(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-12
(45)【発行日】2023-06-20
(54)【発明の名称】付加的構造構築技術のシステムと方法
(51)【国際特許分類】
B23K 9/04 20060101AFI20230613BHJP
B23K 9/12 20060101ALI20230613BHJP
B23K 26/342 20140101ALI20230613BHJP
【ＦＩ】
B23K9/04 A
B23K9/12 331K
B23K9/04 G
B23K9/04 Y
B23K26/342
【請求項の数】
10
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2018222368
(22)【出願日】2018-11-28
(65)【公開番号】P2019111582
(43)【公開日】2019-07-11
【審査請求日】2021-10-28
(31)【優先権主張番号】62/592,045
(32)【優先日】2017-11-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/052,816
(32)【優先日】2018-08-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】510202156
【氏名又は名称】リンカーン グローバル，インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100091214
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 進介
(72)【発明者】
【氏名】スティーヴン アール． ピーターズ
(72)【発明者】
【氏名】アンドリュー アール． ピーターズ
(72)【発明者】
【氏名】ウィリアム ティー． マシューズ
【審査官】松田 長親
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１５／００２７９９６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００５－０５４１９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１４０８２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５２７３８６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ９／０４、１１／１１，１５／００、２６／００－２６／７０
Ｂ２９Ｃ ６４／００、６７／００
Ｂ３３Ｙ １０／００－５０／００
Ｂ２２Ｆ ３／１０５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
付加的製造システムにおいて、部品を形成するために、付加的製造プロセス中に金属材料を溶着するように構成された金属溶着デバイスと、
前記金属溶着デバイスに動作的に連結されたコントローラと、
を含み、前記コントローラは、
前記金属溶着デバイスに対し、前記部品の輪郭を形成するために、前記付加的製造プロセスの輪郭溶着段階中に母材に前記金属材料を溶着することを命令し、
前記金属溶着デバイスに対し、前記部品の前記輪郭により外形が定められる領域内の充填パターンを形成するために、前記付加的製造プロセスの充填パターン溶着段階中に前記母材上に前記金属材料を溶着することを命令する
ように構成され、
前記充填パターンは、ある波長を有する波形であり、
前記充填パターン溶着段階中に、前記コントローラは、前記金属溶着デバイスに対し、前記充填パターンが前記輪郭と出会う交差点で、前記交差点においてエネルギーを印加し、前記輪郭の歪曲を防止するために前記交差点での金属材料の溶着速度を下げることによって、前記充填パターンの前記金属材料を前記輪郭の前記金属材料に融合させることを命令するように構成されるシステム。
【請求項2】
前記付加的製造プロセス中に前記コントローラによって制御されて、前記金属溶着デバイスを前記母材に関して移動させるように構成されるロボットをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記付加的製造プロセス中に前記コントローラによって制御されて、前記母材を前記金属溶着デバイスに関して移動させるように構成されるロボットをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
前記金属溶着デバイスは、前記金属材料のフィラワイヤを前記母材に向かって送給するように構成されたワイヤフィーダと、
電源と、
前記電源に動作的に接続されたレーザと、
を含み、
前記電源と前記レーザは、前記付加的製造プロセス中に少なくとも前記フィラワイヤを溶融するためのエネルギーを供給するように構成され、
前記コントローラは、前記ワイヤフィーダに動作的に接続され、
前記交差点において前記フィラワイヤの送給速度を下げるか、又は
前記交差点において前記フィラワイヤの送給を停止する
ように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項5】
前記金属溶着デバイスは、前記金属材料のフィラワイヤを前記母材に向かって送給するように構成されたワイヤフィーダと、
電源と、
前記電源に動作的に接続された非消耗電極と、
を含み、
前記電源と前記非消耗電極は、前記付加的製造プロセス中に、前記非消耗電極と前記母材との間にアークを形成することによって少なくとも前記フィラワイヤを溶融するためのエネルギーを供給するように構成され、
前記コントローラは、前記ワイヤフィーダに動作的に接続され、
前記交差点において前記フィラワイヤの送給速度を下げるか、又は
前記交差点において前記フィラワイヤの送給を停止する
ように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
前記金属溶着デバイスは、前記金属材料のフィラワイヤを前記母材に向かって送給するように構成された第一のワイヤフィーダと、
電源と、
前記電源に動作的に接続されて、前記金属材料の消耗ワイヤ電極を前記母材に向かって送給するように構成された第二のワイヤフィーダと、
を含み、
前記電源は、前記付加的製造プロセス中に、前記消耗ワイヤ電極と前記母材との間にアークを形成することによって少なくとも前記消耗ワイヤ電極と前記フィラワイヤを溶融するためのエネルギーを供給するように構成され、
前記コントローラは、前記第一のワイヤフィーダに動作的に接続され、
前記交差点において前記フィラワイヤの送給速度を下げるか、又は
前記交差点において前記フィラワイヤの送給を停止する
ように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項7】
前記金属溶着デバイスは、前記金属材料の消耗ワイヤ電極を前記母材に向かって送給するように構成されたワイヤフィーダと、
前記ワイヤフィーダに動作的に接続された電源と、
を含み、
前記電源は、前記付加的製造プロセス中に、前記消耗ワイヤ電極と前記母材との間にアークを形成することによって少なくとも前記消耗ワイヤ電極を溶融するためのエネルギーを供給するように構成され、
前記コントローラは、前記ワイヤフィーダと前記電源に動作的に接続され、
前記交差点において前記消耗ワイヤ電極の送給速度を下げ、及び／又は
前記交差点において前記電源によって前記消耗ワイヤ電極に供給される前記エネルギーを減らす
ように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項8】
前記波形は、実質的な正弦波形、実質的な三角形の形状、又は実質的に矩形の形状のうちの１つである、請求項１に記載のシステム。
【請求項9】
前記コントローラは、前記波形の前記波長を調節して、前記部品の充填パーセンテージを調節するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項10】
前記輪郭溶着段階の溶着速度は前記充填パターン溶着段階の溶着速度より低い、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願との相互参照／参照による援用
本米国特許出願は、２０１７年１１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／５９２，０４５号の優先権と利益を主張するものであり、その開示の全体を参照によって本願に援用する。
本米国特許出願は、２０１７年１１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／５９２，０４５号の優先権と利益を主張するものであり、その開示の全体を参照によって本願に援用する。
【0002】
本発明の実施形態は、付加的製造に関し、より詳しくは、付加的製造構造構築技術に関する。
【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で製作することができ、各部品が１層ずつ構築される。しかしながら、構築時間は長くなる可能性があり、現在の構築技術は特定の種類の部品（例えば、ツール）の付加的製造には不十分でありうる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明の実施形態は、３次元（３Ｄ）部品の付加的製造の時間と効率を改善するため、及びその結果としての部品の性能と品質を改善するための構造構築技術を可能にする付加的製造に関するシステムと方法を含む。１つの実施形態において、付加的製造システムが提供される。付加的製造の対象となる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、システムの中でデジタルデータとして表現され、記憶される。デジタルデータは、例えばＣＡＤモデルからのものでも、スキャンされた部品からのものでもよい。システムは、部品を形成するために、付加的製造プロセス中に金属材料を溶着するように構成された金属溶着デバイスを含む。システムはまた、金属溶着デバイスに動作的に連結されたコントローラも含む。コントローラは、金属溶着デバイスに対し、部品の輪郭を形成するために、付加的製造プロセスの輪郭溶着段階中に母材に金属材料を溶着することを命令するように構成される。コントローラはまた、金属溶着デバイスに対し、部品の輪郭により外形が定められる領域内の充填パターンを形成するために、付加的製造プロセスの充填パターン溶着段階中に母材上に金属材料を溶着することを命令するように構成される。１つの実施形態において、輪郭溶着段階の溶着速度は、充填パターン溶着段階の溶着速度より低い。充填パターンは、ある波長を有する波形である。波形は、例えば実質的な正弦波形状、実質的な三角形状、又は実質的な矩形形状の１つであってもよい。１つの実施形態において、コントローラは、波形の波長を調節して、部品の充填パーセンテージを調節するように構成される。さらに、充填パターン溶着段階中に、コントローラは、金属溶着デバイスに対し、充填パターンが輪郭と出会う交差点において、交差点にエネルギーを印加し、交差点での金属材料の溶着速度を下げて輪郭の歪曲を防止することによって、充填パターンの金属材料を輪郭の金属材料に融合させることを命令するように構成される。１つの実施形態において、システムはロボットを含み、これは、付加的製造プロセス中にコントローラによって制御されて、金属溶着デバイスを母材に関して移動させるように構成される。１つの実施形態において、システムはロボットを含み、これは、付加的製造プロセス中にコントローラによって制御されて、母材を金属溶着デバイスに関して移動させるように構成される。１つの実施形態において、金属溶着デバイスは、金属材料のフィラワイヤを母材に向かって送給するように構成されたワイヤフィーダと、電源と、電源に動作的に接続されたレーザと、を含む。