CN107921707A - 具有冷却剂系统的增材制造 - Google Patents

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Abstract

一种增材制造系统包括具有用于支撑被制造的物体的顶表面的工作台、用于在所述工作台上方输送多个连续的进料层的进料分配器、用于熔融进料的至少一部分最外层的被定位在所述工作台之上的能量源、和用于在已经熔融至少一部分所述最外层之后将冷却剂流体输送至进料的最外层上的冷却剂流体分配器。

Description

具有冷却剂系统的增材制造
技术领域
本发明涉及增材制造，并且更特定地涉及3D打印工艺，在所述3D打印工艺中分配并且冷却进料层。
背景技术
增材制造(AM)，也被称为实体自由成形制造或3D打印，是指三维物体从原料(通常为粉末、液体、悬浮液或熔化固体)以一系列的二维层或横截面而构建的任何制造工艺。相比之下，传统机械加工技术包括减材工艺并且生产从诸如木头块或金属块的原料切出的物体。
在增材制造中可以使用各种增材工艺。各种工艺在层沉积以产生完成物体的方式和在每个工艺中可相容地使用的材料上有所不同。一些方法熔化或软化材料以生产层，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)、熔化沉积成型(FDM)，而另外一些方法则使用不同技术(例如，立体光刻(SLA))固化(cure)液体材料。
烧结是熔融小粒(例如，粉末)来产生物体的工艺。烧结通常包括加热粉末。当在烧结工艺中将粉末状材料加热至足够的温度时，粉末颗粒中的原子跨颗粒边界扩散，将颗粒熔融在一起以形成固体件。相较熔化来说，在烧结中使用的粉末不需要达到液相。由于烧结温度可以低于材料的熔点，因此常对诸如钨和钼的具有高熔点的材料使用烧结。
烧结和熔化均可以在增材制造中使用。所使用的材料决定进行的是哪种工艺。非晶固体(诸如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))实际上是过冷粘性液体，并且在从固态至液态的相变意义上不会技术性地“熔化”(在本文中术语“熔化”另外以常规意义使用)。选择性激光烧结(SLS)是用于ABS的相关工艺，而选择性激光熔化(SLM)用于结晶和半结晶材料(诸如尼龙和金属)，所述材料具有离散的熔化/冻结温度并且在SLM工艺期间经历熔化。
使用激光束作为用于烧结或熔化粉末状材料的能量源的常规系统通常在粉末状材料的层中的选定点上引导激光束并且光栅扫描所述激光束同时跨层选择性地激活(activate)所述激光以熔融期望位置。一旦已烧结或熔化并再固化第一层上的所有期望位置，新的粉末状材料层在已完成层的顶部上沉积并且所述工艺逐层重复直至生产出期望物体。
电子束也可用作引起材料中烧结或熔化的能量源。同样，电子束跨层光栅扫描来完成特定层的处理。
发明内容
在一个方面，一种增材制造系统包括具有用于支撑被制造的物体的顶表面的工作台、用于在所述工作台上方输送多个连续的进料层的进料分配器、用于熔融进料的至少一部分最外层的被定位在所述工作台之上的能量源、和用于在已经熔融至少一部分所述最外层之后将冷却剂流体输送至进料的最外层上的冷却剂流体分配器。
实现方式可包括以下特征的一个或多个。
冷却剂流体分配器可包括被配置为同时跨工作台宽度输送冷却剂流体的导管。所述系统可包括用于沿着工作台长度移动导管的耦接至导管的致动器。导管可包括跨工作台宽度延伸的多个间隔开的孔或跨工作台宽度延伸的连续槽。
能量源可以被配置为将热量施加至至少沿着工作台长度扫描的区域，并且所述系统可以被配置为引起致动器连同所述区域沿着工作台长度的运动而移动导管。能量源可以被配置为产生跨进料的最外层在长度和宽度方向上均扫描的束。能量源包括激光器。能量源可以被配置为同时加热进料的最外层的跨工作台宽度延伸的区域。能量源包括热灯的线性阵列。导管和能量源可以被支撑在可移动的框架上相对于彼此固定的位置中。第二致动器可相对于工作台而移动区域，并且控制器可被配置为引起致动器连同由第二致动器引起的运动而移动导管。
控制器可被配置为引发致动器在能量源已经加热进料层之后跨工作台移动导管。能量源被配置为同时加热进料的整个最外层。能量源可以包括热灯的阵列。
进料分配器可被配置为将进料分布至至少沿着工作台长度扫描的区域，并且所述系统被配置为引发致动器连同所述区域沿着工作台长度的运动而移动导管。进料分配器可包括用于从邻近工作台的贮存器推动进料的撒布机或输送出材料的分布器中的至少一个。导管和撒布机或分布器可被支撑在可移动的框架上相对于彼此固定的位置中。第二致动器可相对于工作台而移动撒布机或分布器，并且控制器可被配置为引起致动器连同由第二致动器引发的运动而移动导管。
工作台可悬挂在腔室中，并且冷却剂流体分配器可被配置为将冷却剂流体注入腔室中。
另一方面，一种增材制造的方法包括在支撑件上连续形成多个层。由多个层形成层包括在工作台上方分配进料层、熔融至少一部分所述进料层、和在已经熔融至少一部分所述层之后将冷却剂流体输送至所述进料层上。
增材制造系统的产量可通过包括冷却剂分配器来增加，冷却剂分配器将冷却剂流体分配至烧结的进料层上。冷却剂流体冷却烧结的进料层，并且加速对下一进料层的处理。冷却剂流体也减少了进料中的温度波动，这改善了增材
