TW201819139A - 3d薄殼結構的製造設備 - Google Patents

Abstract

一種3D薄殼結構的製造方法，其步驟包含：取得一欲成形物品外觀之一座標參數；固定一削切材料；依據該座標參數將該削切材料削切為一削切工件；以及取該座標參數所建立之一3D薄殼結構參數，將一熱塑性、化學硬化型、或溶劑型材料擠製於該削切工件表面，形成一3D薄殼結構；本發明改善積層製造侷限於具有一定結構強度的材料限制，利用削切工件支撐擠製於其上的材料，其可以為具有軟彈性或具有撓曲特性，成功克服既有技術的缺點，製作出3D薄殼結構。

Description

3D薄殼結構的製造方法及其設備

一種積層製造的方法以及設備，特別是一種適用於3D薄殼結構的積層製造方法以及設備。.

積層製造(又稱3D列印)為近期非常重要的技術，其重要性甚至有些人會稱之為次世代的工業革命。3D列印之特色在於快速成型，對於少量製造或是客製化的商品應用來說，具有十分驚人的力量，美國或歐洲等各個先進國家無不全力投入此技術的發展。。

積層製造，顧名思義就是將3D結構轉化為2D平面切層，逐層將材料堆疊至設定區域，然後不斷重複堆疊至形成3D立體結構。一般適用於積層製造方法的材料，需要於冷卻硬化後具有一定結構強度，可使後續材料堆疊於上時底層材料足以支撐不斷向上累積的材料，避免整體結構坍塌。

然而，材料需要一定結構強度的條件限制，侷限了積層製造的發展。一般軟彈性、具有可撓取特性的材料，或大開口率的鏤空設計，因結構強度或是支撐性不足，無法利用積層製造之方法製造薄殼外型或3D鏤空網格構造，或是僅能限定於特定厚度以下或是特定結構的成型，使用上有諸多限制。

再者，目前積層製造大量應用於人體固定器，如副木、輔具或護具等之製造，但利用既有積層製造做出的固定器，其表面因材料逐層堆疊之因素，相當粗糙不光滑，套設於人體時可能會產生摩擦而劃破皮膚，造成二次的傷害。

為了解決上述積層製造僅適用於具有一定結構強度的材料，而無法以具有軟彈性、具有可撓取特性材料、或大開口率鏤空設計加以應用，且製作出之物品表面不光滑之缺點，本發明為一種3D薄殼結構的製造方法，其步驟包含：取得一欲成形物品外觀之一座標參數；固定一削切材料；依據該座標參數將該削切材料削切為一削切工件；以及取該座標參數所建立之一3D薄殼結構參數，將一熱塑性、化學硬化型、或溶劑型材料擠製於該削切工件表面，形成一3D薄殼結構。

其中，該座標參數係利用一掃描模組以取得三維之該座標參數，其可再經過數位的設計變更及調整。

其中，該削切工件略小於該欲成形物品的尺寸。

本發明進一步提供一種3D薄殼結構的製造設備，其包含一掃描模組、一計算裝置及一削切擠製模組，其中：該掃描模組、該計算裝置及該削切擠製模組相互電性連接，且該計算裝置依據該掃描模組產生的一外觀尺寸資訊，對應產生一座標參數；以及該削切擠製模組包含一削切裝置、一擠製裝置及一工件固定單元，該削切擠製模組依據該計算裝置的該座標參數，削切一削切材料為一削切工件，該擠製裝置將一材料擠製於該削切工件表面形成一3D薄殼結構。

其中，該擠製裝置包含一擠料端及一出料端，該擠料端設置於該出料端上方並且相互連通，該擠料端可為活塞式擠料，且該擠料端於垂直方向自上至下設置有一滾珠螺桿、一馬達及一活塞，該活塞固定連接於該滾珠螺桿之末端，該滾珠螺桿之另一端設置於該馬達中，並與其連動；以及該出料端包含一盛料容器及末端之一出料針頭，該擠料端之該活塞套設於該盛料容器中，透過該馬達帶動該滾珠螺桿，驅使相連的該活塞將該盛料容器中的該材料自該出料針頭被動擠出。

其中，該3D薄殼結構為一鏤空結構。

其中，該削切材料包含壓克力、聚氯乙烯、發泡聚氨酯、電木、保麗龍、石膏或是聚乙烯。

其中，該材料包含熱塑性聚氨酯、熱塑性彈性體、尼龍、矽膠或橡膠。

其中，該材料進一步包含丙烯腈丁二烯苯乙烯或聚乳酸。

其中，該工件固定單元為一夾治具，包含銅、鐵或鋁。

藉由上述說明可知，本發明具有以下優點：

1.本發明改善既有積層製造僅侷限於使用具有一定結構強度的材料限制，利用該削切工件支撐擠製於其上的該材料，可應用於具有軟彈性、可撓取特性的材料、或適用於大開口率的鏤空設計，成功克服既有技術的缺點，製作出3D薄殼結構。

