增材制造系統和方法與流程

本申請是于2015年8月17日提交的題為“Additive Manufacturing Systems and Methods(增材制造系統和方法)”的美國臨時專利申請No.62/206,139的非臨時美國專利申請，該申請的全部內容為了所有目的通過引用的方式并入本文中。

技術領域

本公開總體上涉及增材制造，并且更具體地，涉及用于連接不同材料的增材制造系統和方法。

背景技術：

各種制品可以納入具有不同材料的部件。如可以理解的那樣，不同材料的制品可以通過緊固件、配合的幾何形狀、焊接或其他工藝結合在一起。緊固件或互補的幾何形狀會增加連接處的部件或重量。使用金屬的三維增材制造可能有益于以受控且精確的方式形成耐用的部件。遺憾的是，這種工藝可能是復雜的且昂貴的。

技術實現要素：

在一個實施例中，一種增材制造系統，包括：增材制造工具，被配置成接收金屬錨固材料并且向工件供應焊絲；以及機械振動系統，被配置成使焊接工具的結構部件朝著工件和背離工件機械地振動，并且其中所述機械振動系統包括電動機以及與所述電動機連接的機械連桿組件，其中所述機械連桿組件固定地附接至所述結構部件。

在另一個實施例中，一種系統包括：焊接工具，被配置成接收焊絲并且向部件供應多個液滴，其中所述多個液滴中的每個液滴包括所述金屬錨固材料；以及機械振動系統，被配置成使所述增材制造工具的結構部件朝著部件和背離部件振動，其中所述機械振動系統包括電動機和機械連桿組件，其中所述機械連桿組件被固定地附接至所述結構部件。

在另一個實施例中，一種方法包括：將被配置成接收焊絲的襯套固定在結構部件上；使所述結構部件朝著工件和背離工件振動；并且在所述工件上沉積一部分所述焊絲。

附圖說明

當參考附圖閱讀以下具體實施方式時，會更好地明白本公開的這些和其他特征、方面和優點，在整個附圖中，附圖中相似的附圖標記代表相似的零件，其中：

圖1是增材制造系統和部件的實施例的簡圖；

圖2是增材制造系統和部件的實施例的簡圖；

圖3是具有一體式工具頭的增材制造系統的實施例的簡圖；

圖4是增材制造系統的機械振動系統的示意圖；

圖5是示出焊條的行進過的距離相對于時間的曲線圖；

圖6A是增材制造系統的襯套和焊條的示意圖；

圖6B是增材制造系統的襯套和焊條的示意圖；并且

圖7是增材制造系統的機械振動系統的立體圖。

具體實施方式

以下將描述本公開的一個或多個具體實施例。為了提供這些實施例的簡明描述，在說明書中可能未描述實際實施方式的所有特征。應理解，在任何這些實際實施方式的開發中，比如在任何工程或設計項目中，必須做出許多針對實施方式的決策以達成開發者的具體目標，諸如符合系統相關和商業相關的約束，這些目標可能在各實施方式之間彼此不同。此外，應理解，這些開發工作可能是復雜且耗時的，但是對于受益于本公開的普通技術人員而言將仍然是設計、生產和制造的例行任務。

轉向圖1，增材制造系統10(例如，焊接系統)的一個實施例從一種或多種錨固材料14增材地形成(例如，印刷、構建)部件12。增材地形成的部件12可以是第一工件16、第二工件18或者第一工件16與第二工件18之間的接合處或者其任何組合。在一些實施例中，第一工件16和第二工件18可以具有不同的材料，所述不同的材料具有顯著不同的物理性質。例如，在一個實施例中，第一工件16可以是鋁并且第二工件18可以是鋼。增材制造工具20(例如，焊接工具)沉積多個液滴22以形成(例如，印刷、構建)一種或多種錨固材料14的部件12。在一些實施例中，增材制造工具20將液滴22沉積在第一工件16與第二工件18之間。如以下更詳細地描述的，增材制造工具20可以利用一種或多種類型的能量來形成和沉積液滴22從而形成部件12。增材制造工具20所利用的一種或多種類型的能量可以包括但不限于電力輸出、光子能量(例如，激光)或者其任何組合。在部件12為第一工件16與第二工件18之間的接合處的情況下，增材制造工具20利用能量經由部件12將第一工件16與第二工件18結合在一起。

