TW201801895A - 三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構與冷卻方法 - Google Patents

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Abstract

一種三維印表機之擠出裝置，包括殼體、噴嘴、棘輪、加壓惰輪以及冷卻機構，其中噴嘴係與殼體相連接，棘輪係設置於殼體內，加壓惰輪係鄰設於棘輪，且棘輪與加壓惰輪共同夾持熱熔性材料，並導引熱熔性材料經由噴嘴擠出。冷卻機構係包括氣泵及導流管，其中導流管係部份地設置於殼體內且與氣泵相連接，俾導引氣泵抽取之空氣經由導流管流至殼體內，進而降低殼體內環境溫度。藉此，透過設置導流式冷卻機構，以達到有效提升冷卻效果及列印品質之功效。

Description

三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構與冷卻方法
本發明係關於一種三維印表機之擠出裝置，尤指一種三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構與冷卻方法。
近年來，隨著3D列印（3D printing），又稱積層製造（Additive Manufacturing，AM）的普及化，其中熔融沉積式（Fused Deposition Modeling，FDM）積層製造廣泛應用於眾多機台之中，此種類型之積層製造主要原理為以三軸工具機配合擠出噴頭來擠出塑膠或其他材料成形，擠出噴頭大都使用棘輪夾持材料線材，利用摩擦力帶動線狀熱熔性材料往噴嘴推進，並在噴嘴端加熱至一定溫度，可使線狀熱熔性材料熔化成熔融狀態，經由細小噴嘴噴出細線，將細線填滿工件切層區域，如此層層堆疊成形。
熔融沉積式（FDM）積層製造所使用之材料大多為線狀熱熔性材料，熱熔性材料本身存在一定的收縮比例，進一步影響列印之成形尺寸及品質。因此，為提升列印品質，須保持成形空間之溫度略低於熱熔性材料之熱變形溫度。
然而，由於熔融沉積式（FDM）積層製造之擠出噴頭係在噴嘴端加熱至一定溫度，使線狀熱熔性材料熔化成熔融狀態。若成形空間之溫度略低於熱熔性材料之熱變形溫度，則鄰近棘輪之溫度已接近材料之熱變形溫度，此時線狀熱熔性材料容易產生軟化現象，使得材料強度降低，且棘輪與熱熔性材料間之摩擦力亦因此改變，造成材料無法順利擠出，進而降低列印品質。
於現有技術中，係直接於棘輪附近增加風扇，以氣流進行降溫，然由於鄰近棘輪之溫度已接近材料之熱變形溫度，使用內部空氣進行對流之冷卻效果實有限。此外，風扇轉動時容易造成擠出噴頭震動，使得列印過程不穩定而影響列印品質。
是以，如何發展一種有別於往的三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構與冷卻方法，以改善習知技術中的問題與缺點，解決熱熔性材料之降溫問題，且提升冷卻效果及列印品質，實為目前技術領域中的重點課題。
本案之主要目的為提供一種三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構與冷卻方法，俾解決並改善前述先前技術之問題與缺點。
本案之另一目的為提供一種三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構，透過設置導流式冷卻機構，對熱熔性材料進行降溫，以維持熱熔性材料之強度，進而提升列印品質。
本案之另一目的為提供三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構，藉由導流管導引氣泵抽取之空氣流至擠出裝置，使環境溫度降低且列印過程較為穩定，以達到有效提升冷卻效果及列印品質之功效。此外，由於導流管為撓性，當擠出裝置移動時，撓性導流管可配合其位置自動彎曲，不會影響氣流流動。
