CN110997186A - 增材制造组件和方法 - Google Patents

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凯特·布兰克
保罗·R·乔克
克里斯托弗·J·萨克利夫
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University of Liverpool
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Abstract

一种3D打印的方法，包括：提供一层粉末床；将功能性粘结剂喷射到该层的选定部分上，其中粘结剂渗入粉末床中的孔内并原位局部熔合粉末床的颗粒；依次重复在顶部施加一层粉末和选择性地喷射功能性粘结剂所述步骤多次，以提供通过印刷的功能性粘结剂在选定位置粘合的粉末床；和将所得的粘合3D结构从粉末床中取出。

Description

增材制造组件和方法
技术领域
本发明涉及增材制造，也称为3D打印，具体地涉及粘结剂喷射，在粘结剂喷射中使用的组件以及所得产品。
背景技术
增材制造(通常称为3D打印)是包含了通过形成或“打印”3D对象的几类方法或工艺的术语。3D对象通常是逐层构建的，并且该方法在形成层的方式以及它们由什么制成方面有所不同。
一些方法需要聚合或固化液体材料。例如，在桶光聚合中，将平台降低到液体可聚合材料(例如，环氧丙烯酸酯树脂)的桶中，使其略低于表面。激光辐射用于聚合和硬化平台上方层的选择部分。然后将平台稍微降低，以使新的液体层位于表面(这可通过使用整平或涂覆刀片将其均匀化)，并重复聚合过程。该降低、涂覆和聚合的程序逐层重复，直到形成所需的三维结构。然后，可以抬起平台，并取出产品和进一步处理。后处理通常包括去除支撑结构(其可以在聚合步骤期间形成)和任何其他残余材料，然后进行高温固化，随后进行精加工，例如产品砂磨。
一些其他过程需要通过挤出塑料或聚合物材料(或较少见的其他材料)来形成3D结构的每一层。这被称为挤出沉积或熔融沉积模制(FDM)。材料，例如将聚乳酸树脂进料到挤出机中，在其中将其加热并通过沿X和Y方向移动的喷嘴挤出。选择性沉积的材料在冷却时固化。与桶聚合方法一样，该结构通常位于构建平台上，该构建平台通常在每一层的沉积之间向下移动，并且通常需要支撑结构，特别是对于悬垂的结构部分。这种挤出方法是最常见的3D打印方法之一，并广泛用于消费类3D打印机中。
增材制造的另一类别是材料喷射，其与挤出沉积相似，其中材料通过沿X和Y方向移动的喷嘴沉积。不同于挤出，而是将材料喷射到平台上。类似于常规的二维喷墨打印，使用打印头将材料(例如，蜡或聚合物)以液滴形式施加。液滴固化，然后施加连续的层。一旦形成结构，就可以对其进行固化和后处理。与上面讨论的其他方法一样，可以在程序期间合并支撑结构，然后在后处理期间将其去除。
粉末床融合(PBF)方法需要选择性粘结颗粒材料。这可以通过将一部分粉末或一层材料的颗粒融化并熔合在一起，然后降低床身，添加另一层粉末并重复熔融和融合过程来完成。围绕融合材料的未融合粉末提供支撑，因此与上述某些方法不同，使用支撑结构可能不是必需的。此类方法包括直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔融(EBM)、选择性热烧结(SHS)、选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)。考虑到与此类方法相容的材料类型(包括金属和聚合物)，可以制造功能性高强度材料。
粘结剂喷射方法与粉末床融合方法相似，因为它们使用粉末或颗粒材料层。然而，常规的粘结剂喷射方法与粉末床融合方法的不同之处在于，粉末最初并不熔合在一起，而是与从打印头喷射到结构上的粘结剂保持在一起。粘结剂可以被着色并且颜色可以被赋予粉末，从而允许彩色3D打印。通常，将粘结剂以特定图案施加到粉末层上，然后重复施加粉末层和选择性施加粘结剂的步骤。
通常，粘结剂喷射需要使用粘结剂作为牺牲材料，其在后处理步骤中被改变或去除。这是因为粘结剂通常会赋予足够的机械强度(称为“生坯强度”)以使结构能够自支撑并在其构建时保持其形状，和在制造过程中承受机械操作，但强度不足以承受具有预期最终用途的功能。因此，通常随后在后处理步骤中加热结构以去除粘结剂(脱粘过程)并将构建材料融合在一起，以确保产品适合用于包括承重或其他用途的目的。
粘结剂喷射也被称为“滴定(drop-on)”技术，“粉床和喷墨3D打印”，或有时仅称为“3D打印”，尽管如本文所述，还有许多其他不同类型的3D打印。在粘结剂喷射中使用的粘结剂通常是液体，并且就喷墨施加过程而言通常被称为“油墨”。
传统粘结剂喷射的一个挑战涉及孔隙率。后处理的热处理步骤去除粘结剂并融合结构，但留下明显的孔隙率。这部分地由于粉末床颗粒可能具有的固有填充密度，且部分地由于脱粘过程。脱粘过程还会引起其他问题，特别是收缩和污染。保留的孔会损害机械性能。可以使用进一步的渗透步骤来填充孔，但这增加了复杂性，并且通常需要不同类型的材料，因此最终产品通常比由单一材料制成的等效材料弱，并且更难以回收。
