(57)【要約】自由形状物体への金属の連続的な堆積を行うために立体自由形状造形により物体、特にチタン若しくはチタン合金のワイヤで作製される物体を製造するための溶接トーチに金属ワイヤを連続的に提供するためのワイヤ送給システム及び方法が提供される。システムは、ワイヤ供給スプール（５０）と、進入ワイヤ位置検出器（１１０）を備えた筐体と、ワイヤ送給装置（２００）と、少なくとも３つの弛みワイヤガイド（３００、４００、５００）と、弛みワイヤ引張装置（６００）と、筐体退出ガイド（１０００）とを備える。
2019521857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置調節可能なワイヤ供給スプールと、
開口を含む進入ワイヤ位置検出器を備える筐体と、
第１の電動溝付きローラと、第１の受動溝付きローラと、前記第１の電動溝付きローラに取り付けられた第１のモータとを備え、前記第１の電動溝付きローラ及び前記第１の受動溝付きローラが、前記第１の電動溝付きローラと前記第１の受動溝付きローラとの間にチャネルを形成する、ワイヤ送給装置と、
少なくとも３つの弛みワイヤガイドの組み合わせであって、第１の弛みワイヤガイドが、前記ワイヤ送給装置の後方に且つ前記ワイヤ送給装置と直線上に位置決めされ、第２の弛みワイヤガイドが前記第１の弛みワイヤガイドの右下方に位置決めされ、第３の弛みワイヤガイドが前記第１の弛みワイヤガイドの左下方に位置決めされる、少なくとも３つの弛みワイヤガイドの組み合わせと、
第２の電動溝付きローラと、第２の受動溝付きローラと、前記第２の電動溝付きローラに取り付けられた第２のモータとを備え、前記第２の電動溝付きローラ及び前記第２の受動溝付きローラが、前記第２の電動溝付きローラと前記第２の受動溝付きローラとの間にチャネルを形成する、弛みワイヤ引張装置と、
筐体退出ガイドと
を備える、金属ワイヤ送給システム。
【請求項２】
前記第１の弛みワイヤガイドが、
第１の溝と第２の溝とを有する第１の二重溝付きローラであって、前記筐体の背板に枢動可能に接続された第１のアームに取り付けられる第１の二重溝付きローラと、
第１の溝と第２の溝とを有する第２の二重溝付きローラであって、前記第１の溝付きローラの前記第１の溝と前記第２の溝付きローラの前記第１の溝とが、前記第１の溝付きローラの前記第１の溝と前記第２の溝付きローラの前記第１の溝との間にチャネルを形成し、且つ前記第１の二重溝付きローラの前記第１の溝が、前記筐体の前記背板に接続された第１の支持体に接続された前記第１のアーム上のばねにより付勢される、第２の二重溝付きローラとを備え、
前記第２の弛みワイヤガイドが、
前記筐体の前記背板に枢動可能に接続された第２のアームに取り付けられた第３の受動溝付きローラと、
第４の受動溝付きローラであって、前記第３の受動ローラの溝と前記第４の受動ローラの溝とが、前記第３の受動ローラの前記溝と前記第４の受動ローラの前記溝との間にチャネルを形成し、且つ前記第３の受動ローラの前記溝が、前記筐体の前記背板に接続された第２の支持体に接続された前記第２のアーム上のばねにより付勢される、第４の受動溝付きローラとを備え、並びに
前記第３の弛みワイヤガイドが、
前記筐体の前記背板に枢動可能に接続された第３のアームに取り付けられた第５の受動溝付きローラと、
第６の受動溝付きローラであって、前記第５の受動ローラの溝と前記第６の受動ローラの溝とが、前記第５の受動ローラの前記溝と前記第６の受動ローラの前記溝との間にチャネルを形成し、且つ前記第５の受動ローラの前記溝が、前記筐体の前記背板に接続された第３の支持体に接続された前記第３のアーム上のばねにより付勢される、第６の受動溝付きローラとを備え、
前記第１の弛みワイヤガイドと前記第２の弛みワイヤガイドと前記第３の弛みワイヤガイドとが、前記第１のワイヤガイドから前記第２のワイヤガイド、前記第３のワイヤガイドに、そして前記第１のワイヤガイドに戻るループ経路を形成する
請求項１に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項３】
前記第１の電動溝付きローラ、前記第１の受動溝付きローラ、前記第２の電動溝付きローラ、及び前記第２の受動溝付きローラのうちのいずれか１つ又はこれらの組み合わせの前記溝の表面の摩擦が増強される、請求項１又は２に記載の金属ワイヤ送給装置。
【請求項４】
前記第１のモータ及び前記第２のモータが各々別個に、出力制御信号により駆動される直流モータとステッピングモータとから選択される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項５】
前記進入ワイヤ位置検出器が、前記開口内の金属ワイヤの位置を検出する第１のセンサを更に備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項６】
前記第１のセンサが、前記ワイヤ供給スプールをＸ方向、Ｙ方向若しくはＺ方向の少なくとも一つの方向又はこれらの任意の組み合わせの方向に再配置できる制御システムと通信する、請求項５に金属ワイヤ送給システム。
【請求項７】
前記筐体が、前記筐体を開けずに前記筐体内の構成要素の視認を可能にするための、透明窓若しくは透明扉又はこれらの両方を更に備える、請求項７に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項８】
前記透明窓又は透明扉が、ガラス、アクリル（ポリ（メチルメタクリレート）若しくはＰＭＭＡ）、グリコール変性ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＧ）、又はポリカーボネートで作製される、請求項７に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項９】
前記ワイヤ送給装置が、前記ワイヤ供給スプールに巻き付けられたワイヤを前記筐体内に送給するように構成される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１０】
前記第１の受動溝付きローラにより及ぼされる圧力量を調整するための第１の加圧装置を更に備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１１】
前記第１の加圧装置が、第１の方向に移動させたときに前記第１の受動溝付きローラに加わる圧力を増加させ且つ第２の方向に移動させたときに前記第１の受動溝付きローラに加わる圧力を減少させる、油圧、空気圧、機械又は電子駆動式のピストンを備える、請求項１０に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１２】
前記第２の受動溝付きローラにより及ぼされる圧力量を調整するための第２の加圧装置を更に備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１３】
前記第２の加圧装置が、第１の方向に移動させたときに前記第２の受動溝付きローラに加わる圧力を増加させ且つ第２の方向に移動させたときに前記第２の受動溝付きローラに加わる圧力を減少させる、油圧、空気圧、機械又は電子駆動式のピストンを備える、請求項１２に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１４】
前記ワイヤ送給装置の前記第１のモータが、前記第１の電動溝付きローラを回転させるために前記第１の電動溝付きローラに接続される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１５】
前記弛みワイヤ引張装置の前記第２のモータが、前記第２の電動溝付きローラを回転させるために前記第２の電動溝付きローラに接続される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１６】
前記ワイヤ送給装置の前記第１のモータが、前記弛みワイヤ引張装置とは独立して動作する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１７】
前記筐体がループ検知装置を更に備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１８】
前記ループ検知装置が、
ａ）制御システムと通信する第１のセンサであって、前記第１のセンサが弛みワイヤの前記ループを検知したときに前記ワイヤ送給システム及び堆積プロセスの運転を停止させるように前記制御システムに信号を送信する第１のセンサ、又は
ｂ）制御システムと通信する第２のセンサであって、前記第２のセンサが弛みワイヤの前記ループを検知したときにより多くの金属ワイヤを前記筐体内に送給するように前記制御システムに信号を送信する第２のセンサ、又は
ｃ）前記制御システムと通信する第３のセンサであって、前記第３のセンサが弛みワイヤの前記ループを検知したときにより少ない金属ワイヤを前記筐体内に送給するように前記制御システムに信号を送信する第３のセンサ、又は
ｄ）前記制御システムと通信する第４のセンサであって、前記第４のセンサが弛みワイヤの前記ループを検知したときに前記筐体内への金属ワイヤの送給を停止させるように前記制御システムに信号を送信する第４のセンサ、又は
ｅ）ａ）、ｂ）、ｃ）及びｄ）の任意の組み合わせを備える、
請求項１７に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１９】
金属ワイヤを溶接トーチに提供する方法であって、
弛みワイヤのループを形成するように十分な量の前記金属ワイヤをワイヤ供給源から前進させることと、
ある量の弛みワイヤを弛みワイヤの前記ループから溶接トーチのプラズマアークへ前進させることと、
前記溶接トーチへ前進させた前記量の弛みワイヤを補って弛みワイヤのループを維持するために前記ワイヤ供給源から追加の金属ワイヤを供給することと
を含む、方法。
【請求項２０】
前記ワイヤ供給源から前進させる弛みワイヤの前記量が、前記溶接トーチへの弛みワイヤの連続送出を可能するために弛みワイヤの前記ループを維持するのに十分である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ワイヤ供給源は、前記金属ワイヤが巻き付けられる位置調節可能なスプールであり、且つ前記方法が、弛みワイヤの前記ループを形成するように前進させるべき前記金属ワイヤを提供するために前記金属ワイヤを前記スプールから繰り出すことを更に含む、請求項１９〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記ワイヤ供給スプールから繰り出される前記ワイヤを所望の位置に維持するために前記ワイヤ供給スプールを前記Ｘ方向、前記Ｙ方向若しくは前記Ｚ方向の少なくとも一つの方向又はこれらの組み合わせの方向に再配置することを更に含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記金属ワイヤに摩擦接触するローラを回転させて前記金属ワイヤを前記筐体内へ前進させることを更に含む、請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記ローラの回転が、前記ローラに取り付けられたモータを作動させることにより達成され、且つ前記モータが、ステッピングモータか、又は出力制御信号により駆動される直流モータである、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記供給源からの前記金属ワイヤの前進が、弛みワイヤの前記ループから前記溶接トーチへのある量の弛みワイヤの前進の影響を受けない、請求項１９〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記弛みワイヤに摩擦接触するローラを回転させて前記弛みワイヤを前記溶接トーチへ送出することを更に含む、請求項１９〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記ローラの回転が、前記ローラに取り付けられたモータを作動させることにより達成され、且つ前記モータが、ステッピングモータか、又は出力制御信号により駆動される直流モータである、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記溶接トーチが、プラズマアーク溶接トーチ、プラズマ移行型アークトーチ、ガスタングステンアーク溶接トーチ、ガスメタルアーク溶接トーチ、金属不活性ガス溶接トーチ、金属活性ガス溶接トーチ、レーザ装置、電子ビーム銃、又はこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１９〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体自由形状造形により物体、特にチタン及びチタン合金のワイヤから作製される物体を製造するための金属ワイヤを送給するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン又はチタン合金で作製された構造化金属部品は、従来、ビレットから鋳造、鍛造又は機械加工することにより作製されている。これらの技法には、高価なチタン金属の材料浪費が多く、金属部品の造形におけるリードタイムが長いという不都合がある。
【０００３】
十分に稠密な物理的物体は、高速プロトタイピング、高速製造法、積層製造法、立体自由形状造形法、付加造形法、付加製造法、又は３Ｄ印刷として知られる製造技術により作製され得る。この技術は、コンピュータ支援設計ソフトウェア（ＣＡＤ）を用いて、まず、作製すべき物体の仮想モデルを構築し、次に、その仮想モデルを、通常水平方向に向けられる薄い平行なスライス又は層に変換する。その後、物理的物体を、例えば溶融した溶接ワイヤからの、溶融金属などの、液体、ペースト、粉末の形態、又は他の積層可能な形態、塗り広げ可能な形態、若しくは流体形態の連続した原料の層、或いは仮想層の形状に類似するシート材料として予備成形された連続した原料の層を物体全体が形成されるまで積み重ねることにより作製してもよい。それらの層を合わせて融着させ、立体稠密物体を形成する。
【０００４】
立体自由形状造形は、典型的には各物体に対して数時間から数日の範囲の比較的高速の生産速度でほぼ全ての形状の物体の作成を可能にする柔軟な技術である。したがって、この技術は、試作品の形成及び少量連続生産に適しており、大量生産に規模を拡大することができる。
【０００５】
積層製造法の技術を、複数片の構成材料の堆積を含むように拡張してもよく、つまり、物体の仮想モデルの各構造層が、並べて置かれたときに層を形成する１組の部片に分割される。これにより、物体の仮想積層モデルに従って各層を形成する連続したストライプ状にワイヤを基材の上に溶接し、物理的物体全体が形成されるまで各層に対してプロセスを繰り返すことにより、金属物体を形成することができる。溶接技術の精度は、通常、許容可能な寸法の物体を直接形成できないほど粗い。したがって、形成される物体は、通常、許容可能な寸法精度まで機械加工する必要がある未加工物体又は予備成形品とみなされる。
