TWI580519B - 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光固化立體成型(Stereolithography)的立體列印裝置。

近年來，隨著科技的日益發展，許多利用逐層建構模型等加成式製造技術(additive manufacturing technology)來建造物理三維(three dimensional,3D)模型的不同方法已紛紛被提出。一般而言，加成式製造技術是將利用電腦輔助設計(computer aided design,CAD)等軟體所建構的3D模型的設計資料轉換為連續堆疊的多個薄(准二維)橫截面層。於此同時，許多可以形成多個薄橫截面層的技術手段也逐漸被提出。舉例來說，列印裝置的列印模組通常可依據3D模型的設計資料所建構的空間座標XYZ在基座的上方沿著XY平面移動，從而使建構材料形成正確的橫截面層形狀。所沉積的建構材料可隨後自然硬化，或者透過加熱或光源的照射而被固化，從而形成所要的橫截面層。因此，藉由列印模組沿著軸向Z逐層移動，即可使多個橫截面層沿Z軸逐漸堆疊，進而使建構材料在逐層固化的狀態下形成立體物件。

以光固化立體成型(Stereolithography)的立體列印裝置為例，升降平台適於浸入盛裝在盛槽中的液態成型材中，而光源模組在XY平面上照射作為建構材料的液態成型材，以使液態成型材受光照而固化，並逐層堆疊於升降平台上。如此，藉由升降平台沿著軸向Z逐層移動，即可使液態成型材逐層固化並彼此堆疊於升降平台上而形成立體物件。在立體物件透過逐層堆疊而成型的過程中，被固化的液態成型材亦會黏著於盛槽的底部，若移動升降平台，則可能使黏著於盛槽底部的被固化的液態成型材產生破裂或損毀。此外，若已固化的液態成型材沾黏在盛槽的底部，亦可能干擾光源的照射而影響後續的成型結果。因此，在現有的立體列印技術下，如何使立體列印裝置所列印出的立體物件具有良好的列印品質，也逐漸成為本領域開發人員關注的焦點。

本發明提供一種立體列印裝置，其具有良好的列印品質。

本發明的一種立體列印裝置，包括一擺動盛槽、一擺動機構、一升降平台、一光源及一控制單元。擺動盛槽用以盛裝一液態成型材。擺動盛槽包括一支點側以及一擺動側。擺動側適於以支點側為樞轉中心而擺動。擺動機構包括一凸輪以及一驅動馬達。凸輪設置於擺動側且包括至少一凸緣。凸輪抵靠於擺動側，以旋轉而透過該至少一凸緣帶動擺動側進行往復擺動。驅動馬達用以帶動凸輪轉動。升降平台可移動地配置於擺動盛槽的上方。 光源配置於擺動盛槽的下方，以照射並固化液態成型材。控制單元耦接光源、擺動機構與升降平台。控制單元控制升降平台浸入液態成型材至一初始深度。光源照射並固化位於升降平台與擺動盛槽的一底部之間的液態成型材。此時，控制單元控制擺動機構帶動擺動側擺動，以使被固化的液態成型材與底部分離而位於升降平台上，被固化的液態成型材逐層堆疊於升降平台上而形成一立體物件。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置更包括一驅動齒輪以及一渦桿。驅動齒輪包括一驅動轉軸，連接凸輪的一轉軸，以使凸輪隨著驅動齒輪轉動。渦桿連接驅動馬達並與驅動齒輪嚙合。驅動馬達驅動渦桿轉動，以使渦桿帶動驅動齒輪轉動。

在本發明的一實施例中，上述的凸輪為一偏心凸輪。偏心凸輪的一形心與轉軸之間具有一間距。

在本發明的一實施例中，上述的凸輪包括多個凸緣。凸輪旋轉一週帶動擺動側進行多次往復擺動，其中凸緣的數量等於凸輪旋轉一週帶動擺動側進行往復擺動的次數。

在本發明的一實施例中，上述的凸輪帶動擺動側往遠離升降平台的方向擺動，使擺動側相對於一水平面低於支點側。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置更包括至少一彈性復位件，設置於擺動側，以在擺動機構帶動擺動側擺動後，將擺動側回復原位，使擺動側與支點側位於同一水平面上。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置更包括一 固定架，支點側樞設於固定架上，使擺動側適於以支點側為樞轉中心而擺動。

