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TWI704059B - 使用雷射與氣體流的積層製造 - Google Patents

使用雷射與氣體流的積層製造 Download PDF

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TWI704059B
TWI704059B TW104123247A TW104123247A TWI704059B TW I704059 B TWI704059 B TW I704059B TW 104123247 A TW104123247 A TW 104123247A TW 104123247 A TW104123247 A TW 104123247A TW I704059 B TWI704059 B TW I704059B
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沙布藍尼安納薩Ｋ
克利許南卡錫拉曼
孫語南
伯瑞羅斯基湯瑪斯Ｂ
羅蘭德克里斯托弗Ａ
奈馬尼史林尼法斯Ｄ
史林尼法森史瓦米奈森
亞維格賽蒙
葉怡利
黃福Ｔ
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美商應用材料股份有限公司
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Abstract

積層製造系統包含：一平台；一供給材料分配器設備，該供給材料分配器設備經配置以輸送一層供給材料至該平台上；一雷射來源，該雷射來源經配置以在使用該積層製造系統期間產生一雷射光束；一控制器，該控制器經配置以引導該雷射光束至平台上一電腦輔助設計程式所規定的位置處以造成該供給材料熔融；一氣體來源，該氣體來源經配置以供應氣體；及一噴嘴，該噴嘴經配置以加速及引導該氣體至該平台上與該雷射光束實質相同的位置。

Description

使用雷射與氣體流的積層製造
本發明相關於積層製造，也公知為3D列印。
積層製造(AM)，也公知為固體自由曲面製造或3D列印，牽涉到由原始材料(一般為粉末、液體、懸浮體、或溶化固體)以一系列之兩個維度的層或橫截面建立三個維度的物體之任何製造處理。相對比下，傳統機械技術涉及減去處理且產生基料材料切出的物體，例如木頭、塑膠或金屬塊。
在積層製造中可使用多種積層處理。多種處理的相異之處為：沉積層的方式以產生成品物體、及各處理中使用的可相容材料。一些方法熔化或軟化材料以產生層，例如，選擇性雷射熔化(SLM)或直接金屬雷射燒結(DMLS)、選擇性雷射燒結(SLS)、熔融沉積成型(FDM)，而其他方法使用不同技術固化液體材料，例如，立體微影術(SLA)。
燒結為熔融小的微粒(例如粉末)的處理以產生物體。燒結通常涉及加熱粉末。當粉末化材料在燒結處理中被加熱至足夠溫度，粉末粒子中的原子擴散跨過粒子的邊界，熔融粒子在一起以形成固體部件。與熔化相對 比，使用於燒結中的粉末不需達到液相。隨著燒結溫度不必達到材料的熔點，燒結通常使用於高熔點的材料，例如鎢及鉬。
燒結及熔化兩者皆可使用於積層製造中。使用的材料決定發生何種處理。非晶形固體(例如丙烯晴丁二烯苯乙烯，ABS)實際為超冷黏性液體，且實際上不會熔化；因為熔化涉及由固態至液態之相轉換。因此，選擇性雷射燒結(SLS)為針對ABS的相關處理，而選擇性雷射熔化(SLM)使用於晶質及半晶質材料，例如尼龍及金屬，具有分離的熔化/凝結溫度且在SLM期間經歷熔化。
使用雷射光束為用於燒結或熔化粉末化材料之能量來源的傳統系統典型地引導粉末化材料的一層中的一選擇的點上的雷射光束且選擇地光柵掃描該雷射光束到跨過該層的位置。一旦第一層上所有選擇的位置被燒結或熔化，在完成的層之頂部上沉積一新的粉末化材料層，且層層地重複該處理，直至產生了所需物體。
也可使用電子光束為能量來源以造成材料中的燒結或熔化。再次地，跨過層對電子光束光柵掃描以完成特定層的處理。
在一個態樣中，積層製造系統包含：一平台；一供給材料分配器設備，該供給材料分配器設備經配置以輸送一層供給材料覆蓋該平台；一雷射來源，該雷射來源 經配置以產生一雷射光束；一控制器，該控制器經配置以造成該雷射光束在儲存於一電腦可讀取媒體中的資料所規定的位置處熔融該供給材料；及一氣體來源，該氣體來源經配置以供應氣體；及一噴嘴，該噴嘴經配置以加速及引導該氣體至該平台上與該雷射光束實質相同的位置。
實作可包含一個或更多個以下特徵。該噴嘴經配置以加速該氣體至超音速速度。該噴嘴包括第拉瓦(de Laval)噴嘴。該雷射光束及該氣體沿著共用軸顯露以打擊該平台上的該供給材料。電極及反電極可經配置以離子化該氣體以形成電漿。管道可具有較靠近該雷射的一第一端及較靠近該平台的第二端，且其中經由該管道引導該雷射。該噴嘴可被放置於該管道的該第二端上。該氣體來源經配置以注射該氣體進入該管道的該第一端。
在另一態樣中，積層製造方法包含以下步驟：分配一層供給材料覆蓋一平台；引導一雷射光束以加熱儲存於一電腦可讀取媒體中的資料所規定的位置處的該供給材料；及引導氣體材料至該平台上與該雷射光束實質相同的位置。
