TWI616314B - 立體物件的積層製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種立體物件的積層製造方法，包括：(a)提供立體物件 的三維數位模型；(b)將立體物件的三維數位模型，劃分為至少一種多面體立體單元的重複排列，每一多面體立體單元的至少一個表面與X-Y平面的一夾角為銳角或鈍角；(c)將三維數位模型沿Z軸切割成多個二維切片；(d)定義一掃描路徑，以覆蓋所述二維切片的一個；(e)沿著所述掃描路徑，提供能量束到位於工作面的材料，以形成對應於二維切片的一個的一結構層；以及(f)重覆(d)與(e)的步驟，藉由依序積層多個所述結構層，而建立該立體物件。

Description

立體物件的積層製造方法
本揭露是有關於一種積層製造方法、以及立體物件的積層製造方法。
已知有利用積層製造方法(Additive Manufacturing,AM)來製造立體物件的技術。隨著積層製造方法的演進，其名稱從快速原型(Rapid Prototyping,RP)轉變成快速製造(Rapid Manufacturing,RM)、或3D列印(3D Printing,3DP)。在2009年底，美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials,ASTM)正式將積層製造方法的技術進行命名與分類，且訂定與建立了相關標準。
目前，積層製造方法較受重視的主流技術在於金屬-雷射積層製造，但面臨了成品品質金屬材料不易確保穩定無變形的問題。
為了避免雷射的熱量過度集中而產生產品的熱變形，以往的做法是，採取了條紋狀(Stripes canning)及棋盤狀(Chess scanning)兩種掃描方法，來將熱應力分散於產品之中。但是，對 於熱應力的控制仍存在相當的瓶頸。
綜上所述，渴望新的製造設計與方法，以改善成品中的熱應力的課題。
本揭露提供了立體物件的積層製造方法，可改善結構層與結構層之間的熱應力不均勻。本揭露以多面體立體單元進行三維疊合，而能夠在結構層與結構層之間均勻地分散熱應力，藉此，可降低立體物件的變形量，以提升品質與穩定度，同時，可增進立體物件中的各軸向強度的均勻性。
本揭露提出一種立體物件的積層製造方法，包括：(a)提供立體物件的三維數位模型；(b)將立體物件的三維數位模型，劃分為至少一種多面體立體單元的重複排列，每一多面體立體單元的至少一個表面與X-Y平面的夾角為銳角或鈍角；(c)將三維數位模型沿Z軸切割成多個二維切片；(d)定義一掃描路徑，以覆蓋所述二維切片的一個；(e)沿著所述掃描路徑，提供一能量束到位於工作面的一材料，以形成對應於所述二維切片的所述一個的一結構層；以及(f)重覆(d)與(e)的步驟，藉由依序積層多個所述結構層，而建立該立體物件。
本揭露提出一種立體物件的積層製造方法，包括：(a)提供由多個立體單元組成的三維數位模型；(b)將該三維數位模型切割成多個二維切片，且各該二維切片包括多個切片單元；以及 (c)沿著覆蓋所述二維切片的每一個的一掃描路徑依序提供一能量束而進行積層製造，以致於藉由依序積層對應於所述二維切片的多個所述結構層，來建立所述立體物件，其中，所述二維切片的每一個的兩相鄰切片單元具有：不同掃描向量中的所述掃描路徑。
本揭露提出一種立體物件的積層製造方法，包括：(a)提供由多個第一立體單元與多個第二立體單元組成的三維數位模型，其中所述第一立體單元不同於所述第二立體單元；(b)將該三維數位模型切割成多個二維切片，且各該二維切片包括對應於該些第一立體單元的多個第一切片單元以及對應於該些第二立體單元的多個第二切片單元；以及(c)沿著覆蓋所述二維切片的每一個的一掃描路徑依序提供一能量束而進行積層製造，以致於藉由依序積層對應於所述二維切片的多個所述結構層，來建立所述立體物件，其中，所述二維切片的每一個的所述第一切片單元具有：位在一第一掃描向量中的所述掃描路徑，且所述二維切片的每一個的所述第二切片單元具有：位在不同於所述第一掃描向量的一第二掃描向量中的所述掃描路徑。
基於上述，本揭露以多個多面體立體單元進行三維疊合，且使每一個多面體立體單元的至少一個表面與X-Y平面的夾角為銳角或鈍角；或者，多個立體單元被切割成多個二維切片以進行三維疊合，其中，各個二維切片具有多個切片單元；或者，利用多個第一立體單元、與不同於所述第一立體單元的多個第二 立體單元來進行三維疊合；因此，能夠在結構層與結構層之間均勻地分散熱應力，而降低立體物件的變形量。可提升立體物件的品質與穩定度，同時，可提升立體物件中的各軸向強度的均勻性。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧支撐結構
