Us Patent 5281789
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United States Patent [191 Merz e t a1. US005281789A Patent Number: 5,281,789 Jan. 25, 1994 ate o f Patent: [11] [45] [54] METHOD AND PPARATUS FOR DEPOSITING MOLTEN METAL [76] Inventors: Robert Merz, 3337 Dawson St. Pittsburgh, Pa. 15213; Fritz B. Prinz, 5801 Northumberland St.; Lee E . Weiss, 6558 Darlington Rd., both of Pittsburgh, Pa. 15217 [21] Appl. No.: 919,194 [22] Filed: Jul. 24, 1992 [51] Int. Cl.5 .............................................. . B23K 9/04 [52] us. 1 . ................................................ . 219/7615 [58] Field of Search .......... .. 219/7615, 130.21, 137.43 [56] References Cited U.S. PATENT DOCUMENTS 2,998,922 9/1961 Gibson ........................... . . 219/7615 3,064,114 11/1962 Cresswell e t a]. 3,370,151 2/1968 Normando ...... . . ,019,011 4/1977 Cape .............................. .. 219/7615 4 547 391 10/1985 Jenkins . . . . . . . . . . . . . . .. 2197615 4,775,092 10/1988 Edmonds 228/222 4,842,186 6/1989 Doyle et a1. 228/222 4,894,505 1/1990 Malone t a1. ................... . . 219/761 FOREIGN PATENT DOCUMENTS 63-157767 6/1988 Japan ............................ . . 2l9/137.43 OTHER PUBLICATIONS “ A Rapid Tool Manufacturing System Based o n Stereolithography and Thermal Spraying” by Lee E . Weiss, E . Levent Gursoz, F . B . Prinz, Paul S . Fussell, 5 0 Swami Mahalingham and E . P. Patrick, published by the American Society of Mechanical Engineers, 1990, pp. 40-48. “DC Arc Plasma-The Future i n the PM ndustry?” by Douglas H . Harris, published b y ASP-Materials, Inc., Dayton, Ohio. Microwave Materials and Devices, J. K . Dillion, Jr., Chairman, “Polycrystalline Ferrite Films for Micro‘ wave Applications Deposited by Arc-Plasma by D. H . Harris, J. R. Janowiecki, C. E. Semler, M. C. Will son and J . T. Cheng published i n the Journal of Applied Physics, vol. 41, No. 2 , Mar. 1 1970. Primary Examiner-Clifford C . Shaw Attorney, Agent, or Firm-Buchanan Ingersoll [57] ABSTRACT A ollector electrode and adjacent electric weld torch are placed a t a selected distance from a work surface or substrate. An lectric welding current i s generated s o that a welding current are forms between the collector electrode and the weld torch. A eed metal i s then fed into the welding current are and i s melted into molten metal adjacent t o the collector electrode. The molten metal i s then deposited onto a work surface. The collec tor electrode and weld torch are positioned so that the welding current are between the weld torch and the collector electrodes does not penetrate the work surface or the already-deposited metal. 2 9 Claims, 6 Drawing Sheets 4 4 18 16 1 5 W20 21
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8/15/2019 Us Patent 5281789
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U n i t e d S t a t e s P a t e n t [ 1 9 1Merz e t a 1 .
U S 0 0 5 2 8 1 7 8 9 A
P a t e n t N u m b e r : 5 , 2 8 1 , 7 8 9
J a n . 2 5 ,1 9 9 4a t e o f P a t e n t :
[ 1 1 ]
[ 4 5 ]
[ 5 4 ] METHOD AND P PA R AT U SFORDEPOSITING MOLTEN METAL
[ 7 6 ] I n v e n t o r s :R o b e r tM e r z ,3 3 3 7D a w s o nS t .P i t t s b u r g h ,P a .1 5 2 1 3 ;F r i t zB . P r i n z ,5 8 0 1 N o r t h u m b e r l a n dS t . ;L e e E .We i s s , 6 5 5 8D a r l i n g t o nR d . , b o t h o fP i t t s b u r g h , P a . 1 5 2 1 7
[ 2 1 ] A p p l .N o . :9 1 9 , 1 9 4[ 2 2 ] F i l e d : J u l .2 4 ,1 9 9 2
[ 5 1 ] I n t . C l . 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. B23K 9 / 0 4[ 5 2 ] us. 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 219/7615
[ 5 8 ] F i e l d o f S e a r c h . . . . . . . . . .. . 219/7615, 1 3 0 . 2 1 , 1 3 7 . 4 3
[ 5 6 ] R e f e r e n c e sC i t e d
U . S . PATENT DOCUMENTS
2 ,998 ,922 9 / 1 9 6 1 Gibson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 219/7615
3,064,114 11 / 1 9 6 2 C r e s s w e l l e t a ] .
3 ,370 ,151 2 / 1 9 6 8 Normando . . . . . .. ., 019 ,011 4 / 1 9 7 7 Cape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 219/7615
4 547 391 10/19 85 Jenkins . . . . . . . . . . . . . . .. 219 7615
4,775,092 10/1988 Edmonds 2 28 /2224 , 8 4 2 , 1 8 6 6/1989 D o y l e e t a 1 . 228 /2224,894,505 1 / 1 9 9 0 Malone t a 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 2 1 9 / 7 6 1
FOREIGN PATENT DOCUMENTS
6 3 - 1 5 7 7 6 7 6 / 1 9 8 8 J a p a n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 2 l 9 / 1 3 7 . 4 3
OTHER PUBLICATIONS
“A R a p i d T o o l M a n u f a c t u r i n g S y s t e m B a s e d o n
S t e r e o l i t h o g r a p h ya n d T h e r m a lS p r a y i n g ”b y L e e E .W e i s s , E . L e v e n t G u r s o z , F . B . P r i n z , P a u l S . F u s s e l l ,
50
Swami M a h a l i n g h a ma n d E . P . P a t r i c k ,p u b l i s h e d b yt h e A m e r i c a nS o c i e t y o f M e c h a n i c a lE n g i n e e r s , 1 9 9 0 ,p p . 4 0 - 4 8 .“ D C A r c P l a s m a - T h eF u t u r ei n t h e PM n d u s t r y ? ”b yD o u g l a sH . H a r r i s ,p u b l i s h e db y A S P - M a t e r i a l s ,I n c . ,D a y t o n ,O h i o .Microwave M a t e r i a l s a n d D e v i c e s , J . K . D i l l i o n ,J r . ,C h a i r m a n ,“ P o l y c r y s t a l l i n e F e r r i t e F i l m s f o r M i c r o ‘wave A p p l i c a t i o n sD e p o s i t e db y A r c - P l a s m a b yD .H . H a r r i s ,J . R . J a n o w i e c k i ,C . E . S e m l e r ,M. C . W i l ls o n a n d J . T . Cheng p u b l i s h e di n t h e J o u r n a l o fA p p l i e dP h y s i c s , v o l .4 1 ,N o . 2 , M a r . 1 1 9 7 0 .
P r i m a r yE x a m i n e r - C l i f f o r dC . S h a wA t t o r n e y ,A g e n t , o rFi rm-Buchanan I n g e r s o l l
[ 5 7 ] ABSTRACTA o l l e c t o r e l e c t r o d e a n d a d j a c e n t e l e c t r i c weld t o r c ha r e placed a t a s e l e c t e d d i s t a n c e f rom a w o r k s u r f a c e ors u b s t r a t e . An l e c t r i c w e l d i n g c u r r e n t i s g e n e r a t e d s ot h a t a w e l d i ng c u r r e n t a r e forms b e t w e e n t h e c o l l e c t o re l e c t r o d e a n d t h e weld t o r c h . A e e d m e t a l i s t h e n f e di n t o t h e w e l d i n g c u r r e n t a r e and i s m e l t e d i n t o m o l t e nm e t a l a d j a c e n t t o t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e . The m o l t e nm e t a l i s t h e n d e p o s i t e donto a w o r k s u r f a c e . T h e c o l l e ct o r e l e c t r o d e a n d w e l d t o r c h a r e po s i t i o n e d s o t h a t t h ew e l d i n g c u r r e n t a r e be tween t h e w e l d t o r c h a n d t h ec o l l e c t o r e l e c t r o d e s d o e s n o t p e n e t r a t e t h e work s u r f a c eo r t h e a l r e a d y - d e p o s i t e dm e t a l .
2 9 C l a i m s ,6 D r a w i n gS h e e t s
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METHOD AND APPARATUS FOR DEPOSITINGMOLTEN METAL
BACKGROUND OF THE INVENTION
1 . F i e l d o f t h e I n v e n t i o nThe p r e s e n t i n v e n t i o n r e l a t e sg e n e r a l l y t o a method
a n d a p p a r a t u s f o r d e p o s i t i n g m o l t e n m e t a l on a s u bs t r a t e u s i n g a n a r c welder.
