用于增材制造的激光能量传递的热补偿的制作方法

用于增材制造的激光能量传递的热补偿
1.相关专利申请的交叉引用
2.本公开是要求于2020年6月15日提交的第63/039,315号美国专利申请的优先权权益的非临时专利申请的一部分，该美国专利申请通过引用以其整体并入。
技术领域
3.本公开总体上涉及用于热控制的增材制造的系统和方法。在一个实施例中，制造床、壁和顶部可以被热控制以补偿热损失。
4.背景
5.传统的部件加工通常依赖于通过钻孔、切割、或研磨来移除材料以形成零件。相比之下，增材制造(也称为3d打印)通常涉及材料的顺序逐层添加以构建零件。以3d计算机模型开始，增材制造系统可以用来由各种材料创建复杂的零件。
6.一种被称为粉末床熔融(pbf)的增材制造技术使用一个或更多个聚焦能量源，诸如激光或电子束，以通过熔化粉末并将其粘合到下面的层而在粉末薄层中绘制图案来逐渐形成3d打印零件。粉末可以是塑料、金属、玻璃或陶瓷。这种技术非常精确，通常可以实现小至150um-300um的特征大小。典型地，该过程在衬底温度从室温或某个适度升高的温度诸如250℃开始的情况下进行。当打印熔点在1400℃左右的材料诸如钢时，激光必须在层打印过程期间熔化粉末和衬底。由于这两种部件都是从接近室温的温度开始，它们必须经历1000摄氏度左右的温度循环。当对要打印的层的所有部分重复该过程时，热应力可以在零件内建立。此外，根据平均激光功率的量，打印过程的这种热负荷导致构建板的温度升高。打印过程期间的温度升高可能是显著的，并且取决于零件数量和被打印零件几何形状。平均热负荷的这种层间差异会导致不可预见的误差，例如所有三维中的空间相关的热翘曲、更高的残余应力，甚至打印零件的开裂。这些因素降低了零件的精度、强度和成品3d零件的实用性。
7.当3d打印件从打印室中被移除时，增材制造系统还可以要求将3d打印件从受控打印环境中移除。这会对需要热处理炉来进行后处理冷却和/或随后的应力消除、退火或热处理的3d打印产生不利影响。虽然增材制造系统可以打印期间在打印室中预热打印板和/或将打印件保持在设定的温度，但是温度控制通常在打印室之外是不可用的。不幸的是，当3d打印件从打印室被移除时，它们的温度通常不受控制，并且在许多系统中，还暴露于不受控制的空气中。这些因素会影响3d打印件的材料特性。此外，3d打印件通常太热而不能立即从打印室中移除，因此在完成打印后必须在打印室中保留数小时。这会占用打印室并阻止系统开始新的打印作业。
8.需要用于固定的或基于墨盒的打印室的改进的热控制系统。这可以包括提供等温条件(isothermal condition)，或者替代地，提供图案化热通量，该图案化热通量可以减少误差，诸如所有三维中的空间相关的热翘曲或更高的残余应力。
9.概述
10.一种制造系统包括具有支撑制造材料的打印机床的打印机室和由打印机室支撑
的内部加热系统。内部加热系统被配置成将图案化热能引导到打印机床和支撑的制造材料上。外部加热系统由打印机室支撑或定位在打印机室附近，并被配置成将图案化热能引导到打印机床和任何支撑的制造材料上。
11.在一个实施例中，打印机室还包括墨盒。
12.在一个实施例中，其中内部加热系统还包括加热元件和冷却元件中的至少一个。
13.在一个实施例中，外部加热系统还包括红外加热元件。
14.在一个实施例中，其中外部加热系统还包括被加热的气流。
15.在一个实施例中，外部加热系统还包括至少一个指向激光器。
16.在一个实施例中，外部加热系统还包括至少一个指向激光器以提供非图案化加热。
17.在一个实施例中，其中外部加热系统还包括至少一个指向激光器以提供图案化加热。
18.在一个实施例中，外部加热系统还包括使用回收光的至少一个指向激光器。
19.在一个实施例中，传感器还包括高温计。
20.在一个实施例中，传感器还包括相机。
21.在另一实施例中，制造系统包括具有支撑可打印材料层的打印机床的打印机室。主激光源可指向打印机床上的可打印材料层的子部分，以打印零件图案。次级加热系统被配置成将图案化热能引导到可打印材料层中。