在本發明的一實施例中，上述的驅動馬達固設於固定架上。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置更包括一托架，設置於擺動側。凸輪配置於托架內，且外緣抵靠於托架上，以在凸輪旋轉時帶動托架擺動。

在本發明的一實施例中，上述的立體列印裝置更包括一感測元件，用以感測擺動側的一位置。

在本發明的一實施例中，上述的控制單元依據感測元件的感測結果控制驅動馬達是否帶動凸輪轉動。

基於上述，本發明設置擺動機構於擺動盛槽的擺動側上，並將擺動機構的凸輪抵靠於擺動側，以使凸輪在轉動時帶動擺動盛槽的擺動側進行擺動。如此，立體列印裝置即可透過擺動擺動盛槽的擺動側而使被固化的液態成型材與擺動盛槽的底部輕易分離，因而可避免被固化的液態成型材黏著於擺動盛槽的底部而在升降平台上移時破裂的情形，亦可避免被固化的液態成型材沾黏於擺動盛槽的底部而影響後續的列印品質。因此，本發明確實可提高立體列印裝置的列印品質。

此外，本發明利用驅動馬達驅動凸輪進行轉動，因此，在凸輪轉動至定位後，立體列印裝置無需對驅動馬達持續通電即可使擺動盛槽的擺動側維持在當前的位置上，因而可降低維護及 操作成本。此外，由於本發明的立體列印裝置在凸輪轉動到定位之後即無需對驅動馬達持續通電，因而能有效控制驅動馬達所產生的熱能，進而提升立體列印裝置的產品可靠性及安全性。

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‧‧‧立體物件

100‧‧‧立體列印裝置

110‧‧‧擺動盛槽

112‧‧‧支點側

114‧‧‧擺動側

116‧‧‧液態成型材

118‧‧‧底部

120‧‧‧擺動機構

122‧‧‧凸輪

122a‧‧‧轉軸

122b‧‧‧凸緣

122c‧‧‧形心

124‧‧‧驅動馬達

126‧‧‧驅動齒輪

126a‧‧‧驅動轉軸

128‧‧‧渦桿

130‧‧‧升降平台

140‧‧‧光源

150‧‧‧控制單元

160‧‧‧彈性復位件

170‧‧‧固定架

180‧‧‧托架

190‧‧‧感測元件

D1‧‧‧初始深度

G1‧‧‧間距

S1‧‧‧擺動方向

圖1是依照本發明的一實施例的一種立體列印裝置的示意圖。

圖2是依照本發明的一實施例的擺動盛槽的立體示意圖。

圖3是圖2的擺動盛槽的擺動側的剖面示意圖。

圖4是依據本發明的一實施例的擺動機構的局部放大示意圖。

圖5是依據本發明的另一實施例的擺動機構的局部放大示意圖。

圖6是圖2的擺動盛槽的擺動側的立體示意圖。

圖7是依照本發明的一實施例的擺動盛槽於一列印狀態的示意圖。

圖8是依照本發明的一實施例的擺動盛槽於一擺動狀態的示意圖。

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示意圖。圖2是依照本發明的一實施例的擺動盛槽的立體示意圖。請同時參照圖1以及圖2，本實施例的立體列印裝置100適於依據一數位立體模型資訊列印出一立體物件10。立體列印裝置100包括一擺動盛槽110、一擺動機構120、一升降平台130、一光源140及一控制單元150。在本實施例中，控制單元150用以讀取一數位立體模型，並耦接光源140、擺動機構120與升降平台130，以依據此數位立體模型控制擺動機構120、升降平台130及光源140的作動。在本實施例中，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透過電腦輔助設計(computer-aided design,CAD)或動畫建模軟體等建構而成。

在本實施例中，擺動盛槽110用以盛裝一液態成型材116，而升降平台130可移動地配置於擺動盛槽110的上方，並適於往靠近擺動盛槽110的方向移動，以浸入液態成型材116中。光源140配置於擺動盛槽110的下方，用以照射並固化特定部份 的液態成型材116。立體列印裝置100適於讀取前述的數位立體模型，並將此數位立體模型橫切為多個橫截面。控制單元150依據此數位立體模型的橫截面逐層列印而堆疊出立體物件10，此立體物件10即是藉由光源140照射並固化液態成型材116而得。

