CN108348998B - 附加制造方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了用于逐层生产物体的附加制造设备和方法。所述设备具有用于提供具有预定厚度(d1)的浆料(3)的层的浆料施加器(5)。所述浆料(3)是含有液体和最终形成所述物体的颗粒的悬浮液，并且具有10体积％与70体积％之间的颗粒含量。颗粒连接单元(7)在浆料(3)的层上操作以在施加所述浆料(3)的新层之前执行单步颗粒连接过程。

Description

附加制造方法和设备
技术领域
本发明涉及用于使用颗粒的熔融或烧结来逐层生产物体层的附加制造方法，并且在其他方面涉及用于逐层生产物体的附加制造设备。
背景技术
国际专利公开WO98/24574公开了熔融温度下的选择性激光烧结，所述选择性激光烧结提供物体的逐层附加制造工艺。激光用于熔融金属颗粒层的所选部分以逐层形成物体。
美国专利公开US2006/119017公开了用于制备陶瓷或金属陶瓷工件的方法。浆料层(薄绿色层)被沉积，然后加热并干燥(例如通过红外光)以形成硬化薄绿色层。在干燥所得材料的硬化层之后，使用高能量束例如激光束来局部结合陶瓷颗粒(并且结合到前一层)。
欧洲专利公开EP-A-1 266 878公开了用于使用流体悬浮液制备陶瓷物体的方法。本发明特别针对陶瓷物体，因为与通常使用的材料诸如塑料或金属相比，此类材料在附加制造方法中被认为更难以处理。所公开的方法包括使用浆料来构建生坯，随后干燥所施加层，并且激光烧结剩余的材料。第一层的干燥限于小于100摄氏度，但后续层的干燥可以升高，并且通过来自上方的辐射加热来进一步帮助
发明内容
本发明寻求提供基于颗粒的激光熔融或烧结的附加制造的改进方法。
根据本发明，提供了根据以上定义的前序的方法，所述方法包括将浆料作为待加工(例如在基板上)的层来施加，其中所述浆料是含有液体和最终形成物体的颗粒的悬浮液，并且其中所述浆料具有10体积％与70体积％之间的颗粒含量；以及在施加浆料的新层之前执行颗粒连接过程，其中所述颗粒连接过程是单步过程。浆料可作为糊剂、分散体、悬浮液等来实施(取决于所使用的其他液体和/或添加剂)。颗粒含量的所指示范围允许通过在物体的已经形成的层上重复施加稳定的新层来附加制造三维物体。颗粒含量的所指示范围还允许具有非常均匀的待加工层，以及最终形成物体的颗粒的稳定分散。此外，有效防止了层形成过程期间的粉末飞溅。
在另一个实施方案中，颗粒连接过程是(激光)熔融或(激光)烧结过程。使用这种过程允许层的完全熔融和固化，但是还将允许获得层的开放结构。当使用激光作为颗粒连接过程实施时，可使用脉冲或CW激光器，其还可允许在层的表面上使用数控引导。
在另一个实施方案中，颗粒的直径小于300μm，例如小于5μm。可有效使用微颗粒(直径为约1μm)或甚至纳米颗粒(直径为约1nm)。浆料是含有液体和最终形成物体的颗粒的悬浮液，其中液体充当颗粒的悬浮剂(或粘合剂)，使得浆料是使用例如水或替代溶剂诸如甲苯的悬浮液。
在另一个实施方案中，颗粒连接过程在致密化过程之后，例如包括加热步骤。这允许使用能量高效过程在颗粒连接步骤之前已经获得层的较高密度。
颗粒可为以下组中的一种或多种：金属颗粒(包括半导体颗粒)、金属前体材料颗粒、聚合物颗粒、玻璃颗粒。这允许使用用于制造三维物体的多种材料。
在另一个实施方案中，浆料还包含添加剂，例如以增强颗粒连接(烧结)步骤。
在再一个实施方案中，待加工层的厚度小于300μm，允许以高精度制造三维物体。
在另一个实施方案中，方法还包括至少在颗粒连接过程期间在待加工层的顶部上提供保护气体流。在某些情况下，这可能有助于适当执行颗粒连接步骤，并且可能适当执行本发明方法的其他步骤。
在另一个实施方案中，颗粒连接过程以预定模式来施加，允许在附加制造工艺的每个层中使用精细结构。
在另一个实施方案中，颗粒连接过程随后为漂洗过程。因为剩余浆料中仍可能存在一些液体内容物，所以未使用的材料可被容易地漂洗掉，并且还允许再使用浆料中的颗粒。
不同的浆料组合物可用于物体的新层，这将允许获得具有梯度结构的三维物体。
