TWI608923B - 以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法及其製品,及三維列印裝置 - Google Patents

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Description

以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法及其製品,及三維列印裝置
本發明是有關於一種三維列印技術,特別是指一種以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法及其製品。
現有三維列印技術製成的物件,大多是塑膠製品或金屬製品。一般塑膠製品雖有較容易製作、成本較低的優點,但是有結構強度較差的缺點。而以燒結疊積形成的金屬製品雖然結構強度較好,但是製造成本卻較高。
因此,本發明之其中一目的,即在提供一種以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法。
因此,本發明之其中另一目的,即在提供一種以三維列印技術形成的金屬與塑膠複合物件。
本發明之其中又一目的,在提供一種用以製作金屬與塑膠複合物件的三維列印裝置。
於是,本發明以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法在一些實施態樣中,是包含步驟:疊積塑膠材料層形成一塑膠結構,且該塑膠結構具有一預定設置金屬區;在該預定設置金屬區的表面疊積隔熱材料層形成一隔熱結構;及在該隔熱結構上以燒結方式疊積金屬材料層形成一金屬結構。
在一些實施態樣中,該預定設置金屬區為一凹槽,且該凹槽由一底壁面及一周壁面共同界定,該隔熱結構覆蓋該底壁面及該周壁面且形成一容置空間,該金屬結構設於該容置空間。
在一些實施態樣中,在形成該金屬結構後進一步疊積塑膠材料層,使整體塑膠結構包覆該金屬結構。
在一些實施態樣中,在形成該金屬結構後進一步疊積塑膠材料層及隔熱材料層,使形成的整體隔熱結構包覆該金屬結構並使形成的整體塑膠結構包覆於該隔熱結構外。
在一些實施態樣中,該塑膠結構是以熔融沉積成型方式形成。
在一些實施態樣中,於形成該塑膠結構、該隔熱結構及該金屬結構的步驟中,分別以不同的噴嘴供應熔融的塑膠材料、隔熱材料的粉末及金屬材料的粉末。
在一些實施態樣中,形成該隔熱結構的材料選自石膏或矽藻土。
在一些實施態樣中,形成該隔熱結構的材料為石膏,且是以生石膏粉疊積後,再於形成金屬結構的燒結金屬過程中受熱轉變為熟石膏。
於是,本發明以三維列印技術形成的金屬與塑膠複合物件在一些實施態樣中,是包含一以塑膠材料層疊積而成的塑膠結構、一以金屬材料層疊積而成的金屬結構,及一介於該塑膠結構與該金屬結構之間,並以隔熱材料層疊積而成的隔熱結構。
在一些實施態樣中,形成該隔熱結構的材料選自石膏或矽藻土。
本發明適用於製作金屬與塑膠複合物件的三維列印裝置在一些實施態樣中,是包含一成型平台、一第一噴嘴、一第二噴嘴、一第三噴嘴及一加熱模組。該第一噴嘴位於該成型平台上方,且可相對於該成型平台移動,用以供應熔融的塑膠材料。該第二噴嘴位於該成型平台上方,且可相對於該成型平台移動,用以供應黏稠狀的隔熱材料。該第三噴嘴位於該成型平台上方,且可相對於該成型平台移動,用以供應金屬粉末。該加熱模組位於該成型平台上方,且可相對於該成型平台移動,用以對金屬粉末加熱。
本發明至少具有以下功效:藉由隔熱結構隔絕形成金屬結構時因高溫燒結產生的高溫,使塑膠結構不會受到金屬結構的高溫影響而變形,如此即能以三維列印方式形成金屬與塑膠複合物件。再者,所形成的金屬與塑膠複合物件,相較於一般三維列印完全由塑膠形成的塑膠物件能具有更好的結構強度,而相較於一般三維列印完全由金屬燒結形成的金屬物件,能夠大幅降低製造成本,且能有較好的可撓性。
參閱圖1,本發明以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法之一實施例,包含以下步驟:
步驟S1,疊積塑膠材料層形成一塑膠結構,且該塑膠結構具有一預定設置金屬區;
步驟S2,在該預定設置金屬區的表面疊積隔熱材料層形成一隔熱結構;
步驟S3,在該隔熱結構上以燒結方式疊積金屬材料層形成一金屬結構;及
步驟S4,在形成該金屬結構後進一步疊積塑膠材料層及隔熱材料層,使形成的整體隔熱結構包覆該金屬結構並使形成的整體塑膠結構包覆於該隔熱結構外。
以下配合物品示意圖說明各步驟。
