TWI482699B - A method for preparing inorganic green bodies with three - dimensional contours - Google Patents

A method for preparing inorganic green bodies with three - dimensional contours Download PDF

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Description

具有三維立體輪廓之無機生坯的製法
本發明是有關於一種無機生坯(green)的製法，特別是指一種具有三維立體輪廓之無機生坯的製法。
具有三維立體輪廓之無機生坯的製法等先前技術，可見有加高壓的模壓法(press-and-sinter fabrication)、加壓且添加黏結劑的射出成型法(powder injection molding)，及無加壓只加黏結劑的瀝鑄法(slip casting)。加壓的製程需要產生壓力的設備(press)以及剛性的模具(rigid die)。反之，無加壓的製程只需耐低壓的模具(例如slip casting用的石膏模)。
最近，快速原形技術興起，其特徵在於利用堆疊原理來製作三維立體工件。其技術上乃是利用電腦切層資料，使工具移動創造出複雜的二維工作路徑，經由多數有限高度的二維剖面的堆疊，互相連結形成三維立體工件。此種技術的共同特徵為不需模具，可以做出極為複雜的工件形狀。因為沒有限制形狀的模具，所以，此種製程屬於無壓製造法，必須靠黏結劑來連結粉末顆粒，以形成生坯工件，然後，可以進行緻密化燒結的步驟，以做出具有強度的工件。
以堆疊原理製作三維立體工件可以利用不同的工具來造成加工路徑，例如3DP利用噴嘴，DFM利用擠壓頭，SLS、SLA等利用能量束。以能量束為工具，堆疊材料，製 作三維立體工件的先前技術可以分為兩類：一為加成法，另一為減去法。加成法的特點為，能量束掃瞄過之處連結成為工件的一部分，例如SLA、SLS(selective laser sintering)、漿料選擇性雷射燒結法(slurry based selective laser sintering)等。減去法的特點為，能量束掃瞄過之處去除，能量束沒有掃瞄過之處成為工件的一部分，例如LOM(laminated object manufacturing，LOM)、CAM-LEM等。
參圖1，本案發明人於US 2004/0075197公開一種無機生坯17的製法，其主要是根據漿料選擇性雷射燒結法來實施。該無機生坯17之製法包括以下步驟：(A)混合一陶瓷粉末(ceramic powders)、溶劑(dissolving agent)及氧化溶膠(oxide sol)以形成一漿料(slurry)11；(B)於該步驟(A)後，將該漿料11擺置於一平台12上並使一刮刀(blade)13沿一水平方向X移動以使該漿料11鋪平於該平台12上並從而形成一漿料層14；(C)於該步驟(B)後，使用一雷射束(laser beam)15以一面形的(即，二維的)預定掃描路徑照射該漿料層14，經該雷射束15所照射之漿料層14中的氧化溶膠受到膠化(gelled)以結合陶瓷粉末並從而形成一層二維的陶瓷生坯層16；(D)於該步驟(C)後，重複該步驟(B)~(C)一預定次數，以根據該預定次數來形成一具有一個三維立體輪廓 的陶瓷生坯17；及(E)於該步驟(D)之該預定次數後，將該具有三維輪廓的陶瓷生坯17浸泡於水18中，以使未受到膠化的氧化溶膠溶解並從而自該等漿料層14中移除該具有三維立體輪廓的陶瓷生坯17。
在該美國早期公開案所公開的製法中，其每一重複步驟的步驟(C)是以面形的(即，二維的)預定掃描路徑來照射其漿料層14。此處需特別說明的是，當其最終所完成的陶瓷生坯17的體積越大時，其毎一步驟(C)之面形的預定掃描路徑所構成的掃描面積則越大；因此，最終在完成該陶瓷生坯17後所需耗費的工時也相當地長。
經上述說明可知，節省具有三維立體輪廓之無機生坯的製作工時，以降低產業界於製作此等具有三維立體輪廓之無機生坯的時間成本，使此項技術製作大型工件還能有經濟性，是此技術領域者所需克服的課題。
利用減去法的LOM、CAM-LEM兩種製程以薄片材料製造三維立體輪廓之工件時，是以雷射掃描線性的工件輪廓，可以節省製作工時。但是，US 4,752,352所述的LOM製程教導的內容較偏向於利用金屬薄片材料與塑膠薄片材料來製造三維立體輪廓之工件。反而，US 5,779,833所述的CAM-LEM製程特別適合製作無機生坯。
CAM-LEM製程是先在一種設備中(例如，tape casting machine)製作薄片，利用一雷射切割設備將薄片切割成工件斷面的輪廓形狀，這些工件斷面的輪廓形狀在另一設備裏 組合，其間可以加添薄層的黏結劑或是以溶劑將薄膜中的黏結劑溶解，經乾燥後連結一起；經過多次重複疊層成為具三維立體輪廓之堆疊。最後，經過一加壓設備使達到各層能緊密接觸，促進後續燒結能連結成一體。所以，CAM-LEM製程繁複，要在多處不同位置製作，並且需要多種設備。
LOM製程是先在一種設備中(例如，tape casting machine)製作薄片，然後在LOM機台上黏結薄片然後雷射切割，需要較少的設備以及工作位置，但CAM-LEM與LOM兩種製程均使用薄片材料，均須要做薄片材料堆疊連結的動作。各層間結合的好壞影響到生坯的微結構，關係到燒結強度。
US 5,779,833教示可以使用黏結劑來連結，並且加壓或加熱，以迫使兩層薄片能緊密連結。但是加上一層黏結劑將使做出的堆疊層有一富含黏結劑的薄層，如此做出的生坯的微結構將不均勻。也可以在堆疊連結時塗佈溶劑，將薄片材料的黏結劑溶解然後加壓使兩相鄰薄片連結，此舉雖不會改變生坯的成份，不會造成富含黏結劑的中間薄層，但溶解乾燥硬化的薄片材料並不容易，需要較長時間，且連結強度也較難以把握。