增材制造工具20加熱來自送料器24的一種或多種錨固材料14以形成具有期望成分的液滴22。在一些實施例中，增材制造工具20的混合器26被配置成接收并混合來自送料器24的一種或多種錨固材料14。例如，混合器26可以將多種錨固材料14組合成具有錨固材料14的期望組合的焊條28。在一些實施例中，混合器26可以形成多種錨固材料14的粉末混合物。焊條28和/或粉末混合物可以被形成為液滴22。一種或多種錨固材料14是金屬材料，其包括但不限于鋁合金、鋼合金、鋁、鐵、銅、錳、硅、鎂、鋅、鉻、鈦、鉬和鎳。如本文所論述的，液滴22是材料轉移的單元。每個液滴22在固化時可以變成“微沉積物”，并且部件12由多個微沉積物30形成。圖2示出將錨固材料14(例如，焊條28)引入至微沉積物30的熔池32中從而形成部件12的增材制造工具20的實施例。錨固材料14在被插入到熔池32中時可以處于近似環境溫度或預加熱的溫度下。錨固材料14的一部分34(例如，球)由熔池32熔化，由此形成部件12的微沉積物30而不會形成所定義的液滴22。例如，錨固材料14的預加熱的部分34可以加入到熔池32，由此通過熱絲焊接工藝形成部件12的微沉積物30。如可以理解的，熔池32可以是部件12尚未固化的新近形成的部分。施加到用于熔化部分34的熔池32的能量包括但不限于電阻加熱、光子(激光)能量、等離子或感應加熱。

返回到圖1，一種或多種錨固材料14可以包括但不限于粉末、實心焊絲、藥芯焊絲、管狀焊絲或涂層焊絲或者其任何組合。在一些實施例中，第一錨固材料36大體上可以是第一工件16的材料，并且第二錨固材料38大體上可以是第二工件18的材料。換言之，第一錨固材料36和第二錨固材料38可以具有大體上與相應的第一工件16和第二工件18類似或者相容的化學成分。例如，第一錨固材料36相對于第一工件16的材料可以僅具有較小差異(例如，僅相差成分百分比的甚小部分的元素成分、來自相同合金族的不同合金)。在一些實施例中，錨固材料14可以包括但不限于具有比第一工件16和/或第二工件18的材料更低的熔化溫度的硬釬焊或軟釬焊材料。具有比第一工件16或第二工件18更低的熔化溫度的錨固材料14可以使得在施加一種或多種錨固材料14時與第一工件16或第二工件18的材料相鄰的微沉積物30的層不會熔化。增材制造系統10的一些實施例可以包括多于兩種錨固材料14，諸如3種、4種、5種、6種、7種、8種、9種、10種或更多種錨固材料14。例如，可以將第三錨固材料40供應到增材制造工具20。第三錨固材料40可以具有大體上與第一工件16的材料或第二工件18的材料類似的化學成分。額外地或可替代地，第三錨固材料40可以具有一種合金材料的化學成分，該合金材料的化學成分在第一錨固材料36與第二錨固材料38之間提供期望的性質(例如，附著性、增加的或減少的流動性)，和/或第三錨固材料40的化學成分可以為部件12提供期望的性質(例如，強度、硬度、電防腐)。

增材制造系統10的控制器42控制液滴22的施加以從微沉積物30形成部件(例如，錨固物)12。在某些實施例中，控制器42可以是具有單個控制器的單個控制系統，或者控制器42可以包括多個控制系統或控制器。例如，控制器42的多個控制系統可以被配置成調節增材制造系統10的不同部件或系統，和/或多個控制系統可以對控制器42的單個中央控制器作出響應。在具有線連接的錨固材料14(例如，焊絲)的一些實施例中，控制器42通過調整被供應到增材制造工具20的混合器26(由此形成焊條28)的一種或多種錨固材料14的相對量來控制被施加到部件12的液滴22的成分。例如，在第一錨固材料36大體上與第一工件的材料類似或相容的情況下，控制器42可以增加焊條28中的第一錨固材料36的相對比例以在第一工件16附近形成(例如，印刷)部件12的一些部分。如本文所論述的，每個液滴22的成分是基于構成各自液滴22的一種或多種錨固材料14。液滴22至少部分地是液體(例如，熔化的)。在一些實施例中，液滴22可以是液體錨固材料14，其裹住相同或不同的錨固材料14的固體元件。例如，增材制造工具20可以至少部分地僅熔化液滴22的外層。

