TW201525572A - 積層製造裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係揭露一積層製造裝置，其包含：一容器，以供容置一可在曝露於輻射時聚合化之材料；一具有一建造表面之建造平台，建造平台係被安裝或可安裝以供相對於容器運動；及一可程式化輻射模組，其包含呈一陣列的可個別位址化之輻射發射或透射元件，該陣列係可組構以藉由陣列的數個元件之選擇性啟動而產生具有一預定圖案的輻射；其中可程式化輻射模組係被定位或可定位成以預定圖案來輻照與建造表面相鄰、或與建造表面上的一先前固化結構相鄰之未固化材料，而無放大。本發明亦揭露一採用該積層製造裝置之積層製造方法。

Description

積層製造裝置及方法
本發明係有關於一容許大型物體作高速列印、呈現細微解析度之積層製造的立體微影方法(stereographic method)，且有關於一用於進行該方法之裝置。
背景
一典型的立體微影積層製造裝置係涉及一輻射源及一導引構件，該構件係以特定圖案導引該輻射至一可聚合材料層上。輻射造成此材料聚合化，亦即，至少部份地固體化。一常見類型的立體微影積層製造機具係利用一雷射，而該雷射係發射位於電磁頻譜的紫外或近紫外範圍中之一準直束(collimated beam)的輻射。以此一積層製造裝備製造一三維元件之程序係可包含下列步驟：
1.使用屬光學組件的一面鏡、透鏡或總成，以根據預定圖案導引雷射束。在此類型的機具中，具有至少一面鏡或透鏡可被電性致動而移動，藉以使光學總成能夠更改雷射束的方向。
2.其中供雷射束打擊該可聚合材料層之數個點係沿著一掃瞄路徑移行，俾使欲聚合化的所有區域皆將被雷射束 照射一足以造成聚合化之夠長的時間量。
3.當一給定層的材料中之所欲區域的各者已被聚合化時，屬機械及/或電性組件的一總成能夠將此可聚合材料的新一層沉積在最後的經聚合層頂上，且重覆循環。
各層可具有一不同的預定圖案且雷射束能夠沿著可將此一圖案中之各區域聚合化的所需路徑而移行，俾可使用積層製造裝置產生不同橫剖面的三維物體。
積層製造的先前技藝立體微影方法之一主要缺點係在於其過程緩慢。雷射束必須沿著一路徑移行，以便照射材料層中欲作聚合化的所有區域。對於一具有一固定寬度及一恆定移行速度之雷射束，列印一物體所需要的時間係隨該物體的維度、及一給定層中之形貌體的密度或數目而線性地增加。一掃瞄雷射立體微影列印裝置可達成一特定的最大掃瞄速度，亦即，若可列印區域加倍，則掃瞄雷射將花費兩倍長來固化該區域層。
上述立體微影程序的一演進係在於，其中雷射束及光學總成被一數位微面鏡裝置(Digital Micromirror Device，DMD)投影裝置取代，其能夠使用可電子位址化之反射器呈現單色性影像。此種積層製造裝置提供「逐層」而非「逐點」列印的可能性，亦即高速列印。典型的系統係包含基本上為一置頂式投影器，而該投影器具有一數位微面鏡裝置(DMD)及一發射至少一些紫外光的光源。該投影器係投射一影像(例如，黑色背景上的白色，其中白色區域被至少部份為紫外線之光所照射)至一光活性樹脂層上， 俾使影像的白色區域將由於入射UV光的緣故而固化。現今，可製造具有達到1920×1080像素的解析度之DMD晶片，因此容許作很快速的逐層列印：來自一以DMD為基礎的投影系統之一圖案影像的單一曝光，係可造成可聚合材料的1920×1080(超過2百萬)小區域中之聚合化，而一以雷射為基礎的系統則將需使其雷射束端點處之單點個別地沿著一可照射2百萬點的各者之路徑來移行。
一以DMD晶片為基礎的列印方法之主要缺點係在於，可以此一裝備作列印之最大物體的維度係受限：若投射區域加大(縮放)，則將有兩缺點：
1.由於可位址化像素的數目固定在2百萬的最大值，若待列印一大型物體則所投射影像係被拉伸。為了就1公尺×2公尺的建造尺寸來縮放影像，各像素將被拉伸以佔據大約1mm×1mm，而其遠比3D列印物體解析度所可接受者更為粗糙。
2.當所投射影像被縮放以用於大型建造尺寸時，固化時間(發生聚合化所需要的曝露時間)係顯著增加。從相同來源(例如單一燈泡)發射的光必須分佈於一較大表面積上，亦即：每當建造尺寸被放大，則每單位時間入射在一給定量的光活性樹脂上之光子總數係降低。
本發明尋求克服上述缺點中的一或多者，或至少提供一有用的替代方案。
部分實施例係有關於一積層製造裝置，其包含： 一容器，以供容置一可在曝露於輻射時聚合化之材料；一具有一建造表面之建造平台，該建造平台係被安裝或可安裝以供相對於容器之運動；及一可程式化輻射模組，其包含呈一陣列的可個別位址化之輻射發射或透射元件，該陣列係可組構以藉由陣列的數個元件之選擇性啟動，而產生具有一預定圖案的輻射；其中可程式化輻射模組係被定位或可定位成以預定圖案輻照與建造表面相鄰、或與建造表面上的一先前固化結構相鄰之未固化材料，而無放大。
其他實施例係有關於一積層製造方法，其包含：以一在曝露於輻射時可聚合的材料，至少部份地充填一容器；提供一可程式化輻射模組，其包含呈一陣列的可個別位址化之輻射發射或透射元件；提供一具有一建造表面之建造平台；將建造平台相對於容器定位，俾使呈一未固化層的可聚合材料被界定於建造表面與可程式化輻射模組之間；及藉由選擇性地啟動該可程式化輻射模組之陣列中的數個元件，以具有一預定圖案的輻射來輻照未固化層的可聚合材料，而無放大，以便以預定圖案使未固化層聚合化。
