CN109070457A - 用于形成用于增材制造的颗粒层的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了用于形成颗粒层的方法和装置。成层方法包括在于载液与环境气体之间的气‑液界面处界定的注入区中注入颗粒，以及控制截液沿着气‑液界面将颗粒从注入区沿着颗粒流动路径向下游运送至层形成区的流动。所述方法还包括在层形成区中积聚颗粒以在气‑液界面上逐渐形成颗粒层，以及从层形成区收回颗粒层。通过成层方法和装置形成的颗粒层可用于通过增材制造来制造三维物体。

Description

用于形成用于增材制造的颗粒层的方法和装置

技术领域

一般技术领域涉及颗粒层的制备，特别地涉及用于形成适用于增材制造应用的颗粒薄层的方法和装置。

背景技术

已知用于制备、组装和/或形成小颗粒或分子的薄层，诸如，例如亚微米尺寸颗粒的超薄层或单层的各种技术。

Picard的WO 1998/053920 A1文件公开了用于制备颗粒或分子的单层的方法和装置。该文件公开了在其中组装此类颗粒，形成单层的旋转圆筒。该方法的基本原理基于三个不同过程的组合。第一过程是必须使用薄的液膜，其厚度必须在微米(μm)范围内。第二过程是控制薄液膜中颗粒的电荷，以引起颗粒在气-液界面处的吸附，而不会在气-液界面处或在薄液膜本身中引起它们之间的吸附。第三过程是，为了产生驱动颗粒边缘相靠以进行压实的力，移动在其上存在薄液膜的表面。这种运动将薄液膜向前推，并通过液体粘度产生最终将颗粒推向前方的表面力。

Schneider等的US2011/0135834A1文件和Picard等的美国专利7,591,905B2文件公开了用于形成单层和薄膜的方法。在这两篇文件中，所公开的方法依赖于重力作为推动颗粒形成单层的驱动力。由于缺少移动的液体控制，这些方法都不允许轴向控制单层质量，因此损害了由移动的流体施加到颗粒上的侧压控制。此外，倾斜平面的存在倾向于在移动流体的表面产生波纹或滚动波，这通过限制或降低所形成的超薄层或单层的产生速度以及质量和均匀性而影响该过程的整体效率。此外，在单点粒子注入的情况下，波纹倾向于在倾斜平面上向下移动时增加，进而影响单层质量并且还限制产生速度。

Teulet的EP 1 641 580 B1文件公开了用于通过激光烧结粉末(金属或陶瓷)的成层装置。该装置包括给料盘，其允许粉末储存并允许以受控量输送到带槽圆筒，该带槽圆筒一方面能够在所述圆筒第一次经过工作区期间将一定量的粉末转移并分配到沉积盘上，另一方面，能够通过在第二次经过期间使所述圆筒滚动运动来压实粉末。然后对粉末施以激光束。这种配置的一个不利方面是给料盘的尺寸和相当大的成本。另一个不利方面源于工作区的长度受限于圆筒的有用周长的事实。此外，亚微米尺寸的颗粒，或者通常的轻微颗粒倾向于挤在一起并产生不均匀的层。对于纳米尺寸的颗粒，该方法通常不能提供单层也不能控制颗粒堆积。

Teulet的WO 2011/007087 A2文件公开了用于通过激光熔化粉末的成层装置。该装置包括给料盘，其允许粉末储存并允许以受控量输送到刮板系统和圆筒，刮板系统向沉积盘进料，圆筒能够将一定量粉末分配和压实在沉积盘上。然后对粉末施以激光束。这种配置的一个不利方面是给料盘的尺寸和相当大的成本，以及通过要控制的大量工具(例如一个或多个刮板、一个或多个分配和/或压实圆筒、用于盘的夯锤(rams for the tray)等)而使机器产生固有的和必然的复杂性。此外，刮擦或推动颗粒要求它们尽可能地圆化，以确保在推动或滚动颗粒期间在工作区上的流动性。纤维(细长的)或血小板不能用于保证颗粒分布的平滑性、均匀性。非-圆形颗粒会产生堵塞和不均匀的沉积物，最终导致所制造的层的不均匀压力密度分布。

Chung等的US 2005/0263934 A1文件公开了用于通过激光烧结粉末的成层装置。该装置包括进料和定量给料装置，所述装置使粉末以受控方式输送到工作区附近。通过来自位于上方的粉末原料的重力进行进料。刮板允许调节粉末堆的厚度，随后所述粉末堆进行预热操作。然后旋转圆筒使得可将一定量的预热粉末转移或分配到工作区上。同样可在承载所述圆筒的托架的盖上从工作区的一侧到另一侧沉积一定量的粉末，并因此仅在圆筒返回期间施加所述量的粉末。该配置的一个不利方面是一部分(甚至非常小的一部分)粉末保留在盖子，随后在托架经过粉末床上方的过程中落入工作区的风险。该风险在工业用途的环境下是不可接受的，并且很可能发生在其中范德华力和静电力变得比重力显著更重要的非常精细的亚微米级颗粒中。如在WO 2011/007087 A2中那样，刮擦或推动颗粒需要它们尽可能地圆化以确保在推动或滚动颗粒期间在工作区上的流动性。此外，亚微米颗粒不能被机械推动来获得非常薄的层。

Pialot等的US 2014/0363585 A1文件公开了用于通过激光烧结粉末的成层装置和相关方法。该方法的特征在于，存储装置、进料装置和定量给料装置与分配装置是一体的，而分配装置在工作区上方行进。再次地，通过重力从位于上方的粉末原料进行进料，这意味着颗粒必须足够大并且足够致密以通过重力从成层装置向下运送至工作区。然而，对于直径在数纳米(nm)范围内的颗粒，重力作用通常很小，以至于颗粒倾向于保持悬浮在上面的空气中，而不是被输送至工作区。

Delisle等的US 2014/0170012 A1文件公开了一种增材制造装置，其包括将部分烧结的粉状材料层输送至增材制造站的材料供应系统。该文件还公开了使用部分烧结的粉状材料层形成物体的方法，所述粉状材料层被选择性地烧结以形成物体。粉状材料以辊压薄膜的形式出现，其在工作区上一个接一个地连续沉积为试样(coupons)。这种配置的一个不利方面是确保在工作区上加工和沉积过程中薄膜不会破裂的厚度层和烧结水平是有限的。此外，这种方法需要双重烧结，因此增加了成本和工艺要求。

在与US 2014/0170012 A1相同的技术领域中，要具有膜则需要基质材料。有一些已知技术试图减轻与粉末原料相关的困难。例如，烧结纸是商购可得的产品，其由具有嵌入的金属可烧结粉末的纸纤维组成。在激光烧结过程中，纸纤维被烧掉，只留下烧结的金属。然而，烧结纸可留下碳质残余物，并且受到整个纸纤维中粉状材料的不均匀分布影响。

常规技术中的另一个挑战是在工作区的整个表面区域(长度，宽度)上实现粉末层的均匀厚度和密度的困难性，有时是不可能性。此外，每层的压实控制都可具有挑战性，特别在对小粒度的情况下，其他力诸如静电和范德华力变得重要，从而促进堵塞和粉末粘结，进而影响层的均匀度、平整度和/或均一度。

常规技术中的另一个挑战是颗粒尺寸和密度必须足够大以通过重力和通过使颗粒的沉积层变平的机械装置来拉动。如果颗粒太小，例如尺寸为几纳米，则重力不再是作用于颗粒上的主要力，因此使得难以或甚至不可能实现具有质量、均一度和厚度控制的沉积。在某些情况下，超细粉末会在注入后通过空气分散污染装置甚至环境，从而使系统对操作者和装置具有潜在危险。而且，由于与空气中的氧气接触的高表面体积比，非常小的金属颗粒会变得易燃和/或爆炸，使得给料盘和整个系统变得危险。

因此，在开发用于形成薄颗粒层的技术方面存在各种挑战。

发明内容

本描述总体上涉及用于形成颗粒薄层(诸如，例如，适用于增材制造工艺和应用的亚微米尺寸颗粒的超薄层或单层)的技术。

根据一个方面，提供了用于形成颗粒层的方法。所述成层方法包括以下步骤：

在载液与环境气体之间的气-液界面处界定的注入区中注入颗粒；

控制载液沿着气-液界面将颗粒从注入区沿着颗粒流动路径向下游运送至层形成区的流动；

将颗粒在层形成区中积聚，以逐渐在气-液界面上形成颗粒层；以及

从层形成区中收回颗粒层。

在一些实施方式中，成层方法可涉及与Langmuir-Blodgett膜沉积技术中涉及的那些相似的物理-化学原理。

在一些实施方式中，注入步骤包括将颗粒作为粉末、分散体、溶液、混悬液、异质混合物或其混合物或组合注入至注入区或部位。

在一些实施方式中，所述成层方法还在注入步骤之前包括通过将颗粒悬浮或溶解在悬浮液或溶剂中来制备颗粒混悬液或溶液的步骤。在一些实施方式中，可在注入步骤之前形成颗粒混悬液或溶液。或者，在其它实施方式中，在较早时间形成颗粒混悬液或溶液，然后储存直至需要。在一些实施方式中，制备步骤包括控制颗粒混悬液或溶液中的颗粒浓度。在一些实施方式中，混悬液或溶剂的表面张力低于载液的表面张力。