2 . D e s c r i p t i o n o f t h e P r i o r A r tO b j e c t s o f v a r i o u s s h a p e s m a y b e f o r m e d b yt h e d e
p o s i t i n g o f l a y e r s o f m a t e r i a l on a s u b s t r a t e . A r e f o r mi s t y p i c a l l y u s e d i n t h i sp r o c e s s . A r e f o r m i s a s e c t i o no f m a t e r i a l upon a n d a r o u n d which t h e m a t e r i a l i s d ep o s i t e d . T h e p r e f o r m i s machined s o a s t o r e ? e c t t h e? n a l s h a p e o ft h e b u i l t - u po b j e c t .O f t e n , t h e d e p o s i t e dm a t e r i a l w i l l b o n d t o t h e p r e f o r m . T h u s , t h e u s e o f ap r e f o r m t y p i c a l l yr e q u i r e st h e a d d i t i o n a ls t e p si n t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s o f m a c h i n i n gt h e p r e f o r m a n dr e m o v i n gt h e p r e f o r ma f t e rf a b r i c a t i o n .
O t h e rm e t h o d so f u i l d i n go b j e c t sb y m a t e r i a ld e p o s it i o n h a v e a t t e m p t e d t o e l i m i n a t e t h e u s e o f a c o n v e nt i o n a lp r e f o r m .F o r e x a m p l e ,U S . P a t .N o . 4 , 7 7 5 , 0 9 2t oE d m o n d s e t a l . p r o v i d e s a m e t h o d a n d a p p a r a t u s f o rb u i l d i n g o b j e c t s by w e l d i n g w i t h o u t t h e u s e o f a c o nv e n t i o n a l p r e f o r m . The t e c h ni q u e o f Edmonds, h o we v e r , i n v o l v e s running a weld ing c u r r e n t f rom t h e cons u m a b l em a t e r i a l f e e d t o t h e j u s td e p o s i t e d m a t e r i a l .
One t y p e o f m a t e r i a l u s e d i n s u c h m a t e r i a l d e p o s i t i o np r o c e s s e s a r e m e t a l s . A y p i c a l m e a n s o f d e p o s i t i n gm e t a l s i n a m a n n e r t h a t a l l o w s t h e d e p o s i t e dm e t a l t o beb o n d e dt o o t h e r m e t a l l a y e r s i s t h r o u g hw e l d i n g .Howe v e r , p r i o r a r t w e l d i n g t e c h n i q u e s s u c h a s i s s h o w n i np r i o r a r t FIG. I t y p i c a l l y r e q u i r e a s u b s t r a t e m a d e o f ac o n d u c t i v e m a t e r i a l s o t h a t a welding c u r r e n t m a y be
d i r e c t e d t h r o u g h t h e s u b s t r a t e .The a r e c a u s e d b y t h ew e l d i n gc u r r e n t t h e n m e l t s f e e d m e t a l p l a c e d a d j a c e n tt h e s u b s t r a t e .T h e s e p r i o r a r t w e l d i n g t e c h n i q u e s c a nc a u s e t h e j u s t - d e p o s i t e d m e t a l a s w e l l a s t h e p r e v i o u s l ya p p l i e d l a y e r s o f m e t a l a n d t h e s u b s t r a t e t o b e i n f l ue n c e d by t h e w e l d i n ga r c . S u c h w e l d i n g a r c i n ? u e n c e si n c l u d e s u b s t a n t i a l w e l d i n g a r c p e n e t r a t i o n i n t o t h ea l r e a d y ~ d e p o s i t e dm e t a l w h i c h r e s u l t s i nt h e r e m e l t i n go f t h e a l r e a d y - d e p o s i t e dm e t a l o r s u b s t r a t e . W h e n t h ed e p o s i t e d m e t a l i s s u b s t a n t i a l l yr e m e l t e d , t h e r e i s a na c c o m p a n y i n gl o s si n i n t e g r i t yo f t h e s h a p e o f t h e d ep o s i t e d m e t a l . I f l a y e r s a d j a c e n t t o t h e i n i t i a ll a y e r s a n ds u b s t r a t e h a v e d i f f e r e n t c o m p o s i t i o n s , r e m e l tc o u l dc a u s e t h e d i s s i m i l a r m a t e r i a l s t o m i x . T h u s , t y p i c a l
w e l d i n gt e c h n i q u e sa r e i n a p p r o p r i a t ef o r t h e f a b r i c a t i o no f o b j e c t s h a v i n ga c c u r a t e d i m e n s i o n sa n d s h a p e s .P r i o ra r t w e l d i n g m e t h o d s a l s o c a n n o t w e l d onto a n o n c o nd u c t i v e o r p o o r l y c o n d u c t i v es u b s t r a t e .
SUMMARY OF THE INVENTION
We r o v i d e a method a n d a p p a r a t u s f o r d e p o s i t i n gm o l t e n m e t a l w i t h a d r i p p i n g t e c h n i q u e upon a works u r f a c e a n d s u b s e q u e n tl a y e r s p l a c e d t h e r e o n . The a pp a r a t u s i s c o m p r i s e do f a c o l l e c t o r e l e c t r o d e p l a c e d a t as e l e c t e d d i s t a n c e from t h e work s u r f a c e . A e ld t o r c hi s a l s o l o c a t e d a t a s e l e c t e d d i s t a n c e f rom a c o l l e c t o re l e c t r o d e a n d p r o x i m a t et o t h e work s u r f a c e . An l e ct r i cw e l d i n gc u r r e n t i s g e n e r a t e d s o t h a t a w e l d i n gc u r
r e n t a r e forms b e t w e e n t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e and t h eweld t o r c h .A e e d m e t a l i s t h e n f e d i n t o t h e welding c u r r e n t a r e
a n d i s m e l t e d i n t o m o l t e nm e t a l a d j a c e n t t o t h e c o l l e c t o re l e c t r o d e . The m o l t e nm e t a l i s t h e n d e p o s i t e do n t o t h e
5 , 2 8 1 , 7 8 9
1 0
20
2 5
30
3 5
40
4 5
5 5
6 5
2work s u r f a c e a n d s u b s e q u e n tl a y e r so f m e t a l d e p o s i t e dt h e r e o n . I n a p r e f e r r e d e m b o d i m e n t m e t a l d r o p l e t s a r eformed i n t h e e l e c t r i c a r e be tween t h e c o l l e c t o r e l e ct r o d e a n d t h e t o r c h .
P r e f e r a b l y, t h e w e l d i n gc u r r e n t a r e b e t w e e nt h e weldt o r c h a n d t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e s d o e s n o t p e n e t r a t et h e work s u r f a c e o r t h e a l r e a d y - d e p o s i t e dm e t a l . T h i s
p e n e t r a t i o ni s p r e v e n t e d b y i n s u l a t i n gt h et a r g e ta n dp o s i t i o n i n g t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n d t h e w e l d t o r c ha t a n a d e q u a t ed i s t a n c e f rom t h e work s u r f a c e a n d t h ed e p o s i t e d m e t a l . S i n c e t h e w e l d i n gc u r r e n t a r e t r a v e l sbe tween t h e weld t o r c h a n d t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e , t h ea l r e a d y - d e p o s i t e dm e t a l i s p h y s i c a l l ya n d e l e c t r i c a l l ys e p a r a t e d f r o m t h e w e l d i n gc u r r e n t a r e .
The c o l l e c t o r e l e c t r o d e p r e f e r a b l y h a s a p a s s a g e l oc a t e d w i t h i n i t . A o o l a n t p a s s e s t h r o u g h t h i sp a s s a g e ,t h u s c o o l i n g t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e . The c o l l e c t o r e l e ct r o d e i s a l s o p r e f e r a b l y c o n n e c t e d t o a s h a f t t h a t i sm o u n t e d so a s t o b e r o t a t a b l e when r iven b y a motor.T h i s r o t a t i o n o f t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e p r e v e n t s a n yo n e p o i n t o f t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e f r o m b e i n g h e a t e dd i r e c t l y by t h e e l e c t r i ca r e f o r a g r e a t l e n g t h o f t i m e .A l s o , t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e i s p r e f e r a b l y f a b r i c a t e d o fcopper o r a copper a l l o y w h i c h , b e c a u s e o ft h e h i g he l e c t r i c a la n d t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f c o p p e r , a l l o w st h e b u i l d - u p o f h e a t t o b e m i n i m i z e d .
F u r t h e r m o r e ,t h e e l e c t r o d e and we ld t o r c h a r e p r e fe r a b l y m o v a b l e a s a u n i t s o t h a t t h e mol t e n m e t a l m a yb e d e p o s i t e d o n t o s e l e c t e d l o c a t i o n s on t h e work s u rf a c e .A l t e r n a t i v e l y, t h e work s u r f a c e m a y b e movablew h i l e t h e w e l d t o r c h a n d c o l l e c t o r e l e c t r o d e a r e e i t h e rm o v a b l e o r h e l d s t a t i o n a r y s o a s t o s e l e c t i v e l y p o s i t i o nt h e d e p o s i t e d m e t a l on t h e work s u r f a c e . I n a n a l t e r n at i v e embodiment , t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e h a s b e v e l e ds i d e s .
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
FIG. 1 i s a f r o n t v iew o f a p r i o r a r t t e c h n i q u e f o rd e p o s i t i n gm a t e r i a lb y w e l d i n g .
FIG. 2 i s a s i d e v i e w o f a p o r t i o n o f t h e p r e f e r r e da p p a r a t u s f o r d e p o s i t i n g m o l t e n m e t a l which u t i l i z e sab r u s h .
FIG. 3 i s a t o p v iew o f a p o r t i o n o f a s e c o n dp r e f e r r e da p p a r a t u s f o r d e p o s i t i n g m o l t e n m e t a l which h a s n ob r u s h .
