成型粉末及陶瓷立体物件的制造方法与流程

本发明涉及一种成型粉末及陶瓷立体物件的制造方法，尤其涉及一种混合有陶瓷与金属的成型粉末及陶瓷立体物件的制造方法。

背景技术：

快速原型制造技术使用叠层制造的方法，可依照电脑辅助设计(Computer Aided Design，以下简称CAD)所建构的3D立体几何形状，制造出3D实体物件的技术，能克服传统机具加工无法完成的几何形状，做到自动化实体自由形状制造，而且做出的原型无形状限制，为一种高度整合性的技术。

快速原型技术使用的材料包含高分子材料、金属粉末、陶瓷、纸张、蜡及复合材料等，其中陶瓷材料具有高强度、高熔点、耐腐蚀且无毒性等优点，而且陶瓷材料价格便宜，所以值得发展。

一般而言，快速原型技术所使用的工具分为两大系统：激光系统，例如，立体微影成像法(Stereolithography Apparatus，以下简称SLA)、选择性激光烧结法(Selective Laser Sintering，以下简称SLS)等；以及喷嘴系统，例如，熔融沉积造型法(Fused Deposition Modeling，以下简称FDM)、三维喷印法(3D Printing，以下简称3DP)等。

关于激光系统，因为激光能量可调整的范围较大，可加工的材料种类多，一般而言，只要是粉末状的原料都可以利用激光加以烧结或熔结成形。但是，目前并未有将金属与陶瓷混合使用于激光系统中以形成立体物件者。

技术实现要素：

本发明提供一种成型粉末及陶瓷立体物件的制造方法，其混合有金属与陶瓷的成型粉末，且将其以激光烧结手段而成型出立体物件。

本发明提供一种陶瓷立体物件的制造方法，包括，铺设一层成型粉末，所述成型粉末混合有金属粉末与陶瓷粉末，且金属粉末所占比例小于30重量 百分比(wt％)；以选择性激光烧结(selective laser sintering)所述成型粉末的至少局部，以形成一层立体单元；重复前述铺设成型粉末与选择性激光烧结，而使多层立体单元结合成立体物件。

本发明提供一种成型粉末，适于以激光烧结而形成立体物件。成型粉末包含陶瓷粉末与金属粉末，其中金属粉末所占比例小于30重量百分比(wt％)。

在本发明的一实施例中，上述金属粉末的材质为钛、铬、镍、铜、锡或钼。

在本发明的一实施例中，上述陶瓷粉末的材质为氧化锆、氧化铝或氧化硅。

在本发明的一实施例中，上述选择性激光的功率为40瓦(w)。

在本发明的一实施例中，上述选择性激光烧结时的扫描速度为40毫米/秒(mm/sec)。

在本发明的一实施例中，在上述激光烧结的过程中，金属粉末形成金属氧化物后再粘结至陶瓷粉末。

基于上述，通过在陶瓷粉末中混合特定比例的金属粉末，并进一步通过选择性激光烧结而形成的立体物件，其兼具陶瓷与金属的材质特性。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依据本发明一实施例的陶瓷立体物件的制造方法的流程图；

图2示出适于使用图1制造方法的装置示意图；

图3至图6分别是将成型粉末以激光烧结出立体物件的表面显微照片。

附图标记说明：

100：激光烧结装置；

110：激光源；

120：平台；

130：铺粉辊；

140：光学元件；

A1：成型粉末；

A2：立体单元；

G1、G2、G3、G4：孔洞；

S100、S110、S120、S130、S140：步骤；

X、Z：轴。

具体实施方式

图1是依据本发明一实施例的陶瓷立体物件的制造方法的流程图。图2示出适于使用图1制造方法的装置示意图，以描述激光烧结装置100。请同时参考图1与图2，在本实施例的步骤S100中，首先提供成型粉末A1，在此，成型粉末A1是混合有金属粉末与陶瓷粉末，且金属粉末所占比例小于30重量百分比(wt％)。接着，在步骤S110中，通过铺粉辊130将一层成型粉末A1均匀地铺设在激光烧结装置100的平台120上。

在本实施例中，所述作为成型粉末A1主要成份的陶瓷粉末的材质为氧化锆(ZrO₂)，而混合其中的金属粉末的材质为钛(Ti)、铬(Cr)或钼(Mo)。

在另一实施例中，成型粉末中作为主要成份的陶瓷粉末的材质也可为氧化铝(Al₂O₃)或氧化硅(SiO₂)，而混合其中的金属粉末也可为镍(Ni)、铜(Cu)或锡(Sn)，而同样地，金属在成型粉末中所占比例仍是小于30重量百分比(wt％)。

在步骤S120中，控制模块(未示出)依据电脑辅助设计(CAD)所建构的立体几何形状，而开始有选择地烧结该层成型粉末A1的至少局部，以形成立体单元A2。通过光学元件140(例如是扫描镜)将激光源110所产生光线投射于成型粉末A1，并沿欲成型的立体单元A2的轮廓范围以特定路径进行扫描。在此，所使用激光源110的功率为40W，且其烧结时的扫描速度为40毫米/秒(mm/sec)。需提及的是，在前期于电脑辅助设计建构立体几何形状时也已计算出所需铺设成型粉末A1与烧结出立体单元A2的范围与层数。

接着，在步骤S130中，判断是否完成立体物件的成型动作。若是，则将已成型的立体物件从平台130卸下，以利进行后续程序。若否，则进行步骤S140，即，平台130会沿Z轴下降一个成型粉末的层厚，之后继续执行步骤S110与S120，也即让铺粉辊130再次于平台130上沿X轴移动以铺设另一层成型粉末A1，而再以激光源对新的一层成型粉末A1进行烧结，以使不同 层的立体单元A2结合在一起。换句话说，在制作流程上会再次重复前述铺设成型粉末A1与选择性激光烧结等步骤，直至多个立体单元A2逐层结合而形成完整的立体物件。

另需提及的是，在选择性激光烧结之前，平台120可被加热至稍低于成型粉末的熔化温度，藉以减少热变形，并利于不同层的立体单元A2结合。

图3至图6分别是将成型粉末以激光烧结出立体物件的表面显微照片，以描述不同混合比例的金属粉末，在此是以钛混合于氧化锆内的比例作为标的，如图所示，其分别描述钛在各个重量百分比(0wt％～30wt％)时所对应的显微照片。请同时参考图3至图6，由此即能明显看出，若成型粉末内仅有陶瓷粉末时(如图3)，其以激光烧结后的结构会有孔洞G1产生，也即代表陶瓷粉末经激光烧结后的结构，其致密性并不佳。但，随着金属粉末的比例增加，其孔洞G2、G3、G4的尺寸与数量明显降低。也即，在陶瓷粉末混合一定比例的金属粉末后，其在激光烧结的过程中，金属粉末会先行形成金属氧化物，而后所述金属氧化物便能作为陶瓷粉末在烧结过程中的粘结剂，因而能提高结构的致密性。

此外值得一提的是，本实施例在氧化锆内混合钛，同时也有助于后续立体物件在进行后续加工或使用时面临到1000的环境时的材质韧性(toughness)。

综上所述，在本发明的上述实施例中，通过在陶瓷粉末中混合特定比例的金属粉末，并进一步通过选择性激光烧结而形成的立体物件，其兼具陶瓷与金属的材质特性。在激光烧结过程中，由于金属会先形成金属氧化物，因而能作为陶瓷烧结时的粘着剂，同时能改善成型出立体物件的表面结构的致密性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。