具體而言，在本實施例中，升降平台130配置於擺動盛槽110的上方，並適於沿一軸向相對於擺動盛槽110移動，此軸向可例如垂直於液態成型材116的液面。舉例而言，在圖1中，升降平台130適於沿Z軸移動而浸入盛裝在擺動盛槽110內的液態成型材116。在本實施例中，升降平台130具有一承載面，用以承載立體物件10，承載面朝向光源140。光源140設置於擺動盛槽110的下方，且光源140包括雷射元件及/或振鏡模組。雷射元件適於發出雷射光，振鏡模組適於將雷射光投射至液態成型材116。然而，本發明並不限制光源140的種類及組成元件。在本實施例中，液態成型材116例如是光敏樹脂或其他適用的光固化材料，因此，液態成型材116受到光源140的照射後固化。如此，控制單元150控制升降平台130浸入液態成型材1116至一初始深度D1，並控制升降平台130在液態成型材116中自上述的初始深度D1逐層往遠離光源140的方向移動，並且控制光源140逐層照射位於升降平台130與擺動盛槽110的底部118之間的液態成型材116，以逐層固化被照射的特定部份液態成型材116，而在升降平台130的承載面上逐層堆疊而形成立體物件10。

承上述，由於液態成型材116被固化於升降平台130與 擺動盛槽110的底部118之間，被固化的液態成型材116亦有可能黏著於擺動盛槽110的底部118。因此，為了避免黏著於底部118的被固化的液態成型材116因為升降平台130的上移而破裂，或是避免已固化的液態成型材116沾黏於底部118而干擾光源140的照射，本實施例的擺動盛槽110更如圖2所示包括一支點側112以及一擺動側114，擺動側114適於透過擺動機構120的帶動而以支點側112為樞轉中心沿一擺動方向S1進行擺動。如此，當控制單元150控制升降平台130浸入液態成型材116至預定深度，並使光源140照射並固化位於升降平台130與底部118之間的液態成型材116之後，控制單元150即可控制擺動機構120帶動擺動側114沿擺動方向S1進行擺動，以使被固化的液態成型材116與底部118完整分離，並如圖1所示地位於升降平台130上。

圖3是圖2的擺動盛槽的擺動側的剖面示意圖。圖4是是依據本發明的一實施例的擺動機構的局部放大示意圖。具體來說，擺動機構120包括設置於擺動側114的一凸輪122以及用以帶動凸輪122轉動的一驅動馬達124。凸輪122包括至少一凸緣122b(圖4繪示為一個)以及一轉軸122a，其中，凸輪122抵靠於擺動側114，以旋轉而透過上述的凸緣122b帶動擺動側114進行往復擺動。在本實施例中，凸輪122為一偏心凸輪，其具有一個凸緣122b，而轉軸122a與凸輪122的一形心122c之間具有一間距G1。凸輪122抵靠於擺動側114，如此，凸輪122旋轉一週可透過凸緣122b帶動擺動側114進行一次往復擺動。

圖5是依據本發明的另一實施例的擺動機構的局部放大示意圖。在此必須說明的是，本實施例之擺動機構120與圖4之擺動機構120相似，因此，本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，本實施例不再重複贅述。請參照圖5，以下將針對本實施例之擺動機構120與圖4之擺動機構120的差異做說明。

本實施例的擺動機構120亦包括設置於擺動側114的凸輪122以及用以帶動凸輪122轉動的一驅動馬達124，惟本實施例的凸輪122如圖5所示包括多個凸緣122b(圖5繪示為兩個呈對稱設置的凸緣122b)，其中，凸輪122抵靠於擺動側114，以旋轉而透過上述的多個凸緣122b帶動擺動側114進行多次往復擺動。在本實施例中，凸緣122b的數量為兩個，其彼此呈對稱設置。在此配置情況下，凸輪122可呈一橢圓形，而相對兩凸緣122b則可位於此橢圓形的長軸的相對兩端。上述的凸輪122抵靠於擺動側114，如此，凸輪122旋轉一週可透過其兩個凸緣122b來帶動擺動側114進行兩次往復擺動。須說明的是，由於凸輪122是透過其凸緣122b來帶動擺動側114進行往復擺動，因此，凸緣122b的數量等於凸輪122旋轉一週可帶動擺動側114進行往復擺動的次數。使用者可依實際產品需求來設計凸輪122所需的凸緣數量。

