專利名稱：：制造三維工件的方法與設(shè)備的制作方法制造三維工件的方法與設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種制造三維工件的方法與設(shè)備，尤其涉及可用于制造三維聚合體(polymer)工件、金屬(metal)工件、陶瓷(ceramic)工件與復(fù)合(composite)工件的方法與設(shè)備。
背景技術(shù)：
：快速原型制程可用于制造三維工件，例如選擇性雷射燒結(jié)法(SelectiveLaserSintering)。USPatentNo.6217816"快速制造一陶瓷工件的方法(Methodforrapidformingofaceramicworkpiece)"為本案發(fā)明人所發(fā)明，其制程為首先利用無機(jī)黏結(jié)劑與陶瓷粉末加水混拌而成漿料，將調(diào)配好的漿料經(jīng)由饋料設(shè)備鋪上一層漿料薄層，干燥成生壞后，利用高能量束立即選擇性地照射生壞，直接熔結(jié)為陶瓷。如此反復(fù)動(dòng)作完成3D工件，再將未經(jīng)高能量束熔結(jié)的生坯部分崩解后，取出陶瓷工件?？稍诳焖僭蜋C(jī)上直接做出陶瓷材質(zhì)的工件，不需要做后段燒結(jié)。該專利使用無機(jī)黏結(jié)劑可以制作陶瓷與陶金工件。但所做出的工件強(qiáng)度不高約為20MPa，實(shí)用的范圍不大?；谇笆鋈秉c(diǎn)，有必要尋求一種制造三維工件的方法與設(shè)備，其與前述習(xí)知技藝比較，不但可以獲得同樣細(xì)致度，更可以做出強(qiáng)度更高的工件，增加實(shí)用的范圍。而且，此種制造三維工件的方法與設(shè)備若能不僅可以適用于聚合體(polymer)工件，亦能用于制造金屬(metal)工件、陶瓷(ceramic)工件與復(fù)合(composite)工件，亦是令人期待的。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，制造三維工件的基本原理為使用一種特殊的漿料，此漿料內(nèi)至少含一種有機(jī)黏結(jié)劑，一種聚合物粉末，一種溶劑。有機(jī)黏結(jié)劑可溶于溶劑及崩解劑。聚合物粉末不溶于溶劑及崩解劑，漿料鋪成薄層(下稱"漿料薄層")，干燥后，溶劑蒸發(fā)，其中的黏結(jié)劑可黏結(jié)聚合物粉末形成固態(tài)的薄層，聚合物粉末靠黏結(jié)劑連結(jié)，若此固態(tài)的薄層置于崩解劑中，黏結(jié)劑會(huì)溶于崩解劑中失去連結(jié)作用，聚合物粉末則將互相分離，分散于崩解劑中。利用前述有機(jī)黏結(jié)劑、聚合物粉末、溶劑的特性，可以在建構(gòu)三維工件過程中形成一犧牲部分，其于建構(gòu)工件部份時(shí)支撐工件，但工件建構(gòu)完成后，則可以崩解劑去除。固態(tài)犧牲薄層/生坯薄層與工作薄層的形成在建構(gòu)三維工件過程中，須先將上述包含有機(jī)黏結(jié)劑、聚合物粉末、溶劑的漿料在一限定區(qū)內(nèi)鋪成一"漿料薄層"，并使其干燥，以成為一"固態(tài)犧牲薄層"。該固態(tài)犧牲薄層若以能量束照射，可以變質(zhì)成為不溶于崩解劑的性質(zhì)，形成"工件薄層"。固態(tài)犧牲薄層變質(zhì)的原理為里面的不溶于溶劑及崩解劑的聚合體粉末，在受到能量束照射時(shí)會(huì)熔解或交聯(lián)，與有機(jī)黏結(jié)劑互相混合形成不溶于崩解劑的混合材料。能量束依循待制成工件成品的剖面形狀照射固態(tài)犧牲薄層，故該固態(tài)犧牲薄層中受照射部分會(huì)形成不溶于崩解劑的工件薄層。生坯塊的形成如前所述，將固態(tài)犧牲薄層內(nèi)的預(yù)設(shè)之一部分以能量束照射，受照射的部分形成工件薄層，其他未經(jīng)能量束照射的部份仍然是犧牲薄層。如此，重復(fù)前述形成固態(tài)犧牲薄層、及藉由在固態(tài)犧牲薄層的預(yù)設(shè)部分上照射而成工作薄層的步驟，將每一含有"固態(tài)犧牲薄層"及"工作薄層"的復(fù)合層予以層層相迭；因此，相鄰的上下工作薄層間彼此互相連結(jié)，而形成由工作薄層層迭成的一"三維工件部份"。未受照射的犧牲薄層亦經(jīng)層層相迭，而使相鄰的上下層彼此互相連結(jié)，形成一"犧牲部分"。一般而言，"犧牲部分"包圍"三維工件部份"。三維工件部份加上犧牲部分總稱為"生坯塊"。崩解犧牲部分以形成三維工件將生坯塊置于崩解劑中。因工件部份為不溶于崩解劑的性質(zhì)，所以能保持其原來的形狀尺寸。犧牲部分因其中的黏結(jié)劑會(huì)溶于崩解劑中而失去連結(jié)作用，沒有連結(jié)能力的聚合物粉末則將分散于崩解劑中。因此，生坯塊的犧牲部分將被崩解劑去除，僅有三維工件留存。根據(jù)此一方法，利于制得一聚合物工件。根據(jù)本案的另一方面，可利用前述原理制造聚合物-無機(jī)材料復(fù)合工件。在此一方面，漿料除了前述的有機(jī)黏結(jié)劑、聚合物粉末、溶劑成分外，進(jìn)一步加添了不溶于溶劑及崩解劑的無機(jī)材料粉末(如金屬粉末、陶瓷粉末等)。