TWI548533B - 立體列印裝置 - Google Patents

Description

立體列印裝置

本發明是有關於一種列印裝置，且特別是有關於一種立體列印裝置。

隨著科技的日益發展，許多利用逐層建構模型等加成式製造技術(additive manufacturing technology)來建造物理三維(three-dimensional,3-D)模型的不同方法已紛紛被提出。一般而言，加成式製造技術是將利用電腦輔助設計(computer-aided design,CAD)等軟體建構的3-D模型的設計資料轉換為連續堆疊的多個薄(准二維)橫截面層。

目前已發展出許多可以形成多個薄橫截面層的方式。舉例來說，在液態成型材中設置移動平台，並依據3-D模型的設計資料建構的X-Y-Z座標驅動光源沿著X-Y座標移動照射液態成型材，從而將液態成型材固化出正確的橫截面層形狀。接著，隨著移動平台沿Z軸移動，所固化的材料可在逐層固化的狀態下進而形成立體物件。

然而，在目前所用以固化材料的光源方面，多以雷射光 源為主，但受雷射光源所需對應的光學構件限制，雷射光源與照射標的之間仍須存在一定焦距，因而是以光點型態在液態成型材中沿著X-Y軸進行直線來回掃描。但此舉在進行具有弧線、曲線等輪廓的外形掃描時，卻因而造成表面輪廓產生鋸齒狀的結構，因而造成外觀上的不良影響。據此，如何對所述不良影響予以進一步改善，則是本領域開發人員的主要課題。

本發明提供一種立體列印裝置，其藉由移動式光源在照射平面上的照射軌跡為曲線，而使列印出的立體物件具有較佳的外觀品質。

本發明的立體列印裝置，包括盛槽、移動平台轉動軸、旋轉臂以及至少一光源。盛槽用以盛裝液態成型材。移動平台可移動地設置於盛槽。移動平台的局部浸於液態成型材中。轉動軸設置在盛槽的上方或下方。旋轉臂連接轉動軸，且旋轉臂被轉動軸驅動而旋轉。光源配置於旋轉臂以隨著旋轉臂而旋轉。隨著移動平台的局部在液態成型材中移動，光源提供光線照射液態成型材，以逐層固化部分液態成型材而在移動平台上形成立體物件。在液態成型材中的照射平面上，光源移動的軌跡為曲線。移動平台的移動方向垂直於照射平面。

在本發明的一實施例中，上述光源移動的軌跡為弧線。

在本發明的一實施例中，上述光源移動的軌跡為圓形的 至少局部。

在本發明的一實施例中，上述的旋轉臂相對於轉動軸而呈徑向延伸。

在本發明的一實施例中，上述的光源可移動地配置在旋轉臂上。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置還包括多個光源，沿徑向配置在旋轉臂上。至少部分光源選擇地提供光線朝向盛槽內的液態成型材照射。

基於上述，在本發明的上述實施例中，藉由將光源配置在旋轉臂上，因而在旋轉臂相對於轉動軸進行旋轉動作時，即能使其上的光源提供的光線軌跡在液態成型材的照射平面上為曲線。據此，光源便能以曲線輪廓照射液態成型材，因而得以有效避免前述因直線來回掃描而造成的鋸齒狀外形，因而使本案所列印出的立體物件具有較佳的外觀。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧立體列印裝置

110、410、510A、510B‧‧‧光源

120‧‧‧移動平台

122‧‧‧基座

130‧‧‧控制單元

140‧‧‧盛槽

150‧‧‧承載件

160‧‧‧轉動軸

170、570A、570B‧‧‧旋轉臂

200‧‧‧液態成型材

210、310‧‧‧立體物件

C1‧‧‧軸向

D1‧‧‧移動方向

D2‧‧‧移動軌跡

D3‧‧‧徑向

D4‧‧‧移動軌跡

L1~L3‧‧‧部分

P1‧‧‧照射平面

圖1是依照本發明一實施例的一種立體列印裝置的示意圖。

圖2是本發明另一實施例的一種立體列印裝置的示意圖。

圖3是圖1的光源的俯視圖。

圖4是本發明另一實施例的立體列印裝置所形成的立體物件的示意圖。

圖5是點光源以直線掃瞄形成圓形輪廓的軌跡示意圖。

圖6是本發明另一實施例的一種立體列印裝置的局部示意圖。

圖7繪示圖6的光源所產生的其中一軌跡型式。

圖8是本發明又一實施例的一種立體列印裝置的局部示意圖。

圖1是依照本發明一實施例的一種立體列印裝置的示意圖。在此同時提供直角座標系以便於描述相關構件。請參考圖1，在本實施例中，立體列印裝置100適於從立體模型(未繪示)而製造出立體物件210，其中立體模型可例如透過電腦輔助設計(CAD)或動畫建模軟體等建構而成，並將立體模型橫切為多個橫截面以供立體列印裝置100讀取此立體模型，並依據此立體模型的橫截面製造出立體物件210。

