使用雷射與等離子體的增材製造的製作方法
2023-06-15 07:51:41 4
本申請主張根據美國法典第35條119(e)款於2014年7月18日提交的申請號為62/026,553的美國專利申請的優先權。
技術領域
本發明涉及增材製造，也公知為3D列印。
背景技術：
增材製造(AM)，也公知為實體自由形狀製造(solid freeform manufacturing)或3D列印，意指由原始材料(一般為粉末、液體、懸浮體、或熔化固體)以一系列的兩個維度的層或橫截面建立三個維度的物體的任何製造工藝。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、塑料或金屬塊。
在增材製造中可使用多種增材工藝。多種工藝的不同之處在於：沉積層的方式以產生成品物體，以及各工藝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)，而其它方法使用不同技術固化液體材料，例如，立體光刻(Stereolithography,SLA)。
燒結為熔融小的微粒的處理，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，燒結中所使用的粉末不需達到液相。由於燒結溫度不必達到材料的熔點，燒結經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增材製造中。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)實際為超冷粘性液體，且實際上不會熔化；因為熔化涉及由固態至液態的相轉換。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)使用於晶體及半晶體材料，例如尼龍及金屬，具有不連續的熔化/凝結溫度且在SLM期間經歷熔化。
使用雷射束作為能量來源用於燒結或熔化粉末化材料的傳統系統通常引導雷射束至粉末化材料的一層中的選擇的點上，並且選擇性地光柵掃描該雷射束到跨該層的位置。一旦第一層上所有選擇的位置被燒結或熔化，在完成的層的頂部上沉積新的粉末化材料層，且一層層地重複該處理，直至產生了所需物體。
也可使用電子束為能量來源以造成材料中的燒結或熔化。再次地，跨層對電子光束光柵掃描以完成特定層的處理。
技術實現要素：
在一個方面中，增材製造系統包含：工作檯；供給材料分配裝置，該供給材料分配裝置經構造以輸送供給材料覆蓋該工作檯；雷射器，該雷射器經構造以產生雷射束；控制器，該控制器經構造以造成該雷射束在儲存於電腦可讀取介質中的數據所規定的位置處熔融該供給材料；及等離子體源，該等離子體源經構造以產生離子，這些離子被引導至該工作檯上與該雷射束實質相同的位置。
實現方式可包含一個或更多個以下特徵。雷射源及等離子體源可被整合成同軸點雷射及等離子體源，構造所述同軸點雷射及等離子體源使得該雷射束及這些離子沿著共用軸由該同軸點激及等離子體源發出。該同軸點雷射及等離子體源可經構造以使得該雷射束及這些離子在重疊區域發出。熱源經構造以將熱由遠離該等離子體源的供給材料的一側應用至該工作檯上的供給材料。
驅動系統可經構造以跨該工作檯光柵掃描該雷射束，且該控制器可經構造以控制該工作檯上的一位置處的該雷射束的功率，以確定該位置處的該供給材料是否熔融。驅動系統可經構造以在平行於該工作檯表面的平面中平移該工作檯，使得在該工作檯上的這些位置處的該供給材料根據儲存於該電腦可讀取介質中的數據被該雷射束熔融。電壓源可電性地連接至該工作檯以維持該工作檯處於第一電位以加速離子進入該供給材料。
該等離子體源可包含管道，該管道具有靠近該雷射源的第一端及靠近該工作檯的第二端，且該雷射器可安置成引導該雷射束穿過該管道。處於該管道的該第一端的窗部可允許該雷射的通過且阻擋這些離子的逸散。氣源可經構造以注射氣體進入該管道的該第一端。至少該管道的該第二端可為傳導性的，且該等離子體源可包括電壓源，該電壓源連接至傳導性的該管道的該第二端並且經構造以施加電壓，該電壓足以產生該管道的該第二端及該工作檯之間的等離子體。該管道可為傳導性的。可放置電極對於該管道內，且該等離子體源可包括電壓源，該電壓源連接至該電極對並且經構造以施加電壓，該電壓足以產生該管道內的等離子體。該管道可包含內管及環繞該內管的外管，且該內管可在該管道的該第一端處電性地連接至該外管。
在另一方面中，增材製造方法包含以下步驟：分配一層供給材料覆蓋工作檯；引導雷射束以加熱儲存於電腦可讀取介質中的數據所規定的位置處的該供給材料；及引導離子化氣體至該工作檯上與該雷射束實質相同的位置。
