CN112368130A - 头部、沉积装置以及用于控制头部的方法 - Google Patents

头部、沉积装置以及用于控制头部的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于制造三维物体的沉积装置(600)的头部(100)。所述头部(100)包括具有第一端(112)的壳体(110)，所述第一端(112)包括被布置成定位在表面(210a，210b，…，210n)上的端部开口(114)。所述头部(100)进一步包括材料接收装置(115)，所述材料接收装置(115)被布置成将颗粒材料(125)接收到所述壳体(110)中并接收到所述表面(210a，210b，…，210n)上。所述活塞(130)被布置成在所述壳体(110)内朝着所述第一端(112)移动，使得所述活塞(130)将所述颗粒材料(125)按压到所述表面(210a，210b，…，210n)上，并且所述颗粒材料(125)从而形成沉积体积V。本发明进一步涉及包括头部(100)的沉积装置(600)以及相应的方法。

Description

头部、沉积装置以及用于控制头部的方法
技术领域
本发明涉及一种沉积装置的头部、包括这种头部的沉积装置以及相应的方法。
背景技术
增材制造(AM)是一种在计算机控制下通过连接或固化材料来构建三维物体的制造过程。该材料最初可以为，例如颗粒材料，例如粉末。可以通过连续地逐层添加材料来构建物体。例如粉末床AM系统就是这种情况，其中，可以通过粉末在粉末床上的逐层固结来制造复杂的物体。固结可以通过输入能量来实现，这导致颗粒通过烧结或熔融在一起而连接。典型的能源包括激光、电子束或高频磁场。
在常规粉末床AM中，粉末层顺序地散布在粉末床上。因此，较早的层支撑着散布在粉末床上的随后的层。在固结过程中，顶层的松散粉末的颗粒被熔合到较早的层以及邻近的疏松颗粒。通过使用空间上紧凑的能源，例如激光，可以以特定图案局部固结颗粒，从而形成三维物体。
发明内容
常规粉末床AM通常限于一种材料，因此不能制造包括两种或更多种材料的物体。这是一个缺点，因为使用两种或更多种材料可以为物体提供与，例如，导热性、导电性和机械性能有关的具体且变化的属性。
常规粉末床AM的另一个缺点是，围绕待制造物体的粉末通常被破坏，即不能被再利用。例如当使用铝时就是这种情况下，这导致使用常规粉末床AM、从铝制成物体的制造成本增加。
因此，需要改进粉末床AM以有效地产生三维物体。
本发明实施例的目的是提供一种减轻或解决本文提到的缺点和问题的解决方案。
上述和进一步的目的通过独立权利要求的主题实现。本发明的其他有利的实施形式由从属权利要求和其他实施例限定。
根据本发明的第一方面，上述和其他目的是通过一种沉积装置的头部来实现的，所述沉积装置的头部被构造成产生沉积体积层。所述头部包括：
壳体，包括至少三个壁段，所述至少三个壁段限定了沉积区域并且从所述壳体的第一端延伸到第二端，所述壳体的第一端包括被布置成定位在表面上的端部开口；和
至少一个材料接收装置，其被布置成将颗粒材料接收到壳体中并接收到所述表面上；
其特征在于：
活塞，其被布置成在壳体内朝着所述第一端和朝着所述第二端是可移动的，使得当所述活塞朝着所述第一端移动时，所述活塞将所述颗粒材料按压至所述表面上，从而形成沉积体积。
根据第一方面的沉积装置的头部的优点在于，该头部可以以明确限定的沉积体积在表面上沉积/形成颗粒材料。通过创建多层具有这种明确限定的沉积体积，可以高精度地制造复杂的物体。
根据本发明的实施例，所述至少三个壁段中的至少一个壁段可从所述表面单独地缩回。
该实施例的优点在于，头部可以以沉积体积彼此相邻的方式，即彼此接触的方式，沉积这些沉积体积，使得在沉积体积之间不产生间隙。由此，可以制造连续的多层沉积体积。
根据本发明的一个实施例，所述至少一个可缩回壁段被布置成通过使用以下组中的至少一者来缩回：
机械控制的缩回；和
温度控制的缩回。
该实施例的优点在于，可以使用公知的技术手段来实现对至少一个可缩回壁段的明确限定的和精确的缩回。
根据本发明的一个实施例，所述至少一个可缩回壁段被布置成缩回一定距离，该距离基本上对应于在所述表面上形成的至少一个相邻沉积体积的高度。
该实施例的优点在于，尽管将头部的其他壁段放置在表面上，但是该至少一个可缩回壁段可以被放置在至少一个相邻沉积体积的顶部。由此，可以在至少一个相邻的沉积体积旁边形成沉积体积，而在它们之间没有任何间隙。
根据本发明的实施例，活塞还被布置成引起振动，从而将所提供的颗粒材料散布在所述沉积区域上。
该实施例的优点在于，在活塞将颗粒材料按压至所述表面上之前，颗粒材料可以以更均匀的方式散布在沉积区域上。
根据本发明的实施例，材料接收装置包括在所述壁段的至少一个壁段中的至少一个壁开口。
该实施例的优点在于，可以以简单且坚固的方式来实现材料接收装置。
根据本发明的实施例，所述壳体具有以下组中的一者：
形成三角形沉积区域的三个壁段；
形成矩形沉积区域的四个壁段；
形成正方形沉积区域的四个壁段；
形成六边形沉积区域的六个壁段；以及
形成八边形沉积区域的八个壁段。
该实施例的优点在于，沉积区域的形状适合于彼此相邻地匹配多个沉积区域，从而形成没有任何间隙的较大的连续区域。
根据本发明的第二方面，上述和其他目的是通过一种沉积装置实现的，其特征在于：
根据第一方面的任一实施例的至少一个头部；
至少一个材料提供装置，其被布置成向所述至少一种材料接收装置提供颗粒材料；
至少一个包括表面的床；
至少一个定位装置，其被布置成将所述头部定位在所述床的所还是表面上或者先前沉积的层的沉积体积的表面上；
至少一个材料转换装置，其被布置成将沉积体积V的所述颗粒材料转换成所述固体材料；以及
