TW202321012A - 高速積層製造設備 - Google Patents

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鄭正元
謝志華
李侯慶
陳逸嘉
劉紹麒
謝子楡
黃智凱
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國立臺灣科技大學
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Abstract

一種高速積層製造設備，其包括一機台本體、一燒結光束模組、一產品承載件、一原料承載件以及一原料撥件。機台本體包括一列印槽以及與列印槽相鄰設置的一原料槽。燒結光束模組設置於機台本體，燒結光束模組包括複數個燒結光源，每個燒結光源具有一光束發射端，光束發射端發出一燒結光束，該等燒結光源的該等光束發射端排列成複數列，每一列的該等光束發射端與相鄰列的該等光束發射端係於光束發射端移動的方向上形成錯位設置。

Description

高速積層製造設備
本發明係有關於一種積層製造設備，特別是有關於一種具有相鄰列的燒結光源彼此錯位設置的二維光源陣列且以此二維光源陣列高速進行積層製造的高速積層製造設備。
積層製造(又稱為三維列印)是一種先建構產品的三維模型，然後將三維模型分成水平方向的複數層，再逐層成形而形成最終產品的技術。藉由積層製造技術可以製出形狀複雜而且以傳統製程需耗費高成本的產品，近年來在產業界獲得相當程度的重視。
積層製造主要有七種製程，材料擠出成形法、光固化樹脂成形法、粉末燒結法、黏著劑噴塗法、材料噴塗成型法、疊層製造法及直接能量沉積法。其中粉末燒結法是通常以雷射燒結光束照設在粉床中的原料使原料熔融成形，延伸出雷射粉末燒結法。由於在粉床中成形，原料粉末可以提供支撐，因而積層模型不需要形成支撐結構，而且產品成形後具有較佳的強度，因此其應用逐漸受到重視。
現有的雷射粉末燒結法是以單顆雷射光源進行燒結，單顆雷射光源在每層經過預先設定的路徑對原料粉末進行燒結成形。但是這種以單顆雷射光源進行燒結的過程相當緩慢，使得產能大受影響。
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種高速積層製造設備，其具有二維配置的燒結光源陣列，能夠對每個成形層進行高速成形，解決先前技術中由於使用單顆雷射燒結光源所導致成形速度過於緩慢的問題。
本發明的高速積層製造設備的一實施例包括一機台本體、一燒結光束模組、一產品承載件、一原料承載件以及一原料撥件。機台本體包括一列印槽以及與該列印槽相鄰設置的一原料槽。燒結光束模組，該燒結光束模組包括複數個燒結光源，每個該燒結光源具有一光束發射端，該光束發射端設置於該機台本體，該光束發射端發出一燒結光束，且該光束發射端可平行於一第一方向在該列印槽上方往復移動，該等燒結光源的該等光束發射端係沿與該第一方向垂直的第二方向排列成複數列，每一列的該等光束發射端與相鄰列的該等光束發射端係於該第一方向上形成錯位設置。產品承載件係設置於該列印槽中，一產品成形於該產品承載件，該產品承載件於該列印槽中可平行於一第三方向移動。原料承載件係設置於該原料槽，一原料係承載於該原料承載件，該原料承載件於該原料槽中可平行於該第三方向移動。原料撥件係可移動地設置於該列印槽以及該原料槽。
在另一實施例中，每個燒結光源包括一發光元件、一光束導引件以及一光學準直器，光學準直器設置於光束發射端，發光元件產生一光線，光線由該光束導引件導引通過光學準直器後形成燒結光束。
在另一實施例中，每個該燒結光源更包括一適配器，光束導引件包括一第一導引段以及一第二導引段，第一導引段的一端連接於發光元件，第二導引段的一端連接於光學準直器，第一導引段的另一端與第二導引段的另一端分別連接於適配器。
在另一實施例中，燒結光束模組更包括一準直器固定架，準直器固定架係平行於產品承載件設置，準直器固定架具有複數個第一定位孔，該等光學準直器係分別設置於該等第一定位孔，該等定位孔係排列複數列，每一列的該等第一定位孔與相鄰列的該等第一定位孔在第一方向上係錯位設置。