【０００６】
金属材料を溶接するための熱を提供するためにプラズマアークを使用することが知られている。この方法は、大気圧又はより高い圧力で用いられてもよく、したがって、この方法により、より簡単でコストのかからないプロセス設備が実現される。そのような方法の１つは、プラズマ移行型アークが非消耗タングステン電極と溶接領域との間に形成されるガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ、ＴＩＧ溶接とも呼ばれる）として知られている。プラズマアークは通常、プラズマトーチを通じて送給されてアークの周囲に保護ガスシールドを形成するガスにより保護される。ＴＩＧ溶接は、金属ワイヤ又は金属粉末を溶加材として溶融池内又はプラズマアーク中に送給することを含み得る。他の溶接方法としては、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接、及び金属活性ガス（ＭＡＧ）溶接が挙げられ、これらの溶接では、金属ワイヤなどの消耗電極と加工物との間の電気アークが金属を加熱して溶融させる。
【０００７】
ＴＩＧ溶接トーチを使用して、立体自由形状造形（ＳＦＦＦ）（延性の低い金属供給原材料の連続した層が基材の上に堆積される）により物体を構築することが知られている（例えば、Ａｄａｍｓの（特許文献１）を参照）。電極を使用して流動ガスを励起することによりプラズマアークが生成され、電極には大きさの変化する電流が供給される。堆積前に加工物の所定の標的領域を予熱するために、プラズマ流を所定の標的領域に向けることができる。電流が調節されるとともに、プラズマ流に供給原材料が送給されて、溶融した供給原料が所定の標的領域に堆積される。電流が調節されるとともに、溶融した供給原料が高温（典型的には供給原材料の脆性−延性遷移温度を超える温度）に徐々に冷却されて、冷却段階において材料応力の発生が最小限に抑えられる。
【０００８】
Ｗｉｔｈｅｒｓ  ｅｔ  ａｌ．（特許文献２）はまた、原料のコストを大幅に低減する仕方でチタン供給材と合金化成分とを組み合わせることによる比較的低コストのチタン供給材料を用いる、立体自由形状造形（ＳＦＦＦ）プロセスにおいて従来使用されてきた高価なレーザの代りにＴＩＧトーチを使用することを説明している。より詳細には、一態様において、本発明は、合金ワイヤよりもコストの低い純チタンワイヤ（ＣＰ  Ｔｉワイヤ）を用いて、溶接トーチ又は他の高出力エネルギービームの溶融においてＣＰ  Ｔｉワイヤと粉末合金化成分とを結合することにより、ＳＦＦＦプロセスにおいてあるがままの状態でＣＰ  Ｔｉワイヤを粉末合金化成分と結合する。別の実施形態において、本発明は、合金化元素と混合されワイヤに成形されるチタンスポンジ材料であって、チタン製のニアネットシェイプの構成要素を生産するためにプラズマ溶接トーチ又は他の高出力エネルギービームとの組み合わせでＳＦＦＦプロセスにおいて使用され得るチタンスポンジ材料を用いる。
【０００９】
溶接トーチを使用して金属ワイヤから加工物の表面に金属を効果的に堆積させるためには、金属ワイヤを溶接トーチに対して正しい位置に維持することが必要である。金属ワイヤは、多くの場合、スプールから供給される。ワイヤスプールの回転を駆動するモータの出力トルクは、特に満杯のスプールから、ワイヤを定常状態で提供する上での制限要因となる可能性がある。スプール上のワイヤの回転慣性は、溶接トーチへ送出されるようにワイヤをスプールから繰り出すことができる速度及び加速度を制限する可能性がある。回転慣性、速度及び／又は加速度の変調は、ワイヤをコンタクトチップ組立体のプラズマアークへ送出するために使用されるローラ、案内ホイール又はクランプ装置からの滑りを引き起こすのに十分なものである可能性がある。滑りは、ワイヤに変形をもたらすとともに、プラズマアークに対するワイヤの所望の位置及び角度にずれを生じさせる可能性がある。滑りはまた、造形設備の運転速度を制限する。
【００１０】
バルクワイヤの回転質量、速度及び／又は加速度の変化もまた、ワイヤ送給速度のばらつき及び金属ワイヤの張力量のばらつきをもたらす可能性がある。ワイヤ源におけるワイヤ送給速度又はワイヤ加速度のばらつきが、ワイヤを溶接トーチのプラズマアークへ送出する送給ローラ及びプーリとワイヤ源との間に過剰な張力をもたらす場合、増加した張力により、ワイヤに捩じれ、曲がり又は他の変形が形成される可能性がある。また、高張力により金属ワイヤがワイヤ源に向けて引き戻される可能性があり、これにより、溶接電極への金属ワイヤの送給が防止され、作製される自由形状物体上に堆積される層に、望ましくない不連続な堆積層、又は意図しない穴若しくは隙間がもたらされる。張力が低すぎる場合には、余分な弛みが生じる可能性がある。余分なワイヤがワイヤ自体と又は機械類の一部と絡み合う可能性があり、これにより、ワイヤに曲がり又は捩じれが生じる可能性があり、ワイヤをプラズマアークに対して正しく位置決めすることが困難又は不可能になる。
【００１１】
加えて、スプールからのワイヤを繰り出しは、スプール上のワイヤのコイル状の性質によって、ワイヤがスプールから離れるときのワイヤの位置に変化をもたらす可能性がある。より高い使用率では、ワイヤの水平位置及び垂直位置が急激に変化する可能性があり、この変化は、ワイヤを溶接トーチへ送出するために使用されるローラ、案内ホイール又はクランプ装置からの滑りをもたらす可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１９３４８０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／１８５４７３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
よって、当該技術分野では、増加した金属堆積速度で自由形状造形を行う経済的な方法が必要である。更にまた、当該技術分野では、直接金属堆積により形成される製品のスループット及び歩留まりを向上させるために、金属ワイヤの滑り又は変形なしに溶接トーチに提供できる金属ワイヤの量を増加させるシステム及び方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の目的は、立体自由形状造形により金属物体を構築するための溶接トーチへの金属ワイヤの送出のためのシステムを提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、金属ワイヤ及び１つ又は複数の溶接トーチを使用して、チタン体又はチタン合金体の高速積層製造のための方法を提供することである。本発明は、プラズマアークに対する所望の場所での溶接トーチのプラズマアークへの金属ワイヤの送出のためのシステム及び方法を提供することにより、直接金属堆積を行う改良された経済的な方法の必要性に対処し、このことにより、立体自由形状造形において金属の堆積速度の増加がもたらされ得る。本発明は更に、スループットを向上させる方法の必要性に対処して、ニアネットシェイプの平滑な堆積境界を有する、歪みのない直接金属堆積により形成される部品を生産することができる。
【００１６】
本技術革新は、ワイヤ源からの金属ワイヤを受け入れて立体自由形状造形システムで使用すべきワイヤを送給するための金属ワイヤ送給システムを提供する。システムは、ワイヤ源からの金属ワイヤを受け入れる筐体と、ワイヤ源から筐体内に入るワイヤの位置を監視する位置決めセンサと、筐体内に弛みワイヤのループを形成するようにワイヤをワイヤ源から筐体内へ前進させるワイヤ送給装置と、筐体内の弛みワイヤの量を検出して変調する１つの又は２つ以上のセンサと、加工物の表面上に溶融させるために溶接トーチに対して所定の位置に位置決めされるようにある量の弛みワイヤを引っ張ってワイヤガイドに提供するワイヤ提供装置とを含む。溶接トーチは、任意の適切な設計又は構成を有することができる。例示の溶接トーチとしては、プラズマアーク溶接トーチ、プラズマ移行型アーク溶接トーチ、ガスタングステンアーク溶接トーチ、ガスメタルアーク溶接トーチ、金属不活性ガス溶接トーチ、金属活性ガス溶接トーチ、レーザ装置、電子ビーム銃、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。
【００１７】
本明細書で提供されるワイヤ送給システムは、ワイヤ源から筐体内への追加のワイヤの供給量を変調し、それにより、弛みワイヤのループのサイズ、ひいては、筐体内の弛みワイヤの量を変調するための、センサに応答する制御システムを含むことができる。
【００１８】
本明細書では、金属ワイヤ送給システムであって、位置調節可能なワイヤ供給スプールを含むワイヤ供給ユニットと、ワイヤ供給ユニットから筐体内に金属ワイヤを引き入れるためのワイヤ緊張ユニットを収容する筐体と、弛みワイヤのループを緩衝部として生成するワイヤ緩衝ユニットと、金属ワイヤがコンタクトチップ組立体の溶接トーチのプラズマアークに送給されるように、緩衝用ループから弛みワイヤを引っ張って弛みワイヤを筐体の外へコンタクトチップ組立体に向けて送給する弛みワイヤ送出ユニットとを含むことができる、金属ワイヤ送給システムが提供される。
【００１９】
筐体は、金属ワイヤ１８０が通過できる開口１２０を含む進入ワイヤ位置検出器１１０と、電動溝付きローラ２２０と受動溝付きローラ２０５と溝付きローラ２２０に取り付けられたモータ２２５とを含むワイヤ送給装置２００とを含むことができる。溝付きローラ２０５及び２２０は、摩擦増強面を備えることができる。電動溝付きローラ２２０及び受動溝付きローラ２０５は一緒になって、金属ワイヤ１８０が通過する通路を電動溝付きローラ２２０と受動溝付きローラ２０５との間に形成する。電動溝付きローラ２２０及び受動溝付きローラ２０５は、金属ワイヤ１８０の少なくとも一部分に摩擦接触し、電動溝付きローラ２２０及び受動溝付きローラ２０５の回転により、金属ワイヤ１８０がワイヤ緩衝ユニットに送給される。
【００２０】
本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムにおいて、進入ワイヤ位置検出器１１０は、開口１２０内のワイヤ１８０の位置を検出できるセンサ１２２の配列を更に備える。例示のセンサとしては、光学センサ、光ファイバセンサ、近接センサ、光電センサ、磁気センサ、及びこれらの組み合わせが挙げられる。これらのセンサは市販されている（例えば、Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ−Ｏｍｒｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｋｙｏｔｏ，Ｊａｐａｎを参照）。いくつかの構成において、進入ワイヤ位置検出器１１０は、光ファイバセンサの配列を含む。センサ１２２は、ワイヤ供給スプールをＸ方向、Ｙ方向若しくはＺ方向、又はこれらの組み合わせ方向に再配置できる制御システムと通信することができ且つ制御システムにフィードバックを与えることができる。制御システムは、センサ１２２からのフィードバックに応答してワイヤ供給の向きの制御を行うことができる。本明細書で提供されるシステムの筐体は、筐体を開けずに筐体内の構成要素の視認を可能にするための、透明窓若しくは透明扉又はこれらの両方を含むことができる。透明窓又は扉は、ガラス、アクリル（ポリ（メチルメタクリレート）若しくはＰＭＭＡ）、グリコール変性ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＧ）、又はポリカーボネートで作製することができる。
【００２１】
本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムにおいて、ワイヤ送給装置２００は、ワイヤをワイヤ供給スプールから筐体内に送給するように構成することができる。加圧装置８００を含むワイヤ緊張ユニット２０は、溝付きローラ２０５によりローラの溝内のワイヤに及ぼされる圧力（直交方向の力）の量を変調するために含めることができる。加圧装置８００は、伸長させたときに溝付きローラ２０５に加わる圧力を増加させ且つ収縮させたときに溝付きローラ２０５に加わる圧力を減少させる、油圧、空気圧、機械又は電子駆動式のピストンを含むことができる。加圧装置８００を含む緊張ユニット２０は、弛みワイヤ１８５のループを形成するように筐体内に送給されるワイヤ１８０の量を変調する。
【００２２】
金属ワイヤ送給システムのワイヤ緩衝ユニット３０は、少なくとも３つのワイヤガイドの組み合わせを含むことができる。第１のワイヤガイド３００が、ワイヤ送給装置２００の後方に且つワイヤ送給装置２００との直線上に位置決めされ、第２のワイヤガイド４００がワイヤガイド３００の右下方に位置決めされ、並びに第３のワイヤガイド５００がワイヤガイド３００の左下方に位置決めされ、ワイヤガイド３００とワイヤガイド５００とが互いに平行に位置決めされる。ワイヤガイド３００、４００及び５００は、弛みワイヤ１８５のループを形成して支持する。いくつかの構成において、弛みワイヤ１８５のループは、弛みワイヤ１８５の支持されない部分にかかる重力の作用に起因して長円形状をなす。
【００２３】
第１のワイヤガイド３００は、第１の溝と第２の溝とを有する二重溝付きローラ３０５であって、筐体の背板９００に枢動可能に接続されたアーム３１０に取り付けられるローラと、第１の溝と第２の溝とを有する二重溝付きローラ３２０であって、ローラ３０５の第１の溝とローラ３２０の第１の溝とがチャネルを形成し、且つローラ３０５の第１の溝が、背板９００に接続された支持体３３０に接続されたアーム３１０上のばねにより付勢される、二重溝付きローラ３２０とを含むことができる。
【００２４】
第２のワイヤガイド４００は、溝付きローラ４０５であって、筐体の背板９００に枢動可能に接続されたアーム４１０に取り付けられるローラと、溝付きローラ４２０であって、ローラ４０５の溝とローラ４２０の溝とがチャネルを形成し、且つローラ４０５の溝が、背板９００に接続された支持体４３０にアーム４１０上のばねにより接続される、溝付きローラ４２０とを含むことができる。第３のワイヤガイド５００は、溝付きローラ５０５であって、筐体の背板９００に枢動可能に接続されたアーム５１０に取り付けられるローラと、溝付きローラ５２０であって、ローラ５０５の溝とローラ５２０の溝とがチャネルを形成し、且つローラ５０５の溝が、背板９００に接続された支持体５３０に接続されたアーム５１０上のばねにより付勢される、溝付きローラ５２０とを含むことができる。ワイヤガイド３００、４００及び５００は、ワイヤガイド３００からワイヤガイド４００、ワイヤガイド５００に、そしてワイヤガイド３００に戻るループ経路を形成する。
【００２５】
