CN113619104B - 异向双出口布料弹性3d成形技术 - Google Patents

Abstract

一种异向双出口布料弹性3D成形技术的系统及方法，其特点在于使用一异向双出口布料头，包含两个分布方向不同的布料出口，分别可以涂布立式或卧式的带状材料，增进组成3D制件的几何弹性；布料路径可采用弹性变向式积层方式，使材料能沿3D制件的表面切线方向成形；并突破现行的细线薄层的布料方法，也可采取一厚层成形方法逐层布料，以一微分模具改变出料曲率或以一整形装置修整已涂布的材料，以消除积层阶梯问题，使表面光滑度更好，并加快3D成形速度。

Description

异向双出口布料弹性3D成形技术

技术领域

本发明系关于异向双出口布料弹性3D成形技术的系统及方法，特别是关于以更快的速度至成表面光滑度更好的3D原型、元件及模具的系统及方法。

背景技术

现行已商业化的积层制造技术，在金属成形方面主要以金属粉末积层法(Selective Laser Melting，SLM)，在非金属成形方面主要有光固化成形法(Stereolithography，SLA)、熔融沉积成形法(Fused Deposition Modeling，FDM)、3D列印法(3D Printing，3DP)及层状推叠制造法(Laminated Object Manufacturing，LOM)等。然而其实际应用领域尚不普遍，其原因为目前工业界咸认有下列几项缺点仍待解决：(1)成形速度慢、(2)表面粗度差、(3)材料种类限制及(4)设备及材料成本高。

追究上述缺点的原因，系为现行各法采用的基本成形方式原则上皆是以水平积层布料且利用连点成线之态样固化成形。不论制件之几何形状如何，布料时一律采用水平方向积层，因积层具有一定厚度，故遇到曲面、斜面等特征结构时，会有积层阶梯产生使着表面粗度变差。然而在固化时系以连点成线进而建构成平面、立体等结构，利用单点累积成所需之立体结构，导致成形速度慢。如为改善曲面表面品质而减小积层厚度(即减小积层阶梯)，则成形速率将会大幅减缓，因为以点写体及水平积层布料的总时间都会增加。图1(a)为一3D制件实例，图1(b)、(c)则示意出以目前现行积层制造技术制造时的情形，图1(b)为叶片部份放大图，图1(c)为断面示意图。其中点线201为水平积层的横切格子结构示意，217、218为水平积层的材料成形情形，其叶片103及轮毂102外壁必然会产生积层阶梯，造成表面粗度差(214、212)。粗黑曲线203则表示出连点成线固化之扫描情形，利用以点写体的建构方式，导致成形速度慢。而在成形物理方面现行各法分别需要高均粒度、高流动性金属粉末(成本为一般粉末7-8倍)、光敏高分子、雷射、环境控制箱等相关设备，故制造成本高。且为达到高成形密度，还需要将不同粒度金属粉末以不同比例混合，程序复杂。

复以SLM(或Selective Laser Sintering，SLS)法为例，其制件的表面粗糙度与雷射成型的路径之角度有关系，在垂直或平行雷射烧结之平面可以得到比较好的表面粗糙度，曲面或斜面之表面粗糙度则受到一定限制[Amend,P.et al.,”A fast and flexiblemethod for manufacturing 3D molded interconnect devices by the use of a rapidprototyping technology”,Journal of Physics Procedia,Volume 5,Part B,2010,Pages 561–572.]。SLM系统制成的塑胶射出成型模心，利用SLM系统制成的塑胶射出成型用模心，一般表面粗度达40微米(与砂模铸造相当)，并需预留200-500微米供后续切削加工。亦有研究使用雷射进行抛光，将雷射之光点范围调大，能将表面金属重新熔化并再次固化，以达到抛光的效果。但此法所耗费能量相当高，因此成本也相对提高。且结果仍未达成工业界所期望之表面光滑度[A.Lamikiz et al.,”Laser polishing of parts built up byselective laser sintering”,International Journal of Machine Tools&Manufacture47(2007)2040–2050]。

在增进成形速度方面，有所谓skin-core strategy，使用较小的雷射光点扫描轮廓，较大的雷射光点扫描内部，甚至开发多光束系统，以加快成形速度。不过这些方法都需增加昂贵的雷射成本[K.Wissenbach,“Fantasia Project Shows Selective LaserMelting Can Produce Complex Components Quickly and Cost Effectively”,http:// www.ineffableisland.com/2010/05/fantasia-project-shows-selective-laser.html？ showComment＝1318241730096]。

在FDM法方面，美国专利US.5121329系揭露了利用布料头沿空间中的曲线运动，以制造曲面或曲线框架(其专利中之原图10、图12)。该专利也叙述其布料头可在行进时调整施布材料的厚度。但由于其布料头出料孔径固定，仅能借由调控进料速度或布料头移动速度的方式来达成施布厚度不同的材料的目的。因此，其成形速度与水平积层布料、连点成线固化的原始方式相比，并不会更快。另外，美国专利申请公开2015/0266244A1号也叙述使用布料头在空间中曲线运动，并调节材料挤出流量来控制施布材料的厚度，但也是使用固定出料孔径。一般而言，FDM法的布料头出料孔径约在0.25到1mm(参阅www.matterhackers.com/news/3d-printer-nozzle-comparison-guide)。布料头挤出的线状材料的直径与出料孔径大致相当，调节材料挤出流量可以变化线状材料的直径的范围也很有限。

在另一FDM相关技术中，美国专利US.8221669号则揭露以带状(非圆柱形)原料为供给材料时，相较于目前的商用系统中所使用的圆柱形原料具有较短的响应时间，其中“响应时间”系为当供给机构接收命令后以供/暂停给原料至液化器中，在液化器的挤出尖端的末端的实际流率变化的开始或停止所需之延迟时间。该专利系借由减少响应时间以提高制件之美感及结构质量。然而对于如何提升材料之堆叠沉积速率并非该专利之目的，且于该专利中未提及。

