使用激光辊隙加热的基于选择性层沉积的增材制造系统的制作方法

使用激光辊隙加热的基于选择性层沉积的增材制造系统
1.本技术在所有国家的指定申请人、美国国营公司evolve additive solutions公司于以及在所有国家的指定发明人、美国公民j.samuel batchelder的名义下作为pct国际专利申请于2020年6月30日提交，并且要求于2019年7月3日提交的美国临时专利申请第62/870,446号的优先权，该专利申请的内容通过援引以其全文并入本文。


背景技术：

2.本披露内容涉及用于三维(3d)零件的增材制造的系统和方法，更具体地涉及用于构建3d零件及其支撑结构的增材制造系统和工艺。
3.增材制造系统用于使用一种或多种增材制造技术从3d零件的数字表示(例如，amf和stl格式文件)构建3d零件。可购买到的增材制造技术的示例包括基于挤出的技术、喷墨、选择性激光烧结、粉末/粘结剂喷射、电子束熔化和立体平版印刷工艺。对于这些技术中的每一种，3d零件的数字表示最初被分成多个水平层。对于每个切片层，然后生成工具路径，该工具路径为特定的增材制造系统提供指令以形成给定层。
4.在电子照相3d打印过程中，使用电子照相引擎来打印3d零件及其支撑结构的数字表示的每个切片或使其显影。电子照相引擎使用被配制用于在构建3d零件中使用的带电粉末材料(例如，聚合调色剂材料)。静电照相引擎通常使用涂布有光电导材料层的支撑鼓，其中，在由光源按成像方式暴露光电导层之后，通过静电充电形成静电潜像。静电潜像然后被移动到显影站，在该显影站处，聚合物调色剂被施加到带电区域，或者替代性地被施加到光电导绝缘体的放电区域，以形成表示3d零件的切片的带电粉末材料层。显影的层被转印到转印介质，通过热和压力将该层从转印介质输注到先前打印的层，以构建3d零件。
5.除了上述可商购获得的增材制造技术之外，已经出现了一种新颖的增材制造技术，其中，首先在成像过程中选择性地沉积颗粒，从而形成与要制造的零件的切片相对应的层；然后将这些层相互粘合，从而形成零件。这是选择性沉积工艺，与例如其中成像和零件形成同时发生的选择性烧结相反。选择性沉积工艺中的成像步骤可以使用电子照相术来完成。在二维(2d)打印中，电子照相术(即，静电复印术)是用于在比如打印纸等平面基底上创建2d图像的流行技术。电子照相系统包括涂布有光电导材料层的导电支撑鼓，其中，通过充电、然后由光源按成像方式暴露光电导层来形成静电潜像。静电潜像然后被移动到显影站，在该显影站处，调色剂被施加到光电导绝缘体的带电区域，以形成可视图像。形成的调色剂图像然后被转印到基底(例如，打印纸)上，并且通过加热或压力附着到基底上。
6.为了将每个层从转印介质输注到零件构建表面，在按压部件(例如呈轧辊形式)施加压力以将该层转印到零件构建表面之前，对零件构建表面和转印介质上的层进行预热。如果零件构建表面和/或零件被加热得太快，则它们可能在由零件构建表面施加压力之前冷却超过期望的量。另一个问题是零件构建表面和要转印到的层不应该被加热到招致调色剂材料降解的温度。进一步地，低于降解温度的一些温度仍然会导致零件过度伸长或其他不期望的结果。控制零件构建表面和转印介质上的层的温度以改进输注过程提出了许多挑战。


技术实现要素：

7.本披露内容的各方面涉及用于打印三维(3d)结构的增材制造系统和方法。在一个示例性方法实施例中，使用至少一个静电照相引擎来使粉末材料的层显影。将显影的层从至少一个静电照相引擎转印到转印介质。使用一个或多个激光器发射第一波长带的光能，以将光能施加到靠近输注辊辊隙的区域中。使用至少一个高温计接收来自靠近输注辊辊隙的区域中的表面的、在不同于第一波长带的第二波长带上的发射，并且将接收到的在第二波长带上的发射转换成温度指示性输出。定位在至少一个高温计与输注辊辊隙之间的波长选择性设备用于允许第二波长带内的光能从输注辊辊隙传输到至少一个高温计，同时限制第一波长带内的光能被高温计接收。响应于至少一个高温计的温度指示性输出，控制来自至少一个激光器的光能。通过激光对显影的层进行加热后，使用输注辊将转印介质上的显影的层按压成与零件构建表面接触，以形成新的零件构建表面。
8.在一些实施例的一方面，使用至少一个高温计接收来自输注辊辊隙的区域中的表面的在第二波长带上的发射进一步包括使用第一高温计和第二高温计，该第一高温计被定向成接收来自零件构建表面的发射，该第二高温计被定向成接收来自转印介质上的显影的层的发射。响应于至少一个高温计的温度指示性输出来控制至少一个激光器进一步包括基于来自第一高温计和第二高温计的温度指示性输出或对应的温度或数据的比较来控制该至少一个激光器的光能输出。
9.在一些实施例的一方面，响应于该至少一个高温计的温度指示性输出来控制至少一个激光器的光能输出进一步包括控制从至少一个激光器发射的光能以在输注轧前方的距离xh处对零件构建表面进行加热，其中，距离xh是期望的热扩散深度λz、可移动构建平台的速度vb和3d零件的热扩散率κ
p
的函数，其中，使用以下关系式来确定该距离xh：
[0010][0011]
在一些实施例的一方面，提供了一种用于打印三维零件的基于选择性层沉积的增材制造系统。该增材制造系统包括：静电照相成像引擎，该静电照相成像引擎被配置为使基于热塑性塑料的粉末的成像层显影；可移动构建平台，该可移动构建平台被配置为支撑具有零件构建表面的3d零件；以及转印介质，该转印介质被配置为从成像引擎接收成像层并且传送接收的成像层。该系统的输注辊输注元件被配置为通过在输注辊辊隙处按压转印介质与零件构建表面之间的成像层，将由转印介质传送的成像层转印到可移动构建平台上。至少一个光能发射器(例如一个或多个激光器)被配置为利用第一波长带的光能发射来将热能施加到输注辊辊隙的区域中。该系统的至少一个高温计被配置为接收来自靠近输注辊辊隙的区域中的表面的、在不同于第一波长带的第二波长带上的发射，并且将接收到的在第二波长带上的发射转换成温度指示性输出。波长选择性设备被定位在至少一个高温计与输注辊辊隙之间，并且被配置为允许第二波长带内的光能从输注辊辊隙传输到至少一个高温计，同时限制第一波长带内的光能被高温计接收。该系统包括控制器，该控制器被配置为响应于至少一个高温计的温度指示性输出来控制至少一个辐射式加热器。
[0012]
在一些实施例的一方面，其中，至少一个光能发射器包括至少一个激光器，该至少一个激光器传输第一波长带内的发射，以将光能施加到输注辊辊隙区域中的零件构建表面
和成像层。
[0013]
在一些实施例的一方面，安装件联接到至少一个高温计并且被配置为将该至少一个高温计朝向输注辊辊隙定向。
[0014]
在一些实施例的一方面，至少一个高温计包括第一高温计和第二高温计，该第一高温计被定向成接收来自零件构建表面的发射，并且该第二高温计被定向成接收来自成像层的发射。在一些实施例中，控制器被配置为基于来自第一高温计和第二高温计的温度指示性输出的比较来控制至少一个激光器的光能输出。
[0015]
在一些实施例的一方面，该系统包括至少一个激光器转向机构，该激光器转向机构联接到至少一个激光器，并且被配置为在控制器的控制下使该至少一个激光器转向，以将成像层和零件构建表面加热到大致相同的温度。
[0016]