本案之另一目的為提供一種冷卻方法，藉由持續偵測環境溫度是否接近熱熔性材料之熱變形溫度，以控制冷卻機構進行冷卻動作，進而確保熱熔性材料維持一定強度，使得列印品質提升。
為達上述目的，本案之一較佳實施態樣為提供一種三維印表機之擠出裝置，包括：一殼體；一噴嘴，係與該殼體相連接；一棘輪，設置於該殼體內；一加壓惰輪，鄰設於該棘輪，其中該棘輪與該加壓惰輪共同夾持一熱熔性材料，並導引該熱熔性材料經由該噴嘴擠出；以及一冷卻機構，包括一氣泵及一導流管，其中該導流管係部份地設置於該殼體內且與該氣泵相連接，俾導引該氣泵抽取之空氣經由該導流管流至該殼體內，進而降低殼體內環境溫度。
為達上述目的，本案之另一較佳實施態樣為提供一種冷卻機構，適用於一三維印表機之擠出裝置，該三維印表機之擠出裝置包括一殼體以及一棘輪，該棘輪係設置於該殼體內，該冷卻機構包括：一氣泵；以及一導流管，係部份地設置於該殼體內且與該氣泵相連接，俾導引該氣泵抽取之空氣經由該導流管流至該殼體內，進而降低殼體內環境溫度。
為達上述目的，本案之又一較佳實施態樣為提供一種冷卻方法，包括步驟：(a) 提供一棘輪、一感測元件及一冷卻機構，其中該冷卻機構係包括一氣泵及一導流管；(b) 以該感測元件偵測鄰近該棘輪之一環境溫度；(c) 判斷該環境溫度是否高於一閾值溫度；(d) 該冷卻機構進行一冷卻動作，使該氣泵抽取空氣，並由該導流管導引該氣泵抽取之空氣經由該導流管流至該棘輪，進而降低該環境溫度；以及(e) 停止該冷卻動作；其中，當該步驟(c)之判斷結果為是，係執行該步驟(d)，並重新執行該步驟(b)及該步驟(c)，且當該步驟(c)之判斷結果為否，係執行該步驟(e)，並重新執行步驟(b)。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。
請參閱第1圖、第2圖及第3圖，其中第1圖係顯示本案較佳實施例之三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構之結構示意圖，第2圖係顯示本案另一實施例之三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構之結構示意圖，以及第3圖係顯示本案又一實施例之三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構之結構示意圖。如第1圖、第2圖及第3圖所示，本案之三維印表機之擠出裝置1係包括殼體10、噴嘴11、棘輪12、加壓惰輪13以及冷卻機構14，其中殼體10可為密閉殼體或非密閉殼體，噴嘴11係與殼體10相連接，棘輪12係設置於殼體10內，而加壓惰輪13係鄰設於棘輪12，且棘輪12與加壓惰輪13共同夾持熱熔性材料2，並導引熱熔性材料2經由噴嘴11擠出。冷卻機構14係包括氣泵140及導流管141，其中導流管141係部份地設置於殼體10內且與氣泵140相連接，俾導引氣泵140抽取之空氣經由導流管141流至殼體10內，進而降低殼體10內環境溫度。
根據本案之構思，當棘輪12旋轉時，加壓惰輪13可提供熱熔性材料2正向力，使棘輪12與熱熔性材料2間產生磨擦力，並導引熱熔性材料2經由噴嘴11擠出。並且，加壓惰輪13係受熱熔性材料2帶動，與棘輪12反向旋轉。
於一些實施例中，本案之三維印表機之擠出裝置1更包括控溫室3，且殼體10及噴嘴11係設置於控溫室3內，氣泵140係設置於控溫室3外，以抽取控溫室3外之空氣。且導流管141係部分地設置於控溫室3內，俾導引氣泵140抽取之空氣經由導流管141流至殼體10內，進而降低殼體10內環境溫度。於另一些實施例中，三維印表機之擠出裝置1更包括加熱平板4，且加熱平板4係相對噴嘴11設置於控溫室3內，但並不以此為限。
根據本案之構思，本案之三維印表機之擠出裝置1更包括溫度感測元件15及控制元件（未圖示），溫度感測元件15係鄰設於棘輪12，且控制元件係與溫度感測元件15及冷卻機構14相連接。其中溫度感測元件15感測之溫度數值由控制元件接收並解析後，再傳送至冷卻機構14以控制冷卻機構14進行冷卻動作。
