TWI674964B - 立體列印裝置及立體列印方法 - Google Patents

立體列印裝置及立體列印方法 Download PDF

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Chao Shun Chen
莊庚翰
Jarder Chuang
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Abstract

一種立體列印裝置包含容置器、成型平台及投射架構。容置器用以容置液態光敏材料，液態光敏材料包含多種光起始劑及一種單分子物體。成型平台適於朝接近及遠離容置器的方向移動。投射架構適於提供多種成型光束照射液態光敏材料，而且前述的多種成型光束具有不同波長，分別用以使多種光起始劑其中之一與單分子物體聚合形成一有色固化層於成型平台，其中不同種的光起始劑與單分子物體聚合後的顏色不同。此外，有色固化層的顏色與成型光束的波長相對應，可以依照需求列印製成具有多種顏色的物件。另外，本發明另提出一種立體列印方法。

Description

立體列印裝置及立體列印方法
本發明有關於一種列印裝置，特別是有關於一種立體列印裝置及立體列印方法。
光固化成型技術是利用光束照射液態光敏樹脂，使得液態光敏樹脂固化成型，所製成物件的表面粗操度取決於光學構件的解析度，因此物件表面較為細緻平滑，不需要額外的表面加工來降低表面粗糙度。然而，習知液態光敏樹脂僅受單一波長的特定光束而固化成型，再加上液態光敏樹脂無法在列印的過程中更換，因此習知光固化成型技術所製成的物件僅能呈現單一顏色，並無法達成多色立體列印的功效。
本發明提供一種立體列印裝置與方法，以達成多色立體列印。
本發明一實施例所提供的立體列印裝置包含容置器、成型平台及投射架構。容置器用以容置液態光敏材料，液態光敏材料包含多種光起始劑及一種單分子物體。成型平台適於朝接近及遠離容置器的方向移動。投射架構適於提供多種成型光束照射液態光敏材料，而且前述的多種成型光 束具有不同波長，分別用以使多種光起始劑其中之一與單分子物體聚合形成有色固化層於成型平台。
本發明的立體列印裝置及立體列印方法透過提供多種波長的成型光束，不同波長的成型光束可使液態光敏材料內相對應的光起始劑與單分子物體聚合形成相對應顏色的有色固化層。而且，有色固化層的顏色與成型光束的波長相對應，因此可以依照需求列印製成具有多種顏色的物件。此外，本發明的立體列印裝置及立體列印方法利用光束使液態光敏材料固化成型，所製成的物件具有細緻平滑的表面，不需要透過額外的表面加工來降低物件的表面粗糙度。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
100‧‧‧容置器
105‧‧‧透明底部
110‧‧‧液態光敏材料
200‧‧‧成型平台
210‧‧‧成型面
220‧‧‧垂直輸送架
300、300a‧‧‧投射架構
310‧‧‧光源組件
311、312、313、314‧‧‧第一、第二、第三、第四發光元件
320‧‧‧光閥
330‧‧‧鏡頭
340、340a、340b、340c、340d、340e‧‧‧合光模組
341、342、343‧‧‧第一、第二、第三分色鏡
344‧‧‧X形合光元件
345‧‧‧分色鏡
346、380‧‧‧內部全反射稜鏡
350‧‧‧光均勻化元件
360‧‧‧透鏡
370‧‧‧反射鏡
390‧‧‧場鏡
400a、400b、400c‧‧‧有色固化層
D‧‧‧方向
I‧‧‧成型光束
I1、I2、I3‧‧‧第一、第二、第三成型光束
L‧‧‧照明光束
L1、L2、L3、L4‧‧‧第一、第二、第三、第四照明光束
Pia、Pib、Pic‧‧‧光起始劑
圖1繪示本發明一實施例之立體列印裝置立體示意圖；圖2A至圖2C繪示本發明一實施例之立體列印方法的流程示意圖；圖3繪示本發明另一實施例之立體列印方法的流程示意圖；圖4繪示本發明一實施例之液態光敏材料中各種光起始劑受光激發的示意圖；圖5繪示本發明一實施例中投射架構之示意圖；圖6繪示本發另一實施例中投射架構之示意圖；以及圖7至圖10繪示本發明多個實施例中光源組件與合光模組之示意圖。
