用于在接合之前使用多种锚固材料和温度控制设备来进行表面覆盖的叠加制造系统和方法

摘要

一种叠加制造系统(10)包括：叠加制造工具(18)，该叠加制造工具被配置成将多个液滴(20)供应到部件(12)；温度控制设备(30)，该温度控制设备被配置成控制部件(12)的温度；以及控制器(30)，该控制器被配置成独立于通过温度控制设备(30)对该部件(142)的温度控制，控制多个液滴(20)中的每个液滴(20)的成分、形成和对部件(12)的施加。多个液滴(20)被配置成构建部件(12)。多个液滴(20)中的每个液滴(20)包括至少一种金属锚固材料。

说明书

本申请为申请日为2014年7月15日、国际申请号为PCT/US2014/046769、国家申请号为201480050790.2、发明名称为“用于在接合之前使用多种锚固材料和温度控制设备来进行表面覆盖的叠加制造系统和方法”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

此申请要求2013年7月16日提交的标题为“用于接合和表面覆盖的叠加制造系统”的美国临时申请序号61/846,935的优先权和权益，该申请的全部内容为了所有目的以引用的方式并入本文。

背景技术

本发明总体上涉及叠加制造，并且更具体来说，涉及用于接合不同材料并且用于形成表面覆盖的叠加制造锚。

各种制成品可以包含具有不同材料的部件。可以理解的是，制成品的不同材料可以通过紧固件、配合的几何形状、焊接或者其他工艺来接合在一起。紧固件或互补几何形状可能给接合处增加部件或重量。来自将部件焊接在一起的热量输入可能形成热影响区(HAZ)，该热影响区影响接合处的性质，诸如强度或疲劳寿命。将不相容的基础材料混合到焊接中可能会形成不良的相结构或金属间结构。直接制造(DM)工艺可以在真空腔中通过电子束构建材料。然而，真空腔和电子束可能降低DM工艺对于一些产品的可用性。

发明内容

以下阐述根据最初要求的发明的某些方面。应理解，这些方面是仅呈现以便为读者提供形成本发明可能采用的某些形式的简要概述并且这些方面并不旨在限制本发明的范围。事实上，本发明可以涵盖以下可能未阐述的各种方面。

在一个实施例中，一种叠加制造系统包括：叠加制造工具，该叠加制造工具被配置成将多个液滴供应到部件；温度控制设备，该温度控制设备被配置成控制该部件的温度；以及控制器，该控制器被配置成独立于通过温度控制设备对该部件的温度控制，控制多个液滴中的每个液滴的成分、形成和对该部件的施加。多个液滴被配置成构建该部件。多个液滴中的每个液滴包括至少一种金属锚固材料。

在另一个实施例中，一种叠加地形成部件的方法包括通过联接到该部件的温度控制设备来控制部件的温度以及形成多个液滴，其中多个液滴中的每个液滴包括多种金属锚固材料中的至少一种。方法还包括至少部分地基于用于该部件的预定指令组来确定对于多个液滴中的每个液滴而言在该部件上的期望沉积位置以及将多个液滴中的每个液滴沉积到所述部件的各自期望沉积位置处。

在另一个实施例中，一种叠加制造系统包括一个或多个馈送器、叠加制造工具、温度控制设备和控制器。一个或多个馈送器被配置成将多种金属锚固材料供应到叠加制造工具，该叠加制造工具被配置成通过多个微沉积来构建部件。叠加制造工具被配置成从各自液滴形成多个微沉积中的每个微沉积，并且各自液滴包括多种金属锚固材料中的一种或多种金属锚固材料。温度控制设备包括加热元件并且被配置成加热该部件。控制器被配置成独立地控制温度控制设备和多个微沉积中的每个微沉积的各自液滴的成分。

附图说明

本发明的这些和其他特征、方面和优点将在参照附图阅读以下详细描述时变得更好理解，附图中相同字符在所有图中代表相同部件，其中：

图1是叠加制造系统和部件的实施例的图；

图2是叠加制造系统和部件的实施例的图；

图3是具有集成的工具头的叠加制造系统的实施例的图；

图4是由图1的叠加制造系统形成的不同材料之间的接合处的实施例的图；

图5是示出由图1的叠加制造系统形成的接合处的示例性材料成分的图表；

图6是由图1的叠加制造系统形成的不同材料之间的接合处的实施例的横截面；

图7是由图1的叠加制造系统形成的不同材料之间的接合处的实施例的横截面；

图8是由图1的叠加制造系统形成的不同材料之间的接合处的实施例的横截面；

图9是用于叠加地形成部件的方法的实施例的流程图；以及

图10是叠加制造系统和部件的实施例的图。

具体实施方式

以下将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中可能未描述实际实施方式的所有特征。应了解，在任何这些实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出若干实施方式专用决定以实现开发者的具体目标，诸如符合系统相关和商业相关的约束，这些目标可能在各实施方式之间不同。此外，应了解，这些开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本发明的普通技术人员而言将仍然是设计、生产和制造的例行任务。

转向图1，叠加制造系统10的实施例从一种或多种锚固材料22形成(例如，印刷、构建)部件12。叠加形成的部件12可以是第一工件14、第二工件16或者第一工件14与第二工件16之间的接合处或者其任何组合。在一些实施例中，第一工件14和第二工件16可以具有不同的材料，所述材料具有显著不同的物理性质。例如，在一个实施例中，第一工件14可以是铝并且第二工件16可以是钢。叠加制造工具18沉积多个液滴20以形成(例如，印刷、构建)一种或多种锚固材料22的部件12。在一些实施例中，叠加制造工具18将液滴20沉积在第一工件14与第二工件16之间。如以下更详细描述，叠加制造工具18可以使用一种或多种类型的能量来形成和沉积液滴20从而形成部件12。叠加制造工具18所使用的一种或多种类型的能量可以包括但不限于电功率输出、光子能量(例如，激光)或者其任何组合。在部件12为第一工件14与第二工件16之间的接合处的情况下，叠加制造工具18使用能量经由部件12将第一工件14与第二工件16接合在一起。

