(57)【要約】      （修正有）【課題】積層造形における動的ビード間隔及びウィービング充填を提供するシステム及び方法を提供する。【解決手段】積層造形のシステム及び方法の実施形態を開示する。一実施形態において、コンピュータ制御装置７６は、積層造形される三次元（３Ｄ）部品２２の複数の構築層に対応する複数の計画構築パターンにアクセスする。金属溶着装置は、金属材料を溶着して３Ｄ部品の構築層の少なくとも一部を形成する。金属材料は、コンピュータ制御装置の制御下で、計画構築パターンの計画経路に基づいて、ビードウィービングパターンとして溶着される。ビードウィービングパターンのウィービング幅、ウィービング周波数、及びウィービングドウェルは、ビードウィービングパターンの溶着中に動的に調整される。構築層の幅が構築層の長さ寸法に沿って変化するにつれて、調整が計画構築パターンに基づいてコンピュータ制御装置の制御により行われる。【選択図】図１
2020108905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層造形システムであって、
デジタルデータとして格納され、積層造形される三次元（３Ｄ）部品の複数の構築層に対応する複数の計画構築パターンにアクセスするよう構成されるコンピュータ制御装置と、
金属材料を溶着して前記３Ｄ部品の前記複数の構築層のうちの一構築層の少なくとも一部を形成するよう構成される金属溶着装置と、を備え、
前記金属材料は、前記コンピュータ制御装置の制御下で、前記複数の計画構築パターンのうちの一計画構築パターンの計画経路に従って、ビードウィービングパターンとして溶着され、前記計画構築パターンは前記構築層に対応し、
前記ビードウィービングパターンのウィービング幅、ウィービング周波数、及びウィービングドウェルは、前記構築層の長さ寸法に沿って変化するにつれて、前記ビードウィービングパターンの溶着中に、前記計画構築パターンに従って前記コンピュータ制御装置の制御下で動的に調整され、結果的に前記ビードウィービングパターンのビード幅を動的に変化させる、
積層造形システム。
【請求項２】
前記構築層の前記長さ寸法に沿った進行方向における移動速度は、前記構築層の前記幅が前記構築層の前記長さ方向に沿って変化するにつれて、前記計画構築パターンに従って前記コンピュータ制御装置の制御下で、前記ビードウィービングパターンの溶着中に動的に調整される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
更に、前記金属溶着装置の少なくとも一部に動作可能に接続され、且つ、前記計画構築パターンの前記計画経路に従って積層造形される前記３Ｄ部品に対して前記金属溶着装置の少なくとも前記一部を移動させるよう前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に前記コンピュータ制御装置によって制御されるよう構成されるロボットを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
積層造形される前記３Ｄ部品を保持するベースに動作可能に接続され、且つ、前記計画構築パターンの前記計画経路に従って前記金属溶着装置に対して前記ベースを移動させるよう前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に前記コンピュータ制御装置によって制御されるよう構成されるロボットを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記金属溶着装置は、
コンタクトチップを有する溶着ツールと、
前記溶着ツールに動作可能に接続され、前記溶着ツールを介して前記３Ｄ部品に向けて前記金属材料の消耗ワイヤ電極を送給するよう構成されるワイヤ送給装置と、
前記ワイヤ送給装置に動作可能に接続される電源と、を備え、
前記電源は、前記消耗ワイヤ電極と前記３Ｄ部品との間にアークを形成することにより前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に少なくとも前記消耗ワイヤ電極を溶融させるようエネルギを供給するよう構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記金属溶着装置は、
前記金属材料のフィラーワイヤを前記３Ｄ部品に向けて送給するよう構成されるワイヤ送給装置と、
電源と、
前記電源に動作可能に接続されるレーザと、を備え、
前記電源及び前記レーザは、前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に、少なくとも前記フィラーワイヤを溶融させるようレーザ光の形でエネルギを供給するよう構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記金属溶着装置は、
前記金属材料のフィラーワイヤを前記３Ｄ部品に向けて送給するよう構成されるワイヤ送給装置と、
電源と、
前記電源に動作可能に接続される非消耗電極と、を備え、
前記電源及び前記非消耗電極は、前記非消耗電極と前記３Ｄ部品との間にアークを形成することにより前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に少なくとも前記フィラーワイヤを溶融させるようエネルギを供給するよう構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記金属溶着装置は、
前記金属材料のフィラーワイヤを前記３Ｄ部品に向けて送給するよう構成される第１のワイヤ送給装置と、
電源と、
前記電源に動作可能に接続され、前記金属材料の消耗ワイヤ電極を前記３Ｄ部品に向けて送給するよう構成される第２のワイヤ送給装置と、を備え、
前記電源は、前記消耗ワイヤ電極と前記３Ｄ部品との間にアークを形成することにより前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に少なくとも前記消耗ワイヤ電極及び前記フィラーワイヤを溶融させるようエネルギを供給するよう構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記金属材料の略一定の金属溶着速度が、前記コンピュータ制御装置の制御下で前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に維持される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
略一定のコンタクトチップ母材間距離（ＣＴＷＤ）が、前記コンピュータ制御装置の制御下で前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に維持される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ビードウィービングパターンの波形は、前記計画構築パターンの前記計画経路に従って、略正弦波形状、略三角形、又は略矩形のうちの１つである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
積層造形される部品の構築層を充填する方法であって、
コンピュータ制御装置を介して、デジタルデータとして格納される複数の計画構築パターンのうちの一計画構築パターンにアクセスすることであって、前記複数の計画構築パターンは積層造形される三次元（３Ｄ）部品の複数の構築層に対応することと、
前記構築層の幅が長さ寸法に沿って変化するにつれて、前記計画構築パターンの計画経路に従って前記コンピュータ制御装置の制御下で、金属溶着装置を介して、前記複数の構築層のうちの一構築層の前記長さ寸法に沿った溶着進行方向に金属材料のビードウィービングパターンを溶着することと、
前記幅が前記長さ寸法に沿って変化するにつれて、前記計画構築パターンに従って前記コンピュータ制御装置の制御下で、前記ビードウィービングパターンのウィービング幅、ウィービング周波数、及びウィービングドウェルを動的に調整し、結果的に前記ビードウィービングパターンのビード幅を動的に変化させることと、
を含む方法。
【請求項１３】
更に、前記幅が前記長さ寸法に沿って変化するにつれて、前記計画構築パターンに従って前記コンピュータ制御装置の制御下で、前記溶着中に前記溶着進行方向における移動速度を動的に調整することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
更に、前記計画構築パターンの前記計画経路に従って積層造形される前記３Ｄ部品に対して前記金属溶着装置の少なくとも前記一部を移動させるよう前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に前記コンピュータ制御装置を介して、前記金属溶着装置の少なくとも一部に動作可能に接続されるロボットを制御することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
