阅读说明：本技术 同轴金属丝进给多激光金属沉积装置 (Coaxial wire feed multi-laser metal deposition device ) 是由 乔舒亚·A·克鲁斯 于 2018-12-07 设计创作，主要内容包括：一种同轴激光金属沉积头部,其包括金属丝引导件和多个激光光学单元。所述金属丝引导件限定金属丝引导件轴线。所述激光光学单元围绕所述金属丝引导件轴线分布。每个激光光学单元连接到单独的激光器,并且每个激光光学单元限定光束轴线。所述光学单元相对于所述金属丝引导件固定,并且在第一状态下定位成允许每个光束轴线在公共点处与所述金属丝引导件轴线相交。(A coaxial laser metal deposition head includes a wire guide and a plurality of laser optical units. The wire guide defines a wire guide axis. The laser optical units are distributed around the wire guide axis. Each laser optical unit is connected to a separate laser and each laser optical unit defines a beam axis. The optical unit is fixed relative to the wire guide and in a first state is positioned to allow each beam axis to intersect the wire guide axis at a common point.)

具体实施方式

相对取向和方向(例如，上部、下部、底部、向前、向后、前、后、背、外侧、内侧、向内、向外、侧向、左、右)在本说明书中提出并不是作为限制，但是为了方便读者描绘了所述结构的至少一个实施例。这样的示例取向是从坐在座椅上并面向仪表板的乘客的角度来看的。在附图中，贯穿多个视图，相似的附图标记都指示相同的部分。

同轴激光金属沉积头部包括金属丝引导件和多个激光光学单元。金属丝引导件限定金属丝引导件轴线。激光光学单元围绕金属丝引导件轴线分布。每个激光光学单元连接到单独的激光器，并且每个激光光学单元限定光束轴线。光学单元相对于金属丝引导件固定，并且在第一状态下定位成允许每个光束轴线在公共点与金属丝引导件轴线相交。

激光光学单元可以绕金属丝引导件轴线基本均匀地间隔开。

头部也可以包括安装板，该安装板具有中心部和多个激光器支撑臂。中心部可以具有穿过所述中心部且与金属丝引导件轴线基本同心的孔口。多个激光器支撑臂所述可以与激光光学单元对齐，并从中心部向外伸展，并且所述多个激光器支撑臂可以被定向成相对于中心部成钝角。激光光学单元中的每一个可以固定到所述臂中的一个。

所述头部还可以包括铰接枢转机构，所述铰接枢转机构被布置在所述臂中的一个臂和安装在其上的激光光学单元之间并将两者连接。该枢转机构可以限定铰链轴线，并且允许光束轴线背离公共点移动。

所述头部可以包括调节螺钉，所述调节螺钉与铰链轴线间隔开。枢转机构的操作使调节螺钉旋转，使激光光学单元绕铰链轴线枢转。

所述头部还可以包括旋转分度机构，所述旋转分度机构限定旋转轴线。该旋转分度机构可以被布置在所述臂中的一个臂和安装在所述一个臂上的激光光学单元之间并将两者连接。该旋转分度机构可以包括旋转分度构件和与其驱动地连接的电动马达。

所述头部可以包括位置调节机构，所述位置调节机构被布置在金属丝引导件和一个所述激光光学单元之间。

金属丝引导件可以是用于接收给料金属丝的管。

所述头部还可以包括进给通道，所述进给通道以一定角度连接至金属丝引导件，以允许金属丝引导件以钝角从进给通道接收金属丝。

所述头部还可以包括热屏蔽件，所述热屏蔽件被布置在激光光学单元和工作表面之间。

同轴金属丝进给多激光金属沉积系统可以包括头部、机器人臂以及可编程计算装置。所述头部还可以包括安装板、多个激光光学单元、金属丝引导件以及金属丝进给端头。安装板可以包括中心部和多个激光器支撑臂。中心部可以具有穿过其中的孔口。穿过中心部的孔口可以限定基本垂直于中心部的第一轴线。激光器支撑臂可以从中心部向外伸展，并且被定向成相对于中心部成钝角。激光光学单元可以在数量上等于激光器支撑臂，并且可以安装在各个支撑臂上。激光光学单元中的每一个可以连接至单独的激光器电源单元，并且光学单元中的每一个可以限定激光束轴线。金属丝引导件可以被固定至中心部，并且与第一轴线基本同轴。金属丝进给端头可以连接至安装板，并且与第一轴线基本同心。机器人臂可以连接至所述头部。可编程计算装置可以连接至机器人臂和所述头部。

