TWI607859B - 多材料積層製造複合基材建構之方法及其裝置 - Google Patents

Description

多材料積層製造複合基材建構之方法及其裝置

本發明係提供一種多材料積層製造複合基材建構之方法及其裝置，尤指一種可於一建構層中建構相異固化強度、材質或顏色之基材者。

按，電腦輔助製造（Computer Aided Manufacturing, CAM）之技術已漸成熟，各領域業者紛投入快速原型（Rapid Prototyping，RP）之技術研發，目前已逐漸替代習知手工模型製作、CNC銑製或雕刻機雕刻技術，快速原型技術係以層加工為基礎，藉以達到快速、全自動且不受造型限制之原型製作，而隨技術層次之提升，快速原型技術更逐漸演變為快速製造（Rapid Manufacturing，RM），而後經美國材料與試驗協會（American Society for Testing and Materials, ASTM）正名為積層製造（Additive Manufacturing, AM）。

積層製造具有迅速、節能、客製化、減少原物料浪費、提升成品精度等優點，並隨相關材料技術之發展，積層製造亦可用以製成高分子及各式金屬之成品，並可廣泛應用於民生產品、藝術、工業模具、交通運輸及航太等領域，故積層製造被譽為製造之革命性技術；而積層製造之方法所在多有，諸如：光固化樹脂成型（Stereo Lithography Apparatus, SLA）、雷射燒結粉末（Selective laser sintering, SLS）、分層實體製造（Laminated objet manufacturing, LOM）、多噴頭成型（Multi jet modeling, MJM）、彩色噴頭列印（Color Jet Printing, CJP）、溶融沈積成形（Fused deposition modeling, FDM）、數位投影技術（Digital Light Processing, DLP）及薄膜影像轉換（Film transfer image, FTI）。

然而，習知使用粉末為基材之積層製造中，多數者，皆係以單一基材質皆製成成品，或係將所需之多種基材經均勻混合後，以混合後之基材以建構為成品，故成品整體每一部分之材料性質皆完全相同，故其並無法製成僅需於部分結構中使用相異材質之成品，因此，若所需之成品係需使用相異材質之部件組成，或部分結構需使用相異固化強度之材質予以補強，則有無法製成之疑慮，故導致其製成之成品種類受到極大之限制。

習知雖另提供一種複合材料之建構方法，其僅係於相異之物件切層中使用相異之基材製成者，然而於同一物件切層中每一部分之基材仍皆為相同，因此重覆堆疊成型後，僅能成型相異材質之層狀結構，故所製成之成品仍將受限。

習知另提供一種全彩之三位列印裝置，其係於每一建構層於鋪設基材後，透過墨水或色料予以上色後，方進行固化形成物件切層，然而其僅係於同一物件切層中改變其顏色，仍無法於同一物件切層中建構出相異固化強度或材質之基材，故其適用性仍有所限制。

有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究積層製造之方法，並著手進行研發及改良，期以一較佳發明以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世。

爰是，為達致以上目的，吾等發明人提供一種多材料積層製造複合基材建構之方法，其步驟包含：（a）於至少一建構層分別界定一物件切層輪廓及至少一材料複合輪廓；（b）於一建構平台鋪設涵蓋於所述物件切層輪廓之一基材，以形成該其一所述建構層；（c）移除該其一所述建構層中位於所述材料複合輪廓之部分，以於該其一所述建構層形成對應所述材料複合輪廓之缺口；（d）於對應所述缺口填補相異之基材；以及（e）對應固化該其一所述建構層中位於該物件切層輪廓之部分。

