TW201632345A - 彈性變向佈料高速3d成形技術 - Google Patents

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Abstract

一種新穎的快速3D原型/製造技術，其特點在於突破現行的水平積層模式，採用彈性變向式積層方式，使材料能沿3D製件的表面切線方向成形，以消除積層階梯問題，使表面光滑度更好；並突破現行的連點成線的掃描式佈料方法，利用以線成面、而且可以改變曲率的面積式佈料方法，加快3D成形速度；在供料及材料結合方法上，則採用與傳統製造技術(如金屬的鑄造與焊接、塑膠的擠型與射出成型)相似的物理方法，因此能使用各種現行工業材料，不受需要特殊材料的限制；可使用低成本(電熱、感應加熱或鈍氣電弧) 熱源。其應用包括製作表面光滑度更好的金屬模具模心，顯著降低後加工(磨削)的成本；也能施用在粗切削的模心粗型上，製成具有異形水路的金屬模具模心。

Description

彈性變向佈料高速3D成形技術
本發明係關於快速3D原型與製造技術(rapid prototyping and production)的系統及方法，特別是關於以更快的速度至成表面光滑度更好的3D原型、元件及模具的系統及方法。
現行已商業化的積層製造技術，在金屬成形方面主要以金屬粉末積層法(Selective Laser Melting，SLM)，在非金屬成形方面主要有光固化成形法(Stereolithography，SLA)、熔融沉積成形法(Fused Deposition Modeling，FDM)、3D列印法(3D Printing，3DP)及層狀推疊製造法(Laminated Object Manufacturing，LOM)等。然而其實際應用領域尚不普遍，其原因為目前工業界咸認有下列幾項缺點仍待解決：(1)成形速度慢、(2)表面粗度差、(3)材料種類限制及(4)設備及材料成本高。
追究上述缺點的原因，係為現行各法採用的基本成形方式原則上皆是以水平積層佈料且利用連點成線之態樣固化成形。不論製件之幾何形狀如何，佈料時一律採用水平方向積層，因積層具有一定厚度，故遇到曲面、斜面等特徵結構時，會有積層階梯產生使著表面粗度變差。然而在固化時係以連點成線進而建構成平面、立體等結構，利用單點累積成所需之立體結構，導致成形速度慢。如為改善曲面表面品質而減小積層厚度(即減小積層階梯)，則成形速率將會大幅減緩，因為以點寫體及水平積層佈料的總時間都會增加。圖1為一3D製件實例，圖2(a)、(b)則示意出以目前現行積層製造技術製造時的情形，圖2(a)為葉片部份放大圖，圖2(b)為斷面示意圖。其中點線201為水平積層的橫切格子結構示意，217、218為水平積層的材料成形情形，其葉片103及輪轂102外壁必然會產生積層階梯，造成表面粗度差(214、212)。粗黑曲線203則表示出連點成線固化之掃描情形，利用以點寫體的建構方式，導致成形速度慢。而在成形物理方面現行各法分別需要高均粒度、高流動性金屬粉末(成本為一般粉末7-8倍)、光敏高分子、雷射、環境控制箱等相關設備，故製造成本高。且為達到高成形密度，還需要將不同粒度金屬粉末以不同比例混合，程序複雜。
復以SLM(或Selective Laser Sintering，SLS)法為例，其製件的表面粗糙度與雷射成型的路徑之角度有關係，在垂直或平行雷射燒結之平面可以得到比較好的表面粗糙度，曲面或斜面之表面粗糙度則受到一定限制[1]。SLM系統製成的塑膠射出成型模心，利用SLM系統製成的塑膠射出成型用模心，一般表面粗度達40微米 (與砂模鑄造相當)，並需預留200-500微米供後續切削加工。亦有研究使用雷射進行拋光，將雷射之光點範圍調大，能將表面金屬重新熔化並再次固化，以達到拋光的效果。但此法所耗費能量相當高，因此成本也相對提高。且結果仍未達成工業界所期望之表面光滑度[2]。
在增進成形速度方面，有所謂skin-core strategy，使用較小的雷射光點掃描輪廓，較大的雷射光點掃描內部，甚至開發多光束系統，以加快成形速度。不過這些方法都需增加昂貴的雷射成本[3]。 參考文獻： [1] Amend, P. et al., ”A fast and flexible method for manufacturing 3D molded interconnect devices by the use of a rapid prototyping technology” Journal of Physics Procedia , Volume 5, Part B, 2010, Pages 561–572. [2] A. Lamikiz et al., ”Laser polishing of parts built up by selective laser sintering”, International Journal of Machine Tools & Manufacture 47 (2007) 2040–2050 [3] K. Wissenbach, "Fantasia Project Shows Selective Laser Melting Can Produce Complex Components Quickly and Cost Effectively", http://www.ineffableisland.com/2010/05/fantasia-project-shows-selective-laser.html?showComment=1318241730096
在FDM法方面，美國專利US. 5121329係揭露了利用佈料頭沿空間中的曲線運動，以製造曲面或曲線框架(其專利中之原圖10、圖 12)。該專利也敘述其佈料頭可在行進時調整施佈材料的厚度。但由於其佈料頭出料孔徑固定，僅能藉由調控進料速度或佈料頭移動速度的方式來達成施佈厚度不同的材料的目的。因此，其成形速度與水平積層佈料、連點成線固化的原始方式相比，並不會更快。
在另一FDM相關技術中，美國專利US. 8221669號則揭露以帶狀(非圓柱形)原料為供給材料時，相較於目前的商用系統中所使用的圓柱形原料具有較短的響應時間，其中“響應時間”係為當供給機構接收命令後以供/暫停給原料至液化器中，在液化器的擠出尖端的末端的實際流率變化的開始或停止所需之延遲時間。該專利係藉由減少響應時間以提高製件之美感及結構質量。然而對於如何提升材料之堆疊沉積速率並非該專利之目的且於該專利中未提及。
此外尚有其他製作金屬件的快速成形方法。例如，美國專利US. 7942987揭露了利用FDM法之概念以建構出金屬製件，該專利係描述一種將金屬合金加熱至固相線溫度與液相線溫度之間，使得該金屬合金呈半固態狀態並具有足夠之黏度，以利於擠壓成形。不過，這基本上還是點掃描及水平積層的成形模式。
另一方法統稱為雷射沉積技術(Laser Deposition Technology，LDS)，美國專利US. 4323756揭露了使用線材並以能量束為熱源，將其融化沉積於物件表面上之技術概念。為了減少粉末料倉的設置並簡化後續處理，美國專利US. 5043548則揭露了利用氣流以乘載微細粉末送入雷射光束中加以熔融並沉積於物件上，其中雷射光束並未直接聚焦於物件上，故不會造成物件熔融，雷射光束係聚焦於粉末送入位置以將粉末熔融並佈料於物件上。這基本上也還是點掃描的成形模式，且成形物件的邊緣輪廓亦較為粗糙。