此外尚有其他制作金属件的快速成形方法。例如，美国专利US.7942987揭露了利用FDM法之概念以建构出金属制件，该专利系描述一种将金属合金加热至固相线温度与液相线温度之间，使得该金属合金呈半固态状态并具有足够之黏度，以利于挤压成形。不过，这基本上还是点扫描及水平积层的成形模式。

另一方法统称为雷射沉积技术(Laser Deposition Technology，LDS)，美国专利US.4323756揭露了使用线材并以能量束为热源，将其融化沉积于物件表面上之技术概念。为了减少粉末料仓的设置并简化后续处理，美国专利US.5043548则揭露了利用气流以乘载微细粉末送入雷射光束中加以熔融并沉积于物件上，其中雷射光束并未直接聚焦于物件上，故不会造成物件熔融，雷射光束系聚焦于粉末送入位置以将粉末熔融并布料于物件上。这基本上也还是点扫描的成形模式，且成形物件的边缘轮廓亦较为粗糙。

另有研究使用能改变大小的布料出口来加快成型速率。如布鲁克氏等(Brooks etal.)设计了一种有两段式开口的挤出头，可以调整选择较粗或较细两种挤出材料线径，变化范围也是有限。而其成形还是逐层成形，并不能解决积层阶梯的问题。[4H.Brooks etal.,“Variable fused deposition modelling–concept design and tool pathgeneration”,in Rapid Design,Prototyping and Manufacturing,pp.113-122.ISBN978-0-9566643-1-0,from eprints.lancs.ac.uk/50959/]

又美国专利US.6030119号叙述了一种可以改变出料口开口长度的布料装置，其开口机构使用两个平面式的部件重叠形成一长形开口，调节两个部件的相对位置则可以调整开口的长度。不过其成形还是逐层成形，依然有积层阶梯的问题。又其目的是为了加快成形速率，故最大开口的长度很宽，因此每层布料时布料装置只沿单一轴向运动，也不适于多自由度运动。

本案发明人之一先前的发明(中国台湾地区专利I611909号及美国专利10,766,802B2)叙述了一种“弹性变向布料”3D成形技术，的基本原理系使用一布料头将具有流动性的一可固化材料涂布于一基座上，使其于一定环境条件下成为固态，并使布料头对基座在空间中依预定的布料路径产生一相对运动，致使可固化材料连续涂布、前后材料依序按预定的位置固化相接成为一3D制件。其布料路径不限于现行的水平积层模式，系采取依据制件之几何形状的需要、弹性地变动积层方向的成形策略，在需要良好表面品质时，使材料沿3D制件的表面切线方向积层成形，因此可消除因水平积层方式产生之轮廓阶梯问题，使制件之成形表面光滑度良好。此技术采用一个具有多个独立自由度的运动机构装置，使布料系统对基座在空间中产生3D曲线轨迹。又布料时，使出料的厚度、宽度、速率可随制件的局部几何形状调整，可以产生包括带状、线状、点状等几何形状，在3D制件几何形状适当时，加大出料宽度，以线成面，使布料呈带状的面积式布料方法，大幅加快成形速度，而线状、点状等几何形状则用于3D制件较细微特征结构的部份。另外，布料时在材料发生固化过程的区域，于材料的表面局部外加一微分成形机构，以限制固化中的材料的流动、使其固化成所欲的形状，并产生良好的表面光滑度；更进一步，可使带状出料在宽度的方向上可以改变曲率，以配合制件的局部几何形状。

图2系以图1(a)的制件形状为例说明上述“弹性变向布料”法成形的步骤。此图假设布料头401移动而基座501a不动。(a)-(c):布料头涂布带状出料于载台上，多层带状出料叠合(即两条带状出料彼此以宽面相接)制成轮毂内部。(d)-(e):铺制轮毂外部。(f)制叶片基部603，以作为下一部叶片成形的起始部。(g)叶片成形:叶片系由多条带状出料彼此以窄面相接并排形成(此称为缝合)。叶片第一条带状出料为叶片边缘部601，成形时先接合于基部603上，然后向外施料，每间隔一定距离则施料制支持柱605与预先制作的支架610相连，最后接合于预先制作的支持框构形430。随后，叶片第2条带状出料602也从先接合于基部603上开始，然后利用已固化之边缘部601为支持，以缝合方式与边缘部601并排连接。另一选择是先将支持构形建于叶片下，如现行FDM法或SLA法。另注意图示带状出料的宽度是可以变动的，所以能缝合成整个叶片的轮廓。

要使布料系统对一基座在空间中产生如图2所示的任意3D曲线轨迹需要多个独立自由度。在一般情况下，如果布料头的材料出口仅为是单一孔洞时，则意味着运动装置之自由度的至少须为3，方能允许3D曲线轨迹之路径追踪。然而，如果要涂布宽的带状材料，则运动装置须至少4个独立自由度。

图2(h)示上述“弹性变向布料”技术使用的机台构造一例，其基本构造为一5个自由度(5轴)机台，具有3个线性运动自由度(X,Y,Z)及两个旋转运动自由度(A轴(绕X轴转)、B轴(绕Y轴转))。制件及其载台等基座区501置于A轴旋转台上。布料系统401搭载于Z轴上，布料头可绕Z轴旋转，为第6个自由度(C轴)。

上述中国台湾地区专利I611909号(及美国专利10,766,802B2)的针对上述现行其他主要积层制造技术的基本方法上的缺点提出一全新的3D成形概念及相应的施行手段。不过，该技术的布料系统只使用一个布料出口，只有一个出料方向。在变向布料成形的过程中，时常需要改变布料出口分布方向与3D制件的相对座向，这系依靠多自由度的运动机构装置来调整。当此相对座向变动较大时，运动机构装置的运动会有较剧烈的变化，或会需要更多自由度。这会造成运动路径规划上的不便，及可能增加运动机构装置的硬体成本。如图2之例中，以x-y-z座标系统示意布料头401的座向，可以看见成型过程中布料头相对于工件(或基座501a)的座向变动很大，多自由度运动机构装置的各自由度必须有很大的运动范围。如由图2(a)到图2(d)，布料头必须绕y轴近乎直角使出料口贴近轮毂外部侧墙。如到图2(f)制作叶片基部时，因需要采立式出料(即出料高度大于宽度，如矮墙状)，不光是要使布料头绕x轴侧倾，还必须使布料头绕y轴转动一较大角度，才能立式出料。

