金属粒子的融合的制作方法

在三维(3d)打印中，增材打印工艺通常用于从数字模型制作三维实体部件。3d打印通常用于快速产品原型制作、模具生成、母模生成和短期制造。一些3d打印技术被认为是增材工艺，因为它们涉及将连续的材料层施加到现有表面(模板或前一层)。这与传统的加工工艺不同，后者通常依赖于材料的去除来制造最终部件。3d打印通常需要对构建材料进行固化或融合，对于某些材料可以使用热辅助挤压、熔化或烧结来完成，对于其他材料可以通过对聚合物类构建材料固化来进行。

附图说明

本公开的特征以示例的方式说明，并且不限于下图，其中相同的附图标记表示相同的要素，其中：

图1显示了示例设备的框图；

图2显示了多个金属粒子在不同阶段的简化图，在这些阶段，多个能级的能量通过图1所示的示例设备施加在金属粒子上；

图3显示了另一个示例设备的框图；

图4显示了熔化和融合金属粒子的示例方法的流程图；并且

图5a-5c分别显示了针对金属粒子获取的图像，通过实施本文公开的示例特征，在金属粒子上施加了特定低能级和特定高能级的不同级别的能量。

具体实施方式

金属粒子的光子融合是基于用短光脉冲均匀照射大面积金属粒子的理念，短光脉冲足够有效地使金属粒子顶层的选定区域液化。也就是说，光脉冲的持续时间足够短，以防止大量能量转移到底层金属粒子或周围环境区域，从而使大部分能量用于加热和液化金属粒子的顶层。脉冲终止后，液化的金属粒子可以凝固，形成高质量的金属层。在该过程之后，可以铺展另一层金属粒子并重复施加短光脉冲。

由于液化的金属的表面能相对高，因此这一过程可能导致某些金属粒子在液化时瞬间“成球”，并随后以“成球的”形式凝固。也就是说，在液化时，较小的金属粒子由于其相对高的表面能而可能会结合成较大的颗粒或球体。因此，由液化的金属粒子形成的金属膜可能具有不连续的表面，并且金属膜表面上可能形成金属粒子球。举例来说，铝的熔化温度(tm)下alsi12(al)的表面张力为1180mn/m，在铜的tm下铜的表面张力为1420mn/m，在ni的tm下哈氏合金(hastelloy)(ni)的表面张力为1890mn/m，并且在不锈钢的tm下不锈钢(ss316)的表面张力为1930mn/m。相比之下，尼龙12和其他聚合物在其各自的熔化温度下的表面张力在5mn/m与20mn/m之间的范围内，并因此在液化时可能不会形成球体或球。

本文公开了可用于实施制造工艺的设备和方法，与其他制造工艺相比，该制造工艺可以使融合的金属性能改进。特别地，本文所公开的设备和方法实现了多步骤制造工艺，该工艺包括将多个能级的能量施加到金属粒子上。例如，可将特定低能级的能量施加于金属粒子，其中特定低能级烧结金属粒子并使相邻的几个金属粒子之间形成物理连接。换句话说，特定低能级可以是足以使金属粒子在不熔化的情况下烧结的能级。其间具有物理连接的金属粒子组件的表面能可以相对低于烧结前金属粒子的表面能。例如，每单位面积的组件的表面能可低于烧结前金属粒子每单位面积的表面能。

当施加特定低能级的能量后，可将特定高能级的能量施加到金属粒子层上。特定高能级可以是足以使烧结的金属粒子熔化并随后融合在一起的能级。在一方面，由于金属粒子的表面能在金属粒子熔化之前已经降低，因此在处于液化状态时和凝固之前，金属粒子不太可能经历“成球”(例如，形成更大的球体)。因此，通过实施本文所公开的多步骤制造工艺，可以通过实施光子融合将金属粒子融合在一起成为连续或几乎连续的金属膜。多步骤制造工艺可包括以附加能级和/或以相同能级多次施加能量。施加能量的次数、持续时间和能级可能因不同类型的金属、金属粒子的粒径和/或分布而不同。因此，在各种示例中，可将多步骤制备工艺调整至不同金属粒子的特性。

在继续之前，应注意，如本文所用，术语“包括(includes)”和“包括(including)”是指但不限于“包括(includes)”或“包括(including)”和“至少包括(includesatleast)”或“至少包括(includingatleast)”。术语“基于”是指“基于”和“至少部分基于”。