110‧‧‧立體物件
120‧‧‧裂痕
200、202‧‧‧立體物件
300‧‧‧立體物件的積層製造方法
400‧‧‧截角八面體
402、404、406‧‧‧截角八面體的六邊形
410、510、610、710‧‧‧表面
400-1、400-2、400-3‧‧‧三維立體結構
500‧‧‧截角十二面體
500-1、600-1、700-1‧‧‧三維立體結構
600‧‧‧六角菱柱
700‧‧‧正十二面體
800‧‧‧截稜角立方體堆砌排列
810‧‧‧大斜方截半立方體
820‧‧‧截角八面體
830‧‧‧正方體
900‧‧‧截斷半立方蜂窩堆砌排列
910‧‧‧截角四面體
920‧‧‧截角八面體
930‧‧‧十四面體
1000‧‧‧截角立方體堆砌排列
1100‧‧‧截角立方體
1200‧‧‧正八面體
A‧‧‧圓圈
D1、D2、D3‧‧‧掃描向量
F‧‧‧熱應力
L‧‧‧能量束
M‧‧‧結構層
Ostripe、OP‧‧‧立體物件
Pcs‧‧‧二維切片
PXY‧‧‧水平面
PW‧‧‧工作面
S‧‧‧空間
S310、S312、S314、S316、S318、S320、S330‧‧‧步驟
θ‧‧‧夾角
δ、δ1‧‧‧變形量
圖1為本揭露的一實施例的立體物件的積層製造方法的流程示意圖。
圖2為在彼此垂直的X軸、Y軸及Z軸所定義的空間中，逐層形成立體物件的示意圖。
圖3為本揭露的一實施例的多面體立體單元(即，截角八面體)的示意圖。
圖4為由多個截角八面體進行重複排列而成的三維立體結構的示意圖。
圖5A為立體物件的立體截面圖。
圖5B為圖5A的立體物件的側視圖。
圖5C為圖5A的立體物件的上視圖。
圖6A與圖6B為本揭露的其他實施例的，由多個截角八面體進行重複排列而成的三維立體結構的示意圖。
圖7為本揭露的另一實施例的多面體立體單元(即，截角十二面體)的示意圖。
圖8為由多個截角十二面體進行重複排列而成的三維立體結構的示意圖。
圖9A為三維立體結構500-1的上視圖。
圖9B為三維立體結構500-1的側視圖。
圖10為本揭露的又一實施例的多面體立體單元(即，六角菱柱)的示意圖。
圖11為由多個六角菱柱進行重複排列而成的三維立體結構的示意圖。
圖12A為三維立體結構600-1的上視圖。
圖12B為三維立體結構600-1的側視圖。
圖13為本揭露的又一實施例的多面體立體單元(即，正十二面體)的示意圖。
圖14為由多個正十二面體進行重複排列而成的三維立體結構的示意圖。
圖15為本揭露的實施例的截稜角立方體堆砌排列(Cantitruncated cubic)的示意圖。
圖16為本揭露的實施例的截斷半立方蜂窩堆砌(Cantic cubic honeycomb)排列的示意圖。
圖17為本揭露的實施例的截角立方體堆砌排列的示意圖。
圖18為利用傳統的條紋狀掃描策略所製成的立體物件的外觀示意圖。
圖19為利用本揭露的立體物件的積層製造方法，所製成的立體物件的外觀示意圖。
圖20為傳統條紋掃描策略的立體物件的變形量、與本揭露的立體物件的變形量的量測值的比較示意圖。
圖21為支撐立體物件的支撐結構因熱應力而造成損壞的示意圖，該支撐結構是利用傳統的條紋狀掃描策略所製成。
本揭露著重於改善雷射積層製造的熱應力變形問題。透過創新的掃描策略(Scanning strategy)，以多面體立體單元的三維堆疊方式，而在結構層與結構層之間分散殘留的熱應力。藉此，至少可達到以下的技術效果：降低積層製造產品的變形量、避免支撐結構毀損、提升積層製造產品的品質與穩定度、可提升立體物件中的各軸向強度的均勻性。
本揭露提出一種立體物件的積層製造方法，包括以下的(a)~(f)的步驟，其中，(a)提供立體物件的三維數位模型；(b)將立體物件的三維數位模型，劃分為至少一種多面體立體單元的重複排列，每一多面體立體單元的至少一個表面與X-Y平面的夾角為銳角或鈍角；(c)將三維數位模型沿Z軸切割成多個二維切片；(d)定義一掃描路徑，以覆蓋所述二維切片的一個；(e)沿著所述掃描路徑，提供能量束到位於工作面的材料，以形成對應於所述二維切片的所述一個的一結構層；以及(f)重覆(d)與(e)的步驟，藉由 依序積層多個所述結構層，而建立該立體物件。
含有X軸與Y軸的水平面為空間中的虛擬參考面，以下標示為PXY；上述的工作面為實際進行立體物件的製作面，以下標示為PW；上述的二維切片為多個切片單元，以下標示為PCS，在工作面Pw上所形成的結構層M，會依照二維切片Pcs之圖形成為一特定之結構層M。以下將參照所附圖式，說明本揭露的多個實施例。
圖1為本揭露的一實施例的立體物件的積層製造方法的流程示意圖。圖2為在彼此垂直的X軸、Y軸及Z軸所定義的空間中，逐層形成立體物件的示意圖。本揭露的立體物件的積層製造方法300，在彼此垂直的X軸、Y軸及Z軸所定義的空間S中，以多個結構層M在水平面PXY逐層進行堆疊的方式(圖2只繪示一個結構層M作為示意)，來製造立體物件200(如圖2的虛線所示)。