可能因為薄片材料利用上述方法連結還沒能達到各層緊密接觸的效果，所以，如前面已經提及者，CAM-LEM製程在堆疊完畢後還建議將此堆疊壓縮，此時需要加壓設備與模具。而且熟悉此技術領域者均知道壓縮時會產生應力 梯度，造成密度不均勻的結果。CAM-LEM製程也提到利用等靜壓使生坯的密度較為均勻，這也將增加設備成本。壓縮時需要模具，對較為複雜或具微細特徵的工件就相當困難。CAM-LEM製程提出解決方案：以犧牲材料製作每層工件斷面的互補形狀，犧牲材料與工件材料合起來形成簡單的四方形，如此，可以利用簡單的模具來做壓縮。壓縮後犧牲材料可與工件材料分開。製作複雜或具微細特徵的工件就是層狀加工的特長，但依CAM-LEM製程所教導的製作方式卻需使用到模具，這一點就需要改善。
由前述CAM-LEM的加工過程來看，此法除了須多項設備，多處加工位置也需要加壓的模具。所以，改進CAM-LEM的製程，減少所需的設備，改進各斷面層連結的方式以提高各斷面層連結的強度而可以不必實施壓縮的步驟就不必使用模具，這也應是此技術領域者所應努力達到的目標。
 <發明概要>
本發明為實現節省無機生坯的製作工時的目的，不採用漿料選擇性雷射燒結法的加成法，而是改採用能量束作用之處去除的減去法。在製作三維立體輪廓之無機生坯之每層剖面形狀時，不做掃描內部面積的面掃描，而做掃描輪廓的線性掃描。此舉能大幅減少掃描時間。但是，如前面所述，LOM以及CAM-LEM兩製程使用薄片材料，可以利用雷射切割去除掃描到的線性區域，實現工件輪廓線性 掃描的減去法，但是因為上下薄片材料的連結有前述的問題，所以本發明擬採用漿料為原料，在一工作台上鋪層，乾燥後形成固態生坯，在上面鋪層因為黏結劑水溶液下滲，我們可以得到連結強度良好的生坯。如此，可以解決各薄層連結的問題，也因製作薄層與連結薄層均在同一設備、同一位置上執行，解決了CAM-LEM需要太多設備的問題。
利用雷射掃描斷面的線形輪廓，通常是調整雷射功率與雷射掃描速度，測試那些參數可以將生坯去除剛好一層厚度的線形區域；其中，調整雷射功率高低可以變動切割深度，所以可以做到要求的切割深度。然而，切割一層生坯層就產生深度等於層厚的凹槽。因此，在下一次鋪設漿料時在線形犧牲區上的漿料將因無支撐而會向下陷入凹槽內。此缺陷必須改進，因無法順利製做工件。
一種可行的改進方法為利用一種犧牲材料填入前述的雷射切割產生的溝槽內，造成適當的支撐。如此，犧牲材料可以支撐漿料層的鋪設，也可以因其材料與工件材料不同，例如犧牲材料具水溶性，工件材料卻不溶於水，而可以利用水去除犧牲材料。但是此法原則雖可以實施，但也有其困難之處。首先，此法需要一機構與工具用來填料。若是路徑為雷射切割出，將較為細微，則需要較細的噴嘴與較精確的定位裝置。如此，就需要兩套工具(切割能量束與填料噴嘴)與兩種材料(工件材料與犧牲材料)。使本法的設備成本、材料成本以及加工時間提高。
申請人經常思考是否有比前法更為巧妙的方法。經過長時間的思索以及實驗，發現以較小雷射功率掃描斷面線形輪廓工件時有氣體自生坯層中逸出到表面，因認知此氣體為氣化的黏結劑，且實驗證實：經過多次掃描不但可以將生坯層中的黏結劑去除，還可以留下未被黏結劑所連結的無機粉末。因此，取得適當的雷射功率，以較小雷射功率來掃描生坯層，將可以解決前述鋪漿料時漿料陷到溝槽內的問題。
此外，本發明的生坯結構適合快速燒失黏結劑。本發明的生坯層中的黏結劑經由此較小雷射功率予以氣化或燃燒後所形成的氣體，可藉生坯層中的連通孔隙逸出生坯層表面，而不會破壞生坯結構。如此，可將未被黏結劑所結合的無機粉末留在原位，以當作下次鋪設漿料時的支撐，進而可以鋪出平坦的表面。
<發明目的>
因此，本發明之目的，即在提供一種具有三維立體輪廓之無機生坯的製法。此製法可以節省具有三維立體輪廓之無機生坯的製作工時，使此項技術在製作大型工件時還能具有經濟性。
於是，本發明具有三維立體輪廓之無機生坯的製法，包含：(a)混合一無機粉末、一黏結劑與一溶劑以形成一漿料；(b)於該步驟(a)後，塗佈該漿料以形成一漿料層； (c)於該步驟(b)後，向上移除該漿料層中的溶劑以使其兩相鄰之無機粉末間相互靠緊，並從而使其黏結劑結合其兩相鄰之無機粉末以形成一生坯層，且該生坯層內部形成有多數個朝其一上表面延伸的連通孔隙；(d)於該步驟(c)後，使用一能量束以至少一線形的第一預定掃描路徑照射該生坯層，以致於該經照射之生坯層中的黏結劑是被該能量束所氣化並自該等連通孔隙向上逸出，從而留下未被黏結劑所結合的無機粉末，經照射之生坯層沿該第一預定掃描路徑形成至少一第一線形犧牲區，且該未經照射的生坯層被定義為一倖存區，該倖存區具有一工件部及一由該第一線形犧牲區所間隔開的廢料部；及(e)於該步驟(d)後，重複該步驟(b)~(d)一預定次數，以根據該預定次數上下結合一預定層數的倖存區的工件部並從而形成該具有三維立體輪廓的無機生坯；其中，每一重複步驟之步驟(b)的漿料層中的部分溶劑及部分黏結劑將下滲至其下方的生坯層中；及其中，於每一重複步驟之步驟(c)中，經下滲至其下方生坯層中的黏結劑於溶劑向上移除後，再次結合其下方生坯層中之兩相鄰的無機粉末，且未經下滲的黏結劑也於溶劑向上移除後結合其漿料層中之兩相鄰的無機粉末，以對應形成該與其下方生坯層相結合的生坯層，且該生坯層內部形成有多數個朝其一上表面延伸的連通孔隙。
本發明的功效在於，利用減去法原理工作，以能量束做生坯工件輪廓的線性掃描來取代掃描內部面積的面掃描，可減少無機生坯的製作工時，且無機生坯結構具備內外相通的連通孔隙，適合在燒結爐中以較快的速度燒失黏結劑，以適合大小尺寸等工件的製作。
 <發明詳細說明>
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例與一個具體例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖2、圖3與圖4，本發明具有三維立體輪廓之無機生坯5的製法的一較佳實施例，包含以下步驟：(a)混合一無機粉末21、一黏結劑22與一溶劑23以形成一漿料2；(b)於該步驟(a)後，塗佈該漿料2以形成一漿料層20；(c)於該步驟(b)後，向上移除該漿料層20中的溶劑23以使其兩相鄰之無機粉末21間相互靠緊，並從而使其黏結劑22結合其兩相鄰之無機粉末21以形成一生坯層3，且該生坯層3內部形成有多數個朝其一上表面延伸的連通孔隙；(d)於該步驟(c)後，使用一能量束4以至少一線形的第一預定掃描路徑41照射該生坯層3(如圖3所示)，以致於該經照射之生坯層3中的黏結劑22是被該能量束4所氣化並自該等連通孔隙向上逸出，從而留 下未被黏結劑22所結合的無機粉末21，經照射之生坯層3沿該第一預定掃描路徑41形成至少一第一線形犧牲區301，且該未經照射的生坯層3被定義為一倖存區31，該倖存區31具有一工件部311及一由該第一線形犧牲區301所間隔開的廢料部312；及(e)於該步驟(d)後，重複該步驟(b)~(d)一預定次數，以根據該預定次數上下結合一預定層數的倖存區31的工件部311並從而形成該具有三維立體輪廓的無機生坯5；較佳地，本發明該較佳實施例的製法於該重複步驟[步驟(e)]之該預定次數後還包含一步驟(f)，該步驟(f)是分離該等上下相互結合之生坯層3之倖存區31的工件部311與廢料部312。
