CN109689251B - 用于实体自由成形制造的多腔室沉积设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于实体自由成形制造的腔室系统，该腔室系统具有沉积腔室、维修腔室和一个或多个装载/卸载腔室。该腔室系统允许更有效和成本有效的工艺来维修沉积设备、装载保持基板和卸载工件，而不需要调整沉积腔室中的环境。

Description

用于实体自由成形制造的多腔室沉积设备

技术领域

本发明涉及一种用于通过实体自由成形制造(solid freeform fabrication)来制造物体、尤其是钛和钛合金物体的方法和装置。

背景技术

具有精确尺寸公差的金属部件可以由钛制成，或者钛合金通常通过铸造、锻造或从坯料加工制成。这些技术在金属部件的制作中可能需要大量生产周期或昂贵的钛金属的高材料使用或这两者。

完全致密的实物物体可以通过被称为快速成型、快速制造、分层制造、实体自由成形制造(SFFF)、增材制作、增材制造和3D印刷制造技术制成。该技术采用计算机辅助设计(CAD)软件来首先构建要制作的物体的虚拟模型，然后将虚拟模型转换成通常水平定向的薄的平行切片或层。然后可以通过例如从熔化的焊丝铺设液体、糊剂、粉末形式或其它可成层、可涂抹或流体形式(诸如熔化的金属)的原始材料的连续层来制作，或者预成型为类似虚拟层的形状的板材直到形成整个物体。这些层可以熔合在一起形成固体致密物体。

实体自由成形制造是一种灵活的分层制造技术，其允许以相对快的生产速率(对于每个物体通常从几分钟到几天不等)形成几乎任何形状的物体。因此，该技术适用于原型和小型生产系列的形成，并且可以按比例增大以进行批量生产。

分层制造技术可以扩展到包括多个建筑材料件的沉积，即，物体的虚拟模型的每个结构层被分成一组材料件，该组材料件在并排铺设时形成该层。这允许通过根据金属物体的虚拟分层模型在形成每一层的连续条纹中将焊丝焊接到基板上并且对每一层重复该工艺直到形成整个实物物体来形成该物体。焊接技术的精确度通常太粗糙而不允许直接形成具有可接受尺寸的物体。因此，所形成的物体通常被认为是需要加工成可接受的尺寸精确度的坯体或预制件。

Taminger和Hafley(“用于成本有效的近净形制造的电子束自由形态制作(Electron Beam Freeform Fabrication for Cost Effective Near-Net ShapeManufacturing)”，NATO/RTOAVT-139关于经由净形加工进行成本有效制造的专家会议(于2006年在荷兰阿姆斯特丹召开(北约))公开了一种用于直接从计算机辅助设计数据结合电子束自由形态制作(EBF)制造结构金属部件的方法和装置。结构部件通过焊接在金属焊丝的连续层上构建，该金属焊丝通过由电子束提供的热能焊接。EBF工艺涉及将金属焊丝熔化成熔池，该熔池由高真空环境中的聚焦电子束制造并维持。通过由四轴运动控制系统使电子束枪和支撑基板的致动器沿一个或多个轴线(X、Y、Z和旋转)可移动地铰接并调节电子束枪和支撑基板的位置来获得电子束和焊丝的定位。据报道，该工艺在材料使用方面几乎100％有效，而在功率使用方面有效率为95％。该方法可以用于块状金属沉积和更精细的沉积，并且该方法据称与加工金属部件的常规的方法相比对于缩短生产周期和降低材料和加工成本具有显著影响。电子束技术的缺点在于沉积腔室中的真空度高达10^-1Pa或更低。

已知(例如，参见Adams的美国专利公开第2010/0193480号)使用TIG焊炬通过SFFF构建物体，其中具有低延展性的连续金属原料材料层被施加到基板上。通过使用电弧电极激励流动的气体来形成等离子体流，该电弧电极被供应可变幅度的电流。在沉积之前，将等离子体流引导至预定目标区域以预热预定目标区域。调整电流并将原料材料引入等离子体流中以将熔融原料沉积在预定目标区域中。调整电流并使熔融原料在冷却阶段中在高温下(通常高于原料的脆性-延性转变温度)缓慢冷却以使材料应力的发生最小化。

Withers等人(美国专利公开第2006/185473号)还描述了使用TIG焊炬代替传统上用于实体自由成形制造(SFFF)工艺的昂贵激光器，并且通过以显著降低原始材料的成本的方式组合钛进料和合金成分具有相对较低成本的钛进料。Withers等人还描述了使用与形成焊丝的合金元素混合的钛海绵体材料，其中它可以在SFFF工艺中与等离子焊炬或其它大功率能量束结合使用以产生近净形钛部件。

Abbott等人(WO2006/133034，2006年)描述了使用激光器/电弧混合工艺制造复杂三维形状的直接金属沉积工艺，其包括以下步骤：提供基板并使用激光辐射和电弧在基板上沉积金属原料的第一熔融金属层。通过使用金属原料作为电极，可以提供气体保护金属电弧焊中的电弧。Abbott等人教导使用激光辐射结合气体保护金属电弧焊稳定电弧并据称提供更高的沉积速率。Abbott等人利用由焊丝引线器引导和从焊丝引线器引出的自耗电极。自耗电极的金属在末端熔化，并且通过将端部定位在沉积点上来沉积熔融金属。用于熔化自耗电极的所需热量通过在电极的尖端与工件/沉积基板之间膨胀的电弧以及通过激光器照射沉积区域来供应。通过熔化由电弧加热的自耗电极进行焊接被称为气体保护金属电弧焊(GMAW)，其在使用非活性气体来制造电弧的情况下也称为金属惰性气体保护焊(MIG焊接)。

加热到400℃以上的钛金属或钛合金在与氧气接触时可能会发生氧化。因此，需要保护通过分层制造形成的焊缝和受热物体以防止受到环境大气中的氧气的影响。WO2009/068843公开了一种用于焊接的惰性气体保护罩，其产生保护惰性气体的均匀流出物。通过将护罩放置在需要保护的物体上方，惰性气体的均匀流动将取代环境大气而不会形成涡流，该涡流可能会夹带环境含氧气体。保护罩可以形成为中空盒，惰性气体进入该中空盒内部并被允许通过在盒子的一个壁中形成的一组狭窄开口从盒子内部逸出。防止钛氧化的另一种解决方案是在真空下进行沉积工艺。

对于上述工艺，所使用的设备通常包括需要排出或者每次装载或卸载时以及在可以开始沉积之前必须更换环境的单个腔室。类似类型的单腔室设备也用于涂覆和加热工艺。一些示例包括美国专利第4,328,257中公开的那些示例，该专利公开了用于等离子体涂覆的单腔室设备。美国专利申请公开第2005/0173380号公开了一种配备有用于完成沉积的电子束枪的单个真空腔室。美国专利申请公开第2002/0139780号公开了一种用于焊接沉积的单腔室设备。

要解决的问题是沉积工艺的速度以及每次装载或卸载新基板时腔室的排出所产生的费用。而且，在等离子电弧沉积期间，重要的是能够控制腔室和设备的温度以防止过热。必须实现温度控制，同时仍然通过防止与氧气接触来防止加热到400℃以上的钛金属或钛合金发生氧化。

因此，需要一种腔室沉积系统，其提供解决一个或多个上述问题的更有效且成本有效的工艺。这可以进一步导致直接金属沉积成形产品的产量和产率增加而没有氧化的风险。

发明内容

本发明的目的是提供一种设备来允许使用直接金属沉积或SFFF形成的产品的产量和产率增加而不必花费时间和费用来每次对沉积设备进行必要维修或者每次保持基板装载或从沉积腔室卸载工件都要更换沉积腔室中的环境(atmosphere，气氛、气体)。

本发明的另一目的是提供一种用于以钛或钛合金快速分层制造物体的设备。

本发明解决了对执行直接金属沉积的一种改进的、经济的方法的需要。本发明还解决了对提高直接金属沉积成形部件的产量和产率的方法的需求。

本文提供了一种用于具有一个或多个独立控制的装载/卸载腔室的固体自由形态制造的腔室系统。该腔室系统可以包括至少一个独立控制的沉积腔室，该沉积腔室包括沉积设备和用于控制基材的位置和移动的致动器。一个或多个门将沉积腔室与一个或多个装载/卸载腔室中的每一个连接。可选地，独立控制的维修腔室可以连接到沉积腔室，该维修腔室的尺寸适于容纳沉积设备。

一个或更多个装载/卸载腔室中的每一个可以包括一个或多个门以提供通向装载/卸载腔室的入口。传送机或类似系统可以位于每个装载/卸载腔室内部。而且，每个装载/卸载腔室可以配备有一个或多个通风口。一个或多个通风口可以位于装载/卸载腔室的上部，而一个或多个通风口可以位于装载/卸载腔室的底部。位于上部的一个或多个通风口可操作地连接到真空泵和空气供应装置。位于底部的一个或多个通风口可操作地连接到真空泵和惰性气体源或惰性气体混合物源。两个装载/卸载腔室可以在它们之间共享一个壁。而且，两个装载/卸载腔室中的每一个可以包括具有沉积腔室的公共壁。

沉积腔室还可以包括位于沉积腔室的上部的一个或多个通风口和位于沉积腔室的底部中的一个或多个通风口。与装载/卸载腔室类似，位于上部的一个或多个通风口可以操作地连接到真空泵和空气供应装置，而位于底部的一个或多个通风口可以操作地连接到真空泵和惰性气体源或惰性气体混合物源。沉积腔室还可以包括一个或多个观察通道。沉积腔室可以包括具有风扇和热交换器的再循环系统。

维修腔室可以与沉积腔室和沉积设备对齐，使得沉积设备可以移入和移出维修腔室而不移除或弯折送丝系统。维修腔室还可以包括位于维修腔室的上部的一个或多个通风口和位于维修腔室的底部中的一个或多个通风口。位于上部的一个或多个通风口可以操作地连接到真空泵和空气供应装置，而位于底部的一个或多个通风口可以操作地连接到真空泵和惰性气体源或惰性气体混合物源。维修腔室可以包括入口通道。维修腔室还可以包括一组手套。

本文还提供了操作用于SFFF的腔室系统的方法。操作用于实体自由成形制造的腔室系统的方法可以包括用惰性环境(inert atmosphere)独立地更换腔室系统的沉积腔室中的环境；将第一保持基板转移到位于沉积腔室内部的致动器上，同时保持沉积腔室中的惰性环境；执行实体自由成形制造以形成第一工件；以及将第一工件移出沉积腔室，同时保持沉积腔室中的惰性环境。腔室系统可以包括至少两个装载/卸载腔室和维修腔室，该两个装载/卸载腔室和维修腔室中的每一个通过一个或多个独立开口与沉积腔室连通。沉积腔室、至少两个装载/卸载腔室和维修腔室中的一个或多个具有一个或多个门以密封一个或多个开口。可以独立地控制沉积腔室、第一和第二装载/卸载腔室以及维修腔室中的每一个。可以使用一个或多个传感器来控制沉积腔室、第一和第二装载/卸载腔室以及维修腔室中的每一个的一个或多个门。如果一个或多个传感器检测到至少一个门未正确密封关闭，则可以停止实体自由成形制造。

该方法还可以包括将第一保持基板装载在位于第一装载/卸载腔室内部的传送机上；用与沉积腔室中相同的惰性环境更换第一装载/卸载腔室中的环境；以及在将保持基板转移到致动器上期间并且在实体自由成形制造期间，将环境保持在第一装载/卸载腔室内部。该方法还可以包括将第二保持基板转移到第二装载/卸载腔室的传送机上，同时保持第一装载/卸载腔室中的惰性环境；用与沉积腔室中相同的惰性环境更换第二装载/卸载腔室中的环境。可以通过将第一工件移出沉积腔室并使其进入第一装载/卸载腔室来卸载第一工件，同时保持第一装载/卸载腔室中的惰性环境；密封第一装载/卸载腔室以与沉积腔室密隔离；用外界空气(ambient air，周围空气)更换第一装载/卸载腔室中的惰性环境；以及从装载/卸载腔室卸载工件。在密封第一装载/卸载腔室以与沉积腔室隔离之后，可以将第二保持基板从第二装载/卸载腔室转移到致动器上，同时保持沉积腔室中的惰性环境。

