CN107662336A - 利用全像投影的积层打印系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种利用全像投影的积层打印系统，包括容置光固化液态材料的容槽，位于固定平台上，而光固化液态材料的表面与固定平台具有水位差；液压帮浦连结容槽以控制水位差；全像投影模块投射立体影像于固定平台上任意位置成像，立体影像包括多个平面影像。当液压帮浦控制水位差来调整光固化液态材料的表面位置，全像投影模块对应投影每一层平面影像于其表面上，并将其表面进行光固化，依序调整来逐层形成所有对应的平面对象层，以形成对应立体影像的一立体对象。本发明通过全像投影技术在空间中任意位置成像的特性，以解决三维积层打印技术中需要靠移动升降机台调整光固化液态材料的曝光面所遇到的问题。

Description

利用全像投影的积层打印系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种积层打印系统及其方法，特别是关于一种利用全像投影的积层打印系统及其方法。

背景技术

随着科技及工业设计的多元需求发展，三维打印(3D printing)技术已经成为最主要发展的技术之一。通过简易快速成型技术，可以直接将用户提供的数字立体模型信息，直接制造出成品，且成品可以是任意形状的三维实体。现有的三维打印根据各式的机型及材料有多种不同的成型机制，举凡是液态树脂、浆料、金属(例如金属粉体)或非金属(例如陶瓷粉体)等材料，皆可通过逐层堆栈累积的方式来构造出使用者所需的三维实体。过去的三维打印技术多仅应用于模具制造、工业设计等领域，现在则逐渐被发展应用于珠宝、鞋类、建筑、工程、汽车、航空、牙科和医疗产业、教育、土木工程以及其他领域中。

三维打印技术其实是积层制造(Additive Manufacturing；AM，也常被译为增材制造)技术的统称，积层制造技术是一种自下而上材料累加的制造技术，依据三维空间设计数据，利用各种离散材料如树脂液体、粉末、丝等材质，逐层累加原理制造实体对象。积层制造技术可分为两个过程，一是数据处理过程，利用计算机辅助设计数字立体模型信息，将立体模型图形分切成薄层，以将三维立体数据分解为二维平面数据。二是制造过程，依据分层的二维平面数据，采用所选定的制造方法，将厚度相同的薄层按序重叠起来，就组成三维实体。

上述制造过程包括各种技术，其一是光固化(Stereo Lithography，SL)成型技术，其原理是利用紫外光固化液态树脂材料予以成型。利用移动升降机台将载板浸入装满光固化液态材料的树脂槽中，在计算机控制下，依照各分层的二维平面数据，利用紫外光照射在光固化液态材料上，使光固化液态材料产生光聚合反应瞬间固化在载板上，形成薄层的平面实体，至于，未被照射的光固化液态材料将会维持液态；之后，再移动升降机台的高度，重复上述模式不断制作多层实体，堆栈出三维实体，将此三维实体置于紫外光下照射进行最后加强固化。然而，此类光固化材料所制作三维实体的结构强度及硬度较低，因此如何降低制作过程中三维实体的结构及支撑性被移动升降机台作动时的影响，亦为重要课题。

实用新型内容

鉴于上述发明背景，本发明实施例提供一种利用全像投影技术的三维积层打印系统，通过全像投影技术在空间中任意位置成像的特性，以解决需要靠移动升降机台调整光固化液态材料的曝光面的三维积层打印技术所遇到的问题。除了节省移动升降机台之外，这种非吸收能量的全像投影技术也大大的提升光的利用效率(High light usage rate)。

为了达到上述的一或部份或全部目的或是其他目的，本发明实施例提供一种利用全像投影的积层打印系统。系统包括一固定平台、一用以容置一光固化液态材料的容槽、一液压帮浦及一全像投影模块。容槽位于固定平台上，而光固化液态材料具有一表面，且表面与固定平台具有一水位差。液压帮浦连结容槽，用以控制水位差。全像投影模块用以投射一立体影像于该固定平台上任意位置成像，且立体影像包括多个平面影像。当液压帮浦控制水位差来调整光固化液态材料的表面位置，全像投影模块对应投影每一层平面影像于表面上，并将光固化液态材料的表面进行光固化形成一对应的平面对象层，依序调整表面的位置及每一层平面影像来逐层形成所有对应的平面对象层，以形成对应立体影像的一立体对象。