2.本發明利用削切技術製作出的該削切工件具有相當光滑之表面，當該材料或具有可撓取特性材料擠製於具有光滑平面的該削切工件上時，可使成形的該3D薄殼結構與該削切工件的接觸面相對平滑完整，當套設於人體作為護具時，可減少護具表面與人體皮膚的摩擦或刺激，減少肌膚的傷害，增加使用者的舒適性。

3.由於本發明所製造出來的產物為具備優異的形變能力，因此，即使所製造的產物外觀尺寸直徑多變，也可輕易取下，並重新套設於人體肢幹，完全符合人體肢幹保護等相類似之用途。

4.本發明的削切擠製模組將削切技術及擠製技術整合，並利用相同的處理主機，減少輸入座標參數因不同模組機台之設定，而產生數據誤差，以製得高精準度的產物。

請參考圖1～圖3，本發明一種3D薄殼結構的製造方法，其較佳實施例係利用一材料50，以積層製造(又稱三維列印,Three dimension, 3D列印)之方式，製造符合人體肢幹輪廓之一3D薄殼結構51，該材料50較佳是在積層製造後具有軟彈特性或可撓取特性的材料，該人體肢幹則可例如頸部、手臂、腕關節或是腿部等等部位，而本實施例之人體肢幹係以人體手臂為例，其步驟包含：

步驟1：取得一人體手臂20外觀尺寸之一座標參數。如圖1所示，取得之方式可以利用一掃描模組10掃描該人體手臂20的外觀尺寸資訊，該掃描模組10包含手持式的一掃描裝置11與一計算裝置13，該掃描裝置11掃描該人體手臂20的外觀後，取得該人體手臂20的外觀尺寸資訊並傳輸至該計算裝置13，該計算裝置13將該人體手臂20的外觀尺寸資轉化為一座標參數。該座標參數包含圓柱座標或是直角座標，本實施例係以人體手臂為範例，因此該座標參數為利用圓柱座標系統為較佳。

步驟2：依據該座標參數削切固定之一削切材料40。將塊狀之該削切材料40置放於設有一工件固定單元31、一削切裝置33以及一擠製裝置35之一削切擠製模組30中，如圖2中(a)～(c)步驟所示，該削切裝置33依據步驟1的該座標參數將該削切材料40削切成表面光滑且具有該人體手臂20外觀輪廓之一削切工件41。其中，該工件固定單元31較佳為夾治具型態，將該削切材料40兩端夾緊並可轉動地固定於其上，使該削切材料40於後續製程步驟中除了可牢固地固定外，更便於後續的加工與其他製程之操作。其中，該削切材料之材質不限定，可包含壓克力、聚氯乙烯(Poly vinyl chloride, PVC)、發泡聚氨酯(Polyurethane, PU)、電木板、保麗龍、石膏或是聚乙烯(Polyethylene)。該掃描模組10可進一步設置於該切削擠製模組30中，可將步驟1掃描手臂參數的步驟於同一台操作模組完成，不需額外增加操作模組的數量，達到減少製程步驟的優點，且輸入之座標參數不會因變換操作模組而需要重新設定。

步驟3：將該材料50擠製於該削切工件41表面。如圖3中(a)~(c)步驟所示，該擠製裝置13依據步驟1之該座標參數所建立之一3D薄殼結構參數將該材料50擠製至該削切工件41上，形成符合人體肢幹輪廓之一3D薄殼結構51，其中圖3之(c)為該3D薄殼結構51之斷面圖。本步驟所述擠製該材料50於該切削裝置33的過程中，該擠製裝置35依據該3D薄殼結構參數同時配合該工作固定單元11轉動該削切工件40，藉此完成適型於該切削工件40之該3D薄殼結構51。本發明利用該削切工件41作為該材料50擠製加工時的支撐輔助件，達到成型3D薄殼結構51的效果，此方法可應用於任何擠製後具有軟彈性、可撓取特性的材料、或適用於大開口率的鏤空設計。所謂的大開口率指得是鏤空的該3D薄殼結構51，其每個網目的大小(包含面積或寬度)相對於鄰近的每條該3D薄殼結構51的網條大小其比值較大者。