實作可包含一個或更多個以下特徵。該氣體材料可包含離子。該氣體材料造成該平台上的該位置處的化學反應。該氣體材料藉由噴嘴來加速，該噴嘴置於該氣體材料的一路徑中。該氣體材料經配置以改變該供給材料的表面光度。供給材料的表面光度可變得更粗糙或更光滑。該氣體材料包括一蝕刻劑，該蝕刻劑經配置以移除該供給 材料。流動第二氣體材料以造成該供給材料上第二位置處的不同化學反應。在該層供給材料對應於欲製造的一物體的一表面之一區域處引導該氣體材料，以形成該物體上不同成分的塗覆。
在另一態樣中，積層製造方法包含以下步驟：分配一層供給材料覆蓋一平台；加熱該平台上儲存於該電腦可讀取媒體中的資料所規定的第一位置處的第一層供給材料，以熔融該第一層供給材料的部分，蝕刻該熔融供給材料的一部分同時該熔融之供給材料保持於平台上；分配第二層供給材料覆蓋該平台上經蝕刻及熔融之供給材料；加熱儲存於該電腦可讀取媒體中的資料所規定的第二位置處的該第二層供給材料。
在另一態樣中，積層製造系統包含：一平台；一供給材料分配器設備，該供給材料分配器設備經配置以輸送一層供給材料覆蓋該平台；一雷射，該雷射經配置以產生一雷射光束；一控制器，該控制器經配置以造成該雷射光束在儲存於一電腦可讀取媒體中的資料所規定的位置處熔融該供給材料；及一氣體來源，該氣體來源經配置以產生電漿，該電漿延伸實質跨過所有供給材料層且產生被引導至該供給材料上的離子。
實作可提供一個或更多個以下優點。電漿來源可經配置以產生電漿，同時雷射光束熔融供給材料。控制器經配置以一層層的基礎來控制至一腔室的一氣體流動率，藉由該電漿來源在該腔室中產生該電漿。控制器經配 置以一層層的基礎來控制輸送至一腔室的一氣體成分，藉由該電漿來源在該腔室中產生該電漿。
實作可提供一個或更多個以下優點。可選擇地控制(XYZ控制)積層製造的物體中針對所有三維像素的化學成分。可使用供給材料的熔融同時改良或修改表面光度以產生成品零件。可使用相同設備依序實現積層及減去製造。
在附圖及下方說明書中提出本發明之一個或更多個實施例的細節。經由說明書及圖式及經由申請專利範圍，本發明之其他態樣、特徵及優點將為明顯的。
100:積層製造系統
102:外殼
103:腔室
104:分配器組件
105:平台
106:方向
107:活塞
108:貯存器
112:閘門
114:供給材料
116:層
120:平台
124:雷射光束
126:雷射來源
130:控制器
131:雷射及離子來源
131a:同軸點雷射及電漿來源
132:外導體
133:電極
134:內導體
135:管道
136:氣體輸送系統
138:氣體來源
140:窗部
141:導體平板
142:功率來源
143:末端
144:電連接
148:電漿
150:RF功率來源
151:開口端
201:氣體來源
203:噴嘴
204:分配器
205:開口端
206:供給材料
207:外導體
209:內導體
214:分配器
220:粒子光束
224:分配器
226:大塊矽
228:矽穿孔
230:壓電閘
250:像素
256:表面剖面
258:像素
280:供給材料層
282:內壁
284:材料
300:積層製造系統
302:電漿產生系統
304:腔室壁
306:真空氣孔
308:氣體入口
310:電極
312:RF功率供應
314:供給材料
316:頂部表面
330:反電極
332:RF功率供應
340:電漿
342:放電空間
350:磁鐵組件
第1A圖為積層製造系統之示意視圖。
第1B圖為積層製造系統之示意視圖。
第1C圖為併入噴嘴的系統之示意視圖。
第2A圖為點分配器之示意視圖。
第2B圖為線分配器之示意視圖。
第2C圖為陣列分配器之示意視圖。
第2D圖為兩個不同操作模式中的矽穿孔之示意圖。
第3A圖展示具有改變解析度之特徵的不同熔融供給材料。
第3B圖展示供給材料層的示意視圖。
第3C圖展示積層製造系統的示意視圖。
在多個圖式中相似的參考符號指示相似的元件。
有需要藉由3D列印製造零件，其中零件的材料成分空間地穿過該零件而改變，例如，在單一沉積層內。概念上，可在零件的不同部分中沉積不同供給材料。然而，針對一些製造情況，此可能不實際，或可需要材料成分的變動上的額外自由度。此於揭露之方法及設備容許積層製造處理的一個或更多個步驟期間針對沉積的供給材料之每一層發生化學修改及/或表面光度的調整。相對比下，使用來自例如雷射來源之能量的傳統系統造成供給材料熔融，例如，藉由改變物相、或藉由熔化及重新固化供給材料，而無須任何化學反應。
第1A圖展示示範性的積層製造系統100之示意圖。系統100包含外殼102且被外殼102封閉。外殼102可例如容許在該外殼內部的腔室103中維持一真空環境，但選擇地腔室103的內部可為實質純的氣體或氣體混合物，例如經過濾以移除粒子的氣體或氣體混合物，否則可將腔室穿孔至大氣。真空環境或經過濾氣體在製造零件期間可減低缺陷。針對一些實作，腔室103可維持於正的壓力，亦即，大於大氣壓力。此可幫助防止外在大氣進入腔室103。
積層製造系統100包含分配器以輸送粉末層覆蓋平台105，例如，於平台上或至平台上之下方的層上。
平台105的垂直位置可藉由活塞107控制。在分配及熔融各粉末層之後，活塞107可降低平台120及平台120上的任何粉末層一個層的厚度，使得組件準備好接收新的粉末層。
平台105可大到足以容納大尺寸工業零件的製造。例如，平台105可為至少500mm寬，例如500mm乘500mm的矩形。例如，平台可為至少1米寬，例如，1平方米。
