成型粉末及陶瓷立體物件的制造方法與流程

本發明涉及一種成型粉末及陶瓷立體物件的制造方法，尤其涉及一種混合有陶瓷與金屬的成型粉末及陶瓷立體物件的制造方法。

背景技術：

快速原型制造技術使用疊層制造的方法，可依照電腦輔助設計(Computer Aided Design，以下簡稱CAD)所建構的3D立體幾何形狀，制造出3D實體物件的技術，能克服傳統機具加工無法完成的幾何形狀，做到自動化實體自由形狀制造，而且做出的原型無形狀限制，為一種高度整合性的技術。

快速原型技術使用的材料包含高分子材料、金屬粉末、陶瓷、紙張、蠟及復合材料等，其中陶瓷材料具有高強度、高熔點、耐腐蝕且無毒性等優點，而且陶瓷材料價格便宜，所以值得發展。

一般而言，快速原型技術所使用的工具分為兩大系統：激光系統，例如，立體微影成像法(Stereolithography Apparatus，以下簡稱SLA)、選擇性激光燒結法(Selective Laser Sintering，以下簡稱SLS)等；以及噴嘴系統，例如，熔融沉積造型法(Fused Deposition Modeling，以下簡稱FDM)、三維噴印法(3D Printing，以下簡稱3DP)等。

關于激光系統，因為激光能量可調整的范圍較大，可加工的材料種類多，一般而言，只要是粉末狀的原料都可以利用激光加以燒結或熔結成形。但是，目前并未有將金屬與陶瓷混合使用于激光系統中以形成立體物件者。

技術實現要素：

本發明提供一種成型粉末及陶瓷立體物件的制造方法，其混合有金屬與陶瓷的成型粉末，且將其以激光燒結手段而成型出立體物件。

本發明提供一種陶瓷立體物件的制造方法，包括，鋪設一層成型粉末，所述成型粉末混合有金屬粉末與陶瓷粉末，且金屬粉末所占比例小于30重量 百分比(wt％)；以選擇性激光燒結(selective laser sintering)所述成型粉末的至少局部，以形成一層立體單元；重復前述鋪設成型粉末與選擇性激光燒結，而使多層立體單元結合成立體物件。

本發明提供一種成型粉末，適于以激光燒結而形成立體物件。成型粉末包含陶瓷粉末與金屬粉末，其中金屬粉末所占比例小于30重量百分比(wt％)。

在本發明的一實施例中，上述金屬粉末的材質為鈦、鉻、鎳、銅、錫或鉬。

在本發明的一實施例中，上述陶瓷粉末的材質為氧化鋯、氧化鋁或氧化硅。

在本發明的一實施例中，上述選擇性激光的功率為40瓦(w)。

在本發明的一實施例中，上述選擇性激光燒結時的掃描速度為40毫米/秒(mm/sec)。

在本發明的一實施例中，在上述激光燒結的過程中，金屬粉末形成金屬氧化物后再粘結至陶瓷粉末。

基于上述，通過在陶瓷粉末中混合特定比例的金屬粉末，并進一步通過選擇性激光燒結而形成的立體物件，其兼具陶瓷與金屬的材質特性。

為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖作詳細說明如下。

附圖說明

圖1是依據本發明一實施例的陶瓷立體物件的制造方法的流程圖；

圖2示出適于使用圖1制造方法的裝置示意圖；

圖3至圖6分別是將成型粉末以激光燒結出立體物件的表面顯微照片。

附圖標記說明：

100：激光燒結裝置；

110：激光源；

120：平臺；

130：鋪粉輥；

140：光學元件；

A1：成型粉末；

A2：立體單元；

G1、G2、G3、G4：孔洞；

S100、S110、S120、S130、S140：步驟；

X、Z：軸。

具體實施方式

圖1是依據本發明一實施例的陶瓷立體物件的制造方法的流程圖。圖2示出適于使用圖1制造方法的裝置示意圖，以描述激光燒結裝置100。請同時參考圖1與圖2，在本實施例的步驟S100中，首先提供成型粉末A1，在此，成型粉末A1是混合有金屬粉末與陶瓷粉末，且金屬粉末所占比例小于30重量百分比(wt％)。接著，在步驟S110中，通過鋪粉輥130將一層成型粉末A1均勻地鋪設在激光燒結裝置100的平臺120上。

