TWI600529B

TWI600529B - 三維全彩複合列印裝置

Info

Publication number: TWI600529B
Application number: TW104123147A
Authority: TW
Inventors: 莫皓然; 韓永隆; 黃啟峰
Original assignee: 研能科技股份有限公司
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-10-01
Also published as: TW201703998A

Description

三維全彩複合列印裝置

本案係關於一種三維全彩複合列印裝置，尤指一種適用於立體快速成型機之三維全彩複合列印裝置。

3D列印(3D Printing)成型技術，亦稱為快速成型(Rapid Prrototyping，RP)技術，因快速成型技術具有自動、直接及快速，可精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或可製造直接使用的零件或成品，從而可對產品設計進行快速的評估，修改及功能試驗，大大縮短產品的開發週期，因而使得3D列印成型技術廣受青睞。

現今3D列印成型技術正處於蓬勃發展之階段，所採用的快速成型技術也各異，目前業界所採用之快速成型技術主要包含下述幾種技術：膠水噴印固化粉末成型(Color-Jet Printing，CJP，或稱Binder Jetting)技術、熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，FDM)技術、雷射燒結液態樹脂成型(Stereo Lithography Apparatus，SLA)技術、紫外光固化液態樹脂成型(Multi-Jet Modeling，MJM)技術、或是雷射燒結固態粉末成型(Selective Laser Sintering，SLS)技術等等，但不以此為限。

然前述該等快速成型技術中，除了膠水噴印固化粉末成型(Color-Jet Printing，CJP，或稱Binder Jetting)技術能產生全彩的3D成型物外，其餘3D列印成型技術均無法能製造全彩的產品，因此對被稱為第三次工業革命的3D列印成型技術而言，是一個極大產品技術之缺失，沒有真正全彩的產品，意味著人類的科技又回到一個色彩表現被限制的時代，對3D列印成型產業而言是一個致命缺失。

此技術瓶頸主要是因為3D列印成型技術是利用基層堆疊技術，即如第1圖所示，當欲製造出3D成型物A時，主要係先透過電腦解析A之型態與結構，將之切分為A’所示之複數個疊層，隨後再透過前述等3D列印成型技術，利用逐層印刷並堆疊成型的方式，將A’所示之疊層以XY之軸向進行印刷，再層層堆疊，使其於Z方向進行堆疊，最後會形成如A所示之半圓形之3D成型物。同樣地，如欲進行第2圖所示之錐形瓶狀之3D成型物B，則同樣將B切分為B’所示之複數個疊層，再進行逐層印刷並堆疊成型，從而製造出錐形瓶狀之3D成型物B。然而，在很多3D列印成型技術之所以無法製成全彩3D產品，主要是在逐層堆疊時，缺乏相對應能產生全彩技術的列印頭。

舉例來說，習知紫外光固化液態樹脂成型(Multi-Jet Modeling，MJM)技術主要是採以噴頭列印一液態樹脂及一液態支撐材料，其後再透過以紫外光照射以使液態樹脂及支撐材料固化，進行形成分層之固化結構，並再層層堆疊以構成3D成型物。然而，與前述諸多習知技術相仿，在這種MJM技術中，由於液態樹脂亦是單一色彩之原料，故其透過噴頭列印、並以紫外光進行固化後，仍是僅能產生單一色彩的3D成型物，其間並沒有任何裝置可實施全彩之噴印作業，故此MJM技術所製作出的3D成型物亦僅能維持原有液態樹脂之原色，而同樣無法製造出全彩化的3D產品。

是以，就目前3D列印成型技術裝置之產業而言，其所面臨的技術瓶頸即為全彩表現問題，因此如何使此致命的先前技術之缺失能被改善，是目前3D列印成型產業上迫切需要去解決的主要課題。

