利用脉冲激光束用于材料移置的方法、装置和系统与流程

背景技术：

在各种技术中，能够在特定的地方沉积材料或将材料从一个地方移置到另一个地方可以是有用的。在一些示例中，材料可以在诸如二维打印系统的打印系统中对材料进行移置，其中打印剂分布在可打印的基质上。在其他示例中，可以在增材制造系统中对材料进行移置，所述增材制造系统使用构建材料在逐层的基础上生成三维对象。

附图说明

现在将参照附图以非限制性示例的方式描述示例，在附图中：

图1是移置材料的方法的示例的流程图；

图2是移置材料的另一方法的示例的流程图；

图3是移置材料的另一方法的示例的流程图；

图4是移置材料的另一方法的示例的流程图；

图5是移置材料的另一方法的示例的流程图；

图6是用于移置材料的装置的示例的简化示意图；

图7是用于移置材料的装置的另一示例的简化示意图；

图8是用于移置材料的系统的示例的简化示意图；

图9是用于移置材料的系统的另一示例的简化示意图；

图10是用于移置材料的系统的另一示例的简化示意图。

具体实施方式

在二维打印系统中，可以通过打印头将诸如油墨的打印剂沉积到诸如纸张的可打印基质上。在一些示例中，打印剂是从打印头的喷嘴中沉积的。在一些打印系统中，可以使用液体打印剂，而在其他打印系统中，可以使用固体打印剂。在一些示例中，打印剂的连续滴剂可以从打印头的喷嘴以精确的位置沉积到基质上。要沉积到基质的特定区域内的滴剂的数量或在特定的时间段内要沉积的滴剂数量可以取决于正在执行的打印作业的性质。

在增材制造系统中，指代为构建材料的液体或固体打印剂可以由打印剂分布器沉积到打印床上。在一些增材制造的示例中，可以将构建材料沉积在精确的位置以在打印床上形成一系列层。可以对这些层中的每一个进行加工以形成要制造的对象的切片。在一些增材制造系统中，构建材料可以是粉末状材料。

在打印和增材制造之外的技术领域中，能够以精确的位置在表面上沉积材料或物质可以是有用的。

如本文所使用的“材料的离散容体(volume)”、“物质的定义容体”和“零碎材料”的表达是可以互换使用的。

本文所公开的方法涉及使用辐射，并且特别是使用辐射束来对材料进行移置。图1是示出了用于移置材料的方法100的示例的流程图。该方法100包括，在框102处提供材料的离散容体的第一流。该材料可以是液体或固体形式，或可以包括固体颗粒在液体中的悬浮物，或熔融固体材料。

固体材料的示例可以包括金属、塑料、陶瓷、玻璃等。通过将固体材料打碎为更小的容体或颗粒可以形成固体材料的离散容体。在一些示例中，固体材料可以以离散容体的形式存在—例如，包括众多材料的小颗粒的粉末状材料—而在其他示例中，可以将固体材料碾碎或研磨以创建离散容体。通过允许固体材料的容体在重力作用下下落，或通过控制固体材料的离散容体的供应，可以提供离散容体流。

液体材料的示例可以包括熔融金属、熔融塑料、熔融玻璃、打印剂(例如，油墨)等。液体材料可以以连续流或以喷射物的形式提供。在一些示例中，由于plateau-rayleigh不稳定性的影响，可以导致液体材料的喷射物被打碎成微滴。在其他示例中，可以引起液体材料的喷射物形成离散容体。例如，可以使用设备以从液体材料的较大容体中形成液体材料的微滴，或者以将液体材料的喷射物打碎为离散容体。在一些示例中，可以使用压电设备以将震动引入至液体材料的喷射物中，或引入至液体材料将要穿过的一部装备中，以引起液体材料形成稳定的微滴。这样，可以以基本上恒定的速率形成基本上相等大小的微滴。

