TWI682847B

TWI682847B - 改良式3d列印機及改良式噴頭

Info

Publication number: TWI682847B
Application number: TW107139268A
Authority: TW
Inventors: 劉伊; 林君穎
Original assignee: 龍華科技大學
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2020-01-21
Also published as: TW202017729A

Abstract

本發明提供一種改良式3D列印機，包括：一噴頭，該噴頭包括一按壓式感測器；以及一感測器控制模組，用於切換該按壓式感測器之使用狀態和非使用狀態；該噴頭可藉由按壓感測器以及承載台之間之接觸，以及測量噴頭和承載台之間之相對高度，完成噴頭以及承載台之間之水平校正以及高度校正。

Description

改良式3D列印機及改良式噴頭

本發明係關於一種改良式3D列印機；特定而言，係關於一種具有改良式噴頭之3D列印機。

三維列印(3D printer)又稱為積層製造(Additive Manufacturing)，比起二維列印，多出「高度」的維度，因此可合成三維物體。三維列印主要包括建模、切片及成型等步驟。具體而言，首先，使用者必須透過電腦軟體設計出三維物體的電腦模型；接著，透過電腦軟體將設計好的電腦模型在不同高度上沿著橫截面進行切片，並轉換成三維印表機可讀取的檔案；最後，透過三維印表機列印出各個切片，加以積層成型。因此，三維列印機即是實現三維列印的機器。

三維列印機依照成型技術，可分成熔融沉積成型(fused deposition modeling，FDM)、層狀物體製造(laminated object manufacturing，LOM)、數位光處理(digital light processing，DLP)、光固化立體造型(stereo lithograph apparatus，SLA)、粉床噴墨(powder bed and inkjet head 3D Printing，3DP)、選擇性雷射燒結(selective laser sintering，SLS)、選擇性雷射熔化(selective laser melting，SLM)等類型。

無論採用何種類型的三維列印機，如何快速而準確地列印出多樣而美觀的三維物體，是目前三維列印技術發展的重要課題。而3D列印機於開始列印物品之前，必須先校正其噴頭以及列印產品之承載台之間的高度以及水平，但目前市售之3D列印機，僅能以手動校正，且其校正之誤差較大，以至於影響其列印產品之精細度以及規格一致性。因此，有必要研發改良之3D列印技術，以解決3D列印機之高度校正和水平校正之問題。

有鑑於現行使用之3D列印機並無法精確完成噴頭以及列印產品之承載台之間相對高度和水平之校正，導致無法精確完成列印產品，本發明提供一種改良式3D列印機，包括：一固定架；一承載台，設置於該固定架上；一第一移動模組，包括：一第一滑軌，設置於該固定架之一側；一第二滑軌，設置於相對於該第一滑軌之該固定架之另一側；一第一移動件，設置於該第一滑軌上且沿垂直方向移動；以及一第二移動件，設置於該第二滑軌上且沿垂直方向移動；一第二移動模組，設置於該第一移動件和該第二移動件之間；以及一噴頭，設置於該第二移動模組上，該噴頭包括：一噴嘴，設置於該噴頭的一底部；一按壓式感測器；以及一感測器控制模組，連接於該按壓式感測器；該感測器控制模組是組態成使該按壓式感測器在一使用狀態下是低於該噴嘴，而在一非使用狀態下是高於該噴嘴。

於一特定實施例，其中該噴頭連接至一高度校正模組，該高度校正模組是用於接收該按壓式感測器接觸該乘載台的一第一位置之一第一按壓訊號，而計算出一第一位置三維座標，及接收該按壓式感測器接觸該乘載台的一第二位置之一第二按壓訊號，而計算出一第二位置三維座標，藉此校正該噴頭以及該承載台之間之水平和/或高度誤差。

於一特定實施例，其中該高度校正模組之準確度係介於0.05-0.2mm之間。

於一特定實施例，其中該高度校正模組之準確度係介於0.05-0.1mm之間。

於一特定實施例，其中該噴頭包括一內風扇，用於冷卻該噴頭的一內部線路。

於一特定實施例，其中該噴頭包括一外風扇，用於冷卻在該承載台上的3D列印產品。

於一特定實施例，該3D列印機另包括一加熱線圈，設置於該承載台之下。

於一特定實施例，其中該感測器控制模組係以一齒輪升降該按壓式感測器，以切換該按壓式感測器的使用狀態及非使用狀態。

於一特定實施例，其中該感測器控制模組係以一轉軸旋轉該按壓式感測器，以切換該按壓式感測器的使用狀態及非使用狀態。

於一特定實施例，該3D列印機另包括：一第一樞轉件，連接該第一滑軌和該固定架；一第二樞轉件，連接該第二滑軌和該固定架；一第一鎖定元件，用於鎖定該第一滑軌於該固定架上；以及一第二鎖定元件，用於鎖定該第二滑軌於該固定架上。

