金属熔滴喷射系统
相关申请
这是2017年11月15日提交的美国临时申请号62/586,311的非临时案，要求所述申请的优先权并以引用方式并入所述申请。
技术领域
本发明总体涉及用于增材制造的方法和设备，并且具体地涉及采用脉冲激光器或其他加热装置从供体微丝产生金属熔滴的此类方法和设备，所述熔滴在集合体中固化时形成三维(“3D”)结构。
背景技术
所谓的“3D打印”或更一般地，增材制造，是用来描述在计算机控制下由数字数据文件制造三维物体的过程的广义术语。已经开发了许多不同的增材制造技术，其中的一些涉及使用激光熔合材料，通常是金属、聚合物或陶瓷粉末。图1中示出的称为激光诱导前向转印(“LIFT”)的更新增材制造工艺从设置在透明基板的背侧(从入射激光束的角度来看)上的薄金属箔或膜中产生并喷射金属熔滴。为了形成熔滴，将激光通过在其上承载金属箔的透明基板聚焦在金属箔的较小区域上。由激光引起的局部加热致使喷射金属箔的熔滴，其中熔滴的大小与入射到箔上的激光束的横截面成比例。如此喷射出的熔滴跨间隙(通常为约几微米)行进并且聚结在接收基板上。参见，例如，Zenou,M.等人的“Laser jetting offemto-liter metal droplets for high resolution 3D printed structures,”Scientific Reports 5,17265；doi:10.1038(2015)。通过在由正在被打印的物体的横截面限定的形成件中喷射重叠的金属熔滴，将此技术应用于3D结构的打印。
发明内容
本文描述了用于增材制造的系统和方法，并且具体地采用脉冲激光器或其他加热装置从供体微丝产生金属熔滴的此类方法和设备，所述熔滴在集合体中固化时形成3D结构。
在一个实施方式中，用于金属激光喷射的系统包括金属微丝(例如，直径约10微米)供应源，所述金属微丝供应源布置成以便通过压电平移器和/或电动平移器朝向喷嘴区域馈送。金属微丝沿其长度支撑在玻璃基板(例如，熔融石英、熔融二氧化硅或陶瓷玻璃)的通孔中，并且喷嘴区域位于通孔的出口处。在控制器的控制下，激光器定位成朝向喷嘴区域发射光脉冲(例如，IR、UV或可见光，其中在激光脉冲的波长处，玻璃基板为透明的或几乎透明的)，其中金属微丝的端部由压电平移器定位，从而致使加热金属微丝的在喷嘴区域附近的端部部分。接收基板定位成接收从喷嘴区域喷射的金属熔滴。加热器可附连到玻璃基板的一个或多个侧面以预热金属微丝。
优选地，金属微丝供应源组织在卷轴承载在其上的线轴中。在一些情况下，金属微丝供应源组织在金属微丝的多个线轴中，每个线轴与其自身相应的压电平移器(和/或电动平移器)和支撑玻璃基板装置相关联。替代地，金属微丝供应源可组织在金属微丝的多个线轴中并且单一玻璃基板由金属微丝线轴中的一些或全部共享。在任何或所有这些情况下，金属微丝供应源可布置成以便通过压电平移器经由一个或多个辊朝向喷嘴区域馈送。
压电平移器可包括布置成在控制器的控制下施加电流时在限定方向上移动金属微丝的一个或多个压电陶瓷。在一些情况下，压电平移器可包括一个或多个纵向压电致动器、一个或多个压电剪切致动器或一个或多个管致动器。附加的压电平移器可布置成使在其上承载金属微丝线轴的卷轴绕中心轴线旋转，从而在控制器的控制下使金属微丝朝向喷嘴区域展开。
在一些实施方式中，激光器包括在扫描激光装置中，所述扫描激光装置被配置成在控制器的控制下在扫描路径上扫描单一激光束，使得激光束在被激活时入射到与金属微丝中相应的一个相关联的多个喷嘴区域中的一个上。此种扫描激光装置可包括扫描镜或声光偏转器。
如下文进一步描述，玻璃基板可与被定形成在将金属微丝朝向喷嘴区域馈送时，将金属微丝的取向从第一平面改变到第二平面的形成件相关联。此外，玻璃基板可限定在其中金属微丝暴露于光脉冲的反应区域。例如，喷嘴区域可构成此种反应区域的一部分，并且第二压电平移器可邻近喷嘴区域定位。此种反应区域可包括允许引入加压气体的气体入口。
在本发明的另外的实施方式中，3D制品通过由在造制品的横截面限定的形成件中熔合金属熔滴来制造。此种方法可包括通过沉积熔滴，同时相对于金属激光喷射系统的喷嘴区域移动接收介质来在接收介质和先前沉积的金属熔滴层上分布连续的金属熔滴层，其中金属微丝供应源朝向喷嘴区域馈送，在所述喷嘴区域处金属微丝的端部部分在控制器的控制下由从激光器发射并且朝向喷嘴区域入射的激光脉冲加热，从而致使金属微丝的在喷嘴区域附近的端部部分形成熔滴。因此，使接收介质相对于喷嘴区域在熔滴的连续熔滴之间移动在接收介质上，并且连续地在先前喷射的层上形成金属层。
在此种方法中，控制器致使激光器发射脉冲，从而根据提供的横截面图像在对应于用于形成在造制品横截面的金属的所需应用的时间处产生金属熔滴，并且当接收介质的一部分定位在喷嘴区域下方需要固体材料的点处时，确保金属熔滴被喷射。此外，在每个熔滴被喷射后，控制器可致使压电平移器(和/或电动平移器)将一定量的金属微丝推进到喷嘴区域，以为下一个激光脉冲做准备。在致使压电平移器将所述一定量的所述金属微丝推进到所述喷嘴区域中的同时或大约在同一时间，控制器可进一步致使接收介质相对于喷嘴区域移位到要喷射金属熔滴的下一个位置。
在一些实施方式中，在造制品在其构造期间使用成像装置成像。因此，可在形成金属熔滴的沉积层时对其图像进行分析，并且根据此种评估来控制入射到金属微丝上的激光脉冲。替代地或除此之外，在造制品在其构造期间的此种成像可用作修改在造制品的横截面层的图像的基础，使得根据与所述图像的原始版本相关联的那些区域调整图像的一个或多个区域。
