TWI581946B - Method and apparatus for printing three - dimensional building blocks by rapid prototyping technology - Google Patents

Description

快速原型技術列印三維立體積木模型之方法與裝置

本發明是關於一種快速原型技術列印三維立體積木模型之方法與裝置，其列印材料採用三維立體積木，並針對積木組合的特性發展一套列印軟體，可以將3D模型進行切片，同時兼具藝術感及趣味性之立體積木模型開發製作技術。

三維(3D)列印技術，又稱為積層製造技術(AM，Additive Manufacturing)，已是30年前開始推展的技術；製作方式為依據產品之數位模型(3D圖檔)削切成一層一層的2D平面，再以2D平面逐層填料組合起來的加工方式；用來取代現行使用機械工具裁減材料的生產方式。

針對這些較為常用的三維列印技術按特定的成形方法(SLA、SLS、LOM、FDM…等)分別說明如下：

(A)液態光敏樹脂固化(SLA，Stereolithgraphy Apparatus)：

SLA工藝於1984年由Charles Hull提出並獲美國專利；1988年美3D Systems公司推出世界上第一台商品化RP設備SLA-250；它以光敏樹脂為原料，通過電腦控制紫外鐳射使其固化成形，自動製作出各種加工方法難以製作的複雜立體形狀，在製造領域具有劃時代的意義。

(B)熔融沉積成形(FDM，Fused Deposition Modeling)：

FDM又叫熔化擠出造型(MEM：Melted Extrusion Modelling)，FDM工藝由美國學者Scott Crump博士于1988年研製成功，並於1991年由美國的Stratasys公司率先推出商品化設備；FDM工藝利用熱塑性材料的熱熔性、粘結性，在電腦控制下層層堆積成形。這些熱塑性材料受到擠壓成為半熔融狀態的細絲，由沉積在層層堆疊基礎上的方式，從3D CAD資料直接建構原型。

(C)選擇性鐳射燒結(SLS：Selective Laser Sintering)：

1986年，美國Texas大學的研究生C.Deckard提出了選擇性鐳射燒結(SLS)的思想，稍後組建了DTM公司，於1992年推出SLS成型機；此類系統此類系統主要有美國DTM公司的SLS系統及德國EOS公司之Stereos系統等；在製作區域均勻鋪上一薄層熱塑性粉末或金屬材料，然後用鐳射在粉末表面掃描零件的截面形狀，鐳射掃描到的地方粉末燒結形成固體，鐳射未掃描到的地方仍是粉末，可以作為下一層的支撐並能在成形完成後去掉，上一層製作完畢後，再鋪平一層粉末，繼續掃描下一層。

(D)固體分層實體製造(LOM：Laminated Object Manufacturing)：

LOM又叫固體分層製造(SSM：Solid Slicing Manufacturing)，主要的系統有美國Helisys公司LOM系統、日本Kira公司的SolidCenter系統、新加坡精技公司的ZIPPY系統等；其中Kira公司的系統可採用普通紙，且以特殊刀片切割形狀，使用稍為方便，但機具更為複雜。

惟上述的製造方法，在使用上各自或共同具有如下的缺點：

1.其中，如上述習知之FDM 3D列印機為例，僅能適用於小型物件的成形作業，且該材料係利用塑膠線材配合滾軋輪加以拉伸輸出，其塑料融解 溫度不穩定，連帶的影響到逐層成形的成功率；另外，因逐層的厚度為0.2~0.1mm，故列印10cm左右高度的物件需要6~8小時。不僅精度上不夠，在列印速度上也相當耗費時間。

2.如上述習知的3D列印技術，在實際使用時，尚存在如下的問題：

(1)列印速度問題：隨著列印技術的提高和成型材料的改進，一般都用每分鐘列印多少層來計算其工作速度，列印完成一個10~15cm高的模型需要5-8小時不等。但這種速度無法被一般使用者所接受，並且又衍生組裝費時、工資昂貴等額外費用，並不符合經濟效益，為最大的缺點。

