CN108778595A - 用金属复合材料进行增材制造 - Google Patents

Abstract

描述一种金属复合材料，其具有有利的用于增材制造的综合性质。具体说，本文所述的复合材料可用在熔丝制造或任何其他基于挤出或沉积的三维打印过程。

Description

用金属复合材料进行增材制造

相关申请的交叉引用

本申请要求要求2016年3月2日提交的美国专利申请No.15/059,256的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本文所述的系统和方法涉及增材制造，且更具体地涉及用金属复合材料进行三维打印。

背景技术

熔丝制造在1980年代晚期出现，作为用于用热朔性或相似材料制造三维物体的技术。

使用该技术的机器可通过以层的形式沉积材料线而递增地制造三维物体。试图让这些技术适应金属制造通常并不成功，且仍然存在对适用于金属增材制造的三维打印技术的需要。

发明内容

描述一种金属复合材料，其具有有利的用于增材制造的综合性质。具体说，本文所述的复合材料可用在熔丝制造或任何其他基于挤出或沉积的三维打印过程。

附图说明

本文所述的系统和方法在所附权利要求中给出。然而，出于说明的目的，在以下附图中给出一些实施方式：

图1是用于使用复合材料的增材制造系统的方块图。

图2显示了用于通过复合材料进行打印的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图描述实施例。但是，前述内容可以以许多不同形式实施且不应理解为是对本文所述的所示出实施例的限制。

所有本文提到的文献通过引用全部并入本文。以单数形式描述的项目应该被理解为包括多个项目，且反之亦然，除非另有明确描述或从本文可清楚得知。语法连词的目的是表示所连接短语、句子、词语等的任何和全部分离和连结的组合，除非另有说明或从上下文清楚得知。由此，术语“或”通常应该被理解为表示“和/或”等等。

本文对数值范围的描述不是限制性的，表示落入该范围的任何和所有值的个别替代，除非在本文另有说明，且这种范围内的每一个单独值并入到本说明书中，如单独在本文描述了一样。词语“约”、“大约”等在与数值连用时应理解为表示本领域技术人员为满足特定目的的需要进行操作所带来的偏差。值和/或数值的范围在本文仅作为例子提供，且构成对所述实施例范围的限制。使用本文提供的任何和所有例子或示例性用语(“例如”、“如”等)目的仅仅是更好地给出实施例而不是对实施例的范围做出限制。说明书中的用语不应被理解为表示对于实施所述实施例来说必不可少的任何未要求的要素。

在以下描述中，应理解，例如“第一”、“第二”、“顶”、“底”、“上”、“下”等的术语是为方便所使用的词语且不应被理解为是限制性术语。

图1是用于使用复合材料的增材制造系统的方块图。增材制造系统可以包括三维打印机100(或简单地称为打印机100)，其使用熔丝制造沉积金属。熔丝制造是本领域已知的，且可以通过适当的调试来适应本文所构思的金属复合材料的典型力、温度和其他环境需求而有利地用于增材制造。通常，打印机100可以包括构建材料(build material)102，其被驱动链104推动并被液化系统106加热到可加工状态，且随后通过一个或多个喷嘴110分配。通过同时控制机器人系统108以将喷嘴(一个或多个)沿挤出路径定位，可以在构建腔室116中的构建板114上制造物体112。通常，控制系统118管理打印机100的操作，以使用熔丝制造过程等根据三维模型制造物体112。

下文重点描述了熔丝制造的使用。然而，应容易地理解，本文所述的复合材料可用于与熔丝制造非常不同的各种制造过程。例如，复合材料可以被加热到适用于气动挤出、铺展成形(spread forming)、活塞挤出等的浆体或其他软化状态，且复合材料可以以各种成形因素作为散装材料(bulk material)提供给挤出过程，包括颗粒、条、棒、粉末等。由此，例如液化系统、机器人系统和驱动系统这样的系统部件应该被宽泛地理解为包括适用于沉积复合材料以形成三维结构的任何系统或子系统，除非更特定的含义被明确提供或从上下文以其他方式清楚得知。

构建材料102例如可以包括金属基体和第二相所形成的复合材料。金属基体可以包括在第一温度下熔化的任何金属或金属合金(或合金组合)。第二相可以是在比第一温度高的至少第二温度时基本上保持惰性的颗粒形式的高温惰性第二相，优选地第二温度基本上较高以便提供有利的加工温度范围，在该加工温度范围内金属基体可熔化而第二相保持惰性。通常，这种组合实现将相对较低温度的金属合金用作基体材料，其可容易地熔化，同时提供熔化温度以上的有利加工范围，在该加工范围内复合材料呈现适用于挤出或其他分配操作的性能。例如，复合材料可以在加工温度范围内形成在零剪切应变下具有非零剪切应力的非牛顿浆体或宾汉流体。尽管复合材料的粘性流体特性允许挤出或其他相似沉积技术，但是该非牛顿特性可允许沉积材料抵抗重力保持其形状，使得经打印的物体可保持期望形成，直到复合材料冷却到金属基体的固相线或共晶温度(eutectic temperature)以下。

各种金属和金属合金可以用于金属基体。例如，金属基体可以包括纯金属，例如铝，其具有相对较低的熔点。金属基体也可以是或代替地包括合金。合金可以有利地包括相对较低的熔化温度的合金，用于更容易地处理，例如铝铜镁合金、铝硅(silumin)合金、锌铝和镍锆合金。其他有利的低温合金包括各种共晶合金，例如铁碳共晶体或镍共晶体(例如镍硼)。其他低温合金也可以使用或代替地使用，例如商业可获得的铸造合金和/或硬钎料。更通常地，具有低于约六百到七百摄氏度的熔化温度的任何金属、合金或合金组合可以有利地用作本文所构思的低温金属基体。通过对用于处理构建材料的三维打印硬件的适当修改和相应选择第二相材料(一种或多种)，本文所述的方法、系统和复合材料当然也可以适于较高温度的金属和合金。由此，上述温度范围是示例性的而不是限制性的。

