本申請主張根據(jù)美國法典第35條119(e)款于2014年7月18日提交的申請?zhí)枮?2/026,553的美國專利申請的優(yōu)先權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及增材制造，也公知為3D打印。

背景技術(shù)：

增材制造(AM)，也公知為實體自由形狀制造(solid freeform manufacturing)或3D打印，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制造工藝。相對比下，傳統(tǒng)機械技術(shù)涉及減去處理且產(chǎn)生基料材料切出的物體，例如木頭、塑料或金屬塊。

在增材制造中可使用多種增材工藝。多種工藝的不同之處在于：沉積層的方式以產(chǎn)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(chǎn)生層，例如，選擇性激光熔化(SLM)或直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積成型(FDM)，而其它方法使用不同技術(shù)固化液體材料，例如，立體光刻(Stereolithography,SLA)。

燒結(jié)為熔融小的微粒的處理，例如粉末的處理，以產(chǎn)生物體。燒結(jié)通常涉及加熱粉末。當(dāng)粉末化材料在燒結(jié)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(jié)中所使用的粉末不需達到液相。由于燒結(jié)溫度不必達到材料的熔點，燒結(jié)經(jīng)常使用于高熔點的材料，例如鎢及鉬。

燒結(jié)及熔化兩者皆可使用于增材制造中。使用的材料決定發(fā)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(tài)至液態(tài)的相轉(zhuǎn)換。因此，選擇性激光燒結(jié)(SLS)為針對ABS的相關(guān)處理，而選擇性激光熔化(SLM)使用于晶體及半晶體材料，例如尼龍及金屬，具有不連續(xù)的熔化/凝結(jié)溫度且在SLM期間經(jīng)歷熔化。

使用激光束作為能量來源用于燒結(jié)或熔化粉末化材料的傳統(tǒng)系統(tǒng)通常引導(dǎo)激光束至粉末化材料的一層中的選擇的點上，并且選擇性地光柵掃描該激光束到跨該層的位置。一旦第一層上所有選擇的位置被燒結(jié)或熔化，在完成的層的頂部上沉積新的粉末化材料層，且一層層地重復(fù)該處理，直至產(chǎn)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(jié)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(shù)實現(xiàn)要素：

在一個方面中，增材制造系統(tǒng)包含：工作臺；供給材料分配裝置，該供給材料分配裝置經(jīng)構(gòu)造以輸送供給材料覆蓋該工作臺；激光器，該激光器經(jīng)構(gòu)造以產(chǎn)生激光束；控制器，該控制器經(jīng)構(gòu)造以造成該激光束在儲存于電腦可讀取介質(zhì)中的數(shù)據(jù)所規(guī)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(jīng)構(gòu)造以產(chǎn)生離子，這些離子被引導(dǎo)至該工作臺上與該激光束實質(zhì)相同的位置。

實現(xiàn)方式可包含一個或更多個以下特征。激光源及等離子體源可被整合成同軸點激光及等離子體源，構(gòu)造所述同軸點激光及等離子體源使得該激光束及這些離子沿著共用軸由該同軸點激及等離子體源發(fā)出。該同軸點激光及等離子體源可經(jīng)構(gòu)造以使得該激光束及這些離子在重疊區(qū)域發(fā)出。熱源經(jīng)構(gòu)造以將熱由遠離該等離子體源的供給材料的一側(cè)應(yīng)用至該工作臺上的供給材料。

驅(qū)動系統(tǒng)可經(jīng)構(gòu)造以跨該工作臺光柵掃描該激光束，且該控制器可經(jīng)構(gòu)造以控制該工作臺上的一位置處的該激光束的功率，以確定該位置處的該供給材料是否熔融。驅(qū)動系統(tǒng)可經(jīng)構(gòu)造以在平行于該工作臺表面的平面中平移該工作臺，使得在該工作臺上的這些位置處的該供給材料根據(jù)儲存于該電腦可讀取介質(zhì)中的數(shù)據(jù)被該激光束熔融。電壓源可電性地連接至該工作臺以維持該工作臺處于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，該管道具有靠近該激光源的第一端及靠近該工作臺的第二端，且該激光器可安置成引導(dǎo)該激光束穿過該管道。處于該管道的該第一端的窗部可允許該激光的通過且阻擋這些離子的逸散。氣源可經(jīng)構(gòu)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(dǎo)性的，且該等離子體源可包括電壓源，該電壓源連接至傳導(dǎo)性的該管道的該第二端并且經(jīng)構(gòu)造以施加電壓，該電壓足以產(chǎn)生該管道的該第二端及該工作臺之間的等離子體。該管道可為傳導(dǎo)性的?？煞胖秒姌O對于該管道內(nèi)，且該等離子體源可包括電壓源，該電壓源連接至該電極對并且經(jīng)構(gòu)造以施加電壓，該電壓足以產(chǎn)生該管道內(nèi)的等離子體。該管道可包含內(nèi)管及環(huán)繞該內(nèi)管的外管，且該內(nèi)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，增材制造方法包含以下步驟：分配一層供給材料覆蓋工作臺；引導(dǎo)激光束以加熱儲存于電腦可讀取介質(zhì)中的數(shù)據(jù)所規(guī)定的位置處的該供給材料；及引導(dǎo)離子化氣體至該工作臺上與該激光束實質(zhì)相同的位置。