3D打印的其他方法包括层压方法(其中形成单片并将其层压在一起)和定向能量沉积(其中将粉末供应至表面并在沉积时通过例如激光束融合)。
英国一项创新调查评估显示，2014年全球所有增材制造产品和服务市场价值41亿美元。目前，在直接零件生产的推动下，该行业在过去三年中的全球年复合增长率为35％，现已占总收入的43％(“塑造我们在增材制造领域的国家竞争力(Shaping our NationalCompetency in Additive Manufacturing)”，2012年：https://connect.innovateuk.org)。预计到2020年，未来的增长预计在210亿美元左右，这预期将受到航空航天、医疗设备、汽车和创意产业采用增材制造的推动(“3D打印及增材制造行业现状(3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry)”，W.A FortCollins,Editor 2014)。增材制造已成为高价值制造领域的核心技术。金属是增材制造领域增长最快的部分，打印机销售增长48％，材料销售增长32％(Harrop,R.G.A.J.,3DPrinting of Metals 2015-2025Pricing,properties and projections for 3Dprinting equipment,materials and applications,IDTechEX,2015.)。Campbell等人(CampbellL,R.I.,Bourell,D.and Gibson,I.,“Additive manufacturing:rapidprototyping comes of age,”Rapid Prototyping Journal,2012,18(4):p.255)指出了增材制造技术的发展的行业驱动因素可分为:
·汽车-快速且可预测地将新产品投放市场的能力大大降低了总体汽车开发成本。
·航空航天-实现具有集成机械功能的高度复杂和高性能零件，消除装配特征并实现内部功能(例如冷却等)的创建。
·医疗-将3D医学影像数据转换为定制的实体医疗设备、植入物和假体。
如果可以克服诸如材料性能不一致的障碍，增材制造被认为是一种颠覆性技术，可能会带来革命性的变化，改变游戏规则。本发明直接解决了这个问题。
发明内容
我们现在已经开发出一种使用新型粘结剂组分的粘结剂喷射新方法。
从第一方面，本发明提供了一种3D打印的方法，包括：
(i)提供了一层粉末床；
(ii)将功能性粘结剂喷射到所述层的选定部分上，其中所述功能性粘结剂渗入粉末床中的孔中并原位局部融合粉末床的颗粒；
(iii)依次重复在顶部施加一层粉末和选择性地喷射功能性粘结剂的上述步骤多次，以提供通过打印的功能性粘结剂在选定位置粘合的粉末床；和
(iv)将所得的结合3D结构从粉末床中取出。
在本文中，“功能性粘结剂”是指不仅将构建材料粘结在一起的粘结剂(通常，构建材料包括粉末床颗粒)，而且成为构建材料的一部分。本发明允许生产作为功能性产品而不是原型的最终产品。功能性粘结剂是非牺牲性的：它有助于最终产品的功能特性，例如强度、刚度、与温度有关的行为、稳定性、惰性、耐腐蚀性、导电、绝缘或电子特性，使得最终产品可能适合用作例如汽车、航空航天或医疗设备行业中的产品、零件或组件。这样的产品、零件或组件可以例如是适于在身体内或身体上使用的车辆或装置的组件。
粘结剂与粉末床颗粒的表面相互作用，从而将它们粘结在一起。粘结剂可以直接或间接地这样做；在后一种情况下，粘结剂可在喷射和/或沉积过程中反应以产生更多反应性的物质，然后其与粉末床颗粒的表面反应并与其粘结。
粘结剂可以例如是金属粘结剂、陶瓷粘结剂或聚合物粘结剂，或者可以是混合物，例如金属粘结剂和陶瓷粘结剂或不同金属粘结剂的混合物。粘结剂可将粉末床颗粒与元素金属粘合在一起，或可导致最终产品的一部分包含金属或非金属化合物或组分。因此，粘结剂可导致最终产品包含金属，例如铜、镍、钛、铝或钴等，或铝、硅、铍、铈、锆或其他金属或非金属的氧化物和/或氮化物和/或碳化物等。
在粘结剂是金属粘结剂的情况下，我们称该方法为“活性金属喷融合打印”(RMJF打印)。
在本发明中，所用的粘结剂是功能性(例如金属)粘结剂；粘结剂原位渗入粉末床颗粒之间的空隙中；并且通过施加粘结剂原位熔合粉末床颗粒。后者由于与功能性粘结剂的反应所致，并且也可以通过在比常规方法更高的温度下在粉末床上进行该工艺来促进(通常，在粘结剂喷射方法中，不加热粉末床)。不希望受到理论的束缚，化学和物理过程涉及形成构建材料。粘结剂制剂可经历化学转化以例如产生与周围粉末床物理熔合的金属。取决于粉末床温度，物理过程可能涉及吸附、扩散和/或融合。
功能性(例如金属)粘结剂与迄今为止通常使用的有机粘附粘结剂形成对比。本发明允许将油墨用作将金属或陶瓷结合到结构中的手段。即使进行了高温烧结的后处理步骤，金属或陶瓷仍保留在最终产品中。这与在现有技术中使用牺牲性粘结剂形成对比并带来了优势。
