CN105583399A - 三维打印装置及图案化非晶结构的三维打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维打印装置及图案化非晶结构的三维打印方法，三维打印装置包括工作腔体、载板、储存槽、成型材料供应组件以及光源。载板、储存槽与光源设置于工作腔体内，其中储存槽连接载板，用以储存冷却液。成型材料供应组件可移动地设置于工作腔体内，以于通过载板的上方时提供成型材料至载板。光源提供光线并照射至载板，以使铺设于载板上的成型材料烧结熔融，其中烧结熔融后的成型材料通过载板与储存槽的冷却而形成图案化非晶层。

Description

三维打印装置及图案化非晶结构的三维打印方法

技术领域

本发明是有关于一种打印装置及打印方法，且特别是有关于一种三维打印装置及图案化非晶结构的三维打印方法。

背景技术

随着科技的日新月异，传统的平面复印技术已无法满足使用上的需求。有鉴于此，众多厂商无不积极投入三维打印(或称立体打印)技术的开发与研究。由于三维打印技术及其材料应用日趋成熟，因此通过三维打印技术制造所得的三维成型物在精密度和强度等方面已大幅提升，而逐渐为制造业界或工业界所采用，俨然成为新一代的前瞻制造技术。

常见的三维打印技术，例如积层制造技术(也称为加法式制造)，其是自三维图档获取出多个切层的二维轮廓，并依据各个切层的二维数据以逐层堆积的方式加工出三维成型物。通常而言，在进行积层制造时，会先将成型材料铺设于加热平台上。接着，加热平台会预热至工作温度，以使铺设于加热平台上的成型材料逼近其熔点。接着，依据任一切层的二维数据而相对于光源移动，使得光源所投射出的光线可照射到平台上不同位置的成型材料，其中受到光线加热后的成型材料可达其熔点，并待其冷却硬化后成型而以此逐层形成三维物件。

此类型的三维打印装置的加热平台通常需在三维物件的制作过程中持续加热，以维持加热平台的温度高于成型材料的固化温度，防止成型材料在成型前太快冷却而固化，但前述制作方法的降温速率过于缓慢，并不利于非晶结构的成型。

发明内容

本发明提供一种三维打印装置及图案化非晶结构的三维打印方法，其能使烧结熔融后的成型材料快速降温以逐层形成图案化非晶层，并堆叠出图案化非晶结构。

本发明提出一种三维打印装置，其包括工作腔体、载板、储存槽、成型材料供应组件以及光源。工作平台设置于工作腔体内。载板设置于工作腔体内。储存槽设置于工作腔体内并连接载板。储存槽用以储存冷却液。成型材料供应组件可移动地设置于工作腔体内，以在通过载板的上方时提供成型材料至载板。光源设置于工作腔体内。光源提供光线并照射至载板，以使铺设于载板上的成型材料烧结熔融，其中烧结熔融后的成型材料通过载板与储存槽的冷却而形成图案化非晶层。

本发明提出一种的图案化非晶结构的三维打印方法，其中图案化非晶结构由多层图案化非晶层堆叠而成，此三维打印方包括以下步骤。首先，提供前述三维打印装置。接着，将冷却液导入储存槽内。接着，使成型材料供应组件通过载板的上方时提供成型材料至载板。接着，以光源提供光线并照射至载板，使得铺设于载板上的成型材料受到光线的照射而烧结熔融。之后，通过储存有冷却液的储存槽使载台降温，以冷却烧结熔融后的成型材料形成这些图案化非晶层的其中一层。

基于上述，本发明的三维打印装置及图案化非晶结构的三维打印方法可在使铺设于载台上的成型材料烧结熔融之前，将冷却液导入连接载台的储存槽。接着，通过光源提供光线并照射至载板，使得铺设于载板上的成型材料受到光线的照射而烧结熔融。此时，载板的局部的温度会因此而升高，但储存有冷却液的储存槽可使载台快速降温，以快速冷却烧结熔融后的成型材料形成图案化非晶层。之后，重复上述步骤，以逐层形成图案化非晶层，并堆叠出图案化非晶结构。换言之，本发明可通过快速冷却的方式，使得烧结熔融后的成型材料的结晶性变差或无法结晶，以制造出非晶的三维物件。

