通过电沉积和添加制造工艺制备制品的方法技术

本文描述了通过添加制造通过电沉积纳米层压材料来涂覆的预成型件而制备的制品及其生产方法。

Process for preparing articles by electrodeposition and addition of a manufacturing process

This article describes an article made by adding a preform prepared by electrodeposition of a nano laminated material and a method of producing the same.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过电沉积和添加制造工艺制备制品的方法以引用的方式明确并入本申请要求2014年9月18日提交的美国临时专利申请号62/052,428的权益，所述申请以引用的方式整体并入本文。此外，2013年3月15日提交的美国临时专利申请号61/798,559和2014年3月17日提交的国际申请PCT/US2014/030592的公开内容明确地以引用的方式整体并入本文。领域包括在本公开内的是包含纳米层压金属涂层的制品及其制备方法。概述本公开的实施方案提供用于通过添加制造加上电沉积生产制品的方法。此类方法包括至少两个步骤。第一步骤涉及通过添加制造诸如三维(3D)打印形成所述制品的至少一个预成型件。然后使所述制品的预成型件经受电沉积工艺，其提供具有期望的化学、物理、和/或机械性质的涂层。为了促进涂层均匀性(涂层均匀性影响涂层性能)，本公开尤其包括实施方案，所述实施方案包括使用电镀屏蔽件和窃流件来控制电沉积工艺。屏蔽件和窃流件可通过任何适当的方式(例如像机械加工、模制)或通过添加制造诸如三维(3D)打印来制备。在本文公开的实施方案中，屏蔽件和窃流件可以与制品的预成型件相同的添加制造工艺制备，或者作为通过配合界面组装以形成可电镀组件的单独项目来制备。或者，在其他实施方案中，屏蔽件和/或窃流件可通过添加制造工艺与制品的预成型件一起制备。当在单一添加制造工艺中与预成型件一起制备屏蔽件和/或窃流件时，各自可相对于其他在三维空间中定向，以在电沉积涂层厚度方面产生所需水平的均匀性。除了使用屏蔽件和/或窃流件外，本文的实施方案提供使用传质(例如，电解质输送至预成型件表面上的特定位置)来增加通过电沉积形成的涂层的均匀性。本文所述的方法的实施方案因此实现不仅相对于完全由诸如金属、陶瓷或复合材料的材料制成的类似制品质量轻，而且可容易设计成满足一系列应用(包括商业和国防应用)的特定需求的制品的生产。本文所述的方法的实施方案也可在不同规模内使用且适于低速和高速生产。本公开的实施方案因此提供一种用于生产具有化学、物理和/或机械性质的部件的方法，所述性质允许所述部件用于通常已使用金属、陶瓷和/或复合材料部件的应用中。附图简述图1A示出采用流通构造流分配器来进行工件/预成型件(2)的电镀的电镀装置(1)。所述装置具有泵(3)，其使电解质(4)首先通过对电极室(5)、然后通过过滤器(6)和构造流分配器(7)来再循环。在撞击工件(2)之后，电解质返回/落入保持储器(8)中，从而确保存在空气断路(9)以保证没有由电源(10)提供的电流反向/短路。对电极室(5)包括排气阀(11)，以允许逸出气体的逃逸，同时维持系统压力。位于对电极室下游的过滤器(6)降低沉积物中堵塞和/或微粒包含的可能性。图1B示出图1A中所示的构造流分配器(7)和工件/预成型件(2)的旋转180度的特写。所述特写示出分配器12中的通道(管)网络。元件(结构)A-G在下文描述。A.网络区段，其尺寸影响工件的区域“a”。B.网络区段，其尺寸影响工件的区域“b”。C.网络区段，其尺寸影响工件的区域“c”。D.网络区段，其尺寸影响工件的区域“d”。E.用于促进在工件的区域“e”上面的平衡电流和传质分配的网络定制的图示。F.电流和流动的来源(阳极室和泵)。G.分配器-工件间隙，或“飞行高度”。构造流分配器还可应用于平面基底，例如晶片，其中兴趣可能在于控制2D中(例如图案上面)的涂层厚度、组合物均匀性和/或分布，并且因此将是控制晶片尺度和图案尺度均匀性的方式。图2示出在旋转轴对称的工件/预成型件(21)上的涂层的电沉积中采用的2维结构流分配器(20)，其以剖视图示出。所示装置具有泵(22)，所述泵使电解质(23)从电解质储器(24)首先通过对电极室(25)，然后通过过滤器(26)，且随后再循环至构造流分配器(20)。在撞击工件(21)之后，电解质返回/落入(28)电解质储器(24)中，从而确保存在空气断路(29)以保证没有由电源(30)提供的电流反向/短路。对电极室(25)包括排气阀(31)，以允许逸出气体的逃逸，同时维持系统压力。位于对电极室下游的过滤器(26)降低沉积物上堵塞和/或微粒包含的可能性。详述1.0定义“添加制造”意指通过顺序添加材料来制备三维制品。