CN108472872A - 三维打印的材料和配方 - Google Patents

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CN108472872A CN201780005416.4A CN201780005416A CN108472872A CN 108472872 A CN108472872 A CN 108472872A CN 201780005416 A CN201780005416 A CN 201780005416A CN 108472872 A CN108472872 A CN 108472872A
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metal
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考希克·维迪亚
西蒙·雅维伯格
卡里阿帕·阿恰帕·巴杜瓦曼达
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Applied Materials Inc
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Abstract

本文描述的实施方案一般涉及增材制造。更具体言之，本文公开的实施方案涉及用于经由三维打印(或3D打印)工艺形成物品的配方和工艺。在一个实施方案中，提供了一种增材制造方法。该方法包含在平台之上分配第一进料层。进料包括粉末混合物，该粉末混合物包含包括第一材料的多个微粒和包括第二材料的多个微粒，第二材料不同于第一材料。该方法进一步包含导引激光束以在由存储于计算机可读介质中的数据指定的位置加热进料。激光束将进料加热到足以至少熔合第二材料的温度。

Description

三维打印的材料和配方
技术领域
本文描述的实施方案一般而言涉及增材制造。更具体言之，本文公开的实施方案涉及用于经由三维打印(或3D打印)工艺形成物品的配方和工艺。
背景技术
增材制造(AM)，也称为固体自由成型制造或3D打印，是指以一系列的二维层或截面从原料(通常为粉末、液体、悬浮液或熔融固体)建造三维物体的任何制造工艺。相比之下，传统加工技术涉及减材工艺并产生从诸如木材或金属块的库存材料切割出的物体。
可以将各种增材工艺用于增材制造。各种工艺不同之处在于层被沉积以形成最终物体的方式和对于每种工艺的使用兼容的材料。一些方法熔化或软化材料以产生层，例如选择性激光熔化(SLM)或直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光烧结(SLS)、熔合沉积模型化(FDM)，而其他方法使用不同的技术来固化液体材料，例如立体平版印刷术(SLA)。
烧结是熔合小颗粒(例如粉末)以产生物体的工艺。烧结通常涉及加热粉末。当在烧结工艺中将粉末材料加热到足够的温度时，粉末颗粒中的原子扩散穿过颗粒的边界、将颗粒熔合在一起而形成固体块。与熔化相反，烧结中使用的粉末不需要达到液相，因为烧结温度不必达到材料的熔点，烧结时常用于具有高熔点的材料，例如钨和钼。
烧结和熔化皆可被用于增材制造。选择性激光熔化(SLM)被用于具有不连续的熔化温度并在SLM工艺期间经历熔化的金属或金属合金的增材制造。
发明内容
本文描述的实施方案一般涉及增材制造。更具体言之，本文公开的实施方案涉及用于经由三维打印(或3D打印)工艺形成物品的配方和工艺。在一个实施方案中，提供一种增材制造方法。该方法包含在平台之上分配第一进料层。进料包括粉末混合物，该粉末混合物包含包括第一材料的多个微粒和包括第二材料的多个微粒，第二材料不同于第一材料。该方法进一步包含导引激光束以在由存储于计算机可读介质中的数据指定的位置加热进料。激光束将进料加热到足以至少熔合第二材料的温度。
在另一个实施方案中，提供一种增材制造方法。该方法包含在平台之上分配第一进料层。进料包括粉末混合物，该粉末混合物包含多个微粒，每一微粒具有芯材，该芯材为涂有第二材料的第一材料。该方法进一步包含导引激光束以在由存储于计算机可读介质中的数据指定的位置加热进料。激光束将进料加热到足以至少熔合第二材料的温度。
在又一个实施方案中，提供一种增材制造方法。该方法包含在平台之上分配第一进料层。第一进料层包括多个微粒，所述微粒包含第一材料，该第一材料具有熔化或烧结温度。该方法进一步包含在第一进料层上方分配第二进料层。第二进料层包括多个微粒，所述微粒包含第二材料，该第二材料具有熔化或烧结温度。该方法进一步包含导引激光束以在由存储于计算机可读介质中的数据指定的位置加热第二进料层。激光束将第二进料层加热到足以至少熔合第二材料的温度。
在又一个实施方案中，提供一种增材制造方法。该方法包含在选择性激光烧结方法或选择性激光熔化方法中激光烧结或激光熔化粉末混合物，其中该粉末混合物包含微粒，每个微粒具有涂有涂层材料的芯材，该涂层材料不同于该芯材，其中该芯材选自由包含陶瓷材料、金属材料、金属合金和塑料材料所组成的群组，并且该涂层材料选自由包含陶瓷材料、金属材料、金属合金和塑料材料所组成的群组。
附图说明
为了可以详细了解上述本公开内容的特征，可参照实施方案(其中一些图示于附图中)而对以上简要概述的实施方案作更特定的描述。然而，应注意的是，附图仅图示公开内容的典型实施方案，因此不应将所述附图视为限制本公开内容的范畴，因本公开内容可认可其他同样有效的实施方案。