針對上述現行各主要積層製造技術的基本方法上的缺點，本發明提出一全新的3D成形概念及相應的施行手段，以期達成加快成形速度、改進表面品質、擺脫材料限制、降低成本的目標。
彈性變向佈料3D成形技術的基本原理係使用一佈料頭將具有流動性的一可固化材料塗佈於一基座上，使其於一定環境條件下成為固態，並使佈料頭對基座在空間中依預定的軌跡產生一相對運動，致使可固化材料連續塗佈、前後材料依序按預定的位置固化相接成為一3D製件。在此基礎上，本發明的基本概念係將材料沿3D製件的表面切線方向、並依據製件的表面曲度的軌跡塗佈成形，藉以消除積層階梯問題，使製件之表面光滑度更好，同時可加大出料寬度，並配合新的3D成型步驟，以加快成形速度。
為達成此目的，本發明採用一個具有多個獨立自由度的運動機構裝置，使佈料系統對基座在空間中產生3D曲線軌跡，此外，還包含兩種基本做法: (1) 佈料時，使出料的厚度、寬度、速率可隨製件的局部幾何形狀調整，可以產生包括帶狀、線狀、點狀等幾何形狀，在3D製件幾何形狀適當時，加大出料寬度，以線成面，使佈料呈帶狀的面積式佈料方法，大幅加快成形速度，而線狀、點狀等幾何形狀則用於3D製件較細微特徵結構的部份。(2) 佈料時在材料發生固化過程的區域，於材料的表面局部外加一固體或流體的微分成形機構，以限制固化中的材料的流動、使其固化成所欲的形狀，並產生良好的表面光滑度；更進一步，可使帶狀出料在寬度的方向上可以改變曲率，以配合製件的局部幾何形狀。
本發明的另一形式為塗佈一粉粒狀的可結合材料，並對其施以一結合處理，使粉粒狀的材料於基座上固結成一體。
首先，本發明不限於現行的水平積層模式，係採取依據製件之幾何形狀的需要、彈性地變動積層方向的成形策略，在需要良好表面品質時，使材料沿3D製件的表面切線方向積層成形，因此可消除因水平積層方式產生之輪廓階梯問題，使製件之成形表面光滑度良好。
圖3係以圖1的製件形狀為例，說明本發明之「彈性變向佈料」概念。在製作輪轂102時，因內壁垂直，故可採水平積層、垂直堆疊方式 ，如圖3(b)斷面圖中之內壁表面310所示。但在製作外壁時，改沿外壁表面切線方向進行積層，可消除階梯問題，使成形表面312光滑度良好。尤其是製作葉片103時，沿葉片表面切線方向314進行積層，表面品質將可以得到非常明顯的改進 (參考圖3(b))。其中圖3(a)之格線結構代表示本發明彈性變向積層的格子結構301示意，沿葉片表面切線方向314分佈，本案僅舉三層為例，但不限於此，每層皆沿佈料方向390分佈，相互堆疊以形成彈性變向佈料層(318a、318b、318c)，隨著葉片103之截面積差異亦能僅利用單層之彈性變向佈料層318d以完成輪廓成形。
要使佈料系統對一基座在空間中產生任意3D曲線軌跡需要多個獨立自由度。在一般情況下，如果佈料頭的材料出口僅為是單一孔洞時，則意味著運動裝置之自由度的至少須為3，方能允許3D曲線軌跡之路徑追蹤。然而，如果要塗佈寬的帶狀材料，則運動裝置須至少4個獨立自由度。
參考圖4（a）示出的情況，佈料頭403的材料出口處前緣405a較長，側緣405b較短。為了使塗佈的材料寬度達到最大，佈料頭403在三維表面110上移動的方向必須垂直於前緣405a。再者，為了適應三維表面在與佈料頭運動方向(此在4(a)中為X方向)垂直的方向上的曲度的變化，必須增加一個旋轉自由度 (如圖4(a)之A軸，其繞X軸方向旋轉)。也就是說，該佈料系統具有3個獨立的線性自由度(X、Y、Z)和1個旋轉自由度(A)。更佳地，可依使用需求增設旋轉自由度B軸(其繞Y軸方向旋轉)，如圖4(b)所示。增設B軸的自由度可使佈料頭403與佈料目標區域的表面間的相對傾斜角保持固定。更進一步地，如圖4(b)所示，可增設第三個旋轉自由度C軸(其繞Z軸方向旋轉)，藉由3個線性自由度(X、Y、Z)及3個旋轉自由度(A、B、C)能使佈料頭403在基本上的任意方向移動以調整最應當的佈料寬度，其操作步驟將於文中更一步進行描述。
可以產生上述佈料系統對基座的相對運動的機台構造有許多可能。圖5(a)示可能的機台構造例一，其基本構造為一機器手臂520，J1、J2、J3等三軸的轉動可將機器手臂的前端521定位於基座區501上任意(x, y, z)位置，而A、B、C等三軸可將佈料系統401轉動到任意方向。圖5(b)示可能的機台構造例二，其基本構造為一5個自由度(5軸)機台，具有3個線性運動自由度(X, Y, Z)及兩個旋轉運動自由度(A軸(繞X軸轉)、B軸(繞Y軸轉))。製件及其載台等基座區501置於A軸旋轉台上。佈料系統401搭載於Z軸上，佈料頭可繞Z軸旋轉，為第6個自由度(C軸)。其他機台構造，例如龍門式適於製造大型物件等，為機台、機器手臂等相關業者可依本文所述加以組合，茲不贅述。
此外，實行「彈性變向佈料」的第一種基本做法，是揚棄現行不論製件之幾何形狀一律採用連點成線寫體的慢速佈料成形方式(如圖2(a) 203)，改採可彈性調整佈料頭之出料的厚度、寬度、速度的彈性佈料及塑形方法。在3D製件幾何形狀適當時，調整加大出佈料頭之佈料寬度使呈現帶狀的面積式佈料方法，以大幅加快成形速度。如果幾何形狀的特徵尺度細小，則調整成線狀出料，即可建構出特徵尺度細小的複雜形狀。
舉例說明，如圖6(a)所示，3D薄殼曲面係由5條帶狀材料(368a-e)接合而成。350示幾何上理想的平滑3D曲面的橫截面曲線，此曲線的一側曲度大350a、另一側曲度較小350b。當佈料成形時，曲度較小(較平坦)的一側，可以用較寬的帶狀材料接合而成，如368d、368e，而曲度較大的一側，則必須用較窄的帶狀材料接合而成，如368a、368b。用較寬的帶狀材料成形時，整體成形速度較快; 反之，用較窄的帶狀材料成形時，整體成形速度較慢。所以，本技術製造3D物件時，可視不同部位的需要，實行最大可能面積式佈料，所以能大幅加快3D成形速度。彈性調整出料的截面尺寸的方法包括兩種。第一種方式為調整出料頭的角度、並調節出料的流量，以產生不同的截面尺寸。第二種方式為使用可調式的出料頭出口。詳細操作方式及結構稍後敘述。
實行「彈性變向佈料」的第二種基本做法，是佈料時在材料發生固化過程的區域，於材料的表面局部外加一個固體或流體的「微分成形機構」，以限制材料的流動、使其固化為所欲的形狀，並產生良好的表面光滑度。進一步，使用前述微分成形機構使帶狀出料在寬度的方向上可以改變曲率，以配合製件的局部幾何形狀。如圖6(a)所示3D薄殼曲面，如果帶狀出料的截面呈長方形，如3681所示，則製成的曲面不會與幾何上理想的橫截面曲線350完全相合。如果使帶狀出料在寬度的方向上可以改變曲率，如圖6(b)所示，每一條帶狀材料(367a-e)在寬度的方向上就可以配合曲線350的局部曲率，使製件曲面與幾何資料中理想的曲面完全相合。固體的微分成形機構乃用微小的固體表面(可稱「微分模具」)與固化過程的中的材料的部份表面接觸，限制材料的流動方向與範圍，以形塑固化的截面形狀。此微分模具可進一步包含改變曲率的功能，以使帶狀出料在寬度的方向上可以改變曲率。流體的微分成形機構則以流體流動時形成的壓力達成相似的效果。詳細操作方式及結構稍後敘述。
