TWI601629B

TWI601629B - 積層製造方法

Info

Publication number: TWI601629B
Application number: TW105111352A
Authority: TW
Inventors: 黃偉欽; 劉松河; 潘益宗; 陳安利; 賴豊文
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-11
Also published as: TW201736094A

Description

積層製造方法

本揭露關於一種積層製造方法，尤其是關於適於製造三維物件的積層製造方法。

隨著積層製造(Additive Manufacturing)的演進，其名稱從快速原型(Rapid Prototyping)轉變成快速製造(Rapid Manufacturing)、或3D列印(3D Printing)。在2009年底，美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials)正式將積層製造的技術分為七大類，並訂定相關標準。根據美國材料試驗協會在2010的定義，積層製造方法是「一種有別於減法製造的製造方法，其係根據三維模型資料，一層層地將材料堆疊成物件的製程。」

不同的積層製造方法具有不同的適用情境與限制，而在製作具有精細內部結構的三維物件(例如內嵌冷卻水路的模具)時，目前大多仰賴粉床式積層製造(Powder Bed Fusion,PBF)，此一技術進一步可區分為選擇性雷射燒結或熔融(Selective Laser Sintering/Melting,SLS/SLM)。粉床式積層製造透過鋪層裝置提供粉體，再以雷射針對所需的二維形狀選擇性加熱部分區域的粉體，致使粉體燒結或熔融成形，重複上述步驟以逐層堆疊成一三維物件，藉此可達成傳統加工法方無法製作之複雜形貌、內部流道或內部結構。由於粉床式積層製造技術使用的粉體粒徑較小，故可形成精細度較高的成品；然而，透過逐層堆疊粉體的物件成型速度較慢，亦難完成較大型的物件。

綜上所述，如何提高現有積層製造方法的製作速度、並解決製作尺寸受限的問題，成為目前亟需解決的課題。

本揭露提供一種積層製造方法，可改善現有積層製造方法於製作速度與成品尺寸之限制。

本揭露之積層製造方法是於製造三維物件包括以下步驟：提供模型；在模型上塗佈介面層；在介面層上塗佈結構層；以第一能量束加熱結構層；重複至少一次上述塗佈與加熱結構層之步驟，以形成積層結構；以及移除模型，以完成三維物件的製造。。

為使本揭露的上述特徵和優點更為顯明易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下。

100、200、300‧‧‧積層製造方法

110、210、310‧‧‧模型

111、211、311‧‧‧第一輪廓

120、220、320‧‧‧介面層

121、221、321‧‧‧第二輪廓

130、230、330‧‧‧積層結構

131、231、331‧‧‧結構層

240、340‧‧‧三維流道

350‧‧‧鑄件

O₁₀₀、O₂₀₀、O₃₀₀‧‧‧三維物件

d‧‧‧厚度

E1、E2‧‧‧能量束

T_m‧‧‧熔點

S1、S2、S3、S4、S5‧‧‧表面

S110、S120、S131~S132、S140、S150‧‧‧步驟

S210、S220、S231~S236、S240、S250‧‧‧步驟

S310、S320、S331~S335、S340、S350‧‧‧步驟

圖1為本揭露第一實施例的積層製造方法之流程圖。

圖2為本揭露第一實施例的積層製造方法之示意圖。

圖3為依照本揭露的積層製造方法製造的介面層的厚度之模擬分析圖。

圖4為本揭露第二實施例的積層製造方法之流程圖。

圖5為本揭露第二實施例的積層製造方法之示意圖。

圖6為本揭露第三實施例的積層製造方法之流程圖。

圖7為本揭露第三實施例的積層製造方法之示意圖。

圖8為依照本揭露的積層製造方法製造且尚未移除模型的物件之外觀圖。

以下將參照所附圖式，說明本揭露的多個實施例。

[第一實施例]

圖1為本揭露第一實施例的積層製造方法100之流程圖。圖2為本揭露第一實施例的積層製造方法100之示意圖。

如圖1所示，依照本揭露第一實施例，積層製造方法100可包括：提供模型(步驟S110)、塗佈介面層(步驟S120)、塗佈結構層(步驟S131)、以第一能量束加熱結構層(步驟S132)、移除模型(步驟S140)、以及可選擇性地以第二能量束加熱介面層(步驟S150)。

