CN101612793A - 制造三维工件的方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明的目的为提供一种利用浆料制作三维工件的方法及设备；此浆料至少包含一聚合体，有机黏结剂，溶剂。将浆料铺设成一牺牲薄层然后干燥，形成固态的牺牲薄层，此牺牲薄层会崩解于崩解剂中；该牺牲薄层经由一能量束照射，形成不崩解于崩解液的工件薄层；如此循环重复铺设薄层、能量束照射两步骤，可形成包覆于牺牲部分的三维工件；利用崩解液将牺牲部分从三维工件分离，则得到三维工件。若浆料还包含金属粉末或陶瓷粉末，则形成的三维工件还可经烧失有机成分，留下的无机成分经高温致密化烧结得到高强度的陶瓷、金属与陶瓷－金属复合工件。

Description

制造三维工件的方法与设备

【技术领域】

本发明涉及一种制造三维工件的方法与设备，尤其涉及可用于制造三维聚合体(polymer)工件、金属(metal)工件、陶瓷(ceramic)工件与复合(composite)工件的方法与设备。

【背景技术】

快速原型制程可用于制造三维工件，例如选择性雷射烧结法(Selective LaserSintering)。

US Patent No.6217816“快速制造一陶瓷工件的方法(Method for rapid forming of aceramic work piece)”为本案发明人所发明，其制程为：首先利用无机黏结剂与陶瓷粉末加水混拌而成浆料，将调配好的浆料经由馈料设备铺上一层浆料薄层，干燥成生坏后，利用高能量束立即选择性地照射生坏，直接熔结为陶瓷。如此反复动作完成3D工件，再将未经高能量束熔结的生坯部分崩解后，取出陶瓷工件。可在快速原型机上直接做出陶瓷材质的工件，不需要做后段烧结。该专利使用无机黏结剂可以制作陶瓷与陶金工件。但所做出的工件强度不高约为20MPa，实用的范围不大。

基于前述缺点，有必要寻求一种制造三维工件的方法与设备，其与前述习知技艺比较，不但可以获得同样细致度，更可以做出强度更高的工件，增加实用的范围。而且，此种制造三维工件的方法与设备若能不仅可以适用于聚合体(polymer)工件，亦能用于制造金属(metal)工件、陶瓷(ceramic)工件与复合(composite)工件，亦是令人期待的。

【发明内容】

根据本发明，制造三维工件的基本原理为：

使用一种特殊的浆料，此浆料内至少含一种有机黏结剂，一种聚合物粉末，一种溶剂。有机黏结剂可溶于溶剂及崩解剂。聚合物粉末不溶于溶剂及崩解剂，浆料铺成薄层(下称“浆料薄层”)，干燥后，溶剂蒸发，其中的黏结剂可黏结聚合物粉末形成固态的薄层，聚合物粉末靠黏结剂连结，若此固态的薄层置于崩解剂中，黏结剂会溶于崩解剂中失去连结作用，聚合物粉末则将互相分离，分散于崩解剂中。利用前述有机黏结剂、聚合物粉末、溶剂的特性，可以在建构三维工件过程中形成一牺牲部分，其于建构工件部份时支撑工件，但工件建构完成后，则可以崩解剂去除。

固态牺牲薄层/生坯薄层与工作薄层的形成：在建构三维工件过程中，须先将上述包含有机黏结剂、聚合物粉末、溶剂的浆料在一限定区内铺成一“浆料薄层”，并使其干燥，以成为一“固态牺牲薄层”。该固态牺牲薄层若以能量束照射，可以变质成为不溶于崩解剂的性质，形成“工件薄层”。固态牺牲薄层变质的原理为：里面的不溶于溶剂及崩解剂的聚合体粉末，在受到能量束照射时会熔解或交联，与有机黏结剂互相混合形成不溶于崩解剂的混合材料。能量束依循待制成工件成品的剖面形状照射固态牺牲薄层，故该固态牺牲薄层中受照射部分会形成不溶于崩解剂的工件薄层。

生坯块的形成：如前所述，将固态牺牲薄层内的预设之一部分以能量束照射，受照射的部分形成工件薄层，其他未经能量束照射的部份仍然是牺牲薄层。如此，重复前述形成固态牺牲薄层、及藉由在固态牺牲薄层的预设部分上照射而成工作薄层的步骤，将每一含有“固态牺牲薄层”及“工作薄层”的复合层予以层层相迭；因此，相邻的上下工作薄层间彼此互相连结，而形成由工作薄层层迭成的一“三维工件部份”。未受照射的牺牲薄层亦经层层相迭，而使相邻的上下层彼此互相连结，形成一“牺牲部分”。一般而言，“牺牲部分”包围“三维工件部份”。三维工件部份加上牺牲部分总称为“生坯块”。

