[发明专利]异向双出口布料弹性3D成形技术

说明书

一种异向双出口布料弹性3D成形技术的系统及方法，其特点在于使用一异向双出口布料头，包含两个分布方向不同的布料出口，分别可以涂布立式或卧式的带状材料，增进组成3D制件的几何弹性；布料路径可采用弹性变向式积层方式，使材料能沿3D制件的表面切线方向成形；并突破现行的细线薄层的布料方法，也可采取一厚层成形方法逐层布料，以一微分模具改变出料曲率或以一整形装置修整已涂布的材料，以消除积层阶梯问题，使表面光滑度更好，并加快3D成形速度。

技术领域

本发明系关于异向双出口布料弹性3D成形技术的系统及方法，特别是关于以更快的速度至成表面光滑度更好的3D原型、元件及模具的系统及方法。

背景技术

现行已商业化的积层制造技术，在金属成形方面主要以金属粉末积层法(Selective Laser Melting，SLM)，在非金属成形方面主要有光固化成形法(Stereolithography，SLA)、熔融沉积成形法(Fused Deposition Modeling，FDM)、3D列印法(3D Printing，3DP)及层状推叠制造法(Laminated Object Manufacturing，LOM)等。然而其实际应用领域尚不普遍，其原因为目前工业界咸认有下列几项缺点仍待解决：(1)成形速度慢、(2)表面粗度差、(3)材料种类限制及(4)设备及材料成本高。

追究上述缺点的原因，系为现行各法采用的基本成形方式原则上皆是以水平积层布料且利用连点成线之态样固化成形。不论制件之几何形状如何，布料时一律采用水平方向积层，因积层具有一定厚度，故遇到曲面、斜面等特征结构时，会有积层阶梯产生使着表面粗度变差。然而在固化时系以连点成线进而建构成平面、立体等结构，利用单点累积成所需之立体结构，导致成形速度慢。如为改善曲面表面品质而减小积层厚度(即减小积层阶梯)，则成形速率将会大幅减缓，因为以点写体及水平积层布料的总时间都会增加。图1(a)为一3D制件实例，图1(b)、(c)则示意出以目前现行积层制造技术制造时的情形，图1(b)为叶片部份放大图，图1(c)为断面示意图。其中点线201为水平积层的横切格子结构示意，217、218为水平积层的材料成形情形，其叶片103及轮毂102外壁必然会产生积层阶梯，造成表面粗度差(214、212)。粗黑曲线203则表示出连点成线固化之扫描情形，利用以点写体的建构方式，导致成形速度慢。而在成形物理方面现行各法分别需要高均粒度、高流动性金属粉末(成本为一般粉末7-8倍)、光敏高分子、雷射、环境控制箱等相关设备，故制造成本高。且为达到高成形密度，还需要将不同粒度金属粉末以不同比例混合，程序复杂。

复以SLM(或Selective Laser Sintering，SLS)法为例，其制件的表面粗糙度与雷射成型的路径之角度有关系，在垂直或平行雷射烧结之平面可以得到比较好的表面粗糙度，曲面或斜面之表面粗糙度则受到一定限制[Amend,P.et al.,”A fast and flexiblemethod for manufacturing 3D molded interconnect devices by the use of a rapidprototyping technology”,Journal of Physics Procedia,Volume 5,Part B,2010,Pages 561–572.]。SLM系统制成的塑胶射出成型模心，利用SLM系统制成的塑胶射出成型用模心，一般表面粗度达40微米(与砂模铸造相当)，并需预留200-500微米供后续切削加工。亦有研究使用雷射进行抛光，将雷射之光点范围调大，能将表面金属重新熔化并再次固化，以达到抛光的效果。但此法所耗费能量相当高，因此成本也相对提高。且结果仍未达成工业界所期望之表面光滑度[A.Lamikiz et al.,”Laser polishing of parts built up byselective laser sintering”,International Journal of Machine ToolsManufacture47(2007)2040–2050]。