實現(xiàn)方式可包含一個或更多個以下特征?？裳刂灿幂S引導(dǎo)該激光束及該離子化氣體?？煽缭摴ぷ髋_光柵掃描該激光束，且可控制該工作臺上的一位置處的該激光束的功率，以確定該位置處的該供給材料是否熔融?？煽缭摴ぷ髋_光柵掃描該離子化氣體的來源?？煽刂苼碜栽搧碓吹碾x子化氣體的流動以控制該供給材料的該層內(nèi)該供給材料的化學(xué)成分?？煽刂苼碜栽搧碓吹碾x子化氣體的成分以控制該供給材料的該層內(nèi)該供給材料的化學(xué)成分。該離子化氣體可為反應(yīng)性氣體。該離子化氣體可在該層供給材料的一區(qū)域處被引導(dǎo)，該區(qū)域?qū)?yīng)于一物體的表面，該物體被制造以形成該物體上不同成分的涂覆。

實現(xiàn)方式可提供一個或更多個以下優(yōu)點。可選擇地控制(XYZ控制)增材制造的物體中關(guān)于所有三維像素的化學(xué)成分?？膳c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(chǎn)生成品零件?？墒褂孟嗤b置依序?qū)崿F(xiàn)增材及減去制造。

在附圖及下方說明書中提出本發(fā)明的一個或更多個實施方式的細節(jié)。本發(fā)明的其它方面、特征及優(yōu)勢將從說明書和附圖、及從權(quán)利要求書中得以顯現(xiàn)的。

附圖說明

圖1A為增材制造系統(tǒng)的示意圖。

圖1B為增材制造系統(tǒng)的示意圖。

圖1C為并入噴嘴的系統(tǒng)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硅通孔的示意圖。

圖3A示出具有變化的分辨率特征的不同熔融供給材料。

圖3B示出供給材料層的示意圖。

圖3C示出增材制造系統(tǒng)的示意圖。

在多個附圖中的相似的參考符號標(biāo)示相似的元件。

具體實施方式

通過3D打印制造零件，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(nèi)，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，針對一些制造情況，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。于此披露的方法及裝置允許增材制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(fā)生化學(xué)修飾和/或表面精整的調(diào)整。相對比下，使用來自例如激光源的能量的傳統(tǒng)系統(tǒng)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(xué)反應(yīng)。

圖1A示出示例性的增材制造系統(tǒng)100的示意圖。系統(tǒng)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(nèi)部的腔室103中維持真空環(huán)境，又或者，腔室103的內(nèi)部可為實質(zhì)純的氣體或氣體混合物，例如經(jīng)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(huán)境或經(jīng)過濾氣體在制造零件期間可減少缺陷。針對一些實現(xiàn)方式，腔室103可維持于正的壓力，即，大于大氣壓力。此可幫助防止外部大氣進入腔室103。

增材制造系統(tǒng)100包含分配器以輸送粉末層覆蓋工作臺105，例如，于工作臺上或至工作臺上的底層上。

工作臺105的垂直位置可由活塞107控制。在分配及熔融各粉末層之后，活塞107可降低工作臺120及工作臺120上的任何粉末層以一個層的厚度，使得組件準(zhǔn)備好接收新的粉末層。

工作臺105可大到足以容納大尺寸工業(yè)零件的制造。例如，工作臺105可為至少500mm寬，例如500mm乘500mm的正方形。例如，工作臺可為至少1米寬，例如，1平方米。

在一些實現(xiàn)方式中，分配器可包含可安置于工作臺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臺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(dāng)轉(zhuǎn)換分配器至由CAD可兼容文件規(guī)定的位置時，傳送電子控制信號至閘門112以分配供給材料。

