本公开涉及增材制造机器和工艺。
目前，晶格结构金属部件的增材制造可以使用粉末金属的激光烧结来进行，该技术局部地熔化粉末金属并且将金属熔合到基材或较低水平的先前熔融的金属。然后施加新的粉末金属层并重复激光烧结过程。以这种方式，多个金属增材层在连续的步骤中被激光熔凝，直到达到最终的部件厚度或深度。多个部件可以同时制造，并且这些部件可以具有复杂的几何形状。
目前的激光烧结工艺的缺点包括粉末金属的无用焊接、粉末金属在不需要焊接的区域的过量涂覆、导致未使用的粉末金属的浪费，或需要回收工艺来收集、精炼和再使用粉末金属。在每个焊接步骤之间的粉末金属安装程序，以及在可以应用下一层之前所需的前一层焊接材料的任何清洁或平滑处理，同样使得该工艺进展缓慢。激光还必须直接接触正在制造的部件的整个表面区域以熔化粉末金属，并且该工艺也因此在速度上受到焊接激光器的运动速度的限制。
因此，尽管目前的激光烧结增材制造工艺实现了其预期的目的，但仍需要用于金属或塑料部件的增材制造的新的和改进的系统和方法。
技术实现要素：
根据本公开的各个方面，基于金属丝的增材制造系统包括：可在馈送方向上移动的基座；至少一个焊接激光器；以及至少第一和第二切割激光器。至少第一送丝构件在当基座在馈送方向上移动时将第一金属丝馈送到基座上。至少第二送丝构件在当基座在馈送方向上移动时将第二金属丝馈送到基座上并平行于第一金属丝。至少一个焊接激光器被激励以将第一金属丝熔合到第二金属丝，第一切割激光器被激励以切割第一金属丝并且第二切割激光器被激励以切割第二金属丝以完成金属丝层。
在本公开的另一方面，在将第一金属丝和第二金属丝熔合在一起以完成金属丝层并且每个被切割之后，基座被降低并且旋转大约90度以将其定位成接收来自第一送丝构件和第二送丝构件的下一金属丝，以在现有金属丝层上方形成下一个金属丝层。
在本公开的另一方面，来自第一送丝构件的下一根金属丝和来自第二送丝构件的下一根金属丝被定向为与第一金属丝和第二金属丝垂直。
在本公开的另一方面，导线器可滑动地接收每一根第一金属丝和第二金属丝，并被定向为将第一金属丝和第二金属丝引向至少一个焊接激光器。
在本公开的另一方面，当该基座在该馈送方向上移动时，该导线器在空间上固定。
在本公开的另一方面，多个柔性下压指从导线器延伸出来，用于引导第一金属丝和第二金属丝朝向基座偏置。
在本公开的另一方面，当基座在馈送方向上移动时，至少一个焊接激光器以及至少第一和第二切割激光器在空间上固定。
在本公开的另一方面，第一反射镜将来自至少一个焊接激光器的激光焊接束重定向到第一金属丝和第二金属丝；并且第二反射镜将来自至少第一和第二切割激光器中的每个的激光切割束重定向到第一金属丝或第二金属丝中的一个。
在本公开的另一方面，第一金属丝和第二金属丝中的每一根限定具有相对的角面的梯形形状，第一金属丝的角面和第二金属丝的角面面向彼此，用以限定第一金属丝和该第二金属丝间的交点，从而允许使用至少一个焊接激光器在交点处形成角焊缝。
在本公开的另一方面，导线器具有多个孔，每个孔限定梯形形状并且尺寸设计成可滑动地接收第一金属丝或第二金属丝中的一个。多个孔中的每个都与在导线器中形成的狭槽连通，并且被定向成将第一金属丝和第二金属丝中的一个引导向至少一个焊接激光器。
根据本公开的各个方面，基于金属丝的增材制造系统包括可在馈送方向上移动的基座。当基座沿馈送方向移动时，多个焊接激光器在空间上固定。当基座沿馈送方向移动时，多个切割激光器在空间上固定。当基座沿馈送方向移动时，多个送丝构件各自将多根金属丝中的单根金属丝送入基座。多个焊接激光器中的每个被激励以熔合多根金属丝中的平行相邻的金属丝，并且每个切割激光器被激励以切割熔丝之一以完成多个金属丝层中的一个。
在本公开的另一方面，多个送丝构件中的每个包括：步进电机；以及导辊。
在本公开的另一方面，每个步进电机以小于基座在馈送方向上的位移速率的馈送速率运行，以在多根金属丝中产生反向张力。
在本公开的另一方面，连续的步进电机在基座表面之上的高度错开。