本发明的附加特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分地从描述中显而易见，或者可以通过实践本发明来了解。本发明的目的和其它优点将通过书面说明书及其权利要求以及附图中特别指出的结构来实现和获得。

应当理解的是，前面的一般性描述和具体实施方式都是示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。

附图说明

被包括在内以提供对本发明的进一步理解并且被并入并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1是根据示例性实施例的腔室系统的说明性示意俯视图，其中沉积设备位于沉积腔室内部。

图2是根据示例性实施例的腔室系统的说明性示意俯视图，其中沉积设备位于维修腔室内部。

图3是可以用于冷却腔室(例如，沉积腔室)的环境的再循环系统的示意图。

图4是示例性实施例中(诸如在沉积腔室中)的通风口的布置的示意图。

图5A和图5B是装载/卸载腔室与沉积腔室之间的转移机构的示例性实施例。

具体实施方式

A.定义

除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的技术人员所理解的相同的含义。除非另有说明，否则本文整个公开内容中提及的所有专利、专利申请、公开的申请和公开物、网站和其它公开材料都通过引用整体并入。如果本文的术语有多个定义，则本节的这些定义优先。在参考URL或其它这样的标识符或地址的情况下，应当理解的是，此类标识符可以改变并且因特网上的特定信息可能变来变去，但是可以通过搜索因特网找到等同的信息。另外的参考文献证实了这样的信息的可用性及其公开传播。

如本文所使用，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数物体。

如本文所使用，术语第一、第二、第三等可以在本文用来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语可以只用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分。除非上下文明确指示，否则诸如“第一”、“第二”等术语和其它数字术语在本文使用时并不暗示顺序或次序。因此，在不脱离开示例性实施例的教导的情况下，下文讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

如本文所使用，范围和量可以表达为“约”特定值或范围。“约”还包括确切的量。因此，“约5％”意味着“约5％”，也意味着“5％”。“约”意味着在预期应用或目的的典型实验误差范围内。

如本文使用，“可选的”或“可选地”意味着随后描述的事件或情况发生或不发生，并且该描述包括其中该事件或情况发生的示例和其中该事件或情况不发生的示例。例如，系统中的可选部件意味着部件可以存在或者可以不存在于系统中。

如本文所使用，“组合”是指两个项之间或两个以上的项之间的任何关联。该关联可以是空间的，或者为了共同目的而指代两项或更多项的使用。

如本文所使用，“实体自由成形制造”是指增材原型制造和制造工艺，其中通过连续添加材料层以形成最终物体来形成三维物体。

如本文所使用，术语“工件”是指使用实体自由成形制造生产的金属物体。

如本文所使用，“SFFF”是指实体自由成形制造。

如本文所使用，“等离子电弧焊炬”或“PAW焊炬”是指可以在等离子电弧焊中使用的焊炬。焊炬被设计成使得气体可以被加热到高温以形成等离子体并变得导电，然后等离子体将电弧转移到基材，并且电弧的强热可以熔化金属和/或将两个金属件熔化在一起。PAW焊炬可以包括用于收缩电弧的喷嘴，由此增加电弧的功率密度。等离子气体通常是氩气。等离子体气体可以沿着电极送入并在阴极附近电离和加速。电弧可以指向基材并且比易燃弧(诸如在TIG焊炬中)更稳定。PAW焊炬通常还具有用于提供保护气体的外部喷嘴。保护气体可以是氩气、氦气或者它们的组合，并且保护气体有助于最小化熔融金属的氧化。电流通常高达400A，而电压通常在约25V至35V的范围内(但可以高达约14kW)。PAW焊炬包括等离子转移弧炬。

本文中可互换使用的术语“等离子体转移电弧焊炬”或“PTA焊炬”是指能够通过电弧放电加热和激发惰性气体流到等离子体然后将包括电弧的等离子体气流转移通过孔口(诸如喷嘴)以形成收缩羽流的任何装置，该收缩羽流伸出孔口并将电弧的强热转移到目标区域。在示例性实施例中，PTA焊炬可以5kW至6kW或更高的效率操作。

如本文所使用的术语“送丝”是指焊丝被送入在实体自由成形制造期间熔化焊丝的沉积设备。如本文所使用的术语“送丝材料”是指构成送丝的材料，并且可以是任何已知的或可想到的金属或金属合金，其可以形成为焊丝并且在实体自由成形制造工艺中采用来形成三维物体。合适材料的示例包括但不限于：钛和钛合金，诸如(即)Ti-6A1-4V合金、镍或镍合金。

如本文所使用的“保持基板”是指首先被装载到腔室中的目标基板，在该腔室上，使用实体自由成形制造SFFF技术来沉积与保持基板相同或不同的附加材料以形成工件。在示例性实施例中，保持基板是平板。在替代实施例中，保持基板可以是锻造部件。在替代实施例中，保持基板可以是要在其上沉积附加材料的物体。在示例性实施例中，保持基板可以成为工件的一部分。用于保持基板的材料可以是金属或金属合金。在示例性实施例中，保持基板由与送丝材料相同的金属制成。

如本文所使用的术语“基材”是指目标材料。当沉积第一层材料时，这将是保持基板。当一层或多层材料水平沉积在保持基板上时，基材将是沉积新的一层金属材料的沉积金属材料的上层。基材和沉积材料可以是金属或金属合金。在示例性实施例中，基材与送丝材料相同。

如本文所使用的术语“沉积设备”是指可以用于实体自由成形制造的任何系统。固体自由形态系统的示例性实施例包括使用等离子电弧(PAW)的那些实施例，该等离子电弧包括等离子体转移电弧(PTA)、激光烧结、电子束或者它们的任何组合作为用于焊接的热源。在示例性实施例中，沉积设备包括一个或多个焊炬，诸如PAW焊炬、激光焊炬或电子束枪或焊炬。在示例性实施例中，沉积设备包括一个或多个转移等离子电弧焊炬。PAW焊炬可以具有能够形成电弧以加热和熔化自耗电极(诸如金属焊丝)的任何配置，诸如特别是使用惰性或诺贝尔(nobel)气体来形成电弧的气体保护金属电弧焊(GMAW)焊炬或钨惰性气体(TIG)焊炬。金属焊丝用作自耗电极并且在通过焊炬使用电弧产生的等离子体中熔化，并且熔化自耗电极沉积在基材的表面上或沉积到基材上的熔池中以添加到以及形成近净形金属体或工件。激光器装置可以产生具有足够热能的激光束以将金属焊丝熔化到基材上。合适的激光器装置的示例包括掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器、CO₂激光器、CO激光器、镱光纤耦合二极管激光器、Nd:玻璃激光器、掺钕钇原钒酸盐(Nd:YVO激光器、Cr:红宝石激光器、二极管激光器、二极管泵浦激光器、准分子激光器、气体激光器、半导体激光器、固态激光器、染料激光器、X射线激光器、自由电子激光器、离子激光器、气体混合物激光器、化学激光器以及它们的组合。Nd:YAG激光和CO₂激光器是优选的。电子束装置可以用于将金属焊丝加热和熔化到基材上。电子束装置可以被布置和设置成将电子束引导到位于基材上方的金属焊丝的尖端(远端)上，使得由电子束装置的电子束产生的热能熔化焊丝的末端，从而形成熔融金属焊丝的液滴，其落在金属丝末端下方的基材上。电子束装置可以具有可变功率输出，该可变功率输出可以被调整以向金属焊丝提供提供金属焊丝的基本恒定的熔化速率的量的基本恒定的功率或能量。电子束枪是市售的并且在本领域中有所描述。可以选择电子束枪，使得它包含电磁线圈以调制电子束。电子束枪可以提供朝向金属焊丝加速的集中电子流的形式的能量。可以单独或结合磁场使用高压电位(例如，大于约15kV，诸如在约15kV至约150kV的范围内)来加速电子。可以使用一个或多个受热细丝来在电子束枪内产生电子。通常可以通过调节到工件的电子流来控制电子束枪的输出功率。例如，可以使用高达约30kW的电子束功率，但是该电子束功率通常在约2.5kW至约10kW或约3kW至约6kW的范围内。电子束电流通常大于约100微安，并且可以在约100微安至约600微安的范围内。电子束功率是可变的，并且通过使用在约100V至约500V范围内的输入电压产生。示例性输入电压约为110V。

本文中可互换使用的术语“计算机辅助设计模型”或“CAD模型”是指待形成的物体的任何已知或可想到的虚拟三维表示，其可以在根据本发明第二方面的装置的控制系统中采用以：调节保持基板的位置和移动，并用集成式送丝机操作焊炬，使得通过将金属材料的连续沉积物以导致根据物体的虚拟三维模型构建实物物体的图案熔化到保持基板上来构建实物物体。例如，这可以通过首先将虚拟三维模型划分为一组虚拟平行层然后将每个平行层划分为一组虚拟准一维件来形成三维模型的虚拟向量化分层模型而获得。然后，可以通过接合控制系统来以根据实物物体的虚拟向量化分层的第一层的图案将金属材料送入的一系列准一维件(液滴)沉积并熔合到支撑基板上来形成该物体。金属材料送入也可以沉积为一定量的连续液滴，其可以形成金属材料的串或流。然后，通过以根据物体的虚拟向量化分层模型的第二层的图案将一系列准一维可焊材料件沉积并熔化到前一沉积层上来对物体的第二层重复该序列。对于物体的虚拟向量化分层模型的每个连续层，在沉积和熔化工艺期间继续重复直到形成整个物体。

然而，本发明不依赖于用于运行根据本发明的装置的控制系统的任何特定CAD模型和/或计算机软件，并且本发明也不涉及任何特定类型的控制系统。可以采用能够通过实体自由成形制造来构建金属三维物体的任何已知或可想到的控制系统(CAD模型、计算机辅助制造(CAM)系统或软件、计算机软件、计算机硬件和致动器等)。在示例性实施例中，可以调整控制系统以单独地操作第一焊炬以预热基材并操作第二焊炬以将金属材料的送丝熔化到熔池中。第一焊炬可以提供足够的能量来预热基材，使得它能够在熔化的金属材料要沉积的位置处接收熔化金属函数的熔融液滴(即，熔化的金属材料)。预热基材可以确保通过由熔化的金属焊丝的金属液滴提供的金属材料充分熔化到基材中。第一焊炬通过加深基材中的熔化而促进基材与熔化的金属材料之间的熔合。在一些实施例中，预热不会熔化基材。在替代实施例中，基材的至少一部分首先熔化以使基材更容易接收。在一些实施例中，第一焊炬施加足够的热量以在将要沉积金属材料的位置处在基材中形成熔池。

B.多腔室组件

以下结合附图描述示例性实施例。以下描述仅是说明性的，而不应视为限制。

图1示出了具有四个腔室110、120、130和140的示例性腔室系统100的图。四个腔室可以彼此连接。出于描述的目的，腔室110和120将被称为装载/卸载腔室，腔室130将被称为沉积腔室，而腔室140将被称为维修腔室。

如它们相应的名称所暗示的，装载/卸载腔室110和120可以用于装载用于通过实体自由成形制造来形成物体的保持基板以及卸载成形工件。同样地，沉积腔室130是其中发生实体自由成形制造工艺的腔室。在示例性实施例中，使用等离子体转移电弧炬执行实体自由成形制造。在示例性实施例中，沉积设备是送丝沉积设备(wire fed depositionapparatus)，其采用两个等离子体转移电弧焊炬，一个焊炬用于在送丝中的熔化金属落入其中的基材中形成熔池，而第二焊炬用于熔化送丝金属。在示例性实施例中，送丝材料和基材是相同的。在示例性实施例中，送丝材料和基材是金属或金属合金。在示例性实施例中，它们是相同的金属或金属合金。用于送丝材料和基材的示例性金属或金属合金是钛、钛合金、镍或镍合金。也可以使用其它金属或金属合金。维修腔室140可以是专用于沉积设备上的维护工作的腔室。