崩解牺牲部分以形成三维工件：将生坯块置于崩解剂中。因工件部份为不溶于崩解剂的性质，所以能保持其原来的形状尺寸。牺牲部分因其中的黏结剂会溶于崩解剂中而失去连结作用，没有连结能力的聚合物粉末则将分散于崩解剂中。因此，生坯块的牺牲部分将被崩解剂去除，仅有三维工件留存。根据此一方法，利于制得一聚合物工件。

根据本案的另一方面，可利用前述原理制造聚合物-无机材料复合工件。在此一方面，浆料除了前述的有机黏结剂、聚合物粉末、溶剂成分外，进一步加添了不溶于溶剂及崩解剂的无机材料粉末(如金属粉末、陶瓷粉末等)。如此，可做出，如：聚合物-陶瓷复合工件，聚合物-金属复合工件，聚合物-金属-陶瓷复合工件等聚合物-无机材料复合工件。制造时，首先将该成分之浆料铺成薄层(下称“浆料薄层”)。当浆料薄层干燥、溶剂挥发后，有机黏结剂连结聚合物粉末以及无机材料粉末而强化，得到一固态牺牲薄层。将固态牺牲薄层之预设的一部分以能量束照射；该受照射的部分中，聚合体粉末熔解或交联，与有机黏结剂互相混合，形成不溶于崩解剂的混合材料，并且连结无机材料粉末，形成一工件薄层。利用前述本发明的基本原理中所叙述的后续形成包括三维工件部份及牺牲部分的“生坯块”、以及将牺牲部分崩解等步骤，可以做出三维聚合物-无机材料复合工件。此等三维工件，特性普遍优于前述利用由“有机黏结剂、聚合物粉末、溶剂”成分构成的浆料制成聚合物工件。

根据一较佳实施例，该浆料的制备方式，可将该聚合物材料(不溶于溶剂及崩解剂)事先披覆在该无机材料粉末(不溶于溶剂及崩解剂)表面，再与溶剂、有机黏结剂(可溶于溶剂及崩解剂)混合所形成的浆料不但较均匀，而且会溶于溶剂及崩解剂的有机黏结剂的含量可以较低，不溶于溶剂及崩解剂的聚合体材料的含量可以较高，以此浆料制成的复合材料普遍具有较佳的强度；其优点为：在清料时，因工件部份强度佳，较不易被破坏。

前述制成的三维聚合物无机材料复合工件，可进一步在烧结炉中将有机成分烧失，做为后续处理，然后经过高温烧结，以形成较致密的无机材料工件。视浆料成分中无机材料粉末选用金属粉末、陶瓷粉末、或两者的混合物，在烧失、高温烧结后，可得金属工件成品、陶瓷工件成品、或金属-陶瓷复合工件成品。

【附图说明】

图1为本发明的制作流程示意图；

图2A为显示根据本发明的三维工件快速原型机的组合图；

图2B为陶瓷快速原型机的分解图；

图2C为往复机构与加热器的立体图与三视图；

图3为三维工件快速原型机的控制系统架构方块图。

【具体实施方式】

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步的详细描述：图中：1a～粉末；1b～溶剂；1c～有机黏结剂；1d～添加剂；2～浆料；3～搅拌装置；4～铺薄层装置；5～牺牲部分；6～工作台；7～浆料薄层；8～加热器；9～牺牲薄层；10～能量束；11～工件薄层；12～工件；13～生坯块；14～崩解剂；15～快速原型机；16～制造牺牲薄层设备；17～能量束烧结设备；18～螺旋机构；19～配料器；20～刮刀；21～工件座；22～升降台；23～机架；24～往复机构；25～CO2雷射机；26～雷射束；27～反射镜；28～凸透镜；29～X-Y工作台；30～加热运动控制器；31～铺薄层装置控制器；32～升降台控制器；33～X-Y工作台控制器；34～加热温度控制器；35～雷射控制器；40～制程计算机。

本发明的制程主要包含下列四个步骤：

(1)备制浆料；

(2)制造牺牲薄层；

(3)能量束烧结牺牲薄层成工件薄层；

(4)去除未烧结的牺牲部分。

在此先介绍前述各步骤相关的方法及设备。

第一步骤：备制浆料；

本步骤将粉末1a、溶剂1b以及有机黏结剂1c混合，调成浆料2。

粉末1a为一种不溶于溶剂及崩解剂的聚合物粉末。根据一较佳实施例，粉末1a为聚合物粉末与不溶于溶剂及崩解剂的无机材料粉末的混合粉末。根据另一较佳实施例，粉末1a是以聚合物披覆于无机材料粉末的外表面所成的粉末。根据前述，粉末1a较佳选自下列其中之一：(1)不溶于溶剂及崩解剂的聚合物粉末；(2)聚合物粉末加陶瓷粉末的混合粉末；(3)聚合物粉末加金属粉末的混合粉末；(4)聚合物粉末加金属粉末与陶瓷粉末的混合粉末；(5)具有聚合物披覆层的陶瓷粉末；(6)具有聚合物披覆层的金属粉末。

