TW201912378A - 用於積層製造的線性列印模組、列印組件與其調整方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於積層製造的列印組件。列印組件包括鋪粉模組、預熱模組、以及線性列印模組。鋪粉模組用以鋪設粉末。預熱模組包含多個熱源。線性列印模組包含多個線性設置的點光源。鋪粉模組在一方向上領先該預熱模組第一距離，預熱模組在該方向領先該預熱模組第二距離。預熱模組與線性列印模組透過同動裝置連結，致使預熱模組與線性列印模組在運作時以相同速度移動，且同動裝置用以調整預熱模組領先線性列印模組的第二距離。

Description

用於積層製造的線性列印模組、列印組件與其調整方法

本發明是有關於一種用於積層製造的線性列印模組、列印組件與其調整方法，尤其是關於用於粉床式積層製造的線性列印模組、列印組件與其調整方法。

對於粉床式(Powder Bed Fusion, PBF)的積層製造技術而言，現今大多採用選擇性雷射燒結技術(selective laser sintering, SLS)或選擇性雷射熔融技術(selective laser melting, SLM)，其製造流程主要包含鋪粉、整床預熱、雷射掃瞄列印、下一層鋪粉等列印循環，而對於某些材料如熱塑性聚合物，其燒結前需預熱到熔點前特定溫度，以加速達到燒結所需之能量並縮短反應時間，所以一般都會進行粉床整體預熱及工作腔體溫度控制，以確保列印效率與品質。

目前SLS或SLM等雷射燒結/熔融列印技術大多採用一組或多組雷射搭配光學鏡組進行特定區域的單點掃瞄燒結。因為是採用單點雷射掃瞄，且每一掃瞄點上雷射與材料的反應時間固定，所以完成整體掃描列印會受限於累加的材料反應時間而無法提升。另一方面，在既有雷射燒結/熔融架構中，為避免非列印區域的粉末因預熱而產生黏結，影響列印品質與粉末回收，一般的粉床整體預熱溫度會與燒結所需的熔融溫度具有相當大的溫差，致使每一燒結點所需的加熱反應時間較長，對於列印效率造成相當大的影響。

本發明提出於一種用於積層製造的線性列印模組、列印組件與其調整方法，可縮短列印時間、提升列印效率。

根據本發明之一方面，提出一種用於積層製造的線性列印模組。線性列印模組包括夾具與多個加熱件。夾具包含多個通道，各通道彼此以一間距沿一直線並排設置。加熱件依該間距線性設置在各通道中。各加熱件包含點光源，以及與該點光源連接以導引該點光源之光線的導引介質。

根據本發明之另一方面，提出一種用於積層製造的列印組件。列印組件包括鋪粉模組、預熱模組、以及線性列印模組。鋪粉模組用以鋪設粉末。預熱模組包含多個熱源。線性列印模組包含多個線性設置的點光源。鋪粉模組在欲鋪設粉末的一方向上領先預熱模組第一距離，預熱模組在該方向上領先線性列印模組第二距離。

根據本發明之又一方面，提出一種用於積層製造的列印組件的調整方法。調整方法包括依照所鋪設粉末的吸熱升溫速率，決定預熱模組領先該線性列印模組的第二距離。調整方法亦包括依照所需的列印解析度，調整線性列印模組的各點光源的開關以及線性列印模組與該粉末所在之平面的垂直距離。

由於本發明之列印組件包含同步運作的鋪粉模組、預熱模組、以及線性列印模組，且線性列印模組包含多個線性設置的點光源而可同時針對多點加熱，所以可縮短整體的加熱反應時間，進而提升整體的列印效率。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。

