CN116967472A - 用于按需喷滴三维（3d）物体打印的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D物体打印机。该3D物体打印机有利地结合了改善该3D物体打印机的操作和输出的一个或多个光学系统和光学设备，该3D物体打印机包括例如激光加热系统或光学监测系统。提供了光学结构和系统的各种布置以将诸如激光束、照明光束、反射光束等光束引导至该3D物体打印机的制作环境中或引导出该3D物体打印机的该制作环境。这些光学结构和系统克服了3D物体打印机的结构约束和空间约束，否则这些约束可能妨碍该激光加热系统或该光学监测系统的有效操作。

Description

用于按需喷滴三维(3D)物体打印的光学系统

技术领域

本文公开的设备和方法涉及三维(3D)物体打印机，并且更具体地涉及用于激光辅助按需喷滴3D金属物体打印机的光学系统。

背景技术

除非本文另有说明，否则在本节中描述的材料不因包含在本节中而被承认是现有技术。

三维打印也称为增材制造，是由几乎任何形状的数字模型制作三维固体物体的工艺。许多三维打印技术使用增材工艺，其中增材制造设备喷射构建材料的滴液或挤出构建材料的带，以在先前沉积的层的顶部上形成零件的连续层。这些技术中的一些使用喷射可UV固化材料的喷射器，该可UV固化材料诸如光聚合物或弹性体，而其他的则是熔融塑料材料以产生热塑性材料，该热塑性材料被挤出以形成连续的热塑性材料层。这些技术用于构造具有各种形状和特征的三维物体。这种增材制造方法与传统物体形成技术不同，该传统物体形成技术主要依赖于通过减成法(诸如切割或钻孔)从工件上去除材料。

最近，已经开发出一些3D物体打印机，该3D物体打印机从一个或多个喷射器喷射熔融金属滴液以形成3D金属物体。这些打印机具有固体金属源，诸如线材卷、宏观尺寸的球粒或金属粉末，并且将固体金属馈送到打印机的加热接收器中，在该加热接收器中固体金属被熔融并且熔融金属填充该接收器。接收器由非导电材料制成，电线围绕该接收器包裹以形成线圈。电流通过线圈以产生电磁场，该电磁场致使接收器的喷嘴处的熔融金属滴液从接收器内的熔融金属分离并且从喷嘴被推射出去。平台被配置为通过控制器在平行于平台平面的X-Y平面中移动，该控制器操作致动器，使得从喷嘴喷射的熔融金属滴液在平台上形成物体的金属层。该控制器操作另一个致动器以改变喷射器或平台的位置，以在喷射器与形成中的金属物体的现有层之间维持适当的距离。这种类型的金属滴液喷射打印机被称为磁流体动力学(MHD)打印机。

虽然磁流体动力学打印已取得很大进展，但由常规磁流体动力学打印系统制作的零件通常在构建强度、粘附性、孔隙度、表面光洁度、裂缝、断裂、Z高度误差等方面表现出不一致性。鉴于上述情况，通常实施二次或印后工艺，诸如机加工和修整，以解决由常规磁流体动力学打印系统制作的零件中的不一致性。然而，这些印后工艺大幅降低了生产率并且对应地增加了经由磁流体动力学打印制作零件的成本。

发明内容

公开了一种用于制作零件的增材制造设备。该增材制造设备包括台板，该台板具有被配置为在该零件的制作期间对该零件进行支撑的表面。该增材制造设备还包括喷射器头部，该喷射器头部被布置在该台板的该表面上方。该喷射器头部被配置为朝向该台板的该表面喷射熔融构建材料的液滴以制作该零件。该增材制造设备包括光学系统，该光学系统具有至少一个结构，该结构被配置为在(i)位于该台板与该喷射器头部之间的制作环境中的第一位置与(ii)第二位置之间对光进行重定向。

还公开了一种用于使用增材制造设备制作零件的方法。该方法包括：使用喷射器头部朝向台板喷射熔融构建材料的液滴，以在位于该台板与该喷射器头部之间的制作环境内制作零件。该方法还包括：在该制作环境内的第一位置与该制作环境外部的至少一个第二位置之间对光进行重定向。该重定向包括该光的至少一次反射。光源和光传感器中的至少一者定位在该至少一个第二位置处。该光包括以下中的至少一者：(i)由该光源生成并且被重定向到该零件和该液滴中的至少一者上的光；(ii)从该零件和该液滴中的至少一者反射并且被重定向到该光传感器上的光；和(iii)来自该零件和该液滴中的至少一者并且被重定向到该光传感器上的热发射光。该方法还包括：使用该光源和该光传感器中的至少一者来执行以下中的至少一者：控制该零件和该液滴中的至少一者的至少一个特性以及监测该零件和该液滴中的至少一者的至少一个特性。

附图说明

该增材制造设备的前述方面和其他特征在以下描述中进行了说明，该描述结合附图进行。

图1示出了结合了激光加热系统和光学监测系统的示例性3D物体打印机的横截面图。

图2A和图2B示出了光学监测系统的示例性布置和部件。

图3示出了光学设备的布置，其中光束在光学设备和目标位置之间具有直接光学路径，但是带有高入射角。

图4A和图4B示出了具有成角度的端面的第一示例性透明杆。

图5A示出了具有平坦侧表面的透明杆的横截面。

图5B示出了图5A的透明杆在非零入射角处可能出现的示例性椭圆光束足迹。

图6A示出了具有曲率半径不同的侧表面的透明杆的横截面。

图6B示出了图6A的透明杆在非零入射角处可能出现的示例性圆形化光束足迹。

图7示出了图4A和图4B的旋转不同导致光束入射角不同的透明杆。

图8A和图8B示出了结合了图4A和图4B的透明杆的3D物体打印机的第一示例性实施方案的截面图。

图9A和图9B示出了具有成角度的端面的第二示例性透明杆。

图10A和图10B示出了结合了图9A和图9B的透明杆的3D物体打印机的第二示例性实施方案。

图11A、图11B和图11C示出了具有通过透明接头连接的多个透明杆的示例性光学系统。

图12A和图12B示出了具有成角度的端面的示例性反射杆。

图13A示出了反射杆的变型，其中成角度的端面具有圆柱形形状。

图13B示出了图12A和图12B的透明杆在非零入射角处可能出现的示例性椭圆光束足迹。

图13C示出了图13A的反射杆在非零入射角处可能出现的示例性圆形化光束足迹。

图14示出了图12A和图12B的旋转不同导致光束入射角不同的反射杆。

图15A和图15B示出了结合了图12A和图12B的反射杆的3D物体打印机的第三示例性实施方案的横截面图。

图16示出了结合了光学系统的嵌入在隔热罩内的杆的3D物体打印机100的第四示例性实施方案。

图17A和图17B示出了具有准直器的示例性光源。

图18A示出了用于将光源与透明杆耦合的第一布置。

图18B示出了用于将光源与透明杆耦合的第二布置。

图19A示出了用于将光源与光学系统耦合的第三布置。

图19B示出了用于将光源与透明杆耦合的第四布置。

图20A示出了用于将光源与反射杆耦合的第五布置。

图20B示出了用于将光源与反射杆耦合的第六布置。

图21示出了使用增材制造设备制作零件的方法的流程图。

具体实施方式

为了促进对本公开的原理的理解的目的，现在将参考在附图中例示并且在以下书面说明书中描述的实施方案。应当理解，并非由此限制本公开的范围。还应当理解，本公开包括对所例示的实施方案的任何变更和修改，并且包括本公开所属领域的技术人员通常会想到的本公开的原理的进一步应用。

3D物体打印机

图1示出了示例性3D物体打印机100。在例示和描述的实施方案中，3D物体打印机100是液态金属喷射打印系统，诸如磁流体动力学(MHD)打印机。然而，任何增材制造设备(包括使用非金属构建材料的那些)都可利用本文所公开的激光加热系统102及其光学系统。3D物体打印机100有利地结合了改进3D物体打印机100的操作和输出的一个或多个光学系统和光学设备。特别是，在例示和描述的实施方案中，3D物体打印机100包括激光加热系统102和光学监测系统130，这些在下面对3D物体打印机100的一般描述之后进行更详细地讨论。

3D物体打印机100包括喷射器头部104和构建平台106。如本文所用，术语“喷射器头部”是指3D金属物体打印机的熔融、喷射和调节构建材料的熔融滴液的喷射以用于生产3D物体的壳体和部件。喷射器头部104包括主体110(也可被称为泵室)、一个或多个加热元件112和一个或多个金属线圈114，它们彼此可操作地耦合。加热元件112至少部分地围绕主体110设置，并且金属线圈114至少部分地围绕主体110和/或加热元件112设置。主体110具有限定其内部贮器122的内表面120。主体110限定设置在主体110的第一端处的喷嘴124，该喷嘴延伸通过限定在隔热罩132中的开口。如本文所用，术语“喷嘴”意指限定孔口的结构，该孔口流体连接到容纳熔融构建材料的容积或贮器，并且被配置用于从该容积或贮器中排出构建材料的熔融滴液。头部护罩132布置在喷射器头部104的主体110与构建平台106之间。喷嘴124在其延伸穿过隔热罩132的开口的部分的端部处具有孔口134，喷射器头部104经由该孔口将构建材料的液滴喷射到基底116上以制作零件118。如本文所用，术语“零件”意指利用3D金属滴液喷射装置制作的制造物体。