在本公开的另一方面，多个焊接激光器和多个切割激光器被藕接以形成激光焊接组件。
在本公开的另一方面，该多根金属丝中的每一根限定具有相对的角面的梯形形状，该多根金属丝中的各个平行相邻线的角面形成穿过每个金属丝层的纵向通道。
在本公开的另一方面，当基座在馈送方向上继续移动时，通过操作多个切割激光器中的一个，在多个金属丝中的一个上产生间隙。
根据本公开的各个方面，一种用于操作基于金属丝的增材制造系统的方法包括：沿馈送方向移动基座；当该基座在该馈送方向上移动时，将多个焊接激光器和多个切割激光器在空间上固定为相对于基座的焊接组件；当基座在该馈送方向上移动时，操作多个送丝构件以将多根金属丝的单根金属丝馈送到基座上；激励多个焊接激光器中的每个，以熔合该多根金属丝中的平行相邻金属丝；以及激励每个切割激光器切割熔丝中的一根，以完成多个金属丝层中的一个。
在本公开的另一方面，该方法包括：在多根金属丝中的每一根平行相邻金属丝熔合在一起之后，切割多根金属丝中的每一根以完成多个金属丝层中的一个：降低基座；并旋转(例如大约90度)以将其定位成接收来自多个送丝构件中的每个的下一根金属丝，以在多个金属丝层中的一个的上方形成下一个金属丝层。
在本公开的另一方面，该方法包括形成至少一个用于连接多个金属丝层中的两个的垂直柱。
从这里提供的说明中可显而易见地得知更多的可施用领域。应该理解的是，本说明书以及特定实施方式仅仅是用于示例目的，而不是为了限制本公开的范围。
附图说明
这里描述的附图仅用于说明的目的，并不是为了以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据示例性实施例的基于金属丝的增材制造系统的左前透视图；
图2是图1所示的基于金属丝的增材制造系统的主视图；
图3是图1所示的区域3的左前透视图；
图4是类似于图3的左前透视图，其示出正在进行的激光焊接和激光切割；
图5是在激光切割操作之后由图4改进的左前透视图；
图6是使用图1所示的基于金属丝的增材制造系统制造的金属丝增材构件的端视图；
图7是由图6改进的端视图；
图8是图1所示的区域8的左前透视图；
图9是图1所示的导线器的左后透视图；
图10是由图9改进的进一步包括金属丝的左后透视图；
图11是图9所示的导线器的左下透视图；
图12是使用图1所示的基于金属丝的增材制造系统制造的示例性结构的正面透视图；
图13是使用图1所示的基于金属丝的增材制造系统制造的示例性晶格结构构件的顶部透视图；以及
图14是使用图1所示的基于金属丝的增材制造系统制造的垂直晶格结构金属丝增材构件的端视图，其经改进以允许焊接单个垂直堆叠的金属丝。
具体实施方式
以下描述在性质上仅仅是举例说明，并不意图限制本公开的公开内容、应用或用途。
参考图1，基于金属丝的增材制造工艺和方法，在下文中，基于金属丝的增材制造系统10包括以平面形式呈现的平台或基座12，但是基座12可以采取与所示的不同的几何形式，包括弯曲状。在金属丝增材构件16焊接期间，基座12在馈送方向14上移位。金属丝增材构件16包括至少一个并且根据多个方面的多个金属丝材料层，其中每个金属丝层具有基本上横向于其下方的层定向的金属丝。
在所给出的示例中，金属丝增材构件16包括第一层18，该第一层18可以是诸如金属之类的材料片，在第一层18上可以将多根金属丝彼此焊接并由第一层18支撑。根据本公开的各个方面，可以牺牲第一层18，使得在形成上述层之后去除第一层18。第一层18可以包括狭缝或凹槽20的图案层，以在施加连续层的金属丝时使焊接接触最小化。第二层22提供彼此平行定向的多根金属丝，其中第二层22的每根金属丝焊接到第二层22的相邻的一根金属丝。第三层24表示如何形成下一个或每个新层。第三层24包括多个金属丝，如金属丝26、26’、26”、26”’，每个金属丝彼此平行取向，每个金属丝相对于第二层22的金属丝成角度地取向，第三层24的每根金属丝26、26’、26”、26”’准备好被焊接到第二层22的连续的一根金属丝上(例如金属丝26’被焊接到金属丝26和26”的每一根上)。
