CN109070210B - 3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种3D打印方法。本申请可以提供用于有效进行3D打印的方法，例如，能够更快速和有效地产生精确地实现到精细部的三维形状的3D打印方法。
Description
技术领域
本申请要求基于2016年4月1日提交的韩国专利申请第10-2016-0040360号和2017年3月30日提交的韩国专利申请第10-2017-0040973号的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
本申请涉及3D打印方法。
背景技术
3D(三维)打印是通常通过堆叠一系列材料的层的过程形成3D物体的多种制造方法。
作为3D打印方法，已知采用紫外(UV)激光加工光敏树脂的立体光刻方法，使用紫外灯加工光敏树脂的喷墨打印机方法，塑料挤出模塑方法和液体粘合剂沉积方法等。
3D打印可应用于诸如产品开发、数据可视化、专业领域的生产和制造的领域。适用领域是多方面的，包括建造、建筑(AEC)、工业设计、汽车、航空航天工业、工程、牙科和医疗工业、生物技术(人体组织补充)、时尚、鞋类、珠宝、眼镜、教育、地理信息系统、食品或许多其他领域。
发明内容
技术问题
本申请涉及3D打印方法。本发明的一个目的是提供一种能够形成期望三维形式以具有精确和各种特性的3D打印方法。
技术方案
本申请的3D打印方法包括向通过使用含有特定导电金属的金属粉末或含有导电金属或金属粉末的浆料模塑的三维形状施加电磁场的步骤。这里，三维形状的形成和向三维形状施加电磁场可以同时或者以时间差进行。例如，使用金属粉末或浆料模塑三维形状可以在电磁场中进行，或者可以在使金属粉末或浆料通过至少电磁场之后形成三维形状，或者一旦形成三维形状，然后就可以向三维形状施加电磁场。可以通过电磁场中的感应加热来加热导电金属。因此，如果控制金属粉末的粒径或形状、电磁场的强度、三维形状的形成方法等，则金属粉末可以在适于保持三维形状的状态下熔化，并在保持这样熔化的三维形状的状态下烧结。此外，通过应用金属粉末或包含该金属粉末的浆料作为用于实现三维形状的材料，可以根据需要实现更精确和精细的形式，并且可以迅速形成相关的三维形状。这里，使用金属粉末或浆料模塑三维形式的方法没有特别限制，例如，可以应用喷涂或排出(discharge)方法等。
用于本申请的金属粉末是粉末形式，其可包含金属作为主要组分。这里，金属用作主要组分的事实是指其中基于总重量，金属的比率为55重量％或更高，60重量％或更高，65重量％或更高，70重量％或更高，75重量％或更高，80重量％或更高，85重量％或更高，90重量％或更高或95重量％或更高的情况。作为主要组分包含的金属的比率上限没有特别限制，并且可以是例如约100重量％，99重量％或98重量％左右。
金属粉末可至少包含具有预定相对磁导率和电导率的金属。通过应用这样的金属，金属粉末或浆料可以在电磁场中熔化并烧结到合适的水平。
例如，作为金属，可以使用相对磁导率为90或更高的金属。相对磁导率(μr)是相关材料的磁导率(μ)与真空中的磁导率(μ0)之比(μ/μ0)。金属的相对磁导率可以为95或更高，100或更高，110或更高，120或更高，130或更高，140或更高，150或更高，160或更高，170或更高，180或更高，190或更高，200或更高，210或更高，220或更高，230或更高，240或更高，250或更高，260或更高，270或更高，280或更高，290或更高，300或更高，310或更高，320或更高，330或更高，340或更高，350或更高，360或更高，370或更高，380或更高，390或更高，400或更高，410或更高，420或更高，430或更高，440或更高，450或更高，460或更高，470或更高，480或更高，490或更高，500或更高，510或更高，520或更高，530或更高，540或更高，550或更高，560或更高，570或更高，580或更高或590或更高。相对磁导率越高，在施加待以下描述的用于感应加热的电磁场时产生的热越高，因此上限没有特别限制。在一个实例中，相对磁导率的上限可以为例如约300000或更小。