在一些实施方式中，注入步骤包括控制注入区中颗粒的注入速率的步骤。

在一些实施方式中，注入步骤包括在注入区中的单个注入点处注入颗粒。在其它实施方式中，注入步骤包括在注入区中的多个间隔开的注入点处注入颗粒。在另外的实施方式中，注入步骤包括沿着注入区中的注入线注入颗粒。在一些实施方式中，注入线基本垂直于颗粒流动路径。

在一些实施方式中，控制步骤包括在基本上没有重力流动的情况下控制载液的流动。在此类实施方式中，气-液界面通常沿着垂直于重力的水平面延伸。

在一些实施方式中，控制步骤包括控制载液的上部分从气-液界面向下延伸至气-液界面下方的操作深度的流动。更具体地，在一些实施方式中，载液的上部分的流动是由位于气-液界面下方的距离d处并且以平行于气-液界面的速度v移动的基板的位移引起的。在此类配置中，由于载液的固有粘度μ，移动基板的位移产生沿着气-液界面作用在颗粒上的侧向力F。在一些实施方式中，作用于具有表面A的颗粒层的力F可表示如下：F/A＝μν/d，其中F/A表示作用在颗粒上的压力P。例如，在其中载液的特征在于相对低的粘度(例如，小于10厘泊)的非限制性实施方案中，在气-液界面下的移动基板的深度d可以是毫米量级或更小，以便产生大到足以将颗粒高效地输送至层形成区的力F。

在一些实施方式中，控制载液上部的流动包括在操作深度处并且以沿着颗粒流动路径的操作速度操作至少一个流动控制装置的步骤。在一些实施方式中，操作至少一个流量控制装置的步骤包括基于载液的粘度选择操作深度和操作速度中的至少一个。

在一些实施方式中，操作所述至少一个流量控制装置的步骤包括操作多个流量控制装置。在一些实施方式中，操作多个流量控制装置的步骤包括独立地操作每一个流量控制装置。在一些实施方式中，操作多个流量控制装置的步骤包括以不同的操作速度操作至少两个流量控制装置。

在一些实施方式中，控制步骤包括限制气-液界面处的喷射现象的步骤。在一些实施方式中，限制或包含在气-液界面处的喷射现象的步骤包括根据在注入区中注入的颗粒的波膨胀率(wave expansion rate)来调节载液沿着气-液界面的流动。。

在一些实施方式中，积聚步骤包括限制载体液体在层形成区中的流动的步骤。例如，在一些实施方式中，在层形成区中积聚颗粒的步骤包括在层形成区中产生受控的颗粒交通堵塞或限制效应。

在一些实施方式中，收回步骤包括逐渐地并且与积聚步骤同时地取出颗粒层的步骤。或者，在其它实施方式中，收回步骤包括仅在颗粒层或其一部分完全形成时从层形成区取出颗粒层的步骤。在这些其它实施方式中的一些实施方式中，该方法可包括，一旦颗粒层完全形成并且在取出步骤期间，就停止注入步骤并将颗粒层向下游推向其上游边缘的步骤。

在一些实施方式中，收回步骤包括控制颗粒层从层形成区的收回速度的步骤。

在一些实施方式中，收回步骤包括控制颗粒层中的侧向压力的步骤。在一些实施方案中，可控制收回的颗粒层的侧向压力以控制层密度并防止或帮助防止在载液表面形成波纹、滚动波和其它不稳定性。在一些实施方式中，控制颗粒层中的侧向压力的步骤包括调节载液沿着气-液界面的流动与颗粒层从层形成区的收回速率之间的比率。

在一些实施方式中，成层方法可包括进行层形成过程的特定监测的步骤。在某些情况下，该步骤可涉及监测一种“交通阻塞”效应，其可阻碍或限制颗粒的流动或运动，导致它们在层形成区中积聚，并导致颗粒层的形成。在这种情况下，层形成过程的监测可包括监测注入区，其中在气-液界面处注入颗粒(例如，以粉末、混悬液或溶液的形式)。例如，在一些实施方式中，积聚步骤包括当颗粒积聚在层形成区中时监测沿着颗粒流动路径的气-液界面的特征。

在一些实施方式中，成层方法还包括手动或自动控制环境气体的组成、压力和供应速率中的至少一者的步骤。在一些实施方式中，考虑到在成层和/或制造过程中防止或至少减少氧化和与颗粒之间的其它不想要的化学反应，控制环境气体的组成可涉及注入惰性气体(例如，氮气)以降低环境气体的氧含量。例如，可将环境气体的组成从正常大气控制到仅惰性气体。在一些实施方式中，环境气体的组成也可以以或者可代之以在成层和/或制造过程中引起或促进与颗粒的特定化学反应的方式进行控制。此类情况可涉及在环境气体中注入特定的气体种类以引起或促进特定的化学反应。在一些实施方式中，成层方法可在气密密封环境中进行，以防止或帮助防止颗粒与环境气体中存在的氧之间的任何不受控制的、强烈的、有害的或不期望的反应。在一些实施方式中，成层方法可以在大气压下进行，而在其它实施方式中，成层方法可在高于或低于大气压的压力下(例如在部分真空中)进行。

在一些实施方式中，成层方法还包括控制颗粒在气-液界面处的平衡表面亲和力以将颗粒保持在气-液界面处的步骤。在一些实施方式中，控制平衡表面亲和力的步骤包括调节颗粒和载液中的至少一者的疏水性或亲水性的步骤。

在一些实施方式中，载液包括水、水溶液、液态金属或其混合物。

在一些实施方式中，颗粒由金属、合金、半导体、陶瓷、电介质、有机材料、聚合物或其混合物组成。

在一些实施方式中，颗粒的直径在约1纳米与约10纳米之间，或直径在约10纳米与约100纳米之间，或直径在约0.1微米与约1微米之间，或直径在约1微米与约10微米之间，或直径在约10微米与约100微米之间，或直径在约0.1毫米与约1毫米之间，或直径在约1微米与约100微米之间。在一些实施方式中，颗粒的直径在约1纳米与1毫米之间。

在一些实施方式中，在注入的颗粒、载液与环境气体之间建立的界面张力使得注入的颗粒沿着气-液界面快速扩散。在此类实施方式中，随着颗粒的扩散发生，沿着气-液界面施加到载液的流动用于驱动颗粒朝向层制造区。

根据另一方面，提供了一种用于形成颗粒层的装置。成层装置包括：

容器，其用于接收载液，使得当载液存在于容器中时，载液界定与环境气体的气-液界面；

注入组件，其被配置来将颗粒注入到在气-液界面处界定的注入区；

流量控制组件，其被设置在容器中，使得当载体液体存在于容器中时，流量控制组件至少部分地浸没在载液中，并且被配置来控制载液沿着气-液界面将颗粒从注入区沿着颗粒流动路径向下游运送至层形成区的流动，所述颗粒在所述层形成区中积聚并在气-液界面上逐渐形成颗粒层；和

转移组件，其被配置来从层形成区收回形成的颗粒层。

在一些实施方式中，注入组件被配置来控制注入区中的颗粒注入速率。在一些实施方式中，注入组件被配置来将颗粒以粉末、分散体、溶液、混悬液、异质混合物或其组合的形式注入到注入区中。

在一些实施方式中，注入组件包括单个注入器。在一些实施方式中，单个注入器被配置来在注入区中的单个注入点处注入颗粒。在其它实施方式中，单个注入器被配置来沿着注入区中的注入线注入颗粒。在另外的实施方式中，注入线基本垂直于颗粒流动路径。或者，注入组件包括多个注入器。在一些实施方式中，多个注入器包括间隔开的注入器的线性阵列。在一些实施方式中，注入组件包括雾化器。

在一些实施方式中，成层装置可包括剂量或速率控制器，其被配置来控制溶液/混悬液中的颗粒浓度(例如，在即将注入之前制备颗粒溶液/混悬液的情况下)和/或溶液/混悬液在注入区中的输送速率。剂量控制器的提供可以使颗粒密度在一层内和/或在连续层之间变化。

在一些实施方式中，所述成层装置还包括颗粒存储单元，所述颗粒存储单元连接至所述注入组件，用于储存所述颗粒并将所述颗粒提供给所述注入组件，然后将其注入到注入区中。例如，颗粒储存单元可将颗粒以粉末、混悬液或溶液形式储存。在一些实施方式中，成层装置可包括载液储存单元，其用于储存待输送到容器中的载液，颗粒将沉积在所述载液上。