可程式化輻射模組產生的經圖案化輻射係容許容器中之可聚合材料的逐層固化，因此，比起使用掃瞄雷射的先前技藝配置而言，可提供三維結構之更快且更可縮放的生成。特別是，可達成的列印速度係與層厚度及解析 度呈獨立無關。許多其他3D列印技術中的一固有問題係在於，需要達成所欲解析度與所欲列印速度之間的平衡：若一使用者需要一較細微之垂直解析度，例如兩倍薄的層，由於列印速度受限於掃瞄雷射可移動的速度，列印工作將花費兩倍大的時間。在本發明的實施例中，將層製成兩倍薄意味著各層可以小於一半長的一光脈衝被固化(因為待被固化的可聚合材料在容積上呈現為一半的數量)。該物體的整體列印工作時程因此與層厚度呈獨立無關。相同原理適用於X-Y解析度，其僅受到可位址化陣列的輻射模組之解析度(例如，以每吋的點數作測量)所控制。
對於掃瞄雷射系統的一額外優點係在於活動元件減少。由於沒有掃瞄雷射，建造桌台係為唯一被機械性致動之組件，導致較低的成本及較大的耐久性。
並且，藉由輻照未固化流體而無放大(亦即以一實質1：1的放大比值)，可以避免以DLP投射為基礎的系統之特定缺點。特別是，為了放大至較大的列印尺寸，一DLP投影器需要增大所投射面積，因此降低每單位表面積之照射強度並因此增加固化時間。
在部分實施例中，可程式化輻射模組係包含一含有陣列狀的可個別位址化之輻射透射元件的液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)，輻射透射元件在此實例中係為LCD的像素。由於LCD單元比起DLP投影器更便宜數個數量級，利用一LCD係特別有利。
較佳地，LCD係為一單色性LCD。對於列印應用 而言，紫外(Ultraviolet，UV)或真紫(True Violet，TV)範圍的光最為有效，因為各光子攜載相對大量的能量。這些光子的波長係介於從大約300至450nm之間。一彩色LCD中全部的次像素色濾器(R、G及B)係防止此等波長的大部分光予以穿過，亦即，透射經過一正常LCD之有效光子的強度係為最小。基於此理由，已經發現：利用一不具有任何色濾器的單色性LCD係提供更為縮短的固化時間(有較多具適當波長的光子被透射)。
1‧‧‧容器
2‧‧‧密封件
3‧‧‧剛性透明構件
4‧‧‧第一偏振器面板
5‧‧‧液晶顯示器(LCD)
6‧‧‧第二偏振器面板
7‧‧‧光學總成
g‧‧‧光源
9,70‧‧‧建造平台
10,60‧‧‧可程式化輻射模組
11‧‧‧透明下壁
20‧‧‧機械總成
21‧‧‧步進馬達
22‧‧‧框架
30‧‧‧薄層
32‧‧‧主動區域
40‧‧‧可聚合材料/樹脂
42‧‧‧三維物體
50‧‧‧凹盆/容器
51‧‧‧可聚合流體
52‧‧‧經列印物體
53‧‧‧鉸鏈/點
71‧‧‧下建造表面
92‧‧‧建造表面
100,500,550,600,650‧‧‧積層製造裝置
102‧‧‧側壁
200‧‧‧控制系統
201‧‧‧電腦系統
202‧‧‧模組
204‧‧‧非依電性儲存器/儲存媒體
206‧‧‧隨機存取記憶體(RAM)
208‧‧‧處理器
210‧‧‧通用序列匯流排(USB)介面
212‧‧‧網路介面連接器(NIC)
214‧‧‧顯示配接器
216‧‧‧匯流排
220‧‧‧通聯網路
224‧‧‧作業系統
240‧‧‧使用者運算系統
252‧‧‧畫面控制板
254‧‧‧內部控制板
256‧‧‧像素陣列
270‧‧‧微控制器
280‧‧‧主控制組件
282‧‧‧模型處理組件
284‧‧‧顯示控制組件
286‧‧‧機械致動組件
288‧‧‧光學控制組件
500,600‧‧‧裝置
602‧‧‧第一區/第二區/凹盆的較淺區
604‧‧‧區
652‧‧‧第一區
654‧‧‧第二區
800,900‧‧‧方法
810~890,910~990‧‧‧步驟
現在將參照附圖僅藉由非限制性範例描述本發明的實施例，其中：圖1顯示根據本發明的部分實施例之一積層製造裝置的分解橫剖視圖；圖2顯示圖1的裝置之橫剖視圖，且進一步顯示該裝置的一建造平台；圖3顯示處於使用期間之圖1及圖2的裝置，其中一三維物體的一第一層被聚合化；圖4顯示處於使用期間之圖1及圖2的裝置，其中該物體的一後續層被聚合化；圖5A、5B及5C顯示根據部分實施例之一積層製造裝置，其中一完成的模型藉由剝離而從一建造平台分離；圖5D及5E顯示根據其他實施例之一積層製造裝置，其中一完成的模型藉由剝離而從一建造平台分離；圖6A-6C顯示根據進一步實施例之一積層製造裝置，其 中一完成的模型藉由剪切而從一建造平台分離；圖6D及6E顯示根據又進一步實施例之一積層製造裝置，其中一完成的模型藉由剪切而從一建造平台分離；圖7是根據實施例之一用於一積層製造裝置之示範性控制系統的方塊圖；圖8是圖7的控制系統之軟體組件的方塊圖；圖9是根據部分實施例之一積層製造程序的流程圖；及圖10是根據其他實施例之一積層製造程序的流程圖。
實施例的詳細描述
在特定的實施例中，一積層製造裝置係包含一輻射源(諸如一發射可見光、而該可見光具有400至700nm波長的頻閃光源)，其上安裝有一液晶顯示器，例如一包含一或多個呈現擴散性質的薄片之擴散器總成，其後為兩個彼此呈直角之偏振面板，而偏振面板夾有一層液晶。液晶顯示器(LCD)總成可被覆蓋一玻璃或透明塑膠面板，及一層的透明矽酮或其他固化抑制或低摩擦材料。