金属基体也可以是或代替地包括金属或合金的组合。例如，非共晶合金和相关合金可以提供让金属基体处于多相状态的温度范围，例如在液相下为共晶体，而相关合金保持与共晶液体平衡的固体形式。这种多相状态可有利地将材料的粘性增加到高于纯液体的粘性，以形成针对三维打印可加工的材料，而没有完全固化。这种混合物可以有利地用于进一步控制本文所构思的复合材料的粘性。在另一方面，惰性的第二相可以用于基本上纯的共晶合金。这种组合提供了相对较低的熔化温度(其是共晶合金的特性)以及期望的流动特性(其可通过添加惰性的第二相而赋予)的双重优势。

通常，在多种金属和/或合金存在的情况下，“熔点”将是混合物中所有金属和合金中的最高熔点(排除任何惰性第二相或其他颗粒)，除非有不同目的被明确提出或从上下文清楚得知。然而，用于挤出的加工温度范围可以在该总计熔点(aggregate melting point)以下开始，例如在金属基体中共晶合金的较低熔点开始，此时总体材料处于包括液体和固体的两相区域。

形成合金的各种块体(bulk)金属玻璃(在固体无定形状态下超冷的金属合金)也具有中间的类似塑性的加工范围。这些材料可以用于在各种温度范围为金属基体赋予更大的粘性。有利的块体金属玻璃的范围通过非限制性例子的方式描述于本申请人共有的2015年12月16日提交的美国临时申请No.62/268,458，其全部内容通过引用合并于此。

通常，相对高温的惰性第二相可以按足够的体积以颗粒形式添加到金属基体，以产生具有可用于打印/挤出的粘性的复合材料，同时该复合材料处于金属基体熔点以上的加工温度范围。可以存在添加到复合材料的足够体积的高温度惰性第二相，以相对于未改性的金属基体将复合材料的粘性增加至少一个数量级或至少两个数量级(同时处于加工温度范围内)。

对于下文所述的陶瓷和相似材料，实现容易打印的粘度所需的颗粒的体积分数是颗粒尺寸的函数。在相同的容量负荷(volumetric loading)的情况下，较小的颗粒尺寸与增加的粘度关联。对于较大的颗粒，在三十到一百微米直径之间，按体积百分之二十到百分之五十的负荷被认为能产生高度可打印的复合材料，而对于三百纳米到三微米直径的较小颗粒尺寸，按体积百分之二十的负荷被认为对于打印来说太粘，可打印复合材料应具有按体积百分之五到百分之二十的惰性第二相。由此，本领域技术人员应理解，尽管负荷可以独立地用于控制粘性，但是惰性第二相的颗粒尺寸也可以或代替地被调节以调整惰性第二相的期望体积分数。其他负荷也可以或代替地根据所用材料的类型和期望的物理性能变化来使用。应注意，许多陶瓷也比用在金属基体中的金属显著不致密，且最终的复合材料也可以有利地变得轻得多。最终复合材料也可以比金属基体显著更强。

尽管在金属基体被加热到加工温度范围内(例如高于熔化温度)时粘性提供了对衡量金属基体的性能变化有利且客观的度量，但是应理解存在其他有利的度量，例如屈服应力。在存在足够的第二相负荷的情况下，复合材料会变为非牛顿浆体，在零剪切应变下具有非零剪切应力，或换句话说，具有不与应力-应变起点拦截的屈服应力关系，使得大量材料趋于抵抗外部力保持其形状。例如，这些非牛顿流体仅在重力存在时流动(如果重力足以克服材料的屈服应力的话)。更通常地，除非施加的压力超过屈服应力，否则这些材料将保持其形状。尽管最终形状保持性质对用于三维打印的某些非牛顿流体来说是有利的性质，但是也可以使用其他材料。例如，如果被加热的复合材料有足够的粘性以用于挤出且该复合材料可在过度变形之前(即，在沉积的形状以不利地影响被制造物体的总体形状的方式改变之前)冷却到固化，则在处于加工温度范围内时用作牛顿流体的复合材料仍然可以是有利的。由此，在某些方面，在加工温度范围内形成牛顿流体的混合物也可以被使用或代替地使用。

各种材料可以用作高温惰性第二相。第二相例如可以包括陶瓷，例如氧化物、氮化物或碳化物或任何其他陶瓷，以及前述的组合。具体说，这种陶瓷第二相的非限制性例子包括碳化硅、氧化铝(Al₂O₃)和氮化钛。在另一方面，高温惰性第二相可以包括高温金属间化合物。通常，金属间化合物可以包括具有两个或更多金属元素和可选的一个或多个非金属元素的任何固体相，具有与其组分不同的晶体结构。在这种情况下，高温度金属间化合物可以包括任何金属间化合物，只要其具有的熔化温度基本上高于其要添加的金属基体的熔化温度。例如，至少五十到一百摄氏度的熔化温度差为粘性复合材料提供了有利的加工温度范围(但是实际的惰性第二相可以提供几百度或更高的加工温度范围)。更通常地，第二相应该在足够高的温度下保持惰性，以为复合材料提供有利的加工温度范围。由此，对于金属或金属间化合物第二相来说，较高的温度范围可以有利地确保第二相保持惰性而不易于与金属基体形成合金或以其他方式起反应。在另一方面，第二相可以包括基本上在加工温度范围内惰性的纯金属或合金或任何其他材料或材料组合。