可通過壓電打印頭、和/或氣動閥、微機電系統(tǒng)(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。三維像素的空間分辨率越高，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(shù)量越少。

選擇地，分配器可包含相鄰于工作臺105安置的貯存器，及水平地移動(平行于工作臺表面)以推動來自貯存器的供給材料跨工作臺105的滾筒。

控制器130控制連接至分配器組件104或滾筒的驅(qū)動系統(tǒng)(未圖示)，例如，線性致動器。驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造使得在操作期間，分配器組件或滾筒可平行于工作臺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或滾筒可被支撐于延伸橫穿腔室103的軌道上?；蛘?，分配器組件104或滾筒可被維持在固定位置中，同時工作臺105由驅(qū)動系統(tǒng)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(dāng)分配器組件104跨工作臺掃描，分配器組件104可根據(jù)一打印圖案于工作臺105上合適的位置處沉積供給材料，該打印圖案可被儲存于非暫態(tài)電腦可讀取介質(zhì)中。例如，打印圖案可被儲存為文件，例如，電腦輔助設(shè)計(CAD)可兼容文件，接著該文件被相關(guān)聯(lián)于控制器130的處理器讀取。當(dāng)分配器被轉(zhuǎn)移至由CAD可兼容文件所規(guī)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(xiàn)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(xiàn)方式中，多個開口跨工作臺的寬度延伸，例如，在垂直于分配器組件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臺105掃描。在一些實現(xiàn)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臺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臺寬度延伸，分配系統(tǒng)104可經(jīng)構(gòu)造以使得分配器組件104在兩個方向上移動以跨工作臺105掃描，例如，光柵掃描跨工作臺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臺。在此情況下，個別開口的獨立控制及儲存于非暫態(tài)電腦可讀取介質(zhì)中的打印圖案皆不必要。

可選地，可通過分配器組件104提供多于一種供給材料。在此情況下，各供給材料可儲存于分開的貯存器中，該貯存器具有自己的控制閘門且可被個別地控制以于工作臺105上由CAD文件所規(guī)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(xué)物質(zhì)以產(chǎn)生增材制造的零件。

供給材料可為金屬或陶瓷粒子的干粉末、液態(tài)懸浮的金屬或陶瓷粉末、或漿料懸浮的材料。例如，針對使用壓電打印頭的分配器，供給材料通常為液態(tài)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(jié)步驟之前汽化?；蛘?，可施用干分配機制，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、不銹鋼、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、二氧化硅、氮化鋁、氮化硅、碳化硅、或這些材料的組合。

可選地，系統(tǒng)100可包含壓縮和/或水平機構(gòu)以壓縮和/或平滑化沉積覆于工作臺105的供給材料層。例如，系統(tǒng)可包含可由驅(qū)動系統(tǒng)平行于工作臺表面移動的滾筒或葉片，例如，線性致動器。滾筒或葉片相對于工作臺105的高度被設(shè)定以壓縮和/或平滑化供給材料最外側(cè)的層。滾筒在跨工作臺移動時可旋轉(zhuǎn)。

在制造期間，逐漸沉積及燒結(jié)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臺105的層116。隨后沉積的供給材料層可形成附加的層，每一附加的層被支撐于底層之上。

在各層沉積之后，處理最外側(cè)的層以造成至少一些層熔融，例如，通過燒結(jié)或通過熔化并重新凝固。在層中沒有熔融的供給材料區(qū)域可用以支撐覆蓋層的部分。

系統(tǒng)100包含熱源，該熱源經(jīng)構(gòu)造以供應(yīng)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后。例如，功率源可為置于工作臺105上方的照射器陣列輻射地加熱供給材料層?；蛘?，如果供給材料層在工作臺105上均勻地沉積，功率源可經(jīng)構(gòu)造以加熱由儲存于電腦可讀取介質(zhì)中的打印圖案所規(guī)定的位置處以造成這些位置的粉末熔融，打印圖案例如電腦輔助設(shè)計(CAD)可兼容文件。

例如，熱源可為激光源126以產(chǎn)生激光束124。來自激光源126的激光束124被引導(dǎo)至打印圖案所規(guī)定的位置。例如，使用在各位置處受到控制的激光功率跨工作臺105光柵掃描激光束124，以確定一特定三維像素是否熔融。激光束124也可跨由CAD文件所規(guī)定的位置掃描，以選擇性地熔融在這些位置處的供給材料。為了提供跨工作臺105的激光束124的掃描，在激光束124水平位移時工作臺105可保持靜止?；蛘?，在工作臺105水平位移時激光束124可保持靜止。

