CN208637788U - 具有激光器组件的增材制造系统 - Google Patents

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摩西·阿克宁
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Abstract

一种具有激光器组件的增材制造系统，其中激光器组件(12)与增材制造系统(10)一起使用，所述激光器组件(12)包括：基块(50)，该基块配置成沿着增材制造系统中的扫描方向轴移动的基块(50)；多个激光发射器，其优选地布置成两个或多个激光发射器的至少两行的阵列。散热器组件(74)的至少一部分配置成从基块和/或激光发射器吸走热量。该组件包括控制器组件(26)，其配置成当基块沿着第一轴移动时，控制基块沿着第一轴的移动，并独立地至少控制从多个激光发射器中的每个激光发射器射出的能量的定时和持续时间。

Description

具有激光器组件的增材制造系统
技术领域
本公开涉及使用基于层的增材制造技术打印或以其它方式构建三维(3D) 零件的增材制造系统和方法。本公开特别地涉及使用基于光学的增材制造技术打印3D零件的系统。
背景技术
增材制造系统用于使用一种或多种增材制造技术根据3D零件的数字表示(digital representation)(例如，STL格式文件)来打印或以其它方式构建3D 零件。商业上可获得的增材制造技术的示例包括：基于挤出的技术、喷射、选择性激光烧结、粉末/粘结剂喷射、电子束熔炼、数字光处理、以及立体光刻工艺。对于这些技术中的每一种，3D零件的数字表示最初被切成多个水平层。然后，对于每个切片层，生成工具路径或图像，这为特定的增材制造系统提供了打印给定层的指令。
例如，在基于挤出的增材制造系统中，可以通过挤出可流动零件材料，根据3D零件的数字表示以逐层方式来打印3D零件。零件材料通过该系统的打印头所承载的挤出尖端来挤出，并且在x-y平面内在基底上沉积为一系列道路 (road)。挤出的零件材料熔合到先前沉积的零件材料，并且在温度下降时凝固。然后，打印头相对于基底的位置沿z轴(垂直于x-y平面)递增，然后重复该过程以形成类似于数字表示的3D零件。
在另一个示例中，在基于立体光刻的增材制造系统中，可以通过追踪激光束穿过光固化树脂缸，以逐层方式根据3D零件的数字表示打印3D零件。对于每个层，激光束对液体树脂表面上的层绘制出横截面，这使绘制图案固化并凝固。完成层后，系统的平台降低单层增量。然后，新鲜的树脂部分可以重新涂覆先前的层，并且激光束可以穿过新鲜树脂使下一层图案化，下一层连接前一层。然后可以对每个连续层重复该过程。之后，可以清洗未固化的树脂，并且可以对所得到的3D零件进行后续的固化。
在通过这些技术制造3D零件时，通常在悬伸部分的下面或构造中的3D零件的腔(其不被零件材料本身所支撑)内构建支撑层或支撑结构。可以利用形成3D零件的相同技术来构建支撑结构。主计算机生成附加的几何结构，该几何结构用作形成中的3D零件的悬伸段或自由空间段的支撑结构。支撑结构在制造过程中粘附至3D零件，并且可在打印过程完成时从完成的3D零件上移除。
发明内容
本公开的一个方面涉及一种与增材制造系统一起使用的激光器组件。所述激光器组件包括基块，该基块配置成沿着增材制造系统的第一轴(例如，扫描方向轴)移动。激光器组件还包括多个激光发射器，多个激光发射器布置成具有两个或多个激光发射器的两行或多行阵列，该激光发射器可选地相对于第一轴定向成倾斜角度。激光器组件包括控制器组件，该控制器组件配置成当基块沿着第一轴移动时，控制基块沿着第一轴的运动，并且至少独立地控制从多个激光发射器的每个射出的能量的定时和持续时间。激光器组件还包括散热器组件的至少一部分，该散热器组件配置成从基块吸走热量。
本公开的另一个方面涉及一种与增材制造系统一起使用的激光器组件，所述激光器组件包括多个子块，多个子块沿着基本上垂直于扫描方向轴的条带 (swath)方向轴互相连接成一系列行并沿着扫描方向轴互相连接成一系列堆栈 (stacks)。每个子块优选地包括多个激光发射器、流体通道、以及一个或多个部分，该一个或多个部分配置成将子块与一个或多个相邻子块互相连接使得沿一系列堆栈的相邻子块的激光发射器被布置成具有两个或多个激光发射器的两行或多行阵列，该激光发射器可选地相对于扫描方向轴定向成倾斜角度。激光器阵列还包括一个或多个歧管，所述一个或多个歧管可操作地连接至每个子块的流体通道，并配置成使热交换液体循环通过每个子块和/或使每个子块周围的热交换液体循环。激光器阵列还可以可选地包括一个或多个控制板，所述一个或多个控制板连接至多个激光发射器并可操作地连接至增材制造系统的控制器组件。控制器组件配置成独立地控制多个激光发射器中的每个激光发射器，以使能量至少基于激光发射器的位置在选定的持续时间内发射。
本公开的另一个方面涉及一种增材制造系统，该增材制造系统包括：用于接收光固化树脂的涂层或膜的构建压板；用于沿着第一轴使构建压板移动的压板台架以及激光器组件。激光器组件包括：基块；固定至基块的多个激光发射器，多个激光发射器布置成至少两个激光发射器的至少两行的阵列，其中激光发射器可选地相对于扫描方向轴定向成倾斜角度。该系统还包括：激光器台架，用于沿着扫描方向轴移动激光器组件，使得多个激光发射器中的每一个穿过构建压板；以及散热器组件，其至少部分地由激光器组件保持，并且用于从基块和/或激光发射器吸走热量。该系统还包括控制器组件，该控制器组件用于操作平台升降机、激光器组件、以及台架，以基于光固化树脂的涂层或膜以逐层方式在平台上打印3D零件。
本公开的另一个方面涉及一种与增材制造系统一起使用的激光器组件，该激光器组件包括：基块，其配置成沿着系统的第一轴移动；和多个激光发射器，其可操作地安装到基块并且布置成至少两行的阵列，其中每行具有至少两个激光发射器，其中多个激光发射器中的每一个可选地相对于第一轴定向成一个倾斜角度。该系统还包括冷却剂浸入式壳体，该冷却剂浸入式壳体用于将基块浸入冷却剂液体中，以从激光发射器吸走热量。该系统还包括控制器组件，该控制器组件用于操作平台升降机、激光器组件、和台架，以基于光固化树脂的涂层或膜以逐层方式在平台上打印3D零件。
本公开的另一个方面涉及一种与用于通过基于粉末材料打印三维零件的增材制造系统一起使用的激光器组件。激光器组件包括：基块，其配置成沿着增材制造系统的第一轴移动；和多个激光发射器，其可操作地安装到基块并且布置成至少两行的阵列，其中每行具有至少两个激光发射器。每个激光发射器可选地相对于第一轴定向成一个倾斜角度，其中每个激光发射器配置成产生红外波长激光束。激光器组件还包括散热器组件的至少一部分，该散热器组件与基块可操作地接合，并且配置成从激光发射器吸走热量。该系统还包括控制器组件，该控制器组件用于操作激光器组件并以逐层的方式打印3D零件。
本公开的另一个方面涉及一种增材制造系统，该增材制造系统包括：配置成接收材料涂层或膜的构建压板；和配置成沿着第一轴使构建压板移动的压板台架。该系统包括激光器组件，该激光器组件包括基块和至少为二乘二激光发射器阵列的多个激光发射器。该系统还包括激光器台架，该激光器台架配置成至少沿着扫描长度轴使激光器组件移动。该系统包括控制器组件，该控制器组件用于操作压板台架、激光器组件、和激光器台架，以在平台上基于多个数字位片(digital bitslices)将材料的涂层或膜以逐层方式打印成三维零件。控制器组件还配置成调整数字位片中的一个或多个，以补偿基块的热膨胀。
本公开的其它方面涉及操作增材制造系统和激光器组件的方法，用于制造该系统和激光器组件的方法以及通过这样的系统和激光器组件所打印的3D零件。
定义
除非另有说明，本文使用的下列术语具有下文中给出的含义：
除非另有说明，本文提及的温度是基于大气压力(即一个大气压)。
术语“增材制造系统”是指至少部分地使用增材制造技术来打印、构建或以其它方式制造3D零件和/或支撑结构的系统。增材制造系统可以是独立单元、较大系统或生产线的子单元、以及/或者可以包括其它非增材制造特征，诸如减材制造特征、取放特征、二维打印特征等。
相对于对装置(例如，激光发射器、台架、电机等)进行指令的控制器组件而言，术语“(command)”指令、“指令(commading)”等是指控制信号从控制器组件到所述装置的直接和/或间接中继，使得装置根据中继的信号进行操作。信号可以以任何合适的形式进行中继，诸如传送到装置上的微处理器的通信信号，对操作装置所施加的电功率等。
术语“提供”(诸如对于“提供装置”)，当在权利要求中描述时，不旨在要求对所提供的项目的任何特定传递或接收。相反，出于清楚和易于阅读的目的，术语“提供”仅用于列举在权利要求的后续元件中将被提及的项目。
术语“优选的”和“优选地”是指可以在某些情况下提供某些益处的本发明的实施例。然而，在相同或其它情况下，其它的实施例也可以是优选的。此外，一个或多个优选实施例的列举并不意味着其它实施例不是有益的，并且不旨在将其它实施例排除在本公开的范围之外。
本文中，术语“约”和“基本上”的使用是相对于因本领域技术人员已知的预期变化(例如，测量中的限制和变化性)而产生的可测量值和范围而言。
附图说明
图1是增材制造系统的俯视图，该增材制造系统具有位于系统的第一侧上的本公开的激光器组件。
图2是图1所示的增材制造系统的侧视图。
图3是增材制造系统的俯视图，该增材制造系统具有位于系统的第二侧上的激光器组件。
图4是图3所示的增材制造系统的侧视图。
图5是增材制造系统的俯视图，示出了用激光器组件打印的3D零件。
图6是图5所示的增材制造系统的侧视图。
图7是激光器组件的顶前透视图。
图8是激光器组件的底前透视图。
图9是如图7所示的激光器组件的一部分的放大视图，其中省略了一部分控制板和散热翅片。
图10是如图8所示的激光组件的一部分放大图。
图11是激光器组件的激光发射器阵列的俯视图。
图12是沿x-z平面截取的剖视图，进一步示出了激光发射器。
图13是沿y-z平面截取的剖视图，进一步示出了激光发射器。
图14是沿x-z平面截取的剖视图，进一步示出了位于更靠近激光器组件的底表面的任选激光发射器。