至少一个控制单元，其被布置成控制所述至少一个头部、所述至少一个材料提供装置、所述至少一个床、所述至少一个定位装置以及所述至少一个材料转换装置中的一者或多者。
该实施例的优点在于，沉积装置可以以限定的沉积体积沉积颗粒材料，从而可以形成非常精确的几何形状。沉积装置由此可以高精度地制造复杂的物体。
根据本发明的一个实施例，至少一个定位装置被布置成在第一方向，垂直于第一方向的第二方向，以及垂直于第一方向和第二方向的第三方向上移动所述头部。
该实施例的优点在于，所述头部可以以高的自由度移动，从而允许沉积体积沉积在表面上的任何位置。
根据本发明的一个实施例，至少一个材料转换装置中的每一者被布置成利用以下组中的一个：
熔化；以及
烧结。
该实施例的优点在于可以使用公知的技术将材料转换为固体材料，这降低了实施成本。
根据本发明的实施例，至少一个材料转换装置中的每一者被布置成执行以下组中的一者：
对于每一层沉积体积，单独地将所述颗粒材料转换成固体材料；以及
对于两个或更多层沉积体积，同时将所述颗粒材料转化为固体材料。
该实施例的优点在于，材料的转换可以以灵活的方式进行，并且可以适用于待生产的物体和/或所使用的材料。
根据本发明的一个实施例，所述至少一个材料提供装置包括：
至少一个包括颗粒状物料的容器；以及
被布置成分别附接到所述至少一个容器的至少一根管，所述至少一根管被布置成将颗粒材料从所述至少一个容器提供到所述至少一个材料接收装置。
该实施例的优点在于，可以使用可靠的、具有低复杂度的材料提供装置将颗粒材料提供到壳体中。
根据本发明的实施例，至少一根管被布置成分别相对于所述至少一个材料接收装置是可移动的，使得颗粒材料散布在沉积区域上。
该实施例的优点在于，在提供颗粒材料的过程中，可以改善颗粒材料在沉积区域上的散布，从而导致颗粒材料的散布更加均匀，这使得可以形成/产生具有更均匀的密度的沉积体积和/或使活塞能够更有效、更准确地将材料按压在表面上。
根据本发明的实施例，所述至少一个材料提供装置还被布置成引起振动，从而将所提供的颗粒材料散布在所述沉积区域上。
该实施例的优点在于，在提供颗粒材料的过程中，可以改善颗粒材料在沉积区域上的散布，从而导致颗粒材料的散布更加均匀，从而以更均匀的密度形成/产生沉积体积。
根据本发明的第三方面，通过用于控制根据第一方面的任一实施例的沉积装置的至少一个头部的方法来实现上述和其他目的，该方法包括：
将所述头部移动到所述表面上的预定位置；
将所述壳体的所述端部开口定位在所述表面上；
将预定量的所述颗粒材料提供到所述壳体中；
朝着所述表面按压所述活塞，使得所述颗粒材料被按压到所述表面上并形成沉积体积；
从所述表面缩回所述壳体；和
从所述表面缩回所述活塞。
该实施例的优点在于，可以控制头部以明确限定的沉积体积将颗粒材料沉积到所述表面上。
根据本发明的一个实施例，该方法进一步包括：
第一次执行所述方法，其中，在所述提供步骤器件，将第一颗粒材料提供到所述壳体中；和
第二次执行所述方法，其中，在所述提供步骤期间，将不同于苏搜狐第一颗粒材料的第二颗粒材料提供到所述壳体中。
该实施例的优点是，可以控制一个头部以沉积两种不同材料的沉积体积。以此方式，可以用一个头部制造更为复杂或不那么复杂的、包括两种或更多种不同材料的物体。
根据本发明的一个实施例，该方法进一步包括：
使用第一头部执行所述方法，其中，所述提供步骤包括将预定量的第一颗粒材料提供到所述第一头部的壳体中；和
使用第二头部执行所述方法，其中所述提供步骤包括将预定量的不同于所述第一颗粒材料的第二颗粒材料提供到所述第二头部的壳体中。
该实施例的优点在于，可以控制两个头部，其中，每个头部沉积某具体材料的沉积体积，以这种方式，可以用两个头部来制造包括两种或更多种不同材料的物体。
根据本发明的另外的实施例，可以使用两个以上的头部来沉积两种以上的颗粒材料。因此，本文描述的第一和第二头部以及第一和第二颗粒材料的使用仅仅是本发明可以实现的一个示例。发明的范围基本上涵盖任何数量的所使用的颗粒材料和/或头部。
根据本发明的实施例，基于所述表面的稳定性，对用于将所述活塞压向所述表面的压力进行调节。
该实施例的优点在于，可以调节压力，使得可以将沉积体积安全地沉积在尚未固化的层的表面上。
根据本发明的一个实施例，所述表面包括位于至少两个相邻沉积体积之间且具有表面区域的间隙，所述表面区域小于所述沉积区域；并且
所述定位步骤包括定位所述壳体，使得所述端部开口覆盖所述间隙；并且
在所述提供步骤之后并且在所述按压步骤之前，使所述壳体以平行于所述表面的方式移动，使得所述颗粒材料被移动到所述间隙中。
该实施例的优点在于，可以形成小于头部的沉积体积的部分沉积体积，从而允许，例如，表面上的缝隙被填充和/或构建更为复杂和/或具体的物体。
根据本发明的第四方面，通过包括指令的计算机程序来实现上述和其他目的，其中，当所述程序由计算机执行时，，所述指令使所述计算机执行根据第三方面的任何实施例的方法。
根据本发明的第五方面，上述和其他目的是通过一种包括指令的计算机可读介质来实现的，其中，当被计算机执行时，所述指令使所述计算机执行根据第三方面的任何实施例的方法。
根据本发明的第六方面，上述和其他目的是通过沉积装置的控制单元实现的，其中，所述沉积装置的控制单元被布置成控制所述沉积装置以执行根据第三方面的任何实施例的方法。
根据本发明的第七方面，上述和其他目的是通过根据第二方面的任何一个实施例中的沉积装置的用于生产物体的用途来实现的，其中，所述物体包括：包含第一材料的第一元件，以及分别包含至少一种第二材料的至少一个第二元件；其中，所述第一元件所述至少一个第二元件通过至少一个机械联接彼此固定。
该实施例的优点在于，沉积装置可以用于制造物体，包括在不同材料的元件之间的机械联接。