在一些实施方式中，流量控制组件被配置来在基本上没有重力流动的情况下控制载液沿着气-液界面的流动。

在一些实施方式中，流量控制组件可操作以控制形成的颗粒层的形成速度、侧向压力、均匀度和密度或孔隙度中的至少一者。应当理解，在增材制造中具有空间上均一的密度或侧向压力的均质层通常是期望的或甚至是必需的。取决于应用或用途，形成的颗粒层可具有紧密堆积的密度或表现出一定的孔隙率。在一些实施方式中，通过控制注入部位下游的流体位移，流量控制组件还可以或可替代地可操作以调节、减少、减轻和/或控制喷射现象，当在气-液界面上的单个点处注入颗粒混悬液或溶液时可出现所述喷射现象。在一些实施方式中，流量控制组件可操作以提供或实现颗粒在层形成区中的受控积聚。

在一些实施方式中，流量控制组件被配置来控制载液的上部分从气-液界面向下延伸至气-液界面下方的操作深度的流动。在此类实施方式中，流量控制组件被配置来引起载液的位移，该位移导致气-液界面的运动，所述气-液界面的运动将注入的颗粒夹带到层形成区。在一些实施方式中，对气-液界面下方的此类载液顶部部分的流动的这种控制可通过将颗粒导向层形成区和通过促进颗粒受控组装成层，来消除或帮助消除气-液界面处的颗粒上的不受控制的侧压的现象。

在一些实施方式中，流量控制组件包括至少一个流量控制装置，每个流量控制装置位于操作深度并且以平行于气-液界面的操作速度操作。

在一些实施方式中，所述至少一个流量控制装置中的每一个的操作深度小于1厘米。

在一些实施方式中，流量控制组件可包括至少一个移动基板，其至少部分地浸没在载液中并控制载液沿着气-液界面的位移。例如，在一些实施方式中，至少一个流量控制装置包括至少一个带式输送器。每个带式输送器可包括一组辊，其中至少一个是动力辊(powered roller)，以及安装用于围绕辊运动的环形输送带。根据应用，流量控制组件可包括单个带式输送器或多个带式输送器。在后一种情况下，带式输送器可能都具有或可能并不都具有相同的操作深度、操作速度、尺寸和/或取向。每个带式输送器可以在注入区和/或层形成区下方的载液中延伸。在一些实施方式中，浸没在载液中的多个独立受控的带式输送器的提供可以增强所形成的层的均一度，特别是在其边缘处。例如，不均一的层可由在气-液界面处颗粒的不均匀单点注入造成。特别地，多个独立受控的带式输送器的提供可允许对由于喷射现象引起的冲击或膨胀波进行特定和增强的控制。在一些实施方式中，一个或多个移动带式输送器可操作以控制形成层的速率或速度、层内的侧向压力、层的厚度、层的密度和颗粒在层形成区中的积聚中的至少一者。

在一些实施方式中，至少一个流量控制装置由单个流量控制装置组成。或者，在其它实施方式中，至少一个流量控制装置可由多个流量控制装置组成。在一些实施方式中，多个流量控制装置以平行于颗粒流动路径的并排关系延伸。

在一些实施方式中，流量控制装置的运行速度并非全部相等。在一些实施方式中，独立于流量控制装置中的其余流量控制装置操作流量控制装置中的每个流量控制装置。

在一些实施方式中，流量控制组件包括浸没在载液中的固定基板和至少部分地浸没在注入区上游的载液中的泵。

在一些实施方案中，转移组件包括屏障，颗粒在该屏障上积聚并逐渐在气-液界面上形成颗粒层。在一些实施方式中，转移组件位于容器的下游端。

在一些实施方式中，转移组件包括具有外围表面的旋转圆筒，旋转圆筒位于层形成区的下游端并且配置来沿着其外围表面将颗粒层输送出层形成区。例如，在一些实施方式中，在旋转圆筒上输送的颗粒层可被转移到增材制造系统的工作区。在一些实施方式中，旋转圆筒可以以恒定的角速度旋转，以便在其转移期间在颗粒层内保持恒定的侧向压力。

在一些实施方式中，转移组件包括包含输送带的带式输送器，所述带式输送器位于层形成区的下游端并且被配置来沿着输送带将颗粒层输送出层形成区，以用于进一步加工或储存。例如，在一些实施方式中，在带式输送器上输送的颗粒层可被转移到增材制造系统的工作区。在一些实施方式中，带式输送器可以以恒定速度驱动，以便在颗粒转移期间在颗粒层内保持恒定的侧向压力。

在一些实施方式中，转移组件可形成毛细管桥以例如在增材制造区的工作区中将形成的层轻柔且平滑地沉积在先前收回、转移和沉积的层的顶部上。

在一些实施方式中，转移组件被配置来逐渐地并且随着颗粒在层形成区中积聚以及在气-液界面上逐渐形成颗粒层的同时收回颗粒层。或者，在其它实施方式中，转移组件可被配置来仅在颗粒层或其部分完全形成时从层形成区收回颗粒层。

在一些实施方式中，成层装置还包括环境气体控制单元，其被配置来控制环境气体的组成、压力和供应速率中的至少一者。

在一些实施方式中，所述成层装置还包括屏障，所述屏障被设置在至少部分地位于所述注入区的上游的位置处，并且被配置来促进所述颗粒沿着所述颗粒流动路径向下游流动。在一些实施方式中，屏障是面向下游的凹面。在一些实施方式中，屏障是可移动的并且被配置来沿着颗粒流动路径向下游移动以将颗粒层推向并转移到转移组件上以便收回颗粒层。

在一些实施方案中，成层装置可包括控制或处理单元。控制单元可以用硬件和/或软件实现，并且可操作以至少部分地控制和执行操作成层装置的不同部件(诸如注入组件、流量控制组件和/或转移组件)所需的功能。例如，控制单元可操作以控制由注入组件输送的溶液/混悬液的量和/或由流量控制组件施加的流动和侧向压力，并且进而控制所得颗粒层的密度和厚度。

根据另一方面，提供了用于制造三维(3D)物体的增材制造方法。所述增材制造方法包括以下步骤：

使用本文公开的方法形成颗粒层；

将从层形成区收回的颗粒层转移到工作区；以选择的方式将转移层的预定部分连接在一起，以在工作区中形成积聚地形成3D物体的多个离散横截面区域中的一个；以及

多次重复形成、转移和连接步骤以将多个离散的横截面区域一个堆叠在另一个的顶部上，从而逐层地构建3D物体。

在一些实施方式中，连接步骤可包括将转移层的预定部分烧结、熔化、熔融、聚合、胶粘、接触、合并、连接、粘合、键合或粘附在一起中的至少一者。

在一些实施方式中，增材制造方法可包括以下步骤：将制造的3D物体转移到清洁区；清洁制造的3D物体(例如，在超声波浴中)以从中移除未使用的颗粒(例如，未烧结或未熔融的颗粒)；以及回收从制造的3D物体移除的未使用的颗粒，例如以用于增材制造方法的随后应用。

在一些实施方式中，将颗粒层转移到工作区的步骤可包括使层从层形成区转移到工作区的速度与使工作区平移的速度同步。在这种情况下，使层形成区与工作区之间的相对速度基本上与将层转移到工作区的速度一致。该同步可确保或帮助确保每一层以连续方式转移到工作区。

在一些实施方式中，形成颗粒层的步骤可允许获得其密度和/或孔隙率适合于特定增材制造工艺的特定特征和/或要求的颗粒层。例如，形成颗粒层的步骤可以允许控制积聚形成3D物体的离散横截面区域中的颗粒分离和密度。

在一些实施方式中，增材制造方法可使用由纳米级颗粒形成的颗粒层，并且其特征在于：由于熔点降低现象而使连接或合并颗粒所需的能量减少，根据所述熔点降低现象，颗粒的熔点随颗粒尺寸减小而降低。

根据另一方面，提供了增材制造系统，其包括如本文所公开的成层装置。

在一些实施方式中，增材制造系统可作用于由成层装置形成的颗粒层，以允许3D打印或制造物体。增材制造系统可使用能量束(例如，电磁辐射，诸如激光束)、粒子束(例如，电子束)或粘附促进剂(例如，聚合物)来实现连接(例如，合并、烧结、熔化、熔融、聚合、胶粘或粘合)分状颗粒。增材制造工艺的非限制性实例包括选择性激光熔化、直接激光金属烧结、立体光刻、数字光投影、熔融沉积成型、电子束投影光刻和电子束熔化。在一些实施方式中，在增材制造系统中使用的层状颗粒是纳米颗粒。