以下，將同時參照圖1與圖2，繼續說明積層製造方法100 的每一個步驟的技術內涵。

首先，在步驟S110中，提供一模型110。所提供之模型110在其一表面S1上具有第一輪廓111，且模型110的材料可為：金屬、陶瓷、高分子、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、高分子基複合材料、或上述材料之組合。此外，所提供之模型110在其具有第一輪廓111的表面S1上可塗佈有離型劑(未標示)。換言之，可在進行塗佈介面層120的步驟S120之前，先塗布一層離型劑於模型110具有第一輪廓111的表面S1上。

接著，在步驟S120中，在模型110的表面S1上塗佈一介面層120。介面層120是沿著模型110具有第一輪廓111的表面S1加以塗佈。在一實施例中，所提供之模型110的第一輪廓111的表面S1上塗佈有離型劑，且離型劑是介於模型110與介面層120之間。

在本揭露中，選用不同於模型110的材料來構成介面層120，而構成介面層120的材料可為：金屬、陶瓷、高分子、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、高分子基複合材料、或上述材料之組合。並且，塗佈介面層120的方法可為：熱噴塗、冷噴塗、物理氣相沉積法、化學氣相沉積、電鍍、或其組合。

此外，在步驟S120中，可塗佈介面層120達到一厚度。藉由具有此厚度的介面層120，可保護模型110的第一輪廓111不會在後續的製造過程中有所損壞。換言之，介面層120的厚度可隨著模型110與後續結構層131的材料、以及用以加熱結構層131的第一能量束E1改變予以調整。舉例來說，透過有限元素法分析以第一能量束E1加熱結構層131時的熱傳行為，即可得知介面層120優選的厚度值。如圖3所示，若以熔點T_m為630K的高分子作為模型110的材料，經有限元素法分析可知，介面層120的厚度d若達到150μm時會優於100μm，可達到保護模型110的目的。

接著，在步驟S131中，先沿著介面層120塗佈一層結構層131。其中，塗佈結構層131的方法可為：熱噴塗、冷噴塗、物理氣相沉積法、化學氣相沉積、電鍍、或其組合，而結構層131的材料可為：金屬、陶瓷、高分子、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、高分子基複合材料、或上述材料之組合。結構層131的材料與塗佈方法皆可視欲形成之三維物件O₁₀₀的實際需求予以調整與搭配。

然後，在步驟S132中，以第一能量束E1加熱結構層131，致使結構層131經燒結或熔融後凝固成型。其中，第一能量束E1可為雷射、電子束、電弧、或其組合，經過第一能量束E1加熱之結構層131的強度、緻密度及粗糙度等物理性質皆優於未加熱前。

接著重複上述塗佈步驟S131與加熱步驟S132至少一次，直到多個經第一能量束E1加熱的結構層131累積形成積層結構130。其中，可透過電腦產生欲形成之積層結構130的三維數位模型，而重複執行之步驟S131與S132的次數即是依據此三維數位模型的二維分層資料決定。

接著，在步驟S140中，由於介面層120與模型110採用不同的材料，且模型110與介面層120之間可塗佈有離型劑，故可將模型110與介面層120分離而完成移除模型110之步驟。其中，由圖2清楚可知，由於介面層120是沿著模型110的第一輪廓111塗佈，而構成積層結構130的結構層131是沿著介面層120逐層塗佈與加熱，故介面層120(以及積層結構130)在相對模型110的表面S1具有第二輪廓121，且此第二輪廓121對應模型110的第一輪廓111。至此，完成製造包含介面層120與積層結構130之三維物件O₁₀₀。

後續，可再依需求選擇性地進行步驟S150。在步驟S150中，以第二能量束E2加熱介面層120，致使經加熱處理後的介面層120與積層結構130的硬度、強度、或粗糙度等物理性質以及/或是第二輪廓121符合三維物件O₁₀₀的實際使用需求。其中，與用以加熱結構層131的第一能量束E1相仿，第二能量束E2可為：雷射、電子束、電弧、或其組合。

