CN108357095B - 立体打印装置与立体打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供立体打印装置与立体打印方法以打印立体目标。立体打印装置包括基座、成形平台、喷头模块、固化模块、第一传感器、第二传感器与控制模块。成形平台沿轴向可移动地设置于基座。喷头模块与固化模块设置于基座且位于成形平台的上方。第一传感器与第二传感器分别沿轴向可移动地设置于基座。第一传感器与第二传感器沿轴向而位于喷头模块与固化模块的相对两侧。控制模块电性连接成形平台、喷头模块、固化模块、第一传感器与第二传感器。立体目标在成形平台上的预设范围沿轴向存在第一端点与第二端点，第一传感器对应第一端点，第二传感器对应第二端点。控制模块依据第一传感器与第二传感器的感应时间差判断喷头模块是否撞击成形层或立体目标。

Description

立体打印装置与立体打印方法
技术领域
本发明涉及一种立体打印装置与一种立体打印方法。
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电脑辅助设计(computer-aideddesign,CAD)等软件建构的3-D模型的设计数据转换为连续堆叠的多个薄(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，依据3-D模型的设计数据建构的X-Y-Z坐标在移动平台上喷涂液态成型材，并驱动光源沿着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，随着移动平台或喷头组件沿Z轴移动，液态成型材便可在逐层固化及堆叠的状态下进而在成形平台上形成立体目标。
发明内容
本发明是一种立体打印装置与立体打印方法，以在打印过程中检测构件是否产生撞击并提供使用者撞击警示。
根据本发明的实施例，立体打印装置包括基座、成形平台、喷头模块、第一传感器、第二传感器以及控制模块。成形平台与喷头模块分别设置于基座，且成形平台与喷头模块沿一轴向可相对移动，以在相互行经时，喷头模块在成形平台上打印立体目标。第一传感器与第二传感器分别沿轴向可移动地设置于基座且相邻于成形平台。控制模块电性连接第一传感器与第二传感器。立体目标在成形平台上的预设范围沿轴向存在第一端点与第二端点，而第一传感器在基座上的位置对应于第一端点，第二传感器在基座上的位置对应于第二端点。在打印过程中，控制模块依据第一传感器与第二传感器对立体目标的感应信号而判断喷头模块是否与成形层或立体目标产生撞击。
根据本发明的实施例，立体打印方法适用于立体打印装置以打印出立体目标。立体打印装置包括基座、成形平台与喷头模块，其中成形平台与喷头模块分别设置在基座上，且成形平台与喷头模块沿一轴向可相对移动，以在相互行经时，喷头模块在成形平台上打印立体目标。立体打印方法包括提供立体目标的设计数据并转换为对应成形平台的坐标数据，以在成形平台上产生预设范围，其中预设范围沿轴向具有第一端点与第二端点；提供第一传感器在基座上而相邻成形平台，并沿轴向驱动且定位第一传感器，以使第一传感器对应第一端点；提供第二传感器在基座上而相邻成形平台，并沿轴向驱动且定位第二传感器，以使第二传感器对应第二端点；以及在打印过程中，依据第一传感器与第二传感器的感应时间差而判断喷头模块是否与成形层或立体目标产生撞击。
基于上述，立体打印装置及立体打印方法通过在成形平台旁设置传感器，以标定立体目标或成形层在成形平台上的预设范围的端点，便能在打印过程中，通过监控成形平台上的成形层或立体目标对传感器造成的感应时间差，而据以判断是否产生异常状况。换句话说，使用者能通过感应时间差的延长而判定喷头模块与成形层(立体目标)产生撞击，以对使用者提供警示而得以避免喷头模块或成形层(立体目标)产生损坏。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1是依据本发明一实施例的立体打印装置的俯视图；
图2示出立体打印装置的部分构件的连接关系示意图；
图3示出本发明立体打印流程的示意图；