電源とレーザは、付加的製造プロセス中に少なくともフィラワイヤを溶融するためのエネルギーを供給するように構成される。コントローラは、ワイヤフィーダに動作的に接続され、交差点においてフィラワイヤの送給速度を下げるか、交差点においてフィラワイヤの送給を停止するように構成される。１つの実施形態において、金属溶着デバイスは、金属材料のフィラワイヤを母材に向かって送給するように構成されたワイヤフィーダと、電源と、電源に動作的に接続された非消耗電極と、を含む。電源と非消耗電極は、付加的製造プロセス中に、非消耗電極と母材との間にアークを形成することによって少なくともフィラワイヤを溶融するためのエネルギーを供給するように構成される。コントローラは、ワイヤフィーダに動作的に接続され、交差点においてフィラワイヤの送給速度を下げるか、交差点においてフィラワイヤの送給を停止するように構成される。１つの実施形態において、金属溶着デバイスは、金属材料のフィラワイヤを母材に向かって送給するように構成された第一のワイヤフィーダと、電源と、電源に動作的に接続されて、金属材料の消耗ワイヤ電極を母材に向かって送給するように構成された第二のワイヤフィーダと、を含む。電源は、付加的製造プロセス中に、消耗ワイヤ電極と母材との間にアークを形成することによって少なくとも消耗ワイヤ電極とフィラワイヤを溶融するためのエネルギーを供給するように構成される。コントローラは、第一のワイヤフィーダに動作的に接続され、交差点においてフィラワイヤの送給速度を下げるか、交差点においてフィラワイヤの送給を停止するように構成される。１つの実施形態において、金属溶着デバイスは、金属材料の消耗ワイヤ電極を母材に向かって送給するように構成されたワイヤフィーダと、ワイヤフィーダに動作的に接続された電源と、を含む。電源は、付加的製造プロセス中に、消耗ワイヤ電極と母材との間にアークを形成することによって少なくとも消耗ワイヤ電極を溶融するためのエネルギーを供給するように構成される。コントローラは、ワイヤフィーダと電源に動作的に接続され、交差点において消耗ワイヤ電極の送給速度を下げ、及び／又は交差点において電源によって消耗ワイヤ電極に供給されるエネルギーを減らすように構成される。
【0005】
１つの実施形態は、付加的製造システムを含む。システムは、部品を形成するために、付加的製造プロセス中に金属材料を溶着するように構成された金属溶着デバイスを含む。システムはまた、部品の少なくとも一部を支持するために、付加的製造プロセス中に、金属支持ワイヤを位置付けるように構成された支持ワイヤ位置決めデバイスも含む。システムは、金属溶着デバイスと支持ワイヤ位置決めデバイスに動作的に連結されたコントローラをさらに含む。コントローラは、支持ワイヤ位置決めデバイスに対し、金属支持ワイヤの第一の端を、その上に部品が付加的製造されるべき母材の第一の位置に溶接し、金属支持ワイヤの第二の端を空間内の指定された支持点に位置付けることを命令するように構成される。コントローラはまた、金属溶着デバイスに対し、金属支持ワイヤにより支持される部品の少なくとも一部を形成するために、付加的製造プロセス中に、金属支持ワイヤの第二の端の上に金属材料を溶着することを命令するように構成される。１つの実施形態において、支持ワイヤ位置決めデバイスは、レーザホットワイヤ（ＬＨＷ）プロセス、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセス、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）プロセス、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）プロセス、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）プロセス、又は電気抵抗溶接（ＥＲＷ）プロセスの少なくとも１つを使って金属支持ワイヤの第一の端を母材上の第一の位置に溶接する。１つの実施形態において、支持ワイヤ位置決めデバイスは、電源と、金属支持ワイヤの第二の端を指定された支持点に位置決めするためのワイヤ伸長デバイスと、を含む。電源は、電流を金属支持ワイヤに通すことにより、金属支持ワイヤを押出温度又は延伸温度まで加熱するように構成される。ワイヤ伸長デバイスは、金属支持ワイヤを指定された支持点に向かう方向に押し出し、又は延伸するように構成される。１つの実施形態において、支持ワイヤ位置決めデバイスは、ワイヤフィーダと、金属支持ワイヤの第二の端を指定された支持点に位置決めするためのワイヤカッタと、を含む。ワイヤフィーダは、金属支持ワイヤを母材上の第一の位置から少なくとも指定された支持点へと逆送給するように構成される。ワイヤカッタは、金属支持ワイヤを指定された支持点で切断して、金属支持ワイヤの第二の端を形成するように構成される。１つの実施形態において、金属溶着デバイスは、レーザホットワイヤ（ＬＨＷ）プロセス、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセス、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）プロセス、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）プロセス、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）プロセス、又は電気抵抗溶接（ＥＲＷ）プロセスの少なくとも１つを使って、部品を形成するために、付加的製造プロセス中に金属材料を溶着する。１つの実施形態において、システムは少なくとも１つのロボットを含み、これは、付加的製造プロセス中にコントローラによって制御されて、金属溶着デバイスと支持ワイヤ位置決めデバイスを母材に関して移動させるように構成される。１つの実施形態において、システムは少なくとも１つのロボットを含み、これは、付加的製造プロセス中にコントローラによって制御されて、母材を金属溶着デバイスと支持ワイヤ位置決めデバイスに関して移動させるように構成される。
【0006】
１つの実施形態は、付加的製造システムを含む。システムは、付加的製造プロセス中にセラミック材料を溶着するように構成されたセラミック溶着デバイスを含む。システムはまた、付加的製造プロセス中に金属材料を溶着するように構成された金属溶着デバイスも含む。システムは、セラミック溶着デバイス及び金属溶着デバイスに動作的に連結されたコントローラをさらに含む。コントローラは、セラミック溶着デバイスに対し、部品のセラミック充填部分を形成するために、付加的製造プロセスの充填溶着段階中に母材上にセラミック材料を溶着することを命令するように構成される。コントローラはまた、金属溶着デバイスに対し、部品の金属シェル部分を形成するために、付加的製造プロセスの金属シェル溶着段階中に部品のセラミック充填部分の少なくとも１つの面の上に金属材料を溶着することを命令するように構成される。部品のセラミック充填部分は、１つの実施形態において導電性を有し、部品のセラミック充填部分が、部品のセラミック充填部分を損傷し、又は歪めないように金属シェル溶着段階中に生成される温度に耐えることができるようにする熱特性を有する。１つの実施形態において、部品のセラミック充填部分と部品の金属シェル部分は、部品の永久的部分である。１つの実施形態において、部品の金属シェル部分は部品の永久的部分であり、部品のセラミック充填部分は、付加的製造プロセス中に部品の金属シェル部分のための支持構造として機能する、部品の一時的部分である。部品のセラミック充填部分は、部品の最終版を形成するために部品から除去されるように構成される。１つの実施形態において、金属溶着デバイスは、付加的製造プロセスの金属シェル溶着段階中に、レーザホットワイヤ（ＬＨＷ）プロセス、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセス、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）プロセス、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）プロセス、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）プロセス、又は電気抵抗溶接（ＥＲＷ）プロセスのうちの少なくとも１つを使って金属材料を溶着する。１つの実施形態において、システムは少なくとも１つのロボットを含み、これは、付加的製造プロセス中にコントローラによって制御されて、セラミック溶着デバイスと金属溶着デバイスを母材に関して移動させるように構成される。１つの実施形態において、システムは少なくとも１つのロボットを含み、これは、付加的製造プロセス中にコントローラによって制御されて、母材をセラミック溶着デバイスと金属溶着デバイスに関して移動させるように構成される。
【0007】
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。
【0008】
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】
【0009】
【図1】付加的製造プロセス中に金属ワイヤを溶着するように構成された、付加的製造システムの金属溶着デバイスの第一の実施形態を示す。
【図2】工作物の母材又は部品に材料を溶着するように構成された、列状の複数の電極を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）装置として構成された、付加的製造システムの金属溶着デバイスの第二の実施形態を示す。
【図4】金属溶着デバイスを有する付加的製造システムの１つの実施形態のシステムブロック図を示す。
【図5A-5C】交差点において部品の輪郭に出会う部品の充填パターンの波形の実施形態を図式的に示す。
【図6】部品の付加的製造を行う方法の１つの実施形態のフローチャートを示す。
【図11】金属溶着デバイスと支持ワイヤ位置決めデバイスを有する付加的製造システムの１つの実施形態のシステムブロック図を示す。
【図13】支持ワイヤを使用することにより、部品の一部の付加的製造を行うための方法の１つの実施形態のフローチャートを示す。
【図16】部品の一部を母材の上に付加的製造することができるように、母材に位置決めされ、溶接される列状の複数の金属支持ワイヤの１つの実施形態を示す。
【図17】部品の輪郭部分を母材の上に付加的製造するために、母材の上に複数の金属支持ワイヤ／ロッドを保持する、輪郭の定められた支持フレームの１つの実施形態を示す。
【図18】金属溶着デバイスとセラミック溶着デバイスを有する付加的製造システムの１つの実施形態のシステムブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0010】
一般的に知られているように、付加的製造は、材料を母材／基板又は部品に（例えば層状に）溶着して所望の製造品を製作するプロセスである。付加的製造されることになる３次元（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、デジタルデータとして表現され、記憶される。デジタルデータは、例えばＣＡＤモデルからのものでも、スキャニングされた部品からのものでもよい。幾つかの応用分野において、製造品はかなり複雑でありうる。しかしながら、付加的製造に使用される既知の方法とシステムは、低速であり、限定的な性能しか持たない傾向がある。本発明の実施形態は、これらの問題に対処するために、３次元（３Ｄ）部品の付加的製造の時間と効率を改善するため、及びその結果として得られる部品の性能と品質を改善するための構造構築技術を可能にするシステムと方法を提供する。
【0011】
