CN103381660A - 立体打印装置 - Google Patents
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Abstract
一种立体打印装置，其包括容器、显示器、控制单元及光学膜片。容器容置光敏材料。显示器具有多个显示单元。控制单元用以控制显示单元。光学膜片用以将显示单元所发出的光束映射至光敏材料上，以形成多个映射图案。映射图案彼此间的排列顺序与排列方向等同于显示单元的排列顺序与排列方向。
Description
技术领域
本发明涉及一种打印装置(printing apparatus)，且特别涉及一种立体打印装置(three-dimensional printing apparatus)。
背景技术
快速成型技术(Rapid Prototyping，RP)是80年代中期发展起来的一种崭新的原型制造技术。快速成型技术综合了机械工程、电脑辅助设计(Computer-aided design，CAD)、数字控制技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短产品的研制周期。由于其具有敏捷性、适合任何形状、高度柔韧性、高度集成化等优点而广泛应用于机械、汽车、电子、通讯、航空航太等领域。在产品开发的初期，设计出所需图样的CAD档，并在实际生产前制作一模型以供设计确认、产品修正、功能测试、模具开发的原始模型，此即为原型。
对于不同种类的快速成型技术，其所采用的成型材料不同，成型原理与系统特点也各有不同。举例而言，立体印刷设备(stereo lithographyapparatus，SLA)为最早商业化且占有率最大的系统，其加工原理乃是将液态光敏聚合物以氦镉(HeCd)激光或氩气(Argon)激光来扫描，因而产生聚合硬化成的薄层，然后升降台下降再上升，使欲加工位置的表面上再覆盖一层树脂，用刮板将液面刮平后等待其呈水平再以激光扫描，使其与上一层能紧密结合，如此循环至产生立体工件。此外，目前应用SLA技术的成像系统不外乎为激光扫描系统或光机投影，其硬体复杂、体积大，且机器还需将激光扫描系统或投影所需的成像距离包含在内，因此系统的总体积无法小型化。
对相关的快速成型技术而言，美国专利第5980813号揭露一多层材料的快速成型方法与装置。美国专利公开号第20100262272号揭露一使用可固化材料制造3D物体的装置。
发明内容
本发明提供一种立体打印装置，此立体打印装置的结构有助于缩小立体打印装置的体积。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
本发明一实施例提出一种立体打印装置。立体打印装置包括容器、显示器、控制单元及光学膜片。容器容置光敏材料。显示器具有多个显示单元，每一显示单元用于发出光束。控制单元连结于显示器，用以控制显示单元。光学膜片设置于显示器及容器之间，用以将显示单元所发出的光束映射至光敏材料上，以形成多个映射图案。映射图案彼此间的排列顺序与排列方向等同于显示单元的排列顺序与排列方向。
在本发明的一实施例中，上述的容器具有配置于显示器与光敏材料之间的底部，且底部为透光底部，容器的底部具有面朝向光敏材料的上表面。
在本发明的一实施例中，上述的显示器至上表面的距离小于或等于3公分。
在本发明的一实施例中，立体打印装置还包括工作平台以及控制单元。工作平台浸入光敏材料中，且用于相对容器移动，其中工作平台具有工作表面。控制单元控制工作平台以及显示单元。控制单元在第一时间命令显示器单元显示第一画面，且使工作表面位于第一位置。光学膜片将对应第一画面的显示单元所发出的光束映射于光敏材料的位于工作表面与上表面之间上的第一光敏材料薄层，以将第一光敏材料薄层固化为第一固化层。控制单元在第二时间命令显示单元器显示第二画面，且使工作表面位于第二位置。光学膜片将对应第二画面的显示单元所发出的光束映射于光敏材料的位于第一固化层与上表面之间的第二光敏材料薄层，以将第二光敏材料薄层固化为第二固化层。
在本发明的一实施例中，上述的工作表面面向底部，第二固化层位于第一固化层与底部之间，且第一位置位于底部与第二位置之间。
在本发明的一实施例中，上述的光学膜片包括多个光学结构，且每一光学结构对准于至少一显示单元。
在本发明的一实施例中，上述的每一光学结构为透镜，且每一透镜对准于显示单元。
