(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】2024-06-13
(45)【発行日】2024-06-21
(54)【発明の名称】全方向ビルド経路を有するレーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド
(51)【国際特許分類】
B23K 26/34 20140101AFI20240614BHJP
B23K 26/21 20140101ALI20240614BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20240614BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20240614BHJP
B29C 64/268 20170101ALI20240614BHJP
B29C 64/209 20170101ALI20240614BHJP
B29C 64/227 20170101ALI20240614BHJP
【ＦＩ】
B23K26/34
B23K26/21 Z
B23K26/00 N
B33Y30/00
B29C64/268
B29C64/209
B29C64/227
【請求項の数】
20
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2019131587
(22)【出願日】2019-07-17
(65)【公開番号】P2020011300
(43)【公開日】2020-01-23
【審査請求日】2022-06-29
(31)【優先権主張番号】62/700,398
(32)【優先日】2018-07-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/383,822
(32)【優先日】2019-04-15
(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】クリストファー ディー．アゴスティ
(72)【発明者】
【氏名】マイケル ディー．ラテッサ
(72)【発明者】
【氏名】ウィリアム ティー．マシューズ
(72)【発明者】
【氏名】カイル ジー．スミス
【審査官】柏原 郁昭
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１２４４８３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－１５９２９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１７９４９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１７－５０３６６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】登録実用新案第３１９８４９０（ＪＰ，Ｕ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２６／３４
Ｂ２３Ｋ ２６／２１
Ｂ２３Ｋ ２６／００
Ｂ３３Ｙ ３０／００
Ｂ２９Ｃ ６４／２６８
Ｂ２９Ｃ ６４／２０９
Ｂ２９Ｃ ６４／２２７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッドであって、前記蒸着ヘッドは、構造フレームと、
前記構造フレーム内に取り付けられた、レーザ集束装置を含むレーザ処理サブシステムであって基板または付加製造される部品に向かって縦配向方向に単一光線経路のレーザ光線を配送するように構成されたレーザ処理サブシステムと、
前記構造フレーム内に取り付けられたワイヤ送出装置および接触管であって、消耗溶接ワイヤを前記縦配向方向に対して１°～３０°の間の角度で前記基板または前記部品の方向に送出するように構成されたワイヤ送出装置および接触管と
を含み、
ホットワイヤが前記レーザ光線の経路に入ったときのホットワイヤの集中の微調整は、ホットワイヤ接触ブロックおよび接触管アセンブリを保持する２軸線形クロススライドモジュールを介し達成され、
前記蒸着ヘッドは、前記消耗溶接ワイヤが第１の角度で前記接触管に近づき、該第１の角度にわたって前記縦配向方向から１～５°の第２の角度で前記接触管から出るようにするよう構成されているため、前記蒸着ヘッドは、前記単一光線経路のレーザ光線の配向を前記縦配向方向から角度的に変更する必要無く、または、前記蒸着ヘッドを回転する必要無く、前記部品を付加製造するために運動制御システムの誘導下で前記基板または前記部品に対して全方向に移動でき、
前記レーザ処理サブシステム及び前記ワイヤ送出装置は、別々に動かすことも互いに同期させることも必要無い、一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項2】
前記角度は１°～３０°の間で手動調整可能である、請求項１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項3】
前記単一光線経路のレーザ光線が前記基板または前記部品に合流する第１の位置と前記消耗溶接ワイヤの先端が前記基板または前記部品に合流する第２の位置との間の距離が手動調整可能である、請求項１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項4】
前記単一光線経路のレーザ光線は前記一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド内で分割または再合成されない、請求項１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項5】
ノーズコーン、ユーティリィティホースおよび導管、並びに水冷接触ブロックをさらに含む、請求項１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項6】
前記ワイヤ送出装置はモータおよび駆動ローラを含む、請求項１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項7】
前記第１の角度は、前記縦配向方向から約３０度以下である、請求項１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項8】
前記レーザ集束装置は最大１５キロワットの出力を供給する赤外スペクトルで動作する、請求項１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項9】
最大約１０．０キログラム／時間の蒸着速度が実現可能である、請求項１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項10】
前記レーザ集束装置は、レーザ光線集束光学系モジュール、集束光学系支援ガス入口、無孔集束光学系カバースライド、および集束光学系出口先端のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項11】
一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッドであって、前記蒸着ヘッドは、構造フレームと、
前記構造フレーム内に取り付けられた、レーザ集束装置を含むレーザ処理サブシステムであって、基板または付加製造される部品に向かって縦配向方向に単一光線経路のレーザ光線を配送するように構成されたレーザ処理サブシステムと、
前記構造フレーム内に取り付けられた接触管であって、外部ワイヤ送出装置からの消耗溶接ワイヤを受け入れ、前記消耗溶接ワイヤを前記縦配向方向に対し１°～３０°の間の角度で前記基板または前記部品の方向に誘導するように構成された、接触管と
を含み、
ホットワイヤが前記レーザ光線の経路に入ったときのホットワイヤの集中の微調整は、ホットワイヤ接触ブロックおよび接触管アセンブリを保持する２軸線形クロススライドモジュールを介し達成され、
前記蒸着ヘッドは、前記消耗溶接ワイヤが第１の角度で前記接触管に近づき、該第１の角度にわたって前記縦配向方向から１～５°の第２の角度で前記接触管から出るように構成されているため、前記蒸着ヘッドは、前記単一光線経路のレーザ光線の配向を前記縦配向方向から角度的に変更する必要無く、または、前記蒸着ヘッドを回転する必要無く、前記部品を付加製造するために運動制御システムの誘導下で前記基板または前記部品に対して全方向に移動でき、
