TWI619602B - 複合式三維成型機 - Google Patents
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Abstract
本案揭露一種複合式三維成型機，主要包含建構平台、建構位移平台及列印模組，其中建構平台具有供料槽與成型槽，分別用以容置建構材料及三維成型物；建構位移平台則架構於該建構平台上，以進行相對位移；列印模組則架構於該建構位移平台上，其包含滾軸、第一噴印模組、第二噴印模組，透過建構位移平台驅動滾軸將該建構材料推送至該成型槽內，再透過第一噴印模組及第二噴印模組分別噴印出第一噴印材料及第二噴印材料於成型槽之建構材料上，藉此方式層層堆疊，俾成型出該三維成型物。
Description
本案係關於一種複合式三維成型機，尤指一種可同時噴印複數種膠合劑之三維成型機。
三維成型技術，亦稱為快速成型(Rapid Prototyping，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。
然快速成型技術中，膠水噴印固化粉末成型(Color-Jet Printing，CJP，或稱Binder Jetting)技術係透過於粉末上噴印膠合劑以成型出三維成
型物，然前述之噴印技術中，其噴頭只能噴印出同屬性黏度之膠合劑，使噴印處理中的三維成型物與支撐材料需特別處理，並於噴印完成後需去除支撐材以成型出三維成型物，舉例來說，習知的噴墨技術(BJ)只能噴印低黏度低百分比之黏結劑，例如：酚醛樹脂、呋喃樹脂或矽酸鹽等，噴印於與陶瓷粉混和之固化劑粉體上，以進行固化，該低黏度低百分比之黏結劑之支撐性不足，需透過支撐材以輔助噴印，並於噴印完成後需去除支撐材，才能成型出該欲成型之三維成型物。前述透過支撐材以輔助噴印的過程，使得噴印過程繁瑣複雜，且需於噴印完成時去除支撐材造成耗時且不便利。
除此之外，目前市面上之粉末三維成型機亦均只能適用單一種或同屬性之膠合劑，無法同時使用複數種不同的膠合劑於列印粉末上，使列印之粉末僅以單一種膠合劑結合，且無法因應材料變化或特殊結構的強度需求而使用不同種類之膠合劑，使成型物材料單一且無法因應需求而變化。
有鑑於此，如何發展一種適用複數種不同屬性噴印材料進行噴印之粉末式三維成型機，實為目前迫切需要解決之問題。
本案之主要目的在於解決習知的粉末三維成型機亦均只能適用單一種或同屬性之膠合劑，無法同時使用複數種不同的膠合劑於列印粉末上的問題，且無法達到因應材料變化或特殊結構的強度需求而使用不同種類之膠合劑，使成型物材料單一且無法因應需求而變化。
本案之另一目的在於解決習知的粉末三維成型過程中，需使用支撐材料輔助噴印，使得噴印過程繁瑣複雜，且需於噴印完成時去除支撐材造成耗時且不便利之問題。
為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種複合式三維成型機，包含：一建構平台，包含一供料槽與一成型槽，該供料槽用於容置一建構材料，該成型槽用以容置一三維成型物；一建構位移平台，架構於該建構平台上，以進行相對位移；以及，一列印模組，架構於該建構位移平台上，其包含：一滾軸，用以將該建構材料推送至該成型槽內；一第一噴印模組，包含一第一位移機構以及一第一噴印頭，其中該第一噴印頭架構於該第一位移機構上，透過該第一位移機構驅動該第一噴印頭進行單一方向往復位移，並藉由於該第一噴印頭中導入一第一噴印材料以於該成型槽中以進行噴印作業；以及，一第二噴印模組，包含一第二位移機構以及一第二噴印頭，其中該第二噴印頭架構於該第二位移機構上，透過該第二位移機構驅動該第二噴印頭進行單一方向往復位移，並藉由於該第二噴印頭中導入一第二噴印材料以於該成型槽中以進行噴印作業；當進行三維噴印時，藉由該滾軸將該建構材料鋪平於該成型槽中，再透過該第一噴印模組及第二噴印模組分別噴印該第一噴印材料及該第二噴印材料於該建構材料上，藉此方式層層堆疊，俾成型出該三維成型物。