22.在一个实施例中，图案化热能至少部分地由被打印的零件图案确定。
23.在一个实施例中，图案化热能基本上与被打印的图案的一小部分成反比。
24.在一个实施例中，次级加热系统还包括第二发光加热元件。
25.在一个实施例中，第二发光加热元件还包括弧光灯、红外灯、led加热系统和激光加热系统中的至少一种。
26.在一个实施例中，次级加热系统还包括打印机室支撑的图案化加热元件。
27.在一个实施例中，打印机室支撑的图案化加热元件还包括电阻式加热墨盒阵列、通道中的加热流体、电控等离子体源、电弧加热器、感应加热器和微波加热器中的至少一个。在所有这些实施例中，冷却元件或加热元件可以内置于打印机床或周围结构中，或者从远处投射。
28.附图简述
29.参考以下附图描述了本公开的非限制性的并且非穷举的实施例，其中，除非以其他方式说明，否则在所有各个附图中相似的附图标记指代相似的零件。
30.图1a示出了热控制的增材制造系统；
31.图1b示出了打印开始前在z载物台(z-stage)上的热控制的打印板；
32.图1c示出了当z载物台向下移动时被埋在打印板上的粉末中的被打印零件，其中嵌入式加热器件被定位在打印板和打印壁中；
33.图1d示出了热控制的墨盒系统；
34.图1e示出了用于图案化加热的分段红外加热器的使用；
35.图1f示出了用于图案化加热的分段的自上而下的或成角度的气流的使用；
36.图1g示出了用于图案化加热的分段交叉床气流的使用；
37.图1h示出了用于图案化加热的附加加热激光的使用；
38.图1i示出了用于非图案化加热的附加加热激光的使用；
39.图1j示出了用于图案化加热的从回收或废弃光导出的附加加热激光的使用；
40.图1k示出了使用相机和高温计的热成像系统；
41.图2示出了用于热控制的增材制造系统的工艺流程；以及
42.图3示出了基于多个图案化的和施加的热负荷的恒定热负荷的演示。
43.详细描述
44.在以下描述中，参考了形成说明书的一部分的附图，并且其中通过说明其中可实践本公开的具体示例性实施例的方式示出。对这些实施例进行足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践本文公开的概念，并且应当理解，可以对各种公开的实施例进行修改，并且可以利用其他实施例，而不脱离本公开的范围。因此，以下详细描述不被认为是限制性的意义。
45.图1a示出了热控制的增材制造系统1a。打印室2a保持打印板3a，该打印板3a可以支撑粉末或其他增材或减材制造材料。能够引导激光、电子束或其他指向能量5a的打印引擎5a相对于打印室定位在外部，并被用于加热打印板上的制造材料。传感器6a可以被用于在制造期间校准或提供反馈控制。
46.外部加热系统7a和/或内部加热系统8a可以被用于调整或控制打印室2a的温度、材料温度或打印板上的被制造的零件的温度。外部加热系统7a和/或内部加热系统8a都可以被操作成使用加热或冷却元件的阵列、分段结构、分隔结构、可扫描结构或选定的开/关操作来提供差分或图案化加热或冷却。在一些实施例中，保持等温温度，而在其他实施例中，可以使用图案化加热系统来选择不同选定区域中的预定温度。
47.例如，外部图案化加热系统可以涉及安装或定位在外部的组件的使用，这些组件将热通量从上方引导到打印室中。图案化组件可以是一个或更多个加热灯、一个或更多个激光器(二极管、光纤、固态等)、对流流或其他类型的加热元件。图案化可以通过静态掩模、诸如液晶显示器的空间光调制器、光阀、光学寻址光阀、微镜阵列、热激活图案化谐振器来实现。诸如加热灯或加热元件的加热器部件可以通过使用大的元件阵列并控制阵列中的哪些元件接通和断开以及通过诸如透镜、反射器等的光学器件控制它们的发射来生成图案，以将光以期望的图案重新引导到床。对流流可以通过使用喷嘴的阵列来被图案化，气体在控制系统所期望/确定的受控温度下流过该喷嘴阵列。