FIG. 4 i s a s i d e v i e w o f a p o r t i o n o f a n o t h e r embodiment o f t h e a p p a r a t u s f o r d e p o s i t i n g m o l t e n m e t a l .
FIG. 5 i s a s i d e view o f t h e p r e f e r r e d a p p a r a t u s p a rt i a l l ys h o w n i n FIG. 3 f o r d e p o s i t i n gm o l t e nm e t a l o v e ra s u b s t r a t e .
FIG. 6 i s a f r o n t v i e w p a r t i a l l y i n c r o s s s e c t i o n o f t h ep r e f e r r e d a p p a r a t u sf o rd e p o s i t i n g m o l t e n m e t a l p a rt i a l l y s h o w n i n FIG. 2 . ‘
FIG. 7 i s a s i d e v i e w o f a p o r t i o n o f y e t a n o t h e rembodiment o f o u r a p p a r a t u s f o r d e p o s i t i n g m o l t e nm e t a l .
FIG. 8 i s a s i d e v i e w o f t h e a p p a r a t u s s h o w n i n FIG.3 w i t h a w i r e f e e d e d f o r t u n g s t e n i n e r tg a s ( T I G ) - l i k eo p e r a t i o n .
FIG. 9 i s a d i a g r a mo f a s i x t h p r e f e r r e d e m b o d i m e n t .
DESCRIPTION OF THE PREFERREDEMBODIMENT
R e f e r r i n g ? r s t t o p r i o r a r t FIG. 1 , a c o n v e n t i o n a lt e c h n i q u ef o rm e t a l i n e r tg a s (MIG) w e l d i n gi s s h o w n .A e ld t o r c h 6 2 h a s a s u p p l y o ff e e d m e t a l 6 4 e x t e n d i n gfrom t . T h e w e l d t o r c h 6 2 a n d f e e d m e t a l 64 a r e l o c a t e d
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5 , 2 8 1 , 7 8 93
p r o x i m a t et o a work s u r f a c e o r s u b s t r a t e 6 6 . T h e s u bs t r a t e6 6 i s m a d e o f a n e l e c t r i c a l l y c o n d u c t i v em a t e r i a l .An l e c t r i c c u r r e n t i s g e n e r a t e d f rom a power s o u r c e( n o t s h o w n ) . The e l e c t r i c c u r r e n t f o r m s a n a r e 6 3 b etween t h e w e l d t o r c h 6 2 a n d t h e s u b s t r a t e 6 6 . T h e e l e ct r i c c u r r e n t a r e 63 t r a v e l s b e t w e e n t h e w e l d t o r c h 62a n d t h e s u b s t r a t e 66 s o a s t o extend f rom f e e d m e t a l 6 4 .
T h e e l e c t r i c c u r r e n t a r e 6 3 m e l t s t h e f e e d m e t a l 64 i n t om ol t en m e t a l . A f t e r t h e f e e d m e t a l 64 has b e e n me l t e da n d d e p o s i t e d on t h e s u b s t r a t e , t h e e l e c t r i c c u r r e n t a r e6 3 c o n t i n u e st o e x t e n d from t h e s u b s t r a t e 6 6 t o t h e f e e dm e t a l 6 4 , p e n e t r a t i n g t h e a l r e a d y - d e p o s i t e dm e t a l . ‘T h u s , t h e e l e c t r i c c u r r e n t a r e 63 can defo rm t h e a lr e a d y - d e p o s i t e dm e t a l . The s a m e p r o b l e m s o c c u rw i t hTIG w e l d i n gt e c h n i q u e s .
R e f e r r i n gn e x t t o FIGS. 2 , 3 , 5 a n d 6 , two p r e f e r r e dmethods a n d a p p a r a t u s f o r d e p o s i t i n gm o l t e n m e t a l a r es h o w n .A ork s u r f a c e s u c h a s s u b s t r a t e 1 6 i s p r o v i d e d .The a p p a r a t u s 1 0 i n c l u d e s a c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 p o s it i o n e d a t a s e l e c t e d d i s t a n c e from t h e s u b s t r a t e 1 6 . T h es u b s t r a t e i s m a d e o f any s e l e c t e d m a t e r i a l and need n o tb e e l e c t r i c a l l yc o n d u c t i v e . F u r t h e r m o r e ,t h e s u b s t r a t e16 m a y be m a d e of a m a t e r i a l s i m i l a r o r i d e n t i c a l t o t h ed e p o s i t e d m e t a l . I f a s u b s t r a t e m a t e r i a l i s c h o s e n n
which s u f f i c i e n t bonding m a y occur be tween t h e s u bs t r a t e1 6 a n d t h e d e p o s i t e d m a t e r i a l ,t h e o b j e c t m a yi n c o r p o r a t e t h e s u b s t r a t e 1 6 i n i t s s t r u c t u r e . A weldt o r c h 1 4 i s a l s o p o s i t i o n e d a t a s e l e c t e d d i s t a n c e fromt h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 .
The c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 i s p r e f e r a b l y c y l i n d r i c a l i ns h a p e a n d i s m a d e o f c o p p e r o r a c o p p e r a l l o y. Thec o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 p r e f e r a b l y h a s smooth c o n t i n uo u s s i d e s 1 3 .I n t h e embodimen t s o f FIGS. 2 , 3 ,5 and 6t h e s e s i d e s a r e a p p r o x i m a t e l yp e r p e n d i c u l a rt o t h e s u bs t r a t e1 6 .They a l s o m a y b e b e v e l e d a s s h o w n i n t h ee m b o d i m e n t o f FIG. 4 o r r o u n d e d . I n t h e e m b o d i m e n to f FIG. 4 , t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 4 8 h a s b e v e l e d s i d e s5 0 . T h e welding c u r r e n t a r c 1 5 w i l l t h u s t r a v e l b e t w e e nt h e weld t o r c h 1 4 a n d t h e b e v e l e d s i d e s 5 0 o f t h e c o l l e ct o r e l e c t r o d e 1 2 .Although t h e b e v e l e d s i d e s 5 0 o f c o ll e c t o r e l e c t r o d e 4 8 a r e s h o w n t o be s l o p e d d o w n w a r da n d i n w a r d , t h e s i d e s m a y b e s l o p e d d o w n w a r d a n do u t w a r d . A d d i t i o n a l l y, a n y a n g l e o f s l o p e f o rt h e s i d e s5 0 m a y b e s e l e c t e d .Copper i s t h e p r e f e r r e d m a t e r i a l o fc o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 b e c a u s e o f i t s h i g h e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y . The c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 i s m o u n t e d ona r o t a t i n g s h a f t 2 2 . T h u s , a s s h o w n by t h e curved arrowo f FIGS. 3 a n d 7 , t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 r o t a t e s a sr o t a t i n g s h a f t 2 2 r o t a t e s .The c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n ds u b s t r a t e a l s o move e l a t i v e t o o n e another a s i n d i c a t e dby t h e s t r a i g h ta r r o w .
R e f e r r i n g t o FIG. 6 , t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 h a s ac o o l a n t p a s s a g e 2 4 l o c a t e d w i t h i n i t . Va r i o u s c o o l a n t? u i d s a r e a b l e t o t r a v e l t h r o u g h t h e c o o l a n t p a s s a g e2 4 .T h e c o o l a n t p a s s a g e24 s connec t ed t o a n i n n e r c o o l a n tc h a n n e l 26 a n d a n o u t e r c o o l a n t c h a n n e l 2 7 . Both t h ei n n e r c o o l a n t c h a n n e l 2 6 and t h e o u t e r c o o l a n t c h a n n e l2 7 a r e l o c a t e d w i t h i n t h e r o t a t i n g s h a f t 2 2 . The i n n e rc o o l a n t c h a n n e l 26 and o u t e r c o o l a n t c h a n n e l 27 a r ep r e f e r a b l y c o a x i a l . F l u i d s a r e t h u s a b l e t o f l o w i n t oc o o l a n t p a s s a g e 2 4 from t h e i n n e r c o o l a n t c h a n n e l 2 6 .S i m i l a r l y , c o o l a n t ? u i d s m a y ? o w o u t o f t h e c o o l a n tp a s s a g e 24 through o u t e r c o o l a n t c h a n n e l 2 7 o r v i c ev e r s a . A o t a t i n g water connect ion 38 i s c o n n e c t e d t o ac o n d u c t i v e s h a f t 2 2 a t a n end o f r o t a t i n g s h a f t 2 2 l oc a t e d d i s t a lt o c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 . The c o o l a n tchamber 3 8 h a s a n i n t a k e 4 0 t h r o u g h which c o o l a n te n t e r s t h e a p p a r a t u s 1 0 .T h e i n t a k e 40 i s c o n n e c t e d t o
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 5
5 5
60
6 5
4t h e i n n e r c o o l a n t c h a n n e l 2 6 . T h u s , c o o l a n t t h a t e n t e r si n t a k e 4 0 m a y t r a v e lt h r o u g h r o t a t i n g s h a f t2 2 w i t h i ni n n e r c o o l a n t c h a n n e l2 6 .The c o o l a n t chamber 3 8 f u rt h e r h a s a n e x h a u s t 4 2 t h r o u g h which c o o l a n t e x i t st h ea p p a r a t u s 1 0 . T h e e x h a u s t 42 i s connected t o a n o u t e rc o o l a n t c h a n n e l 2 7 .T h u s , c o o l a n t t h a tt r a v e l s t h r o u g hr o t a t i n g s h a f t 2 2 w i t h i n t h e o u t e r c o o l a n t c h a n n e l 2 7m a y x i tt h e e x h a u s t4 2 .A o o l a n t p u m p ( n o t shown) st h e n c o n n e c t e d t o t h e apparatus 10 a t t h e i n t a k e 4 0 a n dt h e e x h a u s t 4 2 .