在一些实施例的一方面，至少一个激光器包括至少一个激光棒。
[0017]
在一些实施例的一方面，控制器被配置为控制至少一个激光器的光能输出，以在输注轧辊前方的距离xh处对零件构建表面进行加热，其中，该距离xh是期望的热扩散深度λz、可移动构建平台的速度vb和3d零件的热扩散率κ
p
的函数。可以使用以下关系式来确定输注轧辊前方的距离xh：
[0018][0019]
在一些实施例的一方面，该系统进一步包括：快轴准直器透镜，该快轴准直器透镜被定位在激光器与输注辊辊隙之间；以及柱面透镜，该柱面透镜被定位在快轴准直器透镜与输注辊辊隙之间。
[0020]
在一些实施例的一方面，提供了一种用于打印三维零件的基于选择性层沉积的增材制造系统。该增材制造系统包括：静电照相成像引擎，该静电照相成像引擎被配置为使基于热塑性塑料的粉末的成像层显影；可移动构建平台，该可移动构建平台被配置为支撑具有零件构建表面的3d零件；以及转印介质，该转印介质被配置为从成像引擎接收成像层并且传送接收的成像层。该系统的输注辊输注元件被配置为通过在输注辊辊隙处按压转印介质与零件构建表面之间的成像层，将由转印介质传送的成像层转印到可移动构建平台上。至少一个激光器被配置为发射第一波长带的光能，以将光能施加到靠近输注辊辊隙的区域中。系统的控制器被配置为控制至少一个激光器的光能输出，以对靠近输注辊辊隙的区域中的零件构建表面和成像层进行加热。
[0021]
在一些实施例的一方面，控制器被配置为控制至少一个激光器的光能输出，以在输注轧辊之前的距离xh处对零件构建表面进行加热，其中，该距离xh是期望的热扩散深度λz、可移动构建平台的速度vb和3d零件的热扩散率κ
p
的函数。在一些实施例中，使用以下关系式来确定距离xh：
[0022][0023]
在一些实施例的一方面，该系统进一步包括：快轴准直器透镜，该快轴准直器透镜被定位在至少一个激光器与输注辊辊隙之间；以及柱面透镜，该柱面透镜被定位在快轴准直器透镜与输注辊辊隙之间。
[0024]
在一些实施例的一方面，该系统包括至少一个高温计，该至少一个高温计被配置为接收来自输注辊辊隙区域中的表面的、在不同于第一波长带的第二波长带上的发射，并且将接收到的在第二波长带上的发射转换成温度指示性输出。波长选择性设备被定位在至少一个高温计与输注辊辊隙之间，并且被配置为允许第二波长带内的光能从输注辊辊隙传输到至少一个高温计，同时限制第一波长带内的光能被高温计接收。控制器被配置为根据来自至少一个高温计的温度指示性输出来控制至少一个激光器。
[0025]
在一些实施例的一方面，至少一个高温计包括第一高温计和第二高温计，该第一高温计被定向成接收来自零件构建表面的发射，并且该第二高温计被定向成接收来自成像层的发射，其中，该控制器被配置为基于来自第一高温计和第二高温计的温度指示性输出的比较来控制至少一个激光器。
[0026]
定义
[0027]
除非另有说明，否则如在此使用的以下术语具有下面提供的含义：
[0028]
术语“共聚物”是指具有两种或更多种单体物质的聚合物，并且包括三元共聚物(即，具有三种单体物质的共聚物)。
[0029]
术语“至少一个”和“一个或多个”要素可互换地使用，并且具有包括单个要素和多个要素的相同含义，并且还可以由要素末端的后缀“(s)”表示。例如，“至少一种聚酰胺”、“一种或多种聚酰胺(one or more polyamides)”和“一种或多种聚酰胺(polyamide(s))”可以可互换地使用并且具有相同的含义。
[0030]
术语“优选的”和“优选地”是指在某些情况下可以提供某些益处的本披露内容的实施例。然而，在相同或其他情况下，其他实施例也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施例的叙述并不意味着其他实施例是无用的，并且不旨在将其他实施例排除在本披露内容的范围之外。
[0031]
比如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等定向取向是参考沿3d零件的打印轴线的方向进行的。在打印轴线是竖直z轴的实施例中，层打印方向是沿竖直z轴的向上方向。在这些实施例中，术语“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等基于竖直z轴。然而，在3d零件的层沿不同的轴线打印的实施例中，术语“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等相对于给定轴线。
[0032]
当在权利要求中叙述时，比如用于“提供材料”等术语“提供”不旨在要求所提供的物品的任何特定递送或接收。相反，为了清楚和易于阅读的目的，术语“提供”仅用于叙述将在一个或多个权利要求的后续要素中提及的项。
[0033]
术语“选择性沉积”是指一种增材制造技术，其中，一个或多个颗粒层随着时间的推移利用热和压力熔融到先前沉积的层，其中，颗粒熔融在一起形成零件的层，并且还熔融到先前打印的层。
[0034]
术语“静电照相术”是指形成和利用潜在静电荷图案，以在表面上形成零件、支撑结构或两者的层的图像。静电照相术包括但不限于使用光能形成潜像的电子照相术、使用离子形成潜像的离子照相术和/或使用电子形成潜像的电子束成像。
[0035]
除非另有说明，否则在此提及的温度基于大气压力(即一个大气压)。
[0036]
由于本领域的技术人员已知的预期变化(例如，测量中的限制和可变性)，术语“约”和“基本上”在此关于可测量值和范围使用。
附图说明
[0037]
图1是根据本披露内容的实施例的用于打印3d零件和相关联支撑结构的示例性基于电子照相术的增材制造系统的简化图。
[0038]
图2是根据本披露内容的示例性实施例的电子照相引擎的示意性前视图。
[0039]
图3是根据本披露内容的示例性实施例的包括转印鼓或皮带的示例性电子照相引擎的示意性前视图。
[0040]
图4a是根据本披露内容的示例性实施例的系统中的示例性输注组件的示意性前视图，该系统在进行层输注步骤时使用激光加热并且不进行精轧。
[0041]
图4b是根据本披露内容的示例性实施例的系统中的示例性输注组件的示意性前视图，该系统在进行层输注步骤时使用激光加热并且进行精轧。
[0042]
图5a是展示作为热扩散深度的函数的加热距离的示例的曲线图。
[0043]
图5b是展示作为热深度的函数的所需热功率的示例的曲线图。
[0044]
图5c是示例性辊隙入口几何形状的示意性图示。
[0045]
图5d是展示作为热深度的函数的用于加热的辊隙入口开口的示例的曲线图。
[0046]
图5e是展示了作为热深度的函数的辊隙开口的倾斜度的示例的曲线图。
[0047]
图5f是展示了作为热深度的函数的红外(ir)灯的所需黑体温度的示例的曲线图。
[0048]
图6a是使用激光加热器的示例性输注组件的部分的示意性立体图。
[0049]
图6b和图6c是使用激光加热的图6a的示例性输注组件的一部分的示意性侧视图和立体图。
[0050]
图6d是根据另一实施例的图6a的示例性输注组件的一部分的示意性侧视图，该输注组件利用快轴准直器(fac)透镜和柱面透镜使用激光加热。
[0051]