发明内容

为解决上述问题，本发明之一方面系提出一种制造3D物件的系统，包含:一异向双出口布料头，用于涂布一材料以制造一3D物件，异向双出口布料头包含分布方向不同的二布料出口，可以独立分别向两个不同方向出料；一材料供应单元，用于供应材料给异向双出口布料头；一基座，用于承载涂布材料与3D物件；以及一运动机构装置，用于使该布料头对该基座在空间中依照一预定的轨迹产生一相对运动。

依据本发明之一实施例，其中异向双出口布料头更包括一材料腔室，其中异向双出口布料头的二布料出口相互连通到异向双出口布料头内的材料腔室，材料供应单元供应材料到材料腔室，并可调节供料速率以配合出料流率的变化，二布料出口分别包含可以使出料口尺寸连续变动的一闸门机构，可以独立调节二布料出口的截面的尺寸，以涂布宽度不同或宽度连续变动的带状之材料。

依据本发明的另一实施例，其中闸门机构之一更包括至少一闸门元件，闸门元件更包含一凹槽特征，当闸门元件完全闭合时，凹槽特征及异向双出口布料头之内壁形成一喷嘴结构，以用于涂布线状及点状之材料。

依据本发明之再一实施例，其中闸门机构之控制方向包含二布料出口之厚度方向及宽度方向，其中宽度方向可利用复数个闸门元件相互推叠但个自独立作动，以调整出料口之尺寸。

依据本发明之又一实施例，其中二布料出口之一包含一水平出料口，水平出料口之开口的长边与水平方向大致平行，闸门机构之一包含一水平闸门机构，水平闸门机构包含一水平闸门元件，水平闸门元件于材料腔室内呈大致垂直向的配置，水平闸门机构开关时水平闸门元件行转动加移动的运动模式使水平闸门元件下端沿水平出料口之开口的长边直线运动，且保该材料腔室的内部容积大致恒定，以调节出料的截面的尺寸及保持稳定出料。

依据本发明之又一实施例，其中水平闸门元件为构成材料腔室之结构之一部份，水平闸门机构包含：一U形结构与水平闸门元件连结成一体，一二连杆机构包含U形结构，二连杆机构之一端固定只能转动，另一端运动由一限位槽所局限。

依据本发明之又一实施例，其中更包括一整形装置，用于修整涂布成形后的材料，将多余的材料去除；一可动工具台，异向双出口布料头与整形装置皆装置于其上，可以视需要转换位置分别接近3D物件进行布料或修整工作。

依据本发明之又一实施例，其中整形装置包含一热刮工具，借由热刮工具与涂布成形后的材料相接触，使多余的材料软化后将之去除。

依据本发明之又一实施例，其中热刮工具包含一弯曲构件及一致动器，致动器转动弯曲构件可使其上不同部位与材料接触时产生不同的曲率。

依据本发明之又一实施例，其中热刮工具包含一可变形构件及一致动器，致动器可调整可变形构件之曲率。

依据本发明之又一实施例，其中运动机构装置具备至少4个运动自由度。

本发明之另一方面系提出一种制造3D制件的方法，其包含：使用一受热后有流动性的一可固化材料在一基座上逐层累积材料成为一3D制件，可固化材料可于一预定温度固化，在累积一层材料时，先以一运动机构装置使一布料头对基座在空间中依一预定的布料轨迹产生相对运动，同时布料头涂布该可固化材料成一厚层，然后使用一整形装置对基座在空间中依一预定的整形轨迹产生相对运动，修整厚层的材料的表面，去除多余材料并改进表面光滑度，然后累积下一层材料，重复以上的步骤，直到完成该3D制件。其中厚层系指一层布料的厚度内的垂直方向上需要有曲率、形状变化。其中整形装置包含一热刮工具，所述修整厚层的过程包含热刮工具依预定的整形轨迹运动并与厚层及厚层下方紧邻的至少另一厚层接触、局部加热软化材料后去除预定的整形轨迹以外的多余材料，热刮工具包含一可调整与材料接触的接触面在积层方向上的曲率形状的机制，以使修整过的厚层的侧表面在积层方向上有正确连续且平滑的形状。

