TWI603835B - 彩色立體列印裝置及其方法 - Google Patents

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Description

彩色立體列印裝置及其方法
本發明係有關於一種立體列印裝置及其方法，特別是有關一種彩色立體列印裝置及其方法。
隨著科技的進步，以及製造技術的演進，許多工件的製造時程與精度都不斷的提升。而傳統的切削加工，鑄造成型等技術，已無法完全解決各種工件的生產需求，特別是形狀特殊，或者內部有空孔的工件。然而，3D列印技術(立體列印)的發展，卻給這些製造的難題帶來了一線生機。而立體列印技術，不但可以提供快速模型成型，對於某些工件，甚至可以直接提供足夠精度的成品或半成品成型。
其實3D列印技術已經行之有年。從選擇性雷射燒結成型(Selective Laser Sintering，SLS)、三維粉末黏結(3DP)、分層實體製造(Laminated Object Manufacturing,LOM)到目前主流的熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)，乃至於最新的光固化(DLP)技術，都已經成功地開發，並投入生產。目前立體列印技術，利用熔化或軟化可塑性材料的方法來製造列印的「墨水」，主要以塑料，金屬，陶瓷為主。然而，工件本體大部分都是單一材質，單一顏色，雖然有些列印技術可以使用多種材料進行列印，但是每種材料僅具有一種顏色。因此，若欲利用立體列印成型 彩色的工件，則會變得非常繁瑣與複雜。
本發明的觀點之一就在於提供一種彩色立體列印的裝置與方法，可以使得單一材質具有不同之顏色。而可以成型彩色立體工件。
根據本發明的某些實施例，提供一種彩色立體列印裝置，適用於一彩色立體工件之列印。彩色立體列印裝置包括：一列印台，一列印頭，一熱熔性材料供應模組，一電腦輔助設計/製造模組及一控制模組。列印頭至少具有一擠型噴嘴，及一加熱模組。熱熔性材料供應模組連接列印頭，以提供一熱熔性材料至列印頭，其中熱熔性材料係根據不同溫度而具有不同顏色。電腦輔助設計/製造模組用以建立彩色立體工件之一實體模型，實體模型至少由多個點及每一點所對應的一色彩所組成。控制模組，連接電腦輔助設計/製造模組，列印台及列印頭。控制模組具有一溫度/色彩對應表，控制模組依照一預定順序，自電腦輔助設計/製造模組讀取實體模型中多個點其中之一的座標與此點對應之色彩。控制模組依照此點之座標控制列印台與列印頭之位置，並依據色彩及該溫度/色彩對應表，以控制加熱模組加熱熱熔性材料，並由擠型噴嘴擠出熱熔性材料。
根據本發明的某些實施例，其中預定順序係設定於電腦輔助設計/製造模組中，而預定順序係由實體模型在一第一軸向分割成多個層的一第一順序，每一層在一第二軸向分割成多條線的一第二順序，以及每一條線在一第三軸向的多個點的一第三順序所組成。而溫度/色彩對應表係記錄熱熔性材料對應不同之色彩所需的加熱溫度。
根據本發明的某些實施例，其中溫度/色彩對應表係記錄熱 熔性材料對應不同之色彩所需的加熱溫度及加熱時間。控制模組更依據色彩及溫度/色彩對應表，以控制加熱模組加熱熱熔性材料的溫度及時間。
根據本發明的某些實施例，熱熔性材料供應模組中之熱熔性材料係成絲狀，且列印頭更包括一擠壓模組，以自熱熔性材料供應模組接收絲狀之熱熔性材料，並施以一擠壓力量至列印頭之加熱模組與擠型噴嘴。
根據本發明的某些實施例，列印台適於在第一軸向上移動，且列印頭適於在第二軸向及第三軸向上移動。熱熔性材料為熱塑型色彩不可逆塑膠。
