TWI513571B - 列印頭模組及其立體列印裝置 - Google Patents

Description

列印頭模組及其立體列印裝置

本發明是有關於一種列印裝置，且特別是有關於一種立體列印裝置。

隨著電腦輔助製造(Computer-Aided Manufacturing,CAM)的進步，製造業發展了立體列印技術，能很迅速的將設計原始構想製造出來。立體列印技術實際上是一系列快速原型成型(Rapid Prototyping,RP)技術的統稱，其基本原理都是疊層製造，由快速原型機在X-Y平面內通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z座標間斷地作層面厚度的位移，最終形成立體物體。立體列印技術能無限制幾何形狀，而且越複雜的零件越顯示RP技術的卓越性，更可大大地節省人力與加工時間，在時間最短的要求下，將3D電腦輔助設計(Computer-Aided Design,CAD)軟體所設計的數位立體模型真實地呈現出來，不但摸得到，亦可真實地感受得到它的幾何曲線，更可以試驗零件的裝配性、甚至進行可能的功能試驗。

然而，目前利用上述快速成型法形成立體物品的立體列 印裝置，其列印頭一般為一體成型，因而在清洗或更換上較為不便，且若在製造的過程中產生瑕疵，則需將整個列印頭報廢，無形中增加了立體列印裝置的製造成本。此外，目前的立體列印裝置多半只能單色列印，也就是說，目前的立體列印裝置大部分只能製作出單色的立體物品。即使是能更換顏色的立體列印裝置，亦需透過人工更換整組列印頭來更換其內的建造材料，因此，目前的立體列印設備在使用上仍舊十分地不便，更耗費人力資源，且其製造出的立體物品的變化及彈性也有限。

本發明提供一種立體列印裝置，其可透過拼接的方式組裝列印頭，簡化製程更可降低生產成本。

本發明的立體列印裝置，其包括一基座以及一列印頭模組。列印頭模組設置於基座上方，並包括一列印頭以及至少一供料源。列印頭包括多個拼接件，彼此拼接而形成列印頭，並共同定義出列印頭的一出料口。各拼接件包括至少一供料溝槽，任兩相鄰的拼接件的供料溝槽彼此對應設置以共同形成至少一供料管道。各供料源連接至供料管道，以提供至少一流體材料至供料管道。流體材料經由供料管道傳送並成形至基座上。

本發明的一種列印頭模組適於將至少一流體材料傳送並成形至一基座上。列印頭模組包括多個拼接件以及至少一供料源。拼接件彼此拼接而形成一列印頭，並共同定義出列印頭的一 出料口。各拼接件包括至少一供料溝槽，任兩相鄰的拼接件的供料溝槽彼此對應設置以共同形成至少一供料管道。供料源連接至供料管道，以提供流體材料至供料管道並經由供料管道傳送並成形至基座上。

在本發明的一實施例中，上述的各拼接件包括至少一接觸面，經配置以與相鄰的拼接件的接觸面拼接。各拼接件的供料溝槽設置於各拼接件的接觸面上。

在本發明的一實施例中，上述的各接觸面上的供料溝槽的數量為多個。

在本發明的一實施例中，上述的各接觸面上的供料溝槽的數量為一個。供料管道的數量為N個，則各拼接件的接觸面間的夾角為360/N度。

在本發明的一實施例中，上述的各接觸面包括至少一卡合部。任兩相鄰的拼接件透過對應設置的卡合部而彼此卡合。

在本發明的一實施例中，上述的供料管道以及供料源的數量皆為多個。供料源分別提供多個流體材料。流體材料分別具有多個特性，特性彼此不同。

在本發明的一實施例中，上述的特性包括顏色或材質。

在本發明的一實施例中，上述的各供料管道具有一延伸部以及一彎折部。延伸部分別沿著基座的一承載面的一法線方向延伸。彎折部分別連接對應的延伸部並往出料口處匯集。

在本發明的一實施例中，上述的供料管道匯集於出料 口，並於供料管道的匯集處定義出一混料腔，連通出料口。流體材料分別經由對應的供料管道傳送至混料腔進行混合。

在本發明的一實施例中，上述的混料腔包括多個混料元件。流體材料通過混料元件以進行混合。

基於上述，本發明的列印頭可由多個外型相同的拼接件組合而成，且任兩相鄰的拼接件的接觸面上各具有彼此對應的供料溝槽，因此，在拼接件彼此拼接而組成列印頭時，任兩相鄰的拼接件的供料溝槽可共同形成列印頭的供料管道。因此，本發明的列印頭利用一個模具即可大量製造用以組成列印頭的拼接件，因而利於批量生產。並且，由於列印頭是由多個拼接件所組合而成，不僅組裝方便，更利於清潔、更換以及維修，因而提升了立體列印裝置的生產效率並可節省其維護成本。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10‧‧‧立體物體