上述配置係可達成超出掃瞄雷射系統之列印速度，因為一整層在單一脈衝的頻閃光下被曝光，而一掃瞄雷射則必須掃瞄待被固化之整個路徑。在目前所描述的實施例中，每層的列印速度係與各層中待被固化之形貌體(或表面積)數目呈獨立無關。不同於掃瞄雷射，在目前描述的實施例中，固化該區域內的一小形狀所耗費的光脈衝，與固化整個完整的固體層所耗費的光脈衝同樣長。LCD面板 目前可製成很大尺寸(製成在長度及寬度維度上為數公尺的級數)及日益增高的解析度(超出16百萬像素)，因此至少部分實施例的逐層列印科技比起以DMD為基礎的系統，可作更好縮放且能夠以更細微解析度來列印較大物體。
現在參照圖1，顯示根據本發明部分實施例的一積層製造裝置100之示意分解圖。積層製造裝置100包含一用於容置一可聚合材料40之容器1。容器1具有一透明下壁11、側壁102、以及一位於容器1的透明下壁11與側壁102之間的密封件2。密封件可由一在原位被固化的材料，諸如環氧樹脂形成以密封該容器，但其亦可為一諸如橡膠(例如腈(nitrile)或比通(viton))O環或墊片等固體密封件。較佳地，容器1具有四個用以界定一矩形或正方形內部區之側壁，但其當然可具有單一圓柱形側壁或其他組態。
裝置100可進一步包含一剛性透明構件3，其對於容器1提供結構性強度，但如果下壁11夠堅固則可予以省略。在剛性透明構件3底下，一液晶顯示器(LCD)5被夾於一第一偏振器面板4與一第二偏振器面板6之間。第一偏振器面板4的偏振方向係垂直於第二偏振器面板6的偏振方向。在第二偏振器面板6下方可設有一光學總成7，該光學總成可包含數個不同的光學組件而其能夠將來自一光源8的光作擴散、準直、反射或折射。典型地，光學總成7包括數個擴散及準直元件。
LCD 5、偏振器4及6、及光源8、及光學總成7係形成一可程式化輻射模組10(圖2)中的部件，該模組被附接 至容器1的透明下壁11，且可被組構以產生一經圖案化輻射束而以一所欲圖案來固化容器1中的一樹脂層。LCD 5的像素係構成可個別位址化的元件，該等元件可藉由被耦合至LCD 5(如圖7所示)之裝置100中的一控制系統而被接通或關斷。當一像素被啟動(接通)時，可容許光透射通過其中，而當其為非主動(被關斷)時，則其阻絕光。於是，LCD 5的像素係為可個別位址化的光透射器，其可藉由控制系統被程式化以生成所欲圖案的輻射，其中非主動像素係作為遮罩元件。
LCD 5較佳係為一單色性LCD。在一彩色LCD中，各像素由三或四個可個別位址化之次像素所構成，其各具有一容許位於一狹窄波長帶的光通過之色濾器。一彩色LCD中的全色性白背光係發射400至700nm之間的所有波長，且藉由選擇性容許此白光通過紅、綠及藍(R、G、B)過濾次像素而生成色彩。對於列印應用，紫外(UV)或真紫(TV)範圍中的光係最有效，因為各光子攜載相對大量的能量。對於這些光子的波長係介於從約300至450nm。一彩色LCD中的所有次像素濾器(R、G及B)係防止此種波長的光予以通過，亦即透射過一正常LCD之有效光子的強度為極小。基於此理由，已經發現：使用一不具有任何色濾器的單色性LCD係提供更為縮短的固化時間(有更多光子透射)。
在部分實施例中，輻射模組可包含呈一陣列之可個別位址化光發射器的一面板，諸如一LED或OLED顯示器。以類似於LCD 5的方式，面板可藉由控制器被程式化，俾使 選定的光發射器在任何給定時間皆為主動，藉以生成所欲圖案的輻射。在這些實施例中，輻射模組的可個別位址化元件本身係發射呈現所欲固化圖案之輻射、而非作為一用於一分離的輻射源之罩幕。LED及有機LED原則上可設計成發射任何特定波長的光(可見、UV、IR)，以匹配於可聚合流體的特定固化要求。在這些實施例中，由於當顯示器面板本身為光源時不需要「背光」，而且在分離的光源與LCD之間亦不再需要光學總成，積層製造裝置係可製成更為密實。
在圖1所示的組態中，輻射模組10被附接至容器1的下壁11及側壁102。然而，在替代性實施例中，輻射模組10可位居容器1之內，或與容器1成為一體。例如，側壁102及下壁11係可為熔接在一起以形成容器1之鋁板(其中下壁11在此實例中顯然不是透明)，且輻射模組10可隨後被放置於容器1內側。例如，一透明密封層可被放置在輻射模組10的頂部上方，以防止可聚合材料洩漏至輻射模組10中。
LCD 5的像素陣列之尺寸係可設成覆蓋住透明下壁11之實質整個表面積，俾使透明下壁11上方的整個容積身為一可列印容積。在替代性實施例中，像素陣列可覆蓋住一比起透明下壁11的表面積更小之表面積。例如，像素陣列所具有的表面積可等於或略微大於建造平台9的建造表面92的表面積，俾使建造表面92的周邊配合於像素陣列的周邊內側。
現在參照圖2，更詳細地顯示據以能夠生成多層 式物體的積層製造裝置100之機械總成。如圖2所示，裝置100係包含一具有一建造表面92之建造平台9。建造表面92係面朝容器1的下壁11。建造平台9係懸設於輻射模組10及下壁11上方之容器1內側。
藉由一機械總成20及一精密步進馬達21，而該機械總成20可包含滾珠螺桿、導螺桿、皮帶驅動機構、一鏈條與鏈輪機構或其一組合，建造平台9係能夠在下壁11上方、相對於容器1來垂直地往上及往下移動或製成可移動。在一較佳實施例中，運動機構係包含螺紋桿及步進馬達21，其被裝置100的一控制系統200之一微控制器270(圖7)所驅動，且其可在建造平台9的垂直位置中提供5μm精密度。經組合的機械總成20及步進馬達21被固定在一框架22上或連接至框架22，該框架22被支撐在側壁102上。框架22提供剛性支撐及對於建造平台9的垂直位置之一參考點。亦可透過導螺桿或皮帶間距與步進馬達的解析度(每完整迴轉的階步數)之適當選擇，而達成較大精密度(達到約1μm)。