請參照第1圖。依照本發明一實施例，第1圖繪示一種用於積層製造的列印裝置1的示意圖。列印裝置1包括列印組件10、工作平台12、與垂直距離調整機構14。列印組件10在X方向上水平來回移動以進行列印。此處的列印意含鋪設粉末在工作平台12上以及加熱欲列印區域的粉末以形成積層製造物件2。列印組件10與工作平台12之間的垂直距離可以調整，舉例來說，在第1圖所示的實施例中，垂直距離調整機構14與工作平台12連結並帶動工作平台12在Z方向上移動；在另一實施例中，另一垂直距離調整機構（未圖示）與列印組件10連結並帶動列印組件10在Z方向上移動。透過列印組件10與工作平台12的相互配合運作，列印裝置1得以列印出積層製造物件2。

請參照第1圖與第2圖。依照本發明一實施例，如第1圖所示，列印組件10包括一鋪粉模組110、一預熱模組120、一線性列印模組130、以及一同動機構140，其中，列印組件10的預熱模組120與線性列印模組130透過同動機構140連結，致使預熱模組120與線性列印模組130在運作時可以相同速度在X方向上移動。依照本發明另一實施例，第2圖繪示另一種列印組件20的示意圖。列印組件20包括二鋪粉模組211與212、二預熱模組221與222、一線性列印模組230、以及一同動機構240。二鋪粉模組211與212、二預熱模組221與222、以及線性列印模組230透過同動機構240連結，致使該等模組在運作時可以相同速度在第一方向D1或第二方向D2（對應第1圖+X或-X方向）上移動。在此請留意，依照本發明，在其他實施例中，列印組件10可不包括同動機構140，只要列印組件10的預熱模組120與線性列印模組130可同步運作即可，例如可透過控制手段致使該二模組以相同速度在相同方向行進；列印組件20亦然，其亦可不包括同動機構240。

依照本發明實施例，由於列印組件10或20的鋪粉、預熱、以及列印（加熱）是同步進行，無須等待整床鋪粉或整床預熱完成之後再進行列印，因此可提升整體的列印效率。

在此請留意，列印組件10的鋪粉模組110和列印組件20的鋪粉模組211與212實質上相同，用以鋪設粉末以供後續列印；列印組件10的預熱模組120和列印組件20的預熱模組221與222實質上相同，用以在鋪設粉末後、加熱欲列印區域的粉末到熔點溫度之前先預熱到一預熱溫度，藉以縮短後續加熱時間。預熱模組120、221或222包含多個可個別調整開關與功率的熱源，熱源可採用例如遠紅外線燈、紫外線燈、發光二極體燈或雷射燈。由於可個別調整熱源的開關與功率，預熱模組120、221或222可依欲列印區域開啟所需熱源，達成局部預熱，避免影響非列印區域的粉末，進而可提高欲列印區域之預熱溫度，縮小預熱溫度與熔點溫度之間的差異，縮短後續完成列印的加熱時間。

相較於第1圖所示的列印組件10，由於列印組件20在線性列印模組230的兩側分別包括一組鋪粉模組211與預熱模組221、以及另一組鋪粉模組212與預熱模組222，所以，列印組件20可在朝向第一方向D1行進時開啟一組鋪粉模組211與預熱模組221，而在朝向相反於第一方向D1的第二方向D2行進時開啟另一組鋪粉模組212與預熱模組222；藉此，列印組件20無論是朝第一方向D1或是朝第二方向D2行進皆可進行列印，而非僅能單一方向列印，進一步提升列印速率。