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三维打印装置的示意图；

图2是图1的工作腔体的内部结构示意图；

图3是图2中铺设于载板上的成型材料形成图案化非晶层的示意图；

图4是图3的图案化非晶层逐层堆叠成图案化非晶结构的示意图。

附图标记说明：

100：三维打印装置；

101：箱体；

110：工作腔体；

120：载板；

130：储存槽；

140：成型材料供应组件；

141：储存盒；

142：喷头；

150：光源；

151：光线；

161：第一控制阀；

162：第二控制阀；

163：第一输送管；

164：第二输送管；

165：压力传感元件；

170：清除组件；

CL：冷却液；

D：方向；

MM：成型材料；

PAL：图案化非晶层；

PAS：图案化非晶结构。

具体实施方式

图1是本发明一实施例的三维打印装置的示意图。图2是图1的工作腔体的内部结构示意图。请参考图1与图2，在本实施例中，三维打印装置100包括工作腔体110、载板120、储存槽130、成型材料供应组件140以及光源150，其中工作腔体110位于三维打印装置100的箱体101内，且工作腔体110例如是用以容置载板120、储存槽130、成型材料供应组件140以及光源150的壳体，或是指载板120、储存槽130、成型材料供应组件140以及光源150所在的虚拟空间，本发明对此不加以限制。

载板120、储存槽130、成型材料供应组件140以及光源150皆设置于工作腔体110内，其中载板120的材质可包括石墨烯(graphene)、人造钻石(artificialdiamond)、纳米碳管(carbonnanotube)、金属或金属合金等高导热材料。在此，是以石墨烯、人造钻石或纳米碳管等材质构成载板120为佳，其次为铜、银、金、铝或上述金属的合金。一般来说，石墨烯的导热系数(thermalconductivity)约介于4400W/mK至5780W/mK之间，纳米碳管的导热系数约为2320W/mK，而人造钻石的导热系数约为900W/mK。另一方面，铜的导热系数约为401W/mK，而银的导热系数约为420W/mK。在制作图案化非晶结构PAS(示出于图4)的过程中，载板120的温度产生急剧的变化，基于由石墨烯所构成的载板120具有耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强等优势，因而优先选用。

在此，载板120例如是三轴加工平台或四轴加工平台，其中以三轴加工平台来说，其适于沿着空间中的X轴、Y轴及Z轴而相对于光源150移动。再就四轴加工平台而论，其不仅可沿着空间中的X轴、Y轴及Z轴而相对于光源150移动，还可依垂直于空间中的X轴与Y轴的旋转轴(也即，Z轴)转动。简言之，本实施例的载板120适于加工结构复杂的工件，且可提高加工速率与加工精度。

此外，储存槽130连接载板120，且例如是面对面的直接接触，藉以具有较大的热传导面积。其中，储存槽130可用以储存冷却液CL，例如液态氮(Liquidnitrogen)，且通常是在利用成型材料供应组件140提供成型材料MM于载台之前，即已将冷却液CL导入储存槽130。一般来说，储存槽130可以是由铜、不锈钢或他延展性与导热性较佳的金属、金属合金等材质所构成，因此在导入冷却液CL于储存槽130后，储存槽130可适度的延展而不会产生永久变形。连带着，冷却液CL可使储存槽130以及连接储存槽130的载板120的温度趋近一致，约为零下200℃。