所述工艺包括所有形式的直接数字制造，包括但不限于传统三维打印(3D-打印)、选择性激光烧结(SLS)或烧结激光熔化(SLM)、熔融沉积成型(FDM)和立体平版印刷(SLA)。“直接数字制造”、“快速成型的”或“快速成型(rapidprototyping)”意指从数字模型制备任何形状的三维实体制品的添加制造或3D打印工艺。所述工艺是添加工艺，其中以不同形状铺设或固化材料的连续层、带、珠子或区域以形成三维制品。“选择性激光烧结”(SLS)是指粉末床通过激光作用局部结合以一次形成制品的一个横截面的工艺。“熔融沉积成型”(FDM)是指使用熔化材料(例如，热塑性塑料)以连续构建所需形状的制品的工艺。“立体平版印刷”(SLA)是指通过光引发的交联使液体聚合物局部固化的工艺。在所述工艺中，将光聚集于未固化的光聚合物的容器的表面上，并且‘画出’所需2D横截面形状，从而产生固化2D图案。重复所述工艺产生所需形状的3D几何图形。“层压物品制造”(LOM)意指使用切成形状且联接在一起的薄层(例如纸、聚合物、金属)以形成所需三维制品。“无电电镀”意指自催化电镀，其中电镀浴含有准备与基底反应的还原剂，并且催化剂为待沉积的金属或在电镀浴中放置的制品的表面上的金属。“预成型件”意指加工形状以使得在施加给定厚度的层压材料后得到具有所需形状和性质的部件的物品或制品。“关于...定向”或“相对于...定向”意指在三维空间中以特定方式布置项目(即，每个项目“关于”或“相对于”其他项目的距离和旋转是具体地在三维空间中相对于彼此定义或固定)。如本文所用的“窃流件”意指从否则将被电镀的工件(例如，制品的预成型件)的区域分流电流密度的导电元件(结构)。除非明确地意图表示多个窃流元件，否则如本文所用的术语“窃流件”意指一个或多个此类窃流元件。如本文所用的“屏蔽件”是通常不导电的元件(结构)，并且阻止电流通向否则将被电镀的区域。在屏蔽件由导电的材料制备的情况下，其可由非导电材料(例如蜡或橡胶)遮蔽以有效地使其不导电。除非明确地意图表示多个屏蔽元件，否则如本文所用的术语“屏蔽件”意指一个或多个此类屏蔽元件。“配合界面”意指制品的预成型件、屏蔽件、窃流件和/或框架部分上的界面，所述界面允许将制品的预成型件连接至屏蔽件、窃流件和/或框架部分中的一个或多个以形成可电镀组件，其中预成型件相对于存在的任何屏蔽件和/或窃流件定向(特别是以与CAD优化的屏蔽件和窃流件几何形状匹配的方式定向)以在电镀时在预成型件的表面上产生均匀的电流密度。“框架”或“框架的部分”是用于连接制品的预成型件、窃流件和/或屏蔽件中的一个或多个的元件(结构)。框架有助于固定/保持例如可电镀组件中相对于彼此定向的那些元件(结构)。框架可单独产生，或者与制品的预成型件和/或窃流件或屏蔽件中的一个或多个一起产生，特别是当那些项目通过添加制造制备时。或者，框架或框架的部分可单独制备，并且可在预型件、窃流件、屏蔽件或框架的另一部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成制品的方法，所述制品具有在所述制品的全部或部分上的电沉积的涂层，所述方法包括：通过添加制造制备所述制品的预成型件、一个或多个窃流件和/或一个或多个屏蔽件，其各自将被组装成单个可电镀组件；其中所述制品的所述预成型件和每个窃流件和/或屏蔽件包括一个或多个配合界面，所述配合界面允许所述预成型件与所述窃流件和/或屏蔽件组装成可电镀组件，其中所述预成型件相对于存在的每个窃流件和屏蔽件定向；将所述预成型件和所述窃流件以及屏蔽件彼此连接和/或经由配合界面连接至包括所述配合界面的框架以形成所述可电镀组件，其中所述预成型件、窃流件和屏蔽件相对于彼此定向；以及将包含一种或多种元素(例如，一种或多种金属)的组合物电沉积到所述预成型件和可存在的任何窃流件上以在所述制品的表面的全部或部分上形成所述电沉积的涂层的全部或部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.18 US 62/052,4281.一种形成制品的方法，所述制品具有在所述制品的全部或部分上的电沉积的涂层，所述方法包括：通过添加制造制备所述制品的预成型件、一个或多个窃流件和/或一个或多个屏蔽件，其各自将被组装成单个可电镀组件；其中所述制品的所述预成型件和每个窃流件和/或屏蔽件包括一个或多个配合界面，所述配合界面允许所述预成型件与所述窃流件和/或屏蔽件组装成可电镀组件，其中所述预成型件相对于存在的每个窃流件和屏蔽件定向；将所述预成型件和所述窃流件以及屏蔽件彼此连接和/或经由配合界面连接至包括所述配合界面的框架以形成所述可电镀组件，其中所述预成型件、窃流件和屏蔽件相对于彼此定向；以及将包含一种或多种元素(例如，一种或多种金属)的组合物电沉积到所述预成型件和可存在的任何窃流件上以在所述制品的表面的全部或部分上形成所述电沉积的涂层的全部或部分。2.