付加的製造システム及び方法の実施形態が開示される。１つの実施形態において、付加的製造システムは、付加的製造プロセス中に金属材料を溶着するように構成された金属溶着デバイス（ＭＤＤ）を含む。コントローラはＭＤＤに動作的に連結され、ＭＤＤに対し、部品の輪郭を形成するために母材に金属材料を溶着することを命令するように構成される。コントローラは、ＭＤＤに対し、輪郭により外形が定められた領域内に充填パターンを形成するために母材に金属材料を溶着することを命令するように構成される。充填パターンは、ある波長を有する波形である。コントローラは、金属溶着デバイスに対し、充填パターンが輪郭と出会う交差点において、交差点にエネルギーを供給し、輪郭を歪めることになるような量の金属材料を溶着しないようにすることによって、金属輪郭に充填パターンを融合させることを命令するように構成される。
【0012】
金属溶着デバイスの実施形態は、例えば金属ワイヤを溶融させることによって金属材料を溶着するために、例えばレーザ利用サブシステム、プラズマ利用サブシステム、アーク利用サブシステム、電子ビーム利用サブシステム、又は電気抵抗利用サブシステムの少なくとも１つを含んでいてもよい。さらに、金属溶着デバイスの幾つかの実施形態は例えば、母材の上に３Ｄ部品の付加的製造を行うために消耗金属ワイヤを送給／送達するワイヤ送達又は送給システムを含んでいてもよい。また、金属溶着デバイスの幾つかの実施形態は例えば、レーザビーム、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、母材又は基板の上に付加的製造されている３Ｄ部品に関して移動させるための運動制御要素（例えば、ロボティクス）又はその他のタイプの制御要素（例えば、光制御要素）を含んでいてもよい。
【0013】
付加的製造システムの実施形態は、付加的製造方法を実行するように構成される。付加的製造方法は、本明細書において後で詳しく説明するように、金属材料及び／又はセラミック材料の溶着を制御すること、及び／又は金属支持ワイヤを、例えば輪郭と充填パターンを形成するために金属支持ワイヤの位置決めを制御することによって、付加的製造されるべき３Ｄ部品の層の製作を提供する。金属材料、セラミック材料を溶着し、及び／又は金属支持ワイヤを位置決めするプロセスは、独立して制御することが可能であり、幾つかの実施形態によれば、相互に動作的に切り離して（例えば、空間的及び／又は時間的に切り離して）もよく、３Ｄ部品の付加的製造において柔軟性と効率が提供される。
【0014】
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は付加的製造プロセス中に金属ワイヤを溶着するように構成された、付加的製造システムの第一のタイプの金属溶着デバイスの実施形態を示している。金属溶着デバイスは典型的に、例えばガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）、又はガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）等の溶接プロセスによって、部品を１層ずつ付加的製造するのを助けるのに使用されてもよいことが想定される。他の実施形態によれば、その他の金属溶着プロセスも可能である。
【0015】
図１に示されるように、金属溶着デバイス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、ガスシールド型でも、セルフシールド型でも、又は金属コア入りでもよい。これらの電極は、ガスシールド下で使用されるソリッドコア、メタルコア、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、例えばカーボンスチール、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一環として材料を制御可能に溶着するために（例えば、関連する工作物の母材表面上、又は製造中の３Ｄ部品の前の層の上に溶融金属ワイヤ材料を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る点を認識、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。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。
【0016】
１つの実施形態において、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。金属溶着デバイス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る。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。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。
【0017】
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／基板、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。
【0018】
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。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。電源４０は、関連する複数の供給電源の各々と関連する母材／基板又は部品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、例えば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。
【0019】
さらに、電極３２と母材／基板又は部品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。
【0020】
特定の実施形態において、センサ６０は、母材／基板又は部品５１上の電極ヘッド２０の位置、母材／基板又は部品５１と比較した列３０の少なくとも１つの電極３２の整列、又は母材／基板又は部品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、母材／基板又は部品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。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に使用できる。例えば、限定ではないが、センサ６０は赤外線（ＩＲ）センサ又は近接性センサ、その他とすることができる。センサ６０は、母材／基板又は部品５１の少なくとも一部に関する少なくとも１つの電極３２の整列及び／又は位置ずれを検出する。
【0021】
１つの実施形態によれば、金属溶着デバイス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。デジタルデータは、例えばＣＡＤモデルからのものでも、スキャニングされた部品からのものでもよい。
【0022】
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、材料を母材／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の制御下で母材／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。
【0023】
図３は、レーザ及びフィラワイヤを使用する別のタイプの金属溶着デバイスの例を示す。特に、図３は、付加的製造システムのレーザホットワイヤ（ＬＨＷ）金属溶着デバイス１００（すなわち、付加的製造を実行するための金属溶着デバイス）の実施形態の機能的概略ブロック図を示す。図３の金属溶着デバイス１００は、フィラワイヤフィーダとエネルギー源の組合せの例示的な実施形態を含む。特に、金属溶着デバイス１００は、レーザビーム１１０を母材／基板又は部品１１５の上に集束させて、母材／基板又は部品１１５を加熱することのできるレーザサブシステムを含む。１つの実施形態において、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。他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ー源（例えば、金属材料を柔らかくする、又は最小限に溶融するため）である。金属溶着デバイスの他の実施形態は、エネルギー源として機能する、例えば電子ビームサブシステム、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。
【0024】
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。
【0025】
１つの実施形態において、金属溶着デバイス１００はまた、レーザビーム１１０の付近で母材／基板又は部品１１５と接触するように少なくとも１つの抵抗フィラワイヤ１４０を送給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。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と母材／基板又は部品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を通じて母材／基板又は部品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母材／基板又は部品１１５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、母材／基板又は部品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てもよく、及び／又はワイヤ１４０を母材／基板又は部品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。
【0026】
金属溶着デバイス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、母材／基板又は部品１１５に沿って（少なくとも相対的な意味で）制御された同じ方向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、母材／基板又は部品１１５とレーザ／ワイヤの組合せとの間の相対的動きは、母材／基板又は部品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。
【0027】
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、母材／基板又は部品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）、母材／基板又は部品１１５を、例えば現在の移動方向１２５に移動させ、それによってレーザビーム１１０とワイヤ１４０を母材／基板又は部品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１２０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、母材／基板又は部品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。１つの実施形態によれば、動きコントローラ１８０とロボット１９０を含む動き制御サブシステムは、付加的製造サブシステムの別の部品であり、金属溶着デバイスの一部ではない。
【0028】