在这种情况下，应理解，术语“惰性”的目的是表示一材料在相关的温度范围内且在打印过程的时间范围内基本上不发生化学反应，且更通常地表示一材料充分保持物理、化学和机械性能不变，使得第二相可在加工温度范围内持续对期望性能(例如粘性、屈服应力)做出贡献。由此，例如，在这种情况下的惰性颗粒不结晶化、不液化、不氧化、不反应、或不以其他方式与金属基体中的其他材料发生显著互动，且将在加工温度范围内时不改变复合材料中的物理、机械或化学性能。颗粒也可以因颗粒的已反应表面或其一些其他表面状态或性质而是惰性的或代替地具有惰性，甚至在基体材料并非固有惰性时也可以。由此，更通常构思的是，在加工温度范围内，金属基体将液化，而第二相将保持其物理特性，使得复合材料的粘性或屈服应力可保持在适用于本文所构思的增材制造的范围内。

通常，第二相的颗粒尺寸可以被控制为改变其与金属基体的机械界面(mechanical interface)并改变最终粘性。高温惰性第二相例如可以包括具有的尺寸不大于半个微米、不大于一微米(通常通过球磨或相似过程实现)、不大于五微米或不大于三十微米的颗粒。上述五十微米的颗粒尺寸也可以用作用于金属基体的粘性控制添加物，但是更大的颗粒会开始影响用于三维打印机的有利打印分辨率，且将不会显著增加所打印复合材料的屈服应力。由此，应理解较小尺寸的颗粒由此对各种打印过程都是优选的，且半个微米或更小的颗粒也可以在这种复合材料制造的实际限制的情况下被有利地采用。通常，本文使用的颗粒尺寸目的是指沿每一个颗粒的最长尺寸测量的最大颗粒尺寸。然而，其他测量也可以用于或代替地用于将颗粒尺寸特征化，例如颗粒体积、颗粒质量、颗粒表面面积或前述的任何平均量或分布情况或任何其他客观衡量标准。

各种有利的复合材料是商业可获得的，和/或可以针对不同的温度范围和使用如上所述参数的金属或合金进行工程制造。例如，可以通过将一材料(例如陶瓷或其他高温惰性第二相)球磨为合适尺寸(例如一个微米或任何其他合适尺寸)的粉末而形成有利的复合材料。金属基体可以可选地经球磨或以其他方式处理为粉末，且金属基体和第二相可以随后被混合并使用热等静压或任何其他合适技术形成，以将混合物形成为用于被三维打印机100处理的坏料或其他形式。热等静压具体说可以促进粉末混合物中的连结并降低金属基体的多孔性，以改善用于在三维打印过程中使用的所形成部分的密度和可加工性。

还应理解，第二相中的颗粒形状可以在加工温度范围内对复合材料的物理性能具有显著影响。不同的技术可以用于根据最终浆体的期望性能形成不同尺寸和形状的颗粒，例如通常圆形、多面体形、长而尖形、平面状、窄长、和/或不规则的颗粒。通常，更不规则的且变化的几何形状会降低在加工温度内实现特定粘性或屈服应力所需的负荷。

构建材料102可以从载体(carrier)103进给，该载体配置为将构建材料以连续(例如线材)或不连续(例如坏料)的形式分配到三维打印机。构建材料102可以例如以不连续单元一个接一个地作为坯料等供应到中间腔室，用于输送到构建腔室118内，且随后熔化和沉积。在另一方面，载体103可以包括含有线材形式的构建材料102的心轴(spool)或盒。在这方面，线材可以通过真空圈(vacuum gasket)以连续方式进给到构建腔室118。由此，在一个方面，本文公开了一种设备，其包括形成为线材的构建材料，构建材料包括在第一温度下熔化的金属基体和至少在高于第一温度的第二温度下保持惰性的高温惰性第二相所形成的复合材料，和包括承载构建材料的载体，其中载体配置为将构建材料以连续进给方式分配到三维打印机。对于环境敏感材料，载体103可以为构建材料102提供真空环境，该真空环境可直接或间接地联接到构建腔室118的真空环境。更通常地，构建腔室118(和载体103)可以维持任何适当惰性的环境以用于构建材料102的处理，例如真空，和除氧环境、惰性气体环境、或在三维制造期间所保持的状态下不与构建材料102起反应的一些气体或气体组合。

驱动链104可以包括任何合适齿轮、压缩活塞等，用于连续或分步将构建材料116进给到液化系统106。在一个方面，驱动链104可以包括成形为与构建材料中的相应特征部啮合的齿轮，该相应特征部例如是突脊、凹槽或其他正或负卡持部。在另一方面，驱动链104可以使用经加热的齿轮或螺纹机构，以变形并与构建材料接合。由此，在一个方面公开一种用于熔丝制造过程的打印机，其将具有金属基体的复合材料加热到高于金属基体熔化温度的温度以用于塑性挤出，且将与复合材料接合、使其变形并沿进给路径驱动复合材料的齿轮加热。

在另一方面，驱动链104可以使用波纹管或任何其他可折叠或可伸缩的压机，以将棒材、坯料、或构建材料的相似单元驱动到液化系统106中。类似地，压电或直线步进驱动器可以用于让构建介质的单元以非连续的步进的方法按单独的、高马力机械增量前进。在另一方面，驱动链104可以包括多个级。在第一级，驱动链104可以将复合材料加热并形成螺纹或其他特征，其可提供对材料的正抓持牵引。在下一级，等与这些特征匹配的齿轮可用于让构建材料沿进给路径前进。更通常地，驱动链104可以包括用于让构建材料102前进以用于在三维制造过程中沉积的任何机构或机构组合。由此，术语“驱动链”应该按最宽泛的含义理解，除非更特定的含义被明确提供或从上下文清楚得知。

