CN109689267B - 用于由两个焊枪通过固体自由成形制造来构建金属物体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于通过固体自由成形制造来制造物体的***和方法，该物体尤其是钛和钛合金物体，其中，通过使用两个单独的热源来增加沉积速率，一个热源用于加热基材上的沉积区域，并且一个热源用于加热并熔化金属材料，诸如金属丝或粉末化金属材料。

Description

用于由两个焊枪通过固体自由成形制造来构建金属物体的方 法和设备

相关申请

2013年9月27日提交的题为“用于通过固体自由成形制造来构建金属物体的方法和设备”的美国专利申请序列号14/008,307，其为国际申请日为2012年3月30日的题为“用于通过固体自由成形制造来构建金属物体的方法和设备”的国际专利申请号PCT/NO2012/000033的美国国家阶段，该申请要求2011年3月31日提交的题为“用于通过固体自由成形制造来构建金属物体的方法和设备”的英国专利申请号GB 1105433.5的优先权，上述每个专利申请的主题的全部内容通过并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于通过固体自由成形制造来制造物体(特别是钛和钛合金物体)的方法和设备。

背景技术

由钛或钛合金制成的结构化金属部件通常通过由坯料铸造、锻造或加工制成。这些技术的缺点在于大量使用昂贵的钛金属材料和制造交付时间长。

可以通过称为快速原型制造、快速制造、分层制造、固体自由成形制造(SFFF)、添加制造、添加制作和3D打印的制造技术来制造全致密的物理物体。该技术使用计算机辅助设计(CAD)软件来首先构建待制造的物体的虚拟模型，然后将虚拟模型转换成通常水平定向的薄的平行切片或层。然后可以通过将液体、糊剂、粉末或其他可成层、可涂抹或流体形式(诸如熔化的金属，例如来自熔化的焊丝)的连续原材料层放样或者将其预成形为类似于虚拟层的形状的片材直到形成整个物体来制造物理物体。这些层可以熔合在一起以形成固体致密物体。

固体自由成形制造是一种灵活的技术，其允许以相对快的生产率形成几乎任何形状的物体，这对于每个物体通常需要从几小时到几天不等。因此，该技术适用于原型的形成和小批量生产，并且可以按比例增加以进行大批量生产。

可以扩展分层制造技术以包括构造材料的片的沉积，即，物体的虚拟模型的每个结构层被分成一组片，它们在并排放置时形成所述层。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金属丝焊接到基板上并且对每层重复该过程直到形成整个物理物体来形成金属物体。焊接技术的精度通常过于粗糙，以致不能直接形成具有可接受尺寸的物体。因此，所形成的物体通常被认为是需要被加工成可接受尺寸精度的绿色物体或预成型件。

电子束自由成形制造在本领域中是已知的(例如，参见Taminger等人(在2002年8月5日至7日在德克萨斯州奥斯汀举行的第13届固体自由成形制造研讨会上发表的“通过电子束自由成形制造的2219铝的特性”；在德克萨斯大学奥斯汀分校的论文集(2002年)；Taminger等人(在2003年9月9日至10日在密歇根州特洛伊的第三届年度汽车复合材料会议论文集“电子束自由成形制造：快速金属沉积工艺”塑料工程师协会(2003年)；以及Taminger和Hafley(“用于成本效益的近净形状制造的电子束自由成形制造”，NATO/RTOAVT-139关于通过净形状加工进行成本效益制造的专家会议(荷兰阿姆斯特丹，2006年)(NATO)，第9-25页))。Taminger和Hafley(2006)描述了一种用于直接从结合电子束自由成形制造(EBF)的计算机辅助设计数据制造结构金属部件的方法和装置。结构部件通过焊接在金属焊丝的连续层上构建，金属焊丝通过由电子束提供的热能焊接。EBF工艺涉及将金属丝供给到由聚焦电子束在高真空环境中形成和维持的预热区域或熔池中。通过使电子束枪和支撑基板的致动器沿一个或多个轴线(X、Y、Z和旋转)可移动地铰接并通过四轴运动控制***调节电子束枪和支撑基板的位置来获得电子束和焊丝的定位。据称该工艺在材料使用方面几乎100％有效，在功耗方面效率达95％。该方法可以用于块状金属沉积和更精细的详细沉积，并且与传统的金属部件加工方法相比，该方法要求对缩短交货时间以及降低材料和加工成本具有显著影响。

已知使用等离子体电弧来提供用于焊接金属材料的热量。该方法可以在大气压或更高压力下使用，并因此允许使用更简单和更便宜的工艺设备。一种这样的方法被称为气体钨极电弧焊(GTAW，也表示为钨惰性气体(TIG)焊接)，在该方法中，在非消耗性钨电极和焊接区域之间形成等离子体转移电弧。等离子体电弧通常由通过等离子体焊炬供给的气体来保护，该等离子体焊炬供给的气体在电弧周围形成保护盖。TIG焊接可以包括将金属丝或金属粉末供给到熔池或等离子体电弧中以作为填料。

通过固体自由成形制造(SFFF)使用TIG焊炬来构建物体是已知的(例如，参见Adams的美国专利公开号2010/0193480)，在该方法中，具有低延展性的连续金属原料材料层被施加到基板上。等离子体流通过使用电弧电极激励流动的气体来产生，该电弧电极具有提供给该电弧电极的可变幅度电流。在沉积之前，等离子体流被引导到预定的目标区域以预热预定的目标区域。调节电流，并将原料材料(诸如金属丝)引入到等离子体流中以将熔融原料沉积在预定的目标区域中。调节电流，并使熔融原料在升高的温度下缓慢冷却，该升高的温度通常高于原料材料的脆性至韧性转变温度，在冷却阶段，以使发生材料应力的可能性最小化。

Withers等人(美国专利公开号2006/185473)还描述了使用TIG焊炬代替传统上用于SFFF工艺的昂贵激光器，其具有相对低成本的钛进料，通过以显著降低原材料成本的方式组合钛进料和合金组分。Withers等人教导了，可以使用成本低于合金丝的非合金商用纯钛丝(CP钛丝)，并且通过在焊炬熔体或其他高功率能量束中组合CP钛丝和粉末合金组分，可以在SFFF工艺中将CP钛丝与粉末合金组分原位结合使用。Wither等人还教导了，钛海绵材料可以与合金元素混合并形成金属丝，其可以在SFFF工艺中与等离子焊炬或其他高功率能量束结合使用以产生近净形钛部件。

Abbott等人(WO 2006/133034，2006)描述了使用激光/电弧混合工艺制造复杂三维形状的直接金属沉积工艺，其包括提供基板和使用激光辐射和电弧在基板上从金属原料沉积第一熔融金属层的步骤。电弧可以通过气体金属电弧焊炬使用金属原料作为电极来提供。Abbott等人教导了激光辐射与气体金属电弧焊的结合使用可以稳定电弧并据称可以提供更高的加工速率。Abbott等人使用由金属丝导向装置引导和从金属丝导向装置引出的自耗电极。自耗电极的金属在末端熔化，并且通过将末端定位在沉积点上来沉积熔融金属。用于熔化自耗电极的所需热量可以通过在电极的尖端与工件/沉积基板之间膨胀的电弧以及通过激光照射沉积区域来提供。通过熔化由电弧加热的自耗电极进行焊接被称为气体保护金属电弧焊(GMAW)，其中，在使用非活性气体来形成电弧的情况下也称为金属惰性气体保护焊(MIG焊接)。

加热到400℃以上的钛金属或钛合金在与氧气接触时可能会发生氧化。因此，需要保护通过分层自由成形制造形成的焊缝和受热物体以免受环境大气中氧气的影响。

Guldberg(WO2011/019287)教导了针对该问题的一种解决方案，其公开了一种通过在与环境大气封闭的反应器室中通过SFFF制造物体(尤其是钛和钛合金物体)来提高沉积速率的方法。通过使沉积室充分地不含氧气，不再需要采用保护措施来避免由环境大气氧对新焊接区域的氧化，使得焊接过程可以以更高的速度进行，因为可以允许焊接区域具有更高的温度而不会有焊缝过度氧化的风险。例如，在生产钛或钛合金的物体时，不再需要将焊接区域冷却到400℃以下以避免氧化。

从Keicher等人(美国专利号6,268,584)已知另一种提高沉积速率的解决方案，其公开了一种沉积头组件，其包括以下特征：一排输出粉末喷嘴，其用于产生至沉积区域的会聚粉末流；中央孔，其允许多个束聚焦到沉积基板上；以及用于每个粉末喷嘴的同轴气流，其将来自这些喷嘴的粉末流集中，以便提供喷嘴与沉积头组件之间的更长的工作距离。较长的工作距离对于确保熔融金属微粒在加工期间不附着在沉积设备上是至关重要的。具体地，Keicher等人描述了一种设计在沉积头组件中的歧管***，该歧管***可以同时使用不止一个激光束以用于沉积过程。沉积头组件还包括用于主动地集中来自每个孔口的粉末流以提高材料利用效率的装置。

Abbott等人(WO 2006/133034)描述了针对与熔融钛的反应性质相关的问题的另一种解决方案，其描述了使用气体金属电弧和激光焊接的组合。气体金属电弧技术具有若干缺点，这严重限制了它们在沉积钛中的应用。这些缺点包括金属转移的不稳定性、过度的飞溅和沉积层形状的不良控制，以及在沉积期间引起薄切片变形的高热输入。而且，由于在沉积期间发生的阴极斑点的漂移，不可能提高生产率。根据Abbott等人针对这些问题的解决方案涉及直接金属沉积工艺，其包括提供基板和将金属从金属原料沉积到基板上的步骤。在金属原料和基板之间产生电弧，并且电弧暴露于激光辐射以在基板上形成熔融金属池。冷却熔融金属池以在基板上形成第一固态金属层。

待解决的问题为材料沉积在基材上以形成工件的速度。可以增加金属丝的温度以预热金属丝，使其以更快的速率熔化。然而，较高的温度会导致喷雾转移或飞溅或不受控制的熔融金属从熔化的电极添加到熔融金属池中，从而导致不良沉积并且不能控制沉积层的形状。预热区域或熔池的过高温度也会导致沉积期间薄层的变形。

因此，本领域需要一种以增加的金属沉积速率进行直接金属沉积的经济方法。在该领域中还需要一种提高直接金属沉积成形产品的生产能力和产量的方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于通过SFFF来构建金属物体的装置。

本发明的另一个目的是提供一种用于在钛或钛合金中快速分层制造物体的方法。

本发明解决了对于改进的、经济的执行直接金属沉积的方法的需求。本发明进一步解决了对于提高具有光滑、明确限定的沉积边界的无变形直接金属沉积成形部件的生产能力和产量的方法的需求。

本发明基于以下认识：通过使用双焊枪***可以增加沉积速率，该双焊枪***可以包括例如用于预热基材上的目标沉积区域的第一焊枪以及用于加热和熔化金属丝的第二焊枪。可以使用第一焊枪和第二焊枪的各种组合。第一焊枪可包括激光装置以用于预热基材上的目标沉积区域，并且第二焊枪可包括等离子体电弧(PAW)焊炬，诸如等离子体转移电弧(PTA)焊炬，以用于将金属丝加热并熔化到基材上的目标沉积区域上。第一焊枪可包括PAW焊炬，诸如PTA焊炬以用于预热基材上的目标沉积区域，并且第二焊枪可包括激光装置以用于将金属丝加热并熔化到基材上的目标沉积区域上。第一焊枪可包括第一激光装置以用于预热基材上的目标沉积区域，并且第二焊枪可包括第二激光装置以用于将金属丝加热并熔化到基材上的目标沉积区域上。第一焊枪可包括激光装置以用于预热基材上的目标沉积区域，并且第二焊枪可包括同轴粉末供给喷嘴激光***以用于将金属粉末加热并熔化到基材上的目标沉积区域上。第一焊枪可包括电子束装置以用于预热基材上的目标沉积区域，并且第二焊枪可包括激光装置以用于将金属丝加热并熔化到基材上的目标沉积区域上。第一焊枪可包括激光装置以用于预热基材上的目标沉积区域，并且第二焊枪可包括电子束装置以用于将金属丝加热并熔化到基材上的目标沉积区域上。第一焊枪可包括第一电子束装置以用于预热基材上的目标沉积区域，并且第二焊枪可包括第二电子束装置以用于将金属丝加热并熔化到基材上的目标沉积区域上。

本发明提供了一种用于通过固体自由成形制造来构建金属物体的***，该***包括：第一焊枪，用于预热在金属材料待沉积的位置处的基材；第二焊枪，用于将金属源熔化成沉积在基材的预热区域上的金属材料液滴；使基材相对于至少第一焊枪移动的致动器托盘，或使第一焊枪移动的致动器臂，或使第二焊枪移动的致动器臂，或这些致动器的任何组合；以及控制***，其能够读取待形成的物体的计算机辅助设计(CAD)模型，并采用CAD模型来调节***的位置和运动，以用于定位和移动基材并操作焊枪，使得通过将金属材料的连续沉积物熔合到基材上来构建物理物体。

第一焊枪预热基材，使其在熔化的金属材料待沉积的位置处能接受熔化的金属丝熔滴。在一些实施例中，至少一部分基材可以通过第一焊枪熔化，以使基材更具接受性。在一些实施例中，第一焊枪施加足够的热量以在金属材料待沉积的位置处的基材中形成预热区域。在一些实施例中，第二焊枪施加足够的热量以在金属材料待沉积的位置处的基材中形成熔池。需指出，尽管本发明描述了与金属丝相关的使用，但是可以使用任何可以被引导和熔化以沉积材料的传导性结构，例如可以使用任何适当尺寸和形状的自耗电极。

第一焊枪可以通过加深基材中的熔化来促进基材和熔融金属材料之间的熔合。第一焊枪可以有助于确保过热熔化金属材料的充分熔化，熔化的金属材料可能不能自己实现充分熔化。

该***可以包括：PAW焊炬，诸如PTA焊炬，作为第一焊枪；以及激光装置，作为第二焊枪。在这样的***中，PAW焊炬可以电连接到直流电源，使得PAW焊炬的电极变为阴极，并且金属丝变为阳极。