图4A与图4B分别示出图3一流程动作的示意图；
图5A与图5B分别示出图3另一流程动作的示意图；
图6示出本发明另一实施例的立体打印装置的俯视图；
图7示出图6的立体打印装置的部分构件示意图。
附图标记说明：
100、300：立体打印装置；
110：喷头模块；
120：成形平台；
130：控制模块；
140：基座；
150：固化模块；
160：切换组件；
162：摆臂；
170：传动组件；
180：龙门式结构；
200：预设范围；
G1、G2、G3、G4：齿轮组；
M1：第一马达；
M2：第二马达；
M3：第三马达；
M4：第四马达；
S1：第一传感器；
S2：第二传感器；
Ta、Tb：感应波形；
Δt1、Δt2：感应时间差；
ER：异常波型；
X-Y-Z：直角坐标；
E1：第一端点；
E2：第二端点；
ST1～ST10：步骤。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明在附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1是依据本发明一实施例的立体打印装置的俯视图，在此仅示出相关的部分构件，而其余构件均能从现有技术中得知，故不再赘述。图2示出立体打印装置的部分构件的连接关系示意图。同时参考图1与图2，同时提供直角坐标X-Y-Z以利于进行构件描述。在本实施例中，立体打印装置100包括基座140、成形平台120、喷头模块110、固化模块150与控制模块130，其中控制模块130电性连接成形平台120、喷头模块110与固化模块150，成形平台120沿X轴可移动地设置在基座140上，喷头模块110与固化模块150设置在基座140上且位于成形平台120的移动路径上。在此，立体打印装置100例如是立体光刻(Stereolithography,SL)装置或数字光处理(digital light processing,DLP)装置，以通过控制模块130驱动喷头模块110在成形平台120上提供(喷涂)液态成形材，例如是光敏树脂，而后再通过控制模块130驱动固化模块150，例如是(紫外)光固化装置，以对成形平台120上的液态成形材提供光照以而达到固化效果而产生成形层，并随着成形平台120沿X轴来回移动，进而逐层叠置已固化的成形层而印出立体目标，以完成本实施例所需的立体打印作业。另需说明的是，本发明并未限定成形平台120与喷头模块110的移动方式，在另一未示出的实施例中，也可采用固定成形平台120而驱动喷头模块110的移动模式，也即，能符合成形平台120与喷头模块110沿X轴产生相对移动者，均可适用于本发明。
在现有装置的架构之下，由于发生打印异常而导致喷头模块与形成层或立体目标之间产生撞击的情形并无法在打印过程中对使用者提出警示，因此往往是等到打印完成或是喷头模块损坏而无法进行打印动作时方能得知。据此，本实施例的立体打印装置100还包括第一传感器S1与第二传感器S2，以作为打印过程中进行撞击检测并对使用者提出警示之用。
详细而言，如图1所示，喷头模块110与固化模块150是设置在立体打印装置100的龙门式结构180上，而如图2所示，第四马达M4连接喷头模块110和/或固化模块150并电性连接至控制模块130，而据以驱动喷头模块110和/或固化模块150沿Y轴、Z轴移动，也就是本实施例的喷头模块110与固化模块150沿X轴是处于固定而不移动的状态。再者，第三马达M3连接成形平台120且电性连接控制模块130，以让控制模块130据以驱动成形平台120沿X轴的轴向来回移动，以此达到前述立体打印作业的基本架构。
