CN105711085B - 三维系统的材料检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维系统的材料检测装置，包括一支架、一打印头、一第一活塞、一第二活塞、一第一检测单元以及一第二检测单元。支架包括一定位座以及一支撑件。打印头可拆卸地位于该定位座中，并且包括容料筒以及喷嘴，容料筒用以容置建造材料，喷嘴具有用来挤出建造材料的一开口。第二活塞接触容置于容料筒内的建造材料的上表面。第一活塞用于往喷嘴的方向推动第二活塞。第一检测单元用于检测第一活塞的原始位置，并且第二检测单元用于检测第二活塞的移动距离，其可提供在容料筒中用来打印的建造材料的使用量信息。

Description

三维系统的材料检测装置

技术领域

本发明是有关于一种三维系统，且特别是有关于一种具有用来获得建造材料挤出量的三维系统的材料检测装置。

背景技术

随着计算机辅助制造(computer-aided manufacturing,CAM)的进步，三维(3-D)打印技术已发展于制造业中，并可进而根据原始设计概念迅速地制造产品。实际上，三维打印是一系列快速成型(rapid prototyping,RP)技术的一般通称，且其基本原理和概念是层压式制造，其中快速成型机用于通过扫描而在X-Y平面中形成工件的横截面形状，在Z座标中以层厚度间隙性地移位，且最终形成三维物体。三维打印技术可无限制地适用于各种几何形状的印制上，且RP技术可特别针对复杂的部件，产生优良的印制结果，而显著地节省了工作和处理时间。因此，数字三维打印技术能够根据最短的时间要求呈现通过计算机辅助设计(computer-aided design,CAD)软件设计的数字三维模型的物体，以让用户触摸并实际感觉模型的几何结构，乃至对模型进行一些可能的功能测试。

然而，在目前使用可重复充填的容料筒的三维打印装置中，打印装置的塑性材料的使用或剩余的量往往难以定义或掌控，甚至可能是完全地无法检测。此外，目前仍不存在可即时同步地通知三维打印装置的建造材料的使用或剩余量的系统或装置。因此，每当欲确认打印头里的建造材料是否足够，或是检测打印头内的建造材料的喷涂或是剩余量时，需将打印头从打印模块上拆卸下来。目前打印头的拆卸过程往往需耗费大量的时间和人力以及可观的成本。因此，就某种程度而言，目前的三维打印制程就维护与设备操作来说仍是昂贵且不方便操作。

发明内容

本发明提供一种三维系统的材料检测装置，其可在不需将打印容料筒从打印模块上拆卸下来的情况下检测打印头或容料筒内用来打印的建造材料的使用或剩余量。

本发明的一种三维系统的材料检测装置经配置以在基座上以建造材料逐层地形成三维物体。三维系统的材料检测装置包括支架、打印头、第一活塞、第二活塞、第一检测单元以及第二检测单元。此外，支架包括通孔、定位座以及支撑件。打印头包括抵靠部、容料筒以及喷嘴，容料筒用以容置建造材料。喷嘴用以从其中挤出建造材料。打印头可移动地位于该通孔中，以移动于一初始位置与一打印位置之间，当打印头位于该打印位置时，抵靠部抵靠支架。第一活塞经配置以沿容料筒的一延伸轴滑动，并且第一活塞驱动打印头从初始位置移向打印位置。第二活塞可滑动地位于容料筒内。第二活塞具有面对喷嘴的一第一侧以及相对于第一侧的一第二侧，并接触容置于容料筒内的建造材料的一上表面。第一活塞用于往喷嘴的方向推动第二侧。第一检测单元设置于支架，并经配置以检测第一活塞的一原始位置以产生一初始信号，并且用以作为第一活塞的移动参考位置。第二检测单元位于打印头之上。若第一检测单元检测到第一活塞位于原始位置，或是第一活塞未与容料筒内的第二活塞接触，第二检测单元被驱动。若第一活塞移动至一第一位置以驱动打印头移动至打印位置，第二检测单元产生一第一信号。若第一活塞移动至一第二位置以驱动第二活塞接触建造材料的上表面，第二检测单元产生一第二信号。控制单元耦接第一检测单元与第二检测单元以接收来自第一检测单元的初始信号，以及来自第二检测单元的第一信号与第二信号以根据第一位置与第一活塞的第二位置之间的一距离计算建造材料的一挤出量。

