CN107206536B - 金属结构的增材制造 - Google Patents

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Abstract

在各个实施方式中，通过沉积由金属线与导电基底或先前沉积的颗粒层之间的电流的流过所产生的离散金属颗粒，逐层地制造三维金属结构。

Description

金属结构的增材制造
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年12月12日提交的美国临时专利申请No.62/091,037的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
在各个实施方式中，本发明涉及诸如三维(3D)打印等增材制造技术，并且尤其涉及金属物体的增材制造。
背景技术
诸如3D打印等增材制造技术正在迅速被采纳作为用于众多不同应用的有用技术，包括用于特种组件的快速原型制作和制造。迄今为止，大多数增材制造工艺都利用聚合物材料，将聚合物材料逐层地熔化成指定图案以形成3D物体。金属物体的增材制造提出了额外的挑战，但最近已经开发出一些技术来应对这些挑战。
用于金属结构的增材制造的现有技术通常可以分类为三类：激光烧结、粘合剂粘结并于随后烧结，以及熔融金属沉积。两种烧结技术在构建区域中使用金属粉末床，并且使粉末颗粒彼此选择性地接合以形成期望的图案。当完成一层时，将更多的金属粉末散布在第一层上，并且使粉末颗粒以针对该层所需的图案而与先前的层接合。该过程继续，将新鲜的粉末散布在构建区域的整个表面上，并且继而选择性地接合，从而逐层地构建期望的结构。从粉末床内取出成品零件，并且继而将粉末从构建区域清空，以开始下一零件。
然而，使用金属粉末作为原材料由于几个原因而可能是有问题的。金属粉末生产昂贵，并且对于相同体积的材料而言一般比由相同材料制成的线更昂贵。金属粉末处理困难且危险。例如，溅出的金属粉末可以在空气中形成灰尘，吸入该灰尘是危险的，并且这样的灰尘甚至可能有爆炸危险。此外，常规增材制造技术所需的粉末的量比制造该零件所需的粉末的量大许多倍，原因在于必须用粉末来填充整个构建区域。这增加了该过程的成本，并导致粉末的损耗和浪费，从而可能不容易重复使用。常规的基于粉末的工艺还非常缓慢，原因在于通常必须将粉末在并行层的散布精确地进行为所需的层厚度，并且必须针对每一层在整个构建区域上进行。
激光烧结使用大功率激光作为热源来熔合颗粒。激光有许多安全风险——特别是在熔合金属所需的功率下。由于必须对颗粒进行自上而下加热以添加足够的热量来将其熔合到前一层，因此使用激光作为热源引起一些问题。这样的自上而下加热需要比将热量直接施加到接合面的情况下所需要的热量更多的热量，这减慢了整个过程，并导致多余的热量散发到粉末床中。因此，在激光加热周围的区域中存在不希望的烧结颗粒的危险。因此，该工艺需要使用热传导不良的金属和合金。
粘合剂粘结使用胶来接合相邻的粉末颗粒，而不是通过激光能量对颗粒进行直接熔合，但除此之外的工艺是相似的。将胶选择性地进行喷涂以形成图案，并逐层添加粉末以形成结构。为了制造机械上牢固的金属零件，通常必须从粉末床移除所述结构，并将其放置在炉中以对粘结的金属粉末进行烧结。烧结增大了工艺的复杂性以及生产零件所需的时间。
在熔融金属沉积技术中，对金属进行液化的热量源于等离子体或电弧。继而，当金属冷却时，以所需的图案来喷涂熔融金属，从而通过构建各层来形成结构。通过喷涂金属而实现的分辨率与其他工艺相比通常较差，就这程度而言已经开发了混合机器来对金属进行沉积、允许其冷却并且继而使用铣刀对其加工尺寸。由于在能够建造于下层前因为等离子体或电弧生成的热量非常高而必须允许足够的时间来冷却下层，因此该工艺的速度很慢。如果需要良好的分辨率，则加工工艺进一步减慢。
鉴于上述情况，需要用于生产金属零件的改进的增材制造技术，其不利用金属粉末作为原材料、不生成过多的热量，并且不需要用于凝固的耗时而不经济的烧结步骤。
发明内容
根据本发明的各个实施方式，以受控的方式利用金属线作为原料来逐层地制造金属物体，从而实现3D结构的制造。本发明的实施方式仅利用如所需那样多的原料来形成所要制造的物体，从而消除了与基于粉末的技术相关联的大部分浪费和/或回收过程(如果不是全部的话)。金属线原料更容易处理，并且支持更快的制造，原因在于其仅被部署在制造固体结构的精确点处。线在与制造平台或者与正在制造的结构的先前层接触时经由电流脉冲而被加热，从而在接触点处形成熔融液滴(或“颗粒”)。熔融的液滴粘附在适当的位置，从而使得能够逐层地制造零件。有利地，仅需要单个融化/沉积步骤，从而避免了对于将金属颗粒粘在一起的分开的烧结步骤的需要。此外，电流通常仅在线与制造平台或正在制造的结构的先前层接触时施加于线，从而使对线(以及所制造的结构)的加热最小化并且防止在线尖端处形成电弧。
本发明的实施方式具有的优点是：在相邻颗粒之间的接触点处(即，在线原料的尖端与制造平台或正在制造的结构的先前层之间)——恰好在需要热量以进行熔合之处生成热量。这允许比在激光加热技术中所使用的热量输入低得多的热量输入。更低的热量输入实现更快的整体加工，不会对周围颗粒造成不希望的加热风险，并且使用许多不同的金属和合金。其还减少了安全问题，并且构建区域通常保持在较低的温度。
本发明的实施方式通过利用已成熟的气体金属电弧焊(GMAW)、电阻点焊(RSW)和计算机辅助制造(CAM)技术的知识来解决现有方法所固有的问题。本发明的实施方式利用惰性气体屏蔽和细金属线电极作为金属原料的电极和源(类似于GMAW)，由于接触电阻而加热和熔化馈送金属和基底金属的电流(类似于RSW)，并且可以通过计算机控制接口来控制金属线电极/原料在三维中的运动，从而允许以所期望的形状沉积材料(类似于CAM)。这些特征使得能够以低成本并以最小的安全问题而使用多种金属和金属合金中的任何一种来生产3D金属结构。