100‧‧‧立體列印裝置

105‧‧‧列印頭模組

110‧‧‧處理單元

120‧‧‧列印頭

122‧‧‧拼接件

122a‧‧‧供料溝槽

122b‧‧‧接觸面

122c‧‧‧卡合部

124‧‧‧出料口

126‧‧‧供料管道

126a‧‧‧延伸部

126b‧‧‧彎折部

128‧‧‧混料腔

128a‧‧‧混料元件

130‧‧‧基座

132‧‧‧承載面

140‧‧‧供料源

150‧‧‧加熱單元

200‧‧‧電腦主機

圖1是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的操作環境示意圖。

圖2是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的部份方塊示意圖。

圖3是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的部份構 件示意圖。

圖4至圖8是依照本發明的不同實施例的不同列印頭及其拼接件的俯視示意圖。

圖9是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的列印頭的剖面示意圖。

圖10是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的列印頭的混料元件俯視示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之各實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本發明。並且，在下列各實施例中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號。

圖1是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的操作環境示意圖。圖2是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的部份方塊示意圖。圖3是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的部份構件示意圖。請同時參照圖1至圖3，在本實施例中，立體列印裝置100適於依據一數位立體模型列印出一立體物體10。立體列印裝置100包括一處理單元110、一列印頭模組105以及一基座130。列印頭模組105包括列印頭120以及至少一供料 源140。處理單元110分別耦接並控制列印頭120以及加熱單元150。在本實施例中，處理單元110可用以讀取一數位立體模型，其中，數位立體模型可為一數位立體圖像檔案，其例如由一電腦主機200透過電腦輔助設計(computer-aided design,CAD)或動畫建模軟體等建構而成。

承上述，基座130具有一承載面132，用以承載列印頭120所噴塗的流體材料。列印頭120設置於基座130的上方，並受控於處理單元110以將一流體材料逐層成形於承載面132上而形成多個積層材料層。積層材料層彼此堆疊而形成立體物體10。供料源140耦接列印頭120。在本實施例中，供料源140用以提供至少一流體材料至列印頭120的供料管道。具體而言，該流體材料可由適用於光硬化(Stereolithography)、熔絲製造式(Fused Filament Fabrication,FFF)、熔化壓模式(Melted and Extrusion Modeling)、電子束熔化成形(Electron Beam Modeling)等製作方法的材料所構成。舉例而言，熔絲製造的製作方法可例如透過列印頭120的一加熱單元對一固態線材進行加熱，以將固態線材熔融成熔融狀態的流體材料。列印頭120再將此流體材料經由列印頭120的供料管道傳送並成形於基座上，以形成多個積層材料層，之後再對其進行例如硬化烘乾處理而形成立體物體10。

圖4至圖8是依照本發明的不同實施例的不同列印頭及其拼接件的俯視示意圖。詳細而言，列印頭120可如圖4至圖8所示包括的多個拼接件122，其中，拼接件122彼此拼接而形成列 印頭120。需說明的是，圖4至圖8中各圖的左側分別繪示了組成本發明不同實施例的列印頭120所需的拼接件122，而各圖的右側則繪示了其左側的拼接件122所拼接而成的列印頭120，其中，圖4至圖8採用相同的標號來表示相同或近似的元件。

承上述，各拼接件122包括至少一供料溝槽122a。具體而言，各拼接件122包括至少一接觸面122b，用以與相鄰的拼接件122的接觸面122b接觸並與之拼接，而各拼接件122的供料溝槽122a即設置於各拼接件122的接觸面122b上，且任兩相鄰的拼接件122的供料溝槽122a彼此對應設置。如此，當拼接件122彼此拼接而形成列印頭120時，任兩相鄰的拼接件122的供料溝槽122a即可共同形成如圖4至圖8的右側所示的供料管道126。