如上所指出的那样，金属微丝供应源可组织在金属微丝的多个线轴中，并且因此，可在扫描路径上扫描激光(例如，使用镜子、声光偏转器等)，使得激光脉冲在被激活时入射到与金属微丝中相应的一个相关联的多个喷嘴区域中的一个上。
本发明的另外的实施方式提供一种用于金属激光喷射的系统，其包括：金属微丝供应源，所述金属微丝供应源布置成以便通过压电平移器朝向具有相关联喷嘴区域的反应区域馈送，金属微丝沿其长度支撑在形成件的通孔中，喷嘴区域位于通孔的出口附近；以及加热器，所述加热器定位成接触金属微丝的邻近喷嘴区域的端部，从而致使加热金属微丝的在喷嘴区域附近的端部部分。在此类系统中，形成件可被定形成在将金属微丝朝向喷嘴区域馈送时，将金属微丝的取向从第一平面改变到第二平面。在此种系统的一些实施方式中，第二压电平移器(和/或电动平移器)可邻近喷嘴区域定位，并且加热器定位成以便可由第二压电平移器朝向金属微丝的端部移位。
本发明的另外的实施方式提供一种通过熔融金属熔滴形成3D制品的方法，其中通过沉积熔滴，同时相对于金属激光喷射系统的喷嘴区域移动接收介质来使连续的金属熔滴层沉积在接收介质(和先前沉积的金属熔滴层)上，在所述系统中金属微丝供应源朝向喷嘴区域馈送，在所述喷嘴区域处金属微丝的端部部分由加热器加热，从而致使金属微丝的在喷嘴区域附近的端部部分形成熔滴，所述移动发生在熔滴的连续熔滴之间以在接收介质上，并且连续地在先前喷射的层上形成金属层。当金属微丝朝向喷嘴区域馈送时，金属微丝可穿过形成件中的通孔。反应区域设置在形成件内，使得金属微丝的一部分在离开通孔时暴露在反应区域内。在加热金属微丝之前，反应区域可填充有通过气体入口引入的气体。
加热器可以在控制器的控制下操作，并且附连到压电平移器的端部。因此，可操作压电平移器以便致使加热器邻接微金属线的在喷嘴区域附近的暴露端部，从而加热金属微丝的在喷嘴区域附近的端部并且形成金属熔滴。
下文更详细地讨论本发明的这些以及另外的实施方式。
附图说明
在附图的图式中借助于实例而非限制来说明本发明，在附图中：
图1示出LIFT增材制造工艺的方面。
图2示出根据本发明的一个实施方式的用于金属激光喷射的系统的一个实例。
图3示出根据本发明的各种实施方式配置的系统的另一个实例，所述系统包括金属微丝的多个线轴，每个线轴与其自身的压电平移器和支撑玻璃基板装置相关联。
图4示出根据本发明的各种实施方式的系统的另外的实例，其中金属微丝的多个线轴共享单一公共压电平移器。
图5示出本发明的另一个实施方式，其包括多个金属微丝和扫描激光装置。
图6示出类似于图5中所示的装置，然而，在这种情况下，扫描激光装置已被激光束分配器取代，所述激光束分配器将激光束分配到单个光纤传输线，每个光纤传输线与单个喷嘴区域相关联。
图7示出用于本发明的实施方式的喷嘴区域和扫描或聚焦装置的一个实例的近视图。
图8A-8H示出根据本发明的一些实施方式的用于金属熔滴喷射的过程中的步骤。
图9示出本发明的另一个实施方式，其中反应区域的金属丝上方的部分填充有玻璃基板。
图10示出本发明的实施方式，其中反应区域的金属丝上方的部分填充有通过气体入口引入的高压气体。
图11是包括布置在类似于图9和图10中示出的系统中并且共享公共形成件的金属微丝的相对的多个线轴对的系统的顶视图，所述相对的多个线轴对中的一些或全部可为不同种类的金属。
图12A和图12B示出图9和图10中示出的系统的变型，但激光器用定位在压电平移器端部上的电加热器取代。
图13A-13F示出在类似于图12A中示出的系统中金属熔滴的形成。
图14示出体现本发明的系统的另外的实例，其中金属微丝设置在被配置成致使金属熔滴喷射的装置内。
具体实施方式
本发明涉及增材制造技术，在所述增材制造技术中一个或多个脉冲激光器或其他加热装置从供体微丝产生金属熔滴，所述熔滴在集合体中固化时在接收基板上形成3D结构。在上面讨论的LIFT技术中，金属被热蒸发或溅射到塑料箔上以提供大约1μm厚度的金属层。使用如本发明中的供体微丝而非金属化箔(例如，沉积在透明基板上的薄金属层)提供了对上面讨论的LIFT技术的改进。例如，通过使用金属微丝，产生更少的废物，因为微丝可根据需要沿其长度连续地形成熔滴，而不会可能像金属箔那样浪费材料。此外，通过常规的挤压工艺，可相对容易且廉价地加工成金属微丝。这可有助于降低用于金属激光喷射的系统的总成本。
现在参见图2，示出根据本发明的一个实施方式的用于金属激光喷射的系统10的第一实例。在该实例中，金属微丝组织在卷轴16承载在其上的线轴14中，并且由压电平移器(和/或电动平移器)20经由一个或多个辊22朝向喷嘴区域18馈送。金属微丝12沿其长度支撑在透明、抗(或耐)高温玻璃基板24的通孔34(其可具有锥形入口)中，以确保丝不会弯曲或断裂。可用于玻璃基板26的材料的实例包括熔融石英、熔融二氧化硅和陶瓷玻璃。喷嘴区域18位于通孔34的出口处。加热器26可以附连到玻璃基板24的一个或多个侧面以预热金属微丝，但是在其他实施方式中可省略加热器。在控制器30的控制下，激光器28优选地例如在等于1μm-10μm或约1μm-10μm的IR波长(但其可以是UV或可见波长)下朝向喷嘴区域18发射脉冲，其中金属微丝的端部由压电平移器20定位。玻璃基板24在激光波长下是透明的(或几乎透明的)，使得由激光施予的能量主要被金属微丝吸收，从而致使直径为约10微米的金属微丝的在喷嘴区域附近的端部部分非常快速地加热。由激光束引起的金属微丝的局部加热致使金属熔滴从喷嘴区域18喷射。虽然在图1中未示出，但是喷嘴区域18可靠近熔滴32沉积在其上的接收基板。以此方式以由在制制品的横截面限定的形状喷射重叠的金属熔滴导致形成物体。