48.在一些实施例中，在其上执行打印过程的打印板3a包含内部加热元件，诸如电阻式加热墨盒、冷却通道中的加热的冷却流体、诸如电弧的电控等离子体源、感应加热器、微波加热器或安装在打印室内或与打印床或室接触的其他发热器件。附加地，打印板3a可以包含温度感测器件，诸如rtd、热电偶、高温计或其他温度感测器件，这些温度感测器件然后与打印机控制系统通信以调制到打印板的热通量。相同的逻辑被应用于打印壁，除了根据打印壁高度和过程中打印件所处的位置可变地控制加热器之外。
49.传感器6a可以包括高温计、热感相机或可视相机。在一些实施例中，相机可以拍摄视频和静态图像以提供虚拟窗口。相机和灯可以在多个光波长(例如ir、可见光或uv)中照射和成像。相机可以是几个相机的阵列，其可以用一个或许多光波长来从许多不同角度记录静态和/或视频图像。这些灯可以是从许多角度并以许多不同波长照射打印室2a和打印
板3a的一个或更多个灯的阵列。
50.在一些实施例中，外部加热系统7a和打印引擎4a都可以使用一个或更多个激光源。可能的激光器类型包括但不限于：气体激光器、化学激光器、染料激光器、金属蒸汽激光器、固态激光器(例如光纤)、半导体(例如二极管)激光器、自由电子激光器、气体动态激光器、“类镍”钐激光器、拉曼激光器(raman laser)或核泵浦激光器。
51.气体激光器可以包括诸如以下项的激光器：氦氖激光器、氩激光器、氪激光器、氙离子激光器、氮激光器、二氧化碳激光器、一氧化碳激光器或准分子激光器。
52.化学激光器可以包括诸如氟化氢激光器、氟化氘激光器、coil(化学氧碘激光器)或agil(全气相碘激光器)的激光器。
53.金属蒸气激光器可以包括诸如以下项的激光器：氦镉(hecd)金属蒸气激光器、氦汞(hehg)金属蒸气激光器、氦硒(hese)金属蒸气激光器、氦银(heag)金属蒸气激光器、锶蒸气激光器、氖铜(necu)金属蒸气激光器、铜蒸气激光器、金蒸气激光器、或锰(mn/mncl2)蒸气激光器。也可以使用铷或其他碱金属蒸气激光器。固态激光器可以包括诸如红宝石激光器、nd:yag激光器、ndcryag激光器、er:yag激光器、钕ylf(nd:ylf)固态激光器、掺钕钒酸钇(nd:yvo4)激光器、掺钕硼酸钙氧钇nd:yca4o(bo3)3或者简称为nd:ycob、钕玻璃(nd:玻璃)激光器、钛蓝宝石(ti:蓝宝石)激光器、铥yag(tm:yag)激光器、镱yag(yb:yag)激光器、镱2o3(玻璃或陶瓷)激光器、掺镱玻璃激光器(棒(rod)、片/碎片(plate/chip)和纤维)、钬yag(ho:yag)激光器、铬znse(cr:znse)激光器、掺铈氟化锂锶(或钙)铝(ce:lisaf，ce:licaf)、掺钷147磷酸盐玻璃(147pm+3:玻璃)固态激光器、掺铬金绿宝石(翠绿宝石(alexandrite))激光器、铒掺杂和铒镱共掺杂玻璃激光器、三价铀掺杂氟化钙(u:caf2)固态激光器、二价钐掺杂氟化钙(sm:caf2)激光器或f-中心激光器的激光器。
54.半导体激光器可以包括诸如以下项的激光器介质类型：gan、ingan、algainp、algaas、ingaasp、gainp、ingaas、ingaaso、gainassb、铅盐、垂直腔表面发射激光器(vcsel)、量子级联激光器、混合硅激光器、或它们的组合。
55.在操作中，打印板、打印壁中和打印板上方的加热器件可以被用于施加期望的热条件以发起打印。在整个打印过程中，打印层上的热负荷是取决于零件几何形状的变量。使用加热器件在打印板、打印壁中的内部加热系统8a，并且还使用打印板上方的外部加热系统7a，可以原位提供被打印零件中的热条件的时间调制。在一些实施例中，使用加热器件在打印板、打印壁中的内部加热系统8a，并且还使用打印板上方的外部加热系统7a，可以原位提供被打印零件中的热条件的空间调制。使用加热器件在打印板、打印壁中的内部加热系统8a，并且还使用打印板上方的外部加热系统7a，可以用来将必要的热条件施加到已完成的被打印零件，以最小化热应力并优化零件中的热历史。
