用于改进的增材制造部件的涂覆粉末颗粒的制作方法

1.本公开涉及增材制造设备和方法，并且具体地涉及基于粉末的增材制造。本文公开的增材制造工艺可用于生产包括环境控制管道、门板、工具、夹具、固定装置等的部件。本公开的示例可用于各种潜在应用，尤其是在运输行业中，包括例如航空航天、航海、汽车，以及例如用于辅助动力单元(apu)的壳体。


背景技术：

2.根据部件的性能要求和制造设备的可用性，可以使用各种制造技术来制造部件和其它组件。选择性激光烧结(sls)和选择性激光熔化(slm)是可用于构建部件的基于粉末的增材制造技术，其中粉末层被维持在升高的温度下并且使用激光选择性地烧结或熔化。一旦形成了第一构建层，就使用类似的工艺在第一构建层的顶部上形成连续的构建层，直到完成期望的三维物体。在这些工艺中使用的粉末通常由热塑性塑料、聚碳酸酯或其它类似构造的材料形成。基于粉末的增材制造，例如sls和slm，可在构建层内的粉末颗粒之间和在工艺期间形成的相邻构建层之间引入空隙，从而导致物体结构完整性降低。


技术实现要素：

3.根据本公开的一个方面，提供了一种用于增材制造工艺的涂覆粉末颗粒。该涂覆粉末颗粒包括：由具有第一介电损耗因子的基础聚合物材料形成的基础聚合物层；以及包围该基础聚合物层并且由具有第二介电损耗因子的涂覆聚合物材料形成的涂覆聚合物层，其中，该涂覆聚合物材料的第二介电损耗因子大于该基础聚合物材料的第一介电损耗因子。
4.根据本公开的另一方面，一种制造用于增材制造工艺的涂覆粉末颗粒的方法包括：使多个粉末颗粒前进穿过腔室，所述多个粉末颗粒中的每一个由基础聚合物材料形成；将液体涂料施加到所述多个粉末颗粒中的每一个的外部，所述液体涂料由涂覆聚合物材料形成；以及干燥所述多个粉末颗粒上的所述液体涂料以形成多个涂覆粉末颗粒。多个涂覆粉末颗粒中的每一个包括由粉末颗粒形成的基础聚合物层和由干燥后的液体涂料形成的涂覆聚合物层。
5.根据本公开的另一方面，通过融合粉末制造来制造物体的方法包括：通过以下步骤形成涂覆粉末颗粒：使多个粉末颗粒前进穿过腔室，所述多个粉末颗粒中的每一个由基础聚合物材料形成；将液体涂料施加到所述多个粉末颗粒中的每一个的外部，所述液体涂料由涂覆聚合物材料形成；以及干燥所述多个粉末颗粒上的液体涂料以形成多个涂覆粉末颗粒，使得所述多个涂覆粉末颗粒中的每一个包括由所述粉末颗粒形成的基础聚合物层和在由干燥后的所述液体涂料形成的涂覆聚合物层。该方法还包括：在基底上将涂覆粉末颗粒沉积到第一构建层中；加热第一构建层的选定部分；在基底上将涂覆粉末颗粒沉积到第一构建层上面的第二构建层中；加热第二构建层的选定部分；以及使用电磁辐射介电加热第一构建层和第二构建层的选定部分中的涂覆粉末颗粒的至少涂覆聚合物层，从而横跨界
面区域使涂覆粉末颗粒中的相邻颗粒融合。
6.已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实施方式中独立地实现，或者可以在其它实施方式中组合，其进一步的细节可以参考以下描述和附图看出。
附图说明
7.在所附权利要求中阐述了被认为是说明性实施方式的特性的新颖特征。然而，当结合附图阅读时，通过参考本公开的说明性示例的以下详细描述，将最好地理解说明性实施方式以及优选使用模式、其进一步的目的和优点，在附图中：
8.图1是用于将粉末颗粒转化成涂覆粉末颗粒的设备的示意图。
9.图2是根据制造涂覆粉末颗粒的方法形成的示例性涂覆粉末颗粒的图示。
10.图3至图7示出了根据本发明的使用涂覆粉末颗粒形成物体的方法的示例。
具体实施方式
