CN109562563B - 缝型模头制造设备和制造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种设备，其利用缝型模头(110)在支撑表面上方挤出可辐射固化的构造材料(M)，以在支撑表面上方沉积挤出的构造材料(M)的层(L)。利用投射单元(160，260，360)将辐射(R)选择性地投射到支撑表面和缝型模头(110)之间的构造区域，从而将挤出的构造材料(M)的各部分固化。所述设备重复这些步骤，这些步骤被重复直到通过构造材料(M)的在所述层(L)上以及在所述层之间延伸的连续固化部分形成所需物体。

Description

缝型模头制造设备和制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于增材制造的设备和方法，特别是涉及一种能够通过对粘性介质、特别是对为可辐射固化的液相中悬浮精细颗粒的粘性介质进行辐射诱导式固化而形成一个或多于一个所需物体的方法和设备。

背景技术

增材制造涉及通过将材料连续添加到已部分形成的物体来制造物体。这与减材制造相反，在减材制造中，一块材料的各部分被移除直到形成所述物体。

增材制造有可能允许成本高效地构造高精度的或定制的部件，并且还允许一体式地制造通过传统的减材制造技术无法轻易实现的几何形状。

在许多增材制造的模式中，通过将构造材料层彼此依次沉积、并将每个沉积层的部分结合在一起以及将那些部分与紧接在下面的层的先前结合部分结合在一起来形成物体。该物体由延伸穿过这些层的连续结合区域形成。然后可以通过适当的技术除去各层的未结合部分。

这种增材制造技术的示例包括喷墨头和粉末床3D打印、选择性激光烧结和熔融沉积建模。

在这种技术中，特定上层的结合部分通常由布置在该上层下方的层的结合和未结合部分支撑。这限制了可用于增材制造的材料和技术，以及能够建立的部件的几何形状。

已经提出，为了克服这些问题，除了要制造的预期物体之外，还形成支撑部分，所述支撑部分由位于物体各部分之下的各层的结合区域形成。这种支撑部分可以连接到物体或与物体分离。

然而，这样的方法会增加材料消耗，会增加制造时间，并且会使具有特定几何形状的部件的生产更加困难。

因此，需要一种克服这些问题的增材制造技术。

例如，在一种先前提出的增材制造技术中，通过将可辐射固化的液体层连续地沉积到井部(well)中并通过选择性地将辐射施加至层以选择性地固化每层的各部分以形成物体来制造物体。然而，在这种技术中，每层的固化部分至少部分地由下面的层的未固化部分支撑。由于液体介质具有流动的趋势，因此由这种未固化部分提供的支撑可能不够充分，并且可能发生制造物体的变形。为了避免这种变形，通常需要在打印的物体中包括由固化液体形成的支撑部分，然后必须将其从成品中丢弃，导致上述缺点。

还已经提出使用这种技术的改型，以通过将粉末作为悬浮物(或胶体)悬浮在可固化液体介质中、通过利用使用该液体介质作为构造材料的增材制造工艺形成物体、以及然后通过由液相工艺产生的制造物体的烧结而由精细粉末制造陶瓷或金属部件。

然而，如上所述的这种技术通常不能在制造期间通过液相提供对制造物体的足够支撑。特别地，由于通过例如运动沉积头而沉积粘性液体倾向于在沉积头的运动方向上拖曳下层，因此难以在不向先前沉积的层施加不期望的剪切力的情况下在可辐射固化的液体粘合剂中沉积金属或陶瓷颗粒的相对粘性的悬浮层。

因此，需要一种增材制造设备和方法，其允许可辐射固化液体的层的沉积，同时允许制造复杂几何形状的物体，具有提高的制造速度和/或较少的材料浪费。

还需要一种液相3D制造技术，即使利用可固化液相中的颗粒悬浮也能实现这些优点，其使得能够实现至少一些所示优点。

发明内容

本发明人已经尤其认识到通过缝型模头沉积相对粘稠的液体构造材料可以有利地使得能够实现一些上述优点。

因此，鉴于该实现，本发明在第一方面提供了一种增材制造设备。所述增材制造设备适用于相继地沉积粘性构造材料层以形成物体。该设备包括支撑表面。支撑表面适于在形成期间支撑物体。该设备包括缝型模头。缝型模头有内腔。所述腔适用于容纳构造材料。腔与形成在缝型模头的下表面中的缝连通。该缝适用于从内腔挤出构造材料。该设备包括滑架。滑架支撑缝型模头。滑架布置成使得缝型模头能够沿运动方向跨过支撑表面地并在支撑表面上方运动。该运动用于将一层挤出的构造材料沉积到支撑表面上。该设备包括驱动机构。驱动机构布置成能够驱动所述滑架沿运动方向运动。该设备包括投射单元。投射单元用于选择性地将辐射投射到构造区域。构造区域位于支撑表面和缝型模头之间。辐射的投射用于限定挤出层的形成物体一部分的区域。该设备包括控制器。控制器配置成至少控制驱动机构。在该设备中，缝型模头和支撑表面可相对运动。缝型模头和支撑表面的相对运动沿缝型模头与支撑表面之间的分离方向。相对运动允许相继的构造材料层彼此上下地沉积。

在一个实施例中，缝型模头设有加热单元。加热单元用于加热缝型模头的对所述缝进行限定的至少一部分。

在一个实施例中，缝由两个缝半部限定。缝型模头设有振动器。振动器适用于使缝的边缘相对于彼此振动。

在一个实施例中，该设备设有冷却单元。冷却单元适用于从构造区域移除热量。

在一个实施例中，冷却单元包括至少一个气体供应端口。所述至少一个气体供应端口可连接到气体源。所述至少一个气体供应端口布置成能够将气体吹向构造区域。

在一个实施例中，缝沿缝定向方向定向。运动方向垂直于缝定向方向。

在一个实施例中，所述分离方向垂直于缝定向方向和运动方向中的每一个。

在一个实施例中，支撑表面是平坦的。所述支撑表面限定了垂直于所述分离方向的一平面。

在一个实施例中，所述平面平行于缝定向方向。所述平面平行于运动方向。在一个实施例中，该设备包括泵。所述泵可连接到构造材料的储存器。缝型模头具有入口端口。入口端口连接到泵。所述连接使得来自储存器的构造材料可以在来自泵的压力下经由所述缝挤出。

在一个实施例中，控制器配置成能够控制所述泵。该控制是为了使构造材料以预定的速率挤出。

在一个实施例中，控制器配置成能够控制挤出的体积速率和滑架的运动速率。挤出的体积速率和滑架的运动速率被彼此成比例地控制。

在一个实施例中，控制器配置成能够控制挤出的线性速率和滑架的运动速率。挤出的线性速率和滑架的运动速率被控制为彼此相等。

在一个实施例中，投射单元包括辐射源。所述辐射源适用于产生辐射束。投射单元包括图案化单元。图案化单元由辐射束照射。该照射是为了适用于图案化所述辐射束。投射单元包括投射光学器件。投射光学器件适用于将图案的图像投射到一平面上。该平面限定在支撑表面和缝型模头之间。该投射是为了选择性地将辐射施加至所述平面。因此，将辐射选择性地施加至所述平面是基于图案化单元对辐射束的图案化。

在一个实施例中，图案化单元是空间光调制器。

在一个实施例中，图案化单元是数字光处理器。

在一个实施例中，投射单元包括辐射源。辐射源适用于产生辐射束。投射单元包括扫描光学器件。扫描光学器件适用于跨过平面扫描辐射束。该平面限定在支撑表面和缝型模头之间。

在一个实施例中，辐射束是间歇式辐射束，并且所述扫描是为了选择性地将辐射作为栅格图像施加至所述平面。

在一个实施例中，所述扫描是为了选择性地将辐射作为矢量图像施加至所述平面。

在一个实施例中，辐射束的辐射是电子束。

在一个实施例中，辐射束的辐射是紫外光或可见光。

在一个实施例中，该设备包括井部。该设备包括升降机构。支撑表面可在分离方向上运动到井部中。该运动是通过升降机构进行的。

在一个实施例中，井部具有内壁。支撑表面设有边缘密封件。边缘密封件构造成靠在内壁上密封。

在一个实施例中，井部的顶部被倾斜表面围绕。倾斜表面远离井部的顶部向下倾斜。

在一个实施例中，支撑表面设有一个或多于一个冷却元件。冷却元件适用于从支撑表面移除热量。

在一个实施例中，井部设有一个或多于一个冷却元件。所述一个或多于一个冷却元件用于冷却井部的壁。在一个实施例中，所述一个或多于一个冷却元件包括通道。通道可连接到冷却剂源。通道布置成能够承载冷却剂。