請參照圖1，立體列印裝置包含容置器100、成型平台200及投射架構300。容置器100用以容置液態光敏材料110，液態光敏材料110包含多種光起始劑(Photoinitiator，未繪示)及一種固化材料(curable material，未繪示)，其中固化材料可包含聚合物(polymer)、寡聚物(oligomer)或單分子物體(monomers)等化學物質(chemical material)。成型平台200適於朝接近及遠離容置器100的方向D移動。投射架構300適於提供多種成型光束照射液態光敏材料110，而且前述的多種成型光束具有不同波長，分別用以使多種光起始劑其中之一與單分子物體聚合形成有色固化層於成型平台200，其中不同種的光起始劑與單分子物體聚合後的顏色不同，不同種的光起始劑被不同波長的成型光束照射後而與單分子物體聚合固化。
本發明一實施例所提供的立體列印方法包含提供上述的液態光敏材料110，根據預定成型的顏色選擇對應波長的成型光束來照射此液態光敏材料110，以形成有色固化層。以下利用圖1及圖2A至圖2C為例進行說明，但其並非用以限定本發明實施方式。投射架構300可以設置於容置器100的下方，並且提供了三種不同波長的成型光束I1、I2、I3。容置器100可以具有透明底部105適於使成型光束I1、I2、I3穿透以照射液態光敏材料110。成型平台200可以具有成型面210供有色固化層附著。此外，成型平台200更可以透過垂直輸送架220在接近及遠離容置器100的方向上移動，使得成型面210在可以容置器100中上下移動。
如圖2A所示，投射架構300提供成型光束I1促使液態光敏材料110內的特定光起始劑與單分子物體聚合形成有色固化體400a，並且附著於成型平台200的成型面210上。接著，如圖2B所示，使成型平台200朝遠離容置器100的方向上移，隨後投射架構300提供成型光束I2使液態光敏材料110內另一種特定光起始劑與單分子物體聚合形成有色固化體400b，而此有色固 化體400b與有色固化體400a連接。之後，如圖2C所示，再次使成型平台200朝遠離容置器100的方向上移，並提供成型光束I3使液態光敏材料110聚合形成有色固化體400c，而且有色固化體400c與有色固化體400b連接，而有色固化層400a、400b、400c分別具有不同的顏色。如此一來，因為有色固化層400a、400b、400c堆疊而成的物件即具有三種不同顏色。因此，本發明在立體列印方法中，僅需要變換不同波長的I1、I2或I3，就可以聚合形成具有多種顏色的物件。此外，請參閱圖3，不同波長的成型光束I1、I2或I3也可以分次或同時照射不同區域的液態光敏材料110，使得同一水平的有色固化層包含有色固化層400a、400b、400c。
圖4繪示本發明一實施例之液態光敏材料中各種光起始劑受光激發的示意圖。以圖4為例，液態光敏材料的多種光起始劑包含光起始劑Pia、Pib、Pic。光起始劑Pia、Pib、Pic各自吸收特定波長光束的能量後提升至受激狀態，以與單分子物體聚合形成有色固化層。如圖4所示，光起始劑Pia、Pib、Pic各自可吸收波長在395至415奈米(nm)之間、375至395奈米之間、355至375奈米之間的光束的能量而進入受激狀態。因此，在一實施例中，可藉由提供波長為405奈米、385奈米及365奈米的三種成型光束來分別激發光起始劑Pia、Pib、Pic，使其單分子物體與產生聚合反應。而熟悉本領域技藝者，應能瞭解液態光敏材料可以包含二種、三種或更多種類的光起始劑，且激發波長可不同於上文所列舉的數值，而投射架構300可以提供二種、三種或更多種不同波長的成型光束。下文將配合圖式說明投射架構如何提供多種不同波長的成型光束。
圖5繪示本發明一實施例之投射架構之示意圖。請參照圖5，投射架構300包含光源組件310、光閥320、鏡頭330及合光模組340。光源組件310包含發射第一照明光束L1的第一發光元件311、發射第二照明光束L2的第 二發光元件312及發射第三照明光束L3的第三發光元件313，其中第一、第二、第三照明光束L1、L2、L3的波長不同。第一、第二、第三發光元件311、312、313例如為發光二極體元件或雷射元件，但不以此為限。以配合圖4為例，第一、第二、第三照明光束L1、L2、L3的波長例如可分別為405、385及365奈米，但不以此為限。
