DE102015208141A1

DE102015208141A1 - Stabilisierte Metallnanoteilchen für den 3D-Druck

Info

Publication number: DE102015208141A1
Application number: DE102015208141.9A
Authority: DE
Inventors: Marko Saban; Yiliang Wu
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2015-11-19
Also published as: RU2015116659A; JP2015218395A; CA2891304A1; CN105081306B; RU2015116659A3; US9505058B2; JP6518121B2; RU2662044C2; CA2891304C; CN105081306A; US20150328835A1

Abstract

Ein Material zur Verwendung in einem 3D-Drucker. Das Material kann mehrere Metallteilchen und ein Stabilisierungsmaterial einschließen. Die Metallteilchen können eine durchschnittliche Querschnittslänge aufweisen, die kleiner oder gleich 100 nm ist. Das stabilisierende Material kann ein Organoamin, Carbonsäure, Thiol und Derivate davon, Xanthogensäure, Polyethylenglykole, Polyvinylpyridin, Polyninylpyrolidon oder eine Kombination davon einschließen.

Description

Allgemeiner Stand der Technik
Der 3D-Druck wird zum Erzeugen komplexer 3D-Objekte direkt aus einem computergestützten digitalen Design verwendet. Die 3D-Drucktechnologie kann allgemein in drei Kategorien eingeteilt werden: (1) Stereolithographie (”SLA”), (2) Schmelzschichtung (”FDM”) und (3) Pulverbetttechnologie, die einen Laserstrahl und/oder einen E-Strahl betrifft. SLA verfestigt selektiv fotosensitive (UV-härtbare) Polymere über einen Laser (z. B. Lasersintern) oder über eine andere Lichtquelle, während die FDM selektiv thermoplastisch geschmolzenes Polymer über eine erwärmte Düse abscheidet. Sowohl SLA als auch FDM sind jedoch auf Kunststoffe beschränkt und werden nicht verwendet, um Metallobjekte zu erzeugen.
Die Pulverbetttechnologie kann zum Herstellen von metallischen Objekten mit Pulvern im Mikrometerbereich, die das Lasersintern verwenden, verwendet werden. Die Metallpulver, die während des Lasersinterns verwendet werden, können möglicherweise explosiv sein. Zum Reduzieren der Gefahr des Entzündens des Pulvers, werden Drucker, welche die Pulverbetttechnologie verwenden, oftmals in einer Kammer angeordnet, die mit Stickstoff abgedichtet ist, wodurch diese zur Verwendung zu Hause ungeeignet sind. Des Weiteren sind die hergestellten Objekte innen oft porös, was sie schwächer gegenüber Objekten macht, die mit den herkömmlichen Verfahren hergestellt wurden. Daher wird ein verbessertes 3D-Druckverfahren und ein verbessertes Metallmaterial für die Verwendung damit benötigt.
Kurzdarstellung
Im Folgenden wird eine vereinfachte Kurzdarstellung aufgeführt, um ein grundlegendes Verständnis einiger der Aspekte einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Lehren bereitzustellen. Diese Kurzdarstellung ist kein umfassender Überblick und soll keine Schlüssel- oder Hauptelemente der vorliegenden Lehren identifizieren noch den Umfang der Offenbarung skizzieren. Der Hauptzweck ist vielmehr die Darlegung eines oder mehrerer Konzepte auf vereinfachte Weise als Auftakt für die später vorgestellte ausführliche Beschreibung.
Ein Material zur Verwendung in einem 3D-Drucker wird offenbart. Das Material kann mehrere Metallteilchen und ein Stabilisierungsmaterial einschließen. Die Metallteilchen können eine durchschnittliche Querschnittslänge aufweisen, die kleiner oder gleich 100 nm ist. Das stabilisierende Material kann ein Organoamin, Carbonsäure, Thiol und Derivate davon, Xanthogensäure, Polyethylenglykole, Polyvinylpyridin, Polyninylpyrolidon oder eine Kombination davon einschließen.
