TWI655077B - 三維列印裝置 - Google Patents

Abstract

一種三維列印裝置，包含影像光源、固定架、透光板、支撐座、工件座及彈性墊。支撐座是設置於透光板的下側方向，可提供一容置空間供影像光源設置於其中。而影像光源可以向透光板射出一影像光束，而影像光束可使透光板上方的光固化材料固化並形成在工件座的表面。固定架設於透光板下方，用於承載透光板，而二者之間設有一彈性墊。在工件座朝下方移動並使透光板受壓時，彈性墊可彈性變形以解決了先前技術中空隙過大致列印失敗及透光板受壓易受壓破碎的問題。

Description

三維列印裝置

本發明有關於一種三維列印裝置，特別是有關於一種具有彈性件的光固化式三維列印裝置。

目前的三維列印技術中，一種是屬於上拉式立體微影裝置(bottom-up Stereo Lithography Apparatus，boottom-up SLA)。當上拉式立體微影裝置進行列印前，光固化材料會被灌設於一料槽的透光板上方。在列印時，設於透光板上方的工件座會往下移動，使其成形表面完全浸泡在光固化材料中。之後，設於透光板下方的影像光源所發出的光束，會穿透透光板，並使光束穿過透光板與光固化材料反應，光固化材料在固化後會成形於工件座的成形表面上。固化完成後，工件座會慢慢地上升並與透光板或離形層分離。隨後重復下降工件座、照光硬化及提升脫離的程序，即可在工件座的成形表面上形成多層彼此堆積的固態圖案，從而獲得列印成品。

然而，在三維列印裝置在進行第一層材料的固化程序時，若工件座的成形表面與透光板之間的空隙過大，則無法有足夠光線穿透較下層的材料，使得工件座成形表面處的材料，未受到充足的光線照射進行固化，致使工件無法順利於成形表面上形成所欲的形狀，在隨後的上拉程序中，工件將自附著於平台的成形表面上脫離，導致列印失敗。故此，在列印開始前，從業人員一般 會將工件座的成形表面盡量貼附在透光板上，以極小化其間的空隙後，先照射一次，以將空隙中的材料先行固化於成形表面後，提供工件後續成長的介面，以藉此首層的貼附程序來減少工件列印失敗的機會。

然而，三維列印裝置可能會因組裝公差或是外力等因素，使工件座及成形表面之間產生一定程度的傾斜，若傾斜度過大，則會有部份材料因空隙過大而導致列印失敗。同時，在進行工件座在進行前述的貼附程序時，若行程設計不當則可能會壓迫到透光板，導致透光板破碎的意外。

為避免上開情況的發生，製造廠商多以提高各元件的工差要求，或耗費大量工時來校正機台等消極手段來減少元件的傾斜及偏移，冀得減低列印失敗的比例。惟前述手段除了會使成本提高外，仍無法避免運送途中或是使用者在安裝期間產生的零件偏移所導致的透光板損毁或是空隙過大而列印失敗的問題。據此，對從業人員來說，工件座在貼附程序期間因工件座與透光板之間傾斜而導致的，透光板損毁或是因空隙過大而列印失敗，是存在已久且尚未無法被有效解決的問題。

本發明一實施例提供一種光固化式三維列印裝置，包含影像光源、固定架、透光板、支撐座、工件座及彈性墊。支撐座是設置於透光板的下側方向，可提供一容置空間供影像光源設置於其中。影像光源發出的影像光束，可以穿透透光板，使透光板上方的光固化材料固化，並形成在工件座的表面。固定架設於透光板下方，用於承載透光板，而二者之間設有一彈性墊。在工件座朝下方移動並使透光板受壓時，彈性墊可彈性變形並被壓縮以解決了先前技術中透光板受壓破碎及空隙過大致列印失敗的問題。

本發明另一實施例提供一種光固化式三維列印裝置，包含影像光源、框架、彈性件、透光板、連結機件、工件座及一支撐架。支撐架是設置於透光板的下側方向，可維持透光板的位置並於其下方提供一容置空間以供影像光源設置。而影像光源可以向透光板射出一影像光束，而影像光束可使透光板上方的光固化材料固化並形成在工件座的表面。框架設於透光板的下方，而二者之間設有一彈性件。在工件座朝透光板移動並使透光板受壓時，彈性墊可彈性變形，解決了先前技術中透光板受壓破碎及空隙過大致列印失敗的問題。

