TWI548610B - Ceramic lock attachment made of three - dimensional laminated and its manufacturing method - Google Patents

Description

三維積層製造之陶瓷鎖附件及其製造方法

本發明係關於一種三維積層製造之陶瓷鎖附件及其製造方法，尤指一種適用於直接嵌設於陶瓷上的陶瓷鎖附件，以及該陶瓷鎖附件的製造方法。

三維積層製造(俗稱3D列印技術)乃係現今相當熱門的製造科技，且不論是產業界、或學術界無不極力地發展相關技術，企圖取得先機。

然而，綜觀現有的三維積層製造技術中大多以塑膠製品為主，當然目前也有號稱可三維積層製造之金屬製品，但卻鮮少有開發陶瓷製品的相關技術，其主要原因在於陶瓷製品在三維積層製造中不論是原料的配方、成形的方式、及成型後的處理等工序難度較高，需要累積相當多的經驗，特別是需要陶瓷製作工序的相關經驗，並整合最新3D列印技術，因此技術門檻相當高，有能力涉入開發的廠商恐怕不多，目前較為人所知的僅有德國的Cad Dental GmbH公司、以及法國的3DCeram公司。

再者，一般陶瓷的附接方式，不論是同陶瓷材料的附接、或異質材料的附接，大多採用黏膠黏附的方式。但是，黏附的方式使用壽命較短，且容易受溫度 或濕度的影響，而造成異質材料因熱漲冷縮的收縮膨脹率不同，而造成接合處剝離或崩裂，另外黏膠也容易老化。此外，同時也必須考量到黏接的介面大小，故很難適用於大型物件、或重量較重的物件。

另一方面，雖然一般陶瓷的附接方式中亦有採機械式連接的，例如直接在陶瓷上加工形成螺孔，其大多以車削的方式在孔內車出螺紋，再以螺絲鎖附的方式進行附接。然而，這樣的機械加工方式，將導致螺紋的強度不足，當面臨重物附接時，容易形成崩牙。因此，一直以來產業界無不極力地尋求其他更好的機械附接方式。

本發明之主要目的係在提供一種三維積層製造之陶瓷鎖附件，俾能嵌設至一陶瓷胚體上，而陶瓷鎖附件與陶瓷胚體一起共燒而緊密結合，而提供機械式的鎖附功能，且使用壽命長、耐候性佳、耐久性優越、又強度高可供鎖附重物。另外，本發明之另一主要目的係在提供一種三維積層製造之陶瓷鎖附件之製造方法，其製造成本低廉，成型的成品強度高、使用壽命長，且加工精度高，任何精細、複雜之結構的製造均非難事。

為達成上述目的，本發明一種三維積層製造之陶瓷鎖附件，其係用於嵌設至一陶瓷胚體之一預開孔內，且連同該陶瓷胚體一起燒成，該陶瓷鎖附件包括一第一端面、一第二端面、一螺孔、及一側斜面。其中，第二端面係對應於第一端面，並用於抵接陶瓷胚體之預 開孔的底面；螺孔係位於第一端面或直接貫穿第一端面與第二端面；側斜面係連接於第一端面與第二端面之間並對應於螺孔之內壁面，且側斜面與螺孔之內壁面間所構成之壁厚係自第一端面逐漸遞增至第二端面。

據此，本發明陶瓷鎖附件係利用三維積層製造而成，且其主要包括第一端面、第二端面、螺孔、及側斜面，並可嵌設至陶瓷胚體之預開孔後一起燒成。陶瓷胚體燒成收縮後，將因陶瓷鎖附件側斜面之特殊結構，而使陶瓷胚體緊密地扣住接合陶瓷鎖附件，幾乎不會脫落。另外，螺孔可供機械式的連接，即透過螺絲或螺栓來連接同質材料或異質材料。

較佳的是，本發明三維積層製造之陶瓷鎖附件可更包括一軸向凸塊，其係一體形成於側斜面上。據此，本發明之陶瓷鎖附件與陶瓷胚體一起燒成後，軸向凸塊將發揮卡止功效，其可避免陶瓷鎖附件於機械式連接時，隨著螺絲或螺栓一同轉動。

