TWI566917B

TWI566917B - 光固化立體造型裝置及方法

Info

Publication number: TWI566917B
Application number: TW104119216A
Authority: TW
Inventors: 鄭正元; 鄭逸琳; 陳定閒; 李漢軒
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2017-01-21
Also published as: US10166717B2; JP6129273B2; US20160361871A1; CN105196546A; JP2017001382A; CN105196546B; TW201643031A

Description

光固化立體造型裝置及方法

本發明是有關於立體造型技術，特別是有關於一種藉由光固化材料而製造三維物體的光固化立體造型技術。

光固化立體造型技術係藉由堆疊與黏合光可固化液態樹脂所形成的固態薄層來製造三維物體。習知的光固化立體造型機器基本上有兩種習知的做法。

第一種做法是從上方投射光圖案至下方的槽體內以固化槽體內液態的光固化材料。對於這種由上至下的配置來說，槽體的大小必須能夠維持充足的樹脂以完全浸泡列印物體。樹脂表面在曝光的每一層需被調平，藉以確保每一層的均勻性。另外，樹脂表面在列印的過程中並非停留在同一水平，且鉛直位移需被補償以使每一列印層維持相同厚度。另外，光固化是發生在接觸空氣的樹脂表面，氧氣抑制問題會增加樹脂固化的時間。

第二種做法則是從下方將光圖案向上投射至槽體的透明底部而令槽體內液態的光固化材料得以固化。這種做法能夠改善上述光固化立體造型機器的缺點，例如是簡化機器結構使槽體的體積大幅減少。此外，光固化層係形成於槽體的底部與前一層或搭建平台之間。由於光固化層並非形成於接觸空氣的液態光固化材料之表面上方，則各層均勻性與氧氣抑制問題將不復存在，且在機器中也不再需要樹脂表面調平裝置。每一層係由槽體的底部分離，並被抬高以為下一層預留空間。

然而，由於凡得瓦偶極力、化學黏結力與吸引力的結果，使光固化層與槽體之間產生沾黏的現象，從而造成搭建平台對光固化層有難以拉拔的問題。分離力的大小係與上述力量及光固化層之面積成正相關，且為高分辨率列印的最重要限制因素之一。為了減少黏著力，有些改善沾黏現象的技術係於槽體的底部設置具彈性的膜，例如鐵弗龍（Teflon）或矽膠（silicone），藉此來防止光固化層沾黏在槽體。然而，即使有這樣的改進，分離力仍然太大以至於無法精細列印。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種光固化立體造型裝置及方法。在本發明之光固化立體造型技術中，藉由使用能夠令光固化材料在光固化過程中所形成的帶電體（例如：陽離子基、帶電的單體（monomer）或寡聚物（oligomer）等）被移動至底板之表面以外的技術，從而達成讓該立體造型物體愈接近該保持板表面的光固化層之黏滯度愈小之效果。

本發明的一種實施態樣，提出一種光固化立體造型裝置一種光固化立體造型裝置，其包括：槽體、底板、保持板、昇降機構、光源模組、和控制單元。該槽體具容置空間可用來容置光固化材料，並包含：底板和牆結構。該底板為透明或半透明者。該牆結構係設置於該底板周圍且與該底板形成該容置空間。該昇降機構係用以使該保持板上下移動。該光源模組係設置於該槽體下方。該控制單元係用來控制該光源模組和該昇降機構。在該光固化立體造型裝置中，經由該光源模組照射使該光固化材料發生光固化反應，在該保持板上形成一光固化層後，再以該昇降機構移動該保持板，接著返復進行前述光照射形成光固化層，進而逐層地製作成一立體造型物體。在形成該光固化層期間，藉由在該底板利用電場或磁場來使該槽體內該光固化材料不在該底板表面發生光固化，使愈接近該底板表面的該光固化層之黏滯度愈小。

本發明的另一種實施態樣，提出一種光固化立體造型方法，該方法包括以下步驟。提供一光固化立體造型裝置。在該光固化立體造型裝置之一槽體之一底板構成電場或磁場。經由該光固化立體造型裝置之一光源模組照射使該光固化材料發生光固化反應，在該保持板上形成一光固化層後，再以該光固化立體造型裝置之一昇降機構移動該保持板，接著返復進行前述光照射形成光固化層，進而逐層地製作成一立體造型物體；其中在形成該光固化層期間，藉由在該底板利用電場或磁場來使該槽體內該光固化材料不在該底板表面發生光固化，使愈接近該底板表面的該光固化層之黏滯度愈小。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉多個實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