本發明另提供一種改良式噴頭，包括：一噴嘴，設置於該噴頭的一底部；一按壓式感測器；一感測器控制模組，連接於該按壓式感測器，該感測器控制模組是組態成使該按壓式感測器在一使用狀態下是低於該噴嘴，而在一非使用狀態下是高於該噴嘴；以及一高度校正模組，該高度校正模組係用於接收該按壓式感測器接觸該乘載台的一第一位置之一第一按壓訊號，而計算出一第一位置三維座標，及接收該按壓式感測器接觸該乘載台的一第二位置之一第二按壓訊號，而計算出一第二位置三維座標，藉此校正該噴頭以及一承載台之間之水平或高度誤差。

相較於先前技術，本發明所提供之改良式3D列印機可實施更精確之高度校正以及水平校正，避免可能產生之誤差，使3D列印產品具有更佳之精細度。

1‧‧‧3D列印機

10‧‧‧固定架

100‧‧‧連接板

101‧‧‧承載台

102‧‧‧輸送帶

103‧‧‧移動馬達

104‧‧‧滑軌

201‧‧‧第一滑軌

202‧‧‧第一移動件

203‧‧‧第二滑軌

204‧‧‧第二移動件

205‧‧‧滑輪

21‧‧‧螺柱

22‧‧‧第一馬達

31‧‧‧第二移動滑軌

32‧‧‧第二馬達

4‧‧‧噴頭

401‧‧‧第一風扇

402‧‧‧第二風扇

403‧‧‧進料管

404‧‧‧噴嘴

41‧‧‧感測器控制模組

411‧‧‧齒輪

412‧‧‧齒條

413‧‧‧齒條滑軌

414‧‧‧轉軸

415‧‧‧旋轉件

42‧‧‧按壓式感測器

51‧‧‧樞轉件

52‧‧‧鎖定元件

521‧‧‧鎖定片

53‧‧‧固定件

圖1係本發明之改良式3D列印機之示意圖。

圖2係本發明之改良式3D列印機之噴頭之示意圖。

圖3係本發明之改良式3D列印機之噴頭之分解圖。

圖4係本發明之改良式3D列印機之噴頭之按壓式感測器非使用狀態示意圖。

圖5係本發明之改良式3D列印機之噴頭之按壓式感測器使用狀態示意圖。

圖6係本發明之改良式3D列印機之感測器控制模組和按壓式感測器之另一實施例示意圖。

圖7-8係本發明之改良式3D列印機之使用狀態示意圖。

圖9係本發明之改良式3D列印機之非使用狀態示意圖。

本發明之技術特徵，包括特定技術特徵，係揭示於申請專利範圍，針對本發明，較佳之理解茲配合說明書，並依據本發明之實施方式和圖式將本發明詳細說明如下。

本發明說明書及申請專利範圍中所述之所有技術性及科學用語，除非另有所定義，皆為本發明所屬技術領域具有通常知識者可知曉之定義。其中單數用語「一」、「一個」、「該」、或其近似用語，除非另有說明，皆可指涉多於一個對象。本說明書使用之「或」、「以及」、「和」，除非另有說明，皆指涉「或/和」。此外，用語「包含」、「包括」皆非有所限制之開放式連接詞。前述定義僅說明用語定義之指涉而不應解釋為對本發明之限制。除非另有說明，本發明可使用市售之材料。

本發明係提供一種改良式3D列印機。參照圖1，本發明之3D列印機1主要包括：一固定架10；一承載台101；一第一移動模組；一第二移動模組；以及一噴頭。

該固定架係一矩形框架；於本實施例，該矩形架構係由8個框條所組成，其中每二框條構成該矩形框架之一邊，以及該些框條之間係藉由連接板100連接。各框條亦可作為滑軌之用。雖圖1所揭示之固定架包括8個框條，但框條之數量並無特別限制，可依據實際需求而任意增減，僅須達成穩定固定架之結構之目的即可。

該承載台101設置於該固定架10之上，係用於乘載由該噴頭4所製造之3D列印之產品。於一特定實施例，該承載台101之底面，即相對於乘載3D列印產品之面的另一面，設置一加熱線圈，用於控制該承載台之溫度(圖中未揭示)。為了均勻加熱，該加熱線圈較佳是遍布設置於該承載台之下，其形狀可為蛇行路徑、螺旋路徑、柵格狀、網格狀、或其等之結合。