在一些示例中，固体或液体材料的离散容体可以以类似于喷枪的方式承载在气体喷射物中。

在一些示例中，材料的离散容体可以与彼此大小相同，或基本上与彼此大小相同。材料的离散容体的大小可以取决于材料的期望用途。在一些示例中，材料的离散容体的大小可以从几微米(例如，大约10微米)到几百微米(例如，大约500微米)不等。

材料的离散容体可以是彼此相同的形状，或基本上与彼此相同的形状。在使用液体材料的示例中，液体材料的离散容体可以自然地形成为微滴，在一些示例中，所述微滴基本上是球形的，而在其他示例中，所述微滴是无定形的。在使用固体材料的示例中，可以选择材料的离散容体的形状，并且可以形成该离散容体以具有期望的形状。在一些示例中，可以使用基本上是球形的固体材料的容体。

尽管在框102中，提供了离散容体的第一流，在一些示例中，如下文所讨论的，可以提供离散容体的多个流。

方法100包括，在框104处，将脉冲激光束定向于材料的离散容体的第一流中的材料的第一离散容体处，使其与材料的第一离散容体相互作用，并且由此将第一离散容体移置离开第一流。例如，脉冲激光束可以由激光源产生(诸如脉冲镱光纤激光源)。通过将激光束脉冲定向于离散容体流中的离散容体，激光束可以以多种方式与离散容体相互作用。第一相互作用可以发生在激光脉冲和离散容体或材料本身之间；材料的离散容体被激光束击中的部分的温度会引起升高。离散容体的温度的迅速升高可以引起从材料中形成蒸汽和/或等离子体并从材料的离散容体中喷射出。从离散容体中喷射出的大部分材料是以激光束入射的方向喷射的。材料的这种迅速喷射引起在离散容体上的冲力，由此促使离散容体朝向与材料喷射的方向相反的方向。以这种方式，激光脉冲与之相互作用的材料的离散容体可以从离散容体流中移置出来。如果在材料的离散容体周围存在气体(即，如果材料流不是在真空中提供的)，那么在激光脉冲和围绕材料的离散容体的一些气体之间可以发生第二相互作用。激光脉冲可以引起靠近材料的离散容体的气体的温度升高，并且，在一些示例中，温度的迅速升高可以导致压力波的产生，从而导致离散容体所承受的力促使其离开离散容体流。在一些示例中，如果激光脉冲引起材料内部发生化学反应，则在激光脉冲与材料容体之间可以发生第三相互作用。这种化学反应可以导致能量的产生，这可以有助于由离散容体所承受的力以促使其离开离散容体流。

材料容体从材料容体流中的移置量可以取决于许多因素，包括材料的特性、围绕材料的大气的特性以及与材料相互作用的辐射的特性。例如，移置可以取决于材料的类型、材料的单个容体的大小、材料的单个容体的形状、围绕材料的气体存在与否，并且如果存在，气体的类型和/或气体的密度、辐射的波长、辐射的频率、辐射的功率和/或能量、脉冲持续时间和/或当辐射束与材料相互作用时的光斑大小。为了控制离散容体的移置量，可以控制上述因素中的一个、一部分或全部。在一些示例中，为了控制材料的移置，可以控制上面提到的因素以外的因素。

在一些示例中，激光的脉冲持续时间可以足够短，使得当激光脉冲与材料接触时，材料的容体有效地静止。在一些示例中，脉冲激光束的脉冲可以具有低于大约100纳秒的脉冲持续时间。在其他示例中，脉冲持续时间可以在大约1纳秒和大约100纳秒之间。

激光束的能量可以基于材料容体从材料流中的期望移置来选择。激光束的能量可以基于下列各项来选择，例如，材料容体的质量、激光束在与材料容体所接触的点所聚焦的光斑的大小、材料容体的速度和/或轨迹的期望的改变、材料类型和/或激光束和/或激光源的其他参数。在一些示例中，定向于材料的辐射脉冲的能量可以在大约20微焦和大约60微焦之间。在其他示例中，该范围可以更大。