在本实施例中，当成型材料供应组件140沿着方向D或其反向移动通过载板120的上方时，成型材料供应组件140会提供成型材料MM至载板120。举例来说，成型材料供应组件140可设有感应元件(图未示)，用以检测载板120的所在范围。也就是说，当感应元件(图未示)检测到成型材料供应组件140正通过载板120的上方时，成型材料供应组件140便会启动喷粉机制，以使成型材料MM准确地喷洒至载板120。换个角度来说，一旦感应元件(图未示)检测到成型材料供应组件140离开载板120的所在范围时，成型材料供应组件140便会立即终止喷粉的动作。此处，成型材料供应组件140可包括储存盒141以及喷头142，其中成型材料MM可储存于储存盒141内，而喷头142连接连接储存盒141，藉以在通过载板120的上方时提供成型材料MM至载板120。另一方面，成型材料MM可包括高分子粉末、金属粉末、金属合金粉末或陶瓷粉末。

如图2所示，三维打印装置100还包括第一控制阀161、第二控制阀162、连接储存槽130与第一控制阀161的第一输送管163、连接储存槽130与第二控制阀162的第二输送管164以及电性耦接第一控制阀161与第二控制阀162的压力传感元件165，其中第一控制阀161与第一输送管163是作为导入冷却液CL于储存槽130所用，而第二控制阀162与第二输送管164是作为自储存槽130泄漏冷却液CL所用。此外，压力传感元件165设置于储存槽130内，用以检测储存槽130内的压力值。

通常而言，压力传感元件165可发出控制信号以控制第一控制阀161与第二控制阀162的开关，因此在通过第一控制阀161与第一输送管163以将冷却液CL导入储存槽130时，第二控制阀162会在接收到压力传感元件165所发出的控制信号后而关闭，以防止冷却液CL经由第二输送管164的泄漏而回收至冷却液回收槽(图未示)。同时间，压力传感元件165会持续地检测储存槽130内的压力变化，以在储存槽130内的压力值到达预设的安全值时自动切断第一控制阀161，避免冷却液CL无限制地自冷却液供应槽(图未示)导入储存槽130内，故可防止储存槽130因内部压力过大而扭曲变形或爆裂。反之，当储存槽130内的压力值超过预设的安全值时，压力传感元件165便会发出控制信号以开启第二控制阀162，以使储存槽130内的冷却液CL经由第二输送管164的泄漏而回收至冷却液回收槽(图未示)，并在储存槽130内的压力值回复至预设的安全值时，通过压力传感元件165发出控制信号以关闭第二控制阀162。

图3是图2中铺设于载板上的成型材料形成图案化非晶层的示意图。图4是图3的图案化非晶层逐层堆叠成图案化非晶结构的示意图。请参考图2至图4，在通过三维打印装置100执行上述三维打印方法的前置步骤后，可利用光源150(例如高功率的激光发射器)提供光线151(例如激光)并照射至载板120，以使铺设于载板120上的成型材料MM烧结熔融。此时，载板120的局部的温度会因此而升高，但储存有冷却液CL的储存槽130可使载板120快速降温，进而快速冷却烧结熔融后的成型材料MM形成图案化非晶层PAL。其中，使载板120快速降温所耗费的时间可符合傅立叶热传导定律(Fourier'sLaw)，假设以载板120的厚度为1厘米、热接触面积为1平方厘米、光源150的温度为1000℃(也即，载板120的局部的温度需自1000℃下降至零下200℃)、光源150的热损耗为60KW以及由石墨烯所构成的载板120的热传导系数为5000W/mK来作计算，则载板120的局部的温度自1000℃下降至零下200℃的时间仅需1秒。相较于由玻璃所构成的工作平台而言，在上述相同的条件下，由于玻璃的热传导系数约为1.1W/mK，因此由玻璃所构成的工作平台的局部的温度自1000℃下降至零下200℃的时间则约需4545秒，并无法符合快速降温的需求。