請繼續參照第2圖。鋪粉模組211在第一方向D1上領先預熱模組221一第一距離L₁ ，鋪粉模組212在第二方向D2上領先預熱模組222第一距離L₁ ；預熱模組221在第一方向D1上領先線性列印模組230一第二距離L₂ ，預熱模組222在第二方向D2上領先線性列印模組230第二距離L₂ 。鋪粉模組211、212領先預熱模組221、222第一距離L₁ 以達成先鋪粉、後預熱之運作，該第一距離L₁ 可依照預鋪設粉末的流動性決定。預熱模組221、222領先線性列印模組230的第二距離L₂ 可依照預鋪設粉末的材料吸熱反應特性決定，以確保鋪設的粉末可在線性列印模組230進行完整加熱之前先預熱到一特定溫度。更明確而言，第二距離L₂ 可由列印組件20的整體移動速度V與粉末的吸熱升溫反應時間t_i 決定，而粉末的吸熱升溫反應時間t_i 則與粉末的吸熱升溫速率I_m （℃/sec）相關，當已決定列印解析度時，即可透過上述參數決定第二距離L₂ 的數值。上述鋪粉模組211、212領先預熱模組221、222的第一距離L₁ 以及預熱模組221、222領先線性列印模組230的第二距離L₂ 可藉由同動機構240加以調整。藉由將粉末先預熱到特定溫度，例如粉末熔點前5~10℃，將可減少後續線性列印模組230所需的加熱時間與功率，進而提升整體的列印效率。

請參照第3圖。依照本發明一實施例，第3圖繪示列印組件10’的運作示意圖。列印組件10’可與列印組件10或20類似，包括鋪粉模組、預熱模組、與線性列印模組；或者，在另一實施例中，列印組件10’亦可僅包括鋪粉模組與線性列印模組、而未包括預熱模組，只要列印組件10’可完成粉末鋪設並可沿一直線同時加熱欲列印區域的粉末即可；各模組之具體結構與先前所述雷同，在此不再贅述。在第3圖中，欲列印的積層製造物件2’在Y方向上具有一預定的物件寬度W_o ，列印組件10’在Y方向上具有一有效工作寬度W_P ，該有效工作寬度W_P 涵蓋該積層製造物件2’預定的物件寬度W_o （W_P ≧W_o ）；更具體而言，列印組件10’的線性列印模組（未標示）在Y方向上的列印範圍為可涵蓋該物件寬度W_o 的有效工作寬度W_P 。藉此配置，列印組件10’僅需在X方向移動、無需再沿著Y方向移動即可完成涵蓋完整物件寬度W_o 的全頁寬（page wide）列印，大幅縮短列印時間。

接著，請參照第4A圖與第4B圖。依照本發明一實施例，第4A圖繪示線性列印模組的剖面示意圖，第4B圖繪示線性列印模組的立體示意圖。在此請留意，列印組件10的線性列印模組130與列印組件20的線性列印模組230實質上相同，用以加熱欲列印區域的粉末到熔點溫度。以下將以線性列印模組130作為代表說明。

線性列印模組130包含一夾具132與多個加熱件134。夾具132包含多個通道1320，各個通道1320彼此以一間距S沿一直線並排設置。各個加熱件134依間距S線性設置在各個通道1320中。

如第4A圖所示，依照本發明一實施例，通道1320的數量與加熱件134的數量相同；然而，在另一實施例中，通道1320的數量亦可多於加熱件134的數量。依照本發明一實施例，如第4B圖所示，夾具132可由上板1321與下板1322組成，上板1321與下板1322具有數量與形狀對應的多個溝槽，藉由組合上板1321與下板1322，即可獲得包含多個通道1320的夾具132。在另一實施例中，夾具132亦可為一體成型且內含多個通道1320之製品，本發明不以此為限。此外，如先前所述（請搭配參照第3圖），線性列印模組130的列印範圍可涵蓋欲列印的積層製造物件2’的物件寬度W_o 以達成全頁寬列印；換言之，依照本發明一實施例，線性列印模組130的多個加熱件134聯合起來的有效工作寬度W_P 涵蓋完整的物件寬度W_o 。

