(57)【要約】      （修正有）【課題】付加的ツール製造のための方法及びシステムを提供する。【解決手段】付加的製造システムは、３次元部品を形成するために材料を溶着する電極の列を含む電極ヘッド２０を含む。列は第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成される第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成される第二の複数の電極と、を含み、第一の延性は第二の延性より大きく、第二の硬度は第一の硬度より大きい。電源は、各電極のための溶接アークを確立するための電力を供給する。駆動ロールシステム５０は各電極を駆動する。コントローラは電源に接続されて、第一の複数の電極を使って部品の内側部分を形成するために付加的製造システムの動作を制御し、第二の複数の電極を使って部品の外側部分を形成して、部品の内側部分の延性が部品の外側部分の延性より大きくなるようにするために、付加的製造システムの動作を制御する。【選択図】図１
2019104059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
付加的製造システムにおいて、
３次元（３Ｄ）部品を形成するために材料を１層ずつ溶着するための複数の電極の列を含む電極ヘッドであって、前記複数の電極の列は、第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成される第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成される第二の複数の電極と、を含み、前記第一の延性は前記第二の延性より大きく、前記第二の硬度は前記第一の硬度より大きい電極ヘッドと、
前記複数の電極の列の各電極を加熱するための電力を供給するように構成された電源と、
前記複数の電極の列の各電極を駆動するように構成された駆動ロールシステムと、
前記電源に動作的に接続されるコントローラであって、
前記第一の複数の電極を使って前記部品の内側部分を形成するために、前記付加的製造システムの動作を制御し、
前記第二の複数の電極を使って、前記部品の前記内側部分を取り囲む前記部品の外側部分を形成し、それによって前記部品の前記内側部分の延性が前記部品の前記外側部分の延性より大きくなるようにするために、前記付加的製造システムの動作を制御する
ように構成されるコントローラと、
を含む付加的製造システム。
【請求項２】
前記複数の電極の列の前記電極は消耗溶接ワイヤである、請求項１に記載の付加的製造システム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記部品のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルにより画定される領域に前記材料を溶着するために前記付加的製造システムを動作させるようにプログラムされる、請求項１に記載の付加的製造システム。
【請求項４】
前記コントローラに動作的に接続された溶射サブシステムをさらに含み、前記コントローラは、前記部品上に金属コーティングを塗布するために前記溶射サブシステムの動作を制御するように構成される、請求項１に記載の付加的製造システム。
【請求項５】
前記コントローラに動作的に接続された粉末送給レーザサブシステムをさらに含み、前記コントローラは、前記部品の、前記内側部分及び前記外側部分より高い分解能を有する高分解能部分を形成するために前記粉末送給レーザサブシステムの動作を制御するように構成される、請求項１に記載の付加的製造システム。
【請求項６】
前記コントローラは、前記第一の複数の電極と前記第二の複数の電極の両方を使って、前記内側部分と前記外側部分との間に延びる、前記部品の移行部分を形成し、それによって前記移行部分が前記第一の金属材料及び前記第二の金属材料から形成される合金となるようにするために、前記付加的製造システムの動作を制御するように構成される、請求項１に記載の付加的製造システム。
【請求項７】
前記第一の金属材料の前記第二の金属材料に対する割合は、前記移行部分を通じて前記内側部分から前記外側部分へと減少する、請求項６に記載の付加的製造システム。
【請求項８】
付加的製造システムにおいて、
３次元（３Ｄ）部品を形成するために材料を１層ずつ溶着するための複数の電極の列を含む電極ヘッドであって、前記複数の電極の列は、第一の金属組成物から形成される第一の複数の電極と、前記第一の金属組成物とは異なる第二の金属組成物から形成される第二の複数の電極と、を含む電極ヘッドと、
前記複数の電極の列の各電極を加熱するための電力を供給するように構成された電源と、
前記複数の電極の列の各電極を駆動するように構成される駆動ロールシステムと、
前記電源に動作的に接続されるコントローラであって、
前記第一の複数の電極を使用するが前記第二の複数の電極を使用せずに前記部品の内側部分を形成するために前記付加的製造システムの動作を制御し、
前記第二の複数の電極を使用するが前記第一の複数の電極を使用せずに前記部品の外側部分を形成するために前記付加的製造システムの動作を制御し、
前記第一の複数の電極と前記第二の複数の電極の両方を使って、前記内側部分と前記外側部分との間に延びる、前記部品の移行部分を形成し、それによって前記移行部分が前記第一の金属組成物と前記第二の金属組成物から形成される合金であるようにするために前記付加的製造システムの動作を制御する
ように構成されるコントローラと、
を含む付加的製造システム。
【請求項９】
前記複数の電極の列の前記電極は消耗溶接ワイヤである、請求項８に記載の付加的製造システム。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記部品のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルにより画定される領域に前記材料を溶着するために前記付加的製造システムを動作させるようにプログラムされる、請求項８に記載の付加的製造システム。
【請求項１１】
前記コントローラに動作的に接続された溶射サブシステムをさらに含み、前記コントローラは、前記部品上に金属コーティングを塗布するために前記溶射サブシステムの動作を制御するように構成される、請求項８に記載の付加的製造システム。
【請求項１２】
前記コントローラに動作的に接続された粉末送給レーザサブシステムをさらに含み、前記コントローラは、前記部品の、前記内側部分及び前記外側部分より高い分解能を有する高分解能部分を形成するために前記粉末送給レーザサブシステムの動作を制御するように構成される、請求項８に記載の付加的製造システム。
【請求項１３】
前記第一の金属組成物の前記第二の金属組成物に対する割合は、前記移行部分を通じて前記内側部分から前記外側部分へと減少する、請求項８に記載の付加的製造システム。
【請求項１４】
前記第一の金属組成物はカーボンスチールであり、前記第二の金属組成物はステンレススチールである、請求項１３に記載の付加的製造システム。
【請求項１５】
部品の、前記部品を通じた亀裂の伝播を限定する付加的製造方法において、
付加的製造システムであって、
前記部品を形成するために１層ずつ材料を溶着するための複数の電極の列を含む電極ヘッドであって、前記複数の電極の列は、第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成される第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成される第二の複数の電極と、を含み、前記第一の延性は前記第二の延性より大きく、前記第二の硬度は前記第一の硬度より大きい電極ヘッドと、
前記複数の電極の列の各電極のための電気アークを確立するための電力を供給するように構成された電源と、
前記複数の電極の列の各電極を駆動するように構成された駆動ロールシステムと、
前記電源に動作的に接続されたコントローラと、
を含む付加的製造システムを提供するステップと、
少なくとも前記第一の複数の電極と前記第二の複数の電極から前記部品を付加的製造するステップであって、
前記第一の複数の電極を使って前記部品の内側部分を形成するステップと、
前記第二の複数の電極を使って、前記部品の前記内側部分を取り囲む前記部品の外側部分を形成し、前記部品の前記内側部分の延性は前記部品の前記外側部分の延性より大きいステップと、