光閥320適於轉換上述多種照明光束L(如圖5中的第一、第二、第三照明光束L1、L2、L3)成為多種具有不同波長的成型光束I，例如將第一、第二、第三照明光束L1、L2、L3轉換為第一、第二、第三成型光束I1、I2、I3。本實施例中，光閥320可以是反射式光閥，如數位微鏡元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)或矽基液晶面板(Liquid-Crystal-on-Silicon panel,LCOS panel)，然而，在其他實施例中，光閥320亦可以是一穿透式液晶面板(Transmissive Liquid Crystal panel)或是具有相同功效的構件。
鏡頭330設置於多種成型光束I的傳遞路徑上，適於使多種成型光束I照射容置器100內的液態光敏材料110(如圖2A至圖2C所示)。
合光模組340設置於多種照明光束L的傳遞路徑上且位於光源組件310與光閥320之間，合光模組340適於使多種照明光束L朝向光閥320傳遞。合光模組340包含第一、第二、第三分色鏡341、342、343，藉此讓第一、第二、第三照明光束L1、L2、L3沿相同方向往光閥320傳遞。
另外，更可以在傳遞路徑上設置其他光學元件，例如光均勻化元件350及透鏡360等，使得照明光束L可以均勻的照射在光閥320上，其中照明光束L為第一、第二、第三照明光束L1、L2、L3或其組合。光均勻化元件350可以是光積分柱(Light Integration Rod)、透鏡陣列(Lens Array)或其他具有相同功效的光學構件，圖5是以透鏡陣列為例。此外，更可以設置反射鏡370，以將照明光束L反射至光閥320，而光閥320的前方也可設置場鏡390。
圖6繪示本發明另一實施例中投射架構之示意圖。請參照圖6，本實施例的投射架構300a與圖5的投射架構300相似，以下僅針對其差異處進行說明。
在本實施例中，第一與第二發光元件311、312連結，而第三發光元件313與第一及第二發光元件311、312分離。合光模組340a包含第一及第二分色鏡341、342，第一分色鏡341位於第二分色鏡342與第一與第二發光元件311、312之間，而且第一分色鏡341與第三發光元件313位於第二分色鏡342的兩側。
另外，第一、第二、第三照明光束L1、L2、L3穿透光均勻化元件350傳遞至反射鏡370，而反射鏡370反射照明光束L並往內部全反射稜鏡380傳遞，內部全反射稜鏡380將照明光束L反射至光閥320，讓光閥320將照明光束L轉換為成型光束I，而成型光束I則可以穿透內部全反射稜鏡380朝鏡頭330傳遞。
圖7至圖10繪示本發明多個實施例中光源組件與合光模組之示意圖。請參照圖7，在本實施例中，光源組件310b包含各自分離設置的第一、第二、第三發光元件311、312、313，各自發射第一、第二、第三照明光束L1、L2、L3。合光模組340b包含第一及第二分色鏡341、342，第一分色鏡341設置於L1及L3之傳遞路徑的交會處，第二分色鏡342設置於L1及L2之傳遞路徑的交會處。熟悉本領域技藝者應能瞭解上述光源組件310與合光模組340b的配置是為了讓不同射出路徑的第一、第二、第三照明光束L1、L2、L3最終以相同的傳遞路徑傳遞至光閥。此外，更可在合光模組340b及光閥之間依照需求設置各類光學構件。
請參照圖8，本實施例與圖7的實施例相似，以下僅針對其差異處進行說明。在本實施例中，合光模組340c是X形合光元件，其設置於光源組 件310c射出的L1、L2及L3之傳遞路徑的交會處，而且第一與第二發光元件311、312配置於合光模組340c的相對兩側，其中合光模組340c用以反射第一、第二照明光束L1、L2，並使第三照明光束L3穿透，以使第一、第二、第三照明光束L1、L2、L3朝同一方向傳遞至光閥。另外，更可在合光模組340c及光閥之間依照需求設置各類光學構件。
請參照圖9，本實施例與圖8的實施例相似，以下僅針對其差異處進行說明。在本實施例中，光源組件310d還包含發射第四照明光束L4的第四發光元件314。而合光模組340d包含X形合光元件344及分色鏡345，分色鏡345設置於L4與L3之傳遞路徑的交會處，其中分色鏡345用以反射L3至X形合光元件344，並使L4穿透而傳遞至X形合光元件344。如此一來，各自朝不同方向發射的第一、第二、第三、第四照明光束L1、L2、L3、L4可以透過合光模組340d而朝右傳遞至光閥。另外，更可在合光模組340d及光閥之間依照需求設置各類光學構件。
請參照圖10，在本實施例中，光源組件310e相似於圖9的光源組件310d，而合光模組340e包含第一分色鏡341、第二分色鏡342及內部全反射稜鏡346，用以將各自朝不同方向發射的第一、第二、第三、第四照明光束L1、L2、L3、L4可以透過合光模組340e而往光閥傳遞。另外，更可在合光模組340e及光閥之間依照需求設置各類光學構件。
