TWI670166B - 具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法 - Google Patents

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一種具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，包含一備料步驟及一燒結步驟。該備料步驟是藉由一列印模組熔融一列印材，以列印一待加工塊體，該列印材包含相混合之一塑料與一金屬材料。該燒結步驟是使該待加工塊體在一壓力環境下受熱至一燒結溫度，以去除該塑料且使該金屬材料燒結，而形成包含複數孔隙之一多孔隙塊體。前述複數孔隙可藉由模具擠壓或是改變該金屬材料的含量來產生梯度變化。

Description

具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法
本發明係關於一種孔質材料的製造方法，尤指具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法。
孔質材料(又可稱為泡沫材料)是一種由相互貫通或封閉的孔洞構成網絡結構的材料，應用領域相當廣泛，例如可應用於熱交換材料、吸音材料、輕量化結構體、電極材料、過濾材料、隔熱材料等。
孔質材料在許多產業應用中，呈梯度分布的孔隙會是較佳的結構，例如用於結構材料時，梯度分布的結構將有助於更佳的吸收衝擊力；用於熱交換器時，也可增進熱交換效率。以史特靈循環裝置的再生器而言，由於再生器兩端分別需要供溫度高低不同的氣體通過，故適合孔隙尺寸呈梯度變化的孔質材料，溫度較高的氣體因為比容大，而需要較大尺寸的孔隙，方可減少其能量損失，而溫度較低的氣體因為比容小，而適合小尺寸的孔隙，而有助於增加接觸面積而迅速吸收能量。
惟，孔隙呈梯度分布的孔質材料，製造難度高，以致於製造成本昂貴。以泡沫金屬來說，常見產生孔隙的方法有金屬沉積法、熔體發泡劑發泡法、氣體注入發泡法、浸漿海綿燒結法、纖維冶金法、鑄造法、燒結法、濺射 法等，但這些方法皆各自有不同問題，例如孔隙產生不穩定、設備成本高、製造效率低等，而難以較佳地製備孔隙呈梯度分布的孔質材料。
關於孔隙變化的孔質材料，相關專利案例如有中華民國專利公告第I591253號之「再生器製造方法」，於內文中提及可利用堆疊孔隙率相異的不同塊體來製造不同孔隙率分布的再生器，但這種方式需要逐一利用熱切割設備製造不同孔隙率分布的孔質材料，除了製作上較為耗時之外，所能運用的孔隙率也受限於金屬網的網目規格。
另有專利案如美國專利公開第20180180329號之「CRYOCOOLER CONTAINING ADDITIVELY-MANUFACTURED HEAT EXCHANGER」，於內文提及再生器可利用積層製造，並可利用雷射來產生孔隙，但這種製造方式將導致成本過高。
是故，如何以較佳的方式來製備具備梯度變化孔隙之孔質材料，以兼顧製造成本，目前仍為各界亟待解決的課題之一。
爰此，本發明人為兼顧孔隙控制及製造成本，而提出一種具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，包含：一備料步驟、一燒結步驟及一模具成型步驟。該備料步驟：藉由一列印模組熔融一列印材，以列印一待加工塊體，該列印材包含相混合之一塑料與一金屬材料。該燒結步驟：使該待加工塊體在一壓力環境下受熱至一燒結溫度，以去除該塑料且使該金屬材料燒結，而形成包含複數孔隙之一多孔隙塊體。該模具成型步驟：藉由一模具擠壓該多孔隙塊體，其中該模具提供之一壓力大小係沿一方向漸次增加，使前述複數孔隙呈梯度變化。
進一步，該燒結步驟中，該待加工塊體埋入一碳粉內，且藉由一配重塊加壓該碳粉，以提供該壓力環境。
進一步，該備料步驟中，該列印材為混合該塑料與該金屬材料之線材。
進一步，該備料步驟中，該待加工塊體呈錐狀，該模具成型步驟中，該模具有一直筒槽，藉由該直筒槽擠壓該待加工塊體，以沿該待加工塊體之一長度方向逐漸增加該壓力。
進一步，該備料步驟中，該待加工塊體呈圓柱狀，該模具成型步驟中，該模具呈錐狀槽，以沿該待加工塊體之一長度方向逐漸增加該壓力。
進一步，該待加工塊體具有一中空部、一內周緣及一外周緣，該內周緣圍繞該中空部，該外周緣位於該中空部及該內周緣外圍，該模具包含一內模及一外模，該內模用於擠壓該內周緣，該外模用於擠壓該外周緣。
進一步，該模具成型步驟中，該多孔隙塊體於置入該模具前或於該模具內時受熱至一變形溫度。
本發明亦為一種具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，包含：一備料步驟及一燒結步驟。該備料步驟：備料步驟：藉由一列印模組將複數列印材依序熔融，以逐層列印一待加工塊體，其中前述複數列印材皆包含相混合之一塑料與一金屬材料，且前述複數列印材中該金屬材料之含量是由高至低或由低至高。該燒結步驟：使該待加工塊體在一壓力環境下受熱至一燒結溫度，以去除該塑料且使該金屬材料燒結，而使該待加工塊體於該塑料處產生呈梯度變化之複數孔隙。