根据本发明的实施例，所述第一材料和所述至少一种第二材料彼此不可结合。
该实施例的优点在于，沉积装置可以用于制造物体，包括在不同材料的元件之间的机械联接，其中，该不同材料不能使用例如金属来联接。
通过下面的详细描述，本发明的其他应用和优点将变得明显。
简要附图说明
附图旨在阐明和解释本发明的不同实施例，其中：
图1a-1b示出了根据本发明实施例的沉积装置；
图2a-b示出了根据本发明实施例的沉积装置的头部；
图3a-d示出了根据本发明的各实施例的壳体的沉积区域；
图4示出了根据本发明的各实施例的包括可缩回壁段的头部；
图5a-f示出了根据本发明实施例的方法的不同阶段；
图6a-6b示出了根据本发明实施例的包括第一头部和第二头部的沉积装置；
图7a-c示出了根据本发明的各实施例的包括接合部的物体；
图8示出了根据本发明实施例的层的形成。
详细说明
本发明涉及一种可以从一种或多种材料制造三维物体的沉积装置。该沉积装置可以是，例如，增材制造装置或者增材制造装置的一部分，但不限于此。该沉积装置包括根据本发明的各实施例的头部，该头部被布置为在沉积装置的床上的沉积体积中沉积颗粒材料，从而产生多层沉积体积。颗粒材料可以，例如，是粉末、沙子或任何其他包含颗粒的颗粒材料。作为非限制性示例，该材料可以具有在15至100微米的区间内的颗粒直径。
图1a-1b示意性地示出了根据本发明实施例的沉积装置600。在图1a-1b中所示的实施例中，该沉积装置600包括：布置在定位装置300上的头部100，以及包括表面210a，210b，...，210n的床200，头部100在其上在沉积体积V内沉积颗粒材料125。该沉积装置600进一步包括至少一个材料提供装置120，该材料提供装置120被设置为向头部100，更具体地向头部的至少一个材料接收装置115提供颗粒材料。所述至少一个材料提供装置120在下面进行了更详细地描述。如上所述，颗粒材料125可以是，例如粉末，并且可以从容器122提供到头部100。定位装置300被布置成将头部100定位在床200的表面210a，210b，...，210n。所述表面210a，210b，...，210n可以对应于实际床200的表面210a或先前沉积的多层L1，L2，……Ln沉积体积V的表面210b，...，210n。换句话说，表面210n在本公开中对应于面向头部100的第Ln-1层沉积体积V的上表面。
沉积装置600进一步包括图1a所示的材料转换装置400。该材料转换装置400被布置成将沉积体积V的颗粒材料125转换成固体材料。在各实施例中，材料转换装置400被布置成利用熔化或烧结来固化沉积体积V的颗粒材料125。熔化和烧结都基于能量的输入，并且如本领域技术人员所知，任何已知的能源，例如激光、电子束或高频磁场，可以被用来实现该熔化或烧结。此外，熔化和/或烧结可以在每次已沉积的新的一层L1，L2，……Ln沉积体积V时进行，或者可以一次性对一层L1，L2，……Ln以上的沉积体积V进行。因此，材料转换装置400可以被布置成针对每层L1，L2，……Ln沉积体积V单独地执行将颗粒材料125转换为固体材料。材料转换装置400可以进一步被布置成，对两个或更多个层L1，L2，……Ln沉积体积V同时执行将颗粒材料125转换到固体材料。该材料转化装置400还可以被布置成对一或多层L1，L2，……Ln沉积体积V中的部分执行将颗粒材料125转化为固体材料。例如，当头部100已经沉积了第一层L1沉积体积V的一部分时，该材料转换装置400可以在开始第一层L1的这一部分的转换的同时，该头部100继续沉积该第一层L1的另一部分。
在图1a所示的实施例中，材料转换装置400被布置成在将一或多层L1，L2，……Ln沉积体积V的保留在床上的同时执行将颗粒材料125转换成固体材料。但是，在一些实施例中，在被材料转换装置400转换成固体材料之前，该一或多层L1，L2，……Ln沉积体积V可以从沉积装置600的床200中移除。因此，该材料转化装置400可以布置在沉积装置600的床200的外部，即与之分离，例如，与沉积装置600的床200相隔一定距离。在这些实施例中，该材料转换装置400可以是，例如，被加热的室，例如炉子，一或多层L1，L2，……Ln沉积体积V被移至其中，从而通过以热的形式的能量转化成固体材料。
为了控制颗粒材料125的沉积和转化，沉积装置600包括至少一个控制单元500，如图1a所示。至少一个控制单元500被布置成控制头部100、材料提供装置120、床200、定位装置300和材料转换装置400中的一个或多个。例如，沉积装置600的不同部分可以全部由一个控制单元500控制，或者沉积装置600的不同部分可以由可以彼此通信的单独的控制单元500控制。控制单元500可以通过有线或无线通信装置(图1a中未示出)连接到尤其控制的沉积装置600的各部分。控制单元500可以被布置成控制沉积装置600以执行根据本发明的实施例的用于沉积沉积体积V的任何方法。
如图1b所示，定位装置300可以被布置为使沉积装置600的头部100沿第一方向Dx以及垂直于该第一方向Dx的第二方向Dy移动。这样，沉积装置600的头部100可以定位在床200的表面210a，210b，...，210n上的任何位置。在每个位置，头部100可以沉积颗粒材料的沉积体积V。在图1b所示的实施例中，定位装置300将头部100沿第一方向Dx从床200的一端顺序地移动到床200的另一端，从而产生一排沉积体积V。定位装置300进一步沿第二方向Dy移动该头部100，以在前一行沉积体积V之后开始新的一行沉积体积V。以这种方式，床200可以逐步地被一层Ln沉积体积V所覆盖。然而，根据各实施例，定位装置300还可以以这样的方式移动头部100，使得在床200上产生基本上任何形状的沉积体积V的区域/层。
