TW202214369A - 積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統 - Google Patents

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Abstract

一種製造系統包括具有支撐製造材料的列印床(printer bed)的列印腔室，和由列印腔室所支撐的內部加熱系統。內部加熱系統配置為將圖案化熱能引導到列印床和支撐的製造材料上。內部加熱系統配置為將圖案化熱能(patterned heat energy)引導到列印床和被支撐的製造材料上。外部加熱系統由列印腔室支撐或定位在列印腔室附近，並配置為將圖案化熱能引導到列印床和任何被支撐的製造材料上。

Description

積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統
本揭露整體上涉及一種用於熱控積層製造的系統和方法。在一個實施例中，可以對製造床、壁和頂部進行熱控制以補償熱損失。
傳統的組件加工經常依賴透過鑽孔、切割或研磨以去除材料形成零件。相反的，積層製造，也稱為3D列印，通常涉及連續逐層添加材料以構建零件。從3D電腦模型開始，積層製造系統可被用於從各種不同的材料來創造複雜的零件。
一種已知的積層製造技術是粉床熔融(powder bed fusion, PBF)，使用一個或者多個聚焦能量源(focused energy source)，例如是：雷射或者電子束(electron beam)，用以透過熔化粉末以在粉末薄層中繪製圖案並將其黏合(bonding)至下面一層以逐漸產生3D列印部件。粉末可以是塑料、金屬、玻璃、陶瓷。這種技術非常準確，通常可以實現小至 150-300微米的特徵尺寸。一般來說，此程序是在基底溫度從室溫或一些適度升高的溫度(例如250℃)開始的情況下進行的。當列印材料熔點約為1400C的鋼時，雷射必須在層列印程序中熔化粉末和基材。由於這兩個組件都在接近室溫的情況下開始，因此它們必須經歷大約攝氏1000度的溫度循環。由於對要列印的層的所有部分都重複此程序，因此會在另件內產生熱應力。此外，根據平均雷射功率的大小，列印過程的這種熱負載會導致構建板(build plate)的溫度升高。列印過程中的這種溫度升高可能很明顯，並且取決於列印的零件數量和零件幾何形狀。這種在層與層之間的平均熱負載差異會導致不可預見的錯誤，例如：所有三個維度上的空間相關熱翹曲(dependent thermal warpage)、更高的殘餘應力，甚至列印零件的裂解 (cracking)。這些因素會降低3D零件成品的零件精確度、強度和實用性。
當 3D 列印件從列印腔室中移除時，積層製造系統還可能需要將 3D列印件從受控列印環境中移除。這會對需要一個熱處理爐來進行後處理冷卻和/或隨後之應力消除、退火或熱處理的3D列印產生不利影響。雖然積層製造系統可以在列印腔室中於列印過程中預熱列印板和/或將列印件保持在設定溫度，但在列印腔室外通常無法進行溫度控制。不幸的是，當 3D 列印件從列印腔室中取出時，它們通常不受溫度控制，而且在許多系統中，它們還會暴露在不受控制的空氣中。這些因素會影響3D列印的材料特性。此外，3D列印件通常太熱而無法立即從列印腔室中取出，因此在完成列印後必須在列印腔室中保留數小時。這會佔用列印腔室並阻止系統開始新的列印作業。
因此，固定式或基於墨水匣之列印腔室的改進的熱控制系統是有需要的。這可以包括提供等溫條件，或替代地，可以減少誤差的圖案化熱通量(heat flux)，例如：所有三個維度中的空間相關熱翹曲或更高的殘餘應力。
本發明提出一種製造系統，包括列印腔室，列印腔室具有支撐製造材料的列印床，和由列印腔室所支撐的內部加熱系統。內部加熱系統被配置為將圖案化熱能引導到列印床和被支撐的製造材料上。外部加熱系統由列印腔室支撐或定位在列印腔室附近，並配置為將圖案化熱能引導到列印床和任何被支撐的製造材料上。
在一個實施例中，列印腔室還包括一個墨水匣。
在一個實施例中，其中內部加熱系統還包括加熱元件和冷卻元件中的至少一種。
在一個實施例中，外部加熱系統還包括一個紅外線加熱元件。
在一個實施例中，其中外部加熱系統還包括加熱氣流(heated gas flow)。
在一個實施例中，外部加熱系統還包括至少一個定向雷射器(directed laser)。
在一個實施例中，外部加熱系統還包括至少一個定向雷射用以提供無圖案化加熱。
在一個實施例中，外部加熱系統還包括至少一個使用回收光的定向雷射。
在一個實施例中，傳感器還包括一個高溫溫度計(pyrometer)。
在一個實施例中，傳感器還包括一個相機。
在另一個實施例中，製造系統包括具有支撐可列印材料層之列印床的列印腔室。主要雷射源可對準列印床上的可列印材料層的子部分，以列印零件圖案。二次加熱系統被配置為將圖案化熱能引導到可列印材料層中。
在一個實施例中，圖案化熱能至少部分地是由列印零件圖案來決定的。
在一個實施例中，圖案化熱能基本上與列印的圖案的一小部分成反比。
在一個實施例中，二次加熱系統還包括一個第二發光加熱元件。
在一個實施例中，第二發光加熱元件更包括弧光燈(arc lamp)、紅外線燈、LED加熱系統或雷射加熱系統中的至少一種。
在一個實施例中，二次加熱系統還包括列印腔室所支撐的圖案化加熱元件。
在一個實施例中，列印腔室支撐的圖案化加熱元件更包括電阻加熱器匣陣列、通道中的加熱流體、電控等離子體源(plasma sources)、電弧加熱器、感應加熱器和微波加熱器中的至少一個。
在所有這些實施例中，冷卻或加熱元件可以內建至列印床或周圍結構中，或者從遠處投射。
