CN108025500A - 用于增材制造系统的可调整的z轴打印头模块 - Google Patents

用于增材制造系统的可调整的z轴打印头模块 Download PDF

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Abstract

一种增材制造系统包括：工作台，具有用于支撑正在制造的物体的顶表面；支撑件，可沿着竖直轴线移动；致动器，用于沿着竖直轴线移动支撑件；分配器，用于在工作台上方输送多个连续的供给材料层；能量源，经构造以熔融供给材料的至少一部分；和控制器。分配器和能量源安装在工作台上方的支撑件上，使得支撑件沿着竖直轴线的运动使分配器和能量源一起朝向工作台的顶表面或远离工作台的顶表面移动。控制器耦接到致动器、分配器和能量源并且经构造以致使致动器在多个连续层中的每一者被输送后移动支撑件以升高分配器和致动器而远离顶表面。

Description

用于增材制造系统的可调整的Z轴打印头模块
技术领域
本发明涉及增材制造，并且尤其是，涉及分配粉末层的3D打印工艺。
背景技术
增材制造(AM)，也被称为实体自由成形制造(solid freeform fabrication)或3D打印，是指将原料(例如粉末、液体、悬浮液或熔化固体)以一系列的二维层或横截面构建出三维物体的制造工艺。相比之下，传统机械加工技术涉及从减材工艺和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。各种工艺在沉积层以形成完成物体的方式上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(Selective Laser Melting；SLM)或直接金属激光烧结((DirectMetal Laser Sintering；DMLS)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering；SLS)、熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling；FDM)，而另外一些方法则使用不同技术(例如，立体光刻(Stereolithography；SLA))固化(cure)液体材料。
烧结是熔融小粒(例如，粉末)来形成物体的工艺。烧结通常涉及加热粉末。当在烧结工艺中将粉末状的材料加热到足够温度时，粉末颗粒中的原子扩散跨过颗粒边界，从而将颗粒熔融在一起以形成固体件。相较熔化，烧结中使用的粉末无需达到液相。由于烧结温度不必达到材料熔点，常对诸如钨和钼的具有高熔点的材料使用烧结。
常规的基于粉末的增材制造系统可以在平台上沉积粉末状的材料的层。使用激光射束或电子射束作为用于烧结或熔化粉末状的材料的能量源，并且一般在粉末状的材料的层中的选定点上引导射束和将射束光栅扫描并激活跨层的选定位置处。一旦已烧结或熔化第一层上的所有选定位置，平台就被降低并且新的粉末状的材料的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了期望物体。
发明内容
一方面，一种增材制造系统包括：工作台，具有用于支撑正在制造的物体的顶表面；支撑件，可沿着竖直轴线移动；致动器，用于沿着竖直轴线移动支撑件；分配器，用于在工作台上方输送多个连续的供给材料层；能量源，经构造以熔融供给材料的至少一部分；和控制器。分配器和能量源安装在工作台上方的支撑件上，使得支撑件沿着竖直轴线的运动使分配器和能量源一起朝向工作台的顶表面或远离工作台的顶表面移动。控制器耦接到致动器、分配器和能量源并且经构造以致使致动器在多个连续层中的每一者被输送后移动支撑件以升高分配器和致动器而远离顶表面。
特征可以包括以下各项中的一个或多个。工作台可以经构造为是竖直地固定的。控制器可以经构造以致使致动器将支撑件移动近似等于层的熔融部分的厚度的距离。支撑件可沿着水平轴线移动。系统可以包括用于沿着水平轴线移动支撑件的第二致动器，控制器可以耦接到第二致动器，并且控制器可以经构造以致使第二致动器在供给材料层被输送时沿着水平轴线移动支撑件以跨工作台的顶表面扫描分配器。工作台可以经构造为是水平地固定的。
支撑件可以包括在工作台上方水平地延伸的平台，并且平台可以支撑在工作台的相对侧上并且可沿着侧面上的水平轨道移动。水平轨道可以支撑在工作台的相对侧上并且可沿着侧面上的竖直轨道移动。框架可以保持分配器和能量源，并且框架可以装配在平台中的孔中。支撑件可以支撑在工作台的一个侧面上并且可沿着侧面上的一个或多个水平轨道移动。一个或多个水平轨道可以支撑在工作台的一个侧面上并且可沿着侧面上的一个或多个竖直轨道移动。框架可以保持分配器和能量源，并且支撑件可以包括实质上竖直的板，并且框架的竖直侧面板可以机械地固定到竖直板。
支撑件和致动器可以包括具有可移动机械臂的机器人。机器人可以是6轴机器人。
热源可以经构造以将层加热到低于供给材料熔融的温度的一温度，并且热源可以安装在支撑件上。热源可以包括热灯阵列。沿着第二轴延伸的辊或叶片可以经构造以平滑供给材料层，并且辊或叶片可以安装在支撑件上。