實現方式可包含一個或更多個以下特徵。可沿著共用軸引導該雷射束及該離子化氣體。可跨該工作檯光柵掃描該雷射束，且可控制該工作檯上的一位置處的該雷射束的功率，以確定該位置處的該供給材料是否熔融。可跨該工作檯光柵掃描該離子化氣體的來源。可控制來自該來源的離子化氣體的流動以控制該供給材料的該層內該供給材料的化學成分。可控制來自該來源的離子化氣體的成分以控制該供給材料的該層內該供給材料的化學成分。該離子化氣體可為反應性氣體。該離子化氣體可在該層供給材料的一區域處被引導，該區域對應於一物體的表面，該物體被製造以形成該物體上不同成分的塗覆。
實現方式可提供一個或更多個以下優點。可選擇地控制(XYZ控制)增材製造的物體中關於所有三維像素的化學成分。可與供給材料的熔融一起同步地改善或修飾表面精整(surface finish)以產生成品零件。可使用相同裝置依序實現增材及減去製造。
在附圖及下方說明書中提出本發明的一個或更多個實施方式的細節。本發明的其它方面、特徵及優勢將從說明書和附圖、及從權利要求書中得以顯現的。
附圖說明
圖1A為增材製造系統的示意圖。
圖1B為增材製造系統的示意圖。
圖1C為併入噴嘴的系統的示意圖。
圖2A為點分配器的示意圖。
圖2B為線分配器的示意圖。
圖2C為陣列分配器的示意圖。
圖2D為兩個不同操作模式中的矽通孔的示意圖。
圖3A示出具有變化的解析度特徵的不同熔融供給材料。
圖3B示出供給材料層的示意圖。
圖3C示出增材製造系統的示意圖。
在多個附圖中的相似的參考符號標示相似的元件。
具體實施方式
通過3D列印製造零件，其中零件的材料成分穿過該零件而空間地改變，例如，在沉積的單層內，將是值得期待的。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，此可能是不實用，或可能材料成分的變化上期望額外自由度。於此披露的方法及裝置允許增材製造處理的一個或更多個步驟期間針對沉積的供給材料的每一層發生化學修飾和/或表面精整的調整。相對比下，使用來自例如雷射源的能量的傳統系統造成供給材料熔融，例如，通過改變物相、或通過熔化及重新凝固供給材料，而無須任何化學反應。
圖1A示出示例性的增材製造系統100的示意圖。系統100包含外殼102且被外殼102封閉。例如，外殼102可允許在該外殼內部的腔室103中維持真空環境，又或者，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，否則可將腔室開口至大氣。真空環境或經過濾氣體在製造零件期間可減少缺陷。針對一些實現方式，腔室103可維持於正的壓力，即，大於大氣壓力。此可幫助防止外部大氣進入腔室103。
增材製造系統100包含分配器以輸送粉末層覆蓋工作檯105，例如，於工作檯上或至工作檯上的底層上。
工作檯105的垂直位置可由活塞107控制。在分配及熔融各粉末層之後，活塞107可降低工作檯120及工作檯120上的任何粉末層以一個層的厚度，使得組件準備好接收新的粉末層。
工作檯105可大到足以容納大尺寸工業零件的製造。例如，工作檯105可為至少500mm寬，例如500mm乘500mm的正方形。例如，工作檯可為至少1米寬，例如，1平方米。
在一些實現方式中，分配器可包含可安置於工作檯105上方的材料分配器組件104。分配器組件104可包含開口，例如通過重力輸送供給材料穿過該開口遍及工作檯105。例如，分配器組件104可包含貯存器108以容納供給材料114。供給材料114的釋放由閘門112控制。當轉換分配器至由CAD可兼容文件規定的位置時，傳送電子控制信號至閘門112以分配供給材料。
可通過壓電列印頭、和/或氣動閥、微機電系統(MEMS)閥、電磁閥、或磁閥中的一個或更多個來提供分配器組件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工作檯105安置的貯存器，及水平地移動(平行於工作檯表面)以推動來自貯存器的供給材料跨工作檯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(未圖示)，例如，線性致動器。驅動系統經構造使得在操作期間，分配器組件或滾筒可平行於工作檯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橫穿腔室103的軌道上。或者，分配器組件104或滾筒可被維持在固定位置中，同時工作檯105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跨工作檯掃描，分配器組件104可根據一列印圖案於工作檯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介質中。例如，列印圖案可被儲存為文件，例如，電腦輔助設計(CAD)可兼容文件，接著該文件被相關聯於控制器130的處理器讀取。當分配器被轉移至由CAD可兼容文件所規定的位置時，電子控制信號接著被傳送至閘門112以分配供給材料。