所述系统的多个臂可以是两个、三个和四个中的一种。

所述系统的臂可以绕第一轴线基本均匀地间隔开。

所述系统还可以包括用于接收给料金属丝的金属丝引导件。金属丝引导件可以具有与第一轴线基本同轴的金属丝引导件轴线。金属丝引导件可以被固定至中心部。

所述系统还可以包括进给通道，所述进给通道以一定角度连接至金属丝引导件，以允许金属丝引导件以钝角从进给通道接收金属丝。

所述系统还可以包括热屏蔽件，所述热屏蔽件被布置在安装板和工作表面之间。

所述系统的激光束轴线可以在第一条件下在公共点处与第一轴线相交。

所述系统还可以包括铰接枢转机构，所述铰接枢转机构被布置在所述臂中的一个臂和安装在所述一个臂上的激光光学单元之间并将两者连接。该枢转机构可以限定铰链轴线，并且允许光束轴线背离公共点移动。

所述系统的枢转机构可以包括调节螺钉，所述调节螺钉与铰链轴线间隔开。枢转机构的操作可以使调节螺钉旋转，使激光光学单元绕铰链轴线枢转。

所述系统还可以包括旋转分度机构，所述旋转分度机构限定旋转轴线，该旋转分度机构被布置在所述臂中的一个臂和安装在所述一个臂上的激光光学单元之间并将两者连接。该旋转分度机构可以包括旋转分度构件以及与其驱动地连接的电动马达。

在图1至图8中示出了同轴金属丝进给多激光沉积系统12的示例同轴激光金属沉积头部10。

如图4中最佳示出的，头部10包括多个激光单元13A、13B和13C以及金属丝进给端头14。在操作时，头部10相对于工作表面15定位，工作表面可以由在工作板17上形成的工件16限定。为了促进这种定位，头部10可以被构造成用于安装在机器人臂18的端部处。机器人臂18可以将头部10相对于工作板17定位。系统12还可以包括热屏蔽件19、金属丝进给机(未示出)、工作板定位机构(未示出)、系统控制器20，和控制器20与机器人臂18之间的机器人控制链路24，所述系统控制器20即是可编程计算装置，其用于响应于计算机指令(即计算机软件)来控制系统12的操作，例如定位头部10、定位工作板17、定位激光单元13A、13B、13C、建立进料金属丝22的金属丝进给速率。控制器20可以包括用于存储指令的存储器以及用于执行指令的处理器两者。激光单元13A、13B、13C可以各自是通过光纤28A、28B、28C连接到其自身的激光器功率单元26A、26B、26C的激光光学单元。可替代地，激光单元13A、13B和13C可以集成激光器功率单元26A、26B、26C。控制电缆30A、30B、30C可以将每一个激光器功率单元26A、26B、26C与控制器20连接。

头部10包括安装板32。所述多个激光单元13A、13B和13C固定至板32。激光单元13A、13B和13C的示例数量为三个，但是替代地，可以是两个或四个。金属丝引导件34被固定至安装板32。金属丝引导件34限定金属丝引导件轴线36，如图1中最佳示出的。激光单元13A、13B和13C可以绕轴线36均匀地间隔开，例如对于三个单元13A、13B和13C间隔开120°。

安装板32在图2中最佳示出，其可以包括多个整体形成的激光器支撑臂38A、38B和38C，每个激光单元13A、13B和13C对应于一个激光器支撑臂。臂38A、38B和38C可以从安装板32的基本平面的中心部40径向地延伸。支撑臂38A、38B和38C的数量可以等于激光单元13A、13B和13C的数量。臂38A、38B和38C可以分别在内侧42A、42B、42C上相对于中心部40成钝角。

板32包括穿过中心部40的中心孔口44，中心孔口44与金属丝引导件轴线36同轴。安装凸起46围绕孔口44，可以设置在板32的与内侧42A、42B、42C相同的一侧上。

金属丝引导件34可以包括与金属丝引导件34连接的金属丝进给通道48，以允许进料金属丝22进入到金属丝引导件34中。通道48可以为具有内部通路的管形式，该内部通路连接到金属丝引导件34内的内部通路。通道48可以连接至引导件34，相对于金属丝引导件轴线36成角β，其中角β为钝角。角β利于进料金属丝22从通道48转移至引导件34，有助于在将金属丝22进给到工件16的工作表面15时降低金属丝22被粘住和缠住的风险。

第一位置调节机构，例如是铰接枢转机构50A、50B、50C，可以布置在各个激光单元13A、13B、13C与支撑臂38A、38B、38C之间。示例的铰接枢转机构50A、50B、50C可以包括轴向位移机构54A、54B、54C，例如与铰链52组合的千分尺型细节距调节螺钉54A、54B、54C。在图5中示出了轴向位移机构54’的可替代实施例，其形成可以安装在各个臂38A、38B、38C上的枢转机构50’的部分。位移机构54’可以包括电操作致动器，以响应来自控制器20的电命令信号来驱动调节螺钉55’。