在另一方面，提供了用于逐层生产物体的附加制造设备，所述设备包括用于提供具有预定厚度的浆料层的浆料施加器，其中所述浆料是含有液体和最终形成物体的颗粒的悬浮液，所述浆料具有10体积％与70体积％之间的颗粒含量；以及在浆料的层上操作以在施加浆料的新层之前执行单步颗粒连接过程的颗粒连接单元。这种设备将消除使用保护环境的许多形式的SLM/SLS设备当前所需的特殊操作环境的需要。所述设备还可包括连接到浆料施加器的控制单元、任选致密化单元和颗粒连接单元，其中所述控制单元被布置成执行本发明方法实施方案中的任一个的步骤。
附图说明
以下将参照附图使用多个示例性实施方案更详细地讨论本发明，在所述附图中
图1a-c示出本发明的一个实施方案的各个步骤；
图2示出根据本发明实施方案的设备的示意图。
具体实施方式
在用于三维物体的附加制造(逐层)的现有选择性激光熔融(SLM)/选择性激光烧结(SLS)工艺中，起始产品通常是均匀层中的(金属)颗粒粉末，并且金属颗粒选择性地熔融或烧结在一起。现有工艺的最小层厚度为约30μm，并且需要保护环境(例如通过在粉末表面上方供应惰性气体)以获得良好结果。较薄层难以在维持层的足够均匀性时实现。在这种情况下，并且在加工较厚层时，可能由于局部过热而使未加工的粉末在加工过程中飞溅。另外，一般而言，所得加工层的表面仍然相当粗糙(由于颗粒的晶粒大小和熔融过程)，并且是各向异性的(由于局部熔融，导致微结构中的应力和取向)。另外，所述工艺鉴于最终产品的形式是相当受限的，因为未熔融的粉末可能在熔融过程期间封闭在物体中，所述未熔融的粉末此后不可被去除。例如，精细通道难以使用常规SLM/SLS工艺来制备。此外，制造的每个物体均需要后加工，例如通过喷砂、滚光或手工砂磨/抛光以去除聚集的粉末碎屑并改善物体的表面质量。
根据本发明实施方案，提供了不同的工艺，其中起始材料不是颗粒粉末，而是含有液体和最终形成物体的颗粒的悬浮液，即浆料。使用例如金属颗粒悬浮在诸如水的液体中的悬浮液允许在使用例如激光熔融或激光烧结来将颗粒彼此连接成均匀层之前来适当地堆叠颗粒。
图la-c示出用于逐层生产物体的本发明方法的实施方案的步骤，其中将一定量的浆料3沉积到基板2(或其他合适的表面，例如先前生产的层的表面)，作为待加工的层3。层3的厚度d1为例如40μm，颗粒含量为33体积％(图1a)。浆料包含颗粒并且具有10体积％与70体积％之间的颗粒含量，例如至少35体积％的颗粒含量。浆料中的颗粒为例如金属颗粒或其前体，但还可为聚合物颗粒、玻璃颗粒或甚至陶瓷颗粒。浆料例如制备为悬浮液(例如金属颗粒于液体诸如水中)、分散体或糊剂，但还可使用溶胶/凝胶技术来制备，这取决于所用颗粒的类型。在实际应用中，最初浆料例如具有50％的颗粒含量，这将在以下步骤中导致良好的致密化(颗粒堆叠)。
在图1b中，情况在任选加工步骤之后显示，所述任选加工步骤包括执行所施加的浆料层3的致密化过程。在此示例性实施方案中，所得层3a的颗粒含量为约66体积％(所有颗粒均为均匀堆叠的，这在球形颗粒的情况下将导致约66％的颗粒含量)。在小于全部球形颗粒的情况下，此加工步骤可能已经导致剩余初始层3的体积(多)少于约70％。在所示的示例性实例中，致密化过程之后的层3a的所得厚度d2然后为20μm(从33体积％颗粒至66体积％颗粒)。注意，此过程还有助于对齐(或堆叠)颗粒，这为本发明方法实施方案的最后步骤提供了较好起点。
图1c示出颗粒连接过程期间的情况，其中所得层3b使用局部高能辐射的束4来形成。这将例如在熔融所有颗粒并使材料一起流动时导致甚至进一步的致密化。所得层3b例如在此实例中在由颗粒达到例如99体积％固体材料的密度之后的厚度d3仅为13.3μm。例如，可达到层厚度的甚至较高减小，例如99.99体积％。应注意，在施加浆料3的新层之前执行颗粒连接过程，并且颗粒连接过程是单步过程。作为替代方案，可实施此颗粒连接过程以提供呈多孔层形式的所得层3b。
此最后步骤(颗粒连接过程)例如使用选择性(激光)熔融(或烧结)步骤来执行。
使用颗粒含量介于10％与70％之间的浆料允许通过在物体的已经形成的层上施加稳定的新鲜浆料层来附加制造物体，并且其还允许具有非常均匀的待加工层，导致方法步骤期间的稳定分散和适当对齐，最终导致具有非常良好的物体特性(诸如不可见的层结构)的物体。
