TWI654093B - 二維列印裝置、三維列印裝置以及列印方法 - Google Patents

Abstract

一種二維列印裝置、三維列印裝置以及列印方法，其能對列印頭的列印軌跡進行判斷。若列印軌跡判斷為直線軌跡，控制移動機構而使列印頭相對於載盤移動，且載盤固定不動。若列印軌跡判斷為曲線軌跡，控制載盤相對於列印頭旋轉。

Description

二維列印裝置、三維列印裝置以及列印方法

本發明是有關於一種列印裝置與列印方法，且特別是有關於一種二維列印裝置、三維列印裝置以及列印方法。

就現有的列印技術而言，無論是二維列印技術或三維列印技術，其在進行曲線列印時，大多是將欲列印的曲線線段切割為多個直線段，並使相鄰接的兩直線段的斜率變化逼近於最小值，藉以近似出平滑的曲線。然而，前述作法對於提高列印曲線線段的精度有其限度，特別是於列印圓弧線段時，若用於近似圓弧線段的直線段的數量不足，很容易列印出鋸齒狀的邊緣。

本發明提供一種二維列印裝置、三維列印裝置以及列印方法，能提高列印精度。

本發明的二維列印裝置包括機體、載盤、第一驅動件、移動機構、第二驅動件、列印頭以及控制器。第一驅動件耦接機體與載盤。移動機構與機體耦接並與載盤相對設置。第二驅動件耦接機體與移動機構。列印頭連接移動機構，且配置用以沿直線軌跡或曲線軌跡列印。控制器電性耦接第一驅動件與第二驅動件。控制器配置用以控制第一驅動件驅動載盤沿第一軸向相對於列印頭旋轉以及控制第二驅動件驅動移動機構沿第二軸向或垂直於第二軸向的第三軸向移動列印頭，且第二軸向與第三軸向分別垂直於第一軸向。在列印頭沿直線軌跡列印時，載盤固定不動，第二驅動件驅動移動機構而使列印頭沿第二軸向或第三軸向相對於載盤移動。在列印頭沿曲線軌跡列印時，第一驅動件驅動載盤沿第一軸向相對於列印頭旋轉。

在本發明的一實施例中，上述的二維列印裝置更包括處理器，電性耦接控制器。處理器配置用以接收至少一筆點資料，其中第n個點資料與第n+1個點資料定義出一線段，且n等於正整數。處理器配置用以計算各個線段的斜率，並對相鄰接的這些線段的斜率變化進行判斷而得一判斷結果。處理器將判斷結果傳送至控制器，控制器依據判斷結果控制第二驅動件驅動移動機構而使列印頭沿第二軸向或第三軸向相對於載盤移動，以使列印頭沿直線軌跡列印，或依據判斷結果控制第一驅動件驅動載盤沿第一軸向相對於列印頭旋轉，以使列印頭沿曲線軌跡列印。

本發明的三維列印裝置包括機體、載盤、第一驅動件、第一移動機構、第二驅動件、第二移動機構、第三驅動件、列印頭以及控制器。第一驅動件耦接機體與載盤。第一移動機構與機體耦接並與載盤相對設置。第二驅動件耦接機體與第一移動機構。第二移動機構與機體耦接並連接載盤。第三驅動件耦接機體與第二移動機構。列印頭連接第一移動機構，且配置用以沿直線軌跡或曲線軌跡列印。控制器電性耦接第一驅動件、第二驅動件以及第三驅動件。控制器配置用以控制第一驅動件驅動載盤沿第一軸向相對於列印頭旋轉、控制第二驅動件驅動第一移動機構沿第二軸向或垂直於第二軸向的第三軸向移動列印頭以及控制第三驅動件驅動第二移動機構沿第一軸向移動載盤，且第二軸向與第三軸向分別垂直於第一軸向。在列印頭沿直線軌跡列印時，載盤固定不動，第二驅動件驅動第一移動機構而使列印頭沿第二軸向或第三軸向相對於載盤移動。在列印頭沿曲線軌跡列印時，第一驅動件驅動載盤沿第一軸向相對於列印頭旋轉。

