CN105764674B - 使用泥釉的3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过可烧结材料制造3D模型的方法，以及用于执行此方法的装置和由此制造的成型件。

Description

使用泥釉的3D打印方法
技术领域
本发明涉及一种用于通过可烧结材料制造3D模型的方法、以及用于执行此方法的装置和由此制造的成型件。
背景技术
用于制造3D成型体(成型件、模型、部件)的方法是从现有技术公知的。这种类型的方法也称为“快速原型机制造”或“3D打印”。
这种类型的方法是例如选择性激光烧结(SLS)、立体光刻、实体磨削固化(SGC)、熔融沉积成型(FDM)或3D粘合剂打印。
在所有方法中，成型体根据CAD数据逐层构造在构造平面上或在构造空间中。
前述方法的特别的实施方案例如在WO2012/164078中公开。在此描述了一种用于制造金属或陶瓷的成型体的方法，其中，使用了由金属或陶瓷材料制成的悬浮液。该公开文件没有公开根据本发明的方法或给出根据本发明的方法的启示。
EP 1 648 686 B1描述了一种使用吸收辐射的材料而选择性烧结颗粒材料的方法。该出版物没有公开根据本发明的方法或给出根据本发明的方法的启示。
已知的现有技术的方法具有各种问题和缺点。
例如，当逐层烧结松散的微粒原料时发生体积收缩，其整体上越大，微粒原料的密度越低。在现有技术已知的用于以薄层将颗粒材料涂覆到构造空间的方法中，实现了相对于块材料小于60％的典型密度。即，如果要生产紧实的部件，体积收缩率大于40％，因此线性收缩甚至大于16％。这种类型的收缩，特别是如果它逐层发生，可能会在所需的成型体中导致失真，因为较低层可能已经完全收缩并且产生的力作用在已固化的结构上。在没有支撑结构的情况下，在未烧结的颗粒材料中固化的颗粒区域可以自由地移动和变形。如果变形足够大使得部分烧结表面突出构造空间，当涂覆另一层时涂覆装置可沿烧结的区域运送，并可以不能够再进行成型件的整齐地构造。此外，在部件中可能发生相对于CAD数据在再现中的不准确性，因为在涂覆期间或当穿越构造平面时可能在各个颗粒层中产生位移。所制造的成型体中的高压紧密度也是合乎需要的，其在已知的方法中不能总是可以得到保证。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种方法，通过所述方法可以制造高质量和精确的成型体，通过所述方法成型体中的较高程度的颗粒压紧变得容易，由此可以实现CAD数据的非常精确的再现，或至少可以减少或避免现有技术的方法的缺点。
一方面，本发明涉及一种制造成型体的方法，出于构造材料层并选择性涂覆粘合剂材料的目的，其使用适当的装置、优选在预定温度下将颗粒泥釉(颗粒分散体、泥釉、分散体)涂覆到其优选设计成构造平台的构造平面上，其中粘合剂材料包括吸收能量的材料，并且出于选择性固化的目的施加能量。
另一方面，本发明涉及一种用于进行所述方法的装置。
另一方面，本发明涉及一种借助于所述方法的制造的成型件。
具体实施方式
在下文更详细地说明本发明，在下文中更详细说明各个术语。
本发明的含义内的“可烧结的材料”是以颗粒形式存在并且可以通过施加能量而固化的任何材料或材料混合物(201、202)。在第一方法步骤中，可以首先制备粉饼。“可烧结的材料”的示例为细粒度的陶瓷、金属或塑料基材料。这些材料对3D打印领域的技术人员是公知的，因此不必在这里详细地描述。其优选以非常细的粉末的形式使用的聚酰胺在本发明中是特别适合的。
在本发明的含义内的“泥釉(slip)”或“材料分散体”包括载液和颗粒材料(例如可烧结的材料(201或202))，可以基于材料和机器要求单独设置颗粒材料和载液之间的比例。颗粒材料的颗粒尺寸、材料特性、所用的载液和涂覆装置的类型影响混合比。包含在“泥釉”中的颗粒材料可以是单一材料或不同材料的混合物。它优选包含或包括至少部分可熔的材料。它优选是金属、陶瓷、热塑性塑料、塑料、例如优选非常细粒度的PMMA、或玻璃粉末或多种上述材料的混合物、例如混合有聚合物、例如PMMA的玻璃粉末。当在第一步骤中制造固化的成型件(毛坯体、成型件)时使用材料混合物，出于例如烧结在毛坯体中的陶瓷部分或金属部分的目的，其在另一工作步骤中以及优选在另一装置中、优选在高温下进行进一步的处理。“泥釉”优选在涂覆或经受振动之前在适当装置中进行搅拌，使得其在涂覆过程中以基本上均匀的分散体的形式存在。材料层通过载液至少部分流失和/或蒸发的事实产生。
在本发明的含义内的“载液”(200)是可与特定的颗粒材料组合和其能够分散颗粒材料而不溶解它的任何液体。“载液”优选为水或有机溶剂、优选醇。