本案之主要目的在於提供一種可實施全彩化之3D列印之三維全彩複合列印裝置，應用於紫外光固化液態樹脂成型(Multi-Jet Modeling，MJM)技術以實施全彩化之3D列印，俾可解決目前眾多3D列印成型技術無法製造出全彩化的技術瓶頸。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種三維全彩複合列印裝置，包含：複數個殼體，具有至少一分離殼體及一其他殼體，該至少一分離殼體具有至少一個空室，該其他殼體具有複數個空室之其他殼體，且該至少一分離殼體與該其他殼體分離架構於至少一個位移機構上以進行XY方向之平面位移；一光源組件，設置於該至少一分離殼體之該空室中；一液態樹脂，設置於該其他殼體之其中一該空室中；至少一顏色墨水，每一該顏色墨水分別容設於該其他殼體之其他該空室中；複數個噴墨晶片，每一該噴墨晶片對應設於該其他殼體之一底面，且每一該噴墨晶片均具有複數個噴孔，至少一個該噴墨晶片之該複數個噴孔連通該液態樹脂，且受該噴墨晶片驅動噴出該液態樹脂，其他該噴墨晶片之該複數個噴孔連通該顏色墨水，受該噴墨晶片驅動噴出該顏色墨水；以及一成型托盤，架構於一升降台上，以進行Z方向之位移；其中，該至少一噴墨晶片先噴印該液態樹脂，並沿著一三維成型物之一分層截面輪廓噴印該液態樹脂之液滴於該成型托盤上，再由其他該噴墨晶片噴出該至少一顏色墨水附著於該液態樹脂之液滴上，復由該光源組件所提供光源對已上色之該液態樹脂之液滴照射，以固化成形一單切層，復重覆施作噴印該液態樹脂、該顏色墨水及以該光源照射於該單切層，以構造出該三維成型物之一堆疊層，如此反覆構造出複數該堆疊層，以完成一全彩化之三維成型物。

為達上述目的，本案之另一較廣義實施態樣為一種三維全彩複合列印裝置，包含：複數個殼體具有至少一分離殼體及一其他殼體，該至少一分離殼體具有至少一個空室，該其他殼體具有複數個空室，且該至少一分離殼體與該其他殼體分離架構於至少一個位移機構上以進行XYZ三方向之位移；一光源組件，設置於該至少一分離殼體之該空室中；一液態樹脂，設置於該其他殼體之其中一該空室中；至少一顏色墨水，每一該顏色墨水分別容設於該其他殼體之其他該空室中；複數個噴墨晶片，每一該噴墨晶片對應設於該其他殼體之一底面，且每一該噴墨晶片均具有複數個噴孔，至少一個該噴墨晶片之該複數個噴孔連通該液態樹脂，且受該噴墨晶片驅動噴出該液態樹脂，其他該噴墨晶片之該複數個噴孔連通該顏色墨水，受該噴墨晶片驅動噴出該顏色墨水；以及一成型托盤；其中，該至少一噴墨晶片先噴印該液態樹脂，並沿著一三維成型物之一分層截面輪廓噴印該液態樹脂之液滴，再由其他該噴墨晶片噴出該至少一顏色墨水附著於該液態樹脂之液滴上，復由該光源組件所提供光源對已上色之該液態樹脂之液滴照射，以固化成形一單切層，復重覆施作噴印該液態樹脂、該顏色墨水及以該光源照射於該單切層上，以構造出該三維成型物之一堆疊層，如此反覆構造出複數該堆疊層，以完成一全彩化之三維成型物。

1、2‧‧‧紫外光固化液態樹脂成型機

10、20‧‧‧殼體

10a、20a‧‧‧分離殼體

10b、20b‧‧‧其他殼體

101、101a、101b、101c、101d、201、201a、201b、201c、201d‧‧‧空室

11、21‧‧‧光源組件

12、22‧‧‧液態樹脂

13、23‧‧‧顏色墨水

14、24‧‧‧噴墨晶片

141‧‧‧底面

15、25‧‧‧成型托盤

16、26‧‧‧三維全彩複合列印裝置

17‧‧‧升降台

18、18a、18b、28、28a、28b‧‧‧位移機構

19、27‧‧‧成型物

A、B‧‧‧3D成型物

A’、B’‧‧‧3D成型物之分層結構

第1圖為習知之3D成型物之堆疊分層示意圖。

第2圖為另一習知之3D成型物之堆疊分層示意圖。

第3圖為本發明之三維全彩複合列印裝置應用於紫外光固化液態樹脂成型機之第一較佳實施例示意圖。

第4圖為本發明之三維全彩複合列印裝置之位移機構上架構分離殼體及其他殼體之配置示意圖。

第5圖為本發明之三維全彩複合列印裝置應用於紫外光固化液態樹脂成型機之第二較佳實施例示意圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