还应注意，本发明涉及功能组件或零件的制备，而不仅仅是原型。粘结剂喷射已用于快速原型制作：它使3D模型的制作变得容易。此类3D模型不是功能性的-它们的目的通常与它们的外观有关。
粘结剂在原位渗入粉末床颗粒之间的空隙中不同于仅粘合地固定粉末床层的粘结剂的常规应用。在后者中，仍然保留大量孔隙，这可能导致收缩或可能需要在后处理步骤中进行渗透程序。在本发明中，原位渗透导致更简单的过程，并且能够在解决收缩问题的同时可靠地制造结构。
任选地，渗透程度可以使得在后处理之前通过第一方面的方法制备的产品的按体积计的残余孔隙率可以不大于30％，或者不大于20％，或者不大于小于10％，或不大于5％，或不大于1％。相比之下，由于填充密度的限制，常规粉末床中可达到的密度为约60％，因此常规残留孔隙率为约40％。通过在表面水平保形地涂覆粉末床的颗粒，可以实现广泛的渗透水平。粘结剂填充或部分填充粉末床颗粒之间的间隙。与常规的粘结剂喷射打印所提供的粘合相反，粘结剂可以包含使表面驱动的反应能够引起化学融合的分子组分。
孔隙率可以通过计算机断层扫描(CT)测量，例如，根据Mattana等人Iberoamerican Journal of Applied Computing,2014,V.4,N.1,pp 18-28(ISSN 2237-4523)中描述的方法。
与使用牺牲性粘附粘结剂相比，粉末颗粒与粘结剂金属的原位熔合(例如结合、聚集或粘结)带来了进一步的优点；特别地，增强了材料的生坯强度，并且可以制备复合材料和更宽范围的定制结构。
任选地，可以进行后处理的一个或多个另外的步骤。特别地，可以对产品进行热处理以固结并进一步强化，例如可以在应用每一层之后或在构建完整个结构之后进行此操作。热处理步骤可以在适合所用材料的温度下进行。例如，在某些情况下，有利的是在接近但不超过材料熔点的温度下进行热处理步骤，例如钢1100-1300℃、铝合金590-620℃、铜750-1000℃、黄铜850-950℃、青铜740-780℃。应当指出，与将粘结剂施加到粉末床颗粒上时发生的化学过程相反，这是热处理步骤。
因此，本发明的方法有助于制备致密的，任选地基本上完全致密的功能性3D打印部件，并且特别是在金属增材制造和陶瓷增材制造方面迈出的一步。
迄今为止，只有粉末床熔合(PBF)技术，例如选择性激光熔融(SLM)，以及最近的电子束熔融(EBM)，才在功能性金属零件市场取得了重大进展。这些基于融合的技术虽然令人印象深刻，但仍存在许多问题，其中一些与次优的微观结构有关，另一些与可扩展性有关。可扩展性导致可生产对象的尺寸受到限制，制造时间较长，相对成本较高，残余应力问题以及随着零件尺寸增大而增加的生产难度。这些问题将SLM和EBM技术限制在较小的，高附加值的部分，并且很难看到如何在控制或降低成本的同时扩展该技术。
实际上，本发明将激光粉末熔融技术的灵活性和敏捷性与较早的粉末床打印技术的低成本相结合。
本发明得益于与粉末床熔合工艺相比的粘结剂喷射工艺的一些优点，例如SLM和EBM(包括：在成型过程中不需要支撑结构，更高的铺层速度、易于结垢并且没有内部应力)。同时，本发明解决了已知的粘结剂喷射技术的致命弱点，因为它用金属或陶瓷粘结剂渗入孔中，这使得该产品适合用作功能性组分，并且避免使用弱的粘结剂，其可能在后处理过程中导致部件下垂。
为了突出本发明的一些优点，考虑一些已知的比较方法是有益的。
例如，粘结剂喷射公司ExOne使用了水性粘结剂油墨，其可以策略性地将粘结剂滴到粉末床上，从而形成复杂的3D金属“生坯(green)”零件。然后通过使用后处理、热等静压的融合金属渗透来减少原型件的残留孔隙率。在这种情况下，渗透过程(>1100℃)需要使用青铜填料。因此，每个组件都包含两种合金，这使其比常规零件更弱，并且该零件更难回收。在这些过程中零件有收缩的趋势，因此，开始时需要生产超大尺寸的零件，以允许收缩。由于牺牲性粘结剂的损失而留下孔，然后在烧结过程中将其固结，从而发生收缩。对于复杂的零件，很难预测可能的收缩。已经开发出克服收缩问题的尝试，包括由Bai和Williams(Bai,Y.and C.B.Williams,Rapid Prototyping Journal,2015,21(2):p.177)进行的工作，其要求对不需要渗透的复杂3D铜组件进行第一次粘结剂喷射。使用一种热固性聚合物粘结剂来处理一系列不同尺寸的铜粉(平均直径为15.3μm至75.2μm)；在氢气/氩气中烧结后，密度达到了理论密度的78％，然而这种方法仍观察到37％的伴随收缩。而且，Ricoh Ltd的Sasaki等人最近还开发了一种新颖的粘结剂工艺，从而将金属粉末涂覆在100nm的水溶性胶层中，然后通过将水基油墨喷射到粉末床上来活化(Takafumi Sasaki,H.I.,Takeo Yamaguchi,Daichi Yamaguchi,“Coated Powder Based Additive Manufacturing using InkjetTechnique”,Printing for Fabrication,2016)。然后，发生交联以使零件硬化。尽管由于较少的粘结剂需求而减少了处理时间，但零件仍然较弱，特别是在构建方向上，使大型零件难以操作。
