TWI716184B - 金屬層的形成方法 - Google Patents

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Abstract

一種金屬層的形成方法，其適用於三維印刷製程。所述方法包括以下步驟：於基板上提供多個金屬粒子；施加氧化物移除劑至所述金屬粒子上，以移除所述金屬粒子上的金屬氧化物；在第一溫度下對經移除所述金屬氧化物的所述金屬粒子進行第一熱處理，以形成近形；在第二溫度下對所述近形進行第二熱處理，以形成燒結體。所述第一溫度低於所述第二溫度。

Description

金屬層的形成方法
本揭露是有關於一種金屬層的形成方法，且特別是有關於一種適用於三維（3D）印刷製程的金屬層的形成方法。
在一般的3D印刷製程中，在基板上提供金屬粒子之後，對金屬粒子進行熱處理，使金屬粒子形成緻密的燒結體來製作金屬層。然而，當金屬粒子提供至基板上之後，由於外界環境中的氧氣，金屬粒子的表面上無可避免地會產生一層金屬氧化物。由於金屬氧化物相較於金屬具有較高的熔點，因此需要在較高的溫度下來進行上述的熱處理。
目前，大多是以高能量雷射來對表面上形成有金屬氧化物層的金屬粒子進行熱處理。藉由高能量雷射，可同時熔化金屬氧化物層與金屬粒子。然而，由此形成的燒結體中含有金屬氧化物，因而對所形成的金屬層的特性產生影響。
本揭露提供一種金屬層的形成方法，其在進行高溫燒結之前利用氧化物移除劑來移除金屬粒子上的金屬氧化物。
本揭露的金屬層的形成方法，適用於三維印刷製程，其包括以下步驟：於基板上提供多個金屬粒子；施加氧化物移除劑至所述金屬粒子上，以移除所述金屬粒子上的金屬氧化物；在第一溫度下對經移除所述金屬氧化物的所述金屬粒子進行第一熱處理，以形成近形（near shape）；在第二溫度下對所述近形進行第二熱處理，以形成燒結體。所述第一溫度低於所述第二溫度。
在本揭露實施例中，在將金屬粒子提供至基板上之後，先以氧化物移除劑來移除金屬粒子上的金屬氧化物，因此可在低溫熱處理後形成近形。如此一來，可有效地縮短後續進行高溫熱處理的時間，且可形成高純度的燒結體。
為讓本揭露的上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為根據本揭露實施例所繪示的金屬層的形成方法的步驟流程圖。圖2A至圖2C為根據本揭露實施例所繪示的金屬層的形成方法的流程剖面示意圖。請同時參照圖1與圖2A，在步驟100中，於基板200上提供多個金屬粒子202。基板200可為金屬層將形成於其上的各種基板，本揭露不對此作限定。金屬粒子202亦可稱為金屬粉末，其材料可為金屬或合金。在本實施例中，金屬粒子202可為鋁粒子、不鏽鋼粒子、錫粒子、鈦粒子、鋅粒子、鎂粒子、鋯粒子或鉻粒子，但本揭露不限於此。在本實施例中，將金屬粒子202提供於基板200上的方法例如是進行噴墨、噴灑或微量分注等製程，但本揭露不限於此。
一般來說，當金屬粒子202提供於基板200上之後，受到外界環境中的氧氣的氧化作用，金屬粒子202的表面上會產生一層金屬氧化物204。
然後，在步驟102中，施加氧化物移除劑206至金屬粒子202上，以移除金屬粒子202上的金屬氧化物204。在本實施例中，氧化物移除劑206例如為有機酸、無機酸、助銲劑或碳粒子。上述的有機酸例如為草酸、乙酸、檸檬酸或其組合。上述的無機酸例如為磷酸、硫酸或其組合。當使用碳粒子作為氧化物移除劑206時，需要在氫氣環境下將碳粒子施加至金屬粒子202上，以使金屬粒子202上的金屬氧化物204還原為金屬。可視金屬粒子202的種類來選擇合適的氧化物移除劑206。舉例來說，當金屬粒子202為不鏽鋼粒子時，選擇使用草酸作為氧化物移除劑206可有效地自不鏽鋼粒子上移除氧化物。此外，在利用氧化物移除劑206移除金屬粒子202上的金屬氧化物204時，附著於金屬粒子202上的雜質也會同時被移除。如此一來，在後續步驟中所形成的燒結體中不會含有金屬氧化物與雜質，可形成具有高純度的金屬燒結體。
可使用各種方式將氧化物移除劑206施加至金屬粒子202上。舉例來說，可使用噴墨、微量分注或噴灑的方式將氧化物移除劑206施加至金屬粒子202上。在本實施例中，藉由噴嘴208可將氧化物移除劑206施加至金屬粒子202上。此外，採用上述方式，可將氧化物移除劑206施加於特定區域的金屬粒子202上或施加至所有的金屬粒子202上。如圖2A所示，藉由噴嘴208可將氧化物移除劑206施加至位於中間區域的金屬粒子202上。另外，當採用噴灑方式時，可大面積地將氧化物移除劑206施加於金屬粒子202上。因此，可快速地移除金屬粒子202上的金屬氧化物204。另外，針對特定的氧化物移除劑，需要在特定的活化溫度下來移除金屬氧化物。因此，在施加氧化物移除劑的過程中會將處理溫度升高至上述的活化溫度。
接著，請同時參照圖1與圖2B，在步驟104中，在第一溫度下對經移除金屬氧化物204的金屬粒子202進行熱處理，以形成近形（near shape）210。上述的第一溫度取決於金屬粒子202的材料，本揭露不對此作限制。詳細地說，在利用氧化物移除劑206移除金屬粒子202上的金屬氧化物204之後，暴露出金屬粒子202。因此，可不需利用高溫熱處理將金屬氧化物204熔化，而可直接對金屬粒子202進行低溫熱處理來形成近形210。在低溫熱處理的過程中，金屬粒子202之間產生連結（necking）效應（此步驟可稱為低溫煅燒），且此時所形成的金屬層形狀稱為近形。因此，相較於現有技術中以高能量雷射直接對表面上形成有金屬氧化物的金屬粒子進行高溫燒結，本實施例能夠先以低溫熱處理使金屬粒子形成近形，以縮短後續高溫燒結的時間。
特別一提的是，當氧化物移除劑需要在活化溫度下來移除金屬氧化物時，活化溫度通常低於上述的第一溫度。此外，在一些實施例中，在活化溫度下移除金屬氧化物之後，可自活化溫度直接升高至上述的第一溫度以連續地進行加溫。
之後，請同時參照圖1與圖2C，在步驟106中，在高於上述第一溫度的第二溫度下進行第二熱處理，以使近形210形成為具有緻密結構的燒結體212。上述的第二溫度取決於金屬粒子202的材料，本揭露不對此作限制。在本實施例中，可使用低能量雷射、烘箱或電子束來進行上述的第二熱處理（此步驟可稱為高溫燒結）。由於在步驟104中已先在較低的第一溫度下使金屬粒子202產生連結效應而成為近形210，因此在步驟106中可縮短在較高的第二溫度下的燒結時間，且所形成的緻密的燒結體212中不會存在金屬氧化物與雜質而具有高純度。如此一來，由本實施例的燒結體212所形成的金屬層可具有穩定且符合需求的特性。
以下將以實驗例與比較例來對本揭露的金屬層的形成方法的效果作說明。
實驗例 1
使用不鏽鋼粒子作為金屬粒子，在提供至基板上之後，以草酸（pH值約為2）作為氧化物移除劑來移除不鏽鋼粒子上的氧化物（熔點約1565°C），然後在800°C下進行低溫鍛燒，使得不鏽鋼粒子之間產生連結效應而成為近形，其結果如圖3A所示。
實驗例 2
使用不鏽鋼粒子作為金屬粒子，在提供至基板上之後，以助銲劑（氟硼酸鉀，KBF4 ）作為氧化物移除劑來移除不鏽鋼粒子上的氧化物，然後在800°C下進行低溫鍛燒，使得不鏽鋼粒子之間產生連結效應而成為近形，其結果如圖3B所示。
比較例 1
使用不鏽鋼粒子作為金屬粒子，在提供至基板上之後，直接在800°C下進行低溫鍛燒，此時無法產生連結效應，其結果如圖3C所示。
由圖3A、圖3B與圖3C可以看出，在將不鏽鋼粒子提供至基板上之後以氧化物移除劑來移除不鏽鋼粒子上的氧化物，因此可在低溫熱處理後形成連結效應（如圖3A與圖3B所示），而未使用氧化物移除劑來移除氧化物的不鏽鋼粒子在低溫熱處理後則無法形成連結效應（如圖3C所示）。如此一來，在實驗例1與實驗例2中，由於已先形成近形，因此可縮短後續進行高溫熱處理來形成燒結體的時間，且可形成高純度的燒結體。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，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。
100、102、104、106:步驟 200:基板 202:金屬粒子 204:金屬氧化物 206:氧化物移除劑 208:噴嘴 210:近形 212:燒結體
圖1為根據本揭露實施例所繪示的金屬層的形成方法的步驟流程圖。 圖2A至圖2C為根據本揭露實施例所繪示的金屬層的形成方法的流程剖面示意圖。 圖3A、圖3B與圖3C為實驗例與比較例的不鏽鋼粒子經低溫鍛燒後的結果。
100、102、104、106:步驟