在一个方面，本发明的实施方式提供一种在导电基底上逐层地制造三维金属结构的方法。通过将多个金属颗粒沉积到所述基底上而形成所述结构的第一层。每个金属颗粒通过如下方式来沉积：(i)将金属线安置成与所述基底相接触，以及(ii)使电流经过所述金属线和所述基底。所述金属线的一部分熔化以在所述基底上形成所述金属颗粒。通过在所述结构的所述第一层上沉积多个金属颗粒而形成所述结构的一个或多个后续层。每个金属颗粒通过如下方式来沉积：(i)将所述金属线安置成与先前沉积的金属颗粒相接触，以及(ii)使电流经过所述金属线、所述先前沉积的金属颗粒和所述基底。金属线的一部分熔化以在所述先前沉积的金属颗粒上形成所述金属颗粒。
本发明的实施方式可以按多种组合中的任何一种而包括以下各项中的一个或多个。在所述金属颗粒的沉积期间可以使气体流过所述线的尖端。所述气体可以减少或基本上防止在沉积期间所述金属颗粒的氧化。所述气体可以增加在沉积期间所述金属颗粒的冷却速率。在沉积每个金属颗粒之后，可以用一个或多个机械致动器(例如，步进马达、螺线管等)来改变所述金属线和所述基底的相对位置。所述金属线可以包含不锈钢、铜和/或铝、基本上由其组成，或者由其组成。可以通过以下各项中的至少一个来控制所述结构的至少一部分的孔隙度：(i)改变所述金属线与所述基底或下层颗粒之间的相邻接触点之间的间距，和/或(ii)改变施加在所述金属线与所述基底之间的电流的大小。可以储存三维结构的计算表示。可以从所述计算表示提取与连续层相对应的数据集，并且可以根据所述数据执行所述形成步骤中的每一个。可以通过控制(例如，在沉积期间和/或之后)所述金属线从其中回缩的速度来选择至少一个金属颗粒的尺寸。在所述金属线熔化之前可以移除所述金属线的外部部分，以形成所述金属颗粒中的至少一个。可以跟踪和/或储存用于形成所述结构的所述第一层和所述一个或多个后续层的金属线的量。可以响应于至少部分地(例如，基本上完全由于)由所述线的尖端处的接触电阻(即，由线的尖端与下层结构例如基底或下层颗粒之间的接触所产生的电阻)所产生的热量来形成所述金属颗粒。
在另一方面，本发明的实施方式提供一种用于从通过熔化金属线所形成的颗粒来逐层地制造三维金属结构的装置。所述装置包括下列各项或者基本上由其组成：导电基底，用于在制造期间支撑所述结构；馈线机构，用于在所述基底上分发线；一个或多个机械致动器，用于控制所述基底与所述馈线机构的相对位置；电源，用于在所述线与所述基底之间施加足以使所述线释放金属颗粒(例如，经由从所述线和例如所述基底等与之接触的物体之间的接触电阻所产生的热量)的电流；以及电路，用于控制所述一个或多个致动器和所述电源以从连续释放的金属颗粒在所述基底上创建所述三维金属结构。
本发明的实施方式可以按多种组合中的任何一种而包括以下各项中的一个或多个。所述电路可以包括基于计算机的控制器或者基本上由其组成，用于控制所述一个或多个机械致动器和/或所述电源。所述基于计算机的控制器可以包括计算机存储器和3D渲染模块，或者基本上由其组成。所述计算机存储器可以储存三维结构的计算表示。所述3D渲染模块可以从所述计算表示提取与连续层相对应的数据集。所述控制器可以使得所述机械致动器和所述电源根据所述数据而形成连续层沉积的金属颗粒。可以将金属线安置在所述馈线机构内。
在又一方面，本发明的实施方式提供一种在导电基底上逐层地制造三维金属结构的方法。通过将多个金属颗粒沉积到所述基底上而形成牺牲筏结构。每个金属颗粒通过如下方式来沉积：(i)将第一金属线安置成与所述基底相接触，以及(ii)使电流经过所述第一金属线和所述基底。所述第一金属线的一部分熔化以在所述基底上形成所述金属颗粒。通过将多个金属颗粒沉积到所述牺牲筏结构上而形成所述结构的第一层。每个金属颗粒通过如下方式来沉积：(i)将第二金属线安置成与所述牺牲筏结构相接触，以及(ii)使电流经过所述第二金属线、所述牺牲筏结构和所述基底。所述第二金属线的一部分熔化以在所述牺牲筏结构上形成所述金属颗粒。通过在所述结构的所述第一层上沉积多个金属颗粒而形成所述结构的一个或多个后续层。每个金属颗粒通过以下方式来沉积：(i)将所述第二金属线安置成与先前沉积的金属颗粒相接触，以及(ii)使电流经过所述第二金属线、所述先前沉积的金属颗粒、所述牺牲筏结构和所述基底。所述第二金属线的一部分熔化以在所述先前沉积的金属颗粒上形成所述金属颗粒。
本发明的实施方式可以按多种组合中的任何一种而包括以下各项中的一个或多个。所述牺牲筏结构的密度和/或孔隙度可以小于所述结构的密度和/或孔隙度。所述牺牲筏结构可以限定穿过其中的一个或多个开口。所述牺牲筏结构可以包括多个层、基本上由其组成，或者由其组成。所述牺牲筏结构的至少一层的厚度可以大于所述结构中的至少一层的厚度。所述牺牲筏结构的至少一层的厚度可以大于所述结构的所有层的厚度。所述牺牲筏结构的最底层(即，与所述基底直接接触的所述牺牲筏结构的层)的厚度可以大于所述结构的至少一层或者甚至所有层的厚度。在制造所述结构之后，可以从所述基底移除所述牺牲筏结构，并且所述结构的至少一部分可以保留在所述牺牲筏结构上。在从所述基底移除所述牺牲筏结构之后，可以从所述结构分离所述牺牲筏结构。所述第一金属线和所述第二金属线可以包含不同材料(例如，不同的金属)、基本上由不同材料(例如，不同的金属)组成，或者由不同材料(例如，不同的金属)组成。所述第一金属线和第二金属线可以包含相同材料(例如，相同的金属)、基本上由相同材料(例如，相同的金属)组成，或者由相同材料(例如，相同的金属)组成。可以响应于至少部分地(例如，基本上完全由于)由所述线的尖端处的接触电阻(即，由线的尖端与下层结构例如基底、筏或下层颗粒之间的接触所产生的电阻)所产生的热量来形成所述金属颗粒。
