TWI624350B - 粉體成型方法及其裝置 - Google Patents

Abstract

一種粉體成型方法，其包括有下列步驟：提供一移動載台設置於一基座上，移動載台可在基座上作移動。提供一粉體於移動載台上。提供一雷射光束入射至粉體以形成一預處理粉體。提供一能量束入射至預處理粉體作一成型處理。此外，更提出一種粉體成型裝置，其包括一基座、一移動載台、一粉體供給單元以及一能量系統。移動載台設置於基座上，並可在基座上作移動。粉體供給單元係提供一粉體於移動載台上。能量系統具有一雷射源及一能量源，雷射源係提供一雷射光束先入射至粉體以形成一預處理粉體，能量源係提供一能量束再入射至預處理粉體作一成型處理。

Description

粉體成型方法及其裝置

本揭露為一種粉體成型之技術，尤其是指一種利用雷射之粉體成型方法及其裝置。

積層製造(Additive Manufacturing，AM)為近代革命性先進製造，又稱快速成型，主要區分為快速原型(Rapid Prototyping，RP)與快速製造(Rapid Manufacturing，RM)，其不同於傳統減料加工法。

現今積層製造又以雷射積層製造為主，區分為選擇性雷射燒結或熔融(Selective Laser Sintering/Melting，SLS/SLM)技術，運用雷射燒結或熔融原理，根據三維模型切層成二維幾何形狀，透過鋪層裝置進行供料，再以雷射光束聚焦在積層區域針對所需要二維形狀進行選擇性加熱，使粉材燒結或熔融成形，逐漸堆疊成立體成品，可達成傳統加工無法製作之複雜形貌、內流道與內結構。

圖1為傳統之雷射積層示意圖，目前主要是透過連續波雷射(Continuous Wave Laser，CW Laser)或是長脈衝雷射(Long Pulse Laser)激發雷射光1對粉體2進行燒結或熔融，由於粉體2之表面反射率高於90%，其將造成雷射光1散射至照射區域3之外的範圍，使得熱擴散現象嚴重，因此成型精度不佳。

本揭露提出一種粉體成型方法，其可使粉體的吸收率增加，雷射光吸收集中，進而改善目前成型精度不佳的問題。

本揭露提出一種粉體成型方法，其透過超快雷射第一道照射於材料表面時，會瞬間使材料內部電子溫度升高令電子與聲子之 間碰撞速率增加藉此降低材料反射率，同時可預先對粉體誘發週期表面微奈米結構，綜合兩項機制，可提高燒結時能量的吸收率達5~10倍，當第二道能量束入射至預處理粉體進行燒結時，可使用較低的能量即可成型已預處理的粉體，能量束照射粉體時不易散射到周圍，周圍未處理過的粉體將不會被燒結成型，藉此可提高積層製造燒結或熔融成型的精度。

本揭露提出一種粉體成型裝置，其可依序利用超快雷射與長脈衝雷射來達成較佳之積層製造結構。

在一實施例中，本揭露提出一種粉體成型方法，其包括有下列步驟：提供一移動載台設置於一基座上，移動載台可在基座上作移動。提供一粉體於移動載台上。提供一雷射光束入射至粉體以形成一預處理粉體。提供一能量束入射至預處理粉體作一成型處理。

在另一實施例中，本揭露提出一種粉體成型裝置，其包括一基座、一移動載台、一粉體供給單元以及一能量系統。移動載台設置於基座上，並可在基座上作移動。粉體供給單元係提供一粉體於移動載台上。能量系統具有一雷射源及一能量源，雷射源係提供一雷射光束先入射至粉體以形成一預處理粉體，能量源係提供一能量束再入射至預處理粉體作一成型處理。