本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムのワイヤ緩衝ユニットは、ループ検知装置７００を含むことができる。ループ検知装置７００は、筐体内の弛みワイヤのループの少なくとも一部分を検出するように位置決めすることができる。いくつかの構成において、ループ検知装置７００は、弛みワイヤのループの下部分を検出する。ループ検知装置７００は、１つ又は複数のセンサを含むことができる。ループ検知装置７００は、制御システムと通信するセンサ７３０を含むことができ、センサ７３０は、作動させたときに、より少ない金属ワイヤ１８０を筐体内に送給するように制御システムに信号を送信する。ループ検知装置７００は、制御システムと通信するセンサ７２０を含むことができ、センサ７２０は、作動させたときに、より多くの金属ワイヤ１８０を筐体内に送給するように制御システムに信号を送信する。ループ検知装置７００は、制御システムと通信するセンサ７４０を含むことができ、センサ７４０は、作動させたときに、筐体内への金属ワイヤ１８０の送給を停止させるように制御システムに信号を送信する。ループ検知装置７００は、制御システムと通信するセンサ７１０を含むことができ、センサ７１０は、作動させたときに、ワイヤ送給システムの運転を停止させるように制御システムに信号を送信する。ループ検知装置７００は、センサ７１０、７２０、７３０、及び７４０の任意の組み合わせを含むことができる。他の種類又は構成のセンサをループ検知装置７００として使用することもできる。
【００２６】
金属送給システムの弛みワイヤ送出ユニット４０は、電動溝付きローラ６２０と受動（非電動）溝付きローラ６０５とを備える弛みワイヤ引張装置６００と、溝付きローラ６２０に取り付けられたモータ６２５とを含むことができる。溝付きローラ６０５及び６２０は、摩擦増強面を備えることができる。電動溝付きローラ６２０及び受動溝付きローラ６０５は一緒になって、金属ワイヤ１８０が通過する通路を電動溝付きローラ６２０と受動溝付きローラ６０５との間に形成する。電動溝付きローラ６２０及び受動溝付きローラ６０５は、弛みワイヤ１８０の少なくとも一部分に摩擦接触し、且つ電動溝付きローラ６２０及び受動溝付きローラ６０５の回転により、弛みワイヤ１８５が引っ張られて、室退出ガイド１０００を通じて弛みワイヤ１８５が筐体の外へコンタクトチップ組立体の溶接トーチのプラズマアークに向けて送給される。
【００２７】
本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムにおいて、ローラ２２０、２０５、６２０及び６０５の溝の摩擦増強面は、表面に凸部を含むことができる。溝の摩擦増強面は、溝と溝を通過するワイヤとの間の摩擦力を増加させることができる。増強された摩擦力は、ワイヤと溝との滑りを減少させることができる。本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムにおいて、モータ２２５及びモータ６２５は各々別個に、出力制御信号により駆動される直流モータ及びステッピングモータとすることができる。
【００２８】
加圧装置８５０を含む弛みワイヤ送出ユニット４０は、溝付きローラ６０５によりローラの溝内の弛みワイヤに及ぼされる圧力（直交方向の力）の量を変調するために含めることができる。加圧装置８５０は、伸長させたときに溝付きローラ６０５に加わる圧力を増加させ且つ収縮させたときに溝付きローラ６０５に加わる圧力を減少させる、油圧、空気圧、機械又は電子駆動式のピストンを含むことができる。溝付きローラ２２０を回転させるために、ワイヤ送給装置２００のモータ２２５をローラ２２０に接続することができる。溝付きローラ６２０を回転させるために、弛みワイヤ引張装置６００のモータ６２５をローラ６２０に接続することができる。ワイヤ送給装置２００のモータ２２５は、弛みワイヤ引張装置６００とは独立して動作するように構成することができる。
【００２９】
金属ワイヤを溶接トーチのプラズマアークに提供する方法であって、弛みワイヤのループを形成するように十分な量の金属ワイヤをワイヤ供給源から前進させるステップと、ある量の弛みワイヤを弛みワイヤのループから溶接トーチへ前進させるステップと、溶接トーチへ前進させたある量の弛みワイヤを補って弛みワイヤのループを維持するためにワイヤ供給源から追加の金属ワイヤを供給するステップとを含む方法も提供される。ワイヤ供給源から前進させる弛みワイヤの量は、典型的には、溶接トーチへの弛みワイヤの連続送出を可能するために弛みワイヤのループを維持するのに十分である。ワイヤ供給源は、金属ワイヤが巻き付けられる位置調節可能なスプールとすることができ、且つ方法は、弛みワイヤのループを形成するように前進させるべき金属ワイヤを提供するために金属ワイヤをスプールから繰り出すことを更に含むことができる。方法は、ワイヤ供給スプールから繰り出されるワイヤを所望の位置に維持するためにスプールをｘ方向、ｙ方向若しくはｚ方向の一つの方向又はこれらの組み合わせの方向に再配置することをステップとして含むことができる。
【００３０】
方法は、金属ワイヤに摩擦接触するローラを回転させて金属ワイヤを筐体内に送給することをステップとして含むことができる。ローラの回転は、ローラに取り付けられたモータを作動させることにより達成することができ、ここで、ローラは、モータのシャフトに取り付けるか、又はモータに取り付けられたシャフトに取り付けることができる。モータは、ステッピングモータ、直流（ＤＣ）モータ、ブラシレスＤＣモータ、ユニバーサルモータ、リラクタンスモータ、ヒステリシスモータ、誘導モータ、同期モータ、分巻モータ、直巻モータ、複合モータ、又はこれらの任意の組み合わせとすることができる。ワイヤ緊張ユニットとワイヤ引張ユニットとの間の緩衝部としての機能を果たすことができる、弛みワイヤのループによって、供給源からの金属ワイヤの前進は、弛みワイヤのループから溶接トーチのプラズマアークへのある量の弛みワイヤの前進の影響を受けないものとすることができる。方法はまた、弛みワイヤに摩擦接触するローラを回転させて弛みワイヤを溶接トーチへ送出することを含むことができる。ローラの回転は、ローラに取り付けられたモータを作動させることにより達成することができ、且つモータは、ステッピングモータか、又は出力制御信号により駆動される直流モータである。
【００３１】
本明細書では、ワイヤ供給ユニットのワイヤ供給スプールからの金属ワイヤ１８０を受け入れる筐体を含むことができる金属ワイヤ送給システムが提供され、筐体は、金属ワイヤ１８０が筐体内に入る開口１２０を含む進入ワイヤ位置検出器１１０を備える。ワイヤ送給装置２００を備えるワイヤ緊張ユニットは、ワイヤ供給スプールからワイヤを受け取り、ワイヤ送給装置は、電動溝付きローラ２２０と、受動溝付きローラ２０５と、溝付きローラ２２０に取り付けられたモータ２２５とを備え、ワイヤは、電動溝付きローラ２２０及び受動溝付きローラ２０５各々の溝の少なくとも一部分と摩擦結合する。システムはまた、金属ワイヤ１８０から弛みワイヤ１８５のループを形成する３つ以上のワイヤガイドの組み合わせを含むワイヤ緩衝ユニットを含む。システムはまた、電動溝付きローラ６２０と、受動溝付きローラ６０５と、溝付きローラ６２０に取り付けられたモータ６２５とを備える弛みワイヤ引張装置６００を含む弛みワイヤ送出ユニットを含み、弛みワイヤ１８５は、電動溝付きローラ６２０及び受動溝付きローラ６０５各々の溝の少なくとも一部分と摩擦結合し、弛みワイヤ引張装置６００は、弛み金属ワイヤ１８５を弛みワイヤ１８５のループから筐体退出ガイド１０００を通じて筐体の外へトーチ溶接装置のプラズマアークに向けて前進させる。
【００３２】
本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムのワイヤ緩衝ユニットにおいて、弛みワイヤのループを形成するワイヤガイドの組み合わせは、第１の溝と第２の溝とを有する二重溝付きローラ３０５であって、筐体の背板９００に枢動可能に接続されたアーム３１０に取り付けられるローラと、第１の溝と第２の溝とを有する二重溝付きローラ３２０であって、ローラ３０５の第１の溝とローラ３２０の第１の溝とがチャネルを形成して電動ローラ２２０からの金属ワイヤ１８０を受け取り、且つローラ３０５の第１の溝が、背板９００に接続された支持体３３０に接続されたアーム３１０上のばねにより付勢されて金属ワイヤ１８０と係合する、二重溝付きローラ３２０とを含む第１のワイヤガイド３００を含むことができる。弛みワイヤのループを形成するワイヤガイドの組み合わせは、ローラ３０５の第１の溝とローラ３２０の第１の溝とにより形成されたチャネルを金属ワイヤ１８０が横切った後に金属ワイヤ１８０を受け取る、ワイヤガイド３００の右下方に位置決めされた第２のワイヤガイド４００であって、筐体の背板９００に枢動可能に接続されたアーム４１０に取り付けられた溝付きローラ４０５を含む、ガイド４００と、溝付きローラ４２０であって、ローラ４０５の溝とローラ４２０の溝とがチャネルを形成してワイヤガイド３００からの金属ワイヤ１８０を受け取り、且つローラ４０５の溝が、背板９００に接続された支持体４３０に接続されたアーム４１０上のばねにより付勢されて金属ワイヤ１８０と係合する、溝付きローラ４２０とを含むことができる。この組み合わせは、ワイヤガイド３００の左下方に且つワイヤガイド４００に平行に位置決めされた第３のワイヤガイド５００であって、ローラ４０５の溝とローラ４２０の溝とにより形成されたチャネルを金属ワイヤ１８０が横切った後に金属ワイヤ１８０を受け取るとともに、筐体の背板９００に枢動可能に接続されたアーム５１０に取り付けられる溝付きローラ５０５を含む、ワイヤガイド５００と、溝付きローラ５２０であって、ローラ５０５の溝とローラ５２０の溝とがチャネルを形成してワイヤガイド４００からの金属ワイヤ１８０を受け取り、且つローラ５０５の溝が、背板９００に接続された支持体５３０に接続されたアーム５１０上のばねにより付勢されて金属ワイヤ１８０と係合する、溝付きローラ５２０とを含むことができ、金属ワイヤ１８０は、ワイヤガイド４００とワイヤガイド５００との間に弛みワイヤ１８５のループを形成し、ローラ５０５と５２０との間に形成されたチャネルを横切り、且つローラ３０５の第２の溝とローラ３２０の第２の溝との間に形成されたチャネルを通って前進する。
【００３３】
本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムにおいて、電動ローラ２２０及び受動ローラ２０５の溝は、別個に又は組み合わせて、溝と金属ワイヤ１８０との間の摩擦を増加させるための凸部を含むことができ、且つ電動ローラ６２０及び受動ローラ６０５の溝は、別個に又は組み合わせて、溝と金属ワイヤ１８０との間の摩擦を増加させるための凸部を含むことができる。摩擦増加技術によりワイヤ表面が損傷を受けない限り、溝の表面と金属ワイヤとの間の摩擦力を増加させるローラの溝の表面の任意の改質を用いることができる。モータ２２５及びモータ６２５は各々別個に、分巻モータ、直巻モータ、複合モータ、誘導モータ、同期モータ、ステッピングモータ、ＤＣモータ、ブラシレスＤＣモータ、ユニバーサルモータ、リラクタンスモータ、及びヒステリシスモータから選択することができる。
【００３４】
金属ワイヤ送給システムは、開口１２０内のワイヤ１８０の位置を検出するセンサ１２２を含むことができる進入ワイヤ位置検出器１１０を含むことができる。センサ１２２は、開口１２０内の金属ワイヤ１８０の所望の位置を維持するためにワイヤ供給スプールをＸ方向、Ｙ方向若しくはＺ方向のいずれか一つの方向又はこれらの組み合わせの方向に再配置してスプールの位置及び向きを制御できる制御システムと通信することができる。
【００３５】
本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムにおいて、金属ワイヤ１８０は、ワイヤ供給スプールに巻き付けられ、且つワイヤ送給装置２００の作用により筐体内へ前進させることができる。金属ワイヤ１８０は、アルミニウム、鉄、コバルト、銅、ニッケル、炭素、チタン、タンタル、タングステン、ニオブ、金、銀、パラジウム、白金、ジルコニウム、又はこれらの合金若しくは組み合わせを含有することができる。金属ワイヤ１８０は、チタンか、又はＡｌ、Ｖ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｓｉ、及びＭｎの１つ若しくは組み合わせとの組み合わせでＴｉを含有するチタン合金を含有することができる。金属ワイヤ１８０は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、Ｔｉ−４５Ａｌ−２Ｎｂ−２Ｃｒ、Ｔｉ−４７Ａｌ−２Ｎｂ−２Ｃｒ、Ｔｉ−４７Ａｌ−２Ｗ−０．５Ｓｉ、Ｔｉ−４７Ａｌ−２Ｎｂ−ｌＭｎ−０．５Ｗ−０．５Ｍｏ−０．２Ｓｉ、及びＴｉ−４８Ａｌ−２Ｎｂ−０．７Ｃｒ−０．３Ｓｉからなる群から選択されたチタン合金を含有することができる。金属ワイヤ１８０は、略円形断面を有することができる。金属ワイヤ１８０は、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲の直径を有することができる。
【００３６】
本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムは、溝付きローラ２０５により金属ワイヤ１８０に及ぼされる圧力量を変調するための加圧装置８００を含むことができる。加圧装置８００は、伸長させたときに溝付きローラ２０５に加わる圧力を増加させ且つ収縮させたときに溝付きローラ２０５に加わる圧力を減少させる、油圧、空気圧、機械又は電子駆動式のピストンを含むことができる。
【００３７】
本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムは、溝付きローラ６０５により金属ワイヤ１８０に及ぼされる圧力量を変調するための加圧装置８５０を含むことができる。加圧装置８５０は、伸長させたときに溝付きローラ６０５に加わる圧力を増加させ且つ収縮させたときに溝付きローラ６０５に加わる圧力を減少させる、油圧、空気圧、機械又は電子駆動式のピストンを含むことができる。
【００３８】
金属ワイヤ１８０を前進させる目的で、溝付きローラ２２０が金属ワイヤ１８０に摩擦接触している間にローラ２２０を回転させるために、ワイヤ送給装置２００のモータ２２５をローラ２２０に接続にすることができる。溝付きローラ６２０の回転の結果として弛み金属ワイヤ１８５を引っ張る目的で、弛みワイヤ１８５に摩擦接触している間にローラ６２０を回転させるために、弛みワイヤ引張装置６００のモータ６２５を溝付きローラ６２０に接続することができる。ワイヤ送給装置２００のモータ２２５は、弛みワイヤ引張装置６００とは独立して動作することができる。
【００３９】
本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムでは、３つ以上のワイヤガイドの組み合わせにより、金属ワイヤ１８０に永久変形を生じさせない仕方で金属ワイヤ１８０が湾曲して金属ワイヤ１８０から弛みワイヤ１８５のループを形成することが許容される。