詳細來說，立體列印裝置100更可包括一固定架170。支點側112如圖2所示樞設於固定架170上，使擺動側114適於以 支點側112為樞轉中心而沿擺動方向S1進行擺動。驅動馬達124則可固設於固定架170上。進一步來說，立體列印裝置100更可包括一托架180，其設置於擺動側114。凸輪122如圖4或圖5所示配置於托架180內，且其外緣抵靠於托架180上。如此，由於其轉軸122a的偏心配置，離轉軸122a較遠的部份外緣會在凸輪122旋轉的過程中往下壓迫托架180，因而帶動托架180如圖4的箭頭所示的方向移動，而托架180如圖3所示鎖固於擺動側114上，因而能帶動擺動盛槽110的擺動側114如圖2所示地以支點側112為樞轉中心沿擺動方向S1進行擺動。

圖6是圖2的擺動盛槽的擺動側的立體示意圖。進一步而言，立體列印裝置100更包括一驅動齒輪126以及一渦桿128。驅動齒輪126包括一驅動轉軸126a，其中，驅動轉軸126a連接如圖4或圖5所示的凸輪122的轉軸122a，以使凸輪122隨著驅動齒輪126轉動。渦桿128則連接驅動馬達124並如圖6所示地與驅動齒輪126嚙合。驅動馬達124用以驅動渦桿128轉動，以使渦桿128帶動驅動齒輪126轉動，進而使驅動齒輪126帶動凸輪122轉動。如此，本實施例即可利用驅動馬達124驅動渦桿128的特性來帶動凸輪122轉動，進而帶動擺動盛槽110的擺動側114進行擺動。

此外，在本實施例中，立體列印裝置100更可包括一感測元件190，用以感測擺動側114的位置，而控制單元150可依據感測元件190的感測結果來控制驅動馬達124是否帶動凸輪122 轉動。詳細來說，控制單元150可依據感測元件190所感測到的擺動側114的位置來控制驅動馬達124是否須帶動凸輪122轉動而調整擺動側114的位置。如此配置，由於本實施例是利用驅動馬達124驅動渦桿128來帶動凸輪122轉動，因此，在感測元件190感測到凸輪122轉動至定位後，立體列印裝置100無需對驅動馬達124持續通電即可使擺動盛槽110的擺動側114維持在當前的位置上，因而可降低維護及操作成本。此外，由於本實施例在凸輪122轉動到定位之後即無需對驅動馬達124持續通電，因而能有效控制驅動馬達124所產生的熱能，進而提升立體列印裝置100的產品可靠性及安全性。

圖7是依照本發明的一實施例的擺動盛槽於一列印狀態的示意圖。圖8是依照本發明的一實施例的擺動盛槽於一擺動狀態的示意圖。請同時參照圖7以及圖8，本實施例的擺動盛槽110在立體列印裝置100進行列印時呈現如圖7所示的列印狀態，其擺動側114與支點側112位於同一水平面上，而在光源照射並固化位於升降平台130與擺動盛槽110的底部118之間的液態成型材116之後，擺動機構120的凸輪122帶動擺動側114往遠離升降平台130的方向擺動，使擺動側114如圖8所示相對於一水平面(例如升降平台130的承載面)低於支點側112，以使被固化的液態成型材116可輕易與擺動盛槽110的底部118分離。

此外，在本實施例中，立體列印裝置100更可如圖3、圖7及圖8所示包括至少一彈性復位件160。在此須說明的是，為求 圖面簡潔，圖7以及圖8省略了前述的固定架170，以更清楚繪示彈性復位件160。彈性復位件160設置於擺動側114，因此，在擺動機構120帶動擺動側114往下擺動後，彈性復位件160如圖8所示受到壓迫而產生一彈性回復力，因此，在凸輪122a對擺動側114的下壓力消失後，彈性復位件160可利用其彈性回復力將擺動側114回復原位，亦即使擺動側114回到如圖7所示與支點側114位於同一水平面的位置。