本發明主張2020年6月15日申請之美國申請案63/039,315的優先權，基於所有的目的將其所有內容引用併入本文中。
以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。
在下面的描述中，參考了形成本揭露一部分的圖式，並且透過說明可以實現本揭露公開之特定實施例的方式。這些實施例被足夠詳細地描述以使得本領域技術人員能夠實現本揭露所公開的概念，並且應當理解，可以對各種公開的實施例進行修改，並且在不脫離本揭露公開之內容範圍下可以利用其他實施例。因此，以下詳細描述不應被視為是限制意義。
「第1A圖」說明了熱控積層製造系統1A。列印腔室2A具有一個列印板3A，列印板3A可以支撐粉末或其他增材(additive)或減材(subtractive)製造材料。一個能夠引導雷射、電子束或其他定向能量5A的列印引擎4A，位於相對於列印腔室2A的外部並且被用於加熱列印板3A上的製造材料。傳感器6A可用於在製造期間校準或提供反饋控制。
外部加熱系統7A和/或內部加熱系統8A可用於調節或控制列印腔室2A的溫度、材料溫度或列印板3A上製造零件的溫度。外部加熱系統7A和/或內部加熱系統8A都可以透過使用加熱或冷卻元件陣列、分段結構、分區結構、可掃描結構或選擇開/關的操作來被操作，以提供差異化或圖案化的加熱或冷卻。在一些實施例中，保持等溫溫度，而在其他實施例中，可以使用圖案化加熱系統來選擇不同選定區域中的預定溫度。
例如，外部的圖案化加熱系統可包含使用外部耦接或定位的組件，透過其將熱通量從上方引導到列印腔室2A中。圖案化組件可以是一個或多個加熱燈、一個或多個雷射器(二極管、光纖、固態等)、對流或其他類型的加熱元件。圖案化可以通過靜態遮罩(static mask)、空間光調變器如液晶顯示器、光閥、光尋址光閥、微鏡陣列、熱激發圖案化共振器(thermally activated patterned resonator)來實現。加熱器元件(例如：加熱燈或加熱元件)可以透過使用大量元件陣列並控制陣列中的哪些元件打開和關閉並透過透鏡、反射器等光學器件來控制它們的發射，以重新引導光線至所需圖案的床上來生成圖案。對流可以透過使用噴嘴陣列(array of nozzles)來形成圖案，氣體在控制系統所需求/所決定的受控溫度下流過噴嘴陣列。
在一些實施例中，在其上執行列印過程的列印板3A包含內部加熱器元件，例如電阻加熱器匣、冷卻通道中的加熱冷卻流體、電控制的等離子體源例如電弧加熱器、感應加熱器、微波加熱器、或安裝在列印腔室2A內或與列印床或列印腔室2A接觸的其他發熱裝置。此外，列印板3A可以包含溫度感測裝置，例如電阻溫度偵測器(RTD)、熱電偶、高溫溫度計或其他溫度感測裝置，其與列印控制系統通訊以調節到列印板3A的熱通量。相同的邏輯適用於列印壁，除了在過程中根據列印壁高度和列印件位置而可變控制的加熱器。
傳感器6A可以包括高溫溫度計、熱像儀或視覺相機。在一些實施例中，相機可以拍攝影片和靜態圖像以提供虛擬視窗。相機和燈可以以多種光波長(例如：紅外線、可見光或紫外線)進行照明和成像。相機可以是多個相機的陣列，它們可以用一種或多種光波長從許多不同角度記錄靜態圖像和/或影片影像。
在一些實施例中，外部加熱系統7A和列印引擎4A都可以使用一個或多個雷射源。可能的雷射器類型包括但不限於：氣體雷射器、化學雷射器、染料雷射器、金屬蒸氣雷射器、固態雷射器(例如：光纖)、半導體(例如：二極管)雷射器、自由電子雷射器、氣體動態雷射器、“類鎳(Nickel-like)“釤雷射、拉曼雷射或核泵浦雷射。
氣體雷射器可以包括諸如氦氖雷射器、氬雷射器、氪雷射器、氙離子雷射器、氮氣雷射器、二氧化碳雷射器、一氧化碳雷射器或準分子雷射器。
化學雷射器可以包括諸如氟化氫雷射器、氟化氘雷射器、化學氧碘雷射(Chemical oxygen–iodine laser, COIL)或全氣相碘雷射器(All gas-phase iodine laser, Agil)。
金屬蒸氣雷射器可以包括諸如氦-鎘(HeCd)金屬-蒸氣雷射器、氦-汞(HeHg)金屬-蒸氣雷射器、氦-硒(HeSe)金屬-蒸氣雷射器、氦-銀(HeAg) 金屬蒸氣雷射、鍶(Strontium)蒸氣雷射器、氖銅 (NeCu) 金屬蒸氣雷射器、銅蒸氣雷射器、金蒸氣雷射器或錳 (Mn/MnCl2) 蒸氣雷射器。 也可以使用銣(Rubidium)或其他鹼金屬蒸氣雷射器。固態雷射器可以包括諸如紅寶石雷射器、摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)雷射器、釹鉻釔鋁石榴石(NdCrYAG)雷射器、摻鉺釔鋁石榴石(Er:YAG)雷射器、摻釹氟化釔鋰(Nd:YLF)固態雷射器、摻釹釩酸釔 (Nd:YVO4) 雷射器、摻釹氧硼酸釔鈣(Nd:YCa4O(BO3)3)或簡稱Nd:YCOB、釹玻璃 (Nd:Glass) 雷射器、鈦藍寶石(Ti:sapphire)雷射器、摻銩釔鋁石榴石(Tm:YAG)雷射器、摻鐿釔鋁石榴石(Yb:YAG)雷射器、氧化鐿：三氧化二鐿(玻璃或陶瓷)雷射器、摻鐿玻璃雷射器(棒、板/芯片和光纖)、鈥釔鋁石榴石 (Ho:YAG) 雷射、鉻硒化鋅(Cr:ZnSe) 雷射、摻鈰鋰鍶(或鈣)鋁氟化物(Ce:LiSAF、Ce:LiCAF)、摻鉕磷酸鹽玻璃(147Pm+3:Glass)固態雷射器、摻鉻金綠玉(翠綠寶石)雷射器、摻鉺鉺鐿共摻雜玻璃雷射器(Erbium doped anderbium–ytterbium co-doped glass lasers)、三價摻鈾氟化鈣(U:CaF2)固態雷射器、二價摻釤氟化鈣(Sm:CaF2) 雷射器或F中心雷射器(F-Center laser)。
