CN106466712A - 选择性三维成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种选择性三维成型方法，其包括提供成型粉体、提供碳化物质，进而形成混合粉体；利用光束照射并加热部分混合粉体至预定温度，使部分混合粉体中的成型粉体的材料浸润碳化物质，进而冷却并固化为三维物体。本发明的选择性三维成型方法，可以有效率的形成具有强化物质的材料的三维物体。

Description

选择性三维成型方法

技术领域

本发明是有关于一种成型方法，且特别是有关于一种选择性三维成型方法。

背景技术

随着科技发展，三维打印(3D printing)技术及增材制造(AdditiveManufacturing，AM)技术已经成为最主要发展的技术之一。上述这些技术属于快速成型技术的一种，它可以直接通过使用者设计好的数字模型文件来直接制造出所需的成品，且成品几乎是任意形状的三维实体。在过去的模具制造、工业设计等领域，三维打印技术常常被用于制造模型，现在则逐渐被应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程、汽车、航空、牙科和医疗产业、教育、土木工程以及其他领域中。

现有的三维打印技术根据各式的机型及材料有多种不同的成型机制，其中例如是选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,简称：SLS)或选择性激光熔结(Selective Laser Melting,简称：SLM)的三维打印技术，其利用例如是激光光源的照射来使金属粉体或陶瓷粉体逐层熔结或烧结出所需形状的三维实体。同时，由于上述的光源可以提供较高的制作精度及成型效率，上述的三维打印技术都常被广泛应用在上述各种领域中。

随着人们需求的提升，上述这些三维打印技术所使用的粉体也需要掺杂其他物质以使形成的三维物体可以具有所需的材质特性。然而，这些掺杂其他物质的粉体的制作需要经由额外烧结、熔结等加工，进而使粉体的制作效率降低，同时也增加了成本及能源的消耗。

发明内容

本发明提供一种选择性三维成型方法，其可以有效率的形成具有强化物质的材料的三维物体。

本发明的实施例的选择性三维成型方法包括提供成型粉体、提供碳化物质，进而形成混合粉体；利用光束照射并加热至少部分混合粉体至预定温度，使部分混合粉体中的成型粉体的材料浸润碳化物质，进而冷却并固化为三维物体。

在本发明的一实施例中，当上述的成型粉体的材料在预定温度时，成型粉体的材料对碳化物质的附着力大于成型粉体的材料的内聚力。

在本发明的一实施例中，当上述的三维物体固化后，还包括清除未固化的混合粉体。

在本发明的一实施例中，在上述的光束照射并加热部分粉体之前，还包括利用预热载台预热混合粉体。

在本发明的一实施例中，上述的碳化物质的材料包括碳纤维(carbonfiber)、碳管(carbon nanotube)、石墨(graphite)、石墨烯(graphene)、碳60(C60)、碳化铝(Aluminium carbide)或碳化硅(silicon carbide,SiC)。

在本发明的一实施例中，在提供上述的碳化物质之前，还包括将碳化物质研磨为粒径大小落在10纳米(nanometer,nm)至50微米(micrometer,μm)的范围的粉末。

在本发明的一实施例中，上述的碳化物质在混合粉体所占的体积的比例不超过0.5。

在本发明的一实施例中，上述的成型粉体的材料包括铝、钛、镁、镍、铜、一氧化二铝(aluminium(I)oxide,Al₂O)、二氧化锆(Zirconium dioxide,ZrO₂)、二氧化硅(Silicon dioxide,SiO₂)或上述至少其中之二的混合。

在本发明的一实施例中，上述的预定温度高于成型粉体的材料的熔点温度或烧结温度，且预定温度低于碳化物质的材料的熔点温度。

在本发明的一实施例中，上述的预定温度及成型粉体的材质的熔点温度或烧结温度的差值落在摄氏50至2500度的范围内。

基于上述，由于本发明的实施例的选择性三维成型方法通过光束的照射让混合粉体中的成型粉体可以浸润碳化物质，因此可以有效率得形成具有碳化物质的材质的三维物体。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的第一实施例的选择性三维成型方法的流程示意图；

图2A及图2B是本发明的一实施例的选择性三维成型装置的示意图；

图3是本发明的一实施例的混合粉体在预定温度下的示意图；

图4是本发明的第二实施例的选择性三维成型方法的流程示意图。

附图标记说明：

α：角度；

d1、d2：方向；

L：光束；

S11～S27：步骤；

100：选择性三维成型装置；

110：工作载台；

112：预热载台；

120：供粉模块；

121、121A：混合粉体；

123：成型粉体；

125：碳化物质；

130：光源；

140：清除模块。

具体实施方式

图1是依照本发明的第一实施例的选择性三维成型方法的流程示意图。请参照图1，本发明的第一实施例的选择性三维成型方法可以对具有成型粉体及碳化物质的混和粉体进行加工。本实施例的选择性三维成型方法包括提供成型粉体、提供碳化物质，进而使成型粉体及碳化物质形成混合粉体。简单来说，本实施例的选择性三维成型方法先提供由成型粉体和碳化物质形成的混合粉体S11。

