TW201738070A - 具有往復噴塗成型機構的３ｄ噴印裝置 - Google Patents

具有往復噴塗成型機構的３ｄ噴印裝置 Download PDF

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Abstract

一種具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置，包含成形平台機構、噴印機構以及垂直升降機構；成形平台機構具有一成形區域平面；噴印機構設於成形平台上方，並可對應作正反向行程的往復移動，噴印機構包含舖粉單元、供粉單元及噴印單元；在往復移動單一行程中，順著該噴印機構移動方向之前側的供粉單元可落下粉材至成形區域平面、舖粉單元再將成形區域平面上的粉材舖平，繼而順著噴印機構移動方向之後側的噴印單元對該舖平的粉材進行黏著劑噴發列印；垂直升降機構在噴印機構進行一次行程之後，增加噴印機構與成形平台機構之間的一垂直的堆疊間距。

Description

具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置
本發明係有關於一種以粉體材料配合黏著劑之積層成形方法的三維列印裝置，特別是有關於一種具有往復噴塗成型機構的快速3D噴印裝置。
根據美國材料和試驗協會(ASTM)對「積層製造技術(Additive Manufacturing,AM)」，又稱「3D列印(3D Printing)」的定義，「積層製造技術」是一種材料製程接合的過程，此技術利用電腦輔助設計軟體(CAD)處理三維模型資料，將材料層層堆疊產出立體物件，此種加法製程有別於傳統的減法製造方式(如金屬切削加工)。「積層製造技術」可以將粉末狀或液態的原料，堆疊產出立體的實體物品，大大地降低了過去想要製造物件的種種技術難度，加上電腦輔助設計軟體幫忙，被製造的物品個性化與專殊化的可能性大幅提昇。可以說，積層製造技術的發明與發展，開啟了製造業生產模式走向滿足個人需求的客製化生產的時代。
美國材料和試驗協會將積層製造技術細分為七大類：包括聚合材料光固化成型技術、材料噴塗成型技術、黏著噴塗成型技術、熱塑性擠出成型技術、粉床熔化成型技術、疊層製造成型技術、直接能量沉積技術；當今應用最為廣泛的技術則為「熱塑性擠出成型技術」、「聚合材料光固化成型技術」和「粉床熔化成型技術」。
如圖1A所示。美國專利案US54863538A係為三維列印方法中選擇性雷射燒結10(selective laser sintering,SLS)之積層成形技術的基礎，其係為運用裝置灑佈粉末11於一基底12上，再以欲製造物件之特定切面輪廓塗佈規劃能量光束13的照射範圍，以能量光束13照射該照射範圍以燒結粉末，反覆進行上述步驟後，以層層堆疊物件切面之方式建立以粉末之材質經燒結成形的欲製造物件。
另，前述提及的粉末配合黏著劑(BJ，Binder Jetting)之積層成形技術15係以黏著劑噴塗粉末硬化成形的技術，其成形平台16及供粉單元17技術與前述之選擇性雷射燒結相似，其差別在於雷射/電子束熱能進行粉體燒結/熔融以產製所需產品，而黏著劑噴塗成係以噴印頭18將黏著劑噴印於粉體而使之硬化成形。然而依目前黏著劑噴塗成型技術的結構設計而言，僅能單向噴印積層作業，因此成形速度緩慢，且尚無法達成不同材料之噴印與成型。
本發明的目的在於提供一種以粉體材料配合黏著劑之積層成形方法的三維列印裝置，透過改變供粉單元及舖粉單元與佈膠單元之配置，以使水平移動機構無論在往復方向中任一方向作動皆可進行列印。
為達成上述目的，本發明之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置，包含：成形平台機構、噴印機構、垂直升降機構。該成形平台機構具有一成形區域平面，該成形區域平面具有一工作方向；噴印機構係設置於該成形平台上方，並可使其沿著工作方向的路徑作正、反向行程的往復移動，噴印機構包含舖粉單元、供粉單元及噴印單元，該些供粉單元係 可落下一粉材至該成形區域平面，該舖粉單元在一行進方向過程中隨即將該粉材舖平於該成形區域平面上並形成粉材層，該噴印單元對該舖平的粉材層，進行黏著劑噴發列印；垂直升降機構係連接該成形平台機構或該噴印機構，使該噴印機構與該成形平台機構之間可依需要時機改變其間距。
在一實施例中，本發明之該成形平台機構包含一升降平台，該垂直升降機構係連接於該升降平台，該成形區域平面的位置即為該升降平台上表面或舖平於該升降平台上的該粉材層的上表面。
在一實施例中，該成形區域平面具有垂直該工作方向的寬邊，該噴印機構之該供粉單元係包含一供粉出口及一與該供粉出口連通的粉槽，且該供粉單元進行落至該成形區域平面之粉材的縱深寬度至少與該成形區域平面之該寬邊相當；該舖粉單元包含一將粉料層頂面整平之一刮刀或一輥輪，該舖粉單元之舖面的縱深寬度至少與該成形區域平面之該寬邊相當；每個該噴印單元包含呈陣列排列的多個噴嘴之噴頭，該噴印單元進行黏著劑噴發列印的可噴發範圍的縱深寬度至少與該成形區域平面之該寬邊相當。
