TWI765889B - 積層製造設備及製造方法 - Google Patents

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歐若拉 雷克夫爾特
艾米爾 約翰哈森
托爾比約恩 艾可林特
厄本 哈迪森
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瑞典商數位金屬公司
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Abstract

一種設備被提供來使用一狹縫模具在一支撐表面的上方將一可輻射固化結構材料擠出，以在該支撐表面上方沉積該擠出的構造材料層。輻射係選擇性地透過一投射單元投射到該支撐表面及該狹縫模具之間的一結構區域，藉此固化該擠出結構材料的部分。該設備重複這些步驟，直到一所需的物體透過該結構材料的相鄰固化部分延伸跨過該等層之間而形成。

Description

積層製造設備及製造方法
本發明係關於一種用於積層製造之設備及方法，尤其關於能夠透過輻射誘導黏性介質固化來形成一或多個所需物品的方法及設備，該黏性介質特別是存在於一液相輻射固化塗料中的懸浮細顆粒。
積層製造涉及透過連續附加材料至部分成型的物體之方式來製造物品。這與減法製造相反，在減法製造中，塊體材料的部分將被移除直到該物體成型。
積層製造有可能允許以具成本效益的方式製造高精度部件或是訂製部件，並且還允許一體成形的幾何形狀的製造，這透過傳統的減法製造技術不能容易地達到。
在積層製造的許多模式中，是透過將結構材料連續地一層沉積到另一層上之方式，並且將每一層的一部分結合在一起，同時將這些部分與下方緊鄰的層其預定結合之部分結合在一起而形成一物體。該物體透過連續結合的區域延伸穿過該等層而形成。然後該等層的未結合部分可以透過適當的技術去除。
這種積層製造技術的實施例包括噴墨粉床3D列印，選擇性雷射燒結及熔融沉積成型。
在這些技術中，一特定上層的結合部分通常由佈置在該上層下方的複數層之結合部分和未結合部分支撐。這限制了可用於積層製造的材料和技術以及可以找到的部件之幾何形狀。
克服這些問題的建議已經被提出，除了所要製造的預期物體之外，支撐部分由位於物體部分的下方之該等層的結合區域形成。這樣的支撐部分可以連接到物體或與物體分離。
然而，這種方法可以增加材料消耗，可以增加製造時間，並且可以使具有特定幾何形狀的部件之生產變得更加困難。
因此，需要一種克服這些問題的積層製造技術。
例如，在先前提出的一種積層製造技術中，透過將可輻射固化液體層連續地沉積到一井中，並選擇性地透過施加輻射至每一層的部分來選擇性地固化每一層的部分而形成物體，藉此製造物體。然而，在這種技術中，每一層的固化部分至少部分由下面的層的未固化部分支撐。由於液體介質具有流動的傾向，所以由這種未固化部分提供的支撐可能不足，且製造物體可能發生變形。為了避免這種變形，通常需要將由固化液體形成的列印物體支撐部分包括在內，其必須接著從完成物體中拋棄，導致上述缺點。
同時提出使用這種技術的改進方法，透過將作為懸浮液(或膠體)的粉末懸浮在可固化液體介質中，透過使用液體添加劑作為構築材料之液體為基礎的積層製造製程，然後透過燒結由液相製程製造產生出的物體，藉此由細粉末製造出陶瓷或金屬構件。
然而，上述提到的技術通常在製造過程中不能透過液相提供對製造物體的足夠支撐。特別地，由於黏性液體的沉積透過例如移動中的一沉積頭部，會傾向沿著其移動方向拖動下層，因此將相對黏稠的金屬或陶瓷顆粒懸浮液沉積在可輻射固化的液體黏合劑中，而不對先前沉積的層施加不需要的剪力係難以達成。
據此，需要一種積層製造設備和方法，其允許可輻射固化液體層的沉積，同時允許製造具有複雜幾何形狀的物體，且提高製造速度及/或減少材料的浪費。
同時需要一種液相3D製造技術，其即使以可固化液相中的懸浮顆粒也可以實現這些優點，其允許實現至少一些提到的優點。
本發明人尤其認識到，通過狹縫模具沉積相對粘稠的液體結構材料可以有利地實現一些上述優點。
據此，有鑑於此，本文之揭示內容在第一方面提供了一種積層製造設備。積層製造設備適於依序沉積黏性結構材料的層以形成一物體。該設備包括一支撐表面。該支撐表面適於在形成期間支撐該物體。該設備包括一狹縫模具。該狹縫模具具有一內部空腔。該空腔適用於容納結構材料。該空腔與形成在該狹縫模具的一下表面中的一狹縫連通。該狹縫適於從該內部空腔擠出結構材料。該設備包括一載具。該載具支撐該狹縫模具。該載具被佈置成允許該狹縫模具沿著一移動方向跨過一支撐表面且在該支撐表面上方移動。該移動用於將一擠出的結構材料層沉積到該支撐表面上。該設備包括一驅動機構。該驅 動機構被佈置成驅使該載具沿一移動方向的移動。該設備包括一投射單元。該投射單元用於將輻射選擇性地投影到一結構區域。該結構區域位於該支撐表面及該狹縫模具之間。該輻射的投射是用於界定形成該物體一部分的擠出層之區域。該設備包括一控制器。該控制器被配置為至少控制該驅動機構。在該設備中，該狹縫模具及該支撐表面可相對移動。該狹縫模具及該支撐表面的相對移動是沿著該狹縫模具及該支撐表面之間的一分離方向。該相對運動允許將結構材料依序地層層沉積。
在一個實施例中，該狹縫模具配置有一加熱單元。該加熱單元用於加熱界定該狹縫的狹縫模具之至少一部分。
在一個實施例中，該狹縫由兩個狹縫半部界定。該狹縫模具配置有一震動器。該震動器適於相對於另一者震動該狹縫的邊緣。
在一個實施例中，該設備配置有一冷卻單元。該冷卻單元適於從該結構區域去除熱量。
在一個實施例中，該冷卻單元包含至少一個氣體供應口。該至少一個氣體供應口可連接到一氣體源。該至少一個氣體供應口被佈置成將氣體吹向該結構區域。
在一個實施例中，該狹縫沿一狹縫指向方向指向。該移動方向垂直於該狹縫指向方向。
在一個實施例中，該分離方向垂直於該狹縫指向方向及該移動方向。
在一個實施例中，該支撐表面是平坦的。該支撐表面界定垂直於該分離方向的一平面。
在一個實施例中，該平面平行於該狹縫指向方向。該平面與該移動方向平行。在一個實施例中，該設備包括一泵。該泵可連接到該結構材料的一儲存處。該狹縫模具具有一進入口。該進入口連接到該泵。前述的連接係使得來自該儲存處的結構材料可以在壓力下從該泵經由該狹縫擠出。
在一個實施例中，該控制器被配置為控制該泵。前述的控制是為了使該結構材料以預定的速率被擠出。
在一個實施例中，該控制器被配置為控制擠出的體積速率及該載具的移動速度。擠出的體積速率及該載具的移動速度以彼此成比例地被控制。
在一個實施例中，該控制器被配置為控制擠出的線性速度及該載具的移動速率。擠出的線性速度及該載具的移動速率以彼此相等地被控制。
在一個實施例中，該投射單元包含一輻射源。該輻射源適於產生一輻射束。該投射單元包含一圖案形成單元。該圖案形成單元被該輻射束照射。 這樣的照射適於圖案化該輻射束。該投射單元包含一投射光學元件。該投射光學元件適於將該圖案的一圖像投射到一平面上。該平面被界定在該支撐表面及該狹縫模具之間。前述之投射是為了選擇性地向該平面施加輻射。因此，基於透過該圖案形成單元對該輻射束的圖案化，選擇性地施加輻射到該平面上。
在一個實施例中，該圖案形成單元係一空間光調制器。
在一個實施例中，該圖案形成單元係一數位光處理器。
在一個實施例中，該投射單元包含一輻射源。該輻射源適於產生一輻射束。該投射單元包含一掃描光學元件。該掃描光學元件適於跨越該平面掃描該輻射束。該平面界定於該支撐表面和該狹縫模具之間。
在一個實施例中，該輻射束係一間歇性輻射束，且前述之掃描用以選擇性地將輻射作為一光柵圖像施加到該平面。
在一個實施例中，掃描是為了選擇性地將輻射作為一向量圖像施加到該平面。
在一個實施例中，該輻射束的輻射係一電子束。
在一個實施例中，該輻射束的輻射係一紫外光或可見光。
在一個實施例中，該設備包含一井。該設備包含一升降機構。該支撐表面可沿該分離方向移動到該井中。前述之移動是藉由該升降機構。
在一個實施例中，該井具有一內壁。該支撐表面配置有一邊緣密封件。該邊緣密封件被配置為密封該內壁。
在一個實施例中，該井的一頂部被一傾斜表面包圍。該傾斜表面向下傾斜遠離該井的頂部。
在一個實施例中，該支撐表面被配置有一或多個冷卻元件。該冷卻元件適用於從支撐表面移除熱量。
在一個實施例中，井具有一或多個冷卻元件。該一或多個冷卻元件用於冷卻該井的壁。在一個實施例中，該一或多個冷卻元件包含複數個通道。該等通道可連接到一冷卻液源。該等通道被佈置成運送該冷卻液。
