TW201936296A - 用於將3d列印部件脫膠之幾何結構 - Google Patents

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Abstract

經由一3維列印機列印一物件之方法包含列印一外殼及一填充結構。該外殼界定一物件之一外部且包含使一脫膠劑溶劑能夠貫穿其間流動之一或多個孔隙。該填充結構佔據由該外殼包圍之一體積且界定一互連通道網狀物。在該物件之脫膠期間，該網狀物使一脫膠劑溶劑能夠滲漏通過該結構及該一或多個孔隙。因此，有效率地且以最短時間將該物件脫膠。

Description

用於將3D列印部件脫膠之幾何結構
本發明係有關用於將3D列印部件脫膠之幾何結構。
金屬注射模製(MIM)係可用於產生多種金屬物件之一金屬加工程序。粉末金屬與黏結劑(舉例而言，諸如聚丙烯之聚合物)之一混合物形成能夠在一高溫下模製成一所要物件之形狀的一「原料」。接著，初始模製部件(其亦被稱為一「生坯部件(green part)」)經歷一脫膠程序以移除黏結劑，隨後進行一燒結程序。在燒結期間，使部件達到接近粉末金屬之熔點之一溫度，此使任何剩餘黏結劑蒸發且使金屬粉末形成為一固體塊，藉此產生所要物件。
積層製造(亦被稱為3D列印)包含用於經由形成物件之連續層之一自動化程序製造一個三維物件之多種技術。3D列印機可利用與MIM中所使用之原料相當之一原料，藉此在無需一模具之情況下產生一生坯部件。接著，生坯部件可經歷相當的脫膠及燒結程序以產生物件。
實例實施例包含一種列印一物件之方法，其包含列印一外殼(shell)及一填充結構(infill structure)。該外殼可界定一物件之一外部且包含使一脫膠劑溶劑能夠貫穿其間流動之至少一個孔隙。該填充結構可佔據由該外殼包圍之一體積且可界定一互連通道網狀物(network)，該填充結構之一立方子集(cubic subset)使該脫膠劑溶劑能夠自該立方子集之任一面經由該互連通道網狀物滲漏至該立方子集之任何其他面。
在進一步實施例中，該填充結構可使該脫膠劑溶劑能夠自該填充結構內部之任一體積經由該互連通道網狀物滲漏至該填充結構內部之任何其他體積。該任一體積及任何其他體積可在該互連通道網狀物之內部。或者，該任一體積及任何其他體積可實質上等軸且具有等於該互連通道網狀物之兩個通道之一寬度的一特性尺寸。該填充結構可使該脫膠劑溶劑能夠自鄰近於該外殼之任一通道段經由該互連通道網狀物滲漏至鄰近於該外殼之任何其他通道段。
在進一步實施例中，該填充結構之該立方子集可界定各向同性之一幾何結構。列印該外殼亦可包含：列印該外殼之一上表面處及該外殼之一底表面處之至少一個孔隙。該方法可進一步包含將該物件脫膠，該脫膠包含使脫膠劑溶液能夠流動通過該至少一個孔隙之一第一孔隙、通過該填充結構且通過該至少一個孔隙之一第二孔隙。可使用包含一金屬粉末及一黏結劑之一原料來列印該填充結構。
以下為實例實施例之一描述。
圖1係搭配複合物使用之一積層製造系統之一方塊圖。積層製造系統可包含使用熔絲製造沈積金屬之一個三維列印機100 (或簡稱列印機100)。熔絲製造在此項技術中熟知，且可在具有適合調適以適應本文中描述之金屬注射模製材料所特有之力、溫度及其他環境要求之情況下有效地用於積層製造。一般而言，列印機100可包含藉由一傳動系104推動且藉由一液化系統106加熱至一可使用(workable)狀態、且接著透過一或多個噴嘴110施配之一構建材料(build material) 102。藉由同時控制機器人系統108以沿一擠出路徑定位(若干)噴嘴，可在一構建室116內之一構建板114上製造一物件112 (亦被稱為一部件)。一般而言，一控制系統118管理列印機100之操作以使用一熔絲製程或類似者來根據一個三維模型製造物件112。
多種市售組合物已經工程設計用於金屬注射模製(「MIM」)。此等高度工程設計材料亦可經調適以用作列印技術(諸如熔絲製造)中之一構建材料102。例如，MIM原料材料在經適合塑形時可透過市售FFF機器所特有之噴嘴有效地擠出，且一般可在此等機器之典型操作溫度(例如，攝氏160度至攝氏250度)內流動或擠出。此溫度範圍可取決於黏結劑，例如，一些黏結劑在約攝氏205度下達成適當黏度，而其他黏結劑在較低溫度(諸如約攝氏160度至攝氏180度)下達成適當黏度。一般技術者將認知，此等範圍(及本文中列出之全部範圍)係以實例方式且非限制方式提供。此外，雖然未正式限制粉末冶金材料之尺寸，但已證實在各側上具有約100毫米之尺寸的部件對於淨形生坯體之FFF製造表現良好。可有效地採用任何較小尺寸，且亦可採用較大尺寸，只要其等與處理尺寸(諸如列印解析度及擠出孔口直徑)一致。例如，實施方案目標為約一0.300 μm直徑擠出物，且MIM金屬粉末通常可為約1 μm至22 μm直徑，但可使用奈米大小粉末。如本文中所使用，術語金屬注射模製材料可包含任何此等工程設計材料以及適用於注射模製之一類似黏結劑中之其他細粉基材，諸如陶瓷。因此，在使用術語金屬注射模製或常用縮寫MIM之情況下，該術語可包含使用除金屬外之粉末或除金屬之外亦使用粉末的注射模製材料，且因此可包含陶瓷。再者，對「MIM材料」、「粉末冶金材料」、「MIM原料」或類似者之任何引用一般可指代與一或多個黏結材料(例如，將全部事物保持在一起之一骨架黏結劑(backbone binder)及將金屬及骨架攜載至一模具或列印件內之位置中的一塊體黏結劑)混合之金屬粉末及/或陶瓷粉末。其他材料系統可適用於使用諸如立體微影或黏結劑噴射之製造技術製造金屬部件，一些製造技術在下文更詳細論述。在一些應用中，此等製造技術可與用於由陶瓷材料製造部件之技術相同。