在一實施例中，該二供粉單元內的粉材為相異材質；之該二噴印單元內的黏著劑為相異材質。
如上所述，本發明的特點至少包含有：本發明係為一種以粉末配合膠合劑之積層成形方法的三維列印裝置之改良，係將供粉單元與舖粉單元與其兩側之噴印單元(佈膠系統)設置於噴印機構的水平移動單元上，以使該些機構於成形平台上方之往復行程中，雙向中之任一向行程中，皆可實施先供粉、舖粉再根據需求佈膠之動作；而先前技術之噴印裝置則 僅可在單一方向之行程中實施供粉、舖粉和佈膠之動作，因而與以往3DP粉末配合黏著劑之積層成形等先前技術相較，本發明具有至少兩倍之效率。再者本發明具有兩個獨立供粉槽與噴頭，可有效達成複合材料噴印與成型。
10‧‧‧選擇性雷射燒結之積層成形技術
11‧‧‧定位基座
12‧‧‧基底
13‧‧‧能量光束
14‧‧‧物件
15‧‧‧粉末配合黏著劑之積層成形技術
16‧‧‧成形平台
17‧‧‧供粉單元
18‧‧‧噴印頭
20‧‧‧具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置
21‧‧‧成形平台機構
211‧‧‧成形區域平面
2111‧‧‧工作方向
2112‧‧‧寬邊
212‧‧‧升降平台
22‧‧‧噴印機構
220‧‧‧水平移動單元
221‧‧‧路徑
2211‧‧‧正向行程
2212‧‧‧反向行程
222‧‧‧舖粉單元
223,223’‧‧‧供粉單元
2231‧‧‧供粉出口
2232‧‧‧粉槽
224,224’‧‧‧噴印單元
2241‧‧‧噴嘴
2242‧‧‧噴頭
23‧‧‧垂直升降機構
B‧‧‧3D噴印之積層部分
G‧‧‧間距
H,H’‧‧‧黏著劑
P,P’‧‧‧粉材
P1‧‧‧粉材層
S1,S2‧‧‧起始端
圖1A為先前技術之3DP選擇性雷射燒結之積層成形技術之示意圖；圖1B為先前技術之3DP粉末配合黏著劑之積層成形技術之示意圖；圖2為本發明之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置一實施例的立體示意圖；圖3為本發明之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置一實施例的正視圖；圖4為本發明之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置之正向行程作動之一實施例的正視圖；圖5為本發明之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置之反向行程作動之一實施例的正視圖；圖6為本發明之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置之陣列排列的多個噴嘴之噴頭一實施例的仰視圖。
茲配合圖式將本創作實施例詳細說明如下，其所附圖式均為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本創作之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本創作有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計， 且其元件佈局形態有可能更為複雜。
如圖2、圖3所示。本實施例之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置20，其結構包含：成形平台機構21、噴印機構22以及垂直升降機構23。該成形平台機構21的上表面具有一成形區域平面211，該成形區域平面211可概為一矩形面積區域，其具有一工作方向2111。
請進一步參見圖5所示。該噴印機構22係設置於該成形平台21的上方，並可透過一水平移動單元220使其沿著平行於該工作方向2111的路徑221，作正向行程2211及反向行程2212交互的往復移動，該噴印機構22包含一舖粉單元222、一對分別設置在該工作方向2111上且位於該舖粉單元222之兩側面的供粉單元(223,223’)及一對分別設置在該工作方向2111上且分別位於該舖粉單元222之背對舖粉單元222之一側的噴印單元(224,224’)，或者說每一該供粉單元(223,223’)係位於舖粉單元222與任一噴印單元(224,224’)之間，該供粉單元(223,223’)係可在該噴印機構22進行該正向行程2211或反向行程2212的一個起始端(S1,S2)位置時，使順著該噴印機構22沿該正向行程2211移動方向之前側的供粉單元223(後側的供粉單元223’此時不作供粉的動作)落下一粉材P至該成形區域平面211上(此為最開始移動之初次行程，若是之前已進行了上個移動行程，則此處之該成形區域平面211即是將該粉材P落於前一行程所舖設之粉材P’的上表面)，續由在同一行進方向的後續，該舖粉單元222隨即碰觸到該粉材P，並將該粉材P於該成形區域平面211(或前一行程所舖設之粉材P’)上舖平，並在成形區域平面211上形成一粉材層P1，繼而使順向該噴印機構22移動方向之後側的噴印單元224對該舖平的粉材層P1之對應於該成形區域平面211的上表面區域，進行 3D噴印之積層部分B(即局部範圍或全部範圍其中一種)的黏著劑噴發列印(此時相對於前側之噴印單元224’不作動)。