參圖4，每一重複步驟[步驟(e)]之步驟(b)的漿料層20中的部分溶劑23及部分黏結劑22將下滲至其下方的生坯層3中；其中，於每一重複步驟之步驟(c)中，經下滲至其下方生坯層3中的黏結劑22於溶劑23向上移除後，再次結合其下方生坯層3中之兩相鄰的無機粉末21，且未經下滲的黏結劑22也於溶劑23向上移除後結合其漿料層20中之兩相鄰的無機粉末21，以對應形成該與其下方生坯層3相結合的生坯層3，且該生坯層3內部形成有多數個朝其一上表面延伸的連通孔隙。如此，在每一重複步驟之步驟(c)實施後，每一重複生坯層與上一生坯層形成無縫的連結。
參圖5，每一重複步驟[步驟(e)]之步驟(c)所形成的生坯層3(見圖5中之(e-c))具有一厚度t，每一重複步驟[步驟(e)]之步驟(d)所形成的第一線形犧牲區301具有一第一預定深度D1 ，由每一重複步驟[步驟(e)]之步驟(d)所造成的第一預定深度D1 ，是大於其重複步驟[步驟(e)]之步驟(c)的生坯層3的厚度t，且每一重複步驟[步驟(e)]之步驟(d)的第一預定掃描路徑41是局部重疊於其前一重複步驟[步驟(e)]之步驟(d)的第一預定掃描路徑41，以致於每一重複步驟[步驟(e)]之步驟(d)的第一線形犧牲區301是局部重疊於其前一重複步驟[步驟(e)]之步驟(d)的第一線形犧牲區301。此處需補充說明的是，因工作台平整度不一定很好，而第一層生坯層3可以鋪設較厚的高度以克服此問題。因此，較佳地，該步驟(c)所形成的生坯層3具有一厚度t0 ，t0 >2t(見圖5(e-c))。
適用於本發明該較佳實施例之無機粉末21可以是陶瓷粉末，亦可以是金屬粉末。在本發明一具體例中，該無機粉末2是由釔部分安定氧化鋯(yttria partially stabilized zirconia，以下YPSZ)所構成的陶瓷粉末，且每一步驟(d)之能量束4是採用一CO2 脈衝雷射(pulsed laser)來實施。較佳地，每一步驟(d)之雷射功率是介於1 W至2W之間；每一步驟(d)之掃描速度是介於15 mm/sec至38 mm/sec之間。
此處必須說明的是，每一重複步驟[步驟(e)]之步驟(d)所形成的線形犧牲區301若能做到各生坯層3中的黏結劑22全部去除，且經能量束4照射之各生坯層3中的無機粉 末21全部留在原位；那麼，各步驟(b)才能順利完成，並從而在完成該預定次數後，可順利地自彼此上下局部重疊的線形犧牲區301，分離該等上下相互結合之生坯層3之倖存區31的工件部311與廢料部312，以取出該具有三維立體輪廓的無機生坯5，其中，全部去除各生坯層3中之線形犧牲區301的黏結劑22的條件為D1 ≧2t，其理由是配合參閱圖6及圖7說明於下。
在CO2 脈衝雷射照射時必須控制雷射掃描速度與雷射功率兩種掃描參數，使得生坯層3中的黏結劑22被移除，並從而留下未被黏結劑22所結合的無機粉末21。若在前述雷射照射時沒使用適當的雷射掃描速度與雷射功率，將導致無機粉末21噴發，使得掃描過之線形犧牲區形成凹陷的溝槽303(如圖6-1所示)。隨後，在其上塗佈漿料層20，漿料層20中的無機粉末21、黏結劑22與溶劑23將流進溝槽303內(如圖6-2所示)。在移除溶劑23後，便會構成如圖6-3所示之形成有一溝槽304的生坯層3。如此形成的生坯層3表面就不平整，並且填入溝槽303、304處的材料是含有黏結劑22與無機粉末21的結構，不是線形犧牲區301所寄望的結構(即，未被黏結劑22所結合的無機粉末)。因此，此種結構將使線形犧牲區的鋪層不平整，並且具有若干的強度，較難以去除。另外，在很多情況下，需要製作有斜度的工件特徵。如此，就要製作相對應的有斜度的線形犧牲區301，如圖2(e)所示，在此等有斜度的線形犧牲區301上，塗佈的漿料層20有部分是要當工件部311的，若 無線形犧牲區301的支撐，是無法做出完美結構的工件部分311的。
參圖7，若以本發明該較佳實施例的方式來製作生坯，於實施各步驟(b)時，漿料層20中的部分溶劑23是攜帶其部分黏結劑22下滲到其下方生坯層3中的連通孔隙中。那麼，在實施各步驟(c)的階段時，溶劑23將上升並且蒸發，如此，在去除溶劑23的過程中所形成的溶劑蒸氣將形成向外連通的管道。然後，在實施各步驟(d)時，控制雷射掃描速度與雷射功率，將各生坯層3中的黏結劑22予以氣化；其中，控制黏結劑22所產生的氣體體積在一定量以下，其氣化後的氣體便可以經由連通孔隙逸出，從而使得耐高溫的無機粉末21留在原位以組成骨架(如圖7-1所示)，前述的骨架便是本發明該較佳實施例中所定義的線形犧牲區301。
在以本發明較佳實施例的方式形成的線形的犧牲區301上塗佈漿料層20時，上方漿料層20中的部分溶劑23攜帶部分黏結劑22下滲至其下方生坯層3之線形犧牲區301中的各連通孔隙裡，且上方漿料層20中的全部無機粉末21、剩餘黏結劑22及剩餘溶劑23仍然留在其漿料層20中(如圖7-2所示)。於實施各步驟(c)以移除溶劑23後，所形成的生坯層3表面平整(如圖7-3所示)；其中，黏結劑22連結上方的無機粉末21，與下方生坯層3中的線形犧牲區301的無機粉末21。此外，此種結構製作出的有斜度的線形犧牲區301具備支撐的功能，如圖2(e)所示，在其線形犧牲區 301上塗佈漿料將很平整，做出的生坯結構完美。