一般而言，此等材料之製造可如同一習知FFF程序般進行，但在產生淨形之後，可視情況在處於一可更容易使用狀態時機械加工或修整生坯部件，且接著使用此項技術中常用於MIM材料之方法之任一者將其脫膠並燒結成一最終緻密物件。如上文所描述，最終物件可包含一金屬、一金屬合金、一陶瓷或另一適合材料組合。
構建材料102可自一載體103進給，載體103經組態以將構建材料以一連續(例如，線材)或離散(例如，坯料)形式施配至三維列印機。構建材料102可例如作為坯料或類似者以離散單元逐個地供應至一中間室中以傳遞至構建室116中且隨後進行熔融及沈積。載體103可包含含有呈一線材形式之構建材料102之一線軸或匣。在期望一真空或其他受控環境之情況下，線材可以一連續方式進給穿過一真空密封墊而至構建室116中，然而，典型MIM材料在正常大氣壓條件下可被加熱至一可使用塑膠狀態，惟可能用於過濾或類似者以自構建室116移除微粒除外。因此，一MIM構建材料可形成為一線材，構建材料包含金屬粉末及聚合物黏結劑或類似者之一工程設計複合物，其中載體103經組態以依一連續進給將構建材料施配至一個三維列印機。對於環境敏感材料，載體103可對構建材料102提供可直接或間接耦合至構建室116之真空環境的一真空環境。更一般而言，構建室116 (及載體103)可維持用於處置構建材料102之任何適合惰性環境，諸如一真空、一貧氧環境、一惰性氣體環境或不與構建材料102反應之某一氣體或氣體組合，其中此等條件在三維製造期間係必要的或有利的。
一傳動系104可包含用於將構建材料102連續地或索引地進給至液化系統106中之任何適合齒輪、壓縮活塞或類似者。傳動系104可包含經塑形以與構建材料中之對應特徵部(諸如脊部、凹口或其他正或負掣子)嚙合之齒輪。傳動系104可使用經加熱齒輪或螺旋機構以使構建材料變形並與構建材料接合。因此，用於一熔絲製程之一列印機可將一構建材料加熱至一工作溫度，且此加熱與一進給路徑中之複合物接合、使該複合物變形及驅動該複合物之一齒輪。亦可使用或代替性地使用一螺旋進給。
對於更脆之MIM材料，一材料(諸如一硬樹脂或塑膠)之一細齒傳動齒輪可用於夾持材料而無否則可能使構建材料破裂、將其剝離或以其他方式損及構建材料之過度切割或應力集中。
傳動系104可使用波紋管或任何其他可摺疊或伸縮式壓機來將桿、坯料或類似構建材料單元驅動至液化系統106中。類似地，一壓電或線性步進傳動裝置可用於以一非連續步進方法以離散的高功率機械增量推進一構建介質單元。此外，傳動系104可包含多個階段。在一第一階段中，傳動系104可加熱複合材料且形成可供應正向夾持牽引力至材料中之螺紋或其他特徵部。在下一階段中，匹配此等特徵部之一齒輪或類似者可用於沿進給路徑推進構建材料。可使用一筒夾進給(例如，類似於一自動鉛筆上之進給)。亦可使用或代替性地使用一軟輪或皮帶傳動裝置。一成形輪傳動裝置可用於確保大小及因此構建之準確度。更一般而言，傳動系104可包含用於推進構建材料102以在一個三維製程中沈積之任何機構或機構組合。
液化系統106可為經組態以將複合物加熱至在適於在一熔絲製程中擠出之一範圍內之一工作溫度的任何液化系統。可使用任何數目之加熱技術。諸如感應或電阻加熱之電氣技術可有效地應用於液化構建材料102。例如，此可包含將構建材料102周圍之一室感應式或電阻式加熱至處於或接近構建材料102之玻璃轉變溫度之一溫度，或其中黏結劑或其他基質變得可使用、可擠出或可流動以供沈積(如本文中所描述)之某一其他溫度。在預期構建材料充分導電之情況下，其等可透過接觸式方法(例如，運用施加電流進行電阻加熱)或非接觸式方法(例如，使用一外部電磁體驅動材料內之渦電流而進行感應加熱)直接加熱。可進一步有利地選擇添加劑之選取以提供塊體電特性(例如，電導率/電阻率)而改良加熱。當直接加熱構建材料102時，模型化構建材料102之形狀及大小可為有用的，以更佳地控制電感應加熱。此可包含對形狀、大小、質量等之估計或實際量測。
在上文內容背景中，「液化」並不要求完全液化。即，待用於列印中之介質可呈一多相狀態及/或形成具有高黏性及/或非牛頓流體(non-Newtonian fluid)性質之一糊狀物或類似者。因此，更一般而言，液化系統106可包含將一構建材料102置於用於製造之條件下之任何系統。