另一方面，一种增材制造系统包括：工作台，具有用于支撑正在制造的物体的顶表面；支撑件，可沿着水平轴线移动，所述支撑件包括竖直板；致动器，用于沿着所述水平轴线移动所述支撑件；第一框架；第一分配器，第一分配器安装在第一框架上以在工作台上方输送多个连续的供给材料层；第二框架；第二分配器，第二分配器安装在第二框架上以在工作台上方输送多个连续的供给材料层；和能量源，能量源经构造以熔融供给材料的至少一部分。第一框架具有第一竖直侧面板和在第一框架的侧面上与第一竖直侧面板相对的第二竖直侧面板，第一框架的第一竖直侧面板机械地固定到支撑件。第二框架具有机械地固定到第一框架的第二竖直侧面板的第一竖直侧面板，使得第一框架和第二框架保持在工作台上方的悬臂布置中。支撑件沿着水平轴线的运动沿着水平轴线跨工作台的顶表面一起扫描第一分配器和第二分配器。
特征可以包括以下各项中的一个或多个。竖直板、第一框架和第二框架可以沿着垂直于水平轴线的线按顺序地定位，使得第一分配器经构造以将多个连续的供给材料层输送到工作台的第一部分并且第二分配器经构造以将多个连续的供给材料层输送到工作台的平行于第一部分延伸的第二部分。
能量源可以包括安装在第一框架上以熔融工作台的第一部分上的供给材料的第一能量源和安装在第二框架上以熔融工作台的第二部分上的供给材料的第二能量源。热源可以经构造以将层加热到低于供给材料熔融的温度的一温度，并且热源可以安装在支撑件上。热源可以包括安装在第一框架上以加热工作台的第一部分上的供给材料的第一热源和安装在第二框架上以加热工作台的第二部分上的供给材料的第二热源。每个热源可以包括热灯阵列。
前述内容的优点可包括但不限于下列。可能期望调整在增材制造系统的部件(例如，供给材料分配器和能量源(可被布置在打印头模块中))与正在处理的供给材料层之间的距离。通过维持在这些部件与正在处理的供给材料层之间的固定距离，就可改善增材制造工艺质量，例如，熔融选定位置的可靠性、已分配层的均匀性，已熔融材料的材料特性中的厚度均匀性就可改善。
随着增材制造工艺的产量和构建大小增加，移动支撑供给材料的工作台可能变得有挑战性。由此，在增材制造工艺期间，期望保持工作台固定而使打印头模块朝向或远离工作台移动。这可允许通过增材制造来制造体积过大的部件，例如，在约1吨或更大的量级上的部件。
一个或多个实现方式的细节在随附附图和以下描述中阐述。其他潜在特征、方面和优点将从说明书、附图、和权利要求书中变得显而易见。
附图说明
图1A图示示例性增材制造系统的示意性侧视图。
图1B是图1A中示出的增材制造系统的俯视图。
图2A是示例性增材制造系统的透视图。
图2B是图2A中示出的增材制造系统的俯视图。
图3图示示例性增材制造系统的示意性侧视图。
图4图示示例性增材制造系统的示意图。
图5图示打印头模块的侧视图。
各种附图中的相同附图标号和标识标示相同元件。
具体实施方式
增材制造系统包括用于在工作台上沉积供给材料(例如，粉末、液体、悬浮液、熔化固体)的层的分配器、以及用于熔融供给材料层的部分的能量源。期望的是，在制造工艺期间，在分配器/能量源与面对分配器和能量源模块的供给材料层(在下文被称为“面对表面”)之间的距离保持逐层不变。例如，如果能量源与面对表面之间的距离改变，那么熔融供给材料所需的功率量就会改变，这会降低熔融步骤的可靠性。也会期望调整在能量源(例如，激光器)与面对表面之间的距离以确保能量源在面对表面处不会失焦。作为另一示例，如果分配器与面对表面之间的距离改变，那么将供给材料分布到面对表面上可能就会受到影响，这会降低分配步骤的可靠性。
如果工作台(供给材料被沉积在其上)以及分配器和能量源在制造工艺期间被竖直地调整，那么在分配器或能量源与面对表面之间的距离可以随着新供给材料层的沉积和处理减小。例如，如果不移动工作台，那么在分配器或能量源模块与面对表面之间的距离的减小就会以新沉积并处理的供给材料层的厚度减小。
可能期望新沉积层在工作台的各种区域之间改变。在这种情况下，可能需要在处理新沉积层时调整在分配器/能量源之间的竖直距离。
如果在沉积新供给材料层后，在工作台与分配器或能量源模块之间的相对距离增加了新的供给材料层的厚度，那么在打印头模块与供给材料的面对表面之间的距离可以保持逐层固定。这可通过使支撑分配器和能量源的工作台或框架移动而彼此远离对应于新沉积的供给材料层的厚度的一距离来实现。
由于工作台的大小增加以支持更大的构建床大小的制造工艺，在制造工艺期间移动工作台就可能变得有挑战性。例如，工作台连同于所沉积的供给材料的重量可以是相当大的，这可能导致工作台不可移动。例如，喷射引擎部分可重达数百磅。而且，制造工艺所期望的精确调整整个的工作台的竖直位置可以变得有挑战性。由此，增材制造系统可以经构造以移动分配器和能量源。这可通过机构(例如台架、悬臂安装件、或机械臂)实现，机构可以移动分配器和能量源。例如，分配器和能量源可以经构造以平行于工作台或远离/朝向工作台移动(例如，以对应于新沉积的供给材料层的厚度的距离)，使得在分配器和能量源与面对表面之间的距离可通过逐层处理供给材料来调整或在处理供给材料层期间调整。