再者，本發明三維積層製造之陶瓷鎖附件之側斜面與第二端面間的夾角可介於30度與90度之間，較佳為60度。據此，本發明可藉由將側斜面與第二端面間設置特定角度，以防止陶瓷鎖附件自預開孔脫落。此外，本發明之側斜面可包括一直立段，其一端係鄰接於第二端面。據此，於陶瓷鎖附件連同陶瓷胚體一起燒結瓷化緻密的過程中，直立段可有效避免因陶瓷胚體收縮不平均、變形而造成陶瓷鎖附件一側翹起、移位。

另外，本發明三維積層製造之陶瓷鎖附件的 第一端面、及第二端面可分別為一圓型端面，而側斜面可構成一傾斜環型週面。不過，本發明並不以此為限，第一端面、及第二端面亦可分別為一六邊型端面、或其他幾何多邊型端面，而側斜面可構成一六邊型環週面、或其他幾何多邊型環週面；據此，可更加提高陶瓷鎖附件之止旋功效。

為達成上述目的，本發明一種三維積層製造之陶瓷鎖附件之製造方法，其係製造如上述之陶瓷鎖附件，該製造方法包括以下步驟：首先，步驟(A)，準備複數切層投影圖像、及一漿料；其中，複數切層投影圖像係將陶瓷鎖附件之立體圖像沿其軸向或其徑向以一特定厚度切割而成；漿料包括一精密陶瓷粉末、一光硬化樹脂、以及一溶劑；接著，步驟(B)，使用一可見光或一紫外光逐一地照射複數切層投影圖像，而投影於漿料上，而逐層地固化並形成陶瓷鎖附件之胚件；再者，步驟(C)，清除胚件上未固化之雜料；並且，步驟(D)，加熱胚件，使胚件內所含之光硬化樹脂和溶劑脫脂；最後，步驟(E)，燒結胚件使其瓷化緻密。

其中，本發明三維積層製造之陶瓷鎖附件之製造方法所使用的漿料中可更包括一分散劑，且精密陶瓷粉末可為氧化鋁粉末或氧化鋯粉末，而溶劑可為甲醇、乙醇、水、或其混合溶劑，而分散劑為聚羧酸酯類(polycarboxylate)。

再且，本發明三維積層製造之陶瓷鎖附件之製造方法所使用的漿料中，以精密陶瓷粉末與溶劑總重 量計，精密陶瓷粉末佔50%至80%，溶劑佔20%至50%。

較佳的是，本發明三維積層製造之陶瓷鎖附件之製造方法所使用的漿料中，當精密陶瓷粉末與溶劑總重量為100重量份，分散劑的添加量為0.03重量份至0.6重量份；光硬化樹脂的添加量為25重量份至35重量份。

