TW201444671A - 製造三維工件的方法 - Google Patents

Abstract

一種製造三維工件的方法。本發明之方法係依序形成多層粉末薄層於工作台或基板上，其中成型粉末係由金屬材料、陶瓷材料或陶瓷/金屬混合物所形成；緊接在每一層粉末薄層形成之後，根據對應的二維剖面圖形，選擇性噴滴陶瓷溶膠，並被加加熱，進而形成該層固態薄層；去除附著於該多層固態薄層之殘留粉末，以獲得成型生坯；最後，對成型生坯進行烘乾、燒結，即完成三維工件。

Description

製造三維工件的方法

本發明關於一種製造三維工件的方法，並且特別地，關於利用噴滴陶瓷溶膠、快速原型技術來製造陶瓷、金屬或瓷金三維工件的方法。

快速原型製造技術使用疊層製造的方法，可依照電腦輔助設計(CAD)所建構的3D立體幾何形狀，製造出3D實體物件的技術，能克服傳統機具加工無法完成的幾何形狀，做到自動化實體自由形狀製造(Solid Freeform Fabrication,SFF)，而且做出的原型無形狀限制。快速原型技術領域橫跨機械、電機、自動化、光電、材料、化學等領域，為一種高度整合性的技術。

快速原型技術使用的材料分為高分子材料(感光樹脂)、金屬粉末、陶瓷、紙張、臘及複合材料等，而大多數的商用快速原型機以高分子材料及金屬材料為主。但是這兩種材料的價格昂貴，因此限制了快速原型技術的應用範圍與推廣速度。然而，陶瓷材料具有高強度、高熔點、耐腐蝕且無毒性等優點，而且陶瓷材料價格便宜，所以值得發展。

快速原型技術所使用的工具分為兩大系統：雷射系統，例如，立體微影成像法(Stereolithography Apparatus,SLA、選擇性雷射燒結法(Selective Laser Sintering,SLS)等；以及噴嘴系統，例如，熔融沉積造型法(Fused Deposition Modeling,FDM)、三維噴印法(3D Printing,3DP)等。一般使用 噴嘴的快速原型技術系統會有成型速度慢、精度較差的缺點。例如，FDM系統能將長條狀的塑膠原料加熱成半熔化的狀態，再經由噴嘴擠出材料堆疊成形，製程所需時間較長因此速度慢效率差。3DP系統利用噴嘴把黏結劑(binder)噴覆於粉末狀的材料上，黏結劑能夠把顆粒狀粉末黏結起來，但是黏結劑也會受毛細現象造成擴散使得成品尺寸精度不佳。關於雷射系統，因為雷射光能量可調整的範圍較大，可加工的材料種類多，一般而言，只要是粉末狀的原料都可以利用雷射光加以燒結或熔結成形。

到目前為止，國外使用雷射光為加熱工具，陶瓷材料為原料的疊層加工技術可分為三大類：(1)立體微影成像法(SLA)：將陶瓷粉末與紫外光感光樹脂(UV resin)混合，經由紫外光雷射(UV Laser)掃描固化(Cured)後建構成成型生坯工件。(2)選擇性雷射燒結(SLS)：使用雷射光為熱源對粉末狀態的材料進行選擇性掃描，使粉末顆粒之間產生燒結作用形成成型生坯工件。(3)堆疊製造(Laminated Object Manufacturing,LOM)：先把陶瓷材料製成薄片長條狀，以雷射光將薄片材料切割成適當形狀，層與層之間利用黏結劑連結並堆疊成成型生坯工件。國內以快速原型技術製作陶瓷工件則是直接雷射熔結法形成陶瓷工件，以雷射光對粉末狀態陶瓷材料進行掃描，使粉末直接產生熔化而黏結形成陶瓷工件。

上述技術中，SLA法：採用紫外光感光樹脂做為黏結劑，在做燒結後處理去除感光樹脂時會產生有害人體的氣體。LOM法：在層與層之間的黏結劑，需經過燒結後處理去除，而且多餘材料需經人工剝除十分費時。SLS法：使用雷射光對陶瓷材料進行燒結或直接熔結形成陶瓷工件，因材料所受的雷射能量密度較大，容易造成較大的收縮及變形。