半導體雷射器可以包括雷射介質類型，例如：氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、磷化鋁銦鎵(AlGaInP)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷砷化銦鎵(InGaAsP)、磷化銦鎵(GaInP)、砷化鎵銦(InGaAs)、砷化鎵銦氧(InGaAsO)、銻砷化鎵銦(GaInAsSb)、鉛鹽、垂直腔面發射雷射器 (VCSEL)、量子級聯雷射器、混合矽雷射器 ，或其組合。
在操作上，列印板、列印壁和列印板上方的加熱裝置可用以施加開始列印時所需的溫度條件。在整個列印過程中，列印層上的熱負載是一個變數，取決於零件的幾何形狀。在列印板、列印壁中使用帶有加熱裝置的內部加熱系統8A，以及進一步使用列印板上方的外部加熱系統7A可以在原地提供對列印零件之溫度條件的時間調變(temporal modulation)。在一些實施例中，在列印板、列印壁中使用帶有加熱裝置的內部加熱系統8A，以及在列印板上方進一步使用外部加熱系統7A在原地提供對列印零件之溫度條件的空間調變(spatial modulation)。使用帶有加熱裝置的內部加熱系統8A和列印板、列印壁中的加熱裝置，並進一步使用列印板上方的外部加熱系統7A可用於對完成的列印零件施加必要的溫度條件以最小化熱應力並最佳化零件中的熱史(thermal history)。
一旦列印過程完成，加熱裝置可用於控制零件的冷卻，或可在列印腔室2A的頂部上方關閉蓋子/絕緣材料以從各面保持均勻的冷卻速率。在列印前和列印期間預熱粉末或其他製造材料亦可減少以相同列印速率列印時所需的列印能量，或類似地增加在給予固定列印能量時的列印速率。
「第1B圖」更詳細地說明了在列印開始前具有定位在Z台上之熱控列印板的系統1B。一開始在列印板2B上沒有粉末或列印零件。雷射能量14B可以被引導到在列印板2B上要被列印的材料上。列印板2B可以包含加熱器匣3B和用於控制列印板2B溫度的溫度感測裝置。或者，列印板2B可以固定並熱連接到包含加熱和感測能力的子板。在這種情況下，2B是子板，列印板(未顯示)將位於子板2B上方。在列印板2B下方，絕緣材料4B減少了熱損失。 在絕緣材料4B下方是冷卻管殼體板5B，其包含冷卻劑流動通道6B。這種冷卻液流可以保護敏感和精確的系統元件免受過熱的影響。整個列印板組件通過軸7B 連接到Z軸馬達。來自圖案化、無圖案化或其他輻射元件的熱流8B從上方入射到列印板2B上。可以選擇將熱流8B的大小與雷射能量14B成反比以更好地維持等溫條件。列印側壁9B包含加熱元件10B。在列印側壁9B的外側是絕緣材料層11B，在其外側是包含冷卻劑流通道13B的列印壁冷卻管側壁12B。
「第1C圖」說明了系統1C，當Z台向下移動時，具有埋在列印板2C上的粉末15C中的列印零件20C，其中嵌入的加熱裝置定位在列印板和列印壁中。與要列印之材料成比例的雷射能量14C入射到列印板2C上，列印板2C包含加熱器匣3C和用於控制列印板2C的溫度的溫度感測裝置。或者，列印板2C可以固定並熱連接到包含加熱和感測能力的子板。在這種情況下，2B是子板，列印板(未顯示)將位於 2B上方。 在列印板 2C 下方，絕緣材料4C減少了熱損失。在絕緣材料4C下方是冷卻管殼體板5C，其包含冷卻劑流通道6C。整個列印板組件通過軸7C連接到Z軸馬達。來自圖案化、無圖案化或其他輻射元件的熱流8C從上方入射到列印板2C上。熱流8C的大小可以與雷射能量14C成反比。列印側壁9C包含加熱元件10C。在列印側壁9C的外側是絕緣材料層11C，在其外側是包含冷卻劑流通道13C的列印壁冷卻管側壁12C。列印板2C上的列印零件20C由列印板2C支撐並且被粉末15C包圍。來自列印板2C中加熱器匣3C的傳導熱量16C被施加到列印零件20C。來自列印壁中之加熱器匣的傳導加熱器 17C 被施加於列印零件和周圍的粉末上。
「第1D圖」說明了熱控墨水匣系統。可用於積層製造系統的3D列印墨水匣1D以部分橫截面顯示。3D列印墨水匣(以下簡稱“墨水匣”)將所有“骯髒”(dirty)列印功能與系統其餘部分和操作員環境分開。所謂的“骯髒”是指存在粉末、進行印刷或產生煙灰的任何地方。每當墨水匣1D連接到配合設備(mating equipment)，如列印站、除粉站或儲存站，配合設備可以根據需要提供操作墨水匣所需的服務，取決於所配合的配合設備(例如，列印站允許完全控制墨水匣，而儲存站可能只提供加熱、動力和氣體回收，以及使用相機和燈)。墨水匣1D被設計為在與配合設備包括可以允許墨水匣內具備精確溫度條件的輔助加熱或冷卻系統斷開連接時被密封。
墨水匣1D圍繞床或基板24D構建，其中可以包括分段或圖案化的內部加熱器。用於新列印的新鮮粉末儲存在粉末料斗2D中，粉末料斗2D能夠儲存全容量列印所需的所有粉末。新鮮粉末透過粉末門23D計量到基板24D上。粉末透過粉末撒佈器4D使用粉末撒佈刀片被掃過板。粉末撒佈器驅動器5D使粉末撒佈器4D在列印板12D上來回移動。
視窗3D將墨水匣1D的頂部密封，以防止粉末或氣體洩漏，並且允許雷射束(未示出)經過它以焊接粉末。視窗3D允許接近墨水匣以裝載列印板、卸載列印物品、清潔和維修墨水匣組件(密封件、撒佈刀片等)。墨水匣1D的內部可以被相機和燈22D取像及照亮。相機和燈可以位於密封腔室內或外部，或兩者兼有，並且可以被定位以拍攝照片和/或聚焦墨水匣1D內部的場景，特別是列印板12D。相機和燈也可以安裝在運動平面上，允許用戶在列印過程中平移或縮放至所感興趣的項目上。該相機可以與高溫溫度計(pyrometers)、運動檢測器(motion detectors)、光電二極管、熱成像相機或其他傳感器等輔助列印診斷相結合，以自動檢測事件並平移/縮放相機以聚焦於感興趣的位置上。在一些實施例中，操作者可以在電子或虛擬視窗中查看相機圖像，取代直接透過墨水匣中的實體開口或視窗直接查看。
