CN106536093A - 使用激光与气体流的增材制造 - Google Patents

Abstract

增材制造系统包含：工作台；供给材料分配装置，该供给材料分配装置经构造以输送供给材料至该工作台上；激光源，该激光源经构造以在使用该增材制造系统期间产生激光束；控制器，该控制器经构造以引导该激光束至工作台上电脑辅助设计程序所规定的位置处以造成该供给材料熔融；气源，该气源经构造以供应气体；及喷嘴，该喷嘴经构造以加速及引导该气体至该工作台上与该激光束实质相同的位置。

Description

使用激光与气体流的增材制造

优先权声明

本申请主张根据美国法典第35条119(e)款于2014年7月18日提交的申请号为62/026,545的美国专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及增材制造，也公知为3D打印。

背景技术

增材制造(AM)，也公知为实体自由形状制造(solid freeform manufacturing)或3D打印，意指由原始材料(一般为粉末、液体、悬浮体、或熔化固体)以一系列的两个维度的层或横截面建立三个维度的物体的任何制造处理。相对比下，传统机械技术涉及减去处理且产生基料材料切出的物体，例如木头、塑料或金属块。

在增材制造中可使用多种增材处理。多种处理的不同之处在于：沉积层以产生成品物体的方式、及各处理中使用的可相容材料。一些方法熔化或软化材料以产生层，例如，选择性激光熔化(SLM)或直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)，而其它方法使用不同技术固化液体材料，例如，立体光刻术(Stereolithography,SLA)。

烧结为熔融小的微粒的处理以产生物体，小微粒例如粉末。烧结通常涉及加热粉末。当粉末化材料在烧结处理中被加热至足够温度，粉末粒子中的原子扩散跨越粒子的边界，熔融粒子在一起以形成固体件。与熔化相对比，使用于烧结中的粉末不需达到液相。由于烧结温度不必达到材料的熔点，烧结通常使用于高熔点的材料，例如钨及钼。

烧结及熔化两者皆可使用于增材制造中。使用的材料决定发生何种处理。非晶形固体，诸如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，实际为超冷粘性液体，且实际上不会熔化；因为熔化涉及由固态至液态的相转换。因此，选择性激光烧结(SLS)为针对ABS的相关处理，而选择性激光熔化(SLM)使用于晶体及半晶体材料，例如尼龙及金属，具有分离的熔化/凝结温度且在SLM期间经历熔化。

使用激光束作为烧结或熔化粉末化材料的能量来源的传统系统通常在粉末化材料的一层中的一选择的点上引导激光束且选择地光栅扫描该激光束到跨该层的位置。一旦第一层上所有选择的位置被烧结或熔化，在完成的层的顶部上沉积新的粉末化材料层，且逐层地重复该处理，直至产生了所需物体。

也可使用电子光束为能量来源以造成材料中的烧结或熔化。再次地，跨层对电子束光栅扫描以完成特定层的处理。

发明内容

在一个方面中，增材制造系统包含：工作台；供给材料分配装置，该供给材料分配装置经构造以输送供给材料层覆盖该工作台；激光源，该激光源经构造以产生激光束；控制器，该控制器经构造以造成该激光束在储存于电脑可读取介质中的数据所规定的位置处熔融该供给材料；及气源，该气源经构造以供应气体；及喷嘴，该喷嘴经构造以加速及引导该气体至该工作台上与该激光束实质相同的位置。

实现方式可包含一个或更多个以下特征。该喷嘴经构造以加速该气体至超音速速度。该喷嘴包括de Laval喷嘴。该激光束及该气体沿着共用轴发出以撞击该工作台上的该供给材料。电极及反电极可经构造以离子化该气体以形成等离子体。管道可具有第一端及第二端，该第一端靠近该激光器，该第二端靠近该工作台，且其中经由该管道引导该激光。该喷嘴可安置于该管道的该第二端上。该气源经构造以注射该气体进入该管道的该第一端。

在另一方面中，增材制造方法包含以下步骤：分配供给材料层覆盖工作台；引导激光束以加热储存于电脑可读取介质中的数据所规定的位置处的该供给材料；及引导气体材料至该工作台上与该激光束实质相同的位置。

实现方式可包含一个或更多个以下特征。该气体材料可包含离子。该气体材料造成该工作台上的该位置处的化学反应。该气体材料由喷嘴加速，该喷嘴置于该气体材料的路径中。该气体材料经构造以改变该供给材料的表面精整(surface finish)。供给材料的表面精整可变得更粗糙或更光滑。该气体材料包括蚀刻剂，该蚀刻剂经构造以移除该供给材料。流动第二气体材料以造成该供给材料上第二位置处的不同化学反应。在该供给材料层的一区域处引导该气体材料，该区域对应于欲制造的一物体的表面，以形成该物体上不同成分的涂覆。

在另一方面中，增材制造方法包含以下步骤：分配第一层供给材料覆盖工作台；加热该工作台上储存于该电脑可读取介质中的数据所规定的第一位置处的第一层供给材料，以熔融该第一层供给材料的部分，蚀刻该熔融供给材料的一部分同时该熔融的供给材料保持于工作台上；分配第二层供给材料覆盖该工作台上经蚀刻和熔融的供给材料；加热储存于该电脑可读取介质中的数据所规定的第二位置处的该第二层供给材料。