增材制造工具20可以通過混合器26將多種錨固材料14混合(例如，熔化、燒結、壓緊)成具有混合成分的焊條28。控制器42可以控制增材制造工具20以從混合焊條28形成具有混合成分的液滴22。控制器42可以通過改變混合焊條28中的一種或多種錨固材料14的比例來調整部件(例如，錨固物)12的成分。在一些實施例中，增材制造工具20將一種或多種錨固材料14中的每一種作為單獨的焊條28供應，增材制造工具20分別將所述單獨的焊條形成為液滴22。例如，控制器42可以控制增材制造工具20以從多個焊條28中的每一個焊條形成具有不同的相應成分的單獨液滴22。控制器42可以通過改變作為液滴22施加到部件12的一種或多種錨固材料14的比例來調整部件12的成分。

在一些實施例中，控制器42連接到多個增材制造工具20，每個增材制造工具20通過相應的焊條供應單獨的錨固材料14。控制器42可以控制多個增材制造工具20中的每一個，以便通過改變由每個增材制造工具20作為液滴22供應的錨固材料14的比例來調整部件12的成分。如圖3中所示，可以將多個焊絲傳遞系統(例如，送料器24)與制造工具的一體式工具頭44組合以將多種錨固材料14成排地或網格狀地被供應。一體式工具頭44可以增加錨固材料14的沉積速率以形成(例如，印刷、構建)部件12。增材制造工具20的一體式工具頭44可以具有多個混合器26以接收錨固材料14并將其處理成為焊條28和/或粉末流。控制器42可以控制每個混合器26，以使得每個焊條28和/或粉末流具有相同的成分。在一些實施例中，控制器42控制一個或多個混合器26，以使得相應的焊條28或者粉末流具有與來自另一個混合器26的焊條28或粉末流不同的成分。一體式工具頭44可以使得增材制造工具20能夠大致同時地形成部件的多個層46，由此通過減少增材制造工具20為了形成部件12的工序數量來實現減少部件12的制造時間。大體上由固化的微沉積物30形成的部件12的第一層48以網格39被示出。部件12形成在第一層48與第三層52之間的第二層50的微沉積物30可以比第一層48的微沉積物30更熱，但被充分地固化以支撐第三層52的沉積液滴22并與其粘合。控制器42通過增材制造工具20控制液滴22的沉積速率和層46的形成速率以使得每個層能夠與先前形成的層46粘合。例如，控制器42可以在增材制造工具20構建部件12時降低沉積速率或層形成速率。

再次返回到圖1，控制器42控制電源54(例如，電流受到調節的電源)以調整被提供給增材制造工具20的電力輸出(例如，電流輸出、電壓輸出、光子能量)以便將一種或多種錨固材料14熔化為液滴22。如可以理解的，電源54可以包括但不限于發動機驅動的發電機、焊接電源、逆變器、激光器或者其任何組合。在電源54為焊接電源的實施例中，控制器42可以基于操作狀態，例如焊接操作的狀態，來調節電源54的操作(例如輸出電力的電壓水平和/或電流水平)。例如，控制器42可以基于焊接操作處于電弧狀態還是短路狀態來調節電源54的操作。

控制器42可以控制電源54以將DC或AC電力輸出以受控波形的方式提供給焊條28，這類似于脈沖焊接工藝或短路焊接工藝(例如，受調節的金屬沉積(RMDTM))。在一些實施例中，控制器42控制電源54和/或送料器24以將電力輸出通過增材制造工具20提供給焊條28，從而實現改進的短路焊接工藝(例如，受控制的短路)以形成部件12。另外，控制器42通過控制增材制造工具20在受控制的短路焊接工藝期間使一個或多個焊條28伸長和縮回來促進部件12的形成。被提供給增材制造工具20的電力輸出將焊條28熔化為液滴22，液滴通過電弧作為微沉積物30沉積到部件12。也就是說，在一些實施例中，焊條28是焊絲，增材制造工具20是被配置成用于脈沖焊接工藝或短路焊接工藝的焊炬(例如，焊接工具)，并且送料器24是焊絲送料器。焊炬可以通過電弧來將微沉積物30分層，由此通過脈沖焊接工藝和/或短路焊接工藝(例如，RMD)從焊絲形成(例如，構建、印刷)部件12。如可以理解的，增材制造系統10的一些實施例可以包括供氣源56，該供氣源56被配置成將一種或多種保護氣體提供給增材制造工具20。一種或多種保護氣體可以包括但不限于氬氣、二氧化碳、氦氣、氮氣、氫氣或者其任何組合。該系統可以被配置成包括助熔劑輸送系統，該助熔劑輸送系統被配置成提供一種或多種助熔劑。這些助熔劑具有不同的成分以提供不同的最終產物，特別是，冶金產物。

