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CN106041086A - 用于三维打印的金属材料、其制法和用其的三维打印方法 - Google Patents

用于三维打印的金属材料、其制法和用其的三维打印方法 Download PDF

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CN106041086A
CN106041086A CN201610474316.3A CN201610474316A CN106041086A CN 106041086 A CN106041086 A CN 106041086A CN 201610474316 A CN201610474316 A CN 201610474316A CN 106041086 A CN106041086 A CN 106041086A
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辛泓炫
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Dalin Chemical Ltd
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Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
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Abstract

提供用于3D打印的金属材料，该金属材料包括：包括低共熔金属的合金；和金属颗粒，其中所述合金的熔点是约100℃至约300℃，和所述金属颗粒的熔点超过约300℃。

Description

用于三维打印的金属材料、其制法和用其的三维打印方法
相关申请的交叉引用
本美国非临时专利申请根据35U.S.C.§119要求2015年4月9日提交的韩国专利申请No.10-2015-0050146、2015年4月15日提交的韩国专利申请No.10-2015-0053268和2015年12月29日提交的韩国专利申请No.10-2015-0188759的优先权，其全部内容在此引入作为参考。
技术领域
本文中的本公开内容涉及用于3D打印的材料并且更具体地涉及用于3D打印的金属材料。
背景技术
最近正积极发展的3D打印方法能够使用3D打印机来接收三维地设计的信息和打印三维形状。3D打印机可使用数字蓝图以相对容易地产生三维物体。3D蓝图是使用能够草绘用于3D打印的3D蓝图的程序例如3D CAD绘制的。模型能够从绘迹产生，但是也通过使用模板以改变基本形式而制成。一些3D打印服务公司提供容许即使外行也容易产生3D蓝图的在线工具。另外，代替绘制蓝图，也通过仅使用3D扫描仪或经由通过拍摄照片的机械方法来制成3D蓝图。
3D打印已被工业在生产过程的部分中使用。最近，对于使用3D打印的定制的少量、高多样性生产过程的配件的产品样机等的新兴市场，预期和需求正在增加。
发明内容
本公开内容的一个目的是提供能够与用于3D打印的塑料材料熔融层合的用于3D打印的金属材料。
本公开内容的另一目的是提供用于3D打印的金属材料，该金属材料在熔点方面具有小的改变。
然而，本公开内容的目的不限于上述目的。
本发明构思的一种实施方式提供用于3D打印的金属材料，所述金属材料包括：含有低共熔金属的合金；和金属颗粒，其中所述合金的熔点是约100℃至约300℃，和所述金属颗粒的熔点超过约300℃。
在一种实施方式中，所述低共熔金属合金可为如下的任一种：锡(Sn)-铋(Bi)合金、锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金、铅(Pb)-锡(Sn)合金、铟(In)-银(Ag)合金、铟(In)-锡(Sn)合金、锡(Sn)-锌(Zn)合金、锡(Sn)-锑(Sb)合金、锡(Sn)-铟(In)-银(Ag)合金、锡(Sn)-铅(Pb)-银(Ag)合金或铟(In)-铋(Bi)-锡(Sn)合金。
在一种实施方式中，所述锡(Sn)-铋(Bi)合金可包含约42.95重量％的锡和57.05重量％的铋，所述锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金可包含约95.6重量％的锡、3.5重量％的银、和0.9重量％的铜，所述铅(Pb)-锡(Sn)合金可包含约38.1重量％的铅和约51.9重量％的锡，所述铟(In)-银(Ag)合金可包含约97重量％的铟和约3重量％的银，所述铟(In)-锡(Sn)合金可包含约52重量％的铟和约48重量％的锡，所述锡(Sn)-锌(Zn)合金可包含约91重量％的锡和约9重量％的锌，所述锡(Sn)-锑(Sb)合金可包含约95重量％的锡和约5重量％的锑，所述锡(Sn)-铟(In)-银(Ag)合金可包含约77.2重量％的锡、约20重量％的铟、和约2.8重量％的银，所述锡(Sn)-铅(Pb)-银(Ag)合金可包含约62.5重量％的锡、约36.1重量％的铅、和约1.4重量％的银，和所述铟(In)-铋(Bi)-锡(Sn)合金可包含约51重量％的铟、约32.5重量％的铋、和约16.5重量％的锡。