一般に、金属溶着デバイスのエネルギー源／ワイヤが母材／基板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、母材／基板又は部品が丸い場合、エネルギー源／ワイヤは静止していてもよく、母材／基板又は部品がエネルギー源／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、丸い母材／基板又は部品に平行に移動してもよく、母材／基板又は部品が回転させられている間に、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、例えば丸い母材／基板又は部品の表面に積層してもよい。母材／基板又は部品が平坦であるか、少なくとも丸くない場合、母材／基板又は部品は、図３に示されるように、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、エネルギー源／ワイヤヘッドを母材／基板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。
【0029】
金属溶着デバイス１００は、感知及び電流制御サブシステム１９５をさらに含み、これは母材／基板又は部品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）、母材／基板又は部品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が母材／基板又は部品１１５と接触しているとき、ワイヤ１４０と母材／基板又は部品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が母材／基板又は部品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。
【0030】
このように、金属溶着デバイス１０と第二の金属溶着デバイス１００とを本明細書で説明した。金属溶着デバイス１０及び１００は、本明細書に記載されているように付加的製造作業を実行するために、別々に使用されても、組み合わせて（例えば、より大きい付加的製造システムを形成するサブシステムとして）使用されてもよい。本明細書に記載されている付加的製造プロセスの要求事項に基づいて、その他のタイプの金属溶着デバイスが付加的製造システムの中で使用されてよい。例えば、各種の金属溶着デバイスは、例えばレーザ利用、プラズマ利用、アーク利用、電子ビーム利用、ジュール加熱利用、又はそれらの何れの組合せであってもよい。このような金属溶着デバイスは本明細書中、次に説明するように金属材料を溶着するための付加的製造方法を実行するために使用されてもよい。
【0031】
図４は、金属溶着デバイス４１０を有する付加的製造システム４００の１つの実施形態のシステムブロック図を示す。システム４００はまた、コントローラ４２０と、ロボットアーム４３５を有するロボット４３０と、を含む。金属溶着デバイス４１０は、部品を形成するために、付加的製造プロセス中に溶融金属材料を溶着するように構成される。コントローラ４２０は、金属溶着デバイス４１０とロボット４３０に動作的に連結される。すなわち、図４の実施形態において、コントローラ４２０は、金属溶着デバイス４１０の各種の面（例えば、ワイヤ送給、出力電力又はエネルギー）を制御し、ロボット４３０のための動きコントローラとして機能するように構成される。他の実施形態によれば、コントローラ４２０は２つ又はそれ以上のコントローラ（例えば、金属溶着デバイス４１０を制御するための第一のコントローラとロボット４３０を制御するための第二のコントローラ）を含んでいてもよい。１つの実施形態において、ロボットアーム４３５は金属溶着デバイス４１０に（又は溶着ヘッド等、金属溶着デバイス４１０の少なくとも一部に）連結され、それによってロボット４３０は、コントローラ４２０の制御下でアーム４３５を介して金属溶着デバイス４１０を母材又は基板に関して空間内で移動させることができる。他の実施形態において、ロボットアーム４３５は母材又は基板に連結され、それによってロボット４３０はアーム４３５を介して母材又は基板を金属溶着デバイス４１０に関して移動させることができる。金属溶着デバイス４１０とロボット４３０は、特定の実施形態によれば、例えば図１～２又は図３に示されるタイプのものであってもよい。他の様々な実施形態によれば、他のタイプのロボット及び金属溶着デバイスもまた可能である。
【0032】
１つの実施形態によれば、コントローラ４２０は金属溶着デバイス４１０に対し、部品の輪郭を形成するために、付加的製造プロセスの輪郭溶着段階中に母材（基板）上に溶融金属材料を溶着することを命令する。次に、コントローラは金属溶着デバイス４１０に対し、部品の輪郭により外形が定められる領域内に充填パターンを形成するために、付加的製造プロセスの充填パターン溶着段階中に母材上に金属材料を溶着することを命令する。１つの実施形態によれば、輪郭溶着段階の溶着速度は、充填パターン溶着段階の溶着速度より低く、それによって輪郭を充填パターンより正確に、より精密に溶着することができる。付加的製造プロセスが継続して部品の続きの層を構築する際、金属材料は例えば、輪郭及び充填パターンの前の層の上に溶着される。
【0033】
１つの実施形態によれば、充填パターンはある波長を有する波形である。図５Ａ～５Ｃは、交差点において部品の輪郭と出会う部品の充填パターンの波形の例示的な実施形態を図式的に示す。交差点は、例えば定義された負荷を処理するために最適な負荷点に対応してもよい。図５Ａは２つの輪郭壁５１５と５１６との間に溶着される正弦波充填パターン５１０を示し、図５Ｂは２つの輪郭壁５２５と５２６との間に溶着される三角形の充填パターン５２０を示し、図５Ｃは２つの輪郭壁５３５と５３６との間に溶着される矩形充填パターン５３０（例えば、方形波の充填パターン）を示す。コントローラ４２０は、１つの実施形態によれば、波形の波長を調節して、部品の充填パーセンテージを調節するように構成される。したがって、充填パターンの波長が短くなると、充填される部品のパーセンテージは増加する。このような波形充填パターンにより、強力で軽量な部品（例えば、ハンドツール）の製造が可能となる。
【0034】
充填パターン溶着段階中に、コントローラ４２０は金属溶着デバイス４１０に対し、交差点において充填パターンの金属材料を輪郭の金属材料に融合することを命令する。交差点は、図５Ａ～５Ｃに示されるように、充填パターンが輪郭と出会う位置である。輪郭は、例えば部品の外形を形成してもよく、輪郭の寸法は溶着時に精密であり、付加的製造プロセス全体を通じてその精度が保持されることが望ましいかもしれない。したがって、充填パターンを輪郭に融合させるために、金属溶着デバイス４１０は交差点にエネルギーを印加し、交差点では輪郭を歪めることになるような過剰な量の金属材料を溶着しない。例えば、最小量の金属材料が交差点に溶着されてもよい。幾つかの例において、交差点で追加の金属材料が溶着されなくてもよい。その代わりに、充填パターンを輪郭に融合させるのに十分なエネルギーだけが印加される。このようにして、交差点において、輪郭は歪められず、金属材料の望ましくない「バンプ」が溶着されない。
【0035】
図６は、例えば図４のシステム４００を使った部品の付加的製造を行う方法６００の１つの実施形態のフローチャートを示す。ブロック６１０で、金属材料は、部品の輪郭を形成するために、付加的製造プロセスの輪郭溶着段階中に母材の上に溶着される。ブロック６２０で、金属材料は、部品の輪郭により境界又は外形が定められる領域内に充填パターンを形成するために、付加的製造プロセスの充填パターン溶着段階中に母材上に溶着される。充填パターンは、ある波長を有する波形である。ブロック６３０で、充填パターンの金属材料は、充填パターンが輪郭と出会う交差点において、交差点にエネルギーを印加し、輪郭を歪めることがないように交差点での金属材料の溶着速度を下げることによって（すなわち、輪郭を歪めることになるような量の金属材料を交差点に溶着しない）、輪郭の金属材料に融合される。１つの実施形態によれば、ブロック６３０は、ブロック６２０の充填溶着段階の一環として充填パターンが溶着されているときに実行される。例えば、システム４００は、充填パターン溶着段階中に、金属溶着デバイス４１０が交差点が近付くか、それを横切る際に、溶着される金属材料の量及び／又は金属材料を溶融されるために印加されるエネルギーの量を（コントローラ４２０の制御下で）ダイナミックに調節するように構成される（例えば、溶着速度を下げる）。本発明の各種の実施形態によれば、交差点における輪郭の溶着パターンへの融合は、特に熱（エネルギー）源とは独立している金属ワイヤを使用するプロセス（例えば、レーザ、プラズマ、ＴＩＧ）において容易に処理できる。再び、付加的製造プロセスが継続され、部品の続きの層が構築される際、金属材料は、例えば同様にして輪郭と充填パターンの前の層の上に溶着される。
【0036】
図７は、レーザを利用する、図４のコントローラ４２０により制御されるワイヤフィーダ７１０を含む図４の金属溶着デバイス４１０の１つの実施形態７００のシステムブロック図を示す。金属溶着デバイス７００は、特定の実施形態によれば、例えば図１～３のものと同様の要素及び／又は要素の組合せを有していてもよい。ワイヤフィーダ７１０は、金属材料のフィラワイヤ７２０を母材７３０に向かって送給するように構成される。図７の金属溶着デバイス７００実施形態はまた、電源７４０と、電源７４０に動作的に接続されたレーザデバイス７５０と、を含む。電源７４０とレーザデバイス７５０は、付加的製造プロセス中にフィラワイヤ７２０（及びおそらく、母材７３０の一部）を溶融するためのエネルギー（レーザビーム７５５の形態）を供給するように構成される。コントローラ４２０は、ワイヤフィーダ７１０に動作的に接続されて、付加的製造プロセスの充填パターン溶着中に、交差点においてフィラワイヤ７２０の送給速度を下げるか、交差点においてフィラワイヤ７２０の送給を完全に停止するように構成される。さらに、１つの実施形態において、電源７４０は、交差点においてレーザデバイス７５０により出力されるエネルギーの量を調節するように制御される。例えば、レーザデバイス７５０により出力されるエネルギーの量を交差点において減少させてもよく、それによって交差点において輪郭は充填パターンに融合されるが、大量の新たな金属材料が溶着されず、及び交差点において輪郭が歪められない、又は損傷を受けない。再び、付加的製造プロセスが継続され、部品の続きの層が構築される際、金属材料は、例えば同様にして輪郭と充填パターンの前の層の上に溶着される。
【0037】
図８は、非消耗電極を利用する、図４のコントローラ４２０により制御されるワイヤフィーダ８１０を含む図４の金属溶着デバイス４１０の１つの実施形態８００のシステムブロック図を示す。金属溶着デバイス８００は、特定の実施形態によれば、例えば図１～３のものと同様の要素及び／又は要素の組合せを有していてもよい。ワイヤフィーダ８１０は、金属材料のフィラワイヤ８２０を母材８３０に向かって送給するように構成される。図８の金属溶着デバイス８００実施形態はまた、電源８４０と、電源８４０に動作的に接続された非消耗電極８５０（例えば、タングステン電極）と、を含む。電源８４０と非消耗電極８５０は、付加的製造プロセス中にフィラワイヤ８２０（及びおそらく、母材８３０の一部）を溶融するためのエネルギー（プラズマビーム又はアーク８５５の形態）を供給するように構成される。コントローラ４２０は、ワイヤフィーダ８１０に動作的に接続されて、付加的製造プロセスの充填パターン溶着中に、交差点においてフィラワイヤ８２０の送給速度を下げるか、交差点においてフィラワイヤ８２０の送給を完全に停止するように構成される。さらに、１つの実施形態において、電源８４０は、交差点において電極８５０を介して供給されるエネルギーの量を調節するように制御される。例えば、電極８５０により供給されるエネルギーの量を交差点において減少させてもよく、それによって交差点において輪郭は充填パターンに融合されるが、大量の新たな金属材料が溶着されず、及び交差点において輪郭が歪められない、又は損傷を受けない。再び、付加的製造プロセスが継続され、部品の続きの層が構築される際、金属材料は、例えば同様にして輪郭と充填パターンの前の層の上に溶着される。
