TW201522019A - 立體列印裝置及其列印頭模組 - Google Patents

Abstract

一種立體列印裝置包括基座、多個列印頭、列印頭切換元件以及控制單元。基座具有承載面。各列印頭包括供料管道與噴嘴。供料管道分別連接並傳送多個基材至對應的噴嘴。基材具有多個特性。列印頭切換元件連接列印頭，並經配置以帶動列印頭旋轉。控制單元耦接並控制列印頭切換元件，以依據列印頭所連接的基材的特性選擇列印頭的其中之一，並將選擇的列印頭旋轉至出料定位，使選擇的列印頭將其所連接的基材逐層成型於承載面上。

Description

立體列印裝置及其列印頭模組

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

隨著電腦輔助製造(Computer-Aided Manufacturing,CAM)的進步，製造業發展了快速雛型方法(Rapid Prototyping,RP)，能很迅速的將設計原始構想製造出來。快速雛型(RP)技術能無限制幾何形狀，而且越複雜的零件越顯示RP技術的卓越性，更可大大地節省人力與加工時間，在時間最短的要求下，將3D CAD上的設計零件，真實地呈現出來，不但摸得到，亦可真實地感受得到它的幾何曲線，更可以試驗零件的裝配性、甚至進行可能的功能試驗。

這些快速成型法有很多種，如熔合沉積模型(Fused Deposition Modeling,FDM)，層化物品製造(Laminated Object Manufacturing,LOM)等。然而，目前利用上述快速成型法形成立體物體的立體列印裝置僅具有一個列印頭，因此，在需要切換不 同特性的建造基材時，則須先將列印頭退出，以進行退料，再將欲替換的建造基材連接至列印頭，並將換料完成後的列印頭移回原位以繼續進行列印。然而，列印頭換料後回到列印位置時可能產生偏移，因而導致列印產生斷點而需重新列印，導致立體列印的效果及良率不佳。

本發明提供一種立體列印裝置，其列印頭模組可依列印需求來切換連接至不同基材的列印頭，以簡化切換基材的步驟以及提高立體列印的良率。

本發明提供一種列印頭模組，其可依列印需求來切換連接至不同基材的列印頭，以簡化切換基材的步驟以及提高立體列印的良率。

本發明的立體列印裝置包括一基座、多個列印頭、一列印頭切換元件以及控制單元。基座具有一承載面。各列印頭包括一供料管道以及一噴嘴。供料管道分別連接並傳送多個基材至對應的噴嘴。基材分別具有多個特性。列印頭切換元件連接列印頭，並經配置以帶動列印頭旋轉。控制單元耦接並控制列印頭切換元件以依據列印頭所連接的基材的特性選擇列印頭的其中之一，並將選擇的列印頭旋轉至一出料定位，使選擇的列印頭將其所連接的基材逐層成型於承載面上。

本發明的列印頭模組適於將多個基材逐層成形於一承載 面上，這些基材具有多個特性。列印頭模組包括多個列印頭以及一列印頭切換元件。各列印頭包括一供料管道以及一噴嘴。供料管道分別連接並傳送多個基材至對應的噴嘴。列印頭切換元件連接列印頭，並經配置以帶動列印頭旋轉，以將各列印頭旋轉至一出料定位，並使移動至出料定位的列印頭將其所連接的基材逐層成型於承載面上。

在本發明的一實施例中，上述的列印頭切換元件具有至少一限位結構，而列印頭切換元件適於旋轉至少一固定間距後使至少一列印頭移至出料定位。

在本發明的一實施例中，上述的至少一限位結構包括一第一限位結構以及相對於第一限位結構以相反旋轉方向設置的一第二限位結構。列印頭切換元件適於旋轉至與第一限位結構相配的出料定位，或列印頭切換元件適於沿相反方向旋轉至與第二限位結構相配的出料定位。

在本發明的一實施例中，上述的特性包括顏色或材質。

在本發明的一實施例中，上述的基材的材質包括導電材、絕緣材或膠體。

在本發明的一實施例中，上述的列印頭呈一圓形排列。

在本發明的一實施例中，上述的控制單元控制列印頭切換元件沿圓形的一中心軸旋轉，以將選擇的列印頭旋轉至出料定位。

基於上述，本發明的立體列印裝置利用一列印頭切換元 件，其連接多個列印頭，並經配置以帶動列印頭旋轉，其中，上述多個列印頭分別連接多個特性各不相同的基材，並透過控制單元依據基材的特性選擇列印頭的其中之一，並控制列印頭切換單元將選擇列印頭旋轉至出料定位，以將選擇的列印頭所連接的基材擠出並逐層成形於基座上而形成立體物體。如此，立體列印裝置無須透過繁複的進料以及退料步驟即可輕易地自動選擇及切換欲製造的立體物體的顏色或材質等特性。並且，列印頭模組無須移動其位置即可在原地透過列印頭切換元件的旋轉而進行基材的切換，因而可減少列印頭模組在換料時位置偏移而導致列印產生斷點需重新列印的情形。因此，本發明的立體列印裝置及其列印頭模組確實可增進立體列印的效果及良率，並使立體列印裝置的使用便利度以及列印的彈性大幅增加。