前記レーザ処理サブシステム及び前記外部ワイヤ送出装置は、別々に動かすことも同期させることも必要無い、一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項12】
前記角度は１°～３０°の間で手動調整可能である、請求項１１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項13】
前記単一光線経路のレーザ光線が前記基板または前記部品に合流する第１の位置と前記消耗溶接ワイヤの先端が前記基板または前記部品に合流する第２の位置との間の距離が手動調整可能である、請求項１１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項14】
前記単一光線経路のレーザ光線は前記一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド内で分割または再合成されない、請求項１１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項15】
ノーズコーン、ユーティリィティホースおよび導管、並びに水冷接触ブロックをさらに含む、請求項１１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項16】
前記第１の角度は、前記縦配向方向から約３０度以下である、請求項１１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項17】
前記レーザ集束装置は最大１５キロワットの出力を供給する赤外スペクトルで動作する、請求項１１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項18】
最大約１０．０キログラム／時間の蒸着速度が実現可能である、請求項１１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項19】
前記レーザ集束装置は、レーザ光線集束光学系モジュール、集束光学系支援ガス入口、無孔集束光学系カバースライド、および集束光学系出口先端のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【請求項20】
熱的／電気的絶縁板、ワイヤ進入調整ユニット、ノーズコーンロック環、および補助／先端冷却ガス導管のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１１に記載の一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本米国特許出願は、参照のためその開示を本明細書に援用する２０１８年７月１９日出願の米国仮特許出願第６２／７００，３９８号明細書からの優先権および便宜を主張する。
本米国特許出願は、参照のためその開示を本明細書に援用する２０１８年７月１９日出願の米国仮特許出願第６２／７００，３９８号明細書からの優先権および便宜を主張する。
【0002】
本発明の実施形態は、しばしば同義的に３Ｄ印刷と呼ばれる付加製造（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）に関係するシステムおよび方法に関し、より具体的には全方向ビルド経路（ｏｍｎｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｂｕｉｌｄ ｐａｔｈ）を許容するレーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド（ｌａｓｅｒ ｈｏｔ ｗｉｒｅ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｈｅａｄ）に関する。
【背景技術】
【0003】
従来、付加製造プロセスはニアネットシェイプ（ｎｅａｒ ｎｅｔ ｓｈａｐｅ）部品を比較的低蒸着速度で作ることができ、ここでは各部品は層毎にビルドアップされる。しかし、蒸着装置の配向は、例えば金属材料の層を蒸着しながら常時調整される必要があるかもしれない。このような常時調整は複雑な経路計画およびロボット操作を伴い得る。さらに、いくつかのレーザホットワイヤ実施形態におけるレーザ光学系は極めて複雑になり得、レーザ光線の分割とその後の再合成とを必要とする。このような複雑な光学的実施形態は極めて高価になり得る。
【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、全方向ビルド経路の製造を許容する付加製造のためのレーザホットワイヤ蒸着ヘッドに関係するシステムおよび方法を含む。一実施形態は、単一蒸着ヘッド内に組み込まれるレーザ集束装置、ワイヤ送出装置、および溶接ワイヤ接触先端または管を含む蒸着ヘッドを含む。この蒸着ヘッドの構成は、溶接ワイヤが縦配向レーザ光線の縦軸から３０度以下（例えば一実施形態では１２度）外れた角度で送出される縦配向レーザ光線を供給する。縦（長さという意味で、線形な）軸は、基板または付加製造される部品の表面方向に向かう自由空間内のレーザ光線経路の方向ベクトルに対応する。このような構成は、蒸着ヘッドの角度を変更するまたは経路面に垂直な蒸着ヘッドを回転する必要無く、蒸着ヘッドが任意の併進方向または経路（例えばデカルト平面に対する）に移動されることを可能にする。生成され処理場所へ運ばれるレーザ光線は蒸着ヘッド内の単一経路に従う。例えば、レーザ光線は複数経路内へ分割されなくかつその後元に戻されない。付加製造される部品の層スライスおよび経路計画のために通常使用される利用可能ソフトウェアに関し、処理複雑性は、蒸着装置の回転配向を調整する必要があると著しく増加される。さらに、蒸着装置の回転配向が考慮されなければならなければ、処理ホースおよびユーティリティの装置および支援導管の巻き取りおよび巻き戻しも同様に考慮されなければならなく、いくつかのケースでは、中程度に複雑な幾何学形状を有する付加製造される部品を製造することがより困難、高価、時間集約的、または最終的には不可能にする。これらの理由と本文書の文脈内で述べない他の理由のために、経路に方向的に依存する回転配向を有する蒸着装置は、特定用途にはそれほど好都合でなく、一般的使用にそれほど汎用的でないかもしれない。
【0005】
一実施形態では、一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッドは構造フレーム、レーザ処理サブシステム、ワイヤ送出装置、および接触管を含む。レーザ処理サブシステムは、フレーム内に取り付けられるレーザ集束装置を含み、単一光線経路レーザ光線を基板または付加製造される部品の表面に向かって縦配向方向に発射するように構成される。単一光線経路レーザ光線は、一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド内では分割または再合成されない。ワイヤ送出装置および接触管は、フレーム内に取り付けられ、縦配向方向に対して１°～３０°の間の角度で消耗品溶接ワイヤを基板または部品方向に送出するように構成される。この角度は、角状ピボット継手を装備する接触管アセンブリを介し１°～３０°間で手動調整可能である。具体的には、接触管は、球状ボールおよびソケットスイベル継手内に組み込まれ、軟質ワイヤ導管へ結合され、その後、強固据え付けワイヤ送出器へ取り付けられ、これにより、レーザ光線の経路に入るときのワイヤの角度調整および再配置を可能にする。蒸着ヘッドは、縦配向方向（部品の現在部分を付加製造するために確立された方向）から単一光線経路レーザ光線の配向を角度的に変更する必要無く部品を付加製造するためにまたは蒸着ヘッドを回転するために、運動制御システムの誘導下で基板または部品に対して全方向に移動されるように構成される。一実施形態では、レーザ光線が基板または部品に収斂する第１の位置と消耗溶接ワイヤの先端が基板または部品に収斂する第２の位置との間の距離は手動調整可能である。レーザ光線の経路に入るときのワイヤの集中を微調整することは、ホットワイヤ接触ブロックおよび接触管アセンブリを保持する２軸線形クロススライドモジュールを介し達成される。一実施形態では、一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッドは、ノーズコーン、ユーティリィティホースおよび導管、並びに水冷式ホットワイヤ接触ブロックを含む。一実施形態では、ワイヤ送出装置はモータおよび駆動ローラを含む。一実施形態では、消耗溶接ワイヤは、縦配向方向から約３０度以下の第１の角度で蒸着ヘッド内の接触管に近づき、次に、縦配向方向から約１～５度の第２の角度で接触管から出る（例えば湾曲接触管のおかげで）。一実施形態では、レーザ装置は最大１５キロワットの出力を供給する赤外スペクトルで動作する。一実施形態では、最大約１０．０キログラム／時間の蒸着速度が実現可能である。一実施形態では、レーザ集束装置は、レーザ光線集束光学系モジュール、集束光学系支援ガス入口、無孔集束光学系カバースライド、および集束光学系出口先端のうちの少なくとも１つを含む。