結合能產生多自由度之3D曲線軌跡的機台、加上能彈性調整出料的尺寸的佈料頭、能調整出料成形的曲度的微分成形機構，就可以快速形成3D曲面。如圖3(b)所示，彈性變向佈料層(318a, 318d)、彈性變向佈料層318b、彈性變向佈料層318c的帶狀結構分別表示佈料頭一次行程所施佈的材料。彈性變向佈料層318c表示佈料成形時是由P、Q所指兩點間的曲線沿佈料方向390所示之箭頭方向移動、以線成面而成。如此以帶狀行最大可能面積式佈料，可以快速形成3D曲面。
因此，本發明製作3D物件的流程包括以下程序: 1.         分析3D製件的幾何形狀及不同部位的要求(如表面粗度、材料成形方向或強度要求等)，然後決定一成形程序(process plan)，此成形程序將前述3D製件的幾何資料區分為若干區段，並決定製造各區段的先後順序。 2.         依據上述成形程序，將3D製件的幾何資料分解重組為構形幾何(Component Geometries)的集合，所謂構形幾何包含帶狀、線狀、點狀等體積，並選出前述區段中要求良好表面光滑度的部份，將這些區段分解重組為帶狀與線狀的構形幾何。 3.         從每一個構形幾何決定出料的厚度、寬度、曲度、塗佈軌跡等，為該構形幾何的成形參數(forming parameters)。 4.         從成形參數決定佈料系統的製程參數(process parameters)，如進料速度、環境條件(例如溫度)控制、出料速度、塗佈速度等。 5.         然後依上述成形程序，依序將每一個構形幾何塗佈成形。每一個構形幾何成形的方式是使佈料系統(含佈料頭及微分成形機構)沿其塗佈軌跡運動、並依其製程參數出料塗佈。 6.         如此依序塗佈組合所有構形幾何，成為所要的3D製件。
在適當情況下，能彈性調整出料的尺寸的佈料頭與能調整出料成形的曲度的微分成形機構不必一同使用，也可以製成3D製件。如圖6(a)所示3D薄殼曲面，用具有多個獨立自由度的機台、加上能彈性調整出料的尺寸的佈料頭就可以產生。
本發明所述之可固化材料可包含任何具有流體狀態且在特定環境條件下能轉化成固體狀態之材料。
例如，許多聚合物材料具有此種特性。大多數的熱塑性高分子材料，在高溫狀態下成流體，而在低溫時則會固化成形，例如尼龍、PMMA、及PS(如 ABS) 等材質。蠟是另一種具有此種可固化特性的材料。
聚合物材料的塗佈可採擠出(相對應於傳統的擠製成型)或射出(相對應於傳統的射出成型)等方式。
若是採用光固化型聚合物，如光阻或SLA法中所用之聚合物，則可藉由調控光源條件以固化該聚合物，較常用之光源為UV光。
進一步說明，可固化材料亦可以是金屬材質，金屬因溫度變化而表現出可固化性。熔融狀態的金屬材料可用佈料頭來進行塗佈作業，然後使其冷卻固化。此方式近似於傳統製程中的鑄造、連續鑄造及熔接。然而利用熔點較低的金屬材料，則可以射出的方式塗佈，近似於傳統壓鑄製程中的金屬液擠壓射出。另一方法是連續射出熔融金屬液滴顆粒。
另一種型態的可固化材料可以是糊狀材料。糊狀材料為固體顆粒與液態載體的混合狀態。例如在傳統的金屬粉末射出成型製程中，金屬粉末混合在加熱過的蠟與聚合物的流體載體中，一齊被射入模具中，冷卻後成為固體毛胚。隨後以化學侵蝕或燃燒方式除去固體毛胚中的蠟與聚合物，留下的金屬粉末毛胚可經燒結固結以增加其強度。
糊狀材料的另一例為陶瓷漿料，陶瓷漿料為微細的陶瓷粉末搭配水及黏合劑混合而成。陶瓷漿料可以前文所述的方式佈料成形。如瓷漿的流動性較高、黏度較小，可以射出方式佈料; 如瓷漿的流動性較低、黏度較大，則可以擠出方式佈料。更佳地，可在佈料的同時，以熱空氣吹過佈料上，加速陶瓷漿料的乾燥過程，如此可形成陶瓷粉末毛胚。陶瓷粉末毛胚可再經燒結而固結。
糊狀材料的又一例為混凝土漿料，以建構出水泥部件。進一步說明，另外一種型態的可固化材料可以是玻璃。玻璃可利用壓力與溫度的調整使其熔融，以擠出方式佈料，藉由控制溫度方式使其固化成形。
本發明的另一形式為塗佈一粉粒狀的可結合材料，並對其施以一結合處理，使粉粒狀的材料於基座上固結成一體。例如金屬或塑膠粉末皆是粉粒狀的可結合材料，可用雷射或電弧焊熱局部加熱為結合處理，使粉末顆粒部份或全體融熔，當材料離開局部加熱區後，粉末冷卻固結成一體。結合處理的另一例是另對粉末噴塗黏著劑，將其固結成一體。例如用於金屬粉末射出成型或陶磁粉末成型等傳統製程的添加黏著劑可用於固結金屬粉末或陶磁粉末。
實施成形的裝置包含一個具有多個獨立自由度的運動機構裝置，使佈料系統對基座在空間中產生3D曲線軌跡，還包含出料的佈料頭，又可包含微分成形機構，此外還包含能調整進料速度的供料系統及能調控環境條件的環境調控系統。在製程與軟體程序方面包括之前提及的成形程序、幾何資料分解重組的程序、產生成形參數與製程參數的程序、與控制佈料頭及微分成形機構的動作的程序、及控制機台產生3D曲線軌跡的程序。以下敘述具體實施的裝置及相應的操作方法。
實施例一: 以熔融金屬為可固化材料，以近似鑄造的方式成形
1.1 佈料系統
圖7(a)說明此例的佈料系統的構成，包含材料供應單元402、佈料頭403及微分成形裝置420(此項視需要使用)。圖7(b)、(c)為其側面截面圖。材料供應單元402內包含加熱裝置(可以用感應加熱、或電弧(電漿)加熱等方法)及材料進給裝置(金屬可為線材或粉末)。材料供應單元402將材料送入佈料頭403，佈料頭403主要有材料腔404，下方為出料口405。材料腔404外部設有電熱裝置，使金屬在其中保持熔融態之熔料480。材料腔404可選用與熔融金屬不反應的材質，例如材質為氧化鋁、石墨或其他耐高溫陶瓷的材料腔404係用於承裝熔融金屬，有水冷卻的銅也可用於承裝熔融金屬材料。材料腔404材質亦可為陶瓷材料以用於高熔點之鈦、鈷、鉻和鎳等合金金屬。同理，不同的材料腔404材質根據熔融金屬選擇是當之材質，例：鋼鐵的材料腔404可用於熔融的銅；鋁質的材料腔404可用於熔融的錫；而鋼鐵鍍渗氮合金 (Nitralloy) 或鈦Titanium 或鈦鍍氮化硼(Titanium coated with boron nitride)的材料腔可用於熔融的鋁。熔融金屬受重力可從出料口405向下流滲出。或佈料時材料腔404上可給一氣壓推擠，使熔融金屬向下流出。材料腔的大小視所欲成形的製件大小、尺寸容許誤差及材料而定。例如，一般1m以下物件尺寸，材料腔404之出料口405尺寸可為1mm x 5~10mm，材料腔404只需很小體積，如腔高10mm，故熱能供應及發散也保持極小。
圖8以側面截面圖示材料供應單元402的另種形式，感應加熱器495將線材470熔化，固體線材470在後端進料，如活塞般可調控熔料480的進退。材料供應單元402、佈料頭403及加熱器外圍可以外殼497包覆，鈍氣499(如氬氣或二氧化碳)在外殼內部向佈料區吹出，材料供應單元402、佈料頭403及佈料區整個在鈍氣保護下，可避免材料氧化。
因表面張力作用，熔融金屬向下流滲出時，會先在出料口405外成近球狀液珠。佈料時使出料口外液珠與基座(或製件已成形的部份)接觸，液珠將因熱傳導而降溫並開始固化。如圖7與圖8(b)示佈料開始時情形，液珠與附於基座(金屬支架430)上的金屬片431(作為成形的啟始部)接觸，基座(金屬支架430)及金屬片431即成吸熱源(heat sink)，液珠自金屬片端開始固化450。以環境調控系統適當調控基座430及金屬片431的溫度，復適當調控材料腔404內熔融金屬的溫度，同時以適當速度將金屬支架430沿箭頭490方向移動，則可將金屬如連續鑄造(continuous casting)一般拉出，金屬在緊接出料口處為未固結出料453(熔融態)，接著為極短的固化區452，金屬固化成連續帶狀的已固化材料451，然後一路連到最初液珠固化一端450。又由於表面張力關係，只要溫度、拉動速度與供料速度匹配適當，出料口處的熔融金屬可跟隨流動，不致滴下。又如圖8(a)示佈料到部份已成形金屬514上，則已成形的金屬即成吸熱源。
