TW201815495A - 用於成型液態金屬之列印裝置 - Google Patents
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Abstract
一種用於成型液態金屬之列印裝置，其包括列印模組及加溫平台。列印模組包括至少一噴頭，該列印模組之一端連接有至少一原料供應管，其內填充有液態金屬，液態金屬主要由若干金屬粒子及液態成分所組成，每一金屬粒子具有奈米等級之粒子寬度。加溫平台位於噴頭之下方，用以承接由噴頭噴出之液態金屬，且加溫平台於承接該液態金屬前，先行加熱至單一指定溫度，其持續至液態金屬之液態成分蒸發，俾利金屬粒子成分於加溫平台上之成型過程。
Description
本發明是有關於一種列印裝置，特別是指一種以液態金屬為材料，藉由沉積方式形成立體物件之列印裝置。
傳統工業、民生等產品的製造，無論是主體構造，乃至內部零件，都需先透過模具的塑模才能成型，再經由脫模等一連串製程才能生產出所需之構件。惟眾所皆知，模具本身的製造成本高昂，且鑄模至脫模及最後成型等工序耗時繁瑣，不利製造方的成本控制。
近年逐漸盛行之「快速成型技術」，其藉由電腦控制與管理下，採用材料精確堆積的方式，即由點沉積成面，由面沉積成3D，最後生成實體，其原理和3D列印相同，即將一定厚度的材料反覆列印在平台上，迴圈往復，直到生成整個成型件，於成型過程中無需模具的輔助，且對於小規模生產能大幅降低製造成本。所述快速成型技術之材料常見為塑料、陶瓷、樹脂或金屬。然而，由於前述材料之材料特性的因素，於快速成型技術塑型後之立體成型物件，容易呈現出梯形或邊角狀的非平整外觀，尤其顯著於彎曲面，更不易形成複雜的形狀。此外，透過前述快速成型技術之材料所形成之物件，其強度遠較傳統以模具塑型的物品更低，雖有業者研發出以金屬材料為快速成型，然而，傳統金屬材料以沉積方式成型後，不易耐腐蝕，且硬度不夠強，容易破裂；再者，傳統金屬列印時，係透過加熱列印頭熔融金屬，導致列印頭極易損壞，必須經常更換，無疑造成生產及控制成本大幅提升。
本發明之目的在提供一種列印裝置，其可藉由列印技術列印出奈米液態金屬，並一次性塑型成具有高強度、耐磨、耐腐蝕，且具複雜構型之立體物件。
為達到前述目的，本發明用於成型液態金屬之列印裝置，其包括一列印模組，包括至少一噴頭，該列印模組之一端連接有至少一原料供應管，該原料供應管內填充有該液態金屬，其主要由若干金屬粒子及一液態成分所組成。一加溫平台位於該噴頭之正下方，用以承接由該噴頭噴出之該液態金屬，且該加溫平台於承接該液態金屬前，先行加熱至單一指定溫度，其持續至該液態金屬之液態成分蒸發，以利該些金屬粒子於加溫平台上之成型過程。
依據本發明之一具體實施，該加溫平台包括一金屬板及一貼合於該金屬板之電路板，該電路板上佈設有複數金屬導線，該複數金屬導線藉由電流導通加熱，使該金屬板達到該單一指定溫度。
依據本發明之另一具體實施，該列印裝置係設置於一處理腔室內，該處理腔室安裝有一降溫裝置，其用以抽送出該處理腔室內部因該加溫平台產生之高溫熱氣，並將外部空氣送入該處理腔室內，利用自然進氣循環降低該處理腔室內之溫度，避免該液態金屬產生熱脹冷縮。
依據本發明之另一具體實施，該些金屬粒子主要由鋯、鎳、鋁、銅及鈦所組成。
依據本發明之另一具體實施，該至少一噴頭為壓電式噴頭。
本發明列印裝置以特定成分組成之奈米液態金屬為原料，配合加溫平台於成型過程中維持一指定溫度，以壓電式噴頭列印塑型出一立體物件，其具有奈米液態金屬之高硬度、耐腐蝕性及耐磨耗性等特性，有效解決傳統熱塑性材料於3D列印塑型後，硬度不足、不易形成複雜構型、需後製加工處理等缺點，且由於加溫平台之高溫配合，本發明可以採用壓電式噴頭列印，而無需加熱噴頭熔融金屬，解決噴頭容易損壞之問題，進而降低生產成本。