通过参考以下描述、附图和权利要求书，本文所公开的本发明的这些和其他目的以及优点和特征将变得更加明显。此外，应当理解，本文所描述的各个实施方式的特征不是相互排斥的，并且可以按各种组合和排列而存在。如本文所使用，术语“约”和“基本上”意指±10％，并且在一些实施方式中意指±5％。除非本文另有定义，否则术语“基本上由…组成”意指排除贡献于功能的其他材料。尽管如此，这样的其他材料能够以微量而共同地或单独地存在。例如，基本上由多种金属组成的结构通常仅包括这些金属并且仅包括可通过化学分析而检测到的但不对功能作出贡献的无意杂质(该杂质可以是金属或非金属的)。
附图说明
在附图中，相同的参考符号一般在所有不同的视图中指代相同的部分。此外，附图并不一定是按比例绘制，而是通常重点放在说明本发明的原理上。在下面的描述中，参考以下附图来描述本发明的各个实施方式，其中：
图1是根据本发明的各个实施方式的增材制造装置的示意图；
图2A-图2F是根据本发明的各个实施方式的，在三维物体的制造期间的金属颗粒的沉积的示意图；
图3是根据本发明的各个实施方式的，具有不同颗粒分辨率的区域的打印三维物体的示意图；
图4A是根据本发明的各个实施方式的，以低孔隙度打印的颗粒的示意图；
图4B是根据本发明的各个实施方式的，以高孔隙度打印的颗粒的示意图；
图5A-图5C示意性地描绘了根据本发明的各个实施方式的，来自线的颗粒的沉积；
图5D-图5F示意性地描绘了根据本发明的各个实施方式的，通过使用不同的线回缩速率而沉积的不同尺寸的颗粒；
图6是根据本发明的各个实施方式的机械线跟踪系统的示意图；
图7是根据本发明的各个实施方式的光学线跟踪系统的示意图；
图8是根据本发明的各个实施方式的抗堵塞机构的示意图；
图9A和图9B是根据本发明的各个实施方式的，在基板与期望的打印零件之间打印的牺牲结构的示意平面图；
图9C是根据本发明的各个实施方式的，在基板上的牺牲结构上打印的零件的示意截面图；
图10A是根据本发明的各个实施方式，从基板移除牺牲结构和位于其上的打印零件的示意图；以及
图10B是根据本发明的各个实施方式，从打印零件移除牺牲结构的示意图。
具体实施方式
如图1中所示，根据本发明的实施方式，可以使用装置100逐层地制造3D金属结构。装置100包括机械台架105，该机械台架105能够经由一个或多个致动器110(例如，诸如步进马达之类的马达)而在五个或六个控制轴中的一个或多个轴中(例如，XYZ平面中的一个或多个)运动。如图所示，装置100还包括馈线器115，该馈线器115将金属线120定位在装置内部，提供到金属线120的电连接，并且将金属线120从源125(例如，线轴)连续馈送到装置中。基板130也通常被定位于装置内部并提供电连接；可以经由致动器135(例如，诸如步进马达之类的马达)来控制基板130的垂直运动。电源140连接到金属线120和基板130，使得它们之间能够实现电连接。台架105的运动和馈线器115的运动由控制器145控制。来自电源140的电流的施加以及电流的功率水平和持续时间由控制器145控制。
根据本发明的实施方式的基于计算机的控制器145可以例如包括计算机存储器150和3D渲染模块155。可以将3D结构的计算表示储存在计算机存储器150中，并且3D渲染模块155可以从所述计算表示中提取与期望的3D结构的连续层相对应的数据集。控制器145可以根据所述数据来控制机械致动器110、机械致动器135、馈线机构115和电源140以形成连续层沉积的金属颗粒。
根据本发明的实施方式的基于计算机的控制系统(或“控制器”)145可以包括计算机形式的通用计算设备或者基本上由其构成，所述计算机包括处理单元(或“计算机处理器”)160、系统存储器150以及将包括系统存储器150在内的各个系统组件耦合到处理单元160的系统总线165。计算机通常包括可以形成系统存储器150的一部分并由处理单元160读取的各种计算机可读介质。作为示例而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和/或通信介质。系统存储器150可以包括诸如只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)之类的易失性和/或非易失性存储器形式的计算机存储介质。在ROM中通常储存基本输入/输出系统(BIOS)，其包含诸如在启动期间有助于在元件之间传送信息的基本例程。RAM通常包含可由处理单元160立即访问和/或当前正在由处理单元160操作的数据和/或程序模块。数据或程序模块可以包括操作系统、应用程序、其他程序模块和程序数据。操作系统可以是或者包括各种操作系统，诸如Microsoft WINDOWS操作系统、Unix操作系统、Linux操作系统、Xenix操作系统、IBM AIX操作系统、Hewlett Packard UX操作系统、Novell NETWARE操作系统、Sun Microsystems SOLARIS操作系统、OS/2操作系统、BeOS操作系统、MACINTOSH操作系统、APACHE操作系统、OPENSTEP操作系统或其他平台操作系统。
可以使用任何合适的编程语言，在不用进行过多实验的情况下实现本文所描述的功能。示例而言，所使用的编程语言例如可以包括汇编语言、Ada、APL、Basic、C、C++、C*、COBOL、dBase、Forth、FORTRAN、Java、Modula-2、Pascal、Prolog、Python、REXX和/或JavaScript。此外，结合本发明的技术和系统的操作，不是必须使用单一类型的指令或编程语言。相反，可以按照需要或期望而使用任何数目的不同的编程语言。
计算环境还可以包括其他可移动式/不可移动式的易失性/非易失性计算机存储介质。例如，硬盘驱动器可以读取或写入不可移动式、非易失性磁介质。磁盘驱动器可以从或向可移动式、非易失性磁盘进行读取或写入，而光盘驱动器可以从或向诸如CD-ROM或其他光学介质等可移动式的非易失性光盘进行读取或写入。可以在示例性操作环境中使用的其他可移动式/不可移动式、易失性/非易失性计算机存储介质包括但不限于磁带盒、闪存卡、数字通用盘、数字录像带、固态RAM、固态ROM等。存储介质通常通过可移动式或不可移动式存储器接口而连接到系统总线。
