TWI586519B - 三維系統的材料偵測機構 - Google Patents

Description

三維系統的材料偵測機構

本發明是有關於一種三維系統，且特別是有關於一種具有用來獲得建造材料擠出量的材料偵測機構的三維系統。

隨著電腦輔助製造(computer-aided manufacturing,CAM)的進步，三維(3-D)列印技術已發展於製造業中，並可進而根據原始設計概念迅速地製造產品。實際上，三維列印是一系列快速成型(rapid prototyping,RP)技術的一般通稱，且其基本原理和概念是層壓式製造，其中快速成型機用於通過掃描而在X-Y平面中形成工件的橫截面形狀，在Z座標中以層厚度間隙性地移位，且最終形成三維物體。三維列印技術可無限制地適用於各種幾何形狀的印製上，且RP技術可特別針對複雜的部件，產生優良的印製結果，而顯著地節省了工作和處理時間。因此，數位三維列印技術能夠根據最短的時間要求呈現藉由電腦輔助設計(computer-aided design,CAD)軟體設計的數位三維模型的物體，以讓用戶觸摸並實際感覺模型的幾何結構，乃至對模型進行一些可能的功能測試。

然而，在目前使用可重複充填的容料筒的三維列印裝置中，列印裝置的塑性材料的使用或剩餘的量往往難以定義或掌控，甚至可能是完全地無法偵測。此外，目前仍不存在可即時同步地通知三維列印裝置的建造材料的使用或剩餘量的系統或裝置。因此，每當欲確認列印頭裡的建造材料是否足夠，或是偵測列印頭內的建造材料的噴塗或是剩餘量時，需將列印頭從列印模組上拆卸下來。目前列印頭的拆卸過程往往需耗費大量的時間和人力以及可觀的成本。因此，就某種程度而言，目前的三維列印製程就維護與設備操作來說仍是昂貴且不方便操作。

本發明提供一種三維系統的材料偵測機構，其可在不需將列印容料筒從列印模組上拆卸下來的情況下偵測列印頭或容料筒內用來列印的建造材料的使用或剩餘量。

本發明的一種三維系統的材料偵測機構經配置以在基座上以建造材料逐層地形成三維物體。三維系統的材料偵測機構包括支架、列印頭、第一活塞、第二活塞、第一偵測單元以及第二偵測單元。此外，支架包括定位座以及支撐件。列印頭可拆卸地位於定位座上。列印頭包括容料筒以及噴嘴，容料筒用以容置建造材料。噴嘴用以從其中擠出建造材料。第一活塞經配置以沿容料筒的一延伸軸滑動，並且第一活塞驅動列印頭從初始位置移向列印位置。第二活塞可滑動地位於容料筒內。第二活塞具有面對噴嘴的一第一側以及相對於第一側的一第二側，並接觸容置於容料筒內的建造材料的一上表面。第一活塞適於往噴嘴的方向推動 第二側。第一偵測單元設置於支架，並經配置以偵測第一活塞的一原始位置以產生一初始信號，並且用以作為第一活塞的移動參考位置。第二偵側單元位於列印頭之上。若第一偵測單元偵測到第一活塞位於原始位置，或是第一活塞未與容料筒內的第二活塞接觸，第二偵測單元被驅動。若第一活塞移動至一第一位置以驅動列印頭移動至列印位置，第二偵測單元產生一第一信號。若第一活塞移動至一第二位置以驅動第二活塞接觸建造材料的上表面，第二偵測單元產生一第二信號。控制單元耦接第一偵測單元與第二偵測單元以接收來自第一偵測單元的初始信號，以及來自第二偵測單元的第一信號與第二信號以根據第一位置與第一活塞的第二位置之間的一距離計算建造材料的一擠出量。

基於上述，三維系統的材料偵測機構以第一與第二偵測單元來偵測列印容料筒的向下運動。此外，三維系統的材料偵測機構更包括第一與第二活塞。第一活塞適於觸發第二偵測單元，並且推動第二活塞向下以擠出建造材料。第二偵測單元偵測第二活塞沿容料筒垂直運動的初始與停止位置。藉由定義第二活塞的移動距離，可計算建造材料的擠出量，使三維系統可精確的偵測建造材料的即時使用狀況，並且無須將列印頭從三維系統的材料偵測機構上拆卸下來。

