TW201518122A - 立體列印裝置 - Google Patents

Abstract

一種立體列印裝置，包括光源、移動平台、盛槽以及控制單元。光源用以提供平面光，其包括產生電子束的電子槍、設置在電子束行經路徑旁的偏向件與具有紫外光螢光粉層的屏幕。電子束穿過偏向件投射至屏幕上的紫外光螢光粉層以激發出平面光。盛槽用以盛裝液態成型材，且移動平台的局部浸於液態成型材中。控制單元電性連接移動平台與光源。隨著移動平台在液態成型材中移動，控制單元控制電子束投射至屏幕上的至少一位置，使光源產生不同的平面光照射液態成型材，以逐層固化被照射的液態成型材，而形成立體物件。移動平台的移動方向垂直平面光。

Description

立體列印裝置

本發明是有關於一種列印裝置，且特別是有關於一種立體列印裝置。

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，並在逐層固化的狀態下進而形成立體物件。

然而，在目前所用以固化材料的光源方面，多以雷射光源為主，但受雷射光源所需對應的光學構件限制，雷射光源仍須存在一定焦距，亦即光源與成型材料之間仍須保持固定的距離，因此所形成的立體物件較大，且亦因此而使成像速度較慢。因此，對於現有光源予以進一步改良，以能提高立體列印之速度與品質，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，其光源具有較快速的成像速度與較佳的成像品質。

本發明的立體列印裝置，包括光源、移動平台、盛槽以及控制單元。光源用以提供平面光。光源包括電子槍、偏向件與屏幕。電子槍用以產生電子束。偏向件設置在電子束行經路徑旁。屏幕具有紫外光螢光粉層。電子束穿過偏向件而投射至屏幕上的紫外光螢光粉層，以激發出平面光。在紫外光螢光粉層中，任意兩個相接的紫外光螢光粉形成一相接區域，且相接區域的鄰接邊長大於或等於各紫外光螢光粉在相接區域處的邊長在一平面上的正投影尺寸，其中兩個紫外光螢光粉的連接方向為該平面的法線方向。盛槽用以盛裝液態成型材。移動平台的局部浸於液態成型材中。控制單元電性連接移動平台與光源。隨著移動平台在液態成型材中移動，控制單元控制電子束投射至屏幕上的至少一位置，使光源產生不同的平面光，以逐層固化被照射的液態成型材， 而形成立體物件。移動平台的移動方向垂直平面光。

在本發明的一實施例中，上述的光源還包括聚焦件。設置在電子束行經路徑旁以聚焦電子束。

在本發明的一實施例中，上述的紫外光螢光粉層呈六方堆積結構。

在本發明的一實施例中，上述的紫外光螢光粉層呈四方堆積結構。

在本發明的一實施例中，上述的紫外光螢光粉層呈局部重疊的堆積結構。

在本發明的一實施例中，上述的相接區域為紫外光螢光粉的重疊區域，鄰接邊長為環繞重疊區域的邊長。

在本發明的一實施例中，上述相接的兩個紫外光螢光粉的形狀中心的間距，小於各紫外光螢光粉的邊長之和。

在本發明的一實施例中，上述相接的兩個紫外光螢光粉的鄰接邊長，大於各紫外光螢光粉的其中一邊長於平面上的正投影尺寸。

在本發明的一實施例中，上述的液態成型材為光敏樹脂。

基於上述，在本發明的上述實施例中，藉由將能提供平面光的光源作為液態成型材的固化光源，因此能有效縮減現有雷射光源聚焦成像以及掃描的時間，因而能使立體列印裝置的列印效率提高。再者，光源所提供的平面光能由控制單元決定其輪廓，而產生一次性的照射便能完成習知雷射光源逐一掃描方能完成的 區域，因而能提高液態成型材的固化效率，且無須另行控制光線掃描的區域範圍，因此簡化現有的立體列印程序。

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。

100‧‧‧立體列印裝置

110‧‧‧光源

112‧‧‧電子槍

112a‧‧‧電子束

113a、113b‧‧‧聚焦件

114a、114b‧‧‧偏向件

115‧‧‧屏幕

116‧‧‧紫外光螢光粉層

116a、116b‧‧‧紫外光螢光粉

117‧‧‧陽極板

120‧‧‧移動平台

130‧‧‧控制單元

140‧‧‧盛槽

200‧‧‧液態成型材

210‧‧‧立體物件

111‧‧‧外殼

a11、a12、a3、a51~a55‧‧‧鄰接邊長

a2、a4、a6‧‧‧正投影尺寸

A1、A3、A5‧‧‧平面

A2、A4、A6‧‧‧連接方向

R1、R2、R3‧‧‧相接區域

d1‧‧‧間距

d2、d3‧‧‧邊長

圖1是依照本發明一實施例的一種立體列印裝置的示意圖。

圖2是圖1的立體列印裝置中光源的示意圖。

圖3是圖2的光源中位於屏幕上紫外光螢光粉層的排列結構示意圖。

圖4是圖3的紫外光螢光粉層的局部放大圖。

圖5是本發明另一實施例的一種紫外光螢光粉層的結構示意圖。

圖6是本發明另一實施例的一種紫外光螢光粉層的結構示意圖。

圖1是依照本發明一實施例的一種立體列印裝置的示意圖。請參考圖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)而製造出一立體物體，其中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。

