[发明专利]金属线进给系统和方法

说明书

本申请提供了一种用于向焊炬连续提供金属线以制造物体的线进给系统和方法，该焊炬用于通过实体自由成形制造物体，以向自由成形物体提供金属的连续堆积来制造物体、特别是用钛或钛合金线制成的物体。该系统包括线供应卷轴(50)、具有入口线位置检测器(110)的机柜、线进给装置(200)、至少三个松弛线引导件(300、400、500)、松弛线拉动装置(600)以及机柜出口引导件(1000)。

技术领域

本发明涉及用于通过实体自由成形制造来制造物体、特别是由钛和钛合金线制成的物体的进给金属线的系统和方法。

背景技术

由钛或钛合金制成的结构化金属部件通常通过铸造、锻造或机加工坯料而制成。这些技术所具有的缺点在于，昂贵的钛金属材料浪费高，并且在金属部件的制造中需要很长的前置时间。

完全致密的物理物体可以通过被称为快速原型制造、快速制造、分层制造、实体自由成形制造、添加制造、附加制造或3D打印的制造技术来制作。该技术采用计算机辅助设计软件(CAD)来首先构建待制作物体的虚拟模型，然后将虚拟模型转换成通常水平定向的薄平行切片或层。然后，物理物体可以通过铺设液体、糊状物、粉末形式或其它可分层、可涂抹或流体形式(诸如熔化的金属，例如来自熔化的焊丝)的连续原材料层来制作，或者预成形为类似于虚拟层形状的片材直到整个物体形成。这些层熔合在一起，以形成实心的致密物体。

实体自由成形制造是灵活的技术，其允许以相对快的生产速率创建几乎任何形状的物体，每个物体的生产速率通常从几个小时到几天不等。因此，该技术适合于原型和小生产系列的形成，并且可以扩大规模以进行大批量生产。

分层制造技术可以扩展到包括建筑材料片的堆积(沉积)，也就是说，物体虚拟模型的每个结构层被分成一组片，当该组片并排放置时形成该层。这允许通过根据物体的虚拟分层模型在形成每层的连续条带中将焊丝焊接到基板上，并对每层重复该过程直到整个物理物体形成为止，从而形成金属物体。焊接技术的精度通常太粗劣以致于不允许直接形成具有可接受尺寸的物体。因此，成形的物体通常被认为是未加工的物体或预成型件，需要机械加工成可接受的尺寸精度。

已知使用等离子弧为焊接金属材料提供热量。可以在大气压或更高的压力下采用这种方法，因此允许更简单且更廉价的工艺设备。一种这样的方法被称为气体钨极电弧焊接(GTAW，也表示为TIG)，其中在非消耗性钨电极与焊接区域之间形成等离子转移弧。等离子弧通常由通过等离子炬进给的气体保护，该气体在电弧周围形成保护性气体屏蔽。TIG焊接可以包括将金属线或金属粉末作为填充材料进给到熔池或等离子弧中。其它焊接方法包括气体金属电弧焊接(GMAW)、金属惰性气体焊接(MIG)和金属活性气体焊接(MAG)，在消耗性电极(诸如金属线)与工件之间的电弧加热并熔化金属。

已知(例如，参见Adams的美国专利公开No.2010/0193480)使用TIG焊炬以通过实体自由成形制造(SFFF)来构建物体，其中具有低韧性的连续金属原料层堆积在基板上。通过使用电极激励流动气体来产生等离子弧，该电极具有被供应到其上的可变大小的电流。等离子体流可以被引导朝向预定的目标区域，以在堆积之前预热工件的预定目标区域。调节电流并将原材料进给到等离子体流中，以将熔化的原料堆积在预定的目标区域中。在冷却阶段，调节电流并使熔化的原料在升高的温度(通常高于原材料的脆性到韧性的转变温度)下缓慢地冷却，以使材料应力的发生最小化。

Withers等人(美国专利公开No.2006/185473)还描述了以显著降低原料成本的方式，通过将钛进料和合金成分结合而以相对低成本的钛进料材料，使用TIG焊炬代替传统上用于实体自由成形制造(SFFF)工艺的昂贵的激光器。更具体地，在一个方面，本发明采用成本低于合金线的纯钛线(CP Ti)，并且通过在焊炬熔体或其它高功率能量束中将CP Ti线和粉末合金成分结合，从而在SFFF工艺中将CP Ti线和粉末合金成分原位结合。在另一个实施例中，本发明采用与合金元素混合并形成线的海绵钛材料，其中海绵钛材料可以与等离子焊炬或其它高功率能量束结合地用于SFFF工艺，以生产近净形(近终形)钛部件。