如圖1所示，立體物件200的積層製造方法300可包括：提供立體物件的三維數位模型的步驟S310、定義一掃描路徑以覆蓋二維切片的一個的步驟S320、以及提供能量束的步驟S330；其中，提供三維數位模型的步驟S310可包括：將三維數位模型切分為多面體立體單元的步驟S312、以及沿Z軸切割該三維數位模型的步驟S314。以下，繼續說明立體物件200的積層製造方法300的每一個步驟的技術內涵。
請參照圖1，在步驟S310中，立體物件200的三維數位模型可以由電腦繪圖軟體所產生、或是藉由立體物件200的三維掃描軟體，直接掃描立體物件200的外型所產生。立體物件200可為規 則或不規則的立體物品，可具有複雜形貌、內流道與內結構。可利用電腦來進行立體物件200的三維數位模型的運算、以及進行相關的設定。
可注意到，在步驟S312中，將立體物件200的三維數位模型，劃分為至少一種多面體立體單元的重複排列，且「每一多面體立體單元的至少一個表面與所述水平面PXY的夾角為銳角或鈍角」。請參照以下圖3~圖4、圖5A~圖5C，進一步理解本揭露的此技術方案。
圖3為本揭露的一實施例的多面體立體單元(即，截角八面體)的示意圖。如圖3所示，多面體立體單元可為截角八面體400(Truncated octahedron)。截角八面體400具有：8個六邊形與6個四邊形。圖4為由多個截角八面體進行重複排列而成的三維立體結構的示意圖。此三維立體結構400-1中，使截角八面體400的六邊形朝向上方。
圖5A為立體物件的示意圖。圖5B為圖5A的立體物件的側視圖。圖5C為圖5A的立體物件的上視圖。請參照圖5A，可看出，堆疊了多個結構層M而製造的立體物件202，內部結構是由多個截角八面體400所構成。由圖5B的側視圖來觀看，當多個截角八面體400沿Z軸縱向排列時，每一截角八面體400的至少一個表面410、與水平面PXY的夾角θ為銳角或鈍角，在此實施例中，夾角θ的角度為60度，另外，也可為夾角θ的互補角，即120度。
藉由上述技術方案，截角八面體400的表面410連結了立 體物件200中的各結構層M。換句話說，如圖5B所示，由截角八面體400所堆疊而成的立體物件200中，因積層製造所產生的熱應力F可被分散成數個不同的角度，亦即，被分散到不同的軸向；因此，能夠在多個結構層M之間均勻地分散熱應力F。藉此，可減緩熱應力F的累積效應，進而可降低立體物件200的變形量，並提升品質與穩定度。同時，可提升立體物件200中的各軸向強度的均勻性，以增進立體物件200的整體強度。
另外，如圖4、圖5A、圖5C所示，截角八面體400的排列方式為六邊形朝向上方。然而，在其他實施例中，可依照立體物件200的設計需要而調整截角八面體400的排列方式。圖6A與圖6B為本揭露的其他實施例的，由多個截角八面體進行重複排列而成的三維立體結構的示意圖。如圖6A所示的三維立體結構400-2中，截角八面體400的四邊形朝向上方；如圖6B所示的三維立體結構400-3中，截角八面體400以特定角度進行排列，可不同於圖4的截角八面體400的排列角度。
請再參照圖1、圖2、圖5C，在步驟S314中，將三維數位模型沿Z軸切割成多個二維切片PCS。在一實施例中，每一個二維切片PCS可由多個多邊形所組成。如圖5C所示，該二維切片PCS可由多個六邊形402、404、406所組成。
請參照圖2與圖5C，在一個結構層M的二維切片PCS中設定掃描路徑的方法，例如，多個多邊形402具有：位在掃描向量D1中的掃描路徑、且分別被不同的能量束L在同時進行掃描。多個多 邊形404具有：位在不同於掃描向量D1的掃描向量D2中的掃描路徑、且分別被不同的能量束L在同時進行掃描，且多個多邊形406具有：位在掃描向量D3中的掃描路徑、且分別被不同的能量束L在同時進行掃描，所述掃描向量D3不同於所述掃描向量D1與所述掃描向量D2。並且，多邊形402在多邊形404之前被掃描，且多邊形404在多邊形406之前被掃描。詳細而言，此掃描路徑的一個例子為：在掃描向量D1中，進行所有多邊形402的掃描；繼之，於掃描向量D2中，進行所有多邊形404的掃描；之後，於掃描向量D3中，進行所有多邊形406的掃描。
於另一結構層M的二維切片PCS中，基於上述同樣的設定，也可產生另一掃描路徑。此另一結構層M的二維切片PXY中的掃描向量D1~D3，還可以相對於上述結構層M的二維切片PXY而旋轉一設定角度(即逐層轉換角度)。最後，將沿Z軸切層的所有結構層M的掃描路徑結合起來，即完成立體物件200的三維數位模型的掃描路徑規劃，可涵蓋該立體物件200的所有位置。
