TWI786743B - 金屬積層製造裝置及其積層製造方法 - Google Patents

Abstract

一種金屬積層製造裝置，包含：一基板，其包括一工作區域；一摩擦擠出模具，其具有頭端、尾端及模穴，模穴用以放入金屬切屑，頭端內面設擠出孔，頭端外部端面形成一外肩部，摩擦擠出模具以中心軸為軸心進行轉動；一壓料單元，包含壓桿與擋板，用以對模穴內的金屬切屑持續施壓；金屬切屑藉由摩擦擠出模具的轉動與持續加壓下，達到塑性流動，摩擦擠出模具與基板保持一工作間距並水平面錯位移動，使擠出之塑性流動金屬落在工作區域，並藉由外肩部接觸流出的塑性流動金屬，使形成於工作區域上。

Description

金屬積層製造裝置及其積層製造方法

本發明為一種金屬積層製造裝置及其積層製造方法，特別是有關於一種由金屬切屑直接利用摩擦擠出技術進行積層製造的裝置與方法。

目前固態鋁合金回收技術主要是將鋁屑、邊角料等鋁廢料，經由機械式工法(攪拌、擠壓等)使材料產生塑性變形，進將鋁屑擠製而轉化成密度高、機械性能優良的線材或塊材等半成品。

傳統摩擦擠出工具及裝置，其主要分為兩結構，一為擠出模具，擠壓模具內有一孔洞；一為底部基座，基座為放置材料之處。摩擦擠出是藉由旋轉擠出模具，由擠出模具表面與基座材料進行摩擦，藉由摩擦加熱軟化材料進而形成塑性流動，再藉由擠出模具施加擠壓力，將材料擠出形成線材或管材。

本發明的目的在於提供一種由旋轉的摩擦擠出模具及持續施壓的壓料單元，將內置於摩擦擠出模具的金屬切屑加壓達成塑性流動狀態並於擠出後隨即抹平，以將金屬切屑材料沉積而形成於基板上。為達成上述目的，本發明提供一種金屬積層製造裝置，包含：一基板，其具有一表面，該表面包括一工作區域；一摩擦擠出模具，其具有一頭端、一相對於該頭端的 尾端、及設置於該頭端與該尾端之間並朝向該尾端開放的一模穴，該模穴用以放入固相之金屬切屑，該頭端之該內部端面中心設一擠出孔，該擠出孔連接該模穴，使該模穴透過該擠出孔連通該摩擦擠出模具的外部空間，該頭端之一外部端面的該擠出孔外側周圍形成一外肩部，該摩擦擠出模具以位於其中心處之一中心軸為軸心進行轉動，且該擠出孔之中心線係通過該中心軸；以及一壓料單元，設置於該摩擦擠出模具之該模穴內，其包含一可移動的壓桿與連接該壓桿的擋板，用以由該尾端朝向該頭端對該模穴內的該金屬切屑持續地施壓，使該金屬切屑擠壓該頭端之內部端面；其中，該金屬切屑藉由該摩擦擠出模具的轉動與該壓料單元的持續加壓之下，進而達到塑性流動狀態，該摩擦擠出模具與該基板係可進行保持一工作間距的水平面錯位移動，使由該擠出孔擠出之塑性流動金屬落在該工作區域，並藉由前述該相對移動時利用該外肩部接觸流出該擠出孔之塑性流動金屬，使形成於該工作區域上。

