CN108698160B - 用于制造部件的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造系统和制造部件的方法。负极粉末形成适于将正极粉末的颗粒保持在彼此附近的保持器。当使用时，诸如加热、使用压力和/或粘合剂的连接方案将颗粒彼此连接以形成部件。

Description

用于制造部件的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月3日提交的美国临时专利申请No.62/290,533，2016年7月1日提交的美国临时专利申请No.62/357,465，2016年8月26日提交的美国临时专利申请No.62/379,808和2016年9月28日提交的美国临时专利申请No.62/400,944的优先权，其每一个通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及用于制造部件的系统和方法。

背景技术

使用计算机数字控制(CNC)系统制造三维部件已经变得很普遍。现有技术中的固体自由成形制造(SFF)方法涵盖许多技术，包括立体光刻、3D打印、选择性激光烧结、直接金属沉积、电子束熔化和微等离子体粉末沉积。基于热塑性的SFF技术使设计人员能够在早期阶段使用三维模型验证产品设计，但无法制造高强度的最终产品。原则上，基于金属的SFF技术允许直接根据计算机辅助设计(CAD)模型快速制造结构上合理的，尺寸精确的金属部件。基于激光的SFF技术(例如DMD和SLS)高度依赖于特定的工艺参数以实现结构上合理的部件。这些工艺参数特定于金属粉末的组成、形态和材料性质，以及用于固结粉末的激光束的特性。选择性激光烧结(SLS)和直接金属沉积(DMD)是三维增材制造系统的实例，其中使用高功率激光用于将诸如金属粉末或陶瓷/金属复合粉末的组分或颗粒彼此熔合，作为构建宏观部件的手段。要熔化的这些组分或颗粒可以位于致密颗粒床中，如在SLS中那样，或者可以夹带在气流中并熔化在正在制造的部件表面上的熔池中，如在DMD中那样。然而，在SLS和DMD技术中，包含粉末材料的整个未熔融组分或颗粒被高强度激光束无差别地加热。在某些应用中，例如当粉末材料包括陶瓷组件时，激光可能导致陶瓷部件的热分解，导致宏观部件的物理特性的下降。

增材制造(AM)是一种制造工艺，其中通过将小的单个组分熔合在一起来制造复杂的部件，以产生大的宏观部件。通常，小的单个组分是特定材料的粉末中的颗粒。例如，在粉末床AM系统中，通常通过粉末床中颗粒的逐层固结来制造复杂部件。这种固结可以通过向颗粒输入能量来实现，这使得颗粒加热，烧结和/或熔化在一起或以其他方式彼此连接以形成致密的固体。可以通过使用激光、电子束或通过将材料暴露于高频磁场来将能量输送到颗粒。

在常规粉末床AM中，每层粉末依次固结以形成复杂部件。较早的层保持沉积的后续层。在制造过程中，最顶层松散粉末的颗粒熔合到母体部分(即基底或较早层)和相邻的松散颗粒。这是通过使用空间紧凑的能量源(例如激光，电子束，高频磁场等)来实现，以由三维(3D)部件的二维横截面限定的特定图案局部地巩固颗粒。

发明内容

本发明提供了一种制造系统，包括保持器和连接方案，所述保持器适于将第一粉末的第一颗粒保持在彼此附近，当使用所述连接方案时，将所述颗粒彼此连接以形成部件。

所述制造系统还可包括沉积系统。沉积系统包括：用于第一粉末的第一料斗，所述第一粉末具有第一材料的第一颗粒；第一喷嘴，所述第一粉末从所述第一喷嘴流出所述第一料斗以形成第一体积；用于第二粉末的第二料斗，所述第二粉末具有第二材料的第二颗粒；第二喷嘴，所述第二粉末从所述第二喷嘴流出所述第二料斗以形成与所述第一体积接触的第二体积，所述第一体积和所述第二体积之间具有界面，所述第二颗粒形成适于将第一颗粒保持在彼此附近的保持器的至少一部分；以及连接方案，当使用时，所述连接方案将所述第一颗粒彼此连接，其中所述第一材料是正极材料，所述第二材料是负极材料，使得所述正极材料相对于将所述第二颗粒彼此连接的所述负极材料优先将所述第一颗粒彼此连接，所述正极材料形成所述部件，所述部件的边缘由所述界面限定。

所述制造系统还可以包括，所述连接方案包括加热器，并且通过加热所述颗粒以使所述颗粒固结来连接所述颗粒。

所述制造系统还可以包括，所述加热器是感应加热器、激光加热器、高强度光加热器、辐射加热器或电子束加热器。

所述制造系统还可以包括，所述加热器是感应加热器，通过使用感应加热并通过调节感应频率以优先于所述第二颗粒加热所述第一颗粒而选择性地加热所述颗粒。

所述制造系统还可以包括，所述感应加热器使用脉冲工作循环以优先于所述第二颗粒加热所述第一颗粒。

所述制造系统还可以包括，所述沉积系统可包括：支撑结构；打印头，所述第一粉末和所述第二粉末通过所述打印头沉积；打印头致动器；计算机，所述计算机可编程以使所述打印头致动器动作，所述打印头致动器使所述第一喷嘴和所述第二喷嘴相对于所述支撑结构移动以在彼此上沉积多个层，其中至少第一层包括所述第一材料的一部分和所述第二材料的一部分，并且至少第二层包括所述第一材料的一部分和所述第二材料的一部分，其中所述第二层的所述第一材料与所述第一层的所述第一材料接触，所述连接方案将所述第二层的所述第一材料的颗粒连接到所述第一层的所述第一材料；和连接方案，当使用时，所述连接方案将所述第二层的所述第一材料的颗粒连接到所述第一层的所述第一材料。

所述制造系统还可以包括，所述打印头致动器可编程以使所述第一喷嘴和所述第二喷嘴相对于所述支撑结构移动，以将所述第二体积沉积在所述第一体积内。

所述制造系统还可以包括，所述打印头致动器可编程以使所述第一喷嘴和所述第二喷嘴相对于所述支撑结构移动，由此所述第一体积完全包围所述第二体积。

所述制造系统还可以包括，所述打印头致动器可编程以使所述第一喷嘴和所述第二喷嘴相对于所述支撑结构移动，使得所述第一层和所述第二层具有不同的厚度。

所述制造系统还可以包括加热器，所述加热器定位为在将所述第二层沉积在所述第一层上之前，加热所述第一层以固结所述第一层的所述第一材料的颗粒，和在将所述第二层沉积在所述第一层上之后，加热所述第二层以固结所述第二层的所述第一材料的颗粒。

所述制造系统还可以包括加热器，所述加热器定位为同时加热所述第一层和所述第二层，以固结所述第一层和所述第二层的所述第一材料的颗粒。

所述制造系统还可以包括加工所述部件的加工装置。

所述制造系统还可以包括，所述部件是具有结构完整性的成形坯部件，还包括用于热处理所述成形坯部件以形成热处理部件的加热器。

所述制造系统还可以包括，所述沉积系统可包括：打印头，所述第一粉末和所述第二粉末通过所述打印头沉积；打印头致动器；和计算机，所述计算机可编程以使所述打印头致动器动作，所述打印头致动器使所述打印头相对于所述支撑结构移动以通过所述第一喷嘴沉积所述第一材料。

所述制造系统还可以包括，所述第二粉末是通过所述打印头沉积的。

所述制造系统还可以包括，所述第一粉末和所述第二粉末通过所述打印头同时沉积在所述基材上。

所述制造系统还可以包括：挡板，所述挡板安装为从第一位置移动到第二位置；和连接到所述挡板的挡板致动器，其中所述计算机可编程以使所述挡板致动器移动所述挡板，使得在所述挡板处于所述第一位置时所述挡板分配所述第一粉末而不分配所述第二粉末，并且在所述挡板处于所述第二位置时所述挡板分配所述第二粉末而不分配所述第一粉末。

所述制造系统还可以包括，所述计算机可编程以致动所述打印头致动器和所述挡板致动器，使得：(1)相对于所述打印头将所述挡板从第一位置移动到第二位置，以关闭由所述挡板限定的分配孔，使得当所述挡板从所述第一位置移动到所述第二位置时，有限质量的第一粉末保留在所述挡板的孔中和所述基材上的位置处，和(2)在同时的协调运动中移动所述挡板时移动所述打印头以将所述有限质量的粉末保持在所述基材上的所述位置处。

所述制造系统还可以包括振动传感器，当所述振动传感器被激活时，部分或完全流化所述第一粉末。

所述制造系统还可以包括流量传感器，所述流量传感器定位为监控所述第一粉末的流动。

所述制造系统还可以包括，所述流量传感器是谐振电路，所述谐振电路以与所述第一粉末耦合的频率谐振。

所述制造系统还可以包括，所述计算机可编程以设定频率极限，其中设定所述流量传感器的频率极限的下限，使得所述第一粉末中的所述第一颗粒的直径大于所述材料的趋肤深度的4至6倍。

所述制造系统还可以包括，所述计算机测量所述谐振电路的阻抗，以测量通过所述第一粉末的所述粉末的流动特性。

所述制造系统还可以包括，所述负极材料包括钨、锆石、碳化硅、氧化铝、WC或铬铁矿。

所述制造系统还可以包括，所述正极材料包括铁、铜、铝、钛或陶瓷。

所述制造系统还可以包括，所述第一粉末和所述第二粉末同时沉积，在所述粉末之间所述粉末相遇处具有界面。

所述制造系统还可以包括，所述连接方案可包括适于将所述第一粉末和所述第二粉末定位的模具，和适于产生压力以增加所述第一粉末在所述压力下的密度的加压装置。

所述制造系统还可以包括，所述连接方案可包括包含在所述第一粉末中的粘合剂。

所述制造系统还可以包括，所述连接方案可包括压力加热器以提高所述模具的温度。

所述制造系统还可以包括：支撑结构；用于保持第一粉末的第一粉末料斗；打印头，所述打印头具有第一喷嘴以将所述第一粉末从所述第一粉末料斗引导到基材上，所述打印头具有下表面，所述下表面足够靠近所述基材以使粉末流出所述第一喷嘴并当所述打印头下方没有空间时停止流出所述第一喷嘴；打印头致动器；和计算机，所述计算机可编程以使所述打印头致动器动作，以所述打印头致动器使所述打印头相对于所述支撑结构移动，使所述粉末继续流出所述第一喷嘴。

所述制造系统还可以包括调节所述第一粉末通过所述第一喷嘴的流量。

所述制造系统还可以包括进料管，所述第一粉末通过所述进料管被引导进入所述第一粉末料斗，所述第一粉末料斗形成第一粉末蓄积器，所述第一粉末在所述第一粉末蓄积器内积聚，直到所述第一粉末在所述进料管的口上形成塞子，所述塞子防止更多的所述第一粉末进入所述第一粉末蓄积器，直到所述第一粉末蓄积器中的所述第一粉末水平已经下降。

所述制造系统还可以包括，所述第一颗粒是第一材料的，并且连接所述第一颗粒将在所述第一材料内留下空隙，还包括：第一保持结构，所述第一保持结构适于在第一体积内将所述第一粉末的第一颗粒保持在彼此附近，其中所述第一颗粒是第一材料的，并且连接所述第一颗粒将在所述第一材料内留下空隙；第二保持结构，所述第二保持结构将渗透材料保持在第二体积内；和渗透系统，所述渗透系统将所述渗透材料引入所述空隙中，使得所述第二材料渗透进入所述第一材料。

所述制造系统还可以包括，所述沉积系统可包括加热器，所述加热器定位成加热所述第一颗粒以将所述第一颗粒彼此连接。

所述制造系统还可以包括通道，所述通道的横截面小于所述第二体积，用于连接所述第一体积和所述第二体积，以引导所述渗透材料从所述第二体积通过所述通道进入所述第一体积。

所述制造系统还可以包括加热器，所述加热器定位成加热所述渗透材料，使得所述渗透材料熔化并流入所述第一材料。

所述制造系统还可以包括加热器，所述加热器定位成将所述第一颗粒加热至第一温度以烧结所述第一颗粒，将所述第一颗粒彼此连接，并将所述渗透材料加热至高于所述第一温度的第二温度，使得所述渗透材料熔化并流入所述第一材料。

所述制造系统还可以包括用负极材料形成的保持器以限定所述第一体积和所述第二体积，在渗透后从所述第一材料中除去所述负极材料。

所述制造系统还可以包括部件制造装置、加工装置和计算机。所述计算机可包括：处理器；与所述处理器连接的计算机可读介质；和所述计算机可读介质上的一组指令。所述一组指令可以包括：CAD模型存储模块，用于存储具有所述部件的细节的原始CAD模型；CAD模型修改模块，用于通过消除原始CAD模型中的所述部件的精细细节来修改所述原始CAD模型，以成为制造目标模型；用于所述部件制造装置实施的目标制造模块，所述目标制造模块在将第一粉末的第一颗粒彼此连接以形成成形坯部件之前根据所述制造目标模型形成并保持第一粉末的形状；和用于所述加工装置的加工模块，所述加工模块将所述成形坯部件加工成所述原始CAD模型的细节，以形成所述部件。