在一個實施例中，該一或多個冷卻元件包含一熱電冷卻器。
在一個實施例中，該井具有恆定的一橫切面。該支撐表面具有對應於該井的橫切面之一形狀。
在一個實施例中，該井為矩形。
在一個實施例中，該控制單元被配置為控制該投射單元。前述之控制係依據該驅動機構。前述之控制是為了該載具每一次跨過該支撐表面的移 動中，投射一系列不同的部分圖像。每一部分圖像與一或多個其他部分圖像重疊。
在一個實施例中，該控制單元被配置為控制該投射單元。前述之控制使得每一部分圖像包含獨立的像素。當該等部分圖像重疊時，獨立的該等像素由多個部分圖像的其他部分圖像連接。在一個實施例中，該控制單元被配置為控制該投射單元。前述之控制使得每一部分圖像具有一圖案。該圖案是與多個圖像的剩餘部分的一或多個圖案結合之一圖案，以形成一均勻投射區域。
在一個實施例中，該圖案係一偽隨機圖案。
在一個實施例中，該結構材料係一液體介質。該液體介質係可輻射固化的。
在一個實施例中，該液體介質係可聚合的。
在一個實施例中，該顆粒材料係一陶瓷。
在一個實施例中，該陶瓷係氮化物。
在一個實施例中，該陶瓷係氧化物。
在一個實施例中，該陶瓷係碳化物。
在一個實施例中，可輻射固化的該液體介質係紫外光固化或可見光固化的。
在一個實施例中，可輻射固化的該液體介質是電子束固化的。
在一個實施例中，該顆粒材料係金屬粉末。
在一個實施例中，該顆粒材料的平均直徑小於5微米。
在一個實施例中，該顆粒材料的平均直徑小於2微米。
在一個實施例中，該投射單元被配置為投射解析度優於10微米的圖像。
在一個實施例中，該投射單元由另外的一載具支撐。另外的該載具被佈置成允許該投射單元的一投射位置移動。前述之移動是沿著一移動方向及一橫向且跨過該支撐表面並位於該支撐表面上方。該橫向垂直於該移動方向。該設備包含另外的一驅動機構。另外的該驅動機構被佈置成驅使另一載具沿著該移動方向及該橫向移動。
在一個實施例中，該設備還包含一氣罩。該氣罩用於向該氣體層的投射單元之投射區域供應氣體。
在一個實施例中，該氣罩從該投射單元上懸掛。
在一個實施例中，該氣罩係可縮回地遠離該支撐表面。
在一個實施例中，該氣罩被佈置成實質上圍繞從該投射單元投射出的輻射之至少一部分。
在一個實施例中，該氣罩具有一下開口。該下開口被佈置成面向該投射區域。
在一個實施例中，該氣罩具有一上開口。該上開口用於允許從該投射單元投射出的輻射通過。
在一個實施例中，該上開口被配置有一輻射透明板。
在一個實施例中，該氣罩的一上部分是輻射可穿透的，用於允許從該投射單元投射出的輻射通過。
在一個實施例中，該氣罩被配置成供應一惰性氣體。
在一個實施例中，該氣罩被配置成供應一冷卻氣體。
在另一方面，本文之揭示內容提供了形成一物體的一方法。該物體由一結構材料之依序沉積的層形成。該方法包含一系列重複形成的步驟。該等步驟包括使用一狹縫模具在一支撐表面的上方擠出可輻射固化的一結構材料，同時沿著一移動方向且在該支撐表面上方並跨過該支撐表面而相對地移動 該狹縫模具，以在該支撐表面上方沉積一所述的結構材料層。該等步驟包括將輻射選擇性地投射到該支撐表面及該狹縫模具之間的一結構區域，藉此固化擠出的結構材料之部分以界定形成該物體的一部分之擠出層的區域。該等步驟包括沿該狹縫模具及該支撐表面之間的一分離方向相對移動該狹縫模具及該支撐表面。
在一個實施例中，黏性結構材料係一顆粒材料在一可輻射固化液體介質中之一懸浮液。
在一個實施例中，該顆粒材料係一陶瓷或一金屬粉末。
在一個實施例中，該液體介質係可輻射固化以形成一聚合物。
在一個實施例中，該顆粒材料的平均直徑小於5微米，選擇性地小於2微米。
在一個實施例中，該輻射係紫外線輻射、可見光輻射或電子束輻射。
該方法可以使用該第一方面的設備來執行，並且可以應用任何揭示的實施例之特徵。
100:積層製造設備
110:狹縫模具
111:第一狹縫模具部分
111a:傾斜表面
112:第二狹縫模具部分
113:狹縫模具空腔
114:狹縫
115:狹縫模具進入口
116:狹縫模具通道形成元件
117:狹縫加熱元件
118a:狹縫模具震動器
118b:狹縫模具震動器驅動桿
120:構建平台
121:構建平台上表面
121a:密封件
122:構建平台升降機
123:構建平台下表面
124:井
124a:頂部邊界
124b:傾斜表面
125:井冷卻元件
126:平台冷卻元件
130:狹縫模具載具
140:狹縫模具載具引導件
150:狹縫模具載具驅動部
151:狹縫模具載具驅動馬達
152:狹縫模具載具驅動螺絲
160:投射單元
160’:投射單元
161:投射孔
161’:孔
162:照明源
162’:照明源
163:成形透鏡
163’:光學元件
164:空間光調制器
164’:折疊鏡
165:第一投射光學元件
165’:第一反射鏡
166:最終投射元件
166’:第二反射鏡
170:氣體供應單元
171:氣體供應口
190:投射單元驅動部
191:投射單元驅動支撐件
192:投射單元X驅動軌道
193:投射單元X驅動載具
194:投射單元Y驅動載具
195:投射單元Y驅動軌道
260:投射單元
267:氣罩
267a:下表面
267b:下開口
267c:上開口
267d:上表面
267e:側壁
268:氣體供應口
269:縮回單元
360:投射單元
367:氣罩
367a:下表面
367b:下開口
367c:上開口
367d:上表面
367e:側壁
367f:輻射透射元件
368:氣體供應口
369:縮回單元
B:區域
C:圓形區域
G:間隙
L:層
M:擠出材料
P:圖像平面
R:輻射束
S:射出區域
U:區域
AX:光軸
為了更好地理解本發明，並且為了示出如何以相同方式執行來達成功效，藉由僅為示例的附圖提供參考，其中：圖1示出了根據本文之揭示內容的一積層製造設備的一垂直切面；圖2示出了圖1所示的積層製造設備之一平面圖；圖3示出了在擠出操作中積層製造設備的狹縫模具之一橫切面；圖4示出了投射操作中圖1的設備之一投射單元； 圖5示出了用於解釋一種投射模式的圖1之設備的簡化平面圖；圖6示出了圖5的變型，示出了另一種投射模式；圖7示出了適於在圖1的設備中使用的一投射單元之一第一配置；圖8示出了適於在圖1的設備中使用的一投射單元之一替代變型；圖9A示出了具有一氣罩的圖6之投射單元的變型；圖9B示出了具有一氣罩的圖6的投射單元的另一變型；圖10A示出了在一射出區域中的圖案之疊加的一第一模式；圖10B示出了在一射出區域中的圖案之疊加的一第二模式；圖11示出了圖1的設備之控制佈置的方塊圖；圖12示出了說明根據本文之揭示內容的積層製造方法之流程圖。
圖1示出了實施本文之揭示內容之積層製造設備的實施原理。
在圖1中，積層製造設備100包括懸掛在構建平台120上方的狹縫模具110。構建平台容納於井124中。狹縫模具110可以透過狹縫模具載具130從圖中的左至右沿一第一方向(X)移動運行。
狹縫模具載具130被支撐在狹縫模具載具引導件140上。狹縫模具載具引導件140沿該(X)方向運行並且提供一個承載表面，在該承載表面上狹縫模具載具130被佈置成可滑動。例如，狹縫模具載具引導件140可以提供一平坦的上表面，其與被配置在狹縫模具載具130的一下表面中的滾動軸承配合，以允許狹縫模具載具130相對於狹縫模具載具引導件140的滑動移動。或者，其它軸承例如平滑軸承、空氣軸承或其它可以應用於本領域已知的軸承。
狹縫模具載具引導件140係從垂直於狹縫模具載具130的移動方向之一方向(Y方向)與狹縫模具110分離，且狹縫模具載具130在該方向(Y方向)上延伸以允許狹縫模具110，支撐在狹縫模具載具130上，以沿垂直於狹縫模具110的移動方向(X方向)之一方向及該狹縫模具從該狹縫模具載具引導件的分離方向(Y方向)之一方向跨過狹縫模具載具引導件140。
參考圖2可以更容易地看到這種構造，圖2是圖1所示的設備的平面圖。在圖2中，可以看出，提供了兩個狹縫模具載具引導件140，它們彼此分離(在該Y方向)，它們之間支撐著狹縫模具載具130。當然，在替代實施例中，例如，僅需要提供一個狹縫模具載具引導件140，雖然提供了兩個狹縫模具載具引導件140沿著垂直於該狹縫模具110的移動方向之一方向佈置在狹縫模具110的兩側上，可以改善該設備的穩定性。
