TWI604101B - 一種撓性材料之三維成型系統及方法 - Google Patents

Description

一種撓性材料之三維成型系統及方法

本發明涉及一種撓性材料之三維成型系统及方法。

3D列印(3D printing，三維成型)是三維快速成型技術之一種，它是一種以數位元元模型檔為基礎，運用粉末狀金屬或塑膠等可黏合材料，藉由逐層列印之方式來構造物體之技術。

3D列印通常是採用數位技術材料印表機來實現。過去其常在模具製造、工業設計等領域被用於製造模型，現正逐漸用於一些產品之直接製造，已經有使用這種技術列印而成之零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建築、工程和施工(AEC)、汽車，航空航太、牙科和醫療產業、教育、地理資訊系統、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。

熔噴非織物工藝是指利用高速熱空氣對從模頭之噴絲孔擠出之聚合物熔體細流進行牽引，由此形成超細纖維並噴射在收集裝置上，進而依靠自身黏合而成為無紡織物。熔噴裝置是進行熔噴操作之主要設備，其主要部件為上述利用熱空氣噴出纖維之模頭元件，模頭元件上設置有包括多個噴絲口之噴絲狹縫，用於纖維之噴出。

然而，現有之熔噴非織物工藝通常以加工纖維材料為主，無 法直接將材料成型為所需之成品；同時，3D列印成型之物體多為剛性物體。因此，目前採用亟需一種可列印撓性材料之撓性材料之三維成型系統及方法。

本發明之目的在於提供一種撓性材料三維成型系統及方法，能夠實現撓性材料之便捷快速列印。

為解決上述問題，本發明提供一種撓性材料三維成型系統，包括：上料機、螺桿擠壓機、計量泵、空氣壓縮機、空氣加熱器、三維成型裝置、熔噴噴嘴、以及固化成型裝置。

上料機用於提供聚合物熔融體。

螺桿擠壓機連通上料機，用於擠壓出聚合物熔融體。

計量泵連接螺桿擠壓機，用於控制聚合物熔融體之數量。

空氣壓縮機用於對空氣進行壓縮。

空氣加熱器連接空氣壓縮機，用於對壓縮後之空氣進行加熱。

三維成型裝置用於一三維立體工件成型，其中三維立體工件係用以支撐撓性材料。

熔噴噴嘴包括連接計量泵之噴絲板以及連接空氣加熱器之氣流孔。噴絲板設置有熔體孔，用於向三維立體工件噴出聚合物熔體細流。氣流孔則用於將聚合物熔體細流牽伸成熔噴纖維以覆蓋在三維立體工件上。

固化成型裝置連接三維立體工件，用於對覆蓋在三維立體工件之熔噴纖維進行固化以生成撓性材料。

進一步的，在上述系統中，更包括一熔體過濾器連接於螺桿擠壓機和計量泵，用於過濾聚合物熔融體中之雜質。

進一步的，在上述系統中，固化成型裝置採用排風、紫外線照射、雷射燒結、水霧冷卻方式進行固化。

進一步的，在上述系統中，噴絲板之數量為一個或多個。

進一步的，在上述系統中，噴絲板之數量為多個時，該些噴絲板係根據一預設幅寬進行組合。

進一步的，在上述系統中，噴絲板上之熔體孔數量為一個或多個。

進一步的，在上述系統中，噴絲板上分佈三排熔體孔，每排熔體孔之數量為2880個。

進一步的，在上述系統中，熔體孔之直徑為0.0635毫米。

進一步的，在上述系統中，撓性材料為撓性聚氨酯材料或撓性橡膠材料。

根據本發明之另一方面，提供一種撓性材料三維成型方法，採用上述撓性材料三維成型系統，該方法包括：利用上料機提供聚合物熔融體至螺桿擠壓機；利用螺桿擠壓機擠壓出聚合物熔融體至計量泵；利用計量泵控制流入熔噴噴嘴之聚合物熔融體之數量；利用三維成型裝置加工支撐撓性材料之三維立體工件；空氣壓縮機向空氣加熱器輸送壓縮後之空氣，空氣加熱器將壓縮後之空氣進行加熱後輸送至氣流孔； 藉由熔噴噴嘴之噴絲板上之熔體孔向三維立體工件噴出聚合物熔體細流，熔噴噴嘴之氣流孔將聚合物熔體細流牽伸成熔噴纖維以覆蓋在三維立體工件上；利用連接三維立體工件之固化成型裝置對覆蓋在該三維立體工件之熔噴纖維進行降溫以生成撓性材料；以及撓性材料成型後，脫模去除三維立體工件。