在一些实施方式中，可将最终的3D物体工作区移至清洁组件。在一些实施方式中，清洁组件可包括超声波浴、回收箱或容器、颗粒毂(hub of particle)和气室。超声波浴可用于从制造支撑板移除未使用的颗粒(例如，未烧结或未熔融的颗粒)，而回收箱可用于收集和储存移除的未使用的颗粒以用于随后的再利用。颗粒毂可通过离心装置浓缩颗粒并用减少量的清洁液从超声浴中提取它们来实现。气室可控制清洁组件的环境气氛，例如，从正常大气到无氧气或具有低水平氧气的大气。在一些实施方式中，可将最终3D物体通过受控气氛返回到制造室。在一些实施方式中，清洁组件可以是增材制造系统的单独部件。

根据另一方面，提供了通过如本文所公开的成层方法和/或成层装置形成的颗粒层用于增材制造的用途，例如用于通过增材制造来制造三维(3D)物体。

根据另一方面，提供了如本文所公开的成层装置在增材制造系统中的用途。

注意，可在上述步骤之前、期间或之后进行其它方法和处理步骤。一个或多个步骤的顺序也可以不同，并且可以省略、重复和/或组合一些步骤。

通过阅读以下仅通过示例的方式，参考附图给出的其特定实施方案的非限制性描述，本描述的其他特征和有利方面将变得更加明显。

附图简述

图1是常规增材制造系统的示意图。

图2是根据可能的实施方案的用于形成颗粒层的方法的流程图。

图3是增材制造系统的示意性功能框图，所述增材制造系统包括成层装置的可能实施方案。

图4是根据可能的实施方案的成层装置的示意性侧视图。

图5A至5D是用于成层装置的不同的可能实施方案的注入组件类型的非限制性实例的示意图。

图6是由于流量控制组件的运动部件而产生的作用于气-液界面的表面A的侧向或水平力F的示意图，所述运动部件位于气-液界面下方的操作深度d处并且以平行于气-液界面的操作速度v移动。

图7是成层装置的可能实施方案的流量控制组件的示意性顶视图，所述流量控制组件包括多个独立受控的带式输送器。

图8是根据可能的实施方案的成层装置的流量控制组件的另一实例的示意图。

图9A至9C是用于成层装置的上游屏障的三个实例的示意图。

图10是根据可能的实施方案的成层装置的示意性透视图，所述成层装置包括具有多个孔的过滤器。

图11是根据可能的实施方案的成层装置的示意性侧视图。

图12是根据可能的实施方案的成层装置的示意性侧视图。

图13是根据可能的实施方案的利用毛细管桥进行的已形成的多层堆叠的第N+1层在第N层顶部的沉积的示意性侧视图。

图14A至14E举例说明根据可能的实施方案的用于形成颗粒层的方法的步骤

具体实施方式

在以下描述中，附图中的相似特征已经被赋予相似的参考标记，并且，为了不过度地妨碍附图，如果在一些元件已在前面的附图中进行了标识，则在一些附图可以不标示所述元件。在本文中还应该理解，附图的元件不一定按比例描绘，因为重点在于清楚地说明本实施方案的元件和结构。特别地，应注意，为了清楚起见，在一些附图中描绘的颗粒和颗粒层的尺寸已被高度放大。

本描述总体上涉及用于形成颗粒层(例如亚微米尺寸的颗粒的超薄层或单层)的技术。

在一些方面，提供了用于形成颗粒层的方法和装置。为方便起见，在某些情况下，可将本方法和装置分别称为“成层方法”和“成层装置”。在一些实施方式中，成层方法可涉及物理化学原理，如涉及Langmuir-Blodgett膜沉积技术的物理化学原理。下面描述成层方法和装置的各种实施方式。

本技术可用于需要以更快速率产生的均一、均质、机械和化学稳定的薄颗粒层或可从所述薄颗粒层获益的各种应用。例如，可将本文公开的各种技术应用于基于颗粒的增材制造工艺或于所述增材制造工艺中实施，所述增材制造工艺使用颗粒材料层的连续沉积来构建3D物体、结构或部件。在这方面，本描述的其他方面包括用于制造3D物体的增材制造方法；包括本文公开的成层装置的增材制造系统；通过本文公开的成层方法和/或成层装置形成的颗粒层用于增材制造的用途；以及本文公开的成层装置在增材制造系统中的用途。

参考图1，其中举例说明了用于制造三维(3D)物体40的常规增材制造系统1的实例的示意图。所述增材制造系统1包括例如通过激光源10实现的能量源。激光源10可操作以发射激光束3。激光束3相对于工作区4的取向可通过由相应的检流计20控制的反射镜9来调节。可提供光学透镜30以将激光束3聚焦在工作区4中以按照精确的图案加热颗粒2(例如粉末)的上层11来引起颗粒2的选择性熔化。在通过激光束3处理颗粒层11之后，将工作盘60降低单位厚度并用新的颗粒层覆盖，以该方式继续，以便以逐层的方式形成物体40。取决于所使用的能量束和粒子的类型，单个粒子层11的厚度可从几微米(例如，1μm)变化至数百微米(例如，500μm)。一旦3D物体40的制造已经完成，即，一旦其构建所必需的数百或数千层已被连续固化，就可从工作区4取出物体40。

可从本技术获益的增材制造工艺的非限制性实例可包括通过使用能量束(例如，电磁辐射，诸如激光束)、粒子束(例如，电子束)和/或粘附促进剂(例如，聚合物)作用于工作区中的层来连接层状颗粒的增材制造，其中3D物体是从堆叠为多层结构的颗粒层逐层构建的。在本描述中，术语“连接”旨在包括但不限于烧结、熔化、熔融、聚合、胶粘、接触、合并、连接、粘合、粘附、整体键合和可籍以将颗粒层的颗粒可逆或不可逆地聚集在一起以形成3D物体的一个横截面区域或层的任何其它工艺或工艺组合。在此类实施方式中，本技术可提供用于成层，即，用于制备将通过能量束、粒子束或粘合促进剂逐层连接以产生3D物体的颗粒床的系统和方法。然而，本文公开的成层技术不限于增材制造应用，而且可用于其它应用。此类其它应用的非限制性实例包括在光子器件(例如，光子晶体)、生物传感器、生物电容器(biocaptor)中的实现，以及需要增强的表面性质或可从所述增强的表面性质获益的其它应用(例如，在粘附、排斥和/或摩擦控制方面)。

在本描述中，术语“颗粒”或“颗粒物质”泛指悬浮、分散、混合、包含于主体介质中或以其它方式在所述主体介质中提供的任何离散的、单独的物质、结构或相，或其任何集合。例如，颗粒可以是分子、胶体、纳米团簇或微团簇、纤维、粉末、聚合物、聚集体和颗粒的聚集体，或其组合。应当理解，原则上，术语“颗粒”并不意味着在尺寸、形状、相或组成方面受到限制。例如，在一些实施方案中，颗粒可以是悬浮在液体介质中的固体颗粒，而在其它实施方案中，颗粒可以是在未使用主体液体(例如，作为粉末)的情况下在气-液界面处直接注入的固体颗粒。颗粒可以是有机的、无机的或其的一些组合。颗粒可由各种材料组成，包括但不限于金属、合金、半导体、陶瓷、介电材料、有机材料、聚合物、蛋白质和其它生物结构、氧化物、石墨烯、碳纳米管、分子等。在一些实施方式中，层可以由材料的组合形成，并且不同的层可具有不同的组成。颗粒可以是球形的，然而非球形颗粒(例如，椭圆形或细长颗粒)也是可能的。

取决于应用或用途，颗粒可具有范围从毫米级向下至纳米级的平均粒度，覆盖六个数量级的尺寸。在一些实施方案中，颗粒是纳米颗粒或微粒，或其组合。在本描述中，术语“纳米颗粒”是指具有可以在纳米级上测量的平均粒度的颗粒。例如，在非限制性实施方案中，合成的纳米颗粒的直径可小于约100nm，或直径在约1nm与约100nm之间，或直径在约1nm与约10nm之间，或直径在约10nm与约100nm之间。如本文中所用，术语“微粒”是指具有可以在微尺度上测量的平均粒度的粒子。例如，在非限制性实施方案中，合成微粒的直径可在约0.1μm与约100μm之间，或直径在约0.1μm与约1μm之间，或直径在约1μm与约100μm之间，直径在约1μm与约10μm之间，或直径在约10μm与约100μm之间。在这方面，本领域技术人员将认识到，就尺寸范围而言，术语“纳米颗粒”和“微粒”的定义以及这两个术语之间的分界线可以根据所考虑的技术领域而变化，并不意味着限制。

在本描述中，术语“层”及其派生词旨在广泛地指代以连续或不连续的方式设置在底层表面(underlying surface)上的基本上平面的颗粒排列。颗粒的排列可以是密堆积的或非密堆积的，并且可以是均一的或不均一的。术语“层”意味着包括单层颗粒(即，单颗粒厚的单层)、多层颗粒(即，几个颗粒厚的层)，以及混合颗粒、纤维和/或分子的集合体。术语“薄层”可以指厚度范围为约1000μm至约1μm的层，而术语“超薄层”可以指厚度小于约1μm的层。还应注意，术语“层”旨在包括设置在表面上的离散颗粒的装配体和设置在表面(例如，膜)上的混合和/或相互作用的颗粒的装配体。特别地，术语“层”旨在包括但不限于术语“膜”。