金属可以是导电金属。术语导电金属可以意指具有以下电导率的金属或其合金：约8MS/m或更高，9MS/m或更高，10MS/m或更高，11MS/m或更高，12MS/m或更高，13MS/m或更高或14.5MS/m或更高。虽然电导率的上限没有特别限制，但是例如，电导率可以设定为约30MS/m或更低，25MS/m或更低，或20MS/m或更低，以控制在电磁场中的发热程度。
在本申请中，具有如上所述的相对磁导率和电导率的金属也可以简称为导电磁性金属。
通过应用导电磁性金属，可以有效地进行电磁场下的熔化和烧结。这样的金属可以例示为镍、铁或钴，但不限于此。
导电磁性金属的形状也可以进行各种控制，并且可以选择为适合于实现三维形状。例如，导电磁性金属可以是颗粒，其中相关颗粒可以具有诸如球状、片状、椭球状、针状或枝状的形状。在这种形状中，可以在电磁场中有效地熔化和烧结，以很好地形成期望的三维形状。
如果需要，金属粉末可以包含与导电磁性金属一起的不同于所述金属的第二金属。在这种情况下，三维形状可以由金属合金形成。作为第二金属，也可以使用具有与上述导电磁性金属相同范围的相对磁导率和/或电导率的金属，或者也可以使用具有在这样的范围之外的相对磁导率和/或电导率的金属。另外，作为第二金属，也可以包含一种金属，并且也可以包含两种或更多种金属。第二金属的类型没有特别限制，只要其与所应用的导电磁性金属不同即可，例如，不同于导电磁性金属的一种或更多种金属可应用自铜、磷、钼、锌、锰、铬、铟、锡、银、铂、金、铝或镁等，但不限于此。
除了金属组分如导电磁性金属和第二金属之外，如果需要，金属粉末还可以包含除金属之外的组分。这样的组分可以例示为多种陶瓷材料或基于Si的聚合物等，但不限于此。
金属粉末中导电磁性金属的比率没有特别限制。例如，该比率可以被调节成使得可以在电磁场中产生适当的焦耳热。例如，基于全部金属粉末的重量，金属粉末可包含量为30重量％或更大的导电磁性金属。在另一个实例中，金属粉末中导电磁性金属的比率可为约35重量％或更大，约40重量％或更大，约45重量％或更大，约50重量％或更大，约55重量％或更大，60重量％或更大，65重量％或更大，70重量％或更大，75重量％或更大，80重量％或更大，85重量％或更大或90重量％或更大。导电磁性金属比率的上限没有特别限制。例如，金属粉末中导电磁性金属的比率可小于约100重量％或95重量％或更小。然而，该比率是示例性比率。例如，由于通过施加电磁场的感应加热产生的热可以根据所施加的电磁场的强度、金属的电导率和电阻来调节，因此该比率可以根据具体条件而改变。
考虑到熔化和烧结效率以及三维形状的形成效率，也可以选择金属粉末的形状，例如，金属粉末可以具有在导电磁性金属颗粒方面描述的形状。
金属粉末可具有适当的粒径范围。例如，金属粉末的50％粒度分布的粒径(D50)可以在约100nm至约100μm的范围内。在另一个实例中，50％粒径(D50)可以为约200nm或更大，约400nm或更大，约600nm或更大，约800nm或更大，约1000nm或更大，约1500nm或更大，约2000nm或更大，约2500nm或更大，约3000nm或更大，约3500nm或更大，约4000nm或更大，约4500nm或更大，约5000nm或更大或约5500nm或更大。在另一个实例中，平均粒径可以为约90μm或更小，80μm或更小，70μm或更小，60μm或更小，50μm或更小，40μm或更小，30μm或更小，20μm或更小，15μm或更小或10μm或更小。通过将金属粉末的50％粒径(D50)保持在上述范围内，金属粉末可以在电磁场中在适当范围内熔化或烧结，同时还可以有效地形成三维形状。
也可以通过使用金属粉末形成三维形状，并且如果需要，也可以通过制备浆料形式的金属粉末并使用该浆料来形成三维形状。可以在例如用喷墨打印机或其他注射装置在喷洒这样的金属粉末或浆料的同时形成三维形状。
为了制备浆料形式，可以将金属粉末与粘合剂混合。因此，浆料可以包含粘合剂连同金属粉末。