【００４０】
金属ワイヤを溶接トーチのプラズマアークに提供する方法も提供される。この方法は、金属ワイヤを受け入れる筐体を準備するステップと、弛みワイヤのループを形成するように十分な量の金属ワイヤをワイヤ供給源から筐体内に送給するステップと、ある量の弛みワイヤを弛みワイヤのループから溶接トーチのプラズマアークに送給するステップと、溶接トーチのプラズマアークに送給された弛みワイヤを補って弛みワイヤのループを維持するためにワイヤ供給源から追加の金属ワイヤを供給するステップとを含む。ワイヤ供給源から供給されるワイヤの量は、概して、溶接トーチのプラズマアークへの弛みワイヤの連続送出を可能するために弛みワイヤのループを維持するのに十分である。筐体内の弛みワイヤのループは、金属ワイヤを溶接トーチのプラズマアークに連続的に送給して金属ワイヤを溶接トーチのプラズマアーク中の所定の位置に維持できるように適切な位置に維持される。これにより、安定した信頼性の高いワイヤ送給速度が確保され、堆積プロセスにおける安定した大量投入速度が提供される。金属ワイヤ供給の不安定性は、不安定な堆積の原因になる可能性があり、また、ワイヤのバーンバック及び生産の停止をもたらす可能性がある。弛みワイヤのループは、ワイヤ供給源から筐体内への金属ワイヤの送給が、溶接トーチのプラズマアークに送給するための弛みワイヤのループからのある量の弛みワイヤの引張の影響を受けないことを可能にする。弛みワイヤのループは、金属ワイヤを供給源から筐体内に送給する緊張ユニットと、弛みワイヤをループから引っ張って弛みワイヤをプラズマアークに送給する弛みワイヤ引張ユニットとの間の緩衝部としての機能を果たす。
【００４１】
方法は、金属ワイヤに摩擦接触するローラを回転させて金属ワイヤを筐体内へ送出することを含むことができる。ローラを回転させることは、ローラに取り付けられたモータを作動させることにより達成することができる。モータは、分巻モータ、直巻モータ、複合モータ、誘導モータ、同期モータ、ステッピングモータ、ＤＣモータ、ブラシレスＤＣモータ、ユニバーサルモータ、リラクタンスモータ、又はヒステリシスモータとすることができる。いくつかの構成において、モータは、ステッピングモータか、又は出力制御信号により駆動される直流モータである。方法は、追加の金属ワイヤをワイヤ供給源から筐体内へ送出することにより所定量の弛みワイヤを筐体内に維持して弛みワイヤのループを維持することを含むことができる。供給源から筐体内への金属ワイヤの送出は、弛みワイヤのループから溶接トーチのプラズマアークへのある量の弛みワイヤの送給の影響を受けないものとすることができる。
【００４２】
方法は、金属ワイヤに摩擦接触するローラを回転させて弛みワイヤを溶接トーチへ送出することを含むことができる。ローラの回転は、ローラに取り付けられたモータを作動させることにより達成することができる。モータは、ステッピングモータか又は出力制御信号により駆動される直流モータなどの、任意のモータとすることができる。方法は、金属ワイヤを消耗電極として溶接トーチのプラズマアークに提供する。例示の溶接トーチは、プラズマ移行型アーク（ＰＴＡトーチ）などの、プラズマアーク溶接トーチ（ＰＡＷトーチ）である。ＰＡＷトーチは、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、特に非反応性ガスを使用してアークを形成する溶接（金属不活性ガス溶接又はＭＩＧ溶接）などの、金属ワイヤを加熱して溶融させるために電気アークを生成することが可能な任意の構成を有することができる。金属ワイヤは、消耗電極として使用されて、電気アークを使用して溶接トーチにより生み出されたプラズマアークの内部で溶融され、且つ溶融金属ワイヤは、加工物上の溶融池内に堆積されて、金属体に加えられ、ニアネットシェイプの金属体を形成する。溶接トーチはまた、レーザ装置、電子ビーム銃、又はこれらの組み合わせを含むことができる。
【００４３】
金属材料の連続した堆積物を互いに母材上に融着させることにより物体が作製される、立体自由形状造形により金属材料の３次元物体を製造するための方法であって、金属材料を堆積させるべき位置において母材を予熱するために第１の加熱装置を使用することと、予熱が実行された場合に溶融ワイヤからの溶融金属材料が母材上及び母材の予熱領域又は溶融領域又は部分溶融領域上に堆積されるように、金属ワイヤを加熱して溶融させるために金属ワイヤを第２の加熱装置に提供することと、溶融金属材料の連続した堆積物が固化して３次元物体を形成するように、第１の加熱装置及び第２の加熱装置の位置に対して母材を所定のパターンで移動させることとを含む、方法も提供される。方法は、第１及び第２の装置として、ＰＴＡトーチなどの、ＰＡＷトーチを、又は第１の加熱装置としてＰＡＷトーチを及び第２の加熱装置としてＰＡＷトーチを、又は第１の加熱装置としてレーザを及び第２の加熱装置としてレーザ装置を、又は第１の加熱装置としてレーザ装置を及び第２の加熱装置として電子ビーム銃を、又は第１の加熱装置として電子ビーム銃を及び第２の加熱装置としてレーザ装置を、又は第１の加熱装置として第１の電子ビーム銃を及び第２の加熱装置として第２の電子ビーム銃を利用することができる。ＰＡＷトーチとしてＰＴＡトーチを含むシステムでは、ＰＴＡトーチの電極がカソードになり且つ金属ワイヤがアノードになるように、ＰＴＡトーチを直流電源に電気的に接続することができる。方法は、第１の加熱装置として同軸型粉末送給ノズルレーザシステムを、及び第２の加熱装置としてレーザシステムを利用することができる。方法は、第１の加熱装置として第１の電子ビーム装置を、及び第２の加熱装置として第２の電子ビーム装置を利用することができる。
【００４４】
本発明の追加の特徴及び利点は、以下の説明に記載されており、且つ部分的にその説明から明らかになるか、又は本発明の実施により知ることができる。本発明の目的及び他の利点は、本明細書及び特許請求の範囲並びに添付の図面において特に指摘された構造により実現され達成されるであろう。
【００４５】
前述の一般的な説明と以下の詳細な説明の両方が、例示的且つ説明的なものであるとともに、特許請求される本発明の更なる解説を提供するように意図されていることを理解されたい。
【００４６】
本発明の更なる理解を提供するために含まれるとともに、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する、添付の図面は、本発明の実施形態を図示し、本説明とともに本発明の原理を解説する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムの構成要素を示す図である。図面には、ワイヤ供給ユニット１０、ワイヤ緊張ユニット２０、ワイヤ緩衝ユニット３０、及び弛みワイヤ送出ユニット４０が示されている。これらのユニットは、相互に作用して金属ワイヤをワイヤ供給源からコンタクトチップ組立体の溶接トーチのプラズマアークに移動させる。
【図２】図２は、筐体内の弛みワイヤのループを示す、本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムの実施形態の概略正面図である。弛みワイヤのループは、供給スプールからワイヤを送給するワイヤ送給システムと弛みワイヤをプラズマアーク又は溶接トーチに送給する弛みワイヤ引張装置とを隔てるワイヤ緩衝部としての機能を果たす。
【図３】図３は、例示のワイヤ供給ユニットの構成要素を示す概略正面斜視図である。
【図４】図４は、第１の受取ホイール１３０と第２の受取ホイール１３０とを含むワイヤ受取ユニットと進入ワイヤ位置検出器１１０とを通じての筐体内への金属ワイヤ１８０の進入を示す、本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムの実施形態の概略拡大図である。
【図５】図５は、ワイヤをワイヤ供給源から筐体内に送給する加圧装置８００を含む緊張ユニットと、ある量の弛みワイヤを筐体内に形成して維持するワイヤガイドの組み合わせと、ある量の弛みワイヤを引っ張って弛みワイヤを溶接トーチのプラズマアークに送給する加圧装置８５０を含む弛みワイヤ引張ユニットとを示す、本明細書で提供される金属ワイヤシステムの実施形態の概略拡大図である。
【図６】図６は、例示のワイヤ送給装置２００の概略拡大図である。
【図７】図７は、弛みワイヤのループを形成する、一連の３つのワイヤガイド３００、４００及び５００を含む例示のワイヤ緩衝ユニット３０の概略拡大図である。
【図８】図８は、例示の弛みワイヤ引張装置６００の概略拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
Ａ．定義
別段の定めのない限り、本明細書で使用される全ての技術的及び科学的用語は、本発明が属する当該技術分野の当業者により一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書中の開示全体を通じて参照される、全ての特許、特許出願、公開出願及び刊行物、ウェブサイト、並びに他の公開資料は、別段の断りのない限り、それらの全体が参照により組み込まれる。本明細書中の用語について複数の定義が存在する場合、本節のものが優先する。ＵＲＬ又は他のそのような識別子若しくはアドレスが参照される場合、そのような識別子は変わる可能性があり、インターネット上の特定の情報は現れたり消えたりする可能性があるが、インターネットを検索することにより同等の情報を見出すことができることが理解される。それらの参照により、そのような情報の利用可能性及び公的な普及が証明される。
【００４９】
ここで使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈上別段の明確な指示のない限り、複数の指示対象を含む。
【００５０】
本明細書で使用される場合、範囲及び量は、「約」特定の値又は範囲として表すことができる。「約」は正確な量も含む。よって、「約５パーセント」とは「約５パーセント」及び「５パーセント」も意味する。「約」とは、意図される用途又は目的に対する典型的な実験誤差の範囲内を意味する。
【００５１】
本明細書で使用される場合、「任意選択の」又は「任意選択的に」とは、続いて説明される事象又は状況が起こるか又は起こらないことと、その説明には事象又は状況が起こる場合及び事象又は状況が起こらない場合が含まれることを意味する。
【００５２】
例えば、システム内の任意選択の構成要素は、その構成要素がシステム内に存在してもしなくてもよいことを意味する。
【００５３】
本明細書で使用される場合、「組み合わせ」とは、２つの項目の間又は３つ以上の項目の中での任意の関係を指す。この関係は、空間的な関係とすることができ、又は共通目的のための２つ以上の項目の使用を指す。
【００５４】
本明細書で使用される場合、「プラズマアーク溶接トーチ」又は「ＰＡＷトーチ」とは、プラズマアーク溶接で使用できる溶接トーチを指す。トーチは、ガスが高温に加熱されプラズマを形成して導電性になり、次いで、プラズマが電気アークを加工物に移行させ、そして、アークの強烈な熱が金属を溶融させ且つ／又は２つの金属片を互いに融着させることができるように設計される。ＰＡＷトーチは、アークを絞るためのノズルを含むことができ、それにより、アークの出力密度を増加させる。プラズマガスは、典型的にはアルゴンである。プラズマガスを電極に沿って送給してカソードの近傍でイオン化し加速することができる。アークは、加工物の方に向けることができ、且つ（ＴＩＧトーチなどにおける）自由燃焼アークよりも安定している。ＰＡＷトーチはまた、典型的には、シールドガスを提供するための外側ノズルを有する。シールドガスは、アルゴン、ヘリウム、又はこれらの組み合わせとすることができ、且つシールドガスは、溶融金属の酸化を最小限に抑えるのを補助する。ＰＡＷトーチにおいて、電流は、典型的には最大４００Ａとすることができ、且つ電圧は、典型的には約２５〜３５Ｖとすることができる（但し、最大およそ１４ｋＷとすることができる）。本発明は、いかなる特定の選択又は種類のＰＡＷトーチにも拘束されない。ＰＡＷトーチとして機能できる任意の既知の又は考えられる装置を使用することができる。例示のＰＡＷトーチは、プラズマ移行型アーク（ＰＴＡ）トーチである。
【００５５】
本明細書で交換可能に使用される「プラズマ移行型アークトーチ」又は「ＰＴＡトーチ」という用語は、電気アーク放電によりプラズマへの不活性ガス流を加熱して励起し、その後、オリフィス（ノズルなど）を通して電気アークを含むプラズマガスの流れを移送し、オリフィスから延びてアークの強烈な熱を標的領域に伝達する抑制されたプルームを形成することができる、任意の装置を指す。ＰＴＡトーチの電極がカソードになり且つ標的領域がアノードになるように、電極及び標的領域を直流電源に電気的に接続することができる。これにより、電気アークを含むプラズマプルームが、ＰＴＡトーチから供給される熱流束の面積の広がり及び大きさの優れた制御により、標的領域の小さな表面積へ非常に集中した熱流を送出することが確実になる。プラズマ移行型アークには、ゆらぎがほとんどなく、カソードとアノードとの間の長さのずれに対して良好な耐性で、安定し且つ一貫したアークを提供するという利点がある。したがって、ＰＴＡトーチは、母材に溶融池を形成することと金属ワイヤ供給材を加熱して溶融させることの両方に好適である。ＰＴＡトーチは、有利には、タングステンで作製された電極と、銅で作製されたノズルとを有し得る。しかしながら、本発明は、いかなる特定の選択又は種類のＰＴＡトーチにも拘束されない。金属電極ワイヤを溶融させる安定した熱源を提供するＰＡＷトーチとして機能できる任意の既知の又は考えられる装置を使用することができる。
【００５６】
本明細書で使用される「出力密度」という用語は、例えば、プラズマアーク、レーザビーム、又は電子ビームから、単位面積に分配される出力量を指す。
【００５７】
本明細書で使用される「金属材料」という用語は、３次元物体を形成するようにワイヤに成形され且つ立体自由形状造形プロセスで用いられ得る任意の既知の若しくは考えられる金属又は金属合金を指す。好適な材料の例としては、限定されるものではないが、チタン及びチタン合金、すなわちＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金などが挙げられる。
【００５８】
本明細書で使用される「同様の金属材料」という用語は、金属材料が基準となる金属材料と同じ金属又は金属合金からなることを意味する。
【００５９】
本明細書で使用される「保持基材」という用語は、加工物を形成するようにＳＦＦＦ又は立体自由形状造形の技術を使用して、保持基材の材料と同じか又は異なる、追加の材料が堆積される、ターゲット基材を指す。例示の実施形態において、保持基材は平坦なシートである。代替的な実施形態において、保持基材は鍛造部品であってもよい。代替的な実施形態において、保持基材は、追加の材料を堆積させるべき物体であってもよい。例示の実施形態において、保持基材は、加工物の一部になることができる。保持基材の材料は、金属又は金属合金とすることができる。例示の実施形態において、保持基材は、ワイヤ供給材料と同じ金属で作製される。