图15是可以与增材制造系统一起使用的本公开的激光器组件的第二实施例的俯视图。
图16是激光器组件的第二实施例的一部分的顶前透视图。
图17是图16所示的激光器组件的第二实施例的部分的底后透视图。
图18是激光器组件的第二实施例的子块的前透视图。
图19是沿y-z平面截取的剖视图，示出了激光器组件的第二实施例的激光发射器。
图20是图18所示的子块的后侧透视图。
图21是激光器组件的第二实施例的一部分的俯视图，示出了联锁的子块。
图22是可以与增材制造系统一起使用的本公开的激光器组件的第三实施例的俯视图。
图23是激光器组件的第三实施例的子块的前透视图。
图24是激光器组件的第三实施例的第一任选子块的侧视图。
图25是激光器组件的第三实施例的第二任选子块的侧视图。
图26是与激光器组件一起使用的增材制造系统的控制器组件的示意图。
图27是激光器组件的激光发射器阵列的俯视图，示出了由于基块热膨胀的空间到空间的偏移量变化。
具体实施方式
本公开涉及一种使用基于光学的增材制造技术来打印3D零件的系统和方法，其能够以快速的构建速率、高的分辨率来打印3D零件，并且在一些实施例中可以打印大型的构建壳体壳体(build envelopes)。该系统包括激光器组件和树脂缸(或树脂盆)，其中激光器组件包括多个激光发射器阵列，当激光器组件横穿过树脂缸时，可以有选择且独立地操作激光发射器阵列，以在逐体元 (voxel-by-voxel)的基础上交叉耦合光固化树脂。这生成符合层图像或位片数据的3D零件的层。在每个层形成之后，降低(或升高，取决于打印方向)树脂缸中的平台，以允许施涂下一层树脂。然后，可以对每个连续层重复该过程，直到完成3D零件。
图1和2示出了示例性系统10，该系统10包括用于打印3D零件的本公开的激光器组件12。在该示例中，系统10还包括外壳14，该外壳14具有构建缸 16和通常限定T形横截面开口的架空区域18(overhead region)。外壳14可以可选地包括可封闭的盖子或壳体，以在操作期间封闭构建缸16和架空区域18。
以下的初步讨论描述了示例性系统10的组件(如图1和图2所示)以及它们与激光器组件12一起运作的方式。然而，任选地，激光器组件12可以与通过光固化树脂打印3D零件的任何适合的增材制造系统一起使用。在一些实施例中，激光器组件12可以倒置用于反向打印方向，其中系统10可以以逐层方式上下颠倒地打印3D零件。
在所示实施例中，构建缸16是箱、盆或配置成保持用于打印3D零件的可流动光固化树脂的其它容器，并且可以具有任何合适的尺寸。系统10还包括构建压板20和压板台架22(如图2所示)，其中构建压板20是保持在构建缸16 中的接收表面，用于以逐层方式打印3D零件，并且可以具有相当于构建缸16 的内部x-y维度的表面积。
压板台架22是用于在构建缸16内沿着(或基本上沿着)竖直的z轴可控地移动构建压板20的组件，比如以层的距离渐进。这允许构建台架20逐渐降低以打印3D零件的每个层。压板台架22可以用作动器，例如但不限于一个或多个电动机、(例如，步进电动机和编码DC电动机)、齿轮、滑轮、皮带、螺杆、直线轴承和导轨等，来操作移动构建压板20。
激光器组件12安装在构建缸16上方的架空区域18中。激光器台架24用于可控地使激光器组件12沿着x轴(扫描方向轴)在架空区域18内来回移动。激光器台架24可以用一个或多个作动器，包括但不限于电动机(例如，步进电动机和编码DC电动机)、齿轮、滑轮、皮带、螺杆、线性作动器、直线轴承和导轨等，来移动激光器组件12。
在一些实施例中，激光器台架24还防止或以其它方式限制激光器组件12 沿着y轴(条带方向轴)和/或z轴移动。然而，在其它实施例中，激光器台架 24可以可控地沿着y轴移动激光器组件12，比如沿着y轴的小随机偏移量，以克服潜在的激光故障。在一些实施例中，激光器台架24在由x轴和y轴限定的平面内移动，并且允许将条带角度电子程序化。在又一任选实施例中，如果需要的话，激光器台架24可以可控地沿着z轴移动激光器组件12。激光器台架 24还优选地防止激光器组件12相对于外壳14的侧倾、俯仰和/或横摆运动。
系统10还包括控制器组件26，控制器组件26可以包括一个或多个基于计算机的系统和/或一个或多个控制电路，该控制电路用于监测和操作系统10的部件，比如激光器组件12、用于压板台架22的电动机、激光器台架24、以及各种传感器、校准装置、显示装置和/或用户输入装置。例如，由控制器组件26 执行的一个或多个控制功能可以以硬件、软件、固件等或其组合来实现。
控制器组件26可以通过通信线路28与系统10的各种部件(诸如激光器组件12、用于压板台架22的电动机、激光器台架24、以及各种传感器、校准装置、显示装置和/或用户输入装置)进行通信。尽管通信线路28被示为单个信号线路，但是它可以包括一个或多个电信号、光信号、和/或无线信号线路和中间控制电路，从而允许控制器组件26与系统10的各种部件进行通信。
控制器组件26还可以包括一个或多个基于计算机的系统，这些系统具有基于计算机的硬件，诸如数据存储设备、处理器、存储器模块等，用于生成、存储、和发射工具路径和相关打印指令至系统10(例如，至图7所示的系统控制器26b)。此外，控制器组件26的一个或多个部分可以由激光器组件12保持。例如，控制器组件26可以包括安装到激光器组件12的一个或多个中间控制器，所述中间控制器可以将数据中继(例如，压缩图像数据和定时信息)到激光器组件12的附加控制板(例如，激光驱动器板)。
激光器组件12是本公开的示例性激光器阵列组件，并且包括激光发射器 30的多个阵列(最佳地示出在下面的图7-14中)，可以有选择地并独立地操作激光发射器阵列，以在逐体元的基础上发射激光束。每个阵列优选地相对于x 轴定向成倾斜角度，从而生成对于所保持的激光发射器30而言的刀形角(saber angle)效果。例如，激光发射器30的多个阵列可以以倾斜角度安装在内部框架54中。任选地，激光发射器30的多个阵列可以相对于内部框架54呈直线，并且激光器组件12本身可以相对于x轴以倾斜角度安装到台架24，以实现相同的刀形角效果。在任一实施例中，激光发射器30带角度的布置使得激光器组件12有效地增加体元打印分辨率，从而有选择地使树脂膜交联成预定图案来形成3D零件的层。
从图1可以看出，激光发射器30的阵列(称为阵列70，如下图7-11中所示)沿着y轴分开以限定条带(swath)宽度32。条带宽度32可以定义其中可打印3D零件的构建壳体(称为构建壳体34)的最大y轴限制。如下所述，条带宽度32可以是任何合理的期望距离，并且优选地不直接影响系统10的打印速度。
激光发射器30还可以布置成一系列y轴行，包括沿着x轴间隔开的前 (leading)行36和后(trailing)行38。术语“前”和“后”是为了方便起见，并不旨在限制激光器组件12的使用。如以下将要讨论的，台架24配置成沿着x轴可控地使激光器组件12来回移动以打印层。如图1和图2所示，在激光器组件 12处于架空区域18的左侧设定位置时，激光发射器30的前行36位于构建壳体34的左侧，与构建壳体34相距距离36a(如图1所示)，这考虑了激光器组件12的加速和减速。
在打印操作期间，控制器组件26可以指令压板台架22将构建压板20移动到构建缸16内的预定高度。光固化树脂的可流动膜也可以使用任何合适的机构来施涂到构建压板20的顶表面。例如，构建缸16可以用作树脂的储存容器，其中将构建压板20降低到树脂中，直到对应于单层增量的膜流过其顶表面。
任选地，每个树脂膜可以由一种或多种材料输送装置(例如，材料输送装置40)供应，比如树脂的加压流和/或网状负载树脂。控制器组件26还可以通过通信线路28监测和操作材料输送装置40。在一些优选实施例中，系统10可以包括两个材料输送装置40，每个材料输送装置40都安装在激光器组件12的前端和后端上，用于双向打印。在这些实施例中，控制器组件26可以在激光器组件12横跨平台20之后(和/或之前)指令材料输送装置40沉积树脂以形成树脂膜。
一旦施涂了用于当前层的树脂膜并调平，控制器组件26便可以指令激光器台架24沿x轴在箭头42的方向上移动激光器组件12，以横穿过平台18上的树脂膜。当沿着x轴移动时，激光发射器30被有选择且独立地操作，以在构建壳体34内在逐体元的基础上发射激光束，其中控制器组件26独立地控制每个激光发射器30所发射激光束的定时、持续时间以及可选的强度。这有选择地使树脂膜以预定义的体元图案交联以形成3D零件的层。
如图3和图4所示，该过程可以持续到激光器组件12到达架空区域18的相对的右侧设定位置。在激光器组件12处于该右侧设定位置时，激光发射器 30的后行38位于构建壳体34的右侧，与构建壳体34相距距离38a(如图3所示)，这考虑了激光器组件12的加速和减速。
因此，构建壳体34的x轴限制对应于扫描长度44，该扫描长度44是激光器组件12中的每个激光发射器30以基本上平稳的移动速率穿过的距离。因此，激光器组件12优选地沿箭头42的方向移动以横穿用于加速的距离36a(图1 所示)、用于以基本上平稳的移动速率进行打印的扫描长度44、以及用于减速的距离38a(如图3所示)。换句话说，其中可打印3D零件的构建壳体34的横截面积可以由条带宽度32和扫描长度44来限定。
一旦激光器组件12到达右侧设定位置，控制器组件26就可以指令压板台架22将构建平台20在构建缸16内向下移动单层增量。然后就可以将下一树脂膜施涂到新近打印的层的顶表面上。一旦施涂了该树脂膜并调平，控制器组件 26便可以指令台架24沿x轴在箭头46的方向上向后移动激光器组件12以横穿树脂膜。当沿着x轴移动时，可以再次有选择且独立地操作激光发射器30，以在构建壳体34内在逐体元的基础上发射激光束，其中控制组件26控制所发射激光束的定时、持续时间以及可选的强度。这有选择地以预定义的体元图案使树脂膜交联以形成3D零件的下一层，该下一层粘合到先前形成的层。
在一些实施例中，在激光器组件12移动时，从激光器组件12的前缘开始施涂树脂膜。因此，相对于固化步骤之前的非同步的涂覆步骤，其不存在延迟情况。然而，固化步骤之前的涂覆步骤也在本公开的范围之内。