本發明列印裝置係可採用一般噴墨列印技術列印，並以液態金屬為列印之原料，藉由噴出後沉積的過程，及列印裝置於立體三軸向之配合移動，進而塑型成一立體之金屬物件，且該成型後之金屬物件具有極佳之精度及硬度，無須再經過後製加工處理，即可直接使用。
請參閱第一圖、第二圖及第三圖為本發明用於成型液態金屬之列印裝置1之較佳實施例，該列印裝置1是設置於一處理腔室4內運作，以避免受到外界環境因素影響列印過程，處理腔室4之一側設有一控制單元41及一觀測部42。控制單元41電性連接於列印裝置1，用以控制列印裝置1之各種運作及參數設定。觀測部42可令使用者由處理腔室4外觀測到內部列印裝置1的運作情況。列印裝置1包括一列印模組2，其包括至少一噴頭21，噴頭21設於一噴頭載板20上，並具有一噴嘴22。列印模組2之一端連接有一至少一原料供應管23，其內填充有液態金屬6(如第四圖所示)，其可流通至噴頭21。
特別說明的是，本發明之液態金屬6主要由若干金屬粒子61及一液態成分62(如第四圖所示)混合所組成，該液態成分62可為具有色料之液體，其混合有該些金屬粒子61。每一金屬粒子61具有奈米等級之粒子寬度，於此實施例中，該粒子寬度係為1奈米；換言之，本發明之液態金屬6為奈米液態金屬，其所成型之奈米液態金屬合金含有尺寸顯著差異的原子，因而能形成細密的混合，且自由體積低。此外，奈米液態金屬材料也沒有明顯的熔點，因此不像晶形金屬在熔點時黏度會急遽降低，其黏度會隨溫度的升高而緩慢的降低。在高溫時其與塑膠類似，在成型期間機械性質可以極為容易地控制。也因為黏度可以防止原子移動形成有序的晶格，所以奈米液態金屬材料即使在熱成型後仍得以保持其非晶形性質。本發明之液態金屬6係經多年研究實驗後，研發出包含主要由鋯、鎳、鋁、銅及鈦所組成之該些金屬粒子61，或由前述金屬成分所混合組成之合金。所述噴嘴22之徑向寬度係小於或等於30微米，其足以噴出奈米尺寸之液態金屬6。此外，由於本發明以奈米液態金屬為原料，其可以適用一般噴墨列印技術之壓電式噴頭，其不需將噴墨頭加熱，更容易控制墨點的形狀和大小，且更耐用而不易損傷噴頭，而配合不同色料之液態成分，可噴印出不同顏色之液態金屬6。
續請參閱第一圖，加溫平台3位於噴頭21之正下方，用以承接由噴頭21噴出之液態金屬6，於此較佳實施中，加溫平台3包括一金屬板31及一貼合於金屬板31之底側的電路板32(如第二圖所示)，其中電路板32上佈設有複數金屬導線321，該複數金屬導線321可為金屬銅線，其藉由電流導通加熱增溫。特別說明的是，金屬板31為鋁質材料，其具有良好的導熱性，而複數金屬導線321貼靠於金屬板31，使金屬板31吸收金屬導線321之熱量而增加溫度，其中所需加熱之溫度依據液態金屬6的成分不同而有改變。
請參閱第三圖，處理腔室4安裝有一降溫裝置5，其用以抽送出處理腔室4內部因加溫平台3產生之高溫熱氣，並將外部空氣送入處理腔室4內，利用自然進氣循環降低處理腔室4內之溫度，避免液態金屬6產生熱脹冷縮之現象；所述降溫裝置5可於處理腔室4的相對二側開設出風口及進風口，且可進一步配置排氣風扇及進氣風扇提升腔室內部的空氣循環。
