CN105984148A - 具有喷印单元与烧结用光源的三维打印装置及三维打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有喷印单元与烧结用光源的三维打印装置及三维打印方法，其三维打印装置包括载台、粉体供应组件、喷印单元以及烧结用光源。载台具有承载面。载台适于沿着承载面的法线方向来回移动。粉体供应组件配置于载台的一侧，以将粉体铺设于承载面上。喷印单元位于载台上方，以喷印至少一染色剂于粉体上。烧结用光源位于载台上方。烧结用光源适于发出光束至粉体上，以沿着扫描路径烧结至少部分掺染有染色剂的粉体。本发明能制作出显色均匀的彩色三维结构，且此彩色三维结构可具有较佳的精度与强度。

Description

具有喷印单元与烧结用光源的三维打印装置及三维打印方法

技术领域

本发明涉及一种三维打印装置及三维打印方法，尤其涉及一种具有喷印单元与烧结用光源的三维打印装置及三维打印方法。

背景技术

选择性激光烧结(SLS)是一种加成式的制造技术，其是先将粉体铺设于加工平台上，再利用高强度的激光去熔化至少部分的粉体(例如，塑胶、金属、陶瓷或玻璃)，使其均匀烧结在加工平台上。在形成其中一层烧结层后，加工平台会沿着垂直于加工平台的法线方向移动。如此反复进行铺设粉体、激光烧结以及移动加工平台等步骤，便可得到三维烧结成品。然而，受限于粉体的供给方式或粉体的原色，前述三维烧结成品大多仅能呈现单一色泽。

对此，已有三维喷涂黏接(three-dimensional printing gluing,简称3DP)的制造技术被提出，其作法是在粉体上喷涂有色胶合剂，以通过有色胶合剂将粉体黏接成彩色三维成品，其中常见的有色胶合剂的黏度(viscosity)介于3cP至20cP之间，较难与粉体均匀地混合，使得制作所得的彩色三维成品的显色较不均匀。另一方面，由于有色胶合剂无法施以预热处理(post thermaltreatment)，因此通过有色胶合剂粘接而成的彩色三维成品的强度较低。

发明内容

本发明提供一种三维打印装置及三维打印方法，其能制作出显色均匀的彩色三维结构，且此彩色三维结构可具有较佳的精度与强度。

本发明提出一种三维打印装置，其包括载台、粉体供应组件、喷印单元以及烧结用光源。载台具有承载面。载台适于沿着承载面的法线方向来回移动。粉体供应组件配置于载台的一侧，以将粉体铺设于承载面上。喷印单元位于载台上方，以喷印至少一染色剂于粉体上。烧结用光源位于载台上方。烧结用光源适于发出光束至粉体上，以沿着扫描路径烧结至少部分掺染有染色剂的粉体。

在本发明的一实施例中，上述的粉体供应组件适于沿着垂直于承载面的法线方向的一方向来回移动，并于通过承载面时将粉体铺设于承载面上。

在本发明的一实施例中，上述的三维打印装置还包括工作平台。工作平台具有表面以及位于表面的凹槽。粉体供应组件、喷印单元以及烧结用光源位于表面上方，载台可移动地设置于凹槽内，其中在粉体供应组件将粉体铺设于承载面上时，承载面低于表面。

在本发明的一实施例中，上述的粉体包括陶瓷材料。

在本发明的一实施例中，上述的染色剂包括溶剂以及混合于溶剂的金属离子。金属离子可选自由铁离子、铒离子、钕离子、铈离子、铽离子、锰离子及镨离子所组成的族群。

在本发明的一实施例中，上述的喷印单元包括多个喷嘴，染色剂的数量为多个。各个染色剂适于通过对应的喷嘴以喷印于粉体上。

本发明提出一种三维打印方法包括以下步骤：a.铺设粉体于载台的承载面上；b.喷印至少一染色剂于该粉体上；c.利用烧结用光源发出光束，使光束沿着扫描路径烧结至少部分掺染有染色剂的该粉体以形成一图案化烧结层；重复上述步骤a～c至少一次以形成另一图案化烧结层，并由该些图案化烧层堆叠成三维结构。

