CN105196546A - 光固化立体造型装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光固化立体造型装置，其包括：槽体、保持板、升降机构、光源模组、和控制单元。所述槽体具有容置空间可用来容置光固化材料，并包含：底板和墙结构。所述底板为透明或半透明者。所述墙结构是设置于所述底板周围且与所述底板形成所述容置空间。所述升降机构是用以使所述保持板上下移动。所述光源模组是设置于所述槽体下方。所述控制单元是用来控制所述光源模组和所述升降机构。在形成一立体造型物体的光固化层期间，藉由在所述底板利用电场或磁场来使所述槽体内所述光固化材料不在所述底板表面发生光固化，使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
Description
技术领域
本发明是有关于立体造型技术，特别是有关于一种藉由光固化材料而制造三维物体的光固化立体造型技术。
背景技术
光固化立体造型技术是藉由堆迭与粘合光可固化液态树脂所形成的固态薄层来制造三维物体。习知的光固化立体造型机器基本上有两种习知的做法。
第一种做法是从上方投射光图案至下方的槽体内以固化槽体内液态的光固化材料。对于这种由上至下的配置来说，槽体的大小必须能够维持充足的树脂以完全浸泡列印物体。树脂表面在曝光的每一层需被调平，藉以确保每一层的均匀性。另外，树脂表面在列印的过程中并非停留在同一水平，且铅直位移需被补偿以使每一列印层维持相同厚度。另外，光固化是发生在接触空气的树脂表面，氧气抑制问题会增加树脂固化的时间。
第二种做法则是从下方将光图案向上投射至槽体的透明底部而令槽体内液态的光固化材料得以固化。这种做法能够改善上述光固化立体造型机器的缺点，例如是简化机器结构使槽体的体积大幅减少。此外，光固化层是形成于槽体的底部与前一层或搭建平台之间。由于光固化层并非形成于接触空气的液态光固化材料的表面上方，则各层均匀性与氧气抑制问题将不复存在，且在机器中也不再需要树脂表面调平装置。每一层是由槽体的底部分离，并被抬高以为下一层预留空间。
然而，由于凡得瓦偶极力、化学粘结力与吸引力的结果，使光固化层与槽体之间产生沾粘的现象，从而造成搭建平台对光固化层有难以拉拔的问题。分离力的大小是与上述力量及光固化层的面积成正相关，且为高分辨率列印的最重要限制因素之一。为了减少粘着力，有些改善沾粘现象的技术是于槽体的底部设置具弹性的膜，例如铁弗龙(Teflon)或硅胶(silicone)，藉此来防止光固化层沾粘在槽体。然而，即使有这样的改进，分离力仍然太大以至于无法精细列印。
发明内容
有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种光固化立体造型装置及方法。在本发明的光固化立体造型技术中，藉由使用能够令光固化材料在光固化过程中所形成的带电体(例如：阳离子基、带电的单体(monomer)或寡聚物(oligomer)等)被移动至底板的表面以外的技术，从而达成让所述立体造型物体愈接近所述保持板表面的光固化层的粘滞度愈小的效果。
本发明的一种实施态样，提出一种光固化立体造型装置一种光固化立体造型装置，其包括：槽体、保持板、升降机构、光源模组、和控制单元。所述槽体具有有容置空间可用来容置光固化材料，并包含：底板和墙结构。所述底板为透明或半透明者。所述墙结构是设置于所述底板周围且与所述底板形成所述容置空间。所述升降机构是用以使所述保持板上下移动。所述光源模组是设置于所述槽体下方。所述控制单元是用来控制所述光源模组和所述升降机构。在所述光固化立体造型装置中，经由所述光源模组照射使所述光固化材料发生光固化反应，在所述保持板上形成一光固化层后，再以所述升降机构移动所述保持板，接着反复进行前述光照射形成光固化层，进而逐层地制作成一立体造型物体。在形成所述光固化层期间，藉由在所述底板利用电场或磁场来使所述槽体内所述光固化材料不在所述底板表面发生光固化，使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
本发明的另一种实施态样，提出一种光固化立体造型方法，所述方法包括以下步骤。提供一光固化立体造型装置。在所述光固化立体造型装置的槽体的底板构成电场或磁场。经由所述光固化立体造型装置的光源模组照射使所述光固化材料发生光固化反应，在所述保持板上形成一光固化层后，再以所述光固化立体造型装置的升降机构移动所述保持板，接着反复进行前述光照射形成光固化层，进而逐层地制作成一立体造型物体；其中在形成所述光固化层期间，藉由在所述底板利用电场或磁场来使所述槽体内所述光固化材料不在所述底板表面发生光固化，使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