在本发明的一实施例中，上述的每一光学结构为柱状透镜，且每一柱状透镜对准于一排的显示单元。
在本发明的一实施例中，上述的光学结构将显示单元成像于光敏材料上。
在本发明的一实施例中，上述的每一显示单元包括至少一画素。
在本发明的一实施例中，上述的每一光学结构的尺寸为对应的显示单元的画素的尺寸的整数倍。
在本发明的一实施例中，上述的光学膜片包括多个光学结构，且每一显示单元对准光学结构中的数个。
在本发明的一实施例中，上述的每一显示单元的尺寸为对应的光学结构的整数倍。
在本发明的一实施例中，上述的光学膜片包括多个光学结构，且每一光学结构为角锥状棱镜或柱状棱镜。
在本发明的一实施例中，上述的光学膜片为菲涅耳透镜、扩散片或防窥片。
在本发明的一实施例中，上述的显示单元所发出的光束为可见光。
在本发明的一实施例中，上述的光学膜片可为单层膜或多层膜。
基于上述，本发明的实施例的立体打印装置利用光学膜片将显示器的显示单元映射至光敏材料上，且映射图案彼此间的排列顺序与排列方向等同于显示单元的排列顺序与排列方向。如此一来，可缩小显示器到光敏材料的距离，以缩小立体打印装置的体积，且同时能够提供良好的立体打印效果。
附图说明
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
图1A、图1B及图1C为本发明一实施例的立体打印装置在运作时的示意图。
图2为显示器的显示单元的示意图。
图3A示出本发明第一实施例的显示单元与光学膜片的相对关系。
图3B则为图3A的侧视图。
图4A示出本发明第二实施例的显示单元与光学膜片的相对关系。
图4B则为图4A的侧视图。
图5A示出本发明第三实施例的显示单元与光学膜片的相对关系。
图5B则为图5A的侧视图。
图6A示出本发明第四实施例的显示单元与光学膜片的相对关系。
图6B则为图6A的侧视图。
图7A示出本发明第五实施例的显示单元与光学膜片的相对关系。
图7B则为图7A的侧视图。
图8示出本发明第六实施例的显示单元与光学膜片的相对关系。
【主要元件符号说明】
100：立体打印装置
110：容器
112：光敏材料
114：底部
120：显示器
122、122A、122B、122C：显示单元
130、130A、130B、130C、130D、130E、130F：光学膜片
132、132A、132B、132C、132D、132E：光学结构
140：工作平台
150：控制单元
114a：上表面
122a：画素
140a：工作表面
a、b、c：位置
L：光束
S1：第一固化层
S2：第二固化层
SN-1：第N-1固化层
SN：第N固化层
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1A、图1B及图1C为本发明一实施例的立体打印装置在运作时的示意图。立体打印装置100包括容器110、显示器120、光学膜片130。容器110容置光敏材料112，光敏材料112可为流体或半流体物质。显示器120具有多个显示单元122，每一显示单元122用于发出光束L。光学膜片130用以将显示单元122发出的光束L映射至光敏材料112上，以在光敏材料112上形成多个映射图案，其中，光学膜片130可为单层膜或多层膜堆叠而成。
具体而言，在本实施例中，显示器120配置在容器110的底部114的下方，而光学膜片130配置于显示器120与底部114之间。此外，容器110的底部114为透光底部，如此显示单元122所发出的光束L在通过光学膜片130后，可穿透底部114而在光敏材料112上照射出这些映射图案，并与光敏材料112起化学反应，例如固化或硬化。这些映射图案彼此间的排列顺序与排列方向等同于这些显示单元122的排列顺序与排列方向。举例而言，以图1A来看，显示单元122A、122B、122C分别在光敏材料112上多个位置a、b、c照射出映射图案，而映射图案的位置a、b及c的排列方向与排列顺序如同显示单元122A、122B及122C的排列方向与排列顺序，即显示单元122A、122B与122C是在图中由左至右排列，且位置a、b及c也是由左而右排列。相同地，在垂直于图1A的图面的方向上，映射图案彼此间的排列顺序与排列方向等同于显示单元122的排列顺序与排列方向，例如都是由图面外往图面内排列。在本实施例中，显示器120的这些显示单元122的位置一对一地对应至这些映射图案的位置，如此一来，这些显示单元122整体所呈现出的影像便能够对应形成于光敏材料112上。