目前尚未見到利用噴滴技術、快速原型技術而不 利用雷射來製造陶瓷、金屬或瓷金三維工件的方法被提出。

因此，本發明所欲解決的技術問題在於提供一種製造三維工件之方法，其係以快速原型技術為基礎並利用噴滴陶瓷溶膠來製造陶瓷、金屬或瓷金三維工件。

根據本發明之第一較佳具體實施例的製造三維工件的方法，首先係建立關於三維工件之立體模型圖形。接著，本發明之方法係將立體模型圖形剖切成M層二維剖面圖形，其中M係自然數。每一層二維剖面圖形依序對應M層固態薄層中之一層固態薄層。接著，本發明之方法係鋪設成型粉末於工作台或基板上，以形成第一層粉末薄層，其中成型粉末係由金屬材料、陶瓷材料或陶瓷/金屬混合物所形成。接著，本發明之方法係根據對應第一層固態薄層之第一層二維剖面圖形，選擇性噴滴陶瓷溶膠於第一層粉末薄層之部分粉末薄層上。接著，本發明之方法係加熱第一層粉末薄層，致使第一層粉末薄層中被噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層凝結固化，進而形成第一層固態薄層。接著，本發明之方法係形成第k層粉末薄層於第(k-1)層固態薄層上，其中k係範圍從2至M中之整數指標。接著，本發明之方法係根據第k層二維剖面圖形，選擇性噴滴陶瓷溶膠於第k層粉末薄層之部分粉末薄層上。接著，本發明之方法係加熱第k層粉末薄層，致使第k層粉末薄層中被噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層凝結固化，進而形成第k層固態薄層。接著，本發明之方法係重複形成第k層粉末薄層的步驟、選擇性噴滴陶瓷溶膠於第k層粉末薄層之部分粉末薄層上的步驟以及加熱第k層粉末薄層的步驟，直至完成M層固態薄層為止。接著，本發明之方法係去除附著於M層固態薄層之殘留粉末，以獲得由M層固態薄層所構成之成型生坯。最後，本發明之方法係對成型生坯進行烘乾、燒結，即完成三維工件。

於一具體實施例中，於加熱過程中，第一層粉末薄層以及第k層粉末薄層之被噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層中之陶瓷溶膠產生化學性凝結固化反應。

根據本發明之第二較佳具體實施例的製造三維工件的方法，首先係建立關於三維工件之立體模型圖形。接著，本發明之方法係將立體模型圖形剖切成M層二維剖面圖形，其中M係自然數。每一層二維剖面圖形依序對應M層固態薄層中之一層固態薄層。接著，本發明之方法係鋪設成型粉末於工作台或基板上，以形成第一層粉末薄層，其中成型粉末係由金屬材料、陶瓷材料或陶瓷/金屬混合物所形成。接著，本發明之方法係根據對應第一層固態薄層之第一層二維剖面圖形，選擇性熱噴滴陶瓷溶膠於第一層粉末薄層之部分粉末薄層上，致使第一層粉末薄層中被熱噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層凝結固化，進而形成第一層固態薄層。接著，本發明之方法係形成第k層粉末薄層於第(k-1)層固態薄層上，其中k係範圍從2至M中之整數指標。接著，本發明之方法係根據第k層二維剖面圖形，選擇性熱噴滴陶瓷溶膠於第k層粉末薄層之部分粉末薄層上，致使第k層粉末薄層中被熱噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層凝結固化，進而形成第k層固態薄層。接著，本發明之方法係重複形成第k層粉末薄層的步驟以及選擇性熱噴滴陶瓷溶膠於第k層粉末薄層之部分粉末薄層上的步驟，直至完成M層固態薄層為止。接著，本發明之方法係去除附著於M層固態薄層之殘留粉末，以獲得由M層固態薄層所構成之成型生坯。最後，本發明之方法係對成型生坯進行烘乾、燒結，即完成三維工件。

與先前技術相較，根據本發明之方法可以製作出製造陶瓷、金屬或瓷金三維工件，並且可以解決上述成型方法無法克服的問題。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明 詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

1‧‧‧製造方法

S10~S30‧‧‧方法步驟

3‧‧‧製造設備

32‧‧‧鋪料裝置

322‧‧‧漏斗

324‧‧‧鋪料滾輪

34‧‧‧工作台

35‧‧‧微噴射裝置

36‧‧‧加熱裝置

FP‧‧‧成型粉末

PF1‧‧‧粉末薄層

PF2‧‧‧粉末薄層

SF‧‧‧固態薄層

4‧‧‧製造方法

S40~S58‧‧‧方法步驟

圖1係根據本發明之第一較佳具體實施例的製造方法的流程圖。

圖2A係運用本發明之製造設備來製造三維工件其在鋪設粉末薄層程序階段的示意圖。

圖2B係運用本發明之製造設備來製造三維工件其在噴滴陶瓷溶膠流體滴程序階段的示意圖。

圖2C係運用本發明之製造設備來製造三維工件其在加熱程序階段的示意圖。

圖2D係運用本發明之製造設備來製造三維工件其在堆疊多層固態薄層後的示意圖。

圖3係根據本發明之第二較佳具體實施例的製造方法的流程圖。

圖3係以3D繪圖軟體設計出的三維工件模型圖形之一範例。

圖4係本發明之方法所採用二氧化矽溶膠經化學性凝結固化反應後所產生的組織之SEM照片。

圖5係本發明之方法所採用採用二氧化矽粉末與二氧化矽溶膠混合經以紅外線熱管加熱產生化學性凝結固化反應後所形成的陶瓷組織之SEM照片。

圖6係根據本發明之方法所製造鈦-氧化矽複合材料工件生坯的外觀照片。

圖7為圖6所示鈦-氧化矽複合材料工件生坯剖面的SEM照片。

請參閱圖1以及圖2A至圖2D，圖1係繪示之第一較佳具體實施例的本發明製造方法1的流程圖。本發明之製造方法1係製造陶瓷、金屬或瓷金三維工件。圖2A至圖2C係繪示運用可實施本發明之製造方法1的製造設備3來製造三維工件的示意圖。