在本发明的一实施例中，在步骤c.中，使染色剂的溶剂挥发。

在本发明的一实施例中，上述的染色剂包括混合于溶剂内的金属离子，在使染色剂的溶剂挥发后，金属离子与粉体相结合。

在本发明的一实施例中，上述的三维打印方法还包括以下步骤：对三维结构进行热处理，其中热处理的温度介于1000℃至1600℃之间。

基于上述，本发明的三维打印装置是在烧结铺设于载台上的粉体之前，先喷印一或多种染色剂至粉体上。接着，例如是通过选择性激光烧结技术来烧结至少部分掺染有染色剂的粉体，以形成带有色彩的图案化烧结层。如此反复进行铺设粉体、喷印染色剂至粉体上以及激光烧结等步骤，便能由多个带有色彩的图案化烧结层堆叠成彩色三维结构，并于彩色三维结构制作完成后进行热处理的步骤。因此，通过本发明的三维打印装置以及三维打印方法不仅能制作出显色均匀的彩色三维结构，而且此彩色三维结构也可具有较佳的精度与强度。

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至图4示出本发明一实施例的三维打印装置制作彩色三维结构的过程；

图5是本发明另一实施例的三维打印装置的局部剖面示意图；

图6是本发明又一实施例的三维打印装置的局部剖面示意图。

附图标记说明：

100、100A、100B：三维打印装置；

110：载台；

111：承载面；

120、120a：粉体供应组件；

121：储存槽；

122：铺粉件；

123：升降台；

130：喷印单元；

131、132：储存匣；

133、134：喷嘴；

135、136：染色剂；

140：烧结用光源；

141：光束；

150、150a：工作平台；

151：表面；

152、153：凹槽；

D：方向；

CST：三维结构；

N：法线方向；

PW：粉体；

PSL：图案化烧结层。

具体实施方式

图1至图4示出本发明一实施例的三维打印装置制作彩色三维结构的过程，其中为求清楚表示与便于说明，粉体供应组件120、储存匣131、132是以虚线示出。请先参考图1，在本实施例中，三维打印装置100包括载台110、粉体供应组件120、喷印单元130以及烧结用光源140，其中载台110例如是温控平台(或称加热平台)，适于升温与降温，但本发明不以此为限。载台110可具有承载面111，且适于沿着承载面111的法线方向N(如，空间中的Z轴方向)来回移动。在另一实施例中，载台110也可垂直于法线方向N的X轴向或Y轴方向来回移动，本发明对此不加以限制。

粉体供应组件120配置于载台110的一侧，其可包括储存粉体PW的储存槽121以及连接储存槽121的喷嘴(图未示出)，其中粉体供应组件120适于沿着垂直于法线方向N的方向D来回移动。当粉体供应组件120自如图1所示的载台110的一侧沿着方向D移动至如图2所示的载台110的另一侧时，通过承载面111的粉体供应组件120可通过喷嘴(图未示)将储存槽121内的粉体PW喷洒于承载面111。如图2所示，粉体供应组件120例如是在承载面111上铺设均匀厚度的粉体PW，但本发明不限于此。在另一实施例中，粉体供应组件120也可在承载面111上铺设非均匀厚度的粉体PW，当视实际需求作调整。

另一方面，喷印单元130位于载台110上方，其中喷印单元130例如是可移动地或可转动地设置于载台110上方，又或者是固设载台110上方，本发明对此不加以限制。此处，喷印单元130可包括至少一储存匣(图式中示意地示出两个储存匣131、132)以及对应连接储存匣131、132的两个喷嘴133、134，其中染色剂135、136对应储存于储存匣131、132，且适于通过对应的喷嘴133、134喷印于粉体PW上。如图2所示，喷嘴133、134可依据一设计图样喷印对应的染色剂135、136于粉体PW上，以在粉体PW中形成掺染有染色剂135的区块R1以及掺染有染色剂136的区块R2。需说明的是，喷印单元130可喷印至少一种染色剂于粉体PW上，也就是说，构成喷印单元130的储存匣以及对应连接储存匣的喷嘴的数量需视染色剂的种类而定。