虽然在说明性实施例将被描述为具有四个腔室，但是应当理解的是，装载/卸载腔室110和120可以由单个装载/卸载腔室更换。替代地，可以采用两个以上的装载/卸载腔室并且它们类似地连接到沉积腔室。此外，还应当理解的是，本发明的实施例可以不包括维修腔室140。

腔室系统100的每一个腔室都可以被封闭并且独立地控制。每个腔室都可以与连接到其上的其它腔室密封隔开。每个腔室也都可以与外部大气密封隔开。通过使用一个或多个摆动或滑动密封门，每个腔室都可以与其它腔室或外部大气分离。在示例性实施例中，门可以由与腔室相同的材料制成。在替代实施例中，每个门都可以由密封材料制成。在示例性实施例中，独立于制造门的材料，每个门都可以配备有密封构件。密封构件可以是环、膜或垫圈。用于密封构件或腔室门的密封材料应当能够提供不透气密封。在示例性实施例中，密封材料是任何高真空密封材料。在示例性实施例中，密封材料可以是聚氨酯。在替代实施例中，密封材料可以是丁腈橡胶、碳氟化合物、硅树脂、氟硅氧烷或全氟化弹性体中的任何一种。在示例性实施例中，可以将一种以上的密封材料用于每个密封构件或腔室门。在又一些替代性实施例中，每个门都可以配备有一个以上的密封构件。例如，可以在门上放置两个或三个密封构件以改进气体不可渗透性。

每个腔室中的环境都可以独立地排出(evacuate，排放)。在一些实施例中，每个腔室都可以独立地排出并用无氧环境更换。在一些实施例中，每个腔室都可以独立地排出，然后填充惰性气体或气体混合物。每个腔室都可以配备有单独的流量控制器(诸如质量流量控制器或体积流量控制器)，其可以测量和控制进入腔室的气体流量。而且，可以独立地监视、控制和维持每个腔室中的温度。也可以独立地监视，控制和维持每个腔室中的压力。在腔室填充有惰性气体(诸如氩气)的实施例中，该腔室的压力优选保持在大气压以上。在示例性实施例中，填充有惰性气体的腔室的压力保持在大气压以上约1至6毫巴(millibar)。将腔室的压力保持在大气压以上将有助于防止来自腔室外部的氧气或其它气体泄漏到腔室中。可以使用任何惰性气体来形成惰性环境。在示例性实施例中，所使用的惰性气体比空气重。示例性惰性气体是氩气。也可以单独组合使用其它惰性气体。在一些实施例中，可以使用气体混合物代替单一气体。例如，可以使用氩与氦、氖、氙或氪中的任何一种的混合物。可以单独使用或以混合物形式使用的其它可能的气体包括氙和氪。

出于本说明书的目的，指代气体、气体混合物或环境的术语“重”或“较重”和也指代气体、气体混合物或环境的术语“轻”或“较轻”用于区分可以在本文所述的腔室中使用的任何两种类型的环境之间。如上所示，与诸如空气等较轻环境相比，重或较重气体是氩气或氩气-氦气混合物。然而，这种配对仅是示例性的，而不应视为限制。此外，虽然本文的通风口是根据重气体通风口和轻气体通风口来描述的，但是应当理解的是，也可以使用重量相等或非常接近的两种环境，在这种情况下，任何通风口都可以用于注入或排出任一种环境。

在示例性实施例中，当未填充惰性气体时或在用惰性气体填充腔室的工艺期间，或在排出腔室中的惰性气体的工艺期间，腔室可以保持在大气压。在替代实施例中，当未填充惰性气体时，腔室可以保持在真空条件下。而且，当用惰性气体填充腔室时或当排出腔室中的惰性气体时，该腔室中的压力可以高于或低于大气压。

腔室系统100中的每个腔室都可以由可以承受腔室的压力和温度条件的任何合适的材料制成。例如，用于形成沉积腔室130的材料应当能够承受在该腔室中执行的实体自由成形制造工艺的压力和温度条件。在示例性实施例中，腔室由金属制成。例如，腔室可以由铝金属或铝合金制成。在替代实施例中，腔室可以由钢制成。可以使用任何钢。示例性钢包括低碳钢、低合金钢、高碳钢、不锈钢、300系列不锈钢、400系列不锈钢、奥氏体不锈钢、高Cr铁素体钢和Cr-Mo钢。在又一些替代性实施例中，腔室可以由金属的组合制成。金属壁可以适当地接地以降低产生静电放电的风险，或者在任何设备故障的情况下将触电风险降至最低。

在优选的实施例中，腔室保持为大气压或刚好高于大气压，因此合适的材料可以包括至少在大气压或至大气压以上约1毫巴至20毫巴或大气压以上约1毫巴至10毫巴或大气压以上约2毫巴至8毫巴的压力下能够至少保持物体完整性。优选地，用于腔室的材料还能够在大气压以下(诸如在真空下)保持物理完整性。在此类实施例中，所使用材料应当能够在低于大气压的压力下(特别是在所使用的真空条件下)保持物理完整性。

腔室系统100的任何腔室还可以配备有一个或多个观察通道以允许操作员查看内部操作。在示例性实施例中，观察通道可以是窗口。本文的描述将观看通道称为窗口，然而，这不应被视为限制，因为本文可以实施任何类型的观察通道。在示例性实施例中，沉积腔室130可以在至少一侧上具有大窗口，以便允许操作员观察正在进行的制作工艺。而且，在优选实施例中，维修腔室140还可以配备有至少一个大窗口，以允许操作员在维修腔室140内部时观察沉积设备150。一个或多个窗口可以由也可以承受腔室的压力和温度条件的任何合适的透明材料制成。例如，用于形成沉积腔室130中的窗口的材料应当能够承受在该腔室中执行的实体自由成形制造工艺的压力和温度条件。在示例性实施例中，用于任何一个或多个腔室中的窗口的材料是丙烯酸材料。在示例性实施例中，窗口由聚甲基丙烯酸甲酯制成。替代地，窗口材料可以是玻璃。在示例性实施例中，窗口由钠钙硅酸盐玻璃制成。玻璃可以涂覆有一个或多个透明金属氧化物层，其可以反射选定波长的电磁辐射。在一些实施例中，玻璃可以反射红外电磁辐射。在一些实施例中，玻璃可以反射紫外电磁辐射。玻璃可以单层存在，或者可以使用多层玻璃。在一些实施例中，存在由空间分离的至少两个玻璃层。两层玻璃之间的空间可以填充惰性气体。在一些实施例中，两层玻璃之间的空间填充有氩气。这种配置可以阻挡高达约85％的紫外线辐射透过窗口。在一些实施例中，存在至少两个玻璃层，并且在两个玻璃层之间存在聚合物膜的中间层，从而形成层压玻璃。聚合物膜可以是诸如聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)等任何聚合物材料。层压玻璃可以阻挡近似100％的紫外线辐射透过窗口。

替代地，窗口材料可以是热塑性聚合物。例如，该材料可以是聚碳酸酯、丙烯酸或聚对苯二甲酸乙二醇酯。热塑性塑料可以作为单层存在，或者可以制作两个或更多个片材以在片材之间包括空间，该空间可选地可以填充氩气，或者可以通过在热塑性聚合物的两个片材之间包括聚合物膜的中间层来制备层压塑料窗口。用于一个腔室的一个或多个窗口的材料可以与用于任何其它腔室的一个或多个窗口的材料相同或不同。而且，一个腔室的不同窗口可以由相同或不同的材料制成。

在示例性实施例中，一个或多个腔室可以配备有一个或多个观察装置。示例性观察装置可以是摄影机。可以记录由一个或多个相机捕获的视频。该视频也可以现场直播。以现场或录制模式播放视频的视频屏幕可以设置在捕获视频的相应腔室的外部。可以在靠近捕获视频的腔室的监视器上观看视频。可以在位于远离捕获视频的腔室的位置处的监视器上观看视频。也可以使用上述观看视频装置的任何组合。

每个腔室还可以配备有一个或多个发光元件作为可见光源以照射腔室。这些可以在一个或多个腔室内部提供照明，以便提供更好的可视性。通过围绕腔室对称地定位发光元件，可以获得腔室中的均匀亮度水平。一个或多个发光元件可以是任何合适的发光装置。例如，发光元件可以包括灯具。附加示例可以包括发光二极管装置、氖灯、白炽灯或荧光灯泡，或者它们的任何组合。发光元件的亮度是可以调节的。可以提供对光透明的合适材料的适当保护盖，以保护发光元件免受发光元件所在的腔室的条件的影响。在示例性实施例中，腔室系统100的每个腔室都包括至少一个发光元件。在示例性实施例中，沉积腔室130包括一个或多个发光元件。在示例性实施例中，维修腔室140包括一个或多个发光元件。在示例性实施例中，装载/卸载腔室110和120中的一个或多个每个包括一个或多个发光元件。这些照明装置的任何组合也可以用于腔室系统100。可以独立地控制每个腔室的发光元件。替代地，可以连接地控制所有发光元件，使得它们可以同时开启和关闭。替代地，可以同时控制腔室系统100的两个或更多个腔室的发光元件。照明控件可以是一个或多个手动化或计算机控制系统或这两者的组合。

每个腔室还可以配备有氧气检测器或氧监视装置。在示例性实施例中，氧气检测器或监视装置可以用于在惰性环境下操作时检查腔室中的氧气量。如前面所讨论，在沉积期间，金属可以被加热到高温，从而使它们易于氧化。例如，温度为400℃或更高的钛通常在氧气存在下氧化。为了防止氧化，有利的是保持不含氧的环境或者具有非常低的氧含量的环境。在示例性实施例中，当在惰性环境中操作时，沉积腔室保持在约105Pa的压力，其中氧含量小于100ppm，通常在约0ppm至约100ppm的范围内，或者在约0ppm至约50ppm的范围内。在替代实施例中，在类似条件下沉积腔室的氧含量可以保持在约0ppm至约25ppm或约0ppm至约20ppm。

在示例性实施例中，至少当此类腔室与沉积腔室大气连通时，如果希望将沉积腔室保持在惰性环境中，则氧含量和包括腔室系统100内的任何其它腔室的压力的其它大气条件类似于或低于沉积腔室的氧含量。同样地，在沉积腔室保持在真空下的示例性实施例中，腔室系统100的其它腔室也至少在与沉积腔室大气连通时处于类似的真空条件下。在沉积腔室包含空气的示例性实施例中，其它腔室也可以至少在与沉积腔室大气连通时包含空气。通过在腔室彼此大气连通时在腔室之间保持相同或相似类型的大气条件，可以更好地保持和控制腔室内的期望条件。这对于沉积腔室尤其重要，因为它可以帮助避免在沉积腔室中发生的制造工艺期间不希望的杂质引入或氧化。

在示例性实施例中，控制腔室内的湿度水平。湿度水平保持在降低的水平以降低腔室中的氢含量。例如，当金属焊丝是或含有钛时，腔室内的氢含量太高会使沉积的钛变脆。在示例性实施例中，腔室系统100内的任何腔室内的湿度水平可以降低至小于250ppm或小于200ppm的水平。在示例性实施例中，至少当连接到沉积腔室上的腔室与沉积腔室大气连通时，如果希望保持沉积腔室的降低的湿度水平，则此类腔室的湿度水平类似于或低于沉积腔室的湿度水平。

虽然每个腔室可以独立地操作，但是应当理解的是，在示例性实施例中，相同的设备可以用于影响一个以上的腔室。例如，在示例性实施例中，可以采用单个真空泵在两个或更多个腔室中形成真空。在示例性实施例中，单个真空泵通过公共通风系统连接到所有四个腔室。在此类实施例中，真空可以用于通过使用将通风系统分别连接到每个腔室的阀门系统独立地排出每个腔室中的环境。因此，通过独立地打开和关闭每个阀门，可以同时或在不同时间将真空施加到任何一个或多个腔室。而且，腔室的不同通风口可以通过控制一组阀门同时或在不同时间连接到真空。同样，在示例性实施例中，惰性气体的单个供应系统可以通过独立控制的阀门连接到两个或更多个腔室。因此，通过独立地操作每个阀门，可以将惰性气体在与另一个或多个其它腔室的同时或在不同时间提供给每个腔室。