依据本发明的光固化立体造型装置能够避免光固化材料因于底板表面固化而沾粘于底板表面而令利用立体造型技术所形成的立体造型物体的固化层难以拉拔问题。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举多个实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1显示依据本发明的一种实施态样的一种光固化立体造型装置的示意图。
图2A和图2B显示藉由本发明的实施例令光固化不在底板表面发生的示意图。
图3显示本发明的一种实施例中的槽体的部分剖面图。
图4显示本发明的一种实施例中的槽体的部分剖面图。
图5显示本发明的一种实施例中的槽体的部分剖面图。
图6显示依据本发明的一种实施态样的一种光固化立体造型方法的示意图。
其中：100：光固化立体造型装置；110：槽体；111：底板；111P：底板的表面；112：墙结构；120：保持板；130：升降机构；140：光源模组；150：控制单元；180：容置空间；190：光固化材料；199：立体造型物体；200：基板；201：第一导电层；202：第二导电层；FD：物理场；ED：电场。
具体实施方式
本发明提出在光固化立体造型技术中使用能够令光固化材料在光固化过程中所形成的带电体(例如：阳离子基、带电的单体(monomer)或寡聚物(oligomer)等)被移动至底板的表面以外的技术，从而达成让所述立体造型物体愈接近所述保持板表面的光固化层的粘滞度愈小的效果。
以下依据本发明的上述观点，并以光固化立体造型装置的结构为例来说明本发明的各种实施态样。
图1显示依据本发明的一种实施态样的一种光固化立体造型装置的示意图。如图1所示，光固化立体造型装置100至少包括槽体110、保持板120、升降机构130、光源模组140、和控制单元150。槽体110具有容置空间180可用来容置光固化材料190。升降机构130是用以使所述保持板120上下移动。光源模组140是设置于所述槽体110下方。控制单元150是用来控制所述光源模组140和所述升降机构130。此外，槽体110包含：底板111和墙结构112。底板111为透明或半透明者；墙结构112是设置于所述底板111周围且与所述底板111形成所述容置空间180。
在光固化立体造型装置100中，经由所述光源模组140照射使所述光固化材料190发生光固化反应，在所述保持板120上形成一光固化层后，再以所述升降机构130移动所述保持板120，接着反复进行前述光照射形成光固化层，进而逐层地制作成一立体造型物体199。
在图1所示意的光固化立体造型装置100中，在形成所述光固化层期间，藉由在所述底板111提供、利用或构成如电场或磁场的物理场FD(例如以虚线示意的空间存在物理场)来使所述槽体110内所述光固化材料190不在所述底板表面发生光固化，使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。藉此，依据本发明的光固化立体造型装置能够避免光固化材料因于底板表面固化而沾粘于底板表面而令利用立体造型技术所形成的立体造型物体的固化层难以拉拔问题。
在习知的光固化立体造型技术中，光固化材料如「光敏树脂」(photopolymer)中的光起始剂(photoinitiator)在吸收紫外线(例如，波长为250-300nm的紫外线)后产生自由基或阳离子基，其与光敏树脂中的单体(monomer)及相对应的寡聚物(oligomer)进行交聯聚合反应而固化。如图2A所示，在光固化立体造型装置100中，在形成所述光固化层期间，假设在所述底板111未有利用电场或磁场时，阳离子基会聚集在底板111的表面111P并进一步固化而沾粘在底板111的表面111P上，造成习知的沾粘问题。
如图2B所示，在光固化立体造型装置100中，在形成所述光固化层期间，在所述底板111利用电场ED时，带电体如阳离子基被电场ED(例如，阳极性向上的电场方向)所产生的排斥力作用而被移往底板111的表面111P上方从而继续进行固化反应。如此类推，底板111的表面111P利用磁场时，带电体如阳离子基受磁场(例如，磁力线方向为环绕着底板111的表面111P)所产生的力作用而移往底板111的表面111P上方从而继续进行固化反应。藉此，本发明的实施例能够令光固化不在底板表面发生。
以下举例说明前述底板111利用电场或磁场的实施例。
图3显示本发明的一种实施例中的槽体的部分剖面图。在图3中，所述底板111包括第一导电层201。在形成所述光固化层期间，藉由在所述底板111的所述第一导电层201的两侧施加电压(例如利用电源VS)而构成磁场，来使所述槽体110内所述光固化材料180不在所述底板111表面发生光固化，使愈接近所述底板111表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
