CN108068310A - 立体打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种立体打印方法，包括提供立体打印装置，其中立体打印装置包括盛槽、平台、固化工具以及控制工具。盛槽用以盛装液态成型材，盛槽的内底具有呈阶梯状的成型区与脱离区，且成型区高于脱离区。平台用以浸入或移离液态成型材。固化工具设置于盛槽或平台旁。控制工具电性连接盛槽与平台的至少其一及固化工具。接着，固化平台与成型区之间的液态成型材以形成固化层；之后，判断固化层对应于盛槽内底的位置及所占比例，并根据位置及所占比例判断相对运动的活动范围，所述相对运动能使固化层完全脱离成型区；以及驱动盛槽或平台，使盛槽与平台进行相对运动，而使固化层脱离成型区而移至脱离区上方。本发明能有效地缩短制程时间。

Description

立体打印方法
技术领域
本发明涉及一种立体打印方法。
背景技术
随着科技的日益发展，许多利用逐层建构模型等加成式制造技术(additivemanufacturing technology)来建造物理三维(three-dimensional,3-D)模型的不同方法已纷纷被提出。一般而言，加成式制造技术是将利用计算机辅助设计(computer-aideddesign,CAD)等软件建构的3-D模型的设计数据转换为连续堆栈的多个薄(准二维)横截面层。
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，在液态成型材中设置移动平台，并依据3-D模型的设计数据建构的X-Y-Z坐标驱动光源沿着X-Y坐标移动照射液态成型材，从而将液态成型材固化出正确的横截面层形状。接着，随着移动平台沿Z轴移动，液态成型材便可在逐层固化及堆栈的状态下进而形成立体对象。
然而正如上述，移动平台需在每完成一层固化层后便需沿Z轴移动一次，如此便造成移动平台耗费过多时间于Z轴方向的移动，因而导致制程时间过久而缺乏效率。
发明内容
本发明提供一种立体打印方法，其能有效分离固化层而提高打印效率。
本发明的立体打印方法，包括提供立体打印装置，其中立体打印装置包括盛槽、平台、固化工具以及控制工具。盛槽用以盛装液态成型材，盛槽的内底具有呈阶梯状的成型区与脱离区，且成型区高于脱离区。平台用以浸入或移离液态成型材。固化工具设置于盛槽或平台旁。控制工具电性连接盛槽与平台的至少其一及固化工具。接着，固化平台与成型区之间的液态成型材以形成固化层；之后，判断固化层对应于盛槽内底的位置及所占比例，并根据位置及所占比例判断相对运动的活动范围，所述相对运动能使固化层完全脱离成型区；以及驱动盛槽或平台，使盛槽与平台进行相对运动，而使固化层脱离成型区而移至脱离区上方。
基于上述，本发明所提供的立体打印方法，通过在立体打印装置的盛槽内底区分为呈阶梯状的成型区与脱离区，其中以较高的成型区作为固化层的形成区域，而后以盛槽与平台之间进行相对运动以利用剪力将固化层从成型区剥离，以利于后续进行次一层固化层的成型动作。此外，本发明通过判断固化层(对象)在平台上形成的位置，并根据所述位置判断相对运动所需要的活动范围，使固化层能通过相对运动完全脱离成型区，因而能有效地缩短制程时间。
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是依据本发明一实施例的一种立体打印装置的示意图。
图2是本发明一实施例的立体打印方法的流程图。
图3A及图3B分别示出图1立体打印装置于不同状态的局部侧视图。
图4示出图1立体打印装置于另一实施例中不同状态的局部仰视图。
图5示出图1立体打印装置于另一实施例中不同状态的局部仰视图。
图6是依据本发明另一实施例的一种立体打印装置的局部示意图。
附图标号说明：
100：立体打印装置；
110、110a：盛槽；
111：段差结构；
112、112a：成型区；
114、114a、114b：脱离区；
116：涂层；
120、120a：平台；
130：固化工具；
140：控制工具；
200：液态成型材；
300、302a、302b：物件；
A1、B1：固化层；
C1、C2：中心轴；
P1：成型平面；
S201、S202、S203、S204：步骤；
θ1、θ2：角度。
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”、“底”、“顶”等，仅是参考附加附图的方向。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，相同或相似的组件将采用相同或相似的标号。