该系统可以被配置使得阀门可以允许或防止腔室之间的大气连通。例如，第一腔室可以与第二腔室隔离，使得第一腔室可以继续包含惰性或诺贝尔气体(nobel gas)，诸如氩气，同时第二腔室被排出。类似的系统可以用于供应空气或其它气体。通过控制阀门，可以通过每个腔室中的任何一个或多个通风口执行对惰性气体或气体混合物、空气或其它环境的供应。替代地，每个腔室可以配备有其自己的独立真空泵。而且，每个腔室可以配备有其自己独立的空气源、惰性气体或气体混合物，或根据需要配备有其它气体。

用于腔室系统100和每个腔室的操作的控件可以容纳在控制系统中。控制系统可以手动操作。例如，手动操作的控制系统可以包括手动操作的阀门、齿轮、开关或类似装置。在替代方案中，控制系统可以是自动化的。例如，控制系统可以由计算机化控制系统组成。在又一些替代实施例中，控制系统可以是手动和计算机控件的组合。每个腔室都可以配备有自己的独立控制系统。在示例性实施例中，单个控制系统可以独立地控制每个腔室。示例性控制系统可以包括工业计算机，其可以被配置为包含用于执行用户程序的中央处理单元、一个或多个电源以及作为输入和/或输出的信号模块。控制系统可以包括CPU显示器和模拟信号的集成屏蔽。此类控制系统可以由技术人员设计。示例性的市售系统是SiemensAG(德国慕尼黑)的SIMATIC-S7-1500。可以使用单独的控制系统来调节位于腔室内部的设备。例如，可以使用单独的控制系统来调节致动器131。示例性的市售系统是可从BoschRexroth AG(德国美因河畔洛尔)获得的IndraMotion MTX系统。可以使用单独的控制系统来控制焊接设备。示例性的市售系统是可从SIGMATEK GmbH&Co.KG(奥地利兰普雷希茨豪森)获得的SIGMATEK C-IPC紧凑型工业计算机系统。每个腔室对于其中所使用的设备可以具有其自己的独立控制系统。替代地，每个设备可以具有相关联的单独控制系统。中央控制系统也可以用于控制位于腔室内部的设备。替代地，中央控制系统可以与每个单独的控制系统通信。

装载/卸载腔室

在一个示例性的和说明性的实施例中，腔室系统100可以包括两个装载/卸载腔室110和120。在替代实施例中，腔室系统100可以仅包括一个装载/卸载腔室。在又一些替代实施例中，腔室系统100可以包括两个以上的装载/卸载腔室。装载/卸载腔室的操作不会改变，并且与腔室系统100中包括多少个腔室无关。在图1中所示的说明性示例中，装载/卸载腔室110和120可以布置成使得它们具有公共壁。

具有至少两个装载/卸载腔室的优点是生产周期时间的减少，这是由于能够更快地装载和卸载保持基板和工件。例如，在沉积腔室130中保持惰性环境的实施例中，当与沉积腔室130大气连通时，装载/卸载腔室也必须具有惰性环境。然而，将保持基板装载到装载/卸载腔室中使装载/卸载腔室暴露于外部大气。因此，为了使装载/卸载腔室处于惰性气体环境，在将装载/卸载腔室连接到沉积腔室的门可以打开之前，必须排出装载/卸载腔室中的空气并用惰性气体更换使得在沉积腔室的惰性环境中没有引入空气。如果沉积腔室在真空条件下或在除空气之外的任何环境中操作，情况也是如此。通过具有至少两个装载/卸载腔室，可以使一个装载/卸载腔室准备好从沉积腔室接收工件，而另一个装载/卸载腔室准备装载下一个保持基板。

每一个装载/卸载腔室可以配备有至少两个门。在示例性实施例中，装载/卸载腔室110包括门111，其提供从腔室外部进入腔室110的入口。腔室110还可以配备有第二门112，其将腔室110连接到沉积腔室130。同样，装载/卸载腔室120可以配备有类似的门121和122。如前面所讨论，每个门111、112、121和122都可以由密封材料制成或者包括一个或多个密封构件，使得每个门都是不透气的。门111、112、121和122可以是滑动门或摆动门。在示例性实施例中，门111、112、121和122是滑动门，其从一侧滑动至另一侧或者从上到下滑动以便打开和关闭。门111、112、121和122还可以配备有铰链，该铰链在关闭时在门上提供压力以改进门的密封性并在门要打开时释放压力。在示例性实施例中，门111、112、121和122可以手动操作。替代地，门111、112、121和122可以自动操作或由控制系统操作。在示例性实施例中，门111、112、121和122可以手动和自动操作。而且，每个门111、112、121和122可以是可以同时或独立操作的一组两个或更多个门。

该维修腔室和每个装载/卸载腔室可以配备有其自己的独立通风系统。例如，腔室110、120和140中的每一个可以独立地通风。腔室110、120和140中的每一个可以独立地填充诸如氩气等惰性气体。腔室110、120和140中的每一个可以独立地填充空气。进入腔室110、120和140中的任一个的入口流量可以在约100升/分钟至约1500升/分钟的范围内。进入腔室的流量可以由质量流量控制器控制。通过打开和关闭排气阀来对腔室内的压力进行闭环控制。例如，在打开连接到惰性气体供应装置上的至少一个通风口的同时关闭连接到真空的所有通风口可以增加腔室内的压力。用惰性气体更换腔室内的空气环境以达到一定氧气水平所需的时间长度根据腔室的尺寸以及腔室内的设备数量而变化，这排出了一定体积，否则会被腔室内的气体占据。

腔室110、120和140中的每一个可以独立地保持在真空条件下。腔室110、120和140中的每一个中的环境可以独立地排出。用于排出腔室110、120和140的环境的通风口可以任何合适的流速操作。流速可以通过所使用风扇的容量来定义。例如，排出通风口可以在3000Sm³/hr至6000Sm³/hr下操作。在示例性实施例中，所使用的风扇的容量是4500Sm³/hr。同样地，在腔室110、120和140内部注入惰性、诺贝尔或其它气体或空气的入口通风口可以以任何合适的流速操作。在一些应用中，到腔室110、120和140中的任一个的最大入口流量是1500L/min。质量流量控制器可以用于调节惰性气体或其它气体或空气进入任一个腔室的入口流量。入口流量可以在约10L/min至约1500L/min、或约100L/min至1500L/min的范围内。任一个腔室内的压力可以是闭环控制系统，其中可以通过打开和关闭排气阀来调节压力。该系统可以包括空闲模式，其中系统保持在期望的压力和氧气水平。在空闲模式期间，可以保持低流量(诸如流量在约10L/min至约100L/min的范围内)的惰性气体或其它气体进入任一个腔室。并且可以通过调整出口阀来增加或减少通过排气阀的流量而修改。入口和出口通风口也可以具有可互换的可操作性。入口通风口可以充当出口通风口，而出口通风口也可以充当入口通风口。通风口可以包括阀门以控制通过通风口的气体流速，由此调节腔室内产生的压力。腔室可以包括压力监视器，并且响应于来自压力监视器的读数，连接到惰性气体源上的通风口的阀门可以打开或关闭以调整腔室内的压力。

可以独立地控制和维护腔室110和120中的每一个的温度和压力。在其中使用比空气重的惰性气体作为腔室系统100内部的环境的示例性实施例中，装载/卸载腔室110和120可以包括：位于腔室的底部的一个或多个通风口，其引入惰性气体或气体混合物；和位于腔室的上部的一个或多个通风口，其连接到真空以排出空气或其它轻质气体。以此方式，较重的惰性气体从底部引入，而较轻的环境(例如空气)从腔室的上部排出。每个通风口都可以包括与歧管的连接，其允许通风口连接到具有不同气体的几个不同源以及真空源，该歧管包含阀门以调节在给定时刻哪个源可用于通风口。这允许更有效的系统用惰性气体完全排出和更换环境。同样，如果较重的惰性气体或气体混合物要用较轻的环境如空气更换，则底部通风口可以用于排出惰性气体，而上部通风口可以用于引入较轻的环境。在示例性实施例中，一个或多个底部通风口可以位于底板中。在示例性实施例中，一个或多个底部通风口可以位于刚好高于底板的腔室壁的底部。在另一些替代实施例中，一个或多个底部通风口可以位于底板中和腔室壁的底部处。在示例性实施例中，一个或多个上部通风口位于腔室顶板中。在示例性实施例中，一个或多个上部通风口位于刚好低于腔室顶板的腔室壁的上部。在示例性实施例中，一个或多个上部通风口位于顶板中和刚好低于腔室顶板的腔室壁的上部处。每个底部和上部通风口都可以独立地配备有风扇。

当操作一个或多个通风口以从腔室110和120中排出气体或环境时，每个通风口都可以连接到单独的真空泵。替代地，每个通风口都可以通过独立控制的阀门连接到用于所有腔室系统100的公共真空泵。每个通风口都可以与自己独立控制的阀门连接。替代地，用于排出腔室110的两个或更多个通风口可以经由公共独立操作的阀门连接到真空。同样地，用于排出腔室120的两个或更多个通风口可以经由公共独立操作的阀门连接到真空。替代地，腔室110的所有上部通风口都可以经由第一公共独立操作的阀门连接到真空，而腔室110的所有底部通风口都可以经由第二公共独立操作的阀门连接到真空。腔室120中的顶部和底部通风口可以类似地连接到真空，如在腔室110中进行的那样。

用于将惰性气体、气体混合物、空气或其它环境引入腔室110和120的通风口可以类似地被布置为用于排出腔室110和120的通风口。例如，每个通风口可以连接到独立源。替代地，两个或更多个通风口可以连接到公共源。在后一实施例中，每个通风口都可以由独立控制的阀门独立控制。替代地，腔室110的两个或更多个通风口可以连接到公共的独立控制的阀门。同样，腔室120的两个或更多个通风口可以连接到公共的独立控制的阀门。替代地，腔室110的所有上部通风口都可以经由第一公共独立操作的阀门连接到公共源，而腔室110的所有底部通风口都可以经由第二公共独立操作的阀门连接到公共源。腔室120中的顶部和底部通风口可以类似地连接到一个或多个源，如在腔室110中进行的那样。

每一个装载/卸载腔室110和120都可以配有温度控制装置。可以独立地控制腔室110和120中的每一个的温度控制装置。温度控制装置可以包括电加热器、气体加热器、热交换器、电冷却系统、制冷系统、冷却器或者它们的组合。每个腔室110和120还可以配备有一个或多个温度计、热电偶或其它温度感测装置，或者它们的组合，以确定腔室的温度。温度感测装置和温度控制装置可以连接到控制它们所影响的腔室的相应控制系统。

每个装载/卸载腔室110和120还可以配备有一个或多个压力计、真空计或者它们的组合。仪表可以连接到相应的控制系统，该控制系统控制仪表所测量的腔室。

每个装载/卸载腔室110和120可以各自分别配备有转移机构113和123，它们各自能接收保持基板和并将保持基板转移到沉积腔室130。转移机构113和123还能够从沉积腔室130取回工件并将其转移到另一位置，例如转移到腔室外部的操作员空间。

可以处理在保持基板和工件的重量以及和腔室的环境、温度和压力的任何转移机构都可以用于转移机构113和123。在示例性实施例中，转移机构可以是传送机。在示例性实施例中，传送机可以包括传送带、链式传送机或其它机械传送机系统。传送机可以包括能够支撑和转移保持基板或工件的一组齿轮和轮子。在示例性实施例中，转移机构113和123还可以包括一组机械和/或液压臂，其可以有助于保持基板或工件的转移、升降或定位。在示例性实施例中，转移机构113和123还可以包括一组轮，其可以伸展到沉积腔室130内部的致动器131。在示例性实施例中，带有轮子的一对可伸展臂被设计成伸展到致动器131。可伸展臂中的轮子可以被设计成定位在保持基板或工件下方，然后升降保持基板或工件并将其定位在致动器131上或者返回到转移机构113或123上。