1.2 運動機構裝置
佈料系統與基座之間的相對運動可以用一具有多個自由度之運動機構裝置來達成，如前文及圖4及圖5中敘述，故不再贅述。如圖13所示，基座430(此實施例中以金屬框架為例)可架設於運動機構裝置的基座501上的結構610，藉由控制基座501與佈料頭403的相對運動，即可製成任意扭曲之形狀表面380。
1.3 彈性調整出料的截面尺寸的裝置與方法
其次說明彈性調整出料的截面尺寸的方法。第一種方式為調整出料頭的角度、並調節出料的流量，以產生不同的截面尺寸。圖9示調整佈料頭403出料口前緣405a(長邊)相對於佈料行進方向701的角度702，並調節出料的流量，可以塗佈厚度相同但水平方向寬度不同(如710a、710b、710c)的帶狀結構。圖10示，將佈料頭403旋轉一角度，然後調整佈料頭403出料口前緣405a相對於垂直方向的角度703，並調節出料的流量，可以佈料出高度不同但寬度相同的矮牆結構(如711a、711b、711c)。
第二種方式為使用一閘門機構來調整佈料頭的出料口尺寸。圖11為可調整出料口尺寸的佈料頭設計實例，在此設計例中，材料腔404包含3個主要部分：U形主體404A1、插入U形主體並可於其中滑動的側面板404A3及覆蓋於出料口405之滑動檔板404A4 (滑動機構之軸承及限位結構省略未畫出)。如圖11(a)所示，將側面板404A3往箭頭901a方向移動可以增加出料口405的寬度，若是再將滑動檔板404A4往箭頭902a方向滑動則可獲得最大尺寸的出料口405。如圖11(b)所示，側面板403A3亦可往箭頭901b方向以縮減出料口405之長度，滑動檔板404A4往箭頭902b方向移動則可限縮出料口之寬度。
圖12為可調整出料口尺寸的佈料頭之另一設計實例，在此設計例中，材料腔404包含4個主要部分：本體404b1、側面板404b3、覆蓋材料腔容置空間404b10的蓋板404b2及可於出料口405外滑動的檔板404B4。側面板404B3因本體、第一限位部404B13、第二限位部404B14、檔板404B4之前緣404B40及蓋板404B2等五個平面的拘束，可沿箭頭903行線性滑動以調整出料口405的長度。檔板404B4滑動機構之設計可與側面板相似，故圖中未示出。其開關出料口的方式則與圖11相似。如圖12(b)所示，當側面板404B3沿箭頭903滑動到最右方、而檔板404B4沿箭頭904滑動到最下方時，出料口405的尺寸即關到最小。再者，靠近出料口405的本體邊緣404B11、側面板前緣404B31及檔板前緣404B41均設計為楔形結構，利用這種方式能使出料口405之開口位置保持在佈料頭403組件的最低位置，以避免佈料頭403部件與凝固工件之間發生碰撞。
如圖11及圖12所示，調整出料口開口尺寸的基本方法是使用在兩個不同方向(特別是相互垂直的兩個方向)各自開闔的機構，使開口尺寸能平順地調整到機構容許範圍的最大值及極小的最小值。
圖26示調整出料口開口尺寸的另一設計實例。與圖11相較，此例使用多片相疊但可獨立滑動的側面板404F3，但無出料口滑動檔板。獨立調整滑動的側面板(404F31, 404F32 or 404F33)的位置可以調整出料口產生幾個不同的厚度，至於寬度則可有連續的變化。
圖27示調整出料口開口尺寸的另一設計實例。此例使用單片滑動側面板404G3，滑動側面板的邊緣有一凹槽特徵404G20。當滑動側面板全關時，此一凹槽特徵與出料口的內壁404A1形成一噴嘴(或擠出孔)結構，其流道404G10與出口405G如圖示，可以擠出線狀材料。
本體與側面板及滑動檔板之間的接觸表面需具有兩種功能：自潤表面以維持平順的滑動運動及密封效果以防止金屬液洩。然而對於非自潤滑動面時，由於熔融金屬的表面張力會防止自身滲入滑動面，此外材料供應單元僅提供略高於大氣壓之壓力，因此洩漏問題不大。
1.4 微分成形機構
為使金屬固化成所要的截面形狀、並有光滑的表面，佈料機構可進一步包括「微分成形機構」，此機構用微小的固體表面(可稱「微分模具」)與固化區的材料的部份表面接觸，限制材料的流動方向與範圍，以形塑固化的截面形狀。
如圖7示，佈料時將一微分模具420置於固化區452之下，熔融金屬在出料口邊緣405a及微分模具420的上平面限制下，可固化成帶狀。微分模具也可用於固化區之上，用來整齊帶狀出料的上表面，如圖8(a)所示將材料佈到已存在的固體表面的情形。微分模具420的部份表面緊貼已固化材料451的上方，其餘部份表面與下方的固體表面及左方已固化材料451形成空穴，佈料頭403將融熔金屬填入此空穴中，新填入的金屬固化，微分模具與佈料頭一齊向右移動一步，然後重複上述步驟。圖8(b)示上下微分模具同用時的類似的情形，上下微分模具(420a, 420b)與左方已固化材料451形成一微小的模穴，佈料頭403將融熔材料填入其中。
原則上，要使新填入的材料與原本已固化的材料有良好的結合，原本已固化材料451需有一部份再熔融，然後與新填入的材料一齊固化，如圖所示的再熔融區452R。如此上下微分模具與佈料頭一齊向右逐步移動，可製成長條帶狀固體。
微分模具的長度方向原則上與材料的固化線(solidification front)相平行，而與固化金屬拉出的移動方向相垂直。因此，如果使用直平的平面當微分模具，則佈料頭移動一個行程可製成長條帶狀固體，其寬度方向為直平的。如圖14(a)所示，曲面381係由佈料頭403與微分模具由位置420h移動到位置420i所形成，固化材料拉出的移動軌跡如曲線788所示，此軌跡係由前述多自由度機台的運動而來。784示材料的寬度方向 (即微分模具的長度方向，亦即材料的固化線方向) 都是直平的。寬度方向為直平的長條帶狀固體，也可組合成3D曲面，如圖6(a)所示。
如果使微分模具在長度方向上能改變曲率，則帶狀出料在寬度的方向上就可以有曲率變化，加上多自由度機台的運動，帶狀出料在寬度及長度兩個方向上的固化後的曲率可以(幾乎)任意控制，形成所要的3D帶狀曲面。如圖14(b)所示，曲面382係由佈料頭與微分模具由位置420j移動到位置420k所形成，帶狀出料在長度方向上的移動軌跡如曲線789所示。如圖示，在材料的寬度方向上，微分模具在開始時成正曲率(上凹)420j，故成形曲面在寬度的方向上呈上凹784j；後來，微分模具成負曲率(上凸)420k，故成形曲面在寬度的方向上呈上凸784k。如此，多軸機台運動加上可即時調整曲率的微分模具可以組合形成任意的3D曲面，如圖6(b)例。圖14(a)、圖14(b)所示的微分模具係在帶狀出料(381、382)的上側。微分模具也可依據實際需求配置在出料的下側，或同時配置於上下兩側。
另須說明者，微分模具所謂之「微小的」固體表面其微小尺寸係相對於製件大小而言，而非依絕對標準之尺寸。