(2)成型材料問題：三維列印機的成型材料有塑膠、石膏、金屬材料等；而針對不同材料，需使用不同三維列印機，同一三維列印機，不同金屬材料也需要發展不同列印參數；另材料是否安全將是一個很重要的參考因素，因此使開發的進度常受到限制，是另一缺點。

本發明之主要目的，研發一套三維立體積木列印機，其列印材料採用三維立體積木，並針對積木組合的特性發展一套列印軟體，可以將3D模型進行切片，同時，可以將不同尺寸的三維立體積木逐層組裝列印，層與層之間達到強健結合(Solid Combination)的運算程序。同時解決現有3D printer的速度、材料問題，兼具藝術感及趣味性之立體積木模型開發製作技術。

為了達到上述的目的，本發明案提供一種新的三維列印技 術，其實施步驟包含有：

步驟一：建構三維數位化模型；使用三維電腦輔助軟體或三維掃描設備建構三維電腦化實體物件之電子圖檔；該圖檔具有表面的立體造形數據及顏色資訊。

步驟二：取得複數筆截面資料；透過軟體將三維數位化模型進行切片，取得多個上述模型的平面圖檔，上述複數筆截面資料包含顏色資訊。

步驟三：計算上述多個不規則形狀的模型平面圖檔所需要的積木顆粒數目及形狀，使各種大小、形狀之積木顆粒最佳化的平均放置於二維切片的平面上。

步驟四：利用三維組設裝置配合膠水黏合，依照前述二維切片的平面，逐層將三維立體積木模型建構完成。

為了實施上揭之三維列印技術，本發明設計之快速原型技術列印三維立體積木模型之裝置，至少包含有：一機體，具有至少一個窗孔，並且在內部設有一置物台，並且在該置物台上分別設有供X軸-Y軸-Z軸方向位置的第一軌道移動件、第二軌道移動件及第三軌道移動件；一供料單元，係設於置物台一側，具有二相對設置的水平軌道及垂直軌道，且在該供料單元下方至少設有二個載座，該二個載座上分別置設有二組供料盤而分別形成一出料機構及下料機構，該供料盤上係設有積木塊；而水平軌道上則設有一夾具，配合垂直軌道的移動，能將出料機構上的供料盤夾持，並且移至下料機構的載座卸除之；一組裝載盤，係置於置物台上，且該組裝載盤於盤面上設有多個定位扣；一機械手臂，係設於X軸-Y軸-Z軸的其中一個軌道移動件上，該機械手臂包含有一取放器及噴膠針頭，該取放器為一空氣吸取器，能由供料盤上選取積木 塊，並將之組設在組裝載盤上，並逐層將三維或二維的立體積木模型建構完成。

