TW201346338A - 立體打印裝置 - Google Patents

Abstract

一種立體打印裝置，包括容器、顯示器、控制單元及光學膜片。容器容置一光敏材料。顯示器具有複數個顯示單元。控制單元用以控制顯示單元。光學膜片用以將這些顯示單元所發出的光束映射至光敏材料上，以形成複數個映射圖案。這些映射圖案彼此間的排列順序與排列方向實質上等同於這些顯示單元的排列順序與排列方向。

Description

立體打印裝置

本發明是有關於一種打印裝置(printing apparatus)，且特別是有關於一種立體打印裝置(three-dimensional printing apparatus)。

快速成型技術(Rapid Prototyping,RP)是80年代中期發展起來的一種嶄新的原型製造技術。快速成型技術綜合了機械工程、電腦輔助設計(Computer-aided design,CAD)、數位控制技術、雷射技術及材料科學技術，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接製造零件，從而可以對產品設計進行快速評估、修改及功能試驗，大大縮短產品的研製週期。由於其具有敏捷性、適合任何形狀、高度柔韌性、高度集成化等優點而廣泛應用於機械、汽車、電子、通訊、航空航太等領域。在產品開發的初期，設計出所需圖樣的CAD檔，並在實際生產前製作一模型以供設計確認、產品修正、功能測試、模具開發的原始模型，此即為原型。

對於不同種類的快速成型技術，其所採用的成型材料不同，成型原理與系統特點也各有不同。舉例而言，立體印刷設備(stereo lithography apparatus,SLA)為最早商業化且佔有率最大的系統，其加工原理乃是將液態光敏聚合物以氦鎘(HeCd)雷射或氬氣(Argon)雷射來掃描，因而產生聚合硬化成的薄層，然後升降台下降再上升，使欲加工位置的表面上再覆蓋一層樹脂，用刮板將液面刮平後等待其呈水平再以雷射光掃描，使其與上一層能緊密結合，如此循環至產生立體工件。此外，目前應用SLA技術的成像系統不外乎為雷射掃描系統或光機投影，其硬體複雜、體積大，且機器還需將雷射掃描系統或投影所需的成像距離包含在內，因此系統的總體積無法小型化。

以相關的快速成型技術而言，美國專利第5980813號揭露一多層材料的快速成型方法與裝置。美國專利公開號第20100262272號揭露一使用可固化材料製造3D物體的裝置。

本發明提供一種立體打印裝置，此立體打印裝置的結構有助於縮小立體打印裝置的體積。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

本發明一實施例提出一種立體打印裝置。立體打印裝置包括容器、顯示器、控制單元及光學膜片。容器容置一光敏材料。顯示器具有複數個顯示單元，每一顯示單元適於發出一光束。控制單元連結於顯示器，用以控制這些顯示單元。光學膜片設置於顯示器及容器之間，用以將這些顯示單元所發出的光束映射至光敏材料上，以形成複數個映射圖案。這些映射圖案彼此間的排列順序與排列方向實質上等同於這些顯示單元的排列順序與排列方向。

在本發明的一實施例中，上述的容器具有配置於顯示器與光敏材料之間的底部，且底部為透光底部，容器的底部具有一面朝向光敏材料的上表面。

在本發明的一實施例中，上述的顯示器至上表面的距離小於或等於3公分。

在本發明的一實施例中，立體打印裝置更包括工作平台以及控制單元。工作平台浸入光敏材料中，且適於相對容器移動，其中工作平台具有一工作表面。控制單元控制工作平台以及顯示單元。控制單元在第一時間命令顯示器單元顯示第一畫面，且使工作表面位於第一位置。光學膜片將對應第一畫面的顯示單元所發出的光束映射於光敏材料之位於工作表面與上表面之間上的第一光敏材料薄層，以將第一光敏材料薄層固化為第一固化層。控制單元在第二時間命令顯示單元器顯示第二畫面，且使工作表面位於第二位置。光學膜片將對應第二畫面的顯示單元所發出的光束映射於光敏材料之位於第一固化層與上表面之間的第二光敏材料薄層，以將第二光敏材料薄層固化為第二固化層。