在需要停留时间以对膜进行调平的情况下，可以从激光器组件12的后缘施涂膜，然后在激光器组件返回到施涂层上方时固化。可以预期的是，本公开可以利用位于激光器组件两端的两个重涂器(recoaters)进行双向打印。
本公开可以利用单一材料来形成零件。任选地，当树脂被施涂在先前打印的层上时，可以使用不同的材料，这允许构建中的零件能够相对于通过单一材料打印的零件具有不同的物理和/或机械性能。
如图5和图6所示，可以对每个层重复该来回处理，直到完成3D零件(称为3D零件48)。之后，可以从系统10移除3D零件48并对其进行一个或多个后处理步骤，比如树脂去除和/或后固化步骤。
在另一个实施例中，激光器组件12可以绕着相对于构建中的零件的旋转轴旋转，或者说构建中的零件可以相对于激光器组件12旋转。当激光器组件和零件相对于彼此旋转时，可以使用圆柱形坐标系，其中，上述公开的x轴被替换为r和θ，并且可以是任意长度。
图7-10进一步示出了激光器组件12的示例性实施例。如图7和图8所示，激光器组件12包括基块50，该基块50优选地由一种或多种导热材料制成(例如，机加工而成)。适用于基块50的材料包括高导热性金属材料，比如铝或铜。在示出的示例中，基块50包括外部周边框架部分52和内部框架部分54，它们优选地由单一原料一体加工而成，或以其它方式表述为一体化构造。然而，在任选实施例中，周边框架部分52和内部框架部分54可以分开加工然后再固定在一起。
周边框架部分52适于以任何合适的方式将激光器组件12安装到台架24。在激光器组件12中，周边框架部分52具有矩形几何形状，其中内部框架部分 54从周边框架52的内侧向内延伸。具体地，内部框架部分54利用端部延伸部 56和58(如图8所示)和多个侧向延伸的肋状件60来连接到周边框架部分52。在这种布置中，侧向延伸的肋状件60以间隙62彼此分离(最佳示出于图8中)。
这种布置加强了周边框架部分52和内部框架部分54之间的连接，由此提供了一种刚性接合而防止内部框架部分54在沿着x轴的来回移动期间相对于周边框架部分52移动(例如，移位)。为了确保良好的打印分辨率，在优选实施例中，基块50在尺寸上是刚性的，使得沿着x轴和/或y轴的下陷和振动小于 50微米均方根。然而，这种刚性的量度并不是限制性的。这种布置还可以改善由激光发射器30产生的热量的流动，并将该热辐射导出构建缸16。
基块50还包括周边框架部分52和内部框架部分54，两者的顶表面64和底表面66。术语“顶(top)”和“底(bottom)”是为了便于讨论，并不旨在限制激光器组件12的方向。例如，激光器组件12可以倒置用于反向打印设计。因此，底表面66是面向树脂膜和构建平台20的一侧，顶表面64是与底表面 66相反的主表面。
内部框架部分54包括用于接纳激光发射器30的多个通道68，其中通道68 可以经机加工穿过内部框架部分54(穿过顶表面64和底表面66)。通道68在 x-y平面内的位置优选地设置激光发射器30的多个阵列70，分别称为阵列70i、 70i+1、...、70n，其中“n”是阵列70的总数。在所示示例中，激光器组件12包括十二个激光发射器30的阵列70，它们沿着y轴彼此分离。然而，本公开可以使用两行或更多行的阵列，其中每行包括两个或更多个激光发射器。如下所述，每个阵列70优选地相对于x轴以小的倾斜角度延伸，以补偿激光封装(packing)密度和打印分辨率之间的差。倾斜角度的一般范围为约5°至约 85°。每个阵列70的小倾斜角可以例如通过机加工通道68s来实现，该通道 68s被以限定倾斜角度的样式机加工至穿过内部框架部分54。任选地，通道68 可以相对于内部框架部分54呈直线，并且激光器组件12本身可以以相对于x 轴的倾斜角度安装到台架24，以实现相同的刀形角效果。刀形角效果是指激光器的方向，使得所发射光束可以跨越阵列70的整个区域而不中断。
作为示例，假设一行激光发射器间隔距离D，并且每个激光发射器具有光束直径d。如果d<D，那么沿着该行的垂直方向对该阵列进行扫描将在具有直径d的每个激光束的覆盖区之间留下(D-d)的间隙。为了去除间隙，激光发射器定位的角度从垂直变到扫描方向乘以acos(d/D)
侧发射固态激光器上的切面在激光器芯片的平面内趋于细长。为了最小化所需的刀形角，每个芯片的法线方向应指向扫描方向。然而，在许多情况下，这是不切实际的。例如，如果激光发射器面具有尺寸为d1×d2的矩形构造，其中d1>>d2，并且所有面的d1都在一行内基本共线，那么就允许刀形角可以被计算为atan((D-d1)/D2)。
然而，在一些情况下，对阵列70内一行激光发射器的全覆盖是行不通的。因此，在阵列70中具有多个行处于倾斜角度实现了对阵列70的全覆盖，并且实现了所打印零件中更精细的细节。
在一些实例中，为了提供对阵列70的必要覆盖，阵列70的行进方向可以从一轴(比如上述的x轴)起始轻微旋转，使得阵列70沿x方向移动的同时还沿y方向轻微移动。同时沿x方向和y方向移动阵列70有效地产生上述刀形角而不需要机械调节。
激光器组件12还优选地包括一个或多个激光器控制板72，其可以用作通过通信线路28与控制器组件26通信的激光驱动器板。例如，如上所述，控制器组件26可以包括安装到激光器组件12的一个或多个中间控制器，比如控制器26a(图7所示)。因此，控制器26a可以通过一个或多个高速数据线28a连接到每个激光器控制板72。
在一些情况下，对阵列70中的每个激光发射器的强度进行测量，以将强度的变化考虑在内。可以考虑到每个二极管的强度变化(无论是由于二极管、透镜的差异还是由于使用衰减)，使得阵列70中的最终输出曝光基本相同。除非另有说明，否则即将曝光输出调平到可接受的范围。作为示例，如果最亮的激光发射器发射50mW的光束，而最暗的激光发射器发射30mW的光束，那么较暗的激光发射器必须曝光更长时间，或者较亮的激光发射器必须调暗。
例如，可以利用光学反馈控制来调节或控制到单个激光发射器的驱动电流，以将输出功率控制在设定值的误差范围内。光学传感器可以设置在激光器基板上的切面(比如背切面)附近。任选地，诸如行扫描相机之类的传感器可以用于监测各个激光发射器的光束强度，其中所感测的强度可以用于控制到单个激光器的电流，使得能量输出在设定值的误差范围内。
另一种选择是使用光电二极管，该光电二极管的长度跨越激光发射器阵列的宽度，该光电二极管所处的位置使得每个激光发射器在扫描期间经过该二极管。可以对任何特定的激光发射器进行激励以感测所发射光束的强度，从而提供数据来控制到激光发射器的电流，以匹配设定值。在一些实施例中，激光发射器可以在循环轮询例程中进行校准，以允许控制组件使用反馈控制来控制每个激光发射器的强度。本公开不限于调节驱动电流，而还可以对其他变量进行调节，包括但不限于激光器发射激光束的持续时间、下游衰减器及其组合。
在一些实施例中，激光阵列可以具有用于阵列中的每个激光发射器的数模转换器(DAC)以及由诸如以上所述的校准例程所生成的查找表。当要写入体元时，DAC加载有来自查找表的对应于该特定体元所需能量计量的数值。使用 DAC和查找表的使用在抗锯齿效果方面是实用的，比如利用子体元分辨率改变有效激光束斑点大小和深度。
任选地，可以在各个激光发射器的导通状态下使用脉宽调制(PWM)来驱动激光发射器，以实现期望的平均功率。PWM可以更具功率效率，但要求高速开关电路以在每个体元内具有许多的PWM周期。在一些实施例中，控制器组件可以设置从一个体元的开端到激光功率的上升沿的接通时间，并且控制器组件可以将关闭时间设置为从激光功率的下降沿到扫描中的下一个体元开端的过渡。
在该示例性实施例中，控制器组件26可以通过通信线路28将数据(例如，压缩的图像数据和定时信息)和电功率中继到控制器26a，然后，控制器26a 可通过数据线28a将数据和电功率传播到激光器控制板72。因此，基于控制器组件26和/或26a的指令，激光器控制板72可以有选择且独立地操作每个激光发射器30，包括(但不限于)以发射器相对于所打印零件的位置为基础的定时、持续时间以及可选的强度。在所示实施例中，激光器组件12包括二十个激光器控制板72，激光器控制板72中的每一个与一组激光发射器30相关联，并且激光器控制板中的每一个可以通过通信线路28与控制器组件26(例如，与控制器26a和数据线28a)进行通信，从而提供适合的数据带宽。任选地，激光器组件可以包括任意合适数量的激光器控制板72(例如，一个或多个激光器控制板72)，并且本公开不限于任何特定的激光器控制板72或激光发射器30。
激光器组件12还优选地包括散热器组件74，以在操作期间吸收由激光发射器阵列30产生的热量。作为示例，用于发射紫外线波长光的激光发射器30 通常具有约10％的功率效率。因此，对于具有约50毫瓦的平均激光功率输出的激光发射器30来说，释放为热量的能量总量可以高达约0.5瓦特每激光发射器30。可以理解，随着激光发射器30数量的增加，所产生的热量总量可轻易地增加至超过可接受的温度。
经已发现，在操作期间，激光器组件12的平均温升不应超过室温约25℃ (例如，小于约50℃)。更优选地，激光器组件12的平均温升不应超过室温约20℃(例如，小于约45℃)。在一些实施例中，激光器组件12的平均温升不应超过室温约10℃(例如，小于约35℃)。这维持了激光发射器30的操作寿命，并且可以防止多余的热量潜在地辐射到缸16中底层的树脂。
在所示示例中，散热器组件74包括：沿着x轴延伸的一个或多个细长散热翅片76，以及在散热翅片76和基块50的内部框架54之间延伸的多个热管78。如图8和图10所示，内部框架54还可以包括多个狭槽80，每个狭槽80基本上沿着y轴延伸并沿着x轴等分相邻激光发射器30之间的距离。在该所示示例中，每个狭槽80被机加工成倒U形通道，其从底表面66延伸到内部框架部分 54中。任选地，每个狭槽80可以被机加工成内部框架部分54中的孔，该内部框架部分54在底表面66和顶表面64之间。
