用3D打印來制作混合陶瓷/金屬、陶瓷/陶瓷體的方法與流程

本發明大體涉及強化陶瓷或陶瓷復合材料，以及用于通過添加式打印技術制備所述材料、構件和/或結構來的方法，其中復合材料具有內部和外部幾何結構兩者，并且本發明更特別地涉及使用添加式打印技術來制作復合或混合功能構件的方法。

背景技術：

本發明大體涉及使用添加式制造過程來產生強化陶瓷或陶瓷復合材料的方法，諸如(但不限于)陶瓷-陶瓷或陶瓷-金屬混合(即，金屬陶瓷)材料。

許多現代發動機和下一代渦輪發動機需要具有精微且復雜的幾何結構的構件和部件，這需要新型材料和制造技術。一個這種材料包括陶瓷構件和部件，其減少了對于冷卻的需要，而且比現代發動機中的傳統合金材料輕得多。因而將陶瓷結合到下一代發動機中具有更輕、有化學隋性且非常耐熱的優點。但是，也知道陶瓷在剪切和張力方面是弱的，而且在某些應用中使用是過于易碎的。因而，需要開發新的陶瓷復合物和制造這些陶瓷部件的方法。

用于制造發動機部件和構件的傳統技術包括費力的熔模或脫臘鑄造過程。熔模鑄造的一個示例包括制造在燃氣渦輪發動機中使用的典型轉子葉片。渦輪葉片典型地包括空心翼型件，它具有沿著葉片的跨度延伸的徑向溝槽，葉片具有至少一個或多個入口，以在發動機中的運行期間接收加壓冷卻空氣。在葉片中的各種冷卻通道之中，包括在前緣和后緣之間設置在翼型件中間的蛇形溝槽。翼型件典型地包括延伸通過葉片的入口，以接收加壓冷卻空氣，入口包括用于增加翼型件的受熱側壁和內部冷卻空氣之間的熱傳遞的局部結構，諸如短的紊流肋或銷。

典型地用高強度超合金金屬材料制造這些渦輪葉片包括許多步驟。首先，制造精確陶瓷核心，以適形于希望在渦輪葉片內部的精微冷卻通道。還建立精確模具或模子，其限定精確渦輪葉片的3d外表面，包括其翼型件、平臺和整體鳩尾件。在兩個模具半部的內部組裝陶瓷核心，兩個模具半部在它們之間形成空間或空隙，空間或空隙限定葉片的最終金屬部分。將臘注射到組裝好的模具中，以填充空隙和包圍封裝在其中的陶瓷核心。兩個模具半部被分開且從模制臘移除。模制臘具有成精確構造的期望葉片，然后被涂覆陶瓷材料，以形成周圍的陶瓷殼。然后，臘熔化且從殼中移除，從而在陶瓷殼和內部陶瓷核心之間留下對應的空隙或空間。然后將熔化金屬倒入殼中，以填充其中的空隙，并且再一次封裝包含在殼中的陶瓷核心。熔化金屬冷卻且凝固，并且然后適當地移除外部殼和內部核心，從而留下期望金屬渦輪葉片，在金屬渦輪葉片中建立內部冷卻通道。

然后鑄造渦輪葉片可經歷額外的鑄造后修改，諸如(但不限于)鉆削出適當的膜冷卻孔排，其通過翼型件的側壁，這對于提供出口用于在內部引導的冷卻空氣是合乎需要的，然后冷卻空氣在燃氣渦輪發動機的運行期間在翼型件的外表面上面形成保護冷卻空氣膜或表層。但是，這些鑄造后修改受到限制，并且考慮到渦輪發動機越來越復雜，以及渦輪葉片內部的某些冷卻回路的公認效率，需要更復雜和精微的內部幾何結構的要求。雖然熔模鑄造能夠制造這些部件，但使用這些傳統制造過程來制造位置精確和精微的內部幾何結構變得更加復雜。因此，期望提供一種用于鑄造具有復雜內部空隙的三維構件的改進方法。

添加式制造過程通過允許制造合成模型鑄件而簡化了上面描述的過程。特別地，可用添加式制造技術或3d打印來建立構件的模型。在合成模型的內部鑄造核心。然后可從鑄造核心中移除合成模型，然后使用鑄造核心在其周圍鑄造真實構件。從真實構件的內部移除核心，真實構件精確地匹配原來的合成模型。此技術有效地建立一次性核心模具(或“dcd”)。美國專利7,413,001描述了此過程的一個應用。