可以应用于本申请中的粘合剂的种类没有特别限制。作为粘合剂，例如，可以使用烷基纤维素、聚碳酸亚烷基酯、聚环氧烷、木质素或基于聚乙烯醇的粘合剂。这里，烷基纤维素可以例示为具有具1至20个碳原子、1至16个碳原子、1至12个碳原子、1至8个碳原子或1至4个碳原子的烷基的烷基纤维素等，例如甲基纤维素或乙基纤维素，聚环氧烷可以例示为具有具1至20个碳原子、1至16个碳原子、1至12个碳原子、1至8个碳原子或1至4个碳原子的亚烷基的聚环氧烷，例如聚环氧乙烷或聚环氧丙烷，聚碳酸亚烷基酯可以例示为具有具1至20个碳原子、1至16个碳原子、1至12个碳原子、1至8个碳原子或1至4个碳原子的亚烷基的聚碳酸亚烷基酯等，例如聚碳酸亚乙酯，基于聚乙烯醇的粘合剂例示为聚乙烯醇或聚乙酸乙烯酯等，但不限于此。
浆料可包含例如相对于100重量份的金属粉末，比率为约5至200重量份的粘合剂。在另一个实例中，粘合剂的比率可以为约190重量份或更小，180重量份或更小，170重量份或更小，160重量份或更小，150重量份或更小，140重量份或更小，130重量份或更小，120重量份或更小，110重量份或更小，100重量份或更小，90重量份或更小，80重量份或更小，70重量份或更小，60重量份或更小，50重量份或更小，40重量份或更小，或30重量份或更小。在这样的范围内，可以控制浆料的物理性质(例如粘度)和金属粉末的分散度以适合于3D打印。
除了上述组分之外，浆料还可以包含另外需要的已知添加剂。这样的添加剂的实例可以例示为溶剂或分散剂等，但不限于此。
在本申请中，可以通过使用如上所述的浆料或金属粉末在电磁场中形成三维形状，或者可以在使金属粉末或浆料通过电磁场之后形成三维形状。如上所述，导电磁性金属在电磁场下产生热，由此可以通过烧结形成三维形状。该方法可以仅通过电磁场的感应加热来进行，或者也可以在施加适当的热的同时进行。
如果导电磁性金属保持在电磁场中，则在金属中产生涡电流，其中由金属的电阻产生焦耳热。在本申请中，可以通过应用该现象来进行3D打印。例如，可以使用上述金属粉末或浆料在电磁场中实现三维形状，并熔化和烧结，或者可以使用通过使其通过电磁场而适当熔化的金属粉末或浆料来形成三维形状。在本申请中，通过应用该方法，可以在短时间内形成精确的三维形状。
例如，可以应用以下方法：使用合适的注射喷嘴如喷墨喷嘴将金属粉末等喷洒到由线圈等形成电磁场的区域，或者将线圈等缠绕在注射喷嘴的周围并在电磁场下喷洒金属粉末等。
可以通过施加例如100A至1000A左右的电流来形成电磁场。在另一个实例中，所施加的电流的大小可以为900A或更小，800A或更小，700A或更小，600A或更小，500A或更小或400A或更小。在另一个实例中，电流的大小可以为约150A或更小，约200A或更小，或约250A或更小。
此外，电磁场可以以例如约100kHz至1000kHz的频率形成。在另一实例中，频率可以为900kHz或更低，800kHz或更低，700kHz或更低，600kHz或更低，500kHz或更低或450kHz或更低。在另一个实例中，频率可以为约150kHz或更高，约200kHz或更高，或者约250kHz或更高。
金属粉末或浆料在以上述方式形成的电磁场下的保持时间没有特别限制并且可以考虑熔化或烧结效率和三维形状的保持能力来选择。例如，保持时间可以在约1分钟至10小时的范围内调节。在另一个实例中，保持时间可以为约9小时或更短，约8小时或更短，约7小时或更短，约6小时或更短，约5小时或更短，约4小时或更短，约3小时或更短，约2小时或更短，约1小时或更短或约30分钟或更短。
考虑到金属粉末的粒径或形状，或者包含金属粉末的浆料的组成等，可以改变上述感应加热条件，即电磁场形成条件和其中的保持时间。
在3D打印中金属粉末等的熔化或烧结可以仅通过上述感应加热来进行，或者在必要时也可以与感应加热(即施加电磁场)一起在施加适当的热的同时进行。
有益效果
本申请可以提供用于有效地进行3D打印的方法，例如，能够更快速和有效地产生精确实现到精细部的三维形状的3D打印方法。
附图说明
图1是实施例1中获得的三维形状的照片。
具体实施方式
在下文中，将通过实施例和比较例详细描述本申请，但是本申请的范围不限于以下实施例。
实施例1
将2g镍粉(球形，50％粒度分布的粒径(D50)：约7至8μm)和0.2g乙基纤维素分散在5g二氯甲烷中以制备浆料。这里，镍粉在20℃下的电导率约为14.5MS/m，相对磁导率为约600。随后，通过使用分配器排出浆料以形成三维形状(线形)，并且通过向三维形状施加电磁场来煅烧三维形状。通过施加约350kHz的频率下的200A的电流形成电磁场，并且将三维形状保持在电磁场中约30秒。