惰性氣體可以透過氣體供應管道6D供應到墨水匣1D，從而讓每次列印都可以在對列印最好的氣體環境中執行。氣體返回管道7D去除惰性氣體。氣體經過 HEPA過濾器8D，去除雜質(煙灰、懸浮的奈米粉末顆粒等)。然後氣體進入安裝在配合設備上的氣體回收器(未顯示)。當墨水匣1D從配合設備斷開時，氣體供應開口9D和氣體返回開口10D被密封以保持墨水匣內部的氣體環境。隨後透過其他設備去除氧氣、水分等來淨化氣體。
在每一層被列印之後，Z軸會降低列印板，使得新的粉末層可以被撒佈並隨後被列印。在本設計中，Z軸框架11D用來維持Z軸組件。列印板(也稱為構建板)12D是在列印過程中焊接粉末的地方。列印板加熱器13D包含列印板12D的加熱機構並且還可以使密封板14D絕緣和/或冷卻。密封板14D帶有密封件15D，密封件15D將粉末限制在Z軸框架11D上。Z軸底板16D封閉Z軸框架11D的下端並且具有容納可能滑過密封件15D之任何粉末的特徵。柱塞(plunger)17D 有一個界面，因此它可以遠端、自動、準確地與Z軸驅動器連接。柱塞密封件18D與底板16D配合並且進一步密封墨水匣1D，以防止粉末和/或氣體洩漏。
界面板19D包含墨水匣1D的所有輸入和輸出(壓縮空氣、動力、輸入和輸出信號、氣體、冷卻水等)。目的在於墨水匣1D被連接到其他配合設備時可以進行所有連接。當與配合設備配合時，此界面還可以包含以電子方式識別每個墨水匣的機制。滾筒20D允許將墨水匣1D滾動到配合設備的配合導軌上。叉車管21D允許透過叉車來拾取和移動墨水匣1D。
在一個實施例中，墨水匣1D可以包括電子標識，例如：電子可讀取記憶體25D或其他電子可讀取標記，例如：附加文本或條碼。電子可讀取記憶體25D可提供關於墨水匣或墨水匣組件的電子信息，可用於識別其製造、型號、類型、粉末類型或關於單元、其子組件或其預期用途等任何其他定義細節。此訊息可用於通知列印站有關將要列印的材料、所需的氣體環境(壓力和溫度)或其他列印相關方面的訊息，以便列印站可以根據需要進行調整以適應列印墨水匣或子組件。引起的變化可能涉及諸如：內部透鏡組件的自動交換、透鏡組件的Z高度/最終光學投射的調整、雷射參數調整(例如：單位面積功率、脈衝形狀、脈衝持續時間、脈衝重複率、波長、空間脈衝形狀、拼貼尺寸(tile size)、拼貼內的空間能量分佈(spatial energy distribution within a tile)、修改數據診斷、數據反饋演算法、列印過程反饋演算法，或在列印過程中如何放下拼貼的演算法改變等等的操作。來自與列印墨水匣或子墨水匣可由列印、除粉站或儲存架讀取相關聯之電子記憶體25D的電子訊息，可由任何站點，用以收集有關已發生列印量的數據和其他關鍵指標，例如：撒佈機循環次數、Z軸調整、溫度循環、壓力循環，或墨水匣或者子墨水匣在此過程中所經歷過的其他屬性。還可以由列印引擎、任何站點、子系統之一、工廠自動化系統、除粉站、墨水匣儲存站、墨水匣本身、墨水匣運輸系統或其他配合/界面設備將該訊息存儲在中央資料庫中。
「第1E圖」說明了系統1E，該系統1E支持使用分段紅外線加熱器來進行適合與列印腔室一起使用的圖案化加熱。與要列印的材料成比例的雷射能量17E入射到列印板2E上，列印板2E包含加熱器匣3E和用於控制列印板2E溫度的溫度傳感裝置。在列印板2E下方，絕緣材料4E減少熱損失。在絕緣材料4E下方是冷卻管殼體板5E，其包含冷卻劑流通道6E。整個列印板組件通過軸7E連接到Z軸馬達。來自圖案化輻射元件的熱流8E從上方入射到列印板2E上。熱流8E的大小可以與雷射能量17E成反比。列印側壁9E包含加熱元件10E。在列印側壁9E的外側是絕緣材料層11E，在其外側是包含冷卻劑流通道13E的列印壁冷卻管側壁12E。列印板2E上的列印零件20E由列印板2E支撐並且被粉末14E包圍。來自列印板2E中的加熱器匣的傳導熱量16E被施加到列印零件20E。來自列印壁中加熱器匣的傳導加熱器17E施加於列印零件20E和周圍的粉末14E。在本實施例中，多段紅外線加熱器18E安裝在列印板2E上方。每段都被獨立控制，從而可以加熱列印板2E的一部分。這種機制可以在空間上調節由列印表面逐層變化引起的列印板2E上的溫度分佈。所有紅外加熱器段也可以一起工作，以暫時調節由傳遞到床層的雷射能量變化引起的整體熱負載變化。紅外線加熱器18E從電源19E接收電力並且可以串聯或並聯連接。
「第1F圖」說明了使用分段自上而下或角度氣流進行圖案化加熱。在該實施例中，系統1F的列印腔室與一般操作和先前「第1E圖」相似。元件符號中類似的數字表示類似的結構。在該實施例中，垂直氣流18F可以為頂面提供額外的加熱。使用分段方法，可以在一定程度上調整空間相關溫度。這可以透過將一系列單元組合在一起來實現，也可以透過一個單元與多個子部分來實現。
「第1G圖」說明了將分段交叉床氣流用於圖案化加熱的用途。在該實施例中，系統1G的列印腔室與一般操作和先前「第1E圖」相似。元件符號中類似的數字表示類似的結構。在該實施例中，水平氣流18G可以為頂面提供額外的加熱。隨著列印的進行，氣流的溫度可以根據熱負載的變化進行調節。