更に、前記計画構築パターンの前記計画経路に従って前記金属溶着装置に対して前記ベースを移動させるよう前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に前記コンピュータ制御装置を介して、積層造形される前記３Ｄ部品を保持するベースに動作可能に接続されるロボットを制御することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
更に、
前記金属溶着装置のワイヤ送給装置を介して、前記金属材料の消耗ワイヤ電極を前記３Ｄ部品に向けて送給することと、
前記ワイヤ送給装置に動作可能に接続される前記金属溶着装置の電源を介して、前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に、前記消耗ワイヤ電極と前記３Ｄ部品との間にアークを形成することにより、少なくとも前記消耗ワイヤ電極を溶融させるようエネルギを供給することと、を含む、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
更に、
前記金属溶着装置のワイヤ送給装置を介して、前記金属材料のフィラーワイヤを前記３Ｄ部品に向けて送給することと、
前記金属溶着装置のレーザに動作可能に接続される前記金属溶着装置の電源を介して、前記レーザと前記３Ｄ部品との間にレーザ光を形成することにより、前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に少なくとも前記フィラーワイヤを溶融させるようエネルギを供給することと、を含む、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
更に、
前記金属溶着装置のワイヤ送給装置を介して、前記金属材料のフィラーワイヤを前記３Ｄ部品に向けて送給することと、
前記金属溶着装置の非消耗電極に動作可能に接続される前記金属溶着装置の電源を介して、前記非消耗電極と前記３Ｄ部品との間にアークを形成することにより、前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に少なくとも前記フィラーワイヤを溶融させるようエネルギを供給することと、を含む、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
更に、
前記金属溶着装置の第１のワイヤ送給装置を介して、前記金属材料のフィラーワイヤを前記３Ｄ部品に向けて送給することと、
前記金属溶着装置の第２のワイヤ送給装置を介して、前記金属材料の消耗ワイヤ電極を前記３Ｄ部品に向けて送給することと、
前記第２のワイヤ送給装置に動作可能に接続される前記金属溶着装置の電源を介して、前記消耗ワイヤ電極と前記３Ｄ部品との間にアークを形成することにより、前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に少なくとも前記消耗ワイヤ電極及び前記フィラーワイヤを溶融させるようエネルギを供給することと、を含む、
請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
更に、前記コンピュータ制御装置の制御下で前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に、前記金属材料の略一定の金属溶着速度を維持することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
更に、前記コンピュータ制御装置の制御下で前記ビードウィービングパターンの前記溶着中に、略一定のコンタクトチップ母材間距離（ＣＴＷＤ）を維持することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記ビードウィービングパターンの波形は、前記計画構築パターンに従って、略正弦波形状、略三角形、又は略矩形のうちの１つである、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願／参考文献の相互参照
本出願は、２０１９年１月４日に出願された米国特許出願第１６／２３９，６０２号明細書の優先権を主張するものであり、その開示は、その全体が複製されたものとして引用により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明の実施形態は、積層造形に関するシステム及び方法に関し、より詳細には、積層造形プロセス中の構築層の金属充填を支援するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、積層造形プロセスは、各部品が層ごとに構築される比較的低い溶着速度で、ニアネットシェイプ部品を作成することが可能である。しかし、構築時間は長くなる可能性があり、現在の充填技術では、ある特定種類の部品（例えば、構築層の幅が変化する部品等）を積層造形するには不十分な可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第９，８１５，１３５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１７／０２５２８４７Ａ１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は、積層造形中に三次元（３Ｄ）部品の構築層の効率的な充填を提供する積層造形に関するシステム及び方法を含む。
【０００６】
一実施形態において、積層造形システムが提供される。積層造形される３Ｄ部品の複数の層のパターンが、一実施形態により表現され、デジタルデータとしてシステム内に格納される。デジタルデータは、例えば、ＣＡＤモデルから又はスキャンされた部品からのものであってもよい。システムは、デジタルデータとして格納され、積層造形される三次元（３Ｄ）部品の複数の構築層に対応する複数の計画された構築パターンにアクセスするよう構成されるコンピュータ制御装置を含んでいる。システムは、また、金属材料を溶着して３Ｄ部品の複数の構築層のうちの一構築層の少なくとも一部を形成するよう構成される金属溶着装置を含む。金属材料は、コンピュータ制御装置の制御下で、複数の計画構築パターンのうちの一計画構築パターンの計画経路に従って、ビードウィービングパターンとして溶着され、ここで計画構築パターンは構築層に対応している。ビードウィービングパターンのウィービング幅、ウィービング周波数、及びウィービングドウェル、及び／又は構築層の長さ寸法に沿った溶着進行方向における移動速度は、ビードウィービングパターンの溶着中に動的に調整される。構築層の幅が構築層の長さ寸法に沿って変化するにつれて、調整が計画構築パターンに従ってコンピュータ制御装置の制御下で行われる。その結果、ビードウィービングパターンのビード幅が動的に変化する。一実施形態において、ロボットは金属溶着装置の少なくとも一部に動作可能に接続される。ロボットは、計画構築パターンの計画経路に従って積層造形される３Ｄ部品に対して金属溶着装置の少なくとも一部を移動させるようビードウィービングパターンの溶着中にコンピュータ制御装置によって制御されるよう構成される。一実施形態において、ロボットは積層造形される３Ｄ部品を保持するベースに動作可能に接続される。ロボットは、計画構築パターンの計画経路に従って金属溶着装置に対してベースを移動させるようビードウィービングパターンの溶着中にコンピュータ制御装置によって制御されるよう構成される。一実施形態において、金属溶着装置は、コンタクトチップを有する溶着ツール、溶着ツールを介して３Ｄ部分に向けて金属材料の消耗ワイヤ電極を送給するよう構成されるワイヤ送給装置、及びワイヤ送給装置に動作可能に接続される電源を含む。電源は、消耗ワイヤ電極と３Ｄ部品との間にアークを形成することによりビードウィービングパターンの溶着中に少なくとも消耗ワイヤ電極を溶融させるようエネルギを供給するよう構成される。一実施形態において、金属溶着装置は、金属材料のフィラーワイヤを３Ｄ部品に向けて送給するよう構成されるワイヤ送給装置、電源、及び電源に動作可能に接続されるレーザを含む。電源及びレーザは、ビードウィービングパターンの溶着中に、少なくともフィラーワイヤを溶融させるようレーザ光の形でエネルギを供給するよう構成される。一実施形態において、金属溶着装置は、金属材料のフィラーワイヤを３Ｄ部品に向けて送給するよう構成されるワイヤ送給装置、電源、及び電源に動作可能に接続される非消耗電極を含む。電源及び非消耗電極は、非消耗電極と３Ｄ部品との間にアークを形成することによりビードウィービングパターンの溶着中に少なくともフィラーワイヤを溶融させるようエネルギを供給するよう構成される。一実施形態において、金属溶着装置は、金属材料のフィラーワイヤを３Ｄ部品に向けて送給するよう構成される第１のワイヤ送給装置、電源、及び電源に動作可能に接続され且つ金属材料の消耗ワイヤ電極を３Ｄ部品に向けて送給するよう構成される第２のワイヤ送給装置を含む。電源は、消耗ワイヤ電極と３Ｄ部品との間にアークを形成することによりビードウィービングパターンの溶着中に少なくとも消耗ワイヤ電極及びフィラーワイヤを溶融させるようエネルギを供給するよう構成される。一実施形態において、金属材料の略一定の金属溶着速度が、コンピュータ制御装置の制御下でビードウィービングパターンの溶着中に維持される。一実施形態において、略一定のコンタクトチップ母材間距離（ＣＴＷＤ）が、コンピュータ制御装置の制御下でビードウィービングパターンの溶着中に維持される。ビードウィービングパターンの波形は、様々な実施形態に従って、計画構築パターンに基づき、略正弦波形状、略三角形、又は略矩形のうちの１つであってもよい。
