TW202116706A - 陶瓷材料的成型方法 - Google Patents

Abstract

一種陶瓷材料的成型方法應用於三維列印陶瓷工藝。陶瓷材料的成型方法包含以下步驟：提供陶瓷粉末；提供奈米粒子溶膠，其包含有金屬氧化物及溶劑；混合陶瓷粉末及奈米粒子溶膠以形成三維列印漿料；鋪設三維列印漿料；以雷射光照射並加熱三維列印漿料，以使三維列印漿料中之奈米粒子溶膠進行化學反應，進而使三維列印漿料成型成陶瓷生胚。本發明之陶瓷材料的成型方法為非直接對陶瓷粉末加熱，因此不會使三維列印漿料產生較大的收縮及變形。

Description

陶瓷材料的成型方法

本發明係關於一種成型方法，尤指一種針對陶瓷材料的成型方法。

傳統的陶瓷成品具有脆且易碎的特性，因此僅應用於藝術觀賞類產品。然而，隨著陶瓷相關產業技術的快速發展，使得陶瓷材料的高硬度、高強度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、耐酸鹼、抗氧化、絕緣及無磁性等優異的特性被發掘且廣泛的應用。

目前陶瓷三維列印成型技術主要可以分為噴墨列印技術(ink-jet printing，IJP)、熔融沉澱技術(fused deposition modeling，FDM)、分層實體製造技術(laminated object manufacturing，LOM)、選擇性雷射燒結技術(selective laser sintering，SLS)和立體光固化技術(stereo lithography appearance，SLA)。其中，熔融沉澱技術(FDM)係以加熱陶瓷材料，讓陶瓷材料軟化後，通過打印噴嘴將陶瓷材料擠出。接著，陶瓷材料經過冷卻後固化以形成陶瓷生胚工件，再以二次燒結形成陶瓷工件。分層實體製造技術(LOM)係先把光固化陶瓷材料製成薄片塗佈在薄膜上面，以雷射光照射光固化陶瓷材料薄片，使其固化後形成所需的形狀。接著再一層一層堆疊成陶瓷生胚工件。選擇性雷射燒結技術(SLS)係使用雷射光微熱源對粉末狀態的材料進行選擇性掃描，使粉末顆粒之間產生燒結作用形成陶瓷生胚工 件。立體光固化技術(SLA)係將陶瓷粉末與紫外光光敏樹脂混合，經由紫外光雷射掃描固化後建構成陶瓷生胚工件。使用上述這些技術進行三維印刷而得的陶瓷坯體經過高溫脫脂和燒結後便可得到陶瓷工件。

然而，在上述技術中，分層實體製造技術(LOM)中，陶瓷生胚工件含有光固化的高分子材料，需要經過燒結後除去，燒除後將會造成陶瓷生胚工件收縮。選擇性雷射燒結技術(SLS)使用雷射光對陶瓷材料進行燒結或直接熔結形成陶瓷工件，由於陶瓷材料所受的雷射能量密度較大，容易造成較大的收縮及變形。立體光固化技術(SLA)採用紫外光光敏樹脂做為黏結劑，在做燒結後去除光敏樹脂時會產生有害人體的氣體，同時會造成陶瓷生胚工件收縮。因此，故需提供一種陶瓷材料的成型方法以避免上述問題。

有鑑於此，本發明之一範疇在於提供一種陶瓷材料的成型方法以解決前述之問題，此成型方法應用於三維列印陶瓷工藝。陶瓷材料的成型方法包含以下步驟：提供陶瓷粉末；提供奈米粒子溶膠，其包含有金屬氧化物及溶劑；混合陶瓷粉末及奈米粒子溶膠以形成三維列印漿料；鋪設三維列印漿料；以雷射光照射並加熱三維列印漿料，以使三維列印漿料中之奈米粒子溶膠進行化學反應，進而使三維列印漿料成型成陶瓷生胚。

其中，金屬氧化物包含有鹼土金屬、鑭系金屬、錒系金屬、過渡金屬和類金屬中至少一者之氧化物。

其中，金屬氧化物包含有鎂、鈣、鍶、鋇、硼、鋁、鎵、銦、鉈、矽、鍺、錫、銻、鉍、鑭系金屬、錒系金屬、鈧、釔、鈦、鋯、鉿、 釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、錳、錸、鐵、釕、鈷、鎳、銅、鋅和鎘中至少一者之氧化物，以及奈米粒子溶膠包含有羥基、自由基及水基中至少一者。