在一些實作中，分配器可包含可放置於平台105上方的材料分配器組件104。分配器組件104可包含一開口，例如藉由重力輸送供給材料穿過該開口遍及平台105。例如，分配器組件104可包含貯存器108以維持住供給材料114。供給材料114的釋放藉由閘門112控制。當轉換分配器至由CAD可相容檔案規定的位置時，傳送電子控制信號至閘門112以分配供給材料。
可藉由壓電列印頭、及/或氣動閥、微機電系統(MEMS)閥、電磁閥、或磁閥之其中一者或更多者來提供分配器組件104的閘門112，以控制供給材料從分配器組件104釋放。三維像素的空間解析度越高，三維像素的體積越小且因此每個三維像素所分配的供給材料數量越少。
選擇地，分配器可包含相鄰於平台105放置的貯存器，及水平地移動(平行於平台表面)以推動來自貯存器的供給材料跨過平台105的滾筒。
控制器130控制連接至分配器組件104或滾筒的驅動系統(未展示)，例如，線性致動器。驅動系統經配置使得在操作期間，分配器組件或滾筒可平行於平台105的頂部表面來回移動(沿著箭頭106所指示的方向)。例如，分配器組件104或滾筒可被支撐於延伸跨過腔室103的軌道上。選擇地，分配器組件104或滾筒可被維持在固定位置中，同時平台105藉由驅動系統移動。
在分配器組件104包含供給材料輸送穿過的開口的情況下，當分配器組件104掃描跨過平台，分配器組件104可根據一列印圖案於平台105上合適的位置處沉積供給材料，該列印圖案可被儲存於非暫態電腦可讀取媒體中。例如，列印圖案可被儲存為一檔案，例如，一電腦輔助設計(CAD)可相容檔案，接著該檔案被相關聯於控制器130的處理器讀取。當分配器被轉換成由CAD可相容檔案所規定的位置時，電子控制信號接著被傳送至閘門112以分配供給材料。
在一些實作中，分配器組件104包含可分配穿過供給材料的複數個開口。各開口可具有可獨立控制的閘門，使得供給材料穿過各開口之輸送可被獨立地控制。
在一些實作中，複數個開口延伸跨過平台的寬度，例如，在垂直於分配器組件104的移動方向106之方向上。在此情況下，在操作中，分配器組件104可在方向106上以單一掃掠掃描跨過平台105。在一些實作中，針對交替的層，分配器組件104可在交替的方向上掃描跨過 平台105，例如，在方向106上第一掃掠及在相反方向上第二掃掠。
選擇地，例如，複數個開口沒有延伸跨過平台寬度，分配器組件104可經配置使得分配器組件104在兩個方向上移動以掃描跨過平台105(例如，光柵掃描跨過平台105)以輸送針對一層的材料。
選擇地，分配器組件104可僅沉積一致的一層供給材料覆蓋平台。在此情況下，個別開口的獨立控制及儲存於非暫態電腦可讀取媒體中的列印圖案皆不必要。
可選地，可藉由分配器組件104提供多於一種供給材料。在此情況下，各供給材料可儲存於分開的貯存器中，該貯存器具有自己的控制閘門且可被個別地控制以釋放平台105上由CAD檔案所規定的位置處之個別的供給材料。在此方式中，可使用兩種或更多種不同化學物質以產生積層製造的零件。
供給材料可為金屬或陶瓷粒子的乾粉末、液態懸浮的金屬或陶瓷粉末、或研磨漿懸浮的材料。例如，針對使用壓電列印頭的分配器，供給材料典型地為液態懸浮的粒子。例如，分配器組件104可在載體流體中輸送粉末，例如，高蒸汽壓載體，如異丙醇(IPA)、乙醇、或N甲基二吡咯啶酮(N-Methyl-2-pyrrolidone，NMP)，以形成粉末材料層。載體流體可針對該層在燒結步驟之前汽化。選擇地，可施用乾分配機械(例如，由 超音波擾動及加壓惰性氣體輔助的噴嘴陣列)以分配第一粒子。
金屬粒子之範例包含金屬、合金及介金屬合金。針對金屬粒子的材料範例包含鈦、不鏽鋼、鎳、鈷、鉻、釩及該等金屬之多種合金或介金屬合金。陶瓷材料的範例包含金屬氧化物，例如氧化鈰、氧化鋁、二氧化矽、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、或該等材料之組合。
可選地，系統100可包含壓縮器及/或水平機構以壓縮及/或平滑化沉積覆於平台105之供給材料層。例如，系統可包含可藉由驅動系統平行於平台表面移動的滾筒或葉片，例如，線性致動器。滾筒或葉片相對於平台105的高度被設定以壓縮及/或平滑化供給材料最外側的層。滾筒在跨過平台移動時可旋轉。
在製造期間，逐漸沉積及燒結或熔化供給材料層。例如，供給材料114由分配器組件104分配以形成接觸平台105的層116。隨後沉積的供給材料層可形成積層，每一積層被支撐於下方層之上。
在各層沉積之後，處理最外側的層以造成至少一些層熔融，例如，藉由燒結或藉由熔化及重新固化。在層中沒有熔融的供給材料區域可用以支撐覆蓋層的部分。
系統100包含一熱來源，該熱來源經配置以供應足夠的熱至供給材料層以造成粉末熔融。在供給材料被分配成圖案處，功率來源可同時加熱整個層，例如，在如下方討論的氣體或離子處理之後。例如，功率來源可為置 於平台105上方的照射器陣列輻射地加熱供給材料層。選擇地，如果供給材料層在平台105上一致地沉積，功率來源可經配置以加熱由儲存於電腦可讀取媒體中的列印圖案(例如，電腦輔助設計(CAD)可相容檔案)所規定的位置以造成該等位置的粉末熔融。
例如，熱來源可為雷射來源126以產生雷射光束124。來自雷射來源126的雷射光束124被引導至列印圖案所規定的位置。例如，使用雷射功率跨過平台105光柵掃描雷射光束124，在各位置處控制該雷射功率以決定一特定三維像素是否熔融。雷射光束124也可掃描跨過由CAD檔案所規定的位置，以選擇性地熔融在該等位置處的供給材料。為了提供跨過平台105的雷射光束124之掃描，在雷射光束124水平位移時平台105可保持靜止。選擇地，在平台105水平位移時雷射光束124可保持靜止。