「第1H圖」說明在系統1H中使用額外加熱雷射器進行圖案化加熱。系統1H包括列印腔室系統，該列印腔室系統包括列印板2H、列印板2H內部的加熱器匣3H、列印板2H下方的絕緣材料4H、冷卻管殼體板5H和保持冷卻劑的冷卻管6H。Z軸7H連接到馬達。列印壁/側壁8H包含加熱器匣9H。在列印壁/側壁8H外有絕緣材料層10H、冷卻管外殼側壁/板 11H 和容納冷卻劑的冷卻管12H。列印零件13H由散佈在列印板2H上的粉末14H形成在列印板2H上。可以至少部分地使用來自列印板2H中的加熱器匣的傳導熱量15H和/或來自列印壁中的加熱器匣的傳導熱量16H在系統1H中維持溫度條件。雷射能量17H可與列印拼貼(print tile)填充率(2x2mm – 10x10 mm)成正比。
附加的雷射源提供聚焦能量以加熱列印板2H中更小和更具體的區域。可以固定雷射束傳輸，並設置光學元件以投射以填充整個列印板2H，或者可以將雷射器安裝在掃描設備上，以便它可以掃描整個列印板2H。可以使用空間光調變器，例如：光學尋址光閥、數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device, DMD)或其他圖案化裝置來圖案化雷射器。雷射可能需要在雷射粉末熔融(Selective Laser Melting, SLM)之前均質化(homogenized)，以實現光束的高度均勻性。均質器可以是反射管、全反射管(Total Internal Reflection, TIR)、衍射光學元件、透鏡陣列或類似物。均質器的幾何形狀通常為正方形，但可以是配置為適合某種圖案的任何幾何形狀。
元件包括附加的雷射源18H(掃描和/或固定&圖案化)。光束19H從雷射源18H發射並導向雷射源18H和雷射均質器21H之間的中繼光學組件20H。在一些實施例中，圖像中繼光學組件34H位於雷射均質器和光閥之間。 從雷射均質器發出的均質化光束22H被引導到445nm波長用於光閥的圖案化位址光源(patterned address light source)23H中。從圖案化位址光源23H發射的藍光24H被引導到藍光/紅外線組合器(Blue/IR combiner)25H中以共線(co-linearly)對準藍光和紅外線雷射器/光源。用於對補償熱雷射源(makeup heat laser source)進行圖案化的光閥26H將一些光傳送到偏振器27H，以拒絕不包括在圖案中的未使用光。元件還可包括用於光閥操作的電驅動源28H，其與元件25H、26H、27H一起構成圖案化單元組件29H。來自圖案化單元組件29H的光被引導到圖像中繼光學組件30H中，用於將光閥圖案化圖像中繼到粉末床。轉向鏡31H用於將光引導到構建腔室中，或者控制雷射該往何處去。雷射束32H可以從掃描鏡反射並聚焦到列印床的子部分，用於列印床的溫度管理。或者，從固定鏡反射的雷射束33H可以聚焦到整個列印床區域(或其中的大部分)。
「第1I圖」說明了使用額外加熱雷射器進行無圖案加熱。在此實施例中，系統1I的列印腔室與先前「第1H圖」描述的相似。元件符號中類似的數字表示類似的結構。如圖所示，雷射區域列印機可以包括來自均質化圖像平面18I的輸入。雷射已經透過反射管、TIR管、衍射光學器件、透鏡陣列或類似機制均質化後來到此平面。從平面18I，具有單一多數偏振態(a single majority polarization state)的光束19I傳播到圖像中繼光學組件21I，該組件改變平面處的光束尺寸並在光閥26I上重建其強度分佈。在通向光閥26I的途中，光束19I還通過光束組合器25I，該光束組合器25I將從投影儀單元23I發射的445nm的圖案化藍光24I與1000/1064nm的紅外線光束19I組合。兩束光束都入射到光閥26I上，這將使得圖案化藍光24I上的圖案在偏振空間中轉移到紅外線光束19I。光閥26I的這種作用是根據動態可調的投影儀單元23I以所需圖案在光束中形成兩個多數偏振態。在撞擊偏振器27I時，光束被分成負圖像和正圖像。正圖像被傳輸到光學圖像中繼透鏡組件30I，該組件通過可移動的萬向鏡20I的反射將光閥正圖像中繼到具有所需拼貼尺寸的列印床。F-Theta光學器件可以存在於萬向鏡20I和列印床之間的某些配置中。負圖像被偏振器27I反射，入射到反射鏡22I上，該反射鏡將負圖像光引導到圖像中繼器34I，該圖像中繼器34I將光耦合到拒絕光均質器35I中。在某些情況下，反射鏡 22I也是一個二向色濾光片(dichroic filter)，允許 1064nm 的光通過它並且只反射1000nm的光。在這種情況下的主要目的是使用不同的方法來均質化不同類型的雷射。管式均質器適用於對相對長脈衝、低相干(low coherence)、低強度的光進行均質化，而衍射元件更適合於對低發散、高相干的光進行均質化。在拒絕光均質器35I的輸出端，均質化圖像被傳遞到最終拒絕光圖像中繼器，該中繼器在拒絕光均質器35I的輸出和列印床之間執行圖像中繼的操作。該圖像中繼可以是固定的，也可以動態調整以改變焦點。焦點可以是很聚焦(tight)，以至於列印床的一小部分被照亮，或者它可以很大，以至於整個列印床都被照亮。最終轉向鏡31I可以固定或允許移動以進一步適應補償熱傳遞過程。