也可期望在处理新的供给材料层时改变在分配器和能量源与工作台之间的距离。可能期望面对表面实质上不平行于工作台。例如，如果工作台的表面是不均匀的，或如果所沉积层的厚度是不均匀的(使得在面对表面与工作台之间的距离沿着工作台的表面变化)，那么分配器和能量源可能在制造工艺期间不得不相对于工作台移动以确保在分配器和能量源与面对表面之间的距离保持不变。
图1A和图1B图示示例性增材制造系统100的示意图。系统100可以包括外壳102并由外壳封闭。例如，外壳102可以允许在外壳内部的腔室101中维持真空环境，例如，约1Torr或低于1Torr的压力。或者，腔室101的内部可以是实质上纯的气体，例如，已被过滤以移除颗粒的气体，或者腔室可通风至大气(be vented to the atmosphere)或保持于高于大气的正压。气体可以从气源(未示出)通过气体入口103或通过气刀进入腔室101。气刀可以以实质上均匀的流速跨构建平台的宽度分配惰性气体。气刀可以沿着z轴移动。气刀可结合至打印头平台150中或可以是单独的单元。来自腔室的气体可以通过真空排气口104移除，真空排气口可以是固定的，或者可以沿着z轴移动。
系统100包括接收或支撑供给材料层的工作台105。工作台105可以包括加热器109(例如，电阻式加热器或下部灯阵列)或放置在加热器上，加热器可以加热工作台105并且因此加热在工作台105上沉积的供给材料。
打印头平台/支撑件150定位在工作台105之上。打印头平台150经构造以承载一个或多个打印头模块110(参见图1B)。每个打印头模块可移除地安装在平台150上。打印头平台150可以由台架130支撑或形成台架的部分。致动器系统152允许打印头平台150跨工作台105移动(例如，沿着y轴)。台架130由竖直支撑件134a和134b(例如，竖直轨道或轴)支撑。竖直支撑件134a和134b与工作台105分开且不安装在工作台上，并且可不相对于工作台105移动。支撑件134a和134b以及工作台105可以被支撑，例如由外壳102支撑。
致动器135a和135b可分别相对于竖直支撑件134a和134b移动台架130。例如，致动器135a、135b可与竖直支撑件134a和134b滑动接合。因此，平台150可以沿着z轴相对于工作台105移动。
通过调整平台150沿着台架130的水平位置(通过致动器152)，例如，当平台150跨工作台105移动时，平台150可以经构造以实质上平行于工作台105移动来进行制造工艺。一旦致动器152已跨基板扫描平台150并且整个的供给材料层已被沉积并由平台150处理，致动器135a和135b可以使台架130(并且因此平台150)相对于工作台105沿着z轴移动对应于已沉积和熔融的供给材料层的厚度的距离。
平台150可以包括计量系统，计量系统可以检测在平台150与沉积在工作台105上的供给材料的面对表面106的在位于平台150之下的部分之间的距离。计量系统可以例如是光电传感器或激光传感器。随着平台跨工作台105(沿着y方向)而滑动，计量系统可以周期性地测量在平台150与面对表面106之间的距离，并且向控制器190发送关于测量的信息。如果面对表面106是不均匀的，即，随着平台150在工作台105上方滑动，在平台150与面对表面106之间的距离改变，那么计量系统将向控制器190传输此信息。控制器190可向致动器135a和135b发送信号以调整台架130，使得随着平台在工作台105上方(沿着y方向)滑动，在平台150与面对表面106的紧接在平台150之下的部分之间的距离保持不变。
控制器190控制增材制造工艺的各种方面。例如，控制器190控制致动器系统152、134a和135b，并且由此控制打印头平台150的运动。控制器190也可控制包括在打印头平台150中的打印头模块110的相对运动和操作(参见图1B)。控制器也可控制包括在打印头平台150中的各种“全局”打印部件的操作。
图1B是图1A中图示的示例性增材制造系统100的俯视图。打印头平台150可滑动地安装在台架130的水平支撑件130a和130b上，例如，轨道或轴。通过在台架130的轨道130a和130b上滑动，例如，在被致动器152(图1A所示)驱动时，打印头平台150可跨越过工作台105上方(沿着y轴)。
轨道130a由其端部处的竖直支撑件134a和134b支撑。轨道130a的端部相对于支撑件134a和134b的位置(沿着z方向)可分别由致动器135a和135b控制。类似地，轨道130b的端部相对于竖直支撑件134c和134d的位置(沿着z方向)可分别由致动器135c和135d控制。
致动器135a-d可由控制器190控制。控制器190也可控制平台150中的全局打印部件122和120。全局打印部件120/122可以包括计量系统，计量系统可以测量关于在平台150与面对表面106之间的距离或面对表面的温度的信息并将之传输到控制器190。控制器190也可控制致动器135a-d，使得随着平台在工作台105上方(沿着y方向)滑动或在已沉积和处理供给材料层后，在平台150与面对表面106之间的距离保持不变。控制器190也可控制延展机(例如，叶片或辊)，延展机可被包括在全局打印部件122中。
