TW411313B - Rapid prototyping system with filament supply spool monitoring - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、 A7 __411313______ 克、發明说明（） 赛明領邊 本發明係關於三維原型模型製造。詳言之，本發明係 關於一藉由從一擠製頭沉積多層在流體狀態下的材料於 一基底上來形成預先設計好的三維物件之快速原型系 統。該材料被加以選擇且其溫度被加以控制’使得其在擠 製時或分配至該基底上時始與形成該所需物件之堆累的 多層一起固化。在本發明中’三維物件是使用來自於一轉 轴的細絲形成的，該轉軸具有一相關連的電路用以保存與 在該轉袖上之細絲的種類及數量相關的資料。 瘀明背景： 一快速原型系統包括了根據來自於一電腦輔助設計 (CAD)系統的設計資料來製造三維物件α藉由沉積多層固 化材料來形成三維物件的快速原型設備及方法被描述於 Crump的美國專利第5,121，329號’ Bat chelder等人的美國 專利第5,303,1 41號，Crump的美國專利第5,340,433號’ Batchelder的美國專利第5,426,722號’ Cr.ump等人的美國 專利第 5,503,785號，及 Abrams等人的美國i利第 5,5 8 7,9 1 3號，它們皆讓，渡給Stratasys公司。具有一細絲 給送，或一固態桿給送之快速原型系統係被描述於CrumP 的'329號專利及Crump的'433號專利中。 ’ 在使用一固態桿給送的快速原型系統中，模塑製造材 料（molding)的桿或”晶圓"典型地是被貯存在一 £盒中，其 將桿配送至該系統，這被描述於讓渡給Stratasys公司的第 •P . Γ 第4頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再本頁) .裝--，--L^ 訂丨、-----0----------丨 411313 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 08/556,5 83號美國專利申請案中。在一使用細絲給送的快 速原型系統中’纏繞在一細絲轉軸上的細絲長度供給該系 統所需的細絲。 在一細絲給送或固態桿給送的使用中，對於該快速原 型系統的控制系統而言，追蹤留存在一匣盒中或在一轉軸 上的模型製造材料的數量是所想要的。對於控制系統而 言，知道在該匣盒中或在該轉軸上之模型製造材料的種 類’及配送該材料之適當的擠製參數亦是所想要的。 一具有一可電氣地讀取及寫入之提供資料給控制系 統的記憶體裝置被描述於共同繫屬中之第08/556,583號 美國專利申請案中。該記憶體裝置係固定於該匣盒中使得 在該匣盒被手動地插入時可經由一連接器達成與該控制 系統的電氣接觸◊該記憶體裝置是作為一電子標籤之用， 其將在該E盒内之材料種類，配送該材料之適當的擠製參 數’目前在該匣盒内之桿的數量，及該g盒的序號通知該 控制系統》 發明目的及概诚： 本發明為一細絲轉轴及一被供應細絲之快速原型系 統，其提供一用來監測有關於在該細絲轉軸上的細絲之資 料。詳言之’本發明提供有關於在該轉☆上之細絲的種類 及數量之資料，並在細絲種類與物件規格所需求的材料種 類不符時’或在轉軸上的細絲數量不足以形成一所需的物 件時’通知操作者，本發明的轉軸進一步防止在細絲完全 _____ 第5頁 本紙張尺g中國國^T^Ns)八4規格（別乂加讀) --- (請先閲讀背面之注意事項再 .裝· 頁) 訂 線 41131S A7 _______ B7 五、發明説明（） 一 從該轉軸上取下之前的系統搡作，使得操作者可抓握該細 絲並將其從細絲驅動器及擠製頭上取出，藉以方便使用過 之轉軸及細絲之取下及後續一新的細絲轉軸的更換。 圖式簡軍說明： 第1圖為本發明之較佳實施例的外部前視圖，其顯示該系 統在作業中的狀態。 第2圖為本發明之較佳實施例的—外部右側視圖。 第3圖為本發明之較佳實施例的一外部左侧视圖。 第4圖為原型封套（etlvel〇p)的前視圖，其顯示該系統在作 業中的狀態。 第5圖為本發明之較佳實施例的控制系統的電予方燒圖。 第6圖為該原型封套的部分分解立體圖，其顯示該模型製 造擠製頭在作業中的狀態。 第6A圖為第5圖中的一部分的細節，其顯示出真空平台 槽。 第6B圖為第5圖中的一部分的細節，其顯示出該線性馬 達的空氣軸承。 第7圖為第2及3圖中之細絲錠子及細絲轉軸的分解圖。 第7A圖為EEPROM之外表面的立體圖。 第8圖為該模型製造擠製頭的前視圖，其中有一部1分是以 剖面的方式顯示。 第9圖為液化器的分解圖。 第〗〇 A及丨0B圖顯示液化器的替代實施例。/ _____ 第 6頁 本紙張又度適财2ΐ〇χ 297公楚） --- (請先閲讀背面之注項再^^本頁) 裝‘ 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

41131S A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 1 1 圖號對照說明： 1 1 I 10 快速原型系統 12 箱櫃 1 1 14 封套門 16 廢棄物盤門 V—S 請 ! 1 先 18 支持廢棄物盤門 20 平台蓋子 閱 讀 Ί 21 觸控螢幕顯示面板 22 乾盒（drybox)門 背 之 1 Ί 24 電子機台蓋子 26 支持乾盒門 意 -Γ I 1 28 壓縮機台蓋子 30 模型擠製設備 項 再 I 33 模型製造x-y衝頭 32 模型製造的擠製頭 % ►裝 34 模型製造臂 36 模型製造樞轉接頭 頁 1 1 40 模型製造製造材料的細絲 I | 42 模型製造細絲轉軸 43 模型製造錠子 1 60 基材 44 支持擠製設備 訂 45 模型製造乾盒 46 支持擠製頭 I 48 支持臂 50 支持樞轉接頭 1 1 52 支持x-y衝頭 54 支持材料 1 1 56 支持細絲轉軸 57 支持細絲乾盒 1 )線 58 支持錠子 64 物件 } | 62 真空平台 65 液化器 .