粉末床材料制造技术

一种粉末床材料可包含80重量％至100重量％具有4μm至150μm的D50粒度分布值的金属粒子。10重量％至100重量％的金属粒子可以是具有完好的内体积和含结构缺陷的外体积的表面活化金属粒子。所述结构缺陷可表现出50,000至5,000,000/mm

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】粉末床材料背景三维打印，有时被称为3D打印，可用于快速原型设计和/或增材制造(AM)，并可涉及计算机控制的方法，借此打印机将材料转变成三维物理对象。3D打印方法在最近几十年持续发展并包括，但不限于选择性激光烧结、选择性激光熔化、电子束熔化、立体光刻法(stereolithography)、熔融沉积成型及其它。对用于3D打印的新技术和材料的需求持续增长，因为适用的应用领域同样不断扩大和演化。附图简述图1示意性描绘了根据本公开在将结构缺陷引入金属粒子的外体积，例如表面活化之前和之后的金属粒子以及可在低于金属粒子的熔融温度下在两个相邻金属粒子之间形成的连接桥的示例性横截面视图；图2示意性描绘了根据本公开当暴露于脉冲光能、随后快速冷却时闪速加热(flashheating)对小金属粒子的示例性效应；图3示意性描绘了根据本公开的一种三维打印系统的示例性等距视图；图4示意性描绘了根据本公开的另一种三维打印系统的示例性横截面视图；图5是根据本公开的一种示例性三维打印方法的流程图；图6提供了一系列示例性扫描电子显微镜(SEM)图像，其比较了表面活化的金属粒子和未处理的金属粒子在根据本公开施加低于金属粒子材料的熔融温度的热时在相邻金属粒子之间形成连接桥的效果；图7是比较在相同温度(低于金属粒子材料的熔融温度)下加热相同持续时间时与保持未处理的金属粒子相比，用表面处理的金属粒子形成的连接桥的数量的示例性曲线图；和图8是已根据本公开暴露于使用脉冲光能的闪速加热的金属粒子的示例性SEM图像。详述根据本公开，金属制品的三维打印可涉及加热金属粉末以烧结或熔融金属粒子以形成熔结制品。更详细地，三维打印可如下进行：使用粉末床材料的金属粒子并以逐层方式将粘合剂流体选择性打印或喷射到粉末床材料的部分上，例如铺展粉末床材料，随后施加粘合剂流体并重复，以形成绿坯部件(greenpart)。然后可将绿坯部件或物体烧结或退火以形成最终金属部件，例如将绿坯物体移动到炉中(或留在原地)以热熔结。特别在粘合剂流体带有粘合剂聚合物，如胶乳粒子或一些其它类型的聚合物或可聚合材料的实例中，可在烧结或退火过程中在相对较低温度下烧除，例如烧尽该聚合物。因此如果在使得粘合剂烧除或以其它方式失效或分解的这种相对较低温度附近没有开始金属粒子的烧结，在聚合物失效和金属粒子开始烧结在一起的时刻之间可能存在温度间隙(和因此时间间隙)。这可导致部件的坍塌或部分坍塌，特别是在具有特别高的烧结温度的金属粒子，例如Fe、Ni、Cu、Ti合金等(其在例如高于1000℃的温度下烧结)的情况下。此外，即使使用不含聚合物或仅包含少量聚合物的金属纳米粒子、金属盐或金属氧化物纳米粒子粘合剂而非聚合物粘合剂时，在一定温度范围内也可由于粉末粒子之间的粘合接触密度不足或与粘合材料的存在相关的过量热应力而使得粘合强度不足以保持打印物体的所需形状。在本公开中，可用的粉末床材料可包含通过在其外体积中引入结构缺陷而表面活化的金属粒子。这种“活化”可具有允许在低于金属粒子材料的熔融温度的温度下烧结和/或在相邻或接触的金属粒子之间形成连接桥的效应。例如但非限制性地，在大约1000℃的温度下30分钟可将不锈钢烧结并且相邻金属粒子熔结在一起以形成连接桥，尽管不锈钢的熔融温度为大约1550℃。因此，金属粒子的表面活化通常可生成比尚未表面处理的相同金属粒子低的在金属粒子表面处的热熔结温度(或熔融温度)。这可减小或消除在聚合物粘合剂失效和金属粒子开始烧结在一起之间的温度间隙。同样地，如果使用热敏金属纳米粒子、金属盐或金属氧化物粘合剂/还原剂体系而非聚合物粘合剂作为粘合剂流体，表面活化在一些情况下也可改进粘合强度，因为由于在各自表面存在的更容易的原子扩散路径，更有可能发生金属粒子之间的粘合。据此，本公开涉及一种粉末床材料，其包含80重量％至100重量％具有4μm至150μm的D50粒度分布值的金属粒子。10重量％至100重量％的金属粒子可以是具有完好的内体积和含结构缺陷的外体积的表面活化金属粒子。该结构缺陷可表现出50,000至5,000,000/mm2的平均表面晶粒密度。更详细地，该金属粒子可以是铝、钛、铜、钴、铬、镍、钒、钨、碳化钨、钽、钼、镁、金、银、铁、不锈钢、钢或其混合物的元素金属或合金。可通过球磨，在本文中也称为“珠磨”或简称为“研磨”引入结构缺陷。例如，可通过用比悬浮在脂族油中的金属粒子硬的50μm至500μm研磨珠在400RPM至1000RPM的研磨速度下研磨10分钟至24小时来引入结构缺陷。例如，通过研磨引入的结构缺陷可表现出80,000/mm2至2,000,000/mm2的平均表面晶粒密度。用于引入表面缺陷的另一方法是通过用高强度光子源，如氙闪光灯或脉冲激光器闪速加热。在一个实例中，可替代性地通过用来自氙气灯的1至10次光能脉冲在15J/cm2至50J/cm2下闪速加热金属粒子来引入结构缺陷。例如，通过闪速加热引入的结构缺陷可表现出60,000/mm2至120,000/mm2的平均表面晶粒密度，还有在这一更具体范围外的结构缺陷的其它水平。在另一实例中，材料组可包含粉末床材料，其包含80重量％至100重量％具有4μm至150μm的D50粒度分布值的金属粒子。10重量％至100重量％的金属粒子可以是具有完好的内体积和含结构缺陷的外体积的表面活化金属粒子。该结构缺陷可表现出50,000至5,000,000/mm2的平均表面晶粒密度。该材料组还可包含粘合剂流体以相对于未与该流体接触的粉末床材料的第二部分向粉末床材料的第一部分提供粒子粘结。在一个实例中，粘合剂流体可包含聚合物粘合剂或可聚合粘合剂。在另一实例中，粘合剂流体可在室温下稳定，并可包含水、分散金属氧化物纳米粒子和还原剂以在对粘合剂流体施加热时还原分散金属氧化物纳米粒子。在另一实例中，粘合剂流体可包含金属纳米粒子或金属盐。该金属粒子可以是铝、钛、铜、钴、铬、镍、钒、钨、碳化钨、钽、钼、镁、金、银、铁、不锈钢、钢或其混合物的元素金属或合金。可通过在悬浮在脂族油中的同时用比金属粒子硬的50μm至500μm研磨珠在400RPM至1000RPM的研磨速度下球磨10分钟至24小时来引入结构缺陷。在另一实例中，可通过用1至10次光能脉冲在15J/cm2至50J/cm2下闪速加热金属粒子来引入结构缺陷。在一个实例中，平均表面晶粒密度可为80,000/mm2至2,000,000/mm2。在另一实例中，三维打印方法可包括铺展粉末床材料以形成具有20μm至400μm的厚度的粉末层，其中粉末床材料包含80重量％至100重量％具有4μm至150μm的D50粒度分布值的金属粒子。10重量％至100重量％的金属粒子可以是具有完好的内体积和含结构缺陷的外体积的表面活化金属粒子。该结构缺陷可表现出50,000至5,000,000/mm2的平均表面晶粒密度。该方法还可包括选择性粘合粉末床材料的第一部分以在粉末内形成绿坯层，并可进一步包括通过依序重复粉末床材料的铺展和选择性粘合而堆积附加的绿坯层直至形成绿坯三维物体。在一个实例中，该方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.粉末床材料，其包含80重量％至100重量％具有4μm至150μm的D50粒度分布值的金属粒子，其中10重量％至100重量％的金属粒子是具有完好的内体积和含结构缺陷的外体积的表面活化金属粒子，并且其中所述结构缺陷表现出50,000至5,000,000/mm