如圖1所示，本發明之製造方法1首先係執行步驟S10，建立關於三維工件之立體模型圖形。關於該立體模型圖形的建立可以使用電腦斷層掃描技術與逆向工程建構出原始的立體模型圖形，或是直接利用電腦輔助設計技術設計出適合的關於三維工件之立體模型圖形。

接著，本發明之製造方法1係執行步驟S12，將立體模型圖形剖切成M層二維剖面圖形，其中M係自然數。每一層二維剖面圖形依序對應M層固態薄層中之一層固態薄層。

接著，如圖1及圖2A所示，本發明之製造方法1係執行步驟S14，以鋪料裝置32鋪設成型粉末FP於工作台34上或基板(未繪示圖2A中)上，以形成第一層粉末薄層PF1。成型粉末FP係由金屬材料、陶瓷材料或陶瓷/金屬混合物所形成。工作台34具有平面，且被致動沿垂直平面之軸(即平行圖2A中Z軸之一軸)做升降。根據本發明，鋪料裝置32可以包含盛裝成型粉末FP的漏斗322以及可使成型粉末FP均勻分佈於工作台34(或基板)上的鋪料滾輪324(或平板形刮料板、刮刀或圓柱形滾筒)。漏斗322擠送適當的成型粉末FP至工作台34(或基板)上。鋪料滾輪324將前述之成型粉末FP塗佈成均勻的粉末薄層PF1。每一層粉末薄層PF1的厚度可 控制在約100μm。但本發明不以此為限，所需的粉末薄層PF1的厚度可依照製品剖面曲線的曲率以及陶瓷溶膠特性而定，也就是說粉末薄層PF1的厚度是可變者。例如，當製品剖面曲線的曲率愈大時，粉末薄層PF1的厚度則變小。並且本發明也不以水平或等厚度粉末薄層PF1為限。

於一具體實施例中，本發明之製造方法1利用篩網將成型粉末篩選出所需顆粒狀大小(30μm以下)，並加熱乾燥去除水份。實務上，成型粉末的粒徑可視成型工件的尺寸而定。

接著，如圖2B所示，本發明之製造方法1係執行步驟S16，根據對應第一層固態薄層SF之第一層二維剖面圖形，選擇性噴滴陶瓷溶膠於第一層粉末薄層PF1之部分粉末薄層PF2上。

於實際應用中，圖1中之噴滴程序係藉由微噴射裝置35來執行，如圖2B所示。微噴射裝置35的驅動機制即如同現行商用噴墨印表機的壓電式(Piezoelectric)噴墨頭。微噴射裝置35係以平面(如圖2B所示的X-Y平面)掃描方式噴射出陶瓷溶膠流體滴於第一層粉末薄層PF1上。於一具體實施例中，微噴射裝置35具有一或多個噴射孔。若微噴射裝置35具有多個噴射孔，可以陣列方式排列，以提升掃描、噴射陶瓷溶膠流體滴的速度。

本發明之製造方法1係執行步驟S18，加熱第一層粉末薄層PF1，致使第一層粉末薄層PF1中被噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層PF2凝結固化，進而形成第一層固態薄層SF。

於一具體實施例中，如圖2C所示，圖1中之加熱程序係以加熱裝置36所發出的熱對整層第一層粉末薄層PF1進行加熱，其中被噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層PF2被 加熱使陶瓷溶膠產生化學性凝結固化反應，進而形成第一層固態薄層SF(圖2C中深色部分)。也就是說，陶瓷溶膠脫水而形成鏈狀分子結構(例如，Si-O-Si、Si-O-C/SiC)，再進一步發展為網狀分子結構，當其成長觸及成型粉末時，即將成行粉末緊密包覆並黏結在一起。並且，相鄰層間亦以陶瓷溶膠產生化學性凝結固化反應而黏結在一起。於化學性凝結固化反應完成後，即形成立體的成型坯體。由於未使用有機黏結劑，因此在去除餘料和後續的燒結製程中不會產生有害氣體。由於使陶瓷溶膠產生化學性凝結固化反應所需能量遠小於燒結金屬粉末或陶瓷粉末所需能量，因此可大幅降低對金屬、陶瓷或磁金工件收縮及變形的影響。

於一具體實施例中，如圖2C所示，加熱裝置36可以是加熱滾輪、加熱墊、紅外線加熱管或其他工業上常見的加熱裝置，但無須採用昂貴的雷射裝置。

接著，如圖1及圖2D所示，本發明之製造方法1係執行步驟S20，致動工作台34沿平行圖2D中Z軸下降一距離(一個薄層的厚度)，使得在後續形成完新的一層粉末薄層PF1後，不必重行調整微噴射裝置35的位置基準。於步驟S20中，並且執行k=(k+1)的運算。此外需強調的是，於實際應用中，每一層固態薄層SF不以相同厚度為必要。