参考图2，其中提供了用于形成颗粒层的方法200的实施方案的流程图。例如，可在成层装置100(诸如图4所示的成层装置)中或在另一个成层装置100中实现图2的方法200。

参考图3，其中举例说明了增材制造系统1的示意性功能框图。增材制造系统1包括用于形成颗粒2的层102的成层装置100的示例性实施方案。除了成层装置100以外，图3的增材制造系统1还包括工作区4、清洁组件8和能量束源10。能量束源10被配置来将能量束3(例如，光束诸如激光束，粒子束诸如电子束)发射到工作区4上。取决于应用，能量束源10和控制能量束3的方式可以与或可以不与图1中所示的那些方式相似。

参考图4，其中显示了用于形成颗粒2的层102的成层装置100的非限制性示例性实施方案。一般而言，成层装置100可包括容器104、注入组件106、流量控制组件108和转移组件110。关于成层装置100的这些和其它可能组件的结构、配置和操作的更多信息将在下面结合图2所示的成层方法200的流程图来更详细地描述。

在图4中，容器104被配置来接收载液112(或载体流体)，使得当载液112存在于容器104中时，载液112界定与周围或环境气体116的气-液界面114(或气体-流体界面)。容器104可由可接收和容纳载液112的任何种类的容器或储器来实现。在一种实施方式中，容器104可具有约40cm x 25cm的表面积和约5cm的深度，尽管其它实施方式可以使用不同的尺寸。应注意，载液112可由其表面张力高至足以将注入的颗粒2保持在气-液界面114处的任何液体或流体组成。例如但不限于，载液112可包括水、水溶液、液态金属(例如，汞)或其混合物。

取决于具体应用或用途，环境气体116可具有不同的组成。例如，在一些实施方式中，环境气体116可以是正常空气，而在其它实施方式中，环境气体116可具有比正常空气更低的氧含量，以在成层过程中防止或至少减少氧化和其它不想要的与颗粒的化学反应。在一些实施方式中，成层装置100可包括环境气体控制单元154，其可操作以控制环境气体116的组成、压力和供应或流速(如果有的话)中的至少一者。

仍然参考图4，在一些实施方式中，气-液界面114界定了沿着水平面延伸的大致平坦的表面。气-液界面114对应于载液112与环境气体116之间的边界。在本描述中，术语“水平”是指基本上垂直于重力的方向延伸的平面或方向。应注意，术语“水平”意指涵盖真正水平的和基本上或近似水平的。因此，在一些实施方式中，流量控制组件108被配置来在基本上在没有重力流动的情况下控制载液112沿着气-液界面114的流动，其中术语“重力流动”是指主要或完全由重力引起的物质向下流动。在一些实施方式中，平坦的水平气-液界面114(界面液体沿着所述水平气-液界面而不是顺着重力流动)的提供可以防止或帮助防止在载液112的表面处形成波纹、滚动波和其它不稳定性，所述波纹、滚动波和其它不稳定性可不利地影响所形成的层102的均一性、质量和/或生产率。

参照图2，成层方法200包括将颗粒注入在载液与环境气体之间的气-液界面处界定的注入区中的步骤202。在本描述中，术语“在气-液界面处”意指包括在气-液界面上或略低于气-液界面。取决于应用，可使用各种注入配置。注入配置的非限制性实例包括在单个注入点、多个间隔开的注入点处或沿着注入线注入颗粒，所述注入线可以垂直于颗粒流动路径或可以不垂直于其。在一些实施方式中，注入步骤202可包括控制颗粒在注入区中的注入速率。在一些实施方式中，方法200可在注入步骤202之前包括通过将颗粒悬浮或溶解在悬浮液或溶剂中来制备颗粒混悬液或溶液的步骤，这可包括控制颗粒混悬液或溶液中的颗粒浓度的步骤。

在图4的实施方案中，注入组件106被配置来优选地以平滑轻柔的方式将颗粒2注入到在气-液界面114处界定的注入区118中。可将颗粒2以粉末、分散体、溶液、混悬液、异质混合物或其组合或混合物沉积在注入区118中。在混悬液或溶液的情况下，将颗粒2悬浮或溶解于其中的悬浮液或溶剂可以是有机液体诸如，例如丁醇、甲醇、异丙醇、丙酮等，或无机液体诸如，例如水、熔盐、硫酸等。在一些实施方式中，选择悬浮液或溶剂以便在注入后相对快速地蒸发和/或不在载液112中大量保留。在一些实施方式中，悬浮液或溶剂具有低于载液112的表面张力的表面张力。

现在参考图5A至5D，取决于特定应用或用途，注入组件106可具有不同的配置。在图5A中，注入组件106包括单个注入器156，其被配置来在注入区118中的单个注入点158处注入颗粒2。在图5B中，注入组件106包括单个注入器156，其被配置来沿着注入区118中的基本上连续的注入线160注入颗粒2。注入线160可以垂直于颗粒流动路径162(即，通过流量控制组件施加给或赋予载液112的流动)或可以不垂直于其。更具体地，对于图5B中所示的单个注入器156，颗粒2的注入通过沿着具有圆柱形主体部分的歧管的周边纵向界定的孔或过滤器进行。在图5C中，注入组件106包括被配置来在注入区118中的多个间隔开的注入点158处注入颗粒2的多个注入器156，所述多个注入器156排列为间隔开的注入器156的线性阵列。在图5B中，可在歧管中提供阵列注入器156，所述歧管具有与通过流量控制组件施加给或赋予载液112的颗粒流动路径162垂直对准的圆柱形主体部分。参考图5D，在其它实施方式中，注入组件106可包括雾化器164，例如超声雾化器。还应注意，在一些实施方式中，可将颗粒以粉末形式注入气-液界面，其中可使用常规粉末沉积方法。在一些实施方式中，在气-液界面处注入或沉积颗粒，而不是注入载液内部并随后从载液朝向气-液界面吸附。

返回到图4，在一些实施方式中，成层装置100可包括颗粒储存单元120，其连接至注入组件106并被配置来储存颗粒2并将颗粒2供应给注入组件106。储存单元120可在将颗粒2注入到注入区118中之前例如以粉末、混悬液或溶液的形式储存其。可将颗粒储存单元120直接或间接地连接至注入组件106，以使得能够将颗粒2从颗粒储存单元120提供给注入组件106。取决于具体的应用或用途，可以在即将进行注入步骤时或在较早的时间形成颗粒混悬液、溶液或粉末，然后将其储存在颗粒储存单元120中直到需要。

仍然参考图4，在一些实施方式中，注入组件106可包括剂量或注入速率控制器166，其被配置来控制溶液/混悬液中颗粒2的浓度和/或溶液/混悬液在注入区118中的输送速率。在一些情况下，剂量或注入速率控制器116可以根据层从层制造区到工作区的工作区沉积来控制层转移线速度，和/或控制各个层内和/或连续形成的层之间的密度。在一些实施方式中，成层装置100可包括载液储存单元(未显示)，用于储存待输送到容器104中的载液112。

注入后，颗粒通常倾向于从注入区扩散开，以占据气-液界面的可用表面积。该天然颗粒扩散至少部分地由在注入的颗粒、主体液体(如果有的话)、载液与环境气体之间的气-液界面处建立的界面张力引起。在该方法的一些实施方式中，通过控制颗粒在气-液界面的每一侧上的平衡表面亲和力，使颗粒在它们从注入区扩散开时保持在气-液界面处。在一些实施方式中，控制颗粒与载液的平衡表面亲和力以确保颗粒保留在气-液界面上可涉及调节颗粒、载液和(如果有的话)主体液体(例如，颗粒悬浮或溶解于其中的悬浮液或溶剂)中的至少一者的疏水性或亲水性的步骤。例如，在其中载液为水溶液的情况下，确保注入的颗粒保持在气-液界面可涉及增强颗粒和/或主体液体(如果有的话)的疏水性。还可能将疏水分子附着至颗粒上以增加它们的疏水特性。当然，应理解，可采用各种技术来确保或帮助确保注入的颗粒保留在载液的表面。

应注意的是，当将颗粒以混悬液或溶液的形式注入时，混悬液或溶剂可蒸发和/或渗透到载液中，从而使沉积的颗粒留在气-液界面处。然而，在一些实施方案中，还可能选择或制造不会完全蒸发并且将在所形成的层上或层中留下所需残余材料的混悬液或溶剂。在其中将连续层在工作区(例如，增材制造系统(诸如图1的增材制造系统)的工作区)中非破坏性地一个在另一个上面沉积的情况下，此类残余材料可用于避免或减少在成层过程期间积累的机械应力。