基于上述，三维系统的材料检测装置以第一与第二检测单元来检测打印容料筒的向下运动。此外，三维系统的材料检测装置还包括第一与第二活塞。第一活塞用于触发第二检测单元，并且推动第二活塞向下以挤出建造材料。第二检测单元检测第二活塞沿容料筒垂直运动的初始与停止位置。通过定义第二活塞的移动距离，可计算建造材料的挤出量，使三维系统可精确的检测建造材料的即时使用状况，并且无须将打印头从三维系统的材料检测装置上拆卸下来。

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为根据本发明的一实施例的三维系统的材料检测装置的示意图；

图2为根据本发明的一实施例的三维系统的材料检测装置的部分剖面示意图；

图3A、3B、3C为根据本发明的一实施例示出的三维系统的材料检测装置的检测过程；

图4为根据本发明另一实施例的三维系统的材料检测装置的示意图；

图5为根据本发明一实施例的容料筒的透视图。

附图标记说明：

30：建造材料；

100：材料检测装置；

110：支架；

112：定位座；

114：支撑件；

115：通孔；

116：弹簧帽；

118：上推弹簧；

120：打印头；

122：容料筒；

124：喷嘴；

126：抵靠部；

130：第一活塞；

132：第一活塞推杆；

134：第一活塞头；

140：第二活塞；

142：第一侧；

144：第二侧；

150：第一检测单元；

160：第二检测单元；

170：枢轴；

180：控制单元；

195：线性电机；

200：基座；

A1：延伸轴；

D1：距离；

h1：第一位置；

h2：第二位置；

P1：初始位置；

P2：打印位置；

R1：旋转方向。

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，仅是参考附加图式的方向。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为根据本发明的一实施例的三维系统的材料检测装置的示意图。请参考图1，在本实施例中，三维系统适于用来根据数字三维模型信息打印三维物体(未示出)。在本实施例中，三维系统的材料检测装置100经配置以读取数字三维模型信息，其中数字三维模型信息可为数字三维图像档，其可通过使用例如是计算机辅助设计(computer-aideddesign,CAD)或是动画模型软件的电脑主机来构建。

此外，三维系统的材料检测装置100可移动地设置于基座200的上方，并且经配置以沿着滑轨(未示出)前后滑动。除此之外，基座200也可相对于三维系统的材料检测装置100移动。三维系统的材料检测装置100经配置以读取及处理数字三维模型信息，并且控制三维系统的材料检测装置100与基座200的移动。因此，三维系统的材料检测装置100被配置以在其移动期间，逐层地涂布建造材料30(示于图3A)于基座200上，以形成多层的层压材料层(laminated material layer)，其中层压材料层相互堆叠以形成三维物体。

图2为根据本发明的一实施例的三维系统的材料检测装置的部分剖面示意图。请参考图1与图2，三维系统的材料检测装置100可包括支架110、至少一打印头120、第一活塞130、第二活塞140、第一检测单元150、第二检测单元160以及控制单元180。支架110包括对应打印头120的至少一通孔115、定位座112以及支撑件114。打印头120可移动地且可拆卸地位于通孔115中，以使打印头120经配置以在初始位置P1(示于图3A)及打印位置P2(示于图3B)之间移动。打印头120可包括抵靠部126、容料筒122以及喷嘴124，容料筒122用以容置建造材料30，而喷嘴用以从其中挤出建造材料30。在本实施例中，抵靠部126抵靠于支撑件114。第一活塞130可包括第一活塞推杆132以及第一活塞头134。第一活塞推杆132连接于第一活塞头134以驱动第一活塞头134向下移动。第一活塞130经配置以沿着容料筒122的延伸轴A1滑动，并且驱动打印头120由初始位置P1向打印位置P2移动。第二活塞140可滑动地位于容料筒122内，其中第二活塞140可具有相对配置的第一侧142与第二侧144。第一侧142面向喷嘴124，并且接触容置于图1所示的容料筒122内的建造材料30的上表面，其中第一活塞130用于往喷嘴124的方向推动第二活塞140的第二侧144。在本实施例中，第一侧142可例如呈圆锥状，而第二侧144可为平坦的表面。然而，本发明不限于此，第二活塞140也可采用其他适合的形状。第一检测单元150可设置于支架110上，以检测如图1所示的第一活塞130的一原始位置，其中第一活塞130的原始位置可作为第一活塞130移动的参考位置。在本实施例中，第一检测单元150可例如为光中断传感器(photo-interrupt sensor)。此外，第二检测单元160可设置于打印头120的上方。