如此，可做出，如聚合物-陶瓷復(fù)合工件，聚合物-金屬復(fù)合工件，聚合物-金屬-陶瓷復(fù)合工件等聚合物-無機(jī)材料復(fù)合工件。制造時(shí)，首先將該成分之漿料鋪成薄層(下稱"漿料薄層")。當(dāng)漿料薄層干燥、溶劑揮發(fā)后，有機(jī)黏結(jié)劑連結(jié)聚合物粉末以及無機(jī)材料粉末而強(qiáng)化，得到一固態(tài)犧牲薄層。將固態(tài)犧牲薄層之預(yù)設(shè)的一部分以能量束照射；該受照射的部分中，聚合體粉末熔解或交聯(lián)，與有機(jī)黏結(jié)劑互相混合，形成不溶于崩解劑的混合材料，并且連結(jié)無機(jī)材料粉末，形成一工件薄層。利用前述本發(fā)明的基本原理中所敘述的后續(xù)形成包括三維工件部份及犧牲部分的"生坯塊"、以及將犧牲部分崩解等步驟，可以做出三維聚合物-無機(jī)材料復(fù)合工件。此等三維工件，特性普遍優(yōu)于前述利用由"有機(jī)黏結(jié)劑、聚合物粉末、溶劑"成分構(gòu)成的漿料制成聚合物工件。根據(jù)一較佳實(shí)施例，該漿料的制備方式，可將該聚合物材料(不溶于溶劑及崩解劑)事先披覆在該無機(jī)材料粉末(不溶于溶劑及崩解劑)表面，再與溶劑、有機(jī)黏結(jié)劑(可溶于溶劑及崩解劑)混合所形成的漿料不但較均勻，而且會(huì)溶于溶劑及崩解劑的有機(jī)黏結(jié)劑的含量可以較低，不溶于溶劑及崩解劑的聚合體材料的含量可以較高，以此漿料制成的復(fù)合材料普遍具有較佳的強(qiáng)度；其優(yōu)點(diǎn)為在清料時(shí)，因工件部份強(qiáng)度佳，較不易被破壞。前述制成的三維聚合物-無機(jī)材料復(fù)合工件，可進(jìn)一步在燒結(jié)爐中將有機(jī)成分燒失，做為后續(xù)處理，然后經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，以形成較致密的無機(jī)材料工件。視漿料成分中無機(jī)材料粉末選用金屬粉末、陶瓷粉末、或兩者的混合物，在燒失、高溫?zé)Y(jié)后，可得金屬工件成品、陶瓷工件成品、或金屬-陶瓷復(fù)合工件成品。圖l為本發(fā)明的制作流程示意圖2A為顯示根據(jù)本發(fā)明的三維工件快速原型機(jī)的組合圖；圖2B為陶瓷快速原型機(jī)的分解圖2C為往復(fù)機(jī)構(gòu)與加熱器的立體圖與三視圖3為三維工件快速原型機(jī)的控制系統(tǒng)架構(gòu)方塊圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述圖中l(wèi)a粉末；lb溶劑;1C有機(jī)黏結(jié)劑；ld添加劑；2漿料；3攪拌裝置；4鋪薄層裝置；5犧牲部分；6工作臺(tái)；7漿料薄層；8加熱器；9犧牲薄層；10能量束；11工件薄層；12工件；13生坯塊；14崩解劑；15快速原型機(jī)；16制造犧牲薄層設(shè)備；17能量束燒結(jié)設(shè)備；18螺旋機(jī)構(gòu)；19配料器；20刮刀；21工件座；22升降臺(tái)；23機(jī)架；24往復(fù)機(jī)構(gòu)；25C02雷射機(jī)；26雷射束；27反射鏡；28凸透鏡；29X-Y工作臺(tái)；30加熱運(yùn)動(dòng)控制器；31鋪薄層裝置控制器；32升降臺(tái)控制器；33X-Y工作臺(tái)控制器；34加熱溫度控制器；35雷射控制器；40制程計(jì)算機(jī)。本發(fā)明的制程主要包含下列四個(gè)步驟(1)備制漿料；(2)制造犧牲薄層；(3)能量束燒結(jié)犧牲薄層成工件薄層；(4)去除未燒結(jié)的犧牲部分。在此先介紹前述各步驟相關(guān)的方法及設(shè)備。6第一步驟備制漿料；本步驟將粉末la、溶劑lb以及有機(jī)黏結(jié)劑lc混合，調(diào)成漿料2。粉末la為一種不溶于溶劑及崩解劑的聚合物粉末。根據(jù)一較佳實(shí)施例，粉末la為聚合物粉末與不溶于溶劑及崩解劑的無機(jī)材料粉末的混合粉末。根據(jù)另一較佳實(shí)施例，粉末la是以聚合物披覆于無機(jī)材料粉末的外表面所成的粉末。根據(jù)前述，粉末la較佳選自下列其中之一:(l)不溶于溶劑及崩解劑的聚合物粉末；(2)聚合物粉末加陶瓷粉末的混合粉末；(3)聚合物粉末加金屬粉末的混合粉末；(4)聚合物粉末加金屬粉末與陶瓷粉末的混合粉末；(5)具有聚合物披覆層的陶瓷粉末；(6)具有聚合物披覆層的金屬粉末。溶劑lb的功能為將有機(jī)黏結(jié)劑lc溶解，使其能均勻的與粉末la混合，并可調(diào)整漿料2的黏度。溶劑lb可為水或如methylethylketone(MEK)、toluence等有機(jī)溶劑。有機(jī)黏結(jié)劑lc的特性為可溶解于溶劑lb與崩解劑14中，其可在溶劑lb蒸發(fā)后能黏結(jié)前述的粉末la成為固態(tài)的一定的形狀。由于有機(jī)黏結(jié)劑lc可溶解于溶劑lb與崩解劑14的特性，在前述漿料2鋪成"漿料薄層"、干燥、溶劑蒸發(fā)后，漿料2中的有機(jī)黏結(jié)劑lc可黏結(jié)粉末la形成固態(tài)的犧牲薄層9;此犧牲薄層9浸于崩解劑14中時(shí)，其中的有機(jī)黏結(jié)劑lc會(huì)溶解而使?fàn)奚?