【０００７】
一実施形態は、積層造形される部品の構築層を充填する積層造形方法を含む。方法は、コンピュータ制御装置を介して、デジタルデータとして格納される複数の計画構築パターンのうちの一計画構築パターンにアクセスすることを含む。複数の計画構築パターンは、積層造形される三次元（３Ｄ）部品の複数の構築層に対応する。この方法は、更に、金属溶着装置を介して、複数の構築層のうちの一構築層の長さ寸法に沿った溶着進行方向に金属材料のビードウィービングパターンを溶着することを含む。溶着は、コンピュータ制御装置の制御下にあり、構築層の幅が長さ寸法に沿って変化するにつれて、計画構築パターンの計画経路に従って実行される。方法は、また、ビードウィービングパターンのウィービング幅、ウィービング周波数、ウィービングドウェル、及び／又は溶着中の溶着進行方向の進行速度のうちの少なくとも１つを動的に調整することも含む。幅が長さ寸法沿って変化するにつれて、調整が計画構築パターンに従ってコンピュータ制御装置の制御下で行われる。その結果、ビードウィービングパターンのビード幅が動的に変化する。一実施形態において、方法は、計画構築パターンの計画経路に従って積層造形される３Ｄ部品に対して金属溶着装置の少なくとも一部を移動させるようビードウィービングパターンの溶着中にコンピュータ制御装置を介して、金属溶着装置の少なくとも一部に動作可能に接続されるロボットを制御することを含む。一実施形態において、方法は、計画構築パターンの計画経路に従って金属溶着装置に対してベースを移動させるようビードウィービングパターンの溶着中にコンピュータ制御装置を介して、積層造形される３Ｄ部品を保持するベースに動作可能に接続されるロボットを制御することを含む。一実施形態において、方法は、金属溶着装置のワイヤ送給装置を介して、金属材料の消耗ワイヤ電極を３Ｄ部品に向けて送給することを含む。エネルギは、ワイヤ送給装置に動作可能に接続される金属溶着装置の電源を介して、ビードウィービングパターンの溶着中に、消耗ワイヤ電極と３Ｄ部品との間にアークを形成することにより、少なくとも消耗ワイヤ電極を溶融させるよう供給される。一実施形態において、方法は、金属溶着装置のワイヤ送給装置を介して、金属材料のフィラーワイヤを３Ｄ部品に向けて送給することを含む。エネルギは、金属溶着装置のレーザに動作可能に接続される金属溶着装置の電源を介して、レーザと３Ｄ部品との間にレーザ光を形成することにより、ビードウィービングパターンの溶着中に少なくともフィラーワイヤを溶融させるよう供給される。一実施形態において、方法は、金属溶着装置のワイヤ送給装置を介して、金属材料のフィラーワイヤを３Ｄ部品に向けて送給することを含む。エネルギは、金属溶着装置の非消耗電極に動作可能に接続される金属溶着装置の電源を介して、非消耗電極と３Ｄ部品との間にアークを形成することにより、ビードウィービングパターンの溶着中に少なくともフィラーワイヤを溶融させるよう供給される。一実施形態において、方法は、金属溶着装置の第１のワイヤ送給装置を介して、金属材料のフィラーワイヤを３Ｄ部品に向けて送給すること、及び、金属溶着装置の第２のワイヤ送給装置を介して、金属材料の消耗ワイヤ電極を３Ｄ部品に向けて送給することを含む。エネルギは、第２のワイヤ送給装置に動作可能に接続される金属溶着装置の電源を介して、消耗ワイヤ電極と３Ｄ部品との間にアークを形成することにより、ビードウィービングパターンの溶着中に少なくとも消耗ワイヤ電極及びフィラーワイヤを溶融させるよう供給される。一実施形態において、方法は、コンピュータ制御装置の制御下でビードウィービングパターンの溶着中に、金属材料の略一定の金属溶着速度を維持することを含む。一実施形態において、方法は、コンピュータ制御装置の制御下でビードウィービングパターンの溶着中に、略一定のコンタクトチップ母材間距離（ＣＴＷＤ）を維持することを含む。ビードウィービングパターンの波形は、様々な実施形態に従って、計画構築パターンに基づき、略正弦波形状、略三角形、又は略矩形のうちの１つであってもよい。
【０００８】
一般的発明概念の多数の態様は、以下の例示的な実施形態の詳細な説明から、特許請求の範囲から、及び添付図面から、容易に明らかとなるであろう。
【０００９】
明細書の一部に組み込まれ、それらを構成する添付図面は、開示の様々な実施形態を示している。図面内に図示する構成要素の境界（例えば、ボックス、ボックスの群、又は他の形状）は境界の一実施形態を表していることは、正しく認識されるであろう。幾つかの実施形態において、１つの構成要素は多数の構成要素として設計されてもよいか、又は、その多数の構成要素が１つの構成要素として設計されてもよい。幾つかの実施形態において、別の構成要素の内部コンポーネントとして示す構成要素は外部コンポーネントとして実装されてもよく、その逆もまた可能である。更に、構成要素は正確な縮尺で描かれなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、金属溶着装置を含む積層造形システムの一実施形態を示す。
【図２】図２は、消耗ワイヤ電極に動作可能に接続される図１の積層造形システムの電源の一実施形態の略ブロック図を示す。
【図３】図３は、消耗金属ワイヤと積層造形される３Ｄ部品との間にアークを生成する一実施形態を示す図を示す。
【図４】図４は、積層造形される３Ｄ部品の構築層の長さに沿って溶着される略正弦波状のビードウィービングパターンの一実施形態を示す図を示す。
【図５】図５は、積層造形される３Ｄ部品の構築層の長さに沿って溶着される略三角形のビードウィービングパターンの一実施形態を示す図を示す。
【図６】図６は、積層造形される３Ｄ部品の構築層の長さに沿って溶着される略矩形のビードウィービングパターンの一実施形態を示す図を示す。
【図７】図７は、積層造形される３Ｄ部品の構築層を充填する方法の一実施形態のフロー図を示す。
【図８】図８は、金属溶着装置、コンピュータ制御装置、及びロボットアームを有するロボットを有する積層造形システムの一実施形態のシステムブロック図を示す。
【図９】図９は、図８の積層造形システムの代替実施形態の一部を示しており、ここでロボットは、金属溶着装置；接続される代わりに、３Ｄ部品又は基板、を保持するプラットフォームに動作可能に接続される。
【図１０】図１０は、消耗電極ベースである図８の金属溶着装置の一実施形態のシステムブロック図を示す。
【図１１】図１１は、レーザベースである図８の金属溶着装置の一実施形態のシステムブロック図を示す。
【図１２】図１２は、レーザホットワイヤ（ＬＨＷ）システムとして構成される金属溶着装置を有する積層造形システムの、図１１と類似性を有する一実施形態のシステムブロック図を示す。
【図１３】図１３は、非消耗電極ベースである図８の金属溶着装置の一実施形態のシステムブロック図を示す。
【図１４】図１４は、消耗電極ベース及びフィラーワイヤベースの両方である図８の金属溶着装置の一実施形態のシステムブロック図を示す。
【図１５】図１５は、図１、２、８、１０、１１、１２、１３、及び１４のシステムの例示的なコンピュータ制御装置又はコントローラの一実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
周知のように、積層造形は、材料をベース／基板又は部品上に（例えば、層状に）溶着して、所望の製造品を作成するプロセスである。積層造形される三次元（３Ｄ）部品の複数の層のパターンが、一実施形態により表現され、デジタルデータとして格納される。デジタルデータは、例えば、ＣＡＤモデルから又はスキャンされた部品からのものであってもよい。用途によっては、製造する製品が極めて複雑になる可能性がある。しかし、積層造形において充填に用いられる公知の方法及びシステムは、低速である傾向があり、性能が制限される。本発明の実施形態は、充填中に動的なビードウィービングパターンを溶着するシステム及び方法を提供することにより、充填問題に対処している。
【００１２】
積層造形システム及び方法の実施形態を開示する。一実施形態において、積層造形システムは、デジタルデータとして格納され、積層造形される三次元（３Ｄ）部品の複数の構築層に対応する複数の計画された構築パターンにアクセスするよう構成されるコンピュータ制御装置を含んでいる。システムは金属溶着装置も含んでいる。金属溶着装置は、構築層の幅が長さ寸法に沿って変化するにつれて、３Ｄ部品の複数の構築層のうちの一構築層の長さ寸法に沿って金属材料のビードウィービングパターンを溶着するよう構成される。溶着は、複数の計画構築パターンのうちの一計画構築パターンの計画経路に従い、コンピュータ制御装置の制御下にある。幅が長さ寸法に沿って変化するにつれて、ビードウィービングパターンのウィービング幅、ウィービング周波数、及びウィービングドウェル、並びに長さ寸法に沿った金属溶着装置の移動速度は、ビードウィービングパターンの溶着中に動的に調整される。動的調整は、計画構築パターンに従ってコンピュータ制御装置の制御下にあり、結果としてビードウィービングパターンのビード幅を動的に変化させる。計画構築パターン、従って、計画経路及び動的調整は、経路計画ソフトウェアを用いて経路計画策定の一部として事前に生成される。