【0038】
図９は、消耗電極を利用する、図４のコントローラ４２０により制御されるワイヤフィーダ９１０を含む図４の金属溶着デバイス４１０の１つの実施形態９００のシステムブロック図を示す。金属溶着デバイス９００は、特定の実施形態によれば、例えば図１～３のものと同様の要素及び／又は要素の組合せを有していてもよい。ワイヤフィーダ９１０は、金属材料のフィラワイヤ９２０を母材９３０に向かって送給するように構成される。図９の金属溶着デバイス９００の実施形態はまた、電源９４０と、電源９４０に動作的に接続された第二のワイヤフィーダ９５０と、を含む。第二のワイヤフィーダは、消耗ワイヤ電極９６０を母材９３０に向かって送給するように構成される。電源９４０と第二のワイヤフィーダ９５０は、付加的製造プロセス中にフィラワイヤ９２０（及びおそらく、母材９３０の一部）を溶融するためのエネルギーを、消耗ワイヤ電極９６０を介して供給する（電極９６０と母材９３０との間に電気アーク９６５を形成する）ように構成される。コントローラ４２０は、第一のワイヤフィーダ９１０に動作的に接続されて、付加的製造プロセスの充填パターン溶着中に、交差点においてフィラワイヤ９２０の送給速度を下げるか、交差点においてフィラワイヤ９２０の送給を完全に停止するように構成される。さらに、１つの実施形態において、電源９４０は、交差点において電極９６０に供給されるエネルギーの量を調節するように制御される。例えば、電極９６０に供給されるエネルギーの量を交差点において減少させてもよく、それによって交差点において輪郭は充填パターンに融合され、限定的な量の新たな金属材料が溶着され、及び交差点において輪郭が歪められない、又は損傷を受けない。再び、付加的製造プロセスが継続され、部品の続きの層が構築される際、金属材料は、例えば同様にして輪郭と充填パターンの前の層の上に溶着される。
【0039】
図１０は、消耗電極を利用する、図４のコントローラ４２０により制御される電源１０１０とワイヤフィーダ１０２０を含む図４の金属溶着デバイス４１０の１つの実施形態１０００のシステムブロック図を示す。金属溶着デバイス１０００は、特定の実施形態によれば、例えば図１～３のものと同様の要素及び／又は要素の組合せを有していてもよい。ワイヤフィーダ１０２０は、金属材料の消耗ワイヤ電極１０３０を母材１０４０に向かって送給するように構成される。電源１０１０は、ワイヤフィーダ１０２０に動作的に接続される。電源１０１０とワイヤフィーダ１０２０は、付加的製造プロセス中に消耗ワイヤ電極１０３０（及びおそらく、母材１０４０の一部）を溶融するためのエネルギーを、消耗ワイヤ電極１０３０を介して供給する（電極１０３０と母材１０４０との間に電気アーク１０３５を形成する）ように構成される。コントローラ４２０は、付加的製造プロセスの充填パターン溶着中に、交差点において消耗ワイヤ電極１０３０の送給速度を下げるか、交差点において消耗ワイヤ電極の送給を完全に停止するように構成される。このようにして、交差点において輪郭は充填パターンに融合され、限定的な量の新たな金属材料が溶着され、それによって交差点において輪郭は歪まず、又は損傷を受けない。再び、付加的製造プロセスが継続され、部品の続きの層が構築される際、金属材料は、例えば同様にして輪郭と充填パターンの前の層の上に溶着される。
【0040】
図１１は、金属溶着デバイス１１１０と支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０を有する付加的製造システム１１００の１つの実施形態のシステムブロック図を示す。システム１１００はまた、コントローラ１１３０と、ロボットアーム１１４５及び１１４６を有するロボット１１４０と、を含む。金属溶着デバイス１１１０は、部品を形成するために、付加的製造プロセス中に溶融金属材料を溶着するように構成される。支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０は、部品の一部を支持するために、付加的製造プロセス中に少なくとも１つの金属支持ワイヤを位置決めするように構成される。コントローラ１１３０は、金属溶着デバイス１１１０、支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０、及びロボット１１４０に動作的に連結される。すなわち、図１１の実施形態において、コントローラ１１３０は、金属溶着デバイス１１１０の様々な面（例えば、ワイヤ送給、出力パワー、又はエネルギー）、ワイヤ位置決めデバイス１１２０を制御し、ロボット１１４０のための動きコントローラとして機能するように構成される。他の実施形態によれば、コントローラ１１３０は２つ又はそれ以上のコントローラ（例えば、金属溶着デバイス１１１０を制御するための第一のコントローラ、支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０を制御するための第二のコントローラ、及びロボット１１４０を制御するための第三のコントローラ）を含んでいてもよい。
【0041】
１つの実施形態において、ロボットアーム１１４５は金属溶着デバイス１１１０に（又は、溶着ヘッド等、金属溶着デバイス１１１０の少なくとも一部に）連結され、それによってロボット１１４０は、コントローラ１１３０の制御下で、アーム１１４５を介して金属溶着デバイス１１１０を母材又は基板に関して空間内で移動させることができる。１つの実施形態において、ロボットアーム１１４６は支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０に（又は、支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０の少なくとも一部に）連結され、それによってロボット１１４０は、コントローラ１１３０の制御下で、アーム１１４６を介して支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０を母材又は基板に関して空間内で移動させることができる。他の実施形態において、ロボットアーム１１４５は母材又は基板に連結され、それによってロボット１１４０は、アーム１１４５を介して母材又は基板を金属溶着デバイス１１１０及び／又は支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０に関して空間内で移動させることができる。金属溶着デバイス１１１０とロボット１１４０は、特定の実施形態によれば、例えば図１～２又は図３に示されるタイプであってもよい。他の各種の実施形態によれば、他のタイプのロボット及び金属溶着デバイスも可能である。
【0042】
図１２は、母材１２３０上の第一の位置１２２０と空間内の指定された支持点（位置）１２４０との間に、図１１の付加的製造システム１１００の支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０により位置決めされた金属支持ワイヤ又はロッド１２１０の１つ実施形態を図式的に示す。金属支持ワイヤ１２１０は、例えばサブアークワイヤであってもよい。すると、金属材料の層は、金属支持ワイヤ１２１０により支持される部品１２５０の一部を形成するために、付加的製造プロセス中に金属溶着デバイス１１１０によって指定された支持位置１２４０において金属支持ワイヤ１２１０の第二の端の上に溶着されてもよい。コントローラ１１３０は、付加的製造プロセスを制御する。例えば、コントローラ１１３０は、支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０に対し、金属支持ワイヤ１２１０の第一の端を、その上に部品が付加的製造される予定の母材１２３０上の第一の位置１２２０に溶接する（例えば、タック溶接又はスポット溶接）ことを命令するように構成される。コントローラ１１３０はまた、支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０に対し、金属支持ワイヤ１２１０の第二の端を自由空間内の指定された支持位置１２４０に位置決めすることを命令するように構成される（その詳細は本明細書中で後述する）。自由空間内の点の代わりに、コントローラ１１３０は支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０に対し、金属支持ワイヤ１２１０の第二の端を構築中の部品の他の部分又は他の支持構造に対応する点又は位置に位置決めすることを命令してもよい。コントローラ１１３０はさらに、金属溶着デバイス１１１０に対して、金属支持ワイヤ１２１０により支持される部品１２５０の一部を形成するために、付加的製造プロセス中に、金属支持ワイヤ１２１０の第二の端の上に溶融金属材料を溶着することを命令するように構成される。コントローラ１１３０は、ロボット１１４０（ロボットアーム１１４５及び１１４６を有する）に対し、金属支持ワイヤ１２１０の位置決めと固定（支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０を介する）と、部品１２５０の一部を形成するための金属材料の溶着（金属溶着デバイス１１１０を介する）とを支援することを命令する。
【0043】
図１３は、金属支持ワイヤを使用することによって部品の一部の付加的製造を行う方法１３００の１つの実施形態のフローチャートを示す。ブロック１３１０で、金属支持ワイヤの第一の端は、その上に部品が付加的製造される予定の母材上の第一の位置に溶接される。支持ワイヤ位置決めデバイスは、レーザホットワイヤ（ＬＨＷ）プロセス、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセス、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）プロセス、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）プロセス、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）プロセス、又は電気抵抗溶接（ＥＲＷ）プロセス（例えば、ジュール加熱）の少なくとも１つを使って金属支持ワイヤの第一の端を母材上の第一の位置に溶接する。ブロック１３２０で、金属支持ワイヤの第二の端は、ワイヤ伸長プロセス又はワイヤ逆送給及び切断プロセス（本明細書中で詳しく後述する）の少なくとも一方によって、空間内の指定された支持点（位置）に位置決めされる。ブロック１３３０で、金属材料は、金属支持ワイヤにより支持される部品の少なくとも一部を形成するために、付加的製造プロセス中に金属支持ワイヤの第二の端の上に溶着される。金属溶着デバイスはレーザホットワイヤ（ＬＨＷ）プロセス、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセス、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）プロセス、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）プロセス、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）プロセス、又は電気抵抗溶接（ＥＲＷ）プロセスの少なくとも１つを使って、金属材料を溶着する。
【0044】