在本发明实施方案中，浆料3中的(固体)颗粒的直径小于300μm，但是甚至可小至5μm，或甚至约1μm(微颗粒)或1nm(纳米颗粒)。这允许获得具有所需厚度的所加工层3b，以及甚至具有10μm厚度或甚至更小的薄层3b，导致具有较高分辨率和更好微观结构的三维物体。
在另一个实施方案中，浆料3包含用于颗粒的悬浮剂(或粘合剂)，其例如使用水或替代溶剂诸如甲苯来提供(金属)颗粒的悬浮液。这增强浆料3中颗粒之间的内聚力，导致颗粒的更好对齐。
致密化过程(参见图1b)提供颗粒含量为例如66％或甚至多达95％的中间层3a。致密化过程包括例如加热步骤。加热可使用各种直接或间接加热技术以非常有效的方式施加到基板2上的一定量的浆料3，并且可有效地增大所得中间层3a的颗粒含量。
颗粒连接过程(参见图1c)可逐层提供固体材料(颗粒)含量为至少98％例如至少99.99％的物体构建层，即非常均匀的层3b。此颗粒连接过程是例如(激光)熔融或(激光)烧结过程。这种SLM或SLS工艺被认为如此，并且可提供非常有效的颗粒连接步骤。
本发明的实施方案可通过使颗粒成为以下组中的一种或多种来应用以获得具有一系列材料的物体：金属颗粒、金属前体材料颗粒、聚合物颗粒、陶瓷颗粒、玻璃颗粒。金属前体材料颗粒的实例包括但不限于金属氢化物颗粒、金属氧化物颗粒、金属氢氧化物颗粒、金属硫化物颗粒、金属卤化物颗粒、金属有机化合物颗粒或其他矿物颗粒。金属颗粒可为钛、钨等，但还可为半导体材料颗粒，诸如硅、锗等。
当使用金属前体材料颗粒时，这些颗粒必须例如使用还原用还原剂如碳、氢、氢化物、碱金属诸如Na或Mg或通过电化学方式来加工。以此方式，(一部分)金属可由金属前体材料颗粒来形成，导致金属形成期间的另外致密化或内部还原环境。这将增强如此制造的物品的较高质量材料。前体材料加工步骤可为单独的步骤，或用致密化步骤和/或颗粒连接步骤来(部分地)执行。
当使用具有适当热特性的材料的颗粒时，这些还可使用本发明实施方案来使用，例如以提供上釉层或搪瓷层。
浆料3还可包含添加剂以进一步增强本方法实施方案的一个或多个步骤，例如以增强颗粒连接过程的烧结或致密化过程实施。例如，(亚)纳米烧结活性金属部件可在中间阶段提供，这可增强整个烧结过程。另外，浆料3还可包含金属或其他颗粒的混合物，以便提供合金材料的层(和附加制造的物体)。另外，浆料3可包含主要颗粒材料和较小量的次要颗粒材料，例如以获得钇溺物体。这种次要颗粒材料可使用合适的液体介质来容易地添加到浆料中。
因为本发明实施方案使用具有悬浮颗粒的浆料，所以可能在最终物体中获得非常薄的层。例如，如以上参照图la-c所例证，待加工的浆料3的层的厚度d1小于40μm，最终导致仅10μm厚的加工层3b。在其他实例中，起始层3可能较厚，甚至高达300μm。即使在浆料3中使用微颗粒时，待加工浆料层在层的精度和均匀性(homogeneity)/均匀性(uniformity)方面也是可管理的。
在另一个实施方案中，方法还包括至少在颗粒连接过程期间(但是还在(任选的)致密化过程期间)在待加工浆料3的层的顶部上提供保护气体流。这可进一步增强特别是在例如所使用金属颗粒可能与正常的大气环境反应时使用这些方法形成的层的质量。
在再一个实施方案中，颗粒连接过程以预定的模式来应用。这允许在用于物体的附加制造的每个层中获得精细结构。为了进一步增强这个和其他实施方案，颗粒连接过程随后为漂洗过程。因为在颗粒连接过程之后剩余的材料仍然具有一些类浆料特性(因为并非浆料中的所有溶剂/水均蒸发)，所以可漂洗刚加工的物体以去除最后施加层的未处理部分。这进一步增强在使用本发明实施方案生产的三维物体中提供精细结构和特征的能力。此外，容易允许恢复和再使用剩下的颗粒，以用于制备更多量的浆料。
在再一些实施方案中，方法还包括使用用于物体的新层的不同浆料组合物。这可有利地用于获得三维物体中的梯度结构，或提供例如密集物体内的局部膜(即使具有结构化纹理)。再一些层沉积技术可与上述的致密化/颗粒连接步骤例如使用具有可固化树脂的浆料来提供一个或多个不同材料层来间歇地使用。
