SE536670C2 - Skiktbaserad tillverkning av friformade mikrokomponenter avmultimaterial - Google Patents

Abstract

Förfarande för additiv skiktbaserad tillverkning av tredimensionella föremålsom innefattar mer än ett material. Förfarandet möjliggör effektiv framställ-ning av föremål som består av pulverbaserade material (såsom kerarner ellerhårdmetall) men med tillägg av ett eller flera sekundära material. Friforrns-förmåga kan integreras hos de sekundära materialen. Förfarandet kan t.ex.användas för att framställa mikrosystem där keramen används som en isolatoroch det sekundära materialet används för framställning av tredimensionellaledningsbanor och vior.

Description

536 670 BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Bakgrund Uppfinningen avser en metod för tillverkning av föremål genom att utgå från en virtuell 3D-modell (CAD-modell) och använda denna information för att tillsätta material på ett kontrollerat sätt i syfte att forma föremålet. Den här typen av metoder går under ett antal olika benämningar, tex rapid prototyping, friformsframställning, skiktbaserad tillverkning eller additiv tillverkning. 3D-printning är en metod som hör till denna grupp. Eftersom föremål med mycket komplexa former kan beskrivas med en uppsättning plana skikt så möjliggör denna metod tillverkning av vilken valfri form som helst med en precision som begränsas av den faktiska implementeringen av dessa skikttillverkningsmetoder. 3D-printning är en metod i vilken ett pulverskikt fördelas på en yta. En bläckstråleskrivare används för att fördela ett bindemedel på ytan och skapa en temporär bindning mellan partiklarna. Bindemedlet torkas och processen upprepas tills en pulverbädd som består av ett föremål som binds samman med bindemedlet skapats. Det lösa pulvret spolas bort från föremålet och föremålet sintras sedan. Gränslinjerna mellan de ursprungliga pulverlagren försvinner och ett fast föremål skapas.

Fördelarna med 3D printning jämfört med andra skiktbaserade tillverkningsmetoder är den höga hastigheten, att det inte krävs byggande av stödstrukturer och att det slutliga föremålet är homogent och utan restspänningar. Den höga hastigheten beror på att hela pulverskiktet deponeras i ett steg och att bindemedlet kan deponeras med ett stort antal 10 15 20 25 30 536 670 munstycken samtidigt. Andra metoder som kan bygga föremål genom punktvis dispensering eller genom användning av en enda laser eller en elektronstråle för att konsolidera materialet punktvis är i sig långsammare eftersom de bara kan bygga en punkt i taget. Pulverbädden stödjer strukturen och gör det möjligt att bygga strukturer som innehåller valv utan byggande av en separat stödstruktur som måste avlägsnas i ett senare steg. Pulvret kan deponeras utan densitetsgradienter och detta säkerställer att sintring som utförs i ett senare steg kan bilda ett homogent föremål utan differentiell krympning.

I den ursprungliga uppfinningen av 3D-printning (Cima US6146567) så appliceras pulvret på ytan genom sprayning av en suspension. I en senare uppfinning av Fcubic så sprids pulvret ut i torr form för att skapa ett skikt (Fcubic WO03055628). Den senare metoden är mycket snabb men begränsad till grövre pulver vilka har en ungefärlig kornstorlek på 10-20 um som kan spridas homogent i torrt tillstånd. Finkornigare pulver, vilka inbegriper de flesta sintringsbara keram- och hårdmetallpulvren, är omöjliga att sprida ut som ett homogent skikt i torrt tillstånd på grund av van der Waalsattraktion som begränsar flödet av små partiklar i torrt tillstånd.

Mikrosystem används i allt högre grad för att göra produkter smartare, dvs. för att ge produkter ny funktionalitet. De används till exempel i produkter som solceller, batterier, OLED, mikrovågskomponenter, miniatyriserad kemisk analys (lab-on-a-chip), högtemperatursensorer, fordon och köksredskap.

Mikrosystem kan innehålla sensorer (för acceleration, strålning, kraft, tryck, fukt, kemisk miljö etc.). De kan också innehålla aktuatorer baserade på elektrostatiska, magnetostriktiva, piezoelektriska och andra principer.

Mikrosystem kan också innehålla kaviteter som bildar vågledare för ljus och mikrovågor eller kanaler för transport av fluider.

