CN102371776A - 适用于立体成型机构的喷印模块 - Google Patents

Abstract

本发明是一种喷印模块，适用于一立体成型机构，该立体成型机构铺设20-120μm的粉末颗粒，该喷印模块至少包含一喷印匣及一喷印控制电路，其中该喷印匣具有一喷孔片以及一喷印芯片，该喷孔片具有多个喷孔，其特征在于：该多个喷孔的孔径为15-20μm，当该喷印芯片的驱动电压控制为12-15伏特，且该喷印控制电路传送1.4-2.0μs的加热脉冲电压至该喷印芯片时，该多个喷孔喷出直径大约64-68μm的液滴，以覆盖该粉末颗粒至少2/3以上的表面积。

Description

适用于立体成型机构的喷印模块

技术领域

本发明是关于一种喷印模块，尤指一种适用于立体成型机构的喷印模块。

背景技术

快速成型技术(Rapid Prototyping，简称RP技术)是依据建构金字塔层层堆叠成型的概念所发展而成，其主要技术特征是成型的快捷性，能在不需要任何刀具，模具及卡具的情况下自动、快速将任意复杂形状的设计方案快速转换为3D的实体模型。

目前RP技术发展出利用喷印技术结合载具精密定位技术的方式来生产3D的实体模型，其生产方式是先将一层粉末铺设于载具上方并利用喷墨打印技术于部分粉末上喷印高黏度胶合剂液体，使胶合剂液体与粉末沾黏并固化，一直重复上述工序层层堆砌即可完成3D的实体模型。

若将现有平面喷印技术应用在快速立体成型机上，由于现有平面喷印技术的喷液量是喷印在2D图纸上，所以喷点越小越细致，分辨率也越高，但若应用到3D成型时，2D平面专用的打印喷头一次所喷出的喷点液量，尚不足以覆盖一个立体粉末颗粒的表面，会造成色彩饱和度不足，由于3D打印品质的决定除了在喷头及打印精度外，最重要的是被喷印物的粉末颗粒大小，请参阅图1，其是在微观下待喷印的粉末颗粒呈现立体表面的结构示意图，由于，在粉末颗粒11平铺于建构平台12上待打印时，微观下待喷印的粉末颗粒11是呈现立体表面，因此所需的喷印液量会远超过一般进行平面喷印的需求，以现有平面喷印技术应用到3D成型时，待喷印的粉末颗粒11粒径大小为20-120μm，而一般2D平面专用的打印喷头在分辨率为1200Dpi时其喷墨孔的孔径大小约为15μm以下，因此，2D平面专用的打印喷头一次所喷出的喷点液量，液体13仅能覆盖一个立体粉末颗粒11约1/3表面的面积(如图2所示)，因此，一般现有的作法是在同一粉末颗粒11上进行多次喷印，才能让成品颜色鲜艳细致，如此会造成时间上的浪费、多次喷印导致色彩不连续而造成喷印品质不佳以及打印喷头寿命相对减短的缺点。

因此，如何发展一种可改善上述现有技术缺失的适用于立体成型机构的喷印模块，实为目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种适用于立体成型机构的喷印模块，以解决现有使用2D平面专用的打印喷头一次所喷出的喷点液量，仅能覆盖一个立体粉末颗粒约1/3表面的面积，需在同一粉末颗粒上进行多次喷印，造成时间上的浪费、多次喷印导致色彩不连续而造成喷印品质不佳以及打印喷头寿命相对减短等缺点。

为达上述目的，本发明的一较广义实施态样为提供一种喷印模块，适用于一立体成型机构，该立体成型机构铺设粒径20-120μm的粉末颗粒，该喷印模块至少包含一喷印匣及一喷印控制电路，其中该喷印匣具有一喷孔片以及一喷印芯片，该喷孔片具有多个喷孔，其特征在于：该多个喷孔的孔径为15-20μm，当该喷印芯片的驱动电压控制在12-15伏特，且该喷印控制电路传送1.4-2.0μs的加热脉冲电压至该喷印芯片时，该多个喷孔喷出直径大约64-68μm的液滴，以覆盖该粉末颗粒至少2/3以上的表面积。

本发明的有益技术效果是：本发明是借助喷印匣的喷孔片所包含的该多个喷孔的孔径为15-20μm，对该喷印芯片的驱动电压为12-15伏特，以及喷印控制电路传送1.4-2.0μs的加热脉冲电压至喷印芯片，以使多个喷孔可喷出直径大约64-68μm的液滴，以覆盖粒径20-120μm大小的粉末颗粒的表面积，使得本发明的喷印模块仅需在同一粉末颗粒上进行一次喷印，可达到快速喷印、单次喷印可达到良好的喷印品质以及延长喷印匣寿命等功效。

