增材结构构建技术的系统和方法与流程

本美国专利申请要求于2017年11月29日提交的美国临时专利申请序列号62/592,045的优先权和权益，所述申请的所有披露内容通过援引并入本文。

本发明的实施例涉及与增材制造、更具体地与增材制造结构构建技术相关的系统和方法。

背景技术：

常规地，增材制造工艺能够以相对低的沉积速率来制造近净形零件，其中逐层地构建每个零件。然而，构建时间可能很长，并且现有的构建技术可能不足以增材制造某些类型的零件(例如，工具)。

技术实现要素：

本发明的实施例包括与增材制造相关的系统和方法，这些系统和方法使得结构构建技术能够改进增材制造三维(3d)零件的时间和效率并且改进零件的所得性能和品质。在一个实施例中，提供了一种增材制造系统。根据一个实施例，待增材制造的3d零件的多个层的图案被呈现出来并作为数字数据存储在系统内。所述数字数据可以例如来自cad模型或来自被扫描零件。所述系统包括金属沉积装置，所述金属沉积装置被配置用于在增材制造工艺期间沉积金属材料以形成零件。所述系统还包括操作性地联接至所述金属沉积装置的控制器。所述控制器被配置用于：命令所述金属沉积装置在所述增材制造工艺的形廓沉积阶段期间在基质上沉积所述金属材料以形成所述零件的形廓。所述控制器还被配置用于：命令所述金属沉积装置在所述增材制造工艺的填入图案沉积阶段期间在所述基质上沉积所述金属材料以在由所述零件的形廓所勾勒的区域内形成填入图案。在一个实施例中，所述形廓沉积阶段的沉积速率小于所述填入图案沉积阶段的沉积速率。所述填入图案是具有波长的波形。所述波形可以是例如基本上正弦形状、基本上三角形形状、或基本上矩形形状中的一种。在一个实施例中，所述控制器被配置用于调整所述波形的波长以调整所述零件的填入百分比。此外，在所述填入图案沉积阶段期间，所述控制器被配置用于命令所述金属沉积装置通过在所述填入图案与所述形廓相汇的交叉点处施加能量并且在所述交叉点处减小所述金属材料的沉积速率从而防止使所述形廓扭曲的方式在所述交叉点处将所述填入图案的金属材料熔合至所述形廓的金属材料。在一个实施例中，所述系统包括机器人，所述机器人被配置用于在所述增材制造工艺期间由所述控制器控制来使所述金属沉积装置相对于所述基质移动。在一个实施例中，所述系统包括机器人，所述机器人被配置用于在所述增材制造工艺期间由所述控制器控制来使所述基质相对于所述金属沉积装置移动。在一个实施例中，所述金属沉积装置包括：送丝器，所述送丝器被配置用于将所述金属材料的填充焊丝朝向所述基质给送；电源；以及操作性地连接至所述电源的激光器。所述电源和所述激光器被配置用于在所述增材制造工艺期间提供能量以至少熔化所述填充焊丝。所述控制器操作性地连接至所述送丝器、并且被配置用于：在这些交叉点处减小所述填充焊丝的给送速率；或者在所述交叉点处停止给送所述填充焊丝。在一个实施例中，所述金属沉积装置包括：送丝器，所述送丝器被配置用于将所述金属材料的填充焊丝朝向所述基质给送；电源；以及操作性地连接至所述电源的非可消耗型电极。所述电源和所述非可消耗型电极被配置用于在所述增材制造工艺期间提供能量，以通过在所述非可消耗型电极与所述基质之间形成电弧来至少熔化所述填充焊丝。所述控制器操作性地连接至所述送丝器、并且被配置用于：在这些交叉点处减小所述填充焊丝的给送速率；或者在所述交叉点处停止给送所述填充焊丝。在一个实施例中，所述金属沉积装置包括：第一送丝器，所述第一送丝器被配置用于将所述金属材料的填充焊丝朝向所述基质给送；电源；以及第二送丝器，所述第二送丝器操作性地连接至所述电源、并且被配置用于将所述金属材料的可消耗型焊丝电极朝向所述基质给送。所述电源被配置用于在所述增材制造工艺期间提供能量，以通过在所述可消耗型焊丝电极与所述基质之间形成电弧来至少熔化所述可消耗型焊丝电极和所述填充焊丝。所述控制器操作性地连接至所述第一送丝器、并且被配置用于：在这些交叉点处减小所述填充焊丝的给送速率；或者在所述交叉点处停止给送所述填充焊丝。在一个实施例中，所述金属沉积装置包括：送丝器，所述送丝器被配置用于将所述金属材料的可消耗型焊丝电极朝向所述基质给送；以及操作性地连接至所述送丝器的电源。所述电源被配置用于在所述增材制造工艺期间提供能量，以通过在所述可消耗型焊丝电极与所述基质之间形成电弧来至少熔化所述可消耗型焊丝电极。所述控制器操作性地连接至所述送丝器和所述电源、并且被配置用于在这些交叉点处减小所述可消耗型焊丝电极的给送速率、和/或在所述交叉点处减少由所述电源向所述可消耗型焊丝电极提供的能量。

一个实施例包括一种增材制造系统。所述系统包括金属沉积装置，所述金属沉积装置被配置用于在增材制造工艺期间沉积金属材料以形成零件。所述系统还包括支撑丝定位装置，所述支撑丝定位装置被配置用于在所述增材制造工艺期间将金属支撑丝定位成支撑所述零件的至少一部分。所述系统进一步包括操作性地联接至所述金属沉积装置和所述支撑丝定位装置的控制器。所述控制器被配置用于：命令所述支撑丝定位装置将所述金属支撑丝的第一端焊接至在其上增材制造零件的基质上的第一位置、并且将所述金属支撑丝的第二端定位在空间中的指定支撑点处。所述控制器还被配置用于：命令所述金属沉积装置在所述增材制造工艺期间将所述金属材料沉积在所述金属支撑丝的第二端上，以形成所述零件的由所述金属支撑丝支撑的至少一部分。在一个实施例中，所述支撑丝定位装置使用以下工艺中的至少一种来将所述金属支撑丝的第一端焊接至所述基质上的第一位置：激光热丝(lhw)工艺、气体保护金属电弧焊(gmaw)工艺、气体保护钨极电弧焊(gtaw)工艺、药芯焊丝电弧焊(fcaw)工艺、电子束焊接(ebw)工艺、或电阻焊接(erw)工艺。在一个实施例中，所述支撑丝定位装置包括电源和丝伸长装置，以将所述金属支撑丝的第二端定位在所述指定支撑点处。所述电源被配置用于通过使电流穿过所述金属支撑丝来将所述金属支撑丝加热至挤出温度或拉拔温度。所述丝伸长装置被配置用于将所述金属支撑丝沿朝向所述指定支撑点的方向挤出或拉拔。在一个实施例中，所述支撑丝定位装置包括送丝器和丝切割器，以将所述金属支撑丝的第二端定位在所述指定支撑点处。所述送丝器被配置用于将所述金属支撑丝从所述基质上的第一位置向后给送至至少所述指定支撑点。所述丝切割器被配置用于在所述指定支撑点处切割所述金属支撑丝以形成所述金属支撑丝的第二端。在一个实施例中，所述金属沉积装置使用以下工艺中的至少一种来在所述增材制造工艺期间沉积所述金属材料以形成所述零件：激光热丝(lhw)工艺、气体保护金属电弧焊(gmaw)工艺、气体保护钨极电弧焊(gtaw)工艺、药芯焊丝电弧焊(fcaw)工艺、电子束焊接(ebw)工艺、或电阻焊接(erw)工艺。在一个实施例中，所述系统包括至少一个机器人，所述至少一个机器人被配置用于在所述增材制造工艺期间由所述控制器控制来使所述金属沉积装置和所述支撑丝定位装置相对于所述基质移动。在一个实施例中，所述系统包括至少一个机器人，所述至少一个机器人被配置用于在所述增材制造工艺期间由所述控制器控制来使所述基质相对于所述金属沉积装置和所述支撑丝定位装置移动。