在另一方面中，增材制造系统包含：工作台；供给材料分配装置，该供给材料分配装置经构造以输送供给材料层覆盖该工作台；激光器，该激光器经构造以产生激光束；控制器，该控制器经构造以造成该激光束在储存于电脑可读取介质中的数据所规定的位置处熔融该供给材料；及气源，该气源经构造以产生等离子体，该等离子体实质跨该供给材料层的全部延伸且产生被引导至该供给材料上的离子。

实现方式可提供一个或更多个以下优点。等离子体来源可经构造以产生等离子体，同时激光束熔融供给材料。控制器被构造成以一层层的基础控制至腔室的气体流动率，由该等离子体源在该腔室中产生该等离子体。控制器被构造成以一层层的基础控制输送至腔室的气体成分，通过该等离子体源在该腔室中产生该等离子体。

实现方式可提供一个或更多个以下优点。可选择地控制(XYZ控制)增材制造的物体中针对所有三维像素的化学成分。可使用供给材料的熔融同时改善或修饰表面精整以产生成品零件。可使用相同装置依序实现增材及减去制造。

在附图及下方说明书中提出本发明的一个或更多个实施方式的细节。本发明的其它方面、特征及优势将从说明书和附图，及从权利要求书范围得以显现。

附图说明

图1A为增材制造系统的示意图。

图1B为增材制造系统的示意图。

图1C为并入喷嘴的系统的示意图。

图2A为点分配器的示意图。

图2B为线分配器的示意图。

图2C为阵列分配器的示意图。

图2D为两个不同操作模式中的硅通孔的示意图。

图3A示出具有变化的分辨率特征的不同熔融供给材料。

图3B示出供给材料层的示意图。

图3C示出增材制造系统的示意图。

在多个附图中相似的参考符号标示相似的元件。

具体实施方式

通过3D打印制造零件，其中零件的材料成分穿过该零件而空间地改变，例如，在沉积的单层内改变，将是值得期待的。概念上，可在零件的不同部分中沉积不同供给材料。然而，针对一些制造情况，此可能不实际，或可能在材料成分的变化上需要额外自由度。于此披露的方法及装置允许增材制造处理的一个或更多个步骤期间针对沉积的供给材料的每一层发生化学修饰和/或表面精整的调整。相对比下，使用来自例如激光源的能量的传统系统造成供给材料熔融，例如，通过改变物相、或通过熔化及重新凝固供给材料，而无须任何化学反应。

图1A示出示例性的增材制造系统100的示意图。系统100包含外壳102且被外壳102封闭。例如，外壳10可允许在该外壳内部的腔室103中维持真空环境，又或者，腔室103的内部可为实质纯的气体或气体混合物，例如经过滤以移除粒子的气体或气体混合物，否则可将腔室开口至大气。真空环境或经过滤气体在制造零件期间可减低缺陷。针对一些实现方式，腔室103可维持于正的压力，即，大于大气压力。此可帮助防止外在大气进入腔室103。

增材制造系统100包含分配器，用以输送粉末层覆盖工作台105，例如，于工作台上或至工作台上的底层上。

工作台105的垂直位置可由活塞107控制。在分配及熔融各粉末层之后，活塞107可降低工作台120及工作台120上的任何粉末层以一个层的厚度，使得组件准备好接收新的粉末层。

工作台105可大到足以容纳大尺寸工业零件的制造。例如，工作台105可为至少500mm宽，举例而言，例如500mm乘500mm的矩形。例如，工作台可为至少1米宽，举例而言，1平方米。

在一些实现方式中，分配器可包含可放置于工作台105上方的材料分配器组件104。分配器组件104可包含开口，例如通过重力输送供给材料穿过该开口遍及工作台105。例如，分配器组件104可包含贮存器108，用以容纳供给材料114。供给材料114的释放由闸门112控制。当转换分配器至由CAD可兼容文件规定的位置时，传送电子控制信号至闸门112以分配供给材料。

可由压电打印头、和/或气动阀、微机电系统(MEMS)阀、电磁阀、或磁阀的其中一个或更多个来提供分配器组件104的闸门112，用以控制供给材料从分配器组件104释放。三维像素的空间分辨率越高，三维像素的体积越小且因此每个三维像素所分配的供给材料数量越少。

选择地，分配器可包含相邻于工作台105放置的贮存器，及水平地移动(平行于工作台表面)以推动来自贮存器的供给材料跨工作台105的滚筒。

控制器130控制连接至分配器组件104或滚筒的驱动系统(未图示)，例如，线性致动器。驱动系统经构造使得在操作期间，分配器组件或滚筒可平行于工作台105的顶部表面来回移动(沿着箭头106所指示的方向)。例如，分配器组件104或滚筒可被支撑于延伸横穿腔室103的轨道上。或者，分配器组件104或滚筒可被维持在固定位置中，同时工作台105由驱动系统移动。