除了沿第一方向Dx和第二方向Dy移动之外，定位装置300还可以被布置成沿垂直于第一方向Dx和第二方向Dy的第三方向Dz移动该头部100，如图1a所示。从而，头部100可以进一步相对于表面210a，210b，...，210n，即相对于床200上下移动。当头部100将要移动到新位置时，头部100在第三方向Dz上的移动可以，例如，用于以远离表面210a，210b，...，210n的方式移动头部100。头部100在第三方向Dz上的移动可进一步用于在彼此之上建立多层L1，L2，……Ln沉积体积V。例如，在第Ln层沉积体积V已经被沉积在床200的表面210a，210b，...，210n上之后，定位装置300沿第三方向Dz以远离床200的方式移动该头部100，从而在先前的第Ln层之上开始新的第Ln+1层。通过将床200以远离该头部100的方式移动，即降低床200，也可以进一步获得相同的效果。
图2a-b示出了根据本发明实施例的沉积装置600的头部100。如图2a-b所示，头部100包括：壳体/容器/保持器110，至少一个材料接收装置115，以及活塞130。所述至少一个材料接收装置115可以，例如包括一或多个壁开口，通过该一或多个壁开口，颗粒材料可以由材料提供装置120将颗粒材料提供到壳体110中。壳体110包括至少三个限定沉积区域A的壁段111a，111b，...，111n(如图3a所示)。壁段111a，111b，...，111n从壳体110的第一端112延伸到第二端113。壳体110的第一端112包括端部开口114，其被布置成被定位在表面210a，210b，...，210n上。在图图2a-b所示的实施例中，壳体110，从而和端部开口114，直接位于沉积装置600的床200的表面210a上。
材料提供装置120被布置成通过头部100的材料接收装置115将颗粒材料125提供到壳体110中并提供到表面210a上。材料提供装置120向壳体110中提供的材料的量可以是预定量，例如由诸如控制单元500之类的控制单元确定和控制。如图2a-b所示，材料提供装置120包括管121，该管121被布置成附接至包括颗粒材料125的容器122(图1a所示)。管121被布置成通过材料接收装置115将颗粒材料125从容器122提供到容器122中位于表面210a之上，其中，所述材料接收装置115包括例如在至少一个所述壁段111a，111b，...，111n中的壁开口。此外，管121可以被布置成相对于材料接收装置115可移动，例如相对于至少一个壁段111a，111b，...，111n的壁开口，并且因此相对于壳体110，是可移动的，如图2a-b所示。管121相对于壁开口115的运动导致颗粒材料125散布在沉积区域A上。在各实施例中，可以在材料提供装置120使用一个以上的管121、容器和/或壁开口115，从而将一种或多种颗粒材料125输送到壳体110中。例如，第一管、第一容器和第一壁开口可用于将第一颗粒材料输送到壳体110中，同时第二管、第二容器和第二壁开口可用于将第二颗粒材料输送到壳体110中。此外，在材料提供装置120中可使用除管之外的其他装置来输送颗粒材料125，例如，如管道或溜槽。
如图2a-2b中的箭头部所示，活塞130被布置成可在壳体110内朝着第一端112和朝着第二端113移动。当活塞130朝向第一端112移动时，活塞130将由材料提供装置120提供到壳体110中的颗粒材料125按压在表面210a上。颗粒材料125由此被压缩并形成沉积体积V。选择活塞130的压力，使得形成的沉积体积V具有一定的稳定性，并且当活塞130从形成的沉积体积V移开时可以保持其形状。
根据本发明的各实施例，活塞130和/或材料提供装置120可以进一步被布置成引起振动，从而将被提供的颗粒材料125散布在沉积区域A上。由活塞130引起的振动导致，在颗粒材料125被活塞130按压在表面210a上时，壳体中的颗粒材料125更均匀地散布在沉积区域A上。材料提供装置120引起的振动导致，在提供颗粒材料125的过程中，壳体中的颗粒材料125可以更均匀地散布在沉积区域A上。在实施例中，由材料提供装置120引起的振动可以使管121中的颗粒材料125流化，从而进一步改善颗粒的散布。所提供的颗粒材料125在沉积区域A上的散布越均匀，则可形成具有更均匀的密度的沉积体积V。活塞130和/或材料提供装置120可以被布置为使用已知技术，例如一种或多种压电技术/元件，来引起振动。
由头部100沉积的颗粒材料125的沉积体积V的尺寸和形状由壳体110的沉积区域A的尺寸和形状，并结合提供到壳体110中的颗粒材料125的量以及有活塞提供的压力所确定。这些因素中的一个或多个可以根据，例如，待制造的物体的类型和所使用的材料来调整。
壳体110的沉积区域A的形状由壳体110中所包含的壁段111a，111b，...，111n的数量确定，而壳体110的沉积区域A的尺寸由壳体110的所包括的壁段111a，111b，...，111n的面向表面210a，210b，...，210n的端侧的长度所确定。图3a-d示出了根据本发明的各实施例的壳体110的沉积区域A。在图3a中，壳体110具有形成三角形沉积区域Atri的三个壁段111a，111b，111c。图3b示出了其中壳体110具有四个壁段111a，111b，111c，111d的实施例。在图3b所示的实施例中，壁段111a，111b，111c，111d的所有四个端侧具有相同的长度，因此形成正方形的沉积区域Asqu。然而，在实施例中，可以替代地选择四个壁段111a，111b，111c，111d的端侧的长度，使得它们形成矩形的沉积区域Arec(在图中未示出)。图3c中，壳体110具有六个壁段111a，111b，111c，111d，111e，111f，形成六边形沉积区域Ahex。图3d示出了一实施例，其中，壳体110具有形成八边形沉积区域Aoct的八个壁段111a，111b，111c，111d，111e，111f，111g，111h。因此，通过改变壁段111a，111b，...，111n的数量及其端侧的长度，沉积区域A的尺寸和形状并且因此沉积体积V的尺寸和形状可以被改变。