图1为可用于进行本文描述的一个或多个实施方案的例示性增材制造系统的示意图；
图2为依据本文描述的一个或多个实施方案形成的3D部件的一部分的示意图；
图3为依据本文描述的实施方案描绘形成3D部件的方法的流程图；
图4为依据本文描述的实施方案描绘形成3D部件的另一种方法的流程图；和
图5为依据本文描述的实施方案描绘形成3D部件的又一种方法的流程图。
为了便于理解，已在可能处使用相同的附图标记来指称对附图而言相同的元件。构思的是，可以将一个实施方案的元件和特征有益地并入其他实施方案中而无需进一步详述。
具体实施方式
以下的公开内容描述用于经由三维打印(或3D打印)工艺形成物品的配方和方法。在下面的描述和图1至图5中提出某些细节，以提供对本公开内容的各种实施方案的全盘理解。未在以下公开内容中阐述描述时常与增材制造制程相关的众所周知结构和系统的其他细节，以避免不必要地模糊了各种实施方案的描述。
附图所示的许多细节、尺寸、角度和其他特征仅是特定实施方案的说明。因此，在不偏离本公开内容的精神或范围之下，其他实施方案可以具有其他细节、部件、尺寸、角度和特征。另外，可以在没有几个下述细节之下实施本公开内容的进一步实施方案。
三维打印允许开发独特的材料和微结构。在3D打印中，材料是使用增材制造工艺形成。由于3D打印技术的性质，可以使用在几种长度尺度下具有不同性质的结构来制造组成物。大多数市售的3D打印部件着重于最终物品的形状因子和几何特征。若通过3D打印来实现沉积的性质，则可以制造具有热力学介稳态的化学组成物的物品和经由目前可用的技术无法形成的微结构(孔洞率、结晶度、晶粒尺寸和方向及其他特征)。
本公开内容的一些实施方案包括开发在从纳米到毫米的长度尺度上导致期望的最终性质(机械、电或热等)的材料和沉积方法。依据本公开内容开发的材料包括以下中的至少一者：(a)金属、玻璃状、玻璃-陶瓷或聚合组成物；(b)由纤维、嵌入第二相基质(例如铝-碳化硅复合物)中的晶须所组成的复合物；(c)在整个厚度上具有受控的开放和封闭孔隙度的催化材料；和(d)有能力将微量合金元素量控制到0.1原子％的合金组成物。沉积之后，可以在原位使用热源(例如激光、微波、光学或电化学能源)将沉积的材料固结(烧结或致密化)。
在本公开内容的一些实施方案中，使用冶金相图、涂布或电镀、两相混合物和金属-玻璃状或金属-玻璃-陶瓷组成物来形成3D部件。在一些实施方案中，使用具有低温共晶体的相图。例示性组成物包括Al基合金(例如使用Zn、Cu、Mg和Si作为合金元素)。
在一些实施方案中，将高导电性金属材料(例如铜、银或金)镀在陶瓷粉末颗粒上并在3D打印过程中烧结(例如熔合)。此种组合提供与陶瓷材料的强度和硬度组合的金属的独特的热和电特性。另一个实施方案包括在金属粉末上涂布低温玻璃组成物，随后打印和熔合，从而产生电和热绝缘结构。
在一些实施方案中，包括受控孔隙度(或孔洞)的打印结构的处理是通过打印被涂有有机材料的金属颗粒来实现。在高温熔合(也称为烧结或压实)期间，有机材料被烧除，从而在金属颗粒之间留下受控的孔洞。这些打印结构可被用作例如具有独特的热和电特性的膜、催化剂和过滤器。
在一些实施方案中，打印结构的处理，包括受控孔隙度(孔洞率)、结晶度和晶粒尺寸和晶粒方向是通过修改用以实现熔合的激光源的参数(例如功率密度、曝光时间和脉冲持续时间)来实现。
在一些实施方案中，使用增材制造来形成用于半导体制造设备的腔室物品或部件，其中腔室物品或部件是由不同的材料形成。一个此类的实例是腔室衬里，其中容积材料是涂有另一种(化学兼容的)金属的外部一次性涂层的铝或不锈钢合金(使用3D打印处理)。在预防性维护期间，外部一次性涂层与沉积的工艺残余物一起被喷砂去除。可以在整修工艺期间3D打印外部一次性涂层(例如1毫米厚)，从而允许重复使用腔室硬件，同时避免使用通常在部件清洁中使用的有害化学品。
图1为可用于进行本文描述的一个或多个实施方案的增材制造系统100的示意图。本文所述的增材制造系统的描述是说明性的，不应被解读或解释为限制本文所述实施方案的范围。增材制造系统100可以是例如用于选择性激光烧结(SLS)的系统、用于选择性激光熔化(SLM)的系统或立体平版印刷术系统。增材制造系统100包括壳体104并且被壳体104包围。壳体104例如可允许真空环境被保持在壳体104的内部，但或者壳体104的内部体积可以是大体上纯的气体或气体的混合物，例如已被过滤以去除微粒的气体或气体的混合物，或者壳体可以被排空到大气中。真空环境或过滤的气体可以在部件的制造过程中减少缺陷。在一些实施方案中，可以将壳体104保持在正压(即高于大气压力)，此可以有助于防止外部大气进入壳体104。
增材制造系统100包括分配器组件110，以在平台120上方输送粉末层，例如在平台上或到平台上的下层上。
平台120的垂直位置可由活塞122控制。在分配了每一层的粉末并熔合之后，活塞122可将平台120及其上的任何粉末层下降一层的厚度，使得组件准备好接收新的粉末层。
平台120可足够大以适应大规模工业部件的制造。例如，平台120可至少500mm宽，例如500mm乘500mm的正方形。例如，平台可以至少1米宽，例如1平方米。
在一些实施方案中，分配器组件110可定位在平台120上方。分配器组件110可包括开口，在平台120之上进料114例如通过重力被输送穿过该开口。例如，分配器组件110可包括用以容纳进料114的贮槽116。进料114的释出可以由闸门118控制。当分配器平移到CAD兼容文件指定的位置时，电子控制信号被发送到闸门118以分配进料。