叠加制造工具18加热来自馈送器24的一种或多种锚固材料22以形成具有期望成分的液滴20。在一些实施例中，叠加制造工具18的混合器31被配置成接收并混合来自馈送器24的一种或多种锚固材料22。例如，混合器31可以将多种锚固材料22组合成具有锚固材料22的期望组合的电极32。在一些实施例中，混合器31可以形成多种锚固材料22的粉末混合物。电极32和/或粉末混合物可以被形成为液滴20。一种或多种锚固材料22是金属材料，其包括但不限于铝合金、钢合金、铝、铁、铜、锰、硅、镁、锌、铬、钛、钼和镍。如本文所论述，液滴20是材料转移的单位。每个液滴20在固化时可以变成“微沉积”，并且部件12由多个微沉积21形成。图2示出将锚固材料22(例如，电极32)引导至微沉积21的熔池23中从而形成部件12的叠加制造工具18的实施例。锚固材料22在插入到熔池23中时可以处于适当的环境温度或预加热的温度下。锚固材料22的部分25(例如，球)由熔池23熔融，由此形成部件12的微沉积21而不会形成限定的液滴20。例如，锚固材料22的预加热的部分25可以接合熔池23，由此通过热丝焊接工艺形成部件12的微沉积21。如可以了解，熔池23可以是尚未固化的部件12的新近形成的区。施加到熔池23用于熔融部分25的能量包括但不限于电阻加热、光子(激光)能量或感应加热。

返回到图1，一种或多种锚固材料22可以包括但不限于粉末、实心焊丝、药芯焊丝、管状焊丝或涂层焊丝或者其任何组合。在一些实施例中，第一锚固材料26可以大体上是第一工件14的材料，并且第二锚固材料28可以大体上是第二工件16的材料。换言之，第一锚固材料26和第二锚固材料28可以具有大体上与各自第一工件14和第二工件16类似或者相容的化学成分。例如，第一锚固材料26相对于第一工件14的材料可以仅具有较小差异(例如，元素成分仅相差成分百分比的甚小部分、来自相同合金族的不同合金)。在一些实施例中，锚固材料22可以包括但不限于具有比第一工件14和/或第二工件16的材料低的熔融温度的钎焊或软钎焊材料。具有比第一工件14或第二工件16低的熔融温度的锚固材料22可以使得在施加一种或多种锚固材料22时与第一材料14或第二材料16相邻的微沉积21的层不会熔融。叠加制造系统10的一些实施例可以包括多于两种锚固材料22，诸如3、4、5、6、7、8、9、10或更多种锚固材料22。例如，可以将第三种锚固材料29供应到叠加制造工具18。第三种锚固材料29可以具有大体上与第一工件14的材料或第二工件16的材料类似的化学成分。额外地或可替代地，第三种锚固材料29可以具有作为在第一锚固材料26与第二锚固材料28之间提供期望性质(例如，黏合、增加或减少的流动性)的合金材料的化学成分，和/或第三种锚固材料29的化学成分可以将期望性质(例如，强度、硬度、电防腐)提供给部件12。

叠加制造系统10的控制器30控制液滴20的施加以从微沉积21形成部件(例如，锚)12。在具有有线锚固材料22的一些实施例中，控制器30通过调整供应到叠加制造工具18的混合器31的并由此形成电极32的一种或多种锚固材料22的相对量来控制施加到部件12的液滴20的成分。例如，在第一锚固材料26大体上与第一工件的材料类似或相容的情况下，控制器30可以增加电极32中的第一锚固材料26的相对比例以在第一工件14附近形成(例如，印刷)部件12的部分。如本文所论述，每个液滴20的成分是基于构成各自液滴20的一种或多种锚固材料22。液滴20至少部分地是液体(例如，熔融的)。在一些实施例中，液滴20可以是封装相同或不同的锚固材料22的固体元件的液体锚固材料22。例如，叠加制造工具18可以至少部分地仅熔融液滴20的外层。

叠加制造工具18可以通过混合器31将多种锚固材料22混合(例如，熔融、烧结、压紧)成具有混合成分的电极32。控制器30可以控制叠加制造工具18以从混合电极32形成具有混合成分的液滴20。控制器30可以通过改变混合电极32中的一种或多种锚固材料22的比例来调整部件(例如，锚)12的成分。在一些实施例中，叠加制造工具18将一种或多种锚固材料22中的每一种作为单独的电极32供应，叠加制造工具18分别将所述单独的电极形成为液滴20。例如，控制器30可以控制叠加制造工具18以从多个电极32中的每一个形成具有不同的各自成分的单独液滴20。控制器30可以通过改变作为液滴20施加到部件12的一种或多种锚固材料22的比例来调整部件12的成分。

