CN105563823A - 立体打印装置与立体打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种立体打印装置与立体打印方法，用以成形出多个成型层而堆叠成立体物件。立体打印装置包括本体、传动模块、打印模块、固化模块以及激光模块。本体具有成型平面，传动模块设置于本体。打印模块、固化模块与激光模块分别设置于传动模块以受控于传动模块而相对于本体移动。打印模块喷涂液态成型材至成型平面并经固化模块固化后形成成型层。激光模块依据一条件参数而沿成型平面的法线方向移动，并沿平行于成型平面的至少一平面提供激光光线以切割修整至少一成型层。

Description

立体打印装置与立体打印方法

技术领域

本发明是有关于一种立体打印装置与立体打印方法。

背景技术

随着电脑辅助制造(Computer-AidedManufacturing,CAM)的进步，制造业发展了立体打印技术，能很迅速的将设计原始构想制造出来。立体打印技术实际上是一系列快速原型成型(RapidPrototyping,RP)技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z座标间断地作层面厚度的位移，最终形成立体物体。立体打印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，更可大大地节省人力与加工时间，在时间最短的要求下，将3D电脑辅助设计(Computer-AidedDesign,CAD)软件所设计的数字立体模型信息真实地呈现出来，不但摸得到，也可真实地感受得到它的几何曲线，更可以试验零件的装配性、甚至进行可能的功能试验。

目前已发展出许多可以形成多个薄横截面层的方式。举例来说，打印模块通常可依据3-D模型的设计资料建构的X-Y-Z座标在基座上方沿着X-Y座标移动，从而将建构材料喷涂出正确的横截面层形状。所沉积的材料可随后自然硬化或通过例如强光源而被固化，从而形成所要的横截面层，并在逐层固化的状态下进而形成立体物件。成型的技术随着材料性质而异，举例来说，可利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”，例如：选择性激光烧结(selectivelasersintering，SLS)和熔融沉积式(fuseddepositionmodeling，FDM)。

惟，上述呈液态的的成型材在堆积成型的过程中，由于表面张力而容易在其间，即“墨滴”与“墨滴”之间，产生空隙。如此一来，将会在固化之后造成结构上的缺陷，甚而在堆叠数层成型材之后塌陷，并因此造成立体物件表面的不平整状态。据此，如何在立体打印过程中避免上述结构缺陷，便成为相关人员所需思考的课题。

发明内容

本发明提供一种立体打印装置与立体打印方法，其在立体物件的成型过程中对至少一成型层施以平整化的手段，据以消除结构上的缺陷。

本发明的立体打印装置，用以成形出多个成型层而堆叠成立体物件。立体打印装置包括本体、传动模块、打印模块、固化模块以及激光模块。本体具有成型平面。传动模块设置于本体。打印模块、固化模块与激光模块分别设置于传动模块，以受控于传动模块而相对于本体移动。打印模块喷涂液态成型材至成型平面并经固化模块固化后形成成型层。激光模块依据条件参数而沿成型平面的法线方向移动，并沿平行于成型平面的至少一平面提供激光光线以切割修整至少一成型层。

本发明的立体打印方法，用以成型出立体物件。立体打印方法包括：于成型平面上逐层提供液态成型材并予以固化而成型出多个成型层，且堆叠所述成型层而构成立体物件；以及，依据条件参数而沿平行于成型平面的至少一平面提供激光光线以切割修整至少一成型层。

在本发明的一实施例中，上述的激光模块为二氧化碳激光模块。

在本发明的一实施例中，上述激光模块所提供激光光线波长为10.6微米(μm)。

在本发明的一实施例中，上述的立体打印装置还包括感测模块以及控制模块。感测模块设置于本体，且依据所述条件参数而感测位于成型平面上的成型层的表面轮廓，并产生轮廓信号。控制模块电性连接感测模块与激光模块，且接受轮廓信号并据以判断是否驱动激光模块修整成型层。