图2A及图2B是本发明的一实施例的选择性三维成型装置的示意图。请参照图1及图2A，本发明的第一实施例的选择性三维成型方法可以应用于例如是选择性三维成型装置100中，其中选择性三维成型装置包括工作载台110、供粉模块120、光源130及清除模块140。

在本实施例选择性三维成型方法中，由成型粉体及碳化物质所形成的混合粉体121被提供至工作载台110上。工作载台110上的混合粉体121例如是由滚筒式的供粉模块120将混合粉体121沿着方向d1喷洒至工作载台110上，且混合粉体121是由预先混合好的成型粉体及碳化物质所形成，但本发明不限于此。在其他实施例中，上述混合粉体121还可以是具有喷嘴的供粉模块，且供粉模块可以依次提供成型粉体及碳化物质，进而在工作载台110上形成混合粉体121，本发明不限于上述的混合粉体的提供方式。

请参照图1及图2B，本发明的第一实施例的选择性三维成型方法在提供混合粉体S11后利用光束照射并加热混合粉体S12。详细来说，在混合粉体121被提供到工作载台110上后，光源130提供光束L来照射并加热部分混合粉体121A，进而使部分粉体121A被加热，亦即利用光源130所提供的光束L来选择性加热部分混合粉体121A。

上述的光源130例如是适于提供激光光束的光源，其所提供的光束L可以被混合粉体121吸收，进而使混合粉体加热至预定温度，但本发明并不限于上述的光源。在其他实施例中，光源还可以是适于提供让混合粉体吸收并加热的光束的光源。

请参照图1，本发明的第一实施例的选择性三维成型方法接着将混合粉体加热至预定温度，使部分混合粉体中的成型粉体的材料浸润碳化物质S13。

详细来说，图3是本发明的一实施例的混合粉体在预定温度下的示意图。图3所绘示的图式是用以举例说明本发明的实施例的混合粉体在预定温度下时的相对关系，其并非用以限定本发明的混合粉体在预定温度下的状态。在本实施例中，混合粉体121中的成型粉体123在加热过程中熔化或烧结为液状，且加热过后的成型粉体123的材料浸润碳化物质125。换句话说，加热过的成型粉体123的材料与碳化物质125的表面之间的接触角α小于90度，较佳为小于20度，因此加热过后的成型粉体123的材料具有良好的湿润性(wettability)，可以良好地附着在碳化物质125上，进而使碳化物质125及成型粉体123的材料良好得混合。

换句话说，当上述的成型粉体123的材料在预定温度时，成型粉体123的材料对碳化物质125的附着力大于成型粉体123的材料的内聚力，因此成型粉体123的材料可以良好地浸润碳化物质125。

请参照图1及图2B，在混合粉体被加热至预定温度S13后，被加热过的部分混合粉体121A进而冷却并固化为三维物体S14。由于本实施例的选择性三维成型方法有让上述的部分混合粉体121A在冷却成型前加热至预定温度，进而使部分混合粉体121A中的碳化物质与成型粉体可以良好地混合，再通过工作载台110沿着方向d2的移动，逐层固化、堆积的三维物体可以具有良好的材料性质。

由于本实施例的选择性三维成型方法让三维物体的成型和碳化物质的掺杂同时完成，因此大幅提升了具有碳化物质的三维物体的形成效率。

详细来说，在本实施例中，上述的碳化物质的材料包括碳纤维、碳管、石墨、石墨烯、碳60、碳化铝或碳化硅，且碳化物质在混合粉体所占的体积的比例不超过0.5，因此混合粉体中的成型粉体在预定温度时可以良好得浸润碳化物质，且在后续冷却固化后形成的三维物体也可以具有良好的材质。

另一方面，本实施例的成型粉体的材料包括铝、钛、镁、镍、铜或是上述这些金属材料的至少其中之二的混合，且预定温度高于上述这些金属材料的熔点温度，并低于碳化物质的材料的熔点温度。因此，请一并参照图3，通过持续在成型粉体123熔化后利用光束加热，熔化后的成型物质123的材料对于碳化物质125的浸润能力也随之增高，且由于碳化物质125在预定温度依然呈现固态，熔化后的成型粉体123的液状材料可以附着在碳化物质125的表面上。进一步来说，上述的预定温度及成型粉体123的材质的熔点温度的差值落在摄氏50至2500度的范围内，因此当混合粉体121加热至预定温度时，成型粉体可以良好得浸润碳化物质，进而使碳化物质可以良好得掺杂在混合粉体121中，并调整所形成的三维物体的材质特性。