図１４は、図１１のコントローラ１１３０により制御され、電源１４１０、ワイヤ伸長デバイス１４２０、及び溶接デバイス１４３０を有する、図１１の支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０の１つの実施形態１４００のシステムブロック図を示す。溶接デバイス１４３０は、レーザホットワイヤ（ＬＨＷ）プロセス、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセス、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）プロセス、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）プロセス、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）プロセス、又は電気抵抗溶接（ＥＲＷ）プロセスの少なくとも１つを使って、金属支持ワイヤの第一の端を母材上の第一の位置に溶接するように構成される。したがって、１つの実施形態において、溶接デバイス１４３０は、金属支持ワイヤを保持しながら、母材上の第一の位置に向かって（例えば、支持ワイヤ位置決めデバイス１４００を移動する一環としてロボット１１４０を介して）移動され、金属支持ワイヤの第一の端を母材上に位置決めし、金属支持ワイヤの第一の端を母材に溶接するように構成される。母材から出る金属支持ワイヤの向きも、溶接デバイス１４３０によって位置付けられてもよく、それによって、長さのわかっている金属支持ワイヤの第二の端の空間内の現在の位置を特定できる。１つの実施形態において、金属支持ワイヤは、金属支持ワイヤの第二の端を空間中の指定された支持点に向けることができるように適正な長さである。他の実施形態において、金属支持ワイヤは短く、太いワイヤであり、これは実際には、指定された支持点まで「引き延ばす」（例えば、押し出し又は延伸する）必要がある。
【0045】
１つの実施形態において、電源１４１０はワイヤ伸長デバイス１４２０に動作的に接続され、金属支持ワイヤに（例えば、及び導電性を有する母材に）電気を通すことにより、金属支持ワイヤを（例えば、ジュール加熱を介して）押出温度又は延伸温度まで加熱するように構成される。ワイヤ伸長デバイス１４２０は、金属支持ワイヤを、加熱されたところで、指定された支持点（位置）に向かう方向に押し出す、又は延伸するように構成され、その間に金属支持ワイヤの第一の端は母材上の第一の位置に取り付けらけれたままである。このようにして、金属支持ワイヤは、第二の端が指定された支持点に到達するまで事実上「引き延ばされる」。そのため、１つの実施形態において、ワイヤ伸長デバイス１４２０は、金属支持ワイヤの第二の端を空間内の所定の現在位置に把持するように構成される。電源１４１０は、金属支持ワイヤを加熱するための電流を（例えば、ワイヤ伸長デバイスを通じて）供給する。次にワイヤ伸長デバイスは（例えば、支持ワイヤ位置決めデバイス１４００を移動させる一環として、ロボット１１４０を介して）指定された支持点に向かって移動される。これらはすべて、コントローラ１１３０の制御下で行われる。再び、代替的な実施形態において、金属溶着デバイス又は支持ワイヤ位置決めデバイス（又はその一部）を移動させる代わりに、コントローラ１１３０の制御下で母材をロボット１１４０により移動させて、金属支持ワイヤの位置決め及び金属支持ワイヤ上の金属材料の溶着の同じ結果を実現することもできる。１つの実施形態によれば、支持ワイヤ位置決めデバイスは、ビジョンシステム（例えば、カメラを含む）を含み、これは、金属支持ワイヤの第二の端の位置を感知して、ワイヤ伸長デバイスが金属支持ワイヤの第二の端を把持するように制御され、方向付けられることが可能となるように構成される。
【0046】
図１５は、図１１のコントローラ１１３０により制御され、ワイヤフィーダ１５１０、ワイヤカッタ１５２０、及び溶接デバイス１５３０を有する、図１１の支持ワイヤ位置決めデバイス１１２０の１つの実施形態１５００のシステムブロック図を示す。溶接デバイス１５３０は、レーザホットワイヤ（ＬＨＷ）プロセス、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセス、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）プロセス、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）プロセス、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）プロセス、又は電気抵抗溶接（ＥＲＷ）プロセスの少なくとも１つを使って、金属支持ワイヤの第一の端を母材上の第一の位置に溶接するように構成される。そのため、１つの実施形態において、溶接デバイス１５３０とワイヤフィーダ１５１０は、母材上の第一の位置に向かって（例えば、支持ワイヤ位置決めデバイス１５００を移動する一環としてロボット１１４０を介して）移動され、金属支持ワイヤの第一の端を母材上に位置決めし、金属支持ワイヤの第一の端を母材に溶接するように構成され、これらはすべてコントローラ１１３０の制御下で行われる。金属支持ワイヤは、ワイヤフィーダ１５１０と動作的に係合するワイヤのコイルの形態であってもよい。１つの実施形態において、ワイヤフィーダ１５１０は金属支持ワイヤを前方送給し、金属支持ワイヤの第一の端が第一の位置において母材と接触する。すると、溶接デバイス１５３０は、金属支持ワイヤの第一の端を第一の位置で母材に溶接する。
【0047】
ワイヤフィーダ１５１０はまた、金属支持ワイヤを母材上の第一の位置から空間中の少なくとも指定された支持点へと後方送給するように構成される。そのため、１つの実施形態において、ワイヤフィーダ１５１０は、（例えば、支持ワイヤ位置決めデバイス１５００の一部としてロボット１１４０を介して）後方に、指定された支持点に向かって移動され、その間に金属支持ワイヤのコイルが巻き出されるように構成され、これらはすべてコントローラ１１３０の制御下で行われる。ワイヤカッタ１５２０は、指定された支持点で金属支持ワイヤを切断して、金属支持ワイヤの第二の端を形成するように構成される。例えば、１つの実施形態において、ワイヤカッタ１５２０は、（例えば、支持ワイヤ位置決めデバイス１５００を移動する一環としてロボット１１４０を介して）指定された支持点へと向けられ、金属ワイヤを切断するように命令され、これらはすべてコントローラ１１３０の制御下で行われる。再び、代替的な実施形態において、金属溶着デバイス又は支持ワイヤ位置決めデバイス（又はその一部）を移動させる代わりに、コントローラ１１３０の制御下で母材をロボット１１４０により移動させて、金属支持ワイヤの位置決め及び金属支持ワイヤ上の金属材料の溶着の同じ結果を実現することもできる。１つの実施形態によれば、支持ワイヤ位置決めデバイスは、ビジョンシステム（例えば、カメラを含む）を含み、これは、金属支持ワイヤを感知して、ワイヤカッタが指定された支持点で金属支持ワイヤを切断し、金属支持ワイヤの第二の端を形成するように制御され、方向付けられることが可能となるように構成される。
【0048】
１つの実施形態によれば、複数の金属支持ワイヤ又はロッド（例えば、金属支持ワイヤ又はロッドの列の形態）を、本明細書で説明するように支持ワイヤ位置決めデバイスにより母材に位置決めし、溶接してもよい。各金属支持ワイヤは、（例えば、コントローラの制御下で）特定の順序で位置決め、溶接されてもよく、それによって、それ以前に位置決めされ、溶接された金属支持ワイヤはその後の金属支持ワイヤの位置決めと溶接を妨害しない。他の実施形態によれば、金属支持ワイヤ又はロッドは、付加的製造される予定の部品の構成をセットアップする一環として人が手作業で母材に位置決めし、溶接することもできる。このような実施形態では、支持ワイヤ位置決めデバイスは使用されなくてもよい。一般に、複数の金属支持ワイヤは、各種の実施形態によれば、同じ長さでも異なる長さでもよい。図１６は、母材１６２０に位置決めされ、溶接された複数の金属支持ワイヤ１６１０の列の１つの実施形態を示しており、部品の一部を母材１６２０の上に付加的製造することができる。金属支持ワイヤはまた、例えば手作業か、又は図１１のシステム１１００を使って、それ以前に位置決めされた２つの金属支持ワイヤ間に位置決めし、そこに溶接されてもよい。金属支持ワイヤは、様々な実施形態によれば、付加的製造されている部品の永久的部品のままであってもよく、又は最終的な部品から取り除かれてもよい。このようにして、支持構造を１層ずつ付加的製造しなければならないのではなく、ワイヤ／ロッドを支持構造として使用できるため、部品の構築は比較的高速とすることができる。さらに、幾つかの実施形態において、金属ワイヤ／ロッドは、別の母材／基板を使用する代わりに、構築のための母材として使用できる。
【0049】
図１７は、母材１７３０の上に部品の一部（例えば、部品の輪郭部分）を付加的製造するために、母材１７３０の上に複数の金属支持ワイヤ／ロッド１７２０を保持する輪郭形成支持フレーム１７１０の１つの実施形態を示す。輪郭形成支持フレーム１７１０は、部品を生成するために付加的製造プロセスを実行する前に形成／製造される。輪郭形成支持フレーム１７１０は、複数の金属支持ワイヤ／ロッド１７２０を輪郭形成支持フレーム１７１０の穴又はビアの中に、複数の金属支持ワイヤ／ロッド１７２０の上に部品の一部を付加的製造するのに正しい高さと角度で設置できるように設計される。幾つかの実施形態において、輪郭形成支持フレーム１７１０は導電性を有し（例えば、金属材料で製作される）、他の実施形態では、輪郭形成支持フレーム１７１０は非導電性（例えば、非導電セラミック材料で製作される）であってもよい。
【0050】
１つの実施形態において、複数の金属支持ワイヤ／ロッド１７２０の下端は母材１７３０（これは導電性を有する）と電気的に接触し、それによって複数の金属支持ワイヤ／ロッド１７２０の上端に金属材料が溶着されたときに、完全な電流路を形成できる。例えば、導電性ペーストが母材１７３０上の、輪郭形成支持フレーム１７１０の下に塗布されてもよく、それによってワイヤ／ロッド１７２０と母材１７３０との間に良好な電気接触がなされる。このような実施形態において、輪郭形成支持フレーム１７１０は非導電性であってもよい。他の実施形態では、輪郭形成支持フレーム１７１０は導電性を有し、母材１７３０（これは導電性を有する）に一時的に溶接（例えば、タック溶接）される。複数の金属支持ワイヤ／ロッド１７２０は、穴／ビアで輪郭形成支持フレーム１７１０と電気的に接触し、それによって複数の金属支持ワイヤ／ロッド１７２０の上端に金属材料が溶着されたときに、完全な電気経路を形成できる。例えば、１つの実施形態によれば、輪郭形成支持フレーム１７１０の穴又はビアは、複数の金属支持ワイヤ／ロッド１７２０を把持して、良好な電気接触がなされるように構成される。
【0051】
その結果、輪郭形成支持フレーム１７１０により保持される複数の金属支持ワイヤ／ロッド１７２０は、例えば、母材１７３０の上の部品の湾曲した、又は不規則な部分の付加的製造を可能にするネガティブフォームとして機能する。このようにして、また輪郭形成支持フレームの形状と金属輪郭形成支持フレームから突き出ている金属支持ワイヤ／ロッドの長さと角度とに応じて、付加的製造プロセス中に部品の複雑な部分を母材上に支持することができる。このようにすることで、複数の曲面を含む複雑で不規則な形状の付加的製造が可能となる。輪郭形成支持フレーム１７１０と複数の金属支持ワイヤ／ロッド１７２０とは、部品の付加的製造が完了したところで取り除くことができる。１つの実施形態によれば、付加的製造される予定の複数の部品は、単純に複数の金属支持ワイヤ／ロッドの長さと角度、及び／又は数（間隔）を変える（すなわち、複数の金属支持ワイヤ／ロッドと、それらが輪郭形成支持フレームにより保持される場所を再構成する）ことによって、同じ輪郭形成支持フレームにより支持できる。一般に、輪郭形成支持フレームの穴／ビアの間隔が近く、穴／ビアにより支持される角度が多いほど、同じ輪郭形成支持フレームで実現できる輪郭形状が多くなる。
【0052】