在一些实施例中，控制器30联接到多个叠加制造工具18，每个叠加制造工具18通过各自电极供应单独的锚固材料22。控制器30可以控制多个叠加制造工具18中的每一个，以便通过改变由每个叠加制造工具18作为液滴20供应的锚固材料22的比例来调整部件12的成分。如图3中所示，可以将多个焊丝传递系统(例如，馈送器24)与制造工具的集成的工具头33组合以将多种锚固材料22以行或网格来供应。集成的工具头33可以增加锚固材料22的沉积速率以形成(例如，印刷、构建)部件12。叠加制造工具18的集成的工具头33可以具有多个混合器31以接收锚固材料并将其处理为电极32和/或粉末流。控制器30可以控制每个混合器31，以使得每个电极32和/或粉末流具有相同的成分。在一些实施例中，控制器30控制一个或多个混合器31，以使得各自电极32或者粉末流具有与来自另一个混合器31的电极32或粉末流不同的成分。集成的工具头33可以使得叠加制造工具18能够大约同时形成部件的多个层35，由此通过减少叠加制造工具18用来形成部件12的通过量来实现减少用于部件12的制造时间。大体上由固化的微沉积21形成的部件12的第一层37以网格39示出。形成在第一层37与第三层43之间的部件12的第二层41的微沉积21可以比第一层37的微沉积21较少固化，但是足够固化以支撑第三层43的沉积液滴20并与其粘合。控制器30控制液滴20的沉积速率和叠加制造工具18形成层35的速率以使得每个层能够与先前形成的层35粘合。例如，控制器30可以在叠加制造工具18构建部件12时降低沉积速率或层形成速率。

再次返回到图1，控制器30控制电源34以调整提供给叠加制造工具18的功率输出(例如，电流输出、电压输出、光子能量)以便将一种或多种锚固材料22熔融为液滴20。如可以了解，电源34可以包括但不限于发动机驱动的发电机、焊接电源、逆变器、激光器或者其任何组合。控制器30可以控制电源34以将DC或AC功率输出以受控波形提供给电极32，类似于脉冲焊接工艺或短路焊接工艺(例如，调节金属沉积(RMDTM))。在一些实施例中，控制器30控制电源34以将功率输出通过叠加制造工具18提供给电极32以实现改进的短路焊接工艺(例如，受控的短路)以形成部件12。另外，控制器30通过控制叠加制造工具18在受控的短路焊接工艺期间伸展和收缩一个或多个电极32来促进部件12的形成。提供给叠加制造工具18的功率输出将电极32熔融为液滴20，液滴通过电弧沉积到部件12作为微沉积21。也就是说，在一些实施例中，电极32是焊丝，叠加制造工具18是配置成用于脉冲焊接工艺或短路焊接工艺的焊炬，并且馈送器24是焊丝馈送器。焊炬可以通过电弧来将微沉积21分层，由此通过脉冲焊接工艺和/或短路焊接工艺(例如，RMD)从焊丝形成(例如，构建、印刷)部件12。如可以了解，叠加制造系统10的一些实施例可以包括配置成将一种或多种保护气体提供给叠加制造工具18的气体供应45。一种或多种保护气体可以包括但不限于氩气、二氧化碳、氦气、氮气、氢气或者其任何组合。

如以上所论述，控制器30可以控制用于使用电弧和/或光子能量来加热电极32的工艺的功率输出。控制器30可以通过控制电源34来控制液滴20被施加到部件12的速率。在一些实施例中，控制器30控制加热设备36(例如，感应线圈、电阻加热器)来预加热电极32。因此，控制器30可以控制施加到电极32以形成液滴20的热量。额外地或可替代地，加热设备36、42、44可以分别实现电极32、第一工件14和/或第二工件16的预加热或后加热。对电极32进行预加热可以减少施加到第一工件14和第二工件16的热量，由此减少热影响区的形成。

作为微沉积21添加到部件12的液滴20影响提供到第一工件14和第二工件16的热量。如本文所论述，微沉积21的形成可以包括但不限于加热锚固材料22(例如，电极32)以形成液滴20以及冷却部件12中的微沉积21。如可以了解，液滴20的热量和微沉积的冷却速率可以影响由各自液滴20形成的微沉积21的微结构，由此影响部件12的性质。例如，在第一位置38处的部件12的微沉积21的微结构可以与在第二位置40处的微沉积21的微结构不同。另外，如本文所论述，每个液滴20到部件12的施加可以包括但不限于液滴20到部件12的施加速率和每个微沉积21在部件12上的施加位置。控制器30可以控制液滴20的温度、每个液滴20的施加(例如，沉积)速率和施加位置以控制施加到工件14、16的热量。例如，控制器30可以减少可能影响接近部件12的工件14、16的微结构和性质(例如，强度，疲劳寿命)的热影响区(HAZ)的诱因。部件12中的液滴20的温度、沉积速率和施加位置影响提供到第一工件14和第二工件16的热量。例如，2000℃的电弧与1200℃的电弧相比而言将提供更多热量到部件12。如可以了解，液滴20的高沉积速率(例如，60Hz)与液滴20的相对较低沉积速率(例如，30Hz)相比而言可以将较少热量提供到部件12。此外，在第一工件14上的第一位置38处施加的液滴20与在第一工件14上的第二位置40处施加的液滴20相比而言将较多热量提供到第一工件14。在一些实施例中，控制器30控制加热设备36以影响部件12中的微沉积21的施加温度，从而影响提供到第一工件14和第二工件16的热量。控制器30可以控制馈送器24和/或混合器31以控制施加速率，并且控制器30可以控制电源34以控制作为部件12中的微沉积的液滴20的施加速率和施加温度。在一些实施例中，联接到叠加制造工具18的机器人系统56可以通过经由一个或多个伺服电机57将叠加制造工具18沿坐标轴系48移动来控制液滴20的施加位置。

以与控制施加到工件14、16的热量类似的方式，控制器30可以控制液滴20的温度、每个液滴20的施加速率和施加位置以控制施加到先前施加的微沉积21的热量。例如，液滴20的施加速率和温度可以影响先前施加的微沉积21的冷却速率和微结构。控制器30可以控制液滴20的施加速率和温度以实现用以形成部件12的每个微沉积21的期望微结构。因此，控制器可以控制部件12的微沉积21的成分和/或微结构。