相反，本发明通过使用原位渗透工艺显著改善了3D粘结剂打印，其有效地逐层粘合金属或陶瓷粉末，以制造3D零件，同时用功能性金属或功能性陶瓷而不是单纯的粘结剂填充颗粒之间的孔。缺少牺牲性粘结剂油墨可使零件的收缩率降低且密度更高。本发明导致更少的浪费和快速、经济、工业相关的3D打印。
本发明的粘结剂是可以通过喷射方法施加以导致金属、合金或化合物结合到粉末床中的粉末颗粒的表面上的材料。如上所述，粘结剂是功能性粘结剂，并且可以例如是金属粘结剂或陶瓷粘结剂。粘结剂可以是化合物、盐或试剂的形式，并且可以在载体介质(例如，溶剂)中，并且除其他组分外，制剂还可以包含其他组分，例如共试剂(其例如可促进化合物向元素金属的转化)、其他颗粒和流变剂以促进喷射。
粘结剂可包含金属或合金例如有机金属材料的分子前体。有机金属材料可以是能够原位反应以导致结合到表面的金属或合金的化合物或复合物。该材料可被称为反应性有机金属油墨，因为它被打印到粉末床上并与暴露的粉末床层中的颗粒材料反应。
因此，尽管本发明可应用于一系列功能性粘结剂，但是一个重要的类别是金属粘结剂。金属功能性粘结剂油墨可能包含反应性金属化合物，例如金属卤化物或金属盐，其中最有用的反应性金属化合物是有机金属。反应性有机金属(ROM)材料会发生反应，失去配体并转变为元素金属并与粉末床的颗粒结合。
任选地，除了在分子水平上反应的组分(例如ROM)之外，粘结剂组合物还可包含纳米颗粒，例如金属或陶瓷纳米颗粒。任选地，它可以进一步包含微颗粒，例如金属或陶瓷微颗粒。
金属或陶瓷粘结剂(或油墨)能够通过化学转变或转化化学融合金属粉末。在此过程期间，金属吸附层或陶瓷吸附层将粉末床颗粒和任何填料颗粒连接起来。这类似于使用熔融焊料连接零件。
任选地，本发明中使用的金属或陶瓷组合物可以具有从分子到纳米颗粒直至微米颗粒尺寸或其任何混合物的尺寸分布。具有一定范围的不同粒度的目的是获得广泛或完全致密的微观结构。因此，尽管反应性材料例如有机金属(ROM)材料导致粉末床颗粒在表面水平下的保形涂覆，但纳米和/或微米颗粒填充了大部分空隙或间隙。因此，任选地，功能性粘结剂可包含至少两种组分：反应性材料和纳米颗粒和/或微颗粒材料。任选地，粘结剂可包含至少三种组分：反应性材料；和纳米颗粒材料和微颗粒材料。
因此，本领域技术人员将理解，粘结剂中应使用一定范围的粒度范围(例如，其范围可以从分子材料到纳米颗粒材料再到微颗粒材料)，以使粉末床颗粒之间的空间和间隙得以有效填充。由组成粉末床的组分的性质决定了要使用的最有效的粒度分布。本发明人已经认识到，对于任何特定的期望的最终材料，可以选择用于粉末床的合适的基质，并且这然后预先确定了“油墨”的粒度分布，油墨将适于生产完全填充的功能齐全的材料。
纳米颗粒是指粒度平均在1至100nm，或5至100nm，或1至50nm，或1至20nm，或1至10nm，或2至8nm，或3至7nm，或约5nm的范围内。
微颗粒是指油墨中的粒度平均在0.1至10微米，或0.1至5微米，或1至5微米，或1至3微米的范围内。
因此，粘结剂组合物可能包含三种组分，它们与粉末床颗粒一起形成构建材料：功能性粘结剂部分，纳米颗粒部分和微颗粒部分。功能性粘结剂部分可以占产品体积的0.1％至10％，例如0.5-8％，例如0.7-2％，例如0.8-1.2％，例如约1％。纳米颗粒部分和微颗部分一起可能占产品体积的10-50％，例如20-45％，例如30-40％，例如35-40％。产物中纳米颗粒部分与微颗粒部分的比例按体积计可以在10:1与1:10之间，例如在5:1与1:5之间，例如在2:1与1:2之间，例如在10:1与1:1之间，例如在5:1与2:1之间，例如在1:1与10:1之间，例如在2:1与5:1之间。
3D打印中这些工作的技能通常不包括详细的化学专业知识。本文所述的发明性方法部分地源于对如何使用化学组分相互作用以促进粘结剂喷射功效的逐步改变的理解。
从其他方面，本发明提供了用于本发明方法的功能性粘结剂组合物。
油墨渗入粉末床铺层中的孔隙率(通常为约40％的孔隙率)。渗透的材料可任选地包含多达20体积％的反应性粘结剂(例如，ROM)，其余部分由颗粒、其他组分和载体组成。这些组分一起充当渗透性金属或陶瓷粘结剂，将3D零件保持在生坯状态，直到随后可以通过热处理将其固结。通过用金属或陶瓷粘结剂填充粉末叠层，可以减少最终零件的最终孔隙率、变形和收缩。
根据本发明打印的金属包括铜、镍、钛、铝和钴。根据本发明打印的陶瓷包括氧化铝和其他材料，包括铝、硅、铍、铈、锆或其他金属或非金属的氧化物和/或氮化物和/或碳化物等。也可以生产金属陶瓷和氧化物分散增强的材料。本发明允许生产具有活性材料部分的材料，例如，形状记忆合金、压电材料等。