1‧‧‧雷射光

2‧‧‧粉體

3‧‧‧照射區域

10‧‧‧粉體成型裝置

100‧‧‧基座

110‧‧‧移動載台

120‧‧‧粉體供給單元

122‧‧‧粉體

124‧‧‧預處理粉體

126‧‧‧照射區域

130‧‧‧能量系統

131‧‧‧雷射源

132‧‧‧雷射光束

133‧‧‧能量源

134‧‧‧能量束

135‧‧‧擴束鏡

136‧‧‧分光鏡

137‧‧‧同軸視覺

138‧‧‧第一掃描頭

139A‧‧‧第二掃描頭

139B‧‧‧第三掃描頭

140‧‧‧粉體平坦單元

20‧‧‧粉體成型方法

步驟S21-步驟S24

圖1為傳統之雷射積層示意圖。

圖2為本揭露一實施例之粉體成型裝置示意圖。

圖3為本揭露另一實施例之粉體成型裝置示意圖。

圖4為本揭露一實施例能量系統之共光路示意圖。

圖5為本揭露一實施例能量系統之分光路示意圖。

圖6為本揭露一實施例之粉體成型方法流程圖。

圖7為本揭露一實施例之預處理粉體示意圖

圖2為本揭露一實施例之粉體成型裝置示意圖。粉體成型裝置10，其包括一基座100、一移動載台110、一粉體供給單元120 以及一能量系統130。移動載台110設置於基座100上，並可在基座100上作移動，在本實施例中，移動載台110可在基座100上作三維XYZ方向移動。粉體供給單元120係設置於移動載台110的下方且提供一粉體122於移動載台110上。如圖3為本揭露另一實施例之粉體成型裝置示意圖，粉體供給單元120也可設置於移動載台110的上方且提供粉體122於移動載台110上，然而粉體供給單元120所設置的方式皆不以此為限。能量系統130具有一雷射源131及一能量源133，雷射源131係提供一雷射光束132先入射至粉體122以形成一預處理粉體124，能量源133係提供一能量束134再入射至預處理粉體124作一成型處理，在本實施例中，成型處理可為一燒結過程或一熔融過程。

在一實施例中，粉體成型裝置10更包括有一粉體平坦單元140，粉體平坦單元140可將粉體供給單元120所提供之粉體122平坦化於移動載台110上，在另一實施例中，粉體平坦單元140可為一滾桿或一刮刀，在本實施例中，粉體平坦單元140為一滾桿，但皆不以此為限。

此外，在本實施例中之雷射源131為一超快雷射(Ultrafast Laser)，如飛秒雷射源或是皮秒雷射源，雷射源131之雷射能量作用在粉體材料上閾值≦6J/cm²，超快雷射之波長係介於250nm-3000nm之間，超快雷射之脈衝寬度係小於1ns，以及超快雷射之重複頻率係介於1Hz-1GHz之間，當超快雷射之雷射光束132照射於材料表面時，會瞬間使材料內部電子溫度升高令電子與聲子之間碰撞速率增加藉此降低材料反射率，同時可預先對粉體誘發週期表面微奈米結構，綜合兩項機制，可提高燒結時能量的吸收率達5~10倍，並且本實施例中之能量源133為一連續波雷射、一長脈衝雷射、一電子束或一電漿源，該能量源133之雷射能量作用在粉體材料上之能量大於200W以上，在本實施例中，使用光纖連續波雷射能量200W，但皆不以此為限。當能量源133之能量束134照射粉體進行燒結時，可使用比傳統燒結相對較低的能量即可成型已預處理的粉體，能量束照射粉體時不易散射到 周圍，周圍未處理過的粉體將不會被燒結成型，藉此可提高積層製造燒結或熔融成型的精度。

圖4為本揭露一實施例能量系統之共光路示意圖。在一實施例中，能量系統130更具有一擴束鏡(Beam Expander)135、一分光鏡(Beam Splitter)136、一同軸視覺(Coaxial Vision)137以及一第一掃描頭138。其中分光鏡136可將雷射光束132與能量束134作一共光路處理，最後再由第一掃描頭138依序將雷射光束132入射至粉體122上，然後再將能量束134入射至預處理粉體124上以完成該成型處理。