所述制造系统还可以包括：打印头；工具路径模块，用于基于所述制造目标模型开发工具路径，所述目标制造模块使得所述打印头基于所述工具路径相对于基材移动，所述打印头根据制造目标形成形状。

本发明还提供一种制造方法，包括在第一体积内将所述第一粉末的第一颗粒保持在彼此附近，和使所述颗粒彼此连接以形成部件。

所述制造方法还可以包括：形成第一体积的第一粉末，其与第二体积的第二粉末接触，所述第一粉末具有第一材料的第一颗粒，所述第二粉末具有第二料的第二颗粒，在所述第一体积和所述第二体积之间具有界面；和采用连接方案将所述颗粒彼此连接，其中所述第一材料是正极材料，所述第二材料是负极材料，使得所述正极材料相对于将所述第二颗粒彼此连接的负极材料优先将所述第一颗粒彼此连接，所述正极材料形成所述部件，所述部件的边缘由所述界面限定。

所述制造方法还可以包括，通过加热所述颗粒以使所述颗粒固结来连接所述颗粒。

所述制造方法还可以包括，使用感应加热、激光加热、高强度光加热、辐射加热或电子束加热来加热所述颗粒。

所述制造方法还可以包括，通过使用感应加热并通过调节感应频率以优先于所述第二颗粒加热所述第一颗粒而选择性地加热所述颗粒。

所述制造方法还可以包括，所述感应加热器使用脉冲工作循环以优先于所述第二颗粒加热所述第一颗粒。

所述制造方法还可以包括，在彼此上沉积多个层，其中至少第一层包括所述第一材料的一部分和所述第二材料的一部分，并且至少第二层包括所述第一材料的一部分和所述第二材料的一部分，其中所述第二层的所述第一材料与所述第一层的所述第一材料接触；和将所述第二层的所述第一材料的颗粒连接到所述第一层的所述第一材料。

所述制造方法还可以包括，所述第二体积位于所述第一体积内。

所述制造方法还可以包括，所述第一体积完全包围所述第二体积。

所述制造方法还可以包括，所述第一层和所述第二层具有不同的厚度。

所述制造方法还可以包括在将所述第二层沉积在所述第一层上之前加热所述第一层以固结所述第一层的所述第一材料的颗粒，和在所述第二层沉积在所述第一层上之后，加热所述第二层以固结所述第二层的所述第一材料的颗粒。

所述制造方法还可以包括同时加热所述第一层和所述第二层，以固结所述第一层和所述第二层的所述第一材料的颗粒。

所述制造方法还可以包括对所述部件进行加工。

所述制造方法还可以包括，所述部件是具有结构完整性的成形坯部件，还包括热处理所述成形坯部件以形成热处理部件。

所述制造方法还可以包括，通过以下方式沉积所述第一粉末：将所述第一粉末保持在第一粉末料斗中；将来自所述第一粉末料斗的所述第一粉末通过打印头的第一喷嘴引导到基材上；和使所述打印头相对于所述基材移动。

所述制造方法还可以包括，通过以下方式沉积第二粉末：将所述第二粉末保持在第二粉末料斗中；和将所述第二粉末料斗的所述第二粉末通过所述打印头的第二喷嘴引导到所述基材上。

所述制造方法还可以包括，所述第一粉末和所述第二粉末同时沉积在所述基材上。

所述制造方法还可以包括将挡板从第一位置移动到第二位置，其中在所述挡板处于所述第一位置时所述挡板分配所述第一粉末而不分配所述第二粉末，并且在所述挡板处于所述第二位置时所述挡板分配所述第二粉末而不分配所述第一粉末。

所述制造方法还可以包括：相对于所述打印头将所述挡板从第一位置移动到第二位置，以关闭由所述挡板限定的分配孔，使得当所述挡板从所述第一位置移动到所述第二位置时，有限质量的第一粉末保留在所述挡板的孔中和所述基材上的位置处；和在同时的协调运动中移动所述挡板时移动所述打印头以将所述有限质量的粉末保持在所述基材上的所述位置处。

所述制造方法还可以包括激活振动传感器以使所述第一粉末部分或完全流化。

所述制造方法还可以包括利用流量传感器监控所述第一粉末的流动。

所述制造方法还可以包括，所述流量传感器是谐振电路，所述谐振电路以与所述第一粉末耦合的频率谐振。

所述制造方法还可以包括设定频率极限，其中设定所述流量传感器的频率极限的下限，使得所述第一粉末中的所述第一颗粒的直径大于所述材料的趋肤深度的4至6倍。

所述制造方法还可以包括测量谐振电路的阻抗以测量通过所述第一粉末的所述粉末的流动特性。

所述制造方法还可以包括，所述负极材料包括钨、锆石、碳化硅、氧化铝、WC或铬铁矿。

所述制造方法还可以包括，所述正极材料包括铁、铜、铝、钛或陶瓷。

所述制造方法还可以包括，所述第一粉末和所述第二粉末同时沉积，在所述粉末之间所述粉末相遇处具有界面。

所述制造方法还可以包括，所述连接方案包括：将所述第一粉末和所述第二粉末定位在模具中；和在压力下增加所述第一粉末的密度。

所述制造方法还可以包括，所述连接方案可包括包含在所述第一粉末中的粘合剂。

所述制造方法还可以包括，所述连接方案可包括提高所述模具的温度。

所述制造方法还可以包括，通过以下方式沉积所述第一粉末：将所述第一粉末保持在第一粉末料斗中；将所述第一粉末料斗的所述第一粉末通过打印头的第一喷嘴引导到基材上，所述打印头具有下表面，所述下表面足够靠近所述基材以使粉末流出所述第一喷嘴并当打所述印头下方没有空间时停止流出所述第一喷嘴；和使所述打印头相对于所述基材移动，使所述粉末继续流出所述第一喷嘴。

所述制造方法还可以包括调节装置以调节所述第一粉末通过所述第一喷嘴的流量。

所述制造方法还可以包括引导所述第一粉末通过进料管进入所述第一粉末料斗，所述第一粉末料斗形成第一粉末蓄积器，所述第一粉末在所述第一粉末蓄积器内积聚，直到所述第一粉末在所述进料管的口上形成塞子，所述塞子防止更多的第一粉末进入所述第一粉末蓄积器，直到所述第一粉末蓄积器中的第一粉末水平已经下降。

所述制造方法还可以包括：将所述第一颗粒保持在第一体积内，其中所述第一颗粒是第一材料的，并且连接所述第一颗粒将在所述第一材料内留下空隙；将第二材料保持在第二体积内；和将所述第二材料引入所述空隙中，使得所述第二材料渗透所述第一材料。

所述制造方法还可以包括，通过加热所述第一颗粒以烧结所述第一颗粒，使所述第一颗粒彼此连接。

所述制造方法还可以包括引导所述渗透材料从所述第二体积通过通道进入所述第一体积，所述通道具有比所述第二体积更小的横截面。

所述制造方法还可以包括加热所述渗透材料，使得所述渗透材料熔化并流入所述第一材料。

所述制造方法还可以包括通过加热所述第一颗粒以烧结所述第一颗粒，使所述第一颗粒彼此连接，还包括将所述渗透材料加热至高于所述第一温度的第二温度，使得所述渗透材料熔化并流入所述第一材料。

所述制造方法还可以包括用负极材料形成限定所述第一体积和所述第二体积的保持器，和在渗透后从所述第一材料中除去所述负极材料。

所述制造方法还可以包括：存储具有部件细节的原始CAD模型；通过消除所述原始CAD模型中的所述部件的精细细节来修改所述原始CAD模型，以成为制造目标模型，其中在连接第一粉末的第一颗粒以形成成形坯部件之前，根据制造目标模型形成并保持所述第一粉末的形状；和将所述成形坯部件加工成所述原始CAD模型的细节，以形成所述部件。

所述制造方法还可以包括：基于所述制造目标模型开发工具路径；基于所述工具路径相对于基材移动打印头，所述打印头根据制造目标形成所述形状。

附图说明

通过参考附图的示例进一步描述本发明，其中：

图1a，b和c说明了趋肤深度对小颗粒加热方式的影响；

图2是表示功率传递因子取决于“电气尺寸”的图表；

图3a，b和c是金属球的透视图，其中“电气尺寸”不是固定的；

图4是金属球的透视图，其中“电气尺寸”是固定的；

图5a至图5c是说明微感应烧结(MIS)技术在单分散金属粉末的理想混合物上的应用的平面图；

图6a，b和c说明了MIS技术在颗粒的双峰分布上的应用；

图7是说明MIS系统的操作带宽的图表；

图8是说明商业上可用电源的频率和功率以及MIS技术所需的频率和功率的曲线图；

图9a和b分别是根据本发明实施例的通量集中器的透视图和平面图；

图10是表示由通量集中器的孔形成的线圈产生的磁通线的环形形状的透视图；

图11是包括用于通量集中器的谐振电路的电路图；

图12是表示MIS谐振电路的计算电压驻波比(VSWR)的图示；

图13是说明执行VSWR过程的测量系统的框图；

图14是由VSWR控制代码生成的屏幕截图；

图15是表示磁通密度与频率的关系图；

图16a和b是顶视图和透视图，示出了磁通密度对频率的空间相关性；

图17是说明具有各种电容值的磁通密度与频率的曲线图；

图18是根据本发明的一个实施例的包括通量集中器的打印头的透视图；

图19是显示超导纳米复合材料(ScNc)和镓颗粒的规格化颗粒尺寸分布的图表；

图20是显示粉末的吉尔达特(Geldart)分类的图表；

图21显示ScNc材料的扫描电子显微镜(SEM)图像；

图22是显示ScNc的前向和反射功率谱的图示；

图23a-c示出了颗粒的烧结；

图24是表示特定谐振电路的计算VSWR的图示；

图25示出了计算的VSWR比θ作为耦合M的函数；

图26是表示增材制造过程的实时监测结果的图示，表示在MIS过程中VSWR的规格化比率；

图27a和b是根据本发明的一个实施例的烧结装置的局部剖视侧视图和透视图；

图28是烧结装置的透视图；

图29是说明形成图28的装置的一部分的指令的框图；

图30和31示出了根据本发明的可选实施例的打印头，其允许批量制造；

图32和33是图30和31的放大视图，示出了趋肤深度的间隔和位置；

图34a和34b示出了发生相变的热影响区域；

图35a和35b分别示出了图34a和34b中区域的拖尾路径，其中发生了相变；

图36是Ti-Al相图，其包括在1111℃下Ti-48Al-2Cr-2Nb的相变；

图37a至37f是说明传统AM工艺的横截面侧视图；

图38a至38h是说明根据本发明的一个实施例的制造方法的横截面侧视图；

图39a至39b是横截面侧视图，示出了使用该制造方法制造的具有许多内部特征的复杂部件；

图40a至40f示出了三维部件的制造；

图41是根据本发明的一个实施例的制造系统的透视图；

图42a至42b是形成图41所示系统一部分的打印头的透视图；

图43a至43b是说明自刮平打印头的横截面侧视图；

图44是打印头的挡板的透视图；

图45a至45f是说明具有内部特征的部件的制造的透视图；

图46a至46b是说明正极粉末和负极粉末沉积的透视图；

图47a至47b是说明用于粉末流动的自限制调节器的横截面侧视图；

图48a至48d是根据本发明的制造方法的横截面侧视图，其包括材料的注入；

图49a至49c是示出挡板和打印头的移动的仰视图；

图50a至50l是其中层的厚度均匀的制造方法的横截面侧视图；

图51a至51i是其中层具有不同厚度的制造方法的横截面侧视图；

图52包括说明用于部件制造的集成方法的示意图；

图53a至53d是包括使用压力机的制造方法的横截面侧视图；

图54a至54b是说明在不同时间沉积正极粉末和负极粉末的横截面侧视图；

图54c至54d是说明使用打印头使得正极粉末和负极粉末同时沉积的横截面侧视图；

图55a至55i包括示出包括近净形部件的设计和制造的制造方法的示意图；和

图56是示出系统的控制组件的框图。

具体实施方式

细金属粉末的感应加热

微感应烧结(MIS)是本文所述的新型增材制造工艺，该工艺中金属粉末通过高频感应加热固结。与基于激光或电子束的增材制造技术不同，该工艺中金属粉末被外部能源任一地加热，MIS技术允许通过调整施加的磁场的频率来选择性地加热单个颗粒。使用专门设计的通量集中器(FC)系统在粉末床处产生局部高频磁场。