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‧‧‧立體列印裝置

20‧‧‧電腦主機

100‧‧‧列印頭模組

110、110a、110b、110c‧‧‧列印頭

112‧‧‧供料管道

114‧‧‧噴嘴

120‧‧‧列印頭切換元件

122A、122B、124‧‧‧限位結構

130‧‧‧切換馬達

200‧‧‧基座

210‧‧‧承載面

300‧‧‧控制單元

400‧‧‧滑軌

500a、500b、500c‧‧‧基材

A1‧‧‧中心軸

C1、C2‧‧‧旋轉方向

P1‧‧‧出料定位

R1‧‧‧第一旋轉方向

R2‧‧‧第二旋轉方向

圖1是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的示意圖。

圖2是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的使用情境方塊示意圖。

圖3是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的方塊示 意圖。

圖4是依照本發明的一實施例的一種列印頭的配置示意圖。

圖5是依照本發明的一實施例的列印頭模組的配置示意圖。

圖6是圖5的列印頭模組旋轉至第一位置的示意圖。

圖7是圖5的列印頭模組旋轉至第二位置的示意圖。

圖8是圖5的列印頭模組旋轉至第三位置的示意圖。

圖9是依照本發明的一實施例的列印頭模組的示意圖。

圖10是依照本發明的一實施例的列印頭模組的示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之各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」、「前」、「後」、「左」、「右」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，而並非用來限制本發明。並且，在下列各實施例中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號。

圖1是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的示意圖。圖2是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的使用情境方塊示意圖。圖3是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的方塊示意圖。請參照圖1至圖3，在本實施例中，立體列印裝置10適於依據一數位立體模型資訊列印出一立體物體。立體列印裝置10包括一列印頭模組100、一基座200以及一控制單元 300。在本實施例中，控制單元300可用以讀取一數位立體模型資訊，其中，數位立體模型資訊可為一數位立體圖像檔案，其例如由一電腦主機20透過電腦輔助設計(computer-aided design,CAD)或動畫建模軟體等建構而成。

承上述，立體列印裝置10的基座200如圖1所示具有一承載面210。列印頭模組100可移動地設置於基座200的上方，並經配置以沿著一滑軌400來回滑動，而基座200亦可相對於列印頭模組100移動。控制單元300可用以讀取與處理數位立體模型資訊，並耦接列印頭模組100以及基座200，以控制列印頭模組100以及基座200的移動。如此，控制單元300可依據此數位立體模型資訊控制列印頭模組100沿著滑軌400移動，而列印頭模組120則可在移動的過程中將基材500a、500b或500c逐層成形於承載面210上而形成多個積層材料層，其中，積層材料層彼此堆疊而形成立體物體。

圖4是依照本發明的一實施例的一種列印頭模組的剖面示意圖。請參照圖1以及圖4，詳細而言，列印頭模組100包括多個列印頭110以及一列印頭切換元件120。各列印頭110包括一供料管道112以及一噴嘴114。供料管道112分別連接並傳送多個基材500a、500b、500c至對應的噴嘴114。基材500a、500b、500c分別具有多個特性，且特性彼此不同。列印頭切換元件120連接上述多個列印頭110，並經配置以帶動上述多個列印頭110旋轉。在本實施例中，列印頭模組100更包括一切換馬達130，耦接控制 單元300。控制單元300控制切換馬達130以驅動列印頭切換元件130旋轉，進而帶動上述多個列印頭110旋轉。具體而言，列印頭110可如圖1所示呈一圓形排列，而控制單元300控制列印頭切換元件120沿圓形的一中心軸A1旋轉，以將控制單元300所選擇的列印頭110旋轉至出料定位，使選擇的列印頭110將其所連接的基材500a、500b或500c逐層成型於承載面210上。控制單元300耦接並控制列印頭切換元件120以依據列印頭110所連接的基材500a、500b或500c的特性選擇列印頭110的其中之一，並將選擇的列印頭110旋轉至一出料定位，以進行出料，使選擇的列印頭110將其所連接的基材500a、500b或500c逐層成型於承載面上。