在一个实施例中，所述一个或多于一个冷却元件包括热电冷却器。

在一个实施例中，井部具有恒定的横截面。支撑表面具有与井部的所述横截面对应的形状。

在一个实施例中，所述井部是矩形的。

在一个实施例中，控制单元配置成能够控制投射单元。所述控制依照所述驱动机构。该控制是为了投射针对滑架跨过支撑表面的每次运动的一系列不同的部分图像。每个部分图像与一个或多于一个其它的部分图像重叠。

在一个实施例中，控制单元配置成能够控制投射单元。所述控制为使得每个部分图像包括孤立像素。当所述部分图像重叠时，所述孤立像素通过多个部分图像中的其它部分图像连接。在一个实施例中，控制单元配置成能够控制投射单元。所述控制为使得每个部分图像具有图案。该图案是与多个图像的其余部分的一个或多于一个图案组合以形成均匀辐照区的图案。

在一个实施例中，所述图案是伪随机图案。

在一个实施例中，构造材料是液体介质。所述液体介质是可辐射固化的。

在一个实施例中，所述液体介质是可聚合的。

在一个实施例中，所述颗粒材料是陶瓷。

在一个实施例中，所述陶瓷是氮化物。

在一个实施例中，所述陶瓷是氧化物。

在一个实施例中，所述陶瓷是碳化物。

在一个实施例中，可辐射固化的液体介质是紫外光可固化的或可见光可固化的。

在一个实施例中，可辐射固化的液体介质是电子束可固化的。

在一个实施例中，所述颗粒材料是金属粉末。

在一个实施例中，所述颗粒材料的平均直径小于5微米。

在一个实施例中，所述颗粒材料的平均直径小于2微米。

在一个实施例中，投射单元配置为能够投射具有优于10微米的分辨率的图像。

在一个实施例中，投射单元由另外的滑架支撑。所述另外的滑架布置成允许投射单元的投射位置的运动。在运动方向和横向方向上，所述运动跨过所述支撑表面并在其上方。所述横向方向垂直于所述运动方向。该设备包括另外的驱动机构。所述另外的驱动机构布置成驱动所述另外的滑架在运动方向和横向方向上的运动。

在一个实施例中，该设备还包括气体罩。气体罩用于将气体供应至气体层的投射单元的投射区域。

在一个实施例中，气体罩自投射单元悬置。

在一个实施例中，气体罩可远离支撑表面地缩回。

在一个实施例中，气体罩布置成基本上围绕从投射单元投射的辐射的至少一部分。

在一个实施例中，气体罩具有下开口。下开口布置成面向投射区域。

在一个实施例中，气体罩具有上开口。上开口用于允许从投射单元投射的辐射通过。

在一个实施例中，上开口设置有透辐射板。

在一个实施例中，气体罩的上部是透辐射的，以允许从投射单元投射的辐射通过。

在一个实施例中，气体罩配置为能够供应惰性气体。

在一个实施例中，气体罩配置为供应冷却气体。

在另一方面，本发明提供了一种形成物体的方法。物体的形成来自顺序沉积的构造材料层。该方法包括重复形成一系列步骤。所述步骤包括利用缝型模头在支撑表面上方挤出可辐射固化的构造材料，同时在运动方向上使缝型模头在支撑表面上方并跨过该支撑表面相对运动，以在支撑表面上方沉积一层解构的构造材料。所述步骤包括选择性地将辐射投射到支撑表面和缝型模头之间的构造区域，从而固化挤出的构造材料的各部分以挤出层的限定形成物体的一部分的区域。所述步骤包括沿缝型模头和支撑表面之间的分离方向相对运动缝型模头和支撑表面。

在一个实施方式中，粘性构造材料是颗粒材料在可辐射固化的液体介质中的悬浮液。

在一个实施方式中，颗粒材料是陶瓷或金属粉末。

在一个实施方式中，液体介质是可辐射固化的以形成聚合物。

在一个实施方式中，颗粒材料的平均直径小于5微米，可选地小于2微米。

在一个实施方式中，所述辐射是紫外辐射、可见光辐射或电子束辐射。

该方法可以利用第一方面的设备执行，并且可以应用任何公开的实施例的特征。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且为了示出如何实现本发明，将仅示例性地参照附图，其中：

图1显示了根据本发明的增材制造设备的竖直截面图；

图2显示了图1中所示的增材制造设备的平面图；

图3显示了在挤出操作中增材制造设备的缝型模头的截面图；

图4示出了处于投射操作的图1的设备的投射单元；

图5示出了图1设备的简化平面图，用于解释一种投射模式；

图6示出了图5的变型，示出了另一种投射模式；

图7示出了适用于在图1的设备中使用的投射单元的第一种配置；

图8示出了适用于在图1的设备中使用的投射单元的替代性变型；

图9A示出了图6的投射单元的变型，其具有气体罩；

图9B示出了图6的投射单元的另一变型，其具有气体罩；

图10A示出了辐照区(shot area)中图案的第一叠加模式；

图10B示出了辐照区中图案的第二叠加模式；

图11示出了表示图1设备的控制布置的方框图；

图12示出了说明根据本发明的增材制造方法的流程图。

具体实施方式

图1显示了实施本发明原理的增材制造设备。

在图1中，增材制造设备100包括悬置在构建平台120上方的缝型模头110。构建平台容纳在井部124中。缝型模头110可通过缝型模头滑架130在图中从左向右延伸的第一方向(X)上运动。

缝型模头滑架130支撑在缝型模头滑架导向器140上。缝型模头滑架导向器140沿该(X)方向延伸并提供支承表面，缝型模头滑架130布置在该支承表面上从而能够滑动。例如，缝型模头滑架导向器140可以提供平坦的上表面，该上表面与设置在缝型模头滑架130的下表面中的滚动支承件配合，以允许缝型模头滑架130相对于缝型模头滑架导向器140的滑动运动。替代地，可以应用其它支承件，例如平坦侧轨支承件、空气支承件或本领域已知的其它支承件。

缝型模头滑架导向器140在与缝型模头滑架130的运动方向垂直的方向(Y方向)上与缝型模头110分开，并且缝型模头滑架130在该方向(Y方向)上延伸以允许被支撑在缝型模头滑架130上的缝型模头110在与缝型模头的运动方向(X方向)以及与缝型模头同缝型模头滑架导向器的分离方向(Y方向)相垂直的方向上跨过缝型模头滑架导向器140。

参照图2可以更容易地看到这种配置，图2是图1中所示设备的平面图。在图2中，可以看到提供了(在Y方向上)彼此分开的两个缝型模头滑架导向器140，缝型模头滑架130支撑在它们之间。当然，在替代实施例中，例如，仅需要提供一个缝型模头滑架导向器140，尽管提供在与缝型模头110的运动方向相垂直的方向上布置在缝型模头110两侧的两个缝型模头滑架导向器140可以提高设备的稳定性。

从图2中还可以看出，缝型模头滑架130设置成具有两个缝型模头滑架部分，它们布置在缝型模头110的于该缝型模头的运动方向(X方向)上的任一侧上。同样，在替代实施例中，仅需要提供一个缝型模头滑架部分，例如在缝型模头的一侧或另一侧上。然而，在缝型模头的运动方向上于缝型模头110的两侧设置缝型模头滑架部分可以提高设备的稳定性。在一些实施例中，例如，缝型模头滑架130可以与缝型模头110成一体，或者换句话说，缝型模头110可以由缝型模头滑架导向器140直接支撑，在这种情况下，缝型模头滑架导向器140将作用为缝型模头导向器而不是缝型模头滑架导向器。

再次参照图1，缝型模头滑架130可通过缝型模头滑架驱动部150沿缝型模头110的运动方向(X方向)运动。缝型模头驱动部150在此包括缝型模头滑架驱动电机151，所述缝型模头滑架驱动电机151转动缝型模头滑架驱动螺杆152。缝型模头滑架驱动螺杆152本身沿缝型模头110的运动方向(X方向)在缝型模头滑架导向器140上方且与缝型模头滑架导向器140平行地定向。缝型模头滑架驱动螺杆152与形成在缝型模头滑架130中的配合螺纹相配合，使得缝型模头滑架驱动螺杆152的旋转在缝型模头110的运动方向(X方向)上施加力以使支撑着缝型模头110的缝型模头滑架130沿缝型模头110的运动方向(X方向)运动。通过缝型模头滑架驱动电机151将缝型模头滑架驱动螺杆152反向旋转使得缝型模头110能够沿相反方向(负X方向)缩回。