In einer anderen Ausführungsform kann das Material mehrere metallische Mikroteilchen einschließen, die eine durchschnittliche Querschnittslänge von etwa 1 µm bis etwa 250 µm aufweisen. Die metallischen Mikroteilchen können mehrere metallische Nanoteilchen mit einer durchschnittlichen Querschnittslänge, die kleiner oder gleich etwa 50 nm ist, und ein stabilisierendes Material auf den äußeren Oberflächen der Nanoteilchen aufweisen.
Auch wird ein Verfahren zum Drucken eines Objekts mit einem 3D-Drucker offenbart. Das Verfahren kann das Laden mehrerer stabilisierter Teilchen in ein Abgabebett des 3D-Druckers beinhalten. Die stabilisierten Teilchen können mehrere metallische Teilchen und ein Stabilisierungsmaterial einschließen. Die Metallteilchen können eine durchschnittliche Querschnittslänge aufweisen, die kleiner oder gleich 100 nm ist. Das stabilisierende Material kann ein Amin, Organoamin, Carbonsäure, Thiol und Derivate davon, Xanthogensäure, Polyethylenglykole, Polyvinylpyridin, Polyninylpyrolidon oder eine Kombination davon einschließen. Ein Teil der stabilisierten Teilchen kann aus dem Abgabebett zu einem Herstellungsbett des 3D-Druckers übertragen werden. Die stabilisierten Teilchen in dem Herstellungsbett können bei einer Temperatur gesintert werden, die kleiner oder gleich etwa 200 °C ist, um das Druckobjekt zu bilden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die beiliegenden Zeichnungen, die in der Spezifikation enthalten sind und einen Teil davon bilden, stellen Ausführungsformen der vorliegenden Lehren dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Offenbarung. Es zeigen:
1 ein veranschaulichendes System zum Drucken von metallischen 3D-Objekten gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen.
Ausführliche Beschreibung
Nachstehend wird ausführlich auf Ausführungsbeispiele der vorliegenden Lehren Bezug genommen, von denen Beispiele in den angefügten Zeichnungen dargestellt sind. Wann immer möglich, werden die gleichen Bezugsnummern in allen Zeichnungen zum Bezeichnen derselben, gleichen oder ähnlicher Teile verwendet.
Wie hierin verwendet, und wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, umfasst der Ausdruck „Drucker” jedes Gerät, das eine Druckausgabefunktion für jeden beliebigen Zweck durchführt, wie ein digitales Kopiergerät, Buchbindemaschine, Faxgerät, Multi-funktionsgerät, elektrostatografische Vorrichtung, 3D-Drucker, der 3D-Objekte herstellen kann usw. Man wird verstehen, dass die Strukturen, die in den Figuren dargestellt sind, zusätzliche Merkmale einschließen können, die der Einfachheit halber nicht dargestellt sind, und dass dargestellte Strukturen ausgelassen oder verändert werden können.
Mehrere metallische Teilchen können von einem 3D-Drucker zum Erzeugen eines metallischen Objekts verwendet werden. Die metallischen Teilchen können jedes Metall oder Metalllegierung wie z. B. Silber, Gold, Aluminium, Platin, Palladium, Kupfer, Kobalt, Chrom, Indium, Titan, Zirkonium, Nickel, eine Legierung davon oder eine Kombination davon sein oder einschließen. Die metallischen Teilchen können eine durchschnittliche Querschnittslänge (z. B. Durchmesser) aufweisen, der kleiner als oder gleich etwa 100 nm, kleiner als oder gleich etwa 50 nm oder kleiner als oder gleich etwa 20 nm ist. Teilchen dieser Größe können auch als Nanoteilchen bezeichnet werden. Die metallischen Nanoteilchen können in Pulverform vorliegen. Ferner können die metallischen Nanoteilchen einen Silber-Nanoteilchenverbundstoff oder einen Metall-Nanoteilchenverbundstoff aufweisen, wie z. B. Au-Ag, Ag-Cu, Ag-Ni, Au-Cu, Au-Ni, Au-Ag-Cu und Au-Ag-Pd. Die verschiedenen Komponenten der Verbundstoffe können in einer Menge in einem Bereich von z. B. etwa 0,01 bis etwa 99,9 Gew.-%, insbesondere von etwa 10 bis etwa 90 Gew.-% vorliegen.