為達上述目的，本案之另一較廣義實施態樣為提供一種列印模組，適用於一複合式三維成型機，該複合式三維成型機包含一建構平台及一建構位移平台，該建構平台包含一供料槽與一成型槽，該供料槽用於容置一建構材料，該成型槽用以容置一三維成型物，該建構位移平台架構於該建構平台上，以進行相對位移，該列印模組架構於該建構位移平台上，其包含：一滾軸，用以將該建構材料推送至該成型槽內；一第一噴印模組，包含一第一位移機構以及一第一噴印頭，其中該第一噴印頭架構於該第一位移機構上，透過該第一位移機構驅動該第一噴印頭進行單一方向往復位移，並藉由於該第一噴印頭中導入一第一
噴印材料以於該成型槽中以進行噴印作業；以及，一第二噴印模組，包含一第二位移機構以及一第二噴印頭，其中該第二噴印頭架構於該第二位移機構上，透過該第二位移機構驅動該第二噴印頭進行單一方向往復位移，並藉由於該第二噴印頭中導入一第二噴印材料以於該成型槽中以進行噴印作業；當進行三維噴印時，藉由該滾軸將該建構材料鋪平於該成型槽中，再透過該第一噴印模組及第二噴印模組分別噴印該第一噴印材料及該第二噴印材料於該建構材料上，藉此方式層層堆疊，俾成型出該三維成型物。
1‧‧‧複合式三維成型機
11‧‧‧建構平台
11a‧‧‧供料槽
11a1‧‧‧第一升降機構
11a2‧‧‧第一升降平台
11b‧‧‧成型槽
11b1‧‧‧第二升降機構
11b2‧‧‧第二升降平台
12‧‧‧建構位移平台
12a‧‧‧驅動位移機構
13‧‧‧列印模組
130‧‧‧滾軸
131‧‧‧第一列印模組
131a‧‧‧第一噴印頭
131b‧‧‧第一位移機構
131c‧‧‧第一驅動機構
131d‧‧‧第一導桿
131e‧‧‧第一驅動源
132‧‧‧第二列印模組
132a‧‧‧第二噴印頭
132b‧‧‧第二位移機構
132c‧‧‧第二驅動機構
132d‧‧‧第二導桿
132e‧‧‧第二驅動源
133‧‧‧列印模組支架
133a、133b‧‧‧支臂
133c‧‧‧中軸
14‧‧‧粉末回收裝置
14a‧‧‧粉末回收口
H1‧‧‧上推移之距離
H2‧‧‧下推移之距離
第1圖為本案較佳實施例之複合式三維成型機示意圖。
第2圖為本案較佳實施例之複合式三維成型機示意圖之上視圖。
第3圖為本案較佳實施例之列印模組示意圖。
第4圖為本案較佳實施例之複合式三維成型機之剖面側視圖。
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。
請同時參閱第1圖及第2圖，第1圖為本案較佳實施例之複合式三維成型機。第2圖為本案較佳實施例之複合式三維成型機上視圖。如第1圖及第2圖所示，本案較佳實施例之複合式三維成型機1係為一膠水噴印固化粉末成型(Color-Jet Printing，CJP)技術之三維成型裝置，但
不以此為限，該複合式三維成型機1主要包含：建構平台11、建構位移平台12及列印模組13，其中建構平台11更包含一供料槽11a與一成型槽11b，供料槽11a用於容置一建構材料，且於本實施例中，建構材料係為一粉末材料，但不以此為限，可依據實際操作情形任施變化；該成型槽11b用以容置一欲成型之三維成型物；建構位移平台12則架構於該建構平台11上，並藉由驅動位移機構12a(如第2圖所示)之帶動，進而使其可相對於建構平台11進行X軸方向之水平位移，於一些實施例中，驅動位移機構12a可為一馬達及滑軌所組成，但不以此為限；列印模組13係架構於該建構位移平台12上，且該列印模組13更包含一滾軸130、第一噴印模組131以及第二噴印模組132，其中第一噴印模組131及第二噴印模組132分別用於噴印不同屬性之噴印材料，當進行三維噴印時，透過建構位移平台12與建構平台11進行X軸方向相對位移，使滾軸130將粉末由供料槽11a推送並鋪平於成型槽11b內，再透過第一噴印模組131及第二噴印模組132分別依據需求以噴印不同屬性之噴印材料於成型槽11b內之粉末材料上，並藉此方式層層堆疊，俾成型出該三維成型物。
