TWI584941B - 快速成型系統及其方法 - Google Patents

Description

快速成型系統及其方法

本發明是關於一種快速成型系統及方法，特別是一種透過列印裝置形成立體物件的系統及方法。

3D列印(3D printing)技術已發展約三十年，是以數位檔案為基礎，透過逐層堆砌且可相互黏合之金屬或塑料，實際複製一個立體物件，對於一些需要精密加工的物件，這樣的方法能有效降低製作時間，並且提高精密度。

3D列印系統在開始列印物品前，都需先取得欲複製物體之三維模型，通常是透過電腦繪製，接著將三維模型分割成多個截面，以使列印裝置能逐層形成物體，而現有列印裝置所使用的方法，包括選擇性雷射燒結(selective laser sintering)、熔融沉積式(fused deposition modeling)、立體平版印刷(stereo lithography)、電子束熔化成型(Electron beam melting)、分層實體製造(laminated object manufacturing)、分層實體製造(laminated object manufacturing)等方法，這些方法不同之處主要在於選擇之墨水(即材料)不同，有些是熔化或軟化塑料，有些則是直接以液體材料作為墨水。

上述方法，主要都是靠列印裝置直接打出粉末狀或可凝固之液體材料來形成各個分層截面，而每一滴材料大小都是以微米來計算，運用這樣的方法，理論上可以形成各種精密之三維物體。

然而，現行3D列印系統都是採取分層堆積技術，如此一來，計算列印路徑便會是一件複雜的工作，因為固態墨水彼此之間需要支撐才 能形成立體物件，且計算器必須具有外壁及支撐等演算法才能完成列印工作，而複雜的計算使得列印裝置運行速度降低，亦需要額外花費於計算器之建置上；另外，墨水的大小雖以微米計算，但這也意謂所形成之物體表面最多也只有微米級光滑度，使得現行3D列印系統列印出來之物體解析度受限，並非能滿足更高規格之光滑度，例如形成奈米級之表面。

有鑑於此，本發明提出一種快速成型系統及方法，利用熔融熱熔性材料及充填液態構型材料，實現了演算需求較小之3D列印系統。

本發明更提出一種快速成型系統，包括：一輸送裝置，移動及放置一平板材；一構框裝置，加熱平板材之一區域並熔融區域，使區域形成一容置空間；一充填裝置，充填一熱固性液體於容置空間；一成型裝置，加熱已充填熱固性液體之平板材，使平板材受熱熔融和固化熱固性液體；及一演算控制器，電性連接輸送裝置、構框裝置、充填裝置及成型裝置，控制輸送裝置、構框裝置、充填裝置及成型裝置之作動。

此外，本發明另提出一種快速成型方法，包括：提供具熱熔性之一第一平板材；加熱熔融第一平板材上之一第一區域，使第一平板材上形成一第一容置空間；填充一熱固性液體於第一容置空間中；堆疊一第二平板材於第一平板材上；加熱熔融第二平板材上之一第二區域，使第二平板材上形成一第二容置空間，且第二容置空間與第一容置空間彼此相通；填充熱固性液體於第二容置空間中；及加熱固化熱固性液體，然後升高溫度熔融第一平板材及第二平板材。

本發明更提出一種快速成型方法，包括：提供具熱熔性之一第一平板材；加熱熔融第一平板材上之一第一區域，使第一平板材上形成一第一容置空間；堆疊一第二平板材於第一平板材上；加熱熔融第二平板材上之一第二區域，使第二平板材上形成一第二容置空間，且第二容置空間與第一容置空間彼此相通；填充一熱固性液體於第一容置空間及第二 容置空間中；及加熱固化熱固性液體，然後升高溫度熔融第一平板材及第二平板材。

承上所述，本發明所提出之快速成型系統，透過熱熔性平板材形成之框架及液態構形材料，以資源需求較低之演算方式完成物體成形，不僅降低快速成型系統之軟硬體需求及物體成形時間，更進一步減少形成物體之成本。