上述方法实施方案可使用用于逐层生产物体的附加制造设备来实施。如图2所示的本发明设备的实施方案的示意图中所示，所述设备包括用于提供具有预定厚度d1的浆料3(或悬浮液、糊剂、分散液)的层的浆料施加器5，其中浆料是含有液体和最终形成物体的(固体)颗粒的悬浮液，浆料3具有10％与70％之间的颗粒含量。另外，存在在浆料3的层上操作的(任选)致密化单元6以及也在浆料3的层(在致密化单元6之后(若存在))上操作的颗粒连接单元7，以在施加浆料3的新层之前执行单步颗粒连接过程。在这种设备中，与现有技术SFM/SFS系统需要围绕激光熔融/烧结点的保护环境以防止粉末材料飞溅相反，不需要特殊的环境。
如图2中的实施方案中所示，致密化单元6可为加热装置，并且颗粒连接单元7为激光装置。激光装置可为使用例如固态或半导体(二极管)激光器的脉冲或连续波激光器。颗粒连接单元7可被布置成将能量施加在特定的小点上，以便执行熔融/烧结过程。例如，使用CNC控制的激光源，层3的整个表面可暴露于(图案化)剂量的辐射。
此外，附加制造设备还可包含连接到浆料施加器5的控制单元8、致密化单元6和颗粒连接单元7。在此实施方案中，控制单元8被布置成执行根据上述任何一个实施方案的方法。这允许自动控制用于三维物体的附加制造的整个过程。与控制单元8相关的其他替代方案可为控制单元8，所述控制单元8还连接到基板2(通过例如台直接或间接)以控制新鲜层3a的高度位置(或甚至还控制x-y位置)，以进行用于正在制造的三维物体的后续层的颗粒连接过程(激光熔融/烧结)。
本发明实施方案在以上已经参照如附图所示的多个示例性实施方案来描述。对一些部件或元件的修改和替代实施是可能的，并且被包括在所附权利要求中限定的保护范围内。

Claims (12)

1.一种用于逐层生产物体的附加制造方法，所述方法包括
将浆料(3)作为待加工层来施加，其中所述浆料(3)是含有液体和最终形成所述物体的颗粒的悬浮液，并且其中所述浆料(3)具有10体积％与70体积％之间的颗粒含量，以及
在施加所述浆料(3)的新层之前执行颗粒连接过程，其中所述颗粒连接过程是单步过程，其中所述颗粒连接过程是使所述颗粒一起流动并紧实的熔融或烧结过程，并且其中所述颗粒连接过程在致密化过程之后。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述颗粒的直径小于300μm。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述颗粒是以下组中的一种或多种：金属颗粒、金属前体材料颗粒、聚合物颗粒、玻璃颗粒。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述浆料(3)还包含添加剂。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述待加工层的厚度小于300μm。
6.如权利要求1所述的方法，其还包括至少在所述颗粒连接过程期间在所述待加工层的顶部上提供保护气体流。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述颗粒连接过程以预定模式施加。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述颗粒连接过程随后为漂洗过程。
9.如权利要求1所述的方法，其还包括使用用于所述物体的新层的不同浆料组合物。
10.一种用于逐层生产物体的附加制造设备，所述设备包括
浆料施加器(5)，其用于提供具有预定厚度(d1)的浆料(3)的层，其中所述浆料(3)是含有液体和最终形成所述物体的颗粒的悬浮液，所述浆料(3)具有10体积％与70体积％之间的颗粒含量；
颗粒连接单元(7)，其在所述浆料(3)的层上操作以在施加所述浆料(3)的新层之前执行单步颗粒连接过程，其中所述颗粒连接过程是使所述颗粒一起流动并紧实的熔融或烧结过程；以及
致密化单元(6)，其在所述颗粒连接单元(7)之前在所述浆料(3)的层上操作。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述颗粒连接单元(7)是激光设备。
12.如权利要求10或11所述的设备，还包括连接到所述浆料施加器(5)的控制单元(8)、所述致密化单元(6)和所述颗粒连接单元(7)，所述控制单元(8)被布置成执行如权利要求1-9中任一项所述的方法。
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