TW201603991A - 具有多容置筒的旋轉列印頭模組 - Google Patents

Abstract

一種列印頭模組包含支架、多個容置筒、第一活塞、樞軸和控制單元。支架包含多個通孔。容置筒相互同軸地對齊排列，每一個容置筒包括抵靠部，且含有塑形材料和用於擠出塑形材料的噴嘴。當容置筒位於列印位置時，抵靠部抵靠在支架上。第一活塞經組態以沿著容置筒的延伸軸滑動，且驅動所述容置筒移向列印位置。樞軸連接到支架且用於將容置筒旋轉到工作位置。控制單元耦接到樞軸和第一活塞，以控制第一活塞和支架的旋轉。

Description

具有多容置筒的旋轉列印頭模組

本發明是有關於一種列印頭模組，且特別是有關於一種具有多個容置筒(cartridge)的旋轉列印頭裝置。

隨著電腦輔助製造(computer-aided manufacturing,CAM)的進步，三維(3-D)列印技術已開發並使用於工業製造上，進而根據原始的設計概念快速地製造產品。事實上，三維列印是一系列設計概念快速成型(rapid prototyping,RP)技術的總稱，且其基本原理和概念是層壓式製造，其中快速成型機用於藉由掃描而在X-Y平面中形成工件的橫截面形狀，在Z座標上以單層厚度為單位間隙性地上疊，且最終形成三維物體。三維列印技術可無限制地適用於各種幾何形狀上，且RP技術對於複雜的部件而言，尤其能產生優異的輸出產品，而明顯地節省了工作和製程時間。因此，數位三維列印技術能夠根據最短的時間要求呈現藉由電腦輔助設計(computer-aided design,CAD)軟體設計的數位三維模型的物體，以讓用戶觸摸並實際感覺模型的幾何結構，乃至對模型進行一些可能的功能測試。

然而，在目前的三維列印裝置中，三維列印裝置的容置筒常需要 頻繁地替換，以再次填充塑形材料，或替換為具有不同塑形材料的不同容置筒。因此，目前的三維列印過程常需要中斷以進行容置筒或整個列印頭的替換。此外，前述容置筒替換過程耗時且耗力，這大幅降低目前三維列印製程的效益，進而阻礙了三維列印在大規模生產製造上的應用發展。

本發明提供一種列印頭模組，其中列印頭模組包括交替地使用於三維列印過程中的多個旋轉容置筒。

本發明的一種列印頭模組，經組態以在基座的承載表面上以塑形材料逐層地形成三維(3-D)物體。列印頭模組包含支架、多個容置筒、第一活塞、樞軸和控制單元。支架包含多個通孔。容置筒相互同軸地對齊排列。容置筒包含抵靠部，且含有塑形材料和用於從容置筒擠出塑形材料的噴嘴。每一個容置筒中可移動地設置在所述對應的通孔中且用於在初始位置與列印位置之間移動。當所述容置筒位於列印位置時，抵靠部抵靠在所述支架上。第一活塞經組態以沿著容置筒的延伸軸方向滑動，且驅動進行列印的容置筒從初始位置移向列印位置。樞軸連接到支架，且用於將其中一個容置筒旋轉至對齊第一活塞，以噴塗塑形材料的工作位置。控制單元耦接到樞軸以控制支架的旋轉，且耦接到第一活塞以控制第一活塞，以驅動旋轉到工作位置的容置筒從初始位置移至列印位置，其中基座與旋轉到工作位置進行列印的容置筒的噴嘴之間的距離小於基座與其餘的容置筒的噴嘴之間的距離。

基於上述，本發明的列印頭模組利用可旋轉的多個容置筒，以同 時提供較多的塑形材料容置空間。以這種方式，可在不受干擾的情形下，以單一製程執行較多類型或顏色材料的列印。此外，在三維列印的過程中，將旋轉到工作位置的列印容置筒從初始位置推到列印位置，其中基座與旋轉到工作位置的容置筒的噴嘴之間的距離小於基座與其餘的備用列印容置筒的噴嘴之間的距離。因此，未位於工作位置的其餘的容置筒位於初始位置，以在三維列印過程中，防止其餘的容置筒妨礙並污染基座上的三維物體。因此，可大幅提高列印頭模組的效益，且減少時間和人力的消耗。