液化系统106可以是配置为将复合材料加热到金属基体的第一温度到高温惰性第二相的第二温度之间范围内的做功温度的任何液化系统。可以使用任何数量的加热技术。在一个方面，例如电感加热或电阻加热这样的电气技术可以有利地应用，以让构建材料102液化。这例如可以包括对构建材料102周围的腔室进行电感或电阻加热以达到复合材料熔点以上的温度，或这可以包括直接加热复合材料本身。因为所构思的复合材料是金属的且导电的，所以它们可以通过接触方法(例如通过施加电流的电阻加热)或非接触方法(例如使用外部电磁体以驱动材料中涡流的电感加热)直接被加热。添加剂的选择可以进一步被有利地选择为提供整体电气特性(例如电导率/电阻率)以改善加热。在直接加热构建材料102时，对构建材料102的形状和尺寸进行建模可用于更好地控制电感加热。这可以包括估计或实际测量形状、尺寸、质量等。

还应理解，在这种情况下，“液化”不要求完全液化。即，要用在打印中的介质可以处于多相状态，和/或形成具有高粘性和/或非牛顿流体性能的浆体等。由此，本文所述的液化系统106应该被理解为更通常地包括将构建材料102置于用在本文所构思的制造中的状态下的任何系统。

为了有助于对构建材料102进行电阻加热，一个或多个接触垫、探针等可以被定位在用于材料的进给路径中，以便提供用于在适当位置(一个或多个)经过材料形成电路的位置。为了有助于电感加热，一个或多个电磁体可以定位在进给路径附近的合适位置处，且例如被控制系统118操作，以通过形成涡流而在内部加热构建材料。在一个方面，这些技术二者可以同时使用以实现更紧密的控制或在构建材料中更均匀分布的电加热。打印机100也可以加装设备，以各种方式监测最终的加热。例如，打印机100可以监测输送到电感或电阻电路的功率。打印机100也可以或代替地在任何数量的位置测量构建材料102或周围环境的温度。在另一方面，可以通过例如测量将构建材料102驱动通过喷嘴110或进给路径的其他部分所需的力的量而推断构建材料102的温度，该力的量可以用于代表构建材料102的粘性。更通常地，适用于测量构建材料102的温度或粘性且响应地控制所施加电能的任何技术可以用于对使用本文所构思的复合材料的制造过程的液化进行控制。

液化系统106也可以包括或代替地包括适用于向构建材料102施加热量以达到用于挤出的合适温度的任何其他加热系统。这例如可以包括使用化学加热、燃烧、超声加热、激光加热、电子束加热或其他光学或机械加热技术等进行局部或全局增强加热。

液化系统106可以包括剪切发动机(shearing engine)。该剪切发动机可以在复合材料被加热时在复合材料中形成剪切，以便维持金属基体和第二相的混合物，或维持金属基体中的合金等的各种相，或以其他方式控制混合物中的均匀性或聚集，或这些的任何组合。各种技术可以被剪切发动机采用。在一个方面，块体介质可以在其沿进给路径进给到液化系统106中被轴向旋转。在另一方面，一个或多个超声波换能器可以用于在被加热的材料中引入剪切。类似地，螺纹、柱体、臂、或其他物理元件可以置于被加热的介质中且被旋转或以其他方式被促动，以让被加热材料混合。

机器人系统108可以包括配置为将喷嘴110三维定位在构建腔室116的加工空间115中。这例如可以包括适用于在以一定样式沉积复合材料以制造物体112时让喷嘴110相对于构建板114定位的任何机器人部件或系统。各种机器人系统在本领域是已知的且适用于用作本文所构思的机器人系统108。例如，机器人可以包括笛卡尔或x-y-z机器人系统，其采用多个直线控制器，以在构建腔室116中独立地沿x轴线、y轴线、和z轴线运动。也可以或代替地有利地采用并联机器人(delta robot)，其如果被适当地配置则可在速度和刚性方面提供显著优点，以及提供对固定马达或驱动元件的设计便利性。例如双并联机器人或三并联机器人这样的其他构造可增加使用多个联动装置的动作范围。更通常地，适用于控制喷嘴110相对于构建板114(尤其是在真空或相似环境中)的受控定位的任何机器人可以被有利地采用，包括适用于在构建腔室116中进行促动、操纵、移位的任何机构或机构组合。

喷嘴(一个或多个)110可以包括用于分配构建材料102的一个或多个喷嘴，该构建材料已经被驱动链104推进且被液化系统106加热到合适的加工温度，例如高于复合材料的金属基体的熔化温度的加工温度，或更具体地在金属基体熔化的第一温度到复合材料的第二相保持惰性的第二温度(高于第一温度)之间的加工温度。喷嘴110例如可以用于分配不同类型的材料，例如使得一个喷嘴110分配复合构建材料，而另一喷嘴110分配支撑材料(support material)，以便支撑物体112的桥接部、悬出部和其他结构特征(否则其会破坏用于使用复合材料构建材料进行制造的设计规则)。在另一方面，喷嘴110中之一可以沉积不同类型的材料，例如热相容聚合物或被加载了一种或多种材料纤维的金属或聚合物，以增加拉伸强度或以其他方式改善最终物体112的机械性能。

喷嘴110优选用具有合适机械性能和热性能的材料或材料组合形成。例如，喷嘴110优选不在用于分配复合材料的温度下劣化。尽管用于基于传统聚合物的熔丝制造的喷嘴可以用铝合金制造，但是分配含有熔化的铝的复合材料的喷嘴不能用铝制造，而是必须用具有高得多的熔化温度的材料制造，例如不锈钢、耐熔金属(例如钼、钨)、或耐熔陶瓷(例如多铝红柱石、刚玉、氧化镁)。对于较高熔化温度的合金，例如镍锆共晶体，喷嘴110优选用能承受一千摄氏度以上的温度而不劣化的材料(一种或多种)形成，例如之前所述的耐熔金属或陶瓷。