與現有技術相比，本發明藉由上料機提供聚合物熔融體至螺桿擠壓機；螺桿擠壓機擠壓出該聚合物熔融體至計量泵；計量泵控制聚合物熔融體之數量；三維成型裝置加工三維立體工件，其中三維立體工件係用以支撐撓性材料；空氣壓縮機向空氣加熱器輸送壓縮後之空氣，空氣加熱器將壓縮後之空氣進行加熱後輸送至氣流孔；熔噴噴嘴之噴絲板上之熔體孔向三維立體工件噴出聚合物熔體細流，熔噴噴嘴之氣流孔將聚合物熔體細流牽伸成熔噴纖維以覆蓋在三維立體工件上；與三維立體工件連接之固化成型裝置對覆蓋在三維立體工件之熔噴纖維進行降溫以生成撓性材料；撓性材料成型後，脫模去除三維立體工件，能夠實現撓性材料之便捷快速列印。

另外，本發明藉由結合熔噴工藝技術，從加工成纖維材料再到成品成型，實現了原傳統熔噴工藝之一體化成型。不但提高了傳統工藝之成品效率，更進一步的實現了可定制化成品之生產加工，根據三維立體模型提供之參數，即可加工出尺寸精確之成品。

S1~S8‧‧‧步驟

1‧‧‧上料機

2‧‧‧螺桿擠壓機

3‧‧‧計量泵

4‧‧‧熔噴噴嘴

41‧‧‧噴絲板

411‧‧‧熔體孔

42‧‧‧氣流孔

5‧‧‧三維成型裝置

6‧‧‧三維立體工件

7‧‧‧空氣壓縮機

8‧‧‧空氣加熱器

9‧‧‧固化成型裝置

10‧‧‧熔體過濾器

圖一係繪示本發明於一實施例之撓性材料之三維成型系統 之結構圖。

圖二係繪示本發明於一實施例之撓性材料之三維成型系統之示意圖。

圖三係繪示本發明於一實施例之熔噴噴嘴之結構圖。

圖四係繪示本發明於一實施例之撓性材料之三維成型方法之流程圖。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。

實施例一，如圖一至圖三所示，本發明提供一種撓性材料之三維成型系統，包括：上料機1、螺桿擠壓機2、計量泵3、空氣壓縮機7、空氣加熱器8、三維成型裝置5、熔噴噴嘴4、以及固化成型裝置9。

上料機1用於提供聚合物熔融體。

螺桿擠壓機2連通上料機1，用於擠壓出聚合物熔融體。

計量泵3連接螺桿擠壓機2，用於控制聚合物熔融體之數量。

空氣壓縮機7用於對空氣進行壓縮。

空氣加熱器8連接空氣壓縮機7，用於對壓縮後之空氣進行加熱。

三維成型裝置5用於加工三維立體工件6，其中三維立體工件係用以支撐撓性材料。具體的，三維立體工件6作為支撐撓性材料之接收層；用於成型三維立體工件之材料可以是可溶性材料，如聚乙烯醇PVA。

熔噴噴嘴4包括連接計量泵3之噴絲板41及連接空氣加熱器8 之氣流孔42。噴絲板41設置有熔體孔411，用於向三維立體工件6噴出聚合物熔體細流。氣流孔42則用於將聚合物熔體細流牽伸成熔噴纖維以覆蓋在三維立體工件6上。

固化成型裝置9連接三維立體工件6，用於對覆蓋在三維立體工件6之熔噴纖維進行降溫以生成撓性材料。具體的，熔噴纖維之間藉由互相黏合，熔噴纖維冷卻成網後最終生成撓性材料，如不織布。所生成之撓性材料可以是貼身衣物，也可以是某一產品之外包裝。