11.以下详细描述针对基于粉末的增材制造技术，诸如选择性激光烧结(sls)或选择性激光熔化(slm)。本文公开的示例包括用于这种工艺的涂覆粉末颗粒、用于形成涂覆粉末颗粒的方法、以及用于在增材制造工艺中使用涂覆粉末颗粒构建物体的方法。该涂覆粉末颗粒包括具有由基础聚合物材料形成的基础聚合物层的颗粒，该基础聚合物层被由涂覆聚合物材料形成的涂覆聚合物层包围。涂覆粉末颗粒易受选择性加热影响，例如通过使用电磁辐射的介电加热，以提高所构建的物体的强度。
12.定义
[0013]“融合长丝制造”(fff)是一种用于构建层以形成产品和例如三维产品、原型或模型的增材制造技术。该工艺可以快速用于快速原型制作和制造，以逐层构建熔化材料以产生模型、产品或类似物体。
[0014]
如本文所用，术语“长丝”是指在增材制造工艺中使用的具有细长、线状形状的原料。
[0015]
术语“粉末涂料”或“粉末涂覆的”或类似术语在此是指作为被施加的一种类型的涂料，其例如作为干粉，并且通常静电地施加，然后经由热量、电磁辐射如微波或其它固化源来固化。粉末可以是热塑性塑料、热固性聚合物或其它类似的聚合物或材料。
[0016]
如本文所用，短语“选择性激光烧结”或“选择性激光熔化”等术语是指增材制造工艺，增材制造工艺使用激光来烧结粉末材料，将激光指向空间中，并且使用3d模型作为图案，将材料结合在一起以产生固体结构。通常，粉末材料是尼龙、聚酰胺或类似材料
[0017]
参考形成本发明一部分的附图，并且附图通过说明、具体实施方式或示例的方式示出。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
[0018]
现在转到附图，图1示出了用于将粉末颗粒4转化成涂覆粉末颗粒6的设备2，该设备2可以用于增材制造工艺中以构建具有改进的结构完整性的物体。具体地说，设备2包括具有侧壁10和基部12的涂覆腔室8。穿孔14形成在基部12中，以允许来自压缩空气源16的空气进入到涂覆腔室8中。喷嘴18设置在涂覆腔室8内部，并流体联接到涂料供应源20。
[0019]
在操作中，粉末颗粒4被放置在涂覆腔室8的底部处。操作加压空气源16以产生将粉末颗粒4吹动穿过涂覆腔室8的气流22。同时，操作涂料供应源20以从喷嘴18且贯穿涂覆
腔室8喷涂涂料24，从而用涂料24涂覆粉末颗粒4。在一些示例中，也可从喷嘴18分散带正电或带负电的离子以促进用涂料24涂覆粉末颗粒4。涂料24可以以液相供应，随后在粉末颗粒4上干燥并硬化。最终，设备2产生具有基础聚合物层26和涂覆聚合物层28的涂覆粉末颗粒6，如图2中最佳示出的。
[0020]
用于形成涂覆粉末颗粒6的基础聚合物层26和涂覆聚合物层28的材料允许在基于粉末颗粒的增材制造工艺期间选择性加热，从而促进层间链扩散和结合，使得所得的构建物体具有改进的结构完整性。如下面更详细讨论的，用于基础聚合物层26和涂覆聚合物层28的材料可以基于对介电加热的相对响应性以及熔点和溶解度参数的接近度来选择。
[0021]
关于对介电加热的响应性，可以选择在涂覆粉末颗粒6中使用的材料，使得涂覆聚合物层28比基础聚合物层26更易受响应于电磁辐射的加热的影响。被称为介电损耗因子(也被称为耗散因子，并且由符号tanδ表示)的性质量化了材料以热量的形式耗散所施加的电磁能的能力。具有较高介电损耗因子的材料将比具有较低介电损耗因子的材料响应于施加的电磁场而升温更多。为了将加热集中在涂覆粉末颗粒6的外表面，涂覆聚合物层28由介电损耗因子高于用于基础聚合物层26的基础聚合物材料的涂覆聚合物材料形成。在一些示例中，涂覆聚合物材料的tanδ值为基础聚合物材料的tanδ值的至少约50倍。另外或替代地，基础聚合物材料具有小于.05的tanδ值，并且涂覆聚合物材料可以具有大于.05的tanδ。