本發明提出在光固化立體造型技術中使用能夠令光固化材料在光固化過程中所形成之帶電體（例如：陽離子基、帶電的單體（monomer）或寡聚物（oligomer）等）被移動至底板之表面以外的技術，從而達成讓該立體造型物體愈接近該保持板表面的光固化層之黏滯度愈小之效果。

以下依據本發明的上述觀點，並以光固化立體造型裝置之結構為例來說明本發明之各種實施態樣。

圖1顯示依據本發明之一實施態樣的一種光固化立體造型裝置的示意圖。如圖1所示，光固化立體造型裝置100至少包括槽體110、保持板120、昇降機構130、光源模組140、和控制單元150。槽體110具容置空間180可用來容置光固化材料190。昇降機構130係用以使該保持板120上下移動。光源模組140係設置於該槽體110下方。控制單元150是用來控制該光源模組140和該昇降機構130。此外，槽體110包含：底板111和牆結構112。底板111為透明或半透明者；牆結構112係設置於該底板111周圍且與該底板111形成該容置空間180。

在光固化立體造型裝置100中，經由該光源模組140照射使該光固化材料190發生光固化反應，在該保持板120上形成一光固化層後，再以該昇降機構130移動該保持板120，接著返復進行前述光照射形成光固化層，進而逐層地製作成一立體造型物體199。

在圖1所示意的光固化立體造型裝置100中，在形成該光固化層期間，藉由在該底板111利用或構成如電場或磁場之物理場FD（例如以虛線示意之空間存在物理場）來使該槽體110內該光固化材料190不在該底板表面發生光固化，使愈接近該底板表面的該光固化層之黏滯度愈小。藉此，依據本發明之光固化立體造型裝置能夠避免光固化材料因於底板表面固化而沾黏於底板表面而令利用立體造型技術所形成的立體造型物體之固化層難以拉拔問題。

在習知的光固化立體造型技術中，光固化材料如「光敏樹脂」（photopolymer）中的光起始劑（photoinitiator）在吸收紫外線（例如，波長為250-300 nm的紫外線）後產生自由基或陽離子基，其與光敏樹脂中的單體（monomer）及相對應的寡聚物（oligomer）進行交聯聚合反應而固化。如圖2A所示，在光固化立體造型裝置100中，在形成該光固化層期間，假設在該底板111未有利用電場或磁場時，陽離子基會聚集在底板111之表面111P並進一步固化而沾黏在底板111之表面111P上，造成習知的沾黏問題。

如圖2B所示，在光固化立體造型裝置100中，在形成該光固化層期間，在該底板111利用電場ED時，帶電體如陽離子基被電場ED（例如，陽極性向上的電場方向）所產生的排斥力作用而被移往底板111之表面111P上方從而繼續進行固化反應。如此類推，底板111之表面111P利用磁場時，帶電體如陽離子基受磁場（例如，磁力線方向為環繞著底板111之表面111P）所產生的力作用而移往底板111之表面111P上方從而繼續進行固化反應。藉此，本發明之實施例能夠令光固化不在底板表面發生。

以下舉例說明前述底板111利用電場或磁場之實施例。

圖3顯示本發明之一實施例中之槽體之部分剖面圖。在圖3中，該底板111包括第一導電層201。在形成該光固化層期間，藉由在該底板111之該第一導電層201之兩側施加電壓（例如利用電源VS）而構成磁場，來使該槽體110內該光固化材料180不在該底板111表面發生光固化，使愈接近該底板111表面的該光固化層之黏滯度愈小。

圖4顯示本發明之一實施例中之槽體之部分剖面圖。在圖4中，該底板111包括基板200和第一導電層201。在形成該光固化層期間，藉由在該底板111之該第一導電層201之兩側施加電壓（例如利用電源VS）使之有電流通過而構成磁場，來使該槽體110內該光固化材料180不在該底板111表面發生光固化，使愈接近該底板111表面的該光固化層之黏滯度愈小。

此外，由於電流磁效應中，電流之大小與該電流所產生的磁場大小有正相關性，故此可藉由調整通過第一導電層201之電流大小來施加適當大小的磁場來達成光固化材料180不在該底板111表面發生光固化之效果。