‘ 1 | 70 封套 74 建構平台 1 I 76 腳 78 平台抽展 1 ! 80 Z驅動鍵 114 1 Z馬達 90 電子系統 92 CPU 1 I 94,96 10 卡 98 電源供應 1 1 100 封套加熱器 102 封套鼓風機 1 1 I 第7頁 1 1 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 41131ο Α7 Β7 經濟部智慧財產局B工消費合作社印製 發明説明（） 108 封套熱斷流器開關 104,106 頭鼓風機 1 10 壓縮機 222 熱電耦 220 加熱器 246 馬達 210 安全開關 116 模型製造乾盒處理器 1 18 模型製造細絲感應器 236 細絲導件 120 EEPROM 板 88 EEPROM 124 模型製造頭周邊感應器 126 南z周邊感應益 128 低z周邊感應器 130 xyz非接觸式尖端位置感應器 132 支持乾盒處理器板 134 支持細絲感應器 136 支持EEPROM板 138 第一壓力閥 140 第二壓力閥 142 支持頭周邊感應器 150 平面定子 152 線性馬達 154 壓縮空氣供給 156 空氣軸承 158 電氣供應 160 擠製頭電氣供應 162 空氣管 163 臍狀件 164 溝槽 166 孔 168 真空軟管 167 > 上表面 174 半圓形連接器 176 連接器銷 178 受彈簧作用的閂件 179 外緣 180 圓筒 182 套筒 1 181 轉軸凸緣 184,186 凸緣 188 EEPROM 192 電氣接點 190 連接器 200 安裝板 第·8頁 (請先閱讀背面之注意事項再本頁) 裝· 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 411δ1ύ Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 202 螺栓 206 圍壁 208 細絲驅動器 210 安全開關 212 薄壁管 214 加熱塊 216 擠出嘴 218 嘴扣件 220 加熱器 222 熱電耦 224 入口端 226 噴嘴 229 通道 228 前段 230 後段 234 螺絲 236 導管 238 入ρ孑L 240 有斜度的導件 242 導引道 246 步進馬達 248 滑輪 250,252 進給滾子 254 驅動袖 256 鼓風機 258 風管 259 液化器 260Α,260Β 薄壁管 262 噴嘴 264 出口端 266 加熱塊 268 外板 270 内板 272 後板 274 加熱器 276 通道 發明詳細說明： 在較佳的實施例中 Λ ，該快速原型系統1 〇如第1 圖所 示的是容納在一箱櫃1 2中•箱櫃 12有位在其前方， 左及 右侧方的門及蓋子。在 箱櫃12的 前方，有一封套門 14， 一模型製造廢棄物盤門 16位在該封套門14的右方， 一觸 第9頁 1 丁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21 ΟΧ 29*7公釐}

線 Α7 Β7 411313 五、發明説明（ 控榮幕顯不面板21位在該模型製造廢棄物盤門16的右 方，一支持廢棄物盤門18位在封套門14的左方，及一平 台蓋子20其位在封套蓋門14的底下。一模型製造的乾盒 (drybox)門22及一電子機台蓋子24位在該箱櫃Η的右手 邊。一支持乾盒門26位在位在一壓縮機台蓋子28的上 方’在箱櫃12的左手邊β 孩箱振12的右上方容納一模型擠製設備3〇,其包含 一固定在一模型製造x_y衝頭（f〇rcer)33底下並與一會繞 著一模型製造樞轉接頭36轉動之模型製造臂34連接之模 型製造的濟製頭32。該模型製造擠製設備3〇從一位在一 模型製造乾盒45(第2圖）中的模型製造細絲轉軸42處接 收一模型製造製造材料40的細絲，其中該乾盒45位在樞 轉接頭36的底下且可經由模型製造乾盒門22接埤，乾盒 45保持在低濕度的狀態用以讓細絲々ο保持在最佳的狀 感。該模型製造擠製設備30被用來以一層一層的方式來 將模型製造材料分配在一基材60上。該安裝在乾盒45内 之一模型製造錠子43上的模型製造細絲轉軸42更詳細地 示於第2圖中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 箱櫃〗2的左手邊容納了一支持擠製設備44,其包含 一固定在一支持x-y衝頭52的底下並與一會繞著一支持 樞轉接頭50轉動之支持臂48相連接的1 支持擠製頭46。該 支持擠製設備44從一位在一支持細絲乾盒57(第3圖）中 的支持細絲轉抽5 6處接收一支持材料5 4的細絲，其中該 乾盒57位在支持樞轉接頭50的底下且可經由支持乾盒1 第10頁 良紙張尺度適用中囷國家禕準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 41131 A7 B7 五、發明説明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 26接近《乾盒57保持在低濕度的狀態用以讓細絲54保持 在最佳的狀態《該支持擠製設備44被用來以一層一層的 方式來分配支持材料。該安裝在乾盒57内之一支持錠子 58上的支持細絲轉轴56更詳細地示於第3圖中。 被該模型製造擠製設備30以一層一層的方式擠出的 模型製造材料形成了物件64=該支持材料被用來在該物件 正被發展時支持任何突出的部分。在形成一個物件時，没 有直接被最終幾何形狀所支撐之模型製造材料的突出或 懸垂邵分需要一支持結構。支持細絲54被供應給支持擠 製頭46，其將材料加以分配用以提供所需要的支持β該支 持材料+’與模型製造材料相同，是以多層的方式被沉積。 