上述該材料50的特性是在積層製造後具有軟彈特性或可撓取特性的材料，可以是熱塑性材料、化學硬化型材料或溶劑型材料，如熱塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane, TPU)、熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer, TPE)、尼龍(Nylon)、矽膠(Silicon)或橡膠(Rubber)等，並可進一步搭配較硬質之丙烯腈丁二烯苯乙烯(Acrylonitrile Butadine Styrene, ABS)或聚乳酸(Poly latic acid, PLA)等調整該3D薄殼結構51的軟彈性。所謂的軟彈特性是指材料受到一定大小的外力延伸拉展後，可以自行恢復到原本的形狀或狀態；而所謂的可撓曲則是成型後的該材料50可任意地彎折，並於彎折處不會斷裂。其中，上述該化學硬化型材料指得是以雙劑混合後灌住，並硬化成型的材料，例如矽膠(Silicone)；而該溶劑型材料是指材料可溶於溶劑中，等溶劑揮發後成型者，例如熱塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane, TPU)或熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer, TPE)。

請參考圖4，本實施例所製得之該3D薄殼結構51可作為人體手腕、手臂施予肌肉組織力量的輔具、護具，利用成型後的該材料50貼附及施壓適當的力量，以達到完全符合人體工學之輔具，更可進一步於該3D薄殼結構51上設置複數個透氣孔洞52形成鏤空之結構，增加穿戴時的透氣以及舒適性。

本發明欲作為人體肢幹輔具時，本實施例於步驟3削切該削切材料40，該削切裝置33依據該座標參數可設計成略小於原本人體手臂外觀尺寸之該削切工件41，使後續成形之該3D薄殼結構51的尺寸可略小於原人體手臂尺寸，利用該材料50之彈性特性，套設在人體手臂上時，該3D薄殼結構51會因為稍微擴張而施加腕關節、手臂適當的壓力，以達到輔具所需功效。

本發明使用之該材料50，如UV膠、矽膠、熱塑性彈性體（TPE）、天然橡膠等，可以利用既有之氣壓式點膠閥擠製系統加以擠製成型，材料的選擇主要以液態成型的材料，或是透過添加溶劑使該材料50具有特定黏稠度並可順利擠製成型之材料，擠製後等溶劑揮發後即可固化成型。

本發明的該擠製裝置31除了前述的氣壓式點膠閥擠製系統外，進一步也可使用活塞式擠製裝置，請參考圖5，其較佳包含一擠料端311及一出料端312，該擠料端311設置於該出料端312上方並且相互連通，該擠料端311自上至下設置有一滾珠螺桿3111、一馬達3112及一活塞3113，該活塞3113固定連接於該滾珠螺桿3111之末端，該滾珠螺桿3111之另一端設置於該馬達3112中，並與其連動。

該出料端312包含一盛料容器3121及末端之一出料針頭3122，該盛料容器3121中放置擠製前之該材料50，該擠料端311之該活塞3113套設於該盛料容器3121中，透過該馬達3112帶動該滾珠螺桿3111，驅使相連的該活塞3113將該盛料容器3121中的該材料50自該出料針頭3122被動擠出。由於活塞式擠製裝置的該材料50係由該活塞3113所產生的迫力擠出該出料針頭3122，故對於該材料50的黏稠度並無特定要求，不一定僅可使用液態材料或使用溶劑加以調整該材料50的黏稠度，液體或糊劑形式皆可適用，材料使用種類可更多元。

進一步地，本發明所使用之該工件固定單元31較佳為導熱材料，不僅能使該工作固定單元31溫度不易流失達到預熱恆溫效果，更能將溫度傳入盛裝有該材料50的該盛料容器3121中，使該材料50在擠製時能持續維持半熔融狀態，達到流速更為穩定的擠製過程。該導熱材料包含金屬，如銅、鐵或鋁，並在該工件固定單元31的夾治具前後連接一高溫陶瓷片作為主要電加熱來源，確保該工件固定單元31的夾治具能夠均勻受熱，提高加熱效率。最後，在該高溫陶瓷片後輔助連接導熱係數低之一電木，防止熱能自該高溫陶瓷片流失。

藉由上述說明可知，本發明具有以下優點：

1. 本發明改善既有積層製造僅侷限於使用具有一定剛性的材料限制，利用該削切工件支撐擠製於其上的該材料，可應用於具有軟彈性、可撓取特性的材料、或適用於大開口率的鏤空設計，成功克服既有技術的缺點，製作出3D薄殼結構。