【００６０】
種々の要素、構成要素、領域、層、及び／又はセクションを説明するために本明細書では第１の、第２の、第３のなどの用語が使用され得るが、本明細書で使用される場合には、これらの要素、構成要素、領域、層、及び／又はセクションがこれらの用語により限定されるべきではない。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層、又はセクションを別の領域、層、又はセクションと区別するためにのみ使用され得る。「第１の」、「第２の」などの用語及び他の数字用語は、本明細書で使用される場合、文脈上別段の明確な指示のない限り、配列又は順序を暗示するものではない。したがって、以下に述べる第１の要素、構成要素、領域、層、又はセクションを、例示の実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、又はセクションと呼ぶことができる。
【００６１】
本明細書で使用される「母材」という用語は、３次元物体を形成するために溶融金属材料を受けるためのターゲット材料を指す。母材は、金属材料の第１の層を堆積させるときの保持基材となる。金属材料の１つ又は複数の層が保持基材上に堆積されたときに、母材は、金属材料の新たな層を堆積させるべき堆積した金属材料の上部層となる。
【００６２】
本明細書で使用される場合、「弛みワイヤ」とは、ピンと張った状態に保持されていないか又は張力を受けた状態で保持されていないワイヤの部分を指す。
【００６３】
本明細書で使用される場合、「直接金属堆積」とは、加工物がコンピュータ支援設計モデルから生産される、積層製造プロセス又は３Ｄ印刷技術を指す。
【００６４】
本明細書で使用される場合、「摩擦増強面」とは、同じ材料の未処理の平滑面よりも大きな摩擦を発揮するように改質された表面を指す。摩擦が増強された表面への改質は、表面を粗面化すること、又は表面に凸部を含むこと、又はざらついた表面を提供することを含むことができる。改質表面は、改質表面と改質表面の接触する表面との滑りを最小限に抑えるために、改質表面と、改質表面に接触する金属ワイヤなどの、別の表面との摩擦接触を（非改質表面と比較して）増強することができる。
【００６５】
本明細書で使用される場合、「加工物」という用語は、立体自由形状造形法を使用して生産される金属体を指す。
【００６６】
本明細書で交換可能に使用される「コンピュータ支援設計モデル」又は「ＣＡＤモデル」という用語は、本発明の第２の態様による装置の制御システムにおいて用いられ得る、形成すべき物体の任意の既知の又は考えられる仮想３次元表現であって、保持基材の位置及び移動を調整するように、且つ、物理的物体が、物体の仮想３次元モデルに従った物理的物体の構築を結果としてもたらすパターンで金属材料の連続した堆積物を保持基材上に融着させることにより構築されるように、ワイヤ送給器の組み込まれた溶接トーチを動作させるように用いることができる仮想３次元表現を指す。これは、例えば、まず仮想３次元モデルを１組の仮想平行水平層に分割し、次いで、平行層の各々を１組の仮想準１次元部片に分割することにより、３次元物体の仮想ベクトル化積層モデルを形成することにより得られ得る。そして、物理的物体は、物体の仮想ベクトル化積層モデルの第１の層に従うパターンで、金属材料供給材の一連の準１次元部片を支持基材上に堆積させ融着させるように、制御システムを関与させることにより形成され得る。その後、物体の仮想ベクトル化積層モデルの第２の層に従うパターンで、先に堆積した層の上に溶接可能な材料の一連の準１次元部片を堆積させ融着させることにより、物体の第２の層に対するシーケンスを繰り返す。物体全体が形成されるまで、物体の仮想ベクトル化積層モデルの各連続した層に対して、層毎に堆積及び融着プロセスの繰り返しに基づいて堆積が続く。しかしながら、本発明は、本発明による装置の制御システムを実行するいかなる特定のＣＡＤモデル及び／又はコンピュータソフトウェアにも拘束されず、且つ本発明は、いかなる特定の種類の制御システムにも拘束されない。制御システムが、表面を予熱し且つ／又は溶融池を形成するための１つの第１のＰＡＷトーチと、金属材料の送給ワイヤを溶融池内に溶融させるための第２のＰＡＷトーチとを別個に動作させるように調節される限り、立体自由形状造形により金属３次元物体を構築できる任意の既知の又は考えられる制御システム（ＣＡＤモデル、コンピュータソフトウェア、コンピュータハードウェア、及びアクチュエータなど）が用いられてもよい。
【００６７】
Ｂ．金属ワイヤ送給システム
金属ワイヤをコンタクトチップ組立体の溶接トーチのプラズマアークに連続的に送給できるように、筐体内の弛みワイヤの量を適切な位置に維持する金属ワイヤ送給システムを緩衝部として使用して成形加工物（直接金属堆積法（例えば、付加製造法）を使用して製造される）への溶融金属の堆積速度を増加させることができることが分かっている。代表的な金属ワイヤ送給システムの図が図１に示されている。このシステムは、ワイヤ供給ユニット１０と、ワイヤ緊張ユニット２０と、ワイヤ緩衝ユニット３０と、弛みワイヤ送出ユニット４０とを含む。ユニットは互いに分離されるものとして模式的に示されているが、ユニットの２つ以上又は全てを、室又はハウジングなどの、単一の構造体内に収容することができる。
【００６８】
本発明及びその範囲のより完全な理解は、以下に簡潔にまとめられている、添付の図面から、本発明の現時点で好ましい実施形態の以下の詳細な説明から、及び添付の特許請求の範囲から得ることができる。ワイヤ供給ユニットの描かれていない、例示の金属ワイヤ送給システムの一部分の概略図が図２に示されている。
【００６９】
例示のワイヤ供給ユニット１０の構成要素が図３に示されている。ワイヤ供給ユニット１０は、金属ワイヤ１８０がワイヤ緊張ユニット２０に提供されることを可能にする構成要素を含む。図３に示すように、金属ワイヤ１８０は、金属ワイヤ供給スプール５０からワイヤ送給システムに提供することができる。第１の側方支持体７０と第２の側方支持体７１とに移動可能に接続される横断支持要素６５に移動可能に接続される垂直支持要素６０上の支点５５を中心に回転するようにワイヤ供給スプール５０を装着することができる。支点５５は、支点５５及びワイヤ供給スプール５０がＹ軸線に対して上下方向に（地面に対して上下に）移動することを可能にし、供給スプール５０を床に対して上昇又は下降させることを可能にするように、垂直支持要素６０に移動可能に接続される。このことは、供給スプール５０から到来する金属ワイヤ１８０が、ワイヤ緊張ユニットと、ワイヤ緩衝ユニットと、弛みワイヤ送出ユニットとを収容する筐体内への進入開口と同じ高さに維持されることを可能にする。
【００７０】
垂直支持要素６０は、支点５５の垂直位置を調節して金属ワイヤ供給スプール５０の垂直位置を調整するための、油圧式、空気圧式、機械式、又は電気式昇降システムを含むことができる。電動軌道システムが図３に描かれているが、任意の昇降システムを使用することができる。金属ワイヤ供給スプール５０の垂直方向位置決めの変化は、供給スプール５０から巻き出される金属ワイヤ１８０をワイヤがスプールから外されるときの高さと実質的に同じ高さに維持することを可能にし、これにより、ワイヤがスプールから繰り出されるときの、供給スプール５０に巻かれたワイヤの縮径に対処する。
【００７１】
垂直支持要素６０は、垂直支持要素６０がＸ軸線に対して水平に（図３に示す視点から見て左右に）移動することを可能にするように横断支持要素６５に移動可能に接続される。これにより、ワイヤ供給スプール５０をワイヤ送給システムの筐体のより近くに又はより遠くに再配置することが可能となる。横断支持要素６５は、垂直支持要素６０の位置を調節して金属ワイヤ供給スプール５０の水平位置を調整するための、油圧、空気圧、機械、又は電気システムを含むことができる。電動軌道システムが図３に描かれているが、垂直支持要素６０の位置を調節するために、任意の位置変更システムを使用することができる。
【００７２】
横断支持要素６５は、側方支持要素７０、７１に移動可能に取り付けられ、これにより、横断支持要素６５がＺ軸線に対して前後に（図３に示す視点から見て接近及び離隔）移動することが可能となる。このことは、ワイヤが供給スプール５０から繰り出されるときに金属ワイヤ１８０を検知装置１１０の開口１２０の略中心に維持するために（図７に詳細に示す）、金属ワイヤ供給スプール５０から巻き出される金属ワイヤ１８０が再配置されることを可能にする。側方支持要素７０及び７１の各々は、横断支持要素６５の位置を調節して金属ワイヤ供給スプール５０の位置を調整するための、油圧、空気圧、機械、又は電気システムを含むことができる。電動軌道システムが図３に描かれているが、横断支持要素６５の位置を調節するために、任意の位置変更システムを使用することができる。
【００７３】
側方支持体７０は、取付板によりボルト及びナットなどを介して、地面に取り外し可能に固定できる、前部取付支持体７２と後部取付支持体７４とに取り付けることができる。側方支持体７１は、取付板によりボルト及びナットなどを介して、地面に取り外し可能に固定できる、前部取付支持体７３と後部取付支持体７５とに取り付けることができる。前部取付支持体７２と７３又は後部取付支持体７４と７５は、横梁を使用して互いに取り付けることができる。図２は、横梁７８を使用して互いに取り付けられた後部取付支持体７４、７５を描いている。
【００７４】
制御システム（図示せず）は、金属ワイヤ１８０が進入開口１２０を通って筐体内に進入するときの金属ワイヤ１８０の所望の位置決めを維持するために、ワイヤ送給システムの検知装置１１０（図２及び図４に示し且つ図５に部分的に示す）から信号を受信して、金属ワイヤ供給スプールをＸ方向、Ｙ方向又はＺ方向に再配置することができる。制御システムは、コンピュータプロセッサ若しくは中央処理装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵディスプレイ、１つ若しくは複数の電源、電源接続部、入力及び／若しくは出力としての信号モジュール、アナログ信号の一体型シールド、記憶装置、回路基板、メモリチップ若しくは他の記憶媒体、内部で具現化されたコンピュータ可読プログラムを有する非一時的コンピュータ可読記憶媒体、又はこれらの任意の組み合わせを含むことができる。コンピュータ可読プログラムは、システムのいずれか１つ又は組み合わせを部分的又は完全に自動化するための適切なソフトウェアを含むことができる。コンピュータ可読プログラムは、パラメータを監視及び／又は調節するための適切なソフトウェアを含むことができる。例示のパラメータとしては、１つ若しくは複数のセンサの状態、金属ワイヤの張力、金属ワイヤが標的位置を通る速度、ワイヤ供給スプール上に残存する金属ワイヤの量、又はこれらの任意の組み合わせが挙げられる。例示の制御システムとしては、限定されるものではないが、Ｓｉｅｍｅｎｓ  ＡＧ（Ｍｕｎｉｃｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ）のＳＩＭＡＴＩＣ−Ｓ７−１５００、Ｂｏｓｃｈ  Ｒｅｘｒｏｔｈ  ＡＧ（Ｌｏｈｒ  ａｍ  Ｍａｉｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から入手可能なＩｎｄｒａＭｏｔｉｏｎ  ＭＴＸ  ｓｙｓｔｅｍ、及びＳＩＧＭＡＴＥＫ  ＧｍｂＨ  ＆  Ｃｏ．ＫＧ（Ｌａｍｐｒｅｃｈｔｓｈａｕｓｅｎ，Ａｕｓｔｒｉａ）から入手可能なＳＩＧＭＡＴＥＫ  Ｃ−ＩＰＣ（小型の産業用コンピュータシステム）が挙げられる。
【００７５】
制御システムは、ワイヤ送給装置２００と、弛みワイヤ１８５のループを形成するために使用される、一連の３つのワイヤガイド３００、４００及び５００を含むワイヤ緩衝ユニットと、弛みワイヤ１８５を引っ張って室退出ガイド１０００（図２を参照）を通じて弛みワイヤ１８５を筐体の外へ送給する弛みワイヤ引張装置６００とを収容する筐体の開口１２０の略中心に金属ワイヤ１８０を維持するために、支点５５の垂直位置、垂直支持要素６０の位置、及び横断支持要素６５の位置のいずれか１つ又は組み合わせを必要な方向に再配置する機構の作動を指示できるプログラムを実行可能なコンピュータを含むことができる。
【００７６】
金属ワイヤを溶接トーチのプラズマアークに連続的に送給して溶接トーチのプラズマアーク中の所定の位置に維持できるように、筐体内の弛みワイヤの量を適切な位置に維持する金属ワイヤ送給システムを使用して成形加工物への溶融金属の堆積速度を増加させることができることが分かっている。弛みワイヤのループは、安定した信頼性の高いワイヤ送給速度を維持するための緩衝部としての機能を果たし、生産プロセスのための安定した大量投入速度を確保する。不安定性は不安定な堆積の原因になるだけでなく、ワイヤのバーンバック及び生産の中断の原因にもなることがある。弛みワイヤのループは、ワイヤの速度、張力又は位置の不安定性を最小限に抑えることができる。加工物上に溶融させるために金属ワイヤが溶接トーチのプラズマアークに連続的に送給されるように、ワイヤ送給速度を実質的に一定に維持することができる。溶接トーチへの金属ワイヤの連続送給により、加工物への金属の平滑でない又は不連続な堆積が防止される。堆積のいかなる意図しない不連続箇所も、加工物に不完全さ、不規則性、及び欠陥をもたらす可能性があり、このことが、最終的に最終製品の層間剥離、疲労、又はひび割れにつながる可能性があり、潜在的に意図した目的に使用できなくする。金属ワイヤの連続送給の速度を増加させることは、加工物への溶融金属の堆積速度が増加することをも可能にし、自由形状造形プロセスの効率を高める。
【００７７】
図１を参照すると、ワイヤ緊張ユニット２０は、弛みワイヤ送出ユニット４０とは独立して制御することができる。よって、金属ワイヤは、弛みワイヤが弛みワイヤ送出ユニット４０の作用によりワイヤ送給用筐体の外側の溶接トーチのプラズマアークに提供される速度と異なるか又は実質的に同じ速度とすることができる速度で、ワイヤ緊張ユニット２０の作用によりワイヤ供給ユニット１０から筐体内に送給することができる。この配置では、ワイヤ緊張ユニット２０の作用により筐体内に送給されるワイヤの量は、溶接トーチのプラズマアークに送給するために弛みワイヤ送出ユニットにより引っ張られる弛みワイヤの量の影響を受けないものとすることができる。
【００７８】