【００１３】
金属溶着装置の実施形態は、例えば、金属ワイヤを溶融することによって金属材料溶着させるよう、例えば、レーザベースサブシステム、プラズマベースサブシステム、アークベースサブシステム、電子ビームベースサブシステム、又は電気抵抗ベースサブシステムのうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。更に、金属溶着装置の幾つかの実施形態は、例えば、消耗金属ワイヤを送給／送出してベース上に３Ｄ部品を積層造形するワイヤ送出又は送給システムを含んでいてもよい。また、金属溶着装置の幾つかの実施形態は、ベース若しくは基板上に積層造形される３Ｄ部品に対して、例えば、レーザ光、プラズマビーム、電気アーク、電子ビーム、又は消耗金属ワイヤを移動させるよう、運動制御要素（例えば、ロボット）又は他の種類の制御要素（例えば、光学制御要素）を含んでいてもよい。
【００１４】
本明細書中の実施例及び図は説明するためだけのものであり、特許請求の範囲の適用範囲及び精神によって判断される主題発明を制限することを意味するものではない。ここで図面を参照すると、図示するのは、主題発明の例示的な実施形態のみを示すことを目的とし、それらを制限することを目的としておらず、図１は、金属溶着装置を含む積層造形システムの一実施形態を示すことによって、主題発明の実施形態をわかりやすく説明している。金属溶着装置は、通常、例えば、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）、又はガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）等の溶接方法により、層ごとに部品を積層造形することを支援するために用いられてもよいと想定される。本明細書中で後に検討するように、他の実施形態によれば、他の金属溶着プロセスも同様に可能である。
【００１５】
図１を参照すると、積層造形システム１０は、一般に、フレーム１２と、フレーム内に配設されるロボット１４と、それぞれフレーム内に配設される第１及び第２のテーブル１６及び１８とを含んでいる。積層造形システム１０は、本明細書中で以下により詳細に説明する方法で、部品（例えば、２２及び２４）を積層造形するために有用である。図１に示す実施形態において、フレーム１２は、ロボット１４並びにテーブル１６及び１８を囲むよう複数の側壁及びドアを含んでいる。平面図において略矩形の構成を示しているが、フレーム１２及びシステム１０は多くの構成を取ることができる。
【００１６】
前部アクセスドア２６は、フレーム１２に取り付けられてフレームの内部へのアクセスを提供する。前部アクセスドア２６は、ドアが２つのヒンジセット、すなわち、ドア２６をフレーム１２に取り付ける第１のヒンジセットと、ドアの１つのパネルを別のパネルに取り付ける第２のヒンジセットとを含む二つ折り構成を取ることができる。それにもかかわらず、前部アクセスドア２６は、引き戸又はスイングドア等の他の構成を取ることができる。同様に、後部アクセスドア２８もフレーム１２に取り付けられている。図示の実施形態における後部アクセスドア２８も二つ折り構成をとるが、後部アクセスドアは、前部アクセスドア２６に関して検討したような他の構成を取ることができる。窓３２はどちらのドアにも設けることができる（前部ドア２６にのみ図示する）。窓は、当該技術において公知の着色安全スクリーンを含むことができる。
【００１７】
コントロールパネル４０は前部ドア２６に隣接するフレーム１２に設けられている。コントロールパネル４０に設けられる調整ノブ及び／又はスイッチは、フレーム１２にも取り付けられる制御装置筐体４２に収容される制御装置と通信する。コントロールパネル４０上の制御装置は、公知の積層造形システムで用いられる制御装置と同様の方法で積層造形システム１０において実行される動作を制御するために用いることができる。
【００１８】
一実施形態において、ロボット１４は支持体に取り付けられる架台に取り付けられる。図示の実施形態におけるロボット１４は、テーブル１６及び１８に対して中心に置かれ、複数の運動軸を含んでいる。必要に応じて、架台は、タレットと同様に、支持体に対して回動することができる。従って、ある種の駆動機構、例えば、モータ及びトランスミッション（図示せず）は、ロボット１４を回動させるための架台及び／又は支持体に収容することができる。
【００１９】
一実施形態において、溶着ツール６０は、金属溶着装置の一部であり、ロボット１４のアームの遠位端に取り付けられる。溶着ツール６０は、本明細書中で後に検討する実施形態に従って、例えば、コンタクトチップを有する溶接ガン又はトーチ、レーザ装置、又は非消耗電極装置を含んでいてもよい。溶着ツール６０は金属材料の溶着を可能にする。一実施形態において、フレキシブルチューブ又はコンジット６２が溶着ツール６０に取り付けられる。コンテナ６６内に保管することができる消耗金属ワイヤ６４（例えば、ワイヤ電極又はフィラーワイヤとして用いられる）は、コンジット６２を通じて溶着ツール６０に送出される。一実施形態において、ワイヤ送給装置６８は、金属溶着装置の一部であり、フレーム１２に取り付けられて溶着ツール６０への消耗金属ワイヤ６４の送出を容易にする。
【００２０】
ロボット１４はフレーム１２の基部又は下部に取り付けられて示されているが、必要に応じて、ロボット１４はフレームの上部構造に取り付けられ、システム１０内に下向きに吊り下げられてもよい。一実施形態において、電力供給部７２（電源）は、積層造形操作を支持するための金属溶着装置の一部であり、フレーム１２に接続され且つその一部であってもよいプラットフォーム７４に取り付けられ、載置される。別の実施形態において、電力供給部７２は、２つの別体の電力供給部（例えば、溶着ツール６０においてレーザに電力を供給するためのものと、溶着ツール６０を通過する際に消耗金属ワイヤ６４を加熱するためのもの）として実装されてもよい。コンピュータ制御装置７６は、本明細書中で後に検討するように、積層造形システム１０の様々な部分（ロボット１４を含む）と通信し、それらを制御し、プラットフォーム７４上に載置及び取り付けられる。
【００２１】
図２は、消耗ワイヤ電極６４に動作可能に接続される図１の積層造形システム１０の電源７２の例示的な実施形態の略ブロック図を示している。電源７２は、ワイヤ６４と被加工部品２２との間に溶接出力電力を供給してワイヤ６４と部品２２との間にアークを形成することにより溶着中にワイヤ６４を溶融させる電力変換回路１１０及びブリッジスイッチング回路１８０とを有するスイッチング電力供給部１０５を含んでいる。電力変換回路１１０は、ハーフブリッジ出力トポロジーをベースにした変圧器であってもよい。例えば、電力変換回路１１０は、例えば、溶接変圧器の一次側及び二次側によってそれぞれ明確化されるような入力電力側及び出力電力側を含むインバータ型のものであってもよい。例えば、ＤＣ出力トポロジーを有するチョッパー型等の、他の種類の電力変換回路も同様に可能である。電源７２はまた、電力変換回路１１０に動作可能に接続され、溶接出力電流の極性方向を切り替えるよう（例えば、ＡＣ動作のため）構成されるブリッジスイッチング回路１８０も含んでいる。
【００２２】
電源７２は、更に、波形発生器１２０及びコントローラ１３０を含む。波形発生器１２０は、コントローラ１３０の命令により溶接波形を生成する。波形発生器１２０によって生成される波形は、電力変換回路１１０の出力を変調してワイヤ６４と被加工部品２２との間に出力電流を生成する。コントローラ１３０は、また、ブリッジスイッチング回路１８０の切り換えも命令し、変換回路１１０の電力に制御命令を提供してもよい。
【００２３】
一実施形態において、電源７２は、更に、ワイヤ６４と被加工部品２２との間の出力電圧及び電流を監視し、監視した電圧及び電流をコントローラ１３０に戻すよう電圧フィードバック回路１４０及び電流フィードバック回路１５０を含んでいる。フィードバック電圧及び電流は、波形発生器１２０によって生成される溶接波形を修正することに関する決定を行うか、及び／又は、例えば、電源７２の動作に影響を及ぼす他の決定を行うためにコントローラ１３０によって用いられてもよい。
【００２４】
一実施形態によれば、スイッチング電力供給部１０５、波形発生器１２０、コントローラ１３０、電圧フィードバック回路１４０、及び電流フィードバック回路１５０は、電源７２を構成する。積層造形システム１０は、また、一実施形態に従って、選択されたワイヤ送給速度（ＷＦＳ）で溶着ツール６０を介して被加工部品２２に向けて消耗金属ワイヤ６４を供給するワイヤ送給装置６８を含む。ワイヤ送給装置６８、消耗金属ワイヤ６４、及び被加工部品２２は、電源７２の一部ではないが、例えば、１つ以上の出力ケーブルを介して電源７２に動作可能に接続されてもよい。