在一些實施方案中，該摩擦擠出模具係固定不移動而該基板固定於一床台上，該床台設置於可在三維的直角座標系移動之一參軸移動單元上。

在一些實施方案中，該基板係固定不動，該摩擦擠出模具係設置於一可在三維的直角座標系移動之一參軸移動單元上。

在一些實施方案中，該參軸移動單元係包含一可沿二維的直角座標系之x軸及y軸移動之平面移動單元及供該平面移動單元設置之一沿z軸線性升降之線性升降單元。

在一些實施方案中，更包含加熱單元，設置於該壓桿外側外 側。

在一些實施方案中，更包含一加熱單元，設置於該摩擦擠出模具外側。

在一些實施方案中，該頭端之內部端面及/或該外肩部平面上設置一引流助拌構槽。

在一些實施方案中，該引流助拌構槽係為下凹之由中心點向外周發展之螺旋線、曲線或直線。

在一些實施方案中，該擠出孔的截面造型為十字形或星形。

本發明的再一目的在於提供一種金屬積層製造方法，藉由金屬切屑直接進行積層製造的方法。

為達成上述目的，本發明提供一種金屬積層製造方法，其步驟包含：提供請求項1所述之金屬積層製造裝置；移動該壓料單元該壓桿及該擋板，以打開該摩擦擠出模具之該模穴；將金屬切屑送入該模穴中，並使該壓料單元之該擋板復蓋於該模穴內的金屬切屑，並透過該壓桿施予一持續加壓力；相對移動該基板與該摩擦擠出模具，使該外肩部與該工作區域保持一工作間距下，相對移動該摩擦擠出模具至一擠出位置；以及進行該相對移動的同時，轉動該摩擦擠出模具，使與該頭端之該內部端面接觸的該金屬切屑受旋轉擠壓力而達到塑性流動狀態，並由該擠出孔擠出至該頭端外部，再利用該外肩部抹平自該擠出孔流出的塑性流動金屬材料，使其沉積於該工作區域。

在一些實施方案中，於該金屬切屑送入該模穴之前後、轉動該摩擦擠出模具之前後，更包含一以一加熱單元對該模穴內的該金屬切屑進行 加熱之加熱步驟。

在一些實施方案中，該擠出孔之開孔直徑為該金屬切屑直徑的40%至80%。

在一些實施方案中，該擠出孔之開孔直徑為0.1mm。

在一些實施方案中，該摩擦擠出模具的材質為高耐磨鈷基材料或陶瓷材料。

在一些實施方案中，該金屬切屑為鋁合金、鎂合金或銅合金。

在一些實施方案中，該模穴內可添加微量碳化矽顆粒與該金屬切屑材料共同攪拌。

在一些實施方案中，當完成一層工作區域的積層後，再移至下一層的工作區域，並保持該摩擦擠出模具與該工作區域的工作間距，進行下一層積層作業，並逐層地疊加積層。

本發明的至少具有下列特點：傳統摩擦擠出製程僅能成形為棒材或管材，本發明以摩擦擠出製程直接擠出塗佈於基材上，以積層製造方式進行胚料的製造或是直接積層成品，因此本發明不存在產品尺寸的限制。本發明直接由金屬粉屑直接進行積層製造，促使廢料再生利用。本發明回收過程為固相式回收，不經熔融具有較少的材料損失，並可減少製程能耗。本發明透過大量塑性變形，使晶粒產生細化效果，得到好的機械性質。

1:金屬積層製造裝置

11:基板

12:摩擦擠出模具

121:頭端

1211:內部端面

1212:擠出孔

1212a:十字孔

1212b:星形孔

1213:外肩部

122:尾端

123:模穴

124,124a,124b,124c,124d:溝槽

13:壓料單元

131:壓桿

132:擋板

14:床台

15,15’:參軸移動單元

151,151’:平面移動單元

152,152’:線性升降單元

16,16’:加熱單元

B:金屬切屑

B1:塑性流動金屬

B2:積層

B2a:第一金屬層

B2b:第二金屬層

C:中心軸

M:馬達

P:工作間距

W:工作區域

步驟S11至步驟S21:一種金屬積層製造方法的步驟

[圖1]為本發明一實施例之金屬積層製造裝置截面示意圖；[圖2]為本發明一實施例之參軸移動單元與摩擦擠出模具或基板的連接示意 圖；[圖3A]為本發明一實施例之摩擦擠出模具於基板積層第一金屬層之立體示意圖；[圖3B]為本發明一實施例之摩擦擠出模具於基板積層第二金屬層之立體示意圖；[圖4]為本發明一實施例之摩擦擠出模具之頭端的內部端面設置螺旋溝槽的立體示意圖；[圖5]為本發明一實施例之摩擦擠出模具之外肩部設置螺旋溝槽的立體示意圖；[圖6]為本發明一實施例之摩擦擠出模具之頭端的內部端面及或外肩部設置之直線放射狀溝槽示意圖；[圖7]為本發明一實施例之摩擦擠出模具之頭端的內部端面及或外肩部設置之曲線放射狀溝槽示意圖；[圖8]為本發明一實施例之摩擦擠出模具之十字方形擠出孔的平面示意圖；[圖9]為本發明一實施例之摩擦擠出模具之星形擠出孔的平面示意圖；及[圖10]為本發明一實施例之金屬積層製造方法的步驟流程圖。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可據 以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本申請，而非用以限制本申請。另外，在說明書中，除非明確地描述為相反的，否則詞語“包括”將被理解為意指包括所述元件，但是不排除任何其它元件。