在形成一物件時’一次只有一個擠製設備在作用，即 在擠製狀態。在第1圖中，系統10正在形成一三維物件 64，其中該模型製造擠製設備3〇是在作用中的狀態’而 該支持擠製設備44則在其休息位置。當該模型製造擠製 設備30是在作用狀態時，模型製造細絲4〇經由臂34移 動到達擠製頭32，模型製造細絲在該處被加熱至液態。在 融溶狀態之一層一層的模型製造材料被頭32經由—突伸 穿過該頭32的底面之液化器59而被沉積於基材6〇上。 基材6〇被支撐於一真气平台02上且被真空力量保持在位 置上。當支持擠製設備在作用中的狀態時，支持頭耗 相似地經由臂48接收支持細絲54 t並將其加熱至液熊。 在融溶狀態之一層一層的支持材料被頭46經由—突伸穿 過該頭32的底面之液化器65而被沉積於基材6〇上。 第11頁 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規招 請 閱 之 注 項 訂

41131S A7 B7 五、發明説明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 該模型製^支持材料的細絲都，其可相當快 速地被加熱至其液化的溫度，且其在從擠製頭被分配出來 後只要在溫度上稍微下降即可快速地固化…種在熱的時 候：讥積時對其本身有相當高的黏附性之混合物被選作 為模型製造材料°一種在被沉積時對模型製造材料有相當 低的黏附性之混合物被選作為支持材料，使得支持材料對 於模:製造材料及對其本身形成一弱的，且可斷裂的結 a 亥物件元成時，該支持材料由操作者將其折斷’留 下由模型製造材料所形成之完整的物件。 该模型製造材料最好是—熱塑性材料可被用作為該 模型製造材料細絲之其它的材料包括蜂蠟，鑄造蠟，可加 工之工業用蠟，石蠟，許多種的熱塑性樹脂，金屬及金屬 β金適13的金屬包括了銀，金，白金，鎳，這些金屬的 &金銘’銅，金，船，鎂，綱，鈇，短，及青銅。玻瑪， 及特殊的康寧（Corning)玻璃亦是適合的β化學固化材料， 包括了兩部分ϊ衷氧樹脂，亦是合適的。被發現特別合適之 模型製造材料為丙烯丁二締苯乙烯（ABS)混合物。被發 現特別合適之支持材料為添加了一聚苯乙烯共聚物作為 一濾機（約鬲達80%)之丙烯丁二烯苯乙浠（ABS)混合物 用以產生一較低表面能量的ABS混合物，及提供一較低内 聚力及黏附性的材料。兩種衬料細絲最好是直徑都很小， 約0.007英吋《然而，細絲的直徑可小到約〇 〇〇1英吋。 第4圖展示一建構封套7〇其位在該系統1〇的中央内 部區域並可經由封套門14來接近。在第4圖中，門14， 第12頁 本紙银尺度適用中國國家操準（CNS ) A#規格（2丨〇 χ 297公潑） 請 先 閱

Sr 之 注 項 再 本 頁 裝 訂 411313 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（箱极12的接合面板都被取下。封套70是一 括 、構的地方。封套7〇包含-建構平台74其包 ?8 ^ 一空平台62,該真空平台是被一跨騎在一平台抽屜 的一組腳76所支撐。建構平台74於 内垂 多動於2万向上。建構平台74的移動是由一 z驅動 鏈8〇所控制，其是由- z馬達114(在第5圖中顯示)所驅 動建構平台74在一單一層的形成期間保持不動。當每 額外的層被沉積於基材60上時，建構平台74被稍微地 降下用以騰出可以形成後續層的空間。平台抽屜78向前 扭用以讓操作者能夠輕易地接近真空平台62。 %子系統9 0，如第5圖中所示，控制系統丨〇。一 CPU92與第—輪入/輸出（1〇)卡94及第二輸入/輸出（1〇)卡 96 起控制該電子系統9 0的整個操作。c P U 9 2經由來自 於觸控勞幕顯示器2 1的溝通接受操作者的指示。相似地， CPU92與觸控螢幕顯示器21溝通用以顯示訊息給操作者 並要求操作者的輸入。CPU92然後與1〇卡94及96溝通。 一電源供應98供應電源給該電子系統90。 封套加熱器100及封套鼓風機102將封套70的溫度 保持在約80°C。一封套熱斷流器（THCO)開關1 08載送電 流通過該機器的主作動線圏。如果溫到到達約1 20的 話’則THCO開關就會形成開迴路且通過該主作動線圈的 電流就會被中斷。頭鼓風機104及106以室溫供應空氣用 以在細絲40及54分別移動進入模型製造擠製頭32及支 持擠製頭4 6中時冷卻它們的路徑。 第13頁 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再^^本頁) 裝--- —'訂 線 ____B7_ 五、發明説明（） CPU92亦控制一壓縮機110。壓縮機11〇交替地供應 壓縮的空氣給x-y衝頭33及52，提供真空給平台62 » CPU92提供覆層驅動訊號給被選擇性地作動的z馬達 114，其沿著z軸驅動平台74。 10卡94在CPU92的控制下送出及接收輿模型製造擠 製頭32及細絲供應相關連的訊號。1〇卡94送出控制x-y 衝頭33的移動及位置的驅動訊號。1〇卡94進一步送出訊 號給模型製造擠製頭32及接受來自於模型製造擠製頭32 的訊號，其包括了一熱電耦222(TC)，一加熱器220(HTR)， 一馬達246(MTR)及一安全開關210(SS)(示於第8-10圖 中）。如果在該模型製造擠製頭32中的溫度太高時，安全 開關2 ί 0會將該系統關掉。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10卡94經由與一模型製造乾盒處理器板116的溝通 來監視有關於模型製造材料細絲轉軸42的資料。模型製 造乾盒處理器板116是安裝在模型製造細絲乾盒45中。 其從一模型製造細絲感應器1 1 8(位在細絲導件236，示於 第8圖中）及一模型製造EEPROM板120，其為一載有一 電氣可讀取及可寫入裝置（EEPROM88，示於第7圖中）並 固定於模型製造材料細絲轉軸42上的電路板，處接收有 關於模型製造細絲的資料^ EEPROM板120如一具有多種