图3A、3B、3C为根据本发明的一实施例示出的三维系统的材料检测装置的检测过程。请参考图3A至3C，如图1所示的控制单元180耦接第一活塞130、第一检测单元150以及第二检测单元160，其用以控制第一活塞130的移动，并且接收来自第一检测单元150的初始信号，以及来自第二检测单元160的第一与第二信号。详细而言，当第一检测单元150检测到第一活塞130如图3A所示位于原始位置时，或是当第一活塞130未与容料筒122内的第二活塞140接触时，第二检测单元160被触发。此时，打印头120是位于初始位置P1。然后，控制单元180控制第一活塞130移动至如图3B所示的第一位置h1，以带动打印头120由如图3A所示的初始位置P1移动至如图3B所示的打印位置P2。当打印头120位于打印位置P2以逐层地将建造材料30涂布在如图1所示的基座200上而形成三维物件时，抵靠部126抵靠于支架110。当打印头120移动至打印位置P2时，抵靠部126抵靠于支架110，并且第二检测单元160可据以产生第一信号以表示第一活塞130与第二活塞140接触。当第一活塞130从初始位置P1移动至打印位置P2时，第二检测单元160提供第一信号，因此，控制单元180可据此得到第一活塞130已经移动的相对距离。这个来自第一与第二检测单元150、160的初始信号与第一信号之间的关系显示目前容料筒120内使用中的材料的初始水平准位。然后，控制单元180驱动第一活塞130持续地移动至如图3C所示的第二位置h2，并且同时接触第二活塞140。当第一活塞130被移动至如图3C所示的第二位置h2时，控制单元180可计算第一活塞130已经移动的距离D1，也就是第一位置h1与第二位置h2之间的距离，并且可将上述的移动距离D1与建造材料30的挤出量作关联计算。

值得注意的是，当建造材料由喷嘴124挤出以进行三维打印时，第二活塞140将随建造材料30的上表面移动。因此，在图3B所示的情况中，当第一活塞130被移动至第一位置h1时，第一活塞130接触第二活塞140，意指这时第一位置h1是等于第二位置h2，并且第一位置h1与第二位置h2之间的距离D1为零，也就是这时建造材料30的挤出量为零。换句话说，此时建造材料30充满于容料筒122中，并且尚未从喷嘴124中挤出。

除此之外，请再参考图3A，定位座112经配置以支撑与定位打印头120于通孔115中。打印头120可拆卸地设置于定位座112中，其中定位座112可由弹性构件或是弹性材料所组成。在本实施例中，定位座112的弹性构件可紧压并锁固打印头120，以将打印头120固定于支架110上。将定位座112配置于支架110上使得打印头120可以简单且快速的方式来定位与更换，而不需使用任何的螺锁件来固定。因此，使用者可快速地将打印头120从支架110上拆卸下来，因而可大幅地减少使用者花费在更换容料筒的时间。因此，就人力与时间的花费而言，本实施例的三维打印装置的打印效率可大幅地提升。