图7是展示了作为波长的函数的硅吸收系数的示例的曲线图。
[0052]
图8a至图8c是展示了对于指向过高、指向过低和正确指向的激光，作为位置的函数的示例性温度分布的曲线图。
[0053]
图9a和图9b是使用激光加热和直接辊隙温度测量的系统中的另一个输注组件的部分的示意性前视图。
[0054]
图10是根据示例性实施例的用于打印零件的方法的流程图。
具体实施方式
[0055]
下文将参考附图更全面地对本披露内容的实施例进行描述。使用相同或相似的附图标记标识的元件是指相同或相似的元件。然而，本披露内容的各个实施例可以以许多不同的形式具体化，并且不应被解释为受限于在本文中所阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本披露内容将是彻底和完整的，并且将本公开的范围充分传递给本领域的技术人员。
[0056]
以下描述中给出了具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。例如，电路、系统、网络、过程、框架、支撑件、连接器、电机、处理器和其他部件可能未示出，或以框图形式示出，以免在不必要的细节中模糊实施例。
[0057]
如本领域的技术人员将进一步理解的，本披露内容可以具体化为例如方法、系统、
设备和/或计算机程序产品。因此，本披露内容可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例或组合软件和硬件方面的实施例的形式。本披露内容的计算机程序或软件方面可以包括存储在计算机可读介质或存储器中的计算机可读指令或代码。由如控制器的一个或多个处理器等一个或多个处理器(例如，中央处理单元)对程序指令的执行导致一个或多个处理器执行本文所描述的一个或多个功能或方法步骤。可以利用任何适合的专利主题的合格计算机可读介质或存储器，包括例如，硬盘、cd-rom、光存储设备或磁存储设备。这种计算机可读介质或存储器不包括短暂的波或信号。
[0058]
本文提到的计算机可读介质或存储器可以是例如但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置、设备或传播介质。计算机可读介质的更具体示例(非详尽列表)将包括以下：具有一条或多条导线的电连接、便携式计算机磁盘、随机轴存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤和便携式光盘只读存储器(cd-rom)。注意，计算机可用或计算机可读介质甚至可以是纸或在其上打印程序的其他适合的介质，因为程序可以通过例如对纸或其他介质的光学扫描以电子方式被捕获，然后被编译、解释或以其他适合的方式处理(如果需要的话)，然后被存储在计算机存储器中。
[0059]
如上所述，在基于静电照相术3d零件增材制造或打印操作期间，静电照相引擎使用静电照相工艺从带电粉末材料(例如，聚合物调色剂)中对3d零件的每个层进行显影。执行这种操作的系统有时被称为基于选择性层沉积的增材制造系统。3d零件的完整层通常包括：由零件材料通过一个电子照相引擎形成的零件部分，该零件部分被转印到比如转印皮带或转印鼓等适合的转印介质；和/或由支撑材料通过不同的静电照相引擎形成的支撑结构部分，该支撑结构部分与对应的零件部分配准地被施加到转印介质。替代性地，零件部分可以与转印介质上先前打印的支撑结构部分配准地被显影并转印到转印介质上。进一步，可以以与打印相反的次序对多个层进行成像，并且在转印介质上将一个层堆叠在另一个层上以形成具有选定厚度的堆。
[0060]
转印介质将显影层或层堆递送到输注组件，在该输注组件中执行输注过程，以逐层方式、逐堆方式或单独层和层堆的组合形成3d结构，从而形成3d零件和对应的支撑结构。在输注过程期间，施加热和压力以将显影的层或层堆熔融在一起，以构建3d结构的表面。在3d结构的打印完成之后，支撑结构然后可以在水溶液或分散体中溶解或分解，以显示完成的3d零件。
[0061]
虽然本披露内容可以与任何基于静电照相术的增材制造系统一起利用，但是本披露内容将结合基于电子照相术(ep)的增材制造系统进行描述。然而，本披露内容不限于基于ep的增材制造系统，并且可以与任何基于静电照相术的增材制造系统一起利用。
[0062]
图1是根据本披露内容的实施例的用于以逐层方式打印3d零件和相关联的支撑结构的示例性基于电子照相术的增材制造系统10的简化图。虽然展示为以逐层方式打印3d零件和相关联的支撑结构，但是系统10还可以用于形成层堆，并且对堆进行输注以形成3d零件和相关联的支撑结构。
[0063]
如图1所示，系统10包括一个或多个电子照相(ep)引擎，通常被称为12，如ep引擎12a-d、转印组件14、至少一个偏置机构16、和输注组件20。系统10的适合的部件和功能操作的示例包括在hanson等人的美国专利号8,879,957和8,488,994以及在comb等人的美国公开号2013/0186549和2013/0186558中披露的那些示例。
[0064]
ep引擎12是用于分别对带电粉末零件和支撑材料的3d零件的完整层(通常被称为22)进行成像或以其他方式显影的成像引擎。带电粉末零件和支撑材料各自优选地被工程化为与ep引擎12的特定架构一起使用。在一些实施例中，系统10的ep引擎12中的至少一个(如ep引擎12a和12c)对支撑材料的层进行显影，以形成层22的支撑结构部分22s，并且ep引擎12中的至少一个(如ep引擎12b和12d)对零件材料的层进行显影，以形成层22的零件部分22p。ep引擎12将形成的零件部分22p和支撑结构部分22s转印到转印介质24。在一些实施例中，转印介质是如图1所示的转印皮带的形式。转印介质(比如皮带24)可以采用其它适合的形式来代替转印皮带或者作为其补充，比如转印鼓。相应地，本披露内容的实施例不限于使用转印皮带24形式的转印介质。
[0065]
在一些实施例中，系统10包括至少一对ep引擎12，如ep引擎12a和12b，这些引擎协作形成完整层22。在一些实施例中，如ep引擎12c和12d等附加的ep引擎12对可以协作形成完整层22。
[0066]
在一些实施例中，被配置为形成给定层22的支撑结构部分22s每一个ep引擎12相对于转印皮带24的进料方向32被定位在被配置为形成层22的零件部分22p的对应ep引擎12的上游。因此，例如，各自被配置为形成支撑结构部分22s的ep引擎12a和12c相对于转印皮带24的进料方向32被定位在其对应的被配置为形成零件部分22p的ep引擎12b和12d的上游，如图1所示。在替代性实施例中，ep引擎12的这种布置可以被颠倒成使得形成零件部分22p的ep引擎可以相对于转印皮带24的进料方向32被定位在被配置为形成支撑结构部分22s的对应ep引擎12的上游。因此，例如，相对于转印皮带24的进料方向32，ep引擎12b可以被定位在ep引擎12a的上游，并且ep引擎12d可以被定位在ep引擎12c的上游。
[0067]
如下所讨论的，显影的层22被转印到转印组件14的转印介质24，该转印介质将层22递送到输注组件20。输注组件20操作以通过在构建平台28上将层22输注在一起，以逐层方式构建包括3d零件26p、支撑结构26s和/或其他特征的3d结构26。
