TWI279323B - Methods and systems for producing an object through solid freeform fabrication - Google Patents

Methods and systems for producing an object through solid freeform fabrication Download PDF

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TWI279323B TW092120082A TW92120082A TWI279323B TW I279323 B TWI279323 B TW I279323B TW 092120082 A TW092120082 A TW 092120082A TW 92120082 A TW92120082 A TW 92120082A TW I279323 B TWI279323 B TW I279323B
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Description

1279323 玖、發明說明： 【發明戶斤屬之技術領域3 本發明係關於一種用以經由固體自由成形製造法生成 一物體之方法以及系統。 5 【】 發明背景 固體自由成形製造法係為一種用於製造包括最終產 品、原型元件及工作工具等立體物體之方法。固體自由成 形製造法係為一種從基底材料自動地逐層建造藉由電子資 10 料所描繪的一物體之添加性方法。利用喷墨列印技術來進 行數種主要形式的固體自由成形製造法。 在使用列印技術之一型固體自由成形製造法中，將數 個經列印平面層合併在一起以形成一平面性或非平面性立 體物體。元件係藉由將一結合劑“列印”或喷射在一平床狀 15 的粉末或漿體磚上而製成。在喷射結合劑處，粉末係固體 化構成被形成物體的一橫剖面。此列印逐層進行，各層代 表最終所需要產品的另一橫剖面。相鄰的經列印層以預定 圖案彼此黏附以增層構成所需要的產品。 除了利用製造室中的粉末選擇性形成所需要物體的各 20 層之外，此系統亦可將一色彩或色彩圖案列印在物體的各 層上。結合劑時常具有著色，藉以整合結合與著色的功能。 譬如，可採用喷墨列印技術，其中從一列印頭的喷嘴 選擇性喷射數種不同色墨水且混合於建造材料譬如粉末層 上以提供一全頻譜的色彩。在各個別層上，可使用傳統的 1279323 二維多通列印技術及半色調演算法來隱藏列印瑕疵及達成 一見廣範圍的理想色調（color hue) 〇 在使用列印技術將結合劑添加至粉末之先前的固體自 由成形製造系統中，結合劑滴粒一般係較大藉以具有盡可 5能大的結合劑通量。結合劑通量係為對於一給定時間長度 中使用多少結合劑之測量方式。較高的結合劑通量對於固 體自由成形製造系統導致了較高的製造速度。 然而，利用大滴粒的結合劑將難以或根本不可能產生 小的特性及平滑表面。受製造物體可視為由體素(v〇xel)製 H)成’體素係為各對應-滴結合劑之立體體塊。實際可能的 最小體素係受限於粉末尺寸或受限於結合劑滴粒尺寸。因 為現今固體自由成形製造工具使用大滴粒，體素的限制因 素通常是結合劑滴粒容積。 15 &土 鄉做細郎的物體，先前的固體自 由成形製造系統對於整個物體均使用小的結合劑滴粒。雖 然使用小滴粒可㈣於將㈣添加至㈣及提 表面光製’墨水/結合劑通量的降低將對於機器導致較緩慢 的產出率及較長的製造時間。 、、又 【明内穷3 20 發明概要 成形製造法生成-物體之方法較 由口體自、 滴粒以形成該物體的—層。 ^括料不同容. 圖式簡單說明 1279323 圖式顯示了本發明的多項不同實施例且身為說明書的 一部分。所顯示的實施例只是本發明的範例而非限制本發 明的範圍。 