TW506868B - Method of and apparatus for making a three-dimensional object - Google Patents

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506868 A7 B7 五、發明説明（1) 發明背景 1.發明領域 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明相關於製造一三維物件的方法及設備，其中 目標物件是藉著以一光束來燒結及硬化粉末材料而獲得 〇 2 .相關技術的敘述 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 曰本專利第262035 3號揭示一種被稱爲光成形的製造 三維物件的方法。根據此專利，如圖21 A所示，光束L首 先照射在爲有機材料或無機材料的一粉末材料構成的一 粉末材料層的一預定部份上以形成一燒結層丨丨。然後， 如此獲得的燒結層1 1被一新的粉末材料層覆蓋，並且光 束L照射在新層的一預定部份上以形成與下方的燒結層 11結合的一新的燒結層11。這些過程被重複執行以形成 一燒結物品或三維物件，其中多個燒結層丨丨穩固地一個 疊置在另一個之上。根據此方法，光束L的照射是根據 藉著將三維物件的設計資料（CAD資料）的模型切塊成 爲想要的厚度而獲得的每一層的剖面形式資料來實施。 因此’在沒有CAM裝置之下，與使用切割作業下的方法 相比’上述的方法可被用來製造任意形狀的三維物件以 及快速地獲得具有想要的形狀的任何成形物件。 但是，根據此方法，如圖21 A所示，不需要的粉末 1 5由於傳送自燒結及硬化的部份的熱而黏著於燒結及硬 化的部份，因而在成形物件上形成低密度的表面層丨6。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 晒4麵 506868 A7 B7 五、發明説明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 日本專利公開公告（未審查）第2000-73 1 08號揭示 移除由於燒結層11的疊置而導致的如圖21 B所示的階梯 狀外部部份。但是，即使階梯狀外部部份已被移除，如 圖21C所示，低密度表面層16仍然存留，因而不能獲得 平滑的外表面。 另外，除非使燒結層在燒結期間具有充分的密度（ 例如小於5 %的孔隙度），否則階梯狀外部部份的移除不 會導致平滑的外表面，因爲甚至是在此移除之後，孔隙 會出現在燒結層的表面上。 並且，在成形物件完工以在成形之後移除低密度表 面層的情況中，取決於成形物件的形狀，對於完工工具 有一些限制。舉例而言，有時無法切割相當深且窄的凹 槽，因爲小直徑的工具具有長度的限制。在此情況中， 需要有額外的放電切削，造成就時間及成本而言的問題 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另外，因爲整個三維物件是藉著粉末燒結方法來製 造，或是因爲每一粉末層是藉著以雷射射束照射而被燒 結，所以取決於要被製造的三維物件的形狀，有時要花 費很長的時間。 發明槪說 本發明被開發來克服上述的不利點。 因此，本發明的目的爲提供可以短時間來製造三維 物件的創新的方法及設備。 ^氏張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） " 506868 A7 B7 五、發明説明（3) 本發明的另一目的爲提供上述類型方法及設備，其 可以低成本平滑地完工物件表面，不論其形狀如何。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 爲達成上述及其他目的，根據本發明的方法包含的 步驟爲（a )將一光束照射在一粉末層的一預定部份上， 以形成一燒結層；（b )以一新的粉末層覆蓋該燒結層 ;(c )將該光束照射在該新的粉末層的一預定部份上， 以形成已經與下方的該燒結層結合的另一燒結層；（d )重複步驟（b )及（c )以形成結合在一起的多個燒結 層，其具有比該三維物件的目標形狀的尺寸大的尺寸； 及（e )在步驟（d )的期間移除當時形成的成形物件的 一^表面區域。 因爲步驟（e )是在步驟（d )的期間執行，所以可 在不受完工機器的尺寸例如鑽頭的長度或類似者的任何 限制之下來完工物件表面。 