TWI723773B

TWI723773B - 立體列印裝置與方法

Info

Publication number: TWI723773B
Application number: TW109104443A
Authority: TW
Inventors: 楊顯奕
Original assignee: 三緯國際立體列印科技股份有限公司; 金寶電子工業股份有限公司
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2021-04-01
Also published as: TW202130491A

Abstract

立體列印裝置與方法。所述方法包括：藉由所述處理器控制所述列印頭列印一立體模型的一切層物件於一列印平台；藉由所述測距裝置執行一測距操作以獲得一第一距離；藉由所述處理器根據所述第一距離獲得一補償值；以及藉由所述處理器根據所述補償值調整在列印所述立體模型的另一切層物件時所述列印頭與所述列印平台之間的一第二距離。

Description

立體列印裝置與方法

本發明是有關於一種立體列印裝置與方法。

圖1A與圖1B是習知的立體列印裝置所發生的問題的示意圖。

請參照圖1A，在一般的立體列印裝置中，通常會包括列印頭PH與列印平台PP。列印頭PH可以用於列印立體模型的切層物件L1~L3。然而，請同時參照圖1A與圖1B，在圖1A中，假設每一個切層物件L1~L3的預設高度為0.5mm，列印平台PP的高度為0.2mm。在圖1B中，假設在列印切層物件L2的過程中，列印平台PP因為列印的溫度而膨脹了0.1mm。假設列印頭PH在列印切層物件L3時是移動至與圖1A中列印切層物件L3時的高度，此時由於列印平台PP的高度不同，在此情況下列印切層物件L3會造成線材往外擠壓、溢出或產生列印空洞等情況。

本發明提供一種立體列印裝置與方法，可以有效地避免列印時線材往外擠壓、溢出或產生列印空洞等情況。

本發明提出一種立體列印裝置，包括：一列印頭、一測距裝置以及一處理器。所述處理器耦接至所述列印頭以及所述測距裝置並用以控制所述列印頭列印一立體模型的一切層物件於一列印平台。所述測距裝置執行一測距操作以獲得一第一距離。所述處理器根據所述第一距離獲得一補償值。所述處理器根據所述補償值調整在列印所述立體模型的另一切層物件時所述列印頭與所述列印平台之間的一第二距離。

本發明提出一種立體列印方法，用於一立體列印裝置，所述立體列印裝置包括一列印頭、一測距裝置以及一處理器，所述方法包括：藉由所述處理器控制所述列印頭列印一立體模型的一切層物件於一列印平台；藉由所述測距裝置執行一測距操作以獲得一第一距離；藉由所述處理器根據所述第一距離獲得一補償值；以及藉由所述處理器根據所述補償值調整在列印所述立體模型的另一切層物件時所述列印頭與所述列印平台之間的一第二距離。

基於上述，本發明的立體列印裝置與方法可以讓列印頭與列印平台的上平面之間的距離更精準，避免在列印過程中線材擠壓或列印空洞的發生，進而大幅減少列印平台因材質、平台溫度控制及環境溫度等因素對列印品質所造成的影響。特別是，藉由此方式，列印平台的材質可以不受限制並且擁有更多的選擇，進而在列印平台的成本上有更大的彈性。

圖2是本發明一實施例的立體列印裝置的示意圖。請參照圖2，在本實施例中，立體列印裝置100採用熔融沉積成型的技術，以將數位立體模型實體化，也就是依據數位立體模型資訊列印出立體物件（未繪示）。具體而言，立體列印裝置100包括列印平台110、列印頭120、測距裝置122、列印軸124、線材盒130、導管150以及處理器180。處理器180耦接至列印頭120以及測距裝置122。列印平台110設置在基座102上，並用以承接自列印頭120輸出的融熔線材，且列印平台110例如是固定不動，或者是具有沿著空間中至少一方向（例如方向Y）移動的運動自由度。

