金属线进给系统和方法技术方案

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)。

Metal wire feeding system and its design

The present application provides a linear feed system for continuously supplying metal wires to torches to make objects. The torches are used for freely forming objects through entities to provide continuous accumulation of metals to freely forming objects to make objects, especially objects made of titanium or titanium alloy wires. The system includes a line supply reel (50), a cabinet with an entry line position detector (110), a line feed device (200), at least three slack line guides (300, 400, 500), a slack line pulling device (600) and a cabinet outlet guide (1000).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属线进给系统和方法
本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术采用成本低于合金线的纯钛线(CPTi)，并且通过在焊炬熔体或其它高功率能量束中将CPTi线和粉末合金成分结合，从而在SFFF工艺中将CPTi线和粉末合金成分原位结合。在另一个实施例中，本专利技术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。为了有效地使用焊炬将金属从金属线堆积到工件的表面上，需要将金属线保持在相对于焊炬的正确位置。金属线通常由卷轴提供。驱动线卷轴旋转的电机的输出扭矩可能是在稳定状态下(特别是从满载的卷轴)提供线的限制因素。线在卷轴上的旋转惯性可能限制线从卷轴上退绕以输送到焊炬的速度和加速度。对旋转惯性、速度和/或加速度的调节可足以引起用于将线输送到接触尖端组件的等离子弧的辊、引导轮或夹紧装置的滑动。滑动可能导致线变形，并且还产生线相对于等离子弧的期望位置和角度的偏差。滑动也限制了制造设备的操作速度。散装线的旋转量、速度和/或加速度的变化也可能导致线进给速度的变化和金属线中张力量的变化。如果线进给速度或线在线源处的加速度的变化导致线源与将线输送到焊炬的等离子弧的进给辊和滑轮之间的张力过大，则增加的张力可能导致线形成扭结、弯曲或其它变形。高张力还可能导致将金属线拉回到线源，这将防止金属线到焊接电极的进给，导致不期望的不连续堆积层，或者堆积在正在制造的自由成形物体上的层中的非预期的孔或间隙。如果张力太低，则可能导致过量的松弛线。过量的线可能与其自身或机器的一部分缠结在一起，这可能导致线弯曲或扭结，使得线难以或不可能相对于等离子弧正确地定位。此外，由于卷轴上的线的盘绕性质，线从卷轴上的退绕导致它离开卷轴时的位置的变化。在较高的使用率下，线的水平和垂直位置可能迅速变化，这可能导致用于将线输送到焊炬的辊、引导轮或夹紧装置的滑动。因此，本领域需要以提高的金属堆积速率执行自由成形制造的经济方法。此外，本领域还需要以下系统和方法：增加在不使金属线滑动或变形的情况下被提供给焊炬的金属线的量，以便增加直接金属堆积成形产品的产量和产率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供用于将金属线输送到焊炬以通过实体自由成形制造来构建金属物体的系统。本专利技术的另一目的是提供使用金属线和一个或多个焊炬快速分层制造钛或钛合金物体的方法。本专利技术通过提供用于在相对于等离子弧的期望位置处将金属线输送到焊炬的等离子弧的系统和方法，解决了对执行直接金属堆积的改进的、经济的方法的需要，这可以实现实体自由成形制造中金属堆积速率的增加。本专利技术进一步解决了对增加产量的方法的需要，并且可以生产具有平滑的、近净形堆积边界的无变形直接金属堆积成形的部件。本专利技术提供一种金属线进给系统，用于从线源接收金属线并进给线以在实体自由成形制造系统中使用。该系统包括从线源接收金属线的机柜、监视线从线源进入机柜的位置的定位传感器、将线从线源推进到机柜中以在机柜内形成松弛线的环的线进给装置、检测并调节机柜内松弛线的量的一个或多个传感器以及线提供装置，该线提供装置拉动一定量的松弛线以将其提供给线引导件，从而相对于焊炬定位在预定的位置以被熔化到工件的表面上。焊炬可以是任何合适的设计或配置。示例性焊炬包括等离子弧焊炬、等离子转移弧焊炬、气体钨极弧焊炬、气体金属弧焊炬、金属惰性气体焊炬、金属活性气体焊炬、激光装置、电子束枪及其任意组合。本文提供的线进给系统可以包括响应于一个或多个传感器的控制系统，以调节线从线源到机柜中的额外供应，从而调节松弛线环的尺寸，由此调节机柜内松弛线的量。