上述多邊形402~406的每一個二維切片PXY被所述能量束L逐一進行掃描，亦即，採用不同步掃描的方式；在另外的實施例中，多個第一多邊形具有：位在第一掃描向量中的掃描路徑，且多個第二多邊形具有：位在不同於第一掃描向量的第二掃描向量中的掃描路徑；其中，第一多邊形與第二多邊形，分別被不同的能量束在同時進行掃描，亦即，採用同步掃描的方式。在本揭露中，並不限定掃描路徑的設定方式，只要每一個二維切片PCS的 多邊形被能量束L逐一進行掃描，且使能量束L能夠沿著掃描路徑進行掃描，將材料進行熔融、固化，而使立體物件200成形即可。
請再參照圖1、圖2，步驟S320定義一掃描路徑，以覆蓋多個二維切片PCS的一個。
請再參照圖1、圖2、圖5A~圖5C，在步驟S330中，沿著掃描路徑，提供能量束L到位於工作面Pw的材料，以形成對應於二維切片PCS的一個的特定之結構層M。該材料可為：金屬、陶瓷、高分子及其複合材料組合。此材料可根據立體物件200的設計需求、以及後續能量束L的設定參數，而進行適當的選擇。該材料受到能量束L的加熱燒結，而凝固成該結構層M。之後，重複上述定義掃描路徑，以覆蓋多個二維切片PCS的一個的步驟S320以及提供能量束L的步驟S330，即可依序積層多個結構層M，而建立如圖5A所示的立體物件202。
在一實施例中，步驟S330與重複所述步驟S320、以及步驟S330可採用粉床熔融的積層製造技術，包含：選擇性雷射燒結法、選擇性雷射熔融法、直接金屬雷射燒結法、或電子束熔融法。在另一實施例中，步驟S330與重複所述步驟S320、以及步驟S330也可採用直接能量沈積的積層製造技術，包含：雷射淨成型法、或三維雷射塗覆法。
如圖2所示，能量束L可以是選自於：雷射、電子束、電弧及其組合。並且，該能量束的掃描速度可介於1mm/s至100m/s之間；能量束L的功率密度小於等於1012W/cm3。以上即為本揭露 的立體物件200的積層製造方法300的大致說明。
另外，可適當地調整圖4的三維立體結構400-1的尺寸與圖5A所示的立體物件202的尺寸之間的關係，來進行立體物件202的製作。例如，可使圖4的三維立體結構400-1的尺寸大於圖5A所示的立體物件202的尺寸；如此一來，對於圖4的三維立體結構400-1進行了定義掃描路徑，以覆蓋多個二維切片的一個的步驟S320及提供能量束的步驟S330之後，只需要將三維立體結構400-1的未被燒結成型的部分進行移除，即可得到圖5A所示的立體物件202。
再者，也可使圖4的三維立體結構400-1的尺寸接近、但略小於圖5A的立體物件202的尺寸，類似地，在對於圖4的三維立體結構400-1進行了定義掃描路徑，以覆蓋多個二維切片的一個的步驟S320及提供能量束的步驟S330之後，只需要對於三維立體結構400-1的周邊的缺失部分進行修補步驟(可利用另外的定義掃描路徑，以覆蓋多個二維切片的一個的步驟S320及提供能量束的步驟S330)，即可得到圖5A的立體物件202，此做法的優點是能夠有效地減少材料的使用量。
在一實施例中，當圖4的三維立體結構400-1的尺寸略小於圖5A的立體物件202的尺寸時，可進一步提供多個修補單元(未繪示)位於該三維立體結構400-1(三維數位模型)的周邊的缺失部分，以形成所述立體單元202。每一個修補單元的尺寸可小於每一個立體單元(截角八面體400)的尺寸，如此一來，可適於補滿該三 維立體結構400-1(三維數位模型)的周邊的缺失部分，以完成該立體物件202的製作。該些修補單元與截角八面體400可為相同的類型，且不受限於完整性與尺寸大小；也就是說，修補單元可以不是完整的立體單元(截角八面體)，且修補單元的尺寸可小於立體單元(截角八面體400)的尺寸。
承上述，本揭露的立體物件200的積層製造方法300中，使截角八面體400的面410、與水平面PXY的夾角θ為60度或120度(銳角或鈍角)。如此，能夠在多個結構層M之間均勻地分散熱應力，藉此，可降低立體物件200的變形量，以提升品質與穩定度。同時，可提升立體物件200中的各軸向強度的均勻性。另外，隨著使用不同的多面體立體單元，只要每一多面體立體單元的至少一表面、與切層平面(即水平面PXY)之間的夾角θ為銳角或鈍角，即可產生本揭露的技術效果，並可隨實際應用成品特徵，來調整角度的變化。在一實施例中，該夾角θ的範圍可為大於0度且小於90度；在另外的實施例中，該夾角θ的範圍也可為大於90度且小於180度。
在其他實施例中，所述多面體立體單元還可以選自於四面體、五面體、六面體、七面體、八面體、截角八面體、四角反稜柱、六角菱柱、九面體、十面體、八角菱柱、十一面體、十二面體、截角十二面體、十四面體、十五面體、十六面體、十八面體、二十面體、大斜方截半立方體、截角立方體、三十面體及其組合。需注意的是，能夠選擇的多面體立體單元，並不限於以上所列舉的例子。以下，將繼續介紹多面體立體單元的其他實施例， 但不以此為限。
