TWI739416B - 具阻燃性之三維成型物件及其製造方法 - Google Patents

具阻燃性之三維成型物件及其製造方法 Download PDF

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Abstract

本案關於一種具阻燃性之三維成型物件及其製造方法。製造方法包含步驟：a) 提供一本體包括複數個第一孔洞與複數個第二孔洞，第一孔洞自本體之外表面向內連通，且第一孔洞與第二孔洞彼此至少部份連通，第一孔洞之第一平均孔洞寬度大於第二孔洞之第二平均孔洞寬度；b) 將本體浸泡於一阻燃劑溶液內，並於一負壓環境中維持一浸泡時間，俾使阻燃劑溶液浸入複數個第一孔洞以及複數個第二孔洞，其中阻燃劑溶液由阻燃劑以及溶劑所構成；以及c) 去除複數個第一孔洞以及複數個第二孔洞中之溶劑，俾以獲致具阻燃性之三維成型物件。

Description

具阻燃性之三維成型物件及其製造方法
本案為關於一種三維成型，尤指一種具阻燃性之三維成型物件及其製造方法。
近年來例如積層製造(Additive Manufacturing)的三維成型技術大幅度的進步，由於速度的大幅提升，使其可實現工業化生產，且應用於一般產品。惟受限於三維成型製程及原材料種類之限制，尚無法全面取代模具產品或達成大量化生產的目標。尤其在產品的耐燃等級上，三維成型物件更難以突破原材料的限制。目前市面上常見之三維成型物件，僅可符合塑膠可燃性標準(Standard for Safety of Flammability of Plastic Materials)中UL94-HB等級，多無法達到UL94-V0等級及UL94-5VA等級。若使用高耐燃等級之材料進行三維成型製造，雖可改善耐燃性，但卻增加昂貴的材料及製造成本，無法提昇產品之競爭力。
因此，如何發展一種具阻燃性之三維成型物件及其製造方法來解決現有技術所面臨的問題，實為本領域亟待解決的課題。
本案的目的在於提供一種具阻燃性之三維成型物件及其製造方法。藉由例如積層製造中之材料堆疊所產生的孔洞變化，形成包含第一平均孔洞寬度及第二平均孔洞寬度之孔洞率，形成足夠的比表面積，以利於後續阻燃劑透過例如浸泡方式平均散布於三維成型物件的孔洞中，形成具阻燃性之三維成型物件。其中第一平均孔洞寬度及第二平均孔洞寬度，更可透過例如原材料尺寸、燒結能量及製程參數的調整而控制，亦可透過結構設計而控制，俾利於增加阻燃劑導入三維成型物件之效率，縮短製造流程，同時提昇三維成型物件之阻燃性。
本案另一目的在於提供一種具阻燃性之三維成型物件及其製造方法。藉由結構設計控制三維成型物件中之巨型孔洞的尺寸以及積層製造參數控制三維物件中之中型孔洞的尺寸，使三維成型物件形成包含巨型及中型的孔洞，以利於阻燃劑以液態方式浸入孔洞，並均勻散布於三維成型物件的內部，實現具阻燃性之三維成型物件的製造。其中巨型孔洞之結構有助於加速阻燃劑導入孔洞內，中型孔洞之結構有助於增加阻燃劑分布之均勻化。因此，本案具阻燃性之三維成型物件，得以實現最佳化製程。
本案再一目的在於提供一種具阻燃性之三維成型物件及其製造方法。由於三維成型物件係於積層製造成型後再進行阻燃劑之添加，免除阻燃劑影響尺寸精度變異或結構加工，亦利於三維成型物件之原料回收與再加工。