を含む付加的製造するステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
前記、第一の複数の電極と前記第二の複数の電極の両方を使って、前記内側部分と前記外側部分との間に延びる、前記部品の移行部分を形成し、それによって前記移行部分は前記第一の金属材料と前記第二の金属材料の合金であるようにするステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第一の金属材料の前記第二の金属材料に対する割合は、前記移行部分を通じて前記内側部分から前記外側部分へと減少する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
移行部分を形成する前記ステップは、付加的製造中に前記第一の複数の電極と前記第二の複数の電極の両方の作動電極数を調節して、前記内側部分から前記外側部分へと前記割合を調節するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記部品のための内部冷却導管を提供するステップをさらに含み、前記部品の前記内側部分は前記内部冷却導管の周囲に形成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記付加的製造システムは溶射サブシステムをさらに含み、前記方法は、前記溶射サブシステムによって前記内部冷却導管の上に金属コーティングを塗布するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
２０１７年１１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／５９２，０４５号の利益が本願により主張され、その開示が参照によって本願に援用される。
【０００２】
本発明の実施形態は、溶接又は溶接に似た技術（例えば、クラディング）、より詳しくは複数のプロセスを使用する付加的ツール製造に関するシステムと方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、付加的製造プロセスは、ニアネットシェイプ部品を比較的低い溶着速度（例えば、粉末：３０〜１００ｃｍ３／時、ワイヤ：８００〜２０００ｃｍ３／時）で製作することができ、各部品は１層ずつ構築される。構築時間は長くなる可能性があり、時々、低い入熱に起因する融合不良等の欠陥が生じることがある。ワイヤを利用する付加的製造プロセスの溶着速度は粉末利用のプロセスより速い可能性があるが、粉末利用のプロセスのほうが、より細かい特徴物に関する分解能がより高い可能性がある。それゆえ、それぞれの付加的製造プロセスに長所と短所があり、ニアネットシェイプ部品を製造する際にこれらを考慮すべきである。
【０００４】
伝統的に、ジグ、固定具、金型、鋳型、工作機械、切削ツール、ゲージ、及びその他のツール（本明細書において、概してツール又はツーリングと呼ばれる）が様々な製造プロセスで使用される。このようなツーリングは典型的に、特定の機能（例えば、金属スタンピング又は鍛造）を行うために非常に硬く製造され、高い炭素含有率を有する傾向がある。ツーリングは多くの場合、非常に硬い材料で製造され、これは単体の鍛錬材料から機械加工される。例えば、硬いツールは多くの場合、急冷を通じてマルテンサイト構造（例えば、マルテンサイト）を形成することによって製造される。マルテンサイト構造は一般に、鋼鉄結晶構造の非常に硬い形態を指すが、無拡散変態により形成されるあらゆる結晶構造も指してよい。一般に、マルテンサイトは、焼き入れ鋼の主成分である、硬く、非常に脆い鉄中炭素固溶体である。製造機能を実行するためにツーリングの硬さが必要となることが多いが、このような硬いツーリングは、炭素含有量が非常に高いため、割れやすい。しかしながら、典型的に、使用中に高い応力及び／又は温度を受けるのはツーリングの表面の一部のみであり、ツーリングの残りの部分は受けない。
【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、ツーリングのための付加的製造に関するプロセス、組成物、及び構造を含む。このようなツーリングは、例えば高温又は低温プロセスを通じた金属のスタンピング、鍛造、もしくは鋳造のために、又は金属もしくはプラスチックの押出しのために使用されてもよい。また、ツーリングは、例えば射出成形プロセスにおける金属、プラスチック、又はガラスの射出に使用されてもよい。さらに、ツーリングは、例えばファイバグラス又はカーボンファイバを用いるプロセスで使用されてもよい。このようなツーリングは、高温及び／又は低温環境で動作し、衝撃、摩耗、変形、腐食、熱衝撃、及び浸食のうちの１つ又は複数に耐えられる必要があるかもしれない。例えば、インバールは熱膨張率の低いニッケル鉄合金である。本明細書において説明するツーリングの付加的製造のためのプロセス、組成物、及び構造は、伝統的な非付加的方式とは異なる。付加的製造を通じた（炭素含有量の高い）ツーリングの製造／製作は、このような溶着物の硬くて脆い性質が原因で非常に難しい。したがって、付加的製造プロセスを通じたツーリングの製造は、従来法で製造されたツーリングと同じ合金成分を使用しない。付加的ツーリング製造のためには、炭素を何れかの別の合金に置き換えてもよく、冷却速度は、ツーリングの強度又はその他の所望の特性を提供するように制御される。
【０００６】
１つの実施形態において、付加的製造システムは、３次元（３Ｄ）部品を形成するために材料を１層ずつ溶着するための複数の電極の列を含む電極ヘッドを含む。複数の電極の列は、第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成される第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成される第二の複数の電極と、を含み、第一の延性は第二の延性より大きく、第二の硬度は第一の硬度より大きい。電源は、複数の電極の列の各電極のための溶接アークを確立するための電力を供給するように構成される。駆動ロールシステムは、複数の電極の列の各電極を駆動するように構成される。コントローラは電源に動作的に接続され、第一の複数の電極を使って部品の内側部分を形成するために付加的製造システムの動作を制御し、第二の複数の電極を使って、部品の内側部分を取り囲む部品の外側部分を形成し、それによって部品の内側部分の延性が部品の外側部分の延性より大きくなるようにするために付加的製造システムの動作を制御する。１つの実施形態において、複数の電極の列の電極は消耗溶接ワイヤである。１つの実施形態において、コントローラは、部品のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルにより画定される領域に材料を溶着するために付加的製造システムを動作させるようにプログラムされる。付加的製造システムは、コントローラに動作的に接続された溶射サブシステムを含むことができ、コントローラは、部品上に金属コーティングを塗布するために溶射サブシステムの動作を制御するように構成される。付加的製造システムは、コントローラに動作的に接続された粉末送給レーザサブシステムを含むことができ、コントローラは、部品の、前記内側部分及び前記外側部分より高い分解能を有する高分解能部分を形成するために粉末送給レーザサブシステムの動作を制御するように構成される。１つの実施形態において、コントローラは、第一の複数の電極と第二の複数の電極とを使って、内側部分と外側部分との間に延びる、部品の移行部分を形成し、それによって移行部分は第一の金属材料及び第二の金属材料から形成される合金であるようにするために付加的製造システムの動作を制御するように構成される。別の実施形態において、第一の金属材料の第二の金属材料に対する割合は、移行部分を通じて内側部分から外側部分へと減少する。
【０００７】