[截角十二面體(rhombic dodecahedron)]
圖7為本揭露的另一實施例的多面體立體單元(即，截角十二面體)的示意圖。如圖7的實施例所示，多面體立體單元可為截角十二面體500(rhombic dodecahedron)。圖8為由多個截角十二面體進行重複排列而成的三維立體結構500-1的示意圖。同樣地，截角十二面體500的結構排列，可依實際的立體物件的設計需求進行調整。
圖9A為三維立體結構500-1的上視圖。圖9B為三維立體結構500-1的側視圖。如圖8所示的三維立體結構500-1中，當使截角十二面體500的菱形面置於中間，正方形面置於上方，此時，截角十二面體500排列後的上視圖如圖9A所示。類似於上述的截角八面體400的實施例，各截角十二面體500沿Z軸進行切割的每一個各二維切片PCS可由多個多邊形(如圖9A所示的菱形)構成，且每一多邊形中具有各自的掃描向量D1~D3。
截角十二面體500排列後的側視圖如圖9B所示。類似地，每一個截角十二面體500沿著Z軸縱向排列時的至少一個表面510、與含有X軸與Y軸的水平面PXY的夾角θ為銳角或鈍角，可知道，各截角十二面體500的面510與水平面PXY的夾角θ為45度或135度。透過不同角度的組成，在積層製造製程中，可使立體物件的內部所殘留的熱應力F，在各軸向進行分散。
[六角菱柱(Hexagonal prism)]
圖10為本揭露的又一實施例的多面體立體單元(即，六角菱柱)的示意圖。如圖10的實施例所示，多面體立體單元可為六角菱柱600。圖11為由多個六角菱柱進行重複排列而成的三維立體結構600-1的示意圖。同樣地，六角菱柱600的結構排列，可依實際的立體物件的設計需求進行調整。
圖12A為三維立體結構600-1的上視圖。圖12B為三維立體結構600-1的側視圖。為求透過不同角度的組合，來分散積層製造製程中的內部殘留的熱應力的方向，可將六邊形面置於中間，矩形面置於上方，則六角菱柱600排列後的上視圖如圖12A所示，可由動態變化大小的矩形所排列而成。類似於截角八面體400的實施例，各六角菱柱600的沿Z軸進行切割的每一個二維切片PCS可由多個多邊形(如圖12A所示的四邊形)構成，且每一四邊形中具有各自的掃描向量D1~D2。
六角菱柱600排列後的側視圖如圖12B所示，各六角菱柱600的至少一個表面610、與水平面PXY的夾角θ為銳角或鈍角，可知道，各六角菱柱600的表面610、與水平面PXY的夾角θ為60度。透過不同角度的組成，在積層製造製程中，可使立體物件的內部所殘留的熱應力F，在各軸向進行分散。
[正十二面體(Pyritohedron)]
圖13為本揭露的又一實施例的多面體立體單元(即，正十二面體)的示意圖。如圖13的實施例所示，多面體立體單元可為正十二面體700。圖14為由多個正十二面體進行重複排列而成的三 維立體結構700-1的示意圖。同樣地，多個正十二面體700的結構排列，可依實際的立體物件的設計需求進行調整。
類似地，各正十二面體700的至少一個表面710、與含有X軸與Y軸的水平面的夾角為銳角或鈍角，如此一來，透過不同角度的組成，在積層製造製程中，可使立體物件的內部所殘留的熱應力，在各軸向進行分散。
[多種多面體立體單元的組合]
本揭露也可使用多種多面體立體單元的組合，來構成立體物件的三維立體結構。圖15為本揭露的實施例的截稜角立方體堆砌排列(Cantitruncated cubic)的示意圖。如圖15所示，截稜角立方體堆砌排列800是由大斜方截半立方體810、截角八面體820和正方體830以「1：1：3」的比例堆砌而成。
圖16為本揭露的實施例的截斷半立方蜂窩堆砌(Cantic cubic honeycomb)排列的示意圖。如圖16所示，截斷半立方蜂窩堆砌排列900是由截角四面體910、截角八面體920、及十四面體930等三種多面體立體單元所堆砌而成。
圖17為本揭露的實施例的截角立方體堆砌排列的示意圖。如圖17所示，截角立方體堆砌排列1000是由截角立方體1100和正八面體1200所堆砌而成。
圖18為利用傳統的條紋狀掃描策略所製成的立體物件的外觀示意圖。圖19為利用本揭露的立體物件的積層製造方法，所製成的立體物件的外觀示意圖。
請同時參照並比較圖18與圖19，可知：相較於傳統的條紋狀掃描策略，本揭露的立體物件的積層製造方法，例如使用圖3、圖4、圖5A~圖5C所描述的截角八面體400的三維排列方式，可達成接近100%的緻密度品質，且可大幅降低熱應力造成的變形量，即：如圖18所示的傳統立體物件的變形量δ，大於如圖19所示的本揭露的立體物件的變形量δ1。