崩解。有機(jī)黏結(jié)劑lc較佳為聚乙烯醇(Polyvinylalcohol,PVA)、淀粉、纖維(Cellulose)等水溶性有機(jī)黏結(jié)劑或是聚乙烯縮丁醛(Polyvinylbutyral，PVB)等非水溶性的有機(jī)黏結(jié)劑。以上所述用于制備漿料2的至少三種材料，即粉末la、溶劑lb以及有機(jī)黏結(jié)劑lc，以適當(dāng)比例混合后，置于攪拌裝置3或習(xí)用的球磨機(jī)(未示于圖)中均勻攪拌，即可得到合用的漿料2。為使粉末能懸浮、提高漿料的均勻性、增加粉末的含量、減少黏度、減少氣泡，增加吸收雷射能量的能力，較佳在漿料中加入其他添加劑ld，如分散劑(聚丙烯酸銨)、消泡劑、吸光劑等，并且實(shí)施兩段式處理，先加入分散劑將粉末分散后再加入黏結(jié)劑lc。第二步驟制造犧牲薄層；將備制好的漿料2鋪于一工作臺(tái)6的一限定區(qū)上，以鋪成極薄的一層漿料薄層7。在漿料薄層7干燥并固化后，即成為犧牲薄層9。為達(dá)此目的，較佳利用一制造犧牲薄層設(shè)備16來制作犧牲薄層9。制造犧牲薄層設(shè)備16較佳包括一鋪薄層裝置4與一工作臺(tái)6。漿料2中的溶劑lb較佳具有可以在常溫下?lián)]發(fā)的特性。為使?jié){料薄層7快速硬化，制造犧牲薄層設(shè)備16較佳包括一加熱器8，以對漿料薄層7加熱，使之快速硬化。在每一次一〃先形成的漿料薄層7〃，或稱"前漿料薄層7"經(jīng)干燥、且溶劑14蒸發(fā)或揮發(fā)而形成一"前固態(tài)犧牲薄層9"后，"另一漿料薄層7〃或稱〃后漿料薄層7〃以類似方式涂施于該〃前固態(tài)犧牲薄層9〃上，并使其干燥。這些步驟重復(fù)操作，使多個(gè)態(tài)犧牲薄層9彼此上下相迭，直到一具有一預(yù)定形狀的一生坯塊13形成。根據(jù)一實(shí)施例，如圖1中的1A所示，鋪薄層裝置4包括一用以容納漿料2的容器，使?jié){料2可靠重力從鋪薄層裝置4的一出口經(jīng)一如軟管等施配裝置流出。該鋪薄層裝置4與工作臺(tái)6做一定距離的相對運(yùn)動(dòng)，以使?jié){料2在工作臺(tái)6上一限定區(qū)內(nèi)鋪成每一漿料薄層7。根據(jù)一較佳實(shí)施例，可提供一如刮刀20等工具刮動(dòng)流出的漿料2，以協(xié)助在生壞塊13上鋪設(shè)每一層漿料薄層7。但因多數(shù)漿料2黏度高，不易流動(dòng)，為克服此一問題，制造犧牲薄層設(shè)備16較佳包括一加壓設(shè)備，例如螺旋機(jī)構(gòu)18，提供輸送壓力，將漿料2經(jīng)一配料器19的長方形出口端上多數(shù)孔洞擠出。圖2A及圖2B中揭示配料器19的一實(shí)施例，其操作方式如下該配料器19的出口端邊的長度約等于漿料薄層7的寬邊，擠出的漿料2形成一長線條。配料器19出口的后方附一刮刀20，調(diào)整刮刀20與生坯塊l3之間的間隙，令刮刀20做漿料薄層7的長邊方向的運(yùn)動(dòng)，刮動(dòng)長線條漿料，形成漿料薄層7的形狀。再者，也可在加壓設(shè)備之后連結(jié)一出口為圓形的軟管(其為圖2A、2B中連接于螺旋機(jī)構(gòu)18及配料器19之間的管狀-組件)。漿料2經(jīng)配料器19的多數(shù)孔洞擠出后呈點(diǎn)狀。令該圓形軟管做漿料薄層7寬邊方向的線性運(yùn)動(dòng)，則擠出的漿料將形成一長線條，其長度一般等于漿料薄層7的寬邊；再利用刮刀20刮動(dòng)長線條漿料做漿料薄層7的長邊方向之運(yùn)動(dòng)，也可形成漿料薄層7的形狀。前述設(shè)備系利用刮刀20鋪料，并沒有特別在漿料上加壓。但若配合使用夠細(xì)的粉末就會(huì)有壓縮粉末的效果，因漿料2在干燥時(shí)會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)管壓力，使粉末互相接近，增加密度，例如粉末顆粒大小為0.35ym及0.68ym時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力分別約為2MPa及1.1MPa。制造犧牲薄層設(shè)備16的工作臺(tái)6，較佳進(jìn)一步包括一承載生坯塊13的工件座21及一承載工件座21的升降臺(tái)22，升降臺(tái)22可沿垂直于工作臺(tái)6的方向運(yùn)動(dòng)。在以刮刀20涂布漿料2時(shí)會(huì)產(chǎn)生刮動(dòng)力。有利的是，本制程中固態(tài)犧牲薄層9因漿料薄層7中的溶劑lb揮發(fā)且有機(jī)黏結(jié)劑lc連結(jié)粉末la，而具相當(dāng)強(qiáng)度，可以承受涂布漿料2時(shí)的刮動(dòng)力，在重復(fù)鋪設(shè)漿料薄層7時(shí)，已經(jīng)形成生坯塊13的固態(tài)犧牲薄層9的部份不會(huì)受到破壞。在制造生坯塊13的過程中，可由生坯塊13上方、或生坯塊13下方加熱以將漿料薄層7快速干燥。