這個dcd技術的直接應用允許本行業使用可結合到下一代發動機中的材料或混合材料的新組合來產生復雜的構件、結構和部件。dcd過程已經展示了成功地通過使用添加式制造方法產生具有以前未實現的幾何結構的主模具或dcd或者比以前通過傳統熔模鑄造過程完成的更高效地產生主模具或dcd來完成這個嘗試。

本發明應用前面描述的dcd添加式打印技術來建立以前從來沒可能由傳統制造過程產生的新的一組混合材料和功能構件。特別地，本發明克服了與缺乏精微或復雜的內部幾何結構、腔體或空心部的熔模和/或脫臘鑄造產品相關聯的問題。特別有價值的材料將是陶瓷-陶瓷和陶瓷-金屬復合/混合系統。本發明還解決了一些與傳統鑄造技術相關聯的問題，諸如(但不限于)核心壓出(kissout)、傾翻、破裂碎片。

技術實現要素：

本公開大體涉及一種通過添加式地打印模具來制造復雜的構件、結構或部件的方法。方法的示例性實施例包括添加式地制造一次性模具，特別是三維打印一次性模具。在另一個實施例中，模具具有內部開口或空隙，其限定特定三維內部腔體或三維體。另一方面，核心具有內部開口，除了具有外部幾何結構之外，內部開口限定三維體。

一方面，本發明涉及一種制造具有通過添加式制造(也稱為3d打印)過程制造而成的復雜空心內部幾何結構的材料、構件、部件或結構的過程。然后，可對空心內部幾何結構或腔體進一步注射或填充漿料、流體或固體材料(一種或多種)。

另一方面，本發明涉及一種過程，它通過首先通過添加式制造或三維打印過程建立模具，接著通過將諸如陶瓷的一種或多種漿料結合或注射到模具中從而產生三維體，來制造具有特定內部或外部幾何結構或特征的材料、構件或結構。在一個實施例中，三維體可具有空心腔體，空心腔體限定三維內部形狀或幾何結構，另一種液體、半液體或固體材料可結合到三維內部形狀或幾何結構中。在另一個實施例中，三維體可為固體材料，諸如(但不限于)氧化鋁、鈦酸鋁、氧化鎂或氧化鎳。

又一方面，可使用模具來產生復合材料，復合材料具有以下兩者：第一階段陶瓷材料和第二階段固體或液體材料。在一個實施例中，第二階段材料可為相同或不同類型的陶瓷材料。在另一個實施例中，第二階段材料可為固體材料(例如，金屬)。所產生的復合材料可在第一階段和第二階段兩者中包括陶瓷材料，以產生陶瓷-陶瓷材料。在備選實施例中，所產生的復合材料可在第一階段中包括陶瓷材料，并且包括固體，諸如由氧化鋁、鈦酸鋁、氧化鎂或氧化鎳制成的金屬，例如作為第二階段。

另一方面，本發明涉及一種制造dcd的過程，該過程用來建立為具有陶瓷相和金屬相兩者的混合復合物的材料。首先，成漿料的陶瓷材料注射到dcd中，dcd可由各種各樣的塑料制成，并且dcd固化，從而形成三維殼。在一個實施例中，將dcd制造成允許在陶瓷材料注射到dcd中之后形成空心腔體。其次，在固化和燃燒陶瓷材料之后，將金屬構件或相結合到空心腔體中。在另一個實施例中，金屬相是預成形金屬合成物，它匹配形成的陶瓷腔體的內部幾何結構。

在又一個實施例中，本發明涉及一種用以產生模具的添加式制造過程(例如，三維或3d打印)，模具包含具有某個內部和外部幾何結構方面的復雜的內部空心腔體或幾何結構。包圍空心腔體的部分可被填充第一種類型的陶瓷材料，而在第二階段期間可用相同或不同類型的陶瓷材料注射或填充空心內部幾何結構。在又一個實施例中，包含空心部或腔體的陶瓷體可進一步包括為具有幾何結構的金屬構件的第二階段，該幾何結構匹配使用dcd建立的內部幾何結構，使得金屬構件以鎖和鑰匙的方式配合。

在本發明的一方面，在方法中使用添加式打印技術來制造和建立以前使用傳統制造過程不可能實現的新穎的一組混合材料和功能構件。特別地，本發明的一方面包括混合陶瓷-陶瓷材料，其中第一陶瓷材料與第二陶瓷材料相同。另一方面，混合陶瓷-陶瓷材料可為至少兩種不同類型的陶瓷材料。又一方面，本發明包括混合陶瓷-金屬復合物。