使用步进电机28和导辊30将诸如金属丝26之类的每根金属丝从线轴处(未示出)单独地送出。根据本公开的各个方面，金属丝26的尺寸可以具有大约1.0mm的横截面，而金属丝尺寸可以在本公开的范围内变化。每根金属丝26被送入并通过导线器32，该导线器32用于将馈送到基座12上的金属丝设定为平行方向。多个柔性下压指34被固定到导线器32上，并且当金属丝26离开导线器32时向下按压金属丝26，使得金属丝26与金属丝增材构件16的下一层金属丝发生物理接触。下压指34是柔性的，以在金属丝26上朝向基座12保持向下的压缩力，直到它们可以被激光焊接组件38焊接。
激光焊接组件38包括如下焊接和切割激光器。诸如光纤馈送器的多个焊接激光光学馈送器40中的每个连接到焊接准直透镜42。使用至少一个反射镜46将激光焊接束44重定向到每个准直透镜42之外，以使激光焊接束44沿向下方向36定向。每个激光焊接束44基本垂直于金属丝26、26’、26”、26”’的取向定向，并且各个激光焊接束44位于两个连续的金属丝之间，例如在金属丝26和26’之间。
类似于焊接激光器，多个切割激光光学馈送器48(例如光纤馈送器)中的每个连接到切割准直透镜50。使用至少一个反射镜54将激光切割束52重定向到每个准直透镜50之外，以将激光切割束52沿向下方向36定向。每个激光切割束52也基本垂直于金属丝26、26’、26”、26”’的取向定向，并且各个激光切割束52被定位成直接与其中一根金属丝相交，例如所示的金属丝26。
根据本公开的各个方面，包括焊接激光器42和切割激光器50的激光焊接组件38可以在垂直于馈送方向14的方向上横向固定或者横向移位。横向运动可以用于适应各个激光器的不同焊接束或切割束宽度。横向运动可以例如约为金属丝26的宽度的一半。横向运动也允许一次只熔化一根金属丝26的一侧，这将使来自较低层的下面的金属丝材料的熔化最小化。如果切割激光器的光束形状为椭圆形而不是圆形，其宽度与被切割的金属丝的宽度相匹配，则无需横向切割激光器移动。
当在金属丝增材构件16的金属丝的焊接和切割期间，基座12和金属丝增材构件16在馈送方向14上移位时，步进电机28、导辊30、导线器32、下压指34以及激光焊接组件38的每个部件(除了上述讨论的横向运动时)被固定就位且不移位。这确保了用于金属丝增材构件16的每个层的金属丝被类似地定向并且由下压指34保持就位、焊接并且根据需要被切割。这也确保每个反射镜46和54、激光焊接束44和激光切割束52相对于金属丝位置保持固定。
为了使该系统准备用于金属丝增材构件16的下一个连续层，使用激光切割束52中的一个对每根金属丝进行切割，以限定金属丝增材构件16的端部或边缘，基座12在与馈送方向14相反的返回方向56上返回，并且从所示的方向以约45度至90度范围内的角度旋转。当基座12再次在馈送方向14上移动时，步进电机28随后被操作，从而为金属丝增材构件16的下一个连续层供给金属丝。
参考图2并再次参考图1，为了说明金属丝增材构件16的厚度增加，当添加每个连续的层时，基座12的表面58沿向下的方向36(以与金属丝26的厚度相等的量)逐渐降低。这保持来自金属丝26上的下压指34的恒定向下压力。为了使从步进电机送入导线器32所需的金属丝26、26’等金属丝的弯曲半径59最小化，步进电机中的连续步进电机(例如示出的步进电机28和28’)在表面58上方的高度错开，并且也可以如图所示的那样横向错开。为了在向导线器32送丝期间最小化金属丝弯曲的可能性，步进电机28可以以稍低于基座12在馈送方向14上的位移速率的馈送速率运行，以在方向60上产生作用在金属丝上的小的反向张力。
参考图3并且再次参考图1和图2，如前所述，金属丝增材构件16的连续金属丝层具有成角度定向的金属丝，例如彼此垂直定向。为了减小金属丝增材构件16的重量，每根金属丝都具有梯形形状的横截面，使得相邻的金属丝产生纵向通道，例如通道62、62’。当激光焊接束44在相邻的金属丝之间通过时，角焊缝熔池64将相邻的金属丝彼此固定，并且根部焊接66将其中一个层的两个相邻金属丝，例如从第二层22固定到下一个较低层的金属丝上。