圖20為傳統條紋掃描策略的立體物件的變形量、與本揭露的立體物件的變形量的量測值的比較示意圖。請參照圖20，在距離為30mm之處，傳統條紋掃描策略的立體物件Ostripe的最大變形量為1.94mm，而本揭露的立體物件OP的最大變形量為1.22mm；由此可知，本揭露的立體物件OP的最大變形量大幅地下降了約37%，即：(1.94-1.22)/(1.94)*100%=37%，此數值為使立體物件進行預熱處理(200℃)時的變形量的下降量(下降約10%)的三倍。
可見，本揭露的立體物件的邊緣拉伸應力值，可小於支撐結構的應力破壞閥值，因此，在製程中，可大幅減少支撐結構毀損變形。如此，可提升在製造立體物件時的穩定性及良率。
[比較例]
圖21為支撐立體物件的支撐結構因熱應力而造成損壞的示意圖，該支撐結構是利用傳統的條紋狀掃描策略所製成。請參照圖21，利用傳統的條紋狀掃描策略製作立體物件110時，會一併製作機械性質較差的支撐結構100，用來支撐立體物件110。在 立體物件110製作完成之後，再移除支撐結構100。
由於熱應力會累積在彼此堆疊的多個結構層之間，如此一來，立體物件110將因熱應力的累積而產生變形，且支撐結構100也會因為不均勻的熱應力而損壞，進而產生如圓圈A所示的裂痕120。
由此可知，利用傳統的條紋狀掃描策略進行積層製造的過程中，支撐結構100會因熱應力損壞而造成高花費，且損壞的支撐結構100也會連帶地使立體物件110的品質劣化。
然而，如同上述圖18~圖20的說明，本揭露的立體物件的積層製造方法，可有效地改善因熱應力而造成的立體物件的翹曲、變形、及支撐結構的損壞等的缺陷。
[本揭露的立體物件的結構]
請再參照本案的圖2、圖3、圖4、圖5A~圖5C，本揭露還提出一種立體物件200的結構。該立體物件200設置於彼此垂直的X軸、Y軸及Z軸所形成的空間S中，其中，X軸與Y軸位於水平面PXY上，Z軸垂直於該水平面PXY。立體物件200的結構可包括：相同或不同的多面體立體單元(例如，截角八面體400)的重複排列，且如圖5B所示，每一個多面體立體單元的至少一個表面410、與該水平面PXY的一夾角θ為銳角或鈍角。
所述多面體立體單元還可以選自於四面體、五面體、六面體、七面體、八面體、截角八面體、四角反稜柱、六角菱柱、九面體、十面體、八角菱柱、十一面體、十二面體、截角十二面 體、十四面體、十五面體、十六面體、十八面體、二十面體、大斜方截半立方體、截角立方體、三十面體及其組合。需注意的是，能夠選擇的多面體立體單元，並不限於以上所列舉的例子。
依據所使用的多面體立體單元的種類、數量的不同，該夾角可以是銳角。例如，當多面體立體單元使用六角菱柱600或截角八面體400時，該夾角θ為60度。當多面體立體單元使用截角十二面體500時，該夾角θ為45度。在另外的實施例中，該夾角θ可以是鈍角，在此狀況，可使用該夾角θ為120度或135度的多面體立體單元。在此，角度θ並不限於上述的例子，只要是銳角或鈍角，就可達到本揭露的分散熱應力的技術效果。
可參照本案的圖1、圖2、圖3~圖6B的截角八面體400的實施例，從另一觀點理解本案所揭露的立體物件的積層製造方法。
此立體物件的積層製造方法可包括：(a)提供由多個立體單元(如圖3所示的截角八面體400)組成的三維數位模型；(b)將該三維數位模型切割為多個二維切片PCS(如圖2所示)，其中各該二維切片PCS包括多個切片單元；以及(c)沿著覆蓋每一個二維切片PCS的掃描路徑依序提供能量束L來進行積層製造，以致於藉由依序積層對應於所述二維切片PCS的多個結構層M，而建立該立體物件200，其中，每一個二維切片PCS的兩個相鄰的切片單元具有：位在不同的掃描向量中的掃描路徑。
其中步驟(c)是同步掃描同一個二維切片PCS上的所有切片單元，該切片單元例如是圖5C所示的多邊形402~406。另外，該些立體單元(如截角八面體400)為相同。
在另一實施例中，每一個二維切片PCS的多個切片單元被能量束L逐一進行掃描。所述逐一進行掃描的方法也可稱為非同步掃描的方法。
在另一實施例中，多個第一切片單元具有：位在第一掃描向量中的掃描路徑、且分別被不同的能量束在同時進行掃描，並且，多個第二切片單元，具有：位在不同於所述第一掃描向量的一第二掃描向量中的所述掃描路徑、且分別被不同的能量束在同時進行掃描，其中，所述第一切片單元在所述第二切片單元之前被掃描。再者，在另一實施例中，多個第一切片單元，具有：位在一第一掃描向量中的所述掃描路徑；且多個第二切片單元，具有：位在不同於所述第一掃描向量的一第二掃描向量中的所述掃描路徑，其中，所述第一切片單元與所述第二切片單元，分別被不同的能量束在同時進行掃描。