「第1J圖」說明了使用源自於回收光或拒絕光的額外加熱雷射器進行圖案化加熱。在該實施例中，系統1J的列印腔室與先前「第1H圖」及「第1I圖」描述的相似。元件符號中類似的數字表示類似的結構。圖中顯示了從輸入均質化圖像平面18J開始之雷射區域列印機的配置。雷射已經透過反射管、TIR 管、衍射光學器件、小透鏡陣列或類似機制均質化到達該平面。從輸入均質化圖像平面18J，具有單一多數偏振態的光束19J傳送到圖像中繼光學組件21J，該組件改變平面處的光束尺寸並在光閥26J上重建其強度分佈。在通往光閥26J的途中，光束19J還通過光束組合器25J，該光束組合器25J將從投影儀單元23J發射的445nm的圖案化藍光24J與1000/1064nm的紅外線光束19J組合。兩束光束都入射到光閥26J上，這使得圖案化藍光24J上的圖案在偏振空間中轉移到紅外線光束19J。根據動態可調的投影儀單元23J，光閥26J的這種作用以所需圖案在光束中形成兩個多數偏振態。在撞擊偏振器27J時，光束被分成負圖像和正圖像。正圖像被傳送到光學圖像中繼透鏡組件30J，該組件通過可移動的萬向鏡20J反射將光閥正圖像以所需的拼貼尺寸中繼到列印床。F-Theta 光學器件可以存在於萬向鏡20J和列印床之間的一些配置中。負圖像被偏振器27J反射，入射到反射鏡22J上，反射鏡22J將負圖像光引導到圖像中繼器34J，圖像中繼器34J將光耦合到拒絕光均質器35J中。在某些情況下，反射鏡22J 也是一個二向色濾光片，允許 1064nm 的光通過它並且只反射 1000nm 的光。在這種情況下的主要目的是使用不同的方法來均質化不同類型的雷射。管式均質器適用於對相對長脈衝、低相干、低強度的光進行均質化，而衍射元件更適合於對低發散、高相干的光進行均質化。在拒絕光均質器35J的輸出處，均質化圖像被傳遞到圖像中繼器，該圖像中繼器將拒絕光均質器35J的輸出重新建立於第二光閥上。該新的第二光閥的正圖像被允許傳輸通過整個拒絕光圖案化單元組件以傳輸到最終圖像中繼光學器件38J，該光學器件在拒絕能量光閥輸出和列印床之間執行圖像中繼操作。該圖像中繼可以是固定的，也可以動態調整以改變焦點。焦點可以很聚焦，以至於列印床的一小部分被照亮，或者它可以很大，以至於整個列印床都被照亮。最終轉向鏡31J可以固定或允許移動以進一步適應補償熱傳遞過程。
「第1K圖」說明了使用相機和高溫溫度計的熱成像系統。如果需要，可以在列印的每一層上實現詳細的熱成像。在一個實施例中，彩色CCD或CMOS相機7K用於對包含在列印基板或列印板5K頂部之列印物品的列印床4K進行成像。選擇足以解析列印零件特徵的相機7K解析度，以確定跨層之間是否存在溫差。例如，如果我們選擇 16 Mpixel 相機(4000x4000 像素)可用於對 40 cm 的列印床進行成像，可以提供標稱(nominally)100微米的像素解析度。 64 Mpixel 相機 (8000x8000像素) 可用於提供 50 微米像素解析度。在操作中，由於與積層製造系統相關的一些實施例中速度都非常的高，因此列印床的平均溫度也相對較高。列印床4K會在紅外線攝像系統中明顯發光或發光。即使是攝氏 500度的適度溫度也會產生一條黑體曲線(blackbody curve)，其在 1050 奈米處的發射與在攝氏 700 度時可見紅光的相似。或者，可以使用 FLIR 型相機。可以透過使用光學高溫溫度計 2K 對列印床中的單一位置 6K處的溫度為基準點(benchmark)來校準圖像中的溫度。透過使用高溫溫度計進行一些溫度測量並將這些結果與相應的圖像關聯，就可以用低成本建立列印床的空間溫度分佈圖。校準後，高溫溫度計不再被嚴格需要，圖像可用作列印床床溫的獨立監視器。在每個重塗層(recoating layer)開始和結束時拍攝的圖像可用於追蹤重塗的均勻性、列印健康和列印溫度均勻性。如果溫度太低或太高，控制系統可用於透過調整潛在具有空間依賴性的表面加熱等級(the level of surface heating)或根據需要調整床/壁加熱等級以保持列印所需要的等溫環境，來校正溫度不均勻性或整體幅度。通常，需要視窗3K來保護成像設備1K和7K免受在列印過程中可能從列印床4K上脫落的任何粉末、煙灰、灰塵或其他微粒的影響。
「第2圖」說明了流程200以及用於熱控積層製造系統的選定元件。在此實施例中，步驟202，零件幾何形狀和列印熱負載歷史被饋送作為輸入參數。步驟204中，前饋控制器使用零件幾何形狀和列印熱負載歷史來主動生成控制信號。步驟206，列印壁中的加熱器匣對列印零件和周圍粉末施予加熱。步驟208，輻射加熱器對列印零件和周圍的粉末施予加熱。步驟210，列印板中的加熱器匣對列印零件和周圍的粉末施予加熱。步驟212，列印零件由列印板支撐並被粉末包圍。步驟214，雷射能量被施加到粉末層。步驟216，雷射能量熔化粉末並促進固化過程。
「第3圖」說明了列印外殼中不同部分的熱負載示範，其具有將來自不同來源之熱負載平衡的組合，以基本上維持列印零件的等溫條件。等溫製造條件可以減少平均熱負載在層與層間的差異，防止或減少所有三個維度上的空間相關熱翹曲，減少較高的殘餘應力，甚至防止列印零件裂解。提供這樣的等溫條件可以從圖300所示的以時間函數或來自雷射能量的列印床上之層數的平均熱負載來觀察。需要有補償能量(makeup energy)302來平衡來自(一個或多個)圖案化雷射器的熱負載306，使得列印床上的總熱負載是恆定的(虛線等溫線307)。例如，熱負載303從下方施加到列印板。熱負載304被施加到位於列印壁下方1/3處之側壁上的加熱器。熱負載305被施加到位於列印壁下方2/3處的側壁上的加熱器。當這些熱負載加在一起時，就能產生虛線等溫線307所示的基本恆定熱負載。在一些實施例中，提供熱負載之圖案化熱能的量至少部分是由列印零件圖案所確定。此外，所提供的圖案化熱能可以以基本上與列印圖案的比例(fraction)成反比的量來提供。通常，列印相對較大的零件或層的子部分(相對於列印腔室或列印床)將需要很少的圖案加熱能量，而列印小零件或層的子部分將需要大量提供的圖案加熱能量。
受惠於前述的描述和相關圖式中所呈現的、教導的，本領域技術人員將想到本發明的許多修改和其他實施例。因此，應當理解，本發明不限於所公開的具體實施例，並且修改和實施例應當都被包括在權利要求的範圍內。還應理解，本發明的其他實施例可在本文未具體公開的組件/步驟的情況下實施。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