第1圖顯示一種使用一列印方法來製造所需要的產品 5 之固體自由成形製造系統，可在第1圖所示的系統中實行本 發明的一實施例； 第2a圖顯示一藉由單容積滴粒尺寸製成之物體，其中 顯示單容積滴粒處於接觸到建造材料之前； 第2b圖顯示第2a圖所製造的物體，單容積滴粒處於已 10 經到達建造材料之後； 第3a圖顯示根據本發明的一實施例之一藉由可變容積 滴粒尺寸製成之物體，其中顯示物體及可變容積滴粒尺寸 處於滴粒與建造材料之間產生接觸前； 第3b圖顯示第3a圖中所製造之物體，其中處於可變容 15 積滴粒已經到達建造材料之後； 第4a圖顯示根據本發明的一實施例之藉由單容積滴粒 尺寸製造之一物體的二層階面； 第4b圖顯示根據本發明的一實施例之藉由可變容積滴 粒尺寸製造之一物體的二層階面。 20 圖中，相同的編號代表類似但未必相同的元件。 【Zl 詳細描述 本文描述一種包括用以經由固體自由成形製造系統產 生物體之技術且較佳為列印技術之方法及系統。所描述的 1279323 此方法及线係包括認知到湘可變結合劑及/或墨水滴 粒容積來產生-具有更理想的表面光製之物體。所描述的 方去及系統亦包括藉由降低或盡量減少產品層之間的階面 來利用可Μ粒容積在被生成產品巾生成更細微的特性。 用語可廣泛地用來代表從列印頭噴射將受 記及/或著色之任何物質。因此，，：
統。在第1圖的固體自由成形製造系· 材料來形切需要產品的各個別層、。’ 從一供應室裎祉_ 士同此龙明書全文及申請專利範圍中所使用，“可變滴 粒尺寸、可艾滴粒容積”及類似用語係指使用具有兩種或 更多種不同容積之滴粒，其中容積係包括經由固體自由成 形製造法鍵造-龍之結合劑、墨水、或是較佳包括結 口劑與墨水的-組合。並且’利用“小滴粒，，及“大滴粒，，用 語來區分-滴粒中結合劑及/或墨水之相對容積而不指任 :特定的量化數值。用於將一層建造材料結合及/或著色以 製造Γ物體之滴㈣積尺寸將會在相同物_產生變化。 m ㈤本'^明書及中凊專利範圍中所使用，“墨水” $射將受製造物體予以標 “墨水，，用語係包括但不限 統（100)中，使用一粉末 。為達成此目的，首先
從一供應室提供一 階級（103)中之滾子 送及壓縮至一所需脊的厚度。 列印頭且其在製造室 [擇性沉積在粉末上。 移動的階級（103)亦較佳包括 (1〇2)中將㈣或結合劑以 1279323 此一維圖案係為所需要產品的一橫剖面。黏劑或結合劑可 糟由墨水'碳粉、或其他枓料進行著色，以對於所需要產 生的此特定橫剖面提供—所需要的色彩或色彩圖案。 粉末變成結合在使點船冗積之區域中，藉以形成一層 5 所需要的產品。藉由在fy;生 _ 在衣造室_)中將一新層粉末施加至 月丨J層頂上來重覆進行此處理。所需要產品的下個橫剖面隨 後在新粉末層中列印有點劑或結合劑。黏劑亦具有將相鄰 或連續層的所需要產品結合在一起之作用。 持、’、貝此處理’直到整個物體在製造室（1〇2)中形成於粉 末床内為止。未被黏劑結合的額外粉末係刷除而留下基底 或濕胚(green)物體。提供使用者介面或控制面板（1〇4)以 讓使用者控制製程。 此列印處理提供了快速製造及低建造材料成本之優 ^將其視為一種最快速的固體自由成形製造法，且可以 15多種不同色彩生成產品。 淨夕動的階級（103)的列印頭較佳包括用於將結合劑及/ 或著色劑噴射至建造材料的層中之噴墨技術。利用喷墨技 術，列印頭係以一選擇性圖案來喷射墨水及/或結合劑滴粒 以產生受製造物體且加以著色。 20 .. “、、、而，如果在受製造物體的各個別層上不使用單容積 尺寸的結合劑及/或墨水滴粒，滴粒容積可依需要改變藉以 在又製造物體中生成一更平滑表面光製或生成更細微的特 十生 0 门 大此，如同下文所示，滴粒容積的變異在受製造物體 表面或輪廓上及階面狀表面上可能特別有用。 1279323 本文關的“階面，，或“階面式，，係廣泛地代表高度的改 變或階段。因此’“階面，，包括但不限於受製造物體内之垂 直或傾斜的側邊、曲線、輪廓、邊緣、水平高度變化等。 5 的形成期，用較小滴粒，赠這些特性從對應於較小滴 粒尺寸之較小增量的_材_成。為此，_立體物體 的階面階段不再受P㈣藉由對餘大餘尺寸 (體素）予以形成之方式。 3 -可變式滴粒容積的概念之優點在於：其利於更平滑 的輪廓及表面，且$量減小階面尺寸。