[0022]
涂覆粉末颗粒6还可使用具有相似熔点的用于基础聚合物层26和涂覆聚合物层28的材料，这提高了由在增材制造工艺期间沉积的涂覆粉末颗粒6的构建层形成的构建物体的强度。如上所述，涂覆聚合物材料具有较高的介电损耗因子，因此响应于电磁能的施加而直接产生热量。可以选择基础聚合物材料，使得其具有与涂覆聚合物材料的熔点接近的熔点，使得通过电磁能加热涂覆聚合物层28将进而加热基础聚合物层26的至少外部部分。基础聚合物层26的这种间接加热导致基础聚合物层26保持在软化和/或熔化状态持续较长时间段，从而在涂覆粉末颗粒6中的相邻颗粒沉积在基底上之后促进涂覆长丝10的相邻的珠之间的增加的扩散和结合。基础聚合物材料和涂覆聚合物材料的熔点优选地允许形成固体和液体形态。在一些示例中，基础聚合物材料具有第一熔点，涂覆聚合物材料具有第二熔点，并且基础聚合物材料的第一熔点和涂覆聚合物材料的第二熔点之差在20摄氏度内。已发现，熔点在约20摄氏度或约18摄氏度或约15摄氏度内的材料产生足够的热量以延长基础聚合物层26的熔化状态，从而促进在增材制造期间沉积和加热的涂覆粉末颗粒6之间的扩散和结合。
[0023]
选择用于基础聚合物层26和涂覆聚合物层28的材料还可以具有相容的溶解度参数，当用于增材制造工艺中时，进一步促进涂覆粉末颗粒6中的相邻颗粒之间的结合。例如，涂覆聚合物材料可与基础聚合物材料不混溶以防止相分离并促进在增材制造期间相邻颗粒的基础聚合物层的融合。在一些示例中，基础聚合物材料具有第一溶解度参数，涂覆聚合物材料具有第二溶解度参数，并且第二溶解度参数和第一溶解度参数之差在约10j/cc
0.5
内。已经发现，溶解度参数彼此在约10j/cc
0.5
、或约8j/cc
0.5
、或约5j/cc
0.5
内的材料在增材制造工艺期间加热时有利地促进混合。
[0024]
考虑到上述因素，合适的基础聚合物材料包括聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚酰胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚苯乙烯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚碳酸酯或它们的任何混合物。
[0025]
合适的涂覆聚合物材料包括聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯、聚氨酯、聚酰胺酰亚胺、聚酰胺、聚氯乙烯、丙烯酸、纤维素酯或它们的混合物。合适的涂覆聚合物材料的其它示例包括含有
‑
oh、
‑
nh、c＝o、
‑
n＝o官能团的具有高介电损耗因子的材料和溶剂。合适的涂覆聚合物材料的其它示例包括聚丙烯腈(在60hz时tanδ＝.1)、聚乙二醇或其混合物。在一些示例中，涂覆聚合物材料特别地响应于特定频率范围内的电磁能，例如ghz范围内的微波能量。
[0026]
表格1对比了涂覆聚合物材料是聚乙烯醇而基础聚合物材料是ultem
tm
1010(聚醚酰亚胺)的具体示例的介电损耗因子、熔点和溶解度参数：
[0027]
表格1
[0028][0029]
在该实施例中，使用ultem
tm
1010(聚醚酰亚胺)作为基础聚合物材料并且使用聚乙烯醇作为涂覆聚合物材料是有利的，因为聚乙烯醇具有相对于ultem
tm