請參閱第3圖，為本案之三維全彩複合列印裝置應用於紫外光固化液態樹脂成型(MJM)機之第一較佳實施例示意圖。於本實施例為例，該三維全彩複合列印裝置16適用於一紫外光固化液態樹脂成型(MJM)機1中，且包含複數個殼體10、一光源組件11、一液態樹脂12、至少一顏色墨水13、複數個噴墨晶片14及一成型托盤15。

於本實施例中，該複數個殼體10係可由但不限由金屬材質、塑膠材質、塑膠包覆金屬材質之至少其中之一種材質所構成，且該複數殼體10可區分為至少一分離殼體10a與其他殼體10b，該至少一分離殼體10a與其他殼體10b係彼此分離地設置，且每一殼體10中包含至少一空室101。以本實施例為例，該複數個殼體10區分為一個分離殼體10a與其他殼體10b，該分離殼體10a具有一空室101a，而該其他殼體10b具有三個空室101b、101c、101d，但分離殼體10a與其他殼體10b之空室101之數量並不以此為限。

於本實施例中，該複數個殼體10係架構於至少一個位移機構18上做XY方向平面位移，但不以此為限，舉例來說，如第3圖所示，其中該至少一分離殼體10a與該其他殼體10b分離架構於該至少一個位移機構18上，亦即該分離殼體10a及該其他殼體10b係共同架構於同一個位移機構18上做XY方向平面位移，然由於該分離殼體10a及該其他殼體10b係為分離架構於同一該位移機構18上，故其分別於不同的位置上做XY方向平面位移；又或者是，於另一實施例中，如第4圖所示，該分離殼體10a亦可架構於一個位移機構18a上做XY方向平面位移，而該其他殼體10b則架構於另一個位移機構18b上做XY方向平面位移，即該分離殼體10a與該其他殼體10b係彼此分離地設置於兩位移機構18a、18b上進行XY方向之平面位移，然其係可依實際施作情形而任施變化，並不以此為限。

請續參閱第3圖，如圖所示，本實施例之三維全彩複合列印裝置16之該光源組件11設置於該分離殼體10a之空室101a中，以提供一光源，且液態樹脂12設置於其他殼體10b之另一空室101b中，其中，該光源組件11所提供之光源可對液態樹脂12照射，並沿著成型物19之一分層截面輪廓進行掃描，使液態樹脂12產生聚合反應，以固化成一樹脂微粒。於本實施例中，光源組件11所提供之光源係為一紫外線(UV)光，且於光源組件11之底部更具有可提供對準照射之相關結構，俾可供該紫外線光對液態樹脂12進行對準照射，但不以此為限。

又於本實施例中，三維全彩複合列印裝置16之該至少一顏色墨水13可為黑色墨水或彩色墨水，但不以此為限。每一該顏色墨水13分別容設於該其他殼體10b之該至少一空室101c、101d中。

該至少一噴墨晶片14對應設於該其他殼體10b之一底面141，且每一該噴墨晶片14均具有複數個噴孔(未圖示)，連通液態樹脂12或該至少一顏色墨水13，並受該至少一噴墨晶片14驅動噴出液態樹脂12或是該至少一顏色墨水13；於一些實施例中，該噴墨晶片14係可為但不限為熱汽泡式噴墨晶片、壓電式噴墨晶片及微機電(MEMS)製程製造之至少其中之一種噴墨晶片14。