根據本發明的某些實施例，提供一種彩色立體列印方法，適用於一彩色立體列印裝置進行一彩色立體工件之列印，其中彩色立體列印裝置至少包括一列印台及一列印頭。彩色立體列印方法包括：建立彩色立體工件之一實體模型，其中實體模型至少由多個點及每一個點所對應的一色彩所組成。建立一溫度/色彩對應表，記錄一熱熔性材料對應不同色彩所需之加熱溫度，並依照一預定順序，讀取多個點其中之一的座標與此點對應之色彩，而依照此點之座標控制列印台與列印頭之位置，並依據色彩及溫度/色彩對應表，以加熱熱熔性材料，並由列印頭擠出熱熔性材料。
藉由上述的裝置與方法，可以利用單一材質，控制其成型前的加熱溫度，以改變其色彩，而列印出彩色立體工件。
100‧‧‧彩色立體列印裝置
110‧‧‧列印台
112‧‧‧彩色立體工件
120‧‧‧列印頭
122‧‧‧擠型噴嘴
124‧‧‧加熱模組
126‧‧‧擠壓模組
128A，128B‧‧‧滾輪
129‧‧‧擠壓力量
130‧‧‧熱熔性材料供應模組
132，134‧‧‧絲狀熱熔性材料
210‧‧‧第一軸向
220‧‧‧第二軸向
230‧‧‧第三軸向
310‧‧‧電腦輔助設計/製造模組
320‧‧‧控制模組
400‧‧‧流程圖
410，420，430，440，450，460‧‧‧步驟
圖一繪示根據本發明實施例，一種彩色立體列印裝置中列印頭的剖面示意圖。
圖二繪示根據本發明實施例，一種彩色立體列印裝置的立體 示意圖。
圖三繪示根據本發明實施例，一種彩色立體列印裝置的方塊圖。
圖四繪示根據本發明實施例，一種彩色立體列印方法的流程圖。
關於本發明的優點，精神與特徵，將以實施例並參照所附圖式，進行詳細說明與討論。值得注意的是，為了讓本發明能更容易理解，後附的圖式僅為示意圖，相關尺寸並非以實際比例繪示。
為了讓本發明的優點，精神與特徵可以更容易且明確地了解，後續將以實施例並參照所附圖式進行詳述與討論。值得注意的是，這些實施例僅為本發明代表性的實施例，其中所舉例的特定方法，裝置，條件，材質等並非用以限定本發明或對應的實施例。
以熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)為例，一般會將要成型的工件，建立一實體模型(Solid Model)，比如在一個電腦輔助設計/製造模組(CAD/CAM module)中建立。且將此實體模型分為一層層極薄的截面，舉例而言，比如在第一軸向上(例如Z軸)分割成一層層的截面。然後，生成控制列印頭移動軌跡的二維幾何訊息，比如在第二軸向(例如X軸)上先分割成一條條的線段(垂直於X軸)，然後每一個線段在第三軸向(例如Y軸)上的所有點可以依照一定的順序排列，比如從Y最大值到最小值的順序，藉此就可以形成列印頭移動的二維軌跡。列印頭把熱熔性材料(ABS樹脂、尼龍、蠟等)加熱到臨界狀態，呈現半流體性質，在控制模組下， 沿確定的二維幾何訊息運動軌跡，列印頭將半流動狀態的材料擠壓出來，凝固形成輪廓形狀的薄層。當一層完畢後，透過垂直升降系統將列印台降下新形成層，進行固化。這樣層層堆積粘結，自下而上形成一個工件的立體實體。
請參照圖一，其繪示根據本發明實施例，一種彩色立體列印裝置中列印頭的剖面示意圖。在本發明的某些實施例中，彩色立體列印裝置100主要包括一列印台110，一列印頭120及一熱熔性材料供應模組130。列印台110用以承載欲成型的彩色立體工件112，並可以依需要上下移動位置。列印頭120更包括一擠型噴嘴122(extrusion nozzle)，一加熱模組124，及一擠壓模組126。而熱熔性材料供應模組130，用以提供一熱熔性材料132，比如為一絲狀熱熔性材料，或一絲狀塑料。