构建平台106至少包括台板128，诸如具有加热元件136的经加热的台板128，喷射器头部104将构建材料的液滴喷射到该台板上以形成零件118。如本文所用，基底116是指喷射器头部104在其上喷射构建材料的新液滴的表面。因此，至少对于构建材料的初始层，基底116是指台板128的顶表面，并且对于随后的材料层，基底116是指先前沉积的构建材料的表面和/或部分制作的零件118的表面。

在3D物体打印机100的示例性操作中，来自块体材料(例如，块体金属)的源126的构建材料(例如，金属)被定向到主体110的内部贮器122。如本文所用，术语“块体材料”意指能够以聚集体形式获得的构建材料，诸如通常可用规格的金属线材、宏观尺寸的金属球粒以及金属粉末。如本文所用，术语“贮器”意指具有被配置为保持液态或固态物质的接收器的中空容积。在至少一个实施方案中，构建材料包括一种或多种金属和/或它们的合金。加热元件112至少部分地熔化容纳在主体110的内部贮器122中的构建材料。特别是，构建材料可以是固态金属，并且加热元件112对主体110进行加热，并且从而将金属从固态加热成液态(例如，熔融金属)。如本文所用，术语“金属”意指由元素周期表定义的金属或用这些金属形成的合金。例示性金属构建材料包括但不限于铝、铝合金、黄铜、青铜、铬、钴铬合金、铜、铜合金、铁合金(殷钢)、镍、镍合金(铬镍铁合金)、镍钛合金(镍钛诺)、不锈钢、锡、钛、钛合金、金、银、钼、钨等、或它们的合金或它们的任何组合。

金属线圈114与电源(未示出)耦合，该电源被配置为便于将构建材料的熔融液滴喷射到基底116上。特别是，金属线圈114和与其耦合的电源被配置为生成磁场，该磁场在主体110内生成电动势，该电动势在设置在主体110中的熔融金属中生成感应电流。在熔融金属中的磁场和感应电流在液态金属上产生径向向内的力，称为洛伦兹力，该力在喷嘴124处产生压力。喷嘴124处的压力使熔融金属朝向基底116和/或构建平台106以一个或多个液滴的形式通过开孔134并且从喷嘴124排出，从而形成零件118的至少一部分。

继续参考图1，3D物体打印机100包括计算系统108。计算系统108至少包括处理器和存储器(未示出)。该处理器被配置为执行指令以操作计算系统108和/或3D物体打印机100来启用如本文所述的特征、功能性、特性和/或类似物。处理器通常包括一个或多个处理器，该处理器可并行地或以其他方式彼此协同操作。本领域普通技术人员将认识到，“处理器”包括处理数据、信号或其他信息的任何硬件系统、硬件机构或硬件部件。相应地，处理器可包括具有中央处理单元、图形处理单元、多个处理单元、用于实现功能性的专用电路系统、可编程逻辑或其他处理系统的系统。存储器被配置为存储数据和程序指令，当由处理器执行时，该程序指令使得计算系统108和/或3D物体打印机100能够执行本文所述的各种操作。存储器可为能够存储可由处理器访问的信息的任何类型的设备，诸如存储卡、ROM、RAM、硬盘驱动器、磁盘、快闪存储器，或用作数据存储设备的各种其他计算机可读介质中的任一者，如所属领域的普通技术人员将认识到的。

计算系统108与3D物体打印机100的部件中的任何一个或多个部件可操作地和/或可通信地耦合。特别是，计算系统108至少可操作地和/或可通信地与一个或多个切换装置142耦合，该切换装置被配置为操作金属线圈114以将构建材料的熔融液滴喷射到基底116上，如以上所讨论的(例如，通过将金属线圈114与电源连接和断开)。

另外，计算系统108可操作地和/或可通信地与致动器138、140耦合，该致动器被配置为彼此独立地或彼此一起移动3D物体打印机100的某些部件。特别是，在至少一个实施方案中，3D物体打印机100的任何一个或多个部件可相对于彼此独立地移动。例如，在一些实施方案中，喷射器头部104和构建平台106的台板128(或3D物体打印机100的任何其他部件)被配置为沿着X轴、Y轴和/或Z轴彼此独立地移动。类似地，3D物体打印机100的任何两个或更多个部件可彼此耦合，使得两个或更多个部件彼此一起移动。例如，喷射器头部104可经由相应的安装架等(未示出)与激光加热系统102和光学监测系统130中的一者或两者耦合。这样，喷射器头部104沿着X轴、Y轴和/或Z轴的移动或平移分别导致激光加热系统102和/或光学监测系统130沿着X轴、Y轴和/或Z轴的对应移动或平移。

在一些实施方案中，计算系统108被配置为操作致动器138以至少沿着Z轴移动喷射器头部104。特别是，在一个实施方案中，喷射器头部104可移动地安装在Z轴轨道或类似机构(未示出)内，该轨道或类似机构被配置用于相对于构建平台106的台板128移动喷射器头部104(以及固定地安装到其的任何其他部件)。致动器138被配置为借助于Z轴轨道沿着Z轴移动喷射器头部104。计算系统108操作这些致动器138以在喷嘴124的孔口134与基底116之间沿Z方向维持适当的距离。在另一个实施方案中，喷射器头部104类似地被配置为也沿着X轴和/或Y轴移动。

在一些实施方案中，计算系统108被配置为操作致动器140以沿着由X轴和Y轴限定的X-Y平面至少移动构建平台106的台板128。特别是，在一个实施方案中，台板128可移动地安装在X轴和Y轴轨道或类似机构(未示出)内，该轨道或类似机构被配置用于相对于喷射器头部104移动台板128(以及固定地安装到其的任何其他部件)。致动器140被配置为借助于X轴和Y轴轨道沿着X-Y平面移动构建平台106的台板128。计算系统108操作这些致动器140以提供基底116相对于喷嘴124的孔口134的必要X-Y定位。在另一个实施方案中，构建平台106的台板128被类似地配置为也沿着Z轴移动。

在3D物体打印机100的示例性操作中，为了制作零件118，计算系统108操作致动器138以将喷嘴124的孔口134定位在基底116上方在Z方向上距基底116限定的距离处(例如，在4mm与8mm之间)。接着，计算系统108操作切换装置142以使喷嘴124将熔融金属液滴喷射到基底116上，以便开始形成零件118。与喷射熔融金属液滴同时或按顺序，计算系统108还操作致动器140以在X-Y平面中移动构建平台106的台板128，从而在基底116上形成熔融金属的列或层以形成零件118。当每一层金属沉积在基底116上时，计算系统108操作致动器138以在孔口134与基底116之间沿Z方向维持适当的距离。(例如，在4mm和8mm之间)。在替代配置中，计算系统108可类似地在X-Y平面中移动喷射器头部104或沿着Z轴移动台板128。

在3D物体打印机100的示例性操作中，计算系统108需要来自外部源的数据以便于制作零件118。通常，待制作的零件118的三维模型或其他数字模型存储在操作地连接到计算系统108的存储器中。在一个实施方案中，计算系统108被配置为通过服务器等、存储数字模型的远程数据库或存储数字模型的计算机可读介质访问数字模型。在一个实施方案中，计算系统108(或另一处理器或控制器)处理数字模型以生成由计算系统108以已知方式执行的机器指令，以便操作3D物体打印机100的部件来形成与模型对应的零件118。机器指令的生成可包括中间模型的产生(诸如当设备的CAD模型被转变为STL数据模型、多边形网片或其他中间表示时)，继而能够处理该中间模型以生成机器指令，诸如用于由3D物体打印机100制作物体的g代码。如本文所用，术语“机器指令”意指由计算机、微处理器或控制器执行以操作3D物体增材制造系统的部件的计算机语言命令。计算系统108执行机器指令以控制熔融金属滴液从喷嘴124的喷射、控制台板128的定位并且控制喷射器头部104的定位，如以上所讨论的。

激光加热系统

如上所提及的，3D物体打印机100有利地包括激光加热系统102。应当理解，使用熔融金属液滴形成结构是一种复杂的热流体工艺，其涉及再熔化、聚结、冷却和固化。在不适当温度下，在熔融金属液滴与先前沉积的材料或基底(例如，液滴)之间形成的界面处由于再熔化不良和冶金结合不足而导致空隙和冷轧(缺乏熔合)。该界面温度主要随液滴温度和先前沉积的材料或基底的表面温度而变。获得和保持准确的零件形状和Z高度也受到相同因素的负面影响。过低的界面温度导致因再熔化和聚结不足而形成空隙和冷轧。相反地，如果界面温度过高，新液滴在固化之前从先前沉积的材料的表面流走，这导致零件形状畸形和Z高度误差。

界面温度可通过控制初始液滴温度、构建零件表面温度、构建板温度、滴落频率和零件Z高度进行管理。这些因素可通过工艺参数优化被控制在某个水平上，但所涉及的热工艺可能太慢而无法跟上在零件打印期间发生的变化和动态，这可导致不可接受的界面温度。

为了解决上述问题，计算系统108被配置为操作激光加热系统102以修改基底和/或邻近基底的区域的界面温度和/或温度梯度，以控制形成零件118的金属的晶粒尺寸、生长和/或结构。例如，在一个实施方案中，激光加热系统102被操作为修改喷射的熔融金属在基底116上的界面温度和/或温度梯度，以控制形成零件118的金属的晶粒尺寸、生长和/或结构，从而改善构建强度、粘附性、孔隙度和/或表面光洁度，并且防止零件中的裂缝和断裂。