溶剂1b的功能为将有机黏结剂1c溶解，使其能均匀的与粉末1a混合，并可调整浆料2的黏度。溶剂1b可为水或如methyl ethyl ketone(MEK)、toluence等有机溶剂。

有机黏结剂1c的特性为可溶解于溶剂1b与崩解剂14中，其可在溶剂1b蒸发后能黏结前述的粉末1a成为固态的一定的形状。由于有机黏结剂1c可溶解于溶剂1b与崩解剂14的特性，在前述浆料2铺成“浆料薄层”、干燥、溶剂蒸发后，浆料2中的有机黏结剂1c可黏结粉末1a形成固态的牺牲薄层9；此牺牲薄层9浸于崩解剂14中时，其中的有机黏结剂1c会溶解而使牺牲薄层9崩解。有机黏结剂1c较佳为聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)、淀粉、纤维(Cellulose)等水溶性有机黏结剂或是聚乙烯缩丁醛(Polyvinyl butyral，PVB)等非水溶性的有机黏结剂。

以上所述用于制备浆料2的至少三种材料，即粉末1a、溶剂1b以及有机黏结剂1c，以适当比例混合后，置于搅拌装置3或习用的球磨机(未示于图)中均匀搅拌，即可得到合用的浆料2。

为使粉末能悬浮、提高浆料的均匀性、增加粉末的含量、减少黏度、减少气泡，增加吸收雷射能量的能力，较佳在浆料中加入其他添加剂1d，如分散剂(聚丙烯酸铵)、消泡剂、吸光剂等，并且实施两段式处理，先加入分散剂将粉末分散后再加入黏结剂1c。

第二步骤：制造牺牲薄层；

将备制好的浆料2铺于一工作台6的一限定区上，以铺成极薄的一层浆料薄层7。在浆料薄层7干燥并固化后，即成为牺牲薄层9。为达此目的，较佳利用一制造牺牲薄层设备16来制作牺牲薄层9。制造牺牲薄层设备16较佳包括一铺薄层装置4与一工作台6。浆料2中的溶剂1b较佳具有可以在常温下挥发的特性。为使浆料薄层7快速硬化，制造牺牲薄层设备16较佳包括一加热器8，以对浆料薄层7加热，使之快速硬化。在每一次一″先形成的浆料薄层7″，或称″前浆料薄层7″经干燥、且溶剂14蒸发或挥发而形成一″前固态牺牲薄层9″后，″另一浆料薄层7″或称″后浆料薄层7″以类似方式涂施于该″前固态牺牲薄层9″上，并使其干燥。这些步骤重复操作，使多个态牺牲薄层9彼此上下相迭，直到一具有一预定形状的一生坯块13形成。

根据一实施例，如图1中的1A所示，铺薄层装置4包括一用以容纳浆料2的容器，使浆料2可靠重力从铺薄层装置4的一出口经一如软管等施配装置流出。该铺薄层装置4与工作台6做一定距离的相对运动，以使浆料2在工作台6上一限定区内铺成每一浆料薄层7。根据一较佳实施例，可提供一如刮刀20等工具刮动流出的浆料2，以协助在生坏块13上铺设每一层浆料薄层7。但因多数浆料2黏度高，不易流动，为克服此一问题，制造牺牲薄层设备16较佳包括一加压设备，例如螺旋机构18，提供输送压力，将浆料2经一配料器19的长方形出口端上多数孔洞挤出。

图2A及图2B中揭示配料器19的一实施例，其操作方式如下：该配料器19的出口端边的长度约等于浆料薄层7的宽边，挤出的浆料2形成一长线条。配料器19出口的后方附一刮刀20，调整刮刀20与生坯块13之间的间隙，令刮刀20做浆料薄层7的长边方向的运动，刮动长线条浆料，形成浆料薄层7的形状。再者，也可在加压设备之后连结一出口为圆形的软管(其为图2A、2B中连接于螺旋机构18及配料器19之间的管状-组件)。浆料2经配料器19的多数孔洞挤出后呈点状。令该圆形软管做浆料薄层7宽边方向的线性运动，则挤出的浆料将形成一长线条，其长度一般等于浆料薄层7的宽边；再利用刮刀20刮动长线条浆料做浆料薄层7的长边方向之运动，也可形成浆料薄层7的形状。

