TW201638345A

TW201638345A - 三維列印線材

Info

Publication number: TW201638345A
Application number: TW104112846A
Authority: TW
Inventors: 陳正士; 楊景明
Original assignee: 優克材料科技股份有限公司
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2016-11-01

Abstract

一種三維列印線材，其包括高分子材料以及分佈於高分子材料中的金屬粉末。金屬粉末的材質包括鋁、鋅、鋁合金或鋅合金。金屬粉末在三維列印材料的重量百分比落在20%至75%的範圍內，且高分子材料在三維列印材料的重量百分比落在25%至80%的範圍內。

Description

三維列印線材

本發明是有關於一種加工材料，且特別是有關於一種三維列印線材。

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。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。

現有的三維列印技術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(例如金屬粉末)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，其中熔融沉積成型法(Fused Deposition Modeling，FDM)具有製作成本便宜及裝置結構簡單的特色，常被廣泛應用。

然而，目前熔融沉積成型法的製作過程例如是將一般樹脂、耐龍樹脂或可塑性樹脂等線材(filament)加溫成熔融的流體材料，再將流體材料擠出至成型台上。在目前技術中，為了使熔融沉積成型法所製造的成品具有金屬光澤，還需要打磨、噴漆或化學電鍍等的加工步驟，進而增加整體製程的複雜度及製造時間，且所生成的塗層或鍍層也容易因製程條件難以控制而導致厚度太厚，進而發生剝落的問題，使得成品本身的精確度降低。因此，在熔融沉積成型法的開發中，如何在節省時間的同時可以使所列印出之三維物體具有美觀、硬度及耐用度為此領域當前重要的研究議題之一。

本發明提供一種三維列印線材，其可應用於熔融沉積成型法。

本發明的實施例的三維列印線材包括高分子材料以及分佈於高分子材料中的金屬粉末。金屬粉末的材質包括鋁、鋅、鋁合金或鋅合金。金屬粉末在三維列印材料的重量百分比落在20%至75%的範圍內，且高分子材料在三維列印材料的重量百分比落在25%至80%的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的金屬粉末是預合金粉末或混合粉末。

在本發明的一實施例中，上述的金屬粉末的粒徑落在1微米至50微米的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的金屬粉末的粒徑及三維列印線材垂直於延伸方向的截面的最小寬度的比值小於等於0.028。

在本發明的一實施例中，上述的金屬粉末的材質包括鋁銅合金、鋁銀合金、鋁鉛合金、鋁鉍合金、鋁銀銅合金或鋁銀銅鎳合金。

在本發明的一實施例中，上述的金屬粉末的材質包括鋅銅合金、鋅銀合金、鋅鉛合金、鋅鉍合金、鋅銀銅合金或鋅銀銅鎳合金。

在本發明的一實施例中，上述的金屬粉末的材質包括鋁鋅合金，且鋅與鋁在金屬粉末中的含量的比值落在0.01至0.11的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的金屬粉末在三維列印線材的重量百分比落在50%至75%的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的高分子材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile-butadiene-styrene terpolymer，ABS)、聚乳酸(polylactic acid，PLA)、聚丙烯(polypropylene，PP)、高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)、尼龍(nylon)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)或其混合物。

基於上述，由於本發明的實施例的三維列印線材包括具有特定配比的金屬粉末及高分子材料，因此上述三維列印線材熔融後可以形成具有良好的流動性及成型性的材料。如此一來，本發明的實施例所提出的三維列印線材可以利用熔融沉積成型法形成三維物體，且由於三維列印線材中的金屬粉末的材質包括鋁、鋅、鋁合金或鋅合金，上述的三維物體的表面經打磨後即可具有銀白色的金屬光澤，藉此降低製程所需時間及成本。