來自激光源126的激光束124經(jīng)構(gòu)造以升高被激光束輻射的供給材料區(qū)域的溫度。在一些實施方式中，供給材料的區(qū)域直接在激光束124下方。

工作臺105可額外地由加熱器加熱至低于供給材料的熔融點的基本溫度，例如，由嵌入于工作臺105中的加熱器。在此方式中，激光束124可經(jīng)構(gòu)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(zhuǎn)換能允許更快速地處理供給材料。例如，工作臺105的基本溫度可為約1500攝氏度且激光束124可造成溫度增加約50攝氏度。

來自激光源126的激光束124可并入激光及離子源131。激光及離子源131經(jīng)構(gòu)造以使得來自等離子體148的離子被引導(dǎo)至工作臺105上與激光束124實質(zhì)相同的點。

在一些實現(xiàn)方式中，激光及離子源131為同軸點激光及等離子體源131a。即，激光束124及等離子體148沿著共用軸由源131a發(fā)出。在該實施方式中，當(dāng)激光束124被掃描及引導(dǎo)至儲存于電腦輔助設(shè)計(CAD)可兼容文件的打印圖案所規(guī)定的位置處以熔融供給材料，等離子體148可同時被引導(dǎo)及輸送至工作臺上相同的位置。在一些實現(xiàn)方式中，激光束124及等離子體148可在水平面中重疊。

激光及離子源131和/或工作臺105可耦接至致動器組件，例如，一對線性致動器經(jīng)構(gòu)造以提供垂直方向上的移動，以得以提供激光及離子源131和/或工作臺105之間的相對移動?？刂破?30可連接至致動器組件以促使跨供給材料層掃描激光束124及等離子體148。

同軸點等離子體源131a可包含管道135，例如，激光束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(dǎo)體132及具有小于第一直徑的第二直徑的中空內(nèi)導(dǎo)體134。中空內(nèi)導(dǎo)體安置于中空外導(dǎo)體內(nèi)。在一些實現(xiàn)方式中，中空內(nèi)導(dǎo)體134較中空外導(dǎo)體132更靠近工作臺延伸。然而，在一些實現(xiàn)方式中，系統(tǒng)僅使用單一管子。

激光束124可傳播穿過管道135，例如，穿過內(nèi)管道134的中空內(nèi)部朝向工作臺105的表面。氣源138經(jīng)由氣體輸送系統(tǒng)136供應(yīng)氣體至內(nèi)管道134的中空內(nèi)部。氣體輸送系統(tǒng)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(nèi)管道134。氣體的實例包含氮、氬、氦、氧及氟化鈦(Ti_xF_y)。

離工作臺105較遠的管道135的末端143，例如，內(nèi)導(dǎo)體134的末端143被窗部140終止，窗部140對激光束124的波長而言為透明的。窗部140幫助保持內(nèi)導(dǎo)體134內(nèi)的氣體。激光束124可由激光源126傳播穿過窗部140進入內(nèi)導(dǎo)體134。在一些實現(xiàn)方式中，氣體輸送系統(tǒng)136供應(yīng)氣體以穿過窗部140中的入口。在一些實現(xiàn)方式中，氣體輸送系統(tǒng)136供應(yīng)氣體以穿過管子一側(cè)中的入口。

在一些實現(xiàn)方式中，內(nèi)導(dǎo)體134電性地耦接至外導(dǎo)體132。例如，導(dǎo)體平板141可電性地連接中空外導(dǎo)體132至中空內(nèi)導(dǎo)體134。導(dǎo)體平板141可位于離工作臺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(jīng)由電連接144輸送電場至管道135，例如，外導(dǎo)體132和/或內(nèi)導(dǎo)體134和/或可出現(xiàn)于管道135中的任何電極?？梢砸砸痪嚯x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(jīng)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連接至工作臺105。

管道135較靠近工作臺105的末端可為開口，例如，外導(dǎo)體132，或者除了孔以外可為關(guān)閉，該孔允許氣體及激光束124通過前往工作臺105。在一些實現(xiàn)方式中，相對于帶有導(dǎo)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(nèi)導(dǎo)體134的管道135的末端部分(例如，中空外導(dǎo)體132)。在一些實現(xiàn)方式中，可在管道135中產(chǎn)生等離子體148，如以下所述。在一些實現(xiàn)方式中，可在開口端151處產(chǎn)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(dǎo)體132及內(nèi)導(dǎo)體134，以產(chǎn)生來自中性氣體的等離子體，該中性氣體由氣源138所供應(yīng)。