要使微分模具在其長度方向上能改變曲率，至少有兩種方式。第一種方式使用一可變形構件和一致動裝置以改變此構件之曲率。圖15示此方式之一例，微分模具主要由上下兩片可撓曲的薄板構成。此兩個可撓曲薄板可以是單一U形薄板420A1的兩個部份(420A1a、420A1b)，參考圖15(a)。兩個握持部(420A2、420A3)分別連接兩個可撓曲薄板之兩端，並以一樞軸420A4相連接。如圖15(b)所示，當兩個握持部依1501方向張開時，兩個薄板(420A1a、420A1b)向內彎曲以形成凹面。由圖15(c)所示，當兩個握持部依1502方向靠近時，兩個薄板(420A1a、420A1b)則會向外彎曲形成凸面。兩個薄板表面的曲率大小可藉由調整兩個握持部的開閤程度來調控。兩個握持部的開閤可以使用適當的致動裝置，例如兩個同軸但旋向相反的渦齒輪(圖中未示出)。實施上，此微分模具的下薄板420A1b可用於帶狀出料的上側，而上薄板420A1a可用於帶狀出料的下側。
第二種方法係採用彎曲但不可變形之構件，此構件的不同部分具有不同的曲率，利用構件上不同部位的曲率與出料接觸以滿足所需之曲率變化。圖16為此方法之一例，微分模具420B主要由一可轉動的曲棒420B1連接至轉軸420B2上所構成，轉軸420B2可繞軸線1600旋轉。為方便描述，定軸線1600與X方向平行。曲棒之彎曲部份偏離軸線1600，記號420B4指向彎曲部份偏離軸線1600的偏心方向，而最大偏心距離在位置420B3。當佈料沿Y方向進行，橫向通過曲棒420B1的上表面時，視曲棒相對於軸線1600之方位而定，曲棒與出料接觸的表面會有不同的曲率。
舉例說明，如圖16(a)所示，記號420B4朝向Z方向，表示最大偏心點420B3指向Z方向。因此曲棒與出料下側接觸的表面成為上凸，且其沿X方向彎曲的曲率與曲棒沿X方向彎曲的曲率相同。又如圖16(a)所示，當微分模具420B轉動90度時，最大偏心點420B3則朝向Y方向，表示曲棒420B1的彎曲平面係平行於XY平面，此時曲棒的上表面對Z方向而言，亦為平坦之平面。因此曲棒與出料下側接觸的表面成為平坦之平面。同理，如圖16(c)所示，當微分模具420B再轉動90度時，使最大偏心點420B3朝向 Z方向，則曲棒與出料下側接觸的表面成為凹面。值得一提的是，當記號420B4與Z方向之夾角為0度或180度時，曲棒與出料下側接觸的表面具有凸面或凹面之最大曲率。
圖16(d)示當曲棒420B1相對於Z方向轉動一角度θ的一般情況。當佈料沿Y方向進行時，曲棒與出料下側接觸的表面在橫向(即X方向) 的曲率可由曲棒的曲線1602在XZ平面1605上的投影曲線1604得到。旋轉θ角度即可調整投影曲線1604的曲率。適用的致動機構可包括齒輪、齒條及馬達。此一微分模具可用於出料的下側或上側。
微分模具可進一步包括修整佈料寬度的側緣導模。圖17(a)、(b)、(c)示三個微分模具例具有與微分模具面成垂直的側緣(4201、420A21或420B21)，可於出料452a凝固過程中限制出料在寬度方向上寬度。又當製作較薄的物件結構時，如以圖1物件例的葉片部份為例，可以先製成葉片的主體部份並使其極接近最後尺寸，然後在最後一步塗佈、修整葉片邊緣到最後的形狀尺寸。在此最後一步驟中，可使用只修整邊緣而不影響其他部份的側緣導模。圖17(d)、(e)示例之一，側緣導模420C之第一端420C1呈現台階結構，可用於出料之下側以修整成形輪廓，另一端420C2則呈現與第一端上下顛倒的台階結構，可用於出料之上側。兩端的，將微分模具420C繞軸線1601旋轉，可依需求選擇所需的側緣導模端。圖17(f)、(g)示例之二，側緣導模420D由第一短柱420D2及接連其上的第二短柱420D1所構成，第二短柱直徑較小且中軸偏離第一短柱的中心軸線1602。將第一短柱繞軸線1602旋轉，可將第二短柱轉到軸線1602偏下方的位置，如圖17(f)，此狀態下，兩短柱相連接之結合區域420D21可用於出料之下側以修整成形輪廓。如將第二短柱轉到軸線1602偏上方的位置，如圖17(g)，此狀態下，兩短柱相連接之結合區域420D21可用於出料之上側。
在一般情況下，微分模具可以用與佈料系統之材料腔404相同的材質製作。如圖16、圖17(a)、(c)中不可變形之構件，可使用陶瓷材料、碳或其複合材料。陶瓷材料可用於使用高熔點之鈦、鈷、鉻或鎳合金金屬為可固化材料之場合。具有可變形構件的微分模具則可選用石墨片(graphite sheets)或金屬。選用適當且與熔融金屬不反應的材質可避免熔融金屬沾黏或因高溫反應而形成合金。為了避免此問題，可於微分模具之金屬材質表面塗佈隔離層，以防止金屬材料反應，例可於金屬材質上塗佈氧化鋁層以避免熔融態之液體直接接觸到金屬。
微分模具也可以利用流體的流動與壓力。其基本概念在於利用多通道的氣體射流於熔融金屬表面上，藉由調控不同通道氣流的流速及壓力，可以塑造熔融金屬表面的形狀。圖18(a)-(c)示一實施例。圖18(a)示此系統主要由一束多個細徑氣管420E1構成，氣管束出口端排成陣列420E2配置於固化區的熔融出料上方，氣管束的入口端連接岐管420E3，以接收從入口管道420E4所供給的惰性氣體。岐管420E3內，每一氣管有一相應的獨立的控流裝置，可以控制各個氣管的氣體流量。如圖18(b)所示，控流裝置E3a控制氣管E1a的氣體流量，裝置E3c控制氣管E1c的氣體流量等。
實施上，控流裝置可以透過機械或電機機構來控制，如利用壓電致動器以對應調整氣體之流率。當氣管束出口端420E2配置於固化區的熔融出料452b表面上方時，氣體推動熔融金屬表面使金屬表面與氣管束出口端之間形成一間距，氣管氣壓愈大，間距愈大，反之則間距愈小。分別調節各個控流裝置可以在不同氣管出口與相應的熔融金屬表面部份間產生不同壓力，故熔融金屬表面會有不同的曲率。如圖18(b)所示，當中央氣管E1c的流率較兩側氣管E1a、E1e大時，熔融出料452b的中央位置所承受的壓力較高，使金屬表面呈凹面。
同理，如圖18(c)所示，當欲獲得凸型輪廓時，則控制兩側流率大於中央流率即可。所使用之氣體種類可以是氬氣、二氧化碳或其他的惰性氣體，由於氣體流動系統並未與熔融金屬直接接觸，可避免高溫熔融金屬之熱影響，故所有的管道可利用各種金屬材質製成。
進一步說明，當金屬的出料體積或寬度小時，金屬表面張力效應影響會大於重力效應，因此成型輪廓無法僅單靠微分模具成形及重力而完成，針對此問題可能的解決途徑是在金屬出料的上、下方同時利用微分模具以塑型，或者是利用一邊為微分模具，另一邊為已成形的材料表面、或用側緣導模等加以塑型，或是可於出料時對熔料施以適當小壓力(以氣壓或固體料桿推擠)，以限制熔料之出料量並限制其可以流動範圍。
圖19示微分模具系統的裝配與進退機構，與其相對於佈料頭403的位置。上部微分模具420a與下部微分模具420b分別連結於兩連接臂(422a、422b)上。連接臂422a裝置於基座424上，可繞軸線4291轉動，以將上部微分模具進到操作位置(如420a所指位置)、或退到待機位置420ar。同理，連接臂422b裝置於基座424上，並可繞軸線4292轉動，以將下部微分模具進到操作位置(如420b所指位置)、或退到待機位置420br。如此，可依據需求進、退微分模具。如前已述，佈料時微分模具與佈料頭一齊移動，因此，如遇佈料頭需繞Z軸旋轉時，微分模具系統基座424可沿4295所示軌跡旋轉，以使微分模具及連接臂等隨佈料頭一齊轉動。
實施例二：以塑膠(高分子材料)為可固化材料，以近似擠型(plastic extrusion)的方式成形
2.1 佈料頭系統