[0068]
在一些实施例中，转印介质包括如图1所示的皮带24。用于转印介质(比如皮带24)的适合的转印皮带的示例包括在comb等人的美国公开号2013/0186549和2013/0186558中披露的那些示例。在一些实施例中，皮带24包括前表面24a和后表面24b，其中，前表面24a面向ep引擎12，并且后表面24b与偏置机构16接触。
[0069]
在一些实施例中，转印组件14包括一个或多个驱动机构，该一个或多个驱动机构包括例如电机30和驱动辊33，或其他适合的驱动机构，并且操作以在进料方向32上驱动转印介质或皮带24。在一些实施例中，转印组件14包括为皮带24提供支撑的惰辊34。图1中展示的示例性转印组件14被高度简化，并且可以采用其他配置。另外地，转印组件14可以包括为了简化说明而未示出的附加部件，比如用于维持皮带24中的期望张力的部件、用于从接收层22的表面24a去除碎屑的皮带清洁器以及其他部件。
[0070]
系统10还包括控制器36，该控制器表示被配置为执行指令的一个或多个处理器，这些指令可以本地存储在系统10的存储器中或者存储在远离系统10的存储器中，以控制系统10的部件执行在此描述的一个或多个功能。在一些实施例中，控制器36的处理器是一个或多个基于计算机的系统的部件。在一些实施例中，控制器36包括一个或多个控制电路、基于微处理器的引擎控制系统、一个或多个可编程硬件部件(如现场可编程门阵列(fpga))、和/或用于控制系统10的部件执行本文描述的一个或多个功能的数控光栅成像处理器系
统。在一些实施例中，例如，控制器36基于从主计算机38或从另一位置接收的打印指令以同步方式控制系统10的部件。
[0071]
在一些实施例中，控制器36通过适合的有线或无线通信链路与系统10的部件通信。在一些实施例中，例如，控制器36如通过网络连接(例如，局域网(lan)连接)通过适合的有线或无线通信链路与比如主计算机38或其他计算机和服务器等外部设备通信。
[0072]
在一些实施例中，主计算机38包括一个或多个基于计算机的系统，这些系统被配置为与控制器36通信以提供打印指令(和其他操作信息)。例如，主计算机38可以向控制器36传递与3d零件和支撑结构的切片层相关的信息，从而允许系统10以逐层方式打印层22并且形成包括任何支撑结构的3d零件。如下文更详细讨论的，在一些实施例中，控制器36还使用来自一个或多个传感器的信号来帮助将零件部分22p和/或支撑结构部分22s的打印与皮带24上先前打印的对应的支撑结构部分22s或零件部分22p适当配准，以形成单独的层22。
[0073]
系统10的部件可以由一个或多个框架结构保持。另外地，系统10的部件可以保持在可封闭的壳体内，该壳体防止系统10的部件在操作期间暴露于环境光。
[0074]
图2是根据本披露内容的示例性实施例的系统10的ep引擎12a和12b的示意性前视图。在所示实施例中，ep引擎12a和12b可以包括如具有导电体44和光电导表面46的光电导体鼓42等相同的部件。导电体44是导电的体(例如，由铜、铝、锡等制成)，该导电体电接地并且被配置为围绕轴48旋转。轴48对应地连接到驱动电机50，该驱动电机被配置为使轴48(和光电导体鼓42)以基本恒定的速率在方向52(如箭头所示)上旋转。虽然ep引擎12的实施例被讨论和展示为利用光电导体鼓42，但是还可以利用具有导电材料或其他适合的主体的皮带来代替光电导体鼓42和导电体44。
[0075]
光电导表面46是围绕导电体44的圆周表面延伸的薄膜(示出为鼓，但是替代性地可以是皮带或其他适合的主体)，并且优选地源自比如非晶硅、硒、氧化锌、有机材料等一种或多种光电导材料。如下文所讨论的，表面46被配置为接收3d零件或支撑结构的切片层的带电潜像(或负像)，并且将零件或支撑材料的带电粒子吸引到带电或放电图像区域，从而创建3d零件26p或支撑结构26s的层22。
[0076]
如进一步所示，示例性ep引擎12a和12b中的每一个还包括电荷引发器54、成像器56、显影站58、清洁站60和放电设备62，其中的每一个都可以与控制器36进行信号通信。电荷引发器54、成像器56、显影站58、清洁站60和放电设备62相应地限定了用于表面46的成像组件，而驱动电机50和轴48使光电导体鼓42在方向52上旋转。
[0077]
ep引擎12使用带电粒子材料(例如，聚合物或热塑性调色剂)，在本文中概括地被称为66，以使层22显影或形成这些层。在一些实施例中，用于ep引擎12a的表面46的成像组件用于形成支撑材料66s的支撑结构部分22s，其中支撑材料66s连同载体颗粒的供应可以由(ep引擎12a的)显影站58保持。类似地，用于ep引擎12b的表面46的成像组件用于形成零件材料66p的零件部分22p，其中零件材料66p连同载体颗粒的供应可以由(ep引擎12b的)显影站58保持。
[0078]
电荷引发器54被配置为在表面46在方向52上旋转经过电荷引发器54时在表面46上生成均匀的静电荷。用于电荷引发器54的适合的设备包括电晕器、电晕管(scorotron)、充电辊和其他静电充电设备。
[0079]
成像器56是数控逐像素光暴露装置，该数控逐像素光暴露装置被配置为当表面46
在方向52上旋转经过成像器56时，选择性地朝向表面46上的均匀静电荷发射电磁辐射。电磁辐射对表面46的选择性暴露由控制器36引导，并且导致静电电荷的离散逐像素位置被去除(即，放电)，从而在表面46上形成潜像电荷图案。
[0080]
用于成像器56的适合的设备包括扫描激光(例如，气态或固态激光)光源、发光二极管(led)阵列暴露设备以及2d电子照相系统中常规使用的其他暴露设备。在替代性实施例中，用于电荷引发器54和成像器56的适合的设备包括离子沉积系统，这些离子沉积系统被配置为选择性地将带电离子或电子直接沉积到表面46，以形成潜像电荷图案。根据该实施例，可以消除电荷引发器54。在一些实施例中，由成像器56发射的电磁辐射具有控制在表面46上形成的潜像电荷图案中的电荷量的强度。因此，如本文所使用的，术语“电子照相术”可以广义地被认为是“静电照相术”，或在表面上产生电荷图案的过程。替代方案还包括如离子照相术等东西。
[0081]
每个显影站58是保持零件材料66p或支撑材料66s连同载体颗粒的供应的静电和磁性显影站或盒。显影站58可以以与在2d电子照相系统中使用的单或双部件显影系统和调色剂盒类似的方式起作用。例如，每个显影站58可以包括用于保持零件材料66p或支撑材料66s以及载体颗粒的壳体。当被搅动时，载体颗粒生成摩擦电荷以吸引零件材料66p或支撑材料66s的粉末，这将吸引的粉末充电到期望的符号和量值，如下文所讨论的。
[0082]
每个显影站58还可以包括如输送器、毛刷、桨轮、辊和/或磁刷等用于将支撑材料66p或66s的带电粒子转印到表面46的一个或多个设备。例如，当表面46(包含带电潜像)在方向52上从成像器56旋转到显影站58时，利用带电区域显影或放电区域显影(取决于利用的电子照相模式)将带电零件材料66p或支撑材料66s吸引到表面46上的潜像的适当带电区。这在光电导体鼓42继续沿方向52旋转时在表面46上产生连续层22p或22s，其中连续层22p或22s与3d零件或支撑结构的数字表示的连续切片层相对应。