圖3及4顯示一用於一三維物體42之示範性建造程序。在圖3中，容器1被部份地充填一可聚合材料40，諸如一可聚合樹脂。接著，建造平台利用步進馬達21在容器1內被往上移動，以致動機械總成20，以界定建造平台的下表面92與容器1的透明下壁11之間之可聚合材料的一薄層30。層30具有一根據沿著z軸線的所欲解析度的所選厚度。一旦未固化材料層30已被界定，輻射模組10以一預定圖案(如上述)經過容器1的透明下壁11來輻照層30，藉以利 用該預定圖案選擇性地聚合化可聚合材料之薄層30的所欲區域。
透明下壁11可具有一固化抑制或非黏塗覆物，俾使經聚合材料不與其黏著。特別是，塗覆物可經選擇而使透明下壁11與經聚合材料之間的摩擦及/或黏著，係小於建造表面92與經聚合材料之間的摩擦及/或黏著。於是，當步進馬達21致動該總成20而將建造平台9往上移動以供物體42的下一層作固化時，經聚合材料將傾向於隨建造平台9移動，而非由於黏著至下壁11被拉離。
在部分實施例中，一矽酮層可設置於透明下壁11上。經列印物體42的經固化部分將傾向於黏著至建造平台(由於建造平台較佳由鋁、丙烯酸酯、聚碳酸酯或供經固化材料良好地黏著的其他塑膠製成)，同時材料並不黏著至矽酮薄片。較佳採用一矽酮薄片，原因在於其為透明且不可消耗。非黏塗覆物較佳製成盡可能地薄，原由是LCD(罩幕)與待固化材料(樹脂/聚合物/黏劑)之間的一較薄層意味著從LCD透射的光在抵達樹脂/聚合物/黏劑之前具有較小發散，因此導致更接近LCD(罩幕)解析度之物理列印解析度。
在其他實施例中，可使用包括諸如密西根州的Chem-Trend LP的CHEMLEASE(註冊商標)等脫模劑之液體塗覆物，或諸如聚胺基甲酸酯、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylene，FEP)或乳膠等固體薄片或塗覆物，只要該材料對於作為固化引發劑之光的波長為透 明、且可製成夠薄以防止液晶顯示器解析度與物理列印解析度之間產生實質解析度損失即可。FEP係為特佳，原因是其對大部分固化波長傾向於比PTFE更透明。
若使用一塗覆物，應選擇成使得輻射模組10的一像素所生成的光束，在該光束通過塗覆物而經歷折射時具有最小的發散。特別是，在抵達待固化的可聚合材料層之點處，光束應覆蓋一比像素表面積的四倍更小之區域(例如對於一具有測量得50×50微米的像素之LCD，通過該像素之光在抵達該層時不應大於100×100微米)。若其稍稍更大些，則將與鄰近像素所生成之光束產生重疊達25微米以上，亦即大於進入鄰近像素內之一半，俾使鄰近像素不再可解析。較佳地，(數個)塗覆物導致在固化層處的像素光束所具有之表面積，係不大於LCD像素表面積的1.2倍。此點可藉由將塗覆物製成很薄、且在光通過LCD之前予以準直來達成，俾使移行經過LCD像素的光束較不具發散性。例如，若使用一PTFE或FEP薄片作為塗覆物，其可具有約70μm的厚度。亦可使用50μm以下的厚度。典型地，小於或等於像素至像素距離(LCD的解析度)之塗覆物厚度係為所欲。
如上文就圖3所討論者，在一層的聚合化完成之後，機械總成20被精密步進馬達21所致動，俾使建造平台9相對於框架22上的一參考點被往上升高一小量(等於所欲的層厚度)，故在最後的經聚合層、與容器的透明下壁11頂表面之間生成一空隙。在重力下流入該空隙中的周遭可聚合材料會快速地充填此空隙，俾使此材料之新的一薄層存 在於最後經聚合層的底表面、與容器1的透明下壁11頂表面之間。此新的可聚合材料層係從下方被輻射模組10輻照，藉以利用一圖案、而該圖案係由LCD 5的主動區域32(亦即，由於該區域中的像素為主動而未受遮罩的一區域)所界定，來選擇性地使一所欲區域作聚合化，如圖4所示。隨著樹脂40被消耗，可添加新鮮的樹脂以補充容器1。對於各後續層重覆此程序、且容許所欲區域32具有任何形狀或數目之形體，可容許此積層製造裝備生成一三維物體，而該三維物體在容器1的邊界、及機械總成20所准許的建造平台9動作範圍之內，具有任何形狀、維度或複雜度。
在部分實施例中，裝置100係可組構成俾使建造表面位於建造平台9的上表面、而非下表面之上。在這些實施例中，可程式化輻射模組10被定位於容器1的頂部。在一建造程序期間，建造平台9係起始自於容器1中的流體位準頂部處之建造表面，並在容器1內下降以界定未固化材料的一薄層，其隨後如前述方式以一所欲圖案被輻射模組10固化。建造平台9在容器1內以所欲層厚度的階步作漸進地下降，其中各層以各別之所欲層圖案被固化。這些替代性實施例的裝置係在構造上很類似於圖1至4所示的裝置100，差異在於：使用時，容器1需被充填可聚合材料至少直到最終物體42的高度。由於這些配置中的建造表面可與容器1的頂表面及輻射模組10分隔，頂表面上可不需要一非黏塗覆物。
在圖1至4的裝置100中，如上述，透明下壁11可 具有一固化抑制或非黏塗覆物，故當一層被固化時，建造平台9可簡單地被往上移動藉以使經固化層從透明下壁11分離，以便能夠固化下一層。若未提供一非黏層，可採用使最新近之固化層自容器或輻射模組分離之替代性機構，如圖5A至5E及圖6A至6E所示者。