佈料系統近似圖8，材料供應單元402及佈料頭403可使用金屬(如鋁、銅、或鋼)製作，加熱時可加熱材料供應單元及佈料頭，然後金屬壁以接觸方式加熱塑膠。例如，實驗顯示一般有溫控功能的電鉻鐵足以用來加熱ABS線材。另外，不一定需要鈍氣保護。
2.2 改變佈料寬度
前述用來改變佈料寬度的可調節出料口大小的裝置與對應機制(如圖11及圖12)，也可以用於塑料。然而由於使用之塑料與金屬間特性差異，該材料供給單元與佈料頭的內部形狀是有所不同。
在可固化材料為金屬的情況下，如圖12(a)所示，熔融金屬480沿著材料供給單元420B的供給管道420B1進入材料腔404B10時，因為流道截面積變大，流速可能減緩，但只要流量保持恆定，材料腔404B10仍可保持充滿熔料，佈料頭出料流量也可保持。亦即，單一線材470可像活塞一般在管道 402B1中推進熔料，線材的不同進給速度可以產生系統的不同流量，以滿足佈料頭不同出料寬度的需求。
然而，在可固化材為高分子材料的情況下，依據傳統塑膠擠製製程的經驗(參考W. Michaeli, Extrusion Dies for Plastics and Rubber, 2nd ed., Hanser, Munich, 1992, p. 190)，融料必須穩定加速，且流動路徑中不能有滯流區之存在。故材料供給系統的管道、相關組件及調控機制需再進一步進行設計，須滿足(1)流動路徑要是平順且連續的，不能有階梯或跳躍連續; (2)沿流動路徑逐漸縮減截面積，以穩定加速。以下敘述二設計例。
圖20示適用高分子材料擠出佈料之材料供給單元，圖20(a)為裝置之剖視圖，圖20(b)為裝置之局部分解圖。線材470經由供給管道402D1加熱後進入材料供給單元402D中成為熔料408，經材料腔空間404D10後由出料口405流出。佈料頭404D包含主體404D1、頂蓋部404D2和側面板404D3，側面板404D3可以調控出料口405之大小。其中側面板404D3有一軸結構404D31可滑動配合至主體404D1的組裝孔404D11上，故可繞軸線2004a轉動，藉由調控側面板404D3的位置以控制佈料口之大小(例如開大位置404D3a或關小位置404D3c)。
其中頂蓋部404D2具有一凸起結構2005，凸起結構2005的前緣與側面板404D3之邊緣接觸形成一線2006，此接觸線與側面板的軸結構404D31重合，故此接觸線2006並不會因側面板404D3轉動而偏離位置，進而形成一密封結構，故熔料不會溢漏到側面板404D3後側。再者，側面板404D3之邊緣輪廓平順不會使熔料之流動路徑有階梯或跳躍連續的情況產生，且材料腔沿流動路徑逐漸縮減截面積，如2001、2002、2003所示各剖面圖所示，而側面板404D3之厚度亦相應沿流動路徑逐漸縮減。
圖21示適用高分子材料擠出佈料之材料供給單元及佈料頭設計例二，可依據需求調控佈施大量材料。圖21(a)為材料供給單元402C及佈料頭404C的分解示意圖。佈料頭404C包含第一部份404C1及第二部份404C2，兩部份組合後兩者所夾的公空間為材料腔404C10，第二部份可於第一部份上滑動以打開或縮小出料口405。第二部份的內側緣包含一彎曲輪廓404C21，使材料腔404C10的截面積隨著熔料流動路徑逐漸縮減。材料供給單元之進料管道402C1可以接納多條線材並排進料，如圖21(a)所示。當第二部份404C2打開出料口405到最大位置時，第二部份的彎曲內側緣頂端邊緣404C22對齊進料管道之下緣402C11，使由進料管道至材料腔的側緣曲率呈連續漸進變化。又進料管道下緣402C11及彎曲輪廓404C21皆以接近漸近線的曲率逼近第二部份的頂端404C23，因此當第二部份縮小出料口405(同時也縮小材料腔的入料端406)時，熔料的流動方向不致突然變動。如此，在任何情況下，材料腔的截面積皆隨著熔料流動路徑逐漸縮減，而出料口寬度仍能隨需要變動。
如圖21(b)所示，材料供給單元402C1可同時之進料管道402C1可以接納多條線材(470a-d)並排進料，線材進給裝置511a可為多個輥輪或齒輪510a-d以分別帶動固體線材470a-d。各輪可為獨立控制，故可依據實際的容積需求調整材料輸送速率。當需要較大的熔料流量時，入料端406的尺寸開啟到最大，線材470a-d並排同時輸入供給管道402C2加熱熔融。而當出料口405關到最小時，則僅需供給單一線材。
由於本發明中佈料的軌跡、出料的尺寸、曲率是可調整的，因此，如果將出料的厚度、寬度減到最小，並採用傳統水平積層方式佈料，則基本上就與現行FDM法的佈料方式相同。因此，本技術所具備的彈性實包含現行的FDM法。所以，本技術製造3D物件時，可視不同部位的需要，採用不同的佈料方式與方向。此外，以調整佈料頭出料口前緣相對於佈料行進方向的角度來改變出料寬度的方法(如圖9和圖10所示)也適用於塑料材料。又圖14到圖19所述微分模具的設計與操作方式也適用於塑料材料。
實施例三: 以金屬為可固化材料，以電弧焊氣或雷射等為輔助加熱源
參閱圖22，如果佈料於溫度過低的表面基底，則所佈料的金屬凝固後無法與其基底金屬產生良好的熔接。如果只靠金屬材料腔流出的融熔金屬加熱基底，基底預熱可能不足。可能的解決途徑是結合電弧焊氣加熱與感應加熱，如此電弧焊氣可以預熱基底。微電弧焊系統有良好的脈衝電流控制(可小到0.1A x 0.01 sec)，可以產生適度的熱能。
實施例四：3D製件
圖23以圖3的製件形狀為例，進一步說明採用「彈性變向佈料」法成形的步驟。此圖假設佈料系統移動而載台不動。(a)-(c): 佈料於載台上製輪轂內部。(d)-(e): 舖製輪轂外部。(f) 製葉片基部，以作為下一部葉片成形的起始部。(g) 葉片成形: 邊緣部601成形時由基部603起始向外施料，每間隔一定距離則施料製支持柱與預先製作的支架或支持框構形相連，並利用已固化之邊緣部601依序相接固化輪廓部602。另一選擇是先將支持構形建於葉片下，如現行FDM法或SLA法。
實施例五：金屬模具之嵌模製作，特別是製作含異形水路的無缝模心
快速3D原型與製造技術，特別是SLM法，其應用特點之一是製作塑膠射出成型金屬模具之嵌模，特別是含異形水路(conformal cooling passages)的無接缝模心(seamless mold core)。其優點是冷卻快，可以顯著加快一套模具的生產速率，降低所需的模具與設備(射出機)的數量。之所以使用積層製造法，是因為使用傳統模具加工法(切削、放電加工)難以製作無接缝模心內的異形水路。不過，SLM法製成的模面表面粗度大，SLM系統製成的塑膠射出成型模心，一般表面粗度達40微米(與砂模鑄相當)，並需預留200-500微米供後切削加工。所需後加工成本顯著(約佔總成本1/4)，又因為SLM設備與材料成本高，目前只用於高產量的生產，才能符合成本。另外，水路內壁脫粉為另一問題。
本發明俱有較低設備成本(因不需雷射)、較低材料成本(因不需高流動性的金屬粉末)及較低的後製成本，能製成較佳的表面光滑度的潛力，可大幅降低含異形水路的無接缝模心的製作成本。因模具的表面幾何以曲面為主，本發明的彈性變向帶狀佈料方式最適合。運用本發明的帶狀佈料特點，可以發展出一套全新的加減法併用的金屬件製作法，特別是模具。所謂加法是以「彈性變向佈料」方式添加材料成形，所謂減法是以切削方式去除材料成形。此法又特別適於含異形水路無缝模心的製作法，能進一步降低其成本。此法可稱為「彈性模面成形技術」(flexible mold surface forming technique)。