綜合以上所述實施例，本發明透過提供多種具有不同波長的成型光束及含有多種光起始劑的液態光敏材料，各種成型光束會促使液態光敏材料內相對應的光起始劑與單分子物體聚合形成有色固化層，而各有色固化層具有不同顏色並與各成型光束相對應。藉此，本發明在立體列印方法中，僅需要變換不同的成型光束就可以產生不同顏色的有色固化層，進而使列印出來的物件具有多種顏色。此外，本發明更可以藉由依序提供兩種 或兩種波長以上的成型光線來照射液態光敏材料，使同一層(與成型平台的成型面之間的距離相同)的有色固化層具有兩種或兩種以上顏色。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

  1. 一種立體列印裝置，包含：一容置器，用以容置一液態光敏材料，該液態光敏材料包含多種光起始劑及一種單分子物體；一成型平台，適於朝接近及遠離該容置器的方向移動；以及一投射架構，適於提供多種成型光束照射該液態光敏材料，且該些種成型光束具有不同波長，分別用以使該些種光起始劑其中之一與該單分子物體聚合形成一有色固化層於該成型平台，其中不同種的光起始劑與該種單分子物體聚合後的顏色不同；其中該投射架構還包括一合光模組，設置於該些種成型光束的傳遞路徑上；其中該些種成型光束中的至少一種的波長小於395奈米(nm)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之立體列印裝置，其中該些種成型光束為波長不同的藍光或紫外光，且該些種成型光束的波長小於480奈米(nm)。
  3. 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述之立體列印裝置，其中該投射架構包含：一光源組件，包含多個發光元件用以發射多種具有不同波長的照明光束；一光閥，適於轉換該些種照明光束成為該些種成型光束；以及一鏡頭，設置於該些種成型光束的傳遞路徑上，適於使該些種成型光束照射該容置器內的該液態光敏材料；其中該合光模組位於該光源組件與該光閥之間，該合光模組適於使該些種照明光束朝向該光閥傳遞。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之立體列印裝置，其中該光源組件包含複數個發光元件，該複數個發光元件的每一個用以發射相對應的一照明光束，其中該複數個發光元件可為各自分離設置或該複數個發光元件的至少兩個為連結。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之立體列印裝置，其中該合光模組包含複數個分色鏡。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之立體列印裝置，其中該合光模組包含一X形合光元件。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之立體列印裝置，其中該合光模組包含一內部全反射稜鏡。
  8. 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述之立體列印裝置，其中該投射架構包含：一光源組件，包含多個發光元件用以發射多種具有不同波長的照明光束；以及一光閥，適於轉換該些種照明光束成為該些種成型光束；其中該合光模組位於該光源組件與該光閥之間，該合光模組適於使該些種照明光束朝向該光閥傳遞。
  9. 一種立體列印方法，包含：提供一液態光敏材料，該液態光敏材料設置於一容置器內，該液態光敏材料包含多種光起始劑及一種單分子物體，其中不同種的光起始劑與該種單分子物體聚合固化後的顏色不同；提供一成型平台，該成型平台適於朝接近及遠離該容置器的方向移動；提供一投射架構，該投射架構適於提供多種成型光束照射該液態光敏材料，該些種成型光束具有不同波長，且不同種的光起始劑被不同波長的成型光束照射後而與該種單分子物體聚合固化於該成型平台，其中該投射架構還包括一合光模組，該合光模組設置於該些種成型光束的傳遞路徑上；以及根據預定成型的顏色選擇對應波長的成型光束來照射該液態光敏材料，以形成一有色固化層；其中該些種成型光束中的至少一種的波長小於395奈米(nm)。
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