在另一個實施例中，本發明涉及根據本發明制造而成的構件、部件或結構。特別地，構件、部件或結構包括通過將第一階段液體或半固體材料(諸如陶瓷)結合或注射到額外的打印模具中來形成的外表面、形狀或幾何結構。第一階段占據打印模具的對應于構件、部件或結構的外部部分的部分。另外，構件、部件或結構還將包括內部空隙、腔體或空心部，可用第二階段材料填充或注射內部空隙、腔體或空心部。在第二階段中存在的材料可包括固體、半液體或液體材料。用在第一階段的結合之后移除的一次性模具建立內部空隙、腔體或空心部，并且將它們與第一階段分開。

在又一實施例中，本發明涉及一種形成復合結構的方法，包括以下步驟：(a)打印模具(10)，模具具有限定三維體的外部形狀部分(300，400)，以及內部形狀部分(100，200)；(b)將第一材料注射到模具的外部形狀部分(300，400)中，其中，外部形狀在內部形狀部分(100，200)內留下空心部；(c)使第一材料固化而形成三維體；(d)將至少一種其它材料插入或注射到內部形狀部分(100，200)的空心部分中；以及(e)在步驟(d)之后燒結三維體，以形成復合結構。

在又一個實施例中，本發明涉及一種形成復合結構的方法，包括：將第一材料添加到具有腔體的模具中，其中，腔體包括在腔體內的至少一個凸起；以及使第一材料固化而形成三維體。此方法的額外實施例包括以下：

?其中，通過注射添加第一材料；

?其中，第一材料是無機材料；

?其中，通過添加式地制造模具，優選通過三維打印，來產生腔體；

?其中，模具由熱固性或熱塑性聚合物建造而成；

?其中，腔體內的至少一個凸起是空心或實心凸起；

?其中，至少一個凸起是空心的；

?其中，至少一個凸起具有非線性幾何結構；

?其中，在第一材料固化的期間移除模具，從而在曾經存在至少一個凸起的地方留下至少一個空隙；

?其中，通過在300℃-600℃的范圍中加熱來移除模具；

?方法進一步包括將至少一種其它材料添加到至少一個空隙中；

?其中，至少一種其它材料是固體或液體材料；

?其中，至少一種其它材料是陶瓷或金屬；

?其中，金屬是氧化鋁桿或石英桿；

?方法進一步包括在添加至少一種其它材料之前結合粘合劑；

?其中，對至少一個空隙、至少一種其它材料或它們兩者施用粘合劑；

?方法進一步包括燒結或固化至少一種其它材料；以及

?其中，燒結或固化在范圍為1000℃-1600℃，優選1600℃的溫度下進行。

在再一實施例中，本發明涉及一種陶瓷-金屬復合物，它包括：表示復合物的外部部分(300，400)的陶瓷體，其中，陶瓷體包括：內部空心腔體(100，200)，其具有范圍為100:1至5:1的縱橫比；以及能夠插入到內部空心腔體中的金屬插件；并且本發明涉及一種陶瓷-金屬復合物，它包括：表示外部部分的陶瓷體，其中，陶瓷體包括內部空心腔體(100，200)，其外徑的范圍為大約0.010至英寸0.100英寸，并且其深度為大約1英寸至40英寸；以及能夠插入到內部空心腔體中的金屬插件。

技術方案1.一種形成復合結構(10)的方法，包括：將第一材料添加到模具中，所述模具具有腔體(300，400)，其中，所述腔體包括在所述腔體(100，200)內的至少一個凸起；以及使所述第一材料固化而形成三維體。

技術方案2.根據技術方案1所述的方法，其特征在于，通過注射來添加所述第一材料，可選地無機材料。

技術方案3.根據前述技術方案中的任一項所述的方法，其特征在于，通過對所述模具進行添加式制造來產生所述腔體，所述模具可選地由熱固性或熱塑性聚合物建造而成。

技術方案4.根據前述技術方案中的任一項所述的方法，其特征在于，所述腔體內的所述至少一個凸起(100，200)是空心或實心的凸起，優選地空心凸起(100，200)，甚至更優選地非線性幾何結構(100)。

技術方案5.根據前述技術方案中的任一項所述的方法，其特征在于，在所述第一材料的固化期間，可選地在300℃-600℃下，移除所述模具，從而在所述至少一個凸起曾經存在處留下至少一個空隙。

技術方案6.根據前述技術方案中的任一項所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括將至少一種其它材料，可選地固體或液體，優選地陶瓷或金屬，添加到所述至少一個空隙中。

技術方案7.根據前述技術方案中的任一項所述的方法，其特征在于，所述金屬是氧化鋁桿或石英桿。

技術方案8.根據前述技術方案中的任一項所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括在添加所述至少一種其它材料之前結合粘合劑，優選地其中，對所述至少一個空隙、所述至少一種其它材料或它們兩者施用所述粘合劑。