图1是依据本发明一实施例的一种立体打印装置的示意图。在本实施例中，立体打印装置100包括盛槽110、平台120、固化工具130以及控制工具140，其中盛槽110用以盛装液态成型材200，平台120相对于盛槽110设置且用以浸入或移离液态成型材200。固化工具130设置在盛槽110旁或平台120旁而用以固化平台120与盛槽110之间的液态成型材200，以在平台120上形成至少一固化层(未示出)。固化层通过逐层地固化堆栈后，最终可形成立体对象。控制工具140电性连接平台120与盛槽110的至少其中之一，以及连接固化工具130，以驱动所述构件进行相对运动。
在此，立体打印装置100例如是光固化成型(stereo lithography,SL)装置或数字化光处理(digital light processing,DLP)装置，液态成型材200例如是光敏树脂，因此通过控制工具140驱动固化工具130，例如是固化光源，照射并使液态成型材200得以固化并成型于平台120上。但本发明并不限于此，任何能达成上述形成立体对象的材料与对应的积层制造手段，皆可适用于此。
基于上述，本实施例通过固化工具130而使液态成型材200在平台120的成型平面P1上逐层地固化堆栈，同时搭配盛槽110与平台120的相对运动(例如旋转及远离)，而最终形成立体对象。
另外，本发明并未限制固化工具130的数量及其相对于盛槽110的位置，虽然本实施例将固化工具130示出于盛槽110下方，但其实质上能依据成型所需条件而对应配置，即，在固化工具130能有效提供液态成型材200固化成型在平台120上，以配合平台120由下而上(bottom-up)的抬升动作而逐渐形成立体对象的前提下，固化工具130能位在盛槽110旁或平台120旁的适当位置。
在本实施例中，盛槽110的内底具有呈阶梯状的成型区112与脱离区114，其中成型区112高于脱离区114，且成型区112的表面设置有涂层116，其例如是聚四氟乙烯(polytetrafluoroethene,PTFE)或聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)。前述控制工具140驱动盛槽110相对于平台120以中心轴C1进行相对旋转，且控制工具140还能控制平台120相对于盛槽110沿中心轴C1移动，以让平台120移近盛槽110或远离盛槽110。当前述相对旋转进行时，位于平台120上的一区域即可切换地对应盛槽110的成型区112或脱离区114。在此所述“对应”是指平台120上的特定区域可在不同时间移至盛槽110的成型区112的正上方或脱离区114的正上方，其中，平台120与成型区112之间可通过控制工具140的控制而调整至所需的相对距离。
详细而言，盛槽110的内底呈圆形轮廓而受控以中心轴C1旋转，成型区112与脱离区114相对于圆形轮廓所占盛槽110的内底的旋转角度分别为180度，也即让平台120的同一区域能随着盛槽110单次旋转180度而在对应成型区112与对应于脱离区114的状态之间进行切换，且成型区112的面积实质上大于脱离区114的面积，也即盛槽110用以旋转的中心轴C1，其实质上是位于成型区112的范围之内。此举让控制工具140，如图1所示，其光线通过盛槽110下方照射至成型区112时，能够不受阶梯状的段差结构111(stage difference)影响而造成光线散射(scattering)的不良影响。
根据本发明提出的立体打印方法，图2是本发明一实施例的立体打印方法的流程图，适用于前述所揭示的立体打印装置，以在平台上打印出一立体对象。图3A及图3B分别示出图1立体打印装置于不同状态的局部侧视图。
请同时参照图1、图2、图3A及图3B。首先，进行步骤S201，提供立体打印装置100。立体打印装置100包括盛槽110、平台120、固化工具130以及控制工具140，盛槽110的内底具有呈阶梯状的成型区112与脱离区114，且成型区112高于脱离区114。此处有关立体打印装置100的相关叙述请参考前述实施方式，在此不再重复赘述。