此外，本發明三維積層製造之陶瓷鎖附件之製造方法的步驟(D)之脫脂步驟可加熱至600℃，步驟(E)之燒成步驟可加熱至1400℃~1700℃。

1、11‧‧‧陶瓷鎖附件

2、21‧‧‧第一端面

3、31‧‧‧第二端面

4‧‧‧螺孔

41‧‧‧內壁面

5、51‧‧‧側斜面

50‧‧‧直立段

6‧‧‧軸向凸塊

Cb‧‧‧陶瓷胚體

Cb1‧‧‧預開孔

Cb2‧‧‧底面

S‧‧‧螺栓

t‧‧‧壁厚

圖1A、及圖1B係本發明陶瓷鎖附件一較佳實施例之立體圖。

圖2A、圖2B係本發明陶瓷鎖附件與陶瓷胚體結合之示意圖。

圖3係本發明本發明陶瓷鎖附件與螺栓機械連接之示意圖。

圖4係本發明陶瓷鎖附件另一較佳實施例之立體圖。

圖5係本發明陶瓷鎖附件之製造方法一較佳實施例之流程圖。

本發明三維積層製造之陶瓷鎖附件及其製造方法在本實施例中被詳細描述之前，要特別注意的是，以下的說明中，類似的元件將以相同的元件符號來表示。

請同時參閱圖1A、及圖1B，圖1A、及圖1B 係本發明陶瓷鎖附件一較佳實施例之立體圖。如圖中所示，本實施例之陶瓷鎖附件1主要包括一第一端面2、一第二端面3、一螺孔4、及一側斜面5，其中第一端面2與第二端面3相對應設置，亦即分別為上端面與下端面，而第二端面3用於抵接陶瓷胚體Cb之預開孔Cb1的底面Cb2，請參閱圖2A。

另外，如圖中所示，本實施例之螺孔4係直接貫穿第一端面2與第二端面3。不過，在本發明的其他實施例中，亦可採用非貫穿的形式，亦即採用位於第一端面2之槽孔。至於，側斜面5係連接於第一端面2與第二端面3之間並對應於螺孔4之內壁面41，且側斜面5與螺孔4之內壁面41間所構成之壁厚t係自第一端面2逐漸遞增至第二端面3。此外，本實施例之側斜面5包括一直立段50，其一端係鄰接於第二端面3，而直立段50的長度約佔陶瓷鎖附件1高度的三分之一。

再者，如圖中所示，本實施例之第一端面2、及第二端面3分別為一圓型端面，而側斜面5構成一傾斜環型週面。據此，本實施例之陶瓷鎖附件1的剖面呈現梯型形狀。而且，本實施例之側斜面5上一體形成有一軸向凸塊6，其主要用於卡止功效，亦即可避免陶瓷鎖附件1於機械式連接時，隨著螺絲或螺栓一同轉動。

請一併參閱圖2A、及圖2B，圖2A、圖2B係本發明陶瓷鎖附件與陶瓷胚體結合之示意圖。如圖中所示，本實施例之陶瓷鎖附件1的側斜面5與第二端面3間的夾角θ為60度。當陶瓷鎖附件1欲結合陶瓷胚體Cb時，先將 陶瓷鎖附件1置入陶瓷胚體Cb之一預開孔Cb1內，該預開孔Cb1為一般之圓槽孔即可，接著連同陶瓷鎖附件1與陶瓷胚體Cb一起燒成。

然而，因為陶瓷胚體Cb於燒成過程中將會造成預開孔Cb1的收縮，致使預開孔Cb1將緊密地接合該陶瓷胚體Cb，即預開孔Cb1與陶瓷鎖附件1之第二端面3與側斜面5完全接合。據此，因為陶瓷鎖附件1側斜面5之特殊斜面結構，而使陶瓷胚體Cb緊密地扣住並接合陶瓷鎖附件1，幾乎不會脫落。另外，陶瓷胚體Cb也緊密地接合軸向凸塊6，致使陶瓷鎖附件1不會轉動或晃動。此外，於陶瓷鎖附件1連同陶瓷胚體Cb一起燒結瓷化緻密的過程中，直立段50可有效避免因陶瓷胚體Cb收縮不平均變形而造成陶瓷鎖附件1一側翹起、移位。

請參閱圖3，共燒後的陶瓷胚體Cb與陶瓷鎖附件1，將可提供機械式的連接，亦即可透過螺絲或螺栓S與陶瓷鎖附件1間的螺鎖連接，將同質材料或異質材料固定於陶瓷胚體Cb，或將陶瓷胚體Cb固定至其他的結構體上。而且，因為本發明之陶瓷鎖附件1係採用三維積層製造，故使用壽命長、耐候性佳、耐久性優越、又強度高可供鎖附重物。

