TW201500172A - 立體列印裝置及其列印方法 - Google Patents

Abstract

一種適於依據一立體模型製造出一立體物體的立體列印裝置。立體列印裝置包括一旋轉基座以及一列印頭。旋轉基座具有一承載面且用以沿著一第一軸旋轉，並沿著第一軸位移。列印頭設置在旋轉基座上方，並用以沿著垂直於第一軸的一第二軸位移，以將一建造材料逐層塗佈於承載面上，以形成多個建造材料層，其中，建造材料層堆疊而形成立體物體，且各建造材料層的塗佈形狀是由旋轉基座沿著第一軸的旋轉、位移以及列印頭沿著第二軸的位移來控制。

Description

立體列印裝置及其列印方法

本發明是有關於一種列印裝置及其列印方法，且特別是有關於一種立體列印裝置及其列印方法。

隨著科技的日益發展，許多利用逐層建構模型等加成式製造技術(additive manufacturing technology)來建造物理三維(three-dimensional,3-D)模型的不同方法已紛紛被提出。一般而言，加成式製造技術是將利用電腦輔助設計(computer-aided design,CAD)等軟體建構的3-D模型的設計資料轉換為連續堆疊的多個薄(准二維)橫截面層。

目前已發展出許多可以形成多個薄橫截面層的方式。舉例來說，列印頭通常可依據3-D模型的設計資料建構的X-Y-Z座標在基座上方沿著X-Y座標移動，從而將建構材料噴塗出正確的橫截面層形狀。所沉積的材料可隨後自然硬化或透過例如強光源而被固化，從而形成所要的橫截面層。

然而，這些技術有許多額外的限制。舉例來說，當3-D 模型的形狀呈圓弧形或曲面時，這些加成式製造技術會因各個X-Y平面呈階梯狀而呈現出較差的表面解析度。因此，習知的加成式製造技術不適於製造具有曲面的立體物體。如何開發出能夠製造具有平滑曲面的物品的立體列印裝置，仍是本領域開發人員的主要課題。

本發明提供一種立體列印裝置，其具有較佳的列印解析度和較佳的列印品質。

本發明提供一種用於製造立體物體的方法，其製作出的立體物品具有較佳的解析度和較佳的品質。

本發明的一種立體列印裝置適於依據一立體模型製造出一立體物體。立體列印裝置包括一旋轉基座以及一列印頭。旋轉基座具有一承載面且用以沿著一第一軸旋轉，並沿著第一軸位移。列印頭設置在旋轉基座上方，並用以沿著垂直於第一軸的一第二軸位移，以將一建造材料逐層塗佈於承載面上，以形成多個建造材料層，其中，建造材料層堆疊而形成立體物體，且各建造材料層的塗佈形狀是由旋轉基座沿著第一軸的旋轉、位移以及列印頭沿著第二軸的位移來控制。

本發明的一種使用上述立體列印裝置製造一立體物體的方法包括下列步驟：首先，提供一立體模型。立體模型包括多個橫截面。接著，依據立體模型的各橫截面獲得多個移動參數。接 著，依據移動參數控制列印頭和旋轉基座移動，使列印頭將建造材料逐層塗佈於旋轉基座的承載面上，以形成多個建造材料層。建造材料層堆疊而形成立體物體。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置更包括一控制單元，耦接到旋轉基座和列印頭，以控制旋轉基座和所述列印頭的移動。

在本發明的一實施例中，上述的控制單元依據旋轉參數來控制所述旋轉基座沿著第一軸旋轉，且依據第一位移參數來控制旋轉基座沿著第一軸位移。

在本發明的一實施例中，上述的控制單元依據第二位移參數控制列印頭沿著第二軸位移。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置更包括一滑輪總成，耦接到控制單元以帶動列印頭沿著第二軸位移。

在本發明的一實施例中，上述的滑輪總成包括皮帶和至少一個滑輪。皮帶沿著第二軸延伸，且列印頭設置在皮帶上。滑輪連接到皮帶以驅動皮帶沿著第二軸移動。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置更包括至少一個馬達，耦接到控制單元且連接旋轉基座，以驅動旋轉基座沿著第一軸位移且沿著第一軸旋轉。

在本發明的一實施例中，上述的馬達更包括第一馬達以及第二馬達。第一馬達驅動旋轉基座沿著第一軸位移，且第二馬達驅動旋轉基座沿著第一軸旋轉。

在本發明的一實施例中，上述的第一軸平行於承載面的法向量。

在本發明的一實施例中，上述的第二軸平行於承載面。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置更包括供料線，以提供建造材料至列印頭。