等離子體為帶正電及帶負電粒子的電中性介質(zhì)(即，等離子體的電荷總和大體為零)。例如，當(dāng)由氣源138供應(yīng)氮氣時，氮氣變得離子化以產(chǎn)生N₂⁺或N⁺。由離子化所產(chǎn)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以接觸沉積于工作臺105上的供給材料114。

由示出于圖1A中的實現(xiàn)方式可知，當(dāng)電流由任一維持在高電位的導(dǎo)體流出、進入由氣源138所供應(yīng)的中性氣體時，于開口端處繞導(dǎo)體132及134產(chǎn)生等離子體區(qū)域。在一些實現(xiàn)方式中，電場在工作臺105及管道135的末端之間產(chǎn)生，并且在氣體離開管道135時產(chǎn)生等離子體148。在這些實現(xiàn)方式中，管道135更靠近工作臺的至少一開口端151(例如，內(nèi)導(dǎo)體134的末端)充當(dāng)電極之一且工作臺105如反電極般使用。如以上所注，內(nèi)導(dǎo)體134及外導(dǎo)體132可電性地連接，使得處于相同電位。然而，如果外導(dǎo)體132沒有電性地連接至內(nèi)導(dǎo)體134，則外導(dǎo)體132可為浮接(floating)或連接至接地。在外導(dǎo)體132沒有電性地連接至內(nèi)導(dǎo)體134且內(nèi)導(dǎo)體134短于外導(dǎo)體132的實現(xiàn)方式中，外導(dǎo)體132可如電極133般使用。

在管道135中產(chǎn)生等離子體的實現(xiàn)方式中，管道135可包含一個或更多個電極133以在氣體流經(jīng)或離開管道時離子化氣體。在該實現(xiàn)方式中，可放置電極133(例如，電極及反電極)于管道135內(nèi)部(見圖1B)。在此情況下，可安置一個或兩個電極133于管道135中但與內(nèi)導(dǎo)體134的內(nèi)表面間隔開來。

在一些實現(xiàn)方式中，管道135可由介電材料形成而非導(dǎo)體。在此情況下，可設(shè)置一個或更多個電極133于開口端151處或管道135的內(nèi)表面上。

在一些實現(xiàn)方式中，氣源138可包含電極，并且在氣體經(jīng)過氣體輸送系統(tǒng)136被輸送進入內(nèi)導(dǎo)體134前離子化氣體。

外導(dǎo)體132及內(nèi)導(dǎo)體134可由金屬制成。導(dǎo)體132及134可由相同金屬或不同金屬制成。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/或工作臺105和/或安置于管道135內(nèi)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(yīng)。

將較高射頻驅(qū)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(qū)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偏壓至工作臺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(dāng)離子沖擊供給材料時，離子可造成熔融的供給材料上的化學(xué)反應(yīng)。可同時發(fā)生供給材料的化學(xué)修飾與由激光束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?？尚枰槍υ霾闹圃炝慵哪承﹨^(qū)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(yīng)氮以產(chǎn)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(yīng)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(yīng)于制造的主體表面的供給層部分。此允許主體表面上涂覆物的產(chǎn)生。例如，可以TiN涂覆物來涂覆鈦零件。

除了造成供給材料的化學(xué)反應(yīng)之外，或者作為造成供給材料的化學(xué)反應(yīng)的替代，可使用蝕刻劑自由基(例如Ti_xF_y)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激光及等離子體源接合?？刂破?30耦接至用于各氣源的閥以控制何氣體響應(yīng)于來自CAD程序的指令而流入管道135。例如，蝕刻劑自由基可調(diào)整熔融的供給材料的表面粗糙度。例如，蝕刻劑自由基可產(chǎn)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(diào)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(dāng)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(dǎo)體132、內(nèi)導(dǎo)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(guī)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于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(xiàn)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臺105，而無須進一步的加速或引導(dǎo)。

在一些實現(xiàn)方式中，在工作臺前可并入額外的設(shè)備以在氣體經(jīng)由內(nèi)導(dǎo)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，同軸激光及氣源201類似于同軸點激光及等離子體源131a，帶有激光源126及氣源138，且激光束124及氣體沿著共用軸由源201發(fā)出。由氣源138的氣體的離子化為任選的，但可以如上述用于同軸激光及等離子體源131a的相同方式實現(xiàn)氣體的離子化。

