CN110267757A - 减少金属层中的应力 - Google Patents
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Abstract
一种系统，所述系统包括：聚合物基板，聚合物基板具有的导热系数小于0.5W/(m‑k)；涂布器，用于在聚合物基板上形成金属微粒的层；掩模敷料器，用于将掩模施加至金属微粒的层的一部分；和脉冲辐照光源，用于使未被掩模覆盖的金属微粒的层的一部分熔融。
Description
背景技术
形成小金属组件传统上已经成为机械加工的领域，其中铸造和其他技术，例如，液体注射模制(LIM)提供了其他选项。金属提供期望的特性，包括：机械强度、抗蠕变性、导电性、可调冷加工等。尽管机械加工一直以来为技术专家的领域，但是计算机数控(CNC)和自动机械加工的出现已经使得少数熟练机械工支持增加数量的机器产生部件。然而，产生小批量的定制金属部件仍然为具有相应高成本的高触摸操作。
附图说明
附图阐释了本文所述原理的各种实施例并且为说明书的一部分。阐释的实施例不限制权利要求的范围。
图1为根据符合本说明书的实施例的系统的方块图。
图2显示了用于形成符合本公开的金属物体的方法的流程图。
图3显示了用于形成符合本公开的金属物体的方法的流程图。
图4A-C显示了用符合本公开的装置和方法产生的金属膜的图像。
图5D-F显示了用符合本公开的装置和方法产生的金属膜的图像。
图6A-C显示了在石英和金属微粒基板上产生的金属膜的图像。
遍及附图，相同的参考数值指示类似的，但是不必相同的要素。附图不必是按尺寸的，并且一些部件的尺寸可被放大，以更清晰地阐释显示的实施例。而且，附图提供了符合说明书的实施例和/或实施方式；但是，说明书不限于附图中提供的实施例和/或实施方式。
具体实施方式
形成金属组件已经成为机械加工和铸造的领域。物体的三维打印的开发允许“打印”聚合物组分，其可为脱蜡铸造，以形成金属部件。但是，打印的聚合物组分仍缺少一些期望的金属特性，尤其蠕变抗性、导电性和延伸性。本说明书描述了三维形成金属组件的方法以及其他主题。
作为例子，在表面上形成金属微粒的层。将掩模选择性施加至金属微粒的层。掩模减少来自脉冲辐照源的辐射的吸收。脉冲辐照光源提供了在金属微粒的层中转换成热的辐射：未掩模部分的层熔化和固结，但是掩模部分的层不吸收同样多的热并且保持微粒。层冷却并且熔化部分的层固化。将微粒的另一层形成在之前的层的顶部上并且施加另一掩模。重复该工艺，逐层构建金属物体，直到实现期望的厚度。然后，从形成床去除物体。在一些情况下，可然后将另外的工艺施加至物体，例如：抛光、喷丸处理、喷砂处理、振动精加工、电解抛光、涂布、退火、机械冷加工等。另外的工艺也可包括传统的机械加工操作。
使用处理整个金属层的脉冲辐照光源同时提供了产生量的优势。可如此使用脉冲辐照光源。例如，与使用受激光的脉冲速率和脉冲尺寸影响的在部件上形成光栅的激光不同，施加大的加热效应使得层的目标区域同时熔化。因为产生量是用于形成方法的成本效率的明显驱动因素，所以使用洪水型加热增加了产生量并且减少了形成部件的时间。激光和类似的局部加热在加热和冷却期间也具有产生局部应力和热影响区的挑战。
当熔化的固结金属固化时，已经观察到了破裂和弯曲。熔化的区域横向接触邻近的金属微粒，其中基板在下方，并且气体，例如空气在上方。来自熔化的部件的热的耗散取决于邻近材料的导热系数以及热温差。冷却速率和熔化的金属各个部分的固化的顺序是基板、气体和金属微粒的形状和相对导热系数的函数。
金属一般具有相对高的导热系数，在某种程度是由于电子移动穿过金属原子晶格的能力。即使当考虑更多的多孔金属基质中减少的接触区域时，可观察到相对高的导热系数。但是，已经观察到金属颗粒层的导热系数可小于10％并且可能低至固结金属的导热系数的1％。不是电子迁移提供了大部分热传递，而是其他机制，包括辐射传递好像是能量转移的原因。结果是横向传热好像低于进入用于金属和/或石英基板的基板的传热。这好像产生了单个初始金属层(或多个初始金属层)的破裂和弯曲并且抑制部件形成。