為達到前述目的，本案提供一種具阻燃性之三維成型物件的製造方法。製造方法包括步驟：a) 提供一本體，其中本體包括複數個第一孔洞以及複數個第二孔洞，其中複數個第一孔洞自本體之至少一外表面向內連通，且複數個第一孔洞與複數個第二孔洞彼此至少部份連通，複數個第一孔洞具有一第一平均孔洞寬度，以及複數個第二孔洞具有一第二平均孔洞寬度，其中第一平均孔洞寬度大於第二平均孔洞寬度；b) 將本體浸泡於一阻燃劑溶液內，並於一負壓環境中維持一浸泡時間，俾使阻燃劑溶液浸入複數個第一孔洞以及複數個第二孔洞，其中阻燃劑溶液由一阻燃劑以及一溶劑所構成；以及c) 去除複數個第一孔洞以及複數個第二孔洞中之溶劑，俾以獲致具阻燃性之三維成型物件。
於一實施例中，第一平均孔洞寬度介於50微米至100微米，且第二平均孔洞寬度介於2微米至50微米。
於一實施例中，本體係以一粉床熔融成型之技術所形成。
於一實施例中，複數個第二孔洞之內表面形成之總表面積大於複數個第一孔洞之內表面形成之總表面積。
於一實施例中，本體由一聚十二內醯胺粉末所構成，聚十二內醯胺粉末之平均粒徑範圍為10微米至70微米。
於一實施例中，本體之複數個第一孔洞與複數個第二孔洞之比表面積範圍介於0.2 米平方/克至1.0 米平方/克。
於一實施例中，負壓環境之負壓值大於50千帕(kPa)，浸泡時間介於1分鐘至10分鐘。
為達到前述目的，本案另提供一種具阻燃性之三維成型物件，包括一本體以及一阻燃劑。本體包括複數個第一孔洞以及複數個第二孔洞，其中複數個第一孔洞自本體之至少一外表面向內連通，且複數個第一孔洞與複數個第二孔洞彼此至少部份連通，複數個第一孔洞具有一第一平均孔洞寬度，以及複數個第二孔洞具有一第二平均孔洞寬度，其中第一平均孔洞寬度大於第二平均孔洞寬度。阻燃劑分布於複數個第一孔洞以及複數個第二孔洞。
於一實施例中，第一平均孔洞寬度介於50微米至100微米，且第二平均孔洞寬度介於2微米至50微米。
於一實施例中，本體係以一粉床熔融成型之技術所形成。
於一實施例中，複數個第二孔洞之內表面形成之總表面積大於複數個第一孔洞之內表面形成之總表面積。
於一實施例中，本體由一聚十二內醯胺粉末所構成，聚十二內醯胺粉末之平均粒徑範圍介於10微米至70微米。
於一實施例中，複數個第一孔洞與複數個第二孔洞之比表面積範圍介於0.2 米平方/克至1米平方/克。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上為當作說明之用，而非用於限制本案。
第1圖係揭示本案較佳實施例之具阻燃性之三維成型物件的製造方法流程圖。第2圖係揭示本案較佳實施例之具阻燃性之三維成型物件之外觀結構示意圖。第3圖係揭示本案較佳實施例之具阻燃性之三維成型物件之微觀結構示意圖。第4A圖至第4D圖係揭示本案較佳實施例之具阻燃性之三維成型物件的製造方法的階段結構示意圖。於本實施例中，具阻燃性之三維成型物件1係分段製造完成。首先，於步驟S01中，透過例如但不限於粉床熔融成型(powder bed fusion, PBF)之技術先形成一本體10，所提供之本體10包括複數個第一孔洞11以及複數個第二孔洞12。其中複數個第一孔洞11自本體10之至少一外表面S0向內連通，且複數個第一孔洞11與複數個第二孔洞12彼此至少部份連通，複數個第一孔洞具有一第一平均孔洞寬度W1，以及複數個第二孔洞12具有一第二平均孔洞寬度W2。其中該第一平均孔洞寬度W1大於該第二平均孔洞寬度W2。接著，於步驟S02中，將本體10浸泡於例如真空含浸設備中之一阻燃劑溶液13a內，並於一負壓環境中維持一浸泡時間，俾使阻燃劑溶液13a浸入複數個第一孔洞11以及複數個第二孔洞12。