Die Wärmediffusion kann bei höheren Temperaturen schwer zu steuern sein, da diese das Sintern von ungewünschten Teilen des Pulvers einleiten und dadurch eine Inkonsistenz auf dem Druckobjekt erzeugen können. Die metallischen Teilchen einer oben beschriebenen Größe (d. h. Nanoteilchen) können jedoch eine Schmelz- und/oder Sintertemperatur aufweisen, die kleiner als oder gleich etwa 200 °C, kleiner als oder gleich etwa 150 °C, kleiner als oder gleich etwa 125 °C oder kleiner als oder gleich etwa 100 °C ist. Durch Reduzieren der Schmelz- und/oder Sintertemperatur zu dem oben beschriebenen Bereich kann die Menge der Wärmediffusion, die während des Druckverfahrens erzeugt wird, ebenfalls reduziert werden. Dies kann die Inkonsistenz reduzieren und die Druckpräzision verbessern.
Gegenüber „Teilchen im Mikrometerbereich” oder „Mikroteilchen” (z. B. Teilchen mit einer durchschnittlichen Querschnittslänge von etwa 1 µm bis etwa 999 µm) können die metallischen Nanoteilchen eine verbesserte Absorbierfähigkeit aufgrund ihrer Oberflächenplasmonabsorption im UV- und sichtbaren Bereich aufweisen. Zum Beispiel weisen Silber-Nanoteilchen eine starke Absorbierfähigkeit bei etwa 410 bis 420 nm auf. Siehe z. B., (J. of Microelectronics and Electronic Packaging, 2013, 10, 49–53). Diese Absorption kann die Verwendung eines Niederstromlasers (und Niedertemperaturlasers – z. B. eines blauen Lasers) ermöglichen. In einigen Ausführungsformen kann die Teilchengröße (z. B. eine durchschnittliche Querschnittslänge) der Nanoteilchen kleiner als die Wellenlänge der Sinterlichtquelle (Laser, Xenon-Lampe, E-Strahl, usw.) sein. Außerdem können die metallischen Nanoteilchen weniger dazu neigen, sich zu streuen und/oder den Laserstrahl zu reflektieren als größere Mikroteilchen. Die Lichtstreuung und/oder -reflektion kann eine größere Merkmalsgröße als der Laserstrahl bewirken und somit eine geringere Auflösung in dem erzeugten Objekt. Die metallischen Nanoteilchen können den 3D-Druck bei einer Auflösung von weniger als oder gleich etwa 25 µm, weniger als oder gleich etwa 10 µm oder weniger als oder gleich etwa 5 µm ermöglichen. Dies kann die Herstellung eines metallischen Objekts mit einer glatten Oberfläche (z. B. geringer Oberflächenrauheit) erleichtern.
Ein stabilisierendes Material (oder Stabilisator) kann den metallischen Nanoteilchen zum Bilden einer stabilisierten Nanoteilchenmatrix (z. B. in Pulverform) zugegeben werden. Das stabilisierende Material kann ein Amin (z. B. Organoamin), Carbonsäure, Thiol und Derivate davon, -OC(S)SH (Xanthogensäure), Polyethylenglykole, Polyvinylpyridin, Polyninylpyrolidon und andere organischen Tenside oder einen Kombination davon sein oder einschließen. Die metallischen Nanoteilchen mit dem stabilisierenden Material oder mindestens teilweise davon können in Form mehrere Teilchen vorliegen, die eine durchschnittliche Querschnittslänge (z. B. Durchmesser) aufweisen, die kleiner als oder gleich etwa 100 nm, kleiner als oder gleich etwa 50 nm oder kleiner als oder gleich etwa 20 nm ist. In einigen Ausführungsformen kann mindestens ein Teil des stabilisierenden Materials an der Oberfläche der metallischen Nanoteilchen anhaften. Mit anderen Worten können die metallischen Nanoteilchen durch das stabilisierende Material voneinander isoliert sein und eine diskontinuierliche Phase bilden. In Ausführungsformen kann das stabilisierende Material ein organischer Stabilisator sein. Der Ausdruck „organisch” in „organischer Stabilisator” bezeichnet z. B. das Vorkommen von Kohlenstoffatom(en), der organische Stabilisator kann jedoch auch eines oder mehrere nicht metallische Heteroatome aufweisen, wie z. B. Stickstoff, Sauerstoff, Halogen und dergleichen. Der organische Stabilisator kann ein Organoamin-Stabilisator sein, wie der im US-Patent Nr. 7.270.694 beschriebene. Beispiele des Organoamins können ein Alkylamin, wie z. B. Butylamin, Pentylamin, Hexylamin, Heptylamin, Octylamin, Nonylamin, Decylamin, Hexadecylamin, Undecylamin, Dodecylamin, Tridecylamin, Tetradecylamin, Diaminopentan, Diaminohexan, Diaminoheptan, Diaminooctan, Diaminononan, Diaminodecan, Diaminooctandipropylamin, Dibutylamin, Dipentylamin, Dihexylamin, Diheptylamin, Dioctylamin, Dinonylamin, Didecylamin, Methylpropylamin, Ethylpropylamin, Propylbutylamin, Ethylbutylamin, Ethylpentylamin, Propylpentylamin, Butylpentylamin, Tributylamin, Trihexylamin und dergleichen, oder Mischungen davon einschließen. Beispiele für andere organische Stabilisatoren können z. B. Thiol und seine Derivate, -OC(S)SH (Xanthogensäure), Polyethylenglykole, Polyvinylpyridin, Polyninylpyrolidon und andere organische Tenside umfassen. Der organische Stabilisator kann ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus einem Thiol, wie z. B. Butanthiol, Pentanthiol, Hexanthiol, Heptanthiol, Octanthiol, Decanthiol, Dodecanthiol; und einem Dithiol, wie z. B. 1,2-Ethandithiol, 1,3-Propandithiol und 1,4-Butandithiol; oder einer Mischung aus einem Thiol und einem Dithiol. Der organische Stabilisator kann ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus einer Xanthinsäure wie z. B. O-Methylxanthat, O-Ethylxanthat, O-Propylxanthinsäure, O-Butylxanthinsäure, O-Pentylxanthinsäure, O-Hexylxanthinsäure, O-Heptylxanthinsäure, O-Octylxanthinsäure, O-Nonylxanthinsäure, O-Decylxanthinsäure, O-Undecylxanthinsäure, O-Dodecylxanthinsäure. Organische Stabilisatoren, die ein Pyridin-Derivat (z. B. Dodecylpyridin) und/oder Organophosphin enthalten, das Metallnanoteilchen stabilisieren kann, kann auch als Stabilisator verwendet werden.
Weitere Beispiele stabilisierter Silber-Nanoteilchen können einschließen: Carbonsäure-Organoaminkomplex stabilisierte Silber-Nanoteilchen, die in der US-Patentanmeldung Veröffentl. 2009/0148600 beschrieben werden; die Carbonsäure-Stabilisator-Silber-Nanoteilchen, die in der US-Patentanmeldung Nr. 2007/0099357 A1 beschrieben werden, und wärmeentfernbare Stabilisatoren und UV-zersetzbare Stabilisatoren, wie die in der US-Patentanmeldung Veröffentl. Nr. 2009/0181183 beschriebenen.
Das stabilisierende Material kann die metallischen Nanoteilchen zum Reduzieren oder Beseitigen der Möglichkeit beschichten, dass sich die Nanoteilchen entzünden und explodieren, wenn sie von dem Laser erwärmt werden. Zum Beispiel kann das stabilisierende Material eine nicht leitfähige organische Hülle bilden, die mindestens teilweise die metallischen Nanoteilchen umhüllt und als Puffer dient. Die Explosion der metallischen Nanoteilchen kann mithilfe des Kst-Explosionswertes bewertet werden. In einigen Ausführungsformen kann der Kst-Wert kleiner als 100 bar·m/Sek., kleiner als 50 bar·m/Sek. oder kleiner als 25 bar·m/Sek. sein. Kst repräsentiert die größennormalisierte Maximalrate des Druckanstiegs für eine Konstantvolumen-Explosion, wie von Standardgeräten unter Verwendung von Standardtestverfahren gemessen. Dies ist ein Explosibilitätsparameter.