第二焊枪还可以设计成在预热区域中贡献热能。而且，第一焊枪和第二焊枪可位于基材的相对侧上。

还提供了用于通过固体自由成形制造来制造金属材料的三维物体的方法，其中，该物体通过将金属材料的连续沉积物一起熔合到基材上而制成，该方法包括：使用第一焊枪来预热基材的表面的至少一部分，例如在金属材料待沉积的位置处；使用第二焊枪来加热并熔化金属材料使得熔融金属材料被沉积到基材的预热区域上；以及使基材以预定图案相对于第一焊枪和第二焊枪的位置移动，使得熔融金属材料的连续沉积物固化并形成三维物体。

本文提供的方法可以使用PAW焊炬(诸如PTA焊炬)作为第一焊枪并使用激光装置作为第二焊枪。本文提供的方法可以使用激光装置作为第一焊枪并使用PAW焊炬作为第二焊枪。在这样的***中，PAW焊炬可以电连接到直流电源，使得PAW焊炬的电极变为阴极，并且金属丝变为阳极。

本文提供的方法可以使用第一激光装置作为第一焊枪，并使用第二激光装置作为第二焊枪。本文提供的方法可以使用激光装置作为第一焊枪，并使用同轴粉末供给喷嘴激光***作为第二焊枪。本文提供的方法可以使用电子束装置作为第一焊枪，并使用激光装置作为第二焊枪。本文提供的方法可以使用激光装置作为第一焊枪，并使用电子束装置作为第二焊枪。本文提供的方法可以使用电子束装置作为第一焊枪，并使用激光装置作为第二焊枪。本文提供的方法可以使用第一电子束装置作为第一焊枪，并使用第二电子束装置作为第二焊枪。

本发明的附加特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分地从所述描述中显而易见，或者可以通过实践本发明来学习。本发明的目的和其他优点将通过书面说明书及其权利要求以及附图中特别指出的结构来实现和获得。

应当理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在提供对要求保护的本发明的进一步说明。

附图说明

附图(其被包括以提供对本发明的进一步理解并且被并入并构成本说明书的一部分)示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。为清楚起见，附图未按比例绘制，并且省略了一些部件。

在附图中：

图1为Taminger和Hafley的图1的复制(“用于成本效益的近净形状制造的电子束自由成形制造”，NATO/RTOAVT-139关于通过净形状加工进行成本效益制造的专家会议(荷兰阿姆斯特丹，2006年)(NATO)，第9-25页)，该图示出了固体自由成形制造的原理的示意图。

图2为US 2006/0185473的图1的复制，其示出了等离子体转移电弧固体自由成形制造的原理的示意图。

图3为示出了根据本发明的第二方面的设备的截面图的示意图。

图4为示出了包括热脉冲的本发明第二实施例的截面图的示意图。

图5为本文提供的双焊枪***的实施例的示意性侧视图，其包括用于预热基材上的目标沉积区域的激光装置，以及用于将金属丝加热并熔化到基材上的目标沉积区域上的等离子体传递电弧。

图6为本文提供的双焊枪***的实施例的示意性侧视图，该***包括用于预热基材上的目标沉积区域的等离子体转移电弧，以及用于将金属丝加热并熔化到基材上的目标沉积区域上的激光装置。

图7为本文提供的双焊枪***的实施例的示意性侧视图，该***包括用于预热基材上的目标沉积区域的激光装置，以及用于将金属丝加热并熔化到基材上的目标沉积区域上的激光装置。

图8为本文提供的双焊枪***的实施例的示意性侧视图，其包括用于预热基材上的目标沉积区域的激光装置，以及用于将金属加热并熔化到基材上的目标沉积区域上的激光吹粉***。

图9为本文提供的双焊枪***的实施例的示意性侧视图，该***包括用于预热基材上的目标沉积区域的电子束装置，以及用于将金属丝加热并熔化到基材上的目标沉积区域上的激光装置。

图10为本文提供的双焊枪***的实施例的示意性侧视图，该***包括用于预热基材上的目标沉积区域的激光装置，以及用于将金属丝加热并熔化到基材上的目标沉积区域上的电子束装置。

图11为本文提供的双焊枪***的实施例的示意性侧视图，该***包括用于预热基材上的目标沉积区域的第一电子束装置，以及用于将金属丝加热并熔化到基材上的目标沉积区域上的第二电子束装置。

具体实施方式

A.定义

除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。除非另有说明，否则本文整个公开内容中提及的所有专利、专利申请、所公开的申请和出版物、网站和其他公开材料的全部内容均通过引用结合于此。如果本文的术语有多个定义，则以本节中的定义为准。应当理解，在引用URL或其他这样的标识符或地址的情况下，这样的标识符可以改变并且因特网上的特定信息可以来去，但是可以通过搜索因特网找到等同的信息。参考资料证明了这些信息的可用性和公开传播。

如本文所用，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也包括复数形式。

如本文所用，范围和量可表示为“约”特定值或范围。“约”还包括确切的量。因此，“约5％”意味着“约5％”并且也意味着“5％”。“约”意味着在应用或指定目的的典型实验误差范围内。

如本文所用，本文可使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段应该不受这些术语的限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或区段与另一个区域、层或区段区分开。除非上下文明确指出，否则本文使用的诸如“第一”、“第二”的术语和其他数字术语不暗示顺序或次序。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可以被称为第二元件、部件、区域、层或区段。

如本文所用，“可选的”或“可选地”是指随后描述的事件或情况发生或不发生，并且该描述包括事件或情况发生的实例和不发生的实例。例如，***中的任选部件意味着该部件可以存在或者可以不存在于***中。

如本文所用，“组合”是指两个物项之间或两个以上物项之间的任何关联。该关联可以为空间的，或者指的是为了共同目的而使用两个或更多个物项。

如本文所用，“等离子体电弧焊炬”或“PAW焊炬”是指可用于等离子体电弧焊的焊炬。焊炬被设计成使得气体可以被加热到高温以形成等离子体并变得导电，然后等离子体将电弧传递到工件，并且电弧的强热可以熔化金属和/或将两个金属件熔合在一起。PAW焊炬可包括用于收缩电弧的喷嘴，从而增加电弧的功率密度。等离子体气体通常为氩气。等离子体气体可以沿着电极供给并在阴极附近电离和加速。电弧可以指向工件并且比自由燃烧电弧(诸如在TIG焊炬中)更稳定。PAW焊炬通常还具有用于提供保护气体的外喷嘴。保护气体可以为氩气、氦气或其组合，并且保护气体有助于最小化熔融金属的氧化。在PAW焊炬中，电流通常可高达约400A，并且电压通常可在约25V至35V之间(但可高达约14kW)。本发明不涉及任何特定选项或类型的PAW焊炬。可以使用能够用作PTA焊炬的任何已知或可想到的装置。示例性PAW焊炬为等离子体转移电弧(PTA)焊炬。

本文可互换使用的术语“等离子体转移电弧焊炬”或“PTA焊炬”是指能够通过电弧放电将惰性气体流加热和激励为等离子体然后将包括电弧的等离子体气体流转移通过孔口(诸如喷嘴)以形成收缩的羽流的任何装置，该羽流延伸出孔口并将电弧的强热传递到目标区域。电极和目标区域可以电连接到直流电源，使得PTA焊炬的电极变为阴极而目标区域变为阳极。这将确保包括电弧的等离子体羽流向目标区域的小表面区域输送高度集中的热流，同时极好地控制从PTA焊炬供应的区域延伸和热通量的大小。等离子体转移电弧具有提供稳定且一致的电弧的优点，该电弧具有很少的漂移和对阴极与阳极之间的长度偏差的良好容差。因此，PTA焊炬既适用于预热表面，并且在在基材中形成预热区域或熔池的一些应用中，也适用于加热并熔化金属丝进料。PTA焊炬可有利地具有由钨制成的电极和由铜制成的喷嘴。然而，本发明不涉及任何特定选项或类型的PTA焊炬。可以使用能够用作PTA焊炬的任何已知或可想到的装置。

本文使用的术语“功率密度”是指从激光束或电子束分配给单位面积的功率量。

如本文所用，“SFFF”是指固体自由成形制造。

如本文所用的术语“金属材料”是指可以形成为金属丝并且在固体自由成形制造工艺中使用以形成三维物体的任何已知的或可想到的金属或金属合金。合适材料的示例包括但不限于钛和钛合金，诸如即Ti-6Al-4V合金。

本文使用的术语“类似金属材料”是指该金属材料与参考金属材料具有相同的金属或金属合金。

本文使用的术语“保持基板”是指目标基板，在该目标基板上使用SFFF或固体自由成形制造技术沉积与保持基板相同或不同的附加材料以形成工件。在示例性实施例中，保持基板为平板。在替代实施例中，保持基板可以为锻造部件。在替代实施例中，保持基板可以为待在其上沉积附加材料的物体。在示例性实施例中，保持基板可以变为工件的一部分。用于保持基板的材料可以为金属或金属合金。在示例性实施例中，保持基板由与金属丝供给材料相同的金属制成。

本文使用的术语“基材”是指用于接收熔融金属材料以形成三维物体的靶材。当沉积第一金属材料层时，基材将为保持基板。当一层或多层金属材料沉积在保持基板上时，基材将为沉积金属材料的上层，其将沉积新的金属材料层。如本文所用，术语“工件”是指使用固体自由成形制造生产的金属体。

本文可互换使用的术语“计算机辅助设计模型”或“CAD模型”是指待形成的物体的任何已知或可想到的虚拟三维表示，其可以在根据本发明的第二方面的设备的控制***中使用：调节保持基板的位置和移动，并用集成的送丝机操作焊炬，使得通过将金属材料的连续沉积物以致使根据物体的虚拟三维模型来构建物理物体的图案形式熔合到保持基板上来构建物理物体。这可以例如通过首先将虚拟三维模型划分为一组虚拟平行层然后将每个平行层划分为一组虚拟准一维工件而通过形成三维模型的虚拟矢量化分层模型来获得。然后，可以通过接合控制***来形成物理物体，以根据物体的虚拟矢量化分层模型的第一层的图案将一系列准一维金属材料件沉积和熔合到支撑基板上。然后，通过以根据物体的虚拟矢量化分层模型的第二层的图案将一系列准一维可焊材料件沉积并熔合到先前沉积层上，来重复物体的第二层的序列。对于物体的虚拟矢量化分层模型的每个连续层，重复连续的逐层沉积和熔合过程，直到形成整个物体。然而，本发明不涉及用于运行根据本发明的设备的控制***的任何特定CAD模型和/或计算机软件，并且本发明也不涉及任何特定类型的控制***。可以使用能够通过固体自由成形制造来构建金属三维物体的任何已知或可想到的控制***(CAD模型、计算机辅助制造(CAM)***或软件、计算机软件、计算机硬件和致动器等)，只要该控制***被调节为分别操作一个第一PTA焊炬以形成预热区域或熔池和操作第二PTA焊炬以将金属材料的进料丝熔化到熔池中。

B.双焊枪***

已经确定，使用双焊枪***可以增加熔融金属对成形工件的沉积速率，在该双焊枪***中，第一焊枪预热基材以形成预热区域，并且第二焊枪用于加热金属并将金属熔化到基材的预热区域上。如本文所用，术语“焊枪”或简称“枪”可互换使用，并且意指任何加热装置或能够发热的装置或加热源。焊枪或枪的非限制性示例包括PAW焊炬(包括PTA焊炬)、激光发射装置(“激光装置”)和电子束发射装置(“电子束装置”)。第一枪可以确保基材或工件与由第二枪作用在金属(诸如金属丝或金属粉末)上产生的熔融金属之间的熔合。第一枪可以加深熔融金属熔化到基材的预热区域中。来自熔融金属液滴的过热可以保持基材的预热区域附近的熔池。基材的预热可以产生更好的润湿、更好的沉积轮廓和增加的沉积速率。关于沉积轮廓，通过预热基板，能够获得更圆和更宽的沉积轮廓。改进的轮廓可以产生具有朝向基材的有利角度的轮廓，这可以促进与基材的熔合和先前的金属沉积。改进的熔合产生具有改善的完整性的制成品。

每个焊枪包括加热装置。每个焊枪可以单独控制，并且每个焊枪都可以被调节以产生单独的温度效应。这种设备的优点在于，施加到待熔化到基材的预热区域上的金属原料的热能的量可以大于施加到基材上的热能的量，从而避免基材过热。

在示例性实施例中，用作焊枪的一个加热装置可用于预热基材并可选地形成熔池，而用作另一个焊枪的另一个加热装置可单独用于熔化金属丝或自耗电极。在替代实施例中，用作熔化金属丝或自耗电极的焊枪的加热装置也可用于在从金属丝或自耗电极熔化的熔融金属待沉积的位置处进一步加热基材。对已经预热的区域或甚至熔池的额外加热可以允许对金属待沉积的区域进行更好的温度控制，从而进一步实现具有预热区域或熔池的益处。

在示例性实施例中，用作熔化金属丝或自耗电极的焊枪的加热装置可以为PAW焊炬(例如PTA焊炬)，其中，焊炬也连接到与基材相同的直流电源。因此，在用于熔化金属丝的同时，焊炬还可以变为阴极，同时基材变为阳极，从而将脉冲热通量传递到已经由另一个加热装置或枪预热并且金属丝在其上熔化并因此金属被沉积在其中的区域中的基材区域。