如图2所示，相应的缝型模头滑架驱动电机151和相应的缝型模头滑架驱动螺杆152以类似的方式布置在缝型模头滑架导向器140上方。这种双驱动配置可有助于缝型模头110的稳定运动。

然而，在其它实施例中，不需要提供这种包括第二缝型模头滑架驱动电机和第二缝型模头滑架驱动螺杆的第二缝型模头滑架驱动结构。在另外的实施例中，可以提供具有例如用于支撑缝型模头滑架130的支承件的简单支撑轨来代替第二缝型模头滑架驱动电机和缝型模头滑架驱动螺杆。

在另外的替代实施例中，如果缝型模头滑架驱动螺杆152和第二缝型模头滑架驱动螺杆(或适当的支撑轨)可以完全承受缝型模头110和缝型模头滑架130的重量，则可以省略单独的缝型模头滑架导向器140。

图1中还示出了气体供应单元170。气体供应单元170在缝型模头110的运动方向(X方向)上布置在缝型模头110的一侧上。在本实施例中，气体供应单元170布置在缝型模头110的相对于该缝型模头110的运动方向(X方向)的尾侧。替代地，气体供应单元170可以布置在缝型模头110的沿缝型模头运动方向(X方向)的前侧。气体供应单元170具有一个或多于一个气体供应端口171，所述气体供应端口形成在气体供应单元170的下表面中并且进而布置成面向构建平台120。

气体供应单元170的配置也可以在图2中的平面图中看到，其中示出了气体供应单元170具有布置成面向构建平台120的多个气体供应端口171。

在替代配置中，可以提供单个气体供应端口，其延伸跨过例如被图2中的气体供应端口171覆盖的区域。

每个气体供应端口都可以设置有多孔构件、例如多孔陶瓷板，以扩散气体流。这样的配置可以避免气体喷射的力干扰由缝型模头布置的材料。

气体供应单元170连接到气体供应源(未示出)，该气体供应源可以设置在设备中或者可以作为对于设备的协助机构提供，例如作为在安装有所述设备110的设施处提供的压缩空气管线或干燥氮气管线。

由于气体供应单元170固定在缝型模头110上，因此当气体供应单元110被缝型模头滑架驱动部150沿缝型模头110的运动方向(X方向)驱动时，气体供应单元110与缝型模头110一起运动。替代地，在各种实施例中，气体供应单元170可以设置在其自身的独立滑架上。

图1中还示出了投射单元160。投射单元160设置在缝型模头110上方，并且还布置成能够在构建平台120上方沿第一方向(X方向)运动，在图1所示的配置中，该第一方向与缝型模头110的运动方向(X方向)重合。投射单元160由投射单元滑架194支撑，出于将在下文中显然的原因，该投射单元滑架在下文中称为投射单元Y-驱动滑架194。

参照图2，最容易理解用于投射单元160的支撑布置。投射单元160由投射单元Y-驱动滑架194直接支撑，所述投射单元Y-驱动滑架194沿与缝型模头110的运动方向(X方向)相垂直的方向可运动地安装，该方向将被称为横向方向(Y方向)。

在图1(和图2)的实施例中，投射单元Y-驱动滑架194容纳Y-驱动电机(未示出)，所述Y-驱动电机与在构件平台120上方沿所述横向方向(Y方向)延伸的投射单元Y-驱动轨道194配合，例如借助于齿条和齿轮驱动器或本领域可知的其它合适的驱动器配合。例如，作为替代方案，带驱动器或轮和表面驱动器可以等效地用于使得投射单元驱动滑架194能够在投射单元Y-驱动轨道194上沿所述横向方向(Y方向)运动。

投射单元Y-驱动轨道194(在替代实施例中仅需要设置一个)在投射单元X-驱动滑架193之间延伸，所述投射单元X-驱动滑架193布置在投射单元160的在横向方向(Y方向)上的任一侧上。

投射单元X-驱动滑架193各自布置成可在投射单元X-驱动轨道192上沿缝型模头110的运动方向(X方向)运动。该运动可以以与投射单元Y-驱动滑架194在投射单元Y-驱动轨道194上的运动相类似的方式被驱动。

投射单元X-驱动轨道192由相应的投射单元驱动支撑件191支撑。

投射单元驱动支撑件191、投射单元X-驱动轨道192、投射单元X-驱动滑架193、投射单元Y-驱动轨道194和投射单元Y-驱动滑架194一起构成投射单元驱动部190。

投射单元X-驱动轨道192在缝型模头110的运动方向(X方向)上延伸，并且相对于缝型模头滑架导向器140和相对于缝型模头110向外布置。

而且，如图1所示，投射单元驱动部190和投射单元160布置在缝型模头滑架130和缝型模头110上方。然而，这种布置不是强制性的，其它安装配置也可以实现至少一些同样的功能。特别地，尽管投射单元驱动部190具有像缝型模头滑架驱动部150那样基于相应的坐标系的X驱动轨道192和Y驱动轨道194，其中，投射单元160在与缝型模头110的运动平面平行的平面内运动，但这不是强制性的。替代的坐标系可以用于投射单元160的运动。例如，投射单元160可以由替代的径向驱动滑架支撑，该径向驱动滑架布置成沿着投射单元径向驱动轨道运动，该径向驱动轨道进而布置成能够绕一端在投射单元160的运动平面内旋转使得投射单元160的位置可以按照极坐标而不是如图1和图2所示的笛卡尔坐标来设置。

投射单元160具有投射孔161，通过该投射孔161，例如紫外线辐射、可见光辐射或电子束辐射的辐射可以投射在投射单元160下方。由于投射单元驱动部190提供的投射单元160的运动布置，辐射可以从位于构建平台120上一定范围的点上方的位置投射，该范围在两个维度上延伸。因此，可以从预定区域内的位置投射辐射。

类似地，如可以参照图2最容易看到的那样，缝型模头110具有缝134，所述缝沿横向方向(Y方向)延伸并且沿横向方向延伸跨过并超过构建平台120的整个宽度，使得通过缝型模头110沿运动方向(X方向)的运动，构建平台120上的所有点都可以布置在缝134之下。

如图2所示，构建平台120在由上构建表面限定的平面(XY平面)中具有大致矩形的横截面，该表面大致是平坦的并且与运动方向(X方向)和横向方向(Y方向)对准。然而，在其它实施例中，构建平台120的横截面可以是另一种形状，例如正方形、圆形、多边形或可能需要的其它形状。

从图2还可以想到，通过缝型模头110借助缝型模头滑架驱动部150的运动以及通过气体供应端口171跨过构建平台120的宽度方向(Y方向)的布置，气体供应单元170的气体供应端口171被布置成能够将气体供应至构建平台170的表面上的基本上所有位置。

替代地，气体供应单元170可并非可运动地安装在井部124上方，而是可以相对于井部124固定就位，其中气体供应端口布置成向井部124的基本上整个敞开的顶部区域提供冷却气体。例如，一个或多于一个气体供应端口可以布置在井部124上方并围绕该井部，以从井部124周围的多个位置将冷却气体向内和向下引导至井部124的整个敞开的顶部区域。

同样如图1所示，构建平台121借助于构建平台升降机122在与构建平台上表面121垂直的方向(Z方向)上可运动，特别是可缩回。构建平台升降机122，如图1所示形成为两个柱，所述柱布置成从构建平台下表面123沿着构建平台上表面121的法线方向(Z方向)延伸，并且耦接到驱动单元(未示出)，所述驱动单元引起构建平台升降机122的伸展和缩回。

构建平台120位于井部124中。井部124以恒定的内部横截面从顶部边界124a沿着构建平台上表面121的法线方向延伸。在构建平台上表面121的法线方向(Z方向)上，井部124的横截面与构建平台120的横截面相同。这使得构建平台120能够通过构建平台升降机122在井部内自由升高和降低。

密封件121a设置成环绕构建平台120的边界，以在构建平台120的边缘与井部124的壁之间密封。这种密封件可以例如通过设置在绕着构建平台120形成的凹槽中的连续的弹性圈、例如O形环来提供。替代地，可以设置本领域已知的弹性刮擦器或其它密封件。