具體來說，拼接件122可如圖4以及圖5所示僅包括一接觸面122b，亦可如圖6至圖8所示包括多個接觸面122b。接觸面122b可如圖4以及圖6至圖8所示各具有一個供料溝槽122a，當然，亦可如圖5所示地於同一接觸面122b具有多個供料溝槽122a。當各接觸面122b僅具有一個供料溝槽122a時，若供料管道126的數量為N個，則各拼接件122的相鄰兩接觸面122b間的夾角為360/N度。舉例而言，如圖7所示的拼接件122的接觸面122b各具有一個供料溝槽122a，供料管道126的數量為4個，因此，如圖7所示的拼接件122的兩接觸面122b間的夾角為90度度(即，360/4=90)。然而，若拼接件122的各接觸面122b具有多個供料溝槽122a，上述相鄰兩接觸面122b的夾角與供料管道 126的數量之間的關係則不限定於此。

除此之外，各接觸面122b更可包括至少一卡合部122c，且任兩相鄰的拼接件122透過對應設置的卡合部122c而彼此卡合。舉例來說，任兩相鄰的拼接件122所相對應的接觸面122b上可如圖4至圖8所示分別具有彼此結構配合的一卡合凸起以及一卡合凹口，使任兩相鄰的拼接件122可透過卡合凸起與卡合凹口而彼此卡合以組成列印頭120。之後，更可例如透過點膠製程將黏著膠體填充於任兩相鄰的拼接件122之間，再例如透過固化(curing)製程來固化此黏著膠體，以更進一步固定兩相鄰的拼接件122之間的固接關係。

圖9是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的列印頭的剖面示意圖。請同時參照圖3以及圖9，在本實施例中，拼接件122彼此拼接而形成列印頭120，並共同定義出列印頭120的一出料口124。供料源140連接至列印頭120的供料管道126。供料源140可為由熱熔性材料所組成的固態線材，其可例如透過列印頭120的一加熱單元對固態線材進行加熱，使熱熔性材料熔融成流體材料，以提供此流體材料至列印頭120的供料管道126。在本實施例中，熱熔性材料可例如為聚乳酸(Polylactic Acid,PLA)或ABS樹脂(Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS)等熱熔性高分子材料。具體而言，加熱單元可用以加熱列印頭120，使列印頭120的供料管道126的溫度高於，熱熔性材料的熔點，如此，即可將，熱熔性材料熔融而成流體材料。之後，列印頭120再將此流 體材料經由如圖9所示的供料管道126傳送至出料口124，以將流體材料成形於如圖3所示的基座130上。

如此配置，本實施例的列印頭120可由多個外型相同的拼接件122組合而成，且任兩相鄰的拼接件122的接觸面122b上各具有彼此對應的供料溝槽122a，故在拼接件122彼此拼接而組成列印頭120時，任兩相鄰的拼接件122的供料溝槽122a可共同形成供料管道126。因此，本實施例的列印頭120僅需開一個模具即可大量製造用以組成列印頭120的拼接件122，再將拼接件122分別組裝成多個列印頭120，因而利於批量生產。此外，由於列印頭120是由多個拼接件122所組合而成，不僅組裝方便，更利於對其進行更換以及維修。

一般而言，供料源140的數量可對應於列印頭120的供料管道126的數量，以分別提供例如其顏色或材質等特性各不相同的流體材料至不同的供料管道126。處理單元110可依據數位立體模型的特性參數來選擇對應的流體材料，並控制列印頭120將被選擇的流體材料噴塗於基座130的承載面132上以形成立體物體10。舉例來說，供料管道126分別連接多個供料源140，而供料源140之流體材料的顏色各不相同，例如其流體材料的顏色分別為紅色、黃色、藍色以及白色，而數位立體模型的顏色特性參數為紅色。如此，處理單元110讀取數位立體模型的顏色特性參數後據此選擇紅色的流體材料，並控制列印頭120將紅色的流體材料噴塗於承載面132上而形成紅色的立體物體10。此外，立體 列印裝置100更可於製造立體物體10的過程中依據數位立體模型的顏色特性參數而改變其所選擇的流體材料，使列印頭120可於製造立體物體10的過程中噴塗出不同顏色的流體材料，而製造出具有不同的顏色的立體物體10。

然而，在此需說明的是，若列印頭120如圖4所示僅具有一個供料管道126，立體列印裝置100仍可具有多個供料源140，且所述多個供料源140亦可分別提供多個例如顏色各不相同的流體材料。如此，處理單元110可依據數位立體模型的顏色特性參數而選擇流體材料的其中之一，並將被選擇的流體材料所對應的供料源140連接至列印頭120的供料管道126，再控制列印頭120將被連接至列印頭120的流體材料噴塗於基座130的承載面132上以形成立體物體10。