[第二實施例]

圖4為本揭露第二實施例的積層製造方法200之流程圖。圖5為本揭露第二實施例的積層製造方法200之示意圖。

如圖4所示，依照本揭露第二實施例，積層製造方法200可包括：提供模型(步驟S210)、塗佈介面層(步驟S220)、塗佈結構層(步驟S231)、以第一能量束加熱結構層(步驟S232)、設置三維流道(步驟S233)、可選擇性地塗佈保護層(步驟S234)、塗佈結構層(步驟S235)、以第一能量束加熱結構層(步驟S236)、移除模型(步驟S240)、以及可選擇性地以第二能量束加熱介面層 (步驟S250)。

請特別留意，相較於本揭露第一實施例的積層製造方法100，本揭露第二實施例的積層製造方法200更包含設置三維流道的步驟S233、以及可依需求選擇性進行之塗佈保護層的步驟S234。換言之，提供模型的步驟S210、塗佈介面層的步驟S220、移除模型的步驟S240、以及可選擇性地以第二能量束加熱介面層的步驟S250可分別對應至第一實施例中的步驟S110、S120、S140與S150。因此，在圖5中，相同於第一實施例的元件將以類似第一實施例的元件符號予以表示。

以下，將同時參照圖4與圖5，繼續說明積層製造方法200的每一個步驟的技術內涵。

首先，在步驟S210中，提供一模型210。所提供之模型210在其一表面S2上具有第一輪廓211，且構成此模型210的材料可為：金屬、陶瓷、高分子、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、高分子基複合材料、或上述材料之組合。此外，所提供之模型210在其具有第一輪廓211的表面S2上可塗佈有離型劑(未標示)。換言之，可在進行塗佈介面層220的步驟S220之前，先塗布一層離型劑於模型210具有第一輪廓211的表面S2上。

接著，在步驟S220中，在模型210的表面S2上塗佈一介面層220。介面層220是沿著模型210具有第一輪廓211的表面S2加以塗佈。在一實施例中，若所提供之模型210上塗佈有離型劑，則離型劑是介於模型210與介面層220之間。

在本揭露中，選用不同於模型210的材料來構成介面層220，而構成介面層220的材料可為：金屬、陶瓷、高分子、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、高分子基複合材料、或上述材料之組合。並且，塗佈介面層220的方法可為：熱噴塗、冷噴塗、物理氣相沉積法、化學氣相沉積、電鍍、或其組合。

此外，在步驟S220中，可塗佈介面層220至一厚度。藉由具有此厚度的介面層220，將可保護模型210的第一輪廓211不會在後續的製造過程中有所損壞。換言之，介面層220的厚度可隨著模型210與後續結構層231的材料、以及用以加熱結構層231的第一能量束E1改變予以調整。

接著，在步驟S231中，先沿著介面層220塗佈一結構層231。其中，塗佈結構層231的方法可為：熱噴塗、冷噴塗、物理氣相沉積法、化學氣相沉積、電鍍、或其組合，而結構層231的材料可為：金屬、陶瓷、高分子、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、高分子基複合材料、或上述材料之組合。結構層231的材料與塗佈方法皆可視欲形成之三維物件O₂₀₀的實際需求予以調整與搭配。

然後，在步驟S232中，以第一能量束E1加熱結構層231，致使結構層231經燒結或熔融後凝固成型。其中，第一能量束E1可為：雷射、電子束、電弧、或其組合，經過第一能量束E1加熱之結構層231的強度、緻密度及粗糙度等物理性質皆優於加熱前。

接著重複上述步驟S231與S232至少一次，直到多個經第一能量束E1加熱的結構層231累積形成一部分的積層結構230。其中，可透過電腦產生欲形成之積層結構230的三維數位模型，而重複執行之步驟S231與S232的次數即是依據此三維數位模型的二維分層資料決定。