参考图4并且再次参考图3，使用诸如激光焊接束44、44’、44”的单独的焊接激光器同时焊接多条相邻的金属丝，例如相邻的金属丝26和26’、相邻金属丝26’和26”以及相邻金属丝26”和26”’。如前所述的角焊缝熔池64将每对相邻的金属丝彼此熔合，用于获得金属丝增材构件16中期望的金属丝长度。如果期望提供一根或多根长度小于金属丝增材构件16的总长度的单线，则激光切割束52中的一个可以被施加在每个期望的切割位置以将诸如金属丝26之类的金属丝中的单线切割成第一金属丝部分68和第二金属丝部分70。下压指34位于焊接和切割位置附近，以在焊接或切割之前将金属丝保持平行排列。
参考图5并且再次参考图4，随着金属丝增材构件16在馈送方向14上继续移动，在一段时间内使用激光切割束52(如图4中所示)产生间隙72。间隙72的宽度74取决于激光切割束52的操作时间乘以金属丝增材构件16与基座12的位移速度或速率。激光焊接束44可以在激光切割束52的操作期间选择性地停止，使得角焊缝熔池64在间隙72内被省略。
参考图6并且再次参照图3，根据本公开的各方面，金属丝(例如金属丝26’)的梯形形状提供了基座表面76、平行于基座表面76的顶部78、第一角度侧面80和第二角度侧面82。根据本公开的各个方面，第一和第二角度侧面80、82是大致平坦或平面的。当金属丝通过导线器32馈送时，第一角度侧面80定位成与相邻金属丝(如金属丝26)的角度侧面84相邻，以形成交点86。梯形金属丝利于允许激光焊接束44定位在第一角度侧面80和角度侧面84之间，指向交点86，并且垂直于基座表面76定向。这允许单个角焊缝和角焊缝熔池64在相邻的金属丝26和26’之间被均等地分开，并且允许将根焊66形成到下一个较低的金属丝中，例如所示的第一层18中的金属丝88。
参考图7并且再次参考图6，根据本公开的各方面，金属丝增材构件90可以由金属丝增材构件16改进而来，以改变金属丝的梯形形状。在该示例中，金属丝增材构件90包括至少两个金属丝层，金属丝层包括平行于第二金属丝94定向的第一金属丝92，其中第一金属丝92和第二金属丝94均垂直于较低金属丝层的金属丝96取向。每根金属丝包括相反方向的凹形面，例如第一凹形面98和第二凹形面100。第二凹形面100定位与对第二金属丝94的凹形面102相对，以形成类似于交点86的交点104。再次，这允许单个角焊缝和角焊缝熔池64在相邻的金属丝92和94之间被均等地分开，并且允许将根焊66形成到下一个较低的金属丝中，例如金属丝96。
参考图8并且再次参考图1，基于每个金属丝层中的金属丝之间的间隔，为多个不同的焊接准直透镜42提供足够的空间，并且可以使用多个反射镜的切割准直透镜50。例如，至少一个反射镜46可以包括用于激光焊接束44的第一反射镜46和第二反射镜46’。为了给各个激光焊接束44提供空间，可以在第一反射镜46中设置孔隙，包括至少一个孔隙106，其为激光焊接束44’的传输提供空隙。类似地，至少一个反射镜54可以包括用于激光切割束52的第一反射镜54和第二反射镜54’。为了给各个激光切割束52提供空间，可以在第一反射镜54中提供孔隙，包括至少一个孔隙108，其为激光切割束52的传输提供空隙。
参考图9并且再次参考图1，导线器32包括具有多个孔112的面110，每个孔具有类似于金属丝26的梯形形状的梯形形状。为了给金属丝26留出空间，步进电机28和导辊30以及孔112可以是交错的，例如如图所示的那样形成波形。所述波形允许诸如孔112’及112”的相邻孔定位在面110上的不同高度处。
参考图10并且再次参考图9，孔112的波形允许金属丝(诸如金属丝26、26’以及26”)在导线器32附近交错但不重叠。当每根金属丝从导线器32中穿出时，其直接接触并由一个下压指34引导。