56.一旦打印过程完成，加热器件可以被用来控制零件的冷却，或者盖子/热绝缘体可以在打印室2a的顶部上方闭合，以保持来自所有侧面的均匀冷却速率。在打印之前和期间预加热粉末或其他制造材料也允许减少实现相同打印速率所需的打印能量，或者类似地，对于给定的固定打印能量增大打印速率。
57.图1b更详细地示出了系统1b，其具有在打印开始之前被定位在z载物台上的热控制的打印板。最初，打印板2b上没有粉末或被打印的零件。激光能量14b可以指向要在打印板2b上打印的材料。打印板2b可以包含加热器墨盒3b和用于控制打印板2b的温度的温度感
测器件。替代地，打印板可以被固定到包含加热和感测能力的子板并热连接到该子板。在这种情况下，项目2b是子板，打印板(未示出)将位于2b上方。在打印板2b的下方，绝缘体4b减少热损失。在绝缘体4b的下方是冷却管容纳板5b，该冷却管容纳板5b包含冷却剂流通道6b。这种冷却剂流保护敏感和精确的系统部件免受过热。整个打印板组件通过连接轴(shaft)7b连接到z轴电机。来自图案化元件、未被图案化元件或其他辐射元件的热流8b从上方入射到打印板2b上。热流8b的大小可以被选择成与激光能量14b成反比，以更好地保持等温条件。打印机侧壁9b包含加热器元件10b。打印机侧壁9b的外部是绝缘层11b，该绝缘层11b的外部是包含冷却剂流13b的打印壁冷却管侧壁12b。
58.图1c示出了系统1c，该系统1c具有当z载物台向下移动时被埋在打印板上的粉末15c中的打印零件20c，其中嵌入式加热器件被定位在打印板和打印壁中。与要打印的材料成比例的激光能量14c入射到打印板2c上，该打印板2c包含加热器墨盒3c和用于控制打印板2c的温度的温度感测器件。替代地，打印板可以被固定到包含加热和感测能力的子板并热连接到该子板。在这种情况下，项目2b是子板，打印板(未示出)将位于2b上方。在打印板2c的下方，绝缘体4c减少热损失。在绝缘体4c的下方是冷却管容纳板5c，该冷却管容纳板5c包含冷却剂流通道6c。整个打印板组件通过连接轴7c连接到z轴电机。来自图案化元件、未被图案化元件或其他辐射元件的热流8c从上方入射到打印板2c上。热流8c的大小可以与激光能量1c成反比。打印机侧壁9c包含加热器元件10c。打印机侧壁9c的外部是绝缘层11c，该绝缘层11c的外部是包含冷却剂流通道13c的打印壁冷却管侧壁12c。打印板上的被打印零件14c由打印板2c支撑并被粉末15c包围。来自打印板中的加热器墨盒的传导热16c被施加到被打印的零件20c。来自打印壁中的加热器墨盒的传导加热器17c被施加到被打印的零件和周围的粉末。
59.图1d示出了热控制的墨盒系统。在增材制造系统中有用的3d打印墨盒1d以部分横截面示出。3d打印墨盒(以下简称“墨盒”)将所有“脏”打印功能与系统的其余功能和操作员环境分开。“脏”是指凡是有粉末存在的地方、被加工以用于打印的地方或生成烟灰的地方。每当墨盒1d被连接到诸如打印站、粉末站或存储站的配套设备时，配套设备可以基于墨盒与哪件配套设备匹配，提供操作墨盒所需的服务(例如，打印站允许对墨盒的完全控制，而存储站可以仅提供加热功率和气体再循环，以及相机和灯的使用)。墨盒1d被设计成在与配套设备断开时被密封，并且可以包括辅助加热或冷却系统，以允许墨盒内的精确热条件。
60.墨盒1d围绕床或基板24d构建，可以包括分段的或图案化的内部加热器。用于新打印件的新鲜粉末被存储在粉末料斗2d中，该粉末料斗2d具有储存全体积打印所需的所有粉末的容量。新鲜粉末通过粉末门23d被计量到基板上。粉末由粉末分散器4d使用粉末展涂刀扫过板。粉末分散器驱动器5d使粉末分散器在整个打印板12d上来回移动。
61.窗口3d密封墨盒1d的顶部，防止粉末或气体泄漏，并允许激光束(未示出)穿过它来焊接粉末。窗口3a允许进入墨盒以装载打印板、卸载打印件、清洁和维修墨盒部件(密封件、展涂刀等)。墨盒1d的内部可以被相机和灯22d照射和成像。相机和灯可以在密封室的内部或外部，或者密封室的内部和外部都有，并且可以被定位成拍摄墨盒内部场景的照片和/或聚焦在场景上，该场景特别是打印板。相机和灯也可以安装在运动载物台上，允许用户在打印过程中平移或缩放感兴趣的项目。该相机可以与诸如高温计、运动检测器、光电二极管、热感相机或其他传感器的次级打印诊断结合使用，以自动检测事件并平移/缩放相机以