請再參閱圖4，圖4係本發明陶瓷鎖附件另一較佳實施例之立體圖。本實施例之陶瓷鎖附件11與前一實施例主要差異在於，本實施例之第一端面21與第二端面31分別為一六邊型端面，而本實施例之側斜面5構成一六邊型環週面。而且，因為本實施例之陶瓷鎖附件11採 用多邊型的構造，可直接形成止旋之功效，無需前一實施例中的軸向凸塊6此一構造。據此，本實施例旨在用於說明本發明之陶瓷鎖附件1、11並不以圓錐為限，亦可採用其他的幾何多邊型，且正因為本發明採用三維積層製造，故任何精細之形狀或構造的成型應非屬難事。

請參閱圖5，圖5係本發明陶瓷鎖附件之製造方法一較佳實施例之流程圖。以下將詳述本發明三維積層製造之陶瓷鎖附件之製造方法。首先，步驟A，準備複數切層投影圖像、及一漿料。其中，複數切層投影圖像係將陶瓷鎖附件之立體圖像沿其軸向或其徑向以一特定厚度切割而成，其可利用電腦3D繪圖並自動切層。

另外，漿料包括精密陶瓷粉末、光硬化樹脂、分散劑、以及溶劑；其中，精密陶瓷粉末為氧化鋁粉末或氧化鋯粉末；光硬化樹脂則混合了可見光的硬化樹脂、以及紫外光的硬化樹脂，其中紫外光的硬化樹脂所佔比例甚少，通常3%以下；溶劑為甲醇、乙醇、水、或其混合溶劑；分散劑為聚羧酸酯類(polycarboxylate)。此外，在本實施例中，精密陶瓷粉末採用氧化鋁粉末，以氧化鋁粉末與溶劑總重量計，氧化鋁粉末佔50%至80%，而其純度約99.8%，而顆粒粒度為0.5微米(μm)；溶劑則佔20%至50%。

本實施例所採用的溶劑為甲醇，因甲醇沸點(攝氏64.7度)比乙醇(攝氏97.8度)為低，揮發速度比乙醇快，且有低的溶劑型介電常數，可以有效分散氧化鋁粉末，故選擇甲醇為漿料中的溶劑。當氧化鋁粉末與甲醇 總重量為100重量份，分散劑的添加量為0.03重量份至0.6重量份，且本實施例所採用的分散劑為濃度30%之水溶液。其中，加入分散劑之目的係讓每個粉末以帶有極性，利用極性相斥的原理讓所有的粉末均勻分散在漿料中；光硬化樹脂的添加量為25重量份至35重量份。再者，在漿料的準備過程中，調配完成後需將漿料放入球磨機中，進行混合攪拌，大約為18至24小時，藉此將氧化鋁粉末分散，達到混合均勻分散陶瓷漿料的效果。

接著，步驟B，使用一可見光或一紫外光逐一地照射該複數切層投影圖像，而投影於於該漿料上，而逐層地固化並形成該陶瓷鎖附件之胚件。其詳細步驟包括，形成一層狀漿料，其厚度約為20微米；靜置該層狀漿料約1~2分鐘，使部分甲醇溶劑因重力、及虹吸現象向下滲透，而該層狀漿料形成膠狀坯體；進行一投影，本實施例係使用一可見光照射一切層投影圖像於膠狀坯體上，其中光亮的區域成為成形的區域，而暗的區域成為不需成形的區域，因於光亮區域內的光硬化樹脂會吸收光而硬化成形，而於暗的區域內光硬化樹脂則不會產生變化；重覆上述步驟，即逐層地重覆靜置步驟，並分別對複數切層投影圖像逐張地照射，使逐層固化，直至完成一陶瓷鎖附件之胚件。

再者，步驟C，清除胚件上未固化之雜料，例如以甲醇溶劑清洗胚件，使雜料脫離胚件。另外，步驟D，緩慢加熱胚件使胚件內所含之光硬化樹脂和溶劑脫脂，以避免因快速升溫導致胚件爆裂，其加熱溫度約為 600度。本實施例之加熱工序如後：首先，耗時約30分鐘而從常溫加熱至約150℃；接著，耗時約10小時而從150℃加熱至約450℃；最後，耗時約1.5小時而從450℃加熱至約600℃。據此，透過高溫加熱，可使胚件內所含之光硬化樹脂和溶劑蒸發，進而僅保留精密陶瓷粉末所構成之胚體。