参考图1，显示了示例设备100的框图。设备100可以是计算设备，例如个人电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。在这些示例中，设备100可与3d制造装置分离，并且可通过直接或网络连接将指令传达给3d制造装置。在其他示例中，设备100可以是3d制造装置的部件。在这些示例中，设备100可以是3d制造装置的控制系统的部件，并且可以例如通过总线向3d制造装置的制造组件传达指令。举例来说，处理器102可将指令传达至或以其他方式控制制造组件(该组件可以是3d制造装置的组件)，以由金属粒子层制造3d物体。

处理器102可以是半导体类微处理器、中央处理器(cpu)、专用集成电路(asic)和/或其他硬件装置。设备100还可以包括存储器110，该存储器110可以在其上存储处理器102可以执行的机器可读指令112和114(也可以称为计算机可读指令)上。存储器110可以是包含或存储可执行指令的任何电子、磁性、光学或其他物理存储装置。因此，存储器110可以是，例如，随机存取存储器(ram)、电可擦可编程只读存储器(eeprom)、存储装置、光盘等。存储器110，也可以称为计算机可读存储介质，可以是非暂时性机器可读存储介质，其中术语“非暂时性”不包括暂时性传播信号。

处理器102可以获取、解码和执行指令112，以控制至少一个能量源将特定低能级的能量施加到金属粒子层上。根据一个示例，金属粒子(在本文中也称为金属微粒)可以是可用于在增材制造工艺中形成三维(3d)部件的颗粒。因此，金属粒子可由可用于增材制造工艺的任何适当的金属材料形成，例如银、铜、铝、镍、不锈钢、钛及其组合等。

金属粒子也可以具有微米级的尺寸。例如，金属粒子的尺寸(例如宽度、直径等)通常在约5μm与约100μm之间。在其他示例中，金属粒子的尺寸通常在约30μm与约60μm之间。例如，金属粒子通常具有球形，这是金属粒子的表面能和/或用于制造金属粒子的工艺造成的。术语“通常”可定义为包括大多数金属粒子具有指定尺寸和球形。在其他示例中，术语“通常”可定义为大百分比，例如，大约80％或更多的金属粒子具有指定的尺寸和球形。

参考图2，显示了多个金属粒子202在不同阶段的简化图200，在这些阶段，多个能级的能量通过图1所示的示例设备施加在金属粒子202上。金属粒子202最初被描述为具有如上文所讨论的一般球形。施加特定低能级的能量由箭头204表示。如图所示，特定低能级的能量的施加可导致金属粒子202变成烧结的。此外，金属粒子202的烧结可使相邻的几个金属粒子202之间形成物理连接或桥。图2的放大部分显示了一对金属粒子206、208，其中由于接收了特定低能级的能量而形成物理连接210。一般来说，通过烧结金属粒子202并在金属粒子202之间形成物理连接210，金属粒子202的表面能可大幅度降低。

根据一个示例，特定低能级可以是如下能级，在该能级下，诸如光、热、辐射、其组合等的能量可以施加到金属粒子202上，以使金属粒子202开始烧结或烧结到在一些或全部的金属粒子202之间形成物理连接210的点。由于不同类型的金属和不同尺寸的金属粒子可能需要不同的能级才能达到该烧结级别，因此对于不同类型的金属、金属粒子的不同粒径和/或不同分布，特定低能级可能不同。举例来说，可通过测试、通过建模等来确定对于不同类型的金属、金属粒子的不同粒径和/或不同分布的特定低能级。此外，所确定的特定低能级可以存储在数据库中，并且处理器102可以将特定低能级从存储在数据库中的所确定的特定低能级调整至施加到金属粒子202上。也就是说，处理器102可以根据与金属粒子202有关的输入信息(例如金属类型和/或粒径)，识别在执行指令112时使用的特定低能级。

图2中还显示了在形成的不同阶段针对金属粒子202获取的多个放大图像，该图像描绘了金属粒子202可能在施加本文讨论的多个能级的能量后如何变化。特别地，图2描述了最大粒径为45μm的不锈钢金属粒子的实验结果。箭头204所示的特定低能级为24.168j/cm²，并且箭头212所示的特定高能级为46.163j/cm²。金属粒子202的层厚度为200μm。

参考图1和2，处理器102还可以获取、解码和执行指令114，以控制至少一个能量源将特定高能级的能量施加到金属粒子202层上。根据一个实例，特定高能级可以是如下能级，在该能级下，诸如光、热、辐射、其组合等的能量可以施加到金属粒子202上以使烧结的金属粒子202熔化。在这方面，特定高能级可高于特定低能级。施加特定高能级的能量由图2中的箭头212表示。