在一种实施方式中，所述金属颗粒的大小可为约几纳米至约几百微米。
在一种实施方式中，所述金属颗粒可包含如下的任一种：铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铝(Al)或铂(Pt)。
在一种实施方式中，所述金属材料可进一步包括包覆在所述金属颗粒的表面上的壳，其中所述壳和所述金属颗粒包含彼此不同的材料。
在一种实施方式中，包含在所述壳中的材料与包含在所述金属颗粒中的材料相比可更少改变所述合金的熔点。
在一种实施方式中，所述壳中的材料可包括如下的至少一种：银(Ag)、镍(Ni)、铁(Fe)、硅(Si)、钨(W)、钴(Co)、铝(Al)、碳(C)或石墨烯。
本发明构思的一种实施方式提供用于制造用于3D打印的金属材料的方法，所述方法包括：通过低共熔金属物种的第一热处理而形成第一液体合金；通过所述液体合金的第一冷却而形成固体合金；通过所述固体合金的第二热处理而形成第二液体合金；通过将所述金属颗粒与所述第二液体合金混合而形成合金-颗粒混合物；和通过所述合金-颗粒混合物的第二冷却而形成用于三维(3D)打印的金属材料，其中所述第一热处理的温度比所述低共熔金属物种的低共熔点高，和所述第二热处理的温度是约100℃至约300℃。
在一种实施方式中，所述固体合金可为如下的任一种：锡(Sn)-铋(Bi)合金、锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金、铅(Pb)-锡(Sn)合金、铟(In)-银(Ag)合金、铟(In)-锡(Sn)合金、锡(Sn)-锌(Zn)合金、锡(Sn)-锑(Sb)合金、锡(Sn)-铟(In)-银(Ag)合金、锡(Sn)-铅(Pb)-银(Ag)合金或铟(In)-铋(Bi)-锡(Sn)合金。
在一种实施方式中，所述锡(Sn)-铋(Bi)合金可包含约42.95重量％的锡和57.05重量％的铋，所述锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金可包含约95.6重量％的锡、3.5重量％的银、和0.9重量％的铜，所述铅(Pb)-锡(Sn)合金可包含约38.1重量％的铅和约51.9重量％的锡，所述铟(In)-银(Ag)合金可包含约97重量％的铟和约3重量％的银，所述铟(In)-锡(Sn)合金可包含约52重量％的铟和约48重量％的锡，所述锡(Sn)-锌(Zn)合金可包含约91重量％的锡和约9重量％的锌，所述锡(Sn)-锑(Sb)合金可包含约95重量％的锡和约5重量％的锑，所述锡(Sn)-铟(In)-银(Ag)合金可包含约77.2重量％的锡、约20重量％的铟、和约2.8重量％的银，所述锡(Sn)-铅(Pb)-银(Ag)合金可包含约62.5重量％的锡、约36.1重量％的铅、和约1.4重量％的银，和所述铟(In)-铋(Bi)-锡(Sn)合金可包含约51重量％的铟、约32.5重量％的铋、和约16.5重量％的锡。
在一种实施方式中，所述金属颗粒可进一步包括包覆在所述金属颗粒的表面上的壳，其中所述壳和所述金属颗粒包含彼此不同的材料。
在一种实施方式中，所述第一热处理可在真空环境、发泡气体环境、惰性气体环境或其中混合发泡气体和惰性气体的气体环境下执行。
在一种实施方式中，在所述第一冷却中，温度可以约50℃至200℃/分钟的速率下降。
本发明构思的一种实施方式提供使用金属材料的3D打印方法，所述方法包括在约100℃至约300℃熔融所述金属材料；和层合所述熔融的金属材料，其中，所述金属材料是包含低共熔金属的合金和金属颗粒的混合物，所述合金的熔点是约100℃至约300℃，所述金属颗粒的熔点超过约300℃。
在一种实施方式中，用于熔融所述金属材料的过程可在真空环境、发泡气体环境、惰性气体环境或其中混合发泡气体和惰性气体的气体环境下执行。
在一种实施方式中，所述金属颗粒的大小可为约几纳米至约几百微米。
在一种实施方式中，所述方法可进一步包括包覆在所述金属颗粒的表面上的壳，所述壳和所述金属颗粒包含彼此不同的材料。
在一种实施方式中，所述壳可包含如下的至少一种：银(Ag)、镍(Ni)、铁(Fe)、硅(Si)、钨(W)、钴(Co)、铝(Al)、碳(C)或石墨烯。
在一种实施方式中，所述方法可进一步包括熔融和层合塑料材料，其中所述金属材料和所述塑料材料被用于单个3D打印过程中以形成单个三维结构体。
在一种实施方式中，所述金属颗粒可进一步包括如下的任一种：铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铝(Al)或铂(Pt)。
在一种实施方式中，所述方法可进一步包括包覆在所述金属颗粒的表面上的壳，其中处于包含所述壳中的材料的1重量％以上的状态的所述合金的熔点比处于包含所述金属颗粒中的材料的1重量％以上的状态的所述合金的熔点高。
附图说明
