ES2880277T3

ES2880277T3 - Fabricación de aditivo reactivo

Info

Publication number: ES2880277T3
Application number: ES16765609T
Authority: ES
Inventors: Jacob S Nuechterlein; Jeremy Joseph Iten
Original assignee: Elementum 3D Inc
Current assignee: Elementum 3D Inc
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: IL254211B; JP7314092B2; EP3271123B1; US11203067B2; AU2022203556B2; PL3271123T3; JP2022058729A; EP3271123A4; JP2018508393A; US10507638B2; AU2016233423B2; AU2020256450A1; US20160271878A1; AU2016233423A1; JP6748659B2; CN107530901B; AU2019203426B2; AU2019203426A1; AU2022203556A1; AU2019203430B2

Abstract

Un método para producir un artículo, que comprende: (a) proporcionar un primer material en forma de polvo; (b) proporcionar un segundo material en forma de polvo, siendo capaz el segundo material de reaccionar químicamente con el primer material para formar un producto de reacción; (c) proporcionar un material diluyente, inhibiendo el material diluyente la reacción química entre el primer y el segundo materiales; (d) formar al menos el primer material, el segundo material y el material diluyente en una primera capa; (e) someter al menos una parte de la primera capa a energía suficiente para iniciar la reacción química entre el primer y el segundo materiales para formar una parte del artículo, comprendiendo la parte del artículo el producto de reacción; (f) formar una segunda capa de al menos el primer material, el segundo material y el material diluyente sobre la primera capa; y (g) someter al menos una parte de la segunda capa a la energía para formar una parte adicional del artículo.

Description

DESCRIPCIÓN

Fabricación de aditivo reactivo

Campo técnico

La presente invención se refiere en general a la fabricación de aditivos y más particularmente a métodos y sistemas para realizar la fabricación de aditivos con materiales reactivos.

Antecedentes en la técnica

Las técnicas de fabricación de aditivos se conocen desde hace décadas y en la actualidad se usan para producir una amplia diversidad de partes y artículos adecuados para una amplia diversidad de aplicaciones. Los procesos de fabricación de aditivos más comunes pueden agruparse en tres categorías principales: sinterización/fusión del lecho de polvo, extrusión, y deposición de energía dirigida por alimentación de chorro/alambre. Un tipo de técnica de sinterización/fusión de lecho de polvo, que puede denominarse sinterización/fusión selectiva por láser o sinterización directa de metal por láser, utiliza una fuente de energía dirigida por haz láser para trazar un diseño en una capa individual de un material en polvo. El calor de los láseres sinteriza o funde el diseño trazado en una pieza sólida con el grosor de la capa. Un sistema de alimentación de material adecuado puede dispensar otra capa de polvo sobre la parte superior de la capa ya sinterizada. A continuación, el proceso se repite hasta que se forma un objeto tridimensional. Sin embargo, la energía requerida para formar cada capa de material restringe la velocidad de producción y aumenta el coste del equipo necesario para producir un objeto, requiriendo por lo general los materiales cerámicos más energía que los metales, que a su vez requieren más energía que los plásticos.

Otro proceso para formar artículos es síntesis de reacción. La síntesis de reacción es un proceso químico que puede usarse para formar materiales sinterizados con mucha más rapidez de la que es posible con los procesos de sinterización convencionales. Un proceso de síntesis de reacción habitual implica la mezcla conjunta de dos o más reactivos de química distinta, por lo general en forma de polvo. Puede usarse una prensa de matriz para compactar los polvos mezclados, formando un artículo compactado o polvo compacto. Alternativamente, pueden usarse un molde o crisol para contener la mezcla de polvo. A continuación puede aplicarse calor para iniciar una reacción química entre los constituyentes. A menudo, el proceso es exotérmico y da como resultado la formación de una o más fases nuevas. Por ejemplo, el calor de un horno o una llama puede iniciar una reacción en una mezcla de polvo de titanio y carbono. La reacción de combinación libera calor y forma una fase cerámica sinterizada de carburo de titanio. El calor producido por esta reacción se extiende a los polvos circundantes, haciendo que la reacción se propague a través de cualquier reactivo presente. Algunos de tales procesos implican la adición de una o más especies inertes, denominadas a menudo diluyentes, para controlar la reacción por absorción de calor.

Las técnicas de síntesis de reacción se han usado para producir numerosos tipos de materiales que incluyen cerámica, metales, materiales intermetálicos, polímeros, y materiales compuestos. Sin embargo, la mayoría de las técnicas de síntesis de reacción requiere etapas de procesamiento exhaustivas que incluyen el diseño y fabricación de un troquel o molde y por lo general solo puede usarse para producir artículos de formas sencillas con detalle limitado, limitando de ese modo tales procesos.

Divulgación de la invención

El alcance de la presente invención se define en las reivindicaciones anexas.

Los documentos de Patente WO 92/10343 y US 2013/307201 desvelan métodos para producir un artículo, que comprende: (a) proporcionar un primer material; (b) proporcionar un segundo material, siendo el segundo material capaz de reaccionar con el primer material para formar una reacción; (c) formar al menos el primer material en una primera capa; (d) someter al menos una parte de la primera capa a energía en presencia del segundo material, siendo la energía suficiente para iniciar una reacción entre el primer y el segundo materiales para formar una parte de un artículo, comprendiendo la parte del artículo el producto de reacción; (e) formar una segunda capa de al menos el primer material sobre la primera capa; y (f) someter al menos una parte de la segunda capa a energía en presencia del segundo material, siendo la energía suficiente para iniciar una reacción entre el primer y el segundo materiales para formar una parte adicional del artículo. El documento de Patente US 5182 170 desvela un proceso similar, siendo el segundo material un gas.

Breve descripción de los dibujos

Se muestran realizaciones a modo de ejemplo ilustrativas y preferentes en los dibujos, en los que:

la Figura 1 es un diagrama de flujo de proceso de un proceso de fabricación de aditivo reactivo de acuerdo con una primera realización de la presente invención;

la Figura 2 es un diagrama de flujo de proceso de un proceso de fabricación de aditivo reactivo de acuerdo con una segunda realización de la presente invención;

la Figura 3 es un diagrama de flujo de proceso de una tercera realización de un proceso de fabricación de aditivo reactivo; y

la Figura 4 es una micrografía de barrido electrónico a 5.000 aumentos de una parte de un artículo del Ejemplo 1.

Mejor modo de llevar a cabo la invención

Una realización de un proceso de fabricación de aditivo reactivo 10 se ilustra en la Figura 1 e implica proporcionar al menos un suministro de un primer material 12 y un segundo material 14. El primer y el segundo materiales 12 y 14 son capaces de reaccionar entre sí tras la adición de energía para formar un artículo o producto final 16. En algunas realizaciones, el primer y el segundo materiales 12 y 14 pueden comprender polvos, aunque no se requiere la provisión del primer y el segundo materiales 12 y 14 en forma de polvo. Por ejemplo, en otras realizaciones, el segundo material 14 puede proporcionarse en forma gaseosa, por ejemplo, en una atmósfera que rodea el primer material 12, y está disponible para reaccionar con el primer material 12 en un momento apropiado durante el proceso. Además, y como se explicará con mucho mayor detalle en el presente documento, pueden añadirse materiales adicionales, tales como materiales reactivos 18, diluyentes 20, líquidos 22, y aglutinantes 24 adicionales, dependiendo de una amplia diversidad de factores, incluyendo el tipo de producto final 16 que se va a producir.

En algunas realizaciones, los materiales particulares que se usan pueden combinarse o mezclarse conjuntamente, por ejemplo, en un mezclador o mezcladora 26, para formar un material mezclado 28. A continuación, el material mezclado 28 puede formarse, por ejemplo, en la etapa 30, en una primera capa sobre una base adecuada 34. Alternativamente, si solo está implicado un constituyente primario (por ejemplo, en realizaciones en donde el segundo material 14 se ha de proporcionar en forma gaseosa), la etapa de mezcla puede omitirse y la primera capa 32 puede formarse solamente a partir del primer material 12. En algunas realizaciones, la primera capa 32 puede formarse por compactación de los materiales (por ejemplo, el primer material 12 o el material mezclado 28) en un proceso de compactación 36 opcional. Además y/o alternativamente, los diversos materiales (por ejemplo, el primer material 12 o el material mezclado 28) pueden someterse a un proceso de evaporación 38 opcional para retirar cualquier componente líquido que pueda estar presente en el primer material 12 o el material mezclado 28, según sea el caso.

Independientemente de los materiales y procesos particulares que puedan usarse para formar la primera capa 32, el proceso de fabricación de aditivo reactivo 10 puede avanzar a continuación a la etapa 40 en la que al menos una parte de la primera capa 32 se somete a suficiente energía para iniciar una reacción entre al menos el primer y el segundo materiales 12 y 14, formando de ese modo un producto de reacción. En algunas realizaciones, la energía puede proporcionarse mediante un haz de energía dirigida 42, tal como un haz láser 44. En otras realizaciones, la energía puede proporcionarse mediante una fuente de energía localizada, tal como un calentador o un filamento caliente 243 (Figura 3). En una realización en donde la energía se proporciona mediante un haz de energía dirigida 42, puede hacerse que el haz de energía dirigida 42 se mueva sobre la primera capa 42 en el patrón deseado, y el resultado será la formación de una parte o capa que ha reaccionado 32' del artículo 16 que se fabrica. La parte o capa que ha reaccionado 32' del artículo 16 comprenderá principalmente el producto que ha reaccionado, aunque también puede comprender otros materiales en menores cantidades, tales como cantidades que no han reaccionado del primer y el segundo materiales 12 y 14 y/o productos que han racionado parcialmente del primer y el segundo materiales 12 y 14. Dependiendo de la realización particular, la etapa 14 puede realizarse en presencia de un gas de proceso 46, tal como un gas reactivo (por ejemplo, que puede comprender el segundo material 14 en algunas realizaciones) o un gas inerte. Alternativamente, la etapa 40 puede realizarse en un vacío 48 o un vacío parcial.

Después de que la primera capa 32 del artículo deseado 16 se haya hecho reaccionar para formar la primera capa que ha reaccionado 32', puede repetirse la etapa 30 en la que se forma una segunda capa 30 sobre la primera capa que acaba de reaccionar 30'. A continuación, puede realizarse de nuevo la etapa 40 en la que se proporciona energía (por ejemplo, a partir de un haz de energía dirigida 42) a la segunda capa 50 en una cantidad suficiente para iniciar una reacción entre al menos el primer y el segundo materiales 12 y 14 con el fin de formar una segunda capa que ha reaccionado 50' del artículo 16. La segunda parte o capa que ha reaccionado 50' del artículo 16 comprenderá de nuevo principalmente el producto de reacción de al menos el primer y el segundo materiales 12 y 14, aunque también puede comprender otros materiales. Después de que se haya determinado que el artículo 16 está completo, por ejemplo, en la etapa 52, el proceso 10 puede terminarse.

Dependiendo de la realización particular, el artículo 16 producido de ese modo puede estar rodeado por partes que no han reaccionado del primer y el segundo materiales 12 y 14 usados para formar las diversas capas que han reaccionado, por ejemplo, 32' y 50'. Tales materiales pueden retirarse, por ejemplo, mecánicamente, para revelar el producto o artículo final 16.