聚焦于感兴趣的位置。在一些实施例中，操作员可以在电子或虚拟窗口中查看相机图像，而不是通过墨盒中的物理端口或窗口直接查看。
62.惰性气体通过气体供给管道6d供应到墨盒，使得打印可以在对每次打印最有利的任何气氛中被执行。气体回流管道7d移除惰性气体。气体穿过hepa过滤器8d，该hepa过滤器8d移除杂质(烟灰、悬浮的粉末纳米颗粒等)。然后，气体进入安装在配套设备上的气体回收器(未示出)。当墨盒与配套设备断开时，气体供给端口9d和气体返回端口10d被密封以保持墨盒内部的气氛。随后通过由其他设备移除氧气、水汽等来净化气体。
63.z轴在每一层被打印后降低打印板，使得新的粉末层可以被展开并随后被打印。在该设计中，z轴框架11d保持z轴部件。打印板(又名构建板)12d是打印期间焊接粉末的地方。打印板加热器13a包含用于打印板12d的加热机构，并且还可以使密封板14d绝缘和/或冷却。密封板14d带有密封件15d，该密封件15d将粉末限制在z轴框架11d上。z轴底板16d封闭z轴框架11d的下端，并具有特征以包含可能从密封件15d溜走的任何粉末。柱塞17d具有接口，使得柱塞17d可以远程地、自动地和精确地与z轴驱动器相接(interface)。柱塞密封件18d与底板16d配合，并进一步密封墨盒1d防止粉末和/或气体泄漏。
64.接口板19d包含用于墨盒的所有输入和输出(压缩的空气、功率、输入和输出信号、气体、冷却水等)。当墨盒被连接到配套设备时，该墨盒被设计成进行所有这些连接。该接口还可以包含用于在墨盒与配套设备配合时电子识别每个墨盒的机构。滚轮20d允许墨盒1d滚动到配合设备的配合轨道上。叉车管(forklift tubes)21d允许由叉车(forklift)拾取和移动墨盒。
65.在一个实施例中，墨盒1d可以包括电子标识，诸如电子可读存储器25d或其他电子可读标记，诸如附加文本或条形码。存储器25d可以提供关于墨盒的电子信息，或者墨盒部件可以被用于识别其品牌、型号、类型、粉末类型，或者关于该单元、其子部件或其预期用途的任何其他限定细节。该信息可以被用于通知打印引擎与要打印的材料、期望的气氛(压力和温度)或其他打印相关方面有关的内容，以便打印引擎可以根据需要进行调整以适应打印墨盒、子墨盒或子组件。所引起的变化可以涉及一个动作，例如内部透镜组件的自动交换、透镜组件的z高度/最终光学投射的调整、诸如每单位面积功率、脉冲形状、脉冲持续时间、脉冲重复率、波长、空间脉冲形状、瓦片(tile)大小、瓦片内的空间能量分布的激光参数调整、修改数据诊断、数据反馈算法、打印过程反馈算法或在打印过程期间如何放下瓦片的算法改变。来自与打印墨盒或子墨盒相关联的电子存储器25d的电子信息可以由打印机、去粉站或存储架读取，以收集关于已经发生了多少打印和其他关键度量(诸如分散器循环的次数、z轴调整、温度循环、压力循环或墨盒或子墨盒沿途经历的其他属性)的数据。该信息还可以通过打印引擎、子系统中的一个、工厂自动化系统、去粉站、墨盒存储站、墨盒本身或其他配套/接口设备存储在中央数据库中。
66.图1e示出了支持使用分段红外加热器的系统1e，该分段红外加热器适合与打印室一起使用来进行图案化加热。与要打印的材料成比例的激光能量17e入射到打印板2e上，该打印板2e包含加热墨盒3e和用于控制打印板2c的温度的温度感测器件。在打印板2e的下方，绝缘体4e减少热损失。在绝缘体4e的下方是冷却管容纳板5e，该冷却管容纳板5e包含冷却剂流6e。整个打印板组件通过连接轴7e连接到z轴电机。来自图案化辐射元件的热流8e从上方入射到打印板2e上。热流8e的大小可以与激光能量17e成反比。打印机侧壁9e包含加热