又以本實施例為例，該其他殼體10b之空室101c內為容置黑色的顏色墨水13，則其所對應之噴墨晶片14則為具有單一流道之黑色噴墨晶片14，而該其他殼體10b之另一個空室101d內為容置彩色的顏色墨水13，其所對應於彩色的顏色墨水13之噴墨晶片14則為具有三流道之彩色噴墨晶片14，但不以此為限。或是於另一些實施例中，該至少一噴墨晶片14係為二個噴墨晶片14，分別對應於空室101c、101d，且該二噴墨晶片14係為具有二流道之雙色噴墨晶片14，但不以此為限。

除此之外，於另一些實施例中，該複數殼體10之該其他殼體10b亦可具有四個用以容設四種顏色墨水13之空室101，其中四個容設一種顏色墨水13及一容置液態樹脂12之空室101中，再由容設一種顏色墨水13之每一空室101中對應之噴墨晶片14之噴孔輸出顏色墨水13，則該對應之噴墨晶片14之數量同樣為四，且其係均為具有單一流道之單色噴墨晶片14。當然，殼體10之該其他殼體10b亦可具有六個用以容設六種顏色墨水13及一容置液態樹脂12之空室101，再由容設一種顏色墨水13之每一空室101中對應之噴墨晶片14之噴孔輸出顏色墨水13，則該對應之噴墨晶片14之數量同樣為六個，且其係均為具有單一流道之單色噴墨晶片14，甚至，殼體10之該其他殼體10b亦可具有七個用以容設七種顏色墨水13及一容置液態樹脂12之空室101，再由容設一種顏色墨水13之每一空室101中對應之噴墨晶片14之噴孔輸出顏色墨水13，則該對應之噴墨晶片14之數量同樣為七個，且其係均為具有單一流道之單色噴墨晶片14。由此可見，該其他殼體10b內的空室101、顏色墨水13及噴墨晶片14之數量、設置方式及型態等係可依照實際情形而任施變化，並不以此為限。

如第3圖所示，於本實施例中，三維全彩複合列印裝置16之該成型托盤15係架構一升降台17上，以進行Z方向之垂直升降位移，且於成型托盤15上承載支撐由分離殼體10a內之該光源組件21之光源照射該其他殼體10a之噴墨晶片14所噴出之液態樹脂12之微滴，以使之固化。

本案之三維全彩複合列印裝置16進行全彩化之三維成型程序係為先由位移機構18控制位移該其他殼體10b，使其他殼體10b內之噴墨晶片14先於成型托盤15上噴印出液態樹脂12之液滴，並沿著該三維成型物19之一分層截面輪廓噴印液態樹脂12之液滴於該成型托盤15上，再透過其他殼體10b內鄰設之至少一噴墨晶片14控制於一預定時間由噴孔噴出對應之顏色墨水13，使該顏色墨水13附著於剛噴出之液態樹脂12之液滴上，再利用該位移機構18控制位移該分離殼體10a，使分離殼體10a內裝設之光源組件11提供之紫外光源(UV)照射該已上色之液態樹脂12之微滴，使之於該成型托盤15上欲成型的位置固化成形，以成形一三維成型物19之單切層，再由該升降台17控制在Z方向位移，以帶動成型托盤15於Z方向位移欲成型另一層單切層之高度，復重覆施作噴出液態樹脂12之微滴、及噴印顏色墨水13於該已成型單切層上，以及光固化該已上色之液態樹脂12之微滴，以構造出三維成型物19之堆疊層，如此反覆上述堆疊位移、噴滴、噴色及光固製程構造出複數堆疊層，最終固化成形一全彩化之三維成型物19。

又請續參閱第5圖，其係為本案三維全彩複合列印裝置應用於紫外光固化液態樹脂成型(MJM)機之第二較佳實施例示意圖。以本實施例為例，該三維全彩複合列印裝置26同樣適用於紫外光固化液態樹脂成型(MJM)機2中，且包含複數個殼體20、一光源組件21、一液態樹脂22、至少一顏色墨水23、複數個噴墨晶片24及一成型托盤25。其相關結構特徵如前第一較佳實施例所述，在此不再贅述，僅就與第一較佳實施例不同之處做說明。