Una ventaja significativa de la presente invención es que puede usarse para producir artículos que comprenden una amplia diversidad de formas, composiciones de materiales, y propiedades mecánicas o estructurales. En particular, los métodos de fabricación de aditivos existentes para producir partes de alta resistencia usan por lo general materiales en polvo homogéneos de la misma composición que la composición del producto deseado. Este enfoque ha dado como resultado una selección limitada de materiales que pueden utilizarse con éxito mediante los procesos de fabricación de aditivos existentes para producir partes de alta calidad. La selección de materiales existente para los procesos de fabricación de aditivos disponibles comercialmente más habituales está limitada en la actualidad principalmente a polímeros y aleaciones específicas de metales. Dado que la mayoría de los procesos de fabricación de aditivos existentes dependen del calentamiento de las capas de una parte a una temperatura cercana o superior a la de fusión del material, los materiales de alta temperatura, tales como numerosos materiales cerámicos, requieren un alto aporte de energía y son difíciles de fabricar con estos procesos. En gran medida, debido a las limitaciones de los procesos existentes, los materiales cerámicos, intermetálicos, y los materiales compuestos cerámicos metálicos no están disponibles para su uso con los procesos de fabricación de aditivos.

En el caso de los materiales cerámicos, las propiedades de los artículos cerámicos producidos mediante técnicas de procesamiento de materiales cerámicos convencionales pueden mejorarse a menudo mediante el uso de polvos constituyentes cerámicos con pequeño tamaño de partícula (por ejemplo, menos de aproximadamente 10 pm y, a menudo, menos de aproximadamente 1 pm de diámetro) para producir artículos cerámicos sinterizados de grano fino. Tales tamaños de partícula extremadamente finos no pueden usarse en la mayoría de los procesos de fabricación de aditivos de lecho de polvo existentes dado que la mala fluidez de los polvos finos da como resultado la dificultad de obtener una capa extendida uniformemente.

A diferencia de las diversas limitaciones, inconvenientes, y desventajas asociadas a los procesos de fabricación conocidos, los procesos de fabricación de aditivos reactivos de la presente invención proporcionan mejoras significativas y opciones en términos de composición de materiales, requisitos de energía, y facilidad de fabricación.

Por ejemplo, en realizaciones donde se libera energía mediante una reacción química exotérmica entre los diversos constituyentes (por ejemplo, el primer y el segundo materiales 12 y 14), se requiere menos aporte de energía externa para conseguir la fusión de los materiales en forma de polvo en un artículo completo 16. El menor requisito de energía externa permite un aumento de las velocidades de fabricación y/o una reducción de los costes de equipo. La invención permite que las técnicas de fabricación de aditivos usen materiales que no se consideraban posibles o prácticos con los procesos de fabricación de aditivos convencionales. Dado que los puntos de fusión de los materiales reactivos son a menudo inferiores a los puntos de fusión de los materiales producidos, la síntesis de producto in situ utilizada por la presente invención puede dar como resultado una mejora de las densidades de producto en comparación con las técnicas de fabricación de aditivos convencionales que intentan sinterizar o fundir directamente la fase de producto de alta temperatura. Además, dado que las fases de producto se forman in situ, pueden formarse materiales de producto de grano fino incluso con el uso de materiales reactivos de tamaño relativamente grande. Esto permite una mejora de las propiedades del producto mientras se mantienen un flujo de polvo y características de extensión óptimas para la mezcla combinada.

El uso de materiales reactivos constituyentes también permite un aumento de flexibilidad para modificar fácilmente las composiciones de las mezclas mediante el cambio de las proporciones de los materiales constituyentes. Por ejemplo, una mezcla combinada diseñada para producir un material compuesto de material cerámico-matriz metálica con un 20 % en volumen de material cerámico podría modificarse fácilmente para producir en su lugar un material compuesto de material cerámico-matriz metálica al 25 % en volumen. Esta flexibilidad es particularmente útil para desarrollar trabajo pero también puede ser útil para adaptar fácilmente las propiedades del material basándose en la combinación específica más adecuada para el artículo de producto.

Habiendo descrito brevemente una realización 10 del proceso de fabricación de aditivo reactivo de acuerdo con la presente invención, así como algunas de sus características y ventajas más significativas, se describirán a continuación con detalle diversas realizaciones, modificaciones, y disposiciones alternativas posibles con la presente invención. Sin embargo, antes de proceder con la descripción detallada, se ha de indicar que las diversas realizaciones a modo de ejemplo se muestran y se describen en el presente documento como se utilizarían con ciertos materiales de partida para preparar artículos que comprenden componentes reactivos de esos materiales. Sin embargo, y como será evidente para los expertos habituales en la materia después de que les sean familiares las enseñanzas que se proporcionan en el presente documento, la presente invención puede usarse con una amplia diversidad de materiales de partida para formar una amplia diversidad de artículos que comprenden una amplia variedad de formas, composiciones, materiales, y propiedades estructurales. Por consiguiente, la presente invención no se debería considerar limitada a los materiales, etapas de proceso, formas de artículos, composiciones, y propiedades de materiales particulares mostrados y descritos en el presente documento.

A continuación, de nuevo por referencia a la Figura 1, un proceso de fabricación de aditivo reactivo 10 de acuerdo con una realización de la presente invención puede comprender proporcionar un suministro de un primer material 12 y un segundo material 14. Al menos el primer y el segundo materiales 12 y 14 son capaces de reaccionar entre sí tras la adición de energía para formar un producto o productos de reacción. Como se ha mencionado anteriormente, pueden añadirse materiales reactivos 18 opcionales que pueden reaccionar con los materiales 12 y 14 para formar el producto o productos de reacción.

Se añaden uno o más materiales diluyentes 20 para absorber calor y reducir la velocidad de reacción, la temperatura de reacción, y la velocidad de propagación y/o extensión de la reacción. Los materiales diluyentes 20 adicionales pueden participar en la reacción como reactivos intermedios, disolventes, o catalizadores que pueden reducir el aporte de energía requerido para iniciar la reacciones químicas primarias (por ejemplo, entre el primer y el segundo materiales 12 y 14 y cualquier material reactivo 18 adicional). Cuando se añaden uno o más materiales diluyentes 20, puede ser deseable usar materiales reactivos sintetizados previamente de la misma composición que uno o más de los productos de reacción. También puede ser deseable usar materiales diluyentes 20 que confieran propiedades beneficiosas al artículo 16, tales como metales o aleaciones, para servir como una matriz para fases cerámicas sintetizadas de reacción. Los materiales diluyentes 20 también pueden elegirse para proporcionar otras ventajas, tales como ayuda en la sinterización de las fases de producto o para inhibir el crecimiento de grano.

Las ecuaciones de reacción pueden usarse para determinar las proporciones estequiométricas para las cantidades relativas de las especies reactivas participantes. Las proporciones estequiométricas pueden convertirse fácilmente en proporciones en masa usando los pesos moleculares/atómicos de las especies, como será evidente para los expertos habituales en la materia después de que les sean familiares las enseñanzas que se proporcionan en el presente documento. La energía química liberada o absorbida por la reacción puede calcularse con el uso de tablas de datos termodinámicos químicos tabulados, tales como las Tablas termoquímicas de JANAF, que se incorporan específicamente en el presente documento por referencia en la totalidad de su divulgación. La energía de reacción calculada puede usarse con datos de capacidad calorífica dependiente de la temperatura y energía de cambio de fase para calcular la temperatura de reacción adiabática para el sistema de materiales deseado. La energía de la reacción, los datos de capacidad calorífica dependiente de la temperatura, y el aporte de densidad de energía a partir del haz de energía dirigida 42 o energía localizada (por ejemplo, de un calentador o filamento 243, Figura 3) pueden usarse para estimar las temperaturas adiabáticas máximas que pueden obtenerse durante la etapa de procesamiento 40.

Para las reacciones químicas exotérmicas, el aporte de energía por parte de la fuente de energía dirigida o la fuente de energía localizada y el calor liberado por la reacción química se conducirán mediante el material a regiones adyacentes y puede ser suficiente para iniciar la reacción química en estas regiones adyacentes. En casos en los que la energía liberada por la reacción química sea adecuada por sí sola para iniciar la reacción en las capas adyacentes, la reacción puede propagarse por todo el material reactivo en contacto. En los casos en los que la energía liberada por la reacción química no sea adecuada por sí sola para iniciar la reacción en las capas adyacentes, aún puede producirse una propagación de reacción local limitada debido al aporte de calor adicional de la fuente de energía dirigida 42 o la fuente de energía localizada 243. La distancia de la propagación de la reacción local se ve afectada por el aporte de energía de la fuente de energía dirigida y la energía liberada por la reacción química. Como ya se ha mencionado, pueden utilizarse uno o más materiales diluyentes 20 para controlar la extensión y/o la velocidad de la propagación.

Para realizaciones de lecho de polvo (por ejemplo, en donde las diversas capas 32, 50 se forman a partir de polvos), puede ser beneficiosa la propagación de reacción localizada limitada permitiendo un aumento de la velocidad de procesamiento y una microestructura favorable aunque, sin embargo, generalmente no es deseable una propagación excesiva dado que reducirá el detalle y las tolerancias que pueden conseguirse mediante el proceso de fabricación de aditivo. Por lo tanto, para las realizaciones de lecho de polvo, generalmente es preferente diseñar los sistemas de reactivos para limitar la propagación de la reacción.

Además, en realizaciones en donde los materiales se proporcionan en forma de polvo, generalmente puede ser deseable usar polvos que tengan formas o morfologías esféricas debido a su fluidez. Es decir, el uso de polvos fluidos mejora la capacidad de distribuir el polvo en capas uniformes. La fluidez del polvo también se ve afectada por los diámetros de las partículas, teniendo las partículas que son demasiado pequeñas malas características de flujo y limitando las partículas que son demasiado grandes la capacidad de producir un detalle fino de artículo e impidiendo la actividad química.

Los tamaños de partícula de cada uno de los polvos constituyentes puede controlarse de forma individual mediante las técnicas de fabricación o las etapas de clasificación (por ejemplo, tamizado) del polvo para proporcionar polvos de los tamaños deseados. El tamaño preferente de cada polvo constituyente puede basarse en las propiedades del material constituyente incluyendo densidad, morfología, higroscopicidad, afinidad por oxígeno y características de la capa de óxido/hidróxido, e interacciones electrostáticas, como de nuevo resultará evidente para los expertos habituales en la materia después de que les sean familiares las enseñanzas que se proporcionan en el presente documento.

A continuación, de nuevo por referencia a la Figura 1, puede ser deseable añadir uno o más líquidos 22 y/o aglutinantes 24 a la mezcla. Los líquidos 22 y/o los aglutinantes 24 pueden añadirse para mejorar la fluidez de las partículas finas (por ejemplo, los materiales 12, 14, 18, y 20) uniendo las mismas en aglomerados o para formar una pasta, lodo, suspensión, suspensión coloidal, o material compuesto deformable de forma plástica. Cualquier líquido 22 y/o aglutinante 24 añadido puede seleccionarse para que se volatilice o descomponga después de la formación de capa antes de o durante la aplicación de energía para iniciar la reacción química. Tales materiales 22 y 24 también pueden participar en la reacción química para formar fases de producto en el artículo 16.

A modo de ejemplo, el líquido 22 y/o el aglutinante 24 pueden comprender cualquiera de una amplia diversidad de ceras, polímeros, u otro material de baja temperatura de fusión que sea un líquido, líquido viscoso, o capaz de experimentar flujo viscoso a temperatura ambiente o de otro modo antes o durante la etapa de unión.