根據本發明的方法可另外包含在步驟（a )之前的步 驟（a 1 )在一燒結台上放置構成該三維物件的一下方結 構的一底座；（a2 )切削該底座；及（a3 )使該底座與 一光束照射位置對準。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 底座的設置省略了形成及燒結相應於底座的厚度的 某一數目的粉末層，因而可減少以往經由多個燒結過程 來製造的三維物件的製造所需時間。底座的設置對於製 造具有有高的高寬比的窄凹槽的三維物件也很有效。 在步驟（a 1 )之前，切削該底座所需的時間與形成 具有與該底座相同的形狀的多個燒結層所需的時間比較 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) ™ -6 - 506868 A7 ________ B7__. 五、發明説明（4 ) ’並且如果判定前者比後者短，則製造該底座。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如果底座具有一些燒結層可形成在內部的凹部或是 最下方的燒結層可形成在上面的均勻表面，則底座與燒 結層之間的黏結強度可增加。 被移除的該表面區域最好具有比藉著將粉末材料黏 著於燒結層而產生的一低密度表面層的厚度大的厚度。 藉此，物件表面可被平滑地完工。 如果燒結層是藉著移除該表面區域而暴露，則暴露 表面具有高密度且因而平滑。 在表面區域的移除是藉著切割來執行的情況中，最 好是在步驟（e )之前，一光束照射在要被移除的部份上 以使該部份軟化。光束的照射作用來減小切割力，因而 可減少切割時間及延長切割工具的壽命。 表面區域的移除可藉著雷射來執行。 有利地，在步驟（e )之後，將一光束照射在成形物 件的該表面區域已經被移去的部份上，以因而增加該部 份的密度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 燒 C 未驟 的步 圍在 周屑 層切 結的 燒生 ， 產 地而 利域 有區 次面 再表 該 除 移 於 由 或 末 粉 的 士口 除 移 被 間 期 的 b 影 藉地 害 有 屑 切 種 此 被 會 不 層 末 粉 的 新 的 成 形 後 之 此 在. 被粉 f的 之結 e)燒. C 未 驟與 。 步會用 在屑使 可切新 末何重 粉任被 的有可 結沒末 燒爲粉 未因的 的，結 圍中燒 周況未 層情以 結此所 燒在， 。 合 除混 本紙張尺度適用中周國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 506868 A7 ___ B7 _ 五、發明説明（5 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在步驟（e )之後，可將樹脂或鱲充塡在未燒結的粉 末或切屑已經被移除的空間內。樹脂或蠘的使用可在新 的粉末層隨後形成時減少粉末的量。 在步驟（e )之前，可藉著凍結或使用樹脂或蠘來固 化未燒結的粉末。在此情況中，不須任何粉末材料的重 新充塡，並且可在毫無困難之下只移除切屑。 另一方面，根據本發明的設備包含一粉末層形成單 元’用來形成一粉末層；一燒結層形成單元，用來藉著 將一光束照射在該粉末層的一預定部份上而形成一燒結 層；一距離調節器，用來調節該燒結層形成單元與該燒 結層之間的距離；及一表面層移除單元，用來移除具有 比該燒結層的密度低的密度的一表面層。 具有上述構造的設備有助於增進物件表面的品質。 此設備可另外包含被保持成爲靠近該粉末層形成單 元的一排放單元，用來排放由該表面層移除單元產生的 未燒結的粉末或切屑。此排放單元作用來防止新的粉末 層被切屑有害地影響。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 排放單元可具有作用來將該排放單元沿著要成形的 每一平面的一輪廓線移動的一驅動單元。 圖式簡要敘述 從以下參考圖式的本發明的較佳實施例的敘述可使 本發明的以上及其他目的及特徵更爲顯明，在圖式中相 同的部份由相同的參考數字來標示。 本紙張尺度適用中酬家標準（CNS ) A4規格(21GX297公釐)— ~ 506868 A7 B7 五、發明説明（6 ) 圖1爲根據本發明的第一實施例的製造三維物件的設 備的立體圖。 圖2爲正被製造的三維物件的示意圖。 圖3爲顯示如何製造三維物件的資料流程。 圖4爲具有筒密度表面區域的模型的示意圖。 