TW201700266A

TW201700266A - 三維列印裝置

Info

Publication number: TW201700266A
Application number: TW104119803A
Authority: TW
Inventors: 汪家昌
Original assignee: 國立臺北科技大學
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2017-01-01

Abstract

一種三維列印裝置包含一雷射光源、一雷射擴束器、一分光機構、一第一調整機構、一第二調整機構及一成型機構。雷射光源發射一雷射光束。雷射擴束器使該雷射光束直徑擴大。分光機構包括一將該擴大後的雷射光束分成多個矩陣排列之雷射光線的分光面。第一調整機構包括一使該等雷射光線反射的第一調整面。第二調整機構包括一使由第一調整面反射而來的該等雷射光線反射而朝下前進的第二調整面。成型機構包括一盛料容器及一聚光單元。聚光單元接收由第二調整機構反射而來的該等雷射光線，並將該等雷射光線聚焦於盛料容器內預定深度處，而使光固化性液態原料固化成型。

Description

三維列印裝置

本發明是有關於一種三維列印裝置，特別是指一種具有光調整機構的三維列印裝置。

三維列印(3D printing)是一種快速成形的技術，以數位模型檔案為基礎，用液體狀、粉狀或片狀的材料將多個截面逐層地列印出來，再將各層截面黏合起來從而製造出一個實體。

詳細來說，三維列印通常是採用數位技術材料印表機來實作，首先透過電腦輔助設計(CAD)或電腦動畫建模軟體建模，再將建成的3D模型「分割」為逐層的截面，接著控制三維列印機逐層列印。現有列印技術可依採用的原料區分為：利用熔化或軟化可塑性材料作為列印原料之技術，例如選擇性雷射燒結(selective laser sintering，SLS)和混合沉積建模(fused deposition modeling，FDM)；以及利用液體材料作為列印原料之技術，例如立體平板印刷(stereolithography，SLA)和分層實體製造(laminated object manufacturing，LOM)。

舉例來說，現有的SLA之3D列印機包含一盛料容器、一雷射光源、一掃描器，及一成型機構。該盛料容器用於盛裝光敏樹脂，該雷射光源位置低於該盛料容器，用以發射一雷射光束至該掃描器。而該掃描器位於該盛料容器的正下方，將該雷射光束反射至該盛料容器之底壁並照射於該光敏樹脂，藉由該光敏樹脂接收相應的光波長而達固化成型。該成型機構包括一成型平台，該成型平台可穿伸入該盛料容器內，並可相對於該底壁上下移動，藉以拉伸該光敏樹脂固化後的一製品。

不過上述的成型方式僅適用於製造出一至數百釐米的成型製品，對於「微型級之微小製品」則不適用。因為若以該成型平台拉伸該微型製品的話，製品移動過程受到拉拔力的影響，容易造成損壞，因此難以製作出精密製品。故，如何開發出能應用於製作微型尺寸之製品的三維列印機是當前值得研究的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種不易損壞固化後的製品，且能提升其製造精密度的三維列印裝置。

於是，本發明三維列印裝置，適用於以光固化性液態原料進行三維列印，包含一雷射光源、一雷射擴束器、一分光機構、一第一調整機構、一第二調整機構，及一成型機構。

該雷射光源發射一沿一原光束方向前進的雷射光束。該雷射擴束器使該雷射光束直徑擴大。該分光機構包括一與該原光束方向夾一第一角度地直立設置的分光面。且該分光面將該擴大後的雷射光束分成多個矩陣排列且沿一分光光束方向前進的雷射光線。該第一調整機構包括一與該分光光束方向夾一第二角度地直立設置且可在一水平的第一軸向上位移的第一調整面。且該第一調整面使該等雷射光線反射而朝一水平的第一方向前進。該第二調整機構包括一與該第一方向夾一第三角度地斜向下設置且可在一直立平面上的第二軸向上位移的第二調整面。且該第二調整面使由該第一調整面反射而來的該等雷射光線反射而朝下前進。該成型機構包括一用於盛裝該光固化性液態原料的盛料容器，及一可上下位移地設置於該第二調整機構與該盛料容器之間的聚光單元。該聚光單元接收由該第二調整機構反射而來的該等雷射光線，並將該等雷射光線聚焦於該盛料容器內預定深度處。該三維列印裝置藉由該第一調整面沿該第一軸向位移、該第二調整面沿該第二軸向位移，及該聚光單元上下位移，使該等雷射光線分別能被調整至所預定之位置，而使該光固化性液態原料固化成型。

