TW202133970A - 雷射燒結三維列印熱補償系統與方法 - Google Patents

Abstract

一種雷射燒結三維列印熱補償系統，包含一控制器以及與該控制器連接之一加溫裝置以及一溫場感知裝置，該溫場感知裝置取得一感測結果，該感測結果包含一高溫區域與一相對低溫區域，該控制器控制該加溫裝置對該相對低溫區域提供熱源進行溫度補償，減低該高溫區域與相對低溫區域之溫度差異，解決現有技術之溫度場控制精確度不足，致使列印因為溫度不均而產生介面缺陷，大幅降低列印品質的問題。

Description

雷射燒結三維列印熱補償系統與方法

本發明涉及一種雷射燒結三維列印的手段，尤其涉及一種雷射燒結三維列印熱補償系統與方法。

現有的雷射燒結三維列印（Selective Laser Sintering；SLS / Selective Laser Melting；SLM）是使用高功率的雷射層層燒結固化分別覆蓋在最上方的金屬或聚合物粉末層，使得列印成品在各層固化燒結的過程中逐漸成型，而各粉末層未燒結的粉末在三維列印的過程中是扮演著支撐列印成品的作用，將成品列印完成後除去未燒結的部分即可得到成品。

上述雷射燒結三維列印，是以高功率的雷射掃描裝置選擇性地燒結固化一粉末層的部分後，在該具有燒結部的粉末層上覆蓋一層粉末層，接著再以該雷射掃描裝置燒結、固化最上層粉末層的部分，接著再覆蓋一層粉末層並重複前述熱熔、固化各粉末層的部分後再覆蓋一粉末層的循環。但由於各燒結部受該雷射掃描裝置加熱後會有餘熱，因此各粉末層與各燒結部接觸的部分會有較高的溫度，受雷射掃描裝置掃描的溫度場溫度不均，容易產生介面缺陷造成燒結固化各粉末層的效果不理想，降低了三維列印成品的品質。

由於現有雷射燒結三維列印機運作時各粉末層的溫度場溫度不均勻，造成列印效果不理想。為此，本發明提供一種加熱各層粉末時可進行熱補償的手段，達到各粉末層溫度場溫度而達到提升雷射燒結三維列印品質的功效。

為達到上述創作目的，本發明提供一種雷射燒結三維列印熱補償系統，包含一控制器以及分別與該控制器連接之一加溫裝置以及一溫場感知裝置，其中該溫場感知裝置偵測一列印區域取得一感測結果，該感測結果包含一高溫區域與一相對低溫區域，該控制器控制該加溫裝置對該相對低溫區域提供熱源進行溫度補償，減低該高溫區域與相對低溫區域之溫度差異。

進一步，本發明在所述列印區域上設有一粉末層，該粉末層的部分被燒結固化為一燒結部，在該粉末層上覆蓋一表面粉末層，該表面粉膜層覆蓋接觸該燒結部的部分是所述高溫區域，該表面粉末層未覆蓋在該燒結部的部分是相對低溫區域。

更進一步，本發明在所述溫場感知裝置是熱顯像儀，該熱顯像儀與該控制器電連接，該熱顯像儀偵測該表面粉末層的溫度場溫度回饋該控制器。

更進一步，本發明在所述溫場感知裝置是紅外線溫度感測器，該紅外線溫度感測器與該控制器電連接，該紅外線溫度感測器偵測該表面粉末層的溫度場溫度回饋該控制器。

為達到上述創作目的，本發明提供一種雷射燒結三維列印熱補償系統，設有一列印區域，在該列印區域上設有一粉末層，該粉末層的部分被燒結固化為一燒結部，在該粉末層上覆蓋一表面粉末層；對應該列印區域設有一加溫裝置，該加溫裝置對該表面粉末層未覆蓋在該燒結部的部分加熱進行溫度補償，使該表面粉末層的溫度場溫度均勻。

進一步，本發明配合所述加溫裝置設有一與該加溫裝置電連接的控制器，該控制器讀取一掃描該燒結部的掃描路徑，以避開該掃描路徑的方式驅動該加溫裝置對所述該表面粉末層未覆蓋在該燒結部的部分加熱進行溫度補償。