一垂直升降機構23係連接該成形平台機構21或該噴印機構22，在該噴印機構22進行一次該正向行程2211或一次該反向行程2212之後，使該噴印機構22與該成形平台機構21之間增加一與該往復移動的方向垂直的適合堆疊之間距G。
進一步言，請參照圖5所示。此實施例中，該噴印機構22係沿著該反向行程2212水平移動，此時，順著該噴印機構22沿該反向行程2212移動方向之相對前側的供粉單元223’(相對後側的供粉單元223此時不作供粉的動作)落下一粉材P至該成形區域平面211上(此為最開始移動之初次行程，若是之前已進行了上個移動行程，則此處之該成形區域平面211即是將該粉材P’落於前一行程所舖設之粉材P的上表面)，續由在同一行進方向的後續，該舖粉單元222隨即碰觸到該粉材P’，並將該粉材P’於該成形區域平面211(或前一行程所舖設之粉材P)上舖平，並在成形區域平面211上形成一粉材層P1，繼而使順向該噴印機構22移動方向之後側的噴印單元224’對該舖平的粉材層P1之對應於該成形區域平面211的上表面區域，進行局部範圍或全部範圍的黏著劑噴發列印(此時相對於前側之噴印單元224’不作動)。由此可知，本發明在該噴印機構22之交互的正向行程2211及反向行程2212中都可持續地噴印積層成形該3D物件，可加倍提高生產效率。
在一實施例中，該成形平台機構21包含一升降平台212，該垂直升降機構23係連接於該升降平台212，該成形區域平面211的位置即為該升降平台212上表面或舖平於該升降平台212上的該粉材層P1的上表面。
在另一實施例中，該成形區域平面211在垂直於該工作方向 2111係具有一寬邊2112，且較佳地，該寬邊2112為該噴印機構22的可噴印寬度，其中該噴印機構22之該供粉單元(223,223’)進行落至該成形區域平面211之粉材(P,P’)的縱深寬度至少與該成形區域平面211之該寬邊2112相當；該舖粉單元222之舖面的縱深寬度至少與該成形區域平面211之該寬邊2112相當；該噴印單元(224,224’)進行黏著劑(H,H’)噴發列印的可噴發範圍的縱深寬度至少與該成形區域平面211之該寬邊2112相當。
在一實施例中，該噴印機構22之該供粉單元(223,223’)係包含一輸送粉材(P,P’)之供粉出口2231及一與該供粉出口2231連通的粉槽2232；該噴印機構22之該舖粉單元222包含一將粉材層(P1)頂面整平之一刮刀或一輥輪；該噴印機構22之每個該噴印單元(224,224’)包含呈陣列排列的多個噴嘴2241之噴頭2242(如圖6所示之噴頭2242的仰視圖)，其可噴發範圍的縱深寬度至少與該成形區域平面211之該寬邊2112相當。
另一方面，由於該噴印機構22之該二供粉單元(223,223’)係獨立運作，因此該二供粉單元(223,223’)內的粉材(P,P’)係可為相異材質(如金屬、樹脂及鑄砂等)；同理，該二噴印單元(224,224’)內的黏著劑(H,H’)為相異材質，且上述該二噴印單元(224,224’)內係分別為配合該供粉單元(223,223’)內的粉材(P,P’)積層成形的黏著劑(H,H’)。
根據前述結構，本在進行3D噴印時，該3D噴印裝置係以一處理單元(未圖示)接收一3D電腦模型數位檔案的Z軸切片(每個切片包含該3D模型的實體部分或非實體部分)，並對應每一切片層的資料以進行黏著劑(H,H’)噴發列印的區域，直至完成3D噴印之積層部分B的所有切片層/噴印層。
前述本發明所採用的技術手段之實施方式或實施例，並非用來限定本創作專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
20‧‧‧具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置
21‧‧‧成形平台機構
211‧‧‧成形區域平面
2111‧‧‧工作方向
2112‧‧‧寬邊
212‧‧‧升降平台
22‧‧‧噴印機構
220‧‧‧水平移動單元
222‧‧‧舖粉單元
223,223’‧‧‧供粉單元
2231‧‧‧供粉出口
2232‧‧‧粉槽
224,224’‧‧‧噴印單元
2241‧‧‧噴嘴
2242‧‧‧噴頭
23‧‧‧垂直升降機構
B‧‧‧3D噴印之積層部分
G‧‧‧間距
P‧‧‧粉材