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.粉末床材料，其包含80重量％至100重量％具有4μm至150μm的D50粒度分布值的金属粒子，其中10重量％至100重量％的金属粒子是具有完好的内体积和含结构缺陷的外体积的表面活化金属粒子，并且其中所述结构缺陷表现出50,000至5,000,000/mm2的平均表面晶粒密度。


2.根据权利要求1所述的粉末床材料，其中所述金属粒子是铝、钛、铜、钴、铬、镍、钒、钨、碳化钨、钽、钼、镁、金、银、铁、不锈钢、钢或其混合物的元素金属或合金。


3.根据权利要求1所述的粉末床材料，其中通过用比悬浮在脂族油中的所述金属粒子硬的50μm至500μm研磨珠在400RPM至1000RPM的研磨速度下球磨10分钟至24小时来引入所述结构缺陷。


4.根据权利要求1所述的粉末床材料，其中通过用1至10次光能脉冲在15J/cm2至50J/cm2下闪速加热所述金属粒子来引入所述结构缺陷。


5.根据权利要求1所述的粉末床材料，其中通过闪速加热引入所述结构缺陷并且所述结构缺陷表现出60,000/mm2至120,000/mm2的平均表面晶粒密度。


6.根据权利要求1所述的粉末床材料，其中通过球磨引入所述结构缺陷并且所述结构缺陷表现出80,000/mm2至2,000,000/mm2的平均表面晶粒密度。


7.材料组，其包含：
粉末床材料，所述粉末床材料包含80重量％至100重量％具有4μm至150μm的D50粒度分布值的金属粒子，其中10重量％至100重量％的金属粒子是具有完好的内体积和含结构缺陷的外体积的表面活化金属粒子，并且其中所述结构缺陷表现出50,000至5,000,000/mm2的平均表面晶粒密度；和
粘合剂流体以相对于未与所述流体接触的所述粉末床材料的第二部分粘结所述粉末床材料的第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·S·D·简加姆，T·安东尼，K·瑙卡，K·J·埃里克森，
申请(专利权)人：惠普发展公司，有限责任合伙企业，
类型：发明
国别省市：美国;US