3D打印的方法

技术领域

本发明涉及一种通过3D打印生产物品的方法，该方法被定制成避免或减少喷涂喷嘴的退化，该喷涂喷嘴用作该方法的一部分。

背景技术

通常，3D打印机通过以增量将打印材料添加到基底来创建物品。此类打印机可以具有运动控制系统，该运动控制系统能够引导材料被放置在何处。该控制系统可以被附接到打印头(例如，分配喷涂材料的部分)或基底(例如，在物品构建时保持部分形成的物品)或被附接到两者。

打印头结合了喷嘴，该喷嘴用于以夹带在气体流中的粉末的形式发射打印材料。至少一些3D打印机的问题是它们的喷嘴易于退化，例如堵塞或腐蚀。

美国专利说明书No.7543764B2涉及一种冷喷涂系统，其中，使用氮气和/或氦气作为喷涂粉末的载体。该系统结合了具有由聚苯并咪唑类(PBI)聚合物形成的喉部区域的喷涂喷嘴。这种材料对于穿过它的喷涂材料不是非常粘的(即，它不太易于堵塞)。然而，PBI聚合物不是特别耐磨；随着时间的推移，它非常易腐蚀。

美国专利说明书No.2013-0087633涉及一种冷喷涂系统，其中，喷涂喷嘴由联苯四羧酸二酐(BPDA)、低膨胀玻璃或氮化硅形成。BPDA是具有与PBI相似的特性的聚合物并且因此易于腐蚀。玻璃和氮化硅喷嘴可能磨损良好，但是可能难以经济地生产到高水平的精度。它们通常具有对于容易放电加工而言太低的电导率，并且可能不期望地易于堵塞。

发明目的

本发明的优选实施例的目的在于至少在某种程度上解决以上问题中的一个或更多个。然而，应当理解的是，本发明的目的本身仅仅是提供有用的选择。因此，适用于任何优选实施例的任何目的或优点不应被视为对更广泛表达的权利要求的范围的限制。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种3D打印物品的方法，其中：

a)从喷涂喷嘴发射喷涂材料，喷涂材料包括夹带在包括载气的氧气中的粉末；

b)喷嘴包括收缩的喉部，该收缩的喉部具有：

i)大于10W/mk的热导率；以及

ii)大于10洛氏C的硬度(HRC)；并且

c)喉部部分的温度不超过250℃，并且优选地其不超过200℃。

可选地，硬度大于20洛氏C(HRC)。

可选地，喉部具有大于1S/m的电导率。

可选地，载气包括至少1％的氧气。

可选地，载气包括压缩空气。

可选地，喉部包括按体积计在5％与30％之间的以下各项：

a)碳化铬；

b)碳化铁；

c)碳化钒；或

d)这些的任何组合。

可选地，喉部包括铁-镍合金。

可选地，喉部包括硬质镍(Ni-hard)。

可选地，喉部包括以下各项中的一项或更多项：

a)冷作钢；

b)塑料模具钢；

c)高速钢；以及

d)白铸铁。

可选地，冷作钢包括以下各项中的一项或更多项：

i)D2或商业等效物；

ii)A2、A6或商业等效物；

iii)P20或商业等效物；

iv)O1、O2或商业等效物；

v)S2、S6或S7或商业等效物；以及

vi)M2、M42或商业等效物。

可选地，冷作粉末钢包括Bohler K390。

可选地，塑料模具钢包括P20。

可选地，高速钢包括M2或M42。

可选地，白铸铁包括EN-JN2049。

可选地，钢包括至少1％的碳和至少5％的铬。

可选地，钢包括至少2％的碳和至少6％的钒。

可选地，钢包括至少0.35％的碳、至少2％的铬以及至少1％的镍。

可选地，钢包括至少0.8％的碳、至少3.5％的铬、至少4％的钼以及至少1％的钒。

可选地，白铸铁包括EN-JN2049。

可选地，存在用来控制喉部的温度的冷却系统。

可选地，D2、A2和A6是冷作钢，可选地，P20是塑料模具钢，可选地，O1或O2是油淬钢，可选地，S2、S6和S7是耐冲击钢，可选地，M2和42是钼高速钢。

附图说明

现在将通过举例的方式并且参照附图来描述本发明的一些优选实施例，在附图中：

图1是3D打印机的等距视图；

图2是已经由打印机3D打印的物品的示意性侧视图；以及

图3是形成打印机的一部分的喷嘴的示意性侧视图。

具体实施方式

参见图1，3D打印机具有抓手1，该抓手1结合机器人臂2，该抓手的至少一部分可以通过该机器人臂2移动。打印机还具有冷喷涂头3。抓手1保持基底并使其暴露于从喷涂头3喷涂的打印材料，以在基底上构建3D物品。