請繼續參照第4B圖。各個加熱件134皆包含一點光源1340與一導引介質1341。各個點光源1340皆包含獨立的驅動器、冷卻器、電源供應器（未圖示）等零組件，換言之，依照本發明實施例，各個點光源1340的開關與功率可個別調整。在一實施例中，點光源1340的輸出功率大於3瓦，更具體而言，點光源1340的輸出功率大於3瓦且小於1000瓦。舉例而言，點光源1340可為光纖雷射或CO₂ 雷射或其他輸出功率可大於3瓦之光源種類。導引介質1341與點光源1340連接，用以導引點光源1340的光線至工作平台2（第1圖）以加熱其上的粉末，因此，導引介質1341的選用與點光源的種類息息相關。舉例而言，導引介質1341可為玻璃、光纖或是其他光傳導介質。

接著，請參照第4C圖。依照本發明另一實施例，第4C圖繪示另一線性列印模組330的剖面示意圖。線性列印模組330可包括具有多個第一通道3320與第二通道3320’的夾具332、以及多個第一加熱件334與第二加熱件334’。各個第一通道3320彼此以第一間距S₁ 沿第一直線排設置，各個第二通道3320’則沿平行於第一直線的第二直線並排設置，並且，第二通道3320’的中心偏離第一通道3320的中心一第二間距S₂ ，且第二間距S₂ 小於第一間距S₁ 。第一加熱件334與第二加熱件334’則分別設置在第一通道3320與第二通道3320’中，第二加熱件334’因而與第一加熱件334距離第二間距S₂ 。第一加熱件334與第二加熱件334’和先前所述的加熱件134實質上相同，在此便不再贅述。

請同時參照第4A圖與第5A圖。依照本發明一實施例，第5A圖繪示線性列印模組的光線照射到粉末所在平面所形成的光點之示意圖。如第5A圖所示，線性列印模組130的光線照射到粉末所在平面（如第1圖中的工作平台2）上的各個光點C具有一直徑W，二鄰近光點C的中心彼此距離P，該直徑W與該距離P具有一特定關係，用以界定二鄰近光點C的重疊情況。各個光點C的直徑W與線性列印模組130中的加熱件134之出口直徑d（第4A圖）成正比。二鄰近光點C的中心距離P與線性列印模組130的夾具132中二鄰近通道的間距S成正比，換言之，藉由改變二鄰近通道1320的間距S就可改變二鄰近光點C的重疊情況。舉例來說，在一實施例中，0.5W≦P≦W，意即二鄰近光點C互相重疊的情況從重疊一半到無重疊（重疊率50%~0%）；在另一實施例中，0＜P＜0.5W，意即二鄰近光點C的重疊率小於100%而大於50%。

接著，請同時參照第4C圖與第5B圖。依照本發明另一實施例，第5B圖繪示另一線性列印模組的光線照射到粉末所在平面所形成的光點之示意圖。相較於僅有一種光點C的第5A圖，第5B圖具有兩種光點C₁ 與C₂ 。二鄰近光點C₁ 的中心距離為P_C1 ，二鄰近光點C₂ 的中心距離為P_C2 ，二鄰近光點C₁ 與C₂ 的中心距離為P_C12 ，且0＜P_C12 ＜ P_C1 且P_C2 = P_C1 ，意即，各個光點C₂ 位於二鄰近光點C₁ 之間且二鄰近光點C₂ 以相等於二鄰近光點C₁ 之中心距離P_C1 的固定距離P_C2 等距排列。如先前所述，二鄰近光點C的中心距離P可由線性列印模組130的夾具132中二鄰近通道1320的間距S調整；相似地，二鄰近光點C₂ 的中心距離P_C2 可由另外二鄰近通道3320’的另一間距S’調整。舉例而言，藉由採用如第4C圖所示的線性列印模組330，即可形成如第5B圖所示的二種光點C₁ 與C₂ ，進而細緻化所列印圖案的邊緣。