虽然在图1中未详细示出，但是压电平移器20包括在施加电流时(例如，在控制器30的控制下)在限定方向上膨胀的压电陶瓷。陶瓷被取向成邻接微丝12，使得当陶瓷膨胀时(在控制器30的控制下施加电流时)，微丝例如通过摩擦沿着晶体膨胀的方向沿单轴(例如，平行于其最长尺寸)移动。通常，多个压电平移器将用于移动微丝，并且各种压电平移器可同时(或几乎同时)通电，使得它们的动作彼此协调。因此，压电平移器布置成使得它们在相同方向上将纵向运动施予微丝，并且平移距离可与施加到压电平移器的电流大小成比例。在一些实施方式中，每次激活压电平移器微丝的平移距离约为几十纳米至几微米。优选地，保持微丝线轴14的卷轴16安装在具有无摩擦或几乎无摩擦轴承的轴销或其他元件(未示出)上，以便在由压电平移器平移微丝时提供最小电阻。
本发明的实施方式中采用的压电平移器可为以下中的任一个：纵向压电驱动器，其中陶瓷中的电场平行于其偏振方向施加；压电剪切致动器，其中陶瓷中的电场垂直于其极化方向施加；或管致动器，其被径向极化且具有施加到陶瓷外表面的电极，使得平行于其极化的场也沿径向延续。在其他实施方式中，一个或多个压电平移器可布置成使在其上承载金属微丝线轴14的卷轴16绕其中心轴线旋转，从而使金属微丝12朝向喷嘴区域18展开。此种装置可非常适合以下情况：在从线轴14上取下金属微丝的点与喷嘴区域18之间的距离相对较短和/或金属微丝沿其大部分长度被支撑使得其不会在这些点之间弯曲。此种装置可与上述线性平移器20组合使用，其中多个压电平移器布置成在控制器30的控制下同时致动。
在一个实施方式中，控制器30包括执行限定如本文所述的方法的计算机可读指令(即，计算机程序或例程)的处理器，所述方法被实例化并在非暂时性计算机可读介质上运行。此类工艺可以任何计算机语言呈现，并在任何合适的可编程逻辑硬件上执行。可在其上或与其一起实践本发明的方法的基于处理器的控制器30通常将包括：总线或其他通信机制以用于传达信息；主存储器(诸如RAM或其他动态存储装置)，所述主存储器耦合到总线以用于存储要由处理器执行的信息和指令并且用于存储在执行要由处理器执行的指令期间的临时变量或其他中间信息；以及ROM或其他静态存储装置，所述ROM或其他静态存储装置耦合到总线以用于存储处理器的静态信息和指令。存储装置(诸如硬盘或固态驱动器)也可包括并耦合到总线以用于存储信息和指令。在一些情况下，对象控制器可包括耦合到总线以用于向用户显示信息的显示器。在此类情况下，包括字母数字和/或其他键的输入装置也可以耦合到总线以用于向处理器传达信息和命令选择。其他类型的用户输入装置(诸如光标控制装置)也可包括并耦合到总线以用于向处理器传达方向信息和命令选择并且用于控制显示器上的光标移动。
控制器30还可包括耦合到处理器的通信接口，所述通信接口例如经由局域网(LAN)向/从控制器提供双向的有线和/或无线数据通信。通信接口发送和接收承载表示各种类型的信息的数字数据流的电信号、电磁信号或光信号。例如，控制器30可与远程单元(未示出)联网，以向由用户操作的主机计算机或其他设备提供数据通信。因此，控制器可与远程单元交换消息和数据(包括诊断信息)以在需要时帮助排除错误。
在操作中，系统10可用于通过在由在造制品的横截面限定的形成件中熔合金属熔滴32来形成3D制品。例如，单个熔滴的第一层可分布在接收介质(未示出)上。这可以通过以下来实现：沉积熔滴，同时相对于喷嘴区域在连续熔滴之间移动接收介质，以在接收介质上，并且连续地在先前喷射的层上形成相对薄的、近似均匀的金属层。一旦喷射，熔滴冷却并固化在适当的位置。
控制器30被编程来使激光器28发射脉冲，从而在对应于用于形成在加工制品横截面的金属的所需应用的时间处产生熔滴32。这可例如通过提供横截面的图像来完成，并且当接收介质的一部分定位在喷嘴区域18下方需要固体材料的点处时，确保金属熔滴被喷射。在每个熔滴被喷射后，控制器30致使压电平移器20将一定量的金属丝12推进到现在空置的喷嘴区域中，以为下一次施加激光脉冲做准备。同时或大约同时，控制器30可致使接收介质相对于喷嘴区域18移位到要喷射金属熔滴的下一个位置。金属熔滴在接收介质上对应于要加工物体横截面层的图像的位置上的熔合形成具有对应于该图像的形状的金属整体层。此外，可在物体产生期间加工支撑结构并随后将其移除。连续的金属熔滴层喷射在彼此顶部上以完成物体。
在加工工艺期间，可(连续地或持续地)例如使用红外成像装置和/或电荷耦合装置(CCD)相机拍摄在加工物体的图像。通过在金属层正在形成时评估它们的图像，可根据所述图像控制入射到金属丝上的激光。例如，可根据一个或多个成像装置提供的反馈来修改用于产生在加工制品的3D制品的横截面层的图像，使得根据与图像的原始版本相关联的那些区域调整图像的一个或多个区域。在充分冷却以与现有结构的一部分熔合之前，此类反馈可用于补偿一个或多个区域中的金属沉积不足和/或金属熔滴位移的变化。
图3示出根据本发明的一些实施方式配置的系统10’的一个实例，并且所述系统包括金属微丝的多个线轴14a-14n，每个线轴与其自身的压电平移器(和/或电动平移器)20a-20n和支撑玻璃基板装置24a-24n相关联。在一些情况下，可使用由金属丝线轴14中的一些或全部共享的单一玻璃基板24。虽然图中仅示出3个丝线轴，每个丝线轴位于不同卷轴上，并且每个丝线轴潜在地具有不同材料，以单独的、邻近的喷射装置设置用于喷射不同种类金属的熔滴，但是应当理解，可使用具有任何数量的卷轴和各种金属丝的系统。此外，虽然未详细示出，但是应认识到系统诸如10’可被配置有一个或多个激光器，例如用于每个金属丝线轴的专用激光器或在金属丝线轴的各个金属丝线轴之间共享的更少激光器。此外，系统10的组件可在诸如图2中示出的单一控制器或多个此类控制器的共同控制下被配置为通过适当的编程、联网通信(彼此和/或远程单元)或两者协同作用。系统诸如10’用于使用不同材料和/或多个线轴的存在加速了单一物体的加工的喷射装置。