如图9和图10所示，每个热管78具有L形几何形状，热管78具有热界面段78a、中间段78b和冷界面段78c，其中，中间段78b将界面段78a与78c 连接。每个热界面段78a延伸到狭槽80中的一个内，优选地具有足够的接触，以最大化从内部框架部分54到热管78的热传导。在一些实施例中，热管78 的热界面段78a可以通过导热粘合剂粘附到内部框架部分54的狭槽80内，导热粘合剂可以增加从内部框架部分54到热管78的热传递。
热管78的中间段78b向上弯曲穿过间隙62(肋状件60之间)，并且继续延伸进入冷界面段78c。冷界面段78c被固定至散热翅片76，优选地具有足够的接触，以最大化从热管78到散热翅片76的热传导。在操作期间，激光发射器30可以产生大量的热量，这些热量被传递到内部框架部分54。例如，激光发射器30每平方米可以产生6千瓦的热量。因此，热管78将大部分的这种热量从内部框架部分54引到散热翅片76，其中在散热翅片76处可以消散热量，比如通过一个或多个风扇(未示出)。热管78具有延伸穿过段78a、78b和78c 的内孔。热管78包括沿着内孔的网状材料，该内孔保持有在热界面段78a中蒸发而在冷界面区段78c中充分冷却的液体，使得液体冷凝形成回流，随后在其到达热界面段78a时再度蒸发。热量的移除利用有效且高效工艺中的蒸发潜热来移除内部框架部分54中的热量。
此外，在所示出的激光器组件12的布置中，热管78向上延伸穿过间隙62 以同基块50的顶侧上(即，顶表面64的侧面上)的散热翅片76接合，这种布置消散掉在远离构建缸16和平台20的位置处的热量。此外，周边框架部分52 优选地位于散热翅片76的下方，以助于构建缸16屏蔽从散热翅片76消散的热量。
尽管示出了散热翅片76和热管78，但散热器组件74可以任选地包括用于从激光器组件12移除热量的任何适合的排热架构。在一些实施例中，散热器组件74可以包含液体冷却，诸如基于液体-水的冷却架构。例如，可以省略散热翅片76，并且每个L形热管78可以替换为延伸通过每个通道80的U形水导管(未示出)，其中入口端和出口端向上延伸以可操作地连接到液体循环器和热交换器(未示出)。
如上所述，激光发射器30被设置成多个阵列70。沿着y轴的相邻阵列70 的数量可以取决于待打印的期望条带宽度32和激光发射器30的可实现封装密度。根据散热器组件74的散热限制，可将条带宽度32选择为提供期望的构建壳体34所需的沿着y轴的任意适合长度。
激光发射器30的封装密度可以影响打印分辨率，其中较高的封装密度将沿着y轴将阵列70相邻行的激光发射器30定位得更靠近，以生成更高的打印分辨率。然而，激光发射器30的封装密度受到每个激光发射器30的尺寸以及基块50与散热器组件74的热传递能力的组合的限制。
标准的激光器芯片一般封装有相当大的保护壳体、均热器和基板安装件，例如，其直径可以在约3.0至约3.5毫米的范围内。这可以有效地将激光发射器 30的封装密度限制在沿着y轴约4.0毫米或更大的中心对中心(center-to-center) 偏移量。可以理解，这种封装密度本身不足以用于高分辨率打印，例如低至约 50微米、约25微米，甚至更小的体元分辨率。
因此，每个阵列70优选地包括具有多个激光发射器30的行，该激光发射器相对于x轴以倾斜角度延伸，其中阵列70的每一行中的激光发射器30的数量优选地补偿激光封装密度和打印分辨率之间的差。作为非限制性示例，如图 11所示，假设在相邻阵列70的激光发射器30之间(例如，在第一阵列70i和第二阵列70i+1之间)沿y轴的中心对中心阵列偏移量82为约4.0毫米，且体元打印分辨率为约50微米，阵列70每一行都将需要八十个激光发射器30。这些激光发射器30将具有沿y轴约50微米的中心对中心二极管偏移量84，其与体元打印分辨率相同。
每个阵列70中的激光发射器30也可以具有沿x轴的中心对中心行偏移量 86。如图所示，x轴行偏移量86比y轴阵列偏移量82更长。这是考虑到热管 78的热界面段78a的横截面尺寸和通道80的横截面尺寸。
在第一示例中，阵列70i、70i+1和70i+2可能每个都包括八十个激光发射器 30的行，其中阵列70i的激光发射器30被称为激光发射器30(i,1)，30(i,2)，...30(i,80)。类似地，阵列70i+1的激光发射器30被称为激光发射器30(i+1,1)，30(i+1,2)，...30 (i+1,80)，激光阵列70i+2的发射器30被称为激光发射器30(i+2,1)，30(i+2,2)，...30(i+2,80)。每个阵列70中的第一个激光发射器30(例如，激光发射器30(i,1)，30(i+1,1)， 30(i+2,1)，...30(n,1))沿着y轴布置为如上所述的前行36。相应地，每个阵列70 中的最后一个激光发射器30(即，激光发射器30(i,80)，30(i+1,80)，30(i+2,80)，...30(n,80)) 沿着y轴布置为如上所述的后行38。
图11还以放大的方式示出了激光发射器30的阵列70的小倾斜角。例如，阵列70i的激光发射器30(i,1)，30(i,2)，...30(i,80)相对于x轴定向成角度88。这将阵列70i的最后一个激光发射器30(i,80)定位在与相邻阵列70i+1的第一个激光发射器30(i+1,1)相距约相同y轴二极管偏移量84处。因此，以角度88对阵列70i的激光发射器30(i,1)，30(i,2)，...30(i,80)进行定向有效地补偿了相邻阵列70i和70i+1的激光发射器30之间的y轴阵列偏移量82(例如，约4.0毫米)与沿着由y 轴二极管偏移量84定义的y轴的打印分辨率(例如，约50微米)之间的差。
这种相同的布置可以用于激光发射器30的每个阵列70。例如，阵列70i+1的激光发射器30(i+1,1),30(i+1,2),...,30(i+1,80)还可以相对于x轴定向成角度88。这将阵列70i+1的最后一个激光发射器30(i+1,80)定位在与相邻阵列70i+2的第一个激光发射器30(i+2,1)相距约相同的y轴二极管偏移量84处。
角度88的实际值的变化取决于：相邻阵列70之间的y轴阵列偏移量82、体元打印分辨率(对应于y轴二极管偏移量84)、以及沿x轴的x轴行偏移量 86。如上所述，每个阵列70的x轴行偏移量86可以根据热管78的热界面段 78a的横截面尺寸和通道80的横截面尺寸进行变化。每个x轴行偏移量86的合适距离的示例的范围为约4.5毫米至约10毫米、约5毫米至约8毫米、以及 /或者在一些优选实施例中为约5毫米至约7毫米。这些尺寸在激光发射器30和热管78之间提供良好的热传递性能，同时还保持基块50的内部框架54良好的结构完整性。
因此，对于约4.0毫米的y轴阵列偏移量82、约6.0毫米的x轴行偏移量 86、以及约50微米的体元打印分辨率，每个阵列70都将需要八十个激光发射器30，并且沿x轴的总长度将为约480毫米(约19英寸)。此外，为了打印约 51毫米(约2英寸)的条带宽度32，将需要约十三个激光发射器30的阵列70。
另一方面，对于打印分辨率为约25微米的相同设置，每个阵列70都将需要160个激光发射器30，并且沿x轴的总长度将为约960毫米(约38英寸)。然而，为了打印约51毫米(约2英寸)的条带宽度32，这仍将需要约十三个激光发射器30的阵列70。
图12和图13示出了激光器组件12中的激光发射器30的示例配置，其以标准封装的基于二极管的激光器芯片90为基础。其中图12示出了沿着x轴(倾斜地)在阵列70的行中延伸的相邻激光发射器30，图13示出了沿着y轴在阵列70的行中延伸的相邻激光发射器30。如图所示，激光器芯片90可以包括基础元件92、连接器插脚94、均热器96、激光二极管98、监测二极管100、保护壳体102、以及窗口104。基础元件92是激光器芯片90具有最大直径(称为直径106，例如可以为约3.0至约3.5毫米)的部分。连接器插脚94延伸穿过基础元件92并且通过一个或多个电连接，比如说导线(未示出)，来连接到激光器控制板72。
均热器96为用于将热量从激光二极管98引到基础元件92的散热器装置。激光二极管98是线连接到连接器插脚94中的一个的基于半导体的二极管，且配置成基于控制器组件26、控制器26a、和/或控制板72的指令来产生激光束 108。监测二极管100还电耦合到连接器插脚94中的一个，且配置成管理激光二极管98的功率电平。保护壳体102密封激光器芯片90的部件，而窗口104 允许激光束108从激光器芯片90射出。如上所述，激光器芯片90通常可以生成具有约50毫瓦功率的紫外波长激光束(例如，约405纳米)。经已发现，激光器芯片90可以在激光器组件12沿x轴的移动速度高达约150英寸/秒的同时表达出约50微米的体元打印分辨率。
如图12和图13所示，激光发射器30还优选地包括中继光学器件110，用于将激光束108的发射切面缩倍并成像到树脂膜或3D零件的顶表面(称为表面112)上。从中继光学器件110射出的缩倍激光束108被称为激光束108a。在所示示例中，中继光学器件110包括固定在通道68内的球透镜。然而，可以使用任何适合的光学透镜，诸如购自位于新泽西州Somet的美国光技光电公司 (Go！Foton Group)的商标名为“SELFOC”的透镜、球透镜、鼓型透镜、可丁顿透镜(Coddington lenses)等。此外，每个通道68可以包括：第一肩部(shoulder) 114，用于保持与顶表面64相邻的激光器芯片90；第二肩部116，用于将中继光学器件110保持在与激光器芯片90一设定距离处，以适当地缩倍和聚焦激光束108。
在所示示例中，中继光学器件110定位在内部框架54的顶表面64和底表面66之间的约中间部分(midway)。这部分地归因于顶表面64和底表面66之间的内部框架54的期望厚度以及激光器芯片90的位置。特别地，为获得机械稳定性，内部框架54沿z轴的厚度优选地为至少约10毫米，更优选为约10毫米至约20毫米，而在一些实施例中则为约12毫米至约15毫米。因此，为了便于接近激光器芯片90(例如，为了将其连接到激光器控制板72和/或为了现场替换故障激光器芯片90)，将激光器芯片90安装在顶表面64的通道68中。