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。

30‧‧‧建造材料

100‧‧‧材料偵測機構

110‧‧‧支架

112‧‧‧定位座

114‧‧‧支撐件

115‧‧‧通孔

116‧‧‧彈簧帽

118‧‧‧上推彈簧

120‧‧‧列印頭

122‧‧‧容料筒

124‧‧‧噴嘴

126‧‧‧抵靠部

130‧‧‧第一活塞

132‧‧‧第一活塞推桿

134‧‧‧第一活塞頭

140‧‧‧第二活塞

142‧‧‧第一側

144‧‧‧第二側

150‧‧‧第一偵測單元

160‧‧‧第二偵測單元

170‧‧‧樞軸

180‧‧‧控制單元

195‧‧‧線性馬達

200‧‧‧基座

A1‧‧‧延伸軸

D1‧‧‧距離

h1‧‧‧第一位置

h2‧‧‧第二位置

P1‧‧‧初始位置

P2‧‧‧列印位置

R1‧‧‧旋轉方向

圖1為根據本發明的一實施例的三維系統的材料偵測機構的示意圖。

圖2為根據本發明的一實施例的三維系統的材料偵測機構的部份剖面示意圖。

圖3A至圖3C為根據本發明的一實施例繪示的三維系統的材料偵測機構的偵測過程。

圖4為根據本發明另一實施例的三維系統的材料偵測機構的示意圖。

圖5為根據本發明一實施例的容料筒的透視圖。

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為根據本發明的一實施例的三維系統的材料偵測機構的示意圖。請參考圖1，在本實施例中，三維系統適於用來根據數位三維模型資訊列印三維物體(未繪示)。在本實施例中，三維系統的材料偵測機構100經配置以讀取數位三維模型資訊，其中數位三維模型資訊可為數位三維影像檔，其可藉由使用例如是電腦輔助設計(computer-aided design,CAD)或是動畫模型軟體的電腦主機來建構。

此外，三維系統的材料偵測機構100可動地設置於基座200的上方，並且經配置以沿著滑軌(未繪示)前後滑動。除此之外，基座200也可相對於三維系統的材料偵測機構100移動。三維系統的材料偵測機構100經配置以讀取及處理數位三維模型資訊，並且控制三維系統的材料偵測機構100與基座200的移動。因此，三維系統的材料偵測機構100被配置以在其移動期間，逐層地塗佈建造材料30(繪示於圖3A)於基座200上，以形成多層的層壓材料層(laminated material layer)，其中層壓材料層相互堆疊以形成三維物體。

圖2為根據本發明的一示範性實施例的三維系統的材料偵測機構的部份剖面示意圖。請參考圖1與圖2，三維系統的材料偵測機構100可包括支架110、至少一列印頭120、第一活塞130、第二活塞140、第一偵側單元150、第二偵側單元160以及控制單元180。支架110包括對應列印頭120的至少一通孔115、定位座112以及支撐件114。列印頭120可動地且可拆卸地位於通孔115中，以使列印頭120經配置以於初始位置P1及列印位置P2(繪示於圖3B)之間移動。列印頭120可包括抵靠部126、容料筒122以及噴嘴124，容料筒122用以容置建造材料30，而噴嘴124用以從其中擠出建造材料30。第一活塞130可包括第一活塞推桿132以及第一活塞頭134。第一活塞推桿132連接於第一活塞頭134以驅動第一活塞頭134向下移動。第一活塞130經配置以沿著容料筒122的延伸軸A1滑動，並且驅動列印頭120由初始位置P1向列印位置P2移動，而使抵靠部126抵靠於支撐件114上。第二活塞140可滑動地位於容料筒122內，其中第二活塞140可具有 相對配置的第一側142與第二側144。第一側142面向噴嘴124，並且接觸容置於圖1所示的容料筒122內的建造材料30的上表面，其中第一活塞130適於往噴嘴124的方向推動第二活塞140的第二側144。在本實施例中，第一側142可例如呈圓錐狀，而第二側144可為平坦的表面。然而，本發明不限於此，第二活塞140也可採用其他適合的形狀。第一偵測單元150可設置於支架110上，以偵測如圖1所示的第一活塞130的一原始位置，其中第一活塞130的原始位置可作為第一活塞130移動的參考位置。在本實施例中，第一偵測單元150可例如為光遮斷感測器(photo-interrupt sensor)。此外，第二偵測單元160可設置於列印頭120的上方。