在本實施例中，列印頭120與線材盒130藉由支架106與導引架104設置於列印平台110的一側。線材盒130用以經由導管150提供線材至列印頭120。舉例來說，列印頭120、測距裝置122與列印軸124安裝在支架106上，且可透過支架106沿著方向X相對於列印平台110移動。導引架104的數量為兩個，且成對設置於支架106的相對兩側（或是，設置於列印平台110的相對兩側）。支架106的相對兩端分別連接前述兩導引架104，其中支架106可透過前述兩導引架104沿著方向Z相對於列印平台110移動，且列印頭120、測距裝置122與列印軸124可隨支架106同步移動。另一方面，前述兩導引架104可具有沿著方向Y相對於列印平台110移動的運動自由度，且支架106、列印頭120、測距裝置122與列印軸124可隨前述兩導引架104同步移動。特別說明的是，本發明對於立體列印裝置100的三維移動機構不加以限制，可依據實際設計需求採用其他三維移動機構，以使列印頭能沿著空間中的三個方向相對於平台移動。

須說明的是，在圖2的實施例中，測距裝置122的一側（亦稱為，第一側）被安裝於（或掛於）列印頭120的一側且測距裝置122的另一側（亦稱為，第二側）被安裝於（或掛於）列印軸124的一側。然而本發明不限於此，在其他實施例中，測距裝置122也可以是以其他的方式被配置於立體列印裝置100中。

測距裝置122可以是基於紅外線或雷射技術的測距儀。

處理器180可以是中央處理單元（Central Processing Unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（Microprocessor）、數位信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）或其他類似元件或上述元件的組合。

此外，立體列印裝置100還可以包括儲存電路（未繪示）。儲存電路可以是任何型態的固定或可移動隨機存取記憶體（random access memory，RAM）、唯讀記憶體（read-only memory，ROM）、快閃記憶體（flash memory）或類似元件或上述元件的組合。

在本範例實施例中，立體列印裝置100的儲存電路中儲存有多個程式碼片段，在上述程式碼片段被安裝後，會由處理器180來執行。例如，儲存電路中包括多個模組，藉由這些模組來分別執行應用於立體列印裝置100的各個運作，其中各模組是由一或多個程式碼片段所組成。也就是說，在本實施例中，立體列印裝置100的各個運作是使用軟體的方式來實現。然而本發明不限於此，立體列印裝置100的各個運作也可以是使用其他硬體或韌體形式的方式來實現。

一般來說，在列印的過程中，列印平台110的溫度會改變且在不同的溫度下列印平台110會有不同的膨脹程度。舉例來說，如下表一、表二以及表三所示：

常溫
360	374	373
365	381	366
363	373	363

表一

45°C
361	384	384
370	396	380
368	383	375

表二

高度差
1	10	11
5	15	14
5	10	12

表三

其中，表一中的多個數值代表在常溫(例如，28°C)下列印平台110的上平面的多個點距離基座102的上平面的距離。表二中的多個數值代表表一中的多個點在45°C下距離基座102的上平面的距離。而表三用以表示表一與表二中的多個點在不同溫度下所造成的高度差。換句話說，在不同的溫度下會造成列印平台110與列印頭120之間的距離改變。

再舉例，請同時參照表一、表四以及表五：

70°C
365	381	388
378	408	391
372	393	386

表四

高度差
5	7	15
13	27	25
9	20	23

表五

表一中的多個數值代表在常溫(例如，28°C)下列印平台110的上平面的多個點距離基座102的上平面的距離。表四中的多個數值代表表一中的多個點在70°C下距離基座102的上平面的距離。而表五用以表示表一與表四中的多個點在不同溫度下所造成的高度差。可以看到，在溫差更大的情況下會造成列印平台110與列印頭120之間的距離變更大。

圖3是本發明一實施例的立體列印方法的示意圖。

請同時參照圖2與圖3，在本實施例中，當立體列印裝置100欲列印一立體模型中的某一層(例如，第n層，n為正整數)的切層物件時，處理器180可以先獲得用以列印該切層物件的多個切層物件的多個控制指令，此些控制指令例如是G碼(G-code)。之後，處理器180可以控制列印頭120將欲列印的切層物件列印於列印平台110(步驟S301)。特別是，在本實施例中，在步驟S301的執行過程中，測距裝置122可以執行測距操作以獲得一距離(以下稱為，第一距離)(步驟S303)。例如，在執行列印切層物件的過程中，測距裝置122會於列印路徑上的某一列印點感測目前列印的切層物件的上平面，以獲得測距裝置122與切層物件的上平面之間的距離，並將此距離作為前述的第一距離。或者，在另一實施例中，在執行列印切層物件的過程中，測距裝置122會位移到某一測距座標感測列印平台110的上平面，以獲得測距裝置122與列印平台110的上平面之間的距離，並將此距離作為前述的第一距離。需說明的是，第一距離是位於方向Z(亦稱為，第一軸方向)上，且方向Z是垂直於列印平台110。