图5中最佳示出的铰链52可以具有一对铰链板56，其中一个铰链板56连接到光学单元13A、13B、13C，另一个铰链板56连接到相应的臂38A、38B和38C。各个臂38A、38B、38C上的铰链52都限定铰链轴线58A、58B、58C，光学单元13A、13B、13C可以相对于臂38A、38B、38C绕着铰链轴线枢转。铰链轴线58A、58B、58C可以在臂38A、38B、38C的与轴向位移机构54’、54A、54B、54C的位置相反的一端处。这些图示出了在臂38A、38B、38C的远离中心部40的端部附近的轴向位移机构54’、54A、54B、54C，以及在臂38A、38B、38C的靠近中心部40的相反端附近的铰链轴线58A、58B、58C。可替代地，轴向位移机构54’、54A、54B、54C可以靠近臂38A、38B、38C的靠近中心部40的端部，并且铰链轴线58A、58B，58C可以靠近臂38A、38B、38C的远离中心部40的端部。铰链52可以是允许绕轴线58A、58B、58C枢转的任何类型，例如是销铰链和活动铰链。螺钉54A、54B、54C、55’的移位引起光学单元13A、13B、13C绕轴线58A、58B、58C枢转。

第二位置调节机构，例如旋转分度机构，诸如在图5中在臂38A上所示的示例的机构60，也可以被设置在各个光学单元13A、13B、13C以及相关联的臂38A、38B、38C之间，用以向各个单元13A、13B、13C提供相对于臂38A、38B、38C的第二自由度。旋转分度机构60可以包括被布置在光学单元13A、13B、13C与臂38A、38B、38C之间的旋转分度构件64(例如，板或轴)。分度构件64可以绕旋转轴线62A、62B、62C旋转。旋转轴线62A、62B、62C可以与臂38A、38B、38C以及旋转分度机构60安装在其上的铰链板60其中之一正交。旋转分度机构60可以包括在分度构件64的外径上的齿65，齿65与蜗杆(未示出)接合。分度构件64相对于臂38A和光学单元13A、13B、13C中的一个的旋转位置可以通过手动旋转蜗杆或者通过致动电动马达来驱动螺杆而改变，电动马达可以是机构60的部分。在可从美国马萨诸塞州奥本市和德国埃施巴赫市的PI(Physik Instrumente)L.P.获得的旋转致动器中，尤其是在它们的UPR-100、UPR-120和UPR 160的致动器系列中，找到了一种示例性的可选在售旋转分度机构。该旋转分度机构可以具有90度/秒至720度/秒的最大旋转位移速率。

调节机构50、50’、60可以通过通信链路连接到控制器20。图4示出了作为示例性链路的多个连接通信电缆67A、67B、67C。可替代地，可以通过多路复用网络或以无线方式(例如，蓝牙)来提供通信链路。

图2中最佳示出的臂38A、38B、38C设有多个安装孔口66A、66B、66C。孔口66A、66B、66C可以包括用于将激光单元13A、13B、13C、枢转机构50A、50B、50C或旋转分度机构60(例如旋转分度构件)中的任何一个连接至臂38A、38B、38C的孔口。虽然孔口66A、66B、66C被示出为通孔，但是它们可以替代地是盲孔，或者可以带有螺纹。

各个激光光学单元13A、13B、13C分别限定激光束轴线68A、68B、68C。光学单元13A、13B、13C所发射的激光束遵循轴线68A、68B、68C。使激光光学单元13A、13B、13C绕铰链轴线58A、58B、58C枢转，分别改变了激光束轴线68A、68B、68C与金属丝引导件轴线36之间的角γA、γB、γC。

在第一条件下，在γA、γB、γC为公共值的情况下，激光束轴线68A、68B、68C都在公共点70与金属丝引导件轴线36相交。可以通过均匀地调节枢转机构50A、50B、50C以对所有的光学单元13A、13B、13C均等地改变γA、γB、γC的值，并且结合对光学单元13A、13B、13C的焦距的调节，来沿着金属丝引导件轴线36调节公共点70。对焦距的这种调节可以利用集成到每个光学单元13A、13B、13C中的电子焦距致动器(未示出)以电子方式实现。可以使用旋转分度机构60，以进一步改变激光束轴线68A、68B、68C相对于金属丝引导件轴线36的取向。

