[发明专利]自由形式的多材料微型元件的分层制造

说明书

技术领域

本发明涉及分层制造，特别是涉及一种积层制造方法（additive layered manufacturing），用于制造包括一种以上材料的物体，所有包括的材料具有自由形式的能力。

本发明涉及一种物品的制造方法，首先提供一个虚拟的三维模型（CAD模型），并利用该信息并以可控的方式添加材料来形成物品。这些类型的方法一般通过术语可称为，如快速成型，自由成形制造，分层制造和加层制造。3D-打印是属于该组方法中的一个。由于可以通过一组平面层来描述具有非常复杂形状的物体，使得通过这些分层制造方法实现在实际精度范围内制造出任何期望形状的物品成为可能。

背景技术

3D-打印是一种将粉末层分布在表面上的方法。采用喷墨打印机将粘合剂分布在表面上以将颗粒临时粘合在一起。干燥粘合剂，并重复该过程直到形成包含与粘合剂粘合在一起的物体的粉末床。通过冲洗或清除将物品上的松散的粉末去除后然后进行烧结。原粉末层之间的界限消失，并且形成一个固体物。

与其他分层制造方法相比，3D打印具有快速、不需要构建支撑体、且最终获取的物品具有均匀无残余应力的优点。快速是因为沉积粉末层是一步完成的，且可以通过多个喷嘴同时沉积粘合剂。而在其他方法中，通过在每个点滴涂形成物品，或使用单一激光或电子束光点进行选择性固化。由于这些方法一次只能在一个点进行成形物品，从而这些方法本质上就是较慢的。通过粉末床支撑着结构，使得不需要构建一个需要在后续步骤中去除的独立的支撑结构就能够形成拱形结构。该粉末可不根据密度梯度来沉积，这保证了在一个单独的烧结阶段可以形成均质物品而不会造成不均匀收缩。

在原始的3D打印发明中（Cima US6146567），采用喷涂悬浮液方法将粉末施加在表面上。在后来的Fcubic的发明中，将粉末以干燥形式分散以形成一个层(Fcubic WO03055628)。后者的方法的速度是非常快的，但该方法只限于粒径为10-20微米的粗糙粉末的应用，该粉末能以干燥状态均匀分布。而更细的粉末，包括大多数烧结性陶瓷粉末和硬质金属粉末，由于范德华引力抑制干燥的小颗粒的流动，从而不可能在干燥状态分散成均质薄层。

微型系统应用越来越多，使产品更智能，也就是给产品增加新的功能。例如，应用的产品有如太阳能电池，蓄电池，OLED，微波元件，芯片实验室（lab-on-a chip）和高温传感器，交通工具和厨房用具。微型系统可以包括感应器以感应（加速度，辐射，压力，湿度，化学环境等），它们也可以包含基于静电式，磁致伸缩式，压电式等原理的致动器。

迄今为止，还不能通过分层制造法直接制造出具有真正的3D结构的微型系统的封装。在可用的方法中，如LTCC（低温共烧陶瓷）只能提供平面衬底，其中，电子连接（通孔）必须垂直于该层。这往往使得有必要结合LTCC结构与其他的单独制造出的3D结构。使用添加剂直接制造出封装具有竞争性优势。集成电子芯片的发展是通过晶圆铸造车间完成的高效的流水线生产。而封装没有统一的标准化的形式。封装通常是生产微型系统的主要成本。封装的进一步的设计、制造和测试是非常耗时的过程。

微型系统的电气连接是采用绝缘和导电材料制成的。对于一些应用，还需要其它材料来形成电阻器以完善介电性能。对于光连接，需要其他材料组合来形成波导。这就要求在制造过程中能够整合多种材料。这在以前可用的分层制造方法在一直未能实现。

发明内容

基于上述提及的现有技术的缺点，本发明的总的目的是提供一种用于制造包括多种材料的3D物品的加层制造方法。本发明能够有效地生产出由水基粉末材料（如陶瓷，玻璃，混合物，金属间化合物，硬质金属或金属材料）构成的物品，还包括增加的一种或多种辅助材料（如陶瓷，玻璃，混合物，金属间化合物，硬质金属或金属材料）。这些辅助材料具有可以以自由形态结合的能力。

根据本发明的一个方面，本发明涉及一种积层制造方法，用于制造包括一种或多种材料的物品，所有包括的材料具有自由形式的能力。该方法包括：提供平面衬底作为平台用于形成构建所述物体的支撑体；采用疏水溶液对平面衬底的选定部分进行疏水化；分散包括尺寸小于5微米的颗粒的水基粉末悬浮液形成厚度低于50微米的层；施加粘合剂至粉末层需要成型粉末体中的部分；施加一种或多种辅助材料作为粉末悬浮液或粉末浆至位于层中的由水基悬浮液的疏水性斥力产生的间隙；重复添加如上所述的粉末层，疏水区域、粘合剂和辅助材料以构建一个具有所需形状和尺寸的粉末体；冲洗或清除所述物品以去除松散的粉末并将所述物品与所述支撑体分离；及通过热处理除去所述粘合剂，并烧结所述粉末物体以形成固体物。