[0083]
在一些实施例中，表面46上的层22p或22s的厚度取决于表面上的潜像电荷图案的电荷。因此，可以通过使用控制器36控制表面上的图案中的电荷的量值来控制层22p或22s的厚度。例如，控制器36可以通过控制电荷引发器54、通过控制由成像器56发射的电磁辐射的强度、或者通过控制表面46暴露于由成像器56发射的电磁辐射的持续时间来控制层22p或22s的厚度。
[0084]
然后使连续层22p或22s与表面46一起在方向52上旋转到转印区，在该转印区中，将层22p或22s从光电导体鼓42连续地转印到皮带24或另一个转印介质，如下文所讨论的。虽然展示为光电导体鼓42与皮带24之间的直接接合，但是在一些优选的实施例中，ep引擎12a和12b还可以包括如下文进一步讨论的中间转印鼓和/或皮带。
[0085]
在给定层22p或22s从光电导体鼓42转印到皮带24(或中间转印鼓或皮带)之后，驱动电机50和轴48继续使光电导体鼓42在方向52上旋转，使得表面46的先前保持层22p或22s的区经过清洁站60。清洁站60是被配置为去除零件66p或支撑材料66s的任何残留的、未转印部分的站。用于清洁站60的适合的设备包括刀片清洁器、刷子清洁器、静电清洁器、基于真空的清洁器及其组合。
[0086]
在经过清洁站60之后，表面46继续在方向52上旋转，使得表面46的已清洁区经过放电设备62，以在开始下一个循环之前去除表面46上的任何残留的静电荷。用于放电设备62的适合的设备包括光学系统、高压交流电晕器和/或电晕管、具有施加有高压交流电的导
电芯的一个或多个旋转介电辊及其组合。
[0087]
偏置机构16被配置为通过皮带24引发电势，以将层22s和22p从ep引擎12a和12b静电吸引到皮带24。因为层22s和22p在该过程中在该点处各自只是单个层厚度增量，所以静电吸引适用于将层22s和22p从ep引擎12a和12b转印到皮带24。在一些实施例中，皮带24的表面24a上的层22p或22s的厚度取决于由对应的偏置机构16通过皮带引发的电势。因此，可以由控制器36通过控制由偏置机构16通过皮带引发的电势的量值来控制层22p或22s的厚度。
[0088]
控制器36优选地以与皮带24的线速度和/或与任何中间转印鼓或皮带的线速度同步的相同旋转速率控制ep引擎12a和12b的光电导体鼓42的旋转。这允许系统10从单独的显影剂图像彼此协调地对层22s和22p进行显影和转印。具体地，如所示出的，层22p的每个零件可以与每个支撑层22s适当配准地被转印到皮带24，以产生组合的零件和支撑材料层，该组合的零件和支撑材料层通常被指定为层22。如可以理解的，层22中转印到层输注组件20的一些层可以仅包括支撑材料66s，或者可以仅包括零件材料66p，这取决于特定的支撑结构和3d零件几何形状以及层切片。
[0089]
在替代性实施例中，零件部分22p和支撑结构部分22s可以可选地沿皮带24分别如以交替层22s和22p显影和转印。这些连续的、交替层22s和22p然后可以转印到层输注组件20，在该层输注组件中，这些层可以分别输注以打印或构建包括3d零件26p、支撑结构26f和/或其他结构的结构26。
[0090]
在进一步的替代性实施例中，ep引擎12a和12b中的一个或两个还可以包括位于光电导体鼓42与皮带或转印介质(比如皮带24)之间的一个或多个转印鼓和/或皮带。例如，如图3所示，ep引擎12b还可以包括转印鼓42a，该转印鼓在电机50a的旋转动力作用下沿与鼓42旋转的方向52相反的方向52a旋转。转印鼓42a与光电导体鼓42接合，以从光电导体鼓42接收显影的层22p，然后携载接收到的显影的层22p并且将它们转印到皮带24。
[0091]
ep引擎12a可以包括用于将显影的层22s从光电导体鼓42携带到皮带24的转印鼓42a的相同布置。如果期望的话，将这种用于ep引擎12a和12b的中间转印鼓或皮带用于将光电导体鼓42与皮带24热隔离是有益的。
[0092]
图4a和图4b展示了层输注组件20的示例性实施例，并且进一步展示了根据这些示例性实施例的激光加热特征。例如，激光加热系统72可以包括：各种类型的激光器，这些激光器用于加热轧辊入口；温度测量与反馈部件106，这些温度测量与反馈部件被配置为提供实时辊隙温度反馈；以及激光控制电路104，该激光控制电路可以包括对控制器36进行配置的程序模块或者由这些程序模块来实施。这样的特征将在下文中在图4a和图4b所示的示例性输注组件的操作的一般背景下、以及在图6a至图6d和图9a至图9b所示的更特定的实施例的背景下进一步讨论。
[0093]
如图4a所示，输注组件20的实施例包括构建平台28、按压部件(比如轧辊70)、激光加热系统72和输注后冷却器76。构建平台28是系统10的平台组件或台板，该平台组件或台板被配置为接收加热的组合层22(或单独层22p和22s)，用于以逐层方式打印结构26，该结构包括由零件部分22p形成的3d零件26p和由支撑结构部分22s形成的支撑结构26s。在一些实施例中，构建平台28可以包括用于接收打印的层22的可移除膜基底(未示出)，其中，可以使用任何适合的技术(例如，真空、夹紧或粘附)将可移除膜基底限制为抵靠构建平台28。
[0094]
构建平台28由台架80或其他适合的机构支撑，该台架或其他适合的机构被配置为沿着z轴和y轴移动构建平台28(如图1、图4a和图4b中示意性地展示的)并且可选地沿着与y轴和z轴正交的x轴移动。在一些实施例中，台架80包括被配置为至少沿着y轴移动构建平台28的y级台架82、以及被配置为沿着x轴移动构建平台28的x级台架84。在一些实施例中，y级台架82被配置为进一步沿着z轴移动构建平台28。替代性地，台架80可以包括被配置为沿着z轴移动构建平台的z级台架。基于来自控制器36的命令，y级台架82可以由电机85操作，并且x级台架84可以由电机86操作。电机85和86各自可以是任何适合的致动器，电机、液压系统、气动系统、压电等。
[0095]
在一些实施例中，如图4a和图4b所展示，y级台架82支撑x级台架84，反之亦然。在一些实施例中，y级台架82被配置为沿着z轴和y轴移动构建平台28和x级台架84。在一些实施例中，y级台架82产生往复的矩形图案，其中，主要运动是沿着y轴来回的，如图4a中的虚线87所展示。虽然往复式矩形图案被展示为具有尖锐轴向拐角(由箭头87限定)的矩形图案，但是y级台架82可以以具有倒圆或卵形拐角的往复式矩形图案移动构建平台28，只要构建平台28在下述按压部件70处的输注或按压步骤期间沿着y轴处理方向(由箭头87a展示)移动即可。控制器36控制y级台架82沿着y轴移动构建表面88(其是打印结构26的顶表面)的位置、并且在输注操作期间将层22定位成沿着y轴与构建表面88适当配准。
[0096]
x级台架84被配置为相对于y级台架82沿着x轴移动构建平台28，从而相对于箭头87a的y轴处理方向在垂直或侧向方向上移动构建平台28和打印结构26。x级台架84允许控制器36沿着x轴移动结构26的构建表面88的位置，以在输注操作期间将层22定位成沿着x轴与构建表面88适当配准。