附图说明

图1是在微观下待喷印的粉末颗粒呈现立体表面的结构示意图。

图2是图1所示的粉末颗粒上喷印液体的剖面示意图。

图3A是本发明较佳实施例的喷印匣的结构示意图。

图3B是图3A移除喷孔片后的结构示意图。

图3C是图3A移除部分喷孔片后的结构示意图。

图4A是图3B所示的加热器示意图。

图4B是图4A的电路图。

图5是图3B所示的另一加热器示意图。

图6A是喷印模块的喷印控制电路与喷印芯片的连接结构示意图。

图6B是图6A所示的喷印数据信号PD、加热控制信号MF、预热控制信号PF的电压信号波形图。

图7是利用本发明的喷印模块于粉末颗粒上喷印液滴的剖面示意图。

图8是本发明的喷印芯片的驱动电压及喷孔的喷出速度关系图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图标在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明的喷印模块可适用于一立体成型机构(未图标)，例如：落地型立体成型机构，来建构3D实体模型，且该立体成型机构是于一建构平台71上铺设一层粒径20-120μm大小的粉末颗粒72(如图7所示)，该喷印模块至少包含一喷印匣3(如图3A所示)及一喷印控制电路6(如图6A所示)。

请参阅图3A，其是本发明较佳实施例的喷印匣的结构示意图。其中图3A所示的喷印匣3是一简化后的结构示意图，于本实施例中，喷印匣3是一长条状结构且包含喷印芯片31、电连接片32、喷孔片33以及三个轴线阵列34的加热器35(如图3B所示)，且喷孔片33上包含多个对应于加热器35的喷孔331。

请参阅图3B及图3C，其中图3B其是图3A移除喷孔片后的结构示意图，图3C其是图3A移除部分喷孔片后的结构示意图，如图所示，本实施例的喷印匣3的喷印芯片31的表面上的加热器35是设置成沿参考轴线L延伸的轴线阵列34，并相对参考轴线L横向或侧向相互隔离，另外，喷印芯片31上还具有三个与参考轴线L平行的供墨流道36，主要用来传送不同颜色的墨水，且彼此之间相对参考轴线L的垂直方向并排分隔，进而为对应的三个轴线阵列34的加热器35提供不同颜色的墨水，每一轴线阵列34可由2排设置于供墨流道36两侧边的同色墨水加热器35所组成且均平行于参考轴线L的方向，且2排加热器35之间以交错排列的方式设置于供墨流道36的两侧边，故本实施例的喷印芯片31上具有2排×3色＝6排的加热器排数。

请参阅图4A，其是图3B所示的加热器示意图。如图所示，加热器35主要包括多个加热板3511-3513、输入端352、输出端353以及串联两相邻加热板3511-3512、3512-3513的导电层354。于本实施例中，加热器35是由三个加热板3511-3513构成为佳，但不以此为限，且两相邻的加热板3511、3512及加热板3512、3513之间以间隙350相互区隔，使加热板3511-3513呈分离并列地设置，而本实施例中的每个加热板3511、3512、3513的长度X、宽度Y1及厚度(未图标)实质上相等，亦即加热板3511-3513可为面积相同且体积相等的矩形电阻层，至于间隙350与多个加热板3511-3513的总宽度Y大约等于加热板3511-3513的长度X，换言之，多个加热板3511-3513与其间的间隙350所共同定义出的喷墨区域355是大约为一面积为X×Y的正四边形喷墨区域355。

此外，位于中间的加热板3512其两端分别通过导电层354与加热板3511及3513电性连接，而加热板3511相对于与导电层354连接的另一端则与输入端352相连，至于加热板3513相对于与导电层354连接的另一端则与输出端353相连，而输入端352及输出端353可为与导电层354相同的导电材质，换言之，加热器35相对两终端的加热板3511、3513分别与输入端352、输出端353电性连接，且三个加热板3511-3513之间亦通过导电层354彼此串联而电性连接。