在本發明的一實施例中，上述的三維列印裝置更包括處理器，電性耦接控制器。處理器配置用以接收至少一筆點資料，其中第n個點資料與第n+1個點資料定義出一線段，且n等於正整數。處理器配置用以計算各個線段的斜率，並對相鄰接的這些線段的斜率變化進行判斷而得一判斷結果。處理器將判斷結果傳送至控制器，控制器依據判斷結果控制第一驅動件驅動第一移動機構而使列印頭沿第二軸向或第三軸向相對於載盤移動，以使列印頭沿直線軌跡列印，或依據判斷結果控制第一驅動件驅動載盤沿第一軸向相對於列印頭旋轉，以使列印頭沿曲線軌跡列印。

本發明的列印方法適用於列印裝置，列印方法包括以下步驟。判斷列印頭的列印軌跡，且列印軌跡包括直線軌跡與曲線軌跡。若列印軌跡判斷為曲線軌跡，透過控制器控制第一驅動件使載盤沿第一軸向相對於列印頭旋轉。若列印軌跡判斷為直線軌跡，使載盤固定不動，並透過控制器控制第二驅動件驅動與載盤相對設置的移動機構而使連接移動機構的列印頭沿第二軸向或垂直於第二軸向的第三軸向相對於載盤移動。第二軸向與第三軸向分別垂直於第一軸向。

在本發明的一實施例中，上述的列印方法更包括透過處理器接收至少一筆點資料，其中第n個點資料與第n+1個點資料定義出一線段，且n等於正整數。使處理器計算各個線段的斜率，並對相鄰接的這些線段的斜率變化進行判斷而得一判斷結果。將判斷結果自處理器傳送至控制器。控制器依據判斷結果控制第二驅動件驅動移動機構而使列印頭沿第二軸向或第三軸向相對於載盤移動，以使列印頭沿直線軌跡列印，或依據判斷結果控制第一驅動件驅動載盤沿第一軸向相對於列印頭旋轉，以使列印頭沿曲線軌跡列印。

在本發明的一實施例中，上述的曲線軌跡若判斷為圓弧線時，即曲線軌跡的曲率中心為載盤的旋轉中心時，使列印頭固定不動，並控制第一驅動件驅動載盤沿第一軸向相對於列印頭旋轉。

在本發明的一實施例中，上述的曲線軌跡若判斷為非圓弧曲線時，即曲線軌跡的曲率中心非載盤的旋轉中心時，則同時控制第二驅動件驅動移動機構而使列印頭沿第二軸向或第三軸相對於載盤移動以及控制第一驅動件驅動載盤沿第一軸向相對於列印頭旋轉，或者是使列印頭沿第二軸向或第三軸向相對於載盤的移動與載盤沿第一軸向相對於列印頭的旋轉之間具有時間差。

基於上述，本發明的二維列印裝置與三維列印裝置所採用的列印方法可對列印頭的列印軌跡進行判斷，若列印軌跡判斷為直線軌跡，使列印頭相對於載盤移動，且載盤固定不動，以於載盤上列印出直線段。若列印軌跡判斷為曲線軌跡，使載盤相對於列印頭旋轉，以使列印頭於載盤上列印出曲線段。因此，本發明的二維列印裝置、三維列印裝置以及列印方法能列印出筆直的直線段與平滑的曲線段，從而提高列印精度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是本發明一實施例的三維列印裝置的結構示意圖。請參考圖1，在本實施例中，三維列印裝置100包括機體105、載盤110、第一驅動件106、第一移動機構120、第二驅動件107、第二移動機構130、第三驅動件108、列印頭140以及控制器150，且第一移動機構120和第二移動機構130分別機械地耦接機體105。

載盤110配置用以承接列印頭140所提供的列印材料，其中第一驅動件106可為馬達，且機械地耦接機體105與載盤110。在本實施例中，第一驅動件106能驅動載盤110沿第一軸向A1旋轉(即沿著與第一軸向A1平行的Z軸旋轉)。此處，三維列印裝置100可採用熔融沉積成型(FDM)技術，前述列印材料可為經列印頭加熱熔融後所擠出的線材。另一方面，載盤110可為圓盤，但本發明對於載盤的幾何形狀不作限制，其可以是橢圓形、矩形、其他多邊形或不規則狀。