前述设备系利用刮刀20铺料，并没有特别在浆料上加压。但若配合使用够细的粉末就会有压缩粉末的效果，因浆料2在干燥时会产生毛细管压力，使粉末互相接近，增加密度，例如粉末颗粒大小为0.35μm及0.68μm时产生的最大应力分别约为2MPa及1.1MPa。

制造牺牲薄层设备16的工作台6，较佳进一步包括一承载生坯块13的工件座21及一承载工件座21的升降台22，升降台22可沿垂直于工作台6的方向运动。

在以刮刀20涂布浆料2时会产生刮动力。有利的是，本制程中固态牺牲薄层9因浆料薄层7中的溶剂1b挥发且有机黏结剂1c连结粉末1a，而具相当强度，可以承受涂布浆料2时的刮动力，在重复铺设浆料薄层7时，已经形成生坯块13的固态牺牲薄层9的部份不会受到破坏。

在制造生坯块13的过程中，可由生坯块13上方、或生坯块13下方加热以将浆料薄层7快速干燥。详而言之，可在生坯块13上方以辐射热传直接将能量加到浆料薄层7，能迅速的使浆料薄层7硬化，诸如微波、红外线等方式。实验显示使用远红外线(波长6μm以上)效果佳。或者，亦可从生坯块13上方以对流热传借热空气将能量加到浆料薄层7上，也能迅速的使浆料薄层7硬化。在另一方面，可以如电热丝等传导热传方式从工件座21下方直接加热生坯块13，在厚度不高的生坯块13效果良好，且因整个生坯块13储存热量，干燥极为快速。

第三步骤：能量束烧结牺牲薄层成工件薄层；

固态牺牲薄层9的预设部分以一能量束依循待制三维工件成品的剖面形状照射/烧结，可使该预设部分变质而形成不溶于崩解剂的工件薄层11，用来构成待制三维工件部份12的主体。能量束较佳由一能量束烧结设备提供，其包括一能量束产生装置、及一能量束照射器。能量束10照射牺牲薄层9时，能量束10与牺牲薄层9上的材料在表面产生交互作用而生热，热量经由表面向里面传导，经照射而变质的材料具有一定深度与宽度。能量束照射器引导能量束10在牺牲薄层9上沿特定路径运动，点与点互相重迭而成线，线与线互相重迭而成面，面与面互相重迭而成三维的工件部份12。

牺牲薄层9为以有机黏结剂1c黏结粉末1a形成的固态薄层。能量束10照射牺牲薄层9，可使其中粉末1a中的聚合物粉末因加热而熔解。根据一较佳实施例，若此聚合物粉末为热塑性，在熔解后可以与有机黏结剂1c混合，在凝固后成为不溶于崩解剂14的混合物。根据另一较佳实施例，若此聚合物粉末为热固性，在熔解后产生交联作用，并可以与有机黏结剂1c混合，在固化后成为不溶于崩解剂14的混合物。

根据一实施例，牺牲薄层9包括披覆聚合物材料的无机粉末。以能量束10照射牺牲薄层9，该披覆有无机粉末的聚合物可与邻近的有机黏结剂1c混合固化形成不溶于崩解剂14的混合物。

根据前述，牺牲薄层9在受能量束10照射后形成的工件薄层11，具备不溶于崩解剂14的特性；在另一方面，未受能量束10照射的牺牲薄层9，因有机黏结剂1c之故，仍具备可溶于溶剂1b与崩解剂14的性质。如此，可以利用溶剂1b或其他类似材料做为崩解剂14，使牺牲部分5崩解。由工件薄层11构成的工件部份12的形状，不会崩解而获得保留。

工业上常见的CO2激光束与Nd:YAG激光束均适合作为本发明的能量束10。不同粉末1a对CO2雷射束与Nd:YAG雷射束的吸收率不同，有机黏结剂1c对不同雷射束26的吸收率也不同，本发明主要利用不溶于溶剂1b及崩解剂14的聚合物成分熔解或交联来做成工件部份12，若聚合物成分对特定雷射的吸收率不高，也可增添吸光剂，以达到升高温度熔解聚合物成分的效果。例如，压克力与陶瓷粉末对Nd:YAG雷射束的吸收率均不高，所以压克力披覆陶瓷粉末的吸光效果不佳，可以添加碳黑进浆料2中，由碳黑吸光变热传给压克力及陶瓷粉末。