在本發明的一實施例中，上述的工作表面面向底部，第二固化層位於第一固化層與底部之間，且第一位置位於底部與第二位置之間。

在本發明的一實施例中，上述的光學膜片包括複數個光學結構，且每一光學結構對準於至少一顯示單元。

在本發明的一實施例中，上述的每一光學結構為透鏡，且每一透鏡對準於一顯示單元。

在本發明的一實施例中，上述的每一光學結構為一柱狀透鏡，且每一柱狀透鏡對準於一排之顯示單元。

在本發明的一實施例中，上述的光學結構將顯示單元成像於光敏材料上。

在本發明的一實施例中，上述的每一顯示單元包括至少一畫素。

在本發明的一實施例中，上述的每一光學結構的尺寸為對應的顯示單元的畫素的尺寸的整數倍。

在本發明的一實施例中，上述的光學膜片包括複數個光學結構，且每一顯示單元對準光學結構中的數個。

在本發明的一實施例中，上述的每一顯示單元的尺寸為對應的光學結構的整數倍。。

在本發明的一實施例中，上述的光學膜片包括複數個光學結構，且每一光學結構為角錐狀稜鏡或柱狀稜鏡。

在本發明的一實施例中，上述的光學膜片為菲涅耳透鏡、擴散片或防窺片。

在本發明的一實施例中，上述的顯示單元所發出的光束為可見光。

在本發明的一實施例中，上述的光學膜片可為單層膜或多層膜。

基於上述，本發明的實施例的立體打印裝置利用光學膜片將顯示器的這些顯示單元映射至光敏材料上，且這些映射圖案彼此間的排列順序與排列方向實質上等同於這些顯示單元的排列順序與排列方向。如此一來，可縮小顯示器到光敏材料的距離，以縮小立體打印裝置的體積，且同時能夠提供良好的立體打印效果。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

有關本發明的前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式的一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1A、圖1B及圖1C為本發明一實施例的立體打印裝置在運作時的示意圖。立體打印裝置100包括容器110、顯示器120、光學膜片130。容器110容置一光敏材料112，光敏材料112可為流體或半流體物質。顯示器120具有複數個顯示單元122，每一顯示單元122適於發出一光束L。光學膜片130用以將這些顯示單元122將發出的光束L映射至光敏材料112上，以在光敏材料112上形成複數個映射圖案，其中，光學膜片130可為一單層膜或一多層膜堆疊而成。

具體而言，在本實施例中，顯示器120配置在容器110的底部114的下方，而光學膜片130配置於顯示器120與底部114之間。此外，容器110的底部114為一透光底部，如此顯示單元122所發出的光束L於通過光學膜片130後，可穿透底部114而在光敏材料112上照射出這些映射圖案，並與光敏材料112起化學反應，例如固化或硬化。這些映射圖案彼此間的排列順序與排列方向實質上等同於這些顯示單元122的排列順序與排列方向。舉例而言，以圖1A來看，顯示單元122A、122B、122C分別在光敏材料112上複數個位置a、b、c照射出映射圖案，而映射圖案的位置a、b及c的排列方向與排列順序如同顯示單元122A、122B及122C的排列方向與排列順序，亦即顯示單元122A、122B與122C是在圖中由左至右排列，且位置a、b及c亦是由左而右排列。相同地，在垂直於圖1A的圖面的方向上，映射圖案彼此間的排列順序與排列方向等同於顯示單元122的排列順序與排列方向，例如都是由圖面外往圖面內排列。在本實施例中，顯示器120的這些顯示單元122的位置一對一地對應至這些映射圖案的位置，如此一來，這些顯示單元122整體所呈現出的影像便能夠對應形成於光敏材料112上。