進一步，本發明配合所述加溫裝置設有一與該加溫裝置電連接的控制器，設有一熱顯像儀，該熱顯像儀與該控制器電連接，該熱顯像儀偵測該表面粉末層的溫度場溫度回饋該控制器，使該控制器依照該熱顯像儀回饋的溫度場溫度，驅動該加溫裝置對所述該表面粉末層未覆蓋在該燒結部的部分加熱進行溫度補償。

較佳的，本發明所述燒結部是以一高功率的燒結雷射光模組燒結固化而成，所述加溫裝置是一低功率雷射掃描裝置。

較佳的，本發明所述加溫裝置是一燒結雷射光模組，該燒結雷射光模組具有一高功率的聚焦模式以及一低功率的離焦模式，所述燒結部是該燒結雷射光模組執行該聚焦模式燒結固化而成，該燒結雷射光模組執行該離焦模式對該表面粉末層未覆蓋在該燒結部的部分加熱進行溫度補償。

較佳的，本發明該加溫裝置包括與所述控制器電連接的一數位微型反射鏡元件模組以及一加熱光源模組，該加熱光源模組朝向該數位微型反射鏡元件模組，該控制器令該數位微型反射鏡元件模組選擇性地反射該加熱光源模組發出的光源用於加溫的溫度補償。

進一步，本發明所述的數位微型反射鏡元件模組包括一數位微型反射鏡元件以及一投影鏡頭，所述的加熱光源模組朝向該數位微型反射鏡元件，該數位微型反射鏡元件選擇性反射的光源穿過該投影鏡頭照射至所述列印區域範圍中的部分進行加溫的溫度補償。

為達到上述創作目的，本發明提供一種實施雷射燒結三維列印熱補償系統的雷射燒結三維列印熱補償方法，其方法步驟包括：

燒結固化粉末層：在該列印區域中覆蓋一粉末層，以一燒結雷射光模組將該粉末層的部分燒結固化為一燒結部，該燒結部的溫度高於該粉末層的其他部分；

覆蓋表面粉末層：在該粉末層上覆蓋所述的表面粉末層；以及

燒結部溫度補償：以該溫場感知裝置偵測該列印區域取得該感測結果，以該加溫裝置對該相對低溫區域，即該表面粉末層未接觸該燒結部的進行溫度補償，減低該高溫區域與相對低溫區域之溫度差異。

為達到上述創作目的，本發明提供一種雷射燒結三維列印熱補償方法，其方法步驟包括：

燒結固化粉末層：在一列印區域中覆蓋一粉末層，以一燒結雷射光模組將該粉末層的部分燒結固化為一燒結部，該燒結部的溫度高於該粉末層的其他部分；

覆蓋表面粉末層：在該粉末層上覆蓋所述的表面粉末層；以及

燒結部溫度補償：以一加溫裝置對該表面粉末層未接觸該燒結部的部分施予加溫的溫度補償，使該表面粉末層的溫度場溫度均勻。

較佳的，本發明在所述溫度補償的步驟中，以一熱顯像儀或一紅外線溫度感測器偵測所述的表面粉末層的溫度場溫度，透過該熱顯像儀或該紅外線溫度感測器確認該表面粉末層的溫度是否均勻，調整對該表面粉末層未接觸該燒結部的部分施予溫度補償的程度。

較佳的，本發明在所述溫度補償的步驟中，所述加溫裝置受一控制器驅動，該控制器讀取所述燒結雷射光模組掃描所述燒結部的一掃描路徑，以避開該掃描路徑的方式驅動該加溫裝置對所述該表面粉末層未覆蓋在該燒結部的部分加熱進行溫度補償。

本發明藉由該加溫裝置能對該列印區域中的該相對低溫區域提供熱源進行溫度補償，減低該高溫區域與該相對低溫區域的溫度差異，避免雷射燒結三維列印時介面產生缺陷，大幅提升雷射三維列印機對該表面粉末層進行雷射燒結三維列印的效果。

為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如下。

請參看圖1至圖3所示的本發明第一較佳實施例，是提供一種雷射燒結三維列印熱補償系統，此裝置使用時是安裝在雷射燒結三維列印機，安裝後的構造包括一列印平台10、一控制器20以及分別與該控制器20電連接的一燒結雷射光模組30、一數位微型反射鏡元件模組40、一加熱光源模組50以及一熱顯像儀60，其中：

