具有全向构建路径的激光热丝增材沉积头制造技术

披露了集成式激光热丝沉积头的实施例。在一个实施例中，所述沉积头包括结构框架、激光加工子系统、送丝装置、以及导电管。所述激光加工子系统安装在所述结构框架内，以沿纵向定向的方向将单束路径激光束朝向有待增材制造的基材或零件递送。所述送丝装置和导电管安装在所述框架内，以将可消耗填充焊丝相对于所述纵向定向的方向成一定角度地朝向所述基材或零件给送。在运动控制系统的引导下，所述沉积头可以相对于所述基材或零件全向移动来对所述零件进行增材制造，而无需从所述纵向定向的方向有角度地改变所述单束路径激光束的取向或旋转所述沉积头。

Laser hot wire additive deposition head with omnidirectional construction path

【技术实现步骤摘要】
具有全向构建路径的激光热丝增材沉积头相关申请的交叉引用/援引并入此美国专利申请要求于2018年7月19日提交的美国临时专利申请序列号62/700,398的优先权和权益，所述申请的所有披露内容通过援引并入本文。
本专利技术的实施例涉及与增材制造(经常同义地称为3D打印)相关的系统和方法，并且更具体地涉及允许全向构建路径的激光热丝增材沉积头。
技术介绍
常规地，增材制造工艺能够以相对低的沉积速率来制造近净形零件，其中逐层地构建每个零件。然而，在沉积例如金属材料层时，沉积设备的取向可能必须不断地进行调节。这样不断的调节可能涉及复杂的路径规划和机器人操纵。此外，在某些激光热丝实施方式中的激光光学器件可能是相当复杂的，需要分裂并且然后重新组合激光束。这种复杂的光学实施方式可能是相当昂贵的。
技术实现思路
本专利技术的实施例包括与用于增材制造的激光热丝沉积头相关的系统和方法，所述激光热丝沉积头允许产生全向构建路径。一个实施例包括沉积头，所述沉积头包括集成到单一沉积头中的激光聚焦装置、送丝装置、以及填充焊丝接触尖端或管。沉积头的构型提供了纵向定向的激光束，其中填充焊丝与激光束的纵向轴线成30度以下的某一角度(例如，在一个实施例中为12度)地给送。纵向(长度方向的、线性)轴线与激光束路径在自由空间中朝向有待增材制造的基材或零件的表面的方向矢量相对应。这样的构型允许沉积头沿任何平移方向或路径(例如，相对于笛卡尔平面)移动，而无需改变沉积头的角度或垂直于所述路径平面旋转沉积头。产生的并且输送到加工部位的激光束沿着沉积头中的单一路径。例如，激光束没有被分裂成多条路径并且然后再合在一起。对于典型地用于对增材制造的零件进行分层和路径规划的可获得的软件，当需要调节沉积设备的旋转取向时加工的复杂性显著地增加。此外，如果必须考虑沉积设备的旋转取向，那么设备的缠绕和解绕以及工艺软管和实用工具的支持脐带也必须考虑在内，在一些情况下，使得显著更难、更贵、更时间密集、或基本上不可能生产具有中等复杂几何形状的增材制造零件。出于这些原因和在本文档上下文中没有提及的其他原因，具有在方向上取决于路径的旋转取向的沉积设备对于特定应用而言可能不太有利并且对于一般用途而言可能不太通用。在一个实施例中，集成式激光热丝增材沉积头包括结构框架、激光加工子系统、送丝装置、以及导电管。所述激光加工子系统包括激光聚焦装置，所述激光聚焦装置安装在所述框架内并且被配置用于沿纵向定向的方向朝向有待增材制造的基材或零件的表面发射单束路径激光束。所述单束路径激光束在所述集成式激光热丝增材沉积头内不分裂或重新组合。所述送丝装置和导电管安装在所述框架内并且被配置用于相对于所述纵向定向的方向成1°与30°之间的某一角度地朝向所述基材或所述零件给送可消耗填充焊丝。经由导电管组件可在1°与30°之间手动调节所述角度，所述导电管组件配备有角度枢转接头。具体地，导电管集成到球形球窝旋转接头中并且联接至柔性焊丝导管，所述柔性焊丝导管随后附接至刚性安装的焊丝给送器，由此在焊丝进入激光束的路径时使得能够对所述焊丝进行角度调节和重新定位。在运动控制系统的引导下，所述沉积头被配置用于相对于所述基材或所述零件全向移动来对所述零件进行增材制造，而无需从所述纵向定向的方向(用于对零件的当前部分进行增材制造而建立的方向)有角度地改变所述单束路径激光束的取向，或者旋转所述沉积头。在一个实施例中，所述激光束与所述基材或所述零件汇聚处的第一位置与所述可消耗填充焊丝的尖端与所述基材或所述零件汇聚处的第二位置之间的距离是可手动调节的。