圖5顯示本發明之一實施例中之槽體之部分剖面圖。在圖5中，該底板111包括基板200、第一導電層201和第二導電層202。第一導電層201係設置於該槽體110所容置之該光固化材料180和該基板200之間；該基板200係設置於該第一導電層201和該第二導電層202之間。在形成該光固化層期間，藉由在該第一導電層201和該第二導電層202之間充電（如由電源VS施加正電壓）而構成電場，來使該槽體110內該光固化材料180不在該底板111表面發生光固化，使愈接近該底板111表面的該光固化層之黏滯度愈小。

此外，第一導電層201和該第二導電層202之間的電場大小E _ab可以簡化地利用公式E _ab=V _ab/d來表示，其中V _ab係表示與施加於第一導電層201和該第二導電層202的電壓，d表示兩者的距離。故此，可藉由調整V _ab的大小或d來產生適當大小的電場來達成光固化材料180不在該底板111表面發生光固化之效果。

此外，在上述圖3至圖5中，第一導電層201可以為透明導電膜（transparent conductive film）；基板200可以為玻璃、陶瓷、或任何合適的透明或半透明基材來實現。再者，基板200和第一導電層201（及/或第二導電層202）可利用導電氧化物（TCO；Transparent Conductive Oxide）玻璃來實現，例如：氧化銦錫（ITO；Indium Tin Oxide）導電玻璃、氟摻雜氧化錫（FTO；Florine Doped Tin Oxide）導電玻璃、摻鋁的氧化鋅（AZO；Al-doped ZnO）導電玻璃、氧化鋅摻鎵（GZO；Ga.Zno）導電玻璃、氧化銦鋅（IZO；Indium Zinc Oxide）導電玻璃、氧化鋅（ZnO；Zinc Oxide）導電玻璃中之一種來實現。此外，上述任一實施例中的導電層（第一導電層201及（或）第二導電層202）亦可以用導電性高分子材料、奈米碳管材料、奈米粒子材料、或金屬奈米線等材料來實現。總之，任何透光性、導電性良好的材料只要能夠在通電後產生電場或磁場，皆適合做為上述實施例中導電層之材料。

在前述任一光固化立體造型裝置之實施例中，該光源模組可以使用紫外光光源。本發明對光源模組並沒有限制，只要能用以產生用於立體造型物體之複數個截面層的光罩圖案的光源模組皆可。

此外，為了進一步使降低前述光固化沾黏問題，前述任一光固化立體造型裝置之實施例中，更可以使用：可見光光源、可見光雷射光源、和紅外光雷線光源中之一種光源，其中藉由該光源之照射使合適的光固化材料發生光固化反應。相較於習知以紫外光做為光固化立體造型裝置之圖案化光源，使用紫外光之外的長波長光源如可見光光源（例如波長為400nm至760nm）或紅外光光源（例如波長為760nm至10000nm）時，因為長波長光源對液體的穿透性較紫外光的穿透性為高，故此長波長光源照射穿透底板111後，在底板111表面之光固化材料的硬化度係較小於在底板111之外之光固化材料的硬化度，藉此固化層的拉拔力相對降底了。

圖6顯示依據本發明之一實施態樣的一種光固化立體造型方法的示意圖。在圖6中，如步驟S110所示，提供一光固化立體造型裝置。如步驟S120所示，在該光固化立體造型裝置之一槽體之一底板構成電場或磁場。如步驟S130所示，經由該光固化立體造型裝置之一光源模組照射使該光固化材料發生光固化反應，在該保持板上形成一光固化層後，再以該光固化立體造型裝置之一昇降機構移動該保持板，接著返復進行前述光照射形成光固化層，進而逐層地製作成一立體造型物體。其中在形成該光固化層期間，藉由在該底板利用電場或磁場來使該槽體內該光固化材料不在該底板表面發生光固化，使愈接近該底板表面的該光固化層之黏滯度愈小。

在上述之光固化立體造型方法中，在形成該光固化層期間，藉由在該底板之一第一導電層通電而構成磁場，來使該槽體內該光固化材料不在該底板表面發生光固化，使愈接近該底板表面的該光固化層之黏滯度愈小。

在上述之光固化立體造型方法中，在形成該光固化層期間，藉由在該底板之相對的兩導電層充電而構成電場，來使該槽體內該光固化材料不在該底板表面發生光固化，使愈接近該底板表面的該光固化層之黏滯度愈小。