在金属粘结剂的情况下，任选地，本发明利用为化学气相沉积工艺开发的挥发性金属前体(反应性有机金属(ROM)化合物)作为油墨制剂的基础。我们先前已经报道了基于环戊二烯基和异氰化物配体的铜(I)金属前体家族的合成和表征。这些已注入到加热的基板上以在还原环境中形成铜金属膜(Willcocks,A.M.等人，“为沉积定制的前体：环戊二烯基铜(I)异氰酸酯配合物的合成、结构和热研究(Tailoring Precursors for Deposition:Synthesis,Structure,and Thermal Studies of Cyclopentadienylcopper(I)Isocyanide Complexes)”无机化学，2015。54(10):p.4869-4881)。我们对喷墨印刷导电银金属膜使用了相同的方法(Black,K.等人，“用于无烧结打印导电膜的银油墨配方(SilverInk Formulations for Sinter-free Printing of Conductive Films)”，Sci.Rep.,2016.6:p.20814)利用先前开发的用于原子层沉积的银反应性有机金属前体。镍粘结剂的喷墨允许基于粉末原料(例如Inconel 625)制造镍超合金金属复合材料。镍粘结剂油墨还有助于3D镍合金零件的制造。以前，乙酰丙酮镍已被用作通过大气压化学气相沉积来沉积金属镍的前体。在还原环境中，可以在250℃和更高的温度下形成金属(Maruyama,T.andT.Tago,“Nickel thin films prepared by chemical vapour deposition from nickelacetylacetonate,”Journal of Mat.Sci,1993.28(19):p.5345-5348.)。钛金属粘结剂的打印允许例如，处理基于TiAl6V4的3D组件。与印刷钛有关的一个问题是其对氧、氢、碳和氮的吸杂非常高的敏感性。为了避免这种固有的反应性，可以打印钛-阴离子“溶液”以应对打印的金属零件的不期望的中毒。一种选择是印刷氮含量<5原子％的Ti(N)或碳化物固溶体。在这种情况下，ROM前体可以基于挥发性钛酰胺(Ti(NR2)4，其中R代表结合还原环境的挥发性配体)。
除了ROM之外，还可以使用其他材料，包括例如盐、卤化物、烷基化物、烷基酰胺，甲硅烷基酰胺、有机磷化合物、有机硫化合物、有机卤化物、酮和醛等。
油墨可以结合一定浓度的ROM组分(例如约5-50％，例如10-40％，例如20-30％，w/w)，结合一定负载量的金属微颗粒和纳米颗粒(例如，约10-60％，例如20-50％，例如30-40％,w/w)。与本体相比，非常小的纳米颗粒的融合温度通常受到抑制，因为非常高的表面能:体积比的释放提供了用于融合或烧结的热力学驱动力。任选地，可以存在其他组分，例如在将金属纳米颗粒结合到3D金属零件中之前，控制它们对不期望的反应(例如，氧化)的反应性。预处理的使用可以将纳米颗粒“覆盖”或封装在保护层中以阻止氧化。任选地，离子表面活性剂(例如，BrijTM或TweenTM)可用于将金属填料输送到原料粉末留下的孔隙中。对于更大的微米级的填充金属颗粒，通常不需要封装。然而，任选地，可以通过一系列还原预处理来还原这些颗粒上的表面钝化层。任选地，可以使用封装来减少不期望的天然氧化物进入RMJF 3D零件的程度。为了使金属颗粒悬浮在ROM溶液中，可以选择使用粘度调节剂和表面活性剂来抑制颗粒团聚。
适用于本发明的材料的一些实例包括铝及其合金、形状记忆合金、氧化物强化合金、钨和钽合金、钢、镁材料、陶瓷和玻璃。例如，通过在粉末周围施加表面基质，可使镁耐火或耐腐蚀。
任何合适的材料都可以用作粉末床颗粒，包括在粉末床中常规使用的那些。这些包括金属和陶瓷，或其混合物。
取决于最终产品的期望性能和预期应用，粘结剂材料可与粉末床材料相同或可以不同。
从其他方面，本发明提供了通过本发明的方法获得或可获得的3D打印产品。这些由于其性质，例如其孔隙率和缺乏污染物或牺牲性粘结剂残留而与通过其他方法制造的产品区分开。
本发明允许制备具有适合其功能的性质的产品。
由于本发明中使用的粘结剂不是牺牲性粘结剂并且成为构建材料的一部分，因此所得产品在结构上(例如，强度或抗疲劳性)，导电性(电或热)或其他方面表现出改善的性能。不希望受到理论的束缚，本发明改善了由于裂纹和孔隙率引起的产品缺陷，从而改善了机械性能。
例如，根据本发明制成的产品的极限拉伸强度可以大于30MPa，大于50MPa，大于100MPa，大于200MPa，大于500MPa，大于1,000MPa或大于10,000Mpa。这可以平行于该工艺中形成的层，或垂直于该工艺中形成的层，或两者。
根据本发明制造的产品、部件或零件可以是汽车零件、航空组件、工程组件、结构组件、医疗设备、其植入物或组件或其假体或组件。
产品的孔隙率可以小于总体积的10％，或小于5％，或小于1％。
所使用的喷墨粘结剂打印机可以基于TTP的“Vista”技术打印头。