詳而言之，可在生坯塊13上方以輻射熱傳直接將能量加到漿料薄層7，能迅速的使?jié){料薄層7硬化，諸如微波、紅外線等方式。實(shí)驗(yàn)顯示使用遠(yuǎn)紅外線(波長6um以上)效果佳?；蛘撸嗫蓮纳鲏K13上方以對流熱傳借熱空氣將能量加到漿料薄層7上，也能迅速的使?jié){料薄層7硬化。在另一方面，可以如電熱絲等傳導(dǎo)熱傳方式從工件座21下方直接加熱生坯塊13，在厚度不高的生坯塊13效果良好，且因整個(gè)生坯塊13儲(chǔ)存熱量，干燥極為快速。第三步驟能量束燒結(jié)犧牲薄層成工件薄層；固態(tài)犧牲薄層9的預(yù)設(shè)部分以一能量束依循待制三維工件成品的剖面形狀照射/燒結(jié)，可使該預(yù)設(shè)部分變質(zhì)而形成不溶于崩解劑的工件薄層ll，用來構(gòu)成待制三維工件部份12的主體。能量束較佳由一能量束燒結(jié)設(shè)備提供，其包括一能量束產(chǎn)生裝置、及一能量束照射器。能量束10照射犧牲薄層9時(shí)，能量束10與犧牲薄層9上的材料在表面產(chǎn)生交互作用而生熱，熱量經(jīng)由表面向里面?zhèn)鲗?dǎo)，經(jīng)照射而變質(zhì)的材料具有一定深度與寬度。能量束照射器引導(dǎo)能量束10在犧牲薄層9上沿特定路徑運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)與點(diǎn)互相重迭而成線，線與線互相重迭而成面，面與面互相重迭而成三維的工件部份12。犧牲薄層9為以有機(jī)黏結(jié)劑lc黏結(jié)粉末la形成的固態(tài)薄層。能量束10照射犧牲薄層9，可使其中粉末la中的聚合物粉末因加熱而熔解。根據(jù)一較佳實(shí)施例，若此聚合物粉末為熱塑性，在熔解后可以與有機(jī)黏結(jié)劑lc混合，在凝固后成為不溶于崩解劑14的混合物。根據(jù)另一較佳實(shí)施例，若此聚合物粉末為熱固性，在熔解后產(chǎn)生交聯(lián)作用，并可以與有機(jī)黏結(jié)劑lc混合，在固化后成為不溶于崩解劑14的混合物。根據(jù)一實(shí)施例，犧牲薄層9包括披覆聚合物材料的無機(jī)粉末。以能量束10照射犧牲薄層9，該披覆有無機(jī)粉末的聚合物可與鄰近的有機(jī)黏結(jié)劑lc混合固化形成不溶于崩解劑14的混合物。根據(jù)前述，犧牲薄層9在受能量束10照射后形成的工件薄層11，具備不溶于崩解劑14的特性；在另一方面，未受能量束10照射的犧牲薄層9，因有機(jī)黏結(jié)劑lc之故，仍具備可溶于溶劑lb與崩解劑14的性質(zhì)。如此，可以利用溶劑lb或其他類似材料做為崩解劑14，使?fàn)奚糠?崩解。由工件薄層11構(gòu)成的工件部份12的形狀，不會(huì)崩解而獲得保留。工業(yè)上常見的C02激光束與Nd:YAG激光束均適合作為本發(fā)明的能量束10。不同粉末la對C02雷射束與Nd:YAG雷射束的吸收率不同，有機(jī)黏結(jié)劑lc對不同雷射束26的吸收率也不同，本發(fā)明主要利用不溶于溶劑lb及崩解劑14的聚合物成分熔解或交聯(lián)來做成工件部份12，若聚合物成分對特定雷射的吸收率不高，也可增添吸光劑，以達(dá)到升高溫度熔解聚合物成分的效果。例如，壓克力與陶瓷粉末對Nd:YAG雷射束的吸收率均不高，所以壓克力披覆陶瓷粉末的吸光效果不佳，可以添加碳黑進(jìn)漿料2中，由碳黑吸光變熱傳給壓克力及陶瓷粉末。能量束照射裝置可為一面光罩式投影裝置，其利用可見光光源經(jīng)過面光罩篩選后將工件剖面影像經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像于犧牲薄層上。面光罩可為穿透式，例如一般的投影膠片或液晶光罩；也可為反射式，如美國德州儀器的微鏡片光罩，反射式的可以承受較高的能量密度。以面光罩式投影裝置照射犧牲薄層的制作速度可以較快。能量束照射裝置也可包括光束運(yùn)動(dòng)裝置及光束聚焦裝置。能量束10與生坯塊13的X-Y方向的相對運(yùn)動(dòng)可以是生坯塊13運(yùn)動(dòng)，能量束10靜止，也可以是能量束10運(yùn)動(dòng)，生坯塊13靜止。能量束10的X-Y方向運(yùn)動(dòng)可利用振鏡照射機(jī)(Galvometer)或X-Y工作臺(tái)29(X-Ytable),來達(dá)成，此二種技術(shù)已很成熟。能量束聚焦鏡36可以為透鏡或面鏡。能量束10與生坯塊13的垂直方向的相對運(yùn)動(dòng)可以是生坯塊13運(yùn)動(dòng)，能量束10靜止；也可以是能量束10運(yùn)動(dòng)，生坯塊13靜止。利用習(xí)用的CADXCAM軟件包可以自動(dòng)創(chuàng)出向量式的照射路徑，首先，利用三次元繪圖軟件將工件的立體圖繪出，再將之切成很多平行的剖面，再制作每一剖面的NC程序，將困難的三維加工問題轉(zhuǎn)變成簡單的二維加工方式，避開了三維加工常遇到的加工死角問題。能量束10照射犧牲薄層/生坯薄層9的主要的制程參數(shù)，以雷射束26為例，為功率及照射速度。