D u r i n go p e r a t i o n o f o u r d e v i c e , w e o b s e r v e d c a r b o nb u i l d - u p o n t h e e l e c t r o d e 1 2 .T h e r e f o r e , w e p r e f e r t op r o v i d e a n o p t i o n a l r o t a t i n g b r u s h 1 9 t o remove t h ec a r b o n . A s s h o w n i n FIGS. 2 and 6 w e p r e f e r t o prov i d e a wire b r u s h 1 9 m o u n t e d a t t h e e n d of a r o t a t i n gs h a f t 5 2 . T h e s h a f t 5 2 i s r o t a t a b l y m o u n t e d t o a f r a m e36w i t h a s e to f b e a r i n g s5 6 . T h e s h a f t i s d r i v e n b y a motor5 4 . R o t a t i o n o ft h e s h a f t 5 2 c a u s e s t h e w i r e b r u s h 1 9 t or o t a t e .T h e b r u s h 1 9 i s i n c o n t a c t w i t h t h e c o l l e c t o re l e c t r o d e 1 2 t o r e m o v e c a r b o n d e p o s i t e d on t h e e l e ct r o d e d u r i n g w e l d i n g . The c o l l e c t o r e l e c t r o d e c a n b ec l e a n e d b e f o r e ,d u r i n g a n d a f t e ro p e r a t i o n b y r o t a t i n gboth t h e e l e c t r o d e a n d t h e b r u s h . T h e b r u s h r o t a t e s a t ah i g h s p e e d .To p r o t e c ta g a i n s tp a r t i c l e s? y i n g a w a yfrom t h e b r u s h , t h e b r u s h i s s h i e l d e d w i t h a m e t a l cover( n o t s h o w n ) . O n e c o u l d a l s o remove t h e c a r b o n fromt h e c o l l e c t o r w i t h a g a s - t o r c h t h a t b u r n s t h e c a r b o n o rc o u l d remove t c h e m i c a l l y .
S i n g l e m e t a l d r o p l e t s s o m e t i m e ss t i c kt o t h e c o l l e c t o re l e c t r o d e . They a r e a l s o removed by t h e b r u s h . Suchd r o p l e t s c o u l d b e r e m o v e db y a s h a r p e d g e , w h i c hi s i nc o n t a c t w i t h t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n d s h e a r s o f f t h es t i c k i n gd r o p l e t w h i l e t h e e l e c t r o d e i s r o t a t i n g .
The r o t a t i n g s h a f t2 2 i s r o t a t a b l y a t t a c h e d t o a n de x t e n d s w i t h i n a f r a m e3 6 .The r o t a t i n g s h a f t2 2 i s r o t a ta b l y m o u n t e d t o f r a m e 3 6by a s e to f b e a r i n g s3 4 .W i t h i nf r a m e 3 6 , t h e r o t a t i n g s h a f t 2 2 h a s a s h a f t g e a r 3 2m o u n t e d c o a x i a l t o t h e e x t e r i o r o f t h e r o t a t i n g s h a f t 2 2s u c h t h a t a s t h e s h a f t g e a r 3 2 i s r o t a t e d , t h e r o t a t i n gs h a f t 2 2 i s c a u s e d t o r o t a t e a s w e l l . R o t a t i n g s h a f t 2 2 i sf u r t h e r p r o v i d e d w i t ha r o t a r y w e l d i n gg r o u n dc o n n e ct i o n 4 6 . The p a t h o f t h e w e l d i n g c u r r e n t r u n s fromc o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 t h r u s h a f t 2 2 t o r o t a r y groundc o n n e c t i o n4 6 .
A s s h o w n i n FIG. 6 , a motor g e a r 3 3 i s m o u n t e d t o ad r i v e n p o r t i o n o f a motor 2 8 . Motor g e a r 3 3 i s engagedwith t h e s h a f t g e a r 3 2 s o t h a t a s t h e moto r gear 3 3 r ot a t e s ,t h e s h a f t g e a r 3 2 i s c a u s e d t o r o t a t e a s w e l l . T h es h a f t g e a r 3 2 t h e n r o t a t e s t h e s h a f t 2 2 w h i c h c a u s e s t h ec o l l e ct o r e l e c t r o d e 1 2 t o r o t a t e .
I n t h e embodiment o f F I G . 7 , t h e c o l l e c t o re l e c t r o d e1 2 i s t u r n e d s i d e w a y sb y 9 0 d e g r e e s , s o t h a t t h e a x i so fr o t a t i o n i s n o w h o r i z o n t a l , i n s t e a d o f v e r t i c a l .A s n t h ev e r t i c a l v e r s i o n , t h e a r c i s e s t a b l i s h e d be tween t h e w i r e1 8 ,which s f e d t h r o u g ht h e t o r c h 4 4 ,a n d t h e c o l l e c t o re l e c t r o d e . D r o p l e t s o f m o l t e nm e t a l w i l l form t t h e e n do f t h e w i r e a n d t h e n f a l l o n t o t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e .The r o t a t i o n o f t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e w i l l a c c e l e r a t et h e d r o p l e t s i n t h e d i r e c t i o n o f t h e s u b s t r a t e ( s h o w nb yt h e a r r o w i n F I G . 7 ) . The d r o p l e t s w i l lh i t t h e t a r g e tw i t h i n c r e a s e d k i n e t i ce n e r g y. Upon i m p a c t , t h e a d d it i o n a lk i n e t i ce n e r g y h e l p s t o b r e a k t h e s k i n ,whichf o r m s on t h e s u r f a c e o f t h e d r o p l e t s , a n d t h e r e f o r e ? a tt e n s t h e d e p o s i t . T h i s r e d u c e s o r e l i m i n a t e s t h e t e nd e n c y o f t h e d e p o s i t e d m e t a l t o f o r m d e p o s i t s w i t hu n d e r c u t sb e t w e e na d j a c e n t d e p o s i t e dd r o p l e t s .
T h e w e l d t o r c h n o z z l e 1 4i s f i x e d t o t h e f rame 36 s ot h a t t h e w e l d t o r c h n o z z l e 1 4 i s d i r e c t e d a ?xed d i s t a n c e
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5 , 2 8 1 , 7 8 95
f r o m t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 .The w e l d i n g powers u p p l y ( n o t s h o w n )h a s o n e p o l e c o n n e c t e dt o t h e t o r c h4 4 a n d t h e o t h e r p o l e c o n n e c t e dt o t h e e l e c t r o d e . T h u s ,w h e n t h e w e l d i n gpower s u p p l y i s a c t i v a t e d , a n e l e c t r i cw e l d i n gc u r r e n t f o r m sa n a r e 1 5 b e t w e e n t h e w e l d t o r c ha n d t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 . The w e l d i n g powers u p p l y p r e f e r a b l y p r o v i d e s a c o n s t a n t o r p u l s e d d c c u r
r e n t .A u p p l y o f f e e d m e t a l 1 8 i s p r o v i d e d w h i c h i sp r e f e r a b l y f e d f r o m t h e w e l d t o r c h 4 4 .A n d a l t h o u g ht h e f e e d m e t a l 1 8i s p r e f e r a b l y f e d f r o mw i t h i n t h e w e l dt o r c h 4 4 , t h e f e e d m e t a l 1 8 m a y b e f e d i n t o t h e e l e c t r i cc u r r e n t a r c f rom any l o c a t i o n . We a v e found s t e e l a n dc o p p e r t o b e s u i t a b l e f e e d m e t a l s . T h e f e e d m e t a l 1 8t h e n a c t s a s a n e l e c t r o d e a n d t h e weld ing c u r r e n t a r e 1 5t r a v e l s b e t w e e n t h e f e e d m e t a l 1 8 a n d t h e c o l l e c t o re l e c t r o d e 1 2 .S i n c e t h e weld t o r c h 4 4 a n d t h e c o l l e c t o re l e c t r o d e 12 a r e l o c a t e d a s e l e c t e d d i s t a n c e f rom t h es u b s t r a t e 1 6 , t h e weld ing c u r r e n t a r e 1 5 i s l o c a t e d as e l e c t e d d i s t a n c e f rom t h e s u b s t r a t e 1 6 a s w e l l . T h ed i s t a n c e o f t h e w e l d t o r c h 4 4 a n d t h e c o l l e c t o r e l e ct r o d e 1 2 from t h e s u b s t r a t e 1 6 i s s e l e c t e d s o t h a t t h e
t o r c h a n d e l e c t r o d e d o n o t t o u c h t h e s u b s t r a t e 1 6 o r t h em e t a l a l r e a d y d e p o s i t e d o n t h e s u b s t r a t e .