本发明的一实施例中，上述的立体打印装置还包括控制模块，电性连接打印模块、固化模块与激光模块，控制模块依据所述的条件参数而驱动激光模块修整成型层。

本发明的一实施例中，上述的条件参数包括所述至少一成型层的成型时间、层数或其结构高度。

本发明的一实施例中，上述的立体打印方法还包括：依据条件参数而检测至少一成型层的表面轮廓，以及依据检测到的表面轮廓而判断是否提供激光光线对该至少一成型层进行修整。

本发明的一实施例中，当上述至少一成型层的表面轮廓同时存在突起与凹陷时，提供激光光线而修整存在所述凹陷的成型层。

基于上述，在本发明于上述实施例所述的立体打印装置与立体打印方法，在以多层成型层逐渐堆叠出立体物件的过程中，对其中至少一成型层施予平整化的措施，即以激光光线沿平行于成型平面的至少一平面对成型层进行平面式的切割与修整，因而得以对存在于结构中的缺陷，如前述的空隙，进行移除的工作。如此一来，由于液态成型材所可能造成的结构缺陷便能通过激光光线的修整而消除，也因此确保在立体物件的成型过程中，无须担心因材料状态的转化而影响整体的结构强度。

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是本发明一实施例的一种立体打印装置的示意图；

图2与图3分别以不同视角示出立体打印装置的局部放大图；

图4与图5分别示出立体打印过程中的示意图；

图6是本发明一实施例的立体打印的流程图；

图7示出本发明另一实施例的立体打印过程的示意图；

图8示出本发明另一实施例的立体打印装置的局部示意图；

图9示出图8立体打印装置的动作流程图。

附图标记说明：

100：立体打印装置；

110：本体；

112：升降平台；

120：传动模块；

122、124、126：驱动组件；

122a、124a：驱动件；

122b：轨道；

124b：螺杆；

124c：承载件；

130：打印模块；

140：固化模块；

150：控制模块；

160：激光模块；

162：发射器；

164：接收器；

170：感测模块；

200A：成型材；

200B：成型层；

200C：立体物件；

S1：成型平面；

S410、S420、S425A、S430：步骤。

具体实施方式

图1是本发明一实施例的一种立体打印装置的示意图。

图2与图3分别以不同视角示出立体打印装置的局部放大图。请同时参考图1至图3，在本实施例中，立体打印装置100适于依据数字立体模型信息打印出立体物件，数字立体模型信息可为数字立体图像档案，其例如由电脑主机通过电脑辅助设计(computer-aideddesign,CAD)或动画建模软件等建构而成，以经由立体打印装置100的相关控制构件而进行立体打印制程。立体打印装置100包括本体110、传动模块120、打印模块130、固化模块140与控制模块150。本体110包括升降平台112，其具有成型平面S1，用以作为立体物件的成型与承载之用。传动模块120配置在本体110上，且控制模块150电性连接传动模块120、打印模块130与固化模块140。

传动模块120包括多个驱动组件122、124与126，其中驱动组件122包含驱动件122a与轨道122b，且驱动件122a可移动地配置于轨道122b上而能进行沿Y轴的移动。驱动组件124配置在驱动件122a上而能随之沿Y轴移动，同时，驱动组件124包括驱动件124a、螺杆124b与承载件124c，其中承载件124c可移动地耦接于螺杆124b，以让驱动件124a(例如是马达)驱动螺杆124b相对于X轴旋转时，能进而带动承载件124c沿X轴移动。驱动组件126则设置于本体110之内且与升降平台112连接，其用以驱动升降平台112沿Z轴的移动。需说明的是，本案所揭露的传动模块120仅为其中一实施例，任何现有的传动机构中，足以驱动打印模块130、固化模块140与升降平台112以及后续提及的相关需进行移动的构件者，均能适用于本案。

打印模块130与固化模块140分别组装于承载件124c的沿Y轴的相对两侧，且如前述传动模块120的驱动组件122、124进行驱动时，便能控制打印模块130与固化模块140沿X-Y平面移动。另外，前述升降平台112座落于受控的打印模块130与固化模块140的移动范围之内，因此，当控制模块150接收数字立体模型信息后，液态的成型材便能经由打印模块130喷涂至升降平台112的成型平面S1上，并经由固化模块140予以固化成成型层，并随着升降平台112沿Z轴移动而让逐层地将成型层堆叠在一起，最终形成所需的立体物件。

图4与图5分别示出立体打印过程中的示意图，

图6是本发明一实施例的立体打印的流程图。请同时参考图3图4与图6，在本实施例中，成型材200A例如是液态的光硬化树脂(photopolymer)，其通过打印模块130喷涂于成型平面S1上之后，便能通过固化模块140，例如是紫外线光源，将其固化为成型层200B，而后再持续进行喷涂与固化的相关动作，便能逐层堆叠成型层而形成立体物件200C。

