TWI611078B - 整合式建造及材料供應技術 - Google Patents

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佛納多 朱安
Fernando Juan
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Abstract

一種用於積層製造設備的整合式建造及材料供應系統包含：適合容納要用積層製造法形成之一物件的一建造隔室，以及適合儲存用於形成該物件之一建造材料的一儲存隔室。該建造隔室之容積與該儲存隔室之容積的尺寸可變，以及該系統適合重分配先前分配給該儲存隔室的容積之至少一部份給該建造隔室。

Description

整合式建造及材料供應技術
本發明係有關於整合式建造及材料供應技術。
積層製造法(additive manufacturing，AM)，特別是三維列印法，係有關於通過積層程序(additive process)由三維模式或其他電子資料源製成具有幾乎任何形狀之三維物件的技術，其中三維物件是在電腦控制下逐層地產生。已開發出各式各樣的積層製造技術，它們在建造材料、沉積技術及用以由建造材料形成三維物件的物理過程各有不同。此類技術的範圍從施加紫外光於光聚合物樹脂，熔化粉末狀的半結晶熱塑材料，到金屬粉末的電子束熔化。
積層製程常以待製物件的三維電腦模式開始。物件的數位呈現用電腦軟體虛擬切成數層。各層為所欲物件的橫截面，且送到積層製造機器，在某些情形下也可稱為三維列印機，在此它是建造於先前建好的層上。連續重覆此過程直到物件完成，藉此逐層地建造物件。儘管有些市售技術是直接沉積材料，然而其他是用再塗覆法(recoating process)形成附加層然後可加以選擇性地圖案化以建立物件的新橫截面。
製造物件的建造材料可隨著製造技術而有所不同且可包含粉末材料、漿糊材料、泥漿材料或液體材料。通常裝設於來源容器中的建造材料需要轉移到發生實際製造的建造區或建造隔室。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種用於積層製造設備的整合式建造及材料供應系統，該系統包含：適合容納要用積層製造法形成之一物件的一建造隔室；以及適合儲存用於形成該物件之一建造材料的一儲存隔室；其中該建造隔室之容積及該儲存隔室之容積的尺寸可變；以及其中該系統適合重分配先前分配給該儲存隔室的容積之至少一部份給該建造隔室，或反之亦然。
10‧‧‧積層製造設備/設備
12‧‧‧整合式建造及材料供應系 統/建造桶體/桶體
14‧‧‧側壁
16‧‧‧底壁
18‧‧‧公共隔室
20‧‧‧建造平台
22‧‧‧儲存隔室
24‧‧‧建造隔室
26‧‧‧活塞
28‧‧‧驅動單元
30‧‧‧傳送單元
30a、30b‧‧‧螺桿驅動器
32‧‧‧輥單元
34‧‧‧加熱單元
36‧‧‧雷射
38‧‧‧光學透鏡
40‧‧‧x-y掃描鏡
42‧‧‧雷射光束
44‧‧‧中央控制單元
46、48‧‧‧驅動機構
50‧‧‧物件
圖1的示意圖根據一實施例圖示包含整合式建造及材料供應系統的積層製造設備；以及 圖2a至圖2c根據一實施例圖示在製程之不同階段的整合式建造及材料供應系統。
描述於本文的實施例提供一種用於積層製造設備的整合式建造及材料供應系統。在一實施例中，該系統包含適合容納要用積層製造法形成之一物件的一建造隔室，以及適合儲存用於形成該物件之一建造材料的一儲存隔室。該建造隔室之容積與該儲存隔室之容積的尺寸可變，以及該系統適合重分配先前分配給該儲存隔室的容積 之至少一部份給該建造隔室，或反之亦然。
在一實施例的意義上，該建造隔室可意指用積層製造法在其中形成物件的任何空間或區域。該建造隔室可為一圍封空間，但是替代地其頂面至少部份對環境開放，以便允許建造隔室引進建造材料及/或允許建造材料與可用於製程的輻射或熱源相互作用。
該儲存隔室可意指適合儲存用於形成該物件之至少一建造材料的開放或封閉空間。