圖10是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的列印頭的混料元件俯視示意圖。請同時參照圖9以及圖10，在本實施例中，立體列印裝置100可包括多個供料管道126以及對應的多個供料源140。所述多個供料源140可分別提供特性各不相同的多個流體材料。舉例來說，供料源140所提供之流體材料的顏色特性各不相同，而處理單元110可依據數位立體模型的顏色特性參數而同時選擇多個供料源140，並將供料源140所提供的流體材料噴塗於基座130的承載面132上。也就是說，在本實施例中，處理單元110可依據數位立體模型的顏色特性參數而同時選擇多個特性各不相同的供料源140，並將被選擇的供料源140分別連接 至對應的供料管道126。而被選擇的供料源140所提供的特性各不相同的流體材料再分別經由對應的供料管道126傳送至列印頭120的出料口124。

詳細而言，各供料管道126具有一延伸部126a以及一彎折部126b。延伸部126a可例如分別沿著基座的承載面(例如為圖3所示的基座130的承載面132)的一法線方向延伸，而彎折部126b則分別連接對應的延伸部126a，並如圖9所示地往出料口124處匯集。如此，供料管道126匯集於出料口124，並於供料管道126的匯集處定義出一混料腔128，其中，混料腔128連通出料口124。如此，前述被選擇的具有不同特性的流體材料可分別經由對應的供料管道126而先匯集於混料腔128，以充分進行混合，再將混合均勻後的流體材料經由出料口124擠出至基座130上。此外，在本實施例中，混料腔128更可如圖10所示包括多個混料元件128a，位於流體材料流往出料口124的一流動路徑上，以改變各流體材料流往出料口124的一流動方向，而可迫使其與特性不同的其他流體材料進行混合。之後，再將混合均勻的流體材料經由出料口124擠出並成形於基座130上。在此需說明的是，在本實施例中，混料元件128a可例如為多個凸肋、凸塊、攪拌片等元件，並可呈放射狀或是螺旋狀排列。本發明並不限定混料元件128a的形式以及排列方式。

舉例而言，在本實施例中，立體列印裝置100包括多個供料源140，其所提供的流體材料的顏色可例如分別為紅色、黃 色、藍色以及白色，而數位立體模型的顏色特性參數則例如為綠色。處理單元110可透過讀取此數位立體模型的顏色特性參數而據此選擇黃色以及藍色的流體材料，並可將黃色及藍色的流體材料連接至對應的供料管道126。如此，黃色的流體材料以及藍色的流體材料便可分別經由對應的供料管道126匯集至混料腔128，並可利用混料腔128內的例如混料元件128a等元件將黃色的流體材料以及藍色的流體材料進行充份混合，以混合成綠色的流體材料。之後，再將混合均勻後的綠色流體材料經由出料口124噴塗於基座130上而形成綠色的立體物體10。在本實施例中，處理單元110更可依據數位立體模型的顏色特性參數來控制各個具有不同顏色的流體材料的混料比例，以混合出更逼近於數位立體模型的真實顏色，因而可製作出更擬真的立體物體10。除此之外，立體列印裝置100更可於製造立體物體10的過程中依據數位立體模型而改變其所選擇的流體材料，以混合出不同顏色的流體材料，使列印頭120於製造立體物體10的過程中可噴塗出多種不同顏色的流體材料，而製造出具有多種不同的顏色的立體物體10。

綜上所述，本發明的列印頭可由多個拼接件組合而成，且任兩相鄰的拼接件的接觸面上各具有彼此對應的供料溝槽，因此，在拼接件彼此拼接而組成列印頭時，任兩相鄰的拼接件的供料溝槽可共同形成列印頭的供料管道。因此，本發明的列印頭利用一個模具即可大量製造用以組成列印頭的拼接件，因而利於批量生產。並且，由於列印頭是由多個拼接件所組合而成，不僅組 裝方便，更利於更換以及維修，因而節省了維護的成本。

此外，立體列印裝置包括多個供料源以及對應的供料管道，使處理單元可例如依據數位立體模型的特性參數對應至供料源所提供的流體材料特性而選擇供料源的至少其中之一，並例如將被選擇的供料源連接至供料管道，列印頭再將被選擇的供料源所提供的流體材料擠出並成形於基座上。因此，本發明的立體列印裝置可依據數位立體模型的特性參數而選擇對應特性的流體材料，因而可製造出更逼近數位立體模型的立體物體。

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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