例如，如图5A和图5B中所示，转移机构113可以包括一对平行的链式传送机171和172，它们可以用作臂，该臂可以完全缩回到装载/卸载腔室110中并伸出到沉积腔室130中以到达轨道132和133。可以被配置为彼此正交移动的轨道132和133可以将致动器131定位在门112的前面。当致动器131就位时，构成转移机构113的一对链式传送机171和172伸出腔室110，其中一个链式传送机位于致动器131的一侧而另一个链式传送机位于致动器131的另一侧，例如图5A中所示。转移机构113的激活使保持基板移出腔室110，并且可以将保持基板定位在致动器131上方。致动器131诸如通过相对于转移机构113升降保持基板与保持基板接合，使得保持基板不再与转移机构113接合。现在脱离的转移机构113可缩回到腔室110中，例如图5B中所示。在转移机构113移开的情况下，轨道132和133可以将致动器131与附接的保持基板定位在相对于沉积设备150的适当位置，以进行自由形态制作。在沉积工艺期间，保持基板或基材可以通过致动器131继续移动。一旦沉积完成，工件就可以与其装载时类似的方式转移回到装载/卸载腔室。例如，承载工件的致动器131可以将自身定位在装载/卸载腔室的门前面，并且转移机构113可以再次将臂171和172从装载/卸载腔室伸展到沉积腔室中并将工件抬离致动器131。然后，转移机构113可以通过在承载工件的同时缩回到装载/卸载腔室中而将工件运送到装载/卸载腔室中。在示例性实施例中，一组辊子或类似的支撑和转移结构(未示出)也可以设置在腔室110和120的外部靠近门111和121，以帮助装载和卸载保持基板和工件。

在示例性实施例中，装载/卸载腔室110和120在与沉积腔室130连通时与沉积腔室130处于相同的大气条件下。因此，例如，如果沉积腔室130在惰性气体环境下操作，则装载/卸载腔室110和120也在与沉积腔室130大气连通时在惰性气体环境下操作。在此类示例性实施例中，惰性气体环境可以包括氩气或氩-氦混合物。

提供通向装载/卸载腔室110和120的入口的任何一个或多个门可以配备有能够检测给定的门何时打开或关闭的一个或更多个传感器。一个或多个传感器可以连接到控制沉积设备150的控制系统。在示例性实施例中，如果一个或多个传感器中的任何一个检测到当一个或多个门应当关闭时打开装载/卸载腔室110和120的任何一个或多个门，或者如果一个或多个门如果没有如同它们应当密封的那样适当地密封它们，则一个或多个传感器可以向腔室系统100的一个或多个控制系统表达这种情况。一个或多个控制系统可以向沉积设备150发送信号以在制作工艺进行时停止制造工艺或者防止其启动。一个或多个传感器还可以触发声音警报(诸如汽笛、警报语音和/或哔哔声)、视觉警报(诸如闪光灯、一个或多个腔室内部的发光元件的闪烁)、一个或多个控制系统上的屏幕警报，或者它们的组合。

沉积腔室

在示例性实施例中，腔室系统100包括至少一个沉积腔室130。沉积腔室130可以足够大以容纳使用SFFF生产工件的所有必要设备。在示例性实施例中，沉积腔室130是构成腔室系统100的最大腔室。沉积腔室130是其中进行实体自由成形制造的腔室。沉积腔室130可以被设计成承受在实体自由成形制造期间所需的条件。在示例性实施例中，使用等离子体转移电弧炬执行实体自由成形制造。具体地，在示例性实施例中，可以使用两个等离子体转移电弧焊炬来执行实体自由成形制造。在替代实施例中，实体自由成形制造可以使用电子束沉积。替代地，实体自由成形制造可以使用选择性激光烧结。沉积腔室可以被设计成和被配置使得可以在沉积腔室130内部进行任何实体自由成形制造方法或多层制作方法的任何组合。出于说明性目的，本文结合等离子体转移电弧型实体自由成形制造方法描述了沉积腔室130。

在说明性的实施例中，实体自由成形制造方法可以包括一个可动沉积设备150。可以根据需要设计沉积设备150的可动程度。在示例性实施例中，沉积设备150设置在机器人、机械和/或液压臂状装置上，该装置能够在制作工艺期间沿任何方向移动沉积设备。例如，在等离子体转移电弧制作中，一个或多个等离子体转移电弧焊炬可以连接到一个或多个机械臂，该机械臂可以根据需要移动等离子体转移电弧焊炬以形成工件。替代地，沉积设备150的运动可以仅限于一个轴线。在其它实施例中，沉积设备150的运动可以限于两个轴线。例如，如图1和2中所示，沉积设备150的运动可以限于与送丝160沿着相同的线前后移动。在所示的示例中，沉积设备150可以与轨道、导轨或传送机系统接合。轨道、导轨或传送机系统可以位于例如沉积腔室130的顶板上。替代地，轨道、导轨或传送机系统可以沿着沉积腔室130的壁定位。替代地，轨道、导轨或传送机系统可以位于沉积腔室130的底板上。在示例性实施例中，沉积设备150可以连接到一个以上的轨道、导轨或传送机系统，以及位于腔室130的顶板、壁和/或底板中的一个或多个上的轨道、导轨或传送机系统。在另一些替代实施例中，沉积设备150可以是固定的而不是可动的，而是沉积设备是移动的工件。在又一些替代性实施例中，沉积设备150仅可在垂直方向或Z方向上移动。在另一些替代实施例中，沉积设备150可以在垂直方向上移动(即，上下移动)，以及经由如上所述的一个或多个轨道、导轨和/或传送机系统从沉积腔室移动到维修腔室。

马达、齿轮、轮子、滑轮系统以及传送机的任何组合都可以用于实施沉积设备150的移动。可以在沉积设备150上设置任何这样的马达、齿轮、轮子、滑轮系统和传送机。替代地，它们可以设置在沉积腔室130的内部或外部。在示例性实施例中，马达、齿轮、轮子、滑轮系统和传送机中的一些设置在沉积设备150上，并且一些设置在沉积腔室130的内部或外部。可以使用与沉积腔室130相关联的控制系统来控制沉积设备150的运动。替代地，可以通过独立的控制系统来完成对沉积设备150的运动的控制。用于沉积设备150的运动的控制系统可以是手动的、自动的或者它们的组合。

在示例性实施例中，沉积腔室130还包括致动器131。致动器131可以用于在制作物体期间保持保持基板或基材。致动器131还可以被设计成在多个方向上移动保持基板、基材或工件。替代地，致动器131的运动可以被设计成保持在固定位置。在示例性实施例中，致动器131能够在多个方向上移动，同时沉积设备150在制作期间保持在固定位置。替代地，沉积设备150和致动器131都在制作期间移动。在又一替代实施例中，沉积设备150在制作期间移动，同时致动器131保持在固定位置。通过移动沉积设备150和/或致动器131，可以限定沉积图案以通过沉积从熔化金属焊丝获得的连续金属材料层来完成3-D物体或工件。

致动器131可以设置在轨道系统上，该轨道系统允许致动器在任何期望的方向上移动。用于移动致动器的机构不应视为限制。在图1和2中所示的示例性实施例中，致动器131可以设置在第一轨道132上，该第一轨道能够沿第一轴线移动致动器131。轨道132本身可以设置在第二轨道133上，该第二轨道能够沿第二轴线移动轨道132，因此移动致动器131。在优选实施例中，轨道132的运动轴线垂直于轨道133的运动轴线。在所示的布置中，可以为致动器131实现任何运动，包括360°旋转。致动器131还可以配备有升高或降低臂或活塞或可以在垂直方向上移动致动器131的类似装置。轨道132和133以及致动器131可以由适合于压力、温度、环境以及适用于在实体自由成形制造期间保持该保持基板或工件的任何材料形成。在示例性实施例中，轨道132和133以及致动器131由相同的材料制成。在替代实施例中，致动器131由与轨道132和133的材料不同的材料制成。替代地，轨道132和133以及致动器131中的每一个由不同的材料制成。可以使用的示例性材料包括金属，诸如铝、铝合金和钢。

此外，致动器131和轨道132和133中的任何一个或多个可以配备有加热或冷却系统。在示例性实施例中，致动器131和轨道132和133中的一个或多个配备有热交换器。在示例性实施例中，致动器131和轨道132和133中的一个或多个配备有加热器。在示例性实施例中，致动器131和轨道132和133中的一个或多个配备有散热器。在示例性实施例中，致动器131和轨道132和133中的一个或多个配备有冷却器或包含冷却流体的冷却系统。冷却流体可以是空气、惰性气体或水或其它合适的流体。作为液体的冷却流体的示例包括水、亚烷基二醇(例如，乙烯或丙二醇)、矿物油、硅油或者它们的组合。在一些应用中，冷却流体包括水和亚烷基二醇。可以选择热交换器冷侧的冷却流体在约5℃至约25℃的温度范围内。

轨道132和133可以通过马达、齿轮、滑轮系统或类似机构的任何组合来操作。致动器131的移动可以由控制系统控制。控制系统可以是手动的或自动的。用于致动器131的控制系统可以是控制沉积腔室130的相同系统。替代地，致动器131可以具有其自己的独立控制系统。

可以与上文针对装载/卸载腔室110和120描述的相同方式来监视、修改和控制沉积腔室130的环境、温度和压力。例如，沉积腔室130可以配备有一个或多个压力计以监视室130内的压力。压力计可以与控制腔室130的控制系统连通。而且，沉积腔室130可以配备有温度控制装置。温度控制装置可以包括电加热器、气体加热器、热交换器、冷却器、电冷却系统或者它们的组合。沉积腔室130可以配备有一个或多个温度计、热电偶或其它温度感测装置，或者它们的组合，以确定腔室温度。温度感测装置和温度控制装置可以连接到控制沉积腔室130的控制系统。

沉积腔室130可以配备有其自己的独立通风系统。沉积腔室130可以独立地填充惰性气体，诸如氩气。沉积腔室130可以独立地填充空气。沉积腔室130可以独立地保持在真空条件下。沉积腔室130中的环境可以独立地排出。可以独立地控制和维持沉积腔室130的温度和压力。如图4中所示，在实体自由成形制造期间使用比空气重的惰性气体或气体混合物作为环境的示例性实施例中，沉积腔室130可以包括在底部腔室处的一个或多个真空或惰性气体通风口310和腔室上部的一个或多个真空或空气或轻气体通风口320。以此方式，较重的惰性气体可以从底部进入或排出，而较轻的环境(例如空气)可以从腔室的上部进入或排出。这允许更有效的系统完全排出和更换环境。为了进一步促进避免形成任何不流通空气袋，沉积腔室130的底板330可以是弯曲的。如图4中所示，例如底板330可以具有向下伸展到每个腔室壁的倾斜侧面。替代地，底板330可以仅具有一个或两个向下倾斜的侧面。

用于排出沉积腔室130的环境的通风口可以任何合适的流速操作，这取决于所使用的风扇的容量。例如，排出通风口可以在3000Sm^3/hr至6000Sm³/hr下操作。在示例性实施例中，所使用的风扇的容量是4500Sm³/hr。同样，通风口以任何合适的流速在沉积腔室130内部引入惰性或其它气体或空气。在一些应用中，到沉积腔室130的最大入口流量是1500L/min。质量流量控制器可以用于调节惰性气体或其它气体或空气进入腔室的入口流量。入口流量可以在约10L/min至约1500L/min、或约100L/min至1500L/min的范围内。腔室内的压力可以是闭环控制系统，其中可以通过打开和关闭排气阀来调节压力。该系统可以包括空闲模式，其中系统保持在期望的压力和氧气水平。在空闲模式期间，可以保持低流量(诸如流量在约10L/min至约100L/min的范围内)的惰性气体或其它气体进入腔室。并且可以通过调整出口阀来增加或减少通过排气阀的流量而修改。