在本发明的含义内的“材料层”是借助于涂覆装置(也称为再涂布器)逐层涂覆到例如构造平面(优选构造平台)或紧接在前的材料层的层上，并且其是在除去或蒸发一部分载液或载液的主要部分后产生的，并且出于得到待生产的成型体的目的随后选择性地固化。材料层的层厚度使用适合的方式单独设定。所涂覆的颗粒层的层厚度可以为1至500μm，优选为100μm或200μm。
在本发明的含义内的“粘合剂材料”是选择性涂覆到各颗粒层并包含或包括吸收能量的材料或吸收辐射的材料的材料。根据本发明，“粘合剂材料”可以在各颗粒涂覆之后或以规则或不规则间隔、例如在各第二、第三、第四、第五或第六颗粒层涂覆之后涂覆。所述“粘合剂材料”以对于所述方法的合适的和有利的量、采用适当的装置、例如打印头(100)或其它合适的涂覆装置根据所希望的成型体的当前的截面而定量加料。与热源或能量源相互配合，使用适合的吸收能量的材料或吸收辐射的材料，其也具有相对于所用的颗粒材料相应的属性。
在本发明的含义内的“吸收能量的材料”或“吸收辐射的材料”是吸收能量或热量并将其传送到周围的材料并由此导致温度的局部增加的任何材料。由此可以实现选择性固化。
在本发明的含义范围内的合适的材料为例如IR吸收剂，特别是包含炭黑和/或石墨。
在本发明的含义内的“涂覆装置”、“涂覆工具”或“涂覆泥釉的装置”或“定量加料器”(101)是出于制造具有限定的层厚度的材料层的目的借助其可以以针对性和可定量给料的方式涂覆泥釉的任何装置。“泥釉涂覆装置”也可称为再涂布器并且以这样的方式设计，使得均匀的材料层可涂覆到构造平面或在之前的工作步骤中涂覆的材料层。
本发明的含义内的“打印装置”理解为，适于将粘合剂材料以预定的量(体积)并在限定的时间下涂覆在材料层上的限定的区域中的装置。
在本发明的含义内的“构造平面”或“构造平台”(例如105)是作为在其中涂覆泥釉和制备材料层的区域的构造空间。构造空间基本上具有与构造平面相同的面积。“构造平面”可以是用于在分批处理中执行所述方法的构造容器的一部分，或者它可以插入构造容器并从构造容器中取出，并优选在高度上是可调的。在连续方法设置中的“构造平面”是水平或优选倾斜地、即以相对于水平构造平面小于90°的角涂覆泥釉的表面。
在本发明的含义内的“施加能量”是在所述方法的过程中施加热能或辐射能。特别是，将热能或辐射能整体或局部地施加到构造空间。在本发明的含义内的“局部地”是指能量源、例如IR发射器(401)或功能上等同的装置(例如400和401的组合)在顶部材料层上移动或位于其上方，并将在顶部材料层、优选顶部和下一较低的材料层中的温度升高到环境温度之上。施加能量使得其中涂覆了吸收能量的粘合剂材料的材料层粘合在一起，优选烧结，并由此根据计算机数据(CAD数据)形成3D成型体。
在本发明的含义内的“能量源”是发射能量、例如热辐射(401)的形式的能量的装置或者执行这一目的并因此可在根据本发明的方法中使用的任何其他功能上等同的装置。
本发明的含义内的“有组织的冷却”理解为以下事实，成型体在方法处理期间或在材料层的构造之后在与所使用的材料匹配的时间段内以某种方式冷却，使得成品成型件具有最佳的材料特性以及在材料收缩和失真以及成型件的精度方面实现最佳工作结果。成型件优选在一个或多个小时的时间段内借助于合适的装置缓慢冷却，或者在一个单独的步骤中急剧冷却。
本发明的优选方面在下面更详细地说明。
在一个优选的方面中，本发明涉及一种用于在装置中制造3D成型件的方法，所述方法包括在可能的温控构造空间中的以下步骤(也参见图1)：
a.借助于涂覆装置在构造空间中可以通过以预定的层厚度将泥釉涂覆到构造平面(优选构造平台)来制造材料层；
b.将液体粘合剂材料涂覆到所述材料层的所选区域；
c.施加能量；
d.将所述构造平面降低所需的层厚度或将涂覆装置和可能的附加装置升高所需的层厚度；
e.重复步骤a)至d)，所述粘合剂材料包含或包括吸收能量的材料；
f.除去成型件周围的材料，以得到所述成型件。
根据本发明的方法的特征在于具有大量的优点和积极效果。例如，在涂覆期间和出于建造材料层的目的，材料层的良好的和牢固的压紧可以通过使用泥釉实现，特别是在分散体中的颗粒材料的泥釉。此外，在根据本发明的方法的情况下可以令人惊奇地使用最细的颗粒材料，其在其他已知的3D打印方法不可以使用。在所述方法的第一阶段中，使用根据本发明的方法可以有利地实现颗粒饼的固体粉饼。根据本发明的方法由此实现颗粒在所涂覆的层中的稳定的定位和放置。由此防止了颗粒的位移，其对建造精度具有积极影响。
在根据本发明的方法的一个优选的具体实施方案中，泥釉包括载液(200)和颗粒材料(201、202)。其优选可以在所述颗粒材料上至少部分地熔融。
优选以这样的方式选择处理条件，使得通过在处理期间的材料的至少部分的、选择性的熔融(203，204)产生成型件。