继续参考图1，3D打印机100的激光加热系统102可包括一个或多个激光器144(为了简洁起见，仅示出了单个激光器144)。激光器144可包括外部光学部件，如滤波器、准直光学器件、聚焦光学器件和光束成形光学器件，以实现期望的辐照度水平、辐照度图案(即，圆形、椭圆形等)和辐照度分布(即，高斯分布、平顶分布、环形模式分布、多模分布等)。在至少一些实施方案中，激光器144经由安装架(未示出)与喷射器头部104耦合。然而，在其他实施方案中，激光器144和/或激光加热系统102可与3D物体打印机100的任何其他部件(诸如构建平台106)耦合。激光器144被配置为将激光束定向到基底116上或邻近基底116定向，从而加热基底116或其一部分。

激光加热系统102的激光器144可包括被配置为对基底116和/或邻近基底116的区域进行充分加热的任何合适的激光器。在至少一个实施方案中，所利用的激光器144的类型可至少部分地取决于构建材料，诸如为制作制品118而被沉积的金属的类型。在另一个实施方案中，所利用的激光器144的类型至少部分地取决于将滴液沉积在基底116上的速率或沉积速率。在至少一些实施方案中，激光器144被配置为生成具有例如0.5mm直径的细铅笔状激光束。在至少一些实施方案中，激光器144被配置为生成衍射受限激光束(低光束参数积(BPP))。在一个实施方案中，激光器144包括纤维激光器。例如，可商购获得的1070nm纤维激光器可提供高功率、低发散光束、光束轮廓整形和CW/脉冲调制。1070nm、0.5mm直径的纤维激光束具有168mm或更大的焦深。

在示例性实施方案中，激光器144可具有从约1W/cm²至约1MW/cm²的辐照度。应当理解，根据应用、金属、配置和光斑尺寸，也可使用功率低得多的激光器或激光阵列。还应当理解，激光器144中的任何一个或多个激光器可包括功率和光学配置的组合，该一个或多个激光器包括可实现期望的辐照度的准直和非准直激光器。

计算系统108被配置为操作激光加热系统102以对基底116的至少一部分和/或邻近基底116的区域进行加热。例如，激光加热系统102被配置为至少对台板128的一部分、零件118的一部分、它们相应的表面和/或邻近它们的区域进行加热。在将该一滴或多滴熔融金属沉积在基底116和/或邻近基底116的区域上之前、期间和/或之后，激光加热系统102可对基底116的该部分进行加热。

在示例性实施方案中，在将滴液沉积在基底116上之前和/或期间，激光加热系统102对基底116的与沉积的熔融滴液和/或熔化池对应的部分进行加热。应当理解，滴液在基底116上的沉积可在基底116上产生或形成熔化池，并且激光加热系统102被配置为至少部分地调制(例如，增大、减小、改变等)该熔化池的界面温度或温度梯度，从而控制形成零件118的所得固态金属的一种或多种性能。例如，调制熔化池的温度梯度可允许3D物体打印机100控制形成零件118的所得固态金属的晶粒尺寸、晶粒生长、晶粒结构、晶粒取向和/或晶粒边界。应当理解，金属晶粒形成、结构和/或特性(例如，尺寸、生长、取向、边界等)可至少部分地确定零件118的所得部分的一种或多种机械性能。例如，晶粒形成和/或结构可至少部分地确定形成零件118的所得固态金属的屈服应力、延展性、硬度、疲劳寿命或它们的组合。因此，激光加热系统102被配置为至少部分地对基底116的这些部分进行加热，从而控制形成零件118的固态金属的一种或多种性能。

在一些实施方案中，计算系统108被配置为操作激光加热系统102以对基底116的相邻于或邻近沉积的熔融滴液和/或熔化池的一部分进行加热。例如，激光加热系统102被配置为至少部分地对基底116的与熔融滴液的沉积和/或熔化池相邻或在熔融滴液的沉积和/或熔化池之外的一部分进行加热。应当理解，与来自靶向加热系统102的没有进行加热的表面相比，对基底116的靠近、邻近或相邻于滴液的沉积和/或熔化池的该部分进行加热可降低表面粗糙度和/或提供改善的表面修整能力。

在一些实施方案中，计算系统108被配置为操作激光加热系统102以对零件118的先前沉积的滴液或区段进行再加热或再熔化，以在熔融金属滴液和先前沉积的金属聚结时控制熔化池的界面温度和/或温度梯度，从而改善零件118的机械和/或构建质量。应当理解，因为零件118和/或熔化池或其聚结区域的温度已保持在相对高的温度下，所以充分控制熔化池的温度梯度所需的热量或热能可以是最小的。因此，激光加热系统102可以有成本效益地运行并且提供充足的热能以控制熔化池的温度梯度。还应当理解，激光加热系统102可以在线的方式操作，使得生产率不会降低。例如，激光加热系统102可与3D物体打印机100的其他部件一起操作，以提供具有改善的性能的零件118并且无需离线的二次或印后工艺。

在一些实施方案中，激光加热系统102直接加热直径为约0.025mm至约2.0mm的区域。例如，激光加热系统102的输出(例如，激光束)可具有约0.025mm至约2.0mm的直径或长轴。

在一些实施方案中，计算系统108被配置为操作激光加热系统102，使得基底116、邻近基底116的区域和/或靠近正在制作的零件118的区域维持在约200℃至约600℃的温度下。应当理解，激光加热系统102的所有或基本上所有部件被配置为在基底116、邻近基底116的区域和/或靠近零件118的温度下进行操作。应当理解，对于不同的金属，液滴和基底的温度将是不同的。

在一些实施方案中，计算系统108被配置为操作激光加热系统102以将基底116和/或邻近基底116的区域加热到该构建材料的熔点的至少约60％至约100％的温度。例如，激光加热系统102被配置为将基底116和/或邻近基底116的区域加热到该构建材料的熔点的至少约95％的温度。在另一个示例中，激光加热系统102被配置为将基底116和/或邻近基底116的区域(例如，聚结区域或熔化池)的温度增加构建材料的熔点的约±10％。

光学监测系统

如上所述，3D物体打印机100有利地包括光学监测系统130。光学监测系统130例如可包括一个或多个照明器和/或一个或多个传感器，该传感器被配置为测量液滴温度、构建零件温度、构建板温度、基底温度、构建零件形状、构建零件Z高度、液滴尺寸、液滴速率等或它们的任何组合。这些测量可使得各种类型的反馈控制能够由计算系统108实现。特别地，在一些实施方案中，光学监测系统130被配置为与计算系统108通信以提供反馈测量。在一些实施方案中，计算系统108参考反馈测量以闭环方式操作3D物体打印机100的部件。另外，这些测量使得计算系统108能够针对可能导致被打印物体118质量较差(诸如不均匀的滴液喷射，也称为滴液抖动)的条件对3D物体打印机100的操作进行监测。

图2A和图2B示出了光学监测系统130的示例性布置和部件。特别是，在例示的实施方案中，光学监测系统130包括光学照明器146。光学照明器146是被配置为进行以下的光源：将光照射到3D物体打印机100的制作环境中，例如照射到基底116上或者当熔融液滴从喷嘴124喷射时照射到熔融液滴上。这种照明可用于各种目的，包括生成朝向光学监测系统130的传感器反射的光。为此，光学照明器146例如可包括LED、各种类型的灯、脉动/频闪光、光纤光源、红外光源、激光器等，或者它们的组合。在一些实施方案中，光学监测系统130包括各种类型和用途的多个光学照明器146。

另外，在例示的实施方案中，光学监测系统130包括光学传感器148。光学传感器148是被配置为进行以下的传感器：从3D物体打印机100的制作环境中接收反射光和/或热发射光(即，热辐射)，例如从基底116反射的光和/或发射的热辐射，或者当熔融液滴从喷嘴124喷射时从熔融液滴反射的光和/或发射的热辐射。该光学传感器148可用于各种目的，包括测量液滴温度、构建零件温度、构建板温度、基底温度、构建零件形状、构建零件Z高度、液滴尺寸、液滴速率等。为此，光学传感器148例如可包括高温计、成像照相机、光电二极管、红外传感器等，或者它们的组合。在一些实施方案中，光学监测系统130包括各种类型和用途的光学传感器148。另外，应当理解，光学监测系统130的传感器不仅仅限于光学传感器，并且可包括用于测量3D物体打印机100的操作的各种其他方面的附加传感器。

将理解的是，由光学照明器146生成的光的类型将依据光学照明器146的类型以及依据照明的用途而变化。相应地，光束150例如可包括可见光、紫外光、红外光或者甚至激光束。在图2A的图示中，光学照明器146被布置成将光束150朝向基底116定向，以便照射基底116和/或测量基底116的材料的一个或多个特性。同样地，光学传感器148被布置成接收从基底116反射的反射光152。在另一个实施方案中，如图2B所例示，光学照明器146替代地被布置成在熔融液滴和/或喷嘴124朝向基底116喷射时，将光束150朝向该熔融液滴和/或该喷嘴定向，以便照射液滴和/或测量液滴或喷射过程的一个或多个特性。同样地，光学传感器148被布置成接收从熔融液滴和/或喷嘴124反射的反射光152。在一个实施方案中，光学照明器146是脉动光源，该脉动光源被配置为发射与喷嘴124的液滴喷射同步的光脉冲。

在一些实施方案中，光学照明器146可从光学监测系统130中省略，并且光学传感器148可被配置为仅对来自3D物体打印机100的制作环境的热发射光(即，热辐射)进行测量。特别是，本领域普通技术人员应当理解，可在没有任何光学照明的情况下对液滴或喷射过程的一些特性(诸如温度)进行测量。