应注意，可以提供另一种配置来代替上述配置，其中缝型模头110逐渐升高而非构建平台120逐渐降低。这可以在有或没有相应地相对于构建平台120升高所述井部124的壁的情况下实现。然而，当前配置被认为是特别易于构造的。

因此，缝型模头110和例如为缝型模头滑架驱动部150的配合部件以及井部124全部由设备100的主框架(未示出)支撑，该主框架将设备支撑在稳定表面、例如工厂地板上，并且构建平台120相对于该主框架缩回。

如图1可见，井部124的顶部边界124a设有倾斜表面124b，该倾斜表面124b向下且远离井部124的顶部边界124a倾斜。因此，落在井部124的内部横截面之外的任何材料能在重力作用下沿着倾斜表面124b远离设备100的工作部分流下、滑下或滚下。

图1中还示出了井部冷却元件125，其设置在井部124的壁中以围绕井部124。在一种配置中，这些井部冷却元件125可以是适于承载来自未示出的冷却流体源、例如冷却器的冷却流体的通道。在另外的变型中，井部冷却元件125可以是热电冷却器，例如珀耳帖冷却元件或本领域可获得的其它冷却元件。井部冷却元件125使得井部的壁124能够被冷却，以便移除来自井部内的热量。

构建平台120还设置有呈平台冷却元件126形式的冷却元件。平台冷却元件126用于移除来自构建平台上表面121上方区域的热量。平台冷却元件可以是与冷却元件125相同或不同类型的冷却元件。平台冷却元件126嵌装在构建平台120中。在一些实施例中，平台冷却元件126定位在构建平台上表面121下方的小距离处。

现在将参照图3解释缝型模头110的操作。缝型模头110主要由两个部分形成，即第一缝型模头部分111和第二缝型模头部分112。第一缝型模头部分111和第二缝型模头部分112中的每个部分沿横向方向(Y方向)布置以延伸缝型模头110的整个宽度。第一缝型模头部分111和第二缝型模头部分112一起配合以限定缝型模头腔113，该缝型模头腔也基本上延伸缝型模头的整个长度。

缝型模头腔113通过缝型模头腔壁(未示出)在横向方向端部(Y方向端部)处封闭。缝型模头腔113在缝型模头110的顶部处以缝型模头入口端口敞开，所述缝型模头入口端口可以不在横向方向(Y方向)上延伸穿过缝型模头110的整个宽度。缝型模头腔113在缝型模头110的底部于缝114处敞开，所述缝在横向方向(Y方向)上确实基本上延伸缝型模头110的整个宽度。因此，缝114是高度细长的，在横向方向上相当长但在运动方向上相当窄。

例如，为了提供窄的条形缝，缝114可以长于10cm，并且可以窄于500微米。在一些配置中，缝可以窄于300微米、窄于250微米、窄于200微米、或窄于100微米，在每种情况下，垂直于缝114的伸长方向测量宽度。在本实施例中，缝114的伸长方向对应于横向方向(Y方向)。因此，缝114沿横向方向(Y方向)定向。

当然，缝114可替代地相对于横向方向倾斜。然而，在某些实施例中，认为缝伸长方向相对于缝型模头110的运动方向(X方向)的角度可小于20度、小于15度、小于10度或小于5度。

在一些实施例中，缝114的宽度可为可调节的。缝114的可调节宽度例如可设置为在第一缝型模头部分111和第二缝型模头部分112之间插入附加的垫片(刚性间隔件)，以将缝型模头部分彼此分开，同时保持缝型模头腔113的基本整体性。

替代地，可以设置弹性间隔件，例如橡胶垫圈。利用这种配置，可以设置定位螺丝或调节螺栓，以在第一缝型模头部分111和第二缝型模头部分112之间施加可变夹紧力，以压缩弹性间隔件并使缝114的边缘更靠近在一起。相反，减少夹紧力将允许缝114的边缘分离。

缝型模头110设置有缝型模头通道形成构件116，所述缝型模头通道形成构件116将腔113封盖并使得缝型模头通道形成构件116中形成的通道与缝型模头入口端口115之间能够连通。液体构造材料可经由泵(未示出)泵送相继地通过缝型模头通道形成构件116和缝型模头入口端口115以填充缝型模头腔113。

缝114窄到即使当缝型模头腔113填充有相对粘稠的液体时，由于缝114处的表面张力作用，液体也不会通过缝114泄漏。然而，随着更多的液体经由缝型模头通道形成构件116和缝型模头入口端口115被泵送进入缝型模头腔113，缝型模头腔113中的压力上升，并且缝型模头腔113中的材料在此被迫使通过缝114。

对于某种类型的液体，特别是所谓的剪切稀化液体，当受到剪切应变时，液体表现出粘度降低。缝型模头110具有倾斜表面111，该倾斜表面111使缝型模头腔113的横截面区域从腔113的主要部分到缝114逐渐地变窄。随着腔113的横截面区域逐渐受到限制，从腔113朝着缝114流动的流体倾向于剪切。因此，剪切稀化流体在适当增加的压力下特别容易通过缝114被分配。即使没有倾斜表面111的存在，也可以观察到这种效果，例如在由一个或多于一个台阶部近似替代倾斜表面111的情况下。

在适当的高压下，尽管具有相对高的粘度，即使非剪切稀化流体也可以通过缝114成功地分配。

在缝型模头腔113中可实现的通常压力包括超过例如2巴的压力。

缝型模头110还设置有缝型模头加热元件117，所述缝型模头加热元件117在本实施例中布置在缝114附近。缝型模头加热元件117向缝型模头腔113中的流体提供热量，尤其是向接近缝114的流体提供热量。缝型模头加热元件117可以例如是热电加热元件、电阻加热元件、或承载加热流体的通道，所述加热流体为例如从热流体源(未示出)供应的热水或热油。

尽管在每一半的缝型模头110上示出了三个这样的缝型模头加热元件117，总共六个，但这仅仅是示例性的，并且在替代布置中可以提供比这个数量更多或更少的缝型模头加热元件。例如，这种加热元件可以仅设置在缝型模头腔113的一侧或另一侧。

在本实施例中，缝型模头加热元件117相对于缝型模头腔113的顶部和底部近似均匀地间隔设置。因此，缝型模头加热元件117配置为能够将热量施加至缝型模头腔113的整个高度。在其它实施例中，缝型模头加热元件117可以集中在缝附近，或者可以仅设置在缝114附近，以及可在距离缝114相对更远的位置处密度较小地设置或甚至不存在。

如果缝型模头110由导热率相对较高的材料、例如铜或铝制成，则与缝型模头110由导热率相对较低的材料、如钢制成的情况相比，可以设置相对较少的缝型模头加热元件117。在后一种情况下，可以设置相对更多的缝型模头加热元件117。

在一些配置中，缝型模头110的外部可以隔绝热量损失，以提高缝型模头加热元件117加热缝型模头的效率。

缝型模头加热元件117能够升高缝型模头腔113中的流体温度，以在流体经由缝114挤出之前降低该流体粘度。因此，使用缝型模头元件117施加热量既可以控制流体通过缝，也可以降低以给定速率挤出材料通过缝114所需的压力。

在其它实施例中，缝型模头加热元件117可以遍布第一缝型模头部分111和第二缝型模头部分112中的一个或另一个地布置。

缝型模头110还设置有缝型模头振动器118a，所述缝型模头振动器118a位于第一缝型模头部分111上，并且通过耦接到缝型模头振动器驱动杆118b能够使第一缝型模头部分111相对于第二缝型模头部分112振动。在本实施例中，缝型模头振动器118a向缝型模头振动器驱动杆118b施加交替的推拉力，所述推拉力将缝114的边缘交替地推开和拉到一起。这种振动可以通过机械结构(例如通过与缝型模头振动器118b的位于缝型模头振动器118a内的端部接触的旋转凸轮)、电磁结构(例如通过对与缝型模头振动器驱动杆118b的位于缝型模头振动器118a内的那个端部耦接的螺线管进行交替驱动)、或通过压电结构(其中位于缝型模头振动器118a中的压电元件交替地推动或拉动缝型模头振动器驱动杆118b)来实现。其它振动机构也是可能的，包括将振动叶片定位在缝114的过量部处，或者简单地为整个缝型模头整体地提供机械振动。这种振动趋于破坏表面张力并使得材料能够更容易地通过缝114挤出。