圖5 A爲多個燒結層的直立剖面圖。 圖5 B爲表面區域已經被移除之後的多個燒結層的直 立剖面圖。 圖6 A爲具有均与的過量厚度的成形物件的直立剖面 圖。 圖6B爲類似於圖6A的視圖，顯示具有有變化的過量 厚度的另一成形物件。 圖7爲類似於圖6A的視圖，顯示當目標物件具有緩 和的斜率時切割的直立節距。 (請先閲讀背面之注意事 4 項再填· 裝！ :寫本頁) 訂- 被 正 份 部 的 前 之 具 Η 割 切 在 位 就 的 件 物 形 成 當 爲 在 射 照 正 束 光 當 示 。 顯 圖係 體其 立 ， 的圖 件視 物的 形； 成 的 時 射 照 圖束圖 光 圖 於 似 類 爲 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 已 具圖 工爲 割10 切圖 在 就 時 之 上 份 部 的 後 之 過 通 經 圖 SB 立 的 正 修 的 備 設 的 示 所 意 示 。 的 圖嘴 體噴 立吸 的抽 正的 修方 一上 另的 的件 備物 設形 的成 示在 所置 1設· 圖爲 爲 A 1—* OAW 遍............丄 1IX 圖 圖. 圖 的 嘴 噴 吸 抽一 , 另 的 方 上 的 件 物 形 成 在 置 設 爲 B 2 Ο 11- 圖圖 意 示 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 506868 Μ __ __ Β7 _ 五、發明説明（7 ) 圖13A爲與粉末槽連通的抽吸噴嘴的示意圖。 圖13B爲類似於圖13A的視圖，其係在抽吸噴嘴與切 屑槽連通的情況中。 圖1 4 A爲當未燒結的粉末已經被移除的空間被樹脂 或蠟充塡時的成形物件的直立剖面圖。 圖14B爲類似於圖14A的視圖，其係顯示當新的粉末 層形成在圖14A的成形物件上之時。 圖14C爲類似於圖14A的視圖，但是顯示未燒結的粉 末藉著凍結而固化的情況。 圖1 5爲安裝在用來驅動整平刀片的驅動單元上的抽 吸噴嘴的示意圖。 圖16A爲安裝在專用的XY驅動單元上的抽吸噴嘴的 立體圖。 圖1 6 B爲類似於圖1 6 A的視圖，顯示安裝在表面層移 除單元的XY驅動單元上的抽吸噴嘴。 圖1 7爲根據本發明的第二實施例的製造三維物件的 設備的立體圖。 圖18A至18D爲顯示如何在一底座上形成多個燒結層 的示意圖。 圖1 9爲當想要照射光束的位置正與光束已經實際照 射的位置對準時的底座的頂視圖。 圖20爲三維物件的例子的示意圖。 圖2 1 A爲多個燒結層的直立剖面圖，顯示黏結有不 需要的粉末的狀態。 本紙張尺度適用中國國家標準( CNS ) A4規格（210X297公釐） — ~ -10- 丨---------裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 506868 A7 _____B7 _ 五、發明説明（8 ) Η 2 1 B爲具有階梯壯外部部份的多個燒結層的剖面 圖。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖2 1 C爲在階梯狀外部部份已經被移除之後的多個 燒結層的剖面圖。 元件對照表 2 粉末層形成單元 3 燒結層形成單元 4 表面層移除單元 5 驅動單元 10 粉末層 11 燒結層 12 高密度區域 15 不需要的粉末 16 表面層 18 固化部份 20 燒結台 2 1 整平刀片 22 底座 30 雷射射束產生器 3 1 偏轉器 3 5 照射頭 36 光纖 40 ΧΥ驅動單元 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -11 - 506868 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（9 ) A7 B7 41 完工機器 41 銑刀頭 44 工具 50 空氣泵 5 1 抽吸噴嘴 52 粉末槽 53 切屑槽 54 噴嘴 5 5 XY驅動單元 60 控制器 62 對準單元 64 照相機 A 位置 B 位置 C 部份 D 部份 L 光束，雷射射束 Μ 想要的形狀 Ν 內部區域 S 表面區域 Δ tl 厚度 較佳實施例的詳細敘述 本案是根據分別在2000年10月5日及200 1年6月26日 申請的日本申請案第2000-306546號及第2001-192121號， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x297公董） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂 506868 A7 ______ B7 五、發明説明（10) 二者的內容藉著參考整個結合於此。 