１つの実施形態において、付加的製造システムは、３次元（３Ｄ）部品を形成するために材料を１層ずつ溶着するための複数の電極の列を含む電極ヘッドを含む。複数の電極の列は、第一の金属組成物から形成される第一の複数の電極と、第一の金属組成物とは異なる第二の金属組成物から形成される第二の複数の電極と、を含む。電源は、複数の電極の列の各電極のための溶接アークを確立するための電力を供給するように構成される。駆動ロールシステムは、複数の電極の列の各電極を駆動するように構成される。コントローラは電源に動作的に接続され、第一の複数の電極を使用するが第二の複数の電極を使用せずに部品の内側部分を形成するために付加的製造システムの動作を制御し、第二の複数の電極を使用するが第一の複数の電極を使用せずに部品の外側部分を形成するために付加的製造システムの動作を制御し、第一の複数の電極と第二の複数の電極の両方を使って、内側部分と外側部分との間に延びる、部品の移行部分を形成し、それによって移行部分が第一の金属組成物と第二の金属組成物から形成される合金となるようにするために付加的製造システムの動作を制御するように構成される。１つの実施形態において、複数の電極の列の電極は消耗溶接ワイヤである。１つの実施形態において、コントローラは、部品のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルにより画定される領域に材料を溶着するために付加的製造システムを動作させるようにプログラムされる。付加的製造システムは、コントローラに動作的に接続された溶射サブシステムを含むことができ、コントローラは、部品上に金属コーティングを塗布するために溶射サブシステムの動作を制御するように構成される。付加的製造システムは、コントローラに動作的に接続された粉末送給レーザサブシステムを含むことができ、コントローラは、前記内側部分及び前記外側部分より高い分解能を有する部品の高分解能部分を形成するために粉末送給レーザサブシステムの動作を制御するように構成される。１つの実施形態において、第一の金属組成物の第二の金属組成物に対する割合は、移行部分を通じて内側部分から外側部分へと減少する。別の実施形態において、第一の金属組成物はカーボンスチールであり、第二の金属組成物はステンレススチールである。
【０００８】
１つの実施形態は、部品を通じた亀裂の伝播を限定する、部品の付加的製造方法を含む。この方法は、部品を形成するために１層ずつ材料を溶着するための複数の電極の列を含む電極ヘッドであって、複数の電極の列は、第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成される第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成される第二の複数の電極と、を含み、第一の延性は第二の延性より大きく、第二の硬度は第一の硬度より大きい電極ヘッドと、複数の電極の列の各電極のための溶接アークを確立するための電力を供給するように構成された電源と、複数の電極の列の各電極を駆動するように構成された駆動ロールシステムと、電源に動作的に接続されたコントローラと、を含む付加的製造システムを提供するステップを含む。方法は、少なくとも第一の複数の電極と第二の複数の電極から部品を付加的製造するステップをさらに含み、これは、第一の複数の電極を使って部品の内側部分を形成するステップと、第二の複数の電極を使って、部品の内側部分を取り囲む部品の外側部分を形成するステップと、を含み、部品の内側部分の延性は部品の外側部分の延性より大きい。１つの実施形態において、方法は、第一の複数の電極と第二の複数の電極との両方を使って、内側部分と外側部分との間に延びる、部品の移行部分を形成するステップを含み、それによって移行部分は第一の金属材料と第二の金属材料の合金である。別の実施形態において、第一の金属材料の第二の金属材料に対する割合は、移行部分を通じて内側部分から外側部分へと減少する。別の実施形態において、移行部分を形成するステップは、付加的製造中に第一の複数の電極と第二の複数の電極との両方の作動電極数を調節して、内側部分から外側部分への前記割合を調節するステップを含む。１つの実施形態において、方法は、部品のための内部冷却導管を提供するステップを含み、部品の内側部分は内部冷却導管の周囲に形成される。別の実施形態において、付加的製造システムは溶射サブシステムをさらに含み、方法は、溶射サブシステムによって内部冷却管の上に金属コーティングを塗布するステップを含む。
【０００９】
全体的な発明的コンセプトの多数の態様は、例示的実施形態の以下の詳細な説明から、特許請求の範囲から、及び添付の図面から容易に明らかとなるであろう。
【００１０】
添付の図面は、本明細書の中に組み込まれ、その一部を構成し、本開示の各種の実施形態を示している。図面中に示されている要素の境界線（例えば、ボックス、ボックス群、又はその他の形状）は、境界線の１つの実施形態を表していることがわかるであろう。幾つかの実施形態において、１つの要素は複数の要素として設計されてもよく、複数の要素は１つの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、他の要素の内部構成要素として示されている要素は外部構成要素として実装されてもよく、その逆でもある。さらに要素は正しい縮尺で描かれていない可能性もある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】多電極付加的製造サブシステムのある実施形態を示す。
【図２】工作物上に材料を移動方向に溶着するように構成された複数の電極を列状に有する電極ヘッドのある実施形態を示す。
【図３】レーザホットワイヤ（ＬＨＷ）型付加的製造サブシステムのある実施形態を示す。
【図４】プラズマ又は溶射型付加的製造サブシステムのある実施形態を示す。
【図５】粉末送給レーザ型付加的製造サブシステムのある実施形態を示す。
【図６】冷却導管が埋め込まれた工作機械の一部の付加的製造を示す。
【図７】付加的製造による部品の一例を示す。
【図８】部品の付加的製造方法の一例のフローチャートを示す。
【図９】付加的製造サブシステムのコントローラの一例のある実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
多プロセス付加的製造システム及び方法の実施形態が開示される。複数の付加的製造プロセス及び／又は金属材料をニアネットシェイプ部品の創出の中で組み合わせて利用することにより、異なるプロセスにより提供される利点を利用する。ニアネットシェイプ部品の製造で利用されてもよい例示的な付加的製造プロセスは、単独のシステムの中で粉末プロセス、ワイヤプロセス、レーザホットワイヤプロセス、及び溶射プロセスを含む。高い溶着速度及び低分解能プロセス（例えば、ワイヤを用いる）をより低い溶着速度であるがより高分解能プロセス（例えば、粉末を用いる）と組み合わせることにより、大型部品は素早く製造できるだけでなく、微細な内側及び外側特徴物を含むことができ、これには、そのようにしなければ長時間にわたる二次的加工が必要となる。ある部品の製造において複数の金属材料を使用することによって、部品の異なる部分が異なる特性、例えば延性又は硬度を有することができ、適当であれば安価な材料の使用が可能となる。
【００１３】
本明細書中の例と図面は例示にすぎず、特許請求の範囲の範囲と主旨により画定される本発明とを限定しようとするものではない。ここで、図示は単に本発明の例示的な実施形態を示すことを目的としており、これを限定するためではない図面を参照すると、図１は、多プロセス付加的製造システムの一部である、概して１０において描かれた、付加的製造サブシステムの一例のある実施形態を示している。サブシステム１０は典型的に、例えばサブマージアーク又はエレクトロスラグ溶接、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）、及びガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）等の溶接プロセスによって、部品を１層ずつ付加的製造するために使用されてもよいことが想定される。
【００１４】