由以上的三維列印方法及裝置，能使三維列印的時間大幅縮短、節省能源、節省成本、使用範圍廣泛及具有環保功能的多項優點；並且亦可適用在二維的列印，是本發明之特色。

〔本發明〕

A1‧‧‧步驟

A2‧‧‧步驟

A3‧‧‧步驟

A4‧‧‧步驟

10‧‧‧機體

11‧‧‧窗孔

12‧‧‧置物台

13‧‧‧第一軌道移動件

14‧‧‧第二軌道移動件

15‧‧‧第三軌道移動件

20‧‧‧供料單元

201‧‧‧入料機構

202‧‧‧下料機構

21‧‧‧水平軌道

22‧‧‧垂直軌道

23‧‧‧夾具

24‧‧‧支架

25‧‧‧載座

30‧‧‧組裝載盤

31‧‧‧定位扣

40‧‧‧積木塊

41‧‧‧積木塊

42‧‧‧積木塊

50‧‧‧機械手臂

51‧‧‧取放器

52‧‧‧噴膠針頭

60‧‧‧膠水

70‧‧‧供料盤

71‧‧‧供料盤

80‧‧‧圖檔

80’‧‧‧圖檔

801‧‧‧圖檔

802‧‧‧圖檔

803‧‧‧圖檔

804‧‧‧圖檔

805‧‧‧圖檔

806‧‧‧圖檔

807‧‧‧圖檔

808‧‧‧圖檔

809‧‧‧圖檔

810‧‧‧圖檔

811‧‧‧圖檔

812‧‧‧圖檔

813‧‧‧圖檔

814‧‧‧圖檔

815‧‧‧圖檔

816‧‧‧圖檔

817‧‧‧圖檔

818‧‧‧圖檔

82‧‧‧物件

82’‧‧‧物件

83‧‧‧物件

83’‧‧‧物件

90‧‧‧物件

第1圖 係本發明之製造方法流程示意圖。

第2圖 係實施本發明裝置之立體外觀圖。

第3圖 係實施本發明裝置之主要結構圖。

第4圖 係實施本發明裝置之側面剖視圖。

第5圖 係實施本發明裝置之機械手臂(取放器與噴膠針頭)結構圖。

第6圖 係實施本發明裝置之供料單元主要結構圖。

第7圖 係實施本發明裝置之置料盤結構圖。

第8圖 係實施本發明裝置之部份積木塊結構示意圖。

第9圖 係實施本發明3D列印之實施例組圖(1)。

第10圖 係第9圖切片之實施例組圖。

第11圖 係實施本發明3D列印之實施例組圖(2)。

第12圖 係實施本發明3D列印之實施例組圖(3)。

第13圖 係實施本發明3D列印之實施例組圖(4)。

第14圖 係實施本發明2D列印(平面)的實施例圖。

請參看第1圖所示，係為本發明較佳實施例的製造方法流程示意圖，第2、3、4、5、6、7、8圖則是實施本方法之設備結構整體或部份的示意圖；本發明快速原型技術列印三維立體積木模型之方法，其至少包含有下列步驟：

步驟A1：建構三維數位化模型(請參看第9圖所示的物件圖檔80)；使用三維電腦輔助軟體(例如：CAD)或三維掃描設備(3D Scanner)建構三維電腦化實體物件之電子圖檔80(例如：.STL file)；該圖檔80已具有表面的立體造形數據及顏色資訊，如此即可得到欲列印的整體物件的數據。

步驟A2：取得複數筆截面資料；透過軟體將三維數位化模型進行切片，取得多個上述模型的平面圖檔，上述複數筆截面資料包含顏色資訊；實施此步驟的參考圖，請參看第10圖所示，係將第9圖所示的立體(模型)圖檔80漸層式的進行切片，得到多個模型平面圖檔801,802,803,804,805,806,807,808,809,810,811,812,813,814,815,816,817,818。

步驟A3：以微積分模式計算出上述多個不規則形狀的模型平面圖檔801,802,803,804,805,806,807,808,809,810,811,812,813,814,815,816,817,818所需要的積木顆粒數目及形狀，使各種大小、形狀之積木顆粒最佳化的平均放置於二維切片的平面上；上述的每一個平面圖檔801,802,803,804,805,806,807,808,809,810,811,812,813,814,815,816,817,818的面積範圍再以軟體以微積分進行切割成像素資料，由於積木通常有最基本的1x1,1x2,1x3…1x6,2x2,2x3,…,2x6…等正方形或長方形之基礎尺寸；一般而言，二維平面利用最簡單的放置方法是以1x1積木填滿，但此法組裝過於 頻繁之外，結構性也較弱，故本發明是盡量以2x6,2x5…等大積木先進行組裝，若有空隙或在邊緣處再以最小的1x1積木來填補；即先計算積木的最大尺寸為優先填置組裝入該平面的空間，餘下的空隙及邊緣處再以次大尺寸、基本弧形加入，最後至最小的積木來填補，除了可以增加組裝速度，同時在進行第二層積木組裝時可以藉由積木間的交錯來增加結構強度。

步驟A4：利用三維組設裝置(例如：pick & place)配合膠水黏合，依照前述二維切片的平面，逐層將三維立體積木模型建構完成；在此一步驟中，如第11圖所示，左邊係為最後堆疊列印而成的手形物件82，但若以結構的眼光來放大分析，大致係形成如右邊所示，由多個不同大小或形狀的積木顆粒所堆積出的手形物件82’；同樣的第12、13圖所示，左邊分別是列印出動物與人頭形狀的物件83,84，而右邊則是由多個不同大小或形狀的積木顆粒所堆積出的動物與人頭物件83’,84'放大示意圖，證明本發明能列印建構出各種不同的造形。