較佳地，其中，該成型機構之盛料容器具有一底壁，及一由該底壁周緣延伸的第一圍繞壁，該底壁及該第一圍繞壁相配合圍繞界定一具有一第一開口的容室，該容室用於盛裝該光固化性液態原料，且該成型機構還包括一可穿伸該第一開口而相對於該底壁上下移動的成型槽，該成型槽具有一具透光性的基壁，及一由該基壁周緣延伸的第二圍繞壁，該基壁及該第二圍繞壁相配合圍繞界定一具有一第二開口的槽室，該聚光單元設置於該基壁上且位於該槽室內。

較佳地，其中，該分光機構之分光面具有多個分光單元，該等分光單元分別將該發散後的雷射光束分成多個彼此相間隔的雷射光線。

較佳地，其中，該第一調整機構及該第二調整機構分別還包括一第一移動模組及一第二移動模組，該第一移動模組能帶動該第一調整面沿該第一軸向位移，而該第二移動模組則能帶動該第二調整面沿該第二軸向位移。

較佳地，其中，該成型機構之聚光單元具有多個微透鏡。

較佳地，其中，該分光機構之每一分光單元為一微型反射鏡。

較佳地，其中，該成型機構之槽室盛裝液態介質。

本發明之功效在於：透過該分光面將該雷射光束分成多個矩陣排列的雷射光線，再藉由該第一調整面沿該第一軸向位移、該第二調整面沿該第二軸向位移，及該聚光單元上下位移，使該等雷射光線分別能被調整至所預定之位置，而使該光固化性液態原料固化成型，如此不僅能降低其損壞率，還能提升其製造精密度。

1‧‧‧雷射光源

10‧‧‧雷射光束

100‧‧‧雷射光線

2‧‧‧雷射擴束器

3‧‧‧分光機構

31‧‧‧分光面

311‧‧‧分光單元

4‧‧‧第一調整機構

41‧‧‧第一調整面

42‧‧‧第一移動模組

5‧‧‧第二調整機構

51‧‧‧第二調整面

52‧‧‧第二移動模組

6‧‧‧成型機構

61‧‧‧盛料容器

611‧‧‧底壁

612‧‧‧第一圍繞壁

613‧‧‧容室

614‧‧‧第一開口

62‧‧‧聚光單元

621‧‧‧微透鏡

63‧‧‧成型槽

631‧‧‧基壁

632‧‧‧第二圍繞壁

633‧‧‧槽室

634‧‧‧第二開口

7‧‧‧原料

8‧‧‧液態介質

D₁‧‧‧第一方向

D₁₀‧‧‧原光束方向

D₁₀₀‧‧‧分光光束方向

A₁‧‧‧第一角度

A₂‧‧‧第二角度

A₃‧‧‧第三角度

M₁‧‧‧第一軸向

M₂‧‧‧第二軸向

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的較佳實施例詳細說明中清楚地呈現，其中：圖1是一俯視圖，說明本發明三維列印裝置的一較佳實施例之一雷射光束及多個雷射光線的水平方向傳遞路徑；圖2是一側視圖，說明該較佳實施例的該等雷射光線的直立方向傳遞路徑；圖3是一立體圖，說明該較佳實施例的一成型機構之一聚光單元；圖4是一平面示意圖，說明該較佳實施例的一第一調整面在X軸正方向位移；圖5是一平面示意圖，說明該較佳實施例的該第一調整面在Y軸正方向位移；圖6是一平面示意圖，說明該較佳實施例的一第二調整面在X軸負方向位移；及圖7是一平面示意圖，說明該較佳實施例的該第二調整面在Z軸負方向位移。

下列較佳實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可用以實施之特定實施例。本發明所提到的X/Y/Z軸正、負方向等，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，而非用來限制本發明。

參閱圖1與圖2，本發明三維列印裝置之一較佳實施例包含一雷射光源1、一雷射擴束器2、一分光機構3、一第一調整機構4、一第二調整機構5，及一成型機構6。

該雷射光源1發射一雷射光束10，且該雷射光束10沿一原光束方向D₁₀(如圖1所示的X軸正方向)前進。

該雷射擴束器2設置於該雷射光源1的光路徑上，並使該雷射光束10直徑擴大。

該分光機構3具體來說是一數位微型反射鏡裝置(英語：Digital Micromirror Device，縮寫：DMD)，且包括一分光面31。該分光面31與該原光束方向D₁₀夾一第一角度A₁(在本實施例中為45度)地直立設置，並將該擴大後的雷射光束10分光並反射，具體來說，是將雷射光束10分成多個矩陣排列且沿一分光光束方向D₁₀₀(如圖1所示的Y軸正方向)前進的雷射光線100。詳細來說，該分光面31具有多個分光單元311，該等分光單元311分別能自由地擺動以將該發散後的雷射光束10分成多個彼此相間隔的雷射光線100。在本實施例中，每一分光單元311為一微型反射鏡，當然也可以為其他反射元件，並不以本實施例揭露為限。

