TW201726280A - 製造粉末的方法及設備以及製造有形的物體的方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於製造粉末的方法被揭露。該方法包括形成原料粉末的層，以及實施以下操作中的一個操作：在包含氮的氛圍中氮化該層的原料粉末的操作或者在包含碳的氛圍中碳化該層的原料粉末的操作。

Description

製造粉末的方法及設備以及製造有形的物體的方法
本揭露內容係關於藉由將原料粉末氮化或碳化來製造粉末的方法和裝置。
藉由粉末床熔融來製造有形的物體的技術正在開發中。在粉末床熔融法中，由原料粉末形成的薄層的一部分藉由使用能量束照射來予以固化，並且這些層被沉積以形成有形的物體。日本專利特開案第2005-67998號揭露了用於提高用粉末床熔融所製造的有形的物體的硬度的方法。在該方法中，一其內散佈有陶瓷粉末的光可固化樹脂被形成為三維形狀，並且在高溫氛圍中燒結該形狀。遺憾的是，該方法使用的樹脂黏合劑將在該處理中藉由燃燒而被移除。因此，所得的有形的物體的密度降低至約85%，且因此，有形的物體不具有所需的硬度。
日本專利特開案第2011-506761號揭露了用於製造三維物體的技術，在該技術中金屬粉末被氮化以提 高硬度。在該技術中，在將氮氣饋送到減壓室中的同時，藉由使用電子束的粉末床熔融而在室中使原料粉末的薄層固化。
在日本專利特開案第2011-506761號的粉末床熔融中，當用電子束照射時，該層被暫態氮化。因此，不能充分地提高所得的有形的物體中的氮含量。因此，該技術不能產生如氮化陶瓷那樣硬的有形的物體。
因此，本揭露內容提供了一種用於製造粉末的方法，包括：形成原料粉末的層；以及實施以下操作中的一個操作：在包含氮的氛圍中氮化該層的原料粉末的操作或在包含碳的氛圍中碳化該層的原料粉末的操作。
本揭露內容還提供了一種用於製造有形的物體的方法，包括：形成原料粉末的層；實施以下操作中的一個操作：在包含氮的氛圍中氮化該層的原料粉末的操作和在包含碳的氛圍中碳化該層的原料粉末的操作；以及藉由用能量束照射已接受該等操作中的該一個操作的該層來固化該層。
一種用於產生粉末的設備亦被提供。該設備包括室、能夠在該室中形成原料粉末的層的形成裝置、能夠將包含氮和碳中的一種的材料饋送到該室的饋送裝置、以及能夠對該層施加電壓的電源裝置。
根據本揭露內容，包含增量的氮或碳的粉末 可被製造，並且該粉末的使用提高了例如用粉末床熔融所製造的有形的物體的硬度。
本揭露內容的另外特徵根據參考附圖對示例性實施例的以下描述將變得清楚。
301‧‧‧有形的物體
100‧‧‧製造有形的物體的設備
101‧‧‧室
208‧‧‧真空計
103‧‧‧抽空機構
200‧‧‧控制器
102‧‧‧氣體饋送機構
107‧‧‧成形容器
109‧‧‧成形部
112‧‧‧沉積基板
111‧‧‧降低機構
104'‧‧‧被氮化的(薄)層
137‧‧‧電阻器加熱器
209‧‧‧溫度感測器
105‧‧‧薄層形成機構
132‧‧‧引導件
133‧‧‧移動部
135‧‧‧原材料粉末
114‧‧‧抬升機構
134‧‧‧底板
131‧‧‧金屬輥
104‧‧‧(薄)層
113‧‧‧電源
108‧‧‧電極
106‧‧‧掃描式加熱器機構
106m‧‧‧電流鏡
205‧‧‧CPU
206‧‧‧RAM
207‧‧‧ROM
201‧‧‧操作單元
110‧‧‧光源
202‧‧‧顯示器
108a‧‧‧蓋
R105‧‧‧箭頭
LB‧‧‧雷射光束
300‧‧‧製造有形的物體的設備
310‧‧‧電子束控制器
306‧‧‧電子束加熱器
圖1是根據本揭露內容的一個或多個實施例的有形的物體製造裝置的例示性表示。
圖2是根據本揭露內容的一個或多個實施例的成形容器的例示性表示。
圖3是根據本揭露內容的一個或多個實施例的用於製造有形的物體的處理的流程圖。
圖4A至圖4F是根據本揭露內容的一個或多個實施例的有形的物體製造裝置中的沉積的例示性表示。
圖5是根據本揭露內容的一個或多個實施例的電漿氮化/電漿碳化的流程圖。
圖6是根據本揭露內容的一個或多個實施例的雷射光束加熱形成的流程圖。
圖7是根據本揭露內容的一個或多個實施例的有形的物體製造裝置的例示性表示。
現在將參照附圖描述本揭露內容的示例性實施例。
第一實施例
在第一實施例中，用電漿將原料粉末層氮化，並且用雷射光束加熱來立即熔化被氮化的粉末的薄層，然後使之固化。這樣的層的堆疊界定出有形的物體301。
有形的物體製造裝置
圖1是使用於第一實施例中的有形的物體製造設備的例示性表示。圖2是成形容器的例示性表示。如圖1所示，有形的物體製造設備100是所謂的粉末床熔融型的3D印表機。室101由不銹鋼製成並且可以被密封。真空計208被連接到室101。作為一種測量設備的真空計208測量室101中的壓力。
作為一種減壓裝置的抽空機構103可以減小室101內的壓力。抽空機構103將室101抽空以主要減少氧。抽空機構103包括乾式泵和串聯連接到乾式泵的渦輪分子泵，並且可以將室101抽空到例如1×10-4Pa的真空。
抽空機構103設置有能夠調節與室101的接合處的開口尺寸的開口調節閥。控制器200可以在從氣體饋送機構102向室101饋送氣體的同時根據真空計208的輸出來控制開口調節閥藉以將室101的內部控制為期望的氛圍和真空水準。
作為一種饋送器的氣體饋送機構102將包含氮和氫的氮-氫混合氣體饋送到室101中。氣體饋送機構102可以將具有所需比例的氮氣和氫氣饋送到室101中。兩個氣體饋送機構可以分別饋送氮氣和氫氣。
翻到圖2，作為一種粉末容器的成形容器107包括成形部109，並且沉積基板112被可垂直移動地設置在成形部109內。降低機構111可以按照一根據粉末層的厚度的間距逐步降低沉積基板112。在成形部109中，被氮化的層104'被建造成一堆疊，該每一被氮化的層係藉由將層104氮化而轉換生成的。
作為一種加熱器的電阻器加熱器137嵌設在成形部109的壁中，使得層104可以被加熱。另外，沉積基板112在其表面上設置有溫度感測器209。控制器200根據溫度感測器209的輸出控制用於給電阻器加熱器137通電的電流的通/斷，藉以加熱層104，以便將該層保持在恆定溫度。
作為一種形成裝置的層形成機構105在設置在室101中的成形容器107中形成原料粉末的層104。由於由層形成機構105形成的原料粉末層的厚度小至5μm至200μm，故在本揭露內容中層104被稱為薄層。
薄層形成機構105包括移動部分133，該移動部分133在引導件132的引導下沿著成形容器107的頂部平面在由箭頭R105所指示的方向上移動，從而在成形部109中形成薄層104。原料粉末135存儲在原料部130 中，並且藉由致動抬升機構114來將底板134抬升至高於成形容器107的頂部平面的位置。薄層形成機構105藉由在使金屬輥131相對於成形容器107的頂部平面在反方向上旋轉的同時使成形容器107的頂部平面處的原料粉末平整，而在成形部109的頂部平面處將原料粉末135的高緻密薄層104形成為均勻的厚度。薄層形成機構105進一步在被氮化的薄層104'上形成原料粉末的另一薄層104，該被氮化的薄層104'由在成形部109中先前形成的薄層104轉換而來。在成形部109中這樣形成的薄層104和被氮化的薄層104'的堆疊與室101電分離。
成形容器
如圖1所示，成形容器107與室101電隔離。成形容器107和沉積基板112由絕緣材料製成，以避免在其表面生成電漿。因此，成形容器107的將與薄層104接觸的表面由絕緣材料製成。電壓係經由電極108(電源裝置)從電源113向原料粉末的薄層104施加。電極108被絕緣材料製成的蓋108a覆蓋，以避免在其表面生成電漿。
在第一實施例中，交流電壓係藉由使用絕緣的成形容器107和電極108而被施加到原料粉末的薄層104。該結構對於薄層104的電漿氮化是有效的。通常，因為粉末的表面被鈍化膜覆蓋，所以即使原料粉末是金屬粉末，它的導電性也較差。因此，傳統上認為諸如線圈或 扁平電極之類的構件必須被設置成靠近原料粉末以利於電漿生成。然而，在有形的物體製造設備100中，由於必須確保用於雷射光束照射的光路，因此難以將諸如扁平電極之類的構件設置在薄層104的正上方。此外，如果諸如扁平電極之類的構件被設置在薄層104的正上方的話，為了避免干擾在水平方向上移動的薄層形成機構105，則每當形成薄層104時，該構件必須物理地縮回。由於對於製造一個有形的物體301薄層的形成被重複幾百至幾千次，因此物理地縮回該構件是低效率的。因此，在第一實施例中，交流電壓是在保持薄層104的成形容器107與室101電隔離的狀態下被施加到與薄層104接觸的電極108。該配置使得能夠在不使用扁平電極等的情況下在薄層104的整個表面上均勻地生成包含氮的電漿，使得原料粉末能夠被均勻且快速地氮化。
電漿氮化
如圖1和圖2所示，有形的物體製造設備100藉由向薄層104施加交流電壓而在與在成形容器107中形成的原料粉末的薄層104相鄰的空間中生成電漿。有形的物體製造設備100將在沉積基板112上形成為第一層的薄層104或者被氮化的薄層104'上形成為第二或隨後的薄層104的薄層104保持在包含氮離子的電漿中並因此將該薄層氮化。
作為一種電源裝置的電源113向薄層104施 加交流電壓。電極108與成形容器107中的薄層104或被氮化的薄層104'接觸。電源113經由電極108向原料粉末的薄層104施加交流電壓。電源113可輸出疊加有直流電壓的交流電壓。直流電壓可以從-500V至+500V逐步設定。交流電壓的幅度和頻率可以分別從0V至2000V和從10kHz至500kHz逐步設定。