通过感应加热金属颗粒是由于非磁性金属颗粒中的涡流和磁性颗粒中的磁滞损耗引起的焦耳加热的结果，这两者都是由施加高频磁场引起的。对于非磁性金属，涡流在距离材料表面一定距离内流动。将涡流减小到表面值的约37％的金属内的距离称为趋肤深度δ，可以写成，

其中ρ是电阻率，μ是材料的磁导率，f是磁场的选定频率。为了通过感应加热金属颗粒，重要的是将颗粒浸入高频磁场中，使得趋肤深度小于颗粒直径的一半。如图1a所示，颗粒的尺寸约为2δ。在这种情况下，涡流深入颗粒并通过感应发生大量加热。在图1b中，部件的尺寸远大于δ。这里，部件的表面仅通过感应加热。在图1c中，趋肤深度远大于部件的尺寸，并且涡流在颗粒中大部分被取消。在这种情况下，该部件不能很好地耦合到交变磁场，并且材料吸收非常小的能量。

对于放置在均匀交变磁场中的简单形状(例如扁平或圆柱形)材料，部件(Pw)吸收的功率可写为：

其中ρ是材料的电阻率，δ是趋肤深度，A是暴露于磁场的部分的表面，K是取决于部件相对于施加的磁场的几何形状的功率传递因子，并且H是磁场强度。原则上，可以使用现代有限元分析方法计算感应加热过程中给定金属部件吸收的能量。根据经验，具有固定的电阻率、磁导率和部件尺寸，部件在感应加热过程中吸收的功率随着频率和磁场强度的增加而增加。

在等式[2]中，唯一不明确的参量是A和K，它描述了高频磁场耦合到单个部件的程度。对于给定的部件几何形状和所施加的AC磁场的形状因子，可以计算A。另一方面，功率传递因子K取决于被加热部件的“电气尺寸”，其被定义为部件的直径(外部尺寸)与趋肤深度的比率d/δ。对于板和圆柱体的两种限制情况，这在图2中示出。例如，在板几何形状中，功率传递因子K对于d/δ具有最大值约为3。然而，为了最大化总功率向部件的传递，部件的“电气尺寸”必须为在保持较大K的同时尽可能地低。通常，当d/δ约为4时，实现向大量加热圆柱或板的最大功率传递。说明了通过感应加热的部件的尺寸与磁场的频率之间的关键关系。

与板或圆柱体不同，通常用于增材制造工艺的金属粉末由球形颗粒组成。考虑浸入高频磁场中的如图3a所示的金属球。在这种情况下，球体的“电气尺寸”不固定。对于球形金属粉末，这导致对K的附加频率依靠部件。为了说明，考虑图3b中所示的球形颗粒的近似，其由一叠圆形板组成，其直径刻划球体表面。每个圆形板与形成球形轴线的磁通场线H成直角。在该近似中的每个层内，图2中所示的板的K可用于描述功率传输的效率。对于d/δ＝4这样的固定频率，其中d是颗粒直径，因为涡电流围绕周边流动并深入板内，功率传递因子很大并且板的整体加热(bulk heating)发生。然而，当有效直径朝向球体的“极点”减小时，每个板的“电气尺寸”减小并且有效K减小到零。这意味着，对于固定的感应加热频率，颗粒的“赤道”被加热，但是“极”不能很好地耦合到所施加的磁场，并且仅通过材料内的热传导加热。这在图3c中示意性地示出，其中球的赤道处的较粗的交叉影线表示球形颗粒通过d/δ＝4这样的感应磁场频率得的不均匀加热。

球形颗粒的有效加热可以通过选择施加的磁场的频率来实现，以最大化向颗粒的总功率传递。这在图4中示出，其中频率被固定为使得d/δ～6。在这种情况下，功率传递因子在“赤道”之上和之下都很大，并且“热带”板的大量加热产生，因为涡流围绕周边流动并深入板内。在“赤道”处，K仍然很大并且d/δ大于6，这导致除了在“热带地区”的大量加热之外，球形颗粒在赤道处和赤道附近的表面加热。

通常，球形颗粒“极”附近的有效直径减小将需要更高的诱导频率以引起整个颗粒的大量加热。据估计，适用于球形金属颗粒的有效加热的“电气尺寸”将在4和8之间。适合于球形金属粉末的大量加热的频率依赖K的确定对于MIS增材制造方法是至关重要的。球体的K的详细模型将指导MIS通量集中器的电源的持续设计。

复合粉末的感应加热

等式[1]和[2]以及K(d/δ)的功能依赖为复合材料中单个颗粒的选择性加热提供了强大的工具箱。与竞争性金属基添加制造技术(如选择性激光烧结(SLS)和电子束沉积(EBD))相比，这是MIS方法的独特优势。在这里，我们描述了两个概念复合体系结构，重点是在整合过程中选择性加热复合材料的各个组分。

图5a至5c说明了MIS技术在单分散金属粉末的理想混合物中的应用。在图5a中，可以看出该混合物由两种不同的材料(表现为实心圆和空芯圆)组成，具有大致相同的颗粒尺寸，但具有不同的材料特性。在该示例中，灰色颗粒的电阻率ρ是蓝色颗粒的电阻率的10倍。假设当d/δ约为6时发生颗粒的整体加热，理想的感应频率可写为，

其中d是颗粒的直径。因此，对于给定的颗粒尺寸和磁导率，实现颗粒的整体加热的理想感应频率与材料的电阻率成线性比例。在这种情况下，可以使用振荡磁场选择性地整体加热薄圆颗粒，该振荡磁场的频率比用于整体加热厚圆颗粒的频率小10倍。这在图5b中示出，其明确地示出了薄圆颗粒的选择性加热。注意，在这个过程中，厚圆颗粒也被加热，但仅通过传导和对流加热，这是由于薄圆颗粒的选择性感应加热所致。图5a至5c描绘了在该实例中加热薄圆颗粒，因为设定磁场的频率使得球形颗粒的“热带”处的“电气尺寸”约为4。参见等式[1]，如参考图1c所述，厚圆的趋肤深度约为该频率下的薄圆颗粒的趋肤深度的√10～3.2倍。由于厚圆颗粒中的趋肤深度远大于颗粒直径，因此与高频磁场的耦合非常差，并且这些颗粒不会通过感应直接加热。

在该实施例中，复合材料的固结是通过选择性烧结薄圆颗粒来驱动的，其中厚圆颗粒作为固体中的夹杂物保留。这在图5c中示出，其示出了在复合材料中具有隔离的厚圆颗粒的薄圆颗粒的固结。注意，在薄圆颗粒固结时，薄圆材料的有效区域尺寸增加，并且调谐到薄圆颗粒的初始尺寸的高频磁场不再良好地耦合到薄圆材料。在这种情况下，有效颗粒尺寸远大于该频率下的趋肤深度，整个固结区域在表面加热，如图1b的图示。

基于金属材料的区域尺寸的高频磁场的耦合和解耦允许通过监测粉末床的向前和反射功率来实时诊断MIS固结过程。另外，它允许在颗粒固结时快速和自动地解耦外部热源(即高频磁场)。这是热敏材料或复合材料的固结中的重要控制特征，所述热敏材料或复合材料在暴露于高温时可能降解。

前面的例子说明了MIS工艺对具有相似颗粒尺寸分布但具有不同材料特性的粉末的选择性。在这里，我们简单地基于粉末中颗粒的大小来说明MIS过程的选择性。考虑图6a中所示的理想金属粉末，其由颗粒的双峰分布组成，两个颗粒中较大的颗粒大约是较小颗粒直径的两倍。同样，可以通过等式[3]定义的理想感应频率选择性地加热较小的颗粒，其中可以看出理想的感应频率随d^-2变化。因此，颗粒尺寸的两倍增加意味着实现整体加热所需的振荡磁场的频率减少四倍。图6b示出了较小颗粒的整体加热和较大颗粒的表面加热，这是使用窄带宽固定频率的MIS过程的特征，完全固结如图6c所示。如在前面的例子中那样，在颗粒固结时，材料的有效区域尺寸增加，并且调谐到较小颗粒初始直径的高频磁场与固结材料解耦，整个区域仅通过感应在表面加热。

在上面描述的复合体系结构中，感应加热过程的频率用于基于粉末的物理或材料特性选择性地加热复合材料的特定组分。在前面的例子中，通过感应选择性地加热小颗粒，这导致材料的固结。然而，通过改变磁场的频率，可以通过感应选择性地加热大颗粒，这可以导致最终部件的密度提高。实际上，材料的特定烧结特性将决定MIS通量集中器的工作频率和带宽。

MIS工艺的一般方面

微感应烧结是一种独特的增材制造工艺，原则上能够直接从先进的金属和陶瓷/金属基复合材料粉末生产复杂的部件和组件。然而，MIS工艺并非没有射频(RF)功率电子器件、通量集中器的电特性、金属粉末的特定烧结特性以及感应加热的基本物理特性所施加的限制，。一般而言，MIS工艺在以下近似操作参数范围内是可行的：

1)材料的电阻率在1μΩcm至400μΩcm之间。

2)粉末的颗粒大小在1μm至500μm之间。

3)MIS-FC工作频率在0.5MHz和3GHz之间。

使用该参数空间和等式[3]，可以确定用于通过高频感应对粉末进行整体加热的操作相空间。图7示出了MIS系统的操作频率随颗粒大小和电阻率的变化。图中显示了三个主要操作频段：

1)高频(HF)-频率小于30MHz且大于0.1MHz。

2)甚高频(VHF)-频率大于30MHz且小于300MHz。

3)超高频(UHF)-频率大于300MHz且小于3GHz。

用于增材制造工艺的绝大多数材料具有50μm至150μm的颗粒尺寸分布，电阻率小于100μΩcm。图7中的框突出显示了该操作空间，该图显示大多数材料可以通过VHF和UHF频段中的MIS工艺加热。根据上面列出的操作参数，任何低于UHF频段的材料都不是MIS工艺的实际候选者。

图8示出了用于感应加热系统的商业可用电源的一般列表，如图8所示，其中可以看出绝大多数商用系统在小于1MHz的频率下工作并且具有高达10MW的功率水平。相比之下，细金属粉末的加热和随后的固结需要带宽从大于1MHz到接近5GHz、功率水平高达几百瓦的电源。图8中突出显示的区域显示了适用于MIS工艺的电源的操作规范，该MIS工艺基于商业粒度分布和材料的电气特性。请注意，使用MIS加热和烧结金属和陶瓷/金属基体粉末所需的频率比传统的感应加热频率高10到1000倍。

通量集中器的演变

MIS增材制造系统的核心部件是通量集中器。该组件将高频磁场聚焦到粉末床上的空间紧凑区域，导致单个金属颗粒的快速焦耳加热以及随后的烧结和固结。

基于MIS-FC概念，这些概念以3D计算机辅助设计(CAD)平台为模型，包括DC和MHz频率的高级3D磁场计算以及包含用于制造MIS-FC的材料的测量物理特性的模型。适用于MIS工艺的通量集中器具有以下特性：

1)在0.5mm距离处的1mT磁通密度。

2)感应加热空间分辨率约为1mm。

3)工作频率从0.5MHz到大约3GHz，优选至少1MHz。

4)直径小于10mm的线圈。

5)电感小于约10nH，优选小于5nH。

这些性能特征不仅决定了MIS-FC的最终配置，还决定了MIS系统的适当电源。

所述方法在开发工作开始时涉及磁电介质材料和高安匝(amp-turn)导体的使用以在磁路的气隙处产生局部的高频磁场。通常，沿着该路径制造和测试的通量集中器由“马蹄铁”设计和“尖头圆柱”设计的各种排列组成。

在我们的“马蹄铁”形通量集中器中，位于“马蹄铁”的“轭”中的高电流导体在磁电介质材料中感应出磁通量。在该几何形状中，随着“马蹄铁”臂的横截面积在磁路中的气隙附近减小，磁通密度增加。在气隙处，磁通密度从磁电介质材料“溢出”并形成局部高频磁场。该高频磁场的形状和大小由气隙附近的“马蹄铁”FC的形状、通过“轭”的电流的幅度以及磁电介质材料的电磁特性决定。通常，该FC配置仅在非常高的安匝数(amp-turns)下才能实现目标磁通密度。通过增加通过“轭”的匝数，可以显著增加气隙处的磁通密度并降低RF放大器的功率要求。不幸的是，“轭”中增加的匝数显著增加了FC的电感。这种高电感导致带宽有限的MIS-FC需要复杂的多级匹配网络。在我们确定所需的磁通密度只能在低于100MHz的频率下以非常高的RF功率水平(例如，大于500W)实现时，该方法被放弃。