I 功能的電子標籤般作用。其將在轉軸上的細絲種類及在轉 軸上之細絲直線呎數通知控制系統90。當細絲40從轉軸 42上被捲開時，CPU記住到底有多少材料被指示要被擠 出，將此數量從在EEPROM88中的總數中減去並將新的數 __________ 第 14 頁 本紙張尺^國家標準（cns ) μ規格 411313 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 —-----------------B7 五、發明説明（） 值窝入該EEPROM88 ’乾盒處理器板與乾盒處理器板 Π6溝通用以更新有關於留在該轉軸42上之細絲數量。最 好疋’在EEPR0M1 20板中的資料被編窝（encrypt)使得其 可由CPU92加以更新》細絲感應器丨丨8感測及指示在細絲 供應管的入口處之細絲的存在與否。當有細絲留在轉軸上 時’操作者可握住細絲並將其從擠製頭3 2中抽出。使用 過的細絲及轉軸的卸下及重新裝上一新的轉軸因而變得 很容易。 CPU92從10卡94接收到模型製造細絲資料。在一個 工作的開頭’ CPU92將會計算一轉軸42或56受否具有足 夠完成該工作的細絲。操作者的知會然後經由觸控螢幕顯 示器21被提供’其顯示細絲足以完成該工作，或細絲轉 軸需要在處理期間加以更換。同樣在一工作的開頭時，CPTJ 確認在轉軸上的模型製造細絲材料與物件資料中所限定 的相同。如果這些材料並不相同的話，一操作者的知會將 會經由觸控螢幕顯示器21被提供，讓操作者有機會更換 轉赖。 10卡94經由接收自封套熱電耦122的信號額外地監 視在該封套70中的溫度，及其送訊號來回於一模型製造 頭周邊感應器124，一高z周邊感應器126，一低z周邊 感應器128及一 xyz非接觸尖端位置感應器13〇，所有的 這些將於下文中描述。 對於支持擠製頭5 2及供應給該頭的細絲而言，1〇卡 96的功能與1〇卡94相似。1〇卡96送出控制衝頭52 ____ 第15頁 本紙張尺度通冗甲圏圏豕標準（CNS ) Α4規格（21gX297公g (請先閲讀背面之注意事碩再：本頁) .裝‘ 訂 線. A7 ______B7 五、發明説明（)一 ~ 的移動及位置的驅動訊號βΙ0卡96進一步送出訊號給支 持擠製頭46及接受來自於支持擠製頭46的訊號，其包括 了一熱電耦（TC),-加熱器（HTR)，一馬達（MTR)及一安全 開關（SS)。如果在該支持擠製頭46中的溫度太高時，安全 開關s S會將該系統關掉。 10卡96經由與一支持乾盒處理器板132的溝通來監 視有關於支持材料細絲轉軸5 6的資料。其由一支持細絲 感應器134及一固定於支持衬料細絲轉軸56之支持 EEPR0M板1 3 6處接收有關於支持細絲的資料。£eprqm 板136如一電子標籤般地作用，其方式與eeprqm板120 相同。CPU92從支持處理器板132接收支持細絲資料，並 用它來途供操作者資訊’其方式與上述有關於模型製造細 絲的相同。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10卡96進一步控制一第一壓力閩138及一第二壓力 閥140 ’其交替地打開及關閉用以導引來自於壓縮機n〇 的空氣流。當閥1 3 8被關閉及閥140被打開時，來自於壓 縮機110的空氣被導引至模型製造頭χ-y衝頭33。當間 138被打開而閥140被關閉時，來自於壓縮機11〇的空氣 被導引至支持頭x-y衝頭52。此外，1〇卡96與支持頭周 邊感應器142溝通，這將於下文中說明。 為了要使用快速原型系統10產生一物件，一操作者 首先必需藉由壓下一位在觸控螢幕顯示器21上的電源開 關（未示出）用以將該系統開啟。然後該系統1 〇進入一維修 模式’該系統於該模式中執行一例行工作用以測定模型製 第16頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 411313 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 五、發明説明（， 造擠製頭^ . Μ 叉待擠1頭46，及建構平台74的位置。該 疋在雨個階段中芫成。在第一階段中，該系統界定橋 良頭及平台的移動邊界。模型製造頭周邊感應器124界定 模型製造頭32的邊界，及支持頭周邊感應器142界定支 持頭44的邊界。高ζ周邊感應器126及低ζ周邊感應器 128、起界疋平台74的邊界。在第二階段中，該^非接 觸式尖端位置感應器130界定液化器59及65的尖端的位 置。琢XyZ非接觸式尖端位置感應器130是一個埋設在平 «中的磁性感應器，其可用三個位移的自由度來偵測液 化器的尖端的位置。尖端位置感應器13〇的型式係描述於 共同繫屬中之美國專利第08/556,583號令請案中，其内容 藉由此參照而併於本文中。 在計算完成之後’該系統離開該維修模式並進入一待 命狀態。在此待命狀態中’一三維物件64的設計經由一 LAN網路連結（於第5圖中示出），使用cad軟體，如由 Stratasys公司的qUICKSLICE®，其能夠將該物件設計切 割成多個展用以提供對應於每一層之特定的形狀的資 料’來輸入CPU92中。在層資料被接收到之後，該系統 10進入一熱機階段’封套70於該階段中被加熱。在到達 80°C的溫，時’該系統進入一建構狀態，在該狀態期間其 開始產製三維物件。模型製造擠製設備3〇被更詳細地示 於第6圖中。該模型製造擠製設備30在x_y方向的水平 平面上是可移動的。模型製造x-y衝頭33是被置於一平 面定子150底下並與其平行，該定子包含定子元件（未示 第17頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 請先閱讀背面之注意事項存» 本買) 装.