图1是根据本发明构思的一种实施方式的用于3D打印的金属材料的透视图；
图2是用于说明根据本发明构思的一种实施方式的核-壳颗粒的放大图并且与图1中的区域A对应；
图3是用于说明根据本发明构思的一种实施方式的用于3D打印的金属材料的制造方法的流程图；
图4是说明使用根据本发明构思的一种实施方式的用于3D打印的金属材料的打印机的图；和
图5和图6是包含锡(Sn)、铋(Bi)、和铜(Cu)的合金和包含锡(Sn)、铋(Bi)和、银(Ag)的合金的相图。
具体实施方式
下面将参考附图更详细地描述本发明构思的示范性实施方式。然而，本发明构思可以不同形式体现且不应被解释成限制于本文阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本公开内容将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明构思的范围。
在本公开内容中，将理解，当一个要素(元件)被称为“在”另外的要素“上”时，其可以直接在所述另外的要素上或者还可以存在中间要素。同样的附图标记始终是指同样的要素。
本文描述的实施方式是参考作为本发明构思的技术构思的说明图的透视图、放大图和/或流程图来描述的。在图中，为了技术内容的有效描述，区域的厚度被放大。图中示出的区域实质上是近似的。这样的区域的形状仅用于说明要素中的具体形式或区域，并且不限制本发明构思的范围。将理解，尽管本文中可使用术语第一、第二、第三等来描述各种要素，但是这些要素不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个要素与另一个要素区分开。本文描述的实施方式也包括其补充实施方式。
本文使用的术语用于描述示范性实施方式且不限制本发明构思。在本说明书中，单数形式也还包括复数形式，除非上下文清楚地另有说明。术语“包括”和/或“包含”当用于本说明书中时不排除存在或增加一个或多个其它要素。
下文中，通过参考附图描述本发明的技术构思的示范性实施方式给出本发明的详细描述。
图1是根据本发明构思的一种实施方式的用于3D打印的金属材料的透视图。图2是用于说明根据本发明构思的一种实施方式的核-壳颗粒的放大图并且与图1中的区域A对应。仅示出用于3D打印的丝状金属材料，但是金属材料的形状不限于此。例如，用于3D打印的金属材料可为粉末或颗粒状的。
参考图1和图2，可提供用于3D打印的丝状金属材料10(下文中称为金属丝)。金属丝10可通过在以下用于3D打印的喷嘴中熔融而被用于打印。该打印方法可被称为熔化沉积造型(熔化沉积成型，fused depositionmodeling)(FDM)方法、材料挤出(ME)方法、材料喷射(MJ)方法、选择性激光烧结(SLS)方法、直接能量沉积(DED)方法、粉末床熔化(PBF)方法、热熔方法等。金属丝10可包括合金12和金属颗粒16。
合金12可包括低共熔金属(或低共熔合金)。所述低共熔金属可具有特定熔点。处于固相的所述低共熔金属的组成可与熔融的低共熔金属的组成相同。合金12的熔点可为约100℃至约300℃。在一种实施方式中，合金12可包含锡(Sn)和铋(Bi)。可控制锡对铋的质量比使得合金12具有约100℃至约300℃的熔点。例如，合金12可包含42.95重量％的锡和57.05重量％的铋。这里，所述锡-铋合金的熔点可为约144℃。
在一种实施方式中，合金12可包含锡(Sn)、银(Ag)和铜(Cu)。可控制锡对银对铜的质量比使得合金12具有约100℃至约300℃的熔点。例如，所述锡-银-铜合金可包含95.6重量％的锡、3.5重量％的银、和0.9重量％的铜。这里，所述锡-银-铜合金的熔点可为约220℃。
在一种实施方式中，合金12可包含铟(In)和银(Ag)。可控制铟对银的质量比使得合金12具有约100℃至约300℃的熔点。例如，所述铟-银合金可包含约97重量％的铟和约3重量％的银。这里，所述铟-银合金的熔点可为约146℃。
在一种实施方式中，合金12可包含铅(Pb)和锡(Sn)。可控制铅对锡的质量比使得合金12具有约100℃至约300℃的熔点。例如，所述铅-锡合金可包含约38.1重量％的铅和约51.9重量％的锡。这里，所述铅-锡合金的熔点可为约183℃。
在一种实施方式中，合金12可包含铟(In)和锡(Sn)。可控制铟对锡的质量比使得合金12具有约100℃至约300℃的熔点。例如，所述铟-锡合金可包含约52重量％的铟和约48重量％的锡。这里，所述铟-锡合金的熔点可为约118℃。
在一种实施方式中，合金12可包含锡(Sn)和锌(Zn)。可控制锡对锌的质量比使得合金12具有约100℃至约300℃的熔点。例如，所述锡-锌合金可包含约91重量％的锡和约9重量％的锌。这里，所述锡-锌合金的熔点可为约199℃。
在一种实施方式中，合金12可包含锡(Sn)和锑(Sb)。可控制锡对锑的质量比使得合金12具有约100℃至约300℃的熔点。例如，所述锡-锑合金可包含约95重量％的锡和约5重量％的锑。这里，所述锡-锑合金的熔点可为约235℃。