在本實施例中，基材500a、500b、500c可為適用於光硬化(Stereolithography)、熔絲製造式(Fused Filament Fabrication,FFF)、熔化壓模式(Melted and Extrusion Modeling)、電子束熔化成形(Electron Beam Modeling)等製作方法的各種適合材料。舉例而言，基材500a、500b、500c可為適用於熔絲製造的熱熔性材料所組成的固態線材，並例如透過列印頭模組100的噴嘴114對選擇的基材500a、500b或500c進行加熱，以將傳送至噴嘴114的基材500a、500b或500c熔融成熔融狀態的流體材料，再將熔融的基材500a、500b或500c擠出並逐層成型於承載面210上，之後再對其進行例如硬化烘乾處理而形成立體物體。

此外，在本實施例中，透過列印頭110逐層列印成形於承載面210上的基材500a、500b、500c可包括建造材料(Building Material)、用於支撐建造材料的支撐材料(Support Material)、設置於建造材料與支撐材料之間的緩衝材料(Release Material)。簡單來說，成形於承載面210上的基材500a、500b、500c並非僅是用以形成立體物體的建造材料，其亦可包括形成支撐立體物體的支撐材料以及設置於建造材料與支撐材料之間的緩衝材料。並且，在列印成形於承載面210上的基材500a、500b、500c固化後，可再將支撐材料以及緩衝材料移除，以得到立體物體。

承上述，各基材500a、500b、500c的特性各不相同。具體來說，上述多個基材500a、500b、500c的顏色特性或材質特性各不相同。如此，控制單元300即可依據列印頭110所連接的基材500a、500b、500c的顏色或材質對應至數位立體模型資訊的顏色或材質資訊來選擇符合需求的列印頭110，並將選擇的列印頭110旋轉至出料定位，使選擇的列印頭110將其所連接的基材500a、500b、500c逐層成型於承載面210上。

圖4是依照本發明的一實施例的一種列印頭的配置示意圖。圖5是依照本發明的一實施例的列印頭模組的配置示意圖。請同時參照圖4以及圖5，具體而言，立體列印裝置10可如圖4所示包括基材500a、500b、500c，分別連接至列印頭110a、110b、110c，且基材500a、500b、500c的顏色特性各不相同，而控制單元300可例如透過讀取數位立體模型資訊的顏色特性參數，以據此依據其顏色的特性資訊選擇基材500a、500b、500c的其中之一，並控制列印頭切換元件120將連接選擇的基材500a、500b或500c 的列印頭110旋轉至如圖5中的箭頭所標示的出料定位P1，以將選擇的基材500a、500b或500c經由對應的列印頭110a、110b或110c逐層成型於承載面210上而形成具有選擇的基材的顏色的立體物體。出料定位P1可例如對應於列印頭110a、110b、110c的其中之一。在本實施例中，出料定位P1如圖5所示對應於列印頭110b。

舉例而言，基材500a的顏色為紅色，基材500b的顏色為黃色，基材500c的顏色為藍色，而數位立體模型資訊的顏色特性參數則為黃色。因此，控制單元300讀取數位立體模型資訊的顏色特性參數後據此選擇黃色的基材500b。在此情形下，由於連接基材500b的列印頭110b已位於出料定位P1，因此，控制單元300可直接控制列印頭110b將黃色的基材500b擠出且逐層成型於承載面210上，以形成黃色的立體物體。

圖6是圖5的列印頭模組旋轉至第一位置的示意圖。請參照圖5以及圖6，在另一實施例中，基材500a的顏色為紅色，基材500b的顏色為黃色，基材500c的顏色為藍色，而數位立體模型資訊的顏色特性參數則為藍色。因此，控制單元300讀取數位立體模型資訊的顏色特性參數後據此選擇藍色的基材500c，並控制列印頭切換元件120將連接基材500c的列印頭110c如圖6所示沿一第一旋轉方向R1(在本實施例中為順時針方向)旋轉一固定間距至出料定位P1，以將藍色的基材500c經由列印頭110c擠出並逐層成型於承載面210上而形成藍色的立體物體。