來自雷射來源126的雷射光束124經配置以升高被雷射光束輻射的供給材料區域的溫度。在一些實施例中，供給材料的區域直接在雷射光束124下方。
平台105可額外地藉由加熱器加熱(例如，藉由嵌入於平台105中的加熱器)至低於供給材料的熔融點之基本溫度。在此方式中，雷射光束124可經配置以提供較小的溫度增加以熔融沉積的供給材料。越過小的溫度差異之轉換可致能更快速地處理供給材料。例如，平台105的基本溫度可為約1500攝氏度且雷射光束124可造成溫度增加約50攝氏度。
來自雷射來源126的雷射光束124可併入雷射及離子來源131。雷射及離子來源131經配置使得來自電漿148的離子被引導至平台105上與雷射光束124實質相同的點。
在一些實作中，雷射及離子來源131為同軸點雷射及電漿來源131a。亦即，雷射光束124及電漿148沿著一共用軸由同軸點雷射及電漿來源131a顯露。在該實施例中，當雷射光束124被掃描及引導至儲存成電腦輔助設計(CAD)可相容檔案之列印圖案所規定的位置以熔融供給材料，電漿148可同時被引導及輸送至平台上相同的位置。在一些實作中，雷射光束124及電漿148可在水平面中重疊。
雷射及離子來源131及/或平台105可耦合至致動器組件，例如，一對線性致動器經配置以提供垂直方向上的移動，以便提供雷射及離子來源131及/或平台105之間的相對移動。控制器130可連接至致動器組件以造成跨過供給材料層掃描雷射光束124及電漿148。
同軸點雷射及電漿來源131a可包含管道135，例如，雷射光束124及提供電漿的氣體兩者所傳播穿過之管子。例如，同軸點雷射及電漿來源131a可包含具有第一直徑的中空外導體132及具有小於第一直徑的第二直徑的中空內導體134。中空內導體被放置於中空外導體內。在一些實作中，中空內導體134較中空外導體 132更靠近平台延伸。然而，在一些實作中，系統僅使用單一管子。
雷射光束124可傳播穿過管道135，例如，穿過內管道134的中空內部朝向平台105的表面。氣體來源138經由氣體輸送系統136供應氣體至內管道134的中空內部。氣體輸送系統136包含由控制器130所控制的閥以將氣體由氣體來源138釋放進入內管道134。氣體之範例包含氮、氬、氦、氧及氟化鈦(TixFy)。
離平台105較遠的管道135的末端143(例如，內導體134的末端143)被窗部140終止，窗部140對雷射光束124的波長而言為透明的。窗部140幫助保持內導體134內的氣體。雷射光束124可由雷射來源126傳播穿過窗部140進入內導體134。在一些實作中，氣體輸送系統136供應氣體以穿過窗部140中的入口。在一些實作中，氣體輸送系統136供應氣體以穿過管子一側中的入口。
在一些實作中，內導體134電性地耦合至外導體132。例如，導體平板141可電性地連接中空外導體132至中空內導體134。導體平板141可位於離平台105較遠的管道末端143。
交流電(AC)(例如，射頻或微波輻射)功率來源142經由電連接144輸送電場至管道135，例如，外導體132及/或內導體134及/或可出現於管道135中的任何電極。可以一距離提供AC功率來源142及管道 135之間的電連接，該距離遠離同軸點雷射及電漿來源131a的短末端143。第1B圖展示兩個分開的功率來源142，每一者經由電連接144連接至電極及反電極133。第1A圖展示兩個分開的功率來源142及150，其中第一功率來源142連接至管道135且第二功率來源150連接至平台105。
管道135較靠近平台105的的末端(例如，外導體132)可為開口，或除了一孔隙以外可為關閉，該孔隙允許氣體及雷射光束124通過前往平台105。在一些實作中，相對於帶有導體平板141的同軸點電漿來源的短末端之末端為一開口端151。開口端151可為沒有機械地連接至中空內導體134之管道135的末端部分(例如，中空外導體132)。在一些實作中，可在管道135中產生電漿148，如下方所述。在一些實作中，可在開口端151處產生電漿。在該等實施例中，可將足夠強度的電場應用至外導體132及內導體134，以產生來自中性氣體的電漿，該中性氣體由氣體來源138所供應。
電漿為正電荷及負電荷粒子之電性地中性媒體(亦即，電漿的電荷總和大約為零)。例如，當由氣體來源138供應氮氣時，氮氣變得離子化以產生N2 +或N+。由離子化所產生的該等帶正電離子及電子形成電漿148。電漿148離開同軸點雷射及電漿來源131a以接觸沉積於平台105上的供給材料114。
由展示於第1A圖中的實作可知，電漿區域係在電流由任一導體流過時於開口端處繞著導體132及134產生、維持在高電位、進入由氣體來源138所供應的中性氣體。在一些實作中，電場在平台105及管道135的末端之間產生，且在氣體離開管道135時產生電漿148。在該等實作中，管道135更靠近平台的至少一開口端151(例如，內導體134的末端)功能如同其中一個電極且平台105如反電極般使用。如上方所述，內導體134及外導體132可電性地連接，使得處於相同電位。然而，如果外導體132沒有電性地連接至內導體134，則外導體132可為浮接或連接至接地。在外導體132沒有電性地連接至內導體134且內導體134較外導體132短的實作中，外導體132可如電極133般使用。
