TWI779229B

TWI779229B - 高速光固化三維列印系統以及提高三維列印系統紫外光均勻度的方法

Info

Publication number: TWI779229B
Application number: TW108129911A
Authority: TW
Inventors: 鄭正元; 巫昆達
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2022-10-01
Also published as: TW202108353A

Abstract

一種高速光固化三維列印系統，其包括一材料槽、一光源模組、一動態光罩模組、一成型平台、一驅動模組以及一控制模組。材料盛裝成型材料，光源模組係設置於該材料槽的下方，該光源模組包括複數個光源、一導光板以及一反射板，光源發出的光線進入該導光板，並由該反射板反射後出射該導光板，光線通過動態光罩模組後照射至材料槽中的成型材料而使固化，固化成型後的材料附著於成型平台上，驅動模組使成型平台沿Z軸移動而逐層的固化成型而形成三維結構的產品。

Description

高速光固化三維列印系統以及提高三維列印系統紫外光均勻度的方法

本發明係有關於一種三維列印系統以及提高三維列印系統之曝光光線均勻度的方法，特別是有關於一種使用紫外光平面光源的高速光固化三維列印系統以及一種提高三維列印系統紫外光均勻度的方法。

近年來三維列印技術發展日趨成熟，在生產開發階段上佔有極重要地位，被廣泛應用在航太零件、汽車、醫學工程和其他機械工業上。三維列印技術相較於傳統加工技術有更容易自動化、產品輕量化、客製化與材料多元化等優勢。

三維列印的基本的原理皆為將材料一層層堆疊的層加工技術，把三維物件分成由多數個二維之平面狀的圖案，並將該等平面狀的圖案堆疊加工，其加工分為Z軸(上下層移動層厚的設定以及X-Y軸(X-Y平面移動)的列印精度。三維列印有以下幾點優勢，傳統以機械力對材料進行移除或變形稱為移除式加工，三維列印則為增加式加工，可節省材料使用與廢料的產生；三維列印可完成傳統加工無法製作的複雜曲面、需拆件組裝的機構都能變成一體成型的製造出來，提高工件強度與製程時間。三維列印對於少量多樣化的需求更是有很大的助益，適合客製化物品並廣泛應用於汽車、航太、模具、醫材、珠寶、藝術及民生等消費產品。

根據美國材料與試驗協會的規範裡將積層製造技術分為七大種類。即材料擠出技術、材料射出技術、薄片疊層技術、黏著劑噴膠技術、粉末床熔融技術、指向能量沉積技術以及光聚合固化技術。而光聚合固化技術目前可分為立體光刻技術以及數位光處理技術。其中，數位光處理技術主要是將紫外光照射到光固化樹脂，而使樹脂產生聚合反應而固化，固化的樹脂會黏著在成型平台上而形成一層的圖案，然後藉由升降成型平台，而進行下一層的圖案的形成。

數位光處理技術有兩種方式，第一種是使用傳統的實體光罩來進行圖案的定義，但是這種方式需要多數個光罩分別對應於多層的圖案。第二種是使用無光罩系統，也就是動態光罩系統，利用顯示器的概念將圖案數位化。而動態光罩系統可分為穿透式的液晶顯示裝置以及反射式的數位微鏡裝置來產生各層的圖案。

現有的液晶顯示式的動態光罩系統，其光源主要是使用紫外光光源的陣列搭配透鏡陣列。但是這種結構由於各紫外光源離成型平台較近，因此各紫外光源發出的光，其擴散的程度不夠大即照射到樹脂，因此容易有同一面上光強度不平均的問題。另外，由於紫外光光源的陣列係直接設置在機台中，紫外光源往往發出較大量的熱，而機台需要設置散熱機構進行散熱。

