，所述耗材的所述遠(yuǎn)端在所述多個電流脈沖的后續(xù)多個峰值電流電平之間不與所 述熔池接觸；其中，所述電源控制所述加熱電流，這樣使得在所述多個電流脈沖期間，所述焊絲與所 述工件之間不產(chǎn)生電弧;并且其中，所述耗材具有一個護(hù)套部分和一個芯部分中的每一者，其中，所述護(hù)套部分具有 小于所述芯部分的熔化溫度的熔化溫度。2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述芯部分是一個實芯。3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述芯部分包括多根焊絲，并且所述多根焊絲中的 至少一些焊絲具有高于所述護(hù)套的熔化溫度的熔化溫度。4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述芯包括多根單獨的焊絲，并且所述多根焊絲中 的第一多根焊絲具有高于所述護(hù)套的所述熔化溫度的熔化溫度，并且所述多根焊絲中的第 二多根焊絲具有低于所述護(hù)套的熔化溫度。5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述芯包括焊劑。6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述芯的所述熔化溫度為使得所述芯的至少某一部 分在所述耗材的熔敷過程中不熔化。7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述護(hù)套的所述熔化溫度在比所述芯的所述熔化溫度低 5%至45%的范圍內(nèi)。8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述護(hù)套的所述熔化溫度在比所述芯的所述熔化溫度低 10%至35%的范圍內(nèi)。9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述耗材不具有圓形截面。10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述護(hù)套沒有在所述芯的整個周邊周圍延伸。11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述耗材是不對稱的。12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述護(hù)套包括焊劑。13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述護(hù)套至少具有一個第一層和一個第二層，其 中，所述第一層與所述芯直接相鄰，并且所述第一層具有與所述第二層不同的化學(xué)成分。14.如權(quán)利要求13所述的耗材，其中，所述第二層包括碳化鎢。15.—種增材制造耗材，包括:一個護(hù)套部分；以及一個芯部分，該芯部分至少部分地被所述護(hù)套部分覆蓋，其中，所述護(hù)套部分具有小于所述芯部分的熔化溫度的熔化溫度。16.如權(quán)利要求15所述的耗材，其中，所述護(hù)套部分和所述芯部分中的一者包括焊劑。17.如權(quán)利要求15所述的耗材，其中，所述耗材是不對稱的。18.如權(quán)利要求15所述的耗材，其中，所述護(hù)套部分沒有在所述芯部分的整個周邊周圍 延伸。19.如權(quán)利要求15所述的耗材，所述護(hù)套部分的所述熔化溫度在比所述芯部分的所述 熔化溫度低5 %至45 %的范圍內(nèi)。20.如權(quán)利要求15所述的耗材，所述護(hù)套部分的所述熔化溫度在比所述芯部分的所述 熔化溫度低10 %至35 %的范圍內(nèi)。21.如權(quán)利要求15所述的耗材，其中，所述芯部分包括多根焊絲，并且所述多根焊絲中 的至少一些焊絲具有高于所述護(hù)套部分的熔化溫度的熔化溫度。22.如權(quán)利要求15所述的耗材，其中，所述護(hù)套部分至少具有一個第一層和一個第二 層，其中，所述第一層與所述芯部分直接相鄰，并且所述第一層具有一種與所述第二層不同 的化學(xué)成分。23.如權(quán)利要求22所述的耗材，其中，所述第二層包括碳化鎢。
【文檔編號】B23K1/005GK105983742SQ201610156940
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】P·E·丹尼, S·R·彼得斯, B·納拉亞南, 狄厄尼索斯·達(dá)馬托, M·懷特黑德
【申請人】林肯環(huán)球股份有限公司