TW201725082A

TW201725082A - 金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法

Info

Publication number: TW201725082A
Application number: TW105101268A
Authority: TW
Inventors: 何正榮; 陳澤銓; 施昱齊; 汪昱呈
Original assignee: 國立中央大學
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2017-07-16

Abstract

本發明為金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其係於金屬積層製造(3D列印)之製程中，於任一金屬層進行下列步驟：提供一能量光源及一脈衝雷射；進行預熱、燒結或退火；進行檢測；以及削除固化凸起物，其中能量光源、脈衝雷射及自動檢測裝置皆連接至一處理裝置並受處理裝置控制。藉由本發明之實施，能降低預熱及後處理設備之複雜度，降低設備成本；降低雷射基層製造之金屬殘留應力，減少後處理製程之工序及後處理製程所需之時間；有效降低或消除金屬殘留應力，並增加表面平整度；表面之凸起可直接以脈衝雷射打掉，減少金屬積層製造之鋪粉過程對刮刀造成傷害；並可大幅降低金屬積層製造之平整處理的工序、時間與成本。

Description

金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法

本發明係關於一種預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，特別是關於一種金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法。

金屬基層製造係將金屬粉末在鋪粉後，以聚焦的高能量粒子束(雷射光束或電子束)將粉末燒結或熔融，逐層固化形成3D樣貌。

因為金屬皆具有高熔點，在熔融及凝固過程時，由於熔融區域與周圍的溫差甚大，溫度上的快速變化使金屬的分布產生不均勻現象，而在金屬內形成殘留應力。另一方面，熔融的液態金屬在凝固(固化)過程，也會因為流動形成過高的異狀凸起物(固化凸起物)。

為了消除金屬內形成的殘留應力，必須進行後續的熱處理動作，除了增加製作成本，也會造成金屬的二次變形，影響製成品的精確度。而過高的異狀凸起物(固化凸起物)，則除了會損壞刮刀，更會影響後續鋪粉的均勻度，再次降低製成品的精確度。

有鑑於此，如何發展出一種創新發明，一方面可以光學的非接觸方式在金屬粉末燒熔前先進行預熱，預先提高金屬粉末溫度；又在燒熔後對燒熔區進行保溫及退火，有效降低成型過程之溫度變化率與溫度變化梯度，減少殘留應力；另一方面又可以配合一脈衝雷射於檢出異狀凸起物(固化凸起物)後，立即將之汽化削除，而具有可減少後續處理加工、提高生產效率、降低製造成本、及提高產品精密度等優勢，成為光學、材料等科學領域之設計、製造、與研究發明所引頸企盼。

本發明為金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其係於金屬積層製造(3D列印)之製程中，於任一金屬層進行下列步驟：提供一能量光源及一脈衝雷射；進行預熱、燒結或退火；進行檢測；以及削除固化凸起物，其中能量光源、脈衝雷射及自動檢測裝置皆受一處理裝置所控制。藉由本發明之實施，能降低預熱及後處理設備之複雜度，降低設備成本；減少後處理製程之工序及後處理製程所需之時間；有效降低或消除金屬殘留應力，並增加表面平整度；表面之凸起可直接以脈衝雷射打掉，減少金屬積層製造之鋪粉過程對刮刀造成傷害；並大幅降低金屬積層製造之平整處理的工序、時間與成本。

本發明提供一種金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其係於金屬積層製造之製程中，於任一金屬層進行下列步驟：提供一能量光源及一脈衝雷射，其中能量光源為一雷射光源或一紅外線光源；進行預熱、燒結或退火，其係由能量光源照射出一第一光束、一第二光束或一第三光束至金屬層，分別對金屬層進行預熱、燒結或退火；進行檢測，其係一自動檢測裝置檢測出金屬層上之至少一固化凸起物；以及削除固化凸起物，其係脈衝雷射發出一脈衝光削除固化凸起物，其中能量光源、脈衝雷射及自動檢測裝置皆連接至一處理裝置並受處理裝置控制。