图3示出本发明立体打印流程的示意图。图4A与图4B分别示出图3一流程动作的示意图。图5A与图5B分别示出图3另一流程动作的示意图。同时参考图3并对照图4A、图4B、图5A及图5B，在本实施例中，在步骤ST1中，首先提供立体目标的设计数据，并将其转换为对应至成形平台120的坐标数据，以在成形平台120上产生预设范围200，且预设范围200在X轴上存在第一端点E1与第二端点E2。接着同时对照图2，在此以虚线说明第一马达M1与第一传感器S1的驱动关系，以及第二马达M2与第二传感器S2的驱动关系。在步骤ST2中，提供第一传感器S1在基座140上，并以第一马达M1沿X轴驱动第一传感器S1且据以定位第一传感器S1在基座140上的位置。在此所述定位即是指第一传感器S1能对应至预设范围200的第一端点E1的位置，也就是如图4A所示，当喷头模块110在第二端点E2喷涂液态成形材时，第一传感器S1对应所述第一端点E1在X轴上的位置。换句话说，第一传感器S1是用以界定立体目标(成形层)的预设范围200在X轴上的其中一侧的边界所在。接着，在步骤ST3中，提供第二传感器S2在基座140上，并以第二马达M2沿X轴驱动第二传感器S2且据以定位第二传感器S2在基座140上的位置。在此所述定位即是指第二传感器S2能对应至预设范围200的第二端点E2的位置，也就是图4B所示，当喷头模块110在第一端点E1喷涂液态成形材时，第二传感器S2对应第二端点E2在X轴上的位置。换句话说，第二传感器S2能用以界定立体目标(成形层)的预设范围在X轴上的另一侧的边界所在。在本实施例中，第一传感器S1与第二传感器S2分别是红外线传感器。第一马达M1与第二马达M2分别是步进马达。
届此，便能以第一传感器S1与第二传感器S2完成预设范围200在X轴上的边界设定，控制模块130能据以通过第三马达M3控制成形平台120在基座140上的移动行程，而后，开始进行步骤ST4的打印动作。
接着，在步骤ST6中，控制模块130通过接收第一传感器S1与第二传感器S2的感应信息而判断喷头模块110是否与立体目标(成形层)产生撞击。图5A示出的感应波形Ta是正常状态下，立体目标(成形层)行经第一传感器S1与第二传感器S2而受到感应并产生的波型，如其所示，在无撞击产生时，第一传感器S1与第二传感器S2感应到第一端点E1与第二端点E2之间的感应时间差Δt1应为固定值。一旦发生撞击，则代表第一传感器S1与第二传感器S2所感应到预设范围200的第一端点及第二端点的时间差会因此被拉长，如图5B所示，其延长至感应时间差Δt2。因此，通过第一传感器S1与第二传感器S2的感应时间差的判定，便能作为撞击是否产生的依据。
在此同时，控制模块130还能通过另一步骤ST5作为判断撞击是否产生的辅助依据，同时参考图2与图3，在本实施例中，用以驱动成形平台120沿X轴移动的第三马达M3具有编码器(encoder)C1，其作为控制模块130据以控制其运动模式。在此，步骤ST5中，控制模块130也同时对编码器C1的波型数据进行监控，对照图5A与图5B，其中图5A所示的感应波形Tb是处于正常状态，也就是代表成形平台120的移动过程并未有任何的阻碍产生，而在图5B中，感应波形Tb明显在预设时间中产生异常波型ER，这即代表第三马达M3在驱动成形平台120的过程中产生异常，因此控制模块130便能据以判断是否有撞击产生。
总的来说，在步骤ST6中，控制模块130能依据前述第一传感器S1、第二传感器S3之间的感应时间差，以及步骤ST5第三马达M3的编码器C1是否产生异常波形而作为喷头模块110与立体目标(成形层)是否产生撞击的判断。
接着，在步骤ST7中，当所述撞击产生后，控制模块130即通过警示系统(未示出)对使用者发出视觉和/或听觉上的警示，而后在步骤ST8中，由使用者进行再次确认。当确认撞击发生，则在步骤ST9中停止目前的打印动作以便于进行故障排除。若确认撞击并未发生，则可继续上述步骤ST4的打印动作。
另外，若控制模块130依据上述而判断撞击并未产生，则步骤ST4的打印动作将会继续，直至步骤ST10完成立体目标。
在此需提及的是，图4A与图4B所示预设范围200仅为其中一层成形层在成形平台120上的正投影轮廓，随着成形层的不断叠置，将会有不同轮廓及不同范围的成形层，而届时第一端点与第二端点会因此改变在X轴的坐标，当然第一传感器S1与第二传感器S2也需随之调整对应的位置。
此外，步骤ST6的判断频率可依据当时打印环境而予以适当的设定。举例来说，使用者可对其设定为每一层成形层均需进行判断，或是每隔固定的成形层的层数或成形层的厚度而进行一次检测与判断。
