TWI698317B - 中空構件及其製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種中空構件的製備方法，其包含：成型水溶性原料以形成水溶性架橋；射出成型射料以包覆水溶性架橋，而獲得第一生胚；使用水移除第一生胚中的水溶性架橋，以獲得第二生胚；以及燒結第二生胚，以獲得中空構件，其中，中空構件具有對應於水溶性架橋形狀之中空形狀。

Description

中空構件及其製備方法
本發明係關於一種中空構件及其製備方法，特別是關於一種利用水溶性架橋作為模板之中空構件及其製備方法。
隨著科技的發展與進步，生活中處處可見各種精密的儀器、日常用品、電子產品等。因此，應用於此些精密產品之金屬及/或陶瓷構件及其製備方法具有廣大的商業潛力。
在精密的金屬及/或陶瓷構件中，具有中空形狀之金屬及/或陶瓷構件因其應用廣泛，因此尤為一種不可或缺之金屬及/或陶瓷構件。具有中空形狀之金屬及/或陶瓷構件係於緊緻之構件中存在各種不規則形狀且能夠交互連接之通道，因此可將中空形狀作為金屬及/或陶瓷構件中之水路、配線等用途，還可藉由金屬及/或陶瓷構件內的中空形狀與其他構件相互連接，強化不同構件之間的連接關係。
現今，主要以脫蠟鑄造或是3D列印之方式製備具有中空形狀的構件。然而，因為脫蠟鑄造或是3D列印的原始技術限制，所以利用脫蠟鑄造或是3D列印所製得之構件密度較低，使製得之構件緻密度不足，導致性能不良。
而金屬射出成型(Metal Injection Molding，MIM)及/或陶瓷射出成型(Ceramic Injection Molding)技術雖能夠用來生產具有複雜形狀、高精密度、高性能的金屬及/或陶瓷零件。但是目前的金屬射出成型或陶瓷射出成型技術仍難以利用簡單的方法製造具有中空形狀之金屬及/或陶瓷零件。因此，仍須提供一種能夠應用射出成型技術來製備具有中空形狀之零件的方法。
鑒於上述問題，本發明之目的為提供一種中空構件及其製備方法，藉由移除預先成型之水溶性架橋，製備具有對應於水溶性架橋之形狀的中空構件，克服習知製備金屬及/或陶瓷構件技術的限制，進而改善上述問題。
根據本發明之目的，提供一種中空構件的製備方法，其包含：成型水溶性原料以形成水溶性架橋；射出成型射料以包覆水溶性架橋而獲得第一生胚；使用水移除第一生胚中的水溶性架橋以獲得第二生胚；以及燒結第二生胚以獲得中空構件，其中，中空構件具有對應於水溶性架橋形狀之中空形狀。
較佳地，水溶性原料的玻璃轉換溫度介於30~100℃。
較佳地，水溶性原料的熔點大於或等於165℃。
較佳地，水溶性原料包含聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚乙二醇(PEG)。
較佳地，射料包含金屬射料或陶瓷射料。
較佳地，金屬射料包含不銹鋼射料、軟磁射料、銅射料。
較佳地，上述製備方法進一步包含：使用水進行超音波震盪移除第一生胚中的水溶性架橋成為第二生胚之步驟。
較佳地，上述製備方法進一步包含：以選自射出成型、熱成型、抽出成型、壓縮成型或鑄模成型所組成的群組成型水溶性原料以形成水溶性架橋之步驟。
較佳地，上述製備方法進一步包含：脫脂以去除第二生胚中的結合劑之步驟。
根據本發明之目的，另提供一種中空構件，其係由上述之方法製得。
本發明之中空構件及其製備方法具有下述優點：
(1)本發明的中空構件之製備方法係利用水溶性架橋作為模型，所以移除架橋之方式極為簡易，僅須利用水使架橋溶解即可移除。同時，可搭配不同形狀之水溶性架橋，製備具有不同形狀之中空構件，是故本發明之中空構件具有製程簡單、不受形狀限制、易於大批量生產等優點。
(2)本發明的中空構件之製備方法，相較於使用聚甲醛(POM)作為架橋，需要利用腐蝕性強之硝酸氣氛(atmosphere)移除POM架橋之方式，由於本發明係利用水溶性架橋，因此無需使用較易造成操作人員健康危害之硝酸，因此製程較為環保，成本同時也較為低廉。
(3)本發明之水溶性架橋能夠完整地、快速地被水溶解而移除架橋，因此能夠避免由於硝酸氣氛的流動限制，而導致以硝酸氣氛移除POM架橋時，產生之移除時間過長、不易完全移除架橋、存在POM分解而得之碳渣等問題。同時，可藉由控制移除水溶性架橋之水溫及流速等，達到控制移除架橋速率之目的。