粉体PW可为陶瓷材料或其他适当的成型材料，染色剂135、136可为溶剂及混合于溶剂的金属离子所构成，其中溶剂可为水、乙醇或其他适当的溶剂，且金属离子可选自由铁离子、铒离子、钕离子、铈离子、铽离子、锰离子及镨离子所组成的族群。在本实施例中，染色剂135、136的粘度例如是介于0.5cP至1.1cP之间，因此染色剂135、136能与粉体PW均匀地混合，以令制作所得的成品的显色更为均匀。

接着，请参考图3，烧结用光源140位于载台110上方，其中喷印单元130的设置是以不会干扰到烧结用光源140发出光束141(示出于图3)至粉体PW为原则。详细而言，烧结用光源140所发出的光束141可沿着扫描路径烧结粉体PW中掺染有染色剂135的区块R1以及掺染有染色剂136的区块R2，以形成图案化烧结层PSL。通常而言，在通过烧结用光源140烧结粉体PW中掺染有染色剂135的区块R1以及掺染有染色剂136的区块R2之前，会先通过载台110将粉体PW预热到接近熔化点，再使用光束141照射粉体PW中掺染有染色剂135的区块R1以及掺染有染色剂136的区块R2加热至熔点，以烧结成型。

举例来说，本实施可通过选择性激光烧结技术来烧结掺染有染色剂的陶瓷粉体，因此烧结用光源140例如是激光光源，其所发出的光束141为激光光束，但本发明不限于此。在另一实施例中，烧结用光源140也可以是其他类型的高强度光源。另一方面，在使光束141沿着扫描路径烧结粉体PW中掺染有染色剂135的区块R1以及掺染有染色剂136的区块R2以形成图案化烧结层PSL的同时，染色剂135、136的溶剂可随之挥发，使金属离子与粉体PW相结合，例如形成掺杂有金属离子的粉体PW。

总体而言，反复进行如图1至图3所示的步骤(在铺设新一层的粉体PW于载台110时，需使载台110沿着法线方向N下降一高度)，即可烧结出多个图案化烧结层PSL，以堆叠成带有色彩的三维结构CTS，而未烧结的粉体PW则会被清除或回收，如图4所示。最后，例如是通过载台110或外部热源对三维结构CTS进行热处理，其中热处理的温度例如介于1000℃至1600℃之间，且热处理的温度需低于粉体PW的熔化温度。热处理后的三维结构CTS可因金属离子于各个分层的图案化烧结层PSL之间的扩散，以呈现出渐变的显色。举例来说，铁离子与粉体PW相结合后可呈现出咖啡色；铒离子与粉体PW相结合后可呈现出亮紫色；钕离子与粉体PW相结合后可呈现出亮粉红色；铈离子与粉体PW相结合后可呈现出奶油色或橘色；铽离子与粉体PW相结合后可呈现出亮橘色；锰离子与粉体PW相结合后可呈现出黑色；镨离子与粉体PW相结合后可呈现出黄色。

另一方面，由于本实施例如是通过选择性激光烧结技术来烧结掺染有染色剂的陶瓷粉体，因此其制造所得的带有色彩的三维结构CTS可具有较佳的精度。又，带有色彩的三维结构CTS可进一步通过载台110或外部热源进行热处理，因而有助于提升其结构强度。

以下将列举其他实施例以作为说明。在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。

图5是本发明另一实施例的三维打印装置的局部剖面示意图。请参考图5，图5的三维打印装置100A与上述实施例的三维打印装置100大致相似，惟两者差异在于：三维打印装置100A还包括工作平台150，适于沿着垂直于法线方向N的X轴向或Y轴方向来回移动。详细而言，工作平台150可具有表面151以及位于表面151的凹槽152，粉体供应组件120、喷印单元130以及烧结用光源140位于表面151上方，载台110可移动地设置于凹槽152内，其中在粉体供应组件120将粉体PW铺设于承载面111上时，承载面111低于表面151。

另，在形成每一层的图案化烧结层后，欲铺设下一层粉体PW于载台110上时，需使载台110沿着法线方向N下降一高度，使先前形成的图案化烧结层低于表面151，以使粉体PW顺利地铺设于凹槽152内且由载台110所承载。此处，粉体PW的铺设是以不超出表面151为原则。