在示例性实施例中，用于引入或排出较重的气体或气体混合物的环境可以位于底板一个或多个通风口310。如图4中所示，在示例性实施例中，一个或多个通风口310可以位于刚好高于底板的腔室壁的底部。例如，通风口310可以位于沉积腔室130的一个或多个拐角处，底板330的向下倾斜侧面在刚好高于该沉积腔室处与室壁相交。在另一些替代实施例中，一个或多个通风口310可以位于底板中和腔室壁的底部处。通风口310可以配备有风扇。货车可以被选择(诸如具有期望速度(rpm)和空气流量(m³/hr)并且可以定位使得风扇的操作最小化由于风扇操作引起的腔室内部的任何大气湍流的引入。

在示例性实施例中，用于引入或排出轻质气体环境(诸如空气)的一个或多个通风口320位于腔室顶板中。在示例性实施例中，一个或多个通风口320位于刚好高于腔室顶板的腔室壁的上部处。在示例性实施例中，一个或多个通风口320位于顶板和刚好低于腔室顶板的腔室壁的上部处。通风口320可以配备有风扇。

沉积腔室130的通风口可以连接到单独的真空泵。替代地，沉积腔室130的通风口可以通过独立控制的阀门连接到用于所有腔室系统100的单个真空泵。每个通风口都可以与自己独立控制的阀门连接。替代地，腔室130的两个或更多个通风口可以通过公共的独立控制的阀门连接到真空。替代地，沉积腔室130的所有上部通风口都可以经由第一公共独立操作的阀门连接到真空，而沉积腔室130的所有底部通风口都可以经由第二公共独立操作的阀门连接到真空。可以通过打开或关闭这些阀门来调节腔室内的压力。例如，通过关闭通风口连接到真空并打开连接到惰性气体的通风口，可以增加压力。相反，通过关闭连接到惰性气体的通风口并打开连接到真空的通风口，可以降低压力。

沉积腔室130的排气口也可以相对于气体源类似地布置。例如，每个通风口都可以连接到独立气体源。替代地，两个或更多个通风口可以连接到公共气体源。在该后一实施例中，每个通风口都可以由独立控制的阀门独立控制。替代地，沉积腔室130的两个或更多个通风口可以通过公共的独立控制的阀门连接到源。例如，所有上部通风口都可以通过第一公共的独立操作的阀门连接到第一气体源，而所有底部通风口都可以通过第二公共的独立操作的阀门连接到第二气体源。底部和上部通风口也可以全部连接到公共气体源，其中每一组通风口都由一个或多个独立控制的阀门操作。

作为控制沉积腔室130内部的温度的附加装置，可以实施用于控制腔室130内部的气体的温度的装置。例如，如图3中所示，沉积腔室130可以配备有再循环系统200，该再循环系统包括风扇220和可选的热交换器230。风扇220可以用于吸入沉积腔室130内部的气体并迫使其通过热交换器230。热交换器230可以根据需要冷却或加热通过它的气体。在示例性实施例中，热交换器230冷却通过它的气体。在通过热交换器230之后，冷却的气体通过管道和通风系统240被引回到沉积腔室130中。入口通风口可以位于腔室130的顶部。替代地，通风口可以位于腔室130的腔室壁中的任何一个或多个腔室壁上。替代地，入口通风口可以位于腔室130的底板处。在示例性实施例中，入口通风口可以位于顶板、腔室壁和沉积腔室130的底板的一个以上的位置处。通过再循环系统200的流速可以用风扇220控制。在示例性实施例中，风扇220的容量范围为3000Sm³/hr至6000Sm³/hr。在示例性实施例中，风扇220具有4500Sm³/hr的容量。可以监视和控制气流以便在腔室内实现期望的条件。风扇可以被选择(诸如具有期望速度(rpm)和空气流量(m³/hr)并且可以定位使得风扇的操作最小化由于风扇操作引起的腔室内部的任何大气湍流的引入。在一些应用中，可以在沉积期间关闭风扇。

再循环系统200可以独立于腔室130的任何其它的通风系统的操作。用于再循环设备200的控制可以是手动、自动或者它们的组合。在示例性实施例中，作用在腔室130上的控制系统还可以控制再循环系统200。替代地，再循环系统200可具有其自己的独立控制系统。在示例性实施例中，再循环系统200可以在实体自由成形制造期间操作，以在操作期间调制或更好地控制沉积腔室130的温度。例如，再循环系统200可以用于在等离子体转移电弧自由形态制作期间冷却沉积腔室130内部的环境。在制作期间冷却沉积腔室130具有防止沉积腔室130过热的益处。它还可以防止在沉积腔室130中发现的设备过热。它可以进一步防止腔室系统100整体或至少相邻腔室过热。

如图1中所示，在示例性实施例中，沉积腔室130优选地配备有至少一个窗口135。可以形成一个以上的窗口。该窗口允许操作员监视实体自由成形制造。窗口还允许操作员监视在沉积腔室130内部发现的设备。一个或多个窗口135可以形成它们设置所处的腔室壁的任何部分。例如，窗口135可以占据整个腔室壁。替代地，窗口135可以占用腔室壁的约四分之三。替代地，窗口135可以占用腔室壁的约一半。替代地，窗口135可以占用腔室壁的四分之一。

如前面所讨论，观察通道(诸如窗口)可以由任何合适的透明材料制成。透明材料的示例包括玻璃、丙烯酸材料或热塑性聚合物。在示例性实施例中，观察通道可以由丙烯酸材料(诸如聚甲基丙烯酸甲酯)制成。替代地，观察通道可以是玻璃。在示例性实施例中，观察通道由钠钙硅酸盐玻璃制成。玻璃可以涂覆有一个或多个透明金属氧化物层，其可以反射选定波长的电磁辐射。在一些实施例中，玻璃可以反射红外电磁辐射。在一些实施例中，玻璃可以反射紫外电磁辐射。玻璃可以单层存在，或者可以使用多层玻璃。在一些实施例中，存在由空间分离的至少两个玻璃层。两层玻璃之间的空间可以填充惰性气体。在一些实施例中，两层玻璃之间的空间填充有氩气。这种配置可以阻挡约85％的紫外线辐射透过窗口。在一些实施例中，存在至少两个玻璃层，并且在两个玻璃层之间存在聚合物膜的中间层，从而形成层压玻璃。聚合物膜可以是诸如聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)等任何聚合物材料。这种配置可以阻挡近似100％的紫外线辐射透过窗口。

可替代地，观察通道可以由热塑性聚合物制成。例如，观察通道可以由聚碳酸酯、丙烯酸或聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。热塑性塑料可以作为单层存在，或者可以制作两个或更多个片材以在片材之间包括空间，该空间可选地可以填充氩气，或者可以通过在热塑性聚合物的两个片材之间包括聚合物膜的中间层来制备层压塑料观察窗口。用于一个腔室的一个或多个观察通道的材料可以与用于任何其它腔室的一个或多个观察通道的材料相同或不同。而且，一个腔室的不同观察通道可以由相同或不同的材料制成。

此外，如果需要，沉积腔室130的观察通道可以进一步配备有一个或多个观察屏。例如，在等离子体转移电弧用于实体自由成形制造的实施例中，不可能或者可能难以肉眼监视电弧。实际上，由于电弧发出的电磁辐射，试图用肉眼观察该工艺可能导致眼睛受伤。因此，可以在一个或多个窗口135上的期望位置处设置诸如带有提供适当保护级别的遮光数值的滤光镜片的观察屏。在示例性实施例中，在整个窗口135上设置具有适当遮光数值的滤光镜片。在替代性示例中，根据需要，可以仅在窗口135上的一个或多个离散位置处设置具有适当遮光号的滤光镜片。而且，可以在窗口135的不同位置处设置不同的遮光号，而无论是否在整个窗口135上方使用单个滤光镜片或者是否在不同的离散位置处设置多个滤光镜片。在示例性实施例中，遮光数值可以在5至15之间变化。在示例性实施例中，一个或多个位置处的遮光数值可以是5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15。

滤光镜片可以为任何合适的材料。材料的示例包括玻璃、丙烯酸材料或热塑性聚合物。在示例性实施例中，滤光镜片可以由丙烯酸材料(诸如聚甲基丙烯酸甲酯)制成。替代地，滤光镜片可以是玻璃。在示例性实施例中，滤光镜片由钠钙硅酸盐玻璃制成。在替代实施例中，滤光镜片可以由聚碳酸酯制成。滤光镜片可以直接固定在一个或多个窗口135上。替代地，滤光镜片可以用于形成一个或多个窗口135。在替代实施例中，滤光镜片可以集成到一个或多个窗口135中。在示例性实施例中，滤光镜片可以是独立的并且定位在窗口135的前面。在示例性实施例中，在一个或多个窗口135上没有设置滤光镜片。

如前面所讨论，沉积腔室130如任何其它腔室一样也可以配备有一个或多个相机来监视腔室130。沉积腔室130内部的一个或多个相机也可以用于监视制作工艺。可以记录由相机记录的视频。该视频也可以向监视器现场直播。监视器可以位于腔室130外部。监视器可以位于腔室130附近。监视器可以位于远离腔室130的位置处。沉积腔室130还可以配备有如前所述的一个或多个照明装置以在腔室130内部提供光。

沉积腔室130可以包括一个或多个门。在示例性实施例中，沉积腔室130可以包括装载/卸载腔室的至少一个门。在图1中所示的示例性实施例中，沉积腔室130连接到两个装载/卸载沉积腔室110和120。如图1中所示，可以在沉积腔室130与一个或多个装载/卸载腔室之间共享壁。在所示实施例中，沉积腔室130可以与装载/卸载腔室110和120共享门112和122。上面已经结合装载/卸载腔室110和120描述了门112和122。在替代性实施例中，沉积腔室与装载/卸载腔室之间的通道可以使用一个以上的门来密封。例如，可以使用面向彼此的两个门。无论是使用一个门还是多个门，门都可以具有与上面已经讨论的具有它们的材料和可选的一个或多个密封构件的门相同的结构并被设计成与其一样操作。在装载/卸载腔室和沉积腔室各自具有其自己的门的实施例中，每个门都可以独立地操作。可以经由装载/卸载腔室的控制系统来控制装载/卸载腔室的门的操作。可以经由用于沉积腔室的控制系统来控制沉积腔室的门的操作。替代地，每个门都可以具有其自己的控制系统。在另一替代性实施例中，控制系统可以用于操作两个门。

类似于上文描述的在沉积腔室130与一个或多个装载/卸载腔室之间的门装置也可以设置在沉积腔室130与维修腔室140之间。下面将描述用于维修腔室140的密封门的替代性实施例。

虽然未示出，沉积腔室130也可具有通向外部的门。这种门的结构和元件将与本文所述的包括一个或多个密封构件的材料和可选用途的其它门相同并被设计成与其它门一样操作。

提供通向沉积腔室130的门或开口中的任何一个或多个可以装配有能够检测给定的门何时打开或关闭的一个或多个传感器。一个或多个传感器可以连接到控制沉积设备150的控制系统。在示例性实施例中，如果一个或多个传感器中的任何一个检测到当进入沉积腔室130的任何一个或多个门应当关闭时打开，或者没有如同它们应当密封的那样适当地密封，则传感器可以通过向腔室系统100的一个或多个控制系统发送信号来表达这种情况。如果在制作期间，响应于从一个或多个传感器接收到信号，一个或多个控制系统可以向沉积设备150发送信号以在制作工艺进行时停止制造工艺或者防止其启动。一个或多个传感器还可以触发声音警报(诸如汽笛、警报语音和/或哔哔声)、视觉警报(诸如闪光灯、一个或多个腔室内部的发光元件的闪烁)、一个或多个控制系统上的屏幕警报，或者它们的组合。

维修腔室

腔室系统100可以可选地包括维修腔室140。顾名思义，维修腔室140可以用于维修沉积设备150，而不必进入沉积腔室130或不必将腔室130暴露于外部大气。能够保持期望的环境(无论它是真空、惰性气体、空气还是其它内部腔室130)都可以带来经济优势并减少停机时间。这是因为每次需要对沉积设备150进行维护维修时不需要能量、材料或时间来完全更换沉积腔室130中的环境。

