TWI782786B - 大面積成型式積層製造設備 - Google Patents

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Abstract

一種大面積成型式積層製造設備，其包括一光源模組、一動態光罩模組、一材料槽以及一成型模組。光源模組包括：複數個發光件、一擴散片、一增亮板以及一發光角度限制件。該等發光件發出的光線依序穿過擴散板、增亮板以及發光角度限制件形成一成型光線，成型光線具有一照射角度，成型光線通過材料槽的透光件及動態光罩模組照射至該光固化型液態成型材料，使光固化型液態成型材料固化後成型於成型板，出射光角度與該面光源模組法線夾±30度以內。

Description

大面積成型式積層製造設備
本發明係有關於一種積層製造的技術領域，特別是有關於一種可大面積固化成型且降低拉拔力的大面積成型式積層製造設備。
積層製造(additive manufacturing)，即一般所稱的三維列印，可用於製造各種形狀複雜而不易以傳統加工製程製造的各種物件。積層製造有多種技術，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。光固化成型技術已成為重要之製程技術，有別於金屬列印的應用領域，光固化技術的應用市場更加貼近民生產品的市場，其應用範圍涵蓋健康照護、汽車工業、國防太空、建築、教育等領域，在 3D 列印積層製造技術的發展中扮演舉足輕重的角色。
光固化成型技術依照光源的位置及照射方向可分為上照式光固化成型技術及下照式光固化成型技術。上照式光固化成型技術為光源設置在材料槽上方，其發出的光線向下照射至材料槽中，使材料槽中的光敏樹脂固化並成型於成型平台，然後成型平台下降繼續成型第二層光敏樹脂材料。上照式光固化成型技術為光源設置在材料槽上方，其發出的光線向上穿過材料槽底部照射至材料槽中，使材料槽中的光敏樹脂固化並成型於成型平台，然後成型平台上升繼續成型第二層光敏樹脂材料。
現有的下照式光固化成型技術，由於材料的成形區靠近材料槽的底部，液態材料照光固化時會黏附於槽體的底部，成型於成型平台的產品需先使其與槽體底部分離，而且使液態材料回填至靠近槽體底部的成型區後，才能繼續進行下一層材料的固化，因此成型平台需先從材料槽升起後再下降至距離槽體底部一個成型層距離的位置，因此生產速度慢且產量低。
另外，現有的光固化成型技術的光源由於使用紫外光的光源，例如紫外光的發光二極體，因此設備的使用成本較高，而且紫外光源會降低做為光罩的液晶顯示面板的壽命。現有的光源模組使用透鏡陣列來匯聚光線，但是透鏡陣列的成本高、體積龐大而且光線經過透鏡陣列後在透鏡陣列交界部分的平邊或不連續處容易有光強度不均的問題。
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種大面積成型式積層製造設備，其解決了現有光固化成型技術生產速度慢而導致產量低的問題，也解決了光源模組成本高、壽命短以及光強度不均的問題。
本發明的大面積成型式積層製造設備的一實施例包括一光源模組、一動態光罩模組、一材料槽以及一成型模組。光源模組包括：複數個發光件、一擴散片、一增亮板以及一發光角度限制件。複數個發光件排列成陣列狀，擴散片包括複數個使光線散射的第一微結構，增亮板包括複數個使光線匯聚的第二微結構，發光角度限制件具有限制發光角度的第三微結構。動態光罩模組設至於該光源模組上方，隨時間產生複數個光罩圖案。材料槽包括周壁、底壁及一透光件，周壁連接於底壁，透光件設置於底壁，一光固化型液態成型材料設置於該材料槽中。成型模組包括一成型板以及一驅動裝置，驅動裝置驅動成型板平行於一第一方向往復移動而接近或遠離該底壁，成型板具有一成型面，成型面與底壁相向設置。，該等發光件發出的光線依序穿過擴散板、增亮板以及發光角度限制件形成一成型光線，成型光線具有一照射角度，成型光線通過材料槽的透光件及動態光罩模組照射至該光固化型液態成型材料，使光固化型液態成型材料固化後成型於成型板，出射光角度與該面光源法線夾±30度內。
在另一實施例中，該第一維結構為顆粒狀、該第二微結構為稜鏡狀，該第三微結構為格柵狀。
在另一實施例中，材料槽的該周壁係可拆卸地設置於底壁，底壁具有一開口，透光件設置於開口，動態光罩模組係對應於開口。
在另一實施例中，動態光罩模組由該周壁圍繞，且設置於底壁的該開口，成型光線依序通過透光件及動態光罩模組。
在另一實施例中，成型板具有複數個通孔，光固化型液態成型材料可經由該等通孔流動。