【0006】
一実施形態では、一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッドはフレーム、レーザ処理サブシステム、および接触管を含む。レーザ処理サブシステムは、フレーム内に取り付けられるレーザ集束装置であって、基板または付加製造される部品の表面に向かって縦配向方向に単一光線経路レーザ光線を配送するように構成されたレーザ集束装置を含む。単一光線経路レーザ光線は一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッド内で分割または再合成されない。接触管はフレーム内に取り付けられる。接触管は、外部ワイヤ送出装置から消耗品溶接ワイヤを受け入れ、消耗溶接ワイヤを縦配向方向に対して１°～３０°の間の角度で基板または部品方向に誘導するように構成される。一実施形態では、角度は１°～３０°間で手動調整可能である（例えばワイヤ進入調整ユニットを介し）。蒸着ヘッドは、縦配向方向（部品の現在部分を付加製造するために確立された方向）から単一光線経路レーザ光線の配向を角度的に変更する必要無く部品を付加製造するためにまたは蒸着ヘッドを回転するために、運動制御システムの誘導下で基板または部品に対して全方向的に移動されるように構成される。一実施形態では、レーザ光線が基板または部品に収斂する第１の位置と消耗溶接ワイヤの先端が基板または部品に収斂する第２の位置との間の距離が手動調整可能である。一実施形態では、一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッドは、ノーズコーン、ユーティリィティホースおよび導管、並びに水冷式接触ブロックを含む。一実施形態では、消耗溶接ワイヤは、縦配向方向から約３０度以下の第１の角度で蒸着ヘッド内の接触管に近づき、次に、縦配向方向から約１～５度の第２の角度で接触管から出る（例えば湾曲される接触管のおかげで）。一実施形態では、レーザ装置は最大１５キロワットの出力を供給する赤外スペクトルで動作する。一実施形態では、最大約１０．０キログラム／時間の蒸着速度が実現可能である。一実施形態では、レーザ集束装置は、レーザ光線集束光学系モジュール、集束光学系支援ガス入口、無孔集束光学系カバースライド、および集束光学系出口先端のうちの少なくとも１つを含む。一実施形態では、一体化レーザホットワイヤ付加蒸着ヘッドは、熱的／電気的絶縁板、ワイヤ進入調整ユニット、ノーズコーンロック環、および補助／先端冷却ガス導管のうちの少なくとも１つを含む。ファイバ強化高熱容量高分子材料で構築される絶縁板は、付加蒸着ヘッドの構造フレームを通りそしてロボット、コントローラ、または関連システム配線を通り戻る電気伝導を防止する主目的に役立つ。電流のこのような無制御でかつ予期しない送信は通常、装置を損傷するとともに、また、蒸着ヘッド処理性能に有害な影響を及ぼす可能性が高い。第２の特徴として、熱的絶縁特性は、水冷処理ヘッド接触ブロックを越えて、ヘッドの構造フレームまたは温度を能動的に制御する方法を欠く他の領域内への熱転送を防止する。ワイヤ進入調整ユニットは、特定用途が、蒸着プロセスにより採用される様々な合金の物理的および熱的性質の差異のおかげで若干異なる送り込み角度において若干の蒸着性能恩恵を示し得る蒸着プロセスの送り込み角度の微調整を可能にする。ノーズコーンロック環は、一実施形態によると、プロセスノーズコーンを水冷接触ブロックに対し適所に固定する螺刻環である。ノーズコーンロック環はまた、ノーズコーンが破損されれば除去および修復または置換されることを許容し、さらに、様々な形状または設計のノーズコーンが所与の付加製造用途のために設置されることを可能にする。補助先端冷却ガス導管は、不活性遮蔽ガスをノーズコーンの内部に供給し、ワイヤ接触管の先端を冷却するのを支援するためにガス流をこの先端上へ導き、その後、蒸着場所および周辺部品ビルド領域を溢れさせる。
【0007】
包括的発明概念の多くの態様は例示的実施形態の以下の詳細説明からそして添付図面から容易に明らかになる。
【0008】
本明細書に援用され本明細書の一部を構成する添付図面は本開示の様々な実施形態を例示する。添付図面に示された要素境界（例えばボックス、ボックスのグループ、または他の形状）が境界の一実施形態を表すということが理解される。いくつかの実施形態では、１つの要素が複数の要素として設計され得る、または複数の要素が１つの要素として設計され得る。いくつかの実施形態では、別の要素の内部部品として示された要素が外部部品として実現され得、逆も同様である。さらに、要素は原寸に比例して描かれないことがある。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】一体化蒸着ヘッドを有する部品を付加製造するための付加製造セルの一実施形態を示す。
【図2】付加製造プロセスにおいてレーザおよび溶接ワイヤを使用する従来のレーザホットワイヤ（ＬＨＷ：ｌａｓｅｒ ｈｏｔ ｗｉｒｅ）システムを示す。
【図3】付加製造プロセス中に基板／層上へ溶融金属を蒸着する際の一体化蒸着ヘッドの一実施形態のレーザ光線、消耗金属溶接ワイヤ、接触先端／管、遮蔽ガス、およびノーズコーン間の関係を示す。
【図4】ノーズコーンおよびワイヤ送出装置を示す垂直配向一体化蒸着ヘッドの一実施形態を示す。
【図5】ガスホースおよびガスノズルを介し補助冷却／遮蔽ガスも供給する一体化蒸着ヘッドの一部分の内部構成の一実施形態を示す。
【図6-7】ユーティリィティホースおよび導管を示す部分的に組み立てられた一体化蒸着ヘッドの実施形態の２つの図を示す。
【図8-10】カバーが除去されており次にロボットのアームへ取り付けられる一体化蒸着ヘッドの実施形態の３つの図を示す。
【図11】駆動ローラを含むワイヤ送出装置（カバーが除去された）の側の一実施形態を示す。
【図12】垂直に対し急角度で突き出る溶接ワイヤを有する一体化蒸着ヘッドのノーズコーン端の実施形態を示す。
【図13】ロボットのアームへ取り付けられる一体化蒸着ヘッドの一実施形態を示す。
【図14】ノーズコーンが除去された一体化蒸着ヘッドの一実施形態のノーズコーン端を示す。
【図15】直方体ブロックを形成する付加製造プロセス中に一体化蒸着ヘッドの一実施形態により蒸着される複数の金属層の第１の例を示す。
【図16】中空円筒部品を形成する付加製造プロセス中に一体化蒸着ヘッドの一実施形態により蒸着される複数の金属層の第２の例を示す。
【図17-18】ロボットのアームへ取り付けられる小型かつ軽量一体化蒸着ヘッドの実施形態を示す。
【図19】付加製造システム内で使用される例示的コントローラの一実施形態を示す。
【図20】フレームまたはカバーのうちのすべてが取り付けられていない一体化蒸着ヘッドの一実施形態の２つの図を示す。
【図22】一体化蒸着ヘッドの一実施形態のホットワイヤ処理サブシステムを示す。
【図23】一体化蒸着ヘッドの一実施形態のレーザ処理サブシステムを示す。
【図25】一体化蒸着ヘッドの一実施形態の蒸着ヘッド構造フレームを示す。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本明細書における例と図は、単に例示的であり、したがって特許請求の範囲と精神とにより判断される本発明を制限するようには意図されていない。一般的に知られているように、付加製造は、所望製作品を生成するように材料が基部／基板または部品（例えば層内の）上へ蒸着されるプロセスである。付加製造される三次元（３Ｄ）部品の複数層のパターンが、一実施形態によると、デジタルデータとして表され格納される。例えば、デジタルデータはＣＡＤモデルからのものであってもよいし走査された部品からのものであってもよい。
【0011】