激光束的波长可以基于要移置的材料的期望类型来选择。在一些示例中，材料容体可以从靠近容体表面的激光束吸收能量是期望的，因此其对激光束不是透明的。因此，辐射的波长可以落在从紫外线(uv)到红外线(ir)的波长范围之内。在一些示例中，辐射的波长可以在大约10纳米和大约1毫米之间。在其他示例中，可以使用从大约在400纳米到10微米范围内的辐射波长。在一些示例中，可以使用大约1.06微米或0.53微米的波长。

可以使用光学组件以聚焦和/或定向激光束。例如，可以使用诸如透镜的光学组件来聚焦激光束，以便当激光束与材料的容体接触时，激光束具有特定的光斑大小。激光束与材料相互作用处的光斑大小可以取决于材料容体的大小来选择。在一些示例中，光斑大小可以小于大约100微米。在一些示例中，激光束的光斑大小可以大于激光所瞄准的材料容体的大小。在这种示例中，材料容体可以位于激光束内的任何地方，并且材料将承受来自激光束的最大影响。在其他示例中，激光的光斑大小可以小于激光所瞄准的材料容体的大小。在这些示例中，可以定向激光束，使激光在特定的位置与材料容体(例如在中心)接触。如果激光束在中心接触材料容体，那么从材料流中的移置可能达到最大值。在一些示例中，定向激光束以使激光在离开容体中心的特定的位置上与材料容体接触是期望的。

如上文所指出的，可以调整各种参数来控制材料容体从材料流中移置的方式(例如，数量和方向)。图2是用于移置材料的方法200的另一示例的流程图。方法200可以包括上面的方法100中的任何框。方法200包括，在框202处，调整脉冲激光束的参数以改变第一离散容体移置离开第一流的距离和/或方向。如上文所指示的，要调整的参数可以包括辐射波长、辐射功率和/或能量、脉冲持续时间、脉冲重复率、激光束与材料容体相互作用的位置和/或当与材料相互作用时的辐射束的光斑大小。也可以调整其他参数。参数的调整可以自动实现，例如通过连接至产生激光束的激光源的控制器来实现，或手动实现，例如通过用户调整激光源的组件或向激光源控制器提供输入。

在一些示例中，增加激光脉冲的能量可以引起更大的冲力作用于材料容体之上，从而引起从材料流相对的更大的移置。在一些示例中，材料容体从流中移置出的距离，或材料容体从流中移置出的角度，可以随着激光能量的增加而成比例地增加。

在一些示例中，来自材料流中的材料容体可以移置到离散数量的替代轨迹。例如，激光束的参数可以使得由激光脉冲接触的任何材料容体将以相同的方向移置相同的距离，并且因此移置到相同的最终位置。例如，这种布置可以用于，当来自流中的一些材料容体期望沉积在第一位置(即，不从流中移置)而来自流中的其他材料容体从流中移置以最终到达第二位置。该第二位置可以包括容器，使得被置换到容器中的材料可以被回收或重复使用。例如，这种布置可以用在打印系统中，在该打印系统中，可以将没有沉积在可打印基质上的打印剂移置到容器之中，并转移回打印剂储存器中。

在类似的示例中，激光束参数可以是，在第一组激光参数下，与激光脉冲进行接触的材料容体将被移置到第一最终位置，并且，在第二组激光参数下，与激光脉冲进行接触的材料容体将被移置到第二最终位置。当期望将材料移置到多个离散位置时可以使用这种布置。

在其他示例中，材料流中的材料容体可以在一系列轨迹范围内变化地移置。也就是说，材料可以移置到定义区域内的任何期望位置。通过这种方式，激光的参数可以连续变化，以引起材料从材料流中的期望的移置将沉积在期望的位置。这样的布置可以用于，例如，在增材制造系统中，构建材料的离散容体可以以流的形式提供，并且每个离散容体可以选择性地从流中移置，以使其沿期望的轨迹行进，导致其沉积在打印床上期望的位置。