图6是本发明又一实施例的三维打印装置的局部剖面示意图。请参考图6，图6的三维打印装置100B与图5的三维打印装置100A大致相似，惟两者差异在于：三维打印装置100B的粉体供应组件120a可包括铺粉件122以及升降台123，其中铺粉件122位于工作平台150a上方，且适于沿着方向D来回移动。此处，工作平台150a还具有位于凹槽152的一侧的另一凹槽153，其中升降台123设置于凹槽153内，且适于沿着法线方向N来回移动，用以承载储存于凹槽153内的粉体PW。

就粉体供应组件120a的作动机制来说，升降台123会先朝向表面151的方向移动，以使粉体PW突出于表面151一厚度。此时，铺粉件122与凹槽152位于凹槽153的相对两侧。接着，铺粉件122例如是以贴近于或轻微碰度到表面151的方式朝向凹槽152的所在处移动，以在通过凹槽153时将突出于承载面151的粉体PW推送至凹槽152内，而铺设于载台110的承载面111上。一般而言，铺粉件122可为滚轮、刮刀或刮板，图5所示的滚轮用以举例说明，本发明并不以此为限。

综上所述，本发明的三维打印装置是在烧结铺设于载台上的粉体之前，先喷印一或多种染色剂至粉体上。接着，例如是通过选择性激光烧结技术来烧结至少部分掺染有染色剂的粉体，以形成带有色彩的图案化烧结层。如此反复进行铺设粉体、喷印染色剂至粉体上以及激光烧结等步骤，便能由多个带有色彩的图案化烧结层堆叠成彩色三维结构，并于彩色三维结构制作完成后进行热处理的步骤。因此，通过本发明的三维打印装置以及三维打印方法不仅能制作出显色均匀的彩色三维结构，而且此彩色三维结构也可具有较佳的精度与强度。

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)

1.一种三维打印装置，其特征在于，包括：

载台，具有承载面，所述载台适于沿着所述承载面的法线方向来回移动；

粉体供应组件，配置于所述载台的一侧，以将粉体铺设于所述承载面上；

喷印单元，位于所述载台上方，以喷印至少一染色剂于所述粉体上；以及

烧结用光源，位于所述载台上方，所述烧结用光源适于发出光束至所述粉体上，以沿着扫描路径烧结至少部分掺染有所述至少一染色剂的所述粉体。

2.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于，所述粉体供应组件适于沿着垂直于所述承载面的法线方向的一方向来回移动，并于通过所述承载面时将所述粉体铺设于所述承载面上。

3.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于，还包括：

工作平台，具有表面以及位于所述表面的凹槽，所述粉体供应组件、所述喷印单元以及所述烧结用光源位于所述表面上方，所述载台可移动地设置于所述凹槽内，其中在所述粉体供应组件将所述粉体铺设于所述承载面上时，所述承载面低于所述表面。

4.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于，所述粉体包括陶瓷材料。

5.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于，所述至少一染色剂包括溶剂以及混合于所述溶剂的金属离子，所述金属离子可选自由铁离子、铒离子、钕离子、铈离子、铽离子、锰离子及镨离子所组成的族群。

6.根据权利要求1所述的三维打印装，其特征在于，所述喷印单元包括多个喷嘴，所述至少一染色剂的数量为多个，各所述染色剂适于通过对应的所述喷嘴以喷印于所述粉体上。

7.一种三维打印方法，其特征在于，包括：

a.铺设粉体于载台的承载面上；

b.喷印至少一染色剂于所述粉体上；

c.利用烧结用光源发出光束，使所述光束沿着扫描路径烧结至少部分掺染有所述至少一染色剂的所述粉体以形成图案化烧结层；以及

d.重复上述步骤a～c至少一次以形成另一图案化烧结层，并由该些图案化烧层堆叠成三维结构。

8.根据权利要求7所述的三维打印方法，其特征在于，还包括：

在步骤c.中，使所述至少一染色剂的溶剂挥发。

9.根据权利要求8所述的三维打印方法，其特征在于，所述至少一染色剂包括混合于所述溶剂内的金属离子，在使所述至少一染色剂的所述溶剂挥发后，所述金属离子与所述粉体相结合。

10.根据权利要求7所述的三维打印方法，其特征在于，还包括：

对所述三维结构进行热处理，所述热处理的温度介于1000℃至1600℃之间。