以下參考圖式，圖1顯示根據本發明的第一實施例的 製造三維物件的設備。圖中所示的設備包含用來形成粉 末層1 0的粉末層形成單元2 ’用來形成燒結層1 1的燒結層 形成單元3，以及用來移除低密度表面層的表面層移除 單元4。粉末層形成單元2形成具有想要的厚度△ 11的粉 末層1〇，其係藉著將有機或無機粉末材料供應至在由一 缸筒環繞的空間內直立移動的燒結台2 〇上，以及藉著使 用整平刀片21來整平粉末材料。燒結台2〇由驅動單元5驅 動以上下移動。燒結層形成單元3藉著將從一雷射射束 產生器30射出的雷射經由包含偏轉器3 1及類似者的掃描 光學系統而照射在粉末層1 0上來形成燒結層1 1。一雷射 .震盪器較佳地被使用成爲雷射射束產生器30。表面層移 除單元4包含安裝在其底座上的χγ驅動單元40，以及安 裝在XY驅動單元40上的完工機器41。XY驅動單元40以使 用線性馬達被高速驅動較佳。一鍍鋅鏡較佳地被使用成 爲偏轉器3 1。例如爲端銑刀或鑽機，雷射射束機，或用 來藉著對一物件噴燒結粉末而相對於該物件執行塑性加 工的噴砂機的切割機器較佳地被使用成爲完工機器4 1。 可使用極性座標驅動單元來取代XY驅動單元40。 圖2顯示姐何使用上述的設備來製造三維物件。如圖 所示，有機或無機粉末材料首先被供應至安裝在燒結台 2 0上的底座2 2上，此底座2 2被採用成爲用來調節燒結層 形成單元3與燒結層之間的距離的距離調節器。然後， Ϊ紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13- 506868 A7 B7 五、發明説明（11) (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 供應至底座22上的粉末材料被整平刀片21整平，以形成 第一粉末層1 0，並且光束（雷射射束）L照射在第一粉 末層1 0的想要的部份上以加以燒結，因而形成與底座2 2 結合的燒結層1 1 〇 然後，燒結台20下降預定長度，並且第二粉末層1〇 藉著再次供應粉末材料及藉著使用整平刀片2 1來加以整 平而形成。光束L再次照射在第二粉末層1 〇的想要的部 份上來將其燒結’因而形成與下方的燒結層1 1結合的另 一燒結層1 1。 在燒In台2 0已經降低之後的形成新的粉末層1 〇的 過程及將光束L照射在新的粉末層1 〇的想要的部份上以 形成新的燒結層1 1的過程被重複地執行，因而製造三維 物件。具有大約2 0 // m (微米）的平均直徑的大致球形 的鐵粉末粒子較佳地使用成爲粉末材料，並且C 〇 2 (二 氧化碳）雷射較佳地被使用成爲光束。每一粉末層10的 較佳厚度△ tl爲大約〇.〇5mm (毫米）。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖3顯示根據本發明的資料流程的例子。此資料流程 使想要的三維C A D模型具有兩種資料，亦即指示雷射照 射路徑的資料以及指示切割路徑的資料。這些路徑是從 預先被設計來指示想要的形狀的三維C A D資料製備。 雷射照射路徑大致上與傳統成形方法中相同，其中 目標形狀是由已經藉著在相等的節距（在此實施例中爲 005mm )處將從二維CAD模型產生的STL資料切塊而獲得 的每一區段的輪廓資料來界定。輪廓資料與雷射照射條 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）" -14 - 506868 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（12 ) 件（掃描速率，點直徑，功率，及類似者）相加來產生 新的資料，而此資料又被送至完工製程。 切割路徑爲在考慮要被使用在三維C AM中的完工工 具的直徑，種類，進給率，旋轉速率等之下獲得的路徑 。指示此路徑的資料也被送至完工製程。 指示雷射照射路徑的資料被用在雷射燒結過程中， 而指示切割路徑的資料被用在高速切割過程中。此二過 程被重複執行以完成目標物件。 光朿的照射最好實施成使得三維物件的至少表面區 域被燒結成具有高密度（例如小於5 %的孔隙度）。