為有利於電阻式加熱構建材料102，可將一或多個接觸墊、探針或類似者定位於材料之進給路徑中以提供用於形成在(若干)適當位置處穿過材料之一電路的位置。為有利於感應加熱，可將一或多個電磁體定位於鄰近於進給路徑之適合位置處，且例如藉由控制系統118操作以透過產生渦電流而在內部加熱構建材料。可同時使用此兩種技術以達成構建材料內之一更嚴格控制的或更均勻分佈的電加熱。列印機100亦可經儀錶化以依多種方式監測所得加熱。例如，列印機100可監測傳遞至感應電路或電阻電路之電力。列印機100亦可量測或代替性地量測構建材料102或任何數目個位置處之周圍環境之溫度。可藉由量測例如驅動構建材料102通過一噴嘴110或進給路徑之其他部分所需之力的量而推斷構建材料102之溫度，該溫度可用作構建材料102之黏度之一代理。更一般而言，適於量測構建材料102之溫度或黏度且回應地控制經施加電能的任何技術可用於控制使用如本文中描述之複合物之一製程的液化。
液化系統106亦可包含或代替性地包含適於將熱施加至構建材料102達適於擠出之一溫度的任何其他加熱系統。例如，此可包含使用例如化學加熱、燃燒、超音波加熱、雷射加熱、電子束加熱或其他光學或機械加熱技術等等進行局部或全域擴張加熱的技術。
液化系統106可包含一切變引擎。切變引擎可在複合物被加熱時產生複合物內之切變以維持金屬基材及一黏結劑或其他基質之一混合物，或維持一糊狀物或其他構建材料中之各種材料之一混合物。切變引擎可採用多種技術。塊體介質可在其沿進給路徑進給至液化系統106中時軸向旋轉。此外，一或多個超音波換能器可用於引入加熱材料內之切變。類似地，一螺桿、柱、臂或其他實體元件可被放置於加熱介質內，且旋轉或以其他方式致動以混合加熱材料。塊體構建材料可包含個別丸粒、桿或線圈(例如，具有一致大小)且進給至一螺桿、一柱塞、一桿擠出機或類似者中。例如，一盤繞構建材料可由包含一加熱箱、加熱管之一加熱器系統或來自列印機頭部之加熱器展開。再者，未加熱而直接進給至列印頭中之一直接進給亦為可行的。
機器人系統108可包含經組態以將噴嘴110三維地定位於構建室116之工作體積115內之一機器人系統。例如，此可包含適於相對於構建板114定位噴嘴110同時按一圖案沈積複合物以製造物件112的任何機器人組件或系統。多種機器人系統在此項技術中已知且適於用作本文中描述之機器人系統108。例如，機器人可包含採用若干線性控制以在構建室116內在x軸、y軸及z軸上獨立移動之一笛卡兒(Cartesian)或xy-z機器人系統。亦可或代替性地有效地採用並聯機器人(delta robot)，其等若經適當組態則可在速度及剛度方面提供顯著優點，以及提供固定馬達或驅動元件之設計便利性。其他組態(諸如雙重或三重並聯機器人)可使用多個連桿組來增加運動範圍。更一般而言，可有效地採用適於相對於構建板114受控定位噴嘴110 (特別是在一真空或類似環境內)之任何機器人，其等包含適於在構建室116內致動、操縱、移行及類似者之任何機構或機構組合。
(若干)噴嘴110可包含用於施配已由傳動系104推動且由液化系統106加熱至一適合工作溫度之構建材料102的一或多個噴嘴。在一多相擠出中，此可包含高於複合物之金屬基材之熔融溫度或更明確言之在金屬基材熔融所處之一第一溫度與複合物之一第二相保持惰性所處之第二溫度(高於第一溫度)之間的一工作溫度。
例如，噴嘴110可用於施配不同類型之材料，使得例如一個噴嘴110施配一複合構建材料而另一噴嘴110施配一支撐材料以支撐物件112之懸橋(bridge)、懸伸部及其他結構特徵部(否則其等將違反運用複合構建材料進行製造之設計規則)。此外，噴嘴110之一者可沈積一不同類型之材料，諸如一熱相容聚合物或裝載有一或多個材料之纖維以增加抗張強度或以其他方式改良所得物件112之機械性質的一金屬或聚合物。可使用兩種類型之支撐件：(1)構建支撐件；及(2)燒結支撐件，例如，使用列印至相同部件中之不同材料來實現此等支撐件或產生此等支撐件與部件之間之一區分接面。
噴嘴110較佳可由具有適合機械性質及熱性質之一材料或材料組合形成。例如。噴嘴110較佳將不會在待施配複合材料之溫度下或歸因於金屬微粒通過其中之一施配孔口而劣化。雖然用於傳統基於聚合物之熔絲製造的噴嘴可由黃銅或鋁合金製成，但施配金屬微粒之一噴嘴可由更硬材料或與更高工作溫度相容之材料(諸如經硬化且經回火之一高碳鋼)形成。亦可採用或代替性地採用其他材料，諸如一耐火金屬(例如，鉬、鎢)或耐火陶瓷(例如，富鋁紅柱石、剛玉、氧化鎂)。在一些例項中，鋁噴嘴可代替性地用於特定MIM材料之MIM擠出。此外，可使用具有一堅硬耐磨塗層之一較軟導熱材料，諸如具有一硬鎳鍍層之銅。
噴嘴110可包含如本文中描述之一或多個超音波換能器130。在此內容背景中，超音波可有效地應用於多種目的。超音波能量可藉由減少一構建材料對噴嘴110之一內表面的黏著以減輕堵塞而有利於擠出。多種能量導流(energy director)技術可用於改良此一般方法。例如，一沈積層可包含一或多個脊部，該一或多個脊部可由噴嘴110之一出口形狀賦形以呈現用於接收引入至該沈積層與一鄰近層之間之介面中之超音波能量的一聚焦區域。