此外，該承載台101可於該固定架上沿X軸方向移動。於圖1，一移動馬達103設置於該固定架10上以及包括一主動輪(圖中未揭示)，一輸送帶102繞過該主動輪以及設置於該固定架上相對於該移動馬達另一側之一從動輪(圖中未揭示)，以及該承載台101係固定於該輸送帶102上，而透過滑輪在一滑軌104上移動。

仍參照圖1，該第一移動模組包括：一第一滑軌201，設置於該固定架10之一側；一第二滑軌203，設置於相對於該第一滑軌201之該固定架10之另一側；一第一移動件202，設置於該第一滑軌201上；以及，一第二移動件204，設置於該第二滑軌203上。於本實施例，該第一移動模組另包括一螺柱21，設置於該固定架10上並且相鄰於該第一滑軌201。但於圖式未揭示之實施例，本發明可包括二螺柱，設置於該固定架10上，並且分別相鄰於該第一滑軌201和該第二滑軌203。

該第一移動件202和該第二移動件204均具有滑輪205，可使該第一移動件202和該第二移動件204分別於該第一滑軌201和該第二滑軌203上沿Z軸方向移動。此外，該第一移動件202具有一第一馬達22並且藉由一套筒(圖未揭示)套設於該螺柱21，因此該第一移動件202可藉由該第一馬達22轉動該套筒而於該螺柱21上螺旋升降。

在運作時，該第一馬達22可轉動該套筒而於該螺柱21上螺旋升降，使得該第一移動件202沿Y軸方向移動；以及，由於該第一移動件202和該第二移動件204藉由該第二移動模組互相連接，該第一移動件202升降時，可帶動該第二移動件204藉由滑輪於該第二滑軌203上移動。

該第二移動模組係包括一第二移動滑軌31以及一第二馬達32，設置於該第一移動件202和該第二移動件204之間以及連接該噴頭4，該第二馬達32可使該噴頭4藉由該第二移動滑軌31於該第一移動件202和該第二移動件204之間沿Y軸方向移動。

圖2係本發明3D列印機之噴頭之外觀圖；圖3係本發明3D列印機之噴頭之分解圖；以及圖4係本發明3D列印機之噴頭之前視圖。以下參照圖2-4，說明該噴頭之技術特徵。

該噴頭4包括：一第一風扇401，其位在噴頭4的外部，用於冷卻在乘載台101上的一3D列印產品；一噴嘴404，設置於該噴頭的一底部，用於輸出一3D列印材料(墨水)，而在乘載台101上形成該3D列印產品；一進料管403，連接該噴嘴404並用於將列印材料傳遞至該噴嘴404；一第二風扇402，設置於列印材料之進料管上，用於冷卻該噴頭的一內部線路，避免高溫的進料影響到內部電路的正確運作；一按壓式感測器42；以及一感測器控制模組41，用於切換該按壓式感測器42之使用狀態以及非使用狀態。

具體而言，該感測器控制模組41包括：一齒條滑軌413；一齒條412，設置於該齒條滑軌413上並可於該齒條滑軌413上沿垂直方向移動；以及一齒輪411，用於控制該齒條412於垂直方向(即Z軸方向)的移動。

該按壓式感測器42係設置於該齒條接近於該承載台101之一端，如圖3所示，以便接觸該承載台101。

該噴頭4另可連接至一電路板(圖中未揭示)，該電路板可設置在噴頭4內，或設置在固定架10上，特別是結合於固定架10的顯示器或控制板。電路板是用於控制該噴頭4之運作；具體而言，該電路板之功能包括：控制該噴頭4的移動；控制該感測器控制模組41之使用狀態；以及，控制進料管運輸材料和噴嘴之列印功能。

該感測器控制模組41之使用狀態可參照圖4-5所示。於開始3D列印之前，該按壓式感測器42為一使用狀態；該齒輪411控制該齒條412沿垂直方向的移動，使該按壓式感測器42下降至低於該噴嘴404之位置，如圖5所示。如此，該噴頭沿Z軸方向下降時，該按壓式感測器42可接觸該承載台101，而該噴嘴404則不接觸該承載台101。

而於開始3D列印之後，該按壓式感測器42為一非使用狀態；該齒輪411控制該齒條412沿垂直方向的移動，使該按壓式感測器42上升至高於該噴嘴404之位置。如此，於實施3D列印時，該按壓式感測器42不接觸該承載台101，如圖4所示。

