[发明专利]温度控制的增材制造

说明书

技术领域

本发明涉及又被称为3D打印的增材制造(additive manufacturing)。

背景技术

增材制造(AM)，又被称为实体自由成形制造或3D打印，是指其中三维物体从原料(通常为粉末、液体、悬浮液或熔化固体)以一系列的二维层或横截面构建的任何制造工艺。相比之下，传统加工技术涉及减材工艺(subtractive process)并且生产从诸如木头块、塑料块或金属块的原料切出的物体。

在增材制造中可以使用各种增材工艺。各种工艺在层沉积以产生成品物体的方式和在每个工艺中可相容地使用的材料上有所不同。一些方法熔化或软化材料以产生层，例如，选择性激光熔化(selective laser melting；SLM)或直接金属激光烧结(direct metal laser sintering；DMLS)、选择性激光烧结(selective laser sintering；SLS)、熔融沉积成型(fused deposition modeling；FDM)，而另外一些方法则使用不同技术(例如，立体光刻(stereolithography；SLA))来固化液体材料。

烧结是融合小颗粒(例如，粉末)来产生物体的工艺。烧结通常涉及加热粉末。当在烧结工艺中将粉末状材料加热至足够的温度时，粉末颗粒中的原子跨越颗粒边界扩散，进而将颗粒融合在一起以形成固体件。相较熔化来说，在烧结中使用的粉末不需要达到液相。

烧结和熔化均可以在增材制造中使用。使用的材料确定发生哪种工艺。非晶固体(诸如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))实际上是过冷的粘性液体并且实际上不熔化；由于熔化涉及从固态至液态的相变。因此，选择性激光烧结(SLS)是用于ABS的相关工艺，而选择性激光熔化(SLM)用于结晶和半结晶材料(诸如尼龙和金属)，所述材料具有离散的(discrete)熔化/冻结温度并且在SLM工艺期间经历熔化。

使用激光射束作为用于烧结或熔化粉末状的材料的能源的常规系统通常在粉末状材料的层中的选定点上引导激光射束并且将所述激光射束选择性地光栅扫描到跨越层的位置。一旦已烧结或熔化第一层上的所有已选位置，新的粉末状材料层在已完成的层的顶部上沉积并且逐层重复所述工艺直至生产出期望物体。

电子射束也可以用作导致材料中烧结或熔化的能源。同样，电子射束跨越层光栅扫描来完成特定层的处理。

发明内容

在一个方面，一种增材制造系统包括：工作台(platen)，具有用于支撑正被制造的物体的顶表面；分配器，用于在所述工作台之上输送前驱物材料的多个连续层；多个灯，用于加热所述工作台且设置在所述工作台的所述顶表面下方；和能源，用于融合所述前驱物材料的最外层的至少一些。

实现方式可包括以下特征的一个或多个。多个连续层可包括在支撑件上沉积的底层以及每个在融合的粉末的下层上沉积的剩余层。支撑件可以是工作台的顶部。

能源可能被配置以将能量从远离工作台的最外层的一侧引导至粉末的最外层。能源可包括被配置以实质上融合粉末的全部最外层的灯阵列。能源可包括被配置以产生用于扫描粉末的最外层的激光射束的激光。

分配器可包括被配置以喷出粉末并且可平行于支撑件的顶表面移动的喷嘴。分配器可包括靠近工作台定位的粉末贮槽和用于将粉末的一部分推出所述贮槽并跨越所述工作台的可侧向移动的辊。

功率源可将功率供应至多个灯，并且可独立地控制供应至多个灯的至少一些的功率。多个灯可在多个径向区域中布置，并且其中可独立地控制供应至每个径向区域的功率。

法拉第(Faraday)笼可封闭多个灯。法拉第笼可包括导电网，所述导电网被配置以使得来自多个灯的光穿过所述导电网以辐射地加热工作台。多个灯可在多个径向区域中布置并且法拉第笼可将每个径向区域隔离。工作台可包括导电板，并且系统可包括用于将RF功率施加至所述导电板的射频(RF)功率源。工作台可垂直地移动并由活塞杆支撑，并且系统包括用于垂直地移动工作台的线性致动器。RF销可贯穿活塞杆以将来自RF功率源的功率传输至导电板。介电插入件可使RF销与法拉第笼绝缘。工作台可包括在多个灯与导电板之间定位的介电板。介电层可涂覆导电板的顶表面。工作台可包括侧向围绕导电板的介电环。真空腔室可封闭工作台，气源可被配置以将气体供应至所述腔室，并且RF功率源可被配置以将RF电压施加至导电板以在所述腔室中产生等离子体。