分配器组件110的闸门118可由压电打印头和/或气动阀、微机电系统(MEMS)阀、电磁阀或磁阀中的一者或多者来设置，以控制从分配器组件110释放的进料。
或者，分配器组件110可包括位置邻近平台120的贮槽和水平(平行于平台的表面)移动的滚轴，以横跨平台120从贮槽推出进料114。
控制器130控制连接到分配器组件110或滚轴的驱动系统(未图标)，例如线性致动器。驱动系统的设置使得在操作期间分配器组件110或滚轴可平行于平台120的顶表面(沿着箭头112指示的行进方向)前后移动。例如，分配器组件110或滚轴可被支撑在横跨腔室106延伸的轨道上。或者，可将分配器组件110或滚轴保持在固定的位置，同时由驱动系统移动平台120。
在包括输送进料穿过的开口的分配器组件110的实施方案中，当分配器组件110扫过平台时，分配器组件110可依据打印图案在适当位置在平台120上沉积进料，打印图案可被存储在非暂时性计算机可读介质中。例如，打印图案可被存储为文件，例如计算机辅助设计(CAD)兼容的文件，随后由与控制器130相关联的处理器读取。随后电子控制信号被发送到闸门118，以在分配器被平移到由CAD兼容文件指定的位置时分配进料。
在一些实施方案中，分配器组件110包括多个开口，进料可以穿过所述开口进行分配。每个开口皆可以具有独立可控的闸门，使得穿过每个开口的进料的输送可被独立控制。
在一些实施方案中，多个开口横跨平台120的宽度延伸，例如在垂直于分配器组件110的箭头112指示的行进方向的方向上延伸。在此实施方案中，在操作中，分配器组件110可在箭头112指示的行进方向上以单次扫掠扫过平台120。在一些实施方案中，对于交替的层，分配器组件110可以以交替的方向扫过平台120，例如在箭头112指示的行进方向上第一次扫掠并在相反方向上第二次扫掠。
或者，例如，在多个开口未横跨平台的宽度延伸的情况下，分配系统可被设置成使得分配器组件110在两个方向上移动以扫过平台120，例如光栅扫过平台120，以输送用于层的材料。
或者，分配器组件110可简单地在平台120上方沉积均匀的进料层。在此实施方案中，既不需要独立控制各个开口，也不需要存储在非暂时性计算机可读介质中的打印图案。
可选地，可由分配器组件110提供超过一种进料。在此类实施方案中，每一种进料可被存储在具有自己的控制闸门的不同贮槽中，并且可被个别控制以在平台120上由CAD文件指定的位置释出各别的进料。以此种方式，可使用两种或更多种不同的化学物质来生产增材制造的部件。
进料114可以是金属、塑料和/或陶瓷颗粒的干粉，在液体悬浮液中的金属或陶瓷粉末，或材料的浆料悬浮液。例如，对于使用压电打印头的分配器来说，进料通常会是在液体悬浮液中的颗粒。例如，分配器组件110可以以载体流体输送粉末，载体流体例如高蒸压载体，例如异丙醇(IPA)、乙醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，以形成粉末材料的层。载体流体可以在层的烧结工艺之前蒸发。或者，可以采用干分配机构，例如由超声波搅拌和加压惰性气体辅助的喷嘴阵列来分配颗粒。
可与本文描述的实施方案一起使用的金属颗粒的实例包括金属、合金和金属间合金。用于可与本文描述的实施方案一起使用的金属颗粒的材料的实例包括铝(Al)、金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)、铁(Fe)、铜(Cu)、铬(Cr)、钴(Co)、镁(Mg)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、钼(Mo)、钒(V)、不锈钢及这些金属的各种合金或金属间合金。可与本文描述的实施方案一起使用的陶瓷材料的实例包括金属氧化物，例如二氧化铈、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氮化铝、氮化硅、碳化硅或这些材料的组合。可与本文描述的实施方案一起使用的例示性塑料材料包括尼龙、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚氨酯、丙烯酸酯、环氧树脂、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯乙烯或聚酰胺。
可选地，增材制造系统100可包括压实和/或调平机构，以将沉积在平台120之上的进料层压实和/或平滑化。例如，系统可以包括滚轴或叶片，滚轴或叶片可平行于平台表面被驱动系统移动，驱动系统例如线性致动器。设定滚轴或叶片相对于平台120的高度，以将进料114的最外层压实和/或平滑化。滚轴可以在横跨平台平移时旋转。
在制造过程中，进料层逐渐沉积和烧结或熔化。例如，进料114被从分配器组件110分配以形成接触平台120的层140。进料114的后续沉积层可形成附加层，每个附加层被支撑在下层上。
在每一层沉积之后，对最外层进行处理以使该层的至少一些熔合，例如通过烧结或通过熔化和再固化。层中未熔合的进料区域可用于支撑上层的某些部分。
增材制造系统100包括配置为对进料114的层供应足够的热以使粉末熔合的热源。在将进料114分配成一个图案的情况下，热源可同时加热整个层。或者，假使进料114被均匀地沉积在平台120上，则热源可配置为加热由打印图案指定的位置，以使在这些位置的粉末熔合，打印图案被存储在计算机可读介质中，例如被存储为计算机辅助设计(CAD)兼容文件。可使用充分加热进料114的任何适当热源。热源的实例包括激光源、微波源或电化学能源。