在一个方面，喷嘴110可以包括如在本文所述的一个或多个超声换能器130。超声可以被有利地应用，以用于本文的各种目的。在一个方面，超声能量可以通过降低构建材料对喷嘴110的内表面的粘接性而缓解堵塞，从而有助于挤出。在另一方面，超声能量可用于破坏已打印介质的先前层(prior layer)上的钝化层，使得可获得更好的层与层的粘接。各种导能技术可以用于改善这种通常方法。例如，沉积层可以包括一个或多个突脊，其可以通过喷嘴110的出口形状(exit shape)应用，以呈现会聚的区域，以接收被引入到沉积层和邻近层之间界面中的超声能量。

在另一方面，喷嘴110可以包括电感加热元件、电阻加热元件、或相似直接控制喷嘴110的温度的相似部件。这可以用于沿经过打印机100的进给路径增强更通常的液化过程，例如用于在制造期间维持构建材料102的温度，或这可以用于更具体的功能，例如通过将构建材料102基本上加热到加工范围以上(例如达到复合材料为液体的温度)而消除打印头的堵塞。尽管难以或不可能在该液态下控制沉积，但是加热可提供方便的技术以重置喷嘴110，而不会造成更严重的物理干预，例如去除真空以进行拆卸、清理和更换受影响的部件。

在另一方面，喷嘴110可以包括入口气体，例如惰性气体，以在介质离开喷嘴110时冷却该介质。该气体喷射例如可以立即使得所分配的材料硬化，以有助于可能在下方要求支撑结构的延伸桥接部、更大悬出部或其他结构。气体也可以用于辅助沉积和/或防止朝向构建材料源且离开喷嘴110的逆向材料流动。

物体112可以是适用于使用本文所构思的技术制造的任何物体。这可以包括例如机器部件这样的功能物体，例如雕像这样的美观物体，或任何其他类型的物体，以及可匹配构建腔室116和构建板114的物理限制条件的物体组合。例如大的桥接部和突出部这样的一些结构不能使用熔丝制造等直接制造，因为没有可让材料沉积于其上的下层物理表面。在这些情况下，支撑结构113可以优选用可溶解或以其他方式易于去除的材料制造，以便支撑相应特征。

在设置多个喷嘴110的情况下，第二喷嘴可以有利地提供任何种类的额外构建材料。这例如可以包括其他复合材料、合金、块体金属玻璃、热匹配聚合物等，以支持合适支撑结构的制造。在一个方面，喷嘴110中之一可以分配块体金属玻璃，其在一种温度下沉积以制造支撑结构113，和在第二较高温度下在与经打印物体112的界面处沉积，在该处块体金属玻璃可在界面处结晶，以变得更易碎且有助于将支撑结构113从物体112机械去除。便利地，可在过冷状态下留下支撑结构113的块体形态，使得其可保持其块体结构并以单个部件的形式去除。由此。在一个方面。本文公开了打印机，其在过冷液体区域中用块体金属玻璃制造支撑结构113的一部分，且在更大的温度下在经打印的物体附近制造支撑结构层，以便使得构建材料102结晶为非无定形合金。

在构建腔室116的加工空间115中的构建板114可以包括刚性且基本上平面的表面，其用适于从喷嘴110接收沉积复合材料或其他材料(一种或多种)的任何物质形成。在一个方面，构建板114可以被加热，例如以电阻方式或以电感方式，以控制要在其上制造物体112的表面或构建腔室116的温度。这例如可以改善粘接、防止热致变形或故障，且有助于所制造物体中的应力释放。在另一方面，构建板114可以是可变形的构建板，其可弯曲或以其他方式物理变形，以便从在其上形成的刚性物体112分离。

构建腔室116可以是适于含有构建板114、物体112和打印机100的任何其他部件(其在构建腔室116中被用于制造物体112)的任何腔室。在一个方面，构建腔室116可以是环境密封腔室，其可通过真空泵124或相似装置排空，以便提供用于制造的真空环境。这尤其可以在氧气造成钝化层时有利，该钝化层会使得本文所构思的熔丝制造过程中层与层的连结弱化。

类似地，一个或多个被动或主动氧气吸气器126或其他相似的氧气吸收材料或系统可以有利地用在构建腔室116中，以吸取构建腔室116中的自由氧气。氧气吸气器126例如可以包括对构建腔室116的内表面或置于其中的单独物体进行涂覆的反应材料的沉积，且通过与残余气体分子组合或吸收残余气体分子而实现并保持真空。氧气吸气器126或更通常地气体吸气器可以被沉积作为使用喷嘴110中之一的支撑材料，其有助于在每一次新的制造过程中更换气体吸气器，并可有利地将气体吸气器(一个或多个)定位在经打印介质附近，以便在新的材料被沉积在已制造物体上的情况下更局部地去除有钝化效果的气体。在一个方面，氧气吸气器126可以包括优先与氧气反应的任何种类的材料，例如基于钛、铝等的材料。在另一方面，氧气吸气器126可以包括化学能源，例如易燃气体、气炬、催化加热器、本生灯或进行反应以从环境摄取氧气的其他化学和/或燃烧源。存在各种低CO和NOx催化燃烧器，其可以被适当地采用以在没有CO的情况下用于该目的。

在一个方面，氧气吸气器126可以在构建过程期间被沉积作为单独材料。由此，在一个方面，本文公开了用于用金属复合材料制造三维物体的过程，包括制造含有去除三维物体周围有钝化效果的气体的试剂的实体邻近结构(其可以直接接触或不直接接触三维物体)。其他技术可以类似地用于控制构建腔室中环境的反应性。例如，构建腔室116可以填充有惰性气体等，以防止氧化。