能量束照射装置可为一面光罩式投影装置，其利用可见光光源经过面光罩筛选后将工件剖面影像经过光学系统成像于牺牲薄层上。面光罩可为穿透式，例如一般的投影胶片或液晶光罩；也可为反射式，如美国德州仪器的微镜片光罩，反射式的可以承受较高的能量密度。以面光罩式投影装置照射牺牲薄层的制作速度可以较快。能量束照射装置也可包括光束运动装置及光束聚焦装置。能量束10与生坯块13的X-Y方向的相对运动可以是生坯块13运动，能量束10静止，也可以是能量束10运动，生坯块13静止。能量束10的X-Y方向运动可利用振镜照射机(Galvometer)或X-Y工作台29(X-Y table)，来达成，此二种技术已很成熟。能量束聚焦镜36可以为透镜或面镜。能量束10与生坯块13的垂直方向的相对运动可以是生坯块13运动，能量束10静止；也可以是能量束10运动，生坯块13静止。

利用习用的CAD\CAM软件包可以自动创出向量式的照射路径，首先，利用三次元绘图软件将工件的立体图绘出，再将之切成很多平行的剖面，再制作每一剖面的NC程序，将困难的三维加工问题转变成简单的二维加工方式，避开了三维加工常遇到的加工死角问题。

能量束10照射牺牲薄层/生坯薄层9的主要的制程参数，以雷射束26为例，为功率及照射速度。本制程所需功率视光热转换效率而定，以高效率的CO2雷射束照射包含压克力粉末以及氧化硅粉末的牺牲薄层在3W以上的功率即有熔解压克力粉末的能力。照射速度的设定亦与材料性质与铺层厚度息息相关。

当工件的每一剖面烧结后，生坯块13与能量束10之间的距离即扩大，而空出一层厚度的空间，备再次铺设一层浆料薄层7。

第四步骤：去除未烧结的牺牲部分

重复前述的制造牺牲薄层9及能量束10照射牺牲薄层9烧结形成工件薄层11两步骤多次，可做出工件部份12。此工件部份12埋在硬化的牺牲部分5里面，必须将包围工件的牺牲部分5去除，才可以得到三维工件的初步产品，即工件部份12。

去除未经能量束照射/烧结的固态牺牲部分5之方法为浸崩解剂14及/或以力量破坏，例如超音波的振动力。以超音波的振动力去除牺牲部分的结构是很有效的，尤其当生坯块置于崩解剂14中加上超音波震荡的效果更佳。

如前所述，生坯块13的工件部份12具备不崩解于崩解剂14的性质，生坯块13的未烧结之牺牲部分5却可崩解于崩解剂14。崩解剂14可为前述的可溶解有机黏结剂的溶剂1b如水或有机溶剂，也可为可降解有机黏结剂的酸或碱等。

根据一实施例，聚乙烯醇可溶于水。所以，若有机黏结剂1c为聚乙烯醇，可利用水当崩解剂14。亦即，使用聚乙烯醇当有机黏剂1c的生坯块13浸入水内，其中的牺牲部分5会随着聚乙烯醇溶解而崩解；工件部份12能保留原先的形状。根据另一实施例，可将生坯块13置于一去生坯容器中，于此容器中放入水、或以水束冲刷或加上超音波震荡，均可以达到去除牺牲部分5的目的。

根据另一实施例，也可以利用酸，例如双氧水(H2O2)水溶液当崩解剂14。利用聚乙烯醇易溶于双氧水但PMMA不溶于双氧水的特性，PVA黏结剂加上PMMA披覆陶瓷粉末的浆料系统做成的牺牲部分可以做成PVA为连结相，PMMA披覆陶瓷粉末为分散相，置于双氧水水溶液中就崩解。同样地，经过雷射照射的工件部份12因变质而不崩解于双氧水水溶液。

根据前述，本发明的制造三维工件的制程及装置例示说明如下：

制程实施例

本发明的制造三维工件的制程大致包括下列步骤：

(A)准备浆料2：较佳如下所述：将水(作为溶剂1b)及聚丙烯酸胺(PolyacrylicAmmonium)(作为添加剂1d)置于搅拌装置3中以适当比例混合、搅拌成一混合物；其次将披覆PMMA的氧化铝粉末(作为粉末1a)加入此一混合物中，并予以混合、搅拌；最后，加入适量的PVA(作为有机黏结剂1c)，并予以混合、搅拌，据此调成浆料2，如图1中的1A所示。