本说明书描述了使用导热系数接近金属颗粒层的导热系数的基板，以便产生没有上述弯曲和破裂的部件。使用在施加热的情况下稍微软化/熔化的基板也粘住了初始金属层，从而减少金属部件的弯曲。
使用具有适当导热系数的基板减少了三维打印金属部件的初始金属层中破裂和弯曲的情况。一旦构建了数个层，因为金属部件支撑新层并且抵抗弯曲，所以克服了弯曲的问题。使用聚合物层作为基板，其中当作为固结工艺的一部分加热时，聚合物层软化和/或变得“发粘”，也有助于将初始金属层保持在适当的位置并且防止弯曲。控制和/或防止开发部件的弯曲利于尤其形成金属微粒的层的工艺自动化并且在形成的部件中不留下空隙和/或裂纹。
在其他实施例中，本说明书描述了一种系统，该系统包括：聚合物基板，其导热系数小于0.5W/(m-k)；涂布器，用于在聚合物基板上形成金属微粒的层；掩模敷料器，用于将掩模施加至金属微粒的层的一部分；和脉冲辐照光源，用于使未被掩模覆盖的金属微粒的层的部分熔融。
在其他实施例中，本说明书也描述了一种形成金属物体的方法，该方法包括：在聚合物基板上形成金属颗粒的层，其中聚合物基板比金属颗粒的层具有更低的导热系数；将金属颗粒的层的一部分掩模；和使用脉冲辐射光源，使金属颗粒的层的未掩模部分熔化。
本说明书也描述了一种形成金属物体的方法，该方法包括：使金属微粒的层在聚合物基板上熔融；和在熔融到聚合物基板上的金属微粒的层的顶部上，形成连续的熔化的金属微粒的层。
现转向附图，图1显示了根据符合本说明书的一个实施例的系统(100)。系统(100)包括：聚合物基板(110)，其导热系数小于0.5W/(m-k)；涂布器(150)，以在聚合物基板(110)上形成金属微粒的层(120)；掩模敷料器(140)，以将掩模(130)施加至金属微粒的层(120)的一部分；和脉冲辐照光源(160)，以使未被掩模(130)覆盖的金属微粒的层(120)的部分熔融。
系统(100)是用于形成金属制品的系统。系统(100)逐层形成金属制品。通过涂布器(150)形成金属微粒的层(120)。然后，掩模敷料器(140)将掩模(130)施加在金属微粒的层(120)的一部分上。在一个实施例中，通过被掩模(130)覆盖的金属微粒的层(120)的一部分，掩模(130)减少了来自脉冲辐照光源(160)的热的吸收。当脉冲辐照光源(160)照射金属微粒的层(120)时，未掩模部分熔化，固结并且冷却，以形成固体金属层，并且掩模部分不熔化。然后，逐层重复该工艺，直到最终形成金属制品。然后，将金属制品与金属微粒分开。金属微粒可被重新使用。
基板(110)为聚合物基板。在本说明书和相关权利要求的背景下，聚合物包括非晶聚合物、结晶聚合物、半结晶聚合物和类似状态的聚合物。
本发明人的实验已经发现当基板(110)的导热系数大于横向来自金属颗粒的层(120)的未掩模部分的导热系数时，可出现形成的金属层的破裂和/或弯曲。金属制品的前几层中的这些缺陷可使得难以形成随后层，并且可使得自动化和/或半自动工艺难以实现。一旦已经形成了金属制品的数个层，则因为它们固化使得金属层抵抗新层的弯曲。
当进入基板(110)的导热系数和横向进入金属微粒的层(120)的导热系数类似时，可减少和/或防止固化的金属层的破裂和弯曲。颗粒层可具有的导热系数基本上低于材料的导热系数。例如，金属颗粒的层可具有的导热系数小于相应金属的导热系数的10％。金属颗粒的层可具有的导热系数小于相应金属的导热系数的1％。金属微粒的层(120)的实际导热系数可取决于许多因素，包括：微粒中的材料、微粒的尺寸分布、金属微粒的层(120)的压实状态、使用的脉冲辐照光源、脉冲长度、脉冲谱、金属微粒的吸光度曲线、床和/或金属微粒的温度，以及金属微粒的层(120)的厚度和/或均匀性。
基板(110)包括聚合物。基板(110)可为单层。基板(110)可包括多层。基板(110)具有的导热系数不大于1.0W/(m-K)。基板(110)可具有的导热系数不大于0.5W/(m-K)。基板(110)可具有的导热系数不大于0.1W/(m-K)。基板(110)可具有的导热系数不大于0.07W/(m-K)。基板(110)可具有的导热系数不大于0.05W/(m-K)。