如圖1至圖3B所示，本實施例之金屬積層製造裝置1的結構係包含：一基板11、一摩擦擠出模具12以及一壓料單元13。該基板11的一表面，通常是頂部表面係包括一工作區域W。前述該工作區域W可位於一尚未積層的該基板11上的一部分或全部區域或已沉積金屬材料的積層之上的一部分或全部區域。該摩擦擠出模具12可為一筒狀模具，其具有一頭端121、一相對於該頭端121的尾端122、及設置於該頭端與該尾端之間並朝向該尾端開放的一模穴123，該模穴123係設置於該頭端121與該尾端122之間的內部，並朝向該尾端122形成一開放空間。該模穴123用以放入固相之金屬切屑B，該頭端121之一內部端面1211中心設置一擠出孔1212，該擠出孔1212連接該模穴123，使該模穴123透過該擠出孔1212連通該摩擦擠出模具12的外部空間，該頭端121之一外部端面的該擠出孔1212外側周圍形成一外肩部1213，該摩擦擠出模具12以位於其中心處之一中心軸C為軸心進行轉動，且該擠出孔1212之中心線係通過該中心軸C，即該擠出孔1212係位於旋轉軸上。該壓料單元13係設置於該摩擦擠出模具12之該模穴123內並靠近該尾端122，其包含一可移動的壓桿131與連接該壓桿131的擋板132，可利用驅動該壓桿131由該尾端122朝向該頭端121對該模穴123內的該金屬切屑B進行持續地施壓，使該金屬切屑B擠壓該頭端121的該內部端面 1211並充滿擠壓應力。該基板11可為金屬基板或非金屬基板(例如陶瓷基板)。基板11材料的選擇為可以被擠出的金屬形成在其表面上。

根據上述構件，如圖1、圖3A及圖3B所示，該頭端121之該內部端面1211的鄰近區域之該金屬切屑B藉由該摩擦擠出模具12的轉動與該壓料單元13的持續加壓之下，進而達到該金屬切屑B材料的塑性流動狀態，並在此狀態下被由該擠出孔1212擠出到該摩擦擠出模具12之頭端121外部，該摩擦擠出模具12與該基板11係可進行保持一工作間距P的水平面錯位移動，使由該擠出孔1212擠出之塑性流動金屬B1連續落在該工作區域W，並藉由前述相對移動時利用外肩部1213接觸流出該擠出孔1212之塑性流動金屬B1，使沉積而形成於該工作區域W上，形成積層B2。

前述工作間距P係指當該塑性流動金屬B1流出該擠出孔1212再接觸該工作區域W後，該塑性流動金屬B1仍能保持與外肩部1213的接觸之距離。

如圖2所示，在一些實施例中，該摩擦擠出模具12係固定不移動(但可轉動)，而該基板11係固定於一床台14上，該床台14係設置於可在x軸、y軸及z軸之三維的直角座標系移動之一參軸移動單元15上。

同樣如圖2所示，在一些實施例中，該基板11係固定不動，而該摩擦擠出模具12(包含壓料單元13)係設置於一可在三維的直角座標系移動之一參軸移動單元15’上，以便該摩擦擠出模具12之該擠出孔1212可以移動在該基板11的工作區域W上或完成一層積層B2後，使該摩擦擠出模具12再與該完成的積層B2表面保持一工作間距P，並再次於剛剛完成的積層表面進行積層B2。

請參考圖2及圖3A、圖3B所示，上述該參軸移動單元(15,15’)係包含一可沿二維的直角座標系之x軸及y軸移動之平面移動單元(151,151’)及供該平面移動單元設置之一沿z軸線性升降之線性升降單元(152,152’)。具體而言，如圖2示出，該摩擦擠出模具12的轉動可應用一馬達M加上一傳動元件(如皮帶)來帶動，而該壓料單元13之壓桿131則可應用一油壓裝置帶動之。

再者，為使摩擦擠出模具12內的金屬切屑B在短時間內升溫至再結晶溫度，以利到達塑性流動狀態，本發明更包含一設置於該壓桿131外側或該摩擦擠出模具12外側的加熱單元(16,16’)，用來對該金屬切屑B快速升溫，更有助於在攪拌過程中的塑性流動性，以提供更佳的品質。