振动、尤其是超声振动，也可用于在某些流体中引起稀化。在一些变型中，缝型模头振动器118a可以适于提供高频或超声振动以实现这一点。

缝型模头振动器118a的致动可用于降低通过缝114从缝型模头腔113挤出流体所需的压力，或者用于改变发生这种挤压的质量流量。

现在将使用图3并参照图1来解释设备100的层沉积操作。

在设备100的层沉积操作开始时，缝型模头110处于起始位置，使得缝134相对于井部124的顶部边界124a的左手侧(负Y方向侧)定位。经由泵(未示出)将期望的构造液泵送通过缝型模头入口端口115以填充缝型模头腔113，并且加热元件117和缝型模头振动器118a被启用。值得注意的是，取决于流体和所需的沉积速率，缝型模头加热元件117和缝型模头振动器118a不需要被致动，或者可以仅致动一个或另一个。在一些情况下，将材料泵送到缝型模头腔113并由此提升缝型模头腔113内的压力就足以实现从缝型模头腔113通过缝114挤出构造材料。

一旦材料的挤出开始，由于缝114相对于井部124的定位，首先挤出的材料落到倾斜表面124b上，并且通过重力作用被带走远离设备100的工作部件。一旦挤压已经开始，缝型模头滑架驱动部150就被致动以使得缝型模头110以受控的速度前进经过构建平台120，直到缝114位于井部124的顶部边界124a的最右侧(正X方向侧)。

现在参照图3，当缝型模头110沿方向A(其对应于图1中的X方向)运动时，挤出的材料M从缝114沉积到构建平台110上并形成沉积层L。

材料M的挤出速率可以与缝型模头110沿方向A的运动协调地控制，使得材料M的线性挤出速率基本上对应于缝型模头110沿方向A的运动速度或者基本上与其相同。这种协调的效果是材料M以类似于例如展开地毯的方式作为层L沉积到构建平台120上，使得没有剪切(或拖曳)力施加至层L的已经沉积的部分或施加至构建平台120。

一旦已经沉积了单个层，缝型模头110就可以通过缝型模头滑架驱动部150返回到初始(最左侧、负X方向)位置，并且可以沉积另一层。即使对于相对粘稠的沉积材料M，另外的层L也可以沉积在先前沉积的层L的顶部上，而不对先前沉积的层施加显著的力。

在图1和图3中，为了便于参照，夸大了缝114与平台120的间距。在一个实施例中，缝114可以在井部124的顶部上方仅间隔很短的距离。例如，缝114可以布置成高于井部124的顶部小于1毫米、小于500微米、小于300微米、小于200微米或小于100微米。

一旦已经沉积了第一层，为了允许足够的空间用于沉积另一层，在沉积下一层之前，构建平台120可以借助于构建平台升降机122缩回与层L的厚度相对应的短距离。

在一些配置中，构建平台120可在沉积第一层之前已经缩回对应于第一层的厚度的短距离，使得井部124的壁用于稳定第一层。在其它配置中，每个层都在井部壁的上方沉积，且然后井部124的壁随着层下降到井部中而使所述层稳定。

通过这样的工艺，可以依次沉积多层，而上层的沉积不会对先前沉积的层施加力并且基本上不干扰先前沉积的层。

在层沉积工艺中，可以选择挤出速率以施加厚度小于250微米、特别是小于100微米的层。在本实施例中，各层在相继层之间可以不具有均匀的厚度，而是层厚度可以根据需要改变。

通过利用与使用缝型模头振动器118a相关的剪切稀化效应或与使用缝型模头加热元件相关的热效应，可以增强这种工艺的避免最上层沉积对先前沉积层造成干扰的能力。

特别地，如果在挤出后不久挤出的材料M的粘度大于先前已沉积的材料的粘度，则先前沉积的层将对于在另一层的沉积期间施加的任何力更具弹性。

现在参照图1，可以理解的是，使用井部冷却元件125和/或平台冷却元件126可以有利于通过冷却先前沉积的层使得其粘度增加来增加先前沉积的层的粘度。这种方法也能有助于形成一系列稳定的层，不受另外的层L的沉积的干扰。

为此，气体供应单元170也可以在沉积操作期间在缝型模头110经过井部124期间被致动，以通过气体供应端口171喷射冷却气体。通过气体供应端口171施加冷却气体也可以提供在沉积一层时对该层快速冷却的效果，当缝型模头110沿缝型模头运动方向(X方向)行进跨过井部124时所述气体供应端口指向井部124。

替代地，缝型模头110的跨过井部124的没有利用气体供应单元170向沉积材料提供冷却的材料沉积通行可跟随有缝型模头110的之后的冷却通行，在该通过期间经由气体供应单元170和气体供应端口171供应冷却气体。在前面描述的其中气体供应端口布置在井部124上方并围绕井部124以将冷却气体从井部124周围的多个位置向内和向下引导到井部124的基本上整个敞开的顶部区域的变型实施例中，可以连续地提供冷却气体流。

因此，当构建平台120逐渐下降到井部124中时，所公开的设备100的多个特征能够实现在构建平台120上形成稳定的一系列层。

图4解释了投射单元160的操作。投射单元160具有投射单元孔161，辐射束R可以通过投射单元孔161投射到图像平面P上。图像平面P对应于沉积层L的厚度内的位于缝114与构建平台120之间的图像平面。图像平面P将通常对应于包含在最近沉积的层L内的平面。在图4中，层L显示为沉积在构建平台上表面121上，换言之，作为第一层。然而，图4中所示的层L同样可以很好地沉积在一个或多于一个先前沉积的层的顶部上，这通过应用先前描述的沉积工艺，基本上不受层L的沉积的干扰。

在关于图4的讨论中，假设层L由粘性液体构造材料M形成，该粘性液体构造材料可以通过施加辐射R而固化成固态。辐射R可以例如是紫外(UV)光。在其它实施例中，辐射R可以是极紫外(EUV)光、x射线辐射、伽马辐射、例如为电子束辐射的粒子辐射、红外或热辐射、或可见光。对辐射的类型没有特别限制，只要它可以以受控方式引导以选择性地照射最近沉积的层L。

如果辐射束R在层L的照射区上的强度均匀，则层L的整个照照区将变得固化。然而，在图4所示的配置中，辐射束R被选择性地施加至层L的特定区域B以仅固化那些特定区域，同时使特定的其它区域U不结合。在图4的示例中，辐射束R被图案化，使得区域B接收高剂量的辐射，并且区域U接收相对低剂量的辐射，其可以是无辐射剂量。因此，仅区域B被辐射固化成固态，而未结合区域U保持处于液态。可以调节辐射束R的强度，使得整个厚度的层L固化，并且还对下层中的先前固化的部分进行固化连接，而任何下面的层保持基本上未固化。

由于投射单元160可以通过投射单元驱动部190的作用在井部124(XY平面)上方的整个平面内在井部124上方运动，因此即使投射单元160在任何给定时刻可投射辐射R的投射区域会比井部124的横截面区域小得多，但通过使投射单元160在其运动平面(XY平面)内运动，辐射R也可以相继地施加至井部124内的层L上的一系列辐照区S，如图5所示。因此，可以固化井部124内的层L上的任何点。

如图5所示，辐照区S可以以网格或矩阵形式规则地排列并间隔开。然而，并非必须如此。

在图5的配置中，辐照区S之外的区域保持未结合，并且没有任何部分在横截面尺寸上比辐照区S大。因此，每个辐照区S可以对应于要制造的部分，由层L的结合区与层L下方的任何层的结合区一起形成。在这样的配置中，该部分的最大长度可与井部124的深度相对应，但是横截面尺寸在辐照区S的横截面尺寸内。

替代地，如图6所示，在步进-缝合(step-and-stitch)投射模式中，辐照区可以部分重叠或邻接，其中基本上整个层L可以暴露于辐射R。通过这种方法，辐照区S可以对应于尺寸大于单个辐照区S的尺寸的整体物体的一部分。

考虑到投射单元160的可在井部124上方运动的上述配置，也同样可使仅投射单元160的投射位置、例如投射孔161可在井部124上方运动，所述投射位置限定辐射束所源自的点。例如，辐射R所源自的辐射源可以设置在相对于井部124的固定位置处，或者甚至设置在设备100之外。辐射R在此可以经由合适的辐射导向器(例如波导、光纤、反射镜等)导向至投射孔161用于投射。通过导向器的适当配置，辐射源和相关的光学部件可以是固定的，但是辐射由此投射到层L的投射位置可以是可运动的。

