TWI633994B

TWI633994B - 3D printing device capable of instantly monitoring temperature and temperature monitoring method thereof

Info

Publication number: TWI633994B
Application number: TW105132423A
Authority: TW
Inventors: 李明蒼; 陳政雄; 陳仕杰; 慶昌高; 楊昌儒
Original assignee: 國立中興大學
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2018-09-01
Also published as: TW201813805A

Abstract

一種3D列印裝置，包含有一列印單元及一感測單元，列印單元具有一移動座與一雷射光發射器，雷射光發射器固設於移動座，用以對一待加工工件發射一雷射光束，使雷射光束在待加工工件之表面形成一加工點，感測單元具有一可動環與一溫度感測器，可動環可轉動地套設於雷射光發射器，溫度感測器設於可動環，使得溫度感測器能藉由可動環之作動而以雷射光束之發射點為中心旋轉。藉此，溫度感測器會保持在雷射光束之加工路徑的前方，用以預先感測待加工工件之表面在加工點前方的溫度變化，進而根據感測結果即時調整雷射光發射器的製程參數。

Description

可即時監控溫度之3D列印裝置及其溫度監控方法

本發明與3D列印技術有關，特別是指一種可即時監控溫度之3D列印裝置及該3D列印裝置之溫度監控方法。

一般所謂的3D列印主要是使用粉末狀金屬或其他可黏合材料，藉由逐層累積的方式來完成物體的構造，現今被廣泛運用在許多地方，例如交通工具、服裝、藝術品及醫療用品等不同領域。

雖然3D列印具有高精度及高度客製化的優勢，但是仍然有技術上的限制。舉例來說，當使用雷射光束對工件進行一次的列印燒結之後，在熱能還沒有完全排除之下又在同一點進行一次列印燒結，導致前一次燒結過的材料在尚未完全凝固的情況下又累積新的材料，新累積上去的材料很可能在尺寸形狀方面會出現偏差，造成列印精度的降低。

為了解決上述問題，目前的做法是在加工過程中對加工點的溫度進行感測，並在加工完成之後針對感測結果進行製程參數的調整，但是事後的分析調整所能改善的效果相當有限，無法有效解決加工區域溫度不穩定的問題。

本發明之主要目的在於提供一種3D列印裝置，其能即時監控加工點前方的溫度變化，進而即時調整製程參數來維持加工點的溫度穩定。

為了達成上述目的，本發明之3D列印裝置包含有一列印單元及一感測單元。該列印單元具有一移動座與一雷射光發射器，該雷射光發射器固設於該移動座，用以發射一雷射光束；該感測單元具有一可動環與一溫度感測器，該可動環可轉動地套設於該雷射光發射器，該溫度感測器設於該可動環，使得該溫度感測器能藉由該可動環而以該雷射光束之發射點為中心旋轉。藉此，該溫度感測器可以始終保持在該雷射光束之加工路徑的前方，用以預先感測加工點前方的溫度變化。

在本發明中，該感測單元更具有一伺服馬達、一驅動齒輪及一從動齒環，該伺服馬達設於該移動座，該驅動齒輪連接該伺服馬達，該從動齒環同軸地連接該可動環且嚙接於該驅動齒輪。藉此，該伺服馬達會利用該驅動齒輪與該從動齒環之間的嚙接關係來驅動該可動環轉動。

在本發明中，該3D列印裝置更包含有一微控制器，該微控制器設於該移動座且電性連接該溫度感測器，用以接收該溫度感測器之一感測訊號，並根據該感測訊號來控制該雷射光發射器的製程參數。