付加製造装置の実施形態は、例えば金属ワイヤを溶融することにより金属材料を蒸着するために例えばレーザベースサブシステム、プラズマベースサブシステム、電気アークベースサブシステム、電子光線ベースサブシステム、または電気抵抗ベースサブシステムのうちの少なくとも１つを含み得る。さらに、付加製造装置のいくつかの実施形態は、例えば、基部上に３Ｄ部品を付加製造するために消耗金属ワイヤを送出／配送するワイヤ配送または送出システムを含み得る。また、付加製造装置のいくつかの実施形態は、例えば、基部または基板上に付加製造される３Ｄ部品に対してレーザ光線、プラズマ光線、電気アーク、電子光線、または消耗金属ワイヤを移動するために運動学的制御要素（例えばロボット）または他のタイプの制御要素（例えば光学的制御要素）を含み得る。
【0012】
図１、２は、一体化蒸着ヘッドの実施形態を文脈に入れるために本明細書に含まれる。図１を参照すると、図１は、付加製造を介し金属部品を製造するためのレーザホットワイヤ装置により構成される付加製造セル１０の一実施形態を示す。図１のレーザホットワイヤ装置は、ロボットのアームへ取り付けられる一体化蒸着ヘッドを含む。付加製造セル１０は通常、フレーム１２、フレーム内に配置されたロボット１４、およびそれぞれがまたフレーム内に配置される第１および第２のテーブル１６、１８を含む。付加製造セル１０は、本明細書で以下にさらに詳細に説明されるやり方で部品（例えば２２、２４）を付加製造するのに有用である。図１の描写された実施形態では、フレーム１２は、ロボット１４およびテーブル１６、１８を取り囲むために複数の側壁およびドアを含む。平面図においてほぼ矩形な構成が示されたとしても、フレーム１２およびセル１０は無数の構成をとり得る。
【0013】
フレームの内部へのアクセスを提供するためにフロントアクセスドア２６がフレーム１２へ取り付けられる。フロントアクセスドア２６は、ドア２６をフレーム１２へ取り付ける第１の蝶番セットとドアの１つのパネルを別のパネルへ取り付ける第２の蝶番セットとの２つの蝶番セットをドアが含む二重折り構成をとり得る。それにもかかわらず、フロントアクセスドア２６はスライドドアまたはスウィングドアなどの他の構成をとり得る。同様に、リアアクセスドア２８もまたフレーム１２へ取り付けられる。描写された実施形態におけるリアアクセスドア２８もまた二重折り構成をとるが、リアアクセスドアは、フロントアクセスドア２６を参照して論述されたものなどの他の構成をとり得る。窓３２はいずれかのドア上に設けられ得る（ここでは、フロントドア２６上にだけ描写される）。窓は当該技術分野で知られている着色セイフティスクリーン（例えば、レーザ波長適合フィルタリングスクリーン、例えば１０６４ｎｍ用の）を含み得る。一実施形態によると、セル１０はＣＤＲＨクラス１レーザ筐体である。
【0014】
制御パネル４０が、フロントドア２６に隣接するフレーム１２上に設けられる。制御パネル４０上に設けられた制御ノブおよび／またはスイッチは、フレーム１２へ取り付けられる制御筐体４２内に収容される制御装置と通信する。制御パネル４０上の制御手段は、既知の付加製造セルと共に使用される制御手段と同様なやり方で、付加製造セル１０内で行われる操作を制御するために使用され得る。
【0015】
一実施形態では、ロボット１４は、支持体上に取り付けられた台座上に取り付けられる。描写された実施形態におけるロボット１４は、テーブル１６、１８に対してセンタリングされ、複数の移動軸を含む。必要に応じ、台座はタレットと同様に支持体に対し回転し得る。したがって、ある種の駆動機構（例えばモータおよび変速機（図示せず））が、ロボット１４を回転させるための台座および／または支持体内に収容され得る。
【0016】
一実施形態では、蒸着ヘッド６０がロボット１４のアームの遠端部に取り付けられる。蒸着ヘッド６０は例えば、本明細書において後で論述される実施形態による一体化レーザホットワイヤ蒸着ヘッドである。蒸着ヘッド６０は蒸着ヘッド６０の回転配向を変更する必要無く全方向ビルド経路（蒸着運動）を可能にする（すなわち、蒸着ヘッドの回転配向は層の蒸着中に一定に保持され得る）。軟質管または導管６２が蒸着ヘッド６０へ取り付けられる。容器６６内に格納され得る消耗金属ワイヤ６４（ホットワイヤとして使用される）が導管６２を介し蒸着ヘッド６０へ配送される。一実施形態では、ワイヤ送出器６８は、蒸着ヘッド６０への消耗金属ワイヤ６４の配送を容易にするためにフレーム１２（またはロボット１４）へ取り付けられる。別の実施形態では、ワイヤ送出器６８は、本明細書で後で論述するように（例えば、オンボード一体化ワイヤ送出モジュールとして）蒸着ヘッド６０内に組み込まれる。
【0017】
フレーム１２の基部または下部に取り付けられたロボット１４が示されても、必要に応じ、ロボット１４は、フレームの上部構造へ取り付けられ、セル１０内に下方へ降り得る。一実施形態では、レーザホットワイヤ操作のための電源７２は、フレーム１２へ接続されその一部であり得るプラットホーム７４へ取り付けられその上に載る。電源７２は、レーザ出力発振器（レーザエネルギーを生成するするための）として、および蒸着ヘッド６０を通るときに消耗金属ワイヤ６４を通電するための溶接電源としての両方で働き得る。別の実施形態では、電源７２は、次の２つの別々の電源として実装され得る：レーザエネルギーを生成するためのレーザ出力発振器として働くためのものと、蒸着ヘッド６０を通るときに消耗金属ワイヤ６４を加熱するための別のもの。セルコントローラ７６は、付加製造セル１０のレーザホットワイヤ装置の様々な部分（ロボット１４を含む）と通信しそれらを制御し、プラットホーム７４上に載り取り付けられる。さらに別の実施形態によると、レーザ出力発振器は蒸着ヘッド６０内に組み込まれ得る（例えば低電力用途のために）。
【0018】
図２は、付加製造プロセスにおいてレーザサブシステムおよび溶接ワイヤを使用する従来のレーザホットワイヤ（ＬＨＷ）システム１００を示す。システム１００は図１の付加製造セル１０と同様な付加製造セル内に存在し得る。しかし、図２のシステム１００は一体化レーザホットワイヤ蒸着ヘッドを含まない。図２のシステム１００は溶接ワイヤ送出器およびエネルギー源を含む。特に、システム１００は、基板または部品１１５を加熱するために基板または部品１１５上へレーザ光線１１０を集束することが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り得る。レーザサブシステムは、限定しないが二酸化炭素、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂディスク、ＹＢファイバ、ファイバ配送または直接ダイオード（例えば、ファイバ結合直接ダイオード）レーザシステムを含む任意のタイプの高エネルギーレーザ源であり得る。
【0019】
レーザサブシステムは、互いに作動可能に接続されたレーザ集束装置１２０およびレーザ電源１３０（レーザ出力発振器）を含む。レーザ電源１３０は、レーザ集束装置１２０へ（例えばファイバ光学的に）供給されるレーザエネルギーを生成するための電力を供給する。システム１００はまた、レーザ光線１１０の近傍の基板または部品１１５と接触するために少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤ１４０を供給することができるホット溶接ワイヤ送出器サブシステムを含む。ワイヤ送出器サブシステムは、溶接ワイヤ送出器１５０、接触管１６０、および電源１７０を含む。動作中、溶接ワイヤ１４０は、接触管１６０と基板または部品１１５との間に作動可能に接続される電源１７０からの電流により抵抗加熱される。電源１７０は、交流（ＡＣ）または他のタイプの電源が同様に可能であるが、パルス状直流（ＤＣ）電源であり得る。ワイヤ１４０は、溶接ワイヤ送出器１５０から接触管１６０を介し基板または部品１１５方向に送出され、管１６０を越えて伸張する。ワイヤ１４０の伸張部分は、伸張部分が基板または部品１１５に接触する前に融点に近づくまたは達するように抵抗加熱される。一実施形態によると、ホットワイヤ電源１７０は、ホットワイヤ処理を維持するとともにアーク放電を抑制するためのホットワイヤ波形制御（電流、電圧および形状パラメータの能動的拡張）を提供する。レーザ光線１１０は、パドルを形成するために基板または部品１１５のベース金属の一部を溶融する役目を果たし得、および／またはワイヤ１４０を基板または部品１１５上へ溶融するためにも使用され得る。電源１７０は、溶接ワイヤ１４０を抵抗溶融するために必要とされるエネルギーを供給する。
【0020】