噴嘴110可包含一感應加熱元件、電阻加熱元件或類似組件以直接控制噴嘴110之溫度。此可用於沿穿過列印機100之進給路徑擴張一更一般液化程序以例如在製造期間維持構建材料102之一溫度，或此可用於更特定功能，諸如藉由將構建材料102加熱至實質上高於工作範圍(例如，加熱至複合物係液體之一溫度)而對一列印頭清淤。雖然可能難以或無法控制在此液態下之沈積，但加熱可提供一合宜的技術以重設噴嘴110而無需更劇烈的實體干預(諸如去除真空以拆卸、清潔及更換受影響組件)。
噴嘴110可包含一入口氣體或風扇(例如，一惰性氣體)以在介質離開噴嘴110時冷卻介質。所得氣體噴流可例如立即使施配材料變硬以有利於延長的懸橋、較大懸伸部或其他結構(否則其等可能需要下方之支撐結構)。
物件112可為適於使用本文中描述之技術製造之任何物件。此可包含功能性物件(諸如機器部件)、美學物件(諸如雕塑)或任何其他類型之物件，以及可符合構建室116及構建板114之實體約束的物件組合。一些結構(諸如大的懸橋及懸伸部)無法使用熔絲製造或類似者直接製造，此係因為不存在可將一材料沈積至其上之下伏實體表面。在此等例項中，一支撐結構113較佳可由一可溶材料或可容易以其他方式移除之材料製成以支撐對應特徵部。
在提供多個噴嘴110之情況下，一第二噴嘴可有效地提供多種額外構建材料之任一者。例如，此可包含其他複合物、合金、塊體金屬玻璃、熱匹配聚合物等等以支援適合支撐結構之製造。噴嘴110之一者可施配一塊體金屬玻璃，該塊體金屬玻璃在一個溫度下沈積以製造一支撐結構113且在一第二較高溫度下沈積於與一列印物件112之一介面處，其中該塊體金屬玻璃可在該介面處結晶以變得更脆且有利於自物件112機械移除支撐結構113。合宜地，支撐結構113之塊體形式可保持在過冷狀態中使得其可保留其塊體結構且以一單件移除。因此，一列印機可在一過冷液體區中用一塊體金屬玻璃製造一支撐結構113之一部分，且可在一較高溫度下製造鄰近於一列印物件之支撐結構之一層以使構建材料102結晶成一非-非晶質合金。因此，塊體金屬玻璃微粒可被裝載至一MIM原料黏結劑系統中且可提供一支撐。純黏結或聚合物材料(例如，無任何裝載)亦可提供或代替性地提供一支撐。一類似金屬MIM原料可用於多材料部件產生。陶瓷或不同金屬MIM原料可用於一支撐介面材料。
構建室116之工作體積115內之構建板114可包含由任何物質形成之適於接收來自噴嘴110之沈積複合物或(若干)其他材料的一剛性及實質上平坦表面。構建板114可經加熱(例如，電阻式或感應式)以控制構建室116或在其上製造物件112之表面的一溫度。例如，此可改良黏著、防止熱誘發變形或故障，且有利於製造物件內之應力鬆弛。此外，構建板114可為可彎曲或以其他方式實體變形以自形成於其上之剛性物件112卸離的一可變形構建板。
構建室116可為適於裝納構建板114、一物件112及在構建室116內使用以製造物件112之列印機100之任何其他組件的任何室。構建室116可為可用一真空泵124或類似裝置抽空以提供用於製造之一真空環境的一環境密封室。在氧氣引起一鈍化層而可能弱化如本文中描述之一熔絲製程中之層間結合之情況中，或在大氣中之微粒原本可能干擾一製造物件之完整性之情況中，或在構建室116與燒結室相同之情況中，此可尤其有用。或者，可自構建室116僅移除氧氣。
類似地，可有效地在構建室116內採用一或多個被動或主動吸氧劑(oxygen getter) 126或其他類似氧吸收材料或系統以吸收構建室116內之游離氧。例如，吸氧劑126可包含塗覆構建室116之一內表面之一反應性材料的一沈積物或放置於構建室116中之藉由與殘餘氣體分子組合或吸收殘餘氣體分子而完成及維持真空的一分離物件。吸氧劑126或更一般而言吸氣劑可使用噴嘴110之一者沈積為一支撐材料，此有利於在各新製造運行時更換吸氣劑且可有利地將(若干)吸氣劑定位於經列印介質附近以在將新材料沈積至製造物件上之處更局部地移除鈍化氣體。吸氧劑126可包含優先與氧氣反應之多種材料之任一者，包含例如基於鈦、鋁等等之材料。此外，吸氧劑126可包含一化學能源，諸如一可燃氣體、氣炬、催化加熱器、本生燈(Bunsen burner)或發生反應以自環境提取氧氣之其他化學及/或燃燒源。存在可適用於此目的而不具有CO之多種低CO及NOx催化燃燒器。
吸氧劑126可在一構建程序期間沈積為一分離材料。因此，一個三維物件可由一金屬複合物製造而成，該金屬複合物包含經製造以含有移除該三維物件周圍之鈍化氣體之一試劑的一實體相鄰結構(其可或可未直接接觸三維物件)。可類似地採用其他技術來控制構建室116內或如下文描述之後處理室或類似者內之環境的反應性。例如，構建室116可用一惰性氣體或類似者填充以防止氧化。
控制系統118可包含一處理器及記憶體以及可用於監測及控制在列印機100上執行之一製程的任何其他共處理器、信號處理器、輸入及輸出、數位轉類比或類比轉數位轉換器及其他處理電路。控制系統118可以一通信關係與一構建材料102供應、傳動系104、液化系統106、噴嘴110、構建板114、機器人系統108及與構建程序相關聯之任何其他儀錶或控制組件(諸如溫度感測器、壓力感測器、氧感測器、真空泵等等)耦合。控制系統118可操作以控制機器人系統108、液化系統106及其他組件以在構建室116之工作體積115內由構建材料102三維地製造一物件112。