概して、金属ワイヤは、金属ワイヤが巻き付けられる供給スプール上に用意することができる。金属ワイヤを筐体に提供するために、供給スプールに巻き付けられた多量のワイヤ全体を回転させる必要がある。緊張ユニットによりワイヤ供給スプールからワイヤを外す質量及び慣性の影響を、筐体内の弛みワイヤのループにより溶接トーチに提供されるワイヤから隔離することができる。ワイヤ源スプールからワイヤを外す質量及び慣性の影響が、溶接トーチへ送出されるワイヤから隔離されるので、筐体内でのワイヤの滑りが最小限に抑えられる。加えて、結果としてワイヤをワイヤ供給スプールに向けて引き戻す可能性のある、ワイヤ供給スプールからの慣性のいかなる影響も弛みワイヤのループにより排除され、それにより、溶接トーチのプラズマアークへの金属ワイヤの連続供給を行うことが可能となり、加工物上への溶融金属の望ましくない不連続な堆積を最小限に抑えられる。金属ワイヤの連続供給が溶接トーチのプラズマアークに対して行われるので、堆積プロセスを円滑且つ連続的に維持することができる。
【００７９】
金属ワイヤは、ワイヤ緊張ユニット２０を使用してワイヤ供給ユニット１０から筐体内に送給することができる。図２、図４及び図５に示すように、ワイヤ送給システムは、ワイヤ供給スプール５０からの金属ワイヤ１８０を筐体内に送給できる開口１２０を含む検知装置１１０を含むことができる。金属ワイヤ１８０は、ワイヤ送給装置２００により及ぼされる張力により開口１２０の略中心に維持することができる。図４に描かれているように、金属ワイヤ１８０は、検知装置１１０の開口１２０を通じて筐体内に入ることができ、且つ受動受取ホイール１３０と受動受取ホイール１３５とを含むワイヤ受取ユニットを通って進むことができ、受動受取ホイール１３０及び受動受取ホイール１３５は一緒になって、金属ワイヤ１８０が通過できるチャネルを受動受取ホイール１３０と受動受取ホイール１３５との間に形成する。任意選択的に、受取ホイール１３０又は受取ホイール１３５を金属ワイヤ１８０と係合するようにばねにより付勢することができる。図５を参照すると、金属ワイヤ１８０は、受動溝付きローラ２０５と電動溝付きローラ２２０との間の金属ワイヤ１８０に及ぼされる引張力により任意選択のブラケット１４０及び１４５を通して前進させることができる。ブラケット１４０及び１４５は、他の装置のための取付台として使用することができる。例えば、金属ワイヤ１８０が筐体内に入るときに金属ワイヤ１８０を観察するためのカメラをブラケット１４０に装着することができる。いかなる遊離した材料又は破片も除去するためのブラシをブラケット１４５に装着することができる。いくつかの構成において、ブラケット１４０及び１４５は除外される。
【００８０】
図２を参照すると、筐体は、筐体の背部分を画定する背板９００を含むことができる。背板９００にはフレーム１００が取り付けられ、フレーム１００には、筐体の側方外縁部を画定する側壁が取り付けられる（図には示さない）。天井及び床は、任意選択的に、側壁（図には示さない）に接続することができるとともに、存在する場合には、筐体の頂部及び底部をそれぞれ画定することができる。上部透明窓１０３は、ヒンジ（図示せず）を介してフレーム１００に接続することができ、且つ２つの下部透明扉１０４は、ヒンジ１０１を介してフレーム１００に接続される。透明窓１０３及び２つの下部透明扉１０４は、筐体の前部を構成する。窓及び扉は、ガラス、アクリル（ポリメチルメタクリレート又はＰＭＭＡ）、グリコール変性ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＧ）、又はポリカーボネートなどの、任意の材料で作製することができる。透明窓及び透明扉は、筐体の窓又は扉を開ける必要なしに金属ワイヤ送給システムの可視化を可能にする。センサ１２２は、金属ワイヤ１８０が開口１２０から筐体内に移動するときの金属ワイヤ１８０の位置を決定するために開口１２０の周囲に位置決めすることができる。センサ１２２は、金属ワイヤ１８０が開口１２０を通って筐体内に進入するときの金属ワイヤ１８０の所望の位置決めを維持するために、金属ワイヤ供給スプールをＸ方向、Ｙ方向及び／又はＺ方向に再配置できる制御システム（図示せず）に情報を送信することができる。例示のセンサとしては、光学センサ、光ファイバセンサ、近接センサ、光電センサ、磁気センサ、及びこれらの組み合わせが挙げられる。これらのセンサは市販されている（例えば、Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ−Ｏｍｒｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｋｙｏｔｏ，Ｊａｐａｎを参照）。いくつかの構成において、光ファイバセンサの配列は、開口１２０の周囲に位置決めすることができる。
【００８１】
更に図２を参照すると、筐体退出ガイド１０００は、金属ワイヤ１８０を筐体の外へ且つプラズマアーク溶接トーチのワイヤガイド内へ導くことができる。筐体退出ガイド１０００は、検知装置１１０の開口１２０と筐体退出ガイド１０００とが接続された場合に直線が得られるように、検知装置１１０との直線上に且つ検知装置１１０に平行に筐体の側壁に直接位置決めすることができる。筐体は、素手での偶発的接触からワイヤを保護し、素手で金属ワイヤ１８０を触れることを妨げる。この筐体は、ワイヤの汚染を最小限に抑えることができ、堆積された加工製品に不完全性をワイヤの汚染がもたらし得るので、汚染を最小限に抑えることが望ましい。筐体は、窓１０２及び／又は扉１０４の状態を監視する１つ又は複数のセンサを含むことができる。制御システムは、窓１０２及び／又は扉１０４の１つが開いているときはいつでも堆積プロセスが停止するようにプログラムすることができる。例示のセンサとしては、電気接点センサ、光学センサ、近接センサ、光電センサ、磁気センサ、及びこれらの組み合わせが挙げられる。例えば、円筒状の近接センサ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ−Ｏｍｒｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｋｙｏｔｏ，Ｊａｐａｎ）を窓若しくは扉又はこれら両方において使用することができる。
【００８２】
例示のワイヤ緊張ユニットは、ワイヤ供給スプールから送給されるワイヤに摩擦接触する電動ローラを含むことができるワイヤ送給装置を含む。モータは、ローラを回転させて金属ワイヤを筐体内に送給することができる。任意の種類のモータを使用することができる。例示のモータとしては、分巻モータ、直巻モータ、複合モータ、誘導モータ、同期モータ、ステッピングモータ、ＤＣモータ、ブラシレスＤＣモータ、ユニバーサルモータ、リラクタンスモータ、及びヒステリシスモータが挙げられる。ワイヤ供給ローラを駆動するモータは、出力制御信号により駆動される従来のＤＣモータとすることができる。出力制御信号は、電力が供給されている間のオン時間と電力が供給されていない間のオフ時間とを定める反復負荷サイクル特性を有することができる。モータはローラに直接取り付けることができるか、又はローラは、モータのシャフトに取り付けるか、若しくはモータに取り付けられたシャフトに取り付けることができる。モータをローラに接続するために、減速ギヤヘッドを使用することができる。モータを稼働させるために負荷サイクル特性を有する出力制御信号を使用することは、回転慣性又は巻き解けの影響を制御及び回避する能力によるワイヤの前進の正確な制御を可能にする。結果として、過剰量の追加のワイヤが筐体内に供給されるのではなく、所望の量の弛みワイヤを維持するのに十分な量のみが筐体内に持ち込まれる。ワイヤ供給ローラを駆動するモータは、駆動モータに供給される出力パルスの数を電子的に制御することにより正確な量のワイヤをワイヤ供給スプールから筐体内へ前進させることを可能にするステッピングモータとすることができる。
【００８３】
例示のワイヤ送給装置２００が図６に描かれている。供給スプール５０（図３に示す）からの金属ワイヤ１８０は、モータ２２５に取り付けられた電動溝付きローラ２２０と受動溝付きローラ２０５とを含むワイヤ送給装置２００の作用により筐体内に送給される。モータ２２５は、出力制御信号により駆動される従来の直流（ＤＣ）モータなどの、任意のモータとすることができ、又は駆動モータに供給される電気指令パルスの数を電子的に制御することにより正確な量のワイヤをワイヤ供給スプールから筐体内へ前進させることを可能にするステッピングモータとすることができる。金属ワイヤ１８０は、モータ２２５に取り付けられた電動溝付きローラ２２０の溝と受動溝付きローラ２０５の溝との間の位置に導かれる。溝付きローラ２０５及び溝付きローラ２２０は、金属ワイヤ１８０と係合できる凸部を溝内に含み、且つローラ間の溝を通して金属ワイヤ１８０を引っ張ることができる。溝内の凸部は、ローラ溝と金属ワイヤ１８０との間の摩擦力を増加させることができ、ローラが金属ワイヤ１８０と摩擦係合してローラを通して金属ワイヤ１８０を前進させることを可能にする。
【００８４】
受動溝付きローラ２０５及び電動溝付きローラ２２０は、典型的には、鋼で作製されるが、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）ニッケル−クロム合金、Ｍｏｎｅｌ（登録商標）ニッケル−銅合金、又はＴｏｕｇｈＭｅｔ（登録商標）銅−ニッケル−錫合金などの、他の合金で作製することができる。ローラが鋼で作製されるか又は鋼を含有する場合、鋼は、炭素鋼又はステンレス鋼とすることができる。例示の鋼としては、Ｓ３５５、Ｓ３５５ＪＲ、Ｓ３５５Ｊ２、Ｓ３５５Ｊ２＋Ｎ、及びＳ４５０Ｊ０が挙げられる。溝付きローラは、（例えば、Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｉｎｃ．，Ｂｒｉｇｈｔｏｎ，ＣＯ，ＵＳＡ、及びＳＢＩ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｈｏｌｌａｂｒｕｎ，Ａｕｓｔｒｉａで）市販されている。
【００８５】
受動溝付きローラ２０５が金属ワイヤ１８０に及ぼす直交方向の圧力量は、溝付きローラ２０５における溝の構成の選択と加圧装置８００が及ぼす圧力とにより調節することができる。ローラは、Ｖ字溝、Ｕ字溝、テーパ溝、円筒状溝、６０°溝、９０°溝、又は滑車溝を有することができる。加圧装置８００が及ぼす圧力を増加させることにより、溝付きローラ２０５がワイヤに及ぼす挟圧力が増加する。加圧装置８００の及ぼす圧力が過小であると、溝付きローラ２０５と溝付きローラ２２０との間からの金属ワイヤ１８０の滑りが発生する可能性がある。加圧装置８００の及ぼす圧力が過大であると、金属ワイヤ１８０の変形が発生する可能性がある。加圧装置８００により最大３バールの圧力を加えることができる。加圧装置８００は、伸長させたときに溝付きローラ２０５に加わる圧力を増加させ且つ収縮させたときに溝付きローラ２０５に加わる圧力を減少させる、油圧、空気圧、機械又は電子駆動式のピストンを含むことができる。モータ２２５の作用により、電動溝付きローラ２２０とワイヤ供給スプール５０との間の金属ワイヤ１８０に張力が生じる。金属ワイヤ１８０は、この張力により開口１２０の略中心に維持することができる。
【００８６】
受動溝付きローラ２０５と電動溝付きローラ２２０との間に作り出された通路を通過した後に、金属ワイヤ１８０は、筐体内に弛みワイヤ１８５のループを形成するための、受動溝付きローラを含むワイヤガイドの組み合わせを含む、ワイヤ緩衝ユニット３０へ進む。ワイヤ緩衝ユニット３０用のワイヤガイドの例示の構成が図７に描かれている。図７に描かれている構成では、弛みワイヤのループを形成するために、一連の３つの受動ワイヤガイド３００、４００及び５００が使用される。ワイヤガイド３００、４００及び５００の溝付きローラは、平滑なものであり、且つ典型的には鋼で作製される。鋼は、炭素鋼又はステンレス鋼とすることができる。例示の鋼としては、Ｓ３５５、Ｓ３５５ＪＲ、Ｓ３５５Ｊ２、Ｓ３５５Ｊ２＋Ｎ、及びＳ４５０Ｊ０が挙げられる。電動溝付きローラ２２０から離れた後に、金属ワイヤ１８０は、二重溝付きローラ３０５と二重溝付きローラ３２０とを含む二重溝付きワイヤガイド３００の第１の溝内に入る。ローラ３０５は、アーム３１０が背板９００に平行な平面内で接続軸線を中心に受動的に回転できるように背板９００に枢動可能に接続できる、アーム３１０に取り付けることができる。ローラ３０５は、支持体３３０に接続されたばねにより付勢されて金属ワイヤ１８０と係合することができる。
【００８７】
金属ワイヤ１８０は、ワイヤガイド３００のローラ３０５と３２０との間に形成されたチャネルを通して案内され、ワイヤガイド３００の二重溝ローラ３２０の右下方に位置決めされたワイヤガイド４００に向かって進む。ワイヤガイド４００は、溝付きローラ４０５と溝付きローラ４２０とを含むことができる。ローラ４０５は、アーム４１０が背板９００に平行な平面内で接続軸線を中心に受動的に回転できるように背板９００に枢動可能に接続できる、アーム４１０に取り付けることができる。ローラ４０５は、支持体４３０に接続されたばねにより付勢されて金属ワイヤ１８０と係合することができる。
【００８８】
金属ワイヤ１８０は、ワイヤガイド４００のローラ４０５とローラ４２０との間に形成されたチャネルを通して案内され、図２に描かれているように、二重溝ローラ３２０の左下方に位置決めされた、ワイヤガイド５００に向かって進むときに弛みワイヤのループを形成する。ワイヤガイド５００は、溝付きローラ５０５と溝付きローラ５２０とを含む。ローラ５０５は、アーム５１０が背板９００に平行な平面内で接続軸線を中心に受動的に回転できるように背板９００に枢動可能に接続できる、アーム５１０に取り付けることができる。ローラ５０５は、支持体５３０に接続されたばねにより付勢されて金属ワイヤ１８０と係合することができる。ワイヤガイド４００と５００との間の金属ワイヤ１８０は、弛みワイヤ１８５の単一のループを形成する。弛みワイヤ１８５のループは、ワイヤガイド４００と５００との間の支持されない金属ワイヤにかかる重力の影響により長円形状をなすことができる。
【００８９】
筐体内に入ることができる弛みワイヤが多いほど、弛みワイヤ１８５の単一のループが大きくなる。弛みワイヤ１８５のループは、堆積プロセスの要求に応えるために十分な金属ワイヤ１８０が正しい向きで存在することを確実にする緩衝部としての機能を果たす。堆積プロセスがより高速で行われているときには、より多くの金属ワイヤ１８０を筐体内に入れることができ、且つ弛みワイヤ１８５のループは、ループが筐体の大部分を占有できるように比較的大きなものとすることができる。堆積プロセスがより低速で行われているときには、より少ない弛みワイヤが必要とされ、したがって、より少ない金属ワイヤ１８０を筐体内に入れることができ、且つ弛みワイヤ１８５のループは、ループが筐体のより小さな部分を占有するように小さなものとすることができる。
【００９０】