詳細而言，本實施例的立體列印裝置100包括光源110、移動平台120、控制單元130以及盛槽140。盛槽140用盛裝液態成型材200，移動平台120設置在盛槽140旁，且移動平台120的局部浸入盛槽140的液態成型材200中。光源110可移動地設置在盛槽140下方。控制單元130電性連接移動平台120與光源 110。在此，隨著移動平台120的局部在液態成型材200中移動(從接近液態成型材200的液面處朝向盛槽140底部移動)，光源110提供光線照射液態成型材200，以逐層固化部分液態成型材200而最終在移動平台120的基座122上形成立體物件210。在本實施例中，液態成型材200例如是光敏樹脂，而光源110用以提供紫外光以將液態成型材200固化，但本發明並不限於此。任何能達成上述形成立體物件的材料與手段，皆可適用於本發明。

另外，本發明並未限制光源相對於盛槽的位置。圖2是本發明另一實施例的一種立體列印裝置的示意圖。與上述實施例不同的是，本實施例的光源110是可移動地設置在盛槽140上方，其同樣能提供如上述的光固化製程而產生相同效果，僅在於本實施例的移動平台120需從盛槽140底部朝液態成型材200的液面移動。後續說明將以圖1的實施例為主要描述對象。

圖3是圖1的光源110的俯視圖。請同時參考圖1與圖3，在此值得注意的是，位在液態成型材200的照射平面P1(即，平行於X-Y平面)上，光源110所產生的移動軌跡D2為曲線，且移動平台120的移動方向D1(即，平行Z軸)垂直於此照射平面P1。在本實施例中，立體列印裝置100還包括設置於盛槽140下方的承載件150、轉動軸160與旋轉臂170，其中轉動軸160與旋轉臂170設置在承載件150內，轉動軸160提供軸向C1，旋轉臂170徑向地連接於轉動軸160，而前述光源110是由多個發光元件，例如發光二極體(LED)所組成，且配置於旋轉臂170內。 據此，旋轉臂170被轉動軸160帶動而以軸向C1進行旋轉，因此位在旋轉臂170上的光源110便能在照射平面P1上形成曲線移動軌跡D2。需說明的是，本實施例的圖式並未限制發光元件的數量，且受限於圖式限制，僅繪示數個發光元件為代表。一般而言，在立體列印的過程中，若需產生解析度300DPI(dot per inch)的立體物件210時，則光源110需以至少300個發光元件在一英吋的範圍內予以組成。

更進一步地說，本實施例的轉動軸160能接受控制單元130的控制訊號，而調整旋轉臂170以軸向C1進行的旋轉動作(包括轉動方向與角度)，因此能讓光源110在照射平面P1的移動軌跡D2為弧線或是圓形的至少局部。本實施例僅以圓形軌跡作為光源軌跡的代表而予以描述，但設計者可依據相關結構而予以適當地變更而使光源在照射平面上的軌跡採以其他型式的曲線。如此一來，藉由上述光源110的配置於運動方式，便能避免習知以光點型式進行直線掃瞄液態成型材200，而使其形成具有曲線輪廓的立體物件時所造成鋸齒狀邊緣的情形。

舉例來說，圖4是本發明另一實施例的立體列印裝置所形成的立體物件的示意圖。圖5是點光源以直線掃瞄形成圓形輪廓的軌跡示意圖，以作為圖4的對照。請同時參考圖3至圖5，在本實施例中，圖4所示立體物件310例如是以控制單元130在控制旋轉臂170以軸向C1相對於轉動軸160轉動時，亦同時控制不同的發光元件進行發光或不發光。舉例來說，如圖2所示，在此 將發光元件區分為多個部分L1、L2與L3，各部分均包括複數個發光元件，其中利用控制單元130控制發光元件的部分L1、L3發光，而控制L2不發光的情形，以此對液態成型材200進行逐層固化，進而形成如圖4所示同心圓柱的立體物件310。換句話說，本實施例的立體列印裝置100是能以至少部分光源110(即前述發光元件L1、L3)而選擇地提供光線以照射液態成型材200。值得一提的是，此時若以習知光點型式的光線對液態成型材照射，其需在照射平面(即X-Y平面)進行直線來回掃瞄而形成同心圓柱，如圖5所示，此掃瞄方式便會在圓形輪廓上形成鋸齒狀結構。因此，本發明藉由改變光源的移動方式，而能使所製造出的立體物件210、310具有圓滑的外型與較佳的外觀品質。

圖6是本發明另一實施例的一種立體列印裝置的局部示意圖，用以繪示立體列印裝置的光源部分。圖7繪示圖6的光源所產生的其中一軌跡型式。請同時參考圖6與圖7，在本實施例中，僅在旋轉臂170上配置一個發光元件作為本實施例之光源410。但與前述實施例存在相異處尚有本實施例的光源410是能相對於轉動軸160而沿著徑向D3(如圖中雙箭號所示方向)可移動地配置在旋轉臂170上。如此一來，藉由控制單元130(繪示於圖1)的控制，除能以旋轉臂170相對於轉動軸160進行旋轉之外，尚能藉由光源410在旋轉臂170上來回移動，並因此能形成如圖7所示的移動軌跡D4。惟本實施例並未限制軌跡的型式，其能藉由控制光源410的移動方式、旋轉臂170的移動方式以及光源410 的發光頻率予以適當地組合，進而提高光源410照射於液態成型材200的軌跡型式與範圍。換句話說，本實施例之光源410在照射平面P1上的光跡可視為移動軌跡D2與徑向D3的結合向量。類似地，在本發明另一未繪示的實施例中，亦可以多個可移動發光元件配置在旋轉臂上。