一个实施例包括一种增材制造系统。所述系统包括陶瓷沉积装置，所述陶瓷沉积装置被配置用于在增材制造工艺期间沉积陶瓷材料。所述系统还包括金属沉积装置，所述金属沉积装置被配置用于在所述增材制造工艺期间沉积金属材料。所述系统进一步包括操作性地联接至所述陶瓷沉积装置和所述金属沉积装置的控制器。所述控制器被配置用于：命令所述陶瓷沉积装置在所述增材制造工艺的填入沉积阶段期间在基质上沉积所述陶瓷材料以形成零件的陶瓷填入部分。所述控制器还被配置用于：命令所述金属沉积装置在所述增材制造工艺的金属外壳沉积阶段期间在所述零件的陶瓷填入部分的至少一个表面上沉积所述金属材料，以形成所述零件的金属外壳部分。在一个实施例中，所述零件的陶瓷填入部分可以是导电的、并且具有以下热特性：使得所述零件的陶瓷填入部分能够承受住所述金属外壳沉积阶段期间所产生的温度，从而不损坏或扭曲所述零件的陶瓷填入部分。在一个实施例中，所述零件的陶瓷填入部分和所述零件的金属外壳部分是所述零件的永久部分。在一个实施例中，所述零件的金属外壳部分是所述零件的永久部分，并且，所述零件的陶瓷填入部分是所述零件的临时部分、在所述增材制造工艺期间用作所述零件的金属外壳部分的支撑结构。所述零件的陶瓷填入部分被配置用于从所述零件移除以形成所述零件的最终型式。在一个实施例中，所述金属沉积装置使用以下工艺中的至少一种来在所述增材制造工艺的金属外壳沉积阶段期间沉积所述金属材料：激光热丝(lhw)工艺、气体保护金属电弧焊(gmaw)工艺、气体保护钨极电弧焊(gtaw)工艺、药芯焊丝电弧焊(fcaw)工艺、电子束焊接(ebw)工艺、或电阻焊接(erw)工艺。在一个实施例中，所述系统包括至少一个机器人，所述至少一个机器人被配置用于在所述增材制造工艺期间由所述控制器控制来使所述陶瓷沉积装置和所述金属沉积装置相对于所述基质移动。在一个实施例中，所述系统包括至少一个机器人，所述至少一个机器人被配置用于在所述增材制造工艺期间由所述控制器控制来使所述基质相对于所述陶瓷沉积装置和所述金属沉积装置移动。

根据以下对示例性实施例的详细描述、根据权利要求书并且根据附图，总体的创新性概念的许多方面将变得清楚。

附图说明

并入本说明书中并构成本说明书一部分的附图展示了本披露内容的不同实施例。应理解的是，附图中展示的元件边界(例如，框、框组、或者其他形状)表示边界的一个实施例。在一些实施例中，一个元件可以被设计成多个元件或者多个元件可以被设计成一个元件。在一些实施例中，作为另一个元件的内部部件示出的元件可以被实施为外部部件，并且反之亦然。此外，元件可以不是按比例绘制的。

图1展示了增材制造系统的金属沉积装置的第一实施例，被配置用于在增材制造工艺期间沉积金属焊丝；

图2展示了电极头的实施例，所述电极头具有成阵列的被配置用于将材料沉积到工件基质或零件上的多个电极；

图3展示了增材制造系统的金属沉积装置的第二实施例，被配置成激光热丝(lhw)设备；

图4展示了具有金属沉积装置的增材制造系统的一个实施例的系统框图；

图5a、图5b、和图5c图形地展示了在交叉点处零件的填入图案的波形形状与所述零件的形廓相汇的实施例；

图6展示了用于增材制造零件的方法的一个实施例的流程图；

图7展示了图4的金属沉积装置的一个实施例的系统框图，所述金属沉积装置是基于激光的、并且包括由图4的控制器控制的送丝器；

图8展示了图4的金属沉积装置的一个实施例的系统框图，所述金属沉积装置是基于非可消耗型电极的、并且包括由图4的控制器控制的送丝器；

图9展示了图4的金属沉积装置的一个实施例的系统框图，所述金属沉积装置是基于可消耗型电极的、并且包括由图4的控制器控制的送丝器；

图10展示了图4的金属沉积装置的一个实施例的系统框图，所述金属沉积装置是基于可消耗型电极的、并且包括由图4的控制器控制的电源和送丝器；

图11展示了具有金属沉积装置和支撑丝定位装置的增材制造系统的一个实施例的系统框图；

图12图形地展示了被图11的增材制造系统的支撑丝定位装置定位在基质与空间指定点之间的支撑丝的一个实施例；

图13展示了用于使用支撑丝来增材制造零件的一部分的方法的一个实施例的流程图；

图14展示了图11的支撑丝定位装置的一个实施例的系统框图，所述支撑丝定位装置由图11的控制器控制、具有电源和丝伸长装置；

图15展示了图11的支撑丝定位装置的一个实施例的系统框图，所述支撑丝定位装置由图11的控制器控制、具有送丝器和丝切割器；

图16展示了多个金属支撑丝的阵列被定位并且焊接至基质上使得可以在所述基质上方增材制造零件的一部分的一个实施例；

图17展示了成形支撑框架的一个实施例，所述成形支撑框架用于将多个金属支撑丝/杆固持在基质上以在所述基质上方增材制造零件的成形部分；

图18展示了具有金属沉积装置和陶瓷沉积装置的增材制造系统的一个实施例的系统框图；

图19a至图19b图形地展示了使用图18的系统通过增材制造工艺创建的零件的陶瓷填入部分和零件的金属外壳部分；

图20展示了使用图18的系统来增材制造具有陶瓷填入部分和金属外壳部分的零件的方法的一个实施例的流程图；并且

图21展示了图1、图3、图4、图7至图11、图14至图15以及图18的增材制造系统的示例性控制器的实施例。

具体实施方式

众所周知，增材制造是一种将材料沉积(例如，以多个层)到基质/基材或零件上以便创造所期望的制造产品的工艺。根据一个实施例，待增材制造的三维(3d)零件的多个层的图案被呈现出来并作为数字数据存储。所述数字数据可以例如来自cad模型或来自被扫描零件。在一些应用中，制品可能是非常复杂的。然而，用于增材制造的已知方法和系统趋于是缓慢的并且具有的性能有限。本发明的实施例通过提供以下系统和方法来解决这些方面，所述系统和方法使得结构构建技术能够改进增材制造三维(3d)零件的时间和效率并且改进零件的所得性能和品质。

披露了增材制造系统和方法的实施例。在一个实施例中，增材制造系统包括金属沉积装置(mdd)，所述金属沉积装置被配置用于在增材制造工艺期间沉积金属材料。控制器操作性地联接至所述mdd、并且被配置用于命令所述mdd在基质上沉积所述金属材料以形成零件的形廓。所述控制器被配置用于命令所述mdd在所述基质上沉积所述金属材料，以在由所述形廓所勾勒的区域内形成填入图案。所述填入图案是具有波长的波形。所述控制器被配置用于命令所述金属沉积装置在所述填入图案与所述形廓相汇的交叉点处通过施加能量而不沉积会导致形廓扭曲的金属材料量，来在所述交叉点处将所述填入图案熔合至所述金属形廓。

金属沉积装置的实施例可以包括例如以下中的至少一项来例如通过熔化金属焊丝而沉积金属材料：基于激光的子系统、基于等离子体的子系统、基于电弧的子系统、基于电子束的子系统、或基于电阻的子系统。此外，金属沉积装置的一些实施例可以包括例如焊丝递送或给送系统，以给送/递送可消耗型金属焊丝来在基质上增材制造3d零件。并且，金属沉积装置的一些实施例可以包括例如运动学控制元件(例如，机器人)或其他类型的控制元件(例如，光学控制元件)以使激光束、等离子体束、电弧、电子束或可消耗金属焊丝相对于正在基质或基材上增材制造的3d零件移动。

增材制造系统的实施例被配置用于实施增材制造方法。这些增材制造方法通过控制金属材料和/或陶瓷材料的沉积、和/或控制金属支撑丝的定位来创建待增材制造的3d零件的多个层，以例如形成形廓和填入图案，如下文中更详细地描述的。根据一些实施例，沉积金属材料、陶瓷材料、和/或定位金属支撑丝的过程可以独立地控制、并且可以彼此操作性地解除关联(例如，在空间和/或时间上解除关联)，以在增材制造3d零件时提供灵活性和效率。

本文中的实例和附图仅仅是说明性的而不旨在限制本主题发明，本主题发明是通过权利要求的范围和精神来衡量。现在参照附图，示出的内容仅是出于展示本主题发明的示例性实施例的目的而不是出于限制其的目的，图1展示了增材制造系统的被配置用于在增材制造工艺期间沉积金属焊丝的第一类型金属沉积装置的实施例。设想到了，金属沉积装置可以典型地用于帮助通过焊接工艺来逐层地增材制造零件，例如通过气体保护金属电弧焊(gmaw)、药芯焊丝电弧焊(fcaw)、或气体保护钨极电弧焊(gtaw)。根据其他实施例，其他金属沉积工艺也是可能的。

