TWI526327B - 立體列印裝置 - Google Patents

Description

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資訊真實地呈現出來，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。

目前利用上述快速原型成型法形成立體物品的立體列印 裝置，其用以承載熱熔性建造材料的基座須在立體物體的製作過程中持續加熱，以維持基座的溫度高於熱熔性建造材料的固化溫度，防止熱熔性建造材料太快冷卻而固化。然而，上述方法因為要維持熱熔性建造材料在列印時保持軟化狀態，故需要持續加熱立體列印裝置的基座，因此成本較高且機台維護不易。

本發明提供一種立體列印裝置，其基座可分區加熱，降低製造成本以及不必要的能源浪費。

本發明的立體列印裝置，其包括一處理單元、一基座以及一列印頭。處理單元經配置以讀取與處理一數位立體模型資訊。基座耦接並受控於處理單元。基座包括多個加熱區域。處理單元經配置以依據數位立體模型資訊選擇性地加熱所述加熱區域的至少其中之一。列印頭設置在基座上方。列印頭耦接並受控於處理單元，以將一熱熔性材料逐層成形於已加熱的加熱區域上而形成關聯於數位立體模型資訊的一立體物體。

在本發明的一實施例中，上述的數位立體模型資訊包括底層分佈資料。底層分佈資料關聯於欲加熱的加熱區域。

在本發明的一實施例中，上述的底層分佈資料對應至基座的一平面座標。處理單元依據平面座標控制基座對欲加熱的加熱區域進行加熱。

在本發明的一實施例中，上述的處理單元控制列印頭將 熱熔性材料逐層成形於已加熱的加熱區域上而形成立體物體後，處理單元控制基座停止對已加熱的加熱區域進行加熱。

在本發明的一實施例中，上述的基座更包括多個加熱模組，耦接處理單元並對應配置於加熱區域。處理單元依據數位立體模型資訊控制加熱模組的至少其中之一加熱對應的加熱區域。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置更包括一電源供應單元以及一接地配線。電源供應單元耦接並受控於處理單元，以提供一電源電壓。接地配線經配置以提供一接地電壓。各加熱模組耦接於電源供應單元與接地配線之間。處理單元依據數位立體模型資訊控制電源供應單元提供電源電壓至加熱模組的至少其中之一。

在本發明的一實施例中，上述的處理單元控制列印頭將熱熔性材料逐層成形於已加熱的加熱區域上而形成立體物體後，處理單元控制電源供應單元停止提供電源電壓至加熱模組。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置更包括一電源供應單元以及一接地配線。電源供應單元耦接並受控於處理單元，以提供一電源電壓。接地配線經配置以提供一接地電壓。各加熱模組包括一開關以及一加熱電阻。各加熱電阻耦接至接地配線，並透過對應的開關耦接至電源供應單元。處理單元依據數位立體模型資訊導通開關的至少其中之一，以提供電源電壓至對應的加熱電阻。

在本發明的一實施例中，上述的處理單元控制列印頭將 熱熔性材料逐層成形於已加熱的加熱區域上而形成立體物體後，處理單元停止導通開關。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置更包括一 溫度感測元件，設置於基座並耦接處理單元，用以感測基座的溫度，且處理單元透過溫度感測元件以獲得基座的溫度，並據以控制已加熱的加熱區域的溫度於一特定範圍內。

基於上述，本發明的實施例中，立體列印裝置的基座包 括多個加熱區域，使立體列印裝置可依據數位立體模型資訊來控制基座選擇性地對其加熱區域的至少其中之一進行加熱，並控制列印頭將熱熔性材料噴塗於被加熱的加熱區域上而形成關聯於數位立體模型資訊的立體物體。如此，立體列印裝置可無需對整個基座進行加熱，而可依據數位立體模型資訊而選擇性地僅對其加熱區域的至少其中之一進行加熱。因此，本發明的立體列印裝置確實可降低其運作及維護的成本，更可減少不必要的能源浪費。

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

20‧‧‧數位立體模型資訊

30‧‧‧平面座標

100‧‧‧立體列印裝置

110‧‧‧處理單元

120‧‧‧基座

121‧‧‧承載面

122、122a‧‧‧加熱區域

124‧‧‧加熱模組

124a‧‧‧開關

124b‧‧‧加熱電阻

130‧‧‧列印頭

140‧‧‧供料線

150‧‧‧電源供應單元

160‧‧‧接地配線

170‧‧‧溫度感測元件

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是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的基座的使用情境示意圖。