如以上所論述，控制器42可以控制用于使用電弧和/或光子能量來加熱焊條28的工藝的電力輸出。控制器42可以通過控制電源54來控制液滴22被施加到部件12的速率。在一些實施例中，控制器42控制加熱設備58(例如，感應線圈、電阻加熱器)來預加熱焊條28。因此，控制器42可以控制施加到焊條28以形成液滴22的熱量。附加地或可替代地，加熱設備58、60、62可以分別實現對焊條28、第一工件16和/或第二工件18的預加熱或后加熱。對焊條28進行預加熱可以減少被施加到第一工件16和第二工件18的熱量，由此減少熱影響區的形成。

作為微沉積物30添加到部件12的液滴22影響被加至第一工件16和第二工件18的熱量。微沉積物30的形成可以包括但不限于加熱錨固材料14(例如，焊條28)以形成液滴22以及在部件12中冷卻微沉積物30。如可以理解的，液滴22的熱量和微沉積物的冷卻速率可以影響由相應的液滴22形成的微沉積物30的微結構，由此影響部件12的性質。例如，部件12在第一位置64處的微沉積物30的微結構可以與在第二位置66處的微沉積物30的微結構不同。另外，如本文所論述，每個液滴22到部件12的施加可以包括但不限于液滴22到部件12的施加速率和每個微沉積物30在部件12上的施加位置。控制器42可以控制液滴22的溫度、每個液滴22的施加(例如，沉積)速率和施加位置，以控制施加到工件16、18的熱量。例如，控制器42可以減少熱影響區(HAZ)的誘發，該熱影響區(HAZ)可能影響接近部件12的工件16、18的微結構和性質(例如，強度，疲勞壽命)。部件12中的液滴22的溫度、沉積速率和施加位置影響被加至第一工件16和第二工件18的熱量。例如，2000℃的電弧與1200℃的電弧相比而言將提供更多熱量到部件12。如可以理解的，液滴22的高沉積速率(例如，60Hz)與液滴22的相對較低沉積速率(例如，30Hz)相比而言可以將較少熱量提供到部件12。此外，在第一工件16上的第一位置64處施加的液滴22與在第一工件16上的第二位置66處施加的液滴22相比而言將較多熱量提供到第一工件16。在一些實施例中，控制器42控制加熱設備58以影響部件12中的微沉積物30的施加溫度，從而影響被加至第一工件16和第二工件18的熱量。控制器42可以控制送料器24和/或混合器26以控制施加速率，并且控制器42可以控制電源54以控制作為部件12中的微沉積物的液滴22的施加速率和施加溫度。在一些實施例中，被連接到增材制造工具20的機器人系統68可以通過經由一個或多個伺服電機69將增材制造工具20沿坐標軸70移動來控制液滴22的施加位置。

以與控制施加到工件16、18的熱量類似的方式，控制器42可以控制液滴22的溫度、每個液滴22的施加速率和施加位置，以控制施加到先前施加的微沉積30物的熱量。例如，液滴22的施加速率和溫度可以影響先前施加的微沉積物30的冷卻速率和微結構。控制器42可以控制液滴22的施加速率和溫度以實現用以形成部件12的每個微沉積物30的期望的微結構。因此，控制器可以控制部件12的微沉積物30的成分和/或微結構。