図１８は、金属溶着デバイス１８１０とセラミック溶着デバイス１８２０を有する付加的製造システム１８００の１つの実施形態のシステムブロック図を示す。システム１８００はまた、コントローラ１８３０と、ロボットアーム１８４５及び１８４６を有するロボット１８４０も含む。セラミック溶着デバイス１８２０は、付加的製造プロセス中にセラミック材料を溶着するように構成される。「セラミック材料」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、純粋なセラミック材料を指してもよく、又は複数のタイプのセラミック材料を有する、及び／又はセラミック材料とセラミック材料以外を有するセラミック複合材料を指してもよい。金属溶着デバイス１８１０は、付加的製造プロセス中に溶融金属材料を溶着するように構成される。コントローラ１８３０は、セラミック溶着デバイス１８２０、金属溶着デバイス１８１０、及びロボット１８４０に動作的に連結される。すなわち、図１８の実施形態において、コントローラ１８３０は、金属溶着デバイス１８１０の様々な面（例えば、ワイヤ送給、出力パワー、又はエネルギー）、セラミック溶着デバイス１８２０（例えば、セラミック材料の吐出、出力パワー、又はエネルギー）を制御し、ロボット１８４０のための動きコントローラとして機能するように構成される。他の実施形態によれば、コントローラ１８３０は、２つ又はそれ以上のコントローラ（例えば、金属溶着デバイス１８１０を制御するための第一のコントローラ、セラミック溶着デバイス１８２０を制御するための第二のコントローラ、及びロボット１８４０を制御するための第三のコントローラ）を含んでいてもよい。
【0053】
１つの実施形態において、ロボットアーム１８４５は金属溶着デバイス１８１０に（又は溶着ヘッド等、金属溶着デバイス１８１０の少なくとも一部に）連結され、それによってロボット１８４０は、コントローラ１８３０の制御下で、アーム１８４５を介して金属溶着デバイス１８１０を母材又は基板に関して空間中で移動させることができる。１つの実施形態において、ロボットアーム１８４６はセラミック溶着デバイス１８２０に（又は溶着ヘッド等、セラミック溶着デバイス１８２０の少なくとも一部に）連結され、それによってロボット１８４０は、コントローラ１８３０の制御下で、アーム１８４６を介してセラミック溶着デバイス１８２０を母材又は基板に関して空間中で移動させることができる。他の実施形態において、ロボットアーム１８４５は母材又は基板に連結され、それによってロボット１８４０はアーム１８４５を介して、母材又は基板を金属溶着デバイス１８１０及び／又はセラミック溶着デバイス１８２０に関して空間中で移動させることができる。金属溶着デバイス１８１０とロボット１８４０は、特定の実施形態によれば、例えば図１～２又は図３に示されるタイプのものであってもよい。他の各種の実施形態によれば、他のタイプのロボット及び金属溶着デバイスも可能である。
【0054】
１つの実施形態において、コントローラ１８３０は、セラミック溶着デバイス１８２０に対し、部品のセラミック充填部分を形成するために、付加的製造プロセスの充填溶着段階中に、母材の上にセラミック材料を溶着することを命令するように構成される。コントローラ１８３０はまた、金属溶着デバイス１８１０に対し、部品の金属シェル部分を形成するために、付加的製造プロセスの金属シェル溶着段階中に、部品のセラミック充填部分の少なくとも１つの表面に金属材料を溶着することを命令するように構成される。１つの実施形態において、部品の充填部分は、部品の充填部分が金属シェル溶着段階中に生成される熱に耐えて、部品のセラミック充填部分を損傷し、又は歪めないようにすることのできる熱特性を有する。１つの実施形態において、部品の充填部分は導電性を有する（例えば、セラミック材料は本来的に導電性を有していても、導電性粒子でドープされていてもよい）。部品の導電性の充填部分により、例えばアークワイヤ溶着プロセスを通じた金属溶着が容易となり、それによって金属材料が溶着されたときに完全な電流経路を形成できる。他の実施形態において、部品の充填部分は非導電性である。
【0055】
図１９Ａ～１９Ｂは、図１８のシステム１８００を使用して付加的製造プロセスにより製作される部品のセラミック充填部分１９１０と部品の金属シェル部分１９２０とを図式的に示す。図１９Ａは、実質的に立方体の形状で薄い色の、部品のセラミック充填部分１９１０を示す。図１９Ｂは、部品のセラミック充填部分１９１０の少なくとも３面に溶着され、暗い色の、部品の金属シェル部分１９２０を示す。１つの実施形態において、部品のセラミック充填部分１９１０は、母材又は基板上に１層ずつ付加的に構築されて、部品の中実部分を形成する。その後、母材又は基板は様々な向きに（例えば、ロボット１８４０及びロボットアーム１８４５を介して）回転され、金属材料を部品のセラミック充填部分１９１０の表面上に金属溶着デバイス１８１０により（例えば、ワイヤ溶着プロセスを介して）溶着できるようにされる。金属材料は、何れか特定の面に関して、部品の金属シェル部分１９２０の所望の厚さに応じて１つ又は複数の層として溶着できる。
【0056】
１つの実施形態によれば、部品のセラミック充填部分と部品の金属シェル部分とは、部品の永久的部分である。セラミック材料を部品の充填部分として使用することにより、溶着時間を改善し、及び／又は最終部品の強度及び／又は熱特性を改善しうる。他の実施形態によれば、部品の金属シェル部分は部品の永久的部分であり、部品のセラミック充填部分は部品の一時的部分であって、付加的製造プロセス中に部品の金属シェル部分の支持構造として機能する。部品のセラミック充填部分は部品から取り除かれて、部品の最終版を形成するように構成される。部品のセラミック充填部分は、金属シェル溶着段階中に生成される熱に耐えることができ、その後、例えば最終部品からセラミックを破壊して出すことにより、部品から取り除くことができる。このようにして、部品のセラミック充填部分は、最終部品のネガティブフォームとして機能する。
【0057】
図２０は、図１８のシステム１８００を使って、セラミック充填部分と金属シェル部分を有する部品を付加的製造する方法２０００の１つの実施形態のフローチャートを示す。ブロック２０１０で、セラミック材料は、部品のセラミック充填部分を形成するために、付加的製造プロセスの充填溶着段階中に母材の上に溶着される。部品のセラミック充填部分は導電性を有していてもよい。例えば、溶着前のセラミック材料に、導電性粒子が注入されてもよい。代替的に、セラミック材料は本来的に導電性を有していてもよい。他の実施形態において、部品の充填部分は実質的に導電性を持たない（例えば、絶縁体）。
【0058】
ブロック２０２０で、金属材料は、部品の金属シェル部分を形成するために、付加的製造プロセスの金属シェル溶着段階中に部品のセラミック充填部分の少なくとも１つの表面上に溶着される。金属溶着デバイスは、レーザホットワイヤ（ＬＨＷ）プロセス、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセス、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）プロセス、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）プロセス、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）プロセス、又は電気抵抗溶接（ＥＲＷ）プロセスの少なくとも１つを使って、付加的製造プロセスの金属シェル溶着段階中に金属材料を溶着する。部品のセラミック充填部分が導電性を有する場合、電流は部品のセラミック充填部分を通り、導電性の母材又は基板へと流れることができ、特定プロセスの金属溶着を容易にする。
【0059】
ブロック２０３０で、金属シェル溶着段階中の金属材料の溶着に関連する温度は、部品のセラミック充填部分を損傷し、又は歪めないように、部品のセラミック充填部分の熱特性以内に保持される。１つの実施形態において、温度センサが金属シェル溶着段階中に部品のセラミック充填部分の温度を感知し、関連するフードバック信号をコントローラに供給する。コントローラは、フィードバック信号に基づき、金属溶着デバイスのパラメータを調節して、温度を容認可能な限度内に保持するように構成される。例えば、金属溶着デバイスの出力パワーが低減されてもよく、及び／又は金属溶着デバイスの金属溶着速度が低下されてもよい。選択肢として、ブロック２０４０で、部品のセラミック充填部分は、金属溶着後に部品から取り除かれて、部品の最終版が形成される。
【0060】
再び、セラミック溶着デバイス１８２０は、１つの実施形態によれば、動き制御（例えば、ロボット制御）を使って、コントローラ１８３０の制御下で、付加的製造される予定の３Ｄ部品の基板又は層の上にセラミック材料を溶着してもよい。例えば、各種の実施形態によれば、ロボット制御を使って、セラミック溶着デバイス１８２０の溶着ヘッド及び／又は、その上に３Ｄ部品が付加的製造されている母材／基板を移動させてもよい。溶着量と溶着速度は、コントローラ１８３０を介して、溶着されたセラミック材料の寸法と共に精密に制御されてもよい。溶着量、溶着速度、及び溶着寸法の制御は、様々なタイプの制御されたデバイスを使用してもよく、これには例えば、セラミック材料送達ノズル、セラミック材料フィーダ、及び振動誘発デバイスが含まれる。他の実施形態によれば、本明細書で説明するセラミック材料溶着機能を実行するために、その他の構成のセラミック溶着デバイスも可能である。
【0061】
セラミック材料は、部品の付加的製造に使用でき、異なる送給形態及び状態をとることができ、様々なプロセスを使って溶着できる。セラミック材料は、粉末、液体、又は固体材料の形態をとることが多い。セラミック材料の幾つかの例には、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３－ガラス－Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３－ＺｒＯ２－ＴｉＣ、アパタイト－ムライト、グラファイト、Ｋ２Ｏ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、ＺｒＯ２、ＺｒＢ２、及びガラス粉末が含まれる。セラミック材料は、セラミック材料が極端な条件に耐えられる（例えば、付加的製造されている部品のセラミック表面上の溶融金属材料の溶着に耐えられる）高い温度機械特性を有することができる。
【0062】
セラミック材料を使用する付加的製造は、例えばＣＡＤモデルスライス、プリント、脱バインダ、及び焼結のプロセスを含んでいてもよい。ＣＡＤモデルは、付加的製造されるべき部品のデジタルモデルである。セラミック構造は、例えば、セラミック材料の直接レーザ溶融による、又はバインダとフリュダイザを援用した付加的製造が可能である。さらなる高密度化及びバインダ焼失のために、高温での後処理が行われるかもしれない。一般に、セラミック材料は熱伝導率が低い。いくつかのセラミック材料に関して、低パワーレーザを使用し、溶着プロセスの一環としてセラミック材料を溶融させてもよい。レーザの出力パワーは、例えば０．１ワット～１０キロワットの間の何れかであってもよい。レーザの波長は、セラミック材料、プロセス、付加的製造される予定の製品のタイプに基づいて、例えば紫外域（ＵＶ）から中赤外域（ＩＲ）の間の何れかであってもよい。１つの実施形態によれば、セラミック材料は、マイクロ波エネルギーを使って加熱されてもよい。他の実施形態によれば、セラミック材料は電子ビームエネルギーを使って加熱されてもよい。
【0063】