维修腔室140可以具有任何期望的尺寸。在示例性实施例中，维修腔室140足够大以至少容纳沉积设备150。在示例性实施例中，维修腔室140比沉积设备150的尺寸大至少约20％。替代地，维修腔室140比沉积设备150的尺寸至少大约30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、125％、150％、175％、200％、300％、400％、500％。维修腔室140的尺寸太大将需要太多的能量来排出和填充维修腔室140，这将是昂贵的。维修腔室140可以用于防止必须花费成本和时间来排出和重新填充沉积腔室130，因此与沉积腔室130的尺寸相比，维修腔室140的尺寸应当小得多。在示例性实施例中，腔室140的尺寸尽可能小到仍然允许沉积设备150的壳体和足够的空间来执行至少一些维护而不必打开维修腔室140。

维修腔室140可以位于与沉积腔室130连通的任何位置。在示例性实施例中，维修腔室140定位成与沉积腔室130的一个端壁的中间对齐。在示例性实施例中，维修腔室140与到达沉积设备150的送丝(wire feed，给送的焊丝)对齐。通过将维修腔室140与到达沉积设备150的送丝进行对齐，可以将沉积设备150移入和移出维修腔室140而不弯折送丝160或者不需要移除送丝160。这提供了以下优点：每次在沉积设备150上进行维护时不影响送丝160，也不浪费时间移除和重置送丝160。

在示例性实施例中，维修腔室140允许送丝160通过位于维修腔室140距沉积腔室130的远端处的开口142。开口142可以设置有防止外部环境气体进入维修腔室140的装置。可以根据腔室系统100的工况来设计这种装置。在沉积腔室130保持在真空下的示例性实施例中，该装置可以包括密封装置，诸如一个或多个密封垫圈或膜，其允许送丝160通过并同时保持真空条件。在沉积腔室130在惰性气体环境中操作的示例性实施例中，开口142可以配备有惰性气体鼓风机。鼓风机可以连续地将惰性气体吹出开口142，因此有助于防止外部环境气体的流入。鼓风机可以是任何合适的鼓风机，并且吹入的惰性气体的量可以在适当范围内的任何地方，这可以帮助防止外部环境气体的流入。在示例性实施例中，鼓风机可以以约10L/min的流速吹气。在替代实施例中，鼓风机可以高于10L/min(例如11L/min、13L/min、15L/min、20L/min)的流速吹气。在示例性实施例中，鼓风机可以形成高于腔室外部压力的压力以防止任何气体进入腔室的任何流速吹气。

维修腔室140还可以配备有用于对沉积设备150进行维护的适当装置。例如，如图1中所示，维修腔室140可以配备有一组手套143，其允许操作员在不打开维修腔室140的情况下在沉积设备150上工作。因此，可以提供维修而不使维修腔室140经受维修腔室140与外部周围环境的大气连通。该组手套143允许在不打开维修腔室140的门的情况下执行维修。

维修腔室140还可以配备有一个或多个窗口146。窗口146可以允许操作员在不必打开维修腔室140的情况下观察沉积设备150。例如，操作员可以在使用手套143的同时使用一个或多个窗口146来观察沉积设备150。

维修腔室140还可以配备有入口通道147。通道可以集成在一个或多个窗口146中。替代地，通道147可以与一个或多个窗口146分开设置。门147可以被设计成允许直接进入沉积设备150以便对沉积设备150进行维护。例如，通道147可以用于更换沉积设备150上的部件。门147可以被设计成允许移除或安装沉积设备150。与前面讨论的门一样，通道147可以被设计成摆动打开或滑动。通道147还可以包括两个摆动打开的面板。门147可以被设计成在关闭时形成不透气的密封件。可以使用如前所述的一个或多个密封构件结合门的使用来实现密封。一个或多个压力机构(诸如铰链和/或弹簧)也可以用于在关闭时在通道147上施加压力以便改进密封。当通道147打开时，可以移除压力。通道147还可以包括能够检测通道147何时打开或关闭的传感器。传感器可以连接到控制沉积设备150的控制系统。在示例性实施例中，如果通道147的传感器在制作期间检测到通道147被打开，则控制系统可以发送信号以停止制作工艺。

沉积设备150在处于沉积腔室130内部时可以经由轨道系统从沉积腔室130转移到维修腔室140，如前面关于针对沉积设备150提供的运动设备所描述的。在示例性实施例中，提供了维修腔室140的顶板上的轨道系统。替代地，轨道可以设置在腔室壁或维修腔室140的底部上。腔室140内部的轨道可以是设置在沉积腔室130中的轨道的伸展，沉积设备150在沉积腔室130中时连接到该轨道。替代地，腔室140中的轨道可以是单独的轨道，当其进入维修腔室140时能够与沉积设备150接合。沉积设备150可以通过设置在沉积腔室130内部或外部的相同的马达、齿轮、轮子、滑轮系统和传送机在维修腔室140内的轨道上被推动或拉动。替代地，可以在沉积设备150上设置马达、齿轮、轮子、滑轮系统和传送机。替代地，可以在维修腔室140的内部或外部设置单独的马达、齿轮、轮子、滑轮系统和传送机。替代地，马达、齿轮、轮子、滑轮系统和传送机中的一些可以设置在维修腔室140的内部或外部，并且一些设置在沉积设备150上。

维修腔室140可以通过开口141与沉积腔室130连通。开口141的尺寸应优选地设定成至少允许沉积设备150通过。可以使用如前所述在沉积腔室130与装载/卸载腔室110和120之间的一个或多个门将开口141与沉积腔室130密封隔离。这里可以使用相同类型的门结构、材料、设计和控件。在替代实施例中，代替将门放置在开口141处的是，具有可选的一个或多个密封构件145的门144可以在其距维修设备140的远端处固定到沉积设备150上。在这样的示例性实施例中，如图2中所示，门144可以被布置成使得当沉积设备150被转移到维修腔室140时，门144和可选的一个或多个密封构件145密封开口141。因此，通过将沉积腔室150转移到维修腔室140中，开口141由门144和一个或多个密封构件145自动密封。图1和2中所示的实施例的优点在于密封开口141的能力，而不必担心弯折或必须移除送丝160。如图1中所示，该布置还设置了每当沉积设备150位于沉积腔室130内部时维修腔室140与沉积腔室130连通。

与其它腔室类似，维修腔室140也可以设置有其自己的独立通风系统，其允许维修腔室140处于真空、惰性气体或其它气体环境或空气中。如上所述，可以使用相同的通风装置，特别是如果所使用的惰性气体比空气重，例如氩气或氩-氦气混合物。在示例性实施例中，用于引入和/或排出较重的气体或气体混合物的一个或多个通风口设置在维修腔室140的底部，而用于引入和/或排出较轻的气体或气体混合物(例如空气)的通风口设置在维修腔室140的上部。

维修腔室140还可以设置有其自己独立的温度和压力监视和控制装置，这类似于针对所有其它腔室所描述的那些。维修腔室140的所有门、通道和开口也可以类似于装载/卸载腔室110和120以及沉积腔室130中的门和开口的方式配备有一个或多个传感器，以检测门或开口在其应当密封时是否未正确密封并且向腔室系统100的一个或多个控制系统传达这种情况，该控制系统然后可以引发视觉和/或声音警报并且可以停止或阻止启动实体自由成形制造。关于开口142，可以使用一个或多个传感器来监视气体鼓风机或防止外部环境气体进入维修腔室140的其它装置正常运行。

以下示例性解释仅用于说明性目的，而不意图限制本文所提供的实施例的范围。

装载/卸载腔室的使用

在示例性实施例中，沉积腔室130由设置期望的环境为实体自由成形制造制备。例如，空气从沉积腔室130中排出，并用惰性气体或惰性气体混合物(诸如氩气或氩-氦气混合物)更换。使用连接到沉积腔室130的上部的第一组一个或多个通风口的真空泵将空气从沉积腔室130中排出。在激活真空泵之后，使用控制系统来操作将真空连接到沉积系统130的第一组通风口的阀门。控制系统可以是手动的、计算机化的或者它们的组合。第一组通风口可以位于例如顶板上和/或腔室壁的上部。通过施加真空，空气从位于沉积腔室130的上部的第一组通风口从沉积腔室130中抽出。在从沉积腔室130排出空气的同时，可以与操作将真空连接到沉积腔室130的通风系统的阀门的控制系统相同或不同的控制系统用于引入惰性气体或惰性气体混合物进入沉积腔室130。该后一种控制系统也可以是手动的、计算机化的或两者的组合。惰性气体或惰性气体混合物通过位于沉积腔室130的底部(即，腔室壁的底板和/或底部)的第二组一个或多个通风口被引入沉积腔室130。惰性气体或惰性气体混合物包括比空气重的至少一种气体。以此方式，当空气从沉积腔室130的顶部排出时，从底部引入惰性气体或惰性气体混合物。可以通过打开连接到与第一组通风口分开的沉积腔室130的第二组通风口的阀门来提供惰性气体或惰性气体混合物的供应。

在沉积腔室130中进行惰性气体或惰性气体混合物的供应和空气的排出，使得最小化或消除不流通空气袋的形成。该工艺持续足够的时间段，直到存在于沉积腔室130中的氧气检测器检测到氧的存在低于50ppm。在此工艺期间，使用压力计监视沉积腔室的压力，并将该压力调整到在大气压以上约3至约6毫巴的范围内。

在上述工艺期间，沉积腔室130通过一个或多个门与任何装载/卸载腔室和外部环境密封隔开。

保持基板通过提供通向操作员的入口的装载/卸载腔室100的打开的门111并将保持基板保持在位于装载/卸载腔室110内部的传送机113上方而装载到装载/卸载腔室110中。一旦将保持基板装载到装载/卸载腔室110中，就可以关闭一个或多个入口门111以便提供不透气的密封。然后用惰性气体或惰性气体混合物之一更换装载/卸载腔室的环境。该工艺类似于针对沉积腔室130所描述的工艺。真空泵连接到装载/卸载腔室上部的第一组一个或多个通风口以从腔室中排出空气，同时从位于装载/卸载腔室的底部的第二组一个或多个通风口引入比空气惰性气体或气体混合物更重的空气。装载/卸载腔室的环境被制造为与使用装载/卸载腔室的独立氧气检测器和压力计测量条件的沉积腔室的环境基本上相同。

一旦装载/卸载腔室110的环境基本上类似于沉积腔室130的环境，就打开将装载/卸载腔室110与沉积腔室130密封隔离的一个或多个门112。然后操作装载/卸载腔室110内部的传送机113以将保持基板转移到位于沉积腔室130内部并定位在准备接收第一保持基板的一个或多个门112附近的致动器131上。

一旦转移来完成，致动器131移动到用于实体自由成形制造的起始位置和一个或多个门112是关闭的。然后，在沉积腔室130内部开始实体自由成形制造工艺。在制作期间，保持装载/卸载腔室110内部的惰性环境。在制作期间，还可以激活沉积腔室130的再循环系统200以在自由形态制作期间冷却惰性气体或气体混合物，以防止沉积腔室130和/或位于沉积腔室130内的设备过热。

同时第二保持基板通过打开入口门121被装载到装载/卸载腔室120中并将第二保持基板定位在传送机123上。然后关闭入口门121以提供不透气的密封，并且如上面针对装载/卸载腔室110描述的惰性环境更换内部环境。

一旦使用第一保持基板完成实体自由成形制造以生产第一工件，制作工艺就停止并且现在保持第一工件的致动器131移回到靠近一个或多个门112的位置。一个或多个门112再次打开，并且传送机113从致动器131中取回第一工件。在将第一工件放回传送机113上之后，将一个或多个门112再次关闭密封。

在第一工件已经被转移到装载/卸载腔室110并且一个或多个门112关闭之后，致动器131移动到靠近一个或多个门122的位置。然后，一个或多个门122打开，并且传送机123将第二保持基板转移到致动器131上。一旦发生转移，一个或多个门122密封关闭，致动器131移回起始位置以进行实体自由成形制造，并且在第二保持基板上开始实体自由成形制造。在该制造工艺期间，保持装载/卸载腔室120中的惰性环境。