具体而言，储存有冷却液CL的储存槽130可使载板120维持低温状态，约零下200℃。并且，经由上述运算后可证，储存有冷却液CL的储存槽130可使载板120快速降温，并以此快速冷却的方式使得烧结熔融后的成型材料MM的结晶性变差或无法结晶，进而形成图案化非晶层PAL。另一方面，在形成图案化非晶层PAL的过程中，载板120会依据欲形成的图案化非晶层PAL的轮廓而沿着空间中的X轴、Y轴及Z轴而相对于光源150移动，甚至依垂直于空间中的X轴与Y轴的旋转轴(也即，Z轴)转动。

在本实施例中，三维打印装置100还包括清除组件170，用以在形成成型材料MM后，清除载板120上未烧结的成型材料MM。举例来说，清除组件170可通过吹气或吸取等方式，来回收未烧结的成型材料MM，以接续下一层的图案化烧结层的制作。简言之，利用三维打印装置100反复执行上述三维打印方法的制作流程，便可逐层形成多层图案化烧结层，以堆叠出图案化非晶结构PAS。

综上所述，本发明的三维打印装置及图案化非晶结构的三维打印方法可在使铺设于载台上的成型材料烧结熔融之前，将冷却液导入连接载台的储存槽。接着，通过光源提供光线并照射至载板，使得铺设于载板上的成型材料受到光线的照射而烧结熔融。此时，载板的局部的温度会因此而升高，但储存有冷却液的储存槽可使载台快速降温，进而快速冷却烧结熔融后的成型材料形成图案化非晶层。之后，重复上述步骤，以逐层形成图案化非晶层，并堆叠出图案化非晶结构。换言之，本发明可通过快速冷却的方式，使得烧结熔融后的成型材料的结晶性变差或无法结晶，以制造出非晶的三维物件。

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)

1.一种三维打印装置，其特征在于，包括：

工作腔体；

载板，设置于该工作腔体内；

储存槽，设置于该工作腔体内并连接该载板，其中该储存槽用以储存冷却液；

成型材料供应组件，可移动地设置于该工作腔体内，以在通过该载板的上方时提供成型材料至该载板；以及

光源，设置于该工作腔体内，该光源提供光线并照射至该载板，以使铺设于该载板上的该成型材料烧结熔融，其中烧结熔融后的该成型材料通过该载板与该储存槽的冷却而形成图案化非晶层。

2.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于，该载板的材质包括石墨烯、人造钻石、纳米碳、金属或金属合金。

3.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于，该冷却液包括液态氮。

4.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于，该成型材料包括高分子粉末、金属粉末、金属合金粉末或陶瓷粉末。

5.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于，还包括：

清除组件，设置于该工作腔体内，用以清除未烧结的该成型材料。

6.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于，还包括：

压力传感元件，设置于该储存槽内，用以检测该储存槽内的压力值。

7.一种图案化非晶结构的三维打印方法，其特征在于，该图案化非晶结构由多层图案化非晶层堆叠而成，该三维打印方法包括：

提供如权利要求1所述的三维打印装置；

将该冷却液导入该储存槽内；

使该成型材料供应组件通过该载板的上方时提供该成型材料至该载板；

以该光源提供该光线并照射至该载板，使得铺设于该载板上的该成型材料受到该光线的照射而烧结熔融；以及

通过储存有该冷却液的该储存槽使该载台降温，以冷却烧结熔融后的该成型材料形成该些图案化非晶层的其中一层。

8.根据权利要求7所述的图案化非晶结构的三维打印方法，其特征在于，还包括：

利用压力传感元件检测该储存槽内的压力值，以在该压力值超过安全值时泄漏该储存槽内的该冷却液。

9.根据权利要求7所述的图案化非晶结构的三维打印方法，其特征在于，在形成该些图案化非晶层的其中一层后，还包括：

利用清除组件清除未烧结的该成型材料。

10.根据权利要求7所述的图案化非晶结构的三维打印方法，其特征在于，储存有该冷却液的该储存槽使该载台维持低温状态。