之後，處理器180會根據前述的第一距離獲得一補償值(步驟S305)。處理器180會根據補償值調整在列印立體模型的另一層(例如，第n+1層)的切層物件時列印頭與列印平台之間的距離(以下稱為，第二距離)(步驟S307)。需說明的是，第二距離也是位於方向Z上。

詳細來說，以圖1B為例，測距裝置122例如可以在列印切層物件L2的過程中測量測距裝置122與切層物件L2的上平面之間的第一距離(假設為1.3mm)。由於列印平台110的高度(例如，圖1B中的0.2mm)以及已列印的切層物件L1~L2的高度是已知的，處理器180可以判斷第一距離比測距裝置122與切層物件L2的上平面之間在常溫下的距離多出了0.1mm(即，前述的補償值)。因此，處理器180會根據此多出的0.1mm調整在列印切層物件L3時列印頭120與列印平台110之間的距離(例如，將原本須提高的高度再加上0.1mm)。藉由此方式，可以有效地避免因為列印平台110膨脹所導致的切層物件的線材往外測溢出的問題。

需說明的是，雖然前述測距裝置122是配置在列印頭120的一側並且在列印頭120列印的過程中進行感測，然而本發明並不限於此。在其他實施例中，處理器180也可以控制測距裝置122在列印的過程中的一預設時間點移動至某一預設位置以執行測距操作。

還須說明的是，在前述步驟S301之前，處理器180例如是將用以執行測距操作的至少一測距指令加入前述用以列印切層物件控制指令中。在之後的步驟中，處理器180會執行已加入測距指令的多個控制指令以執行列印切層物件的運作以及執行測距操作的運作。舉例來說，圖4A與圖4B是本發明一實施例將測距指令加入控制指令中的示意圖。

請同時參照圖4A與圖4B，如圖4A所示，在圖4A的多個控制指令中，如控制指令1324所示，圖4A的控制指令是代表目前列印的切層物件位在方向Z上距離列印平台110的上平面0.7mm處。假設在圖2的架構下，測距裝置122與處理器在方向Y上距離3mm。而如圖4B所示，處理器180可以將測距指令G999加入原本圖4A的多個控制指令中。由圖4B可以看出，控制指令1331是用於控制列印頭120在座標(73.100, 73.100)處進行列印。而測距指令G999是用於控制測距裝置122在座標(73.100, 76.100)處進行測距操作。特別是，處理器180在執行控制指令1331時，可以同步地根據測距指令G999控制測距裝置122進行測距操作。

因此，在此實施例中，當執行測距指令時，測距裝置122不需額外地移動至特定量測點，即可立即量測且執行量測的過程可以耗費較少的時間，且不影響列印頭120原始的移動行為及列印品質。在量測完成並取得補償值後，當列印頭準備被移動至下一層(即，第n+1層)時，處理器180即可自動根據補償值調整列印頭120與列印平台110的上平面之間的距離。

因此，本發明的立體列印裝置與方法可以直接在列印的過程中執行測距操作，進而不需額外耗時執行校正。但在其他實施例中，處理器180亦可指定測距裝置122在特定座標執行測距操作。