图4示出系统10”的另外的实例，其中金属微丝的多个线轴14a-14n共享单一公共压电平移器20’。此装置的其他组件如上文关于图2和图3所讨论的。
图5示出本发明的一个实施方式，其包括多个金属微丝12a-12n和扫描激光装置40。在此实例中，多个金属微丝12a-12n经由公共支撑玻璃基板装置24引导，并且扫描激光装置40用于(在控制器30的控制下)在扫描路径46上扫描单一激光束44，使得光束(在被激活时)入射到与金属丝12a-12n中的相应一个相关联的所需喷嘴区域18a-18n中的一个上。激光束的扫描可使用扫描镜或其他装置(例如声光偏转器)来实现。如上面所讨论的，激光可为脉冲式的，使得它在扫描光束期间不会连续操作。通过使用这种扫描装置，单一激光器可与金属微丝的多个线轴一起采用。
图6示出类似于图5中所示的装置，然而，在这种情况下，扫描激光装置已被激光束分配器50取代，所述激光束分配器50将激光束44分配到单个光纤传输线52，每个光纤传输线与单个喷嘴区域18a-18n相关联。光纤分配器可包括在控制器30的控制下操作以便向喷嘴区域18a-18n中的选定区域提供激光脉冲以用于产生金属熔滴的如下装置：镜子、透镜、分束器、膜片等。在每个喷嘴区域附近，光纤传输线终止在聚焦元件(例如，透镜装置)处或其附近，所述聚焦元件将发射的激光聚焦54到相应喷嘴区域处的相应金属微丝上。这是单一激光器可与金属微丝的多个线轴一起采用的另一种方式。
图7示出用于本发明的实施方式的喷嘴区域18和扫描或聚焦装置的一个实例的近视图。在此实例中，激光束44被一个或多个聚焦元件56(例如，透镜)聚焦以入射到镜子58上，所述镜子58将光束重定向到金属丝12上，使得其焦点在喷嘴区域18处或其附近。在一些情况下，镜子可为也跨多个金属丝(本图中未示出)扫描光束44的扫描镜。替代地，在不使用聚焦元件56的情况下，镜子58可为将光束44聚焦到喷嘴区域18附近的金属丝12上的聚焦镜(例如，具有凹抛物线曲率的镜子)。
图8A-8H示出根据本发明的一些实施方式的用于金属熔滴喷射的过程中的步骤。在图8A中，金属微丝12定位在玻璃基板24的通孔内，并且微丝的端部设置在喷嘴区域18处或其附近。玻璃基板的温度Ts等于或接近环境的周围温度Tambient，并且微丝的温度Tw等于或接近玻璃基板的温度Ts。尚未向丝施加激光脉冲，并且加热元件26未向玻璃基板施加任何热量。
在图8B中，加热器26已被激活，并且正在加热玻璃基板26，使得Ts>>Tambient。优选地，玻璃基板26由具有非常好的导热性和低热膨胀系数的材料(例如，熔融二氧化硅、熔融石英或陶瓷玻璃)制成，并且因此热量通过玻璃基板传导以加热金属微丝12，使得Tw～>Ts。尚未向丝施加激光脉冲。
在图8C中，当Tw已达到所需温度时，或在从加热器26施加热量达到所需时间后，向喷嘴区域18附近位置处的金属微丝施加激光脉冲44(在控制器的控制下，未示出)。激光脉冲的施加致使金属微丝加热到接近或等于其熔点的温度，但是仅在施加激光脉冲的点附近的局部区域中加热(图8C-8D中示出的过程的时间将确定局部区域的大小)。如图8D所示，当继续施压激光脉冲时，局部加热金属微丝的区域增大，使得所述丝在其整个横截面上在较小的纵向范围内被加热。为了有助于产生该局部加热区域，当金属丝定位在玻璃基板24的通孔中喷嘴区域18附近时，可例如在控制器的控制下使用小镜子、可移动透镜或其他扫描装置在微丝的小范围内扫描激光束44。与允许通过施加固定光束形成金属滴相比，以这种方式扫描激光束可以更均匀的方式产生金属滴。替代地，单一激光束可被分解为多个光束和/或定形成椭球体或其他横截面(例如，通过透镜)，以覆盖更大范围的金属微丝。
在图8E中，为了促进金属熔滴的排放，激光脉冲的能量可短暂地增加，如图8F所示，从而致使熔融金属蒸发，从而使熔滴32通过喷嘴18从金属微丝12的其余部分脱离关联并排出。在形成金属熔滴32时，中断激光脉冲。这可基于由相机监控系统提供的视觉反馈，或基于脉冲的施加时间，或两者。例如，控制器可被编程来在自从启动激光脉冲以来的一段时间Tpulse后中断激光脉冲，除非视觉反馈指示熔滴32较早地形成，此时控制器可中断施加激光脉冲。
如图8G所示，在形成并排出熔滴后，将激光束44再次施加到金属微丝的端部，所述端部现在在玻璃基板中通孔端部喷嘴区域18上方移位一定距离。可在控制器的控制下通过使用镜子、可移动透镜或其他扫描装置使光束通过已知大小的弧线来实现激光束焦点的改变。将向金属丝的端点施加激光的时间定在压电平移器(本图中未示出)激活以将丝朝向喷嘴区域18平移时或与之大约同一时间。以此方式加热丝通过确保丝的端部(其现在已从先前施加激光脉冲期间达到的温度中有所冷却)并未附着到通孔的侧壁，从而阻止丝在玻璃基板通孔内移动而有助于平移操作。如图8H所示，在控制器的控制下操作压电平移器，以将丝移动足以使丝的端部靠近喷嘴区域18的距离，使得可对下一个金属熔滴重复上述过程。这可再次是定时操作，或是使用来自相机监控系统的视觉反馈进行的操作，或两者。