在圖5A中，一積層製造裝置500係包含一凹盆50形式的一容器，其容置一可聚合流體51。一具有一下建造表面71之建造平台70沉浸在凹盆50內側。建造平台70可藉由一機構相對於凹盆50垂直地移動，該機構係類似於上述者但差異在於：機械總成20及步進馬達21可安裝至一與凹盆50分離之支撐框架。可聚合流體51的一薄層被界定於建造表面71與一可程式化輻射模組60的接觸表面之間，該輻射模組能夠發射具適當波長之經圖案化的光以引發流體51的聚合化(固化)。例如，輻射模組60可實質地與上述輻射模組10相同。
凹盆50可繞點53樞轉。在流體51之一層已被固化以形成一經列印物體52的部份之後，凹盆50繞點53樞轉，如圖5B所示，藉以使新近之固化層自輻射模組60的面「剝離」。若輻射模組60與凹盆50分開，對於具有一透明下壁(如上述)之凹盆50，凹盆50的樞轉運動係用來使新近之固化層自凹盆的透明內部底面剝離。在部分實施例中，並非凹盆50可樞轉，而是建造平台70係可繞其支撐件樞轉。
如圖5C所示，使用裝置500列印一給定物體52所需要之可聚合流體51的量係相對地小，原因在於當輻射模 組60安裝在凹盆下方而往上輻照時，固化程序總是發生於凹盆50底部。隨著可聚合流體51在一列印操作期間被消耗，額外流體可添加至容器50，例如，藉由使該流體泵送至容器50內。可使用一位準感測器(未顯示)將需要額外流體的回饋信號提供至裝置500的控制系統200(圖7)，且控制系統200經由微控制器270可隨後致動一泵(未顯示)以將一所欲容積的流體泵送至容器50中。
在圖5D的配置中，一替代性積層製造裝置係包含一容置可聚合流體51之凹盆50，可聚合流體51的一薄層被界定於最後的經聚合層與輻射模組60的接觸表面之間，輻射模組60被部份地浸入可聚合流體51中且從上方輻照可聚合流體薄層。在一給定流體層被聚合之後，輻射模組60可繞點54樞轉藉以使最後的經聚合層自輻射模組的接觸表面「剝離」。至於圖5A至5C的配置，並非凹盆50可樞轉，而是建造平台70可繞其支撐件作樞轉。
在圖5D及圖5E的配置中，經列印物體係被定位於建造平台70的建造表面71頂上，俾使經列印物體52的重量輔助(而非抵消)最後的經固化層自輻射模組60接觸表面之分離(剝離)。
現在參照圖6A至6C，顯示一積層製造裝置600的另一範例，其具有一相較於圖5A至5C的凹盆50呈現增大寬度之凹盆50。凹盆50具有一第一區602，輻射總成60被定位於第一區602下方藉以將流體51的薄層接續地聚合化，藉以積造一物體52。凹盆50亦具有一第二區602，其具有比第一 區602更大的深度。
裝置600包含一能夠垂直且能夠水平地移動之建造平台70。在流體51的一層已經藉由在第一區602中從下方輻照而被聚合之後，建造平台70側向地移動至凹盆50中比第一區602具有更大深度的區604。替代性地，建造平台70可保持靜態，同時凹盆50及輻射模組60則側向地移動(例如，在一供凹盆50及輻射模組作耦合之平移階台上)直到區604被直接地定位於建造平台70底下。此機構係利用「新近的經聚合層與輻射模組60的接觸表面之間的黏著力主要是垂直力」之事實，亦即，藉由使經列印物體52側向地滑離接觸表面並進入凹盆50的較深區604中，而遭遇了相當小的摩擦。
一旦平台70及經列印物體52已經抵達較深的端604，垂直黏著力不再出現且建造平台70能夠往上移動達一所欲距離。此後，平台可(側向地)移回至凹盆的較淺區602，而再度界定可聚合流體在最後的經聚合層與輻射模組60的接觸表面之間的一薄層，俾使此新的一層可被聚合。
如圖6C所示，列印一給定物體52所需要之可聚合流體51的量係相對地小，原因在於當輻射模組60安裝在凹盆下方而往上輻照時，固化程序總是發生於凹盆50底部。於是，可列印比起凹盆50具有實質更大高度之物體52。在使用裝置600之控制系統200的一位準感測器的回饋控制下，額外流體51可藉由一泵而被泵送至容器50中，如先前所描述者。
現在參照圖6D及6E，在一積層製造裝置650的又另一實施例中，一容置可聚合流體51之凹盆50係具有一第一區652，及一配置於第一區652旁邊之第二區654，而第二區654比第一區652更淺。裝置650包含一能夠作垂直動作之建造平台70，及一能夠作側向(滑動)動作之輻射模組60。輻射模組60在第一區652中從上方輻照可聚合流體51，以在建造平台70的上建造表面71上逐層地生成一物體52。可聚合流體51的一薄層係被界定於先前的經聚合層與輻射模組60的接觸表面之間。在此層藉由從上方輻照而被固化之後，輻射模組60可側向地移動至較淺的區654(圖6E)，其後，建造平台70可往下移動至凹盆50中達一對應於所欲層厚度之所欲距離。當輻射模組60滑動回到其原始位置652時，未聚合流體之新的一層被界定於其底接觸表面、與最後的經聚合層的頂部之間。
輻射模組10或輻射模組60的輻射源可為任何適合固化可聚合材料40或51之輻射源，諸如，可見光、UV光或紅外光、或其他光化性輻射、諸如X射線。例如，輻射源可具有任何適當維度，並具有任何數目的光學組件，以將其準直或導引於LCD面板5的至少一區域。輻射源可為可移式或靜態。
在特定實施例中，輻射源係為一可見光(400至700nm)源。部分實施例包含一白色LED頻閃燈作為輻射源，原因是這些燈在460至550nm處具有峰值強度。這是因為白光就本身而論無法被生成；取而代之，LED產生藍光(460nm) 且一磷內部塗覆物部分地予以吸收並發射綠色(550nm)，俾使經組合的發射物對於人眼就像白光。此光源適合於可見光可聚合材料。在其他實施例中，輻射源可在300至450nm範圍中發射。