參閱圖2,本實施例是利用具有一成型平台4、三個噴嘴及一用以加熱金屬粉末的加熱模組8之三維列印裝置來實施,為方便說明起見,將三個噴嘴定義為第一噴嘴5、第二噴嘴6及第三噴嘴7,第一噴嘴5、第二噴嘴6、第三噴嘴7及加熱模組8設於一腔體9內且位於成型平台4上方,並可由一驅動機構(未圖示)驅動以相對於成型平台4水平及上下移動。腔體9內可通入惰性氣體以在燒結金屬時提高化學穩定性,並於燒結金屬後冷卻金屬。在本實施例中,加熱模組8可產生雷射光束以對金屬粉末加熱,但亦可採用例如能產生電子束或電弧以對金屬粉末加熱的加熱模組8。步驟S1是利用第一噴嘴5供應熔融的塑膠材料,在成型平台4上以熔融沉積成型方式逐層疊積塑膠材料層而形成一塑膠結構1,且塑膠結構1具有一預定設置金屬區11。在本實施例中,預定設置金屬區11為一凹槽,且凹槽由一底壁面111及一周壁面112共同界定。本例中塑膠結構1是以習知三維列印技術中的熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling,FDM)製程成形,但非以此為限。
參閱圖3,步驟S2是由第二噴嘴6供應黏稠狀的隔熱材料,在預定設置金屬區11的表面疊積隔熱材料層形成一隔熱結構2,隔熱結構2的厚度以不小於0.5mm較佳。在本實施例中,隔熱結構2覆蓋底壁面111及周壁面112且形成一容置空間21。形成隔熱結構2的材料可選自具有低導熱係數的材料,例如石膏或矽藻土。可將石膏或矽藻土加入適量的液體混合成黏稠狀,再利用第二噴嘴6擠出成型。石膏的耐熱溫度約為1450℃,矽藻土的耐熱溫度約為1650-1750℃。
參閱圖4,步驟3是由第三噴嘴7供應金屬材料的粉末,並由加熱模組8將金屬粉末燒結,在隔熱結構2上以燒結方式疊積金屬材料層形成一金屬結構3。亦即,在隔熱結構2上逐層鋪設金屬粉末並燒結,而疊積形成金屬結構3。適用的金屬,例如鎂、鋁、金、銀、銅等。在金屬粉末燒結過程中會產生高溫,藉由隔熱結構2可以阻隔熱能傳導至塑膠結構1,以避免塑膠結構1受熱變形。在隔熱結構2的材料為石膏的實施態樣,步驟S2可採用生石膏疊積,如此,在步驟S3中,生石膏可於形成金屬結構3的燒結金屬過程中受熱轉變為熟石膏,藉此,不僅能在生石膏轉換為熟石膏的過程中吸收大量的熱能以增加隔熱效果,且形成熟石膏的結構強度較佳。本例中金屬結構3是以習知三維列印技術中的選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering, SLS)製程成形,但非以此為限。
參閱圖5,步驟S4,在形成金屬結構3後可進一步疊積塑膠材料層及隔熱材料層,使形成的整體隔熱結構2包覆金屬結構3並使形成的整體塑膠結構1包覆於隔熱結構2外。參閱圖6,另一實施態樣亦可待金屬結構3冷卻至不會造成塑膠結構1變形的溫度後,可以直接在金屬結構3上疊積塑膠材料層,使整體塑膠結構1包覆金屬結構3。
參閱圖7,在本實施例中,金屬結構3呈H形位於塑膠結構1中,可用以強化塑膠結構1,使整體金屬與塑膠複合物件,因塑膠結構1具有可撓性且藉由金屬結構3增加整體結構強度。故以相同外形及體積的物件而言,相較於一般三維列印完全由塑膠形成的塑膠物件,本實施例的複合物件因具有金屬結構3而能強化整體的結構強度;而相較於一般三維列印完全由金屬燒結形成的金屬物件,因本實施例的複合物件一部分體積為塑膠結構1,不僅能夠大幅降低製造成本,且能有較好的可撓性。
綜上所述,本實施例藉由隔熱結構2隔絕形成金屬結構3時因高溫燒結產生的高溫,使塑膠結構1不會受到金屬結構3的高溫影響而變形,如此即能以三維列印方式形成金屬與塑膠複合物件。再者,以本實施例的製法所形成的金屬與塑膠複合物件,相較於一般三維列印完全由塑膠形成的塑膠物件能具有更好的結構強度,而相較於一般三維列印完全由金屬燒結形成的金屬物件,能夠大幅降低製造成本,且能有較好的可撓性。
惟以上所述者,僅為本發明之實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書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。
1‧‧‧塑膠結構
11‧‧‧預定設置金屬區
111‧‧‧底壁面
112‧‧‧周壁面
2‧‧‧隔熱結構
21‧‧‧容置空間
3‧‧‧金屬結構
4‧‧‧成型平台
5‧‧‧第一噴嘴
6‧‧‧第二噴嘴
7‧‧‧第三噴嘴
8‧‧‧加熱模組
9‧‧‧腔體
S1‧‧‧步驟
S2‧‧‧步驟
S3‧‧‧步驟
S4‧‧‧步驟
本發明之其他的特徵及功效,將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現,其中: 圖1是本發明以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法的一實施例的一步驟流程方塊圖; 圖2是說明該實施例的步驟S1形成一塑膠結構的一示意圖; 圖3是說明該實施例的步驟S2形成一隔熱結構的一示意圖; 圖4是說明該實施例的步驟S3形成一金屬結構的一示意圖; 圖5是說明該實施例的步驟S4進一步疊積塑膠材料層及隔熱材料層的一示意圖; 圖6是說明該實施例的步驟S4另一實施態樣的一示意圖;及 圖7是說明該實施例製成之一金屬與塑膠複合物件的一剖視示意圖。
S1‧‧‧步驟
S2‧‧‧步驟
S3‧‧‧步驟
S4‧‧‧步驟