120‧‧‧列印頭

122‧‧‧拼接件

122a‧‧‧供料溝槽

122b‧‧‧接觸面

122c‧‧‧卡合部

126‧‧‧供料管道

Claims (20)

1. 一種立體列印裝置，包括：一基座；以及一列印頭模組，設置於該基座上方，該列印頭模組包括：一列印頭，包括多個拼接件，彼此拼接而形成該列印頭，並共同定義出該列印頭的一出料口，各該拼接件包括至少一供料溝槽，任兩相鄰的拼接件的供料溝槽彼此對應設置以共同形成至少一供料管道；以及至少一供料源，連接至該供料管道，以提供至少一流體材料至該供料管道並經由該供料管道傳送並成形至該基座上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中各該拼接件包括至少一接觸面，經配置以與相鄰的拼接件的接觸面拼接，各該拼接件的供料溝槽設置於各該拼接件的接觸面上。
3. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中各該接觸面上的供料溝槽的數量為多個。
4. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中各該接觸面上的供料溝槽的數量為一個，該至少一供料管道的數量為N個，則各該拼接件的接觸面間的夾角為360/N度。
5. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中各該接觸面包括至少一卡合部，任兩相鄰的拼接件透過對應設置的該些卡合部而彼此卡合。
6. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該至少 一供料管道以及該至少一供料源的數量皆為多個，該些供料源分別提供多個流體材料，該些流體材料分別具有多個特性，該些特性彼此不同。
7. 如申請專利範圍第6項所述的立體列印裝置，其中該些特性包括顏色。
8. 如申請專利範圍第6項所述的立體列印裝置，其中各該供料管道具有一延伸部以及一彎折部，該些延伸部分別沿著該基座的一承載面的一法線方向延伸，該些彎折部分別連接對應的延伸部並往該出料口處匯集。
9. 如申請專利範圍第6項所述的立體列印裝置，其中該些供料管道匯集於該出料口，並於該些供料管道的匯集處定義出一混料腔，連通該出料口，該些供料管道內的該些流體材料分別經由對應的供料管道傳送至該混料腔進行混合。
10. 如申請專利範圍第9項所述的立體列印裝置，其中該混料腔包括多個混料元件，該些流體材料通過該些混料元件以進行混合。
11. 一種列印頭模組，適於將至少一流體材料傳送並成形至一基座上，該列印頭模組包括：多個拼接件，彼此拼接而形成一列印頭，並共同定義出該列印頭的一出料口，各該拼接件包括至少一供料溝槽，任兩相鄰的拼接件的供料溝槽彼此對應設置以共同形成至少一供料管道；以及 至少一供料源，連接至該供料管道，以提供該至少一流體材料至該供料管道並經由該供料管道傳送並成形至該基座上。
12. 如申請專利範圍第11項所述的列印頭模組，其中各該拼接件包括至少一接觸面，經配置以與相鄰的拼接件的接觸面拼接，各該拼接件的供料溝槽設置於各該拼接件的接觸面上。
13. 如申請專利範圍第11項所述的列印頭模組，其中各該接觸面上的供料溝槽的數量為多個。
14. 如申請專利範圍第11項所述的列印頭模組，其中各該接觸面上的供料溝槽的數量為一個，該至少一供料管道的數量為N個，則各該拼接件的接觸面間的夾角為360/N度。
15. 如申請專利範圍第11項所述的列印頭模組，其中各該接觸面包括至少一卡合部，任兩相鄰的拼接件透過對應設置的該些卡合部而彼此卡合。
16. 如申請專利範圍第11項所述的列印頭模組，其中該至少一供料管道以及該至少一供料源的數量皆為多個，該些供料源分別提供多個流體材料，該些流體材料分別具有多個特性，該些特性彼此不同。
17. 如申請專利範圍第16項所述的列印頭模組，其中該些特性包括顏色。
18. 如申請專利範圍第16項所述的列印頭模組，其中各該供料管道具有一延伸部以及一彎折部，該些延伸部分別沿著該基座的一承載面的一法線方向延伸，該些彎折部分別連接對應的延伸 部並往該出料口處匯集。
19. 如申請專利範圍第16項所述的列印頭模組，其中該些供料管道匯集於該出料口，並於該些供料管道的匯集處定義出一混料腔，連通該出料口，該些供料管道內的該些流體材料分別經由對應的供料管道傳送至該混料腔進行混合。
20. 如申請專利範圍第19項所述的列印頭模組，其中該混料腔包括多個混料元件，該些流體材料通過該些混料元件以進行混合。