(B)将浆料2放入铺薄层装置4，然后挤出落在生坯块13上，如图1中的1B所示。

(C)移动铺薄层装置4将浆料2铺设于生坯块13的顶面成为浆料薄层7，如图1中的1C所示

(D)以加热器8施加红外线能量于浆料薄层7上，使之加热升温，如图1中的1D所示。

(E)随后，将浆料薄层7干燥、硬化，形成固态的牺牲薄层9。通常，第一层牺牲薄层的厚度可较厚，例如厚度100μm，随后的牺牲薄层9覆盖在前一层之上，厚度应尽可能减少，约在30μm左右，以便可以做出工件的细微部份形状。此后，以雷射为能量束10照射于牺牲薄层9(参图1中的1E)，使之吸热升温。于一从牺牲薄层9的表面以下到某一特定深度(例如45μm)的区域中，氧化铝表面的PMMA膜与用做黏结剂1c的聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)两种有机材料熔解，并与氧化铝粉末连结，形成不溶于水的工件薄层11。雷射的行进路径系依欲成形的三维工件的剖面由计算机程序自动创造出来的，控制雷射照射路径可制出任意形状的二维薄剖面。由于该雷射由上向下垂直照射平面，使得牺牲薄层9表面任何一点均可照射到，任意复杂的物体均无加工死角的问题。

(F)将工作台6下降一距离，以使生坯块13向下移动，下降的距离等于每层工件薄层11的厚度(例如30μm)，如图1中的1F所示。

(G)一再重复步骤(B)(参图1中的1B)至步骤(F)(参图1中的1F)达预设的次数，以完成一生坯块13(参图1中的1G)，生坯块13包含工件部份12及牺牲部份5。

(H)如图1中的1H至图1中的1I所示，将生坯块13置于一含有水(崩解剂14)的去生坯容器内(参图1中的1H)，而使包覆工件部份12的牺牲部分5崩解，而得到所要制作的三维陶瓷/塑料工件部份12，如图1中的1I所示。

前述制程可做出一陶瓷/塑料复合工件，并可再施以后处理。例如，可将三维陶瓷/塑料工件部份12中的有机物质烧失，再经以1600℃烧结一小时的烧结步骤，可以得到致密度达95％以上的氧化铝陶瓷工件。

用来制造三维陶瓷/塑料工件部份12的设备实施例：

如前文所述，本发明的制程包括(1)备制浆料；(2)制造牺牲薄层；(3)能量束烧结牺牲薄层成工件薄层；(4)去除未烧结的牺牲部分等四个步骤。备制浆料的步骤可以习用的搅拌装置3进行(参图1中的1A)。去除未烧结的牺牲部分的步骤需要容器来盛装崩解剂14。在此一方面，例如：习用的盛液体的容器，、或使用盛崩解剂14的超音波设备槽等均为合适的容器。第二步骤(制造牺牲薄层步骤)及第三步骤(能量束烧结牺牲薄层成工件薄层步骤)必须重复执行多次，较佳以计算机来操控所有工作。一如图2A、2B、图3所示的快速原型机15可用来执行此二步骤，其为本发明的制造三维工件的装置之一较佳实施例；其中图2A揭露的三维工件快速原型机15包含制造牺牲薄层设备16、及能量束烧结设备17二部份；图2B揭露的快速原型机15的分解图进一步显示各零组件的形状及相对位置。此设备的各重要组件系依照图1中的1B至图1中的1F所示的工作方法运动。

制造牺牲薄层设备16包括一铺薄层装置4、一工作台6及一加热器8。铺薄层装置4包括一馈料装置及一制膜工具。馈料装置包括一螺旋机构18、一配料器19。配料器19可依预设方式在工作台6上运动或相对于工作台6运动，以将浆料2施配于生坯块5的顶部。制膜工具较佳为刮刀20。浆料2由螺旋机构18打出，经过配料器19的出口，亦即多数孔洞，挤出落在生坯块5顶面，形成长条状。刮刀20装在配料器19之后，刮刀20底部与生坯块5顶面之间相隔一缝隙，配料器19下料后与刮刀20一起移动，刮刀20将落在生坯块13顶面上的浆料2刮平。藉由变化刮刀20底部与生坯块13顶面之间缝隙的高度(宽度)，可以调整浆料薄层7的厚度。

工作台6包括工件座21、升降台22及用以提供工件座21、升降台22运动的运动机构。升降台22受一机架23支承。工件座21受支承于升降台22上，其功能为装载生坯块13。在每次制造牺牲薄层9并且以能量束10烧结成工件薄层11后，升降台22即向下移动相当于一层浆料薄层7厚度的距离，以继续另一层的工作。

红外线加热器8较佳安装在一机架23与工件座21之间，藉一往复机构24于制程需加热干燥时伸进工件座21的上面，将红外线能量以辐射的方式照射于浆料薄层7之上，使之快速干燥硬化。