在一些实施方案中，计算系统108被配置为操作光学照明器146以将光照射到3D物体打印机100的制作环境中，并且操作光学传感器148以测量液滴温度、构建零件温度、构建板温度、基底温度、构建零件形状、构建零件Z高度、液滴尺寸、液滴速率等。

3D物体打印机的光学系统

尽管为了简洁起见未在图1和图2A至图2B中例示，但是激光加热系统102还包括用于以下操作的光学系统：将激光束从布置激光器144的位置递送到3D物体打印机100的制作环境内的目标位置(诸如在基底116上和/或邻近基底116)，以便提供以上所讨论的加热和熔化功能。同样地，光学监测系统130还包括用于以下操作的光学系统：将光从布置光学照明器146的位置递送到3D物体打印机100的制作环境内的目标位置(诸如在基底116上、邻近基底116、在熔融液滴的路径中和/或在喷嘴124处)，以便提供以上所讨论的照明功能。最后，光学监测系统130还包括用于以下操作的光学系统：将从3D物体打印机100的制作环境中的目标位置反射或热发射的光递送到光学传感器148，以便提供以上所讨论的测量功能。如本文所用，“制作环境”是指在其内由3D物体打印机(例如，3D物体打印机100)制作物体(例如，零件118)的空间区域。如关于例示的实施方案所用，“制作环境”通常是指位于台板128与喷射器头部104之间、特别是台板128与隔热罩132和/或喷嘴124之间的空间区域。

应当理解，在3D物体打印机100的许多实施方案中，存在显著的空间和结构约束，这些约束使得在目标位置与激光加热系统102和光学监测系统130的光学设备之间提供用于进入和离开的光的直接光学路径具有挑战性。举例来说，在许多实施方案中，3D物体打印机100在基底116与喷射器头部104的头部护罩132之间的距离非常小(例如，在4mm与8mm之间)的情况下操作，留下很少的空间来适当地布置光学设备以提供到达或者来自目标位置的直接光学路径。另外，在许多实施方案中，喷射器头部104的结构也相当宽(例如，隔热罩132可大于50mm宽)，使得其阻碍了用以提供与基底116的表面上的目标位置成低入射角(AOI)(例如，小于80度)的直接光学路径的光学设备的布置。如本文所用，相对于与表面的正交入射(即，0°入射角是指与表面法线平行的光束入射)来测量光束与表面所成的入射角。

结果，在此类实施方案中，激光加热系统102和光学监测系统130的提供直接光学路径的光学设备的唯一布置是其中光束与目标位置成一个非常高的、接近掠射的入射角的布置。图3示出了光学设备160的布置，该光学设备可对应于激光器144、光学照明器146或光学传感器中的一者，其中光在光学设备160与基底116上的目标位置之间具有直接光学路径，但入射角高。可以看出，光学设备160布置在隔热罩132的一端附近。在该布置中，实现了光束的直接光学路径，但代价是一个非常高的、接近掠射的入射角(例如，大于80度)。应当理解，对于具有圆形横截面或径向对称横截面的入射光束(例如，激光束或照明光)，高入射角的一个缺点是，当入射角增加时，基底116上所投射的光束足迹变得越来越成椭圆形。相应地，在入射角非常高的情况下，基底116上所投射的光束足迹是高度椭圆形的。在激光加热系统的情况下，高度椭圆形的激光束足迹抑制了激光加热系统102只对基底116上和/或邻近基底116的目标位置进行精确且准确的加热的能力。通常，对于激光加热系统102的激光束而言，期望的是较低的入射角(例如，更接近45度或更小)。

为了克服这些挑战，激光加热系统102和光学监测系统130中的一者或两者包括相应的光学系统，该光学系统具有被配置为进行以下的至少一个结构：在具有制作环境的目标位置与布置光学设备160的位置之间，对光学设备160的光束进行引导或重定向。光学系统的该结构可包括被配置为对由光源生成的光束和/或从目标位置反射或热发射的光束进行反射、折射、整形或聚焦的任何结构。此类结构的示例包括透明材料体，诸如棱镜、光学杆、光导、光学透镜、滤光器等，以及光学反射体，诸如反射镜和具有反射涂层或反射层的其他结构。应当理解，术语“透明”和“反射”是关于该结构所利用的特定光束而使用的。特别是，如本文关于光学系统的结构所用，术语“透明”意指材料或结构允许在该结构所利用的光束的频率/波长下在其中进行光的透射。同样地，如本文关于光学系统的结构所用，术语“反射”意指材料或结构在该结构所利用的光束的频率/波长下反射光。

借助于以下示例，应当理解，根据3D物体打印机100的结构和空间约束，必要时，可组合光学结构的任意组合和布置来引导光束，诸如激光束、照明光束、反射光束、热辐射等。可利用基本上类似的光学结构将光引导至制作环境中并且引导出制作环境，而不管光的类型或光的用途。

在至少一些实施方案中，激光加热系统102的光学系统或光学监测系统130的光学系统包括至少一个透明杆，光束经由该透明杆沿着其纵轴方向行进。一般而言，透明杆被配置为在第一端处接收来自光学设备160的光束或向光学设备160提供光束。光束沿着纵轴方向通过透明杆从第一端行进到第二端。光束在第二端处离开或进入透明杆。在至少一些实施方案中，第一透明杆的第二端具有成角度的端面，该成角度的端面相对于透明杆的纵向轴线成角度。该成角度的端面的角度被配置为引起光束的全内反射(TIR)，使得光束关于纵向轴线被重定向并且经由第二端的邻近该成角度的端面的侧表面离开或进入。

图4A和图4B示出了具有成角度的端面204的示例性透明杆202。透明杆202具有基本上呈圆柱形的细长主体206，该细长主体具有第一端208和第二端210。主体206由诸如石英、玻璃、聚合物或塑料等透明材料构成。不管特定材料如何，主体206应能够经受高温而无损坏。在例示的实施方案中，主体206具有至少部分地呈圆形和/或椭圆形的横截面。然而，在其他实施方案中，主体206可具有多种不同的横截面形状。

主体206的第一端208接收来自光学设备160的光束212并且/或者将光束212提供给光学设备160(未示出)。第二端206具有成角度的端面204，该成角度的端面相对于细长主体206的纵向轴线成角度。成角度的端面204的角度被配置为引起光束212的全内反射(TIR)，使得光束212相对于纵轴被重定向。光束212在基底116上的目标位置216之间行进，并且经由第二端210的邻近成角度的端面204的侧表面214进入或离开透明杆202。在至少一个实施方案中，成角度的端面204相对于细长主体206的纵向轴线的角度为约45°，使得光束以与细长主体206的纵向轴线正交的角度被重定向(即，具有约90°的反射)。

在至少一些实施方案中，透明杆202具有旋转，使得成角度的端面204被取向成反射光束212，使得光束212以非零入射角到达目标位置或者从目标位置反射或热发射。在例示的实施方案中，透明杆202具有旋转，使得光束212以约45°的入射角到达目标位置216或者从该目标位置被反射或热发射。

在至少一些实施方案中，细长主体206的外表面的一部分、特别是光束212从其离开或进入透明杆202的侧表面214，具有与主体206的外表面的其余部分不同的形状或曲率半径。特别是，图5A示出了在包括光束212从其离开或进入透明杆202的侧表面214的区段处透明杆202的一个变型的横截面。可以看出，侧表面214基本上是平坦的，而主体206在透明杆202的该区段处的外表面的其余部分基本上是圆形的。然而，由于光束的入射角(例如，约45°)，光束的足迹在一个方向上被拉长以变成椭圆形。图5B示出了具有根据图5A的横截面的透明杆202在非零入射角(例如，约45°)处可能出现的示例性椭圆光束足迹。

在另一个实施方案中，细长主体206的外表面的一部分、特别是光束212离开或进入透明杆202的侧表面214，具有被配置为将光束部分地聚焦在入射平面中的曲率半径，从而针对非零入射角使光束足迹圆形化。特别是，图6A示出了在包括光束212从其离开或进入透明杆202的侧表面214的区段处透明杆202的另一个变型的横截面。可以看出，侧表面214的曲率半径不同于(例如，大于)主体206在透明杆202的该区段处的外表面的其余部分的曲率半径。该曲率半径被配置为对光束进行整形，使得光束在特定非零入射角(例如，约45°)下在目标位置处具有圆形光束足迹。图6B示出了具有根据图6A的横截面的透明杆202在非零入射角(例如，约45°)处可能出现的示例性圆形化光束足迹。

参考图7，透明杆202可围绕其纵向轴线旋转，以调整光束212与目标位置所成的入射角。特别是，应当理解，入射角与透明杆202的围绕其纵向轴线的旋转角相同(其中0°旋转对应于侧表面214的法线平行于基底116和/或台板128的法线的旋转)。图7示出了具有45°成角度的端面的透明杆202，其中不同的旋转导致光束212与相应目标位置所成的入射角不同。在左上图中，示出了透明杆202的0°旋转，这导致与目标位置成0°入射角(AOI)。在右上图中，示出了透明杆202的15°旋转，这导致与目标位置成15°入射角(AOI)。在左中图中，示出了透明杆202的30°旋转，这导致与目标位置成30°入射角(AOI)。在右中图中，示出了透明杆202的45°旋转，这导致与目标位置成45°入射角(AOI)。在底部图中，示出了透明杆202的60°旋转，这导致与目标位置成60°入射角(AOI)。可以看出，当透明杆202旋转时，入射角被成比例地调整，并且目标位置的相对位置沿着线性路径移动。