这将中继光学器件110定位在激光二极管98下方的一设定位置，以便对所发射的激光束108进行适当的缩倍集中和成像。因此，在所示实施例中，中继光学器件110位于通道68内，其与底表面66的距离(例如，如由肩部116所设定的)为偏移高度110a。可以理解，表面112上方的激光器组件12的高度 (称为聚焦高度110b)优选地为基于激光束108a的焦距，使得激光束108a以单个体元分辨率(例如约50微米，约25微米，甚至更小)聚焦在表面112上。
在激光器组件12的制造期间，优选地以高精度将通道68机加工到内部框架54中，特别是对于肩部114和116的位置。这允许激光器芯片90和中继光学器件110在精确位置处固定在通道68内，并且沿z轴对准以便对激光束108a 进行适当的缩倍和成像。因此，激光器台架24优选地在表面112上方的工作距离(被称为与底表面66相距的工作距离66a)处支承激光器组件12，这保持了每个激光发射器30的激光束108a的聚焦高度110b。
表面112上方的中继光学器件110的合适的聚焦高度110b的示例范围为约 3毫米至约20毫米、约4毫米至约15毫米、以及/或者约5毫米至约10毫米。因为中继光学器件110以偏移距离110a的距离安装在底面66上方的通道68中，所以基块50的底表面66与表面112之间的工作距离66a将为聚焦高度110b和偏移高度110a之间的差值。
然而，在任选的实施例中，激光器芯片90和中继光学器件110可以安装在通道68中更低的位置。如图14所示，激光器芯片90和中继光学器件110可以安装成使得中继光学器件110在或几乎在底表面66处定位在通道68内。在这种情况下，热管78和狭槽80可以定位在与激光二极管98约相同的高度处。与图12和图13所示的实施例相比，该实施例将底表面66的工作距离66a提高到更高的高度，这可有利于防止热量从激光器组件12辐射到表面112处的树脂。
在图12-14所示的任一实施例中，激光二极管98通常发射具有椭圆形横截面(该椭圆形横截面具有短轴和长轴)的激光束108。例如，激光束108的短轴可以为约一微米或更小，而激光束108的长轴可以为约5微米至约7微米。
优选地，激光二极管98定位成使得激光束108的长轴定向成垂直于沿x 轴的移动方向。换句话说，在当前的示例中，激光器芯片90优选地安装在通道 68中，使得激光二极管98发射的激光束108具有基本上平行于y轴的长轴，如图13所示。相比之下，如图12和14所示，激光束108的短轴可以基本上平行于x轴。例如，中继光学器件110可以为激光束108提供约3x至约5x的缩倍。这可以使得朝向表面112发射的激光束108的数值孔径为约0.3或更大。
在具有预封装激光器芯片90的激光器组件12的当前实施例中，中继光学器件110的1毫米通常小于激光器芯片90的直径。然而，如下所述，在激光器芯片90被定制为与激光器组件12一起使用的其他实施例中，中继光学元件110 的最小直径可以限制激光发射器30的激光封装密度。
具有图1-14所示架构的激光器组件12适于许多应用场合，并且可以以高体元分辨率和快速率打印3D零件。然而，在系统10旨在以更快的打印速度打印3D零件的一些优选实施例中，激光器组件12优选地配置成以更少的沿x轴激光发射器30的行来操作。换句话说，每个阵列70优选地包括较少数量的激光发射器30，以减少沿着x轴的激光器组件21的长度。
沿着x轴的激光器组件12的长度可显著地取决于激光发射器30的封装密度和打印分辨率。在上述的每个阵列70沿着x轴延伸约480毫米(约19英寸) 的示例中，对于构建壳体34的两英寸扫描长度44，台架24需要将激光器组件 12移动至少约21英寸，以使每个激光发射器30越过构建壳体34的两英寸跨距。因此，架空区域18沿x轴的尺寸是构建壳体34的扫描长度44的十倍以上。此外，考虑到层组件12的加速和减速，实际移动距离还可能会更大，如距离 36a(图1所示)和距离38a(图3所示)所示。
此外，在上述每个阵列70沿x轴延伸约960毫米(约38英寸)的示例中，对于相同的构建壳体34，台架24需要将激光器组件12移动至少约40英寸，以使每个激光发射器30越过构建壳体34的两英寸跨距(不考虑距离36a和 38a)。在这种情况下，架空区域18沿x轴的尺寸是构建壳体34的扫描长度44 的约二十倍。
可以理解，架空区域18和构建壳体34之间的这些尺寸比率可要求系统10 比可打印零件尺寸更大。此外，激光器组件12在每次通过期间需要沿着x轴横穿的这些额外的超范距离(overpass distance)，这可能会影响系统10的打印速度。因此，图15-21示出了激光器组件12的第二实施例，其中增加了激光封装密度。这相应地减小了激光器组件12的长度，这可以相应地允许激光器组件 12在更短的持续时间内完成平台20上的每次通过，从而提高打印速度。
如下所述，通过以此减少其个体尺寸以及改善其热传递特性的方式，在基块50中独特地重新封装激光发射器30实现增加的激光封装密度。事实上，已经发现，当激光封装密度达到临界点时，热传递特性可成为限制因素，而不是激光发射器30的封装尺寸。因此，该第二实施例中的激光器组件12平衡了热传递特性和激光封装密度，以实现沿x轴的长度更短的设计，增加排热，并且可以使现场维修和更换模块化。
如图15所示，本实施例的激光器组件12还可以包括基块50，该基块50 具有周边框架部分52和内部框架部分54。然而，在该实施例中，内部框架部分54优选地由可保持在周边框架部分52内的多个可连接子块118组装而成。因此，周边框架部分52优选地以刚性的方式保持子块118，以防止子块118相对于彼此和周边框架部分52滑移。如上所述，为了确保良好的打印分辨率，在优选实施例中，基块50在尺寸上是刚性的，使得沿x轴和y轴的下陷和振动小于50微米均方根。在所示的示例中，内部框架部分54由42行的子块118组成，其中每行包括三个子块118，总共126个子块118。然而，激光器组件12可以在每行中包括任意合适数量的沿y轴延伸子块118。
如上所述，激光器组件12还优选地包括一个或多个激光器控制板72和一个或多个控制器26a。在该实施例中，激光器控制板72可以通过电连接(例如，柔性电缆和ZIF连接器)连接到各个子块118。这允许控制器组件26、控制器 26a、和/或激光器控制板72分开且独立地操作每个激光发射器30。
在该实施例中，散热器组件74优选地基于液体冷却架构，且可以包括一个或多个歧管120和一个或多个热交换器122。至少部分的歧管120优选地与激光器组件12一起被支承，并且通过每个子块118将冷却剂流体(例如但不限于，水)输送并通过一个或多个导管124回到热交换器122。热交换器122用于使冷却剂液体循环并重新冷却，以从激光器组件12吸收由激光发射器30产生的热量。在一些实施例中，热交换器122被保持在系统10中的固定位置处，其中导管124允许激光器组件12沿着x轴自由移动。任选地，热交换器122也可以由激光器组件12支承。
在一些实施例中，散热器组件74可以结合其它热解决方案，诸如热管、输送机冷却、其它导热材料(例如，热解石墨和金刚石材料)、和/或者液体金属对流。对于液体金属对流，流过歧管和子块118的冷却剂液体可以包括诸如钠钾(NaK)合金、镓铟锡(GaInSn)共晶合金等的材料。这些流体表现出优异的热传导和比热特性，并且可以以磁流体动力的方式泵送，而不需要移动机械零件来用于其循环。在另外的实施例中，如下所述，散热器组件74可以包含浸没冷却。
如图15进一步所示且最佳示出于图16中，激光器组件12还可以包括底层的窗口126，该窗口126包住激光器组件12的底侧以保护激光发射器30，但允许透射激光束108a。图16示出了内部框架54的一部分，其描述了所连接子块 118的前段，包括激光发射器20的前行36。
每个子块118包括一组激光发射器30，其对应于沿y轴的行的一部分。可以看出，子块118以交错的方式连接。这将激光发射器30布置成沿x轴倾斜延伸的阵列70，如上所述。然而，如下所述，在优选实施例中，每个激光发射器 30包括用于每个中继光学器件110的双通道激光二极管98，其中双通道激光二极管98优选地产生具有焦点的激光束108a，该焦点沿y轴以体元打印分辨率或y轴二极管偏移量84(例如，约25微米)彼此间隔开。与上述图1-13中讨论的第一实施例相比，这有效地将每个阵列70的长度减小了50％。
在当前示例中，交错布置可能需要在正常操作期间禁用或以其他方式不使用前四个阵列70和最后四个阵列70。这是因为交错布置在相邻行的激光发射器30之间产生间隙128。在这种情况下，第一个阵列70i实际上可以是沿着y 轴的第五个阵列70，而最后一个阵列70n实际上可能是沿着y轴的倒数第五个阵列70。
在任选的实施例中，子块118可以沿着y轴具有不同的长度，从而允许用激光发射器30填充间隙128。例如，子块118(比如图16所示的子块118a) 的一部分的尺寸可以更小以填充间隙128，其包括四个激光发射器30，并且可以连接到每个间隙128中的子块118的堆栈。任选地(或额外地)，最边缘的子块118可以具有附加的激光发射器30(例如，十二个激光发射器30)，并延伸到间隙128的位置。在这些任选的实施例中的任一个中，每个阵列70中的激光发射器30都可在操作期间使用。
每个子块118(和子块118a)还可以包括延伸到顶表面64中的一对端口 130和132，端口130和132也可以连接到歧管120。端口130是入口端口，用于接收从热交换器122和歧管120进入给定子块118的冷却流体的加压流。相应地，端口132是输出端口，用于在从子块118吸走一部分热量之后排出流体，然后将加热的流体转运到歧管120。
如图17所示，为便于讨论而省略了窗口126，每个子块118还可以包括机加工穿过给定子块118的一个侧面的交叉通道134，以使端口128a和128b互相连接。交叉通道130的钻孔端在使用之前优选为密封的，藉此创建出通过入口端口128a进入，穿过通道130，然后通过出口端口128b流出的流体流动路径。这为每个子块118产生流体冷却，从而允许从激光器组件12吸收大量的热量。与端口128a和128b以及交叉通道130组合使用的散热器组件74优选地防止激光器组件12超过室温约25℃、20℃、和/或10℃(例如，小于约50℃、45℃、和/或35℃)，如上所述。