システム１００はさらに、レーザ光線１１０と抵抗性溶接ワイヤ１４０とが互いに固定された関係のままであるようにレーザ光線１１０および抵抗性溶接ワイヤ１４０を基板または部品１１５に沿った同じ制御方向１２５（少なくとも相対的意味で）に移動することができる運動制御サブシステムを含む。基板または部品１１５とレーザ／ワイヤ組み合わせとの間の相対運動は、基板または部品１１５を実際に移動することによりまたはレーザ装置１２０およびワイヤ送出器サブシステムを移動することにより実現され得る。
【0021】
図２では、運動制御サブシステムは、プラットホーム１９３（例えば、回転可能プラットホームおよび／または併進可能プラットホーム）を有するロボット１９０へ作動可能に接続された運動コントローラ１８０を含む。運動コントローラ１８０はロボット１９０の運動を制御する。ロボット１９０は、レーザ光線１１０およびワイヤ１４０が基板または部品１１５に沿って実効的に走行するように、基板または部品１１５を例えば現在の走行方向１２５に移動するためにプラットホーム１９３を介し基板または部品１１５へ作動可能に接続される（例えば、機械的に固定される）。プラットホーム１９３を駆動するロボット１９０は、電気的、空気的、または油圧的に駆動され得る。
【0022】
システム１００はさらに、基板または部品１１５および接触管１６０へ作動可能に接続される（すなわち電源１７０の出力へ実効的に接続される）感知および電流制御サブシステム１９５であって、基板または部品１１５およびワイヤ１４０を通る電流（Ｉ）の電位差（すなわち電圧Ｖ）を測定することができる感知および電流制御サブシステム１９５を含む。感知および電流制御サブシステム１９５はさらに、測定された電圧および電流から抵抗値（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）および／または電力値（Ｐ＝Ｖ×Ｉ）を計算することができるかもしれない。一般的に、ワイヤ１４０が基板または部品１１５に接していると、ワイヤ１４０と基板または部品１１５との間の電位差は零ボルトまたは極零近傍ボルト（比較的低い電圧）である。この結果、感知および電流制御サブシステム１９５は、いつ抵抗性溶接ワイヤ１４０が基板または部品１１５に接触しているかを感知することができ、この感知に応答して、抵抗性溶接ワイヤ１４０を通る電流の流れをさらに制御する（例えばアーク抑制のために）ことができるように電源１７０へ作動可能に接続される。一実施形態では、感知および電流コントローラ１９５は電源１７０の不可欠な部品であり得る。
【0023】
本発明の一実施形態によると、図２のシステム１００は、全方向ビルド経路能力を提供する単一一体化レーザホットワイヤ蒸着ヘッド（例えば図１のような）を提供することにより修正され得る。一実施形態では、少なくとも１つのレーザ集束装置、ワイヤ送出装置、および接触管が単一蒸着ヘッド内に組み込まれる（一体化蒸着ヘッドを形成する）。一体化蒸着ヘッドは、本明細書において後で詳細に論述されるように、レーザ集束装置により配送されるレーザ光線の縦方向に（基板または付加製造される部品方向に）対する溶接ワイヤの急峻な送り込み角度を提供し、ビルド経路全方向性を可能にする。縦方向は、レーザ光線の中心線が基板または付加製造される部品の表面方向に向けられた直線方向である。
【0024】
一体化蒸着ヘッドが使用されるシステムは、図１のシステム１０であってもよいし、レーザ電源１３０、ホットワイヤ電源１７０、運動コントローラ１８０、およびロボット１９０を含む図２のシステム１００のいくつかの部品を含んでもよい。しかし、一体化蒸着ヘッドは、ロボットのアームへ取り付けられ（例えば図１のように）、蒸着ヘッドが、蒸着ヘッドの縦配向または回転配向を角度的に変更する必要無く運動コントローラの制御下で基板／部品に対し全方向的に（例えばデカルト座標（例えばｘ－ｙ）面に沿って）移動されることを可能にする。例えば、一実施形態によると、一体化蒸着ヘッドは、層の蒸着中、回転されることなく同じ縦配向位置（例えば垂直配向位置）に留まり得る。縦配向位置は、運動コントローラにより提供される複雑な運動制御方式を必要とすることなく、付加製造される部品の層の蒸着中に一体化蒸着ヘッドがロボットにより容易に移動されることを可能にする。さらに、一体化蒸着ヘッドを有することは、別個のレーザサブシステムおよび別個のホットワイヤサブシステムが別々に移動され互いに同期される必要が無いということを意味する。
【0025】
図３は、付加製造プロセス中に溶融金属を基板／層３６０上へ蒸着する際の、一体化蒸着ヘッド３００の一実施形態のレーザ光線３１０、消耗金属溶接ワイヤ３２０、接触先端／管３３０、遮蔽ガス３４０、およびノーズコーン３５０間の関係を示す。レーザ光線３１０は、垂直に配向され、そして溶接ワイヤ３２０の先端がレーザ光線３１０と合う収斂場所３７０において集束される。一実施形態によると、レーザ光線３１０はファイバ配送レーザにより生成され得る。しかし、レーザサブシステムは、限定しないが二酸化炭素、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂディスク、ＹＢファイバ、ファイバ配送または直接ダイオード（例えば、ファイバ結合直接ダイオード）レーザシステムを含む任意のタイプの高エネルギーレーザ源であり得る。
【0026】
溶接ワイヤ３２０は、レーザ光線３１０の長手（例えば垂直）方向３８０から３０度以下外れた角度で配向される。消耗金属溶接ワイヤ３２０は接触先端／管３３０を介し予熱され、基板／層３６０との接触部内に送出される。ホットワイヤ電源（蒸着ヘッド３００外部の）が、溶接ワイヤ３２０を予熱するための電力を供給する。一実施形態によると、ホットワイヤ電源は、ホットワイヤ処理を維持するとともにアーク放電を抑制するためにホットワイヤ波形制御（電流、電圧および形状パラメータの能動的拡張）を提供する。レーザ電源（レーザ集束装置の外部のレーザ出力発振器）は、レーザエネルギーを生成し、このエネルギーをレーザ光線３１０を生成するレーザ集束装置へ（例えばファイバ光学的に）供給する。レーザ光線３１０は、溶融金属３９０を基板／先行付加ビルド層３６０へ融合させるために基板／先行付加ビルド層３６０および／または予熱された溶接ワイヤ３２０を溶融する。図３は基板／層３６０に対する蒸着区域３６２および希釈区域３６４を示す。図３はまた、消耗金属溶接ワイヤ３２０の予熱区域３３５を示す。レーザ光線３１０は、一実施形態による、一体化蒸着ヘッド３００内でいかなるやり方でも分割または再合成されない単一経路レーザ光線３１０である。
【0027】
光学系を通って蒸着ヘッドの中心へ降りる同軸ガス遮蔽構成は、プロセスと蒸着された金属とを保護し、残滓がレーザ装置および光学系に近づかないようにするのを助ける。犠牲集束光学系カバースライド（穿孔されていない）がまた、レーザ装置および光学系を保護するのを助ける。消耗溶接ワイヤはカバースライドを通る必要がないのでカバースライドの穿孔は無い。１５度以下の溶接ワイヤの急峻な送り込み角度が付加ビルド経路の全方向性を提供する。すなわち、付加ビルドアップは、一体化蒸着ヘッドの縦配向または回転配向の角度を変更することなく実現され得る。一般的に、レーザスポットに対するワイヤ先端の空間的関係は、蒸着ヘッドがあちこち移動されると変化する傾向がある。この運動は急峻な溶接ワイヤ送り込み角度を有することにより最小化され得る。さらに、一実施形態によると、一体化蒸着ヘッドまで上昇しその中に入る消耗溶接ワイヤの経路は比較的真っすぐである。
【0028】