控制器200在向室101饋送氮氣以將真空水準保持在1Pa至小於20kPa的範圍內的同時啟動電源113。因此，在與薄層104相鄰的空間中局部地生成電漿，並且薄層104的原料粉末被有效地暴露於電漿。此時，如圖2所示，控制器200給電阻器加熱器137通電，以加熱沉積基板112上的原料粉末的薄層104。因此提高了氮化效率。或者，可藉由使用具有減小的功率的雷射光束(稍後描述)代替電阻器加熱器137或與電阻器加熱器137的使用同時使用該雷射光束來加熱薄層104。薄層104可藉由使用其束點面積(spot area)增加的雷射光束來加熱。
雷射光束加熱形成
如圖1所示，作為一種射束照射器的掃描式加熱器機構106用作為一種能量束的雷射光束照射由薄層104轉換而來的該被氮化的薄層104'。掃描式加熱器機構106根據輸入資料利用從光源110發射出的雷射光束的束點藉由使用電流鏡106m掃描該雷射光束來加熱被氮化的 薄層104'要被固化的部分。光源110是功率為500W的YAG雷射振盪器。
掃描式加熱器機構106用雷射光束加熱在成形容器107中的成形部109的頂部處的被氮化的薄層104'，從而實質地立即熔化該被氮化的層104'並固化該層以與下面的固體組織(texture)結合。因此，在成形部109的頂部處的被氮化的薄層104'的被預期的部分被熔化和固化。此時，藉由繼續上述的電漿氮化，即藉由對電阻器加熱器137通電，在雷射光束加熱形成期間將被氮化的薄層104'保持在高溫是所想要的。藉由將被氮化的薄層104'保持在高溫，雷射光束加熱形成的效率被提高。因此，即使用低功率雷射光束也可以進行高速形成。因此，可以減少被氮化的薄層104'的熔化狀態的變化，因此，所得到的有形的物體301可以具有均勻的組織。
用於該雷射光束加熱形成的熱促進被氮化的薄層104'中的氮化粉末的進一步氮化。因此，原料粉末不需要藉由電漿氮化而完全氮化。換句話說，可以藉由在已經透過電漿氮化使原料粉末粗略地氮化的階段實施的雷射光束加熱形成來最終熔化粉末以完成氮化。因此，可以減少氮化時間，並因此可以減少用於製造有形的物體301的時間。
用於製造有形的物體的處理
圖3是製造有形的物體的處理的流程圖，並 且圖4A至圖4F是在有形的物體製造設備中構建堆疊的例示性表示。如圖1所示，控制器200包括CPU 205、RAM 206和ROM 207。從ROM 207叫用的處理控制程式存儲在RAM 206中，並因此CPU 205起到處理控制器的作用。使用者經由使用操作單元201來命令處理的開始。
如圖3所示，當已下令處理開始時，控制器200致動抽空機構103以抽空室101(S11)。當室101中的壓力已經達到1×10-2Pa時，氣體饋送機構102開始饋送氣體，用以將室101控制在小於大氣壓的處理壓力(S12)。如圖1所示，在經由這些步驟S11和S12產生氛圍的步驟中，將室101抽空至第一壓力，並且然後將包含氮的物質饋送至室101。因此，在室101中產生具有高於第一壓力且低於大氣壓的第二壓力的氛圍。
如圖3所示，當室101的內部已經達到第二壓力(例如，10kPa)時，控制器200啟動薄層形成機構105以形成原料粉末的薄層104(S13)。在圖4A所示的降低步驟中，降低機構111被致動以降低沉積基板112，藉以在成形容器107中形成用於在其中形成薄層104的空間。如圖4B所示，在形成步驟或步驟S13中，薄層形成機構105被致動以在沉積基板112上形成原料粉末的薄層104。
如圖3所示，控制器200致動電源113以開始電漿生成(S14)，並且薄層104經受電漿氮化PN直到被設定時間為止(在S15中的“否”期間)。在包括步 驟S14和S15的氮化步驟中，如圖4C所示，氣體饋送機構102和電源113被致動，以使沉積基板112上的原料粉末的薄層104電漿氮化。在氮化步驟中，從電源113向薄層104施加交流電壓，用以在包含氮、氫和減少的氧的氛圍中產生電漿，藉以使薄層104的原料粉末氮化。氮化步驟是在室101內產生的低於大氣壓的壓力(較佳地在1Pa至小於20kPa的範圍內)的氛圍中實施的。氮化步驟跟隨在設置在室101中並與室101電隔離的成形容器107中形成薄層104的步驟之後。另外，氮化步驟是在被電阻器加熱器137加熱過而保持在恆定溫度的薄層104上實施的。
如圖3所示，在薄層104的電漿氮化PN完成之後(當在S15中為“是”時)，控制器200致動掃描式加熱器機構106和光源110用以在被氮化的薄層104'上實施雷射光束加熱形成(S16)。在包括步驟S16的射束形成步驟中，如圖4D所示，掃描式加熱器機構106和光源110被致動以熔化和固化沉積基板112上的該被氮化的薄層104'。在射束形成步驟中，用能量束照射該被氮化的薄層104'的要被固化的部分，藉以使其固化。藉由在包含氮、氫和減少的氧的氛圍中向被氮化的薄層104'施加交流電壓而生成電漿的同時實施該射束形成步驟。
如圖3所示，在完成對單個被氮化的薄層104'的雷射光束加熱形成(S16)之後，控制器200停止電源113以停止在被氮化的薄層104'處生成電漿 (S17)。控制器200重複薄層形成(S13)、電漿氮化(S14和S15)、雷射光束加熱形成(S16)和電漿生成停止(S17)，直到層數(沉積次數)已經達到獲得有形的物體301所需的數量為止(S18中的“否”期間)。在第二次或隨後的降低步驟中，如圖4E所示，降低機構111被致動以降低沉積基板112，從而在部分固化的被氮化的薄層104'上方形成用於形成原料粉末的另一個薄層104的空間。在第二形成步驟中，如圖4F所示，薄層形成機構105被致動以在被氮化的薄層104'上形成原料粉末的另一個薄層104，該被氮化的薄層104'是在氮化步驟中由在形成步驟中在成形容器107中的沉積基板112上形成的薄層104轉換而來。
如圖3所示，當層數或沉積次數已達到獲得有形的物體301所需的數量時(當在S18中為“是”時)，控制器200停止饋送氣體(S19)並將環境空氣饋送到室101中(S20)。然後，控制器允許移除有形的物體。該許可被顯示在顯示器202上。
如上所述，有形的物體製造設備100重複薄層形成、電漿氮化和雷射光束加熱形成，從而產生由該被氮化的薄層104'的堆疊所界定的三維有形的物體301。
有形的物體的材料
在上述有形的物體製造設備100中，使用不同的材料和不同的電漿氮化條件在示例1至3中形成有形 的物體301的樣品，並且檢查樣品的物理性質和其他性質。
示例1
在示例1中，不銹鋼顆粒在以下條件下接受電漿氮化和雷射光束燒結。
電漿氮化的條件
室101中的壓力：13.3kPa
待饋送的氣體：1：1比例的氮氣和氫氣的混合物
原料粉末：經過水霧化而產生的顆粒尺寸為7μm的不銹鋼(SUS 613)顆粒
薄層104的厚度：20μm
電壓：1kV的交流電壓，頻率為100kHz
電漿氮化時間：3分鐘
雷射光束加熱形成的條件
待熔化部分：薄層104的25mm×25mm的正方形部分
層數：2000
有形的物體301的高度：40mm
用XPS(X射線光電子發射光譜法)分析示例1所得有形的物體301的氮含量，結果為12%(以原子數計)。另外，用阿基米德法測得的有形的物體301的密度為99.9%。用維氏硬度計測得的有形的物體301的硬度HV為2200。因此，證實示例1的樣品具有非常高的硬 度HV，而普通SUS 613的硬度HV為200至400。
示例2
在示例2中，鈦顆粒在以下條件下接受電漿氮化和雷射光束加熱形成。
電漿氮化的條件
室101中的壓力：13.3kPa
待饋送的氣體：1：1比例的氮氣和氫氣的混合物
原料粉末：經過水霧化而產生的顆粒尺寸為20μm的鈦(Ti)顆粒
薄層104的厚度：40μm
電壓：20kV的交流電壓，頻率為100kHz
電漿氮化時間：10分鐘
雷射光束加熱形成的條件
待熔化部分：薄層104的25mm×25mm的正方形部分
層數：100
堆疊高度：4mm
由於示例2中使用的原料粉末的顆粒尺寸較大，因此經由層表面的電漿氮化處理有可能花費比示例1中的時間更長的時間。因此，薄層104和被氮化的薄層104'的堆疊在電漿氮化和雷射光束加熱形成的整個操作中藉由用電阻器加熱器137加熱而保持在500℃。藉由將薄層104和被氮化的薄層104'的堆疊保持在高溫，與氮的反 應速度可以增加，電漿氮化的速度可因而被提高。此外，在示例2中，在整個雷射光束加熱形成期間藉由向被氮化的薄層104'施加交流電壓來使電漿持續生成。該操作使得被氮化的薄層104'的堆疊以及薄層104能夠連續地被摻雜氮離子。
用XPS(X射線光電子發射光譜法)分析示例2所得有形的物體301的氮含量，結果為42%(以原子數計)。此外，用阿基米德法測得的三維有形的物體301的密度為99.5%。用維氏硬度計測得的有形的物體301的硬度HV為2700。因此證實，有形的物體301與由作為用普通粉末燒結產生的陶瓷材料的TiN形成的有形的物體一樣硬。
示例3
在示例3中，碳化鎢粉末和鈷粉末的混合物在以下條件下接受電漿氮化和雷射光束加熱形成。
電漿氮化的條件
室101中的壓力：13.3kPa
待饋送的氣體：氮氣和氫氣以1：5的比例的混合物
原料粉末：藉由將5%的經過水霧化所產生的顆粒尺寸為20μm的鈷粉末添加到經過氣體霧化所產生的顆粒尺寸為5μm的碳化鎢中而製備的混合物
薄層104的厚度：40μm
電壓：20kV的交流電壓，頻率為100kHz
電漿氮化時間：10分鐘
雷射光束加熱形成的條件
待熔化部分：薄層104的25mm×25mm的正方形部分
層數：100
堆疊高度：4mm