请参阅图4B并配合图4A，其中图4B是图4A的电路图，加热器35的电路包括串联的多个电阻R1、R2、R3，其分别对应于图4A中的加热板3511、3512、3513，而输入端Ain及输出端Aout则分别对应于图4A中的输入端352及输出端353。如图4B所示，位于串联的电阻R1-R3一终端的电阻R1是与输入端Ain相连并接收电源讯号P，例如：驱动电压，至于串联的电阻R1-R3另一终端的电阻R3则可直接接地，或者该电阻R3通过输出端Aout与开关组件M的漏极端(drain)相连，且开关组件M又通过栅极端(gate)接收一数据控制信号D，并以源极端(source)与接地端G相连，以利用开关组件M接收数据控制信号D而控制加热电路的导通。于一些实施例中，开关元件M可为晶体管，例如：NMOS元件，但不以此为限。

当加热器35欲加热液体，例如：墨水(未图标)，而进行喷印时，喷印控制电路6将传送一数据控制信号D以控制开关元件M导通，同时电源信号P将由加热器35的输入端Ain输入，如此一来，加热器35的加热板3511、3512及3513的温度便可升高，进而将液体加热以产生微热气泡，使液体微热气泡由喷墨区域355喷出至粉末颗粒72上以完成喷印的动作。

请参阅图5，其是图3B所示的另一加热器示意图。如图所示，加热器35同样包括多个加热板3511’、3512、3513’、输入端352、输出端353以及串联两相邻加热板3511’-3512、3512-3513’的导电层354，且加热器35的多个加热板数目亦以三个为佳，而本实施例中加热板3511’、3512、3513’的配置及其与输入端352、输出端353及导电层354彼此间的关系与图4A所示的较佳实施例相同，是以不再赘述。于本实施例中，三个加热板3511’、3512、3513’的宽度Y1及厚度实质上相等，唯分别与输入端352和输出端353相连的两加热板3511’、3513’朝外的一侧边长度小于位在中间的加热板3512的长度X，亦即加热板3512仍为矩形电阻层，但加热板3511’及3513’实质上则为两相对应的梯形电阻层，此时与输入端352、输出端353电性连接的两加热板3511’、3513’其面积实质上小于加热板3512的面积，而加热板3511’、3512、3513’与间隙350所共同定义的喷墨区域355’则大致呈正八边形。

由于位在中间的加热板3512占加热器35大部分的电阻值，且相对大于两终端的加热板3511’及3513’的电阻值，故应可理解，当加热器35进行加热时，其最高温区便可集中在喷墨区域355’的中央范围，以避免三个加热板3511’、2352、3513’因延迟加热所可能造成的热点(hot spot)偏移状况，并控制液体微热气泡使其较容易由加热器35的中心生长并喷出至粉末颗粒72上。

请参阅图6A及图6B，其中图6A是喷印模块的喷印控制电路与喷印芯片的连接结构示意图，图6B是喷印数据信号PD、加热控制信号MF、预热控制信号PF的电压信号波形图，如图所示，当喷印模块欲执行喷印动作时，喷印控制电路6会通过传送喷印数据信号PD、加热控制信号MF以及预热控制信号PF至喷印芯片31来控制加热器35进行加热或预热，其中，预热控制信号PF以及加热控制信号MF分别会有预热脉冲电压P1及加热脉冲电压P2，通过预热脉冲电压P1控制加热器35先将部份墨水及喷印匣3预热，再利用加热脉冲电压P2将部份液体加热，使其产生气泡而将液体喷至对应的粉末颗粒72上。

请再参阅图6B，当喷印数据信号PD为高电位信号时，加热器35由加热控制信号MF控制，以控制加热器35加热，相反的，当喷印数据信号PD为低电位信号时，加热器则改由预热控制信号PF控制，以控制加热器35预热，也就是说，当喷印模块执行喷印动作时，若有打印数据，即喷印数据信号PD为高电位时，喷印模块会通过加热控制信号MF使加热器35对部分液体加热并产生气泡，进而将液滴推挤出喷孔片33的喷孔331，反之，若没有打印数据，即喷印数据信号PD为低电位时，喷印模块会借助喷印数据信号PD控制加热器35对部分液体及喷印匣3进行预热。

加热控制信号MF以及预热控制信号PF会随着喷印模块执行喷印动作时持续传送，其中预热脉冲电压P1的时间长度t₁以及加热脉冲电压P2的时间长度t₂，会依不同的喷印模块型号而有所不同。且喷印模块的控制信号，即喷印数据信号PD、加热控制信号MF以及预热控制信号PF的电压大小会依不同的喷印模块型号而有所以不同。