,1T 〇 五、發明説明（ 出）的柵格。χ-y衝頭33與平面定子15〇 一起形成一電磁 線性步進馬達1 52。市面上可獲得之線性步進馬達可從美 國加州 Santa Clarita 市的 >jorthern Magnatics 公司購得。 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 該x-y衝頭33包含兩組比此以9〇度安裝的單柏衡頭及永 久磁鐵其可將衝頭33維持者頂抵住該定子（未示出）。一由 壓縮機110所供應之壓縮空氣供給〗54在模型製造設備30 在作動時被供應給x-y衝頭33。該壓縮空器氣供給154向 上流經x-y衝頭33並從一上表面流出，如第6B圖中所示。 該流出的空氣在x-y衝頭33與平面定子150之間形成一 £氣軸承156’其讓鐘頭能夠在平面定子15〇底下的一水 平面上作幾近無摩擦的運動。送至x_y衝頭33的驅動訊 號係經由一電氣供應158接收，該電氣供應將一位在在該 χ-y衝頭33中之步進馬達驅動器（未示出）啟動用以達成運 動°週常，此種類的線性步進馬達可表現出會造成機械错 振之突然的暫動運動。此諧振典型地將此種馬達排除在高 精度系統，如快速原型系統，中的應用。如下文中所述， 一與該頭連接的臍狀件對於提供足夠的阻尼效果用以允 許在遠超過在前技的快速原型系統之中可能的速度的高 速下進行高精度的沉積有著驚人的結果。 模型製造擠製臂34為一可撓曲鏈狀載具，其於水平 y 面上是可撓曲的及在其它的方向則是硬的。臂34載負了 空氣供給154及衝頭電氣供應158於其内。臂34亦载負 了 一模型製造擠製頭電氣供應160及一可撓曲的空氣管 162於其内，該空氣管162包含一周園空氣供給及模型製 第18頁 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) M規格（2ι〇·χ297公釐） 411313 A7 ----—---- B7 五、發明説明（） ~~~~ ―― 造細絲4 0 ’就如第§圖由一 圖中所市。臂34與空氣粳給154’ 衝頭電氣供應158 ’擠製頭電氣供應160及空氣管162 — 起形成一連接至擠製頭32的臍狀件163。該臍狀件163 對於緩衝擠製頭32相對於定子30的機械諸振，其是因為 衝頭33對頭32的加速及減速所造成的，產生令人驚奇的 結果。在較佳的實施例中，頭32與x_y衝頭33加起來的 重量小於或等於8镑。 對於小的振盪而言，諧振的頻率約55Hz，而對於大 的振盡而言，讀振的頻率約45Hz，及在此實施例中達到 最終值的98%之阻尼時間（其約等於阻尼時間常數的4倍） 是小於或等於150微秒。機械振盪及阻尼可被表示為： A = A〇sm(w t+ φ )e t/T ’其中A =振幅，a〇 =最初未受阻尼的 振幅，w = 2 7Γ f，f=該系統的諧振頻率，沪=一相位常數， 時間，T=阻尼時間常數。關鍵的阻尼是在τ =〗/ ω時發 生·•在所描述的較佳實施例中，該系統離其被關鍵地阻尼 約為10倍。因此’如果需要的話可加上進一步的阻尼。 該阻尼時間常數是受頭32與χ-y衝頭33加起來的重量所 影響。該重量愈輕，則阻尼時間常數愈短。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 機械諧振的阻尼主要是藉由在臍狀件i 63運動期間所 產生之摩擦力來達成。或者，其它的阻尼機構亦可被使 % 用，如一裝在擠製頭32中的振盪散逸器（或吸振器）。而 且’進一步的阻尼可藉由降低定子1 5〇的衝撞抵抗性（例 如藉由使用銅而非使用鋼）用以提高在定子150内之滿流 損失來產生。 第19頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（2i〇X297公簸） 411313 A7 -- B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 雖然第5圖已當作模型製造設備30來加以說明，但 應被瞭解的是，支持頭設備44具有一相似的結構且具有 一與模型製造設備3 〇的臍狀件相同種類的臍狀件。詳言 义’支持x-y衝頭52共享平面定子150，使得x_y衝頭52 與定子150形成一第二線性馬達。支持設備44從箱櫃12 之與模型製造設備3 〇相對的侧便開始。為了容易參照起 見，/、有一個頭被詳知地顯示。 真$平台62及基材60在第6圖中是以分解囷被顯 示。真空平合62具有一由溝槽164所構成的上表面167， 如第6Α圖中所示。在此較佳的實施例中，溝槽丨64為〇 〇6 英付深，0.06英吋宽，及雨個槽的中心相距1英吋。一孔 1 66延伸穿過真空平台62的中心。孔1 66連接一與真空泵 1 12相連的真空軟管1 68。當系统1 〇被啟動時，一真空藉 由真空管168及真空泵Π2被供應給該真空平台。被提供 給該平台62的真空讓空氣流經溝槽1 64用以沿著平台分 饰真空。此真空將將基材60保持著與平台62的上表面167 相抵靠。在此較佳的實施例中，基材為一可撓曲的板材。 一聚何物材料形成一適當的可撓曲板片基材^ 一具有厚度 約為0.0 6英吋的丙烯板片已成功地被用作為基材β當—所 需要的物件被形成時，操作者可藉由舉起該板片的—個角 落並破壞該所施加的真空的密封性而將基材從平台62上 取下。 可撓曲的基材60可被彎曲以與該物件分開，用以將 基材從該物件上撕下來，如果基材6 0與物件之間有一弱 _ . _ 第 201· 本紙張尺度適财g g]家擦準（CNS ) ( 21〇 χ 297公座) ---- (請先閱讀背面之注意事項再iPP本 裝· 頁)