惟如前述，当成型材200A尚未固化成型时，其因表面张力的缘故而容易在液滴之间形成空隙。据此，本实施例的立体打印装置100还包括激光模块160，配置在驱动件122a的下方而座落于本体110的顶面与传动模块120之间，且在本实施例中，激光模块160实质上位于打印模块130与固化模块140之间。激光模块160电性连接控制模块150且包括发射器162与接收器164，且当驱动件122a移至升降平台112上方时，发射器162与接收器164实质上位于成型平面S1沿X轴的相对两侧。

换句话说，激光模块160也会受控于传动组件122而沿Y轴相对于本体110移动，且成型平面S1位于激光模块160的移动范围之内，也即激光模块160如同打印模块130与固化模块140一般，而能对成型平面S1上的成型层200B进行对应的处理程序。如此一来，如图5所示，激光模块160便能依据一条件参数而提供激光光线L1而沿X-Y平面切割修整前述表面轮廓不佳的成型层200B，进而得以将所述空隙消除(如图4所示出的虚线轮廓)。

另需说明的是，本实施例的激光模块160例如是波长为10.6微米(μm)的二氧化碳短波激光，其与成型材的材质特性而有所搭配，以有利于对成型层200B进行切割与修整的动作。换句话说，本发明所述激光模块的种类实能随着成型材的材质而予以适当地调整。

以下通过详细步骤描述而说明本案的立体打印过程，其中用以达到步骤中所述动作的构件已能从前述立体打印装置100的相关构件得知。请同时参考图4至图6，首先，在本实施例的步骤S410中，于成型平面S1上喷涂液态成型材200A，并将其予以固化而形成成型层200B；接着，在步骤S420中，重复前述喷涂与固化动作，而逐层堆叠出多个成型层200B，以致最终形成立体物件200C。

如图5所示，位于顶层的成型层200B明显存在缺陷(如图4所示出的凹陷)，此时若将其忽略而仍继续将液态成型材200A喷涂上去时，则因表面张力的原因使得空隙处有可能无法被液态成型材200A所填补甚至形成新的空隙，一旦进行固化之后，所述空隙便形成结构上的缺陷，而使立体物件200C在该处的结构强度堪虑。据此，本实施例通过在立体物件200C的成型过程中，预防式地对其中的成型层200B以激光光线进行切割修整，因而能有效地避免缺陷产生。据此，在步骤S430中，也即在成型与堆叠成型层200B的过程中，本实施例会依据一条件参数，而对平行于成型平面S1的至少一平面提供激光光线L1，以切割修整至少一成型层200B，藉以避免发生任何缺陷的可能。

在此并未限制对成型层200B进行切割修整的时机。所述条件参数可包含成型层200B的成型时间、层数或其结构高度，也即使用者能预先设定欲对成型层200B进行修整的时机。举例来说，所述步骤S430还可包括：判断并确认成型层200B的层数是否以达预定层数，若是，即对成型层200B进行切割修整，否则，则持续堆叠成型层200B。另外，在立体打印装置100开始进行打印之前，通过控制模块150即能从数字立体模型信息得知成型层200B的总层数，以让使用者得以先行设定欲进行切割修整的预设层次。另外，还可以成型平面S1作为基准而设定达到预设高度的成型层200B以对其进行修整，也可以最终立体物件200C的完成高度作为标的，而设定成型层200B距离前述完成高度的差距作为进行修整的时机。

此外，于另一未示出的实施例中，则可通过控制模块150而主动地设定为重复式的切割修整模式，也即前述步骤S430还可包括：每堆叠预设层数的成型层200B，即以激光光线L1对预设层次的成型层200B进行切割修整，或是设定以时间间隔(timeinterval)作为修整的依据。

图7示出本发明另一实施例之立体打印过程的示意图。请参考图7，与前述实施例不同的是。本实施例位于顶层的成型层200B存在的缺陷为突起，由别于前述为凹陷的表面轮廓，在本实施例中所提供的激光光线L1能仅针对所述突起进行修整。

图8示出本发明另一实施例的立体打印装置的局部示意图。

图9示出图8立体打印装置的动作流程图。请同时参考图8与图9，与上述实施例不同的是，本实施例的立体打印装置300还包括感测模块170，其可由影像感测器(如CCD)或红外线感测器的至少其一所构成，感测模块170配置在本体110上而相邻于成型平面S1，且电性连接至控制模块150。

