TW201643129A - 成型線材及陶瓷立體物件的製作方法 - Google Patents

成型線材及陶瓷立體物件的製作方法 Download PDF

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Abstract

一種陶瓷立體物件的製作方法，包括：提供線材，其為金屬與高分子聚合物的混合物，且金屬的固含量大於60體積百分比；接著將線材以熔融沈積式成型出立體物件；最後將立體物件予以熱處理而形成陶瓷立體物件。另提供一種成型線材，以作為熔融沈積式成型之用。

Description

成型線材及陶瓷立體物件的製作方法
本發明是有關於一種立體物件的製作方法，且特別是一種陶瓷立體物件的製作方法及成型線材。
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，而且做出的原型無形狀限制，為一種高度整合性的技術。
一般而言，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。
本發明提供一種陶瓷立體物件的製作方法，其藉由熔融沈積成型出立體物件後，再將立體物件予以熱處理而形成陶瓷立體物件。
本發明另提供一種成型線材，其適用於熔融沈積的立體列印裝置以成型出立體物件。
本發明的陶瓷立體物件的製作方法，包括，提供線材，其為金屬與高分子聚合物的混合物，其中金屬的固含量大於60體積百分比(vol%)；接著將線材以熔融沈積(fused deposition modeling,FDM)成型出立體物件；最後將立體物件予以熱處理，而形成陶瓷立體物件。
本發明的成型線材，適用於熔融沈積式立體列印裝置。成型線材是由金屬與高分子聚合物所混合而成，其中金屬的固含量大於60體積百分比(vol%)。
在本發明的一實施例中，上述金屬的PBR(Pilling-Bedworth ratio)為1±0.3。
在本發明的一實施例中，上述金屬為鋁、鈦、鋯或其之合金。
在本發明的一實施例中，上述高分子聚合物為聚乳酸(Polylactide,PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS)、蠟或聚醯胺(polyamide,PA)。
在本發明的一實施例中，上述熱處理的條件為溫度300℃至2000℃，氣氛含氧量大於1體積百分比(vol%)。
在本發明的一實施例中，上述的金屬與高分子聚合物是藉由混煉而形成成型線材。
基於上述，藉由金屬與高分子聚合物所混合而成線材，進而將所述線材以FDM而成型出立體物件，最後將立體物件進行熱處理，而用以去除高分子聚合物。如此一來，高分子聚合物能作為成型線材，以及在FDM成型過程中將金屬結合在一起的黏著劑，以讓立體物件能順利成型，而後再藉由熱處理進行氧化反應，除能順利地去除立體物件中的高分子聚合物，而形成陶瓷立體物件。
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。
10‧‧‧立體物件
100‧‧‧熔融沈積裝置
110‧‧‧線材
120‧‧‧熔融式噴頭
130‧‧‧平台
S110~S130‧‧‧步驟
圖1是依據本發明實施例的陶瓷立體物件的製作流程圖。
圖2是適用於圖1之製作方法的裝置示意圖。
圖1是依據本發明實施例的陶瓷立體物件的製作流程圖。圖2是適用於圖1之製作方法的裝置示意圖。請同時參考圖1 與圖2，在本實施例中，所述陶瓷立體物件是能藉由熔融沈積(fused deposition modeling,FDM)而予以成型，因而得以兼具其材料(陶瓷)特性，以及不因材料特性而對外型有所限制。
詳細而言，在本實施例的步驟S110中，首先提供適用於熔融沈積裝置100的線材110，且需提及的是，線材110是由金屬與高分子聚合物所形成的混合物，其中金屬的固含量大於60體積百分比(vol%)。換句話說，線材110實質上是以金屬為主要結構，而高分子聚合物則是作為用以結合金屬的黏著劑之用。
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(mixing)，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。熔融後所形成混有金屬粉末的高分子流體材料的黏度例如是105cps至108cps。接著，將所述流體材料擠出並冷卻而成為三維列印線材。擠出的方法例如是使用塑膠射出機等的裝置來進行。
接著，在步驟S120中，將線材110配置於熔融沈積裝置100，以經由熔融式噴頭120將熔融後的線材110逐層噴塗於平台130上，進而形成立體物件10。舉例來說，將線材110置入熔融沈積裝置100的熔融式噴頭120的容置槽，以讓線材110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線材110擠出至平台130上，接著使其固化，而後，藉由反覆執行上述步驟來逐層堆疊出欲形成的立 體物件10。
最後，於步驟S130中，將立體物件10予以進行熱處理(燒結製程)，以將黏著劑(高分子聚合物)去除，而同時也讓立體物件10中金屬的部份因氧化反應而形成陶瓷，最終達到做出陶瓷立體物件的效果。在此步驟中，熱處理的所需溫度為300℃至2000℃，而氣氛中的含氧量需大於1體積百分比(vol%)，以利於金屬進行氧化反應。
在本實施例中，所需高分子聚合物為聚乳酸(Polylactide,PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS)、蠟或聚醯胺(polyamide,PA)，用以將金屬混合其中並藉其特性而得以結合在一起。
再者，由於考慮金屬於後續熱處理製程中因氧化而面臨可能導致表面剝離等結構損壞，因此本實施例的金屬，其PBR(Pilling-Bedworth ratio)需進一步限定為1±0.3，以確保後續熱處理時，立體物件10仍能維持其外型輪廓。更進一步地說，本實施例的金屬較佳為鋁、鈦、鋯或其之合金。
此外，前述線材110中的金屬的含量亦因後續熱處理製程而有所限制，即，所述金屬的固含量需大於60體積百分比之目的在於，當金屬固含量太低時，會在後續熱處理製程中，因金屬彼此間的接觸面積過小而產生無法成型的問題。
綜上所述，在本發明的上述實施例中，藉由將熔融沈積裝置所使用的線材，改為以金屬與高分子聚合物的混合物作為其 線材，其中金屬的固含量大於60體積百分比。如此，將能讓高分子聚合物作為金屬結合成型的黏著劑，並以熔融沈積的方式製作出立體物件。最終，再將所形成的立體物件予以溫度300℃至2000℃的熱處理，除了用以去除高分子聚合物之外，還能藉由熱處理中提供氣氛的含氧量大於1體積百分比，而使金屬進行氧化反應，以形成最終所需的陶瓷立體物件。
藉由上述製作方式，便能讓陶瓷立體物件順利地藉由熔融沈積的方式形成，其利用熔融沈積之立體列印程序而能形成任意外型的立體物件，以讓立體物件無須受限於材料特性。
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。
S110~S130‧‧‧步驟