图6示出本发明另一实施例的立体打印装置的俯视图。图7示出图6的立体打印装置的部分构件示意图。需说明的是，图7仅为以单一视角示出相关结构，并以简单示意其传动方式，未因此而限定本实施例的技术特征。同时参考图6与图7，在本实施例中，立体打印装置300与前述实施例相同的是包括基座140、喷头模块110、固化模块150(包含驱动其的第四马达M4)、龙门式结构180、成形平台120(包含驱动其的第三马达M3，以及第一传感器S1与第二传感器S2，而不同的是用以驱动第一传感器S1与第二传感器S2的手段。在此，立体打印装置300还包括传动组件170与切换组件160，其中传动组件170包括第一马达M1与齿轮组G1，而切换组件160包括第二马达M2、摆臂162以及齿轮组G2，其用以连接第一马达M1与第一传感器S1之间或连接第一马达M1与第二传感器S2之间，以使其在第一状态或第二状态之间切换。
进一步地说，当切换组件处于第一状态时，如图7所示实线摆臂162与齿轮组G2，第二马达M2驱动摆臂162及其上的齿轮组G2耦接在齿轮组G1与齿轮组G3之间，因而得以将第一马达M1的动力传送至第一传感器S1。相对地，当切换组件处于第二状态时，如图7所示虚线摆臂162与虚线齿轮组G2，第二马达M2会驱动摆臂162及其上的齿轮组G2耦接在齿轮组G1与齿轮组G4之间，将动力从第一马达M1经由齿轮组G1、齿轮组G2传送至齿轮组G4，进而驱动第二传感器S2。在此，第一马达M1为步进马达，第二马达M2为直流马达，因此可利用第二马达M2仅需提供切换动作而毋须精准定位的特性，而提高使用者进行马达选用时的便利性，并有效地降低构件成本。
综上所述，立体打印装置及立体打印方法通过在成形平台旁设置传感器，以标定立体目标或成形层在成形平台上的预设范围的端点，便能在打印过程中，通过监控成形平台上的成形层或立体目标对传感器造成的感应时间差。同时，还能通过监控用以驱动成形平台的马达的编码器的波形是否产生异常，而与前述感应时间差一并列入撞击是否产生的判断依据，而让撞击产生时能即时对使用者提供警示，以利于进行故障排除而避免构件损坏的情形发生。再者，除以一对一方式让第一马达、第二马达分别驱动第一传感器与第二传感器之外，也能通过切换组件对用以驱动传感器的传动组件进行切换，进而提高使用者进行马达选用时的便利性，并有效地降低构件成本。
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 (16)

1.一种立体打印装置，用以打印立体目标，其特征在于，包括：
基座；
成形平台与喷头模块，分别设置于所述基座且所述成形平台与所述喷头模块沿一轴向可相对移动，以在相互行经时，所述喷头模块在所述成形平台上打印所述立体目标；
第一传感器与第二传感器，分别沿所述轴向可移动地设置于所述基座且相邻于所述成形平台；以及
控制模块，电性连接所述第一传感器与所述第二传感器，其中所述立体目标在所述成形平台上的预设范围沿所述轴向存在第一端点与第二端点，而所述第一传感器在所述基座上的位置对应于所述第一端点，所述第二传感器在所述基座上的位置对应于所述第二端点，且在打印过程中，所述控制模块依据所述第一传感器与所述第二传感器对所述立体目标的感应信号而判断所述喷头模块是否与所述立体目标产生撞击。
2.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，还包括：
一第一马达，连接所述第一传感器且电性连接所述控制模块，以驱动所述第一传感器沿所述轴向移动；以及
一第二马达，连接所述第二传感器且电性连接所述控制模块，以驱动所述第二传感器沿所述轴向移动，其中所述第一传感器在所述基座上的位置，是所述喷头模块在所述第二端点打印所述立体目标时，所述第一传感器对应所述第一端点在所述轴向上的位置，而所述第二传感器在所述基座上的位置，是所述喷头模块在所述第一端点打印所述立体目标时，对应所述第二端点在所述轴向上的位置。
3.根据权利要求2所述的立体打印装置，其特征在于，所述第一马达与所述第二马达分别是步进马达。