据此，如图9所示，步骤S425A，即是在成型层200B的堆叠过程中，通过感测模块170依据条件参数感测成型层200B的表面状态(诸如表面平坦度、粗糙度等)而产生轮廓信号，并可通过前述的控制模块150接收轮廓信号后据以判断是否驱动激光模块160对成型层200B进行修整。举例来说，当成型层200B的表面平坦度达到临界时，即代表上述液态成型材200A之间的空隙将会造成整体结构缺陷时，如图8所示表面凹凸不平的状态，此时感测模块170获知轮廓信号并加以判断而决定需进行修整后，便能即时驱动激光模块160对成型层200B进行立即的切割修整动作。在此并未限制作为判断是否进行修整的条件，其需依据成型材料、立体物件的轮廓等相关打印条件而定。惟，其中当成型层200B同时存在突起与凹陷时(如图8所示)，则所提供的激光光线实际上是对存在凹陷的成型层200B进行修整。

另需说明的是，本实施例并未对感测模块的配置位置予以限制，在另一未示出的实施例中，感测模块也能配置于上述实施例的驱动组件122上，而随之沿Y轴移动的过程对成型层200B的成型平面S1进行扫描式感测。

综上所述，在本发明的上述实施例中，在以成型层逐渐堆叠出立体物件的过程中，对其中至少一成型层施予平整化的措施，即以激光光线沿平行于成型平面的至少一平面对至少一成型层进行平面式的切割与修整，因而能有效地消除因液态成型材的表面张力所造成的空隙。其中，使用者能通过控制模块驱动激光模块对预定层次的成型层进行切割修整，也可通过感测器即时感测每一成型层的表面状态，而在感测到成型层的表面状态达到临界时，即立刻驱动激光模块动作。

如此一来，由于液态成型材所可能造成的结构缺陷便能通过激光光线的修整而消除，也因此确保在立体物件的成型过程中，无须担心因材料状态的转化而影响整体的结构强度。

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 (10)

1.一种立体打印装置，用以成形出多个成型层而堆叠成一立体物件，其特征在于，该立体打印装置包括：

一本体，具有一成型平面；

一传动模块，设置于该本体；以及

一打印模块、一固化模块与一激光模块，分别设置于该传动模块以受控于该传动模块而相对于该本体移动，该打印模块喷涂液态成型材至该成型平面并经由该固化模块固化而形成该些成型层，该激光模块依据一条件参数而沿该成型平面的一法线方向移动，并沿平行于该成型平面的至少一平面提供激光光线以切割修整至少一成型层。

2.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，该激光模块为二氧化碳激光模块。

3.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，该激光模块所提供激光光线波长为10.6微米。

4.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，还包括：

一感测模块，设置于该本体，该感测模块依据该条件参数感测至少一成型层的表面轮廓，并产生一轮廓信号；以及

一控制模块，电性连接该感测模块与该激光模块，该控制模块接受该轮廓信号并据以判断是否驱动该激光模块修整该成型层。

5.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，还包括：

一控制模块，电性连接该打印模块、该固化模块与该激光模块，该控制模块依据该条件参数而驱动该激光模块修整该成型层。

6.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，该条件参数包含该至少一成型层的成型时间、层数或其结构高度。

7.一种立体打印方法，用以成型出一立体物件，其特征在于，该立体打印方法包括：

于一成型平面上逐层提供液态成型材并予以固化而成型出多个成型层，且堆叠该些成型层而构成该立体物件；以及

依据一条件参数而沿平行于该成型平面的至少一平面提供激光光线切割以修整至少一成型层。

8.根据权利要求7所述的立体打印方法，其特征在于，该条件参数包括该至少一成型层的成型时间、层数或其结构高度。

9.根据权利要求7所述的立体打印方法，其特征在于，还包括：

依据该条件参数而检测该至少一成型层的表面轮廓；以及依据检测到的表面轮廓而判断是否提供激光光线对该至少一成型层进行修整。

10.根据权利要求9所述的立体打印方法，其特征在于，当该至少一成型层的表面轮廓同时存在一突起与一凹陷时，提供激光光线而修整存在该凹陷的该成型层。