請再參閱第1圖。如第1圖所示，導流管141之出風口A係鄰設於棘輪12，俾導引氣泵140抽取之空氣經由導流管141流至棘輪12。 於一些實施例中，導流管141係為撓性管，當三維印表機之擠出裝置1移動時，導流管141可配合三維印表機之擠出裝置1之位置自動彎曲，不會影響氣流流動。
請再參閱第2圖。在一些實施例中，導流管141之出風口A亦可鄰設於熱熔性材料2與殼體10之交界處，俾導引氣泵140抽取之空氣經由該導流管141流至熱熔性材料2。透過直接將出風口A指向熱熔性材料2，以更有效地對熱熔性材料2進行冷卻。
換言之，本案提供一種三維印表機之擠出裝置，透過設置導流式冷卻機構，對熱熔性材料進行降溫，以維持熱熔性材料之強度，進而提升列印品質。並且，藉由導流管導引氣泵抽取之空氣流至擠出裝置，使環境溫度降低且列印過程較為穩定，以達到有效提升冷卻效果及列印品質之功效。
請參閱第4圖並配合第1圖、第2圖及第3圖，其中第4圖係顯示本案較佳實施例之三維印表機之擠出裝置之冷卻方法之流程圖。如第1圖、第2圖、第3圖及第4圖所示，本案較佳實施例之三維印表機之擠出裝置之冷卻方法包括以下步驟：首先，如步驟S10所示，提供棘輪12、感測元件15及冷卻機構14，其中14冷卻機構係包括氣泵140及導流管141。於一些實施例中，導流管141係為撓性管，但不以此為限。
其次，如步驟S20所示，以感測元件15偵測鄰近棘輪12之環境溫度。接著，如步驟S30所示，判斷環境溫度是否高於閾值溫度，其中閾值溫度可為例如但不限於選自低於熱熔性材料2之熱變形溫度10°C至20°C間之溫度範圍之任一溫度。舉例而言，若熱熔性材料2之熱變形溫度為60°C，閾值溫度可為選自40°C至50°C間之溫度範圍之任一溫度。於一些實施例中，係由控制元件接收並解析溫度感測元件15偵測之環境溫度數值後，判斷環境溫度是否高於閾值溫度，但並不以此為限。
當步驟S30之判斷結果為是，係執行步驟S40，並重新執行步驟S20及步驟S30。如步驟S40所示，冷卻機構14係進行冷卻動作，使氣泵140抽取空氣，並由導流管141導引氣泵140抽取之空氣經由導流管141流至棘輪12，進而降低環境溫度。當步驟S30之判斷結果為否，係執行步驟S50，以停止冷卻動作，並重新執行步驟S20及步驟S30，以持續偵測環境溫度是否高於閾值溫度。
簡言之，透過本案的冷卻方法，可實現對三維印表機之擠出裝置之環境溫度的不間斷連續監控，以確保三維列印的成形品質。
綜上所述，本案提供一種三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構與冷卻方法，透過設置導流式冷卻機構，對熱熔性材料進行降溫，以維持熱熔性材料之強度，進而提升列印品質。並且，藉由導流管導引氣泵抽取之空氣流至擠出裝置，使環境溫度降低且列印過程較為穩定，以達到有效提升冷卻效果及列印品質之功效。此外，由於導流管為撓性，當擠出裝置移動時，撓性導流管可配合其位置自動彎曲，不會影響氣流流動。同時，藉由持續偵測環境溫度是否接近熱熔性材料之熱變形溫度，以控制冷卻機構進行冷卻動作，進而確保熱熔性材料維持一定強度，使得列印品質提升。
縱使本案已由上述之實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1‧‧‧三維印表機之擠出裝置
10‧‧‧殼體
11‧‧‧噴嘴
12‧‧‧棘輪
13‧‧‧加壓惰輪
14‧‧‧冷卻機構
140‧‧‧氣泵
141‧‧‧導流管
15‧‧‧溫度感測元件
2‧‧‧熱熔性材料
3‧‧‧控溫室
4‧‧‧加熱平板
A‧‧‧出風口
S10、S20、S30、S40、S50‧‧‧步驟