有鑑於此，本發明提供一種高速光固化三維列印系統，其利用一導光板，將紫外光的光源設置於導光板的側面，然後利用導光板之折射及全反射的特性並搭配反射板，使得由側面入射的光線可以從上表面出射，並藉由擴散板使光線均勻化後形成一面光源，或者是直接將紫外光的光源設置在擴散板下方而不使用導光板，並藉由反射板將光源發出的紫外光反射後通過擴散板，然後藉由增亮板導引光線朝前方出射，以增加光線照射到樹脂時的強度。如此，與現有技術的陣列式紫外光的光源相比，可以用較少的光源達到相同的效果，而且由於本發明的光源模組為可產生均勻光線的面光源，因此可縮短與材料槽之間的距離。另外，由於光源可以從導光板的側面入光，因此光源可以設置在機台的兩側，不需要如現有技術的陣列式光源需設置在機台的內部，可解決機台散熱的問題。

本發明的高速光固化三維列印系統的一實施例包括一材料槽、一光源模組、一動態光罩模組、一成型平台、一驅動模組以及一控制模組。材料槽包括一底壁以及一周壁，該底壁連接於該周壁而形成一容置空間，成型材料被盛裝於該容置空間，該底壁包括一透光件。光源模組係設置於該材料槽的下方，該光源模組發出的光穿過該透光件而照射至該成型材料，其中該光源模組包括複數個光源、一導光板以及一反射板，該導光板具有一上表面、一下表面以及複數個側面，該等側面鄰接於該上表面及該下表面，該上表面係對應於該透光件，該反射板設置於該下表面，該等光源係設於該等側面的至少其中之一，該等光源發出的光線經由該等側面進入該導光板，並由該反射板反射後經由該上表面出射該導光板。動態光罩模組係設置於該材料槽與該光源模組之間，且動態地產生複數個遮罩圖案，每一該等遮罩圖案包括遮光部及透光部，由該導光板出射的該光線通過該動態光罩模組後經由該透光件照射至該材料槽中的該成型材料。成型平台係設置於該材料槽上方，且可沿一第一方向移動而接近或遠離該材料槽，經該光線照射而固化的該成型材料附著於該成型平台，藉由該成型平台的移動，可使逐層地使固化的該成型材料積層於該成型平台。驅動模組係連接於該成型平台，該驅動模組驅動該成型平台沿該第一方向移動。控制模組係電性連接於該光源模組以及該驅動模組，控制該光源模組的發光以及該驅動模組驅動該成型平台移動。

10:材料槽

11:底壁

12:周壁

13:透光件

20:光源模組

21:光源

22:導光板

23:反射板

24:擴散板

25:增亮板

30:動態光罩模組

40:成型平台

41:成型板

42:傾斜件

43:轉接件

44:加長墊塊

50:驅動模組

51:立柱

52:馬達

53:導軌

54:時規皮帶

55:主動輪

56:從動輪

57:滑塊

58:懸臂

60:控制模組

61:控制器

62:擴充電路板

100:高速光固化三維列印系統

221:上表面

222:下表面

223:側面

224:散射結構

251:微稜鏡結構

L1:第一方向

M:成型材料

S:容置空間

T:行動裝置

圖1為本發明的高速光固化三維列印系統的一實施例的立體圖。

圖2為圖1的高速光固化三維列印系統的光源模組及動態光罩模組的示意圖。

圖3為圖2的光源模組的增亮板示意圖。

圖4為本發明的高速光固化三維列印系統的光源模組的另一實施例的示意圖。

圖5為圖1之高速光固化三維列印系統的成型平台及驅動模組的立體分解圖。

圖6為本發明之高速光固化三維列印系統的進行積層製造的流程圖。

請參閱圖1及圖2，其表示本發明的高速光固化三維列印系統的一實施例。本發明的高速光固化三維列印系統100包括一材料槽10、一光源模組20、一動態光罩模組30、一成型平台40、一驅動模組50以及一控制模組60。本發明的高速光固化三維列印系統100係將特定波長範圍的光通過動態光罩模組30所產生的光罩圖案後照射至成型材料，使成型材料固化。以下分別說明各元件的結構。

