CN104708810A - 立体打印装置及其打印头模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种立体打印装置及其打印头模块，包括基座、多个打印头、打印头切换元件以及控制单元。基座具有承载面。各打印头包括供料管道与喷嘴。供料管道分别连接并传送多个基材至对应的喷嘴。基材具有多个特性。打印头切换元件连接打印头，并经配置以带动打印头旋转。控制单元耦接并控制打印头切换元件，以依据打印头所连接的基材的特性选择打印头的其中之一，并将选择的打印头旋转至出料定位，使选择的打印头将其所连接的基材逐层成型于承载面上。

Description

立体打印装置及其打印头模块

技术领域

本发明是有关于一种打印装置及其打印头模块，且特别是有关于一种立体打印装置及其打印头模块。

背景技术

随着电脑辅助制造（Computer-Aided Manufacturing,简称CAM）的进步，制造业发展了快速雏型方法（Rapid Prototyping,简称RP），能很迅速的将设计原始构想制造出来。快速雏型（RP）技术能无限制几何形状，而且越复杂的零件越显示RP技术的卓越性，还可大大地节省人力与加工时间，在时间最短的要求下，将3D CAD上的设计零件，真实地呈现出来，不但摸得到，也可真实地感受得到它的几何曲线，还可以试验零件的装配性、甚至进行可能的功能试验。

这些快速成型法有很多种，如熔合沉积模型(Fused Deposition Modeling,简称FDM)，层化物品制造(Laminated Object Manufacturing,简称LOM)等。然而，目前利用上述快速成型法形成立体物体的立体打印装置仅具有一个打印头，因此，在需要切换不同特性的建造基材时，则须先将打印头退出，以进行退料，再将欲替换的建造基材连接至打印头，并将换料完成后的打印头移回原位以继续进行打印。然而，打印头换料后回到打印位置时可能产生偏移，因而导致打印产生断点而需重新打印，导致立体打印的效果及良率不佳。

发明内容

本发明提供一种立体打印装置及其打印头模块，打印头模块可依打印需求来切换连接至不同基材的打印头，以简化切换基材的步骤以及提高立体打印的良率。

本发明的立体打印装置包括基座、多个打印头、打印头切换元件以及控制单元。基座具有承载面。各打印头包括供料管道以及喷嘴。供料管道分别连接并传送多个基材至对应的喷嘴。基材分别具有多个特性。打印头切换元件连接打印头，并经配置以带动打印头旋转。控制单元耦接并控制打印头切换元件以依据打印头所连接的基材的特性选择打印头的其中之一，并将选择的打印头旋转至出料定位，使选择的打印头将其所连接的基材逐层成型于承载面上。

本发明的打印头模块适于将多个基材逐层成形于承载面上，这些基材具有多个特性。打印头模块包括多个打印头以及打印头切换元件。各打印头包括供料管道以及喷嘴。供料管道分别连接并传送多个基材至对应的喷嘴。打印头切换元件连接打印头，并经配置以带动打印头旋转，以将各打印头旋转至出料定位，并使移动至出料定位的打印头将其所连接的基材逐层成型于承载面上。

在本发明的一实施例中，上述的打印头切换元件具有至少一限位结构，而打印头切换元件适于旋转至少一固定间距后使至少一打印头移至出料定位。

在本发明的一实施例中，上述的至少一限位结构包括第一限位结构以及相对于第一限位结构以相反旋转方向设置的第二限位结构。打印头切换元件适于旋转至与第一限位结构相配的出料定位，或打印头切换元件适于沿相反方向旋转至与第二限位结构相配的出料定位。