該列印平台10的頂部形成一列印區域11，在該列印區域11的側旁設有一刮刀裝置12以及一粉末箱13，在該粉末箱13內儲存用於燒結固化的粉末A，例如金屬粉末或聚合物粉末，該刮刀裝置12能夠將該粉末箱13內的粉末A鋪平覆蓋在該列印區域11的上方成為一粉末層B，該列印區域11隨著每次覆蓋粉末層B而逐次下降高度。

該燒結雷射光模組30設於該列印區域11的上方，該燒結雷射光模組30能依照該控制器20的控制，沿著一掃描路徑S朝該列印區域11的方向射出高功率雷射，在該粉末層B的部分燒結固化為一燒結部C，當該粉末層B的部分燒結出該燒結部C時，該列印區域11下降並以該刮刀裝置12將該粉末箱13內的粉末A鋪平覆蓋在該粉末層B的上方成為一表面粉末層B1（本較佳實施例將製造過程中位於最上層的粉末層B稱為表面粉末層B1）。

該數位微型反射鏡元件模組40設於該列印區域11的上方並包括一數位微型反射鏡元件(Digital Micromirror Device；DMD)41，該數位微型反射鏡元件41具有數十萬個微透鏡因此能選擇性反射向其照射的光源投射到該列印區域11的範圍。

進一步地，該數位微型反射鏡元件模組40包含一投影鏡頭42，該投影鏡頭42位於該列印區域11與該數位微型反射鏡元件41之間，由該數位微型反射鏡元件41選擇性反射的光源會穿過該投影鏡頭42投射到該列印區域11的範圍。

該加熱光源模組50的照射方向朝向該數位微型反射鏡元件模組40的該數位微型反射鏡元件41，該加熱光源模組50與該數位微型反射鏡元件模組40合稱加溫裝置X。該加熱光源模組50能向該數位微型反射鏡元件41發射低於燒結各粉末層B功率的雷射光或一般的熱輻射光源用於熱補償，該控制器20令該數位微型反射鏡元件41選擇性地反射該加熱光源模組50發出的光源至該列印區域11中，照射該表面粉末層B1未覆蓋各燒結部C的部分進行加溫的熱補償。

該熱顯像儀60作為一種溫場感知裝置用於偵測該列印區域11上的該表面粉末層B1的溫度場溫度是否平均並回饋該控制器20一感測結果，該感測結果包括一高溫區域與一相對低溫區域，由於該表面粉末層B1覆蓋、接觸該燒結部C的部分會因該燒結部C受熱的餘溫傳導而升高溫度，此區域為高溫區域，該控制器20透過該熱顯像儀60偵測的溫度場溫度均勻結果，控制該數位微型反射鏡元件41選擇性反射光源來加熱該表面粉末層B1未覆蓋各燒結部C的相對低溫區域，提供該相對低溫區域熱源補償，減低該高溫區域與相對低溫區域之溫度差異，使最上層的表面粉末層B1的溫度均勻，接著該控制器20再控制該燒結雷射光模組30燒結固化最上層的表面粉末層B1的部分，重複前述在各粉末層B燒結出燒結部C後再覆蓋一表面粉末層B1的循環操作以完成雷射燒結三維列印的製造程序，由於上述操作能精確控制三維列印時的溫度場，可避免介面缺陷而大幅提升列印的品質。

本發明除前述第一較佳實施例，是以該熱顯像儀60偵測該表面粉末層B1的溫度場溫度回饋該控制器20，進而使該控制器20以該熱顯像儀60回饋結果控制該數位微型反射鏡元件41選擇性反射光源來加熱該表面粉末層B1未覆蓋各燒結部C的部分以外，也可以紅外線溫度感測器之類的非接觸式溫度感測器取代該熱顯像儀60作為一種溫場感知裝置，或者也可以令該控制器20讀取該燒結雷射光模組30燒結固化該燒結部C的掃描路徑S，以避開該掃描路徑S的方式驅動該數位微型反射鏡元件41選擇性反射光源來對該表面粉末層B1未覆蓋在該燒結部C的部分加熱進行溫度補償，透過避開該掃描路徑S加熱該表面粉末層B1的手段取代該熱顯像儀60，或者將兩者一起相輔使用。