如图所示，特定高能级的能量的施加可导致烧结的金属粒子202熔化成连续或几乎连续的金属膜214。当金属膜214的孔隙率低于5％时，可以认为金属膜214几乎是连续的。一般来说，如本文所公开的施加特定高能级的能量之前，通过施加特定低能级的能量，可以比仅通过施加特定高能级的能量形成更连续的金属膜。这可能是因为烧结的或部分烧结的金属粒子202的较低表面能可降低金属粒子形成更大球体的倾向，而形成更连续的层或膜。因此，熔化的金属粒子214层的表面可比仅通过施加特定高能级熔化的金属粒子更光滑。此外，在熔化的金属粒子214层的表面上形成较大的金属粒子球体也可能减少或消除。

由于不同类型的金属和不同尺寸的金属粒子可能需要不同的能级进行熔化，因此，对于不同类型的金属、金属粒子的不同粒径和/或不同分布，特定高能级可能不同。举例来说，对于不同类型的金属、金属粒子的不同粒径和/或不同分布的特定高能级可通过测试、通过建模等确定。此外，所确定的特定高能级可存储在数据库中，并且处理器102可从存储在数据库中的所确定的特定高能级识别要施加到金属粒子202上的特定高能级。也就是说，处理器102可以根据与金属粒子202有关的输入信息(例如金属类型、金属粒子的粒径和/或分布)，识别在执行指令114期间要使用的特定高能级。

现在转到图3，显示了另一个示例设备300的框图，该设备也可以是计算设备或3d制造装置。设备300可包括处理器302、数据库304和存储器310。处理器302可以控制设备300的操作，并且可以类似于上文关于图1讨论的处理器102。存储器310可以在其上存储处理器302可以执行的机器可读指令312-320(也可以称为计算机可读指令)。存储器310可与上述关于图1讨论的存储器110类似。数据库304也可以是以易失性或非易失性方式可存储数据的数据存储设备。还根据图2中的图200所示的特征对设备300进行了描述。

处理器302可以获取、解码和执行指令312以控制重涂器330将多个金属粒子202铺展在表面342上以形成金属粒子340的层。表面342可为构建平台或先前形成的金属粒子202的层340。在表面342是构建平台的情况下，可以加热表面342。如上所述，金属粒子202也可称为金属微粒，并且可具有微米级尺寸。重涂器330可具有圆柱形结构，并可在金属粒子202上旋转和平移以将金属粒子202定位到层340中。举例来说，重涂器330可由金属材料形成且可具有抛光的或纹理的表面。可使用重涂器330来形成层340，以在整个表面342上具有基本上均匀的厚度。在其他示例中，重涂器330可为刮刀或其他适当设备，以用于将金属粒子202铺展到层中。在一个示例中，层340的厚度可在约90μm至约110μm的范围内，但也可使用更薄或更厚的层。例如，层340的厚度可在约20μm至约200μm或约50μm至约200μm的范围内。作为另一示例，层340的厚度可在约20μm至约60μm的范围内。

处理器302可以获取、解码和执行指令314，以控制流体输送装置332将试剂350输送到金属粒子202的层340的选定区域上。试剂350可增强其上输送有试剂350的金属粒子202的能量吸收或可降低其上输送有试剂350的金属粒子202的能量吸收。在试剂350可增强金属粒子202的能量吸收的情况下，处理器302可控制流体输送装置332将试剂350输送到将融合在一起的金属粒子202的层的区域上。相反，在试剂350可降低金属粒子202的能量吸收的情况下，处理器302可控制流体输送装置332将试剂350输送到不需要融合在一起的金属粒子202的层340的区域上。在任何方面，处理器302可控制流体输送装置332将试剂350输送到金属粒子202的层340的选定区域上，以将金属粒子202的子组融合成预定形状。

流体输送装置332可在一个或两个方向上跨过层340进行扫描，以使试剂350的液滴能够输送到金属粒子202的层340的选定区域。此外或在其他示例中，流体输送装置332可保持静止，并且金属粒子202的层340可相对于流体输送装置332移动。在其他示例中，流体输送装置332和金属粒子202的层340可以相对彼此移动。根据一个示例，流体输送装置332可以是热喷墨打印头、压电打印头等。此外，可使用多种流体输送装置输送相同或多种类型的试剂。

处理器302可以获取、解码和执行指令316，以控制至少一个能量源334，在将试剂350的液滴施加到金属粒子202的层340上之后，将特定低能级的能量360施加到金属粒子202的层上。指令316的执行可以等同于上述关于图1和2的指令112的执行，因此，指令316的详细说明在本文中不再重复。