在一些實現方式中，分配器組件104包含可分配穿過供給材料的多個開口。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的輸送可被獨立地控制。
在一些實現方式中，多個開口跨工作檯的寬度延伸，例如，在垂直於分配器組件104的移動106的方向上。在此情況下，在操作中，分配器組件104可在方向106上以單一掃掠跨工作檯105掃描。在一些實現方式中，針對交替的層，分配器組件104可在交替的方向上跨工作檯105掃描，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，多個開口沒有跨工作檯寬度延伸，分配系統104可經構造以使得分配器組件104在兩個方向上移動以跨工作檯105掃描，例如，光柵掃描跨工作檯105，以輸送針對一層的材料。
選擇地，分配器組件104可僅沉積均勻的一層供給材料覆蓋工作檯。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介質中的列印圖案皆不必要。
可選地，可通過分配器組件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於工作檯105上由CAD文件所規定的位置處釋放各自的供給材料。在此方式中，可使用兩種或更多種不同化學物質以產生增材製造的零件。
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、或漿料懸浮的材料。例如，針對使用壓電列印頭的分配器，供給材料通常為液態懸浮的粒子。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-甲基二吡咯烷酮(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。或者，可施用幹分配機制，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。
金屬粒子的實例包含金屬、合金及金屬間合金。針對金屬粒子的材料實例包含鈦、不鏽鋼、鎳、鈷、鉻、釩及這些金屬的多種合金或金屬間合金。陶瓷材料的實例包含金屬氧化物，例如氧化鈰、氧化鋁、二氧化矽、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、或這些材料的組合。
可選地，系統100可包含壓縮和/或水平機構以壓縮和/或平滑化沉積覆於工作檯105的供給材料層。例如，系統可包含可由驅動系統平行於工作檯表面移動的滾筒或葉片，例如，線性致動器。滾筒或葉片相對於工作檯105的高度被設定以壓縮和/或平滑化供給材料最外側的層。滾筒在跨工作檯移動時可旋轉。
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分配以形成接觸工作檯105的層116。隨後沉積的供給材料層可形成附加的層，每一附加的層被支撐於底層之上。
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，通過燒結或通過熔化並重新凝固。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包含熱源，該熱源經構造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，功率源可為置於工作檯105上方的照射器陣列輻射地加熱供給材料層。或者，如果供給材料層在工作檯105上均勻地沉積，功率源可經構造以加熱由儲存於電腦可讀取介質中的列印圖案所規定的位置處以造成這些位置的粉末熔融，列印圖案例如電腦輔助設計(CAD)可兼容文件。
例如，熱源可為雷射源126以產生雷射束124。來自雷射源126的雷射束124被引導至列印圖案所規定的位置。例如，使用在各位置處受到控制的雷射功率跨工作檯105光柵掃描雷射束124，以確定一特定三維像素是否熔融。雷射束124也可跨由CAD文件所規定的位置掃描，以選擇性地熔融在這些位置處的供給材料。為了提供跨工作檯105的雷射束124的掃描，在雷射束124水平位移時工作檯105可保持靜止。或者，在工作檯105水平位移時雷射束124可保持靜止。