本發明除前述第一較佳實施例，是使用數位微型反射鏡元件41反射該加熱光源模組50的光源作為加溫裝置X以外，如本發明第二較佳實施例以及第三較佳實施例，還可以使用另外安裝在該雷射燒結三維列印機的雷射掃描裝置70作為加溫裝置X，或使用雷射燒結三維列印機本身的燒結雷射光模組30作為加溫裝置X。

請參看圖4所示的第二較佳實施例，該加溫裝置X是在該列印區域11的上方設有一用於熱補償加溫的低功率的雷射掃描裝置70，以該雷射掃描裝置70對該表面粉末層B1未覆蓋在該燒結部C的部分加熱進行溫度補償，該雷射掃描裝置70的低功率是相較於該燒結雷射光模組30的高功率，所述的燒結部C是以該高功率的燒結雷射光模組30燒結固化而成。

請參看圖5所示的第三較佳實施例，該加溫裝置X是使用雷射燒結三維列印機本身的燒結雷射光模組30，該燒結雷射光模組30具有一高功率的聚焦模式301以及一低功率的離焦模式302，所述燒結部C是該燒結雷射光模組30執行該聚焦模式301燒結固化而成，該燒結雷射光模組30執行該離焦模式302對該表面粉末層B1未覆蓋在該燒結部C的部分加熱進行溫度補償。

前述溫度補償，解決現有技術之溫度場控制精確度不足，致使列印因為溫度不均而產生介面缺陷而大幅降低列印品質的問題。

本發明的較佳實施例還提供一種雷射燒結三維列印熱補償方法，如圖6的步驟流程圖以及圖1至3所示，其方法步驟包括：

燒結固化粉末層：在該列印平台10頂部的列印區域11中以該刮刀裝置12覆蓋一粉末層B，透過與該控制器20電連接的燒結雷射光模組30將該粉末層B的部分燒結固化為一燒結部C，該燒結部C的溫度高於該粉末層B的其他部分。

覆蓋表面粉末層：接著該列印區域11下降，以該刮刀裝置12在該形成該燒結部C的粉末層B上覆蓋一表面粉末層B1，該表面粉末層B1接觸下方該燒結部C的部分受該燒結部C的餘溫加溫而升高溫度。

溫度補償：該控制器20令該加溫裝置X，也就是以該數位微型反射鏡元件模組40反射該加熱光源模組50發出雷射光或輻射熱光線至該表面粉末層B1未覆蓋該燒結部C的部分，對該表面粉末層B1未接觸該燒結部C的部分施予加溫的溫度補償。

本發明上述方法在溫度補償的步驟中，能夠利用與該控制器20電連接的該熱顯像儀60偵測該表面粉末層B1的溫度場溫度，進一步將該表面粉末層B1被加熱均勻與否的狀況回饋給該控制器20，使該表面粉末層的溫度能被熱補償地更為均勻。

本發明上述方法在溫度補償的步驟中，該控制器20讀取該燒結雷射光模組30掃描所述燒結部C的掃描路徑S，以避開該掃描路徑S的方式驅動該加溫裝置X對該表面粉末層B1未覆蓋在該燒結部C的部分加熱進行溫度補償。

本發明上述方法的較佳實施例除了以該數位微型反射鏡元件模組40與該加熱光源模組50作為加溫裝置X以外，也可以採用上述第二較佳實施例中或第三較佳實施例中的加溫裝置X作為熱補償該表面粉末層B1未接觸該燒結部C的部分的熱源使用，本發明加溫裝置X的使用不限於上述較佳實施例，只要能用於掃描加熱或整面加熱該表面粉末層B1未接觸該燒結部C的部分即可。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明主張的權利範圍，凡其它未脫離本發明所揭示的精神所完成的等效改變或修飾，均應包括在本發明的申請專利範圍內。

10:列印平台 11:列印區域 12:刮刀裝置 13:粉末箱 20:控制器 30:燒結雷射光模組 301:聚焦模式 302:離焦模式 40:數位微型反射鏡元件模組 41:數位微型反射鏡元件 42:投影鏡頭 50:加熱光源模組 60:熱顯像儀 A:粉末 B:粉末層 B1:表面粉末層 C:燒結部 X:加溫裝置 S:掃描路徑 70:雷射掃描裝置