Hittills har det inte varit möjligt att använda skiktbaserad tillverkning för att direkt framställa byggsätt för mikrosystem (Microsystems packaging”) med 10 15 20 25 30 536 670 verkliga 3D-strukturer. Tillängliga metoder, såsom LTCC (low temperature cofired ceramics) kan bara användas för att skapa platta substrat där den elektriska kopplingen (vior) måste placeras vinkelrätt mot skikten. Detta gör det ofta nödvändigt att kombinera LTCC-strukturer med andra 3D-strukturer som tillverkats separat. Att använda additiv- och direkttillverkning för att realisera byggsättet skulle skapa en konkurrensfördel. Utveckling av integrerade elektroniska chip är en mycket effektiv och strömlinjeformad produktionsprocess som utförs genom s.k. "si|icon foundaries". Byggsätten är inte standardiserade på samma sätt. Ofta är byggsättet den största delkostnaden vid tillverkning av mikrosystem. Dessutom är design, tillverkning och testning av byggsättet en väldigt tidskrävande process.

Förbindningselementen i mikrosystem byggs med ett isolerande och ett elektriskt ledande material. För vissa applikationer krävs andra material för byggande av resistorer och för modifiering av de dielektriska egenskaperna.

Detta kräver att tillverkningsprocessen kan bygga med och integrera flera olika material. Detta har inte varit möjligt med tidigare tillgängliga metoder för skiktbaserad tillverkning.

Beskrivning av uppfinningen Syftet med uppfinningen är att möjliggöra tillverkning av 3D-föremål som innehåller flera material genom additiv skiktbaserad tillverkning. Uppfinningen möjliggör effektiv framställning av föremål som består av ett pulverbaserat material (såsom en keram, intermetall, hårdmetall eller ett metalliskt material) men med tillsatser av ett eller flera sekundära material (såsom en keram, intermetall, hårdmetall eller ett metalliskt material). Friformsförmåga kan integreras hos de sekundära materialen.

En platt stödstruktur tillhandahålles som en plattform för att bygga föremålet.

Ett finkornigt pulver deponeras som en vattenbaserad suspension på stödstrukturen med hjälp av bredslitsmunstycke, utstrykningskniv eller 10 15 20 25 30 536 670 extruderingsmetoder. Ett temporärt bindemedel används för att binda samman de delar av lagret som skall inkluderas i det slutgiltigt formade föremålet. Vattnet avdunstar snabbt från den koncentrerade suspensionen för att konsolidera lagret. Flera skikt deponeras ovanpå varandra för att bygga föremålet med tillsats av bindemedel. Ett hydrofobt material deponeras selektivt på varje pulverskikt för att skapa hålrum i nästkommande skikt. De hydrofoba delarna repellerar den vattenbaserade suspensionen. Dessa hålrum fylls med sekundära material med hjälp av bläckstråleapplicering eller dispensering. Deponeringen av pulverskikten och det sekundära materialet repeteras för ett önskat antal skikt. När hela föremålet är byggt så sköljs det lösa pulvret (som ej bundits av det temporära bindemedlet) bort från föremålet. Föremålet tas bort från stödstrukturen före eller efter bortsköljningen av löst pulver. Föremålet upphettas sedan för att avlägsna det temporära bindemedlet följt av ytterligare upphettning för sintring av föremålet till en fast komponent innehållande flera material.

På det här sättet kan strukturer av sekundärt material med godtycklig form skapas i föremålet. Dessa strukturer kan till exempel användas för att bygga 3D-vior (elektriskt eller termiskt ledande linjer med godtycklig form och riktning) i ett isolerande matrismaterial.

En tillämpning av uppfinningen är framställning av byggsätt för mikrosystem i vilken keramen fungerar som en isolator och det sekundära materialet användas för att skapa 3D-ledningsbanor eller 3D-vior. Det finkorniga pulvret som används i den här metoden möjliggör dess användning för byggande av komponenter som har små detaljer och krav på hög precision. Andra tänkta tillämpningar för den här metoden är byggandet av mikrofluidiksystem, små mekaniska precisionskomponenter, slipverktyg, dentala föremål eller medicinska implantat.