在我们的“尖头圆柱(pointed cylinder)”形通量集中器中，围绕FC的圆柱形部分缠绕的几匝低电流导体在磁电介质材料中感应出磁通量。类似于“马蹄铁”FC，在该几何形状中磁通密度增加，因为圆柱形的锥形部分的横截面积在磁路中的非常大的气隙附近减小。在FC的尖端(point)附近，磁通密度从磁电介质材料“溢出”并形成局部高频磁场。该高频磁场的形状和大小由锥体的形状、围绕FC的圆柱形部分的螺线管的安匝数以及磁介电材料的电磁特性确定。总的来说，这种FC配置可以在适度电流下实现目标磁通密度。不幸的是，这种配置具有非常高的电感，这再次导致带宽有限的MIS-FC需要复杂的多级匹配网络。此外，我们确定来自RF放大器的大部分功率通过滞后在磁电介质材料中消散。在25W的RF功率30秒后，磁电介质材料被加热到大约400℃。在我们确定在MIS工艺中几乎不可能保持磁电介质材料冷却之后，这种方法被放弃了。

除了磁电介质通量集中器的这些基本技术问题之外，我们还确定ScNc材料的MIS要求感应加热频率远远超过100MHz。在广泛搜索高频磁电介质材料候选者之后，我们确定不存在适合在MIS通量集中器中操作的高磁导率、低损耗材料。最后，对于ScNc材料MIS的VHF和UHF频段的技术推动最终导致MIS-FC中的磁电介质材料的完全消除。

空芯通量集中器

在我们的空芯通量集中器中，高电流导体被成形为线圈，并且线圈中的匝形成局部磁场。早期版本的空芯通量集中器只是没有磁电介质材料的“尖头圆柱”通量集中器。从锥形线圈FC中去除磁电介质材料导致FC的电感显著降低，以及线圈“尖端”处的磁通密度大大降低。该高频磁场的形状和大小由锥形线圈的形状和安匝数决定。总的来说，这种FC配置只能在高电流下才能达到目标磁通密度。不幸的是，由远离锥形线圈“尖端”的匝中的电流产生的磁场在“尖端”处没有贡献很大的磁通密度。这导致了“薄饼”线圈的发展，其中通量集中器中仅有两匝。这种配置导致当时每安匝的磁通密度最高。为了达到所需的磁通密度，我们确定任何空芯FC必须通过高频谐振电路供电。这些电路由一组与电感式通量集中器并联的电容器组成。这种方法是成功的，并确立了我们未来MIS通量集中器的设计趋势，其特点是具有可能具有最低电感的电感FC的谐振电路。换句话说，一个单匝的MIS-FC。

图9a和9b示出了根据本发明的一个实施例的MIS-FCT空芯通量集中器10，其由1mm厚的铜板制成并且具有窄的0.25mm的槽14，槽14在端部具有1mm直径的孔16。孔16是单匝电感器，其电感约为1至1.5nH，比先前的MIS-FC几何形状低超过100倍。这种新颖的MIS-FC设计将磁通密度集中在具有适当放置的电容器18的板12中的孔16内，并且具有几个非常适合在非常高的频率下使用的特征。特别是，非常小的电感和寄生电容允许在远超过1GHz的频率下工作-比传统的RF感应加热的频率高超过2000倍。如将显示的，这对于由非常小的颗粒组成的金属粉末的MIS是至关重要的。此外，固态设计允许有效地去除FC周围产生的热量，并且MIS工艺的空间分辨率由铜板中的单匝感应器的直径确定。由孔16形成的电感器和电容器18在这种配置中并联，因此形成非常高频的微型感应加热谐振电路。高频微型谐振电路的谐振频率由MIS-FC的电感和与MIS-FC并联的电容器组的电容决定。电容器组的电容是与MIS-FC并联的电容器的各个电容的总和。MIS-FC的电感与围绕MIS-FC流动的电流回路所包围的面积成比例。因此，电感是来自槽14和圆形环16的电感的总和，其包括MIS-FC。通过将电容器放置得非常靠近圆形环16，或者通过减小槽的宽度使得电容器组和圆形环16之间的槽14的面积远小于圆形环16的面积，可以使槽电感最小化。以这种方式，MIS-FC的电感主要归因于圆形环的电感。

MIS-FC电路由COTS RF放大器(ENI 3100L，Amplifier Research 100W1000B或Milmega AS0825)驱动，COTS RF放大器的输出阻抗为50Ω，工作带宽为250kHz至2.5GHz。这些放大器由能够产生300kHz至3.3GHz的扫频高频正弦波的高频函数发生器(Rohde&Schwartz SMIQ03)驱动。该放大器通过高功率SMA电缆直接连接到MIS-FC组件。如图10所示，孔16形成具有内磁通线20的磁场，内磁通线20限定环形形状。随着磁通量响应于交流电流而变化，磁场的大小发生变化。磁通线20形成圆，其中孔16的边缘形成穿过圆的中心的线圈。部件优选约为线圈直径的50％，例如45％至55％之间。低于50％会导致更多的加热，但分辨率会降低。超过50％导致场强急剧下降但分辨率提高。

MIS谐振电路

75MHz MIS-FC的电路图如图11所示。该电路基于通常用于感应加热电源的并联谐振电路设计。然而，在该电路图中，MIS-FC和粉末之间的耦合程度由互感M明确描述。这里，M是暴露于高频磁场的颗粒表面积和金属粉末在电路共振频率下的趋肤深度的函数。如果MIS-FC距金属粉末太远，或者趋肤深度远大于颗粒尺寸，M将倾向于零，并且谐振电路中的唯一负载将归因于板12的铜的固有AC电阻R3。在电路的槽部分(即电容器和MIS-FC电感器之间)的无功电流在谐振频率处急剧上升，这可以表示为，

其中L是MIS-FC(L1线圈)的电感，C是电容器组(C1)与L并联的电容。电容器组的电容器收集电荷并将电荷释放到MIS-FC。多个电容器平行于板12安装。在f_R处，非常大的无功电流在电容器组和MIS-FC之间流动，但是电路中消耗的唯一功率是由于当K为零时R1和R3的电阻损耗。在非零M的情况下，当电力流向金属粉末床R2时，从电源获得增加的功率。通常，这些电阻和无功电流的大小取决于RF电源可用的电压和f_R处电容器可用的无功电流。MIS-FC谐振电路通过始终在谐振频率附近工作，最大限度地减小了RF放大器的功耗。大线圈会导致高电感，高电感会降低固定电容器组的谐振频率。共振频率的降低将导致更大的趋肤深度，这导致更大的外部尺寸。

该电路设计不仅可以最大化流向MIS-FC的电流，而且对MIS工艺的潜在实时诊断特性至关重要。如果电路的谐振频率与粉末的颗粒大小分布不能很好地耦合(见等式[1]和[2])，那么电路中的电阻负载就会减小，这与M等于零的情况相对应。然而，如果电路的谐振频率与粉末的颗粒大小分布很好地耦合(即M～1)，则在电路中引入附加的电阻负载，并且将从放大器汲取增加的功率。原则上，只有当感应加热频率(即f_R)使得“电气尺寸”d/δ约为4到6(假设球形颗粒和理想的“电气尺寸”为6，以将最大功率传递给球体)时，该增加的功率才会在电路中流动。使用该电路设计的RF放大器提供的有功功率的频率依赖性可以直接与MIS方法的实时诊断和鉴定相关。

确定从源到负载的功率传输的便捷方法是测量被测器件(DUT)的电压驻波比(VSWR)。在这种情况下，DUT是MIS-FC。VSWR是RF电源和DUT之间的入射RF波相对于反射RF波的幅度的量度。一般来说，VSWR可以通过测量DUT的反射系数Γ来计算，其可以写成，

其中V_reflected和V_incident分别是反射波和入射波的电压。使用Γ的这个定义，VSWR可以写成，

其中|Γ|是Γ的绝对值。由于Γ始终在0和1之间，VSWR具有最小的单位，相当于从源传输到负载的100％功率。

图12显示了基于50Ω的源阻抗计算出的图11所示MIS-FC电路的VSWR。VSWR在所述MIS-FC电路的所述谐振频率处具有最小值，表示最大功率在f_R处被传输到负载。在这种情况下，VSWR的最小值约为4，这相当于功率的大约64％传输到负载，36％反射回电源。

图13示出了测量系统21，其执行直接测量MIS-FC组件的VSWR的过程，以便确认这些组件的操作以用于MIS系统。测量系统21包括RF信号发生器22、放大器24、双向耦合器(DDC)26和两个频谱分析器28和30。RF信号发生器22将已知的RF正弦波驱动到放大器24，放大器24通过DDC 26连接到MIS-FC 10。可从DDC 26上的前向和反射端口获得的RF功率对应于到MIS-FC 10的入射和反射功率，其分别由两个频谱分析器28和30测量。反射功率与入射功率之比的平方根等于计算VSWR比的|Γ|。VSWR测量通过专为MIS系统开发的控制代码完全自动化。MIS-FC VSWR控制代码的屏幕截图如图14所示。

“固态”MIS-FC的RF磁通密度测量

除了测量MIS-FC和高电流谐振电路的电气特性外，还使用控制代码测量MIS-FC的作为频率的函数的磁通密度，以确认MIS-FC的单匝回路中的磁通密度的浓度。使用RF信号发生器、放大器和小型RF场探头(Beehive Electronics 100B探头)，我们已经确认高频磁场主要位于固态MIS-FC配置中的单匝圆形环上方。图15显示了MIS-FC谐振电路的测量磁通密度与频率的关系，谐振频率约为185MHz。这些数据是从MIS-FC表面约0.5mm处获得的。大部分磁通密度位于圆形环上方，在谐振电路外部的槽14上具有非常小的磁通密度，因此通过电容器相对于铜板中的环的放置来确认磁通量的浓度。参考等式[2]，与在185MHz的MIS-FC中的槽14相比，由孔16形成的单匝环上的功率传输接近40倍。

图16显示了作为185MHz MIS-FC的频率和位置的函数的测量的通量密度。磁通密度在环的中心附近急剧地到达峰值，该环的中心在距离MIS-FC表面0.5mm处具有大约2mm的全宽半最大值。再次参考等式[2]，我们可以估计主动加热区的直径约为1mm，因为通过感应的功率传递与磁通密度的平方成比例。这导致MIS-FC加热曲线中的非常尖锐的热区。

在MIS系统开发的早期，我们专注于开发宽带MIS-FC，作为有效耦合金属粉末中所有直径颗粒的手段。虽然这种方法是合理的，但原则上，在实践中证明难以在整个带宽上建立低VSWR(即，向粉末的高功率传输)。实际上，作为替代方案，MIS-FC被设计成在足够高的频率下操作，使得给定尺寸分布中的绝大多数颗粒通过整体或表面加热来加热。以这种方式，可以针对每种粉末设计固定的并联电容器谐振电路。通过改变谐振电路中的电容，可以很容易地调节MIS-FC元件的谐振频率。这在图17中示出，其示出了对于许多谐振电路配置在MIS-FC处测量的磁通密度。可以看出MIS-FC谐振频率随着电容的增加而减小，如等式[4]所预期的那样。

图18示出了根据本发明实施例的MIS-FC打印头32。类似于图9中所示的原型MIS-FC 10，该“空芯”通量集中器由1mm厚的铜板制成，并且由窄的0.25mm的槽14组成，槽14的端部具有1mm直径的孔16。该MIS-FC设计利用适当的匹配网络将高频磁通量集中在板12的孔16内，并且非常适合用于非常高温的粉末床。MIS-FC打印头32通过首先以平面几何形状加工槽和集中器，然后利用模具将板形成为近似“L”几何形状来制造。整个组件垂直安装，由孔16形成的MIS-FC朝下，这允许粉末床上方的MIS-FC的精确定位，并且如果需要，可以容易地拆卸和更换打印头。

ScNc粉末沉积系统

超导纳米复合材料(ScNc)粉末材料由超导二硼化镁和使用研磨工艺制备的镓金属组成，其产生两种材料的紧密均匀混合物。图19显示了ScNc和镓颗粒的规格化的颗粒尺寸分布。这种特定的ScNc组分是体积30％，或质量约50％的Ga。通过激光衍射获得的颗粒尺寸分布表明MgB₂颗粒大至100μm，但光学分析表明这些是颗粒的附聚物，平均直径远低于50μm。

通常，颗粒尺寸、形态和密度决定了给定粉末或粉末混合物的流动特性。这些特征使用由Geldart开发的用于在空气驱动的流化床中流化粉末的分类方案来描述，但在描述任何粉末的流动性质时也是有用的。