接著，在完成至少一次之塗佈步驟S231與加熱步驟S232之後，即可進行步驟S233。在步驟S233中，於積層結構230上設置三維流道240，可依需求設置一或多個三維流道240，且三維流道240亦可為任意型態。

接著，可依需求選擇性地進行步驟S234。在步驟S234中，為避免三維流道240因後續形成另一部分的積層結構230時因用以加熱結構層231的第一能量束E1而有損壞，可塗佈具有一厚度的保護層(未標示)於三維流道240的表面S3上。舉例來說，保護層的厚度可透過有限元素法分析形成另一部分的積層結構230時的熱傳行為而得。

接著，進行後續步驟S235~S236。當三維流道240設置(步驟S233)完成之後，無論三維流道240的表面S3上是否具有保護層(步驟S234)，即可接著在三維流道240上塗佈結構層231(步驟S235)並以第一能量束E1加熱之(步驟S236)，然後重複塗佈與加熱結構層231(步驟S235~S236)，直到多個經第一能量束E1加熱的結構層231累積形成另一部分的積層結構230。步驟S235與S236的細節內容分別與步驟S231與S232相同，在此便不再贅述。

如圖5所示，在本實施例中，三維流道240係內嵌於積層結構230中。

接著，在步驟S240中，由於介面層220與模型210採用不同的材料，且模型210與介面層220之間可塗佈有離型劑，故可將模型210與介面層220分離而完成移除模型210之步驟。其中，由圖5清楚可知，由於介面層220是沿著模型210的第一輪廓211塗佈，而構成積層結構230的結構層231是沿著介面層220逐層塗佈與加熱，故介面層220(以及積層結構230)在相對模型210的表面S2具有第二輪廓221，且此第二輪廓221對應模型210的第一輪廓211。至此，完成製造包含介面層220與積層結構230(內嵌三維流道240)的三維物件O₂₀₀。

後續，可依需求選擇性地進行步驟S250。在步驟S250中，以第二能量束E2加熱介面層220，致使經加熱處理後的介面層220與內嵌三維流道240的積層結構230的硬度、強度、或粗糙度等物理性質以及/或是第二輪廓221符合三維物件O₂₀₀的實際使用需求。其中，與用以加熱結構層231的第一能量束E1相仿，第二能量束E2可為：雷射、電子束、電弧、或其組合。

[第三實施例]

圖6為本揭露第三實施例的積層製造方法300之流程圖。圖7為本揭露第三實施例的積層製造方法300之示意圖。

如圖6所示，依照本揭露第三實施例，積層製造方法300可包括：提供模型(步驟S310)、塗佈介面層(步驟S320)、塗佈結構層(步驟S331)、以第一能量束加熱結構層(步驟S332)、可選擇性地設置三維流道(步驟S333)、可選擇性地塗佈保護層(步驟S334)、形成鑄件(步驟S335)、移除模型(步驟S340)、以及可選擇性地以第二能量束加熱介面層(步驟S350)。

請特別留意，相較於本揭露第一實施例的積層製造方法100，本揭露第三實施例的積層製造方法300更包含可依需求選擇性進行之設置三維流道的步驟S333、可依需求選擇性進行之塗佈保護層的步驟S334、以及形成鑄件的步驟S335。換言之，提供模型的步驟S310、塗佈介面層的步驟S320、移除模型的步驟S340、以及可選擇性地以第二能量束加熱介面層的步驟S350可分別對應至第一實施例中的步驟S110、S120、S140與S150。因此，在圖7中，相同於第一實施例的元件將以類似第一實施例的元件符號予以表示。

以下，將同時參照圖6與圖7，繼續說明積層製造方法300的每一個步驟的技術內涵。

首先，在步驟S310中，提供一模型310。所提供之模型310在其一表面S4上具有第一輪廓311，且構成此模型310的材料可為：金屬、陶瓷、高分子、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、高分子基複合材料、或上述材料之組合。此外，所提供之模型310在其具有第一輪廓311的表面S4上可塗佈有離型劑(未標示)。換言之，可在進行塗佈介面層320的步驟S320之前，先塗布一層離型劑於模型310具有第一輪廓311的表面S4上。