可在輪廓、階面等 10 如上述，在固體自由成形製造法中使用大滴粒尺寸以 利所使用的結合劑材料及/或墨水使其具有高的通量。高結 合劑通I將增快物體的製造速度。本文揭露的方法及系統 保留了利用大滴粒尺寸進行快速製造之優點，同時增添了 亦使用小滴粒尺寸產生較平滑的表面光製及更精密的表面 15 特性之能力。 第2a圖顯示經由使用列印技術的固體自由成形製造法 來製造一普通物體(200)之一橫剖面。第2a圖所示的橫剔面 可用於任何物體且可為一圓柱、一平面、一球型或任何其 他的形狀。可瞭解，此顯示的橫剖面只供示範用。可利用 20 本文所述的方法及系統來生成一任何類型或形狀的物體。 從一層建造材料譬如一層粉末（202)產生普通物體 (200)。將形成普通物體(2〇2)之此層粉末(202)部分係由一結 合劑或黏劑熔合在一起，且其較佳為一經著色的結合劑或 黏劑。如第2a圖所示，結合劑係以複數個或成組的大容積 1279323 滴粒(2〇4)噴射。該组大容積滴粒(2〇4)噴射至該層粉末(202) 的一表面（206)内。 如第2b®所不’當大容積滴粒(綱)衝擊粉末(搬)層的 表面(206 ’第2a圖）時，形成對應於大容積滴粒(綱)的一系 5列坑洞（208)。各坑洞（2〇8)一般具有與其相聯之較高的受 (210)。大坑洞(2G8)及高壁_)導致了 _種在許多製造應用 中視為不良之粗糙的表面光製。然而。大容積滴粒(2〇4)係 利於更决速的製造及噴射於表面(2〇6，第以圖）所需要之較 少的結合劑滴粒。 10 目此’為了_快速的製造且亦降低表面粗糙度，較 佳將可邊尺寸的滴粒容積施加至一建造材料。第％圖顯系 經由使用列印技術的固體自由成形製造法所製造之另一普 通物體(300)之一橫剖面。第3a圖所示的橫剖面亦可用於任 何物體且可為_平面、—球型或任何其他的形狀。 15此顯示的橫剖面只供示範用。本文描述的方法及系統可適 用於一具有任何類型或形狀的橫剖面之物體。 物體(300)亦由一建造材料製造。根據本實施例，建造 材料為一粉末層（302)。圖中位於粉末層（3〇2)的一表面（3〇6) 鄰近處係為至少兩種不同容積之結合劑及/或墨水滴粒。所 20顯示的可變滴粒容積係包括與第二組小滴粒(305)互相散佈 之第一組大滴粒(304)。 大滴粒(304)與小滴粒(3〇5)之間的間隔不需相等，但亦 可相等。部分實施例中，大滴粒(3〇4)位於約2〇 pi至約50 pl(pic〇 liter)的範圍。然而，其他實施例中，此範圍有時可 1279323 從約10 pi增加至約200 p卜並且，其他實施例中，小滴粒容 積(305)可位於約5 pi至約20 pi的範圍。其他實施例中，小 滴粒容積（305)的尺寸範圍可位於約1 pl增加至約5〇 pl的範 圍。 5 然而，小及大滴粒容積（304及305)不限於任何特定容 積’只要小滴粒容積(305)小於大滴粒容積(304)即可。請瞭 解’其他各不同的滴粒尺寸亦可與大及小滴粒（3〇4及305) 相互散佈，此等實施例不只限於兩種滴粒容積尺寸。 噴墨列印技術提供了可噴射具有選擇性尺寸的滴粒之 10 列印頭。可採用可控制所噴射滴粒的容積之任意技術。譬 如’噴墨列印頭一般採用熱或壓電元件來從一室噴射一墨 水滴粒。可以數種方式控制所驅出滴粒之尺寸，其中包括 控制自其喷射滴粒之室的尺寸以及控制用來喷射滴粒之熱 量或壓力。 15 大容積滴粒(304)可從一組分離的喷墨喷嘴(312)或其 他噴射裝置射出。第一組喷墨喷嘴(312)可喷射單色(諸如無 色、白色或另一色）的結合劑及/或墨水滴粒。如果需要彩色 製造，可具有用於喷射不同色（一般為青色、紅色、黃色、 黑色、無色、白色、或其部分組合）的墨水及/或結合劑之分 20 離的喷墨噴嘴組。部分實施例中，用於生成大滴粒(304)之 喷墨噴嘴可形成於一與生成小滴粒(305)的喷嘴分離之列印 頭中。在各不同實施例中，具有喷嘴(312及/或314)的列印 頭較佳係在建造材料上方移動而以一選定圖案選擇性喷射 結合劑及/或墨水。 12 1279323 同樣地，各個小容積滴粒(305)可從位於相同或一分離 的列印頭上之一喷嘴(314)射出。