Claims (11)

  1. 一種陶瓷立體物件的製作方法，包括：提供一線材，該線材為金屬與高分子聚合物的混合物，其中金屬的固含量大於60體積百分比(vol%)；將該線材以熔融沈積(fused deposition modeling,FDM)成型出一立體物件；以及對該立體物件進行熱處理而形成陶瓷立體物件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述陶瓷立體物件的製作方法，其中金屬的PBR(Pilling-Bedworth ratio)為1±0.3。
  3. 如申請專利範圍第1項所述陶瓷立體物件的製作方法，其中金屬為鋁、鈦、鋯或其之合金。
  4. 如申請專利範圍第1項所述陶瓷立體物件的製作方法，其中高分子聚合物為聚乳酸(Polylactide,PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS)、蠟或聚醯胺(polyamide,PA)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述陶瓷立體物件的製作方法，其中是以溫度300℃至2000℃，氣氛含氧量大於1體積百分比(vol%)而對該立體物件進行熱處理。
  6. 如申請專利範圍第1項所述陶瓷立體物件的製作方法，其中線材是以混煉製成。
  7. 一種成型線材，適用於熔融沈積式立體列印裝置，該成型線材包括： 一金屬與一高分子聚合物的混合物，其中該金屬的固含量大於60體積百分比(vol%)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的成型線材，其中該金屬的PBR(Pilling-Bedworth ratio)為1±0.3。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的成型線材，其中該金屬為鋁、鈦、鋯或其之合金。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的成型線材，其中高分子聚合物為聚乳酸(Polylactide,PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS)、蠟或聚醯胺(polyamide,PA)。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的成型線材，其中該金屬與該高分子聚合物藉由混煉而形成該成型線材。
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