接著，請交互參照第1圖、第4A圖與第6圖。依照本發明一實施例，第6圖繪示調整線性列印模組以得到不同列印解析度的運作示意圖。如第6圖所示，線性列印模組130包含多個加熱件134，各個加熱件134的開關與功率皆可個別調整。當透過垂直距離調整機構14將線性列印模組130的加熱件134與粉末所在平面（如第1圖所示的工作平台2）之間的垂直距離調整為H₁ 且各個加熱件134皆開啟時，各個加熱件134的光線照射到粉末所在平面之各個光點的直徑為W₁ ，換言之，此時列印裝置1的每一列印點的列印寬度為W₁ ；當線性列印模組130的加熱件134與粉末所在平面之間的垂直距離為H₂ 且各個加熱件134為間隔開啟時，舉例而言，如第6圖所示，二鄰近加熱件134的開關情況分別為開與關時，各個加熱件134的光線照射到粉末所在平面之各個光點的直徑為W₂ ，換言之，此時列印裝置1的每一列印點的列印寬度為W₂ 。由於列印解析度是由每一列印點的列印寬度所決定，因此，藉由上述調整方法，改變線性列印模組130與工作平台2的距離，以及搭配線性列印模組130中各個加熱件134的開關，即可由同一個線性列印模組130獲得不同的列印解析度。

在本發明上述實施例中，由於用於積層製造的列印組件包含同步運作的鋪粉模組、預熱模組、以及線性列印模組，列印效率因而大幅提升，其中，透過預熱模組與線性列印模組之搭配，更有助於進一步縮短整體加熱時間；並且，因線性列印模組具有多個線性設置且可個別調控的加熱件，列印的細緻度與解析度皆可調整。

綜上所述，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。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧列印裝置

2、2’‧‧‧積層製造物件

10、10’、20‧‧‧列印組件

12‧‧‧工作平台

14‧‧‧垂直距離調整機構

110、211、212‧‧‧鋪粉模組

120、221、222‧‧‧預熱模組

130、230、330‧‧‧線性列印模組

132、332‧‧‧夾具

134、334、334’‧‧‧加熱件

140、240‧‧‧同動機構

1320、3320、3320’‧‧‧通道

1321‧‧‧上板

1322‧‧‧下板

1340‧‧‧點光源

1341‧‧‧導引介質

C、C₁、C₂‧‧‧光點

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

d‧‧‧加熱件的出口直徑

H₁、H₂‧‧‧垂直距離

L₁‧‧‧第一距離

L₂‧‧‧第二距離

P、P_c1、P_c2、P_C12‧‧‧兩鄰近光點的中心距離

S‧‧‧兩鄰近通道的間距

S₁‧‧‧第一間距

S₂‧‧‧第二間距

W、W₁、W₂‧‧‧光點的直徑

W_o‧‧‧物件寬度

W_p‧‧‧有效工作寬度

第1圖繪示依照本發明一實施例之用於積層製造的列印裝置的示意圖。 第2圖繪示依照本發明另一實施例之另一列印組件的示意圖。 第3圖繪示依照本發明又一實施例之又一列印組件的運作示意圖。 第4A圖繪示依照本發明一實施例之線性列印模組的剖面示意圖。 第4B圖繪示依照本發明一實施例之線性列印模組的立體示意圖。 第4C圖繪示依照本發明另一實施例之另一線性列印模組的剖面示意圖。 第5A圖繪示依照本發明一實施例之線性列印模組的光線照射到粉末所在平面所形成的光點之示意圖。 第5B圖繪示依照本發明另一實施例之另一線性列印模組的光線照射到粉末所在平面所形成的光點之示意圖。 第6圖繪示調整線性列印模組以得到不同列印解析度的運作示意圖。

Claims (20)