藉由本發明之實施，至少可以達到下列進步功效：

一、能降低預熱及後處理設備之複雜度，降低設備成本。

二、降低雷射基層製造之金屬殘留應力，減少後處理製程之工序及後處理製程所需之時間。

三、有效降低或消除金屬殘留應力，增加表面平整度。

四、表面之凸起可直接以脈衝雷射(pulse laser)打掉，減少鋪粉過程對刮刀之傷害。

五、大幅降低金屬積層製造之平整處理的工序、時間與成本。

為使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

S100‧‧‧金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法

S10‧‧‧提供一能量光源及一脈衝雷射

S20‧‧‧進行預熱、燒結或退火

S30‧‧‧進行檢測

S40‧‧‧削除固化凸起物

10‧‧‧能量光源

20‧‧‧脈衝雷射

31‧‧‧第一光束

32‧‧‧第二光束

33‧‧‧第三光束

40‧‧‧自動檢測裝置

50‧‧‧固化凸起物

60‧‧‧脈衝光

70‧‧‧處理裝置

200‧‧‧金屬層

第1圖係為本發明實施例之一種金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法之步驟流程圖。

第2圖係為本發明實施例之一種金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法所使用的裝置之示意圖。

第3圖係為本發明實施例之另一種金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法所使用的裝置之示意圖。

第4A圖係為本發明實施例之一種進行預熱之示意圖。

第4B圖係為本發明實施例之一種進行燒結之示意圖。

第4C圖係為本發明實施例之一種進行退火之示意圖。

第4D圖係為本發明實施例之一種同時進行預熱及燒結之示意圖。

第4E圖係為本發明實施例之一種同時進行預熱及退火之示意圖。

第4F圖係為本發明實施例之一種同時進行燒結及退火之示意圖。

第5圖係為本發明實施例之一種自動檢測裝置檢測金屬層上之至少一固化凸起物之示意圖。

第6A圖係為本發明實施例之一種脈衝雷射削除固化凸起物之示意圖。

第6B圖係為本發明實施例之另一種脈衝雷射削除固化凸起物之示意圖。

請參考如第1圖及第2圖所示，為實施例之一種金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法S100及其所使用的裝置，金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法S100包括下列步驟：提供一能量光源及一脈衝雷射(步驟S10)；進行預熱、燒結或退火(步驟S20)；進行檢測(步驟S30)；以及削除固化凸起物(步驟S40)，其中能量光源10、脈衝雷射20及自動檢測裝置40皆連接至一處理裝置70並受處理裝置70所控制。

如第1圖及第2圖所示，提供一能量光源及一脈衝雷射(步驟S10)，係設置一個能量光源10及一個脈衝雷射20，所使用之能量光源10可以為雷射光源或紅外線光源，而且能量光源10可以是單一光源或是一個以上的光源。

如第1圖及第2圖所示，金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法S100所述之金屬積層製造，最常見的應用為時下熱烈發展中的3D列印，而所述之金屬層200係可以為至少一金屬材質之顆粒或粉末所形成。

如第1圖及第2圖所示，進行預熱、燒結或退火(步驟S20)，係由能量光源10照射出一道第一光束31、一道第二光束32或是一道第三光束33至金屬層200，分別對金屬層200進行預熱、燒結或退火。

能量光源10照射出之第一光束31的溫度範圍係可以介於攝氏100度~400度之間；第二光束32的溫度範圍係可以介於攝氏800度~1200度之間；而第三光束33的溫度範圍則係可以介於攝氏50度~200度之間。

如第1圖及第2圖所示，進行檢測(步驟S30)，其係以自動檢測裝置40檢測出在金屬積層製造/3D列印過程中金屬層200上產生的固化凸起物50。其中自動檢測裝置40可以是一個自動化光學檢測裝置(AOI)。

同樣如第1圖及第2圖所示，削除固化凸起物(步驟S40)，其係由脈衝雷射20發出一脈衝光60削除金屬層200上的固化凸起物50。

如第2圖所示，能量光源10、脈衝雷射20及自動檢測裝置40皆連接至一個處理裝置70並且受處理裝置70所控制。處理裝置70可以設置於能量光源10、脈衝雷射20或自動檢測裝置40旁，或是設置於遠端而以有線或無線方式連接控制能量光源10、脈衝雷射20及自動檢測裝置40。而所述之處理裝置70可以為一電腦系統、一微處理器或一手持裝置。