接著，如圖1所示，本發明之製造方法1係執行步驟S22，以鋪料裝置32鋪設第k層粉末薄層PF1於第(k-1)層固態薄層SF上，其中k係範圍從2至M中之整數指標。接著，根據本發明之製造方法1係執行步驟S23，根據第k層二維剖面圖形，以微噴射裝置35選擇性噴滴陶瓷溶膠於第k層粉末薄層PF1之部分粉末薄層PF2上。實務上，經由CAM技術，可將電腦與將製造設備3連線，依據該等二維剖面圖形控制微噴射裝置35對每一層成型粉末薄層PF1噴滴陶瓷溶膠，並進一步達成自動化製造。

接著，本發明之製造方法1係執行步驟S24，加熱第k層粉末薄層PF1，致使第k層粉末薄層PF1中被噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層PF2產生化學性凝結固化反應凝結固化反應，進而形成第k層固態薄層SF。

接著，根據本發明之製造方法1係執行步驟S26，判斷所有二維剖面圖形是否已據以掃描選擇性噴滴陶瓷溶膠、加熱形成在工作台34(或基材)上的粉末薄層PF1。若步驟S26的判斷結果為否定者，本發明之製造方法1係執行步驟S20，致動工作台34下降一距離(一個粉末薄層PF1的厚度)，接續執行步驟S22至步驟S24，直至完成M層固態薄層SF為止。

若步驟S26的判斷結果為肯定者，本發明之製造方法1係執行步驟S28，以去除裝置(未繪示於圖2D中)去除附著於M層固態薄層SF之殘留粉末PF1，以獲得由M層固態薄層SF所構成之成型生坯，如圖2D所示。

於一具體實施例中，去除裝置可以是空氣噴槍，利用空氣噴槍將附著於M層固態薄層SF之殘留粉末PF1以低壓氣流去除，即可獲得立體形狀的多層成型生坯。

最後，本發明之製造方法1係執行步驟S28，對成型生坯進行烘乾、燒結，即完成三維工件。

於一具體實施例中，本發明之製造方法1可以將成型生坯置於高溫爐內加熱至150℃去除水份，再升溫至材料的燒結溫度，即可獲得高純度的多層陶瓷、金屬或瓷金等複合材料的三維工件。

請參閱圖3，圖3係繪示之第二較佳具體實施例的本發明製造方法4的流程圖。本發明之製造方法4係製造陶瓷、金屬或瓷金三維工件。請再次參閱圖2A、圖2B及圖2D(不包含圖2C)，該等圖式將用來輔助說明本發明之製造方 法4的實施。

如圖3所示，本發明之製造方法4首先係執行步驟S40，建立關於三維工件之立體模型圖形。關於該立體模型圖形的建立可以使用電腦斷層掃描技術與逆向工程建構出原始的立體模型圖形，或是直接利用電腦輔助設計技術設計出適合的關於三維工件之立體模型圖形。

接著，本發明之製造方法4係執行步驟S42，將立體模型圖形剖切成M層二維剖面圖形，其中M係自然數。每一層二維剖面圖形依序對應M層固態薄層中之一層固態薄層。

接著，如圖3及圖2A所示，本發明之製造方法4係執行步驟S44，以鋪料裝置32鋪設成型粉末FP於工作台34上或基板(未繪示圖2A中)上，以形成第一層粉末薄層PF1。同樣地，成型粉末FP係由金屬材料、陶瓷材料或陶瓷/金屬混合物所形成。工作台34具有平面，且被致動沿垂直平面之軸(即平行圖2A中Z軸之一軸)做升降。根據本發明，鋪料裝置32可以包含盛裝成型粉末FP的漏斗322以及可使成型粉末FP均勻分佈於工作台34(或基板)上的鋪料滾輪324(或平板形刮料板、刮刀或圓柱形滾筒)。漏斗322擠送適當的成型粉末FP至工作台34(或基板)上。鋪料滾輪324將前述之成型粉末FP塗佈成均勻的粉末薄層PF1。每一層粉末薄層PF1的厚度可控制在約100μm。但本發明不以此為限，所需的粉末薄層PF1的厚度可依照製品剖面曲線的曲率以及陶瓷溶膠特性而定，也就是說粉末薄層PF1的厚度是可變者。例如，當製品剖面曲線的曲率愈大時，粉末薄層PF1的厚度則變小。並且本發明也不以水平或等厚度粉末薄層PF1為限。

接著，如圖2B所示，本發明之製造方法4係執行步驟S46，根據對應第一層固態薄層SF之第一層二維剖面 圖形，選擇性熱噴滴陶瓷溶膠於第一層粉末薄層PF1之部分粉末薄層PF2上，致使第一層粉末薄層PF1中被熱噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層PF2凝結固化，進而形成第一層固態薄層SF。也就是說，陶瓷溶膠脫水而形成鏈狀分子結構(例如，Si-O-Si、Si-O-C/SiC)，再進一步發展為網狀分子結構，當其成長觸及成型粉末時，即將成行粉末緊密包覆並黏結在一起。並且，相鄰層間亦以陶瓷溶膠產生化學性凝結固化反應而黏結在一起。與本發明之製造方法1不同之處在於，本發明之製造方法4無須採用如圖2C所示的加熱裝置36。