在本實施例中，所述作為成型粉末A1主要成份的陶瓷粉末的材質為氧化鋯(ZrO₂)，而混合其中的金屬粉末的材質為鈦(Ti)、鉻(Cr)或鉬(Mo)。

在另一實施例中，成型粉末中作為主要成份的陶瓷粉末的材質也可為氧化鋁(Al₂O₃)或氧化硅(SiO₂)，而混合其中的金屬粉末也可為鎳(Ni)、銅(Cu)或錫(Sn)，而同樣地，金屬在成型粉末中所占比例仍是小于30重量百分比(wt％)。

在步驟S120中，控制模塊(未示出)依據電腦輔助設計(CAD)所建構的立體幾何形狀，而開始有選擇地燒結該層成型粉末A1的至少局部，以形成立體單元A2。通過光學元件140(例如是掃描鏡)將激光源110所產生光線投射于成型粉末A1，并沿欲成型的立體單元A2的輪廓范圍以特定路徑進行掃描。在此，所使用激光源110的功率為40W，且其燒結時的掃描速度為40毫米/秒(mm/sec)。需提及的是，在前期于電腦輔助設計建構立體幾何形狀時也已計算出所需鋪設成型粉末A1與燒結出立體單元A2的范圍與層數。

接著，在步驟S130中，判斷是否完成立體物件的成型動作。若是，則將已成型的立體物件從平臺130卸下，以利進行后續程序。若否，則進行步驟S140，即，平臺130會沿Z軸下降一個成型粉末的層厚，之后繼續執行步驟S110與S120，也即讓鋪粉輥130再次于平臺130上沿X軸移動以鋪設另一層成型粉末A1，而再以激光源對新的一層成型粉末A1進行燒結，以使不同 層的立體單元A2結合在一起。換句話說，在制作流程上會再次重復前述鋪設成型粉末A1與選擇性激光燒結等步驟，直至多個立體單元A2逐層結合而形成完整的立體物件。

另需提及的是，在選擇性激光燒結之前，平臺120可被加熱至稍低于成型粉末的熔化溫度，藉以減少熱變形，并利于不同層的立體單元A2結合。

圖3至圖6分別是將成型粉末以激光燒結出立體物件的表面顯微照片，以描述不同混合比例的金屬粉末，在此是以鈦混合于氧化鋯內的比例作為標的，如圖所示，其分別描述鈦在各個重量百分比(0wt％～30wt％)時所對應的顯微照片。請同時參考圖3至圖6，由此即能明顯看出，若成型粉末內僅有陶瓷粉末時(如圖3)，其以激光燒結后的結構會有孔洞G1產生，也即代表陶瓷粉末經激光燒結后的結構，其致密性并不佳。但，隨著金屬粉末的比例增加，其孔洞G2、G3、G4的尺寸與數量明顯降低。也即，在陶瓷粉末混合一定比例的金屬粉末后，其在激光燒結的過程中，金屬粉末會先行形成金屬氧化物，而后所述金屬氧化物便能作為陶瓷粉末在燒結過程中的粘結劑，因而能提高結構的致密性。

此外值得一提的是，本實施例在氧化鋯內混合鈦，同時也有助于后續立體物件在進行后續加工或使用時面臨到1000的環境時的材質韌性(toughness)。

綜上所述，在本發明的上述實施例中，通過在陶瓷粉末中混合特定比例的金屬粉末，并進一步通過選擇性激光燒結而形成的立體物件，其兼具陶瓷與金屬的材質特性。在激光燒結過程中，由于金屬會先形成金屬氧化物，因而能作為陶瓷燒結時的粘著劑，同時能改善成型出立體物件的表面結構的致密性。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。