接著，在步驟S320中，介面層320是沿著模型310具有第一輪廓311的表面S4塗佈。在一實施例中，若所提供之模型110上塗佈有離型劑，則離型劑是介於模型310與介面層320之間。

在本揭露中，選用不同於模型310的材料來構成介面層320，而構成介面層320的材料可為：金屬、陶瓷、高分子、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、高分子基複合材料、或上述材料之組合。並且，塗佈介面層320的方法可為：熱噴塗、冷噴塗、物理氣相沉積法、化學氣相沉積、電鍍、或其組合。

此外，在步驟S320中，在模型310的表面S4上塗佈一介面層320。可塗佈介面層320至一厚度。藉由具有此厚度的介面層320，將可保護模型310的第一輪廓311不會在後續的製造過程中有所損壞。換言之，介面層320的厚度可隨著模型310與後續結構層331的材料、以及用以加熱結構層331的第一能量束E1與用以形成鑄件350時的能量改變予以調整。

接著，在步驟S331中，先沿著介面層320塗佈一結構層331。其中，塗佈結構層331的方法可為：熱噴塗、冷噴塗、物理氣相沉積法、化學氣相沉積、電鍍、或其組合，而結構層331的材料可為：金屬、陶瓷、高分子、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、高分子基複合材料、或上述材料之組合。結構層331的材料與塗佈方法皆可視欲形成之三維物件O₃₀₀的實際需求予以調整與搭配。

然後，在步驟S332中，以第一能量束E1加熱結構層331，致使結構層331經燒結或熔融後凝固成型。其中，第一能量束E1可為：雷射、電子束、電弧、或其組合，經過第一能量束E1加熱之結構層331的強度、緻密度及粗糙度等物理性質皆優於未加熱前。

接著重複上述步驟S331與S332至少一次，直到多個經第一能量束E1加熱的結構層331累積形成積層結構330。其中，可透過電腦產生欲形成之積層結構330的三維數位模型，而重複執行之步驟S331與S332的次數即是依據此三維數位模型的二維分層資料決定。

接著，在完成至少一次之塗佈步驟S331與加熱步驟S332之後，可依需求選擇性地進行步驟S333與S334。

在步驟S333中，於積層結構330上設置三維流道340，可設置一或多個三維流道340，且三維流道340亦可為任意型態。在三維流道340設置(步驟S333)完成之後，可依需求選擇性地進行步驟S334。在步驟S334中，為避免三維流道340受到後續用以形成鑄件350時的能量(熱能)損壞，可塗佈具有一厚度的保護層(未標示)於三維流道340的表面S5上。舉例來說，保護層的厚度可透過有限元素法分析形成鑄件350時的熱傳行為而得。

接著，如圖7所示，在三維流道340設置完成(步驟S333)之後，即可接著在三維流道340外形成鑄件350(步驟S335)。或者，在另一實施例中，亦可在三維流道340設置完成(步驟S333)之後，繼續重複塗佈與加熱結構層331以累積形成另一部份的積層結構 330，接著再形成鑄件350(步驟S335)。又或者，在又一實施例中，未進行設置三維流道340之步驟S333，而是在重複塗佈與加熱結構層331至少一次(步驟S331與S332)之後，即接著形成鑄件350(步驟S335)。

在步驟S335中，形成鑄件350的方法可為任何已知的鑄造方法，例如壓鑄法、瀝鑄法、重力鑄造法、沙模鑄造法等等。鑄件的材料可為金屬、高分子、金屬基複合材料、高分子基複合材料、或上述材料之組合。鑄件350的材料與形成方法皆可視欲形成之三維物件O₃₀₀的實際需求予以調整與搭配。

接著，在步驟S340中，由於介面層320與模型310採用不同的材料，且模型310與介面層320之間可塗佈有離型劑，故可將模型310與介面層320分離而完成移除模型310之步驟。其中，由圖7清楚可知，由於介面層320是沿著模型310的第一輪廓311塗佈，而構成積層結構330的結構層331是沿著介面層320逐層塗佈與加熱，故介面層320(以及積層結構330)在相對模型310的表面S4具有第二輪廓321，且此第二輪廓321對應模型310的第一輪廓311。至此，完成製造包含介面層320、積層結構330、與鑄件350之三維物件O₃₀₀。