在一种实施方式中，合金12可包含锡(Sn)、铟(In)和银(Ag)。可控制锡对铟对银的质量比使得合金12具有约100℃至约300℃的熔点。例如，所述锡-铟-银合金可包含约77.2重量％的锡、约20重量％的铟、和约2.8重量％的银。这里，所述锡-铟-银合金的熔点可为约175℃。
在一种实施方式中，合金12可包含锡(Sn)、铅(Pb)和银(Ag)。可控制锡对铅对银的质量比使得合金12具有约100℃至约300℃的熔点。例如，所述锡-铅-银合金可包含约62.5重量％的锡、约36.1重量％的铅、和约1.4重量％的银。这里，所述锡-铅-银合金的熔点可为约179℃。
在一种实施方式中，合金12可包含铟(In)、铋(Bi)、和锡(Sn)。可控制铟对铋对锡的质量比使得合金12具有约300℃或更低的熔点。例如，所述铟-铋-锡合金可包含约51重量％的铟、约32.5重量％的铋、和约16.5重量％的锡。这里，所述铟-铋-锡合金的熔点可为约60℃。
在一种实施方式中，合金12可包括基于镓(Ga)-铟(In)-锡(Sn)的或基于镓(Ga)-铟(In)的低共熔金属。例如，包括基于镓(Ga)-铟(In)-锡(Sn)的低共熔金属或基于镓(Ga)-铟(In)的低共熔金属的合金12的熔点可为约100℃至约300℃。
可在金属丝10内部提供金属颗粒16。在一种实施方式中，金属颗粒16可包括如下的至少一种：铜(Cu)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)或铂(Pt)颗粒。金属颗粒16的熔点可高于合金12的熔点。在一种实施方式中，金属颗粒16的熔点可高于约300℃。例如，铜(Cu)颗粒的熔点可为约1084.9℃，和铝(Al)颗粒的熔点可为约660.3℃。
在一种实施方式中，可在金属颗粒16的表面上提供壳14。壳14可包覆在金属颗粒16的表面上。金属颗粒16和壳14可形成核-壳结构。所述核-壳结构是其中核处于中心并且壳包围核的结构。这里，金属颗粒16可为核。金属颗粒16可包括微粒(微米颗粒)或纳米颗粒。即，金属颗粒16的大小可为约几纳米(nm)至约几百微米(μm)。
壳14可包括单个壳或多个壳。所述多个壳可为包含彼此不同材料的壳。包含在壳14中的材料与包含在金属颗粒16中的材料相比可更少地改变合金12的熔点。例如，当将等质量的铜(Cu)或银(Ag)在锡(Sn)-铋(Bi)-银(Ag)合金中熔融时，当熔融银时锡-铋-银合金的熔点可增加更少。在一种实施方式中，核是铜(Cu)，且壳14可为如下的至少一种：银(Ag)、镍(Ni)、铁(Fe)、硅(Si)、钨(W)、钴(Co)、铝(Al)、碳(C)、碳纳米管(CNT)、C60或石墨烯。在一种实施方式中，核是铝(Al)颗粒，且壳14可为如下的至少一种：银(Ag)、镍(Ni)、铁(Fe)、硅(Si)、钨(W)、钴(Co)、碳(C)、碳纳米管(CNT)、C60或石墨烯。
根据本发明构思的一种实施方式，3D打印机的喷嘴可通过将金属丝10在位于金属颗粒16的熔点和合金12的熔点之间的温度下熔融而将金属丝排出到喷嘴外部。例如，3D打印机的喷嘴可将金属丝10在约100℃至约300℃下熔融和排出。这里，熔融的金属丝10可包含金属颗粒16。排出的金属丝10可被冷却且从而硬化。另外的金属丝10可被熔融，然后被排出到硬化的金属丝10上。可重复以上过程以使用所述金属材料形成三维结构体。
图3是用于说明根据本发明构思的一种实施方式的用于3D打印的金属材料的制造方法的流程图。图5和图6是包含锡(Sn)、铋(Bi)和铜(Cu)的合金和包含锡(Sn)、铋(Bi)和银(Ag)的合金的相图。为了描述的简明起见，可排除与参考图1和图2描述的基本上相同的要素的描述。
参考图3，可将锡(Sn)和铋(Bi)物种提供在腔室的内部S110。在一种实施方式中，可将锡和铋物种以粉末或颗粒形式提供在腔室的内部。在一种实施方式中，腔室的内部可处于真空环境下。在一种实施方式中，腔室的内部可处于发泡气体环境、惰性气体环境或其中混合发泡气体和惰性气体的气体环境下。例如，所述发泡气体可包括氩和氢的混合气体和/或氮和氢的混合气体。例如，所述惰性气体可包括氩气和/或氮气。在真空环境、发泡气体环境、惰性气体环境或其中混合发泡气体和惰性体的气体环境下锡(Sn)和铋(Bi)物种的氧化可被排除或最小化。
锡(Sn)物种和铋(Bi)物种可经历第一热处理以形成第一液体合金(S120)。在一种实施方式中，锡物种和铋物种可在真空环境、发泡气体环境或惰性气体环境下经历第一热处理。锡物种和铋物种可通过第一热处理而被熔融。第一热处理过程可将腔室内部的温度升高至第一热处理温度且然后保持该温度预定时间。在一种实施方式中，可使腔室内部的温度以约5℃/分钟至约50℃/分钟的速率升高以到达第一加热温度。在一种实施方式中，第一热处理温度可高于锡和铋的低共熔点。在一种实施方式中，第一热处理的温度可高于锡的熔点和铋的熔点。例如，第一热处理温度可为约800℃至约1200℃。在一种实施方式中，第一热处理过程可执行至少30分钟。在一种实施方式中，第一热处理过程可在氩气、氮气、氩和(约3％至5％)氢的混合气体和/或氮和(约3％至5％)氢的混合气体的环境下执行。