控制系統118可產生用於藉由列印機100執行以根據儲存至一資料庫120之三維模型122製造物件112的機器就緒程式碼。控制系統118可部署若干策略以在結構上或美學上改良所得實體物件。例如，控制系統118可在噴嘴110在現有沈積材料層上方運行之處使用開槽(plowing)、拉伸(ironing)、刨削或類似技術來例如使材料平整、移除鈍化層、應用峰部或脊部之一能量導流形貌以改良層間結合或以其他方式為下一材料層製備當前層。噴嘴110可包含一低摩擦或非黏性表面(諸如聚四氟乙烯、TiN或類似者)以有利於此開槽程序，且噴嘴110可(例如，使用一超音波換能器)加熱及/或振動以改良平滑化效果。此表面製備可併入至最初產生之機器就緒程式碼中。或者，列印機100可動態地監測沈積層且在一逐層基礎上判定額外表面製備對於成功完成物件是否有必要或有幫助。
圖2展示用複合物(例如，金屬注射模製材料)列印之一方法之一流程圖。如步驟202中展示，程序200可包含提供包含一注射模製材料或在製造一支撐介面之情況下包含一MIM黏結劑(例如，具有類似熱特性之一MIM黏結劑)之一構建材料。例如，材料可包含本文中描述之MIM材料之任一者。材料可以一坯料、一線材或任何其他鑄造、抽製、擠出或以其他方式塑形之塊體形式提供為一構建材料。如上文描述，構建材料可進一步封裝於可附接至一積層製造系統之一匣、線軸或其他適合載體中以供使用。
如步驟204中展示，程序可包含製造一物件之一層。此可包含可經調適以搭配MIM材料使用之任何技術。例如，此可包含熔絲製造、噴射列印或用於由一MIM材料形成一淨形之任何其他技術(及更明確言之用於由裝載有一第二相粉末之聚合材料形成一淨形之技術)。
如步驟211中展示，此程序可繼續且視需要重複以在工作體積內製造一物件。雖然程序可根據基礎製造技術變化，但一物件一般可基於所要物件之一個三維模型逐層製造。如步驟212中展示，程序200可包含在積層程序完成之後塑形淨形物件。在脫膠或燒結之前，物件之生坯體形式有效地處於其中可容易手動或自動移除缺陷及列印人工痕跡之一柔軟可使用狀態。因此，程序200可利用此可使用中間狀態以有利於品質控制或其他程序相關步驟，諸如移除先前列印步驟所需但並非脫膠或燒結所需之支撐件。
如步驟214中展示，程序200可包含將列印物件脫膠。一般而言，可以化學方式或熱方式執行脫膠以移除一淨形中保留一金屬(或陶瓷或其他)粉末之一黏結劑。當代注射模製材料通常經工程設計用於熱脫膠，此有利地允許在一單一烘烤操作或在兩個類似烘烤操作中執行脫膠及燒結。一般而言，脫膠程序用於自淨形生坯物件移除黏結劑，因此留下可燒結成成品形狀之一極其緻密金屬(或陶瓷或其他)微粒結構。
如步驟216中展示，程序200可包含將經列印且經脫膠之物件燒結成一成品形狀。一般而言，燒結可為在無液化之情況下藉由加熱來壓緊及形成一固體材料塊之任何程序。在一燒結程序期間，原子可跨微粒邊界擴散以融合成一固體件。因為燒結可在低於熔融溫度之溫度下執行，所以此有利地允許運用極高熔點材料(諸如鎢及鉬)進行製造。
此項技術中已知許多燒結技術，且一特定技術之選擇可取決於所使用之構建材料及製造物件之所要結構、功能或美學結果。例如，在固態(未活化)燒結中，金屬粉末微粒經加熱以在其等接觸之處形成連接(或「頸部」)。隨著時間推移，此等頸部增厚且產生一緻密部件，而留下可例如藉由熱均壓(hot isostatic pressing) (HIP)或類似程序封閉之小的間隙空隙。亦可採用或代替性地採用其他技術。例如，固態活化燒結使用粉末微粒之間之一膜來改良原子在微粒之間之遷移率且加速頸部之形成及增厚。作為另一實例，可使用液相燒結，其中一液體形成於金屬微粒周圍。此可改良微粒之間之擴散及連結，且亦可在經燒結物件內留下影響結構完整性之較低熔融相。可使用其他先進技術(諸如奈米相分離燒結)以例如在頸部處形成一高擴散性固體而改良接觸點處金屬原子之輸送。
脫膠及燒結可導致材料損耗及壓緊，且所得物件可顯著小於列印物件。然而，此等效應總體一般為線性的，且可在列印時有效地按比例放大淨形物件以在脫膠及燒結之後產生一對應形狀。
圖3展示搭配金屬注射模製材料使用之一積層製造系統。系統300可包含一列印機302、一運送機304及一後處理站306。一般而言，列印機302可為上文描述之列印機之任一者，其包含例如一熔絲製造系統、一立體微影系統、一選擇性雷射燒結系統或可有效地經調適以在電腦控制下使用注射模製構建材料形成一淨形物件的任何其他系統。列印機302之輸出可為一物件303，物件303係包含任何適合粉末(例如，金屬、金屬合金、陶瓷等等以及前述各者之組合)以及保留由列印機302產生之一淨形中之粉末之一黏結劑的一生坯體。
運送機304可用於將物件303自列印機302輸送至其中可執行脫膠及燒結之一後處理站306。運送機304可為適於實體地輸送物件303之任何適合裝置或裝置組合。例如，此可包含列印機側上之用於自一構建平台或類似者卸離物件303之機器人及一機器視覺系統或類似者，以及後處理側上之將物件303準確地放置於後處理站306內之機器人及一機器視覺系統或類似者。此外，後處理站306可伺服多個列印機使得可將若干物件同時脫膠及燒結，且運送機304可將列印機與後處理站互連使得可並行協調及自動完成多個列印工作。或者，可在兩個對應站之間手動地輸送物件303。