該第一調整機構4與該分光機構3在圖中Y軸方向上相間隔設置，並包括一第一調整面41，及一第一移動模組42。該第一調整面41與前述分光光束方向D₁₀₀夾一第二角度A₂(在本實施例中為45度)地直立設置，且可在水平(如圖1所示的X-Y平面)的一第一軸向M₁上位移，並使該等雷射光線100反射而朝一水平的第一方向D₁(如圖1所示的X軸負方向)前進。該第一移動模組42是一能帶動該第一調整面41沿該第一軸向M₁位移的機構，例如步進馬達。特別說明的是，該第一調整面41沿該第一軸向M₁位移，能改變該等雷射光線100被反射後的Y座標位置。

該第二調整機構5與該第一調整機構4在圖1中X軸方向上相間隔，並包括一第二調整面51，及一第二移動模組52。該第二調整面51與前述反射而來的該等雷射光線100夾一第三角度A₃(在本實施例中為45度)地斜向下設置，且可在一斜向上的第二軸向M₂上位移，並使由該第一調整面41反射而來的該等雷射光線100反射而朝下(Z軸正方向)前進。該第二移動模組52是一能帶動該第二調整面51沿該第二軸向M₂位移的機構，例如步進馬達。特別說明的是，該第二調整面51沿該第二軸向M₂位移能改變該等雷射光線100的X座標位置。

該成型機構6設置於該第二調整機構5的正下方(圖中Z軸正方向)，並包括一盛料容器61、一聚光單元62，及一成型槽63。該盛料容器61用於盛裝該光固化性液態原料7，並具有一底壁611，及一由該底壁611周緣向上延伸的第一圍繞壁612，該底壁611及該第一圍繞壁612相配合圍繞界定一具有一第一開口614的容室613，且該容室613用於盛裝該光固化性液態原料7。

該成型槽63可穿伸該第一開口614而相對於該底壁611上下移動，並具有一具透光性的基壁631，及一由該基壁631周緣向上延伸的第二圍繞壁632，該基壁631及該第二圍繞壁632相配合圍繞界定一具有一第二開口 634的槽室633，該槽室633盛裝液態介質8。在本實施例中，該液態介質8為水或可透光的液體，但也可為其他能使該等雷射光線100波長變小的介質，並不在此限。因此，藉由該液態介質8能利於該等雷射光線100聚焦。

搭配參閱圖3，而該聚光單元62設置於該基壁631上且位於該槽室633內，並接收由該第二調整機構5反射而來的該等雷射光線100，且將該等雷射光線100聚焦於該盛料容器61內預定深度處。詳細來說，該聚光單元62具有多個微透鏡621，並可於該第二調整機構5與該盛料容器61之間隨該成型槽63上下位移，以調整該等雷射光線100的Z座標位置。

特別要說明的是：該成型槽63的橫截面積小於該盛料容器61的橫截面積，因此該成型槽63除了能相對於該底壁611上下移動外，還能隨著該等雷射光線100的移動而水平位移，使該聚光單元62能將該等雷射光線100聚焦於該盛料容器61內預定深度處。當然，本發明不以此為限，也可以是該成型槽63的橫截面積等於該盛料容器61的橫截面積，則成型槽63不用移動。

參閱圖1、圖4與圖5，當該第一調整面41如圖1所示在第一軸向M₁上，或如圖4所示在X軸正方向或如圖5所示在Y軸正方向位移，都能使該等雷射光線100往負Y軸方向移動；反之，該第一調整面41在X軸負方向或在Y軸負方向位移，能使該等雷射光線100往正Y軸方向移動。配合參閱圖2、圖6與圖7，而另一方面，該第二調整面51如圖2所示在第二軸向M₂上，或如圖7所示在X軸負方向或如圖6所示在Z軸負方向位移，都能使該等雷射光線100往負X軸方向移動；反之，該第二調整面51在X軸正方向或在Z軸正方向位移能使該等雷射光線100往正X軸方向移動。故，藉由上述的位移方式亦可調整該等雷射光線100的X座標位置及Y座標位置。

至於Z座標位置，該聚光單元62在Z軸正方向位移能使該等雷射光線100在Z軸正方向移動；而該聚光單元62在Z軸負方向位移能使該等雷射光線100在Z軸負方向移動，故，藉由上述的位移方式可調整該等雷射光線100的Z座標位置。

綜上所述，該三維列印裝置透過該分光面31將該雷射光束10分成多個矩陣排列的雷射光線100，再藉由該第一調整面41沿該第一軸向M₁位移、該第二調整面51沿該第二軸向M₂位移，及該聚光單元62上下位移，使該等雷射光線100分別能被調整至所預定之位置，而使該光固化性液態原料7固化成型，如此即不需要藉由拉伸該原料7來固化成型，不僅能降低其損壞率，且透過該等雷射光線100的三個維度之調整，還能提升其製造精密度，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。