图9和图10分别示出系统70和70’，所述系统70和70’是根据本发明的另外的实施方式配置的金属喷射系统的替代性装置。在这些实例中，金属微丝组织在卷轴16承载在其上的线轴14中，并且由压电平移器20经由一个或多个辊22朝向喷嘴区域18馈送。在这途中，金属丝12穿过由抗高温材料(例如具有非常低热膨胀系数的抗高温材料)制成的形成件74。金属微丝12沿其长度支撑在抗高温形成件74的通孔76(其可具有锥形入口)中，所述通孔76可被铰接以将丝的取向从第一垂直平面改变到第二水平平面。可用于形成件74的材料的实例包括熔融石英、熔融二氧化硅和陶瓷玻璃。
反应区域78在形成件74内。反应区域78在横截面中可为圆柱形或矩形，并且延伸穿过形成件74，从而使丝12暴露在两侧，使得当丝12穿过通孔76时，它在反应区域78内离开形成件。在图9中示出的系统70中，反应区域78的金属丝12上方的部分填充有具有类似于上述那些的特性的玻璃基板24。在金属丝12下方，反应区域78为锥形或具有减少的直径，使得形成喷嘴区域18。在此实例中，反应区域侧壁的一部分被移除，并用压电平移器72取代。在图10中示出的系统70'中，反应区域78的金属丝12上方的部分填充有高压气体，优选地通过气体入口80引入的惰性气体，诸如氩气或氦气。在金属丝12下方，反应区域78为锥形或具有减少的直径，使得形成喷嘴区域18。反应区域侧壁的一部分被移除，并用压电平移器72取代。在此实例中，不是抗热玻璃基板，可使用薄的透明(在激光脉冲的波长下)膜片84作为反应区域78的盖。透明膜片可由熔融石英、熔融二氧化硅或陶瓷玻璃或较不昂贵的材料(诸如钢化玻璃)制成。如在此实例中，在反应区域78内使用气体帮助最小化或防止金属丝12的暴露在反应区域78内的该部分氧化。
在具有系统70和70’的情况下，在控制器30的控制下，激光器28优选地例如在等于1μm-10μm或约1μm-10μm的IR波长下朝向金属丝12的暴露在喷嘴区域18上方的部分发射脉冲，其中金属微丝的端部已由压电平移器20定位。由激光施予的能量主要被金属微丝吸收，从而致使直径为约10微米的金属微丝的在喷嘴区域附近的端部部分非常快速地加热。由激光束44引起的金属微丝的局部加热致使金属熔滴32从喷嘴区域18喷射。虽然在图示中未示出，但是喷嘴区域18可靠近熔滴32沉积在其上的接收基板。以此方式以由在制制品的横截面限定的形状喷射重叠的金属熔滴导致形成物体。在系统诸如70和70’中金属熔滴的形成与上述类似，其中激光器28被激活以产生脉冲来加热邻近喷嘴区域18的区域中的丝，从而致使丝熔化并形成喷射出的熔滴。如下文更详细地讨论的，压电传感器72可在控制器30的控制下在形成熔滴期间被致动，以有助于其从喷嘴区域18喷射和/或进行调节以控制暴露于激光的丝12的量，以便控制熔滴的大小。在使用高压气体82的实施方式中，气体同样有助于将金属熔滴32朝向接收材料排出。
图11是包括布置在类似于图9和图10中示出的系统中并且共享公共形成件76的金属微丝12a-12n的相对的多个线轴对14a-14n的系统70”的顶视图，所述相对的多个线轴对中的一些或全部可为不同种类的金属。虽然用玻璃基板24示出此实例，但是类似的系统可与膜片84和相关联的高压气体系统一起使用。
图12A和图12B示出图9和图10中示出的系统的变型，但激光器28用定位在压电平移器72端部上的电加热器84取代。在图12A中示出的实例中，金属微丝12组织在卷轴16承载在其上的线轴14中，并且由压电平移器20经由一个或多个辊22朝向喷嘴区域18馈送。在这途中，金属丝12穿过由抗高温材料(例如具有非常低热膨胀系数的抗高温材料)制成的形成件74。金属微丝12沿其长度支撑在抗高温形成件74的通孔76(其可具有锥形入口)中，所述通孔76可被铰接以将丝的取向从第一垂直平面改变到第二水平平面。可用于形成件74的材料的实例包括熔融石英、熔融二氧化硅和陶瓷玻璃。
反应区域78在形成件74内。反应区域78在横截面中可为圆柱形或矩形，并且部分地在形成件74内延伸，从而使丝12暴露在两侧，使得当丝12穿过通孔76时，它在反应区域78内离开形成件。在图12A中示出的系统中，反应区域78填充有高压气体，优选地通过气体入口80引入的惰性气体，诸如氩气或氦气。如在此实例中，在反应区域78内使用气体帮助最小化或防止金属丝12的暴露在反应区域78内的该部分氧化。在金属丝12下方，反应区域78为锥形或具有减少的直径，使得形成喷嘴区域18。反应区域侧壁的一部分被移除，并用压电平移器72取代。
将在控制器30的控制下操作的电加热器84附连到压电平移器72的端部，并且邻接微金属丝12的在喷嘴区域18附近的暴露端部，其中金属微丝的端部由压电平移器20定位。使用由电加热器施予的能量替代激光器来熔化微丝12的在喷嘴区域18附近的端部并且形成金属熔滴。虽然在图示中未示出，但是喷嘴区域18可靠近金属熔滴沉积在其上的接收基板。以此方式以由在制制品的横截面限定的形状喷射重叠的金属熔滴导致形成物体。压电传感器72可在控制器30的控制下在形成熔滴期间被致动，以有助于其从喷嘴区域18喷射和/或进行调节以控制暴露于激光的丝12的量，以便控制熔滴的大小。在使用高压气体82的实施方式中，气体同样有助于将金属熔滴32朝向接收材料排出。
图12B示出类似于图12A中示出的系统的替代性装置。在图12B中示出的实例中，金属微丝12组织在卷轴16承载在其上的线轴14中，并且由压电平移器20经由一个或多个辊22朝向喷嘴区域18馈送。在这途中，金属丝12穿过由抗高温材料(例如具有非常低热膨胀系数的抗高温材料)制成的形成件74。金属微丝12沿其长度支撑在抗高温形成件74的通孔(其可具有锥形入口)中，在金属丝的纵向平面中取向。可用于形成件74的材料的实例包括熔融石英、熔融二氧化硅和陶瓷玻璃。