返回图2，方法200还包括步骤204，该步骤控制载液沿着气-液界面将颗粒从注入区沿着颗粒流动路径向下游运送至层形成区的流动。

在图4中，流量控制组件108被设置在容器104中，使得当载液112存在于容器104中时，流量控制组件108至少部分地浸没在载液112中，并且被配置来控制载液112沿着气-液界面114的流动。由流量控制组件108产生的载液112的流动用于将颗粒2从注入区118沿着颗粒流动路径162向下游运送至层形成区122，其中颗粒2在气-液界面114上积聚并逐渐形成颗粒层102。随着颗粒2的扩散发生，施加到截液112的沿着气-液体界面114的流动用于驱动或夹带颗粒2朝向层形成区122。

在本描述中，术语“流量控制组件”应广义地解释为指代任何合适的装置或装置的组合，所述装置或其组合至少部分地浸没在容器中接收的载体液体中并被配置来或可操作以建立和维持(例如，机械地、液压地、电气地或以其它方式)位于气-液界面下方的载液的至少上部分的下游流动。换句话说，参考图4，流量控制组件108被配置来引起载液112的位移，从而导致气-液界面114的运动，所述运动将颗粒2带向层形成区122。在一些实施方式中，流量控制组件108被配置来控制载液112的上部分124的流动，上部分124从气-液界面114向下延伸至气-液界面114下方的操作深度d。在一些实施方式中，流量控制组件108包括至少一个流量控制装置128，每个流量控制装置位于操作深度d处并且以平行于气-液界面114的操作速度v操作。在一些实施方式中，操作至少一个流量控制装置128可包括基于载液112的粘度μ选择操作深度d和/或操作速度v。在一些实施方式中，控制在气-液界面114下方的载液112的上部分124的流动，可通过将颗粒2引向层形成区122以及通过促进颗粒层102的受控组装来消除或帮助消除气-液界面114处的颗粒2上的不受控制的侧压的现象。

在本描述中，术语“下游”是指通常对应于由流量控制组件施加到载液的沿着颗粒流动路径的流动方向的方向，而术语“上游”通常是指与由流量控制组件施加到载液的沿着颗粒流动路径的流动方向相反的方向。更具体地，参考图4，注入区118位于层形成区122的上游。

转到图6，在一些实施方式中，对载液112的上部分124的流动的控制是由流量控制组件108的部件或表面126的位移引起的，所述流量控制组件的部件或表面位于气-液界面114下方的操作深度d处，并且以平行于气-液界面114的操作速度v操作。在此类配置中，由于载液112的特性粘度μ，部件或表面126的位移产生沿着气-液界面114的作用于颗粒2的力F。在一些实施方式中，作用于气-液界面114的表面A的区域上的力F可以表示如下：F/A＝μν/d，其中F/A表示作用在颗粒2上的压力P。例如，在其中载液112的特征在于相对低的粘度(例如，小于10厘泊)的非限制性实施方案中，在气-液界面114下方的移动基板126的深度d可小于1厘米(例如，约几毫米或更小的数量级)，以产生大到足以高效地将颗粒输送到层形成区的压力P。应注意，方程式F/A＝μν/d通常适用于牛顿流体，并且在本文中仅出于说明性目的而提供。实际上，本技术通常适用于牛顿流体和非牛顿流体。此外，取决于具体的应用或用途，可使用不同的分析方程和模型来描述、计算和分析作用于气-液界面处的颗粒的力。

返回到图4，在一些示例性非限制性实施方式中，流量控制组件108可包括至少一个流量控制装置128，即，单个或多个流量控制装置。例如，在一些实施方式中，所述至少一个流量控制装置128可由设置在载液112中的一个或多个带式输送器在气-液界面114下方的操作深度d处实现。每个带式输送器可包括：一组辊或滑轮130(其中至少一个是动力辊)，以及被安装用来围绕辊130运动的环形输送带132。在一些实施方式中，一个或多个移动带式输送器128可被配置来控制或可操作以控制形成层102的速率或速度、层102内的压力、层102的厚度、层102的密度以及颗粒2在层形成区122处的积聚中的至少一者。

参照图7，应理解的是，浸没在载液112中的多个独立受控的流量控制装置128(例如，带式输送器)的提供可增强所形成的层的均一性，特别是在其侧边缘处。更具体地，浸没在载液112中的多个独立受控的带式输送器128的提供可用于在层形成区122处产生颗粒2的受控交通堵塞或限制(并从而产生侧压控制)，以及纠正由于注入方法或成层过程中的其它不均等来源而导致的压力和积聚不均等。取决于应用，各种流量控制装置128可以相同或不同。即，流量控制装置128可以都具有或可以不都具有相同的操作深度、操作速度、尺寸和/或方向。例如，当多个流量控制装置128以平行于颗粒流动路径162的并排关系延伸时(如图7所示)，可以有利的是位于容器124边缘附近的流量控制装置128的操作速度与位于容器124中心附近的流量控制装置128的操作速度不同。在一些实施方式中，可为多个流量控制装置128设想不同的操作速度曲线。在一些实施方式中，可基于注入参数(例如，位置、单点对比多点等)来调节流量控制装置128的操作速度。

参考图8，其中显示了用于流量控制组件108的另一个示例性实施方式。在该实施方式中，流量控制组件108包括固定基板134(其在气-液界面114下方的某一深度浸没于载液112中)和泵136(其至少部分地浸没于注入区118上游的载液112中)。固定基板134的上表面168与气-液界面114之间的空间对应于载液112的上部分124，该部分通过泵136的作用而处于运动状态，并随之夹带颗粒2朝向层形成区122，在所述层形成区122中颗粒2积聚并逐渐形成层102。在所示实施方案中，泵136被设置在注入区118上游的固定基板134的顶表面168上。

在图4中，在一些实施方式中，成层装置100可包括屏障或后表面部件138，所述屏障或后表面部件至少部分地位于注入区118的上游(即，后面)并且被配置来促进或有利于促进颗粒2沿着颗粒流动路径162向下游流动。图9A至9C举例说明了在注入区118中的颗粒2的单个注入点158的情况下上游屏障138的三个示例性形状。在图9A和9B中，上游屏障138是面向下游的凹面，并且将用于以大致下游方向(即，沿着颗粒流动路径162)反射或重定向入射颗粒2，所述入射颗粒2最初以大致上游方向(即，与颗粒流动路径162相反)从注入点158径向向外移动。在图9A中，上游屏障138是弯曲的(例如，抛物线型的)，而在图9B中，上游屏障138由在共同边缘142处会合的两个薄片部分140制成。在图9C中，上游屏障138是平的并且垂直于颗粒流动路径162。在这种情况下，上游屏障可由容器的上游边缘或另一个部件构成。

在一些实施方式中，控制载液沿着气-液界面将颗粒从注入区向下游运送至层形成区的流动可涉及限制或减缓气-液界面处的喷射现象。当在注入区中的单个点注入颗粒混悬液或溶液时，可以产生喷射。在其中观察到喷射的一些实施方式中，颗粒悬浮或溶解于其中的悬浮液或溶剂，在与气-液界面处或附近的载液接触的点处，产生由于蒸气压和/或其它物理化学现象而引起的波膨胀效应。波膨胀效应倾向于推动颗粒在注入点处顺应悬浮液或溶剂的流体动力压力。因此，悬浮液或溶剂的膨胀倾向于是径向的，始于从注入点的所有方向，并且在一些实施方式中，在颗粒层的制造中，例如在含有载液的容器或浴槽的下游端或边缘产生不想要的和/或有害的侧向压力差异。在一些实施方式中，限制或包含气-液界面处的喷射现象的步骤包括根据在注入区中注入的颗粒的波膨胀速率来调节载液沿着气-液界面的流动，例如，通过调节载液的流动以具有比波膨胀速率更高的流速。参考图10，在其它实施方式中，可通过在注入区118与层形成区122之间提供过滤器170来减少或至少控制喷射现象。在所示的实施方案中，过滤器170包括孔172的线性阵列，其取向垂直于颗粒流动路径162并且被配置来通过颗粒注入过程阻抑气-液界面的注入扰动，从而确保层质量。应当理解，提供过滤器(诸如图10中所示的)可用于控制喷射现象，因为其减少了由喷射产生的界面处的波传播，这是由于受控的干扰效应在波传播朝向层形成区域进行并转移之前减少了自由传播溶剂、波和颗粒。

返回图2，方法200还包括在层形成区中积聚颗粒以在气-液界面上逐渐形成颗粒层的步骤206，以及从层形成区中收回颗粒层的步骤208。在一些实施方式中，积聚步骤206可包括限制层形成区122中的载液流动的步骤。在一些实施方式中，将收回步骤208与积聚步骤206一起逐步地同时进行。在其它实施方式中，只在颗粒层或其部分已完全形成后才进行收回步骤。在这些其它实施方式中的一些实施方式中，所述方法可在颗粒层完全形成后并且在取出步骤期间包括停止注入步骤并将颗粒层向下游推向其上游边缘的步骤。在一些实施方式中，收回步骤包括控制颗粒层中的侧向压力的步骤。对颗粒层中的侧向压力的这种控制可涉及调节载液沿着气-液界面的流动与颗粒层从层形成区域的收回速率之间的比率。