热屏蔽件19可以包括反射板72和吸热部分(heat sink)74。吸热部分74可以是冷的液体(例如水)，该液体的流速被选择成用以将温度保持在预定范围内。吸热部分74也可以被集成在安装板32中。反射板72可以包括光束孔口(未示出)，以允许激光束从激光光学单元13A、13B、13C沿轴线68A，68B，68C到达工作表面15的通路。

机器人臂18可以通过腕式操纵器76连接至头部10。操纵器76在对头部10的定向中允许多个旋转自由度，从而有利于公共点70的选择性定位。这种操纵器76可市售获得。

系统12可以用作三维打印机，以从进料金属丝22形成金属零件，即工件16。进料金属丝22被通道48接收，通过引导件34从端头14送出，并且到达工作表面15。进料金属丝22穿过端头14的进给速率可以通过来自控制器20的命令控制，这种命令被传达给金属丝进给机(未示出)。进料金属丝22进入工作表面15上的熔池的进给速率(例如，1米/分钟至10米/分钟)可以取决于多种系统参数，包括进料金属丝22的直径，例如0.5至2.0毫米，以及激光单元13A、13B、13C的最大可用功率范围。这些命令可以由执行被存储在控制器的存储器中的指令的控制器处理器生成。

系统12可以以基本同轴的模式进行操作，其中所有激光单元13A、13B、13C都指向公共点70，其中公共点70是在工作表面15上并且与熔池重合。在这样定向激光束轴线68A、68B、68C的情况下，进料金属丝22在工作表面15上熔化，以在工件的较早工作表面上并且在第一层的情况下是在工作板18上形成焊珠77，即层。所述基本同轴的操作模式特别利于用头部10形成复杂图案。

独立激光单元13A、13B、13C的使用允许使用更大量的净激光功率。可以通过LMD工艺形成物体的速率，即金属可以被进给到工作表面15并熔化的速率，取决于可用来熔化进入的进料金属丝22的激光功率量。使用功率额定值为4千瓦的单个激光器与三路分光器组合的头部可能受限于以4千瓦或更小的功率所允许的速率来形成。使用分离的多个激光单元13A、13B、13C而不需要分光器，这允许向工作表面15施加更多的激光能量。例如，在三个激光单元13A、13B、13C每个的额定功率均为25千瓦的情况下，在工作表面15处可用的净能量变为75千瓦。可选地，例如在形成相对较薄壁的零件时，可以根据系统形成的需要来选择较低功率的激光单元13A、13B、13C，例如激光单元的功率范围在1000瓦至10,000瓦之间。多激光器系统12在其结合的激光器能够比分束系统提供更为集中的功率时，可以用于以比用分束系统形成零件所需要少的时间片段(例如，十分之一)来形成较大零件。

光学单元13A、13B、13C绕它们相应的铰链轴线58A、58B、58C和旋转轴线62A、62B、62C的受控运动允许激光束轴线68A、68B、68C到达图6中最佳示出的示例的相应的可用目标区域78A、78B、78C内的任何点。目标区域78A、78B、78C与相邻的目标区域78A、78B、78C部分地重叠。目标区域78A、78B、78C被示出为不延伸过公共点70，以避免在公共点70上方与进料金属丝22相交。所示目标区域70A、70B、70C全部彼此重叠的唯一位置是在公共点70处。目标区域78A、78B、78C和区域重叠量可以通过允许光束轴线68A、68B、68C移动过公共点70而增大。当光束轴线68A、68B、68C延伸过公共点70时，控制器20可以被编程，以在激光单元的光束轴线68A、68B、68C指向公共点70上方的进料金属丝22时降低激光单元13A、13B、13C的功率或将其关闭，从而避免意外切断进料金属丝22或损伤到端头14。屏蔽件19也必须被构造成用以允许激光束的可能路径。

通过将调节机构50A、50B、50C和60致动成替选的非同轴布置，可以调节其中光束轴线68A、68B、68C与工作表面15相交的点。例如，如图7中所示，光束轴线68A可以指向公共点70，光束轴线68B可以指向公共点70之后的第二点80，并且光束轴线68C可以指向第二点80之后的第三点82，并且所有三个点70、80、82都可以在公共的焊珠线84上。

上面的尾随点布置允许交替地使用各个激光束，从而改进对金属沉积过程的控制和质量。例如，可以控制熔池的冷却速率，以通过使指向第二点80的激光单元13B以低于指向公共点70的激光单元13A的功率水平操作，并且使指向第三点82的激光单元13C以低于激光单元13B的功率水平，而实现分级冷却(graduated cooling)。可替代地，可以响应于焊珠质量传感器(未示出，例如X射线发射器/传感器)在刚铺设的焊珠中检测到缺陷，而选择性地提高尾随的激光单元13A、13C的功率以修正检测到的缺陷。焊珠质量传感器连接至控制器20，以与其进行电子通信。