(4)利用本發明之方法製得的中空構件，相較於利用習知脫蠟鑄造或3D列印技術製得的構件，具有密度較大之優點。其中，利用本發明之方法製得的金屬密度可高達理論密度之95%以上。在一實施例中，選用之SUS630射料的理論密度約為7.9g/cm3，利用本發明之方法進行燒結後所得之中空構件的密度經量測後約為7.63g/cm3，已達理論密度95%以上。
(5)本發明之中空構件之製備方法，無須大幅度改變現有射出成型設備，因此應用本發明之製備方法時，不會產生過高的額外成本。此外，本發明之中空構件之製備方法，能夠選擇不同的水溶性原料及射料，是故，本發明之方法可同時應用於金屬射出成型及陶瓷射出成型等不同之射出成型方式，因此係為一種可根據使用者需求調整之製備方法。
10:架橋
20:射料
30:第一生胚
40:第二生胚
第1圖係為本發明的中空構件之製備方法的流程示意圖。
第2圖係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的架橋之立體圖。
第3圖係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的第一生胚之立體圖。
第4圖係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的第一生胚之剖面圖。
第5圖係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的第二生胚之立體圖。
第6圖係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的第二生胚之剖體圖。
第7圖係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的組別A的中空構件之示意圖。
第8圖係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的組別B的中空構件之示意圖。
第9圖係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的組別C的中空構件之示意圖。
第10圖係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的組別D的中空構件之示意圖。
第11圖係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的燒結後之中空構件之示意圖。
第12圖至第15圖係分別為本發明之中空構件之製備方法的實例二的架橋之示意圖。
為使上述目的、技術特徵及實際實施後之效益更易於使本領域具通常知識者所理解，將於下文中以實施例搭配圖式更詳細地說明。
參照第1圖，其係為本發明的中空構件之製備方法的流程示意圖。
在步驟S10中，成型水溶性原料以形成水溶性架橋。成型製程可包含射出成型、熱成型、抽出成型、壓縮成型或鑄模成型等所屬技術領域中具 有通常知識者為習知的製程。在一實施例中，水溶性架橋可為規則立體形狀、不規則立體形狀、圓柱狀、管狀、球狀或任何可成型之形狀。在一實施例中，水溶性架橋可為U字型、Y字型、L字型、X字型、S字型之柱體。
在步驟S20中，射出成型射料以包覆水溶性架橋而獲得第一生胚。由於射出成型射料以包覆水溶性架橋，因此於第一生胚中，射料與水溶性架橋緊密堆疊，水溶性架橋被包射於射料中，致使射料中可具有被包射於內之水溶性架橋的形狀。所屬技術領域中具有通常知識者可調控射出成型之各項參數。
在一實施例中，水溶性原料的玻璃轉換溫度介於30~100℃。水溶性原料的玻璃轉換溫度須高於射出成型射料以包覆水溶性架橋時之溫度，因此水溶性架橋能夠避免因為環境溫度高於其之玻璃轉換溫度，而造成其產生軟化及/或變形之問題，藉此控制後續中空構件的形狀精細程度。在一實施例中，水溶性原料的玻璃轉換溫度大於射出成型時之模具溫度。在一實施例中，若射料選用金屬射料，且金屬射料係利用蠟基結合劑，則模具溫度可進一步降低至30℃，因此水溶性原料的玻璃轉換溫度僅需高於30℃即可。