本制程所需功率視光熱轉(zhuǎn)換效率而定，以高效率的C02雷射束照射包含壓克力粉末以及氧化硅粉末的犧牲薄層在3W以上的功率即有熔解壓克力粉末的能力。照射速度的設(shè)定亦與材料性質(zhì)與鋪層厚度息息相關(guān)。當(dāng)工件的每一剖面燒結(jié)后，生坯塊13與能量束10之間的距離即擴(kuò)大，而空出一層厚度的空間，備再次鋪設(shè)一層漿料薄層7。第四步驟去除未燒結(jié)的犧牲部分重復(fù)前述的制造犧牲薄層9及能量束10照射犧牲薄層9燒結(jié)形成工件薄層11兩步驟多次，可做出工件部份12。此工件部份12埋在硬化的犧牲部分5里面，必須將包圍工件的犧牲部分5去除，才可以得到三維工件的初步產(chǎn)品，即工件部份12。去除未經(jīng)能量束照射/燒結(jié)的固態(tài)犧牲部分5之方法為浸崩解劑14及/或以力量破壞，例如超音波的振動(dòng)力。以超音波的振動(dòng)力去除犧牲部分的結(jié)構(gòu)是很有效的，尤其當(dāng)生坯塊置于崩解劑14中加上超音波震蕩的效果更佳。如前所述，生坯塊13的工件部份12具備不崩解于崩解劑14的性質(zhì)，生坯塊13的未燒結(jié)之犧牲部分5卻可崩解于崩解劑14。崩解劑14可為前述的可溶解有機(jī)黏結(jié)劑的溶劑lb如水或有機(jī)溶劑，也可為可降解有機(jī)黏結(jié)劑的酸或堿等。根據(jù)一實(shí)施例，聚乙烯醇可溶于水。所以，若有機(jī)黏結(jié)劑lc為聚乙烯醇，可利用水當(dāng)崩解劑14。亦即，使用聚乙烯醇當(dāng)有機(jī)黏劑lc的生坯塊13浸入水內(nèi)，其中的犧牲部分5會(huì)隨著聚乙烯醇溶解而崩解；工件部份12能保留原先的形狀。根據(jù)另一實(shí)施例，可將生坯塊13置于一去生坯容器中，于此容器中放入水、或以水束沖刷或加上超音波震蕩，均可以達(dá)到去除犧10牲部分5的目的。根據(jù)另一實(shí)施例，也可以利用酸，例如雙氧水(H202)水溶液當(dāng)崩解劑14。利用聚乙烯醇易溶于雙氧水但PMMA不溶于雙氧水的特性，PVA黏結(jié)劑加上PMMA披覆陶瓷粉末的漿料系統(tǒng)做成的犧牲部分可以做成PVA為連結(jié)相，PMMA披覆陶瓷粉末為分散相，置于雙氧水水溶液中就崩解。同樣地，經(jīng)過雷射照射的工件部份12因變質(zhì)而不崩解于雙氧水水溶液。根據(jù)前述，本發(fā)明的制造三維工件的制程及裝置例示說明如下制程實(shí)施例本發(fā)明的制造三維工件的制程大致包括下列步驟(A)準(zhǔn)備漿料2:較佳如下所述將水(作為溶劑lb)及聚丙烯酸胺(PolyacrylicAmmonium)(作為添加劑ld)置于攪拌裝置3中以適當(dāng)比例混合、攪拌成一混合物；其次將披覆PMMA的氧化鋁粉末(作為粉末la)加入此一混合物中，并予以混合、攪拌；最后，加入適量的PVA(作為有機(jī)黏結(jié)劑lc)，并予以混合、攪拌，據(jù)此調(diào)成漿料2，如圖1中的1A所示。(B)將漿料2放入鋪薄層裝置4，然后擠出落在生坯塊13上，如圖1中的1B所示。(C)移動(dòng)鋪薄層裝置4將漿料2鋪設(shè)于生坯塊13的頂面成為漿料薄層7，如圖1中的1C所示(D)以加熱器8施加紅外線能量于漿料薄層7上，使之加熱升溫，如圖1中的1D所示。(E)隨后，將漿料薄層7干燥、硬化，形成固態(tài)的犧牲薄層9。通常，第一層犧牲薄層的厚度可較厚，例如厚度100ym，隨后的犧牲薄層9覆蓋在前一層之上，厚度應(yīng)盡可能減少，約在30um左右，以便可以做出工件的細(xì)微部份形狀。此后，以雷射為能量束10照射于犧牲薄層9(參圖1中的1E)，使之吸熱升溫。于一從犧牲薄層9的表面以下到某一特定深度(例如45ym)的區(qū)域中，氧化鋁表面的PMMA膜與用做黏結(jié)劑lc的聚乙烯醇(polyvinylalcohol)兩種有機(jī)材料熔解，并與氧化鋁粉末連結(jié)，形成不溶于水的工件薄層ll。雷射的行進(jìn)路徑系依欲成形的三維工件的剖面由計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)創(chuàng)造出來的，控制雷射照射路徑可制出任意形狀的二維薄剖面。由于該雷射由上向下垂直照射平面，使得犧牲薄層9表面任何一點(diǎn)均可照射到，任意復(fù)雜的物體均無加工死角的問題。(F)將工作臺(tái)6下降一距離，以使生坯塊13向下移動(dòng)，下降的距離等于每層工件薄層ll的厚度(例如30ym)，如圖1中的1F所示。(G)—再重復(fù)步驟(B)(參圖1中的1B)至步驟(F)(參圖1中的1F)達(dá)預(yù)設(shè)的次數(shù)，以完成一生坯塊13(參圖1中的1G)，生坯塊13包含工件部份12及犧牲部份5。(H)如圖1中的1H至圖1中的1I所示，將生坯塊13置于一含有水(崩解劑14)的去生坯容器內(nèi)(參圖1中的1H)，而使包覆工件部份12的犧牲部分5崩解，而得到所要制作的三維陶瓷/塑料工件部份12，如圖1中的1I所示。前述制程可做出一陶瓷/塑料復(fù)合工件，并可再施以后處理。