實施本發明製造方法之三維組設裝置，請參看第2、3、4圖所示，至少包含有下列之機具：一機體10，具有至少一個窗孔11，並且在內部設有一置物台12，並且在該置物台12上分別設有供X軸-Y軸-Z軸方向位置的第一軌道移動件13、第二軌道移動件14及第三軌道移動件15。

請參看第3、4、6圖所示，一供料單元20，係設於置物台12一側，具有二相對設置的水平軌道21及垂直軌道22，且在該供料單元20下方至少設有二個載座24，該二個載座24上分別置設有二組堆起的供料盤70,71，而分別形成一入料機構201及下料機構202；而水平軌道21上則 設有一夾具23，配合垂直軌道22的移動，能將入料機構201上(由載座24承載)的供料盤71夾持，並且移至固定高度，讓機械手臂吸取，當供料盤71上盛載著(如第8圖所示)的積木塊40,41,42使用完，則夾具23移動到下料機構202的載座24卸除之。

該夾具23的其中一個實施例，係採用電動夾爪，由一台雙輸出軸步進馬達驅動兩個螺紋方向相反的螺桿來控制夾爪的張開或閉合，此種設計結構已普遍使用，故本發明案不另以圖式說明，合先陳明。

請參看第3、6圖所示，上述入料機構201及下料機構202上堆起的供料盤70,71，可以由操作人員用手推車推入送料軌道內，當供料盤70內的積木塊(圖中未示)處理完後，其上面剩餘的積木或空供料盤70，被夾具23移至下料機構上202，再由人工把空車推出，如此循環供料及下料。

請參看第3、7圖所示，一組裝載盤30，係置於置物台12上，且該組裝載盤30於盤面上設有多個定位扣31。

請參看第3、8圖所示，數個積木塊40,41,42，可形成為塊狀體(例如：1x1,2x2,3x3…等)、長形體(例如：1x2,1x3,1x4,…,2x6…等)、不規則弧形體等，係分別置於供料盤70上；且該積木塊40,41,42係與載盤30上的定位扣31相扣接。

請參看第3、5圖所示，一機械手臂50，係設於X軸-Y軸-Z軸的其中一個軌道移動件上，但本發明以第二軌道移動件14為實施例，該機械手臂50包含有一取放器51及噴膠針頭52，該取放器51為一空氣吸取器，能由供料盤70上選取積木塊40,41,42，放置在組裝載盤30的特定位置 上，並透過噴膠針頭52噴灑黏合膠水60，加強(如第8圖所示的)積木塊40,41,42組裝的強固性。

當本發明案之快速原型技術列印三維立體積木模型之裝置接到電腦主機控制單元的指令後，請參看第3、5、6圖所示，在置物台12上放置組裝載盤30，並由機械手臂50自供料單元20處吸取(如第8圖所示)適合的積木塊40,41,42，逐漸堆疊出如第11圖所示，左邊係為最後堆疊列印而成的手形物件82，但若以結構的眼光來放大分析，大致係形成如右邊所示，由多個不同大小或形狀的積木顆粒所堆積出的手形物件82’；同樣的第12、13圖所示，左邊分別是列印出動物與人頭形狀的物件83,84，而右邊則是由多個不同大小或形狀的積木顆粒所堆積出的動物與人頭物件83’,84’圖，同理本發明案可列印建構出各種不同的造形。

本發明案亦可列印出平面的圖形，即如前述之模式，將積木塊排列出如第14圖所示的圖形，由多個不同形狀、顏色的積木塊40,41,42，排列出平面或具有部份浮凸圖畫的物件90。