制造工艺的质量。
附图说明
图1A和图1B是增材制造系统的实施方式的示意性侧视图。
图2A至图2C是冷却剂分配器系统的实施方式的示意性顶视图。
图3至图5是增材制造系统的实施方式的示意性侧视图。
具体实施方式
增材制造工艺可包括在工作台或先前沉积的层上分配进料(例如，粉末)层，随后是用于熔融进料层的部分的方法。在粉末的情况中，一个或多个能量源可将进料从室温加热至足够熔融材料的温度，例如，烧结温度或熔化温度。所处理的层需要在分配下一层之前冷却(例如)以使得烧结或熔化的材料再固化和/或防止下一层的意外烧结或熔化。
层进料的冷却可通过将冷却剂流体从冷却剂分配器分配至熔融的进料上来加速。加速冷却改善了系统产量和增材制造工艺的质量。冷却剂分配器可以跨越沉积的进料层上方并且在整个层或一部分层上分配冷却剂流体。增材制造工艺也可包括用于检测沉积的进料表面的温度的传感器和用于基于来自传感器的信号调节冷却剂分配器的控制系统。
一般来说，增材制造系统可包括用于接收进料的工作台、进料分配器、可加热沉积的进料的一个或多个热源、和用于将冷却剂流体分配至沉积的进料上的冷却剂分配器。热源可包括嵌入工作台中的束源、热灯阵列、和/或电阻式加热器线圈。在进料分配器的部件、来自束源的束、和冷却剂分配器横跨工作台以分别沉积、熔融和冷却进料时，它们可相对于彼此或连同彼此地移动(即，在操作中是相对于彼此固定的)。
图1A和图1B是增材制造系统100的实现方式的侧视图。增材制造系统100包括用于保持被制造的物体的支撑件102、用于在支撑件102上方输送进料层的进料输送系统、被配置为加热整个进料层的第一热源155(诸如热灯阵列)、被配置为产生束175来跨进料层扫描并且充分地选择性加热进料层的部分以熔融进料的第二热源160、和用于控制在支撑件102上方沉积的进料的温度的冷却剂分配器145和146(见图1B)。
可选地，增材制造系统100的一些部分可由外壳110封闭。外壳110可(例如)允许在外壳内部的腔室112中维持真空环境，例如，约1Torr或更低的压力。或者，腔室112的内部可以是大体上纯的气体，例如，已被过滤以移除颗粒的气体，或腔室可通风至大气。
支撑件102可包括可(例如)通过连接至工作台105的线性致动器107a竖直移动的工作台105。此外，支撑件可以包括用于加热工作台和已经在工作台105上沉积的进料130的加热器，诸如嵌入工作台105中的电阻式加热器或在工作台下方的下部灯阵列109a。
进料输送系统将进料从贮存器输送至工作台。例如，在粉末的情况中，进料输送系统可以跨支撑件(此处将熔融粉末)分配粉末层。在一些实现方式中，进料输送系统被配置为跨跨越支撑件102的宽度的区域输送进料。例如，进料输送系统可包括跨越支撑件102的宽度的分配器，并且跨支撑件的长度扫描以输送进料层。分配器可包括仅允许进料在重力的影响下流过孔，或分配器可以是从一个或多个喷嘴喷射粉末的喷射器。
在图1A和图1B所示的实现方式中，进料130被保持在邻近支撑件102的一个或多个贮存器120中。尽管图1A和图1B示出了在工作台105的相对侧上定位有两个贮存器120a、120b的系统100，所述系统可仅包括一个贮存器。每个贮存器120可以通过由侧壁124围绕的可垂直移动的支撑板122限定。用于移动支撑板122的机构可以是由活塞杆107b连接至支撑板122的线性致动器。
可以通过使贮存器120向上移动(+z方向)例如足够在壁124之上提供足以覆盖工作台105或下层的粉末量的距离从贮存器120跨工作台105推动进料130。随后，撒布机140(诸如辊或叶片)将进料推离支撑板122并且横过工作台105。撒布机140可以跨越支撑件102的宽度。
各种能量源可以用于加热在增材制造系统100中使用的进料。例如，贮存器可以包括用于加热支撑板和在支撑板122之上的贮存器120中的进料130的加热器，诸如嵌入支撑板122中的电阻式加热器或在支撑板122下方的下部灯阵列126。选择地或除了在支撑板122中或支撑板下方的任何加热器之外，在一些实现方式中，系统100可以包括被定位以将热量辐射地施加至贮存器120中的进料130的热源135。热源135可以被定位以使得所述热源不将热量供应至工作台105上方的进料层。热源135可以是热灯，例如，IR灯135。在具有两个或多个贮存器120a、120b的实现方式中，IR灯135可以放置在每个贮存器之上。
如上面指出的，进料130可以通过充分升高进料130的温度来熔融(并且随后如果必须的话进行冷却，例如，以使液化的进料固化)。例如，在粉末的情况中，当被加热至烧结温度时，粉末可以烧结。进料130的温度可以通过由一个或多个能量源加热进料130而从室温升高至烧结温度，所述能量源接连地加热进料。例如，在沉积至工作台上之前，进料可以被加热至“自由流动温度”。一旦在工作台上沉积，可以进一步加热整个沉积的进料层。例如，整个进料层可以升高至“黏结(caking)温度”，所述黏结温度对于粉末变成粘的或粘性的而言是充分的，但低于进料熔融的温度。最后，沉积的进料可以被选择性加热至熔融温度，例如，烧结温度。