[0097]
在一些实施例中，使用加热元件90(例如，电加热器)加热构建平台28。加热元件90被配置为将构建平台28加热和维持在比如3d零件26p和/或支撑结构26s的期望平均零件温度等高于室温(25℃)的高温，如在comb等人的美国公开号2013/0186549和2013/0186558中所讨论的。这允许构建平台28帮助将3d零件26p和/或支撑结构26s维持在该平均零件温度。然而，必须注意，不是在所有实施例中都需要加热构建平台28。
[0098]
按压部件(比如轧辊70)被配置为将层22从皮带按压到结构26的构建表面88上，并且因此将层22输注到构建表面88上。在一些实施例中，按压部件(比如轧辊70)被配置为将皮带24或其他转印介质上的每个显影的层22按压成与构建平台28上的结构26的构建表面88接触一段停留时间，以逐层方式形成3d结构26。
[0099]
按压部件(比如轧辊70)可以采用任何适合的形式。在一些示例性实施例中，按压部件(比如轧辊70)是轧辊的形式，如图4a所示。按压部件(比如轧辊70)也可以是按压板，比如comb等人在美国专利公开号2013/0186549和2013/0075033中讨论的按压板，这两个专利均通过援引以其全文并入本文。在一些示例性实施例中，按压部件(比如轧辊70)包括成对的辊之间的皮带24的支撑件，比如comb等人在美国专利公开号2013/0186549和2013/0075033中所讨论的支撑件。按压部件(比如轧辊70)也可以采用其他适合的形式。因此，尽管下面将使用按压部件(比如轧辊70)的轧辊实施例来描述实施例，但是应理解，本披露内容的实施例包括用另一适合的按压部件(比如轧辊70)来替换轧辊。
[0100]
图4b展示了使用精轧辊108的系统10的实施例。比如辊108的精轧辊用于压实层以减少空隙，以潜在地对层进行加热以去除至少一些水分和溶剂，和/或产生支撑拉伸载荷的
膜。在此实施例中，辊108将层22压在其自身与按压部件(比如轧辊70)之间，但是在不脱离本披露内容的范围的情况下，可以与按压部件分开使用单独的精轧辊108和第二辊。虽然可以使用精轧辊来减少空隙或孔隙，但是下面描述的实施例利用激光器和对辊隙入口附近的构建表面88处的顶部零件层进行快速加热的方法，以在转印到构建表面上时将每一层完全压密，并且因此在一些实施例中可能不需要精轧或者精轧提供足够的附加益处。
[0101]
在一些实施例中，轧辊70被配置为随着皮带24的移动而围绕固定轴线旋转。特别地，当皮带24沿进料方向32旋转时，轧辊70可以沿箭头92的方向抵靠皮带24的后表面24b滚动。在一些实施例中，按压部件(比如轧辊70)包括加热元件94(比如电加热器)，该加热元件被配置为将按压部件(比如轧辊70)保持在大于室温(25℃)的高温，比如保持在层22的期望转印温度。
[0102]
在各种实施例中，激光加热系统72包括一个或多个激光发射器，该一个或多个激光发射器被配置为通过吸收光能来对辊隙入口附近的零件构建表面88进行加热，或者对零件构建表面和层22两者进行加热。就在到达轧辊70之前，将零件构建表面88和要从皮带24沉积的层22加热到接近层22的预期转印温度的温度，比如至少零件材料66p和支撑材料66s的熔融温度。
[0103]
输注后冷却器76相对于构建平台28被y级台架82沿着y轴移动的方向87a位于轧辊70的下游、并且被配置为使输注的层22冷却。输注后冷却器76除去足够的热量，以将打印结构保持在热稳定的平均零件温度，使得正被打印的零件不会由于输注过程期间的加热或加工条件而变形。
[0104]
如上所述，在一些实施例中，在打印结构26之前，构建平台28和轧辊70可以被加热到期望的温度。例如，可以将构建平台28加热到3d零件26p和支撑结构26s的平均零件温度(由于零件和支撑材料的接近的熔体流变学)。相比之下，也可以将轧辊70加热到层22的期望转印温度(也由于零件和支撑材料的接近的熔体流变学)。
[0105]
如图4a进一步所示，在操作期间，y级台架82或者y级台架82和z级台架的组合可以沿虚线87移动构建平台28(具有3d零件26p和支撑结构26s)。例如，当y级台架82沿着y轴在方向87a上移动构建平台28以沿着辊隙入口移动零件构建表面时，激光加热器系统72将3d零件26p和支撑结构26s的构建表面88快速加热到低于材料的热氧化温度的高温。通过将按压部件(轧辊70)压靠在皮带24上以将层22夹在皮带24与零件26之间来对层22进行输注。这将层22输注到零件结构26，并且将该层完全压密，基本上消除了空隙。冷却器76用于快速冷却零件表面，以去除输注前立即添加的热能。例如，冷却器76可以将零件表面冷却到足够冷使其基本上不流动的温度，在一个实施例中，该温度低于杨氏模量急剧下降的温度。
[0106]
通常，皮带24的连续旋转和构建平台28的移动使层22与3d零件26p和支撑结构26s的构建表面88沿着y轴对准。y级台架82可以以与皮带24在进料方向32上的旋转速率同步的速率(即，相同的方向和速度)沿着y轴移动构建平台28。这使得皮带24的后表面24b围绕轧辊70旋转，以在轧辊70的按压位置或辊隙处将皮带24和层22压靠在3d零件结构26p和/或支撑结构26s的构建表面88上。在轧辊70的位置处将激光加热的层22压靠在3d零件26p的激光加热构建表面88和/或支撑结构26s上，这使层22的在轧辊70下方的部分输注到对应的构建表面88，同时将层22完全压密到构建表面上。
[0107]
在一些实施例中，在输注过程的此按压阶段期间，施加到皮带24与3d结构26的构
建表面88之间的层22的压力由控制器36通过按压部件辊偏置机构的控制来控制。按压部件偏置机构控制构建表面88相对于轧辊70或皮带24沿着z轴的位置。例如，当按压部件(比如轧辊70)是轧辊的形式时，随着构建表面88与轧辊70或皮带24之间的间隔沿着z轴减小，施加到层22的压力增加，并且随着构建表面88与轧辊70或皮带24之间的间隔沿着z轴增大，施加到层22的压力减小。在一些实施例中，按压部件偏置机构包括台架80(例如，z级台架)，该台架控制构建平台28和构建表面88相对于按压部件(比如轧辊70)和皮带24沿着z轴的位置。
[0108]
在使用冷却器76快速冷却以从构建表面和最近转印的层除去热能之后，y级台架82然后可以向下致动构建平台28，并且沿着虚线87将构建平台28沿着y轴移回到沿着y轴的起始位置。构建平台28理想地到达起始位置，并且使用台架80将构建表面88与下一层22适当配准。然后可以对3d零件26p和支撑结构26s的每个剩余层22重复相同的过程。
[0109]
在零件结构26在构建平台28上完成之后，结构26可以从系统10中被去除并且经历一个或多个操作以显示完成的3d零件26p。例如，可以使用比如碱性水溶液等水基溶液将支撑结构26s从3d零件结构26p牺牲性地去除。在这种技术下，支撑结构26s可以在将支撑结构26s与3d零件结构26p以免提方式分离的溶液中至少部分地溶解或分解。相比之下，零件结构26p对包括碱性溶液在内的水溶液具有化学耐受性。这允许使用碱性水溶液来去除牺牲性支撑件26s，而不会影响3d零件26p的形状或品质。此外，在支撑结构26s被去除之后，3d零件结构26p可以经历比如表面处理过程等一个或多个附加过程。