值得一提的是，在本实施例的立体打印装置100中，显示器120所显示的画面分割成多个显示单元122来呈现，然后经由光学膜片130将多个显示单元122以一对一的方式映射至光敏材料112上，且这些映射图案彼此间的排列顺序与排列方向等同于这些显示单元122的排列顺序与排列方向。相较之下，采用投影镜头的立体打印装置是利用投影镜头将显示器120的画面用整面成像的方式投影并成像于光敏材料112上，且根据成像原理，画面在光敏材料112上所形成的影像是旋转180度的颠倒的影像，因此需要设计一段成像距离来达成成像的要求，进而增加打印装置的体积。
由于本实施例是先将显示器120上显示的画面分成多个显示单元122，在透过光学膜片130以一对一的方式将显示器120的显示单元122所发出的光束L映射至光敏材料112上，且由于每一显示单元122的尺寸相较于整个显示画面小，因此显示单元122至光敏材料112的映射距离可以缩短。如此一来，可缩小显示器120到光敏材料112所需的距离，减少立体打印装置100的体积。举例来说，在本实施例中，显示器120到容器110的底部114的上表面114a的距离小于或等于3公分。另外一方面，本实施例的显示器120可为液晶显示器，因此用来映射的光源是可见光，也可使用不可见光(例如紫外光)来当做固化光敏材料112的光源。
请参照图1A，仔细而言，立体打印装置100还包括工作平台140以及控制单元150。工作平台140浸入光敏材料112中，且用于相对容器110移动并具有工作表面140a。控制单元150耦接于工作平台140和显示器120，用以控制工作平台140以及显示单元122。
然后，请依序的参照图1A、图1B及图1C。在图1A中，控制单元150在第一时间命令显示器120显示第一画面，第一画面被分割为多个对应的显示单元122，且使工作表面140a位于第一位置(图1A中显示的位置)，此时，光学膜片130将对应第一画面的显示单元122所发出的光束L映射于光敏材料112的位于工作表面140a与上表面114a之间的光敏材料薄层，以将光敏材料薄层对应第一画面固化为第一固化层S1；接着，在图1B中，控制单元150在第二时间使工作表面140a位于第二位置(图1B中显示的位置)，此时，光敏材料112会填充至第一固化层S1及上表面114a之间，控制单元150命令显示器120显示第二画面，第二画面被分割为多个对应的显示单元122，光学膜片130将对应第二画面的显示单元122所发出的光束L映射于光敏材料112的位于第一固化层S1及上表面114a之间的光敏材料薄层，以将光敏材料薄层对应第二画面固化为第二固化层S2。继续的，在图1C中，控制单元150在第N时间命令显示器120显示第N画面，第N画面被分割为多个对应的显示单元122，光学膜片130将第N画面映射于光敏材料112的位于第N-1固化层SN-1及上表面114a之间的光敏材料薄层，以将光敏材料薄层对应第N画面固化为第N固化层SN。在本实施例中，N例如为大于等于3的正整数。
以本实施例来说，工作表面140a面向底部114的上表面114a，第二固化层S2位于第一固化层S1与底部114之间，且第一位置位于底部114与第二位置之间。仔细而言，三维物体可作影像的分层处理，以将物体切割成多层的画面资料。然后控制单元150于第一时间命令对应的显示单元122显示物体的第一层画面，接着，于第二时间命令对应的显示单元122显示物体的第二层画面。随着时间演进，不同层的画面通过光学膜片130映射至光敏材料薄层并使光敏材料薄层对应不同层的画面逐层固化，由此一层一层堆叠出三维物体。
在本实施例中，显示器120配置在容器110的底部114的下方，让显示单元122由下往上发出光束L映射至光敏材料112。然而本发明不限于此，在其他的实施例中，显示器120也可配置于容器110的上方(未示出)，让显示单元122由上往下映射至光敏材料112。
图2为显示器的显示单元的示意图。请参照图2，在立体打印装置100中，显示器120可以是液晶显示面板，而显示单元122可以包括液晶显示面板中的至少一个画素122a，如图2是以九个画素122a组成显示单元122为例。显示单元122所包括的画素122a的数目可依所需的画面解析度而做调整。另一方面，已知的立体打印技术经常采用具彩色滤光片的显示器，而本发明一实施例的立体打印装置100可采用移除彩色滤光片的显示器120，而原本显示器120中对应于不同颜色的滤光片的子画素则可视为一个画素，如此可提升显示器120的解析度，进而提供更高的解析度于立体打印技术上。