原則上綜合來說，在線形犧牲區301上塗佈漿料層20時，原有漿料層20中的部分黏結劑22是下滲至其下方生坯層3(含下方生坯層3的線形犧牲區301)中，剩餘的黏結劑22則是留在上方的漿料層20中(如圖7-2)。因下方生坯層3中之線形犧牲區301的黏結劑22在實施其雷射掃描時已被氣化，所以在同一生坯層3中，結合其線形犧牲區301之無機粉末21的黏結劑22，是相對少於其同一生坯層3之倖存區31(如圖7-3)，且對應於其線形犧牲區301下方的線形犧牲區301則是未被黏結劑22所結合的無機粉末21。因此，如果在實施能量束4照射步驟時，能產生兩層生坯層以上的黏結劑燒失深度，線形犧牲區將可以互相重疊，以形成連續且理想的線形犧牲區。如此，在分離工件部311與廢料部312時將會很容易。所以，較佳地，D1 ≧2t。
再參圖3並配合參圖8，在本發明該較佳實施例中，每一步驟(d)之能量束4更以至少一線形的第二預定掃描路徑42照射其所對應之生坯層3的倖存區31的廢料部312，以致於該經照射之生坯層3中的黏結劑22是被該能量束4所氣化並自該等連通孔隙向上逸出，從而留下未被黏結劑22所結合的無機粉末21，經照射之生坯層3沿該第二預定掃描路徑41形成至少一第二線形犧牲區302，每一重複步驟[步驟(e)]之步驟(d)所形成的第二線形犧牲區302具有一第二預定深度D2 ，由每一重複步驟[步驟(e)]之步驟(d)所造成之第二預定深度是D2 ，是大於其重複步驟[步驟(e)]之步驟 (c)之生坯層3的厚度t，且每一第二預定掃描路徑42是實質相同於其前一重複步驟[步驟(e)]之步驟(d)的第二預定掃描路徑42，以致於每一重複步驟[步驟(e)]之步驟(d)的第二線形犧牲區302是實質重疊於其前一重複步驟[步驟(e)]之步驟(d)的第二線形犧牲區302。如同上段所提，為避免產生上下層之間的第二線形犧牲區302無法實質重疊的現象；因此，較佳地，D2 ≧2t。
較佳地，該步驟(a)之無機粉末21的平均粒徑是小於等於1 μm。以此微小粒徑之無機粉末21足以使每一步驟(c)在移除其漿料層3中的溶劑23時，其兩相鄰的無機粉末21產生較高的毛細管力而相互靠緊。
本發明的特色之一，是溶劑23帶動黏結劑22下滲至下方生坯層3，以使黏結劑22向下連結下方生坯層3，造成任一上下生坯層3均呈無縫連結的態樣。但黏結劑22與溶劑23下滲越深，將越難以移除；同時，黏結劑22與溶劑23下滲越深，將可能使下面的線形犧牲區301重新填入黏結劑22與溶劑23，導致線形犧牲區301全部被該等經下滲至其生坯層3中的黏結劑22所結合，從而產生上下層之間的(第一)第二線形犧牲區(301)302無法(局部)重疊的現象。因此，漿料中的溶劑含量要控制。漿料中溶劑含量可以利用下列關係式計算(以下不配合編列元件編號說明漿料配比的計算方式)：上方漿料層下滲至下方生坯層中的液體體積(即，溶劑與黏結劑)，等於下方生坯層經雷射氣化黏結劑後的孔隙 (viod)體積。
其中，V b 為每一漿料層的黏結劑體積；V s 為每一漿料層的溶劑體積；V v 為每一生坯層的孔隙體積。
若是黏結劑體積(V b )以及孔隙體積(V v )為已知，就可以利用公式(a)求出溶劑的含量(V s )。以下舉例說明溶劑含量的一計算方法。
較佳地，該步驟(a)之黏結劑22的體積佔無機粉末21體積的15%至30%；該步驟(a)之溶劑21的含量足以使每一重複步驟之步驟(b)的溶劑23與黏結劑22，下滲至其下方生坯層3達一下滲深度，該下滲深度是實質等於其下方生坯層3的厚度t。
假設一生坯層的體積為100，且經量測該生坯層於雷射氣化其黏結劑後的孔隙率為50 vol%；那麼，V v 為50，且無機粉末體積(V p )為50。設若漿料中黏結劑的體積佔無機粉末體積的30%；那麼，V b 為15，並設定未知的溶劑體積(V s )為X 。
經上段說明可知，塗佈一漿料層的體積為V p +V b +V s =(50+15+X )；其中，液體(即，溶劑與黏結劑)體積為V b +V s [即，(15+X )]。於一下方生坯層上塗佈該漿料層後，因該漿料層經雷射氣化黏結劑後所形成的生坯層有一半為孔隙體積(V v )，液體(即，15+X )將可充滿此孔隙體積，其餘液體將下滲，所以留在上方漿料層中的液體體積為50(即，等 於V v )，而下滲至其下方生坏層的液體體積為V b +V s -V v (即，15+X -50=X -35)。在液體中的黏結劑濃度為： 所以，留在上方漿料層的液體於向上移除其溶劑後，所留下的黏結劑體積為： 下滲液體於向上移除溶劑後，所留下的黏結劑體積為： 如此，上方漿料層在向上移除溶劑後剩下的空氣體積為Va ：
假設我們再塗佈另一漿料層，其成分如前述者，下滲的液體體積將如前述者為X -35，若下滲液體體積剛好充滿於前述漿料層於向上移除溶劑後之生坯層的空氣體積Va ，則： 解此一元二次方程式可以求得溶劑的體積(X )為77。以上所 述體積係以一生坯層的體積為100計，若轉換為漿料成分體積百分比，漿料的成分將為：35.21 vol%的無機粉末，10.56 vol%的黏結劑，以及54.23 vol%的溶劑。
以上例的漿料成分計，最上面的漿料層在移除溶劑後所得之生坯層結構為：無機粉末占50 vol%，黏結劑占8.16 vol%，空氣占41.84 vol%；其下方生坯層結構為：無機粉末占50 vol%，黏結劑占15 vol%，空氣占35 vol%。
經由本發明該較佳實施例的說明可知，上述的製程基本步驟包含漿料下滲的機制，使得黏結劑可以連結上下兩層的生坯層，也包含漿料中溶劑向上移除的機制，可以做出內外相通的連通孔隙，使得本發明的無機生坯具備各層無縫連結且利於燒失的特殊結構。此外，上述的製程基本步驟包含使用能量束以線形掃描路徑來照射生坯層，導致其中的黏結劑被氣化但留下未被黏結劑所結合的無機粉末，如此，留下的無機粉末將可以使下一塗佈步驟順利進行，去除黏結劑將使線形犧牲區弱化，而可以去除。基本上，實施本發明該較佳實施例之製法有以下幾點特點：
1.本發明可以利用無機粉末做成漿料，在一項設備上同一位置塗佈、乾燥(移除溶劑)、製作線形犧牲區，所需要佔用的設備空間相對LOM與CAM-LEM少很多。
2.本發明疊層做出的各生坯層間的連結性良好，所以可以製作複雜形狀，既不須要實施壓縮步驟，也不須要使用到模具。
3.本發明做出的生坯具備內外相通的連通孔隙，在製作線形犧牲區時以能量束(雷射)氣化黏結劑，產生的氣體可以順利排出，不會破壞生坯的結構。