在一实施例中，全像投影模块包括提供入射光的一光源模块及一反射式空间光调变模块。反射式空间光调变模块用来调制入射光的波前形成一立体影像。其中，光源模块包括一平行透镜，平行透镜配置于入射光的光径上，使入射光转换为一平行光。反射式空间光调变模块包括一偏光单元、一反射式硅基液晶面板及一分光单元，偏光单元及分光单元配置于平行光的光径上，用以将平行光沿不同于平行光光径的一第一方向离开分光单元而垂直入射反射式硅基液晶面板，平行光的波前经由反射式硅基液晶面板调制而形成立体影像，分光单元使得立体影像沿不同于平行光的光径及第一方向离开反射式空间光调变模块。

在一实施例中，全像投影模块更包括一透镜单元，透镜单元位于立体影像的影像路径上，通过透镜单元的焦距来调整立体影像的一成像范围及其分辨率，使适当的成像范围及其分辨率落在光固化液态材料的表面上

为了达到上述的一或部份或全部目的或是其他目的，本发明实施例提供另一种利用全像投影的积层打印方法。方法包括：提供一容槽来容置一光固化液态材料，其中该光固化液态材料的一表面与该容槽的底部具有一水位差；通过一液压帮浦，来控制水位差；通过一全像投影模块投影一立体影像于光固化液态材料的表面上，其中立体影像由多个平面影像信息依层堆栈；当该液压帮浦控制该水位差来调整该表面的位置，该全像投影模块对应地投影每一层该平面影像于该表面上，并将该光固化液态材料的该表面进行光固化形成一对应的平面对象层；以及，依序调整该表面的位置及每一层该平面影像来逐一形成所有对应的平面对象层，以形成对应立体影像的一立体对象。

本发明通过全像投影技术可调制物波波前(wavefront)，使得成像平面可任意调整位置，因此不需任何机械结构来协助移动光固化液态材料的表面来符合成像平面的位置，省去了移动升降机台的架设。通过可程序作动的成像平面及光固化液态材料的液面灌注调节，来堆栈平面对象层，更可于平面对象层叠加形成立体对象时，具有较高的精准度。此外，叠加形成的立体对象位于固定平台上，会使得堆栈过程更加稳定。

附图说明

图1绘示本发明实施例中一种利用全像投影的积层打印系统的架构图。

图2绘示本发明实施例中一种利用全像投影的积层打印系统的架构图，其中光固化液态材料的表面与固定平台之间的水位差上升。

图3绘示本发明实施例中一种利用全像投影的积层打印方法的流程方块图。

主要组件符号说明：

100 积层打印系统

110 固定平台

120 容槽

130 液压帮浦

140 光源模块

141 发光源

143 平行透镜

150 反射式空间光调变模块

151 偏光单元

153 反射式硅基液晶面板

155 分光单元

160 透镜单元

A (光固化液态材料)表面

H、H’ 水位差

L 入射光

L’ 平行光

S 立体影像

具体实施方式

有关本发明前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳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、左、右、前或后等，仅是用于参照随附图式的方向。因此，前述的方向用语仅是用于说明并非是用于限制本发明。

请参照图1及图2，本发明实施例提供一种利用全像投影的积层打印系统100的架构。积层打印系统100包括一固定平台110、一容槽120、一液压帮浦130及一全像投影模块。容槽120位于固定平台110上，固定平台110可以是容槽120的底部而与其一体成型，也可以与容槽120分开加工后而组装成一体。容槽120用以容置一光固化液态材料，而光固化液态材料具有一表面A，使得光固化液态材料的表面A与固定平台110具有一水位差H。液压帮浦130连接容槽120，用以调控光固化液态材料进入容槽120的液量(如箭头方向所示)，也就是说，液压帮浦130通过调控进入容槽120的液量，而可以控制光固化液态材料的表面A与固定平台110之间的水位差H。

上述光固化液态材料包括一光固化树脂溶液，光固化树脂溶液更可进一步掺杂一粉体，粉体可以是金属粉体或陶瓷粉体。掺杂于光固化树脂溶液内的金属粉体的材质包括铁、钴、镍、铁氧体或金属陶瓷。掺杂于光固化树脂溶液的陶瓷粉体的材质包括氧化锆、三氧化二铝、二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、碳化硅或其组合。

全像投影模块用以投射一立体影像S于固定平台110上方的任意位置成像，且立体影像S的信息是由多个平面影像的信息堆栈组成。通过后端软体操控全像投影模块，除了控制立体影像S与固定平台之间的成像距离，更可将立体影像S的信息分割为多个平面影像的信息呈现，并控制平面影像的成像距离。