為讓本發明特徵明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合圖式，作詳細說明。

1‧‧‧三維列印裝置

11‧‧‧材料槽

111‧‧‧透光板

111A‧‧‧穿孔

112‧‧‧彈性件

113‧‧‧框架

114‧‧‧離形膜

115‧‧‧連結機件

115A‧‧‧凸塊

12‧‧‧影像光源

13‧‧‧工件座

131‧‧‧成形表面

14‧‧‧支撐座

15‧‧‧驅動裝置

圖1A與圖1B分別繪示本發明一實施例的三維列印裝置的不同狀態時的示意圖。

圖2A至圖2C分別繪示本發明各實施例的彈性件的不同設計的示意圖。

本發明所稱上、下，僅為表達各元件之間的相對位置，其不對使用的方法進行限制。請參閱圖1A及圖1B，圖1A及圖1B分別為本發明的三維列印裝置之第一具體實施例在不同狀態時的示意圖。於本例中，三維列印裝置1包括一材料槽11、一影像光源12、一工件座13、一支撐座14及一驅動裝置15。

於本例中，材料槽11中包括有一透光板111，彈性件112、框架113、離形膜114及連結機件115。彈性件112會將透光板111抵持於連結機件115的凸塊 115A之下表面，同時連結機件115可限制透光板111之高度。當各連結機件115的凸塊115A與透光板111接觸之處的高度為相同時，透光板111亦將呈一水平狀態。請參閱圖1B，當工件座13往材料槽11移動並對透光板111施壓時，透光板111下方的彈性件112會被壓縮，並作彈性變形，透光板111將隨工件座13的成形表面131的角度並必要的傾斜，避免透光板111破損。

於本實施例中，材料槽11係可用於承載光固化材料，其可包括透光板111、彈性件112、框架113、離形膜114及連結機件115。於本實施例中，光固化材料可以是具流動性或黏滯性的液體，並可對特定波長之光線發生化學反應並固化。前述的特定波長可以是對紫外光或是可見光。於本例中，光固化材料是指對例如是波長約為365奈米的紫外光反應的光敏樹脂。

於本實施例中，透光板111可讓至少部份可見光或不可見光穿過。透光板111的材質可以是玻璃或是例如是塑膠的高份子材料。於本例中，透光板111是玻璃平板，玻璃平板透光板111的邊沿具有多個穿透其上下表面的穿孔111A。另外，透光板111對365奈米的紫外光具有70%以上的透光率時，已有基本效果；具有80%以上的透光率時，其效率較佳；具有90%以上的透光率時，其效率較佳；具有95%以上的透光率時，其效率最佳。另外，利用製造本例中的透光板111的材料在厚度為一公分時，其對波長為365奈米的紫外光透光率是在超過70%、80%、90%及95%時，分別具有基本、較佳、更佳及最佳的效果。而於本例中，透光板111對波長為365奈米的紫外光的透光率約為96%。除此之外，當光固化材料係對可見光反應時，透光板111的可見光的透光率可維持在90%以上。而透光板對波長為500奈米的可見光透光率在超過70%、80%、90%及95%時， 分別具有基本、較佳、更佳及最佳的效果。而於本例中，玻璃平板對波長為500奈米的可見光透光率約為92%。

於本實施例中，是以彈性件112作為彈性墊，可以使用矽膠、像膠塊等彈性材料塊，或是使用彈簧、簧片等具有彈性變形能力的元件。而於本例中的三維列印裝置1中，其僅包括一彈性件112為圍成一框狀且蕭式硬度A66的合成橡膠環。如圖二A所繪示者，即為彈性件112之俯視圖。除了截面形狀為圓柱狀的框狀彈性件112外，彈性件112亦可以是截面形狀是矩形的扁平墊狀的彈性墊。而除了單一彈性件112的設計外，三維列印裝置1亦可以包括其他的設計，如圖二B，由多顆點狀彈性件112所組成的設計；或是以多條狀彈性件112之設計亦可。

於本實施例中，框架113用於承載前述透光板111，且框架113例如可為一固定架。框架113可承載透光板111並例如以摩擦力或是利用凸塊等干涉結構等方式，來直接或間接限制該透光板111之作動。於本例中，框架113可以是任意形狀的材料塊、板材或各種機件。而於本例中，框架113為一硬質中空的矩型框體。而於本例中，框架113的輪廓與彈性件112之設置外形輪廓為相近，大致並為矩形。