打印头平台150可以包括一个或多个打印头模块110。每个打印头模块110可以可移除地安装在平台150上。例如，打印头模块可以装配到打印头平台150中的孔中。在此上下文中“可移除地安装”表示可安装打印头110以使得打印头110相对于平台150机械地保持在固定位置中，但打印头110可以通过使用标准手持构建工具(例如，扳手或电动式螺丝刀)移除而不破坏打印头或平台。例如，打印头110的框架可通过机械紧固件(例如，螺母和螺栓)固定到平台150。当操作人员期望移除打印头110时，松开螺栓并且提起打印头。
此外，打印头110和打印头中的部件(例如，分配器)、延展机(例如，辊或叶片)、热源和能量源经构造以使得部件可作为单个单元从平台150安装或卸下。这允许更容易地构造和修理增材制造系统100。
如图1B所示，多个打印头模块110可以以交错方式而布置，以便横跨工作台105的整个宽度。这允许用平台150在工作台105上方的单次通过来制造物体层。打印头模块110在沉积在工作台上的供给材料矩形条带上进行制造工艺。
平台150也可以支撑全局打印部件120和122。这些全局打印部件可直接地安装在平台150上，而非安装在打印头110的框架上。打印部件120可以是全局分配器，全局分配器可以分配和平滑所沉积的供给材料。在一些实现方式中，打印部件120也可以是全局计量系统，例如，与全局计量系统122类似。全局计量系统可以包括传感器、热像仪或光学相机的一个或多个。全局打印部件120/122可以包括气刀，气刀可以将气体(例如，惰性气体)分配到腔室101中。
在一个实现方式中，随着系统150从左至右(沿着+y方向)跨工作台150移动，第一全局计量系统120形成系统的前缘，接着的是打印头模块110，继而接着的是端部处的第二全局计量系统122。系统150的前缘处的全局计量系统120可以由此测量各种参数，诸如温度和/或在平台150与面对表面106之间的竖直距离。
来自计量系统(数个计量系统)的数据可以被馈送到控制器190以控制打印头模块110的操作。例如，如果供给材料分配器是可控制的，那么在平台150与表面106之间的距离的测量可由控制器用来确定要分配以改善层厚度均匀性的材料量。类似地，层温度的数据可以用于控制输送到热源和/或能量源的功率，使得将要熔融的部分升高到均匀温度。系统150的后缘处的全局计量系统122可以测量与增材制造工艺相关联的各种参数，例如，所熔融/熔化的供给材料的温度和/或表面粗糙度。此外，此数据可以被馈送到控制器190以控制打印头模块110的操作，例如，在反馈/前馈回路中用以提供改善的均匀性和缺陷补偿。
在一些实现方式中，全局计量系统122可以沿着x方向被划分为若干分段，使得计量系统中的每个分段负责测量由一个或多个打印头模块熔融的供给材料。
在一些实现方式中，增材制造工艺可以是单向的，即，增材制造工艺仅仅在平台150从左至右或从右至左移动时发生。在另一示例中，增材制造工艺可以是双向的，即，增材制造工艺当平台150从左至右和从右至左移动时发生。
通过在制造每层之后调整打印头平台150的竖直位置，在制造工艺期间使在分配器和能量源与面对表面106之间的距离保持逐层固定。此外，在一些实现方式中，竖直位置可随着打印头平台150跨工作台105扫描而调整以用于层的制造，例如，用于补偿工作台105的表面的不均匀性或层厚度的不均匀性、或者增加构建工艺产量。
图2A至图2B图示示例性增材制造系统200的示意图，其中打印头模块保持在工作台上方的悬臂布置中。即，打印头仅支撑在一个侧面上而非两个边缘上。
腔室102未在图2A至图2B中示出，但可存在。系统200包括打印头模块110(沿着y轴布置)，打印头模块在工作台105上进行制造工艺。如图1A和图1B，系统200中的打印头模块110经构造以跨工作台105(沿着y方向)并垂直于工作台105的表面(沿着z方向)移动。出于与关于图1A和图1B描述的那者类似的原因，期望朝向并远离工作台105移动模块110。
打印头模块110可以包括料斗220、框架240和热灯阵列255(打印头模块110的细节和其在增材制造工艺期间的操作将在图5中描述)。料斗220保持在工作台105上通过打印头模块110中的分配器分配的供给材料。框架240包括第一侧面板240a和第二侧面板240b。第二侧面板240b可移除地附接到竖直支撑板242，支撑板耦接到水平支撑件236a和236b，使得支撑板242可以由致动器262(图2B所示)驱动以沿着水平支撑件236a和236b(沿着y轴)滑动。水平支撑件236a-b附接到水平框架238。打印头模块110、竖直支撑板242、水平支撑件236a-b以及水平框架238一起构成打印布置270(图2B所示)。
在一些实现方式中，另一打印头模块110(未示出)可以可移除地附接到沿着第一侧面板240a的打印头模块110(图2A所示)以沿着x轴延伸。例如，一个打印头模块的侧面板可以邻接并被固定到另一打印头模块的侧面板。此布置可允许制造工艺在不可由附接到竖直支撑板242的单个打印头模块110使用的工作台的部分上(沿着x方向)发生。
打印布置270(参见图2B)可以经构造以在制造工艺期间朝向或远离工作台105移动。例如，如果工作台105的表面在x-y平面中布置，那么打印布置270可以经构造以沿着z轴移动。例如，这可以通过将水平框架238耦接到竖直支撑件236c和236d来实现，使得打印布置270可以由驱动系统260驱动以沿着竖直支撑件236c-d滑动。