於本實施例中，該複數個殼體20同樣包含至少一分離殼體20a與其他殼體20b，分離殼體20a亦具有空室201a以容設光源阻件21、其他殼體20b中則具有空室201b以容設液態樹脂22及空室201c、201d以容設不同之顏色墨水23，但不以此為限。且分離殼體20a與其他殼體20b係可架構於至少一個位移機構28上做XYZ方向平面位移，與前述實施例不同的是，本實施例之該複數個殼體20更增加了Z方向之位移)，其中該至少一分離殼體20a與該其他殼體20b係分離架構於該同一個位移機構28上，亦即該分離殼體20a及該其他殼體20b共同架構於一個位移機構28上，以進行XYZ方向之位移，但該分離殼體20a及該其他殼體20b係為分離地架構於該位移機構28之不同位置上以進行XYZ方向之位移，又於另一些實施例中，該分離殼體20a亦可架構於一個位移機構28a上以進行XYZ方向之位移(如第4圖所示)，而該其他殼體20b則架構於另一個位移機構28b上以進行XYZ方向之位移(如第4圖所示)，換句話說，該分離殼體20a及該其他殼體20b可分離地設置於同一位移機構28上，或是可分離地設置於不同之位移機構28a及28b上，其係可依照實際施作情形而任施變化，並不以此為限。

於本實施例中，本案之三維全彩複合列印裝置26進行全彩化之三維成型程序係為先由位移機構28控制該其他殼體20b以進行XYZ三方向之位移，使該其他殼體20b內之噴墨晶片24先於成型托盤25上噴印出液態樹脂22之液滴，並沿著該三維成型物27之一分層截面輪廓噴印液態樹脂22之液滴於該成型托盤25上，再透過其他殼體20b內鄰設之至少一噴墨晶片24控制於一預定時間由噴孔噴出對應之顏色墨水23，使該顏色墨水23附著於剛噴出之液態樹脂22之液滴上，再利用該位移機構28控制該分離殼體20a以進行XYZ三方向之位移，使分離殼體20a內裝設之光源組件21提供之紫外光源(UV)照射該已上色之液態樹脂22之微滴，使之於該成型托盤25上欲成型的位置固化成形，以成形一三維成型物27之單切層，如此重覆施作噴出液態樹脂22之微滴、及噴印顏色墨水24於該已成型單切層上，以及光固化該已上色之液態樹脂22之微滴，以構造出三維成型物27之堆疊層，如此反覆上述堆疊位移、噴滴、噴色及光固製程構造出複數堆疊層，最終固化成形一全彩化之三維成型物27。

綜上所述，本案之三維全彩複合列印裝置，能廣泛應用於紫外光固化液態樹脂成型(MJM)技術，透過位移機構帶動三維全彩複合列印裝置之殼體於XY方向上進行平面位移、或是於XYZ三方向進行位移，以有效地實施全彩化之3D列印，不僅可突破傳統單色之3D成型物之技術瓶頸，增加3D成型物之色彩擬真及藝術性，同時更利於推廣全彩化3D列印技術，並使全彩化3D列印技術更為普及化。