在一些实施方案中，热源是产生激光束152的激光源150。从激光源150发射的激光束152被导引到由打印图案指定的位置。例如，用激光束152光栅扫描整个平台120，且在每个位置控制激光功率以确定特定的立体像素是否熔合。激光束152也可扫过由CAD文件指定的位置，以选择性地熔合在那些位置的进料。为了使用激光束152扫描整个平台120，平台120可保持静止，同时将激光束152水平移动。或者，激光束152可保持静止，同时将平台120水平移动。
来自激光源150的激光束152配置为将被激光束152照射的进料114区域的温度升高到足以熔合进料114的温度。在一些实施方案中，将进料114区域定位在激光束152的正下方。
平台120可以另外由加热器(例如由嵌入平台120中的加热器)加热到低于进料114的熔点的基础温度。以此种方式，激光束152可配置为提供较少的温度增加来熔合沉积的进料114。经由小温差的转变可使进料114能够被更快地处理。例如，平台120的基础温度可以是约1500摄氏度，并且激光束152可以使温度增加约50摄氏度。
激光源150可相对于平台120进行移动，或者激光可例如被镜式检流计偏转。激光束152可产生足够的热来使进料114熔合。激光源150和/或平台120可被耦接到致动器组件，例如配置为在垂直方向上提供移动的一对线性致动器，以在激光源150与平台120之间提供相对移动。可将控制器130连接到致动器组件，以使激光束152扫过进料114的整个层。
激光源150可包括管道154，例如激光束152传播穿过的管。激光束152可朝向平台120的表面传播穿过管道154。管道154离平台120最远的端部156可被窗158终止，窗158对激光束152的波长是透明的。激光束152可从激光源150传播穿过窗158而进入管道154中。
管道154最靠近平台120的端部可以是开放的或者可以是关闭的，除了允许激光束152朝向平台120穿过的孔之外。激光源150的分辨率可以是几毫米，小至几微米。换句话说，进料的化学反应可以被局部化到增材制造部件的几毫米，从而对制造部件的实体性质提供优异的空间控制。
在一些实施方案中，可使用控制器130来控制激光源150的参数，例如功率密度和脉冲密度，以调整输送给进料114的热。该调整可以结合激光束在进料的特定层(z位置)上的位置(x-y位置)来进行。以此种方式，制造部件的期望实体性质(例如孔洞率、结晶度、晶粒尺寸和方向)可作为特定进料层内的横向(x-y)位置的函数而变化。
在操作中，在每个层已被沉积和热处理之后，将平台120降低大致等于层的厚度的量。随后，不需要在垂直方向上平移的分配器组件110水平地扫过平台以沉积新的层，新的层覆盖先前沉积的层，随后可对新的层进行热处理以将进料熔合。可以重复此工艺，直到制造出完整的三维物体。通过对进料进行热处理所得到的熔合进料可提供增材制造的物体。
在一个实施方案中，分配器组件110是单点分配器，而且分配器组件110横跨平台120的x和y方向平移，以在平台120上沉积完整的进料114的层。
在另一个实施方案中，分配器组件110是横跨平台120的宽度延伸的线分配器。例如，分配器组件110包括可个别控制的开口(例如喷嘴)的线性阵列。分配器组件110可以仅沿着一个维度(例如大体上垂直于分配器组件110的长轴)平移，以在平台120上沉积完整的进料114的层。
可使用分配器组件110来将进料114沉积到平台120上或之上。控制器130以类似方式控制连接到分配器组件110的驱动系统(未图标)，例如线性致动器。驱动系统设置为使得在操作过程中分配器组件110可平行于平台120的顶表面来回移动。
参照图1，增材制造系统100的控制器130连接到系统的各种部件，例如致动器、阀和电压源，以产生到那些部件的信号、协调操作并使系统执行各种功能性操作或上述操作的序列。控制器可被以数字电子电路或以计算机软件、固件或硬件实施。例如，控制器可包括处理器来执行存储在计算机程序产品中的计算机程序，例如存储在非暂时性机器可读存储介质中。此类计算机程序(也称为程序、软件、软件应用或代码)可被以任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，而且此类计算机程序可被以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子程序或其他适合在计算环境中使用的单元。
如上所述，控制器130可以包括非暂时性计算机可读介质来存储数据对象，例如识别进料114应为每一层沉积的图案的计算机辅助设计(CAD)兼容文件。例如，数据对象可以是STL格式的文件、3D制造格式(3MF)文件或增材制造文件格式(AMF)的文件。例如，控制器130可以从远程计算机接收数据对象。控制器130中的处理器(例如由固件或软件控制)可以解释从计算机接收的数据对象而产生控制系统的部件所需的信号组，以打印每一层的指定图案。
图2为依据本文描述的一个或多个实施方案形成的3D部件200的一部分的示意图。3D部件包括复合材料210。复合材料210包括嵌入基质材料230(B相)中的内芯材料220(“A相”)。可用于A相和B相的例示性材料如下表1所示：
实例1 实例2 实例3 实例4
A相 金属 陶瓷 金属 金属1
B相 陶瓷 金属 有机物 金属2
表I.