在一些实施例中，第一加热设备42可以加热部件12附近的第一工件14，和/或第二加热设备44可以加热部件12(例如，接合处)附近的第二工件16。第一加热设备42和第二加热设备44可以包括但不限于感应线圈、电阻加热器、火焰等。第一加热设备42和第二加热设备44可以与各自第一工件14和第二工件16的一个或多个表面交界。例如，第一加热设备42可以围绕第一工件14延伸。控制器30可以控制第一加热设备42和/或第二加热设备44以预加热部件12附近的各自工件14、16。如可以了解，预加热工件14、16可以影响与来自叠加制造工具18的微沉积21的黏合。例如，增加第一工件14的温度可以增加在第一位置38处的微沉积21的黏合。在一些实施例中，控制器30独立地控制第一加热设备42和第二加热设备44，由此使得第一工件14能够被预加热到与第二工件16不同的温度。

如先前所论述，第一工件14可以与第二工件16不同。例如，第一工件14可以是铝，并且第二工件16可以是钢。在一些实施例中，第一工件14和第二工件16可以是具有相同基本金属(例如，铝、钛、铁、镀锌涂层材料、高强度钢)的相同或不同成分。例如，第一工件14可以是镍涂层钢，并且第二工件16可以是相对高碳钢。第一工件14可以具有与第二工件16不同的性质和/或结构。例如，在其他性质中，第一工件14与第二工件16的熔融温度、导热性和强度可以不同。额外地或可替代地，第一工件14和第二工件16可以具有不同的对热敏感度。例如，第一工件14可以在第二工件16的熔融温度下被退火。因此，将第一工件16退火(例如，通过将其加热到第二工件16的熔融温度)可能影响第一工件16的性质(例如，强度、疲劳寿命)。

如可以了解，本文可以将金属的热影响区(HAZ)定义为其中金属的性质和/或微结构已经受到热量影响的金属的区域。在一些实施例中，控制器30可以独立地控制施加到电极32的热量、施加到第一工件14(例如，通过第一加热设备42)的热量和施加到第二工件16(例如，通过第二加热设备44)的热量。通过对施加到这些部件的热量的独立控制，叠加制造系统10可以减少第一工件14和/或第二工件16的HAZ。例如，如果第一工件14是铝并且第二工件16是具有比第一工件14高的熔融温度的钢，则控制器30可以控制叠加制造工具18，以便以比第一工件14(例如，铝)附近的液滴20多的热量和/或以比其高的速率将液滴20施加在第二工件16(例如，钢)附近。

在叠加制造工具18在第一工件14与第二工件16之间移动时，控制器30可以控制施加以通过微沉积21构建部件12的每个液滴20的成分和形成。以此方式，叠加制造工具10可以控制部件12的成分和结构(例如，微沉积21的空间分布)以使其具有一套期望的性质，同时控制第一工件14和/或第二工件16的HAZ。传感器46可以测量电极32、第一工件14和/或第二工件16的温度和冷却速率。来自传感器46的反馈可以被存储作为电极32、第一工件14和/或第二工件16的温度历史。控制器30可以使用此温度历史来控制部件12的成分和结构。在一些实施例中，传感器46可以测量叠加制造工具18、第一工件14和第二工件16相对于该套坐标轴系48的位置。控制器30可以至少部分地基于距第一工件14和/或第二工件16的相对距离来控制液滴20到部件12的施加。例如，在一些应用中，部件12可以被形成为具有第一锚固材料26和第二锚固材料28的梯度成分，从而使得与第一工件14相邻的部件12的成分与第一工件14相容(例如，形成强粘合)，并且与第二工件16相邻的部件12的成分与第二工件16相容(例如，形成强粘合)。

控制器30可以至少部分地基于部件12中的施加位置来独立地控制每个微沉积21的热循环、峰值温度和冷却速率。控制器30可以根据由处理器49执行的指令(例如，代码)组来独立地控制用于该施加位置的每个液滴20的成分和形成。处理器49可以至少部分地基于工件14、16和锚固材料22来从存储器50加载指令组。在一些实施例中，操作者(例如，主机计算机)可以将指令组通过操作者界面52直接提供给控制器30。例如，操作者可以从由三维3DCAD工具产生的锚的三维模型(例如，计算机辅助设计(CAD)模型)加载用于形成部件12的指令组。在一些实施例中，控制器30可以接收和/或产生指令组以用锚固材料22的期望成分来生产部件12。例如，控制器30可以使用部件12的3D CAD模型来控制机器人系统56用锚固材料22生产部件12。额外地或可替代地，操作者可以将关于工件14、16和锚固材料22的信息输入到操作者界面52中，并且控制器30可以确定和/或修改指令组以形成具有期望特征的部件12。指令组引导控制器30控制作为微沉积21的每个液滴20的成分、形成和施加以形成具有期望特征的部件12。

控制器30可以使用来自传感器46的输入以单独地控制作为微沉积21施加到部件12的每个液滴20。在一些实施例中，控制器30可以至少部分地基于来自传感器46的输入来修改指令组，以补偿对第一工件14、第二工件16或部件12的改变。例如，如果来自传感器46的输入指示第一工件14与第二工件16之间的接合处的配合的改变，则控制器30可以在部件12的形成期间修改液滴20的施加位置和/或加热。额外地或可替代地，如果来自传感器46的输入指示第一工件14和/或第二工件16的偏转或焊穿，则控制器30可以修改液滴的施加和/或加热。如果来自传感器46的输入指示第一工件14和/或第二工件16的偏转或不合格通过，则控制器30可以在部件12的形成期间修改第一工件14的温度和/或第二工件16的温度(例如，通过加热设备42、44)。