另一方面，如圖4至圖7所示，本發明在摩擦擠出模具12之頭端121內部端面1211進一步設置引流、助拌之溝槽124a(圖4示出)及/或在外肩部1213上設置溝槽124b(圖5示出)，可增加金屬切屑B在施作過程中摩擦力與攪拌過程中的均勻性，強化金屬切屑B在擠出過程中品質及效率提升。且該溝槽(124,124a,124b)的幾何特徵可設計為下凹之由中心點向外周發展之螺旋線溝槽(124a,124b)(圖4、圖5示出)、直線溝槽124c(圖6示出)或曲線溝槽124d(圖7示出)，可引導塑性流動的金屬帶入擠出孔1212(出模口)，以及輔助金屬切屑B攪拌均勻。

如圖8及圖9所示，在提升擠出效率方面，可將該擠出孔1212設計為十字方形、星形或較為特殊形狀，以增加擠出面積。

請再參照圖1至圖3B及圖10所示。本發明之金屬積層製造方法，其步驟包含：步驟S11，提供前述金屬積層製造裝置1。步驟S12，移動 該壓料單元13之該壓桿131及該擋板132，以打開該摩擦擠出模具12之該模穴123。步驟S13，將金屬切屑B送入該模穴123中，並使該壓料單元13的擋板132再蓋回於模穴123內，以透過壓桿131施予金屬切屑B一持續的加壓力。步驟S14，高速轉動該摩擦擠出模具12，使與該頭端121之內部端面1211接觸的金屬切屑B受到內部端面1211的旋轉擠壓力而達到塑性流動狀態，並在持續的加壓力下由擠出孔1212擠至出該摩擦擠出模具的頭端121的外部。步驟S14，使基板11與摩擦擠出模具12進行水平方向或垂直方自的相對移動至一工作間距P，利用該外肩部1213抹平自該擠出孔流出的塑性流動金屬B1材料，使其沉積於該工作區域W。

再者，於之該金屬切屑送入該模穴(步驟S13)之前後、轉動該摩擦擠出模具(步驟S14)之前，更包含一加熱步驟：步驟S21，以一加熱單元(16,16’)，例如能快速加熱的加熱線圈，對該模穴123內的該金屬切屑B進行加熱之。

上述加熱步驟S21可對應於摩擦擠出該金屬切屑B的需求而被動作動，但也可在不是立即進行摩擦擠出該金屬切屑B的前提下，進行主動預熱。

特別一提的是，該擠出孔之開孔直徑為該金屬切屑直徑的40%至80%，以防止金屬切屑B於製程初期產生溢料的情況。

另外，在一些實施例中，該擠出孔1212之開孔直徑為0.1mm。

在一些實施例中，該摩擦擠出模具12的材質為高耐磨鈷基材料或陶瓷材料，因陶瓷材料耐磨性佳，且在其內部放置的金屬切屑B可具有持 溫作用，溫度不易散失。

在一些實施例中，金屬切屑B在放入模具前，需經清潔、乾燥等處理，而金屬切屑B可為鋁合金、鎂合金、銅合金，且施作中，該模穴123內可添加微量強化顆粒，增加其機械性質，如碳化矽(SiC)顆粒。

當完成一層(如圖3A示出之第一金屬層B2a)工作區域W的積層B2部位後，再將摩擦擠出模具12升一級(或將該基板11降一級)，使移至下一層(如圖3B示出之第一層金屬層B2a上的第二金屬層B2b)的工作區域W，並保持該摩擦擠出模具12與該工作區域W的工作間距P，進行下一層積層作業，並逐層地疊加積層B2，進行製作成塊材或是直接成形至產品形狀。

本發明摩擦擠出技術，可直接由金屬切屑直接進行積層製造，促使廢料再生利用；回收過程中為固相，不須經高能耗與高汙染的冶金熔化過程可節省30%以上能耗，且材料回收率高；本發明利用增加在摩擦攪拌之摩擦力與攪拌均勻性，透過大量塑性變形擠出成形，使晶粒產生細化效果，可得到較好的機械性質。

上述揭示的實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明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。

1:金屬積層製造裝置

11:基板

12:摩擦擠出模具

121:頭端

1211:內部端面

1212:擠出孔

1213:外肩部

122:尾端

123:模穴

13:壓料單元

131:壓桿

132:擋板

16,16’:加熱單元

B:金屬切屑

B1:塑性流動金屬

B2:積層

C:中心軸

P:工作間距

W:工作區域

Claims (16)