复合材料210可被沉积为一系列的后续进料层，所述进料层被固化而形成3D部件200。例如，3D部件200是通过沉积四个层240a-d所形成，四个层240a-d是依据下述方法300沉积并于随后固化。在一些实施方案中，每个层240a-d皆是通过沉积含有A相材料的颗粒和B相材料的颗粒的粉末混合物所形成。在一些实施方案中，每个层240a-d皆是通过沉积包括颗粒的粉末混合物所形成，所述颗粒含有涂布B相材料的A相材料。在一些实施方案中，每个层240a-d皆是通过沉积包括颗粒的粉末混合物所形成，所述颗粒含有涂布A相材料的B相材料。在一些实施方案中，每个层240a-d皆是通过沉积包括颗粒的粉末混合物所形成，所述颗粒含有A相材料或B相材料。使沉积的颗粒暴露于熔合工艺(例如激光烧结或激光熔化)。在熔合工艺期间，加热B相材料形成了基质材料230。
图2图示3D部件200的一个实例。然而，应当理解的是，后续形成的层240b、240c和240d可以具有任何期望的形状或厚度，并且可以与任何其他的层240a、240b、240c和240d相同或不同，取决于要形成的3D部件200的尺寸、形状等。还应当理解的是，3D部件200的四个层只是例示性的，而且3D部件可以包含任何数量的层。
由于在每个层240a、240b、240c、240d形成之后至少有一些进料保持未固化；故3D部件200至少部分被平台上的未固化进料围绕。当3D部件200完成时可以被从平台移出，而保持在平台上的未固化进料可以被重新使用。3D部件200可以用水或其他溶剂处理，以便去除仍留在3D部件200的表面上的任何未固化进料。
图3为依据本文描述的实施方案描绘形成3D部件的方法300的流程图。在一个实施方案中，使用方法300形成的3D部件是图2描绘的3D部件200。
在操作310，在平台之上分配一层进料。在一些实施方案中，进料是进料114，并且平台是平台120。在一些实施方案中，进料可以使用分配器组件110分配。进料至少包括第一材料和第二材料，其中第一材料不同于第二材料。在一个实施方案中，进料包括具有不同的熔化温度、烧结温度或熔化和烧结温度两者的两种或更多种材料。该两种或更多种材料中的至少一种是可烧结材料。在一些实施方案中，进料包括具有第一熔化和/或烧结温度的第一材料和具有第二熔化和/或烧结温度的第二材料，第二熔化和/或烧结温度低于第一熔化和/或烧结温度。在一些实施方案中，第一材料是选自由陶瓷材料、金属材料、金属合金材料和塑料材料所组成的群组，而第二材料是选自由陶瓷材料、金属材料、金属合金材料和塑料材料所组成的群组。可以如表1所示选择第一材料和第二材料。参照图2，第一材料是内芯材料220，而第二材料形成基质材料230。
在一个实施方案中，进料包括包含微粒的粉末混合物。在一个实施方案中，粉末混合物包含非金属微粒和金属微粒。微粒可以独立具有介于约10至约300微米之间(例如介于约10至约200微米之间；介于约50至约150微米之间；或介于约50至约100微米之间)的直径。
可与本文描述的实施方案一起使用的例示性金属材料包括铝(Al)、金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)、铁(Fe)、铜(Cu)、铬(Cr)、钴(Co)、镁(Mg)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、钼(Mo)、钒(V)、不锈钢和这些金属的各种合金或金属间合金。
可与本文描述的实施方案一起使用的例示性陶瓷材料包括金属氧化物，例如二氧化铈、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氮化铝、氮化硅、碳化硅或这些材料的组合。
可与本文描述的实施方案一起使用的例示性塑料材料包括尼龙、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚氨酯、丙烯酸酯、环氧树脂、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯乙烯或聚酰胺。
在一个实施方案中，第一材料是金属，第二材料是金属。例如，第一材料是铜，第二材料是金。在一个实施方案中，金被镀在铜芯上。
在一个实施方案中，第一材料是陶瓷，第二材料是金属。例如，第一材料是氧化铝(Al2O3)，第二材料是金、铜、铝、镁或锌。在一个实施方案中，金、铜、铝、镁或锌被镀在氧化铝芯上。
在一个实施方案中，第一材料是金属，第二材料是塑料。
可选地，在操作330中暴露于激光束之前，在操作320将进料预热。进行加热来预热进料。进料通常被预热到低于可烧结材料的熔点(例如低于具有较低熔点的材料的熔点)的温度。因此，所选择的温度将取决于所使用的可烧结材料。作为实例，加热温度可比所使用的可烧结材料的熔点低约5至50摄氏度。在一个实施方案中，加热温度可以从约50摄氏度至约350摄氏度。在另一个实例中，加热温度的范围从约60摄氏度至约170摄氏度。