图8A和图8B示出了结合了具有成角度的端面204的透明杆202的3D物体打印机100的第一示例性实施方案。如图所示，透明杆202沿Z方向布置在台板128与隔热罩132之间。然而，如将在下面更详细讨论的，在一些实施方案中，透明杆202替代地嵌入到隔热罩132中或喷射器头部104的另一部件中。在至少一些实施方案中，如果没有嵌入在喷射器头部104的部件内，则透明杆202附接到和/或安装到喷射器头部104，使得透明杆202相对于喷射器头部104具有固定的位置并且与喷射器头部104一起移动。在任何情况下，透明杆202被布置成其纵向轴线大体上平行于台板128的顶表面。

在例示的实施方案中，光束212的目标位置在X方向和Y方向上与喷嘴124的孔口134对准，并且在Z方向上位于距孔口134预定距离处。相应地，如图8A所示，透明杆202在X方向上被定位成使得光束212从其离开或进入透明杆202的侧表面214上的位置与喷嘴124的孔口134对准，或者以其他方式使得朝向基底116上或邻近基底的目标位置导向光束212或从该目标位置接收光束。另外，如图8B所示，透明杆202在Y方向上被定位成使得透明杆202的纵向轴线从喷嘴124的孔口134偏移预定距离。透明杆202从喷嘴124的孔口134的Y偏移有利地防止了透明杆202干扰熔融金属液滴朝向基底116的喷射。将理解的是，透明杆202的Y偏移的距离取决于光束212的入射角(例如，45°)以及透明杆202在Z方向上与基底116上或邻近基底的目标位置之间的距离。如上所讨论的，入射角本身取决于透明杆202的旋转。

尽管在图8A和图8B中未例示，但是应当理解，透明杆202的第一端适当地与至少一个光学设备(诸如激光加热系统102的激光器144、光学监测系统130的光学照明器146或光学监测系统130的光学传感器148)耦合，以便接收或提供光束212。下面更详细地描述光学设备与光学系统的结构的耦合。

图9A和图9B示出了具有成角度的端面304的示例性透明杆302，该透明杆与透明杆202类似但不同。透明杆302具有细长主体306，该细长主体具有第一端308和第二端310。主体306由诸如石英、玻璃、聚合物或塑料等透明材料构成。不管特定材料如何，主体306应能够经受高温而无损坏。在例示的实施方案中，主体306具有至少部分呈正方形和/或矩形的横截面。然而，在其他实施方案中，主体306可具有多种不同的横截面形状。

主体306的第一端308接收来自光学设备160的光束312并且/或者将光束312提供给光学设备160(未示出)。第二端306具有成角度的端面304，该成角度的端面相对于细长主体306的纵向轴线成角度。成角度的端面304的角度被配置为引起光束312的全内反射(TIR)，使得光束312相对于纵轴被重定向。光束312在基底116上的目标位置316之间行进，并且经由第二端310的邻近成角度的端面304的侧表面314进入或离开透明杆302。

然而，在至少一个实施方案中，与以上所讨论的透明杆202相比，成角度的端面304相对于细长主体306的纵向轴线的角度小于约45°(例如，约30°)，使得光束312以与细长主体306的纵向轴线不正交的角度被重定向(即，具有小于约90°的反射)。在至少一个实施方案中，光束312以相对于光束312在细长主体306内的行进方向成钝角的角度被重定向。作为钝角反射角的结果，光束312以与侧表面314所成的非零入射角通过第二端310的侧表面314离开或进入主体306。相应地，光束312在其离开或进入透明杆302时被折射。由于主体306的材料的折射率通常大于周围空气的折射率，因此光束的折射通常使得光束312的角度变得更接近平行于透明杆302的纵向轴线。这样，光束312与基底116上或邻近基底的目标位置316所成的入射角，取决于成角度的端面304的角度以及主体306的材料的折射率。这与以上所讨论的透明杆202相反，其通过透明杆202的旋转实现非零入射角。在例示的实施方案中，成角度的端面304的角度和主体306的材料的折射率使得光束312以约45°的入射角到达目标位置316，或者从该目标位置反射或热发射。

在至少一些实施方案中，细长主体306的外表面的一部分、特别是光束312从其离开或进入透明杆302的侧表面314，具有与主体306的外表面的其余部分不同的形状或曲率半径。特别是，侧表面314可被成形为使得对光束312进行整形，以便在特定非零入射角(例如，约45°)下在目标位置处具有圆形光束足迹。

图10A和图10B示出了结合了具有成角度的端面304的透明杆302的3D物体打印机100的第二示例性实施方案。如图所示，透明杆302沿Z方向布置在台板128与隔热罩132之间。然而，如将在下面更详细讨论的，在一些实施方案中，透明杆302替代地嵌入到隔热罩132中或喷射器头部104的另一部件中。在至少一些实施方案中，如果没有嵌入在喷射器头部104的部件内，则透明杆302附接到和/或安装到喷射器头部104，使得透明杆302相对于喷射器头部104具有固定的位置并且与喷射器头部104一起移动。在任何情况下，透明杆302被布置成其纵向轴线大体上平行于台板128的顶表面。

如在其他例示的实施方案中，光束312的目标位置在X方向和Y方向上与喷嘴124的孔口134对准，并且在Z方向上位于距孔口134预定距离处。因此，如图10A所示，透明杆302在X方向上被定位成使得整个透明杆302从喷嘴124的孔口134偏移，或者换句话说，使得透明杆302的长度与喷嘴124的孔口134的X位置之间不存在重叠。更特别是，透明杆302的第二端310从喷嘴124的孔口134偏移预定距离，使得朝向基底116上或邻近基底的目标位置引导光束312或从该目标位置接收该光束。另外，如图10B所示，透明杆302在Y方向上被定位成使得纵向轴线在Y方向上与喷嘴124的孔口134对准。透明杆302从喷嘴124的孔口134的X偏移有利地防止了透明杆302干扰熔融金属液滴朝向基底116的喷射。将理解的是，透明杆302的X偏移的距离取决于光束312的入射角(例如，45°)以及透明杆302在Z方向上与基底116上或邻近基底的目标位置之间的距离。如上所讨论的，入射角本身取决于成角度的端面的角度以及透明杆302的主体的材料的折射率。

尽管在图10A和图10B中未示出，但是应当理解，透明杆302的第一端适当地与至少一个光学设备(诸如激光加热系统102的激光器144、光学监测系统130的光学照明器146或光学监测系统130的光学传感器148)耦合，以便接收或提供光束312。下面更详细地描述光学设备与光学系统的结构的耦合。

在一些实施方案中，激光加热系统202的光学系统包括多个透明杆，该多个透明杆用一个或多个透明接头光学地和机械地连接在一起。光学系统的每个透明接头具有主体，该主体包括至少一个成角度的表面，该成角度的表面被配置为在透明接头内引起光束的至少一次全内反射(TIR)，该透明接头将光束从透明杆的一端重定向到以不同角度或方向布置的另一个透明杆的一端。应当理解，多个透明杆和透明接头可以一起制造为单个零件，或者随后使用适当的技术接合在一起。参考图11A、图11B和图11C，以下描述具有多个透明杆的光学系统的示例性实施方案。

图11A示出了第一示例性光学系统400，该光学系统具有在形式上类似于透明杆302的第一透明杆402和在形式上也类似于透明杆302但没有成角度的端面的第二透明杆404。透明接头406将透明杆404与透明杆402光学地和机械地连接。透明接头406由诸如石英、玻璃、聚合物或塑料等透明材料构成。不管特定材料如何，透明接头406应能够经受高温而无损坏。透明接头406包括相对于透明杆402、404的纵向轴线成角度的成角度的表面410，该成角度的表面被配置为引起光束408的全内反射，该全内反射在第二透明杆404与第一透明杆402之间对光束408进行重定向。特别是，第二透明杆404被配置为在第一端(未示出)处接收或提供光束408，并且光束408在第二透明杆404的纵轴方向上行进至其第二端。透明接头406被配置为从透明杆402、404中的一个透明杆接收光束408，用成角度的表面410反射光束408，并且将光束408提供给透明杆402、404中的另一个透明杆。光束408以与以上关于透明杆302所讨论的方式相同的方式行进通过第一透明杆402。

图11B示出了第二示例性光学系统420，该光学系统具有在形式上类似于透明杆302的第一透明杆422和在形式上也类似于透明杆302但没有成角度的端面的第二透明杆424。基本上类似于透明接头406的透明接头426将透明杆424与透明杆422光学地和机械地连接。透明接头426包括第一成角度的表面430和第二成角度的表面432，该第一成角度的表面和该第二成角度的表面相对于彼此并且相对于透明杆422、424的纵向轴线成角度，这些角度被配置为引起光束428的全内反射，该全内反射在透明杆424与第一透明杆422之间对光束428进行重定向。特别是，以与关于图11A的实施方案所描述的类似的方式，透明接头426被配置为从透明杆422、424中的一个透明杆接收光束428，利用成角度的表面430反射光束428，利用成角度的表面432反射光束428，并且将光束428提供给透明杆422、424中的另一个透明杆。

图11C示出了第三示例性光学系统440，该光学系统具有在形式上类似于透明杆202的第一透明杆442和在形式上也类似于透明杆202但没有成角度的端面的第二透明杆444。基本上类似于透明接头426的透明接头446将透明杆444与透明杆442光学地和机械地连接。透明接头446包括第一成角度的表面450和第二成角度的表面452，该第一成角度的表面和该第二成角度的表面相对于彼此并且相对于透明杆442、444的纵向轴线成角度，这些角度被配置为以基本上与关于图11B的实施方案所描述的相似的方式，引起光束448的全内反射，该全内反射在透明杆444与第一透明杆442之间对光束448进行重定向。