Uppfinningen bygger på konceptet med 3D-printning. Men istället för att sprida eller spraya ut ett torrt pulver så tillförs pulverskiktet som en 10 15 20 25 30 536 670 koncentrerad suspension i vatten. Suspensionen appliceras som ett tunt skikt med hjälp av hjälp av bredslitsmunstycke, utstrykningskniv eller extruderingsmetoder eller andra tekniker för utspridning av suspensionen.

Detta skiljer sig från sprayning där keramen måste vara i en mycket utspädd suspension för att ha en viskositet som gör det möjligt för den att passera genom spraymunstycket. Genom applicering av suspensionen med bredslitsmunstycke så är det möjligt att tillföra ett mycket tunt pulverskikt (1- 50 um) på ett noggrant kontrollerat sätt från en högkoncentrerad suspension.

Högkoncentrerad används här för att beskriva en suspension som är nära den teoretiska koncentrationsgränsen för slumpvis tätpackning. Den högkoncentrerade suspensionen stelnar snabbt eftersom det endast krävs avlägsnande av en mycket liten andel av vattnet för att omvandla den till fast form. Ett bindemedel appliceras sedan på de delar av lagret som skall finnas kvar i det slutliga föremålet.

Principen för att skapa hålrum ide skikt som ska fyllas med ett sekundärt material visas i Figur 2. Tillsatsen av bindemedel för att forma strukturen genom avlägsnande av löst pulver visas i Figur 1.

Materialet som tillförs som skikt kan vara en keram men det är också möjligt att sprida skikt av andra finkorniga pulver såsom hårdmetaller, intermetaller eller metaller. Kravet är att pulvren skall ha en liten partikelstorlek (<5 pm) så att de kan dispergeras utan sedimentering men också att de skall ha förmåga att bearbetas som tunna skikt för att möjliggöra formandet av små former med hög precision. Det finns också ett behov av möjligheten att dispergera pulvren i vatten utan signifikanta reaktioner mellan det finkorniga pulvret och vattnet.

Metoden kräver att pulvret kan sintras till ett tätt material. Det kommer också kräva icke-agglomererade pulver med sintringsförmåga, i vilka kravet på partikelstorlek beror på den faktiska typen av material. För keramer med hög prestanda är kravet ofta en partikelstorlek som är under 1 um. 10 15 20 25 30 536 670 Den grundläggande 3D-printningsprocessen kan skapa interna kaviteter (hål eller kanaler) i komponenten så länge som dessa är i kontakt med komponentens yta och att löst pulver kan sköljas från dessa efter det att komponenten har skapats. Att fylla bildade kaviteter med ett sekundärt material efter tillverkning av hela komponenten är svårt och opraktiskt. För att möjliggöra tillförandet av ett andra material inuti komponenten är det nödvändigt att skapa kaviteten då skiktet skapas.

Att använda mekanisk borrning eller Iaserbearbetning för att skapa kaviteter i varje skikt är möjligt men det skulle orsaka en emission av skärspån eller annat skräp. Dessa skulle vara mycket svårt att avlägsna och det skulle förstöra en process som syftar till att skapa små strukturer med hög precision och hög kvalitet.

Istället för bearbetning så appliceras en hydrofob vätska selektivt på del av skiktet. När nästa skikt tillförs så repellerar de hydrofoba områdena den vattenbaserade pulversuspensionen så att ett hålrum (hål eller kavitet) skapas i skiktet i vilket ett andra (eller tredje eller fjärde) materialet kan tillföras. Den hydrofoba vätskan kan till exempel innefatta kolväten (alkaner, oljor, fetter), fluorkarboner eller silikoner.

Eftersom kaviteterna skapas skikt för skikt så kan de fyllas skikt för skikt med en pasta av ett sekundärt material med hjälp av dispenser, bläckstråleskrivare eller andra appliceringsmetoder. Fyllningen av kaviteter med dispenser (i en punkt åt gången) är en långsammare process än bläckstråleapplicering av bindemedlet (som sker med en uppsättning munstycken), men i de flesta applikationer så utgör den yta som behöver fyllas bara en liten del av hela tvärsnittet av komponenten. På det här sättet bibehålls fördelen av att snabbt kunna deponera och konsolidera hela skikt.