本明細書で提供される金属ワイヤ送給システムは、筐体内の弛みワイヤのループの存在を検出できるループ検知装置７００を含むことができる。例示のループ検知装置は、図２に示すように、複数のセンサを含むことができる。図２に描かれているように、ループ検知装置７００は、筐体内の弛みワイヤの量を決定するために使用できるセンサ７１０、７２０、７３０及び７４０を含む。センサは、センサから受信したフィードバックに応答する制御システムと通信することができる。各センサは別個に、金属ワイヤ１８０がセンサにより検知されたときに制御システムに信号を送信することができる。センサからの信号に応答して、制御システムは、ワイヤ源から筐体内に引き込まれる追加のワイヤの供給量を変調し、それにより、弛みワイヤのループのサイズ、ひいては、筐体内の弛みワイヤの量を調整することができる。例示のセンサとしては、光学センサ、光ファイバセンサ、近接センサ、光電センサ、磁気センサ、及びこれらの組み合わせが挙げられる。これらのセンサは市販されている（例えば、Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ−Ｏｍｒｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｋｙｏｔｏ，Ｊａｐａｎを参照）。いくつかの構成において、センサ７１０、７２０、７３０及び７４０は、弛みワイヤとの接触を必要としない、光ファイバセンサ又は近接センサである。
【００９１】
例えば、図２に示す例示的な実施形態では、追加の金属ワイヤ１８０がワイヤ送給装置２００の作用により筐体内に運び込まれると、弛みワイヤ１８５のループの底部が下がり始める。ワイヤガイド３００、４００及び５００の位置決めと、支持されない弛みワイヤにかかる重力の影響とにより、弛みワイヤ１８５のループは概して長円形状を有する。弛みワイヤ１８５のループの底部がセンサ７２０に近接しているときに、センサ７２０は、制御システムに信号を送信する。制御システムは、センサ７２０からの信号に応答してより多くのワイヤを筐体内に送給するように予めプログラムされる。より多くの金属ワイヤ１８０が筐体内に送給されるときに、弛みワイヤのループの下部分が下がる。弛みワイヤ１８５のループの底部がセンサ７３０に近接しているときに、センサ７３０は、制御システムに信号を送信する。制御システムは、センサ７３０からの信号に応答してより少ないワイヤを筐体内に送給するように予めプログラムされる。弛みワイヤ１８５のループの底部とセンサ７２０及び７３０との相互作用は、堆積プロセス中に溶接トーチのプラズマアークに供給するための弛みワイヤの実質的に一定の供給を筐体内にもたらすことができる。
【００９２】
堆積プロセスが大幅に減速した場合には、弛みワイヤ１８５のループの底部が、筐体の床に向かって下がりセンサ７４０に近接し、センサ７４０により検出される。ワイヤ自体と絡み合うか又はさもなければワイヤがシステムを容易に通過するのを妨げる可能性がある、余分な弛みワイヤが筐体内に集まるのを防止する目的で、制御システムがセンサ７４０から信号を受信したときに、追加の金属ワイヤ１８０が筐体内に入るのを阻止するためにモータ２２５が停止されるように、制御システムをプログラムすることができる。
【００９３】
堆積プロセスが大幅に加速した場合、又はワイヤ供給材の供給が金属ワイヤ１８０の需要に追いつかない場合には、弛みワイヤ１８５のループの底部が、筐体の頂部に向かって上昇し、まずセンサ７２０に近接する。センサ７２０から制御システムへの信号に応答して十分な金属ワイヤが筐体内に持ち込まれない場合には、弛みワイヤ１８５のループの底部が上方に上昇し続ける。ループは、最後にはセンサ７１０に近接し、センサ７１０により検出される。センサ７１０は、モータ２２５及び６２５とプラズマアーク溶接トーチとを含む、システム全体の運転を停止させるようにプログラムすることができる、制御システムに信号を送信して、制御システムがセンサ７１０から信号を受信したときに、堆積プロセスが中断される。運転停止により、設備の損傷の危険性が最小限に抑えられる。
【００９４】
弛みワイヤ１８５がワイヤガイド５００のローラから離れた後に、弛みワイヤ１８５は、ワイヤガイド３００の二重溝付きローラ３０５の第２の溝と二重溝付きローラ３２０の第２の溝との間のチャネルを通して案内され、電動溝付きローラ６２０に接続されたモータ６２５と受動溝付きローラ６０５とを含む、弛みワイヤ引張装置６００に向かって進む。
【００９５】
モータ６２５は、出力制御信号により駆動される従来の直流（ＤＣ）モータ、又は駆動モータに供給される入力電気パルスの数を電子的に制御することにより正確な量のワイヤをワイヤ供給スプールから筐体内へ前進させることを可能にするステッピングモータなどの、任意のモータとすることができる。弛みワイヤ１８５は、モータ６２５に取り付けられた電動溝付きローラ６２０と受動溝付きローラ６０５との間の位置に導かれる。受動溝付きローラ６０５若しくは電動溝付きローラ６２０又はこれらの両方は、弛みワイヤ１８５と係合してローラを通して弛みワイヤ１８５を前進させることができる凸部を溝内に含むことができる。溝内の凸部は、ローラ溝と弛みワイヤ１８５との間の摩擦力を増加させることができ、ローラが弛みワイヤ１８５と摩擦係合してローラを通して弛みワイヤ１８５を引っ張ることを可能にする。
【００９６】
受動溝付きローラ６０５及び電動溝付きローラ６２０は、典型的には、鋼で作製されるが、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）ニッケル−クロム合金、Ｍｏｎｅｌ（登録商標）ニッケル−銅合金、又はＴｏｕｇｈＭｅｔ（登録商標）銅−ニッケル−錫合金などの、他の合金で作製することができる。ローラが鋼で作製されるか又は鋼を含有する場合、鋼は、炭素鋼又はステンレス鋼とすることができる。例示の鋼としては、Ｓ３５５、Ｓ３５５ＪＲ、Ｓ３５５Ｊ２、Ｓ３５５Ｊ２＋Ｎ、及びＳ４５０Ｊ０が挙げられる。溝付きローラは、（例えば、Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｉｎｃ．，Ｂｒｉｇｈｔｏｎ，ＣＯ，ＵＳＡ、及びＳＢＩ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｈｏｌｌａｂｒｕｎ，Ａｕｓｔｒｉａで）市販されている。
【００９７】
受動溝付きローラ６０５が弛みワイヤ１８５に及ぼす直交方向の圧力量は、溝付きローラ６０５における溝の構成の選択と加圧装置８５０が及ぼす圧力とにより調節することができる。ローラは、Ｖ字溝、Ｕ字溝、テーパ溝、円筒状溝、６０°溝、９０°溝、又は滑車溝を有することができる。加圧装置８５０が及ぼす圧力を増加させることにより、溝付きローラ６０５がワイヤに及ぼす挟圧力が増加する。加圧装置８５０の及ぼす圧力が過小であると、溝付きローラ６０５と電動溝付きローラ６２０との間からの弛みワイヤ１８５の滑りが発生する可能性がある。加圧装置８５０の及ぼす圧力が過大であると、金属ワイヤ１８０の変形が発生する可能性がある。加圧装置８００により最大３バールの圧力を加えることができる。
【００９８】
加圧装置８５０は、伸長させたときに受動溝付きローラ６０５に加わる圧力を増加させ且つ収縮させたときに受動溝付きローラ６０５に加わる圧力を減少させる、油圧、空気圧、機械又は電子駆動式のピストンを含むことができる。モータ６２５の作用によりワイヤが引っ張られ、その結果、弛みワイヤ１８５のループが縮小する。モータ２２５及び６２５は別個に動作させることができ、且つこれらモータの個々の作用により、筐体内の弛みワイヤの量と弛みワイヤ１８５のループのサイズとの調節が可能になる。溝付きローラ６０５及び電動溝付きローラ６２０を通過した後に、弛みワイヤ１８５は、筐体退出ガイド１０００を通って進み、プラズマアーク溶接トーチ装置のワイヤガイドへ送出される。
【００９９】
モータ６２５は、筐体退出ガイド１０００を通じて弛みワイヤ１８５を筐体の外へ前進させて弛みワイヤ１８５を溶接トーチ装置に供給するようにモータ６２５に信号を送信できる、溶接装置と通信することができる。
【０１００】
弛みワイヤ１８５のループは、ワイヤ要求側の弛みワイヤ引張ユニットの引張作用が、金属ワイヤ１８０を提供する供給スプール５０により引き起こされる考えられる悪影響から切り離されることを可能にする。スプールからの回転慣性及びワイヤスプールから引き出されるワイヤの質量は、ワイヤ送給システムの導入部分（検知装置１１０及び緊張ユニットのモータ２２５など）により対処するか又は弛みワイヤ１８５のループにより吸収することができ、回転慣性又は質量が溶接トーチの近傍でワイヤに伝達されるのを防止する。システムは、ワイヤ送給システムの入口側でのワイヤの巻き出しが溶接トーチへのワイヤの前進とは切り離されることを可能にする。弛みワイヤのループは、筐体内にワイヤガイド４００及び５００から自由に垂下しているので、ループのワイヤは、張力を受けずに、モータ２２５又は６２５の作用により容易に前進させることができる。弛みワイヤ１８５のループはまた、加工物上への金属の堆積を停止させずにワイヤ供給スプール５０を交換することを可能にする。弛みワイヤ１８５のループはまた、ワイヤ供給スプール５０と溶接トーチのワイヤ供給器との間の緩衝部としてある長さのワイヤを提供することにより、ワイヤが溶接トーチに一定速度で提供されることを可能にする。
【０１０１】
ワイヤ送給システムは、ワイヤ供給スプールの回転慣性に起因して起こる可能性があるワイヤの滑りを低減するように設計される。滑りは、金属ワイヤを溶接トーチのアーク中に位置合わせしようとした場合に顕在化するワイヤの変形又は他の問題の原因となる可能性がある。好ましい実施形態において、ワイヤは、いくつかのシステムにおいて使用されるような湾曲したものではなく真っ直ぐなものである。特に、金属ワイヤは、真っ直ぐであり、且つＳｔｅｍｐｆｅｒ（米国特許出願公開第２０１４／００６１１６５号明細書）で説明されているような、２トーチシステムにおいて使用することができる。このようなシステムでは、溶接トーチのプラズマアーク中における金属ワイヤの位置合わせを維持するためにワイヤ送給ユニットが真っ直ぐな金属ワイヤを送出可能であることが重要である。
【０１０２】
検知装置１１０を除いた筐体内のワイヤ送給システムの構成要素の各々は、最終的に背板９００に接続される。背板９００は、ワイヤ送給システムの構成要素を支持するのに好適な任意の材料を有することができる。いくつかの実施形態において、背板９００は、炭素鋼、ステンレス鋼、Ｓ３５５、Ｓ３５５ＪＲ、Ｓ３５５Ｊ２、Ｓ３５５Ｊ２＋Ｎ、及びＳ４５０Ｊ０から選択された鋼、ＡＡ６０６３、ＡＡ６０６３−Ｔ６、ＥＮ  ＡＷ−６０６３Ｔ６、ＡＷ−６０８２−Ｔ６、及びＥＮ  ＡＷ−６０６３Ｔ６／６０８２Ｔ６から選択されたアルミニウム合金などの、アルミニウム合金、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）ニッケル−クロム合金、Ｍｏｎｅｌ（登録商標）ニッケル−銅合金、又はＴｏｕｇｈＭｅｔ（登録商標）銅−ニッケル−錫合金とすることができる。
【０１０３】
弛みワイヤ１８５のループを形成する金属ワイヤ１８０は、プラズマアーク溶接、特にプラズマ移行型アーク溶接において使用される任意の金属を有することができる。金属ワイヤは、チタンとするか、又はチタンを含有することができる。金属ワイヤは、Ａｌ、Ｖ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｓｉ、及びＭｎの１つ若しくは組み合わせとの組み合わせでＴｉを含有するチタン合金とするか、又はこのチタン合金を含有することができる。例えば、例示のチタン合金としては、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、Ｔｉ−４５Ａｌ−２Ｎｂ−２Ｃｒ、Ｔｉ−４７Ａｌ−２Ｎｂ−２Ｃｒ、Ｔｉ−４７Ａｌ−２Ｗ−０．５Ｓｉ、Ｔｉ−４７Ａｌ−２Ｎｂ−ｌＭｎ−０．５Ｗ−０．５Ｍｏ−０．２Ｓｉ、及びＴｉ−４８Ａｌ−２Ｎｂ−０．７Ｃｒ−０．３Ｓｉが挙げられる。金属ワイヤは、アルミニウム、鉄、コバルト、銅、ニッケル、炭素、チタン、タンタル、タングステン、ニオブ、金、銀、パラジウム、白金、ジルコニウム、これらの合金、及びこれらの組み合わせを含有することができる。金属ワイヤは円形断面を有することができる。金属ワイヤは、任意の直径又は寸法を有することができる。いくつかの実施形態において、金属ワイヤの直径は、約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲とすることができる。例えば、金属ワイヤは、例えば、１．０ｍｍ、１．６ｍｍ、又は２．４ｍｍの直径を有することができる。
【０１０４】
ワイヤ供給システムは、金属ワイヤを任意の溶接トーチに供給するために使用することができる。例示の溶接トーチはＰＡＷトーチである。ＰＡＷトーチは、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、特に不活性ガスを使用してアークを形成する溶接（金属不活性ガス溶接又はＭＩＧ溶接）などの、金属ワイヤを加熱して溶融させるために電気アークを生成することが可能な任意の構成を有することができる。例示のＰＡＷトーチはＰＴＡトーチである。金属ワイヤは、電気アークを使用してトーチにより生み出されたプラズマ中で溶融させられ、且つ溶融金属ワイヤは、加工物上の溶融池内に堆積されて、金属体に加えられ、ニアネットシェイプの金属体を形成する。金属ワイヤの送給速度及び位置決めは、金属ワイヤが母材の溶融池よりも上の意図された位置に達したときに、金属ワイヤが連続的に加熱されて溶融されることを確実にするために、ＰＡＷトーチへの電力供給の効率に従って制御及び調整することができる。例示の溶接システムは、Ｇｕｌｄｂｅｒｇ（国際公開第２０１１／０１９２８７号パンフレット）、Ｉｒｅｌａｎｄ  ｅｔ  ａｌ．（米国特許第７，２２０，９３５号明細書）、Ｃｏｍｏｎ  ｅｔ  ａｌ．（米国特許第９，１４５，８３２号明細書）、Ｃｏｏｐｅｒ  ｅｔ  ａｌ．（米国特許出願公開第２０１０／０２７６３９６号明細書）、Ｂｉｓｋｕｐ  ｅｔ  ａｌ．（米国特許出願公開第２０１３／０１４０２８０号明細書）、及びＳｔｅｍｐｆｅｒ（米国特許出願公開第２０１４／００６１１６５号明細書）で説明されている。
【０１０５】
前述の説明は新しい点をかなり詳細に説明しているが、この説明は、本発明の範囲を限定するものとしてではなく、むしろ本発明の種々の実施形態の例示を提供するものとして解釈されるべきである。
【０１０６】
本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に種々の修正及び変形を加えることができることは、当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、本発明の修正及び変形が添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内にあるという条件でそれら修正及び変形を網羅することが意図される。
【符号の説明】
【０１０７】
以下は、明細書及び添付図面で使用される参照番号の一覧表である。
１０  ワイヤ供給ユニット
２０  ワイヤ緊張ユニット
３０  ワイヤ緩衝ユニット
４０  弛みワイヤ送出源
５０  ワイヤ供給スプール
５５  支点
６０  垂直支持要素
６５  横断支持要素