最後，步驟E，燒結胚件使其瓷化緻密，即以1400℃~1700℃的高溫來燒結陶瓷。在本實施例中，步驟D、及步驟E是接續不間斷地進行，亦即先加熱至600度停留一段時間後，繼續升溫至1400℃~1700℃，再停留1小時以上後緩慢降溫，最後可燒結瓷化緻密而得到陶瓷鎖附件之成品。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1‧‧‧陶瓷鎖附件

2‧‧‧第一端面

3‧‧‧第二端面

4‧‧‧螺孔

41‧‧‧內壁面

5‧‧‧側斜面

50‧‧‧直立段

6‧‧‧軸向凸塊

t‧‧‧壁厚

Claims (10)

1. 一種三維積層製造之陶瓷鎖附件，其係用於嵌設至一陶瓷胚體之一預開孔內，且連同該陶瓷胚體一起燒成，該陶瓷鎖附件包括：一第一端面；一第二端面，其係對應於該第一端面，並用於抵接該陶瓷胚體之該預開孔的底面；一螺孔，其係位於該第一端面或直接貫穿該第一端面與該第二端面；以及一側斜面，其係連接於該第一端面與該第二端面之間並對應於該螺孔之內壁面，該側斜面與該螺孔之內壁面間所構成之壁厚係自該第一端面逐漸遞增至該第二端面。
2. 如請求項1之三維積層製造之陶瓷鎖附件，其更包括一軸向凸塊，其係一體形成於該側斜面上。
3. 如請求項1之三維積層製造之陶瓷鎖附件，其中，該側斜面與該第二端面間的夾角係介於30度與90度之間。
4. 如請求項1之三維積層製造之陶瓷鎖附件，其中，該側斜面包括一直立段，其一端係鄰接於該第二端面。
5. 如請求項1之三維積層製造之陶瓷鎖附件，其中，該第一端面、及該第二端面分別為一圓型端面，該側斜面構成一傾斜環型週面。
6. 一種三維積層製造之陶瓷鎖附件之製造方法，其係製造如請求項1至5中任一項所述之陶瓷鎖附件，該製造方法包括以下步驟： (A).準備複數切層投影圖像、及一漿料；其中，該複數切層投影圖像係將該陶瓷鎖附件之立體圖像沿其軸向或其徑向以一特定厚度切割而成；該漿料包括一精密陶瓷粉末、一光硬化樹脂、以及一溶劑；(B).使用一可見光或一紫外光逐一地照射該複數切層投影圖像，而投影於該漿料上，而逐層地固化並形成該陶瓷鎖附件之胚件；(C).清除該胚件上未固化之雜料；(D).加熱該胚件，使該胚件內所含之該光硬化樹脂和該溶劑脫脂；以及(E).燒結該胚件使其瓷化緻密。
7. 如請求項6之三維積層製造之陶瓷鎖附件之製造方法，其中，該漿料更包括一分散劑；該精密陶瓷粉末為氧化鋁粉末或氧化鋯粉末，該溶劑為甲醇、乙醇、水、或其混合溶劑，該分散劑為聚羧酸酯類(polycarboxylate)。
8. 如請求項7之三維積層製造之陶瓷鎖附件之製造方法，其中，以該精密陶瓷粉末與該溶劑總重量計，該精密陶瓷粉末佔50%至80%，該溶劑佔20%至50%。
9. 如請求項8之三維積層製造之陶瓷鎖附件之製造方法，其中，當該精密陶瓷粉末與該溶劑總重量為100重量份，該分散劑的添加量為0.03重量份至0.6重量份；該光硬化樹脂的添加量為25重量份至35重量份。
10. 如請求項6之三維積層製造之陶瓷鎖附件之製造方法，其中，於該步驟(D)中，其係加熱至600℃；於該步驟(E)中，其係加熱至1400℃~1700℃。