在一个实施例中，形成第一固结层的不锈钢晶格具有的估计导热系数为0.01至0.10W(m-K)。相反，由30微米至60微米不锈钢粉末制造的微粒的层(120)可具有的导热系数为3至6W(m-K)。并且，不锈钢金属可具有的导热系数为22至87W/(m-K)。因此，微粒的层可大体上具有固体大块材料的导热系数的10％，并且单个固结初始层和/或多个固结初始层可具有的导热系数为粉末层的导热系数的10％至1％或比粉末层的导热系数小。此外，作为液相的金属层的固结，因为移动的金属使得表面积最小化，可倾向于将固结金属的边缘牵引离开邻近的金属颗粒，形成空气空隙，其进一步有助于均匀散热的挑战。
基板(110)可包括另外的材料，以改变导热系数。例如，基板(110)可包括选自下述的热绝缘材料：纳米纤维、充气凝胶、聚合物珠、聚合物纤维、玻璃细丝、陶瓷颗粒、纳米颗粒聚合物粉末和其组合。基板(110)可包括选自下述的导热材料：金属微粒、金属化聚合物纤维、微粒和其组合。
在一个实施例中，基板(110)包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(乙二醇修饰的)(PEGT)。基板可包括聚碳酸酯(PC)。基板(110)可包括热塑性和/或热固性塑料。热塑性塑料的一些例子包括：高密度聚乙烯(HDPE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，丙烯酸)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚酰胺(尼龙)、聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)和/或聚氯乙烯(PVC)。一些适当的热固性聚合物包括：环氧树脂、丙烯酸酯类、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、其他聚酯、聚氨酯、多酚和聚氨基树脂。
基板(110)可配制为使得穿过基板的第一导热系数等于穿过金属微粒的固结层(120)的第二导热系数。第一导热系数可为第二导热系数的80％至120％。第一导热系数可为第二导热系数的50％至200％。
基板(110)可为注射模制部件。基板(110)可为流延膜。基板(110)可为均质的。基板(110)可为非均质的。在一个实施例中，基板(110)包括第一聚合物的顶膜和第二材料的衬底。
基板(110)可为基本上平的。基板(110)可包括突出物、隆起物、断片、棱、沟和/或其他机械特征，以确保基板(110)在适当的位置，和/或利于形成和/或鉴定金属部件。
通过涂布器(150)形成金属微粒的层(120)。金属微粒的层(120)可包括单种材料。金属微粒的层(120)可包括多种类型的材料。在一个实施例中，多种类型的材料在层中，以对应于待形成的物体的形状的方式图案化。金属微粒的层(120)可为固定深度。金属微粒的层(120)可为非均匀的深度。金属微粒的层(120)可从一侧向另一侧倾斜。金属微粒的层(120)的顶面可为平坦的和/或与地面平行。在一个实施例中，打印头(140)和金属微粒的层(120)的顶面之间的距离均匀横跨金属微粒的层(120)的工作区域，其中工作区域是用于产生固结金属部件的区域。
掩模可被物理沉积在金属微粒的层(120)的顶面上。在一个实施例中，使用打印头沉积掩模。掩模可包括各种材料，以减少来自脉冲辐照光源(160)的电磁波的吸收。掩模(130)可使用颜料，以减少来自脉冲辐照光源(160)的辐射的吸收。在一个实施例中，掩模(130)包含二氧化钛，以减少来自脉冲辐照光源(160)的能量的吸收。掩模(130)可包含其他白色颜料，例如：锑白(Sb2O3)、锌白、硫化锌、氧化锌、硫酸钡、铅白和/或其组合。掩模(130)可包括减少吸收的金属化的颗粒。掩模(130)可包括铝、银和/或其他金属涂布的颗粒。