如图1中所展示的，金属沉积装置10包括电极头20，其中，电极头20同时容纳多个电极32(例如，可消耗型焊接电极/焊丝)的阵列30。应了解的是，所述多个电极32可以被连续地给送、周期性地给送、或基于预定顺序给送。这些电极32可以为气体保护的、自保护的或金属芯的。这些电极可以为在气体保护下使用的实芯焊丝、金属芯焊丝或药芯焊丝。在有药芯的电极的实例中，考虑到了电极鞘可以为例如碳钢、不锈钢或镍合金。电极头20容纳阵列30，使得电极32处于间隔开的构型以用于作为形成3d零件的层的一部分(例如，通过将熔化的金属焊丝材料沉积在相关联工件的基础表面或正在制造的3d零件的上一层上)来可控地沉积材料。应了解并理解的是，电极头20可以是容纳阵列30以递送这些电极32的任何适合的电极头。例如，电极头20可以是针对阵列30利用多个单独接触尖端的组件或是全盘容纳并包围电极阵列30的接触组件。盘卷70可以包括沿共同的旋转轴线安排的多个单独的线卷，每个线卷包含单个电极(例如，焊丝)。在不偏离本主题披露的实施例的既定覆盖范围的情况下，还可以选择递送填充焊丝或增材材料的任何方式。例如，在一个实施例中，电极头20被配置用于提供单一可消耗型金属焊丝、而不是焊丝阵列。

在一个实施例中，如图1所展示的，电极头20被适配成用于接收相关联的多个给送电极32的阵列30。金属沉积装置10包括用于驱使电极32的阵列30穿过电极头20的装置。设想到了，所述用于驱动的装置包括多个驱动辊50或者其他送丝器装置。所述多个驱动辊50中的每个驱动辊可以与电极32中的一个或多个电极相关联。在一个方面，两个电极32可以与单组驱动辊50相关联，但设想到了电极数目与送丝器数目之间的关系可以被配置成使得，适合于增材制造工艺的任何数目的电极可以与单组驱动辊相关联。在另一个实施例中，每个电极可以由相应的驱动辊50驱动。也可以通过合理的工程判断来采用驱动辊50与一个或多个电极之间的其他关系。

在一个示例性实施例中，驱动辊50可以被配置成用于驱使电极32以一定速率(例如，送丝速度)穿过电极头20。在一个实施例中，电极32可以以基本相同的速率被驱动。在另一个实施例中，可以以预定的或在增材制造过程期间动态识别的相应速率来驱动每个电极32。例如，一个或多个电极32的速率(例如，送丝速度)可以除其他之外基于材料组成、焊接类型、焊接参数、工件/基材等来预先确定。在另一个实施例中，可以尤其基于比如但不限于用户输入、反馈、电压、电流以及温度等指标在增材制造工艺期间动态地识别一个或多个电极的速率。

在本主题发明的实施例的一个方面，电极32中的每一个被配置用于连接至焊接电源40。也就是说在增材制造工艺期间，例如，可以递送焊接电力穿过阵列30中的每一个电极32。如上面所表明的，当焊接电缆(未示出)的一端附接至接线柱(未示出)时，可以从焊接电源40通过焊接电缆来递送电力。在远端，焊接电缆可以通过电极头连接器连接到电极头20。在单一焊接电源40的示例性情况中，单一电极头连接器可以将来自这些焊接电缆的电力共同传输至电极头20。也可以通过合理的工程判断来采用将来自焊接电缆的电力传送到电极头20的其他方式。电源40提供电力来在相关联的多个给送电极中的每一个电极与相关联的基质/基材或零件51(见图2)之间建立焊接电弧。具体地，例如，一个或多个电源40可以基于预定顺序向阵列30的一个或多个电极32提供电力。

此外，在电极32与基质/基材或零件51之间建立焊接电弧可以由电源40(例如，供电、不供电、终止供电等)或驱动辊50(例如，驱动电极、不驱动电极、终止驱动电极等)中的至少一者来提供。因此，阵列30中的电极32可以基于预定顺序被激活或去激活，其中，激活和/或去激活可以基于电源40和/或驱动辊50。在一个实施例中，提供对电极32受控地建立焊接电弧和/或受控地驱动电极32以用于增材制造工艺。这样，单独的电极可以被有效地“启用”或“停用”以使得能够在3d零件的层内产生成形的2d形状。

在具体实施例中，传感器60被配置用于检测以下至少一项：电极头20在基质/基材或零件51上的位置、阵列30的至少一个电极32相对于基质/基材或零件51的对齐、或者阵列30的至少一个电极32相对于基质/基材或零件51的不对齐。传感器60可以在某一位置处联接或附连至电极头20，以便检测至少一个电极32相对于基质/基材或零件51的位置。在另一个实施例中，可以使用多个传感器60。例如，可以对每个电极32使用一个传感器。以举例而非限制的方式，传感器60可以尤其是红外(ir)传感器或接近度传感器。传感器60检测至少一个电极32相对于基质/基材或零件51的至少一部分的对齐和/或不对齐。

根据一个实施例，金属沉积装置10包括控制器80，所述控制器控制电源40、驱动辊50、以及电极头20。例如，控制器80控制电源40的电力的操作特性(输出电压、输出电流、输出波形等)。控制器80还控制驱动辊50的操作特性(例如，阵列30中每个电极32的给送速度以及电弧建立)。此外，控制器80控制电极头20的操作特性(例如，位置、行进速度等)。根据一个实施例，控制器80可以被集成到电源40中。根据一个实施例，待增材制造的3d零件的多个层的图案被呈现出来并作为数字数据存储在控制器80内。所述数字数据可以例如来自cad模型或来自被扫描零件。

参照图2，在阵列30中具有五(5)个电极32的电极头20可以沿受控的行进方向将材料沉积到基质/基材或零件51上。根据一个实施例，可以在增材制造系统中使用平台93和机器人90以在被控制器80控制时旋转和/或平移基质/基材或零件51。在替代性的实施例中，电极头20的运动可以类似地受控制器80控制来旋转和/或平移电极头20。

图3示出了使用激光器和填充焊丝的另一种类型的金属沉积装置的实例。具体地，图3展示了增材制造系统的激光热丝(lhw)金属沉积装置100(即，用于执行增材制造的金属沉积装置)的实施例的功能示意性框图。图3的金属沉积装置100包括组合式填充焊丝给送器与能量源的示例性实施例。具体地，金属沉积装置100包括能够使激光束110聚焦到基质/基材或零件115上从而对基质/基材或零件115加热的激光子系统。在一个实施例中，所述激光子系统是高强度能量源。所述激光子系统可以是任何类型的高能激光源，包括但不限于二氧化碳、nd:yag、yb-盘、yb-光纤、光纤递送激光系统、或直接二极管激光系统。在另一个实施例中，所述激光子系统是低强度能量源(例如，用于软化或最小程度地熔化金属材料)。金属沉积装置的其他实施例可以包括用作能量源的例如电子束子系统、等离子体电弧焊子系统、气体保护钨极电弧焊子系统、气体保护金属电弧焊子系统、药芯焊丝电弧焊子系统、或埋弧焊子系统中的至少一种。

以下将反复提到激光系统、束、和电源。然而，应理解的是，这种提及是示例性的，因为可以使用任何能量源。例如，高强度能量源可以提供至少500w/cm²。所述激光子系统包括彼此操作性地连接的激光装置120和激光器电源130。激光器电源130提供用于操作激光装置120的电力。

在一个实施例中，金属沉积装置100还包括热填充焊丝给送器子系统，所述热填充焊丝给送器子系统能够提供至少一个电阻性填充焊丝140来在激光束110附近与基质/基材或零件115相接触。所述送丝器子系统包括填充焊丝给送器150、导电管160、和电源170。在操作过程中，填充焊丝140被来自操作性地连接在导电管160与基质/基材或零件115之间的电源170的电流进行电阻加热。根据一个实施例，电源170是脉冲直流(dc)电源，但是交流(ac)或其他类型的电源也是可能的。焊丝140从填充焊丝给送器150穿过导电管160朝向基质/基材或零件115给送并且延伸到管160之外。焊丝140的延伸部被电阻加热，使得所述延伸部在接触基质/基材或零件115之前接近或达到熔点。激光束110可以用于使基质/基材或零件115的基础金属中的一些熔化从而形成熔池和/或还可以用于使焊丝140熔化到基质/基材或零件115上。电源170提供将填充焊丝140进行电阻熔化所需的能量。在一些实施例中，电源170提供所需的所有能量，而在其他实施例中，激光或其他能量热源可以提供所述能量中的一些能量。根据本发明的某些其他实施例，给送器子系统可能能够同时提供一个或多个焊丝。