例如，可將三維陶瓷/塑料工件部份12中的有機(jī)物質(zhì)燒失，再經(jīng)以160(TC燒結(jié)一小時(shí)的燒結(jié)步驟，可以得到致密度達(dá)95%以上的氧化鋁陶瓷工件。用來制造三維陶瓷/塑料工件部份12的設(shè)備實(shí)施例如前文所述，本發(fā)明的制程包括(l)備制漿料；(2)制造犧牲薄層；(3)能量束燒結(jié)犧牲薄層成工件薄層；(4)去除未燒結(jié)的犧牲部分等四個(gè)步驟。備制漿料的步驟可以習(xí)用的攪拌裝置3進(jìn)行(參圖1中的1A)。去除未燒結(jié)的犧牲部分的步驟需要容器來盛裝崩解劑14。在此一方面，例如習(xí)用的盛液體的容器，、或使用盛崩解劑14的超音波設(shè)備槽等均為合適的容器。第二步驟(制造犧牲薄層步驟)及第三步驟(能量束燒結(jié)犧牲薄層成工件薄層步驟)必須重復(fù)執(zhí)行多次，較佳以計(jì)算機(jī)來操控所有工作。一如圖2A、2B、圖3所示的快速原型機(jī)15可用來執(zhí)行此二步驟，其為本發(fā)明的制造三維工件的裝置之一較佳實(shí)施例；其中圖2A揭露的三維工件快速原型機(jī)15包含制造犧牲薄層設(shè)備16、及能量束燒結(jié)設(shè)備17二部份；圖2B揭露的快速原型機(jī)l5的分解圖進(jìn)一步顯示各零組件的形狀及相對位置。此設(shè)備的各重要組件系依照圖1中的1B至圖1中的1F所示的工作方法運(yùn)動(dòng)。制造犧牲薄層設(shè)備16包括一鋪薄層裝置4、一工作臺(tái)6及一加熱器8。鋪薄層裝置4包括一饋料裝置及一制膜工具。饋料裝置包括一螺旋機(jī)構(gòu)18、一配料器19。配料器19可依預(yù)設(shè)方式在工作臺(tái)6上運(yùn)動(dòng)或相對于工作臺(tái)6運(yùn)動(dòng)，以將漿料2施配于生坯塊5的頂部。制膜工具較佳為刮刀20。漿料2由螺旋機(jī)構(gòu)18打出，經(jīng)過配料器19的出口，亦即多數(shù)孔洞，擠出落在生坯塊5頂面，形成長條狀。刮刀20裝在配料器19之后，刮刀20底部與生坯塊5頂面之間相隔一縫隙，配料器19下料后與刮刀20—起移動(dòng)，刮刀20將落在生坯塊13頂面上的漿料2刮平。藉由變化刮刀20底部與生坯塊13頂面之間縫隙的高度(寬度)，可以調(diào)整漿料薄層7的厚度。工作臺(tái)6包括工件座21、升降臺(tái)22及用以提供工件座21、升降臺(tái)22運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。升降臺(tái)22受一機(jī)架23支承。工件座21受支承于升降臺(tái)22上，其功能為裝載生坯塊13。在每次制造犧牲薄層9并且以能量束10燒結(jié)成工件薄層11后，升降臺(tái)22即向下移動(dòng)相當(dāng)于一層漿料薄層7厚度的距離，以繼續(xù)另一層的工作。紅外線加熱器8較佳安裝在一機(jī)架23與工件座21之間，藉一往復(fù)機(jī)構(gòu)24于制程需加熱干燥時(shí)伸進(jìn)工件座21的上面，將紅外線能量以輻射的方式照射于漿料薄層7之上，使之快速干燥硬化。能量束燒結(jié)設(shè)備17包括一能量束產(chǎn)生裝置、及一能量束照射裝置兩部份。能量束產(chǎn)生裝置為C02雷射機(jī)25，其產(chǎn)生雷射束26，以將電能轉(zhuǎn)換成光能。能量束照射裝置包括一能量束導(dǎo)光裝置、一能量束聚焦裝置及一能量束運(yùn)動(dòng)裝置。能量束導(dǎo)光裝置較佳為反射鏡27，較佳包括一只固定、二只移動(dòng)的反射鏡27以改變其照射路徑。能量束聚焦裝置較佳為一凸透鏡28。能量束運(yùn)動(dòng)裝置較佳為一X-Y工作臺(tái)29，X-Y工作臺(tái)29依數(shù)控程序的指令引導(dǎo)經(jīng)過聚焦的雷射束26在X-Y平面上沿特定路徑運(yùn)動(dòng)，照射犧牲薄層，形成工件的剖面形狀。圖3揭露快速原型機(jī)15的控制系統(tǒng)架構(gòu)?？焖僭蜋C(jī)15的動(dòng)作由一加熱運(yùn)動(dòng)控制器30、一鋪薄層裝置控制器31、一升降臺(tái)控制器32、X-Y工作臺(tái)控制器33來控制。一加熱溫度控制器34用來控制干燥時(shí)所需的能量。一雷射控制器35用來調(diào)控?zé)Y(jié)時(shí)必需的雷射光的開啟及關(guān)閉、功率大小、脈沖頻率。這些動(dòng)作的先后順序則由一制程計(jì)算機(jī)40來掌控。制程計(jì)算機(jī)40將三維繪圖軟件如PR0/E所繪制的三維工件實(shí)體模型以設(shè)定的精度將實(shí)體模型切成多片的二維剖面，隨后轉(zhuǎn)換成NC程序，開始進(jìn)行三維工件制作，先命令鋪薄層裝置4的鋪薄層裝置控制器31出料到生坯塊13頂面上，刮刀20隨后開始根據(jù)鋪薄層裝置控制器31的設(shè)定速度運(yùn)動(dòng)，并作用于漿料，形成一漿料薄層7。