在另一变型中，导向器中的一个或多于一个导向器可以沿投射位置的运动平面(XY平面)中或不同于投射位置的运动平面(XY平面)的平面中的路径或轴线运动，以便使辐射从辐射源来到投射位置。例如，导向器中的一个或多于一个导向器可以在垂直平面(XZ平面或YZ平面)中运动，或者沿平行轴线(X轴线、Y轴线)或垂直轴线(Z轴线)运动。在这样的配置中，导向器可以可运动地定位在井部124上方的投射位置在其中运动的区域的一侧或远离井部124上方的投射位置在其中运动的区域。可运动的投射位置可以由光学元件、例如投射透镜或中继反射镜限定。

在描述与图1至图6有关的设备时，已经假定投射单元160只能精确地照射小的辐照区S。在其它实施例中，可设置成投射单元160能够照射整个层L或基本上整个层L，而无需例如从中心照射位置移动，该中心照射位置可位于井部124的中心上方。在这样的配置中，投射单元160可以相对于设备主框架固定，并且然后，不需要设置投射单元驱动部190。然而，为了制造小部件，可能需要具有非常高分辨率的投射系统，在这种情况下，提供如关于图1至图6所示和所述的运动投射单元160可能更实际。

参照图4，投射单元160可以同时用辐射R照射基本上所有的辐照区S，或者至少可以同时向辐照区R内的不同分散位置提供辐射，从而高效地将图案图像施加至辐照区R。图7示出投射单元160的内部配置，该配置可以允许这种对辐照区S的同时照射。

在图7中，投射单元160包括照射源162，所述照射源162产生具有适当特性、例如能量、波长和/或强度的辐射R，以使形成层L的材料M固化。照射源162'可以是例如激光器或者发光二极管(LED)，且特别是可以是紫外激光器或紫外发光二极管(LED)。对于电子束辐射，照射源可以是电子束发生器。来自照射源162的辐射R通过成形透镜163成形以形成准直射束，该准直射束照射空间光调制器164。

空间光调制器164用作图案化元件以限定照射和非照射区的图案。例如，空间光调制器可以提供可运动的反射镜的矩阵，所述可运动的反射镜可在第一方位与第二方位之间运动，第一方位将来自照射源162的辐射R偏转到相对于投射单元160的光轴AX成大的角度，以及另一方向，沿所述另一方向，辐射沿光轴AX或与光轴AX成小角度地定向。然而，在本领域中也已知其它各种空间光调制器、例如那些使用可变透射掩模的空间光调制器被用于图案化辐射束，并且也可以应用于所公开的配置。

相对于光轴AX成小角度定向的辐射R由第一投射光学元件165捕获，所述第一投射光学元件165引导辐射R通过最终投射元件166。最终投射元件166布置在投射孔161中以在层L处形成空间光调制器164的图像。

因此，空间光调制器164限定图案或图像，该图案或图像通过包括第一投射元件165和最终投射元件166的投射光学器件传递到层L上。然而，投射光学器件的精确结构仅是示例性的，而如本领域技术人员将充分理解的那样，使得图像能够由空间光调制器164限定然后投射到平面上的其它光学布置是可行的。

相应地，投射单元160可以实施为数字光处理器(DLP)。

当使用带电电磁辐射、例如紫外辐射或可见光辐射时，可以采用图7中所示的投射单元160的概念。特别地，紫外辐射或可见光辐射容易被镜面反射，且因此紫外辐射或可见光辐射容易被包括可运动的反射镜的空间光调制器图案化。

然而，参照图8，可以使用替代类型的投射单元160'代替投射单元160。投射单元160'还包括产生辐射束R的照射源162'。照射源162'产生辐射，所述辐射由射束成形光学器件163'成形，以提供窄直径的准直射束。例如，射束成形光学器件163'可以获取照射源162'的输出，并且可以产生圆形或高斯形式的辐射束R。这种射束可以例如是在直径方面小于10微米或在直径方面小于1微米。

然后通过折叠镜164'的作用将辐射束R带到第一转向镜165'上，第一转向镜165'以可变角度沿第一方向偏转射束，以便围绕第一轴线扫描射束。第一转向镜165'可以是例如检流计扫描仪。来自第一转向镜165'的射束然后被带到第二转向镜166'，第二转向镜166'使辐射束R绕第二轴线偏转，第二轴线可以垂直于第一转向镜165'的第一轴线。第二转向镜166'也可以是检流计扫描仪。然后在射束R施加至层L之前，将辐射束R引导通过孔161'。

使用投射单元160'的配置，辐射束R不能在单一时刻照射整个辐照区S，而是可以在相继的时刻引导至辐照区S内的任何点。因此，辐射束R可以例如以栅格方式扫描辐照区S，在第一转向镜164'和第二转向镜165'的导向下逐行地逐渐扫描。通过在辐照区S上以栅格方式进行射束扫描，以选择性地照射层L于辐照区中的部分，当射束被扫描时，照射源162'本身可以是脉冲的。替代地，折叠镜164'可以在第一位置和第二位置之间切换，在第一位置，射束被引导到第一转向镜165'，在第二位置，射束被引导远离第一转向镜165'，从而选择性地中断辐射束R。

在变体配置中，射束是可操纵的以在层L上定义矢量图案而不是栅格图案。

当使用例如为电子束辐射的带电粒子辐射时，可以采用图8中所示的投射单元160'的概念。特别是，电子束辐射很容易被磁场偏转，且因此电子束辐射很容易在整个投射区域上扫描。

图7和图8的配置是示例性的，并且在本领域中可获得用投射单元选择性地照射层的各部分的其它方法。

图9A示出了基于图4的配置的变型实施例，其中可以根据图7或图8的原理操作的投射单元260例如设置有气体罩267。气体罩267为杯状构件，其是可定位的以围绕由投射单元260投射的辐射束R的至少一部分。

气体罩267是可定位的，使得在罩的下表面267a和沉积层L之间存在通常在1cm至1mm之间的小间隙G。

气体罩267具有由下表面267a定界的下开口267b。气体罩267还具有由气体罩267的上表面267d定界的上开口267c。下开口267b被适当地成形和设置尺寸以围绕辐射束R的整个预期投射区域上方的区域。上开口267a在本实施例中成形和设置尺寸成围绕投射单元260的至少一部分。上开口267a可以例如紧密地配合或密封抵靠投射单元260的一部分。相应地，气体罩267基本上包围投射单元267和层L之间的整个辐射束R。

与气体供应单元170类似，气体罩267连接到气体供应源(未示出)，该气体供应源可以设置在设备中或者可以作为对于设备的协助机构提供，例如作为设置在其中安装有该设备的设施处的压缩空气管线或干燥氮气管线。气体罩267具有一个或多于一个气体供应端口268，所述气体供应端口268允许气体从气体供应源供应至罩267的内部。每个气体供应端口268可设置有多孔构件(未示出)，例如多孔陶瓷板，以扩散气体的流动。这样的配置可以避免罩内的可对层的材料造成干扰的湍流。

气体罩267可以以固定配置布置到投射单元260的本体，或者可以是可缩回的。在本实施例中，气体罩267是可缩回的。特别地，气体罩267可以通过设置在投射单元260的本体和气体罩267之间的缩回单元269缩回。这里，缩回单元269是例如通过杆或缆线连接到气体罩267下端的单元，所述单元通过在气体罩267的下端施加向上的力，使气体罩267的下表面267a沿着图9A中未标记的箭头的方向从层L竖直地上升。在该实施例中，气体罩267的顶部附接到投射单元260，并且气体罩267的至少侧壁367e具有柔性或波纹管构造，使得气体罩267可以从图9A中所示的伸展状态缩回到紧凑状态。用于缩回气体罩267的其它配置是可能的。

可以致动缩回单元267以使气体罩267升高远离层L，使得缝型模头110可以从下方通过。因此，当缝型模头110在投射单元260和构建平台121之间通过时，可以避免气体罩267和缝型模头110之间的机械干扰。

在替代配置中，整个投射单元260可以是可缩回的以避免气体罩267之间的干扰，或者气体罩267可以不是柔性的或波纹管结构，而是可以是刚性的并且通过从投射单元260下方提升而缩回。

当气体、可选地冷却气体以及可选地非氧化或惰性气体(例如氮气)经由气体端口268引入到气体供应罩的内部时，在施加辐射束R时可以获得层L的改善的固化行为。特别是，特定的可辐射固化的聚合物在没有游离氧的情况下更均匀和可重现地固化。相应地，可以避免固化过程中的畸变，并且可以减少不完全或过度固化的发生。而且，由于固化过程可以对层L加热，因此通过端口268引入的冷却气流能够从层L去除多余的热量。