在一些實施例中，第一加熱設備60可以加熱部件12附近的第一工件16，和/或第二加熱設備62可以加熱部件12(例如，接合處)附近的第二工件18。第一加熱設備60和第二加熱設備62可以包括但不限于感應線圈、電阻加熱器、火焰器等。第一加熱設備60和第二加熱設備62可以與相應的第一工件16和第二工件18的一個或多個表面相互作用。例如，第一加熱設備60可以圍繞第一工件16延伸。控制器42可以控制第一加熱設備60和/或第二加熱設備62以預加熱部件12附近的相應工件16、18。如可以理解的，預加熱工件16、18可以影響來自增材制造工具20的微沉積物30的黏合力。例如，增加第一工件16的溫度可以增加微沉積物30在第一位置64處的黏合力。在一些實施例中，控制器42獨立地控制第一加熱設備60和第二加熱設備62，由此使得第一工件16能夠被預加熱到與第二工件18不同的溫度。

如先前所論述的，第一工件16可以與第二工件18不同。例如，第一工件16可以是鋁，并且第二工件18可以是鋼。在一些實施例中，第一工件16和第二工件18可以是具有相同基本金屬(例如，鋁、鈦、鐵、鍍鋅涂層材料、高強度鋼)的相同或不同成分。例如，第一工件16可以是鎳涂層鋼，并且第二工件18可以是相對高碳鋼。第一工件16可以具有與第二工件18不同的性質和/或結構。例如，在第一工件16與第二工件18之間，熔化溫度、導熱性和強度以及其他性質可以不同。附加地或可替代地，第一工件16和第二工件18可以具有不同的熱敏感度。例如，第一工件16可以在第二工件18的熔化溫度下被退火。因此，將第一工件16退火(例如，通過將其加熱到第二工件18的熔化溫度)可能影響第一工件16的性質(例如，強度、疲勞壽命)。

如可以理解，本文可以將金屬的熱影響區(HAZ)定義為其中金屬的性質和/或微結構已經受到熱影響的金屬的區域。在一些實施例中，控制器42可以獨立地控制被施加到焊條28的熱量、被施加到第一工件16(例如，通過第一加熱設備60)的熱量和被施加到第二工件18(例如，通過第二加熱設備62)的熱量。通過對施加到這些部件的熱量的獨立控制，增材制造系統10可以減少第一工件16和/或第二工件18的HAZ。例如，如果第一工件16是鋁并且第二工件18是具有比第一工件16更高的熔化溫度的鋼，則控制器42可以控制增材制造工具20，從而以比第一工件16(例如，鋁)附近的液滴22更多的熱量和/或更高的速率將液滴22施加在第二工件18(例如，鋼)附近。

在增材制造工具20在第一工件16與第二工件18之間移動時，控制器42可以控制被施加以通過微沉積30構建部件12的每個液滴22的成分和形成。以此方式，增材制造工具10可以控制部件12的成分和結構(例如，微沉積物30的空間分布)以使其具有期望的一組性質，同時控制第一工件16和/或第二工件18的HAZ。傳感器72可以測量焊條28、第一工件16和/或第二工件18的溫度和冷卻速率。來自傳感器72的反饋可以被存儲作為焊條28、第一工件16和/或第二工件18的溫度歷史。控制器42可以使用此溫度歷史來控制部件12的成分和結構。在一些實施例中，傳感器72可以測量增材制造工具20、第一工件16和第二工件18相對于這組坐標軸70的位置。控制器42可以至少部分地基于與第一工件16和/或第二工件18的相對距離來控制液滴22到部件12的施加。例如，在一些應用中，部件12可以被形成為具有第一錨固材料36和第二錨固材料38的漸變成分，從而使得與第一工件16相鄰的部件12的成分與第一工件16相容(例如，形成強粘合)，并且使得與第二工件18相鄰的部件12的成分與第二工件18相容(例如，形成強粘合)。

控制器42可以至少部分地基于部件12中的施加位置來獨立地控制每個微沉積物30的熱循環、峰值溫度和冷卻速率。控制器42可以根據由處理器74執行的一組指令(例如，代碼)來獨立地控制對于該施加位置的每個液滴22的成分和形成。處理器74可以至少部分地基于工件16、18和錨固材料14來從存儲器76加載一組指令。在一些實施例中，操作者(例如，主計算機)可以將一組指令通過操作者界面78直接提供給控制器42。例如，操作者可以從由三維3D CAD工具產生的錨固物的三維模型(例如，計算機輔助設計(CAD)模型)加載用于形成部件12的一組指令。在一些實施例中，控制器42可以接收和/或產生一組指令來生產具有期望成分的錨固材料14的部件12。例如，控制器42可以使用部件12的3D CAD模型來控制機器人系統68生產來自錨固材料14的部件12。附加地或可替代地，操作者可以將關于工件16、18和錨固材料14的信息輸入到操作者界面78中，并且控制器42可以確定和/或修改這組指令以形成具有期望特征的部件12。這組指令引導控制器42控制作為微沉積物30的每個液滴22的成分、形成和施加以形成具有期望特性的部件12。