該建造隔室的容積可理解為其意指該隔室中不含建造材料或餘料或製成物件的容積。
同樣，該儲存隔室的容積可意指該儲存隔室中不含建造材料的容積。
該系統最好可適合在形成該物件時增加該建造隔室的該容積。
該系統最好可適合在形成該物件時減少該儲存隔室的該容積。
根據一實施例，將適合容納待形成之該物件的該建造隔室以及適合儲存用於形成該物件之該建造材料的該儲存隔室整合於同一個物理空間或容積中，使得該建造隔室的容積在該儲存隔室的容積減少時增加，或反之亦然。
在一實施例中，該系統包含含有該建造隔室及該儲存隔室的一公共隔室。
該公共隔室的定義可根據容納該儲存隔室及該建造隔室兩者的一公共殼體。
該系統可適合重分配該公共隔室中先前分配給該儲存隔室的一部份給該建造隔室，或反之亦然。
整合根據本文所述實施例之建造隔室及儲存隔室有短供應路徑的優點。由於建造材料從儲存隔室到建造隔室的行進距離減少，相應地可減輕建造材料因污染而劣化的風險。就機器穩定性(較低重心)而言，讓建造材料在最底下位置為較佳，且有助於使用者供應建造材料至儲存隔室。因此，可增強使用者便利性。
同時，改良整合式建造及材料供應系統允許提供更緊湊的積層製造設備。待形成物件隨著製造進度而需要更多空間，然而需要用於儲存建造材料的空間愈來愈少。反之，建造隔室的容積在完工物件移出積層製造設備時可減少，同時儲存隔室的容積在添加用於形成後續物件的新建造材料時可增加。增加該建造隔室容積係以該儲存隔室之容積為代價(反之亦然)允許隨著製造進度來彈性分配該等容積，從而最小化建造隔室與儲存隔室的總(組合)容積，藉此節省空間。
待形成之該物件可為適合用積層製造法形成的任何三維物件。
該系統更可包含隔離該儲存隔室與該建造隔室的一活動隔離元件。
該隔離元件在該公共隔室或殼體中可活動定位。
提供容納建造隔室及儲存隔室的公共隔室以及活動隔離元件允許根據製造進度藉由簡單地改變該隔離元 件在該公共隔室中的位置來改變建造隔室容積及儲存隔室容積。
該系統可包含適合移動該隔離元件的一驅動單元。
許多積層製造設備備有用於支撐待形成物件的建造平台。該建造平台通常是活動的且連接至在加工建造材料之附加層時改變建造平台之位置的驅動機構。因此，該建造平台便於擔任用於隔離該建造隔室與該儲存隔室的隔離元件。
在一實施例中，該隔離元件因此包含用於支撐待形成之該物件或支撐形成於該物件下面及/或四周之建造材料層的建造平台。
在一實施例中，該建造隔室可位於該儲存隔室上方。
例如，許多基於粉末的積層製造系統有在建造平台上方的建造隔室，該建造平台在附加層添加至待形成物件時向下移動。在這些系統中，儲存隔室可有利地位於建造平台下面，而且它的容積在建造平台根據製造進度向下移動時減少。
提供在建造隔室下面的儲存隔室因此靠近地平面，也可簡化建造材料的再填充。也讓設備因重心低而更穩定。
不過，在其他實施例中，該建造隔室可位於該儲存隔室下面，或可位於該儲存隔室附近。
該建造隔室之該容積的增加速率可對應至該儲存隔室之該容積的減少速率，或反之亦然。在此實施例的意義上，速率為單位時間的容積變化。
儘管該建造隔室之該容積及/或該儲存隔室之該容積可變，然而各自的最大容積可具有固定的尺寸關係。
在一實施例中，該儲存隔室的最大容積不小於該建造隔室之最大容積的1.0倍。
在另一實施例中，該儲存隔室的最大容積不大於該建造隔室之最大容積的1.6倍。
在一實施例中，該儲存隔室的最大容積不小於該建造隔室之最大容積的1.2倍。
在一實施例中，該儲存隔室的最大容積不大於該建造隔室之最大容積的1.5倍。
在一實施例中，該整合式建造及材料供應系統更可包含適合從該儲存隔室傳送建造材料至該建造隔室的一傳送單元。
在一實施例中，該傳送單元適合通過形成於該公共隔室或儲存隔室或建造隔室之一側壁中的一傳送通道傳送該建造材料。
在一實施例中，取決於建造材料的本質及稠度(consistency)，該傳送單元可包含一螺桿驅動器(screw drive)及/或一輸送帶及/或一泵浦。
在一實施例中，該傳送單元可操作地耦合至適合移動該隔離元件的該驅動單元。