Den här processen gör det möjligt att skapa 3-dimensionella viahål (3D ledande förbindningar) inuti komponenten eller att integrera andra 3D - 10 15 20 25 30 536 670 strukturer av ett sekundärt material i strukturen. Begränsningen är att de tillförda materialen måste vara kompatibla med sintringsproceduren. Detta problem löses emellertid i den kommersiellt tillängliga LTCC teknologin (low temperature cofired ceramics for electronics applications).

Processen kan också användas för att tillföra ett offermaterial som sekundärt material i de hålrum som skapas av de hydrofoba områdena. Offermaterialet väljs för att temporärt fylla hålrummen men försvinna under värme- behandlingen före sintring eller under första delarna av sintringsprocessen.

Detta kan användas för att inkludera kanaler eller kaviteter i komponenten.

Eftersom dessa kaviteter inte är fyllda med ett permanent sekundärt material så behöver de inte vara anslutna till utsidan på föremålet. Offermaterialet bryts ned/förångas genom föremålets porer innan dessa sluts under sintringen. Ett exempel på offermaterial är grafit som oxiderar och bildar koldioxid om föremålet upphettas i luft under värmebehandling. Ett annat exempel på ett offermaterial är vax som smälter och förångas under värmebehandling. Tvättning av små kanaler eller små kaviteter är ofta svårt och tidskrävande även om kanalerna eller kaviteterna är öppna mot ytan av föremålet.

Med den här metoden är det också möjligt att tillföra plana ledarbanor med bläckstråleapplicering med ett metalliskt bläck innan nästa keramiska skikt tillförs på samma sätt som i LTCC-teknologin.

Den här metoden möjliggör tillverkning av keramiska byggsätt (eller kerambaserade anslutningar) för ett brett spektrum av mikrosystem. Att tillföra funktionella material och att koppla samman dessa material med elektriska ledare möjliggör tillsättning av sensorer eller aktuatorer. Tillsättning av ledarbanor, resistorer, induktanser och kapacitanser och anslutningspunkter för elektroniska chip möjliggör för integration av smarta system. 10 15 20 25 30 536 670 Den höga precisionen och förmågan att bygga komplexa strukturer och integrera sekundära material ger möjlighet att tillverka små komplexa maskinverktyg eller såväl medicinska implantat som dentala produkter.

Metoden gör det också möjligt att skapa kanaler och kaviteter med intern metallisering. Sådana strukturer kan användas som vågledare i mikrovågsapplikationer. Högfrekventa mikrovågsförbindningar (THz eller nära THz) baserade på mikrostrip behöver bytas mot vågledare. Dessa vågledare (metalliserade kanaler) kräver hög precision och låg ytojämnhet för att undvika förluster. Sådan hög precision och låg ytojämnhet kan åstadkommas genom tillverkning med den här metoden.

Exempel 1 I ett enkelt modellexperiment så användes en bestrykningsstation baserad på en utstrykningskniv istället för en bredslitsapplicering för manuell applicering av skikten. På en platta av sintrad aluminiumoxid så screen-trycktes ett metalliskt mönster. Mönstret bestod av raka ledarbanor med olika dimensioner och avslutade med en kontaktpunkt, Figur 3. Tryckningen gjordes med silverpasta för att få god ledningsförmåga.

Plattan med ledaren placerades i bestrykningsstationen. En aluminiumoxidsuspension (40 vol% AKP 30, Sumitomo Chemicals) i vatten med ett dispergeringsmedel (0,35% Dolapix PC21) beströks med en utstrykningskniv med 80 um gap. Denna bestrykning bildade ett skikt av fint aluminiumoxidpulver på plattan.

Hålrum för vior skapades genom att dispensera en hydrofob vätska. Den hydrofoba vätskan var en fluorkarbonbaserad vätska. På områden där den hydrofoba vätskan applicerades så vätte inte den vattenbaserade aluminiumoxidsuspensionen och den undvek följaktligen dessa områden.

Hålrum skapas som penetrerar det torra aluminiumoxidpulverskiktet. 10 15 20 25 30 536 670 Ett nytt skikt av ledare screen-trycktes på ytan av det torkade keramiska skiktet. Det andra skiktet av konduktivt mönster appliceras så att det första skiktet kan förbindas genom kontaktpunkterna. Silverpasta penetrerar genom de bildade hålrummen och förbinder det första skiktet med det andra skiktet för bildande av en viaförbindelse.