类似地，可以使用其他类型的加热装置或枪来实现对基材中的预热区域或熔池的这种额外加热。例如，当使用激光装置作为熔化金属丝的焊枪时，可以将激光引导到金属丝和基材而不是仅将其引向金属丝。用于重定向激光的任何已知装置可用于引导激光或分离激光并将其引向基材，同时仍熔化金属丝。在示例性实施例中，可以使用一个或多个反射镜来分离或反射激光的至少一部分，使得激光撞击金属丝和基材而不是仅撞击金属丝。使用电子束装置作为焊枪也可以用于实现该目的。例如，电子束可以被引向金属丝以熔化金属丝并且还被引向基材以向预热区域或熔池提供额外的热量。可以使用任何已知的引导电子束的方法。

可以使用一个或多个致动器来实现基材和任何一个或多个焊枪的定位。在示例性实施例中，可以使用搁置所述基材的致动器托盘来重新定位或移动基材。致动器托盘可以沿任何方向移动基材。在示例性实施例中，致动器托盘可以设置在轨道***或导轨***上并且能够沿任何期望的方向移动基材。可替代地，可以使用机械臂或机器人臂来操作致动器托盘。致动器也可以使用液压***来操作。类似地，可以使用一个或多个致动器来移动一个或多个焊枪。例如，一个或多个焊枪中的每个焊枪可以附接到独立控制的致动器臂，诸如机器人臂或机械臂。致动器也可以使用液压***来操作。还可以实现使用用于致动器臂的其他类型的机构，例如导轨***或轨道***。在使用两个或更多个焊枪的示例性实施例中，每个焊枪可以独立地移动。在使用两个或更多个焊枪的替代实施例中，两个或更多个焊枪的位置可相对于彼此固定，并且一个或多个致动器臂同时移动两个或更多个焊枪。在示例性实施例中，致动器托盘为所使用的唯一致动器，其在沉积期间将一个或多个焊枪保持在固定位置。在替代实施例中，致动器托盘仅在一个平面内的两个方向上移动基材，而一个或多个致动器臂仅在一个方向上(例如垂直于致动器托盘在其中移动的平面)移动一个或多个焊枪。相反的情况也是如此，其中，一个或多个致动器臂在平面内沿两个方向移动一个或多个焊枪，同时致动器托盘沿单个方向移动基材。在替代实施例中，基材在沉积期间保持在固定位置，并且一个或多个致动器臂用于移动一个或多个焊枪。在又一个替代实施例中，致动器托盘和一个或多个致动器臂都用于移动基材和一个或多个焊枪。

包括例如计算机辅助制造(CAM)***或软件的控制***可用于操作和调节一个或多个致动器的接合，该致动器可以不断地定位和移动基材、一个或多个焊枪中的任一者或其组合，使得预热区域或熔池位于由待形成的物体的CAD模型给出的预定沉积区域。

控制***可包括计算机处理器或中央处理单元(CPU)、CPU显示器、一个或多个电源、电源连接器、作为输入和/或输出的信号模块、模拟信号的集成屏蔽、存储装置、电路板、存储器芯片或其他存储介质、具有包含在其中的计算机可读程序的非暂时性计算机可读存储介质或其任何组合。计算机可读程序可以包含适当的软件，以用于部分地或完全地自动化***中的任一个或组合。计算机可读程序可包含用于监测和/或调节参数(诸如温度、压力、工件位置、沉积速率或其任何组合)的适当软件。示例性控制***包括但不限于来自西门子股份公司(德国慕尼黑)的SIMATIC-S7-1500、可从博世力士乐股份公司(德国美因河畔洛尔)获得的IndraMotion MTX***、以及可从SIGMATEK股份公司&两合公司(奥地利兰普雷希茨豪森)获得的SIGMATEK C-IPC紧凑型工业计算机***。

需指出，尽管示出了根据图3至图11中的说明性示例的本文所述的实施例，其中两个焊枪位于基材的同一侧，但是本发明不限于此。在示例性实施例中，用于实现基材中的预热区域的焊枪可替代地位于基材的与用于熔化金属丝的焊枪相对的一侧。

包含两个PTA焊炬的***

在示例性实施例中，本发明涉及一种通过固体自由成形制造来制造金属材料的三维物体的方法，其中，该物体通过将金属材料的连续沉积物一起熔合在保持基板上来制成，该方法的特征为包括：

-使用由与待制成的物体类似的金属材料制成的保持基板，并且

-每个连续沉积物通过以下方式获得：

i)使用第一等离子体转移电弧(PTA)来预热并可选地在金属材料待沉积的位置处在基材中形成熔池，

ii)将金属丝形式的待沉积的金属材料供给到预热区域或熔池上方的位置，

iii)使用第二等离子体转移电弧(PTA)来加热并熔化金属丝，使得熔融金属材料被滴在预热区域或熔池上，以及iv)以预定图案使保持基板相对于第一和第二PTA的位置移动，使得熔融金属材料的连续沉积物固化并形成三维物体。在第二方面，本发明涉及一种用于通过固体自由成形制造来制造金属材料的三维物体的设备，其中，该设备包括：

-焊枪，该焊枪具有供给金属材料丝的集成送丝机，

-使基材相对于至少第一加热装置移动的致动器托盘、或使第一加热装置移动的致动器臂、或使第二加热装置移动的致动器臂，或这些致动器的任何组合，以及

-控制***，该控制***能够读取待形成的物体的计算机辅助设计(CAD)模型并且使用CAD模型来调节该***的位置和移动以用于定位和移动保持基板，并操作具有集成送丝机的焊炬，使得物理物体通过将金属材料的连续沉积物熔合到保持基板上来构建，其特征为，

-保持基板由与待制成的物体类似的金属材料制成，

-焊炬包括：

i)第一等离子体转移电弧(PTA)焊炬，其电连接到基材，以及

ii)第二等离子体转移电弧(PTA)焊炬，其电连接到金属材料的供给丝，

-控制***能够单独操作和调节第一PTA焊炬，以在金属材料待沉积的位置处在基材中形成和保持预热区域或熔池，并且

-控制***能够单独操作和调节送丝机和第二PTA焊炬，以在使得熔融金属材料滴落到预热区域或熔池上的位置熔化所供给的金属材料。

使用单独控制的第一PTA焊炬来预热基材或形成熔池以及使用单独的第二PTA焊炬来熔化金属材料的供给丝提供的优点为能够增加供应给金属丝的供给器的热量而与供应给基板的热量无关，使得可以增加进入供给进料的热通量而不具有形成产生飞溅的“喷雾电弧”的风险。因此，能够在不同时使基板过热的情况下，并且在没有飞溅或形成过量预热区域或熔池并因此松散地控制沉积材料的固结的风险的情况下，提高熔融金属进料的沉积速率。该特征通过连接直流电源使得第一PTA焊炬的电极变为负极性并且基材变为正极性以限定通过第一PTA焊炬的电极和基材之间的电弧放电来转移电荷的电路、并通过将第二PTA焊炬的电极连接到直流电源的负极并且将金属材料的供给丝连接到正极以形成通过第二PTA焊炬的电极和金属材料的供给丝之间的电弧放电来转移电荷的电路而获得。

第一PTA焊炬和第二PTA焊炬可以有利地具有单独的电源和用于调节供应给相应焊炬的功率的装置。用于调节功率的装置可以有利地包括用于监测基材的沉积区域的温度的装置和用于调节电弧的宽度和定位的装置，诸如磁弧偏转装置。此外，用于预热基材并可选地在基材中形成熔池的第一PTA焊炬可有利地形成宽弧，诸如由气体钨极电弧焊炬(GTAW焊炬，也在文献中表示为TIG焊炬)以简单地预热或在基材表面的较宽区域中形成熔池。

金属材料的供给丝的供给速率(金属丝速度)和定位可以根据供应给第二PTA焊炬的功率的效果进行控制和调节，以确保金属丝当到达基材中的预热区域或熔池上方的预定位置时被持续加热和熔化。这可以通过使用作为送丝机的传统气体金属电弧焊炬(GMAW焊炬，也称为MIG焊炬)来获得，而不在MIG焊炬中形成电弧。送丝机的这个实施例具有的优点为能够将金属丝电连接到第二PTA焊炬的直流电源并且还非常精确地定位金属丝。金属材料的供给丝可具有任何实际可实现的尺寸，诸如1.0mm、1.6mm、2.4mm等。

对第一PTA焊炬和第二PTA焊炬的供应效果将取决于所施加的金属材料、供给丝的直径、基材的耐热性、沉积速率等。因此，本发明不依赖于任何特定的电源窗口，但可以应用产生第一PTA焊炬和第二PTA焊炬的功能操作的任何实际起作用的电位差和电流。技术人员将能够通过试验和错误测试找到这些参数。本申请人进行的实验表明，当为第一PTA焊炬供应约150A并且为第二PTA焊炬供应约250A时，通过使用由5级钛合金制成的直径为1.6mm的金属丝，可以3.7至3.8kg/h的沉积速率制造具有与传统钛物体相似的机械性能的三维物体。人们认为在有效保护的大气中，诸如在WO2011/0198287中公开的反应室中，根据本发明的第一方面和第二方面通过执行SFFF沉积可以获得高达10kg/h的沉积速率。本申请人进行的另一项实验证实了这一点，其中金属丝直径为2.4mm，5级钛，当为第一PTA焊炬供应约250A的电流并且为第二PTA焊炬供应约300A的电流时，沉积速率为9.7kg/h。

作为替代方案，本发明还可以包括用于在预热区域或熔池中产生热脉冲的装置，以便打破在该位置处结晶枝晶的生长趋势。由于改进的晶粒结构，该特征允许形成具有增强的机械特性的金属物体。热脉冲可以通过使用第三直流发电机获得，该第三直流发电机输送脉冲直流电位并且将直流发电机的负极连接到第二PTA焊炬的电极并将正极连接到基材以形成通过第二PTA焊炬的电极和基材之间的脉冲电弧放电来转移电荷的电路。第二PTA焊炬的电极和基材之间的电弧放电将根据施加的脉冲直流电位接通和断开，并由此形成进入基材中的预热区域或熔池中的脉冲热通量。脉冲的频率可以在1Hz高达几kHz或更高(即10kHz)的范围内。

在图3中示意性地示出了根据本发明第二方面的设备的第一示例实施例。该图示出了由形状为矩形长方体的Ti-6Al-4V合金制成的保持基板1，将通过固体自由成形制造在该保持基板1上形成由相同的Ti-6Al-4V合金制成的三维物体。该图示出了沉积过程的初始部分，在该过程中，Ti-6Al-4V合金的第一焊条2正被沉积。

由Ti-6Al-4V合金制成的金属丝3由送丝机4连续供应，该送丝机将金属丝3定位成使得其远端位于保持基板1上的沉积区域处的预热区域或熔池5上方。金属丝3被给予由图中上箭头指示的速度，其对应于远端的加热和熔化速率，使得熔融金属丝的液滴6持续地供应到预热区域或熔池5。

第一等离子体转移电弧7由PTA焊炬8形成，该PTA焊炬电连接到直流电源9，使得PTA焊炬的电极10变为阴极而保持基板1变为阳极。等离子体转移电弧7为连续的并且被引导以加热并可选地熔化在沉积区域处的基材(在SFFF工艺的该阶段，基材为保持基板)，使得获得预热区域或熔池5。调节直流电源9的效果以通过控制***(未示出)保持具有恒定尺寸和范围的预热区域或熔池5。PTA焊炬8为气体钨极电弧焊(GTAW)焊炬，其配备有磁弧偏转器(未示出)以控制电弧8的尺寸和位置。第二等离子体转移电弧11由PTA焊炬12形成，该PTA焊炬电连接到直流电源13，使得PTA焊炬12的电极14变为阴极而供给丝3变为阳极。等离子体转移电弧11为连续的并且被引导以加热和熔化金属丝3的远端。调节直流电源13的效果以根据金属丝的供给速度保持加热和熔化速率，使得液滴6的形成被定时以保持熔化金属丝连续滴到预热区域或熔池5上。由直流电源13供应的效果和金属丝3离开送丝机4的供给速度由控制***恒定地调节和控制，使得以提供Ti-6Al-4V合金的预定沉积速率的速率向预热区域或熔池5供应熔融金属丝。控制***同时接合以操作和调节致动器(未示出)的接合，致动器恒定地定位和移动保持基板1，使得预热区域或熔池位于由待形成的物体的CAD模型给出的预定沉积点处。在SFFF工艺的这个阶段，保持基板1如下箭头所示移动。

本发明的第二示例实施例为包括用于在预热区域或熔池5中形成热脉冲的附加装置的上面给出的第一示例实施例。用于形成热脉冲的装置为直流电源15，其电连接到第二PTA焊炬12，使得电极14变为阴极并且保持基板1变为阳极。另外，存在用于脉动由直流电源15输送的功率的装置16，使得电弧11除了加热和熔化金属丝3之外，还以与脉冲电源相同的频率进入预热区域或熔池5，并因此向熔池输送脉冲热通量。装置16可以由控制***调节，并以1kHz的频率向预热区域或熔池中提供脉冲电弧放电。

包含激光装置和PAW焊炬的***

在本文提供的双焊枪***的替代实施例中，该***可包括作为用于焊枪的加热装置的激光装置和作为用于另一焊枪的加热装置的PAW焊炬，诸如PTA焊炬。在一些配置中，激光装置预热基材上的目标沉积区域以形成预热区域，并且PAW焊炬加热并熔化金属丝，从而产生落入目标沉积区域的预热区域中的熔融金属液滴。在一些配置中，PAW焊炬预热基材上的目标沉积区域以形成预热区域，并且激光装置加热并熔化金属丝，从而产生落入目标沉积区域的预热区域中的熔融金属液滴。

在第一配置中，激光装置可以被布置成将激光能量引导到基材的目标区域以形成预热区域，并且PAW焊炬可以被布置成将等离子体转移电弧引导到位于基材的预热区域上方的金属丝的末端上。PAW焊炬的热能熔化金属丝的末端，从而形成落到基材的在金属丝末端下方的预热区域上的金属丝的熔融金属液滴。通过加深熔融金属液滴熔化到基材中，激光装置可以促进基材和沉积在其上的熔融金属材料之间的熔合。PAW焊炬的电弧还可以在目标沉积区域的预热区域附近贡献热能，从而有助于由激光束提供的热能。例如，PAW焊炬可以连接到与基材相同的直流电源，从而变为阴极，而基材变为阳极，并由此将脉冲热通量输送到基材。来自熔融金属液滴的过热可以帮助保持在基材的预热区域附近的熔池。该***可包括金属丝供给装置以提供金属丝。金属丝供给装置可以被定位在激光器和PAW焊炬之间，或者可以被定位成使得它比激光器更接近PAW焊炬。