、1T 線1 〇 A7 B7 五、發明説明（） 的，可破壞的結合的話。此弱的，可破壞的結合可藉由在 基材60上沉積或多層）模型製造材料的第一層，接下來 /儿積一（或多層）支持材料的第二層來形成。該模型製造材 料及基材被加以選擇使得模型製造材料被完全黏附在基^ 材上。在形成一物件時’該模型製造材料在基材上被沉積 成或多層。該支持材料然後以一或多層的形式被沉積於 孩模型製造材料上。然後使用多層模型製造材料及/或支持 材料將該物件發展於該支持材料上，當該物件完成時，真 ^藉由舉起基材60的一個角落而被破壞，然後基材被操 作者將其從平台62上取下。藉由彎折基材6〇，操作者可 將基材60從該物件上撕下來。該模型製造材料的第一層 將保持著黏在該基材上，而介於該模型製造材料的第一層 與該支持材料的第二層之間的弱結合是一很容易破壞的 結合’其可被破壞用以壤基材60被取下而不會傷到該物 件。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其它可接曲的片材亦可被用作為基材6〇。例如，素的 或上有塗層的紙，金屬膜及其它聚合物材料都是適當的。 對於高溫支持及模型製造材料而言，一聚合物材料（如 Kapton)或金屬膜是特別合適的。 , 雖然真空是達到將基材60壓抵住平台62之合理的下 壓力量的較佳方式，但其它用來提供可解除的下壓力量之 機構亦可被使用。例如，基材6〇可藉由一靜電夾頭戈藉 由施用於基材60的底面上或平台62的上表面（或兩者皆 有）之弱黏性的黏劑而被保持著與平台62相抵靠α _____第21賀 本紙張尺度剌f _家辟（CNS) --- 411313 Α7 __ Β7 五、發明説明（） 第7圖顯π第2及3圖中之細絲轉軸及錠子的詳細分 解圖。模型製造細絲與支持細絲兩者的細絲轉軸及錠子的 機械結構是相同的。為了方便參照起見，第7囷特別是以 模型製造細絲轉軸42及模型製造鏡子43來說明。錠子43 從乾盒45水平地延伸並具有—半圓形的形狀。_具有— 组六個可壓下的連接器銷176的半圓形的連接器1 74被安 裝在键子43之與乾盒45相鄰的上端。一受彈簧作用的閂 件178被埋設於錠子43上端的外緣丨79中。 細絲轉軸42是由細絲可纏繞於其上之一中心圓筒 180，一可嵌設於圓筒180中以容納錠資43之套筒182， 及安裝在套筒182内並與圓筒18〇垂直之eeprom板120 所構成。板180繞著套筒〗S2轉動使得細絲4〇可從轉軸 42上解開。套筒182在其一端具有—凸緣184，车其另一 端具有一凸緣186,及一内部的半圓形穴以容納錠子 在此駕佳的實施例中，凸緣1 84是可取下的而凸緣！ 86則 是固定的。凸緣184的取下可讓套茼182從圓筒18〇上拿 下來。如上所述的，EEPROM板120載有EEPROM188。 在一較佳的實施例中，EEPROM板1 20是透過一對螺絲1 90 而被安裝在與固定的凸緣186相鄰處，使得ΕΕΡROM 188 面朝内面向，筒182以為保護^ EEPROM板120在其面向 外的一侧載有一組六個圓的電氣接點〗92，如第7A圖中 所示。連接器192被作成在轉軸42被安裝於鍵子43上時， 可以提供連接器銷ί 7 6的承接表面的結構。 閂件1 78必需被手動地壓下用以讓錠子43能夠插入 _____ 第 22 頁 本紙張尺度ϋ用中國國CNS ) Α4規格（ --- (請先閲讀背面之注意事項再本頁) .裝. . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 411313 A7 _______B7 五、發明説明（） 套筒182中及從套筒182上取下。當套筒182被安裝於鍵 子43上時，問件179是位在一朝上的位置用以將轉軸42 鎖在位置上’使得接點192完全地壓下連接器销176。當 細絲轉轴4 2被手動地扎入到轉軸固定件4 3上時，介於 EEPROM板120與乾盒處理器板116之間的電氣接觸經由 連接器190而被達成。 擠製設備的細郎於第8圖中示出。雖然第&圖是顯示 模型製造擁製設備30’但應被瞭解的是支持擠製設備44 包含了與模型製造擠製設備30相同的零件及其操作方式 亦與模型製造擠製設備3.0相同，只是轉了〖8 〇度。播製 頭32是透過一對安裝板200而被安裝於x_y衝頭32之 下。兩對螺栓202將頭32固定於板200上。兩個螺栓204 將連接板200連接至χ-y衝頭38，用以固定頭32。 經濟部智葸財產局員工消費合作社印製 擠製頭32是由一用來固定液化器59的圍壁206，一 細絲驅動器208及安全開關210所構成^液化器59包含 一導熱薄壁管212，一加熱塊214，一擠出嘴216，一嘴扣 件218，一加熱器220及熱電耦222。