预热进料114可以由任何适当的热源来实现，该热源使平台120上的进料114暴露于热。热源的实例包括热的热源或光辐射源。在一个实施方案中，热源被嵌入平台120中。
在操作330，将激光束导引到进料的位置来加热进料。位置是由存储在计算机可读介质中的数据指定。在一些实施方案中，激光束将进料加热到足以至少熔合第二材料的温度。在一些实施方案中，激光束将进料加热到足以至少熔合第二材料、同时至少一些第一材料仍未熔合的温度。在一些实施方案中，激光束将进料加热到高于或等于第二熔化和/或烧结温度的温度，从而允许进料熔合(例如烧结、粘合、固化等)。
可以修改用以实现熔合的激光源的参数(例如功率密度、暴露时间和脉冲持续时间)，以实现期望的性质，包括3D部件中受控的孔隙度(孔洞率)、结晶度、晶粒尺寸和晶粒方向。例如，施加激光的时间长度或能量暴露时间可以取决于例如以下中的一者或多者：激光源的特性、进料的特性和/或3D部件的期望最终特性。
在一个实施方案中，在操作330期间将激光束脉冲化。
应当理解的是，可以通过改变暴露时间、脉冲持续时间、功率水平或功率密度中的至少一者来实现熔合水平和相应性质(例如孔洞率、孔隙度等)的变化。作为实例，假使理想的是熔合水平沿着Z轴降低，则辐射暴露时间可以在第一层中最长，并在随后形成的层中缩短。
因为3D部件的层是在Z方向上建构的，所以可沿着XY平面和/或沿着Z轴实现性质的均匀性或变化。作为实例，假使理想的是结构中的孔洞量沿着Z轴增加，则所施加的辐射可在第一层中最多，并在随后形成的层中减少。
如上所述，暴露于来自激光束的辐射将较低熔点和/或烧结温度的材料固化而形成3D部件200的层240a。应当理解的是，在施加能量的过程中吸收的、来自一部分进料的热可以传播到先前固化的层，例如层240a，使得该层的至少一些加热到其熔化或烧结点以上，此有助于在3D部件200的相邻层之间形成强的层间接合。
可以重复操作310-330多次以形成后续层240b、240c和240d(图2)并形成3D部件200。例如，可重复操作310以在第一进料层之上分配第二进料层。可重复操作330来导引激光束以在由存储于计算机可读介质中的数据指定的位置加热第二进料层。可以改变选自激光束的暴露时间、脉冲持续时间、功率水平和功率密度的至少一个激光束参数，同时导引激光束来加热第二层。至少一个参数的改变是相对于在先前的进料层的沉积过程中使用的参数。
图4为依据本文描述的实施方案描绘形成3D部件的方法400的流程图。在一个实施方案中，使用方法400形成的3D部件是图2描绘的3D部件200。方法400类似于方法300，不同之处仅在于微粒包含第一芯材和不同于第一芯材的第二涂层材料。在一些实施方案中，第一芯材具有第一熔化和/或烧结温度，而第二材料具有第二熔化和/或烧结温度，其中第二熔化和/或烧结温度低于第一熔化和/或烧结温度。
在操作410，在平台之上分配一层进料。在一些实施方案中，进料是进料114，并且平台是平台120。在一些实施方案中，可以使用分配器组件110分配进料。进料包括多个微粒，所述微粒包含第一芯材和不同于第一芯材的第二涂层材料，其中第二涂层材料被涂布在第一芯材上。在一些实施方案中，进料包括多个微粒，所述微粒至少包含具有第一熔化和/或烧结温度的第一芯材和具有第二熔化和/或烧结温度的第二材料，其中第二熔化和/或烧结温度低于第一熔化和/或烧结温度，并且该第二材料涂布该第一材料。两种或更多种材料中的至少一种是可烧结材料。在一些实施方案中，第一材料是选自由陶瓷材料、金属材料、金属合金材料、塑料材料所组成的群组，而第二材料是选自由陶瓷材料、金属材料、金属合金材料和塑料材料所组成的群组。可以如表1所示选择A相的第一材料和形成B相的第二材料。参照图2，第一材料是内芯材料220，第二材料形成基质材料230。
所述微粒可独立具有约10至300微米(例如约10至200微米；约50至150微米；或约50至100微米)的直径。形成芯的第一材料可具有例如约10至300微米(例如约10至200微米；约50至150微米；或约50至100微米)的直径，而且形成涂层或壳的第二材料可具有例如约3至500纳米(例如约100至500纳米；约3至50纳米；或约50至100纳米)的厚度。
在一个实施方案中，第一材料是金属，第二材料是金属。例如，第一材料是被镀在铜芯上的金。
在一个实施方案中，第一材料是陶瓷，第二材料是金属。例如，在一个实施方案中，金、铜、铝、镁或锌被镀在氧化铝芯上。
在一个实施方案中，第一材料是金属，第二材料是塑料。例如，在一个实施方案中，塑料被涂布在金属材料上。