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。

本發明的一實施例的三維列印線材包括高分子物質以及分佈於高分子材料中的金屬粉末。本實施例的金屬粉末可以藉由物理方式或化學方式混合於高分子材料中，本發明並不限於此，且上述的金屬粉末在三維列印線材中的重量百分比落在20%至75%的範圍內，較佳為落在30%至50%的範圍內。由於本實施例的三維列印線材是由高分子材料混合金屬粉末而成，且高分子材料在三維列印線材中的重量百分比落在25%至80%的範圍內，因此三維列印線材適於利用熔融沉積成型法來堆疊形成一三維物體。

另一方面，由於本實施例的三維列印線材具有金屬粉末，且金屬粉末的材質包括鋁、鋅、鋁合金或鋅合金，因此上述的三維物體的表面經由打磨後可以具有銀白色的金屬光澤，使三維物體的表面處理所需的成本及所需的時間都大幅降低。

詳細來說，本實施例的金屬粉末在三維列印線材中的重量百分比落在20%至75%的範圍內。當金屬粉末在一三維列印線材中的重量百分比低於20%時，上述的三維列印線材所形成的三維物體的表面經打磨後就會呈現不連續面，無法具有平滑的銀白金屬表面。當金屬粉末在一三維列印線材中的重量百分比高於75%時，含量過高的金屬粉末將難以良好地與高分子材料混合於三維列印線材中，進而造成金屬粉末在三維列印過程中殘留於成型區域以外。因此，由於本發明的實施例中的金屬粉末在三維列印線材中的重量百分比落在20%至75%的範圍內，所述三維列印線材所形成的三維物體可以經由簡單的加工形成平滑的銀白色金屬光澤表面。

本實施例的金屬粉末可以是鋁、鋅、鋁合金或鋅合金的預合金粉末或混合粉末。詳細而言，當金屬粉末是上述金屬材質的預合金粉末時，可透過球磨機將上述金屬材質的粉末進行高速球磨以使兩者產生機械合金化來得到。當金屬粉末是上述金屬材質的混合粉末時，可藉由將上述金屬材質的粉末攪拌均勻而得。

進一步來說，本實施例的金屬粉末的材質可以包括鋁銅合金、鋁銀合金、鋁鉛合金、鋁鉍合金、鋁銀銅合金或鋁銀銅鎳合金。也就是說，金屬粉末的材質可以以鋁為主體，再加上其他金屬元素所組成的二元合金或多元合金。

在本發明的另一實施例中，三維列印線材的金屬粉末的材質可以包括鋅銅合金、鋅銀合金、鋅鉛合金、鋅鉍合金、鋅銀銅合金或鋅銀銅鎳合金。也就是說，金屬粉末的材質可以以鋅為主體，再加上其他金屬元素所組成的二元合金或多元合金。

在本發明的一實施例中，三維列印線材的金屬粉末的材質可以包括鋁鋅合金，且鋅與鋁在金屬粉末的含量的比值落在0.01至0.11的範圍內。因此，本實施例的三維列印線材的金屬粉末同時具有鋅與鋁的材質，且鋅與鋁的混合比例含可以視需求來調整，進而使三維列印線材經熔融沈積成型所形成的三維物體的表面再研磨後可以更符合所需的銀白色光澤。亦即本實施例的三維列印線材因為具有鋁鋅合金所形成的金屬粉末，其所形成的三維物體的表面的金屬光澤可以滿足更多需求。

另一方面，由於鋁對鋅的固溶度(solid solubility)很高，因此上述兩種金屬所形成的固溶體(solid solution)(亦即合金)在燒結時，能夠達到比較好的固溶強化效果，使燒結後的成品機械性質更好。進一步來說，在本發明的一實施例中，金屬粉末更可以例如是添加鎂粉的鋁鋅混合粉末，進而在後處理過程中達到析出硬化(precipitation hardening)的效果。在本發明的其他實施例中，由於金屬粉末的材質包括具有良好固溶度的鋁鋅合金，因此更可以加入其他適當的材質已達到所需的硬化效果或熱處理效果，本發明不限於此。