在一實施例中，選用塑膠射出成型之方式成型水溶性原料為水溶性架橋時，製程中的水溶性原料損耗較少且易於批量生產，同時，製得之水溶性架橋亦具有尺寸精確與品質穩定的優點。在此實施例中，為了配合塑膠射出成型之射出溫度，因此水溶性原料之熔點可大於或等於165℃。
在一實施例中，水溶性原料可包含聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚乙二醇(PEG)。水溶性原料可包含水溶性高分子，因此能夠藉由調控水溶性高分子的黏度、分子量、整體密度(bulk density)，來控制水溶性架橋的移除速率。其中，選用PVA可具有取得容易、具較高的熔點、對人體無毒及對環境無毒之有益功效。
在一實施例中，射料可包含金屬射料或陶瓷射料。在一實施例中，金屬射料可包含不銹鋼(SUS)射料、軟磁射料或銅射料。在一實施例中，金屬射料可包含鎳射料、鐵射料、鈷射料等其他金屬射料。在一實施例中，金屬射料可包含常用之3系列、4系列或6系列等不銹鋼射料，不銹鋼射料具有其為目前MIM領域中被大量使用且取得容易之有益功效。在一實施例中，射料可包含結合劑及/或助劑，所述結合劑及/或助劑可為所屬技術領域中具有通常知識者為習知的結合劑。
在步驟S30中，使用水移除第一生胚中的水溶性架橋，以獲得第二生胚。在一實施例中，將第一生胚置入含水的超音波震盪器中，利用超音波震盪之方式移除第一生胚中的水溶性架橋，並獲得具有對應於水溶性架橋之形狀的中空形狀之第二生胚。其中，藉由調整超音波震盪的頻率、時間以及水溫，控制移除水溶性架橋的速率與移除程度。
在步驟S40中，燒結第二生胚，以獲得中空構件。燒結製程可為所屬技術領域中具有通常知識者為習知的製程。在一實施例中，本發明之製備方法可進一步包含脫脂以去除第二生胚中的結合劑之步驟。
在實例一中，選用由不同材料成型之架橋，針對製得之中空構件的性質進行比較。所選用之材料如表1所示。在本實施例中，組別A選用Polyplastics M90-44之POM材料；組別B選用Formosa Plastic之POM材料；組別C選用American DuPont M900P之POM材料，以上三種POM之熔點約為175℃；以及組別D選用熔點為170℃之PVA材料。組別D之PVA材料為MOWIFLEXTM C17。在實例一中，利用硝酸氣氛移除組別A至組別C之架橋，並使用水移除組別D之架橋。
Figure 107121751-A0305-02-0009-2
參照第2圖，其係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的架橋之立體圖。在實例一中，選用U字型圓柱狀作為架橋10之形狀，惟本發明之架橋10不限制於此形狀，亦可為Y字型、X字型或S字型圓柱狀等形狀不規則之非直線型圓柱狀體。將組別A至D之架橋材料，以塑膠射出成型之方式，於溫度220℃、射出參數為射速80mm/sec、射壓1500bar、保壓950bar、保壓時間5sec及冷卻時間25sec時進行塑膠射出成型。
參照第3圖及第4圖，其係分別為本發明的中空構件之製備方法的實例一的第一生胚之立體圖及剖面圖。如圖所示，第一生胚30係為包覆架橋10之射料20，且射料20可完整地包覆架橋10。在實例一中，選用金屬射料，且具體地選用SUS 630射料作為不銹鋼射料，於溫度200℃、金屬射出參數為射速50mm/sec、射壓1500bar、保壓800bar、保壓時間1sec及冷卻時間8sec時進行金屬射出成型。選用產品長度約為10mm、寬度約為8mm、以及高度約為10mm之模具鋼材料的模具。實務上，雖然根據實例一之金屬射出溫度為200℃，然而模具溫度僅約為95℃，亦即金屬射出成型之模具溫度低於射出溫度， 因此選用之水溶性原料之玻璃轉化溫度僅須高於模具溫度，即可避免包射製程導致水溶性架橋軟化變形之問題。
參照第5圖及第六圖，其係分別為本發明的中空構件之製備方法的實例一的第二生胚之立體圖及剖面圖。如圖所示，第二生胚40已經移除架橋10，因此第二生胚40由射料20組成，且第二生胚40中具有對應於架橋10之形狀的中空形狀。
在實例一中，組別A至組別C所選用之架橋材料為不溶於水的POM，因此利用硝酸氣氛移除架橋。組別A至組別C係將第一生胚置入硝酸氣氛環境。其中，硝酸流量為120ml/hr、氮氣流量為3000L/hr以及移除時間為8小時，其移除結果如第7圖至第9圖所示。
