TWI595116B

TWI595116B - 電漿式積層製造方法及裝置

Info

Publication number: TWI595116B
Application number: TW105105259A
Authority: TW
Inventors: 陳政嚴
Original assignee: 正鉑實業有限公司
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2017-08-11
Also published as: TW201730375A

Description

電漿式積層製造方法及裝置

本發明係關於一種積層製造方法及裝置，尤指利用高溫產生金屬離子之電漿式積層製造方法及裝置。

3D列印，又稱增材製造、積層製造(Additive Manufacturing，AM)，相關前案例如有台灣專利公告號M509118之「3D列印機之列印平台自動更換機構」。3D列印屬於快速成形技術的一種，它是一種以數位模型檔案為基礎，直接製造三維實體的技術。3D列印種類主要包含：選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering,SLS)、選擇性雷射熔融(Selective Laser Melting,SLM)、熔融沉積式(Fused Deposition Modeling,FDM)等。

其中的熔融沉積式，由於需要升溫至足夠的工作溫度讓耗材融化，但一般加熱方式溫度有限，較難以採用熔點較高的金屬作為耗材，而使得3D列印的應用領域受限。

另檢索有前案如台灣專利公開號201505820之「帶有電漿源之三維(3D)處理及列印」，揭露方法包括：引入多數化學先驅物至一或多個點電漿源之中；利用一或多個電源，在該一或多個點電漿源中由該等化學先驅物產生電漿；藉由相關於該一或多個點電漿源移動一工作台的方式，利用所產生的電漿，將放置於該工作台上一基材局部圖案化。但此案是利用化學先驅物產生電漿，與本案利用固態金屬作為耗材的技術並不相同。

爰此，本發明人為使積層製造可採用熔點較高的固態金屬作為耗材，而提出一種電漿式積層製造方法，包含：A.提供一列印頭，該列印頭包含一導電體、及固態之一導電耗材分別連接一供電模組的一正極及一負極，且該導電耗材與該導電體之間有一距離；B.對該導電耗材及該導電體施予用於形成放電通路之一工作電流，藉此使該導電耗材升溫至一工作溫度而產生一金屬離子，並輸送一承載氣體使該金屬離子被帶離該列印頭而附著於一工作平台上；C.相對移動該列印頭及該工作平台，以在該工作平台形成一成型物件。

進一步，該導電耗材係選自下列之任一或組合：金、銀、鐵、鋁、銅、鈦、鉻、銀、鎢、錫、鉑。

進一步，該工作電流為係為1安培至20安培之間。

進一步，該承載氣體為氮氣、二氧化碳、氬氣、空氣、氦氣、氫氣之任一或組合。

進一步，該導電耗材為一線材，該導電耗材經由一進給機構接觸式地帶動，該導電耗材的末端或該進給機構電性連接該供電模組。

進一步，該導電耗材為一線材，該導電耗材經由一進給機構接觸式地帶動，該進給機構包含複數進給輪及一導引件，前述進給輪或該導引件為導電材質且電性連接該供電模組，前述複數進給輪之間界定一夾掣空間用於夾掣該導電耗材，該導引件具有一導線槽用於導引該導電耗材。

本發明亦為一種電漿式積層製造裝置，包含：一工作平台；一供電模組；一列印頭，包含一噴口、及一進給空間連通該噴口，該列印頭具有位於該進給空間一導電體、及一導電耗材，該導電體及該導電耗材分別連接該供電模組的一正極及一負極，且該導電耗材與該導電體之間有一距離；一進氣單元，用以輸送一承載氣體至該進給空間及該噴口；一調整機構，連接該工作平台及該列印頭至少之一；以及一控制模組，電性連接該調整機構及該供電模組，以藉由該調整機構控制該工作平台及該列印頭相對位移，並控制該供電模組的工作電流。