圖3A-3C為根據本發明的一實施例繪示三維系統的材料偵測機構的偵測過程。請參考圖3A至3C，如圖1所示的控制單元180耦接第一活塞130、第一偵測單元150以及第二偵測單元160，其用以控制第一活塞130的移動，並且接收來自第一偵測單元150的初始信號，以及來自第二偵測單元160的第一與第二信號。詳細而言，當第一偵測單元150偵測到第一活塞130如圖3A所示位於原始位置時，或是當第一活塞130未與容料筒122內的第二活塞140接觸時，第二偵測單元160被觸發。此時，列印頭120是位於初始位置P1。然後，控制單元180控制第一活塞130移動至如圖3B所示的第一位置h1，以帶動列印頭120由如圖3A所示的初始位置P1移動至如圖3B所示的列印位置P2。當列印頭120位於列印位置P2以逐層地將建造材料30塗佈在如圖1所示的基座200上而形成三維物件時，抵靠部126抵靠於支架110。當列 印頭120移動至列印位置P2時，抵靠部126抵靠於支架110，並且第二偵測單元160可偵測第一活塞130與第二活塞140的接觸位置，也就是第二活塞140沿容料筒122垂直運動的初始位置，而據以產生第一信號。當第一活塞130從初始位置P1移動至列印位置P2時，第二偵測單元160提供第一信號，因此，控制單元180可據此得到第一活塞130已經移動的相對距離。這個來自第一與第二偵測單元150、160的初始信號與第一信號之間的關係顯示目前容料筒120內使用中的材料的初始水平準位。然後，控制單元180驅動第一活塞130持續地移動至如圖3C所示的第二位置h2，並且同時接觸第二活塞140。當第一活塞130被移動至如圖3C所示的第二位置h2時，控制單元180可計算第一活塞130已經移動的距離D1，也就是第一位置h1與第二位置h2之間的距離，並且可將前述的移動距離D1與建造材料30的擠出量作關聯計算。

值得注意的是，當建造材料由噴嘴124擠出以進行三維列印時，第二活塞140將隨建造材料30的上表面移動。因此，在圖3B所示的情況中，當第一活塞130被移動至第一位置h1時，第一活塞130接觸第二活塞140，意指這時第一位置h1是等於第二位置h2，並且第一位置h1與第二位置h2之間的距離D1為零，也就是這時建造材料30的擠出量為零。換句話說，此時建造材料30充滿於容料筒122中，並且尚未從噴嘴124中擠出。

除此之外，請再參考圖3A，定位座112經配置以支持與定位列印頭120於通孔115中。列印頭120可拆卸地設置於定位座112中，其中定位座112可由彈性構件或是彈性材料所組成。在本實施例中，定位座112的彈性構件可支撐並固定列印頭120 於通孔115中，以將列印頭120可移動地固定於支架110上。將定位座112配置於支架110上使得列印頭120可以簡單且快速的方式來定位與更換，而不需使用任何的螺鎖件來固定。因此，使用者可快速地將列印頭120從支架110上拆卸下來，因而可大幅地減少使用者花費在更換容料筒的時間。因此，就人力與時間的花費而言，本實施例的三維列印裝置的列印效率可大幅地提升。

圖4為根據本發明另一實施例的三維系統的材料偵測機構的示意圖。請參考圖3與圖4，在本實施例中，彈簧帽116以及上推彈簧118可位於抵靠部126與支架110之間。因此，當第一活塞130驅動列印頭120移動至列印位置P2以執行列印工作時，可壓縮上推彈簧118，並使其產生彈性恢復力。當列印頭120未執行列印工作時，上推彈簧118將列印頭120由列印位置P2恢復至初始位置P1。在本實施例中，所配置的列印頭120與通孔115的數量如圖4所示為多個。列印頭120互相平行地排列，且可移動地位於對應的通孔115中。此外，三維系統的材料偵測機構100可進一步包括與支架110連接的樞軸170(繪示於圖4)。控制單元180耦接至樞軸170以控制支架110沿樞軸170繞轉，以將列印頭120的其中之一轉換至與第一活塞130對齊排列的位置。當樞軸170轉動支架110以轉換列印頭120時，被轉動至與第一活塞130對齊的列印頭120便被推動至列印位置P2以執行列印工作。其他那些未對齊於第一活塞130的列印頭120則可藉由上推彈簧118回復至初始位置P1。初始位置P1的垂直高度高於列印位置P2，使得其他的列印頭120不會干涉或妨礙在列印製程中的列印頭120，以避免弄髒或損壞列印物件。另一方面，當列印頭120 的其中之一在進行列印時，在列印中的列印頭120需要向下移動至適當的列印高度，以擠出建造材料30並且執行列印製程。在本實施例中，線性馬達195可經配置以連接第一活塞130，以驅動第一活塞130帶動列印頭120向下移動。此外，線性馬達195可耦接至控制單元180以驅動第一活塞130克服上推彈簧118的彈性恢復力，並將列印頭120向下移動至列印位置P2。