1. 一種用於積層製造的線性列印模組，包括： 一夾具，包含多個第一通道，各該第一通道彼此以一第一間距沿一第一直線並排設置；以及 多個第一加熱件，各該第一加熱件包含： 一第一點光源；以及 一第一導引介質，與該第一點光源連接，用以導引該第一點光源之光線，其中 各該第一加熱件依該第一間距線性設置在各該第一通道中。
2. 如申請專利範圍第1項所述之線性列印模組，其中該第一點光源為光纖雷射或CO₂ 雷射。
3. 如申請專利範圍第1項所述之線性列印模組，其中該第一點光源的功率大於3瓦。
4. 如申請專利範圍第1項所述之線性列印模組，其中該第一點光源的開關與功率為可調整。
5. 如申請專利範圍第1項所述之線性列印模組，其中各該第一點光源的光線照射到一平面上各自形成一光點，該光點具有一第一直徑W，且二鄰近光點的中心彼此具有一第一距離P，該第一直徑W與該第一距離P具有一特定關係。
6. 如申請專利範圍第5項所述之線性列印模組，其中0.5W≦P≦W。
7. 如申請專利範圍第5項所述之線性列印模組，其中0＜P＜0.5W。
8. 如申請專利範圍第1項所述之線性列印模組，其中該第一導引介質為光纖或玻璃或其他導光材料。
9. 如申請專利範圍第1項所述之線性列印模組，其中該多個加熱件聯合起來的有效工作寬度涵蓋一預定積層製造物件的物件寬度。
10. 如申請專利範圍第1項所述之線性列印模組，更包括： 多個第二通道，沿一第二直線並排設置於該夾具中；以及 多個第二加熱件，各該第二加熱件線性設置在各該第二通道中，其中 該第二直線平行於該第一直線，各該第二通道偏離其鄰近之各該第一通道一第二間距，且該第二間距小於該第一間距。
11. 一種用於積層製造的列印組件，包括： 一第一鋪粉模組，用以鋪設粉末；以及 一線性列印模組，包含多個線性設置的加熱件，其中 該線性列印模組的該多個加熱件用以沿一直線同時加熱該第一鋪粉模組所鋪設之粉末。
12. 如申請專利範圍第11項所述之列印組件，其中該線性列印模組包括如申請專利範圍第1到10項任一項所述之線性列印模組。
13. 如申請專利範圍第11項所述之列印組件，更包括： 一垂直距離調整機構，調整該線性列印模組與該粉末所在之一平面的垂直距離。
14. 如申請專利範圍第11項所述之列印組件，更包括： 一第一預熱模組，該第一鋪粉模組在一第一方向領先該第一預熱模組一第一距離，且該第一預熱模組在該第一方向領先該第一線性列印模組一第二距離。
15. 如申請專利範圍第14項所述之列印組件，其中該第一預熱模組包含多個熱源，各該熱源的開關與功率為個別可調整。
16. 如申請專利範圍第14項所述之列印組件，更包括： 一同動裝置，該第一預熱模組與該線性列印模組透過該同動裝置連結，致使該第一預熱模組與該線性加熱模組在運作時以相同速度移動，且該同動裝置用以調整該第一預熱模組領先該線性模組的該第二距離。
17. 如申請專利範圍第14項所述之列印組件，更包括： 第二鋪粉模組，用以鋪設粉末；以及 第二預熱模組，該第二鋪粉模組在一第二方向領先該第二預熱模組該第一距離，且該第二預熱模組在該第二方向領先該線性列印模組該第二距離。
18. 一種用於積層製造的列印組件的調整方法，該列印組件包括如申請專利範圍第13項所述之列印組件，該調整方法包括： 依照所需的列印解析度，調整該線性列印模組的該各個加熱件的開關以及該線性列印模組與該粉末所在之該平面的該垂直距離。
19. 一種用於積層製造的列印組件的調整方法，該列印組件包括如申請專利範圍第14項所述之列印組件，該調整方法包括： 依照該粉末的吸熱升溫速率，決定該第一預熱模組領先該線性列印模組的該第二距離。
20. 一種用於積層製造的列印組件的調整方法，該列印組件包括如申請專利範圍第17項所述之列印組件，該調整方法包括： 依照一列印方向，決定開啟該第一鋪粉模組與該第一預熱模組或是開啟該第二鋪粉模組與該第二鋪粉模組。