处理器302可以获取、解码和执行指令318，以控制至少一个能量源334，将特定附加能级的能量360施加到金属粒子202的层340上。施加特定附加能级的能量360可发生在施加特定低能级的能量之后，并可进一步熔化烧结的金属粒子206、208，从而可进一步降低金属粒子206、208的表面能。因此，特定附加能级的能量的施加可进一步增强在熔化金属粒子202期间由金属粒子202形成连续或几乎连续的金属膜。

由于不同类型的金属和不同尺寸的金属粒子可能需要不同的能级来增强由金属粒子202形成连续或几乎连续的金属层，因此对于不同类型的金属、金属粒子的不同粒径和/或分布，特定的附加的能级可能不同。举例来说，对于不同类型的金属、金属粒子的不同粒径和/或不同分布的特定附加能级可通过测试、通过建模等确定。此外，所确定的特定高能级可存储在数据库304中，并且处理器302可从存储在数据库304中的所确定的特定附加能级中识别要被施加到金属粒子202上的特定附加能级。也就是说，处理器102可以根据与金属粒子202有关的输入信息(例如金属类型和/或粒径)，识别在执行指令318期间要使用的特定附加能级。处理器302可另外执行指令318，以施加多个特定附加能级的能量，例如，在施加多个特定附加能级的能量导致由金属粒子202形成更连续或几乎连续的金属层的情况下。

处理器302可以获取、解码和执行指令320，以控制至少一个能量源334将特定高能级的能量360施加到金属粒子202的层上。指令320的执行可能等同于上述关于图1和2讨论的指令114的执行，因此指令320的详细说明在本文中不再重复。

根据示例，至少一个能量源334可以是例如闪光灯的至少一个能量源，其能够在一次闪光期间对层340的相对大的面积进行闪烁加热。例如，至少一个能量源334可以是xe闪光灯，其将短光脉冲施加到金属粒子202的层340上。因此，例如，与诸如固体激光熔化或电子束熔化的其他金属印刷技术相比，使用本文所公开的至少一个能量源334可使大面积金属粒子202能够同时熔化和凝固。在一些示例中，至少一个能量源334可相对于金属粒子202的层340固定。在其他示例中，至少一个能量源334可相对于金属粒子202的层340移动。

在任何方面，处理器302可以控制至少一个能量源334，以不同的能级施加瞬间能量360。例如，处理器302可以控制至少一个能量源334在特定低能级下闪烁一次，时间为约15ms。同样，处理器302可以控制至少一个能量源334在特定附加能级下闪烁一次，时间为约15ms。同样，处理器302可以控制至少一个能量源334在特定高能级下闪烁一次，时间为约15ms。在其他示例中，处理器302可以改变至少一个能量源334在不同能级下闪烁的次数和/或持续时间。例如，持续时间可能因金属的类型、金属粒子202的粒径和/或分布而不同。

根据示例，至少一个能量源334可以是可以在多个能级(例如，特定低能级、特定附加能级、特定高能级等)下工作的单个能量源。在其他示例中，至少一个能量源334可以是多个能量源。在这些示例中，处理器302可以控制第一能量源施加特定低能级的能量，可以控制第二能量源施加特定附加能级的能量，可以控制第三能量源施加特定高能级的能量，等等。在任意的这些示例中，至少一个能量源334可能是光子融合源，例如氙气(xe)闪光灯，但其他类型的闪光灯也可以实现。

在设备300为3d打印机的示例中，设备300可包括重涂器330、流体输送装置332和至少一个能量源334。在设备300不是3d打印机的示例中，重涂器330、流体输送装置332和至少一个能量源334可包括在设备300可与之通信的3d打印机中。

关于图4所示的方法400，更详细地讨论了可实施设备300(或设备100)的各种方式。特别地，图4描述了用于熔化和融合金属粒子的示例方法400。对于本领域的普通技术人员来说应该显而易见的是，方法400可表示一般的说明，并且在不偏离方法400的范围的情况下，可以添加其他操作，或者可以移除、修改或重新排列现有操作。

出于说明的目的，参考图1和3中所示的设备100、300以及图2中所示的图200，对方法400进行了描述。应理解，在不偏离方法400的范围的情况下，可实施具有其他配置的设备(例如计算机、3d打印机等)以执行方法400。