2. 本發明利用削切技術製作出的該削切工件具有相當光滑之表面，當該材料擠製於具有光滑平面的該削切工件上時，可使成形的該3D薄殼結構與該削切工件的接觸面相對平滑完整，當套設於人體作為護具時，可減少護具表面與人體皮膚的摩擦或刺激，減少肌膚的傷害，增加使用者的舒適性。

3. 由於本發明利用該材料所製造出來的產物為具備形變能力，因此，即使所製造的產物外觀尺寸直徑多變，也可輕易取下，並重新套設於人體肢幹，完全符合人體肢幹保護等相類似之用途。

4.本發明的削切擠製模組將削切技術及擠製技術整合，並利用相同的處理計算裝置-電腦主機，減少輸入座標參數因不同模組機台之設定，而產生數據誤差，以製得高精準度的產物。

10‧‧‧掃描模組

11‧‧‧掃描裝置

13‧‧‧計算裝置

20‧‧‧人體手臂

30‧‧‧削切擠製模組

31‧‧‧工件固定單元

311‧‧‧擠料端

3111‧‧‧滾珠螺桿

3112‧‧‧馬達

3113‧‧‧活塞

312‧‧‧出料端

3121‧‧‧盛料容器

3122‧‧‧出料針頭

33‧‧‧削切裝置

35‧‧‧擠製裝置

40‧‧‧削切材料

50‧‧‧材料

51‧‧‧3D薄殼結構

52‧‧‧透氣孔洞

圖1為本發明第一較佳實施例之掃描模組掃描人體手臂示意圖。 圖2為本發明第一較佳實施例之切削端製造流程示意圖。 圖3為本發明第一較佳實施例之擠製端製造流程示意圖。 圖4為本發明之3D薄殼結構作為人體手臂護具之使用示意圖。 圖5為本發明之擠製裝置示意圖。

Claims (10)

1. 一種3D薄殼結構的製造方法，其步驟包含： 取得一欲成形物品外觀之一座標參數； 固定一削切材料； 依據該座標參數將該削切材料削切為一削切工件；以及 取該座標參數所建立之一3D薄殼結構參數，將一材料擠製於該削切工件表面，形成具有彈性或撓曲性的一3D薄殼結構。
2. 如申請專利範圍第1項的3D薄殼結構的製造方法，該座標參數係利用一掃描模組以取得三維之該座標參數。
3. 如申請專利範圍第1項的3D薄殼結構的製造方法，該削切工件小於該欲成形物品的尺寸。
4. 一種3D薄殼結構的製造設備，其包含一掃描模組、一計算裝置及一削切擠製模組，其中： 該掃描模組、該計算裝置及該削切擠製模組相互電性連接，且該計算裝置依據該掃描模組產生的一外觀尺寸資訊，對應產生一座標參數；以及 該削切擠製模組包含一削切裝置、一擠製裝置及一工件固定單元，該削切擠製模組依據該計算裝置的該座標參數，削切一削切材料為一削切工件，該擠製裝置將一材料擠製於該削切工件表面形成具有彈性或撓曲性的一3D薄殼結構。
5. 如申請專利範圍第4項所述的3D薄殼結構的製造設備，該擠製裝置為一活塞式擠製裝置，其包含一擠料端及一出料端，其中： 該擠料端設置於該出料端上方並且相互連通，該擠料端於垂直方向自上至下設置有一滾珠螺桿、一馬達及一活塞，該活塞固定連接於該滾珠螺桿之末端，該滾珠螺桿之另一端設置於該馬達中，並與其連動；以及 該出料端包含一盛料容器及末端之一出料針頭，該擠料端之該活塞套設於該盛料容器中，透過該馬達帶動該滾珠螺桿，驅使相連的該活塞將該盛料容器中的該材料自該出料針頭被動擠出。
6. 如申請專利範圍第4項的3D薄殼結構的製造設備，該3D薄殼結構為一鏤空結構。
7. 如申請專利範圍第4項的3D薄殼結構的製造設備，該削切材料包含壓克力、聚氯乙烯、發泡聚氨酯、電木、保麗龍、石膏或是聚乙烯。
8. 如申請專利範圍第4項的3D薄殼結構的製造設備，該材料包含熱塑性聚氨酯、熱塑性彈性體、尼龍、矽膠或橡膠。
9. 如申請專利範圍第8項的3D薄殼結構的製造設備，該材料進一步包含丙烯腈丁二烯苯乙烯或聚乳酸。
10. 如申請專利範圍第4項的3D薄殼結構的製造設備，該工件固定單元為一夾治具，其材質包含銅、鐵或鋁。