用金属复合材料进行增材制造制造技术

技术编号:19392868 阅读:23 留言:0更新日期:2018-11-10 03:32
描述一种金属复合材料,其具有有利的用于增材制造的综合性质。具体说,本文所述的复合材料可用在熔丝制造或任何其他基于挤出或沉积的三维打印过程。

Metal composite material for material addition manufacturing

A metal composite material is described, which is advantageous for the comprehensive properties of additive manufacturing. Specifically, the composites described herein can be used in fuse manufacturing or any other three-dimensional printing process based on extrusion or deposition.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用金属复合材料进行增材制造相关申请的交叉引用本申请要求要求2016年3月2日提交的美国专利申请No.15/059,256的优先权,其全部内容通过引用合并于此。
本文所述的系统和方法涉及增材制造,且更具体地涉及用金属复合材料进行三维打印。
技术介绍
熔丝制造在1980年代晚期出现,作为用于用热朔性或相似材料制造三维物体的技术。使用该技术的机器可通过以层的形式沉积材料线而递增地制造三维物体。试图让这些技术适应金属制造通常并不成功,且仍然存在对适用于金属增材制造的三维打印技术的需要。
技术实现思路
描述一种金属复合材料,其具有有利的用于增材制造的综合性质。具体说,本文所述的复合材料可用在熔丝制造或任何其他基于挤出或沉积的三维打印过程。附图说明本文所述的系统和方法在所附权利要求中给出。然而,出于说明的目的,在以下附图中给出一些实施方式:图1是用于使用复合材料的增材制造系统的方块图。图2显示了用于通过复合材料进行打印的方法的流程图。具体实施方式现在将参考附图描述实施例。但是,前述内容可以以许多不同形式实施且不应理解为是对本文所述的所示出实施例的限制。所有本文提到的文献通过引用全部并入本文。以单数形式描述的项目应该被理解为包括多个项目,且反之亦然,除非另有明确描述或从本文可清楚得知。语法连词的目的是表示所连接短语、句子、词语等的任何和全部分离和连结的组合,除非另有说明或从上下文清楚得知。由此,术语“或”通常应该被理解为表示“和/或”等等。本文对数值范围的描述不是限制性的,表示落入该范围的任何和所有值的个别替代,除非在本文另有说明,且这种范围内的每一个单独值并入到本说明书中,如单独在本文描述了一样。词语“约”、“大约”等在与数值连用时应理解为表示本领域技术人员为满足特定目的的需要进行操作所带来的偏差。值和/或数值的范围在本文仅作为例子提供,且构成对所述实施例范围的限制。使用本文提供的任何和所有例子或示例性用语(“例如”、“如”等)目的仅仅是更好地给出实施例而不是对实施例的范围做出限制。说明书中的用语不应被理解为表示对于实施所述实施例来说必不可少的任何未要求的要素。在以下描述中,应理解,例如“第一”、“第二”、“顶”、“底”、“上”、“下”等的术语是为方便所使用的词语且不应被理解为是限制性术语。图1是用于使用复合材料的增材制造系统的方块图。增材制造系统可以包括三维打印机100(或简单地称为打印机100),其使用熔丝制造沉积金属。熔丝制造是本领域已知的,且可以通过适当的调试来适应本文所构思的金属复合材料的典型力、温度和其他环境需求而有利地用于增材制造。通常,打印机100可以包括构建材料(buildmaterial)102,其被驱动链104推动并被液化系统106加热到可加工状态,且随后通过一个或多个喷嘴110分配。通过同时控制机器人系统108以将喷嘴(一个或多个)沿挤出路径定位,可以在构建腔室116中的构建板114上制造物体112。通常,控制系统118管理打印机100的操作,以使用熔丝制造过程等根据三维模型制造物体112。下文重点描述了熔丝制造的使用。然而,应容易地理解,本文所述的复合材料可用于与熔丝制造非常不同的各种制造过程。例如,复合材料可以被加热到适用于气动挤出、铺展成形(spreadforming)、活塞挤出等的浆体或其他软化状态,且复合材料可以以各种成形因素作为散装材料(bulkmaterial)提供给挤出过程,包括颗粒、条、棒、粉末等。由此,例如液化系统、机器人系统和驱动系统这样的系统部件应该被宽泛地理解为包括适用于沉积复合材料以形成三维结构的任何系统或子系统,除非更特定的含义被明确提供或从上下文以其他方式清楚得知。构建材料102例如可以包括金属基体和第二相所形成的复合材料。金属基体可以包括在第一温度下熔化的任何金属或金属合金(或合金组合)。第二相可以是在比第一温度高的至少第二温度时基本上保持惰性的颗粒形式的高温惰性第二相,优选地第二温度基本上较高以便提供有利的加工温度范围,在该加工温度范围内金属基体可熔化而第二相保持惰性。通常,这种组合实现将相对较低温度的金属合金用作基体材料,其可容易地熔化,同时提供熔化温度以上的有利加工范围,在该加工范围内复合材料呈现适用于挤出或其他分配操作的性能。例如,复合材料可以在加工温度范围内形成在零剪切应变下具有非零剪切应力的非牛顿浆体或宾汉流体。