根据本发明，可能在泥釉中使用与其他组分相容的任何载液(200)，并且它优选选自包括水或有机溶剂、优选醇的组中。颗粒材料优选为可烧结的材料(202、203)，并且它优选选自包括热塑性塑料、缩聚物、优选聚酰胺(PA)、金属和/或陶瓷微粒或其混合物的组中。载液(200)优选地以这样的方式选择，使得颗粒材料(202、203)不溶于其中。
吸收能量材料对于本领域技术人员是公知的，本领域技术人员将相对于所述方法和其余组分选择相容的吸收能量材料。吸收能量的材料优选包含石墨或炭黑。
所述方法可以在常见的3D打印装置中进行，所述3D打印装置优选具有改进，例如用于泥釉的混合器(300)。使用适合于该材料的常见装置涂覆泥釉，优选使用涂布器装置(101)涂覆泥釉。
可以使用不同的装置机构设定材料层的层厚度。例如涂布器单元(101)和与其连接的装置可以向上移动相应层的厚度。另一种选择是降低构造平面(105)。也可以使用构造容器，在其中构造平面(105)是可移动的。材料层的预定高度优选由涂布器单元(101)距离构造平面的距离设定。如果例如通过以某一角度将材料层涂覆到构造平面而使用连续方法，由在处理操作期间的馈送动作产生层厚度。
构造空间或涂布器(101)的周围环境可以是温控的以及设定并保持在对所述方法有利的温度下。为此，温度可以借助于构造空间(400、401)外部或内部的装置或在层涂覆位置附近的区域中的装置来调节，构造空间优选由IR(401)加热或照射。
温度根据所使用的颗粒材料和载液来选择和设定。构造空间或环境温度优选调节至40℃至200℃、优选150℃至190℃、更优选160℃至170℃的温度。
为了在选择性地涂覆吸收能量的粘合剂材料之后烧结或至少部分地熔融(203、204)成型体，能量在每个材料层涂覆步骤之后、在每个第二或每个第三至第十二材料层涂覆步骤之后施加。
任何合适的装置可用于施加能量。能量优选以电磁能(401)的形式借助于在IR-A和/或IR-B范围内的辐射加热器或借助于IR发射器施加。
方法条件选择和设定成使得在材料层、优选最后材料层中的温度达到190℃至210℃、优选至200℃。
在成型件(102)的构造完成后，成型件嵌入到颗粒材料中并冷却。最后，成型件(102)从未固化、即松散的材料(502)分离。这以这样的方式来完成，使得制造的成型件不损坏。成型件优选在液体浴中、通过给材料块(502)添加或喷雾水性液体(501)或通过另一合适的步骤拆封。类似于制造泥釉的载液，所述水性液体应当以这样的方式选择，使得颗粒材料不溶解于其中。
粘合剂材料借助于本领域技术人员已知的装置、优选借助于优选具有计算机控制的喷嘴的打印装置(100)选择性地涂覆。
可以使用市售的泥釉，或泥釉可以单独混合在一起。泥釉优选在一容器中提供，所述容器具有搅拌装置(300)或震动装置，使得泥釉均匀分散，并且因此确保了材料的均匀涂覆。泥釉优选在马上涂覆前与颗粒材料和载液混合在一起。
在涂覆泥釉之后，得到了具有预定的层厚度的材料层。这通过优选在小于90秒每材料层、优选40至90秒每材料层、优选60至80秒每材料层内除去、优选蒸发载液而有利地实现。
如所讨论的，可以使用不同的颗粒材料，其可以具有不同的微粒直径。优选使用具有1-250μm、优选10-150μm、更优选30-80μm的平均直径的颗粒材料。
层厚度可以单独设定以及甚至可以在构造过程中改变。材料层的层厚度优选为1至500μm，优选为30μm至300μm，更优选为50μm至150μm。
粘合剂材料相应地并且有利地取决于层厚度和材料成分而定量给料。相对于所述成型件的总体积，粘合剂材料的比例优选小于20体积％，优选小于10体积％，更优选小于5体积％，甚至更优选低于2体积％。
除去载液之后的材料层为颗粒材料的固体密度的优选约50％至80％。
在成型件拆封之后，成型件可以经受额外的处理步骤。额外的方法步骤优选选自热处理和烧结。
根据本发明的方法可以借助于批次处理或连续处理中可更换的构造容器进行。3D打印装置具有本领域技术人员公知的相应的装置特征。
泥釉优选水平地(参见图1)或在一个优选的具体实施方案中以小于90°的角涂覆到水平的构造平面(倾斜打印)。根据本发明的方法特别适用于倾斜打印和优选与连续方法实施方案组合，因为倾斜打印方法具有对于材料层的位移阻力的特殊要求。借助于根据本发明的方法特别有利地满足了特殊要求。
另一方面，本发明涉及一种使用如上所述的根据本发明的方法生产3D成型件的装置。
同样，本发明的一个方面涉及根据本发明的方法制造的成型件(102)。