金属沉积装置100进一步包括运动控制子系统，所述运动控制子系统能够使激光束110(能量源)和电阻性填充焊丝140沿着基质/基材或零件115朝同一受控方向125移动(至少在相对意义上)，使得激光束110和电阻性填充焊丝140保持彼此固定的关系。根据多个不同实施例，基质/基材或零件115与激光/焊丝组合之间的相对运动可以通过实际地移动基质/基材或零件115或通过移动激光装置120和送丝器子系统来实现。

在图3中，运动控制子系统包括运动控制器180，所述运动控制器操作性地连接到具有平台193(例如，可旋转平台和/或可平移平台)的机器人190。运动控制器180控制机器人190的运动。机器人190经由平台193操作性地连接(例如，机械地固定)到基质/基材或零件115上以使基质/基材或零件115在例如当前行进方向125上移动，使得激光束110和焊丝140沿着基质/基材或零件115有效地行进。根据本发明的替代性实施例，激光装置120和导电管160可以被整合到单一头部中。所述头部可以经由操作性地连接到所述头部上的运动控制子系统来沿着基质/基材或零件115移动。根据一个实施例，包括运动控制器180的所述运动控制子系统和机器人190是增材制造系统的单独部分并且不是金属沉积装置的一部分。

总体上，存在可以使金属沉积装置的能量源/焊丝相对于基质/基材或零件移动的若干方法。如果基质/基材或零件是例如圆的，则能量源/焊丝可以是静止的并且基质/基材或零件可以在所述能量源/焊丝下方旋转。可替代地，机器人臂或线性牵引机可以平行于圆形基质/基材或零件移动，当基质/基材或零件旋转时，能量源/焊丝可以连续地移动或者每个循环转位一次以便例如覆盖圆形基质/基材或零件的表面。如果基质/基材或零件是平的或至少不是圆的，则基质/基材或零件可以如图3中所示的在能量源/焊丝下方移动。然而，机器人臂或线性牵引机或甚至安装在梁上的支架可以用于使能量源/焊丝头相对于基质/基材或零件移动。根据多个不同实施例，驱动平台193的机器人190可以被电动地、气动地或液压地驱动。

金属沉积装置100进一步包括感测与电流控制子系统195，所述感测与电流控制子系统操作性地连接至基质/基材或零件115和导电管160(即，有效地连接至电源170的输出端)并且能够测量基质/基材或零件115与焊丝140之间的电势差(即，电压v)和通过它们的电流(i)。感测与电流控制子系统195可以进一步能够根据测得的电压和电流来计算电阻值(r＝v/i)和/或功率值(p＝v*i)。通常，当焊丝140与基质/基材或零件115接触时，焊丝140与基质/基材或零件115之间的电势差为零伏特或者非常接近零伏特。其结果是，感测与电流控制子系统195能够在电阻性填充焊丝140与基质/基材或零件115接触并且操作性地连接至电源170时进行感测，从而进一步能够响应于所述感测而控制通过电阻性填充焊丝140的电流流动。根据另一个实施例，感测与电流控制子系统195可以是电源170的一体部分。

这样，本文已经描述了金属沉积装置10和第二金属沉积装置100。金属沉积装置10和100可以单独使用或组合使用(例如，作为子系统来形成较大增材制造系统)以执行如本文所述的增材制造操作。基于本文所描述的增材制造工艺的要求，可以在增材制造系统中使用其他类型的金属沉积装置。例如，多种不同类型的金属沉积装置可以是例如基于激光的、基于等离子体的、基于电弧的、基于电子束的、基于焦耳加热的、或其某种组合。此类金属沉积装置可以用于执行增材制造方法来沉积金属材料，如本文接下来描述的。

图4展示了具有金属沉积装置410的增材制造系统400的一个实施例的系统框图。系统400还包括控制器420以及具有机器人臂435的机器人430。金属沉积装置410被配置用于在增材制造工艺期间沉积熔化的金属材料以形成零件。控制器420操作性地联接至金属沉积装置410和机器人430。即，在图4的实施例中，控制器420被配置用于控制金属沉积装置410的多个不同方面(例如，焊丝给送、输出功率或能量)、并且用作机器人430的运动控制器。根据其他实施例，控制器420可以包括两个或更多个控制器(例如，用于控制金属沉积装置410的第一控制器以及用于控制机器人430的第二控制器)。在一个实施例中，机器人臂435联接至金属沉积装置410(或金属沉积装置410的至少一部分、比如沉积头部)，使得机器人430可以在控制器420的控制下经由臂435将金属沉积装置410相对于基质或基材进行空间移动。在另一个实施例中，机器人臂435联接至基质或基材，使得机器人430可以经由臂435将基质或基材相对于金属沉积装置410进行空间移动。根据某些实施例，金属沉积装置410和机器人430可以例如为图1至图2或图3所示的类型。根据其他的不同实施例，其他类型的机器人和金属沉积装置也是可能的。

根据一个实施例，控制器420命令金属沉积装置410在增材制造工艺的形廓沉积阶段期间在基质(基材)上沉积熔化的金属材料以形成零件的形廓。所述控制器接着命令金属沉积装置410在所述增材制造工艺的填入图案沉积阶段期间在所述基质上沉积所述金属材料以在由所述零件的形廓所勾勒的区域内形成填入图案。根据一个实施例，形廓沉积阶段的沉积速率小于填入图案沉积阶段的沉积速率，从而允许比填入图案更准确且更精确地沉积形廓。随着增材制造工艺继续构建零件的相继层，例如在形廓与填入图案的上一层上沉积金属材料。

根据一个实施例，所述填入图案是具有波长的波形。图5a至图5c图形地展示了零件的填入图案的波形在交叉点处与所述零件的形廓相汇的实施例。例如，这些交叉点可以对应于为了处理限定的负载而优化的负载点。图5a示出了被沉积在两个形廓壁515与516之间的正弦填入图案510，图5b示出了被沉积在两个形廓壁525与526之间的三角形填入图案520，并且图5c示出了被沉积在两个形廓壁535与536之间的矩形填入图案530(例如，方形填入图案)。根据一个实施例，控制器420被配置用于调整所述波形的波长以调整所述零件的填入百分比。因此，随着填入图案的波长减小，零件的被填入的百分比增大。这样的波形填入图案允许制造坚固且轻量的零件(例如，手工工具)。

在填入图案沉积阶段期间，控制器420命令金属沉积装置410在交叉点处将填入图案的金属材料熔合至形廓的金属材料。交叉点是填充图案与形廓相汇的位置，如图5a至图5c所示。所述形廓可以例如形成零件的外部形状，并且可能希望的是，在沉积时形廓的尺寸是精确的，并且在整个增材制造工艺期间维持精确度。因此，为了将填入图案熔合至形廓，金属沉积装置410在这些交叉点处施加能量、而不在这些交叉点处沉积会导致形廓扭曲的过量金属材料。例如，可以在交叉点处沉积最小量的金属材料。在一些情形下，可以在交叉点处不沉积额外的金属材料。而是，仅施加足以将填入图案熔合至形廓的能量。以此方式，形廓不发生扭曲，并且不在这些交叉点处沉积不希望的金属材料“鼓包”。

图6展示了使用例如图4的系统400来增材制造零件的方法600的一个实施例的流程图。在框610处，在增材制造工艺的形廓沉积阶段期间，在基质上沉积金属材料以形成零件的形廓。在框620处，在所述增材制造工艺的填入图案沉积阶段期间在所述基质上沉积所述金属材料以在由所述零件的形廓所界定或勾勒的区域内形成填入图案。所述填入图案是具有波长的波形。在框630处，通过在填入图案与形廓相汇交叉点处施加能量并且在这些交叉点处减小金属材料的沉积速率从而防止形廓扭曲(即，在这些交叉点处不沉积会导致形廓扭曲的金属材料量)，来在这些交叉点处将填入图案的金属材料熔合至形廓的金属材料。根据一个实施例，框630是作为框620的填入沉积阶段的一部分在沉积填入图案时来执行。例如，系统400可以被配置用于在填入图案沉积阶段期间、随着金属沉积装置410接近并且经过交叉点来动态地调整(在控制器420的控制下)所沉积的金属材料的量、和/或被施加用于熔化金属材料的能量的量(例如，实现减小的沉积速率)。根据本发明的多个不同实施例，尤其在使用独立于热(能量)源的金属焊丝的工艺(例如，激光、等离子体、tig)中可以容易地处理在交叉点处将形廓熔合至填入图案。同样，随着增材制造工艺继续构建零件的相继层，例如以类似方式在形廓与填入图案的上一层上沉积金属材料。