在另一實施例中，燒結光束模組更包括一導引件固定架，導引件固定架具有複數個第二定位孔，一個第二定位孔係對應於複數個第一定位孔，每個第二定位孔容置多個光束導引件。
在另一實施例中，導引件固定架位於準直器固定架的上方，導引件固定架具有複數個固定片，該等固定片係對應地設置於該等第二定位孔，燒結光束模組更包括複數個集束件，該等集束件係對應於該等第二定位孔，且多個光束導引件由一個集束件集束且設置於一個第二定位孔中，固定片使集束件固定於第二定位孔。
在另一實施例中，燒結光束模組更包括一移動座體，其可平行於第一方向移動地設置於機台本體，準直器固定架與導引件固定架均設置在移動座體，移動座體具有一出光口，該等第一定位孔係對應於出光口，原料撥件設置於移動座體的一側。
在另一實施例中，本發明的高速積層製造設備更包括一控制模組，其包括一控制器、複數個轉換器以及複數個驅動電路，控制器具有複數個輸入輸出埠，該等轉換器分別連接於該等輸入輸出埠以及該等驅動電路，該等驅動電路係驅動該等發光元件，控制器依時序從該等輸入輸出埠分別輸出控制訊號，經由該等轉換器轉換成驅動訊號，驅動訊號傳送至驅動電路，以驅動該等發光元件發光。
在另一實施例中，控制訊號為數位訊號，驅動訊號為脈衝寬度調變(PWM)訊號。
在另一實施例中，本發明的高速積層製造設備更包括一位置偵測器，設置於機台本體，偵測光束發射端的位置，並產生一偵測訊號，偵測訊號傳送至控制器，控制器根據偵測訊號產生控制訊號。
本發明的高速積層製造設備藉由排成複數列的光束發射端形成二維光束發射的陣列，而且相鄰列的光束發射端是錯位設置，如此每列光束發射端可在列印區內建構線狀的掃描區域，二維陣列光束發射端的再沿第一方向移動以形成二維的掃描區域。如此燒結光束模組的二維陣列光束發射端對原料層言第一方向移動後即可完成該層的成形作業，能夠達到高速積層製造的功效。
請參閱圖1、圖2、圖3及圖4，其表示本發明的高速積層製造設備的一實施例。本實施例的高速積層製造設備屬於以燒結光線照射在列印槽中的粉末原料而成形的積層製造技術。本實施例的高速積層製造設備包括一機台本體10以及一移動座體20。機台本體10頂部的工作檯面設有一列印槽11以及一原料槽12，原料槽12與列印槽11相鄰設置，原料槽12中供放置粉末狀的原料，原料可以是塑膠粉末或金屬粉末。移動座體20藉由第一伺服馬達21為可移動地設置於機台本體10頂部的工作檯面，且可平行於一第一方向X移動，而且在印刷槽11與原料槽12的上方移動。
本實施例的高速積層製造設備更包括一產品承載件30以及一原料承載件40，產品承載件30設置於列印槽11內且構成列印槽11的底部，產品承載件30由設置於機台本體10的底部的第二伺服馬達31驅動而平行於第三方向Z移動。原料承載件40設置於原料槽12內且構成原料槽12的底部，原料承載件40由機台本體10的底部的第三伺服馬達41驅動而平行於第三方向Z移動。本實施例的產品承載件30與原料承載件40在進行積層製造的過程中是往相反方向移動，即產品承載件30隨著逐層列印成形而向下(-Z方向)移動，以便原料槽12的粉末原料可以補充鋪設在列印槽11，而原料承載件40為了使原料補充至列印槽11而推動原料向上(+Z方向)移動。本實施例的高速積層製造設備更包括設置於移動座體20的原料撥件50。本實施例的原料撥件50為鋪粉滾輪，其設置於移動座體20的一端並隨著移動座體20移動，本實施例的原料撥件50設置於移動座體20的右端。移動座體20是從位於原料槽12左邊的起點開始移動，然後依序經過原料槽12及列印槽11，藉此原料撥件50也依序移動通過原料槽12及列印槽11，而將原料槽12中的原料粉末推撥至列印槽11中。
本實施例的高速積層製造設備更包括一燒結光束模組60，燒結光束模組60包括複數個燒結光源組件61，每個該燒結光源組件61具有一光束發射端611，光束發射端611設置在移動座體20上，而且位於原料撥件50的右側，當移動座體20由左向右移動時，原料撥件50先將原料槽12中的原料粉末推撥至列印槽11中，光束發射端611接著掃描通過列印槽11。光束發射端611發出一燒結光束，移動座體20具有一出光口22(請參閱圖10)，燒結光束穿過出光口22朝列印槽11照射，依照設定的位置照射於鋪設在列印槽11的各層原料粉末，使原料粉末熔融而形成產品的各層結構。光束發射端511設置在移動座體20，可隨著移動座體20平行於第一方向L1在列印槽11上方往復移動。