如果大滴粒噴嘴(314)及小 滴粒噴嘴(312)設置於不同的列印頭上，列印頭必須移動藉 以在對於大滴粒（304)的衝擊位置之間將小滴粒（3〇5)放置 5在表面（306)上。如第3a圖所示，大滴粒的噴嘴(314)及小滴 粒的噴嘴(312)較佳相互散佈在單一列印頭中。 或者，大及小容積滴粒(304及305)皆可從具有能夠選擇 性生成不同尺寸滴粒的噴嘴之單一列印頭射出。譬如，一 壓電隨選滴落式(PIJ)列印頭可從市面購得且可自單一孔口 10 射出不同的滴粒尺寸。 部分實施例中，小滴粒的各喷墨噴嘴(314)只喷射一無 色結合劑或黏劑，所以製成物體(300)的色彩只受到大滴粒 (304)所影響。然而，本發明的其他實施例係包括大滴粒(3〇4) 與小滴粒(305)中的墨水。 15 如第3b圖所示，當小容積滴粒(305，第3a圖）與大容積 滴粒（304，第3a圖）相互散佈且衝擊粉末（302)層的表面 (306 ’第3a圖），大容積滴粒(304，第3a圖）產生的對應坑洞 (308)具有遠比只使用大容積滴粒(204，第以圖）形成的高壁 (210 ’第2b圖）更低之壁(310)。較佳在大滴粒(3〇4)射出的同 20 時或射出之後將小滴粒(305)射出，所以小滴粒(305)可衝擊 及降低形成於大滴粒坑洞（308)之間的壁（310)。 因此’如第2b圖所示，原本的高壁(210)係由於小容積 滴粒(3 05)相互散佈在大容積滴粒(3 04)之間而降低。根據第 3a至b圖的實施例，小容積滴粒(305)精密地瞄準位於大容積 13 1279323 加小容積滴粒時 ，故產生一遠為 滴粒(3〇4)之間的表面（306)區域。因為當恭 下壁(310)遠比高壁(210,第2b圖）更不明顯 更平滑的表面光製。 部分實施例中，只在物體(300)的外輪廓戋表面及/ 層（302)邊、緣上進行各不㈤尺寸滴粒的結; 相互散佈。由於物體(300)的大部份容積位於"内部而無 接，不需要撫平各㈣崎（规)。因此，較佳只有物體⑼ 的外輪廓及/或邊緣是利用較小容積滴粒(3〇5)形成。
10 然而，許多層（302)在形成時，可能依照需要將可變滴 粒容積施加在表面（3〇6)上來撫平這些層。部分實施例中， 只有外面的一到五層被可變滴粒容積所撫平。在具有較多 半透明材料組的部分實施例中，可藉由可變滴粒容積來撫 平外面的一到二十層或更多層。
除了利於使固體自由成形製造法所生成的一物體上具 15有較平滑的表面光製之外，此處所述的實施例係利於降 低、盡量減少及更精密地控制一經由固體自由成形製造法 所產生之物體的階面狀部分。因此，可產生較細微的表面 特性。利用可變滴粒尺寸，可有利地具有更精密製造之複 雜的立體表面及表面特性。 20 參照第4a圖，顯示根據傳統的固體自由成形製造法之 一普通的階面狀物體(400)。一位於第一與第二層（404及406) 之間的階面或階段(402)係受限於與單一大容積滴粒（410) 對應之增量。 然而，參照第4b圖，根據此處所述的方向及系統，可 14 1279323 將可變滴粒容積施加至建造材料藉以使階面（408)的輪廓更 平滑。如圖所示，小滴粒(412)的結合劑及/或墨水可沿著層 (諸如第一及第二層（4〇4及4〇6》之間的轉折部分射出，以產 生一比單獨使用大容積滴粒(41〇)時更平滑且更漸進之階面 5 階段（408) 〇 ^ 藉由添加一利用較小結合劑及/或墨水滴粒容積(412) 所產生之中間階段(4〇8)，如果需要的話，階面變得較不呈 鋸齒狀及顯眼。依需要，仍可專門利用較大滴粒容積來形 成較尖銳程度的轉折部。 1〇 上文描述只用來示範及描述本發明。無意窮舉本發明 或將本發明限制在本文揭露的任何特定形式。可由上文原 理作出許多修改及變更。 譬如，上文中，已經將所描述的實施例實行為一種以 粉末為基礎或漿體塊固體自由成形製造系統。然而，本文 15所揭鉻的原理木只適用於以粉末為基礎之固體自由成形製 造糸統。 特定言之，數種固體自由成形製造系統係使用喷墨頭 來喷射一建造材料，諸如一聚合物或光預聚物。