【００２５】
図３は、消耗金属ワイヤ６４（溶着ツール６０から出る）と積層造形される３Ｄ部品２２との間にアークを生成する一実施形態を示す図を示している。図３で見て取れるように、部品２２の構築層Ｎ及び構築層Ｎ＋１は、アークを介して消耗金属ワイヤ６４を溶融することによって溶着されている。アーク長及びコンタクトチップ母材間距離（ＣＴＷＤ）も図３に示す。一実施形態によれば、略一定のＣＴＷＤは、本明細書中で後に検討するように、溶着中に制御及び維持される。引用してその全てを本明細書中に組み込む（特許文献１）は、ＣＴＷＤの概念並びにＣＴＷＤを特定及び制御する方法について検討している。
【００２６】
別の実施形態によれば、溶着ツール６０はレーザ装置を含み、電源７２は、レーザ装置に電力（エネルギ）を供給してレーザ光を形成し、溶着中に消耗金属ワイヤ６４（例えば、フィラーワイヤ）を溶融するよう構成される。更に別の実施形態によれば、溶着ツール６０は非消耗電極（例えば、タングステン電極）を含み、電源７２は、電力（エネルギ）を供給して、非消耗電極と部品との間にアークを形成することによって溶着中に消耗金属ワイヤ６４（例えば、フィラーワイヤ）を溶融するよう構成される。幾つかの実施形態において、消耗金属ワイヤ６４は溶着ツール６０を介して送給され、溶着ツール６０は、例えば、コンタクトチップ、レーザ装置、又は非消耗電極を含む。他の実施形態において、消耗金属ワイヤ６４は、コンタクトチップ、レーザ装置、又は非消耗電極を有する溶着ツール６０を介して送給されなくてもよい。代わりに、消耗金属ワイヤ６４は、少なくとも図１１〜１３に関して本明細書中で後に検討するように、隣接位置からかかる溶着ツール６０の出力に向かって送給されてもよい。
【００２７】
図４は、積層造形される３Ｄ部品の例示的な構築層の長さに沿って溶着される略正弦波状のビードウィービングパターン４００の一実施形態を示す図を示している。図４において、構築層は上から見た図である。図４は、構築層の先に溶着された２つの輪郭又は境界４１０及び４２０を示している。構築層の幅（幅寸法４２５）は、構築層の長さ寸法４３０に沿って変化する。すなわち、図４の上部から図４の底部まで長さ寸法４３０の方向を辿って、構築層は狭く開始され、次第に広がって、しばらくの間最大幅で留まり、その後徐々に狭くなる。長さ寸法にわたる幅の他の変形例を有する他の構築層も同様に可能である。
【００２８】
輪郭４１０及び４２０間の構築層は、ビードウィービングパターン４００として金属材料で充填される（例えば、図４の上部から始まり、図４の底部で終わる）。例えば、図１を参照すると、コンピュータ制御装置７６は、ロボット１４を制御して溶着ツール６０を計画経路に沿って移動させ、結果として溶着したビードウィービングパターン４００が輪郭４１０及び４２０間の構築層を充填するよう構成される。図４を参照すると、溶着中、構築層の幅が長さ寸法４３０に沿って変化するにつれて、ビードウィービングパターン４００のウィービング幅４４０及びウィービング周波数が変化する。また、構築層の幅が溶着中に長さ寸法４３０に沿って変化するにつれて、ビードウィービングパターン４００のウィービングドウェルが変化する。更に、構築層の幅が溶着中に長さ寸法４３０に沿って変化するにつれて、溶着ツール６０の移動速度（例えば、図４の上部から図４の底部までの溶着進行方向４５０における）が変化する。ウィービング幅、ウィービング周波数、ウィービングドウェル、及び移動速度は、構築層の計画構築パターンに従って、溶着中にコンピュータ制御装置７６によって制御される。
【００２９】
図４と同様に、図５は、積層造形される３Ｄ部品の構築層の長さに沿って溶着される略三角形のビードウィービングパターン５００の一実施形態を示す図を示している。図４及び図５と同様に、図６は、積層造形される３Ｄ部品の構築層の長さに沿って溶着される略矩形のビードウィービングパターン６００の一実施形態を示す図を示している。様々なウィービング幅及びウィービング周波数を有する他のビードウィービングパターンも、他の実施形態により、同様に可能である。
【００３０】
ビードは構築層の幅を横切る金属溶着パスであり、ビードウィービングパターンは単に、ビードウィービングパターンのための構築層の計画経路に沿った位置における一連の金属溶着パスである。ビードウィービングパターンの溶着する金属ビード（パス）は、様々なパラメータ（ウィービング幅、ウィービング周波数、ウィービングドウェル、及び移動速度）が動的に調整される方法に応じて、略類似するか又は略異なるサイズ（ビード幅、例えば、図４のビード幅４６０を参照）を有することができ、互いと同様又は異なる間隔で配置することができる（例えば、図４のビード間隔４７０を参照）。一実施形態によれば、ビード幅４６０は、構築層の長さにわたって４ｍｍ〜１２ｍｍの範囲であってもよい。ウィービング幅４４０は、事実上、溶着の任意の部分に沿ったウィービングパターンの最高最低振幅である（例えば、図４を参照）。ウィービング周波数は、単位時間当たり（又は進行方向４５０に沿った単位長さ当たり）のウィービングサイクルの数であり、ウィービング波長の逆数である。構築層の長さ寸法４３０に沿った進行方向４５０における移動速度は、本質的に、溶着ツールがビードウィービングパターンのための計画経路（例えば、正弦波経路、三角形経路、又は矩形経路）に沿って実際に移動している場合であっても、溶着中の任意の時点における長さ寸法４３０に沿った有効な瞬間線形移動速度である。ウィービングドウェルはウィービングパターンの両端における一時停止時間である。例えば、左／右にウィービングする場合（図４〜６のように）、ウィービングドウェルは、左移動の終点及びその後の再度の右移動の終点における休止時間である。例えば、ウィービング周波数が１Ｈｚであり、ウィービングドウェルが０．２秒である場合、中間を横切る動きは差であり、すなわち、１秒引く０．２秒（左側）引く０．２秒（右側）＝計０．６秒であり、次いで、２つの移動動作（１サイクルでの左への移動及び右への移動）に分割すると、結果として左へ移動するビード当たり０．３秒及び右へ移動するビード当たり０．３秒の移動時間になる。ウィービングドウェル中、プロセスはビードウィービングパターンの両縁部を加熱する。ビードが別のビードの隣に配置されると、ウィービングドウェルが設定されて、金属がブリッジなしで以前のビードと前の層の角部に流れ込み、ボイドが残る。
【００３１】
図７は、積層造形される３Ｄ部品の構築層を充填する方法７００の一実施形態のフロー図を示している。方法７００のブロック７１０において、計画構築パターンは、コンピュータ制御装置（例えば、図１のコンピュータ制御装置７６）を介してアクセスされる。計画構築パターンは、デジタルデータとして（例えば、コンピュータ制御装置７６のストレージサブシステム内に…例えば、図１５を参照）格納される複数の計画構築パターンのうちの１つである。複数の計画構築パターンは、積層造形される三次元（３Ｄ）部品（例えば、図１の３Ｄ部品２２）の複数の構築層に対応する。
【００３２】
ブロック７２０において、金属材料のビードウィービングパターン（例えば、図４のビードウィービングパターン４００）は、複数の構築層のうちの一構築層の長さ寸法に沿って溶着進行方向４５０に溶着される。溶着は、構築層の幅が長さ寸法に沿って変化するにつれて、計画構築パターンの計画経路に従って、コンピュータ制御装置（例えば、図１のコンピュータ制御装置７６）の制御下で金属溶着装置（例えば、図１の電力供給部７２、ワイヤ送給装置６８、及び溶着ツール６０）を介して達成される。
【００３３】
ブロック７３０において、ビードウィービングパターンのウィービング幅、ウィービング周波数、及びウィービングドウェルは、溶着中に、溶着進行方向４５０の進行速度と共に動的に調整される。動的調整は、幅が長さ寸法に沿って変化するにつれて、計画構築パターンに従って、コンピュータ制御装置（例えば、図１のコンピュータ制御装置７６）の制御下で実行される。その結果、ビードウィービングパターン（例えば、図４のビードウィービングパターン４００）の動的に変化するビード幅が得られる。一実施形態によれば、計画構築パターンは経路計画策定中に事前に特定されるため、行われる動的調整は予め特定される。すなわち、ウィービング幅、ウィービング周波数、ウィービングドウェル、及び移動速度の調整は、充填プロセス中にその場で特定されない。
【００３４】
一実施形態によれば、ウィービング幅、ウィービング周波数、ウィービングドウェル、及び移動速度は、構築層の適切な充填を提供するよう、方法７００における溶着中に動的に調整される。動的調整は、ビード幅を広くしたり狭くしたりして適切な充填を提供することを可能にし、金属材料の略一定の溶着速度の維持を可能にする。一般に、充填領域が広くなるにつれて、移動が遅くなり、ウィービング幅が広がり、ビードが広くなる（逆もまた同様である）。一実施形態によれば、構築層の幅が溶着中に構築層の長さに沿って広がるにつれて、移動速度が低下し、ウィービング幅が増加し、ウィービング周波数が低下し（すなわち、ウィービング波長が増加し）、ウィービングドウェルが増加する。一実施形態によれば、構築層の幅が溶着中に構築層の長さに沿って狭くなるにつれて、移動速度が増加し、ウィービング幅が減少し、ウィービング周波数が増加し（すなわち、ウィービング波長が減少し）、ウィービングドウェルが減少する。繰り返すが、ウィービングパラメータ及び移動速度の動的な増減は、一実施形態により、経路計画策定の一部として事前に特定され、リアルタイムにその場で動的に特定されない。しかし、その場のリアルタイムでの動的調整が実行される他の実施形態があってもよい。