[0110]
使用激光加热系统72快速地加热零件构建表面88和要沉积到零件构建表面上的层22提供了用常规加热器(比如红外(ir)灯加热器)难以实现的益处。当调色剂颗粒第一次熔融时，为了使可用的蠕动时间最大化，图像(层22)和零件表面88的温度最佳地在输注辊隙入口130处达到峰值。加热发生的接近辊隙入口的距离由所需的热扩散深度λz和皮带速度vb设定。如果新的压密的调色剂层为z
图像
厚且零件具有热扩散率κ
p
，并且热扩散距离应为2至5个层深，则以下关系式适用：
[0111]
2z
图像
＜az＜5z
图像
[0112]
辊隙入口前方的加热距离为：
[0113][0114]
热扩散深度λz是重要的设计变量。图5a至图5b和图5d至图5f的曲线图示出了由选择不同的热扩散深度产生的设计折衷，比如图5a的曲线图示出了12ips(英寸/秒)系统所需的在辊隙入口上游的不同加热距离xh。图5a所示的辊隙入口上游的加热距离被绘制为热深度λz的函数。例如，如果κ
p
是200mil2/s，λz是2.6密耳，并且vb是12ips，xh是405密耳。选择2.6密耳的示例深度λz是因为它足够深，使得热通过辊隙出口只会在z方向扩散得更深，并且因为它为几个调色剂层深，所以会存在一些掩埋层的再处理。
[0115]
给定图像和零件表面中的热导率k
p
都为0.18瓦/m摄氏度并且温升δt为200c(假设在加热层中是均匀的)，则在该加热距离上所需吸收的光能如图5b所绘制。如果加热宽度wy为10英寸，所需功率为2.8千瓦。图5c展示了轧辊70与零件构建表面88之间的辊隙入口几何形状。假设输注辊的直径d
tf
为4英寸，并且压缩辊隙长度x
辊隙
为0.4”。辊隙入口130将在辊
与零件构建表面之间成角度θ
辊隙
相接，该角度由以下等式表示：
[0116][0117]
在此示例中，θ
辊隙
为5.7度。零件的被加热表面的起点距输注辊的中心平面为xh x
辊隙
/2，或距辊中心为440密耳。图像或辊的加热表面的起点被
[0118][0119]
从零件表面与输注辊的对称平面相交的原点或示例中的(437密耳，38密耳)移位。
[0120]
在此示例中，辊隙入口开口si变成81密耳，并且通常由以下关系式限定(参见图5d的曲线图，示出了作为热深度的函数的辊隙入口开口)：
[0121][0122]
通过以下关系式定义辊隙入口开口相对于水平面的倾角θi：
[0123][0124]
在此示例中，倾角是6.2度。图5e中绘出了作为热深度的函数的辊隙入口的倾角。
[0125]
使用此示例，可以看出在与竖直方向成6度定向的81密耳
×
10英寸的槽缝中施加3千瓦功率的挑战。与更常规的加热方法相比，所披露的实施例的激光加热器构思对于这种任务特别有益。例如，为了用ir灯提供这种加热，假设0.081
”×
10”表面安装在该开口上，并且作为黑体辐射。在使用以下关系式的示例中，其温度必须为3,130k：
[0126][0127]
显然这是不实际的，因为ir发射器会在如此高的温度时点燃零件和图像。出于分析的目的，对于使用光学器件将来自热矩形的发射传送到辊隙中的假设情况，可以确定或估计所需的温度。可用立体角大约为2θi球面度，使得来自无损系统的所需温度为7,240k，该温度通过使用以下关系式确定：
[0128][0129]
图5f示出了作为热深度的函数绘制的ir灯的所需黑体温度。注意，图中所示的加热深度8密耳对应于常用ir灯泡的温度，并且所需功率大约为9千瓦，与观察到的灯泡消耗
相似。在此示例中，进入辊隙入口的热通量ft为约500w/cm2，并且可以通过以下关系式确定：
[0130][0131]
有两种方法可以达到如此高的热功率，包括液态金属对流和激光加热。将在下面对激光加热技术进行进一步讨论。
[0132]
首先参考图6a，示出了来自图1、图4a和图4b的输注组件20的实施例。省略了输注组件的多个部分，以便更好地展示激光加热和控制特征。如图所示，激光加热器系统72包括激光器102，该激光器将激光朝向零件26的构建表面88与皮带24上的任何层22(图6a中未示出)之间的辊隙入口130引导。使用可选的温度测量与反馈部件106，激光控制电路104控制施加到激光器102的功率，以控制朝向辊隙入口130的光能发射。
[0133]
图6b和图6c是输注组件20的激光系统72的另外的示例实施例的示意性立体图和侧视图。在此示例实施例中，激光系统72的激光器202是并排发射激光器的激光棒。例如，典型的808nm 100瓦激光棒宽10.9mm。这些设备共同在10英寸内产生2,350瓦的功率。这种激光棒的另外的示例是比如可从杭州宝牛科技有限公司(hangzhou brandnew technology company)购买的100w 808nm cw水冷单棒二极管激光器产品，其具有40度的快轴发散度(fwhm)。在替代方案中，可购买其他激光二极管棒。例如，一个相干品牌onyxmccp-9000-808激光二极管棒可与快轴柱面透镜一起使用，它将发散度降低到6度。假设使用具有40度快轴发散度的激光器，并且假设该40度快轴发散度在激光棒的平面之外，因为为了安全起见，优选在激光器之后没有聚焦光学器件，所以这可能需要激光器距辊隙26密耳或更小，使用以下关系式：
[0134][0135]
在示例性实施例中，图6b和图6c所示的激光器202包括定位在阴极上盖204与阳极下盖210之间的激光块206。水增压室208也可以被定位在阴极204与阳极210之间。激光系统72的激光器202还可以包括从激光器朝向辊隙开口130延伸的下波导盖212和上波导盖214。这允许激光器在离辊隙入口130非常小且严格控制的距离内加热零件构建表面88(以及可选地层22)。
[0136]
替代性地，在输注组件20的一些实施例中，图6d所示的激光器222可以用于激光系统72中。激光器222包括快轴准直器(fac)透镜224，该快轴准直器透镜之后是聚焦柱面透镜226。这允许透镜和激光被隔离开一段距离。这种激光器和透镜离被定位成离辊隙入口更远的配置保护了光学表面不被划伤和弄脏。这还允许激光以较低的角度接近辊隙入口。
[0137]
辊隙入口温度通常被视为使用基于选择性层沉积的增材制造构建的零件强度的最佳指示器和控制变量。可以通过将来自辊隙入口的红外发射成像到高温计或热敏传感器阵列上来测量辊隙入口温度。在常规做法中，基于选择性层沉积的增材制造通常通过用2,400c的灯泡强烈照射辊隙入口来操作。来自这些灯泡的杂散光和反射光淹没了来自辊隙表面的热发射。因此，在某些情况下，lyre式测量(掩埋在零件表面附近的多线热传感器)可能
是监控辊隙温度的唯一可行方法。
[0138]
最好的实用ir灯泡加热器能够在到达辊隙之前的约0.4秒内将零件和图像表面从120c加热到约210c。使用例如808nm或930nm波长的激光加热有助于在到达辊隙之前在0.06秒内实现从120c加热到280c。进一步地，激光加热将有助于从炭黑转变为红外染料，从而允许非黑色零件。激光加热还允许在大约5毫秒内打开和关闭加热，仅将热限制在零件构建表面。激光加热还将提供准直加热而不是各向同性加热，从而减少异常边缘加热。激光加热进一步有助于将热穿透深度从约20密耳减少到约4密耳，从而更容易随后使零件构建表面冷却。