在图8中所示的又另一替选的定位方案中，作为默认条件，激光单元13A、13B、13C可以被选择性地定位成都在公共点70上聚焦。响应于在刚铺设的焊珠中检测到缺陷，其中一个激光单元13C可以使其光束轴线68C指向在焊珠线84上的第二点80处的缺陷，以再次熔化缺陷处的焊珠，从而修正缺陷。

系统12可以根据下列步骤操作。用软件代码创建工件16的虚拟模型。虚拟模型可以被加载到控制器20中并存储在控制器的存储器中。用也存储在控制器的存储器中的指令对控制器20进行编程，以根据虚拟模型来构建工件16。选择进料金属丝22，以提供合适的厚度规格和与工件16设计相一致的金属类型(例如，钛、钢、铝)。将进料金属丝22加载到金属丝进给机中，其中一端穿过金属丝进给通道48、进入金属丝引导件34并且通过端头14伸出。机器人臂18将头部且更特别地是端头14定位在工作板17上的起点处。选择该起点，以使工件16将配合在工作板17上。

在构建工件16的整个过程中，工作板17可以固定在地面上并保持不动。替代地，工作板17可以连接至定位装置，例如机器人臂，以便允许工作板17相对于头部10移动。因为可以利用重力以提供将新焊珠偏压在工件16上的力，所以工件17的相对运动可以改变工件16的相邻表面之间的角度，从而允许构建更复杂形状的工件16。

工件16的构建在起点处开始。所述起点是公共点70的初始位置。激光光学单元13A、13B、13C可以使它们的光束轴线68A、68B、68C都指向公共点70。响应于来自控制器20的指令，激光器功率单元26A、26B、26C被加电，从而使金属丝22熔化，并随着头部10相对于工作板17移动而以第一焊珠开始形成工件16。

如图8中所示，并且如上所述，其中一个激光光学单元(例如，13C)可以使其光束轴线68C从公共点70转向，以重新熔化刚铺设的焊珠，从而修正可由焊珠质量传感器感测到的任何缺陷。控制器20可以调制对激光器功率单元26A、26B、26C的供电，如对于制作需求所适用的。为了实现这种调制，控制器20可以改变功率单元26A、26B、26C之间的功率分布，其中各个功率单元都接收与其它功率单元不同的功率大小，或者都接收相同的功率。因而，工件16可以至少部分地通过下列方式形成：重新定位其中一个激光光学单元13C，以将其光束轴线68C指向工件16的焊珠线84上的点80，该点80不同于在其它的激光束轴线68A、68B所指向的焊珠线84上的点70。

如图7中所示，并且如上所述，光束轴线68A、68B、68C可以都指向沿着线84的不同的点70、80、82，以实现金属的刚铺设的金属焊珠(即，层)的受管理的冷却速率，并且也修正任何检测到的缺陷。当如图7中所示地操作时，在存在相对的头部10-工作板17的方向变化时，控制器70可以选择不同的一个激光光学单元13A、13B、13C，以使其光束轴线68A、68B、68C指向公共点70。重新定位轴线68A、68B、68C的能力与腕式操纵器76旋转地重新定位头部10的能力相组合，这允许系统12使得光束轴线68A、68B和68C基本连续地沿着工作表面15上的线84定向，即使工作表面包括有更复杂的几何形状过渡(例如尖锐拐角)而需要头部10的更复杂操纵时也是如此。因而，工件16可以至少部分地通过下列方式形成：重新定位其中一个激光光学单元13C，使其光束轴线68C指向工件16的焊珠线84上的点82，该点82不同于在由其它的激光束轴线68A、68B所指向的焊珠线84上的点70、80。工件16也可以通过下列方式形成：选择性地重新定位各个激光光学单元13A、13B、13C，以使相关联的激光束轴线68A、68B、68C指向焊珠线84上的分离(即，分离开一定距离)的点70、80、82。

本文中使用的副词“基本”是指由于材料中的缺陷、机械加工、制造、数据传输、计算速度等，可能与所述的精确几何形状、距离、测量值、数量、时间等有偏差。

已经以说明性的方式描述了本公开，并且应理解，已经使用的术语旨在具有描述性词语的性质，而不是限制性的。鉴于以上教导，本公开的许多修改和变化是可能的，并且本公开可以不同于具体描述的方式实践。明确公开的多个单独的实施例是示例性的，并且无意限制实施例及其特征的组合。