請參閱圖5及圖6至圖8，燒結光源組件61的光束發射端611係沿與第一方向X垂直的第二方向Y排列成複數列，每一列的光束發射端611與相鄰列的光束發射端611係於第一方向X上形成錯位設置。當二維陣列的光束發射端611沿第一方向X移動時，如圖4A所示，第一列的光束發射端611通過列印槽11上的沿第二方向Y的一維作業區域時使原料燒結而產生成形區A，然後如圖4B所示，第二列的光束發射端611之後通過列印槽11上同樣的一維作業區域時在列印槽11上產生成形區B，接著如圖4C所示，第三列的光束發射端611通過同樣的一維作業區域時在列印槽11上產生成形區C。藉此，藉由三列的光束發射端611在作業區域形成成形區A、B、C，而在沿第二方向L2上形成希望的成形結構。如此隨著二維的光束發射端611沿第一方向L1移動，可以在沿第二方向L1的多個一維作業區域分別產生希望的成形結構，而整體形成該層的整體成形結構。如此，藉由二維陣列的光束發射端611移動一個行程即可完成一層的成形結構，真正可以達到高速積層製造的功效。本實施例使用數百個光束發射端611所形成的二維陣列來達成，因此以下分別說明燒結光源組件61的結構以及燒結光束模組60用於固定燒結光源組件61的結構。
請參閱圖9，其表示本實施例的燒結光束模組60的燒結光源組件61的結構。每個燒結光源組件61包括一發光元件612、一光束導引件613以及一光學準直器614，光學準直器614設置於光束發射端611，發光元件612產生一光線，光線由光束導引件613導引通過光學準直器614後形成燒結光束。本實施例的發光元件612為雷射二極體(laser diode)，光學導引件613為光纖，光學準直器614包括透鏡組。每個燒結光源組件61更包括一適配器615，光束導引件613包括一第一導引段6131以及一第二導引段6132，第一導引段6131的一端連接於發光元件612，第二導引段6132的一端連接於光學準直器614，第一導引段6131的另一端與第二導引段6132的另一端分別連接於適配器615。第一導引段6131的另一端是以連接器與適配器615連接，第二導引段6132的另一端也是以連接器與適配器615連接。例如適配器615為FC/PC適配器，第一導引段6131及第二導引段6132使用FC/PC連接器與適配器615連接。如此，光束導引件613分成第一導引段6131及第二導引段6132，在維修作業時，可分別針對發光元件612的部分或針對光學準直器614的部分個別拆卸更換，不必如先前技術在更換作業時必須整個光束導引件613拆下更換，可以減少維修成本。
請參閱圖10、圖11及圖12，燒結光束模組60更包括一準直器固定架62，準直器固定架62呈板狀且設置於移動座體20，而且準直器固定架62係平行於產品承載件30設置。準直器固定架62具有複數個第一定位孔621，該等光學準直器614係分別設置於複數個第一定位孔621，複數個第一定位孔621對應於移動座體20的出光口22設置，從光學準直器614發出的燒結光束穿過出光口22而照射至列印槽11中的原料粉末。複數個第一定位孔621係排列複數列，而形成一二維陣列。每一列的第一定位孔621與相鄰列的第一定位孔621在第一方向L1上係錯位設置。藉此，複數個光學準直器614也藉由複數個第一定位孔621的配置而形成每一列的光學準直器614與相鄰列的光學準直器614係錯位設置。
燒結光束模組60更包括一導引件固定架63，導引件固定架63設置於移動座體20且位於準直器固定架62的上方，導引件固定架63具有複數個第二定位孔631，一個第二定位孔631係對應於複數個第一定位孔621，與複數個光學準直器614連接的光學導引件612集中容置於一個第二定位孔631中，因此每個第二定位孔631容置多個光束導引件613。本實施例的每個第二定位孔631容置八個光束導引件613。另外，燒結光束模組60更包括複數個集束件64，複數個集束件64分別使多個光束導引件613集束後設置於對應的第二定位孔631中，使多個光束導引件613集束定位在第二定位孔631中。導引件固定架63還包括複數個固定片632，導引件固定架63在每個第二定位孔631的兩相對內側壁設有插槽633，固定片632插置於插槽633中而且與第二定位孔631的內側壁一起夾持集束件64，使集束件64被夾持定位於第二定位孔631。