於實際應用中，圖3中之熱噴滴程序係藉由如圖2B所示之微噴射裝置35來執行。但是，微噴射裝置35的驅動機制並非如同現行商用噴墨印表機的壓電式噴墨頭，而是熱氣泡式(Thermal bubble)噴墨頭。熱氣泡式微噴射裝置35係藉由加熱器產生熱能。加熱器被設置於填充有陶瓷溶膠之流體腔(Fluid chamber)的噴孔(Orifice)周圍，並且於接受噴射訊號時，於流體腔內立即產生熱氣泡以噴射出陶瓷溶膠流體滴。

同樣地，本發明之製造方法4採用的熱氣泡式微噴射裝置35係以平面(如圖2B所示的X-Y平面)掃描方式熱噴射出陶瓷溶膠流體滴於第一層粉末薄層PF1上。於一具體實施例中，熱氣泡式微噴射裝置35具有一或多個噴射孔。若熱氣泡式微噴射裝置35具有多個噴射孔，可以陣列方式排列，以提升掃描、噴射陶瓷溶膠流體滴的速度。

接著，如圖3及圖2D所示，本發明之製造方法4係執行步驟S48，致動工作台34沿平行圖2D中Z軸下降一距離(一個薄層的厚度)，使得在後續形成完新的一層粉末薄層PF1後，不必重行調整微噴射裝置35的位置基準。於步驟S48中，並且執行k=(k+1)的運算。此外需強調的是，於實際應用中，每一層固態薄層SF不以相同厚度為必要。

接著，如圖3所示，本發明之製造方法4係執行步驟S50，以鋪料裝置32鋪設第k層粉末薄層PF1於第(k-1)層固態薄層SF上，其中k係範圍從2至M中之整數指標。接著，根據本發明之製造方法4係執行步驟S52，根據第k層二維剖面圖形，以微噴射裝置35選擇性熱噴滴陶瓷溶膠於第k層粉末薄層PF1之部分粉末薄層PF2上，致使第k層粉末薄層PF1中被熱噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層PF2凝結固化，進而形成第k層固態薄層SF。

接著，根據本發明之製造方法4係執行步驟S54，判斷所有二維剖面圖形是否已據以掃描選擇性噴滴陶瓷溶膠、加熱形成在工作台34(或基材)上的粉末薄層PF1。若步驟S54的判斷結果為否定者，本發明之製造方法4係執行步驟S48，致動工作台34下降一距離(一個粉末薄層PF1的厚度)，接續執行步驟S50及步驟S52，直至完成M層固態薄層SF為止。

若步驟S54的判斷結果為肯定者，本發明之製造方法4係執行步驟S56，以去除裝置(未繪示於圖2D中)去除附著於M層固態薄層SF之殘留粉末PF1，以獲得由M層固態薄層SF所構成之成型生坯，如圖2D所示。

最後，本發明之製造方法4係執行步驟S58，對成型生坯進行烘乾、燒結，即完成三維工件。

於一具體實施例中，本發明之製造方法4可以將成型生坯置於高溫爐內加熱至150℃去除水份，再升溫至材料的燒結溫度，即可獲得高純度的多層陶瓷、金屬或瓷金等複合材料的三維工件。根據本發明之製造方法所製造的三維工件之成份可以包含3Al₂O₃-2SiO₂、CaO-SiO₂、2CaO-SiO₂、3CaO-2SiO₂、3CaO-SiO₂、2FeO-SiO₂、K₂O-SiO₂、K₂O-2SiO₂、K₂O-3SiO₂、K₂O-4SiO₂、MgO-SiO₂、2MgO-SiO₂、MnO-SiO₂、 2MnO-SiO₂、Na₂O-SiO₂、2Na₂O-SiO₂、Na₂O-2SiO₂、3Na₂O-2SiO₂、3Na₂O-8SiO₂、P₂O₅-SiO₂、4P₂O₅-3SiO₂、2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂、4MgO-5Al₂O₃-2SiO₂、CaO-Al₂O₃-2SiO₂、2CaO-Al₂O₃-SiO₂、2FeO-2Al₂O₃-5SiO₂、K₂O-Al₂O₃-SiO₂、2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂、MgO-5Al₂O₃-2SiO₂、CaO-Al₂O₃、CaO-2Al₂O₃、CaO-6Al₂O₃、3CaO-Al₂O₃、12CaO-7Al₂O₃、FeO-Al₂O₃、MgO-Al₂O₃、MnO-Al₂O₃、AlPO₄、Al₃PO₇、TiO₂-3Al₂O₃、CaO-TiO₂、3CaO-2TiO₂、5CaO-4TiO₂、FeO-TiO₂、2FeO-TiO₂、FeO-2TiO₂、K₂O-2TiO₂、MgO-TiO₂、2MgO-TiO₂、MgO-2TiO₂、MnO-TiO₂、2MnO-TiO₂、Na₂O-TiO₂、2Na₂O-TiO₂、Na₂O-3TiO₂、Na₂O-6TiO₂、4Na₂O-5TiO₂、P₂O₅-TiO₂、3P₂O₅-5TiO₂、SiO₂-ZrO₂、CaO-ZrO₂或CaO-4ZrO₂等。

