TW201632342A - 三維列印方法 - Google Patents

Abstract

一種適於製作一三維實體的三維列印方法。三維列印方法包括提供一基體；取得一三維實體的輪廓資料以及基體的輪廓資料；比對三維實體的輪廓資料及基體的輪廓資料並決定出一位於基體周圍的加工空間以及提供一鈦金屬至基體的非平整表面及加工空間中並且固化位於非平整表面及加工空間中的鈦金屬，以使基體形成一三維加工體。

Description

三維列印方法

本發明是有關於一種加工方法，且特別是有關於一種三維列印方法。

隨著科技發展，三維列印(3D printing)技術及增材製造(Additive Manufacturing，AM)技術已經成為最主要發展的技術之一。上述這些技術屬於快速成型技術的一種，它可以直接藉由使用者設計好的數位模型檔案來直接製造出所需的成品，且成品幾乎是任意形狀的三維實體。現有的三維列印根據各式的機型及材料有多種不同的成型機制，舉凡是液態樹脂、漿料、金屬(例如金屬粉體)或非金屬(例如陶瓷粉體)等材料，皆可透過逐層堆疊累積的方式來構造出所需形狀的三維實體。在過去的模具製造、工業設計等領域，三維列印技術常常被用於製造模型，現在則逐漸被應用於珠寶、鞋類、工業設計、建築、工程、汽車、航空、牙科和醫療產業、教育、土木工程以及其他領域中。

現有將上述粉末狀的金屬粉體或非金屬粉體堆疊累積成三維實體的方法包括選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering, SLS)及選擇性雷射熔融(Selective Laser Melting,SLM)，上述兩者都是將粉體加熱至其燒結溫度或熔點以使粉體燒結或熔融成為一層具有特定厚度的薄膜的增材製造技術，進而構成三維實體。而現有的雷射熔覆(laser cladding)技術是藉由送粉或送線的方式將粉體放置到待加工的平面上，經由雷射使粉體燒結或熔化後再冷卻固化。然而上述的雷射熔覆技術目前僅應用在物體表面的修復及表面膜層的加工，進而使加工後的物體表面具有額外的防護功能。

本發明提供一種三維列印方法，其可以良好地製作出三維實體。

本發明中適於製作一三維實體的三維列印方法包括提供一基體；取得一三維實體的輪廓(contour)資料以及基體的輪廓資料；比對三維實體的輪廓資料及基體的輪廓資料並決定出一位於基體周圍的加工空間；提供一鈦金屬至基體的非平整表面及加工空間中並且固化位於非平整表面及加工空間中的鈦金屬，以使基體形成一具有粗糙表面的三維加工體，且粗糙表面的粗糙度介於20微米至100微米。

在本發明的一實施例中，決定上述的加工空間後更包括在非平整表面上決定一加工起始點，鈦金屬自加工起始點開始提供並固化。

在本發明的一實施例中，上述的基體的主要成份為鈦金屬。

在本發明的一實施例中，上述的基體的主要成份包括一生物相容材料，生物相容材料在基體的重量百分比大於90%。

在本發明的一實施例中，上述的生物相容材料的成份包括鈦合金、Ti-6Al-4V合金、Ti-5Al-2.5Fe合金、Ti-5Al-1.5B合金、Ti-6Al-7Nb合金、Ti-15Mo-5Zr-3Al合金、人體骨骼、生物相容陶瓷或其組合。

在本發明的一實施例中，在比對上述的三維實體的輪廓資料以及上述的基體的輪廓資料之前更包括：對三維實體的輪廓資料及基體的輪廓資料進行座標轉換。

在本發明的一實施例中，上述的提供基材的方式包括：利用模具成型的方式形成基材。

在本發明的一實施例中，上述的鈦金屬是一粉體或一膠體。

在本發明的一實施例中，上述的鈦金屬適於經由一雷射照射後熔覆於加工空間中。

在本發明的一實施例中，上述的基體的體積及上述的三維加工體的體積的比值介於0.0001至0.01之間。

基於上述，本發明的實施例的三維列印方法可以對基體作加工來形成一良好的三維加工實體。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉 實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

L‧‧‧雷射

O‧‧‧加工起始點

50‧‧‧送粉噴嘴

52‧‧‧聚焦透鏡

54‧‧‧粉體噴嘴

56‧‧‧氣體管道

100‧‧‧基體

101‧‧‧非平整表面

110、210‧‧‧輪廓資料

200‧‧‧三維實體

201‧‧‧表面

300‧‧‧加工空間

400‧‧‧鈦金屬

400A‧‧‧加工件

500‧‧‧三維加工體

圖1至圖5是依照本發明的第一實施例的一種三維列印方法的流程示意圖。

圖1至圖5是依照本發明的第一實施例的一種三維列印方法的流程示意圖。在本發明的第一實施例中的三維列印方法適於製作一三維實體200，且本實施例的三維實體200以一人體骨骼為例，但本發明不限於此。請參照圖1，本實施例的三維列印方法包括提供一基體100。在本實施例中，基體100具有非平整表面101，其例如可以經由模具成型的方式形成。更具體來說，本實施例的基體100例如可以藉由包含有生物相容性的材料的金屬或非金屬來經由灌入模具而形成。