進一步地說，本實施例的立體列印裝置100包括光源110、移動平台120、控制單元130以及盛槽140。在此同時提供直角座標系以便於描述相關構件及其運動狀態。盛槽140用以盛裝液態成型材200，且移動平台120的局部浸於液態成型材200中。光源110用以提供平面光投射至液態成型材200。控制單元130電性連接光源110與移動平台120，以使移動平台120的局部在液態成型材200中移動的同時，驅動光源110產生不同的平面光而投射至液態成型材200，進而逐層地固化被照射的液態成型材200，以形成立體物件210。在此，液態成型材200例如是光敏樹脂，而光源110則提供包括紫外線的平面光，以對所照射之液態成型材200進行光固化。

如圖1所示，移動平台120會沿Z軸而使其局部在液態成型材200中移動，因此每當移動平台120移動至Z軸上的一位置時，光源110所產生的平面光便會投射至位於該位置的液態成型材200而使之固化。如此一來，隨著移動平台120沿Z軸逐層移動，其所經位置的液態成型材200便能逐層地被固化，最終形成完整的立體物件210。

基於上述，由於光源110所產生的平面光，其所在平面垂直於移動平台120的移動方向(亦即如圖1所示，光源110實質上是產生平行X-Y平面的平面光，而移動平台120是沿Z軸移 動)，故而能搭配移動平台120的移動模式而完成立體物件210的列印動作。

圖2是圖1的立體列印裝置中光源的示意圖。請同時參考圖1與圖2，詳細而言，本實施例的光源110包括外殼111與容置其內的電子槍112、聚焦件113a、113b、偏向件114a、114b、陽極板117以及屏幕115，其中電子槍112與屏幕115位於外殼111的相對兩側。電子槍112為陰極電子槍，其用以產生電子束112a，並使電子束112a在呈高壓狀態的陽極板117間行進以投射至屏幕115，聚焦件113a、113b與偏向件114a、114b分別設置在電子束112a的行經路徑旁，用以控制電子束112a的尺寸大小與投射至屏幕115上的位置。再者，屏幕115朝向電子槍112處具有紫外光螢光粉層116。據此，電子槍112所產生的電子束122a投射至屏幕115上的紫外光螢光粉層116，進而撞擊紫外光螢光粉層116而激發出紫外光。在此，電子束122a以掃描方式逐一撞擊紫外光螢光粉層116的各個紫外光螢光粉，且經撞擊後的紫外光螢光粉其所產生的紫外光會延續一段時間。據此，藉由調整電子束112a的掃描時間，且由於屏幕115是屬二維結構，故而能使紫外光螢光粉層116在特定的一段時間內同時均產生紫外光，而光源110便能順利地產生上述的平面光。

在本實施例中，由於控制單元130能隨著移動平台120在Z軸上的移動位置而控制光源110產生不同的平面光，亦即控制單元130能藉由控制電子束112a投射在屏幕115上的不同位置 而產生不同圖案的平面光，因此立體列印裝置100無須以習知雷射光源逐一在X-Y平面上逐個掃描液態成型材200而使其固化。換句話說，光源110藉由前述結構所產生的平面光，相較於習知雷射光源，僅以產生一次性的照射便能完成固化該層液態成型材200的效果，因此能有效簡短光源110照射液態成型材200的時間。

另一方面，圖3是圖2的光源中位於屏幕上紫外光螢光粉層的排列結構示意圖。圖4是圖3的紫外光螢光粉層的局部放大圖。請同時參考圖3與圖4，在本實施例中，為提高列印出立體物件210的解析度，因此需以不同排列方式配置紫外光螢光粉層的結構配置。如圖3所示，本實施例的紫外光螢光粉層是由多個同樣大小的紫外光螢光粉組成且呈六方堆積結構，尤其是呈局部重疊的堆積結構狀態，以藉此提高單位面積內的紫外光螢光粉數量。

如圖4所示，以二維平面上的多個紫外光螢光粉為例，任意兩個相接的紫外光螢光粉116a與116b形成相接區域R1(即在紙面形成重疊的二維區域，在此以剖面線繪示之，其由紫外光螢光粉116a與116b的部分邊長所構成平行四邊形的區域)，且同一紫外光螢光粉116a於相接區域R1處的鄰接邊長a11、a12之和，大於紫外光螢光粉116a與116b於相接區域R1處的鄰接邊長在平面A1上的最大正投影尺寸a2(前述呈平行四邊形的相接區域R1，其兩個對角的相對距離在平面A1上的最大投影尺寸是a2)。在此，鄰接邊長所指為環繞重疊區域的多個邊長，且該兩個紫外光 螢光粉116a與116b的連接方向A2為所述平面A1的法線方向。同樣地，於平面A1另一側的紫外光螢光粉116b亦具相同對應關係，在此不贅述。