由於示例3中使用的原料粉末具有更高的熔點，所以經由層表面的電漿氮化處理可能花費比示例1中更長的時間。因此，薄層104和被氮化的薄層104'的堆疊在電漿氮化和雷射光束加熱形成的整個操作中藉由用電阻器加熱器137加熱而保持在600℃。用於將薄層104和被氮化的薄層104'的堆疊保持在高溫的該輔助加熱可以增加與氮的反應速度，並因此電漿氮化的速度可被提高。此外，在示例3中，在整個雷射光束加熱形成期間藉由向被氮化的薄層104'施加交流電壓來持續產生電漿。該操作使得被氮化的薄層104'的堆疊以及薄層104能夠連續地被氮離子摻雜。
用XPS(X射線光電子發射光譜法)分析示例3所得有形的物體301的氮含量，結果為11%(以原子數計)。此外，用阿基米德法測得的有形的物體301的密度為99.2%。用維氏硬度計測得的有形的物體301的硬度HV為3500。因此證實，有形的物體301與用普通粉末燒結形成的使用鈷作為粘合劑的碳化鎢的有形的物體一樣硬或比其更硬。
第一實施例的優點
在第一實施例中，原料粉末的每個薄層104按原樣被直接電漿氮化。因此，藉由延長電漿生成的時間，可以將被氮化的薄層104'中的氮含量增加到期望的水準。藉由控制電漿生成的時間，被氮化的薄層104'中的氮含量可以被精確地控制。
在第一實施例中，對在形成步驟中形成的薄層104施加交流電壓，用以在包含氮和減少的氧的氛圍中生成電漿，藉以使薄層104的原料粉末氮化。因此，原料粉末被氧化而形成鈍化膜可被防止，並因此可以提高氮的滲透速度。
在第一實施例中，對在形成步驟中形成的薄層104施加交流電壓，以在包含氮、氫和減少的氧的氛圍中生成電漿，藉以使薄層104的原料粉末氮化。氫還原原料粉末的氧化膜以消除鈍化膜。因此，可以提高氮的滲透速度。
在第一實施例中，在室101中產生的具有低於大氣壓的壓力的氛圍中產生有形的物體。因此，與在具有高於或等於大氣壓的壓力的氛圍中生成電漿的情況相比，電漿被保持得更穩定。
在第一實施例中，有形的物體是在室101中產生的具有在1Pa至小於20kPa範圍內的壓力的氛圍中產生。因此，與在比第一實施例中更低的真空水準下生成 電漿的情況相比，原料粉末可以包含具有更高含量的氮。
在第一實施例中，將室101抽空至第一壓力，然後將含氮物質饋送至室101，藉以產生具有高於第一壓力且低於大氣壓的第二壓力的氛圍。因此，氧氣在將生成電漿的氛圍中被顯著地減少。因此，防止了氛圍被來自原料粉末的氧氣或水分污染。
在第一實施例中，薄層104係在與室101電隔離的成形容器107中形成，並且電漿被生成於其內。因此，當對原料粉末施加交流電壓時引起的電流洩漏被減少，因此藉由將電漿集中在薄層的表面可以有效地將薄層104氮化。
在第一實施例中，薄層104在藉由利用加熱器加熱而將薄層104保持在恆定溫度的狀態下被氮化。這種加熱增加了原料粉末的氮化速度，並且此外使從第一層到最後一層的各層的氮化原料粉末保持在相同的狀態。
在第一實施例中，原料粉末是水霧化產生的金屬顆粒。因此，與使用氣體霧化產生的金屬顆粒的例子中的材料成本相比，材料成本被降低。通常，水霧化產生的金屬顆粒塗覆有厚的鈍化膜。在第一實施例中，在鈍化膜被消除的同時氮被有效地引入。
在第一實施例中，在被氮化的薄層104'上形成另一薄層104，該被氮化的薄層104'是由成形容器107中的沉積基板112上先前形成的薄層104轉換而來。因此，即使室101具有小的底部面積或成形容器107具有小 的平坦面積，大量的原料粉末也可以被氮化。
在第一實施例中，被氮化的薄層104'的待固化部分被用雷射光束LB照射，從而被固化。雷射光束即使在低真空水準下也不衰減或散射。與電子束不同，即使在1Pa至小於20kPa的低真空下，雷射光束也可以有效地加熱被氮化的薄層104'而沒有散射。此外，被氮化的薄層104'可以立即經受雷射光束加熱形成而不暴露於環境空氣。
在第一實施例中，在用雷射光束LB進行照射期間使氛圍保持在1Pa至小於20kPa範圍內。因此，室101中的氣體分子的自由路徑長度減小，並因此防止了原料粉末的成分沉積在雷射光束LB的照射窗106e(在圖1中示出)上。
在第一實施例中，電漿亦在用雷射光束LB進行照射期間，藉由在包含氮、氫和減少的氧的氛圍中向被氮化的薄層104'施加交流電壓而被生成。因此，被氮化的薄層104'中將因用雷射光束LB進行加熱而損失的氮可因而被補充。
在第一實施例中，交流電壓被施加至絕緣成形容器107中的薄層104。因此，電漿集中在薄層104的表面，而不在成形容器107中生成電漿。
在第一實施例中，交流電壓係經由與成形容器107中的被氮化的薄層104'或薄層104接觸的電極108來施加。此時，由於薄層104用作放電電極，因此不需要 諸如扁平電極之類的另一電極或構件。
在第一實施例中，藉由僅向薄層104施加交流電壓，電漿可以僅在薄層104處被生成。因此，薄層104的整個表面用來自電漿的氮離子有效地摻雜。高速、高濃度的電漿氮化因而可被實施。
有形的物體中的氮含量
在第一實施例中，用與所謂的區域熔化法相同的方式，有形的物體301是藉由從下面的層中的晶核連續生長晶體來產生的。因此，有形的物體301具有如下的晶體組織：其中晶體在從第一層到最後一層的方向上平行生長，其中每個層係用雷射光束LB熔化從原料粉末的薄層104轉換來的被氮化的薄層104'，然後固化氮化層而產生。有形的物體301以原子數計包含10%或更多的氮，並且不僅在其表面而且在整個內部被均勻地氮化。
在第一實施例中，有形的物體301中的氮含量為10%或更多(以原子數計)。到目前為止還沒有將這樣高含量的氮添加到金屬粉末的原料中的技術。這種高氮含量的原因之一是電漿氮化使得原料粉末能夠有效地摻雜氮離子。另一個原因是，由於室101中的真空水準不是很高，因此元素氮可以充分地確保氮化反應。如果用於有形的物體301的薄層的堆疊被氮化，則僅僅堆疊的表面被氮化而不均勻地氮化堆疊的內部。即使每個薄層都接受氮化，如果薄層未完全氮化，則只有薄層的表面而不是層的 內部被氮化，並且所得到的有形的物體301中的氮含量在層被沉積的方向上變得不均勻。在第一實施例中，藉由在電漿氛圍中氮化每個薄層104，不僅薄層的表面而且內部也可以被氮化。因此，氮含量在包括內部的整個有形的物體301中均勻地增加。
有形的物體的密度
如上所述，存在作為粉末床沉積技術之一的用於製造與陶瓷一樣硬的三維有形的物體的沉積後燒結處理。在該處理中，形成包含作為粘合劑的樹脂的原料粉末的有形的物體，並且然後在粘合劑被加熱和燃燒的同時燒結原料粉末。遺憾的是，在沉積後燒結技術中，由於粉末顆粒藉由燒結而結合，所以在所得到的組織中形成許多氣孔，並且所得三維有形的物體的密度不大於約85%。
另一方面，在包含氧的空氣氛圍中實施的粉末床熔融法中，由於諸如鐵合金粉末或鈦合金粉末之類的金屬原料粉末的薄層各自用雷射束加熱形成來形成，因此所得到的三維有形的物體具有99%或更高的密度，並因此可以是緻密部件。
尤其是，第一實施例的示例可以產生具有99.5%或更高的密度的幾乎不含氣孔的組織的緻密部件。第一實施例可以產生三維有形的物體301，其具有和用已知的金屬粉末床熔融法產生的三維形狀物體一樣高的99%或更高的密度，並且具有和用粉末燒結產生的氮化陶瓷 部件一樣高的硬度。
第二實施例
在第二實施例中，在氮化粉末製造設備中的電漿氮化的原料粉末係在一不同於該氮化粉末產生設備的有形的物體製造設備中用雷射束加熱形成而不同的被成形為有形的物體301。
氮化粉末製造設備
圖5是電漿氮化的流程圖。在第二實施例中，圖1所示的有形的物體製造設備100被用作氮化粉末製造設備，並且光源110和掃描式加熱器機構106被用作電漿氮化的加熱單元。如圖5所示，當使用者已經經由操作操作單元201命令開始電漿氮化時，控制器200致動抽空機構103以抽空室101(S31)。當室101的內部已經達到預定真空水準(1×10-2Pa)時，控制器200致動氣體饋送機構102以開始饋送氣體(S32)。當室101的內部已經達到處理開始的壓力時，控制器200致動薄層形成機構105以形成原料粉末的薄層104(S33)。然後，控制器200致動電源113以開始電漿生成(S34)，並且薄層104經受電漿氮化PN直到經過設定時間為止(在S35中的“否”期間)。此時，掃描式加熱器機構106進行操作，使得從光源110以比第一實施例中低的功率發射的雷射光束LB可以均勻地掃描薄層104的整個表面，並因此 有助於加熱正被電漿氮化的薄層104。
在對薄層104的電漿氮化PN完成之後(S35中的“是”)，控制器200停止電源113以停止在被氮化的薄層104'處生成電漿(S36)。控制器200重複薄層形成(S33)、電漿氮化(S34和S35)和電漿生成停止(S36)，直到降低沉積基板112的次數已經達到成形容器107變滿的極限值為止(在S37中的“否”期間)。當降低沉積基板112的次數已經達到極限值時(當在S37中為“是”時)，控制器200停止饋送氣體(S38)並將環境空氣饋送到室101中(S39)。然後，控制器允許移除氮化粉末。該許可被顯示在顯示器202上。
如上所述，有形的物體製造設備100重複薄層形成和電漿氮化以在成形容器107中沉積被氮化的薄層104'，藉以製備氮化原料粉末。藉由用雷射光束LB加熱正在接受電漿氮化的薄層104，原料粉末的氮化被加速。
雷射光束加熱形成裝置
圖6是雷射光束加熱形成的流程圖。在第二實施例中，圖1所示的有形的物體製造設備100用作雷射光束加熱形成設備。在薄層形成機構105被填滿由圖5所示的電漿氮化所製備的氮化原料粉末，而非第一實施例中的非氮化原料粉末的狀態下，使用者透過操作操作單元201來命令開始雷射光束加熱形成。
如圖6所示，當命令開始雷射光束燒結時， 控制器200致動抽空機構103以抽空室101(S41)。當室101的內部已經達到預定真空水準(1×10-2Pa)時，控制器200致動氣體饋送機構102以開始饋送氣體(S42)。當室101的內部已經達到處理開始的壓力時，控制器200致動薄層形成機構105，以在成形容器107中直接形成被氮化的薄層104'(S43)。然後，控制器200致動電源113以開始電漿生成(S44)，並且該被氮化的薄層104'接受電漿蝕刻PE直到經過設定時間為止(在S45中的“否”期間)。