1010(在mhz
‑
ghz频率范围内tanδ＝0.001)的高介电损耗因子(在mhz
‑
ghz频率范围内tanδ＝0.185)，两种材料的熔点相差14摄氏度，并且溶解度参数接近，表明了相容性。
[0030]
除了化学特性之外，基础聚合物层26和涂覆聚合物层28还可以具有指示促进融合、结合和混合的适合性的物理特性。例如，基础聚合物层26可具有在约0.01至约0.5毫米的范围内、或在约0.05至约0.4毫米的范围内、或在约0.1至约0.3毫米的范围内的直径。涂覆聚合物层28可具有在约1微米至约50微米的范围内、或在约5微米至约25微米的范围内、或在约10微米至约20微米的范围内的厚度。
[0031]
还描述了使用常规的基于粉末颗粒的增材制造技术来形成物体。物体通过在基底上沉积未涂覆粉末颗粒的第一构建层而形成。未涂覆粉末颗粒的第一构建层的选定颗粒使用激光来熔化或烧结。接下来，未涂覆粉末颗粒的第二构建层沉积在第一构建层的顶部上并选择性地熔化或烧结。在所示的实施方式中，未涂覆粉末颗粒的第三构建层沉积在第一构建层和第二构建层的顶部上并且选择性地熔化或烧结。由于常规的未涂覆粉末颗粒的性质，每个构建层在随后的构建层被沉积之前至少部分地固结，产生了未涂覆粉末颗粒中的相邻颗粒之间的空隙。这些空隙使物体弱化。
[0032]
图3至图7示出了根据本发明的使用涂覆粉末颗粒6形成物体90的方法的示例。如图3中最佳示出的，该方法开始于在基底104上沉积涂覆粉末颗粒6的第一构建层102。涂覆粉末颗粒6中的每一个包括由被涂覆聚合物层28包围的基础聚合物层26形成的核。涂覆粉末颗粒6可以使用图1的设备2形成，或者可以通过不同的设备和/或方法形成。如图4所示，使用激光106熔化或烧结第一构建层102中的涂覆粉末颗粒6中的选定颗粒。图5示出了在熔化或烧结之后的第一构建层102的涂覆粉末颗粒6中的选定颗粒108。如图6所示，该方法继续，在第一构建层102上面沉积涂覆粉末颗粒6的第二构建层110，并且熔化或烧结涂覆粉末颗粒6中的选定颗粒，以形成具有三个维度的物体90。
[0033]
如图6进一步所示，该方法包括将电磁辐射120朝向物体90引导以促进涂覆粉末颗
粒6中的相邻颗粒之间的扩散和结合。因为至少涂覆聚合物材料对介电加热响应，它将熔化以填充涂覆粉末颗粒6中的相邻颗粒之间的任何空隙。电磁辐射120由加热源122提供，该加热源122被控制以将电磁辐射120引导到物体90的选定区域或整个物体90。施加电磁辐射120的持续时间也可以被控制以强化物体90的一个或多个局部区域，或整个物体90。此外，在一个示例中，电磁辐射120可以是具有在300mhz和300ghz之间的范围内的频率的微波。在该示例中，涂覆聚合物材料具有高介电损耗因子，并且易受微波辐射影响，因此易受介电加热影响。
[0034]
由于涂覆聚合物材料具有较高的介电损耗因子，而基础聚合物材料具有较低的介电损耗因子，可以选择电磁辐射的频率，使得仅涂覆聚合物层28响应于电磁辐射而直接熔化。另外，基础聚合物材料可具有与涂覆聚合物材料的熔点接近的熔点，使得基础聚合物层26响应于涂覆聚合物层28的加热而至少部分地熔化。因此，涂覆聚合物层28将直接熔化，并且基础聚合物层26将响应于电磁辐射120而间接熔化。在其它示例中，电磁辐射120可直接加热涂覆聚合物层28和基础聚合物层26两者。在任一情况下，相邻颗粒中的基础聚合物层26的熔化部分可融合在一起，从而防止在相邻颗粒之间形成空隙，并且促进所构建的物体的结构完整性。
[0035]