图18进一步示出示例性的子块118。如图所示，每个激光发射器30以利用子块118本身进行物理支撑、散热和防护的方式进行重新封装。特别地，子块118包括机加工通道68，在该实施例中，该机加工通道为U形槽而不是内孔(如第一实施例中所示)。这允许连接器插脚或电极94在底层的柔性印刷电路板136上被制造为引线(例如，铜引线)，该底层柔性印刷电路将电极94与通道68内的子块118电隔离。电极94可以相应地用电线94a来连接至激光二极管98。
实际上，基础元件92、保护壳102、以及窗口104已被移去，这减少了激光芯片90的横截面尺寸，并且可以显著地提高进入子块118的散热速率。在该实施例中，每个通道68和激光芯片90都沿着z轴与其自身的中继光学器件110 对准，其中中继光学器件110被固定(例如，黏附)至对准凹穴137。这允许激光芯片90和中继光学器件110以精确的位置固定至子块118并沿着z轴对准以便对激光束108a进行适当的缩倍和成像。
此外，如上所述，在该实施例中的激光二极管98优选为用导热子座138(例如，由铜钨构成)来固定至子块118的双通道激光二极管。如下面所论及的，控制器组件26、控制器26a、和/或者激光控制板72可以指令双通道激光二极管98以有选择且独立地将相邻的激光束108发射至一共同的中继光学器件110 内。这是可以实现的，因为激光芯片90的封装的实质部分被消除了，从而减少了在该实施例中的激光芯片90的横截面尺寸。此外，其允许了相邻阵列70之间沿y轴的中心对中心偏移量82的减小，从而进一步提高激光封装密度。
然而，如上所述，当激光封装密度到达临界点时，传热特性可以变成激光封装密度的限制因素。用于发射紫外波长光线的光线发射器30通常具有约10％的功率系数。因此，对于具有约50毫瓦平均激光功率输出的光线发射器30来说，作为热量释放的能量总量可以达到约0.5瓦特每激光发射器30。对于从具有约167瓦特/meter-℃的铝机加工而来的子块118来说，发热极限约为13,000 瓦特/平方米。因此，在该实施例中，激光发射器30的最大封装密度约为26,000 激光发射器30每平方米，对应于4英寸x 4英寸的横截面。换言之，中心对中心的偏移量82(沿y轴)和中心对中心的偏移量86(沿x轴)中的每个的最小距离约为4英寸。
在这种情况下，用散热器组件74冷却的液态水可以通过子块118以一摄氏度的梯度移走约50千瓦/平方米的热量。例如，如果将可用的温降的三分之一分派来通过子座将热量从激光二极管98移至子块118内，热量的三分之一分派来通过子块118将热量移至流经交叉通道130的水，热量的三分之一随着水的传递被带走，那么这将导致约0.3兆瓦/平方米的潜在热散，假设通过子块118 的主体的路径长度约为4毫米或更小。这对应于一种可实现的激光封装密度，其约1.7平方毫米每激光发射器30。此外，如果将冷冻水用于散热器组件74中的冷却剂流体，则可实现的激光封装密度可潜在地减小至小于一平方毫米每激光发射器30。
增加了的冷却相应地将可实现的激光封装密度的限制因素切换到激光发射器30的尺寸。如上所述，从激光二极管98发出的激光束108的主要轴优选地沿着y轴取向。然后，根据等式1，对于5毫米的工作距离、3x的缩倍、以及 0.3的数值孔径，中继光学器件110沿y轴的最小直径约为一毫米。这相应地将沿y轴(如中心对中心偏移量82所定义)的相邻阵列70之间的可实现激光封装密度限定为约2毫米。
然而，如图19所示，每个中继光学器件110都可以与双通道激光二极管 98一起使用，这有效地加倍了激光封装密度。双通道激光二极管98包括第一通道98a和第二通道98b，它们优选地沿着y轴以距离140彼此间隔，距离140 为中继光学器件110的光学缩倍所分割的体元打印分辨率(例如，25微米)。该布置允许通道98a和98b被分开且独立地用于产生沿y轴彼此间隔的激光束 108，如图所示。
然后，相同的中继光学器件110可以彼此独立地对每个激光束108进行成像和缩倍，以产生一对具有焦点的间隔开的激光束108a，该焦点优选地沿着y 轴以体元打印分辨率(对应于中心对中心偏移量84)彼此偏移。这有效地将沿 y轴的可实现激光封装密度减小至约一毫米。
双通道激光二极管98的使用可以相应地减少为补偿中心对中心偏移量82 和84之间的差值而需要的激光发射器30的数量。例如，对于约1.0毫米的沿y 轴中心对中心偏移量82、约6.0毫米(取决于每个子块118的尺寸)的沿x轴中心对中心偏移量86、以及约25微米的体元打印分辨率来说，阵列70的y方向上的每个行都将需要二十个激光发射器30(和二十个子块118)，且将具有约 240毫米(约10英寸)的沿x轴总长度。在一些情况下，沿x轴的中心对中心偏移量86可以被减小到约5.5毫米至约6.0毫米之内，这可以减小沿x轴的长度(例如，减小到约9英寸)。
在任选的实施例中，一个或多个激光二极管98可包括通道98a和98b，通道98a和98b彼此靠得比距离140还近，这可能潜在地具有许多有用的应用。例如，在通道98a和98b仍将在表面112上产生具有单独可解析点的激光束108a 的同时，当一个通道因冗余而失效时，通道中的另一个可被用为备用。
每个子块118的长度的变化可取决于激光发射器30和激光封装密度。例如，在图15-18中示出的子块118具有八个激光发射器30，其提供了十六个激光通道。对于一个2.0毫米的y轴二极管偏移量84来说，这提供了约16毫米的y 轴长度。相比之下，例如，每个子块118的x轴厚度的范围可以从约5.5毫米至约6.0毫米。
在一些优选的实施例中，每个子块118可包括附加数量的激光发射器30，比如16个激光发射器30(32个激光通道，约32毫米的y轴长度)、32个激光发射器30(64个激光通道，约64毫米的y轴长度)、64个激光发射器(128 个激光通道，约128毫米的y轴长度)、或更多。每个子块118的激光发射器 30数量相应地受限于冷却流体流经端口130和132的速率，并且交叉通道134 可以从给定的子块118吸引热量。
可以理解的是，每个子块118都是模块化且独立的，这允许将子块110添加到激光器组件12以获得用于构建壳体34的任意适当条带宽度32。此外，激光器组件12的打印速度取决于其移动速度和其在每次通过期间都需要横穿的沿x轴距离。因此，沿x轴的该距离取决于激光器组件12的x轴长度和构建壳体34的预期扫描长度44。
然而，相比之下，激光器组件12的打印速度基本上与其y轴长度无关，因为在所示的实施例中，激光器组件12不沿y轴移动(除特定用途外，比如沿y 轴的小随机偏移以克服潜在的激光失效)。因此，激光器组件12可以有效地覆盖期望的任意适合的条带宽度32。该架构的另一个好处是可以避免扫描缝合，因为激光阵列16不会在相同层上光栅式地来回移动。
子块118特别适于延伸激光器组件12的y轴宽度，这是由于它们的模块化和独立性质。在每个通道68之间，子块118包括沿z轴延伸的凸出杆142(在图18中示出)。
凸出杆142被构造来对准和机械锁定相邻子块118的后侧上的联锁通道 144(图20中示出)。这允许了多个子块118以交错布置的方式机械互锁，如图 15-18所示，且进一步在图21中示出。这有效地允许任意适合数量的子块118 互连以实现用于构件封套34的期望条带宽度32。
在该实施例中用于激光器组件12的一个示例性布置可包括约42个沿x轴的子块118(具有双通道激光二极管98)，从而为激光器组件12提供约9英寸的长度，并且能够以约25微米的体元打印分辨率打印任何期望的扫描长度44。例如，沿x轴的扫描长度44的范围可从一英寸至约100英尺、从约25英尺至约75英尺、以及/或者从约40英尺至约60英尺。
此外，激光器组件12的示例性布置可包括约15个沿y轴的子块118，其中每个子块118可包括32个激光发射器30(具有双通道激光二极管98)，从而为每个子块118提供约2.5英寸的y轴长度。这对应于约三英尺的沿y轴条带宽度32，并且包括可以独立操作的630个子块118和超过40,000个激光通道。任选地，激光器组件12的示例性布置可包括约48个沿y轴的子块118。这对应于约十英尺的沿y轴条带宽度32，并且包括可以独立操作的2,016个子块118 和将近130,000个激光通道。
图22-25示出激光器组件12和散热器组件74的另一实施例，其可以用于与任意上述的实施例进行组合。在该实施例中，散热器组件74可用作浸没式冷却组件，其跨过通道68内的激光发射器30直接对冷却剂流体进行循环，从而产生浸没式光学装置。
如图22所示，基块50(或至少子块118)可以被保持在可封闭的壳体146 中，该壳体中可填充冷却剂流体。在这种情况下，歧管120可以是对壳体126 和热交换器122之间循环的冷却剂流体进行引导的一个或多个导管。壳体146 内的冷却剂流体可流经每个通道68以直接从每个激光二极管96吸走热量。可以理解，优选地对激光发射器30的激光发射特性进行调节以补偿空气和冷却剂流体之间的光差。
在其他实施例中，可用导管来将歧管120连接至每个通道68，以将冷却剂流体的流动直接引导至每个通道68内。这些实施例消除或以其他方式减少了基块50浸入冷却剂流体中的需要。此外，每个激光发射器30的基础元件92和连接器插脚94可以被构造为延伸通过歧管120和通道68之间的连接导管，优选地以密封的方式以防止冷却剂流体的泄漏。这种架构是有益的，其能够互换各个子块118而不必将整个基块50从壳体146上移除。
因为冷却剂流体可以直接从激光二极管96吸收热量，所以子块118可以可选地由非导热材料制成。比如提供一硬直刚性结构以保持激光发射器30的一个或多个聚合物材料。此外，由于冷却剂流体可以流经通道68，所以可以省略端口130与132、以及交叉通道134。这样的布置允许激光发射器30的封装密度沿x轴增加，从而进一步减小激光器组件12沿x轴的长度。