驱动系统包括驱动轴260b的致动器/电机260a。轴260b的部分可与穿过框架238的螺纹孔螺纹接合(孔在图2A中被遮挡)，使得当轴260b旋转时，沿着支撑件236c、236d向上或向下(在z轴上)驱动框架238。
可替代或另外地，驱动轴260b可以由联动件260c(例如，带或链)耦接到单独轴260d。轴260d的一部分可以与框架238中的螺纹孔260e螺纹接合，使得当轴260d旋转时，沿着支撑件236c、236d向上或向下驱动框架238。驱动系统260可以经构造以使得打印布置270可竖直地移动，其中步长的范围为从纳米至微米至毫米。
图2B是图2A中描述的系统200的俯视图。第二电机262位于打印布置270之后，第二电机沿着y方向驱动打印头模块110。系统200也可包括机构(例如，致动器或电机)，机构可以沿着x轴移动打印头模块。
如图2A所示，两个打印头模块110沿着y轴布置。以此方式布置的两个打印头模块可以允许打印头模块110每次穿过工作台105时沉积和处理两层供给材料。也可允许打印布置270在较大区域上进行制造工艺。这可减少制造时间。然而，沿着y轴可仅存在一个打印头模块。
通过在制造每层之后调整打印头模块(数个打印头模块)110的竖直位置，在制造工艺期间在分配器和能量源与面对表面106之间的距离保持固定或可以逐层调整。此外，在一些实现方式中，可随着打印头模块110跨工作台105扫描来调整竖直位置以用于进行层的制造，例如用于补偿工作台105的表面的不均匀性或层厚度的不均匀性。
在图3中，打印头平台150附接到机器人332的机械臂331，机械臂可以移动打印头平台150。至少，机器人332是能够在工作台105上方(在x-y平面中)并朝向或远离工作台105(沿着z方向)移动平台150的3轴机器人。在一些实现方式中，机器人332是具有六个自由度移动平台150的六轴机器人，即，沿着x、y和z轴的任一个平移以及关于x、y和z轴的任一个旋转。
此外，每个打印头模块110(参见图1B)可以可移除地安装在平台150上。机械臂331的运动由控制器190控制。如图1A和图1B所描述，打印头平台150可以在制造工艺期间沿着z方向移动以确保在打印头平台150与面对表面106的位于打印头平台150之下(沿着z方向)的部分之间的距离在制造工艺期间保持逐层固定。此外，在一些实现方式中，可以随着打印头平台150跨工作台105扫描来调整竖直位置以用于进行层的制造，例如，用于补偿工作台105的表面的不均匀性或层厚度的不均匀性。
图4图示示例性增材制造系统400的示例的俯视图。与图1A和图1B中描述的系统类似，系统400包括外壳102并由外壳封闭。外壳102，例如，可以允许在外壳内部的腔室101中维持真空环境。或者，腔室101的内部可以是实质上纯的气体，例如，已被过滤以移除颗粒的气体，或腔室可通风至大气。气体可以从气源(未示出)通过气体入口103进入腔室101。来自腔室的气体可通过真空排气口104而移除。气体入口103可连接到气刀，气刀可以靠近面对表面或可与打印头平台结合，使得层状气流跨面对表面而实现。真空排气口104可以与气刀相对地放置。
打印头平台450可滑动地安装在台架130的水平支撑件130a和130b上，例如，轨道或轴。致动器系统152(图1A所示)允许打印头平台450沿着台架130的轨道130a和130b滑动以跨越过工作台150(沿着y方向)。轨道130a由其端部处的竖直支撑件134a和134b支撑。轨道130a在竖直支撑件134a和134b(沿着z方向)上的竖直位置可分别由致动器135a和135b控制。类似地，轨道130b在竖直支撑件134c和134d(沿着z方向)上的竖直位置可分别由致动器135c和135d控制。
平台450支撑打印头模块110。打印头模块110安装在轨道430上并且可以在x方向中通过致动器420沿着轨道移动。致动器、以及由此系统450中的模块110可由控制器190控制。
在增材制造系统400中，打印头平台450沿着工作台的长度(y轴)渐进移动。针对打印头平台450的每次渐进运动，打印头模块110沿着其宽度(沿着x方向)从工作台的一端移动至另一端。控制器190可协调打印头平台(沿着y方向)的运动与打印头模块(沿着x方向)的运动，使得跨整个工作台105扫描打印头110。这允许在整个工作台105上方进行增材制造工艺。
致动器135a-d和420可由控制器190控制。控制器190可以控制致动器135a-d和420，使得由于平台150的运动(沿着y方向)与打印头模块110的运动(沿着x方向)的耦合，随着模块110在工作台105上方移动，在打印头模块110与面对表面106的位于模块110之下(沿着z方向)的部分之间的距离保持不变。此外，平台450的竖直位置可以在沉积和熔融每层之后升高，因此在打印头模块110与面对表面106的部分之间的距离保持逐层固定。