在分配器组件104包含供给材料输送穿过的开口的情况下，当分配器组件104跨工作台扫描，分配器组件104可根据一打印图案于工作台105上合适的位置处沉积供给材料，该打印图案可被储存于非暂态电脑可读取介质中。例如，打印图案可被储存为文件，例如，电脑辅助设计(CAD)可兼容文件，接着该文件被相关联于控制器130的处理器读取。当分配器被转换成由CAD可兼容文件所规定的位置时，电子控制信号接着被传送至闸门112以分配供给材料。

在一些实现方式中，分配器组件104包含可分配穿过供给材料的多个开口。各开口可具有可独立控制的闸门，使得供给材料穿过各开口的输送可被独立地控制。

在一些实现方式中，多个开口跨工作台的宽度延伸，例如，在垂直于分配器组件104的移动106的方向上。在此情况下，在操作中，分配器组件104可在方向106上以单一扫掠跨工作台105扫描。在一些实现方式中，针对交替的层，分配器组件104可在交替的方向上跨工作台105扫描，例如，在方向106上第一扫掠及在相反方向上第二扫掠。

选择地，例如，多个开口没有跨工作台宽度延伸，分配系统104可经构造使得分配器组件104在两个方向上移动以跨工作台105扫描，例如，跨工作台105光栅扫描，用以输送针对一层的材料。

选择地，分配器组件104可仅沉积均匀的一层供给材料覆盖工作台。在此情况下，单个开口的独立控制及储存于非暂态电脑可读取介质中的打印图案皆不必要。

可选地，可由分配器组件104提供多于一种供给材料。在此情况下，各供给材料可储存于分开的贮存器中，该贮存器具有自己的控制闸门且可被个别地控制以释放工作台105上由CAD文件所规定的位置处的各自的供给材料。在此方式中，可使用两种或更多种不同化学物质以产生增材制造的零件。

供给材料可为金属或陶瓷粒子的干粉末、液态悬浮的金属或陶瓷粉末、或浆料悬浮的材料。例如，对于使用压电打印头的分配器，供给材料通常为液态悬浮的粒子。例如，分配器组件104可在载体流体中输送粉末，例如，高蒸汽压载体，如异丙醇(IPA)、乙醇、或N-甲基二吡咯烷酮(N-Methyl-2-pyrrolidone，NMP)，以形成粉末材料层。载体流体可针对该层在烧结步骤之前汽化。或者，可利用干分配机制，例如，由超声波扰动及加压惰性气体辅助的喷嘴阵列，以分配第一粒子。

金属粒子的实例包含金属、合金及金属间合金。针对金属粒子的材料实例包含钛、不锈钢、镍、钴、铬、钒及这些金属的多种合金或金属间合金。陶瓷材料的实例包含金属氧化物，例如氧化铈、氧化铝、二氧化硅、氮化铝、氮化硅、碳化硅、或这些材料的组合。

可选地，系统100可包含压缩和/或水平机构，用以压缩和/或平滑化沉积覆于工作台105的供给材料层。例如，系统可包含可由驱动系统平行于工作台表面移动的滚筒或叶片，例如，线性致动器。滚筒或叶片相对于工作台105的高度被设定以压缩和/或平滑化供给材料最外侧的层。滚筒在跨工作台移动时可旋转。

在制造期间，逐渐沉积和烧结或熔化供给材料层。例如，供给材料114由分配器组件104分配以形成接触工作台105的层116。随后沉积的供给材料层可形成附加的层，每一附加的层被支撑于底层之上。

在各层沉积之后，处理最外侧的层以造成至少一些层熔融，例如，通过烧结或通过熔化及重新凝固。在层中没有熔融的供给材料区域可用以支撑覆盖层的部分。

系统100包含热源，该热源经构造以供应足够的热至供给材料层以造成粉末熔融。在供给材料被分配成图案处，功率源可同时加热整个层，例如，在如下方讨论的气体或离子处理之后。例如，功率源可为置于工作台105上方的照射器阵列辐射地加热供给材料层。或者，如果供给材料层在工作台105上均匀地沉积，功率源可经构造以加热由储存于电脑可读取介质中的打印图案所规定的位置，打印图案例如电脑辅助设计(CAD)可兼容文件，以造成这些位置的粉末熔融。

例如，热源可为激光源126，用以产生激光束124。来自激光源126的激光束124被引导至打印图案所规定的位置。例如，跨工作台105光栅扫描激光束124，且激光功率在各位置处受到控制以确定一特定三维像素是否熔融。激光束124也可跨由CAD文件所规定的位置扫描，以选择性地熔融在这些位置处的供给材料。为了提供跨工作台105的激光束124的扫描，在激光束124水平位移时工作台105可保持静止。或者，在工作台105水平位移时激光束124可保持静止。

来自激光源126的激光束124经构造以升高被激光束辐射的供给材料区域的温度。在一些实施方式中，供给材料的区域直接在激光束124下方。

工作台105可额外地由加热器加热至低于供给材料的熔融点的基本温度，例如，由嵌入于工作台105中的加热器加热。在此方式中，激光束124可经构造以提供更小的温度增加以熔融沉积的供给材料。越过小的温度差异的转换可使供给材料将被更快速地处理。例如，工作台105的基本温度可为约1500摄氏度且激光束124可造成温度增加约50摄氏度。