在本發明的一實施例中，上述的移動參數包括旋轉參數、第一位移參數和第二位移參數。

在本發明的一實施例中，上述依據移動參數控制列印頭和旋轉基座的移動的方法包括以下步驟。首先，依據旋轉參數控制旋轉基座沿著第一軸旋轉。接著，依據第一位移參數控制旋轉基座沿著第一軸位移。

在本發明的一實施例中，上述依據移動參數控制列印頭和旋轉基座的移動的方法包括依據第二位移參數控制列印頭沿著第二軸位移。

在本發明的一實施例中，上述的建造材料層分別對應於立體模型的多個橫截面。

基於上述，本發明的立體列印裝置的旋轉基座適於沿著第一軸位移且沿著第一軸旋轉，在列印頭將建造材料逐層塗布到旋轉基座上的同時，列印頭適於依據立體物體的立體模型的橫截面沿著第二軸位移，以依據立體模型形成立體物體。因此，不同於習知的立體列印裝置的基座不可旋轉且僅可沿著X-Y座標位移，本發明的立體列印裝置具有可旋轉基座，使其可在立體模型 的形狀呈圓形或彎曲時提供較佳的列印解析度，而不會有X-Y平面呈階梯狀的現象產生。因此，本發明的立體列印裝置具有較佳的列印解析度和較佳的列印品質。

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。

10‧‧‧立體物體

12‧‧‧建造材料層

100‧‧‧立體列印裝置

110‧‧‧旋轉基座

112‧‧‧承載面

120‧‧‧列印頭

130‧‧‧滑輪總成

132‧‧‧皮帶

134‧‧‧滑輪

140‧‧‧第一馬達

150‧‧‧第二馬達

160‧‧‧供料線

A1‧‧‧第一軸

A2‧‧‧第二軸

θ1‧‧‧旋轉參數

圖1是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的立體示意。

圖2是圖1中的立體物體的立體示意圖。

圖3是圖1中的旋轉基座的立體示意圖。

圖4是利用圖1中的立體列印裝置製造立體物體的方法的流程圖。

圖1是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的立體示意。請參照圖1，在本實施例中，立體列印裝置100適於從一立體模型(未繪示)製造一立體物體10。立體模型可例如透過電腦輔助設計(CAD)或動畫建模軟體等建構而成，並將立體模型橫切為多個橫截面以供立體列印裝置100讀取此立體模型，並依據此立體模型的橫截面製造立體物體10。

在本實施例中，立體列印裝置100包括一旋轉基座110和一列印頭120。旋轉基座110具有一承載面112，以承載從列印頭120提供的一建造材料。旋轉基座110適於沿著第一軸A1旋轉且沿著第一軸A1位移。列印頭120設置在旋轉基座110上方並適於沿著第二軸A2位移，用以將建造材料逐層塗布到承載面112上，以形成多個建造材料層。建造材料層彼此堆疊而形成立體物體10。在本實施例中，立體列印裝置100更包括用以將建造材料提供給列印頭120的供料線160，且建造材料包括液體、粉末、紙張或片材，或任何其他合適的材料。

圖2是圖1中的立體物體的立體示意圖。請同時參照圖1和圖2，在本實施例中，第二軸A2垂直於第一軸A1。在此，第一軸A1例如為圖2所示的Z軸，且平行於承載面112的法向量。當然，本發明並不限制第一軸A1和第二軸A2的方向，只要第二軸A2垂直於第一軸A1且平行於承載面112即為本發明所欲保護的範圍。圖2中所示的各建造材料層12的形狀是由旋轉基座110沿著第一軸A1的旋轉、旋轉基座110沿著第一軸A1的位移以及列印頭120沿著第二軸A2的位移來控制。立體物體10的X-Y-Z座標可分別對應於立體模型的X-Y-Z座標，且立體物體10的每一層12分別對應於立體模型的一橫截面，使建造材料層12彼此堆疊而形成立體物體10。

詳細來說，立體列印裝置100更包括一控制單元(未圖示)，控制單元耦接到旋轉基座110和列印頭120，用以控制旋轉 基座110和列印頭120的移動。具體來說，控制單元根據旋轉參數θ1控制旋轉基座110沿著第一軸A1旋轉，且根據第一位移參數Z1控制旋轉基座110沿著第一軸A1位移，其中旋轉參數θ1和第一位移參數Z1是由立體模型的橫截面而得。另外，控制單元還可根據從立體模型的橫截面獲得的第二位移參數Y1控制列印頭120沿著第二軸A2位移。即，在列印頭120將建造材料逐層塗布到旋轉基座110上的同時，控制單元根據從立體模型的橫截面獲得的對應參數θ 1、Z1控制旋轉基座110移動，並根據從模型的橫截面獲得的對應參數Y1來控制列印頭120移動，以據此形成立體物體10。