從圖2還可以看出，狹縫模具載具130被配置成具有沿著該狹縫模具的移動方向(X方向)佈置在該狹縫模具110的其中一側上的兩個狹縫模具載具部分。再者，在替代實施例中，僅需要提供一個狹縫模具載具部分，例如在該狹縫模具的一側或另一側上。然而，沿著該狹縫模具的移動方向在該狹縫模具110的兩側配置有一狹縫模具載具部分可以改善該設備的穩定性。在一些實施例中，例如，該狹縫模具載具130可以與該狹縫模具110一體成型，或者換句話說，狹縫模具110可以由狹縫模具載具引導件140直接支撐，在這種情況下，狹縫模具載具引導件140將作為一狹縫模具引導件而不是一狹縫模具載具引導件。
再次參考圖1，狹縫模具載具130可以透過一狹縫模具載具驅動部150沿狹縫模具110的移動方向(X方向)移動。這裡的狹縫模具驅動部150包含狹縫模具載具驅動馬達151，其轉動狹縫模具載具驅動螺絲152。狹縫模具載具驅動螺絲152本身沿著狹縫模具110的移動方向(X方向)上指向並平行於狹縫模 具載具引導件140。狹縫模具載具驅動螺絲152與形成在狹縫模具載具中的螺紋配合，使得狹縫模具載具驅動螺絲152的轉動施加一力量沿著狹縫模具110的移動方向(X方向)來移動狹縫模具載具130，沿著該狹縫模具110的移動方向(X方向)支撐狹縫模具110。狹縫模具載具驅動螺絲152透過狹縫模具載具驅動馬達151的反向旋轉允許狹縫模具110沿相反方向(負X方向)縮回。
如圖2所示，對應的一狹縫模具載具驅動馬達151及對應的一狹縫模具載具驅動螺絲152以類似的方式被佈置在狹縫模具載具引導件140上方。該雙驅動構造可有助於狹縫模具110的穩定運動。
然而，在其他實施例中，不需要提供包括第二狹縫模具載具驅動馬達及第二狹縫模具載具驅動螺絲的這種第二狹縫模具載具驅動裝置。在另外的實施例中，可以提供一簡單的支撐軌道具有，例如用於支撐狹縫模具載具130的軸承，來代替該第二狹縫模具載具驅動馬達及該第二狹縫模具載具驅動螺絲。
在另外的替代實施例中，如果狹縫模具載具驅動螺絲152及第二狹縫模具載具驅動螺絲(或適當的支撐軌道)可以完全承受狹縫模具110及狹縫模具載具130的重量，則可能可以省略分離的狹縫模具載具引導件140。
圖1中也示出了氣體供應單元170。氣體供應單元170沿狹縫模具110的移動方向(X方向)被佈置在狹縫模具110的一側。在本實施方式中，氣體供應單元170被佈置為相對於狹縫模具110的移動方向(X方向)跟隨在狹縫模具110的一側。或者，氣體供應單元170可以沿該狹縫模具移動方向(X方向)被佈置在狹縫模具110的一前側上。氣體供應單元170具有形成在該氣體供應單元170的一下表面中的一或多個氣體供應口171，並且因此被佈置成面向構建平台120。
氣體供應單元170的構造也可以在圖2的平面圖中看到，其中示出了氣體供應單元170具有佈置成面向構建平台120的複數個氣體供應口171。
在替代的配置中，可以提供單個氣體供應口，其延伸跨越例如由圖2中的氣體供應口171覆蓋的區域。
每個氣體供應口可以配置有一多孔元件，例如一多孔陶瓷板，以擴散氣體流。這種構造可以避免氣體噴射所產生的力干擾來自該狹縫模具的沉積材料。
氣體供應單元170連接到可以配置於該設備中的一氣體供應件(未示出)，或者可以被配置作為對該設備的一服務處，例如作為該設備110安裝於其中的設施所設置之一壓縮空氣管線或乾燥氮氣管線。
當氣體供應單元170被固定在狹縫模具110上時，當受到狹縫模具驅動部150沿著狹縫模具110的移動方向(X方向)驅使，氣體供應單元170，與狹縫模具110一起移動。或者，在各種實施例中，氣體供應單元170可以配置在其本身獨立的載具上。
圖1中還示出了投射單元160。投射單元160被配置於狹縫模具110的上方，並且還被佈置成沿著一第一方向(X方向)在構建平台120上方移動，其在圖1所示的構造中，與狹縫模具110的移動方向(X方向)一致。投射單元160由投射單元載具194支撐，由於在下文中顯而易見的理由，以下將其稱為一投射單元Y驅動載具194。
參考圖2最容易理解投射單元160的支撐方式。投射單元160直接由投射單元Y驅動載具194支撐，其可沿垂直於狹縫模具110的移動方向(X方向)之一方向移動地安裝，其將被稱為橫向(Y方向)。
在圖1(及圖2)的實施例中，投射單元Y驅動載具194包含一Y驅動馬達(未示出)，其與沿著該橫向(Y方向)且在構建平台120上方延伸之投射單元Y驅動軌道195配合，例如透過本領域中可能已知的一齒條及小齒輪驅動件或其它合適的驅動件。例如，作為替代方案，一皮帶驅動件或車輪及表面驅 動件可以等效地用於允許投射單元驅動載具194沿著該橫向(Y方向)在投射單元Y驅動軌道195上移動。
投射單元Y驅動軌道195(在替代實施例中僅需要提供一個)在投射單元X驅動載具193之間延伸，其被佈置在沿著投射單元160的橫向(Y方向)之其中一側上。
投射單元X驅動載具193各自被佈置成可以在投射單元X驅動軌道192上的狹縫模具110之移動方向(X方向)上移動。這樣的移動可以與在投射單元Y驅動軌道195上的投射單元Y驅動載具194之移動相似的方式被驅動。
投射單元X驅動軌道192由對應的投射單元驅動支撐件191支撐。
投射單元驅動支撐件191、投射單元X驅動軌道192、投射單元X驅動載具193、投射單元Y驅動軌道195及投射單元Y驅動載具194一起構成投射單元驅動部190。
投射單元X驅動軌道192沿著狹縫模具110的移動方向(X方向)上延伸，並且相對於狹縫模具載具引導件140相對於狹縫模具110向外佈置。
同時，如圖1所示，投射單元驅動部190及投射單元160被佈置在狹縫模具載具130及狹縫模具110的上方。然而，這種佈置不是強制性的，並且其它安裝配置可能達到至少一些相同的功能。具體來說，雖然具有X驅動軌道192及Y驅動軌道195的投射單元驅動部190係基於如同狹縫模具載具驅動部150的一對應坐標系統，在該系統中投射單元160在與狹縫模具110的移動平面平行的一平面中移動，但是這不是強制性的。一替代的坐標系統可以用於投射單元160的移動。例如，投射單元160可以由佈置成沿著一投射單元徑向驅動軌道移動的替代的一徑向驅動載具來支撐，其接著被佈置成圍繞在投射單元160的一移動平面內的一端旋轉，使得投射單元160的位置可以根據極坐標而不是如圖1及圖2所示的笛卡爾坐標設置。
投射單元160具有投射孔161，例如紫外線輻射、可見光輻射或電子束輻射的輻射可以通過投射孔161投影到投射單元160下方。由投射單元驅動部190提供的投射單元160之移動配置的結果，輻射可以從在構建平台120上的點範圍之上的位置投射，其範圍在兩個維度上延伸。因此，輻射可以從一預定區域內的位置被投射。
類似地，如參照圖2可最容易看到的，狹縫模具110具有在該橫向(Y方向)上延伸並在橫向方向上延伸越過構建平台120的整個寬度之狹縫134，使得透過狹縫模具110沿移動方向(X方向)之移動，構建平台120上的所有點可以被佈置在狹縫134的下方。
如圖2所示，構建平台120在由上構件(XY平面)限定的平面中具有大致呈矩形的一橫切面，其平面大致平坦且與狹縫模具110的該移動方向(X方向)及橫向(Y方向)對齊。然而，在其他實施例中，構建平台120的橫切面可以是另外的形狀，例如正方形、圓形、多邊形或另外可能需要的形狀。
同時，從圖2可以理解，氣體供應單元170的氣體供應口171被佈置成透過狹縫模具載具驅動部150的狹縫模具110之移動，以及氣體供應口171橫跨構建平台120的寬度方向(Y方向)之佈置，而能夠將氣體供應到構建平台120的表面上實質上所有位置。
或者，氣體供應單元170可以不可移動地安裝在井124之上，但是可以相對於井124與氣體供應口固定在適當位置，或氣體供應口被佈置成向實質上井124的整個開放頂部區域提供冷卻氣體。例如，一或多個氣體供應口可以被佈置成在井124的上方和周圍，以從圍繞井124的多個位置將冷卻氣體向內及向下引導到實質上井124的整個開放頂部區域。
同樣如圖1所示，構建平台120可透過構建平台升降機122相對於垂直於構建平台上表面121的方向(Z方向)移動(特別是可縮回的)。構建平 台升降機122，如圖1所示形成為兩柱，其被佈置成從構建平台之下表面123沿著正交於構建平台之上表面121的一方向(Z方向)延伸，並且藕接到導致構建平台升降機122縮回的驅動單元(未示出)。