控制器42可以使用來自傳感器72的輸入以單獨地控制作為微沉積物30施加到部件12的每個液滴22。在一些實施例中，控制器42可以至少部分地基于來自傳感器72的輸入來修改一組指令，以補償對第一工件16、第二工件18或部件12的改變。例如，如果來自傳感器72的輸入指示第一工件16與第二工件18之間的接合處的配合的改變，則控制器42可以在部件12的形成期間修改液滴22的施加位置和/或加熱。附加地或可替代地，如果來自傳感器72的輸入指示第一工件16和/或第二工件18的扭曲或燒穿，則控制器42可以修改液滴的施加和/或加熱。如果來自傳感器72的輸入指示第一工件16和/或第二工件18的扭曲或燒穿，則控制器42可以在部件12的形成期間修改第一工件16的溫度和/或第二工件18的溫度(例如，通過加熱設備60、62)。

增材制造系統10可以通過增材制造工具20的手動或自動移動而在第一工件16與第二工件18之間構建部件12。在一些實施例中，液滴22可以通過電弧(例如，噴射)來沉積，如圖1中所示。在一些實施例中，如圖2中所示，焊條28接觸工件和/或部件12，并且增材制造工具20通過短路施加相應的微沉積物30。在一些實施例中，操作者通過致動扳機80來開始或重新開始構建部件12。控制器42通過傳感器72確定增材制造工具20相對于工件16、18的位置，并且控制器42在根據一組指令來形成所需成分的液滴22之前確定微沉積物30的施加位置。在一些實施例中，機器人系統68諸如通過伺服電機69控制增材制造工具20沿坐標軸70的移動。控制器42可以通過這組指令來控制機器人系統68以移動增材制造工具20，從而基于這組指令將受控制的液滴22作為微沉積物30施加到部件12中的相應位置。機器人系統68由此使得控制器42能夠自動地形成具有期望成分和幾何形狀的部件12。在一些實施例中，機器人系統68可以從與工件16、18不同的一種或多種錨固材料14形成(例如，印刷，構建)部件12。所形成的部件12稍后可以與工件16、18結合在一起。

在某些實施例中，制造工具20的一體式工具頭44可以被配置成機械振動(即，背離和朝向熔池32地上下移動)以進一步提供液滴22在部件12上的沉積。換句話講，焊條28和圍繞焊條28布置的襯套100延伸穿過的一體式工具頭44可以振動以使焊條28和襯套100朝著和背離熔池32移動。在圖4中，機械振動系統102被圖示為與一體式工具頭44連接。機械振動系統102包括與一體式工具頭44連接的機械連桿組件。在圖示的實施例中，機械連桿組件包括：活塞104，連接至或固定地附連至一體式工具頭44(例如，經由銷106)；凸輪108，連接至活塞104；以及電動機110，被配置成驅動凸輪108的旋轉。在其他實施例中，機械連桿組件和/或機械振動系統100可以直接連接至襯套100以使襯套100朝著和背離工件振動。在工作中，機械振動系統102通過使襯套100朝著和背離熔池32(例如，工件)移動來周期性地加長焊條28行進到熔池32必須經過的路徑。以此方式，機械振動系統102可以用于從熔池32斷開或去除焊條28(例如，襯套100)以幫助以受控制的方式形成液滴22。機械振動系統102還可以操作以調節或控制焊接操作的狀態。例如，機械振動系統102可以工作以允許或改善焊接操作在電弧狀態與短路狀態之間的切換。

如下詳細所述的，具有本文公開的機械振動系統102的制造工具20可以以基本上固定的頻率和/或以一體式工具頭44的有限的行進距離操作。因此，可以增加增材制造過程的簡單性，同時顯著降低工具20和機械振動系統102的制造成本。例如，公開的機械振動系統102允許在低焊接電流下形成液滴22。如可以理解的，在其他實施例中，機械振動系統102可以具有其他元件。例如，代替電動機110、活塞104和凸輪106，機械振動系統102可以是包括線圈、磁體、其他機械連桿組件等的電磁系統，以允許一體式工具頭44或者其他結構部件以及因此與一體式工具頭44連接的襯套100的振動運動。