技術方案9.根據前述技術方案中的任一項所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括優選地在范圍為1000℃-1600℃的溫度下，燒結或固化所述至少一種其它材料。

技術方案10.一種陶瓷復合物，包括：陶瓷體，所述陶瓷體包括對應于模子模型的外部結構和至少一個內部腔體，所述內部腔體具有范圍為100:1至5:1的縱橫比；以及在所述內部腔體內的至少第二材料，可選地金屬插件或不同于所述陶瓷體的第二陶瓷材料。

技術方案11.一種陶瓷復合物，包括：陶瓷體，所述陶瓷體包括對應于模子模型的外部結構和至少一個內部腔體，所述內部腔體具有范圍為大約0.010英寸至0.100英寸的直徑和大約1英寸至40英寸的深度；以及在所述內部腔體內的至少第二材料，可選地金屬插件或不同于所述陶瓷體的第二陶瓷材料。

附圖說明

圖1為代表性構件(10)的透視圖，代表性構件具有簡單內部幾何結構(200)和外部幾何結構(400)和復雜內部幾何結構(100)和外部幾何結構(300)兩者。

圖2為圖1中描述的透視圖，其展示漿料材料在固化之前添加到構件中。

圖3為圖1中描述的透視圖，其展示復雜外部部分(300)和簡單外部部分(400)中的第一階段材料固化，其中，復雜內部部分(100)和簡單內部部分(200)保持未被填充，以提供用于添加第二階段材料的溝槽。

圖4為圖1中描述的透視圖，其展示將第二階段材料添加或插入到復雜內部部分(100)和簡單內部部分(200)中。

具體實施方式

將從以下詳細描述了解到本發明的另外的特征和優點，詳細描述顯示了本發明的各種實施例。本領域技術人員將認識到，可利用包括不改變或偏離本發明的范圍的變化的其它實施例。

在本發明的一個優選實施例中，使用添加式制造、添加式打印、順序打印或三維(3d)打印過程來形成各種各樣的幾何形狀，核心和模子可用于建造陶瓷或陶瓷復合材料。在一個實施例中，成漿料的陶瓷材料注射到添加式制造的dcd中，從而形成三維陶瓷體。一方面，產生的陶瓷體包含內部空心部或腔體，使用第二階段或第二建造過程將另一個陶瓷材料或金屬材料引入到內部空心部或腔體中以形成復合材料。一方面，第二階段可包括相同或不同的陶瓷材料。另一方面，第二階段可包括金屬材料，諸如桿，從而產生復合材料或混合材料。在第二階段之后，材料可在升高的溫度下燒結，以產生致密材料(即，致密化)。強化產生的例如包含金屬桿的混合材料，從而與缺乏金屬桿的構件或部件相比，具有較高的結構完整性。

通過本發明，可能之前已經通過用例如鉆削將金屬桿結合到簡單幾何結構(例如，直的或不彎曲的)中來實現的強化現在可具有更精微或復雜的幾何結構或形狀。

作為示例，圖1展示部件或構件，其具有復雜外部幾何結構300、復雜內部幾何結構100、簡單外部幾何結構400和簡單內部幾何結構200。以前，用諸如鉆削的方法建立由熔模或脫臘鑄造建立的簡單內部幾何結構，諸如200，但是，考慮到鉆削困難(例如彎曲孔)，建立更復雜的幾何結構(諸如100)是不可行的。通過借助于添加式地打印dcd結構，使得空心腔體結合到外部幾何結構300、400中來建造復雜內部幾何結構，本發明克服了這些問題。

在圖1中，設計和添加式地打印代表性構件、部件或結構(10)使得構件、部件或結構具有外部殼(300，400)和內部殼(100，200)，它們由樹脂制成，諸如(但不限于)塑料。如從切去部分看到的那樣，添加式制造的構件包括空心溝槽(100，200)，使得當第一階段材料固化且一次性模具被移除時，在外部部分(300，400)的固化材料內建立溝槽(100，200)。

在圖2中，用例如成漿料的陶瓷材料填充添加式打印的構件的外部部分(300，400)，使得漿料留下由內部空隙、空心部或腔體建立的空隙、空心部或腔體(100，200)。在此階段的構件、部件或結構包括：添加式打印的殼，它具有外部尺寸和內部尺寸兩者；以及成漿料的材料，它將在大約300℃-500℃的溫度下固化。這個溫度有兩個目的，(1)使構件的外部部分的漿料材料固化；以及(2)燒盡(即，移除)添加式打印的塑料模具。