用金属制造的物体可以很重且难以运动。为了解决这些问题，可以提供剪式提升台或其他提升机构，以将已制造物体提升到构建腔室以外。中间腔室可以有利地用于将经打印物体传送到构建腔室116以外，且用于将构建材料102提供到真空环境中，以及采用相应机器人以适当拾取并放置物体。

控制系统118可以包括处理器和存储器，以及任何其他协处理器、信号处理器、输入部和输出部、数字-模拟或模拟-数字转换器和用于监测和控制打印机100上执行的制造过程的其他处理电路。控制系统118可以联接为与构建材料102的供应源、驱动链104、液化系统106、喷嘴110、构建板114、机器人系统108和任何其他与构建过程关联的仪表或控制部件(例如温度传感器、压力传感器、氧气传感器、真空泵等)成通信关系。控制系统118能操作为控制机器人系统108、液化系统106和其他部件，以在构建腔室116的加工空间115中以三个维度用构建材料102制造物体112。

控制系统118可以产生用于被打印机100执行的机器准备代码(machine readycode)，以用三维模型122制造物体112。控制系统118可以部署多个策略，以在结构和美感方面改善最终物理物体。例如，控制系统118可以使用槽刨(plowing)、熨烫(ironing)、平刨(planing)或相似技术，其中喷嘴110在沉积材料的现有层上方行进，例如让材料水平、去除钝化层、施加隆起或突起的导能形貌(energy director topography of peaks orridges)，以改善层-层连结，或以其他方式制备当前层，以用于下一层材料。喷嘴110可以包括非粘性表面，以有助于该槽刨过程，且喷嘴110可以被加热和/或振动(使用超声换能器)，以改善平滑效果。在一个方面，该表面制备可以并入到最初产生的机器准备代码。在另一方面，打印机100可以动态监测沉积层并按逐层方式确定额外表面制备对物体的成功完成来说是否必要或有帮助。

在一个方面，控制系统118可以采用压力或流率作为过程反馈信号。尽管温度通常是用于用金属进行制造的关键物理量，但是难以在整个进给路径准确地测量复合构建材料的温度。然而，温度可通过构建材料的延展性推断，其可针对散装材料基于将材料驱动通过进给路径需要完成多少工作来进行估计。由此，在一个方面，本文公开了一种打印机，其测量通过驱动链施加给复合材料(例如如上所述的任何复合材料)的力，基于瞬时力推断构建材料的温度，且控制液化系统以相应调整温度。

通常，物体的三维模型122可以被存储在数据库120中，例如用作控制系统118的计算机的局部存储器，或可被服务器或其他远程资源访问的远程数据库，或存储在控制系统118可访问的任何其他计算机可读介质中。控制系统118可以响应于用户输入获取具体三维模型122，且产生机器准备指令，用于被打印机100执行以制造相应物体112。这可以包括创建中间模型，例如其中CAD模型被转换成STL模型或其他多边形网格或其他中间表示，其又被处理为产生机器指令，用于通过打印机100制造物体112。

在另一方面，喷嘴110可以包括一个或多个机构，以使得沉积材料层变平且施加压力以将该层连结到下层。例如，加热轧辊、滚轮等可以在喷嘴110经过构建腔室的x-y平面的路径中跟随喷嘴110，以使得已沉积的(且仍然柔韧的)层变平。喷嘴110也可以是或代替地整合成形壁、平面表面等，以在构建材料102被喷嘴110沉积时让构建材料102具有额外形状或对其进行约束。喷嘴110可以有利地被涂有非粘性材料(其可以根据被使用的构建材料改变)，以便有助于通过该工具实现更一致的成形和平滑。

一个或多个超声换能器130或相似振动部件可以有利地部署在打印机100中的各种位置。例如，振动换能器可以用于让弹丸、颗粒或其他相似介质在从构建材料102的料斗分配到驱动链104中时振动。这类搅动可让颗粒更均匀地分配，用于更平均地流动到螺杆传动机构或相似机构，且防止堵塞或不一致的进给。在另一方面，超声波换能器130可以用于让相对高粘性的复合材料变形并通过喷嘴110的增压热端模具离开。一个或多个缓冲器、机械分离器等可以被包括在喷嘴110和其他部件之间，以便隔离喷嘴110中的最终振动(在该处可最有利地施加能量)。

在另一方面，层熔接系统132可以用于促进物体112中已沉积构建材料的邻近层之间的良好机械连结。这可以包括如上所述的超声换能器，其可以在沉积期间通过向层之间的界面施加超声能量而有助于层之间的连结。在另一方面，电流可以经过邻近层之间的界面，以便对界面进行焦耳加热，并使得材料液化或软化，用于改善连结。由此，在一个方面，层熔接系统132可以包括焦耳加热系统，其配置为在加工空间115中的构建材料的第一层和构建材料的第二层之间施加电流，同时第一层被沉积到第二层上。在另一方面，层熔接系统132可以包括用于在加工空间115中在第一层被沉积到构建材料的第二层上时对构建材料的第一层施加超声能量的超声系统。在另一方面，层熔接系统132可以包括形成到喷嘴110的端部中的耙状部、突脊(一个或多个)、凹槽(一个或多个)等，或在喷嘴附近的固定装置等，以便在沉积材料的顶表面上形成导能部。其他技术也可以被使用或代替地被使用，以改善层-层连结，例如在形成层间连结之前或期间进行等离子清理或其他去钝化过程。