圖5為根據本發明一示範性實施例的第二活塞位於列印容料筒內的透視圖。請參考圖3C及圖5，第二活塞140可滑動地位於容料筒122內。第一偵測單元150位於列印頭120的一側以偵測第一活塞130的原始位置，並作為控制單元180計算第一活塞130移動距離的參考位置。建造材料30可充填於容料筒122內，並經由噴嘴124擠出。此外，例如是橡膠等的緩衝材料(未繪示，其為選擇性構件)可設置於第二活塞140的第二側144，以作為第一活塞130與第二活塞140之間的緩衝。當第二活塞140被充填在容料筒122內的建造材料30所支撐時，第二活塞140的第二側144可被用來作為定義第二活塞140的垂直位置的偵測表面。換句話說，第二活塞140的第二側144的不同位置間的相對距離可用以定義第二活塞140的移動距離。此外，依據建造材料30的材料特性不同，可選擇性地配置加熱元件(未繪示)以對容料筒122或整個列印頭120進行加熱，以持續地融化建造材料30成為液態流體。

請再參考圖4，在本實施例中，樞軸170是沿著列印頭120的旋轉軸配置，以例如沿著旋轉方向R1旋轉列印頭120。雖然圖4中繪示了三個列印頭，但是本發明並不限制於此，列印頭 120的數量可依實際應用需求作調整。當列印中的列印頭120的建造材料30用完時，樞軸170可旋轉其中一個列印頭120至對齊第一活塞130的列印位置以替換前述列印製程中所使用的列印頭120。在本實施例中，三維系統的材料偵測機構100可讓使用者大幅減少重新充填塑性材料30的頻率。由於數個列印頭120彼此互相平行地排列於相同的支架110上，使用者可一次重新充填所有列印頭120的容料筒122，而不用於每次容料筒120內的建造材料30用完時，即立即更換並充填列印頭120。因此，本實施例中的三維系統的材料偵測機構100可大幅的提升三維列印製程的效率。此外，三維列印製程可因此延續較長的時間，而不會因為更換列印頭120的步驟而中斷列印製程。再者，控制單元180可監控並獲得建造材料30的擠出量。換句話說，透過結合數個列印容料筒122於三維系統100的材料偵測機構100中，可減少列印頭120的更換頻率而獲致可持續更長時間的三維列印行程。此外，列印頭120的容料筒122可以不同形式或顏色的建造材料30充填以執行多材料或多顏色的三維列印製程，同時控制單元180可配置用來協調各種不同建造材料30間的列印製程。

綜上所述，本發明的三維系統的材料偵測機構使用第一與第二活塞，伴隨第一與第二偵測單元以精確地計算並獲得建造材料的擠出量。當列印頭被移動到列印位置時，抵靠部接觸支架，並且第二偵測單元據此產生第一信號。此外，控制單元驅動第一活塞持續地移動至第二位置，並且同時接觸第二活塞。當第一活塞被移動至與第二活塞接觸，控制單元由來自第一偵測單元的初始信號，可得到第一活塞的移動。根據來自第一偵測單元的初始 信號，以及來自第二偵測單元的第一與第二信號，控制單元可計算在容料筒內的第二活塞的移動距離，並且進一步定義建造材料的擠出量。因此，本發明的三維系統的材料偵測機構可容易且快速地得到列印頭的建造材料擠出量，並且可省去頻繁地從支架上拆卸列印容料筒的過程。如此一來，三維列印製程的時間與人力耗費可大幅的減少。