圖3是圖1中的旋轉基座的立體示意圖。請參照圖1和圖3，在本實施例中，立體列印裝置100可包括一滑輪總成130，耦接到控制單元。滑輪總成130包括皮帶132和至少一個滑輪134。列印頭120設置在沿著第二軸A2延伸的皮帶132上。滑輪134連接到皮帶132以驅動皮帶132沿著第二軸A2移動，進而依據第二位移參數Y1帶動列印頭120沿著第二軸A2位移。

另外，立體列印裝置100更可包括至少一個馬達(繪示為兩個馬達140、150)，耦接到控制單元且連接到旋轉基座110，以驅動旋轉基座110沿著第一軸A1位移且沿著第一軸A1旋轉。在本實施例中，立體列印裝置100如圖3中所示包括設置在旋轉基座110下方的第一馬達140和第二馬達150。控制單元根據第一位移參數Z1控制第一馬達140驅動旋轉基座110，使其沿著第一 軸A1位移，並依據旋轉參數θ1控制第二馬達150驅動旋轉基座110，使其沿著第一軸A1旋轉。

如此配置，立體列印裝置100可在列印頭120將建造材料逐層塗布到旋轉基座110上的同時，依據從立體模型獲得的對應參數Z1、θ1控制旋轉基座110沿著第一軸A1位移及旋轉，並依據對應參數Y1控制列印頭120沿著第二軸A2位移，以依據立體模型形成立體物體10。基此，因為旋轉基座110可在列印過程中旋轉，所以立體列印裝置100可在立體模型的形狀呈圓形或彎曲時提供較佳的列印解析度。

圖4是利用圖1中的立體列印裝置製造立體物體的方法的流程圖。請參照圖1和圖4，在本實施例中，利用上述的立體列印裝置100製造立體物體10的方法包括以下步驟。首先，提供一立體模型(步驟S110)。立體模型可例如透過電腦輔助設計(CAD)或動畫建模軟體等建構而成。立體模型被橫切為多個橫截面以供立體列印裝置100依據所述橫截面製造立體物體10。

之後，根據立體模型獲得多個移動參數(步驟S120)。在此，所述移動參數是由立體模型的各橫截面而得，且移動參數包括前述的旋轉參數θ1、第一位移參數Z1和第二位移參數Y1。移動參數可透過將立體模型的橫截面資訊轉換為移動參數θ1、Z1、Y1而得，以供立體列印裝置100進行讀取並作為列印的依據。

接著，根據移動參數控制立體列印裝置100的列印頭120和旋轉基座110的移動(步驟S130)。列印頭120和旋轉基座110 依據從立體模型的橫截面獲得的對應移動參數Y1、θ1、Z1而移動。具體來說，立體列印裝置100依據旋轉參數θ1控制旋轉基座110沿著第一軸A1旋轉，且依據第一位移參數Z1控制旋轉基座110沿著第一軸A1位移，並依據第二位移參數Y1控制列印頭120沿著第二軸A2位移，據此將建造材料逐層塗布到旋轉基座110上，以形成多個建造材料層，建造材料層彼此堆疊而形成立體物體10，且所述建造材料層分別對應於所述模型的多個橫截面。

之後，可透過冷卻、輻射或任何其他合適的固化製程來固化建造材料層，使透過建造材料層堆疊形成的立體物體10呈現固態。在固化製程之後，即可將立體物體10自旋轉基座110移離。

綜上所述，本發明的立體列印裝置在列印頭將建造材料逐層塗布到旋轉基座上的同時，可依據從一立體模型的橫截面獲得的移動參數控制旋轉基座沿著第一軸位移及旋轉，並控制列印頭沿著第二軸位移，以依據此立體模型而形成一立體物體。基此，不同於習知的立體列印裝置的基座不可旋轉且僅可沿著X-Y座標位移，本發明的立體列印裝置的旋轉基座可旋轉，使其可在立體模型的形狀呈圓形或彎曲時提供較佳的列印解析度，而不會有X-Y平面呈階梯狀的情形產生。因此，本發明的立體列印裝置具有較佳的解析度和較佳的列印品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，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。