耦合傳送單元與驅動單元允許減少積層製造設備的驅動組件數，因而提供更簡單、更強健及更緊湊的積層製造設備。
另外，該傳送機構可適合傳送該建造隔室的餘料至該儲存隔室。
在一較佳實施例中，該整合式建造及材料供應系統適合可拆卸地附接至積層製造設備，例如三維列印設備。
根據此實施例，包含建造平台及建造隔室和含有儲存隔室之材料供應系統的整合單元可裝設成為獨立單元，它可插進有在製造之前充滿建造材料之儲存隔室的積層製造設備，且取決於被建造物件的大小，在製程完成以及儲存隔室用完或至少部份用完後，可與完成三維物件一起卸除。這提供用配備有一批建造材料之積層製造設備的特別靈活方式。
該改良也有關於一種積層製造設備，特別是三維列印設備，其係包含具有上述特徵中之一些或所有的系統。
該改良更有關於一種方法用於供應建造材料給積層製造法，其係包含由一儲存隔室向一建造隔室傳送建造材料的步驟，該儲存隔室用於儲存該建造材料以及該建造隔室用於藉助積層製造法由該建造材料形成物件。該方法更包含以下步驟：根據該建造材料由該儲存隔室向該建造隔室的該傳送，重分配先前分配給該儲存隔室的容積之至少一部份給該建造隔室。
該儲存隔室及/或該建造隔室可為有上述特徵中 之一些或所有的隔室。特別是，該儲存隔室及/或該建造隔室可為積層製造設備的隔室。
視需要，該方法另外可包含使用該建造材料在該建造隔室中以積層方式形成該物件的步驟。
該建造材料可包含粉末材料及/或漿糊材料及/或泥漿材料及/或液體材料。
在一實施例中，該方法更包含移動隔離該儲存隔室與該建造隔室之一隔離元件的步驟，藉此以該儲存隔室之該容積為代價增加該建造隔室之該容積，或以該建造隔室之該容積為代價增加該儲存隔室之該容積。
移動該隔離元件的該步驟可操作地耦合至傳送該建造材料的該步驟。
該方法可在整合式建造及材料供應系統或有上述特徵中之一些或所有的積層製造設備中履行。
該改良更有關於一種包含電腦可讀取指令的電腦程式產品，其中該等電腦可讀取指令，在被耦合至有上述特徵中之一些或所有之系統或積層製造設備的電腦讀取時，分別在該系統或積層製造設備中實行有上述特徵中之一些或所有的方法。
將參考圖1及圖2a至圖2c來描述一實施例。此實施例係有關於一種選擇性雷射燒結(SLS)系統，其係使用雷射作為電源將粉末材料(例如，塑膠、金屬、陶瓷或玻璃粉末)燒結成有所欲三維形狀之塊體的積層製造技術。不過，該改良不因此受限，且大體適用於任何積層製造技術， 不論建造材料是粉末、糊漿、泥漿還是液體且不論能源為何。
圖1為積層選擇性雷射燒結(SLS)積層製造設備10的示意圖。設備10包含根據本發明之一實施例的整合式建造及材料供應系統12。如圖1所示，整合式建造及材料供應系統12的形式為被側壁14及底壁16圍封的桶體。頂面開放，且這是建造材料施加至形成於建造平台20上的物件(未圖示)的地方。側壁14及底壁16界定公共隔室18，其容積被建造平台20分成在建造平台20下面的儲存隔室22與在建造平台20以上直到側壁14位準的建造隔室24。建造隔室24的上邊界在圖1中用虛線表示。
建造平台20可移動地裝在建造桶體12中且經由活塞26連接至適合使建造平台20在公共隔室18中向上及向下移動的驅動單元28。當平台20在公共隔室18中向上及向下移動時，儲存隔室22的容積Vs與建造隔室24的容積Vb相應地改變。不過，它們的總和保持不變且等於公共隔室18的容積Vc，即Vs+Vb=Vc=常數。
儲存隔室22用來儲存用於積層製程的建造材料，例如塑膠、金屬、陶瓷或玻璃粉末(未圖示於圖1)。建造材料用傳送單元30由儲存隔室22傳送到建造隔室24，例如整合於側壁14中的螺桿驅動器。傳送單元30傳送建造材料至輥單元32，輥單元32用來形成一層建造材料遍及建造平台20(或形成於先前形成的建造材料層上)。可包含加熱單元34以預熱累積於建造隔室24中之粉末。
