TW201716247A - 積層製造設備 - Google Patents

Abstract

一種積層製造設備，包括一承載板、一能量源及一溫控裝置。多個粉體層適於依序層疊至承載板上。能量源適於依序提供能量束至這些粉體層，以使各粉體層至少部分地成型。溫控裝置適於加熱這些粉體層，以控制各粉體層成型時的溫度。

Description

積層製造設備

本發明是有關於一種製造設備，且特別是有關於一種積層製造設備。

積層製造(Additive Manufacturing，AM)技術，亦稱之為加法式製造，其係自三維圖檔擷取出多個切層的二維輪廓，並依據各個切層的二維資料加工出立體成型物。有別於傳統減法式（或稱除料式）加工技術，積層製造技術係採用逐層堆疊的方式加工出立體成型物，可縮短複雜三維結構的立體成型物的製作時程，免除多道製程及轉換加工器具或設備所需的時間，進而大幅提升製造效率。

然而，由於積層製造技術係依序對逐層堆疊的粉體層施加高能量光束以使粉體層燒結成型，故當堆疊於上層的粉體層進行燒結成型時，其成型溫度會因下層已加工過的粉體層之餘溫而有所增加。如此使得各粉體層的成型溫度彼此不同，從而導致立體成型物各層結構的材料性質不一致而降低製造品質。此外，若加工過的粉體層在常溫環境下降溫過快，則易累積熱應力而產生翹曲，從而影響後續粉體層的堆疊及加工。

本發明提供一種積層製造(Additive Manufacturing，AM)設備，可使立體成型物各層結構的材料性質一致，且可避免粉體層加工後累積過多熱應力而翹曲。

本發明的積層製造設備包括一承載板、一能量源及一溫控裝置。多個粉體層適於依序層疊至承載板上。能量源適於依序提供能量束至這些粉體層，以使各粉體層至少部分地成型。溫控裝置適於預加熱這些粉體層，以控制各粉體層成型時的溫度。

在本發明的一實施例中，上述的溫控裝置適於持續加熱各粉體層，以降低各粉體層成型後的冷卻速率。

在本發明的一實施例中，上述的各粉體層適於在尚未被另一粉體層覆蓋時接收能量源提供的能量束，並同時被溫控裝置加熱。

在本發明的一實施例中，上述的承載板具有相對的一上表面及一下表面，上表面適於承載這些粉體層，溫控裝置配置於下表面。

在本發明的一實施例中，上述的溫控裝置包括一電阻式加熱板。

在本發明的一實施例中，上述的積層製造設備包括一溫度感測單元，其中溫度感測單元適於感測最上層之粉體層的溫度，溫控裝置依據最上層之粉體層的溫度而加熱這些粉體層。

在本發明的一實施例中，上述的積層製造設備包括一升降裝置，其中升降裝置適於驅動承載板相對於一工作平面升降，以使各粉體層在工作平面被層疊並接收能量源提供的能量束。

在本發明的一實施例中，上述的積層製造設備包括一第一控制單元、一第二控制單元及一第三控制單元，其中第一控制單元、第二控制單元及第三控制單元分別適於控制能量源、溫控裝置及升降裝置。

在本發明的一實施例中，上述的積層製造設備包括一底板及一冷卻裝置，其中底板承載溫控裝置及承載板，冷卻裝置配置於底板內。

在本發明的一實施例中，上述的積層製造設備包括一容納槽，其中承載板及溫控裝置配置於容納槽內，容納槽適於容納承載板上的這些粉體層。

基於上述，本發明利用溫控裝置來控制各粉體層加工時的溫度。當多個粉體層依序層疊並依序接收能量源提供的能量束以進行積層製造時，溫控裝置可持續加熱這些粉體層而強制控制這些粉體層在相同的溫度範圍內進行積層製造。如此一來，當堆疊於上層的粉體層進行燒結成型時，其成型溫度不會因下層已加工過的粉體層之餘溫而非預期地增加，故可避免立體成型物各層結構的材料性質因加工溫度的差異而有所不一致，進而確保製造品質。此外，溫控裝置可依粉體層之材料種類來控制這些粉體層的成型溫度，以使立體成型物能夠具有預期的材料性質。再者，藉由溫控裝置之加熱效果，加工過的粉體層不致降溫過快而累積過多熱應力，如此可避免成型物產生翹曲而影響後續粉體層的堆疊及加工，以進一步提升製造品質。

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。

圖1是本發明一實施例的積層製造設備的示意圖。請參考圖1，本實施例的積層製造設備100包括一承載板110及一能量源120。多個粉體層50適於依序層疊至承載板110上，且能量源120適於依序提供能量束L至這些粉體層50，以使各粉體層50至少部分地成型。能量源120提供的能量束例如雷射、電子束或其他適當種類的能量束，本發明不對此加以限制。各粉體層50例如包含複數金屬粉體或其他適當種類材質的粉體，本發明亦不對此加以限制。