El primer y el segundo materiales 12, 14, y opcionalmente cualquier material reactivo, diluyente, líquido, y/o aglutinante 18, 20, 22, y 24 puede combinarse o mezclarse conjuntamente en una mezcladora adecuada 26 para formar material mezclado 28. La mezcladora 26 puede comprender cualquiera de una amplia diversidad de dispositivos de mezcla, tales como vasos, mezcladoras, molinos de bolas, o mezcladores, que se conocen en la técnica o que puedan desarrollarse en el futuro que sean (o serían) adecuados para la aplicación particular (por ejemplo, la formación de una pasta o suspensión coloidal) y los materiales implicados. El material mezclado resultante 28 puede extenderse para formar la primera capa 32 en la etapa 30. El material mezclado 28 puede formarse de ese modo mediante cualquiera de una amplia diversidad de dispositivos de extensión y formación (no mostrados) tales como, por ejemplo, cuchillas de revestimiento, cepillos, rodillos, pulverizadores, dispensadores que se conocen en la actualidad en la técnica o que puedan desarrollarse en el futuro que sean (o serían) adecuados para formar las capas deseadas.

La primera capa 32 puede extenderse o formarse en una placa base 34 adecuada. Alternativamente, la primera capa 32 puede formarse sobre un artículo preexistente 34' que puede comprender los mismos materiales que el artículo 16. En tal realización, el artículo 16 formado de ese modo puede soltarse o unirse de otro modo al artículo preexistente 34', aunque esto no es necesario.

El material (por ejemplo, el primer material 12 solo, o el material mezclado 28) que forma las diversas capas (por ejemplo, 32, 50) puede comprimirse o compactarse opcionalmente, por ejemplo, en la etapa 36, para formar una capa compactada. Tal etapa de compactación puede conseguirse mediante cualquiera de una diversidad de dispositivos de compactación, tales como placas, troqueles, o rodillos de prensado. Alternativamente, las diversas capas (por ejemplo, 32, 50) pueden compactarse o comprimirse mediante presión isostática. Si se añadió un líquido 22 y/o aglutinante 24, entonces el líquido 22 y/o el material aglutinante 24 pueden evaporarse y descomponerse en la etapa 38. La etapa 38 puede implicar la aplicación de calor y/o presión reducida (por ejemplo, un vacío o vacío parcial) durante un tiempo suficiente para evaporar o descomponer el líquido 22 y/o el aglutinante 24.

A continuación, al menos una parte de la capa 32 puede someterse después a energía (es decir, durante la etapa 40) suficiente para iniciar la reacción entre al menos algunos de los materiales que comprenden la capa 32. En algunas realizaciones, la energía suficiente para iniciar la reacción puede proporcionarse mediante un haz de energía dirigida 42 que puede dirigirse sobre la capa 32 en el patrón deseado. El haz de energía dirigida 42 puede comprender cualquiera de una diversidad de haces de energía dirigidos, tales como un haz láser (o un tipo similar de radiación electromagnética), un haz de electrones (u otra partícula), o un arco de plasma eléctrico. En otras realizaciones, la energía requerida para iniciar la reacción puede comprender una fuente de energía localizada, tal como un filamento caliente o un calentador 243 (Figura 3) situado adyacente a la capa 32.

La temperatura requerida para iniciar la reacción química para un sistema específico (es decir, combinación de materiales en la capa 32) puede determinarse experimentalmente, obtenerse en la bibliografía, o estimarse de forma teórica. La temperatura de inicio de reacción puede convertirse en un requisito de energía usando datos de capacidad calorífica y energía de cambio de fase para los materiales reactivos, como resultará evidente para los expertos habituales en la materia después de que les sean familiares las enseñanzas que se proporcionan en el presente documento.

En las realizaciones que utilizan un haz de energía dirigida 42, el haz de energía dirigida 42 puede configurarse o adaptarse para proporcionar suficiente energía a la parte de la capa 32 para iniciar las reacciones entre los materiales en la mezcla combinada 28 para formar de ese modo los productos de reacción y para fundir los materiales conjuntamente para formar una capa que ha reaccionado 32' en el artículo 16. Si la primera capa 32 se extendió sobre una placa base 34 o un artículo prefabricado 34', el haz de energía dirigido 42 y/o la energía de reacción también pueden fundir la primera capa que ha reaccionado 32' a la placa base 34 o el artículo 34'.

Como se ha mencionado con brevedad anteriormente, y dependiendo de la realización particular, la etapa 40 puede realizarse en presencia de un gas de proceso 46, tal como un gas reactivo (por ejemplo, que puede comprender el segundo material 14 en algunas realizaciones) o un gas inerte. Alternativamente, la etapa 40 puede realizarse en un vacío o un vacío parcial 48. Si se hace de ese modo, el proceso 40 puede realizarse en una cámara de proceso 54 adecuada.

Como se ha mencionado, la parte que ha reaccionado de la capa 32' del artículo 16 puede comprender principalmente las fases de equilibrio que incluyen los productos reactivos y materiales diluyentes opcionales, aunque también puede comprender en menor cantidad fases de no equilibrio incluyendo materiales reactivos que no han reaccionado y compuestos intermedios del primer y el segundo materiales 12, 14, y además opcionalmente materiales reactivos 18, materiales diluyentes 20, y materiales líquidos/aglutinantes 22 y 24.

Después de que se haya formado completamente la primera capa 32' del artículo deseado 16, puede repetirse la etapa 30 en la que cantidades adicionales del material o materiales reactivos (por ejemplo, el primer material 12 o el material mezclado 28, dependiendo de la realización particular) se extienden o forman en una segunda capa 50 sobre la capa recién formada 32' del artículo 16. Después de eso, puede realizarse de nuevo la etapa 40 en la que la fuente o haz de energía dirigida 42 se dirige sobre la segunda capa 50 con el fin de formar una segunda parte que ha reaccionado de la capa 50' del artículo 16. La segunda parte o la capa que ha reaccionado 50' del artículo 16 puede comprender de nuevo principalmente las fases de producto de equilibrio, aunque también puede comprender a su vez otras fases de no equilibrio. Las etapas de añadir capas adicionales (en la etapa 30) y someterlas a energía dirigida (en la etapa 40) pueden repetirse hasta que se determine en la etapa 52 que el artículo 16 se ha completado. Cuando el artículo 16 se ha completado, el proceso 10 puede terminarse.

En numerosas realizaciones, el artículo fabricado 16 puede estar rodeado por partes que no han reaccionado y que no se han fundido del material usado para formar las diversas capas. Tales materiales pueden retirarse (por ejemplo, mecánicamente) para revelar el producto o artículo final 16.

Una segunda realización 110 del proceso de fabricación de aditivo reactivo se ilustra en la Figura 2 y también puede implicar proporcionar un suministro de un primer material 112 y un segundo material 114. Sin embargo, en la segunda realización 110, el segundo material 114 se proporciona en forma gaseosa a una cámara de proceso 154 adecuada de un modo tal que el material gaseoso 114 forme una atmósfera alrededor de las diversas capas 132, 150. De ese modo, el segundo material 114 puede denominarse en el presente documento en la alternativa gas de proceso 146. El primer material 112 es capaz de reaccionar con el material gaseoso 114 tras la adición de energía para formar un producto o productos de reacción.

Antes de proceder con la descripción, se ha de indicar que, en otras realizaciones, el segundo material 114 no necesita proporcionarse en forma gaseosa. Por ejemplo, en otras realizaciones, el segundo material 114 puede proporcionarse en forma de un vapor, niebla, pulverización o líquido. En otras realizaciones más, el segundo material 114 puede proporcionarse en forma de alambre, tubo o tira. En tales realizaciones, el alambre, tubo o tira del segundo material 114 puede proporcionarse en forma de un electrodo consumible para proporcionar energía dirigida en forma de un arco de plasma o un haz de electrones.

Como fue el caso de la primera realización 10, pueden añadirse opcionalmente uno o más materiales reactivos 118 adicionales que pueden reaccionar con los materiales 112, 114 para formar un producto o productos de reacción. También pueden añadirse uno o más materiales diluyentes 120 para absorber calor y reducir la velocidad de reacción, la temperatura de reacción, la extensión de la reacción, o la cantidad de propagación de la reacción. Como ya se ha descrito, los materiales diluyentes 120 adicionales pueden participar en la reacción como reactivos intermedios, disolventes, o catalizadores que pueden reducir el aporte de energía requerido para iniciar las reacciones químicas primarias. Cuando se añaden los materiales diluyentes 120, puede ser deseable usar materiales de producto sintetizados previamente de la misma composición que uno o más de los productos de reacción. También puede ser deseable usar materiales de diluyente 120 que puedan conferir propiedades beneficiosas al artículo final 116 tales como metales o aleaciones que sirvan como una matriz para fases cerámicas sintetizadas de reacción. Los materiales diluyentes 120 también pueden elegirse para proporcionar otras ventajas tales como ayuda en la sinterización de las fases de producto o para inhibir el crecimiento de grano.

Aquí, de nuevo, y como fue el caso de la primera realización 10, las ecuaciones de reacción pueden usarse en la segunda realización 110 para determinar las proporciones estequiométricas para las cantidades relativas de las especies reactivas participantes. Las proporciones estequiométricas pueden convertirse fácilmente en proporciones en masa usando los pesos moleculares/atómicos de las especies particulares implicadas. La energía química liberada o absorbida por la reacción puede calcularse con el uso de tablas de datos termodinámicos químicos tabulados, tales como las Tablas termoquímicas de JANAF. Esta energía de reacción calculada puede usarse con datos de capacidad calorífica dependiente de la temperatura y energía de cambio de fase de todos los constituyentes para calcular la temperatura de reacción adiabática para el sistema de materiales. La energía de la reacción, los datos de capacidad calorífica dependiente de la temperatura, y el aporte de densidad de energía a partir del haz de energía dirigida pueden usarse para estimar las temperaturas adiabáticas máximas que pueden obtenerse durante el procesamiento.

Para las reacciones químicas exotérmicas, el aporte de energía por parte de la fuente de energía dirigida y el calor liberado por la reacción química se conducirán mediante el material en la capa 132 a regiones adyacentes y puede ser suficiente para iniciar la reacción química en estas regiones adyacentes. En casos en los que la energía liberada por la reacción química sea adecuada por sí sola para iniciar la reacción en las capas adyacentes (por ejemplo, la segunda capa 150), la reacción puede propagarse por todo el material reactivo en contacto. En los casos en los que la energía liberada por la reacción química no sea adecuada por sí sola para iniciar la reacción en las capas adyacentes, aún puede producirse una propagación de reacción local limitada debido al aporte de calor adicional de la fuente de energía dirigida 142. La distancia de la propagación local se ve afectada por el aporte de energía de la fuente de energía dirigida 142 y la energía liberada por la reacción química. Pueden utilizarse materiales diluyentes 118 para controlar la extensión de la propagación.

En la mayoría de las variaciones de la segunda realización 110, el primer material 112 y los materiales opcionales 116 y 118 comprenderán polvos, aunque la provisión de forma de polvo no es necesaria. Aquí, de nuevo, generalmente son preferentes las morfologías de polvo esféricas para mejorar la capacidad de distribuir el polvo en una capa uniforme (es decir, la fluidez del polvo). La fluidez del polvo también se ve afectada por los diámetros de las partículas, teniendo las partículas que son demasiado pequeñas malas características de fluidez y limitando las partículas que son demasiado grandes la capacidad de producir un detalle fino de artículo e impidiendo la actividad química. Los tamaños de partícula de cada uno de los polvos constituyentes pueden controlarse individualmente mediante técnicas de fabricación o técnicas de separación (por ejemplo, tamizado) de polvo para proporcionar polvos de los tamaños deseados. El tamaño preferente de cada polvo constituyente puede basarse en las propiedades de los materiales constituyentes, incluyendo densidad, morfología, higroscopicidad, afinidad por oxígeno y características de la capa de óxido/hidróxido, e interacciones electrostáticas.