在焊丝进入到激光束的路径中时经由两轴线性交叉滑动件(cross-slide)模块完成对所述焊丝的汇聚的微调，所述交叉滑动件模块固持热丝接触块和导电管组件。在一个实施例中，所述集成式激光热丝增材沉积头包括鼻锥、通用型软管和导管、以及水冷式热丝接触块。在一个实施例中，所述送丝装置包括马达和驱动滚柱。在一个实施例中，所述可消耗填充焊丝与所述纵向定向的方向成约30度以下的第一角度地接近所述沉积头内的导电管，并且然后与所述纵向定向的方向成约1度到5度的第二角度地离开所述导电管(例如，由于导电管是弯曲的)。在一个实施例中，所述激光装置在红外光谱中运行，从而提供最高达15千瓦的输出功率。在一个实施例中，可实现最高达约10.0千瓦/时的沉积速率。在一个实施例中，所述激光聚焦装置包括激光光聚焦光学器件模块、聚焦光学器件辅助气体入口、未穿孔的聚焦光学器件盖部滑动件、以及聚焦光学器件出口尖端中的至少一个。在一个实施例中，集成式激光热丝增材沉积头包括框架、激光加工子系统、以及导电管。激光加工子系统包括激光聚焦装置，所述激光聚焦装置安装在所述框架内并且被配置用于沿纵向定向的方向朝向有待增材制造的基材或零件的表面递送单束路径激光束。所述单束路径激光束在所述集成式激光热丝增材沉积头内不分裂或重新组合。所述导电管安装在所述框架内并且被配置用于接受来自外部送丝装置的可消耗填充焊丝并且相对于所述纵向定向的方向成1°与30°之间的某一角度地朝向所述基材或所述零件引导所述可消耗填充焊丝。在一个实施例中，所述角度在1°与30°之间可手动调节(例如，经由焊丝进入调节单元)。在运动控制系统的引导下，所述沉积头被配置用于相对于所述基材或所述零件全向移动来对所述零件进行增材制造，而无需从所述纵向定向的方向(用于对零件的当前部分进行增材制造而建立的方向)有角度地改变所述单束路径激光束的取向，或者旋转所述沉积头。在一个实施例中，所述激光束与所述基材或所述零件汇聚处的第一位置与所述可消耗填充焊丝的尖端与所述基材或所述零件汇聚处的第二位置之间的距离是可手动调节的。在一个实施例中，所述集成式激光热丝增材沉积头包括鼻锥、通用型软管和导管、以及水冷式接触块。在一个实施例中，所述可消耗填充焊丝与所述纵向定向的方向成约30度以下的第一角度地接近所述沉积头内的导电管，并且然后与所述纵向定向的方向成约1度到5度的第二角度地离开所述导电管(例如，由于导电管是弯曲的)。在一个实施例中，所述激光装置在红外光谱中运行，从而提供最高达15千瓦的输出功率。在一个实施例中，可实现最高达约10.0千瓦/时的沉积速率。在一个实施例中，所述激光聚焦装置包括激光光聚焦光学器件模块、聚焦光学器件辅助气体入口、未穿孔的聚焦光学器件盖部滑动件、以及聚焦光学器件出口尖端中的至少一个。在一个实施例中，所述集成式激光热丝增材沉积头包括热/电绝缘板、焊丝进入调节单元、鼻锥锁定套环、以及补充气体/尖端冷却气体导管中的至少一个。由纤维增强的高热容量聚合物材料构造的绝缘板主要用于防止电传导返回通过增材沉积头的结构框架并且通过机器人、控制器、或相关的系统布线。电流这种不受控制且未预料到的传输典型地损坏设备并且还有可能对沉积头加工性能具有有害影响。作为次要特征，热绝缘性质防止热传递超过水冷式加工头接触块并且传递到所述头的结构框架或没有用于主动控制温度的其他区域。焊丝进入调节单元允许微调沉积工艺的进给角，其中，特定应用可以示出由于工艺采用的多种不同的合金的物理性质和热性质的不同，在略微不同的进给角下轻微的沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成式激光热丝增材沉积头，所述沉积头包括：/n结构框架；/n激光加工子系统，所述激光加工子系统包括激光聚焦装置，所述激光聚焦装置安装在所述框架内并且被配置用于沿纵向定向的方向朝向有待增材制造的基材或零件递送单束路径激光束；以及/n送丝装置和导电管，所述送丝装置和所述导电管安装在所述框架内并且被配置用于相对于所述纵向定向的方向成1°与30°之间的某一角度地朝向所述基材或所述零件给送可消耗填充焊丝，/n其中，在运动控制系统的引导下，所述沉积头被配置用于相对于所述基材或所述零件全向移动来对所述零件进行增材制造，而无需：/n从所述纵向定向的方向有角度地改变所述单束路径激光束的取向，或者/n旋转所述沉积头。/n