可选地，在操作430中暴露于激光束之前，在操作420将进料预热。进行加热来预热进料。进料通常被预热到低于可烧结材料的熔点(例如低于具有较低熔点的材料的熔点)的温度。因此，所选择的温度将取决于所使用的可烧结材料。作为实例，加热温度可比所使用的可烧结材料的熔点低约5至50摄氏度。在一个实施方案中，加热温度可以从约50摄氏度至约350摄氏度。在另一个实例中，加热温度的范围从约60摄氏度至约170摄氏度。
预热进料114可以通过任何适当的热源来实现，该热源使平台120上的进料114暴露于热。热源的实例包括热的热源或光辐射源。在一个实施方案中，热源被嵌入平台120中。
在操作430，将激光束导引到进料的位置来加热进料。位置是由存储在计算机可读介质中的数据指定。在一些实施方案中，激光束将进料加热到足以至少熔合第二材料的温度。在一些实施方案中，激光束将进料加热到足以至少熔合第二材料、同时至少一些第一材料仍未熔合的温度。在一些实施方案中，激光束将进料加热到高于或等于第二熔化和/或烧结温度的温度，从而允许进料熔合(例如烧结、粘合、固化等)。可以类似于方法300的操作330来执行操作430。
如在操作330所述，可以修改用以在操作430期间实现熔合的激光源的参数(例如功率密度、暴露时间和脉冲持续时间等)，以实现期望的性质，包括3D部件中受控的孔隙度(孔洞率)、结晶度、晶粒尺寸和晶粒方向。
如上所述，暴露于来自激光束的辐射至少熔合在较低熔化和/或烧结温度下熔化和或烧结的进料，以形成3D部件200的层240a。应当理解的是，在施加能量的过程中吸收的、来自一部分进料的热可以传播到先前固化的层，例如层240a，使得该层的至少一些加热到其熔化或烧结点以上，此有助于在3D部件200的相邻层之间形成强的层间接合。
可以重复操作410-430多次以形成后续层240b、240c和240d(图2)并形成3D部件200。例如，可重复操作410以在第一进料层之上分配第二进料层。可重复操作430来导引激光束以在由存储于计算机可读介质中的数据指定的位置加热第二进料层。可以改变选自激光束的暴露时间、脉冲持续时间、功率水平和功率密度的至少一个激光束参数，同时导引激光束来加热第二层。至少一个参数的改变是相对于在先前的进料层的沉积过程中使用的参数。
图5为依据本文描述的实施方案描绘形成3D部件的方法500的流程图。在一个实施方案中，使用方法500形成的3D部件是图2描绘的3D部件200。方法500类似于方法300，不同之处仅在于包含第一材料的微粒与包含第二材料的微粒被沉积在不同的层中。
在操作510，在平台之上分配第一进料层。在一些实施方案中，进料是进料114，并且平台是平台120。在一些实施方案中，可以使用分配器组件110分配进料。进料包括多个微粒，所述微粒至少包含具有第一熔化和/或烧结温度的第一材料。在一些实施方案中，第一材料是选自由陶瓷材料、金属材料、金属合金材料和塑料材料所组成的群组。
所述微粒可具有约10至300微米(例如约10至200微米；约50至150微米；或约50至100微米)的直径。
可选地，在操作520，将激光束导引到第一进料层由存储在计算机可读介质中的数据指定的位置。激光束将进料加热到高于或等于第一熔化和/或烧结温度的温度。
在操作530，在第一进料层上分配第二进料层。第二进料层包括多个微粒，所述微粒至少包含具有第二熔化和/或烧结温度的第二材料。在一些实施方案中，第二熔化和/或烧结温度低于第一熔化和/或烧结温度。在其他实施方案中，第一熔化和/或烧结温度高于第二熔点。
在操作540，导引激光束以在由存储于计算机可读介质中的数据指定的位置加热第二进料层，激光束将第二进料层加热到高于或等于第二熔化和/或烧结温度的温度。该两种或更多种材料中的至少一种是可烧结材料。在一些实施方案中，第一材料是选自由陶瓷材料、金属材料、金属合金材料、塑料材料所组成的群组，而第二材料是选自由陶瓷材料、金属材料、金属合金材料和塑料材料所组成的群组。可以如表1所示选择A相的第一材料和形成B相的第二材料。参照图2，第一材料是内芯材料220，而第二材料形成基质材料230。
如在操作330所述，可以修改用以在操作520和540期间实现熔合的激光源的参数(例如功率密度、暴露时间和脉冲持续时间等)，以实现期望的性质，包括3D部件中受控的孔隙度(孔洞率)、结晶度、晶粒尺寸和晶粒方向。
如上所述，暴露于来自激光束的辐射固化较低熔化和/或烧结温度的进料，以形成3D部件200的层240a的基质部分。可以重复操作510-540多次以形成后续层240b、240c和240d(图2)并形成3D部件200。应当理解的是，在施加能量的过程中吸收的、来自一部分进料的热可以传播到先前固化的层，例如层240a，使得该层的至少一些加热到其熔化或烧结点以上，此有助于在3D部件200的相邻层之间形成强的层间接合。