本实施例的选择性三维成型方法例如是以选择性激光熔结的方式将具有金属材料的成型粉体掺杂碳化物质并形成三维物体，但本发明不限于此。

在其他实施例中，成型粉体的材料还可以包括一氧化二铝、二氧化锆、二氧化硅或上述这些陶瓷材料的至少其中之二的混合，且预定温度高于成型粉体的陶瓷材料的烧结温度，且预定温度低于碳化物质的材料的熔点温度。因此，在加热至烧结温度后的成型物质的材料对于碳化物质的浸润能力也随之增高，且由于碳化物质在预定温度依然呈现固态，成型粉体的液状材料可以附着在碳化物质的表面上。进一步来说，上述的预定温度及成型粉体的材质的烧结温度的差值落在摄氏50至2500度的范围内，因此当混合粉体加热至预定温度时，成型粉体可以良好得浸润碳化物质，进而使碳化物质可以良好得掺杂在混合粉体中，并调整所形成的三维物体的材质特性。

由于上述的碳化物质的熔点温度大致都远高于上述成型粉体的熔点温度或烧结温度，也就是在成型粉体被加热为液状后，仍需要大量得加热混合粉体方能让碳化物质熔化，因此光束可以适当得在碳化物质没有被熔化的前提下让呈现液状的成型粉体的材质良好得浸润碳化物质。

图4是本发明的第二实施例的选择性三维成型方法的流程示意图。请参照图4，在本发明的第二实施例中，选择性三维成型方法在提供成型粉体和碳化物质所形成的混合粉体S22之前会先将碳化物质研磨S21，进而将碳化物质研磨为粒径大小落在10纳米至50微米的范围内。因此，当混合粉体被加热至预定温度S25时，碳化物质还可以有效率得被成型粉体的材质浸润。

另一方面，请参照图4，在本实施例的混合粉体被光束照射并加热S24之前，混合粉体还可以通过预热载台来预热至预热温度。所述的预热温度接近成型粉体的熔化温度或烧结温度，因此部分欲被固化的混合粉体在固化前的温度变化较小，可以更加提升三维物体的形成效率及合格率。进一步来说，请一并参照图2A，本实施例的选择性三维成型方法可以应用于选择性三维成型装置100中，且混合粉体121例如可以通过工作载台110上的预热载台112预热，预热至预热温度的混合粉体121接着再被光源130所发出的光束L加热。

在本发明的第二实施例中，当三维物体固化S26后，还可以通过清除未固化的混合粉体S27来取得三维物体。请一并参照图2B，选择性三维成型装置100中的清除模块140例如可以通过吸取或是喷出气体的方式来清除工作载台110上未固化的混合粉体121，进而得到三维物体。

综上所述，由于本发明的实施例的选择性三维成型方法通过光束的照射来选择性地将混合粉体加热至预定温度，且预定温度下的成型粉体的材质可以浸润碳化物质，进而使成型粉体的材质与碳化物质良好得混合，加热过得混合粉体冷却并固化为三维物体，因此可以有效率得形成具有碳化物质的材质的三维物体。另一方面，由于本发明的实施例的选择性三维成型方法可以选择性的让成型粉体的材料浸润碳化物质，不需对整体的成型粉体及碳化物质作加工，因此更大幅降低了时间及能源的消耗。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种选择性三维成型方法，其特征在于，包括：

提供成型粉体；

提供碳化物质，所述成型粉体及所述碳化物质形成混合粉体；以及

利用光束照射并加热部分所述混合粉体至预定温度，使所述部分混合粉体中的成型粉体的材料浸润所述碳化物质，进而冷却并固化为三维物体。

2.根据权利要求1所述的选择性三维成型方法，其特征在于，当所述成型粉体的材料在所述预定温度时，所述成型粉体的材料对所述碳化物质的附着力大于所述成型粉体的材料的内聚力。

3.根据权利要求1所述的选择性三维成型方法，其特征在于，在所述三维物体固化后，还包括清除未固化的混合粉体。

4.根据权利要求1所述的选择性三维成型方法，其特征在于，在所述光束照射并加热所述部分粉体之前，还包括利用预热载台预热所述混合粉体。

5.根据权利要求1所述的选择性三维成型方法，其特征在于，所述碳化物质的材料包括碳纤维、碳管、石墨、石墨烯、碳60、碳化铝或碳化硅。

6.根据权利要求1所述的选择性三维成型方法，其特征在于，在提供所述碳化物质之前，还包括将所述碳化物质研磨为粒径大小落在10纳米至50微米的范围的粉末。

7.根据权利要求1所述的选择性三维成型方法，其特征在于，所述碳化物质在所述混合粉体所占的体积的比例不超过0.5。

8.根据权利要求1所述的选择性三维成型方法，其特征在于，所述成型粉体的材料包括铝、钛、镁、镍、铜、一氧化二铝、二氧化锆、二氧化硅或上述至少其中之二的混合。

9.根据权利要求1所述的选择性三维成型方法，其特征在于，所述预定温度高于所述成型粉体的材料的熔点温度或烧结温度，且低于所述碳化物质的材料的熔点温度。

10.根据权利要求1所述的选择性三维成型方法，其特征在于，所述预定温度及所述成型粉体的材质的熔点温度或烧结温度的差值落在摄氏50至2500度的范围内。