Claims (9)

  1. 一種金屬層的形成方法，適用於三維印刷製程，所述金屬層的形成方法包括：於基板上提供多個金屬粒子；在將所述金屬粒子提供於所述基板上之後，施加氧化物移除劑至所述金屬粒子上，以移除所述金屬粒子上的金屬氧化物；在第一溫度下對經移除所述金屬氧化物的所述金屬粒子進行第一熱處理，以形成近形；以及在第二溫度下對所述近形進行第二熱處理，以形成燒結體，其中所述第一溫度低於所述第二溫度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的金屬層的形成方法，其中所述氧化物移除劑包括有機酸、無機酸、助銲劑或碳粒子。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的金屬層的形成方法，其中所述有機酸包括草酸、乙酸、檸檬酸或其組合。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的金屬層的形成方法，其中所述無機酸包括磷酸、硫酸或其組合。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的金屬層的形成方法，其中所述碳粒子在氫氣環境下施加至所述金屬粒子上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的金屬層的形成方法，其中施加所述氧化物移除劑的方法包括噴墨、微量分注或噴灑。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的金屬層的形成方法，其中所述金屬粒子的材料包括金屬或合金。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的金屬層的形成方法，更包括在所述氧化物移除劑的活化溫度下施加所述氧化物移除劑至所述金屬粒子上，所述活化溫度低於所述第一溫度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的金屬層的形成方法，更包括在移除所述金屬粒子上的金屬氧化物之後，在所述活化溫度下直接將溫度升高至所述第一溫度。
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