借助于以下示例，应当理解，根据3D物体打印机100的结构和空间约束，必要时，可组合任意数量的各种配置的透明杆和透明接头，以作为光导操作来为诸如激光束、照明光束、反射光束、热辐射等光束导航。在一些实施方案中，光学系统的透明杆可被配置为通过3D物体打印机100的其他结构进行潜望(例如，经由小的竖直开口通过隔热罩132进行潜望)。

在至少一些实施方案中，激光加热系统102的光学系统包括至少一个反射杆，光束经由该反射杆被反射。一般而言，反射杆具有带成角度的端面的第一端，该成角度的端面具有反射涂层或者以其他方式由反射材料构成。布置光学设备160或者对该光学设备的光束进行定向，使得该光束朝向反射杆的成角度的端面输出。光束被反射杆的成角度的端面反射，从而朝向基底116上或邻近基底的目标位置对光束进行重定向。在至少一些实施方案中，成角度的端面相对于反射杆的纵向轴线的角度为约45度，使得当光束平行于或共线于纵向轴线行进以到达成角度的端面时，该光束以与反射杆的纵向轴线正交的角度被反射。

图12A和图12B示出了具有成角度的端面504的示例性反射杆502。透明杆502具有基本上呈圆柱形的细长主体506，该细长主体具有第一端508和第二端510。在所示实施方案中，主体506具有至少部分呈圆形和/或椭圆形的横截面。然而，在其他实施方案中，主体506可具有多种不同的横截面形状。第二端510具有成角度的端面504，该成角度的端面相对于细长主体506的纵向轴线成角度。成角度的端面504具有反射涂层(例如，反射金属涂层或反射介电涂层)或者由反射材料(例如，反射金属材料或反射介电材料)构成。主体506由任何适当的材料构成，该材料可以具有反射性或者也可以不具有反射性。在成角度的端面504上具有反射涂层的情况下，主体506的材料被选择成在高温下与反射涂层维持良好结合。不管特定材料如何，主体506和成角度的端面504和/或其反射涂层应当能够经受高温而无损坏。

成角度的端面504的角度被配置为反射光束512，使得朝向基底116上的目标位置516对光束512进行重定向，或者从该目标位置接收该光束。在至少一个实施方案中，成角度的端面504相对于细长主体506的纵向轴线的角度为约45°，使得光束512在与细长主体506的纵向轴线正交的光学路径和与纵向轴线平行或共线的光学路径之间被反射，以到达成角度的端面516(即，约90°的反射)。

在至少一些实施方案中，反射杆502具有旋转，使得成角度的端面504被取向成反射光束512，使得光束512以非零入射角到达目标位置或者从该目标位置反射。在例示的实施方案中，反射杆502具有旋转，使得光束512以约45°的入射角到达目标位置516或者从该目标位置反射。

在至少一些实施方案中，成角度的端面504可具有被配置为进行以下的形状或曲率半径：以与以上关于图6A和图6B所讨论的方式类似的方式对光束512进行整形，以在特定非零入射角(例如，约45°)下在目标位置处具有圆形光束足迹。特别是，图13A示出了反射杆502的变型，其中成角度的端面504具有圆柱形凹形表面形状，该圆柱形凹形表面形状被配置为将光束部分地聚焦在入射平面中，从而针对非零入射角使光束足迹圆形化。图13B示出了具有平坦的成角度的端面504的反射杆502在非零入射角(例如，约45°)处可能出现的示例性光束足迹。可以看出，光束足迹具有椭圆形形状。相比之下，图13C示出了具有根据图13A的圆柱形凹形成角度的端面504的反射杆504在非零入射角(例如，约45°)处可能出现的示例性圆形化光束足迹。

参考图14，与透明杆202类似，反射杆502可围绕其纵向轴线旋转，以调整光束512的入射角。特别是，应当理解，入射角与反射杆502绕其纵轴的旋转角相同(其中0°旋转对应于成角度的端面504的法向矢量与基底116和/或台板128的法向矢量共面并且指向台板128的方向的旋转)。图14示出了具有45°成角度的端面的反射杆502，其中不同的旋转导致光束512与相应目标位置所成的入射角不同。在左上图中，示出了反射杆502的0°旋转，这导致与目标位置成0°入射角(AOI)。在右上图中，示出了反射杆502的15°旋转，这导致与目标位置成15°入射角(AOI)。在左中图中，示出了反射杆502的30°旋转，这导致与目标位置成30°入射角(AOI)。在右中图中，示出了反射杆502的45°旋转，这导致与目标位置成45°入射角(AOI)。在底部图中，示出了反射杆502的60°旋转，这导致与目标位置成60°入射角(AOI)。可以看出，当反射杆502旋转时，入射角被成比例地调整，并且目标位置的相对位置沿着线性路径移动。

图15A和图15B示出了结合了具有成角度的端面204的反射杆502的3D物体打印机100的第三示例性实施方案。如图所示，反射杆502沿Z方向布置在台板128与隔热罩132之间。然而，如将在下面更详细讨论的，在一些实施方案中，反射杆502替代地嵌入到隔热罩132中或喷射器头部104的另一部件中。在至少一些实施方案中，如果没有嵌入在喷射器头部104的部件内，则反射杆502附接到和/或安装到喷射器头部104，使得反射杆502相对于喷射器头部104具有固定的位置并且与喷射器头部104一起移动。在任何情况下，反射杆502被布置成其纵向轴线大体上平行于台板128的顶表面。在至少一个实施方案中，沿着与反射杆502的纵向轴线平行和/或共线的光学路径，光束由激光器(未示出)朝向成角度的端面504输出或从成角度的端面反射。

如在其他例示的实施方案中，光束312的目标位置在X方向和Y方向上与喷嘴124的孔口134对准，并且在Z方向上位于距孔口134预定距离处。因此，如图15A所示，反射杆502在X方向上被定位成使得成角度的端面504与喷嘴124的孔口134对准，或者以其他方式使得朝向基底116上或邻近基底的目标位置导向光束512或从该目标位置接收光束。另外，如图15B所示，反射杆502在Y方向上被定位成使得反射杆502的纵向轴线从喷嘴124的孔口134偏移预定距离。反射杆502从喷嘴124的孔口134的Y偏移有利地防止了反射杆502干扰熔融金属液滴朝向基底116的喷射。将理解的是，反射杆502的Y偏移的距离取决于光束212的入射角(例如，45°)以及反射杆502在Z方向上与基底116上或邻近基底的目标位置之间的距离。

尽管在图15A和图15B中未例示，但是应当理解，反射杆502的第一端适当地相对于至少一个光学设备(诸如激光加热系统102的激光器144、光学监测系统130的光学照明器146或光学监测系统130的光学传感器148)布置，以便接收或提供光束512。下面更详细地描述光学设备与光学系统的结构的耦合。

如上所指出的，在至少一些实施方案中，光学系统的结构至少部分地嵌入在喷射器头部104的部件内，或者嵌入在3D物体打印机100的任何其他部件内。特别是，光学系统的结构的污染常常是设计3D物体打印机100时所关注的问题。光学系统的结构的表面可暴露于喷射的金属液滴、喷射的金属附属物、来自构建零件的金属飞溅物、和金属溅射物、或来自构建零件118的金属蒸发物。

图16示出了结合了光学系统的嵌入在隔热罩132内的杆602的3D物体打印机100的第四示例性实施方案。在例示的实施方案中，杆602具有圆形横截面，类似于透明杆202和反射杆502，但杆602可对应于本文讨论的任何杆，包括透明杆202、透明杆302、光学系统400的透明杆402、404、光学系统420的透明杆422、424、光学系统440的透明杆442、444、反射杆502、或激光加热系统102的光学系统的任何其他结构。

杆602借助于在隔热罩132中钻取或以其他方式限定的孔洞604或通道嵌入在隔热罩132内。孔洞604的尺寸和形状被适当地形成为适应杆602的主体。在具有多个杆的实施方案中，多个孔洞或其他对应的空隙被限定在隔热罩132和/或喷射器头部104的其他部件中，以便容纳光学系统的每个部件。

在杆602为透明杆的实施方案中，光束612以与以上关于透明杆202和透明杆302所讨论的方式相同的方式，从侧表面离开或进入杆602。在隔热罩132中钻取或以其他方式限定窄孔洞606或通道，以将孔洞604与在隔热罩132的面向台板128的底部表面中限定的开口608连接。光束612经由窄孔洞606从杆602的侧表面行进，离开或进入隔热罩132，并且朝向基底116上或邻近该基底的目标位置行进。

类似地，在杆602为反射杆的实施方案中，激光器(未示出)被布置成通过孔洞604朝向杆602的成角度的反射端面输出光束612，或者经由孔洞604从成角度的反射端面接收光束612。光束612以与以上关于反射杆502所讨论的方式相同的方式，被杆602的成角度的反射端面反射。光束612经由窄孔洞606在杆602的成角度的反射端面与基底116上或邻近该基底的目标位置之间行进。这样，保护杆602和光学系统的任何其他结构免于暴露于金属污染。