掩模(130)可在溶液中是可溶的，而金属颗粒在溶液中是不可溶的。例如，掩模可为水溶性的并且水清洗用作再加工金属颗粒的一部分。掩模可为醇可溶的并且醇清洗用于再加工金属颗粒。
掩模(130)可为漏板。掩模(130)可为一次性层。可通过掩模敷料器(140)，使用各种方法，包括冲压、喷射、堆焊和/或其他图案化技术施加掩模(130)。
掩模敷料器(140)可为打印头。打印头可为热油墨喷嘴(TIJ)和/或压电油墨喷嘴(PIJ)。打印头的喷嘴的尺寸和特性可都类似。打印头可包括较大尺寸的喷嘴，用于覆盖待用掩模(130)覆盖的大区域的金属颗粒的层(120)，并且打印头也可包括较小尺寸的喷嘴，用于在掩模(130)的边缘描绘边界。在一个实施例中，掩模(130)被均匀地施加在所有掩模的区域上。掩模(130)可被非均匀地施加，例如，掩模的区域的边界可被给予更高和/或更低密度的掩模材料。
在一个实施例中，当施加掩模(130)时，打印头(140)进行多个通程。打印头(140)可在单个通程中施加掩模(130)。脉冲辐照光源(160)可被整合至打印头中。在一个实施例中，当加热未掩模的金属微粒的层(120)时，脉冲辐照光源(180)横向移动。最佳掩模施加参数、掩模组分的密度和加热循环(多个循环)可或多或少取决于系统的维度、微粒组分和尺寸以及使用的掩模而改变。
掩模敷料器(140)可将掩模(130)放置在金属微粒的层(120)上。掩模(130)可为预形成的材料的固体片。掩模(130)可为金属、聚合物、陶瓷和/或复合材料。掩模敷料器(140)可将一系列掩模(130)施加在一系列金属微粒的层(120)上。例如，掩模敷料器可包括一系列具有孔的平坦滑动片，其被顺序放置在工件上。掩模(130)可为临时的组件和/或一次性组件。例如，掩模(130)可在脉冲辐照光源(160)下升华和/或蒸发，掩模(130)可在用于固化金属微粒的层的未掩模部分的脉冲(多个脉冲)完成之后，在第二脉冲下升华和/或蒸发。在一个实施例中，掩模由水冰和/或干冰形成。
一旦未掩模部分已经被固结，则涂布器(150)在基板上和在之前的层上形成金属微粒的层(120)。涂布器(150)可包括水平刮刀。涂布器(150)可包括用于另外的微粒的进料装置，以形成金属微粒的层(120)。涂布器(150)可包括振动组件，以分布和/或压实金属微粒的层(120)。涂布器(150)可进行单个通程，以形成金属微粒的层(120)。涂布器可进行多个通程，以形成金属微粒的层(120)。在一个实施例中，随后通程增加了金属微粒的层(120)的密度。涂布器(150)可为自动的。涂布器(150)可为半自动的。涂布器(150)可由使用者手动操作。
涂布器(150)可形成深度均匀的金属微粒的层(120)。涂布器可改变形成的金属微粒的层(120)的深度，作为金属部件中的位置、床中的位置和/或特征分辨率的函数。在一个实施例中，涂布器(150)为初始层和/或初始数层使用第一厚度，并且然后为部件的剩余部分改变至第二厚度。
涂布器(150)可为辊。辊可在运动的方向上旋转或在运动的相反方向上旋转。在一些实施例中，辊有助于压实金属微粒的层(120)。涂布器(150)可为推杆。涂布器(150)可包括水平刮刀。涂布器(150)可包括多个辊，例如，用于弄平的第一辊，和用于压实的第二辊。
除了展开微粒，涂布器(150)可提供另外的功能。涂布器(150)可压实微粒。涂布器可使微粒图案化。涂布器(150)可施加微粒。涂布器可将金属微粒的层(120)加热和/或冷却，然后施加掩模(130)。涂布器(150)可与掩模敷料器(140)组合。在一个实施例中，用掩模(130)展开和的图案化的操作在单个通程中进行。
涂布器(150)可包括多个颗粒进料装置。在一个实施例中，涂布器(150)为初始层提供颗粒的第一分布和随后层中颗粒的第二分布。涂布器(150)可将颗粒的第一分布提供在第一通程上并且较小颗粒的第二分布提供在第二通程上。涂布器(150)可接近层的底部施加更小颗粒的第一分布和接近金属颗粒的层(120)的顶部施加包括更多、更大颗粒的第二分布。这可使得使用来自脉冲辐照光源(160)的较低的能量输入，因为更小的颗粒比更大的颗粒具有更快的动力学和/或更低的熔化温度。因此，金属微粒的层(120)中的温度梯度可通过将金属微粒的层(120)结构化来适应。