如圖7所示，在本實施例中，三維物件O₃₀₀包含位於積層結構330與鑄件350中的三維流道340；然而，如先前所述，設置三維流道340的步驟S333可依需求選擇性進行，故在另一實施例中，三維物件O₃₀₀亦可不包含三維流道340，而是由介面層320、積層結構330、以及鑄件350一起構成。

後續，可依需求選擇性地進行步驟S350。在步驟S350中，以第二能量束E2加熱介面層320，致使經加熱處理後的介面層320與積層結構330的硬度、強度、或粗糙度等物理性質以及/或是第二輪廓322符合三維物件O₃₀₀的實際使用需求。其中，與用以加熱結構層331的第一能量束E1相仿，第二能量束E2可為：雷射、電子束、電弧、或其組合。

前述所提及之模型的材料、介面層與結構層的材料與塗佈方法、鑄件的材料與形成方法、以及能量束的選擇，皆可視欲形成之三維物件的實際需求由使用者自行調整。

舉例而言，圖8為依照本揭露的積層製造方法製造且尚未移除模型的物件之外觀圖。製造此一物件的相關細節如下：先由ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)塑膠與金屬粉末製成模型310，接著以熱噴塗的方法塗佈厚度200μm的介面層320於模型310上，然後以冷噴塗的方法塗佈厚度100μm的結構層331並以功率220W、速度100mm/s的雷射加熱之，後續再重複塗佈與雷射加熱結構層331直到形成厚度2mm的積層結構330，最後再以砂箱圍住積層結構330，注入攝氏1350度的鐵水於其中而以澆鑄的方法形成鑄件350。由圖8所示可知，依照本揭露，成型物件中的積層結構330與鑄件350因採用不同技術製造而呈現不同的質地。

綜上所述，本揭露整合塗佈、能量束加熱、以及鑄造等不同技術於一積層製造方法中，並透過搭配合適的材料，即可提升三維物件的製作速度並突破習知積層製造方法的尺寸限制。

雖然本揭露已以實施例說明如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧積層製造方法

S110、S120、S131、S132、S140、S150‧‧‧步驟

Claims

一種積層製造方法，適於製造一三維物件，包括以下步驟：提供一模型；在該模型的一表面上塗佈一介面層；在該介面層上塗佈一結構層；以第一能量束加熱該結構層；重複至少一次上述塗佈與加熱該結構層之步驟，以形成一積層結構；以及移除該模型，以完成該三維物件的製造。
如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，更包括在完成至少一次之該塗佈與加熱該結構層之步驟之後，於該積層結構上設置至少一三維流道。
如申請專利範圍第2項所述的積層製造方法，更包括：於該至少一三維流道的表面上塗佈一保護層。
如申請專利範圍第2項所述的積層製造方法，更包括：在該三維流道設置完成之後，重複該塗佈與加熱該結構層之步驟，以形成另一積層結構。
如申請專利範圍第4項所述的積層製造方法，更包括.在該另一積層結構上形成一鑄件。
如申請專利範圍第2項所述的積層製造方法，更包括：於該至少一三維流道外形成一鑄件。
如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，更包括：在完成至少一次之該塗佈與加熱該結構層之步驟之後，於該積層結構上形成一鑄件。
如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，更包括：在移除該模型之步驟之後，以一第二能量束加熱該介面層。
如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，其中，塗佈該介面層或該結構層的方法為熱噴塗、冷噴塗、物理氣相沉積法、化學氣相沉積、電鍍、或其組合。
如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，其中，該第一能量束為雷射、電子束、電弧、或前述能量束之組合。
如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，其中，該介面層或該結構層的材料為金屬、陶瓷、高分子、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、高分子基複合材料、或上述材料之組合。
如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，其中，該模型的材料與該介面層不同。