为了能够彼此接近地沉积颗粒材料125的沉积体积V，壳体110的壁段111a，111b，...，111n可以从表面210a，210b，...，210n单独地缩回。因此，根据本发明的实施例，至少三个壁段111a，111b，...，111n中的至少一个壁段111a可从表面210a，210b，...，210n单独地缩回。图4示出了根据本发明的实施例的包括可缩回壁段111a的头部100。图4所示的头部110的壳体110包括四个壁段111a，111b，111c，111d，其中，由于图4示出的是头部100的横截面，只有两个壁段111a，111c是可见的。如图4所示，可缩回壁段111a被布置成缩回距离D，该距离D基本上对应于形成在表面210a上的至少一个相邻沉积体积Vadj的高度Hadj。以这种方式，当可缩回壁段111a缩回距离D时，壳体110可以如此被定位，使得可缩回壁段111a被定位在相邻沉积体积Vadj的表面210b上，而壁段111c被定位在表面210a。因此，壳体110的端部开口114覆盖表面210a的直接邻近于相邻沉积体积Vadj的一部分。当通过头部100沉积沉积体积V时，沉积体积V将形成为具有与相邻的沉积体积Vadj接触的一个边缘。换句话说，在沉积体积V和相邻的沉积体积Vadj之间没有产生间隙。在各实施例中，包括在壳体110中的每个壁段111a，111b，...，111n可以单独地缩回。因此，可以沉积沉积体积V的区域，其中，每个沉积体积V与其一或多个，例如，所有相邻的沉积体积V边对边(edge to edge)。
至少一个可缩回壁段111a可以被布置成通过使用机械控制的缩回和/或温度控制的缩回而被缩回。机械控制的缩回可以，例如，通过使用由诸如马达控制的杆、轴或类似物来实现。例如，可以使用可旋转的螺纹杆，当其旋转时，该杆可升高/降低壁段111a。机械控制的缩回也可以通过利用被构造成使壁段缩回的弹簧载荷和/或齿形轴的装置来实现。当使用温度控制的缩回时，选择可缩回的壁段111a的材料，使得温度的变化导致材料以受控的方式膨胀和收缩。
根据本发明的实施例，提供了一种用于控制沉积装置600的头部100的方法800。所述方法800包括：
将头部100移动802到表面210a，210b，...，210n上的预定位置；
将壳体110的端部开口114定位804在表面210a，210b，...，210n上；
将预定量的颗粒材料125提供806到壳体110中；
朝着所述表面210a，210b，...，210n按压808活塞130，使得颗粒材料125被按压在表面210a，210b，...，210n上并形成沉积体积V；
将壳体110从表面210a，210b，...，210n缩回810；以及
将活塞130从表面210a，210b，...，210n缩回812。
图5a-f示出了根据本发明实施例的方法800的不同阶段。注意，尽管未在图5c-f中标出，在图5a-b中给出的附图标记同样适用于图5c-f。在图5a中，头部100已经被移动802到表面210a上的预定位置，并且壳体110的端部开口114已经被定位804在表面210a上。开始将预定量的颗粒材料125提供806到壳体110中。材料的提供806可以由如前所述的材料提供装置120和材料接收装置115执行。材料提供装置120可相对于壳体110移动，使得颗粒材料125散布在沉积区域A上，如图5a-b所示。在图5b中，将预定量的颗粒材料125提供806到壳体110中的步骤几乎完成，并且材料提供装置120已经被移动到壳体110的壁段111n中，图5c示出了朝着表面210a按压808改活塞130，使得颗粒材料125被按压在表面210a上以形成沉积体积V。按压808是通过使用压力P来执行的，该压力P被选择为赋予所形成的沉积体积V一定的稳定性。压力P可以，例如这样选择，使得所形成的沉积体积V对应于所谓的生坯，即中间阶段，其中，将颗粒材料125压成所需的形状，该形状可以在去除压力P之后保持。可以基于以下因素，例如，颗粒材料125的颗粒尺寸，沉积区域A的尺寸和形状，沉积体积V的尺寸和形状，以及沉积体积V在转变成固体材料之前是否将会移动，来确定压力P。可以进一步基于表面210a，210b，...，210n的稳定性以及因此分别基于在其上形成沉积体积V的层L1,L2,…,Ln的稳定性来确定压力P。在实施例中，因此可以基于表面210a，210b，...，210n的稳定性来调节用于将活塞130压向808表面210a，210b，...，210n的压力P。在实施例中的压力P可以由控制单元确定，并由控制单元，例如参照图1a-b描述的控制单元500，进行控制。
当通过按压808已经形成沉积体积V时，头部100从表面210a移开。首先，壳体110从表面210a缩回810，如图5d所示。当壳体110已经缩回810时，活塞130从表面210a上缩回812，如图5e所示。通过在缩回活塞130之前缩回壳体110，降低了沉积体积V粘附到活塞130上并随着活塞130从表面210a上缩回的风险。为了进一步降低沉积体积V粘附到活塞130上的风险，活塞130的面向沉积体积V的表面可以由不粘的材料或其他合适的材料制成。