其原 因爲即使表面層藉著表面層移除單元4而被移除，並且 如果表面區域具有低密度，則在表面移除過程之後暴露 的表面仍然爲多孔狀。因此，模型資料被分成甩於表面 區域S的資料以及用於內部區域N的資料，如圖4所示， 並且光束是在當於粉末材料的大部份熔化時內部區域N 成爲多孔狀且表面區域S成爲高密度的條件下照射。 在圖5A中，參考數字12標示高密度區域，並且參考 數字1 6標示如上所討論的藉著粉末材料的黏著產生的低 密度表面層。位在高密度區域1 2內部的內部部份具有比 高密度區域1 2的密度低但是比低密度表面層1 6的密度高 的密度。 在多個燒結層1 1的形成期間，當其總厚度達到已經 從例如銑刀頭41的工具長度決定的特定値時，表面層移 除單元4被啓動來切割在當時已經成形的三維物件的表 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_， (請先閲讀背面之注意事_ 4 >項再填· 寫本頁) 裝· 訂 506868 A7 B7 五、發明説明（13) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 面。例如，具有lmm的直徑以及3mm的有效刀片長度的 銑刀頭41的工具（圓頭槽銑刀（ball end mill ))可達成 3mm的深度的切割。因此，如果粉末層ι〇的厚度△ tl爲 0.05mm，則當已經形成六十個燒結層11時，表面層移除 單元4被啓動。 如圖5A所示，此種表面層移除單元4可移除由於粉 末的黏著於成形物件的表面所產生的低密度表面層1 6， 並且可同時切去高密度區域1 2的一部份，因而在成形物 件的整値表面上暴露高密度區域1 2，如圖5 B所示。爲此 ，燒結層1 1的形狀形成爲比想要的形狀Μ的尺寸稍大的 尺寸。 舉例而言，當光學雷射L在以下所給的條件下沿著 .想要的輪廓線照射時，每依燒結層1 1的水平尺寸（寬度 )成爲比想要的形狀Μ的尺寸大大約0.3mm。 雷射功率：200W (瓦特） 雷射點直徑：0.6 m m 掃描速率：50mm/s (毫米/秒） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於直立方向的過量厚度可與於水平方向的過量厚度 相等或不同。燒結層1 1的形狀的直立尺寸是藉著修改指 示想要的形狀Μ的直立尺寸的原始資料而獲得。 圖6Α顯示於水平方向的過量厚度與於直立方向的過 量厚度大致相同的情況，而圖Β顯示於水平方向的過量 厚度與於直立方向的過量厚度不同的情況。在圖6Α及6Β 中’虛線表示燒結層1 1的形狀，而實線表示想要的形狀 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 506868 A7 B7 ___ 五、發明説明（14) Μ。 如先前所述，切割路徑以及雷射照射路徑是從三維 CAD資料製備。雖然切割路徑是根據所謂的輪廓線處理 來決定，但是切割路徑的直立節距並非永遠必須與燒結 期間的疊層節距相同。如果目標物件具有如圖7所示的 緩和斜率，則平滑的表面可藉著減小直立節距而獲得。 在切割是使用具有1 mm的直徑的圓頭槽銑刀來執行 的情況中，工具的切割深度’進給率，及旋轉速率最好 分別被設定爲0.1至〇.5mm，5至50m/min (公尺/分鐘）， 及 20,000至 1 00,00(^?]11。 切割可以用如圖8所示的方式來執行。更明確地說， 就位在工具44之前的物件的部份被具有小能量密度的光 束（雷射射束）L照照射及加熱，使得該部份可被射束 軟化。藉著以工具44來切割軟化的部份，切割力減小， 因而可減少切割時間及延長工具4 4的壽命。 並且，如圖9所示，光束L可立即照射在工具44剛通 過之後的部份上。藉此，此部份被熔化及硬化或熱處理 ，因而增加密度。 圖10顯示圖1所示設備的修正。圖10所示的設備包含 安裝在表面層移除單元4的XY驅動單元40上的照射頭35 ，以經由光纖36輸出從燒結層形成單元3的雷射射束產生 器3 0接收的光束。此構造有助於減少零件數目。 圖1 1顯示圖1所示的設備的另一修正。圖1 1所示的設 備包含設置在完工機器41的附近的抽吸噴嘴51，以及連 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 、?τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 506868 A7 B7 __ 五、發明説明（15 ) 接於抽吸噴嘴5 1的空氣泵5 0 °抽吸噴嘴5 1作用成爲用來 與切割同時地排放未燒結的粉末或切屑的排放機構。