圖24示彈性模面成形技術方法例一，此法先以切削方式製成模仁的模蕊，如圖24(a)2401示其剖面圖，模蕊表面2402形狀接近最後所需的模面，但尺寸稍小。然後在模蕊表面銑削螺旋環繞的溝渠結構2403，並向模蕊內部鑽孔(2404a-d)，將螺旋溝渠首尾連接。2410以透視圖法示模蕊2402及螺旋環繞的溝渠2403之局部表面。下一步則用本發明的彈性變向佈料3D成形技術在內蕊表面覆蓋一層材料，如圖24(b)示，2411則以透視圖法示佈料頭403及微分模具420在模蕊表面佈料，固化的材料(虛線2408所示)蓋住原本的模蕊表面2402，也蓋住溝渠結構2403的開口面，形成模面。圖24(b)的剖面圖示固化的材料蓋住原本的模蕊表面，形成模面2408。如此溝渠結構就成了異形水路，使用時冷卻水自入口2405流入水道2404a、2404b，然後進入溝渠結構2403螺旋環繞之異形水路而下，經水道2404c、2404d後，自出口2406流出。而此水路的內壁四面都有光滑的表面，不會有水路內壁脫粉的問題。
圖25示彈性模面成形技術方法例二。當模蕊表面2402形狀接近最後所需的模面僅預留拋光裕度時，將可固化材料直接於螺旋環繞的溝渠結構2403之凹槽特徵2403a上進行佈料，僅覆蓋凹槽特徵2403a以形成模面2408，可以節省更多的材料及縮短加工時間。當溝渠結構寬度較大時，為避免所塗佈的材料落入溝渠渠道內，特別是材料為粉粒狀時，可使用微分模具420b 置於佈料頭下方、溝渠渠道的上方平面，以遮住溝渠渠道，如圖25(a)所示。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
103‧‧‧葉片
102‧‧‧輪轂
217、218‧‧‧水平積層
403‧‧‧佈料頭
404A1,404B1,404C1,404D1‧‧‧佈料頭主體
404B3,404F3‧‧‧佈料頭側面板
404B2‧‧‧佈料頭蓋板
404B4‧‧‧佈料出口滑蓋
404B10‧‧‧佈料頭材料腔室
405a‧‧‧長邊緣部
405b‧‧‧短邊緣部
453‧‧‧未固結出料
110‧‧‧三維表面
520‧‧‧機械手臂
501‧‧‧基座區
401‧‧‧佈料系統
350‧‧‧曲線
402‧‧‧材料供應單元
404‧‧‧材料腔
405‧‧‧出料口
480‧‧‧熔料
495‧‧‧感應加熱器
470‧‧‧線材
430‧‧‧金屬支架
431‧‧‧金屬片
430‧‧‧基座
452‧‧‧固化區
452a‧‧‧出料
45b2‧‧‧熔融出料
514‧‧‧已成形金屬
497‧‧‧外殼
499‧‧‧惰氣
501‧‧‧基板
610‧‧‧結構
404a1‧‧‧U形主體
404a3‧‧‧側面板
404a4‧‧‧滑動檔板
404b1‧‧‧本體
404b3‧‧‧側面板
404b10‧‧‧容置空間
404b2‧‧‧蓋板
404b4‧‧‧滑動檔板
404b13‧‧‧第一限位部
404b14‧‧‧第二限位部
404b11‧‧‧本體邊緣
404b31‧‧‧側面板前端邊緣
404b41‧‧‧滑動檔板前端邊緣
451‧‧‧已固化材料
452R‧‧‧再熔融區
789‧‧‧曲線
381、382‧‧‧帶狀佈料
420A‧‧‧微分模具
420A1‧‧‧U形薄板
420A2、420A3‧‧‧握持部
420A4‧‧‧樞軸
420B‧‧‧轉動曲棒
420B1‧‧‧彎曲桿
420B2‧‧‧旋轉軸
420B4‧‧‧標註記號
420B3‧‧‧最大偏離距離
4201、420A21、420B21‧‧‧邊緣輪廓
420C‧‧‧微分模具
420D‧‧‧微分模具
420D1‧‧‧偏心軸
420D2‧‧‧旋轉軸
420D21‧‧‧結合區域
420D1‧‧‧氣體管
420D2‧‧‧氣體出口
420D3‧‧‧岐管
420D4‧‧‧入口通道
D3A‧‧‧流量限制裝置
420a‧‧‧上部微分模具
420b‧‧‧下部微分模具
422a、422b‧‧‧連接臂
424‧‧‧基座
404B10‧‧‧材料單元
420B1‧‧‧供給管道
420B‧‧‧材料供給部
402D1‧‧‧供給管道
402D‧‧‧材料供給部
404D‧‧‧佈料頭
404D1‧‧‧主體
404D2‧‧‧頂蓋部
404D3‧‧‧側面板
404D31‧‧‧軸結構
404D11‧‧‧組裝孔
402C‧‧‧材料供給單元
404C‧‧‧佈料腔體
404C1‧‧‧第一檔塊
404C2‧‧‧第二檔塊
406‧‧‧入料端
404C21‧‧‧內表面
404C10‧‧‧材料供給空間
402C1‧‧‧材料供給部
402C2‧‧‧供給管道
501‧‧‧基座、基座區、製件載台
511a‧‧‧材料供給裝置
510a-d‧‧‧輥輪
601‧‧‧邊緣部
602‧‧‧輪廓部
603‧‧‧基部
2402‧‧‧模芯表面
2403‧‧‧溝渠結構
2403a‧‧‧凹槽特徵
2404a-d‧‧‧水道
2408‧‧‧模面
本發明之特徵及優勢可由以下附圖及相應的詳細敘述進一步說明： 圖1 為3D製件之示意圖； 圖2 示意以現行積層製造技術製造圖1之3D製件的情形； 圖3 示意以圖1的製件形狀為例，說明本發明之「彈性變向佈料」概念； 圖4 示本發明塗佈3D曲面時佈料頭在空間中與3D曲面的相對位置的幾何關係； 圖5 示本發明的機台設備之例； 圖6 示本發明形成3D薄殼曲面的概念； 圖7 為佈料系統之構成； 圖8 為材料供應單元之另一態樣； 圖9 為彈性調整出料的寬度截面尺寸之示意圖； 圖10為彈性調整出料的厚度截面尺寸之示意圖； 圖11為可調整出料口尺寸的佈料頭設計實例； 圖12為可調整出料口尺寸的佈料頭之另一設計實例； 圖13為彈性變向佈料之軌跡成形示意； 圖14為微分模具成形概念； 圖15為微分模具之態樣； 圖16為微分模具之另一態樣； 圖17為利用微分模具以進行邊緣輪廓之修整示意； 圖18為流體微分模具之態樣； 圖19為微分模具系統的另一設計態樣； 圖20係為適用高分子材料擠壓佈料之材料供給單元之態樣； 圖21係為適用高分子材料擠壓佈料之材料供給單元之另一態樣； 圖22為佈料頭佐以電弧焊氣為輔助熱源之態樣； 圖23為圖3之製件為例，利用彈性變向佈料進行成形示意； 圖24為金屬模具之彈性模面成形技術； 圖25為金屬模具之彈性模面成形技術之另一製程方法； 圖26及圖 27為本發明調整出料口開口尺寸的另一設計實例。
102‧‧‧輪轂
103‧‧‧葉片
301‧‧‧格子結構
310‧‧‧內壁表面
312‧‧‧成形表面
314‧‧‧葉片表面切線方向
318a‧‧‧彈性變向佈料層
318b‧‧‧彈性變向佈料層
318c‧‧‧彈性變向佈料層
318d‧‧‧彈性變向佈料層
390‧‧‧佈料方向

Claims (25)