尽管复合材料的粘性流体特性允许挤出或其他相似沉积技术,但是该非牛顿特性可允许沉积材料抵抗重力保持其形状,使得经打印的物体可保持期望形成,直到复合材料冷却到金属基体的固相线或共晶温度(eutectictemperature)以下。各种金属和金属合金可以用于金属基体。例如,金属基体可以包括纯金属,例如铝,其具有相对较低的熔点。金属基体也可以是或代替地包括合金。合金可以有利地包括相对较低的熔化温度的合金,用于更容易地处理,例如铝铜镁合金、铝硅(silumin)合金、锌铝和镍锆合金。其他有利的低温合金包括各种共晶合金,例如铁碳共晶体或镍共晶体(例如镍硼)。其他低温合金也可以使用或代替地使用,例如商业可获得的铸造合金和/或硬钎料。更通常地,具有低于约六百到七百摄氏度的熔化温度的任何金属、合金或合金组合可以有利地用作本文所构思的低温金属基体。通过对用于处理构建材料的三维打印硬件的适当修改和相应选择第二相材料(一种或多种),本文所述的方法、系统和复合材料当然也可以适于较高温度的金属和合金。由此,上述温度范围是示例性的而不是限制性的。金属基体也可以是或代替地包括金属或合金的组合。例如,非共晶合金和相关合金可以提供让金属基体处于多相状态的温度范围,例如在液相下为共晶体,而相关合金保持与共晶液体平衡的固体形式。这种多相状态可有利地将材料的粘性增加到高于纯液体的粘性,以形成针对三维打印可加工的材料,而没有完全固化。这种混合物可以有利地用于进一步控制本文所构思的复合材料的粘性。在另一方面,惰性的第二相可以用于基本上纯的共晶合金。这种组合提供了相对较低的熔化温度(其是共晶合金的特性)以及期望的流动特性(其可通过添加惰性的第二相而赋予)的双重优势。通常,在多种金属和/或合金存在的情况下,“熔点”将是混合物中所有金属和合金中的最高熔点(排除任何惰性第二相或其他颗粒),除非有不同目的被明确提出或从上下文清楚得知。然而,用于挤出的加工温度范围可以在该总计熔点(aggregatemeltingpoint)以下开始,例如在金属基体中共晶合金的较低熔点开始,此时总体材料处于包括液体和固体的两相区域。形成合金的各种块体(bulk)金属玻璃(在固体无定形状态下超冷的金属合金)也具有中间的类似塑性的加工范围。这些材料可以用于在各种温度范围为金属基体赋予更大的粘性。有利的块体金属玻璃的范围通过非限制性例子的方式描述于本申请人共有的2015年12月16日提交的美国临时申请No.62/268,458,其全部内容通过引用合并于此。通常,相对高温的惰性第二相可以按足够的体积以颗粒形式添加到金属基体,以产生具有可用于打印/挤出的粘性的复合材料,同时该复合材料处于金属基体熔点以上的加工温度范围。可以存在添加到复合材料的足够体积的高温度惰性第二相,以相对于未改性的金属基体将复合材料的粘性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设备,包括:构建材料,包括由第一温度下熔化的金属基体和在大于第一温度的至少第二温度下保持惰性的颗粒形式的高温惰性第二相形成的复合材料;加工空间中的构建板,该构建板包括刚性且基本上平面的表面;液化系统,配置为将复合材料加热至第一温度到第二温度的范围内的加工温度;喷嘴,在加工温度下分配构建材料;和机器人系统,配置为将喷嘴三维定位在加工空间中;和控制器,电联接到液化系统和机器人系统且能操作为控制机器人系统和液化系统,以用构建材料在加工空间中以三个维度制造物体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.02 US 15/059,2561.一种设备,包括:构建材料,包括由第一温度下熔化的金属基体和在大于第一温度的至少第二温度下保持惰性的颗粒形式的高温惰性第二相形成的复合材料;加工空间中的构建板,该构建板包括刚性且基本上平面的表面;液化系统,配置为将复合材料加热至第一温度到第二温度的范围内的加工温度;喷嘴,在加工温度下分配构建材料;和机器人系统,配置为将喷嘴三维定位在加工空间中;和控制器,电联接到液化系统和机器人系统且能操作为控制机器人系统和液化系统,以用构建材料在加工空间中以三个维度制造物体。2.如权利要求1所述的设备,其中金属基体包括纯金属。3.如权利要求1所述的设备,其中金属基体包括铝。4.如权利要求1所述的设备,其中金属基体包括合金。5.如权利要求1所述的设备,其中金属基体包括共晶合金。6.如权利要求1所述的设备,其中金属基体包括硬焊料金属。7.如权利要求1所述的设备,其中足够量的高温惰性第二相被添加到复合材料中,以将复合材料在加工温度下的粘性增加至少一个数量级。8.如权利要求1所述的设备,其中高温惰性第二相包括具有的尺寸不大于五微米的颗粒。9.如权利要求1所述的设备,其中高温惰性第二相包括具有的尺寸不大于三十微米的颗粒。10.如权利要求1所述的设备,其中高温惰性第二相占复合材料体积的约百分之三十。11.如权利要求1所述的设备,其中高温惰性第二相占复合材料体积的不到百分之四十。12.如权利要求1所述的设备,其中高温惰性第二相占复合材料体积的百分之三十到百分之五十。13.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员:R富洛普MA吉布森EM萨克斯JS梅尔伯格
申请(专利权)人:德仕托金属有限公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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