材料槽10係用於盛裝三維列印的成型材料M，材料槽10包括一底壁11以及一周壁12，底壁11接合於周壁12而形成一容置空間S，用於三維列印的成型材料M被盛裝於容置空間S中，在本實施例中，材料槽10成矩形，作為成型材料M的液態的樹脂被盛裝於材料槽10的容置空間S中。由於本發明的三維列印系統是光固化三維列印系統，作為成型材料的樹脂須經由照射光線(例如紫外光)後才能固化成型，因此在底壁11設置一透光件13，透光件13可以是玻璃或塑膠材質製成，可容許來自下方的光源模組20的光線穿透而照射至材料槽10中的成型材料。在本實施例中，成型材料為光固化樹脂，例如台科三維科技股份有限公司所生產的可見光樹脂。

請參閱圖2，本發明的高速光固化三維列印系統100的光源模組20包括複數個光源21、一導光板22、一反射板23、一擴散板24以及一增亮板25，在本實施例中，導光板22為一長方體的透明板材，其包括一上表面221、一下表面222以及四個側面223，上表面221與下表面222係相對設置，側面223鄰接於上表面221與下表面222。光源21設置於側面223，反射板23設置於下表面222，擴散板23設置於上表面的上方一既定距離處，增亮板25設置於擴散板24的上方。

光源21發出的光線以不同的入射角自側面223入射導光板22，部分入射導光板22的光線照射至上表面221後產生全反射，而使光線朝下表面222行進，另一部分入射導光板22的光線則直接朝下表面222行進，行進至下表面222的光線均由反射板23反射後，通過上表面221後出射導光板22。出射導光板22後的光線通過擴散板24而成為在各方向上具有大體上相等強度的均勻光線，擴散板24中形成多數個光擴散結構，例如在擴散板24本體中設置多數個微粒，光線可經由微粒產生散射而使光線在各方向上均勻化。均勻光線通過增亮板25後，藉由增亮板25上的微稜鏡結構251可以使朝兩側行進的光線藉由光線通過不同介質時折射角的變化而使光線朝正上方匯聚，而使正上方的亮度增加，可以藉此減少光線的損失，降低所使用的光源21的數量。

如圖3所示，光線入射增亮板25上的微稜鏡結構251可以有以下三種情況。如圖3之最左邊的微稜鏡結構251所示，光線的入射角大於或等於全反射的入射角時，光線會由微稜鏡結構251產生兩次全反射而反射回擴散板24而再度被利用；如圖3之中間的微稜鏡結構251所示，光線經由微稜鏡結構251折射而集中在以正上方為中線的±35°的範圍內，如此可使朝正上方行進的光線強度增加40%至70%；另外如圖3右邊的微稜鏡結構251 所示，光線會由微稜鏡結構251產生一次全反射後，由微稜鏡結構251的另一側出射而朝側面行進進入鄰近的另一個微稜鏡結構251再折射或全反射。

另外，為了增加出射於導光板22的光線的均勻度，可在導光板22的下表面222形成複數個散射結構224，這些散射結構224可以使用印刷的方式在下表面222上印刷出多數個微小的網點，當光線照射至下表面222時，網點可以使光線產生散射，或者是在導光板22的下表面222形成如微小突起的微結構，使其反射至上表面221後，其入射角大於全反射角而使光線出射導光板22，。

如圖4所示，除上述實施例的光源模組20的側光式結構之外，在另一實施例中，光源21也可以直接設置於擴散板24下方而不使用導光板，而形成直下式的光源結構，其他元件，如增亮板25等皆與側光式相同。