打印机具有用于将一种或更多种类型的打印材料(例如，粉末)进给到喷涂头3的两个进给器4、5。这使得3D物品能够由不同打印材料的混合来构建，或者使得物品的不同部分能够由不同打印材料形成。在打印机的其他实施例中，可以只有进给器4、5中的一个，并且在其他实施例中，可以存在多于两个的进给器。

打印机结合内部计算机化控制器(未描绘)，该内部计算机化控制器调节机器人臂2和/或喷涂头3的移动，使得打印材料总是处于用于形成3D物品的正确迎角。控制器还控制打印材料的温度和其离开喷涂头3的速度。控制器由CAD文件中的信息指导，以给予3D物品期望的几何形状和组成。可以使用相同的或单独的控制器装置来控制喉部的温度。

参见图2，当从打印材料的增量层7a-e构建时，基底6支撑3D物品7。机器人臂2在物品构建时调整基底6的位置和取向，使得当物品构建时打印材料以正确的角度被施加到基底的正确的部分、或被施加到部分形成的物品。

打印材料优选地以喷涂形式离开打印头。可以用于此的材料的种类的示例是非铁金属(诸如铝7075或锰青铜等)或粉末钢(诸如316不锈钢等)的粉末合金。特别优选的材料是Valimet 6061，其在500℃的温度和700m/s的速度下以冷喷涂形式施加。在本发明的其他实施例中，打印材料可以以熔融塑料丝形式施加，诸如用于熔融沉积成型(FDM)中等。在这种情况中，打印材料可以是ABS聚合物。

图3展示了形成打印头3的一部分的冷喷涂喷嘴8。喷嘴8可以在概念上被分成四个区：A、B、C和D。区A是具有注射器9的‘停滞区域’，注射器9用于以粉末10形式的打印材料发射到一系列高温高压载气中。粉末和气体一起提供‘喷涂材料’。区B是“会聚区域”，在“会聚区域”中，喷嘴壁向下渐缩以提供超音速喉部11。区C是“喉部和发散区域”，在“喉部和发散区域”中，喷嘴壁逐渐发散。区D是“直桶”区域，在“直桶”区域中，喷嘴直径或多或少恒定。在一些实施例中，可以省略桶区域，以有利于伸长区C。

优选地，3D打印机是这样的：——

a)喉部具有大于10W/mk的热导率；

b)喉部具有大于10(并且可选地大于20)洛氏C的硬度(HRC)；

c)喉部具有至少1S/m的电导率；

d)喉部包括按体积计约5％、优选地约10％并且更优选地约20％的以下各项：

i)碳化铬；

ii)碳化铁；

iii)碳化钒；或

iv)这些的任何组合；

e)喉部的温度是从50℃至250℃；以及

f)载气具有按体积计0.5％至24％的氧气。

更优选地，3D打印机是这样的：——

a)喉部具有10W/mk的热导率；

b)喉部具有的硬度大于20洛氏C(HRC)；

c)喉部具有至少5,000S/m的电导率；

d)喉部由硬质镍(铸铁与镍和铬合金化)形成；

e)喉部的温度是100℃至200℃；以及

f)载气是压缩空气。

用于形成喉部11的可选材料是以下各项中的任一项或其任何组合：

a)冷作钢，例如——

i)D2及其商业等效物；

ii)A2及其商业等效物；

iii)O2及其商业等效物；

iv)S2及其商业等效物；或

v)冷作粉末钢，诸如博勒(Bohler)K390等；

b)塑料模具钢，例如P20；

c)高速钢，例如M2或M42；以及

d)白铸铁，例如EN-JN2049。

优选地，至少喉部11通过放电加工形成。

已发现，当打印材料包括氧气或含氧气体时，上述材料特别良好地工作。虽然尚未证实其原因，但据信，当喉部具有氧化物形成表面时，气体允许喉部处的剥落“皮肤”的连续再生。进一步假设皮肤通过粉末颗粒抵抗结合/堵塞，并且在发生这种结合的情况中，皮肤提供剪切层，该剪切层允许粉末颗粒在与进一步通过的粉末颗粒接触时容易地从喉部脱离。

就公开而言，本文件特此设想并公开了与本文公开的任何其他物品、步骤或其他特征中的一个或更多个相结合的本文提及的每个物品、步骤或其他特征，无论这种组合是否被要求保护。

虽然已经通过举例的方式描述了本发明的一些优选形式，但应当理解的是，在不脱离所附权利要求的情况下可以发生修改和改进。