接着，进行步骤S202，固化平台120与成型区112之间的液态成型材200以形成固化层A1(如图3A中所示)。液态成型材200例如是光敏树脂，因此，当液态成型材200通过固化工具130所提供的固化光源照射后，将会固化并成型于平台120上，而形成固化层A1。进一步来说，仅有被固化光源照射的区域会发生固化，而固化光源照射的区域会依照所欲形成的立体对象形状的剖面层状设计来决定，并非全面性的照射，因而在步骤S202中，发生固化反应的位置仅位于平台120与成型区112之间含有液态成型材200的区域。
之后，先进行步骤S203，判断固化层形成的位置，并根据所述位置判断相对运动的活动范围，再进行步骤S204，控制工具140驱动盛槽110或平台120，使盛槽110与平台120进行相对运动，而使固化层A1脱离成型区112而移至脱离区114上方。详细而言，欲打印的立体对象可分为以下形式：全满对象、仅分布于平台的左半边或右半边的对象以及分散于平台的左右两边的对象。不同打印形式的对象将会影响步骤S204中盛槽与平台之间相对运动的模式。
此处所指的相动运动例如是旋转、平移、移近、远离或其组合，举例来说，控制工具140可以驱动盛槽110相对于平台120旋转，因而在步骤S202中所形成的固化层A1便能随着平台120旋转，而从成型区112脱离并移至对应于脱离区114的位置，且由于呈阶梯状的盛槽110内底结构，因而固化层A1实质上是悬置在脱离区114的上方(如图3B中所示)。此外，前述设置于成型区112表面的涂层116有助于降低固化层A1与成型区112之间的黏滞力及摩擦力，而让固化层A1顺利地从成型区112剥离。据此，所述相对旋转运动让固化层A1能通过剪力脱离盛槽110的内底，而避免需沿中心轴C1(正向(normal to)于成型区112)施力而浪费较多的制程时间。接着，通过固化成型区112与平台120之间的液态成型材200而形成固化层B1，并且可再通过如前述步骤S204使固化层B1从成型区112脱离。如此，重复进行固化以及脱离的步骤，液态成型材便可在逐层固化及堆栈的状态下进而形成立体对象。
值得说明的是，只要能使盛槽110与平台120之间产生相对运动，便能够使固化层A1脱离成型区112而移至脱离区114的上方，因此，在本实施例中是利用控制工具140驱动盛槽110相对于平台120旋转，换言之，平台120固定不动，盛槽110的内底呈圆形轮廓而受控以一中心轴C1进行旋转，进而使盛槽110与平台120之间产生相对运动。在另一实施例中，盛槽110与平台120之间也可以一边旋转一边远离的方式进行相对运动，但本发明不限于此，可视需求选择相对运动的方式，以节省制程时间。
在步骤S203中，当判断欲打印的立体对象为全满对象时(即，对象在平台120上的所占区域对应至盛槽110的内底是跨越成型区112与脱离区114)，在步骤S202的固化层形成后，盛槽110在步骤S203中会旋转180度(如图3B所示)，通过相对运动带来的剪力使固化层A1从成型区112脱离，且此时的成型区112会对应至平台120的另一待打印区域而形成固化层B1。详细而言，由于盛槽110的内底同时具有成型区112与脱离区114，必须通过转换平台120与成型区112相对应的位置，才能达到打印全满对象的目的，因而在形成固化层A1后，通过进行步骤S203中的相对旋转运动先使固化层A1脱离，此时盛槽110的成型区112会对应至平台120的另一待打印的区域，并通过再次固化平台120与成型区112之间的液态成型材200以形成固化层B1。接着，可通过驱动平台120沿着C1中心轴上升，继续进行如前述逐层固化堆栈的步骤，以完成所欲打印的对象。在此过程中，盛槽110与平台120之间发生的相对运动包括先相对旋转180度，再相对远离，但本发明不限于此。在另一实施例中，盛槽110与平台120之间相对地旋转与远离也可同时发生，因而盛槽110与平台120相对运动的轨迹呈现螺旋形。举例而言，若平台120每一次上升的高度为固定值(例如为0.1mm，其例如是单层固化层的厚度)，在驱动盛槽110旋转的同时，也驱动平台120上升，并且将平台120欲上升的0.1mm分配在180度内，也就是说，此时盛槽110相对于平台120一边旋转一边远离，且在盛槽110旋转180度后，平台120也同步上升了0.1mm。当然，在此并未限制螺旋形轨迹的行程斜率，在另一未示出的实施例中，也可在盛槽110每旋转10度时就让平台120上升前述高度，其端赖固化层的在平台上的配置、固化层的材质特性以及所欲达到立体对象的打印精度而定。