值得一提的是，在本實施例中，立體打印裝置100中，顯示器120所顯示的畫面分割成多個顯示單元122來呈現，然後經由光學膜片130將多個顯示單元122以一對一的方式映射至光敏材料112上，且這些映射圖案彼此間的排列順序與排列方向實質上等同於這些顯示單元122的排列順序與排列方向。相較之下，採用投影鏡頭的立體打印裝置是利用投影鏡頭將顯示器120的畫面用整面成像的方式投影並成像於光敏材料112上，且根據成像原理畫面在光敏材料112上所形成的影像是一個旋轉180度的顛倒的影像，因此需要設計一段成像距離來達成成像的要求，進而增加打印裝置的體積。

由於本實施例是先將顯示器120上顯示的畫面分成多個顯示單元122，在透過光學膜片130以一對一的方式將顯示器120的這些顯示單元122所發出的這些光束L映射至光敏材料112上，且由於每一顯示單元122的尺寸相較於整個顯示畫面小，因此顯示單元122至光敏材料112的映射距離可以縮短。如此一來，可縮小顯示器120到光敏材料112所需的距離，減少立體打印裝置100的體積。舉例來說，在本實施例中，顯示器120到容器110的底部114的上表面114a的距離小於或等於3公分。另外一方面，本實施例的顯示器120可為液晶顯示器，因此用來映射的光源是可見光，亦可使用不可見光(例如紫外光)來當做固化光敏材料112的光源。

請參照圖1A，仔細而言，立體打印裝置100更包括工作平台140以及控制單元150。工作平台140浸入光敏材料112中，且適於相對容器110移動並具有工作表面140a。控制單元150耦接於工作平台140和顯示器120，用以控制工作平台140以及顯示單元122。

然後，請依序的參照圖1A、圖1B及圖1C。在圖1A中，控制單元150在第一時間命令顯示器120顯示第一畫面，第一畫面被分割為多個對應的顯示單元122，且使工作表面140a位於第一位置(圖1A中顯示的位置)，此時，光學膜片130將對應第一畫面的顯示單元122所發出的光束L映射於光敏材料112之位於工作表面140a與上表面114a之間的光敏材料薄層，以將光敏材料薄層對應第一畫面固化為第一固化層S1；接著，在圖1B中，控制單元150在第二時間使工作表面140a位於第二位置(圖1B中顯示的位置)，此時，光敏材料112會填充至第一固化層S1及上表面114a之間，控制單元150命令顯示器120顯示第二畫面，第二畫面被分割為多個對應的顯示單元122，光學膜片130將對應第二畫面的顯示單元122所發出的光束L映射於光敏材料112之位於第一固化層S1及上表面114a之間的光敏材料薄層，以將光敏材料薄層對應第二畫面固化為第二固化層S2。接續的，在圖1C中，控制單元150在第N時間命令顯示器120顯示第N畫面，第N畫面被分割為多個對應的顯示單元122，光學膜片130將第N畫面映射於光敏材料112之位於第N-1固化層SN-1及上表面114a之間的光敏材料薄層，以將光敏材料薄層對應第N畫面固化為第N固化層SN。在本實施例中，N例如為大於等於3的正整數。

以本實施例來說，工作表面140a面向底部114的上表面114a，第二固化層S2位於第一固化層S1與底部114之間，且第一位置位於底部114與第二位置之間。仔細而言，三維物體可作影像的分層處理，以將物體切割成多層的畫面資料。然後控制單元150於第一時間命令對應的顯示單元122顯示物體的第一層畫面，接著，於第二時間命令對應的顯示單元122顯示物體的第二層畫面。隨著時間演進，不同層的畫面藉由光學膜片130映射至光敏材料薄層並使光敏材料薄層對應不同層的畫面逐層固化，藉此一層一層堆疊出三維物體。