請參照圖2A至圖2C，本實施例的三維列印方法接著取得基體100的三維輪廓資料110以及一三維實體200的輪廓資料210。在本實施例中三維實體200的輪廓資料210例如是上述人體骨骼的輪廓資料210，且基體100的輪廓資料110及三維實體200的輪廓資料210例如是經由對基體100及三維實體200作三維掃描而得。也就是取得基體100的非平整表面101上各點的三維座 標資料及三維實體200的表面201上各點的三維座標資料。在其他實施例中，基體的輪廓資料或三維實體的輪廓資料更可以自一資料庫中取得，進而加速整體的三維列印方法的製作效率，本發明的實施例的輪廓資料不限於以上述方法取得。

請參照圖3，本發明的第一實施例的三維列印方法接著比對三維實體200的輪廓資料210及基體100的輪廓資料110並決定出一位於基體100周圍的加工空間300。輪廓資料110及輪廓資料210例如是具有基體100的非平整表面101及三維實體200的表面201上各點的三維座標，經由比對後取得輪廓資料210與輪廓資料110的差異部分，進而定義兩個輪廓資料210、110之間的差異部分為加工空間300。也就是說，本實施例的加工空間300對應到基體100與三維實體200之間的體積差異，進而可以得知本實施例的三維列印方法在後續步驟需要在基體100四周形成的體積。

進一步來說，本實施例的三維列印方法在比對三維實體200的輪廓資料210以及基體100的輪廓資料110之前可以對三維實體200的輪廓資料210及基體100的輪廓資料110進行座標轉換，進而將基體100的輪廓資料110和三維實體200的輪廓資料210都轉換為相同的座標空間。經由疊合輪廓空間210及輪廓空間110來進行比對，再藉由計算輪廓空間210及輪廓空間110之間的偏差值來取得加工空間300。

請參照圖4，本實施例的三維列印方法在取得加工空間 300後提供一鈦金屬400至基體100的非平整表面101及加工空間300中並且固化位於非平整表面101及加工空間300中的鈦金屬400，以使基體100形成如圖5所示的具有粗糙表面的三維加工體500，且粗糙表面的粗糙度介於20微米至100微米。在本實施例中，由上述鈦金屬形成的粗糙表面例如是由上述鈦金屬所形成的多孔(porous)表面，且因為鈦金屬具有高度的生物相容性，上述鈦金屬所形成的多孔表面可以使三維加工體500更加適於應用在例如是人造骨骼的技術中。詳細來說，本實施例的三維列印方法例如在取得加工空間300後在基體100的非平整表面101上決定一加工起始點O，而鈦金屬400自加工起始點O開始提供並固化。鈦金屬400例如是一種粉體，且鈦金屬400的固化例如是經由一雷射L照射後升溫至鈦金屬400的熔點並熔化、覆蓋於非平整表面101及加工空間300中，進而使鈦金屬400熔覆成在非平整表面101上或加工空間300中的加工件400A。

換句話說，三維加工體500是藉由在基體100周圍的加工空間300形成加工件400A而成，而由於加工空間300是藉由輪廓資料210及輪廓資料110的比對，本實施例的三維列印方法所形成的三維加工體500的輪廓實質上與三維實體200的輪廓相同，且基體100的體積及三維加工體500的體積的比值介於0.0001至0.01之間，因此基體100的非平整表面101不但可以在本實施例的三維列印方法中成為良好的加工基準面，同時也可以提供三維加工體500一個良好地支撐效果。另一方面，藉由基體100的 提供，本實施例的三維列印方法可以提昇三維加工體500的形成效率，同時也可以降低形成過程中耗材的損失。本實施例的三維列印方法是藉由體積小於三維實體200的基體100來形成三維加工體500，可以根據不同的外型需求加工成具有不同輪廓的三維加工體500，因此本實施例的三維列印方法例如應用在人工骨骼的製作時可以根據不同患者及患部的需求來形成所需的人體骨骼外型，在提昇形成效率的同時也降低了製作成本，同時鈦金屬400所形成的粗糙表面也適於例如是肌肉的生物組織生長，進而提昇三維加工體500的生物相容性。