1A:熱控積層製造系統 2A:列印腔室 3A:列印板 4A:列印引擎 5A:定向能量 6A:傳感器 7A:外部加熱系統 8A:內部加熱系統 1B:系統 2B:列印板 3B:加熱器匣 4B:絕緣材料 5B:冷卻管殼體板 6B:冷卻劑流通道 7B:軸 8B:熱流 9B:列印側壁 10B:加熱元件 11B:絕緣材料層 12B:列印壁冷卻管側壁 13B:冷卻劑流通道 14B:雷射能量 1C:系統 2C:列印板 3C:加熱器匣 4C:絕緣材料 5C:冷卻管殼體板 6C:冷卻劑流通道 7C:軸 8C:熱流 9C:列印側壁 10C:加熱元件 11C:絕緣材料層 12C:列印壁冷卻管側壁 13C:冷卻劑流通道 14C:雷射能量 15C:粉末 16C:傳導熱量 17C:傳導加熱器 20C:列印零件 1D:墨水匣 2D:粉末料斗 3D:視窗 4D:粉末撒佈器 5D:粉末撒佈器驅動器 6D:氣體供應管道 7D:氣體返回管道 8D:HEPA過濾器 9D:氣體供應開口 10D:氣體返回開口 11D:Z軸框架 12D:列印板 13D:列印板加熱器 14D:密封板 15D:密封件 16D:底板 17D:柱塞 18D:柱塞密封件 19D:界面板 20D:滾筒 21D:叉車管 22D:燈 23D:粉末門 24D:基板 25D:電子可讀記憶體 1E:系統 2E:列印板 3E:加熱器匣 4E:絕緣材料 5E:冷卻管殼體板 6E:冷卻劑流通道 7E:軸 8E:熱流 9E:列印側壁 10E:加熱元件 11E:絕緣材料層 12E:列印壁冷卻管側壁 13E:冷卻劑流通道 14E:粉末 15E:傳導熱量 16E:傳導熱量 17E:雷射能量 18E:紅外線加熱器 19E:電源 20E:列印零件 1F:系統 2F:列印板 3F:加熱器匣 4F:絕緣材料 5F:冷卻管殼體板 6F:冷卻劑流通道 7F:軸 9F:列印側壁 10F:加熱元件 11F:絕緣材料層 12F:列印壁冷卻管側壁 13F:冷卻劑流通道 14F:粉末 15F:傳導熱量 16F:傳導熱量 17F:雷射能量 18F:紅外線加熱器 19F:電源 18F:垂直氣流 20F:列印零件 1G:系統 2G:列印板 3G:加熱器匣 4G:絕緣材料 5G:冷卻管殼體板 6G:冷卻劑流通道 7G:軸 9G:列印側壁 10G:加熱元件 11G:絕緣材料層 12G:列印壁冷卻管側壁 13G:冷卻劑流通道 14G:粉末 15G:傳導熱量 16G:傳導熱量 17G:雷射能量 18G:紅外線加熱器 19G:電源 18G:垂直氣流 20G:列印零件 1H:系統 2H:列印板 3H:加熱器匣 4H:絕緣材料 5H:冷卻管殼體板 6H:冷卻管 7H:Z軸 8H:列印壁/側壁 9H:加熱器匣 10H:絕緣材料層 11H:冷卻管外殼側壁/板 12H:冷卻管 13H:列印零件 14H:粉末 15H:傳導熱量 16H:傳導熱量 17H:雷射能量 18H:雷射源 19H:光束 20H:中繼光學組件 21H:雷射均質器 22H:均質化光束 23H:圖案化位址光源 24H:藍光 25H:藍色/紅外線組合器 26H:光閥 27H:偏振器 28H:電驅動源 29H:圖案化單元組件 30H:圖像中繼光學組件 31H:轉向鏡 32H:雷射束 33H:雷射束 34H:圖像中繼光學組件 1I:系統 2I:列印板 3I:加熱器匣 4I:絕緣材料 5I:冷卻管殼體板 6I:冷卻管 7I:Z軸 8I:列印壁/側壁 9I:加熱器匣 10I:絕緣材料層 11I:冷卻管外殼側壁/板 12I:冷卻管 13I:列印零件 14I:粉末 15I:傳導熱量 16I:傳導熱量 17I:雷射能量 18I:均質化圖像平面 19I:紅外線光束 20I:萬向鏡 21I:圖像中繼光學組件 22I:反射鏡 23I:投影儀單元 24I:圖案化藍光 25I:光束組合器 26I:光閥 27I:偏振器 30I:光學圖像中繼透鏡組件 31I:最終轉向鏡 34I:圖像中繼器 35I:拒絕光均質器 2J:列印板 3J:加熱器匣 4J:絕緣材料 5J:冷卻管殼體板 6J:冷卻管 7J:Z軸 8J:列印壁/側壁 9J:加熱器匣 10J:絕緣材料層 11J:冷卻管外殼側壁/板 12J:冷卻管 13J:列印零件 14J:粉末 15J:傳導熱量 16J:傳導熱量 17J:雷射能量 18J:輸入均質化圖像平面 19J:紅外線光束 20J:萬向鏡 21J:圖像中繼光學組件 22J:反射鏡 23J:投影儀單元 24J:圖案化藍光 25J:光束組合器 26J:光閥 27J:偏振器 30J:光學圖像中繼透鏡組件 31J:最終轉向鏡 34J:圖像中繼器 35J:拒絕光均質器 38J:最終圖像中繼光學器件 1K:熱成像系統 2K:高溫溫度計 3K:視窗 4K:列印床 5K:列印板 6K:單一位置 7K:相機 200:流程 300:圖 302:補償能量 303:熱負載 304:熱負載 305:熱負載 306:熱負載 307:虛線等溫線 步驟202:零件幾何形狀和列印熱負荷歷史作為輸入參數被饋送 步驟204:前饋控制器使用零件幾何形狀和列印熱負荷歷史來主動生成控制信號 步驟206:列印壁中的加熱器匣對列印零件和周圍粉末施予加熱 步驟208:輻射加熱器對列印零件和周圍的粉末施予加熱 步驟210:列印板中的加熱器匣對列印零件和周圍的粉末施予加熱 步驟212:列印零件由列印板支撐並被粉末包圍 步驟214:雷射能量被施加到粉末層 步驟216:雷射能量熔化粉末並促進固化過程