此外，透過熔融方式形成之框架及液態構形材料，能使物體表面較現行以固態材料堆疊形成之物體表面具有更佳之解析度。

1‧‧‧快速成型系統

10‧‧‧演算控制器

11‧‧‧輸送裝置

12‧‧‧構框裝置

13‧‧‧充填裝置

14‧‧‧排液裝置

15‧‧‧載台

16‧‧‧成型裝置

2、2a~2z‧‧‧截面

22、22a~22z‧‧‧輪廓

3‧‧‧物體

3’‧‧‧物體模型

4a、4b‧‧‧平板材

40a、40b‧‧‧容置空間

42a、42b‧‧‧構型液體

701~708‧‧‧步驟

801~808‧‧‧步驟

第1圖 本發明之快速成型系統方塊圖；第2圖 本發明第一實施例之物體模型多個不同截面示意圖；第3圖 本發明第一實施例之物體模型截面示意圖；第4圖 本發明第一實施例之快速成型連續狀態剖面示意圖；第5圖 本發明第二實施例之快速成型連續狀態剖面示意圖；第6圖 本發明第一實施例之快速成型方法流程示意圖；第7圖 本發明第二實施狀例之快速成型方法流程示意圖。

本發明是關於一種快速成型系統及方法，是一種可形成立體物件之3D列印系統，本發明主要是提出一種與現有3D列印方法相異之快速成型方法，至於系統中需要使用之演算法或裝置結構，並非本發明之揭露重點，因此不予詳述。

請先參閱第1圖，第1圖是本發明之快速成型系統方塊圖。如第1圖所示，本發明之快速成型系統1包括演算控制器10、輸送裝置11、構框裝置12、充填裝置13、排液裝置14、載台15及成型裝置16，其中，演 算控制器10可以是一電腦，演算控制器10和輸送裝置11、構框裝置12、充填裝置13、排液裝置14及成型裝置16電性連接，並可通過發送一控制訊號來控制輸送裝置11、構框裝置12、充填裝置13、排液裝置14及成型裝置16；在本發明之實施例中，先以演算控制器10透過掃描或電腦繪製等方式取得一物體之物體模型3’，物體模型3’之大小可與實際物體大小呈等比例、縮小或放大。接著演算控制器10對物體模型3’進行分析，得到物體模型3’之複數個不同截面。請參見第2圖，經演算控制器10分析後，物體模型3’由底部往上被切割為複數個截面2a、2b、2c…2z，又如第3圖所示，每個截面2a、2b、2c...2z都有前述物體截面之輪廓22a、22b、22c...22z；明顯地，若將每一個截面2a、2b、2c...2z依順序相疊，則每一輪廓22a、22b、22c...22z會連接形成物體模型3’之外框。

請同時參閱第2、3、4圖，第4圖為本發明第一實施例之快速成型連續狀態剖面示意圖。在取得物體模型3’之複數個截面後，輸送裝置11會把呈固態之一平板材4a放置於載台15上，其中，輸送裝置11是位於載台上方，並且具有三維移動之自由度，在本實施例中，平板材4a之材質具熱熔性，在受熱時會熔融，例如蠟；如第4圖狀態(a)所示，在載台15上放置平板材4a後，構框裝置12會根據物體模型3’之其中一個截面2a上之輪廓22a，如第4圖狀態(b)所示，加熱該平板材4a，使其熔融出一容置空間40a，以形成構成物體模型3’之框架；上述實施例中，構框裝置12是在載台15上方，具有三維移動自由度，並能對平板材4a進行點加熱之器具，本發明並不限制構框裝置15之詳細機械結構；此外，平板材4a被熔融後會形成液體，液體是由排液裝置14排除，在其中一個實施例中，排液裝置14位於載台15上方，並具有三維移動自由度，當平板材4a形成容置空間後，排液裝置14移動到容置空間40a並將其中之液體排除，例如利用吸取方式將液體排除；在其他實施例中，排液裝置14位於載台15上，例如具有開關之排液孔，當平板材被熔成液體時，即打開開關使液體由排液裝置14流出，本發明並不限制排 液裝置14之詳細機械結構；在上述實施例中，平板材4之材質可以是結蘭膠(gellan gum)或蠟。

如第4圖狀態(b)所示，在平板材4a上形成一容置空間40a之後，如第4圖狀態(c)所示，充填裝置13便會在容置空間中填充一種會固化之構型液體42a，例如可以是受熱會固化之蛋清、澱粉溶液，或在空氣中會凝固之膠體，如快乾膠、矽氧樹脂，充填裝置13則在載台15上方，並具有三維移動之自由度；接著如第4圖狀態(d)所示，在容置空間40a中充滿構型液體42a後，輸送裝置11會在平板材4a上堆疊另一個平板材4b，並將截面2b投影在堆疊之平板材4b上，接著如第4圖狀態(e)所示，平板材4b上由輪廓22b圍起之區域則被構框裝置12熔融形成容置空間40b，及如第4圖狀態(f)所示，在容置空間40b中填充構型液體42b；最後以成型裝置16對堆疊並填充有構型液體42a、42b之平板材4a、4b進行加熱，成型裝置16會將平板材4a、4b熔融，同時使構型液體42a、42b固化，如第4圖狀態(g)所示，固化後之構形液體42a、42b會形成符合物體模型3’之物體3；在其他實施例中，當物體模型3’被分割成截面2a~2z時，本發明之快速成型系統1能依序堆疊分別包含截面2a,2b,...,2z之平板材4a,4b,...,4z，此時每一平板材4a,4b,...,4z上之容置空間40a,40b,...,40z會相連通，且此時容置空間40a,40b,...,40z皆以構型液體42a,42b,...,42z充填，最後再將平板材4a,4b,...,4z加熱熔融同時使構型液體42a,42b,...,42z凝固，便能得到符合物體模型3’之物體3。