其中阻燃劑溶液13a由一阻燃劑13以及一溶劑(未圖示)所構成。於本實施例中，阻燃劑可例如是粉末式阻燃劑，選自礦物質(Minerals)、有機鹵素化合物(Organohalogen compounds)、有機磷化合物(Organophosphorus compounds)及有機化合物(Organic compounds)所構成之族群。於本實施例中，溶劑可例如是有機溶劑或水，任何可溶解阻燃劑13而形成阻燃劑溶液13a者，均適用於本案。當阻燃劑溶液13a於負壓環境中維持例如10分鐘以下的浸泡持間，阻燃劑溶液13a便得以浸入複數個第一孔洞11與複數個第二孔洞12。於本實施例中，負壓環境之負壓值大於50千帕(kPa)，浸泡時間介於1分鐘至10分鐘，即可使阻燃劑溶液13a完全填據複數個第一孔洞11與複數個第二孔洞12。更佳者，負壓環境之負壓值於75千帕(kPa)時，浸泡時間1至3分鐘，即可使阻燃劑溶液13a完全浸入複數個第一孔洞11與複數個第二孔洞12，如第4B圖所示。浸泡阻燃劑溶液13a後的本體10移出真空含浸設備後，阻燃劑溶液13a仍附著於複數個第一孔洞11的內表面S1與複數個第二孔洞12的內表面S2。阻燃劑溶液13a更維持完全填據複數個第二孔洞12，如第4C圖所示。最後，浸泡阻燃劑溶液13a後的本體10利用例如但不限於烘乾的方式去除複數個第一孔洞11以及複數個第二孔洞12中之溶劑，使阻燃劑13貼附於複數個第一孔洞11的內表面S1與複數個第二孔洞12的內表面S2，即可獲致本案具阻燃性之三維成型物件1。
值得注意的是，本案藉由例如積層製造中之材料堆疊所產生的孔洞變化，形成的本體10包含第一平均孔洞寬度W1及第二平均孔洞寬度W2之孔洞率，形成足夠的比表面積，範圍介於0.2 米平方/克(m 2/g)至1.0米平方/克(m 2/g)。其中第一平均孔洞寬度W1更大於第二平均孔洞寬度W2的數倍。於本實施例中，第一平均孔洞寬度W1及第二平均孔洞寬度W2，可透過例如原材料尺寸、燒結能量及製程參數的調整而控制，亦可透過結構設計而控制。當本體10以一粉床熔融成型(powder bed fusion, PBF)之技術所形成時，第一孔洞11可例如是製程所構成之巨型孔洞，第二孔洞12可例如是製程所構成中型孔洞。於一實施例中，第一孔洞11之第一平均孔洞寬度W1之大於50微米(μm)，第二孔洞12之第二平均孔洞寬度W2小於50微米(μm)。於其他實施例中，第一平均孔洞寬度W1介於50微米(μm)至100微米(μm)，而第二平均孔洞寬度W2介於2微米(μm)至50微米(μm)。當然，於其他實施例中，本體10之第一孔洞11更包含大於100微米(μm)的巨型孔洞，而第二孔洞12更包含小於2微米(μm)的微型孔洞，本案並不受限於此。
以一粉床熔融成型(powder bed fusion, PBF)技術使用之聚十二內醯胺(Polyamide 12, PA12)粉末為例，聚十二內醯胺粉末之平均粒徑範圍介於10微米至70微米，以平均粒徑60微米較佳。藉由結構設計(外觀結構設計)控制本體10中之巨型孔洞的尺寸，並以及積層製造參數(例如原材料尺寸、燒結能量大小)控制本體10中之中型孔洞的尺寸，則所製之本體10可包含之第一平均孔洞寬度W1之介於50微米，第二平均孔洞寬度W2介於2微米至50微米。