【００３５】
更に、一実施形態によれば、略一定のコンタクトチップ母材間距離（ＣＴＷＤ）は、ビードウィービングパターンの溶着中に、コンピュータ制御装置の制御下で維持される。例えば、引用して本明細書中に組み込む（特許文献２）は、ＣＴＷＤを制御する方法について検討している。充填溶着中、移動速度及びウィービングパラメータは動的に変化し、これはＣＴＷＤに影響を与える可能性があるが、（特許文献２）において検討されているＣＴＷＤ制御プロセスはＣＴＷＤを略一定に保つために用いることができ、従って、動的溶着充填プロセスによるＣＴＷＤの変化を補償することができる。また、一実施形態において、略一定のワイヤ送給速度（ＷＦＳ）が、ビードウィービングパターンの溶着中、コンピュータ制御装置の制御下で維持される。別の実施形態において、ＷＦＳは動的に変更されてもよい。
【００３６】
幾つかの実施形態において、ビードウィービングパターンの溶着中に、全てのパラメータ（移動速度及びウィービングパラメータ）を同時に変更する必要はない。例えば、構築層の充填領域の形状に応じて、全てのパラメータ（移動速度、ウィービング幅、ウィービング周波数、ウィービングドウェル）を変更するか、一部のパラメータ（例えば、ウィービング幅とウィービングドウェル）のみを変更してもよい。どのようにパラメータが互いに関して動的に変化するかの関係は、構築層のための経路計画策定中に事前に特定されて、構築層の効率的且つ効果的な充填溶着をもたらす。
【００３７】
一実施形態によれば、経路計画策定中、構築層の幅が変化するにつれて、経路計画ソフトウェアは、現在のビードパスにわたって充填する必要がある領域を特定し、その領域の適切な充填のために動的にパラメータ（移動速度及びウィービングパラメータ）を調整する。経路計画ソフトウェアのＧコードのスライスソフトウェアは、領域を特定することに関与する。経路計画ソフトウェアは、積層造形される３Ｄ部品のＣＡＤモデル、又は３Ｄ部品のスキャンから得られるデジタルデータに基づいて、構築層上の現在のビードパスの位置を「認識」する。
【００３８】
図８は、金属溶着装置８１０、コンピュータ制御装置８２０、及びロボットアーム８３５を有するロボット８３０を有する積層造形システム８００の一実施形態のシステムブロック図を示している。金属溶着装置８１０は、積層造形プロセス中に溶融金属材料を溶着して部品を形成するよう構成される。コンピュータ制御装置８２０は、金属溶着装置８１０及びロボット８３０に動作可能に結合される。すなわち、図８の実施形態において、コンピュータ制御装置８２０は、金属溶着装置８１０の様々な態様（例えば、ワイヤ送給、出力電力又はエネルギ）を制御し、ロボット８３０のための運動コントローラとして機能するよう構成される。他の実施形態によれば、コンピュータ制御装置８２０は、２つ以上のコントローラ（例えば、金属溶着装置８１０を制御する第１のコントローラ及びロボット８３０を制御する第２のコントローラ）を含んでいてもよい。一実施形態において、ロボットアーム８３５は、ロボット８３０が空間内でアーム８３５を介して、コンピュータ制御装置８２０の制御下でベース又は基板に対して、金属溶着装置８１０を移動させることができるように、金属溶着装置８１０（又は溶着ツール等の金属溶着装置８１０の少なくとも一部）に結合される。別の実施形態において、ロボットアーム８３５は、ロボット８３０が金属溶着装置８１０に対してアーム８３５を介して空間内でベース又は基板を移動させることができるように、ベース又は基板に結合される。
【００３９】
一実施形態によれば、コンピュータ制御装置８２０は、積層造形プロセスの輪郭溶着フェーズ中にベース（基板）上に溶融金属材料を溶着させて部品の輪郭を形成するよう金属溶着装置８１０に命令する。コンピュータ制御装置８２０は、次いで、積層造形プロセスの充填パターン溶着フェーズ中にベース上に金属材料を溶着させて、部品の輪郭によって輪郭を示された領域内にビードウィービングパターンを形成するよう金属溶着装置８１０に命令する。輪郭溶着フェーズの溶着速度は、一実施形態によれば、充填パターン溶着フェーズの溶着速度よりも遅く、充填パターンよりもより正確且つより精密に輪郭を溶着させることが可能である。積層造形プロセスが部品の連続層を構築し続けると、金属材料は、例えば、輪郭及び充填パターンの以前の層に溶着される。
【００４０】
図９は、図８の積層造形システム８００の代替実施形態の一部を示しており、ここでロボット８３０は、金属溶着装置８１０に接続される代わりに、３Ｄ部品又は基板９２０を保持するプラットフォーム９１０に動作可能に接続されている。金属溶着装置８１０及びロボット８３０は、例えば、ある特定の実施形態に従って、図１及び図９に示す種類のものであってもよい。他の種類のロボット及び金属溶着装置は、他の様々な実施形態に従って同様に可能である。例えば、図１０〜図１４は、本明細書中で以下に検討するような金属溶着装置の様々な実施形態を示している。
【００４１】
図１０は、消耗電極ベースであり、図８のコンピュータ制御装置８２０によって制御される電源１０１０及びワイヤ送給装置１０２０を含む図８の金属溶着装置８１０の一実施形態１０００のシステムブロック図を示している。金属溶着装置１０００は、また、溶着ツール１０２５（例えば、コンタクトチップ１０２７を有する溶接トーチ又はガン）も含んでいる。金属溶着装置１０００は、例えば、ある特定の実施形態に従って、図１〜２のものと同様の構成要素及び／又は構成要素の組み合わせを有していてもよい。ワイヤ送給装置１０２０は、金属材料の消耗ワイヤ電極１０３０を溶着ツール１０２５を介してベース又は部品１０４０に向けて送給するよう構成される。電源１０１０及び溶着ツール１０２５は、ワイヤ送給装置１０２０に動作可能に接続されている。電源１０１０及びワイヤ送給装置１０２０は、消耗ワイヤ電極１０３０（電極１０３０とベース／部品１０４０との間に電気アーク１０３５を形成する）を介してエネルギを供給して、積層造形プロセス中に消耗ワイヤ電極１０３０（及び場合によってはベース１０４０の一部）を溶融するよう構成される。消耗ワイヤ電極１０３０への電気接触は、溶着ツール１０２５のコンタクトチップ１０２７を介して行われる。図８のロボット８３０は、金属溶着装置１０００（若しくは溶着ツール１０２５のみ）、又はベース／部品１０４０を動かして、本明細書中で検討するようにコンピュータ制御装置８２０の制御下でビードウィービングパターンを溶着させてもよい。この場合も、積層造形プロセスが部品の連続構築層を構築し続けると、金属材料は、例えば同様の方法で以前の構築層に溶着される。
【００４２】
図１１は、レーザベースであり、図８のコンピュータ制御装置８２０によって制御される電源１１１０、ワイヤ送給装置１１２０、及びレーザ装置１１３０を含む図８の金属溶着装置８１０の一実施形態１１００のシステムブロック図を示している。金属溶着装置１１００は、積層造形プロセス中に金属フィラーワイヤを溶着するよう構成される。一実施形態において、レーザ装置１１３０及びワイヤ送給装置１１２０が溶着ツールを構成してもよい。別の実施形態において、レーザ装置１１３０が溶着ツールを構成してもよい。金属溶着装置１１００は、例えば、ある特定の実施形態に従って、図１〜２のものと同様の構成要素及び／又は構成要素の組み合わせを有していてもよい。ワイヤ送給装置１１２０は、金属材料のフィラーワイヤ１１４０をベース又は部品１０４０に向けて送給するよう構成される。図１１の金属溶着装置１１００の実施形態は、また、電源１１１０と、電源１１１０に動作可能に接続されるレーザ装置１１３０とを含んでいる。電源１１１０及びレーザ装置１１３０は、積層造形プロセス中にフィラーワイヤ１１４０（及び場合によってはベース又は部品１０４０の一部）を溶融するようエネルギ（レーザ光１１３５の形態での）を供給するよう構成される。図８のロボット８３０は、金属溶着装置１１００（若しくはレーザ装置１１３０のみ）、又はベース／部品１０４０を動かして、本明細書中で検討するようにコンピュータ制御装置８２０の制御下でビードウィービングパターンを溶着させてもよい。この場合も、積層造形プロセスが部品の連続構築層を構築し続けると、金属材料は、例えば同様の方法で以前の構築層に溶着される。
【００４３】