加熱器8的加熱運(yùn)動(dòng)控制器30于加熱干燥時(shí)接受制程計(jì)算機(jī)40的指令命令一往復(fù)機(jī)構(gòu)24將加熱器8伸進(jìn)生坯塊13頂面的上面，將紅外線能量照射于漿料薄層7之上，使之快速干燥硬化成為犧牲薄層9，紅外線照射的能量系由加熱溫度控制器34調(diào)控；再協(xié)調(diào)雷射控制器35及X-Y工作臺(tái)控制器33依照NC程序代碼的指令以雷射束26照射犧牲薄層9，燒結(jié)形成工件薄層ll。照射完后，通知升降臺(tái)控制器32將升降臺(tái)22下降，再繼續(xù)下一剖面的制作，直到成品完成為止。有利的是，本發(fā)明與其他習(xí)用技術(shù)，例如選擇性雷射燒結(jié)法相互比較時(shí)，具有下列的特征和優(yōu)點(diǎn)1.選擇性雷射燒結(jié)法僅以一種鏈接機(jī)制(雷射照射加熱熔解)將材料連結(jié)，做出工件形狀，而本發(fā)明以除了加熱熔解外還加上了膠結(jié)的另一種不同的連結(jié)機(jī)制將材料連結(jié)。本發(fā)明膠結(jié)的優(yōu)點(diǎn)為可以做出比選擇性雷射燒結(jié)法更薄的固態(tài)犧牲薄層。尤其，在一前工件薄層上鋪設(shè)漿料以形成一后犧牲薄層時(shí)，若層的厚度愈薄，則鋪料板必須使力愈大，前工作薄層也受力愈大。在此一方面，根據(jù)習(xí)知未使用膠結(jié)的技術(shù)，由于僅以有機(jī)黏結(jié)劑連結(jié)一層塑料顆粒、陶瓷顆粒、金屬顆?；驈?fù)合材料顆粒成極薄的、簡單形狀的前一固態(tài)犧牲薄層，則在一由該前犧牲薄層所形成的一前工作薄層上鋪設(shè)漿料以形成一后犧牲薄層時(shí)，前工件薄層往往因連結(jié)差而易受刮動(dòng)力作用而移動(dòng)。相較之下，本發(fā)明使用的有機(jī)黏結(jié)劑膠結(jié)的固態(tài)犧牲薄層可以抵擋鋪層時(shí)產(chǎn)生的力量，工件部份及犧牲部分不至于因鋪層受力而移動(dòng)，故本發(fā)明可確實(shí)的鋪設(shè)極薄的切層。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明鋪層的厚度可做到10ym左右，使得本發(fā)明制出工件的垂直軸分辨率可較習(xí)知方法為高。2.本發(fā)明使用漿料，該漿料為粉末與水或有機(jī)溶劑的混合物，其中粉末的大小可以是mm級(jí)、ym級(jí)，或是前述不同級(jí)數(shù)的混合物。故本發(fā)明鋪層時(shí)不會(huì)因粉末顆粒太大而限制了鋪層的厚度的下限，可以鋪出很薄厚度的層，減小了迭層的梯階效應(yīng)。且因使用漿料鋪層可以使用微細(xì)的粉末，能改善表面粗度，據(jù)實(shí)驗(yàn)可以做到R『1.5um的表面粗度。前述兩項(xiàng)特點(diǎn)減少了本發(fā)明所做出的工件的后續(xù)機(jī)械加工的必要性。相反的，現(xiàn)有的選擇性雷射燒結(jié)法系使用干粉為材料，若粉末顆粒大時(shí)，例如大于30ym，易于流動(dòng)鋪平，但當(dāng)粉末顆粒小時(shí)，例如小于20ym，則不易流動(dòng)、刮平。因此法能處理的顆粒不能太小，故鋪料層也不能太薄。3.本發(fā)明的漿料系水或有機(jī)溶劑與粉的混合物，可以添加分散劑使細(xì)小的粉末均勻分散，并且在水或有機(jī)溶劑蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生毛細(xì)管力，當(dāng)粉末顆粒細(xì)小時(shí)此毛細(xì)管力增大可以壓實(shí)粉末，增加生坯的密度，如此，生坯的平均孔洞直徑可以減小，并且生坯的孔洞尺寸分布較為狹窄，均使得致密化燒結(jié)時(shí)較易得到高強(qiáng)度與致密的工件。傳統(tǒng)的選擇性雷射燒結(jié)法使用干粉，缺少前述的功能，做出的工件較難致密。綜合本發(fā)明上述特征和優(yōu)點(diǎn)，可見本發(fā)明可以廣泛的適用于塑料、金屬與陶瓷工件的制造，并且消除傳統(tǒng)粉末法，例如選擇性雷射燒結(jié)法，的缺點(diǎn)，而可以使用細(xì)微粉末、層厚可以很薄，所以可以做出表面粗度、紋理細(xì)致度、強(qiáng)度均比傳統(tǒng)粉末法，例如選擇性雷射燒結(jié)法，為佳的成品，減少了后續(xù)機(jī)械加工的必要性。與USPatentNo.6，217，816比較，本發(fā)明可用制造不同成份的工件，如聚合物工件、金屬工件、陶瓷工件及復(fù)合工件，且制得的工件具有較佳之強(qiáng)度。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。權(quán)利要求1.