在涂覆聚合物材料和基础聚合物材料具有相容的溶解度参数的示例中(参见表格1中的非限制性示例)，涂覆聚合物层28和基础聚合物层26两者的熔化产生均匀的混合物，因此当熔化层随后冷却和硬化时不发生相分离。
[0036]
图7示出了最终物体90，其中从基底104移除涂覆粉末颗粒6中的所有未熔化或未烧结的颗粒。所得物体90在颗粒或构建层之间没有空隙。
[0037]
此外，本公开包括根据以下条款的实施方式或实施例：
[0038]
1.一种用于增材制造工艺的涂覆粉末颗粒6，所述涂覆粉末颗粒6包括：
[0039]
基础聚合物层26，所述基础聚合物层由具有第一介电损耗因子的基础聚合物材料形成；以及
[0040]
涂覆聚合物层28，所述涂覆聚合物层包围所述基础聚合物层26并且由具有第二介电损耗因子的涂覆聚合物材料形成，其中，所述涂覆聚合物材料的所述第二介电损耗因子大于所述基础聚合物材料的所述第一介电损耗因子。
[0041]
2.条款1所述的涂覆粉末颗粒6，其中，所述基础聚合物材料具有第一熔点，所述涂覆聚合物材料具有第二熔点，并且所述第一熔点和所述第二熔点之差在约20摄氏度内。
[0042]
3.条款2所述的涂覆粉末颗粒6，其中，所述基础聚合物材料具有第一溶解度参数，所述涂覆聚合物材料具有第二溶解度参数，并且所述第二溶解度参数和所述第一溶解度参数之差在约10j/cc
0.5
内。
[0043]
4.条款1所述的涂覆粉末颗粒6，其中，所述基础聚合物材料具有第一溶解度参数，所述涂覆聚合物材料具有第二溶解度参数，并且所述第二溶解度参数和所述第一溶解度参数之差在约10j/cc
0.5
内。
[0044]
5.条款1至4中任一项所述的涂覆粉末颗粒6，其中，所述基础聚合物材料包含聚醚酰亚胺，并且所述涂覆聚合物材料包含聚乙烯醇。
[0045]
6.条款1至5中任一项所述的涂覆粉末颗粒6，其中，所述基础聚合物层26具有约0.1至约5毫米的直径，并且所述涂覆聚合物层28具有约1至约1,000微米的厚度。
[0046]
7.一种制造用于增材制造工艺的涂覆粉末颗粒6的方法，所述方法包括：
[0047]
使多个粉末颗粒4前进穿过腔室8，所述多个粉末颗粒4中的每一个由基础聚合物材料形成；
[0048]
将液体涂料24施加到所述多个粉末颗粒4中的每一个的外部，所述液体涂料24由涂覆聚合物材料形成；以及
[0049]
干燥所述多个粉末颗粒4上的所述液体涂料24以形成多个涂覆粉末颗粒6；
[0050]
其中，所述多个涂覆粉末颗粒6中的每一个包括由所述粉末颗粒4形成的基础聚合物层26和由干燥后的所述液体涂料24形成的涂覆聚合物层28。
[0051]
8.条款7所述的方法，其中，使所述多个粉末颗粒4前进穿过所述腔室8包括为所述腔室8提供穿孔14并且引导加压空气使其穿过所述穿孔14以形成穿过所述腔室8的气流22。
[0052]
9.条款8所述的方法，其中，将所述液体涂料24施加到所述多个粉末颗粒4中的每一个的所述外部包括从设置在所述腔室8中的喷嘴18喷涂所述液体涂料24。
[0053]
10.条款7至9中任一项所述的方法，其中：
[0054]
所述基础聚合物材料具有第一介电损耗因子；
[0055]
所述涂覆聚合物材料具有第二介电损耗因子；并且
[0056]
所述涂覆聚合物材料的所述第二介电损耗因子大于所述基础聚合物材料的所述第一介电损耗因子。
[0057]
11.条款7至10中任一项所述的方法，其中：
[0058]
所述基础聚合物材料具有第一熔点；
[0059]
所述涂覆聚合物材料具有第二熔点；并且
[0060]
所述第一熔点和所述第二熔点之差在约20摄氏度内。
[0061]