再者，如第2圖所示，能量光源10係可以為一單一光源，並且第一光束31、第二光束32及第三光束33係皆由能量光源10照射發出。

而如第3圖所示，則為能量光源10係同時具有三個光源，這三個光源並分別照射出第一光束31、第二光束32及第三光束33。

如第2圖及第3圖所示，第一光束31、第二光束32及第三光束33，係分別對金屬層200進行預熱、燒結及退火。而所發出的第一光束31、第二光束32及第三光束33所照射之區域係可以不相重疊，或可以部份相重疊。

同樣的，如第2圖至第4F圖所示，預熱、燒結或退火，係可以由第一光束31、第二光束32或第三光束33同時進行；或是分別進行，也就是同一時間僅進行預熱、燒結或退火。

如第2圖及第3圖所示，為第一光束31、第二光束32及第三光束33，於製程中同時對金屬層200進行預熱、燒結及退火。

如第4A圖至第4C圖所示，為第一光束31、第二光束32或第三光束33，分別對金屬層200於同一時間僅單獨進行預熱、燒結或退火。

如第4D圖至第4F圖所示，則為第一光束31、第二光束32或第三光束33中之二者，於同一時間同時對金屬層200進行預熱及燒結；預熱及退火；或是燒結及退火。

接著請參考如第5圖所示，金屬積層製造/3D列印的製程中，金屬層200非常容易產生固化凸起物50。固化凸起物50在金屬層200一層一層堆積時，所造成的空隙或接觸面減損，經常導致金屬積層製造/3D列印產品之良率問題。

如第6A圖及第6B圖所示，於自動檢測裝置40檢測得固化凸起物50在金屬層200上的位置後，可以處理裝置70控制由脈衝雷射20發射脈衝光60以汽化削除(ablation)之方式削除金屬層200上的每一個固化凸起物50。

總而言之，如前述之各實施例所述，金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法S100，藉由能量光源10、脈衝雷射20、自動檢測裝置40及處理裝置70之設置，不但能降低預熱及後處理設備之複雜度，降低設備成本；降低雷射基層製造之金屬殘留應力，減少後處理製程之工序及後處理製程所需之時間；有效降低或消除金屬殘留應力，增加表面平整度；對表面凸起之固化凸起物50可直接以脈衝雷射20打掉，減少鋪粉過程對刮刀之傷害；更可以大幅降低金屬積層製造之平整處理的工序、時間與成本。

惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。

S10‧‧‧提供一能量光源及一脈衝雷射

S20‧‧‧進行預熱、燒結或退火

S30‧‧‧進行檢測

S40‧‧‧削除固化凸起物

Claims

一種金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其係於金屬積層製造之製程中，於任一金屬層進行下列步驟：提供一能量光源及一脈衝雷射，其中該能量光源為一雷射光源或一紅外線光源；進行預熱、燒結或退火，其係由該能量光源照射出一第一光束、一第二光束或一第三光束至該金屬層，分別對該金屬層進行預熱、燒結或退火；進行檢測，其係一自動檢測裝置檢測出該金屬層上之至少一固化凸起物；以及削除固化凸起物，其係該脈衝雷射發出一脈衝光削除該固化凸起物，其中該能量光源、該脈衝雷射及該自動檢測裝置皆連接至一處理裝置並受該處理裝置控制。
如申請專利範圍第1項所述之金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其中該金屬層係為至少一金屬材質之顆粒或粉末所形成。
如申請專利範圍第1項所述之金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其中該能量光源係為一單一光源並照射出該第一光束、該第二光束及該第三光束。
如申請專利範圍第1項所述之金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其中該能量光源係具有三個光源並分別照射出該第一光束、該第二光束及該第三光束。
如申請專利範圍第3項或第4項所述之金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其中該第一光束之溫度範圍係介於攝氏100度~400度之間。
如申請專利範圍第3項或第4項所述之金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其中該第二光束之溫度範圍係介於攝氏800度~1200度之間。
如申請專利範圍第3項或第4項所述之金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其中該第三光束之溫度範圍係介於攝氏50度~200度之間。
如申請專利範圍第3項或第4項所述之金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其中該第一光束、該第二光束及該第三光束係同時分別對該金屬層進行預熱、燒結及退火。
如申請專利範圍第1項所述之金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其中該脈衝光係以汽化削除(ablation)方式削除該固化凸起物。
如申請專利範圍第1項所述之金屬積層製造中非接觸光學預熱與後處理以及固化凸起物削除方法，其中該處理裝置為一電腦系統、一微處理器或一手持裝置。