據上所述之多材料積層製造複合基材建構之方法，其中，所述基材三維列印粉末。

據上所述之多材料積層製造複合基材建構之方法，其中，所述基材係受光固化、雷射燒結或噴印膠黏劑以固化成型者。

據上所述之多材料積層製造複合基材建構之方法，其中，相異之所述基材間，係具有相異之固化強度、材質或顏色者。

據上所述之多材料積層製造複合基材建構之方法，其中，該步驟（c）係藉由負壓吸取以移除位於所述材料複合輪廓之部分者。

據上所述之多材料積層製造複合基材建構之方法，其步驟更包含：（f）重複步驟（a）至步驟（e），以將所述建構層中，受固化之物件切層輪廓之部分堆疊成型為一物件。

本發明另提供一種多材料積層製造複合基材建構之裝置，其包含：一建構平台；一第一供料裝置，其係連結並供料於該建構平台；一移除裝置，其係連結於該建構平台，且該移除裝置係於該第一供料裝置供料後，對應移除一材料複合輪廓之範圍；一第二供料裝置，其係連結於該建構平台，且該第二供料裝置係於該移除裝置抽取之範圍進行供料；以及一固化裝置，其係連結於該建構平台；該固化裝置係於該第二供料裝置供料後，於該建構平台對應固化一物件切層輪廓之範圍。

據上所述之多材料積層製造複合基材建構之裝置，更包含一出料裝置，其設有一抽取通道及一供料通道，該抽取通道係連接於該移除裝置，且該移除裝置係透過負壓以經由該抽取通道進行抽取；而該第二供料裝置係連結於該供料通道，並藉由該供料通道進行供料者。

據上所述之多材料積層製造複合基材建構之裝置，其中，該第一供料裝置係用以輸出第一基材，而該第二供料裝置係輸出第二基材，且該第一基材及該第二基材為相異之三維列印粉末。

據上所述之多材料積層製造複合基材建構之裝置，其中，該固化裝置為光固化元件、雷射單元或膠黏劑噴印單元。

是由上述說明及設置，顯見本發明主要具有下列數項優點及功效，茲逐一詳述如下：

1.本發明藉由於一建構層中鋪設一基材後，可將欲成型相異基材之部分予以移除形成缺口，再於缺口中填補相異之基材，故本發明確實可在同一建構層中之相異部分使用數種相異之基材，諸如：相異之固化強度、材質或顏色之基材，進而可製成由相異材質、顏色或結構強度之部件組成之物件成品；顯見，本發明確實可依需求而成型多材料複合之物件成品，使物件成品之種類及結構不受限制，進而可提升積層製造之適用性者。

2.本發明係藉由出料裝置之抽取通道以負壓抽取移除建構層中之物件切層輪廓，而另一方面出料裝置亦藉由供料通道填補相異之基材於物件切層輪廓中，故出料裝置於單次依據材料複合輪廓之移動路徑中，即可完成相異基材之填補，藉可增進本發明整體之建構效率者。

關於吾等發明人之技術手段，茲舉數種較佳實施例配合圖式於下文進行詳細說明，俾供 鈞上深入了解並認同本發明。

請先參閱第1圖至第6圖所示，本發明係一種多材料積層製造複合基材建構之裝置，其包含：

一建構平台1；

一第一供料裝置2，其係連結並供料於該建構平台1；該第一供料裝置2係用以輸出第一基材21；

一移除裝置3，其係連結於該建構平台1，且該移除裝置3係於該第一供料裝置2供料後，對應移除一材料複合輪廓4之範圍；

一第二供料裝置5，其係連結於該建構平台1，且該第二供料裝置5係於該移除裝置3抽取之範圍進行供料；該第二供料裝置5係輸出第二基材51，且第二基材51係於固化強度、顏色或材質上相異於第一基材21；

一固化裝置6，其係連結於該建構平台1；該固化裝置6係於該第二供料裝置5供料後，於該建構平台1對應固化一物件切層輪廓7之範圍。

本實施例中，第一基材21及第二基材51可為三維列印粉末，故該固化裝置6可為光固化元件、雷射單元或膠黏劑噴印單元，已分別藉由光照固化、雷射燒結，或透過膠黏劑反應黏結，而予以固化第一基材21或第二基材51。