器元件10e。打印机侧壁9e的外部是绝缘层11e，该绝缘层11e的外部是包含冷却剂流13e的打印壁冷却管侧壁12e。打印板上的被打印的零件14e由打印板2e支撑并被粉末15e包围。来自打印板中的加热器墨盒的传导热16e被施加到被打印的零件20e。来自打印壁中的加热器墨盒的传导加热器17e被施加到被打印的零件和周围的粉末。在本实施例中，红外加热器18e多个片段被安装在打印板2e的上方。每个片段被独立控制，使得打印板的多个部分可以被加热。这种机制可以在空间上调节打印板上由层与层之间的打印表面变化引起的温度分布。所有红外加热器片段还可以一起工作，以在时间上调制由被传递到床的激光能量的层间变化引起的总热负荷变化。加热器从电源19e接收功率，并且可以被串联或并联连接。
67.图1f示出了用于图案化加热的分段的自上而下的或成角度的气流的使用。在该实施例中，系统1f的打印室和一般操作类似于前面关于图1e所述，其中相似的数字表示相似的结构。在该实施例中，竖直气流18f可以向顶表面提供额外的加热。使用分段方法，可以在一定程度上调谐空间相关的温度。这可以通过被组合在一起的一系列单元来实现，也可以从具有多个子部分的一个单元来实现。
68.图1g示出了用于图案化加热的分段交叉床气流的使用。在该实施例中，系统1g的打印室和一般操作类似于前面关于图1e所述，其中相似的数字表示相似的结构。在该实施例中，水平气流18g可以向顶表面提供额外的加热。随着打印的进行，可以基于热负荷的变化来调节气流的温度。
69.图1h示出了系统1h中的用于图案化加热的附加加热激光。系统1h包括打印室系统，该打印室系统包括打印板2h、打印板内部的加热器墨盒3h、打印板下方的绝缘体4h、冷却管容纳板5h和保持冷却剂6h的冷却管。z轴连接轴7h被连接到电机。打印壁或侧壁8h包含加热器墨盒9h。有在打印壁外部的绝缘体10h、冷却管容纳侧壁/板11h和保持冷却剂的冷却管12h。打印的零件13h由散布在打印板上的粉末14h形成在打印板上。可以至少部分地使用来自打印板中的加热器墨盒的传导热15h和/或来自打印壁中的加热器墨盒的传导热16h来维持系统1h中的热条件。激光能量17h可以与打印瓦片填充小部分(fraction)(2
×
2mm-10
×
10mm)成比例。
70.附加的激光源提供聚焦能量以加热打印板的更小且更具体的区域。激光束传递可以是固定的，并且光学器件被建立来投射以填充整个板，或者激光器可以被安装在扫描设备上，使得该激光器可以扫描覆盖整个打印板。可以使用诸如光学寻址光阀、dmd或其他图案化器件的空间光调制器来图案化激光器。激光可能需要在slm之前被均匀化，以允许光束的高均匀性。均匀化器(homogenizer)可以是反射管、tir管、衍射元件、小透镜阵列或类似物。均匀化器的几何形状通常是正方形的，但是可以是被配置成适合图案的任何几何形状。
71.部件包括附加的激光源18h(扫描和/或被固定和图案化)。光束19h从激光源发射并被导向在激光源18h和激光均匀化器21h之间的中继光学组件20h。在一些实施例中，图像中继光学组件34h位于激光均匀化器和光阀之间。从激光均匀化器发射的均匀化光束22h被引导到用于445nm波长光阀的图案化寻址光源23h中。从图案化寻址光源发射的蓝光24h被引导到蓝色/ir组合器25h中，以共线性地对齐蓝色和ir激光器/光源。用于图案化补充热激光源的光阀26h将一些光传递到偏振器27h，用于拒绝没有被包括在图案中的未使用的光。部件还可以包括用于光阀操作的电驱动源28h，该电驱动源28h与部件25h、部件26h、部件27h一起形成图案化单元组件29h。来自图案化单元组件29h的光被引导到图像中继光学组
件30h，用于将光阀图案化图像中继到粉末床。转向镜31h被用于将光引导到构建室中，或者以其他方式控制激光的去向。激光束32h可以从扫描镜反射并聚焦到打印床的子部分，用于打印床的热管理。可替代地，从固定反射镜反射的激光束33h可以被聚焦到整个打印床区域(或其大部分)。