执行命令和指令的处理单元160可以是通用计算机处理器，但是可以利用多种其他技术中的任何一种，包括专用硬件、微计算机、迷你计算机、大型计算机、编程微处理器、微控制器、外围集成电路元件、CSIC(客户专用集成电路)、ASIC(专用集成电路)、逻辑电路、数字信号处理器、诸如FPGA(现场可编程门阵列)、PLD(可编程逻辑器件)、PLA(可编程逻辑阵列)等可编程逻辑器件、RFID处理器、智能芯片，或者能够实现本发明的实施方式的过程步骤的任何其他器件或器件布置。
如图2A-图2F中所示，本发明的实施方式经由在金属线的熔融尖端处形成的金属颗粒来形成金属结构。如图所示，期望的3D结构的形成通常开始于将从线120熔化的单个颗粒200沉积到基板130上。颗粒200和随后的颗粒可以具有任何形态，但可以认为是基本上球形的。附加的颗粒205、210与先前沉积的颗粒相邻地逐一沉积，并且来自每个新颗粒的形成的热量部分地熔化相邻的颗粒并将它们熔合在一起。一旦需要针对所需结构在单个层上彼此相邻的所有颗粒已被沉积，则颗粒215、220、225的沉积在熔合的颗粒200、205和205的先前层的顶部上逐一地开始。沉积以这种方式逐层地继续，直到完成整个结构。结构的每一层可以由不同数目的颗粒组成，这取决于结构的所需形状，并且在上层中的颗粒不需要(但在各个实施方式中可以)直接沉积在下层的颗粒的顶部上。
颗粒的直径通常将会决定每一层的高度，并且因此可以至少部分地决定可以形成的结构的分辨率。可以通过改变金属线120的直径以及沉积参数(例如，电流水平)来改变颗粒的直径，并且从而可以在该过程期间动态地控制结构的分辨率。一般而言，更高的分辨率将会增加形成结构所需的时间，而更低的分辨率将会减少该时间。因此，可以按高分辨率制造3D结构的一些区段以保持严格的机械容差或更具视觉吸引力，而其他区段则可以按低分辨率进行制造以提高沉积的速度，如图3中所示。图3描绘了包含至少部分地由高分辨率部分310包围的低分辨率部分305的打印结构300。如图所示，低分辨率部分305包括多个较大颗粒315或者基本上由其组成，而高分辨率部分310包括多个较小颗粒320或者基本上由其组成。部分305、310可以包括颗粒之间的孔325，孔325由颗粒的熔化期间在颗粒之间留下的空间所产生。
制造的3D结构的孔隙度可以至少部分地由相邻颗粒之间的间距和/或熔合程度来确定，如图4A和图4B中所示。图4A描绘了紧密熔合在一起的两个颗粒，从而产生由较小孔隙区域400(在完成的零件中，其可以是其中的孔的至少一部分)所指示的较小孔隙度，并且图4B描绘了较低程度地熔合在一起的两个颗粒，从而产生由较大孔隙区域410所指示的较大孔隙度。可以主要通过沉积期间所生成的热量来改变沉积参数，从而确定颗粒之间的熔合程度。如果增加热量，则颗粒之间的熔合将会更大，并且孔隙度通常将会更低。如果生成足够的热量，则所得到的结构可以基本上没有孔隙度，这对于实现特定的机械性能可能是优选的。相反，较少的热量将会导致较少的熔合，并且孔隙度将会更高。更多孔的结构通常将会具有比完全致密结构更低的重量。由于在沉积期间可以动态地控制热量的量，因此可以有意地使3D结构的一些区段比其他区段更多孔。例如，可以将多孔过滤器包含在较大的3D结构的内部通道中。通常，较少的热量的施加将会需要较少的时间，因此如果在结构的一些区段中期望或者可以容许孔隙度，则沉积的速度可以提高。具有高孔隙度的材料通常具有低拉伸强度，但是可以获得良好的压缩强度。可以对结构进行设计，使得可以将压缩载荷中的区域生产成具有一定的孔隙度，从而导致更快的沉积速度，并且还降低成品结构的重量。
根据本发明的实施方式，通过用电流熔化金属线120的尖端来形成金属颗粒。线120可以具有基本上为圆形的横截面，但在其他实施方式中，线120具有基本上为矩形、正方形或卵形的横截面。金属线120的直径(或其他横截面维度)可以基于所期望的沉积性质来选择，但通常可以在约0.1mm与约1mm之间。金属线120是一个电极，而装置100的金属基板130是另一电极，如图1中所示。当线120与基板130物理接触时，两者也是电接触的。由于细线120的较小表面积以及基板130的表面和线120的尖端上的微观缺陷，因此在线120与基板130之间存在电阻(即，接触电阻)。线120与基板130之间的接触电阻是由两个电极(即，线120和基板130)之间经过的电流所经受的最高电阻，并且接触点处的局部区域根据等式1(即，焦耳第一定律)而得到加热。
Q＝I2×R×t 等式1
所生成的热量(Q)超过了将线120的尖端熔化成颗粒并将颗粒熔合到相邻颗粒所需的热量。热量由所通过的电流量(I)、线120与基板130之间的接触电阻(R)以及施加电流的持续时间(t)来确定。(因此，本发明的实施方式不使用或生成电弧和/或等离子体，而是利用基于接触电阻的线的融化来形成颗粒)。在该过程中可以经由控制器145和电源140来控制电流和时间(I和t)，并且在本发明的各个实施方式中，在较短持续时间内采用高电流(与在较长持续时间内采用较低电流相反)以增加沉积的速度。所需的电流和持续时间取决于所期望的沉积性质，但其通常可以是在约10安培(A)至约1000A的范围内以及在约0.01秒(s)至约1s的范围内。在完成熔合颗粒的第一层之后，与基板130电接触的先前的颗粒层充当第二电极。随着该过程的进行，一个电极(金属线120)被消耗，原因在于利用了来自线120的尖端的金属来形成颗粒。