在框402处，处理器102、302可执行指令112、316，以将特定低能级的能量360施加到金属粒子202的层340上。如上所述，特定低能级的施加可导致金属粒子202烧结并在相邻的几个金属粒子202之间形成物理连接。

在框404处，处理器102、302可执行指令114、318/320，以将下一能级的能量360施加到金属粒子202的层340上。下一能级可以是本文详细讨论的特定附加能级或特定高能级。

在框406处，处理器102、302可以确定是否以另一个级别施加能量。处理器102、302可基于金属的类型、金属粒子202的粒径和/或分布以及次数和能级(其例如导致具有至少预先确定的连续性级别(例如，孔隙率)的层或膜)作出该确定。例如，处理器102、302可以确定在施加特定的高能量脉冲之前将施加单个低能级脉冲。在这种情况下，处理器102、302可能已经使得在框404处施加特定的高级别能级的能量，并且处理器102、302可在框406处确定不施加另一个能级的能量。此外，方法400可如框408所示结束。

在另一示例中，处理器102、302可确定在施加特定高能级之前，将施加低于导致金属粒子202熔化的能级的多个能级的能级脉冲。例如，可指示处理器102、302施加多个能级的能量，以使金属粒子202形成连续或几乎连续的膜。在该示例中，处理器102、302可在框406处确定将施加另一能级的能量，并且处理器102、302可使得在框404处施加下一能级的能量。下一能级可以是特定附加能级或特定高能级。此外，框404-406可以重复，直到处理器102、302已经使得特定高能级的能量施加到金属粒子202。

尽管图4中未示出，处理器102、302也可以在进行框402-408之前控制重涂器330形成金属粒子202的层并且控制流体输送装置332将试剂350输送到金属粒子202的层的选定区域。此外，处理器102、302可以在进行框402-408之后控制重涂器330形成金属粒子202的另一层并且控制流体输送装置332将试剂350输送到金属粒子202的另一层的选定区域。

方法400中列出的部分或全部操作可以作为实用程序、程序或子程序包含在任何所需的计算机可访问介质中。此外，方法400可由计算机程序实现，所述计算机程序可以以各种活动和非活动的形式存在。例如，它们可以作为机器可读指令(包括源代码、目标代码、可执行代码或其他格式)存在。上述任何一种都可以在非暂时性计算机可读存储介质上实现。非暂时性计算机可读存储介质的例子包括计算机系统ram、rom、eprom、eeprom以及磁盘或光盘或磁带。因此，应当理解，能够执行上述功能的任何电子设备都可以执行以上列举的这些功能。

现在参考图5a-5c，分别显示了针对金属粒子202获取的放大图像500-520，通过实施本文公开的示例特征，在金属粒子上施加了特定低能级和特定高能级的不同级别的能量。如在图像500-520中可以看到，不同能级的施加可能导致熔化的和融合的金属粒子202中不同程度的平滑度。因此，在一方面，并且如本文所讨论的，可以针对不同类型的金属、金属粒子的粒径和/或分布调整特定低能级、特定高能级和特定附加能级。

在图像500-520中，金属粒子是尺寸最大为45μm的不锈钢金属粒子。在图5a所示的图像500中，施加输送32.717j/cm²的单次低能量闪光，随后数秒钟后施加输送46.163j/cm²能量的单次15ms高能量闪光。在图5b中所示的图像510中，施加21.618j/cm²的低能级的第一次闪光和28.521j/cm²的另一能级的第二次闪光，随后数秒钟后施加输送46.163j/cm²的能量的单次15ms的高能量闪光。在图像520中，施加21.618j/cm²的两次低能级闪光和27.815j/cm²的两次另一能级闪光，随后数秒钟后施加输送46.163j/cm²能量的单次15ms的高能量闪光。在比较图像500-520时，可以明显看出，用于形成图5c中所示金属膜的工艺得到了具有最高程度的连续性的金属膜，因此，该工艺可能是具有特定特征组的金属粒子的熔化和融合的优选工艺。

尽管在整个本公开中都有具体描述，但本公开的代表性示例在广泛应用中都具有实用性，并且上述讨论并非旨在限制且不应被解释为限制性的，而是作为对本公开的各方面的说明性讨论而提供的。

本文所描述和说明的是本公开的示例及其一些变化形式。本文中使用的术语、描述和数字仅以说明的方式阐述，而并非意在限制。在本公开的精神和范围内，可能存在许多变化，这些变化旨在通过以下权利要求书及其等同形式来限定，在权利要求书中，除非另有说明，否则所有术语的都表示在其最广泛的合理意义上的含义。