在本發明中，該列印單元更具有兩相對之X軸極限開關與兩相對之Y軸極限開關，該兩X、Y軸極限開關分別設於該移動座之兩相對側面，用以確保作動過程的安全性。

本發明之次一目的在於提供一種前述3D列印裝置之溫度監控方法，包含有下列幾個步驟：a)控制該雷射光發射器對一待加工工件發射該雷射光束，使該雷射光束在該待加工工件之表面形成一加工點；b)控制該移動座帶動該雷射光發射器，使該雷射光發射器之雷射光束沿著一加工路徑移動；c)控制該可動環帶動該溫度感測器以該雷射光束之發射點為中心旋轉，使該溫度感測器保持在該雷射光束之加工路徑的前方，用以預先感測該待加工工件之表面在該加工點前方的溫度變化。此外，前述溫度監控方法更包含有一步驟d)，由該微控制器接收該溫度感測器所感測到的溫度變化，並根據感測結果即時調整該列印單元的製程參數。

有關本發明所提供之3D列印裝置的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

10‧‧‧機台

11‧‧‧架體

12‧‧‧X軸滑軌

13‧‧‧X軸驅動源

14‧‧‧X軸滑台

15‧‧‧X軸連桿

16‧‧‧Y軸滑軌

17‧‧‧Y軸驅動源

18‧‧‧Y軸滑台

19‧‧‧Y軸連桿

20‧‧‧3D列印裝置

30‧‧‧列印單元

31‧‧‧移動座

32‧‧‧X軸穿孔

33‧‧‧Y軸穿孔

34‧‧‧X軸極限開關

35‧‧‧Y軸極限開關

36‧‧‧雷射光發射器

L‧‧‧雷射光束

P‧‧‧加工路徑

40‧‧‧感測單元

41‧‧‧伺服馬達

42‧‧‧驅動齒輪

43‧‧‧從動齒環

44‧‧‧可動環

45‧‧‧溫度感測器

50‧‧‧微控制器

60‧‧‧待加工工件

第1圖為本發明之3D列印裝置配合機台的外觀立體圖。

第2圖為本發明之3D列印裝置的外觀立體圖。

第3圖為本發明之3D列印裝置的底視圖。

第4圖為本發明之3D列印裝置的作動示意圖。

請先參閱第1圖，圖中所示之機台10包含有一架體11，架體11之兩相對側邊設有兩條相對之X軸滑軌12及兩條相對之Y軸滑軌16，其中一條X軸滑軌12設有一X軸驅動源13，另外一條X軸滑軌12設有一X軸滑台14，X軸驅動源13與X軸滑台14之間藉由一X軸連桿15連接在一起，使得X軸驅動源13能透過X軸連桿15帶動X軸滑台14一起沿著一X軸方向移動，此外，其中一條Y軸滑軌16設有一Y軸驅動源17，另外一條Y軸滑軌16設有一Y軸滑台18，Y軸驅動源17與Y軸滑台18之間藉由一Y軸連桿19連接在一起，使得Y軸驅動源17能透過Y軸連桿19帶動Y軸滑台18一起沿著一Y軸方向移動。

請再參閱第2及3圖，本發明之3D列印裝置20包含有一列印單元30、一感測單元40及一微控制器50。

列印單元30具有一移動座31，移動座31具有一X軸穿孔32與一Y軸穿孔33，X、Y軸穿孔32、33之間上下錯開，移動座31分別藉由X、Y軸穿孔32、33安裝於X、Y軸連桿15、19，使得移動座31能被X、Y軸連桿15、19所帶動而沿著X軸方向及Y軸方向移動。為了避免移動座31在移動過程中發生撞機意外，移動座31之兩相對側面分別安裝有兩相對之X軸極限開關34與兩相對之Y軸極限開關35，用以確保作動過程的安全性。此外，列印單元30更具有一雷射光發射器36，雷射光發射器36之頂端固定於移動座31，用以對待加工工件60發射一雷射光束L。

如第2及3圖所示，感測單元40具有一伺服馬達41、一驅動齒輪42、一從動齒環43及一可動環44。伺服馬達41設於移動座31，驅動齒輪42連接伺服馬達41，從動齒環43可轉動地套設於雷射光發射器36且嚙接於驅動齒輪42，可動環44可轉動地套設於雷射光發射器36之底端且同軸地連接從動齒環43。藉此，伺服馬達41會利用驅動齒輪42與從動齒環43之間的嚙接關係來驅動可動環44相對雷射光發射器36轉動。此外，感測單元40更具有一溫度感測器45，溫度感測器45設於可動環44，使得溫度感測器45能藉由可動環44而以雷射光束L之發射點為中心旋轉。