图7展示了图4的金属沉积装置410的一个实施例700的系统框图，所述金属沉积装置是基于激光的、并且包括由图4的控制器420控制的送丝器710。例如，根据某些实施例，金属沉积装置700可以具有类似于图1至图3的元件和/或元件组合。送丝器710被配置用于将金属材料的填充焊丝720朝向基质730给送。图7的金属沉积装置700的实施例还包括电源740、以及操作性地连接至电源740的激光装置750。电源740和激光装置750被配置用于在增材制造工艺期间提供能量(处于激光束755的形式)以熔化填充焊丝720(并且可能熔化基质730的一部分)。控制器420操作性地连接至送丝器710、并且被配置用于在增材制造工艺的填入图案沉积阶段期间在这些交叉点处减小填充焊丝720的给送速率、或者在这些交叉点处完全停止给送填充焊丝720。此外，在一个实施例中，电源740被控制以调整在交叉点处激光装置750输出的能量的量。例如，可以在交叉点处减少由激光装置750输出的能量的量，使得形廓熔化至填入图案但是在交叉点处不沉积显著量的新金属材料、并且使得在交叉点处形廓不扭曲或损坏。同样，随着增材制造工艺继续构建零件的相继层，例如以类似方式在形廓与填入图案的上一层上沉积金属材料。

图8展示了图4的金属沉积装置410的一个实施例800的系统框图，所述金属沉积装置是基于非可消耗型电极的、并且包括由图4的控制器420控制的送丝器810。例如，根据某些实施例，金属沉积装置800可以具有类似于图1至图3的元件和/或元件组合。送丝器810被配置用于将金属材料的填充焊丝820朝向基质830给送。图8的金属沉积装置800的实施例还包括电源840以及操作性地连接至电源840的非可消耗型电极850(例如，钨电极)。电源840和非可消耗型电极850被配置用于在增材制造工艺期间提供能量(处于等离子体束或电弧855的形式)以熔化填充焊丝820(并且可能熔化基质830的一部分)。控制器420操作性地连接至送丝器810、并且被配置用于在增材制造工艺的填入图案沉积阶段期间在这些交叉点处减小填充焊丝820的给送速率、或者在这些交叉点处完全停止给送填充焊丝820。此外，在一个实施例中，电源840被控制以调整在交叉点处经由电极850提供的能量的量。例如，可以在交叉点处减少由电极850提供的能量的量，使得形廓熔合至成填入图案但是在交叉点处不沉积显著量的新金属材料、并且使得在交叉点处形廓不扭曲或损坏。同样，随着增材制造工艺继续构建零件的相继层，例如以类似方式在形廓与填入图案的上一层上沉积金属材料。

图9展示了图4的金属沉积装置410的一个实施例900的系统框图，所述金属沉积装置是基于可消耗型电极的、并且包括由图4的控制器420控制的第一送丝器910。例如，根据某些实施例，金属沉积装置900可以具有类似于图1至图3的元件和/或元件组合。送丝器910被配置用于将金属材料的填充焊丝920朝向基质930给送。图9的金属沉积装置900的实施例还包括电源940、以及操作性地连接至电源940的第二送丝器950。第二送丝器950被配置用于将可消耗型焊丝电极960朝向基质930给送。电源940和第二送丝器950被配置用于在增材制造工艺期间经由可消耗型焊丝电极960提供能量(在电极960与基质930之间形成电弧965)以熔化填充焊丝920和可消耗型焊丝电极960(并且可能熔化基质930的一部分)。控制器420操作性地连接至第一送丝器910、并且被配置用于在增材制造工艺的填入图案沉积阶段期间在这些交叉点处减小填充焊丝920的给送速率、或者在这些交叉点处完全停止给送填充焊丝920。此外，在一个实施例中，电源940(例如，经由控制器420)被控制以调整在这些交叉点处提供给电极960的能量的量。例如，可以在交叉点处减少提供给电极960的能量的量，使得形廓熔合至填入图案，并且在交叉点处沉积有限量的新金属材料、并且使得在交叉点处形廓不扭曲或损坏。同样，随着增材制造工艺继续构建零件的相继层，例如以类似方式在形廓与填入图案的上一层上沉积金属材料。

图10展示了图4的金属沉积装置410的一个实施例1000的系统框图，所述金属沉积装置是基于可消耗型电极的、并且包括由图4的控制器420控制的电源1010和送丝器1020。例如，根据某些实施例，金属沉积装置1000可以具有类似于图1至图3的元件和/或元件组合。送丝器1020被配置用于将金属材料的可消耗型焊丝电极1030朝向基质1040给送。电源1010操作性地连接至送丝器1020。电源1010和送丝器1020被配置用于在增材制造工艺期间经由可消耗型焊丝电极1030提供能量(在电极1030与基质1040之间形成电弧1035)以熔化可消耗型焊丝电极1030(并且可能熔化基质1040的一部分)。控制器420被配置用于在增材制造工艺的填入图案沉积阶段期间在这些交叉点处减小可消耗型焊丝电极1030的给送速率、和/或在这些交叉点处减少由电源向可消耗型焊丝电极提供的能量。以此方式，使形廓熔合至填入图案，并且在这些交叉点处沉积有限量的新金属材料，使得在交叉点处形廓不扭曲或损坏。同样，随着增材制造工艺继续构建零件的相继层，例如以类似方式在形廓与填入图案的上一层上沉积金属材料。

图11展示了具有金属沉积装置1110和支撑丝定位装置1120的增材制造系统1100的一个实施例的系统框图。系统1100还包括控制器1130和具有机器人臂1145和1146的机器人1140。金属沉积装置1110被配置用于在增材制造工艺期间沉积熔化的金属材料以形成零件。支撑丝定位装置1120被配置用于在所述增材制造工艺期间将至少一个金属支撑丝定位成支撑所述零件的一个(多个)部分。控制器1130操作性地联接至金属沉积装置1110、支撑丝定位装置1120、以及机器人1140。即，在图11的实施例中，控制器1140被配置用于控制金属沉积装置1110的多个不同方面(例如，焊丝给送、输出功率或能量)、支撑丝定位装置1120、并且用作机器人1140的运动控制器。根据其他实施例，控制器1130可以包括两个或更多个控制器(例如，用于控制金属沉积装置1110的第一控制器、用于控制支撑丝定位装置1120的第二控制器、以及用于控制机器人1140的第三控制器)。

在一个实施例中，机器人臂1145联接至金属沉积装置1110(或金属沉积装置1110的至少一部分、比如沉积头部)，使得机器人1140可以在控制器1130的控制下经由臂1145将金属沉积装置1110相对于基质或基材进行空间移动。在一个实施例中，机器人臂1146联接至支撑丝定位装置1120(或支撑丝定位装置1120的至少一部分)，使得机器人1140可以在控制器1130的控制下经由臂1146将支撑丝定位装置1120相对于基质或基材进行空间移动。在另一个实施例中，机器人臂1145联接至基质或基材，使得机器人1140可以经由臂1145将基质或基材相对于金属沉积装置1110和/或支撑丝定位装置1120进行空间移动。根据某些实施例，金属沉积装置1110和机器人1140可以例如为图1至图2或图3所示的类型。根据其他的不同实施例，其他类型的机器人和金属沉积装置也是可能的。

图12图形地展示了被图11的增材制造系统1100的支撑丝定位装置1120定位在基质1230上的第一位置1220与空间中的指定支撑点(位置)1240之间的金属支撑丝或杆1210的一个实施例。金属支撑丝1210可以是例如子弧丝。接着在增材制造工艺期间，可以由金属沉积装置1110在金属支撑丝1210的第二端上在指定支撑位置1240处沉积金属材料的多个层以形成零件1250的由金属支撑丝1210支撑的一部分。控制器1130控制所述增材制造工艺。例如，控制器1130被配置用于命令支撑丝定位装置1120将金属支撑丝1210的第一端焊接(例如，定位焊或点焊)至在其上增材制造零件的基质1230上的第一位置1220上。控制器1130还被配置用于命令支撑丝定位装置1120将金属支撑丝1210的第二端定位在自由空间中的指定支撑位置1240处(其细节将在下文中讨论)。代替自由空间中的点，控制器1130可以命令支撑丝定位装置1120将金属支撑丝1210的第二端定位在与正在构建的零件的另一部分或另一个支撑结构相对应的点或位置处。控制器1130进一步被配置用于命令金属沉积装置1110在增材制造工艺期间将熔化的金属材料沉积在金属支撑丝1210的第二端上，以形成零件1250的由金属支撑丝1210支撑的一部分。控制器1130命令机器人1140(具有机器人臂1145和1146)辅助将金属支撑丝1210(经由支撑丝定位装置1120)定位并固定、并且辅助沉积金属材料以形成零件1250的这部分(经由金属沉积装置1110)。