En la segunda realización 110, también puede ser deseable añadir uno o más líquidos 122 y/o aglutinantes 124 al primer material 112. Aquí, de nuevo, los líquidos 122 y/o los aglutinantes 124 pueden añadirse para mejorar la fluidez del primer material 112 y/o cualquier material añadido (por ejemplo, los materiales 118 y 120) uniendo los mismos en aglomerados o para formar una pasta, lodo, suspensión, suspensión coloidal, o material compuesto deformable de forma plástica. Cualquier líquido 122 y/o aglutinante 124 añadido puede seleccionarse para que se volatilice o descomponga después de la formación de la capa antes de o durante la aplicación de energía para iniciar la reacción química. Tales materiales 122 y 124 también pueden participar en la reacción química para formar fases de producto en el artículo 116. El líquido 122 y/o el aglutinante 124 pueden comprender cualquiera de una diversidad de ceras, polímeros, u otro material de baja temperatura de fusión que sea un líquido, líquido viscoso, o capaz de experimentar flujo viscoso a temperatura ambiente o de otro modo antes o durante la etapa de mezcla.

El primer material 112 y, opcionalmente, cualquier material reactivo, diluyente, líquido, y/o aglutinante 118, 120, 122, y/o 124 adicional pueden combinarse o mezclarse conjuntamente, por ejemplo, en una mezcladora 126 adecuada para formar un material mezclado 128. El material mezclado 128 resultante puede extenderse sobre una base 134 o un artículo preexistente 134' en la etapa 130 para formar una primera capa 132. Como fue el caso de la primera realización 10, puede usarse para este fin cualquiera de una diversidad de dispositivos de extensión o formación, tales como cuchillas de revestimiento, cepillos, rodillos, pulverizadores, o dispensadores.

El material (por ejemplo, el primer material 112 solo o el material mezclado 128) que forma las diversas capas puede comprimirse o compactarse opcionalmente en la etapa 136 para formar una capa compactada. De nuevo, puede usarse para este fin cualquiera de una diversidad de dispositivos de compactación, tales como placas, troqueles, o rodillos de prensado. Las capas también pueden comprimirse o compactarse mediante presión isostática. Si se añadió un líquido 122 o un aglutinante 124, entonces tales materiales 122 y 124 pueden evaporarse o descomponerse en una etapa de evaporación 138 opcional. La etapa 138 puede implicar la aplicación de calor y/o presión reducida durante un tiempo suficiente para evaporar o descomponer básicamente todo el líquido y/o el material aglutinante 122, 124, según sea el caso. Aquí, de nuevo, las etapas de compactación y evaporación 136 y 138 pueden realizarse por separado o en combinación. Alternativamente, no es necesario realizar ninguna de las etapas de evaporación y compactación 136 y 138.

En la segunda realización 110, el segundo material 114 (es decir, que puede comprender el gas de proceso 146) puede introducirse en la cámara de proceso 154. El gas de proceso 146 puede comprender un único tipo de gas reactivo (por ejemplo, el segundo material 114), múltiples tipos de gases reactivos, o un gas reactivo junto con uno o más gases inertes, por ejemplo, argón.

A continuación, la primera capa 132 puede someterse a energía durante la etapa 140 para formar una parte o capa que ha reaccionado 132' del artículo 116 que se fabrica. Aquí, de nuevo, la energía proporcionada puede comprender energía dirigida (por ejemplo, de un haz de energía dirigida 142). Alternativamente, la energía puede comprender energía localizada, tal como de un filamento caliente o un calentador 243 (Figura 3). El gas de proceso 146 (es decir, que puede comprender el segundo material reactivo 114) puede proporcionarse a presiones, caudales y/o proporciones controladas para controlar los productos de reacción, velocidades, temperaturas máximas, propagación de la reacción, o extensión de la compleción durante el proceso de reacción. Para variaciones que implican cámaras de proceso 154, la atmósfera del gas de proceso 146 puede mantenerse durante la extensión de la capa mediante sometimiento a energía en la etapa 140, incluyendo etapas opcionales de compactación 136 y/o evaporación 138. En realizaciones en donde la cámara de proceso 154 puede servir también como vaso de presión, la presión del gas de proceso 146 puede seleccionarse para mantenerse a cualquier presión deseada, es decir, superior o inferior a la presión ambiente. Alternativamente, el proceso 140 puede realizarse en un vacío o vacío parcial 148.

En realizaciones en donde la energía requerida para iniciar la reacción se proporciona mediante energía dirigida, el haz de energía dirigida 142 puede controlarse o configurarse para proporcionar suficiente energía a la parte de la capa 132 para iniciar las reacciones entre los materiales, formando de ese modo los productos de reacción y fundiendo los materiales conjuntamente para formar una capa que ha reaccionado 132'. Si la primera capa 132 se extendió sobre una placa base compatible 134 o un artículo prefabricado 134', entonces el haz de energía dirigida 142 y/o la energía de reacción también pueden fundir la primera capa 132' a la placa 134 o al artículo prefabricado 134'. Los productos de reacción pueden incluir productos formados por reacción de los componentes del material o materiales reactivos de la mezcla combinada 128, productos formados por reacción de los componentes de la mezcla combinada 128 con las diversas especies (por ejemplo, el segundo reactivo 114) que comprenden el gas de proceso 146, y productos formados por reacción de los componentes del gas de proceso 146 que reaccionan con otros componentes del gas de proceso 146. La capa que ha reaccionado 132' también puede comprender fases de equilibrio que incluyen los productos reactivos y materiales diluyentes opcionales, aunque también puede comprender fases de no equilibrio que incluyen materiales reactivos que no han reaccionado y compuestos intermedios de los componentes de los materiales mezclados 128 y el gas de proceso 146.

Después de que se haya formado completamente la primera capa 132' del artículo deseado 116, puede repetirse la etapa 130 en la que cantidades adicionales del material mezclado 128 se extienden, se forman, o se compactan (opcionalmente) sobre la capa que se acaba de formar 132' del artículo 116 para formar una segunda capa 150. A continuación, puede realizarse de nuevo la etapa 140 en la que el haz de energía dirigida 142 se dirige sobre la segunda capa 150 con el fin de formar una segunda parte o capa que ha reaccionado 150' del artículo 116 que se fabrica. La segunda parte o capa 150' del artículo 116 puede comprender de nuevo fases de producto de equilibrio de los diversos constituyentes, aunque también puede comprender a su vez otras fases de no equilibrio. Las etapas 130 y 140 de adición de una capa adicional y sometimiento de la misma a energía dirigida pueden repetirse hasta que se determine en la etapa 152 que el artículo 116 se ha completado. Cuando el artículo 116 se ha completado, el proceso 110 puede terminarse. En la mayoría de las versiones de esta segunda realización 110, el artículo fabricado 116 estará rodeado por partes que no han reaccionado y no se han fundido del material mezclado 128 usado para formar las diversas capas (por ejemplo, 132', 150'). Tales materiales pueden retirarse (por ejemplo, mecánicamente) para revelar el producto o artículo final 116.

Son posibles otras variaciones y modificaciones más de la presente invención. Por ejemplo, y ahora principalmente por referencia a la Figura 3, una tercera realización 210 de un proceso de fabricación de aditivo reactivo que no está de acuerdo con la presente invención puede implicar la formación de un material de pasta mezclado 228 que a continuación puede extruirse en la etapa 230 para formar un artículo "verde" 215. Dependiendo del artículo final particular 216 que se va a producir, el artículo verde 215 puede comprender básicamente la totalidad del artículo final 216. Alternativamente, el artículo verde 215 puede comprender una parte menor, o incluso una capa individual 232 del artículo final 216.

Una vez se ha formado completamente el artículo verde 215 o la capa verde 232, a continuación puede calentarse, por ejemplo, mediante un calentador 243, para iniciar una o más reacciones químicas y formar el artículo final 216. Alternativamente, el artículo verde 215 o la capa verde 232 puede someterse a un haz de energía dirigida 242 antes de añadir capas posteriores 250. El calor o la energía dirigida pueden fundir parcial o completamente las capas 230, 250 y pueden ser o no ser suficientes para iniciar una o más reacciones químicas en las capas. En esta realización, si las reacciones químicas ya han formado las fases de producto deseadas cuando se someten las capas a calor o energía dirigida, el artículo formado completamente 216 puede comprender el artículo final 216 sin el requisito de sometimiento adicional a calor, por ejemplo, durante la etapa 256. La diferencia más sustancial en esta tercera realización 210 en comparación con la primera realización 10 es que el material mezclado 228 se aplica solo a las ubicaciones de la capa donde se va a formar el artículo a diferencia de extenderse sobre un lecho entero como fue el caso de la primera realización 10.

Más específicamente, el método 210 puede implicar proporcionar un primer y un segundo materiales 212 y 214 y opcionalmente materiales reactivos y diluyentes 218 y 220 adicionales. Como fue el caso de la primera y la segunda realizaciones 10 y 110, el primer y el segundo materiales 212 y 214 y los materiales reactivos 218 opcionales son capaces de reaccionar entre sí tras la adición de energía para formar un producto o productos de reacción deseados para la formación del artículo 216.

Como fue el caso de las otras realizaciones 10 y 110, pueden añadirse uno o más diluyentes 220 para absorber calor y/o para reducir la velocidad de reacción, la temperatura de reacción, y la cantidad de propagación de la reacción. Los materiales diluyentes 220 adicionales pueden participar en la reacción como reactivos intermedios, disolventes, o catalizadores que pueden reducir el aporte de energía requerido para iniciar las reacciones químicas primarias. Cuando se añaden los materiales diluyentes 220, puede ser deseable usar materiales de producto sintetizados previamente de la misma composición que uno o más de los productos de reacción. También puede ser deseable usar materiales diluyentes 220 que confieran propiedades beneficiosas al artículo tales como metales o aleaciones que sirvan como una matriz para las fases cerámicas sintetizadas de reacción. Los materiales diluyentes 220 también pueden elegirse para proporcionar otras ventajas tales como ayuda en la sinterización de las fases de producto o para inhibir el crecimiento de grano.

En numerosas realizaciones, el primer y el segundo materiales 212 y 214, y los materiales reactivos y diluyentes 218 y 220 adicionales opcionales pueden proporcionarse en forma de polvo, aunque la provisión de estos materiales en forma de polvo no es necesaria. Una vez se han proporcionado el primer y el segundo materiales 212 y 214 y los materiales reactivos y/o diluyentes 218 y/o 220 adicionales opcionales, pueden combinarse o mezclarse conjuntamente, por ejemplo, en una mezcladora 226 adecuada para formar un material mezclado 228. En la mayoría de las variaciones de esta realización 210, el material mezclado 228 comprendería una pasta o un material similar a pasta (por ejemplo, una suspensión o coloide) adecuados para extrusión posterior. Por lo tanto, en la realización particular mostrada y descrita en el presente documento, pueden añadirse un líquido 222 y/o un aglutinante 224 durante el proceso de mezcla para formar la pasta mezclada o el material similar a pasta 228.