图3是用于移置材料的方法300的另一示例的流程图。该方法300可以包括来自上述方法100、200的任何框。该方法300包括，在框302处，将材料的离散容体的提供与激光束脉冲同步，使激光束的每个脉冲与第一流中的材料的离散容体接触并相互作用。换句话说，激光脉冲的产生可以与材料容体的产生或提供同步，从而使脉冲击中期望的材料容体。在材料以离散容体(例如，粉末状)形式存在的示例中，则可以控制材料容体的提供，以使材料容体处于期望的位置，以由激光脉冲以期望的速率接触。在致使材料形成材料容体(例如，使用压电震动设备)的示例中，则用于致使容体的形成的设备可以与激光脉冲同步，使得激光脉冲与期望的材料容体相接触。

在一些示例中，每个激光脉冲可以与材料容体流中的单个材料容体相接触。这样，可以认为脉冲频率与容体供应频率(即容体产生频率或容体提供频率)相等。在其他示例中，脉冲频率可以设置为容体供应频率的一半，这样，流中的每隔一个材料容体与激光脉冲接触，并且因此从流中移置。通过改变脉冲频率和/或使激光脉冲与容体的提供同步，可以实现材料的期望的移置量。

在一些示例中，通过使材料容体被提供时相邻的容体之间具有定义的空间，可以实现材料容体的提供和激光脉冲的同步。因此，在一些示例中，第一流中的材料的离散容体可以是规则地间隔的。然而，在一些示例中，材料的容体可以以不规则的间隔提供。在这样的示例中，可以使用传感器以确定材料的容体何时已经产生或提供到材料流中，并且激光源可以引起产生激光脉冲来与特定的材料容体相一致。

图4是用于移置材料的方法400的另一示例的流程图。方法400可以包括来自上述方法100、200、300中的任何框。该方法400包括，在框402处，对脉冲激光束进行聚焦，使激光束以小于材料的第一离散容体的直径的光斑大小与材料的第一离散容体相接触。这样，将激光束的所有能量提供到材料容体，而没有浪费激光能量。然而，需要注意的是，在其他示例中，该方法可以包括对脉冲激光束进行聚焦，使激光束以大于材料的第一离散容体的直径的光斑大小与材料的第一离散容体接触。这样，单个激光脉冲可以足够大以与材料的多个容体接触，从而利用单个激光脉冲引起对材料的多个容体进行移置。

在一些示例中，脉冲激光束可以用于接触材料容体的多个流中的材料的容体，这样，可以使用单个激光源选择性地移置来自多个材料流的材料。在这一方面，图5是用于移置材料的方法500的另一示例的流程图。该方法500可以包括来自上述方法100、200、300、400的任何框。该方法500包括，在框502处，提供材料的离散容体的第二流。材料的第二流可以从与材料的第一流相同的源提供，或从不同的源提供。在框504处，方法500包括将脉冲激光束定向到材料的离散容体的第二流中的材料的第二离散容体处，以使所述脉冲激光束与材料的第二离散容体相互作用，并且由此将第二离散容体移置离开第二流。因此，相同的激光束可以用于从材料的容体的第一流和第二流两者移置材料。通过使得能够利用更少的资源移置更多的材料可以提高效率。

上文所描述的方法可以通过材料移置装置或材料移置系统来执行。图6是用于移置材料或物质的装置600的示例的简化示意图。该装置600包括用于产生辐射脉冲束的辐射源602。在一些示例中，辐射源602可以包括激光源。例如，激光源可以发射出波长落在大约10纳米和大约1毫米之间范围内(即在紫外线和红外线辐射之间)的辐射(例如，激光束)。装置600还包括光学组件604，用于将辐射束朝着物质的定义容体的流动体(flow)定向。在一些示例中，光学组件604也可以将辐射束聚焦到光束与物质的定义容体相接触的点处的定义的光斑大小之中。在其他示例中，装置600可以包括用于聚焦辐射束的额外的光学组件(未示出)。

物质的定义容体的流动体可以包括定义容体的流或队列(例如，以单行的方式)。如上所述，定义容体可以是规则地间隔的，或不规则地间隔的。定义容体可以提供自或来自存储材料并且从材料中提供或创建定义容体的流动体的设备。