窄孔洞606的尺寸被设定为适应光束612的宽度，并且其角度被形成为适应光束612在杆602和基底116上或邻近该基底的目标位置之间行进的角度。一般而言，窄孔洞606的尺寸被设定为关于光束612的角度、对准和尺寸提供一定的容差。然而，在实际的实施中，可能需要机械调整来补偿制作和组装容差并且关于目标位置使杆602精确取向。

在一个实施方案中，为了适应此类机械调整，激光加热系统102包括一个或多个致动器(未示出)，该一个或多个致动器被配置为使杆602在孔洞内旋转，或者将杆602沿纵向在孔洞604内重新定位。这些致动器可用手手动操作或者由计算系统108电子控制。通过轴向和/或纵向调整杆602，致动器提供机械自由度以关于目标位置使杆602准确取向，即使在存在制作和组装容差的情况下。

光学设备耦合

如上所提及的，诸如激光加热系统102的激光器144、光学监测系统130的光学照明器146、或光学监测系统130的光学传感器148等光学设备，在必要时与光学系统的结构耦合或者关于光学系统的结构布置，以将光投射到制作环境中或者接收从制作环境反射或热发射的光。在一些实施方案中，光学设备与光学系统的具有准直器、光束扩展光学器件、聚焦透镜、光学隔离器和折叠光学器件中的一者或多者的结构耦合。下面，描述了用于将诸如激光器144或光学照明器146等光源与各种光学系统和结构耦合的数个布置。然而，本领域技术人员将理解，可利用基本上类似的布置来将光接受器(诸如光学传感器148)与各种光学系统及结构耦合。

图17A示出了具有准直器702的示例性光源700，该准直器被配置为对由光源700生成的光束进行准直。光源例如可以是激光加热系统102的激光器或者光学监测系统130的光学照明器。准直器702被配置为将由光源700生成的发散光束转换成平行或准直光束。应当理解，一些准直器结合了直接融合到大光束扩展端盖来确保安全功率密度的先进技术，以及通过去除不想要的背反射辐射来防止烧毁缓冲/夹套的模消除器。这些技术显著提高了准直器的可靠性。光纤准直器的特征通常在于其束腰尺寸、工作距离和离轴倾斜角，如图17B所示。对于单模和多模传输，准直器702的性能本质上取决于光源700的场分布轮廓。

图18A示出了用于将光源800与透明杆808耦合的第一布置，该透明杆基本上类似于透明杆202。光源800可对应于例如激光加热系统102的激光器144或者光学监测系统130的光学照明器146。光源800与准直器802耦合。准直器802被配置为将由光源800生成的发散光转换成平行或准直光束812。在一些实施方案中，准直器802可包括附加光束扩展光学器件。在至少一些实施方案中，准直器802的输出与光学隔离器和/或折叠光学器件804耦合。光学隔离器和/或折叠光学器件804的输出被直接提供给透明杆808的第一端810。准直光束812行进通过透明杆808并且被透明杆808的成角度的端面814反射，并且以与以上关于透明杆202所讨论的方式类似的方式朝向目标位置816被重定向。应当理解，透明杆808可以与以上关于透明杆202所讨论的方式类似的方式旋转，而不改变准直光束812的形状。

图18B示出了用于将光源800与透明杆808耦合的第二布置，其中聚焦透镜806被布置在透明杆808的第一端810与光学隔离器和/或折叠光学器件804的输出之间。聚焦透镜806具有适当的焦距，该焦距被配置为聚焦准直光束812，使得光束812聚焦在目标位置816上。

图19A示出了用于将光源800与光学系统818耦合的第三布置，该光学系统基本上类似于以上所讨论的光学系统420。光学系统818具有多个透明杆，该多个透明杆借助于透明接头光学地和机械地连接。光学隔离器和/或折叠光学器件804的输出被直接提供给光学系统818的第一端820。光学系统818引导准直光束812，并且将其重定向至目标位置816。

图19B示出了用于将光源800与透明杆822耦合的第四布置。透明杆822具有第一成角度的端面822，该第一成角度的端面基本上类似于透明杆202的成角度的端面204。特别是，第一成角度的端面822相对于透明杆822的纵向轴线具有约为45°的角度，使得光束812从与纵向轴线正交的角度被重定向成变得与纵向轴线平行或共线(即，具有约90°的反射)。透明杆822还具有第二成角度的端面826，该第二成角度的端面基本上类似于透明杆302的成角度的端面304。特别是，第一成角度的端面822相对于透明杆822的纵向轴线具有小于约45°(例如，约30°)的角度，使得光束812以不与透明杆822的细长主体的纵向轴线正交的角度被重定向(即，具有小于约90°的反射)。光学隔离器和/或折叠光学器件804的输出被直接提供到第一成角度的端面822的侧表面828。光束812沿着透明杆822的纵向轴线被重定向，并且然后被第二成角度的端面826以钝角反射。光束812离开第二成角度的端面826的侧表面830并且朝向目标位置816折射。

图20A示出了用于将光源800与反射杆832耦合的第五布置，该反射杆基本上类似于反射杆502。光学隔离器和/或折叠光学器件804的输出被布置成沿着平行于或共线于反射杆832的纵向轴线的光学路径朝向成角度的端面834对光束812进行定向，该成角度的端面基本上类似于反射杆502的成角度的端面504。准直光束812由成角度的端面834朝向目标位置816反射。应当理解，反射杆832可以与以上关于反射杆502所讨论的方式类似的方式旋转，而不改变准直光束812的形状。

图20B示出了用于将光源800与反射杆832耦合的第六布置，其中聚焦透镜806被布置在反射杆832的成角度的端面834与光学隔离器和/或折叠光学器件804的输出之间。聚焦透镜806具有适当的焦距，该焦距被配置为聚焦准直光束812，使得光束812聚焦在目标位置816上。

用于使用3D物体打印机制作零件的方法

图21示出了使用增材制造设备(诸如3D物体打印机100)制作零件的方法900的流程图。应当理解，该方法的步骤可以任何可行的时间顺序执行，而与图中所示的顺序或描述步骤的顺序无关。

方法900开始于喷射熔融构建材料的液滴以在制作环境内制作零件(框910)。特别是，计算系统108操作致动器138以将喷嘴124的孔口134定位在基底116上方在Z方向上距基底116限定的距离处(例如，在4mm与8mm之间)。接着，计算系统108操作切换装置142以使喷嘴124将熔融金属液滴喷射到基底116上，以便开始形成零件118。与喷射熔融金属液滴同时或按顺序，计算系统108还操作致动器140以在X-Y平面中移动构建平台106的台板128，从而在基底116上形成熔融金属的列或层以形成零件118。当每一层金属沉积在基底116上时，计算系统108操作致动器138以在孔口134与基底116之间沿Z方向维持适当的距离。(例如，在4mm和8mm之间)。在替代配置中，计算系统108可类似地在X-Y平面中移动喷射器头部104或沿着Z轴移动台板128。

接着，方法900继续提供定位在制作环境外部的至少一个第二位置处的光源和/或光传感器(框920)。特别是，3D物体打印机100设置有激光加热系统102和光学监测系统130中的一者或两者。激光加热系统102包括被配置为生成至少一个激光束的至少一个激光器144。光学监测系统130包括被配置为生成至少一个光束的至少一个光学照明器146以及被配置为接收和测量至少一个反射的光束和/或发射的热辐射的至少一个光学传感器148。

接着，方法900继续在制作环境中的第一位置与至少一个第二位置之间对光进行重定向，该重定向包括该光的至少一次反射(框930)。特别是，使用至少一个光学系统的至少一个结构，在制作环境内的目标位置与光学设备位于制作环境外部的位置之间，通过反射对光进行重定向。用于对光进行重定向的光学系统和结构可包括本文所讨论或建议的光学系统、光学结构、透明杆、反射杆中的任何一者。在至少一些实施方案中，光包括由激光器144和/或光学照明器146生成的并且当构建材料的液滴被朝向台板128喷射时，被重定向到零件118和/或构建材料的液滴上的目标位置上的光。在至少一些实施方案中，光包括从零件118上的目标位置反射和/或热发射的光，和/或当构建材料的液滴被朝向台板128喷射时从构建材料的液滴反射和/或热发射的光，该光被重定向到光学传感器148上。

最后，方法900继续使用光源和/或光传感器来控制以及/或者监测零件和/或液滴的至少一个特性(框940)。特别地，计算系统108被配置为操作激光加热系统102以对基底116的至少一部分和/或邻近基底116的区域进行加热。在至少一些实施方案中，激光加热系统102加热基底116的一部分，以控制形成零件118的固态金属的一个或多个特性或性能。在一些实施方案中，计算系统108被配置为操作激光加热系统102以对零件118的先前沉积的滴液或区段进行再加热或再熔化，以在熔融金属滴液和先前沉积的金属聚结时控制熔化池的界面温度和/或温度梯度，从而改善零件118的机械和/或构建质量。

另外，在一些实施方案中，计算系统108被配置为操作光学照明器146以将光照射到3D物体打印机100的制作环境中，并且操作光学传感器148以测量液滴温度、构建零件温度、构建板温度、基底温度、构建零件形状、构建零件Z高度、液滴尺寸、液滴速率等。这些测量使得各种类型的反馈控制能够由计算系统108实现。特别地，在一些实施方案中，光学监测系统130被配置为与计算系统108通信以提供反馈测量。在一些实施方案中，计算系统108参考反馈测量以闭环方式操作3D物体打印机100的部件。特别是，在一些实施方案中，计算系统108参考反馈测量来操作喷嘴124，以控制从喷嘴124喷射的熔融材料的液滴的特性。另外，在一些实施方案中，计算系统108参考反馈测量来操作激光加热系统102，以控制零件118的温度特性。