使用消耗性金属线作为电极与GMAW的相似之处在于：线原料可以储存在大线轴上并连续馈送以继续沉积过程。因此，存在许多容易以低成本获得的金属和金属合金线。用于对线进行馈送的机械运动并且在线与电源之间实现电接触的设备和技术也是本领域技术人员已知的。为了保护沉积的金属不被氧化，惰性气体(诸如Ar)或半惰性气体(诸如N2或CO2)可以流过金属线电极周围的区域以取代氧气。例如，在沉积过程期间，当金属处于高温或被熔融时，气体可以按例如约0.7m3/小时的速率连续流动。有利地，可以将气体流速增加成超过提供屏蔽效应所需要的流速，以增加沉积金属冷却速率。冷却速率还可以影响所得的金属机械性能，并且在沉积期间利用动态控制，可以将结构的各区段制造成具有不同的机械性能。例如，可以在结构的表面上使用高冷却速率以增加硬度和耐磨性，而在内部可以使用较慢的冷却速率以保持延展性和强度。
根据本发明的实施方式，选择用于基板电极130的材料以获得良好的导电性和与所沉积的金属的相容性。在正常操作期间，基板130通常是非消耗性的，因此不会被损坏并且不需要更换。可以选择基板材料以允许沉积金属弱粘附至基板，使得沉积金属的第一层将会在进一步沉积期间将结构牢固地保持在基板130上的适当位置。例如，如果沉积金属是钢，则铜或铝可以是用于基板130的适当材料。铜和铝具有高导电性，不与钢铸成合金且不改变沉积金属的组成，并且具有良好的导热性因此可以将沉积区域处生成的热量快速地传导掉，并且不存在熔化基板130的危险。基板130的表面光洁度可以略微粗糙，使得第一层的金属熔化到基板130的细小表面特征(例如，划痕)中，并且允许弱粘附。可以选择基板130的表面光洁度以给出适当的粘附量，因此在沉积期间牢固地保持结构，但是可以使用合理的力在沉积结束时将成品结构从基板130移除。基板130可以是容易更换的，从而可以将其改变成适合所期望的沉积金属的材料。
可以通过金属线120的直径以及沉积参数来控制沉积颗粒的形态。沉积颗粒的直径通常将会与线120的直径大致相同。通过在颗粒仍然被熔融的同时将另外的线120馈送到颗粒中，可以增加颗粒的直径。可以通过在颗粒仍然被熔融时对线120进行回缩而影响颗粒顶部的形状，例如，其中颗粒的顶部可以经由线回缩而被拉成凸峰。如果允许颗粒部分地冷却，则线120可以用于推挤颗粒的顶部以使颗粒变平。可以使用对颗粒形态的这些操纵来改变结构的孔隙度。
类似地，仍然熔融的线尖端从先前的沉积颗粒的回缩可以用于控制线120的尖端的形态，如图5A-图5C中所示。在本发明的各个实施方式中，如果快速回缩线120，则尖端将会被拉成尖锐点。图5A描绘了从线120的尖端熔化的颗粒500的初始形成。在图5B中，线120从颗粒500回缩，颗粒500仍然至少部分地被熔融。如图所示，线120的尖端开始颈缩，从而使其直径减小。图5C图示了在完全回缩和从颗粒500分离之后，线120的尖锐尖端510。因此，回缩速度可以用于控制线120的尖端的直径。由于尖端处的直径是用于下次沉积的线120的有效直径，因此该受控的颈缩可用于沉积直径小于主体线直径的颗粒。以这种方式，有可能利用较大的线直径来进行更高分辨率的沉积。图5D-图5F图示了不同尺寸的颗粒500，当沉积先前的颗粒时可以通过控制线的回缩速度而使用相同的线来沉积所述不同尺寸的颗粒500。
可以使用对施加电流的控制来影响颗粒的沉积。通过在沉积之前选择所期望的功率强度以及持续时间来实现所施加电流的开环控制。可以校准强度水平以在恒定的接触电阻下达到特定电压或电流。然而，接触电阻可能在每个沉积部位处变化，并且在颗粒沉积本身期间变化。因此，开环控制可能导致在沉积期间施加过多或过少的热量，并且可能影响颗粒之间的熔合。通过适当的校准，可以成功地使用开环控制来进行沉积。在本发明的其他实施方式中，使用闭环控制。在闭环控制中，在沉积期间测量电压和电流，并且可以根据等式2(即，欧姆定律)来计算接触电阻。
R＝V/I 等式2
由于接触电阻是动态地计算的，因此可以精确地控制所施加的电流的功率，从而导致在沉积期间施加精确的热量以达到期望的沉积参数和/或颗粒特性。除了沉积电路的DC电流之外，还可以施加大约1mV至100mV的较小AC电流，以确定系统的阻抗响应。还可以动态地测量阻抗并将其用于反馈控制。闭环控制可以有益地消除由于颗粒的不完全熔合而产生的不合格零件，并且使得在沉积期间输入到结构中的热量最小化。
除了可以从沉积的电路(即，经由控制器145和电源140而由基板130和线120形成的电路)测量的数据之外，还可以利用附加的传感器来采集补充数据。可以使用诸如热电偶或热敏电阻之类的接触传感器以及诸如红外(IR)传感器和光学高温计之类的非接触方法来测量基板130上的或者打印零件或装置100上的其他点上的沉积部位的温度测量值。温度数据继而可以由系统控制回路使用，以确保所期望的沉积参数。
可以使用其他传感器来检测构建表面，即，基板130或所打印的零件的先前沉积的颗粒层。可以使用声纳或电容响应系统来绘制表面并检测任何不在规范内的区域，从而允许纠正措施(例如，诸如在具有高孔隙度或缺失材料的区域中进行附加颗粒沉积之类的返工)。还可以记录为了反馈控制而收集的所有数据，并且继而在网络层面进行分析，以开发自动校准过程来改善任何连接的装置100的功能。
为了利用本发明的实施方式中的逐颗粒的沉积机制，可以对设计过程进行定制以利用体素系统。3D渲染模块155可以例如使用计算机辅助设计(CAD)软件，基于所期望的沉积参数来向零件的某些区段赋予性质。例如，如果零件的内部区段应当是多孔的以便充当过滤器，则可以在CAD设计中选择该区段，并且用户可以向诸如所期望的百分比孔隙度等参数赋值。与针对3D渲染模块155的基于体素的扩展想协同，可以利用计算机辅助制造软件以将所期望的体素性质转换成产生用户的CAD设计所需的刀具路径和沉积参数。
基于体素的设计的另一示例是散热器的设计。在由3D渲染模块155利用的CAD设计中，用户可以指定诸如材料和密度等性质，以便引导热量经过零件的特定区域。这个概念可以用于使同一零件的热敏感区域保持冷却，而不必从多片零件或经由多个不同的沉积来制成该零件。还可以通过控制外表面或内表面的表面纹理来利用基于体素的设计系统。可以有意地制作具有非常大的表面积的表面，以向零件给予高摩擦表面、高辐射表面以更有效地进行冷却，向电极给予更高的导电性，或者允许表面涂层的增强粘附。