於實際應用中，欲製作的三維工件具有凸懸(Overhang)部分，利用成行粉末本身顆粒作為支撐結構(Support structure)防止凸懸部分變形。

於一具體實施例中，成型粉末可以是氧化矽、氧化鋁、氧化鈣、氧化鈦、氧化鋯、氧化鎂、氧化鐵、氧化錳、氧化鉀、氧化鈉、氧化磷、矽酸鈣、碳化矽、氮化矽、鈦、鈦合金、鐵、鎳鉻合金、鈷鉻合金、鋁合金或其混合組合所形成的粉末。

於一具體實施例中，陶瓷溶膠可以是氧化矽溶膠、氧化鈦溶膠、氧化鋯溶膠或氧化鋁溶膠等陶瓷溶膠。

根據本發明之方法所製造的三維工件的機械等性質，包含表面粗糙度、抗彎強度、緻密性、孔隙性等，可以根據在不同的製程參數而定，例如，粉末粒徑、層厚、微噴射裝置的掃描速度、噴滴大小尺寸等。

根據本發明之方法所製造的三維工件經熱處理後可以成為功能性複合材料工件，也可以做為射出成形模具 或精密鑄造模具。本發明之方法若採用金屬機材或陶瓷機材，可以製造裝飾性工件，例如，彩繪指甲貼片等。

根據本發明之方法所採用二氧化矽溶膠經化學性凝結固化反應後所產生的組織SEM之照片係顯示於圖4。

根據本發明之方法所採用二氧化矽粉末與二氧化矽溶膠混合經以紅外線熱管加熱產生化學性凝結固化反應後所形成的陶瓷組織之SEM照片係顯示於圖5。

根據本發明之方法製造一個多層複合材料三維工件的生坯之製造實例描述如下。此一複合材料工件生坯的製作步驟如下：(1)利用篩網將鈦金屬粉末篩選出所需顆粒狀大小(10μm以下)，並加熱乾燥去除水份；(2)依照上述的製作流程，使用氧化矽溶膠做為黏結劑，進行掃描噴墨列印凝膠噴滴，重覆堆疊達到所需的尺寸與形狀後即可製造出立體多層的複合材料工件生坯，如圖6所示為鈦-氧化矽複合材料工件生坯。圖7為鈦-氧化矽複合材料工件生坯剖面的SEM照片，此圖能證明工件生坯是由疊層加工技術所製造，其每層厚度為100μm。此外，圖7可以確認工件生坯的剖面上含有許多的空孔與孔隙存在。

以下幾個特點可顯示本發明與其他快速原型技術的不同處與新穎性。

1.本發明所採用的材料狀態為陶瓷、金屬或陶瓷/金屬(瓷金)等複合材料的粉末。SLA法所採用的材料狀態為液態，LOM法所採用的材料狀態為固態薄層，SLS所採用的材料狀態為固態粉末顆粒狀。本發明可採用陶瓷、金屬或瓷金混合的粉末充分攪拌混合所形成。

2.本發明所應用的材料黏結原理為化學性凝結固化(Gelation)原理。SLA法所應用的黏結原理為：光聚合反應(Photopolymerization)，SLA把陶瓷粉末加入紫外光可固化 (UV-curable)樹脂中，用紫外光雷射為光起始劑(Photoinitiator)的觸發能量，使感光樹脂中的微小單體分子成長為交叉連結的聚合物，並將陶瓷粉末黏結在一起。LOM法採用黏結劑黏結成形：把陶瓷粉末及多分子黏結劑混合後製成薄片狀，再將薄片以雷射切割成所需形狀，層與層之間以黏結劑黏結堆疊成形。SLS法依照使用的雷射功率大小不同分為：小功率雷射可對陶瓷粉末進行燒結；大功率雷射可直接把陶瓷粉末熔結形成陶瓷工件。此外，還有將多分子黏結劑包覆於陶瓷粉末表面，以小功率雷射光以掃描，使黏結劑將陶瓷粉末黏結成形，再用後處理把黏結劑加熱去除並將陶瓷粉末燒結成形。而本發明所應用的黏結原理為凝膠原理：利用熱滾軸、熱墊或紅外線熱管等方法將溶膠中的水份以加熱蒸發，形成鏈狀分子結構(例如，Si-O-Si、Si-O-C/SiC)再發展為網狀分子結構將粉末顆粒凝膠黏結在一起。因陶瓷溶膠所形成的分子結構為氧化物複合材料成份，所以本發明的黏結劑亦為氧化物複合材料成份，而SLA所使用的黏結劑為多分子材料不是氧化物複合材料成份。