72.图1i示出了用于非图案化加热的附加加热激光的使用；在该实施例中，系统1i的打印室类似于前面关于图1h所述，其中相似的数字表示相似的结构。如图所示，激光区域打印机可以包括来自均匀化图像平面18i的输入。激光已经通过反射管、tir管、衍射光学器件、小透镜阵列或类似机构被均匀化以到达该平面。具有单个多数偏振状态(majority polarization state)的光束19i从平面18i传播到图像中继光学组件21i，该图像中继光学组件21i改变平面19i处的光束大小并在光阀26i上重建其强度分布。在到光阀26i的路径上，光束19i还穿过光束组合器25i，该光束组合器25i将从投影仪单元23i发射的445nm的图案化蓝光24i与1000/1064nm的红外光束19i组合。两个光束都入射到光阀26i上，该光阀26i允许蓝色光束24i上的图案在偏振空间中转移到红外光束19i。根据动态可调投影仪单元23i，光阀26i的该动作在期望图案的光束中形成两个多数偏振状态。在击中偏振器27i时，光束被分割成负像和正像。正像被传输到光学图像中继透镜组件30i，该光学图像中继透镜组件30i通过从可移动万向反射镜20i反射离开而将光阀正像以期望的瓦片大小中继到打印床。f-θ光学器件可以在一些配置中存在于反射镜20i和打印床之间。负像从偏振器27i反射离开以入射到反射镜22i上，该反射镜22i将负像光引导到图像中继器24i，该图像中继器34i将光耦合到废弃光均匀化器35i中。在一些情况下，反射镜22i也是二向色滤光器，允许1064nm的光穿过它，并且仅反射1000nm的光。这种情况下的目标是使用单独的方法来均匀化不同类型的激光。管均匀化器适用于均匀化相对长脉冲、低相干性、低强度的光，而衍射元件更适合于均匀化低发散性、高相干性的光。在废弃光均匀化器35i的输出端，均匀化的图像被传递到最终废弃光图像中继器，该最终废弃光图像中继器在废弃光均匀化器35i输出端和打印床之间执行图像中继操作。该图像中继器可以是固定的，或可动态调整以改变焦点。焦点可以是紧密的，使得床的一小部分被照射，或者焦点可以很大，使得整个床被照射。最终转向镜31i可以被固定或允许移动，以进一步适应补充热传递过程。
73.图1j示出了用于图案化加热的从回收或废弃光导出的附加加热激光的使用。在该实施例中，系统1i的打印室类似于前面关于图1h和图1i所述，其中相似的数字表示相似的结构。该图示出了用于从输入均匀化图像平面18j开始的激光区域打印机的配置。激光已经通过反射管、tir管、衍射光学器件、小透镜阵列或类似机构被均匀化以到达该平面。具有单个多数偏振状态的光束19j从平面18j传播到图像中继光学组件21j，该图像中继光学组件21j改变平面19j处的光束大小并在光阀26j上重建其强度分布。在到光阀26j的路径上，光束19j还穿过光束组合器25j，该光束组合器25j将从投影仪单元23j发射的445nm的图案化蓝光24j与1000/1064nm的红外光束19j组合。两个光束都入射到光阀26j上，该光阀26j允许蓝色光束24j上的图案在偏振空间中被转移到红外光束19j。根据动态可调投影仪单元23j，光阀26j的该动作在期望图案的光束中形成两个多数偏振状态。在击中偏振器27j时，光束被分割成负像和正像。正像被传输到光学图像中继透镜组件30j，该光学图像中继透镜组件30j通过从可移动万向反射镜20j反射离开而将光阀正像以期望的瓦片大小中继到打印床。f-θ光学器件可以在一些配置中存在于反射镜20j和打印床之间。负像从偏振器27j反射离
开以入射到反射镜22j上，该反射镜22j将负像光引导到图像中继器24j，该图像中继器24j将光耦合到废弃光均匀化器35i中。在一些情况下，反射镜22j也是二向色滤光器，允许1064nm的光穿过它，并且仅反射1000nm的光。这种情况下的目标是使用单独的方法来均匀化不同类型的激光。管均匀化器适用于均匀化相对长脉冲、低相干性、低强度的光，而衍射元件更适合于均匀化低发散性、高相干性的光。在废弃光均匀化器35j的输出端处，均匀化的图像被传递到图像中继器以中继到第二图案化单元组件，该第二图案化单元组件重建输出到第二光阀上的废弃图像均匀化器35j。该新的光阀的正像被允许传输通过整个废弃光图案化单元组件，以传输到最终图像中继光学器件38j，该最终图像中继光学器件38j在废弃能量光阀输出端和打印床之间执行图像中继操作。该图像中继器可以是固定的，或可动态调整以改变焦点。焦点可以是紧密的，使得床的一小部分被照射，或者焦点可以很大，使得整个床被照射。最终转向镜31j可以被固定或被允许移动，以进一步适应补充热传递过程。