抽 吸噴嘴5 1的設置很有效，因爲不只是未燒結的粉末或切 屑會阻礙表面層移除單元4的移除作業’並且切屑有時 也會被整平刀片2 1捕捉而使整平刀片2 1無法形成平坦的 粉末層10。在切屑被捕捉在整平刀片21與成形物件之間 的情況中，有時會造成整平刀片2 1不動。 圖12A顯示連接於空氣泵50的抽吸噴嘴51與銑刀頭41 設置成爲相鄰的方式的情況，而圖1 2 B顯示銑刀頭4 1以 同心的方式設置在抽吸噴嘴5 1內的情況。亦即，在兩種 情況中，抽吸噴嘴5 1被保持成爲非常接近銑刀頭4 1。 如圖13A及13 B所示，抽吸噴嘴51可被設計成爲選擇 性地與粉末槽52或切屑槽53連通。在此情況中，在切割 之前，使抽吸噴嘴5 1與粉末槽5 2連通’以將未燒結的粉 末引至槽內，而與切割同時地，使抽吸噴嘴5 1與切屑槽 5 3連通，以將切屑引至槽內。藉此，沒有任何切屑會混 入未燒結的粉末內，因而可重新使用未燒結的粉末。 同時，如果未燒結的粉末藉著抽吸噴嘴5 1而被抽吸 及移除，則在移除未燒結的粉末之後，必須有大量的粉 末來在燒結層1 1上形成新的粉末層1 〇。因此，在移除未 燒結的粉末的過程重複數次的情況，變成必須在每一次 燒結之前，將粉末充塡至未燒結的粉末已經被移除的整 個空間內，因而導致時間的重大損失。 爲解決此問題，可用樹脂或蠟來充塡此空間，而樹 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 25>7公釐） 丨---------裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 506868 A7 B7 五、發明説明（16) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 脂或鱲又被固化而形成固化部份1 8 ’如圖1 4 A所示。在 此情況中，下一粉末層1 〇形成在最上方的燒結層1 1及固 化部份18上，如圖14B所示，因而可減少所需的粉末量 ，並且防止切屑混入未燒結的粉末。 或者，未燒結的粉末可藉著凍結而被固化，例如藉 著從噴嘴54向其吹送液體氮，如圖14C所示。如果必要 ，含有水分的氣體可與液體氮一起使用。 雖然在上述的實施例中，切割工具被採用於表面層 移除單元4中，但是可採用高功率雷射。舉例而言，具 有大於10kW的峰値輸出的Q切換YAG雷射可藉著將低密 度表面層16即時蒸發而移除低密度表面層16。另外，要 被移除的部份不限於低密度表面層1 6。即使原先不需要 的部份根據目標物件的形狀產生，此部份也可被移除。 如圖1 5所示，抽吸噴嘴5 1最好被安裝在粉末層形成 單元2中的用來驅動整平刀片2 1的驅動單元上。此構造使 抽吸噴嘴5 1不須有任何專用的驅動機構，因而可簡化設 備的結構。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另一方面，抽吸噴嘴51可被安裝在專用的XY驅動單 元55上，如圖16A所示，或是在表面層移除單元4的XY驅 動單元40上，如圖16B所示。XY驅動單元40或55被設計 成在完工機器4 1的前方移動抽吸噴嘴5 1，並且作用來將 抽吸噴嘴5 1沿著要成形的每一平面的輪廓線移動，使得 燒結層1 1周圍的未燒結的粉末可藉著抽吸噴嘴5 1而被移 除。此構造防止表面層移除單元4捕捉未燒結的粉末， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） " —Ί Q — 506868 A7 B7 五、發明説明（17) 因而可獲得局度準確的表面。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖1 7顯示根據本發明的第二實施例的製造三維物件 的設備。圖中所示的設備包含用來形成粉末層丨〇的粉末 層形成單元2’用來形成燒結層丨1的燒結層形成單元3， 以及用來移除低密度表面層的表面層移除單元4。粉末 層形成單元2形成具有想要的厚度△ 11的粉末層1 〇，其係 藉著將有機或無機粉末材料供應至在由一缸筒環繞的空 間內直立移動的燒結台20上，以及藉著使用整平刀片21 來整平粉末材料。燒結台20由驅動單元5驅動以上下移動 。燒結層形成單元3藉著將從一雷射射束產生器30射出的 雷射經由包含偏轉器3 1及類似者的掃描光學系統而照射 在粉末層10上來形成燒結層11。