4.本發明各生坏層中的線形犧牲區(即，無被黏結劑所結合的無機粉末)，不必使用額外工具或額外材料就可以正確做出，可提供塗佈漿料時的支撐，以鋪出平坦的表面，並且可以順利製作出有斜度的工件。
5.本發明可以利用薄層堆疊的方式，以微細粉末不加壓力做出均勻的生坯，此種生坯經燒結後可得高緻密的陶瓷工件。
<具體例>
本發明之具有三維立體輪廓之無機生坯的製法的一具體例，是根據以下流程來實施。
在本發明該具體例中，無機粉末、黏結劑與溶劑分別是YPSZ粉末、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，以下簡稱PVA)與去離子水；其中，所配製的漿料有兩種，分別是底層陶瓷漿料與工件陶瓷漿料。底層陶瓷漿料所使用的原物料及其成份配比如表1所示。
工件陶瓷漿料所使用的原物料、其成份配比以及各原物料所加入的順序如表2所示；其中，YPSZ粉末平均粒徑 約0.2 μm。工件陶瓷漿料的酸鹼值(Ph值)約10。
調配漿料如表2所述配方，需要較多的水份。但如此將造成漿料中的液體下滲深度超過一層生坯厚度。所以，在漿料調配完成後利用前面公式(a)計算水分含量，將漿料在50℃之溫度下攪拌，去除多餘水分。
先於一平台上塗佈一厚度約150 μm的底層陶瓷漿料，並使用一面形的加熱器在50℃的加熱條件下移除該底層陶瓷漿料層中的去離子水，從而形成一底層陶瓷生坯層。
進一步地，於該底層陶瓷生坯層上塗佈一工件陶瓷漿料層，並使用該面形的加熱器在50℃的加熱條件下移除該工件陶瓷漿料層中的去離子水，從而於該底層陶瓷生坯層上形成一厚度約25 μm的工件陶瓷生坯層。接著，連續塗佈工件陶瓷漿料層，並移除其去離子水以使該等工件陶瓷生坯層總厚度達到75 μm(即，t0 =3t)。在塗佈工件陶瓷漿料層時，部分去離子水攜帶部分PVA下滲到下方工件陶瓷生坯層中，其深度約為單一工件陶瓷生坯層的厚度(即，25 μm)。加熱乾燥時，去離子水上昇並且蒸發，以形成內外互 通的連通孔隙。去離子水去除後，PVA將上方工件陶瓷生坯層與下方工件陶瓷生坯層的YPSZ粉末連結。如此，部分PVA的下滲與去離子水的蒸發，形成了本發明極重要的機制，其可以控制PVA的分佈，並使工件陶瓷生坯層內的連通孔隙與外界相通，從而形成各工件陶瓷生坯層間無縫的連結以及利於快速燒失的生坯結構。
接著，使用一CO2 脈衝雷射以一線形的第一預定掃描路徑來照射工件陶瓷生坯層，其雷射功率為1.3 W、雷射掃描速度為25 mm/sec，且掃描次數為兩次，以致於經該CO2 脈衝雷射照射後的工件陶瓷生坯層中的PVA是被該CO2 脈衝雷射所氣化，並經工件陶瓷生坯層的連通孔隙逸出，不會產生壓力而破壞YPSZ粉末結構，從而留下未被PVA所結合的YPSZ粉末，並藉此殘留的YPSZ粉末做為下次塗佈工件陶瓷漿料時的支撐。經該CO2 脈衝雷射照射之工件陶瓷生坯層沿該第一預定掃描路徑形成一第一預定深度D1 為55 μm的第一線形犧牲區(即，D1 >2t)，且該未經該CO2 脈衝雷射照射的工件陶瓷生坯層被定義為一倖存區，該倖存區具有一工件部及一由該第一線形犧牲區所間隔開的廢料部。
後續，以相同於上段內容所述的雷射參數，使用該CO2 脈衝雷射以多數條線形的第二預定掃描路徑來照射該工件陶瓷生坯層的廢料部，以致於該經CO2 脈衝雷射照射之工件陶瓷生坯層中的PVA被氣化並從而留下未被PVA所結合的YPSZ粉末，經照射之工件陶瓷生坯層沿該第二預定掃描 路徑形成多數條第二線形犧牲區。
於完成該CO2 脈衝雷射照射步驟後，重複實施前述工件陶瓷漿料層塗佈步驟、去離子水移除步驟、CO2 脈衝雷射照射步驟達400次，且每一重複步驟中的CO2 脈衝雷射照射步驟的第一預定掃描路徑，是局部重疊於前一重複步驟中的CO2 脈衝雷射照射步驟的第一預定掃描路徑；每一重複步驟中的CO2 脈衝雷射照射步驟的第二預定掃描路徑是，實質重疊於前一重複步驟中的CO2 脈衝雷射照射步驟的第二預定掃描路徑。
此處須說明的是，本發明該具體例所使用的CO2 脈衝雷射的特性，是利用CO2 脈衝雷射於工件陶瓷生坯層表面所造成的表面高溫，其透過熱傳的機制以使表面高溫向下傳遞並從而達到縱向高溫氣化PVA的效用；因此，每一重複步驟的CO2 脈衝雷射照射步驟於其工件陶瓷生坯層中所造成的預定深度(D1 、D2 )，是取決於其雷射功率及雷射掃描速度兩參數，通常單位時間氣化的氣體量越大，就越容易破壞YPSZ粉末結構並形成YPSZ粉末噴發的現象。所以若氣化的深度較深，就需要分多次來掃描。基於此原因，本發明該具體例於實施每一CO2 脈衝雷射照射步驟時，根據其相同預定掃描路徑照射其工件陶瓷生坯層兩次，以藉此達到其線形犧牲區的第一、二預定深度(D1 、D2 )。在實做時若冒煙就表示有PVA被氣化，若沒有噴發現象就表示YPSZ粉末還留在原位，下次在線形犧牲區上可以順利塗佈平整的工件陶瓷漿料層。
最後，分離該等工件陶瓷生坯層的工件部與廢料部並從而完成本發明該具體例之具有三維立體輪廓的一陶瓷(氧化鋯)生坯。此處須進一步補充說明的是，為了提升陶瓷體的機械強度，由本發明該具體例所製得之陶瓷生坯可再進一步地送至燒結爐中進行燒結處理，以提升陶瓷體的機械強度。本發明該具體例所製得之陶瓷生坯在燒結前後的緻密度分別為46.31%與99.46%。在燒結前置於爐中加溫到600℃恆溫一小時，PVA可以完全氣化燒失。由三點抗彎實驗(ASTM之C1161標準規範)得到經過燒結之氧化鋯陶瓷工件的平均強度達到923.2 MPa。可見本發明的製法不像CAM-LEM製程般需要施加壓力，本發明的製法以微細YPSZ粉末配置陶瓷漿料，並利用薄層堆疊與雷射燒失PVA的方式來形成陶瓷生坯，即可做出密度均勻的陶瓷生坯，且陶瓷生坯經燒結後亦可得到高緻密性的陶瓷工件。
綜上所述，本發明具有三維立體輪廓之無機生坯的製法透過線形掃描路徑的能量束來照射各生坯層，以使得經照射之生坯層中的黏結劑被能量束所氣化並從而形成未被黏結劑所結合之無機粉末的犧牲區，且由上下相互結合的倖存區的工件部以共同構成該具有三維立體輪廓之無機生坯，相較於先前技術所使用之面形的(即，二維的)掃描路徑之製法，本發明於製作工時上可節省此技術領域者於製作具有三維立體輪廓之無機生坯時的時間成本，其有利於製作大型工件；再者，本發明之製法不需要像CAM-LEM般施加壓力，便可製作出密度均勻的陶瓷生坯，且經燒結後 亦可得到高緻密性的陶瓷工件，故本法確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例與具體例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧漿料