12.条款7至11中任一项所述的方法，其中：
[0062]
所述基础聚合物材料具有第一溶解度参数；
[0063]
所述涂覆聚合物材料具有第二溶解度参数；并且
[0064]
所述第二溶解度参数和所述第一溶解度参数之差在约10j/cc
0.5
内。
[0065]
13.条款7至12中任一项所述的方法，其中，所述基础聚合物材料包含聚醚酰亚胺，并且所述涂覆聚合物材料包含聚乙烯醇。
[0066]
14.条款7至13任一项所述的方法，其中，所述基础聚合物层26具有约0.1至约5毫米的直径，并且所述涂覆聚合物层28具有约1至约1,000微米的厚度。
[0067]
15.一种通过融合粉末制造来制造物体90的方法，所述方法包括：
[0068]
通过以下步骤形成涂覆粉末颗粒6：
[0069]
使多个粉末颗粒4前进穿过腔室8，所述多个粉末颗粒4中的每一个由基础聚合物材料形成；
[0070]
将液体涂料24施加到所述多个粉末颗粒4中的每一个的外部，所述液体涂料24由涂覆聚合物材料形成；以及
[0071]
干燥所述多个粉末颗粒4上的所述液体涂料24以形成多个涂覆粉末颗粒6；
[0072]
其中，所述多个涂覆粉末颗粒6中的每一个包括由所述粉末颗粒4形成的基础聚合物层26和由干燥后的所述液体涂料24形成的涂覆聚合物层28；
[0073]
在基底104上将所述涂覆粉末颗粒6沉积到第一构建层102中；
[0074]
加热所述第一构建层102的选定部分；
[0075]
在所述基底104上将所述涂覆粉末颗粒6沉积到所述第一构建层102上方的第二构建层110中；
[0076]
加热所述第二构建层110的选定部分；以及
[0077]
使用电磁辐射120介电加热所述第一构建层102和所述第二构建层110的所述选定部分中的所述涂覆粉末颗粒6的至少所述涂覆聚合物层，以横跨界面区域使所述涂覆粉末颗粒6中的相邻颗粒融合。
[0078]
16.条款15所述的方法，其中：
[0079]
所述基础聚合物材料具有第一介电损耗因子；
[0080]
所述涂覆聚合物材料具有第二介电损耗因子；并且
[0081]
所述涂覆聚合物材料的所述第二介电损耗因子大于所述基础聚合物材料的所述第一介电损耗因子。
[0082]
17.条款15或16所述的方法，其中：
[0083]
所述基础聚合物材料具有第一熔点；
[0084]
所述涂覆聚合物材料具有第二熔点；并且
[0085]
所述第一熔点和所述第二熔点之差在约20摄氏度内。
[0086]
18.条款15至17中任一项所述的方法，其中：
[0087]
所述基础聚合物材料具有第一溶解度参数；
[0088]
所述涂覆聚合物材料具有第二溶解度参数；并且
[0089]
所述第二溶解度参数和所述第一溶解度参数之差在约10j/cc
0.5
内。
[0090]
19.条款15至18中任一项所述的方法，其中，所述基础聚合物材料包括聚醚酰亚胺，并且所述涂覆聚合物材料包括聚乙烯醇。
[0091]
20.条款15至19中任一项所述的方法，其中，介电加热所述第一构建层和所述第二构建层的所述选定部分中的所述涂覆粉末颗粒的至少所述涂覆聚合物层包括施加微波频率范围内的所述电磁辐射120。
[0092]
应当理解，附图不一定按比例绘制，并且所公开的示例有时是示意性地示出的。还应当理解，以下详细描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开的应用及其使用。因此，尽管为了便于解释，本公开被描绘和描述为某些说明性示例，但是将理解，它可以在各种其它类型的示例中和在各种其它系统和环境中实现。