[0139]
如以上参考图5c所讨论的，对接近辊隙入口的0.5”图像和零件表面进行激光加热的挑战是这两个表面形成越来尖锐的锐角。再次参考图5d的曲线图，在目标热扩散长度λ约为4密耳的情况下，辊隙处的开口为约240密耳或8mm。由激光棒及其准直柱面透镜产生的激光片厚度为约8mm，因此需要使将激光器转向，使其在辊隙线上下沉积正确量的能量。零件高度的变化可以是 /-50密耳，或者超过1毫米。如果光能没有正确对准而使得给予成像层的光能比给予零件表面的光能多，则成像层将比辊隙入口处的零件表面热得多，反之亦然。
[0140]
在一些披露的实施例中，例如下面参考图9a和图9b描述的，激光发射的相对窄的带宽用于对调色剂吸收的光能和调色剂发射的光能进行区分。如图9a所示，输注组件的实施例包括一个或多个激光棒阵列322，该一个或多个激光棒阵列朝向辊隙入口130发射光能324。辊隙入口示出在构建平台28上的零件26的构建表面88、轧辊70、转印皮带24与皮带上的将与构建表面接触的显影的层22之间。在一些实施例中，激光器转向机构320(比如线性或旋转致动器)使用反馈来将激光棒阵列322或光能324转向或定向，以实现成像层22和零件构建表面88的基本相同的温度。成像高温计传感器328被定位成通过波长选择性设备330(比如硅板或窗口)接收从辊隙入口收集的光能(例如，ir)发射，并且用于提供反馈以控制激光棒阵列322和/或激光器转向机构320。可以可选地包括一个或多个安装件334，以将高温计指向或定向到由激光或其它辐射式加热器加热的输注辊辊隙入口。
[0141]
激光324具有大约5nm的典型带宽，使得预计不会有长于1um的激光产生光。到2um时，吸收系数已经下降约10个数量级，如图7所示，该图描绘了硅示例的吸收系数作为波长的函数。典型的工业高温计对8um至14um的波长敏感。在辊隙与高温计传感器328之间插入波长选择性设备330使得传感器对激光不敏感，从而允许高温计测量指示辊隙入口处温度的ir发射。进一步地，许多传感器使用可视盲光学器件(如非晶硅透镜)，使得不需要附加的窗口。在一些实施例中，高温计传感器328被包括在温度测量与反馈部件106中，以提供温度测量反馈，由激光控制电路104用于控制激光加热系统72的激光，或者用于在控制激光器转向机构320中使用，以在辊隙入口处实现期望的零件温度和层温度。
[0142]
两个并排的高温计可以指示激光片是否正确地朝向辊隙，这两个并排的高温计被布置成分别接收指示零件表面和成像层的温度的发射。图9b展示了输注组件20的实施例，其类似于图9a所示的实施例，但是包括两个单独的高温计328-1和328-2。两个高温计可以并排放置，但是在图9b中，为了便于说明，这些高温计彼此略偏移。虚线332-1指示高温计328-1由(多个)安装件334定向，以检测来自零件表面88的温度指示性发射。虚线332-2指示高温计328-2由(多个)安装件334定向，以检测来自图像层22的温度指示性发射。通过比较由温度测量与反馈部件106和控制器36从高温计感测的发射中得出的温度，可以控制具有
激光器转向机构320的激光取向、激光功率占空比或其他特征，以实现期望的加热取向或控制。图8a至图8c展示了对于不同的激光指向误差，全成像热像仪可能看到的穿过辊隙的温度分布类型的示例。
[0143]
现在参考图10，示出了根据上述实施例和构思的使用电子照相(ep)增材制造系统打印零件的方法400的一个示例性实施例。如图10所示的披露的方法例如在适当配置或编程的控制器中实现，比如示例性系统中的控制器36和/或38。如框402所示，获得要打印的3d零件的数字模型，并且在框404处，对数字模型进行切片。数字模型切片然后可以被存储在计算机可读介质上和/或被输出，用于在ep制造系统上进行打印。虽然在一些实施例中，方法400包括框402和框404中所示的活动，但是在其他实施例中，框402和框404的活动可以被省略，并且该方法可以另外以从获得切片的数字模型数据开始。
[0144]
在框406处，使用至少一个ep引擎12来使粉末材料层22显影。如框408所示，显影的层从一个或多个ep引擎转印到转印介质，比如转印皮带24。在一些实施例中，对要转印到零件26的构建表面88的多个显影的层中的每一个重复执行框410至框420的活动。在其他实施例中，这些框中的一些框(例如，410-414)中所示的活动不是针对每个显影的层执行的，而是以不太频繁的间隔执行的。图10展示了一个示例实施例，其中针对多个显影的层中的每个显影的层执行框410至框420的所有活动。然而，披露的实施例包括其中一些活动不太频繁执行的方法。
[0145]
如框410所示，一个或多个激光器用于产生第一波长带的光能发射，以对辊隙入口附近的零件构建表面88和/或层22的区域进行加热。在框412处，如上所述，至少一个高温计用于接收在第二波长带上的发射并且产生温度指示性输出。如所讨论的，一些实施例包括至少两个高温计，该至少两个高温计被定向以收集来自零件构建表面和来自显影的层的发射，使得可以比较输出或对应的温度。如所讨论的，方法400还包括使用波长选择性设备来限制来自第一波长带的光能在一个或多个高温计处被接收。这在框414处示出。如框416所示，然后响应于高温计输出来控制一个或多个激光器。控制可以使得零件构建表面88和显影的图像层22被加热到大致相同的温度。
[0146]
应注意，尽管图10展示了对一个或多个激光器的控制，使得对于要转印的多个显影的层中的每个显影的层，零件构建表面88和显影的图像层22被加热到大致相同的温度，但是在一些实施例中，基于测量的温度进行激光控制调节，并且这些调节用于多个显影的层中的每个显影的层。换句话说，激光控制可能包括一次或偶尔的调整，并且可能不需要快速响应闭环反馈控制来针对每个层进行重新调整。激光控制(例如，取向、强度、功率占空比等)在一些实施例中可以在整个零件构建过程中基本恒定。此外，在还其他实施例中，利用允许测量辊隙处的零件构建表面温度和图像温度的系统，可以进行激光控制调节，以随图像层厚度、输注辊温度、图像预热温度或其他因素而变化。然而，这些因素在构建过程中经常是相当稳定的。
[0147]
接下来，如框418所示，将转印介质上的加热的显影的层按压成与加热的零件构建表面接触，以使零件构建表面与显影的层紧密接触。这将零件构建表面与显影的层压密并且形成新的零件构建表面。在框420处，使新的零件构建表面冷却以去除由激光添加的热能。在决策点422处，确定最后显影的层是否已经沉积。如果已经沉积了最后一层，则如框424所示，打印该零件。如果最后一层没有沉积，可以对下一个显影的层重复前面讨论的活
动。通过对要输注到零件构建表面的每一层重复这些活动，以逐层方式构建该零件。
[0148]
尽管已经参考优选实施例描述了本披露内容，但是本领域的技术人员将认识到，在不脱离本披露内容的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。