TWI580556B - 3d列印舖粉裝置及其方法 - Google Patents

Description

3D列印舖粉裝置及其方法

本發明是關於一種3D列印舖粉裝置及其方法，特別是關於一種利用單一供料槽並配合超音波震動供料之3D列印舖粉裝置及其方法。

近年來，3D列印技術問世後，其快速成形之特色使其發展相當迅速，產業上的應用也相當廣泛，無論醫療、工業設計、航空太空等產業皆能使用。現今，3D列印技術種類繁多，如光固化立體成形(Stereolithography Apparatus,SLA)、分層實體製造(Laminated Object Manufacturing,LOM)、熔融沉積式(Fused Deposition Modeling,FDM)及粉末層噴頭3D列印(Three-Dimensional Printing,3DP)等，都是常被提及之3D列印技術。

然而，提到上述3D列印的技術，主要的概念還是利用逐層與堆疊，亦即透過層層佈建之方式進行逐層建置。在這當中，粉末層噴頭3D列印技術為少數無須透過熔融便能快速成形之技術，其技術主要透過粉槽上升後，將多餘粉末推入成形缸中，並採用滾筒將其壓實後，由噴頭擠出之黏著劑將粉末定型，重覆上述動作以達到成型之效果。但此技術由於透 過兩側推擠之方式運送材料，其粉末容易散佈不均，透過滾筒加壓撫平後造成材料密度不均，因而在成型後某些部位可能有易脆易斷之狀況，使製作出來的成品品質無法達到標準。

因此，為解決上述問題，本發明設計一種3D列印舖粉裝置及其方法，以針對現有技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種3D列印舖粉裝置及其方法，以解決習知之粉末層噴頭3D列印技術在成型後，材料密度不均造成易脆易斷之問題。

根據本發明之一目的，提出一種3D列印舖粉裝置，其包含成型缸、供料裝置以及撫平裝置。其中，成型缸內部包含升降平台，升降平台之頂面具有工作平面區，由工作平面區接收粉末材料。供料裝置設置於成型缸之一側，其包含供料槽、供料延伸桿以及供料超音波震動器。供料槽之底面包含複數個開口，底面錯位設置孔板，孔板包含複數個孔洞，當孔板移動而使複數個開口與複數個孔洞相對形成通孔時，粉末材料經由通孔由底面排出。供料延伸桿連接於供料槽，供料槽藉由供料延伸桿移動以接近或遠離成型缸。供料超音波震動器連接於供料槽，於供料槽排出粉末材料時，對供料槽提供超音波震動。撫平裝置設置於成型缸之另一側，其包含撫平平台、撫平延伸桿、撫平升降桿以及撫平超音波震動器。撫平平台包含超平玻璃鏡面，超平玻璃鏡面之大小對應於升降平台之工作平面區。撫平延伸桿連接於撫平平台，撫平平台藉由撫平延伸桿移動以接近或 遠離成型缸。撫平升降桿連接於撫平平台，撫平平台藉由撫平升降桿移動靠近工作平面區，利用超平玻璃鏡面壓實粉末材料。撫平超音波震動器連接於撫平平台，於撫平平台壓實粉末材料時，對撫平平台提供超音波震動。