来自激光源126的激光束124可并入激光及离子源131。激光及离子源131经构造使得来自等离子体148的离子被引导至工作台105上与激光束124实质相同的点。

在一些实现方式中，激光及离子源131为同轴点激光及等离子体源131a。即，激光束124及等离子体148沿着一共用轴由源131a发出。在该实施方式中，当激光束124被扫描及引导至储存成电脑辅助设计(CAD)可兼容文件的打印图案所规定的位置以熔融供给材料，等离子体148可同时被引导及输送至工作台上相同的位置。在一些实现方式中，激光束124及等离子体148可在水平面中重叠。

激光及离子源131和/或工作台105可耦接至致动器组件，例如，一对线性致动器经构造以提供垂直方向上的移动，以得以提供激光及离子源131和/或工作台105之间的相对移动。控制器130可连接至致动器组件以造成跨供给材料层扫描激光束124及等离子体148。

同轴点等离子体源131a可包含管道135，例如，激光束124及提供等离子体的气体两者所传播穿过的管子。例如，同轴点等离子体来源131a可包含具有第一直径的中空外导体132及具有小于第一直径的第二直径的中空内导体134。中空内导体被放置于中空外导体内。在一些实现方式中，中空内导体134较中空外导体132更靠近工作台延伸。然而，在一些实现方式中，系统仅使用单一管子。

激光束124可传播穿过管道135，例如，穿过内管道134的中空内部朝向工作台105的表面。气源138经由气体输送系统136供应气体至内管道134的中空内部。气体输送系统136包含由控制器130所控制的阀以将气体由气源138释放进入内管道134。气体的实例包含氮、氩、氦、氧及氟化钛(Ti_xF_y)。

离工作台105较远的管道135的末端143，例如，内导体134的末端143被窗部140终止，窗部140对激光束124的波长而言为透明的。窗部140帮助保持内导体134内的气体。激光束124可由激光源126传播穿过窗部140进入内导体134。在一些实现方式中，气体输送系统136供应气体以穿过窗部140中的入口。在一些实现方式中，气体输送系统136供应气体以穿过管子一侧中的入口。

在一些实现方式中，内导体134电性地耦接至外导体132。例如，导体平板141可电性地连接中空外导体132至中空内导体134。导体平板141可位于离工作台105较远的管道末端143。

交流电(AC)(例如，射频或微波辐射)功率源142经由电连接144输送电场至管道135，例如，外导体132和/或内导体134和/或可出现于管道135中的任何电极。可以以一距离提供AC功率源142及管道135之间的电连接，该距离远离同轴点等离子体来源131a的短末端143。图1B示出两个分开的功率源142，每一功率源142经由电连接144连接至电极及反电极133。图1A示出两个分开的功率源142及150，其中第一功率源142连接至管道135且第二功率来源150连接至工作台105。

较靠近工作台105的管道135的末端，例如，外导体132可为开口，或者除了孔以外可为关闭，该孔允许气体及激光束124通过前往工作台105。在一些实现方式中，相对于带有导体平板141的同轴点等离子体源的短末端的末端为开口端151。开口端151可为没有机械地连接至中空内导体134的管道135的末端部分(例如，中空外导体132)。在一些实现方式中，可在管道135中产生等离子体148，如下方所述。在一些实现方式中，可在开口端151处产生等离子体。在这些实施方式中，可将足够等级的电场施加至外导体132及内导体134，以产生来自中性气体的等离子体，该中性气体由气源138所供应。

等离子体为带正电及带负电粒子的电中性介质(即，等离子体的电荷总和大体为零)。例如，当由气源138供应氮气时，氮气变得离子化以产生N₂ ⁺或N⁺。由离子化所产生的这些带正电离子及电子形成等离子体148。等离子体148离开同轴点等离子体源131a以接触沉积于工作台105上的供给材料114。

由示出于图1A中的实现方式可知，在电流由任一维持在高电位的导体流过，进入由气源138所供应的中性气体时，等离子体区域于开口端处绕着导体132及134产生。在一些实现方式中，电场在工作台105与管道135的末端之间产生，且在气体离开管道135时产生等离子体148。在这些实现方式中，管道135更靠近工作台的至少一开口端151(例如，内导体134的末端)充当电极中的一个且工作台105如反电极般使用。如上方所注，内导体134及外导体132可电性地连接，使得处于相同电位。然而，如果外导体132没有电性地连接至内导体134，则外导体132可为浮接(floating)或连接至接地。在外导体132没有电性地连接至内导体134且内导体134短于外导体132的实现方式中，外导体132可如电极133般使用。

在管道135中产生等离子体的实现方式中，管道135可包含一个或更多个电极133，用以在气体流经或离开管道时离子化气体。在该实现方式中，可放置电极133(例如，电极及反电极)于管道135内部(见图1B)。在此情况下，可安置一个或两个电极133于管道135中但与内导体134的内表面间隔开来。

在一些实现方式中，管道135可由介电材料形成而非导体。在此情况下，可设置一个或更多个电极133于开口端151处或管道135的内表面上。

在一些实现方式中，气源138可包含电极，并且在气体经过气体输送系统136被输送进入内导体134前离子化气体。

外导体132及内导体134可由金属制成。导体132及134可由相同金属或不同金属制成。一般而言，通过将合适功率及频率的RF信号施加至管道135和/或工作台105和/或安置于管道135内的电极，可形成由气体所获得的等离子体148，该气体由气源138所供应。