在形成件74的端部附近的是喷嘴区域18。将在控制器30的控制下操作的电加热器84附连到压电平移器72的端部，并且邻接微金属丝12的在喷嘴区域18附近的暴露端部，其中金属微丝的端部由压电平移器20定位。使用由电加热器施予的能量替代激光器来熔化微丝12的在喷嘴区域18附近的端部并且形成金属熔滴。虽然在图示中未示出，但是喷嘴区域18可靠近金属熔滴沉积在其上的接收基板。以此方式以由在制制品的横截面限定的形状喷射重叠的金属熔滴导致形成物体。压电传感器72可在控制器30的控制下在形成熔滴期间被致动，以有助于其从喷嘴区域18喷射和/或进行调节以控制暴露于激光的丝12的量，以便控制熔滴的大小。
图13A-13F示出在类似于图12A中示出的系统中金属熔滴的形成。同样的操作原则适用于诸如图12B中示出的系统。此外，压电传感器72的操作适用于图9-11中示出的系统，即使在那些实施方式中不需要使用加热器元件84也是如此。在图13A中，金属微丝12已由压电平移器20(未示出)定位，使得金属丝的端部在喷嘴区域18内，从而在位置p1处邻接加热元件84。加热元件84附连在压电平移器72的端部，使得当压电平移器72被激活时，加热元件将相对于金属丝12在纵向方向上平移，从而致使金属丝12的端部变形，如下文进一步所述。在图13A中示出的时间处，压电平移器72尚未被激活，但电流已被施加到加热元件84。因此，金属丝12的端部正在被加热，但其还尚未达到其熔点。在此实例中，反应区域78填充有高压气体，优选地通过气体入口80引入的惰性气体，诸如氩气或氦气。在反应区域78内使用气体帮助最小化或防止金属丝12的暴露在反应区域78内的该部分氧化，但是任选的。如下文将讨论的，在压力下气体在反应区域内的存在可有助于将金属熔滴从喷嘴区域18朝向接收基板喷射。
图13B示出比图13A中示出的时间更晚一些的系统。如附图所示，电流已施加到加热元件84一段时间，使得金属丝12现在在喷嘴区域18内在其整个长度上被加热。压电换能器72尚未被激活，因此，加热元件84的端部仍在位置p1处，并且金属丝12尚未变形。
图13C现在示出比图13B中示出的时间更晚一些的系统。施加到加热元件84的电流的大小增加，并且压电传感器72已被激活。因此，金属丝12的端部被加热到更高的温度，从而允许其变形，如当压电传感器72横向平移一定距离时所示，从而致使加热元件的端部现在处于位置p2。金属丝升高的温度致使其变得易弯，使得当加热元件84在压电传感器72的端部处从位置p1移动到p2时它可发生变形。由于高压气体在反应区域78内的存在，金属丝12朝向处于较低(例如，室内)压力下的喷嘴区域18变形。加热元件84的移动致使其与丝12的大于其端部横截面的区域接触，从而有助于加热过程。
图13D示出比图13C中示出的时间更晚一些的系统。压电换能器72已完成其平移，使得金属线12已变得热且易弯的部分已形成从金属丝12的剩余部分分离的熔滴32，并在高压气体和/或重力的影响下朝向接收基板(未示出)喷射。当压电平移器达到其横向移动的范围，特征在于加热元件84现在处于喷嘴区域18的端部处或其附近的位置p3处时，到达压电平移器的电流被切断，从而致使压电平移器返回至其原始位置，如图13E所示。此外，切断到达加热元件84的电流。在一些实施方式中，根据由控制器30(在此未示出)定时执行的程序，到达加热元件84和压电72的电脉冲的定时可为基于时间的，并且/或者可为基于对如平移器由一个或多个相机(未示出)提供的金属丝12的状况和熔滴32的形成的视觉观察。
如图13E和图13F所示，当压电平移器72和加热元件84已返回其原始位置时，金属微丝12由压电平移器20(在此未示出)平移，使得所述丝的端部定位成使加热元件邻接在p1处。从系统的此种状态，可对新的金属熔滴重复上述过程。在这样做之前，接收基板可相对于喷嘴区域18重新定位，使得下一个熔滴将被喷射到与用于形成在造物体所需的位置一致的所需位置。
现在参见图14，示出金属微丝12设置在被配置成致使金属熔滴喷射的装置内的另外的实例。在此实例中，未示出与将丝馈送到提供激光照射的区域中有关的设备的细节，但可类似于上述实施方式中的那些中的任一个。此外，在此图示中，用于微丝12的支撑装置86被示为包括透明(在激光束的波长下)部分88a和非透明部分88b。然而，在其他实施方式中，可使用如上所述的透明支撑件24。在使用两个(或更多个)工件支撑结构86的情况下，支撑结构的部分可使用销90保持在一起(例如，其可为带螺纹的，或部分带螺纹的，以允许牢固连结工件。
如右图所示(其为装置的底视图)，本实施方式中的通孔92具有三角形形状。在一个实施方式中，此形状可通过沿支撑结构86的透明部分88b的边缘开槽成“v”形通道而被提供。当然后支撑结构的两部分组合时，非透明部分88b的光滑表面将向三角形形状的通孔提供一个侧面，并且透明部分中v形沟槽的壁提供其余两个侧面。当金属微丝进入支撑装置86时，使用三角形形状的通孔来允许使用油或油脂润滑它。这减少了金属微丝与支撑装置的壁的摩擦和粘附，从而与不使用此类润滑剂的情形相比，允许金属微丝更容易地通过通孔。可使用适当的分配器96沿着由金属微丝通行的路径在通孔入口附近施加润滑剂。分配器可在控制器(本图中未示出)的控制下操作，以根据需要(例如，可基于来自压电平移器或其他测量仪器的反馈来确定)或根据预定时间表或两者来分配非常少量的润滑剂。