Como fue el caso de las otras realizaciones 10 y 110, las ecuaciones de reacción pueden usarse en la realización 210 para determinar las proporciones estequiométricas para las cantidades relativas de las especies reactivas participantes. Las proporciones estequiométricas pueden convertirse fácilmente en proporciones en masa usando los pesos moleculares/atómicos de las especies. La energía química liberada o absorbida por la reacción puede calcularse con el uso de tablas de datos termodinámicos químicos tabulados, tales como las Tablas termoquímicas de JANAF. La energía de reacción calculada puede usarse con datos de capacidad calorífica dependiente de la temperatura y energía de cambio de fase de todos los constituyentes para calcular la temperatura de reacción adiabática para el sistema de materiales. La energía de la reacción, los datos de capacidad calorífica dependiente de la temperatura, y el aporte de densidad de energía a partir de la fuente de energía dirigida pueden usarse para estimar las temperaturas adiabáticas máximas que pueden obtenerse durante el procesamiento.

Para las reacciones químicas exotérmicas, el aporte de energía en la etapa 240 (o la etapa 256) junto con el calor liberado por la reacción química se conducirán mediante el material que reacciona a las regiones adyacentes y puede ser suficiente para iniciar la reacción química en estas regiones adyacentes. En casos en los que el calor liberado por la reacción química sea adecuado para iniciar la reacción en las capas adyacentes, la reacción puede propagarse por todo el material reactivo. En los casos en los que el calor liberado por la reacción química no sea adecuado por sí solo para iniciar la reacción en las capas adyacentes, aún puede producirse una propagación local limitada debido al aporte de calor adicional de la fuente de energía dirigida 242 o el calentador 243. La distancia de la propagación local se ve afectada por el aporte de energía de la fuente de energía dirigida 242 o el calentador 243 y la energía liberada por la reacción química. De nuevo, pueden utilizarse uno o más materiales diluyentes 220 para controlar la extensión de la propagación de la reacción. Para realizaciones basadas en extrusión, tales como la tercera realización 210, puede ser deseable la propagación completa de la reacción química.

Después de que se hayan combinado y mezclado conjuntamente los diversos materiales constituyentes, el material de pasta mezclada resultante 228 puede extruirse en la etapa 230 para formar el artículo verde 215 o una parte o capa 232 del artículo que se fabrica. Cualquier material líquido y/o aglutinante 222 y/o 224 que se añada puede evaporarse o descomponerse opcionalmente en el material extruido en la etapa 238 por aplicación de calor y/o presión reducida durante suficiente tiempo. En la etapa 240, la capa extruida 232 puede someterse opcionalmente a un haz de energía dirigida 242 o a calor de un calentador 243 con el fin de fundir parcial o completamente el material para formar una capa fundida o que ha reaccionado 232'. En esta realización, se ha de indicar que la energía provista por el haz de energía dirigida 242 o el calentador 243 durante la etapa 240 puede ser o no ser suficiente para iniciar una o más reacciones químicas en el artículo verde 215 o la capa verde 232. En esta variación, si las reacciones químicas ya han formado las fases de producto deseadas cuando se someten las diversas capas (por ejemplo, 232, 250) a calor o energía dirigida, el artículo formado completamente puede ser el artículo final 216 sin el requisito de sometimiento adicional a calor en la etapa 256.

Dependiendo de los materiales particulares implicados y/o el artículo final 216 que se produce, la etapa 240 puede realizarse en presencia de un gas de proceso 246. El gas de proceso 246 puede comprender un gas reactivo o un gas inerte. Si así fuera, el proceso 240 puede realizarse en una cámara de proceso 254 adecuada. Alternativamente, la etapa 240 puede realizarse en un vacío o un vacío parcial 248.

Pueden añadirse capas extruidas adicionales (por ejemplo, la segunda capa 250) hasta que se forme completamente el artículo, por ejemplo, como se determina en la etapa 252. En una variación de la tercera realización 210, el proceso de extrusión puede transcurrir de forma continua sin discontinuación del proceso de extrusión entre capas. En tal proceso de extrusión continuo, la aplicación opcional de calor o energía dirigida también puede transcurrir de forma continua hasta que el artículo 216 se haya formado completamente. Si las capas del artículo no se han sometido a calor o energía dirigida suficientes para iniciar la reacciones químicas para formar las fases de producto deseadas (es decir, durante la etapa 240), el artículo formado o fabricado seguirá comprendiendo un artículo "verde" 215, y comprenderá los materiales que no han reaccionado (por ejemplo, el primer y el segundo materiales 212 y 214 y opcionalmente materiales reactivos adicionales 218, materiales diluyentes 220, y cualquier material líquido y/o aglutinante 222 y/o 224 que comprenda la pasta mezclada 228.

A continuación, el artículo verde 215 puede calentarse en la etapa 256 con el fin de iniciar la reacción entre el primer y el segundo materiales 212 y 214 y los materiales reactivos adicionales opcionales 218, los materiales diluyentes 220, y cualquier material líquido y/o aglutinante 222, 224. La temperatura y el tiempo requeridos para iniciar y completar la reacción química para un sistema específico pueden determinarse experimentalmente, obtenerse en la bibliografía, o estimarse teóricamente. La temperatura de inicio de la reacción puede convertirse en un requisito de energía usando datos de capacidad calorífica y energía de cambio de fase de los materiales reactivos.

El resultado será un producto final 216 que comprende principalmente el producto de reacción del primer y el segundo materiales 212 y 214 y opcionalmente los materiales reactivos adicionales 218 y los materiales líquidos y/o aglutinantes 222 y/o 224, así como cualquier material diluyente opcional 220. Dependiendo de los materiales particulares implicados, cualquier material líquido y/o aglutinante 222 y/o 224 usado para formar la pasta mezclada 228 puede retirarse durante la etapa de evaporación opcional 238 o durante las etapas de calentamiento 240 o 256. Los materiales líquidos y/o aglutinantes 222 y/o 224 pueden descomponerse alternativamente en lugar de evaporarse completamente o participar en las reacciones químicas para contribuir a las fases de producto.

EJEMPLOS

Ejemplos de ecuaciones de reacción:

Puede producirse una amplia diversidad de materiales de producto mediante los métodos descritos en la presente invención. La invención puede usarse para producir materiales que incluyen metales, materiales intermetálicos, materiales cerámicos, materiales compuestos, y polímeros. A continuación se dan algunos ejemplos de reacciones adecuadas para ilustrar la versatilidad del proceso y la invención no debería quedar limitada por estos ejemplos. Los coeficientes estequiométricos (unitarios cuando no se indiquen) representan el número de moles de cada especie. Las variables x e y se usan para representar coeficientes de diluyente que pueden variarse para ajustar la temperatura de reacción y/o la composición del producto. La temperatura de combustión adiabática calculada, T^ad,con una temperatura inicial de 298 K se da para las reacciones de fase sólida para los coeficientes estequiométricos indicados.

TABLA I R i n m m l

TABLA II E m l n i il n r i in rm i liz r i l nte:

TABLA III E m l im li n r i n f sa:

Ejemplos de artículo:

Ejemplo 1 que no está de acuerdo con la invención, ya que no comprende diluyente - TiB2-TiC-85Al:

Se diseñó una mezcla reactiva exotérmica que contenía un 76,8 % de polvo de aluminio, un 16,8 % de polvo de titanio, y un 6,5 % de polvo de carburo de boro en peso para producir un producto con una matriz de aluminio y fases de refuerzo de cerámica que comprendía un 85 % de aluminio, un 10,75 % de diboruro de titanio, y un 4,25 % de carburo de titanio en volumen. La mezcla tiene una temperatura de reacción adiabática calculada de 933 K. Se preparó una mezcla con un peso total de 4.000 g por pesada de los polvos constituyentes de acuerdo con los porcentajes indicados anteriormente. Los polvos se mezclaron usando un vaso motorizado. Los polvos mezclados se pusieron a continuación en una bandeja de dispensación de una máquina de sinterización directa de metal por láser (DMLS) EOS M290, disponible en EOS de North America, Inc. de Novi, MI (US).

Se diseñaron modelos tridimensionales de los artículos de fabricación usando un programa de software de diseño asistido por ordenador (CAD) y se rebanaron digitalmente en capas que correspondían al grosor de una capa de polvo a extender. La información digital se envió a la máquina de DMLS EOS M290.

La cámara de procesamiento de la máquina de DMLS M290 se inundó con gas argón y se extendió una capa de la mezcla de polvo que tenía un grosor de aproximadamente 30 pm a través de una placa base de aluminio mediante una cuchilla de revestimiento. El láser de fibra de iterbio de M290 trazó la primera rebanada de los artículos sobre la capa de polvo, calentando de ese modo las regiones trazadas a una temperatura adecuada para iniciar la reacción química exotérmica. La energía combinada del láser y la reacción química en las regiones trazadas se adecuó para iniciar la reacción química exotérmica. La energía combinada del láser y la reacción química en las regiones trazadas se adecuó para producir la fusión mediante sinterización y fundido de los materiales de producto a sí mismos y a la placa de construcción de aleación de aluminio. A continuación, se extendió una segunda capa de la mezcla de polvo sobre la primera capa mediante la cuchilla de revestimiento y se trazó la segunda rebanada de los artículos mediante el láser para iniciar la reacción química en esta capa. La energía del láser y la reacción química hicieron que las regiones trazadas de la segunda capa se fundieran a sí mismas y a la primera capa. A continuación, el proceso se repitió capa a capa hasta que se fabricó el artículo completo. A continuación, se retiraron los artículos acabados de la placa de construcción por corte de los mismos con una sierra de banda.

Se fabricaron un total de 20 artículos en la placa de construcción en un proceso de producción usando exposiciones de láser individuales o dobles por capa con combinaciones únicas de ajustes de energía y velocidad de avance del láser para cada parte. Las fases de producto de los artículos se examinaron por difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido (SEM) y se descubrió que eran principalmente diboruro de titanio y carburo de titanio en una matriz de aluminio. Una micrografía SEM de uno de los artículos del Ejemplo 1 se reproduce en el presente documento en la Figura 4.

Las densidades de las partes se midieron con respecto a la densidad teórica de 3,00 g/cm3 usando el método de Arquímedes y se descubrió que tenían densidades teóricas en un intervalo de aproximadamente un 92,04 % a aproximadamente un 99,63 %, dependiendo de la combinación de las exposiciones del láser y la energía del láser y la velocidad de avance usadas para la parte. Los valores de dureza se midieron usando la escala Rockwell B (HRB) y se descubrió que las mediciones promediaban 62,9 HRB (aproximadamente 1100 MPa) para una parte con una densidad relativa alta. La dureza medida de los materiales compuestos de matriz de aluminio se compara favorablemente con los valores de la bibliografía para aluminio comercialmente puro con una dureza Brinell informada de 30 BHN500 (aproximadamente 294 MPa) que es inferior a cero en la escala HRB.