本發明的一實施例的金屬粉末例如是由上述金屬材質的金屬粒子所形成，其粒徑落在1微米至50微米的範圍內，因此可以適當地分佈於高分子材料中。具體來說，上述的金屬粉末的粒徑及三維列印線材垂直於延伸方向的截面的最小寬度的比值小於等於0.028，因此金屬粉末在三維列印線材中可以具有良好的分佈情形，同時也可以在熔融沉積成型的過程中具有良好的成型性質。需要說明的是，上述的奈米金屬粒子及其粒徑主要是說明本實施例中的三維列印線材中的金屬粉末在與高分子材料混合之前的型態，並非用以限定混合後的三維列印線材中金屬粉末的型態及粒徑。

在本發明的上述實施例中，高分子材料在三維列印線材的重量百分比落在25%至80%的範圍內。若高分子材料在一三維列印線材的重量百分比低於25%，則金屬粉末會因為含量過高而無法混合於三維列印線材中，進而造成金屬粉末在三維列印過程中殘留於成型區域以外。若高分子材料在一三維列印線材的重量百分比高於80%，則由所述三維列印線材所形成的三維物體會具有不連續的表面結構。

另外，上述的高分子材料的材質包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile-butadiene-styrene terpolymer，ABS)、聚乳酸(polylactic acid，PLA)、聚丙烯(polypropylene，PP)、高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)、尼龍(nylon)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)或上述至少二材質的混合物。也就是說，高分子材料可單獨使用一種化合物，亦可混合使用兩種以上的化合物。具體而言，當高分子材料為混合物時，高分子材料可以是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物與聚乳酸的混合物、聚乳酸與聚丙烯的混合物或聚乳酸/聚胺-表氯醇樹脂(polylactic acid/polyamine-epichlorohydrin，簡稱PLA/PED)、聚乳酸/聚羥基脂肪酸酯(polylactic acid/polyhydroxyalkanoates，簡稱PLA/PHA)、聚乳酸/聚己二酸亞乙基酯(polylactic acid/polyethylene adipate，簡稱PLA/PEA)、聚乳酸/聚(1,4-丁烯己二酸酯)(polylactic acid/poly(1,4-butylene adipate)，簡稱PLA/PBA)、聚乳酸/聚N,N-二甲基丙烯醯胺(polylactic acid/poly(N,N-dimethylacrylamide)，簡稱PLA/PDEA)、聚乳酸/聚(甲基丙烯酸甲酯)(polylactic acid/polymethyl methacrylate，簡稱PLA/PMMA)。

值得說明的是，本實施例的三維列印線材可適用於熔融沉積成型法或類似技術的三維列印製程。也就是說，利用三維列印裝置將本實施例的三維列印線材熔融並擠出後，可得到逐層堆疊出的三維物體。

進一步而言，藉由將本實施例的高分子材料加熱至其熔融溫度以上時，熔融後具有適當黏性的高分子材料可以包覆金屬粉末，使得在熔融後所形成的三維列印線材中仍具有未氧化的金屬材質，進而形成良好的線材材料。如此一來，本實施例的三維列印線材在進行三維列印時，上述的三維列印線材在藉由適當的壓力擠出時，金屬粉末可以避免因殘留而造成例如是一擠出頭的阻塞，還能夠在打磨之後得到具有銀白色金屬光澤的產品。亦即本實施例的三維列印線材在降低成本、及成型所需時間的同時，其所形成的三維物體可以具有良好的強度及外觀。

另一方面，本實施例的三維列印線材所形成的三維物體更可以藉由例如是再次燒結的方式來移除高分子材料。詳細來說，在本實施例中，當三維列印線材的金屬粉末的重量百分比落在50%至75%的範圍內時，其所形成的三維物體在移除高分子材料後可以形成多孔表面，進而提供更多的應用。亦即本實施例的三維列印線材所形成的三維物體的表面可以藉由輕易的加工來具有多種不同的特性。

在下文中，將以熔融沉積成型法為例說明使用本發明的實施例的三維列印線材進行三維列印的程序。

在本發明的一實施例中，適當比例的金屬粉末與高分子材料被加熱至高於高分子材料的熔融溫度的溫度(約180℃至220℃)並進行混煉，以得到一流體材料。混煉的方法例如是使用混煉機搭配射出機、或塑膠射出機等的裝置來進行。流體材料的黏度例如是10⁵cps至10⁸cps。接著，將所述流體材料擠出成為三維列印線材。擠出的方法例如是使用塑膠射出機等的裝置來進行。