在图4中，转移组件110被配置来将形成的颗粒层102从层形成区122中收回到另一个位置。转移组件110还可以是成层装置100的部件或屏障，颗粒2在层形成区122中于所述部件或屏障上或紧靠其积聚以逐渐形成颗粒层102。简要地回到图3，应该理解，当成层装置100用于增材制造系统1时，转移组件110被配置来将形成的颗粒层102从层形成区122收回到将在其中制造3D物体40的工作区4。还应当理解，为了高效地将颗粒层102沉积在工作区4中，可以有利地对形成的颗粒层102的转移进行定时或同步，以确保层转移速度与转移组件110与工作区4上的层接收区域之间的相对速度基本相同。施加到形成的颗粒层102的侧向压力在整个转移过程中保持基本恒定(从而有利于恒定的层密度)也是有利的。

取决于特定的应用或用途，转移组件110可在颗粒2于层形成区122积聚并在气-液界面114上逐渐形成层102的同时，或仅在已形成完全颗粒层102或其部分后，从层形成区122收回形成的颗粒层102。

仍然参考图4，但也参见图11，在一些实施方式中，转移组件110可包括传送带式输送器144，其包括输送带174。传送带式输送器144位于层形成区122的下游边缘，并且可操作以沿着带式输送器174将形成的颗粒层102输送出层形成区122并到达另一个位置，以用于进一步加工或储存。例如，另一个位置可以是增材制造系统1的工作区4(如图3所示)，或另一个位置。在一些实施方式中，可以以恒定速度驱动传送组件110的带式输送器144，以便在其转移期间在颗粒层102内保持恒定的侧向压力。当然，在其它实施方案中，可以不以恒定速度驱动转移组件110的带式输送器144。

现在参照图12，在另一种实施方式中，转移组件110可包括可旋转的圆筒146，其位于在层形成区122的下游边缘处并且可操作以将形成的颗粒层102沿着其外围表面148输送出层形成区122并到达另一个位置，以用于进一步加工或储存。再次地，参见图3，另一个位置可以是增材制造系统1的工作区4。在一些实施方式中，圆筒146可以以恒定的角速度旋转，以便在颗粒层102转移期间在所述颗粒层102内部保持恒定的侧向压力。

应注意，在本技术中，颗粒层102通常不在转移组件110(例如，图11中的传送带式输送器144和图12中的可旋转圆筒)上形成，而是在转移组件110上游提供的层形成区122中形成。换句话说，当在转移组件110上输送时颗粒层102，颗粒层102通常已经形成。

参考图13，在另一种实施方式中，转移组件110可形成毛细管桥150，以例如在增材制造系统的工作区4中，在先前收回、转移和沉积的层102的多层叠层152的顶部上轻柔且平滑地沉积形成的颗粒层102。图13还提供了在先前形成的多层叠层152的第N层的顶部上沉积第N+1颗粒层的示意图。

参考图14A至14E，在一些实施方式中，流量控制组件108不需要包括带式输送器或在气-液界面114下方浸没于载液112中的固定基板。例如，在一些实施方式中，气-液界面114上的限制区域176可由转移组件110的传送带式输送器144、容器104的侧向侧壁178和位于注入区118上游的可移动屏障180界定(图14A)。可移动的180至少部分地浸没在载液122中并且是流量控制组件108的一部分。该限制区域176包括层形成区122和注入区118。在注入的颗粒2在层形成区122中积聚期间，传送带式输送器144可保持静止，直到限制区域176完全被颗粒2覆盖(图14B)。一旦实现了限制区域176的完全覆盖，传送带式输送器144就可开始移动并将多余的颗粒2(即，形成的层102)输送出层形成区122(图14C)。可调节传送带式输送器144的输送运动，使得颗粒层102离开限制区域176的收回速率与颗粒2进入限制区域176的注入速率相匹配。在层制造过程结束时，颗粒注入停止并且可将可移动屏障180沿着气-液界面114向下游并朝向传送带式输送器144移位，从而以可设定为等于颗粒收回速率的速率逐渐减小限制区域176的表面积(图14D)。当所有颗粒2已被收回并且可移动屏障180已到达传送带式输送器144时，可停止该过程(图14E)。

在一些实施方式中，本技术可包括进行层形成过程的特定监测的步骤。在某些情况下，该步骤可涉及监测一种“交通阻塞”效应，所述效应可阻碍或限制颗粒的流动或运动，导致它们在层形成区中积聚，并导致颗粒层形成。在此类情况下，层形成过程的监测可涉及监测注入区，其中在气-液界面处注入颗粒(例如，以粉末、混悬液或溶液的形式)。例如，在一些实施方式中，积聚步骤包括在颗粒于层形成区中积聚时监测气-液界面沿着颗粒流动路径的特征。

在一些实施方式中，成层的颗粒可具有范围从毫米级降至纳米级的平均尺寸，覆盖六个数量级的尺寸。应当理解，可使用不同类型的颗粒和不同类型的能量束、粒子束或粘合促进剂，这取决于例如待形成的层的所期望或所需要的厚度、功能性、结构和/或性质。还应当理解，当成层装置用于增材制造系统时，通常连续重复注入、流动、层制造和层转移步骤以进行多个成层阶段。可提供其中回收未使用的颗粒并将其储存以待重复利用的清洁组件。

在一些实施方式中，成层装置可包括控制单元或处理单元(未显示)，所述控制单元或处理单元以硬件和/或软件实现，并且可操作以至少部分地控制和执行操作成层装置的不同部件(诸如注入组件、流量控制组件和/或转移组件)所需的功能。例如，控制单元可操作以控制待由注入组件输送的溶液/混悬液的量和/或由流量控制组件施加的流动和侧向压力，并进而控制所得颗粒层的密度和厚度。

当然，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可对上述实施方案进行诸多修改。本文中已经描述和说明了几个替代实施方案和实例。上述实施方案旨在是示例性的。本领域技术人员将理解部件的各个实施方案的特征以及可能的组合、变化和省略。本领域技术人员将进一步理解，可将所述实施方案中的任何实施方案与本文公开的另外实施方案以任意组合提供。应当理解，可在不脱离其中心特征的情况下以其它特定形式实现本文公开的技术。因此，本发明的实施例和实施方案在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，并且本技术不限于本文给出的细节。因此，虽然已经举例说明和描述了特定实施方案，但在不显著脱离所附权利要求的范围的情况下，可以想到许多修改。

Claims (74)

1.一种用于形成颗粒层的方法，所述方法包括以下步骤：

在载液与环境气体之间的气-液界面处界定的注入区中注入颗粒；

控制所述载液沿着气-液界面将所述颗粒从所述注入区沿着颗粒流动路径向下游运送至层形成区的流动；

将所述颗粒在所述层形成区中积聚，以逐渐在所述气-液界面上形成所述颗粒层；以及

从所述层形成区中收回所述颗粒层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述注入步骤包括将所述颗粒以粉末、分散体、溶液、混悬液、异质混合物或其混合物的形式注入。

3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还在所述注入步骤之前包括通过将所述颗粒悬浮或溶解在悬浮液或溶剂中来制备颗粒混悬液或溶液的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述制备步骤包括控制所述颗粒混悬液或溶液中的颗粒浓度的步骤。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述悬浮液或溶剂的表面张力低于所述载液的表面张力。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述注入步骤包括控制所述注入区中的所述颗粒的输送速率的步骤。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述注入步骤包括在所述注入区中的单个注入点处注入所述颗粒。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述注入步骤包括在所述注入区中的多个间隔开的注入点处注入所述颗粒。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述注入步骤包括沿着所述注入区中的注入线注入所述颗粒。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述注入线基本垂直于所述颗粒流动路径。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述控制步骤包括在基本上没有重力流动的情况下控制所述载液的流动。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述控制步骤包括控制所述载液的上部分从所述气-液界面向下延伸至所述气-液界面下方的操作深度的流动。

13.根据权利要求12所述的方法，其中控制所述载液的上部分的流动包括在所述操作深度并且以沿着所述颗粒流动路径的操作速度操作至少一个流量控制装置的步骤。

14.根据权利要求13所述的方法，其中操作所述至少一个流量控制装置的步骤包括基于所述载液的粘度选择所述操作深度和所述操作速度中的至少一者。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中操作所述至少一个流量控制装置的步骤包括操作多个流量控制装置。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中操作所述多个流量控制装置的步骤包括独立地操作所述流量控制装置中的每一个。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中操作所述多个流量控制装置的步骤包括以不同的操作速度操作所述流量控制装置中的至少两个。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中所述控制步骤包括限制所述气-液界面处的喷射现象的步骤。