在本實施例中，顯示器120配置在容器110的底部114的下方，讓顯示單元122由下往上發出光束L映射至光敏材料112。然而本發明不以此為限，在其他的實施例中，顯示器120亦可配置於容器110的上方(未繪示)，讓顯示單元122由上往下映射至光敏材料112。

圖2為顯示器的顯示單元的示意圖。請參照圖2，在立體打印裝置100中，顯示器120可以是液晶顯示面板，而顯示單元122可以包括液晶顯示面板中的至少一個畫素122a，如圖2是以九個畫素122a組成顯示單元122為例。顯示單元122所包括的畫素122a的數目可依所需的畫面解析度而做調整。另一方面，習知的立體打印技術經常採用具彩色濾光片的顯示器，而本發明一實施例的立體打印裝置100可採用移除彩色濾光片的顯示器120，而原本顯示器120中對應於不同顏色的濾光片的子畫素則可視為一個畫素，如此可提升顯示器120的解析度，進而提供更高的解析度於立體打印技術上。

在本實施例中，光學膜片130包括複數個光學結構132，以將顯示單元122所發出的光束L映射至光敏材料112上。以下舉出幾個較佳的實施例來對顯示單元122與光學膜片130的相對關係做仔細的說明。

圖3A示出本發明第一實施例的顯示單元與光學膜片的相對關係。圖3A中示出顯示器120與光學膜片130A在空間上重疊的情形，其中虛線的部分代表顯示器120，實線的部分代表光學膜片130A。圖3B則為圖3A的側視圖。

請同時參照圖3A及圖3B在本實施例中，光學膜片130A具有複數個光學結構132A，其中每一光學結構132A為透鏡(例如是具有在二個互相垂直的不同方向上皆有彎曲的表面的透鏡)，而每一光學結構132A的尺寸實質上等於每一顯示單元122的尺寸。

圖4A示出本發明第二實施例的顯示單元與光學膜片的相對關係。圖4B則為圖4A的側視圖。本實施例的光學膜片130B上的光學結構132B與圖3A的實施例相同，亦即透鏡，然而每一光學結構132B的尺度實質上小於顯示單元122的尺寸。

圖5A示出本發明第三實施例的顯示單元與光學膜片的相對關係。圖5B則為圖5A的側視圖。在本實施例中，光學膜片130C上的每一光學結構132C為柱狀透鏡，而每一光學結構132C的寬度實質上等於顯示單元122的寬度。

基於圖3A、圖4A以及圖5A的實施例，顯示單元122是透過透鏡或者柱狀透鏡而成像於光敏材料112上，因此每一光學結構132A、132B、132C可調整成對準於至少一顯示單元122。舉例而言，在圖3A中，每一透鏡(光學結構132A)對準於一顯示單元122。在另一實施例中，每一顯示單元122對準數個光學結構。舉例而言，在圖4A中，每一顯示單元122對準四個透鏡(光學結構132B)。當一個顯示單元122中含有多個畫素122a(參考圖2的內容)時，則每一透鏡對準於多個畫素122a，而當一個顯示單元122中含有一個畫素122a時，則每一透鏡對準一個畫素122a。換言之，以圖3A來說，每一光學結構132A的尺寸可為對應的顯示單元122的畫素122a(參考圖2的內容)的尺寸的整數倍，而在圖4A中，每一顯示單元122的尺寸為對應的一光學結構132B的整數倍。在圖5A中，每一柱狀透鏡(光學結構132C)對準於一排的顯示單元122。由於每一個顯示單元122的尺寸相較於顯示器120所顯示的整個畫面的尺寸小，因此利用多個透鏡或柱狀透鏡等光學結構將這些顯示單元122分別成像於光敏材料112上時的成像距離亦可小於將整個畫面以整面成像的方式成像於光敏材料112上的成像距離。因此，可有效地縮小立體打印裝置100的整體體積。