其中，溶劑包含有水、醇類及酮類。

其中，雷射光之波長範圍介於1500至20000nm之間。

其中，於以雷射光照射並加熱三維列印漿料，以使三維列印漿料中之奈米粒子溶膠進行化學反應，進而使三維列印漿料成型之步驟中，更可包含以下子步驟：以雷射光照射三維列印漿料，以使其進行化學反應，並產生水分子；以雷射光加熱水分子，以使水分子蒸發，進而使三維列印漿料去除水分子而固化成型。

其中，於去除未成型之三維列印漿料之步驟後，更包含以下步驟：燒結陶瓷生胚，以形成陶瓷成品。

其中，陶瓷粉末與奈米粒子溶膠之重量比值範圍介於0.1~10之間。

其中，陶瓷粉末與奈米粒子溶膠所形成之三維列印漿料之收縮比率範圍介於1%~10%之間。

其中，陶瓷粉末之尺寸範圍介於50~50000nm之間，而奈米粒子溶膠之尺寸介於20~500nm之間。

相較於現有技術中直接對陶瓷材料加熱或以紫外光照射紫外光光敏樹脂以做為黏結劑的技術，本發明之陶瓷材料的成型方法係利用混合有陶瓷粉末及奈米粒子溶膠的三維列印漿料進行三維列印，且此三維列印固化之方式係利用雷射光加熱，以使奈米粒子溶膠進行化學反應，而將陶瓷粉末包覆及相互黏著，進而形成陶瓷生胚。本發明之陶瓷材料的成 型方法非直接對陶瓷粉末加熱，因此不會造成較大的收縮及變形，且加熱後亦不會產生對人體有害之物質，進而解決現有技術所產生之問題。

S1~S6‧‧‧步驟

S51~S52‧‧‧子步驟

1‧‧‧陶瓷粉末

2‧‧‧奈米粒子溶膠

21‧‧‧金屬氧化物

22‧‧‧溶劑

圖1為根據本發明之一具體實施例之陶瓷材料的成型方法之步驟流程圖。

圖2為根據本發明之另一具體實施例之陶瓷材料的成型方法之步驟流程圖。

圖3為根據本發明之一具體實施例之奈米粒子溶膠縮合示意圖。

圖4為根據本發明之一具體實施例之三維列印漿料成型示意圖。

為了讓本發明的優點，精神與特徵可以更容易且明確地了解，後續將以實施例並參照所附圖式進行詳述與討論。值得注意的是，這些實施例僅為本發明代表性的實施例。但是其可以許多不同的形式來實現，並不限於本說明書所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使本發明的公開內容更加透徹且全面。

在本發明公開的各種實施例中使用的術語僅用於描述特定實施例的目的，並非在限制本發明所公開的各種實施例。如在此所使用的單數形式係也包括複數形式，除非上下文清楚地另外指示。除非另有限定，否則在本說明書中使用的所有術語(包含技術術語和科學術語)具有與本發明公開的各種實施例所屬領域普通技術人員通常理解的涵義相同的涵義。上述術語(諸如在一般使用的辭典中限定的術語)將被解釋為具有與在相同技術領域中的語境涵義相同的涵義，並且將不被解釋為具有理想化的涵義或過於正式的涵義，除非在本發明公開的各種實施例中被清楚地限定。

請參閱圖1，圖1為根據本發明之一具體實施例之陶瓷材料的成型方法之步驟流程圖。如圖1所示，本發明之陶瓷材料的成型方法包含以下步驟：步驟S1：提供陶瓷粉末；步驟S2：提供奈米粒子溶膠，其包含有金屬氧化物及溶劑；步驟S3：混合陶瓷粉末及奈米粒子溶膠以形成三維列印漿料；步驟S4：鋪設三維列印漿料；步驟S5：以雷射光照射並加熱三維列印漿料，以使三維列印漿料中之奈米粒子溶膠進行化學反應，進而使三維列印漿料成型成陶瓷生胚。於一具體實施例中，於步驟S5中，三維列印漿料經由雷射光照射並加熱而進行溶膠-凝膠(Sol-Gel)法，進而使奈米粒子溶膠2具有黏著功能，而得以包覆陶瓷粉末，並使陶瓷粉末相互黏著。