較佳地，3D列印舖粉裝置可進一步包含噴頭，噴頭擠出黏著劑於粉末材料上，使粉末材料定型。

較佳地，供料延伸桿及撫平延伸桿可分別連接於致動控制器，藉由致動控制器控制供料延伸桿及撫平延伸桿伸出或收回，進而調整供料槽及撫平平台之位置。

較佳地，升降平台可包含液壓控制升降平台或電動控制升降平台，由升降平台之調整決定工作平面區之高度。

較佳地，撫平升降桿可利用液壓控制或電動控制調整撫平平台之高度，使撫平平台壓實粉末材料。

根據本發明之另一目的，提出一種3D列印舖粉方法，其包含下列步驟：藉由供料延伸桿將供料槽移動至成型缸，成型缸內部包含升降平台，由升降平台頂面之工作平面區接收粉末材料；移動供料槽之孔板，使孔板之複數個孔洞對應於供料槽之底面之複數個開口而形成通孔，粉末材料經由通孔由底面排出，並開啟供料超音波震動器，於粉末材料排出時提供供料槽超音波震動；關閉供料超音波震動器並移動孔板，使孔板與底面錯位而關閉通孔，並縮回供料延伸桿將供料槽遠離成型缸；藉由撫平延伸桿將撫平平台移動至成型缸，撫平平台包含大小對應於工作平面區之超平玻璃鏡面；經由撫平升降桿帶動撫平平台靠近工作平面區，使超平玻璃鏡面壓實粉末材料，並開啟撫平超音波震動器，於壓實粉末材料時提供撫 平平台超音波震動；以及關閉撫平超音波震動器，並藉由撫平延伸桿及撫平升降桿帶動，使撫平平台遠離成型缸。

較佳地，3D列印舖粉方法可進一步包含利用噴頭擠出黏著劑於粉末材料上，利用黏著劑將粉末材料定型。

較佳地，供料延伸桿及撫平延伸桿可分別連接於致動控制器，藉由致動控制器控制供料延伸桿及撫平延伸桿伸出或收回，進而調整供料槽及撫平平台之位置。

較佳地，升降平台可包含液壓控制升降平台或電動控制升降平台，由升降平台之調整決定工作平面區之高度。

較佳地，撫平升降桿可利用液壓控制或電動控制調整撫平平台之高度，使撫平平台壓實粉末材料。

承上所述，依本發明之3D列印舖粉裝置及其方法，其可具有一或多個下述優點：

(1)此3D列印舖粉裝置及其方法能利用單一供料槽將粉末均勻舖設於成型缸當中，減少供料槽的數量，並經由壓實的步驟使粉末能進一步舖平，獲得高品質之舖粉成效。

(2)此3D列印舖粉裝置及其方法能利用超音波震動裝置在舖料及壓實時，提供裝置超音波震動，減少供料孔洞的阻塞，同時增加粉末材料的均勻分布。

1‧‧‧3D列印舖粉裝置

10‧‧‧成型缸

11‧‧‧升降平台

12‧‧‧開口

13‧‧‧工作平面區

20‧‧‧供料裝置

21‧‧‧供料槽

22‧‧‧供料延伸桿

23、33‧‧‧致動控制器

24‧‧‧供料超音波震動器

25‧‧‧孔板

30‧‧‧撫平裝置

31‧‧‧撫平平台

32‧‧‧撫平延伸桿

34‧‧‧撫平超音波震動器

35‧‧‧撫平升降桿

36‧‧‧輔助升降桿

40‧‧‧粉末材料

201‧‧‧開口

202‧‧‧孔洞

S1~S6‧‧‧步驟

第1圖係為本發明之3D列印舖粉裝置之示意圖。

第2圖係為本發明之3D列印舖粉裝置之供料槽伸出之示意圖。

第3圖係為本發明之3D列印舖粉裝置之供料槽結構之示意圖。

第4圖係為本發明之3D列印舖粉裝置之撫平平台伸出之示意圖。

第5圖及第6圖係為本發明之3D列印舖粉裝置之撫平平台下壓之示意圖。

第7圖係為本發明之3D列印舖粉方法之流程圖。

為利貴審查委員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

請參閱第1圖，其係為本發明之3D列印舖粉裝置之示意圖。圖中，3D列印舖粉裝置1包含成型缸10、供料裝置20以及撫平裝置30。其中，成型缸10為直立式的缸體結構，其材質可為金屬或塑膠所構成，缸體結構的內部為中空之容置空間，當中設置有升降平台11，升降平台11之頂面具有工作平面區13，可由成型缸10頂端之開口12伸出，進行3D列印之粉末材料可堆疊於升降平台11頂面之工作平面區13上，灑下之粉末材料當 中，多餘的粉體會由周圍縫隙掉入缸體中蒐集回收。升降平台11可為液壓控制升降平台或電動控制升降平台，連接至3D列印舖粉裝置1之控制器，接收操作指令以調整升降平台11之高度。每一次完成一層粉末材料的製作後，升降平台11可降低高度以進行下一層粉末的舖設，直到完成所有舖粉步驟。