進一步，該燒結步驟中，該待加工塊體埋入一碳粉內，且藉由一配重塊加壓該碳粉，以提供該壓力環境。
根據上述技術特徵可達成以下功效：
1.具備梯度變化孔隙之孔質材料可改由設備成本低、製造彈性高的熔融沉積法來製備，可大幅降低具備梯度變化孔隙之孔質材料的製造成本。
2.透過運用熔融沉積法的列印設備、高溫設備(如高溫爐)，再透過替換不同金屬材料含量之列印材或透過模具擠壓，即可讓孔隙呈梯度變化，需求設備簡易。
3.利用碳粉及配重塊即可提供壓力環境以及塑料燒除時散逸的空隙，需求設備簡易，易於實現。
4.透過外模具及內模具共同擠壓待加工塊體，可提供較佳的成形效果。
(S1)(S10)‧‧‧備料步驟
(S2)(S20)‧‧‧燒結步驟
(S3)‧‧‧模具成型步驟
(10)(10B)‧‧‧待加工塊體
(100)(100A)‧‧‧多孔隙塊體
(100B)‧‧‧孔質材料
(101)‧‧‧中空部
(102)(102’)‧‧‧內周緣
(103)(103’)‧‧‧外周緣
(105)(105B)‧‧‧孔隙
(A)‧‧‧列印模組
(B)‧‧‧列印材
(C)‧‧‧加壓容器
(C)(C1)‧‧‧碳粉
(D)(D’)‧‧‧模具
(D1)‧‧‧內模
(D2)‧‧‧外模
(F)‧‧‧高溫爐
(W)‧‧‧配重塊
[第一圖]係本發明第一實施例之主要步驟流程示意圖。
[第二圖]係本發明第一實施例中備料步驟之狀態示意圖。
[第三圖]係本發明第一實施例中燒結步驟之狀態示意圖。
[第四圖]係本發明第一實施例中模具成型步驟之狀態示意圖。
[第五圖]係本發明第二實施例中模具成型步驟之狀態示意圖。
[第六圖]係本發明第三實施例之主要步驟流程示意圖。
[第七圖]係本發明第三實施例中備料步驟之狀態示意圖。
[第八圖]係本發明第三實施例中燒結步驟之狀態示意圖。
[第九圖]係本發明第三實施例中多孔隙塊體之狀態示意圖。
綜合上述技術特徵，本發明具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。
請先參閱第一圖，係揭示本發明第一實施例具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，包含：一備料步驟(S1)、一燒結步驟(S2)及一模具成型步驟(S3)。
續請參閱第二圖，該備料步驟(S1)中，是藉由一列印模組(A)熔融一列印材(B)，以列印一待加工塊體(10)，該列印材(B)包含相混合之一塑料與一金屬材料，該列印材(B)於本實施例為混合該塑料與該金屬材料之線材。該塑料例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(AcrylonitrileButadiene Styrene，ABS)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide，PEI)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)、聚乳酸(Polylactic Acid，PLA)等，該金屬材料例如為鐵、不鏽鋼、鈷、鎳、鋁、銅等金屬粉末，成分比例可佔總量的20%至30%之間。於本實施例中，該待加工塊體(10)具有一中空部(101)、一內周緣(102)及一外周緣(103)，該內周緣(102)圍繞該中空部(101)，該外周緣(103)位於該中空部(101)及該內周緣(102)外圍，而且該待加工塊體(10)可呈錐狀。此外，該待加工塊體(10)於尺寸設計上可考量燒結時體積縮小的狀況，將該待加工塊體(10)的尺寸設計相對大於預期的尺寸。該列印模組(A)於本實施例中是採用熔融沉積型(Fused deposition modeling,FDM)之3D列印機，由於設備成本低、製造彈性高，故可大幅降低具備梯度變化孔隙之孔質材料的製造成本。
續請參閱第二圖及第三圖，該燒結步驟(S2)：使該待加工塊體(10)在一壓力環境下受熱至一燒結溫度，以去除該塑料且使該金屬材料燒結，而形成包含複數孔隙(105)之一多孔隙塊體(100)。於本實施例中，該待加工塊體(10)是裝入一加壓容器(C)內，且埋入該加壓容器(C)之一碳粉(C1)(例如石墨粉)內，該加壓容器(C)並藉由一配重塊(W)加壓該碳粉(C1)，以提供該壓力環境，並藉由一高溫爐(F)(可採用真空高溫爐)使該待加工塊體(10)升溫至一燒結溫度。