粘结剂喷射打印机能够打印用于多种材料的金属功能性粘结剂，并使金属粉末原料分层。
任选地，粘结剂打印系统结合了能够喷射微米级颗粒的打印头。该粘结剂打印系统能够灵活地使用一系列粘结剂油墨，并生产出一种打印系统，其能够构建复杂的3D组件，而这些组件超出了使用已知程序的当前可行范围。
从另一方面，本发明提供了用于执行本发明的方法的设备。
技术人员将理解，粘结剂的不同组分可以发挥不同的作用。
纳米颗粒材料可允许降低烧结温度并在降低孔隙率中起作用。它成为构建材料的一部分(即，非牺牲性的)。
微颗粒材料还以不同的水平在降低孔隙率方面起作用。它成为构建材料的一部分(即，非牺牲性的)。
ROM或其他分子材料可以帮助携带颗粒材料以促进喷射，可以将粉末床结合在一起，并转换成成为构建材料的一部分的材料(例如金属或陶瓷)(即，非牺牲性的)。
因此，ROM或其他分子材料促进的保形涂层和反应，结合其他组件提供的进一步空间填充，以及烧结以生产出完全填充的、功能齐全的材料，与现有技术的公开内容相比具有明显的优势。避免了材料的浪费和燃尽，并且产品具有改善的性能。
合金和其他复合材料可以通过例如使用与粉末床材料不同的组分(例如，微颗粒组分或替代地/另外地，其他组分之一)来制造。
可以通过例如使用功能化的纳米颗粒(或功能化的其他组分)将其他性能嵌入最终材料中来实现进一步的功能化。
附图说明
现在将进一步非限制性地详细的并参考附图描述本发明，其中：
图1示出了在传统的粘结剂喷射打印工艺的各阶段中生产的材料的示意图；和
图2示出了在根据本发明的方法的各个阶段中生产的材料的示意图；
图1和图2中的每一个的左侧小图(“1”)示出了在粘结剂喷射已经发生之前粉末床的一部分的横截面的图示。可以看出，颗粒之间存在明显的空隙。
图1的小图“2”、“3”和“4”中示出了传统的粘结剂喷射打印工艺的后续阶段。“2”表示打印牺牲粘结剂后的产品；“3”表示烧结并去除粘结剂后的产品；“4”示出了后处理渗透步骤后的产品。
相比而言，图2中的“2”示出了根据本发明在打印金属功能性粘结剂并同时渗透之后的产品；并且“3”示出其中没有看到明显的孔隙的烧结致密化最终产物。
具体实施方式
为了生产零件，必须逐层沉积粉末床，并以可控的方式将油墨配方输送到该床上。这就要求粉末床机制类似于市售系统，但需要定制的硬件和固件来对过程进行完全控制。打印头喷射系统设计为可完全控制喷墨打印头系统。在一些实施方案中，打印头使用TTP“Vista”技术，该技术使用机械喷射处理电缆来输送大的沉积颗粒负载的油墨，并且其可以打印当前不能通过商业上可获得的工业喷墨头打印的油墨。
粉末床可以包括可以加热床的加热系统，最大床温度可能＜350℃，例如50-350℃，例如100-300℃，例如150-250℃。升高的床温可以通过使用床下的加热器系统或床上的辐射加热器来实现，两种情况下的目的都是激活反应性粘结剂(例如，在ROM的情况下，以驱除油墨的ROM活性部分中的配体)，并任选地烧结油墨纳米组分中的纳米颗粒。这样就产生了一个高密度、高强度的“绿色”零件，然后可以对其进行热处理，以创建正确的最终微结构，以供功能使用。因此，在此阶段适中的温度使纳米颗粒熔合并使反应性粘结剂释放元素金属涂层，而后处理加热使较大的微颗粒熔合。
任选地，该方法使用料斗-进料和刮水片机构放置精度为25μm的金属粉末，其设计可在最高粉末床温度下运行。可以将打印头和粉末床放置在受控的环境室(N2或Ar)中，以最大程度地减少大气污染并排出不期望的有毒副产品。该系统可以是自动化的并且可以在计算机控制下以合适的构建体积(例如250×250×250mm)运行。

Claims (17)

1.一种3D打印的方法，包括：
-提供粉末床的层；
-将功能性粘结剂喷射到所述层的选定部分上，其中所述粘结剂渗入所述粉末床中的孔内并原位局部融合所述粉末床的颗粒；
-依次重复在顶部施加粉末的层和选择性地喷射功能性粘结剂的所述步骤多次，以提供通过打印的功能性粘结剂在选定位置粘合的粉末床；和
-将所得的结合的3D结构从所述粉末床中取出。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括随后的层间或后构建的热处理步骤，以进一步融合所述3D结构。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述功能性粘结剂包含金属粘结剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述金属粘结剂包含有机金属材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述有机金属材料是铜金属前体，例如包含环戊二烯基和/或异氰化物配体。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述有机金属材料是镍金属前体，例如乙酰丙酮镍。