将较高射频驱动电压施加至一个电极可控制等离子体中的离子流量，而将较低射频驱动电压应用至一反电极可控制等离子体中的离子能量。

可由RF源150提供RF偏压至工作台105以形成绕着供给材料114的鞘部，该鞘部为电荷的边界层。电荷的边界层可从等离子体吸引相反电性的离子。当离子撞击供给材料时，离子可造成熔融的供给材料上的化学反应。可同时发生供给材料的化学修饰与由激光束124所造成的供给材料熔融。

举例而言，供给材料114可为钛。氮化钛一般为比钛更硬的材料。对于增材制造零件的某些区域可需要具有硬的表面，例如，由氮化钛所形成。在此情况下，可由气源138供应氮以产生等离子体，该等离子体除了氮离子N₂ ⁺或N⁺外可包含氮自由基。该些氮类(species)与钛本地反应以在室温或稍微升高的温度下(例如，室温至300摄氏度)形成氮化钛。

可应用这些离子至对应于将被制造的主体表面的供给层部分。这允许主体表面上涂覆的产生。例如，可以TiN涂覆物来涂覆钛零件。

除了造成供给材料的化学反应之外，或者作为造成供给材料的化学反应的替代，可使用蚀刻剂自由基，例如Ti_xF_y，以改良熔融的供给材料的表面精整。可由第二气体入口从第二气源获得蚀刻剂自由基，该第二气源与同轴点激光及等离子体源接合。控制器130耦接至用于各气源的阀以控制何气体响应于来自CAD程序的指令而流入管道135。例如，蚀刻剂自由基可调整熔融的供给材料的表面粗糙度。例如，蚀刻剂自由基可产生具有30至100微英寸的表面粗糙度的表面。蚀刻剂自由基的使用帮助移除少量的熔融供给材料以留下具有更低表面粗糙度的表面。

选择地，通过调整撞击熔融供给材料表面的离子密度，可增加熔融供给材料的表面粗糙度，例如，当蚀刻剂随机地移除材料而留下具有增加的粗糙度的有坑表面时。例如，通过改变施加至外导体132、内导体134和/或电极133的RF电压的频率，可降低等离子体流量使得较少离子撞击熔融供给材料的表面，造成表面上间隔更远的不规律性，增加表面粗糙度。熔融供给材料增加的表面粗糙度可改良沉积于熔融供给材料顶部上的新供给材料层的粘性或附着性。

在一些实现方式中，等离子体中靠近开口端151形成的离子可移动至工作台105，而无须进一步的加速或引导。

在一些实现方式中，在工作台前可并入额外的器件以在气体经由内导体离开时帮助加速气体流动(例如，等离子体中的离子)。

例如，如图1C中所示，同轴激光及气体源201相似于同轴点激光及等离子体源131a，带有激光源126及气源138，且激光束124及气体沿着共用轴由源201发出。来自气源138的气体的离子化为可选的，但可以如上述用于同轴激光及等离子体源131a的相同方式达成。

同轴激光及气体源201也包含器件，例如位于外导体207及内导体209较靠近工作台105的开口端205的喷嘴203。喷嘴203经构造以在气体离开内导体206时加速气体流动。在一些实现方式中，喷嘴经构造以引发超声速气体流动。例如，喷嘴203可为de Laval喷嘴、收敛-发散喷嘴、CD喷嘴、或con-di喷嘴。在一些实现方式中，de Laval喷嘴203可为在中间尖缩的管子以具有精细地平衡、非对称的沙漏状。使用喷嘴203以加速粒子束220，例如，加速离子束通过喷嘴203以得到较大的轴速度。在此方式中，区域被激光束熔融的同时，粒子束的动能造成增材制造零件层的表面处材料的移除，例如表面抛光。

激光及等离子体源131和/或激光及气体源201的分辨率可为毫米，下至微米。换句话说，可定位供给材料的化学反应至几个毫米的增材制造零件，因此提供制造零件的化学成分的完美空间控制。可控制供给材料的化学反应，例如，通过调整气体的流动速率或成分，或通过控制所施加的电压以控制离子的动能。可在组合的激光及等离子体源131跨工作台105扫描时实施该调整，因而提供供给材料化学层内控制。此外，由于可独立于气体和/或等离子体而控制激光源126，并非所有被激光124熔融的区域需要被气体或离子处理，且可将气体或离子应用至未被激光124熔融的区域。

如上方讨论，可将RF偏压施加至工作台上以加速带电离子于熔融材料零件上。在此方式中，离子可穿透熔融材料零件以造成或解除由供给材料的热退火所产生的应力(由激光束124所造成)。一般而言，可针对表面抛光使用中性分子，例如氩或氦，而不造成任何表面的化学修饰。当使用这些中性分子时，可关闭RF功率源142，且来自气体供应源138的中性分子撞击熔融供给材料的表面之前，这些中性分子可仅加速穿过de Laval喷嘴203。当使用中性分子时，可发生这些(或其它)分子的扩散而进入被熔融的供给材料层，即便没有施加至工作台的偏压。例如，分子可直接扩散进入由激光熔融/烧结所产生的热熔融供给材料层。