來自雷射源126的雷射束124經構造以升高被雷射束輻射的供給材料區域的溫度。在一些實施方式中，供給材料的區域直接在雷射束124下方。
工作檯105可額外地由加熱器加熱至低於供給材料的熔融點的基本溫度，例如，由嵌入於工作檯105中的加熱器。在此方式中，雷射束124可經構造以提供更小的溫度增加以熔融沉積的供給材料。越過小的溫度差異的轉換能允許更快速地處理供給材料。例如，工作檯105的基本溫度可為約1500攝氏度且雷射束124可造成溫度增加約50攝氏度。
來自雷射源126的雷射束124可併入雷射及離子源131。雷射及離子源131經構造以使得來自等離子體148的離子被引導至工作檯105上與雷射束124實質相同的點。
在一些實現方式中，雷射及離子源131為同軸點雷射及等離子體源131a。即，雷射束124及等離子體148沿著共用軸由源131a發出。在該實施方式中，當雷射束124被掃描及引導至儲存於電腦輔助設計(CAD)可兼容文件的列印圖案所規定的位置處以熔融供給材料，等離子體148可同時被引導及輸送至工作檯上相同的位置。在一些實現方式中，雷射束124及等離子體148可在水平面中重疊。
雷射及離子源131和/或工作檯105可耦接至致動器組件，例如，一對線性致動器經構造以提供垂直方向上的移動，以得以提供雷射及離子源131和/或工作檯105之間的相對移動。控制器130可連接至致動器組件以促使跨供給材料層掃描雷射束124及等離子體148。
同軸點等離子體源131a可包含管道135，例如，雷射束124及提供等離子體的氣體兩者所傳播穿過的管子。例如，同軸點等離子體源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。中空內導體安置於中空外導體內。在一些實現方式中，中空內導體134較中空外導體132更靠近工作檯延伸。然而，在一些實現方式中，系統僅使用單一管子。
雷射束124可傳播穿過管道135，例如，穿過內管道134的中空內部朝向工作檯105的表面。氣源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源138釋放進入內管道134。氣體的實例包含氮、氬、氦、氧及氟化鈦(TixFy)。
離工作檯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。雷射束124可由雷射源126傳播穿過窗部140進入內導體134。在一些實現方式中，氣體輸送系統136供應氣體以穿過窗部140中的入口。在一些實現方式中，氣體輸送系統136供應氣體以穿過管子一側中的入口。
在一些實現方式中，內導體134電性地耦接至外導體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可位於離工作檯105較遠的管道末端143。
交流電(AC)(例如，射頻或微波輻射)功率源142經由電連接144輸送電場至管道135，例如，外導體132和/或內導體134和/或可出現於管道135中的任何電極。可以以一距離提供AC功率源142及管道135之間的電連接，該距離遠離同軸點等離子體源131a的短末端143。圖1B示出兩個分開的功率源142，每一功率源142經由電連接144連接至電極及反電極133。圖1A示出兩個分開的功率源142及150，其中第一功率源142連接至管道135且第二功率源150連接至工作檯105。
管道135較靠近工作檯105的末端可為開口，例如，外導體132，或者除了孔以外可為關閉，該孔允許氣體及雷射束124通過前往工作檯105。在一些實現方式中，相對於帶有導體平板141的同軸點等離子體源的短末端的末端為開口端151。開口端151可為沒有機械地連接至中空內導體134的管道135的末端部分(例如，中空外導體132)。在一些實現方式中，可在管道135中產生等離子體148，如以下所述。在一些實現方式中，可在開口端151處產生等離子體。在這些實施方式中，可將足夠量級的電場施加至外導體132及內導體134，以產生來自中性氣體的等離子體，該中性氣體由氣源138所供應。
等離子體為帶正電及帶負電粒子的電中性介質(即，等離子體的電荷總和大體為零)。例如，當由氣源138供應氮氣時，氮氣變得離子化以產生N2+或N+。由離子化所產生的這些帶正電離子及電子形成等離子體148。等離子體148離開同軸點等離子體源131a以接觸沉積於工作檯105上的供給材料114。