7.根据权利要求4所述的方法，其中所述有机金属材料是钛金属前体，例如钛酰胺。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述功能性粘结剂包含陶瓷粘结剂。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粘结剂还包含尺寸在1至100nm范围内的金属或陶瓷纳米颗粒。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粘结剂还包括尺寸在0.1至10微米范围内的金属或陶瓷微颗粒。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粉末床的粉末包含金属或陶瓷颗粒。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在50至350℃范围内的温度下，将所述功能性粘结剂喷射到所述粉末床上。
13.一种权利要求9或权利要求10中定义的功能性粘结剂组合物。
14.一种通过权利要求1至12中任一项所述的方法可获得的3D打印产品。
15.一种3D打印产品，包含渗透有粘结剂喷射的融合的金属和/或陶瓷的金属和/或陶瓷的融合颗粒。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的产品，所述产品是车辆或医疗设备、植入物或假体的一部分或组件。
17.用于进行权利要求1至12中任一项所述的方法的设备。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114573323A (zh) * 2022-04-19 2022-06-03 广东金瓷三维技术有限公司 一种3dp成型的高致密卫生陶瓷及其制备方法
CN114603156A (zh) * 2022-04-11 2022-06-10 合肥工业大学智能制造技术研究院 一种利用喷墨3d打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法
CN115815619A (zh) * 2022-12-15 2023-03-21 天工爱和特钢有限公司 一种用于粘结剂喷射增材制造镍基合金的粘结剂及其制备方法与应用
CN116275117A (zh) * 2023-03-30 2023-06-23 吉林大学 一种孔隙结构可调的多孔人工骨制备方法及多孔人工骨

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113453825B (zh) * 2019-03-18 2023-10-31 惠普发展公司，有限责任合伙企业 三维对象成型
US20210402467A1 (en) 2019-03-18 2021-12-30 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Controlling green body object deformation
US20220040764A1 (en) 2019-04-27 2022-02-10 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three-dimensional printing
GB202006475D0 (en) 2020-05-01 2020-06-17 Univ Liverpool Additive manufacturing components and methods
GB202006473D0 (en) 2020-05-01 2020-06-17 Univ Liverpool Additive manufacturing components and methods
GB2608193A (en) 2021-06-25 2022-12-28 Qdot Tech Ltd Co-sintering

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004042775A1 (de) * 2004-09-03 2006-03-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Herstellung komplexer hochfester Bauteile oder Werkzeuge und dessen Verwendung
JP2008198595A (ja) * 2007-01-16 2008-08-28 Mitsubishi Chemicals Corp 金属微粒子インクペースト及び有機酸処理金属微粒子
US20110252712A1 (en) * 2010-04-14 2011-10-20 Soma Chakraborty Method of making a diamond particle suspension and method of making a polycrystalline diamond article therefrom