来自在支撑板122中或所述支撑板下方的热源135和/或加热器的总热量足以将进料130的温度从室温(即，大约20-26℃)升高至“自由流动温度”，所述自由流动温度高于室温但没有高到粉末会变成粘的或粘性的。这允许在工作台上方以升高的温度分配进料。这减少了烧结所需的温度变化和其他加热部件所需的功率，但不干扰分配工艺。
在工作台105上沉积的进料的顶层的温度可以通过由一个或多个能量源将热量供应至所述进料顶层而从“自由流动温度”升高至“黏结温度”。例如，支撑件102可以可选地包括用于加热工作台和已经在工作台105上沉积的进料130的加热器，诸如嵌入工作台105中的电阻式加热器或在工作台下方的下部灯阵列109a。选择地或除了在工作台105中或工作台下方的任何加热器之外，在一些实现方式中，系统100可以包括被定位以将热量辐射地施加至工作台105上的进料130的热源155。
如上面指出的，为了熔融沉积的进料的期望部分，所述部分的温度需要升高(例如)至粉末的烧结温度。如果在工作台105上方的进料130的层的温度处于黏结温度，那么使用额外的能量源(例如，第二热源160)将进料加热至烧结温度。
第二热源160可以是(例如)用于产生激光束175的激光器。或者，第二热源160可以是用于产生电子束175的电子源。束175可以在进料层上方扫描，可以调节束的功率以选择性熔融(例如，烧结)进料层的部分。
第二热源160包括束源170(产生束175)、致动系统165、和光学系统167。束175可以(例如)是激光束或电子束。致动系统165可以在x-y平面中平移束175以扫描进料的顶表面。例如，致动系统164可以包括用于以期望的角度偏转激光束的检流计控制的镜子，或致动系统164可以包括相对于工作台102移动束源170的致动器。
在一些实现方式中，致动系统165可以被配置为在Z方向上平移束源170，这可允许控制束175在进料的顶层上的光斑尺寸的形状。光学部件167也可控制激光束175在进料的顶表面上的焦点深度和/或光斑尺寸。
系统100的产量可通过应用多个技术来增加。例如，如上所述，贮存器中的进料130可以由热源135、嵌入支撑板122中的电阻式加热器和下部灯阵列126的组合从室温加热至“自由流动温度”。在沉积至工作台105上之前加热进料可帮助减少熔融沉积的进料所需的时间。
系统100的产量也可通过具有在工作台的相对侧上定位的两个贮存器120a和120b增加，这两个贮存器允许交替地分配进料。例如，撒布机140可以在第一方向上从在工作台105的左端处的贮存器120a移动至在工作台105的右端处的贮存器120b，并且在所述工艺中，在压板工作台105上方撒布来自贮存器120a的进料130的层。在已经处理了所述层之后，另一进料层可以通过在相反的第二方向上从贮存器120b至贮存器120a移动撒布机140来分配，并且在所述工艺中，撒布另一进料层。
系统100的产量也可通过具有冷却剂分配器来增加，所述冷却剂分配器用于调节在工作台105上沉积的进料130的温度。例如，在已经沉积并熔融进料层之后，可能期望在处理下一进料层之前冷却熔融的进料。冷却进料防止来自熔融的进料的热量改变周围进料的温度。这可以(例如)减少意外烧结或熔化下一进料层。这也可(例如)减少跨沉积的进料层和在所述沉积的进料层之间的空间温度波动，并且因此减小热应力并由此改善材料性质。冷却剂分配器可以(例如)是分配空气或一些其他气体(例如，氮气)的气刀。
撒布机140和冷却剂分配器145可以耦接至一个或多个驱动机构(例如致动器)或安装在所述一个或多个驱动机构上，所述驱动机构可以由一个或多个控制器(例如，控制器190)控制。因此，辊140和冷却剂分配器145可以相对于工作台移动，例如沿着工作台长度(在y方向上)扫描。撒布机140和冷却剂分配器145可以安装在分开的致动器上，所述致动器可以允许撒布机140和冷却剂分配器145相对于彼此并相对于束175移动。
撒布机140和冷却剂分配器145可以相对于束175或连同束175移动。在一些实现方式中，撒布机140、分配器145和束175在扫描方向(例如，从左至右)中跨工作台105扫描。在一些实现方式中，撒布机140、冷却剂分配器145和束175相对于工作台102但连同彼此地移动，使得在束175烧结在撒布机140和冷却剂分配器145之间的进料的同时，撒布机140是在冷却剂分配器145之前(在撒布机140、分配器145和束175的运动方向上)。
分配器145可以包括导管，所述导管可以同时跨工作台宽度(沿着x方向)分配冷却剂流体。导管可以具有连续槽或间隔开的并且在工作台宽度上方延伸的多个孔。
图2A示出了分配器145的实现方式，所述分配器包括耦接至致动器181的导管185。导管185可以具有连续槽182并且经由连接器184(例如，柔性管)耦接至冷却剂流体源186。
图2B示出了分配器145的实现方式，其中导管185具有多个孔183。导管和孔183经由常见共用(common)的连接器184(例如，柔性管)耦接至冷却剂流体源186。
如图2C所示，增材制造系统100也可具有多于一个的冷却剂分配器，例如，分配器145和146。分配器可以跨工作台105平行延伸。
冷却剂流体可以是气体，例如，空气或氮气。在一些实现方式中，流体可以是液体，例如，快速蒸发液体，诸如异丙醇。在分配之前，流体可被致冷，例如，低于室温。