脉冲辐照光源(160)提供能量，以使金属颗粒的层(120)的未掩模部分熔化和/或烧结在一起，而不使金属颗粒的层(120)的掩模部分熔化和/或烧结。脉冲辐照光源(160)可为静止的。脉冲辐照光源(160)可移动，例如，脉冲辐照光源(160)可从床的一侧移动至床的另一侧。来自脉冲辐照光源(160)的能量输出可为脉冲的和/或稳态的。来自脉冲辐照光源(160)的能量输出可均匀横跨金属微粒的层(120)。在其他实施例中，能量输出是非均匀横跨金属微粒的层(120)。可基于输出的非均匀性和未掩模的微粒的层(120)的未掩模部分的形状，调整脉冲辐照光源(160)相对于金属微粒的层(120)的位置。类似地，取决于金属微粒的层(120)的未掩模部分的尺寸、形状和位置，可调整层之间脉冲辐照光源(160)的曝光时间和/或能级。可调整第一层、前几层和/或在已经加工了大量的层之后的层，例如八层之间脉冲辐照光源(160)的曝光时间和/或能级。
脉冲辐照光源(160)可提供辐射，辐射被优选吸收，以在金属微粒的层(120)的未掩模部分中产生热。脉冲辐照光源(160)可用于修饰基板(110)的特性。在一个实施例中，脉冲辐照光源(160)可用于促进基板(110)中的化学反应，比如交联。脉冲辐照光源(160)可用于软化和/或熔化基板(110)的顶面，以增加金属微粒和/或固结金属部件的粘合。
脉冲辐照光源(160)可发射主要在可见、紫外(UR)和/或近红外(近IR)范围的辐射。脉冲辐照光源(160)可为气体放电灯。这种灯产生宽范围的发射谱。脉冲辐照光源(160)可为能够产生目标表面的洪水样照射的单色源，比如激光器和/或发光二极管(LED)，和/或激光器和/或LED的套件。脉冲辐照光源(160)可具有的曝光时间小于1毫秒(ms)。脉冲辐照光源(160)的曝光时间的范围可在微秒的10s(μβ)和ms的100s之间，其取决于使用的具体脉冲辐照光源(160)、掩模(130)材料、床的几何结构、金属微粒的层(120)的厚度、金属微粒的组成和尺寸、金属微粒的层(120)的掩模部分与未掩模部分的比例，和/或其他因素。
图2显示了形成符合本公开的金属物体的方法(200)的流程图。方法(200)为形成金属物体的方法(200)。方法(200)包括：在聚合物基板(110)上形成金属颗粒的层(120)，其中聚合物基板(110)比金属颗粒的层(120)具有更低的导热系数(280)；将金属颗粒的层(120)的一部分掩模(282)；和使用脉冲辐射光源(160)，使金属颗粒的层(120)的未掩模部分熔化(284)，
方法(200)为形成金属物体的方法(200)。方法(200)包括在聚合物基板(110)上形成金属颗粒的层(120)，其中聚合物基板(110)比金属颗粒的层(120)具有更低的导热系数(280)。聚合物基板(110)可为板材料。聚合物基板(110)可为注射模制部件。聚合物基板(110)可为复合材料，其包含增加和/或降低聚合物基板(110)的导热系数的材料。
聚合物基板(110)可被加热，以使聚合物基板(110)的顶面软化和/或熔化，然后展开金属颗粒的层(120)。金属颗粒的层(120)可通过手动展开。金属颗粒的层(120)可通过机器展开。金属颗粒的层(120)可包括多个材料。金属颗粒的层(120)可包括多个尺寸分布的金属颗粒。
展开金属颗粒的层(120)可进一步包括压实金属颗粒的层(120)。展开金属颗粒的层(120)可包括从多个方向进行多个通程，以实现更均匀的金属颗粒的层(120)。展开金属颗粒的层(120)可包括将金属颗粒图案化，这取决于计划的掩模的和未掩模的区域。