在本发明的一实施例中，上述的特性包括颜色或材质。

在本发明的一实施例中，上述的基材的材质包括导电材质、绝缘材质或胶体。

在本发明的一实施例中，上述的打印头呈圆形排列。

在本发明的一实施例中，上述的控制单元控制打印头切换元件沿圆形的中心轴旋转，以将选择的打印头旋转至出料定位。

基于上述，本发明的立体打印装置利用打印头切换元件，其连接多个打印头，并经配置以带动打印头旋转，其中，上述多个打印头分别连接多个特性各不相同的基材，并通过控制单元依据基材的特性选择打印头的其中之一，并控制打印头切换单元将选择打印头旋转至出料定位，以将选择的打印头所连接的基材挤出并逐层成形于基座上而形成立体物体。如此，立体打印装置无须通过繁复的进料以及退料步骤即可轻易地自动选择及切换欲制造的立体物体的颜色或材质等特性。并且，打印头模块无须移动其位置即可在原地通过打印头切换元件的旋转而进行基材的切换，因而可减少打印头模块在换料时位置偏移而导致打印产生断点需重新打印的情形。因此，本发明的立体打印装置及其打印头模块确实可增进立体打印的效果及良率，并使立体打印装置的使用便利度以及打印的弹性大幅增加。

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。

附图说明

图1是依照本发明的一实施例的一种立体打印装置的示意图；

图2是依照本发明的一实施例的一种立体打印装置的使用情境方块示意图；

图3是依照本发明的一实施例的一种立体打印装置的方块示意图；

图4是依照本发明的一实施例的一种打印头的配置示意图；

图5是依照本发明的一实施例的打印头模块的配置示意图；

图6是图5的打印头模块旋转至第一位置的示意图；

图7是图5的打印头模块旋转至第二位置的示意图；

图8是图5的打印头模块旋转至第三位置的示意图；

图9是依照本发明的一实施例的打印头模块的示意图；

图10是依照本发明的一实施例的打印头模块的示意图。

附图标记说明：

10：立体打印装置；

20：电脑主机；

100：打印头模块；

110、110a、110b、110c：打印头；

112：供料管道；

114：喷嘴；

120：打印头切换元件；

122A、122B、124：限位结构；

130：切换马达；

200：基座；

210：承载面；

300：控制单元；

400：滑轨；

500a、500b、500c：基材；

A1：中心轴；

C1、C2：旋转方向；

P1：出料定位；

R1：第一旋转方向；

R2：第二旋转方向。

具体实施方式

有关本发明前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合附图的各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”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而并非用来限制本发明。并且，在下列各实施例中，相同或相似的元件将采用相同或相似的标号。

图1是依照本发明的一实施例的一种立体打印装置的示意图。图2是依照本发明的一实施例的一种立体打印装置的使用情境方块示意图。图3是依照本发明的一实施例的一种立体打印装置的方块示意图。请参照图1至图3，在本实施例中，立体打印装置10适于依据数字立体模型信息打印出立体物体。立体打印装置10包括打印头模块100、基座200以及控制单元300。在本实施例中，控制单元300可用以读取数字立体模型信息，其中，数字立体模型信息可为数字立体图像文件，其例如由电脑主机20通过电脑辅助设计（computer-aided design,简称CAD）或动画建模软件等建构而成。

承上述，立体打印装置10的基座200如图1所示具有承载面210。打印头模块100可移动地设置于基座200的上方，并经配置以沿着滑轨400来回滑动，而基座200也可相对于打印头模块100移动。控制单元300可用以读取与处理数字立体模型信息，并耦接打印头模块100以及基座200，以控制打印头模块100以及基座200的移动。如此，控制单元300可依据此数字立体模型信息控制打印头模块100沿着滑轨400移动，而打印头模块100则可在移动的过程中将基材500a、500b、500c逐层成形于承载面210上而形成多个多层材料层，其中，多层材料层彼此堆叠而形成立体物体。

图4是依照本发明的一实施例的一种打印头的配置示意图。请参照图1以及图4，详细而言，打印头模块100包括多个打印头110以及打印头切换元件120。各打印头110包括供料管道112以及喷嘴114。供料管道112分别连接并传送多个基材500a、500b、500c至对应的喷嘴114。基材500a、500b、500c分别具有多个特性，且特性彼此不同。打印头切换元件120连接上述多个打印头110，并经配置以带动上述多个打印头110旋转。在本实施例中，打印头模块100还包括切换马达130，耦接控制单元300。控制单元300控制切换马达130以驱动打印头切换元件120旋转，进而带动上述多个打印头110旋转。具体而言，打印头110可如图1所示呈圆形排列，而控制单元300控制打印头切换元件120沿圆形的中心轴A1旋转，以将控制单元300所选择的打印头110旋转至出料定位，使选择的打印头110将其所连接的基材500a、500b、500c逐层成型于承载面210上。控制单元300耦接并控制打印头切换元件120以依据打印头110所连接的基材500a、500b、500c的特性选择打印头110的其中之一，并将选择的打印头110旋转至出料定位，以进行出料，使选择的打印头110将其所连接的基材500a、500b、500c逐层成型于承载面上。