I n t h e MIG e r s i o n shown i n FIG. 2 , t h e w i r e 1 8 i sf e d t h r o u g ht h e t o r c h 4 4 a n d c o n s u m e d b yb e i n g m e l t e dand d e p o s i t e d . I n a T l G - l i k e v e r s i o n s h o w n i n FIG. 8t h e t o r c h i s e q u i p p e d w i t ha nonconsumable e l e c t r o d e ,p r e f e r a b l y a t u n g s t e n e l e c t r o d e 1 7 .An r e 1 5 i s e s t a bl i s h e d b e t w e e nt h e n o n c o n s u m a b l ee l e c t r o d e 1 7 a n d t h ec o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 .T h e w i r e 1 8 i s f e d t h r o u g h as e p a r a t e f e e d i n g m e c h a n i s m4 5 w h i c h i s l o c a t e d d ir e c t l y above t h e a r c . T h e w i r e i s m e l t e d by t h e a r c ,d r o p l e t s w i l l form a t t h e end o f t h e w i r e and f a l ldown.
T h e e m b o d i m e n t o f FIG. 8 h a s s e v e r a l b e n e ? t s . T h ea r e t e m p e r a t u r ec a n b e c h o s e n i n d e p e n d e n t l yfrom t h e
w i r e f e e d r a t e ,t h e r e f o r e a l l o w i n go n e t o i n d e p e n d e n t l yc o n t r o l t h e t e m p e r a tu r e o ft h e d r o p l e t s a n d t h e amounto f d e p o s i t . T h i s makes i t p o s s i b l e t o c o n t r o l t h e h e a ti n p u t i n t ot h e s u b s t r a t eo r p r e v i o u s l y d e p o s i t e dl a y e r s
20
2 5
30
3 5
b y v a r y i n g t h e r a t e o f d e p o s i t i o n . P o s i t i o n ala c c u r a c yo f 4 0e a c h d r o p l e t i s i m p o r t a n tt o g u a r a n t e ea u n i f o r md e p o s i tw i t h o u t v o i d s . I n t h e T I G - l i k ev e r s i o n , t h e d r o p l e t s f a l ls t r a i g h t d o w n f r o m t h e e n d o f t h e w i r e , g i v i n g a n i nc r e a s e d p o s i t i o n a l a c c u r a c y c o m p a r e dt o t h e v e r s i o ns h o w n i n FIG. 2 . I n t h e e m b o d i m e n t o f FIG. 2 t h el o c a t i o n o f t h e d e p o s i t d e p e n d su p o nt h e l o c a t i o n w h e r et h e w i r e i s m e l t e d . T h i s l o c a t i o n c h a n g e s w i t hd i f f e r e n ta r e p a r a m e t e r s .C h a n g e s c a n a l s o b e c a u s e dby u n s t a b l earc c o n d i t i o n s .
I n o p e r a t i o n , t h e motor 2 8 d r i v e s t h e r o t a t i n g s h a f t 2 2c a u s i n g t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 t o r o t a t e . C o o l a n t i sc i r c u l a t e d i n t o a n d o u t o f t h e c o o l a n t p a s s a g e24 o f t h ec o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 .A e e d m e t a l 1 8i s f e d from w e l dt o r c h 4 4 .The power s u p p l y t h e n e n e r g i z e s a n e l e c t r i cw e l d i n g c u r r e n t be tween t h e f e e d m e t a l 1 8 a n d t h er o t a t i n g c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 .An r e 1 5 t h e n f o r m sbe tween t h e f e e d m e t a l 1 8 a n d t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e1 2 .T h e w e l d i n gc u r r e n t a r e 1 5 m e l t s t h e f e e dm e t a l 1 8
i n t o m o l t e n m e t a l 2 0 a t s o m e p o i n t be tween t h e weldt o r c h 4 4 and a s i d e 1 3 o f t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 . I na p r e f e r r e d e m b o d i m e n t t h e m o l t e n m e t a l f o r m s b et w e e n t h e t o r c h a n d t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 . T h em o l t e n m e t a l 20 t h e n f a l l so n t o t h e s u b s t r a t e 1 6 .
T h e f e e d m e t a l 1 8 i s m e l t e d by t h e a r e 1 5 .A t t h e e n do f t h e f e e d m e t a l 1 8 a d r o p l e t s t a r t st o f o r m . S u r f a c et e n s i o n c a u s e s t h e d r o p l e t t o hang f r o m t h e e n d o f t h ef e e d m e t a l 1 8 7 I f n o a d d i t i o n a l mechan i ca l energy i ss u p p l i e d ,t h e s i z eo f t h e d r o p l e t i n c r e a s e s ,u n t i lt h e f o r c e
4 5
5 5
6 5
6c a u s e d b y g r a v i t y i s ? n a l l y s t r o n g e n o u g ht o b r e a k t h es u r f a c e t e n s i o n ,a n d t h e d r o p l e t f a l l st o w a r d s t h e s u bs t r a t e .The s i z eo f t h e d r o p l e t d e p e n d sm a i n l yu p o n t h eamount o f s u r f a c e t e n s i o n , which d e p e n d s upon t h et e m p e r a t u r e o ft h e m o l t e n m e t a l . The t e m p e r a t u r e o ft h e d r o p l e t i s m a i n l y i n ? u e n c e db y t h e p a r a m e t e r so ft h e a r e , which c a n n o t b ec h o s e nf r e e l y i n o r d e r t o m a i n
t a i ns t a b l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s .A l s o , d i f f e r e n td r o p l e tt e m p e r a t u r e sm i g h th a v e a d v e r s e a f f e c t so n t h e d e p o s i t .
We a n c o n t r o l t h e d r o p l e t s i z e i n a w i d e r a n g e a n di n d e p e n d e n tf r o m t h e d r o p l e t t e m p e r a t u r eb y a d d i n g am e c h a n i s m t o a p p l y a d d i t i o n a l m e c h a n i c a le n e r g y t ot h e f e e d m e t a l . I n t h e e m b o d i m e n t o f FIG. 9 , w e m a k ea c o n t r o l l e d a p p l i c a t i o n o f a mec h an i ca l f o r c e t o t h ef e e d m e t a l 1 8 o r weld t o r c h 4 4 .Power s u p p l y 4 3 p r ov i d e s e l e c t r i c i t y t h r o u g h l i n e s 84 t o c r e a t e a n a r e bet w e e n t h e w e l d t o r c h 44 and t h e e l e c t r o d e 1 2 . A o n t r o lcomputer 7 4 i s c o n n e c t e dt o t h e w i r e f e e d 4 5 , t h e w e l di n g power s u p p l y 4 3 a n d t h e m e c h a n i c a la c t u a t o r 7 0 .At e m p e r a t u r e s e n s o r 72 mea s u re s t h e t e m p e r a t u r eo f t h ed e p o s i t e d m a t e r i a l a n d p r o v i d e s a f e e d b a c ks i g n a lt h r u
l i n e7 6 t o t h e c o n t r o l l e r 7 4 .According t o t h e f e e d b a c ks i g n a lt h e c o n t r o l l e r7 4 a d j u s t st h e s i g n a lc a r r i e db y l i n e8 0 f o r t h e w i r e f e e d 4 5 t o c o n t r o l t h e w i r e f e e d s p e e d ) ,t h e s i g n a l st r a v e l i n g l i n e8 2 f o r t h e w e l d i n gpower s u pp l y 4 3 t o a d j u s t t h e p a r a m e t e r so f t h e e l e c t r i ca r c ) a n dt h e s i g n a l p a s s i n g on l i n e 7 8 t o t h e m e c h a n i c a la c t u a t o r7 0 t o a d j u s tt h e a d d i t i o n a lm e c h a n i c a le n e r g y s u p p l i e dt o t h e f e e d w i r e ) .I n t h i sm a n n e r , o p t i m a l o p e r a t i n gc o n d i t i o n s c a n be r e a c h e d . O n e w a y o f a p p l y i n g t h ea d d i t i o n a l m e c h a n i c a le n e r g y t o t h e f e e d w i r e c o u l db eb y c o n s t a n t l y v i b r a t i n g t h e f e e d m e t a l 1 8 .A n o t h e rw a yc o u l d b e by a p p l y i n g a s h o r t m e c h a n i c a li m p u l s et o t h ew i r e 1 8 w h e n t h e d r o p l e t r e a c h e s t h e d e s i r e d s i z e .T h ea c t u a l d i s p l a c e m e n to f t h e f e e d m e t a l c a n b e r a t h e r
s m a l l . C o n s t a n t v i b r a t i o n o f t h e w i r e 1 8 w i l l c a u s e t h ed r o p l e t a t t h e end o f t h e w i r e t o v i b r a t e c o n s t a n t l y , as h o r t m e c h a n i c a li m p u l s e w i l l c a u s e t h e d r o p l e t a t t h ee n d o f t h e w i r e t o v i b r a t e a s h o r t p e r i o d w h e n t h e imp u l s e i s a p p l i e d . The v i b r a t i o n o f t h e d r o p l e t c a u s e sa d d i t i o n a l f o r c e s which h e l p t o b r e a k t h e s u r f a c e t e ns i o n which i s h o l d i n g t h e d r o p l e t t o t h e w i r e . V i b r a t i o no f t h e d r o p l e t c a u s e s t h e s u r f a c et e n s i o n t o be brokens o o n e r , which a l l o w s t h e d e p o s i t i o n o f s m a l l e r s i z e dd r o p l e t s .The d r o p l e t s i z ec a n b e v a r i e d b y v a r y i n g t h ea m p l i t u d ea n d / o r t h e f r e q u e n c y o ft h e c o n s t a n t v i b r at i o n ,o r t h e a m p l i t u d e o f t h e s h o r t i m p u l s e s a n d t h ei n t e r v a l a t which t h e i m p u l s e sa r e a p p l i e d t o t h e w i r e .T h e s o u r c e o f t h e a d d i t i o n a l mechanica l energy c o u l d
