用于从无机材料制作透明3D部件的增材制造方法技术

用于从无机材料粉末制作透明三维部件的增材制造方法包括选择性地使用真空来移除或避免在部件中捕获的气泡。

A method of making material for making transparent 3D components from inorganic materials

The manufacturing method for making transparent and three-dimensional components from inorganic material powder includes selective use of vacuum to remove or avoid bubbles captured in components.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于从无机材料制作透明3D部件的增材制造方法相关申请的交叉引用本申请依据35U.S.C.§119要求于2015年2月26日提交的系列号为62/121006的美国临时申请的优先权的权益，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。
技术介绍
增材制造使用固体自由成形制造(SFF)技术，从物体的计算机辅助设计(CAD)模型建造或打印物理三维(3D)物体。增材制造是吸引人的，因为它可以不使用复杂工具并且使用最小的生产准备时间生产具有复杂几何结构的部件。增材制造用固体、液体和粉末材料进行加工。因此，理论上，如果部件材料可以固体、液体或粉末形式提供，则可通过增材制造生产该部件。3D玻璃和玻璃陶瓷部件如今通过工艺，如模制和压制来制造。这些工艺要求专门的工具，例如模具，这可能难以快速生产部件。部件的几何结构越复杂，则通过传统方法(例如模制和压制)生产部件花费的时间将更久并且更昂贵。对于小批量复杂的玻璃和玻璃陶瓷部件来说，增材制造可能是一个有吸引力的选择。光固化立体造型术(SLA)、选择性激光熔融或烧结(SLM/SLS)和三维打印(3DPTM)为可以用于建造3D玻璃和玻璃陶瓷部件的SFF技术的实例。然而，由于在脱粘步骤期间难以从部件中完全移除所有粘合剂(在SLA和3DPTM的情况中)和/或捕获在最终烧结的部件中的微气泡(在SLA、SLM/SLS和3DPTM的情况中)，因此，使用这些技术的增材制造工艺目前不能够提供完全透明的3D打印的玻璃和玻璃陶瓷。由于不能完全移除粘合剂和/或捕获的微气泡而导致的完全透明度的缺乏还可以在使用这些SFF技术由无机材料打印的其它3D部件中观察到。
技术实现思路
本文公开了能够制作透明3D部件的增材制造方法。在一种方法中，提供了具有无机材料粉末和可光固化树脂粘合剂的打印材料。该打印材料可以为糊料或者浆料或液体悬浮液的形式。使用真空处理移除在打印材料中捕获的气泡。然后使用打印材料建造3D部件。建造工艺包括依次形成打印材料的层和通过将层选择性地暴露于辐射来打印每一层中的部件的截面。各打印材料层的形成以避免在打印材料层中捕获新气泡的方式实施。然后使建成的部件进行脱粘和烧结。在另一种方法中，在真空下将无机材料粉末形成为层，并且向粉末层中递送粘合剂液滴。可以在真空下递送粘合剂液滴。在真空下依次形成多层无机材料粉末的层，并且向每一层递送粘合剂液滴，可在真空下进行递送，直到完全建造了部件。然后使建成的部件进行脱粘和烧结。通过确保在部件中没有气泡，例如，通过选择性地使用真空以移除或避免在部件中被捕获的气泡，以及通过采用脱粘和烧结循环以从部件中完全蒸发粘合剂，可通过两种方法实现完全透明的致密部件。所包含的附图供进一步理解本专利技术，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了本专利技术的各个实施方式，并与具体实施方式一起用来解释本专利技术的原理和操作。附图简要说明以下是对附图中各图的描述。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意图方式显示。图1为示出了根据一个实施方式的用于制造透明3D部件的增材制造方法流程图。图2为示出了根据一个实施方式的在真空脱气循环期间绝对压力演变的图。图3A-3C示出了根据一个实施方式，使用打印材料糊料和光固化立体造型术的建造3D部件的方法。图4A-4D示出了根据另一个实施方式，使用打印材料浆料或液体悬浮液及光固化立体造型术的建造3D部件的方法。图5A-5D示出了根据另一个实施方式，使用打印材料浆料或液体悬浮液及光固化立体造型术的建造3D部件的方法。图6为示出了根据另一个实施方式的用于制造透明3D部件的增材制造方法流程图。图7A-7C示出了根据另一个实施方式的建造3D部件的方法。具体实施方式在本公开中，术语“气泡”意为空气气泡或气体气泡。术语“微气泡”意为直径小于1mm但是大于1μm的气泡。术语“基本上无气泡”或者“基本上无捕获的气泡”意为至少无微气泡。图1示出了用于从无机材料制作透明3D部件的增材制造方法的一个实施方式。3D部件在可见光范围内或除可见光范围外的其它范围内可具有透明度。对于可见光范围，如果3D部件在390nm至700nm范围内通过分光光度仪测量具有至少80％的透光率，则其被认为是透明的。图1的方法包括(10)制备具有选定粒度分布的无机材料粉末。无机材料粉末的组成是一个设计变量并且可基于最终3D部件的所需特性进行选择。在一个实施方式中，无机材料粉末可以为玻璃粉末或玻璃陶瓷粉末。