請同時參閱第1圖及第2圖，第2圖為本發明之3D列印舖粉裝置之供料槽伸出之示意圖。供料裝置20設置於成型缸10的側邊，供料裝置20的頂部設有供料槽21，供料槽21可放置欲進行堆疊的粉末材料，這裡所述之粉末材料可包含陶瓷、石膏等進行3D列印之材料。供料槽21連接於供料延伸桿22之一端，而供料延伸桿22之另一端設置於致動控制器23，藉由致動控制器23將供料延伸桿22伸出，進而將供料槽21移至成型缸10上方，由供料槽21底部的孔洞將粉末材料排出而堆疊於升降平台11頂面之工作平面區13上。在進行供料以堆疊粉末材料時，供料超音波震動器24同時對供料槽21提供超音波震動，由於供料槽21底部排出粉末材料之孔洞為高密度的細小孔洞，在供料時可能被粉末材料的粒子所阻塞而無法均勻的撒在工作平面區13上，因此利用超音波震動讓粉末粒子由孔洞中掉落而不會阻塞供料槽21底部的孔洞，詳細的供料槽21孔洞結構與供料方式將於以下之實施例詳細說明。

請參閱第3圖，其係為本發明之3D列印舖粉裝置之供料槽結構之示意圖。如圖所示，供料槽21之底面包含複數個開口201，係呈緊密的陣列排列，其開口大小、開口排列方式與密度可依進行3D列印所需之精密程度調整，不以圖示之實施例為限。供料槽21另設置孔板25，此孔板具 有與底面之複數個開口201相對應之複數個孔洞202，平時孔板25與供料槽21之底面錯位設置，每個開口201與孔洞202均錯開而使粉末材料無法通過。但當供料槽21藉由供料延伸桿22移至工作平面區13上時，孔板25可於供料槽21底面水平方向上移動，使複數個孔洞202移至與複數個開口201相對應之位置，形成粉末材料可以通過之通孔，因而使粉末材料經由通孔排出，達到供應粉末材料之效果。當堆疊至預定厚度時，再次移動孔板25使複數個開口201與孔洞202錯位而關閉通孔，同時讓致動控制器23收回供料延伸桿22而使供料槽21離開成型缸10，繼續進行後續步驟。

再次參閱第1圖以及第4圖，第4圖為本發明之3D列印舖粉裝置之撫平平台伸出之示意圖。撫平裝置30設置於成型缸10的另一個側邊，如圖所示，撫平裝置30與供料裝置20設置於成型缸10相鄰的側邊，但本發明不以此為限，依照3D列印機台空間設計需求，兩者也可設置在成型缸10之相對側邊。撫平裝置30包含了撫平平台31，連接於撫平延伸桿32之一端，而撫平延伸桿32之另一端設置於致動控制器33，藉由致動控制器33將撫平延伸桿32伸出，進而將撫平平台31移至成型缸10上方，撫平平台31可為超平玻璃鏡面，其大小對應於升降平台11之工作平面區13。由於供料槽21已將粉末材料舖於工作平面區13上，撫平平台31藉由超平玻璃鏡面將粉末材料壓實，讓粉末能平均的舖於工作平面區13上。這裡所述之撫平裝置30，亦可設置撫平超音波震動器34，鄰近於撫平平台31，在壓實粉末材料時，對撫平平台提供超音波震動，以進一步改善舖粉不均的問題。

請參閱第5圖以及第6圖，其係為本發明之3D列印舖粉裝置之撫平平台下壓之示意圖。如圖所示，在撫平平台31移動至成型缸10上方 時，撫平平台31並未接觸到工作平面區13上之粉末材料40，其具有間隔d。此時，利用撫平升降桿35帶動撫平平台31下降以靠近升降平台11之工作平面區13，進而將其上之粉末材料40壓實。這裡所使用之撫平升降桿35還可包含支撐之輔助升降桿36，使支撐之撫平平台31可保持水平平面來壓實粉末材料40，另外，撫平升降桿35也可利用如同升降平台11之液壓控制方式或電動控制方式來調整高度，完成壓實粉末材料40之步驟。在完成壓實的步驟後，撫平裝置30可以依序由撫平升降桿35將撫平平台31上升，再將撫平延伸桿32收回而將撫平平台31歸位，讓供料槽21移至成型缸10再次進行下一層的堆疊步驟。