在管道135中產生電漿的實作中，管道135可包含一個或更多個電極133以在氣體流經或離開管道時離子化氣體。在該實作中，可放置電極133(例如，電極及反電極)於管道135內部(見第1B圖)。在此情況下，可放置電極133之一者或兩者於管道135中但與內導體134的內表面間隔開來。
在一些實作中，管道135可由介電材料形成而非導體。在此情況下，可設置一個或更多個電極133於開口端151處或管道135的內表面上。
在一些實作中，氣體來源138可包含電極且在氣體經過氣體輸送系統136被輸送進入內導體134前離子化氣體。
外導體132及內導體134可由金屬製成。導體132及134可由相同金屬或不同金屬製成。一般而言，藉由將合適功率及頻率的RF信號應用至管道135及/或平台105及/或放置於管道135內的電極，可形成由氣體所獲得之電漿148，該氣體由氣體來源138所供應。
將較高射頻驅動電壓應用至一個電極可控制電漿中的離子流量，而將較低射頻驅動電壓應用至一反電極可控制電漿中的離子能量。
可藉由RF功率來源150提供RF偏壓至平台105以形成繞著供給材料114的鞘部，該鞘部為電荷的邊界層。電荷的邊界層可從電漿吸引相反電性的離子。當離子衝擊供給材料時，離子可造成熔融之供給材料上的化學反應。可同時發生供給材料的化學修改與由雷射光束124所造成之供給材料熔融。
舉例而言，供給材料114可為鈦。氮化鈦一般為較鈦硬的材料。可需要針對積層製造零件的某些區域具有硬的表面，例如，由氮化鈦所形成。在此情況下，可由氣體來源138供應氮以產生一電漿，該電漿除了氮離子N2 +或N+外可包含氮自由基。該些氮氣種與鈦在地反應以在室溫或稍微升高的溫度下(例如，室溫至300攝氏度)形成氮化鈦。
可應用該等離子至對應於製造的主體表面之供給層部分。此允許主體表面上塗覆之產生。例如，可以TiN塗覆來塗覆鈦零件。
除了造成供給材料之化學反應或其他選擇，可使用蝕刻劑自由基(例如TixFy)以改良熔融的供給材料的表面光度。可藉由第二氣體入口由第二氣體來源獲得蝕刻劑自由基，該第二氣體來源與同軸點雷射及電漿來源具有介面。控制器130耦合至用於各氣體來源的閥以控制何氣體回應於來自CAD程式的指令而流入管道135。例如，蝕刻劑自由基可調整熔融的供給材料之表面粗糙度。例如，蝕刻劑自由基可產生具有30至100微英吋之表面粗糙度的表面。蝕刻劑自由基的使用幫助移除小量的熔融供給材料以留下具有較低表面粗糙度的表面。
選擇地，藉由調整打擊熔融供給材料表面的離子密度，可增加熔融供給材料之表面粗糙度，例如，當蝕刻劑隨機移除材料而留下具有增加的粗糙度之有孔表面時。例如，藉由改變應用至外導體132、內導體134及/或電極133的RF電壓之頻率，可減低電漿流量使得較少離子打擊熔融供給材料的表面，造成表面上間隔更遠的不規律性，增加表面粗糙度。熔融供給材料增加的表面粗糙度可改良沉積於熔融供給材料頂部上的新供給材料層之黏性或附著性。
在一些實作中，電漿中靠近開口端151形成的離子可移動至平台105，而無須進一步的加速或引導。
在一些實作中，在平台前可併入額外的裝置以在氣體經由內導體離開時幫助加速氣體流動(例如，電漿中的離子)。
例如，如第1C圖中所展示，同軸雷射及氣體來源201相似於同軸點雷射及電漿來源131a，帶有雷射來源126及氣體來源138，且雷射光束124及氣體沿著一共用軸由來源201顯露。來自氣體來源138的氣體之離子化為可選的，但可以如上述用於同軸雷射及電漿來源131a之相同方式達成。
同軸雷射及氣體來源201也包含一裝置，例如位於外導體207及內導體209較靠近平台105的開口端205之噴嘴203。噴嘴203經配置以在氣體離開內導體206時加速氣體流動。在一些實作中，噴嘴經配置以感應超音波氣體流動。例如，噴嘴203可為de Laval噴嘴、收斂-發散噴嘴、CD噴嘴、或斂散(con-di)噴嘴。在一些實作中，de Laval噴嘴203可為在中間尖縮的管子以具有仔細地平衡、非對稱的沙漏狀。使用噴嘴203以加速粒子光束220(例如)的離子通過噴嘴203以得到較大的軸速度。在此方式中，粒子光束的動能造成區域被雷射光束熔融的同時積層製造零件層的表面(例如表面拋光)處材料的移除。
雷射及離子來源131及/或雷射及氣體來源201的解析度可為毫米，下至微米。換句話說，可定位供給材料的化學反應至幾個毫米的積層製造零件，因此提供 製造零件的化學成分的完美空間控制。可控制供給材料之化學反應，例如，藉由調整氣體的流動速率或成分，或藉由控制所應用的電壓以控制離子的動能。可在組合的雷射及離子來源131掃描跨過平台105時實施該調整，因而提供供給材料化學層內控制。此外，由於可獨立於氣體及/或電漿而控制雷射來源126，並非所有被雷射124熔融的區域需要被氣體或離子處理，且可將氣體或離子應用至未被雷射124熔融的區域。
如上方討論，可將RF偏壓應用至平台上以加速帶電離子於熔融材料零件上。在此方式中，離子可穿透熔融材料零件以造成或解除由供給材料之熱退火所產生的應力(由雷射光束124所造成)。一般而言，可針對表面拋光使用中性分子(例如，氬或氦)而不造成任何表面的化學修改。當使用該等中性分子時，可關閉RF功率來源142，且來自氣體供應138的中性分子在中性分子打擊熔融供給材料的表面之前，可僅加速穿過de Laval噴嘴203。當使用中性分子時，可發生該等(或其他)分子之擴散而進入被熔融的供給材料層，即便沒有應用至平台的偏壓。例如，分子可擴散直接進入由雷射熔融/燒結所產生的熱熔融供給材料層。