第一移動機構120可為X-Y平面移動機構，其中第一移動機構120與載盤110相對設置，列印頭140連接第一移動機構120，且位於第一移動機構120與載盤110之間。第二驅動件107機械地耦接機體105與第一移動機構120，其中第二驅動件107可包括第一馬達1071、第一傳動件1072、第二馬達1073以及第二傳動件1074，第一馬達1071透過第一傳動件1072機械地耦接第一移動機構120，且第二馬達1073透過第二傳動件1074機械地耦接第一移動機構120。舉例來說，第一傳動件1072可包括皮帶輪與皮帶，且第二傳動件1074同樣可包括皮帶輪與皮帶。

在本實施例中，透過第一馬達1071與第一傳動件1072能驅動第一移動機構120沿第二軸向A2(平行於空間中的X軸)移動列印頭140，而透過第二馬達1073與第二傳動件1074能驅動第一移動機構120沿第三軸向A3(平行於空間中的Y軸)移動列印頭140。其中，第一軸向A1、第二軸向A2與第三軸向A3互為垂直。另一方面，第二移動機構130連接載盤110，且第三驅動件108機械地耦接機體105與第二移動機構130。第三驅動件108可為馬達，且第二移動機構130可為螺桿，透過第三驅動件108能驅動第二移動機構130沿第一軸向A1移動載盤110，使載盤110移動靠近列印頭140或移動遠離列印頭140。

舉例來說，欲列印的三維物件的三維模型會沿著Z軸進行分層的動作，進而得到多個平行於X-Y平面的截面輪廓以及相應於各個截面輪廓的三維點資料。在三維列印裝置100接受這些截面輪廓的點資料後，其會先依據其中一個截面輪廓所對應的三維點資料進行列印的動作。之後，依據其他截面輪廓所對應的三維點資料，並透過第二移動機構130沿第一軸向A1移動載盤110，以調整載盤110與列印頭140之間的距離，並且進行列印的動作。進一步而言，在依據每一個截面輪廓所對應的三維點資料進行列印的動作時，載盤110與列印頭140之間的距離是由此截面輪廓所對應的三維點資料中的Z軸座標所決定，而此截面輪廓所對應的三維點資料中的Z軸座標是固定不變的。在暫時固定載盤110的高度後，列印頭140便會依據此截面輪廓所對應的三維點資料中的X軸座標與Y軸座標沿直線軌跡或曲線軌跡進行列印的動作。

在本實施例中，三維列印裝置100更包括處理器160，其中控制器150與處理器160分別設置於機體105，且控制器150與處理器160彼此電性耦接。另一方面，控制器150電性耦接第一驅動件106、第二驅動件107以及第三驅動件108。此處，電性耦接關係可以是無線連接或有線連接，本發明對此不加以限制。詳細而言，控制器150配置用以控制第一驅動件106驅動載盤110沿第一軸向A1相對於列印頭140旋轉、控制第二驅動件107驅動第一移動機構120而使列印頭140沿第二軸向A2或第三軸向A3相對於載盤110移動以及控制第三驅動件108驅動第二移動機構130而使載盤110沿第一軸向A1移動靠近或移動遠離列印頭140。

另一方面，處理器160配置用以接收至少一筆點資料，並對接收所得的點資料進行運算與判斷。後續所得的判斷結果會自處理器160傳送到控制器150，使控制器150對應執行使列印頭140相對於載盤110移動、使載盤110移動靠近或移動遠離列印頭140以及使載盤110相對於列印頭140旋轉等動作的至少任一。

以下針對應用三維列印裝置100的列印方法作進一步地說明。

圖2A至圖2C分別是圖1的列印頭於載盤上列印出直線段、非圓弧曲線段以及圓弧線段的示意圖。請參考圖1以及圖2A至圖2C，先使處理器160接受到至少一筆點資料，或稱將至少一筆點資料載入處理器160，此筆點資料可以是三維點資料，且對應於欲列印的三維物件的三維模型在Z軸方向上的其中一個截面輪廓，因此Z軸座標是固定不變的。接著，處理器160會對接收所得的點資料進行運算與判斷，並依據判斷結果判斷出列印頭140的列印軌跡，其中列印頭140可依不同的列印軌跡列印出圖2A所示的直線段101a、圖2B所示的曲線段101b以及圖2C所示的圓弧線段101c。實務上，列印頭140可依其他列印軌跡列印出帶有轉折的直線段，或列印出呈波浪狀的曲線段，或列印出呈不規則狀的曲線段，或列印出相鄰接的多個圓弧線段，或列印出直線段、曲線段以及圓弧線段中的至少兩者的組合。