Vi bekräftade förbindelse genom att mäta en kortslutning mellan ändpunkterna hos det övre och nedre skikten som visas i Figur 4. Strömmen hade gått alternerande genom det övre och undre skiktet genom 6 vior.

Exempel 2 En maskin för skiktbaserad tillverkning byggdes. Den består av ett bord med linjära aktuatorer (NSK och HlWlN) som kan röra en hållare i x-y-z led. Den rörliga hållaren styrs av en PLC-controller (Beijer).

På den rörliga hållaren monteras ett bredslitsmunstycke (Premier Dies) som fylls med keramisk suspension under tryck med en precisionskugghjulspump.

Den keramiska suspensionen liknar den i exempel 1 men koncentrationen av fast material justerades för att göra viskositeten lämplig för bredslitsmunstycket.

Bläckstrålehuvuden (HP) med drivelektronik (Megatech Electronic) fästes vid hållaren för att möjliggöra tryckning av både temporärt latexbindemedel och en hydrofob vätska.

Dispenserare monterades också på den rörliga hållaren och fylldes med ledande pasta.

En dator programmerades för att kontrollera bredslitsmunstycket via PLC och för att överföra tryckinformation till drivelektroniken för tryckningen av varje skikt. Den rörliga hållaren höjdes sedan före deposition av nästa skikt. 10 536 670 Maskinen användes för att bygga 3D ledande vior i en keramisk byggsättsstruktur. 11

Claims (11)

10 15 20 25 30 536 670 PATENTKRAV

1. Förfarande för additiv skiktbaserad tillverkning av föremål som innefattar mer än ett material och varvid alla inkluderade material har friformsförmåga, innefattande stegen a) tillhandahållande av ett plant substrat som en plattform för att bygga föremålet b) hydrofobering av utvalda delar hos det plana substratet genom applicering av en hydrofob lösning c) utspridning av en vattenbaserad pulversuspension som innefattar partiklar med en storlek som är mindre än 5 um i ett skikt som har en tjocklek som är mindre än 50 um d) applicering av ett bindemedel till de delar av pulverskiktet som ska finnas kvar i den formade pulverstommen e) applicering av ett eller flera sekundära material som pulversuspensioner eller pulverpasta ide hålrum som bildats genom den hydrofoba repulsionen av den vattenbaserade suspensionen f) upprepad tillsats av pulverskikt, hydrofoba områden, bindemedel och sekundära material enligt ovan för uppbyggnad av en pulverstomme av önskad form och storlek g) sköljning av föremålet från löst pulver och avlägsning av föremålet från fästet h) värmebehandling för avlägsning av bindemedel och sintring av pulverföremålet till en fast stomme.

2. Förfarande enligt krav 1, varvid hålrummen i pulverskikten selektivt fylls med ett offermaterial som kvarlämnar kaviteter eller kanaler i det sintrade föremålet.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, varvid pulversuspensionen deponeras i skikt med hjälp av en utstrykningskniv, bredslits- eller strängsprutningsmetod, det hydrofoba materialet och bindemedlet deponeras med 12 10 15 20 25 30 536 670 bläckstråleapplicering och de sekundära materialen deponeras genom dispensering eller bläckstråleapplicering.

4. Förfarande enligt krav 1 eller 2, varvid det hydrofoba materialet är en lösning eller dispersion av fluorkarboner eller silikoner.

5. Förfarande enligt krav 1 eller 2, varvid pulversuspensionen består av ett keram- eller hårdmetallpulver.

6. Förfarande enligt krav 1 eller 2, varvid en ytterligare funktionalitet tillförs genom inkludering av dielektriska, resistiva, halvledande, magnetiska eller andra funktionella material för sensorer eller aktuatorer.

7. Användning av förfarande enligt krav 1 eller 2, för framställning av strukturer med ledande och isolerande material för att framställning av byggsätt för mikrosystem.

8. Användning av förfarande enligt krav 1 eller 2, för framställning av implantat eller dentala ersättningskomponenter.

9. Användning av förfarande enligt krav 1 eller 2, för framställning av verktyg för slipning eller skärande bearbetning.

10. Användning av förfarande enligt krav 1 eller 2, för framställning av mekaniska precisionskomponenter.

11. Användning av förfarande enligt krav 1 eller 2, för framställning av kanaler och kaviteter med metalliserade ytor i ett keramiskt material för användning som vågledare för mikrovågor. 13