図１に示されるように、付加的製造サブシステム１０は電極ヘッド２０を含み、電極ヘッド２０は複数の電極３２（例えば、消耗溶接電極／ワイヤ）の列３０を同時に格納する。複数の電極３２は、連続的に送給することも、周期的に送給することも、又は所定の順序に基づいて送給することも可能であると認識すべきである。電極３２は、ガスシールド下で使用されるガスシールド型でも、セルフシールド型でも、又は金属コア又はフラックスコアワイヤであってもよい。コア入り電極の場合、電極シースは、カーボンスチール、ステンレススチール、又はニッケル合金であってもよいことが想定される。電極ヘッド２０は、電極３２が３Ｄ部品の層を形成するために材料を制御可能に溶着するために（例えば、関連する工作物の表面上に、材料を当初から溶着することによる）空間的に離間された構成であるように列３０を格納する。電極ヘッド２０は、電極３２を搬送するために列３０を格納する何れの適当な電極ヘッドとすることもでき、本発明はここに示される電極ヘッドに限定されない点を認識、理解すべきである。例えば、電極ヘッド２０は、列３０のための個別のコンタクトチップを利用するアセンブリ又は、電極列３０を全体として格納し、取り囲むコンタクトアセンブリとすることができる。電極３２はコイル７０より供給されてもよい。コイル７０は複数の個別のコイルを含んでいてもよく、各コイルは１つの電極（例えば、溶接ワイヤ）を含み、これらは共通の回転軸に沿って配置される。フィラワイヤ又は付加材料を送達するさらに何れの方法を選択してもよく、それも本開示の実施形態の所期の適用範囲から逸脱しない。例えば、１つの実施形態において、電極ヘッド２０は、列状のワイヤの代わりに１つの消耗金属ワイヤを提供するように構成される。
【００１５】
図１に示されるように、電極ヘッド２０は、関連する複数の送給電極３２の列３０を受けるようになされる。サブシステム１０は、電極３２の列３０を、電極ヘッド２０を通じて駆動するための手段を含む。駆動手段は複数の駆動ロール５０又はその他のワイヤフィーダデバイスを含むことが想定される。複数の駆動ロールまたは駆動ロールシステム５０の各々は、電極３２の１つ又は複数に関連付けられてもよい。１つの態様において、２つの電極３２が駆動ロール５０の１つの群に関連付けられてもよいが、電極の数とワイヤフィーダの数との間の関係は、付加的製造プロセスにおいて適当な何れの数の電極でも駆動ロールの１つの群に関連付けられうるように構成されてよいことが想定され、それも本開示の意図から逸脱しない。他の実施形態において、各電極はそれぞれの駆動ロール５０により駆動可能である。他の実施形態において、電極は、駆動ロール５０により、所定の順序又は第二の所定の順序に基づいて駆動でき、それに従って１つ又は複数の電極によって溶接アークが確立される。換言すれば、所定の順序が第一の電極、その後第二及び第三の電極間に溶接アークを確立する場合、第一の駆動ロール５０は第一の電極を駆動でき、第二の駆動ロール５０は第二及び第三の電極を駆動できる。さらに、駆動ロール５０と１つ又は複数の電極との間の他の関係も、適正な技術的判断により利用されてもよい。
【００１６】
１つの例示的な実施形態において、駆動ロール５０は、電極ヘッド２０を通じて電極３２をある速度（例えば、ワイヤ送給速度）で駆動するように構成されてもよい。１つの実施形態において、電極３２は実質的に同じ速度で駆動できる。他の実施形態において、各電極３２はそれぞれの速度で駆動でき、これは事前に決定しておくことも、付加的製造プロセス中にダイナミックに特定することもできる。例えば、１つ又は複数の電極３２の速度（例えば、ワイヤ送給速度）は、材料の組成、溶接のタイプ、溶接パラメータ、工作物、その他に基づいて事前に決定できる。他の実施形態において、１つ又は複数の電極の速度は、付加的製造プロセス中に、ユーザの入力、フィードバック、電圧、電流、及び温度、その他等であるがこれらに限定されない基準に基づいてダイナミックに特定することができる。
【００１７】
代替的に、駆動ロール５０は、電極を溶融させるのに必要な電流を変化させ、それによって電極３２による溶融層材料への入熱を変化させることが望ましいかもしれない場合に、電極３２をより遅い及び／又はより速いワイヤ速度／ワイヤ送給速度で送給するように構成される。例えば、駆動ロール５０の１つの群は、列３０の外側に配置された電極３２を１つのワイヤ送給速度で送給するように構成されてもよく、駆動ロール５０の別の群は、列３０の内側に配置された電極３２を外側の電極ワイヤ送給速度と比べて比較的低いワイヤ送給速度で送給するように構成されてもよい。
【００１８】
駆動ロール５０は１つ又は複数の電極を所定の速度に基づいて駆動するために使用できることを認識すべきである。例えば、各駆動ロール５０は、列３０内のそれぞれの電極３２を駆動するために使用でき、各電極は個別の特定のワイヤ送給速度で駆動される。例えば、各電極３２のワイヤ送給速度は、これらに限定されないが、ワイヤの種類、部品材料の組成、環境（例えば、気温、湿度、その他）、ワイヤのゲージ、電極の種類、電圧、電流、付加的製造の実行に使用される溶接デバイスその他に基づいて変えることができる。
【００１９】
本発明の実施形態の１つの態様において、電極３２の各々は溶接電源４０に接続されるように構成される。すなわち、付加的製造プロセス中に、例えば、溶接電源を列３０の電極３２の各々を通じて供給できる。したがって、付加材料は電極ヘッド２０の幅にわたり搬送される。前述のように、電源は、溶接電源４０から、スタッド（図示せず）の一端に取り付けられた溶接ケーブル（図示せず）を通じて供給されてもよい。先端部において、溶接ケーブルは電極ヘッドコネクタを通じて電極ヘッド２０に接続されてもよい。１つの溶接電源４０の例示的なケースでは、１つの電極ヘッドコネクタは電源を溶接ケーブルから電極ヘッド２０に共通して搬送してもよい。さらに、適正な技術的判断により、溶接ケーブルから電極ヘッド２０に電源を搬送するためのその他の手段が利用されてもよい。
【００２０】
電源４０は、ツールを付加的製造するために関連する複数の供給電源の各々と関連する工作物又は部品５１との間に溶接アークを確立するための電力を供給する（図２参照）。特に、１つ又は複数の電源４０は、所定の順序に基づいて、列３０の１つ又は複数の電極３２に電源を供給できる。例えば、所定の順序は工作物又は部品５１上の電極ヘッド２０の位置に基づくことができる。他の例では、所定の順序は、付加的製造プロセスを始めるための電極ヘッド２０の動作開始に基づくことができる。他の実施形態において、１つ又は複数の電源４０は、関連する複数の送給された電極の各々と関連する工作物又は部品５１との間の溶接アークを終了させる。このような実施形態において、１つ又は複数の電源４０は、第二の所定の順序で列３０の電極３２の１つ又は複数のための溶接アークを終了させることができる。例えば、第二の所定の順序は、工作物又は部品５１上の電極ヘッド２０の位置に基づくことができる。他の例では、第二の所定の順序は、付加的製造プロセスを終わらせるための電極ヘッド２０の動作停止に基づくことができる。
【００２１】
さらに、電極３２と工作物又は部品５１との間の溶接アークの確立は、電気源４０の少なくとも１つによって（例えば、電力を供給する、電力を供給しない、電力供給を停止する、及びその他）、又は駆動ロール５０によって（例えば、電極を駆動する、電極を駆動しない、電極の駆動を停止する、及びその他）提供できる。それゆえ、列３０の中の電極３２は、所定の順序に基づいて作動させ、又は動作無効化でき、作動及び／又は動作無効化は、電源４０及び／又は駆動ロール５０に基づいて行うことができる。１つの実施形態において、電極３２への溶接アークの制御された確立及び／又は電極３２の制御された駆動が、付加的製造プロセスのために提供される。そのため、個々の電極は、３Ｄ部品の１層の中の輪郭の画定された２Ｄ形状の創出を可能にするために、事実上「オン」又は「オフ」にすることができる。
【００２２】
特定の実施形態において、センサ６０は、工作物又は部品５１上の電極ヘッド２０の位置、工作物又は部品５１と比較した列３０の少なくとも１つの電極３２の整列、又は工作物又は部品５１と比較した列３０の少なくとも１つの電極３２の位置ずれのうち少なくとも１つを検出するように構成される。センサ６０は、工作物又は部品５１に関する少なくとも１つの電極３２の位置を検出するために、ある位置で電極ヘッド２０に連結し、又は固定することができる。例えば、センサ６０は電極ヘッド２０の上に水平に設置されるが、何れの適当な向きも利用できる点を認識すべきである。他の実施形態において、複数のセンサ６０を使用できる。例えば、１つのセンサを各電極３２のために使用できる。このような例において、各電極３２のためのセンサ６０は、それぞれの電極３２と垂直に整列した向きとすることができる。例えば、センサ６０は赤外（ＩＲ）センサ又は近接センサその他とすることができ、これらに限定されない。センサ６０は、少なくとも１つの電極３２の、工作物又は部品５１の少なくとも一部に関する整列及び／又は位置ずれを検出する。特に、センサ６０は、溶接アークを確立するために、電極３２が工作物又は部品５１の一部と接触している、及び／又は接触していないことを検出する。他の例において、センサ６０は、電流及び／又は電圧の流れが電源４０及び工作物又は部品５１を通じて確立されたか否かを検出できる。１つ又は複数の電極３２の整列とは、工作物５１と電極３２との間に溶接アークを確立できる接触を指すと認識すべきである。さらに、１つ又は複数の電極３２の位置ずれとは、工作物又は部品５１と電極３２との間に溶接アークを確立できない非接触を指すと認識すべきでる。