圖5是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的部分構件示意圖。

圖6是依照本發明的另一實施例的一種立體列印裝置的部分構件示意圖。

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資訊列印出一立體物 體10，其包括一處理單元110、一基座120以及一列印頭130。在本實施例中，數位立體模型資訊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。處理單元110可用以讀取與處理此數位立體模型資訊。

基座120具有一承載面121，用以承載列印頭130所噴塗的熱熔性材料。在本實施例中，立體列印裝置100更可包括至少一供料線140，其耦接列印頭130，以提供熱熔性材料至列印頭130。列印頭130設置於基座120上方，處理單元110耦接並控制列印頭130以將熱熔性材料逐層成形於基座120的承載面121上而形成立體物體10。在本實施例中，供料線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130的一加熱單元對固態線材進行加熱，使熱熔性材料呈現熔融狀態，再經由列印頭130擠出，並逐層由下往上堆疊於承載面121上，以形成多個熱熔性材料層，熱熔性材料層彼此堆疊而形成立體物體10。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。在此須說明的是，一般而言，透過列印頭130逐層列印成形於承載面121上的熱熔性材料可包括用以建構立體物體10的建造材料以及用以支撐立體物體10的支撐材料。也就是說，列印成形於承載面121上的熱熔性材料並非僅用以形成立體物體10，亦可形成支撐立體物體10的支撐部或是底座等，並可在列印成形於承 載面121上的熱熔性材料固化後，再將支撐立體物體10的支撐材料移除，以得到立體物體10。

承上述，在列印頭130逐層成形熱熔性材料於基座120上的過程中，立體列印裝置100可依據數位立體模型資訊的例如一底面尺寸對基座120進行分區加熱。也就是說，基座120包括多個加熱區域，立體列印裝置100可依據數位立體模型資訊選擇性地對加熱區域的至少其中之一進行加熱，以維持此加熱區域的溫度高於熱熔性材料的固化溫度，防止熱熔性材料太快冷卻而固化。並且，在立體列印裝置100完成列印後，可再對基座120上的立體物體10進行例如硬化烘乾處理，即可初步完成立體物體10的製作。

圖4是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的基座的使用情境示意圖。請參照圖2至圖4，具體而言，在本實施例中，處理單元110耦接並控制列印頭130以及基座120，其中，基座120如圖4所示包括多個加熱區域122。處理單元110讀取數位立體模型資訊20後，依據此數位立體模型資訊20選擇性地對所述加熱區域122的至少其中之一進行加熱。詳細來說，數位立體模型資訊20可包括底層分佈資料，其中，底層分佈資料關聯於基座120上欲加熱的加熱區域122。更進一步來說，數位立體模型資訊20包括多個關聯於立體物體10的橫截面的資料，而底層分佈資料則是關聯於立體物體10直接與基座120接觸的底面的分布資料，其可對應至基座120的一平面座標而得到基座120上欲加熱 的加熱區域122a。處理單元110可將數位立體模型資訊20對應至基座120的一平面座標30，也就是例如將數位立體模型資訊20的底層分佈資料轉換為基座120的平面座標，以得到關聯於數位立體模型資訊20的立體物體10預定形成於基座120上的位置及其分布面積。之後再將此平面座標30對應至加熱區域122的至少其中之一(例如為圖4所示的欲加熱的加熱區域122a)，處理單元110便可依據此平面座標控制基座120對平面座標30所對應的加熱區域(例如為圖4所示的欲加熱的加熱區域122a)進行加熱。

除此之外，在本實施例中，立體列印裝置100更可包括一溫度感測元件170，設置於基座120的例如一中央區域，用以感測基座120的溫度。舉例來說，溫度感測元件170可例如為一熱敏電阻，更具體來說，溫度感測元件170可為一負溫度係數熱敏電阻器(Negative Temperature Coefficient Thermistor,NTC Thermistor)，其電阻值隨溫度的上升而下降，處理單元110耦接此溫度感測元件170，以依據其電阻值推算出基座120的溫度，並可用以控制已加熱的加熱區域122a的溫度於一特定範圍內。在本實施例中，已加熱的加熱區域122a的溫度大約維持在120度至150度之間。