表面層移除單元4包含安 裝在其底座上的XY驅動單元40，以及安裝在XY驅動單元 40上的完工機器41。圖17所示的設備另外包含用來控制 上述的單元及裝置的控制器60，並且也包含具有用來獲 得燒結台20上的影像資料的照相機64以及由控制器60執 行的對準程式的對準單元62。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在使用上述設備來製造具有想要的形狀的三維物件 時，首先製造具有相應於三維物件的整個下方結構的形 狀或其一部份的形狀的形狀的底座22。底座22可由可與 形成在其上的燒結層結合的任何材料構成。 如圖18A所示，底座22被放置在燒結台20上，並且藉 著完工機器4 1來相對於其實施所需的切削。此切削是根 據指示切削後的形狀的資料來實施，此資料已經藉著先 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 506868 Α7 Β7 五、發明説明（18) 行對三維物件的CAD資料施加預定條件而獲得。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在切削之後，如圖1 8B所示，照相機64打開，以藉著 獲得影像資訊及偵測從上方觀看時的輪廓線來證實底座 22在燒結台20上的位置，使得雷射照射位置可與底座22 的表面上要開始燒結的位置一致。然後，底座22的表面 以具有小能量密度的光束L來標記，並且藉著照相機64 來獲得標記位置的影像資料。此時，如圖丨9所示，如果 相對於底座22的所想要的光束L的照射位置A偏離光束已 經實際照射的位置B，則控制器6 0偵測底座2 2的座標與 光束照射系統的座標之間的偏差來加以校正。 在上述的對準完成時，如圖18C所示，燒結台20被供 應以粉末材料，而粉末材料又由整平刀片21來整平以形 成具有厚度Δΐΐ的粉末層10。然後，粉末層1〇被光束l照 射’以燒結其想要的區域。在形成粉末層10以及藉著光 束L來將其燒結已經重複執行之後，獲得具有由底座2 2 構成的下方結構以及由一個疊在另一個之上的多個燒結 層1 1構成的上方結構的三維物件，如圖1 8D所示。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 底座22的設置省略了疊置及燒結相應於底座22的厚 度的某一數目的粉末層1 0所需的耗時作業。 如果切削底座22所需的時間比形成具有與底座22相 同的形狀的多個燒結層1 1所需的時間長，則底座22的設 置導致製造三維物件的時間的增加。因此，切削底座22 的過程及形成燒結層1 1的過程預先被模擬，並且如果前 者所需的時間比後者所需的時間短，則採用底座2 2。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 506868 Α7 Β7 五、發明説明（19) 以下爹考圖20所不的結構進一步討論底座22的使用 〇 只有在藉著切削來製造結構的一部份C所需的時間 比藉著疊置多個燒結層1 1來製造所需的時間短，圖20的 結構才被採用成爲底座2 2。相反的，如果藉著切削來製 造部份C所需的時間比藉著疊置燒結層1 1來製造所需的 時間長，則相對於部份D執行切削以產生不具有部份C的 底座22。 雖然已經參考圖式以舉例的方式完全地敘述本發明 ’應注意各種不同的改變及修正對於熟習此項技術者而 言很明顯。因此，除非此種改變及修正離開本發明的精 神及範圍，其應被解讀成爲包含在本發明中。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中周國家標準（CNS ) A4規格（21〇χ297公釐） -22-