在上述之光固化立體造型方法中，光源模組照射可見光、可見光雷射、和紅外光雷線中之一者使該光固化材料發生光固化反應。

在上述之光固化立體造型方法中，亦可參照前述任一光固化立體造型裝置之實施例，來加以實現。

綜上所述，本發明之內容已以如上之實施例舉例說明了，然而本發明並非僅限定於此等實施方式而已。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可再進行各種之更動與修飾；例如，將前述實施例中所例示之各技術內容加以組合或變更而成為新的實施方式，此等實施方式亦當然視為本發明所屬內容之一。因此，本案所欲保護之範圍亦包括後面所敘述之申請專利範圍及其所界定之範圍。

100 光固化立體造型裝置 110 槽體 111 底板 111P 底板之表面 112 牆結構 120 保持板 130 昇降機構 140 光源模組 150 控制單元 180 容置空間 190 光固化材料 199 立體造型物體 200 基板 201 第一導電層 202 第二導電層 FD 物理場 ED 電場

圖1顯示依據本發明之一實施態樣的一種光固化立體造型裝置的示意圖。圖2A和圖2B顯示藉由本發明之實施例令光固化不在底板表面發生的示意圖。圖3顯示本發明之一實施例中之槽體之部分剖面圖。圖4顯示本發明之一實施例中之槽體之部分剖面圖。圖5顯示本發明之一實施例中之槽體之部分剖面圖。圖6顯示依據本發明之一實施態樣的一種光固化立體造型方法的示意圖。

100 光固化立體造型裝置 110 槽體 111 底板 112 牆結構 120 保持板 130 昇降機構 140 光源模組 150 控制單元 180 容置空間 190 光固化材料 199 立體造型物體 FD 物理場

Claims

一種光固化立體造型裝置，其包括：一槽體，其具容置空間可用來容置光固化材料，該槽體包含：一底板，其為透明或半透明者；和一牆結構，其設置於該底板周圍且與該底板形成該容置空間；一保持板；一昇降機構，其用以使該保持板上下移動；一光源模組，其設置於該槽體下方；及一控制單元，其用來控制該光源模組和該昇降機構；其中在該光固化立體造型裝置中，經由該光源模組照射使該光固化材料發生光固化反應，在該保持板上形成一光固化層後，再以該昇降機構移動該保持板，接著返復進行前述光照射形成光固化層，進而逐層地製作成一立體造型物體；並且在形成該光固化層期間，藉由在該底板利用電場來使該槽體內該光固化材料不在該底板表面發生光固化，使愈接近該底板表面的該光固化層之黏滯度愈小。
如請求項1所記載之光固化立體造型裝置，其中該底板包括：一基板；一第一導電層，其被設置於該槽體所容置之該光固化材料和該基板之間；及一第二導電層，其中該基板係設置於該第一導電層和該第二導電層之間；其中在形成該光固化層期間，藉由在該第一導電層和該第二導電層充電而構成電場，來使該槽體內該光固化材料不在該底板表面發生光固化，使愈接近該底板表面的該光固化層之黏滯度愈小。
如請求項2所記載之光固化立體造型裝置，其中該基板為玻璃或陶瓷。
如請求項1至2中任一項所記載之光固化立體造型裝置，其中該光源模組包含：可見光光源、可見光雷射光源、和紅外光雷線光源中之一光源，其中藉由該光源之照射使該光固化材料發生光固化反應。
一種光固化立體造型方法，其包括：提供一光固化立體造型裝置；在該光固化立體造型裝置之一槽體之一底板構成電場或磁場；以及經由該光固化立體造型裝置之一光源模組照射使該光固化材料發生光固化反應，在該保持板上形成一光固化層後，再以該光固化立體造型裝置之一昇降機構移動該保持板，接著返復進行前述光照射形成光固化層，進而逐層地製作成一立體造型物體；其中在形成該光固化層期間，藉由在該底板利用電場來使該槽體內該光固化材料不在該底板表面發生光固化，使愈接近該底板表面的該光固化層之黏滯度愈小。
如請求項5所記載之光固化立體造型方法，其中在形成該光固化層期間，藉由在該底板之相對的兩導電層充電而構成電場，來使該槽體內該光固化材料不在該底板表面發生光固化，使愈接近該底板表面的該光固化層之黏滯度愈小。
如請求項5至6中任一項所記載之光固化立體造型方法，其中光源模組照射可見光、可見光雷射、和紅外光雷線中之一者使該光固化材料發生光固化反應。