本發明列印裝置1於使用時，由處理腔室4之控制單元41設定參數及操作，列印模組2依據電腦輔助設計之圖形，將奈米液態金屬6由噴嘴22噴出(如第四圖所示)，並承接於加溫平台3之金屬板31上，此時，列印模組2及加溫平台3依據所欲塑型之圖形，可分別進行x軸、y軸及z軸移動，其中加溫平台3係可以單位為0.1毫米(mm)的最小距離進行縱向位移，換言之，噴嘴22噴料的同時，加溫平台3逐步向下移動，使液態金屬6沉積於金屬板31上；特別的是，加溫平台3於承接液態金屬6前，先行加熱至單一指定溫度，之後再開始承接液態金屬6之噴料，該指定溫度持續至液態金屬6之液態成分62蒸發，以利該些金屬粒子61成型於加溫平台3上之完整成型過程，所述加溫平台3之溫度設定是用以確保液態金屬6成型時之材料穩定度，該指定溫度以200至300℃之間為佳；舉例而言，若液態金屬6為奈米鈦金屬合金，則金屬板31之溫度須維持在280℃，正負容許為3℃，直至金屬板31上之液態金屬完全成型。
綜上所述，本發明列印裝置1以特定成分組成之奈米液態金屬6為原料，配合加溫平台3於成型過程中維持一指定溫度，以壓電式噴頭21列印塑形出一立體物件，其具有奈米液態金屬6之高硬度、耐腐蝕性及耐磨耗性等特性，有效解決傳統熱塑性材料於3D列印塑形後，硬度不足、不易形成複雜構形、需後製加工處理等缺點，且由於加溫平台3之高溫配合，本發明可以採用壓電式噴頭21列印，而無需加熱噴頭熔融金屬，解決噴頭容易損壞之問題，進而降低生產及管理成本。
上述詳細說明為針對本發明一種較佳之可行實施例說明而已，惟該實施例並非用以限定本發明之申請專利範圍，凡其它未脫離本發明所揭示之技藝精神下所完成之均等變化與修飾變更，均應包含於本發明所涵蓋之專利範圍中。
1‧‧‧列印裝置
2‧‧‧列印模組
20‧‧‧噴頭載板
21‧‧‧噴頭
22‧‧‧噴嘴
23‧‧‧原料供應管
3‧‧‧加溫平台
31‧‧‧金屬板
32‧‧‧電路板
321‧‧‧金屬導線
4‧‧‧處理腔室
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第一圖為本發明之列印裝置之立體架構示意圖。 第二圖為本發明之一加溫平台之示意圖。 第三圖為本發明之列印裝置設於一處理腔室之示意圖。 第四圖為本發明之列印裝置之一使用狀態示意圖。
Claims (9)
- 一種用於成型液態金屬之列印裝置，該列印裝置包括： 一列印模組，包括至少一噴頭，該列印模組之一端連接有至少一原料供應管，該原料供應管內填充有該液態金屬，其主要由若干金屬粒子及一液態成分所組成；及 一加溫平台，係位於該噴頭之下方，用以承接由該噴頭噴出之該液態金屬，且該加溫平台於承接該液態金屬前，先行加熱至單一指定溫度，其持續至該液態金屬之液態成分蒸發，以利該些金屬粒子於加溫平台上之成型過程。
- 如申請專利範圍第1項所述之列印裝置，其中該加溫平台包括一金屬板及一貼合於該金屬板之電路板，該電路板上佈設有複數金屬導線，該複數金屬導線藉由電流導通加熱，使該金屬板達到該單一指定溫度。
- 如申請專利範圍第1項所述之列印裝置，其中該列印裝置係設置於一處理腔室內，該處理腔室安裝有一降溫裝置，其用以抽送出該處理腔室內部因該加溫平台產生之高溫熱氣，並將外部空氣送入該處理腔室內，利用自然進氣循環降低該處理腔室內之溫度，避免該液態金屬產生熱脹冷縮。
- 如申請專利範圍第1項所述之列印裝置，其中該些金屬粒子主要由鋯、鎳、鋁、銅及鈦所組成。
- 如申請專利範圍第1項所述之列印裝置，其中該至少一噴頭具有一噴嘴，其徑向寬度係小於或等於30微米。
- 如如申請專利範圍第1項所述之列印裝置，其中該液態金屬之每一金屬粒子具有奈米等級之粒子寬度。
- 如申請專利範圍第1項所述之列印裝置，其中該加溫平台係可於該液態金屬之成型過程中進行縱向之位移，該位移之單位距離為0.1毫米。
- 如申請專利範圍第1項所述之列印裝置，其中該至少一噴頭為壓電式噴頭。
- 如申請專利範圍第1項所述之列印裝置，其中該加溫平台加熱後之該指定溫度為攝氏200至300度之間。
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