在上述舖料及壓實的裝置操作完成粉末堆疊後，可以藉由噴頭擠出黏著劑於粉末材料上，讓需要成型之部分經由黏著劑黏接定型，重複堆疊、壓合並加以定型後，形成欲經由3D列印製作之模型或成品。此粉末3D列印方式可以不需要經過高溫熔融的步驟，同時以簡單之裝置設計，提升舖粉之均勻度，使最終成品能達到目標的品質。

請參閱第7圖，其係為本發明之3D列印舖粉方法之流程圖。如圖所示，舖粉方法包含步驟S1~S6，其分別說明如下：

步驟S1：藉由供料延伸桿將供料槽移動至成型缸，成型缸內部包含升降平台，由升降平台頂面之工作平面區接收粉末材料。供料延伸桿之一端連接於供料槽，另一端連接於制動控制器，制動控制器可控制供料延伸桿伸出及縮回，帶動供料槽移動靠近或遠離成型缸。升降平台頂面之工作平面區可接收撒下之粉末材料，藉此形成層疊之粉末層。

步驟S2：移動供料槽之孔板，使孔板之複數個孔洞對應於供料槽之底面之複數個開口而形成通孔，粉末材料經由通孔由底面排出，並開啟供料超音波震動器，於粉末材料排出時提供供料槽超音波震動。當供料槽移至成型缸上時，移動孔板使孔板偏移，進而將原本錯位而互相閉合之孔洞及開口對齊，使粉末材料由通孔掉落灑至工作平面區上，在此同時，超音波震動器對供料槽提供超音波震動，使阻塞於通孔之粉末粒子也能經震動而掉落，使整個供料槽底面能平均的舖灑粉末材料。

步驟S3：關閉供料超音波震動器並移動孔板，使孔板與底面錯位而關閉通孔，並縮回供料延伸桿將供料槽遠離成型缸。在達到預計層疊粉末的厚度後，關閉超音波震動器並閉合通孔以停止繼續供料，同時供料延伸桿也縮回使供料槽回歸到原本位置，空出成型缸開口之空間供後續下壓步驟進行。

步驟S4：藉由撫平延伸桿將撫平平台移動至成型缸，撫平平台包含大小對應於工作平面區之超平玻璃鏡面。撫平延伸桿一端連接於撫平平台，另一端連接於制動控制器，制動控制器可控制撫平延伸桿伸出及縮回，帶動撫平平台移動靠近或遠離成型缸。

步驟S5：經由撫平升降桿帶動撫平平台靠近工作平面區，使超平玻璃鏡面壓實粉末材料，並開啟撫平超音波震動器，於壓實粉末材料時提供撫平平台超音波震動。撫平平台移動至成型缸上方時，與工作平面區上之粉末材料仍有一間隔，此時需要藉由撫平升降桿帶動撫平平台下降以接觸粉末材料，進而藉由工作平面區與撫平平台之超平玻璃鏡面將粉末材料壓實。在壓實的同時，與撫平平台相連之撫平超音波震動器也可提供 超音波震動，使撫平平台能更進一步的在下壓時，使粉末材料均勻的舖平於頂面上。

步驟S6：關閉撫平超音波震動器，並藉由撫平延伸桿及撫平升降桿帶動，使撫平平台遠離成型缸。完成壓實的步驟後，撫平平台可藉由撫平延伸桿及撫平升降桿帶離成型缸，使成型缸開口上方空間空出而進行下一層粉末材料的堆疊。而裝置可進一步裝設黏著劑之噴頭，此噴頭同樣可移動至成型缸，藉由程式控制在需要成型之位置擠出黏著劑於粉末材料上，讓粉末材料定型，重複上述步驟後，使經由3D列印堆疊的粉末材料，形成欲列印產出之成品。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧3D列印舖粉裝置

10‧‧‧成型缸

11‧‧‧升降平台

12‧‧‧開口

13‧‧‧工作平面區

20‧‧‧供料裝置

21‧‧‧供料槽

23、33‧‧‧致動控制器

24‧‧‧供料超音波震動器

30‧‧‧撫平裝置

31‧‧‧撫平平台

34‧‧‧撫平超音波震動器

35‧‧‧撫平升降桿

36‧‧‧輔助升降桿

Claims (10)