在本实施例中，全像投影模块包括一光源模块140及一反射式空间光调变模块150。光源模块140包括一发光源141及一平行透镜143，发光源141提供一入射光L，平行透镜143配置于入射光L的光径上，使入射光L转换为一平行光L’。其中，入射光L具有一定的波长及能量，入射光L可以是一可见光或一紫外固化光。

反射式空间光调变模块150用来调制平行光L’的波前而形成一立体影像S。其中，反射式空间光调变模块150包括偏光单元151、一反射式硅基液晶面板153及一分光单元155。平行光L’经过偏光单元151后，被控制进入反射式硅基液晶面板153的偏振方向，以利于反射式硅基液晶面板153后续进行调制。为了使系统后方的成像区域方正，分光单元155配置于经过偏光单元151的平行光L’的光径上，使得平行光L’沿着不同于原本的平行光L’光径的一第一方向离开分光单元155，而垂直入射反射式硅基液晶面板153，平行光的波前经由反射式硅基液晶面板153调制后，而形成立体影像S，分光单元153使得立体影像S沿不同于平行光的光径，且朝着与第一方向相反的方向离开反射式空间光调变模块150，并在任一位置成像。

由于立体影像S的像素分辨率会受到反射式空间光调变模块150的像素分辨率影响，立体影像S的像素分辨率一般是与反射式空间光调变模块150的尺寸成反比，立体影像S的成像范围也是与反射式空间光调变模块150的像素分辨率成反比。在本实施例中，全像投影模块更包括一透镜单元160，透镜单元160位于立体影像S的影像路径上。由反射式空间光调变模块150调制出的物波(立体影像S)，通过透镜单元160来调整立体影像S的成像范围及其分辨率，让适当的成像范围及其分辨率落在光固化液态材料的表面A上。成像范围会依透镜单元150的焦距做改变，配合合适的焦距能达到近似长方体的成像范围，以达到立体影像S中多个平面影像的每一层有固定的分辨率。

本发明最特别地是，通过全像投影技术可调制物波波前(wavefront)的特性，使得成像平面可任意调整位置，因此不需任何机械结构来协助移动光固化液态材料的表面来符合成像平面的位置，省去了移动升降机台的架设。当液压帮浦130控制如图1中箭头所示水位差H逐渐来到如图2中箭头所示水位差H’，来调整光固化液态材料的表面A高度位置，全像投影模块随着不同位置而投影每一层平面影像于表面A上，依据平面影像的信息，将光固化液态材料的表面A进行光固化形成一对应的平面对象层；再依序调整表面A的高度位置及每一层平面影像的位置来逐层形成所有对应的平面对象层，以堆栈形成对应立体影像S的一立体对象。

于上述实施例中，全像投影模块采用紫外固化光作为入射光L，因此在投影立体影像S中的每一层平面影像时，可直接进行光固化，将光固化液态材料的表面A形成一对应的平面对象层。在一实施例，全像投影模块若采用一般可见光作为入射光L，则系统100更包括一固化光源(未图示)，依据每一层平面影像的信息，来将光固化液态材料的表面A进行光固化而形成一对应的平面对象层。

请参考图3，是本发明实施例中一种利用全像投影的积层打印方法的流程图。

步骤S1：首先，提供如图1及图2中系统所示的容槽来容置一光固化液态材料，其中光固化液态材料的一表面与容槽的底部具有一水位差。

步骤S2：将液压帮浦连接容槽，用以调控光固化液态材料进入容槽的液量，也就是说，液压帮浦调控进入容槽的液量，来控制光固化液态材料的表面与容槽底部之间的水位差。

步骤S3：通过一全像投影模块投影一立体影像于光固化液态材料的表面上并可于任意位置成像。其中，立体影像是由多个平面影像堆栈组成。通过后端软体操控全像投影模块，利用全像投影模块中反射式空间光调变模块的液晶所调制出的相位信息能在特定的三维空间中任意位置成像，可控制立体影像于光固化液态材料表面上的成像位置，更可将立体影像的信息分割为多个平面影像的信息呈现，并控制平面影像的成像位置。

步骤S4：当液压帮浦控制水位差来调整光固化液态材料的表面位置，全像投影模块对应投影每一层平面影像于光固化液态材料的表面上，并将光固化液态材料的表面进行光固化形成一对应的平面对象层。

步骤S5：最后，依序调整不同位置所成像的平面影像来一层一层移动，并配合光固化液态材料的表面位置，将光固化液态材料进行曝光而光固化，而逐一形成所有该对应的平面对象层，并进而制成对应立体影像的一立体对象。