叠加制造系统10可以通过叠加制造工具18的手动或自动移动在第一工件14与第二工件16之间构建部件12。在一些实施例中，液滴20可以通过电弧(例如，喷射)来沉积，如图1中所示。在一些实施例中，如图2中所示，电极32接触工件和/或部件12，并且叠加制造工具18通过短路施加各自的微沉积21。在一些实施例中，操作者通过致动触发器54来开始或重新开始构建部件12。控制器30通过传感器46确定叠加制造工具18相对于工件14、16的位置，并且控制器30在根据指令组来形成所需成分的液滴20之前确定微沉积21的施加位置。在一些实施例中，机器人系统56控制叠加制造工具18沿坐标轴系48的移动，诸如通过伺服电机57。控制器30可以通过指令组来控制机器人系统56移动叠加制造工具18，以便基于指令组将受控液滴20作为微沉积21施加到部件12中的各自位置。机器人系统56由此使得控制器30能够自动地形成具有期望成分和几何形状的部件12。在一些实施例中，机器人系统56可以从与工件14、16分开的一种或多种锚固材料22形成(例如，印刷，构建)部件12。所形成的部件12稍后可以与工件14、16接合在一起。

图4示出可以由以上描述的叠加制造系统10形成的接合处60的实施例。接合处60具有将第一工件14连接到第二工件16的多个层62。在一些实施例中，每个层62的材料可以与相邻层62不同。例如，图4的接合处60的实施例具有在第一工件14与第二工件16之间的七个层(例如，层62a、62b、62c、62d、62e、62f、62g)。第一层62a可以是比第二层62b与第一工件14更相容的材料，或者是不会熔融第一工件14的软钎焊或钎焊填料。第七层62g可以是比第六层62f与第二工件16更相容的材料，或者是不会熔融第二工件16的软钎焊或钎焊填料。如果第一工件14是铝并且第二工件16是钢合金，则层62在第一方向64上可以具有逐渐减少的铝或“铝友好”材料，并且层在第二方向66上可以具有逐渐减少的钢或“钢友好”材料。如可以了解，“友好”锚固材料22可以是大体上与基本材料相同的材料和/或形成由操作者基于接合处确定的期望强度的粘合的材料。额外地或可替代地，具有至少部分地基于各自第一工件14和第二工件16的成分和微结构的具体成分和结构的几个层可以从第一工件14过渡到第二工件16。在一些实施例中，接合处60可以由不同成分的少于七个层62(例如，1、2、3、4、5或6个层)形成，或者由不同成分的多于七个层62(例如，8、9、10、15、20或50或更多个层)形成。

在一些实施例中，第一工件14和/或第二工件16可以具有涂层68，诸如防腐蚀涂层(例如，锌)、耐磨涂层等。控制器30可以控制层62的成分和施加，以使得接合处60不会移除或显著影响接近接合处60的工件的涂层68。例如，如果第二工件16是具有锌涂层68的镀锌钢，则第七层62g可以具有锌或者“锌友好”材料(例如，硅青铜)作为锚固材料，并且用于第七层62g的液滴20可以在不会显著移除、熔融或影响锌涂层68的耐腐蚀性的情况下被施加。

在层62的施加期间，叠加制造系统10可以独立地控制对工件和接合处60的热量施加，以减少来自每个层62的熔融和/或HAZ，如以上所论述。在一些实施例中，控制器30可以控制叠加制造系统10，以使得内部层(例如，层62b、62c、62d、62e和62f)的施加不会在第一工件14和/或第二工件16中显著产生HAZ。也就是说，仅第一层62a可以加热并且至少部分地与第一工件14融合或粘合，和/或仅第七层62g可以加热并且至少部分地与第二工件16融合或粘合。额外地或可替代地，控制器30可以控制液滴20在工件14、16中的渗透。

在一些实施例中，叠加制造系统10可以调整施加以构建接合处60的层62的几何形状和成分。例如，第一工件14的第一末端70可以具有第一宽度72，并且第二工件16的第二末端74可以具有与第一宽度72不同的第二宽度76。控制器30可以将液滴20作为微沉积21施加以形成具有在第一宽度72与第二宽度76之间的宽度的层62。如可以了解，控制器30可以将接合处60形成为提供期望强度水平的几何形状。例如，接合处60的弯曲几何形状(例如，圆角)或锥形几何形状(如图所示)相对于垂直接合处几何形状60而言可以减少接合处60中的应力。

图5示出第一工件14与第二工件16之间的示例性接合处成分的图表80。控制器30可以控制形成接合处60的每个微沉积21的成分，由此控制接合处60的性质(例如，与工件的黏合、强度、耐腐蚀性)。如以上所论述，在一些实施例中，控制器30可以通过混合电极32控制每个液滴20的成分。混合电极32可以由一种或多种锚固材料22形成。每个液滴的成分可以通过控制混合电极32的成分来控制。也就是说，液滴20可以由一种或多种锚固材料22形成。额外地或可替代地，控制器30通过从一个或多个电极32形成不同的液滴来控制每个液滴20的成分，其中一个或多个电极32中的每一个可以是不同的锚固材料22。控制器30可以通过控制来自每个电极32的施加到接合处60的液滴20的比例来选择性地控制接合处60的成分。也就是说，每个液滴20可以是不同的锚固材料22，并且接合处60由期望比例的不同锚固材料22的不同微沉积21形成。图表80所示的实施例展示相对于从第一工件14的第一末端70到第二工件16的第二末端74的距离84而言接合处60的百分比成分82。图表80的接合处60具有三种锚固材料22：第一锚固材料26、第二锚固材料28和第三锚固材料29。接合处60的一些实施例可以具有多于或少于三种锚固材料22。