於本實施例中，離形膜114可以是一軟性薄膜，具備透光，低表面沾黏之特性，可用於幫助工件自玻璃表面離形及脫離。於本例中，離形膜114是一鐵氟龍膜。

於本實施例中，連結機件115是指藉以達成所需之機件組合體之機件；如鉚釘、銷、鍵、螺栓及螺帽，即為連結機件之示例。於本例中，連結機件115為一螺絲，其一端具有一螺牙，另一端凸出有一凸塊(或稱肩部)115A。

再請參閱圖一A，於本例中，透光板111係設置於框架113上方，而透光板111和框架113之間設置有彈性件112。請參閱圖一B，當工件座13往材料槽11中的透光板111施壓傾斜時，透光板111對應工件座13的較低側的彈性件111會被壓縮並為較大幅的彈性變形，並使透光板111隨工件座13的角度傾斜。另外，若工件座13與透光板111為水平時，本例中的彈性件112亦可避免工件座13因行程設定錯誤而損毁透光板111的意外。

於本例中，離形膜114是設置於透光板111與工件座13之間。離形膜114的各側緣可固設於框架113之上表面。離形膜114將透光板111壓設於框架113上，並將透光板111與工件座13隔離。另外，離形膜114是用於減少離形時工件所受的力，惟其非必要元件，需要時是可以選擇性地被省略的。

於本例中，連結機件115藉由螺牙鎖固於框架113的上方。另外，連結機件115穿過透光板111的穿孔111A，並讓透光板111可活動地設置於框架113上方。而穿孔111A可略大於連結機件115之水平截面，以減少透光板111活動時受的阻力。另外，透光板111亦不以具有穿孔111A為限，透光板111亦可於邊沿設有一凹陷，以供連結機件115的部份嵌設亦可。又或者，透光板111未設有凹陷時，亦可以將多個連結機件115設於透光板111之側沿並應用其凸塊115A限制透光板111之上、下行程亦可。另外，當彈性件112為彈簧而連結機件115為梢或螺絲等柱狀物時，可將彈性件112套設於連結機件115之外圍，亦可達到與前例類似的效果。

另外，請參閱圖一B，於本例中，透光板111下方的彈性件112在受壓變形時，透光板111之上方表面與連結機件115的凸塊115A之間可以形成有一空隙。而如圖一A，在透光板111未受壓時，彈性件112會將透光板111抵住連結 機件115的凸塊115A的下方，而透光板111會與凸塊115A連接且無空隙，亦即透光板111直接抵持於凸塊115A從而限制其高度。惟其不以無空隙為限，在透光板111未受壓時，透光板111及凸塊115A之間亦可存有空隙。再者，彈性件112於被透光板111施壓時，其壓縮量大於透光板111未被施壓時的壓縮量。

於本實施例中，影像光源12可以是一包括投影鏡頭的投影機或是一例如是手機等具有一顯示屏但未包括投影鏡頭的可攜式電子裝置。於本例中，影像光源12為一投影機。影像光源12包括一紫外光光源、一光閥及一投影鏡頭。紫外光光源輸出一照明光，經由一例如是數位微反射鏡陣列(DMD)的光閥將照明光轉換為影像光，而影像光會經由投影鏡頭輸出影像光源。

於本實施例中，工件座(workpiece holder)13可為一平台(platform)。工件座13可受驅動並上下移動並承載及固定工件之位置。另外，工件座13有一成形表面131。於本例中，成形表面131設於工件座13下方，並面向透光板111。成形表面131可供光固化材料固化於其上。

於本實施例中，驅動裝置15可包括一長桿，較佳為一伸縮桿、轉軸以及馬達。馬達可透過轉軸與必要的機件連接以及調整伸縮桿的長度，從而驅動連接伸縮桿的工件座13上下移動。如此，在應用時，驅動裝置15可與工件座13連接，並能驅動工件座13以朝向接近以及遠離透光板111的方向，上下移動。

於本實施例中，材料槽11下方設有一支撐座14，支撐座14可用於維持材料槽11相對裝置承載面的高度，以確保材料槽11與三維列印裝置1的承載面之間保有影像光源12的容置空間。於本例中，支撐座14可以是一淺盤或是一具有出光口或開口的箱體、三維列印裝置1本身的外殼或是一支撐架，支撐架是指一有線條組織，具支撐或擱置作用的結構體。於本例中，支撐座14為一具有出 光口的剛性中空箱子，而出光口可為穿孔或是設置有一允許光束通過的透光材料。