由示出於圖1A中的實現方式可知，當電流由任一維持在高電位的導體流出、進入由氣源138所供應的中性氣體時，於開口端處繞導體132及134產生等離子體區域。在一些實現方式中，電場在工作檯105及管道135的末端之間產生，並且在氣體離開管道135時產生等離子體148。在這些實現方式中，管道135更靠近工作檯的至少一開口端151(例如，內導體134的末端)充當電極之一且工作檯105如反電極般使用。如以上所注，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(floating)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短於外導體132的實現方式中，外導體132可如電極133般使用。
在管道135中產生等離子體的實現方式中，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。在該實現方式中，可放置電極133(例如，電極及反電極)於管道135內部(見圖1B)。在此情況下，可安置一個或兩個電極133於管道135中但與內導體134的內表面間隔開來。
在一些實現方式中，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。
在一些實現方式中，氣源138可包含電極，並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，通過將合適功率及頻率的RF信號施加至管道135和/或工作檯105和/或安置於管道135內的電極，可形成由氣體所獲得的等離子體148，該氣體由氣源138所供應。
將較高射頻驅動電壓施加至一個電極，這樣可控制等離子體中的離子流量，同時將較低射頻驅動電壓施加至一反電極，可控制等離子體中的離子能量。
可由RF源150提供RF偏壓至工作檯105以形成繞著供給材料114的鞘部，該鞘部為電荷的邊界層。電荷的邊界層可從等離子體吸引相反電性的離子。當離子衝擊供給材料時，離子可造成熔融的供給材料上的化學反應。可同時發生供給材料的化學修飾與由雷射束124所造成的供給材料熔融。
舉例而言，供給材料114可為鈦。氮化鈦一般為比鈦更硬的材料。可需要針對增材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，可由氣源138供應氮以產生等離子體，該等離子體除了氮離子N2+或N+外可包含氮自由基。該些氮氣種與鈦本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。
可施加這些離子至對應於製造的主體表面的供給層部分。此允許主體表面上塗覆物的產生。例如，可以TiN塗覆物來塗覆鈦零件。
除了造成供給材料的化學反應之外，或者作為造成供給材料的化學反應的替代，可使用蝕刻劑自由基(例如TixFy)以改善熔融的供給材料的表面精整。可通過第二氣體入口由第二氣源獲得蝕刻劑自由基，該第二氣源與同軸點雷射及等離子體源接合。控制器130耦接至用於各氣源的閥以控制何氣體響應於來自CAD程序的指令而流入管道135。例如，蝕刻劑自由基可調整熔融的供給材料的表面粗糙度。例如，蝕刻劑自由基可產生具有30至100微英寸的表面粗糙度的表面。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更低表面粗糙度的表面。
選擇地，通過調整撞擊熔融供給材料表面的離子密度，可增加熔融供給材料的表面粗糙度，例如，當蝕刻劑隨機移除材料而留下具有增加的粗糙度的有坑表面時。例如，通過改變施加至外導體132、內導體134和/或電極133的RF電壓的頻率，可降低等離子體流量使得更少離子撞擊熔融供給材料的表面，造成間隔更遠的表面上的不規則性，增加表面粗糙度。熔融供給材料增加的表面粗糙度可改善沉積於熔融供給材料頂部上的新供給材料層的粘性或附著性。
在一些實現方式中，等離子體中靠近開口端151形成的離子可移動至工作檯105，而無須進一步的加速或引導。
在一些實現方式中，在工作檯前可併入額外的設備以在氣體經由內導體離開時幫助加速氣體流動(例如，等離子體中的離子)。
例如，如圖1C中所示出，同軸雷射及氣源201類似於同軸點雷射及等離子體源131a，帶有雷射源126及氣源138，且雷射束124及氣體沿著共用軸由源201發出。由氣源138的氣體的離子化為任選的，但可以如上述用於同軸雷射及等離子體源131a的相同方式實現氣體的離子化。