圖6A示出本發明第四實施例的顯示單元與光學膜片的相對關係。圖6B則為圖6A的側視圖。在本實施例中，光學膜片130D上的每一光學結構132D為柱狀稜鏡，每一光學結構132D的寬度實質上等於顯示單元122的寬度。

圖7A示出本發明第五實施例的顯示單元與光學膜片的相對關係。圖7B則為圖7A的側視圖。在本實施例中，光學膜片130E上的每一光學結構132E為角錐狀稜鏡，而每一光學結構132E的尺度實質上等於每一顯示單元122的大小。

然而，在其他實施例中，柱狀稜鏡或角錐狀稜鏡的尺寸亦可以不是顯示單元122的整數倍，而柱狀稜鏡或角錐狀稜鏡的位置亦可與顯示單元122的位置沒有對應關係。

圖8示出本發明第六實施例的顯示單元與光學膜片的相對關係。在本實施例中，光學膜片130F為擴散片，而在其他的實施例中亦可以是菲涅耳透鏡或防窺片。

基於圖6A、圖7A的實施例，顯示單元122是偏向以投射的方式映射於光敏材料112上，因此每一柱狀稜鏡(光學結構132D)以及每一角錐狀稜鏡(光學結構132E)的位置可以和顯示單元122的位置沒有對應關係，但其能將其對應的顯示單元122的光束L收斂至光敏材料112(繪示於圖1A、圖1B及圖1C)上。類似地，圖8的實施例的光學膜片130F(如菲涅耳透鏡或防窺片)亦有將從顯示單元122射出的光束L收斂的作用。另外，當所採用的顯示器120所發出的光束L較為收斂時，則當光學膜片130F為擴散片時，仍能將顯示單元122映射至光敏材料112(繪示於圖1A、圖1B及圖1C)上。

綜上所述，本發明的實施例的立體打印裝置利用光學膜片將顯示器的這些顯示單元映射至光敏材料上，且這些映射圖案彼此間的排列順序與排列方向實質上等同於這些顯示單元的排列順序與排列方向。如此一來，可縮小顯示器到光敏材料的距離，以縮小立體打印裝置的體積，且同時能夠提供良好的立體打印效果。

雖然本發明已經以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露的全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋的功之用，並非用來限制本發明的之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。

100．．．立體打印裝置

110．．．容器

112．．．光敏材料

114．．．底部

120．．．顯示器

122、122A、122B、122C．．．顯示單元

130、130A、130B、130C、130D、130E、130F．．．光學膜片

132、132A、132B、132C、132D、132E．．．光學結構

140．．．工作平台

150．．．控制單元

114a．．．上表面

122a．．．畫素

140a．．．工作表面

a、b、c．．．位置

L．．．光束

S1．．．第一固化層

S2．．．第二固化層

SN-1．．．第N-1固化層

SN．．．第N固化層

圖1A、圖1B及圖1C為本發明一實施例的立體打印裝置在運作時的示意圖。

圖2為顯示器的顯示單元的示意圖。

圖3A示出本發明第一實施例的顯示單元與光學膜片的相對關係。

圖3B則為圖3A的側視圖。

圖4A示出本發明第二實施例的顯示單元與光學膜片的相對關係。

圖4B則為圖4A的側視圖。

圖5A示出本發明第三實施例的顯示單元與光學膜片的相對關係。

圖5B則為圖5A的側視圖。

圖6A示出本發明第四實施例的顯示單元與光學膜片的相對關係。

圖6B則為圖6A的側視圖。

圖7A示出本發明第五實施例的顯示單元與光學膜片的相對關係。

圖7B則為圖7A的側視圖。

圖8示出本發明第六實施例的顯示單元與光學膜片的相對關係。

100．．．立體打印裝置

110．．．容器

112．．．光敏材料

114．．．底部

120．．．顯示器

122、122A、122B、122C．．．顯示單元

130．．．光學膜片

132．．．光學結構

140．．．工作平台

150．．．控制單元

114a．．．上表面

140a．．．工作表面

L．．．光束

S1．．．第一固化層

a、b、c．．．位置

Claims (17)