图4显示本发明的一种实施例中的槽体的部分剖面图。在图4中，所述底板111包括基板200和第一导电层201。在形成所述光固化层期间，藉由在所述底板111的所述第一导电层201的两侧施加电压(例如利用电源VS)使其有电流通过而构成磁场，来使所述槽体110内所述光固化材料180不在所述底板111表面发生光固化，使愈接近所述底板111表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
此外，由于电流磁效应中，电流的大小与所述电流所产生的磁场大小有正相关性，故此可藉由调整通过第一导电层201的电流大小来施加适当大小的磁场来达成光固化材料180不在所述底板111表面发生光固化的效果。
图5显示本发明的一种实施例中的槽体的部分剖面图。在图5中，所述底板111包括基板200、第一导电层201和第二导电层202。第一导电层201是设置于所述槽体110所容置的所述光固化材料180和所述基板200之间；所述基板200是设置于所述第一导电层201和所述第二导电层202之间。在形成所述光固化层期间，藉由在所述第一导电层201和所述第二导电层202之间充电(如由电源VS施加正电压)而构成电场，来使所述槽体110内所述光固化材料180不在所述底板111表面发生光固化，使愈接近所述底板111表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
此外，第一导电层201和所述第二导电层202之间的电场大小Eab可以简化地利用公式Eab＝Vab/d来表示，其中Vab是表示与施加于第一导电层201和所述第二导电层202的电压，d表示两者的距离。故此，可藉由调整Vab的大小或d来产生适当大小的电场来达成光固化材料180不在所述底板111表面发生光固化的效果。
此外，在上述图3至图5中，第一导电层201可以为透明导电膜(transparentconductivefilm)；基板200可以为玻璃、陶瓷、或任何合适的透明或半透明基材来实现。再者，基板200和第一导电层201(及/或第二导电层202)可利用导电氧化物(TCO；TransparentConductiveOxide)玻璃来实现，例如：氧化铟锡(ITO；IndiumTinOxide)导电玻璃、氟掺杂氧化锡(FTO；FlorineDopedTinOxide)导电玻璃、掺铝的氧化锌(AZO；Al-dopedZnO)导电玻璃、氧化锌掺镓(GZO；Ga.Zno)导电玻璃、氧化铟锌(IZO；IndiumZincOxide)导电玻璃、氧化锌(ZnO；ZincOxide)导电玻璃中的一种来实现。此外，上述任一实施例中的导电层(第一导电层201及(或)第二导电层202)亦可以用导电性高分子材料、奈米碳管材料、奈米粒子材料、或金属奈米线等材料来实现。总之，任何透光性、导电性良好的材料只要能够在通电后产生电场或磁场，皆适合做为上述实施例中导电层的材料。
在前述任一光固化立体造型装置的实施例中，所述光源模组可以使用紫外光光源。本发明对光源模组并没有限制，只要能用以产生用于立体造型物体的复数个截面层的光罩图案的光源模组皆可。
此外，为了进一步使降低前述光固化沾粘问题，前述任一光固化立体造型装置的实施例中，可以进一步使用：可见光光源、可见光雷射光源、和红外光雷线光源中的一种光源，其中藉由所述光源的照射使合适的光固化材料发生光固化反应。相较于习知以紫外光做为光固化立体造型装置的图案化光源，使用紫外光以外的长波长光源如可见光光源(例如波长为400nm至760nm)或红外光光源(例如波长为760nm至10000nm)时，因为长波长光源对液体的穿透性较紫外光的穿透性为高，故此长波长光源照射穿透底板111后，在底板111表面的光固化材料的硬化度是较小于在底板111以外的光固化材料的硬化度，藉此固化层的拉拔力相对降底了。
图6显示依据本发明的一种实施态样的一种光固化立体造型方法的示意图。在图6中，如步骤S110所示，提供一光固化立体造型装置。如步骤S120所示，在所述光固化立体造型装置的槽体的底板构成电场或磁场。如步骤S130所示，经由所述光固化立体造型装置的光源模组照射使所述光固化材料发生光固化反应，在所述光固化立体造型装置的保持板上形成一光固化层后，再以所述光固化立体造型装置的升降机构移动所述保持板，接着反复进行前述光照射形成光固化层，进而逐层地制作成一立体造型物体。其中在形成所述光固化层期间，藉由在所述底板提供或利用电场或磁场来使所述槽体内所述光固化材料不在所述底板表面发生光固化，使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
在上述的光固化立体造型方法中，在形成所述光固化层期间，藉由在所述底板的第一导电层通电而构成磁场，来使所述槽体内所述光固化材料不在所述底板表面发生光固化，使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