舉例來說，此筆點資料包括多個點資料，其中第n個點資料與第n+1個點資料定義出一線段，且n等於正整數。在處理器160對接收所得的點資料進行運算與判斷時，處理器160可計算各個線段的斜率，並對相鄰接的這些線段的斜率變化進行判斷而得一判斷結果。

以其中一種狀況而論，處理器160對任一區間內的數筆點資料進行運算與判斷，若相鄰接的這些線段的斜率相同，得到列印軌跡為直線軌跡的判斷結果。接著，此判斷結果會自處理器160傳送至控制器150。此時，控制器150會依據此判斷結果使載盤110固定不動，並控制第二驅動件107驅動第一移動機構120而使列印頭140沿第二軸向A2或第三軸向A3相對於載盤110移動，以列印出筆直的直線段101a，如圖2A所示。進一步而言，若處理器160判斷出相鄰接的任三線段其中相鄰二者的斜率相等，則得到直線段產生轉折的判斷結果，且相應的轉角非圓角。此時，控制器150會依據此判斷結果使載盤110固定不動，並控制第二驅動件107驅動第一移動機構120而使列印頭140沿第二軸向A2或第三軸向A3相對於載盤110移動，以列印出具有轉折的直線段。

以另一種狀況而論，處理器160對任一區間內的數筆點資料進行運算與判斷，若處理器160判斷出相鄰接的任三線段的斜率互不相等，且斜率變化極小，則得到列印軌跡為曲線軌跡的判斷結果。進一步而言，在處理器160判斷出列印軌跡為曲線軌跡時，可進行曲線擬合的動作以確定曲線軌跡為圓弧線或非圓弧曲線。若處理器160判斷曲線軌跡為非圓弧曲線，即判斷出曲線軌跡的曲率中心非載盤110的旋轉中心時，將此判斷結果傳送至控制器150。此時，控制器150會依據此判斷結果同時控制第二驅動件107驅動第一移動機構120而使列印頭140沿第二軸向A2或第三軸向A3相對於載盤110移動以及控制第一驅動件106驅動載盤110沿第一軸向A1相對於列印頭140旋轉，以列印出平滑的曲線段101b，如圖2B所示。又或者是，控制器150依據此判斷結果，使列印頭140沿第二軸向A2或第三軸向A3相對於載盤110的移動與載盤110沿第一軸向A1相對於列印頭140的旋轉之間具有時間差，以列印出平滑的曲線段101b。

若處理器160判斷曲線軌跡為圓弧線，即判斷曲線軌跡的曲率中心為載盤110的旋轉中心時，將此判斷結果傳送至控制器150。此時，控制器150會依據此判斷結果使列印頭140固定不動，並控制第一驅動件106驅動載盤110沿第一軸向A1相對於列印頭140旋轉，以列印出平滑的圓弧線段101c，如圖2C所示。此處，圓弧線段101c可以是真圓(proper circle)的片段。

簡言之，本實施例的三維列印裝置100及其所應用的列印方法可對列印軌跡進行判斷，以針對不同的列印軌跡單獨使列印頭140相對於載盤110移動而得到筆直的直線段；單獨使載盤110相對於列印頭140旋轉而得到平滑的圓弧線段；或者是，同時使列印頭140相對於載盤110移動與載盤110相對於列印頭140旋轉而得到平滑的非圓弧曲線段；又或者是，使驅動列印頭140相對於載盤110的移動與載盤110相對於列印頭140的旋轉具有時間差而得到平滑的非圓弧曲線段。