参考图11，导线器32的底面114提供多个纵向狭槽116，其尺寸被设定为可滑动地引导单独的金属丝26。每个狭槽116与孔112中的一个连通。每个狭槽116提供锥形表面118以朝着底面114向下推动金属丝26。狭槽116可以形成类似于孔116的波形的波状图案，并且可以具有不同的长度，例如比示出的狭槽116短的狭槽116’。下压指34一体地连接到导线器32的端面120。下压指34可以作为导线器32的均匀延伸部，或者可以单独但是固定地附接到端面120。
参考图12，可以使用本公开的基于金属丝的增材制造系统10来形成具有多个垂直柱122、124、126和128的结构121。这些柱可以用作由该过程制造的物体的单独部分，或者也可以用于临时制造步骤中用以支撑物体的部件或部分，该物体可以具有从核心向外延伸的具有翼或特征的中央核心。这样的物品可以包括，例如，具有中央核心和向外延伸或悬垂部分的构件，或具有多个洞或孔的构件。垂直柱122、124、126和128可以用于当叶片和芯体被焊接时，单独地支撑形成叶片的每个层。根据结构的总高度142，可以使用中间横向支撑构件134、136、138和140以根据需要提供刚度。
参考图13，呈现了使用本公开的基于金属丝的增材制造系统10制成的示例性结构构件144。结构构件144可以具有复杂的形状，诸如包括不同体宽的弯曲体146。例如，结构构件144的中心附近的第一体宽148可以比邻近构件末端的第二体宽150更窄。另外，例如通过随后的连接过程也可以结合非基于金属丝的对象。例如，第一套筒152可以在结构构件144的第一端处连接，并且第二套筒154可以在第二端处连接。第一套筒152和第二套筒154可以通过，例如，硬钎焊操作来连接。第一套筒152和第二套筒154也可以被具有螺栓孔的凸台替代。
参考图14并再次参考图1至图6，垂直晶格结构156的示例性构造示出了单独的金属丝26、158和160可如何垂直组装和焊接。这种垂直晶格结构由一堆短的线股构成，其高度被限制以避免由于导线器32施加的垂直负载而导致的结构弯曲。如先前参考图6所述，使用角焊缝162可以执行金属丝26到金属丝158的焊接。当只有单根金属丝被焊接到单根下面的金属丝上时，例如当将金属丝160焊接到下面的金属丝158时，所进行的焊接可以被修改以应用从激光焊接束44修改的垂直激光束166施加不同的脉冲序列，这促进了上层金属丝160的熔化而不会使下层或下面的金属丝158过热。
在所馈送的金属丝的顶部或底部表面上的规则间隔的浮雕点或涂漆标记可以被包括在内，这将通过例如光学传感器来检测，并且用于准确、可靠地确定所送金属丝的端部的位置。如果没有这样的凸起或标记，则可以通过跟踪送丝电机的旋转角度来确定所送金属丝的端部的位置，这将不考虑送丝电机滑轮中的任何馈送金属丝的滑动。
为了保持馈送金属丝处于松弛状态，也可以使用两个送丝电机。例如，主送丝电机由高扭矩电机组成，这些电机将用于从线轴中拉出送丝，次级由控制馈送金属丝末端位置的低扭矩电机组成。初级和次级之间的扭矩差允许位于初级和次级之间的馈送金属丝部分由此保持在稍微松弛的状态。使用更高扭矩的送丝电机还允许使用大线轴，这也带来了增加线轴更换间隔的好处。
用于本公开的用于激光焊接的激光器可以是例如发光二极管(LED)激光器。用于本公开的用于激光切割的激光器可以是例如升华激光器。其他类型的激光器也可以在本公开的范围内使用或替换。
本公开的基于金属丝的增材制造系统10具备若干优点。包括同时焊接增材金属丝层的多根金属丝的能力，并且在金属丝中包括梯形形状，这可以在单线之间提供通道以减轻重量并允许相邻金属丝之间的角焊。焊接和切割操作可以使用相对于移动基座固定的激光来进行，这使得激光操作可重复并且精确。相对于移动基座固定导线器和多个送丝步进电机，提高了布线和金属丝张紧的准确性。金属丝也可以从线轴处作为连续线馈送，线轴尺寸是唯一的限制。
本公开的描述在本质上仅仅是示例性的，不偏离本公开的主旨的变型也落入本公开的范围内。这样的变型不被认为是脱离本公开的精神和范围。