換言之，本案藉由結構設計控制三維成型物件1中之巨型孔洞的尺寸以及積層製造參數控制三維物件1中之中型孔洞的尺寸，使三維成型物件1之本體10形成包含例如巨型及中型的第一孔洞11及第二孔洞12，以利於阻燃劑13以阻燃劑溶液13a之液態方式浸入第一孔洞11與第二孔洞12，並均勻散布於本體10的內部，實現具阻燃性之三維成型物件1的製造。其中例如巨型孔洞之第一孔洞11結構有助於加速含阻燃劑13之阻燃劑溶液13a導入，中型孔洞之第二孔洞12結構則有助於增加阻燃劑13分布之均勻化。於一實例中，複數個第二孔洞12之內表面S2形成之總表面積更大於複數個第一孔洞之內表面S1形成之總表面積。當然，第一孔洞11與第二孔洞12之數量、尺寸及分布可視實際應用調變，例如依據不同阻燃等級需求進行不同阻燃劑13之添加。本案透過調整本體10之孔洞孔隙率，利於增加阻燃劑13導入本體10之效率，縮短製造流程，提昇三維成型物件1之阻燃性，實現最佳化製程。
另一方面，於本實施例中，阻燃劑13可例如是粉末式阻燃劑，選自礦物質(Minerals)、有機鹵素化合物(Organohalogen compounds)、有機磷化合物(Organophosphorus compounds)及有機化合物(Organic compounds)所構成之族群，而溶劑可例如是任何可溶解阻燃劑13而形成阻燃劑溶液13a者。需說明的是，除了受第一孔洞11與第二孔洞12之數量、尺寸及分布所影響外，阻燃劑溶液13a的含浸效果可因應本體10材料的親水或親油性，而選用不同的溶液系統。於本實施例中，三維成型物件1之本體10係由一聚十二內醯胺(Polyamide 12, PA12)粉末所構成，而聚十二內醯胺高分子的表面因為醯胺基的親水基團比例低，使用有機溶劑系統構成之阻燃劑溶液13a為較佳。於其他實施例中，阻燃劑溶液13a可為一水性溶液系統，亦可添加界面活性劑增加阻燃劑溶液13a與第一孔洞11的內表面S1以及第二孔洞12的內表面S2的相容性，達到更好的潤濕性，提高阻燃劑溶液13a的含浸效果。當然，本案並不以此為限。
參考第1圖至第3圖以及第4A圖至第4D圖。於一第一示範例中，以聚十二內醯胺(Polyamide 12, PA12)粉末以低燒結能量進行粉床熔融成型(powder bed fusion, PBF)，製作厚度3.0𨤸米(mm)的試片一。其中第一孔洞11之第一平均孔洞寬度W1設計例如約100微米(μm)，低燒結能量所得高孔隙率第二孔洞12之第二平均孔洞寬度W2例如約2微米(μm)，實際測得試片一之本體10所得之比表面積為0.8727米平方/克(m 2/g)。將試片一浸泡於粉末式阻燃劑13與丁酮(Methyl Ethyl Ketone，簡稱MEK)構成之阻燃劑溶液13a。試片一經由真空含浸設備於阻燃劑溶液13a中浸泡5分鐘，負壓環境之負壓值控制於75千帞(kPa)，使阻燃劑溶液13a浸入第一孔洞11與第二孔洞12。完成真空浸泡後進行還壓。使用烘乾設備進行試片一的乾燥，試片一於50℃中乾燥10分鐘，去除阻燃劑溶液13a中的溶劑，使阻燃劑13留於第一孔洞11以及第二孔洞12。所得的試片一經塑膠可燃性測試(Safety of Flammability of Plastic Materials)，垂直置於火焰上方之試片一在30秒內停止燃燒，符合UL94-V2等級。