10‧‧‧立體物體

100‧‧‧立體列印裝置

110‧‧‧旋轉基座

112‧‧‧承載面

120‧‧‧列印頭

130‧‧‧滑輪總成

132‧‧‧皮帶

134‧‧‧滑輪

160‧‧‧供料線

A1‧‧‧第一軸

A2‧‧‧第二軸

Claims (20)

1. 一種立體列印裝置，適於依據一立體模型製造出一立體物體，包括：一旋轉基座，具有一承載面且經配置以沿著一第一軸旋轉，並沿著該第一軸位移；以及一列印頭，設置在該旋轉基座上方，並經配置以沿著垂直於該第一軸的一第二軸位移，以將一建造材料逐層塗佈於該承載面上，以形成多個建造材料層，其中，該些建造材料層堆疊而形成該立體物體，且各該建造材料層的塗佈形狀是由該旋轉基座沿著該第一軸的旋轉、位移以及該列印頭沿著該第二軸的位移來控制。
2. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，更包括一控制單元，耦接到該旋轉基座和該列印頭，用以控制該旋轉基座和該列印頭的位移。
3. 如申請專利範圍第2項所述的立體列印裝置，其中該控制單元依據從該立體模型獲得的一旋轉參數控制該旋轉基座沿著該第一軸的旋轉，並依據從該立體模型獲得的一第一位移參數控制該旋轉基座沿著該第一軸的位移。
4. 如申請專利範圍第2項所述的立體列印裝置，其中該控制單元依據從該立體模型獲得的一第二位移元參數控制該列印頭沿著該第二軸的位移。
5. 如申請專利範圍第3項所述的立體列印裝置，其中該控制 單元依據從該立體模型獲得的一第二位移參數來控制該列印頭沿著該第二軸位移。
6. 如申請專利範圍第3項所述的立體列印裝置，更包括一滑輪組成，耦接該控制單元以帶動該列印頭沿著該第二軸位移。
7. 如申請專利範圍第6項所述的立體列印裝置，其中該滑輪組成包括：一皮帶，沿著該第二軸延伸，該列印頭設置在該皮帶上；以及至少一滑輪，連接到該皮帶以驅動該皮帶沿著該第二軸位移。
8. 如申請專利範圍第2項所述的立體列印裝置，更包括至少一個馬達，耦接該控制單元並連接該旋轉基座，以驅動該旋轉基座沿著該第一軸位移並沿著該第一軸旋轉。
9. 如申請專利範圍第2項所述的立體列印裝置，其中該馬達更包括一第一馬達和一第二馬達，該第一馬達驅動該旋轉基座沿著該第一軸位移，而該第二馬達驅動該旋轉基座沿著該第一軸旋轉。
10. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該第一軸平行於該承載面的一法向量。
11. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該第二軸平行於該承載面。
12. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，更包括一供料線，以提供該建造材料至該列印頭。
13. 一種使用如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置製造一立體物體的方法，包括：提供一立體模型，該立體模型包括多個橫截面；依據該立體模型的各該橫截面獲得多個移動參數；以及依據該些移動參數控制該列印頭和該旋轉基座移動，使該列印頭將該建造材料逐層塗佈於該旋轉基座的該承載面上，以形成多個建造材料層，該些建造材料層堆疊而形成該立體物體。
14. 如申請專利範圍第13項所述的製造該立體物體的方法，其中該些移動參數包括一旋轉參數、一第一位移參數和一第二位移參數。
15. 如申請專利範圍第14項所述的製造該立體物體的方法，其中依據該些移動參數控制該列印頭和該旋轉基座移動的步驟包括：依據該旋轉參數控制該旋轉基座沿著該第一軸旋轉；以及依據該第一位移參數控制該旋轉基座沿著該第一軸位移。
16. 如申請專利範圍第14項所述的製造該立體物體的方法，其中依據該移動參數控制該列印頭和該旋轉基座移動的步驟更包括：依據該第二位移元參數控制該列印頭沿著該第二軸位移。
17. 如申請專利範圍第15項所述的製造該立體物體的方法，其中該依據該移動參數控制該列印頭和該旋轉基座移動的步驟更包括： 依據該第二位移參數控制該列印頭沿著該第二軸位移。
18. 如申請專利範圍第13項所述的製造該立體物體的方法，其中該第一軸平行於該承載面的法向量。
19. 如申請專利範圍第13項所述的製造該立體物體的方法，其中該第二軸平行於該承載面。
20. 如申請專利範圍第13項所述的製造該立體物體的方法，其中該些建造材料層分別對應於該立體模型的該些橫截面。