在部分實施例中，可使用紫外光作為一輻射源。有利地，UV光子攜載比可見光子更高的能量，並且可取得許多種會在UV光中固化之聚合物。若使用UV光作為輻射源，則因為液晶可能在曝露於紫外光時惡化，而可能需使用LCD以外的一動態罩幕產生器。替代性動態罩幕產生器係可包含電濕潤顯示器、透射性電泳顯示器、及連續產生物理罩幕的列印器(例如，透明片的連續(色帶)雷射或噴墨列印)。
圖7中顯示上述積層製造裝置的一控制系統200之一範例。控制系統200可包括一包含標準電腦組件之電腦系統201，該等組件包括非依電性儲存器(諸如一硬碟機或固態碟)204、隨機存取記憶體(Random Access Memory，RAM)206、至少一處理器208、及外部介面210、212、214、218，且皆被一匯流排216互連。外部介面係包括通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB)介面210，及一網路介面連接器(Network Interface Connector，NIC)212，NIC 212將系統201連接至一通聯網路220諸如網際網路，一使用者電腦系統240可經由網際網路而通聯於控制系統200以容許使用者與裝置100互動。使用者電腦系統240可為一標準桌上型或膝上型電腦系統，諸如一以英代爾(Intel)IA-32為基 礎的電腦系統，或一行動運算裝置諸如一智慧型電話或平板電腦。控制系統100可經由NIC 212，或從一被連接至USB介面210中的一者、或被連接至一諸如安全數位(Secure Digital，SD)介面(未顯示)等替代性介面的儲存器裝置，來接收輸入資料。
在部分實施例中，使用者可藉由一顯示器、鍵盤及滑鼠或經由介面210中的一者所連接之其他輸入/輸出裝置、以及一額外的顯示配接器(未顯示)而直接與電腦系統201互動。在替代性實施例中，電腦系統可包含一觸控螢幕輸入/輸出裝置而其藉由，例如，一顯示配接器(未圖示)連接至匯流排216。在這些實施例中，可能不需要使用者電腦系統240。一3D模型檔案可藉由經由外部介面210所連接的網路連接220、SD卡、或USB儲存器，而被載入至電腦系統201上，且使用者可隨後經由例如電腦系統201的觸控螢幕介面，在積層製造裝置上直接地控制切片程序(slicing process)。
系統201亦包括一顯示配接器214，其用來通聯於LCD 5。顯示配接器214可例如為一高解析多媒體介面(High-Definition Mutimedia Interface，HDMI)，視訊圖形陣列(Video Graphics Array，VGA)或數位視覺介面(Digital Visual Interface，DVI)。
儲存媒體204上可儲存有一數量的標準軟體模組，其包括一作業系統224諸如Linux或微軟視窗(Microsoft Windows)，以及一或多個模組202，其包含造成至少一處理 器208進行不同操作的指令，該等指令包括：經由USB介面210及/或網路介面212接收有關一3D模型(代表待建造物體)的輸入資料；處理輸入資料以產生一序列的層圖案；及經由顯示配接器214將層圖案接續地傳輸至LCD 5(或替代性地另一類型的動態罩幕產生器，或一LED，或OLED顯示器)；以及，信令一微控制器270以致動積層製造裝置的機械性、電性及/或光學性組件。在部分實施例中，3D模型資料可以STL、STEP或另一3D向量檔案格式提供，並儲存於儲存媒體204上以供由(數個)模組202處理。在其他實施例中，輸入的3D模型資料係可從使用者運算系統240或經由通聯網路220的其他地方被逐層接收，並儲存於RAM 206中抑或儲存媒體204上以供由模組202處理。
系統201所執行的程序係以程式化指令的形式被實行，而屬於一或多個軟體模組或組件202的該等指令係儲存在與電腦系統201相聯結的儲存媒體204上，如圖7所示者。然而，將顯然得知：可部份地或整體地替代性實行該等程序，例如以諸如特殊應用積體電路(Application-Specific Integrated Circuits，ASICs)等一或多個專用硬體組件的形式、及/或用於可組構硬體組件諸如場可程式化閘陣列(Field Programmable Gate Arrays，FPGAs)之組態資料的形式予以實行。
在一範例中，如圖8所示，軟體組件202係包含一主控制組件280，其係協調處於控制系統200控制下之一積層製造程序的整體流程。主控制組件280係通聯於一機械致 動組件286，其產生控制信號以經由微控制器270驅動諸如泵及馬達等積層製造裝置的機械組件。主控制組件280亦通聯於光學控制組件288，其產生控制信號以(經由微控制器270)接通或切斷輻射總成10或60的輻射源，並控制輻照的時程及強度。
主控制組件280係可接受使用者輸入資料，諸如3D模型資料，及建造數個參數，諸如物體相對於建造表面的定位與定向、在相同批次列印中之多重物體的配置、及所欲的列印層厚度(其決定需產生多少切片等)。輸入資料可隨後傳遞至模型處理組件282，其根據建造參數將3D模型資料「切片」以產生一系列的二維影像檔案，其可儲存在，例如，儲存媒體204上。模型處理組件可包含任何已知的切片軟體模組，諸如GnexLab，EnvisionLab Creation Workshop，Slic3r或FreeSteel。一旦切片參數已由模型處理組件282進行，數個輸出切片係由主控制組件280傳遞至顯示控制組件284，其組構以將控制信號傳送至LCD 5以根據對應於顯示控制組件284所傳輸的一影像切片之圖案，來接通及切斷像素陣列256的個別像素。