1. 一種立體打印裝置，包括：一容器，容置一光敏材料；一顯示器，具有複數個顯示單元，每一該顯示單元適於發出一光束；一控制單元，連結於該顯示器，用以控制該顯示器的該些顯示單元；以及一光學膜片，設置於該顯示器及該容器之間，用以將該些顯示單元所發出的該些光束映射至該光敏材料上，以形成複數個映射圖案，其中該些映射圖案彼此間的排列順序與排列方向實質上等同於該些顯示單元的排列順序與排列方向。
2. 如申請專利範圍第1項所述的立體打印裝置，其中該容器具有一底部，配置於該顯示器與該光敏材料之間，且該底部為透光底部，該容器的該底部具有一面向該光敏材料的上表面。
3. 如申請專利範圍第2項所述的立體打印裝置，其中該顯示器至該容器的該上表面的距離小於或等於3公分。
4. 如申請專利範圍第2項所述的立體打印裝置，更包括：一工作平台，浸入該光敏材料中，且適於相對該容器移動，其中該工作平台具有一工作表面；其中該控制單元控制該工作平台，該控制單元在一第一時間命令該顯示器顯示一第一畫面，且使該工作表面位於一第一位置，該光學膜片將對應該第一畫面的該些顯示單元所發出的該些光束映射於該光敏材料之位於該工作表面與該上表面之間的一第一光敏材料薄層，以將該第一光敏材料薄層固化為一第一固化層，且該控制單元在一第二時間命令該顯示器顯示一第二畫面，且使該工作表面位於一第二位置，該光學膜片將對應該第二畫面的該些顯示單元所發出的該些光束映射於該光敏材料之位於該第一固化層與該上表面之間的一第二光敏材料薄層，以將該第二光敏材料薄層固化為一第二固化層。
5. 如申請專利範圍第4項所述的立體打印裝置，其中該工作表面面向該底部，該第二固化層位於該第一固化層與該底部之間，且該第一位置位於該底部與該第二位置之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的立體打印裝置，其中該光學膜片包括複數個光學結構，且每一該光學結構對準於至少一該顯示單元。
7. 如申請專利範圍第6項所述的立體打印裝置，其中每一該光學結構為一透鏡，且每一該透鏡對準於每一該顯示單元。
8. 如申請專利範圍第6項所述的立體打印裝置，其中每一該光學結構為一柱狀透鏡，且每一該柱狀透鏡對準於一排之該些顯示單元。
9. 如申請專利範圍第6項所述的立體打印裝置，其中該些光學結構將該些顯示單元成像於該光敏材料上。
10. 如申請專利範圍第6項所述的立體打印裝置，其中每一該顯示單元包括至少一畫素。
11. 如申請專利範圍第10項所述的立體打印裝置，其中每一該光學結構的尺寸為對應的該顯示單元的該畫素的尺寸的整數倍。
12. 如申請專利範圍第1項所述的立體打印裝置，其中該光學膜片包括複數個光學結構，且每一該顯示單元對準該複數個光學結構。
13. 如申請專利範圍第12項所述的立體打印裝置，其中每一該顯示單元的尺寸為對應的該光學結構的整數倍。
14. 如申請專利範圍第1項所述的立體打印裝置，其中該光學膜片包括複數個光學結構，且每一該光學結構為一角錐狀稜鏡或一柱狀稜鏡。
15. 如申請專利範圍第1項所述的立體打印裝置，其中該光學膜片為菲涅耳透鏡、擴散片或防窺片。
16. 如申請專利範圍第1項所述的立體打印裝置，其中該些顯示單元所發出的該些光束為可見光。
17. 如申請專利範圍第1項所述的立體打印裝置，其中該光學膜片可為一單層膜或一多層膜。