为了在精确的位置上沉积颗粒，可以用计算机控制的机械致动器110、135，以与CAM机床所利用的方式类似的方式，对金属线电极120和基板130进行定位。存在许多可以使用电动、液压或气动马达与线性致动器、皮带、滑轮、丝杆和其他器件的组合来实现所需运动的机械系统。在一个实施方式中，如上文所述，金属线电极120位于允许在X方向和Y方向上运动的台架系统105上。基板电极130在Z轴上独立移动。金属线120的馈送可由对源125加以控制的另一独立的致动器来控制。用于沉积的电流的定时、持续时间和功率由控制器145控制。由来自控制器145的信号所控制的结构的形成可以根据以下示例来进行。该结构是简单的立方体，由八个颗粒形成，每个颗粒的直径为1个单位。
1.台架105将线120移动到XY平面中的第一位置(X0，Y0)。
2.基板130在Z轴中移动到靠近金属线120的尖端的位置(Z0)。
3.从源125馈送线120，直到其接触基板130。
4.电流流过电极(即，基板130和线120)，从而熔化线120的尖端并在基板130上形成金属颗粒。
5.台架105将线120移动到XY平面中的下一位置(X1，Y0)。
6.馈送线120以接触基板130，电流经过，并且形成另一颗粒。
7.台架105在XY平面中移动线120，并在X1，Y1和X0，Y1处形成另外两个颗粒。
8.基板130从金属线120移离一个单位(Z1)。
9.台架105将线120移动到(X0，Y0)，从源125馈送线120，直到其与下方的颗粒接触，并且在先前沉积的颗粒的顶部上形成新的颗粒。
10.台架105按顺序再一次将线120移动到每个剩余的XY位置，从而在所述每个位置处的前一层的顶部上沉积颗粒。
像许多CAM工具一样，根据本发明的实施方式的基于金属的增材制造方法可以与单个机器中的其他工具和/或工艺相组合。其示例是如上所述的台架型机器，其具有聚合物挤出机工具和铣刀工具附接至金属沉积工具旁边的台架。以这种方式，可以由聚合物和金属的组合来构建混合结构，使用该组合来提高对结构进行构建的速度，降低结构的成本，或者使用具有针对该结构的该部分所需的性质的材料。例如，根据本发明的实施方式制造的零件可以具有主要由非导电聚合物构建的结构，但是还具有内部打印的金属电路。铣刀可以用于加工结构上所需的任何精密表面。这一概念可以扩展到在单个机器中包含任何数目的工具以执行用于形成所需结构所需要的任何操作。
可以按自动化方式连续地生产多个零件而不需要人类用户的参与。在零件完成之后，臂可以穿过基板130并移除零件，将其放入收集区域中。一旦从基板130清除了前一零件和移除臂，就可以制造下一零件。
在本发明的一些实施方式中，由3D渲染模块155执行的沉积参数的计算基于针对金属线或聚合物细丝的静态直径值。然而，如上所述，所供应的细丝的直径可能是可变的，并且这些变化可能导致打印性能不良、馈线器115(例如，喷嘴)堵塞/阻塞，或者在严重的情况下损坏装置100的机械系统。可能还期望检测线120的缺失以确定源125何时已耗尽。此外，可以记录所消耗的线120的绝对长度的精确测量值，并将其用于开发算法以便更好地预计所需的总的线120和完成打印所需的时间。
在本发明的各个实施方式中，为了感测和跟踪线120的使用(或其缺失)，装置100并入了包括与线120接触的机械轮或者基本上由其组成的系统，或者具有对线120的无阻碍视线的光学系统。图6示意性地描绘了机械线跟踪系统600，其包括在打印期间从源125馈送线120时在馈线器115内的点处接触线120的轮610。线120的运动可以由连接到轮610的数字编码器来记录。可以从编码器读数计算出在一段时间内使用的线120的量。如图所示，轮610可以连接到诸如弹簧加载杆620等机构，该机构将轮610推压到线120。以这种方式，可以使用杆620的偏转来计算线120的直径。轮运动的缺失或者非常小的直径测量值通常将会指示出源125已经将线120排空。
图7描绘了可以并入到本发明的各个实施方式中的光学线跟踪系统700。可以利用光学图像传感器710来基于线的表面的微观变化来确定线120的移动，并且从而将其用于测量在打印过程期间所使用的线120的绝对长度。可以使用在线120的面向传感器710的背面上成角度的光720，基于由线120所阻挡的光的区域来测量线120的直径。可以使用多个传感器710来提供关于线120的在多个轴中的更准确的测量值。与线跟踪系统600类似，线120的运动和直径可以用于计算所使用的线的总长度，检测源125何时已没有线等。
根据本发明的实施方式的打印机还可以并入抗堵塞机构，以防止严重超尺寸的线对馈线器(例如，其喷嘴)造成堵塞或其他损坏。例如，可以将具有与最大可允许线直径相匹配的内径的环安置在馈线器115内或者馈线器115与源125之间。线120可以穿过环，并且如果其尺寸过大，则线可被卡在环中，或者无法穿过馈线器115以供进行打印。这种状况可以例如由线跟踪系统600或700感测到，并报告给操作者。此外，图8描绘了这样的环800的实施方式。如图所示，环800可以在内径上具有尖锐边缘，使得线120可以在其穿过环800时被自动修整成适当的直径。
一些打印零件，特别是那些具有高密度和/或可变或复杂几何形状的打印零件，在打印后可能难以从基板130移除。在本发明的各个实施方式中，可以在零件之前在基板130上打印牺牲结构(或“筏”)，并且使用该牺牲结构来支持从基板130移除零件。在各个实施方式中，对筏的结构加以选择，以便促进将零件锚定到基板130并且使得零件(即，线电极)与基板130之间能够导电，同时促进在打印之后从成品零件移除筏。此外，具有相同尺寸和/或形状和/或内部构造的筏可以用于具有非常不同的几何形状的零件，从而实现针对从基板130移除不同零件的标准化过程——在打印之后，从基板130移除筏(以及位于其上的打印零件)，并且继而从零件移除筏。在各个实施方式中，筏可以例如包含金属和/或聚合物、基本上由其组成，或者由其组成。在各个实施方式中，筏不是由装置100打印的，而是由其他装置提供(例如，在打印期望的零件之前由另一装置制造并固定(例如，粘附)到基板130)。在各个实施方式中，筏包含一种或多种与在其上用于制造零件的材料不同的材料、基本上由其组成，或者由其组成。例如，可以利用包含不同金属、基本上由不同金属组成或者由不同金属组成的线来打印筏以及在其上打印一个或多个零件。