图4为根据本发明另一实施例的三维系统的材料检测装置的示意图。请参考图1、图3A、图3B与图4，在本实施例中，弹簧帽116以及上推弹簧118可位于抵靠部126与支架110之间。因此，当第一活塞130驱动打印头120移动至打印位置P2以执行打印工作时，可压缩上推弹簧118，并使其产生弹性恢复力。当打印头120未执行打印工作时，上推弹簧118将打印头120由打印位置P2恢复至初始位置P1。在本实施例中，所配置的打印头120与通孔115的数量如图4所示为多个。打印头120互相平行地排列，且可移动地位于对应的通孔115中。此外，三维系统的材料检测装置100可进一步包括与支架110连接的枢轴170(示于图4)。控制单元180耦接至枢轴170以控制支架110沿枢轴170绕转，以将打印头120的其中之一转换至与第一活塞130对齐排列的位置。当枢轴170转动支架110以转换打印头120时，被转动至与第一活塞130对齐的打印头120便被推动至打印位置P2以执行打印工作。其他那些未对齐于第一活塞130的打印头120则可通过上推弹簧118回复至初始位置P1。初始位置P1的垂直高度高于打印位置P2，使得其他的打印头120不会干涉或妨碍在打印制程中的打印头120，以避免弄脏或损坏打印物件。另一方面，当打印头120的其中之一在进行打印时，在打印中的打印头120需要向下移动至适当的打印高度，以挤出建造材料30并且执行打印制程。在本实施例中，线性电机195可经配置以连接第一活塞130，以驱动第一活塞130带动打印头120向下移动。此外，线性电机195可耦接至控制单元180以驱动第一活塞130克服上推弹簧118的弹性恢复力，并将打印头120向下移动至打印位置P2。

图5为根据本发明一实施例的第二活塞位于打印容料筒内的透视图。请参考图1、图3C及图5，第二活塞140可滑动地位于容料筒122内。第一检测单元150位于打印头120的一侧以检测第一活塞130的原始位置，并作为控制单元180计算第一活塞130移动距离的参考位置。建造材料30可充填于容料筒122内，并经由喷嘴124挤出。此外，例如是橡胶等的缓冲材料(未示出，其为选择性构件)可设置于第二活塞140的第二侧144，以作为第一活塞130与第二活塞140之间的缓冲。当第二活塞140被充填在容料筒122内的建造材料30推升时，第二活塞140的第二侧144可被用来作为定义第二活塞140的垂直位置的检测表面。换句话说，第二活塞140的第二侧144的不同位置间的相对距离可用以定义第二活塞140的移动距离。此外，依据建造材料30的材料特性不同，可选择性地配置加热元件(未示出)以对容料筒122或整个打印头120进行加热，以持续地融化建造材料30成为液态流体。

请再参考图4，在本实施例中，枢轴170是沿着打印头120的旋转轴配置，以例如沿着旋转方向R1旋转打印头120。虽然图4中示出了三个打印头，但是本发明并不限制于此，打印头120的数量可依实际应用需求作调整。当打印中的打印头120的建造材料30用完时，枢轴170可旋转其中一个打印头120至对齐第一活塞130的打印位置以替换上述打印制程中所使用的打印头120。在本实施例中，三维系统的材料检测装置100可让使用者大幅减少重新充填塑性材料30的频率。由于多个打印头120彼此互相平行地排列于相同的支架110上，使用者可一次重新充填所有打印头120的容料筒122，而不用在每次容料筒120内的建造材料30用完时，即立即更换并充填打印头120。因此，本实施例中的三维系统的材料检测装置100可大幅的提升三维打印制程的效率。此外，三维打印制程可因此延续较长的时间，而不会因为更换打印头120的步骤而中断打印制程。再者，控制单元180可监控并获得建造材料30的挤出量。换句话说，通过结合多个打印容料筒122于三维系统100的材料检测装置100中，可减少打印头120的更换频率而获得可持续更长时间的三维打印行程。此外，打印头120的容料筒122可以不同形式或颜色的建造材料30充填以执行多材料或多颜色的三维打印制程，同时控制单元180可配置用来协调各种不同建造材料30间的打印制程。