一种形成制品的方法，所述制品具有在所述制品的全部或部分上的电沉积的涂层，所述方法包括：通过添加制造制备预成型件-窃流件-组件，其中所述制品的所述预成型件连接至一个或多个窃流件中的每个且相对于所述一个或多个窃流件中的每个定向，并且其中所述预成型件-窃流件-组件包括一个或多个配合界面，所述配合界面允许所述预成型件-窃流件-组件组装成可电镀组件；制备一个或多个屏蔽件，所述屏蔽件包括一个或多个配合界面，所述配合界面允许所述屏蔽件组装到所述可电镀组件中；将所述预成型件-窃流件-组件和屏蔽件彼此连接和/或经由配合界面连接至包括所述配合界面的框架以形成所述可电镀组件，其中所述预成型件、窃流件和屏蔽件相对于彼此定向；以及将包含一种或多种元素的组合物电沉积到所述预成型件和可存在的任何窃流件上以在所述制品的表面的全部或部分上形成所述电沉积的涂层的全部或部分。3.一种形成制品的方法，所述制品具有在所述制品的全部或部分上的电沉积的涂层，所述方法包括：通过添加制造制备预成型件-屏蔽件-组件，其中所述制品的所述预成型件通过框架的一个或多个件连接至一个或多个屏蔽件中的每个且相对于所述一个或多个屏蔽件中的每个定向，并且其中所述预成型件-屏蔽件-组件包括一个或多个配合界面，所述配合界面允许所述预成型件-屏蔽件-组件组装成可电镀组件；制备一个或多个窃流件，所述窃流件包括一个或多个配合界面，所述配合界面允许所述窃流件组装到所述可电镀组件中；将所述预成型件-屏蔽件-组件和窃流件彼此连接和/或经由配合界面连接至包括所述配合界面的框架以形成所述可电镀组件，其中所述预成型件、窃流件和屏蔽件相对于彼此定向；以及将包含一种或多种元素的组合物电沉积到所述预成型件和可存在的任何窃流件上以在所述制品的表面的全部或部分上形成所述电沉积的涂层的全部或部分。4.一种形成制品的方法，所述制品具有在所述制品的全部或部分上的电沉积的涂层，所述方法包括：通过添加制造制备可电镀组件，所述可电镀组件包括所述制品的预成型件、一个或多个窃流件和/或一个或多个屏蔽件，其中所述制品的所述预成型件以及存在的每个窃流件和屏蔽件通过直接接触或通过框架的一个或多个部分连接，并且其中所述预成型件以及存在的每个窃流件和屏蔽件相对于彼此定向；以及将包含一种或多种元素(例如，一种或多种金属)的组合物电沉积到所述预成型件和可存在的任何窃流件上以在所述制品的表面的全部或部分上形成所述电沉积的涂层的全部或部分。5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中电沉积组合物包括使所述可电镀组件的全部或部分与包含一种或多种可电镀金属离子物质的电解质相接触。6.如权利要求5所述的方法，其中使所述可电镀组件的全部或部分与电解质相接触包括使所述电解质在(抵靠)所述制品的所述预成型件的所述表面的一个或多个部分上面流动，其中所述电沉积是要在所述制品的表面的全部或部分上形成涂层。7.如权利要求6所述的方法，其中流动通过搅拌来完成。8.如权利要求6所述的方法，其中使所述电解质流动通过泵送电解质通过一个或多个非导电管来完成，以使得从所述非导电管中的一个或多个开口流出的电解质导致所述电解质在所述制品的所述预成型件的一个或多个部分上面流动。9.如权利要求6所述的方法，其中使所述电解质流动通过泵送电解质通过框架的一部分和/或屏蔽件内的一个或多个通道来完成，其中所述通道在框架的所述部分的表面或所述屏蔽件的表面处具有一个或多个开口，以使得从所述开口流出的电解质导致所述电解质在所述制品的所述预成型件的一个或多个部分上面流动。10.如权利要求6至9中任一项所述的方法，其中所述生产的制品具有小于选自以下的组的值的PTV：5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％。11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括在将不电沉积包含一种或多种元素(例如，一种或多种金属)的组合物的一个或多个位置处掩蔽所述预成型件的任何部分或框架和/或屏蔽件的任何部分。12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述预成型件连接至窃流件的框架的至少一个部分的全部或部分和/或将所述预成型件连接至屏蔽件的框架的至少一个部分的全部或部分针对电沉积进行掩蔽以防止由所述电沉积的涂层增强所述框架部分。13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过添加制造制备的所述制品的所述预成型件、框架部分、窃流件或屏蔽件中的一个或多个由非导电性材料组成。14.如权利要求13所述的方法，其中在将包含一种或多种元素(例如，一种或多种金属)的组合物电沉积到所述预成型件上之前，使所述制品的所述预成型件、框架部分和/或窃流件经受无电电镀。15.如权利要求13或14所述的方法，其中所述非导电性材料是聚合物。16.