以上述之製造方法所完成的二維或三維的列印，在實施上將具有如下之優點：

1.由於本發明案列印材料係採用三維立體積木，並針對積木組合的特性發展一套列印軟體，可以將3D模型進行切片，由具有一定厚度的積木塊所建構而成，可以將不同尺寸的三維立體積木塊逐層組裝列印，同時利用卡扣及膠水將積木塊間的層與層之間達到強健結合(Solid Combination)的運算程序，同時解決現有三維列印(3D printer)的速度無法提昇的問題，本發明案卻可迎刃而解，是本發明案之主要優點。

2.由於本發明案是由積木塊所建構而成，因此適用立體、半立體、平面的物件，而且可以建構大型或小型的物件，使用更為廣泛，是本發明之另一優點。

3.由於本發明案是由積木塊所建構而成，因此免去了習用三維列印的原料價格較高、材料是否環保的問題，因此本發明又具有價格較低、趣味、使用更為環保的優點。

唯，以上所述之結構，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；故當熟習此技藝所作出等效或輕易的變化者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，例如：在方法上增加非特殊的步驟，或者略為改變積木塊形狀或裝置造形，但實際仍係本發明的特徵所在時，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

A1‧‧‧步驟

A2‧‧‧步驟

A3‧‧‧步驟

A4‧‧‧步驟

Claims (5)

1. 一種快速原型技術列印三維立體積木模型之方法，至少包含有下列步驟：步驟一：建構三維數位化模型；使用三維電腦輔助軟體或三維掃描設備建構三維電腦化實體物件之電子圖檔；該圖檔具有表面的立體造形數據及顏色資訊；步驟二：取得複數筆截面資料；透過軟體將三維數位化模型進行切片，取得多個上述模型的平面圖檔，上述複數筆截面資料包含顏色資訊；步驟三：計算上述多個不規則形狀的模型平面圖檔所需要的積木顆粒數目及形狀，使各種大小、形狀之積木顆粒最佳化的平均放置於二維切片的平面上；上述的每一個平面圖檔的面積範圍再以軟體以微積分進行切割成像素資料，計算積木的最大尺寸為優先填置組裝入該平面的空間，餘下的空隙及邊緣處再以最小的積木來填補，使積木間能交錯而增加結構強度；步驟四：利用三維組設裝置配合膠水黏合，依照前述二維切片的平面計算模式空間及順序，逐層將三維立體積木模型建構完成。
2. 一種快速原型技術列印三維立體積木模型之裝置，至少包含有：一機體，具有至少一個窗孔，並且在內部設有一置物台，並且在該置物台上分別設有供X軸-Y軸-Z軸方向位置的第一軌道移動件、第二軌道移動件及第三軌道移動件；一供料單元，係設於置物台一側，具有二相對設置的水平軌道及垂直軌道，且在該供料單元下方至少設有二個載座，該二個載座上分別置設有二組供料盤而分別形成一出料機構及下料機構，該供料盤上係設有積木塊；而水平軌道上則設有一夾具，配合垂直軌道的移動，能將出料機構上的供料盤夾持，並且移至下料機構的載座卸除之； 一組裝載盤，係置於置物台上，且該組裝載盤於盤面上設有多個定位扣，以供第一層的積木塊定位；一機械手臂，係設於X軸-Y軸-Z軸的其中一個軌道移動件上，該機械手臂包含有一取放器及噴膠針頭，該取放器為一空氣吸取器，能由供料盤上依序選取適合的積木塊，並將之組設在組裝載盤的預設位置上，並透過該噴膠針頭噴灑粘合膠水，加強積木塊的強固性。
3. 如申請專利範圍第2項所述之快速原型技術列印三維立體積木模型之裝置，其中，該供料單元上的夾具，係採用電動夾爪，由一台雙輸出軸步進馬達驅動兩個螺紋方向相反的螺桿來控制夾爪的張開或閉合。
4. 如申請專利範圍第2項所述之快速原型技術列印三維立體積木模型之裝置，其中，積木塊的造形至少包含有塊狀體、長形體、不規則弧形體的其中之一。
5. 如申請專利範圍第2項所述之快速原型技術列印三維立體積木模型之裝置，其中，積木塊具有不同的顏色。