上述能力特别适于使用在修饰增材制造管道的内表面的化学成分和/或表面精整。例如，图3B示出构成增材制造管道的一个层的供给材料层280的俯视图。管道具有内壁282。内壁282可由材料284制成，材料284由化学修饰原本的供给材料114而得。在增材制造处理期间可化学修饰内壁322的容易度为上述方法的一个优点。

在一些实现方式中，可使用控制器130以控制气体输送系统136以调整进入管道135的气体入口的气体流动速率或气体成分。在一些实现方式中，可使用控制器130以调整施加至电极133和/或工作台105的电压。这些调整可与供给材料的特定层(Z位置)上的激光束的位置(x-y位置)一起进行。在此方式中，制造零件所需化学成分可依特定供给层内的侧面(x-y)位置的函数而变化。

例如，激光及等离子体源131可包含连接至各自额外气源的额外气体入口，以得以输送多于一种气体至激光及等离子体源131。在此方式中，例如，当氧气流动输送经过激光及等离子体源131至供给材料层中的某x-y位置时，可氧化该x-y位置的供给材料。

作为实例，如果供给材料为钛，供给材料层上的特定位置可与氧气反应以形成氧化钛。可停止氧气流动，且可初始化氮气流动以在供给材料层中另一位置处产生氮化钛。

除了化学修饰增材制造零件的表面或改变表面粗糙度以外，也可通过移除制造零件的部分来使用点等离子体源以减去制造。在此方式中，可使用减去处理以提升制造零件中的分辨率。例如，如图3A中所示，熔融供给材料的两个相邻“像素”250的分辨率由箭头252表示。如图3A中所示，可使用减去处理以产生新表面剖面256，其中相邻“像素”258的分辨率现在更高了。可使用类似Ti_xF_y的蚀刻剂化学地实现减去处理，和/或可使用高到足以消蚀(ablate)熔融供给材料的激光功率来处理。可在实施增材处理之后在层上实施减去处理。因此，可使用相同装置依序在相同层上实现增材及减去制造。

在此方式中，方法及设备容许增材制造零件内的所有点的化学成分及表面粗糙度之完全三维(x，y，z)控制。

在操作中，在各层经沉积及热处理后，工作台105降低实质相等于层的厚度的量。接着分配器104水平地跨工作台扫描以沉积新的层，该新的层覆盖于先前沉积的层，分配器104无须在垂直方向上平移，且可接着热处理该新的层以熔融供给材料。可重复该处理直至制造出完全三维的物体。由供给材料的热处理所获得的熔融供给材料提供增材制造的物体。

如图2A中所示，可使用于分配器组件104的分配器204可为单一点分配器，且分配器可跨工作台105的x及y方向平移以在工作台105上沉积完整的供给材料206的层。

选择地，如图2B中所示，可使用于分配器组件104的分配器214可为延伸横跨工作台宽度的线性分配器。例如，分配器214可包含可单独控制的开口的线性阵列，例如，喷嘴。分配器214仅可沿着一个维度平移，例如，实质垂直于分配器的长轴，以在工作台上沉积完整的供给材料层。

选择地，如图2C至图2D中所示，可使用于分配器组件104的分配器224包含可单独控制的开口的二维阵列，例如，喷嘴。例如，分配器224可为大面积的三维像素喷嘴打印(LAVoN)。LAVoN 224允许同时沉积完整的二维供给材料层。LAVoN 224可为形成于块体硅226中的硅通孔(TSV)228的密集网格。各TSV 228可由压电闸230来控制，在施加适当电压时压电闸230关闭特定228的出口开口，使得供给材料206被保留在TSV内。当将不同电压施加至TSV 228，压电闸230可开启特定TSV 228的出口开口，允许在工作台上沉积供给材料。由控制信号单独存取在LAVoN 224中的各个TSV 228，这些控制信号基于界定制造物体的CAD文件而由控制器产生。可使用LAVoN224以仅沉积单一供给材料。在该情况下，没有供给材料沉积于制造物体中空隙的区域处或制造物体外的区域中。示出于图2B至图2D中的实施方式可加速工作台上供给材料的沉积处理。

也可使用所示的大面积背景等离子体以取代示出于图1A及图1B中的点等离子体源，用以控制沿着所制造零件的厚度(z)方向的化学成分。“大面积”表示等离子体可覆盖实质上整个供给材料层。

如图3C中所示，增材制造系统300相似于图1A的增材制造系统100，但包含大面积背景等离子体产生系统302。增材制造系统300包含界定腔室103的腔室壁304。

可由等离子体产生系统302产生大面积背景等离子体。等离子体产生系统302包含电极310，即，第一电极。电极310可为工作台120上或中的导电层。此允许电极310可垂直平移，相似于图1A中的活塞107。电极310可如阴极般使用。

增材制造系统300也包含反电极330，即，第二电极。反电极330可如阳极般使用。虽然图3C图示反电极330为悬挂在腔室103中的平板，反电极330可具有其它形状或由腔室壁304的部分来提供。