装置600还包括处理装置606。处理装置606可以可操作地连接到辐射源602和/或光学组件604。处理装置606可以控制辐射源602，使得辐射脉冲束与物质的定义容体的流动体中的物质的一个定义容体相接触，以促使物质的该定义容体离开物质的定义容体的流动体。通过促使物质的定义容体离开物质的定义容体的流动体，可以将物质的定义容体进行移置，使得其进入与定义容体的流动体中的物质的轨迹不同的轨迹。

在一些示例中，处理装置602可以用于控制辐射源602以调整辐射脉冲束的参数。上文参照图2讨论了可以由处理装置602调整的辐射束参数的示例。在一些示例中，要调整的辐射脉冲束的参数可以包括辐射的能量、辐射的波长、光束的直径、脉冲持续时间和/或脉冲频率。

图7是用于移置材料或物质的装置700的另一示例的简化示意图。该装置700包括辐射源602、光学组件604和处理装置606，还包括容器702以接收被促使离开物质的定义容体的流动体的物质的定义容体。如上所述，容器702可以用作收集从物质的流动体中移置(即，促使离开)的物质。这样，在容器702中收集的物质可以被重复使用或回收，从而减少浪费。

图8是用于移置材料的系统800的示例的简化示意图。系统800包括材料源802以提供零碎材料的流。该系统800还包括用于产生脉冲激光束的激光源804。可以将激光束进行瞄准以触及零碎材料流中的一块零碎材料，从而使该块零碎材料从零碎材料流中被移置。如上文所解释的，通过对激光束进行瞄准使得其触及零碎材料并与之相互作用，可以将零碎材料从零碎材料流中移置预期的量。可以对轨迹进行控制使得零碎材料最终到达特定的期望位置。

材料源802可以是这样的，即，所述材料自然地以零碎材料的流的形式被供应(例如，材料以零碎材料或定义的容体的形式存在，或在没有施加额外干涉的情况下材料打碎为零碎材料)。在其他示例中，可以使用诸如压电设备的额外的设备(图8中未示出)来创建零碎材料流。

在一些示例中，系统800可以包括打印系统，其中材料包括打印剂。在其他示例中，系统800可以包括增材制造系统，其中材料包括构建材料。

在系统800包括打印系统的示例中，可以将零碎材料进行移置以用于各种应用。例如，该材料可以用作涂层以选择性地涂敷到基质上、涂敷到附接至基质的组件或涂敷到另一个表面。在其他示例中，该材料可以包括诸如铜的导电材料，以被选择性地沉积到基板之上，从而形成印刷电路板的导电迹线。例如，可以将印刷电路板设计提供给与材料源802和激光源804通信的处理装置，并且可以控制材料源和激光源以在期望设计中选择性地沉积导电材料。

在系统800包括增材制造系统的示例中，可以在逐层的基础上将零碎构建材料选择性地沉积在打印床上。以这种方式，可以使用材料的单个流，并且可以将个别零碎材料从流中促使离开或移置，使得它们以期望的位置沉积在打印床上，例如，以要被制造的对象的模型中定义的图样的形式。

图9中示出了用于移置材料的系统900的具体示例。系统900包括用于容纳材料的材料源902，在该示例中，该材料为液体形式。材料通过输送模块904从材料源902馈送。压电设备906以定义的频率将振动施加到输送模块904。当材料908以喷射物908a的形式离开输送模块904时，来自压电设备906的振动致使材料裂成或分成为材料的离散或定义的容体流、或零碎材料流908b。该示例的系统900还包括激光源910，该激光源910产生脉冲激光束912。诸如透镜914的光学组件将激光束聚焦并且将激光束定向到点或光斑，使得当激光束与零碎材料流908b中的零碎材料接触时，激光束912具有定义的光斑大小。激光束912在标记为916的位置处与零碎材料流908b中的零碎材料接触。任何由激光束912的脉冲击中的零碎材料被致使从流908b中移置以沿着由线条918所指示的轨迹行进。未由激光束912所击中的那些零碎材料不从流908b移置，并且因此继续沿着由线条920所指示的轨迹。