图20显示了给定密度ρ_S和颗粒直径

的粉末的Geldart分类方案，其中ρ_S是用于流化的气体密度。B类粉末是“沙子状”并且易于流化和流动。然而，对于给定的材料密度，粉末的“流动性”随着颗粒尺寸的减小而降低。通常，随着粉末的表面积增加并且颗粒与颗粒间的力量占主导地位，粉末变成Geldart C级粉末，其具有粘性并且具有非常差的流动性。这些流动特性对于每种粉末或粉末混合物是特定的，并且显著影响用于增材制造的有效粉末输送系统的设计。

表1列出了本文使用的ScNc粉末以及一些市面上可得的金属粉末的相关特性。例如，市面上可得的Al和Ti粉末的大颗粒尺寸和中等密度将这些材料很好地置于Geldart B级限制范围内，如图20所示。由于这些材料具有优异的流动特性，因此可以使用简单的机械刮平板来制造非常均匀的金属粉末层，以便在增材制造系统中进行固结。ScNc粉末由具有中等至轻密度的非常小的颗粒组成，这使得该复合材料很好地置于Geldart级(C-A)区域内。与铝或钛粉末不同，这些粉末不会流化或不会流动良好，因此设计和制造Geldart C级粉末沉积系统(PDS)以操纵ScNc材料用于ScNc MIS系统。

表1

ScNc粉末的MIS

图21显示了MgB₂/Ga ScNc材料的代表性扫描电子显微镜(SEM)图像。该特定ScNc组分是体积为30％，或质量约50％的Ga。尽管通过激光衍射获得的颗粒尺寸分布表明ScNc颗粒大至100μm，但SEM图像分析表明，这些大颗粒实际上是1至5μm颗粒的附聚物。这些附聚物由如此小的单个颗粒组成的事实对MIS-FC频率具有显著影响。理论上，例如，100μm直径的球形ScNc颗粒可以使用大约180MHz的高频磁场进行整体加热。但是，如果ScNc的有效“电气尺寸”远小于100μm，则必须将MIS-FC设计为在高得多的频率下工作。

基于观察到的ScNc颗粒/附聚形态和ScNc粉末的未知“电气尺寸”，制造了一系列MIS-FC组件，并通过检测位于MIS-FC上方的ScNc材料的热量直接测量功率传递。该方法在确定ScNc MIS工艺所需的最小频率方面非常有效。实验发现，对于小于约700MHz的频率，ScNc的感应加热不会发生，这表明ScNc的“电气尺寸”大约为35μm，远低于ScNc附聚物的物理尺寸。

经过一系列增加的共振频率的测量后，我们制造了一种适用于ScNc材料的超高频MIS-FC。图22显示了ScNc MIS-FC的前向和反射功率谱，其谐振频率约为1.2GHz。如图所示，在这个宽带宽上，MIS-FC电路中存在许多共振。然而，1229MHz的谐振对应于与安装的谐振电容器相关的谐振电路中的谐振。磁通密度仅发生在带有RF场探头的单匝MIS-FC上。测量到的MIS-FC的VSWR在1229MHz处显示最小值1.87，这相当于向负载传输大约90％的功率。

电压驻波比频谱

MIS工艺的一个特别独特的特征是在部件的增材制造期间实时诊断和监测金属颗粒的烧结和固结的潜力。为了说明这一点，考虑图11的MIS谐振电路以谐振频率工作，该谐振频率很好地耦合到给定的粉末。回想一下，当该电路在谐振下驱动时，大的无功电流在谐振电路中流动，但如果MIS-FC不靠近粉末床，则从放大器吸取的实际功率很小。然而，当MIS-FC尖端靠近粉末床的表面时，从RF放大器汲取真实功率，并且通过感应快速加热金属颗粒。基本上，MIS-FC在此过程中充当变压器的主要部分，并且各个金属颗粒充当次要部分。

如前所述，颗粒的大量加热仅在颗粒的直径d约为6δ时发生。当颗粒加热并烧结在一起时，有效直径显著增加，并且单个颗粒的整体感应加热转变为MIS-FC尖端区域中固结粉末的表面加热。这在图23a至23c中示意性地示出，其中圆圈40表示粉末床42的表面上的高频磁通密度的空间范围。注意：粉末床上的磁通密度的空间范围比金属颗粒的平均直径大许多倍。当MIS-FC通电时，颗粒迅速加热并融合在一起，如图23b所示。如果该烧结区域比单个颗粒大5至10倍，则烧结区域的整体加热频率将减少25至100倍(参见等式[3])。因此，当在MIS工艺期间金属颗粒熔合在一起时，由于有效“电气尺寸”d/δ的显著增加，到MIS-FC的高频功率流显著降低。如图23c所示，当真实功率在新的未烧结颗粒上移动时，真实功率将仅通过MIS-FC流到粉末床。这提供了MIS工艺中颗粒固结质量的实时测量。

图24显示了MIS-FC谐振电路的计算的VSWR，MIS-FC谐振电路具有约为86MHz的谐振频率，以及增加的耦合M的值。VSWR的整体形状随着M的增加而变化。如前所述，M的变化反映了粉末与MIS-FC之间的耦合程度的变化，这将在MIS-FC经过单个颗粒或熔融颗粒时发生。为了强调VSWR随耦合增加的变化，我们将规格化的VSWR比θ定义为：

其中VSWR_k>0是MIS-FC电路耦合到粉末床时的VSWR，VSWR_k＝0是MIS-FC电路完全从粉末床解耦时的VSWR。与VSWR类似，该规格化的量也与MIS-FC上发生的RF功率水平无关。请注意，如果所有频率都没有与粉末床耦合，则θ是统一的。图25示出了计算的θ，该计算的θ作为图24中所示的VSWR的作为耦合M的函数。如所预期的，随着RF功率与粉末床的耦合增加，θ中有相当大的结构。

图26显示了增材制造过程的实时监测结果，表明在MIS工艺中VSWR的规格化比可用于监测颗粒的烧结和固结程度。这种无损评估方法称为电压驻波比频谱。

除了高频VSWR频谱之外，位于MIS-FC组件附近的辅助低频感应加热器可用于探测较大长度尺度的固结质量，并在制造过程中局部热处理部件以减少部件上的机械应力。

图27a和27b示出了一个实施例，其中具有高频通量集中器的打印头32形式的局部加热器位于大容量加热器的中间，大容量加热器以较大的低频感应线圈102形式。低频线圈102用于加热固结部分以准备通过高频通量集中器烧结粉末，当颗粒烧结成更大的单元时，增大的区域尺寸导致低效的表面加热。打印头32的通量集中器的高频率对于整体加热不是理想的。低频、空间分散的通量集中器(即感应线圈)可用于加热宏观部件，减少热应力和机械应力，并减少初始粉末固结所需的功率量。

低频线圈102由其自身的电流发生器(未示出)驱动，且将所述部件暴露于由交流电流产生的交变磁场。打印头32的通量集中器的高频率仅加热与所述部件接触的一部分颗粒，使得该部分的颗粒与所述部件连接。用于预热所述部件的交流电流是低频交流电流，其将所述部件暴露于低频交变磁场。用于加热颗粒的交流电流是高频交流电流，其将与所述部件接触的一部分颗粒暴露于高频交变磁场。

图28示出了根据本发明实施例的MIS装置110。装置110包括用于在三维产生相对运动的系统112、容器114、电流发生器116、高频电引线118和打印头32。整个装置110位于受控的大气环境中。

系统112包括框架124、第一和第二轨道126、吊杆128和多个轨道130。轨道126在其相对侧上安装到框架124并沿x方向延伸。吊杆128安装在轨道130之间并沿y方向延伸。吊杆128可在轨道130上沿x方向移动。致动器(未示出)使得吊杆128在轨道130上沿x方向水平移动。打印头32安装在吊杆128上，以便在吊杆128上沿y方向移动。致动器(未示出)使打印头32在吊杆128上沿y方向上水平移动。

容器114是水平床，其具有用于容纳和保持彼此接触的小颗粒132的侧面。导轨130沿垂直z方向延伸。容器114安装在导轨130上，以便在垂直z方向上上下移动。致动器(未示出)使容器114沿垂直z方向在轨道130上上下移动。

装置110还包括两个粉末贮存器134。粉末贮存器134也可沿垂直z方向移动。通过升高粉末贮存器134和/或降低容器114，可以在容器114中的颗粒132和保持在粉末贮存器134中的颗粒之间产生高度差，由此颗粒可以从粉末贮存器134中刮入已经在容器114中的颗粒132上面。

因此可以看出，系统112提供了打印头32相对于颗粒132的三维运动。在使用中，将颗粒132的薄层从贮存器134刮到容器114上。电流发生器116通过导线118连接到打印头32。当电流发生器116工作时产生交流电流并通过导线118将交流电流提供给邻近打印头32的区域。打印头32靠近颗粒132保持并且将由交变磁流产生的交变磁场聚焦在颗粒132的小的第一部分内。交变磁场加热颗粒以使它们连接。由于材料的烧结和/或熔化，产生颗粒的连接。然后，通量集中器在x和/或y方向上移动，使得交变磁场从颗粒的第一部分减小，同时将颗粒的第二相邻部分暴露于交变磁场。已经连接的颗粒的第一部分处的交变磁场强度的降低允许第一部分冷却。实际上，存在从第一部分到第二部分，然后到第三部分等的过渡，从而可以形成细长部件。细长部件可以在x和y方向上具有二维轮廓。

在颗粒132内形成部件之后，降低容器114并从贮存器134将新的颗粒层刮到颗粒132上。然后重复上文所述的过程。在第二循环中加热的颗粒不仅彼此熔合，而且还熔合至在第一循环中制造的部件。如果例如在第一循环期间制造圆形板，则第二循环将向圆形板添加另一层，并且如果重复该过程，则可以制造圆柱体。也可以以这种方式制造更复杂的三维形状。

图29示出了图28中所示的装置110的其他组件，包括可由计算机的处理器执行的指令160、使打印头32相对于颗粒132在x，y和z方向移动的致动器162以及电流发生器116。

指令160包括配方数据存储164、配方选择器166、接口168、所选配方170、频率调制模块172、所选3D参数174和CNC模块176。

在使用中，操作员可以在显示设备上查看接口168。接口168使操作员能够访问配方选择器166和所选择3D参数174。配方选择器166包括材料和颗粒尺寸的输入。多个配方存储在配方数据存储164中。配方选择器166基于操作员通过接口168提供的输入选择配方数据存储164中的配方之一。由配方选择器166选择的配方然后被存储为所选配方170。

操作员还通过接口168输入3D参数，例如如上所述的圆柱体的制造。然后，由操作员输入的参数被存储为所选3D参数174。然后频率调制模块172利用所选配方170的参数(包括频率)来调制由电流发生器116产生的频率。CNC模块176同时操作致动器162以产生期望的二维且最终三维的部件。

图30示出了打印头180，其包括具有多个孔184和槽186的板182。每个孔184和槽186如前面参考图9所述。每个孔184因此形成相应的通量集中器。通量集中器的一个端子形成电流端子188，并且相对的端子连接到地面190。孔184位于沿x方向延伸的单个行中。

图31示出了根据本发明另一实施例的打印头，其具有板202，板202具有孔204A和B以及槽206。孔204A位于沿x方向延伸的第一行中。孔204B位于沿x方向延伸的第二行中。第二行孔在y方向上偏离第一行孔。如图32所示，电流在趋肤深度δ内流动。金属中电流减少约37％的在表面的值的距离称为趋肤深度δ，可写为：

ρ是板的材料的电阻率，

μ是板的材料的磁导率；和

f是磁场的频率。

孔184彼此间隔开距离s。为了使孔184的电流保持彼此分离，s≥2δ。在图32中，s是在y方向上测量的。在图33中，s是相邻孔204A和B之间的最近距离。

通常，每个通量集中器加热下面的一个或多个部件的相应区域。由此在相应的区域中产生相应的热影响区，其中原子运动引起一个或多个部件的材料性质的变化。材料可以熔化或不熔化。由于颗粒之间的原子迁移，多个颗粒可以烧结在一起，这是材料性质的非熔融变化的一个例子。材料性质的非熔融变化可包括材料微观结构的变化。微观结构的这种变化可以例如包括材料的相变，其中材料的晶体结构改变。晶体结构的这种变化可能涉及晶格结构的变化，有或没有包含额外的或取代的原子，或者可包括原子的包含或置换而晶格结构没有变化。相变可能涉及晶粒尺寸的变化。

如图34a-b所示，由孔184和204A和B产生的交变磁场在下面的部件内产生热影响区域206，例如比孔184和204A和B大的颗粒。

作为示例，图36示出了Ti-Al相图，以示出材料中的相变的示例。Ti-48Al-2Cr-2Nb(48％铝)的组合物在1111℃具有相变。低于1111℃，组合物是γ和Ti₃Al的混合物。在1111℃以上，该组合物由没有熔化的固体α和固体γ组成，随后淬火至1111℃以下将仅产生α和γ的组合物。