同軸激光及氣源201也包含設(shè)備，例如位于外導(dǎo)體207及內(nèi)導(dǎo)體209較靠近工作臺105的開口端205的噴嘴203。噴嘴203經(jīng)構(gòu)造以在氣體離開內(nèi)導(dǎo)體206時加速氣體流動。在一些實現(xiàn)方式中，噴嘴經(jīng)構(gòu)造以引發(fā)超聲波氣體流動。例如，噴嘴203可為de Laval噴嘴、收斂-發(fā)散噴嘴、CD噴嘴、或con-di噴嘴。在一些實現(xiàn)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(qū)域被激光束熔融的同時，粒子光束的動能造成增材制造零件層的表面處材料的移除，例如表面拋光。

激光及等離子體源131和/或激光及氣源201的分辨率可為毫米，下至微米。換句話說，可定位供給材料的化學(xué)反應(yīng)至幾個毫米的增材制造零件，因此提供制造零件的化學(xué)成分的完美空間控制?？煽刂乒┙o材料的化學(xué)反應(yīng)，例如，通過調(diào)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?？稍诮M合的激光及等離子體源131跨工作臺105掃描時實施該調(diào)整，因而提供供給材料化學(xué)的層內(nèi)控制。此外，由于可獨立于氣體和/或等離子體而控制激光源126，并非所有被激光124熔融的區(qū)域需要被氣體或離子處理，且可將氣體或離子應(yīng)用至未被激光124熔融的區(qū)域。

如上方討論，可將RF偏壓施加至工作臺上以加速帶電離子于熔融材料零件上。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(chǎn)生的應(yīng)力(由激光束124所造成)。一般而言，可將諸如氬或氦之類的中性分子用于表面拋光而不造成任何表面的化學(xué)修飾。當(dāng)使用這些中性分子時，可關(guān)閉RF功率來源142，且來自氣體供應(yīng)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(dāng)使用中性分子時，可發(fā)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臺的偏壓。例如，分子可直接擴散進入由激光熔融/燒結(jié)所產(chǎn)生的熱熔融供給材料層。

上述能力特別適于使用在修改增材制造管道的內(nèi)表面的化學(xué)成分和/或表面精整。例如，圖3B示出構(gòu)成增材制造管道的一個層的供給材料層280的俯視圖。管道具有內(nèi)壁282。內(nèi)壁282可由材料284制成，材料284由化學(xué)修飾原本的供給材料114而得到。在增材制造工藝期間可化學(xué)修飾內(nèi)壁322的容易度為上述方法的一個優(yōu)點。

在一些實現(xiàn)方式中，可使用控制器130以控制氣體輸送系統(tǒng)136以調(diào)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(xiàn)方式中，可使用控制器130以調(diào)整施加至電極133和/或工作臺105的電壓。這些調(diào)整可與供給材料的特定層(Z位置)上的激光束的位置(x-y位置)一起進行。在此方式中，制造零件所需化學(xué)成分可依特定供給層內(nèi)的側(cè)面(x-y)位置的函數(shù)而變化。

例如，激光及等離子體源131可包含連接至各自額外氣源的額外氣體入口，以得以輸送多于一種氣體至激光及等離子體源131。在此方式中，例如，當(dāng)氧氣流動輸送經(jīng)過激光及等離子體源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(yīng)以形成氧化鈦?？赏Ｖ寡鯕饬鲃樱铱沙跏蓟獨饬鲃右栽诠┙o材料層中另一位置處產(chǎn)生氮化鈦。

除了化學(xué)修飾增材制造零件的表面或改變表面粗糙度以外，也可通過移除制造零件的部分將點等離子體來源用于減去制造。在此方式中，可使用減去處理以改善制造零件中的分辨率。例如，如圖3A中所示出，熔融供給材料的兩個相鄰“像素”250的分辨率由箭頭252表示。如圖3A中所示出，可使用減去處理以產(chǎn)生新表面剖面256，其中相鄰“像素”258的分辨率現(xiàn)在更高了?？墒褂妙愃芓i_xF_y的蝕刻劑化學(xué)地實現(xiàn)減去處理，和/或可使用高到足以消蝕(ablate)熔融供給材料的激光功率來傳導(dǎo)?？稍趯嵤┰霾奶幚碇笤趯由蠈嵤p去處理。因此，可使用相同裝置依序在相同層上實現(xiàn)增材及減去制造。

在此方式中，方法及裝置允許增材制造零件內(nèi)的所有點的化學(xué)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(jīng)沉積及熱處理后，工作臺105降低實質(zhì)相等于層的厚度的量。接著分配器104跨工作臺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，該新的層重疊于先前沉積的層，且可接著熱處理該新的層以熔融供給材料?？芍貜?fù)該處理直至制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制造的物體。