構建平台120位於井124中。井124具有恆定的內部橫切面，從一頂部邊界124a沿著正交於構建平台之上表面121之方向延伸。井124的橫截面與構建平台120的橫截面在正交於構建平台上表面121之方向(Z方向)上相同。這允許構建平台120透過構建平台升降機122在該井內自由地上升及下降。
密封件121a配置成與構建平台120鄰接以在構建平台120的邊緣與井124的壁之間進行密封。這樣的密封件可以被配置成，例如透過將一連續彈性珠，例如O形環設置在形成於構建平台120周圍的一凹槽中。或者，可以提供本領域已知的彈性刮刷或其它密封件。
要注意到的是，除了上述之外，可以提供另一種配置，其中是逐漸升高狹縫模具110，而不是逐漸降低構建平台120。這可以相對於構建平台120以對應之井124的壁或不以對應之井124的壁來達成。然而，現有構造被認為是特別容易建構。
據此，狹縫模具110及例如狹縫模具載具驅動部150的配合部件，以及井124都由設備100的一主框架(未示出)支撐，其在例如一工廠地板的一穩定表面上支撐該裝置，且構建平台120相對於該主框架縮回。
如在圖1中可見的，井124的頂部邊界124a配置有一傾斜表面124b，其向下並遠離井124的頂部邊界124a傾斜。因此，任何落在井124的內部橫切面之外的材料可以在重力的作用下斜表面124b向下遠離該設備100的工作部件流動、滑動或滾動。
圖1中還示出了井冷卻元件125，其被配置於井124的壁中以圍繞井124。在一種構造中，這些井冷卻元件125可以是適於輸送來自一冷卻液體源 的一冷卻液體之通道，例如一冷卻機(未示出)。在另一個變型中，井冷卻元件125可以是熱電冷卻機，例如珀爾帖冷卻元件或本領域中可用的其它冷卻元件。井冷卻元件125允許井的壁124被冷卻，以便從該井內除去熱量。
構建平台120還配置有平台冷卻元件126形式的冷卻元件。平台冷卻元件126用於從構建平台上表面121上方的區域移除熱量。平台冷卻元件可以是與冷卻元件125相同或不同類型的冷卻元件。平台冷卻元件126嵌入在構建平台120中。在一些實施例中，平台冷卻元件126定位在構建平台上表面121下方的一小距離處。
狹縫模具110的操作現在將參考圖3進行說明。狹縫模具110主要由兩部分組成，一第一狹縫模具部分111及一第二狹縫模具部分112。第一狹縫模具部分111及第二狹縫模具部分112被沿橫向(Y方向)佈置以延伸狹縫模具110的全部寬度。第一狹縫模具部分111及第二狹縫模具部分112一起配合以界定狹縫模具空腔113，其也實質上貫穿該狹縫模具的全長。
狹縫模具空腔113透過狹縫模具空腔的壁(未示出)在橫向端部(Y方向端部)封閉。狹縫模具空腔113開口於具有一狹縫模具進入口之狹縫模具110的一頂部，其可不跨越狹縫模具110在該橫向(Y方向)上延伸該全寬。狹縫模具空腔113在位於狹縫模具110底部的狹縫114處開口，其沿橫向(Y方向)實質上延伸狹縫模具110的整個寬度。狹縫114因此是高度延長的，在該橫向上相對較長，但在該移動方向上相對較窄。
例如，為了配置有窄長的一狹縫，狹縫114的長度可以大於10cm，並且可以窄於500微米。在一些配置中，狹縫可以窄於300微米、窄於250微米、窄於200微米或窄於100微米，在每種情況下，寬度的測量係垂直於狹縫114的一延伸方向測量。在本實施例中，狹縫114的延伸方向對應於該橫向(Y方向)。因此，狹縫114沿該橫向(Y方向)指向。
當然，狹縫114也可以與該橫向相差一角度。然而，在特定實施例中，狹縫延伸方向到該狹縫模具110的移動方向(X方向)的角度被認為可以小於20度、小於15度、小於10度或小於5度。
在一些實施例中，該狹縫114的寬度可以是可調節的。該狹縫114可調節的寬度可以配置為，例如，在第一狹縫模具部分111及第二狹縫模具部分112之間插入附加墊片(剛性間隔件)，以將狹縫模具的複數個部分一一分隔，同時保持狹縫模具空腔113實質上的完整性。
或者，可以提供彈性間隔件，例如橡膠匣。透過這樣的結構，固定螺釘或調節螺栓可以被配置用於在第一狹縫模具部分111及第二狹縫模具部分112之間施加可變的夾緊力，以壓縮該彈性間隔件並使狹縫114的邊緣更靠近在一起，相反地，減少夾緊力將允許狹縫114的邊緣分開。
狹縫模具110配置有狹縫模具通道形成元件116，其蓋住空腔113並且允許在狹縫模具通道形成元件116中形成的一通道與狹縫模具進入口115之間的連通。液體結構材料可以經由泵(未示出)連續地通過狹縫模具通道形成元件116及狹縫模具進入口115抽送出以填充狹縫模具空腔113。
狹縫114非常窄，以至於即使當狹縫模具空腔113填充有一相對粘稠的液體時，由於狹縫114的表面張力之作用，該液體將趨於不通過狹縫114溢出。然而，隨著更多的液體經由狹縫模具通道形成元件116及狹縫模具進入口115打入狹縫模具空腔113中，狹縫模具空腔113中的壓力升高，且狹縫模具空腔113中的材料然後被迫穿過狹縫114。
對於特定類型的液體，特別是所謂的剪切稀化液體，當經受剪切應變時，液體表現出黏度的降低。狹縫模具110具有傾斜表面111a，其狹縫模具空腔113的橫切面積逐漸從空腔113的主要部分朝狹縫114變窄。當空腔113的橫切面積逐漸受到限制時，液體從空腔113朝向狹縫114的流動傾向於剪切。因此， 在適當增加的壓力下，剪切稀化液體將特別容易地被分配通過狹縫114。即使傾斜表面111a不存在，也可以觀察到這種效應，例如傾斜表面111a透過一或多個步驟接近。
在一適當的高壓下，儘管具有相對較高的黏度，非剪切稀化液體甚至可以被成功地分配通過狹縫114。
在狹縫模具空腔113中可實現的典型壓力包括超過例如2巴的壓力。
狹縫模具110還設置有狹縫模具加熱元件117，其在本實施例中佈置在狹縫114附近。狹縫加熱元件117向狹縫模具空腔113中的液體提供熱量，特別是對液體接近狹縫114的槽。狹縫模具加熱元件117可以例如是熱電加熱元件，電阻加熱元件或承載來自熱液體源(未示出)供應的熱水或熱油的加熱液體的通道。
雖然在狹縫模具110的每一半部上示出了三個這樣的狹縫模具加熱元件117，總共為六個，但這純粹是示例性的，並且可以提供多於或少於這個數量，並且在替代佈置中。例如，這樣的加熱元件可以僅配置在狹縫模具空腔113的一側或另一側上。
在本實施例中，狹縫模具加熱元件117相對於狹縫模具空腔113的頂部及底部大致均勻地設置。據此，狹縫模具加熱元件117被配置成將熱量施加到狹縫模具空腔113的整個高度。在其他實施例中，狹縫模具加熱元件117可以集中在狹縫附近，或者可以僅配置在狹縫114附近，並且可以在狹縫114相對更遠的位置處較不密集地配置或甚至不存在。
如果狹縫模具110由例如銅或鋁之較高導熱性的材料製成，然後與當狹縫模具110由例如鋼之相對較低導熱性的材料製成的情況相比，可以提供 相對較少的狹縫模具加熱元件117。在後一種情況下，可以提供相對更多的狹縫模具加熱元件117。
在一些配置中，狹縫模具110的外部可以絕熱以防止熱損失，以改善利用狹縫模具加熱元件117來加熱狹縫模具的效率。
狹縫模具加熱元件117能夠提高狹縫模具空腔113中的液體溫度，以便在藉由狹縫114擠出之前降低其黏度。因此，應用狹縫模具加熱元件117可以控制液體通過狹縫的通道，並且還可以以一定的比率降低通過狹縫114的擠出材料所需的壓力。
在其他實施例中，狹縫模具加熱元件117可以佈置在第一狹縫模具111及第二狹縫模具112中的一個或另一個中
狹縫模具110還配置有狹縫模具震動器118a，其定位在第一狹縫模具部分111上，並且透過耦合到狹縫模具震動器驅動桿118b，能夠相對於第二狹縫模具部分112震動第一狹縫模具部分111。在本實施例中，狹縫模具震動器118a向狹縫模具震動器驅動桿118b施加交替的推拉力，其交替地將狹縫114的邊緣推開並將其拉在一起。這種震動可以透過機械裝置來實現，例如透過一旋轉凸輪接觸位於狹縫模具震動器118a內的狹縫模具震動器驅動桿118b之一端部，電磁裝置，例如透過交替地驅動一電磁圈，該電磁圈耦合到位於狹縫模具震動器118a內的狹縫模具震動器驅動桿118b之端部，或通過壓電裝置，其中一壓電裝置定位在狹縫模具震動器118a中交替地推動或拉動狹縫模具震動器驅動桿118b。其他震動機構是可能的，包括在將震動葉片定位於狹縫114的一剩餘處，或者簡單地為整個狹縫模具提供機械震動。這種震動傾向於破壞表面張力，並允許材料更容易地被擠出通過狹縫114。