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。

30‧‧‧塑形材料

100‧‧‧列印頭模組

110‧‧‧支架

112‧‧‧通孔

114‧‧‧對準器座架

115‧‧‧對準器彈簧

116‧‧‧支撐架

117‧‧‧定心元件

118‧‧‧上推彈簧

119‧‧‧彈簧帽

120‧‧‧容置筒

124‧‧‧噴嘴

126‧‧‧抵靠部

130‧‧‧樞軸

140‧‧‧線性馬達

145‧‧‧控制單元

150‧‧‧驅動馬達

160‧‧‧驅動輪

162‧‧‧減速輪

170‧‧‧墊圈

180‧‧‧第一活塞

182‧‧‧第二活塞

190‧‧‧第一檢測單元

192‧‧‧第二檢測單元

195‧‧‧滑軌

200‧‧‧基座

A1‧‧‧延伸軸

D1、D2‧‧‧距離

G1‧‧‧間隙

h1‧‧‧第一位置

h2‧‧‧第二位置

L1‧‧‧工作位置

P1‧‧‧初始位置

P2‧‧‧列印位置

圖1為根據本發明的一示範性實施例的列印頭模組的示意圖。

圖2說明根據本發明一示範性實施例的其中一個容置筒移到列印位置的情形。

圖3為根據本發明一示範性實施例的圖2的列印頭模組的透視圖。

圖4為圖3列印位置中的列印容置筒的部分透視圖。

圖5A為根據本發明一示範性實施例的列印頭模組的示意圖。

圖5B為沿著圖5A的線A-A'截取的部分橫截面圖。

圖6A為根據本發明一示範性實施例的列印頭模組的部分示意圖。

圖6B為沿著圖6A的線B-B'截取的橫截面圖。

圖7為根據本發明另一示範性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為根據本發明一示範性實施例的列印頭模組的示意圖。參看圖1，在本實施例中，列印頭模組100為適用於根據數位三維(3-D)模型資訊而在基座200上列印三維物體的三維列印裝置。三維列印裝置可包含列印頭模組100和基座200。在本實施例中，三維列印裝置經組態以讀取數位三維模型資訊。其中，數位三維模型資訊可為數位三維圖像檔，所述數位三維圖像檔是由電腦主機使用(例如)電腦輔助設計(CAD)或動畫造型軟體來建立的。

此外，列印頭模組100可移動地設置在基座200上方，且經組態以沿著滑軌前後滑動，且基座200也可相對於列印頭模組100移動。三維列印裝置經組態以讀取並處理三維模型的數位資訊，且控制列印頭模組100相對於基座200的移動。因此，列印頭模組100可根據三維模型的數位資訊而沿著滑軌移動，且列印頭模組100經組態以在移動期間在基座200上逐層地噴塗塑形材料30(展示在圖4中)，進而形成多個層壓材料(laminated material)層。層壓材料層相互堆疊以形成三維物體。

圖2說明根據本發明一示範性實施例的其中一個容置筒移到列印 位置的情形。請參考圖1和圖2，列印頭模組包含支架110、多個容置筒120、樞軸130、第一活塞180和控制單元145。列印頭模組100還包含支撐件116。支撐件116連接到上述的滑軌。支架110可包含對應於容置筒120的多個通孔112，以及對準器座架114。每一個容置筒120可包含抵靠部126，且含有塑形材料30和用於擠出塑形材料30的噴嘴124。每一容置筒120可移動地設置在對應的通孔112中，且可於初始位置P1與列印位置P2之間移動，當容置筒120位於列印位置P2時，抵靠部126抵靠在支架110上。此外，在初始位置P1與列印位置P2之間存在間隙G1。第一活塞180經組態以沿著列印容置筒120的延伸軸A1的方向滑動，且驅動進行列印的容置筒120從初始位置P1移向列印位置P2。樞軸130連接到支架110，且用於將進行列印的容置筒120旋轉到與第一活塞180對齊，以噴塗塑形材料30的位置。如圖2所示，控制單元145耦接到第一活塞180和樞軸130，以控制支架110的旋轉，並且控制第一活塞180來驅動旋轉到前述位置的容置筒120從初始位置P1移向列印位置P2，以使得基座200與旋轉到前述位置進行列印的容置筒120的噴嘴124之間的距離D1小於基座200與其餘的容置筒120的噴嘴124之間的距離D2。

圖3為圖2的示範性實施例的的容置筒的透視圖。參看圖2和圖3，支架110可包含用於將容置筒120可拆卸地固持且鎖定在通孔112中的多個對準器座架114。此外，對準器座架114由彈簧致動的塑膠部件所構成。支架110上的對準器座架114的配置可達成容置筒120簡單且快速的固定和替換方法，而不需要任何類型的螺鎖元件。容置筒120可通過用戶而與支架110快速地分離，大幅減少容置筒120的替換所花費的時間，且本三 維列印裝置在時間和人力消耗方面的效益可大幅地提升。