圖7是圖5的列印頭模組旋轉至第二位置的示意圖。圖8是圖5的列印頭模組旋轉至第三位置的示意圖。請參照圖6至圖8，在另一實施例中，若此時數位立體模型資訊的顏色特性參數則為紅色，而基材的顏色如前所述，基材500a的顏色為紅色，基材500b的顏色為黃色，基材500c的顏色為藍色。如此，控制單元300讀取數位立體模型資訊的顏色特性參數後據此選擇紅色的基材500a，並控制列印頭切換元件120將連接基材500a的列印頭110a沿相反於第一旋轉方向R1的一第二旋轉方向R2(在本實施例中為逆時針方向)，而由圖6的狀態旋轉兩個固定間距而旋轉至如圖8所示的出料定位P1，以將紅色的基材500a經由列印頭110a擠出並逐層成型於承載面210上而形成紅色的立體物體。此外，立體列印裝置10更可於製造立體物體的過程中透過列印頭切換元件120切換列印頭110a、110b、110c，以於製造立體物體的過程中更換不同顏色的基材500a、500b、500c，使製造出的立體物體具有不同的顏色。

在本發明的另一實施例中，立體列印裝置10可如圖1所示包括基材500a、500b、500c，分別連接至列印頭110a、110b、110c，且基材500a、500b、500c的材質特性各不相同，其材質可包括導電材、絕緣材或膠體等，當然，本實施例並不限定基材500a、500b、500c的材質種類。而控制單元300可例如透過讀取數位立體模型資訊的材質特性參數，以據此依據其材質的特性資訊選擇基材500a、500b、500c的其中之一，並控制列印頭切換元 件120將連接選擇的基材500a、500b或500c的列印頭110旋轉至出料定位P1。舉例而言，基材500a的材質為膠體，基材500b的材質為絕緣材，基材500c的材質為導電材，而數位立體模型資訊的材質特性參數則為導電材。因此，控制單元300讀取數位立體模型資訊的材質特性參數後據此選擇導電的基材500c，並控制列印頭切換元件120將連接基材500c的列印頭110c沿第一旋轉方向R1(在本實施例中為順時針方向)而由圖5的狀態旋轉一個固定間距而旋轉至如圖6所示的出料定位P1，以將導電的基材500c經由列印頭110c擠出並逐層成型於承載面210上而形成導電的立體物體。當然，立體列印裝置10更可於製造立體物體的過程中透過列印頭切換元件120切換列印頭110a、110b、110c，以於製造立體物體的過程中更換不同材質的基材500a、500b、500c，使製造出的立體物體具有不同的材質特性。然而，任何所屬技術領域中具有通常知識者應了解，本發明並不限定基材500a、500b、500c的數量及其種類與特性。

圖9是依照本發明的一實施例的列印頭模組的示意圖。圖10是依照本發明的一實施例的列印頭模組的示意圖。在此需說明的是，為了圖面簡潔，圖9及圖10僅繪示了列印頭110a與列印頭切換元件120間的配置關係作舉例說明。請參照圖9以及圖10，在本發明的一實施例中，切換馬達130可如圖9及圖10所示與列印頭切換元件120結構配合，以帶動列印頭切換元件120進行旋轉。控制單元300耦接列印頭切換元件120，以驅動切換馬達 130帶動列印頭切換元件120旋轉，並例如透過齒輪卡合或是擋塊等限位結構等設計，使列印頭切換元件120適於一次旋轉一固定間距，以將列印頭110a旋轉至例如圖8所示的出料定位P1，以將列印頭110a所連接的基材500a經由列印頭110a擠出並逐層成型於承載面210上而形成立體物體。也就是說，控制單元300耦接切換馬達130，以控制切換馬達130帶動列印頭切換元件120旋轉，以依據列印頭所連接的基材500a、500b或500c的特性選擇列印頭的其中之一，並將選擇的列印頭一次旋轉一固定間距而旋轉至出料定位，以進行出料，使選擇的列印頭將其所連接的基材500a、500b或500c逐層成型於承載面上。

另一方面，本實施例的列印頭切換元件120亦可具有多個限位結構122A、122B與124，如圖9與圖10所繪示之擋塊，其中限位結構122A對應於其中一列印頭，而限位結構122B對應於另一列印頭，再搭配以位於切換馬達130上的限位結構124。如此一來，列印頭切換元件120便能藉由上述限位結構122A、122B與124的相互搭配，而僅能以雙向來回的方式旋轉列印頭(如圖9中以箭號繪示之兩個旋轉方向C1、C2)，而無法以單一方向持續旋轉(例如是以旋轉方向C1或C2持續旋轉)，因其在限位結構124與122A，或限位結構124與122B干涉時，均能因此防止列印頭切換元件120帶動列印頭持續旋轉，以避免呈線狀的基材500a、500b、500c發生相互纏繞的情形。例如，當列印頭切換元件120以旋轉方向C2旋轉時，限位結構122A會與124干涉而成圖9之 狀態，以避免列印頭切換元件120仍以旋轉方向C2繼續旋轉。此時，列印頭切換元件120便僅能以旋轉方向C1旋轉，且直到限位結構122B與124干涉。