第一液体合金可经历第一冷却以形成固体合金(S130)。在一种实施方式中，可将第一液体合金自然冷却或可将其骤冷。例如，可通过其中温度以约50℃至约200℃/分钟的速率下降的骤冷使第一液体合金冷却。从而，可形成包含锡(Sn)和铋(bi)的固体合金。该固体合金可具有非晶相或结晶相。该固体合金的熔点可为约300℃或更低。在一种实施方式中，该固体合金的熔点可为约130℃至约230℃。例如，包含42.95重量％的锡和57.05重量％的铋的固体合金的熔点可为约144℃。
所述固体合金可经历第二热处理以形成第二液体合金(S140)。第二热处理可在约300℃下或低于300℃执行。在一种实施方式中，所述包含锡(Sn)物种或铋物种的固体合金可在真空环境、发泡气体环境或惰性气体环境下经历第二热处理。例如，所述惰性气体环境可为氩气环境或氮气环境，和所述发泡气体可包括氩和(约3％至5％)氢的混合气体或氮和(约3％至5％)氢的混合气体。在一种实施方式中，第二热处理温度可为约100℃至约300℃。例如，第二热处理的温度可为约144℃至约194℃。所述固体合金可通过第二热处理过程熔融。
可将第二液体合金与金属颗粒混合以形成合金-颗粒混合物(S150)。在一种实施方式中，所述金属颗粒可为如下的至少一种：铜(Cu)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)或铂(Pt)颗粒。所述金属颗粒可被壳包围。在一种实施方式中，所述壳可包含银(Ag)、镍(Ni)、铁(Fe)、硅(Si)、钨(W)、钴(Co)、铝(Al)(即，除了当所述金属颗粒是铝(Al)时)、碳(C)、碳纳米管(CNT)、C60或石墨烯。在一种实施方式中，合金-颗粒混合物可包含约5重量％至约90wt％的所述金属颗粒。可添加所述金属颗粒以增加用于3D打印的金属材料的导电性。
所述合金-颗粒混合物的粘度可大于第二液体合金的粘度。例如，包含42.95重量％的锡和57.05重量％的铋的第二液体合金的粘度可为约10cP。这里，第二液体合金可通过在约150℃下熔融包含42.95重量％的锡和57.05重量％的铋的固体合金获得。通过混合第二液体合金与20重量％的经银(Ag)包覆的铜(Cu)颗粒获得的合金-颗粒混合物的粘度可为约4000cP。例如，可将具有约5微米(μm)大小的铜颗粒用具有约几至约几百纳米(nm)厚度的银包覆。这里，所述铜颗粒的形状可为薄片状的。在一种实施方式中，所述合金-颗粒混合物和第二液体合金可在基本上相同的温度下转变成固体。即，处于固相的所述合金-颗粒混合物的熔点可与所述固体合金的熔点基本上相同。
可参考图5和图6描述核-壳的效果。在一种实施方式中，可将参考图3描述的锡(Sn)-铋(Bi)第二液体合金与铜(Cu)颗粒混合。第二液体合金可包含42.95重量％的锡和57.05重量％的铋。第二液体合金的熔点可为约144℃。铜(Cu)颗粒的一部分可在第二热处理过程中被熔融，从而可形成锡(Sn)-铋(Bi)-铜(Cu)合金。当铜(Cu)的重量百分比是约0.4重量％时，所述(Sn)-铋(Bi)-铜(Cu)合金的熔点可为约300℃。所述铜(Cu)颗粒可被银(Ag)壳包围。银(Ag)的一部分而不是铜(Cu)可被熔融，从而可形成锡(Sn)-铋(Bi)-银(Ag)合金。当银的重量百分比是约6.5重量％时，所述锡(Sn)-铋(Bi)-银(Ag)合金的熔点可为约300℃。因而，当使相同质量的铜(Cu)和银(Ag)熔融时，在其中使银(Ag)熔融的状态下，所述合金的熔点可增加更少。
所述合金-颗粒混合物可经历第二冷却，且然后被处理以形成用于3D打印的金属材料S160。在一种实施方式中，所述用于3D打印的金属材料可为丝状的、颗粒状的或粉末状的。所述用于3D打印的金属材料可在约300℃下或低于300℃熔融。在一种实施方式中，所述用于3D打印的金属材料可在约100℃至约300℃下熔融。例如，所述用于3D打印的金属材料可在约144℃至约194℃下熔融。
根据本发明构思的一种实施方式，所述用于3D打印的金属材料可与塑料材料(例如，聚乳酸(PLA)或丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))一起在3D打印过程中使用。这里，3D打印过程可为熔融层合法(熔化沉积造型(FDM)或热熔法)。因而，可将所述用于3D打印的金属材料和塑料材料交替地或同时地熔融排出以形成单个三维结构体。例如，可将根据本发明构思的实施方式的用于3D打印的金属材料熔融层合在塑料三维结构体上。这里，包含在所述用于3D打印的金属材料中的热量可未高到足以熔融所述塑料三维结构体。因此，所述用于3D打印的金属材料可与塑料材料一起被熔融层合以形成单个三维结构体。由于根据本发明构思的实施方式的用于3D打印的金属材料可与塑料材料一起被3D打印，因此生产产品所需的时间减少。而且，由于不需要用于3D打印的金属的二次处理，因此可实现时间和成本减少的效果。