第1A圖說明一種熱控積層製造系統。 第1B圖說明列印開始前Z台上一種熱控列印板。 第1C圖說明當Z台向下移動，將列印零件埋在列印板上的粉末中，且嵌入的加熱裝置位於列印板和列印壁中。 第1D圖說明一種熱控墨水匣系統。 第1E圖說明使用分段紅外線加熱器進行圖案化加熱。 第1F圖說明使用分段自上而下或角度氣流進行圖案化加熱。 第1G圖說明使用分段交叉床氣流進行圖案化加熱。 第1H圖說明使用額外的加熱雷射器進行圖案化加熱。 第1I圖說明使用額外的加熱雷射器進行無圖案化加熱。 第1J圖說明使用來自回收光或拒絕光之額外的加熱雷射器進行圖案化加熱。 第1K圖說明使用相機和高溫溫度計的熱成像系統。 第2圖說明熱控積層製造系統的程序流程。 第3圖說明基於多圖案化和熱負載應用的一種恆定熱負載展示。
1A:熱控積層製造系統
2A:列印腔室
3A:列印板
4A:列印引擎
5A:定向能量
6A:傳感器
7A:外部加熱系統
8A:內部加熱系統

Claims (20)

  1. 一種積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，包含： 一列印腔室，該列印腔室具有支撐製造材料的一列印床； 一內部加熱系統，內建於該列印腔室並且被配置為將圖案化熱能引導到該列印床和被支撐的製造材料上；以及 一外部加熱系統，用於該列印腔室並配置為將圖案化熱能引導到該列印床和任何被支撐的製造材料上。
  2. 如請求項1所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該列印腔室還包括一墨水匣。
  3. 如請求項1所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該內部加熱系統還包括加熱元件和冷卻元件中的至少一種。
  4. 如請求項1所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該外部加熱系統還包括一紅外線加熱元件。
  5. 如請求項1所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該外部加熱系統還包括一加熱氣流。
  6. 如請求項1所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該外部加熱系統還包括至少一定向雷射器。
  7. 如請求項1所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該外部加熱系統還包括至少一定向雷射器用以提供無圖案化加熱。
  8. 如請求項1所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該外部加熱系統還包括至少一定向雷射器用以提供圖案化加熱。
  9. 如請求項1所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該外部加熱系統還包括至少一使用回收光的定向雷射。
  10. 如請求項1所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中更包括一高溫溫度計。
  11. 如請求項1所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中更包括一相機。
  12. 一種積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，包含： 一列印腔室，該列印腔室具有支撐一可列印材料層之一列印床； 一主要雷射源，其可對準該列印床上之該可列印材料層的一子部分以列印一零件圖案；以及 一二次加熱系統，被配置為將一圖案化熱能引導到該可列印材料層中。
  13. 如請求項12所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該圖案化熱能至少部分地是由列印零件之圖案來決定的。
  14. 如請求項12所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該圖案化熱能根據列印的圖案來進行調整以提供熱均勻性。
  15. 如請求項12所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該圖案化熱能用於補償一列印熱源中空間的熱不均勻性。
  16. 如請求項12所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該圖案化熱能在列印過程中進行多次調整，以根據列印的圖案提供熱均勻性。
  17. 如請求項12所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該二次加熱系統更包括一第二發光加熱元件。
  18. 如請求項17所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該第二發光加熱元件更包括一弧光燈、一紅外線燈、一LED加熱系統或一雷射加熱系統中的至少一種。
  19. 如請求項12所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該二次加熱系統更包括一列印腔室支撐圖案化加熱元件。
  20. 如請求項19所述之積層製造之雷射能量傳遞熱補償系統，其中該列印腔室支撐圖案化加熱元件更包括一電阻加熱器匣陣列、一通道加熱流體、一電控等離子體源、一電弧加熱器、一感應加熱器或一微波加熱器中的至少一個。
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