上述的立體單元(如圖3所示的截角八面體400)為相同。在另一實施例中，還可以提供多個修補單元(未繪示)，使該些修補單元位於該三維數位模型的周邊的缺失部分，以形成所述立體物件，其中，各該修補單元的尺寸小於各該立體單元的尺寸。相似的內容已經在[0034]段落中敘述過，在此不予以重述。
當然，圖7~圖9B的截角十二面體500的實施例、圖10~圖12B的六角菱柱的實施例、圖13~圖14的正十二面體的實施例，也可支持由上述觀點所描述的立體物件的積層製造方法的請求項的保護範圍。
另外，可參照本案的圖1、圖2、圖15~圖17的實施例，從再一觀點理解本案所揭露的立體物件的積層製造方法。
該立體物件的積層製造方法可包括：(a)提供由多個第一立體單元(如圖17所示的截角立方體1100)以及多個第二立體單元(如圖17所示的正八面體1200)組成的三維數位模型，且各該第一立體單元不同於各該第二立體單元；(b)將該三維數位模型切割成多個二維切片PCS(如圖2所示)，其中各該二維切片PCS包括：對應於該些第一立體單元的多個第一切片單元以及對應於該些第二立體單元的多個第二切片單元；以及(c)沿著覆蓋每一個二維切片PCS的掃描路徑依序提供能量束L來進行積層製造，以致於藉由依序積層對應於所述二維切片PCS的多個結構層M，而建立該立體物件200。
上述以圖17為例，包含了：第一立體單元與第二立體單元，然而，當然也可如圖15、圖16所示，可包含：第一立體單元、第二立體單元與第三立體單元；並且，在另外的實施例中，還可包含：具有不同形狀或不同尺寸的多個(3個以上)立體單元，並不限定立體單元形狀、尺寸及其組合方式。
其中，在步驟(c)中，每一個二維切片PCS的多個第一切片單元具有：位在第一掃描向量中的掃描路徑；並且，每一個二 維切片PCS的多個第二切片單元，具有：位在不同於所述第一掃描向量的一第二掃描向量中的所述掃描路徑。
具體而言，每一個二維切片PCS的多個切片單元被能量束L逐一進行掃描。所述逐一進行掃描的方法也可稱為非同步掃描的方法。
另外，每一個二維切片PCS的多個第一切片單元也可分別被不同的能量束在同時進行掃描；並且，每一個二維切片PCS的多個第二切片單元也可分別被不同的能量束在同時進行掃描，其中，所述第一切片單元在所述第二切片單元之前被掃描。在另一實施例中，每一個二維切片PCS的多個第一切片單元與多個第二切片單元可分別被不同的能量束在同時進行掃描。
綜上所述，本揭露利用立體單元或多面體立體單元來建立三維數位模型，這是以往的三維列印方法所沒有見到過的技術特徵。藉由立體單元或多面體立體單元的立體結構的特性，可達到分散應力的技術效果；因此，利用立體單元或多面體立體單元的積層製造掃描策略方法，可大幅改善熱應力變形，提升積層製造成型品質與穩定度，且同時保持立體物件的結構中各軸向的機械強度。
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。

Claims (20)

  1. 一種立體物件的積層製造方法，該積層製造方法包括：(a)提供該立體物件的三維數位模型；(b)將該立體物件的三維數位模型，劃分為至少一種多面體立體單元的重複排列，每一所述多面體立體單元的至少一個表面與X-Y平面的一夾角為銳角或鈍角；(c)將該三維數位模型沿Z軸切割成多個二維切片；(d)定義一掃描路徑，以覆蓋所述二維切片的一個；(e)沿著所述掃描路徑，提供一能量束到位於一工作面的一材料，以形成對應於所述二維切片的所述一個的一結構層；以及(f)重覆(d)與(e)的步驟，藉由依序積層多個所述結構層，而建立該立體物件，其中，每一所述二維切片是由多個多邊形所組成，每一所述二維切片的所述多邊形包括：多個第一多邊形，具有：位在一第一掃描向量中的所述掃描路徑；以及多個第二多邊形，具有：位在不同於所述第一掃描向量的一第二掃描向量中的所述掃描路徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，其中，該夾角為60度或120度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，其中，該夾角為45度或135度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，其中，所述第一多邊形與所述第二多邊形，分別被不同的能量束在同時進行掃描。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，其中，每一所述二維切片的所述多邊形被所述能量束逐一進行掃描。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，其中，所述多個第一多邊形分別被不同的能量束在同時進行掃描；所述多個第二多邊形分別被不同的能量束在同時進行掃描，其中，所述第一多邊形在所述第二多邊形之前被掃描。