燒結光束模組60更包括一準直器輔助定位架65，準直器輔助定位架65設置在準直器固定架62的上方且位於準直器輔助定位架65與導引件固定架63之間，準直器輔助定位架65具有複數個第三定位孔651，第三定位孔651與第一定位孔621對準，光學準直器614與光束導引件613連接的一端設置於第三定位孔651，藉此光學準直器614定位在準直器固定架62與準直器輔助定位架65。
請參閱圖13本實施例的高速積層製造設備更包括一控制模組70，其包括一控制器71、複數個轉換器72以及複數個驅動電路73，控制器71具有複數個輸入輸出埠，複數個轉換器72分別連接於複數個輸入輸出埠以及複數個驅動電路73，複數個驅動電路73係驅動該等發光元件。本實施例的控制器71為台達電的R1-EC70X2的數位輸出模組，外接32輸出的輸入輸出埠。控制器71依時序從該等輸入輸出埠分別輸出控制訊號，經由該等轉換器72轉換成驅動訊號，驅動訊號傳送至驅動電路73，以驅動該等發光元件612發光。本實施例的轉換器72為Tamega2560晶片，其將控制器71輸出的數位訊號轉換成脈衝寬度調變(PWM)訊號，藉此控制發光元件612的發光。
請再參閱圖4，本實施例的高速積層製造設備更包括一位置偵測器80，其設置於機台本體10及移動座體20，偵測移動座體20(光束發射端611)的位置，並產生一偵測訊號，偵測訊號傳送至控制器71，控制器71根據偵測訊號產生控制訊號，即控制器71根據位置偵測器80偵測移動座體20的位置產生控制訊號控制發光元件612的亮度，而產生預定地成形結構。本實施例的位置偵測器80為光學尺。
本實施例的高速積層製造設備也設置一人機介面，人機介面包括步進模式與吋動模式，人機介面藉由安裝應用程序並在觸控式顯示器顯示，操作者可以在人機介面輸入操作參數，例如每個行程的移動座體20、產品承載件30及原料承載件40的移動速度及移動距離等。
本發明的高速積層製造設備藉由排成複數列的光束發射端形成二維光束發射的陣列，而且相鄰列的光束發射端是錯位設置，如此每列光束發射端可在列印區內建構線狀的掃描區域，二維陣列光束發射端的再沿第一方向移動以形成二維的掃描區域。如此燒結光束模組的二維陣列光束發射端對原料層言第一方向移動後即可完成該層的成形作業，能夠達到高速積層製造的功效。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明之申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。
10:機台本體 11:列印槽 12:原料槽 20:移動座體 21:第一伺服馬達 22:出光口 30:產品承載件 31:第二伺服馬達 40:原料承載件 41:第三伺服馬達 50:原料撥件 60:燒結光束模組 61:燒結光源組件 62:準直器固定架 63:導引件固定架 64:集束件 65:準直器輔助定位架 70:控制模組 71:控制器 72:轉換器 73:驅動電路 80:位置偵測器 611:光束發射端 612:發光元件 613:光束導引件 614:光學準直器 615:適配器 621:第一定位孔 631:第二定位孔 632:固定片 633:插槽 651:第三定位孔 6131:第一導引段 6132:第二導引段 A:成形區 B:成形區 C:成形區 X:第一方向 Y:第二方向 Z:第三方向
圖1是本發明的高速積層製造設備的一實施例的立體圖。 圖2是圖1的高速積層製造設備的部分立體圖。 圖3是圖2的俯視圖。 圖4是本發明的高速積層製造設備的燒結光束模組位於移動座體的部分結構的立體示意圖。 圖5是圖4的燒結光束模組的光束發射端的配置示意圖。 圖6至圖8是圖5的高速積層製造設備的光束發射端對原料進行燒結的示意圖。 圖9是本發明的高速積層製造設備的燒結光源組件的結構的示意圖。 圖10是本發明的高速積層製造設備的準直器固定架及導引件固定架設置於移動平台的立體圖。 圖11是本發明的高速積層製造設備的準直器固定架及配置於其上的光學準直器的示意圖。 圖12是圖11的俯視圖。 圖13是本發明的高速積層製造設備的控制模組的示意圖。