在圖3中，構件、部件或結構的外部部分(300，400)已經經歷了固化，并且通過留下固化陶瓷外部三維體(300，400)和內部空隙、空心部或腔體(100，200)來移除模具。外部部分的剖面顯示了內部空隙、空心部或腔體在燒盡之后仍然存在。

在圖4中，對本體的內部部分(100，200)添加或插入第二階段材料(例如，液體材料或固體材料)。再次，構件、部件或結構加熱到大約1600℃的溫度，以將第一階段材料和第二階段材料燒結在一起形成單個復合或混合材料。

一方面，本發明涉及一種形成復合結構的方法，該方法包括以添加的方式制造dcd；將第一材料注射到一次性核心模具中；使第一材料固化或燃燒而形成三維體；移除一次性核心模具，以形成具有特定幾何結構的空心體或腔體；將至少一種其它材料插入(注射)到空心體(例如，液體或固體)中；以及燒結材料而形成復合或混合結構。

添加式制造技術是在諸如計算機設計輔助(cad)程序的計算機程序的協助下一層一層建造結構的制造過程。cad軟件例如通過使建造材料在某個x、y和z坐標中淀積，來幫助建造各個平面層，直到最終三維結構完成。利用添加式制造，不需要開發或制造模型或工具(即，鑄型或模子)來建造部件，從而顯著地減少建造時間。在本發明的一方面，本領域技術人員將理解可使用各種各樣的計算機軟件程序，諸如cad，只要它能夠在建造過程期間建造dcd時對特定坐標編程即可。包含在本發明的范圍內的是一種使用在三個維度上(例如，在x、y和z方向上)移動和建造的添加式打印過程的方法。還包含在本發明中的一種建造過程，它在兩個維度上移動，其中制造過程以條帶的方式產生產品，一次一個層。因此，僅在y方向上需要移動，以形成層，并且然后在z方向上建造下一層。最后，一些合并技術使用成二維陣列的鏡像來立刻形成整個部件層，從而僅需要在一個方向上移動，即，z方向。

本領域技術人員可獲得各種類型的添加式制造技術，并且針對建造dcd所選擇的特定類型將完全取決于其制造中使用的材料。一種類型的3d打印可包括基于液體的方法，該方法應用光固化聚合物樹脂來形成各個部件層。這些可能包括立體光刻(sla)、噴射光敏聚合物或噴墨打印。例如，sls打印是眾所周知的技術，可將它描述成使用液體塑性樹脂的過程，液體塑性樹脂在薄的橫截面中由于紫外光而選擇性地固化。薄的橫截面是一層一層形成的。

另一種類型的添加式打印包括基于粉末的打印過程，諸如選擇性激光燒結(sls)、直接金屬激光燒結(dmls)和三維打印(3dp)。在這些基于粉末的建造方法中的各個中，粉末材料熔化或燒結而形成各個部件層。例如，sls過程利用被選擇性地一層一層燒結的粉末塑性材料。

另一種添加式打印形式包括基于固體的過程，它使用非粉末材料，非粉末材料彼此在另一個的頂上成層且隨后被切掉。這個方法包括分層實體制造(lom)，或者熔合淀積建模(fdm)。

大體上，添加式制造過程采用相同順序的步驟，如在custompartnet.com中所描述的那樣。添加式制造過程包括：

1.建立cad模型——對于所有添加式過程，設計者必須首先使用計算機輔助設計(cad)軟件來建立部件的3d模型。

2.將cad模型轉換成stl模型——各個形式的cad軟件按不同的方式保存表示3d模型的幾何結構數據。但是，stl格式(最初針對立體光刻所開發)已經成了添加式過程的標準文件格式。因此，cad文件必須轉換成這個文件格式。stl格式將3d模型的表面表示成一組三角形，從而保存頂點的坐標和各個三角形的法向方向。

3.將stl模型切成層——使用專用軟件，使用者準備好待建造的stl文件，其首先規定部件在機器中的位置和定向。部件定向會影響若干個參數，包括建造時間、部件強度和精度。然后軟件沿著x-y平面將stl模型切成非常薄的層。將在前面的層上建造各個層，從而沿z方向向上移動。

4.一次一層地建造部件——機器通過在前面形成的層的頂上按順序形成材料層，用stl模型建造部件。用來建造各個層的技術在添加式過程之中有很大不同，所使用的材料也不同。添加式過程可使用紙、聚合物、粉末金屬或金屬復合物，這取決于過程。

5.部件的后處理——在建造之后，從機器移除部件和任何支承件。如果部件由光敏材料建造而成，則它必須固化以獲得完整強度。可執行少量清潔和表面精加工，諸如，砂磨、涂覆或上油漆，以改進部件的外觀和耐久性。