如圖2A中所示出，可使用于分配器組件104的分配器204可為單一點分配器，且分配器可平移跨工作臺105的x及y方向以在工作臺105上沉積完整的供給材料206的層。

選擇地，如圖2B中所示，可使用于分配器組件104的分配器214可為延伸跨工作臺寬度的線性分配器。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(zhì)垂直于分配器的長軸，以在工作臺上沉積完整的供給材料層。

選擇地，如圖2C至圖2D中所示，可使用于分配器組件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打印(LAVoN)。LAVoN 224允許同時沉積完整的二維供給材料層。LAVoN 224可為形成于塊體硅226中的硅穿孔(TSV)228的密集格網(wǎng)。各TSV 228可由壓電閘230來控制，在施加適當(dāng)電壓時壓電閘230關(guān)閉特定228的出口開口，使得供給材料206被保留在TSV內(nèi)。當(dāng)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，允許在工作臺上沉積供給材料。由控制信號存取在LAVoN 224中的各個TSV 228，這些控制信號基于界定制造物體的CAD文件而由控制器產(chǎn)生。可使用LAVoN 224以僅沉積單一供給材料。在該情況下，沒有供給材料沉積于制造物體中空隙的區(qū)域處或制造物體外的區(qū)域中。于圖2B至圖2D中所示的實施方式可加速工作臺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于圖1A及圖1B中的點等離子體源，以控制沿著所制造零件的厚度(z)方向的化學(xué)成分?！按竺娣e”指示等離子體可覆蓋實質(zhì)上整個供給材料層。

如圖3C中所示，增材制造系統(tǒng)300類似于圖1A的增材制造系統(tǒng)100，但包含大面積背景等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)302。增材制造系統(tǒng)300包含界定腔室103的腔室壁304。

可由等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)302產(chǎn)生大面積背景等離子體。等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)302包含電極310，即，第一電極。電極310可為工作臺120上或中的導(dǎo)電層。這樣使電極310可垂直平移，類似于圖1A中的活塞107。電極310可如陰極般使用。

增材制造系統(tǒng)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(yīng)，例如，RF電壓源。例如，電極310可連接至RF功率供應(yīng)312且反電極可連接至RF功率供應(yīng)332。在一些實現(xiàn)方式中，電極310或反電極330中的一個連接至RF功率供應(yīng)，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(wǎng)路。

通過合適的功率及頻率的RF信號的施加，等離子體340形成于陰極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(zhì)(即，等離子體的電荷總和大體為零)。出于說明的目的，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(qū)域，除了靠近陽極表面的“死區(qū)域”。

可選地，系統(tǒng)300可包含磁鐵組件350，磁鐵組件350可產(chǎn)生磁場，例如50高斯至400高斯的磁場。磁鐵組件350可在工作臺120中包含永久磁鐵，例如，位于靠近工作臺120的頂部表面316。選擇地，磁鐵組件可包含電磁鐵，例如，環(huán)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(dāng)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(nèi)產(chǎn)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(nèi)部的腔室103中維持真空環(huán)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(nèi)排放氣體?？山?jīng)由氣體入口308將工藝氣體或反應(yīng)性氣體導(dǎo)入腔室103，工藝氣體諸如氬或氦的非反應(yīng)性氣體，反應(yīng)性氣體諸如氧。依據(jù)這些處理，可將不同氣體導(dǎo)入腔室103。

在真空環(huán)境下操作系統(tǒng)300可提供對于材料的品質(zhì)控制，該材料由系統(tǒng)300中發(fā)生的處理形成。然而，等離子體340也可在大氣壓力下產(chǎn)生。

類似于圖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覆于工作臺105上?？刂破?30相似地控制連接至分配器組件104的驅(qū)動系統(tǒng)未圖示，例如，線性致動器。驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造使得在操作期間，分配器組件可平行于工作臺120的頂部表面來回移動。

可將較高頻率(例如，大于50MHz)的驅(qū)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，小于20MHz)的偏壓電壓施加至另一電極。一般而言，較高頻率信號產(chǎn)生等離子體流量。較高頻率RF驅(qū)動電壓產(chǎn)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于基板(例如，硅晶片)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(fā)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(jié)晶，而可導(dǎo)致金屬內(nèi)的不同應(yīng)力及不同弛緩(relaxation)行為。