该***还可以包括定位装置，该定位装置可以将金属丝定位在由激光器在基材中形成的预热区域上方。定位装置还可以适当地将金属丝的末端放入等离子体转移电弧中，使其适当地熔化，并且使得通过所述等离子体转移电弧熔化形成的液滴落到其下面的基材的预热区域上。

金属丝可以为或含有铝、铬、铜、铁、铪、锡、锰、钼、镍、铌、硅、钽、钛、钒、钨或锆或其复合物或合金。在一些实施例中，金属丝含有钛或钛合金。金属丝可以为或含有这样一种钛合金，该钛合金含有钛与铝、钒、锡、锆、钼、铌、铬、钨、硅和锰中的一种或其组合的组合。例如，示例性钛合金包括Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-45Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2W-0.5Si、Ti-47Al-2Nb-lMn-0.5W-0.5Mo-0.2Si以及Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si。金属丝可含有铝、铁、钴、铜、镍、碳、钛、钽、钨、铌、金、银、钯、铂、锆、它们的合金以及它们的组合。当金属丝为丝线的形式时，金属丝可具有任何期望形状的横截面。典型的横截面为圆形横截面。金属丝的直径可以高达约10mm，并且可以在约0.8mm至约5mm的范围内。金属丝可以具有任何实际可实现的尺寸，例如1.0mm、1.6mm、2.4mm等。金属丝的供给速率和定位可以根据电源对焊炬的效果进行控制和调节，以确保金属丝在其到达基材中的预热区域或熔池上方的预定位置时被持续加热并熔化。

激光装置可以产生足够能量的激光束，以将热能传递到基材以预热基材的区域。经由来自激光束的能量对基材进行预热通过加深基材中的熔化而促进基材和熔化的金属材料之间的熔合。在一些实施例中，至少一部分基材可以被来自激光装置的激光束的能量熔化。在一些实施例中，通过激光装置的激光束施加足够的热量，以在金属材料待沉积的位置处在基材中形成预热区域或熔池。合适的激光装置的示例可包括镱(Yb)激光器、Yb光纤激光器、Yb光纤耦合二极管激光器、Yb:玻璃激光器、二极管泵浦Yb:YAG激光器、钕掺杂的镱铝石榴石(Nd:YAG)激光器、CO₂激光器、CO激光器、Nd:玻璃激光器、钕掺杂的原钒酸镱(Nd:YVO)激光器、Cr:红宝石激光器、二极管激光器、二极管泵浦激光器、准分子激光器、气体激光器、半导体激光器、固态激光器、染料激光器、X射线激光器、自由电子激光器、离子激光器、气体混合物激光器、化学激光器及其组合。优选的激光器包括Yb激光器，特别是Yb光纤激光器。在许多应用中，与其他激光波长相比，Yb光纤激光器中使用的波长可以更少地反射。

PAW焊炬可以为能够产生电弧以加热和熔化金属丝的任何配置，诸如PTA焊炬、气体保护金属电弧焊(GMAW)，特别是使用非活性气体来产生电弧(金属惰性气体焊接或MIG焊接)。使用电弧使金属丝在由焊炬产生的等离子体中熔化，并且将熔化的金属丝沉积在工件上的预热区域或熔池上，以添加并形成近净形金属体。

加热到400℃以上的钛金属或钛合金在与氧气接触时可能会发生氧化。因此，需要保护通过分层制造形成的焊缝和受热物体以免受环境大气中氧气的影响。该问题的一个解决方案是将沉积***围住在与环境大气封闭的腔室内，并且可以使其充分地不含氧气。在国际专利申请公开WO2011/019287(Guldberg)中描述了示例性腔室。用于在惰性气体下焊接的焊接吹扫室也可商购获得(例如，马萨诸塞州索尔兹伯里LC技术解决方案公司)，并且可以容易地进行设计或工程设计以适应任何尺寸或配置的***。通过使用充分地不含氧气的沉积室，诸如用氩气或其他惰性气体代替环境气体，可以提高焊接过程的速度，这是因为可以允许焊接区域达到更高的温度而不会有焊缝过度氧化的风险。例如，在生产钛或钛合金的物体时，不再需要将焊接区域冷却到400℃以下以避免氧化。

在不使用没有氧气的沉积室的替代配置中，双焊枪***可以使用保护气体而不是腔室来避免氧化。在这样的***中，喷嘴将保护气体(诸如Ar)引导到金属丝和PTA焊炬周围的区域。例如，可以将惰性气体引导通过喷嘴，该喷嘴设置在焊炬的电极周围。喷嘴可以将惰性气体引导到熔融焊池附近。气体将预热区域或熔池与大气隔离，以防止氧化。在Ireland等人(美国专利第7,220,935号)；Comon等人(美国专利第9,145,832号)；以及Cooper等人(美国专利申请公开第US 2010/0276396号)中描述了示例性***。

在图9中示出了一种配置的示例性实施例，其中，激光装置预热基材上的目标沉积区域以形成预热区域，并且PTA焊炬加热并熔化金属丝。在所示的实施例中，由SFFF生产成形为矩形长方体的基材200。该图示出了沉积过程的初始部分，在该过程中，第一焊条220正被沉积。图9中所示的双焊枪***包括：激光装置410，该光装置被定位成使得其产生的激光束420被引导到目标区域以在目标区域处预热基材200；以及PTA焊炬110，该PTA焊炬被定位在目标区域上方以熔化金属丝，从而形成落入预热区域210中的熔融金属液滴。

由通过SFFF形成工件的材料制成的金属丝150被持续地供应到由PTA焊炬110产生的等离子体转移电弧130。金属丝150由金属丝供给器140供应并且被定位成使得金属丝150的末端位于基材200上的沉积区域处的预热区域或熔池210上方。金属丝150可以被给予朝向等离子体转移电弧130的速度(如箭头170所示)。金属丝150的速度可以选择成使得金属丝150的远端的加热和熔化速率使得熔化的金属丝150的熔融金属液滴160持续地供应至预热区域或熔池210。金属丝150可以以任何角度供给到由PTA焊炬110产生的等离子体转移电弧130中，并且不限于图9中所示的角度。

等离子体转移电弧130由PTA焊炬110形成。如图所示，PTA焊炬110电连接到电源310，使得焊炬电极120变为阴极，并且金属丝150变为阳极。电源可以为交流电源或直流电源。等离子体转移电弧130为连续的并且被引导以加热和熔化金属丝150的远端。调节直流电源310的效果以根据金属丝150的供给速度保持加热和熔化速率，使得熔融金属液滴160的形成被定时以保持熔化金属丝连续滴到预热区域或熔池210中。由直流电源310供应的效果和金属丝150离开金属丝供给器140的供给速度由控制***恒定地调节和控制，使得以将金属或金属合金提供到基材200上的预定沉积速率的速率向预热区域或熔池210供应熔化金属丝150。控制***可同时接合以操作和调节致动器(未示出)的接合，该致动器恒定地定位和移动基材200，使得预热区域或熔池210位于由待形成的物体的CAD模型给出的预定沉积点处。在SFFF工艺的这个阶段，基材200如箭头240所示移动。

图9还描绘了可选的电气配置，其可以在预热区域或熔池210中产生热脉冲。在所示实施例中，直流电源320电连接到PTA焊炬110，使得焊炬电极120变为阴极，并且基材200变为阳极。另外，用于脉动由直流电源330输送的功率的脉冲频率发生器330被定位在电路中，使得等离子体转移电弧130除了加热和熔化金属丝150之外还将以与脉冲电源相同的频率进入预热区域或熔池210中，并因此将脉冲热通量输送到预热区域或熔池210。脉冲频率发生器330可以由控制***调节。在一些实施例中，可选的电气配置以1至约200Hz的频率向预热区域或熔池210中提供脉冲电弧放电，但是可以使用高达约1kHz的频率。两个电源310和320都可以为脉冲的，或者仅一个电源310或320可以为脉冲的。例如，金属丝熔化电流可以为脉冲的，或者至工件的电流可以为脉冲的，或者金属丝熔化电流和至工件的电流可以为脉冲的。当两个电源310和320都为脉冲的时，脉冲频率可以相同或不同。脉冲频率可以单独选择高达1kHz。脉冲频率可以在约1至200Hz的范围内或约1至100Hz的范围内或约10至100Hz的范围内或约5至50Hz的范围内单独选择。

使用激光装置来预热基材并形成预热区域并且使用PTA焊炬来熔化金属材料的供给丝提供了这样的优点：能够增加供应至金属丝的供给的热量，而与供应至基板的热量无关，使得能够增加进入供给材料的热通量，而没有形成产生飞溅的“喷雾电弧”的风险。可以选择施加到金属丝的熔化功率以匹配质量输入(待添加到工件的金属丝的熔融金属液滴的量)以确保金属丝的稳定熔化和/或燃尽点。激光装置可以允许将热能定向放置到目标区域。因此，能够在不同时使基板过热的情况下，并且在没有飞溅或形成过量的预热区域或熔池并因此失去对沉积材料的固结的控制的风险的情况下，提高熔融金属进料的沉积速率。

激光装置还可以被配置成使得可以沿X或Y方向扫描激光束以覆盖仅比激光束的焦点更宽的区域。扫描间隔可以为约0.001至约0.1英寸。通过调节激光束可以改变由激光装置加热的目标区域的熔化特性。例如，可以调节激光束的功率，或者激光束装置可以被配置成使得激光束可以相对于工件表面移动，或者可以调节激光束的接近方向和角度，或者可以修改这些的任何组合以调节目标区域的预热。由于激光束被工件表面反射而导致的任何效率损失也可以通过调节激光束的接近方向和角度来补偿。

通过使激光束沿预定路径相对于工件表面移动，由激光束层加热的区域可以在基板上以二维限定，层的宽度由激光束撞击基板处的直径确定。激光束沿预定路径的移动可以在计算机控制下进行。调节脉冲形状和/或持续时间提供了一种控制在激光束移动期间提供的激光的比功率的方法。激光束也可以以脉冲输送。传统的聚焦光学***也可用于调节激光束在工件表面上的聚焦。

激光装置410可以被安装成可在计算机的控制下在平行于基材表面的X-Y平面内移动，并且在与其正交的Z方向上竖直地移动。因此，激光束420可以被引导到X-Y平面中的任何点，并且竖直地被引导以适应不同高度的工件和工件内的不同高度的区域。如图9所示，横向方向为箭头240的方向，该设备处于制造层220的过程中。当使用激光装置作为焊枪以形成预热区域或熔池时，也可以使用反射镜来引导激光以限定基材上的用于预热或熔化的区域。

在不同的配置中，PAW焊炬可以被布置成将等离子体转移电弧引导到基材的目标区域以形成预热区域，并且激光装置可以被定位成将激光束引导到位于基材预热区域上方的金属丝的末端上。激光束的热能熔化金属丝的末端，从而形成落到基材的在金属丝末端下方的预热区域上的金属丝的熔融金属液滴。PAW焊炬预热目标区域，并且可以通过加深熔融金属液滴熔化到基材中来促进基材和熔融金属材料之间的熔合。激光装置的激光束还可用于在目标沉积区域处的基材中的预热区域或熔池中贡献热能，从而有助于PAW焊炬提供的热能。来自熔融金属液滴的过热可以帮助保持在基材的预热区域附近的熔池。该***可包括金属丝供给装置，以用于将金属丝提供到激光束下方的期望位置。金属丝供给装置可以被定位在激光器和PAW焊炬之间，或者可以被定位成使得它比PAW焊炬更接近激光器装置。

该***还可以包括定位装置，该定位装置可以将金属丝定位在由PAW焊炬在基材中形成的预热区域上方。定位装置还可以适当地将金属丝的末端放入激光束中，使得金属丝适当地熔化，并且使得通过熔化金属丝形成的熔融金属的液滴落到其下方的基材的预热区域上。

金属丝可以为或含有铝、铬、铜、铁、铪、锡、锰、钼、镍、铌、硅、钽、钛、钒、钨或锆或其复合物或合金。在一些实施例中，金属丝含有钛或钛合金。金属丝可以为或含有这样一种钛合金，该钛合金含有钛与铝、钒、锡、锆、钼、铌、铬、钨、硅和锰中的一种或其组合的组合。例如，示例性钛合金包括Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-45Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2W-0.5Si、Ti-47Al-2Nb-lMn-0.5W-0.5Mo-0.2Si以及Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si。金属丝可含有铝、铁、钴、铜、镍、碳、钛、钽、钨、铌、金、银、钯、铂、锆、它们的合金以及它们的组合。金属丝可以为任何配置并且具有任何期望形状的横截面。金属丝可具有圆形横截面。金属丝的直径可以在约0.8mm至约5mm的范围内。金属丝可具有任何实际可实现的横截面尺寸，例如1.0mm、1.6mm、2.4mm等。金属丝的供给速率和定位可由计算机控制，以确保金属丝当其到达基材中的预热区域或熔池上方的预定位置时熔化。

激光装置可以产生足够能量的激光束，以将热能传递至金属丝以熔化该金属丝以形成熔融的金属液滴。合适的激光装置的示例可包括镱(Yb)激光器、Yb光纤激光器、Yb光纤耦合二极管激光器、Yb:玻璃激光器、二极管泵浦Yb:YAG激光器、钕掺杂的镱铝石榴石(Nd:YAG)激光器、CO2激光器、CO激光器、Nd:玻璃激光器、钕掺杂的原钒酸镱(Nd:YVO)激光器、Cr:红宝石激光器、二极管激光器、二极管泵浦激光器、准分子激光器、气体激光器、半导体激光器、固态激光器、染料激光器、X射线激光器、自由电子激光器、离子激光器、气体混合物激光器、化学激光器及其组合。优选的激光器包括Yb激光器，特别是Yb光纤激光器。在许多应用中，与其他激光波长相比，Yb光纤激光器中使用的波长可以更少地反射。