根据本发明的方法的另一优点是，可以使用材料以及可以制造以前无法以这种方式制造的成型件。特别是，使用非常细的颗粒材料的一个优点是，可有利地实现层的非常紧实的压紧。这具有在甚至选择性固化步骤之前获得的结构体本身或者坯体本身的强度方面的优点。在烧结过程中的收缩由此进一步降低，以及相比于CAD数据的成型体的精度由此提高。借助于根据本发明的方法，特别是，实现了比在已知方法的情况下的更小的收缩，并且因此，大幅减少或甚至完全避免了部件的失真和翘曲，以及部件的质量因此明显提高。
由于可使用的非常细的颗粒材料，可以实现高的空间分辨率，也是有利的。这可以以更精细的打印分辨率以及借助于更薄的材料厚度来使用。由此产生的部件具有比根据现有技术的可比较的部件更高的表面质量。
在另一优选的具体实施方案中，构造平面是温控的，使得载液迅速从泥釉中除去并产生更稳定的主体(102)。额外的载液(200)优选借助于额外的热能从所涂覆的泥釉中除去，由此使粉饼变得更加稳定。这可以例如通过使用红外辐射(401)来实现。
在第二处理步骤中，IR辐射(401)导致用粘合剂材料打印的区域熔融或烧结并形成成型体，其可以很容易地拆封。然后，该成型体可以经受在优选的具体实施方案中的额外的方法步骤。
在本发明的含义中，本发明的各个特征或以组合描述的那些特征，可以全部组合在一起或以任何可能的组合而组合，并分别选择，从而产生大量的优选的具体实施方案。分别示出的特性是不应理解为本发明的单独的、优选的具体实施例，而是在本发明的含义内，可以全部以任何方式彼此组合，除非由于实施性原因而阻止的。
附图说明
图1：示出了根据本发明的方法顺序的图；
图2：示出了在根据本发明的方法顺序期间微粒原料的压缩的图；
图3：示出了用于实施根据本发明的方法的装置的示意图；
图4：示出了用于在根据本发明的方法中施加能量的装置；
图5：示出了移除部件的图示。
附图标记列表
100 打印头
101 泥釉涂覆单元
102 部件
103 能量
104 降低的层
105 构造平台
200 分散介质
201 可烧结和不可烧结的颗粒
202 粘合剂颗粒
203 烧结的桥接
204 粘合剂桥接
300 搅拌器
301 泵
400 风扇
401 辐射源
402 定位单元
500 清洗喷嘴
501 溶剂喷射
502 颗粒材料饼

Claims (34)

1.一种用于在装置中生产3D成型件的方法，包括如下步骤：
a.借助于涂覆装置可选地在构造空间中通过以预定的层厚度将泥釉涂覆到构造平面来制造材料层，其中所述泥釉包括载液和颗粒材料，所述颗粒材料是或包括至少部分可熔融的材料，其中所述颗粒材料为可烧结的材料，选自包括热塑性塑料、缩聚物、金属和/或陶瓷颗粒或其混合物的组中，其中所述缩聚物为聚酰胺(PA)；
b.将液体粘合剂材料涂覆到所述材料层的所选区域；
c.施加能量，用于选择性固化并且导致涂覆了所述粘合剂材料的所述所选区域熔融或烧结，能量以电磁能的形式借助于在IR-A和/或IR-B范围内的辐射加热器或借助于IR发射器施加；
d.将所述构造平面降低所需的层厚度或将所述涂覆装置和可选的附加装置升高所需的层厚度；
e.重复步骤a)至d)，所述粘合剂材料是或包括吸收能量的材料并由此导致温度的局部增加，其中所述吸收能量的材料包含石墨或炭黑；
f.除去成型件周围的材料，以得到所述成型件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以这样的方式选择处理条件，使得通过在处理期间至少部分地选择性熔融所述泥釉中的所述至少部分可熔融的材料来产生所述成型件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载液选自包括水或有机溶剂的组中，以及所述颗粒材料为可烧结的材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述载液选自包括醇的组中。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂覆装置为涂布器装置。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料层的所需厚度在所述方法期间保持恒定的或可变的或者在每次泥釉涂覆的情况下重新选择。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述构造平台和/或构造空间是温控的。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述温控借助于所述构造空间之外或之内的装置进行。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述构造平台用IR加热或照射。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述构造平台和/或构造空间温控至40℃至200℃的温度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，将所述构造平台和/或构造空间温控至150℃至190℃的温度。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，将所述构造平台和/或构造空间温控至160℃至170℃的温度。