圖5為本揭露一實施例能量系統之分光路示意圖。在另一實施例中，能量系統130更具有一擴束鏡135、一同軸視覺137、一第二掃描頭139A以及一第三掃描頭139B。其中雷射光束132與能量束134係為兩個獨立的光路，最後由第二掃描頭139A先將雷射光束132入射至粉體122上，會瞬間使材料內部電子溫度升高令電子與聲子之間碰撞速率增加藉此降低材料反射率，同時可預先對粉體誘發週期表面微奈米結構，綜合兩項機制，可提高燒結時能量的吸收率達5~10倍，以及第三掃描頭139B再將能量束134入射至預處理粉體124上以進行熔融成型處理，可使用比傳統燒結相對較低的能量即可成型已預處理的粉體，能量束照射粉體時不易散射到周圍，周圍未處理過的粉體將不會被燒結成型，藉此可提高積層製造燒結或熔融成型的精度。

圖6為本揭露一實施例之粉體成型方法流程圖。粉體成型方法20，其包括有下列步驟：步驟S21，提供一移動載台110設置於一基座100上，移動載台110可在基座100上作移動，在本實施例中，移動載台110可在基座100上作一維以上方向移動，在本實施例中，移動載台110可做三維XYZ方向移動，但皆不以此為限。步驟S22，提供一粉體122於移動載台110上。步驟S23，提供一雷射光束132入射至粉體122以形成一預處理粉體124。步驟S24，提供一能量束134入射至預處理粉體124作一成型處理，之後將重複以上步驟S21至步驟S24以完成雷射積層堆疊製作。 能量系統130具有一雷射源131及一能量源133，雷射源131係提供雷射光束132先入射至粉體122以形成一預處理粉體124，其中預處理粉體124之表面將產生一微奈米結構，其可提高預處理粉體124之吸收率及降低預處理粉體124之反射率，能量源133係提供一能量束134再入射至預處理粉體124作一成型處理，如圖7所示為本揭露一實施例之預處理粉體示意圖，因為粉體122已先經過雷射光束132的預處理，故當能量束134再入射至預處理粉體124時可減少能量束134散射至照射區域126之外的範圍，因此可有效降低熱擴散現象並可提升成型精度，此外，在本實施例中，成型處理可為一燒結過程或一熔融過程。

在一實施例中，粉體成型方法20更提供一粉體平坦單元140，粉體平坦單元140可將粉體供給單元120所提供之粉體122平坦化於移動載台110上，在另一實施例中，粉體平坦單元140可為一滾桿或一刮刀，在本實施例中，粉體平坦單元140為一滾桿，但皆不以此為限。

要說明的是，利用超快雷射對粉體做預處理，其可使粉體表面誘發微奈米結構，此結構可提高材料吸收率；另外，超快雷射可瞬間使材料內部電子溫度升高令電子與聲子之間碰撞速率增加藉此降低材料反射率，其物理原理可參閱Yunpeng Ren之論文“Ultrashot laser pulse energy deposition in deposition in metal film with phase changes”APPLIED PHYSICS LETTERS 98,191105(2011)所論述。

綜上所述，本揭露之粉體成型方法及其裝置，係藉由使用超快雷射對粉體先做預處理，在粉體表面產生微奈米結構，或瞬間使材料內部電子溫度升高令電子與聲子之間碰撞速率增加藉此降低材料反射率，如此粉體表面處理可提高雷射能量燒結時的吸收率，最後可使用較低能量之連續波雷射或長脈衝雷射即可完成燒結，以精確控制熔融區域，防止周圍不須燒結的粉體熔融影響成型精度。

本揭露和傳統雷射積層相較之優點為雷射光束之超快雷射對 粉體產生表面微結構成型速度快，並且不須混入另一種粉體，可提高粉體對能量束之連續波雷射或長脈衝雷射之雷射吸收率與提高燒結成型精度，而目前傳統之雷射積層主要是僅直接透過連續波雷射或是長脈衝雷射進行燒結或熔融，其光散射現象嚴重，容易造成成型精度不佳。故本揭露之粉體成型方法及其裝置係為極優良之雷射積層製造技術。

惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本揭露之特點及功效，而非用於限定本揭露之可實施範疇，於未脫離本揭露上揭之精神與技術範疇下，任何運用本揭露所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

Claims (30)

1. 一種粉體成型方法，其包括有下列步驟：提供一移動載台設置於一基座上，其中該移動載台可在該基座上作移動；提供一粉體於該移動載台上；提供一粉體平坦單元，該粉體平坦單元可將一粉體供給單元所提供之該粉體平坦化於該移動載台上；一雷射源係提供一雷射光束入射至該粉體以形成一預處理粉體，其中該雷射源係為一超快雷射，該雷射光束作用在粉體材料上之能量閾值≦6J/cm²；以及提供一能量束入射至該預處理粉體作一成型處理。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其更提供該粉體供給單元，該粉體供給單元係提供該粉體於該移動載台上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其更提供一能量系統，該能量系統具有：該雷射源；及一能量源，其係提供該能量束再入射至該預處理粉體上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該成型處理係為一燒結過程。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該成型處理係為一熔融過程。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該粉體平坦單元係為一滾桿或一刮刀。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該預處理粉體之表面將產生一微奈米結構，或瞬間使材料內部電子溫度升高令電子與聲子之間碰撞速率增加藉此降低材料反射率，其可提高預處理粉體之吸收率及降低預處理粉體之反射率。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該移動載台可在該基座上作一維以上方向移動。
9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該超快雷射之波長係 介於250nm-3000nm之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該超快雷射之脈衝寬度係小於1ns。
11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該超快雷射之重複頻率係介於1Hz-1GHz之間。
12. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該能量源係為一連續波雷射、一長脈衝雷射、一電子束或一電漿源。
13. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該能量系統更具有一擴束鏡、一分光鏡、一同軸視覺以及一第一掃描頭。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該第一掃描頭依序將該雷射光束入射至該粉體上與該能量束入射至該預處理粉體上。
15. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該能量系統更具有一擴束鏡、一同軸視覺、一第二掃描頭以及一第三掃描頭。
16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該第二掃描頭先將該雷射光束入射至該粉體上，以及該第三掃描頭再將該能量束入射至該預處理粉體上。
17. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該能量束作用在粉體材料上之雷射能量大於200W。
18. 一種粉體成型裝置，其包括：一基座；一移動載台，其設置於該基座上並可在該基座上作移動；一粉體供給單元，其係提供一粉體於該移動載台上；一粉體平坦單元，該粉體平坦單元可將該粉體供給單元所提供之該粉體平坦化於該移動載台上；以及一能量系統，其具有：一雷射源，其係提供一雷射光束先入射至該粉體以形成一預處理粉體，其中該雷射源係為一超快雷射，該雷射光束作用在粉體材料上之能量閾值≦6J/cm²；及一能量源，其係提供一能量束再入射至該預處理粉體作一成 型處理。
19. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該成型處理係為一熔融過程。
20. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該粉體平坦單元係為一滾桿或一刮刀。
21. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該移動載台可在該基座上作一維以上方向移動。
22. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該超快雷射之波長係介於250nm-3000nm之間。
23. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該超快雷射之脈衝寬度係小於1ns。
24. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該超快雷射之重複頻率係介於1Hz-1GHz之間。
25. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該能量源係為一連續波雷射、一長脈衝雷射、一電子束或一電漿源。
26. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該能量系統更具有一擴束鏡、一分光鏡、一同軸視覺以及一第一掃描頭。
27. 如申請專利範圍第26項所述之裝置，其中該第一掃描頭依序將該雷射光束入射至該粉體上與該能量束入射至該預處理粉體上。
28. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該能量系統更具有一擴束鏡、一同軸視覺、一第二掃描頭以及一第三掃描頭。
29. 如申請專利範圍第28項所述之裝置，其中該第二掃描頭先將該雷射光束入射至粉體上，以及該第三掃描頭再將該能量束入射至該預處理粉體上。
30. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該能量束作用在粉體材料上之雷射能量大於200W。