添加式制造過程可用實際上一般在添加式制造過程中已知和使用的任何類型的材料來建造模具或主模具。這些材料可包括，例如，塑料、金屬、陶瓷或木頭。也可行的是：添加式制造過程可用一系列材料建造dcd。例如制造過程可由聚合物材料進行，諸如紫外光固化熱固性樹脂(例如，環氧樹脂、樹脂、尿烷、丙烯腈、光敏聚合物等)和粉末材料(例如，尼龍、玻璃填充式尼龍、聚碳酸酯、臘、金屬和由熱固化樹脂粘結的砂)。也可在過程中使用對于本領域技術人員非常顯然的其它材料。

3d打印過程中使用的有代表性的材料包括聚合物，諸如熱固性和熱塑性聚合物。有代表性的熱固性聚合物可包括，例如，屬于下者的聚合物：聚酯、聚亞安酯、硫化橡膠、苯酚-甲醛樹脂、脲醛、尿素甲醛樹脂、三聚氰胺樹脂、己二烯酞酸脂(dap)、環氧樹脂、聚酰亞胺或者氰酸酯或聚氰尿酸酯或者它們的組合。

有代表性的熱塑性聚合物可包括例如屬于下者的聚合物：丙烯酸、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物、尼龍、聚乳酸、聚苯并咪唑、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚乙烯、聚苯醚、聚苯硫發、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、特氟綸或者它們的組合。

在本發明的另一方面，建立具有精微或復雜的內部和外部幾何結構的陶瓷或陶瓷混合構件、部件或結構。在傳統熔模鑄造技術中，將材料注射到鑄型中會使得產生出具有特定外部幾何結構的結構、構件或部件。但是，如果需要特定的內部幾何結構，需要具有形狀的鏡像的單獨的核心。這些特定幾何結構由它們注射到其中的外部模子或內部核心規定。在本發明的一方面，建造在鑄造過程中使用的核心模具會產生具有特定的內部和外部幾何結構的產品，而不需要單獨產生外部和/或內部模子和/或核心。

用語“內部幾何結構”大體理解為表示在外部幾何結構內具有復雜或簡單的形狀或幾何結構的任何腔體、空心部、開口。可在圖1中找到內部幾何結構的有代表性的示例，即，100或200。

用語“外部幾何結構”大體理解為表示本體或三維體的外部形狀或構造。可在圖1中找到有代表性的示例外部幾何結構，即，300或400。

在添加式制造模具(例如，dcd)之后，將成漿料的第一材料結合到模具中。建造過程的這個部分可為建造的第一階段。第一漿料可包括可固化和注射到模具中的各種各樣的材料。在本發明的一方面，成漿料的材料是無機材料，諸如(但不限于)陶瓷漿料。陶瓷材料可為粉末或纖維材料。可使用各種各樣的陶瓷材料，包括(但不限于)金屬氧化物(例如，氧化鋁、氧化鈹和氧化鋯)、玻璃陶瓷、氮化物和碳化物(例如氮化硅、碳化硼、金剛砂和碳化鎢)、玻璃(例如，氧化物(二氧化硅)、硅酸鹽、磷酸鹽、硼硅酸鹽)、碳和石墨(例如，碳-碳復合物)、瓷、氧化釔和陶瓷纖維。在陶瓷材料注射到核心模具中之后，陶瓷漿料形成三維結構或原始陶瓷體。本領域技術人員大體將“原始陶瓷體”或“原始本體”理解為表示在固化、燒結或燃燒之前由弱粘結陶瓷材料構成的三維體。固化、燒結或燃燒可在現在已知或今后開發的溫度下進行。在一個實施例中，固化溫度低于100℃。

一旦原始本體形成，可通過加熱來移除模具。在一個實施例中，升高的溫度同時會移除模具且燒結或固化第一漿料(例如，陶瓷)。在另一個實施例中，升高的溫度足以移除模具，但低于固化第一漿料所需的溫度。可至少300℃的范圍中實現移除模具，在更優選的實施例中，在大約300–600℃的溫度范圍下移除模具，在甚至更優選的實施例中，在400-500℃的溫度范圍下移除模具。加熱或燃燒以移除模具可執行一次、兩次、三次、四次、五次、十次，或者實現第一漿料移除和/或致密化所需的許多次。