在本实施例中，基材500a、500b、500c可为适用于光硬化（Stereolithography）、熔丝制造式（Fused Filament Fabrication,简称FFF）、熔化压模式（Melted and Extrusion Modeling）、电子束熔化成形（Electron BeamModeling）等制作方法的各种适合材料。举例而言，基材500a、500b、500c可为适用于熔丝制造的热熔性材料所组成的固态线材，并例如通过打印头模块100的喷嘴114对选择的基材500a、500b、500c进行加热，以将传送至喷嘴114的基材500a、500b、500c熔融成熔融状态的流体材料，再将熔融的基材500a、500b、500c挤出并逐层成型于承载面210上，之后再对其进行例如硬化烘干处理而形成立体物体。

此外，在本实施例中，通过打印头110逐层打印成形于承载面210上的基材500a、500b、500c可包括建造材料（Building Material）、用于支撑建造材料的支撑材料（Support Material）、设置于建造材料与支撑材料之间的缓冲材料（Release Material）。简单来说，成形于承载面210上的基材500a、500b、500c并非仅是用以形成立体物体的建造材料，其也可包括形成支撑立体物体的支撑材料以及设置于建造材料与支撑材料之间的缓冲材料。并且，在打印成形于承载面210上的基材500a、500b、500c固化后，可再将支撑材料以及缓冲材料移除，以得到立体物体。

承上述，各基材500a、500b、500c的特性各不相同。具体来说，上述多个基材500a、500b、500c的颜色特性或材质特性各不相同。如此，控制单元300即可依据打印头110所连接的基材500a、500b、500c的颜色或材质对应至数字立体模型信息的颜色或材质信息来选择符合需求的打印头110，并将选择的打印头110旋转至出料定位，使选择的打印头110将其所连接的基材500a、500b、500c逐层成型于承载面210上。

图4是依照本发明的一实施例的一种打印头的配置示意图。图5是依照本发明的一实施例的打印头模块的配置示意图。请同时参照图4以及图5，具体而言，立体打印装置10可如图4所示包括基材500a、500b、500c，分别连接至打印头110a、110b、110c，且基材500a、500b、500c的颜色特性各不相同，而控制单元300可例如通过读取数字立体模型信息的颜色特性参数，以据此依据其颜色的特性信息选择基材500a、500b、500c的其中之一，并控制打印头切换元件120将连接选择的基材500a、500b、500c的打印头110旋转至如图5中的箭头所标示的出料定位P1，以将选择的基材500a、500b、500c通过对应的打印头110a、110b、110c逐层成型于承载面210上而形成具有选择的基材的颜色的立体物体。出料定位P1可例如对应于打印头110a、110b、110c的其中之一。在本实施例中，出料定位P1如图5所示对应于打印头110b。

举例而言，基材500a的颜色为红色，基材500b的颜色为黄色，基材500c的颜色为蓝色，而数字立体模型信息的颜色特性参数则为黄色。因此，控制单元300读取数字立体模型信息的颜色特性参数后据此选择黄色的基材500b。在此情形下，由于连接基材500b的打印头110b已位于出料定位P1，因此，控制单元300可直接控制打印头110b将黄色的基材500b挤出且逐层成型于承载面210上，以形成黄色的立体物体。

图6是图5的打印头模块旋转至第一位置的示意图。请参照图5以及图6，在另一实施例中，基材500a的颜色为红色，基材500b的颜色为黄色，基材500c的颜色为蓝色，而数字立体模型信息的颜色特性参数则为蓝色。因此，控制单元300读取数字立体模型信息的颜色特性参数后据此选择蓝色的基材500c，并控制打印头切换元件120将连接基材500c的打印头110c如图6所示沿第一旋转方向R1（在本实施例中为顺时针方向）旋转固定间距至出料定位P1，以将蓝色的基材500c通过打印头110c挤出并逐层成型于承载面210上而形成蓝色的立体物体。