同軸雷射及氣源201也包含設備，例如位於外導體207及內導體209較靠近工作檯105的開口端205的噴嘴203。噴嘴203經構造以在氣體離開內導體206時加速氣體流動。在一些實現方式中，噴嘴經構造以引發超聲波氣體流動。例如，噴嘴203可為de Laval噴嘴、收斂-發散噴嘴、CD噴嘴、或con-di噴嘴。在一些實現方式中，de Laval噴嘴203可為在中間尖縮的(pinched)管子以具有精細地平衡、非對稱的沙漏狀。使用噴嘴203以加速粒子光束220通過噴嘴203以得到更大的軸速度，粒子光束220例如離子光束。在此方式中，隨著區域被雷射束熔融的同時，粒子光束的動能造成增材製造零件層的表面處材料的移除，例如表面拋光。
雷射及等離子體源131和/或雷射及氣源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增材製造零件，因此提供製造零件的化學成分的完美空間控制。可控制供給材料的化學反應，例如，通過調整氣體的流動速率或成分，或通過控制所施加的電壓以控制離子的動能。可在組合的雷射及等離子體源131跨工作檯105掃描時實施該調整，因而提供供給材料化學的層內控制。此外，由於可獨立於氣體和/或等離子體而控制雷射源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偏壓施加至工作檯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的熱退火所產生的應力(由雷射束124所造成)。一般而言，可將諸如氬或氦之類的中性分子用於表面拋光而不造成任何表面的化學修飾。當使用這些中性分子時，可關閉RF功率來源142，且來自氣體供應源138的中性分子在撞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，可發生這些(或其它)分子的擴散而進入被熔融的供給材料層，即便沒有施加至工作檯的偏壓。例如，分子可直接擴散進入由雷射熔融/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增材製造管道的內表面的化學成分和/或表面精整。例如，圖3B示出構成增材製造管道的一個層的供給材料層280的俯視圖。管道具有內壁282。內壁282可由材料284製成，材料284由化學修飾原本的供給材料114而得到。在增材製造工藝期間可化學修飾內壁322的容易度為上述方法的一個優點。
在一些實現方式中，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的氣體入口的氣體流動速率或氣體成分。在一些實現方式中，可使用控制器130以調整施加至電極133和/或工作檯105的電壓。這些調整可與供給材料的特定層(Z位置)上的雷射束的位置(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，雷射及等離子體源131可包含連接至各自額外氣源的額外氣體入口，以得以輸送多於一種氣體至雷射及等離子體源131。在此方式中，例如，當氧氣流動輸送經過雷射及等離子體源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。
作為實例，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。
除了化學修飾增材製造零件的表面或改變表面粗糙度以外，也可通過移除製造零件的部分將點等離子體來源用於減去製造。在此方式中，可使用減去處理以改善製造零件中的解析度。例如，如圖3A中所示出，熔融供給材料的兩個相鄰「像素」250的解析度由箭頭252表示。如圖3A中所示出，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。可使用類似TixFy的蝕刻劑化學地實現減去處理，和/或可使用高到足以消蝕(ablate)熔融供給材料的雷射功率來傳導。可在實施增材處理之後在層上實施減去處理。因此，可使用相同裝置依序在相同層上實現增材及減去製造。
在此方式中，方法及裝置允許增材製造零件內的所有點的化學成分及表面粗糙度的完全三維(x，y，z)控制。
在操作中，在各層經沉積及熱處理後，工作檯105降低實質相等於層的厚度的量。接著分配器104跨工作檯水平地掃描以沉積新的層，而無須在垂直方向上平移分配器104，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。由供給材料的熱處理所獲得的熔融供給材料提供增材製造的物體。
如圖2A中所示出，可使用於分配器組件104的分配器204可為單一點分配器，且分配器可平移跨工作檯105的x及y方向以在工作檯105上沉積完整的供給材料206的層。