用于预热工件的目标区域的PAW焊炬可以为能够产生电弧以加热工件表面的至少一部分并使其能够接受来自熔化的金属丝的熔融金属液滴的任何配置。示例性PAW焊炬可包括PTA焊炬或用于气体保护金属电弧焊(GMAW)的焊炬，特别是使用非活性气体来产生电弧(金属惰性气体焊接或MIG焊接)。工件的目标区域由焊炬使用电弧产生的等离子体预热。熔化的金属丝作为熔融的金属液滴沉积到工件上的预热区域或熔池中，以添加并形成近净形工件。

当使用PAW焊炬(诸如PTA焊炬)时，可以控制等离子体转移电弧的电弧以限定预热或熔化的区域。可以使用磁场来调节电弧。而且，也可以通过使用机械和/或液压致动器或如本文所述的任何致动器移动PAW焊炬来限定在基材中预热或熔化的区域。

如上所述，加热到400℃以上的钛金属或钛合金在与氧气接触时可能会发生氧化。为了保护通过分层制造形成的焊缝和加热物体免受环境大气中的氧气的影响，可以使用对环境大气封闭且可以使其充分地不含氧气的腔室。在国际专利申请公开WO2011/019287(Guldberg)中描述了示例性腔室。用于在惰性气体下焊接的焊接吹扫室也可商购获得(例如，马萨诸塞州索尔兹伯里LC技术解决方案公司)，并且可以容易地进行设计或工程设计以适应任何尺寸或配置的***。通过使用充分地不含氧气的沉积室，诸如用氩气或其他惰性气体代替环境气体，可以提高焊接过程的速度，这是因为可以允许焊接区域达到更高的温度而不会有焊缝过度氧化的风险。

可替代地，双喷枪***可以使用保护气体而不是腔室来避免氧化。在这样的***中，喷嘴将保护气体(诸如Ar)引导到目标区域和PTA焊炬周围的区域。例如，可以将惰性气体引导通过喷嘴，该喷嘴设置在焊炬的电极周围。喷嘴可以将惰性气体引导到目标区域和熔融焊池附近。气体将预热区域或熔池与大气隔离，以防止氧化。在Ireland等人(美国专利第7,220,935号)；Comon等人(美国专利第9,145,832号)；以及Cooper等人(美国专利申请公开第US 2010/0276396号)中描述了示例性***。

在图10中示出了一种配置的示例性实施例，其中，PTA焊炬预热基材上的目标沉积区域以形成预热区域，并且来自激光装置的激光束加热并熔化金属丝。在所示的实施例中，由SFFF生产成形为矩形长方体的基材200。该图示出了沉积过程的初始部分，在该过程中，第一焊条220正被沉积。图10中所示的双焊枪***包括：PTA焊炬110，该PTA焊炬被定位成使得其产生的等离子体转移电弧130被引导到目标区域以在目标区域处预热基材200；以及激光装置410，该激光装置被定位在目标区域上方以熔化金属丝，从而形成落到预热区域或熔池210上的熔融金属液滴。

由通过SFFF形成工件的材料制成的金属丝155被持续地供应到由激光装置410产生的激光束420。金属丝155由金属丝供给器145供应并且被定位成使得金属丝155的末端位于基材200上的沉积区域处的预热区域或熔池210上方。金属丝155可以被给予朝向激光束420的速度(如箭头170所示)。金属丝155的速度可以被选择成使得金属丝155的远端的加热和熔化速率使得熔化的金属丝155的熔融金属液滴165持续地供应至预热区域或熔池210。

激光装置410的激光束420被引导到金属丝155的远端以熔化金属丝并形成熔融金属液滴165。可以调节由激光束420提供的热能的量以根据金属丝155的供给速度保持加热和熔化速率，使得熔融金属液滴165的形成被定时以保持熔化金属丝155连续滴到预热区域或熔池210上。激光束420和金属丝155离开金属丝供给器145的供给速度可由控制***(例如，计算机)恒定地调节和控制，使得以将金属或金属合金提供到基材200上的预定沉积速率的速率向预热区域或熔池210供应熔化金属丝155。金属丝可以以任何角度供给到激光束中，并且不限于图10中所示的角度。控制***同时接合以操作和调节致动器(未示出)的接合，该致动器恒定地定位和移动基材200，使得预热区域或熔池210位于由待形成的物体的CAD模型给出的预定沉积点处。

如前所述，在示例性实施例中，激光束也可以***纵以便不仅被引导到金属丝155，而且被引导到位于滴落的熔化金属丝下方的基材中的区域。以这种方式，激光束可以用于对由PTA焊炬110产生的已经预热的区域或熔池进一步加热。

等离子体转移电弧130由PTA焊炬110形成。如图所示，PTA焊炬110可以电连接到电源320，使得焊炬电极120变为阴极，并且工件200变为阳极。电源可以为交流电源或直流电源。等离子体转移电弧130可以为连续的并且被引导以加热工件表面上的目标区域的至少一部分。目标表面的预热可使其更容易接受来自熔化的金属丝155的熔融金属液滴165。目标表面的预热可以熔化工件表面在目标区域处的一部分。可以调节直流电源310的效果，以根据金属丝155的目标速度保持加热和/或熔化速率，使得目标区域被预热并接受熔融金属液滴165。由直流电源310供应的效果和金属丝155离开金属丝供给器145的供给速度可以由控制***恒定地调节和控制，使得以将金属或金属合金提供到基材200上的预定沉积速率的速率向预热区域或熔池210供应熔化金属丝150。在SFFF工艺的这个阶段，基材200如箭头240所示移动。

图10还描绘了可选的电气配置，其可以在预热区域或熔池210中产生热脉冲。在所示实施例中，直流电源320可以电连接到PTA焊炬110，使得焊炬电极120变为阴极，并且基材200变为阳极。另外，用于脉动由直流电源330输送的功率的脉冲频率发生器330被定位在电路中，使得等离子体转移电弧130除了加热和可选地熔化工件表面上的目标区域的一部分之外还将脉冲热通量输送到目标区域。脉冲频率发生器330可以由控制***调节。在一些实施例中，可选的电气配置以1至约200Hz的频率提供脉冲电弧放电，但是可以使用高达约1kHz的频率。在一些应用中，脉冲频率可以在约1至100Hz的范围内或者在约10至100Hz的范围内，或者在约5至50Hz的范围内。

使用PTA焊炬来预热基材并形成预热区域并且使用激光束来熔化金属材料的供给金属丝提供了以下优点：能够增加供应至金属丝的供给器的热量，而与供应至基板的热量无关。可以选择施加到金属丝的熔化功率以匹配质量输入(待添加到工件的金属丝的熔融金属液滴的量)以确保金属丝的稳定熔化和/或燃尽点。因此，能够在不同时使基板过热的情况下，并且在没有飞溅或形成过量的预热区域或熔池并因此失去对沉积材料的固结的控制的风险的情况下，提高熔融金属进料的沉积速率。

包含两个激光装置的***

在本文提供的双焊枪***的一些配置中，该***可包括两个激光装置作为用于两个焊枪的加热装置。在一种配置中，激光装置预热基材上的目标沉积区域，并且另一激光***加热并熔化金属丝，从而形成滴落到目标沉积层上的预热区域或熔池上的液滴。在另一种配置中，激光装置预热基材上的目标沉积区域，并且激光吹粉焊枪***加热粉末化金属并将其熔化到目标沉积层上的预热区域或熔池上。

在一种配置中，第一激光装置可以被布置成将第一激光束引导到基材的目标区域以形成预热区域，并且第二激光装置可以被定位成将第二激光束引导到位于基材的预热区域上方的金属丝的末端上。第二激光装置的激光束的热能熔化金属丝的末端，从而形成落到基材的在金属丝末端下方的预热区域上的金属丝的熔融金属液滴。如结合其他实施例所讨论的，用于熔化金属丝的第二激光装置的激光束还可用于在目标沉积区域处的基材中的预热区域或熔池中贡献热能，从而有助于第一激光装置的激光束提供的热能。第一激光装置的激光束预热目标区域，并且可以通过加深熔融金属液滴熔化到基材中来促进基材和熔融金属材料之间的熔合。来自熔融金属液滴的过热可以帮助保持在基材的预热区域附近的熔池。该***可包括金属丝供给装置，以用于将金属丝提供到第二激光装置的激光束下方的期望位置。金属丝供给装置可以位于第一激光装置和第二激光装置之间，或者可以被定位成使得它比第一激光装置更接近第二激光装置。

该***还可以包括定位装置，该定位装置可以将金属丝定位在由第一激光装置在基材中形成的预热区域上方。定位装置还可以适当地将金属丝的末端放入第二激光装置的激光束中，使得金属丝适当地熔化并且使得通过熔化金属丝形成的熔融金属的液滴落到其下方的基材的预热区域上。

金属丝可以为或含有铝、铬、铜、铁、铪、锡、锰、钼、镍、铌、硅、钽、钛、钒、钨或锆或其复合物或合金。在一些实施例中，金属丝含有钛或钛合金。金属丝可以为或含有这样一种钛合金，该钛合金含有钛与铝、钒、锡、锆、钼、铌、铬、钨、硅和锰中的一种或其组合的组合。例如，示例性钛合金包括Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-45Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2W-0.5Si、Ti-47Al-2Nb-lMn-0.5W-0.5Mo-0.2Si以及Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si。金属丝可含有铝、铁、钴、铜、镍、碳、钛、钽、钨、铌、金、银、钯、铂、锆、它们的合金以及它们的组合。金属丝可以为任何配置。金属丝可具有圆形横截面。金属丝的直径可以在约0.8mm至约5mm的范围内。金属丝可具有任何实际可实现的横截面尺寸，例如1.0mm、1.6mm、2.4mm等。金属丝的供给速率和定位可由计算机控制，以确保金属丝当其到达基材中的预热区域或熔池上方的预定位置时熔化。

第一激光装置可以产生足够能量的激光束以将热能传递到工件的目标区域以加热并且可选地熔化所述表面的至少一部分，使得目标区域能接受来自熔化的金属丝的金属的熔融金属液滴。第二激光装置可以产生足够能量的激光束，以将热能传递至金属丝以熔化该金属丝以形成熔融的金属液滴。合适的激光装置的示例可包括镱(Yb)激光器、Yb光纤激光器、Yb光纤耦合二极管激光器、Yb:玻璃激光器、二极管泵浦Yb:YAG激光器、钕掺杂的镱铝石榴石(Nd:YAG)激光器、CO2激光器、CO激光器、Nd:玻璃激光器、钕掺杂的原钒酸镱(Nd:YVO)激光器、Cr:红宝石激光器、二极管激光器、二极管泵浦激光器、准分子激光器、气体激光器、半导体激光器、固态激光器、染料激光器、X射线激光器、自由电子激光器、离子激光器、气体混合物激光器、化学激光器及其组合。优选的激光器包括Yb激光器，特别是Yb光纤激光器。在许多应用中，与其他激光波长相比，Yb光纤激光器中使用的波长可以更少地反射。在一些配置中，第一激光装置包含与第二激光装置相同材料的激光器。例如，两个激光装置都可以包括Yb激光器。在一些配置中，第一激光装置的激光器具有与第二激光装置的激光器不同的材料。

第一激光装置可以被配置成使得它产生的激光束可以沿着X或Y方向在工件表面上扫描，以覆盖仅比激光束的焦点更宽的区域。扫描间隔可以为约0.001至约0.1英寸。通过调节激光装置可以改变由第一激光装置的激光束加热的目标区域的熔化特性。例如，可以调节激光束的功率，或者激光束装置可以被配置成使得激光束可以相对于工件表面移动，或者可以调节激光束的接近方向和角度，或者可以修改这些的任何组合以调节目标区域的预热。由于激光器被工件表面反射而导致的任何效率损失也可以通过调节激光束的接近方向和角度来补偿。

通过使第一激光装置的激光束沿预定路径相对于工件表面移动，由激光束层加热的区域可以在基板上以二维限定，层的宽度由激光束撞击基板处的直径确定。激光束沿预定路径的移动可以在计算机控制下进行。调节脉冲形状和/或持续时间提供了一种在激光束移动穿过工件表面期间控制由第一激光装置提供的激光的比功率的方法。第一激光装置的激光束也可以以脉冲输送。传统的聚焦光学***也可用于调节激光束在工件表面上的聚焦。

第一激光装置可以被安装成能在计算机的控制下在平行于基材表面的X-Y平面内移动，并且能在与其正交的Z方向上竖直地移动。因此，第一激光装置的激光束可以被引导到X-Y平面中的任何点，并且竖直地被引导以适应不同高度的工件和工件内的不同高度的区域。

在图11中示出了一种配置的示例性实施例，其中，来自激光装置的激光束预热基材上的目标沉积区域以形成预热区域，并且来自另一激光装置的激光束加热并熔化金属丝。在所示的实施例中，通过固体自由成形制造来生产成形为矩形长方体的基材200。该图示出了沉积过程的初始部分，在该过程中，第一焊条220正被沉积。图11中所示的双焊枪***包括：第一激光装置410，该第一激光装置被定位成使得其产生的激光束420被引导到目标区域以在目标区域处预热基材200；以及第二激光装置430，该第二激光装置被定位在目标区域上方以熔化金属丝155，从而形成落到预热区域或熔池210上的熔融金属液滴165。