在完成對被氮化的薄層104'的電漿蝕刻PE之後(當在S45中為“是”時)，控制器200致動用於被氮化的薄層104'的雷射光束加熱形成的掃描式加熱器機構106和光源110以(S46)。在完成對單個被氮化的薄層104'的雷射光束加熱形成(S46)之後，控制器200停止電源113以停止在被氮化的薄層104'處生成電漿(S47)。
控制器200重複薄層形成(S43)、電漿氮化(S44和S45)、雷射光束燒結(S46)和電漿生成停止(S47)直到層數(沉積次數)已達到獲得的有形的物體301所需的數量為止(在S48中的“否”期間)。當層數或沉積次數已達到獲得的有形的物體301所需的數量時(當在S48中為“是”時)，控制器200停止饋送氣體(S49)，並將環境空氣饋送到室101中(S50)。然後，控制器允許移除有形的物體。該許可被顯示在顯示器202 上。
如上所述，有形的物體製造設備100重複薄層形成、電漿蝕刻和雷射光束加熱形成，藉以製造出由被氮化的薄層104'的堆疊界定的三維有形的物體301。
第三實施例
儘管第一實施例採用雷射光束加熱形成來熔化和固化氮化層，但是第三實施例採用電子束加熱形成來熔化和固化氮化層。
有形的物體製造設備
圖7是第三實施例中使用的有形的物體製造設備的例示性表示。如圖7所示，除了使用電子束代替用於被氮化的薄層的加熱形成的雷射光束之外，第三實施例的有形的物體製造設備具有與第一實施例的有形的物體製造設備相同的結構，並且以與第一實施例的有形的物體製造設備相同的方式實施電漿氮化和加熱形成的步驟。因此，在圖7中，與第一實施例中相同的部分用與圖1中相同的標號來指示，並因此省略其描述。
有形的物體製造設備300是所謂的粉末床熔融型的3D印表機。抽空機構103抽空室101。氣體饋送機構102向室101饋送氣體。有形的物體製造設備300可用作用於簡單地氮化原料粉末以僅產生氮化粉末的氮化粉末製造設備。
電子束加熱/熔化機構
電子束加熱器306根據輸入資料用由其所產生的電子束的束點藉由掃描電子束來加熱每個薄層104要被固化的部分。由電子束加熱器306所生成的電子束和電子束的掃描是由電子束控制器310來控制。
電子束加熱器306用電子束來加熱位在成形容器107頂部處的薄層104，藉以實質地立即熔化該薄層並使該層固化以與下面的固體組織結合。這樣，在成形容器107的頂部處的被氮化的薄層104'的所想要的部分被熔化並固化。此時，如圖2所示，有利的是藉由對電阻器加熱器137通電來將被氮化的薄層104'保持在高溫。藉由加熱被氮化的薄層104'，電子束加熱來熔化被氮化的薄層的效率可被提高。因此，即使用低功率電子束也可以進行高速形成。這樣，可以減少被氮化的薄層104'的熔化狀態的變化，並因此所得到的有形的物體301可以具有均勻的組織。
電子束加熱形成期間的真空水準
在第三實施例的有形的物體製造設備300中，電子束被室101中的氣體分子散射。因此，在電子束加熱形成的步驟期間，室101中的真空度減小到10-1Pa或更小。因此，在第三實施例的有形的物體製造設備300中，在藉由對室內饋送氮氣和氫氣的混合物而保持為100 Pa的真空下進行電漿蝕刻，然後接著在停止饋送氣體混合物後回復的10-1Pa的真空下進行電子束加熱形成。
對照例1
對照例1使用第三實施例的有形的物體製造設備，但是其中每層的原料粉末在不被電漿氮化的情況下接受電子束熔融。因此，將參照圖7描述對照例1。在第三實施例中，如圖7所示，當金屬材料正接受粉末床熔融時，使得被用電子束照射的材料與包含氮的反應氣體接觸。這樣，在金屬被氮化的同時金屬材料的層被沉積。室101的內部藉由使用氣體饋送機構102和抽空機構103被控制在所想要的真空水準和想要的氣體混合比。薄層形成機構105在室101內形成原料粉末的薄層104。電子束加熱器306對每個薄層104實施電子束熔融。
在對照例1中，藉由用電子束照射薄層104來熔融薄層104的原料粉末。此時，藉由用電子束進行照射而被加熱或熔化的金屬原料在室101中與包含氮的反應氣體反應。有形的物體藉此被氮化。
對照例1允許金屬的一部分被氮化和固化，但是不提供像氮化陶瓷(諸如TiN、AlN和SiN)一樣硬的三維有形的物體。對照例1的處理不產生硬的有形的物體可能出於以下兩個原因。首先，在第三實施例中的熔融期間，電子束的照射直徑小到幾十微米到幾百微米，並且對於每個束點而言，熔融的照射時間短到幾十毫秒。這種 局部和短時間照射對於充分氮化金屬顆粒是不實用的。
第二，對照例1要求室101保持在高真空水準以確保電子束的平均自由路徑長度。因此，不能在室101中產生用於氮化的包含高濃度氣體分子的環境。例如，電子束可以在沉積基板112的表面上掃描幾釐米的二維區域的距離是至少幾十釐米。電子束可行進幾十釐米距離的真空度為1.0×10-5Pa至1.0×10-2Pa。在這種薄的氣體氛圍中，氮濃度不足以使原料粉末的薄層氮化。因此，所獲得的三維有形的物體中的氮含量最多約為3%(以原子數計)。在具有這種低氮濃度的氛圍中產生的氮化金屬材料表現出比金屬高但是比氮化陶瓷低得多的硬度。
第一實施例允許在包含高濃度氮的氛圍中在約0.1大氣壓下進行至少幾分鐘的電漿氮化，由此消除對照例1的技術缺點，藉以提供硬的有形的物體301。
其它實施例
本揭露內容之用於產生氮化粉末和製造有形的物體的方法以及用於產生氮化粉末和製造有形的物體的設備不限於包括在第一至第三實施示例中揭露的部件或構件的設備，或者在所揭露的實施例中的數值條件和控制下實施的方法。另一實施例可以透過用一個或多個等效構件替換第一至第三實施例中的任一個實施例的一個或多個部件或構件或者所有部件或構件來實現。
可以根據參數(諸如，成形容器107的尺 寸、原料粉末的尺寸和薄層104的厚度)來調整在示例1、2和3中使用的電壓和壓力。例如，儘管在示例1、2和3中僅向薄層104施加交流電壓，但也可以在該交流電壓上疊加負的直流電壓以提高正離子的碰撞速度，從而增強加熱薄層104的性能。
在第一實施例中，當藉由向薄層104施加電壓來生成電漿時，氫氣和氮氣的混合物以恆定比例被連續地饋送。然而，在電漿生成的早期階段，可以僅饋送氫氣或氫氣和諸如氬氣之類的惰性氣體以用於原料粉末的濺射清洗。
在第一實施例中，用電阻器加熱器137加熱正被電漿氮化的層。然而，在電漿氮化期間的這種加熱不總是藉由使用加熱器來實施。可以藉由饋送氮氣和氫氣的混合物並且增加疊加在施加到薄層104的交流電壓上的負偏壓來實施所謂的濺射加熱。
第二實施例示出了所謂的批次處理(batch process)的氮化粉末製造設備，其中對於電漿氮化的每個操作，室101被回復到大氣壓力。然而，在另一實施例中，氮化粉末製造設備可具有直排式配置(in-line configuration)，在此配置中一用於電漿氮化的處理部分被連接到減壓部分和通風部分，原料粉末經由該減壓部分從大氣轉移到處理部分，氮化原料粉末經由該通風部分從處理部分轉移到大氣。
第二實施例還例示出了單個成形容器107被 設置在單個室101中的有形的物體製造設備。然而，有形的物體製造設備可在單個室101中具有多個用於電漿氮化的成形容器107以及單個用於雷射光束加熱形成的成形容器107。
第四實施例
在第四實施例中，一碳化原料的薄層用電漿加以碳化，並且藉由用雷射光束加熱來立即熔化該被碳化的粉末的薄層，然後使其固化。這樣的層的堆疊界定出有形的物體301。對於該實施例，可以使用與第一實施例中相同的設備和方法來製造有形的物體。將參考與第一實施例相同的附圖來描述第四實施例。
有形的物體製造設備
圖1可以是在第四實施例中使用的有形的物體製造設備的例示性表示。圖2是成形容器的例示性表示。如圖1所示，有形的物體製造設備100是所謂的粉末床熔融型的3D印表機。室101由不銹鋼製成並且可以被密封。作為一種測量設備的真空計208被連接到室101並且測量室101中的壓力。
藉由使用構成一種氛圍產生單元的氣體饋送機構102、抽空機構103和真空計208來產生包含碳和減少的氧的氛圍。作為一種減壓設備的抽空機構103可以降低室101內的壓力。抽空機構103將室101抽空用以以主 要地減少氧氣。抽空機構103包括乾式泵和串聯連接到乾式泵的渦輪分子泵，並且可以將室101抽空到例如1×10-4Pa的真空。
抽空機構103設置有能夠調節在與室101的接合處的開口尺寸的開口調節閥。控制器200可以在從氣體饋送機構102向室101饋送氣體的同時，藉由根據真空計208的輸出控制開口調節閥來將室101的內部控制在所想要的氛圍和真空水準。
作為一種饋送器的氣體饋送機構102把包含碳和氫的碳氫化合物氣體體送到室101中。氣體饋送機構102可以將具有所需比例的碳氫化合物氣體和氫氣的混合物饋送到室101中。兩個氣體饋送機構可分別饋送碳氫化合物氣體和氫氣。
翻到圖2，作為一種粉末容器的成形容器107包括成形部109，並且沉積基板112可垂直移動地設置在成形部109內。降低機構111可以按照根據薄層的厚度的間距逐步降低沉積基板112。在成形部109中，每一層都是藉由碳化而從薄層104轉化的該等被碳化的薄層104'被建造成堆疊。
作為一種加熱器的電阻器加熱器137係嵌設在成形部109的壁中，使得薄層104可以被加熱。此外，沉積基板112在其表面上設置有溫度感測器209。控制器200根據溫度感測器209的輸出控制用於給電阻器加熱器137通電的電流的通/斷，藉以加熱薄層104，以便將薄層 保持在恆定溫度。