更進一步來說，請參閱圖2，圖2為根據本發明之另一具體實施例之陶瓷材料的成型方法之步驟流程圖。如圖2所示，步驟S5更進一步包含以下子步驟：步驟S51：以雷射光照射三維列印漿料，雷射光的能量會使奈米粒子溶膠中的羥基產生聚合反應，並產生水分子；步驟S52：以雷射光加熱水分子，以使水分子蒸發，進而使三維列印漿料去除水分子而固化成型。溶膠-凝膠(Sol-Gel)法係利用高化學活性組份的化合物作為前軀體，在液相下將原料混合均勻後，進行水解反應及縮合反應，進而在溶液中形成穩定的透明凝膠體系。溶膠經陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網絡結構的凝膠。凝膠經過乾燥、燒結固化即可製備出分子乃至奈米亞結構的材料。

本發明之奈米粒子溶膠中所含之金屬氧化物及溶劑可藉由雷射光照射而進行溶膠-凝膠(Sol-Gel)法，而使奈米粒子溶膠進行水解反應及縮合反應進而產生水分子。於一具體實施例中，當使用Si(OR)₄作為金屬 氧化物，則進行以下兩步化學反應：Si(OR)₄+nH₂O

Si(OR)_4-n(OH)_n+nROH

2Si(OR)_4-n(OH)_n

(OR)_4-n(OH)_n-1SiOSi(OH)_n-1(OR)_4-n+H₂O其中，第一步為水解反應，而第二步為縮合反應，進而產生水分子。水分子會因為雷射光加熱而蒸發，進而使三維列印漿料去除水分子而固化成型。最後再經由步驟S6：燒結陶瓷生胚，以形成陶瓷成品。

請參閱圖3及圖4，圖3為根據本發明之一具體實施例之奈米粒子溶膠2縮合示意圖，圖4為根據本發明之一具體實施例之三維列印漿料成型示意圖。如圖3所示，奈米粒子溶膠2包含有金屬氧化物21及溶劑22，且可藉由特定波長的雷射光照射，而進行水解、聚合和縮合反應，進而轉變成高黏性膠體。於實際應用中，由於上述之溶劑22的吸收波長範圍介於1000至20000nm之間，因此上述之雷射光的特定波長的範圍可以介於1500至20000nm之間。於一實施例中，雷射光可包含有二氧化碳雷射光及二極體雷射光中之一者。由於奈米粒子溶膠2經過化學反應之後，會提高三維列印漿料中的無機網絡的偶聯度，因此將此特性應用於陶瓷材料上，可以提高陶瓷成品的機械強度。將奈米粒子溶膠2與陶瓷粉末1混合後，奈米粒子溶膠2可以作為陶瓷粉末1的黏著劑。經由雷射光照射後，奈米粒子溶膠2則會形成凝膠而作為陶瓷生胚的支撐材料。最後在燒結過程中，三維列印漿料將形成具有陶瓷粉末1的新晶體結構。其中，由於經過了水解反應、縮合反應及蒸發水分子，因此自三維列印漿料的體積會收縮而較陶瓷生胚時的體積小，而此收縮率可以藉由奈米粒子溶膠2與陶瓷粉末1間之比例來進行控制及調整。於一具體實施例中，陶瓷粉末1與奈米粒子溶膠2之重量比值 範圍介於0.1~10之間。而陶瓷粉末1與奈米粒子溶膠2所形成之三維列印漿料之收縮比率範圍介於1%~10%之間。於較佳實施例中，陶瓷粉末1與奈米粒子溶膠2所形成之三維列印漿料之收縮比率範圍介於2%~5%之間。

於一具體實施例中，本發明之陶瓷材料的成型方法除了可以將三維列印漿料成型成陶瓷生胚，亦可以應用於一次燒結之製程。換言之，本發明之陶瓷材料的成型方法中，於步驟S52，可以雷射光加熱去除水分子以固化成生胚外，另可以以雷射光加熱至燒結，進而形成陶瓷成品。