另外，於一第二示範例中，以聚十二內醯胺(Polyamide 12, PA12)粉末以高燒結能量進行粉床熔融成型(powder bed fusion, PBF)，製作厚度3.0𨤸米(mm)的試片二。其中第一孔洞11之第一平均孔洞寬度W1設計例如約100微米(μm)，高燒結能量所得之低孔隙率第二孔洞12之第二平均孔洞寬度W2例如約10微米(μm)，試片二之本體10所得之比表面積為0.2947 米平方/克(m 2/g)。將試片二浸泡於粉末式阻燃劑13與丁酮(Methyl Ethyl Ketone，簡稱MEK)構成之阻燃劑溶液13a。試片一經由真空含浸設備於阻燃劑溶液13a中浸泡5分鐘，負壓環境之負壓值控制於75千帞(kPa)，使阻燃劑溶液13a浸入第一孔洞11與第二孔洞12。完成真空浸泡後進行還壓。使用烘乾設備進行試片二的乾燥，試片二於50℃中乾燥10分鐘，去除阻燃劑溶液13a中的溶劑，使阻燃劑13留於第一孔洞11以及第二孔洞12。所得的試片二經塑膠可燃性測試(Safety of Flammability of Plastic Material)，垂直置於火焰上方之試片二在30秒內停止燃燒，可符合UL94-V2等級。
應說明的是，本案積層製造中形成的孔洞變化，可形成足夠的比表面積，利用後續阻燃劑13有效率的散布於孔洞中，形成具阻燃性之三維成型物件1。透過結構設計、原材料尺寸、燒結能量及製程參數的調整而控制孔洞形態，以利於增加阻燃劑導入三維成型物件之效率，並縮短製造流程，同時提昇三維成型物件1之阻燃性。其中阻燃劑13透過第一孔洞11與第二孔洞12均勻分布在本體10內，非僅塗佈於本體10之表面，其所達成之阻燃效果等同於使用昂貴耐燒材料所生產之產品，卻可使用較低的材料成本以及生產成本，使得本案具阻燃性之三維成型物件1更具產業競爭力。
另一方面，由於本案具阻燃性之三維成型物件1係於積層製造成型本體10後再進行阻燃劑13之添加，故可免除阻燃劑13在成型製程中影響尺寸精度變異或結構加工製程。阻燃劑13添加前，本體10所使用之材料單純，利於成型本體10之原料回收與再加工，不影響回收原料之物理或化學特性。阻燃劑溶液13a浸泡應用於粉床熔融成型(powder bed fusion, PBF)技術形成之本體10時，亦不影響整體外觀、材料或成型的原始製程。相同的積層製造材料可依據實際應用需求，透過本案製造方法調整第一孔洞11與第二孔洞12之數量、尺寸及分布或阻燃劑13之添加量，達成不同耐燃需求。當然，本案並不受限於積層製造之材料與阻燃劑13之種類，且不再贅述。
綜上所述，本案提供一種具阻燃性之三維成型物件及其製造方法。藉由例如積層製造中之材料堆疊所產生的孔洞變化，形成包含第一平均孔洞寬度及第二平均孔洞寬度之孔洞率，形成足夠的比表面積，以利於後續阻燃劑透過例如浸泡方式平均散布於三維成型物件的孔洞中，形成具阻燃性之三維成型物件。其中第一平均孔洞寬度及第二平均孔洞寬度，更可透過例如原材料尺寸、燒結能量及製程參數的調整而控制，亦可透過結構設計而控制，俾利於增加阻燃劑導入三維成型物件之效率，縮短製造流程，同時提昇三維成型物件之阻燃性。此外，藉由結構設計控制三維成型物件中之巨型孔洞的尺寸以及積層製造參數控制三維物件中之中型孔洞的尺寸，使三維成型物件形成包含巨型及中型的孔洞，以利於阻燃劑以液態方式浸入孔洞，並均勻散布於三維成型物件的內部，實現具阻燃性之三維成型物件的製造。其中巨型孔洞之結構有助於加速阻燃劑導入孔洞內，中型孔洞之結構有助於增加阻燃劑分布之均勻化。因此，本案具阻燃性之三維成型物件，得以實現最佳化製程。另一方面，由於三維成型物件係於積層製造成型後再進行阻燃劑之添加，免除阻燃劑影響尺寸精度變異或結構加工，亦利於三維成型物件之原料回收與再加工。