在本實施例中，光源21為紫外光的光源，例如可以是紫外光的發光二極體，例如發出波長為405nm的發光二極體(Nichia，NVSU279AT)。在本實施例中，多數個光源21設置於一基材(例如一電路板)上而形成一光源條，例如單排光源條為36個紫外光的發光二極體緊密貼附，6個發光二極體為一組，以並聯的方式連接。在本實施例中，複數個光源21係形成兩條光源條，這兩條光源條係分別設置於導光板22的兩相對的側面223。因此各光源21發出的光線可經由導光板22的兩相對的側面223進入導光板22。

動態光罩模組30設於光源模組20與材料槽10之間。動態光罩模組30係動態地依序產生複數個光罩圖案，每個光罩圖案對應於三維列印(積層製造)的每一層，在三維列印的製程中可對應於每一層的製程而更換不同的光罩圖案。每個光罩圖案包括遮光部及透光部，來自光源模組20的光線通過動態光罩模組30的光罩圖案後，照射至材料槽10中的成型材料，而形成預設的該層的結構。在本實施例中，動態光罩模組30為液晶顯示面板，例如夏普生產的LS060R1SX01的6吋液晶顯示面板。動態光罩模組30可利用膠合的方式緊密地貼附於光源模組20。

成型平台40設置於材料槽10的上方，可以沿一第一方向移動而接近或遠離材料槽10，在本實施例中，第一方向為Z軸方向。發光模組20的光線穿過動態光罩模組30後照射至材料槽10中的成型材料並使其固化，固化的成型材料附著在成型平台40上。成型平台40先下降至一基準點，然後發光模組20的光線穿過動態光罩模組30後照射至基準點處(與材料槽10的底部相距一個曝光層的距離)的成型材料，當一層的成型材料固化並附著於成型平台40後，成型平台40上升，使材料槽10中的成型材料完整地回流至上一層固化後所形成的材料空乏區，然後成型平台40再度下降至固化層與材料槽10的底部相隔一個曝光層的距離，接著進行下一層的固化製程，下一層固化後的成型材料附著在上一層固化的成型材料上，如此反覆進行固化製成而形成三維結構的產品。

成型平台40的升降是由驅動模組50實現。請參閱圖4，驅動模組50驅動成型平台40沿上述第一方向移動。在本實施例中，驅動模組50包括一立柱51、一馬達52、一導軌53、一時規皮帶54、一主動輪55、一從動輪56、一滑塊57以及一懸臂58。馬達52驅動主動輪55旋轉，主動輪55經由時規皮帶54帶動從動輪56旋轉，進而使滑塊57沿著導軌53導引的方向移動，懸臂58結合於滑塊57，藉由滑塊57的移動可使懸臂58沿導軌53的方向移動。

請參閱圖5，在本實施例中，成型平台40由下至上包括一成型板41、一傾斜件42、一加長墊塊44、以及一轉接件43。轉接件43結合於驅動模組50的懸臂58，傾斜件42相對於水平面具有一傾斜角，成型板41固定於傾斜件42上。成型板41可以是一鋁板，在鋁板的表面以噴砂的方式形成粗糙的表面，以利成型材料的附著，傾斜件42與水平面形成一傾斜角度，此結構利於未固化的成型材料利用重力由傾斜面流回材料槽10，避免成型材料累積於成型板41。另外，由於轉接件43將傾斜件42與成型板41結合於驅動模組50的懸臂58，使成型板41可隨著滑塊57沿第一方向(Z軸)L1上下移動而接近或遠離材料槽10。又，加長墊塊44係設置於轉接件43的下方以及傾斜件42的上方(意即，該加長墊塊44係設置於該轉接件43與該傾斜件42之間)；對於較深的材料池10，加長墊塊44可以加大轉接件43與成型板41之間的距離，並使成型板41到達基準點(與材料池10的底壁11相隔一曝光層的距離)。