附图说明

本发明之特征及优势可由以下附图及相应的详细叙述进一步说明：

图1(a)为3D制件之示意图，图1(b)及1(c)示意以现行积层制造技术制造图1(a)之3D制件的情形；

图2(a)-(g)为以图1(a)之制件为例，利用先前技术“弹性变向布料”技术的单一出料口布料头实行弹性变向布料进行成形示意；

图2(h)为先前技术“弹性变向布料”技术使用的机台构造一例；

图3为本发明异向双出口布料头的基本概念与布料情形示意；

图4为以图1(a)之制件为例，利用本发明异向双出口布料头实行弹性变向布料进行成形示意；

图5为本发明之异向双出口布料头的结构与操作的设计实例之一；

图6为图5之布料头的调整出料口开口尺寸的设计实例；

图7为本发明之异向双出口布料头的结构与操作的设计实例之二；

图8为本发明之布料头调整出料口开口尺寸的另一设计实例。

图9为本发明之布料头调整出料口开口尺寸的另一设计实例。

图10为本发明多层立式带状材料在垂直方向上缝合成一物件之例，(b)为本发明整形装置修整物件表面之例；

图11为本发明机台设备例一，包含能交互施行布料头布料及整形装置修整物件表面的可动工具台；

图12为本发明机台设备例二，包含能交互施行布料头布料及整形装置修整物件表面的可动工具台；

图13为本发明能交互施行布料头布料及整形装置修整物件表面的可动工具台之另一例；

图14为本发明整形装置之热刮工具之例，及其工作原理。

图15为本发明整形装置之热刮工具之另一例。

图16(a)-(e)示本发明之“厚层成形”方法的原理与步骤。

附图标记

103 叶片

102 轮毂

140 转轴

201点线

203 粗黑曲线

212,214表面粗度

217、218水平积层

401、401M布料头

404H材料腔

404H1右侧墙

404H2左侧墙

404H3上部结构

404H31上部结构下缘

404H4水平闸门元件

404H41水平闸门元件上端

404H42水平闸门元件下端

404H43手把部

404H43a水平部分

404H5垂直闸门元件

404H5a、404H5b、404H5c闸门元件

404H10材料腔室

404G20凹槽特征

405V，405H出料口

405G出口

405Ha，405Va出料口长边

406材料的入口

420A1 U形薄板

420A1a、420A1b U形薄板的部分

420A2、420A3握持部

420A4枢轴

430支持框构形

451、451a、451b、451c带状出料

460 基板

461 L形结构

462 直柱

463 轴

463a 轴心

464 限位槽

465 轨迹

466、468 转轴

467 横梁

501a 基座

505 可旋转工具台

506 工具台

506b 可移动平台

506a 基座

530 整形装置

531 热刮工具

532 曲棒

532a内圆弧

532b、532c曲棒左边

533加热器

534转动装置

540 曲面

545 表面

546、547 多余材料

601 边缘部

602 带状出料

603 基部

605 支持柱

610 支架

712a、712b带状出料宽度

713a、713b带状出料高度

1501、1502方向

C1、C2、C3曲线

O、P、P*、Q点

S1、S2，S3曲面

具体实施方式

为解决上述问题，本发明提出一新的异向双出口布料头，布料头包含两个分布方向不同的布料出口。特别是，包含两个基本互成垂直方向的布料出口，一个出口可用于在水平方向涂布产生卧式的带状出料，另一个出口可用于在垂直方向涂布产生立式的带状出料。两个布料出口可相连通从同一材料腔供料。图3(a)示异向双出口布料头401M的基本概念。异向双出口布料头401M包含一垂直方向的出料口405V及一水平方向的出料口405H。图3(b)示立式的带状出料的情形。图3(c)示卧式的带状出料的情形。一般而言，本发明使用之布料头包含可以调节布料出口的开口尺寸的机制，其最大开口面积对最小开口面积的比例至少约10到200倍，因此可以应付不同的几何特征尺寸并增加布料速率(体积成形率)。

另外，本发明还包括一整形装置，用于修整固化后的材料的表面，以修整表面的曲率以及改进表面光滑度。异向双出口布料头与整形装置皆装置于一可动工具台上，可动工具台复装于多自由度的运动机构装置，可以视需要转换布料头与整形装置的位置使其分别接近制件进行布料或修整工作。整形装置之一例包含一切削工具，另一例为一热刮工具。

更进一步，本发明还包含一“厚层成形”方法，此法在每层先以布料头涂布层厚较大的材料，然后使用整形装置修整材料的表面，每层皆如此交互进行，逐层成形，可以快速产生有光滑曲面的物件。

图4以图1(a)的制件形状为例说明本发明的异向双出口布料头进行弹性变向布料成形的情形，并与图2相比较。如由图4(a)到图4(b)，使用水平方向出料口进行卧式带状出料，制作轮毂内部。如由图4(a)到图4(d)，制作轮毂外部侧墙时，可以使用垂直方向的出料口对侧墙敷料，故布料头只需绕y轴略倾即可。如到图2(f)制作叶片基部时，只需使布料头绕x轴侧倾，即可以使用垂直方向的出料口立式出料。

本发明所述之可固化材料可包含任何具有流体状态且在特定环境条件下能转化成固体状态之材料。

例如，许多聚合物材料具有此种特性。大多数的热塑性高分子材料，在高温状态下成流体，而在低温时则会固化成形，例如尼龙、PMMA、及PS(如ABS)等材质。蜡是另一种具有此种可固化特性的材料。蜡及热塑性高分子材料可用于制造精密铸造(如失蜡铸造)用的模型(蜡型)(patterns)。

另一种型态的可固化材料可以是糊状材料。糊状材料为固体颗粒与液态载体的混合状态。例如在传统的金属粉末射出成型制程中，金属粉末混合在加热过的蜡与聚合物的流体载体中，一齐被射入模具中，冷却后成为固体毛胚。随后以化学侵蚀或燃烧方式除去固体毛胚中的蜡与聚合物，留下的金属粉末毛胚可经烧结固结以增加其强度。

糊状材料的另一例为陶瓷浆料，陶瓷浆料为微细的陶瓷粉末搭配水及黏合剂混合而成。陶瓷浆料可以前文所述的方式布料成形。如瓷浆的流动性较高、黏度较小，可以射出方式布料；如瓷浆的流动性较低、黏度较大，则可以挤出方式布料。更佳地，可在布料的同时，以热空气吹过布料上，加速陶瓷浆料的干燥过程，如此可形成陶瓷粉末毛胚。陶瓷粉末毛胚可再经烧结而固结。

糊状材料的又一例为混凝土浆料，以建构出水泥部件。

另外一种型态的可固化材料可以是玻璃。玻璃可利用压力与温度的调整使其熔融，以挤出方式布料，借由控制温度方式使其固化成形。

本发明的另一形式为涂布一粉粒状的可结合材料，并对其施以一结合处理，使粉粒状的材料于基座上固结成一体。例如金属或塑胶粉末皆是粉粒状的可结合材料，可用雷射或电弧焊热局部加热为结合处理，使粉末颗粒部份或全体融熔，当材料离开局部加热区后，粉末冷却固结成一体。结合处理的另一例是另对粉末喷涂黏着剂，将其固结成一体。例如用于金属粉末射出成型或陶磁粉末成型等传统制程的添加黏着剂可用于固结金属粉末或陶磁粉末。