Ejemplo 2 que no está de acuerdo con la invención, ya que no comprende diluyente - (Ti-V)B²,C-Matriz 85Al-Mg:

Se diseñó una mezcla reactiva exotérmica que contenía un 75,19 % de aluminio/4,5 % de magnesio en aleación en polvo, un 18,23 % de titanio/6 % de aluminio/4 % de vanadio en polvo, y un 6,58 % de boro en polvo para producir un producto con una matriz de aluminio/4,5 % de magnesio que comprendía un 85 % en volumen y fases de refuerzo de cerámica que comprendían un 15 % en volumen de diboruros y carburos titanio y vanadio. La mezcla tiene una temperatura de reacción adiabática calculada de 933 K. Se preparó una mezcla con un peso total de 4.000 g por pesada de los polvos constituyentes de acuerdo con los porcentajes indicados anteriormente. Los polvos se mezclaron usando un vaso motorizado. Los polvos mezclados se pusieron a continuación en una bandeja de dispensación de la máquina de sinterización directa de metal por láser (DMLS) EOS M290.

La cámara de procesamiento de la máquina de DMLS se inundó con gas argón y se extendió una capa de la mezcla de polvo que tenía un grosor de aproximadamente 30 pm a través de una placa de construcción de aluminio mediante una cuchilla de revestimiento. El láser de fibra de iterbio de M290 trazó la primera rebanada de los artículos sobre la capa de polvo, calentando de ese modo las regiones trazadas a una temperatura adecuada para iniciar la reacción química exotérmica. La energía combinada del láser y la reacción química en las regiones trazadas se adecuó para iniciar la reacción química exotérmica. La energía combinada del láser y la reacción química en las regiones trazadas se adecuó para producir la fusión mediante sinterización y fundido de los materiales de producto a sí mismos y a la placa de construcción de aleación de aluminio. A continuación, se extendió una segunda capa de la mezcla de polvo sobre la primera capa mediante la cuchilla de revestimiento y se trazó la segunda rebanada de los artículos mediante el láser para iniciar la reacción química en esta capa. La energía del láser y la reacción química hicieron que las regiones trazadas de la segunda capa se fundieran a sí mismas y a la primera capa. A continuación, el proceso se repitió capa a capa hasta que se fabricaron los artículos completos. A continuación, se retiraron los artículos acabados de la placa de construcción por mecanización mediante descarga eléctrica con alambre (EDM).

Se fabricaron un total de 20 artículos en la placa de construcción en un proceso de producción usando exposiciones de láser individuales o dobles por capa con combinaciones únicas de ajustes de energía y velocidad de avance del láser para cada parte. Las fases de producto de los artículos se examinaron por difracción de rayos X y SEM y se descubrió que eran principalmente diboruro de titanio y carburo de titanio con cantidades menores de diboruro y carburo de vanadio en una matriz de aleación de aluminio-magnesio. Las densidades de las partes se midieron con respecto a la densidad teórica de 2,95 g/cm3 usando el método de Arquímedes y se descubrió que variaban de aproximadamente un 97,7 % a aproximadamente un 100 % del valor teórico, dependiendo de la combinación de las exposiciones del láser y la energía del láser y la velocidad de avance usadas para la parte. Los valores de dureza se midieron usando la escala Rockwell B (HRB) y se descubrió que promediaban 90,4 HRB (aproximadamente 1900 MPa) para una parte con una densidad relativa del 100 %. La dureza medida de los materiales compuestos de matriz de aluminio se compara favorablemente con los valores de la bibliografía para aluminio comercialmente puro con una dureza de 30 BHN500 (aproximadamente 294 MPa) que es inferior a cero en la escala HRB. El valor de dureza también se compara favorablemente con el del material compuesto de matriz de aluminio puro descrito en el Ejemplo 1.

Ejemplo 3 que no está de acuerdo con la invención, ya que no comprende diluyente - NiTi:

Se diseñó una mezcla reactiva exotérmica que contenía un 55,5 % de níquel y un 44,5 % de titanio en peso para producir un producto comprendido por aleación con memoria de forma de níquel-titanio intermetálica. La mezcla tiene una temperatura de reacción adiabática calculada de 1.438 K. Se preparó una mezcla con un peso total de 2.500 g por pesada de los polvos constituyentes de acuerdo con los porcentajes indicados anteriormente. Los polvos se mezclaron usando un vaso motorizado. Los polvos mezclados se pusieron a continuación en una bandeja de dispensación de la máquina de sinterización directa de metal por láser (DMLS) EOS M290.

La cámara de procesamiento de la máquina de DMLS se inundó con gas argón y se extendió una capa de la mezcla de polvo que tenía un grosor de aproximadamente 40 pm a través de una placa de construcción de acero inoxidable 316L mediante una cuchilla de revestimiento. El láser de fibra de iterbio de M290 trazó la primera rebanada de los artículos sobre la capa de polvo, calentando de ese modo las regiones trazadas a una temperatura adecuada para iniciar la reacción química exotérmica. La energía combinada del láser y la reacción química en las regiones trazadas se adecuó para producir la fusión mediante sinterización y fundido de los materiales de producto a sí mismos y a la placa de construcción de acero inoxidable 316L. A continuación, se extendió una segunda capa de la mezcla de polvo sobre la primera capa mediante la cuchilla de revestimiento y se trazó la segunda rebanada de los artículos mediante el láser para iniciar la reacción química en esta capa. La energía del láser y la reacción química hicieron que las regiones trazadas de la segunda capa se fundieran a sí mismas y a la primera capa. A continuación, el proceso se repitió capa a capa hasta que se fabricaron los artículos completos. A continuación, se retiraron los artículos acabados de la placa de construcción por corte de los mismos con una sierra de banda.

Se fabricaron un total de 12 artículos en la placa de construcción en un proceso de producción usando exposiciones de láser individuales o dobles por capa con combinaciones únicas de ajustes de energía y velocidad de avance del láser para cada parte. Las fases de producto de los artículos se examinaron por difracción de rayos X y SEM y se descubrió que eran principalmente material intermetálico de níquel-titanio uno a uno. Las densidades de las partes se midieron con respecto a la densidad teórica de 6,5 g/cm3 usando el método de Arquímedes y se descubrió que variaban de aproximadamente un 86,7 % aproximadamente un 97,2 % dependiendo de la combinación de las exposiciones del láser y la energía del láser y la velocidad de avance usadas para la parte. Las partes fueron adecuadas para ajuste de forma con el tratamiento térmico y deformación mecánica posteriores.

Ejemplo 4 que no está de acuerdo con la invención - Extrusión:

Se diseño una mezcla reactiva exotérmica que contenía un 55,12 % de titanio, un 13,83 % de carbono, y un 31,06 % de aluminio en peso para producir un producto con una matriz de aluminio que comprendía un 45 % en volumen y partículas de carburo de titanio que comprendían un 55 % en volumen. La mezcla tiene una temperatura de reacción adiabática calculada de 2.368 K. Se preparó una mezcla con un peso total de 200 g por pesada de los polvos constituyentes de acuerdo con los porcentajes indicados anteriormente. Los polvos se agitaron a mano en una botella de tipo Nalgene y se vertieron en un vaso de precipitados de vidrio donde se añadieron posteriormente 80 g de propilenglicol. Los polvos se mezclaron con el propilenglicol líquido por agitación a mano usando un utensilio de agitación de acero inoxidable. La pasta mezclada de polvos y propilenglicol se puso a continuación en una bolsa de polímero flexible con una unión de boquilla adecuada para la extrusión del material por aplicación de presión sobre la bolsa que contenía el material.

Se pusieron tres placas de construcción de lámina metálica de acero sobre la superficie de una placa calentadora eléctrica para mantener una temperatura de aproximadamente 210 °C. Los artículos individuales se extruyeron en cada una de las tres placas de construcción de lámina metálica, vaporizándose el propilenglicol durante el proceso de extrusión debido a la elevada temperatura de la placa de construcción. La extrusión del primer artículo se completó por extrusión del material de forma continua para producir una parte verde comprendida por 15 capas interconectadas alimentadas de forma continua de material extruido. El segundo artículo se produjo por extrusión continua de una capa del artículo y a continuación desconectando el material extruido antes de comenzar la siguiente capa. El tercer artículo verde se completó por extrusión de una serie de segmentos sobre cada capa con discontinuidades entre el final de un segmento y el inicio del siguiente, así como discontinuidades entre cada capa. Aunque el proceso de extrusión se realizó manualmente en este ejemplo, el proceso es adecuado para automatización mediante ordenador.

A continuación, los artículos verdes se hicieron reaccionar por contacto local con una llama de oxígeno-acetileno para iniciar localmente la reacción química exotérmica que a continuación se autopropagó por todo el artículo. La reacción química de alta temperatura transformó rápidamente los materiales reactivos en las fases de producto fundiendo y endureciendo de ese modo los artículos así como vaporizando cualquier impureza volátil tal como propilenglicol residual. Los artículos que habían reaccionado mantuvieron la forma producida durante la extrusión y exhibieron una alta resistencia a la abrasión debido a la dureza de la fase de producto de carburo de titanio.

Ejemplo 5 que no está de acuerdo con la invención, ya que no comprende diluyente - SiC:

Se diseñó una mezcla reactiva exotérmica que contenía un 70,0 % de silicio y un 30,0 % de carbono en peso para producir un producto comprendido por carburo de silicio. La mezcla tiene una temperatura de reacción adiabática calculada de 1.852 K. Se preparó una mezcla con un peso total de 10 g por pesada de los polvos constituyentes de acuerdo con los porcentajes indicados anteriormente. Los polvos se mezclaron por agitación seguida de molienda a mano con mortero y almirez.

Se modificó un grabador láser Epilog Zing con un láser de dióxido de carbono de 40 W para incluir una boquilla de acero que tenía un orificio cilíndrico de aproximadamente 25,4 mm (aproximadamente 1 pulgada) con la altura de la boquilla posicionada mediante una tabla de posicionamiento de altura ajustable mientras una varilla de presión cilíndrica pasaba a través de un orificio en la tabla de posicionamiento para asentarse de forma plana sobre la base de la máquina a una altura fija. El grabador láser Epilog Zing se puso en el interior de una caja de guantes de atmósfera controlada y la caja de guantes se inundó con gas argón. La altura de la tabla de posicionamiento se ajustó de modo que hubiera una separación de aproximadamente 2 mm entre la varilla de presión y la parte superior de la boquilla. Se puso una capa de los polvos mezclados sobre la parte superior de la varilla de presión en la boquilla y la capa de polvos se raspó plana a mano usando una rasqueta de acero de modo que la parte superior de la capa estuviera a nivel con la parte superior de la boquilla.

Se diseñó un artículo rectangular bidimensional que tenía unas dimensiones de aproximadamente 12,7 mm por aproximadamente 9,5 mm (aproximadamente 0,5 pulgadas por 0,375 pulgadas) usando un programa de software de CAD. La información digital se envió al grabador láser de 40 W Epilog Zing y el láser trazó un patrón rectangular sobre la capa de polvo, calentando de ese modo la región trazada a una temperatura adecuada para iniciar la reacción química exotérmica. La energía combinada del láser y la reacción química en la región trazada se adecuó para producir la fusión mediante sinterización y fundido de los materiales de producto. A continuación, la altura de la tabla de posicionamiento se elevó una etapa correspondiente a aproximadamente 200 pm mientras que la posición de la varilla de presión permaneció estacionaria. A continuación, se extendió a mano una segunda capa de la mezcla de polvo sobre la primera capa y se raspó a nivel con la parte superior de la boquilla usando una rasqueta de acero. El artículo rectangular se trazó de nuevo mediante el láser para iniciar la reacción química en esta capa. La energía del láser y la reacción química hicieron que las regiones trazadas de la segunda capa se fundieran a sí mismas y a la primera capa. A continuación, el proceso se repitió capa a capa hasta que se fabricó el artículo completo con un grosor o altura de aproximadamente 1 mm. A continuación, el artículo acabado se retiró del polvo circundante que no había reaccionado usando fórceps.