在图5f中，头部100已经被移动到表面210a上与先前沉积的沉积体积V相邻的位置，在该位置重复方法800以形成新的沉积体积V。为了能够在靠近所述先前沉积的沉积体积V，即与之接触的位置上沉积所述新的沉积体积V，该壁段111a已经被缩回，使得壁段111a可以定位在先前沉积的沉积体积V的顶部。
在方法800的提供806步骤期间提供到壳体110中的颗粒材料125可以在每次执行方法800时相同，或者可以不同。例如，在图5a-f所示的实施例中，图5a-b中，第一颗粒材料125a可被提供806到壳体110中，在图5f中，第二颗粒材料125b可被提供806到壳体110中。因此，方法800可以在实施例中包括：第一次执行方法800，其中，在提供806步骤期间，将第一颗粒材料125a提供到壳体110中；以及第二次执行方法800，其中，在提供806步骤期间，将不同于第一颗粒材料125a的第二颗粒材料125b提供到壳体110中。
根据本发明的实施例，可以通过两个或更多个头部100进一步处理两种或更多种不同的颗粒材料125。图6a-b示出了根据这样的实施例的包括第一头部100a和第二头部100b的沉积装置600。在图6a-b所示的实施例中，第一头部100a包括第一壳体110a并且被布置成接收来自第一材料提供装置120a的第一颗粒材料125a，而第二头部100b包括第二壳体110b并且被布置成接收第二颗粒材料。因此，当通过图6a-b中所示的沉积装置600执行方法800时，方法800可以包括：使用第一头部100a执行方法800，其中，材料的提供806步骤包括向第一头部100a的壳体110a中提供806预定量的第一颗粒材料125a；以及使用第二头部100b执行方法800，其中，材料的提供806步骤包括向第二头部100b的壳体110b提供806预定量的不同于第一颗粒材料125a的第二颗粒材料125b。
在图6a-b所示的实施例中，第一头部100a的第一壳体110a具有比第二头部100b的第二壳体110b更大的沉积区域A。因此，第一颗粒材料125a沉积在第一沉积体积Va中，而第二颗粒材料125b沉积在第二沉积体积Vb中，第二沉积体积Vb小于第一沉积体积Va。如果在一种颗粒材料将要被沉积到相比覆盖颗粒材料的沉积更大的区域和/或需要相比更小的精度，能够在不同尺寸的沉积体积中沉积不同的颗粒材料可以是，例如有用的。
此外，提供了一种用于控制沉积装置600的头部100的方法800，该方法800允许沉积部分沉积体积VP，其中部分沉积体积VP是沉积体积V的子体积。当表面210a，210b，...，210n包括至少两个相邻的沉积体积Vadj之间的、具有表面区域Agap的间隙时，该方法800可以，例如，被使用。表面区域Agap小于沉积区域A；Agap＜A。在这种情况下，定位804步骤可以包括定位804所述壳体110，使得壳体110的端部开口114覆盖间隙。在将颗粒材料125提供806到壳体110中之后以及在活塞130朝向表面210a，210b，...，210n按压808之前，壳体110以平行于表面210a，210b，...，210n的方式移动，使得所述颗粒材料125被移动到间隙中。换句话说，壳体110可以在表面210a，210b，...，210n上来回移动，以将壳体110内部的至少两个相邻的沉积体积Vadj的顶部的颗粒材料125推/铲到间隙内。因此，当执行活塞130朝向表面210a，210b，...，210n的按压808时，在至少两个相邻的沉积体积Vadj之间的间隙中形成部分沉积体积VP。
根据本发明的实施例，通过使用一个或多个头部100来沉积两种或更多种颗粒材料125，可以从两种或更多种颗粒材料125中制造物体，而颗粒材料125不必是彼此可焊接的/可粘结的。例如，两种或多种材料125可以通过机械联接彼此固定，尽管两种或多种材料实际上彼此不可结合。例如，使用根据图6a-b所示的实施例的沉积装置600，可以分别通过第一头部100a和第二头部100b在明确定义的位置中分别沉积第一颗粒材料125a和第二颗粒材料125b，并单独固化。由此，可以形成固化的第一材料125a和固化的第二材料125b的基本上任何图案。这允许分别形成第一固化材料125a和第二固化材料125b的元素被形成，使得这些元素可以在制造过程中彼此机械锁定。这是可能的，因为可以非常精确地形成第一固化材料125a和第二固化材料125b的几何形状，从而可以通过与第一固化材料125a和第二固化材料125b的机械联接来抵消可能作用在第一固化材料125a和第二固化材料125b其任一或其二者上的力。例如，可以形成能够将由第一颗粒材料125a制造的第一元件固定/锁定到由第二颗粒材料125b制造的第二元件的不同类型的接头部/联接/固定/锁定。
图7a-c示出了根据本发明的实施例的物体，该物体包括在由第一颗粒材料125a制造/固化的第一元件E1和由第二颗粒材料125b制造/固化的第二元件E2之间的机械联接。图7a示出了物体，其中第一元件E1和第二元件E2使用指形接合/耦合彼此锁定。指形接合/耦合中的每个指形部可以例如是一层或多层Ln高。在图7b中，在物体的第一元件E1和第二元件E2之间已经形成有机接合/耦合。可以例如使用数学优化来设计有机接合/耦合，从而考虑到不同材料的特性和/或考虑作用在第一元件E1和第二元件E2上的力来达到强接合/耦合。图7c示出了物体，其中第一元件E1构成主要部分，并且第二元件E2被接合/联接/固定至第一元件E1，使得第二元件E2形成表面层。因此，物体可以涂覆有由第二颗粒材料125b制造/固化的第二元件E2，从而具有一定的表面特性。