在一列印操作期間，切片(影像檔案)係由顯示控制組件284(經過顯示配接器214)傳輸至LCD 5的一畫面控制板(scalar board)252。畫面控制板係為一種標準且廣泛用來與顯示器構成介面之方法。典型地，畫面控制板係被嵌入成為市售LCD監視器或電視機內部之電子總成的部件。畫面控制板252將一影像或視訊從數位信號(HDMI或DVI) 或類比信號(VGA)轉換成可由LCD 5的一內部控制板254所詮釋之低壓差信號(Low Voltage Differential Signals，LVDS)。內部控制板254根據從顯示控制組件284接收的輸入影像，來接通及切斷像素陣列256的像素。
在列印期間，電腦系統201亦經由一USB或序列介面(諸如一RS-232介面)而與一微控制器270構成介面，該微控制器270係能夠驅動積層製造裝置的所有其他致動器。例如，微控制器270係可驅動步進馬達21、輻射模組10或60的光源、用來將額外的可聚合媒體40或51泵送至容器1或50中的一或多個泵(未顯示)、用來驅動容器50及/或建造平台70及/或輻射模組60之動作的線性或旋轉動作致動器、等等。微控制器270亦可讀取來自不同感測器的輸入，諸如一用於容器中的可聚合材料之位準感測器、一建造平台高度感測器、用於容器50及/或建造平台70及/或輻射模組60的(數個)側向滑動移行端部停止感測器、垂直端部停止感測器、溫度感測器、一用於支撐件22的掀閉式感測器、等等。
在各層(切片影像檔案)從顯示控制組件284被傳送到畫面控制板252且因此投射於顯示器5上達所需的固化時間(其可以建造參數中的一者，及/或依照光源的強度及發射頻譜、及可聚合媒體的本質被決定)之後，主控制組件280係可以適當擇時及定序來指示機械致動組件286及光學控制組件288將信號送到微控制器270，微控制器270可予以詮釋並以所欲順序來驅動不同的馬達、泵及光源。
圖9中描繪可利用圖5A至5C的積層製造裝置500 或圖5D及5E的積層製造裝置550實行之一示範性積層製造方法。在步驟810，機械致動組件286將一信號傳送到微控制器270以將建造平台70移動至其起始位置。若需要，在步驟820，輻射總成60(再度經由機械致動組件286)被移動至一起始位置，俾使可聚合材料的一薄層被界定於建造平台70的建造表面與輻射總成60之間。
在步驟830，輻射總成60的輻射源藉由光學組件288被接通，且LCD 5的像素陣列256係如上文討論般，藉由顯示控制組件284、並根據對應於待建造物體的一第一影像切片之一所欲圖案而受到控制。在輻射總成60包含一LED像素陣列之實施例中，則由於顯示控制組件284可簡單地直接從LED像素投射所欲的圖案，輻射源不需被分開地接通。由於經圖案化的輻射之緣故，可聚合材料之薄層係在曝露於輻射之區域中作聚合化(步驟840)。
一旦薄層以所欲方式被固化，像素陣列256及/或輻射源係藉由顯示控制組件284及/或光學組件288被切斷(步驟850)。接著，在步驟860，輻射總成60及/或組件50可相對於建造平台70繞鉸鏈53樞轉(或反之亦然)，藉以從位於容器50表面、或輻射總成60表面處之一接觸表面來釋放經固化層。
為了定位裝置500或550以聚合化物體的下一層，在步驟870，機械致動組件286經由微控制器270將一控制信號傳送至建造平台70的一致動器、或輻射總成60的一致動器，藉以使建造平台70相對於輻射總成60垂直地移動達一 等於所欲層厚度的量。這造成可聚合材料之新的一薄層充填先前經固化層與輻射總成60之間所留的一空隙。對於待建造物體的各層則重覆步驟820至880。最終，在步驟890，機械致動組件286可將一信號傳送到建造平台70的致動器，藉以將建造平台70移動至一位置，而在該位置中一使用者可容易地從建造表面移除完成的物體。
圖10中顯示一積層製造方法的一替代性實施例，其可藉由，例如，圖6A至6C的積層製造裝置600或圖6D及6E的積層製造裝置650所實行。
方法900在許多方面類似於方法800。在步驟910，機械致動組件286將一信號傳送到微控制器270以將建造平台70移動至其起始位置。若需要，在步驟920，輻射總成60(再度經由機械致動組件286)被移動至一起始位置，俾使可聚合材料的一薄層被界定於建造平台70的建造表面與輻射總成60之間。
在步驟930，輻射總成60的輻射源藉由光學組件288被接通，且LCD 5的像素陣列256係如上文討論般，藉由顯示控制組件284、並根據對應於待建造物體的一第一影像切片之一所欲圖案而受到控制。在輻射總成60包含一LED像素陣列之實施例中，則由於顯示控制組件284可簡單地直接從LED像素投射所欲的圖案，輻射源不需被分開地接通。由於經圖案化的輻射之緣故，可聚合材料之薄層係在曝露於輻射之區域中作聚合化(步驟940)。
一旦薄層以所欲方式被固化，像素陣列256及/或 輻射源係藉由顯示控制組件284及/或光學組件288被切斷(步驟950)。
接著，在步驟960，機械致動組件286傳送一致動信號，以使輻射總成60及/或容器50相對於建造平台70側向地移動(或反之亦然)，藉以如前述方式般藉由一剪切動作，而從位於容器50表面、或輻射總成60表面處之一接觸表面來釋放經固化層。