換句話說，圖3與圖4的實施例所述紫外光螢光粉116為局部重疊的結構，即任意相接(重疊)的兩個紫外光螢光粉(如前述116a與116b)，其形狀中心的間距d1是小於該兩個紫外光螢光粉116a與116b的邊長d2、d3之和，因此造成兩個紫外光螢光粉116a與116b能相互局部重疊的狀態。

圖5是本發明另一實施例的一種紫外光螢光粉層的結構示意圖。請參考圖5，與上述不同的是，本實施例改以四方堆積結構且彼此鄰接，同樣能達到提高紫外光螢光粉層之結構密度的效果。在本實施例中，任意兩個相接的紫外光螢光粉形成相接區域R2(即形成在紙面上一維線段)，其中相接區域的鄰接邊長a3等於各紫外光螢光粉在相接區域處的邊長在平面A3上的正投影尺寸a4，其中這兩個紫外光螢光粉的連接方向A4為平面A3的法線方向。

圖6是本發明另一實施例的一種紫外光螢光粉層的結構示意圖。請參考圖6，與上述不同的是，本實施例的紫外光螢光粉層的結構是呈現單側多邊接觸的模式予以堆積鄰接，亦即在任兩個相鄰的螢光粉之間是非直線邊界而相互鄰接，且所鄰接的邊界長度大於螢光粉於該側的投影長度。換句話說，本實施例的兩個相接的紫外光螢光粉形成相接區域R3(即在紙面形成彎折狀的一 維線段)，且相接區域的鄰接邊長a51~a55之和(即前述彎折線段的長度總和)大於各紫外光螢光粉於相接區域處的邊長在平面A5上的正投影尺寸a6，且該兩個紫外光螢光粉的連接方向A6為所述平面A5的法線方向。如此，藉由增加螢光粉之間的接觸部分，因而使投射出的平面光的單位面積的能量能有效提高，進而使液態成型材於固化後的結構能更加穩固。

綜上所述，在本發明的上述實施例中，立體列印裝置將能提供平面光的光源作為液態成型材的固化光源，因此能有效縮減現有雷射光源聚焦成像以及掃描的時間，因而能使立體列印裝置的列印效率提高。再者，光源所提供的平面光能由控制單元決定其輪廓，而產生一次性的照射便能完成習知雷射光源逐一掃描方能完成的區域，因而能提高液態成型材的固化效率，且無須另行控制光線掃描的區域範圍，因此簡化現有的立體列印程序。此外，立體列印裝置尚藉由改變屏幕上紫外光螢光粉層的結構配置，而提高其結構密度，進而能提高平面光照射於液態成型材而將其固化後的解析度與精細程度。

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。

100‧‧‧立體列印裝置

110‧‧‧光源

120‧‧‧移動平台

130‧‧‧控制單元

140‧‧‧盛槽

200‧‧‧液態成型材

210‧‧‧立體物件

Claims (9)

1. 一種立體列印裝置，包括：一光源，用以提供一平面光，該光源包括：一電子槍，用以產生電子束；一偏向件，設置在電子束行經路徑旁；一屏幕，具有一紫外光螢光粉層，電子束穿過該偏向件而投射至該屏幕上的該紫外光螢光粉層，以激發出該平面光，在該紫外光螢光粉層中，任意兩個相接的紫外光螢光粉形成一相接區域，該相接區域的鄰接邊長大於或等於各該紫外光螢光粉在該相接區域處的邊長在一平面上的正投影尺寸，其中該兩個紫外光螢光粉的連接方向為該平面的法線方向；一移動平台；一盛槽，用以盛裝一液態成型材，該移動平台的局部浸於該液態成型材中；以及一控制單元，電性連接該移動平台與該光源，其中隨著該移動平台在該液態成型材中移動，該控制單元控制電子束投射至該屏幕上的至少一位置，使該光源產生不同的平面光，以逐層固化被照射的液態成型材，而形成一立體物件，且該移動平台的移動方向垂直該平面光。
2. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該光源還包括：一聚焦件，設置該電子槍與該偏向件之間且位在電子束行經 路徑旁以聚焦電子束。
3. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該紫外光螢光粉層呈六方堆積結構。
4. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該紫外光螢光粉層呈四方堆積結構。
5. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該紫外光螢光粉層呈局部重疊的堆積結構。
6. 如申請專利範圍第5項所述的立體列印裝置，其中該相接區域為紫外光螢光粉的重疊區域，該鄰接邊長為環繞該重疊區域的邊長。
7. 如申請專利範圍第5項所述的立體列印裝置，其中相接的兩個紫外光螢光粉的形狀中心的間距，小於各該紫外光螢光粉的邊長之和。
8. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中相接的兩個紫外光螢光粉的鄰接邊長，大於各該紫外光螢光粉的其中一邊長於該平面上的正投影尺寸。
9. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該液態成型材為光敏樹脂。