在本发明的实施方式中，可使用由纯金属和合金中的一者或两者组成的各种金属微丝。例如，可使用由Al、Au、Ag、Cu、W或Ti和/或其合金中的任一种制成的丝。
实施方式：
1.一种用于金属激光喷射的系统，包括：金属微丝供应源，所述金属微丝供应源布置成以便通过平移器朝向喷嘴区域馈送，所述金属微丝沿其长度支撑在玻璃基板的通孔中，所述喷嘴区域位于所述通孔的出口处；以及激光器，所述激光器定位成在控制器的控制下朝向所述喷嘴区域发射光脉冲，在所述喷嘴区域中所述金属微丝的端部由所述平移器定位，从而使所述金属微丝的在所述喷嘴区域附近的端部部分加热。
2.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其进一步包括定位成接收从所述喷嘴区域喷射的金属熔滴的接收基板。
3.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述金属微丝供应源组织在卷轴承载在其上的线轴中。
4.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述金属微丝供应源组织在金属微丝的多个线轴中，每个线轴与其自身相应的平移器和支撑玻璃基板装置相关联。
5.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述金属微丝供应源组织在金属微丝的多个线轴中并且单一玻璃基板由金属微丝的所述线轴中的一些或全部共享。
6.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述金属微丝供应源布置成以便通过所述平移器经由一个或多个辊朝向所述喷嘴区域馈送。
7.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述玻璃基板包括熔融石英、熔融二氧化硅或陶瓷玻璃。
8.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其进一步包括附连到所述玻璃基板的一个或多个侧面以预热所述金属微丝的加热器。
9.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述激光器在等于1μm-10μm或约1μm-10μm的红外(IR)波长下发射所述光脉冲。
10.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述激光器在紫外(UV)波长下发射所述光脉冲。
11.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述玻璃基板在所述激光脉冲的波长下为透明的或几乎透明的。
12.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述金属微丝具有约10微米的直径。
13.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述平移器包括布置成在所述控制器的所述控制下施加电流时在限定方向上移动所述微丝的一个或多个压电陶瓷。
14.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述平移器包括一个或多个纵向压电致动器、一个或多个压电剪切致动器或一个或多个管致动器。
15.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其进一步包括布置成使在其上承载所述金属微丝线轴的卷轴绕中心轴线旋转，从而在所述控制器的所述控制下使所述金属微丝朝向所述喷嘴区域展开的一个或多个平移器。
16.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述金属微丝供应源组织在金属微丝的多个线轴中，并且所述激光器包括在扫描激光装置中，所述扫描激光装置被配置成在所述控制器的所述控制下在扫描路径上扫描单一激光束，使得所述激光束在被激活时入射到与所述金属微丝中相应的一个相关联的多个喷嘴区域中的一个上。
17.如实施方式16所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述扫描激光装置包括扫描镜。
18.如实施方式16所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述扫描激光装置包括声光偏转器。
19.如实施方式1所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述玻璃基板与被定形成在将所述金属微丝朝向所述喷嘴区域馈送时，将所述金属微丝的取向从第一平面改变到第二平面的形成件相关联。
20.如实施方式19所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述玻璃基板限定在其中所述金属微丝暴露于所述光脉冲的反应区域。
21.如实施方式20所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述喷嘴区域包括所述反应区域的一部分，并且第二压电平移器邻近所述喷嘴区域。
22.如实施方式20所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述反应区域包括气体入口。