20‧‧‧漿料層
21‧‧‧無機粉末
22‧‧‧黏結劑
23‧‧‧溶劑
3‧‧‧生坯層
301‧‧‧第一線形犧牲區
302‧‧‧第二線形犧牲區
303‧‧‧溝槽
304‧‧‧溝槽
31‧‧‧倖存區
311‧‧‧工件部
312‧‧‧廢料部
4‧‧‧能量束
41‧‧‧第一預定掃描路徑
42‧‧‧第二預定掃描路徑
5‧‧‧無機生坯
t0 ‧‧‧步驟(c)之生坯層的厚度
t‧‧‧毎一重複步驟之步驟(c)的生坯層的厚度
D1 ‧‧‧第一預定深度
D2 ‧‧‧第二預定深度
圖1是一流程圖，說明US 2004/0075197公開一種無機生坯的製法；圖2是一流程圖，說明本發明具有三維立體輪廓之無機生坯的製法的一較佳實施例；圖3是一立體示意圖，說明本發明該較佳實施例於實施一能量束照射步驟時的實施態樣；圖4是一流程圖，說明本發明該較佳實施例於實施一重複步驟之一漿料層塗佈步驟及一溶劑移除步驟時，其黏結劑與其無機粉末間的結合關係；圖5是一流程圖，說明本發明該較佳實施例於實施該重複步驟之漿料層的塗佈步驟、溶劑的移除步驟及一能量束的照射步驟時，其所對應構成之上下第一線形犧牲區間的關係；圖6是一流程圖，說明當本發明該較佳實施例於實施該能量束線形掃描所使用的參數不當時，其所產生的生坯結構；圖7是一流程圖，說明當本發明該較佳實施例於實施 該能量束線形掃描是使用恰當的參數時，其所產生的生坯結構；及圖8是一流程圖，說明本發明該較佳實施例於實施該重複步驟之漿料層的塗佈步驟、溶劑的移除步驟及能量束的照射步驟時，其所對應構成之上下第二線形犧牲區間的關係。
2‧‧‧漿料
20‧‧‧漿料層
21‧‧‧無機粉末
22‧‧‧黏結劑
23‧‧‧溶劑
3‧‧‧生坯層
301‧‧‧第一線形犧牲區
31‧‧‧倖存區
311‧‧‧工件部
312‧‧‧廢料部
4‧‧‧能量束
5‧‧‧無機生坯

Claims (9)

  1. 一種具有三維立體輪廓之無機生坯的製法，包含：(a)混合一無機粉末、一黏結劑與一溶劑以形成一漿料；(b)於該步驟(a)後，塗佈該漿料以形成一漿料層；(c)於該步驟(b)後，向上移除該漿料層中的溶劑以使其兩相鄰之無機粉末間相互靠緊，並從而使其黏結劑結合其兩相鄰之無機粉末以形成一生坯層，且該生坯層內部形成有多數個朝其一上表面延伸的連通孔隙；(d)於該步驟(c)後，使用一能量束以至少一線形的第一預定掃描路徑照射該生坯層，以致於該經照射之生坯層中的黏結劑是被該能量束所氣化並自該等連通孔隙向上逸出，從而留下未被黏結劑所結合的無機粉末，該經照射之生坯層沿該第一預定掃描路徑形成至少一第一線形犧牲區，且該未經照射的生坯層被定義為一倖存區，該倖存區具有一工件部及一由該第一線形犧牲區所間隔開的廢料部；及(e)於該步驟(d)後，重複該步驟(b)~(d)一預定次數，以根據該預定次數上下結合一預定層數的倖存區的工件部並從而形成該具有三維立體輪廓的無機生坯；其中，每一重複步驟之步驟(b)的漿料層中的部分溶劑及部分黏結劑將下滲至其下方的生坯層中；及其中，於每一重複步驟之步驟(c)中，經下滲至其下方生坯層中的黏結劑於溶劑向上移除後，再次結合其下方生坯層中之兩相鄰的無機粉末，且未經下滲的黏結劑 也於溶劑向上移除後結合其漿料層中之兩相鄰的無機粉末，以對應形成該與其下方生坯層相結合的生坯層，且該生坯層內部形成有多數個朝其一上表面延伸的連通孔隙。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之具有三維立體輪廓之無機生坯的製法，其中，每一重複步驟之步驟(c)所形成的生坯層具有一厚度t，每一重複步驟之步驟(d)所形成的第一線形犧牲區具有一第一預定深度D1 ，由每一重複步驟之步驟(d)所造成的該第一預定深度D1 ，是大於其重複步驟之步驟(c)的生坯層的厚度t，且每一重複步驟之步驟(d)的第一預定掃描路徑是局部重疊於其前一重複步驟之步驟(d)的第一預定掃描路徑，以致於每一重複步驟之步驟(d)的第一線形犧牲區是局部重疊於其前一重複步驟之步驟(d)的第一線形犧牲區。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之具有三維立體輪廓之無機生坯的製法，其中，該步驟(a)之無機粉末的平均粒徑是小於等於1μm。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之具有三維立體輪廓之無機生坯的製法，其中，該步驟(a)之黏結劑的體積佔無機粉末體積的15%至30%；該步驟(a)之溶劑的含量足以使每一重複步驟之步驟(b)的溶劑與黏結劑下滲至其下方生坯層達一下滲深度，該下滲深度是實質等於其下方生坯層的厚度t。
  5. 依據申請專利範圍第2項所述之具有三維立體輪廓之無 機生坯的製法，其中，該步驟(c)所形成的生坯層具有一厚度t0 ，t0 >2t，且D1 ≧2t。
  6. 依據申請專利範圍第2項或第5項任一項所述之具有三維立體輪廓之無機生坯的製法，其中，每一步驟(d)之能量束更以至少一線形的第二預定掃描路徑照射其所對應之生坯層的倖存區的廢料部，以致於該經照射之生坯層中的黏結劑是被該能量束所氣化並自該等連通孔隙向上逸出，從而留下未被黏結劑所結合的無機粉末，經照射之生坯層沿該第二預定掃描路徑形成至少一第二線形犧牲區，每一重複步驟之步驟(d)所形成的第二線形犧牲區具有一第二預定深度D2 ，由每一重複步驟之步驟(d)所造成之該第二預定深度D2 ，是大於其重複步驟之步驟(c)之生坯層的厚度t，且每一第二預定掃描路徑是實質相同於其前一重複步驟之步驟(d)的第二預定掃描路徑，以致於每一重複步驟之步驟(d)的第二線形犧牲區是實質重疊於其前一重複步驟之步驟(d)的第二線形犧牲區。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之具有三維立體輪廓之無機生坯的製法，其中，D2 ≧2t。