此外，該噴頭4是連接至一高度校正模組(圖未顯示)。高度校正模組可獨立或結合於前述電路板。高度校正模組是用於計算該噴頭4和該承載台101之間的高度誤差，並作出校正。具體而言，於該按壓式感測器42之使用狀態，該噴頭沿Z軸方向下降時，該按壓式感測器42透過按壓於該承載台101之表面，產生一按壓訊號，該高度校正模組接收前述按壓訊號後，可藉由計算該噴頭4的垂直移動距離，校正該噴頭和該承載台101之間的相對高度。

再者，由於該承載台101可能發生傾斜，而呈現非水平狀態，導致3D列印時產生誤差，並影響產品的精細度。本發明亦可實施該承載台101和該噴頭4之間之水平校正。

首先，該高度校正模組接收該按壓式感測器接觸該乘載台的一第一位置(例如，接近該第一滑軌201一側)之一第一按壓訊號，而計算出一第一位置三維座標，藉以測量到例如該噴頭4和該承載台101於接近該第一滑軌201一側之相對高度；而後，該高度校正模組另接收該按壓式感測器接觸該乘載台的一第二位置(例如，接近該第二滑軌203一側)之一第二按壓訊號，而計算出一第二位置三維座標，藉以測量到例如該噴頭4和該承載台101於接近該第二滑軌203一側之相對高度；最後，藉由將兩位置的兩相對高度相減，可計算出高度誤差，進而針對該噴頭4於該承載台101上進行3D列印時實施水平校正。換言之，本發明不需要以旋轉或翻轉的方式來修正該承載台101本身的傾斜度，而是藉由預先補償該噴頭4於該承載台101之兩位置沿垂直方向移動之差異，完成該承載台101之水平校正。

本發明之3D列印機之高度校正模組之準確度係介於0.05-0.2mm之間；較佳地，其準確度係介於0.05-0.1mm之間。相對地，現行市售之3D列印機僅以手動校正，其準確度則大於0.2mm。前述準確度係指涉實施校正時產生的最小誤差值；即，本發明之高度校正模組之誤差僅介於0.05-0.2mm之間，優於現行市售之3D列印機，因此可改善列印產品的精細度。

雖前述感測器控制模組係使用齒輪和齒條控制該按壓式感測器42之使用狀態，但亦可使用其他方法控制該按壓式感測器42之使用狀態。

於另一實施例，如圖6所示，該感測器控制模組包括：一轉軸414；以及，一旋轉件415，其中一按壓式感測器42設置於該旋轉件415上。於使用狀態時，該轉軸414可帶動該旋轉件415旋轉，使該按壓式感測器42移動至低於該噴嘴404之位置。相對地，於非使用狀態時，該轉軸414可帶動該旋轉件415旋轉，使該按壓式感測器42移動至高於該噴嘴404之位置。例如，按壓式感測器42可自噴嘴404的一底端旋轉180度至噴嘴404的一頂端。

但，本發明之感測器控制模組之結構並無特別限制，僅須達成控制該按壓式感測器42沿Z軸方向上之移動之目的即可。

本發明之3D列印機可為一可收納式3D列印機。參照圖7-8所示，該第二滑軌203係藉由一樞轉件51連接該固定架10；一鎖定元件52設置於該第二滑軌203上，並於該第二滑軌203之兩側分別具有一鎖定片521；以及，一固定件53設置於該固定架10上並且具有插槽。圖7-8僅揭示3D列印機之一側為例，但相同結構亦應用於該3D列印機之另一側。

如圖7-8所示，若於3D列印機之使用狀態，可藉由該樞轉件51旋轉並直立該第二滑軌203，而後再藉由該鎖定元件52將該鎖定片521嵌入於該插槽，以固定該第二滑軌203和該固定架10之使用狀態結構。

另，如圖9所示，若於3D列印機之收納狀態，可藉由該樞轉件51旋轉並橫置該第一滑軌201，而後再藉由該鎖定元件52將該鎖定片521夾設於該固定架101之框條，進而固定該第二滑軌203和該固定架10之收納狀態結構。由於鎖定片521必須夾設於框條並固定收納狀態之結構，因此二鎖定片521之間的間距必須與框條之寬度相同。

針對本說明書實施例揭示之內容，本發明所屬領域具有通常知識者可明顯得知前述實施例僅為例示而非限制；具本發明所屬技術領域通常知識者可藉由諸多變換、替換而實施，並不與本發明之技術特徵有所差異。依據說明書實施例，本發明可有多種變換仍無礙於實施。本說明書提供之請求項界定本發明之範圍，該範圍涵蓋前述方法與結構及與其相等之創作。