由通过自由成形制造形成工件的材料制成的金属丝155被持续地供应到由第二激光装置430产生的激光束435。金属丝155由金属丝供给器145供应并且被定位成使得金属丝155的末端位于基材200上的沉积区域处的预热区域或熔池210上方。金属丝155被给予朝向激光束435的速度(如箭头170所示)。金属丝155的速度可以被选择成使得金属丝155的远端的加热和熔化速率使得熔化的金属丝155的熔融金属液滴165持续地供应至预热区域或熔池210。

第二激光装置430的激光束435被引导到金属丝155的远端以熔化金属丝并形成熔融金属液滴165。可以调节由第二激光装置430的激光束435提供的热能的量以根据金属丝155的供给速度保持加热和熔化速率，使得熔融金属液滴165的形成被定时以保持熔化金属丝155连续滴到预热区域或熔池210中。激光束420和金属丝155离开金属丝供给器145的供给速度由控制***(例如，计算机)恒定地调节和控制，使得以将金属或金属合金提供到基材200上的预定沉积速率的速率向预热区域或熔池210供应熔化金属丝155。金属丝可以以任何角度供给到激光束中，并且不限于图11中所示的角度。控制***可同时接合以操作和调节致动器(未示出)的接合，该致动器恒定地定位和移动基材200，使得预热区域或熔池210位于由待形成的物体的CAD模型给出的预定沉积点处。

第一激光装置410可以被安装成能在计算机的控制下在平行于基材表面的X-Y平面内移动，并且能在与其正交的Z方向上竖直地移动。因此，第一激光装置410的激光束420可以被引导到工件表面上的X-Y平面中的任何点，并且竖直地被引导以适应不同高度的工件和工件内的不同高度的区域。如图11所示，横向方向为箭头240的方向，该设备处于制造层220的过程中。

在不同的配置中，激光装置用作第一焊枪，并且激光吹粉***用作第二焊枪。激光装置可以被布置成将激光束引导到基材的目标区域以形成预热区域，并且激光吹粉***加热粉末化金属并将其熔化到目标沉积层上的预热区域或熔池上。激光装置的激光束预热目标区域，并且可以通过加深熔融金属液滴熔化到基材中来促进基材和熔融金属材料之间的熔合。激光吹粉***的激光的热能熔化金属颗粒，从而形成落到基材的在激光吹粉***下方的预热区域上的熔融金属液滴。激光吹粉***还可用于在目标沉积区域处的基材中的预热区域或熔池中贡献热能，从而有助于由激光装置的激光束提供的热能。来自熔融金属液滴的过热可以帮助保持在基材的预热区域附近的熔池。

在激光吹粉***中，金属粉末被吹入激光束和工件之间的相互作用区域中。粉末通常通过载气被运载到激光路径中。在一些实施例中，使用同轴粉末供给喷嘴。在美国专利第6,774,338号(Baker等人)；第6,608,281号(Ishide等人)；第5,486,676号(Aleshin)；以及美国专利申请公开第US2015/0328718号(Iwatani等人)；第US2005/0056628号(Hu)；以及第US2006/0065650号(Guo)中描述了可以使用的或为了在该***中使用而修改的同轴粉末供给喷嘴的示例。

同轴供给喷嘴将金属粉末流送入喷嘴中，使其被引导至激光的焦点，将粉末加热至接近熔化的温度或加热至将粉末颗粒熔化成金属液滴的温度，金属液滴被沉积到工件上的预热区域或熔池上。形成预热区域或熔池的激光装置的激光可以在冷却过程中被脉动，以改变添加层的微结构，从而减轻由添加分层过程赋予的任何应力。

图8中示出了示例性实施例。在所示的实施例中，通过固体自由成形制造来生产成形为矩形长方体的基材200。该图示出了沉积过程的初始部分，在该过程中，第一焊条220正被沉积。图8中所示的双焊枪***包括：激光装置410，该激光装置被定位成使得其产生的激光束420被引导到目标区域以预热基材200的表面在目标区域处的一部分；以及同轴粉末供给喷嘴激光***510，其被定位在预热目标区域上方，从而形成落到预热区域或熔池210上的熔融金属颗粒520。

粉末输送***(附图中未示出)将粉末金属输送到同轴粉末供给喷嘴激光***510。粉末金属为当熔化时形成通过自由成形制造形成工件的材料的金属的组合物或含有该组合物。粉末化金属可以为钛或可以为或含有这样一种钛合金，该钛合金含有钛与铝、钒、锡、锆、钼、铌、铬、钨、硅和锰中的一种或其组合的组合。例如，示例性钛合金包括Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-45Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2W-0.5Si、Ti-47Al-2Nb-lMn-0.5W-0.5Mo-0.2Si以及Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si。粉末化金属可含有铝、铁、钴、铜、镍、碳、钛、钽、钨、铌、金、银、钯、铂、锆、它们的合金以及它们的组合。

粉末可以持续地输送到由吹粉激光***510产生的激光焦点，在该激光焦点处，它被加热到其熔点或完全熔化成沉积到基材200上的预热区域或熔池210上的熔融金属520的液滴。提供至吹粉激光***510的粉末金属的速度被选择成使得加热和熔化速率使加热的粉末或熔融金属520的液滴被持续地供应至预热区域或熔池210。在冷却期间，激光装置410可以为脉冲的，以调节熔融金属的输送层的微结构。两个焊枪可以固定在单个框架上，以便始终保持适当的距离。

包括两个激光***作为加热装置的双焊枪***可以包括控制***，该控制***可以操作和调节致动器(未示出)的接合，该致动器可以恒定地定位和移动基材200，使得预热区域或熔池位于由待形成的物体的CAD模型给出的预定沉积点处。在SFFF工艺的这个阶段，基材200如箭头240所示移动。致动器可在控制***的控制下在平行于双焊枪***的X-Y平面内移动，并可在与其正交的Z方向上竖直地移动。激光装置410的激光焦点也为可移动的并且可以被引导到工件表面上的X-Y平面中的任何点，并且竖直地被引导以适应两个不同高度的工件并且也适应工件内的不同高度的区域。示例性激光器410为Yb光纤激光器。

包括两个激光装置作为加热装置的双焊枪***可以围住在与环境大气封闭的腔室内，并且可以使该腔室充分地不含氧气。在国际专利申请公开WO2011/019287(Guldberg)中描述了示例性腔室。用于在惰性气体下焊接的焊接吹扫室也可商购获得(例如，马萨诸塞州索尔兹伯里LC技术解决方案公司)，并且可以容易地进行设计或工程设计以适应任何尺寸或配置的***。通过使用充分地不含氧气的沉积室，诸如用氩气或其他惰性气体代替环境气体，可以提高焊接过程的速度，这是因为可以允许焊接区域达到更高的温度而不会有焊缝过度氧化的风险。

可替代地，包括两个激光装置的双焊枪***可以被配置成使得保护气体的包封围绕沉积处理区域以避免氧化。在这样的***中，喷嘴将保护气体(诸如氩气)引导到围绕同轴粉末供给喷嘴激光***510和预热区域或熔池210的区域。例如，可以引导惰性气体通过位于支撑530上的一个或多个喷嘴，以将惰性气体引导到熔融焊池附近周围。气体将预热区域或熔池与大气隔离，以防止氧化。Ireland等人(美国专利第7,220,935号)；Comon等人(美国专利第9,145,832号)；以及Cooper等人(美国专利申请公开第US 2010/0276396号)描述了可以与双焊枪***一起使用或适用于与双焊枪***一起使用的***。

使用激光装置来预热基材并形成预热区域以及使用另一激光装置来熔化金属丝或金属颗粒提供了以下优点：能够增加供应至金属丝或金属颗粒的热量而与供应至基板的热量无关。可以选择施加到金属丝或金属颗粒的熔化功率以匹配质量输入(待添加到工件的熔融金属液滴的量)以确保金属丝的稳定熔化和/或燃尽点或者确保金属颗粒的完全熔化。因此，能够在不同时使基板过热的情况下，并且在没有形成过量的预热区域或熔池并因此失去对沉积材料的固结的控制的风险的情况下，提高熔融金属进料的沉积速率。

包含激光装置和电子束装置的***

在本文提供的双焊枪***的一些配置中，该***可包括作为一个焊枪的激光装置和作为另一个焊枪的电子束装置。在一些配置中，电子束装置预热基材上的目标沉积区域以形成预热区域，并且激光装置加热并熔化金属丝，从而产生落入目标沉积区域的预热区域中的熔融金属液滴。在一些配置中，激光装置预热基材上的目标沉积区域以形成预热区域，并且电子束装置加热并熔化金属丝，从而产生落入目标沉积区域的预热区域中的熔融金属液滴。

在一种配置中，电子束装置用作第一焊枪并且可以被布置成将电子束引导到基材的目标区域以形成预热区域，并且激光装置用作第二焊枪并且可以被定位成将激光束引导到位于基材的预热区域上方的金属丝的末端上。激光束的热能熔化金属丝的末端，从而形成落到基材的在金属丝末端下方的预热区域上的金属丝的熔融金属液滴。电子束装置的电子束预热目标区域，并且可以通过加深熔融金属液滴熔化到基材中来促进基材和熔融金属材料之间的熔合。如结合其他实施例所讨论的，第一激光装置的激光束还可用于在目标沉积区域处的基材中的预热区域或熔池中贡献热能，从而有助于由电子束提供的热能。来自熔融金属液滴的过热可以帮助保持在基材的预热区域附近的熔池。该***可包括金属丝供给装置，以用于将金属丝提供到激光束下方的期望位置。金属丝供给装置可位于激光装置和电子束装置之间，或者可以被定位成使得它比电子束装置更接近激光装置。

电子束装置可以被布置成将电子束引导到基材的目标区域以形成预热区域。电子束装置可以产生足够能量的电子束以将热能传递到工件的目标区域以加热并且可选地熔化表面的至少一部分，使得目标区域能接受来自熔化的金属丝的金属的熔融金属液滴。电子束装置可商购获得并且在本领域中(例如，参见美国专利第3,136,882号(Radtke，1964)；第3,187,216号(Sciaky，1965)；第3,535,489号(Hinrichs，1970)；第3,592,995号(Hinrichs，1971)；第3,766,355号(Kottkamp，1973)；第4,058,697号(Sokolov等人，1977)；第4,327,273号(Kita等人，1982)；第4,677,273号(Colegrove等人，1987)；第4,698,546号(Maitland等人，1987)；第6,882,095号(Avnery，2005)；以及Taminger和Hafley的“用于具有成本效益的近净形状制造的电子束自由成形制造”，NATO，2006)中描述。

电子束装置可以被配置成使得它产生的电子束可以沿着X或Y方向在工件表面上扫描，以覆盖仅比电子束的焦点更宽的区域。扫描间隔可以为约0.001至约0.1英寸。通过调节电子束装置可以改变由电子束加热的目标区域的熔化特性。电子束装置可以被选择成使其含有电磁线圈以调节电子束。电子束装置可以提供朝向工件加速的聚焦电子流形式的能量。可以使用高电压电位(例如，大于约15kV，诸如在约15kV至约150kV的范围内)来加速电子。可以使用一个或多个加热丝在电子束装置内产生电子。电子束枪的功率输出通常可以通过限制或调节至工件的电子流来控制。例如，可以使用高达约30kW的束功率，但通常在约2.5kW至约10kW或约3kW至约6kW的范围内。束电流通常大于约100毫安，并且可以在约100毫安至约600毫安的范围内。束功率为可变的，并且通过使用在约100V至约500V范围内的输入电压来产生。约110V的示例性输入电压可以通过使用约100V至约600V(例如，110V)的输入电压来导出。

通过使电子束沿预定路径相对于工件表面移动，由电子束层加热的区域可以在基板上以二维限定，层的宽度由电子束撞击基板处的直径确定。电子束沿预定路径的移动可以在计算机控制下进行。调节束形状和/或持续时间提供了一种控制由电子束装置在电子束移动穿过工件表面期间提供的比功率的方法。电子束也可以以脉冲输送。如下面进一步详细讨论的，电子束装置可以使用机械和/或液压致动器来移动，以在基材中限定预热区域或熔池。而且，预热区域或熔池也可以通过使用电磁线圈调节电子束来限定。

激光装置的激光束的热能熔化金属丝的末端，从而形成落到基材的在金属丝末端下方的预热区域上的金属丝的熔融金属液滴。激光装置的激光束还可以在目标沉积区域的预热区域附近贡献热能，从而有助于由电子束装置的电子束提供的热能。来自熔融金属液滴的过热可以帮助保持在基材的预热区域附近的熔池。该***可包括金属丝供给装置，以用于将金属丝提供到激光装置的激光束下方的期望位置。金属丝供给装置可以位于激光装置和电子束装置之间，或者可以被定位成使得它比电子束装置更接近激光装置。

该***还可以包括定位装置，该定位装置可以将金属丝定位在由电子束装置在基材中形成的预热区域上方。定位装置还可以适当地将金属丝的末端放入激光装置的激光束中，使得金属丝适当地熔化，并且使得通过熔化金属丝形成的熔融金属的液滴落到其下方的基材的预热区域上。

金属丝可以为或含有铝、铬、铜、铁、铪、锡、锰、钼、镍、铌、硅、钽、钛、钒、钨或锆或其复合物或合金。在一些实施例中，金属丝含有钛或钛合金。金属丝可以为或含有这样一种钛合金，该钛合金含有钛与铝、钒、锡、锆、钼、铌、铬、钨、硅和锰中的一种或其组合的组合。例如，示例性钛合金包括Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-45Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2W-0.5Si、Ti-47Al-2Nb-lMn-0.5W-0.5Mo-0.2Si以及Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si。金属丝可含有铝、铁、钴、铜、镍、碳、钛、钽、钨、铌、金、银、钯、铂、锆、它们的合金以及它们的组合。在一些应用中，金属丝不含铝。金属丝可具有任何横截面形状。金属丝可具有圆形横截面。金属丝的直径可以高达约10mm。金属丝的直径可以在约0.8mm至约5mm的范围内。金属丝可具有任何实际可实现的横截面尺寸，例如1.0mm、1.6mm、2.4mm等。金属丝的供给速率和定位可由计算机控制，以确保金属丝当其到达基材中的预热区域或熔池上方的预定位置时熔化。