能量束烧结设备17包括一能量束产生装置、及一能量束照射装置两部份。能量束产生装置为CO2雷射机25，其产生雷射束26，以将电能转换成光能。能量束照射装置包括一能量束导光装置、一能量束聚焦装置及一能量束运动装置。能量束导光装置较佳为反射镜27，较佳包括一只固定、二只移动的反射镜27以改变其照射路径。能量束聚焦装置较佳为一凸透镜28。能量束运动装置较佳为一X-Y工作台29，X-Y工作台29依数控程序的指令引导经过聚焦的雷射束26在X-Y平面上沿特定路径运动，照射牺牲薄层，形成工件的剖面形状。

图3揭露快速原型机15的控制系统架构。快速原型机15的动作由一加热运动控制器30、一铺薄层装置控制器31、一升降台控制器32、X-Y工作台控制器33来控制。一加热温度控制器34用来控制干燥时所需的能量。一雷射控制器35用来调控烧结时必需的雷射光的开启及关闭、功率大小、脉冲频率。这些动作的先后顺序则由一制程计算机40来掌控。制程计算机40将三维绘图软件如PRO/E所绘制的三维工件实体模型以设定的精度将实体模型切成多片的二维剖面，随后转换成NC程序，开始进行三维工件制作，先命令铺薄层装置4的铺薄层装置控制器31出料到生坯块13顶面上，刮刀20随后开始根据铺薄层装置控制器31的设定速度运动，并作用于浆料，形成一浆料薄层7。加热器8的加热运动控制器30于加热干燥时接受制程计算机40的指令命令一往复机构24将加热器8伸进生坯块13顶面的上面，将红外线能量照射于浆料薄层7之上，使之快速干燥硬化成为牺牲薄层9，红外线照射的能量系由加热温度控制器34调控；再协调雷射控制器35及X-Y工作台控制器33依照NC程序代码的指令以雷射束26照射牺牲薄层9，烧结形成工件薄层11。照射完后，通知升降台控制器32将升降台22下降，再继续下一剖面的制作，直到成品完成为止。

有利的是，本发明与其他习用技术，例如选择性雷射烧结法相互比较时，具有下列的特征和优点：

1.选择性雷射烧结法仅以一种链接机制(雷射照射加热熔解)将材料连结，做出工件形状，而本发明以除了加热熔解外还加上了胶结的另一种不同的连结机制将材料连结。本发明胶结的优点为可以做出比选择性雷射烧结法更薄的固态牺牲薄层。

尤其，在一前工件薄层上铺设浆料以形成一后牺牲薄层时，若层的厚度愈薄，则铺料板必须使力愈大，前工作薄层也受力愈大。在此一方面，根据习知未使用胶结的技术，由于仅以有机黏结剂连结一层塑料颗粒、陶瓷颗粒、金属颗粒或复合材料颗粒成极薄的、简单形状的前一固态牺牲薄层，则在一由该前牺牲薄层所形成的一前工作薄层上铺设浆料以形成一后牺牲薄层时，前工件薄层往往因连结差而易受刮动力作用而移动。相较之下，本发明使用的有机黏结剂胶结的固态牺牲薄层可以抵挡铺层时产生的力量，工件部份及牺牲部分不至于因铺层受力而移动，故本发明可确实的铺设极薄的切层。根据实验，本发明铺层的厚度可做到10μm左右，使得本发明制出工件的垂直轴分辨率可较习知方法为高。

2.本发明使用浆料，该浆料为粉末与水或有机溶剂的混合物，其中粉末的大小可以是mm级、μm级，或是前述不同级数的混合物。故本发明铺层时不会因粉末颗粒太大而限制了铺层的厚度的下限，可以铺出很薄厚度的层，减小了迭层的梯阶效应。且因使用浆料铺层可以使用微细的粉末，能改善表面粗度，据实验可以做到Ra＝1.5μm的表面粗度。前述两项特点减少了本发明所做出的工件的后续机械加工的必要性。

相反的，现有的选择性雷射烧结法系使用干粉为材料，若粉末颗粒大时，例如大于30μm，易于流动铺平，但当粉末颗粒小时，例如小于20μm，则不易流动、刮平。因此法能处理的颗粒不能太小，故铺料层也不能太薄。

3.本发明的浆料系水或有机溶剂与粉的混合物，可以添加分散剂使细小的粉末均匀分散，并且在水或有机溶剂蒸发时产生毛细管力，当粉末颗粒细小时此毛细管力增大可以压实粉末，增加生坯的密度，如此，生坯的平均孔洞直径可以减小，并且生坯的孔洞尺寸分布较为狭窄，均使得致密化烧结时较易得到高强度与致密的工件。传统的选择性雷射烧结法使用干粉，缺少前述的功能，做出的工件较难致密。