如图35a所示，由于图34a中的孔184而形成的区域206同时在y方向上移动，即与图34a中显示的孔184的行成直角。每个区域206留下相应的发生了相变的尾随路径208。左侧区域206的尾随路径208从左下方到右上方交叉阴影线，右侧区域206的尾部208从右下方到左上方交叉阴影线。因为区域206重叠并且在x方向上彼此成直线，所以尾随路径208也重叠。因此，在没有发生相变的尾随路径208之间没有中断。

图35b示出了由于图34b中的孔204A和B而发生相变的区域206。每个区域206形成相应的发生了相变的尾随路径210。尾随路径210彼此重叠。因为孔204A和B在x方向和y方向上都偏移，所以不需要区域206在任何特定时刻重叠。

图37a-f示出了传统的AM粉末制造方法。局部能量输入由箭头300表示，并且该能量源以跟踪二维切片的轮廓的图案在粉末床上行进。通过将完工部件缓慢浸没到粉末床302中来制造固结部件。在例如固结层304A之后，降低完工部件并且在先前固结的层304A上沉积新的粉末层304B。然后对后续层304A-K重复该过程。在该过程结束时，多层、部分到完全固结的部件306从粉末床302中的松散粉末中移除，并进行多个后处理程序，例如减法加工或附加的热或机械处理。

在传统的AM中，部件的最终分辨率(resolution)由X-Y平面中输入能量的空间和时间分辨率(即“点”尺寸)，能量在Z方向上的穿透(即，深入粉末床/基材有多深)，以及远离熔化和热影响区的能量输送物理学(即热容、热扩散率、热导率、结晶和凝固动力学、熔化热等)确定。众所周知，例如，熔化粉末床中的小特征所需的能量必须在非常短的时间内输送。对能量源的较长暴露时间导致由于热传导导致的相邻颗粒的烧结导致的局部熔融区域的“生长”。因此，非常小的“点”尺寸可能导致局部熔化的区域具有大部分松散烧结的颗粒，其可能远离“点”延伸并且部件的分辨率不仅仅由能量源的X-Y维度确定。

在本发明中，提出了一种复杂部件制造的替代方法，其中部件在AM工艺中制造，AM工艺在粉末床内产生松散的或松散地固结的材料的高分辨率有序排列，其以不同方式响应输入能量源。输入粉末床的能量不一定位于X-Y平面中，而可以是远大于部件分辨率的尺寸。因此，部件的分辨率由粉末床中松散的或松散地固结的材料的空间排序确定，而不一定取决于输入能量源的空间分辨率。

图38a-f显示了本发明的一个实施方案，其中有序粉末层逐层加热以产生复杂部件。在图38a中，待固结的材料由图案310表示。图案312表示不会被用于固结由图案310表示的材料的工艺固结的材料。例如，这两种材料可能具有非常不同的熔点，这将导致用适当的热处理固结低温熔点材料。在该示例中，低频感应加热器314用于加热基材。选择感应频率使得有效的功率传递到基材。随着基材加热，由图案310表示的松散粉末被加热并开始凝固。这在图38b中示意性地示出，其中图案310表示不再由单个颗粒组成的固结材料，而是由松散烧结的颗粒或完全致密的材料组成。

因此，在第一层320A上沉积第二层320B之前，加热第一层320A以固结由第一层320A的图案310表示的第一材料的颗粒。在将第二层320B沉积在第一层320A上之后，加热第二层320B，以固结由第二层320B的图案310表示的第一材料的颗粒。

多个层320A-I在彼此之上沉积。第一层320A包括由图案310表示的第一材料的一部分和由图案312表示的第二材料的一部分，并且第二层320B包括由图案310表示的第一材料的一部分和由图案312表示的第二材料的一部分。第二层320B的第一材料与第一层320A的第一材料接触。在多层级上，图案310和312限定第一体积和第二体积以及在第一体积和第二体积之间形成的界面322。通过加热进行的固结将第二层320B的第一材料的颗粒连接到第一层320A的第一材料。如图38g和h所示，通过在先前烧结或固结的材料上以有序的方式逐层沉积层320A-I的粉末，以这种方式制造复杂部件324。有序粉末的每个层320A-I经受宽能量输入，该宽能量输入选择性地固结由图案310表示的材料。部件324(图38h)的边缘326由第一体积和第二体积之间的界面322(图38g)限定。如图38g所示，该方法可用于通过使用在暴露于能量源时不会烧结或固结的材料来产生内部特征320A-I(例如，口袋、孔和空腔)。

尽管粉末颗粒通过加热固结连接，但也可采用其他连接方案。大多数情况包括(i)形成第一粉末的第一体积，其与第二粉末的第二体积接触，所述第一粉末具有第一材料的第一颗粒，所述第二粉末具有第二材料的第二颗粒，以及(ii)采用连接方案将所述颗粒彼此连接，其中所述第一材料是正极材料，所述第二材料是负极材料，使得所述正极材料优选地相对于将所述第二颗粒彼此连接的负极材料将所述第一颗粒彼此连接。在大多数情况下，第一材料与基材或较早层一起形成保持器，该保持器适于将第一粉末的第一颗粒保持在彼此附近。

图39a-b示出了复杂部件328的示意图，复杂部件328具有可以使用该工艺制造的多个内部特征330。在该示例中，使用感应加热器332的感应加热用于在逐层的基础上选择性地加热先前固结/烧结的材料。感应加热技术将在参考深度加热基材材料，所述参考深度由材料的趋肤深度和基材的热导率和热扩散率确定。内部特征330可以是封闭的或开放的。如果内部特征是封闭的，则松散的粉末保留在由内部特征形成的空腔内。内部特征330内的负极粉末还用于在正极粉末固结之前将正极粉末保持在适当位置。

可选择地，可以调节感应频率以特定地加热松散的粉末材料、松散的粉末材料和基材，或者特别是基材。

虽然在该示例中使用通过感应加热，但是可以使用任何数量的能量源来加热和固结有序粉末层，例如激光、高强度光、辐射热、电子束等。

可选择地，如图40a-f中示意性所示，可以使用逐层粉末沉积技术通过在粉末床内产生三维有序粉末部件来制造三维部件336。在图40a中，多层粉末338在粉末床内完全形成复杂的松散粉末结构，每层具有正极和负极材料的粉末。在制造包括部件336的空间有序粉末之后，如图40b所示，将整个系统加热到使得部件部分或完全固结的温度。实际上，同时加热第一层和第二层以固结第一层和第二层的第一材料的颗粒。然后允许整个系统冷却，如图40c所示。在图40d中，从粉末床移除部分(或完全)固结的部件336以进行后处理。后处理可以包括加工所述部件，或者如图40e所示，进一步热处理以获得适当的微观结构、密度和材料特性。

部件336可以使用两种不同的材料制造，其中一种材料的熔点低于另一种材料的熔点。可以通过逐层工艺制造三维有序部件，并使用图40a-f中概述的方法加热，并且可以使用该方法制造内部特征。

具有内部空腔340的增材制造部件336可以使用该工艺形成，即部件336，其中由负极材料形成的第二体积在由正极材料形成的第一体积内，并且第一体积部分地或完全地包围第二体积。

图41示出了制造系统342的示例，该制造系统342包括CNC台架344和用于通过有序粉末方法制造部件的打印头346。在该具体示例中，打印头346能够以特定的流速沉积三种不同的粉末。在每个粉末沉积通道内使用小的振动传感器，以使粉末部分或完全流化。集成的挡板允许快速切换单个粉末。

每个沉积通道还配备有许多小型传感器，用于监测粉末的流动。这些传感器是小型谐振电路，可以在与各种粉末良好耦合的频率下产生共振。为每个流量传感器感器设置频率限制。通常，当粉末中的颗粒直径大于材料的趋肤深度的约4至6倍时，产生良好的耦合。这设定了流量传感器频率限制的下限。

当没有粉末位于谐振电路的感应部分内时，传感器具有特定的阻抗。当存在粉末时以及当粉末通过电路的感应部分(即线圈)流入时，该阻抗显著变化。因此，通过测量谐振电路的阻抗，可以测量通过粉末沉积管的粉末的流动特性。

通过控制和测量来自安装在CNC台架344上的打印头346的粉末流动来制造有序粉末，CNC台架344由计算机控制。

图42a-b示出了双粉末高级有序粉末光刻(OPL)粉末沉积系统350，其形成根据本发明实施例的制造系统的一部分。该系统包括第一和第二粉末料斗352和354、第一和第二振动传感器356和358、第一和第二粉末流量传感器360和362以及集成的粉末挡板364。挡板364的底表面366还用于刮平粉末以形成平坦的水平表面。挡板364形成系统350的OPL打印头346的一部分。

在增材制造中，对于沉积的材料具有明确定义的尺寸是至关重要的。从表面上的喷嘴流出的粉末通常会形成对特定粉末具有特定角度的松散绒头。该角度被称为粉末的休止角。图43a-b示出了已经沉积在支撑表面392上的粉末390的典型横截面的示意图。如图43a所示，如果允许粉末390从OPL打印头346“自由落下”，粉末390将形成具有特定于粉末346的休止角394的松散绒头。这将导致随着距离表面392(或粉末床)的距离而变宽的宽线。然而，如图43b所示，通过将OPL打印头346移动得非常靠近表面392，粉末流动被限制在更窄的区域。在这种情况下，可以用OPL打印头346获取几乎垂直的壁396。此外，粉末流是自限制的，打印头346的下表面366靠近基材的表面392。粉末390将流出喷嘴398，并且当打印头346下面没有更多空间时停止。然而，如果特定粉末挡板阀(未示出)打开，一旦打印头346移动，则粉末将开始流动。

这种自限制、自刮平、带挡板的多粉末沉积系统允许一种或多种粉末的受控沉积，从而实现有序的粉末平版印刷方法。图44示出了OPL打印头346的底表面366。挡板致动器372将挡板364从第一位置旋转(移动)到第二位置。当挡板364处于第一位置时，挡板364分配第一粉末而不分配第二粉末，而挡板364在挡板处于第二位置时分配第二粉末而不分配第一粉末。挡板364包括多个开口370，每个开口370能够沉积单独的粉末或两种粉末的组合。

OPL是一种AM技术，其允许金属(或其他)粉末的快速结构化沉积以形成三维部件。该方法使用粉末冶金技术以利用热量烧结材料。然而，与将粉末装入预制模具并压实的传统粉末冶金技术不同，OPL通过相同的逐层AM工艺添加地沉积形成部件和模具的材料。

如图45a所示，打印头346沉积正极粉末400和负极粉末402以形成有序粉末层404，有序粉末层404的形状由计算机辅助制造(CAM)程序指定。如图45b所示，使用基于MIS的感应加热器408对层404进行松散烧结。如图45c所示，在逐层的基础上重复该过程以形成“成形坯”部件410，该部件410在每层内和层之间具有结构完整性。如图45d所示，然后从部件410移除负极材料402。然后使用可变工作周期(duty cycle)高功率感应加热工艺或导致粉末层固结的其他等效能量源完全固结成形坯部件410。与其他AM技术不同，OPL不一定需要粘合剂(如粘合剂喷射技术)，也不是基于粉末床中材料的小点的渐进固结(如激光或电子束方法)。如图45e所示，可以使用后处理加热器对部件410进行进一步的热处理。如图45f所示，加工装置412可用于将部件410加工到其最终规格和公差。

如上所述，OPL技术是一种AM平版印刷技术，它使用粉末中的正负极材料。负极粉末形成的体积不通过在特定温度下加热而烧结，并且用于限定部件的外部边界(添加地形成模具)以及内部体积。正极粉末是通过在特定温度下加热而烧结以形成三维成形坯部件的粉末。可以使用多种类型的粉末来制造部件，从而允许通过其他添加方法无法实现的分级材料制造。

图46a和b示出了用作OPL 3D打印机的打印头346的使用。通过在打印头346中具有质量流量计的一系列精细喷嘴逐层地沉积粉末。当打印头扫过构造表面时，可以通过每个喷嘴沉积不同的负极材料416和正极材料418。具有渐变材料结构的部件是那些其中的材料从部件的一部分到另一部分变化的部件。打印机具有单独的打印头(图46a和b中未示出)，其具有MIS传感器，在沉积每层之后扫过粉末层以通过高频感应加热烧结正极粉末。或者，打印机可以集成粉末沉积和MIS打印头。

使用可变工作周期感应加热或任何其他加热过程使成形坯部件在单独的炉子中达到全密度，从而实现最终部件的所需材料特性。感应加热过程在调谐频率和脉冲工作循环下操作，使得材料固结而不损坏多层材料结构。因此，使用感应加热并通过调节感应频率以优先在第二颗粒上加热第一颗粒，并且通过使用脉冲工作循环以优先在第二颗粒上加热第一颗粒，从而选择性地加热颗粒。