請同時參閱第2圖及第3圖，第3圖為本案較佳實施例之列印模組示意圖。如第2圖及第3圖所示，於本實施例中，列印模組13包含一滾軸130、第一噴印模組131、第二噴印模組132以及列印模組支架133，其中滾軸130、第一噴印模組131、第二噴印模組132係架構於列印模組支架133上。於一些實施例中，列印模組支架133係可為但不限為一“工”字型之支架結構，其具有兩平行設置之支臂133a、133b，並跨設於建構平台11之兩側，且具有一中軸133c連接該兩平行設置之支臂133a、133b，但其形態及設置方式並不以此為限。以及，第一噴印模組131更具有第一噴印頭131a及第一位移機構131b，第一位移機構
131b係由第一驅動機構131c、第一導桿131d及第一驅動源131e所組成，但不以此為限，第一驅動機構131c及第一導桿131d之兩端均分別連接於該列印模組支架133之兩平行支臂133a、133b上，且彼此相鄰設置，且第一驅動機構131c之一側更與第一驅動源131e相連接，以本實施例為例，第一驅動源131e係為一馬達，用以提供動力來源。第一噴印頭131a可移動式地設置於第一驅動機構131c及第一導桿131d上，並可透過第一驅動源131e驅動該第一驅動機構131c，於另一些實施例中，第一驅動機構131c係為一導螺桿，第一噴印頭131a內則可設有對應於導螺桿之紋路軌道，但不以此為限，藉由旋轉導螺桿使第一噴印頭131a沿紋路軌道及導桿131d進行Y軸方向往復位移，以利於該成型槽11b(如第2圖所示)中進行噴印作業。
請繼續參閱第3圖，於本實施例中，第二噴印模組132更具有第二噴印頭132a及第二位移機構132b，第二位移機構132b同樣亦可由第二驅動機構132c、第二導桿132d及第二驅動源132e所組成，但不以此為限，第二導桿132d之兩端均連接於該列印模組支架133之兩平行支臂133a、133b上，第二驅動源132e則設置於列印模組支架133之中軸133c上，但其設置之位置並不以此為限，係可依照實際施作情形而任施變化，且第二驅動源132e與第二驅動機構132c相連接，於一些實施例中，第二驅動源132e係為一馬達，用以提供動力來源。於本實施例中，第二驅動機構132c係可為但不限為一皮帶結構，第二噴印頭132a之一側設有對應於該皮帶結構之連動裝置，但不以此為限，可依據實際情形任施變化，透過第二驅動源132e驅動第二驅動機構132c，使第二噴印頭132a於第二導桿132d上進行Y軸方向往復位移，以利於該成型槽11b(如第2圖所示)中進行噴印作業。
於本實施例中，第一噴印模組131係為一連續式噴出(CTJ)之噴印模
組，該第一噴印頭131a用以噴印出高黏度膠合劑，並針對三維成型物之切層封閉曲線部分進行連續噴印，高黏度膠合劑強度較一般膠合劑強，以使噴印時不需額外使用支撐材料便可成型出該三維成型物，並達到簡化噴印過程，且避免於噴印完成時去除支撐材造成耗時且不便利性。且第一噴印模組131更包含第一供料模組(未圖示)，用以容置該高黏度膠合劑，該第一供料模組係與第一噴印頭131a相連通，用以供應高黏度膠合劑至第一噴印頭131a進行噴印。
又於本實施例中，第二噴印模組132係為一指令式噴印技術(DOP)之噴印模組，該第二噴印頭132a用以噴印出一般黏度膠合劑，並針對三維成型物之切層封閉曲線內未噴印之部分進行指令式噴印，搭配第一噴印頭131a對三維成型物之切層封閉曲線部分連續噴印高黏度膠合劑，使每一切層面皆由高黏度膠合劑及一般黏度膠合劑完全填滿，並藉此方式層層堆疊，俾成型出該三維成型物。於本實施例中，第二噴印模組132更包含第二供料模組(未圖示)，用以容置該一般黏度膠合劑，且第二供料模組與第二噴印頭132a相連通，用以供應一般黏度膠合劑至第二噴印頭132a進行噴印。於一些實施例中，該第二噴印頭132a內更設有一高功率固化裝置(未圖示)，用以加速膠合劑固化，減少列印所消耗的時間，且該高功率固化裝置係可為一雷射光固化裝置，但不以此為限。