如权利要求15所述的方法，其中所述聚合物包括：聚醚酰亚胺(例如，UltemTM)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、尼龙(例如，尼龙618)、聚乙烯醇(PVA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)、PC/ABS、木质纤维(例如，LAYWOO-D3)、聚苯砜(PPSU)或前述的一种或多种、两种或更多种或三种或更多种的组合。17.如权利要求16所述的方法，其中所述聚合物是聚醚酰亚胺、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、尼龙、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)、PC/ABS、聚苯砜(PPSU)或前述的一种或多种、两种或更多种或三种或更多种的组合。18.如权利要求13-17中任一项所述的方法，其中所述制品的所述预成型件和/或一个或多个窃流件包括并入用于无电电镀的催化剂的非导电性材料。19.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述制品的所述预成型件、框架部分或窃流件(其各自已通过添加制造制备)中的一个或多个由导电性材料组成。20.如权利要求19所述的方法，其中所述导电性材料包括：一种或多种金属；非导电性聚合物和一种或多种金属、石墨颗粒、石墨纤维、镀金属的石墨颗粒或镀金属的碳纤维；导电性聚合物和一种或多种金属、石墨颗粒、石墨纤维、镀金属的石墨颗粒或镀金属的碳纤维；或导电性聚合物。21.如权利要求19或20所述的方法，其中所述一种或多种元素(例如，一种或多种金属)包括一种或多种选自由以下组成的组的金属：Ag、Al、Au、B、Be、C、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、In、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、P、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、Sn、Mn、Pb、Ta、Ti、W、V、Zn、Zr或其合金。22.如权利要求20或21所述的方法，其中所述导电性聚合物包括聚苯胺或聚吡咯。23.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中电沉积包含一种或多种元素的组合物包括：提供包括至少一种可电沉积的组分的浴；使所述预成型件的全部或部分与所述浴相接触；以及向所述预成型件施加电压或电流以沉积至少一种包含一种或多种元素(例如，一种或多种金属)的可电沉积的组分。24.根据权利要求23所述的方法，其包括提供包括至少两种、至少三种或至少四种可电沉积的组分的浴。25.如权利要求23或权利要求24所述的方法，其还包括施加时变电流密度，其中所述时变电流密度至少振荡两个周期以使结构和/或组成调节性材料沉积在所述预成型件上。26.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中电沉积包含一种或多种元素(例如，一种或多种金属)的组合物包括电沉积包含一种或多种、两种或更多种、三种或更多种或四种或更多种不同金属的组合物，所述金属独立地选自Ag、Al、Au、B、Be、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、In、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、P、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、Sn、Mn、Pb、Ta、Ti、W、V、Zn和Zr，其中所述独立选择的元素各自以大于0.1、0.05、0.01、0.005或0.001重量％存在。27.如权利要求1-25中任一项所述的方法，其中电沉积包含一种或多种元素(例如，一种或多种金属)的组合物包括电沉积包含两种或更多种、三种或更多种或四种或更多种不同的元素的组合物，所述元素独立地选自Ag、Al、Au、B、Be、C、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、In、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、P、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、Sn、Mn、Pb、Ta、Ti、W、V、Zn和Zr，其中所述独立选择的元素各自以大于0.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·D·威特克，理查德·J·考德威尔，查德·詹宁斯，
申请(专利权)人：莫杜美拓有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US