图5是通过打印头模块110进行的增材制造工艺的示意图。增材制造系统100(也在图1A和图1B中描述)包括一个打印头模块110或打印头模块的阵列，打印头模块可以在工作台105上方(例如，沿着y方向)移动并且进行增材制造工艺。打印头模块的各种打印头部件沿着增材制造工艺的方向(例如，沿着+y方向)布置。此外，在一些实现方式中，打印头部件可相对于打印头模块的框架移动(例如，通过致动器或电机)。在下文中，将按打印部件在打印头模块110下方(沿着z方向)的已沉积的供给材料514(和可选地512)的面对表面106的给定条带上进行增材制造工艺的顺序描述打印头部件。
打印头模块包括第一分配器504(在打印头模块110的前缘上)，第一分配器沉积第一供给材料514。分配器504由导管(例如，中空圆柱)构成，导管跨工作台的宽度(沿着x轴)而延伸，宽度实质上垂直于在增材制造工艺期间打印头模块移动(沿着y方向)的方向。导管耦接到料斗(例如，图2A中的料斗220)，料斗储存供给材料514。导管封闭中空空间和螺旋装置(auger)。螺旋装置被安装到材料分配器，并且电机可以旋转螺旋装置(相对于导管)，例如由驱动轴来旋转。
随着螺旋装置旋转，螺旋装置从料斗中抽取供给材料514。导管可以具有沿着其长度(沿着x方向)布置的多个开口，可以从开口分配供给材料514到工作台上。供给材料通过开口的流动速率可以通过致动器调整，致动器可由控制器190(图1A所示)控制。供给材料的流动速率也可通过改变螺旋装置的旋转速率或通过以另一螺旋装置替代螺旋装置来控制，另一螺旋装置可以允许更高供给材料流量。例如，增加螺旋装置的旋转速率可以增加分配供给材料速率并且反之亦然。在其他示例中，导管可以具有沿着导管的长度(沿着x轴)的连续狭槽。
可选地，第一延展机540(例如，辊或叶片)是在分配器504之后，并且均匀地跨工作台105分配/平滑已沉积的供给材料。可选的第二分配器505可以是在第一分配机构540之后，以便沉积第二供给材料512。供给材料512和514可以具有不同大小或结构性质，和/或可以具有不同材料组成。例如，供给材料512和514可以具有不同熔融/烧结温度。例如，第二供给材料512可以小于第一供给材料514，并且可以由此填充在供给材料514的颗粒之间的间隙空间。可选的第二延展机541(例如，辊或叶片)是在第二供给材料分配器505之后，第二延展机分配/平滑已沉积的供给材料512和514。
供给材料可以是粉末。例如，供给材料可以是由金属(诸如，例如，钢、铝、钴、铬、和钛)、合金混合物、陶瓷、复合物、和绿砂组成的颗粒粉末。供给材料也可以包括聚合材料。
可选的计量系统552可以是在分配结构541之后，并且可以包括表面光度仪、热像仪或光学相机中的一个或多个。计量系统可以包括传感器，例如，光电传感器或激光传感器，传感器可以测量在面对表面106的位于传感器之下(沿着z方向)的部分与打印头模块110之间的距离。计量系统552，例如，也可测量已沉积的供给材料的表面粗糙度。在熔融/熔化供给材料之前知道要沉积的供给材料的粗糙度可有助于通过控制制造工艺来改善增材制造工艺的质量。
接着的是可选的热源534，热源用于升高已沉积的供给材料的温度。在图5中描述的实施方式中，热源534是热灯阵列。热灯阵列534可以将已沉积的供给材料512(和如果存在的话，514)加热到低于其烧结或熔化温度的一温度。热灯阵列534包括在阵列(例如，六边形的紧密封装阵列)中布置的多个热灯。输送到每个热灯的能量可以由控制器(例如，控制器190)控制。改变输送到每个热灯的能量可以改变由热灯辐射的能量。由此，由热灯阵列产生的能量的空间分布可由控制器控制。因此，从热灯阵列534接收能量的面对表面106在工作台上的部分可以具有温度分布。换句话说，热灯阵列534可以提供对已沉积的供给材料的先前所提及的部分的温度分布的控制。
在热源534是能量源560以用于熔融层的选定部分之后，例如，通过将温度升高到高于其烧结温度或熔化温度(并且随后允许此部分被冷却)进行。例如，能量源560可以发出射束575。射束575可以例如是由激光器产生的激光射束、由离子源产生的离子射束、或由电子枪产生的电子射束。射束575可以将已沉积的供给材料中的一者或两者的温度升高到高于其相应熔点。能量源560也可产生多个射束575，射束可以熔化供给材料。
此外，可选择性地激活能量源560以选择性地熔融已沉积的供给材料的期望区域。例如，能量源560可以发出射束575，射束撞击面对表面106的特定部分，由此熔化在该部分中沉积的供给材料的一者或两者。通过能量源560选择性地加热面对表面106的特定部分可以与选择性地激活能量源560结合地通过相对于打印头模块框架来移动能量源560、或通过在面对表面106上方移动射束575、或这两种方式来实现。
例如，能量源560可通过由控制器190(参见图1A)控制的电机或致动器来沿着垂直于打印头模块的运动(例如，y轴)的方向(例如，x轴)移动。在另一示例中，能量源560可能不相对于打印头模块框架移动。然而，能量源560可以包括某种机构，例如，安装在检流器或压电微镜装置上的镜子，机构可沿着垂直于打印头模块的运动方向的方向来反射射束575。微镜装置可以包括沿着垂直于打印头模块的运动方向的方向布置的镜子的线性阵列。在所有先前所提及的情况下，射束575相对于供给材料的撞击位置改变。
在使用具有不同的熔化或烧结温度的两种供给材料的情况下，能量源560可以将面对表面106的在打印头模块110之下的整个部分升高到在第一供给材料与第二供给材料的熔化或烧结温度之间的温度。因此，将仅熔融供给材料中的一者。这消除了对于通过能量源560选择性地熔融的需求。