  8. 依據申請專利範圍第6項所述之具有三維立體輪廓之無機生坯的製法，其中，每一步驟(d)之能量束是採用一CO2 脈衝雷射來實施；每一步驟(d)之雷射功率是介於1W至2W之間；每一步驟(d)之掃描速度是介於15mm/sec至38mm/sec之間。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之具有三維立體輪廓之無 機生坯的製法，於該重複步驟之該預定次數後還包含一步驟(f)，該步驟(f)是分離該等上下相互結合之生坯層之倖存區的工件部與廢料部。
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6271164B2 (ja) * 2013-06-17 2018-01-31 日立オートモティブシステムズ株式会社 箱型車載制御装置
CN106414033A (zh) * 2013-10-17 2017-02-15 Xjet有限公司 通过喷墨来打印三维物体的方法和系统
DE102014104596B4 (de) 2014-04-01 2018-07-26 Bundesrepublik Deutschland, Vertreten Durch Den Bundesminister Für Wirtschaft Und Energie, Dieser Vertreten Durch Den Präsidenten Der Bundesanstalt Für Materialforschung Und -Prüfung (Bam) Aufbau einer Diffusionsbarriere in einem schlickerbasierten additiven Fertigungsprozess zur Herstellung eines keramischen Grünkörpers
US11802321B2 (en) 2015-03-17 2023-10-31 Elementum 3D, Inc. Additive manufacturing of metal alloys and metal alloy matrix composites
US10507638B2 (en) 2015-03-17 2019-12-17 Elementum 3D, Inc. Reactive additive manufacturing
JP6573510B2 (ja) * 2015-09-11 2019-09-11 日本碍子株式会社 多孔質体の製造方法及び製造装置
JP6699161B2 (ja) * 2015-12-18 2020-05-27 株式会社リコー 立体造形装置、立体造形装置の制御方法及びプログラム
CN107129285A (zh) * 2016-02-26 2017-09-05 加我科技股份有限公司 具有高强度的陶瓷粉末及利用其制成素坯的方法
CN105835225A (zh) * 2016-05-25 2016-08-10 三住工有限公司 混凝土预制板的制作方法
KR102517378B1 (ko) * 2016-11-07 2023-04-04 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 콜로라도, 어 바디 코포레이트 테크니컬 세라믹의 개선된 성능
US11389867B2 (en) * 2017-02-24 2022-07-19 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three-dimensional (3D) printing
WO2018156938A1 (en) 2017-02-24 2018-08-30 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three-dimensional printing
JP6972811B2 (ja) * 2017-09-12 2021-11-24 セイコーエプソン株式会社 三次元造形物の製造方法
WO2019226555A1 (en) 2018-05-22 2019-11-28 NanoCore Technologies, Inc. Method and system for automated toolpath generation
TWI673250B (zh) 2018-07-13 2019-10-01 法藍瓷股份有限公司 水性陶瓷三維積層材料以及使用該材料製造陶瓷件之方法
WO2020167665A1 (en) 2019-02-11 2020-08-20 Holo, Inc. Methods and systems for three-dimensional printing
EP3915697B1 (en) 2020-05-26 2023-12-13 General Electric Company Water-based binders and methods of use in additive manufacture of parts
WO2022011334A1 (en) * 2020-07-10 2022-01-13 University Of Florida Research Foundation, Incorporated Laser assisted solid freeform fabrication of ceramic materials via temperature sensitive slurries
CN116001270B (zh) * 2023-02-10 2024-04-12 江苏永年激光成形技术有限公司 一种3d打印多激光扫描模块的高集成度系统及其工作方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5697043A (en) * 1996-05-23 1997-12-09 Battelle Memorial Institute Method of freeform fabrication by selective gelation of powder suspensions