図４は、ノーズコーン４１０と、駆動ローラ４２５を有するワイヤ送出装置４２０（オンボード一体化ワイヤ送出モジュール）とを示す垂直配向一体化蒸着ヘッド４００の一実施形態を示す。ワイヤ送出装置４２０は、駆動ローラ４２５を駆動するためのサーボ制御系（サーボモータ）を含み、消耗溶接ワイヤの安定かつ精確な送出を提供する。消耗溶接ワイヤは導管を介し一体化蒸着ヘッド内に入る。図５は、ガスホース５１０およびガスノズル５２０を介し補助冷却／遮蔽ガスもまた供給する一体化蒸着ヘッド５００の一部分の内部構成の一実施形態を示す。図５はまたノーズコーン５５０を示す。一実施形態では、消耗溶接ワイヤ５３０のｘ－ｙ位置はレーザ光線５４０に対して手動で調整され得る（すなわち、溶接ワイヤの先端が基板／層または収斂場所においてレーザ光線スポットの中心にどれだけ近く到達するかを調整し得る）。レーザ光線の経路に入るときのワイヤの集中を微調整することは、ホットワイヤ接触ブロックおよび接触管アセンブリを保持する２軸線形蟻継ぎクロススライドモジュールを介し達成される。クロススライドは、線形蟻継ぎ形状を介し相互接続し互いに対して移動する次の３つの板を採用する；基板、中間キャリッジ板および上側取り付け板。これらの板は、Ｘ－Ｙデカルト面直線運動（２つの垂直軸に沿った）を許容し、２つの螺刻送りねじ（運動軸毎に１つのねじ）の使用により調整される。基板は、絶縁板へ取り付けられ、これにより付加蒸着ヘッドの構造フレームへ取り付けられる。水冷接触板は、接触板および接触先端位置が、構造フレーム、構造フレームへ堅固に固定されるレーザ集束光学系装置、およびレーザ光線経路自体に対して調整され得るようにスライドの上側取り付け板へ取り付けられる。一実施形態では、レーザ光線５４０と溶接ワイヤ５３０との間の急角度は固定される。さらに、別の実施形態によると、垂直方向レーザ光線５４０に対する消耗溶接ワイヤ５３０の角度は手動で調整され得る（例えば、角度は１～３０度の間で連続的に調整可能かもしれない）。この角度は、角状ピボット継手を装備する接触管アセンブリを介し１°～３０°間で手動調整可能である。具体的には、接触管は、球状ボールおよびソケットスイベル継手内に組み込まれ、軟質ワイヤ導管へ結合され、その後、強固据え付けワイヤ送出器へ取り付けられ、これにより、レーザ光線の経路に入るときのワイヤの角度調整および再配置を可能にする。拡張使用のために固定位置において角度位置を確保および保持するためにロック止めねじが使用される。この止めねじを緩めることは、手を使用して接触管を移動し、その後この止めねじを再度締付けることにより接触管を新しい位置で固定することにより接触管の角度位置が変更され得るようにする。代替実施態様によると、消耗溶接ワイヤ５３０は、レーザ光線の縦方向に対して３０度以下（例えば１２度）の角度で蒸着ヘッド内の接触管に近づき、次に、湾曲接触管のおかげでほぼ縦方向に（例えば縦方向から１～５度の角度で）接触管から出る。
【0029】
図６～７は、ユーティリィティホースおよび導管６１０（例えばワイヤ、ガス、水用の）、水冷接触ブロック６２０、およびノーズコーン６３０を示す一体化蒸着ヘッド６００（部分的に組み立てられた）の実施形態の２つの図を示す。図８～１０は、カバーが除去されておりロボットのアーム８２０へ取り付けられるノーズコーン６３０を有する一体化蒸着６００ヘッドの実施形態の３つの図を示す。図９の蒸着ヘッド６００もまたワイヤ送出装置９３０を示し、図１０の蒸着ヘッド６００もまた、水冷接触ブロック６２０を明確に示す。図１１は、駆動ローラ９３５を含むワイヤ送出装置９３０（カバーが除去された）の側面の一実施形態を示す。ワイヤ送出装置９３０の反対側（図示せず）は、駆動ローラ９３５を駆動するためのモータとモータを制御するための一体化ワイヤ送出器回路制基板とを含む（図２０を参照）。
【0030】
図１２は、縦方向（例えば垂直方向）に対し急角度（３０度未満）で突き出る溶接ワイヤ１２１０を有する一体化蒸着ヘッド６００のノーズコーン端の実施形態を示す。水冷接触ブロック６２０は、ノーズコーン６３０が余りに熱くなること（ノーズコーン６３０を損傷する可能性がある）を回避するようにする。レーザ反射は、強烈であり得、ノーズコーン６３０が冷却されなければそれを加熱する。様々な実施形態に従って、能動または受動水（またはいくつかの他の流体）冷却システムが使用され得る。蒸着ヘッド６００に至る配管（導管６１０）は水（または他の流体）を水冷接触ブロック６２０へ供給し、他の配管（導管６１０）は水を水冷接触ブロック６２０および蒸着ヘッド６００から運び去る。水冷接触ブロック６２０は他の図のいくつか（例えば図６、１０、１２および２１）において同様に明確に示される。図１３は、ロボットのアーム８２０へ取り付けられる一体化蒸着ヘッド６００の一実施形態を示す。図１４は、ノーズコーン６３０が除去された一体化蒸着ヘッド６００の一実施形態のノーズコーン端を示す。補助ガスノズル１４１０とワイヤ導管（例えばワイヤ接触管先端として働く）１４２０から伸びる溶接ワイヤ１２１０を有するワイヤ導管１４２０とを見ることができる。補助ガスノズルは、不活性遮蔽ガスをノーズコーンの内部に供給し、ワイヤ接触管先端を冷却するのを支援するためにガス流をこの先端上へ導き、その後、蒸着場所および周辺部品ビルド領域を溢れさせる。高温において光学系内の内面と接触すると温度が増加し得るカバースライドに逆らって集束光学系装置内に供給されるガスジェットとは対照的に、補助ガスは、加圧貯蔵タンクから解放されたガスが膨張してその結果温度低下を受けると、環境室温以下でホットワイヤノーズコーン内に配送される。接触管先端上へそしてその周囲へ直接流れるこの冷却ガスの流れは接触管先端からそしてそれから離れたところへ熱を転送するのを支援することになる。加えて、ガスは次に、ノーズコーンから流れ出、蒸着場所を取り囲み、温度上昇時に不純物とより反応する溶融されたまたはほぼ溶融された金属の能動的蒸着の追加の保護を提供する。このガスは、窒素またはアルゴンとなる可能性が最も高い、または、金属蒸着の特定用途および合金組成に依存していくつかの他の機能的に不活性なガスであり得る。図１５は、直方体ブロック１５００を形成する付加製造プロセス中に一体化蒸着ヘッド６００の一実施形態により蒸着される複数の金属層の第１の例を示す。ミリメートル（ｍｍ）の増分を有する物差し１５１０が寸法比較のために示される。図１６は、中空円筒部品１６００を形成する付加製造プロセス中に一体化蒸着ヘッド６００の一実施形態により蒸着される複数の金属層の第２の例を示す。
【0031】
図１７～１８は、ロボットのアーム１７１０へ取り付けられる一体化蒸着ヘッド１７００の実施形態を示す。図１７～１８の一体化蒸着ヘッド１７００は、例えば図１３に示す蒸着ヘッド６００よりサイズが小さくかつ重量が軽く、したがって比較的小さなロボット１７５０へ取り付けられ得る。図１７～１８の実施形態では、ワイヤ送出装置９３０（サーボ駆動ワイヤ送出器）は、蒸着ヘッド１７００内にもはや一体化されなく、その代りに、ワイヤ送出装置１７４０として蒸着ヘッド１７００の外にある。これは、蒸着ヘッド１７００のサイズおよび重量を低減するのを助ける。同様な実施形態では、付加蒸着ヘッドが、一体化された一組の駆動ロールと、追加駆動ロールおよびサーボモータを含むロボット搭載ワイヤ送出器と結合されたサーボモータとを含むプッシュプル送出器構成が使用され得る。この実施形態では、蒸着ヘッドは、駆動ロール、サーボモータ、および送出制御回路基板を有するオンボード一体化内蔵型「プル」ワイヤ送出器モジュールを含む。「プッシュ」ワイヤ送出器は、蒸着ヘッド（例えば取り付けられたロボット）から外部へ独立に取り付けられる。また、アルミニウムベース軽量カバーがまた、図１７～１８の一体化蒸着ヘッド１７００の重量を低減するのを助ける。さらに、能動的冷却が、より小さくかつ軽いノーズコーン１７３０を可能にするために使用され得る。
【0032】
図１９は、付加製造システム内で使用される例示的コントローラ１９００の一実施形態を示す。様々な実施形態によると、コントローラ１９００は、例えばセルコントローラ（例えば図１のセルコントローラ７６）として、運動コントローラ（例えば図２の運動コントローラ１８０）として、電源（例えば図１の電源７２、図２のレーザ電源１３０、および／または図２のホットワイヤ電源１７０）のコントローラとして使用され得る。
【0033】
コントローラ１９００は、バスサブシステム１９１２を介し多くの周辺装置と通信する少なくとも１つのプロセッサ１９１４を含む。これらの周辺装置は、例えばメモリサブシステム１９２８およびファイル記憶サブシステム１９２６を含む記憶サブシステム１９２４、ユーザインターフェース入力装置１９２２、ユーザインターフェース出力装置１９２０、およびネットワークインターフェースサブシステム１９１６を含み得る。入出力装置はコントローラ１９００とのユーザ相互作用を可能にする。ネットワークインターフェースサブシステム１９１６は、外部ネットワークへのインターフェースを提供し、他のコンピュータシステム内の対応インターフェース装置へ結合される。例えば、システム１００の運動コントローラ１８０は、コントローラ１９００と１つまたは複数の特性を共有し得、例えば従来のコンピュータ、デジタルシグナルプロセッサ、および／または他のコンピュータ装置であり得る。
【0034】