同时，在装载/卸载腔室110中的环境通过将真空施加到装载/卸载腔室110的一个或多个通风口的底部组并通过将空气引入通过装载/卸载腔室110的一个或多个通风口的上部组来更换空气。一旦装载/卸载腔室110中的环境已经用大气压的环境空气更换，就打开一个或多个门111并取回第一工件。以此方式，取回第一工件的操作员不会暴露于可能对操作员有害的惰性气体或惰性气体混合环境。在卸载第一工件之后，操作员可以将第三保持基板装载到传送机113上。然后关闭一个或多个门111，并且如前所述，再次用惰性环境更换装载/卸载腔室110内部的环境。

一旦在第二保持基板上完成实体自由成形制造以形成第二工件，将保持第二工件的致动器131移回到靠近一个或多个门122的位置，然后打开门，并且传送机123取回第二工件，从而以类似于将第一工件转移到传送机113上的方式将第二工件转移回装载/卸载腔室120。然后关闭一个或多个门122，并且致动器131移动到靠近一个或多个门112的位置，以准备好以接收第一保持基板的相同方式接收第三保持基板。

同时，装载/卸载腔室120中的环境以与装载/卸载腔室110类似的方式用空气更换。然后，通过经由一个或多个门121进入装载/卸载腔室120来从中取回第二工件。然后将第四保持基板装载到传送机123上。

对要生产的许多工件重复上述工艺。以上述方式，可以通过不必花费时间等待更换装载/卸载腔室中的环境来加快生产工艺，以将保持基板转移到致动器131上，因为该工艺已经在致动器131准备接收新的保持基板之前就已经完成了，同时还提供快速卸载先前形成的工件的方法。

在上述工艺期间，一个或多个传感器可以用于监视门，从而在实体自由成形制造期间进入沉积腔室。如果门未被正确密封关闭或者在制作期间门被打开，则一个或多个传感器将向控制沉积设备的控制系统发送反映这种情况的信号，并且防止实体自由成形制造工艺启动或者如果已经开始就停止该实体自由成形制造。在这样做时，实体自由成形制造不会暴露于除预期之外的环境。

维修腔室的使用

在示例性实施例中，腔室系统100可以包括连接到沉积腔室130上的维修腔室140。这可以与还具有也连接到沉积腔室130上的一个或多个装载/卸载腔室相结合。一个或多个装载/卸载腔室的操作将如第一示例中所述，与是否也使用维修腔室140无关。

在实施例中，沉积设备150可以移动到维修腔室140。具有一个或多个密封构件145的一个或多个门144可以设置在沉积设备150的一端，使得当沉积设备进入维修腔室140时，具有一个或多个密封构件145的一个或多个门144更靠近开口141。利用这种配置，当沉积设备150完全在维修腔室140内部时，一个或多个门144和一个或多个密封构件145关闭开口141，以在维修腔室140与沉积腔室130之间形成不透气的密封。

在沉积设备150移动到维修腔室140中之后，在沉积腔室130中的环境可以独立地如期望以与示例1中描述的类似方式进行修改。如果沉积腔室130中的环境已经如期望的那样，则可以简单地保持沉积腔室130。

如果需要，一旦沉积设备150放置在维修腔室140中并且开口141已被密封，则维修腔室中的环境也可以独立地改变。可以类似于上面对沉积腔室和/或装载/卸载腔室描述的方式实现维修腔室140中的环境的更换或调整。换句话说，通风口位于维修腔室140的上部和下部。可以使用维修腔室140的上部的一个或多个通风口从腔室140引入或排出空气或其它轻气体环境。同样，可以使用维修腔室140的底部处的一个或多个通风口引入或移除重气体环境。如果要在真空条件下使用维修腔室140，则也可以同时对所有上部和下部通风口施加真空。同样可以对任何其它腔室进行施加真空。而且，如果需要真空条件，则可以使用上部和下部通风口的任何子组或上部和下部通风口的组合，而与大气是否被排出无关。这也适用于本文所述的其它腔室，包括沉积腔室130和装载/卸载腔室110和120。

在其中维修腔室140已经填充有惰性环境的实施例中，即使在沉积设备150已被转移到腔室140，仍然可能期望简单地维持大气。如果沉积设备150需要维护，则操作员可以使用手套143执行这种维护。操作员可以在执行维护的同时通过观察窗口146来观察沉积设备150。

如果必要的维护无法使用手套143容易地实现，或者如果操作员只需决定不使用手套143来执行维护，则可以经由通道147进入沉积设备。为了避免操作员暴露于潜在有害气体，或者如果当沉积设备150转移到维修腔室140中时该维修腔室处于真空条件下，则在打开通道147之前，可以用大气压下的空气更换维修腔室140内部的环境。

一旦维护完成，通道147被关闭(如果它已被打开)并且如果需要就将维修腔室140的大气条件修改成类似于沉积腔室130的那些条件。一旦在维修腔室140中实现了可接受的大气条件，沉积设备150就返回到沉积腔室130。以此方式，沉积腔室130中的环境基本上不受启封开口141的影响。

随着沉积设备150移入和移出维修腔室140，送丝160保持笔直。当沉积设备150朝向开口141移动时并且当它进入维修腔室140时，送丝160的一部分通过开口142离开维修腔室140。当沉积设备150进入沉积腔室130并且更深地移动到沉积腔室130中时，送丝160通过开口142进入维修腔室140。在实体自由成形制造期间，附加送丝160也通过开口142进入维修腔室140，因为送丝用于实体自由成形制造。

如示例1中所描述的，任何通道或其它门或维修腔室140的开口都可以由一个或多个传感器监视。如果一个或多个传感器检测到除了开口141和开口142之外的通道147或其它门或通道没有根据需要密封，或者如果它感测到来自开口142的外部大气的流入，则可以将信号发送到用于沉积腔室130中的沉积设备的控制系统，以防止启动实体自由成形制造或停止正在进行的实体自由成形制造工艺。这避免了在制造期间将工件暴露于不希望的环境。而且，当一个或多个传感器发出维修腔室140中泄漏、没有密封或打开时，可以引发声音警报、视觉警报或者它们的组合。

同样地，当沉积设备150在维修腔室140中时，一个或多个传感器可以用于监视开口141的密封。如果一个或多个传感器检测到开口141没有被适当地密封，则可以引发声音警报、视觉警报或者它们的组合，使得警告操作员修改维修腔室140中的环境可能会影响沉积腔室130的环境。

本领域技术人员将明白在不脱离本发明的范围的情况下可以在本发明中进行各种修改和变型。因此，本发明旨在涵盖本发明的修改和变型，前提是它们在所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (20)

1.一种用于实体自由成形制造的腔室系统，包括：

一个或多个独立控制的装载/卸载腔室；

独立控制的沉积腔室，所述沉积腔室包括沉积设备和用于控制基材的位置和移动的致动器；

一个或多个门，所述门使所述沉积腔室与一个或多个所述装载/卸载腔室中的每一个腔室连接；以及

独立控制的维修腔室，连接到所述沉积腔室，所述维修腔室的尺寸设计成容纳所述沉积设备，所述维修腔室与所述沉积腔室、所述沉积设备以及到达所述沉积设备的送丝对齐，使得所述沉积设备能在不移除所述送丝的情况下移入和移出所述维修腔室。

2.根据权利要求1所述的腔室系统，其中，一个或多个所述装载/卸载腔室中的每一个腔室还包括：

一个或多个门，该门提供通向所述装载/卸载腔室的入口；

传送机，所述传送机位于所述装载/卸载腔室内部；以及

一个或多个通风口。

3.根据权利要求2所述的腔室系统，每个所述装载/卸载腔室包括位于所述装载/卸载腔室的上部的通风口和位于所述装载/卸载腔室的底部的通风口；

位于上部的所述通风口能操作地连接到真空泵和空气供应装置；并且

位于底部的所述通风口能操作地连接到真空泵和惰性气体源或惰性气体混合物源。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的腔室系统，所述腔室系统还包括两个所述装载/卸载腔室，在两个所述装载/卸载腔室之间具有共用的壁，并且其中，每个所述装载/卸载腔室还具有与所述沉积腔室共用的壁。

5.根据权利要求1所述的腔室系统，所述沉积腔室还包括位于所述沉积腔室的上部的一个或多个通风口和位于所述沉积腔室的底部的一个或多个通风口；

位于上部的一个或多个所述通风口能操作地连接到真空泵和空气供应装置；并且

位于底部的一个或多个所述通风口能操作地连接到真空泵和惰性气体源或惰性气体混合物源。

6.根据权利要求1所述的腔室系统，所述沉积腔室还包括一个或多个观察通道。

7.根据权利要求1所述的腔室系统，所述沉积腔室还包括再循环系统，所述再循环系统包括风扇和热交换器。

8.根据权利要求1所述的腔室系统，所述维修腔室还包括位于所述维修腔室的上部的一个或多个通风口和位于所述维修腔室的底部的一个或多个通风口；

位于上部的一个或多个所述通风口能操作地连接到真空泵和空气供应装置；

位于底部的一个或多个所述通风口能操作地连接到真空泵和惰性气体源或惰性气体混合物源。

9.根据权利要求1所述的腔室系统，所述维修腔室还包括入口通道。

10.根据权利要求1所述的腔室系统，所述维修腔室还包括一组手套。

11.一种操作用于实体自由成形制造的腔室系统的方法，所述方法包括：

用惰性环境独立地更换所述腔室系统的沉积腔室中的环境；

将第一保持基板转移到位于所述沉积腔室内部的致动器上，同时保持所述沉积腔室中的所述惰性环境；

执行实体自由成形制造以形成第一工件；以及

将所述第一工件移出所述沉积腔室，同时保持所述沉积腔室中的所述惰性环境，

其中，所述腔室系统包括沉积腔室、一个或多个装载/卸载腔室和维修腔室，所述维修腔室的尺寸设计成容纳沉积设备，并且所述维修腔室与所述沉积腔室、位于所述沉积腔室中的所述沉积设备以及到达所述沉积设备的送丝对齐，使得所述沉积设备能在不移除所述送丝的情况下移入和移出所述维修腔室。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个装载/卸载腔室中的每个装载/卸载腔室和所述维修腔室通过一个或多个独立的开口与所述沉积腔室连通。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述沉积腔室、一个或多个所述装载/卸载腔室和所述维修腔室中的一个或多个腔室具有一个或多个门，以密封一个或多个所述开口。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，所述方法还包括独立地控制所述沉积腔室、一个或多个所述装载/卸载腔室以及所述维修腔室中的每一个腔室。

15.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括使用一个或多个传感器来监测所述沉积腔室、一个或多个所述装载/卸载腔室以及所述维修腔室中的每一个腔室处的一个或多个所述门。

16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括如果一个或多个所述传感器中的一个或多个传感器检测到至少一个所述门没有被适当地密封关闭，则停止所述实体自由成形制造。

17.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：

将第一保持基板装载在位于第一装载/卸载腔室内部的传送机上；

用与所述沉积腔室中相同的惰性环境更换所述第一装载/卸载腔室中的环境；以及

在将所述保持基板转移到所述致动器上期间并且在所述实体自由成形制造期间，保持所述第一装载/卸载腔室内部的环境。

18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：

将第二保持基板装载到第二装载/卸载腔室的传送机上，同时保持所述第一装载/卸载腔室中的惰性环境；

用与所述沉积腔室中相同的惰性环境更换所述第二装载/卸载腔室中的环境。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，将所述第一工件转移出所述沉积腔室包括：

将所述工件转移到所述第一装载/卸载腔室中，同时保持所述第一装载/卸载腔室中的惰性环境；

密封所述第一装载/卸载腔室以与所述沉积腔室隔离；

用外界空气更换所述第一装载/卸载腔室中的惰性环境；以及

从所述装载/卸载腔室卸载所述工件。

20.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括：

在密封所述第一装载/卸载腔室以与所述沉积腔室隔离之后，将第二保持基板从第二装载/卸载腔室转移到所述致动器上，同时保持所述沉积腔室中的惰性环境。

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