如上所述，圖示的機械振動系統102(例如，機械連桿組件)包括：活塞104；連接至或固定地附連至一體式工具頭44；凸輪108，連接至活塞104；和電動機110，被配置成驅動凸輪108的旋轉。在某些實施例中，電動機110的操作可以由控制器42控制和/或調節。由于電動機110驅動凸輪108旋轉，凸輪108的旋轉將致使活塞104上下運動，如箭頭112所示。因此，可以是軸襯、卡圈、氣體噴嘴、接觸焊嘴、氣體擴散器、入口絲引導件的一體式工具頭44或固定在活塞104上的其他部件也上下運動。這樣，襯套100和焊條28朝著和背離熔池32地移動。如可以理解的，可以基于凸輪108的大小和/或幾何形狀選擇一體式工具頭44的行進距離。

當一體式工具頭44向上振動時，襯套100和焊條28背離熔池32地被牽引，并且隨著一體式工具頭44向下振動，襯套100和焊條28朝著熔池32向下移動。當然，在機械振動系統102工作并且向上和向下移動一體式工具頭44時，朝著熔池32向下持續地供給焊條28。因此，焊條28可以具有總行進距離，如圖5的曲線圖122中的線條120所示。如可以理解的，線條120的波峰對波峰振幅124可以代表機械振動系統102(例如，活塞104和一體式工具頭44)的行進距離。線條120的總行進距離的逐漸增大可以歸因于焊條28通過送料器24的恒定輸送。

如上所述，圍繞焊條28布置襯套100，并且由一體式工具頭44保持并支撐襯套100。因此，當機械振動系統102使一體式工具頭44振動時，一體式工具頭44以類似方式直接地使襯套100振動，但是不會直接地使焊條28振動。為了幫助促進焊條28的振動，也可以選擇襯套100的大小以便允許焊條28振動。

圖6A和圖6B中示意性地示出了襯套100和焊條28的振動。未示出一體式工具頭44和機械振動系統102。在圖6A中，一體式工具頭44和機械振動系統102尚未使襯套100和焊條28向上振動。換句話講，在圖6A中，襯套100和焊條28朝著熔池32完全向下延伸。然而，在圖6B中，襯套100和焊條28被圖示為由于機械振動系統102的振動而從熔池32縮回。具體地講，襯套100和焊條28縮回距離124(即，圖5中所示的波峰對波峰的振幅)。如可以理解的，襯套100與焊條28之間會存在間距或間隙130，因為襯套100是圍繞焊條28布置的套管或包鞘。當選擇凸輪108的大小和/或機械振動系統102的其他部件的大小和幾何形狀時可以考慮此間隙130。具體地講，當襯套100通過一體式工具頭44和機械振動系統102被直接縮回時，襯套100會由于襯套100與焊條28之間的間隙130而首先縮回，而焊條28不會類似地縮回。一旦襯套100直接縮回一初始量，襯套100和焊條28會彼此接觸并且摩擦地接合，從而也允許焊條28縮回。為了確保焊條28縮回所需的量(即，距離124)，當選擇機械振動系統102的部件(如凸輪108)的大小和幾何形狀時，可以考慮襯套100的初始縮回以及襯套100與焊條28之間的間隙130。在某些實施例中，可以使襯套100與焊條28之間的間隙130最小化以提高襯套100和焊條28的振動運動的一致性和精度。

機械振動系統102的固定頻率和固定距離操作實現增材制造工具20更大的簡單性以及大為降低的成本，并且因此無法很大程度地定制。然而，通過調節、調整或者以其他方式控制增材制造工具20的電力可以實現對增材制造工具20的操作的定制和修改。在某些實施例中，可以控制電源54使得在焊條28上施加恒定的電流。具體地講，如果機械振動系統102從熔池32撤回焊條28的距離124足夠大，焊接電流會保持在固定水平。固定的電流水平可以較低，但是足夠大到熔化焊條28并且在某個時間形成一個液滴22。低的恒定電流也無法引起熔池32的攪動。