圖1是本發明第一較佳實施例安裝於雷射燒結三維列印機的示意圖。 圖2是本發明第一較佳實施例安裝於雷射燒結三維列印機的動作示意圖。 圖3是本發明第一較佳實施例安裝於雷射燒結三維列印機的方塊圖。 圖4是本發明第二較佳實施例安裝於雷射燒結三維列印機的動作示意圖。 圖5是本發明第三較佳實施例安裝於雷射燒結三維列印機的動作示意圖。 圖6是本發明方法較佳實施例的步驟流程圖。

10:列印平台

11:列印區域

12:刮刀裝置

13:粉末箱

30:燒結雷射光模組

40:數位微型反射鏡元件模組

41:數位微型反射鏡元件

42:投影鏡頭

50:加熱光源模組

60:熱顯像儀

A:粉末

B:粉末層

C:燒結部

X:加溫裝置

Claims (10)

1. 一種雷射燒結三維列印熱補償系統，包含一控制器以及分別與該控制器連接之一加溫裝置以及一溫場感知裝置，其中該溫場感知裝置偵測一列印區域取得一感測結果，該感測結果包含一高溫區域與一相對低溫區域，該控制器控制該加溫裝置對該相對低溫區域提供熱源進行溫度補償，減低該高溫區域與相對低溫區域之溫度差異。
2. 如請求項1之雷射燒結三維列印熱補償系統，其中在所述列印區域上設有一粉末層，該粉末層的部分被燒結固化為一燒結部，在該粉末層上覆蓋一表面粉末層，該表面粉膜層覆蓋接觸該燒結部的部分是所述高溫區域，該表面粉末層未覆蓋在該燒結部的部分是相對低溫區域。
3. 如請求項1之雷射燒結三維列印熱補償系統，其中所述溫場感知裝置是熱顯像儀，該熱顯像儀與該控制器電連接，該熱顯像儀偵測該表面粉末層的溫度場溫度回饋該控制器。
4. 如請求項1之雷射燒結三維列印熱補償系統，其中所述溫場感知裝置是紅外線溫度感測器，該紅外線溫度感測器與該控制器電連接，該紅外線溫度感測器偵測該表面粉末層的溫度場溫度回饋該控制器。
5. 如請求項2至4中任一項之雷射燒結三維列印熱補償系統，其中所述燒結部是以一高功率的燒結雷射光模組燒結固化而成，所述加溫裝置是一低功率的雷射掃描裝置。
6. 如請求項1至4中任一項之雷射燒結三維列印熱補償系統，其中所述加溫裝置是一燒結雷射光模組，該燒結雷射光模組具有一高功率的聚焦模式以及一低功率的離焦模式，該燒結雷射光模組執行該離焦模式對所述相對低溫區域提供熱源補償。
7. 如請求項1至4中任一項之雷射燒結三維列印熱補償系統，其中所述加溫裝置包括與所述控制器電連接的一數位微型反射鏡元件模組以及一加熱光源模組，該加熱光源模組朝向該數位微型反射鏡元件模組，該控制器令該數位微型反射鏡元件模組選擇性地反射該加熱光源模組發出的光源用於提供熱源補償。
8. 如請求項7之雷射燒結三維列印熱補償系統，其中所述的數位微型反射鏡元件模組包括一數位微型反射鏡元件以及一投影鏡頭，所述的加熱光源模組朝向該數位微型反射鏡元件，該數位微型反射鏡元件選擇性反射的光源穿過該投影鏡頭照射至所述列印區域範圍中提供熱源補償。
9. 一種實施如情求項1之雷射燒結三維列印熱補償系統的雷射燒結三維列印熱補償方法，其方法步驟包括： 燒結固化粉末層：在該列印區域中覆蓋一粉末層，以一燒結雷射光模組將該粉末層的部分燒結固化為一燒結部，該燒結部的溫度高於該粉末層的其他部分； 覆蓋表面粉末層：在該粉末層上覆蓋所述的表面粉末層；以及 燒結部溫度補償：以該溫場感知裝置偵測該列印區域取得該感測結果，以該加溫裝置對該相對低溫區域，即該表面粉末層未接觸該燒結部的進行溫度補償，減低該高溫區域與相對低溫區域之溫度差異。
10. 如請求項9之雷射燒結三維列印熱補償方法，其中在所述溫度補償的步驟中，所述溫場感知裝置是熱顯像儀或紅外線溫度感測器。

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