制造期间的详细数据可以被收集，用于随后使用和分析。这例如可以包括摄像机和计算机视觉系统，其识别在物体的每一个层中发生的错误、偏差等。类似地，断层摄影术或其他成像技术可以用于检测和测量层-层界面、积聚部分尺寸、诊断信息(缺陷、空穴等)等。该数据可以收集并通过物体传递给终端用户作为物体112的数字双胞胎(digitaltwin)140，使得终端用户可评估偏差和缺陷是否以及如何影响物体112的使用。除了空间/几何分析，数字双胞胎140可以对过程参数进行记录，包括例如收集统计数据，例如所使用材料的重量、打印时间、构建腔室温度的变化等，以及按时间顺序对任何感兴趣的过程参数进行记录，例如体积沉积率(volumetric deposition rate)、材料温度、环境温度等。

打印机100可以包括摄像机150或其他光学装置。在一个方面，摄像机150可以用于创建如上所述的数字双胞胎140，或更通常地有助于机器视觉功能或有助于制造过程的远程监测。从摄像机150而来的视频或静态图像也可以用于或代替地用于动态修正打印过程，或对应该在何处以及如何进行自动或手动调整进行视觉化，例如在实际打印机输出与期望输出偏离的情况下。

其他有利的特征可以被整合到如上所述的打印机100中。例如，溶剂或其他材料可以在制造期间有利地施加到物体112的表面，以改变其性能。这例如可以在具体位置或在具体区域上故意氧化或以其他方式改变表面，以便提供期望的电、热光、或机械性质。该能力可以用于提供美观特征，例如文本或图形，或提供功能特征，例如用于引入RF信号的窗口。

图2显示了用于通过复合材料进行打印的方法的流程图。

如步骤202所示，过程200可以包括提供构建材料，该材料包括在第一温度下熔化的金属基体和在第一温度以上的至少第二温度下保持惰性的高温惰性第二相形成的复合材料。复合材料可以包括任何金属-陶瓷复合材料、金属-金属间化合物-复合材料、或如上所述的其他复合材料。可以以坏料、线材或任何其他铸造、拉拔、挤出或以其他方式成形的散装形式的构建材料提供复合材料。如上所述，构建材料可以被进一步封装在盒、心轴(spool)或其他合适载体中，其可附接到增材制造系统以用于使用。

如步骤204所示，过程可以包括例如使用齿轮、活塞或其他驱动机构驱动构建材料，以通过分配过程用足够的力推进构建材料并推到例如构建平台或经部分制造的物体的表面这样的基体上。

如步骤206所示，过程200可以包括将构建材料加热至第一温度到第二温度的范围内的加工温度。在该温度范围中，复合材料将获得厚且糊状黏稠度，适用于在增材制造过程中挤出或以其他方式分配到基体上。

如步骤208所示，过程200可以包括将构建材料以受控三维样式基本上连续地分配通过喷嘴，以形成物体。更通常地，这可以包括通过喷嘴、孔口或其他开口分配到加工空间中。分配操作可以以受控的模式与机器人运动协调，以用分配的构建材料逐层制造三维物体。

如步骤210所示，方法可以包括将构建材料的第一层熔接到构建材料的第二层。许多技术可以有助于该熔接过程。例如，熔接可以包括跨经物体的第一层和第二层之间的界面施加电流，以便通过焦耳加热让界面加热/熔化。在另一方面，熔接可以包括在底层的顶表面中形成导能部，以在施加新层时在界面中提供能量集中位置。熔接也可以包括或代替地包括在施加新的层的同时施加超声能量，该超声能量可以在与导能部(例如如上所述的那些)初始接触时被有利地会聚。

该过程可以按需要持续并重复，以在加工空间中制造物体。还应理解，尽管上述步骤显示为是单独、相继的步骤，但是这些步骤的顺序可以在实践中极大地改变。例如，构建材料的加热和驱动可以同时或相继地执行，且加热过程可以在驱动系统用于让构建材料前进通过机器之前启动。作为另一例子，熔接可以在制造过程期间仅按一定的次数执行。由此，流程图的目的是示例性的，而不是对本文所构思的有利制造过程的穷尽描述。

上方系统、装置、方法、过程等可以由适用于具体应用的硬件、软件或其任何组合实现。硬件可以包括通常目的计算机和/或专用计算装置。这包括在一个或多个微处理器、微控制器、嵌入式微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程装置或处理电路以及内部和/或外部存储器实现。这也可以包括或代替地包括一个或多个专用集成电路、可编程门阵列、可编程阵列逻辑部件、或可以配置为处理电子信号的任何其他一个或多个装置。进一步应理解，如上所述过程或装置的实现可以包括计算机可执行代码，其使用例如C这样的结构化程序设计语言创建，例如C++这样的向对象语言创建，或任何其他高级或低级设计语言创建(包括汇编语言、硬件描述语言、和数据库设计语言和技术)，其可以被存储、编译或解译，以在上述装置中之一、以及处理器的异构组合、处理器架构、不同硬件和软件的组合上运行。在另一方面，该方法可以实施在执行步骤的系统中，且可以以多种方式跨经装置分布。同时，处理可以跨经装置分布，例如如上所述的各种系统，或所有功能可以整合到专用、独立装置或其他硬件中。在另一方面，用于执行与如上所述过程关联的步骤的器件可以包括如上所述的任何硬件和/或软件。所有这种排列和组合目的是落入本发明的范围。

本文公开的实施例可以包括计算机程序产品，包括计算机可执行代码或计算机可用代码，其在一个或多个计算装置上执行时执行其任何和/或所有步骤。代码可以以非瞬时的方式存储在计算机存储器中，且可以是存储器，从该存储器执行程序(例如与处理器关联的随机访问存储器)，或可以是存储装置，例如驱动盘、闪速存储器或任何其他光学、电磁、磁性、红外或其他装置或装置组合。在另一方面，如上所述的任何系统和方法可以以任何合适的传递或传播介质携带的计算机可执行代码和/或来自其的任何输入或输出实施。