在本發明的某些實施例中，彩色立體列印裝置中的熱熔性材料供應模組130將絲狀熱熔性材料132提供給列印頭120，列印頭120中的擠壓模組126，比如藉由二個滾輪128A，128B對於絲狀熱熔性材料132提供一擠壓力量129，並且可以精確控制絲狀熱熔性材料132的擠出量。而加熱模組124會依照控制模組(未繪示)的指令，而加熱來自擠壓模組126的絲狀熱熔性材料132，到達指定的溫度，並持續一指定的時間，而改變絲狀熱熔性材料132的顏色。變色後的絲狀熱熔性材料132，經由擠型噴嘴122擠出所需尺寸的絲狀熱熔性材料134，其中絲狀熱熔性材料134的尺寸小於絲狀熱熔性材料132的尺寸，以提高立體列印的解析度。而列印頭120亦會控制模組的指令，水平移動至指定位置，擠出所需色彩的熱熔性材料。
在本發明的某些實施例中，上述的絲狀熱熔性材料132為熱 塑型色彩不可逆塑膠，也就是一種可以依據加熱溫度及/或時間不同，而改變色彩，並且不可逆的一種塑膠。舉例來說，熱塑型色彩不可逆塑膠可以是由石家莊納倫化工科技有限公司所生產的多變色不可逆示溫塑膠(型號SW-M-1)，其精細度小於30微米，其溫度與對應顏色如下：原色墨綠色，400℃-墨綠紅，450℃-磚紅色，500℃-醬紫色，550℃-淡灰綠色，600℃-芽綠色，其變色誤差為±20℃，恆溫時間約為10分鐘。此種塑膠可以依照不同的加熱溫度而呈現不同的顏色，所以可以用來成型彩色立體工件。然而，本發明所用的熱熔性材料並不限於上述材料，可以是其他具有類似性質的材料，特別是恆溫時間很短暫，變色溫差更小的熱熔性材料。熟習此技藝者應知，本發明的列印頭組成並不限於上述的方式，立體列印的方法也不限於熔融沉積成型，任何可以控制熔融溫度的立體列印方法，都可以應用於本發明中，諸如選擇性雷射燒結，電子束融化成型等。而本發明的彩色立體列印裝置及方法，將更進一步說明如後。
請同時參照圖二及圖三，圖二繪示根據本發明實施例，一種彩色立體列印裝置的立體示意圖。圖三繪示根據本發明實施例，一種彩色立體列印裝置的方塊圖。在本發明的某些實施例中，本發明的彩色立體列印裝置及方法，首先對於欲列印的彩色立體工件，利用電腦輔助設計/製造模組310(圖三)建立3D實體模型。舉例而言，可以利用電腦輔助設計/製造軟體如Pro/E、SolidWorks、Unigraphics、AutoCAD等建立，或者透過其他方式如雷射掃描、電腦斷層掃描，得到點雲端資料後，也得建立相應的3D實體模型。值得注意的是，本發明中針對欲列印的彩色立體工件所建立的3D實體模型，除了記錄相關的幾何資料外，還包括實體模型中每一個點座標 所對應的色彩資料。
接著會利用電腦輔助設計/製造模組310(圖三)進行實體模型的離散處理：由於實體模型往往有一些不規則的自由曲面，加工前要對模型進行近似處理，比如曲線是無法完全實作的，實際製造時需要近似為極細小的直線段來模擬，以方便後續的資料處理工作。由於STL格式檔案格式簡單實用，目前已經成為最常用的檔案標準，用以和列印裝置進行對接。它將複雜的模型用一系列的微小三角形平面來近似模擬，每個小三角形用3個頂點坐標和一個法向量來描述，三角形的大小的選擇則決定了這種模擬的精度。