第9圖是以一分解 圖來顯示液化器59。如第9圖中所示，薄壁管212具有一 入口端224，且是被彎90度。在此較佳的實施例中，嘴 ι 216是被焊入該管子212的出口端。或者，一噴嘴22 6町 以被硬焊或軟焊至管子212上以取代嘴2 1 6。當使用0.07 英吋的細絲時，管子212最好是具有約0.074英吋的内徑° 管子212的壁厚最好是在0.005-0.015英吋之間。將管子 2 12保持在愈薄愈好是所想要的，用以讓從管子2丨2到達 ;_____ 第 23 頁 一 本紙浪尺度賴中闕家鮮（CNS ) A锻格（2ωχ297公慶）一 ' * Α7 Β7 五、發明説明（） 細絲的熱傳導達到最大。其它的金屬亦玎被使用，如黃 鋼，銅，鎢，鈦，鉬，缺铜或其它的鋼。其它的導熱材料， 如聚合物（Kap ton)，具有高融化文度的塑膠，亦可被用來 形成該薄壁管。 管子212嵌入到加熱塊214之介於其一前斷22 8與一 後段230之間的通道229中。加熱塊214是由一導熱材料， 如鋁或鈹銅，所製成。一組四個螺栓2 3 2穿過該加熱塊’2 1 4 的前段228及後段230。當被安裝於加熱塊214中時，管 子212的一與入口端224相鄰的第一段是在加熱塊214的 外面，及該管子212的一第二段是位在加熱塊214的裡 面1及管子212的一包含擠出嘴216在内之第三段延伸通 過加熱塊214的底部。管子212的第一段形成液化器59 的蓋子區’管子212的第二段形成加熱區，及管子212的 第三段形成噴嘴區。該噴嘴區是包含於擠出嘴216中且被 條捲焊接於其上，該擠出嘴是被嘴扣件218及一具有中心 孔的方形板所支撐抵住加熱塊214«嘴扣件218被壓嵌於 擠出嘴216的周圍並由一對螺絲234將其安裝於加熱塊 2 14底下。 管子212的蓋子區的長度是在〇.15至2英对的範圍 之間。蓋1子區必需經歷從攝氏7 0度的封套溫度到攝$ 2 8 0 度的液化溫度的溫度梯度。一較短的蓋子區允許系統對於 融溶細絲被擠出的速率（即，流率）有較大的控制，但更難 於孩蓋子區中對細絲保持一冷的溫度。加熱區的長度在在 0.04至7英对之間。加熱區愈長，其最大的挤出流率就愈 ______第24頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Αϋ(以叫加公酱）---- -------裝-- (請先閱讀背面之注意事項再本頁) 訂 線- 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 411313 A7 B7 五、發明説明（） ' ~ 尚’但液率可被加速及減速的就愈慢。一具有介於〇 . 〇 2 _ 0.04英吋長的蓋子區及約2.5英吋長的加熱區的液化器已 成功地被使用於較佳的實施例中。 圓柱形加熱器220及熱電耦222水平地延伸至加熱塊 214的後段。加熱器220被置於與管子212的加熱區作熱 交換的位置，用以將管子212加熱至細絲的融化溫度之 上。當使用一 ABS作為該細絲時，管子212被加熱至攝氏 270度。熱電搞222被置於與管子212相鄰處用以監視在 管子内的溫度。如果溫度超過預定的程度時，安全開關 會將系統10關掉。 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 一導管236將細絲40從樞轉接頭36導引至由一摩擦 力夠低的材料，如鐵弗龍，所製成的擠出頭32用以在運 動中作為支撐。如前所述的，在導管236中的細絲4〇是 位在臂34内部之可撓曲的管子60内，細絲4〇經由一入 口孔238進入到擠製頭32。細絲40在該擠製頭32中被馈 送通過一有斜度之具有一受限制的導引通道242的導件 240。細絲驅動器208是由一步進馬達246，滑輪248及一 對進給滾子250及252所構成。滚子250具有—驅動轴254 其是由步進馬達246所驅動。滾子252為一包覆了橡膠的 惰輪。細絲40從該有斜度導件240的導引通道242被送 入介於滾子250與252之間的夾縫中。滾予25〇的轉動讓 細絲40朝向液化器59前進。薄壁管212的入口端224是 位在當細絲40通過滚子250與250時之可接受細絲4〇的 位置。融溶細絲流出液化器5 9的流率是由細絲驅動器2 〇 8 第25頁 本紙張尺度適用中國國家操準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A7 B7 411S13 五、發明説明（ 將細絲送入液化器5 9中的速度來控制的β 一鼓風機25 6將在環境溫度下的空氣吹入該可撓曲管 60中用以將導管23 6及細絲4〇冷卻。細絲40的冷卻是很 重要的’用以將細絲保持在不會在引入該液化器59的路 徑中變成軟弱無力及易彎曲之一夠低的溫度《來自於鼓風 機25 6之空氣經由一風管258通過管子60並造入擠製頭 32。風管258提供空氣—個路徑，其與在該擠製頭32中 之細絲平行且在向前的方向上β 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第1 0Α及10Β圖顯示液化器的替代實施例》第1 〇Α 圖顯示一组合好的液化器259,而10B圓則顯示液化器259 的分解圖。