於一具體實施例中，上述之金屬氧化物21包含有鹼土金屬、鑭系金屬、錒系金屬、過渡金屬和類金屬中至少一者之氧化物。進一步來說，金屬氧化物21可包含有鎂、鈣、鍶、鋇、硼、鋁、鎵、銦、鉈、矽、鍺、錫、銻、鉍、鑭系金屬、錒系金屬、鈧、釔、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、錳、錸、鐵、釕、鈷、鎳、銅、鋅和鎘中至少一者之氧化物。奈米粒子溶膠2則包含有羥基、自由基及水基中至少一者。溶劑22包含有水、醇類及酮類。於實際應用中，溶劑22包含有水、甲醇、乙醇及丙酮，但不以此為限。其中，陶瓷粉末1之尺寸範圍介於50~50000nm之間，而奈米粒子溶膠2之尺寸介於20~500nm之間。

相較於現有技術，本發明之陶瓷材料的成型方法係利用混合有陶瓷粉末1及奈米粒子溶膠2的三維列印漿料進行三維列印，且此三維列印固化之方式係利用雷射光照射，以使奈米粒子溶膠2進行溶膠-凝膠反應，而將陶瓷粉末1包覆及相互黏著。此外，更可進一步藉由雷射光加熱而使陶瓷生胚中的水分子蒸發，進而形成陶瓷生胚。本發明之陶瓷材料的成型方法以非直接對陶瓷粉末1加熱的方式成型，因此不會造成較大的收縮及變 形，且加熱後亦不會產生對人體有害之物質，進而解決現有技術所產生之問題。

藉由以上具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

S1~S5‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種陶瓷材料的成型方法，應用於三維列印陶瓷工藝，該陶瓷材料的成型方法包含以下步驟：

   提供一陶瓷粉末；

   提供一奈米粒子溶膠，其包含有一金屬氧化物及一溶劑；

   混合該陶瓷粉末及該奈米粒子溶膠以形成一三維列印漿料；

   鋪設該三維列印漿料；以及

   以一雷射光照射並加熱該三維列印漿料，以使該三維列印漿料中之該奈米粒子溶膠進行化學反應，進而使該三維列印漿料成型成一陶瓷生胚。
2. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷材料的成型方法，其中該金屬氧化物包含有鹼土金屬、鑭系金屬、錒系金屬、過渡金屬和類金屬中至少一者之氧化物。
3. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷材料的成型方法，其中該金屬氧化物包含有鎂、鈣、鍶、鋇、硼、鋁、鎵、銦、鉈、矽、鍺、錫、銻、鉍、鑭系金屬、錒系金屬、鈧、釔、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、錳、錸、鐵、釕、鈷、鎳、銅、鋅和鎘中至少一者之氧化物，以及該奈米粒子溶膠包含有羥基、自由基及水基中至少一者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷材料的成型方法，其中該溶劑包含有水、醇類及酮類。
5. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷材料的成型方法，其中該雷射光之波長範圍介於1500至20000nm之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷材料的成型方法，其中於以該雷射光照射並加熱該三維列印漿料，以使該三維列印漿料中之該奈米粒子溶膠進行化學反應，進而使該三維列印漿料成型之步驟中，更包含以下子步驟：

   以該雷射光照射該三維列印漿料，以使其進行化學反應，並產生一水分子；以及

   以該雷射光加熱該水分子，以使該水分子蒸發，進而使該三維列印漿料去除該水分子而固化成型。
7. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷材料的成型方法，其中於去除未成型之該三維列印漿料之步驟後，更包含以下步驟：

   燒結該陶瓷生胚，以形成一陶瓷成品。
8. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷材料的成型方法，其中該陶瓷粉末與該奈米粒子溶膠之重量比值範圍介於0.1~10之間。
9. 如申請專利範圍第8項所述之陶瓷材料的成型方法，其中該陶瓷粉末與該奈米粒子溶膠所形成之該三維列印漿料之收縮比率範圍介於1%~10%之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述之陶瓷材料的成型方法，其中該陶瓷粉末之尺寸範圍介於50~50000nm之間，而該奈米粒子溶膠之尺寸介於20~500nm之間。

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