上述能力特別適於使用在修改積層製造管道之內表面的化學成分及/或表面光度。例如，第3B圖展示構成積層製造管道的一個層之供給材料層280的俯視視圖。管道具有內壁282。內壁282可由材料284製成，材 料284藉由化學修改原本的供給材料114而得。在積層製造處理期間可化學修改內壁322之容易度為上述方法的一個優點。
在一些實作中，可使用控制器130以控制氣體輸送系統136以調整進入管道135的氣體入口之氣體流動速率或氣體成分。在一些實作中，可使用控制器130以調整應用至電極133及/或平台105的電壓。該等調整可與供給材料的特定層(Z位置)上的雷射光束的位置(x-y位置)一起進行。在此方式中，製造零件所需化學成分可依特定供給層內的側面(x-y)位置的函數而變化。
例如，雷射及離子來源131可包含連接至個別額外氣體來源的額外氣體入口，以便輸送多於一種氣體至雷射及離子來源131。在此方式中，例如，當氧氣流動輸送經過雷射及離子來源131至供給材料層中的某x-y位置時，可氧化該x-y位置的供給材料。
如一範例，如果供給材料為鈦，供給材料層上的特定位置可與氧氣反應以形成氧化鈦。可停止氧氣流動，且可初始化氮氣流動以在供給材料層中另一位置處產生氮化鈦。
除了化學修改積層製造零件的表面或改變表面粗糙度以外，也可藉由移除製造零件的部分來使用點電漿來源以減去製造。在此方式中，可使用減去處理以改良製造零件中的解析度。例如，如第3A圖中所展示，熔融供給材料的兩個相鄰「像素」250之解析度由箭頭252表 示。如第3A圖中所展示，可使用減去處理以產生新表面剖面256，其中相鄰「像素」258的解析度現在更高了。可使用蝕刻劑(如TixFy)化學地實現減去處理，及/或可使用高到足以磨損熔融供給材料的雷射功率來傳導。可在實施積層處理之後在層上實施減去處理。因此，可使用相同設備依序在相同層上實現積層及減去製造。
在此方式中，方法及設備容許積層製造零件內的所有點的化學成分及表面粗糙度之完全三維(x，y，z)控制。
在操作中，在各層經沉積及熱處理後，平台105降低一實質相等於層的厚度的量。接著分配器組件104(分配器組件104無須在垂直方向上平移)水平地掃描跨過平台以沉積一新的層，該新的層重疊於先前沉積的層，且可接著熱處理該新的層以熔融供給材料。可重複該處理直至製造出完全三維的物體。由供給材料之熱處理所獲得的熔融供給材料提供積層製造的物體。
如第2A圖中所展示，可使用於分配器組件104的分配器204可為單一點分配器，且分配器可平移跨過平台105的x及y方向以在平台105上沉積完整的供給材料206的層。
選擇地，如第2B圖中所展示，可使用於分配器組件104的分配器214可為延伸跨過平台寬度的線性分配器。例如，分配器214可包含可個別控制的開口之線性陣列，例如，噴嘴。分配器214僅可沿著一個維度平移 (例如，實質垂直於分配器的長軸)以在平台上沉積完整的供給材料層。
選擇地，如第2C至2D圖中所展示，可使用於分配器組件104的分配器224包含可個別控制的開口之二維陣列，例如，噴嘴。例如，分配器224可為大面積的三維像素噴嘴列印(LAVoN)。LAVoN 224容許同時沉積完整的二維供給材料層。LAVoN 224可為形成於大塊矽226中的矽穿孔(TSV)228的密集格網。各TSV 228可藉由壓電閘230來控制，在應用適當電壓時壓電閘230關閉特定228的出口開口，使得供給材料206被保留在TSV內。當將不同電壓應用至TSV 228，壓電閘230可開啟特定TSV 228的出口開口，容許在平台上沉積供給材料。藉由控制信號存取在LAVoN 224中的各個TSV 228，該等控制信號係基於界定製造物體的CAD檔案而由控制器產生。可使用LAVoN 224以沉積僅單一供給材料。在該情況下，沒有供給材料沉積於製造物體中空隙的區域處或製造物體外的區域中。展示於第2B至2D圖中的實施例可加速平台上供給材料的沉積處理。
也可使用如展示的大面積背景電漿(而取代展示於第1A及1B圖中的點電漿來源)，以控制沿著所製造零件之厚度(z)方向之化學成分。「大面積」指示電漿可覆蓋實質上整個供給材料層。
如第3C圖中所展示，積層製造系統300相似於第1A圖之積層製造系統100，但包含大面積背景電漿 產生系統302。積層製造系統300包含界定腔室103的腔室壁304。
可藉由電漿產生系統302產生大面積背景電漿。電漿產生系統302包含電極310，亦即，第一電極。電極310可為平台120上或中的導電層。此允許電極310可垂直平移，相似於第1A圖中的活塞107。電極310可如陰極般使用。
積層製造系統300也包含反電極330，亦即，第二電極。反電極330可如陽極般使用。雖然第3C圖圖示反電極330為懸掛在腔室103中的平板，反電極330可具有其他形狀或由腔室壁304的部分來提供。
電極310及/或反電極330之至少一者連接至RF功率供應，例如，RF電壓來源。例如，電極310可連接至RF功率供應312且反電極可連接至RF功率供應332。在一些實作中，電極310或反電極330之至少一者連接至RF功率供應，且電極310或反電極330之另一者接地或連接至阻抗匹配網路。