本發明之多材料積層製造複合基材建構之方法，如第1圖所示，其具體實施步驟包含：

步驟S001：本發明係於建構前，係可透過電腦輔助繪圖已建立欲成型多材料複合之物件成品81模型，並如第2圖所示，於物件成品81模型界定每一物件切層8之平面外輪廓為一物件切層輪廓7，並予以分析每一物件切層輪廓7中是否具有需建構二種以上之基材，本實施例係以二種相異之基材舉例說明，惟並不以此做為限定；而於需在一物件切層輪廓7中建構二種以上之基材質之情形下，則需更進一步選定其一基材為第一供料裝置2所欲鋪設之第一基材21，而相異之基材則係為由第二供料裝置5輸出之第二基材51；而所需鋪設第二基材51之部分，即係所界定之材料複合輪廓4；而每一物件切層輪廓7及材料複合輪廓4之範圍，皆係被界定位於建構平台1中之每一可成型物件切層8之建構層11內。

步驟S002：如第3圖所示，於鋪設第一基材21時，即係直接由第一供料裝置2，直接將第一基材21鋪設於該建構平台1以形成其一所述建構層11，而建構層11將如前所述，涵蓋於所述物件切層輪廓7。

步驟S003：透過移除裝置3以移除該其一所述建構層11中位於所述材料複合輪廓4之部分，藉以於該其一所述建構層11形成對應所述材料複合輪廓4之缺口111；於本實施例中，移除裝置3為一負壓裝置，藉可透過負壓吸取之方式以利於將所欲移除之部分予以吸取並回收利用。

步驟S004：第二供料裝置5即於所述缺口111對應填補第二基材51；

在一實施例中，係如第4圖及第5圖所示，更包含一出料裝置9，其設有一抽取通道91及一供料通道92，該抽取通道91係連接於該移除裝置3，且該移除裝置3係透過負壓以經由該抽取通道91進行抽取；而該第二供料裝置5係連結於該供料通道92，並藉由該供料通道92進行供料者；藉以令第二供料裝置5係可於移除裝置3於移除之時隨即供料，使出料裝置9於單次依據材料複合輪廓4之移動路徑中，即可完成如第6圖所示之相異基材之填補，惟並不以此作為限定，在另一實施例中，亦可於移除裝置3完全移除所述材料複合輪廓4之部分後，方予以填補第二基材51。

步驟S005：如第7圖所示，固化裝置6即可透過光照固化、雷射燒結，或透過輸出膠黏劑令第一基材21及第二基材51反應黏結，本實施例係以雷射燒結舉例說明；而固化裝置6固化之輸出範圍，即為建構層11中位於該物件切層輪廓7之部分，此即可建構出欲成型物件成品81之其一物件切層8，而切層即涵蓋受固化之第一基材21及第二基材51。

步驟S006：而後，建構平台1即可下降，並重複步驟S002至步驟S005，以將所述建構層11中，受固化之物件切層輪廓7而形成物件切層8之部分逐漸予以堆疊而成型為如第8圖所示之物件成品81。

本發明需另特別說明的是，在另一實施例中，亦可用以於一建構層11中，建構三以上相異之基材，此時，於步驟S001中，所述材料複合輪廓4即係除第一基材21外之基材的範圍，而每一材料複合輪廓4較佳者係需對應於相異之基材；而於步驟S004中，出料裝置9係可具有數量為所需相異基材數量減一之抽取通道91，而於每一抽取通道91皆係用以輸出相異之基材，藉以分別依據材料複合輪廓4而輸出其分別所對應之基材，藉此即可於同一建構層11中，建構出具有相異基材之物件切層8。

綜上所述，本發明所揭露之技術手段確能有效解決習知等問題，並達致預期之目的與功效，且申請前未見諸於刊物、未曾公開使用且具長遠進步性，誠屬專利法所稱之發明無誤，爰依法提出申請，懇祈 鈞上惠予詳審並賜准發明專利，至感德馨。

惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧建構平台
11‧‧‧建構層
111‧‧‧缺口
2‧‧‧第一供料裝置
21‧‧‧第一基材
3‧‧‧移除裝置
4‧‧‧材料複合輪廓
5‧‧‧第二供料裝置
51‧‧‧第二基材
6‧‧‧固化裝置
7‧‧‧物件切層輪廓
8‧‧‧物件切層
81‧‧‧物件成品
9‧‧‧出料裝置
91‧‧‧抽取通道
92‧‧‧供料通道
S001-S006‧‧‧步驟

第1圖係本發明之流程圖。 第2圖係本發明界定物件切層之物件切層輪廓及材料複合輪廓之示意圖。 第3圖係本發明第一供料裝置供料於建構平台之剖視示意圖。 第4圖係本發明出料裝置抽取並供料於建構平台之立體示意圖。 第5圖係本發明出料裝置抽取並供料於建構平台之剖視示意圖。 第6圖係本發明於填補相異基材後之立體示意圖。 第7圖係本發明固化裝置固化物件切層輪廓之剖視示意圖。 第8圖係本發明物件成品之示意圖。

S001-S006‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種多材料積層製造複合基材建構之方法，其步驟包含： （a）於至少一建構層分別界定一物件切層輪廓及至少一材料複合輪廓； （b）於一建構平台鋪設涵蓋於所述物件切層輪廓之一基材，以形成該其一所述建構層； （c）移除該其一所述建構層中位於所述材料複合輪廓之部分，以於該其一所述建構層形成對應所述材料複合輪廓之缺口； （d）於對應所述缺口填補相異之基材；以及 （e）對應固化該其一所述建構層中位於該物件切層輪廓之部分。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多材料積層製造複合基材建構之方法，其中，所述基材三維列印粉末。
3. 如申請專利範圍第2項所述之多材料積層製造複合基材建構之方法，其中，所述基材係受光固化、雷射燒結或噴印膠黏劑以固化成型者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之多材料積層製造複合基材建構之方法，其中，相異之所述基材間，係具有相異之固化強度、材質或顏色者。
5. 如申請專利範圍第1項所述之多材料積層製造複合基材建構之方法，其中，該步驟（c）係藉由負壓吸取以移除位於所述材料複合輪廓之部分者。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之多材料積層製造複合基材建構之方法，其步驟更包含： （f）重複步驟（a）至步驟（e），以將所述建構層中，受固化之物件切層輪廓之部分堆疊成型為一物件成品。
7. 一種多材料積層製造複合基材建構之裝置，其包含： 一建構平台； 一第一供料裝置，其係連結並供料於該建構平台； 一移除裝置，其係連結於該建構平台，且該移除裝置係於該第一供料裝置供料後，對應移除一材料複合輪廓之範圍； 一第二供料裝置，其係連結於該建構平台，且該第二供料裝置係於該移除裝置抽取之範圍進行供料；以及 一固化裝置，其係連結於該建構平台；該固化裝置係於該第二供料裝置供料後，於該建構平台對應固化一物件切層輪廓之範圍。
8. 如申請專利範圍第7項所述之多材料積層製造複合基材建構之裝置，更包含一出料裝置，其設有一抽取通道及一供料通道，該抽取通道係連接於該移除裝置，且該移除裝置係透過負壓以經由該抽取通道進行抽取；而該第二供料裝置係連結於該供料通道，並藉由該供料通道進行供料者。
9. 如申請專利範圍第7或8項所述之多材料積層製造複合基材建構之裝置，其中，該第一供料裝置係用以輸出第一基材，而該第二供料裝置係輸出第二基材，且該第一基材及該第二基材為相異之三維列印粉末。
10. 如申請專利範圍第9項所述之多材料積層製造複合基材建構之裝置，其中，該固化裝置為光固化元件、雷射單元或膠黏劑噴印單元。