总而言之，本公开内容的一些实施方案的一些益处包括使用在若干长度尺度下具有不同性质的结构来制造部件3D部件的能力。目前可用的3D打印部件着重于最终物品的形状因子和几何特征。相反地，使用本文描述的实施方案可以制造具有热力学介稳态的化学组成物的物品和经由目前可用的技术无法形成的微结构(孔洞率、结晶度、晶粒尺寸和方向及其他特征)。
当介绍本公开内容的要素或例示性态样或实施方案时，冠词“一(a)”、“一(an)”、“该(the)”和“所述(said)”意在表示存在一个或多个要素。
用语“包含(comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”之意为涵括性的，并且表示除了列出的要素之外可以存在另外的要素。
尽管前述涉及本发明的实施方案，但可以在不偏离本发明的基本范围下设计出本公开内容的其他的和进一步的实施方案，而且本发明的范围由随后的权利要求书决定。

Claims (15)

1.一种增材制造方法，包含以下步骤：
在平台之上分配第一进料层，其中所述进料包括粉末混合物，所述粉末混合物包含包括第一材料的多个微粒和包括第二材料的多个微粒，所述第二材料不同于所述第一材料；和
导引激光束以在由存储于计算机可读介质中的数据指定的位置加热所述进料，其中所述激光束将所述进料加热到足以至少熔合所述第二材料的温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述温度高于或等于所述第二材料的熔化或烧结温度但低于所述第一材料的熔化或烧结温度。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述微粒具有介于约10至约300微米之间的直径。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一材料为非金属的，并且所述第二材料为金属的。
5.如权利要求1所述的方法，其中在所述导引所述激光束以加热所述进料的步骤的过程中，所述第一材料的至少一部分保持未熔合。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包含以下步骤：
在所述第一进料层之上分配第二进料层；和
导引所述激光束以在由存储于计算机可读介质中的数据指定的位置加热所述第二进料层，其中所述激光束加热所述进料，同时改变至少一个选自所述激光束的暴露时间、脉冲持续时间、功率水平和功率密度的激光束参数。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一材料选自由陶瓷材料、金属材料、金属合金材料和塑料材料所组成的群组，且所述第二材料选自由陶瓷材料、金属材料、金属合金和塑料材料所组成的群组。
8.一种增材制造方法，包含以下步骤：
在平台之上分配第一进料层，其中所述进料包括粉末混合物，所述粉末混合物包含多个微粒，每一微粒具有芯材，所述芯材为涂有所述第二材料的所述第一材料；和
导引激光束以在由存储于计算机可读介质中的数据指定的位置加热所述进料，其中所述激光束将所述进料加热到足以至少熔合所述第二材料的温度。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述温度高于或等于所述第二材料的熔化或烧结温度但低于所述第一材料的熔化或烧结温度。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述微粒具有介于约10至约300微米之间的直径。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述第一材料选自由陶瓷材料、金属材料、金属合金材料和塑料材料所组成的群组，且所述第二材料选自由陶瓷材料、金属材料、金属合金和塑料材料所组成的群组。
12.如权利要求8所述的方法，其中所述第一材料为铜并且所述第二材料为金。
13.如权利要求8所述的方法，其中所述第一材料为氧化铝(Al2O3)并且所述第二材料为金、铜、铝、镁或锌。
14.如权利要求8所述的方法，其中在所述导引所述激光束以加热所述进料的步骤的过程中，所述第一材料的至少一部分保持未熔合。
15.如权利要求8所述的方法，进一步包含以下步骤：
在所述第一进料层之上分配第二进料层；和
导引所述激光束以在由存储于计算机可读介质中的数据指定的位置加热所述第二进料层，其中所述激光束加热所述进料，同时改变至少一个选自所述激光束的暴露时间、脉冲持续时间、功率水平和功率密度的激光束参数。
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