实施成形的装置包含一个具有多个独立自由度的运动机构装置，使布料系统对基座在空间中产生3D曲线轨迹，还包含出料的布料头，又可包含微分成形机构，此外还包含能调整进料速度的供料系统及能调控环境条件的环境调控系统。在制程与软体程序方面包括之前提及的成形程序、几何资料分解重组的程序、产生成形参数与制程参数的程序、与控制布料头及微分成形机构的动作的程序、及控制机台产生3D曲线轨迹的程序。以下叙述具体实施的装置及相应的操作方法。

实施例：具有两个出料方向且可调整出料开口尺寸的布料头

先前技术中一个布料头仅有一个出料开口，且开口出料方向是也只有一个。借由调整布料头本身的座向，可以改变布料出口相对于基座或机台的角度与姿态，因而可以涂布产生卧式(水平)的带状材料或立式(垂直)的带状材料。能够在水平及垂直两个方向布料有助于增进布料成形的操作弹性，因为使用不同角度的带状材料可以快速组合成一3D物件，如图2之例所示。如果布料头不必调整本身的座向就可以产生卧式或立式的带状材料，则可以减少机台所需的自由度、简化机台操作、增加布料组合成3D物件的几何组合上的弹性。

本发明的异向双出口布料头包含两个相连通到同一材料腔、但出料开口的长边互成大致垂直方向的布料出口，一个出口可用于在水平方向涂布产生卧式的带状出料，另一个出口可用于在垂直方向涂布产生立式的带状出料，两个布料出口分别由独立的闸门机构管制开关。

图5示异向双出口布料头的结构与操作之例一。如图5(a)示，材料腔404H包含两个侧墙(右侧墙404H1与左侧墙404H2)、两个闸门元件(水平闸门元件404H4与垂直闸门元件404H5)及一个夹在两个侧墙间的上部结构404H3。被这两个侧墙、两个闸门元件及上部结构所局限的空间为材料腔室404H10，其上方开口为材料供应单元(未画出)送入材料的入口406。该材料供应单元供应材料到该材料腔室，并可调节供料速率以配合出料流率的变化。闸门机构包含水平闸门元件与垂直闸门元件，水平闸门元件404H4控制一长边在水平方向的出料口，垂直闸门元件404H5则控制一长边在垂直方向的出料口。图5(a)所示为两个闸门皆关闭的情形。如图5(b)、5(c)所示，当水平闸门元件404H4向逆时针方向移动并转动时，就开启水平方向出料口405H。水平方向出料口的长边405Ha系呈水平方向。当水平闸门元件移动到不同位置，涂布的带状出料451会在水平方向呈现不同的宽度，如图5(b)、5(c)中712a、712b两处所示。如图5(d)、5(e)所示，当垂直闸门元件404H5向上移动时，就开启垂直方向出料口405V。垂直方向出料口的长边405Va系呈垂直方向。同样地，当垂直闸门元件移动到不同位置，涂布的带状出料451呈立式矮墙状，并在垂直方向呈现不同的高度，如图5(d)、5(e)中713a、713b两处所示。

如图5所示之例，垂直方向与水平方向两出料口相连并通往同一个材料腔室404H10。两个闸门元件分别独立管制两出料口的开关。两个闸门也可同时打开，涂布出一条带状材料，如图5(f)所示，垂直方向出料口405V与水平方向出料口405H在出口系呈相连。图5(f)示布料头正将一段立式带状出料451b涂布到另一段立式带状材料的上缘，进行垂直向的缝合成形。此情况下，布料时同时开启水平方向出料口可以增加接触面积，有助上下带状材料缝合。

材料腔404H组合时，使用螺丝及外加锁附结构(未画出)使两个侧墙与两个闸门元件之间以及水平闸门元件的上端404H41与上部结构404H3的下缘404H31之间保持适度的接触压力，使腔内流动性材料自接触面间泄漏的量极小，但同时使两个闸门元件可以移动。

水平闸门元件采转动方式开关，而非水平线性移动，这样可以显著缩小材料腔下端的长度。如图5(c)示水平闸门元件404H4全开的情形，此时材料腔下端的长度仅比水平方向出料口405H的长度多一点。如此可以减少布料头与成形物件碰撞的机会。理想上，水平闸门元件开关时其下端404H42应该沿水平方向出料口的长边405Ha呈直线运动。但如果水平闸门元件的转动是绕一固定轴，则其下端404H42必定会呈圆弧形运动。因此水平闸门元件宜采行一转动加平移的移动方式。

图6示一水平闸门开关机构，可以达成上述的理想移动方式。首先，由于两个侧墙间的间距很小，因此驱动两个闸门的机构系置于两个侧墙之外(右侧墙404H1之外)。水平闸门元件404H4有一手把部404H43经由一L形结构461与右侧墙404H1之外的直柱462连结成一体。手把部404H43、L形结构461与直柱462形成一U形结构，右侧墙404H1则位于U形结构之中。水平闸门元件404H4的运动是紧贴右侧墙404H1的内面。因上述U形结构是连结成一体的结构，使直柱462在一与右侧墙平行的平面上运动就可以驱动水平闸门元件产生完全相同的运动。因此，可将驱动机构置于侧墙之外驱动直柱462，即可控制水平闸门的开关。