在執行列印切層物件的過程中，測距裝置122會位移到某一測距座標感測列印平台110的上平面，以獲得測距裝置122與列印平台110的上平面之間的距離。更詳細來說，處理器180可根據控制列印頭120進行列印時的座標(Xn, Yn)來指定測距指令G999控制測距裝置122位移到測距座標進行測距操作，以獲得測距裝置122與列印平台110的上平面之間的距離。於一實施例中，可將列印平台110的上平面平分為多個區域（例如：以九宮格的形式平分為九個區域），取出多個區域中每一區域的中心點座標，例如：座標(X1, Y1)、座標(X2, Y2)、…、座標(Xm, Ym)。當控制指令是用於控制列印頭120在列印路徑上位於座標(Xn, Yn)的列印點進行列印時，處理器180分別去計算出座標(X1, Y1)、座標(X2, Y2)、…、座標(Xm, Ym)與座標(Xn, Yn)間的距離D1、距離D2、…、距離Dm。其中，距離D1=|Xn-X1|+|Yn-Y1|，距離D2=|Xn-X2|+|Yn-Y2|，以此類推至距離Dm。處理器180計算出距離D1～距離Dm之後，取出距離D1～距離Dm中之最小者所對應的一中心點座標，此中心點座標即為距離座標(Xn, Yn)最近的測距座標，以使中心點座標量測座標(Xn, Yn)將最為準確。而後，處理器180將此中心點座標設定至測距指令G999，以根據測距指令G999控制測距裝置122位移到測距座標進行測距操作，以獲得測距裝置122與列印平台110的上平面之間的距離。例如：距離D1～距離D9中之最小者為距離D3，則所對應出的中心點座標(X3, Y3)最接近座標(Xn, Yn)，處理器180將座標(X3, Y3)設定至測距指令G999，以根據測距指令G999控制測距裝置122進行測距操作。

綜上所述，本發明的立體列印裝置與方法可以讓列印頭與列印平台的上平面之間的距離更精準，避免在列印過程中線材擠壓或列印空洞的發生，進而大幅減少列印平台因材質、平台溫度控制及環境溫度等因素對列印品質所造成的影響。特別是，藉由此方式，列印平台的材質可以不受限制並且擁有更多的選擇，進而在列印平台的成本上有更大的彈性。

100:立體列印裝置 102:基座 104:導引架 106:支架 110:列印平台 120:列印頭 122:測距裝置 124:列印軸 130:線材盒 150:導管 180:處理器 D1、D2、D3、Dm:距離 L1～L3:切層物件 PH:列印頭 PP:列印平台 S301～S307:步驟 X、Y、Z:方向 (X1, Y1)、(X2, Y2)、(X3, Y3)、(Xm, Ym)、(Xn, Yn):座標

圖1A與圖1B是習知的立體列印裝置所發生的問題的示意圖。圖2是本發明一實施例的立體列印裝置的示意圖。圖3是本發明一實施例的立體列印方法的示意圖。圖4A與圖4B是本發明一實施例將測距指令加入控制指令中的示意圖。