综上所述，本发明的三维系统的材料检测装置使用第一与第二活塞，伴随第一与第二检测单元以精确地计算并获得建造材料的挤出量。当打印头被移动到打印位置时，抵靠部接触支架，并且第二检测单元据此产生第一信号。此外，控制单元驱动第一活塞持续地移动至第二位置，并且同时接触第二活塞。当第一活塞被移动至与第二活塞接触，控制单元由来自第一检测单元的初始信号，可得到第一活塞的移动。根据来自第一检测单元的初始信号，以及来自第二检测单元的第一与第二信号，控制单元可计算在容料筒内的第二活塞的移动距离，并且进一步定义建造材料的挤出量。因此，本发明的三维系统的材料检测装置可容易且快速地得到打印头的建造材料挤出量，并且可省去频繁地从支架上拆卸打印容料筒的过程。如此一来，三维打印制程的时间与人力耗费可大幅的减少。

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)

1.一种三维系统的材料检测装置，经配置以将一建造材料逐层成形于一基座上，以形成一三维物件，其特征在于，该三维系统的材料检测装置包括：

一支架，包括至少一通孔；

至少一打印头，包括一抵靠部、一容料筒以及一喷嘴，该容料筒用以容置该建造材料，该喷嘴用以从其中挤出该建造材料，该打印头可移动地位于该通孔中，以移动于一初始位置与一打印位置之间，当该打印头位于该打印位置时，该抵靠部抵靠该支架；

一第一活塞，经配置以沿该容料筒的一延伸轴滑动，并且该第一活塞驱动该打印头从该初始位置移向该打印位置；

一第二活塞，可滑动地位于该容料筒内，该第二活塞具有面对该喷嘴的一第一侧以及相对于该第一侧的一第二侧，并接触容置于该容料筒内的该建造材料的一上表面，该第一活塞用于往该喷嘴的方向推动该第二侧；

一第一检测单元，设置于该支架，并经配置以检测该第一活塞的一原始位置以产生一初始信号，并以该原始位置作为该第一活塞的移动参考位置；

一第二检测单元，设置于该打印头的上方，其中当该第一检测单元检测到该第一活塞位于该原始位置，或是该第一活塞未与该容料筒内的该第二活塞接触时，该第二检测单元被触发，当该第一活塞移动至一第一位置以带动该打印头移动至该打印位置时，该第二检测单元产生一第一信号，当该第一活塞移动至一第二位置以带动该第二活塞接触该建造材料的该上表面时，该第二检测单元产生一第二信号；以及

一控制单元，耦接该第一检测单元与该第二检测单元以接收来自该第一检测单元的该初始信号以及来自该第二检测单元的该第一信号与该第二信号以根据该第一位置与该第二位置之间的一距离计算该建造材料的一挤出量。

2.根据权利要求1所述的三维系统的材料检测装置，其特征在于，该控制单元耦接该第一活塞以控制该第一活塞的移动。

3.根据权利要求1所述的三维系统的材料检测装置，其特征在于，该支架还包括一定位座以支撑并定位该打印头于该通孔中。

4.根据权利要求1所述的三维系统的材料检测装置，其特征在于，该至少一打印头可移动地位于该支架上的对应的该至少一通孔中。

5.根据权利要求4所述的三维系统的材料检测装置，其特征在于，还包括连接至该支架的一枢轴，该控制单元耦接该枢轴以控制该支架沿该枢轴旋转，以转换该些打印头的其中之一至与该第一活塞对齐的该第一位置。

6.根据权利要求1所述的三维系统的材料检测装置，其特征在于，还包括位于该抵靠部与该支架之间的一上推弹簧，以将该打印头由该打印位置恢复至该初始位置。

7.根据权利要求6所述的三维系统的材料检测装置，其特征在于，还包括一线性电机，其中该线性电机驱动该第一活塞以克服来自该上推弹簧的一弹性恢复力，以推动该打印头至该打印位置进行打印。

8.根据权利要求7所述的三维系统的材料检测装置，其特征在于，该第一活塞包括一活塞推杆以及一活塞头，该活塞推杆连接至该活塞头，该线性电机驱动该活塞推杆移动，并且该活塞头用于接触该第二活塞。

9.根据权利要求1所述的三维系统的材料检测装置，其特征在于，该第一检测单元为一光中断传感器。

10.根据权利要求1所述的三维系统的材料检测装置，其特征在于，该支架还包括一支撑件，该抵靠部抵靠该支撑件。