然而，在其他實施例中，一個或多個簡單的動態變化可以被施加至焊接電流。例如，控制器42可以調節電源54的操作以調節焊接電流的不同的動態特性。例如，可以使用動態波形，但是變化可能較小以維持簡單性和低成本。例如，當通過機械振動系統102將襯套100和焊條28縮回時，控制器42可以增大電源54供應的電流。在此時增大電流可以有助于形成下一個液滴22，有助于減小重新粘附到焊條28的熔池32振動的可能性，和/或增大可以與下一個液滴22一起沉積的焊條28的量。

當機械振動系統102使襯套100和焊條28朝著熔池32向后振動時，電流會隨著焊條28靠近熔池32(例如，通過控制器42)而減小。減小電流可以有助于減小焊條28由于焊條28嘗試與熔池32接觸而燒掉的可能性并且/或者減小焊條28和下一個液滴22與熔池32接觸并且被熔池32“排斥”的可能性。在其他實施例中，當襯套100和焊條28朝著和/或背離熔池32振動時，電流可以維持在大體低于(例如，至少低1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％)系統10的峰值電流水平的水平。

在形成下一個液滴22之后并且當機械振動系統102即將再次背離熔池32振動時，可以保持減小或進一步減小電流以進一步減小熔池32攪動。當機械振動系統102(以及襯套100和焊條28)背離熔池32往回振動時將電流保持為低(例如，大體低于峰值電流水平，如此前所述)也有助于使新形成的液滴22留在熔池32中。更具體地講，在短路期間可以保持電流很低，并且在短路消除之后可以短暫地增大電流以形成液滴22。如上所述，就在焊接操作的狀態變化之前(例如，就在短路或起弧之前)電流也可以保持為低。在某些實施例中，這可以伴隨著恒電壓。在形成液滴22之后，當機械振動系統102使焊條28再次遠離熔池32地振動時，電流被減小以減少對熔池32的攪動。

為了使機械振動系統102和電源54的操作同步以實現上述操作，傳感器72可以包括在特定時間檢測一體式工具頭44的位置的位置傳感器或其他類型的傳感器。例如，傳感器72可以檢測一體式工具頭44、活塞106、凸輪108、襯套100、焊條28或其他部件的位置。基于一個或多個檢測的位置，控制器42可以調節電源54的操作以使得電源54的電流輸出為針對焊條28的特定位置的所需的水平。也可使用其他類型的傳感器來檢測其他工作參數，其也可以用于使機械振動系統102和電源54的操作同步。例如，可使用一個或多個傳感器72來檢測電源54和/或電動機110的電壓和/或電流(例如，并且因此檢測焊接操作的狀態，如短路或起弧)。傳感器78可以檢測其他操作參數，例如機械振動系統102、電源54和/或電動機110的操作階段、焊接電弧的存在、短路(每秒的短路)、電動機110的角速度、送絲速度、電弧長度、清除事件、短路事件、起弧事件、狀態變化或增材制造系統10的其他工作參數。

圖7是機械振動系統102的實施例的立體圖，圖示了具有活塞104、凸輪108和電動機110的機械連桿組件。如上所述，襯套100可以通過銷106或其他連接特征固定在活塞104上。隨著電動機110驅動凸輪108旋轉，以振動方式驅動活塞104上下運動，從而使襯套110和焊條28上下振動。因此，焊條28朝著和背離熔池32地移動。以此方式，機械振動系統102允許操作增材制造工具20(例如，焊接工具)的簡單且節約成本的方法。

在另一個實施例中，接觸焊嘴隨著襯套100一起移動。這種情況下，接觸焊嘴具有比襯套更高的摩擦力并且便于更嚴格的控制。此外，此運動還與生俱來地改變從接觸焊嘴的電流傳導點到焊縫的距離。然而，當接觸焊嘴處于主要固定位置時，接觸焊嘴中的電流傳導點與焊縫之間的距離幾乎恒定。在任一種情況下，達到了從熔化的焊縫縮回焊絲的關鍵效果。類似地，在其他實施例中，襯套100可以與氣體噴嘴、卡圈、軸襯或包圍或連接至襯套100的其他結構部件一起移動。

盡管本文中說明并描述了本公開的僅僅某些特征，但是本領域的技術人員可以進行許多修改和變化。因此，要理解的是，附加權利要求旨在涵蓋落入本發明的真正精神范圍內的所有這種修改和變化。