图9A和图9B是根据本发明的实施方式所制造的筏900的示意顶视图。如图所示，在打印期望的零件之前，筏可以包含被打印于(例如，使用线120打印)基板100上的一层或多层材料，或者基本上由其组成。为了促进随后从打印零件移除筏，筏可以例如由打印材料的一系列条带910或网格图案920组成，如图9A和图9B中所示。也就是说，在各个实施方式中，筏900限定穿过其中的在基板130与打印在筏900上的零件之间延伸的一个或多个开口，而不是筏900由实心材料片组成。可以利用与用于在筏900上打印零件的线120(即，相同的材料和/或相同的线直径和/或沉积条件)相对应的线120来打印筏900，或者可以利用不同的材料、不同的线直径和/或不同的沉积条件(例如，拉线速率)来打印筏900。
在各个实施方式中，筏900至少部分地由具有厚度930的打印区域以及位于其间的间隙940组成。可以选择厚度930和/或间隙940的尺寸以控制筏900与打印零件和/或基板130之间的粘附。替代地或附加地，可以选择整个筏900或其一部分的高度(即，垂直厚度)以促进零件随后在其上的打印。图9C描绘了打印在由一个或多个底层960、一个或多个中间层970以及一个或多个顶层980组成的示例性筏900上的零件950。底层960可以具有比通常用于打印零件的层厚度更大的厚度，以便例如将零件与基板130的表面的任何粗糙性或不均匀性隔离。例如，如果打印零件通常由厚度约为0.6mm的层构成，则至少筏900的底层960可以具有大于0.6mm的厚度，例如大于1mm，甚至更厚。图9C中的示例性筏900还含有一个或多个通常不与基板130或零件950机械接触的中间层970。所述一个或多个中间层970可以例如为筏900提供结构稳定性，同时还提供通过筏900的导电性。顶层980可以具有被设计成控制在筏900与打印在筏上的零件950之间的粘附量的结构。例如，可以增加顶层980的孔隙度和/或顶层980的间隙940的尺寸以减小筏900与零件950之间的界面处的表面积(以及因此粘附)的量。
一旦如本文所详述的那样打印了零件950，则可以将零件950和筏900从基板130分离。图10A图示了在其中使用刀片1000将筏900从基板130分离的示例性实施方式。如图10B中所示，在将筏900从基板130分离之后，可以将筏从零件950剥离。
根据本发明的各个实施方式，打印装置100可以是沿着模块化自动化加工站的装配线的单个“站”，以便利用装置100的自动化能力。例如，可以利用装置100来打印零件，并且继而(例如，经由输送带、机器人装卸器或类似系统)将零件自动转移到精加工站(例如，石滚揉机、振动箱、喷丸柜等)，并且从那里自动转移到清洁站，以供使用紫外光、化学品等进行自动消毒。继而可以将零件转移到例如塑料包装站中，并且继而转移到具有自动贴标机的包装站，该自动贴标机在零件离开时对盒装零件贴标。并行的装配线可以生产用于打印零件的包装材料。例如，可以使用打印零件的模具来对包装泡沫进行成形，使得其与成品零件外形适配。可以将成型的泡沫与主装配线中的盒一起馈送到包装系统中。
根据本发明的各个实施方式，诸如线跟踪系统600、700等线跟踪系统以及筏(例如，筏900)和/或装置100的其他部分可以与由非金属材料(例如，塑料)构成的线一起使用和/或用于打印非金属(例如，塑料)物体。
文本所采用的术语和表达被用作描述而非限制的术语和表达，并且在这些术语和表达的使用中，并不旨在排除所示出和描述的特征的任何等同物或其部分。此外，通过所描述的本发明的某些实施方式，对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以使用并入本文所公开的概念的其他实施方式。因此，所描述的实施方式在所有方面都应被认为仅仅是说明性的而不是限制性的。

Claims (18)

1.一种用于在支撑物上或者在先前沉积在所述支撑物上的层上逐层地打印三维(3D)物体的方法，所述方法包括：
(a)在计算机存储器中接收所述3D物体的计算表示；
(b)在接收所述3D物体的所述计算表示之后，引导来自源的金属线通过馈线器的开口直至所述金属线与所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层相接触；
(c)利用电源，使得电流流过所述金属线和所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层；
(d)当电流流过所述金属线和所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层时，使得所述金属线经受焦耳加热，所述焦耳加热足以融化所述金属线的一部分；
(e)将所述金属线的所述一部分沉积到所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层上，从而生成包括有所述金属线的所述一部分的层；以及