实施例2。
以与实施例1中相同的方式形成三维形状，不同之处在于在制备浆料时将乙基纤维素的量改变为2.5g，并施加电磁场。
实施例3。
以与实施例1中相同的方式形成三维形状，不同之处在于使用具有针状且长轴长度为约10μm的镍粉代替球形镍粉，并施加电磁场。
实施例4。
以与实施例1中相同的方式形成三维形状，不同之处在于使用具有枝状且长轴长度为约8μm的镍粉代替球形镍粉，并施加电磁场。
实施例5。
以与实施例1中相同的方式形成三维形状，不同之处在于使用球形铁(Fe)粉(球形，50％粒度分布的粒径(D50)：约6至8μm)代替镍粉，并施加电磁场。这里，铁粉在20℃下的电导率约为13MS/m，且相对磁导率为约100000。
实施例6。
将2g铁(Fe)粉(球形，50％粒度分布的粒径(D50)：约6至8μm)和0.5g甲基纤维素分散在5g水中以制备浆料，并以与实施例1相同的方式形成三维形状。之后，通过向三维形状逐步施加电磁场来煅烧三维形状。向三维形状，依次施加通过施加200kHz的频率下的100A的电流形成的电磁场10秒，施加通过施加350kHz的频率下的300A的电流形成的电磁场30秒以及施加通过施加380kHz的频率下的500A的电流形成的电磁场10秒。
实施例7。
以与实施例6中相同的方式形成三维形状，不同之处在于使用聚乙烯醇代替甲基纤维素，并施加电磁场。
实施例8。
以与实施例6中相同的方式形成三维形状，不同之处在于使用钴(Co)粉(50％粒度分布的粒径(D50)：约10至14μm)代替镍粉，并施加电磁场。这里，钴粉在20℃下的相对磁导率为约280。
实施例9。
以与实施例6中相同的方式形成三维形状，不同之处在于使用聚碳酸亚丙酯代替甲基纤维素，并施加电磁场。
比较例1
在通过螺线管线圈(300A，370kHz)的同时将镍线(直径：约0.15mm)重复地排出到基底上，从而以与实施例1中相同的方式形成三维形状(线形)。然而，当将通过螺线管线圈的镍线层合成多层时，未充分确保层之间的粘合性，并且还确认了未粘附的部分，并且确定地识别出层之间的区别。
实验例分辨率
确认分别通过实施例和比较例的方法是否可以形成10μm、50μm、100μm和500μm的各宽度的具有约100μm的线形厚度的三维形状(分辨率评价)。此外，用刮刀横向拉每个所形成的三维形状，以确认三维形状的保持力。在上述步骤中，如果保持三维形状，则在下表1中标记为通过，如果未保持，则在下面的表1中标记为失败。
[表1]
从以上结果中，可以确认，根据本申请的方法可以可靠地形成非常精确的三维形状，并且可以确认通过控制粘合剂的比率等可以进一步改善该效果。
Claims (9)
1.一种3D打印方法，包括向通过使用浆料模塑的三维形状施加电磁场的步骤，其中所述浆料包含金属粉末和相对于100重量份的所述金属粉末的5至200重量份的粘合剂，以及其中所述金属粉末含有相对磁导率为90或更高的金属，以及其中所述粘合剂是烷基纤维素、聚环氧烷、聚碳酸亚烷基酯、聚乙烯醇或木质素。
2.根据权利要求1所述的3D打印方法，包括以下步骤：在所述电磁场中将所述浆料模塑为所述三维形状；模塑所述浆料以在通过所述电磁场之后具有所述三维形状或者将所述浆料模塑为所述三维形状然后向其施加所述电磁场。
3.根据权利要求1所述的3D打印方法，其中所述相对磁导率为90或更高的金属在20℃下的电导率为8MS/m或更高。
4.根据权利要求1所述的3D打印方法，其中所述相对磁导率为90或更高的金属是镍、铁或钴。
5.根据权利要求1所述的3D打印方法，其中所述金属粉末或浆料包含基于重量的量为30重量％或更大的所述相对磁导率为90或更高的金属。
6.根据权利要求1所述的3D打印方法，其中所述金属粉末的50％粒度分布的粒径在100nm至100μm范围内。
7.根据权利要求1所述的3D打印方法，其中所述金属粉末是球状、片状、椭球状、针状或枝状。
8.根据权利要求1所述的3D打印方法，其中通过施加100A至1000A范围内的电流来形成所述电磁场。
9.根据权利要求1所述的3D打印方法，其中通过施加频率在100kHz至1000kHz范围内的电流来形成所述电磁场。
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