作為一種形成裝置的薄層形成機構105在設置在室101中的成形容器107的成形部109內形成該原料粉末的薄層104。薄層形成機構105包括移動部分133，該移動部分133在引導件132的引導下沿著成形容器107的頂部平面在箭頭R105所指示的方向上移動。原料粉末135存儲在原料部130中，並且藉由升高底板134而被抬升至高於成形容器107的頂部平面的位置。薄層形成機構105藉由在使金屬輥131相對於成形容器107的頂部平面在反方向上旋轉的同時使成形容器107的頂部平面處的原料粉末平整，而在成形部109的頂部平面處將原料粉末135的高緻密薄層104形成為均勻的厚度。薄層形成機構105進一步在被碳化的薄層104'上形成原料粉末的另一薄層104，該被碳化的薄層104'係由在成形部109中先前形成的薄層104轉換而來。在成形部109中的這樣形成的被碳化的薄層104'和薄層104的堆疊與室101電分離。
成形容器
如圖1所示，成形容器107與室101電隔離。成形容器107和沉積基板112係由絕緣材料製成，以避免在其表面生成電漿。因此，成形容器107的將與薄層104接觸的表面係由絕緣材料製成。電壓係透過電極108(電源設備)從電源113向原料粉末的薄層104施加。電極108被絕緣材料製成的蓋108a覆蓋，以避免在室101 中在其表面生成電漿。
在第四實施例中，藉由使用絕緣的成形容器107和電極108將交流電壓施加到原料粉末的薄層104。該結構對於薄層104的電漿碳化是有效的。通常，因為粉末的表面被鈍化膜覆蓋，所以即使原料粉末是金屬粉末，它的導電性也較差。因此，傳統上認為諸如線圈或扁平電極之類的構件必須靠近原料粉末設置以利於電漿生成。然而，在有形的物體製造設備100中，由於必須確保用於雷射光束照射的光路，因此難以將諸如扁平電極之類的構件設置在薄層104的正上方。此外，如果諸如扁平電極之類的構件被設置在薄層104的正上方的話，為了避免干擾在水平方向上移動的薄層形成機構105，則每當形成薄層104時，該構件必須物理地縮回。由於對於製造一個有形的物體301薄層的形成被重複幾百至幾千次，因此物理地縮回該構件是低效的。因此，在第四實施例中，在保持薄層104的成形容器107與室101電隔離的狀態下，交流電壓被施加到與薄層104接觸的電極108。該配置使得能夠在不使用扁平電極等的情況下在薄層104的整個表面上均勻地生成包含碳離子的電漿，使得原料粉末能夠被均勻且快速地碳化。
電漿碳化
如圖1和圖2所示，有形的物體製造設備100藉由向薄層104施加交流電壓而在與在成形容器107中形 成的原料粉末的薄層104相鄰的空間中產生電漿。有形的物體製造設備100將在沉積基板112上形成為第一層的薄層104或者被碳化的薄層104'上形成為第二或隨後的薄層104的薄層104保持在包含碳離子和氫離子的電漿中的並因此將該薄層碳化。
構成一種電源設備的該電源113和該電極108向薄層104施加交流電壓。電源113透過與成形容器107中的薄層104或被碳化的薄層104'接觸的電極108向薄層104施加交流電壓。電源113可輸出疊加有直流電壓的交流電壓。直流電壓可以從-500V至+500V逐步設定。交流電壓的幅度和頻率可以分別從0V至2000V和從10kHz至500kHz逐步設定。
控制器200在向室101饋送碳氫化合物氣體以將真空水準保持在1Pa至小於20kPa的範圍內的同時致動電源113。因此，在與薄層104相鄰的空間中局部地生成電漿，並且薄層104的原料粉末有效地暴露於電漿。此時，如圖2所示，電阻器加熱器137可被通電，以輔助加熱沉積基板112上的原料粉末的薄層104。因此提高了碳化效率。可藉由使用雷射光束來代替電阻器加熱器137或者在使用電阻器加熱器137的同時使用該雷射光束來實施該輔助加熱。更具體而言，藉由用功率降低的或者束點面積增加的雷射光束(稍後描述)來照射，薄層104可被加熱至薄層104不被融化的程度。
雷射光束加熱形成
如圖1所示，掃描式加熱器機構106用雷射光束(其為一種能量束)照射被電漿碳化而從薄層104轉換來的該被碳化的薄層104'。掃描式加熱器機構106根據有形的物體301的輸入資料用從光源110發射出的雷射光束的束點藉由利用電流鏡106m掃描該雷射光束來加熱該被碳化的薄層104'的要被固化的部分。光源110是功率為500W的YAG雷射振盪器。
作為一種射束照射器的掃描式加熱器機構106用雷射光束加熱在成形容器107中的成形部109的頂部處的該被碳化的薄層104'，藉以實質地立即熔化該被碳化的薄層104'並固化該層用以與下面的固體組織結合。這樣，在成形部109的頂部處的該被碳化的薄層104'的所想要的部分被熔化和固化。此時，藉由繼續上述的電漿碳化，即藉由給電阻器加熱器137通電，在雷射光束加熱形成期間將被碳化的薄層104'保持在高溫是所想要的。藉由將被碳化的薄層104'保持在高溫，雷射光束加熱形成的效率被提高。因此，即使用低功率雷射光束也可以進行高速形成。因此，可以減少被碳化的薄層104'的熔化狀態的變化，因此，所得到的有形的物體301可以具有均勻的組織。
用於該雷射光束加熱形成的熱促進碳化層104'中的正被碳化的粉末的碳化。因此，原料粉末不需要通過電漿碳化而完全碳化。換句話說，可以通過在已經通過電漿碳化使原料粉末粗略地碳化的階段執行的雷射光束 加熱形成來最終熔化粉末以完成碳化到期望的程度。因此，可以減少碳化時間，並因此可以減少用於製造有形的物體301的時間。
用於製造有形的物體的處理
圖3是製造有形的物體的處理的流程圖，並且圖4A至圖4F是在有形的物體製造設備中構造堆疊的例示性表示。如圖1所示，控制器200包括CPU 205、RAM 206和ROM 207。從ROM 207叫用的處理控制程式存儲在RAM 206中，並因此CPU 205起到處理控制器的作用。使用者藉由使用操作單元201來命令處理的開始。
如圖3所示，當已經命令處理開始時，控制器200致動抽空機構103以抽空室101(S11)。當室101中的壓力已經達到1×10-2Pa時，氣體饋送機構102開始饋送氣體，用以將室101控制在小於大氣壓的處理壓力(S12)。如圖1所示，在透過這些步驟S11和S12產生氛圍的步驟中，室101被抽空至第一壓力，然後包含碳的物質被饋送至室101。因此，具有高於第一壓力且低於大氣壓的第二壓力的氛圍在室101中被產生。
如圖3所示，當室101的內部已經達到第二壓力(例如，10kPa)時，控制器200致動薄層形成機構105以形成原料粉末的薄層104(S13)。在圖4A所示的降低步驟中，降低機構111被致動以降低沉積基板112，藉以在成形容器107中形成薄層104可被形成於其中的空 間。如圖4B所示，在形成步驟或步驟S13中，薄層形成機構105被致動以在沉積基板112上形成原料粉末的薄層104。
如圖3所示，控制器200致動電源113以開始電漿生成(S14)，並且薄層104接受電漿碳化PC直到經過設定時間為止(在S15中的“否”期間)。在包括步驟S14和S15的碳化步驟中，如圖4C所示，氣體饋送機構102和電源113被致動，以使沉積基板112上的原料粉末的薄層104被電漿碳化。在碳化步驟中，從電源113向薄層104施加交流電壓，以在包含碳、氫和減少的氧的氛圍中產生電漿，藉以使薄層104的原料粉末碳化。碳化步驟是在低於大氣壓的壓力下(較佳地在1Pa至小於20kPa的範圍內)在其內產生有該氛圍的室101中實施的。碳化步驟跟隨在設置在室101中並與室101電隔離的成形容器107中形成薄層104的步驟之後。另外，碳化步驟是在藉由用電阻器加熱器137加熱而保持在恆定溫度的薄層104上實施的。
如圖3所示，在已經過了設定時間時(當在S15中為“是”時)，控制器200致動掃描式加熱器機構106和光源110用以在被碳化的薄層104'上實施雷射光束加熱形成(S16)。在包括步驟S16的射束形成步驟中，如圖4D所示，掃描式加熱器機構106和光源110被致動以實施雷射光束加熱形成，藉以熔化和固化沉積基板112上的該被碳化的薄層104'。在射束形成步驟中，用能量束 照射被碳化的薄層104'的要被固化的部分，藉以使其固化。與通過在包含碳、氫和減少的氧的氛圍中向被碳化的薄層104'施加交流電壓來實施的對被碳化的薄層104'的電漿碳化PC一起實施該射束形成步驟。
如圖3所示，在完成對單個被碳化的薄層104'的雷射光束加熱形成(S16)之後，控制器200停止電源113以停止在該被碳化的薄層104'處生成電漿(S17)。控制器200重複薄層形成(S13)、電漿碳化(S14和S15)、雷射光束加熱形成(S16)和電漿生成停止(S17)，直到層數(沉積次數)已經達到獲得有形的物體301所需的數量為止(S18中的“否”期間)。在第二次或隨後的降低步驟中，如圖4E所示，降低機構111被致動以降低沉積基板112，藉以在被部分固化的該被碳化的薄層104'上方形成用來形成原料粉末的另一個薄層104的空間。在第二形成步驟中，如圖4F所示，薄層形成機構105被致動以在該被碳化的薄層104'上形成非碳化原料粉末的薄層104，該被碳化的薄層104'形成在成形容器107中的沉積基板112上。
如圖3所示，當層數或沉積次數已達到獲得有形的物體301所需的數量時(當在S18中為“是”時)，控制器200停止饋送氣體(S19)並將環境空氣饋送到室101中(S20)。然後，控制器允許移除有形的物體。該許可顯示在顯示器202上。
如上所述，有形的物體製造設備100重複薄 層形成、電漿碳化和雷射光束加熱形成，藉以產生由該被碳化的薄層104'的固化部分的堆疊所界定的三維有形的物體301。
有形的物體的材料