後處理站306可為可用於將藉由列印機302由一金屬注射模製構建材料形成為一所要淨形之一生坯部件轉換成一最終物件的任何系統或系統組合。例如，後處理站306可包含可循序使用以產生一最終物件之一化學脫膠站及一熱燒結站。一些當代注射模製材料經工程設計用於熱脫膠，此使得可運用一單一烘箱或類似裝置執行脫膠步驟與燒結步驟之一組合。雖然一燒結爐之熱規格可取決於待燒結之粉末、黏結劑系統、生坯物件之裝載及其他性質以及用於製造生坯物件之材料，但用於熱脫膠及燒結之MIM部件的商業燒結爐通常可以攝氏+/- 5度或更佳之一準確度及至少攝氏600度或自約攝氏200度至約攝氏1900度之溫度長時間操作。任何此爐或類似加熱裝置可有效地用作如本文中描述之後處理站306。亦可使用或代替性地使用真空或壓力處理。具有一非黏結塗層之相同或類似材料珠粒可用於一爐支撐件，例如，包裝為此材料之一層(bed)而與部件類似地收縮，惟其將不會結合至部件除外。
實施例可運用諸多之其他脫膠及燒結程序實施。例如，可以一化學脫膠、熱脫膠或此等之某一組合移除黏結劑。此項技術中亦已知其他脫膠程序(諸如超臨界或催化脫膠)，其等之任一者亦可或代替性地藉由如本文中描述之後處理站306採用。例如，在一常見程序中，首先使用一化學脫膠將一生坯部件脫膠，其後接著在一適度高溫(在此內容背景中，約攝氏700至800度)下進行一熱脫膠以移除有機黏結劑且在一粉末材料當中產生足夠頸部而允許抓取處置。自此階段，可將物件移動至一燒結爐以移除一黏結劑系統之任何剩餘組分而緻密化物件。或者，可使用一純熱脫膠來移除有機黏結劑。更一般而言，任何技術或技術組合可有效地用於將一物件脫膠，如本文中描述。
類似地，後處理站可有效地採用諸多之燒結技術。例如，可在一爐中使用真空燒結將一物件固結至一高理論密度。或者，該爐可使用流動氣體(例如，低於大氣壓、略高於大氣壓或某一其他適合壓力)與真空燒結之一組合。更一般而言，可使用適於改良物件密度之任何燒結或其他程序，較佳地，其中該程序產生具有很小孔隙率或無孔隙率之一近理論密度部件。亦可或代替性地例如藉由施加高溫及10 ksi至50 ksi或介於約15 ksi與30 ksi之間之壓力而採用熱均壓(「HIP」) (例如，作為一後燒結修整步驟)。或者，可使用前述程序之任一者來處理物件，其後接著施加一適度超壓(大於燒結壓力但低於HIP壓力)。在此後者程序中，氣體可在100 psi至1500 psi下加壓且維持在爐內或某一其他增補室內之高溫下。或者，物件可在一個爐中單獨加熱，且接著浸入於一模具內部之一熱顆粒介質中，同時壓力施加至介質使得其可傳輸至物件以驅使更快速固結至近全密度。更一般而言，後處理站306可使用適於移除黏結劑系統且使一粉末材料趨向固結及緻密化之任何技術或技術組合來處理一經製造生坯部件，如本文中描述。
後處理站306可併入至列印機302中，因此無需一運送機304實體地輸送物件303。列印機302之構建體積及其中之組件可製造為耐受高脫膠/燒結溫度。或者，列印機302可提供構建體積內之可移動壁、阻障或(若干)其他圍封殼，使得可在物件303在列印機302內之一構建平台上但與任何熱敏組件或材料熱隔離時執行脫膠/燒結。
後處理站306可以多種方式最佳化以於一辦公環境中使用。後處理站306可包含一惰性氣體源308。例如，惰性氣體源308可包含氬氣或其他惰性氣體(或對燒結材料惰性之其他氣體)，且可容置於可耦合至後處理站306之一可移除且可更換匣中以排放至後處理站306之內部中，且接著在內容物排空時移除並更換。後處理站306亦可包含或代替性地包含用於排空可以一未過濾形式釋氣至一辦公環境中之氣體的一過濾器310，諸如一木炭過濾器或類似者。對於其他氣體，可提供一外部排氣口或一氣體容器或類似者以允許在不通風區域中使用。對於可回收材料，亦可使用或代替性地使用一封閉系統，特別是在環境材料昂貴或危險之情況下。
後處理站306可耦合至其他系統組件。例如，後處理站306可包含來自列印機302或來自用於列印機之一控制器之關於物件303之幾何結構、大小、質量及其他實體特性的資訊，以產生一適合脫膠及燒結設定檔(profile)。視情況，該設定檔可由控制器或其他資源獨立產生且在運送物件303時傳輸至後處理站306。此外，後處理站306可監測脫膠及燒結程序且例如向一智慧型電話或其他遠端裝置312提供關於物件之一狀態、一完成時間及其他處理度量及資訊的回饋。後處理站306可包含一相機314或其他監測裝置以向遠端裝置312提供回饋，且可提供縮時動畫或類似者以依圖形方式按一壓縮時間尺度展示燒結。後處理亦可包含或代替性地包含運用熱、一熱刀、工具或類似者進行修整，且可包含施覆一飾面塗層。
圖4繪示藉由一積層製造系統之一列印機(諸如上文描述之列印機100)列印之一典型物件400。物件400係以一橫截面視圖展示之一立方體，且其包含具有一頂層、底層及側壁之一固體外層。外層包圍佔據固體之內部體積之一填充物。物件400係必須脫膠且接著燒結之一「生坯」部件，如上文關於圖2及圖3描述。