许多材料可以在OPL打印机中使用。这些材料包括金属、塑料、聚合物、非金属、陶瓷、反应性材料和非反应性材料。如果粉末使用OPL打印头很好地流动并且使用逐层或大容量能量源部分或完全固结至少一种材料，则可以使用该技术制造复杂部件。

OPL系统的其他特征：

系统是“自调平的”-任何贮存器或“构造盒”都可以插入系统中，而不必相对于打印头346平衡构造表面。构造盒通常是粉末沉积到其中的开顶盒。我们用金属、耐火砖和石墨制成。如果在热处理条件下稳定，可以使用任何材料。因为粉末流动是自限制的并且是自刮平的，所以在沉积的第一粉末层中产生真实且水平的表面。该第一粉末层用作其余构造的基础。

非球形颗粒是良好的负极材料-非球形自由流动的颗粒倾向于不在单个粉末层中移动并因此保持正极材料的形状。由于粉末形态、非常高的熔融温度和高密度，钨粉特别适用于该应用。铸造砂(如锆石、氧化铝和氧化镁)也是很好的候选材料。这些材料在通常用于烧结/固结大多数金属的温度下不会烧结。此外，大多数金属不会润湿这些材料。

自动粉末料斗填充-系统可配备自动粉末料斗，在需要时将填充打印头上的粉末贮存器。这可以是定时系统(例如，在固定数量的层之后填充)或者配备有传感器(例如，光学传感器)以检测打印头上的粉末贮存器的粉末水平的系统，或者是具有柔性粉末进料管的重力流动系统。

使用前面描述的自刮平、自限制喷嘴以受控的方式沉积粉末。通过获取部件的3D模型、将部件切割成明确定义的“2D”截面以及为每个创建给定厚度的切片的2D表示的粉末生成路径，而生成工具路径。通过堆叠这些切片，可以制造3D部件。所述工具路径包括：

·负极粉末周边动作；

·负极粉末填充动作；

·正极粉末周边动作；

·正极粉末填充动作；

·行进动作；

·粉末清除动作。

在该工具路径中，通常首先沉积周边，然后是填充区域。然而，可能存在某些几何形状，其中首先沉积填充物。可以在工具路径中沉积任何数量的正极或负极材料。材料的数量取决于用于制造部件的特定OPL打印头。

行程动作是所有粉末挡板关闭并且打印头346移动到下一个打印位置过程中的动作。这些动作可以是来自先前位置的直线，或者可以被编程为避免任何不包含先前粉末的区域。例如，在沉积正极填充材料之后，挡板将关闭并且行进路径可以是长路线，其避免所有正极粉末区域并且仅在负极区域上通过。这将减少或消除不同粉末的任何交叉污染。

粉末清除动作是协调的复杂动作，用于从粉末挡板的内部移动少量粉末并将该材料沉积在“安全”区域中。当粉末挡板关闭时，存在旋转或线性运动，阻止粉末从蓄积器流出。随着这种移动，打印头具有相关运动以补偿挡板运动，并有效地将粉末保持在挡板中，位于粉末床构造表面上的相同位置。然后，控制程序评估该位置附近满足以下标准之一的所有可能位置：

·粉末清除位置具有与挡板中相同的粉末。

·粉末清除位置从包含另一种粉末的任何位置是最小距离。

·理想情况下，粉末清除位置尚未填充来自工具路径的粉末。如果首先沉积周边并且粉末清除位置位于相同粉末的填充区域内，则会发生这种情况。

·粉末清除位置只能通过直线或连续路径到达，该路径仅包含与挡板中的粉末相同的粉末。

·粉末清除位置通常在z方向上略高，这允许挡板中的剩余粉末缓慢地流出空间并完全清空挡板。通过适当选择粉末清除位置，少量额外的粉末完全结合到现有或随后的粉末层中，并且在最终构造中是不可检测的。

如前所述并在图47a和b中进一步说明的，OPL打印头346是自限制、自刮平系统，其产生具有明确限定尺寸的粉末痕迹。这是通过将粉末料斗系统(其可包括机械流化系统)与粉末蓄积器结合来实现的，粉末蓄积器控制粉末向构造的流动。打印头346包括进料管422和粉末料斗424。粉末料斗424形成粉末蓄积器426。如图47a所示，粉末428被引导通过进料管422进入粉末料斗424并积聚在粉末蓄积器426内。进料管422被振动并使得粉末蓄积器426中的粉末428流化，这导致粉末均匀地流出挡板。表面430上的粉末428的横截面形状由打印头346形成的刮板与粉末428沉积在其上的表面430之间的距离确定。

如图47b所示，粉末积聚在粉末蓄积器426内，直到粉末升至超过进料管422的口432。粉末428然后在进料管422的口432上形成天然粉末瓶塞。瓶塞防止更多粉末428流入粉末蓄积器426，直到粉末蓄积器426中的粉末428的水平下降。即使在料斗中有大量粉末供给振动粉末进料管422，也会发生这种情况。粉末蓄积器426中的粉末428的水平下降后，粉末428不再形成瓶塞，然后更多的粉末428流过进料管422进入粉末蓄积器426。

图46a-b中所示的打印头将正极粉末和负极粉末沉积在粉末床上。可以扩展该打印头配置以适应任何数量的粉末。这些粉末可以包括例如铁或铁合金材料、铜粉和负极粉末。通常，负极粉末相对于铁粉或铜粉应该是惰性的，以便在该过程中用作相对未烧结的模具/保持器。

图48a至d示出了通过使用多种粉末，可以首先烧结给定部件然后用另一种材料渗透所述给定部件。如图48a所示，保持器440由负极材料形成以限定第一和第二体积442和444。第一颗粒是保持在第一体积442内的第一材料446。第二材料448保持在第二体积444内。形成保持器440的负极材料、第一材料446和第二材料448使用如本文所述的逐层方法形成。

如图48b所示，第一颗粒是第一材料446的并且被烧结以将颗粒彼此连接。在另一个实施例中，可以使用另一种连接方案来连接颗粒，例如包括按压和/或粘合剂的方案。如果颗粒被烧结，则定位加热器(优选MIS感应加热器)，以将第一颗粒加热到第一温度以将第一颗粒彼此连接。第一颗粒在彼此之间具有空隙，连接第一颗粒在第一材料内留下空隙。

如图48c和d所示，加热器定位成加热第二材料448，使得第二材料448熔化并流入第一材料446。形成保持器440的负极材料还形成通道450，通道450的横截面小于第二体积444，用于将第一体积442连接到第二体积444，以在重力作用下将第二材料448从第二体积444通过通道引导进入第一体积。因此，通道450形成渗透系统，将第二材料引导到空隙中，使得第二材料渗透进第一材料。在第一材料446被第二材料448渗透之后，可以去除形成保持器440的负极材料，从而从负极材料释放该部件。该实施例显示了使用重力的渗透，但也可以使用毛细管作用渗透第一材料446。在这种情况下，浸渗材料448可以位于与第一材料相同的水平，或甚至低于第一材料的水平。当浸渗材料变成流体时，它将通过毛细管作用自然地芯吸到第一材料446的空隙中。

举例来说，基于铁(Fe)的OPL部件以标准构造体积制造。在完成部件的逐层制造之后，额外的负体积沉积在所述部件的顶部。在距离所述部件一定距离处，沉积一定体积的铜(Cu)粉末。该粉末将在制造过程中充当渗透剂。

然后将整个组件加热到足够的温度以进行烧结，同时不达到液相烧结或熔化所需的温度。这可能会导致部件中的特征丢失。

例如，在大约950℃时，Cu和Fe合金都将部分烧结。此时，Fe合金部件将获得一定程度的结构完整性，铜体积也将如此。随着温度升高到高于铜的熔化温度，铜将熔化并向Fe合金部件移动，该Fe合金部件的熔化温度远高于铜的熔化温度。熔融铜将穿过Fe合金部件中的空隙并缓慢地渗入材料中。理想情况下，Fe合金部件中的所有空隙都将被铜渗透，所得部件将包括具有Cu基质的Fe合金子结构。

图48a至d示出了使用OPL技术的反应材料沉积的实例。OPL技术允许一定数量的粉末材料以有序的方式沉积。原则上，某些正极材料本质上可以是反应性的。使用该方法形成的制品可以包括正极“容纳”材料，该材料包围“反应性”粉末的一个或多个体积，所述“反应性”粉末可以在机械、热或其它环境条件下以特定方式起作用。该部件应由阴模材料、正极材料和包含在正极材料中的附加材料组成。所述正极材料在后处理过程中被烧结/固结，并含有附加材料。附加的“反应性”材料可以被烧结或可以保持松散，但包含在正极材料中。所述“反应性”材料在正极材料的烧结/固结过程中保留所有反应性质。

图49a至c示出了与打印头346和粉末挡板的协调运动有关的方面。

OPL打印头包括挡板/刮平(shutter/screed)系统，该系统调节许多粉末流入粉末床的流量。挡板364本身可以由具有多个不同尺寸的开口370的表面组成，这些开口370控制粉末从粉末蓄积器到粉末床表面的流动。

图49a至c中的“X”表示构造的参考点。在图49a中，没有粉末从打印头346通过挡板364流动。在图49b中，挡板364沿顺时针方向460旋转到挡板364中的两个开口370中的较大者，并且粉末从蓄积器流到粉末床。当挡板364如图49c所示关闭时，它沿逆时针方向462旋转回到关闭位置。因此，挡板364相对于打印头364从图49b所示的第一位置旋转(移动)到图49c所示的第二位置，以关闭形成由挡板364限定的分配孔的开口370。在挡板从第一位置移动到第二位置时，有限质量的粉末保留在挡板364的开口370中。为了保持打印完整性，打印头346经历同时协调运动464，同时挡板364沿逆时针方向旋转462，以将剩余的有限质量的粉末保持在粉末床上的相同位置“X”。然后如前所述将剩余的粉末移至“粉末清除位置”。

图50和51示出了本发明的各方面，其涉及在构造中使用的可变厚度层。如图50所示，在传统的增材制造中，沉积粉末层470，并且层470中的一些使用外部能量源(例如激光，电子束)熔合在一起。因为吸收的能量仅穿透很短的距离，所以使用粉末的相对薄的均匀层(例如层470和472)来制造部件(由交叉影线表示)是必要的。具有给定均匀厚度的材料的逐层固结导致复杂部件的缓慢构造。

在OPL工艺中，如图51所示，没有必要将构造约束为构造的均匀厚度。相反，可以基于部件的几何形状通过使用不同厚度的构造层(例如，层474和476)来优化部件的制造。例如，如果部件的一部分需要高分辨率，则可以减小厚度以适应部件的更精细细节。对于大型结构或大面积的负极粉末，使用较大的OPL打印头喷嘴和较厚的层来构建部件更快。这在图51中示出，其示出了图50中所示的相同部件的制造。通过将打印头从沉积表面进一步定位以获得更厚的层而不是更薄的层，同时用打印头的两个或更多个内部或外部喷嘴在给定层中沉积所有必需的材料，可以实现不同厚度的层。

OPL的一个优点是它使用负极粉末提供完整的部件支撑。众所周知，粉末床增材制造方法需要在制造具有大悬突的部件时添加支撑结构。因为粉末床具有相对低的密度并且不能支撑构造结构中的固结的悬突物的质量，这种支撑结构是需要的。OPL是基于粉末的AM方法，在制造过程中不需要大量的支撑结构。在某些情况下可能需要制造支撑件以制造极其复杂的部件，但这不是该技术的要求。

图52显示了使用OPL构造工艺的部件制造的整个过程。首先，该部件采用计算机辅助设计(CAD)程序设计。然后将该3D设计“切片”成2D层并生成工具路径。所述工具路径被上传到OPL打印机，该OPL打印机使用两种或更多种粉末创建部件和模具的3D图像。然后对该盒进行后处理(例如加热，渗透等)以产生最终的近净形部件。

通常，负极粉末材料可以是在形成成形坯部件所需的加工温度下不烧结的材料。只要正极材料在机械上更坚固，部分烧结是可接受的。钨、锆石、碳化硅、氧化铝、WC和铬铁矿是负极材料的例子。

正极粉末材料通常是在加工温度下烧结或反应以形成成形坯部件的材料。铁和铁合金、铜和铜合金、铝和铝合金、钛和钛合金以及陶瓷粉末是正极粉末的实例。

图53a至d示出了可以使用OPL技术和冷等静压(CIP)482制造部件480。在图53a中，使用上述OPL技术将粉末直接形成为柔性模具484。正极材料在负极材料486内形成部件480。在图53b中，将模具脱气、密封并插入冷等静压机482。在图53c中，粉末在流体静压下压缩，这增加了填充粉末的密度。在这种情况下，正极粉末可能需要少量粘合剂，使得成形坯部件保持在一起。在粉末冶金中使用粘合剂在本领域中是众所周知的。