根據上述技術特徵可達成以下功效：

1.直接將該導電耗材作為電極，使該導電耗材可釋出電漿之金屬離子，因此可採用熔點較高的固體金屬作為積層製造的耗材，使積層製造可製造更為多樣化的成型物件。

2.導電耗材可藉由進給機構連接供電模組，因此可連續地供給導電耗材。

(1)‧‧‧工作平台

(2)‧‧‧供電模組

(21)‧‧‧正極

(22)‧‧‧負極

(3)‧‧‧列印頭

(31)‧‧‧噴口

(32)‧‧‧進給空間

(301)‧‧‧導電體

(302)‧‧‧導電耗材

(4)‧‧‧進氣單元

(41)‧‧‧承載氣體

(5)‧‧‧調整機構

(6)‧‧‧控制模組

(7)‧‧‧進給機構

(71)‧‧‧進給輪

(711)‧‧‧夾掣空間

(72)‧‧‧導引件

(721)‧‧‧導線槽

(D)‧‧‧金屬離子

[第一圖]係本發明實施例電漿式積層製造裝置之平面示意圖。

[第二圖]係本發明實施例電漿式積層製造裝置之系統架構示意圖。

[第三圖]係本發明實施例電漿式積層製造裝置之進給裝置的平面示意圖。

[第四圖]係本發明實施例電漿式積層製造裝置使用之步驟流程示意圖。

綜合上述技術特徵，本發明電漿式積層製造方法及裝置的主要功效將可於下述實施例清楚呈現，且相似的元件將搭配相同的符號說明。

請先參閱第一圖及第二圖，係揭示本發明實施例電漿式積層製造裝置，包含：一工作平台(1)、一供電模組(2)、一列印頭(3)、一進氣單元(4)、一調整機構(5)、一控制模組(6)，其中：如第一圖所示，該列印頭(3)包含一噴口(31)、及一進給空間(32)連通該噴口(31)，該列印頭(3)具有位於該進給空間(32)之一導電體(301)、及一導電耗材(302)，該導電體(301)及該導電耗材(302)分別連接該供電模組(2)的一正極(21)及一負極(22)，且該導電耗材(302)與該導電體(301)之間有一距離。詳細而言，該導電耗材(302)為固態線材，且材料可選自下列之任一或組合：金、銀、鐵、鋁、銅、鈦、鉻、銀、鎢、錫、鉑，但材料並不以此為限，亦可為其他具導電性質的材料。

如第一圖所示，該進氣單元(4)用以輸送一承載氣體(41)至該進給空間(32)及該噴口(31)。詳細而言，該進氣單元(4)例如為壓縮氣瓶配合輸送管路輸送該承載氣體(41)，而該承載氣體(41)例如為氮氣、二氧化碳、氬氣、空氣、氦氣、氫氣等惰性氣體。但要強調的是，上述氣體種類僅為例示，並不以此為限。

如第二圖所示，該調整機構(5)連接該工作平台(1)及該列印頭(3)至少之一。該控制模組(6)電性連接該調整機構(5)及該供電模組(2)，以藉由該調整機構(5)控制該工作平台(1)及該列印頭(3)相對位移，並控制該供電模組(2)的工作電流。該工作電流例如為1安培至20安培之間。舉例而言，該調整機構(5)例如可包含一位移平台及一升降模組，該位移平台可提供X、Y軸位移量，該升降模組則可提供Z軸的位移量，但該調整機構(5)已屬於習知技術且實施上不以此為限，只要達到可讓該工作平台(1)及該列印頭(3)相對位移的目的即可，因此不再贅述。

如第一圖及第三圖所示，較佳的是，更包括一進給機構(7)，該進給機構(7)舉例而言可包含複數進給輪(71)、一導引件(72)及一捲軸(73)，前述進給輪(71)、該導引件(72)或該捲軸(73)為導電材質且電性連接該供電模組(2)，前述複數進給輪(71)之間界定一夾掣空間(711)用於夾掣該導電耗材(302)，該導引件(72)具有一導線槽(721)用於導引該導電耗材(302)，該捲軸(73)則連接該導電耗材(302)的末端，藉此，即可達到輸送該導電耗材(302)的目的。但該進給機構(7)於實施上不以此為限，只要達到可輸送該導電耗材(302)且可導電至該導電耗材(302)的目的即可。例如可將該導電耗材(302)的末端直接電性連接該供電模組(2)，或者藉由導電材質之捲軸(73)電性連接該供電模組(2)，亦可達到導電至該導電耗材(302)的目的。

使用步驟，續請參閱第三圖及第四圖。上述電漿式積層製造裝置後可設置於接近真空的環境中，可先藉由該進給機構(7)之進給輪(71)及該導引件(72)，將該導電耗材(302)輸送至該列印頭(3)的進給空間(32)，而使該導電耗材(302)與該導電體(301)之間有前述距離。

續請參閱第一圖，接著對該導電體(301)及該導電耗材(302)施予可形成放電通路之一工作電流，藉此使該導電耗材(302)升溫至一工作溫度(視採用該導電耗材的材料種類而定)而產生金屬離子(D)，並輸送一承載氣體(41)使該金屬離子(D)被帶離該列印頭(3)而附著於該工作平台(1)上。

續請參閱第一圖及第二圖，再由該控制模組(6)依據預期的路徑控制該列印頭(3)及該工作平台(1)相對移動，而該導電耗材(302)於消耗一定長度後(例如藉由光偵測單元偵測長度消耗、或依據消耗速率設定導電耗材的進給速率)，可再經由該進給機構(7)輸送至該列印頭(3)，藉此使產生的金屬離子(D)可先後附著於該工作平台(1)或疊層累積，而逐漸在該工作平台(1)形成一成型物件。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。