第1圖係顯示本案較佳實施例之三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構之結構示意圖。 第2圖係顯示本案另一實施例之三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構之結構示意圖。 第3圖係顯示本案又一實施例之三維印表機之擠出裝置及其冷卻機構之結構示意圖。 第4圖係顯示本案較佳實施例之三維印表機之擠出裝置之冷卻方法流程圖。
1‧‧‧三維印表機之擠出裝置
10‧‧‧殼體
11‧‧‧噴嘴
12‧‧‧棘輪
13‧‧‧加壓惰輪
14‧‧‧冷卻機構
140‧‧‧氣泵
141‧‧‧導流管
15‧‧‧溫度感測元件
2‧‧‧熱熔性材料
A‧‧‧出風口

Claims (10)

  1. 一種三維印表機之擠出裝置，包括： 一殼體； 一噴嘴，係與該殼體相連接； 一棘輪，設置於該殼體內； 一加壓惰輪，鄰設於該棘輪，其中該棘輪與該加壓惰輪共同夾持一熱熔性材料，並導引該熱熔性材料經由該噴嘴擠出；以及 一冷卻機構，包括一氣泵及一導流管，其中該導流管係部份地設置於該殼體內且與該氣泵相連接，俾導引該氣泵抽取之空氣經由該導流管流至該殼體內，進而降低該殼體內環境溫度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之三維印表機之擠出裝置，其中當該棘輪旋轉時，該加壓惰輪提供該熱熔性材料一正向力，並導引該熱熔性材料經由該噴嘴擠出，且該加壓惰輪係受該熱熔性材料帶動，與該棘輪反向旋轉。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之三維印表機之擠出裝置，其中該導流管係鄰設於該棘輪，俾導引該氣泵抽取之空氣經由該導流管流至該棘輪。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之三維印表機之擠出裝置，其中該導流管係鄰設於該熱熔性材料與該殼體交界處，俾導引該氣泵抽取之空氣經由該導流管流至該熱熔性材料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之三維印表機之擠出裝置，更包括一溫度感測元件，係鄰設於該棘輪，以感測溫度並控制該冷卻機構。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之三維印表機之擠出裝置，更包括一控溫室，該殼體及該噴嘴係設置於該控溫室內，該氣泵係設置於該控溫室外，且該導流管係部分地設置於該控溫室內，俾導引該氣泵抽取之空氣經由該導流管流至該殼體內，進而降低該殼體內環境溫度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之三維印表機之擠出裝置，更包括一加熱平板，係相對該噴嘴設置於該控溫室內。
  8. 一種冷卻機構，適用於一三維印表機之擠出裝置，該三維印表機之擠出裝置包括一殼體以及一棘輪，該棘輪係設置於該殼體內，該冷卻機構包括： 一氣泵；以及 一導流管，係部份地設置於該殼體內且與該氣泵相連接，俾導引該氣泵抽取之空氣經由該導流管流至該殼體內，進而降低該殼體內環境溫度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之冷卻機構，其中該導流管係為一撓性管。
  10. 一種冷卻方法，包括步驟： (a) 提供一棘輪、一感測元件及一冷卻機構，其中該冷卻機構係包括一氣泵及一導流管； (b) 以該感測元件偵測鄰近該棘輪之一環境溫度； (c) 判斷該環境溫度是否高於一閾值溫度； (d) 該冷卻機構進行一冷卻動作，使該氣泵抽取空氣，並由該導流管導引該氣泵抽取之空氣經由該導流管流至該棘輪，進而降低該環境溫度；以及 (e) 停止該冷卻動作； 其中，當該步驟(c)之判斷結果為是，係執行該步驟(d)，並重新執行該步驟(b)及該步驟(c)，且當該步驟(c)之判斷結果為否，係執行該步驟(e)，並重新執行該步驟(b)及該步驟(c)。
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