而且，根据本发明的实施例，使用一个或多个头部100来沉积两种或更多种颗粒材料125，可以由两种或更多种颗粒材料125制成物体，使得至少一种或两种或更多种材料被用作掺杂物，即用作掺杂剂。因此，可以将至少一种材料耦合至，例如，被包含在，另一种材料中，从而通过掺杂来改变另一种材料的一个或多个特性。这可以通过本发明的实施例容易地实现，因为在两种或更多种固化材料之间可以提供非常精确的几何形状/形式/耦合也可以提供，对于不能彼此焊接/粘结的材料而言也是如此。
图8示出了根据本发明实施例的层L1，L2，…，Ln的形成。在图8所示的实施例中，头部100通过分别在表面210a，210b，...，210n上移动而形成连续的层L1,L2,…,Ln，彼此边对边地沉积沉积体积V。在床200的表面210a上，头部100已经形成了第一层L1。第一层L1的表面210b是头部100在其上形成第二层L2的表面，依此类推。这样，可以以逐层的方式创建物体。尽管图8中的层L1,L2,…,Ln具有相同的高度，但是在各实施例中，头部100可以替代地被布置成形成高度不同的层L1,L2,…,Ln和/或一个或多个具有在其/整个表面上均变化的高度的层L1。，L2，…，Ln。此外，每个层Ln可包括一种或多种材料的沉积体积V，使得层L1，L2，…，Ln可分别一起形成由一种或多种材料的一个或多个元件。
要注意的是，尽管本文中针对具有一个或两个具有正方形形状的头部100的沉积装置600描述了本发明的一些实施例，但是根据本发明的实施例的沉积装置600，在不脱离本发明范围的情况下，可以包括任意数量的、具有任何形状的头部100a，100b...，100n。

Claims (24)

1.一种沉积装置(600)的头部(100)，其被布置成产生多层沉积体积，所述头部(100)包括：
壳体(110)，其包括至少三个壁段(111a，111b，...，111n)，所述壁段限定了沉积区域A并且从所述壳体(110)的第一端(112)延伸至第二端(113)，所述壳体(110)的所述第一端(112)包括被布置成定位在表面(210a，210b，...，210n)上的端部开口(114)；和
至少一个材料接收装置(115)，其被布置成将颗粒材料(125)接收到所述壳体(110)中并接收到所述表面(210a，210b，...，210n)上；
其特征在于
活塞(130)，其被布置成在壳体(110)内朝着所述第一端(112)和朝着所述第二端(113)是可移动的，使得当所述活塞(130)朝着所述第一端(112)移动时，所述活塞(130)将所述颗粒材料(125)按压至所述表面(210a，210b，...，210n)上，从而形成沉积体积V。
2.根据权利要求1所述的头部(100)，其中，所述至少三个壁段(111a，111b，...，111n)中的至少一个壁段(111a)可从所述表面(210a，210b，...，210n)单独地缩回。
3.根据权利要求2所述的头部(100)，其中，所述至少一个可缩回壁段(111a)被布置成通过使用以下组中的至少一者而被缩回：
机械控制的缩回；和
温度控制的缩回。
4.根据权利要求2-3中的任一项所述的头部(100)，其中，所述至少一个可缩回壁段(111a)被设置成缩回距离D，所述距离D基本上对应于在所述表面(210a，210b，...，210n)上形成的至少一个相邻沉积体积Vadj的高度Hadj。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的头部(100)，其中，所述活塞(130)还被布置成引起振动，从而将所提供的颗粒材料(125)散布在所述沉积区域A上。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的头部(100)，其中，所述材料接收装置(115)包括在所述壁段(111a，111b，...，111n的至少一个壁段中的至少一个壁开口。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的头部(100)，其中，所述壳体(110)具有以下组中的一者：
形成三角形沉积区域Atri的三个壁段(111a，111b，111c)；
形成矩形沉积区域Arec的四个壁段(111a，111b，111c，111d)；
形成正方形沉积区域Asqu的四个壁段(111a，111b，111c，111d)；
形成六边形沉积区域Ahex的六个壁段(111a，111b，111c，111d，111e，111f)；以及
形成八边形沉积区域Aoct的八个壁段(111a，111b，111c，111d，111e，111f，111g，111h)。
8.一种沉积装置(600)，其特征在于：
根据权利要求1至7中任一项所述的至少一个头部(100)；
至少一个材料提供装置(120)，其被布置成向所述至少一种材料接收装置(115)提供颗粒材料(125)；
至少一个包括表面(210a)的床(200)；
至少一个定位装置(300)，其被布置成将所述头部(100)定位在所述床(200)的所述表面(210a)上或者先前沉积的层(Ll,L2,...,Ln)的沉积体积V的表面(210b，...，210n)上；
至少一个材料转换装置(400)，其被布置成将所述沉积体积V的所述颗粒材料(125)转换成固体材料；以及
至少一个控制单元(500)，其被布置成控制所述至少一个头部(100)、所述至少一个材料提供装置(120)、所述至少一个床(200)、所述至少一种定位装置(300)以及所述至少一个材料转换装置(400)中的一者或多者。
9.根据权利要求8所述的沉积装置(600)，其中，所述至少一个定位装置(300)被布置成在第一方向Dx、垂直于第一方向Dx的第二方向Dy、以及垂直于第一方向Dx和第二方向Dy的第三方向Dz上移动所述头部(100)。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的沉积装置(600)，其中，所述至少一个材料转化装置(400)中的每一者被布置为利用以下组中的一个：