19.根据权利要求18所述的方法，其中限制所述气-液界面处的喷射现象的步骤包括根据在所述注入区中注入的颗粒的波膨胀速率调节所述载液沿着所述气-液界面的流动。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中所述积聚步骤包括限制所述载液在所述层形成区中的流动的步骤。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其中所述收回步骤包括逐渐地并且与所述积聚步骤同时地取出所述颗粒层的步骤。

22.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其中所述收回步骤包括仅在所述颗粒层或其一部分完全形成时从所述层形成区取出所述颗粒层的步骤。

23.根据权利要求22所述的方法，所述方法还包括，一旦所述颗粒层完全形成并且在所述取出步骤期间，就停止所述注入步骤并将所述颗粒层向下游推向其上游边缘的步骤。

24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，其中所述收回步骤包括控制所述颗粒层中的侧向压力的步骤。

25.根据权利要求24所述的方法，其中控制所述颗粒层中的侧向压力的步骤包括调节所述载液沿着所述气-液界面的流动与所述颗粒层从所述层形成区的收回速率之间的比率。。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其中所述积聚步骤包括当所述颗粒在所述层形成区中积聚时监测沿着所述颗粒流动路径的所述气-液界面的特征的步骤。

27.根据权利要求1至26中任一项所述的方法，所述方法还包括控制所述环境气体的组成、压力和供应速率中的至少一者的步骤。

28.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，所述方法还包括控制所述颗粒在所述气-液界面处的平衡表面亲和力以将所述颗粒保持在所述气-液界面处的步骤。

29.根据权利要求28所述的方法，其中控制所述平衡表面亲和力的步骤包括调节所述颗粒和所述载液中的至少一者的疏水性或亲水性的步骤。

30.根据权利要求1至29中任一项所述的方法，其中所述载液包括水、水溶液、液态金属或其混合物。

31.根据权利要求1至30中任一项所述的方法，其中所述颗粒由金属、合金、半导体、陶瓷、电介质、有机材料、聚合物或其混合物组成。

32.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其中所述颗粒的直径在约1纳米与约10纳米之间。

33.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其中所述颗粒的直径在约10纳米与约100纳米之间。

34.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其中所述颗粒的直径在约0.1微米与约1微米之间。

35.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其中所述颗粒的直径在约1微米与约10微米之间。

36.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其中所述颗粒的直径在约10微米与约100微米之间。

37.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其中所述颗粒的直径在约0.1毫米与约1毫米之间。

38.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其中所述颗粒的直径在约1微米与约100微米之间。

39.一种用于形成颗粒层的装置，所述装置包括：

容器，其用于接收载液，使得当载液存在于容器中时，载液界定与环境气体的气-液界面；

注入组件，其被配置来将颗粒注入到在气-液界面处界定的注入区；

流量控制组件，其被设置在所述容器中，使得当所述载体液体存在于所述容器中时，所述流量控制组件至少部分地浸没在所述载液中，并且被配置来控制所述载液沿着所述气-液界面将所述颗粒从所述注入区沿着颗粒流动路径向下游运送至所述层形成区的流动，所述颗粒在所述层形成区中积聚并在所述气-液界面上逐渐形成所述颗粒层；和

转移组件，其被配置来从所述层形成区收回所述形成的颗粒层。

40.根据权利要求39所述的装置，其中所述注入组件被配置来控制所述注入区中的所述颗粒的输送速率。

41.根据权利要求39或40所述的装置，其中所述注入组件被配置来将所述颗粒以粉末、分散体、溶液、混悬液、异质混合物或其组合的形式注入到所述注入区中。

42.根据权利要求39至41中任一项所述的装置，其中所述注入组件包括单个注入器。

43.根据权利要求42所述的装置，其中所述单个注入器被配置来在所述注入区中的单个注入点处注入所述颗粒。

44.根据权利要求43所述的装置，其中所述单个注入器被配置来沿着所述注入区中的注入线注入所述颗粒。

45.根据权利要求44所述的方法，其中所述注入线基本垂直于所述颗粒流动路径。

46.根据权利要求39至41中任一项所述的装置，其中所述注入组件包括多个注入器。

47.根据权利要求46所述的装置，其中，所述多个注入器包括间隔开的注入器的线性阵列。

48.根据权利要求39至41中任一项所述的装置，其中所述注入组件包括雾化器。

49.根据权利要求39至48中任一项所述的装置，所述装置还包括颗粒存储单元，所述颗粒存储单元连接至所述注入组件，用于储存所述颗粒并将所述颗粒提供给所述注入组件。

50.根据权利要求39至49中任一项所述的装置，其中所述流量控制组件被配置来在基本上没有重力流动的情况下控制所述载液沿着所述气-液界面的流动。

51.根据权利要求39至50中任一项所述的装置，其中所述流量控制组件被配置来控制所述载液的上部分从所述气-液界面向下延伸至所述气-液界面下方的操作深度的流动。

52.根据权利要求51所述的装置，其中所述流量控制组件包括至少一个流量控制装置，每个流量控制装置位于所述操作深度并且以平行于所述气-液界面的操作速度操作。

53.根据权利要求52所述的装置，其中所述至少一个流量控制装置中的每一个的操作深度小于1厘米。

54.根据权利要求52或53所述的装置，其中所述至少一个流量控制装置包括至少一个带式输送器。

55.根据权利要求52至54中任一项所述的装置，其中所述至少一个流量控制装置由单个流量控制装置组成。

56.根据权利要求52至54中任一项所述的装置，其中所述至少一个流量控制装置由多个流量控制装置组成。

57.根据权利要求56所述的装置，其中所述多个流量控制装置以平行于所述颗粒流动路径的并排关系延伸。

58.根据权利要求56或57所述的装置，其中所述流量控制装置的操作速度并非全部相等。

59.根据权利要求56至58中任一项所述的装置，其中独立于所述流量控制装置中的其余流量控制装置操作所述流量控制装置中的每个流量控制装置。

60.根据权利要求51所述的装置，其中所述流量控制组件包括浸没在所述载液中的固定基板和至少部分地浸没在所述注入区上游的所述载液中的泵。

61.根据权利要求39至60中任一项所述的装置，其中所述转移组件包括屏障，所述颗粒在所述屏障上积聚并逐渐在所述气-液界面上形成所述颗粒层。

62.根据权利要求39至61中任一项所述的装置，其中所述转移组件包括具有外围表面的旋转圆筒，所述旋转圆筒位于所述层形成区的下游端并且被配置来沿着其外围表面将所述颗粒层输送出所述层形成区。

63.根据权利要求39至61中任一项所述的装置，其中所述转移组件包括包含输送带的带式输送器，所述带式输送器位于所述层形成区的下游端并且被配置来沿着所述输送带将所述颗粒层输送出所述层形成区。

64.根据权利要求39至63中任一项所述的装置，其中所述转移组件被配置来逐渐地并且随着所述颗粒在所述层形成区中积聚以及在所述气-液界面上逐渐形成所述颗粒层的同时收回所述颗粒层。

65.根据权利要求39至63中任一项所述的装置，其中所述转移组件被配置来仅在颗粒层或其部分完全形成时从所述层形成区收回所述颗粒层。

66.根据权利要求39至65中任一项所述的装置，所述装置还包括环境气体控制单元，其被配置来控制所述环境气体的组成、压力和供应速率中的至少一者。

67.根据权利要求39至66中任一项所述的装置，所述装置还包括屏障，所述屏障至少部分位于所述注入区的上游，并且被配置来促进所述颗粒沿着所述颗粒流动路径向下游流动。

68.根据权利要求67所述的装置，其中所述屏障是面向下游的凹面。

69.根据权利要求67或68所述的装置，其中所述屏障是可移动的，并且被配置来沿着所述颗粒流动路径向下游移动，以将所述颗粒层推向并转移到所述转移组件上，以便收回所述颗粒层。

70.一种用于制造三维(3D)物体的增材制造方法，所述方法包括以下步骤：

使用权利要求1至38中任一项所述的方法形成颗粒层；

将从所述层形成区收回的颗粒层转移到工作区；

以选择的方式将所述转移层的预定部分连接在一起，以在工作区中形成积聚地形成所述3D物体的多个离散横截面区域中的一个；以及

多次重复所述形成、转移和连接步骤以将所述多个离散的横截面区域一个堆叠在另一个的顶部上，从而逐层地构建所述3D物体。

71.一种增材制造系统，所述增材制造系统包含权利要求39至69中任一项所述的装置。

72.通过权利要求1至38中任一项所述的方法形成的颗粒层用于通过增材制造来制造三维(3D)物体的用途。

73.通过权利要求39至69中任一项所述的装置形成的颗粒层用于通过增材制造来制造三维(3D)物体的用途。

74.根据权利要求39至69中任一项所述的装置在增材制造系统中的用途。