承上述，處理單元110控制列印頭130將熱熔性材料逐層成形於已加熱的加熱區域122a上而形成關聯於數位立體模型資訊20的立體物體10。在形成立體物體10之後，處理單元110即可控制基座120停止對加熱區域122a繼續進行加熱。如此配置， 立體列印裝置100即可無需對整個基座120進行加熱，而可依據數位立體模型資訊20來控制基座120選擇性地對加熱區域122的至少其中之一進行加熱，也就是僅對關聯於數位立體模型資訊20的底層分佈資料所對應的加熱區域122a進行加熱，以維持此加熱區域122a的溫度高於成形於其上的熱熔性材料的固化溫度。如此，本實施例的立體列印裝置100可降低其運作及維護的成本，更可減少不必要的能源浪費。

圖5是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的部 分構件示意圖。請同時參照圖3以及圖5，在本實施例中，基座120更可包括多個加熱模組124，其分別耦接處理單元110並對應配置於加熱區域122。各加熱模組124可包括一加熱電阻124b。 處理單元110依據數位立體模型資訊20控制加熱模組124的至少其中之一加熱其對應的欲加熱的加熱區域122a。詳細而言，立體列印裝置100更可包括一電源供應單元150以及一接地配線160。 電源供應單元150耦接並受控於處理單元110，用以提供一電源電壓，接地配線160則用以提供一接地電壓。各加熱模組124耦接於電源供應單元150與接地配線160之間。

承上述，處理單元110依據數位立體模型資訊20控制電源供應單元150提供電源電壓至加熱模組124的至少其中之一。也就是說，處理單元110依據數位立體模型資訊20的底層分佈資料來決定加熱區域122中欲加熱的加熱區域122a(例如為圖5所示的正中間的加熱區域122a)，並控制電源供應單元150提供電源 電壓至對應的加熱模組124，以對欲加熱的加熱區域122a進行加熱。當然，本發明的圖式僅用以舉例說明，本發明並不限定欲加熱的加熱區域122a的數量，在本發明的其他實施例中，若底層分佈資料同時對應至基座120中的多個加熱區域122a，則處理單元110可依據此底層分佈資料來決定同時對多個加熱區域122a進行加熱。

如此，處理單元110便控制列印頭130將熱熔性材料逐 層成形於已加熱的加熱區域122a上，而形成關聯於數位立體模型資訊20的立體物體10。在形成立體物體10之後，處理單元110即可控制電源供應單元150停止提供電源電壓至加熱模組124，並可例如對立體物體10進行冷卻或固化處理，即可完成立體物體10的製作。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件 標號與部分內容，其中，採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖6是依照本發明的另一實施例的一種立體列印裝置的 部分構件示意圖。請同時參照圖3以及圖6，本實施例之立體列印裝置與圖5之立體列印裝置相似，本實施例的基座120亦可包括多個加熱模組124，其分別耦接處理單元110並對應配置於加熱區域122。立體列印裝置100亦可包括電源供應單元150以及接地配線160。電源供應單元150耦接並受控於處理單元110，用以提供 電源電壓，而接地配線160則用以提供接地電壓。惟本實施例之立體列印裝置與圖5的立體列印裝置的主要差異之處在於：各加熱模組124包括一開關124a以及一加熱電阻124b，各加熱電阻124b耦接接地配線160，並透過對應的開關124a耦接電源供應單元150。在本實施例中，開關124a可例如為N型電晶體開關。當然，熟知此技術者應當知道，開關除了N型電晶體之外，仍可以P型、多工器、傳輸閘、繼電器(Relay)等方式等效實施，故本發明不限於此。

承上述，處理單元110依據數位立體模型資訊20導通開關124a的至少其中之一，以使電源供應單元150提供電源電壓至與導通的開關124a對應的加熱電阻124b。也就是說，處理單元110例如依據數位立體模型資訊20的底層分佈資訊來決定加熱區域122中的至少其中之一為欲加熱的加熱區域122a，並導通其對應的加熱模組124的開關124a，以使電源供應單元150得以提供電源電壓至對應的加熱電阻124b，以對欲加熱的加熱區域122a進行加熱。當然，本發明的圖式僅用以舉例說明，本發明並不限定欲加熱的加熱區域122a的數量，在本發明的其他實施例中，若底層分佈資訊同時對應至基座120中的多個加熱區域122a，則處理單元110可依據此底層分佈資訊來決定同時對多個加熱區域122a進行加熱。