在本實施例中，燒結用包含雷射36(例如，紫外線或二氧化碳雷射)、光學透鏡38及x-y掃描鏡40的光學系統實行。x-y掃描鏡40引導放射自雷射36的雷射光束42以及用透鏡38聚焦於累積於建造隔室24中在粉末床表面上之粉末材料的選定部份。輸入自雷射光束42的能量熔化粉末材料，藉此使材料結合在一起以建立固體結構。各個橫截面在掃描後，使建造平台20降低一層的厚度，在上面用輥單元32形成新的材料層，以及重覆該過程直到物件完成。
中央控制單元44控制驅動單元28以移動活塞26及建造平台20；控制傳送單元30以將建造材料從儲存隔室22傳送至建造隔室24；控制用於施加建造材料至待製物件之表面的輥單元32；控制加熱單元34、雷射36、以及用於引導雷射光束42至建造平台20之選定部份的x-y掃描鏡40。
圖2a至圖2c更詳細地圖示在製程之不同階段的整合式建造及材料供應系統12。
圖2a圖示在初始階段的整合式建造及材料供應系統12，其中建造平台20是在最上面位置。儲存隔室22的容積Vs因此為最大，然而建造隔室24的容積Vb為零。
在製造開始時，用傳送單元30使建造材料從儲存隔室22的底部轉移到輥單元32。在圖示於圖2a至圖2c的組態中，傳送機構30包含設於桶體12之側壁14中的一對螺桿驅動器30a、30b。在螺桿驅動器30a、30b旋轉時， 粉末材料通過側壁14向上移動直到它到達側壁14的頂部，在此用輥單元32使它擴散遍布建造平台20。
不過，螺桿驅動器30a、30b只是傳送機構的一個實施例，而且也可使用其他機構，例如輸送帶、拖曳機構、氣動輸送系統(例如，濃相輸送或稀相輸送)。
傳送單元30的驅動機構46在驅動機構48降低活塞26及建造平台20時可操作地或機械地耦合至驅動單元28的驅動機構48。這可允許用驅動單元28自動及同時地饋送建造材料向上通過側壁14。不過，這在一連續運動中不需要發生。例如，可降低建造平台20，然後由儲存隔室22傳送出建造材料，以及在有點延遲後，可再度降低建造平台20。
液體建造材料可用轉葉泵浦(rotary vane pump)傳送。替換地或附加地，當建造平台20在公共隔室18中向下移動時，僅僅用建造平台20所施展的流體壓力可使液體傳送通過在側壁14中的通道。就此情形而言，可以不需要傳送單元30的獨立驅動機構。
圖2b圖示在中間階段的整合式建造及材料供應系統12，此時根據待形成於平台20上之物件50的製造進度使建造平台20在公共隔室18中部份降低。
通常，物件50在平台20上會被未凝固的建造材料包圍，但是為求圖示清楚，這未圖示於圖2b及圖2c。
在圖2b的組態中，儲存隔室容積Vs已減少，因為建造平台20已在桶體12中向下移動，然而建造隔室24 的容積Vb已增加相同的數量。
圖2c圖示在最終階段的整合式建造及材料供應系統12，在此物件50已完工。相較於圖2b的組態，建造平台20在公共隔室18中已更進一步降低。因此，儲存隔室22的容積Vs根據建造材料已用傳送單元30傳送至建造隔室24的數量更進一步地減少。建造隔室24的容積增加量與儲存隔室22容積Vs的減少量一樣。
在建造結束時，在隔室22中的殘留粉末可再使用於未來的建造。隔室22的多餘粉末最好能確保建造永遠可成功地完工且避免粉末在最後幾層用盡。
此時待形成物件50可從已累積於建造隔室24中的多餘粉末材料移出。然後，平台20可上升到圖示於圖2a的初始位置，以及可形成新的物件。
由圖1及圖2a至圖2c的說明可見，整合式建造及材料供應系統12將用於儲存建造材料的儲存隔室22與用於製造物件50的建造隔室24整合於同一個物理空間內，亦即公共隔室18。建造平台20隔離在下面的儲存隔室22與在上面的建造隔室24。儲存隔室22的容積Vs與建造隔室24的容積Vb因此可變且根據建造平台20在公共隔室18內的位置改變。當建造平台20在公共隔室18中降低時，儲存隔室22的容積Vs減少量與建造隔室24的容積Vb增加量一樣。儲存隔室22之容積Vs與建造隔室24之容積Vb的總合保持不變且等於公共隔室18的容積Vc，亦即，建造桶體12的容積：Vs+Vb=Vc=常數。因此，建造過程在 不同階段(對應至建造平台20在桶體12內的不同位置)不同的地方只是公共隔室18分給儲存隔室22及建造隔室24的佔有率。