可选的第二计量系统550是在能量源360之后。第二计量系统550，例如，可以测量已熔化的供给材料的性质(温度、表面粗糙度等)。这可以由控制器使用来调整工艺参数，从而改善增材制造工艺质量。第二计量系统550也可包括传感器，例如，光电传感器或激光传感器，传感器可以测量在面对表面106的位于传感器之下(沿着z方向)的部分与打印头模块110之间的距离。
在打印头模块110的一些实现方式中，打印头部件可以按与图5描述的那者不同的顺序布置。例如，按从前缘至后缘的顺序，打印头模块110可以包括计量系统、第一分配器、第一分配机构(例如，辊或叶片)、第二分配器、第二分配机构(例如，辊或叶片)、第一能量源(例如，热灯)、第二能量源(例如，激光系统)和计量系统。
用于金属和陶瓷的增材制造的处理条件与用于塑料的那些显著不同。例如，一般来说，金属和陶瓷需要显著较高的处理温度。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非是等效的。然而，本文中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)、聚氨基甲酸酯、聚酯、聚乳酸、PET、聚酰亚胺、聚合物混合物、和聚苯乙烯。
控制器190和本文中描述的系统的其他计算装置部分可以在数字电子电路中实现，或者在计算机软件、固件、或硬件中实现。例如，控制器可包括用于执行如储存在计算机程序产品中(例如，在非暂态机器可读储存介质中)的计算机程序的处理器。此计算机程序(也被称为程序、软件、软件应用、或代码)可以包括编译语言或解释语言在内的任何形式的编程语言写入，并且计算机程序可以任何形式(包括作为单机程序或作为模块、部件、子程序或适用于计算环境的其它单元)来部署。
控制器190和所描述的系统的其他计算装置部分可以包括用于储存识别其中应当针对每个层来沉积供给材料的图案的数据对象(例如，计算机辅助设计(CAD)兼容文件)的非暂态计算机可读介质。例如，数据对象可以是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，控制器可以从远程计算机接收数据对象。控制器136中的处理器(例如，如由固件或软件所控制)可以解释从计算机接收的数据对象以产生控制设备100的部件来熔融针对每个层而规定的图案所必须的信号集。
一个或多个供给材料分配器可以输送一种或多种供给材料以沉积供给材料层，并且在一些实现方式中，供给材料可通过一个或多个供给材料分配器来选择性地沉积。在将供给材料分配到工作台上之后，延展机(例如，辊或叶片)可以在工作台上方延展供给材料。熔融供给材料层的期望部分可通过从一个或多个能量源供应能量来实现。能量源，例如，可以是一个或多个激光器和/或热灯的阵列。热灯阵列可以位于工作台之上或之下或增材制造设备的腔室中的其他地方。来自能量源的能量加热供给材料并且致使供给材料熔融在一起以形成固体件。增材制造系统也可包括一个或多个计量系统，计量系统测量增材制造工艺(在下文被称为“制造工艺”)的各种参数，例如，热均匀性、表面均匀性、和/或已沉积的供给材料的应力。
期望具有标准化的打印头模块，标准化的打印头模块包括各种打印部件，例如，供给材料分配器、热源和能量源。在在上下文中的“标准化”指示每个打印头模块是实质上相同的(可能存在软件异常，诸如在分配器之间变化的序列编号或固件版本)。标准化的打印头模块简化增材制造系统的构建和修理，例如，打印头可作为将能够在任何相容增材制造系统中操作的“即插即用”模块而操作。标准化的打印头构造也可实现增材制造系统的扩展以适应正在制造的物体的大小。打印头模块可以在制造工艺期间相对于工作台(例如，沿着x、y和z笛卡尔轴)而移动。工作台可以经构造为是不可移动的，即，工作台无法在x-y平面中或沿着x轴移动。
已描述了多个实现方式。虽然如此，但应理解，也可做出各种修改。例如，
·在上文描述为打印头的一部分的各种部件(诸如分配系统、延展机、感测系统、热源和/或能量源)可被安装在台架上，而非安装在打印头中，或者可被安装在支撑台架的框架上。
·替代支撑在竖直地移动的部件上的水平地移动的部件，垂直地移动的部件可以支撑在水平地移动的部件上。因此，例如，系统可包括固定到位的水平地延伸的轨道和经构造以在水平轨道上水平地移动的竖直地延伸的轨道。
·相比具有打印头模块，分配器和能量源可直接地安装在支撑件上，例如，在平台150上。
由此，其他实现方式在权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种增材制造系统，包括：
工作台，具有用于支撑正在制造的物体的顶表面；
支撑件，可沿着竖直轴线移动；
致动器，用于沿着所述竖直轴线移动所述支撑件；
分配器，用于在所述工作台上方输送多个连续供给材料层；
能量源，所述能量源经构造以熔融所述供给材料的至少一部分，其中所述分配器和能量源安装在所述工作台上方的所述支撑件上，使得所述支撑件沿着所述竖直轴线的运动使所述分配器和能量源一起朝向或远离所述工作台的所述顶表面移动；和