請參閱第2、3、5圖，第5圖為本發明第二實施例之快速成型連續狀態剖面示意圖。如第5圖狀態(a)，當平板材4a上形成容置空間40a，且平板材4a熔融所形成之液體被排除後，並未在容置空間40a中充填構型液體42，而是如第5圖狀態(b)，將平板材4b堆疊在平板材4a上，並在平板材4b上形成容置空間40b，此時，容置空間40a、40b是彼此連通，如第5圖狀態(c)所示，於彼此相連通之容置空間40a、40b中充填構型液體42，再如第5圖狀態(d)所示，以成型裝置16對堆疊之平板材4a、4b加熱，使平板材4a、4b熔 融、構型液體42固化，得到物體3；在其他實施例中，當物體模型3’能被分割成截面2a,2b,...,2z時，本發明之快速成型系統1能依序堆疊分別包含截面2a,2b,...,2z之平板材4a,4b,...,4z，此時每一平板材4a,4b,...,4z上之容置空間40a,40b,...,40z會相連通，且此時連通之容置空間40a,40b,...,40z最後會以構型液體42充填，然後將平板材4a,4b,...,4z加熱熔融同時使構型液體42凝固，便能得到符合物體模型3’之物體3；此外，本發明之另一個實施例中，平板材4a,4b,...,4z可以是在具有排液裝置14之載台15上先部份形成容置空間40a,40b,...,40z，待液體排除後再由輸送裝置11移動到載台15上之另一個區域彼此堆疊；上述實施方式能有效避免熔融之平板材4a,4b,...,4z和未固化之構型液體彼此混合造成麻煩。

請同時參閱第1圖、第4圖及第6圖，第6圖是本發明第一實施例之快速成型方法流程示意圖。根據前文所揭露之快速成型系統1，本發明提出一種快速成型方法，如第6圖所示，快速成型方法包括以下步驟：

步驟701：以演算控制器10取得一物體之物體模型3’(如第2圖所示)，其中取得方法可以是透過掃描或是電腦繪圖。

步驟702：以演算控制器10對物體模型3’進行分析，取得物體模型3’之複數個截面，如第2圖之2a,2b,...,2z，其中，每個截面都會有物體截面之輪廓，如第2圖之22a,22b,...,22z。

步驟703：如第4圖所示，提供一具有熱熔性之平板材4a，將平板材4a放在載台15上。

步驟704：將物體模型3’之複數個截面中之一個截面2a對應到平板材4a上，根據物體模型3’截面2a之輪廓22a所圍起之封閉區域，以構框裝置12加熱平板材4a，使平板材4a上由物體模型3’截面2a之輪廓22a所圍起之封閉區域熔融，形成一個容置空間40a；其中，在容置空間40a形成後，可進一步以排液裝置14將平板材熔融而成之液體排除。

步驟705：以充填裝置13在容置空間40a中填充構型液體 42a，構型液體42a是一種受熱會凝固之熱固性液體，如蛋清、澱粉溶液、快乾膠、矽氧樹脂；在其中一個實施例中，平板材4a是在載台15之一個區域經構框裝置12處理形成容置空間40a，再被移動到載台15之另一個區域充填構型液體42a。

步驟706：判斷平板材4a上之截面2a是否為構成物體模型之最後一個截面2a，若否則進入步驟707，若是則進入步驟708。

步驟707：如第4圖所示，將另一個平板材4b堆疊到裝有構型液體42a之平板材4a上，並重覆進行步驟704~706；其中，物體模型3’之截面是由下到上依序對應到不同之平板材4a,4b,...,4z上，例如，平板材是以平板材4a、平板材4b、…、平板材4z之次序依序堆疊，物體模型3’之截面2a、截面2b、…、截面2z分別被對應到平板材4a、平板材4b、…、平板材4z上，並且各截面2a,2b,...,2z所對應之物體輪廓22a,22b,...,22z分別在平板材4a、平板材4b、…、平板材4z上圍出第一區域、第二區域、…、第Z區域，被圍出之第一區域、第二區域、…、第Z區域會被加熱熔融並分別成為容置空間40a、容置空間40b、…、容置空間40z，且容置空間40a、容置空間40b、…、容置空間40z分別填充構形液體42a、構形液體42b、…、構形液體42z。