因此，這 些喷墨系統係噴射100%用來產生所需要的產品之建造材 20料’而非只噴射用來定型建造材料之結合劑及/或墨水。然 而’即使此系統對於所需要的產品沉積材料以及著色劑， >儿積材料的滴粒尺寸仍可改變，以在一粉末及結合劑系統 中確切地依照上述相同的方式達成一較平滑的表面。 因此’可將本文所描述的原理併入使用滴粒來結合一 1279323 建造材料或身為建造材料本身的滴粒以產生一物體的剖面 層之任何固體自由成形製造系統中。本發明的範例係由申 請專利範圍所界定。 L圖式簡單說明3 5 第1圖顯示一種使用一列印方法來製造所需要的產品 之固體自由成形製造系統，可在第1圖所示的系統中實行本 發明的一實施例； 第2a圖顯示一藉由單容積滴粒尺寸製成之物體，其中 顯示單容積滴粒處於接觸到建造材料之前； 10 第2b圖顯示第2a圖所製造的物體，單容積滴粒處於已 經到達建造材料之後； 第3a圖顯示根據本發明的一實施例之一藉由可變容積 滴粒尺寸製成之物體，其中顯示物體及可變容積滴粒尺寸 處於滴粒與建造材料之間產生接觸前； 15 第3b圖顯示第3a圖中所製造之物體，其中處於可變容 積滴粒已經到達建造材料之後； 第4a圖顯示根據本發明的一實施例之藉由單容積滴粒 尺寸製造之一物體的二層階面； 第4b圖顯示根據本發明的一實施例之藉由可變容積滴 20 粒尺寸製造之一物體的二層階面。 圖中，相同的編號代表類似但未必相同的元件。 16 1279323 【圖式之主要元件代表符號表】 100···固體自由成形製造系統 305、412…小滴粒 102···製造室 310…壁 103…移動的階級 312…小滴粒喷嘴 104···使用者介面或控制面板 314…大滴粒喷嘴 200、300…普通物體 400…普通的階面狀物體 202、302…粉末層 402…階面 204、304、410…大滴粒 404…第一層 406···第二層 408···中間階段 206、306…表面 208、308···坑洞 210···較高的壁
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Claims (1)

1279323 拾、申請專利範圍： 一種用以經由固體自由成形製造法生成一物體之方 法，該方法包含： 噴射具有不同容積之滴粒，以形成一層該物體。 5 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中該等滴粒包含一結 合劑且該方法進一步包含將該等滴粒射入一床的建造 材料中。 3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該等滴粒進一步包 含用於將該物體著色之墨水。 4. 如申睛專利|&圍第丨項之方法，其中該等滴粒包含一建 造材料。
15 20 5·如申睛專利圍第4項之方法，其中該等滴粒進一步包 含用於將該物體著色之墨水。 6· -種用於自電子資料生成-所需要的物體之固體自由 成形製造系統，該系統包含： 一製造室’其用於固持-床的粉末狀基底材料；及 -移動的階級，其用於配送該製造室中的連續層粉 末及用於將一結合劑選擇性射入各層粉末令· 其中該移動的階級包含-列印頭，且該列印頭構成 為可將至少二種不同容積的結合__人該粉末中。 7·如申請專利範圍第6項之系統，发中 “甲具有一第一容積的 滴粒係與具有-比該第-容積更大的第二容積之滴粒 相互散佈。
8·如申請專利範圍第7項之系統 其中具有該第一容積的 % 18 1279323 該等滴粒係只喷射橫越該物體的一表面層。 9.如申請專利範圍第7項之系統，其中具有一比一第二容 積更小的第一容積之該等滴粒係噴射至該所需要物體 的層之間的階面。 5 10. —種自電子資料生成一所需要物體之固體自由成形製 造系統，該系統包含： 一列印頭，其用於喷射建造材料的滴粒以選擇性形 成該物體的層，其中該等滴粒具有至少二種不同容積。
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