图7是图5的打印头模块旋转至第二位置的示意图。图8是图5的打印头模块旋转至第三位置的示意图。请参照图6至图8，在另一实施例中，若此时数字立体模型信息的颜色特性参数则为红色，而基材的颜色如前所述，基材500a的颜色为红色，基材500b的颜色为黄色，基材500c的颜色为蓝色。如此，控制单元300读取数字立体模型信息的颜色特性参数后据此选择红色的基材500a，并控制打印头切换元件120将连接基材500a的打印头110a沿相反于第一旋转方向R1的第二旋转方向R2（在本实施例中为逆时针方向），而由图6的状态旋转两个固定间距而旋转至如图8所示的出料定位P1，以将红色的基材500a通过打印头110a挤出并逐层成型于承载面210上而形成红色的立体物体。此外，立体打印装置10还可在制造立体物体的过程中通过打印头切换元件120切换打印头110a、110b、110c，以在制造立体物体的过程中更换不同颜色的基材500a、500b、500c，使制造出的立体物体具有不同的颜色。

在本发明的另一实施例中，立体打印装置10可如图1所示包括基材500a、500b、500c，分别连接至打印头110a、110b、110c，且基材500a、500b、500c的材质特性各不相同，其材质可包括导电材、绝缘材或胶体等，当然，本实施例并不限定基材500a、500b、500c的材质种类。而控制单元300可例如通过读取数字立体模型信息的材质特性参数，以据此依据其材质的特性信息选择基材500a、500b、500c的其中之一，并控制打印头切换元件120将连接选择的基材500a、500b、500c的打印头110旋转至出料定位P1。举例而言，基材500a的材质为胶体，基材500b的材质为绝缘材，基材500c的材质为导电材，而数字立体模型信息的材质特性参数则为导电材。因此，控制单元300读取数字立体模型信息的材质特性参数后据此选择导电的基材500c，并控制打印头切换元件120将连接基材500c的打印头110c沿第一旋转方向R1（在本实施例中为顺时针方向）而由图5的状态旋转一个固定间距而旋转至如图6所示的出料定位P1，以将导电的基材500c通过打印头110c挤出并逐层成型于承载面210上而形成导电的立体物体。当然，立体打印装置10还可在制造立体物体的过程中通过打印头切换元件120切换打印头110a、110b、110c，以在制造立体物体的过程中更换不同材质的基材500a、500b、500c，使制造出的立体物体具有不同的材质特性。然而，任何本领域技术人员应了解，本发明并不限定基材500a、500b、500c的数量及其种类与特性。

图9是依照本发明的一实施例的打印头模块的示意图。图10是依照本发明的一实施例的打印头模块的示意图。在此需说明的是，为了图面简洁，图9及图10仅示出了打印头110a与打印头切换元件120间的配置关系作举例说明。请参照图9以及图10，在本发明的一实施例中，切换马达130可如图9及图10所示与打印头切换元件120结构配合，以带动打印头切换元件120进行旋转。控制单元300耦接打印头切换元件120，以驱动切换马达130带动打印头切换元件120旋转，并例如通过齿轮卡合或是挡块等限位结构等设计，使打印头切换元件120适于一次旋转固定间距，以将打印头110a旋转至例如图8所示的出料定位P1，以将打印头110a所连接的基材500a通过打印头110a挤出并逐层成型于承载面210上而形成立体物体。也就是说，控制单元300耦接切换马达130，以控制切换马达130带动打印头切换元件120旋转，以依据打印头所连接的基材500a、500b、500c的特性选择打印头的其中之一，并将选择的打印头一次旋转固定间距而旋转至出料定位，以进行出料，使选择的打印头将其所连接的基材500a、500b、500c逐层成型于承载面上。