【００２３】
１つの実施形態によれば、サブシステム１０はコントローラ８０を含み、これは電源４０、駆動ロール５０、及び電極ヘッド２０を制御する。例えば、コントローラ８０は、電源４０の電力の動作特性（出力電圧、出力電流、出力波形等）を制御する。コントローラ８０はまた、駆動ロール５０の動作特性（例えば、列３０の各電極３２に関するワイヤ送給速度及びアーク確立）を制御する。さらに、コントローラ８０は、電極ヘッド２０の動作特性（例えば、位置、移動速度等）を制御する。１つの実施形態によれば、コントローラ８０は、電源４０に組み込まれてもよい。付加的製造される３Ｄ部品の複数の層のパターンは、１つの実施形態によれば、コントローラ８０の中でデジタルデータとして表現され、記憶される。コントローラ８０は、付加的製造システムを動作させて、部品のコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルにより画定された領域に材料を溶着させるようにプログラムできる。
【００２４】
図２を参照すると、列３０の中に５つの電極３２を有する電極ヘッド２０は、材料を基板又は部品５１の上に制御された移動方向に溶着できる。１つの実施形態によれば、付加的製造システムの中で、コントローラ８０の制御下で基板又は部品５１を回転及び／又は並進移動させるために、プラットフォーム９３とロボット９０が使用されてもよい。代替的な実施形態において、電極ヘッド２０の動きは、電極ヘッド２０を回転及び／又は並進移動させるようにコントローラ８０により同様に制御されてもよい。
【００２５】
ある実施形態において、列３０内の幾つかの電極３２は、その列の中の他の電極と異なる組成を有し、それによって層内の異なる場所における複数の材料の溶着を制御すること、及び／又は溶着された層内での材料の混合作用を制御することが可能となる。例えば、１つ又は複数の電極３２はカーボンスチールであってもよく、１つ又は複数の電極はステンレススチール、又は他の所望の金属であってもよい。組成の異なる電極３２を含む付加的製造サブシステム１０により、ツール等のニアネットシェイプ部品を複数の材料から製造することが可能である。電極３２の組成は、実行される予定の付加的製造プロセスにとって適当であると考えられる何れの方法でもグループ分けできる。例えば、ある組成の電極３２を相互の付近にまとめることができる。図２に関して、電極Ａ及びＢは１つの組成であってもよく、電極Ｃ〜Ｅは別の組成であってもよい。電極３２の組成は、電極ヘッド２０に沿って交互に配列し、異なる金属が混ざりやすくすることができる。例えば、電極Ａ、Ｃ、及びＥは１つの組成であってもよく、電極Ｂ及びＤは別の組成であってもよい。他のグループ分け及び異なる組成の追加の電極の使用がマルチワイヤ付加的製造サブシステムで使用されてもよい。
【００２６】
１つの例示的実施形態において、列３０の中の電極３２の幾つか（例えば、第一の複数の電極）は、他の電極（例えば、第二の複数の電極）と比較して高価な合金又は金属から製作される。安価な電極は、製造されるツールの一部を形成するために使用できる。高価な合金で製作される電極３２は、製造されるツールの他の部分を形成するために使用できる。例えば、高価な合金は、ツールに外側コーティングを塗布するために使用できる。可能な場所に安価な電極を使用することは、ツールの全体的コストを削減するのに役立つ。コントローラ８０は電源４０に動作的に接続されて、付加的製造システムの動作を制御し、適当な電極３２を使ってツールの部分を形成する。
【００２７】
他の例示的実施形態において、列３０の中の電極の幾つかは、より硬く、より延性の低い材料（例えば、合金又は高炭素スチール）から形成されてもよい他の電極と比較して、より延性が高い、又はより硬度の低い材料（例えば、低炭素スチール）で製作される。より延性の高い材料はツールの内側部分を形成するために使用でき、硬い材料は外側コーティングとして塗布できる。ツールの硬度は、製造機能を実行するために必要となることが多い。しかしながら、このような硬いツーリングは、炭素含有率が非常に高いため、割れやすいかもしれない。より硬い材料の内側に、より延性の高い材料を使用することにより、ツールを通じた亀裂の伝播を縮小できる。
【００２８】
電極３２を形成する異なる材料の混合を制御して、１つの金属から他の金属への所望の移行を提供できる。ある材料から形成される１つの部分又は層から、異なる材料から形成される他の部分又は層へと急激に移行させると、熱膨張率等の特性の勾配が急峻になる可能性がある。欠陥の発生率を低減させるために、両方の材料を含む層を溶着してこれらが混ざるようにすることにより、１つの材料から他の材料への緩やかな移行を実現できる。１つの材料の他方に対する割合は、電極３２を相応に作動させ／動作無効化することによって徐々に調節することができ、最終的に後続の材料のみが塗布されてツールが形成される。例えば、高炭素スチールの母材をステンレススチールの外側コーティングへと緩やかに移行させることができる。これは、ツールの断面積（例えば、母材からコーティングまで）が高炭素からステンレススチールへと移行するのにつれて、より多くの数のステンレススチール電極を作動させ、より多くの数の高炭素スチール電極を動作無効化することによって実行できる。高炭素スチールからステンレススチールへの緩やかな移行は、製造されたツールにおける熱膨張による応力の軽減を助けることができる。図７は、電極の列により提供される異なる金属から形成される付加的製造による部品６００の例示的な断面を図式的に示す。部品６００の外側部分６１０は、内側部分６２０とは異なる金属組成から形成される。特定の実施形態において、外側部分６１０はコーティングと考えることができ、内側部分６２０よりはるかに薄い断面を有することができる。部品６００はまた、内側部分６２０と外側部分６１０との間に延びる移行部分６３０も含む。移行部分６３０は、列の中の異なる電極からの金属材料を混和して合金を形成する（例えば、第一及び第二の金属材料から形成される）ことによって形成できる。移行部分６３０は、その断面を通じて一貫した組成を有するか、１つの材料から他の材料への緩やかな移行を提供できる。例えば、内側部分６２０を形成する第一の金属材料の、外側部分６１０を形成する第二の金属材料に対する割合は、移行部分６３０を通じて内側部分から外側部分へと減少させることができる。
【００２９】
上述の付加的製造サブシステム１０では異なる材料から形成される幾つの異なる電極３２でも使用でき、このサブシステムは、２種類の材料か形成される電極３２に限定される必要はなく、３種類以上の電極を含むことができる。
【００３０】
図３は、付加的製造を実行するための、フィラワイヤフィーダとエネルギー源の複合サブシステム１００の例示的実施形態の機能概略ブロック図を示す。１つの実施形態において、図３はレーザホットワイヤ（ＬＨＷ）型付加的製造サブシステムのある実施形態を示す。レーザホットワイヤ型付加的製造サブシステムは、上述のマルチワイヤサブシステムと共に使用して、例えばツールを製造することができる。サブシステム１００は、レーザビーム１１０を工作物又は部品１１５の上に集束させて、工作物又は部品１１５を加熱することのできるレーザサブシステムを含む。レーザサブシステムは高強度エネルギー源である。レーザサブシステムは、何れのタイプの高エネルギーレーザ源とすることもでき、これには炭酸ガス、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ−ディスク、ＹＢ−ファイバ、ファイバ送達型、又は直接ダイオードレーザシステムが含まれるがこれらに限定されない。システムの他の実施形態は、高強度エネルギー源として機能する、電子ビーム、プラズマアーク溶接サブシステム、ガスタングステンアーク溶接サブシステム、ガスメタルアーク溶接サブシステム、フラックスコアアーク溶接サブシステム、又はサブマージアーク溶接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。他の実施形態によれば、サブシステム１００の要素の一部は、粉末送給システムとして構成されてもよい。