圖8是本發明又一實施例的一種立體列印裝置的局部示意圖，用以繪示立體列印裝置的光源部分。與前述實施例不同的是，本實施例存在兩個旋轉臂570A、570B，其分別連接於轉動軸160且各自相對於轉動軸160而沿徑向延伸。光源510A、510B分別配置在旋轉臂570A、570B上，且位於旋轉臂570A上的光源510A是由一個能沿旋轉臂570A來回移動的發光元件所組成，而位在旋轉臂570B上的光源510B是由沿徑向排列的多個發光元件所組成。如此，立體列印裝置能藉由光源的多型式配置與運動方式，而經由控制單元130(繪示於圖1)以選擇地提供光線或增加其移動軌跡的型式。基於上述，任何藉由改變光源配置在旋轉臂上的數量、配置與運動狀態者，皆可適用於本發明。

綜上所述，在本發明的上述實施例中，立體列印裝置藉由調整光源在盛槽下方的移動方式，而使光源在照射平面上的移動軌跡為曲線，因而讓液態成型材在經光線照射而固化的過程中，能因此而避免形成非直線的外形輪廓時造成鋸齒狀的外形。再者，設計者可據此調整光源的數量、配置及運動方式，以提高移動式光源在照射平面上的光跡型式，而增加其適用範圍。如此， 藉由上述光源的相關結構與配置，即能使本案所列印出的立體物件具有較佳的外觀。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧立體列印裝置

110‧‧‧光源

120‧‧‧移動平台

122‧‧‧基座

130‧‧‧控制單元

140‧‧‧盛槽

150‧‧‧承載件

160‧‧‧轉動軸

170‧‧‧旋轉臂

200‧‧‧液態成型材

210‧‧‧立體物件

C1‧‧‧軸向

D1‧‧‧移動方向

P1‧‧‧照射平面

Claims (14)

1. 一種立體列印裝置，包括：一盛槽，用以盛裝一液態成型材；一移動平台，可移動地設置於該盛槽，且該移動平台的局部浸於該液態成型材中；一轉動軸，對應於該盛槽且以一軸旋轉，其中該軸的一軸向實質上垂直於該盛槽的一底面；以及至少一光源，配置於該轉動軸上且以該軸旋轉，隨著該移動平台的局部在該液態成型材中移動，該光源提供光線照射該盛槽內的該液態成型材，以逐層固化部分該液態成型材而在該移動平台上形成一立體物件。
2. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該光源移動的軌跡為一圓形的至少局部。
3. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該轉動軸沿一徑向延伸出一旋轉臂，該旋轉臂隨著該轉動軸而以該軸旋轉。
4. 如申請專利範圍第3項所述的立體列印裝置，其中該光源可移動地配置於該旋轉臂上。
5. 如申請專利範圍第4項所述的立體列印裝置，其中該光源移動的軌跡為一弧線。
6. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該轉動軸設置於該盛槽的上方或下方。
7. 一種立體列印裝置，包括：一盛槽，用以盛裝一液態成型材； 一移動平台，可移動地設置於該盛槽，且該移動平台的局部浸於該液態成型材中，一轉動軸，對應該盛槽設置且以一軸旋轉，其中該軸的一軸向實質上垂直於該盛槽的一底面；一旋轉臂，連接該轉動軸，該旋轉臂被該轉動軸驅動而沿該軸旋轉；以及至少一光源，配置於該旋轉臂以隨著該旋轉臂旋轉，隨著該移動平台的局部在該液態成型材中移動，該光源提供光線照射該液態成型材，以逐層固化部分該液態成型材而在該移動平台上形成一立體物件。
8. 如申請專利範圍第7項所述的立體列印裝置，其中該光源移動的軌跡為一弧線。
9. 如申請專利範圍第7項所述的立體列印裝置，其中該光源移動的軌跡為一圓形的至少局部。
10. 如申請專利範圍第7項所述的立體列印裝置，其中該旋轉臂相對於該轉動軸而呈徑向延伸。
11. 如申請專利範圍第7項所述的立體列印裝置，其中該光源可移動地配置在該旋轉臂上。
12. 如申請專利範圍第7項所述的立體列印裝置，還包括：多個光源，沿徑向配置在該旋轉臂上，至少部分該些光源選擇地提供光線朝向該盛槽內的液態成型材照射。
13. 如申請專利範圍第7項所述的立體列印裝置，其中該光 源位於該盛槽上方。
14. 如申請專利範圍第7項所述的立體列印裝置，其中該光源位於該盛槽下方。