根据一种实施方式，可将在参考图3描述的用于制造用于3D打印的金属材料的方法中使用的锡(Sn)和铋(Bi)物种可用铟(In)和银(Ag)物种替代。在一种实施方式中，第一热处理的温度可高于铟和银的低共熔温度。在一种实施方式中，第一热处理的温度可高于铟(In)的熔点和银(Ag)的熔点。例如，第一热处理的温度可为至少约962℃，约962℃是银(Ag)的熔点，银(Ag)具有比铟(In)高的熔点。第二热处理的温度可为至多约300℃。在一种实施方式中，第二热处理的温度可为约100℃至约300℃。例如，当固体合金包含约97重量％的铟(In)和约3重量％的银(Ag)时，第二热处理的温度可为约144℃至约250℃。因此，可提供能够在约100℃至约300℃下熔融层合的用于3D打印的金属材料。根据本发明构思的一种实施方式，所述用于3D打印的金属材料可与塑料材料一起在单个3D打印过程中使用。这里，3D打印过程可为熔融层合法(FDM法或热熔法)。
在一种实施方式中，可将在参考图3描述的用于制造用于3D打印的金属材料的方法中使用的锡(Sn)和铋(Bi)物种用锡(Sn)、银(Ag)和铜(Cu)物种替代。在一种实施方式中，第一热处理的温度可以高于锡、银和铜的低共熔温度。在一种实施方式中，第一热处理的温度可高于锡(Sn)的熔点、银(Ag)的熔点和铜(Cu)的熔点。例如，第一热处理的温度可为至少约1084.6℃，约1084.6℃是铜(Cu)的熔点，铜(Cu)具有比锡(Sn)和银(Ag)高的熔点。第二热处理的温度可为至多约300℃。在一种实施方式中，第二热处理的温度可为约100℃至约300℃。例如，当固体合金包含约95.6重量％的锡(Sn)、约3.5重量％的银(Ag)和约0.9重量％的铜时，第二热处理的温度可为约220℃至约270℃。因此，可提供能够在约100℃至约300℃下熔融层合的用于3D打印的金属材料。根据本发明构思的一种实施方式，所述用于3D打印的金属材料可与塑料材料一起在单个3D打印过程中使用。这里，3D打印过程可为熔融层合法(FDM法或热熔法)。
在一种实施方式中，可将在参考图3描述的用于制造用于3D打印的金属材料的方法中使用的锡(Sn)和铋(Bi)物种用铅(Bb)和锡(Sn)物种替代。在一种实施方式中，第一热处理的温度可高于铅和锡的低共熔温度。在一种实施方式中，第一热处理的温度可高于铅(Pb)的熔点和锡(Sn)的熔点。因此，第一热处理的温度可为至少约327.5℃，约327.5℃是铅(Pb)的熔点，铅(Pb)具有比锡(Sn)高的熔点。第二热处理的温度可为至多约300℃。在一种实施方式中，第二热处理的温度可为约100℃至约300℃。例如，当固体合金包含约38.1重量％的铅(Pb)和约51.9重量％的锡(Sn)时，第二热处理的温度可为约183℃至约233℃。因此，可提供能够在约100℃至约300℃下熔融层合的用于3D打印的金属材料。根据本发明构思的一种实施方式，所述用于3D打印的金属材料可与塑料材料一起在单个3D打印过程中使用。这里，3D打印过程可为熔融层合法(FDM法或热熔法)。
下文中，给出根据本发明构思的一种实施方式的用于3D打印的丝状金属材料的打印方法以及3D打印机的结构的描述。
图4是说明使用根据本发明构思的一种实施方式的用于3D打印的金属材料的打印机的图。示出了其中用于3D打印的金属材料是丝的情况，但是该情况仅仅是示范性的。在另一实施方式中，用于3D打印的金属材料可为粉末形式。为了描述的简明起见，排除了与参考图1至3、5和6给出的描述基本上相同的描述。
参考图4，可提供支撑基板100。支撑基板100可提供在其上层合金属材料的区域。所述金属材料与参考图1和图2描述的用于3D打印的金属材料基本上相同。根据本发明构思的实施方式的金属材料可通过熔融层合法(FDM或热熔法)层合。支撑基板100可在与支撑基板100的顶面平行的方向上移动。支撑基板100的移动可由控制部500控制。可在支撑基板100上提供基座(或加热/冷却板)110。基座110可提供在其上层合金属材料的区域。
可提供与基座110的顶面间隔开的金属材料排出喷嘴210、塑料材料排出喷嘴310和加热部220。喷嘴210和310可从加热部220的底部朝基座110的顶面突出。在一种实施方式中，喷嘴210和310以及加热部220可包含非金属材料。例如，喷嘴210和310以及加热部220可包含陶瓷、特氟隆、玻璃、石英或具有阳极化表面的铝。金属材料排出喷嘴210可将根据本发明构思的实施方式的金属材料排出在基座110的顶面上。塑料材料排出喷嘴310可将塑料材料排出在基座110的顶面上。喷嘴210和310以及加热部220可一起在与支撑基板100的顶面平行的方向上和在与支撑基板100的顶面垂直的方向上移动。喷嘴210和310以及加热部220的移动由控制部500控制。