系統(tǒng)300可包含激光源126以產(chǎn)生激光束124，用以掃描供給材料314的層，如針對圖1A的上述。激光源126可經(jīng)受相對于工作臺105的移動，或可偏轉(zhuǎn)激光，例如通過檢流計。激光束124可產(chǎn)生足夠的熱以造成供給材料314熔融。激光源126及大面積背景等離子體系統(tǒng)302的組合使所有供給材料層能同時化學(xué)修飾，例如，摻雜或氧化，同時仍舊維持對于熔融三維像素的控制，例如，響應(yīng)于儲存于非暫態(tài)電腦可讀取介質(zhì)中的打印圖案。

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?？赏ㄟ^例如系統(tǒng)100或300來一層層地改變摻雜濃度，或可通過例如系統(tǒng)100在一層供給材料內(nèi)改變摻雜濃度。離子注入可幫助釋放或引發(fā)供給材料層中的點應(yīng)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(dǎo)致粉末上發(fā)展出足夠大的電壓，造成供給材料上的電子或離子轟擊。使用于轟擊的電子或離子可來自等離子體，并且當(dāng)施加DC或AC偏壓于供給材料上時被加速至供給材料?？墒褂棉Z擊以處理一層、蝕刻材料、化學(xué)改性(例如，于反應(yīng)性離子蝕刻)供給材料、摻雜供給材料(例如，增加一氮化物層)、或用于表面處理。

可將系統(tǒng)100及300使用于熔融硅、氧化硅或氮化硅粉末，隨后蝕刻硅、氧化硅或氮化硅層。

參考圖1A或圖3A，系統(tǒng)100或300的控制器130連接至多種系統(tǒng)部件，例如，致動器、閥、及電壓源，以產(chǎn)生信號至這些構(gòu)件且協(xié)調(diào)操作且造成系統(tǒng)實現(xiàn)多種上述功能性操作或步驟序列?？梢砸詳?shù)字電子電路或以電腦軟件、固件或硬件實現(xiàn)方式控制器。例如，控制器可包含處理器以執(zhí)行儲存于電腦程序產(chǎn)品中，例如，在非暫態(tài)機器可讀取儲存介質(zhì)的電腦程序?？梢匀魏涡问降某绦蛘Z言寫入該電腦程序(也稱為程序、軟件、軟件應(yīng)用、或代碼)，包含經(jīng)編譯或經(jīng)解譯語言，并且可以任何形式利用該電腦程序，包含成為單機程序或成為模塊、組件、子程序、或適于使用在電腦環(huán)境中的其它單元。

如上所注，控制器130可包含非暫態(tài)電腦可讀取介質(zhì)以儲存數(shù)據(jù)對象，例如，電腦輔助設(shè)計(CAD)可兼容文件，該數(shù)據(jù)對象識別應(yīng)沉積供給材料的各層中的圖案。例如，數(shù)據(jù)對象可為STL格式的文件、3D制造格式(3MF)文件、或增材制造文件格式(AMF)文件。例如，控制器可接收來自遠程電腦的數(shù)據(jù)對象。控制器130中的處理器，例如，由固體或軟件控制的處理器可解譯接收自該電腦的數(shù)據(jù)對象，以產(chǎn)生控制系統(tǒng)部件所必要的信號組，用以打印針對各層所規(guī)定圖案。

用于金屬及陶瓷的增材制造的處理條件與用于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(shù)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(yīng)發(fā)生在真空環(huán)境中，例如，為了防止氧化。因此，不可將用于塑料的3D打印技術(shù)應(yīng)用于金屬或陶瓷處理且設(shè)備不可等效。此外，用于大的工業(yè)尺寸零件的制造條件可明顯更嚴(yán)格。

然而，可將一些于此描述的技術(shù)應(yīng)用于塑料粉末。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(huán)氧樹脂、聚醚酰亞胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯乙烯、或聚酰胺。

在分開的實施方式內(nèi)文中所描述的某些特征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(nèi)文中所描述的多種特征也可單獨實施而無須該實施方式的其它特征。

例如，雖然在零件的材料成分空間地改變的方面，這樣的零件制造為潛在的優(yōu)勢，當(dāng)用以產(chǎn)生具有一致材料成分的零件時系統(tǒng)仍舊具有其它優(yōu)點，例如，使用等離子體和/或氣體并結(jié)合激光而允許形成材料的組合。

已描述一定數(shù)量的實現(xiàn)方式。然而，應(yīng)理解可做出多種修改。相應(yīng)地，其它實現(xiàn)方式在以下權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。