參照第7圖至第9圖，其係分別為本發明的中空構件之製備方法的實例一的組別A至組別C的中空構件之示意圖。如圖所示，由於架橋之形狀相較於直線狀更為複雜，故經過8小時後，仍無法移除架橋。
在實例一中，組別D所選用之架橋材料為具水溶性的PVA，因此利用水移除架橋。組別D係將第一生胚置入含水之超音波震盪儀中，進行超音波震盪以移除架橋。其中，超音波震盪頻率為40~80KHz以及時間為8~12小時，其移除結果如第10圖所示。
參照第10圖，其係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的組別D的中空構件之示意圖。如第10圖(A)部份之外觀圖及(B)部分之剖面圖所示，利用水溶解架橋之組別D確能乾淨完全地移除架橋。
參照第11圖，其係為本發明的中空構件之製備方法的實例一的燒結後之中空構件之示意圖。將移除架橋後之第二生胚進行燒結製程，即可獲得 本發明之中空構件。如第11圖(A)部份之外觀圖及(B)部分之剖面圖所示，可知利用本發明之中空構件之製備方法製備而得的中空構件，具有高精度、高緻密度、易於大批量生產之優點。
在實例二中，選用成型為不同材料之架橋，針對製得之中空構件的形狀進行比較。架橋之形狀如第12圖至第15圖所示。如圖所示，可知架橋之形狀除了可為U字型柱體外，亦可為Y字型柱體、L字型柱體、X字型柱體或S字型柱體等各種形狀之三維立體形狀，可依需求作任意形狀的變化。
綜上所述，本發明之中空構件及其製備方法，能夠組合各種水溶性原料以及金屬射料，已符合各種需求。更重要的是，本發明之中空構件及其製備方法能夠克服脫蠟鑄造及3D列印技術無法製備高緻密度之構件以及射出成型技術無法製備中空構件之習知問題，且能應用於原有之金屬及/或陶瓷射出成型製程，並同時解決以硝酸氣氛移除架橋導致的環境汙染。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於申請專利範圍中。
S10~S40:步驟

Claims (9)

  1. 一種中空構件的製備方法，其包含：成型一水溶性原料以形成一水溶性架橋，其中形成該水溶性架橋的步驟不包含燒結；射出成型一射料以包覆該水溶性架橋，而獲得一第一生胚；使用水移除該第一生胚中的該水溶性架橋，以獲得一第二生胚；以及燒結該第二生胚，以獲得該中空構件，其中，該中空構件具有對應於該水溶性架橋形狀之中空形狀。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該水溶性原料的玻璃轉換溫度介於30~100℃。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該水溶性原料的熔點大於或等於165℃。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該水溶性原料包含聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚乙二醇(PEG)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該射料包含一金屬射料或一陶瓷射料。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該金屬射料包含不銹鋼射料、軟磁射料或銅射料。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其進一步包含： 使用水進行超音波震盪移除該第一生胚中的該水溶性架橋成為該第二生胚之步驟。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其進一步包含：以選自射出成型、熱成型、抽出成型、壓縮成型或鑄模成型所組成的群組成型該水溶性原料以形成該水溶性架橋之步驟。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其進一步包含：脫脂以去除該第二生胚中的結合劑之步驟。
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