在另一個實施例中，用于引入第二種類型的材料的建造的第二階段可與第一階段材料結合。例如，在各個加熱或燃燒步驟之間，可結合成第二漿料的陶瓷或固體材料。在一個實施例中，可結合成第二漿料的材料，諸如陶瓷。在另一個實施例中，第二陶瓷漿料可與第一漿料相同或不同。另一方面，可建造空心腔體來接受固體材料，諸如(但不限于)金屬構件(例如，桿)，一方面，金屬構件可預成形，以匹配空心腔體的內部幾何結構。針對前面的實施例所描述的材料(例如，陶瓷)和過程的各種備選實施例在建造的第二階段期間同樣適用。

在本發明的另一方面，在成第一漿料的材料固化之后，可在建造過程的第二階段的注射之前、注射期間或注射之后應用粘合劑。可使用的粘合劑包括有機和無機材料。這些粘合劑材料在本領域中大體是已知的，并且在例如美國專利5,204,055中有描述。

粘合劑材料可使得在各個層淀積時，粘結顆粒具有高粘結強度，使得當所有層都已經粘結時，所形成的構件從而準備好使用，而無需進一步處理。在其它情況下，對部件執行進一步處理可為合乎需要的或者必要的。例如，雖然該過程諸如可對形成的構件提供合理強度，但一旦部件形成，它可進一步加熱或固化，以進一步提高顆粒的粘結強度。在一些情況下，可在這種加熱或燃燒過程期間移除粘合劑，而在其它情況下，粘合劑在燃燒之后可在材料中保留。進行哪個操作取決于選擇來使用的特定粘合劑材料和條件，例如，執行加熱或燃燒過程時所處的溫度。也可在部件形成之后執行其它后處理操作。

已經在陶瓷業中使用有機粘合劑，而且有機粘合劑典型地是從各種各樣的源中獲得的聚合物樹脂。它們可為水溶性的，諸如擠壓技術中使用的纖維素粘合劑，或者它們可僅僅在揮發性有機溶劑中溶解，諸如帶鑄技術中使用的丁醛樹脂。后面的水溶性系統可較快速地移除，并且看上去在本發明的技術中特別有用。另一種類型的有機粘合劑將是陶瓷前體材料，諸如聚碳硅氮烷。

無機粘合劑在粘合劑結合到最終構件中的情況下是有用的。這樣的粘合劑大體基于硅酸鹽，并且典型地由于硅酸或其在含水溶液中的鹽的聚合而形成。可使用的另一個示例性無機粘合劑是teos(四乙基原硅酸鹽)。在干燥期間，膠態氧化硅在基質顆粒的頸部處聚集而形成像水泥一樣的粘結。在燃燒期間，二氧化硅流動且用來通過表面張力的作用重新布置基質顆粒，并且在燃燒之后保留下來。已經使用可溶性硅酸鹽材料已經作為例如耐火澆注材料中的粘合劑，并且具有的優點為，在本發明的技術中使用時，產生在鑄造業中使用的基本相同類型的模制耐火本體。

在一些應用中，可為優選的粘合劑在淀積之后較快速地硬化，使得置于前一層的表面上的下一層顆粒不會由于毛細力而受顆粒重新布置的影響。此外，硬化粘合劑不會遭受來自可在粉末淀積中使用的溶劑的污染。在其它情況下，可能不必要的是：粘合劑在各層之間完全硬化，并且后面的粉末顆粒層可淀積在尚未完全硬化的前一層上。

在粘合劑淀積時發生硬化的情況下，熱固化(即，攜帶粘合劑的液體蒸發)大體需要形成的構件在執行打印粘合劑材料時被加溫，同時打印頭本身被冷卻，使得在噴墨頭的儲槽中的未打印的粘合劑材料保持其期望屬性。可通過下者來實現這種硬化：間接地加熱粘合劑材料，例如通過使用例如合適的外部熱源來加熱其中形成部件的整個設備，或者通過直接加熱粘合劑材料，例如對粘合劑材料應用熱空氣或者通過對其應用紅外能或微波能。備選地，也可使用各種各樣的熱激活的化學反應來使粘合劑硬化。例如，可通過伴隨著有機反應劑分解而改變ph值，來使堿金屬硅酸鹽溶液發生凝固。因而，堿金屬硅酸鹽和甲酰胺的混合物可打印在形成的熱構件上。溫度快速升高將大大提高甲酰胺的分解速率，并且因此，快速改變粘合劑的ph值。本領域技術人員將設想到用于使粘合劑在淀積之后硬化的其它熱發起或化學發起的技術。