幾つかの人気のあるセラミック材料付加的製造プロセスには例えば、結合剤噴射（ＢＪ：ｂｉｎｄｅｒ ｊｅｔｔｉｎｇ）、材料噴射（ＭＪ：ｍａｔｅｒｉａｌ ｊｅｔｔｉｎｇ）、粉末床溶融結合（ＰＢＦ：ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）、シート積層（ＳＬ：ｓｈｅｅｔ ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）、及び液槽光重合（ＶＰ：ｖａｔ ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）が含まれる。結合剤噴射（ＢＪ）では、液体結合剤が粉末の層の上にジェットプリントされ、粒子を相互に結合することによって部品が１層ずつ構成される。材料噴射（ＭＪ）では、セラミック材料の液滴が溶着される。粉末床溶融結合（ＰＢＦ）では、熱エネルギーを使って、セラミック材料の粉末中の領域を融合させる。シート積層（ＳＬ）では、セラミック材料のシート又はフォイルが相互に結合される。液槽光重合（ＶＰ）では、液槽内の液体セラミック材料が光硬化される。セラミック系材料で使用されてもよい他の可能な付加的製造プロセスは、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ：ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）であり、この場合、積層中に熱エネルギーが集束されて、材料を溶融させる。セラミック系材料で使用されてもよいまた別の可能な付加的製造プロセスは、材料押出であり、この場合、溶着中、材料がノズルか又はオリフィスから選択的に押し出される。
【0064】
１つの実施形態において、シングルステッププロセスを使ってセラミック部品を形成してもよい。シングルステッププロセスには、例えば指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）の使用が含まれていてもよい。代替的に、シングルステッププロセスには、例えば選択的レーザ溶融（ＳＬＭ：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ）粉末床溶融結合プロセス又は選択的レーザ焼結（ＳＬＳ：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）粉末床溶融結合プロセスが含まれていてもよい。セラミック材料粒子の結合は、例えば化学結合、ソリッドステート焼結、又は粒子の部分的及び完全融解を使って行うことができる。１つの実施形態において、マルチステッププロセスを使ってセラミック部品を製作してもよい。マルチステッププロセスには、結合剤材料を使って部品の形状を設定し、その後１つ又は複数の脱バインダステップを介して結合剤を除去することを含んでいてもよい。結合剤噴射（ＢＪ）、材料噴射（ＭＪ）、材料押出（ＭＥ：ｍａｔｅｒｉａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）、シート積層（ＳＬ）、及び液槽光重合（ＶＰ）はマルチステッププロセスと考えられる。また、幾つかの粉末床溶融結合（ＰＢＦ）プロセスもマルチステッププロセスと考えられる。
【0065】
図２１は、図１、３、４、７～１１、１４～１５、及び図１８の付加的製造システムの例示的なコントローラのある実施形態を示す。コントローラ２１００は、少なくとも１つのプロセッサ２１１４を含み、これはバスサブシステム２１１２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２１２８及びファイルストレージサブシステム２１２６を含むストレージサブシステム２１２４、ユーザインタフェース入力デバイス２１２２、ユーザインタフェース出力デバイス２１２０、及びネットワークインタフェースサブシステム２１１６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２１００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２１１６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、装置１００の動きコントローラ１８０は、コントローラ２１００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。
【0066】
ユーザインタフェース入力デバイス２１２２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２１００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。
【0067】
ユーザインタフェース出力デバイス２１２０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２１００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。
【0068】
ストレージサブシステム２１２４は、本明細書に記載されている機能の幾つか又は全部を提供又は支援するブログミング及びデータ構成を（例えば、ソフトウェアモジュールとして）記憶する。例えば、ストレージサブシステム２１２４には、付加的製造される予定の部品のＣＡＤモデル及び、堆積位置の変化を特定し、金属溶着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。
【0069】
ソフトウェアモジュールは一般に、プロセッサ２１１４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２１２８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）２１３０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）２１３２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２１２６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２１２４内のストレージサブシステム２１２６によって、又はプロセッサ２１１４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。
【0070】
バスサブシステム２１１２は、コントローラ２１００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２１１２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。
【0071】
コントローラ２１００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２１に示されるコントローラ２１００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２１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２１００の他の多数の構成が可能である。
【0072】
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】
【0073】
２０ 電極ヘッド
３０ 電極の列
３２ 電極
４０ 溶接電源
５０ 駆動ロール
５１ 母材／基板又は部品
６０ センサ
８０ コントローラ
９０ ロボット
１００ 金属溶着デバイス
１１０ レーザビーム
１１５ 母材／基板又は部品
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
４００ 付加的製造システム
４１０ 金属溶着デバイス
４２０ コントローラ
４３０ ロボット
４３５ ロボットアーム
５３５、５３６ 輪郭壁
７００ 金属溶着デバイス
７１０ ワイヤフィーダ
７２０ フィラワイヤ
７３０ 母材
７４０ 電源
７５０ レーザデバイス
８００ 金属溶着デバイス
８１０ ワイヤフィーダ
８２０ フィラワイヤ
８３０ 母材
８５０ 非消耗電極
９００ 金属溶着デバイス
９１０ ワイヤフィーダ
９２０ フィラワイヤ
９３０ 母材
９４０ 電源
９５０ 第二のワイヤフィーダ
９６０ 消耗ワイヤ電極
１０００ 金属溶着デバイス
１０１０ 電源
１０２０ ワイヤフィーダ
１０３０ 消耗ワイヤ電極
１０４０ 母材
１１１０ 金属溶着デバイス
１１２０ 支持ワイヤ位置決めデバイス
１１３０ コントローラ
１１４０ ロボット
１１４５、１１４６ ロボットアーム
１２１０ 金属支持ワイヤ又はロッド
１２２０ 母材上の第一の位置
１２３０ 母材
１２４０ 支持点
１４００ 支持ワイヤ位置決めデバイス
１４１０ 電源
１４２０ ワイヤ伸長デバイス
１４３０ 溶接デバイス
１５００ 支持ワイヤ位置決めデバイス
１５１０ ワイヤフィーダ
１５２０ ワイヤカッタ
１５３０ 溶接デバイス
１７１０ 輪郭形成支持フレーム
１７２０ 金属支持ワイヤ／ロッド
１７３０ 母材
１８００ 付加的製造システム
１８１０ 金属溶着デバイス
１８２０ セラミック溶着デバイス
１８３０ コントローラ
１８４０ ロボット
１８４５、１８４６ ロボットアーム
１９１０ セラミック充填部分
１９２０ 金属シェル部分
２１００ コントローラ
２１１２ バスサブシステム
２１１４ プロセッサ
２１１６ ネットワークインタフェースサブシステム
２１２０ ユーザインタフェース出力デバイス
２１２２ ユーザインタフェース入力デバイス
２１２６ ファイルストレージサブシステム
２１２８ メモリサブシステム
３０ 電極の列
３２ 電極
４０ 溶接電源
５０ 駆動ロール
５１ 母材／基板又は部品
６０ センサ
８０ コントローラ
９０ ロボット
１００ 金属溶着デバイス
１１０ レーザビーム
１１５ 母材／基板又は部品
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
４００ 付加的製造システム
４１０ 金属溶着デバイス
４２０ コントローラ
４３０ ロボット
４３５ ロボットアーム
５３５、５３６ 輪郭壁
７００ 金属溶着デバイス
７１０ ワイヤフィーダ
７２０ フィラワイヤ
７３０ 母材
７４０ 電源
７５０ レーザデバイス
８００ 金属溶着デバイス
８１０ ワイヤフィーダ
８２０ フィラワイヤ
８３０ 母材
８５０ 非消耗電極
９００ 金属溶着デバイス
９１０ ワイヤフィーダ
９２０ フィラワイヤ
９３０ 母材
９４０ 電源
９５０ 第二のワイヤフィーダ
９６０ 消耗ワイヤ電極
１０００ 金属溶着デバイス
１０１０ 電源
１０２０ ワイヤフィーダ
１０３０ 消耗ワイヤ電極
１０４０ 母材
１１１０ 金属溶着デバイス
１１２０ 支持ワイヤ位置決めデバイス
１１３０ コントローラ
１１４０ ロボット
１１４５、１１４６ ロボットアーム
１２１０ 金属支持ワイヤ又はロッド
１２２０ 母材上の第一の位置
１２３０ 母材
１２４０ 支持点
１４００ 支持ワイヤ位置決めデバイス
１４１０ 電源
１４２０ ワイヤ伸長デバイス
１４３０ 溶接デバイス
１５００ 支持ワイヤ位置決めデバイス
１５１０ ワイヤフィーダ
１５２０ ワイヤカッタ
１５３０ 溶接デバイス
１７１０ 輪郭形成支持フレーム
１７２０ 金属支持ワイヤ／ロッド
１７３０ 母材
１８００ 付加的製造システム
１８１０ 金属溶着デバイス
１８２０ セラミック溶着デバイス
１８３０ コントローラ
１８４０ ロボット
１８４５、１８４６ ロボットアーム
１９１０ セラミック充填部分
１９２０ 金属シェル部分
２１００ コントローラ
２１１２ バスサブシステム
２１１４ プロセッサ
２１１６ ネットワークインタフェースサブシステム
２１２０ ユーザインタフェース出力デバイス
２１２２ ユーザインタフェース入力デバイス
２１２６ ファイルストレージサブシステム
２１２８ メモリサブシステム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A-5C】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19A-19B】
【図20】
【図21】