另一方面，本实施例的打印头切换元件120也可具有多个限位结构122A、122B与124，如图9与图10所示出的挡块，其中限位结构122A对应于其中一打印头，而限位结构122B对应于另一打印头，再搭配以位于切换马达130上的限位结构124。如此一来，打印头切换元件120便能通过上述限位结构122A、122B与124的相互搭配，而仅能以双向来回的方式旋转打印头（如图9中以箭号示出的两个旋转方向C1、C2），而无法以单一方向持续旋转（例如是以旋转方向C1或C2持续旋转），因其在限位结构124与122A，或限位结构124与122B干涉时，均能因此防止打印头切换元件120带动打印头持续旋转，以避免呈线状的基材500a、500b、500c发生相互缠绕的情形。例如，当打印头切换元件120以旋转方向C2旋转时，限位结构122A会与124干涉而成图9所示的状态，以避免打印头切换元件120仍以旋转方向C2继续旋转。此时，打印头切换元件120便仅能以旋转方向C1旋转，且直到限位结构122B与124干涉。

综上所述，本发明的立体打印装置利用打印头切换元件，其连接多个打印头，并经配置以带动打印头旋转，其中，上述多个打印头分别连接多个特性各不相同的基材，并通过控制单元依据基材的特性选择打印头的其中之一，并控制打印头切换单元将选择打印头旋转至出料定位，以将选择的打印头所连接的基材挤出并逐层成形于基座上而形成立体物体。如此，立体打印装置无须通过繁复的进料以及退料步骤即可轻易地自动选择及切换欲制造的立体物体的颜色或材质等特性。并且，打印头模块无须移动其位置即可在原地通过打印头切换元件的旋转而进行基材的切换，因而可减少打印头模块在换料时位置偏移而导致打印产生断点需重新打印的情形。因此，本发明的立体打印装置及其打印头模块确实可增进立体打印的效果及良率，并使立体打印装置的使用便利度以及打印的弹性大幅增加。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种立体打印装置，其特征在于，包括：

基座，具有承载面；

多个打印头，各该打印头包括供料管道以及喷嘴，该些供料管道分别连接并传送多个基材至各该对应的喷嘴，该些基材具有多个特性；以及

打印头切换元件，连接该些打印头，并经配置以带动该些打印头旋转；以及

控制单元，耦接并控制该打印头切换元件，以依据该些打印头所连接的该些基材的特性选择该些打印头的其中之一，并将选择的该打印头旋转至出料定位，使选择的该打印头将其所连接的基材逐层成型于该承载面上。

2.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，该打印头切换元件具有至少一限位结构，该打印头切换元件适于旋转至少一固定间距后使至少一打印头移至该出料定位。

3.根据权利要求2所述的立体打印装置，其特征在于，该至少一限位结构包括第一限位结构以及相对于该第一限位结构以相反旋转方向设置的第二限位结构，该打印头切换元件适于旋转至与该第一限位结构相配的该出料定位，或该打印头切换元件适于沿相反方向旋转至与该第二限位结构相配的该出料定位。

4.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，该些特性包括颜色或材质。

5.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，该些打印头呈圆形排列。

6.根据权利要求5所述的立体打印装置，其特征在于，该控制单元控制该打印头切换元件沿该圆形的中心轴旋转，以将选择的该打印头旋转至该出料定位。

7.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，该打印头模块还包括切换马达，耦接该控制单元及该打印头切换元件，该控制单元控制该切换马达以驱动该打印头切换元件旋转。

8.一种打印头模块，适于将多个基材逐层成型于承载面上，该些基材具有多个特性，其特征在于，该打印头模块包括：

多个打印头，各该打印头包括供料管道以及喷嘴，该些供料管道分别连接并传送该些基材至对应的喷嘴；以及

打印头切换元件，连接该些打印头，并经配置以带动该些打印头旋转，以将各该打印头旋转至出料定位，并使移动至该出料定位的打印头将其所连接的该些基材的其一成型于该承载面上。

9.根据权利要求8所述的打印头模块，其特征在于，该打印头切换元件具有至少一限位结构，该打印头切换元件适于旋转至少一固定间距后使至少一打印头移至该出料定位。

10.根据权利要求9所述的打印头模块，其特征在于，该至少一限位结构包括第一限位结构以及相对于该第一限位结构以相反旋转方向设置的第二限位结构，该打印头切换元件适于旋转至与该第一限位结构相配的该出料定位，或该打印头切换元件适于沿相反方向旋转至与该第二限位结构相配的该出料定位。

11.根据权利要求8所述的打印头模块，其特征在于，该些特性包括颜色或材质。

12.根据权利要求8所述的打印头模块，其特征在于，该些打印头呈圆形排列。