本发明利用全像投影的积层打印系统及其方法具有下列优点：

1.通过全像投影技术可调制物波波前(wavefront)的特性，使得成像平面可任意调整位置，因此不需任何机械结构来协助移动光固化液态材料的表面来配合成像平面的位置，省去了移动升降机台的架设。

2.除了节省移动升降机台之外，仅需简单架设上述固定平台，上述非吸收能量的全像投影技术也大大的提升光的利用效率(High light usage rate)。

3.通过可程序作动的平面影像成像位置及光固化液态材料的液面灌注调节，来堆栈平面对象层，更可于平面对象层叠加形成立体对象时，具有较高的精准度。

4.由于制作微小的三维立体对象时，均匀度亦十分重要，省去了移动升降机台，在光固化动作进行形成立体对象的过程中，也避免了机械结构移动时造成的不稳定；此外，叠加形成的立体对象位于固定平台上，会使得堆栈过程更加稳定。

5.由于光固化动作进行时，光固化液态材料的曝光时间不能太短，否则无法定型，即使反射式空间光调变模块的响应时间可能较慢，也不会影响制程时间。

Claims (9)

1.一种利用全像投影的积层打印系统，其特征在于，包括：

一固定平台；

一容槽，位于该固定平台上，用以容置一光固化液态材料，该光固化液态材料具有一表面，且该表面与该固定平台具有一水位差；

一液压帮浦，连接该容槽，用以控制该水位差；

一全像投影模块，用以投射一立体影像于该固定平台上任意位置成像，且该立体影像包括多个平面影像；以及，

一透镜单元，位于该立体影像的影像路径上，通过该透镜单元的焦距来调整该立体影像的一成像范围及其分辨率，使适当的该成像范围及其分辨率落在该光固化液态材料的该表面上；

其中，当该液压帮浦控制该水位差来调整该光固化液态材料的该表面位置，该全像投影模块对应投影每一层该平面影像于该表面上，并将该光固化液态材料的该表面进行光固化形成一对应的平面对象层，依序调整该表面的位置及每一层该平面影像来逐层形成所有该对应的平面对象层，以形成对应该立体影像的一立体对象。

2.根据权利要求1所述的积层打印系统，其特征在于，其中该全像投影模块包括：

一光源模块，提供一入射光；以及，

一反射式空间光调变模块，调制该入射光的波前形成一立体影像。

3.根据权利要求2所述的积层打印系统，其特征在于，其中该光源模块包括一平行透镜，该平行透镜配置于该入射光的光径上，使该入射光转换为一平行光。

4.根据权利要求3所述的积层打印系统，其特征在于，其中该反射式空间光调变模块包括一偏光单元、一反射式硅基液晶面板及一分光单元，该偏光单元及该分光单元配置于该平行光的光径上，该分光单元用以将该平行光沿不同于该平行光的光径的一第一方向离开该分光单元，而垂直入射该反射式硅基液晶面板，该平行光的波前经由该反射式硅基液晶面板调制而形成该立体影像，该分光单元使得该立体影像沿不同于该平行光的光径及该第一方向离开该反射式空间光调变模块。

5.根据权利要求2所述的积层打印系统，其特征在于，其中该入射光为一可见光或一紫外固化光。

6.根据权利要求1所述的积层打印系统，其特征在于，更包括一固化光源，依据每一层该平面影像，将该光固化液态材料的该表面进行光固化。

7.根据权利要求1所述的积层打印系统，其特征在于，其中该光固化液态材料包括一光固化树脂溶液。

8.根据权利要求7所述的积层打印系统，其特征在于，其中该光固化树脂溶液掺杂一粉体，该粉体的材料是选自由铁、钴、镍、铁氧体、氧化锆、三氧化二铝、二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、碳化硅所组成。

9.一种利用全像投影的积层打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一容槽来容置一光固化液态材料，其中该光固化液态材料的一表面与该容槽的底部具有一水位差；

藉由一液压帮浦，来控制该水位差；

通过一全像投影模块投影一立体影像于该光固化液态材料的该表面上，其中该立体影像由多个平面影像信息依层堆栈；

提供一位于该立体影像的影像路径上的透镜单元，通过该透镜单元的焦距来调整该立体影像的一成像范围及其分辨率，使适当的该成像范围及其分辨率落在该光固化液态材料的该表面上；

当该液压帮浦控制该水位差来调整该表面位置，该全像投影模块对应投影每一层该平面影像于该表面上，并将该光固化液态材料的该表面进行光固化形成一对应的平面对象层；以及，

依序调整该表面的位置及每一层该平面影像来逐一形成所有该对应的平面对象层，以形成对应该立体影像的一立体对象。