在上述有形的物體製造設備100中，使用不同的材料和不同的電漿碳化條件在示例4至6中形成有形的物體301的樣品，並且檢查樣品的物理性質和其他性質。
示例4
在示例4中，鎢原料粉末在以下條件下接受電漿碳化和雷射光束加熱形成。
電漿碳化的條件
室101中的壓力：1.3kPa
待饋送的氣體：1：1比例的甲烷氣體和氫氣的混合物
原料粉末：通過氣體霧化產生的顆粒尺寸為3μm的鎢粉末
薄層的厚度：20μm
施加的電壓：1kV的交流電壓，頻率為100kHz
每層的電漿碳化時間：5分鐘
雷射光束加熱形成的條件
待熔化部分：被碳化的薄層的25mm×25mm的正方形部分
層數：2000
堆疊高度：40mm
用XPS(X射線光電子發射光譜法)分析示例4所獲得的有形的物體301的碳含量，結果為22%(以原子數計)。此外，用阿基米德法測得的有形的物體301的密度為99.2%。用維氏硬度計測得的有形的物體301的硬度HV為3200。因此證實，在示例4的條件下可產生與用普通粉末燒結法產生的燒結碳化鎢一樣硬的有形的物體301。
示例5
在示例5中，矽原料粉末在以下條件下接受電漿碳化和雷射光束加熱形成。
電漿碳化的條件
室中的壓力：3.9kPa
待饋送的氣體：1：1比例的二氧化碳氣體和氫氣的混合物
原料粉末：通過水霧化產生的顆粒尺寸為5μm的矽粉末
薄層的厚度：20μm
施加的電壓：20kV的交流電壓，頻率為100kHz
每層的電漿碳化時間：10分鐘
雷射光束加熱形成的條件
待熔化部分：被碳化的薄層的25mm×25mm的正方 形部分
層數：100
堆疊高度：4mm
在示例5中，在雷射光束加熱形成和電漿碳化的整個操作中，藉由用電阻器加熱器137進行加熱的薄層104和被碳化的薄層104'的堆疊被保持在500℃。藉由將薄層104和被碳化的薄層104'的堆疊保持在高溫，可以進一步提高與碳的反應速度。在示例5中，被碳化的薄層104'在電漿碳化繼續的同時藉由用雷射光束照射而接受雷射光束加熱形成。該操作使得該被碳化的薄層104'的堆疊以及薄層104能夠用元素碳連續摻雜。
用XPS(X射線光電子發射光譜法)分析示例5所獲得的有形的物體301的碳含量，其結果為40%(以原子數計)。此外，用阿基米德法測得的有形的物體301的密度為99.6%。用維氏硬度計測得的有形的物體301的硬度HV為2900。因此證實，在示例5的條件下產生與用普通粉末燒結法產生的碳化矽一樣硬的有形的物體301。
示例6
在示例6中，矽原料粉末在以下條件下接受電漿碳化和雷射光束加熱形成。
電漿碳化的條件
室中的壓力：13.3kPa
待饋送的氣體：1：2：1比例的甲烷氣體、氫氣和氬氣的混合物
原料粉末：通過水霧化產生的顆粒尺寸為5μm的矽粉末
薄層的厚度：40μm
施加的電壓：20kV的交流電壓，頻率為100kHz
每層的電漿碳化時間：5分鐘
雷射光束加熱形成的條件
待熔化部分：被碳化的薄層的25mm×25mm的正方形部分
層數：100
堆疊高度：4mm
在示例6中，在雷射光束加熱形成和電漿碳化的整個操作中，用電阻器加熱器137進行輔助加熱的薄層104和被碳化的薄層104'的堆疊被保持在800℃。藉由將薄層104和被碳化的薄層104'的堆疊保持在高溫，可以進一步提高矽與碳的反應速度。在示例6中，被碳化的薄層104'在電漿碳化繼續的同時藉由用雷射光束照射而接受雷射光束加熱形成。該操作使得該被碳化的薄層104'的堆疊以及薄層104能夠用元素碳連續摻雜。
用XPS(X射線光電子發射光譜法)分析示例6的所獲得的有形的物體301的碳含量，其結果為11%(以原子數計)。此外，用阿基米德法測得的有形的物體301的密度為99.2%。用維氏硬度計測得的有形的物體 301的硬度HV為3000。因此證實產生了與用普通CVD法產生的碳化矽一樣硬的有形的物體301。
第四實施例的優點
在第四實施例中，原料粉末的每個薄層104按原樣被直接電漿碳化。因此，藉由延長電漿生成的時間，可以將該被碳化的薄層104'中的碳含量增加到所想要的水準。藉由控制電漿生成的時間，可以精確地控制該被碳化的薄層104'中的碳含量。
在第四實施例中，因為在包含碳和減少的氧的氛圍中將薄層104的原料粉末碳化，因此防止原料粉末被氧化而形成鈍化膜，因此可以提高碳的滲透速度。另外，因為藉由向薄層104施加交流電壓來生成電漿，因此無需在薄層104上方設置電極或線圈。
在第四實施例中，因為該薄層104的原料粉末係在包含氫的氛圍中藉由在薄層104處生成電漿來加以碳化，因此覆蓋原該料粉末的表面的該氧化膜被還原以消除鈍化膜，且因此可以提高碳的滲透速度。
在第四實施例中，因為電漿是在室101中產生的具有低於大氣壓的壓力的氛圍中被產生，因此與在具有高於或等於大氣壓的壓力的氛圍中生成電漿的情況相比，電漿被保持得更穩定。
在第四實施例中，有形的物體是在具有在1Pa至小於20kPa範圍內的壓力的氛圍的室101中產生 的。因此，與在比第四實施例中更高的真空水準下生成電漿的情況相比，原料粉末可以包含更高含量的碳。
在第四實施例中，將室101抽空至第一壓力，然後將包含碳的物質饋送至室101以產生具有第二壓力的氛圍。因此，氧氣在將用於生成電漿的氛圍中被顯著地減少。藉由顯著地減小壓力，氧氣或水分被從原料粉末中移除。因此，防止了用於碳化的氛圍被污染。
在第四實施例中，薄層104在與室101電隔離的成形容器107中形成，並且電漿被生成於其內。因此，當向原料粉末施加交流電壓時引起的電流洩漏被減少，並因此藉由在與薄層的介面處集中電漿，可以有效地將薄層104碳化。
在第四實施例中，薄層104係在利用加熱器加熱來將薄層104保持在恆定溫度的狀態下被碳化。這種加熱增加了原料粉末的碳化速度，並且額外減少了從第一層到最後一層的各層中的碳化原料粉末的狀態的變化。
在第四實施例中，原料粉末是用水霧化所產生的金屬顆粒。因此，與使用氣體霧化所產生的金屬顆粒的例子中的材料成本相比，材料成本被降低。雖然用水霧化所產生的金屬顆粒通常塗覆有厚的鈍化膜，但是這可以藉由與氫離子的反應來還原該鈍化膜，藉以將碳有效地引入原料粉末。
在第四實施例中，在被碳化的薄層104'上形成另一薄層104，該被碳化的薄層104'由在成形容器107 的成形部109中先前形成的薄層104轉換而來。因此，即使室101具有小的底部面積或成形容器107具有小的平坦面積，大量的原料粉末也可以被碳化。
在第四實施例中，被氮化的薄層104'的待固化部分被用雷射光束LB照射，因而被固化。雷射光束即使在低真空水準下也不衰減或散射。與電子束不同，即使在1Pa至小於20kPa的低真空下，雷射光束也可以有效地加熱被碳化的薄層104'而沒有散射。此外，被碳化的薄層104'可以立即接受雷射光束加熱形成而不暴露於環境空氣。
在第四實施例中，在用雷射光束LB進行照射期間，氛圍被保持在1Pa至小於20kPa範圍內。因此，室101中的氣體分子的自由路徑長度減小，並因此防止了原料粉末的成分沉積在雷射光束LB的照射窗106e(在圖1中示出)上。
在第四實施例中，電漿亦在用雷射光束LB進行照射期間，藉由在包含碳、氫和減少的氧的氛圍中向被碳化的薄層104'施加交流電壓而被生成。因此，補充了將因用雷射光束LB進行加熱而損失之該被碳化的薄層104'中的碳，並且該被碳化的薄層104'被進一步碳化。
在第四實施例中，交流電壓被施加至絕緣成形容器107中的薄層104。因此，電漿集中在與薄層104的介面處，而不在成形容器107中生成電漿。
在第四實施例中，交流電壓係經由與成形容 器107中的被碳化的薄層104'或薄層104接觸的電極108來施加。此時，由於交流電壓係經由薄層104來傳導，薄層104因而被用作放電電極，因此用於將交流電壓傳導至整個薄層104的諸如扁平電極之類的構件是不必要的。
在第四實施例中，藉由僅向薄層104施加交流電壓，電漿可以僅在薄層104處生成。因此，薄層104藉由與電漿交界而被來自電漿的碳離子有效地摻雜。高速、高濃度的電漿碳化可因而被實施。
有形的物體中的碳含量
在第四實施例中，以與所謂的區域熔化法相同的方式，藉由從下面的層中的晶核連續生長晶體來製造有形的物體301。因此，有形的物體301具有如下的晶體組織：其中晶體在從第一層到最後一層的方向上平行生長，其中每個層藉由用雷射光束LB熔化而從原料粉末的薄層104轉換成為被碳化的薄層104'，然後該被碳化的層固化而產生。有形的物體301以原子數計包含10%或更多的碳，並且不僅在其表面而且在整個內部被均勻地碳化。
在第四實施例中，有形的物體301中的碳含量為10%或更多(以原子數計)。到目前為止還沒有將這樣高含量的碳添加到金屬粉末的原料中的技術。這種高碳含量的原因之一是電漿碳化使得原料粉末能夠有效地摻雜碳原子。另一個原因是，由於室101中的真空水準不是 很高，因此元素碳可以充分地確保碳化反應。如果是將用於有形的物體301的薄層的堆疊碳化的話，則僅僅堆疊的表面被碳化而不均勻地碳化堆疊的內部。即使每個薄層都接受碳化，如果薄層未完全碳化，則只有薄層的表面而不是層的內部被碳化，並且所獲得的有形的物體301中的碳含量在層被沉積的方向上變得不均勻。在第四實施例中，藉由在電漿氛圍中碳化每個薄層104，不僅薄層的表面而且內部也可以被碳化。因此，碳含量在包括內部的整個有形的物體301中均勻地增加。
有形的物體的密度
如上所述，一種作為粉末床沉積技術之一的用於製造與陶瓷一樣硬的三維有形的物體的沉積後燒結處理是存在的。在該處理中，一種包含作一為黏合劑的樹脂的原料粉末的有形的物體被形成，然後原料粉末在黏合劑被加熱和燃燒的同時被燒結。遺憾的是，在沉積後燒結技術中，由於粉末顆粒通過燒結而結合，所以在所獲得的組織中形成許多氣孔，並且所得三維有形的物體的密度不大於約85%。此外，高溫燒結增加了有形的物體的密度，但是促進了會降低有形的物體的精度的收縮。