冷却剂流体可以是优选为不干扰电子器件运行并且优选为能够有效地从激光二极管98吸收热量的任意适合的流体。适合的冷却剂流体的实例包括可从明尼苏达州枫木城的3M公司商购得的商标为“FLUORINERT”的那些。任选地，激光二极管98可以可选地被包覆在具有发射窗口的紧密密封的外壳中。这可以扩大可用的冷却剂流体，比如卤代烃制冷剂(例如，可从德拉瓦州威尔明顿的 E.I.du Pont de Nemours and Company商购得的商标为“FREON”的那些)。
图23示出制冷剂流体的示例性流动路径。如图所示，制冷剂流体可在压力作用下被供应至激光器组件12，使得该流体可以流入每个通道68，如箭头148 所示。在某些方面中，凸出杆142可向下延伸超过激光二极管98，使得激光二极管98也被保持在通道68内。这保证了制冷剂流体直接流过每个激光二极管 98。
底层窗口126(未在图23中示出)可以用作壳体146的底表面。因此，在通过通道68并从激光二极管98吸收热量之后，制冷剂流体可侧向流动离开子块118，如箭头150所示。任选地，制冷剂流体的流动方向可以反转，使得制冷剂流体可以通过通道68向上流动。
此外，如图24所示，由于端口130与132和交叉通道134可以被省略，且由于制冷剂流体可以直接从激光二极管98吸收热量(而不是通过子块118)，所以可以可选地减少每个子块118在顶表面64和底表面66之间的高度。优选地，每个子块118保持用于硬度和刚度之目的的适当尺寸。然而，每个子块118 所减小的尺寸可以减小激光器组件12的整体尺寸和重量。
此外，为进一步提高激光二极管98的热转移，每个激光二极管98和子座 138可以可选地以间隔的方式从子块118开始安装，比如间隔为一个或多个偏移量152。偏移量152优选地将每个激光二极管98刚性保持至子块118，以防止激光二极管98在系统10的运行期间移位或振动。这样间隔的布置允许冷却剂流体也在子块118和激光二极管98之间流动，如箭头148所示，从而进一步提高用以热传递的暴露表面积。中继光学器件110也优选地安装在适合的位置以同间隔的激光二极管98对准，如图所示。
此外，如图25所示，每个子块118可以任选地具有加强的刚性框架结构，其优选地保持有用于硬度和刚度之目的的适当尺寸。在该实施例中，每个子块 118可如图示一样牢固地保持激光发射器30，并允许冷却剂流体也流经其在激光二极管98后面的框架结构。这也可以提高激光二极管98用以热传递的裸露表面积，以及提高子块118浸没在其内的冷却剂流体的体积。
相邻子块118的框架结构可以以任何适合的方式互相连接，比如使用具有可以固定到相邻子块118的强化刚性偏移杆154。实际上，偏移杆154可以以与凸出杆142相同的方式将相邻的子块118间隔开来(例如，如上述图23中所示)。
图1-14、图15-21以及图22-25的任意上述实施例中的激光器组件12可以包含大量的激光发射器30及相关联的激光通道。这可能需要控制器组件26和每个激光发射器30之间的大量数据带宽，比如约10或更多数据/秒的吉比特。因此，如上所述，激光器组件12优选地包括一个或多个控制器26a和/或一个或多个激光控制板72，以转移和分布数据。
图26示出了用于与激光器组件12一起使用的控制器组件26的示例性架构。如图所示，控制器组件26可包括任意适合的基于计算机的硬件，比如用户界面200、存储器控制器202、处理器204、存储介质206、输入/输出(I/O)控制器208、以及通信适配器210。控制器组件26也可包括传统计算机、服务器、媒体设备和/或打印机控制器中包含的各种附加部件。控制器26a也可包括与控制器组件26类似的部件，比如一个或多个存储器控制器202、处理器204、存储介质206、输入/输出(I/O)控制器208、通信适配器210、以及可选的用户界面200。
用户界面200是被配置为操作控制器组件26的可选的用户操作接口(例如，键盘、触摸板、触摸屏显示器、显示器监视器以及其他眼睛、声音、动作、或手动操作控制)。存储器控制器202是将控制器组件26的部件与存储介质206 的一个或多个易失性随机访问存储器(RAM)模块连接的电路组件。处理器204 是一个或多个计算机处理单元，其被配置为操作控制器组件26，可选地具有存储器控制器202。例如，处理器204可包括一个或多个基于微处理器的引擎控制系统和/或数字控制的成像处理器系统。
存储介质206是用于控制器组件26的一个或多个内部和/或外部数据存储设备或计算机存储介质，比如易失性RAM模块、只读存储器模块、光学介质、磁性介质(例如，硬盘驱动器)、固态介质(例如，FLASH存储器和固态驱动器)、模拟介质等。存储介质206可以保留处理程序212的可执行副本，并且可以保留将用系统10打印的一个或多个数字模型，比如数字模型214。控制器组件26可以通过任何合适的通信线路接收数字模型214，其中数字模型214可以具有任何适合的文件格式，比如STL文件格式。
处理程序212是一个或多个预处理和/或后处理程序，用于可选地定向数字模型214，将定向的数字模型214分割成层，生成支撑结构，为每个层生成图像或位片216，从位片216及相关联的帧序列中生成位片堆栈218等。
位片堆栈218中的每个位片216优选地具有对应于数字模型214的切片层 (和相应的支撑结构)的光栅图形文件格式，其中每个位片216具有沿z轴的位片增量或厚度，以及在x-y平面内的多个像素。因此，x-y平面内的像素的面积和沿z轴的位片厚度对应于预期打印的3D零件的体元，并且基于诸如50微米、25微米或更低的打印分辨率。如上所述，通过激光器组件12的激光封装密度和热传递能力可实现该打印分辨率。
控制器组件26被配置成在选定的时间考虑阵列70内的各个激光发射器的位置。由于激光发射器可以在亚微秒间隔内被单独打开或关闭，因此可以以子像素定时来打印该零件，意即该零件的打印可以精确到亚像素级。因此，每个激光发射器都可以在像素内单独地得到控制，或者激光发射器的强度可以得到变化。因此，本公开可以提供更好的条带方向分辨率，例如约256倍的更佳分辨率。所提高的分辨率可以基本上消除在x和/或y方向上缓慢变化的曲面的混叠(或步进)。
在一些例子中，零件质量可能更重要的是位片216的某些区域，其中强度可以由位片216内的控制组件26来改变。例如，体积大的区域可能需要更高强度的激光束，而更精细、更精致的区域可能需要较低强度的光束。相反的情况可能是这样的，其中体积大的区域可用较低强度的激光束来形成，而更精细或更精致的区域则可用更高强度激的激光束来形成。本公开允许位片216内光束强度的变化，而无论位片216的构造。
适用于位片216的图像文件格式包括位图、以及JPEG、TIFF、PNG、和 GIF。如本文所使用的，术语“位图”是指具有一个或多个比特/像素(即，像素图)的文件格式。每个位片216还优选地被压缩成标准压缩格式以减少带宽需求。进一步地，每个位片216还优选地包括标题信息，比如帧序列数据、对准偏移、在x-y构建平面中的二次表面的最佳拟合系数等。
I/O控制器208是将存储器控制器202、处理器204、和存储介质206与包括通信适配器210的控制器组件26的各种输入输出部件进行连接的电路组件。通信适配器210是配置成通过一条或多条通信线路(例如，线路28)的一个或多个有线或无线发射器/接收器适配器。
在打印操作期间，控制器组件26可以执行处理程序212以从数字模型214 中生成位片216和位片堆栈218，其中位片堆栈218储存在存储介质206中。当准备好了的时候，控制器组件26将连续的位片216发送到激光器组件12。然后当台架24沿x轴移动激光器组件12时，控制器26a和/或激光控制板72 可以有选择且独立地操作激光发射器30，其中每个位片216可以对应于穿过平台20的单次通过。当沿着x轴移动时，激光发射器30在构建壳体34内以逐体元为基础发射激光束108a。这有选择地以预定图案交联树脂膜以形成3D零件的层。
在一些实施例中，激光器组件12和控制器组件26还可以与成像传感器220 一起运行，以在打印层上进行z高度测量。然后控制器组件26可以以逐位片和 /或逐体元为基础补偿地形误差区域，如在Comb等人的美国专利申请公开第 20150266242号中所讨论的一样，该专利申请公开的内容以引用的方式被并入本文，且该内容与本公开并不冲突。在一些实施例中，系统10还可以包括一个或多个平整器222，用于在打印完预定数量的层之后和/或响应从成像传感器220 接收的信息，来调平3D零件48的打印层。
如上所述，大量的激光发射器30和紧密的激光封装密度可能产生大量的热量。除了对激光发射器30的潜在损害之外，所产生的热量也可以潜在地使基块 50在运行期间热膨胀。实际上，对于每个摄氏度温升，三米长的基块50可以伸长多达25微米，甚至是50微米。换言之，基块50的热膨胀可以潜在地通过一个或多个体元打印分辨率使激光发射器30偏移。
例如，如图27所示，随着基块50受热，可以增加相邻激光发射器30之间的y轴阵列偏移量82和x轴行偏移量86。这由增加了的y轴阵列偏移量224 和增加了的x轴行偏移量226来示出，每个偏移量都可以潜在地超过激光器组件12的体元打印分辨率。
对于增加了的y轴阵列偏移量224，与原始y轴阵列偏移量82的这些离差可导致激光束108a被发射在沿y轴的不正确位置处。相应地，对于增加了的x 轴行偏移量226，由于激光器组件12沿着x轴横穿，所以与原始x轴行偏移量 86的这些离差可导致激光束108a在不正确的时间被发射。因此，这导致激光束108a被发射在沿着x轴的不正确位置处。
此外，沿着基块50的热分布可以潜在地变化，这可能导致遍及基块50的不均匀热膨胀。因此，激光阵列70i和70i+1之间增加了的y轴阵列偏移量224 可能与激光阵列70i+5和70i+6之间的那些不一样。激光发射器30沿x轴的行之间也可以发生相同的效果。
即便散热器组件74使基块50不被加热超过几摄氏度，但是这些情况也可能显著地降低系统10的打印精度。因此，控制器组件26还可以改变一个或多个位片216中的像素位置，以补偿由基块50的这些热膨胀引起的点对点间距变化。