Las fases de producto del artículo se examinaron por difracción de rayos X y se descubrió que eran principalmente carburo de silicio aunque, sin embargo, también estaban presentes picos de silicio y carbono. Se cree que la presencia del silicio y el carbono residuales se debe a que el grosor de la capa de aproximadamente 200 pm es demasiado alto para las condiciones de procesamiento del láser.

Ejemplo 6 que no está de acuerdo con la invención, ya que no comprende diluyente - WC-Co:

Se diseñó una mezcla reactiva exotérmica que contenía un 75,1 % de tungsteno, un 4,9 % de carbono, y un 20,0 % de cobalto para producir un producto comprendido, en peso, por un 80 % de carburo de tungsteno y un 20 % de matriz de cobalto. La mezcla tiene una temperatura de reacción adiabática calculada de 876 K. Se preparó una mezcla con un peso total de 10 g por pesada de los polvos constituyentes de acuerdo con los porcentajes indicados anteriormente. Los polvos se mezclaron por agitación seguida de molienda a mano con mortero y almirez.

Se modificó un grabador láser Epilog Zing con un láser de dióxido de carbono de 40 W para incluir una boquilla de acero que tenía un orificio cilíndrico de aproximadamente 25,4 mm (aproximadamente 1 pulgada) con la altura de la boquilla posicionada mediante una tabla de posicionamiento de altura ajustable mientras una varilla de presión cilíndrica pasaba a través de un orificio en la tabla de posicionamiento para asentarse de forma plana sobre la base de la máquina a una altura fija. El grabador láser Epilog Zing se puso en el interior de una caja de guantes de atmósfera controlada y la caja de guantes se inundó con gas argón. La altura de la tabla de posicionamiento se ajustó de modo que hubiera una separación de aproximadamente 2 mm entre la varilla de presión y la parte superior de la boquilla. Se puso una capa de los polvos mezclados sobre la parte superior de la varilla de presión en la boquilla y la capa de polvos se compactó a mano y a continuación se raspó plana usando una placa de acero de modo que la parte superior de la capa estuviera a nivel con la parte superior de la boquilla.

Se diseñó un artículo cuadrado bidimensional que tenía unas dimensiones de aproximadamente 12,7 mm (aproximadamente 0,5 pulgadas) usando un programa de software de CAD. La información digital se envió al grabador láser de 40 W Epilog Zing y el láser trazó el patrón cuadrado sobre la capa de polvo, calentando de ese modo la región trazada a una temperatura adecuada para iniciar la reacción química exotérmica. La energía combinada del láser y la reacción química en la región trazada se adecuó para producir la fusión mediante sinterización y fundido de los materiales de producto. A continuación, la altura de la tabla de posicionamiento se elevó una etapa correspondiente a aproximadamente 200 pm mientras que la posición de la varilla de presión permaneció estacionaria. A continuación, se extendió y se compactó a mano una segunda capa de la mezcla de polvo sobre la primera capa y se raspó a nivel con la parte superior de la boquilla usando una rasqueta de acero. El artículo cuadrado se trazó de nuevo mediante el láser para iniciar la reacción química en esta capa. La energía del láser y la reacción química hicieron que las regiones trazadas de la segunda capa se fundieran a sí mismas y a la primera capa. A continuación, el proceso se repitió capa a capa hasta que se fabricó el artículo completo con una altura o un grosor de aproximadamente 1 mm. A continuación, el artículo acabado se retiró del polvo circundante que no había reaccionado usando fórceps.

Las fases de producto de los artículos se examinaron por difracción de rayos X y se descubrió que eran principalmente carburo de tungsteno y cobalto aunque, sin embargo, también estaban presentes picos de tungsteno y carbono. Se cree que la presencia del tungsteno y el carbono residuales se debe a que el grosor de la capa de aproximadamente 200 pm es demasiado alto para las condiciones de procesamiento del láser.

Ejemplo 7 que no está de acuerdo con la invención, ya que no comprende diluyente - TiB²-Matriz de vidrio:

Se diseñó una mezcla reactiva exotérmica que contenía un 50,0 % en peso de polvo de vidrio (aproximadamente un 74,5 % de sílice, un 13,5 % de sosa, un 10,5 % de caliza, 1,5 % de alúmina), un 36,1 % de titanio, y un 13,9 % de carburo de boro para producir un producto comprendido por diboruro de titanio y carburo de titanio en una matriz de un 50 por ciento en peso de vidrio. Se preparó una mezcla con un peso total de 5 gramos por pesada de los polvos constituyentes de acuerdo con los porcentajes indicados anteriormente. Los polvos se mezclaron por agitación seguida de molienda a mano con mortero y almirez.

Se diseñó un artículo rectangular bidimensional que tenía unas dimensiones de aproximadamente 12,7 mm por aproximadamente 9,5 mm (aproximadamente 0,5 pulgadas por 0,375 pulgadas) usando un programa de software de ordenador de CAD. La información digital se envió al grabador láser de 40 W Epilog Zing y el láser trazó el patrón rectangular sobre la capa de polvo, calentando de ese modo la región trazada a una temperatura adecuada para iniciar la reacción química exotérmica. La energía combinada del láser y la reacción química en la región trazada se adecuó para producir la fusión mediante sinterización y fundido de los materiales de producto. A continuación, la altura de la tabla de posicionamiento se elevó dos etapas correspondientes a aproximadamente 200 pm mientras que la posición de la varilla de presión permaneció estacionaria. A continuación, se extendió y se compactó a mano una segunda capa de la mezcla de polvo sobre la primera capa y se raspó a nivel con la parte superior de la boquilla usando una rasqueta de acero. El artículo rectangular se trazó de nuevo mediante el láser para iniciar la reacción química en esta capa. La energía del láser y la reacción química hicieron que las regiones trazadas de la segunda capa se fundieran a sí mismas y a la primera capa. A continuación, el proceso se repitió capa a capa hasta que se fabricó el artículo completo con una altura o un grosor de aproximadamente 0,8 mm. A continuación, el artículo acabado se retiró del polvo circundante que no había reaccionado usando fórceps.

Las fases de producto de los artículos se examinaron por difracción de rayos X y se descubrió que contenían principalmente diboruro de titanio, carburo de titanio, y material amorfo junto con cantidades menores de fases de reactivos y compuestos intermedios. Se cree que la presencia de estas fases adicionales se debe a que el grosor de la capa de aproximadamente 200 micrómetros es demasiado alto para las condiciones de procesamiento del láser.

Ejemplo 8 que no está de acuerdo con la invención, ya que no comprende diluyente - B⁴C:

Se diseñó una mezcla reactiva exotérmica que contenía un 78,3 % de boro y un 21,7 % de carbono en peso para producir un producto comprendido por carburo de boro. La mezcla tiene una temperatura de reacción adiabática calculada de 957 K. Se preparó una mezcla con un peso total de 10 g por pesada de los polvos constituyentes de acuerdo con los porcentajes indicados anteriormente. Los polvos se mezclaron por agitación seguida de molienda a mano con mortero y almirez.

Se diseñó un artículo rectangular bidimensional que tenía unas dimensiones de aproximadamente 12,7 mm por aproximadamente 9,5 mm (aproximadamente 0,5 pulgadas por 0,375 pulgadas) usando un programa de software de CAD. La información digital se envió al grabador láser de 40 W Epilog Zing y el láser trazó el patrón rectangular sobre la capa de polvo, calentando de ese modo la región trazada a una temperatura adecuada para iniciar la reacción química exotérmica. La energía combinada del láser y la reacción química en la región trazada se adecuó para producir la fusión mediante sinterización y fundido de los materiales de producto. A continuación, la altura de la tabla de posicionamiento se elevó dos etapas correspondientes a aproximadamente 400 pm mientras que la posición de la varilla de presión permaneció estacionaria. A continuación, se extendió y se compactó a mano una segunda capa de la mezcla de polvo sobre la primera capa y se raspó a nivel con la parte superior de la boquilla usando una rasqueta de acero. El artículo rectangular se trazó de nuevo mediante el láser para iniciar la reacción química en esta capa. La energía del láser y la reacción química hicieron que las regiones trazadas de la segunda capa se fundieran a sí mismas y a la primera capa. A continuación, el proceso se repitió capa a capa hasta que se fabricó el artículo completo con una altura o un grosor de aproximadamente 5,6 milímetros. A continuación, el artículo acabado se retiró del polvo circundante que no había reaccionado usando fórceps.

Las fases de producto de los artículos se examinaron mediante difracción de rayos X y se descubrió que contenían carburo de boro, con picos de boro y carbono también presentes. Se cree que la presencia del boro y el carbono residuales se debe a que el grosor de la capa de aproximadamente 400 pm es demasiado alto para las condiciones de procesamiento del láser.

Ejemplo 9 que no está de acuerdo con la invención, ya que no comprende diluyente - B⁴C-TÍB²-SÍC Eutéctico:

Se diseñó una mezcla reactiva exotérmica que contenía un 61,3 % de boro, un 25,1 % de carbono, un 11,1 % de silicio, y un 2,5 % de titanio en peso para producir un producto cerámico eutéctico ternario comprendido por carburo de boro, carburo de silicio, y diboruro de titanio. La mezcla tiene una temperatura de reacción adiabática calculada de 1.408 K. Se preparó una mezcla con un peso total de 10 g por pesada de los polvos constituyentes de acuerdo con los porcentajes indicados anteriormente. Los polvos se mezclaron por agitación seguida de molienda a mano con mortero y almirez.

Se modificó un grabador láser Epilog Zing con un láser de dióxido de carbono de 40 W para incluir una boquilla de acero que tenía un orificio cilíndrico de aproximadamente 25,4 mm (aproximadamente 1 pulgada) con la altura de la boquilla posicionada mediante una tabla de posicionamiento de altura ajustable mientras una varilla de presión cilíndrica pasaba a través de un orificio en la tabla de posicionamiento para asentarse de forma plana sobre la base de la máquina a una altura fija. El grabador láser Epilog Zing se puso en el interior de una caja de guantes de atmósfera controlada y la caja de guantes se inundó con gas argón. La altura de la tabla de posicionamiento se ajustó de modo que hubiera una separación de aproximadamente 2 mm entre la varilla de presión y la parte superior de la boquilla. Se puso una capa de los polvos mezclados sobre la parte superior de la varilla de presión en la boquilla y la capa de polvos se raspó plana mano usando una rasqueta de acero de modo que la parte superior de la capa estuviera a nivel con la parte superior de la boquilla.

Se diseñó un artículo rectangular bidimensional que tenía unas dimensiones de aproximadamente 12,7 mm por aproximadamente 9,5 mm (aproximadamente 0,5 pulgadas por 0,375 pulgadas) usando un programa de software de CAD. La información digital se envió al grabador láser de 40 W Epilog Zing y el láser trazó el patrón rectangular sobre la capa de polvo, calentando de ese modo la región trazada a una temperatura adecuada para iniciar la reacción química exotérmica. La energía combinada del láser y la reacción química en la región trazada se adecuó para producir la fusión mediante sinterización y fundido de los materiales de producto. A continuación, la altura de la tabla de posicionamiento se elevó una etapa correspondiente a aproximadamente 200 pm mientras que la posición de la varilla de presión permaneció estacionaria. A continuación, se extendió a mano una segunda capa de la mezcla de polvo sobre la primera capa y se raspó a nivel con la parte superior de la boquilla usando una rasqueta de acero. El artículo rectangular se trazó de nuevo mediante el láser para iniciar la reacción química en esta capa. La energía del láser y la reacción química hicieron que las regiones trazadas de la segunda capa se fundieran a sí mismas y a la primera capa. A continuación, el proceso se repitió capa a capa hasta que se fabricó el artículo completo con una altura o un grosor de aproximadamente 1,4 mm. A continuación, el artículo acabado se retiró del polvo circundante que no había reaccionado usando fórceps.