1. 一種金屬積層製造裝置，包含：一基板，其具有一表面，該表面包括一工作區域；一摩擦擠出模具，其具有一頭端、一相對於該頭端的尾端、及設置於該頭端與該尾端之間並朝向該尾端開放的一模穴，該模穴用以放入固相之金屬切屑，該頭端之一內部端面中心設一擠出孔，該擠出孔連接該模穴，使該模穴透過該擠出孔連通該摩擦擠出模具的外部空間，該頭端之一外部端面的該擠出孔外側周圍形成一外肩部，該摩擦擠出模具以位於其中心處之一中心軸為軸心進行轉動，且該擠出孔之中心線係通過該中心軸；以及一壓料單元，設置於該摩擦擠出模具之該模穴內，其包含一可移動的壓桿與連接該壓桿的擋板，用以由該尾端朝向該頭端對該模穴內的該金屬切屑持續地施壓，使該金屬切屑擠壓該頭端的該內部端面；其中，該金屬切屑藉由該摩擦擠出模具的轉動與該壓料單元的持續加壓之下，進而達到塑性流動狀態；該摩擦擠出模具與該基板係可進行保持一工作間距的水平面錯位移動，使由該擠出孔擠出之塑性流動金屬落在該工作區域，並藉由前述該相對移動時利用該外肩部接觸流出該擠出孔之塑性流動金屬，使形成於該工作區域上；以及前述工作間距係指當該塑性流動金屬流出該擠出孔再接觸該工作區域後，該塑性流動金屬仍能保持與外肩部的接觸之距離。
2. 如請求項1所述金屬積層製造裝置，其中該摩擦擠出模具係固定不移動而該基板固定於一床台上，該床台設置於可在三維的直角座標系移動之一參軸移動單元上。
3. 如請求項1所述金屬積層製造裝置，其中該基板係固定不動，該 摩擦擠出模具係設置於一可在三維的直角座標系移動之一參軸移動單元上。
4. 如請求項2或3所述金屬積層製造裝置，其中該參軸移動單元係包含一可沿二維的直角座標系之x軸及y軸移動之平面移動單元及供該平面移動單元設置之一沿z軸線性升降之線性升降單元。
5. 如請求項1所述金屬積層製造裝置，更包含一加熱單元，設置於該壓桿外側或該摩擦擠出模具外側。
6. 如請求項1所述金屬積層製造裝置，其中該頭端之該內部端面及/或該外肩部上設置一引流助拌之溝槽。
7. 如請求項6所述金屬積層製造裝置，其中該溝槽係為下凹之由中心點向外周發展之螺旋線、曲線或直線。
8. 如請求項1所述金屬積層製造裝置，其中該擠出孔的截面造型為十字方形或星形。
9. 一種金屬積層製造方法，其步驟包含：提供請求項1所述之金屬積層製造裝置；移動該壓料單元之該壓桿及該擋板，以露出該摩擦擠出模具之該模穴；將金屬切屑送入該模穴中，並使該壓料單元之該擋板復蓋於該模穴，並透過該壓桿施予該金屬切屑一持續加壓力；相對移動該基板與該摩擦擠出模具，使該外肩部與該工作區域保持一工作間距下，相對移動該摩擦擠出模具至一擠出位置；以及進行該相對移動的同時，轉動該摩擦擠出模具，使與該頭端之該內部端面接觸的該金屬切屑受旋轉擠壓力而達到塑性流動狀態，並由該擠出孔擠出至該頭端外部，再利用該外肩部抹平自該擠出孔流出的塑性流動金屬材料，使其沉積於該工作區域。
10. 如請求項9所述金屬積層製造方法，係於該金屬切屑送入該 模穴之前後、轉動該摩擦擠出模具之前，更包含一對該模穴內的該金屬切屑進行加熱之加熱步驟。
11. 如請求項9所述金屬積層製造方法，其中該擠出孔之開孔直徑為該金屬切屑直徑的40%至80%。
12. 如請求項9所述金屬積層製造方法，其中該擠出孔之開孔直徑為0.1mm。
13. 如請求項9所述金屬積層製造方法，其中該摩擦擠出模具的材質為高耐磨鈷基材料或陶瓷材料。
14. 如請求項9所述金屬積層製造方法，其中該金屬切屑為鋁合金、鎂合金或銅合金。
15. 如請求項9所述金屬積層製造方法，其中該模穴內可添加微量碳化矽顆粒與該金屬切屑材料共同攪拌。
16. 如請求項9所述金屬積層製造方法，其中當完成一層工作區域的積層後，再移至下一層的工作區域，並保持該摩擦擠出模具與該工作區域的工作間距，進行下一層積層作業，並逐層地疊加積層。

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