選擇地，如圖2B中所示，可使用於分配器組件104的分配器214可為延伸跨工作檯寬度的線性分配器。例如，分配器214可包含可獨立控制的開口的線性陣列，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，以在工作檯上沉積完整的供給材料層。
選擇地，如圖2C至圖2D中所示，可使用於分配器組件104的分配器224包含可獨立控制的開口的二維陣列，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允許同時沉積完整的二維供給材料層。LAVoN 224可為形成於塊體矽226中的矽穿孔(TSV)228的密集格網。各TSV 228可由壓電閘230來控制，在施加適當電壓時壓電閘230關閉特定228的出口開口，使得供給材料206被保留在TSV內。當將不同電壓施加至TSV 228，壓電閘230可開啟特定TSV 228的出口開口，允許在工作檯上沉積供給材料。由控制信號存取在LAVoN 224中的各個TSV 228，這些控制信號基於界定製造物體的CAD文件而由控制器產生。可使用LAVoN 224以僅沉積單一供給材料。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。於圖2B至圖2D中所示的實施方式可加速工作檯上供給材料的沉積處理。
也可使用所示的大面積背景等離子體取代示出於圖1A及圖1B中的點等離子體源，以控制沿著所製造零件的厚度(z)方向的化學成分。「大面積」指示等離子體可覆蓋實質上整個供給材料層。
如圖3C中所示，增材製造系統300類似於圖1A的增材製造系統100，但包含大面積背景等離子體產生系統302。增材製造系統300包含界定腔室103的腔室壁304。
可由等離子體產生系統302產生大面積背景等離子體。等離子體產生系統302包含電極310，即，第一電極。電極310可為工作檯120上或中的導電層。這樣使電極310可垂直平移，類似於圖1A中的活塞107。電極310可如陰極般使用。
增材製造系統300也包含反電極330，即，第二電極。反電極330可如陽極般使用。雖然圖3C圖示反電極330為懸掛在腔室103中的板，反電極330可具有其它形狀或由腔室壁304的部分來提供。
電極310和/或反電極330的至少一個連接至RF功率供應，例如，RF電壓源。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。在一些實現方式中，電極310或反電極330中的一個連接至RF功率供應，且電極310或反電極330中的另一個接地或連接至阻抗匹配網路。
通過合適的功率及頻率的RF信號的施加，等離子體340形成於陰極310及陽極330之間的放電空間342中。等離子體為帶正電及帶負電粒子的電中性介質(即，等離子體的電荷總和大體為零)。出於說明的目的，將等離子體340描繪為橢圓形。一般而言，等離子體填滿電極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可產生磁場，例如50高斯至400高斯的磁場。磁鐵組件350可在工作檯120中包含永久磁鐵，例如，位於靠近工作檯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的壁304的介電(例如，石英)部分的外表面的天線線圈。RF電流通過天線線圈。當在共振模式中使用施加的RF功率來操作時，天線線圈在腔室103內產生軸磁場。磁場可把帶電粒子限制在螺旋運動，例如，諸如電子的帶負電粒子。
可在外殼102中封閉由腔室壁304界定的腔室103。腔室壁304例如可以允許在外殼102內部的腔室103中維持真空環境。外殼102中的真空泵可由真空排氣口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將工藝氣體或反應性氣體導入腔室103，工藝氣體諸如氬或氦的非反應性氣體，反應性氣體諸如氧。依據這些處理，可將不同氣體導入腔室103。
在真空環境下作業系統300可提供對於材料的品質控制，該材料由系統300中發生的處理形成。然而，等離子體340也可在大氣壓力下產生。
類似於圖1A中所示的分配器組件，或以圖2B及圖2C中所示的分配器組件為替代形式，可使用分配器組件104沉積供給材料314覆於工作檯105上。控制器130相似地控制連接至分配器組件104的驅動系統未圖示，例如，線性致動器。驅動系統經構造使得在操作期間，分配器組件可平行於工作檯120的頂部表面來回移動。