直柱462的下端462经一转轴466连接到一横梁467的一端，而横梁467的另一端连接到一转轴468，转轴468则固定于一基板460上。直柱462的上端则连接到一轴463，轴463则位于基板460上的曲线形限位槽464内。亦即，直柱462与横梁467构成一2连杆机构，其一端的轴468固定在基板上，另一端轴463在限位槽464内。基板460与右侧墙404H1平行，两者皆固定于布料头上。限位槽464限制轴463在基板上的轨迹为465，轨迹465的曲线形状与材料腔内的上部结构404H3的下缘404H31曲线形状相同，并且两者对齐。又轴463的轴心463a对齐水平闸门元件的上端404H41。因此，推拉轴463时，在限位槽464限制下，水平闸门元件的上端404H41会紧贴并沿着上部结构404H3的下缘404H31移动。同时，基于2连杆机构(直柱462与横梁467)的作用，轴463在限位槽轨迹465上每一不同的位置会对应水平闸门元件一个不同的角度，亦即不同的出料口开口尺寸，而且这些位置、角度在运动学上皆是确定的(kinematically determinate)。最后，适当设计上部结构的下缘404H31(及限位槽轨迹465)的曲线形状，使水平闸门元件转动开启时，其位置同时略微上升，则可以使其下端404H42沿出料口的长边405Ha呈直线运动。

另外，当水平闸门元件转动开关时，宜使材料腔室404H10的内容积(体积)大致保持恒定，以避免关门时挤出材料或开门时造成内部空泡等现象，会影响出料流率的控制。例如，设计时使轴463到轴466间的距离对水平闸门元件的全长(上端404H41到下端404H42)呈适当的比例，则可使材料腔室的内容积大致保持恒定。

图7示异向双出口布料头的结构与操作之例二。此例与图5之例一之不同在水平闸门的结构与操作方式。图7的水平闸门元件404H4靠近下端有一水平部分404H43a，位于右侧墙404H1与左侧墙404H2的下缘之间，当水平闸门元件404H4沿水平方向(x方向)移动时，可以开关水平闸门。如图7(a)示水平闸门关闭时，图7(b)示水平闸门接近全开时的情形。

图5与图7之例在垂直方向使用单片闸门元件，可以调整垂直出料的高度，但垂直出料的宽度则大致固定。若使用多片相叠但可独立滑动的闸门元件，则可以调整出料的宽度。图8示此一调整出料口开口尺寸的设计实例。与图5相较，此例的垂直方向闸门使用多片相叠但可独立滑动的闸门元件(404H5a、404H5b、404H5c)。独立调整各闸门元件的位置可以调整出料口产生几个不同的出料宽度。如图8所示，一个闸门元件从关到开可以使出料口开口截面积产生数倍的变化。例如开口宽度为1mm，最大开口长度为5mm，则开口截面积的变化至少可以从1mm2到5mm2。使用3个可独立滑动的闸门元件，则开口截面积的变化至少可以从1mm2到15mm2。水平闸门也可以采用相同原理，使用多片相叠但可独立滑动的水平闸门元件，可以调整水平出料的厚度。

图9示调整出料口开口尺寸的另一设计实例，用以涂布线状材料。图9示布料头前端的放大图，水平闸门元件404H4的前端(下端)404H42靠侧墙404H2部分的上边缘有一凹槽特征404G20。当水平闸门元件404H4与垂直闸门元件404H5全关时，此一凹槽特征与侧墙404H2的内壁形成一喷嘴(或挤出孔)结构，材料可以从材料腔404H10以此凹槽特征为流道流到出口405G，而挤出成线状材料。此时基本上就与现行FDM法的布料方式相同。因此，本技术所具备的弹性实包含现行的FDM法。假设凹槽特征404G20的内径为0.25mm(与一般FDM技术的喷嘴内径相当)，而出料口全开时开口尺寸为2mm宽、5mm长，则出料口开口截面积的变化最大可达200:1。

另外，虽然图5之例的两个出料口角度安排为垂直方向与水平方向，但实施上也不一定要相互垂直，仍然能达到布料头不必调整本身的座向就可以产生卧式或立式的带状材料的目的。

实施例：热刮整形装置与“厚层成形”方法

将多个带状出料叠合或缝合成形时，带状出料之间难免会有接缝痕迹，影响表面光滑度。材料膨胀或收缩也会影响尺寸精准度。例如图10(a)示3条立式带状出料(451a,451b,451c)在垂直方向上缝合成曲面451。这可以使用如图2(h)所示的多自由度机台携载布料头以垂直向出料口出料来产生。不过，因为图5与图7的布料头的布料出口的边缘是平直的，每条带状出料的表面在垂直方向上也是平直的，如545所指。因此，在垂直方向上，缝合成的表面是多面形，而非如虚线540所示的真曲面。要得到如虚线540所示的真曲面，需要把多余的材料如546所指、及接缝痕迹上的多余材料如547处去除。

去除多余材料可用一整形装置对布料成形的材料施行二次修整。由于本发明的布料成形过程系运用多自由度机台来产生布料头与工件(所要成形的物件)间的多自由度相对运动，以整形装置取代布料头将能够容易地接近、修整工件的大部份表面。理想的做法之一是采用一能更换工具的工具夹持系统，就像CNC工具机上使用的刀具夹持更换系统一样。另一做法是使用一可动工具台来携载整形装置与布料头，视需要移动分别使整形装置或布料头接近工件。

图11示可动工具台之一例，使用一可旋转工具台505。整形装置530与布料头401分别装在可旋转工具台上不同位置，视需要转动可旋转工具台，使整形装置或布料头接近工件。图11所示系使用图2(h)的5自由度机台，加装可旋转工具台505于Z轴移动平台上，图11(a)示使用布料头时，(b)示使用整形装置时。

又如果是使用机械手臂式的多自由度运动系统，则可以将整形装置530装在布料头所在的末端上，然后用最靠近的一个旋转关节(如B轴)来旋转变换，如图12所示。

图13示可动工具台之另一例，使用一有直线位移能力的工具台506，可以取代图11中的可旋转工具台505。工具台506包含一X2轴可移动平台506b，可在其基座506a上直线位移。其基座506a装于Z轴移动平台上，整形装置530与布料头401间隔一段距离装在可移动平台506b，如此则整形装置530与布料头401皆可在x-z平面上移动，视需要分别使整形装置或布料头接近工件。此直线位移工具台自然也可以装于多自由度机械手臂式的前端，视需要转换布料或修整工作。