图13展示了用于使用金属支撑丝来增材制造零件的一部分的方法1300的一个实施例的流程图。在框1310处，将金属支撑丝的第一端焊接至在其上增材制造零件的基质上的第一位置。支撑丝定位装置使用以下工艺中的至少一种来将所述金属支撑丝的第一端焊接至所述基质上的第一位置：激光热丝(lhw)工艺、气体保护金属电弧焊(gmaw)工艺、气体保护钨极电弧焊(gtaw)工艺、药芯焊丝电弧焊(fcaw)工艺、电子束焊接(ebw)工艺、或电阻焊接(erw)工艺(例如，焦耳加热)。在框1320处，通过丝伸长工艺或丝向后给送与切割工艺(下文详细描述的)中的至少一种来将金属支撑丝的第二端定位在空间中的指定支撑点(位置)处。在框1330处，在增材制造工艺期间在所述金属支撑丝的第二端上沉积金属材料以形成零件的由金属支撑丝支撑的至少一部分。所述金属沉积装置使用以下工艺中的至少一种来沉积所述金属材料：激光热丝(lhw)工艺、气体保护金属电弧焊(gmaw)工艺、气体保护钨极电弧焊(gtaw)工艺、药芯焊丝电弧焊(fcaw)工艺、电子束焊接(ebw)工艺、或电阻焊接(erw)工艺。

图14展示了图11的支撑丝定位装置1120的一个实施例1400的系统框图，所述支撑丝定位装置由图11的控制器1130控制、并且具有电源1410、丝伸长装置1420、以及焊接装置1430。焊接装置1430被配置用于使用以下工艺中的至少一种来将金属支撑丝的第一端焊接至基质上的第一位置：激光热丝(lhw)工艺、气体保护金属电弧焊(gmaw)工艺、气体保护钨极电弧焊(gtaw)工艺、药芯焊丝电弧焊(fcaw)工艺、电子束焊接(ebw)工艺、或电阻焊接(erw)。这样，在一个实施例中，焊接装置1430被配置用于在固持金属支撑丝的同时朝向基质上的第一位置移动(例如，经由机器人1140、作为使支撑丝定位装置1400移动的一部分)，以将所述金属支撑丝的第一端定位在基质上并且将所述金属支撑丝的第一端焊接至所述基质上。所述金属支撑丝离开基质的取向也由焊接装置1430决定，使得可以确定具有已知长度的金属支撑丝的第二端的当前空间位置。在一个实施例中，金属支撑丝具有适当的长度，使得金属支撑丝的第二端可以在空间中的指定支撑点处定向。在另一个实施例中，金属支撑丝是短而粗的焊丝，因此需要被有效地“拉伸”(例如，挤出或拉拔)至指定支撑点。

在一个实施例中，电源1410操作性地连接至丝伸长装置1420、并且被配置用于通过使电流穿过金属支撑丝(例如，并且穿过导电的基质)来将所述金属支撑丝加热(例如，经由焦耳加热)至挤出温度或拉拔温度。丝伸长装置1420被配置用于在金属支撑丝一经加热就将其沿朝向指定支撑点(位置)的方向挤出或拉拔，同时所述金属支撑丝的第一端保持附接至基质上的第一位置。以此方式，金属支撑丝被有效地“拉伸”，直至第二端到达指定支撑点。这样，在一个实施例中，丝伸长装置1420被配置用于在所确定的当前空间位置处抓紧金属支撑丝的第二端。电源1410(例如，通过丝伸长装置)提供电流以加热金属支撑丝。接着，将丝伸长装置朝向指定支撑点移动(例如，经由机器人1140、作为使支撑丝定位装置1400移动的一部分)。这全都在控制器1130的控制下完成。并且，在替代性实施例中，基质可以在控制器1130的控制下被机器人1140移动，而代替移动金属沉积装置或支撑丝定位装置(或其及一部分)，以实现将金属支撑丝定位并且将金属材料沉积在金属支撑丝上的相同结果。根据一个实施例，支撑丝定位装置包括视觉系统(例如，包括相机)，所述视觉系统被配置用于感测金属支撑丝的第二端的位置，使得所述丝伸长装置可以被控制并引导来抓紧金属支撑丝的第二端。

图15展示了图11的支撑丝定位装置1120的一个实施例1500的系统框图，所述支撑丝定位装置由图11的控制器1130控制、具有送丝器1510、丝切割器1520、以及焊接装置1530。焊接装置1530被配置用于使用以下工艺中的至少一种来将金属支撑丝的第一端焊接至基质上的第一位置：激光热丝(lhw)工艺、气体保护金属电弧焊(gmaw)工艺、气体保护钨极电弧焊(gtaw)工艺、药芯焊丝电弧焊(fcaw)工艺、电子束焊接(ebw)工艺、或电阻焊接(erw)。这样，在一个实施例中，焊接装置1530和送丝器1510被配置用于朝向基质上的第一位置移动(例如，经由机器人1140、作为使支撑丝定位装置1500移动的一部分)，以将金属支撑丝的第一端定位在基质上并且将所述金属支撑丝的第一端焊接至所述基质上，所有这些均在控制器1130的控制下完成。金属支撑丝可以处于与送丝器1510操作性地相接合的焊丝线卷的形式。在一个实施例中，送丝器1510将金属支撑丝向前给送，使得金属支撑丝的第一端触摸基质的第一位置。接着，焊接装置1530将金属支撑丝的第一端焊接至基质的第一位置处。

送丝器1510还被配置用于将金属支撑丝从基质上的第一位置向后给送至至少空间中的指定支撑点。这样，在一个实施例中，送丝器1510被配置用于在将金属支撑丝的线卷展开的同时朝向指定支撑点向后移动(例如，经由机器人1140、作为支撑丝定位装置1500的一部分)，所有这些均在控制器1130的控制下完成。丝切割器1520被配置用于在所述指定支撑点处切割金属支撑丝以形成所述金属支撑丝的第二端。例如，在一个实施例中，丝切割器1520被引导至指定支撑点(例如，经由机器人1140、作为使支撑丝定位装置1500移动的一部分)、并且被命令来切割金属支撑丝，所有这些均在控制器1130的控制下完成。并且，在替代性实施例中，基质可以在控制器1130的控制下被机器人1140移动，而代替移动金属沉积装置或支撑丝定位装置(或其及一部分)，以实现将金属支撑丝定位并且将金属材料沉积在金属支撑丝上的相同结果。根据一个实施例，支撑丝定位装置包括视觉系统(例如，包括相机)，所述视觉系统被配置用于感测金属支撑丝，使得丝切割器可以被控制并且引导来在指定支撑点处切割金属支撑丝，以形成金属支撑丝的第二端。

根据一个实施例，支撑丝定位装置可以将多个金属支撑丝或杆(例如，处于金属支撑丝或杆的阵列的形式)定位至并且焊接至基质上，如本文所描述的。每个金属支撑丝可以按特定的顺序被定位并焊接(例如，在控制器的控制下)，使得之前定位并焊接的金属支撑丝不干扰后续的金属支撑丝的定位和焊接。根据另一个实施例，金属支撑丝或杆可以由人来手动地定位并焊接至基质上，作为为待增材制造的零件设置配置的一部分。在这样的实施例中，可以不使用支撑丝定位装置。总体上，根据多个不同实施例，所述多个金属支撑丝可以具有相同或不同的长度。图16展示了多个金属支撑丝1610的阵列被定位并且焊接至基质1620上使得可以在基质1620上方增材制造零件的一部分的一个实施例。金属支撑丝还可以手动地或使用图11的系统1100被定位在例如两个之前定位好的金属支撑丝之间并且焊接至其上。根据多个不同实施例，金属支撑丝可以仍正在增材制造的零件的永久部分、或者可以从最终零件上移除。以此方式，零件的构建可以相对快，因为可以将焊丝/杆用作支撑结构，而不必逐层地增材制造所述支撑结构。此外，在一些实施例中，可以将金属焊丝/杆用作构建基质来代替使用单独的基质/基材。

图17展示了成形支撑框架1710的一个实施例，所述成形支撑框架用于将多个金属支撑丝/杆1720固持在基质1730上以在基质1730上方增材制造零件的一部分(例如，零件的成形部分)。成形支撑框架1710是在执行增材制造工艺产生零件之前形成/制造的。成形支撑框架1710被设计成允许将所述多个金属支撑丝/杆1720以正确的高度和角度放置在成形支撑框架1710的孔洞或过孔内，以在所述多个金属支撑丝/杆1720的顶上增材制造零件的一部分。在一些实施例中，成形支撑框架1710可以是导电的(例如，由金属材料制成)，并且在其他实施例中，成形支撑框架1710可以是不导电的(例如，由非导电陶瓷材料制成)。