另一方面，在包含氧的空氣氛圍中實施的粉末床熔融法中，由於諸如鐵合金粉末或鈦合金粉末之類的金屬原料粉末的薄層每一者係藉由雷射束加熱形成來形成，因此可以獲得具有大約99%的密度的緻密部件。
尤其是，第四實施例的示例可以產生具有密度為99.0%或更高之幾乎不含氣孔的組織的金屬碳化物的緻密部件。第四實施例可以產生金屬碳化物的三維有形的物體301，其具有比用已知的金屬材料的粉末床熔融法產生的三維形狀物體的密度更高或與之相等的密度，並且具有與用粉末燒結產生的碳化陶瓷部件一樣高的硬度。
第五實施例
在第四實施例中，電漿碳化之後接著的是在同一有形的物體製造設備中的雷射光束加熱形成。在第五實施例中，在碳化粉末製造設備中被電漿碳化的原料粉末在不同於該碳化粉末製造設備的有形的物體製造設備中藉由雷射束加熱形成而被成形為有形的物體301。對於第五實施例而言，可以使用與第二實施例相同的設備和方法來製造有形的物體。將參考與第二實施例相同的附圖來描述第五實施例。
碳化粉末製造設備
圖5示出了電漿碳化以及電漿氮化的流程圖。在第五實施例中，圖1所示的有形的物體製造設備100被用作碳化粉末製造設備，並且光源110和掃描式加熱器機構106被用作電漿碳化的輔助加熱單元。
如圖5所示，當使用者已經透過操作操作單元201命令開始電漿碳化時，控制器200致動抽空機構 103以抽空室101(S31)。當室101的內部已經達到預定真空水準(1×10-2Pa)時，控制器200致動氣體饋送機構102以開始饋送氣體(S32)。當室101的內部已經達到處理開始的壓力時，控制器200致動薄層形成機構105以形成原料粉末的薄層104(S33)。然後，控制器200致動電源113以開始電漿生成(S34)，並且薄層104接受電漿碳化PC直到經過設定時間為止(在S35中的“否”期間)。此時，掃描式加熱器機構106進行操作，使得從光源110以比第四實施例中低的功率發射的雷射光束LB可以均勻地掃描薄層104的整個表面，並因此有助於加熱正被電漿碳化的薄層104。
當經過設定時間長度時(S35中的“是”)，控制器200停止電源113以停止在被碳化的薄層104'處生成電漿(S36)。控制器200重複薄層形成(S33)、電漿碳化(S34和S35)和電漿生成停止(S36)，直到降低沉積基板112的次數已經達到成形容器107變滿的極限值為止(在S37中的“否”期間)。當降低沉積基板112的次數已經達到極限值時(當在S37中為“是”時)，控制器200停止饋送氣體(S38)並將環境空氣饋送到室101中(S39)。然後，控制器允許移除碳化粉末。該許可被顯示在顯示器202上。
如上所述，控制器200重複薄層形成(S33)和電漿碳化(S34和S35)以在成形容器107中沉積被碳化的薄層104'，藉以製備被碳化原料粉末。控制器200藉 由利用雷射光束LB輔助加熱正接受電漿碳化的薄層104來提高原料粉末的碳化速度。
雷射光束加熱形成設備
圖6是雷射光束加熱形成的流程圖。在第五實施例中，不同於圖1所示之被用作為碳化粉末製造設備的有形的物體製造設備之有形的物體製造設備100被用作雷射光束加熱形成裝置。在薄層形成機構105被填滿由圖5所示的電漿碳化PC製備的被碳化的原料粉末而非第四實施例中的未碳化的原料粉末的狀態下，使用者透過操作操作單元201來命令開始雷射光束加熱形成。
如圖6所示，當命令雷射光束加熱形成時，控制器200致動抽空機構103以抽空室101(S41)。當室101的內部已經達到預定真空水準(1×10-2Pa)時，控制器200致動氣體饋送機構102以將氬氣和氫氣饋送到室101(S42)。當室101的內部已經達到處理開始的壓力時，控制器200致動薄層形成機構105，以在成形容器107中直接形成被碳化的薄層104'(S43)。然後，控制器200致動電源113以開始電漿生成(S44)，並且薄層104接受電漿處理PS直到經過設定時間為止(在S45中的“否”期間)。
當經過了設定的時間長度時(當在S45中為“是”時)，控制器200致動掃描式加熱器機構106和光源110以對被碳化的薄層104'實施雷射光束加熱形成 (S46)。在完成對單個被碳化的薄層104'的雷射光束加熱形成(S46)之後，控制器200停止電源113以停止生成電漿(S47)。
控制器200重複薄層形成(S43)、電漿處理(S44和S45)和雷射光束加熱形成(S46)直到層數(沉積次數)已達到獲得有形的物體301所需的數量為止(在S48中的“否”期間)。當層數或沉積次數已達到獲得有形的物體301所需的數量時(當在S48中為“是”時)，控制器200停止饋送氣體(S49)，並將環境空氣饋送到室101中(S50)。然後，控制器允許移除該有形的物體。該許可被顯示在顯示器202上。
為了該電漿處理PS，該被碳化的薄層104'的原料粉末被保持在包含氬(惰性元素)離子、氫離子和自由電子的電漿中。使用氬離子和自由電子的電漿處理旨在產生所謂的濺射清潔效果。附著於被碳化的薄層104'的粉末顆粒的表面上的異物藉由氬離子的碰撞而從粉末中被移除。另外，原料粉末顆粒的表面藉由自由電子的碰撞而被加熱，因此異物藉由蒸發而被移除。
使用氫離子的電漿處理旨在藉由所謂的還原反應主要從原料粉末顆粒的表面移除鈍化覆膜。因此，顆粒具有晶體反應性表面，氧化物覆膜從該晶體反應性表面被移除。因此，即使在相對低的溫度下，原料粉末顆粒也可能熔融在一起，藉以形成具有不規則晶格的晶體。
如上所述，控制器200重複薄層形成，電漿 處理和雷射光束加熱形成，藉有製造由被碳化的薄層104'的堆疊所界定的三維有形的物體301。
第六實施例
雖然第四實施例使用雷射光束加熱形成來熔化和固化被碳化的層，但是第六實施例使用電子束加熱形成來熔化和固化被碳化的層。對於第六實施例，可以使用與第三實施例中相同的設備和方法來製造有形的物體。將參考與第三實施例相同的附圖來描述第六實施例。
有形的物體製造設備
圖7是第六實施例中使用的有形的物體製造設備的例示性表示。如圖7所示，除了使用電子束代替雷射光束用於被碳化的薄層的加熱形成之外，第六實施例的有形的物體製造設備具有與第四實施例的有形的物體製造設備相同的結構，並且以與第四實施例的有形的物體製造設備相同的方式實施電漿碳化和加熱形成的步驟。因此，在圖7中，與第四實施例中相同的部分用與圖1中相同的標號來指示，並因此省略其描述。
有形的物體製造設備300是所謂的粉末床熔融型的3D印表機。抽空機構103抽空室101。氣體饋送機構102向室101饋送包含碳的氣體。如第五實施例中那樣，有形的物體製造設備300可被用作為用於單純地將原料粉末碳化的碳化粉末製造設備，用以僅製造內碳化的粉 末。
電子束加熱/熔化機構
電子束加熱器306根據輸入資料用由其所產生的電子束的束點藉由掃描該電子束來加熱每個薄層104的要被固化的部分。
電子束加熱器306產生電子束和電子束的掃描是由電子束控制器310來控制。
電子束加熱器306用電子束來加熱成形容器107頂部處的薄層104，藉以實質地立即熔化該薄層並使該層固化以與下面的固體組織結合。這樣，在成形容器107的頂部處的該被碳化的薄層104'的所想要的部分被熔化並固化。此時，如圖2所示，有利的是藉由給電阻器加熱器137通電來將被碳化的薄層104'保持在高溫。藉由加熱該被碳化的薄層104'，藉由電子束加熱來熔化被碳化的薄層的效率被提高。因此，即使用低功率電子束也可以進行高速形成。這樣，可以減少被碳化的薄層104'的熔化狀態的變化，並因此所得到的有形的物體301可以具有均勻的組織。
電子束加熱形成期間的真空水準
在第六實施例的有形的物體製造設備300中，電子束被室101中的氣體分子散射。因此，在電子束加熱形成的步驟期間室101中的真空度減小到10-1Pa或 更小。因此，在第六實施例的有形的物體製造設備300中，在藉由向室內饋送碳氫化合物氣體和氫氣的混合物而保持為100Pa的真空下進行電漿蝕刻，並且然後在停止饋送氣體混合物後返回至10-1Pa的真空下進行電子束加熱形成。
對照例2
對照例2使用第六實施例的有形的物體的製造設備，但是其中每層的原料粉末在不被電漿碳化的情況下接受電子束熔融。因此，將參照圖7描述對照例2。在第六實施例中，如圖7所示，當金屬材料正接受粉末床熔融時，使得被用電子束照射的材料與包含碳的反應氣體接觸。因此，在金屬被碳化的同時金屬材料的層被沉積。室101的內部係藉由使用氣體饋送機構102和抽空機構103而被控制在所想要的真空水準和所想要的氣體混合比。薄層形成機構105在室101內形成原料粉末的薄層104。電子束加熱器306對薄層104實施電子束加熱形成，藉以熔融這種層的要被固化的部分。
在對照例2中，藉由用電子束照射薄層104來熔融薄層104的要被固化的原料粉末。此時，藉由用電子束進行照射而被加熱或熔化的金屬原料在室101中與包含碳的反應氣體反應。有形的物體因而被碳化。
對照例2允許金屬的一部分被碳化和固化，但是不提供像碳化陶瓷(諸如TiC、AlC和SiC)一樣硬 的三維有形的物體。對照例2的處理不產生硬的有形的物體這可能出於以下兩個原因。首先，在第六實施例中的熔融期間，電子束的照射直徑小到幾十微米到幾百微米，並且對於每個束點而言，熔融的照射時間短到幾十毫秒。這種局部和短時間照射對於充分碳化金屬顆粒是不實用的。
第二，室101被要求要保持在高真空水準以確保電子束的平均自由路徑長度。因此，不能在室101中產生用於碳化的包含高濃度氣體分子的環境。例如，電子束可以在沉積基板112的表面上掃描幾釐米的二維區域的距離是至少幾十釐米。電子束可行進幾十釐米距離的真空度為1.0×10-5Pa至1.0×10-2Pa。在這種薄的氣體氛圍中，碳濃度不足以使原料粉末的薄層被碳化。因此，所得三維有形的物體中的碳含量最多約為3%(以原子數計)。在具有這種低碳濃度的氛圍中產生的碳化金屬材料表現出比金屬高但是比碳化陶瓷低得多的硬度。