Ejemplo 10 - TiC-TiC Diluyente:

Se diseñó una mezcla reactiva exotérmica que contenía un 40,0 % de titanio, un 10,0 % de carbono, y un 50,0 % de diluyente de carburo de titanio en peso para producir un producto comprendido por carburo de titanio. El carburo de titanio diluyente se añadió para disminuir la temperatura de reacción y prevenir la propagación de la reacción fuera de las regiones destinadas a comprender los artículos diseñados. La mezcla tiene una temperatura de reacción adiabática calculada de 2.076 K. Se preparó una mezcla con un peso total de 10 g por pesada de los polvos constituyentes de acuerdo con los porcentajes indicados anteriormente. Los polvos se mezclaron por agitación seguida de molienda a mano con mortero y almirez.

Se modificó un grabador láser Epilog Zing con un láser de dióxido de carbono de 40 W para alojar una boquilla de acero extraíble que tenía un orificio cilíndrico con un diámetro de aproximadamente 25,4 mm (aproximadamente 1 pulgada). Se presionó una capa de los polvos mezclados en la boquilla a 1 tonelada métrica fuerza entre dos varillas de presión y la varilla de presión superior se presionó con el polvo compactado permaneciendo en la boquilla. La boquilla y el polvo compactado se pusieron en el grabador láser y la cámara de procesamiento se inundó con gas argón.

Se diseñó un artículo rectangular bidimensional que tenía unas dimensiones de aproximadamente 12,7 mm por aproximadamente 9,5 mm (aproximadamente 0,5 pulgadas por 0,375 pulgadas) usando un programa de software de CAD. La información digital se envió al grabador láser de 40 W Epilog Zing y el láser trazó el patrón rectangular sobre la capa de polvo, calentando de ese modo la región trazada a una temperatura adecuada para iniciar la reacción química exotérmica. La energía combinada del láser y la reacción química en la región trazada se adecuó para producir la fusión mediante sinterización y fundido de los materiales de producto. Se añadió polvo mezclado adicional totalizando 0,1 g a la parte superior de la primera capa y se compactó de nuevo usando una tonelada métrica fuerza y la boquilla y el polvo compactado se pusieron en el grabador láser. La cámara de procesamiento se inundó de nuevo con gas argón y el artículo rectangular se trazó de nuevo mediante el láser para iniciar la reacción química en esta capa. La energía del láser y la reacción química hicieron que las regiones trazadas de la segunda capa se fundieran a sí mismas y a la primera capa. A continuación, el artículo acabado se retiró del polvo circundante que no había reaccionado usando fórceps.

Las fases de producto de los artículos se examinaron por difracción de rayos X y se descubrió que contenían principalmente carburo de titanio con cantidades menores de titanio y carbono también presentes. Se cree que la presencia del boro y el carbono residuales se debe a la retirada incompleta de los polvos circundantes y se debe a que la altura de la capa es demasiado alta para las condiciones de procesamiento del láser.

Ejemplo 11 - Ti-TiN:

Se diseñó un polvo que contenía un 100 % de titanio en peso para reaccionar de forma exotérmica con gas nitrógeno en una atmósfera comprendida por un 90 % de gas argón y un 10 % de gas nitrógeno a una presión de una atmósfera para producir un producto comprendido por nitruro de titanio y titanio metálico.

Se modificó un grabador láser Epilog Zing con un láser de dióxido de carbono de 40 W para incluir una boquilla de acero que tenía un orificio cilíndrico de aproximadamente 25,4 mm (aproximadamente 1 pulgada) con la altura de la boquilla posicionada mediante una tabla de posicionamiento de altura ajustable mientras una varilla de presión cilíndrica pasaba a través de un orificio en la tabla de posicionamiento para asentarse de forma plana sobre la base de la máquina a una altura fija. El grabador láser Epilog Zing se puso en el interior de una caja de guantes de atmósfera controlada y la caja de guantes se inundó con la mezcla de gases argón y nitrógeno. La altura de la tabla de posicionamiento se ajustó de modo que hubiera una separación de aproximadamente 2 mm entre la varilla de presión y la parte superior de la boquilla. Se puso una capa de los polvos mezclados sobre la parte superior de la varilla de presión en la boquilla y la capa de polvos se raspó plana mano usando una rasqueta de acero de modo que la parte superior de la capa estuviera a nivel con la parte superior de la boquilla.

Se diseñó un artículo rectangular bidimensional que tenía unas dimensiones de aproximadamente 12,7 mm por aproximadamente 9,5 mm (aproximadamente 0,5 pulgadas por 0,375 pulgadas) usando un programa de software de CAD. La información digital se envió al grabador láser de 40 W Epilog Zing y el láser trazó el patrón rectangular sobre la capa de polvo, calentando de ese modo la región trazada a una temperatura adecuada para iniciar la reacción química exotérmica con el gas nitrógeno. La velocidad y la extensión de la reacción se limitaron cinéticamente mediante la disponibilidad de nitrógeno. La energía combinada del láser y la reacción química en la región trazada se adecuó para producir la fusión mediante sinterización y fundido de los materiales de producto. A continuación, la altura de la tabla de posicionamiento se elevó una etapa correspondiente a aproximadamente 200 pm mientras que la posición de la varilla de presión permaneció estacionaria. A continuación, se extendió a mano una segunda capa de la mezcla de polvo sobre la primera capa y se raspó a nivel con la parte superior de la boquilla usando una rasqueta de acero. El artículo rectangular se trazó de nuevo mediante el láser para iniciar la reacción química en esta capa. La energía del láser y la reacción química hicieron que las regiones trazadas de la segunda capa se fundieran a sí mismas y a la primera capa. A continuación, el proceso se repitió capa a capa hasta que se fabricó el artículo completo con una altura o un grosor de aproximadamente 1 mm. A continuación, el artículo acabado se retiró del polvo circundante que no había reaccionado usando fórceps.

Se descubrió que el producto tenía un color oro característico del nitruro de titanio y también contenía titanio metálico que no había reaccionado. La cantidad de fase de producto convertida en nitruro de titanio puede aumentarse por aumento de la concentración y la presión de nitrógeno así como por disminución del tamaño de partícula del titanio y el grosor de la capa.

Habiendo expuesto en el presente documento las realizaciones preferentes de la presente invención, se anticipa que pueden realizarse modificaciones adecuadas en la misma que, no obstante, permanecerán dentro del alcance de la invención. Por lo tanto, la invención solo se interpretará de acuerdo con las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para producir un artículo, que comprende:

(a) proporcionar un primer material en forma de polvo;

(b) proporcionar un segundo material en forma de polvo, siendo capaz el segundo material de reaccionar químicamente con el primer material para formar un producto de reacción;

(c) proporcionar un material diluyente, inhibiendo el material diluyente la reacción química entre el primer y el segundo materiales;

(d) formar al menos el primer material, el segundo material y el material diluyente en una primera capa;

(e) someter al menos una parte de la primera capa a energía suficiente para iniciar la reacción química entre el primer y el segundo materiales para formar una parte del artículo, comprendiendo la parte del artículo el producto de reacción;

(f) formar una segunda capa de al menos el primer material, el segundo material y el material diluyente sobre la primera capa; y

(g) someter al menos una parte de la segunda capa a la energía para formar una parte adicional del artículo.

2. El método de la reivindicación 1, en donde dicho sometimiento de al menos una parte de la primera capa a energía comprende someter al menos una parte de la primera capa a suficiente energía dirigida para iniciar la reacción química entre el primer y el segundo materiales, y en donde dicho sometimiento de al menos una parte de la segunda capa a energía comprende someter al menos una parte de la segunda capa a suficiente energía dirigida para iniciar la reacción química entre el primer y el segundo materiales.

3. El método de la reivindicación 1, en donde dicho sometimiento de al menos una parte de la primera capa a energía comprende someter al menos una parte de la primera capa a suficiente energía localizada para iniciar la reacción química entre el primer y el segundo materiales, y en donde dicho sometimiento de al menos una parte de la segunda capa a energía comprende someter al menos una parte de la segunda capa a suficiente energía localizada para iniciar la reacción química entre el primer y el segundo materiales.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, que comprende además mezclar el primer material, el segundo material y el material diluyente para formar un material mezclado, comprendiendo el material mezclado una mezcla básicamente homogénea del primer material, el segundo material y el material diluyente, y en donde dicha formación de la primera y la segunda capas comprende formar la primera y la segunda capas a partir del material mezclado.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde dicha formación comprende compactar el material mezclado para formar la primera y la segunda capas.

6. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-5, que comprende además combinar el material mezclado con un tercer material para formar una pasta mezclada, comprendiendo la pasta mezclada una mezcla básicamente homogénea del primer material, el segundo material, el material diluyente y el tercer material, y en donde dicha formación de la primera y la segunda capas a partir del material mezclado comprende extruir la pasta mezclada para formar la primera y la segunda capas.

7. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en donde el tercer material comprende un líquido; y/o en donde el tercer material comprende un aglutinante.

8. El método de cualquiera de las reivindicaciones 2 y 4-7, en donde dicho sometimiento de la primera y la segunda capas a energía dirigida comprende dirigir un haz láser sobre la primera y la segunda capas, o en donde dicho sometimiento de la primera y la segunda capas a energía dirigida comprende dirigir un haz de electrones sobre la primera y la segunda capas, o en donde dicho sometimiento de la primera y la segunda capas a energía dirigida comprende someter la primera y la segunda capas a un arco de plasma eléctrico.

9. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en donde el segundo material comprende un gas de proceso y en donde dichas etapas de sometimiento se realizan en una atmósfera que comprende el gas de proceso.

10. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-9, que comprende además someter el artículo a energía posterior a la formación para hacer reaccionar el material que no ha reaccionado remanente en el artículo; y/o, que comprende además repetir las etapas (e) y (f) hasta que el artículo se forme en su totalidad.

11. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, que comprende:

proporcionar un artículo preexistente; y

formar la primera capa sobre al menos una parte del artículo preexistente.

12. Un método para producir un artículo, que consiste esencialmente en:

(a) proporcionar un primer material;

(b) proporcionar un suministro de un gas de proceso, siendo capaz el gas de proceso de reaccionar químicamente con el primer material para formar un producto de reacción;

(c) proporcionar un material diluyente, reduciendo el material diluyente la propagación de la reacción química entre el primer material y el gas de proceso;

(d) formar el primer material y el material diluyente en una primera capa;

(e) someter una parte de la primera capa a energía en presencia del gas de proceso, siendo la energía suficiente para iniciar la reacción química entre el primer material y el gas de proceso para formar una primera parte del artículo;

(f) formar una segunda capa del primer material y el material diluyente sobre la primera capa; y

(g) someter una parte de la segunda capa a la energía en presencia del gas de proceso para formar una parte adicional del artículo, y

(h) repetir las etapas (f) y (g) hasta que el artículo se forme en su totalidad, consistiendo el artículo esencialmente en el producto de reacción.