ユーザインターフェース入力装置１９２２は、キーボード、マウス、トラックボール、タッチパッド、またはグラフィックタブレットなどのポインティング装置、スキャナ、ディスプレイ内に取り込まれるタッチスクリーン、音声認識システムなどのオーディオ入力装置、マイクロホン、および／または他のタイプの入力装置を含み得る。一般的に、用語「入力装置」の使用は、コントローラ１９００内にまたは通信ネットワーク上へ情報を入力する全ての可能なタイプの装置およびやり方を含むように意図されている。
【0035】
ユーザインターフェース出力装置１９２０は、ディスプレイサブシステム、プリンタ、ファックス、またはオーディオ出力装置などの非視覚的ディスプレイを含み得る。ディスプレイサブシステムは、陰極線管（ＣＲＴ：ｃａｔｈｏｄｅ ｒａｙ ｔｕｂｅ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）などの平面パネル装置、投影装置、または可視像を生成するためのいくつかの他の機構を含み得る。ディスプレイサブシステムはまた、オーディオ出力装置などの非視覚的ディスプレイを提供し得る。一般的に、用語「出力装置」の使用は、コントローラ１９００からユーザまたは別のマシンまたはコンピュータシステムへ情報を出力する全ての可能なタイプの装置およびやり方を含むように意図されている。
【0036】
記憶サブシステム１９２４は、本明細書で説明される機能（例えばソフトウェアモジュール）の一部またはすべてを提供または支援するプログラミングおよびデータ構造を格納する。例えば、記憶サブシステム１９２４は、付加製造される部品のＣＡＤモデルと、付加製造プロセス中に一体化金属蒸着ヘッドの位置を調整するために蒸着位置を識別するための論理とを含み得る。
【0037】
ソフトウェアモジュールは通常、プロセッサ１９１４単独でまたは他のプロセッサと組み合わせて実行される。記憶サブシステム内で使用されるメモリサブシステム１９２８は、プログラム実行中の命令およびデータの格納のための主ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１９３０と固定命令が格納される読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）１９３２とを含む多くのメモリを含み得る。ファイル記憶サブシステム１９２６は、プログラムおよびデータファイルの持続的記憶を提供し得、ハードディスクドライブ、関連着脱可能媒体と共にフロッピーディスクドライブ、ＣＤ－ＲＯＭドライブ、光ドライブ、または着脱可能媒体カートリッジを含み得る。いくつかの実施形態の機能を実施するモジュールは、記憶サブシステム１９２４内のまたはプロセッサ１９１４によりアクセス可能な他のマシン内のファイル記憶サブシステム１９２６により格納され得る。
【0038】
バスサブシステム１９１２は、コントローラ１９００の様々な部品およびサブシステムに意図通り互いに通信させるための機構を提供する。バスサブシステム１９１２は単一バスとして概略的に示されたが、バスサブシステムの代替実施態様は複数のバスを使用し得る。
【0039】
コントローラ１９００は、ワークステーション、サーバ、コンピュータクラスタ、ブレードサーバ、サーバファーム、または任意の他のデータ処理システムまたはコンピュータ装置を含む様々なタイプのものであり得る。コンピュータ装置およびネットワークの絶え間なく変わる性質のために、図１９に描写されたコントローラ１９００の説明は、いくつかの実施形態を示す目的のための特別な例に過ぎないように意図されている。図１９に描写されたコントローラより多いまたは少ない部品を有するコントローラ１９００の多くの他の構成が可能である。
【0040】
図２０は、フレームまたはカバーのすべてが取り付けられていないが一体化ワイヤ送出器を有する一体化蒸着ヘッド２０００の一実施形態の２つの図を示す。第１の図は、モータ２０１５とモータ２０１５を制御する一体化ワイヤ送出器回路制基板２０１６とを有するワイヤ送出器２０１０のモータ側の蒸着ヘッド２０００を示す。一実施形態では、基板２０１６は、同じ送出速度を維持する「プッシュプル」ワイヤ送出動作を制御するのを助ける。一実施形態では、基板２０１６はまた、ガスの流れを制御するためにガスソレノイドを制御する役目を果たす。第２の図は、駆動ローラ２０１７を有するワイヤ送出器２０１０の駆動ローラ側の蒸着ヘッド２０００を示す。レーザ処理サブシステム２０２０は、ノーズコーン２０３０と共にワイヤ送出器２０１０の下のアセンブリ内に示される。一実施形態によると、レーザ処理サブシステム２０２０は、赤外スペクトルにおいて動作し１～１５キロワット（ｋＷ）の出力を供給するレーザ集束装置を含む。例えば、４ｋＷでは、２．０～３．５キログラム／時間の蒸着速度が実現され得るということが予想される。
【0041】
図２１は、図５と同様な図２０の一体化蒸着ヘッド２０００の一部分２１００の内部構成の一実施形態を示し、様々な部品詳細を示す。部分２１００は、蒸着ヘッド筐体２１０１、クランプ２１０５、軟質ブーツ２１１０、シール付きクランプ２１１５、および熱的／電気的絶縁板２１２０を含む。部分２１００はまた、ワイヤ進入調整ユニット２１２５、水冷接触ブロック２１３０、ノーズコーンロック環２１３５、補助／先端冷却ガス導管２１４０、およびノーズコーン２１４５を含む。部分２１００は、レーザ光線２１５０を生成し発射し、溶接ワイヤ２１５５を送出する。部分２１００はまた、ワイヤ接触先端２１６０、冷却通路２１６５、ワイヤ導管およびライナ２１７０、並びにホットワイヤ処理導電リード（背景内の）２１７５を含む。一実施形態では、導電リード２１７５は、電流をワイヤ導管およびライナ２１７０へ供給し、水冷され、導電リード２１７５が比較的小口径のものであることを許容する。部分２１００はまた、集束光学系出口先端２１８０、集束光学系支援ガス入口２１８５、無孔集束光学系カバースライド２１９０、およびレーザ光集束光学系モジュール２１９５を含む。
【0042】
カバースライド２１９０は、不要材料／粒子（例えばスパッタ、フューム）が集束光学系モジュール２１９５内に入り込むのを防止するのを助ける。集束光学系支援ガス入口２１８５内に入るガス（例えばアルゴン）もまた、不要材料／粒子（例えばスパッタ、フューム）が集束光学系モジュール２１９５内に入り込むのを防止するのを助ける。クランプ２１０５、シール付きクランプ２１１５、および軟質ブーツ２１１０は、周囲環境空気が入り込むのを許すことなく、ガスを部分２１００の所望領域内に密閉し続けるのを助ける。これは、レーザ光線２１５０に対し溶接ワイヤ２１５５を移動する目的のために、部分２１００の上部に対する蒸着ヘッド２０００のノーズコーン部分の移動を可能にする。水冷接触ブロック２１３０は、流体（例えば水）の循環がノーズコーン領域を冷却し得るようにブロック内の通路２１６５を有する。
【0043】
絶縁板２１２０は、付加蒸着ヘッドの構造フレームを通りそしてロボット、コントローラ、または関連システム配線を通って戻る電気伝導を防止する主目的に役立つ。ワイヤ進入調整ユニット２１２５は蒸着プロセスの送り込み角度の微調整を可能にする。ここでは、特定用途が、プロセスにより採用される様々な合金の物理的および熱的性質の差異のおかげで若干異なる送り込み角度でのわずかな蒸着性能恩恵を示し得る。ノーズコーンロック環２１３５は、様々なノーズコーンが除去／設置されることを可能にする（例えば螺刻接続を介し）。補助／先端冷却ガス導管２１４０は、ガスを供給して、接触先端領域を冷却するとともに当該領域をガスで溢れさせるのを助ける。一般的に、補助／先端冷却ガス導管２１４０からのガスは、ガス入口２１８５から来るガスよりノーズコーン領域内で冷たくなる。補助／先端冷却ガス導管２１４０の端の孔またはオリフィスは、ガスの真直ぐな流れを形成するためにガスを集束させるように働く。集束光学系出口先端２１８０は、材料／粒子（例えばスプラッタ、フューム）がレーザ光集束光学系モジュール２１９５へ戻るのを防止するのを助ける一陣のガスを生成するのを助ける。
【0044】