图4示出图1立体打印装置于另一实施例中不同状态的局部仰视图。请参考图4，在步骤S203中，当判断欲打印的立体对象为仅分布于平台的左半边或右半边的物件时[此处以对象300(以虚线表示)仅分布于平台120(以虚线表示)的左半边为例]，在步骤S202的固化层形成后，盛槽110会先旋转180度，通过相对运动带来的剪力使固化层从成型区112脱离。接着，待平台120沿着C1中心轴上升后，盛槽110将再次旋转180度，此时，成型区112将再次对应于平台120的左半边，继续逐层固化堆栈的步骤，且所形成的次一固化层将叠置于前一固化层上以形成物件300。在此过程中，盛槽110与平台120之间发生的相对运动包括先相对旋转，再相对远离，但本发明不限于此。在另一实施例中，盛槽110与平台120之间相对地旋转与远离也可同时发生，因而盛槽110与平台120相对运动的轨迹呈现螺旋形。此处有关盛槽110与平台120之间发生的相对运动(旋转与远离)的相关叙述类似于前述实施方式，在此不再重复赘述。
图5示出图1立体打印装置于另一实施例中不同状态的局部仰视图。请参考图5，在步骤S203中，当判断欲打印的立体对象为分散于平台的左右两边的对象时，在步骤S202的固化层形成后，例如形成对象302a，盛槽110会先旋转特定的角度θ1，且角度θ1大于或等于对象302a相对于盛槽110的内底的圆周角，故能使位于平台120上的对象302a能由成型区112恰好脱离。接着，待平台120沿着C1中心轴上升后，此时，成型区112对应于平台120上另一待打印的区域而继续打印对象302b，而后盛槽110将再次旋转至特定的角度θ2，使对象302b脱离成型区112。在此过程中，盛槽110与平台120之间发生的相对运动包括先相对旋转，再相对远离，但本发明不限于此。在另一实施例中，盛槽110与平台120之间相对地旋转与远离也可同时发生，因而盛槽110与平台120相对运动的轨迹呈现螺旋形。此处有关盛槽110与平台120之间发生的相对运动(旋转与远离)的相关叙述类似于前述实施方式，在此不再重复赘述。
据此，通过步骤S203先判断固化层(对象)形成的位置，再根据对象位置判断相对运动所需要的活动范围，使固化层能通过相对运动(例如旋转、远离或其组合)恰好完全脱离成型区。以相对旋转运动为例，只要能使对象通过旋转特定角度(例如旋转45度)后脱离成型区，即可不需要过度地旋转(例如旋转180度)，以节省制程花费的时间。在另一实施例中，步骤S203的判断步骤也可以在开始打印前的模型建构的阶段即完成，但本发明不限于此。
图6是依据本发明另一实施例的一种立体打印装置的局部示意图，由于图6仅例示性地绘出立体打印装置的盛槽及平台，其他立体打印装置的组件以及相关叙述可参考图1的立体打印装置100，与图1相同的组件以相同的标号表示，且相同组件所具有的相同特征将不再重复赘述。在其他实施例中，如图6所示，立体打印装置100具有盛槽110a以及与其相对应的平台120a，盛槽110a的内底呈阶梯状，具有成型区112a、脱离区114a及脱离区114b，其中成型区112a位于脱离区114a与脱离区114b之间，且成型区112a高于脱离区114a及脱离区114b。因此，若是沿着盛槽110a较长的一边进行剖面，盛槽110a的内底剖面将呈“凸”字形。此外，成型区112a的表面设置有涂层116a，其例如是聚四氟乙烯(polytetrafluoroethene,PTFE)或聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)。控制工具140能够驱动盛槽110a相对于平台120a进行平移，且控制工具140还能控制平台120a相对于盛槽110a沿中心轴C2移动，以让平台120a移近盛槽110a或远离盛槽110a。当前述相对平移时，位于平台120a上的一区域即可切换地对应盛槽110a的成型区112a或脱离区114a、脱离区114b。在此所述“对应”是指平台120a上的特定区域可在不同时间移至盛槽110a的成型区112a的正上方或脱离区114a、脱离区114b的正上方，其中，平台120a与成型区112a之间可通过控制工具140的控制而调整至所需的相对距离。
详细而言，图6所揭示的实施例相较于图1来说，其差异在于盛槽的形状及其内底的配置，因而使得在进行步骤S204时，盛槽110a与平台120a所进行的相对运动方式也不相同。举例来说，控制工具140可以驱动盛槽110a相对于平台120a平移，因而在步骤S202中所形成的固化层便能随着平台120a平移，而从成型区112a脱离并移至对应于脱离区114a或脱离区114b的位置，且由于呈阶梯状的盛槽110a内底结构，因而固化层实质上是悬置在脱离区114a或脱离区114b的上方。此外，类似于前述图1的实施方式，盛槽110a与平台120a之间也可以一边平移一边远离的方式进行相对运动，以利于制程时间的缩短。