本實施例中的三維列印裝置1在進行列印時，需先將光固化材料1置於材料槽11的離形膜114上。接著，控制驅動裝置15驅動工件座13朝向透光板111方向而移動，以使工件座13的下表面132能浸泡在光固化材料1中並使工件座13的成形表面碰觸透光板111上的離形膜114。此時，離形膜114會對透光板111施壓，透光板111下方的彈性件112會受壓變形，而透光板111會沿連結機件115的延伸方向下降以配合該工件座13之成形表面的作動。

之後，影像光源12直接地或是簡接的利用反射鏡等元件向透光板111發出光線，其經由透光板111進入材料槽11並到達其中的光固化材料。光固化材料受光固化於工件座13的成形表面131並成為工件的一部份。隨後，工件座13朝遠離透光板111的方向行進，而工件會從離形膜114上脫離。接著，工件座13再次下降，並重復前述的下降、固化及脫離的程序。

綜上所述，本發明藉由於透光板下方設置有彈性件，可避免透光板受壓受破損，更可藉此減少首層成形時因空隙過大導致列印失敗的風險。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明精神和範圍，當可作些許更動與潤飾。例如，動力的傳遞，可用直接接觸傳動、間接接觸傳動(藉由剛體或非剛體之中間連接物)，或是非接觸連接物(如磁力作用)，但這些變化為所屬技術領域中具有通常知識者，可輕易作的變化，仍屬本發明保護範圍內。因此本發明保護範圍當視後附之申請專利範圍界定者為準。

Claims (10)

1. 一種三維列印裝置，包含一固定架；一透光板，設於該固定架的第一側方向；一支撐座，設於該透光板的第二側方向，可於該透光板的第二側方向提供一影像光源的容置空間；一工件座，設於該透光板的第一側方向；以及一彈性墊，設置於該固定架及該透光板之間，且該彈性墊的材料體積可受壓縮減。
2. 如請求項1所述的三維列印裝置，其進一步包括：一驅動裝置，設有一中間連接物與該工件座連接；其中，該透光板為一平板玻璃，該透光板對波長為365奈米的光線透光率大於80%，該透光板連接於該固定架的下方；該工件座設於該透光板的上方，該彈性墊設於該透光板下方。
3. 一種三維列印裝置，包含：一框架；一彈性件，設置於該框架的上方；一透光板，設置於該彈性件的上方且由透光材料所組成；一連接機件，一端設有一凸塊，該凸塊可抵住該透光板，另一端與該框架連接；一工件座，設於該透光板的上方；以及 一支撐架，設於該透光板的下方，可於該透光板的下方提供一容置空間。
4. 如請求項3所述的三維列印裝置，其進一步包括：一影像光源，包括一紫外光光源、一光閥及一投影鏡頭，該影像光源設置於該容置空間中；及一驅動裝置，包括一伸縮桿，該伸縮桿與該工件座連接；其中，該透光板為一平板玻璃，設於該框架的下方，該彈性件設於該透光板下方，該連接機件經過該透光板固鎖於該框架上。
5. 如請求項3所述的三維列印裝置，其中該透光板對波長為365奈米的光線透光率大於80%，且該透光板為一平板玻璃。
6. 如請求項4所述的三維列印裝置，其中該彈性件為一框狀彈性材料塊且圍設有一開口，該開口設於該影像光源的光學路徑上。
7. 如請求項3所述的三維列印裝置，其具有一第一狀態及一第二狀態，在該第一狀態時，該連接機件之該凸塊與該透光板接觸，在該第二狀態時，該連接機件之該凸塊與該透光板之間存在間隙，該彈性件於該第一狀態時的壓縮量小於該彈性件於該第二狀態時的壓縮量。
8. 如請求項第1項或第3項所述的三維列印裝置，其中，該工件座為一平台。
9. 如請求項3所述的三維列印裝置，其中，該透光板下方的彈性件數量為多個，該多個彈性件分別為體積可變的彈性材料塊、彈簧或簧片。
10. 如請求項第1項或第3項所述的三維列印裝置，其進一步包括有一影像光源，該影像光源包括有一紫外光光源、一光閥及一投影鏡頭，該透光板對波長為365奈米的光線透光率大於80%。