震動，特別是超音波震動也可用於誘導特定液體變稀。在一些變型中，狹縫模具震動器118a可以適於提供高頻或超音波震動以達成這一點。
狹縫模具震動器118a的致動可以用於減少從狹縫模具空腔113經由狹縫114擠出液體所需的壓力，或者調整發生這種擠出的質量速率。
現在將參考圖1，使用圖3解釋設備100的層沉積操作。
在設備100的一層沉積操作開始時，狹縫模具110處於起始位置，使得狹縫134相對於井124的頂部邊界124a的左側(負Y方向側)定位。一所需的結構液體經由泵(未示出)通過狹縫模具進入口115抽送出以填充狹縫模具空腔113，且加熱元件117及狹縫模具震動器118a被啟動。值得注意的是，取決於液體和所需的沉積速率，狹縫模具加熱元件117及狹縫模具震動器118a不需要被致動，或者只有一個或另一個可以致動。在一些情況下，將材料抽送到狹縫模具空腔113並藉此提升狹縫模具空腔113內的壓力，就足以達到使結構材料從狹縫模具空腔113通過狹縫114擠出之功效。
一旦開始擠出材料，由於狹縫114相對於井124的位置，首先擠出的材料落在傾斜表面124b上，並且通過重力的作用從設備100的工作部件輸送離開。一旦擠出已經開始，狹縫模具載具驅動部150被致動，以推動狹縫模具110以一受控制速度跨越構建平台120，直到狹縫114位於井124的頂部邊界124a的最右側(正X方向側)。
現在參考圖3，隨著狹縫模具110沿方向A移動(其對應於圖1中的X方向)，擠出的材料M從狹縫114沉積到構建平台110上並形成沉積層L。
材料M的擠出速率可以與狹縫模具110在方向A上之移動協調地被控制，使得材料M的線性擠出速率實質上對應於或相同於狹縫模具110沿方向A移動之速度，這種協調的效果使材料M以類似於例如展開一地毯的方式作為層L沉積到構建平台120上，使得沒有剪切(或拖動)力施加到層L已經沉積的部分或構建平台120。
一旦已經沉積了一單層，狹縫模具110可以透過狹縫模具載具驅動部150返回到初始(最左，負X方向)位置，並且可以沉積一另外的層。即使對於相對黏稠的沉積材料M，一另外的層L可以沉積在一預先沉積的層L的頂部上，而不對先前沉積的層施加實質的力。
在圖1及圖3中，為便於參考，誇大了狹縫114與平台120的間隔。在一個實施例中，狹縫114可以僅在井124頂部上方隔開一短距離。例如，狹縫114可以佈置成在井124的頂部上方小於1毫米、小於500微米、小於300微米、小於200微米或小於100微米。
一旦已經沉積了一第一層，為了允許一另外的層有足夠的空間用於沉積，構建平台120可以透過構建平台升降機122，在沉積該下一層之前，在對應於一層L的厚度的短距離內縮回。
在一些構造中，在沉積該第一層之前，構建平台120可以已經縮回了對應於一第一層的厚度之一短距離，使得井124的壁產生穩定該第一層的作用。在其它構造中，每層沉積在井的壁上方，且當該等層下沉到井中時，井124的壁接著穩定該等層。
透過這樣的處理，可以依序沉積許多層，而不會施加力去沉積一上層，且實質上不干擾預先沉積的該等層。
在層沉積過程中，可以選擇擠出速率以施加厚度小於250微米，特別是小於100微米的複數層。在本實施例中，該等層在連續層之間可以不具有均勻的厚度，但是一層厚可以根據需要而變化。
透過使用與使用狹縫模具震動器118a相關聯的剪切稀化效應，或與使用狹縫模具加熱元件117相關的熱效應，可增強例如避免最上層的沉積干擾先前沉積的層的一程序之能力。
特別地，如果在擠出後不久的擠出材料M之黏度大於先前沉積的材料之黏度，則先前沉積的層將對在沉積一另外的層期間施加的任何力具有更大的彈性。
現在參考圖1，可以理解的是，透過冷卻先前沉積的複數層使得它們的黏度增加，使用複數井冷卻元件125及/或平台冷卻元件126可以有利於增加先前沉積的複數層之黏度。這種方法還可以有助於形成一系列穩定的層，不受其他層L沉積的干擾。
為此，同時，在沉積操作期間狹縫模具110跨越通過井124時，氣體供應單元170可以被致動以通過氣體供應口171噴出冷卻氣體。當狹縫模具110沿該狹縫模具移動方向(X方向)移動跨過井124時，通過氣體供應口171施加冷卻氣體，其係朝著井124導向，還可以提供在一層被沉積時快速冷卻該層之效果。
或者，狹縫模具110跨越通過井124時沉積一材料，其中氣體供應單元170不會向沉積材料提供冷卻，可以接著在藉由氣體供應單元170及氣體供應口171提供冷卻氣體通過之期間，狹縫模具110的後續冷卻通過。在前述變體實施例中，氣體供應口被佈置成在井124的上方及周圍，以將冷卻氣體從井124周圍的多個位置向內且向下引導到實質上整個井124的開口頂部區域，一冷卻氣體流可以連續被提供。
因此，當構建平台120逐漸下降到井124中時，揭示的設備100之幾個特徵可以使得一系列穩定的層能夠形成在構建平台120上。
圖4說明了投射單元160的操作。投射單元160具有投射單元孔161，輻射束R可以通過投射單元孔161投射到一圖像平面P上。圖像平面P對應於在一沉積層L的厚度內之一圖像平面，其位於狹縫114及構建平台120之間。圖像平面P通常將對應於包含在最近的沉積層L內之一平面。在圖4中，示出了層L沉積在構建平台上表面121上，換句話說，作為該第一層。然而，圖4所示的層L同 樣能夠沉積在一或多個先前沉積的層之頂部上，其透過應用前述的沉積程序，基本上不被層L的沉積所干擾。
在關於圖4的討論中，假設層L由黏性液體結構材料M形成，其可以通過施加輻射R而固化成固態。輻射R可以例如是紫外線(UV)光。在其它實施例中，輻射R可以是極紫外(EUV)光、x射線輻射、γ輻射、例如電子束輻射的粒子輻射、紅外或熱輻射或可見光。輻射的類型沒有特別限制，只要其可以以受控的方式被引導以選擇性地照射最近沉積的層L。
如果輻射束R在層L的照射區域上的強度均勻，則層L的照射區域的整體將變得固化。然而，在圖4所示的構造中，輻射束R選擇性地施加到層L的特定區域B，以僅固化那些特定區域，同時使特定其它區域U不結合。在圖4的示例中，輻射束R被圖案化，使得區域B接收一高劑量的輻射，並且區域U接收一相對低劑量的輻射，其可以無輻射劑量。因此，只有區域B被輻射固化成固態，而未結合區域U保持在液態。輻射束R的強度可以被調節，使得層L的整個厚度被固化，並且還在下層中對預先固化的部分進行固化連接，同時任何下層實質上保持未固化。
由於投射單元160可以透過投射單元驅動部190的作用在位於井124(XY平面)上方的整個平面中在井124的上方移動，即使投射單元160可以在任何給定時間投射輻射R之一投射區域可以遠小於井124的橫切面面積，透過在其移動平面(XY平面)內移動投射單元160，可以將輻射R依序施加到井124內的層L上的一系列射出區域S，如圖5所示。據此，在井124內的層L上之任何點可以被固化。
如圖5所示，該等射出區域S可以規律地佈置並且以網格或矩陣形式間隔開。然而，這不一定是這樣。
在圖5的構造中，該等射出區域S外的區域保持未結合，且橫切面尺寸不大於一射出區域S。據此，每一射出區域S可對應於由層L的結合區域與層L下方的任何層之結合區域結合在一起所製造形成的一個部分。在這種構造中，該部分可以具有對應於井124的深度的一最大長度，但是橫切面尺寸在這些射出區域S內。
或者，如圖6所示，射出區域可以以一步進-縫合投射模式部分地重疊或鄰接，其中基本上整個層L可以用輻射R曝光。透過這種方法，射出區域S可以對應於具有大於這些個別射出區域S的尺寸之整體物體的部分。
考慮到投射單元160的上述構造可以在井124上方移動，同樣也可能僅投射單元160的一投射位置在井124上方移動，例如投射孔161，其界定了一個點，輻射束源自該點。例如，可以在相對於井124的一固定位置或者甚至在設備100的外部設置一輻射源，輻射源R係自該輻射源產生。接著輻射源R可以藉由合適的複數輻射引導件(例如，波引導件、光纖、鏡及其類似物)引導至用於投射的投射孔161。通過該等引導件的合適構造，輻射源和相關的光學構件可以是固定的，但是從輻射投射到層L的投射位置可以是可移動的。
在另一變型中，一或多個引導件可以沿著一路徑或在該平面(XY平面)中的一軸線移動，或者在其他投射位置移動的平面(XY平面)中移動，以便將輻射從源頭帶到投射位置。例如，一或多個引導件可以在一垂直平面(XZ平面或YZ平面)中或沿一平行軸線(X軸，Y軸)或垂直軸線(Z軸)移動。在這種構造中，該等引導件可以可移動地定位在該投射位置移動的井124上方的一區域之一側或遠離該區域。可移動的該投射位置可以由例如投射透鏡或中繼鏡的光學元件來界定。