雖然已經在上面論述了液體和膠狀粘合劑材料，但在一些應用中，粘合劑材料可淀積成夾帶在液體中的粘合劑顆粒的形式。可通過能夠提供這樣的夾帶粘合劑材料的經特別設計的化合物噴墨結構來供應這樣的粘合劑材料。這種復合結構的示例，例如在雜志《電子和電子物理學進展》第65期的heinzle和c.h.hertz的文章“ink-jetprinting(噴墨打印)”中有論述。

此外，在建造部件的一些應用中，所使用的粘合劑材料不必是單個粘合劑材料，而是可對形成的部件的不同區域使用不同的粘合劑材料，不同的材料由單獨的粘合劑淀積頭供應。

使用本文描述的方法，具有復雜內表面和幾何結構或微結構的構件部件和結構現在是可行的。由于陶瓷材料的易碎性質，由這種材料制成的部件將需要強化。美國專利5,626,914描述了一種在陶瓷的微孔區域內被熔化金屬滲透的陶瓷材料。但是，金屬滲透到陶瓷材料的細孔中不允許將強化部件精確地置于已知應力點或破裂點處。本文描述的產生精微內表面和微結構的一個應用包括，例如，陶瓷部件，它具有能夠接收金屬強化材料的縱橫比大的微結構孔。在一個實施例中，根據本發明的過程產生的產品將包括內部微空隙或小空隙或微腔體，它具有范圍為5:1至100:1的縱橫比，或者更特別地，5:1、10:1、25:1、50:1或100:1的縱橫比。在另一個實施例中，根據本文描述的方法產生的產品包括小內部空隙、微腔體或者空心部，其具有大約0.010英寸至0.100英寸，更特別地，0.025英寸至0.050英寸的內徑，以及大約1英寸至40英寸的深度。

可根據本發明選擇粉末和粘合劑材料的許多可行組合。例如，陶瓷粉末或陶瓷纖維可與無機或有機粘合劑材料一起使用或者與金屬粘合劑材料一起使用；金屬粉末可與金屬粘合劑或陶瓷粘合劑一起使用；并且塑料粉末可與溶劑粘合劑或塑性粘合劑，例如，粘度低的環氧樹脂塑性材料一起使用。本領域技術人中針對各種應用將想到粉末和粘合劑材料的其它適當組合。

這些和其它實施例將在描述特定示例的期間變得更加明顯。

示例

示例1：一般程序

第一階段：為了根據本發明的方法產生陶瓷結構，使用光敏聚合物打印機(例如，3d系統visijet)來建造塑料模具，塑料模具具有形成外部表面和內部空心腔體的結構。將通過打印具有0.016英寸的內徑和0.5英寸至1英寸長的深度的結構來建造內部空心腔體。使用具有0.045英寸直徑的尖帽(tipcap)銷，通過添加式打印過程產生塑料模具。成漿料的陶瓷材料(諸如硅氧烷、二氧化硅、鋯石、氧化鋁、氧化釔)注射到塑料模具的表示外表面的一部分中，使得漿料圍繞內部空心腔體形成。在大約1600℃的溫度下燒結一輪或多輪之后，原始本體固化，并且塑料模具移除或者燃盡，從而留下具有大約0.016英寸的直徑和0.5英寸至1英寸的深度的內部空心腔體。

第二階段：可用另一種成漿料的材料或固體材料填充在第一階段期間建立的內部空心腔體。在成漿料的材料的情況下，材料可注射到第一階段中建立的內部空心腔體中，并且使用上面描述的相同程序固化。在固體材料的情況下，具有大約0.014英寸的直徑和0.4英寸至0.75英寸的長度的石英桿、氧化鋁桿或金屬桿或任何其它固體材料結合到內部空心腔體中。

無論結合到內部腔體中的材料是另一種陶瓷漿料還是固體材料，具有第一階段和第二階段材料兩者的產品都在大約1600℃的溫度下再次加熱，從而將第一階段和第二階段材料燒結在一起形成連續的物體或結構。

示例2：氧化鋁桿插入

根據示例1中闡述程序的打印塑料模具。將把塑料模具設計成包括以下兩者：外表面和具有0.013英寸的外徑和0.5英寸的深度的內部腔體。如前面描述的那樣，將陶瓷漿料注射到塑料模具的外部部分中。現在在模具的外部部分內的陶瓷部分加熱到500℃的溫度，以使陶瓷基質固化和燃盡塑料模具。在基于陶瓷的漿料中被涂覆的具有大約0.011英寸的直徑和0.5英寸的長度的氧化鋁桿插入到由內部空心腔體建立的內部腔體中。結合的陶瓷和氧化鋁桿在大約1600℃的溫度下加熱，以燒結陶瓷基質和氧化鋁桿，其中燒結會在基質和桿的接口處建立結合部。產生的產品是強化陶瓷體。