(f)重复(d)和(e)一次或多次，从而沉积所述金属线的一个或多个附加层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电源与所述支撑物电接触。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在(e)中，在存在有气体的情况下沉积所述金属线的所述一部分，所述气体(i)减少或防止所述金属线的所述一部分的氧化，或者(ii)增加所述金属线的所述一部分的冷却速率。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在(e)之后，改变所述金属线相对于所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层的相对位置。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在打印所述3D物体之前形成牺牲筏结构，所述牺牲筏结构(i)将所述3D物体锚定到所述支撑物上，并且(ii)允许从所述支撑物上移除所述3D物体。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括通过下述各项中的至少一个来控制所述3D物体的至少一部分的孔隙度：(i)改变所述金属线与所述支撑物或者在先前沉积在所述支撑物上的层之间的相邻接触点之间的间距，(ii)改变施加在所述金属线与所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层之间的电流的大小。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括通过控制所述金属线的回缩速度来选择所述3D物体的尺寸。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在沉淀期间，所述金属线的所述一部分的尺寸相对于所述金属线是可控的。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括在(a)中存储所述3D物体的计算表示，从所述计算表示中提取与连续体素或连续层相对应的数据的集合，以及根据所述数据执行(b)-(f)。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括在融化所述金属线的所述一部分以形成所述3D物体之前，移除所述金属线的外部部分。
11.一种用于在支撑物上或者在先前沉积在所述支撑物上的层上逐层地打印三维(3D)物体的系统，所述系统包括：
金属线的源；
所述支撑物，该支撑物配置为在打印期间支撑所述3D物体；
馈线器，该馈线器配置为引导来自所述源的所述金属线朝着所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层通过所述馈线器的开口；
电源，该电源配置为提供流过所述金属线和所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层的电流；以及
控制器，该控制器操作地耦合至所述电源，其中所述控制器配置为：
(i)在计算机存储器中接收所述3D物体的计算表示；
(ii)在接收所述3D物体的所述计算表示之后，引导所述金属线通过所述馈线器的所述开口直至所述金属线与所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层相接触；
(iii)利用所述电源，使得电流流过所述金属线和所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层；
(iv)当电流流过所述金属线和所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层时，使得所述金属线经受焦耳加热，所述焦耳加热足以融化所述金属线的一部分，使得所述金属线的所述一部分沉积到所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层上，从而生成包括有所述金属线的所述一部分的层；以及
(v)通过重复(iv)一次或多次，使得所述金属线的一个或多个附加部分沉积在所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层上，从而沉积所述金属线的一个或多个附加层。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器配置为通过控制所述金属线的回缩速度来选择所述3D物体的尺寸。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器包括所述计算机存储器和一3D渲染模块，其中所述计算机存储器储存所述3D物体的所述计算表示，并且其中所述3D渲染模块配置为从所述计算表示中提取与连续体素或连续层相对应的数据的集合。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器配置为通过下述各项中的至少一个来控制所述3D物体的至少一部分的孔隙度：(i)改变所述金属线的各部分之间的相邻接触点之间的间距，(ii)改变施加在所述金属线与所述支撑物或者先前沉积在所述支撑物上的所述层之间的电流的大小。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述电源与所述支撑物电接触。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器配置为引导额外的金属线通过所述馈线器并使得所述额外的金属线经受焦耳加热，使得所述额外金属线的至少一部分沉积在所述支撑物上。
17.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器配置为引导额外的金属线通过所述馈线器并使得所述额外的金属线经受焦耳加热，使得所述额外金属线的至少一部分沉积在所述金属线的所述一部分上。
18.根据权利要求11所述的系统，还包括一个或多个机械致动器，该一个或多个机械致动器配置为在沉积所述金属线的所述一部分之后，改变所述金属线与所述支撑物的相对位置。
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