對於具有較厚或較大體積部分之生坯部件，在脫膠期間，脫膠溶劑可需要更多時間來完全滲透部件並溶解生坯部件之黏結劑組分。在此一脫膠期間，生坯部件之固體部分可抑制溶劑之流動而僅在溶劑已因溶解固體之部分內的黏結劑而在該部分中產生孔之後才容許通過。甚至在形成孔之後，該等孔之小尺度仍繼續限制溶劑(亦被稱為「脫膠流體」)流動通過部件。因此，部件可需要過量時間以完成脫膠程序。
為縮短脫膠程序，物件400包含界定彼此平行延伸之數個垂直通道之一填充物。此組態可藉由引導溶劑流動通過通道以及減小物件400之任一部分之厚度而縮短脫膠時間。然而，物件400亦可引入若干缺點。例如，填充物可能不具備足以用於物件之一預期應用之結構完整性，從而引起物件在使用期間失效。在脫膠期間，脫膠劑溶劑在其到達填充物之前必須首先滲透物件之外層(且至少部分將物件之外層脫膠)，且所得溶液(即，溶解於溶劑中之黏結劑)亦必須流動通過外層。因此，外層阻礙對填充物之脫膠。此外，一旦脫膠劑溶劑流動至填充物中，則其一般被侷限於一單一垂直通道，藉此限制溶劑之功效且阻礙將溶液自物件400排出。
圖5A至圖5B繪示一實例實施例中之一列印物件500。一外殼界定物件500之一外部且包含使一脫膠劑溶劑能夠貫穿其間流動之一或多個孔隙。一填充結構佔據由該外殼包圍之一體積且界定一互連通道網狀物。圖5A繪示物件500之一第一橫向橫截面，且圖5B繪示一第二橫向橫截面，其中該第一橫截面與該第二橫截面係平行的且藉由有效繪示填充結構之形狀之一距離分離。特定言之，圖5A係描繪使溶劑能夠在一方向上流動通過橫截面平面之通道的一橫截面。相比之下，圖5B係相同填充結構之一橫截面，且其描繪使溶劑能夠流動通過該橫截面之平面內之任何部分的結構之一部分。如所展示，物件500具有一方形橫截面，但其亦可包含佔據任何幾何結構之部分，且橫截面之組成部分(即，外殼及填充結構)可調適為任何此幾何結構。在進一步實施例中，物件500之組成部分亦可應用於具有任何幾何結構之列印物件。
藉由形成一互連通道網狀物，填充結構通常使一脫膠劑溶劑能夠滲漏通過填充結構之任何部分。例如，若填充結構被取樣為一立方體積(例如，結構之一立方子集)，則結構將使脫膠劑溶劑能夠自該立方體積之任一面經由互連通道網狀物流動至立方體積之任何其他面。填充結構(或填充結構之一子集)可具有各向同性、在全部方向上具有一致性之一幾何結構。網狀物之通道之大小可按比例調整以平衡溶劑流動與物件之結構完整性。例如，直徑為大約2 mm之通道可實現可接受溶劑流動同時維持結構之可接受強度。
儘管物件500被展示為包含外殼之頂表面處之一單一孔隙及外殼之底表面處之一單一孔隙，然物件500可包含更大或更小數目之孔隙以有利於溶劑之流動。孔隙可經定大小以容納適當溶劑流動(例如，2 mm)。在物件500之一脫膠期間，可將物件500浸沒於脫膠劑溶劑中以使脫膠劑溶劑(及所得溶液)能夠經由孔隙流動至填充結構中且自填充結構流出。溶劑亦可將外殼脫膠且使溶劑及/或溶液能夠通過經脫膠外殼之孔。若判定物件500在無孔隙之情況下可在可接受參數(例如，脫膠時間)內脫膠，則亦可省略孔隙。
物件500可由包含金屬及/或(若干)陶瓷粉末及一或多個黏結劑之一原料列印。或者，外殼及/或填充結構可由包括金屬及/或陶瓷粉末及一或多個黏結劑之一或多個不同原料列印。例如，如上文描述之一列印機100可由一第一原料列印物件500之外殼且由具有金屬或(若干)陶瓷粉末及黏結劑之一不同組合物的一第二原料列印填充結構。
在實例實施例中，填充結構實現在x、y及z方向上通過結構之流體移動。填充結構亦應在x、y及z方向上展現足以用於物件之預期應用之強度。足夠強度亦確保部件在整個脫膠及燒結程序內維持其形狀。因為填充結構係經修整、後燒結部件之一組件，所以部件之機械性質將受填充結構之影響。
為確保足夠強度，可列印具有所要填充物幾何結構之一或多個測試部件。幾何結構可經隔離，或可具有一外殼，或可附接至將在一張力測試中牽拉之固體特徵部(例如，一狗骨形結構)。可在x、y及z方向上測試測試結構之壓縮及張力。自此測試，可獲得結構之強度、彈性模數、延展性及其他性質。部件之預期應用可期望一高強度重量比以及在全部方向上之相等效能。
在一實例實施例中，一填充結構可包含幾個顯著特徵。首先，結構可具有可在各層處按照在層內實質上連續且不間斷之列印路徑列印的一圖案。相比之下，小支桿可能不容易列印，此係因為其等需要列印機之擠出機頻繁地起始及停止擠出。熔絲製造(FDM)列印機可能在此列印方面遇到困難，其導致錯過擠出或將過量材料沈積於支桿之間。因此，填充結構在XY平面上具有長的連續擠出路徑係有利的。其次，填充結構可在列印期間自支撐。FDM型程序常常可列印高達50度至65度之懸伸部。若層偏移過多(即，呈高懸伸部)，則擠出機將在空中列印大部分珠粒，此可防止珠粒附接至先前層，藉此降低填充結構之強度。上述特徵可基於擠出路徑及懸伸角度判定，且可藉由產生測試列印件、觀察該等列印件之缺陷且相應地修改結構而進行驗證。