如此，處理單元110控制列印頭130將熱熔性材料逐層成形於已加熱的加熱區域122a上而形成關聯於數位立體模型資訊 20的立體物體10。在形成立體物體10之後，處理單元110即可停止導通開關124a，以停止對已加熱的加熱區域122a繼續進行加熱，並可例如對立體物體10進行冷卻或固化處理，即可完成立體物體10的製作。

綜上所述，本發明的基座包括多個加熱區域，使立體列 印裝置可依據例如透過電腦主機所建構的數位立體模型資訊來選擇性地對其加熱區域的至少其中之一進行加熱，並控制列印頭將熱熔性材料逐層噴塗於被加熱的加熱區域上而形成關聯於數位立體模型資訊的立體物體。如此，立體列印裝置可無需對整個基座進行加熱，而可僅對關聯於數位立體模型資訊的立體物體預定形成於基座上的位置所對應的加熱區域進行加熱，以維持此被加熱的加熱區域的溫度高於噴塗於其上的熱熔性材料的固化溫度。因此，本發明的立體列印裝置確實可降低其運作及維護的成本，更可減少不必要的能源浪費。

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。

110‧‧‧處理單元

122、122a‧‧‧加熱區域

124‧‧‧加熱模組

124b‧‧‧加熱電阻

150‧‧‧電源供應單元

160‧‧‧接地配線

Claims (9)

1. 一種立體列印裝置，包括：一處理單元，經配置以讀取與處理一數位立體模型資訊；一基座，耦接並受控於該處理單元，該基座包括多個加熱模組以及多個加熱區域，該些加熱模組耦接該處理單元並對應配置於該些加熱區域，該處理單元經配置以依據該數位立體模型資訊選擇性地控制該些加熱模組對該些加熱區域的至少其中之一進行加熱；以及一列印頭，設置在該基座上方，該列印頭耦接並受控於該處理單元，以將一熱熔性材料逐層成形於已加熱的該至少其中一加熱區域上，而形成關聯於該數位立體模型資訊的一立體物體。
2. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該數位立體模型資訊包括一底層分佈資料，該底層分佈資料關聯於欲加熱的該至少其中一加熱區域。
3. 如申請專利範圍第2項所述的立體列印裝置，其中該底層分佈資料對應至該基座的一平面座標，該處理單元依據該平面座標控制該基座對欲加熱的該至少其中一加熱區域進行加熱。
4. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該處理單元控制該列印頭將該熱熔性材料逐層成形於已加熱的該至少其中一加熱區域上而形成該立體物體後，該處理單元控制該基座停止對已加熱的該至少其中一加熱區域進行加熱。
5. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，更包括一電 源供應單元以及一接地配線，該電源供應單元耦接並受控於該處理單元，以提供一電源電壓，該接地配線經配置以提供一接地電壓，各該加熱模組耦接於該電源供應單元與該接地配線之間，該處理單元依據該數位立體模型資訊控制該電源供應單元提供該電源電壓至該些加熱模組的至少其中之一。
6. 如申請專利範圍第5項所述的立體列印裝置，其中該處理單元控制該列印頭將該熱熔性材料逐層成形於已加熱的該至少其中一加熱區域上而形成該立體物體後，該處理單元控制該電源供應單元停止提供該電源電壓至該些加熱模組。
7. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，更包括一電源供應單元以及一接地配線，該電源供應單元耦接並受控於該處理單元，以提供一電源電壓，該接地配線經配置以提供一接地電壓，各該加熱模組包括一開關以及一加熱電阻，各該加熱電阻耦接至該接地配線，並透過對應的開關耦接至該電源供應單元，該處理單元依據該數位立體模型資訊導通該些開關的至少其中之一，以提供該電源電壓至對應的加熱電阻。
8. 如申請專利範圍第7項所述的立體列印裝置，其中該處理單元控制該列印頭將該熱熔性材料逐層成形於已加熱的加熱區域上而形成該立體物體後，該處理單元停止導通該些開關。
9. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，更包括一溫度感測元件，設置於該基座並耦接該處理單元，用以感測該基座的溫度，且該處理單元透過該溫度感測元件以獲得該基座的溫 度，並據以控制已加熱的該至少其中一加熱區域的溫度於一特定範圍內。