方法(200)包括将金属颗粒的层(120)的一部分掩模(282)。掩模可通过用打印头施加掩模进行。掩模可通过将模板放置在脉冲辐照光源(160)和金属颗粒的层(120)之间来完成。掩模(130)可为预形成的并且作为板材的材料施加至金属颗粒的层(120)。掩模(130)可设计为在暴露于脉冲辐照光源(160)之后蒸发和/或升华。在一个实施例中，掩模(130)材料用作烧蚀保护并且施加的使金属颗粒的层(120)的未掩模部分熔化的热去除了大部分掩模(130)，例如，通过升华。
方法(200)包括使用脉冲辐射光源(180)，使金属颗粒的层(120)的未掩模部分熔化(284)。使用脉冲辐照光源(160)使得金属微粒在相对短的时间范围内熔化。脉冲辐照光源(160)也可使得同时加热金属颗粒的层(120)的整个未掩模部分，减少加工层的时间和形成金属物体的总时间。在一些实施例中，脉冲辐照光源(160)可施加多个脉冲。脉冲辐照光源(160)可使用固定脉冲，即固定的能量和固定的时间。脉冲辐照光源(260)可使用改变的脉冲，其中能量和/或脉冲长度取决于加工条件而改变。
方法(200)可进一步包括：重复形成、掩模和熔化，以构建多层固体金属物体。方法(200)可进一步包括从所得金属物体去除聚合物基板。使金属颗粒的层(120)的一部分掩模可用打印头进行。聚合物基板(110)可为聚对苯二甲酸乙二醇酯(乙二醇修饰的)(PEGT)。聚合物基板(110)可为聚碳酸酯。在一些实施例中，形成的金属物体在没有烧结操作的情况下是大于99％致密的。
在一系列实验中，观察到增加脉冲辐照光源(160)施加的能量的能级、增加总能量超过用于固结金属微粒的能量可造成在较低能量下工作良好的系统破裂和/或弯曲。这可能是由于随着更多的能量输入至熔化的区域中而增加了相对导热系数的重要性。基板(110)导热系数和金属膜的横向导热系数之间的更好的相关性可为加工产生更大操作窗口。类似地，随着金属部件积聚至数层，例如，在一个情况下八层，金属增加的导热系数可允许更宽范围的加工参数。
在一个实施例中，第一组参数用于第一层和/或前几层金属部件，并且第二组参数用于随后的层。例如，第一层可在较低的能级下操作并且一旦已经积聚了多层，则可使用增加量的能量。第一层(和/或多层)可具有不同的层厚度、组成和/或其他修饰，以增加鲁棒性。例如，初始层可包括提供其他参数的第二分布的金属微粒。例如，初始层可包括更高浓度的更小微粒和/或完全不同分布的微粒。与更大的分布相比，更小的和/或更均匀的金属微粒可产生更一致和更低的熔化能量。初始层可包括少量的更高导电性的微粒，这取决于计划使用的金属制品。例如，初始层(多层)可包括至多1wt.％的导热金属，比如铜(假设这种材料与用于形成金属物体的其他金属颗粒形成可溶性溶液)。该初始层可通过第二操作，例如，研磨和/或抛光而去除。
初始层(多层)可使用更薄的层厚度，使用更低的能级和更少的能耗散，以避免破裂和弯曲。通过使用更薄的层，和更少的能量进入更薄的层中，减少了固结金属中需要通过层横向耗散并且进入聚合物基板(110)的热量。一旦积聚了足够数量的具有相应厚的基底层，层厚度可增加并且更高能量的脉冲用于减少部件形成时间而不诱导形成的金属物体中的破裂和/或弯曲。
在另一实施例中，基板(110)可被温热，然后形成金属微粒的层(120)。金属微粒的层可被温热，然后施加掩模(130)。这可减少金属微粒的层(120)的固结区域和基板(110)之间的热梯度。因为热流量取决于导热系数和温度梯度，所以在第一层和/或多层期间减少温度梯度可减少破裂和/或弯曲。
图3显示了符合本公开的形成金属物体的方法(300)的流程图。方法(300)是形成金属物体的方法(300)。方法(300)包括：使金属微粒的层(120)在聚合物基板(110)上熔融(390)；和在聚合物基板(110)上熔融的金属微粒的层(120)的顶部上形成连续的熔化的金属微粒的层(392)。
方法(300)为形成金属物体的方法(300)。更具体而言，方法(300)为减少使用逐层构建而形成的金属物体的初始层中破裂和弯曲的方法(300)。