在一个实施例中，所述多个金属支撑丝/杆1720的下端与基质1730(是导电的)电接触，使得当在所述多个金属支撑丝/杆1720的上端上沉积金属材料时可以形成完整的电流路径。例如，可以在成形支撑框架1710下方在基质1730上散布导电膏，使得在焊丝/杆1720与基质1730之间实现良好的电接触。在这样的实施例中，成形支撑框架1710可以是不导电的。在另一个实施例中，成形支撑框架1710是导电的并且被临时焊接(例如，定位焊)至基质1730(是导电的)上。所述多个金属支撑丝/杆1720与成形支撑框架1710在孔洞/过孔处进行电接触，使得当在所述多个金属支撑丝/杆1720的上端上沉积金属材料时可以形成完整的电流路径。例如，根据一个实施例，成形支撑框架1710的孔洞或过孔被配置用于夹持所述多个金属支撑丝/杆1720以实现良好的电接触。

因此，由成形支撑框架1710固持的所述多个金属支撑丝/杆1720用作负形式，以允许例如在基质1730上方增材制造零件的弯曲或不规则部分。以此方式并且取决于成形支撑框架的形状以及金属支撑丝/杆从成形支撑框架伸出的长度和角度，可以在增材制造工艺期间将零件的复杂部分支撑在基质上方。可以以此方式来增材制造复杂和不规则的形状(包括多个弯曲表面)。一旦已经增材制造零件，就可以移除成形支撑框架1710和所述多个金属支撑丝/杆1720。根据一个实施例，可以简单地通过改变所述多个金属支撑丝/杆的长度、角度、和/或数量(间隔)(即，将所述多个金属支撑丝/杆重新配置并且在它们被成形支撑框架固持的情况下)来用同一成形支撑框架支撑待增材制造的多个零件。总体上，成形支撑框架的孔洞/过孔相隔越紧密并且这些孔洞/过孔所支撑的角度越大，则同一成形支撑框架可以实现的成形形状越多。

图18展示了具有金属沉积装置1810和陶瓷沉积装置1820的增材制造系统1800的一个实施例的系统框图。系统1800还包括控制器1830和具有机器人臂1845和1846的机器人1840。陶瓷沉积装置1820被配置用于在增材制造工艺期间沉积陶瓷材料。本文所使用的术语“陶瓷材料”可以指代纯陶瓷材料、或可以指代具有多于一种类型的陶瓷材料、和/或具有陶瓷材料和非陶瓷材料的陶瓷复合材料。金属沉积装置1810被配置用于在增材制造工艺期间沉积熔化的金属材料。控制器1830操作性地联接至陶瓷沉积装置1820、金属沉积装置1810、以及机器人1840。即，在图18的实施例中，控制器1830被配置用于控制金属沉积装置1810(例如，焊丝给送、输出功率或能量)、陶瓷沉积装置1820(例如，陶瓷材料喷射、输出功率或能量)的多个不同方面、并且用作机器人1840的运动控制器。根据其他实施例，控制器1830可以包括两个或更多个控制器(例如，用于控制金属沉积装置1810的第一控制器、用于控制陶瓷沉积装置1820的第二控制器、以及用于控制机器人1840的第三控制器)。

在一个实施例中，机器人臂1845联接至金属沉积装置1810(或金属沉积装置1810的至少一部分、比如沉积头部)，使得机器人1840可以在控制器1830的控制下经由臂1845将金属沉积装置1810相对于基质或基材进行空间移动。在一个实施例中，机器人臂1846联接至陶瓷沉积装置1820(或陶瓷沉积装置1820的至少一部分、比如沉积头部)，使得机器人1840可以在控制器1830的控制下经由臂1846将陶瓷沉积装置1820相对于基质或基材进行空间移动。在另一个实施例中，机器人臂1845联接至基质或基材，使得机器人1840可以经由臂1845将基质或基材相对于金属沉积装置1810和/或陶瓷沉积装置1820进行空间移动。根据某些实施例，金属沉积装置1810和机器人1840可以例如为图1至图2或图3所示的类型。根据其他的不同实施例，其他类型的机器人和金属沉积装置也是可能的。

在一个实施例中，控制器1830被配置用于命令陶瓷沉积装置1820在增材制造工艺的填入沉积阶段期间在基质上沉积陶瓷材料以形成零件的陶瓷填入部分。控制器1830还被配置用于命令金属沉积装置1810在所述增材制造工艺的金属外壳沉积阶段期间将金属材料沉积到所述零件的陶瓷填入部分的至少一个表面上，以形成所述零件的金属外壳部分。在一个实施例中，所述零件的填入部分具有以下热特性：使得所述零件的填入部分能够承受住所述金属外壳沉积阶段期间所产生的温度，从而不损坏或扭曲所述零件的陶瓷填入部分。在一个实施例中，零件的填入部分是导电的(例如，陶瓷材料可以本身是导电的或者可以掺杂有导电颗粒)。零件的导电填入部分有助于经由例如电弧焊丝沉积工艺实现的金属沉积，使得当沉积金属材料时可以形成完整的电流路径。在另一个实施例中，零件的填入部分是不导电的。

图19a至图19b图形地展示了使用图18的系统1800通过增材制造工艺创建的零件的陶瓷填入部分1910和零件的金属外壳部分1920。图19a示出了零件的陶瓷填入部分1910，为基本上立方体形状并且颜色浅。图19b示出了零件的金属外壳部分1920，被沉积在零件的陶瓷填入部分1910的至少三侧上并且颜色深。在一个实施例中，在基质或基材上逐层地增材构建零件的陶瓷填入部分1910以形成零件的实心部分。接着，将基质或基材旋转至不同取向(例如，经由机器人1840和机器人臂1845)，使得可以通过金属沉积装置1810在零件的陶瓷填入部分1910的表面上沉积金属材料(例如，经由电弧焊丝沉积工艺)。金属材料可以被沉积为一个或多个层，这取决于零件的金属外壳部分1920针对任何特定表面的希望厚度。

根据一个实施例，所述零件的陶瓷填入部分和所述零件的金属外壳部分是所述零件的永久部分。使用陶瓷材料作为零件的填入部分可以改进沉积时间、和/或改进最终零件的强度和/或热特性。根据另一个实施例，所述零件的金属外壳部分是所述零件的永久部分，并且，所述零件的陶瓷填入部分是所述零件的临时部分、在所述增材制造工艺期间用作所述零件的金属外壳部分的支撑结构。所述零件的陶瓷填入部分被配置用于从所述零件移除以形成所述零件的最终型式。所述零件的陶瓷填入部分可以承受住金属外壳沉积阶段期间所产生的热量、并且接着可以例如通过将陶瓷从最终零件中打碎来从零件中移除。以此方式，所述零件的陶瓷填入部分可以用作最终零件的负形式。

图20展示了使用图18的系统1800来增材制造具有陶瓷填入部分和金属外壳部分的零件的方法2000的一个实施例的流程图。在框2010处，在增材制造工艺的填入沉积阶段期间，在基质上沉积陶瓷材料以形成零件的陶瓷填入部分。所述零件的陶瓷填入部分可以是导电的。例如，陶瓷材料在沉积之前可以被注入有导电颗粒。替代性地，陶瓷材料可以本身是导电的。在另一个实施例中，零件的填入部分是基本上不导电的(例如，绝缘体)。

在框2020处，在增材制造工艺的金属外壳沉积阶段期间，在零件的陶瓷填入部分的至少一个表面上沉积金属材料以形成零件的金属外壳部分。所述金属沉积装置使用以下工艺中的至少一种来在所述增材制造工艺的金属外壳沉积阶段期间沉积所述金属材料：激光热丝(lhw)工艺、气体保护金属电弧焊(gmaw)工艺、气体保护钨极电弧焊(gtaw)工艺、药芯焊丝电弧焊(fcaw)工艺、电子束焊接(ebw)工艺、或电阻焊接(erw)工艺。当零件的陶瓷填入部分是导电的时，电流可以流经零件的陶瓷填入部分到达导电的基质或基材，以便于某些工艺的金属沉积。