優選的，本系統更包括一熔體過濾器10，熔體過濾器10連接於螺桿擠壓機2和計量泵3之間，用於過濾聚合物熔融體中之雜質。

優選的，固化成型裝置9採用排風、紫外線照射、雷射燒結、水霧冷卻方式進行固化。

優選的，三維立體工件6為一三維立體人體模型。具體的，生成之撓性材料包裹住三維立體人體模型以製成高精度之合成衣物。建立人體模型時可以先採用預設模型，然後藉由調整預設模型之局部尺寸或對預設模型進行局部拉伸之方式建立逼真之三維立體人體模型。另外，建立三維立體人體模型時還需要考慮穿脫、材料彈性等因素。

優選的，三維立體工件6為一扁平制衣板。具體的，由於需要生成的是撓性材料，可以在扁平制衣板上按撓性材料如衣物存放時變成扁平狀態進行列印，避免複雜之支撐只需一扁平制衣板，從而加快列印速度。

可選的，熔體孔411之直徑為0.0635毫米。具體的，為了紡制奈米纖維，熔體孔411需要比普通之熔噴設備上之噴絲孔要細得多，可採 用細小到0.0635毫米(即63.5微米)或0.0025英吋(0.0025*2.54cm=0.00635cm)，模組結構之噴絲板41可組合成3米以上之總寬度，這樣紡出之熔噴纖維直徑大約為500奈米，最細之單纖維直徑可達200奈米。

優選的，噴絲板41之數量為一個或多個。噴絲板41之數量為多個時，噴絲板係根據一預設幅寬進行組合。噴絲板41上之熔體孔411數量為一個或多個。噴絲板41上分佈三排熔體孔411，每排熔體孔411數量為2880個。具體的，紡制奈米纖維之噴絲板41由於熔體孔411小，如不採取措施，產量必然大大降低，因此可以增加熔體孔411之孔數，噴絲板41有三排甚至更多排之熔體孔411。本發明可將很多噴絲板41(根據幅寬而定)組合在一起，在紡絲時產量便可大幅提高。實際情況是當採用63.5微米之熔體孔411時，單排每公尺噴絲板之熔體孔411之數量為2880個，如採用三排，則每公尺噴絲板之孔眼數可達到8640孔，這樣其產量就可與紡制普通熔噴纖維相當。由於高密度孔之薄型噴絲板41價格昂貴，且很易碎裂(在高壓強下受熱裂開)，因此採用黏結新技術以增強噴絲板41之牢度，使之不因高壓強之情況下滲漏。

優選的，撓性材料為撓性聚氨酯材料或撓性橡膠材料。

採用本實施例之方案，能夠實現撓性材料之便捷快速列印。另外，本實施藉由結合熔噴工藝技術，從加工成纖維材料再到成品成型，實現了原傳統熔噴工藝之一體化成型。不但提高了傳統工藝之成品效率，更進一步的實現了可定制化成品之生產加工，根據三維立體模型提供之參數，即可加工出尺寸精確之成品。

實施例二，如圖四所示，本發明還提供另一種撓性材料三維 成型方法，採用實施例一之撓性材料三維成型系統，該方法包括：步驟S1，利用上料機提供聚合物熔融體至螺桿擠壓機；步驟S2，利用螺桿擠壓機擠壓出聚合物熔融體至計量泵；步驟S3，利用計量泵控制流入熔噴噴嘴之聚合物熔融體之數量；步驟S4，利用三維成型裝置加工支撐撓性材料之三維立體工件；步驟S5，利用空氣壓縮機向空氣加熱器輸送壓縮後之空氣，空氣加熱器將壓縮後之空氣進行加熱後輸送至氣流孔；步驟S6，藉由熔噴噴嘴之噴絲板上之熔體孔向三維立體工件噴出聚合物熔體細流，熔噴噴嘴之氣流孔將聚合物熔體細流牽伸成熔噴纖維以覆蓋在三維立體工件上；步驟S7，連接三維立體工件之排風機對覆蓋在三維立體工件之熔噴纖維進行降溫以生成一撓性材料；步驟S8，撓性材料成型後，脫模去除三維立體工件。