Claims (14)

  1. 一種以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法,包含步驟: 疊積塑膠材料層形成一塑膠結構,且該塑膠結構具有一預定設置金屬區; 在該預定設置金屬區的表面疊積隔熱材料層形成一隔熱結構;及 在該隔熱結構上以燒結方式疊積金屬材料層形成一金屬結構。
  2. 如請求項1所述以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法,其中,該預定設置金屬區為一凹槽,且該凹槽由一底壁面及一周壁面共同界定,該隔熱結構覆蓋該底壁面及該周壁面且形成一容置空間,該金屬結構設於該容置空間。
  3. 如請求項1所述以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法,其中,在形成該金屬結構後進一步疊積塑膠材料層,使整體塑膠結構包覆該金屬結構。
  4. 如請求項1所述以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法,其中,在形成該金屬結構後進一步疊積塑膠材料層及隔熱材料層,使形成的整體隔熱結構包覆該金屬結構並使形成的整體塑膠結構包覆於該隔熱結構外。
  5. 如請求項1所述以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法,其中,該塑膠結構是以熔融沉積成型方式形成。
  6. 如請求項5所述以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法,其中,於形成該塑膠結構、該隔熱結構及該金屬結構的步驟中,分別以不同的噴嘴供應熔融的塑膠材料、黏稠狀的隔熱材料及金屬材料的粉末。
  7. 如請求項1所述以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法,其中,形成該隔熱結構的材料選自石膏或矽藻土。
  8. 如請求項7所述以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法,其中,形成該隔熱結構的材料為石膏,且是以生石膏疊積後,再於形成金屬結構的燒結金屬過程中受熱轉變為熟石膏。
  9. 一種以三維列印技術形成的金屬與塑膠複合物件,包含: 一塑膠結構,以塑膠材料層疊積而成; 一金屬結構,以金屬材料層疊積而成;及 一隔熱結構,介於該塑膠結構與該金屬結構之間,並以隔熱材料層疊積而成。
  10. 如請求項9所述以三維列印技術形成的金屬與塑膠複合物件,其中,形成該隔熱結構的材料選自石膏或矽藻土。
  11. 一種以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法,包含步驟: 於一平台上以層疊方式形成一塑膠結構; 於該塑膠結構的一表面的預定區域形成一隔熱結構;及 於該隔熱結構上以層疊方式形成一金屬結構。
  12. 一種以三維列印技術形成金屬與塑膠複合物件的方法,包含步驟: 以熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling)製程形成一塑膠結構; 於該塑膠結構的一表面的預定區域形成一隔熱結構;及 於該隔熱結構上以選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering, SLS) 製程形成一金屬結構。
  13. 一種三維列印裝置,適用於製作金屬與塑膠複合物件,該三維列印裝置包含: 一成型平台, 一第一噴嘴,位於該成型平台上方,且可相對於該成型平台移動,用以供應熔融的塑膠材料; 一第二噴嘴,位於該成型平台上方,且可相對於該成型平台移動,用以供應黏稠狀的隔熱材料; 一第三噴嘴,位於該成型平台上方,且可相對於該成型平台移動,用以供應金屬粉末;及 一加熱模組,位於該成型平台上方,且可相對於該成型平台移動,用以對金屬粉末加熱。
  14. 一種三維列印裝置,適用於製作金屬與塑膠複合物件,該三維列印裝置包含: 一成型平台, 一第一噴嘴,位於該成型平台上方,且可相對於該成型平台移動,用以供應一塑膠材料; 一第二噴嘴,位於該成型平台上方,且可相對於該成型平台移動,用以於該第一噴嘴供應該塑膠材料後供應一隔熱材料; 一第三噴嘴,位於該成型平台上方,且可相對於該成型平台移動,用以於該第二噴嘴供應該塑膠材料後供應一金屬材料;及 一加熱模組,位於該成型平台上方,且可相對於該成型平台移動,用以對金屬粉末加熱。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN204820360U (zh) * 2015-08-07 2015-12-02 李东壑 一种适用于不同结构三维打印机机型的多喷头装置
CN105618756A (zh) * 2015-08-25 2016-06-01 国家电网公司 一种金属3d打印加支撑结构的装置

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