如全文所用，范围用作描述该范围内的各个和每个值的缩略词。可选择该范围内的任何值作为该范围的界标。此外，本文所引用的所有参考文献均据此全文以引用方式并入本文。在本公开中的定义与所引用的参考文献中的定义发生冲突的情况下，以本公开为准。

另外，所有数值均为“约”或“大约”指示值，并且考虑到由本领域普通技术人员所预期的实验误差和变化。应当理解，无论“约”是否与其结合使用，本文所公开的所有数值和范围均为近似值和范围。还应当理解，如本文结合数字所用的术语“约”是指可为该数字±0.01％(包括端值在内)、±0.1％(包括端值在内)、±0.5％(包括端值在内)、±1％(包括端值在内)的值、该数字±2％(包括端值在内)的值、该数字±3％(包括端值在内)的值、该数字±5％(包括端值在内)的值、该数字±10％(包括端值在内)的值、或该数字±15％(包括端值在内)的值。还应当理解，当本文公开数值范围时，也具体公开了落在该范围内的任何数值。

除非上下文另有明确规定，否则如本文所用，术语“或”是包容性运算符，并且等同于术语“和/或”。除非上下文另有明确规定，否则术语“基于”不是排他性的，并且允许用于基于未描述的附加因素。在本说明书中，对“A、B和C中的至少一者”的表述包括含有A、B或C、A、B或C的多个示例、或者A/B、A/C、B/C、A/B/B/B/B/C、A/B/C的组合等实施方案。此外，在整个说明书中，“一个”、“一种”和“该”的含义包括复数指代。“在…中”的含义包括“在…中”和“在…上”。

虽然已经在附图和前面的描述中详细地例示和描述了本公开，但是应当认为该附图和前面的描述在性质上是说明性的而非限制性的。应当理解，仅呈现了优选实施方案，并且希望保护落入本公开的精神内的所有更改、修改和进一步应用。

Claims (30)

1.一种用于制作零件的增材制造设备，所述增材制造设备包括：

台板，所述台板具有被构造成在所述零件的制作期间支撑所述零件的表面；

喷射器头部，所述喷射器头部被布置在所述台板的所述表面上方，所述喷射器头部被构造成朝向所述台板的所述表面喷射熔融构建材料的液滴以制作所述零件；和

光学系统，所述光学系统具有至少一个结构，所述至少一个结构被构造成在(i)位于所述台板与所述喷射器头部之间的制作环境中的第一位置与(ii)第二位置之间对光进行重定向。

2.根据权利要求1所述的增材制造设备，还包括：

光源，所述光源被布置在所述第二位置处并且被构造成输出所述光，所述光由所述光学系统从所述光源朝向所述第一位置重定向。

3.根据权利要求2所述的增材制造设备，其中所述光源是被构造成输出激光束的激光器，所述激光束由所述光学系统从所述激光器朝向所述第一位置重定向。

4.根据权利要求3所述的增材制造设备，还包括：

激光加热系统，所述激光加热系统被构造成在所述零件的所述制作期间使用所述激光器来加热所述零件的一部分。

5.根据权利要求2所述的增材制造设备，还包括：

监测系统，所述监测系统被构造成使用所述光源对所述零件和所述熔融构建材料的所喷射的液滴中的至少一者的至少一个特性进行测量。

6.根据权利要求2所述的增材制造设备，其中所述光源经由准直器与所述至少一个结构耦合。

7.根据权利要求2所述的增材制造设备，其中所述光源经由透镜与所述至少一个结构耦合。

8.根据权利要求1所述的增材制造设备，还包括：

光传感器，所述光传感器被布置在所述第二位置处并且被构造成从所述第一位置接收反射光和热发射光中的至少一者，所述反射光和所述热发射光中的所述至少一者由所述光学系统从所述第一位置朝向所述第二位置重定向。

9.根据权利要求8所述的增材制造设备，其中所述光传感器是(i)照相机和(ii)高温计中的一者，所述照相机被构造成基于所述反射光生成所述第一位置的至少一个图像，所述高温计被构造成基于所述热发射光测量所述第一位置处的温度。

10.根据权利要求8所述的增材制造设备，还包括：

监测系统，所述监测系统被构造成使用所述光传感器对所述零件和所述熔融构建材料的所喷射的液滴中的至少一者的至少一个特性进行测量。

11.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述第二位置在所述制作环境的外部。

12.根据权利要求1所述的增材制造设备，所述光学系统还包括：

第一透明杆，所述第一透明杆具有第一端和第二端，所述光在所述第一端和所述第二端之间沿所述第一透明杆的纵轴方向行进通过所述第一透明杆。

13.根据权利要求12所述的增材制造设备，其中光源和光传感器中的一者耦合到所述第一透明杆的所述第一端。

14.根据权利要求12所述的增材制造设备，其中所述第一透明杆的所述第二端具有成角度的端面，所述成角度的端面相对于所述第一透明杆的纵向轴线成角度，所述成角度的端面的所述角度被构造成引起所述光的全内反射，使得所述光在所述第一端与所述成角度的端面之间行进并且在所述成角度的端面与所述第二端的邻近所述成角度的端面的侧表面之间行进。

15.根据权利要求14所述的增材制造设备，其中所述成角度的端面相对于所述第一透明杆的所述纵向轴线的所述角度为约45度，使得所述光以基本上直角反射。

16.根据权利要求14所述的增材制造设备，其中所述第一透明杆具有旋转，使得所述成角度的端面被取向成以下中的一者：(i)使所述光朝向所述第一位置反射以及(ii)接收已经从第一位置反射的所述光中。

17.根据权利要求14所述的增材制造设备，其中所述第二端的所述侧表面具有与所述第二端的另一个侧表面的曲率半径不同的曲率半径，并且所述第二端的所述侧表面的所述曲率半径被构造成当所述光穿过所述侧表面时对所述光进行整形。

18.根据权利要求14所述的增材制造设备，其中所述成角度的端面相对于所述第一透明杆的所述纵向轴线的所述角度小于约45度，使得所述光以钝角反射。

19.根据权利要求12所述的增材制造设备，所述光学系统还包括：

第二透明杆，所述第二透明杆具有第一端和第二端，所述光在所述第一端和所述第二端之间沿所述第二透明杆的纵轴方向行进通过所述第二透明杆；和

透明接头，所述透明接头被构造成将所述第一透明杆的所述第二端机械地且光学地连接到所述第二透明杆的所述第一端，所述透明接头具有被构造成在透明接头内引起所述光的至少一次全内反射的至少一个成角度的表面，所述透明接头在所述第一透明杆的所述第二端和所述第二透明杆的所述第一端之间重定向所述光。

20.根据权利要求1所述的增材制造设备，所述光学系统还包括：

杆，所述杆具有带成角度的端面的第一端，所述成角度的端面是反射性的并且被构造成反射所述光，

其中所述光沿着路径行进，所述路径的至少一部分基本上与所述杆的纵向轴线共线。

21.根据权利要求20所述的增材制造设备，其中光源和光传感器中的一者被布置在所述光沿着其行进的所述路径上。

22.根据权利要求20所述的增材制造设备，其中所述成角度的端面相对于所述杆的所述纵向轴线的所述角度为约45度，使得所述光以基本上直角反射。

23.根据权利要求20所述的增材制造设备，其中所述成角度的端面具有圆柱形凹形表面，所述圆柱形凹形表面被构造成当所述光从所述圆柱形凹形表面反射时对所述光进行整形。

24.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述光学系统的所述至少一个结构固定地安装到所述喷射器头部。

25.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述光学系统的所述至少一个结构至少部分地嵌入在所述喷射器头部的部件内。

26.根据权利要求25所述的增材制造设备，其中所述喷射器头部的所述部件是隔热罩。

27.根据权利要求25所述的增材制造设备，其中：

所述喷射器头部的所述部件具有主体，所述主体限定：(i)第一孔洞，所述光学系统的所述至少一个结构设置在所述第一孔洞中；和(ii)第二孔洞，所述第二孔洞将所述第一孔洞与限定在所述部件的面向所述台板的表面中的开口连接；并且

所述光经由所述第二孔洞在所述光学系统的所述至少一个结构与所述开口之间行进。

28.根据权利要求27所述的增材制造设备，其中：

所述光学系统的所述至少一个结构是基本上呈圆柱形的杆并且可旋转地安装在所述第一孔洞内。

29.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述光学系统的所述至少一个结构被构造成通过致动器旋转以调整所述光的路径的角度。

30.一种用于使用增材制造设备制作零件的方法，所述方法包括：

使用喷射器头部朝向台板喷射熔融构建材料的液滴，以在位于所述台板与所述喷射器头部之间的制作环境内制作零件；

在所述制作环境内的第一位置与所述制作环境外部的至少一个第二位置之间对光进行重定向，所述重定向包括所述光的至少一次反射，光源和光传感器中的至少一者定位在所述至少一个第二位置处，所述光包括以下中的至少一者：(i)由所述光源生成并且被重定向到所述零件和所述液滴中的至少一者上的光，(ii)从所述零件和所述液滴中的至少一者反射并且被重定向到所述光传感器上的光，和(iii)来自所述零件和所述液滴中的至少一者并且被重定向到所述光传感器上的热发射光；以及

使用所述光源和所述光传感器中的至少一者来执行以下中的至少一者：控制所述零件和所述液滴中的至少一者的至少一个特性以及监测所述零件和所述液滴中的至少一者的至少一个特性。