请再参阅图3A-图3C、图4A-图4B、图5、图6A-图6B及图8，本发明喷印匣3的喷孔片33所包含的多个喷孔331的孔径可为15-20μm，当喷印模块欲执行喷印动作时，喷印控制电路6传送至喷印芯片31的驱动电压可为12-15伏特(如图8所示)，以及喷印控制电路6可传送1.4-2.0μs的加热脉冲电压至喷印芯片31，可达到使多个喷孔331以14-16m/s的喷出速度喷出直径大约64-68μm的液滴73，如此一来，所喷出的液滴73即可覆盖立体成型机构于建构平台71上所铺设的粒径20-120μm大小的粉末颗粒72至少2/3以上的表面积。

于本发明的实施例中，粉末颗粒72粒径大小是以70μm为最佳，使得多个喷孔331以14-16m/s的喷出速度所喷出直径64-68μm的液滴73可几乎完全覆盖粉末颗粒72的表面积(如图7所示)，本发明的喷印模块仅需在同一粉末颗粒72上进行一次喷印，可达到快速喷印、单次喷印可达到良好的喷印品质以及延长喷印匣3寿命等功效。

综上所述，本发明的适用于立体成型机构的喷印模块是借助喷印匣的喷孔片所包含的该多个喷孔的孔径为15-20μm，对该喷印芯片的驱动电压为12-15伏特，以及喷印控制电路传送1.4-2.0μs的加热脉冲电压至喷印芯片，俾使多个喷孔可喷出直径大约64-68μm的液滴，以覆盖粒径20-120μm大小的粉末颗粒的表面积，使得本发明的喷印模块仅需在同一粉末颗粒上进行一次喷印，可达到快速喷印、单次喷印可达到良好的喷印品质以及延长喷印匣寿命等功效。

本发明得由熟知此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然而皆不脱离如附本申请权利要求所欲保护的范围。

Claims (9)

1.一种喷印模块，适用于一立体成型机构，该立体成型机构铺设20-120μm的粉末颗粒，该喷印模块至少包含一喷印匣及一喷印控制电路，其中该喷印匣具有一喷孔片以及一喷印芯片，该喷孔片具有多个喷孔，其特征在于：该多个喷孔的孔径为15-20μm，当该喷印芯片的驱动电压控制在12-15伏特，且该喷印控制电路传送1.4-2.0μs的加热脉冲电压至该喷印芯片时，该多个喷孔喷出直径大约64-68μm的液滴，以覆盖该粉末颗粒至少2/3以上的表面积。

2.根据权利要求1所述的喷印模块，其特征在于，该喷印匣还包含多个加热器，每一加热器包括多个加热板，该多个加热板间分离并列设置并通过一导电层彼此串联而电性连接，以形成一喷墨区域，且相对两终端的该加热板分别与一输入端及一输出端电性连接。

3.根据权利要求2所述的喷印模块，其特征在于，该喷墨区域实质上为正四边形，且该多个加热板实质上为面积相同的矩形。

4.根据权利要求2所述的喷印模块，其特征在于，该喷墨区域实质上为正八边形，且与该输入端及该输出端电性连接的相对两终端的该加热板的面积实质上是小于其余的该加热板的面积，以避免该加热器的热点偏移。

5.根据权利要求1所述的喷印模块，其特征在于，该粉末颗粒大小最佳为70μm。

6.根据权利要求1所述的喷印模块，其特征在于，于该喷印芯片的驱动电压为12-15伏特时，该液滴的喷出速度为14-16m/s。

7.一种喷印模块，适用于一立体成型机构，该立体成型机构铺设20-120μm的粉末颗粒，该喷印模块至少包含一喷印匣及一喷印控制电路，其中该喷印匣具有一喷孔片、一喷印芯片以及多个加热器，该喷孔片具有多个喷孔，其特征在于：

该多个加热器的每一加热器包括多个加热板，该多个加热板间分离并列设置并通过一导电层彼此串联而电性连接，以形成一喷墨区域，且相对两终端的该加热板分别与一输入端及一输出端电性连接；

当该喷印芯片的驱动电压控制在12-15伏特，且该喷印控制电路传送1.4-2.0μs的加热脉冲电压至该喷印芯片时，该多个加热器在该喷墨区域集中热点由喷孔喷出液滴以覆盖该粉末颗粒至少2/3以上的表面积。

8.根据权利要求1所述的喷印模块，其特征在于，该多个喷孔的孔径为15-20μm。

9.根据权利要求1所述的喷印模块，其特征在于，该由喷孔喷出液滴直径大约64-68μm。

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