一種三維工件的制造方法，包括下述步驟(1)準(zhǔn)備一包含至少一聚合體粉末(1a)的粉末混合物、一溶劑(1b)、一有機(jī)黏結(jié)劑(1c)及一崩解液(1d)，其中該聚合體粉末不溶于該溶劑及該崩解液(14)，而該有機(jī)黏結(jié)劑可溶于該溶劑及該崩解劑；(2)藉由將該粉末混合物(1a)、該有機(jī)黏結(jié)劑(1c)、及該崩解液混合，而制備出一漿料；(3)將上述漿料鋪在一工作臺(tái)上的一限定區(qū)上，以鋪成一漿料薄層(7)；(4)將該漿料薄層干燥，使溶劑(1b)蒸發(fā)，以形成一固態(tài)犧牲薄層(9)；(5)以一能量束依一特定的路徑照射上述固態(tài)犧牲薄層(9)的一預(yù)定部分，使薄層上被照射過的區(qū)域升溫將該粉末混合物熔解或交聯(lián)，與有機(jī)黏結(jié)劑混合成不溶于崩解劑的混合材料，形成不溶于崩解劑的工件薄層，而此工件薄層具三維工件的剖面形狀；(6)重復(fù)步驟(3)-(5)，使一后漿料薄層(7)層迭于一前固態(tài)犧牲薄層(9)上，并使其干燥，而形成一后固態(tài)犧牲薄層(9)，直到一具有一預(yù)定形狀的一生坯塊(13)/工作生坯形成，該工件生壞包括一固態(tài)犧牲部分，其對應(yīng)該固態(tài)犧牲薄層中的未經(jīng)能量束照射燒結(jié)的一未照射部分；(7)藉由至少將該生壞工件置于可溶解該未照射部分的該崩解液中，以獲得一三維工件。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述三維工件的制造方法，其中步驟(1)的粉末混合物包括一不溶解于該溶劑(lb)或該崩解液(14)中的聚合體粉末、及一不溶解于該溶劑(lb)或該崩解液(14)中的無機(jī)粉末(la)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述三維工件的制造方法，其中步驟(l)的粉末混合物，是藉由將一聚合體扳覆于無機(jī)粉末的一表面所形成，該聚合體及該無機(jī)粉末均不溶于該溶劑(lb)或該崩解液(14)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述三維工件的制造方法，進(jìn)一步下列步驟(8)將該三維工件在燒結(jié)爐中將有機(jī)成分燒失，然后使該三維工件施以高溫?zé)Y(jié)，以獲得一致密的無機(jī)材料工件。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述三維工件的制造方法，其中該有機(jī)黏結(jié)劑選自包括水溶性有機(jī)黏結(jié)劑與非水溶性的有機(jī)黏結(jié)劑的群組。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述三維工件的制造方法，其中該有機(jī)黏結(jié)劑選自包括水溶性有機(jī)黏結(jié)劑與非水溶性的有機(jī)黏結(jié)劑的群組。7.根據(jù)權(quán)利要求l所述三維工件的制造方法，其中該去除其中未經(jīng)能量束照射燒結(jié)的固態(tài)犧牲部分的步驟(7)包括進(jìn)一步以力量破壞。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述三維工件的制造方法，其中該去除其中未經(jīng)能量束照射燒結(jié)的固態(tài)犧牲部分的步驟包括進(jìn)一步以力量破壞。9.一種制造三維工件的設(shè)備，其利用一漿料來制造一三維工件，包括一制造犧牲薄層設(shè)備，包括一鋪薄層裝置及一工作臺(tái)；該鋪薄層裝置可相對于該工作臺(tái)進(jìn)行一相對運(yùn)動(dòng)，以該漿料反復(fù)鋪設(shè)于該工作臺(tái)上而鋪成多數(shù)相互堆棧的漿料薄層；一能量束燒結(jié)設(shè)備，包括一能量束產(chǎn)生裝置，用以產(chǎn)生一能量束；一能量束照射裝置，用以引導(dǎo)該能量束沿一特定路徑而照射于該犠牲薄層上；其中該鋪薄層裝置4包括一配料器，其可相對于該工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)以將該漿料施配至所需位置，并設(shè)有多數(shù)漿料出口孔洞；一制膜工具，用以將自該等孔洞施配而出的漿料成形為一薄層狀。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述三維工件的制造方法，其中的該鋪薄層裝置的配料器的該等孔洞設(shè)于該配料器之一長方形出口上，該該出口具有一長邊，該長邊約等于漿料薄層的寬邊。全文摘要本發(fā)明的目的為提供一種利用漿料制作三維工件的方法及設(shè)備；此漿料至少包含一聚合體，有機(jī)黏結(jié)劑，溶劑。將漿料鋪設(shè)成一犧牲薄層然后干燥，形成固態(tài)的犧牲薄層，此犧牲薄層會(huì)崩解于崩解劑中；該犧牲薄層經(jīng)由一能量束照射，形成不崩解于崩解液的工件薄層；如此循環(huán)重復(fù)鋪設(shè)薄層、能量束照射兩步驟，可形成包覆于犧牲部分的三維工件；利用崩解液將犧牲部分從三維工件分離，則得到三維工件。若漿料還包含金屬粉末或陶瓷粉末，則形成的三維工件還可經(jīng)燒失有機(jī)成分，留下的無機(jī)成分經(jīng)高溫致密化燒結(jié)得到高強(qiáng)度的陶瓷、金屬與陶瓷-金屬復(fù)合工件。文檔編號(hào)B29C67/00GK101612793SQ200910304908公開日2009年12月30日申請日期2009年7月28日優(yōu)先權(quán)日2009年7月28日發(fā)明者湯華興申請人:李蕙如