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，其中，所述多面體立體單元是選自於四面體、五面體、六面體、七面體、八面體、截角八面體、四角反稜柱、六角菱柱、九面體、十面體、八角菱柱、十一面體、十二面體、截角十二面體、十四面體、十五面體、十六面體、十八面體、二十面體、大斜方截半立方體、截角立方體、三十面體及其組合。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，其中，步驟(e)~(f)採用粉床熔融的積層製造技術，包含：選擇性雷射燒結法、選擇性雷射熔融法、直接金屬雷射燒結法、或電子束熔融法。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的積層製造方法，其中，步驟(e)~(f)採用直接能量沈積的積層製造技術，包含：雷射淨成型法、或三維雷射塗覆法。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的立體物件的積層製造方法，其中，該能量束的功率密度小於等於1012W/cm3。
  11. 一種立體物件的積層製造方法，包括：(a)提供由多個立體單元組成的三維數位模型；(b)將該三維數位模型切割成多個二維切片，且各該二維切片包括多個切片單元；以及(c)沿著覆蓋所述二維切片的每一個的一掃描路徑依序提供一能量束而進行積層製造，以致於藉由依序積層對應於所述二維切片的多個所述結構層，來建立所述立體物件，其中，所述二維切片的每一個的兩相鄰切片單元具有：不同掃描向量中的所述掃描路徑，其中，每一所述二維切片的所述切片單元包括：多個第一切片單元，具有：位在一第一掃描向量中的所述掃描路徑；以及多個第二切片單元，具有：位在不同於所述第一掃描向量的一第二掃描向量中的所述掃描路徑。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的積層製造方法，其中，所述多個第一切片單元分別被不同的能量束在同時進行掃描；所述多個第二切片單元分別被不同的能量束在同時進行掃描，其中，所述第一切片單元在所述第二切片單元之前被掃描。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的積層製造方法，其中，所述第一切片單元與所述第二切片單元，分別被不同的能量束在同時進行掃描。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的積層製造方法，其中該些立體單元為相同。
  15. 如申請專利範圍第11項所述的積層製造方法，還包括：提供多個修補單元位於該三維數位模型的周邊的缺失部分，以形成所述立體單元，其中，各該修補單元的尺寸小於各該立體單元的尺寸。
  16. 如申請專利範圍第11項所述的積層製造方法，其中，每一所述二維切片的所述切片單元被所述能量束逐一進行掃描。
  17. 一種立體物件的積層製造方法，包括：(a)提供由多個第一立體單元與多個第二立體單元組成的三維數位模型，其中，所述第一立體單元不同於所述第二立體單元；(b)將該三維數位模型切割成多個二維切片，且各該二維切片包括對應於該些第一立體單元的多個第一切片單元以及對應於該些第二立體單元的多個第二切片單元；以及(c)沿著覆蓋所述二維切片的每一個的一掃描路徑依序提供一能量束而進行積層製造，以致於藉由依序積層對應於所述二維切片的多個所述結構層，來建立所述立體物件，其中，所述二維切 片的每一個的所述第一切片單元具有：位在一第一掃描向量中的所述掃描路徑，且所述二維切片的每一個的所述第二切片單元具有：位在不同於所述第一掃描向量的一第二掃描向量中的所述掃描路徑。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的積層製造方法，其中，每一所述二維切片的所述切片單元被所述能量束逐一進行掃描。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的積層製造方法，其中，每一所述二維切片的所述切片單元分別被不同的能量束在同時進行掃描，且所述第一切片單元在所述第二切片單元之前被掃描。
  20. 如申請專利範圍第17項所述的積層製造方法，其中，所述二維切片的每一個的所述第一切片單元與所述第二切片單元，分別被不同的能量束在同時進行掃描。
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