23.一种通过在形成件中熔融金属熔滴而形成三维(3D)制品的方法，所述形成件由在造所述制品的横截面限定，所述方法包括通过沉积所述熔滴，同时相对于金属激光喷射系统的喷嘴区域移动接收介质来在所述接收介质和先前沉积的金属熔滴层上分布连续的金属熔滴层，在所述系统中金属微丝供应源朝向所述喷嘴区域馈送，在所述喷嘴区域处所述金属微丝的端部部分在控制器的控制下由从激光器发射、朝向所述喷嘴区域入射的激光脉冲加热，从而致使所述金属微丝的在所述喷嘴区域附近的所述端部部分形成所述熔滴，所述移动发生在所述熔滴的连续熔滴之间以在所述接收介质上，并且连续地在先前喷射的层上形成金属层。
24.如实施方式23所述的方法，其中所述控制器致使所述激光器发射脉冲，从而根据提供的横截面图像在对应于用于形成在造所述制品的所述横截面的金属的所需应用的时间处产生所述金属熔滴，并且当所述接收介质的一部分定位在所述喷嘴区域下方需要固体材料的点处时，确保所述金属熔滴被喷射。
25.如实施方式24所述的方法，其中在每个熔滴被喷射后，所述控制器致使平移器将一定量的所述金属微丝推进到所述喷嘴区域中以为下一个激光脉冲做准备。
26.如实施方式25所述的方法，其中在致使所述平移器将所述一定量的所述金属微丝推进到所述喷嘴区域中的同时或大约在同一时间，所述控制器致使所述接收介质相对于所述喷嘴区域移位到要喷射金属熔滴的下一个位置。
27.如实施方式23所述的方法，其进一步包括使用成像装置使在造所述制品在其构造期间成像；在形成金属熔滴的所述沉积层时评估它们的图像；以及根据所述评估来控制入射到所述金属微丝上的激光脉冲。
28.如实施方式23所述的方法，其进一步包括使用成像装置使在造所述制品在其构造期间成像；以及根据由所述成像装置提供的反馈来修改用于产生在造所述制品的在造所述制品的横截面层的图像，使得根据与所述图像的原始版本相关联的那些区域调整所述图像的一个或多个区域。
29.如实施方式23所述的方法，其中所述金属微丝供应源组织在金属微丝的多个线轴中，并且所述激光器在扫描路径上扫描，使得所述激光脉冲在被激活时入射到与所述金属微丝中相应的一个相关联的多个喷嘴区域中的一个上。
30.如实施方式29所述的方法，其中所述激光器使用镜子扫描。
31.如实施方式29所述的方法，其中所述激光器使用声光偏转器扫描。
32.如实施方式23所述的方法，其中所述金属微丝经由玻璃基板中的通孔朝向所述喷嘴区域馈送，所述通孔终止于所述喷嘴区域。
33.如实施方式32所述的方法，其中热量通过所述玻璃基板传导以加热所述金属微丝。
34.如实施方式23所述的方法，其中所述激光脉冲在定位在所述喷嘴区域附近的所述金属微丝的小范围内进行扫描。
35.如实施方式34所述的方法，其中所述激光脉冲使用镜子扫描。
36.如实施方式34所述的方法，其中所述激光脉冲使用可移动透镜扫描。
37.如实施方式23所述的方法，其中所述激光脉冲入射到反应区域中的所述金属微丝上。
38.如实施方式37述的方法，其中所述反应区域填充有气体。
39.一种用于金属激光喷射的系统，其包括：金属微丝供应源，所述金属微丝供应源布置成以便通过平移器朝向具有相关联喷嘴区域的反应区域馈送，所述金属微丝沿其长度支撑在形成件的通孔中，所述喷嘴区域位于所述通孔的出口附近；以及加热器，所述加热器定位成接触所述金属微丝的邻近所述喷嘴区域的端部，从而致使加热所述金属微丝的在所述喷嘴区域附近的端部部分。
40.如实施方式39所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述形成件被定形成在将所述金属微丝朝向所述喷嘴区域馈送时，将所述金属微丝的取向从第一平面改变到第二平面。
41.如实施方式39所述的用于金属激光喷射的系统，其进一步包括邻近所述喷嘴区域的第二平移器，所述加热器定位成以便能由所述第二压电平移器朝向所述金属微丝的所述端部移位。
42.如实施方式39所述的用于金属激光喷射的系统，其中所述反应区域包括气体入口。
43.一种通过在形成件中熔融金属熔滴而形成三维(3D)制品的方法，所述形成件由在造所述制品的横截面限定，所述方法包括通过沉积所述熔滴，同时相对于金属激光喷射系统的喷嘴区域移动接收介质来在所述接收介质和先前沉积的金属熔滴层上分布连续的金属熔滴层，在所述系统中金属微丝供应源朝向所述喷嘴区域馈送，在所述喷嘴区域处所述金属微丝的端部部分由加热器加热，从而致使所述金属微丝的在所述喷嘴区域附近的所述端部部分形成所述熔滴，所述移动发生在所述熔滴的连续熔滴之间以在所述接收介质上，并且连续地在先前喷射的层上形成金属层。
44.如实施方式43所述的方法，其中当所述金属微丝朝向所述喷嘴区域馈送时，所述金属微丝穿过形成件中的通孔。
45.如实施方式44所述的方法，其中所述反应区域设置在所述形成件内，使得所述金属微丝的一部分在离开所述通孔时暴露在所述反应区域内，并且在加热所述金属微丝之前，所述反应区域填充有通过气体入口引入的气体。
46.如实施方式43所述的方法，其中所述加热器在控制器的控制下操作，并且附连到压电平移器的端部，操作所述压电平移器以便致使所述加热器邻接所述微金属丝的在所述喷嘴区域附近的暴露端部，
从而加热所述金属微丝的在所述喷嘴区域附近的所述端部并且形成金属熔滴。
47.如实施方式43所述的方法，其中当所述金属微丝朝向所述喷嘴区域馈送时，所述金属丝穿过形成件中的被铰接以将所述丝的取向从第一平面改变到第二平面的通孔。
因此，描述了用于增材制造的方法和设备，并且具体地采用脉冲激光器或其他加热装置从供体微丝产生金属熔滴的此类方法和设备，所述熔滴在集合体中固化时形成3D结构。