US6217816B1 (en) * 1999-12-24 2001-04-17 National Science Council Method for rapid forming of a ceramic work piece
JP4103812B2 (ja) * 2003-03-05 2008-06-18 株式会社Ｉｈｉ 鋳型の製造方法
TWI353349B (en) * 2007-09-20 2011-12-01 Univ Lunghwa Sci & Technology Forming method and forming apparatus for manufactu

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5964579A (ja) * 1982-10-05 1984-04-12 日産自動車株式会社 粉末成形体の加工方法
US4752352A (en) * 1986-06-06 1988-06-21 Michael Feygin Apparatus and method for forming an integral object from laminations
JPH0891941A (ja) * 1994-09-26 1996-04-09 Toshiba Ceramics Co Ltd セラミックスの光学的成形方法
US5779833A (en) * 1995-08-04 1998-07-14 Case Western Reserve University Method for constructing three dimensional bodies from laminations
JPH0985839A (ja) * 1995-09-27 1997-03-31 Olympus Optical Co Ltd 焼結構造体の製造方法
US6048432A (en) * 1998-02-09 2000-04-11 Applied Metallurgy Corporation Method for producing complex-shaped objects from laminae
JP2001253763A (ja) * 2000-03-10 2001-09-18 Nippon Shokubai Co Ltd 薄膜セラミックシート、グリーンシート、およびそれらの製造方法
JP2003137660A (ja) * 2001-10-31 2003-05-14 Trimunt Corp セラミックス製品およびセラミックス製品の製造方法
US20040075197A1 (en) * 2002-10-21 2004-04-22 Hwa-Hsing Tang Method for rapid forming of a ceramic green part
US20060119017A1 (en) * 2004-12-02 2006-06-08 Hwa-Hsing Tang Method for making ceramic work piece and cermet work piece
WO2006079459A1 (en) * 2005-01-25 2006-08-03 Norbert Abels Methods for shaping green bodies and articles made by such methods
JP2008069416A (ja) * 2006-09-14 2008-03-27 Ntn Corp 焼結金属製フィルタの製造方法
JP2009252441A (ja) * 2008-04-03 2009-10-29 Ngk Spark Plug Co Ltd スパークプラグ用絶縁体及びその製造方法、並びに、スパークプラグ及びその製造方法
CN101422963A (zh) * 2008-10-14 2009-05-06 欧客思国际有限公司 一种三维工件的制造方法与设备
EP2364237A1 (en) * 2008-11-13 2011-09-14 Qinetiq Limited Improved laser ablation technique
US20100323301A1 (en) * 2009-06-23 2010-12-23 Huey-Ru Tang Lee Method and apparatus for making three-dimensional parts
CN101612793A (zh) * 2009-07-28 2009-12-30 李蕙如 制造三维工件的方法与设备
DE102009057257A1 (de) * 2009-12-08 2011-06-09 H.C. Starck Gmbh Makroporöse Hohlkörper aus gesintertem Material, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5697043A (en) * 1996-05-23 1997-12-09 Battelle Memorial Institute Method of freeform fabrication by selective gelation of powder suspensions
US6217816B1 (en) * 1999-12-24 2001-04-17 National Science Council Method for rapid forming of a ceramic work piece
JP4103812B2 (ja) * 2003-03-05 2008-06-18 株式会社Ｉｈｉ 鋳型の製造方法
TWI353349B (en) * 2007-09-20 2011-12-01 Univ Lunghwa Sci & Technology Forming method and forming apparatus for manufactu

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