加热部220可加热金属材料丝230和塑料材料(例如聚乳酸(PLA)或丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))丝320。在一种实施方式中，加热部220可将丝230和320加热到相同温度。在另一实施方式中，加热部220可将丝230和320加热到彼此不同的温度。丝230和320可通过加热部220而被熔融。加热部220的温度可为约100℃至约300℃。在一种实施方式中，金属材料丝230可包含锡(Sn)-铋(Bi)合金。这里，加热部220的温度可为约144℃至约300℃。在一种实施方式中，金属材料丝230可包含锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金。这里，加热部220的温度可为约220℃至约300℃。在一种实施方式中，金属材料丝230可包含铟(In)-银(Ag)合金。这里，加热部220的温度可为约144℃至约250℃。在一种实施方式中，金属材料丝230可包含铅(Pb)-锡(Sn)合金。这里，加热部220的温度可为约183℃至约300℃。在一种实施方式中，喷嘴210和310和/或加热部220的内部可在真空环境下。在一种实施方式中，喷嘴210和310和/或加热部220的内部可在发泡气体环境和/或惰性气体环境下。
可提供将丝230和320供应到喷嘴210和310的供应部400。供应部400可包括混合金属材料供应部410和塑料材料供应部420。供应部400不限制混合金属材料供应部410和塑料材料供应部420的位置。在一种实施方式中，混合金属材料供应部410和塑料材料供应部420可为丝卷轴。丝状金属材料和塑料材料可分别从供应部410和420提供到喷嘴210和310。丝230和320可通过加热部220而被熔融。熔融的材料可通过喷嘴210和310排出到基座110的顶面且然后硬化。
通常，由于金属的熔点和塑料的熔点之间的差别大，单个三维结构体不能通过单个熔融层合过程形成。例如，当铜(Cu)或铝(Al)材料被熔融且然后层合在塑料结构体上时，所述塑料结构体可由于来自铜或铝的热而变形。
根据本发明构思的一种实施方式，金属材料丝230可与塑料材料丝320一起在单个3D打印过程中使用。这里，3D打印过程可为熔融层合法(FDM法或热熔法)。因而，可将金属材料丝230和塑料材料丝320交替地或同时地熔融排出以形成单个三维结构体。例如，根据本发明构思的实施方式的金属材料丝230可被熔融层合在塑料三维结构体上。这里，所述金属材料中的热量可未高到足以熔融所述塑料三维结构体。因此，用于3D打印的金属材料可与塑料材料一起被熔融层合以形成单个三维结构体。由于根据本发明构思的实施方式的用于3D打印的金属材料可与塑料材料一起被3D打印，因此生产产品所需的时间可减少。而且，由于不需要3D打印的金属的二次处理，可实现时间和成本减少的效果。
根据本发明构思的一种实施方式，可提供用于3D打印的金属材料，该金属材料具有约100℃至约300℃的熔点。因此，所述金属材料可与塑料材料一起熔融层合。
根据本发明构思的一种实施方式，可提供用于3D打印的金属材料，其中在所述金属材料中混合具有核-壳结构的金属颗粒和低共熔金属。因此，所述金属材料可为导电性的，并且其熔点的变化可为小的，即使当添加了所述金属颗粒时也是如此。
然而，本发明构思的实施方式的效果不限于以上。
本发明的技术构思的示范性实施方式的以上描述提供用于描述本发明的技术构思的实例。因此，理解，本发明不应限于这些示范性实施方式，而是在本发明的精神的范围内，本领域普通技术人员显然可以进行各种改变和变型。

Claims (20)

1.一种用于3D打印的金属材料，该金属材料包括：
包括低共熔金属的合金；和
金属颗粒，
其中所述合金的熔点是100℃至300℃，和所述金属颗粒的熔点超过300℃。
2.如权利要求1所述的金属材料，其中所述低共熔金属是如下的任一种：锡(Sn)-铋(Bi)合金、锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金、铅(Pb)-锡(Sn)合金、铟(In)-银(Ag)合金、铟(In)-锡(Sn)合金、锡(Sn)-锌(Zn)合金、锡(Sn)-锑(Sb)合金、锡(Sn)-铟(In)-银(Ag)合金、锡(Sn)-铅(Pb)-银(Ag)合金或铟(In)-铋(Bi)-锡(Sn)合金。
3.如权利要求2所述的金属材料，其中所述锡(Sn)-铋(Bi)合金包含42.95重量％的锡和57.05重量％的铋，所述锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金包含95.6重量％的锡、3.5重量％的银和0.9重量％的铜，所述铅(Pb)-锡(Sn)合金包含38.1重量％的铅和51.9重量％的锡，所述铟(In)-银(Ag)合金包含97重量％的铟和3重量％的银，所述铟(In)-锡(Sn)合金包含52重量％的铟和48重量％的锡，所述锡(Sn)-锌(Zn)合金包含91重量％的锡和9重量％的锌，所述锡(Sn)-锑(Sb)合金包含95重量％的锡和5重量％的锑，所述锡(Sn)-铟(In)-银(Ag)合金包含77.2重量％的锡、20重量％的铟和2.8重量％的银，所述锡(Sn)-铅(Pb)-银(Ag)合金包含62.5重量％的锡、36.1重量％的铅和1.4重量％的银，和所述铟(In)-铋(Bi)-锡(Sn)合金包含51重量％的铟、32.5重量％的铋和16.5重量％的锡。