控制器30控制作为微沉积21施加到接合处60的每个液滴20的成分和/或位置。在第一末端70处，接合处60与第一工件14(例如，第一锚固材料26)大体上相容。在一些实施例中，在第一末端70处的接合处60的材料与第一工件14的材料大体上相同。随着距离84朝向第二工件16的第二末端74增加，接合处60中的第一锚固材料26的百分比减少，并且第二锚固材料28(例如，第二工件16)的百分比增加。在一些实施例中，接合处60中的第一锚固材料26的百分比与距第一末端70的距离84成反比关系，并且接合处60中的第二锚固材料28的百分比与距第一末端70的距离84成正比关系。在一些实施例中，第二末端74处的接合处60的材料与第二工件16的材料大体上相同。接合处60中的锚固材料22相对于距第一末端70的距离84的关系可以包括但不限于线性、指数、对数或者其任何组合。在一些实施例中，接合处60中的第一锚固材料26的百分比可以与接合处60的中间部分88处的第二锚固材料28的百分比近似相等。然而，接合处60的其他实施例在整个接合处60内可以具有第一锚固材料26与第二锚固材料28的不同相对百分比。在一些实施例中，接合处60中的第三锚固材料29的百分比在接近第一工件14处可以大于接近第二工件16处。例如，第三锚固材料29可以影响具有大部分第一锚固材料26的层62中的第一锚固材料26和第二锚固材料28的黏合或其他性质。在一些实施例中，第三锚固材料29相对于第二锚固材料28而言与第一锚固材料26更相容。如可以了解，叠加制造系统10可以形成具有锚固材料22的各种不同成分的第一工件14与第二工件16之间的接合处60的每个层62。

虽然图5示出第一工件14的第一末端70与第二工件16的第二末端74之间的接合处60的成分的相对缓慢变化，但是接合处60的一些实施例可以包括成分的阶梯过渡。用于接合处60的过渡可以至少部分地基于所得材料性质(例如，强度、热膨胀)和/或经济因素(例如，材料成本、制造时间、制造成本)来选择。例如，与第一末端70相邻的层可以主要是第一材料26，与第二末端74相邻的层可以主要是第二材料28，并且第一末端与第二末端74之间的一个或多个层可以主要是第三材料29。

图6示出第一工件14与第二工件16之间的接合处100的实施例。在一些实施例中，作为以上参照图2所描述的层62的替代或添加，叠加制造系统10可以形成具有区域102的接合处100，该区域具有锚固材料22的不同成分。叠加制造系统10可以确定每个区域102的成分和几何形状以给接合处100提供一组期望的性质。例如，变化的横截面几何形状的非线性区域102与具有多个线性层62的接合处60相比而言可以更耐接合处100上的剪切应力。

在一些实施例中，如果工件14、16具有不同的电位，则将第一工件14连接到第二工件16可能增加腐蚀电位。叠加制造系统10可以沉积锚固材料22以提供电防腐，由此减少第一工件14和/或第二工件16的腐蚀。例如，叠加制造系统10可以在接合处100中形成牺牲阳极104。在一些实施例中，牺牲阳极104可以是第一锚固材料26、第二锚固材料28或者第三锚固材料29。牺牲阳极104的锚固材料可以是与接合处100的剩余部分不同的锚固材料。如可以了解，形成在接合处100中的牺牲阳极104可以对第一工件14和/或第二工件16和/或接合处100的结构负载支承部分提供腐蚀保护。

图7示出第一工件14与第二工件16之间的接合处105(例如，搭接处)中的部件12的实施例。第一工件14可以具有第一凹槽106，并且第二工件16的第二凹槽107(例如，孔)可以定位在第一凹槽106附近。第一凹槽106和第二凹槽107可以具有相同形状或者可以不具有相同形状。例如，第一凹槽106可以是第一材料14的顶表面108中的通道，并且第二凹槽107可以是穿过第二材料16的孔。在一些实施例中，第一工件14可以不具有第一凹槽106，并且仅第二材料16具有第二凹槽107。叠加制造系统10可以通过将微沉积21分层以便在由箭头109所示的方向上穿过第二材料16构建(例如，印刷)一种或多种锚固材料22来形成部件12(例如，印刷紧固件)。在一些实施例中，部件12具有类似于图4的接合处60的分层结构，或者部件12具有类似于图6的接合处100的非线性结构。此外，部件12可以由一种锚固材料22形成(例如，印刷)，诸如与第一工件14的材料(例如，铝合金)相同或者与其相容的锚固材料(例如，铝)。

图8示出第一工件14与第二工件16之间的部件12的实施例的横截面图。在一些实施例中，部件12可以是第一工件14与第二工件16之间的搭接处105、T型接合处、对接接合处、角接合处或者边缘接合处。在一些实施例中，部件12是联接(例如，融合)到第二工件16的第二凹槽107(例如，槽、孔)内的第一工件14的插头。叠加制造系统10可以通过在第一工件14上和第二工件16的第二凹槽107内将微沉积21分层来形成部件12，其中用于部件12的锚固材料22大体上是第一工件14的材料和/或与第一工件14“友好”的锚固材料。例如，叠加制造系统10可以在铝第一工件14上和钢第二工件16的第二凹槽107内叠加地形成(例如，构建、印刷)铝部件12。部件12可以通过叠加制造工具18与第一工件14整体地形成(例如，焊接、融合或熔融)，但是不与第二工件16焊接、融合或熔融。部件12可以被构建(例如，印刷、叠加地制造)到第一工件14以形成与第二工件16交界的配合几何形状。也就是说，部件12可以仅与第二工件16的第二凹槽107的至少一部分交界，而非与第二凹槽107的一部分融合。部件12的叠加材料22可以不渗透第二工件16的表面。以此方式，部件12可以在不会熔融第二凹槽107的第二工件16的情况下将第一工件14接合到第二工件16，由此减少用来将第一工件14接合到第二工件16的能量。因此，部件12可以如由箭头113所示横跨接合处105抵抗第一工件14与第二工件16之间的剪切力。在一些实施例中，叠加制造系统10可以在部件12上形成保持第一工件14与第二工件16之间的交界的凸缘111。凸缘111可以是抵抗第一工件14与第二工件16之间的分开力(例如，箭头115)的盖。

