[发明专利]具有可烧结核和聚合物涂层的粒子、其用途和使用其的增材制造法

说明书

本发明提供粒子，其各自具有可烧结核和在核的至少一部分上的聚合物涂层，其中所述聚合物涂层包含可通过热分解、催化分解或通过溶剂处理脱除的聚合物，并且其中所述聚合物涂层以相对于粒子的总重量计0.10至3.00重量％的量存在，以及这些粒子在增材制造法，如粉末层和喷墨头3D打印法中的用途。所述粒子和所述方法能够提供具有改进的强度的生坯件并因此适用于生产需要高生坯强度的精密结构以使生坯件操作过程中的结构破坏的风险最小化。

引言

在当今工业中通常借助计算机辅助设计(computer aided design，CAD)制造复杂几何形状。对于实心体自由成型制造(Solid Freeform Fabrication，SFF)，也称为快速原型形成(rapid prototyping，RP)，可以利用CAD模型通过逐层技术创建物理物体(object)，其中高度复杂的3D模型被分割成薄的2D切片并从而可借助3D打印机构建。

通过3D打印制造朝直接由数字数据获得成品更近一步，以消除费时和昂贵的工具加工。由于其是增材制造法，其不像减材机加工中常见的那样生成废料。可由相同的粉末原料制造各种物体，多部件设计需要的劳动力和技术很少，并且完全通过数字信息创建降低了人为错误的风险。

如今，使用许多不同的制造方法，包括熔融沉积成型(Fused DepositionModelling，FDM)、直写成型(Direct Ink Writing，DIW)、喷墨3D打印(Inkjet 3DPrinting)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)、电子束熔化(ElectronBeam Melting，EBM)、选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)、分层物体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)、定向能量沉积(Directed Energy Deposition，DED)和电子束自由成型制造(Electron Beam Free Form Fabrication，EBF)。每种方法具有自己的优点和缺点，特别是就所得分辨率、可用的材料、制造时间、设备成本等而言。

在其它制造方法无法交付时，3D打印接替。作为逐层法，其是由可烧结材料，如金属粉末成功地生产复杂形状组件的主要技术。一种特定类型的3D打印是粉末层和喷墨头3D打印法(Powder Bed and Inkjet head 3D printing method，粉末层上喷墨打印(Inkjetprinting on a powder bed)，在下文称为3DP)。

在这种方法中，将粉末层铺在构建平台上。然后用从喷墨头喷出并含有通常为聚合物的粘合剂组分的液体粘合剂组合物(也称为“墨水”)选择性覆盖粉末。通常，在平台上施加热以蒸发墨水中的溶剂(通常水或另一低温沸腾溶剂，如甲醇、乙醇或丙酮)，几乎仅留下粘合剂组分。施加新的粉末层，并重复该过程。粘合剂/墨水的安置决定组件的最终几何形状，其中在需要烧结组件时需要另外考虑收缩率。当打印步骤完成时，进行干燥/固化步骤以蒸发溶剂和让3D打印部件硬化成所述形状。在图1中图解这一过程。

随后，除去过剩粒子(没有被“墨水”粘合)，例如通过吹气或用手使用软刷或类似物小心除去，并获得所谓的“生坯件(green part)”。然后对这一生坯件施以除去粘合剂组分(所谓的“脱脂(debinding)”)步骤，这通常通过使粘合剂组分热分解或蒸发的热处理实施，留下所谓的“棕坯件(brown part)”。也可考虑其它处理，如催化脱除或溶剂提取，但通过热处理脱除是优选的。通常，此后接着烧结步骤以熔结粒子边界，产生最终部件。这种方法可用于形成由例如不锈钢制成的全金属部件。这种技术已投入市场并用于制造生活消费品，例如由Digital Metal AB。

就用3DP技术打印而言，当生产精密结构时，生坯件的稳定性是关键的。这归因于为了脱脂处理，必须从3D打印机单元中取出生坯件并且必须置于例如炉中以实施热脱脂的事实。因此，某些结构需要高生坯强度(Green Strength，生坯件的强度)。