取决于分配机构和流体流动的控制，冷却剂流体从导管中的槽或孔连续或间歇地流动到进料上。冷却剂流体通过连续槽或孔的流量也可通过利用由控制器190控制的压力调节器188控制冷却剂流体的压力来调节。或者，冷却剂流体的流量可以通过泵(未示出)控制。对冷却剂流体的温度和流量的控制可以允许控制进料的冷却速率。冷却剂流体分配器被配置为以充分确保不发生随后沉积的层的意外熔融的温度和质量流量输送冷却剂流体。
然而，冷却剂流体的流量应足够低以使得不明显干扰在未熔融的层中的粉末。例如，可以选择流量以避免跨工作台的其他区域喷吹未熔融的粉末。
冷却剂分配器145可以耦接至致动器，所述致动器可以朝向和远离工作台105移动分配器。这可以(例如)用作调节进料冷却的控制，并且提供布置增材制造系统100的各个部件的较高灵活性。
图1A示出了冷却剂分配器145，所述冷却剂分配器可以将冷却剂分配至在工作台105上沉积的进料上。冷却剂分配器145沿着工作台105的宽度并且跨所述宽度(在x方向上)延伸。此外，系统145被安装或附接至致动器181(见图2A至图2C)，所述致动器允许所述系统跨越工作台105的长度(沿着y方向)。致动器181也可被配置为在竖直的z方向上移动冷却剂分配器145。
在图1A所示的实施方式中，辊从左至右移动，在工作台上沉积进料层。进料层的期望部分由在层上方扫描的束175熔融。随后，冷却剂分配器145跨越工作台。
撒布机140、束175和冷却剂分配器145的相对运动可由一个或多个控制器190控制。在束175已经完成在进料层上方扫描之前，冷却剂分配器145可以(例如)开始跨越工作台102。换句话说，随着束175横跨工作台，冷却剂分配器145可以跟随所述束。或者，冷却剂分配器145可以在束175已经横跨工作台105并且完成对整个进料层的加热之后开始跨越工作台102上方。
一旦撒布机140和冷却剂分配器145(和束源，如果束源可移动的话)已经沿着工作台102扫描，那么它们可以返回起始侧以开始处理另一层。
图1B是含有两个冷却剂分配器145和146的增材制造系统的另一实现方式，所述冷却剂分配器沿着工作台宽度(x方向)布置，并且可以跨越工作台长度(沿着y方向)。两个分配器被安装在分开的致动器上并且由一个或多个控制器190控制。两个冷却剂分配器在工作台上方的运动可以数种方式配置。
作为一个示例，一旦已经分别由撒布机140和束175沉积和熔融整个进料层，冷却剂分配器145和146可以同时开始分别从左至右和从右至左跨越。在此示例中，在处理一层进料之后交换两个冷却剂分配器145、146的位置。在此配置中，需要布置两个分配器以使得分配器不碰撞。这可通过将致动器配置为使分配器145在z方向上移动而使得两个分配器是在不同的水平面中来完成。两个冷却剂分配器的同时运动允许系统更快地冷却进料。
作为另一示例，两个分配器145、146可交替地跨越工作台上方。例如，辊140、束175和冷却剂分配器145从左至右跨越，分别沉积、熔融和冷却第一进料层，接着辊140、束175和冷却剂分配器146从右至左跨越，分别沉积、熔融和冷却第二进料层。由此，在此示例中，在处理两层进料之后，交换冷却剂分配器145和146的位置。
在又一实现方式中，辊140、束175和冷却剂分配器145从左至右跨越，分别沉积、熔融和冷却第一进料层，接着冷却剂分配器145从右至左跨越回来，进一步冷却进料。随后辊140、束175和冷却剂分配器146从右至左跨越，分别沉积、熔融和冷却第二进料层，接着冷却剂分配器146从左至右跨越回来，进一步冷却进料。在此示例中，在处理进料层之后，冷却剂分配器145、146返回其初始位置。
在一些实现方式中，如图2C所示，两个冷却剂分配器145和146耦接至共用的致动器181。因此，冷却剂分配器145和146连同彼此移动。此外，两个冷却剂分配器也可连同束175移动或相对于束而移动。
为了操作此系统，当冷却剂分配器跨工作台移动时，冷却剂流体仅通过前导分配器分配。例如，当分配器在正y方向上(即，在图2C中向下)移动时，冷却剂流体仅通过分配器146来分配。
在一些实现方式中，增材制造系统可以包括用于接收进料的工作台、可分配一种或多种进料的材料分配器系统、可加热沉积的进料的一个或多个热源、和用于将冷却剂流体分配至进料上的冷却剂分配器。热源可以包括热灯阵列和嵌入工作台中的电阻线圈。材料分配器和冷却剂分配器安装在一个或多个驱动机构(例如，致动器)上，所述驱动机构由一个或多个控制器190控制。这允许材料分配器系统和冷却剂分配器相对于彼此或连同彼此移动。
图3示出了增材制造系统200的另一实现方式。增材制造系统200包括在工作台220之上定位的材料分配器104。工作台220的竖直位置可由活塞232控制。控制器190控制连接至分配器组件104的驱动系统(未示出)，例如，线性致动器。驱动系统被配置为使得在操作期间分配器组件可以横跨工作台220的顶表面(沿着由箭头206指示的y方向)。
随着分配器组件104横跨工作台，所述分配器组件将进料沉积在工作台220上的期望位置处。分配器组件104可以储存并分配两种或更多种进料。例如，材料分配器组件104包括具有用于保持第一进料114a的第一贮存器108a的第一分配器104a和具有用于保持第二进料114b的第二贮存器108b的第二分配器104b。第一进料114a和第二进料114b的释放分别由第一闸门112a和第二闸门112b控制。单独控制闸门112a和112b以使得两种进料中的一种在工作台220上的期望位置处沉积。控制器190根据可以存储为计算机辅助设计(CAD)-兼容文件的打印图案指导分配器组件104将第一进料114a或第二进料114b沉积在工作台上的位置处，所述兼容文件当时由与控制器190相联系的计算机读取。