續請參閱第四圖，該模具成型步驟(S3)：藉由一模具(D)擠壓該多孔隙塊體(100)，使該多孔隙塊體(100)的前述複數孔隙的型態產生變化。於本實施例中，該模具(D)包含一內模(D1)及一外模(D2)，該內模(D1)的尺寸大於該內周緣(102’)，以擠壓該內周緣(102’)，且該外模(D2)是以相對小於該外周緣(103’)之一直筒槽擠壓錐狀之該外周緣(103’)，以沿該多孔隙塊體(100)之一長度方向逐漸增加該壓力。此外，該多孔隙塊體(100)可於置入該模具(D)前或於該模具(D)內時受熱至一變形溫度，而相對容易擠壓變形，但亦可為單純透過加壓使該多孔隙塊體(100)產生形變。
續請參閱第五圖，本發明第二實施例之具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，與前一實施例大致相同，主要的差異在於，該模具成型步驟中：模具(D’)是以一錐狀槽擠壓呈圓柱狀之前述多孔隙塊體(100A)，以沿該多孔隙塊體(100A)之一長度方向逐漸增加該壓力。藉此，該模具(D’)同樣可沿該多孔隙塊體(100A)之一長度方向逐漸增加該壓力。
續請參閱第六圖，本發明第三實施例之具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，與第一實施例大致相同，皆包含一備料步驟(S10)及一燒結步驟(S20)，主要的差異在於省略第一實施例之模具成型步驟。
續請參閱第七圖，本實施例之該備料步驟(S10)中，是藉由一列印模組(A)將複數列印材(B)依序熔融，以逐層列印一待加工塊體(10B)，且前述複數列印材(B)中該金屬材料之含量是由高至低或由低至高。
續請參閱第八圖及第九圖，該燒結步驟(S20)中，使該待加工塊體(10B)在一壓力環境下受熱至一燒結溫度，以去除該塑料且使該金屬材料燒結。於本實施例中，該待加工塊體(10B)同樣是裝入一加壓容器(C)內，且埋入該加壓容器(C)之一碳粉(C)內，該加壓容器(C)並藉由一配重塊(W)加壓該碳粉(C)，以提供該壓力環境，並藉由一高溫爐(F)使該待加工塊體(10B)升溫至一燒結溫度，以藉此製備具備梯度變化孔隙(105B)之孔質材料(100B)。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims (7)

  1. 一種具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，包含：一備料步驟：藉由一列印模組熔融一列印材，以列印一待加工塊體，該列印材包含相混合之一塑料與一金屬材料；一燒結步驟：使該待加工塊體在一壓力環境下受熱至一燒結溫度，以去除該塑料且使該金屬材料燒結，而形成包含複數孔隙之一多孔隙塊體，該燒結步驟中，該待加工塊體埋入一碳粉內，且藉由一配重塊加壓該碳粉，以提供該壓力環境；一模具成型步驟：藉由一模具擠壓該多孔隙塊體，其中該模具提供之一壓力大小係沿一方向漸次增加，使前述複數孔隙呈梯度變化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，該備料步驟中，該列印材為混合該塑料與該金屬材料之線材。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，該模具成型步驟中，該模具是以一直筒槽擠壓呈錐狀之前述多孔隙塊體，以沿該多孔隙塊體之一長度方向逐漸增加該壓力。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，該模具成型步驟中，該模具是以一錐狀槽擠壓呈圓柱狀之前述多孔隙塊體，以沿該多孔隙塊體之一長度方向逐漸增加該壓力。
  5. 如申請專利範圍第3項或第4項所述之具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，其中，該待加工塊體及該多孔隙塊體皆具有一中空部、一內周緣及一外周緣，該內周緣圍繞該中空部，該外周緣位於該中空部及該內周緣外圍，該模具包含一內模及一外模，該內模用於擠壓該內周緣，該外模用於擠壓該外周緣。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，該模具成型步驟中，該多孔隙塊體於置入該模具前或於該模具內時受熱至一變形溫度。
  7. 一種具備梯度變化孔隙之孔質材料的積層式製造方法，包含：一備料步驟：藉由一列印模組將複數列印材依序熔融，以逐層列印一待加工塊體，其中前述複數列印材皆包含相混合之一塑料與一金屬材料，且前述複數列印材中該金屬材料之含量是由高至低或由低至高；及一燒結步驟：使該待加工塊體在一壓力環境下受熱至一燒結溫度，以去除該塑料且使該金屬材料燒結，而使該待加工塊體於該塑料處產生呈梯度變化之複數孔隙，該燒結步驟中，該待加工塊體埋入一碳粉內，且藉由一配重塊加壓該碳粉，以提供該壓力環境。
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