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。

100‧‧‧材料偵測機構

110‧‧‧支架

112‧‧‧定位座

114‧‧‧支撐件

115‧‧‧通孔

120‧‧‧列印頭

122‧‧‧容料筒

124‧‧‧噴嘴

126‧‧‧抵靠部

130‧‧‧第一活塞

132‧‧‧第一活塞推桿

134‧‧‧第一活塞頭

150‧‧‧第一偵測單元

170‧‧‧樞軸

180‧‧‧控制單元

195‧‧‧線性馬達

200‧‧‧基座

A1‧‧‧延伸軸

P1‧‧‧初始位置

Claims (9)

1. 一種三維系統的材料偵測機構，經配置以將一建造材料逐層成形於一基座上，以形成一三維物件，該三維系統的材料偵測機構包括：一支架，包括至少一通孔；至少一列印頭，包括一抵靠部、一容料筒以及一噴嘴，該容料筒用以容置該建造材料，該噴嘴用以從其中擠出該建造材料，該列印頭可移動地位於該通孔中，以移動於一初始位置與一列印位置之間，當該列印頭位於該列印位置時，該抵靠部抵靠該支架；一上推彈簧，位於該抵靠部與該支架之間，用以提供彈性恢復力，以將該列印頭由該列印位置恢復至該初始位置；一第一活塞，經配置以沿該容料筒的一延伸軸滑動，並且該第一活塞驅動該列印頭從該初始位置移向該列印位置；一第二活塞，可滑動地位於該容料筒內，該第二活塞具有面對該噴嘴的一第一側以及相對於該第一側的一第二側，並接觸容置於該容料筒內的該建造材料的一上表面，該第一活塞適於往該噴嘴的方向推動該第二側；一第一偵測單元，設置於該支架，並經配置以偵測該第一活塞的一原始位置以產生一初始信號，並以該原始位置作為該第一活塞的移動參考位置；一第二偵測單元，設置於該列印頭的上方，其中當該第一偵測單元偵測到該第一活塞位於該原始位置，或是該第一活塞未與該容料筒內的該第二活塞接觸時，該第二偵測單元被觸發，當該第一活塞移動至一第一位置以帶動該列印頭移動至該列印位置 時，該第二偵測單元產生一第一信號，當該第一活塞移動至一第二位置以帶動該第二活塞接觸該建造材料的該上表面時，該第二偵測單元產生一第二信號；以及一控制單元，耦接該第一偵測單元與該第二偵測單元以接收來自該第一偵測單元的該初始信號以及來自該第二偵測單元的該第一信號與該第二信號以根據該第一位置與該第二位置之間的一距離計算該建造材料的一擠出量。
2. 如申請專利範圍第1項所述的三維系統的材料偵測機構，其中該控制單元耦接該第一活塞以控制該第一活塞的移動。
3. 如申請專利範圍第1項所述的三維系統的材料偵測機構，其中該支架更包括一定位座以支撐並定位該列印頭於該通孔中。
4. 如申請專利範圍第1項所述的三維系統的材料偵測機構，其中該至少一列印頭與該至少一通孔的數量皆為多個，並且該些列印頭互相平行地排列，並且可動地位於該支架上的對應的該些通孔中。
5. 如申請專利範圍第4項所述的三維系統的材料偵測機構，更包括連接至該支架的一樞軸，該控制單元耦接該樞軸以控制該支架沿該樞軸旋轉，以轉換該些列印頭的其中之一至與該第一活塞對齊的該第一位置。
6. 如申請專利範圍第1項所述的三維系統的材料偵測機構，更包括一線性馬達，其中該線性馬達驅動該第一活塞以克服來自該上推彈簧的一彈性恢復力，以推動該列印頭至該列印位置進行列印。
7. 如申請專利範圍第6項所述的三維系統的材料偵測機構， 其中該第一活塞包括一活塞推桿以及一活塞頭，該活塞推桿連接至該活塞頭，該線性馬達驅動該活塞推桿移動，並且該活塞頭適於接觸該第二活塞。
8. 如申請專利範圍第1項所述的三維系統的材料偵測機構，其中該第一偵測單元為一光遮斷感應器。
9. 如申請專利範圍第1項所述的三維系統的材料偵測機構，其中該支架更包括一支撐件，該抵靠部抵靠該支撐件。