請參閱第4圖並配合第1圖，第4圖為本案較佳實施例之複合式三維成型機之剖面側視圖。如圖所示，可見本案之複合式三維成型機1之供料槽11a與成型槽11b係嵌設於建構平台11內，但不以此為限，且於供料槽11a內更可設置第一升降平台11a2，但不以此為限，透過供料槽11a下方設置的第一升降機構11a1推送第一升降平台11a2進行垂直方向之位移，例如可為第4圖所示之第一升降平台11a2之向上推移之
距離H1，進而以導送推移一定需求量的建構材料至最上層，並與建構平台11保持一水平推移堆積量，再由列印模組13之滾軸130將該建構材料推送至成型槽11b處；同樣地，於成型槽11b中亦具有第二升降平台11b2，用以供放置層層堆疊成型之三維成型物，且與成型槽11b下方設置的第二升降機構11b1相連接定位，主要依第二升降機構11b1的帶動而於成型槽11b的內部進行升降，由第二升降平台11b2控制推送位移與成型槽11b保持一需求鋪料層的空間，例如可為第4圖所示之第二升降平台11b2向下推移之距離H2，並將需求量的建構材料透過滾軸130鋪置至此鋪料空間，以產生一堆疊層，藉由第一噴印模組131之第一噴印頭131a連續噴出高黏度膠合劑於此鋪料空間，並針對三維成型物之切層封閉曲線部分進行噴印，同時透過第二噴印模組132之第二噴印頭132a噴印出一般黏度膠合劑，並針對三維成型物之切層封閉曲線內未噴印之部分進行指令式噴印，藉此使三維成型物之切層封閉曲線切層面皆由高黏度膠合劑及一般黏度膠合劑完全填滿，並重覆上述鋪料、噴印作業，即可層層堆疊成型出三維成型物。
另於本實施例中，複合式三維成型機1更可包含一粉末回收裝置14，但不以此為限，粉末回收裝置14係以一粉末回收口14a連接於成型槽11b之一側，用以將成型槽11b最上層進行鋪料作業後多餘之建構材料集中收集，並於收集之後，將收集的建構材料透過一篩濾器(未圖示)進行篩濾，並回收再利用。
綜上所述，本案之列印模組可噴印出高黏度膠合劑及一般黏度膠合劑於應三維成型物之切層面上，以解決習知三維噴印技術僅能噴印一種屬性膠合劑而無法因應三維成型物之需求噴印不同黏度之膠合劑；並針對三維成型物之切層封閉曲線噴印黏度較強之高黏度膠合劑，增強列印時三維成型物切層封閉曲線之強度，以解決習知噴印技術於列印
時需額外使用支撐材料之問題，更節省於列印完成後去除支撐材料的時間及人力成本；再者，透過高黏度膠合劑及一般黏度膠合劑於不同位置進行噴印，可使三維成型物結構強度增強，並可達到大範圍切層面噴印，以解決習知一般黏度膠合劑強度不足的問題。
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。
Claims (11)
- 一種複合式三維成型機，包含：一建構平台，包含一供料槽與一成型槽，該供料槽用於容置一建構材料，該成型槽用以容置一三維成型物；一建構位移平台，架構於該建構平台上，以進行相對位移；以及，一列印模組，架構於該建構位移平台上，其包含：一滾軸，用以將該建構材料推送至該成型槽內；一第一噴印模組，為一連續式噴印模組，其包含一第一位移機構以及一第一噴印頭，其中該第一噴印頭架構於該第一位移機構上，透過該第一位移機構驅動該第一噴印頭進行單一方向往復位移，並藉由於該第一噴印頭中導入具高黏度之一第一噴印材料，並針對該三維成型物之切層封閉曲線部分進行連續噴印；以及，一第二噴印模組，包含一第二位移機構以及一第二噴印頭，其中該第二噴印頭架構於該第二位移機構上，透過該第二位移機構驅動該第二噴印頭進行單一方向往復位移，並藉由於該第二噴印頭中導入一第二噴印材料以於該成型槽中以進行噴印作業；當進行三維噴印時，藉由該滾軸將該建構材料鋪平於該成型槽中，再透過該第一噴印模組及第二噴印模組分別噴印該第一噴印材料及該第二噴印材料於該建構材料上，藉此方式層層堆疊，俾成型出該三維成型物。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合式三維成型機，其中該第二噴印模組係為一指令式噴印模組，該第二噴印頭針對該三維成型物之切層封閉曲線內未噴印之部分進行指令式噴印。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合式三維成型機，其中該第一噴印模組 更包含一第一供料模組，第一供料模組與該第一噴印頭相連接，用以供應該第一噴印材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合式三維成型機，其中該第二噴印模組更包含一第二供料模組，第二供料模組與該第二噴印頭相連接，用以供應該第二噴印材料。