电极310和/或反电极330中的至少一个连接至RF功率源，例如，RF电压源。例如，电极310可连接至RF功率源312且反电极可连接至RF功率源332。在一些实现方式中，电极310或反电极330中的一个连接至RF功率源，且电极310或反电极330中的另一个接地或连接至阻抗匹配网络。

通过合适的功率及频率的RF信号的施加，等离子体340形成于阴极310及阳极330之间的放电空间342中。等离子体为带正电及带负电粒子的电中性介质(即，等离子体的电荷总和大体为零)。仅出于说明目的描绘等离子体340为椭圆形。一般而言，等离子体填满电极310及反电极330之间的区域，除了靠近阳极表面的“死区域”之外。

可选地，系统300可包含磁铁组件350，磁铁组件350可产生例如50高斯至400高斯的磁场。磁铁组件350可在工作台120中包含永久磁铁，例如，位于靠近工作台120的顶部表面316。选择地，磁铁组件可包含电磁铁，例如，环绕腔室103的壁304的介电(例如，石英)部分的外表面的天线线圈。RF电流通过天线线圈。当在共振模式中使用应用的RF功率来操作时，天线线圈在腔室103内产生轴磁场。磁场可把带电粒子限制在螺旋运动，例如，带负电粒子如电子。

可在外壳102中封闭由腔室壁304界定的腔室103。腔室壁304例如可允许在外壳102内部的腔室103中维持真空环境。外壳102中的真空泵可由真空排出口306连接至腔室103以从腔室103内排放气体。可经由气体入口308将工艺气体或反应性气体导入腔室103，工艺气体诸如氩或氦的非反应性气体，反应性气体诸如氧。依据这些处理，可将不同气体导入腔室103。

在真空环境下操作系统300可提供材料的品质控制，该材料由系统300中发生的处理形成。然而，等离子体340也可在大气压力下产生。

相似于图1A中所示的分配器组件，或以图2B及图2C中所示的分配器组件选择的形式，可使用分配器组件104沉积供给材料314覆于工作台105上。控制器130相似地控制连接至分配器组件104的驱动系统(未图示)，例如，线性致动器。驱动系统经构造使得在操作期间，分配器组件可平行于工作台120的顶部表面来回移动。

可将较高频率(例如，大于50MHz)的驱动电压施加至电极中的一个(阴极或阳极)，同时可将较低频率(例如，小于20MHz)的偏压电压施加至另一电极。一般而言，较高频率信号产生等离子体流量。较高频率RF驱动电压产生较高流量(即，等离子体中更多离子及电子)。较低频率RF偏压电压控制等离子体中离子的能量。在足够低的频率下(例如，2MHz)，偏压信号可造成等离子体中的离子具有足够能量以汽化沉积于基板(例如，硅晶片)上的供给材料(例如，铝粉末)。相对比下，在较高频率偏压信号下(例如，13MHz)，可发生供给材料的熔化。改变RF频率及施加的点可造成供给材料的不同熔化性能。熔化性能可决定供给材料的重新结晶，这可导致金属内的不同应力及不同弛豫(relaxation)行为。

系统300可包含激光源126以产生激光束124，用以扫描供给材料314的层，如针对图1A的上述。激光源126可经受相对于工作台105的移动，或可偏转激光，例如通过镜测检流计。激光束124可产生足够的热以造成供给材料314熔融。激光源126及大面积背景等离子体系统302的组合允许所有供给材料层的同时化学修饰，例如，掺杂或氧化，同时仍旧维持熔融何三维像素的控制，例如，响应于储存于非暂态电脑可读取介质中的打印图案。

等离子体的使用容许容易地控制熔融供给材料的特性。例如，可通过选择性地由等离子体植入离子来掺杂供给材料层。可以改变掺杂浓度，例如由系统100或300一层层地改变，或者例如由系统100在一层供给材料内改变。离子植入可帮助释放或引发供给材料层中的点应力。掺杂物的实例包含磷。

可偏压等离子体使得供给材料的粉末粒子与电极之间的空隙造成粉末上将发展出足够大的电压，造成供给材料上的电子或离子轰击。使用于轰击的电子或离子可来自等离子体且当施加DC或AC偏压于供给材料上时被加速至供给材料。可使用轰击以处理一层、蚀刻材料、化学改性(例如，于反应性离子蚀刻)供给材料、掺杂供给材料(例如，增加氮化物层)、或使用于表面处理。

可将系统100及300使用于熔融硅、氧化硅或氮化硅粉末，随后蚀刻硅、氧化硅或氮化硅层。

参考图1A或图3A，系统100或300的控制器130连接至多种系统构件，例如，致动器、阀、及电压源，以产生信号至这些构件且协调操作且造成系统实现多种上述功能性操作或步骤序列。可以以数字电子电路或以电脑软件、固件或硬件实施控制器。例如，控制器可包含处理器以执行储存于电脑程序产品中的电脑程序，例如，在非暂态机器可读取储存介质中。可以任何形式的程序语言写入该电脑程序(也称为程序、软件、软件应用、或代码)，这些程序语言包含经编译或经解译语言，且可以任何形式利用该电脑程序，包含成为单机程序或成为模块、构件、子程序(subroutine)、或适于使用在电脑环境中的其它单元。