【００３１】
以下は、レーザシステム、ビーム、及び電源に繰り返し言及する。しかしながら、理解すべき点として、何れの高強度エネルギー源でも使用してよいため、この言及は例示的である。例えば、高強度エネルギー源は、少なくとも５００Ｗ／ｃｍ２を供給できる。レーザサブシステムは、相互に動作的に接続されたレーザデバイス１２０とレーザ電源１３０を含む。レーザ電源１３０は、レーザデバイス１２０を動作させるための電源を供給する。
【００３２】
付加的製造サブシステム１００はまた、少なくとも１つの抵抗フィラワイヤ１４０を送給してレーザビーム１１０の付近で工作物又は部品１１５と接触させることのできるホットフィラワイヤフィーダサブシステムも含む。もちろん、本明細書における工作物又は部品１１５への言及により、溶融池は工作物又は部品１１５の一部と考えられ、それゆえ、工作物又は部品１１５と接触するとの言及は、溶融池との接触も含むことが理解される。ワイヤフィーダサブシステムは、フィラワイヤフィーダ１５０、コンタクトチューブ１６０、及び電源１７０を含む。動作中、フィラワイヤ１４０は、コンタクトチューブ１６０と工作物又は部品１１５との間に動作的に接続される電源１７０からの電流により抵抗加熱される。１つの実施形態によれば、電源１７０はパルス式直流電源であるが、交流（ＡＣ）又はその他のタイプの電力供給もまた可能である。ワイヤ１４０は、フィラワイヤフィーダ１５０からコンタクトチューブ１６０を通じて工作物又は部品１１５に向かって送給され、チューブ１６０より先まで延びる。ワイヤ１４０の延長部分は抵抗加熱され、それによって延長部分は工作物又は部品の溶融池に接触する前に溶融点に近付くか、到達する。レーザビーム１１０は、工作物又は部品１１５の基本金属の一部を溶融させて、溶融池を形成する役割を果たし、及びワイヤ１４０を工作物又は部品１１５の上に溶融させるためにも使用できる。電源１７０はフィラワイヤ１４０を抵抗加熱するために必要なエネルギーを提供する。幾つかの実施形態において、電源１７０は必要なエネルギーの全部を供給し、他の実施形態では、レーザ又は他の高エネルギー熱源がエネルギーの一部を供給できる。本発明の特定の他の実施形態によれば、フィーダサブシステムは１つ又は複数のワイヤに同時に供給できてもよい。
【００３３】
システム１００は、レーザビーム１１０（エネルギー源）と抵抗フィラワイヤ１４０を、工作物又は部品１１５に沿って（少なくとも相対的な意味で）同じ方向１２５に移動させて、レーザビーム１１０と抵抗フィラワイヤ１４０が相互に固定された関係のままとなるようにすることのできる動き制御サブシステムをさらに含む。各種の実施形態によれば、工作物又は部品１１５とレーザ／ワイヤの組合せとの間の相対的動きは、工作物又は部品１１５を実際に移動させることによって、又はレーザデバイス１２０とワイヤフィーダサブシステムを移動させることによって達成されてもよい。図３において、動き制御サブシステムは、プラットフォーム１９３（例えば、回転可能なプラットフォーム及び／又は並進移動可能なプラットフォーム）を有するロボットに動作的に接続された動きコントローラ１８０を含む。動きコントローラ１８０は、ロボット１９０の動きを制御する。ロボット１９０は、工作物又は部品１１５に、プラットフォーム１９３を介して動作的に接続され（例えば、機械的に固定され）、工作物又は部品１１５を、移動方向１２５に移動させ、それによってレーザビーム１１０とワイヤ１４０を工作物又は部品１１５に沿って事実上移動させる。本発明の代替的な実施形態によれば、レーザデバイス１１０とコンタクトチューブ１６０は、１つのヘッドに組み込まれてもよい。ヘッドは、工作物又は部品１１５に沿って、ヘッドに動作的に接続された動き制御サブシステムを通じて移動されてもよい。
【００３４】
一般に、高強度エネルギー源／ワイヤが工作物又は部品に関して移動される方法はいくつかある。例えば、工作物又は部品が丸い場合、高強度エネルギー源／ワイヤは静止していてもよく、工作物又は部品が高強度エネルギー源／ワイヤの下で回転させられてもよい。代替的に、ロボットアーム又はリニアトラクタは、丸い工作物又は部品に平行に移動してもよく、工作物又は部品が回転させられている間に、高強度エネルギー源／ワイヤを連続的に、又は１回転に１度の割出しで移動されて、例えば丸い工作物又は部品の表面に積層してもよい。工作物又は部品が平坦であるか、少なくとも丸くない場合、工作物又は部品は、図３に示されるように、高強度エネルギー源／ワイヤの下で移動されてもよい。しかしながら、ロボットアーム又はリニアトラクタ、さらにはビーム取付キャリッジを使って、高強度エネルギー源／ワイヤヘッドを工作物又は部品に関して移動させてもよい。各種の実施形態によれば、プラットフォーム１９３を駆動するロボット１９０は、電気、空気圧、又は油圧により駆動されてもよい。
【００３５】
付加的製造システム１００は、感知及び電流制御サブシステム１９５をさらに含み、これは工作物又は部品１１５及びコンタクトチューブ１６０に動作的に接続され（すなわち、電源１７０の出力に事実上接続され）、工作物又は部品１１５とワイヤ１４０との間の電位差（すなわち、電圧Ｖ）及びそれを通る電流（Ｉ）を測定できる。感知及び電流制御サブシステム１９５はさらに、測定された電圧と電流から抵抗値（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）及び／又は電力値（Ｐ＝Ｖ＊Ｉ）を計算することができてもよい。一般に、ワイヤ１４０が工作物又は部品１１５と接触しているとき、ワイヤ１４０と工作物又は部品１１５との間の電位差はゼロボルトであるか、又はゼロボルトに非常に近い。その結果、感知及び電流制御サブシステム１９５は、抵抗フィラワイヤ１４０が工作物又は部品１１５と接触したことを感知でき、電源１７０と動作的に接続されることにより、さらに感知に応答して抵抗フィラワイヤ１４０を通る電流の流れを制御できる。他の実施形態において、感知及び電流コントローラ１９５は、電源１７０の一体部分であってもよい。
【００３６】
１つの実施形態によれば、動きコントローラ１８０はさらに、レーザ電源１３０及び／又は感知及び電流コントローラ１９５に動作的に接続されてもよい。このようにして、動きコントローラ１８０とレーザ電源１３０は相互に通信してもよく、それによってレーザ電源１３０には、工作物又は部品１１５が移動中であることがわかり、動きコントローラ１８０には、レーザデバイス１２０が作動中であることがわかる。同様に、このようにして、動きコントローラ１８０と感知及び電流コントローラ１９５は相互に通信してもよく、それによって感知及び電流コントローラ１９５には、工作物又は部品１１５が移動中であることがわかり、動きコントローラ１８０には、フィラワイヤフィーダサブシステムが作動中であることがわかる。このような通信は、付加的製造サブシステム１００の各種のサブシステム間の動作を調整するために使用されてよい。
【００３７】
図４は、付加的製造を実行するためのプラズマ又は溶射サブシステムのある例示的な実施形態の概略ブロック図を示す。プラズマ又は溶射サブシステム３００は、上述のマルチワイヤサブシステム又はレーザホットワイヤサブシステムと共に使用して、例えばツールを製造できる。プラズマ又は溶射サブシステム３００はプラズマトーチ３１０を含み、これはプラズマジェット３２０を生成してフィードストック（例えば、金属粉末３３０）を溶融、溶着し、基板を被覆する。工作機械の製造において、溶射プロセスは、例えば硬化表面でツールを被覆するために使用できる。プラズマ又は溶射サブシステム３００は、プラズマトーチ３１０に電源供給するための電源３４０と、プラズマ又は溶射サブシステムの動作を制御するためのコントローラ３５０と、をさらに含む。プラズマ又は溶射サブシステム３００は、レーザホットワイヤ付加的製造サブシステムに関して上述したものと同様の動き制御サブシステムをさらに含むことができる。例えば、プラズマ又は溶射サブシステム３００は、ロボット３６５及び関連する動きコントローラ３７０を使い、基板３６０とプラズマトーチ３１０との間の相対的な動きを制御できる。ロボット３６５は、基板３６０に取り付けられて基板をプラズマトーチ３１０に関して移動させるように図式的に示されている。しかしながら、ロボット３６５はプラズマトーチ３１０に接続されて、トーチを基板３６０に関して移動させてもよい。プラズマ又は溶射付加的製造デバイスは当業界で知られており、詳細な説明は不要である。