控制器，所述控制器耦接到所述致动器、分配器和能量源并且经构造以致使所述致动器在所述多个连续层中的每一者被输送后移动所述支撑件以升高所述分配器和致动器远离所述顶表面。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述工作台经构造为是竖直地固定的。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器经构造以致使所述致动器将所述支撑件移动近似等于层的熔融部分的厚度的距离。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述支撑件可沿着水平轴线移动，所述系统包括用于沿着所述水平轴线移动所述支撑件的第二致动器，所述控制器耦接到所述第二致动器，并且所述控制器经构造以致使所述第二致动器在所述供给材料层被输送时沿着所述水平轴线移动所述支撑件以跨所述工作台的所述顶表面扫描所述分配器。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述工作台经构造为是水平地固定的。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述支撑件包括在所述工作台上方水平地延伸的平台，并且所述平台支撑在所述工作台的相对侧上并且可沿着所述侧面上的水平轨道移动。
7.如权利要求4所述的系统，其中所述支撑件支撑在所述工作台的一个侧面上并且可沿着所述侧面上的一个或多个水平轨道移动。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述一个或多个水平轨道支撑在所述工作台的所述一个侧面上并且可沿着所述侧面上的一个或多个竖直轨道移动。
9.如权利要求7所述的系统，包括保持所述分配器和所述能量源的框架，并且所述支撑件包括实质上竖直的板，并且所述框架的竖直侧面板机械地固定到所述竖直板。
10.如权利要求4所述的系统，其中所述支撑件和所述致动器包括具有可移动机械臂的机器人。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述机器人包括6轴机器人。
12.一种增材制造系统，包括：
工作台，具有用于支撑正在制造的物体的顶表面；
支撑件，可沿着水平轴线移动，所述支撑件包括竖直板；
致动器，用于沿着所述水平轴线移动所述支撑件；
第一框架，具有第一竖直侧面板和在所述第一框架的侧面上与所述第一竖直侧面板相对的第二竖直侧面板，所述第一框架的所述第一竖直侧面板机械地固定到所述支撑件；
第二框架，具有机械地固定到所述第一框架的所述第二竖直侧面板的第一竖直侧面板，使得所述第一框架和所述第二框架保持在所述工作台上方的悬臂布置中；
第一分配器，所述第一分配器安装在所述第一框架上以在所述工作台上方输送多个连续的供给材料层；
第二分配器，所述第二分配器安装在所述第二框架上以在所述工作台上方输送多个连续的供给材料层，其中所述支撑件沿着所述水平轴线的运动沿着所述水平轴线跨所述工作台的所述顶表面一起扫描所述第一分配器和第二分配器；和
能量源，所述能量源经构造以熔融所述供给材料的至少一部分。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述竖直板、第一框架和所述第二框架沿着垂直于所述水平轴线的线按顺序地定位，使得所述第一分配器经构造以将所述多个连续的供给材料层输送到所述工作台的第一部分并且所述第二分配器经构造以将所述多个连续的供给材料层输送到所述工作台的平行于所述第一部分延伸的第二部分。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述能量源包括第一能量源和第二能量源，所述第一能量源安装在所述第一框架上以熔融所述工作台的所述第一部分上的供给材料，所述第二能量源安装在所述第二框架上以熔融所述工作台的所述第二部分上的供给材料。
15.一种增材制造系统，包括：
工作台，具有用于支撑正在制造的物体的顶表面；
支撑件；
致动器系统，所述致动器系统耦接到所述工作台和/或支撑件以产生在所述工作台与所述支撑件之间的相对运动；
分配器，用于在所述平台上方输送多个连续的供给材料层；
能量源，所述能量源经构造以熔融所述供给材料的至少一部分，其中所述分配器和所述能量源安装在所述工作台上方的所述支撑件上；
计量系统，所述计量系统经构造以测量在所述支撑件与所述连续供给材料层的顶表面之间的距离；和
控制器，所述控制器耦接到所述致动器、分配器和能量源，并且经构造以致使所述致动器系统在所述分配器输送供给材料层时产生所述工作台相对于所述支撑件的横向运动、接收来自所述计量系统的测量，并且致使所述致动器系统在所述横向运动期间调整所述工作台相对于所述支撑件的竖直位置，以便在所述横向运动期间维持所述支撑件与所述顶表面之间的固定距离，并且致使所述致动器系统产生在所述工作台与所述支撑件之间的竖直运动以在输送所述多个连续层中的每一者后增加所述分配器与所述顶表面之间的所述距离。
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