此外，對準器座架114可具有設置在抵靠部126與支架110之間的彈簧帽119和上推彈簧118，以便在容置筒120離開與第一活塞180對準的位置時，使抵靠部126從列印位置P2回復到初始位置P1。此外，如圖1所示的線性馬達140可耦接到支架110，其中由線性馬達140施加的力可輔助旋轉到與第一活塞180對準的工作位置L1的容置筒120克服上推彈簧118的彈性回復力，以便將旋轉到工作位置L1的列印容置筒120下推到用於列印的列印位置P2。因此，進行列印的容置筒120可透過從線性馬達140接收下推的力，且從上推彈簧118接收彈性回復力而在初始位置P1與列印位置P2之間移動。因此，在三維列印過程期間，未位於列印工作位置L1的其餘的容置筒120可回復到初始位置P1，以防止在三維列印過程期間妨礙和污染所列印的物體。

此外，請參考圖1及圖2，當列印容置筒120在三維列印過程期間消耗完塑形材料，或者需要轉換為不同種類的材料或不同顏色塑形材料時，通過控制單元145，樞軸130可使支架110旋轉，以轉換容置筒120。在本實施例中，不同種類的塑形材料可填充在每一個不同的容置筒120中，且根據三維模型的數位資訊來分配。因此，可在不需要頻繁地手動地對容置筒120進行替換或再填充的情形下，完成噴塗不同種類材料的步驟。此外，藉由控制單元145的配置，列印頭模組100可針對多材料或多顏色三維列印物體，採用不同種類的材料的預定交錯式列印安排。

圖4為圖3列印位置中的列印容置筒的部分透視圖。請參考圖3和圖4，在本實施例中，容置筒120可還包含多個第二活塞182。第二活塞 182接觸容置筒120中所含有的塑形材料30的表層，且適用於藉由第一活塞180的推動以從初始位置P1向下移向對應的噴嘴124，從而擠出塑形材料30。此外，第一檢測單元190和第二檢測單元192可設置在支架上以檢測第一活塞180和第二活塞182的移動。當列印容置筒120從其初始位置P1移到列印位置P2且抵靠部分126接觸支架110時，第二檢測單元192被觸發以因此產生初始信號。控制單元145接收初始信號且驅動線性馬達140推動第一活塞180在第一位置h1與第二活塞182接觸。接著，控制單元145通過線性馬達140來連續地驅動第一活塞180將第二活塞182移到第二位置h2，同時終止來自控制單元145的驅動力。第二檢測單元192因而同時產生終止信號，且終止信號傳輸到控制單元145。基於來自第一檢測單元190和第二檢測單元192的檢測信號，控制單元145計算第一位置h1與第二位置h2之間的差D1，其中差D1表示第二活塞182的移動距離。此外，控制單元145還可根據第二活塞182的移動距離來計算塑形材料30的剩餘或噴塗量。

圖5A為根據本發明一示範性實施例的列印頭模組的示意圖。圖5B為沿著圖5A的線A-A'截取的部分橫截面圖。請參考圖5A和圖5B，支架110可還包含對準器彈簧115和定心元件117，其對應於工作位置L1而設置。對準器彈簧115和定心元件117用於分別抵靠在旋轉到工作位置L1的列印容置筒120的相對兩側，以對旋轉到工作位置L1的列印頭120進行定位和定心。通過對準器彈簧115和定心元件117的配置，對準器彈簧115和定心元件117從相對側將列印容置筒120推到工作位置L1，以使得到工作位置L1的列印容置筒120與第一活塞180對齊。因此，第一活塞180可 與適用於推動第二活塞182(展示在圖4中)的位置快速地對準，否則，第一活塞180和第二活塞182的接觸位置可能會不時的偏離，且從第一活塞180施加到第二活塞182的力可能耗散到其他方向。因此，塑形材料的噴塗量可能時而不恆定且不可預測，這也將導致列印物體偏離每一個容置筒120，因而影響三維列印物體的列印品質。

圖6A為根據本發明一示範性實施例的列印頭模組的部分示意圖。圖6B為沿著圖6A的線B-B'截取的橫截面圖。請參考圖6A和圖6B，在本實施例中，例如標準無油襯套等墊圈170可圍繞樞軸130，且抵靠在支架110與樞軸130之間，以使得樞軸130可平穩地旋轉，且列印過程期間的樞軸130的震動可減少。因此，可提高三維列印裝置的品質。此外，驅動輪160可配置且連接在驅動馬達150與樞軸130之間以驅動樞軸130旋轉，以使支架110旋轉而對容置筒120和不同塑形材料進行轉換以供噴塗。此外，減速輪162可沿著樞軸130的旋轉軸而設置，且與驅動輪160一起配置，以進行減速。即，樞軸130的旋轉速度可通過驅動輪160和減速輪162的配置來調整。

圖7為根據本發明另一示範性實施例的列印頭模組的示意圖。列印頭模組100可滑動地設置在滑軌195上。滑軌195經設置以通過皮帶輪和皮帶的驅動而在平行於基座200的頂表面的工作平面的X方向上移動列印頭模組100。此外，滑軌195可與控制單元145耦接以計算列印頭模組100的移動間距或移動速率。因此，列印頭模組100噴塗塑形材料30的預定工作路線可取決於最終三維列印產品的形狀或列印區域，而安裝在控制單元145中。