在一些实施例中，叠加制造工具18可以形成(例如，构建、印刷)部件以在涂层部件之间形成接合处。例如，第二工件16(例如，钢)的接合处部分(例如，末端部分)可以被涂布、钎焊和/或包覆第一工件14(例如，铝)。在一些实施例中，叠加制造工具18可以在第二工件16上叠加地形成第一工件14的涂层。叠加制造工具18可以通过将叠加锚固材料22整体地形成(例如，印刷、焊接、熔融、融合)到第一工件14的涂层来构建部件12。在一些实施例中，叠加制造工具18将部件12与第一工件14的涂层并且与和涂层相同的材料的另一个部件整体地形成。例如，叠加制造工具18可以用来在涂有铝的钢工件上形成铝锚，其中铝锚与铝部件融合。在一些实施例中，叠加制造工具18将部件与工件(例如，第一工件14)的涂层整体地形成，其中印刷部件12与和涂层不同的材料的另一个工件(例如，第二工件16)交界(例如，配合)，如图8中的部件12。例如，叠加制造工具18可以用来在涂有铝的钢部件上形成铝部件(例如，紧固件)，其中铝部件与钢部件的凹槽(例如，孔)交界。如可以了解，铝与钢相比而言在较低温度下熔融。因此，在涂有铝的钢上形成铝部件使得能够在涂有铝的钢部件与另一个部件(例如，钢、铝等)之间形成接合处，而不会熔融接合处的钢。将部件12与涂层整体地形成可以减少用来接合不同材料的能量。

图9示出用于叠加制造系统10形成部件12的方法110的实施例，其中部件12是第一工件14与第二工件16之间的接合处(例如，锚)。工件14、16首先被装配(方框112)以用于接合处。操作者可以将部件信息输入(方框114)到叠加制造系统10中，诸如通过操作者界面52。例如，操作者可以输入第一工件14的材料、第二工件16的材料、可用锚固材料22、接合处的类型(例如，对接、搭接、T型、边缘、角)以及接合处几何形状中的一个或多个。控制器30至少部分地基于所提供的部件信息来加载(方框116)用于部件12(例如，接合处)的指令。在一些实施例中，指令可以是由离线编程工具产生的机器人指令。所述指令可以至少部分地基于由CAD工具产生的部件12的3D模型。控制器30可以使用机器人系统56来形成部件12。

控制器30控制每个液滴20的形成和施加以通过微沉积21形成工件14与16之间的部件(例如，接合处)。在沉积每个液滴20之前，控制器30确定(方框118)作为微沉积21的液滴20的沉积位置。沉积位置可以直接在工件上和/或在先前的微沉积21上。控制器30选择(方框120)用来形成液滴20的一种或多种锚固材料22。如以上描述，可以至少部分地基于加载的指令将一种或多种锚固材料22提供给叠加制造工具18作为线材或粉末形式的一个或多个电极32。在一些实施例中，叠加制造工具18可以将多种锚固材料22混合(例如，熔融、烧结、压紧)成混合电极32或混合粉末，所述混合电极32或混合粉末被形成为液滴20。在一些实施例中，叠加制造工具18可以具有不同锚固材料22的多个电极32。控制器30至少部分地基于加载的指令来选择(方框120)哪个电极32形成液滴20。控制器30可以引导叠加制造工具18加热电极32以形成液滴20，并且控制(方框122)有待施加以形成部件12的液滴20的加热。控制器30通过控制供应到用于电弧的电极32的功率输出来控制液滴20的加热。在一些实施例中，控制器30控制电极32的预加热，诸如通过叠加制造工具18中或周围的感应加热器、电阻加热器和/或激光器。

控制器30可以独立于控制(方框122)锚固材料22的加热来控制(方框124)工件的加热。可以控制第一工件14和/或第二工件16上的加热设备42、44以预加热接近部件(例如，接合处)的各自材料14、16。当工件处于期望温度下时，控制器30控制叠加制造系统10以将具有所需成分的液滴20施加(方框126)在所确定的沉积位置处。在液滴20被沉积为微沉积21之后，控制器30可以接收并评估(方框128)关于叠加制造系统10的部件的传感器输入。例如，控制器30可以确定各自温度历史和/或工件和部件距传感器46的相对位置。至少部分地基于传感器输入，控制器30可以修改(方框130)指令组以适应工件和/或部件的位置改变(诸如由于热效应导致)。在一些实施例中，控制器30可以增加用来形成部件的液滴20的沉积速率以减少输入到工件14、16的热量。控制器30或操作者可以移动(方框132)叠加制造工具18，并且重复方框118-128直到完成部件(例如，接合处)。