在描述與圖1至圖6相關的設備時，已經假設投射單元160能精確地只照射一小射出區域S。在其他實施例中，可以提供投射單元160能夠照亮整 個或實質上整個層L而不移動，例如從一中心照明位置，該中心照明位置可以在井124的中心之上。在這種構造中，投射單元160可相對於一設備主框架固定，且不需要提供投射單元驅動部190。然而，為了製造小部件，可能需要具有非常高解析度的投射系統，在這種情況下，提供如圖1至圖6所示和描述的一移動投射單元160可能更實用。
參考圖4，投射單元160可以同時用輻射R照射實質上所有的射出區域S，或者至少同時可以向射出區域R內的各個分散位置提供輻射，有效地將一圖案圖像施加於射出區域R。圖7示出投射單元160的內部配置，其可以允許一射出區域S的這種同時照明。
在圖7中，投射單元160包含照明源162，其產生具有適當特性(例如能量、波長及/或強度)的輻射R以固化材料M形成層L。照明源162'可以是例如一雷射或發光二極體(LED)，並且特別地可以是一紫外雷射或紫外發光二極體(LED)。對於電子束輻射，照明源可以是一電子束產生器。來自照明源162的輻射R透過成形透鏡163而成形，以形成照亮空間光調制器164的一准直光束。
空間光調制器164作為一圖案化元件以界定照明區域和非照明區域的圖案。例如，空間光調制器可以提供可移動鏡的矩陣，該可移動鏡可在一第一指向及一第二指向之間移動，第一指向使輻射R從照明源162偏折至與投射單元160的一光軸AX相差的一大角度，以及在另一指向中輻射被沿著光軸或者與光軸AX相差一小角度導引。然而，例如使用一可變透明罩的其他可變之空間光調制器在本領域中用於圖案化輻射束也是已知的，並且也可以應用於所揭示的構造中。
透過一第一投射光學元件165捕獲與光軸AX相差小角度的輻射R，其導引輻射R通過最終投射元件166。最終投射元件166佈置在投影孔161中以在層L形成該空間光調制器164的一影像。
因此，空間光調制器164界定由一圖案或由透過投射光學元件轉移的一圖像，其包括在層L上的該第一投射元件165及最終投射元件166。然而，投射光學器件的精確結構僅是示例性的，並且其它光學佈置是可能的，這允許一圖像由空間光調制器164界定，然後投射到一平面上，同時為本領域技術人員所熟知的。
投射單元160可以據此實現為一數位光處理器(DLP)。
當使用例如紫外線輻射或可見光輻射的帶電電磁輻射時，可以採用圖7所示的投射單元160的概念。特別地，紫外線輻射或可見光輻射容易被鏡面反射，因此紫外線或可見光輻射容易地由透過包括可移動鏡的一空間光調制器形成圖案。
然而，參考圖8，可以使用替代類型的投射單元160'來代替投射單元160。投射單元160'還包括產生一輻射束R的一照明源162'。照明源162'產生輻射其透過光束成形光學元件163'成形，以提供窄直徑的一准直光束。例如，光束成形光學元件163'可以獲取照明源162'的輸出，並且可以產生圓形或高斯形式的一輻射束R。這樣的束可以是例如直徑小於10微米或直徑小於1微米。
然後透過折疊鏡164'的作用將輻射束R帶入第一反射鏡165'，其以一可變角度沿一第一方向偏轉該光束，以便圍繞一第一軸掃描該光束。第一反射鏡165'可以是例如電流計掃描器。然後將來自第一反射鏡165'的光束帶到第二反射鏡166'，其使輻射束R繞一第二軸線偏轉，其可垂直於第一反射鏡165'的第一軸線。第二反射鏡166'也可以是一電流計掃描器。輻射束R隨後被引導通過孔161'，然後將光束R施加到層L。
使用投射單元160'的結構，輻射束R不能在一單一時間照射整個射出區域S，但是可以在連續時間中被引導到射出區域S內的任何點。因此，輻射光束R可以例如以一光柵的方式在射出區域S上掃描，在第一反射鏡164'及第二反射鏡165'的引導下一排一排地進行掃描。透過以一光柵方式在射出區域S上進行光束掃描，為了選擇性地照明射出區域中的層L的部分，當該光束被掃描時，照明源162'本身可以被脈衝。或者，折疊鏡164'可以在該光束被引導到第一反射鏡165'的一第一位置和光束被引導離開第一反射鏡165'的一第二位置之間切換，從而選擇性地中斷該輻射束R。
在一變型構造中，該光束是可操控的，以在層L的圖案上界定一向量而不是一光柵。
當使用例如電子束輻射的帶電粒子輻射時，可以採用圖8所示的投射單元160'之概念。特別地，電子束輻射容易被磁場偏轉，因此電子束輻射容易在投射區域上掃描。
圖7和圖8的構造是示例性的，並且在本領域中可選擇地照射具有一投射單元的一層之部分的其它方法是可用的。
圖9A示出了基於圖4的構造之變型實施例，其係設置一氣罩267，其中該投射單元260可以例如根據圖7或圖8的原理操作。氣罩267是一杯狀元件，其可定位成包圍投射單元260所投射之輻射束R的至少一部分。
氣罩267可定位成使得在罩的一下表面267a及沈積層L之間存在典型的在1cm及1mm之間的一小間隙G。
氣罩267具有與下表面267a相鄰的一下開口267b。氣罩267還具有與氣罩267的一上表面267d相鄰的一上開口267c。下開口267b被適當地設計形狀及尺寸以包圍該輻射束R的整個預定的投射區域上方之區域。上開口267c在本實施例中其形狀及尺寸被設計成包圍投射單元260的至少一部分。上開口267c可以 例如緊密地配合或密封在投射單元260的一部分上。據此，氣罩267實質上包圍了在投射單元260及層L之間的整個輻射束R。
類似於氣體供應單元170，氣罩267連接到可以設置在該設備中的一氣體供應處(未示出)，或者可以設置作為對該設備的一服務處，例如作為該設備安裝於其中的設施所設置之一壓縮空氣管線或乾燥氮氣管線。氣罩267具有一或多個氣體供應口268，其允許氣體從該氣體供應處供應到該罩267的內部。每一氣體供應口268可以設置有一多孔元件(未示出)，例如一多孔陶瓷板，以擴散氣體的流動。這種構造可以避免該罩內的湍流，其可能擾亂該層的材料。
氣罩267可以以一固定構造佈置到投射單元260的主體，或者可以是可縮回的。在本實施例中，氣罩267是可縮回的。特別地，氣罩267可以透過佈置在投射單元260的主體及氣罩267之間的縮回單元269縮回。這裡，縮回單元269是一單元其透過例如一桿或電纜連接到氣罩267的一下端，且其透過在氣罩267的下端施加一向上的力，沿著圖9A中的未標記箭頭的方向，從層L垂直地提高氣罩267的下表面267a。在該實施例中，氣罩267的一頂部附接到射出單元260，並且氣罩267的至少一些側壁267e具有彈性或伸縮箱結構，使得該氣罩267可以從如圖9A所示的擴展狀態，縮回到一壓緊狀態。用於縮合氣罩267的其它構造也是可能的。
縮回單元269可以被致動以升高氣罩267遠離層L，使得狹縫模具110可以在下方通過。因此，當狹縫模具110在投射單元260及構建平台121之間通過時，可以避免氣罩267及狹縫模具110之間的機械干擾。
在替代構造中，整個投射單元260可以是可縮回的，以避免氣罩267之間的干擾，或者氣罩267可以不是彈性或伸縮箱結構，而是可以是剛性的且透過從投射單元260下方抬升而縮回。
當氣體，選擇性的冷卻氣體，以及選擇性的非氧化或惰性氣體(例如氮氣)藉由氣體供應口268引入氣體供應罩的內部時，當施加輻射束R時可獲得層L的改善的固化特性。特別地，特定可輻射固化的聚合物在不存在游離氧的情況下更均勻和可重複地固化。據此，可以避免固化中的變形，可以降低不完全或過度固化的發生。同時，由於固化過程可以加熱層L，所以通過氣體供應口268引入的冷卻氣流能夠從層L去除多餘的熱量。
圖9B示出了基於圖9A的構造的另一變型實施例，其中該投射單元360配置有氣罩367的一替代構造。氣罩367類似於圖9A所示的氣罩276，係為一杯狀元件，其可定位成包圍投射單元360所投射之輻射束R的至少一部分。如圖9A所示的氣罩267，氣罩367具有一或多個氣體供應口368，其允許氣體從該氣體供應處供應到該罩367的內部。
然而，氣罩367在下表面和上表面之間比圖9A所示的氣罩267短，因此僅包圍輻射束R的下部。氣罩367具有與下表面367a相鄰的下開口367b，以允許輻射束R及該氣罩中的氣體到達層L。氣罩367還具有與氣罩367的一上表面367d相鄰的一上開口367c。下開口367b被適當地設計形狀及尺寸以包圍整個預計投射區域上方的一區域。本實施例中的上開口367c其形狀及尺寸被設計成允許輻射束R通過。