3.本發明製作完成的生坯工件具有多孔性。SLA與LOM兩種方法所製作的生坯工件，其陶瓷顆粒之間的空間被感光樹脂填滿，因此空孔少，所含的孔隙比率低。SLM直接把陶瓷粉末完全溶化成為陶瓷工件，所含孔隙非常少。SLS使陶瓷粉末顆粒與顆粒之間產生局部的融熔效果(即燒結作用)，因此工件具有一些孔隙。本發明是利用溶膠氧化物在陶瓷粉末顆粒與顆粒之間產生凝膠作用將陶瓷粉末顆粒膠結在一起，在進行凝膠反應時水份蒸發後會遺留下許多空間，此外陶瓷顆粒之間原本就具有許多空隙，所製作的陶瓷生坯工件具有較多的空孔與孔隙(即多孔性)。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳 具體實施例來對本發明之面向加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的面向內。因此，本發明所申請之專利範圍的面向應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

1‧‧‧製造方法

S10~S30‧‧‧方法步驟

Claims (10)

1. 一種製造一三維工件的方法，包含下列步驟：(a)建立關於該三維工件之一立體模型圖形；(b)將該立體模型圖形剖切成M層二維剖面圖形，每一層二維剖面圖形依序對應M層固態薄層中之一層固態薄層，其中M係一自然數；(c)鋪設一成型粉末於一工作台或一基板上，以形成第一層粉末薄層，其中該成型粉末係由一金屬材料、一陶瓷材料或一陶瓷/金屬混合物所形成；(d)根據對應第一層二維剖面圖形，選擇性噴滴一陶瓷溶膠於該第一層粉末薄層之部分粉末薄層上；(e)加熱該第一層粉末薄層，致使該第一層粉末薄層中被噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層凝結固化，進而形成第一層固態薄層；(f)形成第k層粉末薄層於第(k-1)層固態薄層上，其中k係範圍從2至M中之一整數指標；(g)根據第k層二維剖面圖形，選擇性噴滴該陶瓷溶膠於該第k層粉末薄層之部分粉末薄層上；(h)加熱該第k層粉末薄層，致使該第k層粉末薄層中被噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層凝結固化，進而形成第k層固態薄層；(i)重複步驟(f)至步驟(h)，直至完成該M層固態薄層為止；(j)去除附著於該M層固態薄層之殘留粉末，以獲得由該M層固態薄層所構成之一成型生坯；以及 (k)對該成型生坯進行烘乾、燒結，即完成該三維工件。
2. 如請求項1所述之方法，其中該成型粉末係由選自由氧化矽、氧化鋁、氧化鈣、氧化鈦、氧化鋯、氧化鎂、氧化鐵、氧化錳、氧化鉀、氧化鈉、氧化磷、矽酸鈣、碳化矽、氮化矽、鈦、鈦合金、鐵、鎳鉻合金、鈷鉻合金、鋁合金以及其混合組合所組成之群組中之一所形成。
3. 如請求項1所述之方法，其中該陶瓷溶膠係選自由氧化矽溶膠、氧化鈦溶膠、氧化鋯溶膠以及氧化鋁溶膠所組成之群組中之一，於步驟(e)以及步驟(h)中，該第一層粉末薄層以及該第k層粉末薄層之被噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層中之該陶瓷溶膠產生一化學性凝結固化反應。
4. 如請求項1所述之方法，其中該三維工件之成份包含選自由3Al₂O₃-2SiO₂、CaO-SiO₂、2CaO-SiO₂、3CaO-2SiO₂、3CaO-SiO₂、2FeO-SiO₂、K₂O-SiO₂、K₂O-2SiO₂、K₂O-3SiO₂、K₂O-4SiO₂、MgO-SiO₂、2MgO-SiO₂、MnO-SiO₂、2MnO-SiO₂、Na₂O-SiO₂、2Na₂O-SiO₂、Na₂O-2SiO₂、3Na₂O-2SiO₂、3Na₂O-8SiO₂、P₂O₅-SiO₂、4P₂O₅-3SiO₂、2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂、4MgO-5Al₂O₃-2SiO₂、CaO-Al₂O₃-2SiO₂、2CaO-Al₂O₃-SiO₂、2FeO-2Al₂O₃-5SiO₂、K₂O-Al₂O₃-SiO₂、2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂、MgO-5Al₂O₃-2SiO₂、CaO-Al₂O₃、CaO-2Al₂O₃、CaO-6Al₂O₃、3CaO-Al₂O₃、12CaO-7Al₂O₃、FeO-Al₂O₃、MgO-Al₂O₃、MnO-Al₂O₃、AlPO₄、Al₃PO₇、TiO₂-3Al₂O₃、CaO-TiO₂、3CaO-2TiO₂、5CaO-4TiO₂、 FeO-TiO₂、2FeO-TiO₂、FeO-2TiO₂、K₂O-2TiO₂、MgO-TiO₂、2MgO-TiO₂、MgO-2TiO₂、MnO-TiO₂、2MnO-TiO₂、Na₂O-TiO₂、2Na₂O-TiO₂、Na₂O-3TiO₂、Na₂O-6TiO₂、4Na₂O-5TiO₂、P₂O₅-TiO₂、3P₂O₅-5TiO₂、SiO₂-ZrO₂、CaO-ZrO₂、CaO-4ZrO₂所組成之群組中之一。