在上述的光固化立体造型方法中，在形成所述光固化层期间，藉由在所述底板的相对的两导电层充电而构成电场，来使所述槽体内所述光固化材料不在所述底板表面发生光固化，使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
在上述的光固化立体造型方法中，光源模组照射可见光、可见光雷射、和红外光雷线中的一者使所述光固化材料发生光固化反应。
在上述的光固化立体造型方法中，亦可参照前述任一光固化立体造型装置的实施例，来加以实现。
综上所述，本发明的内容已以如上的实施例举例说明了，然而本发明并非仅限定于此等实施方式而已。本发明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，当可再进行各种更动与修饰；例如，将前述实施例中所例示的各技术内容加以组合或变更而成为新的实施方式，此等实施方式亦当然视为本发明所属内容之一。因此，本案所欲保护的范围亦包括前面所叙述的权利要求及其所界定的范围。
Claims (10)
1.一种光固化立体造型装置，其包括：
槽体、保持板、升降机构、光源模组、和控制单元；
所述槽体用来容置光固化材料，所述槽体包含：底板和设置于所述底板周围的墙结构；
所述底板为透明或半透明者，用以提供电场或磁场；
所述控制单元是用来控制所述光源模组和所述升降机构；
所述升降机构用以使所述保持板移动；
所述光源模组设置于所述槽体下方，用以照射所述槽体容置的光固化材料从而在所述保持板上形成一光固化层，其中所述底板所提供的电场或磁场是用来使所述槽体容置的光固化材料不在所述底板表面光固化，从而使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
2.根据权利要求1所述的光固化立体造型装置，其中所述底板包括第一导电层；所述底板的所述第一导电层是用于藉由通电而构成磁场来使所述槽体内所述光固化材料不在所述底板表面发生光固化，使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
3.根据权利要求2所述的光固化立体造型装置，其中所述底板进一步包括基板，所述第一导电层是设置于所述槽体所容置的所述光固化材料和所述基板之间。
4.根据权利要求1所述的光固化立体造型装置，其中所述底板包括：
基板、第一导电层、及第二导电层；
所述第一导电层是设置于所述槽体所容置的所述光固化材料和所述基板之间；及
所述基板是设置于所述第一导电层和所述第二导电层之间；其中
所述第一导电层和所述第二导电层是用于藉由充电而构成电场，来使所述槽体内所述光固化材料不在所述底板表面发生光固化，使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
5.根据权利要求3或4所述的光固化立体造型装置，其中所述基板为玻璃或陶瓷。
6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的光固化立体造型装置，其中所述光源模组包含：可见光光源、可见光雷射光源、和红外光雷线光源中的一种光源。
7.一种光固化立体造型方法，其包括：
提供光固化立体造型装置，所述光固化立体造型装置包含槽体、保持板、升降机构、光源模组；
在所述槽体的底板提供电场或磁场；以及
逐层地形成复数个光固化层以制作立体造型物体，其包含重复地执行以下步骤：经由所述光源模组照射所述槽体内的光固化材料以在所述保持板上形成所述复数个光固化层中的一光固化层后，以所述升降机构移动所述保持板；
其中在形成所述光固化层期间，藉由所述底板所提供的电场或磁场来使所述槽体内所述光固化材料不在所述底板表面光固化，使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
8.根据权利要求7所述的光固化立体造型方法，其中在形成所述光固化层期间，藉由在所述底板的第一导电层通电而构成磁场，来使所述槽体内所述光固化材料不在所述底板表面发生光固化，使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
9.根据权利要求7所述的光固化立体造型方法，其中在形成所述光固化层期间，藉由在所述底板的相对的两导电层充电而构成电场，来使所述槽体内所述光固化材料不在所述底板表面发生光固化，使愈接近所述底板表面的所述光固化层的粘滞度愈小。
10.根据权利要求7至9中任一权利要求所述的光固化立体造型方法，其中所述光源模组照射可见光、可见光雷射、和红外光雷线中的一者使所述光固化材料发生光固化反应。
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