步驟708：以成型裝置16對堆疊之平板材及構型液體42a,42b,...,42z加熱，將堆疊之平板材熔化，同時使構型液體42a,42b,...,42z凝固。

接著，請參閱第1圖、第5圖及第7圖，第7圖是本發明第二實施例之快速成型方法流程示意圖。根據前文所揭露之快速成型系統1，本發明提出一種快速成型方法，如第7圖所示，快速成型方法包括以下步驟：

步驟801：以演算控制器10取得一物體之物體模型3’(如第2圖所示)，其中取得方法可以是透過掃描或是電腦繪圖。

步驟802：以演算控制器10對物體模型3’進行分析，取得物體模型3’之複數個截面，如第2圖之2a,2b,...,2z，其中，每個截面都會有物 體截面之輪廓，如第2圖之22a,22b,...,22z。

步驟803：如第4圖所示，提供一固態之平板材4a，將平板材4a放在載台15上，其中，平板材4a之材質具有受熱熔融之特性。

步驟804：將物體模型3’之複數個截面中之一個截面2a對應到平板材4a上，根據物體模型3’截面2a之輪廓22a所圍起之封閉區域，以構框裝置12加熱平板材4a，使平板材4a上由物體模型3’截面2a之輪廓22a所圍起之封閉區域熔融，形成一個容置空間40a；其中，在容置空間40a形成後，可進一步以排液裝置14將平板材熔融而成之液體排除。

步驟805：判斷平板材4a上之截面2a是否為構成物體模型之最後一個截面2a，若否則進入步驟806，若是則進入步驟807。

步驟806：如第5圖所示，提供一固態之平板材4b，將平板材4b放在平板材4a上，並重覆步驟805；其中，物體模型3’之截面是由下到上依序對應到不同之平板材4a,4b,...,4z上，例如，平板材是以平板材4a、平板材4b、…、平板材4z之次序依序堆疊，物體模型3’之截面2a、截面2b、…、截面2z分別被對應到平板材4a、平板材4b、…、平板材4z上，並且各截面2a,2b,...,2z所對應之物體輪廓22a,22b,...,22z分別在平板材4a、平板材4b、…、平板材4z上圍出第一區域、第二區域、…、第Z區域，被圍出之第一區域、第二區域、…、第Z區域會被加熱熔融並分別成為容置空間40a、容置空間40b、…、容置空間40z。

步驟807：在容置空間40a、40b、…、40z中填充構型液體42；其中，所有容置空間40a、40b、…、40z是相連通的，故可一次在所有容置空間40a、40b、…、40z中填充構型液體42。

步驟808：以成型裝置16對堆疊之平板材及構型液體42加熱，將堆疊之平板材熔化，同時使構型液體42凝固。

在以上不同之實施例中，構框裝置12及充填裝置13皆是可以進行三維移動之元件，並且連同排液裝置14及成型裝置16，以上元件都 經由演算控制器10之控制而作動；此外，成型裝置16是一種加熱裝置，能對放置在載台12上的平板材4a,4b,...,4z及其中之構型液體42,42a,42b,...,42z同時加熱，例如，是裝置在載台15下方之電熱裝置，但本發明並不對成型裝置16之形式加以限制。

在以上之實施方法中，當構形液體42,42a,42b,...,42z是一種熱固化材料時，平板材4a,4b,...,4z之熔點會比構形液體42,42a,42b,...,42z受熱固化之溫度高，因此，當成型裝置16對容置有構形液體42、42a、42b之平板材4a,4b,...,4z加熱時，構形液體42,42a,42b,...,42z會先固化，而後平板材4a,4b,...,4z才會接著熔融；在其中一個實施例中，平板材4a,4b,...,4z之熔點是介於60度到130度之間，而構形液體42,42a,42b,...,42z開始凝固之溫度是介於50度到120度之間；另外，當構形液體42,42a,42b,...,42z是一種會自行固化之膠體時，在加熱熔融平板材4a,4b,...,4z的當下，明顯地，構形液體42,42a,42b,...,42z已經自行固化，且加熱對固化之構形液體42,42a,42b,...,42z並不會有影響。