WO2015100085A2 (en) * 2013-12-23 2015-07-02 The Exone Company Methods and systems for three-dimensional printing utilizing a jetted-particle binder fluid
CN104781213A (zh) * 2012-10-31 2015-07-15 Wzr陶瓷解决方案有限公司 打印方法
CN105057664A (zh) * 2015-08-14 2015-11-18 东莞劲胜精密组件股份有限公司 一种3d打印粉料及3d打印方法
TW201609606A (zh) * 2014-04-23 2016-03-16 精工愛普生股份有限公司 燒結造形方法、液狀結合劑及燒結造形物

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108602264B (zh) * 2016-04-19 2020-10-16 惠普发展公司，有限责任合伙企业 三维(3d)印刷

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004042775A1 (de) * 2004-09-03 2006-03-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Herstellung komplexer hochfester Bauteile oder Werkzeuge und dessen Verwendung
JP2008198595A (ja) * 2007-01-16 2008-08-28 Mitsubishi Chemicals Corp 金属微粒子インクペースト及び有機酸処理金属微粒子
US20110252712A1 (en) * 2010-04-14 2011-10-20 Soma Chakraborty Method of making a diamond particle suspension and method of making a polycrystalline diamond article therefrom
CN104781213A (zh) * 2012-10-31 2015-07-15 Wzr陶瓷解决方案有限公司 打印方法
WO2015100085A2 (en) * 2013-12-23 2015-07-02 The Exone Company Methods and systems for three-dimensional printing utilizing a jetted-particle binder fluid
TW201609606A (zh) * 2014-04-23 2016-03-16 精工愛普生股份有限公司 燒結造形方法、液狀結合劑及燒結造形物
CN105057664A (zh) * 2015-08-14 2015-11-18 东莞劲胜精密组件股份有限公司 一种3d打印粉料及3d打印方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ANDREA ZOCCA ET AL: "SiOC ceramics with ordered porosity by 3D-printing of a preceramic polymer", 《JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH》 *
TIANMING WANG ER AL: "Manufacture of 3-dimensional objects by reactive inkjet printing", 《SOFT MATTER> *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114603156A (zh) * 2022-04-11 2022-06-10 合肥工业大学智能制造技术研究院 一种利用喷墨3d打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法
CN114573323A (zh) * 2022-04-19 2022-06-03 广东金瓷三维技术有限公司 一种3dp成型的高致密卫生陶瓷及其制备方法
CN115815619A (zh) * 2022-12-15 2023-03-21 天工爱和特钢有限公司 一种用于粘结剂喷射增材制造镍基合金的粘结剂及其制备方法与应用
CN116275117A (zh) * 2023-03-30 2023-06-23 吉林大学 一种孔隙结构可调的多孔人工骨制备方法及多孔人工骨

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