Die metallischen Nanoteilchen können in der stabilisierten Nanoteilchenmatrix in einer Menge von etwa 65 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-%, etwa 75 Gew.-% bis etwa 85 Gew.-%, etwa 85 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% oder mehr vorliegen und das stabilisierende Material kann in der stabilisierten Nanoteilchenmatrix in einer Menge von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-%, etwa 15 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-%, etwa 25 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-% oder mehr vorliegen. Die metallischen Nanoteilchen können in der stabilisierten Nanoteilchenmatrix in einer Menge von etwa 20 Vol.-% bis etwa 30 Vol.-%, etwa 30 Vol.-% bis etwa 40 Vol.-%, etwa 40 Vol.-% bis etwa 50 Vol.-%, etwa 50 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% oder mehr vorliegen und das stabilisierende Material kann in der stabilisierten Nanoteilchenmatrix in einer Menge von etwa 40 Vol.-% bis etwa 50 Vol.-%, etwa 50 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-%, etwa 60 Vol.-% bis etwa 70 Vol.-% oder mehr vorliegen. In einer Ausführungsform können die metallischen Nanoteilchen in der stabilisierten Nanoteilchenmatrix in einer Menge von etwa 20 Vol.-% bis etwa 49 Vol.-% vorliegen und das stabilisierende Material kann in der stabilisierten Nanoteilchematrix in einer Menge von etwa 51 Vol.-% bis etwa 80 Vol.-% vorliegen.
Die metallischen Nanoteilchen und/oder die stabilisierte Nanoteilchenmatrix (d. h. die metallischen Nanoteilchen plus das stabilisierende Material) kann auf mindestens drei verschiedene Arten in den 3D-Drucker geladen werden. Bei der ersten können die metallischen Nanoteilchen und/oder die stabilisierte Nanoteilchenmatrix agglomerieren, um Teilchen mit einer durchschnittlichen Querschnittslänge (z. B. Durchmesser) von etwa 1 µm bis etwa 500 µm, etwa 5 µm bis etwa 250 µm oder etwa 100 µm bis etwa 250 µm zu bilden. Mit anderen Worten können die metallischen Nanoteilchen in dem 3D-Drucker Mikrometerteilchen sein. Jedes Mikroteilchen kann mehrere Nanoteilchen aufweisen.
In der zweiten Form können die metallischen Nanoteilchen und/oder die stabilisierte Nanoteilchenmatrix in einem oder mehreren Flüssiglösungsmitteln dispergiert sein, um eine Paste zu bilden. Die Lösungsmittel können Kohlenwasserstoff, Alkohol, Ester, Keton, Ether oder eine Kombination davon sein oder einschließen. Ein beispielhafter Kohlenwasserstoff schließt einen aliphatischen Kohlenwasserstoff wie Decalin, Bicyclohexyl, Dodecan, Tetradecan, Isopar und dergleichen, einen aromatischen Kohlenwasserstoff wie Xylol, Trimethylbenzol, Ethylbenzol, Propylbenzol, Butylbenzol, Pentylbenzol, Methylethylbenzol, Tetrahydronaphthalin und dergleichen ein. Ein beispielhafter Alkohol kann Terpineol, Ethylenglykol, Ethanol, Butanol, Carbitol und dergleichen einschließen. Ein beispielhaftes Ester kann Propylenglykolmonoethyletheracetat (PGMEA) oder DPGMEA einschließen. Die Paste kann verhindern, dass die metallischen Nanoteilchen Staubwolken während des Herstellungsprozesses bilden. Außerdem kann das Verdünnen der Matrix mit dem Lösungsmittel weiter die Gefahr verringern, dass sich die Nanoteilchen entzünden oder explodieren, wenn sie von dem Laser erwärmt werden. Des Weiteren kann die Paste gleichmäßiger in einer Schicht im Herstellungsbett (unten beschrieben) aufgebracht werden, die dem Druckobjekt mehr Gleichmäßigkeit verleihen kann.
In der dritten Form können die metallischen Nanoteilchen in einer Polymermatrix zum Bilden von Teilchen im Mikrometerbereich dispergiert werden (z. B. Pulver). Die Polymermatrix kann Polyester, Polycarbonat, Polystyrol, Acrylatpolymer, Polyvinylpyridin, Polyninylpyrolidon oder eine Kombination davon sein oder einschließen. Die mikrometergroßen Teilchen können durch Dispergieren der metallischen Nanoteilchen in einem Lösungsmittel (z. B. einem oder mehreren der oben offenbarten Lösungsmittel), Trocknen der metallischen Nanoteilchen und Aufbrechen des resultierenden Feststoffs zum Bilden des Mikrometerpulvers gebildet werden.