74.图1k示出了使用相机和高温计的热成像系统；如果需要，可以在打印件的每一层上实现详细的热成像。在一个实施例中，彩色ccd或cmos相机7k被用于对在打印衬底或打印板5k上包含打印物品的打印床4k成像。相机7k的分辨率被选择为足以分辨被打印的零件特征，以确定整个层上是否存在温差。例如，如果我们选择1600万像素的相机(4000
×
4000像素)，则该相机可以被用来对40cm的床成像，提供标称100微米的像素分辨率。6400万像素的相机(8000
×
8000)可以被用于提供50微米的像素分辨率。在操作中，由于与增材制造系统的一些实施例相关联的非常高的速度，打印床的平均温度相对较高。床4k将可见地发光或在红外相机系统中发光。即使是500摄氏度的适度温度也会产生黑体曲线(blackbody curve)，其在1050nm处的发射与人们在700摄氏度可见的红光相似。替代地，人们可以使用flir类型相机。可以通过使用光学高温计2k来校准图像中的温度，以在打印床中的单个位置6i处对温度进行基准测试(benchmark)。通过用高温计进行一些温度测量，并将这些测量与相应的图像相关联，可以以低成本创建床的空间温度分布。一旦被校准，高温计不再是严格需要的，图像可以被用作床温的独立监视器。在每个重涂层的开始和结束时拍摄的图像可以被用于跟踪重涂均匀性、打印健康和打印温度均匀性。如果温度太低或太高，控制系统可以被用于通过用空间相关性潜在地调整表面加热水平或根据需要调整床/壁加热水平来校正温度不均匀性或整体幅度，从而维持打印所需的等温环境。典型地，需要窗口3k来保护成像设备2k和7k免受在打印过程期间可能从打印床4k上脱落的任何粉末、烟灰、灰尘或其他颗粒的伤害。
75.图2示出了用于热控制的增材制造系统的工艺流程200和选定部件。在该实施例中，零件几何形状和打印热负荷历史202被馈送作为输入参数。前馈控制器204使用零件几何形状和打印热负荷历史来主动地生成控制信号。打印壁206中的加热器墨盒对打印的零件和周围的粉末进行加热。辐射加热器208对打印的零件和周围的粉末进行加热。打印板210中的加热器墨盒对打印的零件和周围的粉末进行加热。打印的零件212由打印板支撑并被粉末包围。将激光能量214施加到粉末层216以熔化粉末并促进固化过程。
76.图3示出了打印外壳的不同部分上的热负荷的展示，其中来自不同源的热负荷的组合被平衡以维持打印的零件的基本等温条件。等温制造条件可以减少平均热负荷的层间差异，防止或减少所有三个维度中的空间相关的热翘曲，降低较高的残余应力，甚至防止打
印的零件开裂。针对如曲线图300所示的来自激光能量的平均热负荷看出提供这样的等温条件，该平均热负荷是时间或床上的层数的函数。需要补充能量302来平衡来自图案化激光的热负荷306，使得床上的总热负荷恒定(虚线等温线307)。例如，热负荷303从下方被施加到打印板上。热负荷304被施加到打印壁向下1/3处的侧壁上的加热器上。热负荷305被施加到打印壁向下2/3处的侧壁上的加热器。当这些热负荷相加在一起时，产生基本恒定的热负荷307。在一些实施例中，提供热负荷的图案化热能的量至少部分地由被打印的零件图案确定。附加地，可以以与所打印图案的小部分基本成反比的量来提供供给的图案化热能。典型地，打印相对较大的零件或层子部分(相对于打印室或打印床)将需要很少的供给的图案化加热能量，而打印小的零件或层子部分将需要大量的供给的图案化加热能量。
77.受益于前述描述和相关联附图中呈现的教导的本领域技术人员将会想到本发明的许多修改和其他实施方案。因此，应当理解，本公开不限于所公开的特定实施方案，并且修改和其他实施方案被认为被包括在所附权利要求的范围内。还应当理解，本发明的其他实施方案可以在没有本文具体公开的元素/步骤的情况下实施。