  1. 一種製造3D製件的方法，係使用一佈料頭將具有流動性的一可固化材料塗佈於一基座上，使其於一環境條件下成為固態，並使該佈料頭對該基座在空間中依預定的軌跡產生相對運動，致使該可固化材料連續塗佈，前後材料依序按預定的位置相接固化成該3D製件，此方法包含以下特徵： 該佈料頭對該基座的一相對運動軌跡係經一計畫程序產生，該計畫程序包含： 一成形程序，該成形程序將該3D製件的幾何資料區分為若干區段，並決定製造各部份的先後順序； 一幾何資料分解重組程序，此程序依該成形程序，將該3D製件的幾何資料分解重組為若干構型幾何的集合，該構型幾何包含帶狀、線狀、點狀等體積，並選出該區段中要求良好表面光滑度的部份，將該些區段分解重組為帶狀與線狀的構型幾何； 一種塗佈可固化材料的方法包含： 一種使塗佈材料隨需要改變截面尺寸的方法，以使該可固化材料固化形成帶狀、線狀、點狀等體積； 一種使材料沿該3D製件的幾何資料的表面切線方向、以跟隨表面曲度塗佈成形的方法，使該3D製件的表面光滑度良好。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該使塗佈材料隨需要改變截面尺寸的方法，係為調整該佈料頭的角度、並調節出料的流量，以產生不同的截面尺寸，調整該佈料頭相對於佈料行進方向的角度，並調節出料的流量，可以施佈厚度相同但水平方向寬度不同的帶狀結構，調整該佈料頭相對水平方向的角度，並調節出料的流量，可以施佈高度不同但寬度相同的矮牆結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該使塗佈材料隨需要改變截面尺寸的方法，係使該佈料頭的出料口尺寸成為可調式。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在塗佈該可固化材料時，進一步使用一微小模具裝置與塗佈於該基座上的可固化材料的部份表面相接觸，並使該區域維持該一定環境條件，以使被該微小模具裝置接觸的一部份該可固化材料在該微小模具裝置的幾何形狀限制下，固化成一預定的形狀。
  5. 如申請專利範圍第1 項所述之方法，其中該3D製件更包含工件之部分外部輪廓，該基座包含工件內部之溝渠結構，藉由該塗佈可固化材料的方法將溝渠結構包覆於該工件之內部。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該3D製件更包含一模具腔體，先藉由該佈料頭根據該相對運動軌跡進行塗佈以複製該模具腔體之一薄殼，再於該薄殼背面進行塗佈以增加強度。
  7. 一種製造3D製件的方法，其特徵包含： 使用一佈料頭將具有流動性之一可固化材料塗佈於一基座上之一目標區域中，該可固化材料於一環境條件下可成為固態； 塗佈該可固化材料時，使用一微小模具裝置與塗佈於該目標區域之可固化材料的表面相接觸，並使該目標區域維持在該環境條件，以使被該微小模具裝置接觸的一部份可固化材料在微小模具裝置的幾何形狀限制下，固化成一預定的形狀；以及 在塗佈該可固化材料及施用該微小模具裝置時，使該佈料頭及該微小模具裝置的組合對該基座在空間中依預定的軌跡產生一相對運動，因而致使該可固化材料連續塗佈、依序固化為預定的形狀，並前後依序按預定的位置相接固化成為該3D製件。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該可固化材料包含熔融態之金屬材質，該環境條件包含溫度。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該可固化材料包含熔融態之熱塑性材質，該環境條件包含溫度。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該可固化材料包含固態顆粒與液態載體混合物，該環境條件包含溫度。
  11. 一種製造3D物件的方法，其特徵包含: 使用一佈料頭將一粉粒狀的一可結合材料塗佈於一基座上的目標區域； 在塗佈該可結合材料時，對其施以一結合處理，使該粉粒狀的材料於基座上固結成一體； 在施行該結合處理時，使用一微小模具裝置與塗佈於該目標區域的該可結合材料的部份表面相接觸，以使被該微小模具裝置接觸的一部份的該可結合材料在微小模具裝置的幾何形狀限制下，結合成一預定的形狀； 在塗佈該可結合材料及施用該微小模具裝置時，使該佈料頭、結合處理及該微小模具裝置的組合對該基座在空間中依預定的軌跡產生一相對運動，因而致使該可結合材料連續塗佈、依序結合為該預定的形狀、並前後依序按預定的位置相接結合成為該3D物件。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該結合處理包含於該目標區域加熱，以使該粉粒狀材料部分融化並重新凝固。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該結合處理包含於該目標區域添加黏著物質，以使該粉粒狀材料相互黏著。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該3D物件包含工件之外部輪廓，該基座包含工件內部之溝渠結構，利用該佈料頭與該微小模具裝置之間的相對軌跡並包覆該粉粒狀材料，讓該溝渠結構為工件之內部通道。
  15. 一種製造3D物件的系統，其特徵包含: 一佈料頭，用於塗佈材料以製造該3D物件，該佈料頭包含一可以調整出料口尺寸的一閘門機構，用以調節出料的截面的尺寸；以及 一材料供應單元，用於供應材料給該佈料頭，該材料供應單元可調節供料速率以配合該佈料頭的出料口尺寸。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之系統，其中該閘門機構包含作用於兩個不同作動方向之閘門元件，以調整該出料口之尺寸。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之系統，其中該閘門機構之控制方向包含該出料口之厚度方向及寬度方向，其中寬度方向可利用複數個閘門元件相互推疊但個自獨立作動，以調整該出料口之尺寸。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之系統，其中該閘門機構包含一凹槽特徵元件，當該閘門機構完全閉合時，該凹槽特徵元件及該佈料頭仍承接該材料供應單元所供應之材料。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之系統，更包含一輔助加熱裝置以提供局熱加熱，該輔助加熱裝置設置於出料口或目標區域以進行預熱。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之系統，其中該輔助加熱裝置包含一電弧銲接系統，其中該佈料頭連結於該電弧銲接系統的正電極端。
  21. 如申請專利範圍第15項所述之系統，更包含一微小模具裝置，藉由該佈料頭與該微小模具裝置之間以限制材料流道，以獲得所需之截面積形狀。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之系統，其中該微小模具裝置包含一可變形構件，其中該可變形構件之曲率係可調整。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之系統，其中該微小模具裝置包含具有不同曲率之一彎曲構件及一致動器，藉由該致動器與該彎曲構件相對移動或轉動以塑型該3D物件。
  24. 如申請專利範圍第15項所述之系統，更包含一溫控模組以用於溫度調整，該溫控模組包含加熱裝置及冷卻裝置。
  25. 如申請專利範圍第15項所述之系統，更包含: 一基座，用於承載塗佈材料與製件，該基座包含加溫或冷卻裝置；以及 一運動機構裝置，用於使該佈料頭對該基座在空間中依預定的軌跡產生一相對運動，該運動機構裝置具備至少4個運動自由度。
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