図１１と同様に、一実施形態によれば、金属溶着装置を有する積層造形システムは、図１２のようなレーザホットワイヤ（ＬＨＷ）システム１２００として構成されてもよい。図１２のシステム１２００は、フィラーワイヤ送給装置及びエネルギ源の組み合わせの例示的な実施形態を含んでいる。特に、システム１２００は、ベース／基板又は部品１２１５を加熱するようベース／基板又は部品１２１５にレーザ光１２１０を集束させることができるレーザサブシステムを含んでいる。一実施形態において、レーザサブシステムは高強度エネルギ源である。レーザサブシステムは、炭酸ガス、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂディスク、ＹＢファイバ、ファイバデリバリー、又は直接ダイオードレーザシステムを含むがこれらに限定されない、任意の種類の高エネルギレーザ源である。別の実施形態において、レーザサブシステムは低強度エネルギ源である（例えば、金属材料を軟化させるか、又は最小限に溶融する）。
【００４４】
以下は、レーザシステム、ビーム、及び電力供給部について繰り返し言及する。しかし、任意のエネルギ源を使用できるため、この参照は例示的なものであることは言うまでもない。例えば、高強度のエネルギ源は少なくとも５００Ｗ／ｃｍ２を供給できる。レーザサブシステムは、互いに動作可能に接続されるレーザ装置１２２０及びレーザ電力供給部１２３０を含む。レーザ電力供給部１２３０は、レーザ装置１２２０を動作させるための電力を供給する。
【００４５】
一実施形態において、システム１２００は、また、レーザ光１２１０の近傍においてベース／基板又は部品１２１５と当接させるよう少なくとも１本の抵抗性フィラーワイヤ１２４０を供給することができるホットフィラーワイヤ送給サブシステムも含んでいる。ワイヤ送給サブシステムは、フィラーワイヤ送給装置１２５０、コンタクトチューブ１２６０、及び電力供給部１２７０を含む。動作中、フィラーワイヤ１２４０は、コンタクトチューブ１２６０とベース／基板又は部品１２１５との間に動作可能に接続される電力供給部１２７０からの電流により抵抗加熱される。一実施形態によれば、電力供給部１２７０は、パルス直流（ＤＣ）電力供給部であるが、交流（ＡＣ）又は他の種類の電力供給部も同様に可能である。ワイヤ１２４０は、フィラーワイヤ送給装置１２５０からコンタクトチューブ１２６０を通ってベース／基板又は部品１２１５に向かって供給され、チューブ１２６０を超えて延在する。ワイヤ１２４０の延在部分は、延在部分がベース／基板又は部品１２１５に接触する前に融点に近づくか又は融点に達するように抵抗加熱される。レーザ光１２１０は、ベース／基板又は部品１２１５のベース金属の一部を溶融してパドルを形成するのに役立ってもよいか、及び／又はワイヤ１２４０をベース／基板又は部品１２１５上で溶融させるために用いることもできる。電力供給部１２７０は、フィラーワイヤ１２４０を抵抗溶融させるために必要なエネルギを供給する。幾つかの実施形態において、電力供給部１２７０は必要なエネルギの全てを供給する一方で、他の実施形態において、レーザ又は他のエネルギ熱源はエネルギの一部を供給することができる。
【００４６】
システム１２００は、レーザ光１２１０及び抵抗性フィラーワイヤ１２４０が互いに固定関係に留まるように、更に、レーザ光１２１０（エネルギ源）及び抵抗性フィラーワイヤ１２４０をベース／基板又は部品１２１５に沿って（少なくとも相対的な意味で）同じ制御方向（例えば、ビードウィービングパターン）に移動させることができる運動制御サブシステムを含む。例えば、一実施形態において、抵抗性フィラーワイヤ１２４０は、レーザ装置１２２０及びコンタクトチューブ１２６０を収容する溶着ツールを介して供給されてもよい。様々な実施形態によれば、ベース／基板又は部品１２１５とレーザ／ワイヤの組み合わせとの間の相対運動は、ベース／基板又は部品１２１５を実際に動かすことにより、又は、例えば、レーザ装置１２２０及びワイヤ送給サブシステムの少なくとも一部（例えば、コンタクトチューブ１２６０）を有する溶着ツールを動かすことにより達成されてもよい。例えば、レーザ装置１２２０及びコンタクトチューブ１２６０は、単一の溶着ツールに統合されてもよい。溶着ツールは、溶着ツールに動作可能に接続される運動制御サブシステムを介してベース／基板又は部品１２１５に沿って移動させてもよい。
【００４７】
図１２において、運動制御サブシステムは、プラットフォーム１２９３（例えば、回転可能なプラットフォーム及び／又は並進可能なプラットフォーム）を有するロボット１２９０に動作可能に接続されるコンピュータ制御装置１２８０を含む。コンピュータ制御装置１２８０はロボット１２９０の動作を制御する。ロボット１２９０は、レーザ光１２１０及びワイヤ１２４０がベース／基板又は部品１２１５に沿って効果的に移動するように、例えば、ビードウィービングパターンでベース／基板又は部品１２１５を移動させるようプラットフォーム１２９３を介してベース／基板又は部品１２１５に動作可能に接続（例えば、機械的に固定）される。プラットフォーム１２９３を駆動するロボット１２９０は、様々な実施形態に従って、電気、空気圧、又は油圧により駆動されてもよい。一実施形態によれば、コンピュータ制御装置１２８０及びロボット１２９０を含む運動制御サブシステムは、積層造形システムの別体部分であり、金属溶着装置の一部ではない。
【００４８】
積層造形システム１２００は、更に、ベース／基板又は部品１２１５及びコンタクトチューブ１２６０に動作可能に接続される（すなわち、電力供給部１２７０の出力に効果的に接続される）検知及び電流制御サブシステム１２９５を含み、ベース／基板又は部品１２１５とワイヤ１２４０との間の電位差（すなわち、電圧Ｖ）及びそれらを通る電流（Ｉ）を測定することができる。検知及び電流制御サブシステム１２９５は、更に、測定された電圧及び電流から抵抗値（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）及び／又は電力値（Ｐ＝Ｖ×Ｉ）を計算することが可能であってもよい。一般に、ワイヤ１２４０がベース／基板又は部品１２１５と当接する場合、ワイヤ１２４０とベース／基板又は部品１２１５との間の電位差はゼロボルトである（又は極めてゼロボルトに近い）。結果として、検知及び電流制御サブシステム１２９５は、抵抗性フィラーワイヤ１２４０がベース／基板又は部品１２１５と当接する場合を検知することができ、電力供給部１２７０に動作可能に接続されて、更に検知に応じて抵抗性フィラーワイヤ１２４０を通る電流の流れを制御することができる。別の実施形態によれば、検知及び電流コントローラ１２９５は、電力供給部１２７０の一体部分であってもよい。
【００４９】
図１３は、非消耗電極ベースであり、図８のコンピュータ制御装置８２０によって少なくとも部分的に制御される電源１３１０、ワイヤ送給装置１３２０、及び非消耗電極１３３０（例えば、タングステン電極）を含む図８の金属溶着装置８１０の一実施形態１３００のシステムブロック図を示している。金属溶着装置１３００は、積層造形プロセス中に金属フィラーワイヤを溶着するよう構成される。金属溶着装置１３００は、例えば、ある特定の実施形態に従って、図１〜２のものと同様の構成要素及び／又は構成要素の組み合わせを有していてもよい。ワイヤ送給装置１３２０は、金属材料のフィラーワイヤ１３２５をベース１０４０に向けて送給するよう構成される。非消耗電極１３３０は電源１３１０に動作可能に接続されている。電源１３１０及び非消耗電極１３３０は、（プラズマビーム又はアーク１３３５の形態の）エネルギを供給して、積層造形プロセス中にフィラーワイヤ１３２５（及び場合によってはベース又は部品１０４０の一部）を溶融して、例えば、ビードウィービングパターンを溶着するよう構成される。コンピュータ制御装置８２０は、ワイヤ送給装置１３２０及び電源１３１０に動作可能に接続されて、それらの少なくとも部分的な制御を提供する。この場合も、積層造形プロセスが部品の連続構築層を構築し続けると、金属材料は、例えば同様の方法で以前の構築層に溶着される。
【００５０】
図１４は、消耗電極ベース及びフィラーワイヤベースの両方であり、図８のコンピュータ制御装置８２０によって少なくとも部分的に制御される電源１４１０、第１のワイヤ送給装置１４２０、及び第２のワイヤ送給装置１４３０を含む図８の金属溶着装置８１０の一実施形態１４００のシステムブロック図を示している。金属溶着装置１４００は、また、溶着ツール１４２５（例えば、コンタクトチップ１４２７を有する溶接トーチ又はガン）も含んでいる。金属溶着装置１４００は、例えば、ある特定の実施形態に従って、図１〜２のものと同様の構成要素及び／又は構成要素の組み合わせを有していてもよい。第２のワイヤ送給装置１４３０は、金属材料のフィラーワイヤ１４３５をベース又は部品１０４０に向けて送給するよう構成される。第１のワイヤ送給装置１４２０は、電源１４１０に動作可能に接続され、消耗ワイヤ電極１４５０をベース又は部品１０４０に向けて送給するよう構成されている。電源１４１０及び第１のワイヤ送給装置１４２０は、消耗ワイヤ電極１４５０（電極１４５０とベース又は部品１０４０との間に電気アーク１４６０を形成する）を介してエネルギを供給して、積層造形プロセス中にフィラーワイヤ１４３５及び消耗ワイヤ電極１４５０（及び場合によってはベース又は部品１０４０の一部）を溶融させるよう構成される。コンピュータ制御装置８２０は、第１のワイヤ送給装置１４２０、第２のワイヤ送給装置１４３０、及び電源１４１０に動作可能に接続されてそれらの少なくとも部分的な制御を提供する。この場合も、積層造形プロセスが部品の連続構築層を構築し続けると、金属材料は、例えば同様の方法で以前の構築層に溶着される。