特別說明的是，二維列印裝置與上述三維列印裝置100的差異在於：二維列印裝置中的載盤不會沿圖1所示的第一軸向A1移動靠近列印頭140或移動遠離列印頭140，故無需設置圖1所示的第三驅動件108與第二移動機構130。也就是說，二維列印裝置可以是至少由圖1所示的機體105、載盤110、第一驅動件106、第一移動機構120、第二驅動件107、列印頭140、控制器150以及處理器160所構成，相應的配置關係、電性耦接關係、作動方式或列印方法可參見以上針對三維列印裝置100所作的說明。

綜上所述，本發明的二維列印裝置與三維列印裝置所採用的列印方法可對列印頭的列印軌跡進行判斷，若列印軌跡判斷為直線軌跡，控制其中一驅動件驅動移動機構而使列印頭相對於載盤移動，且載盤固定不動，以於載盤上列印出直線段。若列印軌跡判斷為曲線軌跡，且曲線軌跡判斷為圓弧線，使列印頭固定不動，並控制另一驅動件驅動載盤相對於列印頭旋轉，以使列印頭於載盤上列印出圓弧線段。若曲線軌跡判斷為非圓弧曲線，除使載盤相對於列印頭旋轉，也會視時點使列印頭相對於載盤移動。因此，本發明的二維列印裝置、三維列印裝置以及列印方法能列印出筆直的直線段與平滑的曲線段，從而提高列印精度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100：三維列印裝置 101a：直線段 101b：曲線段 101c：圓弧線段 105：機體 106：第一驅動件 107：第二驅動件 1071：第一馬達 1072：第一傳動件 1073：第二馬達 1074：第二傳動件 108：第三驅動件 110：載盤 120：第一移動機構 130：第二移動機構 140：列印頭 150：控制器 160：處理器 A1：第一軸向 A2：第二軸向 A3：第三軸向

圖1是本發明一實施例的三維列印裝置的結構示意圖。 圖2A至圖2C分別是圖1的列印頭於載盤上列印出直線段、非圓弧曲線段以及圓弧線段的示意圖。

Claims (8)