图9B示出了基于图9A的配置的另一变型实施例，其中投射单元360设置有替代配置的气体罩367。气体罩367类似于图9A中所示的气体罩267，为杯状构件，所述杯状构件可定位成围绕由投射单元360投射的辐射束R的至少一部分。与图9A中所示的气体罩267一样，气体罩367具有一个或多于一个气体供应端口368，所述气体供应端口368允许将气体从气体供应源供应至罩367的内部。

然而，气体罩367在下表面和上表面之间比图9A中所示的气体罩267短，且因此仅围绕辐射束R的下部。气体罩367具有由下表面367a定界的下开口367b，以允许辐射束R和气体罩中的气体到达层L。气体罩367还具有上开口367c，所述上开口由气体罩367的上表面367d定界。下开口367b被适当地成形和设置尺寸以围绕整个预期投射区域上方的区域。在本实施例中，上开口367a被成形和尺寸设置成允许辐射束R通过。

而且，在本实施例中，上开口367a设置有透辐射构件367f，以允许辐射束R通过，同时避免气体从罩内逸出。例如，透辐射构件367f在这里显示为透明板，例如石英或萤石板。

在其它实施例中，如果气体逸出不被认为是问题，则开口367c可以保持未被阻挡。替代地，可不存在开口367c，而是整个气体罩367或适当的部分、例如气体罩367的上表面367d可被制成透辐射。例如，气体罩367可以由石英或萤石制成，或者可以具有石英或萤石上部或盖子。

与气体罩267相比，气体罩367经由缩回单元369在层L上方以小间隙G悬置，所述缩回单元布置在投射单元360的本体和气体罩367之间。与气体罩267一样，就气体罩367而言，间隙G通常可以在1cm至1mm之间。可以致动缩回单元369以使整个气体罩367升高远离层L，使得缝型模头110可以从下方通过。在这种配置中，气体罩367不需要是部分或全部柔性的或具有波纹管构造，而是可以是刚性的。

在图9B中，气体罩367由投射单元260支撑，但是在变型实施例中，气体罩367可以由另外的构件单独支撑。例如，可以设置与投射单元驱动部190类似的机构，用于在适当的时间在预期的投射区域上方引入和移除气体罩367。

如在图9A的配置中那样，当缝型模头110在投射单元260和构建平台121之间通过时，可以避免气体罩267和缝型模头110之间的机械干扰。

相应地，通过使用缝型模头110沉积一层可辐射固化的材料，且然后通过用投射单元160相继地选择性固化该层的各部分，并通过重复该过程，使得逐层建立物体，每层的部分结合在一起并与位于下方的层的部分结合，可以构建整个物体。使用所公开的配置，即使在沉积上层时也避免了对下层中未固化材料的干扰。

另外，通过使用投射单元160来限定沉积层L内的结合区域的图案，可以采用多种暴露技术来减少变形。特别地，当大面积的层L一起固化时，固化部分可能趋于收缩或膨胀，导致畸变。相应地，可以采用一种方法，其中，不是单次暴露辐照区，而是可以执行单个辐照区的多次暴露，其中辐照区内的整体连接的图案是由一系列图像构建的，所述图像在叠加时形成连接的结构。这种方法可具有减少整体畸变的优点。

例如，如果要在辐照区S内固化圆形区域C，如图10A所示，例如，可以在圆C内定义棋盘图案，然后棋盘图案的偶数方块1可以首先在第一部分暴露中被照射，且然后棋盘的奇数方块2可以在叠加在第一部分暴露上的第二部分暴露中暴露。奇数方块2的固化将偶数方块中的先前固化的材料连接在一起。在一些情况下，棋盘图案的方块可以对应于要经由投射单元160投射的整体图像的像素。此外，通过应用这种方法，可以减少或消除由于固化引起的层内的总收缩程度和总体产生的力。与在单次暴露中固化整个圆C相比，这可以减少畸变。

在另一种方法中，如图10B所示，叠加了多个图像，每个图像包含定义圆C的像素n_i的伪随机子集。其它方法也是可能的。同样通过这种方法，可以减少或消除由于固化引起的层内的总收缩程度和总体产生的力，并且可以减少畸变。

图11示出了显示设备100的整体控制的控制示意图。图11中所示的控制示意图可以作为分立硬件提供，或者可以作为整体工业控制系统或微计算机内的集成或分立软件模块提供。

整体系统控制单元CONT经由通信接口COMM接收关于设备100的操作的指令。通信链路COMM可以是到包括用于设备100的操作的指令的客户端计算机的网络链接，其可以包括例如对象定义数据，所述对象定义数据例如将对象定义为要沉积且然后根据对象定义数据有选择地按序结合的一系列层L。对象定义数据可以例如是图像序列，或者可以替代地是体素数据或者对象定义数据的本领域可已知的其它种形式。替代地，通信链路COMM可以是连接到向用户提供交互式设备控制会话的交互式输入/输出装置的总线。替代地，通信链路COMM可以是带有本地存储器或工业控制器的链路，其提供用于设备100的操作的指令。这些指令可以一起形成例如定义要执行的操作序列的方法。

控制单元CONT连接到投射控制器PROJ，投射控制器PROJ控制投射单元驱动部190以及投射单元160。相应地，投射控制单元PROJ控制投射单元160的位置以及待投射到任何给定辐照区S的图案以及例如投射单元160的操作的其它方面，例如暴露时间、适当时的扫描速率、适当时的辐射波长或能量、辐射束尺寸和形状、以及其它辐射特性。此外，投射控制器PROJ可以被配置为将要投射的大图像打破成一系列较小的图像以部分地叠加以用于如图6所示的步进-缝合方法，或者可以将辐照区S打破成如参照图10A和10B所描述的上下叠加的部分图像。

控制单元CONT还连接到泵控制器PUMP，所述泵控制器PUMP控制泵(未示出)的就以下方面的操作，例如，输送到缝型模头110的材料的质量流量或者在泵内部或缝型模头腔113内部获得的压力。

控制单元CONT还连接到缝型模头驱动控制器DRIVE，所述缝型模头驱动控制器DRIVE控制缝型模头滑架驱动部150以沿着运动方向定位缝型模头110。

控制单元CONT可以协调泵控制器PUMP和缝型模头驱动控制器DRIVE的操作，以实现如结合图3所解释的材料M的挤出速率和缝型模头110的运动速度之间的对应性。

控制单元CONT还连接到加热器控制器HEAT、振动控制器VIB和冷却控制器COOL，它们相应地控制缝型模头加热元件117、缝型模头振动器118a、以及平台冷却元件126和井部冷却元件125还有气体供应单元170，以实现适当的层沉积工艺参数。

图12中示出了图中的设备100的操作的流程图，并描述如下。

在层沉积步骤S1中，可辐射固化的构造材料利用缝型模头在支撑表面上方挤出，同时使所述缝型模头沿运动方向在所述支撑表面上方并跨过所述支撑表面地相对运动，以在所述支撑表面上方沉积挤出的构造材料层，如结合图1至图3所解释的那样。

在固化步骤S2中，将辐射选择性地投射到支撑表面和缝型模头之间的构造区域，从而将挤出的构造材料的各部分固化以限定形成物体的一部分的挤出层的区域，如结合图4至图8和图10所解释的那样。

在分离步骤S3中，缝型模头和支撑表面沿缝型模头和支撑表面之间的分离方向运动，如结合图1至图3所解释的那样。

重复步骤S1至S3，直到通过构造材料的在各层上和在各层之间延伸的邻接固化部分形成所需物体。

该设备和方法特别适用于沉积金属或陶瓷粉末颗粒的悬浮液。特别地，该设备和方法适用于分散在可固化的、特别是可紫外线固化或可电子束固化的液相中的碳化物、氧化物或氮化物陶瓷。一种示例性悬浮液是将这些颗粒悬浮在可选地含有光引发剂的单体和/或低聚物的液体混合物中，其固化以形成聚合物。这种悬浮液通常是高粘度的并且难以经由传统的液体沉积手段处理。在悬浮液中，颗粒的平均直径可小于5微米，或甚至小于2微米。采用这种材料作为构造材料可以提供一种方法和设备，该方法和设备可以形成固化物体，该固化物体之后可烧结在一起以提供金属或陶瓷部件，其中在烧结过程期间大部分或基本上所有的可固化粘合剂被除去或降解。当粉末颗粒是陶瓷颗粒时，可以替代地使用陶瓷的其它示例，例如硼化物和硅酸盐，但不限于此。