在此實施例中，兩個上文所述之薄壁管2 60 A 及2 60B合流成為一噴嘴262 β 一此種類的液化器可被用 來取代第8圖中之分配頭，用以交替地分配兩種不同的沉 積材料。這兩種沉積材料可以是一模型製造材料及一支持 材料’或它們可以是兩種不同顏色或具有其它不同特性的 模型製造材料。喷嘴262是被置放成垂直的方向，而管子 260Α及260Β可被彎角朝向水平方向。個別的饋送機制（未 示出）被提供給管子260Α及260Β，使得細絲材料在任何 一個時間只被送入一個管子中。 ,薄壁管260Α及260Β是由加熱塊266將其保持在位置 上。加熱塊266是由一外板268’ 一内板270及一後板272 所構成。後板272被安裝在該擠製頭内，並有一伸展於管 子260之間的加熱器274。兩個容納管子26〇α及26〇Β的 通道被作成通過内板270。一组五個螺栓（未示出）延伸通 第26頁 各纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（2ΐ〇χ2：97公釐） A7 B7 五、發明説明（ 過外板268，内板27〇及後板272，用以可拆下地將液化 器259固定在一起。該液化器可從該加熱塊被取下用以更 換及清洗是一個優點。 雖然本發明已參照較佳的實施例加以說明，但熟悉此 技藝者將可明瞭在不偏離本發明的精神及範圍了可對本 發明的形式及細節作出改變。 (請先閲讀背面之注意事磺再本頁) •裝· —訂 線1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第27頁 本紙張又度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 29"?公釐）

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 BS C8 D8 六、申請專利範園 1 . 一種快速原型系統’其藉由以多廣的形式沉積可固化的 材料來製造三維的實體物件，該快速原型系統至少包 含： 一可移動的擠製頭，其具有一用來接收一會在一預 定的溫度下固化的材料細絲的入口，及一用來輸送在融 熔狀態下的該材料的出口；- 一轉轴，其載有一細絲的線圈，該轉軸具有一相關 連的電路用來保存與在該轉軸上之細絲的種類及數量 相關的資料； 一細絲驅動器，用來將細絲從該轉軸上繞下並將該 細絲供應給該液化器；及 更新機構*用來更新有關於在該轉軸上之鉍絲的數 量的資料其為該細絲驅動器從該轉軸上繞下細絲.數量 的函數r 2.如申請專利範圍第1項所述之快速原型系統，其更包 含： 控制機構，用來控制該擠製頭及該細絲驅動器的操 作。 3 .如申請專利範圍第2項所述之快速原型系統，其中該控 制機構包括： 用來防止該細絲驅動器及該擠製頭在轉軸上的細絲 數量達到一預定的最小值時操作的機構* 第28頁 本紙張尺度逋用中國國家標準（〇阳）八4規格（210><297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再頁) 裝 銷 411313 μ C8 一- — D8 • - . 六、申請專利範圍 4 ’如申請專利範圍第2項所述之快速原型系統，其中該控 制機構包含： 用來在轉轴上的細絲種類與物件規格資料上所要求 的材料種類不符時提供通知給操作者的機構。 5.如申請專利範固第2項所述之快速原型系統，其中該控 制機構包含： 用來在製造一物件的處理期間將會需要更換該細絲 轉柏時提供通知給操作者的機構。 6·如申請專利範圍第！項所述之快速原型系統，其中：， 該更新機構被編碼（encrypt)使得有關於在該轉軸上 之細絲數量的資料只可被感測機構所更新。 7+ 一種使用於一快速原型系統中之玢料載具，該快速原型 系統具有一用來接收一會在一預定的溫度下固化的材 料細絲的入口 ’及一用來輸送在融熔狀態下的該材料的 出口，該材料載具至少包含： 一轉軸，該細絲即纏繞於其上； 一載負於該轉軸上之電路，用來保存在該轉軸上之 細絲的種類及數量有關的資料；及 接點’用來提供該電路與該快速原型系統間的電氣 連接。 第29頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） 六、申請專利範圍 8 · ~種使用於一快速原塑系統中之細絲轉軸，該快速原型 系統具有一用來接收一會在一預定的溫度下固化的材 料細絲的入口，及一用來輸送在融熔狀態下的該材料的 出口，該細絲轉軸至少包含： 一中心圓筒，該細絲即纏繞在其上； 一在該圓筒内的套筒’用來容納一錠子；及 一安裝在該套筒内的電路板，該電路板載有一可電 氣地讀取及寫入的裝置用以保存與在該細絲轉軸上的 細絲種類及數量有關的資料’及一組電氣接點用以接納 連接於該系統上之一組搭配的連接器。 9·如申請專利範園第8項所述之細絲轉軸’其中： 該套筒的兩端各有一凸緣’其中的—個凸緣可被取 下用以允許該套筒從該圓筒上被取下。 10.如申請專利範圍第9項所述之細絲轉軸，其中： 該電路板是被安裝在該固定的凸緣相鄰並與該圓筒 垂直處。 第30頁 本紙張尺度適用中國國家橾隼（CNS ) A4規格（210X297公釐）