方法(300)包括使金属微粒的层(120)在聚合物基板(110)上熔融(390)。聚合物基板(110)的使用提供了两个优势来减少破裂和弯曲。第一，聚合物基板(110)具有更低的传热系数，从而横向至其他金属微粒的热传递和向下至基底中的传递接近。这减少了可诱导破裂和/或弯曲的非均匀性。聚合物基板(110)也可将金属层粘在适当的位置，提供了对于弯曲和/或破裂的机械抗性。该粘性尤其用于开发结构的第一层(多层)。
方法(300)也包括在聚合物基板(110)上熔融的金属微粒的层(120)的顶部上形成连续的熔化的金属微粒的层(392)。一旦基底在适当的位置处，可构建另外的金属层。基板(110)仍提供绝缘和积聚层用于提供增加的对于抵抗变形和弯曲的机械强度。
在一些实施例中，第一组加工条件用于金属物体的第一层(多层)并且第二更高能量组的加工条件用于一旦基底在适当位置处的层。用于使混合层固结的能量密度可小于用于使连续的层固结的能量密度。之前的层的强度可稳定抵抗弯曲的形式。之前的层可减少加热和/或冷却的热冲击。
方法(300)可包括从固结的金属层去除聚合物基板(110)。方法(300)可包括使聚合物基板(110)溶解，而不使熔融的金属微粒的层(120)溶解。方法(300)可包括使聚合物基板(110)熔化，以从金属物体去除基板(110)。方法(300)可包括从金属物体机械去除聚合物基板(110)。
图4A-C显示了用符合本公开的装置和方法产生的金属膜的图像。图4A-4C中显示的三个显示的金属膜的每一个在聚碳酸酯(PC)基板上产生。金属膜的厚度为约100微米(μm)。金属膜由不锈钢微粒形成。将金属微粒的层(120)暴露于10毫秒(ms)脉冲。图4A中的膜具有的能量为28.9J/cm2。图4B中的膜具有的能量为31.8J/cm2。图4C中的膜具有的能量为35.8J/cm2。更高的能量脉冲(44.5J/cm2，未显示)使得顶层聚合物熔化，而抑制形成期望的金属膜。因此，装置和方法将膜粘在适当的位置，但是未使聚合物基板熔化。对于初始层(多层)，使用更低能量脉冲可用于减少破裂和/或弯曲。
增加进入膜的能量好像与膜的更大的破裂(由黑箭头指示)相关。这与有促进破裂的散热一致。更多能量和更多的热产生更大的热梯度和来自传热速率差的更大影响。我们注意到，即使更高的能量，图4B和4C中显示的膜明显更好于在石英(图8A)和/或金属微粒层(图6B和6C)上形成的膜。这认为是由于聚碳酸酯基板更低的导热系数(约0.05-0.088W/(m-K))，其接近形成的膜层中的导热系数速率。在第一层(多层)形成和固结膜的导热系数增加之后，可增加能量以在更强健的操作区中进行处理。更高的能量也可利于形成的多层金属物体的顺序层之间的粘合。
图5D-F显示了用符合本公开的装置和方法产生的金属膜的图像。图5D-5F中的金属膜在固体PEGT(聚对苯二甲酸乙二醇酯(乙二醇修饰的))基板上产生。金属膜为约100微米(μm)厚。金属膜由不锈钢微粒形成。膜显示没有破裂和弯曲，并且没有由黑箭头指示的裂纹。固体PEGT具有的导热系数为约0.045-0.072W/(m-K)。
图5D-5F用10ms脉冲产生。脉冲能量从图5D中的28.9J/cm2增加至图5E中的31.8J/cm2，和图5F中的35.8J/cm2。尽管聚碳酸酯和PETG中导热系数的范围重叠，但是图像和所得膜显示这种工艺可能对于基板的导热系数特性相当小的改变敏感。因此，选择导热系数与新固结的金属膜的导热系数类似的固体聚合物基板是增加用于形成固结的金属膜和由固结的金属膜形成多层物体的鲁棒性和加工窗口的有效的方法。
图6A-C显示了在石英和金属微粒基板上产生的金属膜的图像。图6A显示了由不锈钢微粒形成的100微米膜。该膜在固体石英基板上形成。石英具有比聚碳酸酯和/或PEGT更高的导热系数，部分取决于石英的加工历史，石英的导热系数评估范围为0.54至2.8W/(m-K)。
图6A中未提供箭头，但是可看到破裂，例如，在膜的左手侧。金属膜的周界变色并且金属膜的弯曲是明显的。弯曲和破裂在其中热梯度被认为更高的膜的边缘好像更普遍。在膜的边缘变色也集中。