Claims (10)

  1. 一種具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置，包含：一成形平台機構，其上表面定義有一成形區域平面，該成形區域平面具有一工作方向；一噴印機構，其係設置於該成形平台機構之上方，並可使其沿著該工作方向之路徑，作正、反向行程的往復移動，該噴印機構包含一舖粉單元、一對分別設置在該工作方向上且位於該舖粉單元兩側面的噴印單元及一對分別設置在該工作方向上且位於該舖粉單元與各該噴印單元之間的供粉單元，該對供粉單元係可將一粉材下落至該成形區域平面，該舖粉單元係用以在一行進過程中將該粉材舖平於該成形區域平面上並形成粉材層，該對噴印單元可對該舖平的粉材層，進行黏著劑噴發列印；以及一垂直升降機構，係連接該成形平台機構或該噴印機構，使該噴印機構與該成形平台機構可以在垂直往復移動路徑之垂直方向作動，以改變該噴印機構與該成形平台機構之距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置，其中該成形平台機構包含一升降平台，該垂直升降機構係連接於該升降平台，該成形區域平面的位置即為該升降平台上表面或舖平於該升降平台上的該粉材層的上表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置，其中，該成形區域平面垂直於該工作方向包含一寬邊，該噴印機構之該供粉單元進行落至該成形區域平面之粉材的縱深寬度至少與該成形區域平 面之該寬邊相當；該舖粉單元之舖面的縱深寬度至少與該成形區域平面之該寬邊相當；該噴印單元進行黏著劑噴發列印的可噴發範圍的縱深寬度至少與該成形區域平面之該寬邊相當。
  4. 如申請專利範圍第1或第3項所述之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置，其中該噴印機構之該供粉單元係包含一供粉出口及一與該供粉出口連通的粉槽。
  5. 如申請專利範圍第1或第3項所述之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置，其中該噴印機構之該舖粉單元包含一將粉料層頂面整平之一刮刀或一輥輪。
  6. 如申請專利範圍第1或第3項所述之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置，其中該噴印機構之每個該噴印單元包含呈陣列排列的多個噴嘴之噴頭。
  7. 如申請專利範圍第1或第3項所述之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置，其中該噴印機構之該二供粉單元內的粉材為相異材質。
  8. 如申請專利範圍第1或第6項所述之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置，其中該噴印機構之該二噴印單元內的黏著劑為相異材質。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置，其中該噴印機構之該二噴印單元內係分別為配合該供粉單元內的粉材積層成形的黏著劑。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之具有往復噴塗成型機構的3D噴印裝置，其中該噴印單元之進行黏著劑噴發列印的區域係根據與該噴印裝置連線的3D電腦模型數位檔案所對應的切片層之3D模型的實體部分。
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