實施例二之其它詳細內容具體可參見實施例一之相應部分，在此不再贅述。

綜上所述，本發明能夠實現撓性材料之便捷快速列印。另外，本發明藉由結合熔噴工藝技術，從加工成纖維材料再到成品成型，實現了原傳統熔噴工藝之一體化成型。不但提高了傳統工藝之成品效率，更進一步的實現了可定制化成品之生產加工，根據三維立體模型提供之參數，即可加工出尺寸精確之成品。

本說明書中各個實施例採用遞進之方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例之不同之處，各個實施例之間相同相似部分互 相參見即可。對於實施例公開之系統而言，由於與實施例公開之方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

專業人員還可以進一步意識到，結合本文中所公開之實施例描述之各示例之單元及演算法步驟，能夠以電子硬體、電腦軟體或者二者之結合來實現，為了清楚地說明硬體和軟體之可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例之組成及步驟。這些功能究竟以硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案之特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定之應用來使用不同方法來實現所描述之功能，但是這種實現不應認為超出本發明之範圍。

顯然，本領域之技術人員可以對發明進行各種改動和變型而不脫離本發明之精神和範圍。這樣，倘若本發明之這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術之範圍之內，則本發明也意圖包括這些改動和變型在內。

1‧‧‧上料機

2‧‧‧螺桿擠壓機

3‧‧‧計量泵

4‧‧‧熔噴噴嘴

5‧‧‧三維成型裝置

6‧‧‧三維立體工件

7‧‧‧空氣壓縮機

8‧‧‧空氣加熱器

9‧‧‧固化成型裝置

10‧‧‧熔體過濾器

Claims (10)

1. 一種撓性材料之三維成型系統，包括：一上料機，用於提供一聚合物熔融體；一螺桿擠壓機，連通該上料機，用於擠壓出該聚合物熔融體；一計量泵，連接該螺桿擠壓機，用於控制該聚合物熔融體之數量；一空氣壓縮機，用於對空氣進行壓縮；一空氣加熱器，連接該空氣壓縮機，用於對壓縮後之空氣進行加熱；一三維成型裝置，用於加工一三維立體工件，其中該三維立體工件係用以支撐該撓性材料；一熔噴噴嘴，包括連接該計量泵之一噴絲板及連接該空氣加熱器之一氣流孔，其中該噴絲板設置有一熔體孔，用於向該三維立體工件噴出一聚合物熔體細流，該氣流孔則用於將該聚合物熔體細流牽伸成一熔噴纖維以覆蓋在該三維立體工件上；以及一固化成型裝置，連接該三維立體工件，用於對覆蓋在該三維立體工件之該熔噴纖維進行固化以生成該撓性材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之撓性材料之三維成型系統，更包括：一熔體過濾器，連接該螺桿擠壓機和該計量泵，用於過濾於該聚合物熔融體中之雜質。
3. 如申請專利範圍第1項所述之撓性材料之三維成型系統，其中該固化成型裝置採用排風、紫外線照射、雷射燒結、水霧冷卻方式進行固化。
4. 如申請專利範圍第1項所述之撓性材料之三維成型系統，其中該噴絲板之數量為一個或多個。
5. 如申請專利範圍第4項所述之撓性材料之三維成型系統，其中該噴絲板之數量為多個時，該些噴絲板係根據一預設幅寬進行組合。
6. 如申請專利範圍第4項所述之撓性材料之三維成型系統，其中該噴絲板上之該熔體孔數量為一個或多個。
7. 如申請專利範圍第6項所述之撓性材料之三維成型系統，其中該噴絲板上分佈三排該熔體孔，每排該熔體孔之數量為2880個。
8. 如申請專利範圍第1項所述之撓性材料之三維成型系統，其中該熔體孔之直徑為0.0635毫米。
9. 如申請專利範圍第1項所述之撓性材料之三維成型系統，其中該撓性材料為撓性聚氨酯材料或撓性橡膠材料。
10. 一種撓性材料之三維成型方法，包括下列步驟：提供一聚合物熔融體；控制流入一熔噴噴嘴之該聚合物熔融體之數量；利用一三維成型裝置形成一三維立體工件；藉由該熔噴噴嘴向該三維立體工件噴出一聚合物熔體細流，並將該聚合物熔體細流牽伸成一熔噴纖維以覆蓋在該三維立體工件上；以及對該熔噴纖維進行降溫以生成一撓性材料。