该方法的优点在于，未固化的液体可以简单地被移除和重复使用，而固化的物体原则上可以从液体中移除，并且在清洁之后立即投入使用。

以上公开内容纯粹是示例性的，并且可以由本领域技术人员依照当地要求和工程实践以及材料和部件的可用性进行修改。相应地，认为本发明仅由所附权利要求的精神和范围限定。

Claims (62)

1.一种增材制造设备，所述设备包括：

支撑表面(120)；

具有内腔(113)的缝型模头(110)，所述内腔与形成在所述缝型模头的下表面中的缝连通；

滑架(130)，其支撑缝型模头并且布置成使得缝型模头能够沿运动方向跨过支撑表面地且在支撑表面上方运动；

驱动机构(150)，其布置成能够驱动滑架沿所述运动方向的运动；

投射单元(160)，其用于将辐射选择性地投射到支撑表面与缝型模头之间的构造区域；以及

控制器，其配置成能够至少控制驱动机构，

其中，缝型模头和支撑表面能够沿缝型模头与支撑表面之间的分离方向相对运动,

其中，缝由两个缝半部限定，缝型模头设置有用于使缝的边缘相对于彼此振动的振动器。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，缝型模头设置有用于至少加热缝型模头的限定出缝的一部分的加热单元。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备设置有用于从构造区域移除热量的冷却单元。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，冷却单元包括至少一个气体供应端口，所述气体供应端口能够连接到气体源并且布置成能够将气体吹向构造区域。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，缝沿缝定向方向定向，运动方向垂直于所述缝定向方向。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，分离方向垂直于缝定向方向和运动方向中的每一个。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，支撑表面是平坦的并且限定出与分离方向垂直的平面。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述平面平行于缝定向方向和运动方向。

9.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备包括泵，所述泵能够连接到构造材料的储存器，缝型模头具有连接到所述泵的入口端口。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，控制器配置成能够控制泵以使构造材料以预定速率挤出。

11.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，控制器配置成能够控制挤出的体积速率和滑架的运动速率彼此成比例。

12.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，控制器配置成能够控制挤出的线性速率和滑架的运动速率彼此相等。

13.根据权利要求中1或2所述的设备，其特征在于，投射单元包括辐射源、图案化单元以及投射光学器件，所述辐射源用于产生辐射束，所述图案化单元由所述辐射束照射以用于图案化所述辐射束，所述投射光学器件用于将图案的图像投射到限定在支撑表面和缝型模头之间的一平面以选择性地将辐射施加至所述平面。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，图案化单元是空间光调制器。

15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，图案化单元是数字光处理器。

16.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，投射单元包括辐射源和扫描光学器件，辐射源用于产生辐射束，所述扫描光学器件用于跨过限定在支撑表面和缝型模头之间的一平面地扫描辐射束以选择性地将辐射施加至所述平面。

17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，辐射束是间歇式辐射束，扫描能够选择性地将辐射作为栅格图像施加至所述平面。

18.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，扫描能够选择性地将辐射作为矢量图像施加至所述平面。

19.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，辐射束是电子束。

20.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，辐射是紫外光辐射或可见光辐射。

21.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备包括井部和升降机构，支撑表面能够借助所述升降机构沿分离方向运动到所述井部中。

22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，井部具有内壁，支撑表面设置有边缘密封件以靠在所述内壁上密封。

23.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，井部的顶部被倾斜表面围绕，所述倾斜表面远离井部的顶部向下倾斜。

24.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，井部设置有用于冷却井部的壁的一个或多于一个冷却元件。

25.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，支撑表面设置有用于从支撑表面移除热量的一个或多于一个冷却元件。

26.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，所述一个或多于一个冷却元件包括能够连接到冷却剂源并设置成能够承载冷却剂的通道。

27.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，所述一个或多于一个冷却元件包括热电冷却器。

28.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，井部具有恒定的横截面，支撑表面具有与井部的横截面对应的形状。

29.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，井部的横截面为矩形。

30.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，控制单元配置为能够依据驱动机构控制投射单元，以跨过支撑表面地在不同时刻投射一系列不同的部分图像，每个部分图像与一个或多于一个其它部分图像重叠。

31.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，控制单元配置为能够控制投射单元，使得每个部分图像都包括孤立的像素，并且使得当部分图像重叠时，所述孤立的像素通过多个部分图像中的其它部分图像连接。

32.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，控制单元配置为能够控制投射单元，使得部分图像中的每一个都具有与多个图像中的其余图像的一个或多于一个图案组合的图案，以形成均匀辐照的区域。

33.根据权利要求32所述的设备，其特征在于，所述图案是伪随机图案。

34.根据权利要求32所述的设备，其特征在于，所述图案是棋盘图案。

35.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述增材制造设备适用于相继地沉积粘性的构造材料的层以形成物体，粘性的构造材料是颗粒材料在可辐射固化的液体介质中的悬浮液。

36.根据权利要求35所述的设备，其特征在于，液体介质是可聚合的。

37.根据权利要求35所述的设备，其特征在于，颗粒材料是陶瓷。

38.根据权利要求35所述的设备，其特征在于，颗粒材料是金属粉末。

39.根据权利要求35所述的设备，其特征在于，颗粒材料的平均直径小于5微米。

40.根据权利要求35所述的设备，其特征在于，可辐射固化的液体介质是紫外光可固化的或可见光可固化的。

41.根据权利要求35所述的设备，其特征在于，可辐射固化的液体介质是电子束可固化的。

42.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，投射单元配置为能够投射具有优于10微米的分辨率的图像。

43.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，投射单元由另外的滑架支撑，所述另外的滑架布置成使得投射单元的投射位置能够沿运动方向和与运动方向垂直的横向方向跨过支撑表面地且在支撑表面上方运动，所述设备包括另外的驱动机构，所述另外的驱动机构设置成能够驱动所述另外的滑架沿运动方向和横向方向的运动。

44.根据权利要求1或2所述的设备，所述设备还包括用于将气体供应至投射单元的投射区域的气体罩。

45.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，气体罩从投射单元悬置。

46.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，气体罩能够远离支撑表面缩回。

47.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，气体罩设置成基本上围绕从投射单元投射的辐射的至少一部分。

48.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，气体罩具有下开口，所述下开口布置成面向投射区域。

49.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，气体罩具有用于允许从投射单元投射的辐射通过的上开口。

50.根据权利要求49所述的设备，其特征在于，上开口设置有透辐射板。

51.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，气体罩的上部是透辐射的，从而允许从投射单元投射的辐射通过。

52.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，气体罩配置为能够供应惰性气体。

53.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，气体罩配置为能够供应冷却气体。

54.根据权利要求37所述的设备，其特征在于，颗粒材料是氮化物、氧化物或碳化物陶瓷。

55.根据权利要求39所述的设备，其特征在于，颗粒材料的平均直径小于2微米。

56.一种由按顺序沉积的构造材料层形成物体的方法，所述方法重复地包括：

利用缝型模头在支撑表面上方挤出可辐射固化的构造材料，同时使缝型模头沿运动方向跨过支撑表面并且在支撑表面上方相对运动，以在支撑表面上方沉积挤出的构造材料层；

选择性地将辐射投射到支撑表面和缝型模头之间的构造区域，从而将挤出的构造材料的各部分固化以限定挤出层的形成物体的一部分的区域；以及

使缝型模头和支撑表面沿缝型模头与支撑表面之间的分离方向相对运动，

其中缝由两个缝半部限定，缝型模头设置有用于使缝的边缘相对于彼此振动的振动器。

57.根据权利要求56所述的方法，其特征在于，粘性的构造材料是颗粒材料在可辐射固化的液体介质中的悬浮液。

58.根据权利要求56所述的方法，其特征在于，颗粒材料是陶瓷或金属粉末。

59.根据权利要求57或58所述的方法，其特征在于，液体介质是可辐射固化的以形成聚合物。

60.根据权利要求57-58中任一所述的方法，其特征在于，颗粒材料的平均直径小于5微米。

61.根据权利要求56-58中任一所述的方法，其特征在于，辐射是紫外光辐射、可见光辐射或电子束辐射。

62.根据权利要求60所述的方法，其特征在于，颗粒材料的平均直径小于2微米。

Images