綜上所述，本發明的列印頭模組具有多個容置筒，能夠通過多個列印頭模組噴塗不同種類的塑形材料。因此，可處理多材料或多顏色的三維列印過程，而無需替換列印頭，可避免需使用不同種類的塑形材料對容置筒進行再填充，而中斷或干擾列印過程。此外，在三維列印過程期間，將旋轉到工作位置的容置筒從初始位置推到列印位置，其中基座與旋轉到工作位置進行列印的容置筒的噴嘴之間的距離小於基座與其餘的列印容置筒的噴嘴之間的距離。因此，未位於工作位置的其餘的容置筒位於初始位置，以在三維列印過程期間防止其餘的列印頭妨礙並污染基座上的三維物體。因此，列印頭或容置筒的更換頻率可大幅降低，時間和人力消耗亦可大幅減少。也因此，可大幅提高三維列印過程的效益。

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。

110‧‧‧支架

112‧‧‧通孔

114‧‧‧對準器座架

120‧‧‧對準器彈簧

124‧‧‧噴嘴

126‧‧‧抵靠部

130‧‧‧樞軸

140‧‧‧線性馬達

145‧‧‧控制單元

150‧‧‧驅動馬達

180‧‧‧第一活塞

200‧‧‧基座

A1‧‧‧延伸軸

Claims (10)

1. 一種列印頭模組，經組態以在基座上逐層地噴塗塑形材料以形成三維物體，所述列印頭模組包括：支架，包括多個通孔；多個容置筒，相互同軸地對齊排列，每一個所述容置筒包括抵靠部，且具有所述塑形材料及用於從所述容置筒擠出所述塑形材料的噴嘴，每一個所述容置筒可移動地設置在對應的所述通孔中，且用於在初始位置與列印位置之間移動，當所述容置筒位於所述列印位置時，所述抵靠部抵靠在所述支架上；第一活塞，經組態以沿著所述容置筒的延伸軸滑動，且驅動列印容置筒從所述初始位置移至所述列印位置；樞軸，連接到所述支架，且用於將所述容置筒旋轉到與所述第一活塞對齊，以噴塗所述塑形材料的工作位置；以及控制單元，耦接到所述樞軸以控制所述支架的旋轉，且耦接到所述第一活塞以控制所述第一活塞，以驅動旋轉到所述工作位置的所述容置筒從所述初始位置移至所述列印位置，其中所述基座與旋轉到所述工作位置進行列印的所述容置筒的所述噴嘴之間的距離小於所述基座與其餘的所述列印容置筒的所述噴嘴之間的距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述的列印頭模組，其中所述支架包括用於將所述容置筒固持且鎖定在對應的所述通孔中的多個對 準器座架。
3. 如申請專利範圍第2項所述的列印頭模組，更包括多個第二活塞，其分別設置在所述容置筒中，其中所述第一活塞用於將所述其中一個第二活塞推向對應的所述噴嘴，以擠壓出所述塑形材料。
4. 如申請專利範圍第1項所述的列印頭模組，其中所述支架還包括對準器彈簧和定心元件，其對應於所述工作位置而設置，所述對準器彈簧和定心元件用於分別抵靠在旋轉到所述位置進行列印的所述容置筒的相對兩側上，以對旋轉到所述工作位置進行列印的所述容置筒進行定位和定心。
5. 如申請專利範圍第1項所述的列印頭模組，更包括上推彈簧，其設置在所述抵靠部與所述支架之間，以便使所述抵靠部從所述列印位置回復到所述初始位置。
6. 如申請專利範圍第5項所述的列印頭模組，更包括彈簧帽，其覆蓋所述上推彈簧的末端，且抵靠在所述上推彈簧與所述抵靠部之間。
7. 如申請專利範圍第5項所述的列印頭模組，更包括線性馬達，其耦接到所述支架，且連接到所述第一活塞，其中所述線性馬達克服所述上推彈簧的彈性回復力，以驅動所述第一活塞將旋轉到所述工作位置進行列印的所述容置筒推到所述列印位置，以通過對應的所述噴嘴來噴塗所述塑形材料。
8. 如申請專利範圍第1項所述的列印頭模組，更包括驅動 輪，其連接在驅動馬達與所述樞軸之間，以驅動所述樞軸旋轉。
9. 如申請專利範圍第1項所述的列印頭模組，更包括墊圈，其圍繞所述樞軸且抵靠在所述支架與所述樞軸之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述的列印頭模組，其中所述列印頭模組可滑動地設置在滑軌上，以使得所述列印頭模組經組態以沿著所述滑軌前後滑動。