4.如权利要求1所述的金属材料，其中所述金属颗粒的大小是几纳米至几百微米。
5.如权利要求1所述的金属材料，其中所述金属颗粒包含如下的任一种：铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铝(Al)或铂(Pt)。
6.如权利要求1所述的金属材料，其进一步包括包覆在所述金属颗粒的表面上的壳，其中所述壳和所述金属颗粒包含彼此不同的材料。
7.如权利要求6所述的金属材料，其中包含在所述壳中的材料与包含在所述金属颗粒中的材料相比更少改变所述合金的熔点。
8.如权利要求6所述的金属材料，其中所述壳中的材料包括如下的至少一种：银(Ag)、镍(Ni)、铁(Fe)、硅(Si)、钨(W)、钴(Co)、铝(Al)、碳(C)或石墨烯。
9.一种用于制造用于3D打印的金属材料的方法，所述方法包括：
通过低共熔金属物种的第一热处理而形成第一液体合金；
通过所述液体合金的第一冷却而形成固体合体；
通过所述固体合金的第二热处理而形成第二液体合金；
通过使金属颗粒与所述第二液体合金混合而形成合金-颗粒混合物；和
通过所述合金-颗粒混合物的第二冷却而形成用于三维(3D)打印的金属材料，
其中所述第一热处理的温度比所述低共熔金属物种的低共熔点高，和所述第二热处理的温度是100℃至300℃。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述固体合金是如下的任一种：锡(Sn)-铋(Bi)合金、锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金、铅(Pb)-锡(Sn)合金、铟(In)-银(Ag)合金、铟(In)-锡(Sn)合金、锡(Sn)-锌(Zn)合金、锡(Sn)-锑(Sb)合金、锡(Sn)-铟(In)-银(Ag)合金、锡(Sn)-铅(Pb)-银(Ag)合金或铟(In)-铋(Bi)-锡(Sn)合金。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述锡(Sn)-铋(Bi)合金包含42.95重量％的锡和57.05重量％的铋，所述锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu)合金包含95.6重量％的锡、3.5重量％的银和0.9重量％的铜，所述铅(Pb)-锡(Sn)合金包含38.1重量％的铅和51.9重量％的锡，所述铟(In)-银(Ag)合金包含97重量％的铟和3重量％的银，所述铟(In)-锡(Sn)合金包含52重量％的铟和48重量％的锡，所述锡(Sn)-锌(Zn)合金包含91重量％的锡和9重量％的锌，所述锡(Sn)-锑(Sb)合金包含95重量％的锡和5重量％的锑，所述锡(Sn)-铟(In)-银(Ag)合金包含77.2重量％的锡、20重量％的铟和2.8重量％的银，所述锡(Sn)-铅(Pb)-银(Ag)合金包含62.5重量％的锡、36.1重量％的铅和1.4重量％的银，和所述铟(In)-铋(Bi)-锡(Sn)合金包含51重量％的铟、32.5重量％的铋和16.5重量％的锡。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述金属颗粒进一步包括包覆在所述金属颗粒的表面上的壳，其中所述壳和所述金属颗粒包含彼此不同的材料。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述第一热处理在真空环境、发泡气体环境、惰性气体环境或其中混合发泡气体和惰性气体的气体环境下执行。
14.如权利要求9所述的方法，其中在所述第一冷却中，温度以50℃至200℃/分钟的速率下降。
15.一种使用金属材料的3D打印方法，所述方法包括：
在100℃至300℃下熔融所述金属材料，和
层合所述熔融的金属材料，
其中所述金属材料是包含低共熔金属的合金和金属颗粒的混合物，所述合金的熔点是100℃至300℃，和所述金属颗粒的熔点超过300℃。
16.如权利要求15所述的方法，其中用于熔融所述金属材料的过程在真空环境、发泡气体环境、惰性气体环境或其中混合发泡气体和惰性气体的气体环境下执行。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述金属颗粒的大小是几纳米至几百微米。
18.如权利要求15所述的方法，其进一步包括包覆在所述金属颗粒的表面上的壳，其中所述壳和所述金属颗粒包含彼此不同的材料。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述壳包含如下的至少一种：银(Ag)、镍(Ni)、铁(Fe)、硅(Si)、钨(W)、钴(Co)、铝(Al)、碳(C)或石墨烯。
20.如权利要求15所述的方法，其进一步包括熔融和层合塑料材料，其中所述金属材料和所述塑料材料被用于单个3D打印过程中以形成单个三维结构体。
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