- 如申請專利範圍第4項所述之複合式三維成型機，其中該第一噴印材料係為一高黏度膠合劑。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合式三維成型機，其中該供料槽底部更設有一第一升降平台及一第一升降機構，透過該第一升降機構上升使該第一升降平台將該建構材料推出該供料槽中。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合式三維成型機，其中該成型槽底部更設有一第二升降平台及一第二升降機構，透過該第二升降機構下降使該第二升降平台產生一鋪料空間，使該建構材料可鋪料於其中。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合式三維成型機，其中該複合式三維成型機更包含一驅動位移機構，其係由一馬達及一滑軌組成，該滑軌設置於該建構平台及該建構位移平台之間，並透過該馬達驅動該建構位移平台，於該建構平台上進行單一方向往復位移。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合式三維成型機，其中該第一位移機構更包含一第一驅動源、一第一導桿以及一第一驅動機構，該第一噴印頭架構於該第一導桿以及該第一驅動機構上，並透過該驅動源驅動該第一驅動機構，使該第一噴印頭沿該第一導桿於該成型槽上進行單一方向往復位移。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合式三維成型機，其中該第二位移機構更包含一第二驅動源、一第二導桿以及一第二驅動機構，該第二噴印頭架構於該第二導桿以及該第二驅動機構上，並透過該第二源驅動驅動該 第二驅動機構，使該第二噴印頭沿該第二導桿於該成型槽上進行單一方向往復位移。
- 一種列印模組，適用於一複合式三維成型機，該複合式三維成型機包含一建構平台及一建構位移平台，該建構平台包含一供料槽與一成型槽，該供料槽用於容置一建構材料，該成型槽用以容置一三維成型物，該建構位移平台架構於該建構平台上，以進行相對位移，該列印模組架構於該建構位移平台上，其包含：一滾軸，用以將該建構材料推送至該成型槽內；一第一噴印模組，為一連續式噴印模組，其包含一第一位移機構以及一第一噴印頭，其中該第一噴印頭架構於該第一位移機構上，透過該第一位移機構驅動該第一噴印頭進行單一方向往復位移，並藉由於該第一噴印頭中導入具高黏度之一第一噴印材料，並針對該三維成型物之切層封閉曲線部分進行連續噴印；以及，一第二噴印模組，包含一第二位移機構以及一第二噴印頭，其中該第二噴印頭架構於該第二位移機構上，透過該第二位移機構驅動該第二噴印頭進行單一方向往復位移，並藉由於該第二噴印頭中導入一第二噴印材料以於該成型槽中以進行噴印作業；當進行三維噴印時，藉由該滾軸將該建構材料鋪平於該成型槽中，再透過該第一噴印模組及第二噴印模組分別噴印該第一噴印材料及該第二噴印材料於該建構材料上，藉此方式層層堆疊，俾成型出該三維成型物。
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2016
- 2016-06-23 TW TW105119809A patent/TWI619602B/zh not_active IP Right Cessation
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