在一些实现方式中，每个分配器104a和104b包括多个开口，进料可以通过所述开口分配。例如，每个分配器可以具有跨工作台宽度(x方向)延伸的多个开口。在这种情况下，在操作中，分配器104a、104b可以在方向206中(沿着y轴)的单次扫掠(sweep)中跨工作台220扫描。在另一实施方式中，每个分配器可以具有单个开口。在这种情况下，分配器104a、104b可以沿着工作台220的宽度(breadth)和长度(分别沿着x和y方向)扫描，例如，跨工作台220光栅扫描。在先前提及的两个实施方式中，每个开口可以具有可单独控制的闸门，使得可以单独控制进料通过每个开口的输送。
在制造期间，逐渐沉积并熔融(例如，烧结或熔化)进料层。例如，从材料分配器104分配第一进料114a和第二进料114b以形成第一层。第二进料114b可以具有与第一进料114a相比较高的烧结点或熔点。如果将包括两种进料的进料层加热至高于第一进料的烧结温度但低于第二进料的烧结温度的温度，那么沉积的第一进料114a的群集(cluster)可以熔融在一起，而第二进料114b保持疏松(loose)(即，粉末)形式。
系统200包括被配置为同时升高整个沉积层的温度的热源234。例如，热源234可以是加热器灯236的二维阵列。如图2所示，热源234可以在工作台之上定位(即，工作台220(在工作台220上沉积进料)的相同侧上定位)并且与工作台220充分间隔开，使得分配器104a和104b、与冷却剂分配器245可以经过工作台120与热源234之间。
工作台220也可由另一热源(例如，嵌入式加热器226)加热至基本温度，所述基本温度低于第一进料和第二进料的熔点。触发热源234以给予足够的能量来在不熔化第二进料的情况下熔化第一进料。以此方式，热源234可以被配置为向沉积的材料提供较小温度增加来选择性熔化第一进料。通过小温度差的过渡可以使得每个沉积的进料层能够得到更快地处理。例如，工作台120的基本温度可以是约1500℃并且可以触发加热器源234来给予能量以引起温度增加约50℃。
或者，热源234可以用于将工作台220加热至基本温度，并且可以触发嵌入式加热器226以给予足够的能量来在不熔化第二进料的情况下熔化第一进料。工作台220可以包括侧壁222和224，所述侧壁的每一个分别由加热器228和230加热。
如图3所示，材料分配器104跨越工作台长度(沿着y方向，例如，从左至右)，沉积包括第一进料和第二进料的进料层。在层已经由分配系统190沉积之后，可以触发热源234。沉积的进料层由热源234加热给予足够能量来在不熔融第二进料的情况下熔融第一进料所需的时间段。随后关闭热源234并且冷却剂分配器245从左至右跨越，将冷却剂流体分配至进料层上。
冷却剂分配器245可以包括用于通过连续槽或通过沿着工作台宽度布置的多个孔跨工作台宽度同时分配冷却剂流体的导管。冷却剂流体从槽或孔连续或间歇地流动到进料上。冷却剂流体的流量也可通过由控制器190控制槽和孔的大小来调节。随着分配器104和冷却剂分配器245从右至左跨越，重复沉积、熔融和冷却进料的工艺。
材料分配器104和冷却剂分配器245可以安装在分开的驱动机构(例如，致动器)上，所述驱动机构由一个或多个控制器190控制。此配置可以允许组件104和分配器245相对于彼此移动。在一个实施方式中，冷却剂分配器245可以数次跨越工作台长度，将冷却剂分配至进料层上直至获得期望的温度分布。例如，可能期望冷却沉积的进料层直至整个层或部分层的温度下降至第一进料和第二进料的烧结温度之下。
图4示出了增材制造系统300的实现方式，所述增材制造系统包括材料分配器104和用于接收进料的由支撑件102保持的工作台105。材料分配器可以跨越工作台105的长度和宽度，沉积在不同温度烧结/熔化的进料114a和114b。支撑件102包括用于加热工作台的下部灯阵列109和用于在竖直方向上移动工作台105的活塞107。所述系统也可具有被配置为产生束175的第二热源160，所述束用于在工作台105上沉积的进料层上方扫描。热源160包括束源170、致动系统165、和光学系统167。系统300也包括用于将冷却剂流体分配至在工作台105上沉积的进料上的冷却剂分配器145。
第一进料114a和第二进料114b可以具有不同的烧结温度。例如，第一进料可以具有较低的烧结温度。在一个实施方式中，下部灯阵列将沉积的进料层加热至低于第一进料和第二进料的烧结温度的温度。随后，来自源160的束175在沉积的进料层上方扫描，提供烧结第一进料所需的增加的能量。
分配器145可以包括导管，所述导管可以同时跨工作台宽度(沿着x方向)分配冷却剂流体。导管可以具有连续槽或间隔开并在工作台宽度上延伸的多个孔。冷却剂流体从槽或孔连续或间歇地流动到进料上。