S301~S307:步驟

Claims

一種立體列印裝置，包括：一列印頭；一測距裝置；以及一處理器，耦接至所述列印頭以及所述測距裝置並用以控制所述列印頭列印一立體模型的一切層物件於一列印平台，其中所述測距裝置執行一測距操作以獲得所述測距裝置與所述切層物件之間或所述測距裝置與所述列印平台之間的一第一距離，所述處理器根據所述第一距離獲得一補償值，所述處理器根據所述補償值調整在列印所述立體模型的另一切層物件時所述列印頭與所述列印平台之間的一第二距離，其中所述第一距離及所述第二距離位於第一軸方向上，且所述第一軸方向垂直於所述列印平台。
如請求項1所述的立體列印裝置，其中在執行所述測距操作以獲得所述測距裝置與所述切層物件之間或所述測距裝置與所述列印平台之間的所述第一距離的運作中，所述測距裝置感測所述切層物件以獲得所述測距裝置與所述切層物件之間的所述第一距離。
如請求項2所述的立體列印裝置，其中所述測距裝置於列印路徑上的一列印點感測所述切層物件，以獲得所述測距裝置與所述切層物件之間的所述第一距離。
如請求項1所述的立體列印裝置，其中在執行所述測距操作以獲得所述測距裝置與所述切層物件之間或所述測距裝置與所述列印平台之間的所述第一距離的運作中，所述測距裝置感測所述列印平台以獲得所述測距裝置與所述列印平台之間的所述第一距離。
如請求項4所述的立體列印裝置，其中所述列印平台包括多個區域，所述多個區域之每一者均具有中心點座標，在所述處理器控制所述列印頭列印所述立體模型的所述切層物件於所述列印平台的運作中，所述處理器根據控制指令控制所述列印頭在列印座標處進行列印，同時分別計算所述列印座標與所述多個區域之每一者的中心點座標之間的多個距離，取出所述多個距離中之最小者所對應的所述中心點座標以作為距測座標，所述測距裝置根據所述距測座標執行所述測距操作以獲得所述第一距離。
如請求項1所述的立體列印裝置，其中在執行所述測距操作以獲得所述第一距離的運作中，所述處理器控制所述測距裝置在一預設時間點移動至一預設位置以執行所述測距操作。
如請求項1所述的立體列印裝置，其中在執行所述測距操作以獲得所述第一距離的運作之前，所述處理器獲得用以列印所述切層物件的多個控制指令，所述處理器將用以執行所述測距操作的至少一測距指令加入所述多個控制指令中，所述處理器執行已加入所述測距指令的所述多個控制指令以執行列印所述切層物件的運作以及執行所述測距操作的運作。
如請求項1所述的立體列印裝置，其中所述測距裝置的第一側被安裝於所述列印頭的一側且所述測距裝置的第二側被安裝於一列印軸的一側。
如請求項1所述的立體列印裝置，其中所述補償值相關於常溫時以及列印時所述列印平台的高度差。
一種立體列印方法，用於一立體列印裝置，所述立體列印裝置包括一列印頭、一測距裝置以及一處理器，所述方法包括：藉由所述處理器控制所述列印頭列印一立體模型的一切層物件於一列印平台；藉由所述測距裝置執行一測距操作以獲得所述測距裝置與所述切層物件之間或所述測距裝置與所述列印平台之間的一第一距離；藉由所述處理器根據所述第一距離獲得一補償值；以及藉由所述處理器根據所述補償值調整在列印所述立體模型的另一切層物件時所述列印頭與所述列印平台之間的一第二距離，其中所述第一距離及所述第二距離位於第一軸方向上，且所述第一軸方向垂直於所述列印平台。
如請求項10所述的立體列印方法，其中執行所述測距操作以獲得所述測距裝置與所述切層物件之間或所述測距裝置與所述列印平台之間的所述第一距離的步驟包括：藉由所述測距裝置感測所述切層物件以獲得所述測距裝置與所述切層物件之間的所述第一距離。
如請求項11所述的立體列印方法，其中所述測距裝置於列印路徑上的一列印點感測所述切層物件，以獲得所述測距裝置與所述切層物件之間的所述第一距離。
如請求項10所述的立體列印方法，其中執行所述測距操作以獲得所述測距裝置與所述切層物件之間或所述測距裝置與所述列印平台之間的所述第一距離的步驟包括：藉由所述測距裝置感測所述列印平台以獲得所述測距裝置與所述列印平台之間的所述第一距離。
如請求項13所述的立體列印方法，其中所述列印平台包括多個區域，所述多個區域之每一者均具有中心點座標，在列印所述立體模型的所述切層物件於所述列印平台的步驟包括：根據控制指令控制所述列印頭在列印座標處進行列印，同時分別計算所述列印座標與所述多個區域之每一者的中心點座標之間的多個距離，取出所述多個距離中之最小者所對應的所述中心點座標以作為距測座標；以及藉由所述測距裝置根據所述距測座標執行所述測距操作以獲得所述第一距離。
如請求項10所述的立體列印方法，其中執行所述測距操作以獲得所述第一距離的步驟包括：藉由所述處理器控制所述測距裝置在一預設時間點移動至一預設位置以執行所述測距操作。
如請求項10所述的立體列印方法，其中執行所述測距操作以獲得所述第一距離的步驟之前，所述方法還包括：藉由所述處理器獲得用以列印所述切層物件的多個控制指令；藉由所述處理器將用以執行所述測距操作的至少一測距指令加入所述多個控制指令中；以及藉由所述處理器執行已加入所述測距指令的所述多個控制指令以執行列印所述切層物件的運作以及執行所述測距操作的運作。
如請求項10所述的立體列印方法，其中所述測距裝置的第一側被安裝於所述列印頭的一側且所述測距裝置的第二側被安裝於一列印軸的一側。
如請求項10所述的立體列印方法，其中所述補償值相關於常溫時以及列印時所述列印平台的高度差。