虽然以上描述的实施例中的一些使用叠加制造系统10以通过一种或多种锚固材料22在具有第一材料的第一工件14与具有第二材料的第二工件16之间形成接合处，但是将了解，叠加制造系统10可以从第一锚固材料构建第一工件和/或可以从第二锚固材料构建第二工件。也就是说，叠加制造系统10可以通过一种或多种锚固材料22来构建(例如，印刷)部件(诸如工件)，而不用同时形成接合处。例如，叠加制造系统10可以在第一直接制造(DM)工艺中构建第一工件14，在第二DM工艺中构建第二工件16，并且在第三DM工艺中在第一工件14与第二工件16之间构建部件(例如，接合处)。第一、第二和第三DM工艺可以在相同或不同的工作地点处形成。例如，叠加制造系统10可以在第一工作地点处构建第一工件14，叠加制造系统10可以在第二工作地点处构建第二工件16，并且叠加制造系统10可以在另一个第三工作地点处构建部件(例如，接合处)。在一些实施例中，叠加制造系统10可以通过叠加制造来产生一个或多个工件和其之间的各自部件12(例如，锚、接合处)。在一些实施例中，叠加制造系统10可以在第一工件14的第一末端70处产生部件12，而不将部件12的开放末端连接到第二工件16。叠加制造系统10可以形成部件12，其中部件12的开放末端被配置成稍后连接(例如，通过焊接)到第二工件16。以此方式，叠加制造系统10可以促进将具有第一材料的第一工件14连接到具有不同的第二材料的第二工件16。

图10示出如以上所描述独立于第一工件14和第二工件16来形成(例如，构建)部件12的叠加制造系统10的实施例。在形成部件12的叠加制造工艺的至少一部分期间，温度控制设备140可以接近部件12或者联接到部件12。在一些实施例中，部件12形成在基底142上，并且温度控制设备140联接到基底142。在完成部件12之后，可以将部件12从基底142移除(例如，切割、机器加工)。基底142可以通过提供用于微沉积21的一个或多个最初层的沉积的表面来促进部件12的形成。基底142可以包括但不限于与用来形成部件12所施加的液滴20的锚固材料22“友好”的材料。也就是说，基底142的材料可以具有与施加的液滴20的锚固材料22的基材相同的基材(例如，铝、铁)。例如，当部件12的锚固材料22是铝合金时，基底142的材料可以是铝合金。同样，当部件12的锚固材料22是铁质材料时，基底142的材料可以是铁质材料(例如，铁、不锈钢、碳钢、弹簧钢)。

温度控制设备140可以用来在叠加制造工艺期间控制部件12的温度。在一些实施例中，在微沉积21的一个或多个层的叠加之前，温度控制设备140预加热部件12。例如，温度控制设备140可以通过预加热基底142来预加热部件12。额外地或可替代地，在液滴20已经被施加作为微沉积21之后，温度控制设备140可以控制部件12的冷却速率。例如，温度控制设备140可以控制部件12的冷却速率以使其具有期望的微结构，诸如通过经由将部件12退火的大体上均匀的微结构。也就是说，控制器30可以控制温度控制设备140以在一段时间周期内逐渐地减少施加到部件12的热量。在一些实施例中，温度控制设备140可以具有加热元件，诸如感应线圈、电阻加热器、火焰或激光器或者其任何组合。温度控制设备140可以通过传导、辐射或者其任何组合将热量施加到部件12。控制器30可以使用来自放置在先前沉积的微沉积21、基底142或温度控制设备140上的传感器144的温度反馈来控制部件12的温度。

作为温度控制设备140的加热元件的添加或替代，温度控制设备140可以包括冷却元件，诸如冷却盘管、风扇或者其任何组合。例如，冷却盘管可以循环制冷剂或冷却流体(例如，空气、水、油)以通过温度控制设备140将从部件12接收到的热量传递到散热器。控制器30可以控制温度控制设备140以便在部件12的形成期间冷却部件12，从而诸如促进液滴20的增加的沉积速率、获得微沉积21的期望微结构或者其任何组合。在一些实施例中，控制器30可以控制温度控制设备140以快速地冷却(例如，淬火)所施加的液滴以获得部件12的微沉积21的期望微结构。

在叠加制造系统10的叠加制造工具18进行的部件12的形成期间和之后，控制器30可以通过温度控制设备140控制(例如，加热、冷却)部件12的温度。在一些实施例中，在部件12的形成之前，控制器30可以通过温度控制设备140控制基底142的温度。控制器30可以独立于叠加制造工具18的一个或多个加热设备36来控制温度控制设备140。也就是说，控制器30可以控制叠加制造工具18以控制液滴的成分、液滴20的形成(例如，温度、形状、速率)和液滴20的沉积位置，并且控制器30可以控制温度控制设备140以控制部件12的微沉积21的冷却速率。

如以上参照图1所论述，加热设备42、44可以实现第一工件14、第二工件16或者其任何组合的预加热或后加热。如可以了解，加热设备42、44中的每一个可以是如以上参照图10所描述的温度控制设备140。因此，图1中所示的加热设备42、44还可以具有冷却元件以控制第一工件14和/或第二工件16的预冷却或后冷却。额外地或可替代地，可以将单独的冷却元件(例如，温度控制设备140)与联接到第一工件14和第二工件16的加热设备42、44一起使用。

叠加制造系统可以用来形成金属层以用于各种目的，包括接合异种材料。在一些实施例中，叠加制造系统可以在所制造的部件上形成防腐蚀和/或耐磨覆盖。叠加制造系统可以具有修改具有层的金属部件以用于各种几何形状和/或提供用于所需性能的冶金特征的灵活性。此外，叠加制造系统可以用来在类似于焊接的工艺中构建(例如，印刷)具有一种或多种锚固材料的部件。

虽然本文已经示出和描述本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和改变。因此，应理解，随附权利要求旨在涵盖所有这些修改和改变，如同它们属于本发明的真实精神内。