本案得由熟習此技術的人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1:具阻燃性之三維成型物件 10:本體 11:第一孔洞 12:第二孔洞 13:阻燃劑 13a:阻燃劑溶液 W1:第一平均孔洞寬度 W2:第二平均孔洞寬度 S0:外表面 S1:內表面 S2:內表面 S01~S03:步驟
第1圖係揭示本案較佳實施例之具阻燃性之三維成型物件的製造方法流程圖。 第2圖係揭示本案較佳實施例之具阻燃性之三維成型物件之外觀結構示意圖。 第3圖係揭示本案較佳實施例之具阻燃性之三維成型物件之微觀結構示意圖。 第4A圖至第4D圖係揭示本案較佳實施例之具阻燃性之三維成型物件的製造方法的階段結構示意圖。
S01~S03:步驟

Claims (10)

  1. 一種具阻燃性之三維成型物件的製造方法，包括步驟：a)提供一本體，其中該本體包括複數個第一孔洞以及複數個第二孔洞，其中該複數個第一孔洞自該本體之至少一外表面向內連通，且該複數個第一孔洞與該複數個第二孔洞彼此至少部份連通，該複數個第一孔洞具有一第一平均孔洞寬度，以及該複數個第二孔洞具有一第二平均孔洞寬度，其中該第一平均孔洞寬度大於該第二平均孔洞寬度，其中該第一平均孔洞寬度介於50微米至100微米，且該第二平均孔洞寬度介於2微米至50微米；b)將該本體浸泡於一阻燃劑溶液內，並於一負壓環境中維持一浸泡時間，俾使該阻燃劑溶液浸入該複數個第一孔洞以及該複數個第二孔洞，其中該阻燃劑溶液由一阻燃劑以及一溶劑所構成，該負壓環境之負壓值大於50千帕(kPa)，該浸泡時間介於1分鐘至10分鐘；以及c)去除該複數個第一孔洞以及該複數個第二孔洞中之該溶劑，俾以獲致該具阻燃性之三維成型物件。
  2. 如請求項1所述的製造方法，其中該本體係以一粉床熔融成型之技術所形成。
  3. 如請求項2所述的製造方法，其中該複數個第二孔洞之內表面形成之總表面積大於該複數個第一孔洞之內表面形成之總表面積。
  4. 如請求項2所述的製造方法，其中該本體由一聚十二內醯胺粉末所構成，該聚十二內醯胺粉末之平均粒徑範圍為10微米至70微米。
  5. 如請求項4所述的製造方法，其中該本體之比表面積範圍介於0.2米平方/克至1.0米平方/克。
  6. 一種具阻燃性之三維成型物件，包括：一本體，包括複數個第一孔洞以及複數個第二孔洞，其中該複數個第一孔洞自該本體之至少一外表面向內連通，且該複數個第一孔洞與該複數個第二孔洞彼此至少部份連通，該複數個第一孔洞具有一第一平均孔洞寬度，以及該複數個第二孔洞具有一第二平均孔洞寬度，其中該第一平均孔洞寬度大於該第二平均孔洞寬度，其中該第一平均孔洞寬度介於50微米至100微米，且該第二平均孔洞寬度介於2微米至50微米；以及一阻燃劑，分布於該複數個第一孔洞以及該複數個第二孔洞。
  7. 如請求項6所述具阻燃性之三維成型物件，其中該本體係以一粉床熔融成型之技術所形成。
  8. 如請求項7所述具阻燃性之三維成型物件，其中該複數個第二孔洞之內表面形成之總表面積大於該複數個第一孔洞之內表面形成之總表面積。
  9. 如請求項7所述具阻燃性之三維成型物件，其中該本體由一聚十二內醯胺粉末所構成，該聚十二內醯胺粉末之平均粒徑範圍介於10微米至70微米。
  10. 如請求項9所述具阻燃性之三維成型物件，其中該本體之比表面積範圍介於0.2米平方/克至1米平方/克。
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