藉由合適的功率及頻率之RF信號的應用，電漿340形成於陰極310及陽極330之間的放電空間342中。電漿為正電荷及負電荷粒子之電性地中性媒體(亦即，電漿的電荷總和大約為零)。僅為了圖示目的描繪電漿340為橢圓形。一般而言，電漿填滿電極310及反電極330之間的區域，除了靠近陽極表面的「死區域」。
可選地，系統300可包含磁鐵組件350，磁鐵組件350可產生例如50高斯至400高斯的磁場。磁鐵組件350可在平台120中包含永久磁鐵，例如，位於靠近平台120的頂部表面316。選擇地，磁鐵組件可包含電磁鐵，例如，環繞腔室103之壁304的介電(例如，石英)部分之外表面的天線線圈。RF電流通過天線線圈。當在共振模式中使用應用的RF功率來操作時，天線線圈在腔室103內產生軸磁場。磁場可把帶電粒子(例如，帶負電粒子如電子)限制在螺旋動作。
可在外殼102中封閉由腔室壁304界定的腔室103。腔室壁304可例如容許在外殼102內部之腔室103中維持真空環境。外殼102中的真空幫浦可藉由真空氣孔306連接至腔室103以從腔室103內排放氣體。可經由氣體入口308將處理氣體(例如非反應性氣體如氬或氦)或反應性氣體(如氧)導入腔室103。依據該等處理，可將不同氣體導入腔室103。
在真空環境下操作系統300可提供用於材料的品質控制，該材料係由系統300中發生的處理形成。然而，電漿340也可在大氣壓力下產生。
相似於第1A圖中所展示的分配器組件，或以第2B及2C圖中所展示的分配器組件選擇的形式，可使用分配器組件104沉積供給材料314覆於平台105上。控制器130相似地控制連接至分配器組件104的驅動系統(未展示)，例如，線性致動器。驅動系統經配置使得在操作 期間，分配器組件可平行於平台120的頂部表面來回移動。
可將較高頻率(例如，大於50MHz)的驅動電壓應用至其中一個電極(陰極或陽極)，同時可將較低頻率(例如，小於20MHz)的偏壓電壓應用至另一電極。一般而言，較高頻率信號產生電漿流量。較高頻率RF驅動電壓產生較高流量(亦即，電漿中更多離子及電子)。較低頻率RF偏壓電壓控制電漿中離子的能量。在足夠低的頻率下(例如，2MHz)，偏壓信號可造成電漿中的離子具有足夠能量以汽化沉積於基板(例如，矽晶圓)上的供給材料(例如，鋁粉末)。相對比下，在較高頻率偏壓信號下(例如，13MHz)，可發生供給材料的熔化。改變RF頻率及應用的點可造成供給材料的不同熔化效能。熔化效能可決定供給材料之重新結晶，而可導致金屬內之不同應力及不同弛緩行為。
系統300可包含雷射來源126以產生雷射光束124以掃描供給材料314的層，如針對第1A圖之上述。雷射來源126可經受相對於平台105的動作，或可偏轉雷射，例如藉由鏡測電流計。雷射光束124可產生足夠的熱以造成供給材料314熔融。雷射來源126及大面積背景電漿系統302的組合允許所有供給材料層的同時化學修改(例如，摻雜或氧化)，同時仍舊維持控制熔融何三維像素，例如，而回應於儲存於非暫態電腦可讀取媒體中的列印圖案。
電漿的使用容許容易地控制熔融供給材料之特性。例如，可藉由選擇性地由電漿植入離子來摻雜供給材料層。可藉由例如系統100或300來一層層地改變摻雜濃度，或可藉由例如系統100在一供給材料層內改變摻雜濃度。離子植入可幫助釋放或感應供給材料層中的點應力。摻雜物的範例包含磷。
可偏壓電漿使得供給材料的粉末粒子及電極之間的空隙造成粉末上發展出足夠大的電壓，造成供給材料上的電子或離子撞擊。使用於撞擊的電子或離子可來自電漿且當應用DC或AC偏壓於供給材料上時被加速至供給材料。可使用撞擊以處理一層、蝕刻材料、化學更改(例如，於反應性離子蝕刻)供給材料、摻雜供給材料(例如，增加一氮化物層)、或使用於表面處理。
可將系統100及300使用於熔融矽、氧化矽或氮化矽粉末，隨後蝕刻矽、氧化矽或氮化矽層。
參考第1A或3A圖，系統100或300的控制器130連接至多種系統構件(例如，致動器、閥、及電壓來源)以產生信號至該等構件且協調操作且造成系統實現多種上述功能性操作或步驟序列。可以數位電子電路或以電腦軟體、韌體或硬體實作控制器。例如，控制器可包含處理器以執行儲存於電腦程式產品中(例如，在非暫態機器可讀取儲存媒體)的電腦程式。可以任何形式的程式語言寫入該電腦程式(也稱為程式、軟體、軟體應用、或程式碼)，包含經編譯或經解譯語言，且可以任何形式利用該 電腦程式，包含成為單機程式或成為模組、構件、子常式、或適於使用在電腦環境中的其他單元。
如上述，控制器130可包含非暫態電腦可讀取媒體以儲存資料物體(例如，電腦輔助設計(CAD)可相容檔案)，該資料物體辨識應沉積供給材料之各層中的圖案。例如，資料物體可為STL格式的檔案、3D製造格式(3MF)檔案、或積層製造檔案格式(AMF)檔案。例如，控制器可接收來自遠端電腦的資料物體。控制器130中的處理器(例如，藉由韌體或軟體控制)可解譯接收自該電腦的資料物體，以產生控制系統構件以列印針對各層所規定圖案所必要之信號組。
用於金屬及陶瓷之積層製造的處理條件與用於塑膠的該等條件明顯不同。例如，一般而言，金屬及陶瓷需要明顯較高的處理溫度。例如，金屬需要在數量級400攝氏度或更高(例如鋁，700攝氏度)的溫度下處理。此外，金屬處理應發生在真空環境中，例如，以防止氧化。因此，不可將用於塑膠的3D列印技術應用於金屬或陶瓷處理且設施不可等效。此外，用於大的工業尺寸零件的製造條件可明顯更嚴格。