實例實施例亦可提供燒結期間之優點。物件可在燒結期間經歷一二次脫膠(一「熱脫膠」)，且填充結構可藉由改良功效及熱脫膠產品可離開結構之速度而改良熱脫膠。填充結構之滲漏結構可容許剩餘黏結劑自部件逸出且防止物件內部之任何壓力積聚。氣體亦可透過外殼中之孔隙進入及離開，而非僅通過外殼之固體部分中之較小孔。因此，結構及孔隙大體上改良部件內之氣體流動。熱脫膠之時間亦可歸因於黏結劑能夠在整個填充物各處逸出且從外殼處之孔隙離開而減少。物件亦可在燒結程序期間展現對破裂、翹曲及塌落之改良的抗性。為提供此等抗性，在x、y及z方向上具有均勻及高強度之一結構可為有利的。此一結構可有助於在燒結期間維持部件之均勻收縮，且尤其是在破裂可能性最高之x及y方向上具有良好強度。
圖6A至圖6C繪示另一實施例中之一填充結構600。圖6A、圖6B及圖6C分別展示填充結構600之等角視圖、俯視圖及側視圖。填充結構600可併入至一列印物件(諸如上文描述之物件500)中，且可包含上文描述之物件500之填充結構之特徵。填充結構600之圖案可與圖5中展示之圖案相當，且特定言之使脫膠劑溶劑能夠滲漏通過由該結構形成之通道網狀物。圖案之大小可按比例調整以於一給定列印物件中使用而確保充分脫膠及足夠物件強度。
圖7A至圖7B繪示另一實施例中之一填充結構700。圖7A及圖7B分別展示填充結構700之等角視圖及側視圖。填充結構700可併入至一列印物件(諸如上文描述之物件500)中，且可包含上文描述之物件500之填充結構之特徵。填充結構700展現使脫膠劑溶劑能夠滲漏通過由該結構形成之通道網狀物的一各向同性螺旋二十四面體圖案。圖案之大小可按比例調整以於一給定列印物件中使用而確保充分脫膠及物件強度。
圖8A至圖8B繪示另一實施例中之一填充結構800。圖8A及圖8B分別展示填充結構800之等角視圖及側視圖。填充結構800可併入至一列印物件(諸如上文描述之物件500)中，且可包含上文描述之物件500之填充結構之特徵。填充結構800展現使脫膠劑溶劑能夠滲漏通過由該結構形成之通道網狀物的一各向同性螺旋二十四面體圖案。圖案之大小可按比例調整以於一給定列印物件中使用而確保充分脫膠及物件強度。在替代實施例中，一物件可包含展現其他圖案(諸如一菱形矩陣或一菱形格狀圖案)之一填充結構。
雖然已特別展示且描述實例實施例，但熟習此項技術者將瞭解，可在不脫離隨附發明申請專利範圍所涵蓋之實施例之範疇之情況下在該等實例實施例中進行各種形式及細節改變。
100‧‧‧三維列印機/列印機
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400‧‧‧物件
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600‧‧‧填充結構
700‧‧‧填充結構
800‧‧‧填充結構
自如隨附圖式中所繪示之實例實施例之以下更特定描述將明白前述內容，其中在不同視圖各處，相同元件符號指代相同部件。圖式不一定按比例，而是重點在於繪示實施例。
圖1係一積層製造系統之一方塊圖。
圖2係運用複合物列印之一方法之一流程圖。
圖3繪示搭配金屬注射模製材料使用之一積層製造系統。
圖4繪示藉由一積層製造系統列印之一典型物件。
圖5A至圖5B繪示一實例實施例中之一列印物件。
圖6A至圖6C繪示另一實施例中之一填充結構。
圖7A至圖7B繪示另一實施例中之一填充結構。
圖8A至圖8B繪示另一實施例中之一填充結構。

Claims (9)

  1. 一種列印一物件之方法，其包括： 列印界定一物件之一外部之一外殼，該外殼包含使一脫膠劑溶劑能夠貫穿其間流動之至少一個孔隙；及 列印佔據由該外殼包圍之一體積的一填充結構，該填充結構界定一互連通道網狀物，該填充結構之一立方子集使該脫膠劑溶劑能夠自該立方子集之任一面經由該互連通道網狀物滲漏至該立方子集之任何其他面。
  2. 如請求項1之方法，其中該填充結構使該脫膠劑溶劑能夠自該填充結構內部之任一體積經由該互連通道網狀物滲漏至該填充結構內部之任何其他體積。
  3. 如請求項2之方法，其中該任一體積及任何其他體積在該互連通道網狀物之內部。
  4. 如請求項3之方法，其中該任一體積及任何其他體積係實質上等軸的且具有等於該互連通道網狀物之兩個通道之一寬度的一特性尺寸。
  5. 如請求項1之方法，其中該填充結構使該脫膠劑溶劑能夠自鄰近於該外殼之任一通道段經由該互連通道網狀物滲漏至鄰近於該外殼之任何其他通道段。
  6. 如請求項1之方法，其中該填充結構之該立方子集界定各向同性之一幾何結構。
  7. 如請求項1之方法，其中列印該外殼包含：列印該外殼之一上表面處及該外殼之一底表面處之至少一個孔隙。
  8. 如請求項1之方法，其進一步包括將該物件脫膠，該脫膠包含使該脫膠劑溶劑能夠流動通過該至少一個孔隙之一第一孔隙、通過該填充結構且通過該至少一個孔隙之一第二孔隙。
  9. 如請求項1之方法，其中該填充結構係由包含一金屬粉末及一黏結劑之一原料列印。
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