如上所述，通过使用来自诸如激光源804或910的单个激光源的激光束与来自零碎材料的多个流中的零碎材料接触以及相互作用，可以提高系统800或900的效率。这样，可以节省多个激光源的成本。

为了使用来自单个脉冲激光源(诸如脉冲镱光纤激光源)的激光束与来自多个材料流的材料相互作用，可以应用额外的组件。例如，可以从打印装置的打印头的多个喷嘴提供多个材料流。因此，在一个示例中，打印头可以包括n个喷嘴的阵列，并且可以期望的是，来自每个喷嘴的物质将以定义的距离或以定义的方向被移置。可以使用分束器将来自激光源的激光束分成多个光束。在一些示例中，分束器可以将激光束分成与材料流一样多的光束。因此，在上述打印头示例中，分束器可以将激光束分成n束；喷嘴阵列中的每一个喷嘴对应一个光束。该系统可以进一步包括调制器，或排成阵列的多个调制器，以控制由分束器分开的光束的功率。在一些示例中，该系统可以对于每个分开的光束包括一个调制器。因此，在上述打印头示例中，系统可以包括n个调制器。取决于系统的应用，可以使用各种调制器。例如，调制器可以包括声光调制器、微机械调制器、电吸收调制器、光纤调制器和/或液晶调制器。该系统可以进一步包括光纤以接收分开的光束。在一些示例中，该系统可以对于每个分开的光束包括一个光纤(即，在上述打印头示例中的n个光纤)。为了有效地接收多个激光束，可以将光纤排列成阵列，例如v形槽阵列。在一些示例中，系统可以进一步包括球面透镜以将激光束聚焦到零碎材料上。

在这种使用单个激光源以将物质从多个流中移置的示例系统中，在激光脉冲和多个材料流中的零碎材料的产生之间的同步可以得到高度的效率。这种同步可以通过使用诸如压电设备的设备来同时并且以同步的方式将多个材料流打碎为零碎/离散容体来实现。以这种方式，可以同时创建多个零碎材料，其中每一个来自不同的物质流。因此，分开的激光束可以与多个零碎材料同步，从而同时对多个零碎材料进行移置。

图10是用于移置材料的系统1000的示例的简化示意图。系统1000可以用于使用单个激光源从多个材料流中移置材料。系统1000可以包括来自上文所描述的系统800的组件。具体地，系统1000包括材料源802和激光源804。系统1000还包括分束器1002以将脉冲激光束分成多个脉冲激光束。将所述多个脉冲激光束中的每个脉冲激光束进行瞄准，以使其触及零碎材料的多个流中的一个相应流中的一块零碎材料。

系统1000可以进一步包括光学调制器1004以控制多个脉冲激光束中的脉冲激光束的参数。在一些示例中，要控制的参数可以包括激光束的功率或能量。

本公开中的示例可以以方法，系统或装置的方式提供。

本公开参照根据本公开的示例的方法、设备和系统的流程图和/或方框图来描述。尽管上文描述的流程图示出了执行的特定顺序，但是执行顺序可以与所描绘的不同。关联一个流程图所描述的框可以与另一个流程图中的那些框相结合。

尽管参考特定示例描述了方法、装置和相关方面，但是可以做出各种修改、变更、省略和替换而不背离本公开的精神。因此，其意味着，方法、装置和相关方面仅由下列权利要求及其等价物的范围所限定。应该注意的是，上面提到的示例说明而非限制本文所描述的内容，并且本领域技术人员将能够设计出许多替代性的实施方式而不背离所附权利要求的范围。关联一个示例所描述的特征可以与另一个示例的特征相结合。

词语“包括”不排除权利要求中所列元素以外的元素的存在，“一个”或“一块”不排除多个，并且单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所述的几个单元的功能。

任何从属权利要求的特征可以与任何独立权利要求或其他从属权利要求的特征相结合。