第四實施例允許在包含高濃度碳的氛圍中在約0.1大氣壓下進行至少幾分鐘的電漿碳化，由此消除對照例2的技術缺點，藉以提供硬的有形的物體301。
其它實施例
本揭露內容之用於製造碳化粉末和製造有形的物體的方法以及用於製造碳化粉末和製造有形的物體的設備不限於包括在第四至第六實施示例中揭露的部件或構件的設備，或者在被揭露的實施例中的數值條件和控制下 執行的方法。可以藉由用一個或多個等效構件替換第四至第六實施例中的任一個實施例的一個或多個部件或構件或者所有部件或構件來實現另一實施例。
可以根據參數(諸如成形容器107的尺寸、原料粉末的尺寸和薄層104的厚度)來調整在示例4、5和6中使用的電壓和壓力。例如，儘管在示例4、5和6中僅向薄層104施加交流電壓，但也可以在該交流電壓上疊加負的直流電壓以提高正離子的碰撞速度，藉以增強加熱薄層104的性能。用於向室101中的氛圍饋送碳原子的物質可以是除甲烷之外的另一種碳氫化合物氣體體、氣態有機化合物、一氧化碳或二氧化碳。
在第四實施例中，當藉由向薄層104施加電壓來生成電漿時，氫氣和二氧化碳氣體的混合物係以恆定比例被連續地饋送。然而，在電漿生成的早期階段，可以僅饋送氫氣或氫氣和諸如氬氣之類的惰性氣體以用於原料粉末的電漿處理。
在第四實施例中，用電阻器加熱器137加熱正被電漿碳化的層。然而，在電漿碳化期間的這種加熱不一定都是藉由使用加熱器來實施。可以藉由饋送碳氫化合物氣體、氫氣和氬氣的混合物並且增加疊加在施加到薄層104的交流電壓上的負偏壓來實施所謂的濺射加熱。
第五實施例示出了所謂的批次處理的碳化粉末製造設備，其中每當成形部109被填滿被碳化的薄層104'時，室101回復到大氣壓力。然而，在另一實施例 中，碳化粉末製造設備可具有直列式配置(in-line arrangement)，在此配置中用於電漿碳化的處理部分被連接到減壓部分和通風部分。大氣中的原料粉末被放置在減壓部分中，並且減壓部分被抽空。然後，原料粉末被轉移到處理部分。被如此地碳化的原料粉末從處理部分被轉移到通風部分並且與處理部分阻斷。在將空氣引入處理部分之後，被碳化的原料粉末被移除到大氣中。
第五實施例還例示出了其中單個成形容器107設置在單個室101中的有形的物體製造設備。然而，有形的物體製造設備可在單個室101中具有用於電漿碳化的多個成形容器107以及用於雷射光束加熱形成的單個成形容器107。
儘管已經參考示例性實施例描述了本揭露內容，但是應當理解的是，本揭露內容不限於所公開的示例性實施例。以下申請專利範圍的範圍應被賦予最廣泛的解釋以包含所有這種修改以及等效的結構和功能。
100‧‧‧製造有形的物體的設備
101‧‧‧室
102‧‧‧氣體饋送機構
103‧‧‧抽空機構
104‧‧‧(薄)層
105‧‧‧薄層形成機構
106‧‧‧掃描式加熱器機構
106e‧‧‧照射窗
106m‧‧‧電流鏡
107‧‧‧成形容器
108‧‧‧電極
108a‧‧‧蓋
109‧‧‧成形部
110‧‧‧光源
111‧‧‧降低機構
112‧‧‧沉積基板
113‧‧‧電源
200‧‧‧控制器
208‧‧‧真空計
201‧‧‧操作單元
202‧‧‧顯示器
205‧‧‧CPU
206‧‧‧RAM
207‧‧‧ROM
301‧‧‧有形的物體
LB‧‧‧雷射光束

Claims (30)

  1. 一種用於製造粉末的方法，包含：形成原料粉末的層；以及實施以下操作中的一個操作：在包含氮的氛圍中氮化該層的原料粉末的操作，以及在包含碳的氛圍中碳化該層的原料粉末的操作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該等操作中的該個操作是在該層的原料粉末的表面上的覆膜被移除之時或之後實施的。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中，該覆膜是氧化膜並且是藉由在包含氫的氛圍中的還原反應而被移除。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中，該覆膜是在包含氫和惰性元素中的至少一種元素的氛圍中藉由向該層施加電壓以生成電漿而被移除的。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中的任一項所述的方法，其中，該層是在能夠被減壓的室中被形成，並且該等操作中的該個操作是在被產生於該室中的一具有比大氣壓低的壓力的氛圍中被實施的。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中，該室中的該氛圍具有在1Pa至小於20kPa範圍內的壓力。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的方法，進一步包含藉由將該室抽空至第一壓力並隨後將包含氮和碳中的一種的物質饋送至該室來產生該室中的該氛圍，其中該氛圍具 有比第一壓力大且比大氣壓小的第二壓力。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中，該層是在一設置在該室中並與該室電隔離的粉末容器中被形成，然後接受該等操作中的該個操作。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中，該層係透過形成和操作該等操作中的該個操作的步驟而被形成在一層被形成在該粉末容器的底部上的該原料的層上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該等操作中的該個操作是在利用加熱器、能量束和惰性氣體電漿中的至少一種來加熱該層的狀態下被實施的。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該原料粉末包括被水霧化產生的金屬顆粒。
  12. 一種用於製造有形的物體的方法，該方法包含：形成原料粉末的層；實施以下操作中的一個操作：在包含氮的氛圍中氮化該層的原料粉末的操作，以及在包含碳的氛圍中碳化該層的原料粉末的操作；以及藉由用能量束照射已接受該等操作中的該個操作的該層來固化該層。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中，該等操作中的該個操作是在該層的原料粉末的表面上的覆膜被移除之時或之後被實施的。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中，該覆膜是氧化物膜並且藉由在含氫的氛圍中的還原反應而被 移除。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中，該覆膜是在包含氫和惰性元素中的至少一種元素的氛圍中藉由向該層施加電壓以產生電漿而被移除的。
  16. 如申請專利範圍第12至15項中的任一項所述的方法，其中，該固化是在向該氮化層施加電壓以生成電漿的同時在包含氮和減少的氧的氛圍中對已接受氮化的層實施的。
  17. 如申請專利範圍第12至15項中的任一項所述的方法，其中，該固化是在向該碳化層施加電壓以生成電漿的同時在包含碳和減少的氧的氛圍中對已接受碳化的層實施的。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中，包含氮的氛圍包含氫。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，包含碳的氛圍包含氫。
  20. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中，該能量束是雷射光束。
  21. 一種粉末製造設備，包含：室；形成裝置，它能夠在該室中形成原料粉末的層；饋送器，它能夠將包含氮和碳中的一種的物質饋送到該室；以及電源裝置，它能夠施加電壓至由該形成裝置形成的該 層。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的粉末製造設備，其中，該饋送器將包含氫的物質饋送到該室。
  23. 如申請專利範圍第21或22項所述的粉末製造設備，其進一步包含能夠降低該室中的壓力的減壓裝置。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的粉末製造設備，其進一步包含能夠測量該室中的壓力的測量裝置。
  25. 如申請專利範圍第21項所述的粉末製造設備，其進一步包含設置在該室中的粉末容器，該粉末容器與該室電隔離。
  26. 如申請專利範圍第25項所述的粉末製造設備，其中，該粉末容器具有與該層接觸的表面，該表面由絕緣材料製成。
  27. 如申請專利範圍第21項所述的粉末製造設備，其進一步包含在該粉末容器中的加熱器。
  28. 一種有形的物體的製造設備，包含：室；形成裝置，它能夠在該室中形成原料粉末的層；饋送器，它能夠將包含氮和碳中的一種的物質饋送到該室；電源裝置，它能夠施加電壓至由該形成裝置形成的該層；以及射束照射器，它能夠用能量束來照射該層。
  29. 一種在如申請專利範圍第28項所述的有形的物 體製造設備中製造的有形的物體，該有形的物體具有藉由生長晶體而形成的組織，並且包含以原子數計為10%或更多的氮。
  30. 如申請專利範圍第29項所述的有形的物體，其中，該有形的物體的內部被均勻地氮化。
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