综合本发明上述特征和优点，可见本发明可以广泛的适用于塑料、金属与陶瓷工件的制造，并且消除传统粉末法，例如选择性雷射烧结法，的缺点，而可以使用细微粉末、层厚可以很薄，所以可以做出表面粗度、纹理细致度、强度均比传统粉末法，例如选择性雷射烧结法，为佳的成品，减少了后续机械加工的必要性。

与US Patent No.6,217,816比较，本发明可用制造不同成份的工件，如聚合物工件、金属工件、陶瓷工件及复合工件，且制得的工件具有较佳之强度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维工件的制造方法，包括下述步骤：

(1)准备一包含至少一聚合体粉末(1a)的粉末混合物、一溶剂(1b)、一有机黏结剂(1c)及一崩解液(1d)，其中该聚合体粉末不溶于该溶剂及该崩解液(14)，而该有机黏结剂可溶于该溶剂及该崩解剂；

(2)藉由将该粉末混合物(1a)、该有机黏结剂(1c)、及该崩解液混合，而制备出一浆料；

(3)将上述浆料铺在一工作台上的一限定区上，以铺成一浆料薄层(7)；

(4)将该浆料薄层干燥，使溶剂(1b)蒸发，以形成一固态牺牲薄层(9)；

(5)以一能量束依一特定的路径照射上述固态牺牲薄层(9)的一预定部分，使薄层上被照射过的区域升温将该粉末混合物熔解或交联，与有机黏结剂混合成不溶于崩解剂的混合材料，形成不溶于崩解剂的工件薄层，而此工件薄层具三维工件的剖面形状；

(6)重复步骤(3)-(5)，使一后浆料薄层(7)层迭于一前固态牺牲薄层(9)上，并使其干燥，而形成一后固态牺牲薄层(9)，直到一具有一预定形状的一生坯块(13)/工作生坯形成，该工件生坏包括一固态牺牲部分，其对应该固态牺牲薄层中的未经能量束照射烧结的一未照射部分；

(7)藉由至少将该生坏工件置于可溶解该未照射部分的该崩解液中，以获得一三维工件。

2.根据权利要求1所述三维工件的制造方法，其中：

步骤(1)的粉末混合物包括一不溶解于该溶剂(1b)或该崩解液(14)中的聚合体粉末、及一不溶解于该溶剂(1b)或该崩解液(14)中的无机粉末(1a)。

3.根据权利要求2所述三维工件的制造方法，其中步骤(1)的粉末混合物，是藉由将一聚合体扳覆于无机粉末的一表面所形成，该聚合体及该无机粉末均不溶于该溶剂(1b)或该崩解液(14)。

4.根据权利要求2所述三维工件的制造方法，进一步下列步骤：

(8)将该三维工件在烧结炉中将有机成分烧失，然后使该三维工件施以高温烧结，以获得一致密的无机材料工件。

5.根据权利要求1所述三维工件的制造方法，其中该有机黏结剂选自包括水溶性有机黏结剂与非水溶性的有机黏结剂的群组。

6.根据权利要求2所述三维工件的制造方法，其中该有机黏结剂选自包括水溶性有机黏结剂与非水溶性的有机黏结剂的群组。

7.根据权利要求1所述三维工件的制造方法，其中该去除其中未经能量束照射烧结的固态牺牲部分的步骤(7)包括：进一步以力量破坏。

8.根据权利要求2所述三维工件的制造方法，其中该去除其中未经能量束照射烧结的固态牺牲部分的步骤包括：进一步以力量破坏。

9.一种制造三维工件的设备，其利用一浆料来制造一三维工件，包括：

一制造牺牲薄层设备，包括一铺薄层装置及一工作台；该铺薄层装置可相对于该工作台进行一相对运动，以该浆料反复铺设于该工作台上而铺成多数相互堆栈的浆料薄层；一能量束烧结设备，包括：

一能量束产生装置，用以产生一能量束；

一能量束照射装置，用以引导该能量束沿一特定路径而照射于该犧牲薄层上；

其中：

该铺薄层装置4包括：

一配料器，其可相对于该工作台运动以将该浆料施配至所需位置，并设有多数浆料出口孔洞；

一制膜工具，用以将自该等孔洞施配而出的浆料成形为一薄层状。

10.根据权利要求9所述三维工件的制造方法，其中的该铺薄层装置的配料器的该等孔洞设于该配料器之一长方形出口上，该该出口具有一长边，该长边约等于浆料薄层的宽边。

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