b e any m e c h a n i c a l o re l e c t r o - m a g n e t i ca c t u a t o r , i n c l u di n g u l t r a s o n i ca n d p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r s .The m e c h a n ic a l energy c o u l d be t r a n s f e r r e d t o t h e wire b y a mec h a n i c a l a c t u a t o r i n t e g r a t e d i n t h e t o r c h 44 f o r t h ev e r s i o n s s h o w n i n FIGS. 1 t o 7 , a mech a n i ca l a c t u a t o ri n t e g r a t e d i n t h e w i r e f e e d e r 4 5 f o r t h e v e r s i o n s h o w n nFIG. 8 , o r by f e e d i n g t h e w i r e t h r o u g h a s m a l l h o l e i na p i e c e e x t e n d i n g f r o m t h e m e c h a n i c a la c t u a t o r whichi s mounted e x t e r n a l l y a s shown i n FIG. 9 . The p i e c ee x t e n d i n g f r o m t h e a c t u a t o r would p r e f e r a b l y b e l oc a t e d a t t h e e n d o f t h e t o r c h 44 i . e . t h e w i r e f e e d e r 4 5f o r t h e v e r s i o n s h o w n i n FIG. 8 ) ,a s m a l l d i s t a n c e a w a yfrom t h e p o i n t where t h e w i r e h i t s t h e a r e . I f c o n s t a n tv i b r a t i o n i s u s e d , t h e v i b r a t i o n c o u l d a l s o b e t r a n s f e r r e d
t o t h e w i r e by v i b r a t i n g t h e whole e l e c t r o d e a n d t o r c ha s s e m b l y. A i b r a t i n g d e v i c e c o u l db e i n t e g r a t e d i n t ot h e t o r c h 44 f o r t h e v e r s i o n s s h o w n i n FIGS. 1 t o 7 , o ri n t o t h e w i r e f e e d e r 4 5 f o r t h e v e r s i o n s h o w n n FIG. 8 .O n e c o u l d a l s o f e e d t h e w i r e through a s m a l l h o l e i n a
8/15/2019 Us Patent 5281789
http://slidepdf.com/reader/full/us-patent-5281789 11/13
5 , 2 8 1 , 7 8 97
p i e c e ( n o t s h o w n )e x t e n d i n gf r o m t h e v i b r a t i o n s o u r c e .The p i e c e e x t e n d i n gf r o mt h et r a n s d u c e rw o u l dp r e f e r ab l y b e l o c a t e d a t t h e e n d o f t h e t o r c h 4 4 ,o r t h e w i r ef e e d e r 4 5 f o r t h e v e r s i o n shown i n FIG. 8 , a s m a l l d i st a n c e a w a y from t h e p o i n t where t h e w i r e h i t st h e a r e .
I n our exper iments we h a v e s e e n t h a t t h e r a t e a t
w h i c h t h e d r o p l e t s c o o l d o w n a f t e rt h e y a r e d e p o s i t e d
d e p e n d supon t h e s u r f a c e upon which t h e d r o p l e t s a r ed e p o s i t e d .D i f f e r e n t m a t e r i a l sa n d d i f f e r e n tg e o m e t r i cs h a p e s r e s u l t i n d i f f e r e n t t h e r m a l p r o p e r t i e s , a n d t h e r ef o r e t h e d e p o s i t e d d r o p l e t s c o o l d o w n f a s t e r o r s l o w e r .The r a t e a t which t h e d r o p l e t s c o o l d o w n h a s a s t r o n gi n f l u e n c e on t h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t . I n o r d e r t o g e t au n i f o r md e p o s i t o f t h e d e s i r e d s h a p e , i t i s d e s i r a b l e t od e p o s i tt h e n e x t d r o p l e t when t h e p r e v i o u s ,a l r e a d yd e p o s i t e dd r o p l e t h a s c o o l e d d o w n t o a c e r t a i n t e m p e ra t u r e . To a c c o m p l i s ht h i s ,w e p r e f e r t o p r o v i d e a t e mp e r a t u r e s e n s o r 72 a s s h o w n i n FIG. 9 t o m e a s u r e t h et e m p e r a t u r e o ft h ep r e v i o u s l yd e p o s i t e d d r o p l e t .T h er a t e a t which t h e d r o p l e t s a r e d e p o s i t e d would b e a dj u s t e d a c c o r d i n gt o t h e m e a s u r e dt e m p e r a t u r eb y m e a n so f a c o n t r o l l o o p . T h a t c o n t r o l l e r r e g u l a t e s t h e f e e d r a t eo f t h e f e e d m e t a l 1 8 ,t h e a r c p a r a m e t e r sa n d t h e v e l o c i t ya t w h i c h t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n d t h e t o r c h t r a n sv e r s e s over t h e s u b s t r a t e o r p r e v i o u s l a y e r s .
The weld t o r c h 1 4 a n d t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 ,w h i c h p r e f e r a b l y d o n o t m o v e r e l a t i v e t o one a n o t h e r ,m a y be s e l e c t i v e l y m o v e d a s a u n i t a s s h o w n by t h es t r a i g h t arrow o f FIGS. 3 a n d 7 . The c o l l e c t o r e l e ct r o d e 1 2 a n d t h e weld t o r c h 1 4 m a y b e movable byb e i n g a t t a c h e d t o a c o m p u t e rc o n t r o l l e d p o s i t i o n i n gd e v i c e s u c h a s a robot or a c o m p u t e r numer ica l ly c o nt r o l l e d m a c h i n e ( C N C m a c h i n e ) . Such m a c h i n e sa r ek n o w n n which s e q u e n t i a lm o v e m e n t s a r e programmedi n t o t h e c o m p u t e r .Moving t h e w e l d t o r c h 1 4 a n d t h e
c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 a l l o w s t h e d e p o s i t e d m o l t e nm e t a l 2 0 t o be p l a c e d a t s e l e c t e d l o c a t i o n s on s u b s t r a t e1 6 .
H e a t i s g e n e r a t e da t t h e s i d e 1 3 o f c o l l e c t o r e l e c t r o d e1 2 by t h e w e l d i n g c u r r e n t a r e 1 5 .The r o t a t i o n o f t h ec o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 c a u s e s d i f f e r e n t p o i n t s a l o n g t h es i d e o f c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 t o b e i n d i r e c t c o n t a c tw i t h t h e w e l d i n gc u r r e n t a r e 1 5 .T h u s , a s n o s i n g l e p o i n ta l o n g t h e s i d e 1 3 o f c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 b e a r s d i r e c tc o n t a c t o f l o n g d u r a t i o n w i t h t h e w e l d i n g c u r r e n t a r e1 5 ,e x c e s s i v e h e a t b u i l d u p i n a s i n g l e s p o t i n t h e c o l l e ct o r e l e c t r o d e 1 2 i s p r e v e n t e d . A l s o , t h e ? o w o f c o o l a n tt h r o u g h t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 a s s i s t si n t h e r e l i e vi n g o f h e a t b u i l d u p i n t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 b yc a r r y i n g e x c e ss h e a t o u t o f t h e c o o l a n t p a s s a g e 24 o fc o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 . F u r t h e r m o r e , f a b r i c a t i n gt h ec o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 f r o m c o p p e r h e l p s i n p r e v e n t i n ge x c e s s i v eb u i l d u p o f h e a t on t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 .T h i s i s b e c a u s e o ft h e h i g h e l e c t r i c a l and t h e r m a l cond u c t i v i t y o f c o p p e r .
R e f e r r i n g n e x t t o FIG. 4 , a n a l t e r n a t i v e e m b o d i m e n to f t h e a p p a r a t u s i s s h o w n . I n t h i se m b o d i m e n t ,t h e c o ll e c t o r e l e c t r o d e 4 8 h a s b e v e l e d s i d e s5 0 .The w e l d i n gc u r r e n t a r e 1 5 w i l l t h u s t r a v e l b e t w e e n t h e w e l d t o r c h1 4 a n d t h e b e v e l e d s i d e s 5 0 o f t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 .A l t h o u g ht h e b e v e l e d s i d e s5 0 o f c o l l e c t o r e l e c t r o d e 4 8a r e s h o w n t o b e s l o p e d d o w n w a r d and i n w a r d , t h e s i d e sm a y b e s l o p e d do wnward a n d o u t w a r d . A d d i t i o n a l l y ,
a n y a n g l e o f s l o p e f o r t h e s i d e s5 0 m a y b e s e l e c t e d .F u r t h e r v a r i a t i o n s o f t h e p r e f e r r e d e m b o d i m e n t s
c o u l d b e m a d e .F o r e x a m p l e ,t h e s u b s t r a t e 1 6 i s p r e f e r ab l y c o n n e c t e d t o t h e a p p a r a t u s 1 0 f o r r e l a t i v e m o v em e n t t h e r e b e t w e e n .However, t h e s u b s t r a t e 1 6 m a y b e
2 0
2 5
4 5
50
5 5
6 5
8i n d e p e n d e n t o fa p p a r a t u s 1 0 w h i l e c o o p e r a t i n g w i t ha p p a r a t u s 1 0 i n t h e w e l d d e p o s i t i o n . F u r t h e r m o r e ,i ts h o u l d b e u n d e r s t o o dt h a t t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2m a y b e r o t a t e d , r e c i p r o c a t e d , m o v e l i n e a r l y o r have ap e n d u l u m m o t io n a t a ny s e l e c t e d r a t e o r may o t m o v ea t a l l . I n t h e e m b o d i m e n t o f FIG. 7 t h e e l e c t r o d e 1 2 i so r i e n t e d t o r o t a t e i n a p l a n e which i s normal t o t h e
s u b s t r a t e . A n y ground c o n n e c t i o n c a n b e u s e d f o r an o n - r o t a t i n ge l e c t r o d e .