1 ist ein veranschaulichender 3D-Drucker 100 zum Drucken von metallischen 3D-Objekten gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen. Der Drucker 100 kann ein Abgabebett 110 aufweisen, das von einer oder mehreren Seitenwänden 112 und einem Abgabekolben 116 definiert wird. Die stabilisierten metallischen Nanoteilchen (z. B. die Matrix) 102 können in das Abgabebett 110 in Pulver- und/oder Pastenform geladen werden. Nach dem Laden kann die obere Oberfläche 104 der stabilisierten metallischen Nanoteilchen 102 auf einer Ebene mit oder unterhalb der oberen Oberfläche 114 der Seitenwand 112 sein. Der Förderkolben 116 kann sich dann nach oben in Pfeilrichtung 118 bewegen, bis die obere Oberfläche 104 der stabilisierten Nanoteilchen 102 auf gleicher Ebene mit oder oberhalb der oberen Oberfläche 114 der Seitenwand 112 ist.
Ein Transferelement (z. B. eine Walze) 120 kann dann einen Teil 106 der stabilisierten metallischen Nanoteilchen 102 oberhalb der oberen Oberfläche 114 der Seitenwand 112 von dem Abgabebett 110 in ein Herstellungsbett 130 (z. B. in Richtung des Pfeils 122) übertragen. Das Herstellungsbett 130 kann von einer oder mehreren Seitenwänden 132 und einem Herstellungskolben 136 definiert werden. Der übertragene Abschnitt 106 der stabilisierten Nanoteilchen 102 kann eine erste Schicht in dem Herstellungsbett 130 bilden, die eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 50 µm, etwa 50 µm bis etwa 100 µm, etwa 100 µm bis etwa 250 µm oder mehr aufweist.
Ein Scansystem 140 kann die stabilisierten metallischen Nanoteilchen 102 in der ersten Schicht scannen und ein Laser 142 kann dann die erste Schicht als Reaktion auf die Scanergebnisse sintern. Der Laser 142 kann ein kontinuierlicher Wellenlaser oder ein Impulslaser sein. Wenn der Laser 142 ein Impulslaser ist, können die Pulslänge und -intervalle zum angemessenen Sintern eingestellt werden. Wenn z. B. die metallische Nanoteilchenpaste in dem Druckverfahren verwendet wird, können die Impulse ein relativ langes Intervall (z. B. von etwa 100 ms bis etwa 5 s) aufweisen, um dem Lösungsmittel Zeit zum mindestens teilweise Verdampfen zu lassen. Das Sintern kann bei einer Temperatur von weniger als oder gleich etwa 200 °C, bei einer Temperatur von weniger als oder gleich etwa 150 °C, weniger als oder gleich etwa 125 °C oder weniger als oder gleich etwa 100 °C stattfinden.
Sobald die erste Schicht in dem Herstellungsbett 130 gesintert wurde, kann sich der Förderkolben 116 nach oben in Pfeilrichtung 118 bewegen, bis die obere Oberfläche 104 der stabilisierten Nanoteilchen 102 auf einer Ebene mit oder oberhalb der oberen Oberfläche 114 der Seitenwand 112 des Abgabebetts 110 ist. Der Herstellungsbolzen 136 kann sich nach unten bewegen. Das Transferelement 120 kann dann einen anderen Teil der stabilisierten Nanoteilchen 102, die sich oberhalb der oberen Oberfläche 114 der Seitenwand 112 befinden, vom Abgabebett 110 zum Herstellungsbett 130 zum Bilden einer zweiten Schicht übertragen, die auf und/oder über der ersten Schicht liegt. Der Laser 142 kann dann die zweite Schicht sintern. Dieses Verfahren kann wiederholt werden, bis das gewünschte 3D-Objekt hergestellt wurde.