綜上所述，本發明的立體列印裝置利用一列印頭切換元件，其連接多個列印頭，並經配置以帶動列印頭旋轉，其中，上述多個列印頭分別連接多個特性各不相同的基材，並透過控制單元依據基材的特性選擇列印頭的其中之一，並控制列印頭切換單元將選擇列印頭旋轉至出料定位，以將選擇的列印頭所連接的基材擠出並逐層成形於基座上而形成立體物體。如此，立體列印裝置無須透過繁複的進料以及退料步驟即可輕易地自動選擇及切換欲製造的立體物體的顏色或材質等特性。並且，列印頭模組無須移動其位置即可在原地透過列印頭切換元件的旋轉而進行基材的切換，因而可減少列印頭模組在換料時位置偏移而導致列印產生斷點需重新列印的情形。因此，本發明的立體列印裝置及其列印頭模組確實可增進立體列印的效果及良率，並使立體列印裝置的使用便利度以及列印的彈性大幅增加。

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‧‧‧立體列印裝置

100‧‧‧列印頭模組

110、110a、110b、110c‧‧‧列印頭

112‧‧‧供料管道

114‧‧‧噴嘴

120‧‧‧列印頭切換元件

130‧‧‧切換馬達

200‧‧‧基座

210‧‧‧承載面

400‧‧‧滑軌

500a、500b、500c‧‧‧基材

A1‧‧‧中心軸

Claims (12)

1. 一種立體列印裝置，包括：一基座，具有一承載面；多個列印頭，各該列印頭包括一供料管道以及一噴嘴，該些供料管道分別連接並傳送多個基材至各該對應的噴嘴，該些基材具有多個特性；以及一列印頭切換元件，連接該些列印頭，並經配置以帶動該些列印頭旋轉；以及一控制單元，耦接並控制該列印頭切換元件，以依據該些列印頭所連接的該些基材的特性選擇該些列印頭的其中之一，並將選擇的該列印頭旋轉至一出料定位，使選擇的該列印頭將其所連接的基材逐層成型於該承載面上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該列印頭切換元件具有至少一限位結構，該列印頭切換元件適於旋轉至少一固定間距後使至少一列印頭移至該出料定位。
3. 如申請專利範圍第2項所述的立體列印裝置，其中該至少一限位結構包括一第一限位結構以及相對於該第一限位結構以相反旋轉方向設置的一第二限位結構，該列印頭切換元件適於旋轉至與該第一限位結構相配的該出料定位，或該列印頭切換元件適於沿相反方向旋轉至與該第二限位結構相配的該出料定位。
4. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該些特性包括顏色或材質。
5. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該些列印頭呈一圓形排列。
6. 如申請專利範圍第5項所述的立體列印裝置，其中該控制單元控制該列印頭切換元件沿該圓形的一中心軸旋轉，以將選擇的該列印頭旋轉至該出料定位。
7. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該列印頭模組更包括一切換馬達，耦接該控制單元及該列印頭切換元件，該控制單元控制該切換馬達以驅動該列印頭切換元件旋轉。
8. 一種列印頭模組，適於將多個基材逐層成型於一承載面上，該些基材具有多個特性，該列印頭模組包括：多個列印頭，各該列印頭包括一供料管道以及一噴嘴，該些供料管道分別連接並傳送該些基材至對應的噴嘴；以及一列印頭切換元件，連接該些列印頭，並經配置以帶動該些列印頭旋轉，以將各該列印頭旋轉至一出料定位，並使移動至該出料定位的列印頭將其所連接的該些基材之其一成型於該承載面上。
9. 如申請專利範圍第8項所述的列印頭模組，其中該列印頭切換元件具有至少一限位結構，該列印頭切換元件適於旋轉至少一固定間距後使至少一列印頭移至該出料定位。
10. 如申請專利範圍第9項所述的列印頭模組，其中該至少一限位結構包括一第一限位結構以及相對於該第一限位結構以相反旋轉方向設置的一第二限位結構，該列印頭切換元件適於旋轉 至與該第一限位結構相配的該出料定位，或該列印頭切換元件適於沿相反方向旋轉至與該第二限位結構相配的該出料定位。
11. 如申請專利範圍第8項所述的列印頭模組，其中該些特性包括顏色或材質。
12. 如申請專利範圍第8項所述的列印頭模組，其中該些列印頭呈一圓形排列。