Al though t h e w e l d t o r c h l 4 and t h e c o l l e c t o r e l e ct rode 12 are preferably moved s a u n i t so a s t o s e l e c
t i v e l yp l a c e m o l t e nm e t a l o n t h e s u b s t r a t e1 6 ,t h e w e l dt o r c h 1 4 a n d t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e 1 2 m a y b e h e l d? x e d w h i l e t h e s u b s t r a t e 1 6 i s s e l e c t i v e l y m o v e d .
A l s o , t h e c o l l e c t o r e l e c t r o de 1 2 s p r e f e r a b l y c y l i n d r ic a li n s h a p e . H o w e v e r ,o t h e r s h a p e sc o u l d b e u s e d p a rt i c u l a r l y i n a n e m b o d i m e n t i n which t h e c o l l e c t o r e l e ct r o d e d o e s n o t r o t a t e .F u r t h e r m o r e , a l t h o u g ht h e c o ll e c t o r e l e c t r o d e i s p r e f e r a b l y m a d e o f c o p p e r , any cond u c t i v e m a t e r i a l m a y b e u s e d .
The i n n e r c o o l a n t c h a n n e l 2 6 a n d t h e o u t e r c o o l a n t
c h a n n e l 2 7a r e p r e f e r a b l y c o a x i a l .However, t h e y m a ys i m p l yb e a d j a c e n t p i p e s .A n d ,a l t h o u g ha c o o l a n t pumpi s p r e f e r a b l y mounted e x t e r i o r t o t h e a p p a r a t u s , t h ea p p a r a t u s c o u l db e e q u i p p e dw i t h i t s o w n i n t e g r a l c o o la n t pump. F u r t h e r , a l t h o u g h a c o o l a n t s y s t e m i s p r ef e r r e d ,t h e p r e s e n t method a n d a p p a r a t u s m a y b e p r a ct i c e d w i t h o u t s u c hc o o l a n t s y s t e m .
W h i l e c e r t a i np r e s e n t p r e f e r r e d e m b o d i m e n t sh a v eb e e n shown a n d d e s c r i b e d , i t i s d i s t i n c t l yu n d e r s t o o dt h a t t h e i n v e n t i o n i s n o t l i m i t e d t h e r e t o b u t m a y b eo t h e r w i s e e m b o d i e dw i t h i n t h e s c o p e o f t h e f o l l o w i n gc l a i m s .
We l a i m :1 . A n a p p a r a t u s f o r d e p o s i t i n gm o l t e n m e t a l t o f o r m
a t h r e e - d i m e n s i o n a lo b j e c t ,c o m p r i s i n g :a r o t a t a b l e c o l l e c t o r e l e c t r o d e l o c a t e d a s e l e c t e d d i s
t a n c e a b o v e a work s u r f a c e ;a w e l d t o r c h l o c a t e d a s e l e c t e d d i s t a n c e f rom t h e
c o l l e c t o r e l e c t r o d e , w h e r e i n a n e l e c t r i cw e l d i n gc u r r e n t t r a v e l s be tween t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e andt h e w e l d t o r c h , t h e r e l a t i v ep o s i t i o n o f t h e w e l d i n gc u r r e n t t o t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n d t h e w e l dt o r c h r e m a i n i n g? x e d ; a n d
m e a n s f o r f e e d i n g a f e e d m e t a l i n t o t h e weld ing c u rr e n t s o t h a t t h e weld ing c u r r e n t can m e l t t h e f e e dm e t a l i n t o m o l t e n m e t a l a n d t r a n s f e r t h e m o l t e nm e t a l towards t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e s o t h a t t h em o l t e n m e t a l i s d e p o s i t e d o n t o t h e work s u r f a c e
be low t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e t o form a t h r e e - d im e n s i o n a lo b j e c t .
2 . The a p p a r a t u s o f c l a i m 1 w h e r e i n t h e w e l d i n gc u r r e n t be tween t h e weld t o r c h a n d t h e c o l l e c t o r e l e ct r o d e d o e s n o t p e n e t r a t e t h e work s u r f a c e . ’
3 . The a p p a r a t u s o f c l a i m 1 f u r t h e r c o m p r i s i n g ap a s s a g e l o c a t e d w i t h i n t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e f o r ac o o l a n t t o p a s s t h e r e t h r o u g h .
4 . The a p p a r a tu s o f c l a i m 1 w h e r e i n t h e c o l l e c t o re l e c t r o d e i s m a d e o f one o f copper an d a copper a l l o y.
5 . T h e a p p a r a t u so f c l a i m 1 wherein one o f t h e c o l l e ct o r e l e c t r o d e a n d t h e work s u r f a c e a r e m o v a b l e i n a t
l e a s t o n e d i r e c t i o n .6 . The a p p a r a t u s o f c l a i m 1 w h e r e i n t h e c o l l e c t o r
e l e c t r o d e and t h e w e l d t o r c h and t h e work s u r f a c e a r em o u n t e d t o a com pu te r n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d mac h i n e .
7 . The a p p a r a t u s o f c l a i m 1 w h e r e i nt h e work s u r f a c ei s c o m p r i s e do f a n o n c o n d u c t i v em a t e r i a l .
8/15/2019 Us Patent 5281789
http://slidepdf.com/reader/full/us-patent-5281789 12/13
5 , 2 8 1 , 7 8 99
8 . The a p p a r a t u s o f c l a i m1 w h e r e i nt h e work s u r f a c ei s c o m p r i s e do f a c o n d u c t i v em a t e r i a l .
9 . The a p p a r a t u s o f c l a i m 1 w h e r e i n t h e weld t o r c ha n d t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a r e p o s i t i o n e d a b o v e t h ew o r ks u r f a c ed u r i n g t h e d e p o s i t i n go p e r a t i o n .
1 0 . T h e a p p a r a t u s o f c l a i m 1 wherein t h e work s u rf a c e a n d t h e f e e d m e t a l a r e c o m p r i s e do f d i s s i m i l a r
m a t e r i a l s .1 1 .The a p p a r a t u s o f c l a i m 1 a l s o c o m p r i s i n gm e a n s
f o r a p p l y i n gm e c h a n i c a l e n e r g yt o t h e f e e d m e t a l .1 2 . T h e a p p a r a t u s o f c l a i m 1 1 wherein t h e m e a n s f o r
a p p l y i n g m e c h a n i c a l e n e r g y c a u s e s t h e f e e d m e t a l t ov i b r a t e .
1 3 .A n a p p a r a t u sf o r d e p o s i t i n gm o l t e nm e t a l t o f o r ma t h r e e - d i m e n s i o n a lo b j e c t ,c o m p r i s i n g :
a c o l l e c t o r e l e c t r o d e l o c a t e d a s e l e c t e d d i s t a n c eabove a work s u r f a c e ;
a w e l d t o r c h l o c a t e d a s e l e c t e d d i s t a n c e f rom t h ec o l l e c t o r e l e c t r o d e , w h e r e i n a n e l e c t r i c w e l d i n gc u r r e n t t r a v e l s b e t w e e n t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n d
t h ew e l d t o r c h ,t h e r e l a t i v ep o s i t i o no f t h e w e l d i n gc u r r e n t t o t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n d t h e w e l dt o r c h r e m a i n i n g? x e d ;
m e a n s f o r f e e d i n g a f e e d m e t a l i n t o t h e weld ing c u rr e n t s o t h a t t h e weld ing c u r r e n t c a n m e l t t h e f e e dm e t a l i n t o m o l t e n m e t a l a n d t r a n s f e r t h e m o l t e nm e t a l towards t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e s o t h a t t h em o l t e n m e t a l i s d e p o s i t e d o n t o t h e work s u r f a c ebe low t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e t o form a t h r e e - d im e n s i o n a lo b j e c t ;a n d
a c l e a n i n g b r u s h t h a t i s i n c o n t a c t w i t h t h e c o l l e c t o re l e c t r o d e .