整合儲存隔室22與建造隔室24於同一個物理空間有數個優點： 不會浪費多餘空間給獨立供應容器用。因此，積層製造設備10既緊湊又小型。
同時，用於由儲存隔室22傳送建造材料至建造隔室24的饋送通道靠近建造隔室24，藉此可減少建造材料的行進距離從而減少建造材料因暴露於污染而劣化。
根據本發明的整合也簡化材料密封器(material containment)以及增強列印的清潔度。
整合式建造及材料供應系統12可為積層製造設備10的固定組件，但是也可設計成為可拆卸元件。在後者的情形下，它也可裝設成為在粉末沉積物用完時可由使用者更換的獨立消耗品。該可拆卸元件構成有整合式建造平台20的材料供應器，買來時充滿建造材料且在插上時與積層製造設備10接合，藉此用列印機控制活塞26的運動。
較佳具體實施例及附圖的說明係僅供圖解說明本發明及其許多優點，但是不應被理解成含有任何限制的意思。本發明的範疇由後附申請專利範圍決定。
12‧‧‧整合式建造及材料供應系統/建造桶體
14‧‧‧側壁
20‧‧‧建造平台
22‧‧‧儲存隔室
24‧‧‧建造隔室
26‧‧‧活塞
28‧‧‧驅動單元
30‧‧‧傳送單元
30a、b‧‧‧螺桿驅動器
32‧‧‧輥單元
46、48‧‧‧驅動機構
50‧‧‧待形成物件

Claims (14)

  1. 一種用於積層製造設備的整合式建造及材料供應系統，該系統包含：適配來容納要用積層製造法形成之一物件的一建造隔室；適配來儲存用於形成該物件之一粉末建造材料的一儲存隔室；以及適配來從該儲存隔室朝向該建造隔室機械地傳送該粉末建造材料的一傳送單元；其中該建造隔室之容積及該儲存隔室之容積尺寸上可變；以及其中該系統係適配來將先前分配給該儲存隔室的容積之至少一部份重分配給該建造隔室，或反之亦然。
  2. 如請求項1之系統，其中該系統包含隔離該儲存隔室與該建造隔室的一活動隔離元件。
  3. 如請求項2之系統，其更包含適配來移動該隔離元件的一驅動單元。
  4. 如請求項2或3之系統，其中該隔離元件包含用於支撐待形成之該物件的一建造平台。
  5. 如請求項1之系統，其中該建造隔室係位於該儲存隔室上方。
  6. 如請求項1之系統，其中該建造隔室之該容積的增加速率與該儲存隔室之該容積的減少速率一致，或者相反。
  7. 如請求項1之系統，其中該儲存隔室的一最大容積係不小於該建造隔室之一最大容積的1.0倍，及/或不大於該建造隔室之一最大容積的1.6倍。
  8. 如請求項1之系統，其中該傳送單元包含一螺桿驅動器及/或一輸送帶及/或一泵浦。
  9. 如請求項1之系統，其更包含隔離該儲存隔室與該建造隔室的一活動隔離元件及適配來移動該隔離元件之一驅動單元，其中該驅動單元係可操作地耦合至該傳送單元。
  10. 如請求項1之系統，其中該系統係適配來可拆卸地附接至該積層製造設備，特別是一個三維列印設備。
  11. 一種積層製造設備，特別是一個三維列印設備，其包含根據請求項1至10中之任一項的一系統。
  12. 一種用於供應積層製造法用之粉末建造材料的方法，其包含下列步驟：從一儲存隔室朝向一建造隔室傳送粉末建造材料，該儲存隔室係用於儲存該粉末建造材料，而該建造隔室係用積層製造法從該粉末建造材料形成一物件；以及根據該粉末建造材料從該儲存隔室朝向該建造隔室的傳送，將先前分配給該儲存隔室的容積之至少一部份重分配給該建造隔室。
  13. 如請求項12之方法，其更包含以下步驟：移動隔離該儲存隔室與該建造隔室的一隔離元件，藉此重分配先前 分配給該儲存隔室之容積的該部份給該建造隔室。
  14. 一種包含電腦可讀取指令的電腦程式產品，其中該等電腦可讀取指令，在由耦合至根據請求項1至10中之任一項之一系統或由耦合至根據請求項11之一積層製造設備的一電腦所讀取時，分別在該系統或該積層製造設備中實現根據請求項12或13的一方法。
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