与之前的制造工艺不同，在这种情况下，所述“成形坯”部件由有序粉末法制成并使用冷等静压机(CIP)压制成型。在图53d中，将成形坯部件从模具484中取出并进行常规的热处理，该热处理设计用于增加密度并改善热处理部件材料的机械性能。

因此，图53a至d提供了连接方案的示例，该连接方案包括适于定位第一和第二粉末的模具482和适于产生压力以在压力下增加第一粉末的密度的加压装置(压力机482)。所述连接方案包括第一粉末中包含的粘合剂。

与OPL/CIP工艺类似，可以使用热等静压(HIP)和金属模具制造高密度金属或陶瓷部件。在这种情况下，有序粉末在金属容器内形成。将金属容器脱气、密封并在升高的温度和压力下装入HIP中。髋部(hip)升高的温度将热量传递给模具和粉末，从而提高模具和粉末的温度。在HIP工艺之后，所得部件具有达到接近满到全密度的正极粉末。在该示例中，所述连接方案包括压力加热器以增加模具的温度。

使用内部化学反应的复杂结构可以遵循OPL技术制造。通常，高性能金属间材料使用常规加工方法难以形成复杂形状。例如，诸如γ钛铝(TiAl)的材料在高温下显示出高强度，但公知的其难以加工。从这些材料制造复杂部件的另一种方法是使用前体材料(例如Ti和Al)形成部件，然后加热部件以形成γTiAl部件。在这种情况下，Ti和Al粉末以适当的比例混合，并在OPL打印机中作为正极粉末打印。可以使用任何数量的负极粉末材料，只要不与前体组分发生有害反应即可。通过加热，γTiAl形成前体的形状。

另一种方法涉及通过部分烧结来打印Ti部件。然后该成形坯Ti部件可以被渗透进Al金属并保持在形成γ-TiAl相的温度。尽管使用TiAl作为示例描述了该方法，但是使用该工艺可以将任何数量的金属间或多元素相材料制成复杂的形状。其他例子包括WC/Co、W/Ni、MgB2/Ga、Ti/MgZn等。

注意：该工艺可用于将金属间材料形成复杂形状，但也可用于将合金形成复杂形状。例如，可以将铜粉打印成形状，然后用锡渗透以形成青铜部件。

如图54a至d所示，可以通过增加OPL打印头速度和增加构造的层或切片厚度来实现高沉积速率。如图54a所示，对于大切片，特定粉末的休止角488可能导致有序粉末结构490的分辨率损失，这是由于粉末沉积在构造表面上一定高度导致显著的角度。如图54b所示，当下一个粉末沉积时，它形成结构492，其在由休止角限定的区域中填充另一个粉末的顶部，并在沉积的粉末结构492的与先前沉积的粉末结构490相对的另一侧显示另一个角度494。

图54c示出了同时沉积正极粉末和负极粉末的打印头500。打印头500包括用于正极粉末504的第一漏斗502和第一喷嘴506，正极粉末504通过第一喷嘴506流出第一漏斗502以形成第一体积508。打印头500还包括用于负极粉末512的第二漏斗510和第二喷嘴514，负极粉末512通过第二喷嘴514流出第二漏斗510以形成第二体积516。正极粉末504和负极粉末512同时沉积在基材518上。第一体积508与第二体积516接触，第一体积508和第二体积516之间具有界面520。

通过同时沉积两种粉末504和512，可以保持OPL部件的分辨率。由两种粉末形成的体积508和516在中间相遇并填充至刮平水平。体积508和516之间的界面520几乎是垂直的，基本上没有休止角。该方法对于在二维(2D)构造切片中生成厚周边是理想的，因为保持了边界(以及由此所述部件)的分辨率。图54d中示出了另一种设计，其中薄的机械屏障522位于两种流动粉末之间。该屏障522随打印头移动，并在两种材料之间产生高度限定的界面。

如前所述，OPL打印头可配备多个喷嘴直径。打印头的构造速度或沉积速率由打印头速度、OPL喷嘴的直径和构造切片的厚度确定。在任何给定的部件中，为使部件的总沉积时间最小化，可使用许多沉积速率。

图55a-i示出了用于制造近净形(NNS)部件的OPL工艺的示意图。创建具有部件细节的原始CAD模型并将其存储在计算机存储器中(图55a)。该部件的这种表示是要制作的具有所有细节的部件的高分辨率、复杂的3D模型。大多数增材制造方法使用它作为制造目标。在NNS OPL工艺中，原始CAD模型“模糊”，精细细节丢失。通过消除原始CAD模型中部件的精细细节来修改原始CAD模型，以渲染制造目标模型(图55b)。在去除的加工过程中将重新获得精细细节，但是目前制造目标模型是原始CAD模型的较低分辨率表示。然后创建OPL工具路径(图55c)。OPL工具路径基于该较低分辨率的制造目标模型而不是原始CAD模型。生成的工具路径更加简单，并且可以比原始CAD绘图生成的高清晰度工具路径更快地执行。将NNS工具路径上传到OPL打印机并制造该部件(图55d和55e)。基于该工具路径，打印头相对于基材移动(图55d)。在将第一粉末的第一颗粒彼此连接(图55e)以形成成形坯部件之前，形成第一粉末并将其保持为根据制造目标模型的形状。在此阶段，成形坯部件可选择加工成原始CAD模型的细节(图55f)。取决于部件，在加工之前可以更容易地将部件渗透和/或固结至最终密度。NNS工具路径和部件仅用于缩短打印时间并提供NNS形式，从中可以创建近端加工的成形坯部件。

然后可以在环境压力或高压下通过渗透(图55g)或热处理(图55h)进一步处理该机加工成形坯部件以形成最终部件(图55i)。对于高度精细的部件，可以使用额外的精加工/研磨/抛光方法。可以看出，目标不是从一开始就制造出精细部件，而是快速制造部件的低分辨率表示，然后使用传统的加工操作将细节添加到最终部件中。打印头根据制造目标形成形状。然后将成形坯部件加工成原始CAD模型的细节以形成部件。

图56示出了制造系统342的控制组件，包括粉末流量传感器360、挡板致动器372、振动传感器356、计算机600、加热器602和打印头致动器604。计算机600接收来自粉末流量传感器360的输入。还可以实施在构造期间测量构造盒的总质量的传感器方案。来自总质量测量系统的输入允许计算机600限定每层的构造，并且是粉末流动的额外监视器。计算机600控制挡板致动器372、振动传感器356、计算机600、加热器602和打印头致动器604。加热器602可以是一个或多个加热器，其可以包括逐层的固结加热器、同时固结多层的整体固结加热器，输液加热器和后制造热处理加热器。一个加热器可以执行一个或多个功能。计算机600可编程以执行上文所述的功能。图中的组件以编程机器人的方式一起工作，该编程机器人接收人类输入和来自其组件(例如粉末流量传感器360)的反馈以制造部件。

虽然已经在附图中描述和示出了某些示例性实施例，但是应该理解，这些实施例仅仅是说明性的而不是对本发明的限制，并且本发明不限于由此示出和描述的特定结构和布置，本领域普通技术人员可以进行修改。已经描述了一种系统，该系统使用通量集中器的相对运动来产生重叠的热影响区域。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，另一系统可以不利用相对运动。静态系统可以例如利用通量集中器阵列来产生热影响区域阵列。尽管阵列通常是矩形的，但是根据预期目的可以使用其他布局。

Claims (29)

1.一种制造方法，包括：

将第一粉末保持在第一粉末料斗中，将第二粉末保持在第二粉末料斗中，所述第一粉末具有第一材料的第一颗粒，所述第二粉末具有第二材料的第二颗粒；

将所述第一粉末料斗的所述第一粉末通过至少一个打印头的第一喷嘴引导到基材上，将所述第二粉末料斗的所述第二粉末通过所述至少一个打印头的第二喷嘴引导到所述基材上；

相对于所述基材移动所述至少一个打印头以沉积所述第一粉末和第二粉末以形成接触的第一粉末的第一体积和第二粉末的第二体积，在所述第一体积和所述第二体积之间具有界面，所述第二颗粒松散并形成保持器的至少一部分，所述保持器保持第一颗粒；和

采用连接方案将所述第一颗粒彼此连接，其中，所述第一材料是正极材料，所述第二材料是负极材料，使得所述正极材料相对于将所述第二颗粒连接的负极材料优先将所述第一颗粒连接，所述正极材料形成部件，所述部件的边缘由所述界面限定，同时，所述第二颗粒保持松散；和

将所述部件从松散的所述第二颗粒中移出。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过加热所述第一颗粒以使所述第一颗粒固结来连接所述第一颗粒。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，使用感应加热、高强度光加热、辐射加热或电子束加热来加热所述第一颗粒。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，使用感应加热并通过调节感应频率以优先于所述第二颗粒加热所述第一颗粒而选择性地加热所述第一颗粒。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述感应加热使用脉冲工作循环以优先于所述第二颗粒加热所述第一颗粒。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

沉积多个连续的层，其中多个连续的层的至少第一层包括所述第一材料的一部分和所述第二材料的一部分，并且多个连续的层的至少第二层包括所述第一材料的一部分和所述第二材料的一部分，其中所述第二层的所述第一材料与所述第一层的所述第一材料接触；和

将所述第二层的所述第一材料的颗粒连接到所述第一层的所述第一材料。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二体积位于所述第一体积内。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一体积完全包围所述第二体积。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一层和所述第二层具有不同的厚度。

10.根据权利要求6所述的方法，还包括：

在将所述第二层沉积在所述第一层上之前，加热所述第一层以固结所述第一层的所述第一材料的颗粒，和

在将所述第二层沉积在所述第一层上之后，加热所述第二层以固结所述第二层的所述第一材料的颗粒。

11.根据权利要求6所述的方法，还包括：

同时加热所述第一层和所述第二层，以固结所述第一层和所述第二层的所述第一材料的颗粒。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括：

加工所述部件。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述部件是具有结构完整性的成形坯部件，还包括：

热处理所述成形坯部件以形成热处理部件。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一粉末和所述第二粉末同时沉积在所述基材上。

15.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将挡板从第一位置移动到第二位置，其中在所述挡板处于所述第一位置时所述挡板分配所述第一粉末而不分配所述第二粉末，并且在所述挡板处于所述第二位置时所述挡板分配所述第二粉末而不分配所述第一粉末。

16.根据权利要求1所述的方法，还包括：

相对于所述打印头将挡板从第一位置移动到第二位置，以关闭由所述挡板限定的分配孔，使得当所述挡板从所述第一位置移动到所述第二位置时，有限质量的所述第一粉末保留在所述挡板的孔中和所述基材上的位置处；和

在同时的协调运动中移动所述挡板时移动所述打印头以将所述有限质量的粉末保持在所述基材上的所述位置处。

17.根据权利要求1所述的方法，还包括：

启动振动传感器以使所述第一粉末部分或完全流化。

18.根据权利要求1所述的方法，还包括：

利用流量传感器监控所述第一粉末的流动。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述流量传感器是谐振电路，所述谐振电路以与所述第一粉末耦合的频率谐振。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：

设定频率极限，其中设定所述流量传感器的频率极限的下限，使得所述第一粉末中的所述第一颗粒的直径大于所述第一粉末的趋肤深度的4至6倍。

21.根据权利要求19所述的方法，还包括：

测量所述谐振电路的阻抗以测量通过所述第一粉末料斗的所述第一粉末的流动特性。

22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述负极材料包括钨、锆石、碳化硅、氧化铝、WC或铬铁矿。

23.根据权利要求1所述的方法，其中，所述正极材料包括铁、铜、铝、钛或陶瓷。

24.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一粉末和所述第二粉末同时沉积，在所述第一粉末和所述第二粉末之间，所述第一粉末和所述第二粉末相遇处具有界面。

25.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连接方案包括：

将所述第一粉末和所述第二粉末定位在模具中；和

在压力下增加所述第一粉末的密度。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述连接方案包括：

在所述第一粉末中包括粘合剂。

27.根据权利要求25所述的方法，其中，所述连接方案包括：

提高所述模具的温度。

28.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在形成所述第一体积之前，分别混合第一前体材料和第二前体材料的第一前体粉末和第二前体粉末以形成第一粉末；和

在形成所述第一体积之后加热所述第一粉末以引起所述第一前体材料和所述第二前体材料之间的反应。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述反应产生多元素相或合金，所述多元素相或合金包括Cu / Fe合金、γTiAl相、WC / Co相、W / Ni相、MgB2 / Ga相、Ti / MgZn相或青铜。

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