熔化；以及
烧结。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的沉积装置(600)，其中，所述至少一个材料转化装置(400)中的每一者被布置成执行以下组中的一者：
对于每一层L1,L2,…,Ln沉积体积V，单独地将所述颗粒材料(125)转换成固体材料；以及
对于两个或更多层L1,L2,…,Ln沉积体积V，同时将所述颗粒材料(125)转化为固体材料。
12.根据权利要求8-11中任一项所述的沉积装置(600)，其中，所述至少一个材料提供装置(120)包括：
至少一个包括所述颗粒材料(125)的容器(122)；以及
被布置成分别附接到所述至少一个容器(122)的至少一根管(121)，其中，所述至少一根管(121)被布置成将所述颗粒材料(125)从所述至少一个容器(122)提供到所述至少一个材料接收装置(115)。
13.根据权利要求12所述的沉积装置(600)，其中，所述至少一根管(121)被布置成分别相对于所述至少一个材料接收装置(115)是可移动的，使得所述颗粒材料(125)散布在所述沉积区域A上。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的沉积装置(600)，其中，所述至少一个材料提供装置(120)还被布置成引起振动，从而将所提供的颗粒材料(125)散布在所述沉积区域A上。
15.一种用于控制根据权利要求1至7中任一项所述的控制沉积装置(600)的至少一个头部(100)的方法(800)，所述方法(800)包括：
将所述头部(100)移动(802)到所述表面(210a，210b，...，210n)上的预定位置；
将所述壳体(110)的所述端部开口(114)定位(804)在所述表面(210a，210b，...，210n)上；
将预定量的所述颗粒材料(125)提供(806)到所述壳体(110)中；
朝着所述表面(210a，210b，...，210n)按压(808)所述活塞(130)，使得所述颗粒材料(125)被按压到所述表面(210a，210b，...，210n)上并形成沉积体积V；
从所述表面(210a，210b，...，210n)缩回(810)所述壳体(110)；和
从所述表面(210a，210b，...，210n)缩回(812)所述活塞(130)。
16.根据权利要求15所述的方法(800)，所述方法(800)进一步包括：
第一次执行所述方法(800)，其中，在所述提供(806)步骤期间，将第一颗粒材料(125a)提供到所述壳体(110)中；以及
第二次执行所述方法(800)，其中，在所述提供(806)步骤期间，将不同于所述第一颗粒材料(125a)的第二颗粒材料(125b)提供到所述壳体(110)中。
17.根据权利要求15所述的方法(800)，所述方法(800)进一步包括：
使用第一头部(100a)执行所述方法(800)，其中，所述提供(806)步骤包括：将预定量的第一颗粒材料(125a)提供(806)到所述第一头部(100a)的壳体(110a)中；以及
使用第二头部(100b)执行所述方法(800)，其中，所述提供(806)步骤包括：将预定量的不同于所述第一颗粒材料(125a)的第二颗粒材料(125b)提供(806)到所述第二头部(100b)的壳体(110b)中。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法(800)，其中，基于所述表面(210a，210b，210n)的稳定性，对用于将所述活塞(130)朝向所述表面(210a，210b，...，210n)的所述按压(808)的压力P进行调节。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法(800)，其中
所述表面(210a，210b，...，210n)包括位于至少两个的相邻沉积体积Vadj之间的、具有表面区域Agap的间隙，所述表面区域Agap小于所述沉积区域A，Agap<A；并且
所述定位(804)步骤包括定位(804)所述壳体(110)，使得所述端部开口(114)覆盖所述间隙，以及
在所述提供(806)步骤之后且在所述按压(808)步骤之前，使所述壳体(110)以平行于所述表面(210a，210b，...，210n)的方式移动，使得所述颗粒材料(125)被移动到所述间隙中。
20.一种包括指令的计算机程序，当所述程序由计算机执行时，所述指令使所述计算机执行根据权利要求15-19中的任一项所述的方法(800)。
21.一种包括指令的计算机可读介质，当被计算机执行时，所述指令使所述计算机执行根据权利要求15至19中任一项所述的方法(800)。
22.一种沉积装置(600)的控制单元(500)，其被布置成控制所述沉积装置(600)以执行根据权利要求15至19中任一项所述的方法(800)。
23.根据权利要求8至14中任一项所述的沉积装置(600)的用于生产物体的用途，其中，所述物体包括：包含第一材料的第一元件，以及分别包含至少一种第二材料的至少一个第二元件；其中，所述第一元件所述至少一个第二元件通过至少一个机械联接彼此固定。
24.根据权利要求23所述的沉积装置(600)的所述用途，其中，所述第一材料和所述至少一种第二材料彼此不可结合。
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