1 4 .A e t h o d f o r d e p o s i t i n g m o l t e n m e t a l t o form at h r e e - d i m e n s i o n a lo b j e c t ,c o m p r i s i n g :
p o s i t i o n i n g a c o l l e c t o r e l e c t r o d e a s e l e c t e d d i s t a n c eabove a work s u r f a c e ;
p o s i t i o n i n ga w e l d t o r c h a s e l e c t e d d i s t a n c e from t h ec o l l e c t o r e l e c t r o d e , w h e r e i n a n e l e c t r i c w e l d i n gc u r r e n t t r a v e l s b e t w e e n t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n dt h e w e l d t o r c h ;
p l a c i n g s u f ? c i e n t f e e d m e t a l i n t o t h e w e l d i n gc u r r e n ts o t h a t t h e welding c u r r e n t c a n m e l t t h e f e e d m e t a li n t o m o l t e n m e t a l a d j a c e n t t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d ewhich m o l t e n m e t a l i s d e p o s i t e d o n t o t h e works u r f a c e be low t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e t o form at h r e e - d i m e n s i o n a lo b j e c t c o n s i s t i n go f a p l u r a l i t yo fd e p o s i t e d l a y e r so f f e e d m e t a l ; a n d
r e m o v i n g t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l o b j e c t f r o m t h ework s u r f a c e .
1 5 . T h e m e t h o d o f c l a i m 1 4 wherein a p a s s a g e i sl o c a t e d w i t h i n t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e f o r a c o o l a n t t op a s st h e r c t h r o u g h .
1 6 .The method o f c l a i m 1 4 f u r t h e r c o m p r i s i n gt h es t e p o f r o t a t i n g s a i dc o l l e c t o r e l e c t r o d e .
1 7 .The m e t h o d o f c l a i m 1 4 w h e r e i n t h e c o l l e c t o re l e c t r o d e i s m a d e o f one o f c o p p e r a n d c o p p e r a l l o y.
1 8 .The method o f cl a i m 1 4 f u r t h e r c o m p r i s i n gt h es t e p o f e l e c t i v e l ymoving o n e o f t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d ea n d t h e work s u r f a c e d u r i n g t h e d e p o s i t i n g o f t h e molt e n m e t a l s o t h a t t h e mol t en m e t a l w i l l be r e l e a s e d ontos e l e c t e d l o c a t i o n s o f t h e work s u r f a c e a n d m e t a l d e p o s
i t e dt h e r e o n .
1 9 .T h e m e t h o d o f c l a i m 1 4wherein t h e work s u r f a c ei s c o m p r i s e do f a n o n c o n d u c t i v em a t e r i a l .
2 0 . The m e t h o d o f c l a i m 1 4 w h e r e i nt h e work s u r f a c ei s c o m p r i s e d o fa c o n d u c t i v em a t e r i a l .
1 5
20
2 5
3 0
3 5
40
4 5
5 5
60
6 5
1 02 1 . T h e m e t h o d o f c l a i m 1 4 wherein t h e weld t o r c h
and t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a r e p o s i t i o n e d above t h ew o r ks u r f a c ed u r i n g t h e d e p o s i t i n go p e r a t i o n .
2 2 . The method o f c l a i m 1 4 w h e r e i n t h e weld t o r c ha n d t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n d t h e work s u r f a c e a r em o u n t e d t o a compute r n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d mac h i n e .
2 3 .The method o f c l a i m 1 4 w h e r e i nt h e work s u r f a c ea n d t h e f e e d m e t a l a r e composed o f i s s i m i l a r m a t e r i a l s .
2 4 .The m e t h o d o f c la i m 1 4 a l s o c o m p r i s i n gt h e s t e po f a p p l y i n gm e c h a n i c a l e n e r g yt o t h e f e e d m e t a l .
2 5 . The method o f c l a i m 2 4 w h e r e i n a p p l y i n g m ec h a n i c a l energy c a u s e s t h e f e e d m e t a l t o v i b r a t e .
2 6 .The method o f c l a i m 1 4 a l s o c o m p r i s i n gt h e s t e p sOf: ‘ i
a ) m e a s u r i n ga t e m p e r a t u r e o fa t l e a s to n e d r o p l e t o fd e p o s i t e d m e t a l ;a n d
b ) a d j u s t i n g a r a t e a t which s u b s e q u e n td r o p l e t s a r ed e p o s i t e d b a s e d upon a measured t e m p e r a t u r e .
2 7 . n p p a r a t u s f o r d e p o s i t i n g m o l t e nm e t a l o n t o ‘ awork s u r f a c e t o f o r m a t h r e e - d i m e n s i o n a l o b j e c tt h e r e o n ,c o m p r i s i n g :
a c o l l e c t o r e l e c t r o d e l o c a t e d a s e l e c t e d d i s t a n c eabove t h e work s u r f a c e , t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d eb e i n g r o t a t a b l e a b o u t a n a x i s ,t h e a x i s o f r o t a t i o nb e i n g g e n e r a l l yp a r a l l e lw i t h t h ew o r ks u r f a c e ;
a w e l d t o r c h l o c a t e d a s e l e c t e d d i s t a n c e a b o v e t h ec o l l e c t o r e l e c t r o d e , w h e r e i n a n e l e c t r i c w e l d i n gc u r r e n t t r a v e l s b e t w e e n t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n dt h e w e l d t o r c h ,t h e r e l a t i v ep o s i t i o n o f t h e w e l d i n gc u r r e n t t o t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n d t h e w e l dt o r c h r e m a i n i n g? x e d ; a n d
m e a n s f o r f e e d i n g a f e e d m e t a l i n t o t h e weld ing c u rr e n t s o t h a t t h e weld ing c u r r e n t c a n m e l t t h e f e e d
m e t a l i n t o m o l t e n m e t a l and t r a n s f e r t h e m o l t e nm e t a l o n t o t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e , w h e r e i n t h em o l t e n m e t a l t h e n d r o p s o n t o t h e work s u r f a c e a dt h e m o l t e n m e t a l ‘ s d r o p f r o m t h e c o l l e c t o r e l e ct r o d e o n t o t h e work s u r f a c e i s a c c e l e r a t e d by t h ec e n t r i f u g a l f o r c e a t t h e r o t a t i n g c o l l e c t o r e l e ct r o d e .
2 8 . A m e t h o d f o r d e p o s i t i n g molten m e t a l o n t o awork s u r f a c e t o form a t h r e e - d i m e n s i o n a lo b j e c t , comp r i s i n g :
p r o v i d i n g a c o l l e c t o r e l e c t r o d e a s e l e c t e d d i s t a n c eabove t h e work s u r f a c e , t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d eb e i n g r o t a t a b l e a b o u t a n a x i s ,t h e a x i s o f r o t a t i o nb e i n g g e n e r a l l y p a r a l l e lw i t h t h e work s u r f a c e ;
p r o v i d i n g a w e l d t o r c h a s e l e c t e d d i s t a n c e above t h ec o l l e c t o r e l e c t r o d e , w h e r e i n a n e l e c t r i cw e l d i n gc u r r e n t t r a v e l s b e t w e e n t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n dt h e w e l d t o r c h , t h e r e l a t i v ep o s i t i o n o f t h e w e l d i n gc u r r e n t t o t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e a n d t h e w e l dt o r c h r e m a i n i n g? x e d ; a n d
f e e d i n g s u f f i c i e n tf e e d m e t a l i n t o t h e w e l d i n gc u r r e n ts o t h a t t h e weld ing c u r r e n t c a n m e l t t h e f e e d m e t a li n t o m o l t e n m e t a l a n d t r a n s f e r t h e m o l t e n m e t a lo n t o t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e , w h e r e i n t h e m o l t e nm e t a l t h e n d r o p s o n t o t h e work s u r f a c e t o form at h r e e - d i m e n s i o n a lo b j e c t a n d t h e m o l t e n m e t a l ’ sd r o p f r o m t h e c o l l e c t o r e l e c t r o d e o n t o t h e works u r f a c e i s a c c e l e r a t e d by c e n t r i f u g a l f o r c e a t t h e
r o t a t i n gc o l l e c t o r e l e c t r o d e .2 9 . A e t h o d f o r d e p o s i t i n g m ol t e n m e t a l t o form at h r e e - d i m e n s i o n a lo b j e c t ,c o m p r i s i n g :
p o s i t i o n i n g a f i r s te l e c t r o d e a s e l e c t e d d i s t a n c e abovea work s u r f a c e ;
8/15/2019 Us Patent 5281789
http://slidepdf.com/reader/full/us-patent-5281789 13/13
5 , 2 8 1 , 7 8 91 1
p o s i t i o n i n g a s e c o n d e l e c t r o d e a s e l e c t e d d i s t a n c efrom t h e ? r s t e l e c t r o d e , w h e r e i na n e l e c t r i c weldi n g c u r r e n t t r a v e l s be tween t h e e l e c t r o d e s a n da b o v et h e work s u r f a c e ;
p l a c i n g s u f ? c i e n t f e e d m e t a l i n t o t h e w e l d i n gc u r r e n ts o t h a t t h e w e l d i n gc u r r e n t c a n m e l t t h e f e e d m e t a li n t od i s c r e t e m o l t e n m e t a l d r o p l e t s a d j a c e n t t h e
5
1 O
1 5
20
2 5
3 5
45
5 5
6 5
1 2? r s t e l e c t r o d e which m o l t e n m e t a l i s d r o p p e do n t ot h e work s u r f a c e be low t h e ? r s t e l e c t r o d e t o forma t h r e e - d i m e n s i o n a lo b j e c t c o m p r i s e do f a p l u r a l i t yo f i n c r e m e n t a l l a y e r s ;a n d
r e m o v i n g t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l o b j e c t f r o m t h ework s u r f a c e .
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