【００３８】
図５は、レーザビーム及び同軸の粉末流を使って付加的製造を実行するための粉末送給レーザサブシステムのある例示的な実施形態の概略ブロック図を示す。粉末送給レーザサブシステム４００は、上述のマルチワイヤサブシステム、レーザホットワイヤサブシステム、及び／又はプラズマ又は溶射サブシステムと共に使用して、例えばツールを製造できる。粉末送給レーザサブシステム４００はレーザデバイス４１０を含み、これはレーザビーム４２０を基板４６０へと、粉末金属４３０の供給と同軸で方向付け、金属材料を焼結させて、基板を被覆する。粉末送給レーザサブシステム４００は、製造されたツールを（例えば、硬い外面で）被覆するため、又はツールを１層ずつ構築するために使用できる。粉末送給レーザサブシステム４００は、レーザデバイス４１０に接続されたレーザ電源４４０と、粉末送給レーザサブシステムの動作を制御するためのコントメーラ４５０と、をさらに含む。粉末送給レーザサブシステム４００は、レーザホットワイヤ型付加的製造サブシステムに関して上述したものと同様の動き制御サブシステムをさらに含むことができる。例えば、粉末送給レーザサブシステム４００は、ロボット４６５及び関連する動きコントローラ４７０を使って、基板４６０とレーザデバイス４１０との間の相対的な動きを制御できる。ロボット４６５は、基板４６０に取り付けられて基板をレーザデバイス４１０に関して移動させるように図式的に示されている。しかしながら、ロボット４６５はレーザデバイス４１０に接続されて、レーザデバイスを基板４６０に関して移動させてもよい。粉末送給レーザ型付加的製造デバイスは当業界で知られており、詳細な説明は不要である。
【００３９】
以上、ツールの製造に使用するための各種の例示的な付加的製造プロセス（ワイヤプロセス、溶射プロセス、粉末プロセス）を説明した。これらのプロセスには長所と短所があるが、製造プロセス中に単独のシステムの中で一緒に使用し、それらが提供する長所を最大限にすることができる。例えば、図１のマルチワイヤシステムの電極ヘッド２０は、ロボットのための互換可能なアームエンドツール（ＥＯＡＴ：ｅｎｄ  ｏｆ  ａｒｍ  ｔｏｏｌ）の一部として提供できる。同様に、上述のレーザデバイス及びプラズマトーチは、ロボットのためのＥＯＡＴとして提供できる。工作機械の付加的製造中、ロボットは、各種の付加的製造ＥＯＡＴを利用して、工作機械の様々な部分を形成することができる。ツールの幾つかの部分は、図１に示されるマルチワイヤプロセス又は図３に示されるレーザホットワイヤプロセス等の、高速低分解能プロセスを使って素早く構築されてもよい。微細部分を有するその他の部分は、図５に示される粉末送給プロセス等の低速高分解能プロセスの利益を受けてもよい。工作機械の外面等、さらに別の部分は、溶射コーティング（図４）の利益を受けてもよい。多プロセスシステムでは、ロボットは、適当な付加的製造ＥＯＡＴを使って工作機械の様々な部分を形成し、製造速度を改善し、及び／又はツールの全体的なコストを削減するようにプログラムされる。複数のプロセスの単独のシステム内での使用（例えば、単独のロボットと複数の付加的製造ＥＯＡＴを使う）は、様々な長さ尺度を含むツールの生産を可能にする。より高い溶着速度、より低分解能のプロセスをより低い溶着速度であるが、より高分解能のプロセスと組み合わせることによって、大型のツールを素早く製作できるだけでなく、微細な内側及び外側特徴物を含むことができ、これらには、そのようにしなければ長時間にわたる二次的処理（例えば、機械加工）が必要となる。
【００４０】
このような多プロセスシステムではまた、本来であれば必ずしも可能とはかぎらない、又は容易に生産できるとはかぎらない構造において複数の異なる材料を使用することが可能となる。材料には、粉末又はワイヤの何れかの形態でしか市販されていないものもある。それゆえ、多プロセスシステムにより、このような材料を共通のツールに含めることが可能となる。その他の材料は、他のプロセスより１つのプロセスによる溶着から利益を受けるかもしれない。例えば、カーバイドを含むコア入りワイヤを使用するレーザホットワイヤは、アーク利用のプロセスとは異なるように溶着される。それゆえ、適当な付加的製造プロセスは、所望の材料について、その溶着特性に基づいて選択できる。
【００４１】
図６は、工作機械の１部分がどのようにして、内部冷却導管５００を含むように付加的製造できるかを図式的に示す。ツーリングからは、その使用中に熱を除去する必要があり得る。付加的製造により、複雑な形状の工作機械を製作し、様々な形状の冷却導管をツーリングの中に埋め込むことが可能となる。冷却導管は、従来法で製造されるツーリングの中に埋め込むことが難しい、又は不可能であるような形状を有することができ、冷却導管は、電位局所化ホットスポットからの徐熱を最大にするために、ツール内に正確に位置付けることができる。冷却導管５００は、製造される工作機械の一部である基板５１０の上に設置できる。基板５１０自体は、例えば上述のサブシステムの１つを使って付加的製造できる。代替的に、基板５１０は、従来の機械加工プロセスを使ってストック材料から形成できる。層５２０、５３０は、上述の付加的製造サブシステムの何れかを使って冷却導管５００の周囲に構築し、ツールを形成できる。例えば、冷却導管５００は、まず溶射又は粉末送給レーザサブシステムを使って被覆でき、層５２０、５３０を被覆された冷却導管の周囲に、多電極又はレーザホットワイヤサブシステムを使って構築できる。多電極サブシステムは、高い溶着速度が望ましい場合に使用できる。しかしながら、ツールの縁辺付近や冷却導管５００の周囲等、高分解能の精密溶着が望まれる場合には、別のサブシステムを使用できる（例えば、レーザホットワイヤ又は粉末送給）。高分解能プロセスは、微細な内側及び外側特徴物を生産でき、これには、そのようにしなければ長時間にわたる二次的処理が必要となる。特定の実施形態において、ツールの内側部分は、延性のある、又は安価な材料から形成でき、ツールの外面は、より硬い、及び／又はより高価な材料から形成できる。希望に応じて、付加的製造中に金属を混合することにより、内側材料から外側材料へと緩やかに移行させて、その割合を徐々に調節することが可能である（例えば、その構成金属の熱膨張率によるツール内の応力を軽減するため）。層５１０、５２０、５３０は、従来の機械加工プロセスを使って、冷却導管５００のための開口部を含むように形成できると認識すべきである。冷却導管５００が層５１０、５２０、５３０の中に設置された後に、溶接プロセスを使って層同士を接着させることができ、その後、ツールは例えばプラズマ又は溶射を用いてコーティングされる。
【００４２】
図８は、部品の付加的製造方法（例えば、部品を通じた亀裂の伝播を制限するため）のある例示的な実施形態のフローチャートを示す。７１０で、付加的製造システムが提供される。付加的製造システムは、部品を形成するために材料を１層ずつ溶着するための複数の電極の列を含む電極ヘッドを含むことができ、複数の電極の列は、第一の延性及び第一の硬度を有する第一の金属材料から形成された第一の複数の電極と、第二の延性及び第二の硬度を有する第二の金属材料から形成された第二の複数の電極と、を含み、第一の延性は第二の延性より大きく、第二の硬度は第一の硬度より大きい。付加的製造システムは、複数の電極の列の各電極の溶接アークを確立するための電源を供給するように構成された電源と、複数の電極の列の各電極を駆動するように構成された駆動ロールシステムと、電源に動作的に接続されたコントローラと、をさらに含むことができる。方法は、少なくとも第一の複数の電極と第二の複数の電極とから部品を付加的製造するステップをさらに含む。部品を付加的製造するステップは、第一の複数の電極を使って部品の内側部分を形成するステップ７２０を含むことができる。内部冷却導管は、その部品のために提供でき、内側部分は、付加的製造方式を通じて内部冷却導管の周囲に形成できる。方法は、第一の複数の電極と第二の複数の電極との両方を使って、内側部分と外側部分との間に延びる、部品の移行部分を形成するステップ７３０をさらに含むことができ、それによって、移行部分は第一の金属材料と第二の金属材料とから形成される合金である。第一の金属材料の第二の金属材料に対する割合は、移行部分を通じて内側部分から外側部分へと減少させることができる。移行部分を形成するステップ７３０は、付加的製造中に、第一の複数の電極と第二の複数の電極との両方の作動電極数を調節することにより、内側部分から外側部分へと、第一の金属材料の第二の金属材料に対する割合を調節するステップを含むことができる。方法は、第二の複数の電極を使って、部品の内側部分を取り囲む、部品の外側部分を形成するステップ７４０をさらに含むことができる。部品の内側部分の延性は部品の外側部分の延性より大きくし、部品を通じた亀裂の伝播を制限することができる。