在本实施例中，光学膜片130包括多个光学结构132，以将显示单元122所发出的光束L映射至光敏材料112上。以下举出几个较佳的实施例来对显示单元122与光学膜片130的相对关系做仔细的说明。
图3A示出本发明第一实施例的显示单元与光学膜片的相对关系。图3A中示出显示器120与光学膜片130A在空间上重叠的情形，其中虚线的部分代表显示器120，实线的部分代表光学膜片130A。图3B则为图3A的侧视图。
请同时参照图3A及图3B在本实施例中，光学膜片130A具有多个光学结构132A，其中每一光学结构132A为透镜(例如是具有在两个互相垂直的不同方向上皆有弯曲的表面的透镜)，而每一光学结构132A的尺寸等于每一显示单元122的尺寸。
图4A示出本发明第二实施例的显示单元与光学膜片的相对关系。图4B则为图4A的侧视图。本实施例的光学膜片130B上的光学结构132B与图3A的实施例相同，即透镜，然而每一光学结构132B的尺度小于显示单元122的尺寸。
图5A示出本发明第三实施例的显示单元与光学膜片的相对关系。图5B则为图5A的侧视图。在本实施例中，光学膜片130C上的每一光学结构132C为柱状透镜，而每一光学结构132C的宽度等于显示单元122的宽度。
基于图3A、图4A以及图5A的实施例，显示单元122是透过透镜或者柱状透镜而成像于光敏材料112上，因此每一光学结构132A、132B、132C可调整成对准于至少一显示单元122。举例而言，在图3A中，每一透镜(光学结构132A)对准于一显示单元122。在另一实施例中，每一显示单元122对准多个光学结构。举例而言，在图4A中，每一显示单元122对准四个透镜(光学结构132B)。当一个显示单元122中含有多个画素122a(参考图2的内容)时，则每一透镜对准于多个画素122a，而当一个显示单元122中含有一个画素122a时，则每一透镜对准一个画素122a。换言之，以图3A来说，每一光学结构132A的尺寸可为对应的显示单元122的画素122a(参考图2的内容)的尺寸的整数倍，而在图4A中，每一显示单元122的尺寸为对应的一光学结构132B的整数倍。在图5A中，每一柱状透镜(光学结构132C)对准于一排的显示单元122。由于每一个显示单元122的尺寸相较于显示器120所显示的整个画面的尺寸小，因此利用多个透镜或柱状透镜等光学结构将这些显示单元122分别成像于光敏材料112上时的成像距离也可小于将整个画面以整面成像的方式成像于光敏材料112上的成像距离。因此，可有效地缩小立体打印装置100的整体体积。
图6A示出本发明第四实施例的显示单元与光学膜片的相对关系。图6B则为图6A的侧视图。在本实施例中，光学膜片130D上的每一光学结构132D为柱状棱镜，每一光学结构132D的宽度等于显示单元122的宽度。
图7A示出本发明第五实施例的显示单元与光学膜片的相对关系。图7B则为图7A的侧视图。在本实施例中，光学膜片130E上的每一光学结构132E为角锥状棱镜，而每一光学结构132E的尺度等于每一显示单元122的大小。
然而，在其他实施例中，柱状棱镜或角锥状棱镜的尺寸也可以不是显示单元122的整数倍，而柱状棱镜或角锥状棱镜的位置也可与显示单元122的位置没有对应关系。
图8示出本发明第六实施例的显示单元与光学膜片的相对关系。在本实施例中，光学膜片130F为扩散片，而在其他的实施例中也可以是菲涅耳透镜或防窥片。
基于图6A、图7A的实施例，显示单元122是偏向以投射的方式映射于光敏材料112上，因此每一柱状棱镜(光学结构132D)以及每一角锥状棱镜(光学结构132E)的位置可以和显示单元122的位置没有对应关系，但其能将其对应的显示单元122的光束L收敛至光敏材料112(示出于图1A、图1B及图1C)上。类似地，图8的实施例的光学膜片130F(如菲涅耳透镜或防窥片)也有将从显示单元122射出的光束L收敛的作用。另外，当所采用的显示器120所发出的光束L较为收敛时，则当光学膜片130F为扩散片时，仍能将显示单元122映射至光敏材料112(示出于图1A、图1B及图1C)上。
综上所述，本发明的实施例的立体打印装置利用光学膜片将显示器的这些显示单元映射至光敏材料上，且这些映射图案彼此间的排列顺序与排列方向等同于这些显示单元的排列顺序与排列方向。如此一来，可缩小显示器到光敏材料的距离，以缩小立体打印装置的体积，且同时能够提供良好的立体打印效果。