本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1‧‧‧紫外光固化液態樹脂成型機

10‧‧‧殼體

10a‧‧‧分離殼體

10b‧‧‧其他殼體

101、101a、101b、101c、101d‧‧‧空室

11‧‧‧光源組件

12‧‧‧液態樹脂

13‧‧‧顏色墨水

14‧‧‧噴墨晶片

141‧‧‧底面

15‧‧‧成型托盤

16‧‧‧三維全彩複合列印裝置

17‧‧‧升降台

18‧‧‧位移機構

19‧‧‧成型物

Claims

一種三維全彩複合列印裝置，包含：複數個殼體，具有至少一分離殼體及一其他殼體，該至少一分離殼體具有至少一個空室，該其他殼體具有複數個空室，且該至少一分離殼體架構於至少一位移機構上，以進行XY方向之平面位移，該其他殼體則分離架構於另一個位移機構上，以進行XY方向之平面位移；一光源組件，設置於該至少一分離殼體之該空室中；一液態樹脂，設置於該其他殼體之其中一該空室中；至少一顏色墨水，每一該顏色墨水分別容設於該其他殼體之其他該空室中；複數個噴墨晶片，每一該噴墨晶片對應設於該其他殼體之一底面，且每一該噴墨晶片均具有複數個噴孔，至少一個該噴墨晶片之該複數個噴孔連通該液態樹脂，且受該噴墨晶片驅動噴出該液態樹脂，其他該噴墨晶片之該複數個噴孔連通該顏色墨水，受該噴墨晶片驅動噴出該顏色墨水；以及一成型托盤，架構於一升降台上，以進行Z方向之位移；其中，該至少一噴墨晶片先噴印該液態樹脂，並沿著一三維成型物之一分層截面輪廓噴印該液態樹脂之液滴於該成型托盤上，再由其他該噴墨晶片噴出該至少一顏色墨水附著於該液態樹脂之液滴上，復由該光源組件所提供光源對已上色之該液態樹脂之液滴照射，以個化成形一單切層，復重覆施作噴印該液態樹脂、該顏色墨水及以該光源照射於該單切層，以構造出該三維成型物之一堆疊層，如此反覆構造出複數感堆疊層，以完成一全彩化之三維成型物。
一種三維全彩複合列印裝置，包含：複數個殼體，具有至少一分離殼體及一其他殼體，該至少一分離殼體具有至少一個空室，該其他殼體具有複數個空室，且該至少一分離殼體架構於至少一位移機構上，以進行XYZ三方向之平面位移，與該其他殼體則分離架構於另一個位移機構上，以進行XYZ三方向之位移；一光源組件，設置於該至少一分離殼體之該空室中；一液態樹脂，設置於該其他殼體之其中一該空室中；至少一顏色墨水，每一該顏色墨水分別容設於該其他殼體之其他該空室中；複數個噴墨晶片，每一該噴墨晶片對應設於該其他殼體之一底面，且每一該噴墨晶片均具有複數個噴孔，至少一個該噴墨晶片之該複數個噴孔連通該液態樹脂，且受該噴墨晶片驅動噴出該液態樹脂，其他該噴墨晶片之該複數個噴孔連通該顏色墨水，受該噴墨晶片驅動噴出該顏色墨水；以及一成型托盤；其中，該至少一噴墨晶片先噴印該液態樹脂，並沿著一三維成型物之一分層截面輪廓噴印該液態樹脂之液滴，再由其他該噴墨晶片噴出該至少一顏色墨水附著於該液態樹脂之液滴上，復由該光源組件所提供光源對已上色之該液態樹脂之液滴照射，以個化成形一單切層，復重覆施作噴印該液態樹脂、該顏色墨水及以該光源照射於該單切層，以構造出該三維成型物之一堆疊層，如此反覆構造出複數感堆疊層，以完成一全彩化之三維成型物。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該複數殼體係由一金屬材質、一塑膠材質、一塑膠包覆金屬材質之至少其中之一種材質所構成。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該光源組件所提供之該光源係為一紫外線光。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該噴墨晶片係為一熱汽泡式噴墨晶片、一壓電式噴墨晶片及一微機電製程製造之噴墨晶片之至少其中之一。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該至少一噴墨晶片係為二個噴墨晶片，分別為一具有三流道之彩色噴墨晶片及一具有單一流道之黑色噴墨晶片。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該至少一噴墨晶片係為二個噴墨晶片，分別為具有二流道之雙色噴墨晶片。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該至少一噴墨晶片係為四個噴墨晶片，分別為四個具有單一流道之單色噴墨晶片。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該至少一噴墨晶片係為六個噴墨晶片，分別為六個具有單一流道之單色噴墨晶片。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該至少一噴墨晶片係為七個噴墨晶片，分別為七個具有單一流道之單色噴墨晶片。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該至少一顏色墨水係為四種顏色墨水，且分別容設於該其他殼體之該至少一空室中。