微控制器50設於移動座31且電性連接溫度感測器45，用以接收溫度感測器45之一感測訊號，並根據感測訊號來控制列印單元30的製程參數，例如移動座31的移動速度及雷射光發射器36的發射功率等。

以上為本發明之3D列印裝置20的結構，以下再就本發明之溫度監控方法進行敘述，請參閱第4圖：

a)：由微控制器50控制雷射光發射器36對待加工工件60發射雷射光束L，使雷射光束L在待加工工件60之表面形成一加工點W。

b)：由微控制器50控制移動座31帶動雷射光發射器36，使雷射光發射器36之雷射光束L沿著一加工路徑P移動。

c)：由微控制器50控制可動環帶動溫度感測器45以雷射光束L之發射點為中心旋轉，讓溫度感測器45始終保持在雷射光束L之加工路徑P的前方，用以感測待加工工件60之表面在加工點W前方的溫度變化。

d)：由微控制器50接收溫度感測器45所感測到的溫度變化，並根據感測結果即時調整列印單元30的製程參數，例如前述所提及的移動座31的移動速度及雷射光發射器36的發射功率等。

由上述可知，本發明之3D列印裝置20由溫度感測器45感測雷射光束L之加工路徑P前方的溫度，並經過微控制器50的分析之後即時調整製程參數，例如前方的溫度若高於微控制器50所設定之一基準溫度時，微控制器50會控制雷射光發射器36降低發射功率，反之則升高發射功率，或者是前方遇到需要轉彎時，微控制器50會控制移動座31進行加速或減速，同時搭配調整雷射光發射器的發射功率，原則上減速時降低發射功率，加速時則升高發射功率，如此可以使每一個加工點W的溫度保持在穩定狀態，以解決習用技術因溫度不固定所造成的精度不佳問題。

Claims

一種3D列印裝置，包含有：一列印單元，具有一移動座與一雷射光發射器，該雷射光發射器固設於該移動座，用以發射一雷射光束；以及一感測單元，具有一可動環與一溫度感測器，該可動環可轉動地套設於該雷射光發射器，該溫度感測器設於該可動環，使得該溫度感測器能藉由該可動環而以該雷射光束之發射點為中心旋轉。
如請求項1所述之3D列印裝置，其中該感測單元更具有一伺服馬達、一驅動齒輪及一從動齒環，該伺服馬達設於該移動座，該驅動齒輪連接該伺服馬達，該從動齒環同軸地連接該可動環且嚙接於該驅動齒輪。
如請求項1所述之3D列印裝置，更包含有一微控制器，該微控制器設於該移動座且電性連接該溫度感測器，用以接收該溫度感測器之一感測訊號，並根據該感測訊號來控制該列印單元的製程參數。
如請求項1所述之3D列印裝置，其中該列印單元更具有兩相對之X軸極限開關與兩相對之Y軸極限開關，該兩X、Y軸極限開關分別設於該移動座之兩相對側面。
一種如請求項1所述之3D列印裝置的溫度監控方法，包含有下列步驟： a) 控制該雷射光發射器對一待加工工件發射該雷射光束，使該雷射光束在該待加工工件之表面形成一加工點； b) 控制該移動座帶動該雷射光發射器，使該雷射光發射器之雷射光束沿著一加工路徑移動；以及 c) 控制該可動環帶動該溫度感測器以該雷射光束之發射點為中心旋轉，使該溫度感測器保持在該雷射光束之加工路徑的前方，用以預先感測該待加工工件之表面在該加工點前方的溫度變化。
如請求項5所述之溫度監控方法，更包含有一步驟d)，由一微控制器接收該溫度感測器所感測到的溫度變化，並根據感測結果即時調整該列印單元的製程參數。