同時，本實施例中的上開口367c配置有一輻射透射元件367f，以允許輻射束R通過，同時避免氣體從該罩內逸出。例如，輻射透明元件367f在本文中示出為一透明板，例如石英或螢石板。
在其他實施例中，如果氣體的逸出不被認為是問題，則開口367c可以保持不被阻擋。或者，可以不存在開口367c，而是可以使整個氣罩367或是一適當部份，例如該氣罩367的上表面367d，可以製成對輻射透明。例如，氣罩367可以由石英或螢石製成，或者可以具有石英或螢石上部或蓋。
與氣罩267相反，氣罩367透過佈置在投射單元360的主體及氣罩367之間的縮回單元369以一小間隙G懸掛在層L上方。對於氣罩267，間隙G通常可以在1cm和1mm之間。縮回單元369可以致動以抬升整個氣罩367遠離層L，使得狹縫模具110可以在下方通過。在這種構造中，氣罩367不需要部分或全部是彈性的或具有伸縮箱結構，而是可以是剛性的。
在圖9B中，氣罩367由投射單元360支撐，但是在變體實施例中，氣罩367可以由另一個構件單獨支撐。例如，可以提供類似於投射單元驅動部190的機構，用於在合適的時間引入及去除預期投射區域上方的氣罩367。
如圖9A的配置，當狹縫模具110在投射單元260及構建平台121之間通過時，可以避免氣罩267及狹縫模具110之間的機械干擾。
據此，透過使用狹縫模具110沉積可輻射固化材料層，然後透過以投射單元160選擇性地連續固化該層的部分，並且透過重複該過程，使得一物體被逐層地建立，每一層的部分結合在一起並與下層的部分結合，可以建立整個物體。使用所揭示的構造，即使在沉積上層時也避免了下層中的未固化材料的干擾。
此外，透過使用用於界定一沉積層L內的結合區域之一圖案的一投射單元160，可以運用多種曝光技術來減少變形。特別地，當一層L的一大區域固化在一起時，該固化部分可能會傾向收縮或膨脹，導致變形。據此，可以採用一種方法，其中，不是單獨曝光一射出區域，可以執行一單獨射出區域的多重曝光，其中一射出區域內的整體連接圖案由一系列圖像構成，當疊加後，形成該連接結構。這種方法可能具有減少整體變形的優點。
例如，如果在一射出區域S內固化一圓形區域C，如圖10A所示，一棋盤圖案例如可以在圓C內界定，然後該棋盤圖案的偶數方格1可以首先在一第一部分曝光中被照明，然後該棋盤的奇數方格2可以在疊加在該第一部分曝光 上的一第二部分曝光中曝光。該奇數方格2的固化將該偶數方格中的先前固化的材料連接在一起。在某些情況下，該棋盤圖案的正格可以對應於藉由投射單元160而圖像投射出的一整體圖像的像素。同時，透過應用這樣的方法，總體收縮程度及由於固化而在一層內造成的總體力量可以減少或消除。與在單一曝光中之圓C整體的固化相比，這可以減少變形。
在另一種方法中，如圖10B所示，疊加了多個圖像，每個圖像包含界定圓C的像素ni的偽隨機子集。其他方法是可能的。同樣透過這種方法，總體收縮程度及由於固化而在一層內造成的總體力量可以減少或消除，也可以減少變形。
圖11示出了顯示設備100的總體控制之控制示意圖。圖11示出的控制示意圖可以做為分散的硬體配置，或者可以作為整個產業控制系統或微電腦內的集成或分散的軟體模組配置。
總體系統控制單元CONT透過通信界面COMM接收關於設備100的操作之指令。通信連結COMM可以是包含用於操作設備100的指令且連接一客戶端計算機的一網絡，其可以包括例如定義一物體的物體定義數據，例如作為一系列待沉積的層L，然後根據物體定義數據選擇性地依序結合。物體定義數據可以是例如圖像的順序，或者可替代地為立體像素數據或在本領域中已知的另一形式的物體定義數據。或者，通信連結COMM可以是連接到提供一用戶交互式設備控制存取的交互式輸入/輸出裝置之匯流排。或者，通信連結COMM可以是與區域記憶體或者工業控制器的連結，其提供用於操作設備100的指令。這些指令可以一起形成例如界定要執行的操作順序之方法。
控制單元CONT連接到投射控制器PROJ，其控制投射單元驅動部190以及投射單元160。據此，投射控制器PROJ控制投射單元160的位置以及要投射到任何給定射出區域S的圖案，以及例如投射單元160的操作的其他方面，例 如曝光時間、適當的掃描速率、適當的輻射波長或能量、輻射束尺寸及形狀以及其它輻射特性。此外，投射控制器PROJ可以被配置為將一大圖像分解以投射到一系列較小的圖像中，以用於如圖6所示的步進-縫合法進行部分疊加，或者可以將一射出區域S分解為連續的多個部分圖像，其一個疊加在另一個上方，如參考圖10A及10B所述。
控制單元CONT還連接到泵控制器PUMP，其係控制該泵的操作，例如輸送到狹縫模具110的材料之質量流率，或該泵的內部或狹縫模具空腔113內部獲得的壓力。
控制單元CONT還連接到狹縫模具驅動控制器DRIVE，其控制狹縫模具載具驅動部150以沿著一移動方向定位狹縫模具110。
控制單元CONT可以協調泵控制器PUMP及狹縫模具驅動控制器DRIVE的操作，以便達成材料M的擠出速率及狹縫模具110的移動速度之間的對應關係，如結合圖3所述。
控制單元CONT還連接到加熱器控制器HEAT、震動控制器VIB及冷卻控制器COOL，其分別控制狹縫模具加熱元件117，狹縫模具震動器118a及平台冷卻元件126以及井冷卻元件125以及氣體供應單元170，以達到用於層沉積的適當製程參數。
在圖12中示出了圖100中的設備之操作流程圖，並且描述如下。
在一層沉積步驟S1中，使用一狹縫模具在一支撐表面的上方將一可輻射固化的結構材料擠出，同時沿著一移動方向相對地移動跨過該支撐表面的上方之狹縫模具，以將擠出的結構材料層沉積在該支撐表面上方，如結合圖1至3所解釋的。
在一固化步驟S2中，輻射被選擇性地射出到該支撐表面及狹縫模具之間的一結構區域，藉此固化該擠出的結構材料之部分以界定形成該物體的部分之擠出層的區域，如結合圖4至8及10所解釋的。
在一分離步驟S3中，該狹縫模具及該支撐表面沿著該狹縫模具及該支撐表面之間的一分離方向移動，如結合圖1至3所解釋的。
重複步驟S1至S3，直到一所需的物體透過該結構材料的相鄰固化部分延伸跨過該等層之間而形成。
該設備及方法特別適用於沉積一金屬或陶瓷粉末顆粒的一懸浮液。特別地，該設備及方法適用於分散在一可固化的，特別是紫外線固化或電子束固化的液相中之碳化物、氧化物或氮化物陶瓷。一個示例性懸浮液是例如複數顆粒在一單體及/或低聚物的液體混合物中之懸浮液體，選擇性地包含光起始劑，其固化形成一聚合物。這種懸浮液通常是高度黏稠且難以透過傳統的液體沉積手段處理。在該懸浮液中，該顆粒的平均直徑可以小於5微米，甚至小於2微米。採用這樣的材料作為結構材料可以提供一種可以形成固化物體的方法和設備，其可以隨後燒結在一起以提供金屬或陶瓷部件，其中在燒結製程中大量或實質上所有的可固化結合劑被去除或降解處理。當粉末顆粒是陶瓷顆粒時，可以替代地使用陶瓷的其它示例，例如硼化物和矽酸鹽，但不限於此。
這種方法的優點在於，該未固化的液體可以簡單地被去除和重新使用，同時被固化物質原則上可以從該液體中除去，並且在清潔之後立即使用。
上述揭示內容純粹是示例性的，並且可以由本領域技術人員根據當地要求及工程實施以及材料與部件的可用性進行修改。據此，本發明被認為僅由所附的申請專利範圍之精神及範圍限定。
100:積層製造設備
110:狹縫模具
111:第一狹縫模具部分
112:第二狹縫模具部分
113:狹縫模具空腔
114:狹縫
115:狹縫模具進入口
116:狹縫模具通道形成元件
118a:狹縫模具震動器
118b:狹縫模具震動器驅動桿
120:構建平台
121:構建平台上表面
121a:密封件
122:構建平台升降機
123:構建平台下表面
124:井
124a:頂部邊界
124b:傾斜表面
125:井冷卻元件
126:平台冷卻元件
130:狹縫模具載具
140:狹縫模具載具引導件
150:狹縫模具載具驅動部
151:狹縫模具載具驅動馬達
152:狹縫模具載具驅動螺絲
160:投射單元
161:投射孔
170:氣體供應單元
194:投射單元Y驅動載具

Claims (62)