由玻璃和玻璃陶瓷材料制造的3D部件可具有如上所述的在可见光范围内的透明度。在一个实施方式中，玻璃粉末或玻璃陶瓷粉末可以具有用于形成可随后通过离子交换工艺被化学强化的部件的组合物。在另一个实施方式中，无机材料粉末可以为陶瓷粉末。由陶瓷材料制造的3D部件在可见光范围之外的其它范围内，例如在红外光范围内，可以具有透明度。可以使用制备具有选定粒度分布的无机材料，同时避免粉末污染的任何合适的方法。在一个实施方式中，制备可以包括将具有所需无机材料粉末组成的微粒原料研磨和/或碾磨成细颗粒。可以筛分经研磨和/或经碾磨的玻璃料，然后通过控制颗粒测定法达到用于粉末的所需粒度分布。粉末的粒度分布将通过最终的3D打印部件所要求的图案的最小尺寸和形状分辨率来限定。例如，最大粒度应该比将打印的最小特征尺寸小几倍。一般而言，粒度需在亚微米至微米范围内。通常，粒度分布的中值粒度(d50)需大于100μm。还可以使用雾化工艺形成处于小于10μm的均匀恒定尺寸下的无机材料粉末的球形颗粒。所述方法可以包括(14)干燥具有选定粒度分布的无机材料粉末。在一个实施方式中，所述粉末可以通过真空干燥进行干燥。这可以包括，例如，在远低于熔融和烧结温度下加热粉末并在加热期间通过真空系统移除任何产生的蒸气。所述方法包括(18)将无机材料粉末与可光固化的树脂粘合剂混合以形成打印材料。在一个实施方式中，所述打印材料为糊料的形式。在另一个实施方式中，所述打印材料可以为浆料或者液体悬浮液的形式。在一个实施方式中，所述方法包括(20)在真空下移除在打印材料内部捕获的气泡。从打印材料中移除气泡时的真空压力需是一个设计变量。一个实例可以为在1mbar(毫巴)至10mbar范围内的真空压力。在一个实施方式中，在真空下对打印材料的处理包括对打印材料进行真空脱气。(18)混合无机材料粉末与可光固化的树脂粘合剂以形成打印材料和(20)移除在打印材料内部捕获的气泡可以在能够进行真空和复压工序的混合系统中实施。(18)混合粉末与粘合剂以形成打印材料和(20)对打印材料进行真空处理以移除被捕获的气泡可以同时进行，或者在混合的最后阶段期间可以实施打印材料的真空处理。在一个实施方式中，将待混合在一起的材料装载到真空混合机中，所述真空混合机即用于混合——例如离心混合或使用螺杆、桨叶等的机械混合——的真空室。为了避免打印材料的污染，可以用非反应性材料，例如或硅氧烷涂布真空混合机的壁及在混合期间可能与打印材料接触的任何工具。可以使用离心混合来代替使用螺杆、桨叶等的机械混合以减少打印材料的潜在污染。在选定的时间，例如在处在真空混合机中混合材料的最后阶段期间，可以对打印材料应用真空脱气过程。图2示出了真空脱气循环的一个实例。图2中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制作透明三维部件的制造方法，包括：在真空下移除在打印材料中捕获的气泡，其中，所述打印材料包括无机材料粉末和可光固化的树脂粘合剂；使用经真空处理的打印材料形成多层不含被捕获的微气泡的打印材料的层，打印材料的层一次形成一层，每层当前的打印材料的层与之前的打印材料的层接触或与支撑件接触；和将每层当前的打印材料的层选择性地暴露于辐射以在当前层的选定区域中硬化可光固化的树脂粘合剂从而形成含有三维物体的结构，其中，选定区域在当前的打印材料的层中形成三维物体的截面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.26 US 62/121,0061.一种用于制作透明三维部件的制造方法，包括：在真空下移除在打印材料中捕获的气泡，其中，所述打印材料包括无机材料粉末和可光固化的树脂粘合剂；使用经真空处理的打印材料形成多层不含被捕获的微气泡的打印材料的层，打印材料的层一次形成一层，每层当前的打印材料的层与之前的打印材料的层接触或与支撑件接触；和将每层当前的打印材料的层选择性地暴露于辐射以在当前层的选定区域中硬化可光固化的树脂粘合剂从而形成含有三维物体的结构，其中，选定区域在当前的打印材料的层中形成三维物体的截面。2.如权利要求1所述的方法，其中，移除气泡包括对打印材料进行真空脱气。3.如权利要求1或2所述的方法，其中，多层的形成包括铺展一定量的经真空处理的打印材料以形成当前的打印材料的层以及使用刀消除在当前的打印材料的层中的气泡。4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，多层的形成包括在真空下形成至少一层打印材料的层。5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，多层的形成包括对打印材料的层进行选择性地真空脱气。6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其还包括对所述结构进行脱粘以移除可光固化的树脂粘合剂。7.如权利要求6所述的方法，其中，至少一部分的脱粘在真空下发生。8.如权利要求6或7所述的方法，其还包括对所述结构进行烧结以使结构致密化。9.如权利要求8所述的方法，其中，至少一部分的烧结在真空环境、氦气气氛、氯气气氛、氦气与氯气气氛的结合中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：JP·H·R·勒尔布莱，M·普拉萨斯，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US