７０  第１の側方支持要素
７１  第２の側方支持要素
７２  前部取付支持体
７３  前部取付支持体
７４  後部取付支持体
７５  後部取付支持体
７８  フレーム横梁
１００  フレーム
１０１  ヒンジ
１０３  上部透明窓
１０４  下部透明扉
１１０  検知装置
１２０  開口
１２２  位置センサ
１３０  ワイヤ受取ユニットの第１の受取ホイール
１３５  ワイヤ受取ユニットの第２の受取ホイール
１４０  任意選択のブラケット
１４５  任意選択のブラケット
１８０  金属ワイヤ
１８５  弛みワイヤ
２００  ワイヤ送給装置
２０５  受動溝付きローラ
２１０  アーム
２２０  電動溝付きローラ
２２５  モータ
３００  第１の弛みワイヤガイド
３０５  二重溝付きローラ
３１０  アーム
３２０  二重溝付きローラ
３３０  支持体
４００  第２の弛みワイヤガイド
４０５  受動溝付きローラ
４１０  アーム
４２０  受動溝付きローラ
４３０  支持体
５００  第３の弛みワイヤガイド
５０５  受動溝付きローラ
５１０  アーム
５２０  受動溝付きローラ
５３０  支持体
６００  弛みワイヤ引張装置
６０５  受動溝付きローラ
６１０  アーム
６２０  電動溝付きローラ
６２５  モータ
７００  ループ検知装置
７１０  センサ
７２０  センサ
７３０  センサ
７４０  センサ
７８０  支持要素
７９０  支持要素
８００  加圧装置
８５０  加圧装置
９００  背板
１０００  筐体退出ガイド
【図１】
2019521857.tif 000003
【図２】
2019521857.tif 000004
【図３】
2019521857.tif 000005
【図４】
2019521857.tif 000006
【図５】
2019521857.tif 000007
【図６】
2019521857.tif 000008
【図７】
2019521857.tif 000009
【図８】
2019521857.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成30年5月7日(2018.5.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ワイヤ送給システムであって、
位置調節可能なワイヤ供給スプールと、
開口を含む進入ワイヤ位置検出器を備える筐体と、
第１の電動溝付きローラと、第１の受動溝付きローラと、前記第１の電動溝付きローラに取り付けられた第１のモータとを備え、前記第１の電動溝付きローラ及び前記第１の受動溝付きローラが、前記第１の電動溝付きローラと前記第１の受動溝付きローラとの間にチャネルを形成する、ワイヤ送給装置と、
少なくとも３つの弛みワイヤガイドの組み合わせであって、第１の弛みワイヤガイドが、前記ワイヤ送給装置の後方に且つ前記ワイヤ送給装置との直線上に位置決めされ、第２の弛みワイヤガイドが前記第１の弛みワイヤガイドの右下方に位置決めされ、第３の弛みワイヤガイドが前記第１の弛みワイヤガイドの左下方に位置決めされ、
前記第１の弛みワイヤガイドと前記第２の弛みワイヤガイドと前記第３の弛みワイヤガイドとが一緒になって、前記第２の弛みワイヤガイドと前記第３の弛みワイヤガイドとにより支持される弛みワイヤのループを形成するように、前記第１のワイヤガイドから前記第２のワイヤガイド、前記第３のワイヤガイドに、そして前記第１のワイヤガイドに戻るループ経路を形成する、少なくとも３つの弛みワイヤガイドの組み合わせと、
第２の電動溝付きローラと、第２の受動溝付きローラと、前記第２の電動溝付きローラに取り付けられた第２のモータとを備え、前記第２の電動溝付きローラ及び前記第２の受動溝付きローラが、前記第２の電動溝付きローラと前記第２の受動溝付きローラとの間にチャネルを形成する、弛みワイヤ引張装置と、
筐体退出ガイドと
を備える、金属ワイヤ送給システム。
【請求項２】
前記第１の弛みワイヤガイドが、
第１の溝と第２の溝とを有する第１の二重溝付きローラであって、前記筐体の背板に枢動可能に接続された第１のアームに取り付けられる前記ローラと、
第１の溝と第２の溝とを有する第２の二重溝付きローラであって、前記第１の溝付きローラの前記第１の溝と前記第２の溝付きローラの前記第１の溝とが、前記第１の溝付きローラの前記第１の溝と前記第２の溝付きローラの前記第１の溝との間にチャネルを形成し、且つ前記第１の二重溝付きローラの前記第１の溝が、前記筐体の前記背板に接続された第１の支持体に接続された前記第１のアーム上のばねにより付勢される、第２の二重溝付きローラとを備え、
前記第２の弛みワイヤガイドが、
前記筐体の前記背板に枢動可能に接続された第２のアームに取り付けられた第３の受動溝付きローラと、
第４の受動溝付きローラであって、前記第３の受動ローラの溝と前記第４の受動ローラの溝とが、前記第３の受動ローラの前記溝と前記第４の受動ローラの前記溝との間にチャネルを形成し、且つ前記第３の受動ローラの前記溝が、前記筐体の前記背板に接続された第２の支持体に接続された前記第２のアーム上のばねにより付勢される、第４の受動溝付きローラとを備え、並びに
前記第３の弛みワイヤガイドが、
前記筐体の前記背板に枢動可能に接続された第３のアームに取り付けられた第５の受動溝付きローラと、
第６の受動溝付きローラであって、前記第５の受動ローラの溝と前記第６の受動ローラの溝とが、前記第５の受動ローラの前記溝と前記第６の受動ローラの前記溝との間にチャネルを形成し、且つ前記第５の受動ローラの前記溝が、前記筐体の前記背板に接続された第３の支持体に接続された前記第３のアーム上のばねにより付勢される、第６の受動溝付きローラとを備える、請求項１に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項３】
前記第１の電動溝付きローラ、前記第１の受動溝付きローラ、前記第２の電動溝付きローラ、及び前記第２の受動溝付きローラのうちのいずれか１つ又はこれらの組み合わせの前記溝の表面の摩擦が増強される、請求項１又は２に記載の金属ワイヤ送給装置。
【請求項４】
前記第１モータ及び前記第２モータが各々別個に、出力制御信号により駆動される直流モータとステッピングモータとから選択される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項５】
前記進入ワイヤ位置検出器が、前記開口内の金属ワイヤの位置を検出する第１のセンサを更に備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項６】
前記第１のセンサが、前記ワイヤ供給スプールをＸ方向、Ｙ方向若しくはＺ方向の少なくとも一つの方向又はこれらの任意の組み合わせの方向に再配置できる制御システムと通信する、請求項５に金属ワイヤ送給システム。
【請求項７】
前記筐体が、前記筐体を開けずに前記筐体内の構成要素の視認を可能にするための、透明窓若しくは透明扉又はこれらの両方を更に備える、請求項７に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項８】
前記透明窓又は透明扉が、ガラス、アクリル（ポリ（メチルメタクリレート）若しくはＰＭＭＡ）、グリコール変性ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＧ）、又はポリカーボネートで作製される、請求項７に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項９】
前記ワイヤ送給装置が、前記ワイヤ供給スプールに巻き付けられたワイヤを前記筐体内に送給するように構成される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１０】
前記第１の受動溝付きローラにより及ぼされる圧力量を調整するための第１の加圧装置を更に備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１１】
前記第１の加圧装置が、第１の方向に移動させたときに前記第１の受動溝付きローラに加わる圧力を増加させ且つ第２の方向に移動させたときに前記第１の受動溝付きローラに加わる圧力を減少させる、油圧、空気圧、機械又は電子駆動式のピストンを備える、請求項１０に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１２】
前記第２の受動溝付きローラにより及ぼされる圧力量を調整するための第２の加圧装置を更に備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１３】
前記第２の加圧装置が、第１の方向に移動させたときに前記第２の受動溝付きローラに加わる圧力を増加させ且つ第２の方向に移動させたときに前記第２の受動溝付きローラに加わる圧力を減少させる、油圧、空気圧、機械又は電子駆動式のピストンを備える、請求項１２に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１４】
前記ワイヤ送給装置の前記第１のモータが、前記第１の電動溝付きローラを回転させるために前記第１の電動溝付きローラに接続される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１５】
前記弛みワイヤ引張装置の前記第２のモータが、前記第２の電動溝付きローラを回転させるために前記第２の電動溝付きローラに接続される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１６】
前記ワイヤ送給装置の前記第１のモータが、前記弛みワイヤ引張装置とは独立して動作する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１７】
前記筐体がループ検知装置を更に備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１８】
前記ループ検知装置が、
ａ）制御システムと通信する第１のセンサであって、前記第１のセンサが弛みワイヤの前記ループを検知したときに前記ワイヤ送給システム及び堆積プロセスの運転を停止させるように前記制御システムに信号を送信する第１のセンサ、又は
ｂ）制御システムと通信する第２のセンサであって、前記第２のセンサが弛みワイヤの前記ループを検知したときにより多くの金属ワイヤを前記筐体内に送給するように前記制御システムに信号を送信する第２のセンサ、又は
ｃ）前記制御システムと通信する第３のセンサであって、前記第３のセンサが弛みワイヤの前記ループを検知したときにより少ない金属ワイヤを前記筐体内に送給するように前記制御システムに信号を送信する第３のセンサ、又は
ｄ）前記制御システムと通信する第４のセンサであって、前記第４のセンサが弛みワイヤの前記ループを検知したときに前記筐体内への金属ワイヤの送給を停止させるように前記制御システムに信号を送信する第４のセンサ、又は
ｅ）ａ）、ｂ）、ｃ）及びｄ）の任意の組み合わせを備える、
請求項１７に記載の金属ワイヤ送給システム。
【請求項１９】
金属ワイヤを溶接トーチに提供する方法であって、
十分な量の前記金属ワイヤをワイヤ供給源から第１の弛みワイヤガイド、第２の弛みワイヤガイド、そして第３の弛みワイヤガイドへ前進させ、前記第１の弛みワイヤガイドと前記第２の弛みワイヤガイドと前記第３の弛みワイヤガイドとが一緒になって、前記第２の弛みワイヤガイドと前記第３の弛みワイヤガイドとにより支持される弛みワイヤのループを形成するように、前記第１のワイヤガイドから前記第２のワイヤガイド、前記第３のワイヤガイドに、そして前記第１のワイヤガイドに戻るループ経路を形成することと、
ある量の弛みワイヤを弛みワイヤの前記ループから溶接トーチのプラズマアークへ前進させることと、
前記溶接トーチへ前進させた前記量の弛みワイヤを補って弛みワイヤのループを維持するために前記ワイヤ供給源から追加の金属ワイヤを供給することを含み、
前記ワイヤ供給源から前進させる弛みワイヤの前記量が、前記溶接トーチへの弛みワイヤの連続送出を可能するために弛みワイヤの前記ループを維持するのに十分である、
方法。
【請求項２０】
前記ワイヤ供給源は、前記金属ワイヤが巻き付けられる位置調節可能なスプールであり、且つ前記方法が、弛みワイヤの前記ループを形成するように前進させるべき前記金属ワイヤを提供するために前記金属ワイヤを前記スプールから繰り出すことを更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ワイヤ供給スプールから繰り出される前記ワイヤを所望の位置に維持するために前記ワイヤ供給スプールを前記Ｘ方向、前記  Ｙ方向若しくは前記Ｚ方向の少なくとも一つの方向又はこれらの組み合わせの方向に再配置することを更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記金属ワイヤに摩擦接触するローラを回転させて前記金属ワイヤを前記筐体内へ前進させることを更に含む、請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記ローラの回転が、前記ローラに取り付けられたモータを作動させることにより達成され、且つ前記モータが、ステッピングモータか、又は出力制御信号により駆動される直流モータである、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記供給源からの前記金属ワイヤの前進が、弛みワイヤの前記ループから前記溶接トーチへのある量の弛みワイヤの前進の影響を受けない、請求項１９〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記弛みワイヤに摩擦接触するローラを回転させて前記弛みワイヤを前記溶接トーチへ送出することを更に含む、請求項１９〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記ローラの回転が、前記ローラに取り付けられたモータを作動させることにより達成され、且つ前記モータが、ステッピングモータか、又は出力制御信号により駆動される直流モータである、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記溶接トーチが、プラズマアーク溶接トーチ、プラズマ移行型アークトーチ、ガスタングステンアーク溶接トーチ、ガスメタルアーク溶接トーチ、金属不活性ガス溶接トーチ、金属活性ガス溶接トーチ、レーザ装置、電子ビーム銃、又はこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１９〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2019521857.tif 000011
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