10:機台本體
11:列印槽
12:原料槽
20:移動座體
21:第一伺服馬達
30:產品承載件
40:原料承載件
50:原料撥件
60:燒結光束模組
80:位置偵測器

Claims (10)

  1. 一種高速積層製造設備，其包括： 一機台本體，其包括一列印槽以及與該列印槽相鄰設置的一原料槽； 一燒結光束模組，該燒結光束模組包括複數個燒結光源組件，每個該燒結光源組件具有一光束發射端，該光束發射端設置於該機台本體，該光束發射端發出一燒結光束，且該光束發射端可平行於一第一方向在該列印槽上方往復移動，該等燒結光源組件的該等光束發射端係沿與該第一方向垂直的第二方向排列成複數列，每一列的該等光束發射端與相鄰列的該等光束發射端係於該第一方向上形成錯位設置； 一產品承載件，設置於該列印槽中，一產品成形於該產品承載件，該產品承載件於該列印槽中可平行於一第三方向移動； 一原料承載件，設置於該原料槽，一原料係承載於該原料承載件，該原料承載件於該原料槽中可平行於該第三方向移動；以及 一原料撥件，可移動地設置於該列印槽以及該原料槽。
  2. 如請求項1所述之高速積層製造設備，其中每個該燒結光源組件包括一發光元件、一光束導引件以及一光學準直器，該光學準直器設置於該光束發射端，該發光元件產生一光線，該光線由該光束導引件導引通過該光學準直器後形成該燒結光束。
  3. 如請求項2所述之高速積層製造設備，其中每個該燒結光源組件更包括一適配器，該光束導引件包括一第一導引段以及一第二導引段，該第一導引段的一端連接於該發光元件，該第二導引段的一端連接於該光學準直器，該第一導引段的另一端與該第二導引段的另一端分別連接於該適配器。
  4. 如請求項2所述之高速積層製造設備，其中該燒結光束模組更包括一準直器固定架，該準直器固定架係平行於該產品承載件設置，該準直器固定架具有複數個第一定位孔，該等光學準直器係分別設置於該等第一定位孔，該等第一定位孔係排列複數列，每一列的該等第一定位孔與相鄰列的該等第一定位孔在該第一方向上係錯位設置。
  5. 如請求項4所述之高速積層製造設備，其中該燒結光束模組更包括一導引件固定架，該導引件固定架具有複數個第二定位孔，一個該第二定位孔係對應於複數個第一定位孔，每個該第二定位孔容置多個該光束導引件。
  6. 如請求項5所述之高速積層製造設備，其中該導引件固定架位於該準直器固定架的上方，該導引件固定架具有複數個固定片，該等固定片係對應地設置於該等第二定位孔，該燒結光束模組更包括複數個集束件，該等集束件係對應於該等第二定位孔，且多個該光束導引件由一個該集束件集束且設置於一個該第二定位孔中，該固定片使該集束件固定於該第二定位孔。
  7. 如請求項5所述之高速積層製造設備，其中該燒結光束模組更包括一移動座體，其可平行於該第一方向移動地設置於該機台本體，該準直器固定架與該導引件固定架均設置在該移動座體，該移動座體具有一出光口，該等第一定位孔係對應於該出光口，該原料撥件設置於該移動座體的一側。
  8. 如請求項2所述之高速積層製造設備，其更包括一控制模組，其包括一控制器、複數個轉換器以及複數個驅動電路，該控制器具有複數個輸入輸出埠，該等轉換器分別連接於該等輸入輸出埠以及該等驅動電路，該等驅動電路係驅動該等發光元件，該控制器依時序從該等輸入輸出埠分別輸出控制訊號，經由該等轉換器轉換成驅動訊號，該驅動訊號傳送至該驅動電路，以驅動該等發光元件發光。
  9. 如請求項7所述之高速積層製造設備，其中該控制訊號為數位訊號，該驅動訊號為脈衝寬度調變(PWM)訊號。
  10. 如請求項7所述之高速積層製造設備，其中更包括一位置偵測器，設置於該機台本體，偵測該光束發射端的位置，並產生一偵測訊號，該偵測訊號傳送至該控制器，該控制器根據該偵測訊號產生該控制訊號。
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