請回到圖1，控制模組60係電性連接於光源模組20、動態光罩模組30以及驅動模組50。控制模組60包括一控制器61以及一擴充電路板62，控制器61中可輸出上述各光罩圖案，經由擴充電路板62傳送至動態光罩模組20，並傳送列印參數及控制訊號經由擴充電路板62傳送至光源模組20及驅動模組，在每層固化製程中，控制光源模組20發光，並傳送光罩圖案至動態光罩模組20，光源模組20的光線通過光罩圖案後使材料槽10中的成型材料固化而生成預設的圖案。另外在每一層固化後，成型平台40上升然後下降至基準點的過程中，關閉光源模組20的發光，以減少光源發熱。在本實施例中，控制器61係使用樹莓派(Raspberry Pi)的主機板。

請參閱圖6，其表示本發明的高速光固化三維列印系統100之製作三維結構產品的流程。

首先，在步驟S1中，先取得三維圖檔，可利用CAD軟體等取得，並轉換成STL格式的三角網格檔。接著進入步驟S2。

在步驟S2中，利用特定軟體將三維圖檔進行切層化而產生二維的圖檔。例如以Autodesk公司的Netfabb軟體或與中山大學合作開發的Uxprint軟體進行切層化。接著進入步驟S3。

在步驟S3中，將切層化後的二維圖檔載入控制器51中。接著進入步驟S4。

在步驟S4中，以行動裝置T連結控制器61(如圖1所示)，例如行動裝置T與控制器61以藍芽通訊協定進行連結。接著進入步驟S5。

在步驟S5中，將曝光時間及成型平台的移動距離等列印參數由行動裝置T輸入控制器61，並選擇希望列印的二維圖檔。接著進入步驟S6。

在步驟S6中，開始進行曝光列印，啟動光源模組20並傳送影像至動態光罩模組30。接著進入步驟S7。

在步驟S7中，成型平台40上升後下降至基準點(距離材料槽10的底壁11一個曝光層的距離)，然後光源模組20發出的光線通過動態光罩模組30照設至基準點處的成型材料而使成型材料固化成型並附著於成型平台40。接著進入步驟S8。

在步驟S8中，判斷目前成型者是否為最後一層，如果判斷結果為是，則進入步驟S9；如果判斷結果為否，則進入步驟S5。

在步驟S9中，結束三維列印製程。

本發明的高速光固化三維列印系統由於使用產生面光源的光源模組，光源模組由於光源設置在兩側，光源模組整體可以小型化，在本實施例中，光源模組的整體厚度不到1公分，且設置於機台的表面容易更換，而且由於光源位於光源模組的兩側，光源發出的熱容易從兩側由散熱機構(鰭片)等進行散熱。相較於先前技術的光源陣列由於設置於機構的正中央，不僅更換不易，而且由於光源與材料池必須保持相當的距離才能使光源發出的光的擴散程度足以使光強度較均勻，因此會使整體設備的體積變大。

另外，本發明的高速光固化三維列印系統100在能量使用率上也得到提升。使用先前技術的市售機台與本發明的高速光固化三維列印系統，在提供24W能量的情況下，市售機台穿透液晶顯示面板的光強度最高為2.94mW/cm²，穿透本發明的具導光板的發光模組的光強度最高為3.4mW/cm²，在提供相同能量的情況下，約提升14%的光能量。

另外，以下表1及表2分別表示基於先前技術的市售機台(Phrozen shuffle機台)與本發明的高速光固化三維列印系統關於光均勻度的資料。表1與表2的橫向與縱向分別表示沿試片之X軸及Y軸劃分出的格點的座標值，表格中的數據表示每個格點的樹脂固化厚度(光的穿透深度)，藉由比較各格點的樹脂固化厚度的差異，可以看出光的均勻度，樹脂固化厚度差異愈大表示各格點接受的光強度差異愈大，也就是光的均勻度較差，均勻度定義為=(最淺的穿透深度/最深的穿透深度)×100%。由表1及表2所揭露的數據可以看出，在同樣曝光10秒的條件下，基於先前技術的市售的機台，其光均勻度為54.1%，本發明的高速光固化三維列印系統的機台的光均勻度為62.5%。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。