接著利用電腦輔助設計/製造模組310(圖三)進行實體模型的分層處理：需要依據實體模型的特徵選擇合適的列印方向，比如應當將較大面積的部分放在下方。隨後成型的第一軸向210(比如高度方向Z)上用一系列固定間隔的平面切割被離散過的實體模型，以便提取截面的輪廓訊息。間隔可以小至亞毫米級，間隔越小，列印精度越高，但列印時間也越長。然後，生成控制列印頭120移動軌跡的二維幾何訊息，比如在第二軸向220(例如x軸)上先分割成一條條的線段(垂直於X軸)，然後每一個線段在第三軸向230(例如Y軸)上的所有點可以依照一定的順序排列，比如從Y最大值到最小值的順序，藉此就可以形成列印頭120移動的二維軌跡。上述第一軸向210的各個截面，比如由下方至上方構成第一順序，第二軸向220的各個線段，比如X最小值到最大值，構成第二順序，第三軸向230的各個點，比如從Y最大值到最小值，構成第三順序。由第三順序的各個點，依序可以形成各線段，由第二順序連接各個線段可以形成各截面的輪廓，由第一順序將各 個截面連接即可以構成彩色立體工件的實體模型。
如圖三所示，控制模組320可以依照第三順序，第二順序，第一順序，依序自電腦輔助設計/製造模組310取得各點的座標及色彩資料，進而控制熱熔性材料供應模組130，列印頭120及列印台110進行彩色立體列印。控制模組320並依照所使用的熱熔性材料，內建一溫度/色彩對應表，記錄熱熔性材料對應不同之色彩所需的加熱溫度及加熱時間。控制模組320控制素料供應模組130提供適當的熱熔性材料132(圖二)給列印頭120，並依據取得的點座標控制列印頭120的第二軸向(X軸)及第三軸向(Y軸)的位置，並控制列印台110的第一軸向(Z軸)位置。且控制模組320根據色彩資料，及溫度/色彩對應表，控制加熱模組124對熱熔性材料132進行加熱的溫度，並藉由加熱模組124與擠型噴嘴122控制加熱時間，使得熱熔性材料132達到所需的色彩，然後再控制擠型噴嘴122在對應位置擠出熱熔性材料。依序列印出的點會構成線，進而構成面，並依序形成各截面的輪廓，最後疊加成彩色立體工件。
然而，熟習該技術者應知，上述的列印方式與順序，僅為其中一實例，並非用以限制本發明，其他各種列印順序都應在本發明的精神範圍內，比如每個截面的列印順序，可以依照相同色彩的點依序進行列印，比如先列印紅色點，再列印綠色點，再列印黃色點等。再者，控制模組控制列印位置的方式，並非限定上述方式，亦可以控制列印台在X，Y軸方向移動，而列印頭在Z方向移動，端依照列印裝置之設計而可以任意變更。
另外，列印頭並非限定只有一個，也可以多個列印頭，分別列印不同的熱熔性材料以形成不同色彩，或者熱熔性材料供應模組不只一 個，可以提供多種基色之熱熔性材料。而列印頭除了列印彩色立體工件外，也可依需求列印某些截面所需的支撐件，以增加列印截面疊加時的穩定度。
請參照圖四，其繪示根據本發明實施例，一種彩色立體列印方法的流程圖400。綜合上述的說明，本發明的彩色立體列印方法包括下列步驟。步驟410，建立彩色立體工件的實體模型，其中實體模型至少由多個點及每一個點所對應的色彩所組成。步驟420，建立一溫度/色彩對應表，依據所使用的熱熔性材料，記錄熱熔性材料對應不同色彩所需之加熱溫度及/或時間。步驟430，依照一預定順序(比如前述的第三順序，第二順序及第一順序)，讀取各點的座標與對應之色彩。步驟440，依照點之座標控制列印台與列印頭之位置。步驟450，並依據色彩及溫度/色彩對應表，以加熱熱熔性材料(透過加熱模組)。步驟460，待熱熔性材料達成所需色彩，並由列印頭擠出熱熔性材料，進行立體列印。
藉由本發明的裝置與方法，可以利用單一材質，控制其成型前的加熱溫度及/或時間，以改變其色彩，而列印出彩色立體工件。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
400‧‧‧流程圖
410，420，430，440，450，460‧‧‧步驟

Claims (9)