為了定位裝置500或550以聚合化物體的下一層，在步驟970，機械致動組件286經由微控制器270將一控制信號傳送至建造平台70的一致動器、或輻射總成60的一致動器，藉以使建造平台70相對於輻射總成60垂直地移動達一等於所欲層厚度的量。這造成可聚合材料之新的一薄層充填先前經固化層與輻射總成60之間所留的一空隙。對於待建造物體的各層則重覆步驟920至980。最終，在步驟990，機械致動組件286可將一信號傳送到建造平台70的致動器，藉以將建造平台70移動至一位置，而在該位置中一使用者可容易地從建造表面移除完成的物體。
雖然已經描述及顯示特定實施例，一般熟悉該技藝者將瞭解：上述實施例的特徵可能作不同修改及組合而不脫離如申請專利範圍中所界定之本發明的範圍。
1‧‧‧容器
2‧‧‧密封件
3‧‧‧剛性透明構件
4‧‧‧第一偏振器面板
5‧‧‧液晶顯示器(LCD)
6‧‧‧第二偏振器面板
7‧‧‧光學總成
8‧‧‧光源
11‧‧‧透明下壁
100‧‧‧積層製造裝置
102‧‧‧側壁

Claims (24)

  1. 一種積層製造裝置，其包含：一容器，以供容置一可在曝露於輻射時聚合化之材料；一具有一建造表面之建造平台，該建造平台係被安裝或可安裝以供相對於該容器之運動；及一可程式化輻射模組，其包含呈一陣列的可個別位址化之輻射發射或透射元件，該陣列係可組構以藉由該陣列的數個元件之選擇性啟動而產生具有一預定圖案的輻射；其中該可程式化輻射模組係被定位或可定位成以該預定圖案來輻照與該建造表面相鄰、或與該建造表面上的一先前固化結構相鄰之未固化材料，而無放大。
  2. 如請求項1之積層製造裝置，其中該容器具有一透明下壁，該建造表面係面朝該透明下壁，且其中該輻射模組被定位以經過該透明下壁往上輻照。
  3. 如請求項1或2之積層製造裝置，其中該輻射模組係附接至該容器或與該容器為一體。
  4. 如請求項1至3中任一項之積層製造裝置，其中該輻射模組係包含一含有該可電子位址化陣列之動態罩幕組件，及一用於經過該動態罩幕組件作輻照之輻射源。
  5. 如請求項4之積層製造裝置，其中該動態罩幕組件係附接至該容器或與該容器為一體。
  6. 如請求項4或5之積層製造裝置，其中該動態罩幕組件係包含一液晶顯示器(LCD)。
  7. 如請求項6之積層製造裝置，其中該LCD係為一單色性LCD。
  8. 如請求項1至3中任一項之積層製造裝置，其中該輻射模組係包含一LED陣列或OLED陣列。
  9. 如請求項1至8中任一項之積層製造裝置，其中該容器係包含一在該輻射模組與該建造平台之間的非黏層或聚合抑制層。
  10. 如請求項9之積層製造裝置，其中該非黏層係由一以矽酮為基礎的材料形成。
  11. 如請求項1至10中任一項之積層製造裝置，其包含一樞轉機構，以供容許該容器一方面與/或該輻射模組、且在另一方面與該建造平台之間的相對旋轉。
  12. 如請求項1至10中任一項之積層製造裝置，其中該容器係包含一固化區以及一與該固化區相鄰之分離區，該輻射模組被定位或可定位為與該固化區相鄰，該分離區具有一不同於該固化區者之深度；且其中該裝置包含一線性平移機構，以供改變該建造平台與該輻射模組的相對位置，俾使該建造平台或該輻射模組可從該固化區移動至該分離區。
  13. 一種積層製造方法，其包含：以一在曝露於輻射時可聚合的材料，至少部份地充填一容器； 提供一可程式化輻射模組，其包含呈一陣列的可個別位址化之輻射發射或透射元件；提供一具有一建造表面之建造平台；將該建造平台相對於該容器定位，俾使呈一未固化層的可聚合材料被界定於該建造表面與該可程式化輻射模組之間；及藉由選擇性地啟動該可程式化輻射模組之陣列中的數個元件，以具有一預定圖案的輻射來輻照該未固化層的可聚合材料，而無放大，以便以該預定圖案使該未固化層聚合化。
  14. 如請求項13之積層製造方法，其中該容器具有一透明下壁，該建造表面係面朝該透明下壁，且其中該方法包含：經過該透明下壁往上輻照該未固化層。
  15. 如請求項13或14之積層製造方法，其中該輻射模組係附接至該容器或與該容器為一體。
  16. 如請求項13至14中任一項之積層製造方法，其中該輻射模組係包含一含有該可電子位址化陣列之動態罩幕組件，及一用於經過該動態罩幕組件作輻照之輻射源。
  17. 如請求項16之積層製造方法，其中該動態罩幕組件係附接至該容器或與該容器為一體。
  18. 如請求項16或17之積層製造方法，其中該動態罩幕組件係包含一液晶顯示器(LCD)。
  19. 如請求項18之積層製造方法，其中該LCD係為一單色性LCD。
  20. 如請求項13至15中任一項之積層製造方法，其中該輻射模組係包含一LED陣列或OLED陣列。
  21. 如請求項13至20中任一項之積層製造方法，其中該容器係包含一在該輻射模組與該建造平台之間的非黏層或聚合抑制層。
  22. 如請求項21之積層製造方法，其中該非黏層係由一以矽酮為基礎的材料形成。
  23. 如請求項13至22中任一項之積層製造方法，其包含：藉由將該容器及/或該輻射模組相對於該建造平台樞轉，或反之亦然，而使經聚合層從一接觸表面釋放。
  24. 如請求項13至22中任一項之積層製造方法，其包含：藉由將該容器及/或該輻射模組相對於該建造平台水平地平移，或反之亦然，而使經聚合層從一接觸表面釋放。
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