可將較高頻率(例如，大於50MHz)的驅動電壓施加至電極(陰極或陽極)中的一個，同時可將較低頻率(例如，小於20MHz)的偏壓電壓施加至另一電極。一般而言，較高頻率信號產生等離子體流量。較高頻率RF驅動電壓產生較高流量(即，等離子體中更多離子及電子)。較低頻率RF偏壓電壓控制等離子體中離子的能量。在足夠低的頻率下(例如，2MHz)，偏壓信號可造成等離子體中的離子具有足夠能量以汽化沉積於基板(例如，矽晶片)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頻率及施加的點可造成供給材料的不同熔化性能。熔化性能可決定供給材料的重新結晶，而可導致金屬內的不同應力及不同弛緩(relaxation)行為。
系統300可包含雷射源126以產生雷射束124，用以掃描供給材料314的層，如針對圖1A的上述。雷射源126可經受相對於工作檯105的移動，或可偏轉雷射，例如通過檢流計。雷射束124可產生足夠的熱以造成供給材料314熔融。雷射源126及大面積背景等離子體系統302的組合使所有供給材料層能同時化學修飾，例如，摻雜或氧化，同時仍舊維持對於熔融三維像素的控制，例如，響應於儲存於非暫態電腦可讀取介質中的列印圖案。
等離子體的使用允許容易地控制熔融供給材料的特性。例如，可通過選擇性地由等離子體注入離子來摻雜供給材料層。可通過例如系統100或300來一層層地改變摻雜濃度，或可通過例如系統100在一層供給材料內改變摻雜濃度。離子注入可幫助釋放或引發供給材料層中的點應力。摻雜物的實例包含磷。
可偏壓等離子體使得供給材料的粉末粒子與電極之間的空隙導致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轟擊。使用於轟擊的電子或離子可來自等離子體，並且當施加DC或AC偏壓於供給材料上時被加速至供給材料。可使用轟擊以處理一層、蝕刻材料、化學改性(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。
參考圖1A或圖3A，系統100或300的控制器130連接至多種系統部件，例如，致動器、閥、及電壓源，以產生信號至這些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。可以以數字電子電路或以電腦軟體、固件或硬體實現方式控制器。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介質的電腦程式。可以任何形式的程序語言寫入該電腦程式(也稱為程序、軟體、軟體應用、或代碼)，包含經編譯或經解譯語言，並且可以任何形式利用該電腦程式，包含成為單機程序或成為模塊、組件、子程序、或適於使用在電腦環境中的其它單元。
如上所注，控制器130可包含非暫態電腦可讀取介質以儲存數據對象，例如，電腦輔助設計(CAD)可兼容文件，該數據對象識別應沉積供給材料的各層中的圖案。例如，數據對象可為STL格式的文件、3D製造格式(3MF)文件、或增材製造文件格式(AMF)文件。例如，控制器可接收來自遠程電腦的數據對象。控制器130中的處理器，例如，由固體或軟體控制的處理器可解譯接收自該電腦的數據對象，以產生控制系統部件所必要的信號組，用以列印針對各層所規定圖案。
用於金屬及陶瓷的增材製造的處理條件與用於塑料的這些條件明顯不同。例如，一般而言，金屬及陶瓷需要明顯更高的處理溫度。舉例而言，金屬需要在數量級400攝氏度或更高的溫度下處理，例如鋁，700攝氏度。此外，金屬處理應發生在真空環境中，例如，為了防止氧化。因此，不可將用於塑料的3D列印技術應用於金屬或陶瓷處理且設備不可等效。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，可將一些於此描述的技術應用於塑料粉末。塑料粉末的實例包含：尼龍、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚氨基甲酸酯、丙烯酸酯(acrylate)、環氧樹脂、聚醚醯亞胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯乙烯、或聚醯胺。
在分開的實施方式內文中所描述的某些特徵也可以單一實施方式的組合而實施，且相反地，在單一實施方式內文中所描述的多種特徵也可單獨實施而無須該實施方式的其它特徵。
例如，雖然在零件的材料成分空間地改變的方面，這樣的零件製造為潛在的優勢，當用以產生具有一致材料成分的零件時系統仍舊具有其它優點，例如，使用等離子體和/或氣體並結合雷射而允許形成材料的組合。
已描述一定數量的實現方式。然而，應理解可做出多種修改。相應地，其它實現方式在以下權利要求書的範圍內。