应理解，如上所述的装置、系统、和方法通过例子给出且不是限制性的。若无明确的相反描述，公开的步骤可以改变、补充、省略和/或重新安排顺序，而不脱离本发明的范围。本领域技术人员可以理解许多变化、添加、省略和其他修改。此外，说明书和附图中的方法步骤的顺序或展示目的是要求执行所述步骤的顺序，除非具体顺序被明确需要或从上下文清楚得知。

本文所述的实施方式的方法步骤目的是包括使得这种方法步骤被执行的任何合适的方法，与权利要求的可专利性一致，除非不同的意义被明确给出或从上下文清楚得知。因此，例如执行X步骤包括用于使得另一方(例如远程用户、远程处理资源(例如服务器或云计算机)或机器执行X步骤的任何合适方法。类似地，执行步骤X、Y和Z可以包括引导或控制这种其他个体或资源的任何组合的任何方法，以执行步骤X、Y和Z，以获得这种步骤的优点。由此，本文所述的实施方式的方法步骤目的是包括任何合适的方法，其使得一方或多方或实体执行步骤，与权利要求的可专利性一致，除非不同的意义被明确给出或从上下文清楚得知。这些方或实体不需要得到其他方或实体的指导或控制且不需要位于具体的管辖权内。

进一步应该理解上述方法通过例子提供。若无明确的相反描述，公开的步骤可以改变、补充、省略和/或重新安排顺序，而不脱离本发明的范围。

应理解如上所述的方法和系统通过例子给出且不是限制性的。本领域技术人员可以理解许多变化、添加、省略和其他修改。此外，说明书和附图中的方法步骤的顺序或展示目的是要求执行所述步骤的顺序，除非具体顺序被明确需要或从上下文清楚得知。由此，尽管已经显示和描述了具体实施例，但是本领域技术人员应理解，各种形式和细节的改变和修改可以在不脱离本发明精神和范围的情况下做出，且目的是形成权利要求限定的本发明的一部分，其应在法律允许的范围内被解读。

Claims (22)

1.一种设备，包括:

构建材料，包括由第一温度下熔化的金属基体和在大于第一温度的至少第二温度下保持惰性的颗粒形式的高温惰性第二相形成的复合材料；

加工空间中的构建板，该构建板包括刚性且基本上平面的表面；

液化系统，配置为将复合材料加热至第一温度到第二温度的范围内的加工温度；

喷嘴，在加工温度下分配构建材料；和

机器人系统，配置为将喷嘴三维定位在加工空间中；和

控制器，电联接到液化系统和机器人系统且能操作为控制机器人系统和液化系统，以用构建材料在加工空间中以三个维度制造物体。

2.如权利要求1所述的设备，其中金属基体包括纯金属。

3.如权利要求1所述的设备，其中金属基体包括铝。

4.如权利要求1所述的设备，其中金属基体包括合金。

5.如权利要求1所述的设备，其中金属基体包括共晶合金。

6.如权利要求1所述的设备，其中金属基体包括硬焊料金属。

7.如权利要求1所述的设备，其中足够量的高温惰性第二相被添加到复合材料中，以将复合材料在加工温度下的粘性增加至少一个数量级。

8.如权利要求1所述的设备，其中高温惰性第二相包括具有的尺寸不大于五微米的颗粒。

9.如权利要求1所述的设备，其中高温惰性第二相包括具有的尺寸不大于三十微米的颗粒。

10.如权利要求1所述的设备，其中高温惰性第二相占复合材料体积的约百分之三十。

11.如权利要求1所述的设备，其中高温惰性第二相占复合材料体积的不到百分之四十。

12.如权利要求1所述的设备，其中高温惰性第二相占复合材料体积的百分之三十到百分之五十。

13.如权利要求1所述的设备，其中高温惰性第二相包括氧化物、氮化物和碳化硅中的至少一种。

14.如权利要求1所述的设备，其中高温惰性第二相包括高温金属间化合物。

15.如权利要求1所述的设备，进一步包括焦耳加热系统，其配置为在加工空间中的构建材料的第一层和构建材料的第二层之间施加电流且同时第一层被沉积在第二层上。

16.如权利要求1所述的设备，进一步包括超声系统，其用于对构建材料的第一层施加超声能量且同时在加工空间中第一层被沉积到构建材料的第二层上。

17.如权利要求1所述的设备，其中加工温度的范围包括的最大温度比金属基体熔化时的第一温度高至少五十摄氏度。

18.如权利要求1所述的设备，其中复合材料在所述范围内的加工温度下形成浆体，该浆体在零剪切应变时具有非零剪切应力。

19.一种设备，包括:

构建材料，形成为线材，该构建材料包括由在第一温度下熔化的金属基体和在高于第一温度的至少第二温度下保持惰性的高温惰性第二相形成的复合材料；和

载体，承载构建材料，其中载体配置为以连续进给方式将构建材料分配给三维打印机。

20.如权利要求19所述的设备，其中载体包括心轴。

21.一种用于操作三维打印机的方法，该方法包括：

提供构建材料，该构建材料包括由在第一温度下熔化的金属基体和在高于第一温度的至少第二温度下保持惰性的高温惰性第二相形成的复合材料；

将构建材料加热至第一温度到第二温度之间的范围内的加工温度；和

将构建材料以受控三维样式基本上连续地分配通过喷嘴，以形成物体。

22.如权利要求21所述的方法，进一步包括通过跨第一层和第二层之间的界面施加电流而将构建材料的第一层熔接到构建材料的第二层。