本文提供的是这样的金属线进给系统，该金属线进给系统可以包括：线供应单元，包括位置可调的线供应卷轴；机柜，包含用于将线从线供应单元拉入到机柜中的线张紧单元；线缓冲单元，创建松弛线环作为缓冲件；以及松弛线输送单元，从缓冲环拉出松弛线并将其从机柜进给到接触尖端组件，使得线进给到接触尖端组件的焊炬的等离子弧。机柜可以包括：入口线位置检测器110，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属线进给系统，包括：位置可调的线供应卷轴；机柜，包括包含孔的入口线位置检测器；线进给装置，包括第一机动带槽辊、第一被动带槽辊和附接到所述第一机动带槽辊的第一电机，其中所述第一机动带槽辊和所述第一被动带槽辊之间形成一通道；至少三个松弛线引导件的组合，其中的第一松弛线引导件定位在所述线进给装置之后并与所述线进给装置成一直线，其中的第二松弛线引导件定位在所述第一松弛线引导件的右下方，并且其中的第三松弛线引导件定位在所述第一松弛线引导件的左下方；松弛线拉动装置，包括第二机动带槽辊、第二被动带槽辊和附接到所述第二机动带槽辊的第二电机，其中所述第二机动带槽辊和所述第二被动带槽辊之间形成一通道；以及机柜出口引导件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.08 US 15/206,1691.一种金属线进给系统，包括：位置可调的线供应卷轴；机柜，包括包含孔的入口线位置检测器；线进给装置，包括第一机动带槽辊、第一被动带槽辊和附接到所述第一机动带槽辊的第一电机，其中所述第一机动带槽辊和所述第一被动带槽辊之间形成一通道；至少三个松弛线引导件的组合，其中的第一松弛线引导件定位在所述线进给装置之后并与所述线进给装置成一直线，其中的第二松弛线引导件定位在所述第一松弛线引导件的右下方，并且其中的第三松弛线引导件定位在所述第一松弛线引导件的左下方；松弛线拉动装置，包括第二机动带槽辊、第二被动带槽辊和附接到所述第二机动带槽辊的第二电机，其中所述第二机动带槽辊和所述第二被动带槽辊之间形成一通道；以及机柜出口引导件。2.根据权利要求1所述的金属线进给系统，其中：所述第一松弛线引导件包括：具有第一凹槽和第二凹槽的第一双槽辊，所述第一双槽辊附接到第一臂，所述第一臂枢转地连接到所述机柜的背板；以及具有第一凹槽和第二凹槽的第二双槽辊，其中所述第一双槽辊的所述第一凹槽和所述第二双槽辊的所述第一凹槽之间形成一通道，并且所述第一双槽辊的所述第一凹槽由连接到第一支撑件的所述第一臂上的弹簧偏压，所述第一支撑件连接到所述机柜的背板；所述第二松弛线引导件包括：第三被动带槽辊，附接到枢转地连接到所述机柜的背板的第二臂；以及第四被动带槽辊，其中所述第三被动辊的凹槽和所述第四被动辊的凹槽之间形成通道，并且所述第三被动辊的凹槽由连接到第二支撑件的所述第二臂上的弹簧偏压，所述第二支撑件连接到所述机柜的背板；并且所述第三松弛线引导件包括：第五被动带槽辊，附接到枢转地连接至所述机柜的背板的第三臂；和第六被动带槽辊，其中所述第五被动带槽辊的凹槽和所述第六被动带槽辊的凹槽之间形成通道，并且所述第五被动带槽辊的凹槽由连接到第三支撑件的所述第三臂上的弹簧偏压，所述第三支撑件连接到所述机柜的背板；其中所述第一松弛线引导件、所述第二松弛线引导件和所述第三松弛线引导件形成从所述第一松弛线引导件到所述第二松弛线引导件再到所述第三松弛线引导件然后再回到所述第一松弛线引导件的环形路径。3.根据权利要求1-2中任一项所述的金属线进给系统，其中所述第一机动带槽辊、所述第一被动带槽辊、所述第二机动带槽辊和所述第二被动带槽辊中的任一个或其组合的凹槽的表面在摩擦方面得以增强。4.根据权利要求1-3中任一项所述的金属线进给系统，其中所述第一电机和所述第二电机各自分别从步进电机和由功率控制信号驱动的直流电机中选择。5.根据权利要求1-4中任一项所述的金属线进给系统，其中所述入口线位置检测器还包括第一传感器，所述第一传感器检测所述孔内的金属线的位置。6.根据权利要求5所述的金属线进给系统，其中所述第一传感器与控制系统进行通信，所述控制系统能够在X方向、Y方向和Z方向中的至少一个方向或其任意组合上重新定位所述线供应卷轴。7.根据权利要求7所述的金属线进给系统，其中所述机柜还包括透明窗口、或透明门、或透明窗和透明门两者，以允许在不打开所述机柜的情况下观察所述机柜中的部件。8.根据权利要求7所述的金属线进给系统，其中所述透明窗或透明门由玻璃、亚克力(聚甲基丙烯酸甲酯或PMMA)、改性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)或聚碳酸酯制成。9.根据权利要求1-8中任一项所述的金属线进给系统，其中所述线进给装置经配置以将缠绕在所述线供应卷轴上的线进给到所述机柜中。10.根据权利要求1-9中任一项所述的金属线进给系统，还包括第一压力装置，以调节由所述第一被动带槽辊施加的压力的量。11.根据权利要求10所述的金属线进给系统，其中所述第一压力装置包括液压、气动、机械或电子地驱动的活塞，该活塞在沿第一方向移动时...

【专利技术属性】
技术研发人员：特龙·福塞思，布雷德·维格达尔，汤姆埃里克·法拉，迪勒·罗尔斯塔，阿尔内·拉姆斯兰，
申请(专利权)人：挪威钛公司，
类型：发明
国别省市：挪威,NO