虽然本发明已经以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻的功之用，并非用来限制本发明的之权利范围。此外，本说明书或申请专利范围中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
Claims (17)
1.一种立体打印装置，包括：
容器，容置光敏材料；
显示器，具有多个显示单元，每一所述显示单元用于发出光束；
控制单元，连结于所述显示器，用以控制所述显示器的这些显示单元；以及
光学膜片，设置于所述显示器及所述容器之间，用以将这些显示单元所发出的这些光束映射至所述光敏材料上，以形成多个映射图案，其中这些映射图案彼此间的排列顺序与排列方向等同于这些显示单元的排列顺序与排列方向。
2.如权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，所述容器具有底部，配置于所述显示器与所述光敏材料之间，且所述底部为透光底部，所述容器的所述底部具有面向所述光敏材料的上表面。
3.如权利要求2所述的立体打印装置，其特征在于，所述显示器至所述容器的所述上表面的距离小于或等于3公分。
4.如权利要求2所述的立体打印装置，还包括：
工作平台，浸入所述光敏材料中，且用于相对所述容器移动，其中所述工作平台具有工作表面；
其中所述控制单元控制所述工作平台，所述控制单元在第一时间命令所述显示器显示第一画面，且使所述工作表面位于第一位置，所述光学膜片将对应所述第一画面的这些显示单元所发出的这些光束映射于所述光敏材料的位于所述工作表面与所述上表面之间的第一光敏材料薄层，以将所述第一光敏材料薄层固化为第一固化层，且所述控制单元在第二时间命令所述显示器显示第二画面，且使所述工作表面位于第二位置，所述光学膜片将对应所述第二画面的这些显示单元所发出的这些光束映射于所述光敏材料的位于所述第一固化层与所述上表面之间的第二光敏材料薄层，以将所述第二光敏材料薄层固化为第二固化层。
5.如权利要求4所述的立体打印装置，其特征在于，所述工作表面面向所述底部，所述第二固化层位于所述第一固化层与所述底部之间，且所述第一位置位于所述底部与所述第二位置之间。
6.如权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，所述光学膜片包括多个光学结构，且每一所述光学结构对准于至少一所述显示单元。
7.如权利要求6所述的立体打印装置，其特征在于，每一所述光学结构为透镜，且每一所述透镜对准于每一所述显示单元。
8.如权利要求6所述的立体打印装置，其特征在于，每一所述光学结构为柱状透镜，且每一所述柱状透镜对准于一排的这些显示单元。
9.如权利要求6所述的立体打印装置，其特征在于，这些光学结构将这些显示单元成像于所述光敏材料上。
10.如权利要求6所述的立体打印装置，其特征在于，每一所述显示单元包括至少一画素。
11.如权利要求10所述的立体打印装置，其特征在于，每一所述光学结构的尺寸为对应的所述显示单元的所述画素的尺寸的整数倍。
12.如权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，所述光学膜片包括多个光学结构，且每一所述显示单元对准所述多个光学结构的数个。
13.如权利要求12所述的立体打印装置，其特征在于，每一所述显示单元的尺寸为对应的所述光学结构的整数倍。
14.如权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，所述光学膜片包括多个光学结构，且每一所述光学结构为角锥状棱镜或柱状棱镜。
15.如权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，所述光学膜片为菲涅耳透镜、扩散片或防窥片。
16.如权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，这些显示单元所发出的这些光束为可见光。
17.如权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，所述光学膜片可为单层膜或多层膜。
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