例如，这可以在激光器组件12继续运行时通过校准激光器组件12和测量激光束108a的x-y发射位置来实现。然后，由于基块50受热而随时间变化的点对点间距可以被映射为激光器运行时间的函数，其可以对应于基块50的变化温度。任选地(或附加地)，可以用一个或多个温度传感器(例如，图26中所示的温度传感器158)，比如一个或多个热电偶和/或红外摄像机，来监控基块 50。这实现了在激光器组件12继续运行时测量基块50的温度以及测量激光束 108a的发射位置。
然后，控制器组件26可以基于随运行时间而映射的激光束108a的发射位置来修改一个或多个位片216。随着激光器组件12来回横穿平台20，这些修改相应地调节激光发射器30的发射图案和定时。这可以有效地修正基块50受热时随时间变化的点对点间距。激光器组件12的这种映射可以在任意适合的时间执行，比如在将激光器组件12安装至系统10之前、在使用系统10进行打印操作期间的设定时间间隔、以及/或者在每次打印操作之前。在一些实施例中，后续的位片216的修改可实时进行，其中温度传感器228可以监测基块50在操作期间的温度，然后控制器组件26可以基于该监测温度对后续的位片216进行修改。
任选地，成像传感器220还可以可选地打印完在一个或多个层之后用于测量激光束108的x-y发射位置，优选为在打印完每个层之后。然后控制器组件 26可以将每个层所成像的打印体元与它们在位片216中的预期位置进行比较。然后控制器组件26可以通过修改后续的位片216，来订正在x-y内随时间发生的(例如，由于基块50受热)任何点对点间距变化。
此外，控制器组件26可以可选地为各种目的而修改位片216和激光器组件 12的运行，例如，为提高零件质量和/或维护激光器组件12的工作寿命。例如，在某些情况下，基于3D零件38的几何结构改变激光束发射次数和/或强度、以及/或者沿x轴的移动速度可能是有用的。附加地，由于3D零件48以逐层的方式长成，因此，例如通过减少将光束发射次数和/或强度可以将这些因素变化为运行时间的函数。这可有助于激光器组件12的散热特性。
系统10和激光器组件12的上述实施例集中在它们与光固化树脂的使用上。用于与系统10和激光器组件12一起使用的适宜的光固化树脂包括在基于立体光刻的系统中使用的那些。例如，光固化树脂可包括能够共交联键的一个或多个单体、低聚物、和/或多聚物，比如一个或多个乙烯系化合物、基于尿烷的化合物、(甲基)丙烯酸酯化合物、环氧化合物、环氧丙烯酸酯化合物、以及其组合。该光固化树脂还优选地包括能接纳激光束108a的紫外辐射的一个或多个光敏引发剂。
在任选的实施例中，系统10和激光器组件12可被配置成以颗粒烧结的方式运行，比如用于增材制造激光烧结和/或激光熔融工艺。在这些实施例中，激光二极管98优选地被配置成发射红外波长光谱内的激光束108，以烧结和/或熔融基于粉末的层(而不是基于树脂的层)。
相比于紫外固化应用，这些烧结/熔融应用可要求更多得多的光功率。实际上，烧结应用可要求高达三千瓦的光功率。然而，红外激光发射器30可展现出高达约70％的功率效率(相比于紫外激光发射器30的约10％功率效率)。因此，相比于紫外激光发射器30，红外激光发射器30可以生成基本上更少的废热每光瓦特。因此，上述散热器组件74还可以有效地移除来自红外激光发射器30 的废热。
用于该烧结/熔融应用的适合的粉末材料包括用于选择性激光烧结、选择性激光熔融和直接激光熔融工艺的热塑性和金属基粉末。可以使用常规的粉末传送系统(例如，在选择性激光烧结系统中使用的基于滚轮的传送系统)来将粉末施加到每个层的平台20上。
任选地，系统10可包括一个或多个静电施加器，其可以高速静电沉积粉末，甚至高达约100英寸/秒的速度。照此，系统10可包括静电施加器，每个静电施加器安装在激光器组件12的前端和后端，用于双向打印。在这些实施例中，控制器组件26可指令静电施加器在激光器组件12穿过平台20之后(和/或之前)静电沉积粉末以形成粉末膜。
尽管已经参考优选实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开之精神和范围的条件下，还可以在形式和细节上对本公开进行变更。

Claims (23)

1.一种增材制造系统，包括：
构建压板，其配置成接纳光固化树脂的涂层或膜；
压板台架，其配置成沿着第一轴移动所述构建压板；
激光器组件，其包括
基块；和
多个激光发射器，其可操作地安装到所述基块，并布置成两个或多个激光发射器的两行或多行的阵列；
激光器台架，其配置成沿着扫描长度轴移动所述激光器组件，使得所述多个激光发射器中的每一个激光发射器横穿该构建压板；
散热器组件，其至少部分地由所述激光器组件保持，并且配置成从所述基块、所述多个激光发射器或两者吸走热量；
控制器组件，用于当所述激光器组件沿着构建压板的扫描轴移动时，操作所述构建压板、所述激光器组件以及所述激光器台架，其中，所述控制器用于独立地控制由所述多个激光发射器中的每个激光发射器发射的每一个光束的定时、持续时间和强度，并根据光固化树脂的涂层或膜且通过选择地使预定义的体元图案中的树脂的涂层或膜交联，以逐层方式在所述压板上打印三维零件。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述基块包括多个联锁子块。
3.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述台架配置成沿着基本上垂直于所述扫描长度轴的条带宽度轴移动所述激光器组件，以补偿故障的激光发射器。
4.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述基块在组成上包括导热材料。
5.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述散热器组件包括多个热管，每个热管包括与所述基块热接触的热界面段和配置成从所述热界面段吸走热量的冷界面段。
6.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述散热器组件包括一个或多个歧管和一个或多个热交换器，其中所述一个或多个歧管配置成在所述一个或多个热交换器和所述基块之间中继循环冷却剂液体。
7.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中每个所述激光发射器的至少一部分中包括：用于产生激光束的激光器芯片，和用于对所述激光束进行缩小和成像的中继光学器件。
8.根据权利要求7所述的增材制造系统，其中每个激光器芯片定向成使得所产生的激光束具有椭圆形横截面，其中所述椭圆形横截面的纵向方向定向成与所述扫描方向轴基本上垂直。
9.根据权利要求7所述的增材制造系统，其中每个激光器芯片包括：双通道激光二极管，其包括第一激光通道和第二激光通道，每个激光通道配置成朝向相同的中继光学器件产生单独的激光束。
10.根据权利要求1所述的增材制造系统，还包括成像传感器、一个或多个平整器或其组合。
11.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述多个激光发射器中的一个或多个激光器相对于所述扫描长度轴定向成倾斜角度。
12.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述控制器包括一个或多个子控制器，所述子控制器用于控制由所述多个激光发射器中的每个激光发射器发射的每一个光束的定时、持续时间和强度。
13.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，其中所述散热器组件包括：
围绕所述基块的周边的壁；和
配置成浸没所述多个激光发射器的冷却流体池。
14.一种增材制造系统，包括：
构建压板，其配置成接收用于构建3D对象的消耗材料层；
压板台架，其配置成沿着第一轴移动所述构建压板；
激光器组件，其包括
基块；和
多个激光发射器，其可操作地安装到所述基块，并布置成两个或多个激光发射器的两行或多行的阵列；
激光器台架，其配置成沿着扫描长度轴移动所述激光器组件，使得所述多个激光发射器中的每一个激光发射器横穿该构建压板；
散热器组件，其至少部分地由所述激光器组件保持，并且配置成从所述基块、所述多个激光发射器或两者吸走热量；
控制器组件，用于当所述激光器组件沿着构建压板的扫描轴移动时，操作所述构建压板、所述激光器组件以及所述激光器台架，其中，所述控制器用于独立地控制由所述多个激光发射器中的每个激光发射器发射的每一个光束的定时、持续时间和强度，通过考虑在选定的时间内所述多个激光发射器中的每一个激光发射器的位置，使得在预定义的体元图案中形成3D目标层，以逐层方式在所述压板上打印三维零件。
15.根据权利要求14所述的增材制造系统，其中，所述消耗材料包括未固化光固化树脂，其中，所述多个激光发射器发射紫外光。
16.根据权利要求14所述的增材制造系统，其中，所述消耗材料包括粉末，所述多个激光发射器发射红外光以加热所述粉末。
17.根据权利要求16所述的增材制造系统，其中，还包括用于涂覆粉末材料的静电涂覆器。
18.根据权利要求16所述的增材制造系统，其中，所述消耗材料包括热塑性材料。
19.根据权利要求16所述的增材制造系统，其中，所述台架配置成沿着基本上垂直于所述扫描长度轴的条带宽度轴移动所述激光器组件，以补偿故障的激光发射器。
20.根据权利要求16所述的增材制造系统，其中，所述基块在组成上包括导热材料。
21.根据权利要求16所述的增材制造系统，其中，所述散热器组件包括一个或多个歧管和一个或多个热交换器，其中所述一个或多个歧管配置成在所述一个或多个热交换器和所述基块之间中继循环冷却剂液体。
22.根据权利要求16所述的增材制造系统，其中，每个所述激光发射器的至少一部分中包括：用于产生激光束的激光器芯片；和用于对所述激光束进行缩小和成像的中继光学器件。
23.根据权利要求16所述的增材制造系统，其中，每个激光器芯片定向成使得所产生的激光束具有椭圆形横截面，其中所述椭圆形横截面的纵向方向定向成与所述扫描方向轴基本上垂直。
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