材料分配器104和冷却剂分配器145可以耦接至一个或多个驱动机构(例如致动器)或安装在所述驱动机构上，所述驱动机构可由一个或多个控制器190控制。此外，材料分配器104和冷却剂分配器145可以相对于束175或连同所述束移动。例如，材料分配器104和冷却剂分配器145可以安装在分开的致动器上，这可允许它们相对于彼此和相对于束移动。在其他实现方式中，材料分配器104和冷却剂分配器145不相对于彼此移动：当束175烧结在组件104和冷却剂分配器145之间的进料时，组件104在冷却剂分配器145前面。
在一些实现方式中，在束175已经完成在整个沉积的进料层上方扫描之后，冷却剂分配器145跨越工作台105上方。例如，一旦已经沉积包括第一材料和第二材料的新的进料层，束175可以从左至右扫描，烧结沉积的层的期望部分。在束175已经完成在整个表面上方扫描之后，冷却剂分配器145可以从左至右跨越，将冷却剂分配在进料层上方。
冷却剂分配器175可以被配置为跨越沉积的进料的整个层或部分层的上方。例如，传感器可以监控沉积的进料的表面温度并且控制系统可以基于来自传感器的信号调节冷却剂分配器的路径。冷却剂分配器的路径可以包括数次跨越沉积的进料的整个层上方直至获得期望的温度分布。控制系统也可调节来自冷却剂分配器的冷却剂流体的流量。
图5示出了包括工作台105(由支撑件102支撑)的增材制造系统的实现方式，所述工作台可以接收来自材料分配器104的进料。分配器组件104可以横跨工作台并且将第一进料114a或第二进料114b沉积在工作台上的期望位置处。进料114a和114b具有不同的烧结温度。支撑件102包括用于加热工作台的下部灯阵列109和用于使工作台105在竖直方向上移动的活塞107。所述系统也可具有跨工作台宽度(沿着x方向)延伸的第二热源430。热源430包括热灯435的线性阵列并且可以横跨工作台(沿着y方向)。
系统400也包括冷却剂分配器145，所述冷却剂分配器可以包括导管，所述导管可以同时跨工作台宽度(沿着x方向)分配冷却剂流体。导管可以具有连续槽或间隔开的多个孔。冷却剂流体从槽或孔连续或突发地流动到进料上。冷却剂流体的流量也可通过由控制器190控制槽和孔的大小来调节。
材料分配器104、热源430和冷却剂分配器145可以安装在一个或多个驱动机构(例如致动器)上，所述驱动机构可由一个或多个控制器190控制。例如，组件104、热源430和分配器145可以安装在分开的致动器上，这可允许它们相对于彼此移动。致动器可由一个或多个控制器控制，所述控制器可以彼此通信。在一些实现方式中，分配器组件104、热源430和冷却剂分配器145中的任意两个可以安装在一个致动器上，这允许了两者在不相对于彼此移动的情况下跨越工作台。
材料分配器104可以横跨工作台并且将第一进料和第二进料沉积在工作台上的期望位置处。可以通过下部灯阵列109或工作台105中的电阻线圈将沉积的进料层加热至低于第一进料和第二进料的烧结温度的温度。随后热源430横跨工作台(沿着y方向)。随着热源430横跨工作台，将进料的大体上位于热源下方的线性条带加热至高于第一进料的烧结温度但低于第二进料的烧结温度的温度。因此，烧结第一进料，而第二进料保持粉末形式。热源也可被配置为仅加热沉积的进料的期望部分。例如，可以仅当热源在沉积的进料的某些区域之上时，“打开”所述热源。
增材制造系统100、200、300或400中的进料可以是金属或陶瓷颗粒的干燥粉末、在液体悬浮液中的金属或陶瓷粉末、或材料的浆状悬浮液。金属颗粒的示例包括钛、不锈钢、镍、钴、铬、钒、和这些金属的各种合金。陶瓷材料的示例包括金属氧化物，诸如二氧化铈、氧化铝、二氧化硅、氮化铝、氮化硅、碳化硅、或这些材料的组合。
用于金属和陶瓷的增材制造的处理条件与用于塑料的处理条件明显不同。例如，一般来说，金属和陶瓷需要明显较高的处理温度。因此，用于塑料的3D打印技术可能不适用于金属或陶瓷处理并且设备可能并不是相同的。然而，本文描述的一些技术可适用于聚合物粉末，例如，尼龙、ABS、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯乙烯、聚氨基甲酸酯、丙烯酸酯、环氧树脂、聚醚酰亚胺、或聚酰胺。
系统100、200、300或400的控制器190连接至系统的各个部件(例如，致动器、阀、和电压源)，从而产生到这些部件的信号并且协调操作，而且引起系统执行各种功能操作或上述步骤顺序。例如，控制器190可以控制增材制造系统的部件，如冷却剂分配器145、辊/叶片140、材料分配器104。控制器190也可控制激光束175的位置和强度。
控制器190可以数字电子电路实现，或以计算机软件、固件、或硬件实现。例如，控制器可包括处理器以执行存储在计算机程序产品中(例如，在非暂态机器可读存储介质中)的计算机程序。这种计算机程序(也被称为程序、软件、软件应用、或代码)可以任何形式的编程语言(包括编译语言或解释语言)编写，并且可以任何形式(包括作为独立程序或作为适用于计算环境的模块、部件、子程序或其他单元)进行部署。
如上面指出的，控制器190可包括非暂态计算机可读介质来存储数据对象(例如，计算机辅助设计(CAD)-兼容文件)，数据对象识别进料应当针对每个层沉积的图案。例如，数据对象可以是STL-格式文件、3D制造格式(3MF)文件、或增材制造文件格式(AMF)文件。例如，控制器可从远程计算机接收数据对象。控制器190中的处理器(例如，如由固件或软件控制)可解释从计算机接收的数据对象以产生控制系统部件针对每个层而打印特定图案所必需的信号集合。