在框2030处，将与在金属外壳沉积阶段期间沉积金属材料相关联的温度保持在零件的陶瓷填入部分的热特性之内，以便不损坏或扭曲所述零件的陶瓷填入部分。在一个实施例中，温度传感器感测在金属外壳沉积阶段期间零件的陶瓷填入部分的温度并且向控制器提供相关的反馈信号。控制器被配置用于基于所述反馈信号来调整金属沉积装置的参数以将所述温度保持在可接受极限内。例如，可以减小金属沉积装置的输出功率，和/或可以减小金属沉积装置的金属沉积速率。作为选项，在框2040处，在金属沉积之后从零件移除所述零件的陶瓷填入部分以形成所述零件的最终型式。

并且，根据一个实施例，陶瓷沉积装置1820可以在控制器1830的控制下使用运动控制(例如，机器人控制)以将陶瓷材料沉积到待增材制造的3d零件的基材或层上。例如，根据多个不同实施例，可以使用机器人控制来移动陶瓷沉积装置1820的沉积头部和/或在其上增材制造3d零件的基质/基材。可以经由控制器1830来精确地控制沉积量和沉积速率、以及所沉积的陶瓷材料的尺寸。控制沉积量、沉积速率、以及沉积尺寸可以使用多种不同类型的受控装置，包括例如陶瓷材料递送喷嘴、陶瓷材料给送器、以及振动诱导装置。根据其他实施例，其他构型的陶瓷沉积装置也是可能的，用于执行本文所描述的陶瓷材料沉积功能。

陶瓷材料可以用于增材制造零件并且可以处于不同的给送形式和状态、并且可以使用多种不同的工艺来沉积。陶瓷材料通常处于粉末、液体、或固体材料的形式。陶瓷材料的一些实例包括al2o3、al2o3-b2o3、al2o3-玻璃-b2o3、al2o3-zro2-tic、磷灰石-莫来石、石墨、k2o-al2o3-sio2、sio2、sic、zro2、zrb2、以及玻璃粉末。陶瓷材料可以具有高温机械特性，从而允许陶瓷材料承受住极端条件(例如，承受住熔化的金属材料到正在增材制造的零件的陶瓷表面上的沉积)。

使用陶瓷材料的增材制造可以包括例如cad模型切片、打印、脱粘、以及烧结的过程。cad模型是待增材制造的零件的数字模型。可以通过例如直接激光熔化陶瓷材料或借助于粘结剂和流化剂来增材制造陶瓷结构。可以执行高温后处理以进一步将粘结剂致密化并烧掉。总体上，陶瓷材料是差的热导体。对于一些陶瓷材料，可以使用低功率激光器来熔化陶瓷材料，作为沉积工艺的一部分。激光器的输出功率可以例如为从0.1瓦至10千瓦之间的任意值。激光器可以例如基于陶瓷材料、工艺、以及正在增材制造的产品的类型而具有从紫外光(uv)到中红外光(ir)的任何波长。根据一个实施例，可以使用微波能量来加热陶瓷材料。根据另一个实施例，可以使用电子束能量来加热陶瓷材料。

一些流行的陶瓷材料增材制造工艺包括例如粘结剂喷射(bj)、材料喷射(mj)、粉末床熔合(pbf)、片材叠层(sl)以及槽光聚合(vp)。在粘结剂喷射(bj)中，将液体粘结剂喷射打印到粉末层上，并且通过将颗粒粘结在一起来逐层地构造零件。在材料喷射(mj)中，沉积陶瓷材料的液滴。在粉末床熔合(pbf)中，使用热能来熔合陶瓷材料的粉末床区域。在片材叠层(sl)中，将陶瓷材料片或箔片粘结在一起。在槽光聚合(vp)中，将槽中的液体陶瓷材料光固化。可以用于基于陶瓷的材料的另一种可能的增材制造工艺是直接能量沉积(ded)，其中在沉积期间将热能聚焦以熔化材料。可以用于基于陶瓷的材料的另一种可能的增材制造工艺是材料挤出，其中在沉积期间选择性地将材料穿过喷嘴或孔口推出。

在一个实施例中，可以使用单步工艺来成形陶瓷零件。单步工艺可以包括使用例如直接能量沉积(ded)。替代性地，单步工艺可以包括例如选择性激光熔化(slm)粉末床熔合工艺、或选择性激光烧结(sls)粉末床熔合工艺。粘结陶瓷材料颗粒可以使用例如颗粒的化学粘结、固态烧结、或部分和完全熔化来完成。在一个实施例中，可以使用多步工艺来成形陶瓷零件。多步工艺可以包括使用粘结剂材料来设定零件的形状、然后经由一个或多个去粘结步骤来去除粘结剂。粘结剂喷射(bj)、材料喷射(mj)、材料挤出(me)、片材叠层(sl)以及槽光聚合(vp)被认为是多步工艺。并且，一些粉末床熔合(pbf)工艺被认为是多步工艺。

图21展示了图1、图3、图4、图7至图11、图14至图15以及图18的增材制造系统的示例性控制器的实施例。控制器2100包括至少一个处理器2114，所述至少一个处理器经由总线子系统2112与多个外围设备通信。这些外围设备可以包括存储子系统2124(包括例如存储器子系统2128和文件存储子系统2126)、用户接口输入装置2122、用户接口输出装置2120、和网络接口子系统2116。这些输入装置和输出装置允许与控制器2100进行用户交互。网络接口子系统2116提供到外网的接口并且联接到其他计算机系统中的对应接口装置上。例如，设备100的运动控制器180可以与控制器2100共享一个或多个特征，并且可以是例如常规计算机、数字信号处理器和/或其他计算装置。

用户接口输入装置2122可以包括键盘、定点装置(诸如鼠标、追踪球、触摸板、或图形输入板)、扫描仪、并入显示器中的触摸屏、音频输入装置(诸如声音识别系统、麦克风和/或其他类型的输入装置)。总体上，使用术语“输入装置”旨在包括将信息输入到控制器2100中或到通信网络上的所有可能类型的装置和方式。

用户接口输出装置2120可以包括显示子系统、打印机、传真机、或非视觉显示器(例如，音频输出装置)。显示子系统可以包括阴极射线管(crt)、平板装置(例如，液晶显示器(lcd))、投影装置，或者用于创建可见图像的某种其他机构。显示子系统还可以例如经由音频输出装置来提供非视觉显示。总体上，使用的术语“输出装置”旨在包括将来自控制器2100的信息输出到用户或到另一个机器或计算机系统的所有可能类型的装置和方式。

存储子系统2124存储了提供并且支持在此所描述的一些或所有功能的编程和数据构造(例如，软件模块)。例如，存储子系统2124可以包括待增材制造的零件的cad模型和用于识别沉积位置的变化并调整金属沉积装置以适应所识别到的变化的逻辑。

软件模块一般是由处理器2114单独地或与其他处理器组合地执行的。存储子系统中使用的存储器2128可以包括多个存储器，包括：在程序执行过程中用于存储指令和数据的主随机存取存储器(ram)2130和存储有固定指令的只读存储器(rom)2132。文件存储子系统2126可以对程序和数据文件提供永久存储并且可以包括硬盘驱动器、与相关联的可去除介质一起的软盘驱动器、cd-rom驱动器、光盘驱动器、或者可去除介质盒。实现某些实施例的功能的这些模块可以通过文件存储子系统2126存储在存储子系统2124中、或者存储在一个或多个处理器2114可访问的其他机器中。

总线子系统2112提供了让控制器2100的这些不同部件和子系统按预期彼此通信的机构。虽然总线子系统2112被示意性地示为单一总线，但是所述总线子系统的替代性实施例可以使用多条总线。

控制器2100可以为各种不同的类型，包括工作站、服务器、计算集群、刀片式服务器、服务器群、或任何其他数据处理系统或计算装置。由于计算装置和网络的性质不断变化，对图21所描绘的控制器2100的描述仅旨在作为具体实例用于说明一些实施例。控制器2100的具有比图21所描述的控制器更多或更少部件的许多其他构型是可能的。

虽然已经相当详细地展示和描述了所披露实施例，但是意图并不是约束或以任何方式将所附权利要求的范围限制于这种细节。当然，出于描述主题的各个方面的目的，不可能描述部件或方法的每种可想到组合。因此，本披露不限于所示出和描述的具体细节或展示性实例。因此，本披露旨在包含落入所附权利要求的范围内的、满足35u.s.c.§101的法定主题要求的变更、修改和变化。以上对特定实施例的描述是通过实例的方式给出的。根据所给出的披露内容，本领域技术人员将不仅理解总体创新性概念和伴随的优点，而且还将发现对所披露的结构和方法的各种明显的改变和修改。因此，所寻求的是涵盖落入如由所附权利要求及其等同物所限定的总体创新性概念的精神和范围内的所有这样的改变和修改。