1. 一種3D列印舖粉裝置，其包含：一成型缸，該成型缸內部包含一升降平台，該升降平台之頂面具有一工作平面區，由該工作平面區接收一粉末材料；一供料裝置，係設置於該成型缸之一側，該供料裝置包含：一供料槽，該供料槽之一底面包含複數個開口，該底面錯位設置之一孔板，該孔板包含複數個孔洞，當該孔板移動而使該該複數個開口與該複數個孔洞相對形成通孔時，該粉末材料由該底面排出；一供料延伸桿，係連接於該供料槽，該供料槽藉由該供料延伸桿移動以接近或遠離該成型缸；以及一供料超音波震動器，係連接於該供料槽，於該供料槽排出該粉末材料時，對該供料槽提供超音波震動；以及一撫平裝置，係設置於該成型缸之另一側，該撫平裝置包含：一撫平平台，係包含一超平玻璃鏡面，該超平玻璃鏡面之大小對應於該升降平台之該工作平面區；一撫平延伸桿，係連接於該撫平平台，該撫平平台藉由該撫平延伸桿移動以接近或遠離該成型缸；一撫平升降桿，係連接於該撫平平台，該撫平平台藉由該撫平升降桿移動靠近該工作平面區，利用該超平玻璃鏡面壓實該粉末材料；以及一撫平超音波震動器，係連接於該撫平平台，於該撫平平台壓實該粉末材料時，對該撫平平台提供超音波震動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之3D列印舖粉裝置，進一步包含一噴頭，係由該噴頭擠出一黏著劑於該粉末材料上，使該粉末定型。
3. 如申請專利範圍第1項所述之3D列印舖粉裝置，其中該供料延伸桿及該撫平延伸桿分別連接於一致動控制器，藉由該致動控制器控制該供料延伸桿及該撫平延伸桿伸出或收回，進而調整該供料槽及該撫平平台之位置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之3D列印舖粉裝置，其中該升降平台包含液壓控制升降平台或電動控制升降平台，由該升降平台之調整決定該工作平面區之高度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之3D列印舖粉裝置，其中該撫平升降桿係利用液壓控制或電動控制調整該撫平平台之高度，使該撫平平台壓實該粉末材料。
6. 一種3D列印舖粉方法，其包含下列步驟：藉由一供料延伸桿將一供料槽移動至一成型缸，該成型缸內部包含一升降平台，由該升降平台頂面之一工作平面區接收一粉末材料；移動該供料槽之一孔板，使該孔板之複數個孔洞對應於該供料槽之一底面之複數個開口而形成通孔，該粉末材料由該供料槽排出，並開啟一供料超音波震動器，於該粉末材料排出時提供該供料槽超音波震動；關閉該供料超音波震動器並移動該孔板，使該孔板與該底面錯位而關閉通孔，並縮回該供料延伸桿將該供料槽遠離該成型缸； 藉由一撫平延伸桿將一撫平平台移動至該成型缸，該撫平平台包含大小對應於該工作平面區之一超平玻璃鏡面；經由一撫平升降桿帶動該撫平平台靠近該工作平面區，使該超平玻璃鏡面壓實該粉末材料，並開啟一撫平超音波震動器，於壓實該粉末材料時提供該撫平平台超音波震動；以及關閉該撫平超音波震動器，並藉由該撫平延伸桿及該撫平升降桿帶動，使該撫平平台遠離該成型缸。
7. 如申請專利範圍第6項所述之3D列印舖粉方法，進一步包含：利用一噴頭擠出一黏著劑於該粉末材料上，利用該黏著劑將該粉末材料定型。
8. 如申請專利範圍第6項所述之3D列印舖粉方法，其中該該供料延伸桿及該撫平延伸桿分別連接於一致動控制器，藉由該致動控制器控制該供料延伸桿及該撫平延伸桿伸出或收回，進而調整該供料槽及該撫平平台之位置。
9. 如申請專利範圍第6項所述之3D列印舖粉方法，其中該該升降平台包含液壓控制升降平台或電動控制升降平台，由該升降平台之調整決定該工作平面區之高度。
10. 如申請專利範圍第6項所述之3D列印舖粉方法，其中該撫平升降桿係利用液壓控制或電動控制調整該撫平平台之高度，使該撫平平台壓實該粉末材料。