对大多数材料来说，可以用切削工具当作整形装置。例如使用旋转的铣刀，特别是球头端铣刀，可以配合多自由度运动系统(机台)，描溯(trace)并切削各种形状的表面。

对熔点较低的材料(如热塑性塑胶或蜡)来说，可以使用一加热工具当整形装置，以热刮的方式修整成形后的材料或改善其表面光滑度。此制程类似切削，但此热刮工具不必持续高速旋转，而材料表面受热后更易于变形、修整。

最简单的热刮工具可以是一可加热升温的圆柱直棒。不过，如果要修整曲面，并且希望减少热刮行程的总次数，则热刮工具需要能够配合工件表面不同位置的表面曲率，以增大每次热刮的接触宽度。图14示能调整并适应不同的曲面的热刮工具之一例，其工作原理系采用一弯曲构件，转动此弯曲构件可使其上不同部位与涂布的材料接触产生不同的曲率，以满足所需之曲率变化。此热刮工具531包含一曲棒532、与曲棒连接的加热器533、以及一转动装置(即“致动器”)534。加热器加热曲棒使曲棒成为热刮棒。转动装置可使加热器与曲棒一体绕转轴140转动。以下进一步说明。

图14(a)示此热刮工具的侧面透视图，曲棒由端点O点到上方始点P点之间弯曲，P点沿平行于轴1400的方向向下投影到O点所在水平面为P*点。标记点Q标记曲棒的外圆弧面所指方向，以方便说明。图14(a)中曲棒的外圆弧指向正右方，故P*点在O点正左方。S1示一面向右方并向右方凸出的曲面。在此相对座向关系下，使用热刮工具热刮S1曲面时，曲棒532与S1曲面的接触曲线如C1，其曲率正与图14(a)之侧视视角所见的曲棒的内圆弧532a曲率相同。故此时可以热刮出与曲棒本身由O点到P点相同的曲率。

图14(b)示另一面向右方并向右方凸出的曲面S2，此曲面的曲率(弯曲程度)比S1为小。此时可将热刮工具转动，如图中标记点Q(及P*点)示热刮工具顺时针方向转动一角度。从图14(b)视角所见的曲棒的左边532b的曲率变小了，故此时可以热刮曲面S2产生曲率较小的曲面。在此相对座向关系下，曲棒532与S2曲面的接触曲线如C2，系在S2曲面上呈斜向延伸。

图14(c)示如何热刮一平面S3。此时可将热刮工具由图14(a)的位置转动90度，如图中标记点Q所示。在此视角下，故曲棒本身由O点到P点的弯曲不复可见，曲棒的左边532c的曲率变为零(及直线)，故可以热刮平面S3。而在此相对座向关系下，曲棒532与S3平面的接触曲线如C3，系在S3平面上呈现出曲棒本身由O点到P点的弯曲度。

图14(d)与图14(e)示如何热刮向右方呈凹面的曲面，其情况与图图14(b)与图14(a)类似，只是凹凸相反，热刮工具角度不同。兹不赘述。

图15示能调整并适应不同的曲面的热刮工具之另一例，其工作原理系使用一可变形构件和一致动器以改变此构件之曲率。热刮工具主要由上下两片可挠曲的薄板(即“可变形构件”)构成。此两个可挠曲薄板可以是单一U形薄板420A1的两个部份(420A1a、420A1b)，参考图15(a)。两个握持部(420A2、420A3)分别连接两个可挠曲薄板之两端，并以一枢轴420A4(即“致动器”)相连接。如图15(b)所示，当两个握持部依1501方向张开时，两个薄板(420A1a、420A1b)向内弯曲以形成凹面。由图15(c)所示，当两个握持部依1502方向靠近时，两个薄板(420A1a、420A1b)则会向外弯曲形成凸面。两个薄板表面的曲率大小可借由调整两个握持部的开閤程度来调控。两个握持部的开閤可以使用适当的致动装置，例如两个同轴但旋向相反的涡齿轮(图中未示出)。加热装置则可以加装到握持部的侧方(图中未示出)。

使用上述热刮工具，便可以修整不同曲率的表面。加热后软化或熔化的多余材料由热刮工具刮除制件表面，然后可以用海绵或棉布等清洁移除。如图10(b)示一曲棒形式的热刮工具531正在修整第3层材料。

运用上述的整形装置，本发明还包含一“厚层成形”方法，此法在每层先以布料头涂布层厚较大的材料，然后使用整形装置修整材料的表面，每层皆如此交互进行，逐层成形，可以快速产生有光滑曲面的物件。此方法的逐层布料方式与FDM法近似，但每层厚度(高度)要大得多，故总层数较少，成形速度快。整形装置则用来修整每层内的垂直方向上的曲率、形状。在传统的FDM制程中，层厚必须要小，才能在垂直方向上(即积层的方向上)产生形状的变化。但使用整形装置则可以在一定程度内一次修整更大的厚度，故能使用厚层，加快成形速率。当一层的布料成形及修整完成后，新一层材料即涂布于其上，然后用整形装置修整新一层材料的表面及其与前一层间的接缝，去除多余材料，并使表面光滑。如此逐层反覆实施向上成形，在过程中除了正在成形的最上一层外，其下方各层都是经过修整完成的，布料头与整形装置最多只需向下伸约1到2层的距离，降低与已完成的部份碰撞的机会。

图16(a)-(e)以3层带状出料结构及使用热刮整形装置531为例说明“厚层成形”方法。首先，布料头涂布第1层(451a)与第2层(451b)，如图16(a)所示。接着，热刮整形装置修整第1层与第2层，如图16(b)。然后布料头涂布第3层，如图16(c)。接着，热刮整形装置修整第3层与第2层，如图16(d)。此时，因第2层已于前一修整步骤修整完成，故此一步骤主要是刮除第3层的多余材料与2、3层间接缝的痕迹。如之前图16解释，使用一可旋转的曲棒可以调整其与材料表面接触的曲率，包含不同曲率的凸面及凹面以及平面。如图16(e)示用曲棒的另一侧修整3层曲面结构的凹面。