在本说明书中描述的本发明的实施方式和所有功能操作(包括在本说明书中公开的结构装置和结构装置的结构等效物、或它们的组合)可以数字电子电路实现，或以计算机软件、固件、或硬件实现。本发明的实施方式可作为一个或多个计算机程序产品(即，实质地包括在信息载体中的一个或多个计算机程序，例如，在非暂态机器可读存储介质中或在传播信号中)实现以用于由数据处理设备(例如，可编程处理器、计算机、或多个处理器或计算机)执行或控制所述数据处理设备的操作。计算机程序(也被称为程序、软件、软件应用、或代码)可以任何形式的编程语言(包括编译语言或解释语言)编写，并且可以任何形式(包括作为独立程序或作为模块、部件、子程序或适用于计算环境的其他单元)来部署。计算机程序不一定对应于文件。程序可以存储在保存其他程序或数据的文件的一部分中、存储在专用于相关程序的单个文件中、或存储在多个协同文件(例如，存储一个或多个模块、子程序、或部分代码的文件)中。可以将计算机程序部署为在一个计算机上执行，或将计算机程序部署为在位于一个地点(site)的多个计算机上执行或跨多个地点分布且通过通信网络互连的多个计算机上执行。在本说明书中描述的工艺和逻辑流可由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器进行以通过操作输入数据和生成输出来执行功能。工艺和逻辑流也可由例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)的专用逻辑电路来执行，并且设备也可被实现为所述专用逻辑电路。
传感器可以检测沉积的进料的表面温度并且控制器190可以基于来自传感器的信号调节冷却剂分配器以达到目标温度。
针对所述系统中的任一个，冷却剂分配器可以被配置为在进料的期望部分上方而非整个所沉积的进料层上方分配冷却剂流体。加热和冷却沉积的进料的期望部分可以提供对增材制造工艺的更好的控制。例如，可以控制沉积的进料的特定区域经历的温度波动。这可改善增材制造工艺的质量。
已描述了多个实现方式。然而，某些特征可以为了实现有利效果进行组合，而不包括其他特征。例如，以下组合是可能的：
·冷却剂分配器可以跨越工作台长度上方，在沉积(并熔融)进料层之前分配冷却剂流体。这样做是为了控制先前沉积的进料层的温度。
·冷却剂分配器可以在工作台的长度上方数次分配冷却剂流体直至达到沉积的进料的期望温度。
·增材制造系统可以具有被配置为冷却沉积的进料的多个冷却剂分配器。
·可以在分配进料之前使整个进料层的温度升高至自由流动温度，并且之后可以在不使全部进料层升高至黏结温度的情况下随后将所述进料层的温度选择性增加至熔融温度。在这种情况下，第一热源可以是可选的。
·可以将工作台上的整个进料层的温度升高至黏结温度而不在分配进料之前有意升高进料的温度。在这种情况下，用于贮存器的加热器可以是可选的。
·围绕第二热源的灯阵列可以用于升高进料的温度，但不高于黏结温度。
·围绕第二热源的灯阵列可以保持静止而不旋转。
·灯阵列可以被定位在工作台之上但处于低于能量源的高度，同时仍被认为是“围绕”能量源定位的。
·如果例如通过具有可控开口阵列的分配器来选择性沉积进料，那么可以例如通过灯阵列同时使整个进料层升高至熔融温度。
此外，应当理解，可以做出各种修改。由此，其他实现方式在以下权利要求书的范围内。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.由国际局于2016年12月21日(21.12.16)收到的
一种增材制造系统，包括：
工作台，具有用于支撑被制造的物体的顶表面；
进料分配器，用于在所述工作台上方输送多个连续的进料层；
能量源，被定位在所述工作台之上以熔融进料的最外层的至少一部分；和
冷却剂流体分配器，用于在已经熔融所述最外层的至少一部分之后将冷却剂流体输送至所述进料的所述最外层上，其中所述冷却剂流体分配器包括导管，所述导管被配置为跨所述工作台的宽度同时输送冷却剂流体。
2.如权利要求1所述的系统，包括耦接至所述导管以沿着所述工作台的长度移动所述导管的致动器。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述导管包括跨所述工作台的所述宽度延伸的多个间隔开的孔或跨所述工作台的所述宽度延伸的连续槽。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述能量源被配置为将热量施加至至少沿着所述工作台的所述长度扫描的区域，并且所述系统被配置为引起所述致动器连同所述区域沿着所述工作台的所述长度的运动而移动所述导管。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述能量源被配置为产生跨所述进料的所述最外层在长度和宽度方向上均扫描的束。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述能量源被配置为同时加热所述进料的所述最外层的跨所述工作台的宽度延伸的区域。
7.如权利要求4所述的系统，其中所述导管和所述能量源被支撑在可移动的框架上的相对于彼此固定的位置。