5. 如請求項1所述之方法，其中於步驟(e)以及步驟(h)之加熱程序係藉由選自由一加熱滾輪、一加熱墊以及一紅外線加熱管所組成之群組中之一所執行。
6. 如請求項5所述之方法，其中於步驟(d)以及步驟(g)之噴滴程序係藉由一微噴射裝置所執行，該微噴射裝置具有一或多個噴射孔。
7. 一種製造一三維工件的方法，包含下列步驟：(a)建立關於該三維工件之一立體模型圖形；(b)將該立體模型圖形剖切成M層二維剖面圖形，每一層二維剖面圖形依序對應M層固態薄層中之一層固態薄層，其中M係一自然數；(c)鋪設一成型粉末於一工作台或一基板上，以形成第一層粉末薄層，其中該成型粉末係由一金屬材料或一陶瓷材料所形成；(d)根據對應第一層二維剖面圖形，選擇性熱噴滴一陶瓷溶膠於該第一層粉末薄層之部分粉末薄層上，致使該第一層粉末薄層中被熱噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層凝結固化，進而形成第一層固態薄層； (e)形成第k層粉末薄層於第(k-1)層固態薄層上，k係範圍從2至M中之一整數指標；(f)根據第k層二維剖面圖形，選擇性熱噴滴該陶瓷溶膠於該第k層粉末薄層之部分粉末薄層上，致使該第k層粉末薄層中被熱噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層凝結固化，進而形成第k層固態薄層；(g)重複步驟(e)以及步驟(f)，直至完成該M層固態薄層為止；(h)去除附著於該M層固態薄層之殘留粉末，以獲得由該M層固態薄層所構成之一成型生坯；以及(i)對該成型生坯進行烘乾、燒結，即完成該三維工件。
8. 如請求項7所述之方法，其中該成型粉末係由選自由氧化矽、氧化鋁、氧化鈣、氧化鈦、氧化鋯、氧化鎂、氧化鐵、氧化錳、氧化鉀、氧化鈉、氧化磷、矽酸鈣、碳化矽、氮化矽、鈦、鈦合金、鐵、鎳鉻合金、鈷鉻合金、鋁合金以及其混合組合所組成之群組中之一所形成。
9. 如請求項7所述之方法，其中該陶瓷溶膠係選自由氧化矽溶膠、氧化鈦溶膠、氧化鋯溶膠以及氧化鋁溶膠所組成之群組中之一，於步驟(d)以及步驟(f)中，該第一層粉末薄層以及該第k層粉末薄層之被噴滴陶瓷溶膠的部分粉末薄層中之該陶瓷溶膠產生一化學性凝結固化反應。
10. 如請求項7所述之方法，其中該三維工件之成份包含選自由3Al₂O₃-2SiO₂、CaO-SiO₂、2CaO-SiO₂、3CaO-2SiO₂、3CaO-SiO₂、2FeO-SiO₂、K₂O-SiO₂、K₂O-2SiO₂、 K₂O-3SiO₂、K₂O-4SiO₂、MgO-SiO₂、2MgO-SiO₂、MnO-SiO₂、2MnO-SiO₂、Na₂O-SiO₂、2Na₂O-SiO₂、Na₂O-2SiO₂、3Na₂O-2SiO₂、3Na₂O-8SiO₂、P₂O₅-SiO₂、4P₂O₅-3SiO₂、2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂、4MgO-5Al₂O₃-2SiO₂、CaO-Al₂O₃-2SiO₂、2CaO-Al₂O₃-SiO₂、2FeO-2Al₂O₃-5SiO₂、K₂O-Al₂O₃-SiO₂、2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂、MgO-5Al₂O₃-2SiO₂、CaO-Al₂O₃、CaO-2Al₂O₃、CaO-6Al₂O₃、3CaO-Al₂O₃、12CaO-7Al₂O₃、FeO-Al₂O₃、MgO-Al₂O₃、MnO-Al₂O₃、AlPO₄、Al₃PO₇、TiO₂-3Al₂O₃、CaO-TiO₂、3CaO-2TiO₂、5CaO-4TiO₂、FeO-TiO₂、2FeO-TiO2、FeO-2TiO₂、K₂O-2TiO₂、MgO-TiO₂、2MgO-TiO₂、MgO-2TiO₂、MnO-TiO₂、2MnO-TiO₂、Na₂O-TiO₂、2Na₂O-TiO₂、Na₂O-3TiO₂、Na₂O-6TiO₂、4Na₂O-5TiO₂、P₂O₅-TiO₂、3P₂O₅-5TiO₂、SiO₂-ZrO₂、CaO-ZrO₂、CaO-4ZrO₂所組成之群組中之一。