根據本發明所提出之快速成型系統及方法，相較於既有之物體成型裝置，雖然仍需經由類似本發明中之演算控制器10來提供構形元件運作時之路徑，但既有物體成型裝置是以固態或半固態之材料直接構成物體，因此需要提供包括構成外壁、材料彼此支撐的演算法，而本發明是以液體灌入由平板材所構成之模具，因此可以用較簡單之演算法完成形成物體所需之計算。

根據本發明所提出之快速成型系統及方法，相較於既有以固態墨水堆疊形成物體之物體成型裝置，本發明是利用熔融平板材之方式來形成框架，並在框架中充填構形液體，因此由本發明之快速成型系統及方法所形成之物體能有更好解析度，例如，表面能更加光滑。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當 可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧快速成型系統

10‧‧‧演算控制器

11‧‧‧輸送裝置

12‧‧‧構框裝置

13‧‧‧充填裝置

14‧‧‧排液裝置

15‧‧‧載台

16‧‧‧成型裝置

Claims (12)

1. 一種快速成型系統，包括：一輸送裝置，移動及放置一平板材；一構框裝置，用以對該平板材進行點加熱，並進行熔融以使得在該平板材上形成一容置空間，該容置空間為形成一構成物體模型之一框架；一充填裝置，充填一熱固性液體於該容置空間；一成型裝置，加熱已充填該熱固性液體之該平板材，使該平板材受熱熔融和固化該熱固性液體；及一演算控制器，電性連接該輸送裝置、該構框裝置、該充填裝置及該成型裝置，控制該輸送裝置、該構框裝置、該充填裝置及該成型裝置之作動。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之快速成型系統，更包括：一排液裝置，排除經加熱熔融之該平板材，其中該排液裝置電性連接該演算控制器。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之快速成型系統，其中該平板材之一熔融溫度範圍介於60度到130度之間。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之快速成型系統，其中該平板材之材質為結蘭膠或蠟。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之快速成型系統，其中該熱固性液體之固化溫度低於該平板材之該熔融溫度範圍。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之快速成型系統，其中該熱固性液體為蛋清、澱粉溶液、快乾膠或矽氧樹脂。
7. 一種快速成型方法，包括下列步驟：提供具熱熔性之一第一平板材；以點加熱方式熔融該第一平板材上之一第一區域，使該第一平板材上形成一第一容置空間；填充一熱固性液體於該第一容置空間中； 堆疊一第二平板材於該第一平板材上；以點加熱方式熔融該第二平板材上之一第二區域，使該第二平板材上形成一第二容置空間；填充該熱固性液體於該第二容置空間中；及加熱固化該熱固性液體，然後升高溫度熔融該第一平板材及該第二平板材。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之快速成型方法，更包括下列步驟：排除該第一區域及該第二區域經加熱熔融之該平板材。
9. 根據申請專利範圍第7項所述之快速成型方法，加熱熔融該第一平板材上之該第一區域，更包括下列步驟：取得一物體模型；及分析該物體模型以取得該物體模型之複數個截面；其中該些截面具有該物體模型之一輪廓，該第一區域是由該些截面之一第一截面對應該輪廓於該第一平板材上所圍出，且該第二區域是由該些截面之一第二截面對應該輪廓於該第二平板材上所圍出。
10. 一種快速快速成型方法，包括下列步驟：提供具熱熔性之一第一平板材；以點加熱方式熔融該第一平板材上之一第一區域，使該第一平板材上形成一第一容置空間；堆疊一第二平板材於該第一平板材上；以點加熱方式熔融該第二平板材上之一第二區域，使該第二平板材上形成一第二容置空間，且該第二容置空間與該第一容置空間彼此相通；填充一熱固性液體於該第一容置空間及該第二容置空間中；及加熱固化該熱固性液體，然後升高溫度熔融該第一平板材及該第二平板材。
11. 根據申請專利範圍第10項所述的快速成型方法，更包括下列步驟： 排除該第一區域及該第二區域經加熱熔融之該平板材。
12. 根據申請專利範圍第10項所述的快速成型方法，加熱熔融該第一平板材上之該第一區域，更包括下列步驟：取得一物體模型；及分析該物體模型以取得該物體模型之複數個截面；其中該些截面上具有該物體之一輪廓，該第一區域是由該些截面之一第一截面對應該輪廓於該第一平板材上所圍出，且該第二區域是由該些截面之一第二截面對應該輪廓於該第二平板材上所圍出。