如上文注，控制器130可包含非暂态电脑可读取介质，用以储存数据对象，例如，电脑辅助设计(CAD)可兼容文件，该数据对象辨识供给材料的各层中应沉积的图案。例如，数据对象可为STL格式的文件、3D制造格式(3MF)文件、或增材制造文件格式(AMF)文件。例如，控制器可接收来自远程电脑的数据对象。控制器130中的处理器，例如，由固件或软件控制的处理器可解译接收自该电脑的数据对象，以产生控制系统部件所必要的信号组，用以打印针对各层所规定图案。

用于金属及陶瓷增材制造的处理条件与用于塑料的这些条件明显不同。例如，一般而言，金属及陶瓷需要明显更高的处理温度。例如，金属需要在数量级400摄氏度或更高的温度下处理，例如铝，700摄氏度。此外，金属处理应发生在真空环境中，例如，以防止氧化。因此，不可将用于塑料的3D打印技术应用于金属或陶瓷处理且设备不可等效。此外，用于大的工业尺寸零件的制造条件可明显更严格。

然而，可将一些于此描述的技术应用于塑料粉末。塑料粉末的实例包含：尼龙、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚氨基甲酸酯、丙烯酸酯(acrylate)、环氧树脂、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯乙烯、或聚酰胺。

在分开的实施方式内文中所描述的某些特征也可以组合实施于单个实施方式中，且相反地，在单个实施方式内文中所描述的多种特征也可单独实施而无须该实施方式的其它特征。

例如，虽然在零件的材料成分空间地改变的方面，这样的零件制造为潜在的优势，但该系统在用以产生具有一致材料成分的零件时仍旧具有其它优点，例如，使用等离子体和/或气体并结合激光而允许形成材料的组合。

已描述一定数量的实现方式。然而，应理解可做出多种修改。相应地，其它实现方式在以下权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种增材制造系统，所述增材制造系统包括：

工作台；

供给材料分配装置，所述供给材料分配装置经构造以输送供给材料层覆盖所述工作台；

激光源，所述激光源经构造以产生激光束；

控制器，所述控制器经构造以引导所述激光束在储存于电脑可读取介质中的数据所规定的位置处熔融所述供给材料；

气源，所述气源经构造以供应气体；以及

喷嘴，所述喷嘴经构造以加速及引导所述气体至与所述激光束实质相同的位置。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述喷嘴经构造以加速所述气体至超音速速度。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述喷嘴包括de Laval喷嘴。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述激光束及所述气体沿着共用轴发出以撞击所述工作台上的所述供给材料。

5.如权利要求1所述的系统，包括管道，所述管道具有第一端和第二端，所述第一端靠近所述激光器，且所述第二端靠近所述工作台，且其中经由所述管道引导所述激光，所述喷嘴安置于所述管道的所述第二端上，并且所述气源经构造以注射所述气体进入所述管道的所述第一端。

6.一种增材制造方法，所述方法包括以下步骤：

分配供给材料层覆盖工作台；

引导激光束以加热储存于电脑可读取介质中的数据所规定的位置处的所述供给材料；以及

引导气体材料至与所述激光束实质相同的位置。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述气体材料造成所述工作台上的所述位置处的化学反应。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述气体材料由喷嘴加速，所述喷嘴置于所述气体材料的路径中。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述气体材料经构造以改变所述供给材料的表面精整。

10.如权利要求6所述的方法，其中所述气体材料包括蚀刻剂，所述蚀刻剂经构造以移除所述供给材料。

11.如权利要求6所述的方法，其中在所述供给材料层的一区域处引导所述气体材料，所述区域对应于欲制造的一物体的表面，以形成所述物体上不同成分的涂覆。

12.一种增材制造方法，所述方法包括以下步骤：

分配第一层供给材料覆盖工作台；

加热所述工作台上电脑可读取介质中的数据所规定的第一位置处的所述第一层供给材料，以熔融所述第一层供给材料的部分；

在熔融的供给材料保持于工作台上时，蚀刻所述熔融的供给材料的一部分；

分配第二层供给材料覆盖所述工作台上经蚀刻和熔融的供给材料；以及

加热所述工作台上储存于所述电脑可读取介质中的数据所规定的第二位置处的所述第二层供给材料，以熔融所述第二层供给材料的第二部分。

13.一种增材制造系统，所述增材制造系统包括：

工作台；

供给材料分配装置，所述供给材料分配装置经构造以输送供给材料层覆盖所述工作台；

激光器，所述激光器经构造以产生激光束；

控制器，所述控制器经构造以造成所述激光束在储存于电脑可读取介质中的数据所规定的位置处熔融所述供给材料；

等离子体源，所述等离子体源经构造以产生等离子体，所述等离子体实质跨所述供给材料层的全部延伸且产生被引导至所述供给材料上的离子。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述等离子体源经构造以在所述激光束熔融所述供给材料时产生所述等离子体。

15.如权利要求13所述的系统，其中所述控制器被构造成以一层层的基础控制递送至腔室的气体流动率或气体成分，由所述等离子体源在所述腔室中产生所述等离子体。