本實施例的鈦金屬400及雷射L例如是藉由送粉噴嘴50提供。送粉噴嘴50包含使雷射L聚焦的聚焦透鏡52、粉體噴嘴54，以及提供防護氣體的氣體管道56，因此送粉噴嘴50可以同時進行鈦金屬400的提供以及對鈦金屬400的加熱，同時再藉由移動承載基體100的載台(未繪示)，即可有效率的形成三維加工體500。進一步來說，本實施例的三維列印方法適於應用於一電腦輔助設計(Computer Aided Design,CAD)製程中。由於本實施例的三維列印方法中基體及三維實體的輪廓資料的取得及比對都可已經經由電腦掃描及計算而成，因此適於藉由電腦以自動化的製程完成。

另一方面，本實施例中，基體100的主要成份也是鈦，因此鈦金屬400可以良好地固化於非平整表面101上，同時在鈦金屬400固化的過程同時也可以對基體100的表面作適度的修 整，進而形成一個良好的三維加工體500。本實施例的基體100的主要成份包括一生物相容材料，且生物相容材料在基體100中的重量百分比大於90%，因此三維加工體500具有良好地生物相容特性，其適於作為例如是生物體內的人造骨骼。進一步來說，生物相容材料的成份包括鈦合金、Ti-6Al-4V合金、Ti-5Al-2.5Fe合金、Ti-5Al-1.5B合金、Ti-6Al-7Nb合金、Ti-15Mo-5Zr-3Al合金、人體骨骼、生物相容陶瓷或其組合，本發明不限於此。

在本發明的一實施例中，在非平整表面及加工空間中提供的鈦金屬可以是一種膠體，本實施例的三維列印方法藉由例如是噴嘴把膠體依照特定路徑堆疊，進而使固化後的三維加工體表面具有多孔結構，以利於例如是肌肉的生物組織生長。也就是說，本發明的實施例的三維列印方法中，鈦金屬並不限於上述的粉體或膠體，更可以視需求調整以形成適當的表面結構。

綜上所述，本發明的實施例中的三維列印方法可以根據目標物的輪廓在基體的不平整表面上加工，進而使所形成的三維加工體具有三維實體的外型，同時藉由基體的提供可以提昇三維加工體的製作效率。本實施的三維列印方法中所使用的基體可以加工為具有不同外型的三維加工體，同時還可以根據需求使三維加工體的純鈦粗糙表面具有多孔結構，進而形成具有良好生物相容性的三維加工體。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的 精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧基體

400A‧‧‧加工件

500‧‧‧三維加工體

Claims (10)

1. 一種三維列印方法，適於製作一三維實體，該三維列印方法包括：提供一基體，該基體具有一非平整表面；取得一三維實體的輪廓資料以及該基體的輪廓資料；比對該三維實體的輪廓資料及該基體的輪廓資料，以決定出一位於該基體周圍的加工空間；以及提供一鈦金屬至該非平整表面及該加工空間中並且固化位於該非平整表面及該加工空間中的該鈦金屬，以使該基體形成一具有一粗糙表面的三維加工體，且該粗糙表面的粗糙度介於20微米至100微米。
2. 如申請專利範圍第1項所述的三維列印方法，其中決定該加工空間後更包括：在該非平整表面上決定一加工起始點，該鈦金屬自該加工起始點開始提供並固化。
3. 如申請專利範圍第1項所述的三維列印方法，其中該基體的主要成份為鈦金屬。
4. 如申請專利範圍第1項所述的三維列印方法，其中該基體的主要成份包括一生物相容材料，該生物相容材料在該基體的重量百分比大於90%。
5. 如申請專利範圍第4項所述的三維列印方法，其中該生物相容材料的成份包括鈦合金、Ti-6Al-4V合金、Ti-5Al-2.5Fe合金、 Ti-5Al-1.5B合金、Ti-6Al-7Nb合金、Ti-15Mo-5Zr-3Al合金、人體骨骼、生物相容陶瓷或其組合。
6. 如申請專利範圍第1項所述的三維列印方法，其中在比對該三維實體的輪廓資料以及該基體的輪廓資料之前更包括：對該三維實體的輪廓資料及該基體的輪廓資料進行座標轉換。
7. 如申請專利範圍第1項所述的三維列印方法，其中提供該基材的方式包括：利用模具成型的方式形成該基材。
8. 如申請專利範圍第1項所述的三維列印方法，其中該鈦金屬是一粉體或一膠體。
9. 如申請專利範圍第1項所述的三維列印方法，其中該鈦金屬適於經由一雷射照射後熔覆於該加工空間中。
10. 如申請專利範圍第1項所述的三維列印方法，其中該基體的體積及該三維加工體的體積的比值介於0.0001至0.01之間。