【００５１】
図１５は、図１、２、８、１０、１１、１２、１３、及び１４のシステムの例示的なコンピュータ制御装置（又はコントローラ）１５００の一実施形態を示している。コンピュータ制御装置（又はコントローラ）１５００は、バスサブシステム１５１２を介して多数の周辺装置と通信する少なくとも１つのプロセッサ１５１４を含んでいる。これらの周辺装置は、例えば、メモリサブシステム１５２８及びファイルストレージサブシステム１５２６を含むストレージサブシステム１５２４、ユーザインターフェース入力デバイス１５２２、ユーザインターフェース出力デバイス１５２０、及びネットワークインターフェースサブシステム１５１６を含んでいてもよい。入出力デバイスはコンピュータ制御装置（又はコントローラ）１５００とのユーザの対話を可能にする。ネットワークインターフェースサブシステム１５１６は外部ネットワークとのインターフェースを提供し、他のコンピュータシステム内の対応するインターフェースデバイスに接続される。例えば、システム１０のコンピュータ制御装置７６は、コンピュータ制御装置（又はコントローラ）１５００と１つ以上の特性を共有してもよく、例えば、従来のコンピュータ、デジタル信号プロセッサ、及び／又は他のコンピューティングデバイスであってもよい。
【００５２】
ユーザインターフェース入力デバイス１５２２は、キーボード、マウス、トラックボール、タッチパッド、又はグラフィックスタブレット等のポインティングデバイス、スキャナ、ディスプレイに組み込まれるタッチスクリーン、音声認識システム等のオーディオ入力デバイス、マイクロフォン、及び／又は他の種類の入力デバイスを含んでいてもよい。一般に、用語「入力デバイス」の使用は、情報をコンピュータ制御装置（又はコントローラ）１５００又は通信ネットワークに入力するための可能性のある全ての種類のデバイス及び方法を含むことを意図している。
【００５３】
ユーザインターフェース出力デバイス１５２０は、ディスプレイサブシステム、プリンタ、ファックス機、又はオーディオ出力デバイス等の非視覚的表示を含んでいてもよい。ディスプレイサブシステムは、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等のフラットパネル装置、プロジェクション装置、又は可視画像を作成するための他の幾つかの機構を含んでいてもよい。ディスプレイサブシステムは、また、オーディオ出力デバイスを介するもの等の非視覚的表示を提供してもよい。一般に、用語「出力デバイス」の使用は、情報をコンピュータ制御装置（又はコントローラ）１５００からユーザ又は別の機械若しくはコンピュータシステムに出力する可能な全ての種類のデバイス及び方法を含むことを意図している。
【００５４】
ストレージサブシステム１５２４は、本明細書中で説明する幾つか又は全ての機能を提供又は支援するプログラミング及びデータ構造体を（例えば、ソフトウェアモジュールとして）格納している。例えば、ストレージサブシステム１５２４は、積層造形される３Ｄ部品のＣＡＤモデル及び３Ｄ部品の複数の構築層に対応する複数の計画構築パターンを含んでいてもよい。
【００５５】
ソフトウェアモジュールは、一般に、プロセッサ１５１４単体又は他のプロセッサと組み合わせることによって実行される。ストレージサブシステム内で用いられるメモリ１５２８は、プログラム実行中に命令及びデータを格納するためのメインランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１５３０及び固定命令が格納される読出し専用メモリ（ＲＯＭ）１５３２を含む多数のメモリを含むことができる。ファイルストレージサブシステム１５２６は、プログラム及びデータファイルのための持続性ストレージを提供することができ、ハードディスクドライブ、関連するリムーバブルメディアに加えてフロッピーディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、光学式ドライブ、又はリムーバブルメディアカートリッジを含んでいてもよい。ある特定の実施形態の機能を実装するモジュールは、ストレージサブシステム１５２４内のファイルストレージサブシステム１５２６によって、又は、プロセッサ１５１４によってアクセス可能な他の機械内に格納されてもよい。
【００５６】
バスサブシステム１５１２はコンピュータ制御装置（又はコントローラ）１５００の種々のコンポーネント及びサブシステムに意図したような互いとの通信を行わせるための機構を提供する。バスサブシステム１５１２を単一バスとして略図的に示しているが、バスサブシステムの代替実施形態は多重バスを用いてもよい。
【００５７】
コンピュータ制御装置（又はコントローラ）１５００は、ワークステーション、サーバ、コンピューティングクラスタ、ブレードサーバ、サーバファーム、又はその他任意のデータ処理システム若しくはコンピューティングデバイスを含む様々な種類のものであってもよい。コンピューティングデバイス及びネットワークの絶えず変化する性質のため、図１５に示すコンピュータ制御装置（又はコントローラ）１５００の説明は幾つかの実施形態を示すための特定の実施例としてのみを目的としている。コンピュータ制御装置（又はコントローラ）１５００の他の多くの構成が、図１５に示すコンピュータ制御装置（又はコントローラ）よりも多い又は少ないコンポーネントを有して可能である。
【００５８】
開示する実施形態をかなり詳細に示し、説明してきたが、添付特許請求の範囲の適用範囲をかかる詳細に制限するか、又は、何らかの方法で限定することは、意図するものではない。無論、主題の様々な態様を説明するために、コンポーネント又は手法の想定できる組み合わせの全てを説明することは不可能である。従って、開示は、図示し、説明した特定の詳細又は例示する実施例に限定されるものではない。それ故に、本開示は、米国特許法第１０１条（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１０１）の法定主題要件を満足させる添付特許請求の範囲の適用範囲に入る変更、改良、及び変形例を包含することを目的としている。特定の実施形態の上記の説明は、一例として与えられている。与えた開示から、当業者は、一般的発明概念及び付随する利点を理解するだけでなく、開示した構造及び方法に対する明白な、様々な変更及び修正を見出すであろう。従って、添付特許請求の範囲及びその均等物によって定義されるように、一般的発明概念の精神及び適用範囲に入るような全てのかかる変更及び修正をカバーすることが求められている。
【符号の説明】
【００５９】
１０，８００  積層造形システム
１４，８３０，１２９０  ロボット
２２，２４  部品
６０，１０２５，１４２５  溶着ツール
６４  消耗金属ワイヤ
６８，１０２０，１１２０，１３２０  ワイヤ送給装置
７２，１０１０，１１１０，１３１０，１４１０  電源
７６，１３０，８２０，１２８０，１５００  コンピュータ制御装置（又はコントローラ）
１０５  スイッチング電力供給部
４００  略正弦波状のビードウィービングパターン
４２５  幅寸法
４３０  長さ寸法
４４０  ウィービング幅
４５０  溶着進行方向
４６０  ビード幅
５００  略三角形のビードウィービングパターン
６００  略矩形のビードウィービングパターン
７００  方法
８１０，１０００，１１００，１３００，１４００  金属溶着装置
１０２７，１４２７  コンタクトチップ
１０３０，１４５０  消耗ワイヤ電極
１０３５，１４６０  電気アーク
１０４０，１２１５  ベース／部品
１１３０，１２２０  レーザ装置
１１３５，１２１０  レーザ光
１１４０，１３２５，１４３５  フィラーワイヤ
１２００  レーザホットワイヤ（ＬＨＷ）システム
１２３０  レーザ電力供給部
１２４０  抵抗性フィラーワイヤ
１２５０，１４２０  フィラーワイヤ送給装置
１２７０  電力供給部
１３３０  非消耗電極
１３３５  アーク
１４３０  第２のワイヤ送給装置
Ｎ，Ｎ＋１  構築層
【図１】
2020108905.tif 000003
【図２】
2020108905.tif 000004
【図３】
2020108905.tif 000005
【図４】
2020108905.tif 000006
【図５】
2020108905.tif 000007
【図６】
2020108905.tif 000008
【図７】
2020108905.tif 000009
【図８】
2020108905.tif 000010
【図９】
2020108905.tif 000011
【図１０】
2020108905.tif 000012
【図１１】
2020108905.tif 000013
【図１２】
2020108905.tif 000014
【図１３】
2020108905.tif 000015
【図１４】
2020108905.tif 000016
【図１５】
2020108905.tif 000017
【外国語明細書】
2020108905000001.pdf