Beispiel
Das folgende Beispiel wird aus Veranschaulichungszwecken bereitgestellt und soll nicht einschränkend sein. 88,91 g Dodecylamin wurden in einem Lösungsmittel aus 30 mL Decalin und 6 mL Methanol gemischt. Die Mischung wurde in einem Reaktionskolben in einer Argonatmosphäre auf 40 ºC erwärmt, bis sich das Dodecylamin aufgelöst hatte. Die Mischung wurde dann auf 30 ºC abgekühlt und 6,54 g eines Reduktionsmittels (Phenylhydrazin) der Mischung unter Rühren der Mischung zugegeben. 20 g Silberacetat wurden dann über einen Zeitraum von 2 Stunden nach und nach der Mischung bei einer Temperatur zwischen 30 ºC und 35 ºC zugegeben. Dies führte zu einer Farbänderung der Mischung von klar zu dunkelbraun, was die Bildung von Silbernanoteilchen anzeigt.
Die Mischung wurde dann auf 40 ºC erwärmt und eine Stunde lang gerührt. Die Mischung wurde dann durch Zugabe von 100 mL Methanol unter Rühren ausgefällt und die Mischung dann per Filtration gesammelt. Der gesammelte Feststoff wurde in einen Glasbecher übertragen und in 50 mL Methanol gerührt. Dieses Produkt wurde per Filtration gesammelt und in einem Vakuumofen bei Raumtemperatur (z. B. 20 ºC) 24 Stunden lang getrocknet, was 13,11 g dunkelblaue Silber-Nanoteilchen ergab. Der Silbergehalt betrug 87,6 Gew.-%, wie per Ash-Technik gemessen. Unter Voraussetzung einer Dichte von 10 g/mL für die Silber-Nanoteilchen und 1,0 g/mL für das Dodecylamin wurde geschätzt, dass das Silber in den stabilisierten Silber-Nanoteilchen etwa 41 Vol.-% betrug.
Das Silber-Nanoteilchenpulver wurde einer Kst-Messung unterzogen. Der Kst-Wert betrug etwa 20 bar·m/Sek., was anzeigte, dass das Pulver nicht explosiv war. Dies kann auf den hohen Volumenanteil von Stabilisatoren in dem Silber-Nanoteilchenpulver zurückgeführt werden. In anderen Ausführungsformen kann der Kst-Wert kleiner als 50 bar·m/Sek. sein.
Die Silber-Nanoteilchen wurden in Tintenstrahl-Druckfarbe auf einem Polyethylen-Terephthalat (PET)-Substrat als dünne Linien formuliert. Ein Teil der gedruckten Linien wurden in einem Ofen bei 130 ºC für 10 Minuten wärmegesintert, während der restliche Teil der Linien einer Impulslichtfusion bei unterschiedlichen Pulslängen von 100 µs bis 50 ms ausgesetzt wurde. Es wurde gefunden, dass die gedruckten Linien mithilfe von Pulslicht zum Erreichen der gleichen Leitfähigkeit wie die durch Wärmesintern hergestellten gesintert werden konnten. Das Pulslicht kann einen Laser, eine Xenon-Lampe, eine Quecksilberlampe oder eine Kombination davon einschließen.
Ein Teil der Silber-Nanoteilchen wurde auch in Terpineol als Paste dispergiert. Die Paste wurde in das Abgabebett geladen. Ein Farbmesser wurde zum Auftragen einer gleichförmigen Schicht (etwa 200 µm) der Silberpaste auf das Herstellungsbett verwendet. Ein Argonlaser (488 nm) wurde zum Sintern der Silber-Nanoteilchen zu reinem leitfähigen Silber an der gewünschten Stelle verwendet. Die Silber-Nanoteilchen wiesen eine Oberflächenplasmonabsorption von etwa 420 nm bis etwa 440 nm auf. Nach dem Sintern der ersten Schicht der Silber-Nanoteilchen wurde der Förderkolben etwa 200 µm angehoben und eine zweite Schicht der Silberpaste auf das Herstellungsbett unter Verwendung einer Schaufel übertragen. Die zweite Schicht war etwa 200 µm dick. Die zweite Schicht der Paste wurde unter Verwendung eines Lasers zum weiteren Aufbau des 3D-Objekts verwendet.