图6B和6C显示了在金属微粒基板上产生的两个金属膜。对于30至60微米直径不锈钢微粒，金属微粒基板被评估为具有的导热系数为大概3至6W/(m-K)。尽管这些膜未显示图6A中看到的相同变色，但是存在广泛的破裂和弯曲。图6B和6C中，弯曲好像集中在膜的边缘附近。因此，与固体聚合物基板相比，石英和粉状金属微粒基板都好像产生了具有更大破裂和/或弯曲的膜。
金属微粒的层(120)具有的密度为固体金属的约50％。因为金属微粒是熔化的，所以没有二次烧结操作的情况下，可实现非常高的部件密度，例如，高于95％。在一些实施例中，在没有二次烧结操作的情况下，可实现大于99％的密度。二次烧结在一些金属形成技术中用于增加形成的金属物体的密度。但是，二次烧结的使用也可导致最终物体降低的尺寸稳定性，增加的最小公差，和/或增加的最小特征尺寸。因此，在没有二次烧结操作的情况下形成高密度金属物体的能力可提供更大的尺寸再现性和更好的符合金属部件的尺寸公差。
已经呈现了前述说明，以阐释和描述所描述原理的实施例。该描述不旨在是穷尽性的和/或将这些原理限于公开的任何具体形式。鉴于上述教导，许多修饰和变型是可能的。
Claims (15)
1.一种系统，所述系统包括：
聚合物基板，所述聚合物基板具有的导热系数小于0.5 W/(m-k)；
涂布器，用于在所述聚合物基板上形成金属微粒的层；
掩模敷料器，用于将掩模施加至所述金属微粒的层的一部分；和
脉冲辐照光源，用于使未被所述掩模覆盖的所述金属微粒的层的部分熔融。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述聚合物基板具有的导热系数小于0.1W/(m-K)。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述聚合物基板具有的导热系数小于0.07W(m-K)。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述聚合物基板具有的导热系数小于0.05W/(m-K)。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述聚合物基板具有的导热系数低于所述金属微粒层的导热系数。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述掩模敷料器为油墨喷嘴。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述聚合物基板为复合材料。
8.一种形成金属物体的方法，所述方法包括：
在聚合物基板上形成金属颗粒的层，其中所述聚合物基板比所述金属颗粒的层具有更低的导热系数；
将所述金属颗粒的层的一部分掩模；和
使用脉冲辐射光源，使金属颗粒的层的未掩模部分熔化。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：重复形成、掩模和熔化，以构建多层固体金属物体。
10.根据权利要求8所述的方法，其中将所述金属颗粒的层的一部分掩模用打印头进行。
11.根据权利要求8所述的方法，其中聚合物基板为聚对苯二甲酸乙二醇酯(乙二醇修饰的)(PEGT)。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括，从所得金属物体去除所述聚合物基板。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所形成的金属物体在没有烧结操作的情况下是大于99％致密的。
14.一种形成金属物体的方法，所述方法包括：
使金属微粒的层在聚合物基板上熔融；和
在所述聚合物基板上熔融的所述金属微粒的层的顶部上，形成连续的熔化的金属微粒的层。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括，使所述聚合物基板溶解而不使所述熔融的金属微粒的层溶解。
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