上所述之实施例仅系为说明本发明之技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺之人士能够了解本发明之内容并据以实施，当不能以之限定本发明之专利范围，即大凡依本发明所揭示之精神所作之均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明之专利范围内。

例如所述实施例系以制作一般尺寸之零件或模型为例，故举布料口开口尺寸为毫米数量级。但如遇需要制作大型零件或模型，前述之布料口开口及闸门元件上的凹槽特征之尺寸自然应随之放大。

又如图14所示曲棒之形状与尺寸也可视要制作的零件或模型性质调整，只要是使用一曲棒的转动来产生所需要的不同的热刮曲率，仍应涵盖在本发明之专利范围内。

又如所述“厚层成形”方法，其所谓“厚层”系指一层布料的厚度内的垂直方向上需要有曲率、形状变化时，此厚度即可谓厚层，可用整形装置来修整每层内的曲率、形状。因此所谓“厚层”也系相对于制件大小及形状而言，而非一绝对标准之尺寸。

Claims (11)

1.一种异向双出口布料弹性3D成形技术的系统，其特征在于，包含:

一异向双出口布料头，用于涂布一材料以制造一3D物件，该异向双出口布料头包含分布方向不同的二布料出口，可以独立分别向两个不同方向出料；

一材料供应单元，用于供应该材料给该异向双出口布料头；

一基座，用于承载涂布该材料与该3D物件；以及

一运动机构装置，用于使该异向双出口布料头对该基座在空间中依照一预定的轨迹产生一相对运动；

该二布料出口相连并通往同一个材料腔室，该二布料出口之一包含一水平出料口，该水平出料口之开口的长边与水平方向大致平行，该二布料出口分别包含可以使出料口尺寸连续变动的一闸门机构，可以独立调节该二布料出口的截面的尺寸，以涂布宽度或高度不同或连续变动的卧式带状或立式带状之该材料；

该材料供应单元供应该材料到该材料腔室，并可调节供料速率以配合该二布料出口出料流率的变化。

2.如权利要求1所述之异向双出口布料弹性3D成形技术的系统，其中该些闸门机构之一更包括至少一闸门元件，该闸门元件更包含一凹槽特征，当该闸门元件完全闭合时，该凹槽特征及该异向双出口布料头之内壁形成一喷嘴结构，以用于涂布线状及点状之该材料。

3.如权利要求1所述之异向双出口布料弹性3D成形技术的系统，其中该些闸门机构之控制方向包含该二布料出口之厚度方向及宽度方向，其中宽度方向可利用复数个闸门元件相互推叠但个自独立作动，以调整该出料口之尺寸。

4.如权利要求1所述之异向双出口布料弹性3D成形技术的系统，其中:

该些闸门机构之一包含一水平闸门机构，该水平闸门机构包含一水平闸门元件，该水平闸门元件于该材料腔室内呈大致垂直向的配置，该水平闸门机构开关时该水平闸门元件行转动加移动的运动模式使该水平闸门元件下端沿该水平出料口之开口的长边直线运动，且保持该材料腔室的内部容积大致恒定，以调节出料的截面的尺寸及保持稳定出料。

5.如权利要求4所述之异向双出口布料弹性3D成形技术的系统，其中:

该水平闸门元件为构成该材料腔室之结构之一部份；

该水平闸门机构包含:

一U形结构与该水平闸门元件连结成一体；以及

一二连杆机构包含该U形结构，该二连杆机构之一端固定只能转动，另一端运动由一限位槽所局限。

6.如权利要求1所述之异向双出口布料弹性3D成形技术的系统，更包括：

一整形装置，用于修整涂布成形后的该材料，将多余的该材料去除；以及

一可动工具台，该异向双出口布料头与该整形装置皆装置于其上，可以视需要转换位置分别接近该3D物件进行布料或修整工作。

7.如权利要求6所述之异向双出口布料弹性3D成形技术的系统，其中该整形装置包含一热刮工具，借由该热刮工具与涂布成形后的该材料相接触，使多余的该材料软化后将之去除。

8.如权利要求7所述之异向双出口布料弹性3D成形技术的系统，其中该热刮工具包含一弯曲构件及一致动器，该致动器转动该弯曲构件可使其上不同部位与该材料接触时产生不同的曲率。

9.如权利要求7所述之异向双出口布料弹性3D成形技术的系统，其中该热刮工具包含一可变形构件及一致动器，该致动器可调整该可变形构件之曲率。

10.如权利要求1所述之异向双出口布料弹性3D成形技术的系统，其中该运动机构装置具备至少4个运动自由度。

11.一种异向双出口布料弹性3D成形技术的方法，其特征在于，基于权利要求1-10任一项所述的异向双出口布料弹性3D成形技术的系统实现，其包含：

使用一受热后有流动性的一可固化材料在一基座上逐层累积材料成为一3D制件，该可固化材料可于一预定温度固化；以及

在累积一层材料时，先以一运动机构装置使一布料头对该基座在空间中依一预定的布料轨迹产生相对运动，同时该布料头涂布该可固化材料成一厚层，然后使用一整形装置对该基座在空间中依一预定的整形轨迹产生相对运动，修整该厚层的材料的表面，去除多余材料并改进表面光滑度，然后累积下一层材料，重复以上的步骤，直到完成该3D制件；

其中该厚层系指一层布料的厚度内的垂直方向上需要有曲率、形状变化；

其中该整形装置包含一热刮工具，所述修整该厚层的过程包含该热刮工具依该预定的整形轨迹运动并与该厚层及该厚层下方紧邻的至少另一该厚层接触、局部加热软化材料后去除该预定的整形轨迹以外的多余材料，该热刮工具包含一可调整与材料接触的接触面在积层方向上的曲率形状的机制，以使修整过的该厚层的侧表面在积层方向上有正确连续且平滑的形状。