図２２は、駆動ローラ２０１７を有するワイヤ送出器２０１０を有する一体化蒸着ヘッド２０００の一実施形態のホットワイヤ処理サブシステム２２００を示す。ワイヤ処理サブシステム２２００は、本明細書で先に説明したように、縦方向（例えば垂直方向）に対するある角度を実現するためにワイヤ導管およびライナ２１７０を介し溶接ワイヤ２１５５を送出するように構成される。図２３は、レーザ光集束光学系モジュール２１９５、集束光学系カバースライド２１９０（無孔）、および集束光学系支援ガス入口２１８５を有するレーザ集束装置２３５０を示す一体化蒸着ヘッド２０００の一実施形態のレーザ処理サブシステム２３００を示す。レーザ処理サブシステム２３００はレーザ光線２１５０を生成するように構成される。図２４は、レーザ光集束光学系モジュール２１９５、集束光学系支援ガス入口２１８５、集束光学系カバースライド２１９０、および集束光学系出口先端２１８０を示す図２３のレーザ処理サブシステム２３００のレーザ集束装置２３５０の一実施形態を示す。図２５は、一体化蒸着ヘッド２０００の内部部品を取り囲むように構成された一体化蒸着ヘッド２０００の一実施形態の蒸着ヘッド構造フレーム２５００を示す。一実施形態では、構造フレーム２５００は、一体化蒸着ヘッド２０００のいくつかの内部部品へのアクセスを可能にするように構成された着脱可能カバーを含む。
【0045】
開示実施形態はかなり詳細に示され説明されたが、添付の特許請求の範囲をこのような詳細に限定するまたはこのような詳細にいかなるやり方でも制限することを意図していない。当然ながら、主題の様々な態様を説明する目的のための部品または方法論のあらゆる考えられる組み合わせを説明することは不可能である。したがって、本開示は示され説明された特定の詳細または例示的例に限定されない。したがって、本開示は、合衆国法典第３５巻§１０１の法令の主題要件を満足する添付された請求項の範囲に入るこのような代替、修正、および変形を包含するように意図されている。特定実施形態の上記説明は一例として与えられた。与えられた本開示から、当業者は、包括的発明概念と付帯利点とを理解するだけでなく、開示される構造および方法への明白な様々な変更と修正も発見することになる。したがって、添付の特許請求の範囲により規定された包括的発明概念の精神および範囲に入るこのような変更と修正およびその等価物をすべてカバーすることが求められる。
【符号の説明】
【0046】
１０ 付加製造セル
１２ フレーム
１４ ロボット
１６ 第１のテーブル
１８ 第２のテーブル
２２ 部品
２４ 部品
２６ フロントアクセスドア
２８ リアアクセスドア
３２ 窓
４０ 制御パネル
４２ 制御筐体
６０ 蒸着ヘッド
６２ 軟質管または導管
６４ 消耗金属ワイヤ
６６ 容器
６８ ワイヤ送出器
７２ 電源
７４ プラットホーム
７６ セルコントローラ
１００ 従来のレーザホットワイヤシステム
１１０ レーザ光線
１１５ 基板または部品
１２０ レーザ集束装置
１３０ レーザ出力発振器
１４０ 抵抗性溶接ワイヤ
１５０ 溶接ワイヤ送出器
１６０ 接触管
１７０ ホットワイヤ電源
１８０ 運動コントローラ
１９０ ロボット
１９３ プラットホーム
１９５ 感知および電流コントローラ
３１０ レーザ光線
３２０ 消耗金属溶接ワイヤ
３３０ 接触先端／管
３３５ 予熱区域
３４０ 遮蔽ガス
３５０ ノーズコーン
３６０ 基板／層
３６２ 蒸着区域
３６４ 希釈区域
３７０ 収斂場所
３８０ 長手方向
４００ 垂直配向一体化蒸着ヘッド
４１０ ノーズコーン
４２０ ワイヤ送出装置
４２５ 駆動ローラ
５００ 一体化蒸着ヘッド
５１０ ガスホース
５２０ ガスノズル
５３０ 消耗溶接ワイヤ
５４０ レーザ光線
５５０ ノーズコーン
６００ 一体化蒸着ヘッド
６１０ ユーティリティホースおよび導管
６２０ 水冷接触ブロック
６３０ ノーズコーン
８２０ アーム
９３０ ワイヤ送出装置
９３５ 駆動ローラ
１２１０ 溶接ワイヤ
１４１０ 補助ガスノズル
１４２０ ワイヤ導管
１５００ 直方体ブロック
１５１０ 物差し
１６００ 中空円筒部品
１７００ 一体化蒸着ヘッド
１７１０ アーム
１７４０ ワイヤ送出装置
１７５０ 比較的小さいロボット
１９００ コントローラ
１９１２ バスサブシステム
１９１４ プロセッサ
１９１６ ネットワークインターフェースサブシステム
１９２０ ユーザインターフェース出力装置
１９２２ ユーザインターフェース入力装置
１９２４ 記憶サブシステム
１９２６ ファイル記憶サブシステム
１９２８ メモリサブシステム
２０００ 一体化蒸着ヘッド
２０１０ ワイヤ送出器
２０１５ モータ
２０１６ 一体化ワイヤ送出器回路制御基板
２０１７ 駆動ローラ
２０２０ レーザ処理サブシステム
２０３０ ノーズコーン
２１００ 部分
２１０１ 蒸着ヘッド筐体
２１０５ クランプ
２１１０ 軟質ブーツ
２１１５ シール付きクランプ
２１２０ 熱的／電気的絶縁板
２１２５ ワイヤ進入調整ユニット
２１３０ 水冷接触ブロック
２１３５ ノーズコーンロック環
２１４０ 補助／先端冷却ガス導管
２１４５ ノーズコーン
２１５０ レーザ光線
２１５５ 溶接ワイヤ
２１６０ ワイヤ接触先端
２１６５ 冷却通路
２１７０ ワイヤ導管およびライナ
２１７５ ホットワイヤ処理導電リード
２１８０ 集束光学系出口先端
２１８５ 集束光学系支援ガス入口
２１９０ 無孔集束光学系カバースライド
２１９５ レーザ光集束光学系モジュール
２２００ ホットワイヤ処理サブシステム
２３００ レーザ処理サブシステム
２３５０ レーザ集束装置
２５００ 蒸着ヘッド構造フレーム
１２ フレーム
１４ ロボット
１６ 第１のテーブル
１８ 第２のテーブル
２２ 部品
２４ 部品
２６ フロントアクセスドア
２８ リアアクセスドア
３２ 窓
４０ 制御パネル
４２ 制御筐体
６０ 蒸着ヘッド
６２ 軟質管または導管
６４ 消耗金属ワイヤ
６６ 容器
６８ ワイヤ送出器
７２ 電源
７４ プラットホーム
７６ セルコントローラ
１００ 従来のレーザホットワイヤシステム
１１０ レーザ光線
１１５ 基板または部品
１２０ レーザ集束装置
１３０ レーザ出力発振器
１４０ 抵抗性溶接ワイヤ
１５０ 溶接ワイヤ送出器
１６０ 接触管
１７０ ホットワイヤ電源
１８０ 運動コントローラ
１９０ ロボット
１９３ プラットホーム
１９５ 感知および電流コントローラ
３１０ レーザ光線
３２０ 消耗金属溶接ワイヤ
３３０ 接触先端／管
３３５ 予熱区域
３４０ 遮蔽ガス
３５０ ノーズコーン
３６０ 基板／層
３６２ 蒸着区域
３６４ 希釈区域
３７０ 収斂場所
３８０ 長手方向
４００ 垂直配向一体化蒸着ヘッド
４１０ ノーズコーン
４２０ ワイヤ送出装置
４２５ 駆動ローラ
５００ 一体化蒸着ヘッド
５１０ ガスホース
５２０ ガスノズル
５３０ 消耗溶接ワイヤ
５４０ レーザ光線
５５０ ノーズコーン
６００ 一体化蒸着ヘッド
６１０ ユーティリティホースおよび導管
６２０ 水冷接触ブロック
６３０ ノーズコーン
８２０ アーム
９３０ ワイヤ送出装置
９３５ 駆動ローラ
１２１０ 溶接ワイヤ
１４１０ 補助ガスノズル
１４２０ ワイヤ導管
１５００ 直方体ブロック
１５１０ 物差し
１６００ 中空円筒部品
１７００ 一体化蒸着ヘッド
１７１０ アーム
１７４０ ワイヤ送出装置
１７５０ 比較的小さいロボット
１９００ コントローラ
１９１２ バスサブシステム
１９１４ プロセッサ
１９１６ ネットワークインターフェースサブシステム
１９２０ ユーザインターフェース出力装置
１９２２ ユーザインターフェース入力装置
１９２４ 記憶サブシステム
１９２６ ファイル記憶サブシステム
１９２８ メモリサブシステム
２０００ 一体化蒸着ヘッド
２０１０ ワイヤ送出器
２０１５ モータ
２０１６ 一体化ワイヤ送出器回路制御基板
２０１７ 駆動ローラ
２０２０ レーザ処理サブシステム
２０３０ ノーズコーン
２１００ 部分
２１０１ 蒸着ヘッド筐体
２１０５ クランプ
２１１０ 軟質ブーツ
２１１５ シール付きクランプ
２１２０ 熱的／電気的絶縁板
２１２５ ワイヤ進入調整ユニット
２１３０ 水冷接触ブロック
２１３５ ノーズコーンロック環
２１４０ 補助／先端冷却ガス導管
２１４５ ノーズコーン
２１５０ レーザ光線
２１５５ 溶接ワイヤ
２１６０ ワイヤ接触先端
２１６５ 冷却通路
２１７０ ワイヤ導管およびライナ
２１７５ ホットワイヤ処理導電リード
２１８０ 集束光学系出口先端
２１８５ 集束光学系支援ガス入口
２１９０ 無孔集束光学系カバースライド
２１９５ レーザ光集束光学系モジュール
２２００ ホットワイヤ処理サブシステム
２３００ レーザ処理サブシステム
２３５０ レーザ集束装置
２５００ 蒸着ヘッド構造フレーム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【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19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】