【００４３】
図９は、付加的製造サブシステムの例示的コントローラ８０のある実施形態を示す。コントローラ８０は、少なくとも１つのプロセッサ８１４を含み、これはバスサブシステム８１２を介して他の多数の周辺デバイスと通信する。これらの周辺デバイスには、例えばメモリサブシステム８２８及びファイルストレージサブシステム８２６を含むストレージサブシステム８２４、ユーザインタフェース入力デバイス８２２、ユーザインタフェース出力デバイス８２０、及びネットワークインタフェースサブシステム８１６が含まれていてもよい。入力及び出力デバイスにより、コントローラ８０とのユーザインタラクションが可能となる。ネットワークインタフェースサブシステム８１６は、外部ネットワークとのインタフェースを提供し、他のコンピュータシステム内の、それに対応するインタフェースデバイスに連結される。例えば、システム１００の動きコントローラ１８０は、コントローラ８０と１つ又は複数の特性を共有していてもよく、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／又はその他のコンピューティングデバイスであってもよい。
【００４４】
ユーザインタフェース入力デバイス８２２には、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たタッチスクリーン、音声認識システム等の音声入力デバイス、マイクロフォン、及び／又はその他のタイプの入力デバイスが含まれていてもよい。一般に、「入力デバイス」という用語の使用は、コントローラ８０への、又は通信ネットワーク上への情報を入力するための、あらゆる可能なタイプのデバイス及び方法を含むものとする。
【００４５】
ユーザインタフェース出力デバイス８２０には、表示サブシステム、プリンタ、ファックスマシン、又は音声出力デバイス等の非視覚的ディスプレイが含まれていてもよい。表示サブシステムには、陰極管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣ）等のフラットパネルデバイス、プロジェクトデバイス、又は他の幾つかの視覚的画像創出機構が含まれていてもよい。表示サブシステムはまた、音声出力デバイス等を介して非視覚的表示を提供してもよい。一般に、「出力デバイス」という用語の使用は、コントローラ８０からユーザへ、又は他のマシンもしくはコンピュータシステムに情報を出力するためのすべての可能なタイプのデバイス及び方法を含むものとする。
【００４６】
ストレージサブシステム８２４は、本明細書に記載されているモジュールの機能の幾つか又は全部を提供するブログミング及びデータ構成を記憶する。例えば、ストレージサブシステム８２４には、付加的製造される予定の部品のＣＡＤモデル、ツールなどの、及び、溶接位置の変化を特定し、溶接デバイスを調節して特定された変化に対応するためのロジックが含まれていてもよい。
【００４７】
これらのソフトウェアモジュールは一般に、プロセッサ８１４単独で、又は他のプロセッサとの組合せにより実行される。ストレージサブシステムで使用されるメモリ８２８は、プログラム実行中に命令とデータを記憶するための主要なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３０及び、固定された命令が記憶されるリートオンリメモリ（ＲＯＭ）８３２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８２６は、プログラム及びデータの固定記憶域を提供でき、これには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とフロッピディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、光ドライブ、又はリムーバブルメディアカートリッジが含まれていてもよい。特定の実施形態の機能を実行するモジュールは、ストレージサブシステム８２４内のストレージサブシステム８２６によって、又はプロセッサ８１４がアクセス可能なその他のマシンの中に記憶されてもよい。
【００４８】
バスサブシステム８１２は、コントローラ８０の各種のコンポーネント及びサブシステムが意図されるように相互に通信できるような機構を提供する。バスサブシステム８１２は１本のバスとして図式的に示されているが、バスサブシステムの代替的な実施形態は複数のバスを使用してもよい。
【００４９】
コントローラ８０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、又は他のあらゆるデータ処理システムもしくはコンピューティングデバイスを含む様々なタイプとすることができる。コンピューティングデバイスとネットワークの性質が常に移り変わることから、図９に示されるコントローラ８０の説明は、幾つかの実施形態を例示することを目的とした具体的な例とされているにすぎない。図９に示されるコントローラより多くの、又はそれより少ないコンポーネントを有する、コントローラ８０の他の多数の構成が可能である。
【００５０】
開示された実施形態はかなり詳しく図示され、説明されているが、付属の特許請求の範囲を制約し、このような詳細に如何様かに限定することは意図されていない。もちろん、主旨の様々な態様を説明するために、構成要素や方法論の考えうるあらゆる組合せを述べることは不可能である。したがって、本開示は図示され、説明された具体的な詳細又は説明的な例には限定されない。それゆえ、本開示は、米国特許法第１０１条の主旨に関する法定要件を満たす、付属の特許請求の範囲内に含まれる変更、改良、及び改変を包含するものとする。具体的な実施形態の上記の説明は、例として提示された。その開示から、当業者であれば、全体的な発明的コンセプトと付随する利益を理解するだけでなく、開示された構造と方法に対する様々な明らかな変更と改良を着想するであろう。したがって、付属の特許請求の範囲により定義される全体的な発明的コンセプトの主旨と範囲に含まれるすべての変更及び改良ならびにその均等物が包含されることが求められる。
【符号の説明】
【００５１】
２０  電極ヘッド
３０  電極の列
３２  電極
４０  電源
５０  駆動ロール
５１  工作物／部品
６０  センサ
８０  コントローラ
９０  ロボット
１００  フィラワイヤフィーダとエネルギー源の複合サブシステム
１１５  工作物又は部品
１２０  レーザデバイス
１３０  レーザ電源
１４０  抵抗フィラワイヤ
１５０  フィラワイヤフィーダ
１７０  電源
１８０  動きコントローラ
１９０  ロボット
１９５  感知及び電流制御サブシステム
３００  プラズマ又は溶射サブシステム
３３０  金属粉末
３４０  電源
３５０  コントローラ
３６０  基板
３６５  ロボット
３７０  動きコントローラ
４００  粉末送給レーザサブシステム
４１０  レーザデバイス
４６０  基板
４６５  ロボット
４７０  動きコントローラ
５００  内部冷却導管
５１０  基板
５２０  層
５３０  層
６００  部品
６１０  外側部分
６２０  内側部分
６３０  移行部分
【図１】
2019104059.tif 000003
【図２】
2019104059.tif 000004
【図３】
2019104059.tif 000005
【図４】
2019104059.tif 000006
【図５】
2019104059.tif 000007
【図６】
2019104059.tif 000008
【図７】
2019104059.tif 000009
【図８】
2019104059.tif 000010
【図９】
2019104059.tif 000011
【外国語明細書】
2019104059000001.pdf