圖1所繪示狀態為承載板110上已層疊了多個粉體層50，且一工作平面S對位於最上層的粉體層50所在位置。承上，本實施例的積層製造設備100可包括一升降裝置140，升降裝置140適於隨著粉體層50的層疊數量增加而驅動承載板110及其上的粉體層50相對於工作平面S下降，以使後續提供的粉體層50在工作平面S被層疊至承載板110上並接收能量源120提供的能量束L。在本實施例中，升降裝置140例如是利用螺桿的作動來驅動承載板110升降，然本發明不以此為限，在其他實施例中升降裝置140可藉由其他形式的驅動方式而達成承載板110的升降。

詳細而言，各粉體層50是在尚未被另一粉體層50覆蓋時接收能量源50提供的能量束L，以使此粉體層50之預定二維區域內的粉體被能量束L熔融後成型，接著藉由升降裝置140將此粉體層50下降至工作平面S之下，且將另一粉體層50覆蓋至其上並同樣藉由能量源50提供的能量束L熔融後成型。依此方式依序對多個粉體層50進行加工可製作出具有預定三維形狀的立體成型物。圖1以這些粉體層50中的斜線區域R例示性地代表所述預定二維區域及預定三維形狀。

如圖1所示，本實施例的積層製造設備100更包括一溫控裝置130。承載板110具有相對的一上表面110a及一下表面110b，上表面110a適於承載這些粉體層50，溫控裝置130配置於下表面110b。當各粉體層50在尚未被另一粉體層50覆蓋並接收能量源50提供的能量束L時，溫控裝置130持續加熱已層疊於承載板110上的粉體層50，以控制各粉體層50成型時的溫度，並降低各粉體層50成型後的冷卻速率。在本實施例中，溫控裝置130例如包括電阻式加熱板並藉由電阻式加熱板來加熱這些粉體層50，然在其他實施例中，溫控裝置130可為其他適當種類的加熱裝置，本發明不對此加以限制。此外，本發明亦不限制溫控裝置130的配置位置，在其他實施例中，溫控裝置130可依需求而改為配置在積層製造設備100的其他適當位置。

本實施例的積層製造設備100所進行的積層製造方法流程如下。依序層疊多個粉體層50至承載板110上，並在層疊這些粉體層50至承載板110上的過程中藉由能量源120依序提供能量束L至這些粉體層50，以使各粉體層50至少部分地成型。此外，在提供能量束L至這些粉體層50的過程中，藉由溫控裝置130加熱這些粉體層50，以控制各粉體層50成型時的溫度。以下藉由流程圖更具體說明所述積層製造方法流程。

圖2是本發明一實施例的積層製造方法流程圖。請參考圖2，首先，層疊粉體層至承載板上(步驟S602)。藉由能量源提供能量束至粉體層，以使粉體層至少部分地成型(步驟S604)。藉由溫控裝置加熱粉體層，以控制粉體層成型時的溫度(步驟S606)。接著，重複步驟S602~S606而依序完成多個粉體層的成型，直到預定的立體成型物製作完成。

藉由上述操作方式，當這些粉體層50依序層疊並依序接收能量源120提供的能量束L以進行積層製造時，溫控裝置130可持續加熱這些粉體層50而強制控制這些粉體層50在相同的溫度範圍內進行積層製造。如此一來，當堆疊於上層的粉體層50成型時，其成型溫度不會因下層已加工過的粉體層50之餘溫而非預期地增加，故可避免立體成型物各層結構的材料性質因加工溫度的差異而不一致，進而確保成品品質。此外，溫控裝置130可依粉體層50之材料種類來控制這些粉體層50的成型溫度，使立體成型物能夠具有預期的材料性質。再者，藉由溫控裝置130之加熱效果，加工過的粉體層50不致降溫過快而累積過多熱應力，如此可避免成型物產生翹曲而影響後續粉體層50的堆疊及加工，以進一步提升製造品質。

圖3是圖1的積層製造設備的部分構件方塊圖。請參考圖3，本實施例的積層製造設備100更包括一溫度感測單元150。溫度感測單元150適於感測最上層之粉體層50的溫度，溫控裝置130則以溫度感測單元150所感測到的最上層之粉體層50的溫度做為回授溫度值而加熱這些粉體層50，據以預先加熱這些粉體層50至預定的溫度範圍內。所述溫度範圍例如是攝氏400~600度或其他適當溫度範圍，本發明不對此加以限制。舉例來說，以鈦合金而言，鈦合金之熔融溫度為1630℃，則背景溫度將會設計在熔融溫度的70%以下，較佳是在40%~50%，如此則可縮小成型時的溫度梯度，可加速雷射掃描的速度，加快製程速度。

圖4是圖1的積層製造設備的部分構件方塊圖。請參考圖4，本實施例的積層製造設備100包括一第一控制單元160a、一第二控制單元160b及一第三控制單元160c。第一控制單元160a、第二控制單元160b及第三控制單元160c分別用以控制能量源120、溫控裝置130及升降裝置140的作動。進一步而言，第一控制單元160a、第二控制單元160b及第三控制單元160c例如為一自動控制系統中的控制電路且可相互配合，而使能量源120、溫控裝置130及升降裝置140能夠以預定的自動化流程進行所述積層製造。