激光装置可以产生足够能量的激光束，以将热能传递至金属丝以熔化该金属丝以形成熔融的金属液滴。合适的激光装置的示例可包括镱(Yb)激光器、Yb光纤激光器、Yb光纤耦合二极管激光器、Yb:玻璃激光器、二极管泵浦Yb:YAG激光器、钕掺杂的镱铝石榴石(Nd:YAG)激光器、CO2激光器、CO激光器、Nd:玻璃激光器、钕掺杂的原钒酸镱(Nd:YVO)激光器、Cr:红宝石激光器、二极管激光器、二极管泵浦激光器、准分子激光器、气体激光器、半导体激光器、固态激光器、染料激光器、X射线激光器、自由电子激光器、离子激光器、气体混合物激光器、化学激光器及其组合。优选的激光器包括Yb激光器，特别是Yb光纤激光器。在许多应用中，与其他激光波长相比，Yb光纤激光器中使用的波长可以更少地反射。

在图9中示出了示例性配置。在所示的配置中，通过固体自由成形制造来生产成形为矩形长方体的基材200。该图示出了沉积过程的初始部分，在该过程中，第一焊条220正被沉积。图9中所示的双焊枪***包括：电子束装置610，该电子束装置被定位成使得其产生的电子束620被引导到目标区域以预热基材200的表面在目标区域处的一部分；以及激光器装置410，该激光器装置产生可以加热和熔化金属丝155的激光束420。

激光装置410的激光束420可以被引导到金属丝155的远端以熔化金属丝并形成熔融金属液滴165。可以调节由激光装置410的激光束420提供的热能的量以根据金属丝155的供给速度保持加热和熔化速率，使得熔融金属液滴165的形成被定时以保持熔化金属丝155连续滴到预热区域或熔池210上。激光束420和金属丝155离开金属丝供给器145的供给速度可由控制***(例如，计算机)恒定地调节和控制，使得以将金属或金属合金提供到基材200上的预定沉积速率的速率向预热区域或熔池210供应熔化金属丝155。金属丝可以以任何角度供给到激光束中，并且不限于图9中所示的角度。控制***同时接合以操作和调节致动器(未示出)的接合，该致动器恒定地定位和移动基材200，使得预热区域或熔池210位于由待形成的物体的CAD模型给出的预定沉积点处。

电子束装置610可以被安装成可在计算机的控制下在平行于基材表面的X-Y平面内移动，并且可在与其正交的Z方向上竖直地移动。因此，电子束装置610的电子束620可以被引导到工件表面上的X-Y平面中的任何点，并且竖直地被引导以适应不同高度的工件和工件内的不同高度的区域。如图9所示，横向方向为箭头240的方向，该设备处于制造层220的过程中。

在替代配置中，激光装置用作第一焊枪并且可以被布置成将激光束引导到基材的目标区域以形成预热区域，并且电子束装置用作第二焊枪并且可以被定位成将电子束引导到位于基材的预热区域上方的金属丝的末端上。电子束的热能熔化金属丝的末端，从而形成落到基材的在金属丝末端下方的预热区域上的金属丝的熔融金属液滴。激光装置的激光束预热目标区域，并且可以通过加深熔融金属液滴熔化到基材中来促进基材和熔融金属材料之间的熔合。在该实施例中，如关于其他实施例所讨论的，电子束装置的电子束还可用于在目标沉积区域处的基材中的预热区域或熔池中贡献热能，从而有助于由激光束提供的热能。来自熔融金属液滴的过热可以帮助保持在基材的预热区域附近的熔池。该***可包括金属丝供给装置，以用于将金属丝提供到电子束下方的期望位置。金属丝供给装置可以位于电子束装置和激光装置之间，或者可以被定位成使得它比激光装置更接近电子束装置。

图10中示出了示例性实施例。在所示的实施例中，通过固体自由成形制造来生产成形为矩形长方体的基材200。该图示出了沉积过程的初始部分，在该过程中，第一焊条220正被沉积。图10中所示的双焊枪***包括：产生激光束420的激光装置410，该激光束被引导至目标区域以预热基材200的表面在目标区域处的一部分；以及电子束装置710，其被定位成使得它产生的电子束720可以加热和熔化金属丝155。

电子束装置710的电子束720可以被引导到金属丝155的远端以熔化金属丝并形成熔融金属液滴165。可以调节由电子束装置710的电子束720提供的热能的量以根据金属丝155的供给速度保持加热和熔化速率，使得熔融金属液滴165的形成被定时以保持熔化金属丝155连续滴到预热区域或熔池210上。电子束720和金属丝155离开金属丝供给器145的供给速度由控制***(例如，计算机)恒定地调节和控制，使得以将金属或金属合金提供到基材200上的预定沉积速率的速率向预热区域或熔池210供应熔化金属丝155。金属丝可以以任何角度供给到电子束中，并且不限于图10中所示的角度。控制***同时接合以操作和调节致动器(未示出)的接合，该致动器恒定地定位和移动基材200，使得预热区域或熔池210位于由待形成的物体的CAD模型给出的预定沉积点处。

激光装置410可以被安装成可在计算机的控制下在平行于基材表面的X-Y平面内移动，并且可在与其正交的Z方向上竖直地移动。因此，激光装置410的激光束420可以被引导到工件表面上的X-Y平面中的任何点，并且竖直地被引导以适应不同高度的工件和工件内的不同高度的区域。如图10所示，横向方向为箭头240的方向，该设备处于制造层220的过程中。

在本文提供的包括激光装置和电子束装置的双焊枪***中，金属丝可以为或包含铝、铬、铜、铁、铪、锡、锰、钼、镍、铌、硅、钽、钛、钒、钨或锆或其复合物或合金。在一些实施例中，金属丝含有钛或钛合金。金属丝可以为或含有这样一种钛合金，该钛合金含有钛与铝、钒、锡、锆、钼、铌、铬、钨、硅和锰中的一种或其组合的组合。例如，示例性钛合金包括Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-45Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2W-0.5Si、Ti-47Al-2Nb-lMn-0.5W-0.5Mo-0.2Si以及Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si。金属丝可含有铝、铁、钴、铜、镍、碳、钛、钽、钨、铌、金、银、钯、铂、锆、它们的合金以及它们的组合。金属可以不含铝。金属丝可具有圆形横截面。金属丝的直径可以在约0.8mm至约5mm的范围内。金属丝可具有任何实际可实现的横截面尺寸，例如1.0mm、1.6mm、2.4mm等。

在本文提供的包括电子束装置的双焊枪***中，该***包括壳体，该壳体限定了可密封的腔室，该可密封的腔室可以被抽空，一些或所有部件可以位于在该可密封的腔室内。一个或多个部件(例如，控制***、电源或计算机)的至少一部分可以位于该腔室的外部。可密封的腔室可以被配置为围住金属丝供给器、电子束装置、激光装置、工件、以及使基材相对于至少第一加热装置移动的致动器托盘，或使第一加热装置移动的致动器臂，或使第二加热装置移动的致动器臂或其任何组合。可根据需要将腔室抽空以进行处理。腔室可以例如使用合适的真空泵或泵***抽空，使得腔室内的压力在约1×10^-1至约1×10^-7托(torr)或更低的范围内。在沉积过程期间，可能希望将腔室内的压力降低至小于约0.1托或小于约1×10^-2托或小于约1×10^-6托的压力。

包含两个电子束装置的***

在本文提供的双焊枪***的一些配置中，该***包括：作为第一焊枪的电子束装置，以用于预热基材上的目标沉积区域；以及作为第二焊枪的另一电子束装置，以用于加热金属丝并将其熔化到预热区域或熔池上。第一电子束装置可以被布置成将能量引导到基材的目标区域以形成熔池。第一电子束预热基材，使其在熔化的金属材料待沉积的位置处能接受熔化的金属丝熔滴。在一些实施例中，至少一部分基材被第一电子束装置熔化，以使基材更容易接受。在一些实施例中，通过第一电子束装置施加足够的热量，以在金属材料待沉积的位置处的基材中形成预热区域或熔池。第一电子束装置可以通过加深基材中的熔化来促进基材和熔融金属材料之间的熔合。第一电子束装置可以有助于确保过热熔化金属材料的充分熔化，熔化的金属材料可能不能自己实现充分熔化。可以监测预热区域或熔池，例如温度和尺寸，并且基于所获得的信息，可以调节电子束装置的功率，以便将预热区域或熔池保持在期望的参数内，诸如在预定尺寸内。

第一电子束装置可以被配置成使得它产生的电子束可以沿着X或Y方向在工件表面上扫描，以覆盖仅比电子束的焦点更宽的区域。扫描间隔可以为约0.001至约0.1英寸。通过调节电子束装置可以改变由第一电子束装置的电子束加热的目标区域的熔化特性。电子束装置可以被选择成使其含有电磁线圈以调节电子束。电子束装置可以提供朝向工件加速的聚焦电子流形式的能量。可以使用高电压电位(例如，大于约15kV，诸如在约15kV至约150kV的范围内)来加速电子。可以使用一个或多个加热丝在电子束装置内产生电子。电子束装置的功率输出通常可以通过限制或调节至工件的电子流来控制。例如，可以使用高达约30kW的电子束功率，但通常在约2.5kW至约10kW或约3kW至约6kW的范围内。束电流通常大于约100毫安，并且可以在约100毫安至约600毫安的范围内。束功率是可变的，并且可以通过使用在约100V至约500V范围内的输入电压来产生。示例性输入电压约为110V。

电子束装置也可以使用机械和/或液压致动器来移动，以在基材中限定预热区域或熔池。

通过使第一电子束装置的电子束沿预定路径相对于工件表面移动，由第一电子束装置的电子束加热的区域可以在基板上以二维限定，宽度由电子束撞击基板处的直径确定。电子束沿预定路径的移动可以在计算机控制下进行。调节脉冲形状和/或持续时间提供了一种控制由电子束装置在电子束移动穿过工件表面期间提供的比功率的方法。电子束也可以以脉冲输送。

第二电子束装置可以被布置成将电子束引导到位于熔池上方的金属丝的末端，使得由第二电子束装置的电子束产生的热能熔化金属丝的末端，从而形成落到金属丝末端下方的预热区域或熔池上的熔融金属的液滴。如结合其他实施例所讨论的，第二电子束装置的电子束还可用于在目标沉积区域处的基材中的预热区域或熔池中贡献热能，从而有助于由第一电子束装置提供的热能。该***可包括金属丝供给装置，以用于将金属丝提供至第二电子束装置。

第二电子束装置可具有可变功率输出，其可被调节以向金属丝提供基本上恒定的功率或能量，所述功率或能量的量为提供金属丝的基本恒定的熔化速率的量。由第二电子束装置输送的功率或能量可以根据金属丝的构成进行调节，使得金属丝可以以恒定的速率供给并熔化到基材上的预热区域或熔池上。第一电子束装置和第二电子束装置均可独立地包括单个电子束枪，或者每电子束装置可包括多个电子束枪。双焊枪***可以包括一个或多个检测器例如以用于检测由电子束枪产生的电子或用于监测熔池，诸如温度传感器或摄像头或者包括摄像头的检测器、电子现象检测机构或其组合。

电子束装置可商购获得并且在本领域中(例如，参见美国专利第3,136,882号(Radtke，1964)；第3,187,216号(Sciaky，1965)；第3,535,489号(Hinrichs，1970)；第3,592,995号(Hinrichs，1971)；第3,766,355号(Kottkamp，1973)；第4,058,697号(Sokolov等人，1977)；第4,327,273号(Kita等人，1982)；第4,677,273号(Colegrove等人，1987)；第4,698,546号(Maitland等人，1987)；第6,882,095号(Avnery，2005)；以及Taminger和Hafley的“用于具有成本效益的近净形状制造的电子束自由成形制造”，NATO，2006)描述。电子束装置可以被选择成使其含有电磁线圈以调节电子束。电子束枪可以提供朝向工件或金属丝加速的聚焦电子流形式的能量。可以使用高电压电位(例如，大于约15kV，诸如在约15kV至约150kV的范围内)来加速电子。可以使用一个或多个加热丝在电子束装置内产生电子。电子束装置的功率输出通常可以通过限制或调节至工件或金属丝的电子流来控制。例如，可以使用高达约30kW的束功率，但通常在约2.5kW至约10kW或约3kW至约6kW的范围内。束电流通常大于约100毫安，并且可以在约100毫安至约600毫安的范围内。束功率是可变的，并且通过使用在约100V至约500V范围内的输入电压来产生。示例性输入电压为约110V。

该***还可包括定位装置，该定位装置可将金属丝定位在由激光在基材中形成的预热区域或熔池上方。定位装置还可以适当地将金属丝的末端放入等离子体转移电弧中，使其适当地熔化，并且使得所形成的液滴落到其下面的预热区域或熔池上。

金属丝可以为或含有钛。金属丝可以为或含有这样一种钛合金，该钛合金含有钛与铝、钒、锡、锆、钼、铌、铬、钨、硅和锰中的一种或其组合的组合。例如，示例性钛合金包括Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-45Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2W-0.5Si、Ti-47Al-2Nb-lMn-0.5W-0.5Mo-0.2Si以及Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si。金属丝可含有铝、铁、钴、铜、镍、碳、钛、钽、钨、铌、金、银、钯、铂、锆、它们的合金以及它们的组合。金属丝可以不含铝。金属丝可具有任何期望的横截面形状。金属丝可具有圆形横截面。金属丝的直径可以在约0.8mm至约5mm的范围内。金属丝可以具有任何实际可实现的尺寸，例如1.0mm、1.6mm、2.4mm等。金属丝的供给速率和定位可以根据由电子束装置提供的热能的效果进行控制和调节，以确保金属丝在其到达基材中的预热区域或熔池上方的预定位置时被持续加热并熔化。