1. 一種二維列印裝置，包括：一機體；一載盤，與該機體耦接；一第一驅動件，耦接該機體與該載盤；一移動機構，與該機體耦接並與該載盤相對設置；一第二驅動件，耦接該機體與該移動機構；一列印頭，連接該移動機構，且配置用以沿直線軌跡或曲線軌跡列印；一控制器，電性耦接該第一驅動件與該第二驅動件，該控制器配置用以控制該第一驅動件驅動該載盤沿一第一軸向相對於該列印頭旋轉以及控制該第二驅動件驅動該移動機構沿一第二軸向或垂直於該第二軸向的一第三軸向移動該列印頭，且該第二軸向與該第三軸向分別垂直於該第一軸向；以及一處理器，電性耦接該控制器，該處理器配置用以接收至少二筆點資料，其中第n個點資料與第n+1個點資料定義出一線段，且n等於正整數；其中，該處理器配置用以計算各該線段的斜率，並對相鄰接的該些線段的斜率變化進行判斷而得一判斷結果，該處理器將該判斷結果傳送至該控制器，該控制器依據該判斷結果決定該列印頭是沿直線軌跡或曲線軌跡列印，其中，在該列印頭沿直線軌跡列印時，該載盤固定不動，該 第二驅動件驅動該移動機構而使該列印頭沿該第二軸向或該第三軸向相對於該載盤移動，其中，在該列印頭沿曲線軌跡列印時，該第一驅動件驅動該載盤沿該第一軸向相對於該列印頭旋轉。
2. 如申請專利範圍第1項所述的二維列印裝置，其中，該處理器將該判斷結果傳送至該控制器，該控制器依據該判斷結果控制該第二驅動件驅動該移動機構而使該列印頭沿該第二軸向或該第三軸向相對於該載盤移動，以使該列印頭沿直線軌跡列印，或依據該判斷結果控制該第一驅動件驅動該載盤沿該第一軸向相對於該列印頭旋轉，以使該列印頭沿曲線軌跡列印。
3. 一種三維列印裝置，包括：一機體；一載盤；一第一驅動件，耦接該機體與該載盤：一第一移動機構，與該機體耦接並與該載盤相對設置；一第二驅動件，耦接該機體與該第一移動機構；一第二移動機構，與該機體耦接並連接該載盤；一第三驅動件，耦接該機體與該第二移動機構；一列印頭，連接該第一移動機構，且配置用以沿直線軌跡或曲線軌跡列印；一控制器，電性耦接該第一驅動件、該第二驅動件以及該第三驅動件，該控制器配置用以控制該第一驅動件驅動該載盤沿一 第一軸向相對於該列印頭旋轉、控制該第二驅動件驅動該第一移動機構沿一第二軸向或垂直於該第二軸向的一第三軸向移動該列印頭以及控制該第三驅動件驅動該第二移動機構沿該第一軸向移動該載盤，且該第二軸向與該第三軸向分別垂直於該第一軸向；以及一處理器，電性耦接該控制器，該處理器配置用以接收至少二筆點資料，其中第n個點資料與第n+1個點資料定義出一線段，且n等於正整數；其中，該處理器配置用以計算各該線段的斜率，並對相鄰接的該些線段的斜率變化進行判斷而得一判斷結果，該處理器將該判斷結果傳送至該控制器，該控制器依據該判斷結果決定該列印頭是沿直線軌跡或曲線軌跡列印，其中，在該列印頭沿直線軌跡列印時，該載盤固定不動，該第二驅動件驅動該第一移動機構而使該列印頭沿該第二軸向或該第三軸向相對於該載盤移動，其中，在該列印頭沿曲線軌跡列印時，該第一驅動件驅動該載盤沿該第一軸向相對於該列印頭旋轉。
4. 如申請專利範圍第3項所述的三維列印裝置，其中，該控制器依據該判斷結果控制該第二驅動件驅動該第一移動機構而使該列印頭沿該第二軸向或該第三軸向相對於該載盤移動，以使該列印頭沿直線軌跡列印，或依據該判斷結果控制該第一驅動件驅動該載盤沿該第一軸向相對於該列印頭旋轉，以 使該列印頭沿曲線軌跡列印。
5. 一種列印方法，適用於一列印裝置，該列印方法包括：判斷一列印頭的一列印軌跡，且該列印軌跡包括直線軌跡與曲線軌跡；若該列印軌跡判斷為曲線軌跡，透過一控制器控制一第一驅動件驅動一載盤沿一第一軸向相對於該列印頭旋轉，若該列印軌跡判斷為直線軌跡，使該載盤固定不動，並透過該控制器控制一第二驅動件驅動與該載盤相對設置的一移動機構而使連接該移動機構的該列印頭沿一第二軸向或垂直於該第二軸向的一第三軸向相對於該載盤移動，且該第二軸向與該第三軸向分別垂直於該第一軸向。
6. 如申請專利範圍第5項所述的列印方法，更包括：透過一處理器接收至少一筆點資料，其中第n個點資料與第n+1個點資料定義出一線段，且n等於正整數；使該處理器計算各該線段的斜率，並對相鄰接的該些線段的斜率變化進行判斷而得一判斷結果；將該判斷結果自該處理器傳送至該控制器；該控制器依據該判斷結果控制該第二驅動件驅動該移動機構而使該列印頭沿該第二軸向或該第三軸向相對於該載盤移動，以使該列印頭沿直線軌跡列印，或依據該判斷結果控制該第一驅動件驅動該載盤沿該第一軸向相對於該列印頭旋轉，以使該列印頭沿曲線軌跡列印。
7. 如申請專利範圍第5項所述的列印方法，其中若曲線軌跡判斷為圓弧線，使該列印頭固定不動，並控制該第一驅動件驅動該載盤沿該第一軸向相對於該列印頭旋轉。
8. 如申請專利範圍第5項所述的列印方法，其中若曲線軌跡判斷為非圓弧曲線，同時控制該第二驅動件驅動該移動機構而使該列印頭沿該第二軸向或該第三軸向相對於該載盤移動以及控制該第一驅動件驅動該載盤沿該第一軸向相對於該列印頭旋轉，或者是使該列印頭沿該第二軸向或該第三軸向相對於該載盤的移動與該載盤沿該第一軸向相對於該列印頭的旋轉之間具有時間差。