請參考圖1，本實施例的積層製造設備100包括一底板170及一冷卻裝置180。底板170用以承載溫控裝置130及承載板110，且升降裝置140連接於底板170以驅動底板170、溫控裝置130及承載板110共同升降。冷卻裝置180例如為冷卻水的水路且配置於底板170內，以依需求在適當時機利用流動於所述水路內的冷卻水來加速這些粉體層50的冷卻速率。在其他實施例中，冷卻裝置180亦可依需求而改為設置在積層製造設備110的其他位置，本發明不對此加以限制。

本實施例的積層製造設備100包括一容納槽190，承載板110、溫控裝置130及底板170配置於容納槽190內，且容納槽190用以容納承載板110上的這些粉體層50，以避免粉體層50的粉體在加工過程中非預期地脫離承載板110。此外，本實施例的承載板110及溫控裝置130例如是藉由鎖附件60而被固定於底板170上，然本發明不以此為限，承載板110及溫控裝置130可藉由其他適當方式進行固定。

綜上所述，本發明利用溫控裝置來控制各粉體層加工時的溫度。當多個粉體層依序層疊並依序接收能量源提供的能量束以進行積層製造時，溫控裝置可持續加熱這些粉體層而強制控制這些粉體層在相同的溫度範圍內進行積層製造。如此一來，當堆疊於上層的粉體層成型時，其成型溫度不會因下層已加工過的粉體層之餘溫而非預期地增加，故可避免立體成型物各層結構的材料性質因加工溫度的差異而不一致，進而確保成品品質。此外，溫控裝置可依粉體層之材料種類來控制這些粉體層的成型溫度，使立體成型物能夠具有預期的材料性質。再者，藉由溫控裝置之加熱效果，加工過的粉體層不致降溫過快而累積過多熱應力，如此可避免成型物產生翹曲而影響後續粉體層的堆疊及加工，以進一步提升製造品質。另外，更可藉由冷卻裝置在適當時機加速這些粉體層的冷卻速率，以提升積層製造設備的作業效率。

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。

50‧‧‧粉體層
60‧‧‧鎖附件
100‧‧‧積層製造設備
110‧‧‧承載板
110a‧‧‧上表面
110b‧‧‧下表面
120‧‧‧能量源
130‧‧‧溫控裝置
140‧‧‧升降裝置
150‧‧‧溫度感測單元
160a‧‧‧第一控制單元
160b‧‧‧第二控制單元
160c‧‧‧第三控制單元
170‧‧‧底板
180‧‧‧冷卻裝置
190‧‧‧容納槽
L‧‧‧能量束
R‧‧‧區域
S‧‧‧工作平面

圖1是本發明一實施例的積層製造設備的示意圖。 圖2是本發明一實施例的積層製造方法流程圖。 圖3是圖1的積層製造設備的部分構件方塊圖。 圖4是圖1的積層製造設備的部分構件方塊圖。

50‧‧‧粉體層

60‧‧‧鎖附件

100‧‧‧積層製造設備

110‧‧‧承載板

110a‧‧‧上表面

110b‧‧‧下表面

120‧‧‧能量源

130‧‧‧溫控裝置

140‧‧‧升降裝置

170‧‧‧底板

180‧‧‧冷卻裝置

190‧‧‧容納槽

L‧‧‧能量束

R‧‧‧區域

S‧‧‧工作平面

Claims (10)

1. 一種積層製造設備，包括： 一承載板，多個粉體層適於依序層疊至該承載板上； 一能量源，適於依序提供能量束至該些粉體層，以使各該粉體層的至少部分地成型；以及 一溫控裝置，適於預加熱該些粉體層，以控制各該粉體層成型時的溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造設備，其中該溫控裝置適於持續加熱各該粉體層，以降低各該粉體層成型後的冷卻速率。
3. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造設備，其中各該粉體層適於在尚未被另一該粉體層覆蓋時接收該能量源提供的能量束，並同時被該溫控裝置加熱。
4. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造設備，其中該承載板具有相對的一上表面及一下表面，該上表面適於承載該些粉體層，該溫控裝置配置於該下表面。
5. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造設備，其中該溫控裝置包括一電阻式加熱板。
6. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造設備，包括一溫度感測單元，其中該溫度感測單元適於感測最上層之該粉體層的溫度，該溫控裝置依據該最上層之粉體層的溫度而加熱該些粉體層。
7. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造設備，包括一升降裝置，其中升降裝置適於驅動該承載板相對於一工作平面升降，以使各該粉體層在該工作平面被層疊並接收該能量源提供的能量束。
8. 如申請專利範圍第7項所述的積層製造設備，包括一第一控制單元、一第二控制單元及一第三控制單元，其中該第一控制單元、該第二控制單元及該第三控制單元分別適於控制該能量源、該溫控裝置及該升降裝置。
9. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造設備，包括一底板及一冷卻裝置，其中該底板承載該溫控裝置及該承載板，該冷卻裝置配置於該底板內。
10. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造設備，包括一容納槽，其中該承載板及該溫控裝置配置於該容納槽內，該容納槽適於容納該承載板上的該些粉體層。