该***可以包括壳体，该壳体限定可以被抽空的可密封腔室，一些或所有部件可以位于该可密封腔室内。一个或多个部件(例如，控制***、电源或计算机)的至少一部分可以位于腔室外部。可密封腔室可以被配置为围住金属丝供给器、第一电子束装置、第二电子束装置、工件、以及使基材相对于至少第一加热装置移动的致动器托盘或使第一加热装置移动的致动器臂或使第二加热装置移动的致动器臂或其任何组合。可根据需要将腔室抽空以用于进行处理。腔室可以例如使用合适的真空泵或泵***抽空，使得腔室内的压力在约1×10^-1至约1×10^-7托或更低的范围内。在沉积过程期间，可能希望将腔室内的压力降低至小于约0.1托或小于约1×10^-2托或小于约1×10^-6托的压力。

图11中示出了示例性实施例。在所示的实施例中，通过固体自由成形制造来生产成形为矩形长方体的基材200。该图示出了沉积过程的初始部分，在该过程中，第一焊条220正被沉积。图11中所示的双焊枪***包括第一电子束装置610，该第一电子束装置被定位成使得其产生的电子束620被引导到目标区域并加热目标区域的表面的至少一部分。在一些应用中，电子束620可以加热并可选地至少部分地熔化目标区域的表面的一部分，并且可以有助于在目标区域处在基材200上产生预热区域或熔池210。第二电子束装置710产生电子束720，该电子束被引导到位于基材的预热区域上方的金属丝的末端上。电子束720的热能熔化金属丝的末端，从而形成落到基材的在金属丝末端下方的预热区域上的金属丝的熔融金属液滴。第一电子束装置610的电子束620可以通过加深熔融金属液滴熔化到基材中来促进基材和熔融金属材料之间的熔合。第二电子束装置710的电子束720还可以在目标沉积区域的预热区域附近贡献热能，从而有助于由第一电子束装置610的电子束620提供的热能。来自熔融金属液滴的过热可以帮助保持在基材的预热区域附近的熔池。

金属丝155可以由金属丝供给器145供应并且可以被定位成使得金属丝155的末端位于基材200上的沉积区域处的预热区域或熔池210上方。金属丝155可以被给予朝向电子束720的速度。金属丝155的速度可以被选择成使得金属丝155的远端的加热和熔化速率使得熔化的金属丝155的熔融金属液滴165持续地供应至预热区域或熔池210。

金属丝155为当熔化时形成通过自由成形制造形成工件的材料的金属的组合或含有该金属的组合。金属丝155可以为钛或可以为或含有这样一种钛合金，该钛合金含有钛与铝、钒、锡、锆、钼、铌、铬、钨、硅和锰中的一种或其组合的组合。例如，示例性钛合金包括Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-45Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2W-0.5Si、Ti-47Al-2Nb-lMn-0.5W-0.5Mo-0.2Si以及Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si。金属丝可含有铝、铁、钴、铜、镍、碳、钛、钽、钨、铌、金、银、钯、铂、锆、它们的合金以及它们的组合。在一些应用中，金属丝不包括铝。

金属丝150可以持续地输送到由第二电子束***710产生的电子束720，在电子束处，它被加热到其熔点或完全熔化成沉积到基材200上的预热区域或熔池210中的熔融金属165的液滴。金属丝可以以任何角度供给到电子束中，并且不限于图11中所示的角度。

双焊枪***可以包括控制***，该控制***可以操作和调节致动器(未示出)的接合，该致动器恒定地定位和移动基材200，使得预热区域或熔池位于由待形成的物体的CAD模型给出的预定沉积点处。在SFFF工艺的这个阶段，基材200如箭头240所示移动。致动器可在控制***的控制下在平行于双焊枪***的X-Y平面内移动，并可在与其正交的Z方向上竖直地移动。电子束装置710和电子束装置610中的每者的焦点也是可移动的。例如，改变电子束装置610的焦点可以允许电子束620被引导到X-Y平面中的任何点，以及被竖直地调节以适应不同高度的两个工件并且也适应工件内的不同高度的区域。改变电子束装置710的焦点可以允许电子束720被聚焦在可以更靠近或远离工件表面重新定位的金属丝上。在冷却期间，电子束装置610可以被引导到冷却熔融层上，以调节熔融金属的输送层的微结构。

第一和第二电子束装置可以有利地具有单独的电源和用于调节供应到各个装置的功率的装置。该***可以包括用于监测基材的沉积区域的温度的传感器，并且电子束的宽度和定位可以在预热区域或熔池和/或金属丝的表面上变化。

在本文提供的双焊枪***中，使用含有加热装置的第一枪来预热基材并形成预热区域并且使用含有加热装置的第二枪来熔化金属丝或金属颗粒提供了以下优点：能够增加对金属丝或金属颗粒的热量供应而与供应给基板的热量无关。可以选择施加到金属丝或金属颗粒的熔化功率以匹配质量输入(待添加到工件的熔融金属液滴的量)以确保金属丝的稳定熔化和/或燃尽点或确保金属颗粒完全熔化。因此，能够在不同时使基板过热的情况下，并且在没有形成过量的预热区域或熔池并因此失去对沉积材料的固结的控制的风险的情况下，提高熔融金属进料的沉积速率。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的本发明的修改和变化。

附图标记列表

以下为说明书和附图中使用的附图标记的列表。

110 PTA焊炬

120 焊炬电极

130 等离子体转移电弧

140 金属丝供给器

145 金属丝供给器

150 金属丝

155 金属丝

160 熔融金属液滴

165 熔融金属液滴

170 速度箭头

200 基材

210 预热区域或熔池

220 焊条

240 方向箭头

310 电源

320 电源

330 脉冲频率发生器

410 激光装置

420 激光束

430 第二激光装置

440 激光束

510 吹粉激光装置

520 熔融颗粒

530 支撑件

610 第一电子束装置

620 电子束

710 第二电子束装置

720 电子束

Claims (16)

1.一种用于通过固体自由成形制造来构建金属物体的***，包括：

第一焊枪，用于预热基材的表面的一部分；

送丝机，供应金属丝并将所述金属丝定位成使得所述金属丝的远端位于所述基材的所述表面的预热的所述部分上方；

第二焊枪，包括激光装置或电子束装置，所述激光装置或电子束装置被设计成分离或反射激光或电子束的一部分，使得所述激光或电子束撞击所述金属丝以用于将所述金属丝熔化成沉积到所述基材的预热表面上的金属材料的液滴并使得所述激光或电子束撞击所述基材以对所述基材贡献热能；

致动器托盘，使所述基材相对于至少所述第一焊枪移动；

待形成的物体的沉积轮廓，使得通过根据所述沉积轮廓将所述金属材料的连续沉积物熔合到所述基材上来构建所述物体；以及

计算机辅助制造***或软件，响应于所述沉积轮廓来引导所述致动器托盘的移动，

其中，所述第一焊枪包括PTA焊炬、激光器或电子束装置中的一者。

2.根据权利要求1所述的***，还包括：

使所述第一焊枪移动的致动器臂；或

使所述第二焊枪移动的致动器臂；或

使所述第一焊枪移动的致动器臂和使所述第二焊枪移动的致动器臂。

3.根据权利要求1或2所述的***，其中，

所述第一焊枪包括PTA焊炬，并且所述第二焊枪包括激光装置；或

所述第一焊枪包括第一激光装置，并且所述第二焊枪包括第二激光装置；或

所述第一焊枪包括电子束装置，并且所述第二焊枪包括激光装置；或

所述第一焊枪包括激光装置，并且所述第二焊枪包括电子束装置；或

所述第一焊枪包括第一电子束装置，并且所述第二焊枪包括第二电子束装置。

4.一种用于通过固体自由成形制造来构建金属物体的***，包括：

第一焊枪，用于预热基材的表面的一部分；

第二焊枪，包括激光装置或电子束装置，所述激光装置或电子束装置被设计成分离或反射激光或电子束的一部分，使得所述激光或电子束撞击金属源以用于将所述金属源熔化成沉积到所述基材的预热表面上的金属材料的液滴并使得所述激光或电子束撞击所述基材以对所述基材贡献热能；

使所述第一焊枪相对于所述基材或所述第二焊枪或这两者移动的第一致动器臂；或

使所述第二焊枪相对于所述基材或所述第一焊枪或这两者移动的第二致动器臂；或

使所述第一焊枪相对于所述基材或所述第二焊枪或这两者移动的第一致动器臂和使所述第二焊枪相对于所述基材或所述第一焊枪或这两者移动的第二致动器臂；

致动器托盘，使所述基材相对于至少所述第一焊枪移动；

待形成的物体的沉积轮廓，使得通过根据所述沉积轮廓将所述金属材料的连续沉积物熔合到所述基材上来构建所述物体；

计算机辅助制造***或软件，响应于所述沉积轮廓来引导所述致动器托盘、所述第一致动器臂、所述第二致动器臂或其任何组合的移动。

5.根据权利要求4所述的***，其中，

所述第一焊枪包括电子束装置，并且所述第二焊枪包括PAW焊炬，其中，所述PAW焊炬为PTA焊炬，所述PTA焊炬电连接到直流电源，使得所述PTA焊炬的电极变为阴极并且所述金属源为变为阳极的金属丝；或

所述第一焊枪包括PAW焊炬，并且所述第二焊枪包括电子束装置；或

所述第一焊枪包括第一电子束装置，并且所述第二焊枪包括第二电子束装置；或

所述第一焊枪包括电子束装置，并且所述第二焊枪包括同轴粉末供给喷嘴激光***。

6.根据权利要求4或5所述的***，其中，所述第二焊枪被设计成在所述预热表面中贡献热能。

7.根据权利要求1、2、4和5中任一项所述的***，其中，所述第一焊枪和所述第二焊枪位于所述基材的相对侧上。

8.一种用于通过固体自由成形制造来制造金属材料的三维物体的方法，其中，所述物体通过将所述金属材料的连续沉积物一起熔合到基材上来制成，所述方法包括：

限定所述物体的沉积轮廓；

使用第一焊枪来预热所述基材的表面的至少一部分以形成预热表面；以及

使用第二焊枪来加热和熔化金属丝，使得熔融金属材料被沉积到所述预热表面上，以通过熔合所熔化的金属材料的连续沉积物来形成所述物体，

移动第一致动器臂以使所述第一焊枪相对于所述基材或所述第二焊枪或这两者移动；或

移动第二致动器臂以使所述第二焊枪相对于所述基材或所述第一焊枪或这两者移动；或

移动第一致动器臂以使所述第一焊枪相对于所述基材或所述第二焊枪或这两者移动并且移动第二致动器臂以使所述第二焊枪相对于所述基材或所述第一焊枪或这两者移动，

其中，所述第二焊枪包括激光装置或电子束装置，所述激光装置或电子束装置被设计成分离或反射激光或电子束的一部分，使得所述激光或电子束撞击所述金属丝以用于将所述金属丝熔化成沉积到所述基材的预热表面上的金属材料的液滴并使得所述激光或电子束撞击所述基材以对所述基材贡献热能。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

移动致动器托盘以使所述基材相对于所述第一焊枪或所述第二焊枪或这两者移动。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述致动器托盘或所述第一致动器臂或所述第二致动器臂中的任一者的移动由计算机辅助制造***或软件控制并且响应于所述沉积轮廓，使得所述熔融金属材料的连续沉积物在固化时形成所述三维物体。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，所述第一焊枪包括激光装置，并且所述第二焊枪为PTA焊炬，所述PTA焊炬电连接到直流电源，使得所述PTA焊炬的电极变为阴极并且所述金属丝变为阳极。

12.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中：

所述第一焊枪包括PTA焊炬，并且所述第二焊枪包括激光装置；或

所述第一焊枪包括第一激光装置，并且所述第二焊枪包括第二激光装置；或

所述第一焊枪包括第一电子束装置，并且所述第二焊枪包括激光装置；或

所述第一焊枪包括激光装置，并且所述第二焊枪包括电子束装置；或

所述第一焊枪包括电子束装置，并且所述第二焊枪包括同轴粉末供给喷嘴激光***。

13.一种用于通过固体自由成形制造来制造金属材料的三维物体的方法，其中，所述物体通过将所述金属材料的连续沉积物一起熔合到基材上来制成，所述方法包括：

限定所述物体的沉积轮廓；

使用第一焊枪来预热所述基材的表面的至少一部分以形成预热表面；以及

使用包括激光装置或电子束装置的第二焊枪来加热和熔化金属材料，使得熔融金属材料被沉积到所述预热表面上，以通过熔合所熔化的金属材料的连续沉积物来形成所述物体；以及

分离或反射所述第二焊枪的激光或电子束的一部分，使得所述激光或电子束撞击金属丝和所述基材以对所述基材贡献热能，

其中，所述第一焊枪包括PTA焊炬、激光器或电子束装置。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

a)移动致动器托盘以使所述基材相对于所述第一焊枪或所述第二焊枪或这两者移动；或

b)移动第一致动器臂以使所述第一焊枪相对于所述基材或所述第二焊枪或这两者移动；或

c)移动第二致动器臂以使所述第二焊枪相对于所述基材或所述第一焊枪或这两者移动；或

d)a)、b)和c)的任何组合。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述致动器托盘或所述第一致动器臂或所述第二致动器臂中的任一者的移动由计算机辅助制造***或软件控制并且响应于所述沉积轮廓，使得所述熔融金属材料的连续沉积物在固化时形成所述三维物体。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中：

所述第一焊枪包括PAW焊炬，并且所述第二焊枪包括电子束装置；或

所述第一焊枪包括PAW焊炬，并且所述第二焊枪包括激光装置；或

所述第一焊枪包括第一电子束装置，并且所述第二焊枪包括第二电子束装置；或

所述第一焊枪包括电子束装置，并且所述第二焊枪包括激光装置；或

所述第一焊枪包括激光装置，并且所述第二焊枪包括电子束装置；或

所述第一焊枪包括第一激光装置，并且所述第二焊枪包括第二激光装置。

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