4.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，还包括：
第三马达，电性连接所述控制模块以及连接所述成形平台或所述喷头模块，以驱动所述成形平台或所述喷头模块沿所述轴向移动。
5.根据权利要求4所述的立体打印装置，其特征在于，所述第三马达具有编码器，所述控制模块依据所述编码器的波型而判断所述喷头模块是否与所述立体目标产生撞击。
6.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，所述第一传感器与所述第二传感器分别是红外线传感器。
7.根据权利要求1所述的立体打印装置，其特征在于，还包括：
第一马达，电性连接所述控制模块；
传动组件，连接在所述第一马达与所述第一传感器之间，或连接在所述第一马达与所述第二传感器之间；
第二马达，电性连接所述控制模块；
切换组件，连接所述第二马达以受驱动而切换所述传动组件的状态，其中所述第二马达驱动所述切换组件而使所述传动组件移动第一传感器，或所述第二马达驱动所述切换组件而使所述传动组件移动第二传感器。
8.根据权利要求7所述的立体打印装置，其特征在于，所述第一马达是步进马达，所述第二马达是直流马达。
9.一种立体打印方法，其特征在于，适用于立体打印装置以打印出立体目标，所述立体打印装置包括基座、成形平台与喷头模块，其中所述成形平台与所述喷头模块分别设置在所述基座上且所述成形平台与所述喷头模块沿一轴向可相对移动，以在相互行经时，所述喷头模块在所述成形平台上打印所述立体目标，所述立体打印方法包括：
提供立体目标的设计数据并转换为对应所述成形平台的坐标数据，以在所述成形平台上产生预设范围，其中所述预设范围沿所述轴向具有第一端点与第二端点；
提供第一传感器在所述基座上而相邻所述成形平台，并沿所述轴向驱动且定位所述第一传感器，以使所述第一传感器对应所述第一端点；
提供第二传感器在所述基座上而相邻所述成形平台，并沿所述轴向驱动且定位所述第二传感器，以使所述第二传感器对应所述第二端点；以及
在打印过程中，依据所述第一传感器与所述第二传感器的感应时间差而判断所述喷头模块是否与所述立体目标产生撞击。
10.根据权利要求9所述的立体打印方法，其特征在于，所述第一传感器在所述基座上的定位，是所述喷头模块在所述第二端点打印所述立体目标时，所述第一传感器对应所述第一端点在所述轴向上的位置，而所述第二传感器在所述基座上的定位，是所述喷头模块在所述第一端点打印所述立体目标时，所述第二传感器对应所述第二端点在所述轴向上的位置。
11.根据权利要求9所述的立体打印方法，其特征在于，还包括：
提供第一马达，连接所述第一传感器，以使所述第一马达驱动所述第一传感器沿所述轴向移动并定位；以及
提供第二马达，连接所述第二传感器，以使所述第二马达驱动所述第二传感器沿所述轴向移动并定位。
12.根据权利要求11所述的立体打印方法，其特征在于，所述第一马达与所述第二马达分别是步进马达。
13.根据权利要求9所述的立体打印方法，其特征在于，所述立体打印装置还包括第三马达，连接所述成形平台或所述喷头模块，所述第三马达驱动所述成形平台或所述喷头模块沿所述轴向移动，而所述立体打印方法还包括：
在所述打印过程中检测所述第三马达的编码器的波型数据，以判断所述喷头模块是否与所述立体目标产生撞击。
14.根据权利要求9所述的立体打印方法，其特征在于，所述第一传感器与所述第二传感器分别是红外线传感器。
15.根据权利要求9所述的立体打印方法，其特征在于，还包括：
提供第一马达、传动组件与切换组件，其中所述传动组件受所述切换组件驱动而在第一状态与第二状态之间切换，在所述第一状态时，所述传动组件连接在所述第一马达与所述第一传感器之间，在所述第二状态时，所述传动组件连接在所述第一马达与所述第二传感器之间；以及
提供第二马达，用以驱动所述切换组件。
16.根据权利要求15所述的立体打印方法，其特征在于，所述第一马达是步进马达，所述第二马达是直流马达。
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