13.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于，在每个材料层涂覆步骤之后、在每个第二或每个第三至第十二的材料层涂覆步骤之后施加能量。
14.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述材料层中的温度达到190℃至210℃。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在最后材料层中的温度达到190℃至210℃。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在最后材料层中的温度达到200℃。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述材料层中的温度达到200℃。
18.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述成型件在液体浴中、给材料块加入或喷雾水性液体而拆封；和/或
所述粘合剂材料借助于打印装置涂覆；和/或
所述泥釉在马上涂覆前由颗粒材料和载液混合在一起形成；和/或
通过在小于90秒每材料层中除去载液而产生所述材料层。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，通过蒸发所述载液而产生所述材料层。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，通过在60至80秒每材料层中除去所述载液而产生所述材料层。
21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述颗粒材料具有1-250μm的平均直径；和/或
所述颗粒层在除去液体后为所述颗粒材料的固体密度的约50％至80％。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述颗粒材料具有10-150μm的平均直径。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述颗粒材料具有30-80μm的平均直径。
24.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于，所述材料层的层厚度为1至500μm；和/或
所述粘合剂材料的比例小于20体积％。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述材料层的层厚度为30至300μm。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述材料层的层厚度为50至150μm。
27.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述粘合剂材料的比例小于10体积％。
28.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述粘合剂材料的比例小于5体积％。
29.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述粘合剂材料的比例小于2体积％。
30.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，额外的方法步骤选自热处理和烧结。
31.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法在批次处理或连续处理中在可更换的构造容器中进行。
32.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述泥釉水平地或以相对于水平构造平台小于90°的角涂覆。
33.一种用于使用根据权利要求1至32中任一项所述的方法制造3D成型件的装置。
34.一种根据权利要求1至32中任一项所述的方法制造的成型件。
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