综上所述，本发明所提供的立体打印方法适用于前述所揭示的立体打印装置，通过盛槽内底区分为呈阶梯状的成型区与脱离区，其中以较高的成型区作为固化层的形成区域，而后以盛槽与平台之间进行相对运动以利用剪力将固化层从成型区剥离，以利于后续进行次一层固化层的成型动作。此外，本发明通过判断固化层(对象)在平台上形成的位置，并根据所述位置判断相对运动所需要的活动范围，使固化层能通过相对运动完全脱离成型区，因而能有效地缩短制程时间。
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 (11)

1.一种立体打印方法，包括：
提供立体打印装置，所述立体打印装置包括：
盛槽，用以盛装液态成型材，所述盛槽的内底具有成型区与脱离区，所述成型区与所述脱离区呈阶梯状，且所述成型区高于所述脱离区；
平台，用以浸入或移离液态成型材；
固化工具，设置于所述盛槽或所述平台旁；以及
控制工具，电性连接所述盛槽与所述平台中的至少其一及所述固化工具；
固化所述平台与所述成型区之间的液态成型材以形成固化层；
判断所述固化层对应于所述盛槽内底的位置及所占比例，并根据所述位置及所占比例判断相对运动的活动范围，所述相对运动能使所述固化层完全脱离所述成型区；以及
驱动所述盛槽或所述平台，使所述盛槽与所述平台进行所述相对运动，而使所述固化层脱离所述成型区而移至所述脱离区上方。
2.根据权利要求1所述的立体打印方法，其中所述成型区的面积大于或等于所述脱离区的面积。
3.根据权利要求1所述的立体打印方法，其中所述相动运动包括旋转、平移、移近、远离或其组合。
4.根据权利要求1所述的立体打印方法，其中所述盛槽的内底呈圆形轮廓而受控以一中心轴进行旋转，所述成型区与所述脱离区相对于所述圆形轮廓所占的旋转角度分别是180度。
5.根据权利要求4所述的立体打印方法，其中所述盛槽相对于所述平台旋转且远离。
6.根据权利要求4所述的立体打印方法，其中所述固化层在所述平台上的所占区域对应至所述盛槽的内底是跨越所述成型区与所述脱离区，所述固化层包括第一固化层以及第二固化层，形成所述固化层的方法包括：
固化所述平台与所述成型区之间的液态成型材以形成所述第一固化层；
驱动所述盛槽相对于所述平台旋转180度，使所述第一固化层脱离所述成型区而移至所述脱离区上方；以及
固化所述平台与所述成型区之间的液态成型材以形成所述第二固化层。
7.根据权利要求4所述的立体打印方法，其中所述固化层包括第一固化层以及第二固化层，所述第一固化层与所述第二固化层在所述平台上的所占区域对应至所述盛槽的内底仅对应于所述平台的所述成型区或所述脱离区，形成所述固化层的方法包括：
固化所述平台与所述成型区之间的液态成型材以形成所述第一固化层；
驱动所述盛槽相对于所述平台旋转180度，使所述第一固化层脱离所述成型区而移至所述脱离区上方；
驱动所述盛槽相对于所述平台旋转180度，所述盛槽同时或依序相对于所述平台旋转且远离；以及
固化所述平台与所述成型区之间的液态成型材以形成所述第二固化层，所述第二固化层叠置于所述第一固化层上。
8.根据权利要求4所述的立体打印方法，其中所述固化层包括第一固化层以及第二固化层，所述第一固化层与所述第二固化层在所述平台上的所占区域对应至所述盛槽的内底分别对应于所述成型区或所述脱离区，且所述第一固化层在所述平台所占区域对应至所述盛槽的内底的旋转角度小于180度，形成所述固化层的方法包括：
固化所述平台与所述成型区之间的液态成型材以形成所述第一固化层；
驱动所述盛槽相对于所述平台旋转，且旋转角度大于或等于所述第一固化层相对于所述盛槽的内底的圆周角，使所述第一固化层脱离所述成型区而移至所述脱离区上方；以及
固化所述平台与所述成型区之间的液态成型材以形成所述第二固化层。
9.根据权利要求1所述的立体打印方法，其中所述脱离区至少有两个，且所述成型区位于所述脱离区之间。
10.根据权利要求9所述的立体打印方法，其中所述盛槽相对于所述平台进行平移。
11.根据权利要求1所述的立体打印方法，其中所述立体打印装置为光固化成型装置或数字化光处理装置。
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