綜上所述，本發明於擺動盛槽的擺動側上設置擺動機構，並將擺動機構的凸輪抵靠於擺動側，以在凸輪轉動時帶動擺動盛槽的擺動側進行擺動。如此，立體列印裝置即可透過對擺動盛槽的擺動側進行擺動而使被固化的液態成型材與擺動盛槽的底部分離，因而可避免被固化的液態成型材黏著於擺動盛槽的底部而在升降平台上移時破裂的情形，亦可避免被固化的液態成型材沾黏於擺動盛槽的底部而影響後續的列印品質。因此，本發明確實可提高立體列印裝置的列印品質。

此外，本發明利用驅動馬達驅動凸輪進行轉動，因此，在凸輪轉動至定位後，立體列印裝置無需對驅動馬達持續通電即可使擺動盛槽的擺動側維持在當前的位置上，因而可降低維護及操作成本。此外，由於本發明的立體列印裝置在凸輪轉動到定位之後即無需對驅動馬達持續通電，因而能有效控制驅動馬達所產生的熱能，進而提升立體列印裝置的產品可靠性及安全性。

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‧‧‧擺動盛槽

112‧‧‧支點側

114‧‧‧擺動側

120‧‧‧擺動機構

170‧‧‧固定架

180‧‧‧托架

S1‧‧‧擺動方向

Claims (12)

1. 一種立體列印裝置，包括：一擺動盛槽，用以盛裝一液態成型材，該擺動盛槽包括一支點側以及一擺動側，該擺動側適於以該支點側為樞轉中心而擺動；一擺動機構，包括：一凸輪，設置於該擺動側且包括一轉軸以及至少一凸緣，該凸輪抵靠於該擺動側，以旋轉而透過該至少一凸緣帶動該擺動側進行往復擺動；以及一驅動馬達，用以帶動該凸輪轉動；一升降平台，可移動地配置於該擺動盛槽的上方；一光源，配置於該擺動盛槽的下方，以照射並固化該液態成型材；以及一控制單元，耦接該光源、該擺動機構與該升降平台，該控制單元控制該升降平台浸入該液態成型材至一初始深度，該光源照射並固化位於該升降平台與該擺動盛槽的一底部之間的液態成型材，此時，該控制單元控制該擺動機構帶動該擺動側擺動，以使被固化的液態成型材與該底部分離而位於該升降平台上，被固化的液態成型材逐層堆疊於該升降平台上而形成一立體物件。
2. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，更包括：一驅動齒輪，包括一驅動轉軸，連接該轉軸，以使該凸輪隨著該驅動齒輪轉動；以及一渦桿，連接該驅動馬達並與該驅動齒輪嚙合，該驅動馬達 驅動該渦桿轉動，以使該渦桿帶動該驅動齒輪轉動。
3. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該凸輪為一偏心凸輪，該偏心凸輪的一形心與該轉軸之間具有一間距。
4. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該至少一凸緣的數量為多個，且彼此呈對稱設置，該轉軸與該凸輪的一形心重合，該凸輪旋轉一週帶動該擺動側進行多次往復擺動。
5. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該凸緣的數量等於該凸輪旋轉一週帶動該擺動側進行往復擺動的次數。
6. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，其中該凸輪帶動該擺動側往遠離該升降平台的方向擺動，使該擺動側相對於一水平面低於該支點側。
7. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，更包括至少一彈性復位件，設置於該擺動側，以在該擺動機構帶動該擺動側擺動後，將該擺動側回復原位，使該擺動側與該支點側位於同一水平面上。
8. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，更包括一固定架，該支點側樞設於該固定架上，使該擺動側適於以該支點側為樞轉中心而擺動。
9. 如申請專利範圍第8項所述的立體列印裝置，其中該驅動馬達固設於該固定架上。
10. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，更包括一托架，設置於該擺動側，該凸輪配置於該托架內，且該外緣抵靠於 該托架上，以在該凸輪旋轉時帶動該托架擺動。
11. 如申請專利範圍第1項所述的立體列印裝置，更包括一感測元件，用以感測該擺動側的一位置。
12. 如申請專利範圍第11項所述的立體列印裝置，其中該控制單元依據該感測元件的感測結果控制該驅動馬達是否帶動該凸輪轉動。