Ungeachtet dessen, dass die Zahlenbereiche und Parameter, die einen breiten Umfang der vorliegenden Lehren vorstellen, Annäherungen sind, werden die Zahlenwerte, die in den spezifischen Beispielen vorgestellt werden, so präzise wie möglich vorgestellt. Jeder Zahlenwert enthält jedoch inhärent gewisse Fehler, die notwendigerweise aus der Standardabweichung aus den zugehörigen Testmessungen resultieren. Des Weiteren sind alle hierin offenbarten Bereiche als jeden und alle darin zusammengefassten Unterbereiche umfassend zu verstehen. Zum Beispiel kann ein Bereich von „weniger als 10” jeden und alle Unterbereiche zwischen (und einschließlich) dem Mindestwert von null und dem Höchstwert von 10 einschließen, d. h. jeden und alle Unterbereiche mit einem Mindestwert von gleich oder größer gleich null und einem Höchstwert von gleich oder kleiner gleich 10, z. B. 1 bis 5, einschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7270694 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. of Microelectronics and Electronic Packaging, 2013, 10, 49–53 [0013]

Claims

Material zur Verwendung in einem 3D-Drucker, umfassend: mehrere Metallteilchen mit einer durchschnittlichen Querschnittslänge, die kleiner oder gleich 100 nm ist; und ein stabilisierendes Material, umfassend ein Organoamin, Carbonsäure, Thiol und Derivate davon, Xanthogensäure, Polyethylenglykole, Polyvinylpyridin, Polyninylpyrolidon oder eine Kombination davon.
Material nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Querschnittslänge der Metallteilchen kleiner oder gleich etwa 20 nm ist.
Material nach Anspruch 2, wobei die Metallteilchen Gold, Silber, Aluminium, Platin, Palladium, Kupfer, Kobalt, Chrom, Indium, Titan, Zirkonium, Nickel, eine Legierung davon oder eine Kombination davon umfassen.
Material nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Lösungsmittel, umfassend einen Kohlenwasserstoff, einen Alkohol, ein Keton, ein Ester, ein Ether oder eine Kombination davon.
Material nach Anspruch 1, wobei die Metallteilchen und das stabilisierende Material zum Bilden von Teilchen, die eine durchschnittliche Querschnittslänge von etwa 1 µm bis etwa 250 µm aufweisen, agglomerieren.
Material nach Anspruch 1, wobei die Metallteilchen in einer diskontinuierlichen Phase vorliegen.
Material zur Verwendung in einem 3D-Drucker, umfassend: mehrere metallische Mikroteilchen mit einer mittleren Querschnittslänge von etwa 1 µm bis etwa 250 µm, wobei die metallischen Mikroteilchen mehrere metallische Nanoteilchen mit einer mittleren Querschnittslänge, die kleiner oder gleich etwa 50 nm ist, und ein Stabilisierungsmaterial auf den äußeren Oberflächen der Nanoteilchen umfassen.
Material nach Anspruch 7, wobei die metallischen Mikroteilchen einen Explosions-Kst-Wert von weniger als 50 bar·m/Sek. aufweisen.
Material nach Anspruch 7, wobei die metallischen Nanoteilchen Gold, Silber, Aluminium, Platin, Palladium, Kupfer, Kobalt, Chrom, Indium, Titan, Zirkonium, Nickel, eine Legierung davon oder eine Kombination davon umfassen.
Verfahren zum Drucken eines Objekts mit einem 3D-Drucker, umfassend: Laden mehrerer stabilisierter Teilchen in ein Abgabebett des 3D-Druckers, wobei die stabilisierten Teilchen umfassen: mehrere Metallteilchen mit einer durchschnittlichen Querschnittslänge, die kleiner oder gleich 100 nm ist; und ein stabilisierendes Material, umfassend ein Amin, Organoamin, Carbonsäure, Thiol und Derivate davon, Xanthogensäure, Polyethylenglykole, Polyvinylpyridin, Polyninylpyrolidon oder eine Kombination davon; Übertragen eines Teils der stabilisierten Teilchen aus dem Abgabebett zu einem Herstellungsbett des 3D-Druckers; und Sintern der stabilisierten Teilchen in dem Herstellungsbett bei einer Temperatur, die kleiner oder gleich etwa 200 °C ist, um das Druckobjekt zu bilden.