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 506868 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1.一種製造一三維物件的方法，包含以下步驟： (a )將一光束照射在一粉末層的一預定部份上，以 形成一燒結層； (b )以一新的粉末層覆蓋該燒結層； (c )將該光束照射在該新的粉末層的一預定部份上 ，以形成已經與下方的該燒.結層結合的另一燒結層； (d )重複步驟（b )及（c )以形成結合在一起的多 個燒結層，其具有比該三維物件的目標形狀的尺寸大的尺 寸；及 (e )在步驟（d )的期間移除當時形成的成形物件的 一表面區域。 2 .如申請專利範圍第1項所述的方法，另外包含在步 驟（a )之前的以下步驟： (a 1 )在一燒結台上放置構成該三維物件的一下方結 構的一底座； (a 2 )切削該底座；及 (a3 )使該底座與一光束照射位置對準。 3 如申請專利範圍第2項所述的方法，另外包含在步 驟（a 1 )之前的以下步驟： 比較切削該底座所需的時間與形成具有與該底座相同 的形狀的多個燒結層所需的時間；及 如果判定前者比後者短，則製造該底座。 4 ·如申請專利範圍第1項所述的方法，其中被移除的 該表面區域具有比藉者將粉末材料黏著於該燒結層而產生 ^紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格( 210X297公釐）二23 - : I--------9·^-------1T-----~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 506868 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 的一表面層的厚度大的厚度，該表面層係具有比該燒結層 的密度低的密度。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 5 ·如申請專利範圍第4項所述的方法，其中該燒結層 是藉著移除該表面區域而暴露。 6 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該表面區 域的移除是藉著切割來執行.。 7 ·如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該表面區 域的移除是藉著雷射來執行。 8 ·如申請專利範圍第1項所述的方法，另外包含在步 驟（e )之前的將一光束照射在要被移除的部份上以使該要 被移除的部份軟化的步驟。 9 如申請專利範圍第1項所述的方法，另外包含在步 驟（e )之後的將一光束照射在該成形物件的該表面區域已 經被移去的部份上以因而增加該部份的密度的步驟。 1 〇 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該燒結層 周圍的未燒結的粉末或由於移除該表面區域而產生的切屑 是在步驟（e )的期間被移除。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 1 如申請專利範圍第1項所述的方法，另外包含在步 驟（e )之前的移除該燒結層周圍的未燒結的粉末的步驟。 1 2 ·如申請專利範圍第1 〇項所述的方法，另外包含在 步驟（e )之後的將樹脂或蠘充塡在該未燒結的粉末或切屑 已經被移除的空間內的步驟。 13·如申請專利範圍第1項所述的方法，另外包含在步 驟（e )之前的固化該未燒結的粉末的步驟。 本尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公着) ： 506868 A8 B8 C8 D8 夂、申請專利範圍 1 4 ·如申請專利範圍桌1 3項所述的方法，其中該未燒 結的粉末是藉著凍結而固化。 1 5 ·如申請專利範圍第1 3項所述的方法，其中該未燒 結的粉末是使用樹脂或蠘來固化。 16·—種製造一三維物件的設備，包含： 一粉末層形成單元，用來形成一粉末層； 一燒結層形成單元’用來藉著將一光束照射在該粉末 層的一預定部份上而形成一燒結層； 一距離調節器，用來調節該燒結層形成單元與該燒結 層之間的距離；及 一表面層移除單元，用來移除具有比該燒結層的密度 低的密度的一表面層。 1 7 _如申請專利範圍第1 6項所述的設備，另外包含被 保持成爲靠近該粉末層形成單元的一排放單元，用來排放 由該表面層移除單元產生的未燒結的粉末或切屑。 1 8 .如申請專利範圍第1 6項所述的設備，另外包含用 來排放由該表面層移除單元產生的未燒結的粉末或切屑的 一排放單元，該排放單元具有作用來將該排放單元沿著要 成形的每一平面的一輪廓線移動的一驅動單元。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-25 - --------— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製