  1. 一種積層製造設備，該設備包含：一支撐表面；一狹縫模具，具有與形成於該狹縫模具的一下表面之一狹縫連通的一內部空腔；一載具，支撐該狹縫模具且被佈置成允許該狹縫模具沿著一移動方向跨過該支撐表面且在該支撐表面上方移動；一驅動機構，被佈置成驅動該載具沿著該移動方向移動；一投射單元，用於選擇性地射出輻射到位於該支撐表面及該狹縫模具之間的一結構區域；及一控制器，被配置成至少控制該驅動機構，其中該狹縫模具及該支撐表面係沿著該狹縫模具及該支撐表面之間的一分離方向相對移動，其中該狹縫由兩個狹縫半部所界定，該狹縫模具配置有用於相對另一者震動該狹縫之邊緣的一震動器。
  2. 如請求項1所述的設備，其中該狹縫模具配置有一加熱單元，用於加熱界定該狹縫的狹縫模具之至少一部份。
  3. 如請求項1所述的設備，其中該設備配置有用於從該結構區域移除熱量的一冷卻單元。
  4. 如請求項3所述的設備，其中該冷卻單元包含可連接到一氣體源且被佈置成將氣體吹向該結構區域的至少一氣體供應口。
  5. 如請求項1所述的設備，其中該狹縫沿著一狹縫指向方向指向，且該移動方向係垂直於該狹縫指向方向。
  6. 如請求項1所述的設備，其中該分離方向係垂直於該狹縫指向方向及該移動方向。
  7. 如請求項1所述的設備，其中該支撐表面係平坦的且界定垂直於該分離方向的一平面。
  8. 如請求項7所述的設備，其中該平面係平行於該狹縫向指向方向及該移動方向。
  9. 如請求項1所述的設備，其中該設備包含可連接到結構材料的一儲存處之一泵，且該狹縫模具具有連接到該泵的一進入口。
  10. 如請求項9所述的設備，其中該控制器被配置為控制該泵以使得結構材料以一預定速率被擠出。
  11. 如請求項1所述的設備，其中該控制器被配置為彼此成比例地控制擠出的體積速率及該載具的移動速度。
  12. 如請求項1所述的設備，其中該控制器被配置為彼此相等地控制擠出的線性速度及該載具的移動速率。
  13. 如請求項1所述的設備，其中該投射單元包含用於產生一輻射束的一輻射源；一圖案形成單元，被該輻射束照射以用於圖案化該輻射束；及複數個投射光學元件，用於將該圖案的一圖像投射到一平面上，該平面被界定在該支撐表面及該狹縫模具之間，以選擇性地向該平面施加輻射。
  14. 如請求項13所述的設備，其中該圖案形成單元係一空間光調制器。
  15. 如請求項14所述的設備，其中該圖案形成單元係一數位光處理器。
  16. 如請求項1所述的設備，其中該投射單元包含一輻射源，用於產生一輻射束及複數個掃描光學元件，用於跨越界定於該支撐表面及該狹縫模具之間的一平面來掃描該輻射束，以選擇性地將輻射施加到該平面。
  17. 如請求項16所述的設備，其中該輻射束係一間歇性輻射束，且前述之掃描用以選擇性地將輻射作為一光柵圖像施加到該平面。
  18. 如請求項16所述的設備，其中前述之掃描係用以選擇性地將輻射作為一向量圖像施加到該平面。
  19. 如請求項16所述的設備，其中該輻射束的輻射係一電子束。
  20. 如請求項1所述的設備，其中該輻射係紫外光輻射或可見光輻射。
  21. 如請求項1所述的設備，其中該設備包含一井及一升降機構，且該支撐表面可透過該升降機構沿該分離方向移動到該井中。
  22. 如請求項21所述的設備，其中該井具有一內壁，且該支撐表面配置有一邊緣密封件以密封該內壁。
  23. 如請求項21或22所述的設備，其中該井的一頂部被一傾斜表面包圍，其向下傾斜遠離該井的頂部。
  24. 如請求項21所述的設備，其中該井被配置有一或多個冷卻元件，用於冷卻該井的壁。
  25. 如請求項1所述的設備，其中該支撐表面被配置有一或多個冷卻元件，用於從支撐表面移除熱量。
  26. 如請求項25所述的設備，其中該一或多個冷卻元件包含可連接到一冷卻液源且被佈置成運送一冷卻液之複數個通道。
  27. 如請求項25或26所述的設備，其中該一或多個冷卻元件包含一熱電冷卻器。
  28. 如請求項1所述的設備，其中該井具有恆定的一橫切面，且該支撐表面具有對應於該井的橫切面之一形狀。
  29. 如請求項1所述的設備，其中該井的橫切面為矩形。
  30. 如請求項1所述的設備，其中該控制單元被配置為依據該驅動機構控制該投射單元，以跨過該支撐表面在不同時間投射一系列不同的部分圖像，每一部分圖像與一或多個其他部分圖像重疊。
  31. 如請求項1所述的設備，其中該控制單元被配置為控制該投射單元，使得每一部分圖像包含獨立的像素，且使得當該等部分圖像重疊時，獨立的該等像素由多個部分圖像的其他部分圖像連接。
  32. 如請求項1所述的設備，其中該控制單元被配置為控制該投射單元，使得每一部分圖像具有一圖案，其與多個圖像的剩餘部分的一或多個圖案結合，以形成一均勻投射區域。
  33. 如請求項32所述的設備，其中該圖案係一偽隨機圖案。
  34. 如請求項32所述的設備，其中該圖案係一棋盤圖案。
  35. 如請求項1所述的設備，其中結構材料係一顆粒材料在一可輻射固化的液體介質中之一懸浮液。
  36. 如請求項35所述的設備，其中該液體介質係可聚合的。
  37. 如請求項35或36所述的設備，其中該顆粒材料係一陶瓷。
  38. 如請求項37所述的設備，其中該顆粒材料係一氮化物、氧化物或碳化物陶瓷。
  39. 如請求項35或36所述的設備，其中該顆粒材料係一金屬粉末。
  40. 如請求項35所述的設備，其中該顆粒材料的平均直徑小於5微米。
  41. 如請求項40所述的設備，其中該顆粒材料的平均直徑小於2微米。
  42. 如請求項35所述的設備，其中可輻射固化的該液體介質係紫外光固化或可見光固化。
  43. 如請求項35所述的設備，其中可輻射固化的該液體介質係電子束固化。
  44. 如請求項1所述的設備，其中該投射單元被配置成投射出解析度優於10微米的複數影像。
  45. 如請求項1所述的設備，其中該投射單元由一另外載具支撐，其被佈置成允許該投射單元的一投射位置移動，沿著一移動方向及垂直於該移動方向的一橫向跨過該支撐表面並位於該支撐表面上方，且該設備包含另外的一驅動機構，被佈置成驅使該另一載具沿著該移動方向及該橫向移動。
  46. 如請求項1所述的設備，更包含一氣罩，用於向該投射單元之一投射區域供應氣體。
  47. 如請求項46所述的設備，其中該氣罩從該投射單元上懸掛。
  48. 如請求項46或47所述的設備，其中該氣罩係可縮回地遠離該支撐表面。
  49. 如請求項46所述的設備，其中該氣罩被佈置成實質上圍繞從該投射單元投射出的輻射之至少一部分。
  50. 如請求項46所述的設備，其中該氣罩具有一下開口，被佈置成面向該投射區域。
  51. 如請求項46所述的設備，其中該氣罩具有一上開口，用於允許從該投射單元投射出的輻射通過。
  52. 如請求項51所述的設備，其中該上開口被配置有一輻射透明板。
  53. 如請求項46所述的設備，其中該氣罩的一上部分是輻射可穿透的，用於允許從該投射單元投射出的輻射通過。
  54. 如請求項46所述的設備，其中該氣罩被配置成供應一惰性氣體。
  55. 如請求項46所述的設備，其中該氣罩被配置成供應一冷卻氣體。
  56. 一種由一結構材料之依序沉積的層形成一物體之方法，該方法重複地包含：使用一狹縫模具在一支撐表面的上方擠出可輻射固化的一結構材料，同時沿著一移動方向且在該支撐表面上方並跨過該支撐表面而相對地移動該狹縫模具，以在該支撐表面上方沉積一擠出的結構材料層； 將輻射選擇性地投射到該支撐表面及該狹縫模具之間的一結構區域，藉此固化擠出的該結構材料之部分以界定形成該物體的部分之擠出層的區域；及沿該狹縫模具及該支撐表面之間的一分離方向相對移動該狹縫模具及該支撐表面，其中該狹縫由兩個狹縫半部所界定，該狹縫模具配置有用於相對另一者震動該狹縫之邊緣的一震動器。
  57. 如請求項56所述的方法，其中該結構材料係一顆粒材料在一可輻射固化液體介質中之一懸浮液。
  58. 如請求項57所述的方法，其中該顆粒材料係一陶瓷或一金屬粉末。
  59. 如請求項57或58所述的方法，其中該液體介質係可輻射固化以形成一聚合物。
  60. 如請求項57所述的方法，其中該顆粒材料的平均直徑小於5微米。
  61. 如請求項60所述的方法，其中該顆粒材料的平均直徑小於2微米。
  62. 如請求項56所述的方法，其中該輻射係紫外線輻射、可見光輻射或電子束輻射。
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