然而，可將一些於此描述之技術應用於塑膠粉末。塑膠粉末之範例包含：尼龍、丙烯睛-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚氨基甲酸酯、丙烯酸酯、環氧聚酯、聚醚醯亞胺、聚二醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯乙烯、或聚醯胺。
在分開的實施例內文中所描述的某些特徵也可在單一實施例中組合而實作，且相反地，在單一實施例內文中所描述的多種特徵也可單獨實作而無須該實施例的其他特徵。
例如，雖然製造一零件而該零件的材料成分在空間上改變為潛在的優點，當用以產生具有一致材料成分的零件時系統仍舊具有其他優點，例如，使用電漿及/或氣體與雷射而允許材料形成的組合。
已描述一數量的實作。然而，應理解可做出多種修改。根據地，其他實作在以下申請專利範圍之範圍內。
116‧‧‧層
124‧‧‧雷射光束
126‧‧‧雷射來源
133‧‧‧電極
136‧‧‧氣體輸送系統
138‧‧‧氣體來源
140‧‧‧窗部
141‧‧‧導體平板
142‧‧‧功率來源
143‧‧‧末端
144‧‧‧電連接
201‧‧‧氣體來源
203‧‧‧噴嘴
205‧‧‧開口端
207‧‧‧外導體
209‧‧‧內導體
220‧‧‧粒子光束

Claims (21)

  1. 一種積層製造系統，包括：一平台；一供給材料分配器，該供給材料分配器經配置以輸送一層供給材料粉末覆蓋該平台；一雷射來源，該雷射來源經配置以產生一雷射光束；一控制器，該控制器經配置以引導該雷射光束在儲存於一電腦可讀取媒體中的資料所規定的位置處熔融該供給材料粉末；一氣體來源，該氣體來源經配置以供應氣體；及一噴嘴，該噴嘴經配置以加速及引導該氣體至與該雷射光束實質相同的位置，其中該雷射光束及該氣體沿著一共用軸顯露以打擊該平台上的該供給材料粉末，且該雷射光束熔融該平台上的該供給材料粉末。
  2. 如請求項1所述之系統，其中該噴嘴經配置以加速該氣體至超音速速度。
  3. 如請求項2所述之系統，其中該噴嘴包括一第拉瓦(de Laval)噴嘴。
  4. 如請求項1所述之系統，進一步包括經配置以離子化該氣體以形成一電漿的一電極及一反電極。
  5. 如請求項1所述之系統，包括一管道，該管 道具有較靠近該雷射的一第一端及較靠近該平台的一第二端，且其中經由該管道引導該雷射。
  6. 如請求項5所述之系統，其中該噴嘴被放置於該管道的該第二端上。
  7. 如請求項6所述之系統，其中該氣體來源經配置以注射該氣體進入該管道的該第一端。
  8. 如請求項1所述之系統，其中在該供給材料粉末熔融的同時該氣體與該供給材料粉末反應。
  9. 一種積層製造方法，包括以下步驟：分配一層供給材料覆蓋一平台；引導一雷射光束以加熱儲存於一電腦可讀取媒體中的資料所規定的位置處的該供給材料；及引導一氣體材料至與該雷射光束實質相同的位置。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該氣體材料造成該平台上的該位置處的一化學反應。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該化學反應與該供給材料的熔融為同時的。
  12. 如請求項9所述之方法，其中該氣體材料藉由一噴嘴來加速，該噴嘴置於該氣體材料的一路徑中。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該氣體材料經配置以改變該供給材料的一表面光度。
  14. 如請求項9所述之方法，其中該氣體材料包括一蝕刻劑，該蝕刻劑經配置以移除該供給材料。
  15. 如請求項9所述之方法，進一步包括以下步驟：流動一第二氣體材料以造成該供給材料上一第二位置處的一不同化學反應。
  16. 如請求項9所述之方法，其中在該層供給材料對應於欲製造的一物體的一表面之一區域處引導該氣體材料，以形成該物體上不同成分的一塗覆。
  17. 一種積層製造方法，包括以下步驟：分配一第一層供給材料覆蓋一平台；加熱該平台上一電腦可讀取媒體中的一資料所規定的第一位置處的該第一層供給材料，以熔融該第一層供給材料的部分；在被熔融之該供給材料保持於平台上的同時，蝕刻被熔融之該供給材料的一部分；分配一第二層供給材料覆蓋該平台上經蝕刻及熔融之供給材料；及加熱該平台上儲存於該電腦可讀取媒體中的資料所規定的第二位置處的該第二層供給材料，以熔融該第二層供給材料的第二部分。
  18. 一種積層製造系統，包括：一平台； 一供給材料分配器設備，該供給材料分配器設備經配置以輸送一層供給材料覆蓋該平台；一雷射，該雷射經配置以產生一雷射光束；一控制器，該控制器經配置以造成該雷射光束在儲存於一電腦可讀取媒體中的資料所規定的位置處熔融該供給材料；一電漿來源，該電漿來源經配置以產生一電漿，該電漿延伸實質跨過該平台上所有供給材料層且產生被引導至該供給材料上的離子。
  19. 如請求項18所述之系統，其中該電漿來源經配置以在該雷射光束熔融該供給材料的同時產生該電漿。
  20. 如請求項18所述之系統，其中該控制器經配置以一層層的基礎來控制至一腔室的一氣體流動率，藉由該電漿來源在該腔室中產生該電漿。
  21. 如請求項18所述之系統，其中該控制器經配置以一層層的基礎來控制輸送至一腔室的一氣體成分，藉由該電漿來源在該腔室中產生該電漿。
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