  1. 一種彩色立體列印裝置，適用於一彩色立體工件之列印，包括：一列印台；一列印頭，至少具有一擠型噴嘴，及一加熱模組；一熱熔性材料供應模組，連接該列印頭，以提供一熱熔性材料至該列印頭，其中該熱熔性材料係根據不同溫度而具有不同顏色；一電腦輔助設計/製造模組，用以建立該彩色立體工件之一實體模型，該實體模型至少由複數個點及每一該些點所對應的一色彩所組成；以及一控制模組，連接該電腦輔助設計/製造模組，該列印台及該列印頭，該控制模組具有一溫度/色彩對應表，該控制模組依照一預定順序，自該電腦輔助設計/製造模組讀取該些點其中之一的座標與該點對應之該色彩，該控制模組依照該點之座標控制該列印台與該列印頭之位置，並依據該色彩及該溫度/色彩對應表，以控制該加熱模組加熱該熱熔性材料，並由該擠型噴嘴擠出該熱熔性材料；其中該溫度/色彩對應表更記錄該熱熔性材料對應不同之色彩所需的加熱時間，其中該預定順序係設定於該電腦輔助設計/製造模組中，該預定順序係由該實體模型在一第一軸向分割成複數個層的一第一順序，每一該些層在一第二軸向分割成複數條線的一第二順序，以及每一該些線在一第三軸向的該些點的一第三順序，並依據該第三順序、該第二順序及該第一順序之階層順序排列所組成。
  2. 如請求項1所述之彩色立體列印裝置，其中該溫度/色彩對應表係記錄該 熱熔性材料對應不同之色彩所需的加熱溫度。
  3. 如請求項1所述之彩色立體列印裝置，其中該控制模組更依據該色彩及該溫度/色彩對應表，以控制該加熱模組加熱該熱熔性材料的溫度及時間。
  4. 如請求項1所述之彩色立體列印裝置，其中在該熱熔性材料供應模組中，該熱熔性材料係成絲狀，且該列印頭更包括一擠壓模組，以自該熱熔性材料供應模組接收絲狀之該熱熔性材料，並施以一擠壓力量，至該列印頭之該加熱模組與該擠型噴嘴。
  5. 如請求項1所述之彩色立體列印裝置，其中該列印台適於在該第一軸向上移動，且該列印頭適於在該第二軸向及該第三軸向上移動。
  6. 如請求項1所述之彩色立體列印裝置，其中該熱熔性材料為熱塑型色彩不可逆塑膠。
  7. 一種彩色立體列印方法，適用於一彩色立體列印裝置進行一彩色立體工件之列印，其中該彩色立體列印裝置至少包括一列印台及一列印頭，該彩色立體列印方法包括：建立該彩色立體工件之一實體模型，其中該實體模型由一電腦輔助設計/製造模組建立，且至少由複數個點及每一該些點所對應的一色彩所組成；建立一溫度/色彩對應表，記錄一熱熔性材料對應不同色彩所需之加熱溫度；依照一預定順序，自該電腦輔助設計/製造模組讀取該些點其中之一的座標與該點對應之該色彩；依照該點之座標控制該列印台與該列印頭 之位置，並依據該色彩及該溫度/色彩對應表，以加熱該熱熔性材料，並由該列印頭擠出該熱熔性材料；其中該溫度/色彩對應表更記錄該熱熔性材料對應不同之色彩所需的加熱時間，更依據該色彩及該溫度/色彩對應表，以控制該熱熔性材料的加熱時間，其中該預定順序係由該實體模型在一第一軸向分割成複數個層的一第一順序，每一該些層在一第二軸向分割成複數條線的一第二順序，以及每一該些線在一第三軸向的該些點的一第三順序，並依據該第三順序、該第二順序及該第一順序之階層順序排列所組成。
  8. 如請求項7所述之彩色立體列印方法，其中該列印台適於在該第一軸向上移動，且該列印頭適於在該第二軸向及該第三軸向上移動。
  9. 如請求項7所述之彩色立體列印方法，其中該熱熔性材料為熱塑型色彩不可逆塑膠。
TW103117472A 2014-02-17 2014-05-19 彩色立體列印裝置及其方法 TWI603835B (zh)

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