8.如权利要求4所述的系统，包括用于相对于所述工作台移动所述区域的第二致动器，并且所述控制器被配置为引起所述致动器连同由所述第二致动器引起的运动而移动所述导管。
9.如权利要求2所述的系统，包括被配置为引起所述致动器在所述能量源已经加热所述进料层之后跨所述工作台移动所述导管的控制器。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述能量源被配置为同时加热所述进料的整个所述最外层。
11.如权利要求2所述的系统，其中所述进料分配器被配置为将进料分配至至少沿着所述工作台的所述长度扫描的区域，并且所述系统被配置为引起所述致动器连同所述区域沿着所述工作台的所述长度的运动而移动所述导管。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述进料分配器包括用于从邻近所述工作台的贮存器推动进料的撒布机或从中输送出材料的分布器中的至少一个。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述导管和撒布机或分布器被支撑在可移动的框架上相对于彼此固定的位置中。
14.如权利要求12所述的系统，包括用于相对于所述工作台移动所述撒布机或分布器的第二致动器，并且所述控制器被配置为引发所述致动器连同由所述第二致动器引发的运动而移动所述导管。
15.一种增材制造的方法，包括：
在支撑件上连续形成多个层，其中由所述多个层形成层包括
在工作台上方分配进料层；
熔融所述进料层的至少一部分；
在已经熔融所述层的至少一部分之后将冷却剂流体同时通过导管跨所述工作台的宽度输送至所述进料层上。

Claims (15)

1.一种增材制造系统，包括：
工作台，具有用于支撑被制造的物体的顶表面；
进料分配器，用于在所述工作台上方输送多个连续的进料层；
能量源，被定位在所述工作台之上以熔融进料的最外层的至少一部分；和
冷却剂流体分配器，用于在已经熔融所述最外层的至少一部分之后将冷却剂流体输送至所述进料的所述最外层上。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述冷却剂流体分配器包括被配置为跨所述工作台的宽度同时输送冷却剂流体的导管，并且包括耦接至所述导管以沿着所述工作台的长度移动所述导管的致动器。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述导管包括跨所述工作台的所述宽度延伸的多个间隔开的孔或跨所述工作台的所述宽度延伸的连续槽。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述能量源被配置为将热量施加至至少沿着所述工作台的所述长度扫描的区域，并且所述系统被配置为引起所述致动器连同所述区域沿着所述工作台的所述长度的运动而移动所述导管。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述能量源被配置为产生跨所述进料的所述最外层在长度和宽度方向上均扫描的束。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述能量源被配置为同时加热所述进料的所述最外层的跨所述工作台的宽度延伸的区域。
7.如权利要求4所述的系统，其中所述导管和所述能量源被支撑在可移动的框架上的相对于彼此固定的位置。
8.如权利要求4所述的系统，包括用于相对于所述工作台移动所述区域的第二致动器，并且所述控制器被配置为引起所述致动器连同由所述第二致动器引起的运动而移动所述导管。
9.如权利要求2所述的系统，包括被配置为引起所述致动器在所述能量源已经加热所述进料层之后跨所述工作台移动所述导管的控制器。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述能量源被配置为同时加热所述进料的整个所述最外层。
11.如权利要求2所述的系统，其中所述进料分配器被配置为将进料分配至至少沿着所述工作台的所述长度扫描的区域，并且所述系统被配置为引起所述致动器连同所述区域沿着所述工作台的所述长度的运动而移动所述导管。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述进料分配器包括用于从邻近所述工作台的贮存器推动进料的撒布机或从中输送出材料的分布器中的至少一个。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述导管和撒布机或分布器被支撑在可移动的框架上相对于彼此固定的位置中。
14.如权利要求12所述的系统，包括用于相对于所述工作台移动所述撒布机或分布器的第二致动器，并且所述控制器被配置为引发所述致动器连同由所述第二致动器引发的运动而移动所述导管。
15.一种增材制造的方法，包括：
在支撑件上连续形成多个层，其中由所述多个层形成层包括
在工作台上方分配进料层；
熔融所述进料层的至少一部分；
在已经熔融所述层的至少一部分之后将冷却剂流体输送至所述进料层。
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