【技术特征摘要】
20180719 US 62/700,398;20190415 US 16/383,8221.一种集成式激光热丝增材沉积头，所述沉积头包括：
结构框架；
激光加工子系统，所述激光加工子系统包括激光聚焦装置，所述激光聚焦装置安装在所述框架内并且被配置用于沿纵向定向的方向朝向有待增材制造的基材或零件递送单束路径激光束；以及
送丝装置和导电管，所述送丝装置和所述导电管安装在所述框架内并且被配置用于相对于所述纵向定向的方向成1°与30°之间的某一角度地朝向所述基材或所述零件给送可消耗填充焊丝，
其中，在运动控制系统的引导下，所述沉积头被配置用于相对于所述基材或所述零件全向移动来对所述零件进行增材制造，而无需：
从所述纵向定向的方向有角度地改变所述单束路径激光束的取向，或者
旋转所述沉积头。


2.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述角度在1°与30°之间可手动调节。


3.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述激光束与所述基材或所述零件汇聚处的第一位置与所述可消耗填充焊丝的尖端与所述基材或所述零件汇聚处的第二位置之间的距离是可手动调节的。


4.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述单束路径激光束在所述集成式激光热丝增材沉积头内不分裂或重新组合。


5.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，进一步包括鼻锥、通用型软管和导管、以及水冷式接触块。


6.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述送丝装置包括马达和驱动滚柱。


7.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述可消耗填充焊丝与所述纵向定向的方向成约30度以下的第一角度地接近所述沉积头内的导电管，并且然后与所述纵向定向地方向成约1度到5度的第二角度地离开所述导电管。


8.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述激光聚焦装置在红外光谱中运行，从而提供最高达15千瓦的输出功率。


9.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，可实现最高达约10.0千瓦/时的沉积速率。


10.如权利要求1所述的集成式激光热丝增材沉积头，其中，所述激光聚焦装置包括激光光聚焦光学器件模块、聚焦光学器件辅助气体入口、未穿孔的聚焦光学器件盖部滑动件、以及聚焦光学器件出...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯多佛·D·阿戈斯蒂，M·D·莱特萨，W·T·马修斯，凯尔·G·史密斯，
申请(专利权)人：林肯环球股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US