接著將三維列印線材置入例如是Deltabox、Prusa i3等的三維印表機的容置槽中，三維列印線材被加熱至高於高分子材料的熔融溫度的溫度(約180℃至220℃)後，以適當的壓力將呈熔融狀態的三維列印線材由一擠出頭擠出至成型台上，接著使其固化。上述的三維印表機藉由反復執行上述步驟來逐層堆疊出欲形成的三維物體。

另外，在上述的實施例的程序中，雖然三維列印材料會先進行混煉並製成三維列印線材後才以線材的形式進行熔融沉積成型法，但本發明並不限於此。在本發明的其他實施例中，上述的三維列印材料更可以先以適當比例混合。混合的方法例如是使用摻合機、攪拌器等的物理方式進行攪拌。接著，將所製得的三維列印材料直接以粉末的形式置入例如是Deltabox、Prusa i3等的三維印表機的容置槽中，並同樣以高於高分子材料的熔融溫度的溫度(約180℃至220℃)對三維列印材料進行加熱，以得到黏度例如是10⁵cps至10⁸cps的流體材料。之後，同樣以與前述程序相同的步驟進行三維物體的製作。

綜上所述，本發明的實施例的三維列印線材包括具有特定配比的金屬粉末及高分子材料，且金屬粉末的材質包或鋁、鋅、鋁合金及鋅合金，因此本發明的實施例所提出的三維列印線材利用熔融沉積成型法所形成的物體可以輕易的加工為具有銀白色金屬光澤的表面的物體，更可以藉由再次燒結來使物體的表面具有多孔結構，藉此降低製程及表面處理所需時間及成本。另一方面，由於本發明的實施例的三維列印線材的金屬粉末可以具有鋁合金、鋅合金或鋁鋅合金的材質，更可以進一步降低三維列印線材成型所需的溫度，進一步節省成型所需的能量消耗。

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。

Claims

一種三維列印線材，包括：高分子材料；金屬粉末，分佈於該高分子材料中，該金屬粉末的材質包括鋁、鋅、鋁合金或鋅合金，且該金屬粉末在該三維列印線材的重量百分比落在20%至75%的範圍內，該高分子材料在該三維列印材料的重量百分比落在25%至80%的範圍內。
如申請專利範圍第1項所述的三維列印線材，其中該金屬粉末是預合金粉末或混合粉末。
如申請專利範圍第1項所述的三維列印線材，其中該金屬粉末的粒徑落在1微米至50微米的範圍內。
如申請專利範圍第1項所述的三維列印線材，其中該金屬粉末的粒徑及該三維列印線材垂直於延伸方向的截面的最小寬度的比值小於等於0.028。
如申請專利範圍第1項所述的三維列印線材，其中該金屬粉末的材質包括鋁銅合金、鋁銀合金、鋁鉛合金、鋁鉍合金、鋁銀銅合金或鋁銀銅鎳合金。
如申請專利範圍第1項所述的三維列印線材，其中該金屬粉末的材質包括鋅銅合金、鋅銀合金、鋅鉛合金、鋅鉍合金、鋅銀銅合金或鋅銀銅鎳合金。
如申請專利範圍第1項所述的三維列印線材，其中該金屬粉末的材質包括鋁鋅合金，且鋅與鋁在該金屬粉末中的含量的比值落在0.01至0.11的範圍內。
如申請專利範圍第1項所述的三維列印線材，其中該金屬粉末在該三維列印線材的重量百分比落在50%至75%的範圍內。
如申請專利範圍第1項所述的三維列印線材，其中該高分子材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile-butadiene-styrene terpolymer，ABS)、聚乳酸(polylactic acid，PLA)、聚丙烯(polypropylene，PP)、高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)、尼龍(nylon)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)或其混合物。