在另一實施例中，成型模組更包括至少一超音波震盪件，至少一超音波震盪件設置於成型板與成型面相對設置的表面。
在另一實施例中，成型模組更包括一重量感測器，其設置於驅動裝置與成型板的連接處，偵測成型板的負重。
在另一實施例中，驅動裝置包括一支架、一導軌以及一驅動件，成型板設置於支架，驅動件驅動支架於導軌沿第一方向往復移動。
在另一實施例中，本發明的大面積成型式積層製造設備更包括一控制模組，該控制模組根據該重量感測器偵測的數據控制該成型板移動的速度。
在另一實施例中，該等發光件發出的光線為可見光，光固化型液態成型材料為可見光固化型材料。
本發明的大面積成型式積層製造設備，藉由設置大面積的成型板以及大型的支架、導軌及大功率的驅動件，使得利用下照式光固化成型技術的積層製造設備可以在成型板上一次成型多個產品，並且利用超音波震盪件使產品成型後與材料槽的底壁分離，而且根據重量感測器偵測成型板的負重，從而調整驅動件驅動成型板移動的速度以減少拉拔力，避免產品從成型板脫落。藉此，成型板不需要如現有的下照式光固化成型技術，在每一層材料成型後，成型板需上升後再下降，可以加快生產的速度，提高產量。
另外，本發明的大面積成型式積層製造設備光源也可使用可見光的光源，而光固化型液態成型材料也對應地使用可見光固化型材料。採用可見光波長替代紫外光波長，可以進一步降低設備使用的成本，而且避免傳統紫外光照射導致設備壽命縮短的問題，而且不需要進行加熱等後固化製程。本發明的光源模組藉由擴散片、增亮板及發光角度限制件可以得到亮度均勻及較小的發光角度範圍，而得到品質一致的固化產品。
請參閱圖1、圖2及圖3，其表示本發明的大面積成型式積層製造設備的一實施例。本實施例的大面積成型式積層製造設備包括一光源模組10、一動態光罩模組20、一材料槽30以及一成型模組40。材料槽30盛裝光固化型液態成型材料，成型模組40下降至材料槽30中光源模組10發出的光線通過動態光罩模組20後照射至材料槽30使一層光固化型液態成型材料在特定位置固化成型後附著於成型模組40，成型模組40上升使光固化型液態成型材料流動並覆蓋固化成型的產品後，繼續對下一層光固化型液態成型材料進行固化。
光源模組10包括複數個發光件11、一擴散板12、一增亮板13以及一發光角度限制件14。複數個發光件11排列成陣列狀，擴散片12包括複數個使光線散射的第一微結構，增亮板13包括複數個使光線匯聚的第二微結構，發光角度限制件14具有限制發光角度的第三微結構。光線依序穿過擴散板、增亮板以及發光角度限制件形成一成型光線，成型光線具有一照射角度，成型光線通過材料槽的透光件及動態光罩模組照射至該光固化型液態成型材料，使光固化型液態成型材料固化後成型於成型板
本實施例的發光件11為發光二極體，多個發光二極體設置在一電路板上且排列成陣列狀，本實施例的發光二極體排列成6х9的陣列，而且加入限流電阻，使光的均勻度提高。本實施例的發光二極體為發出波長460nm至470nm的藍光的發光二極體，藉此降低建置發光二極體的成本，延長發光二極體本身以及光路上各元件的壽命，例如增加動態光罩模組20的壽命，也降低操作人員照射光線所受到的身體損傷(傳統紫外光的光源容易造成操作人員身體的傷害)。而且多個發光二極體分成複數個控制區，每個控制區內設置既定數量的發光二極體，後述的控制模組控制特定的控制區的發光二極體發光或全部控制區內的發光二極體全部發光。藉此，對於不需要成型的區域，控制模組控制該控制區的發光二極體不發光，延長發光二極體的壽命並且降低光固化型液態成型材料長期列印後變為敏感而發生未預期的固化以及生成殘渣。
擴散板12是以聚對苯二甲酸乙二酯(PET)為基材，在基材中充填不規則的顆粒以形成第一微結構，光線進入基材後被這些顆粒散射，使得從各點光源的發光二極體發出的光線經過擴散板12之後形成面光源。
增亮板13具有複數個稜鏡狀的第二微結構，經由擴散片12擴散後的光線進入增亮板13，並根據光折射原理，稜鏡狀的第二微結構使光線向中間集中，增加正前方(面向材料槽的方向)的光強度。
發光角度限制件14具有格柵狀的第三微結構，且發光角度限制件14是將第三微結構的材質製作成黑色(加入黑色染色劑)，光線從增亮板13往中間集中時，通過格柵狀的第三微結構之後，朝兩側行進的光線被格柵狀的第三微結構阻擋並且吸收，使得光線離開發光角度限制件14後被限制在與中心線(與發光角度限制件14的入射面法線的延伸線)成±30度以內之出射光角度。藉此雖然部分光量被格柵狀的第三微結構吸收使得整體光量降低，但是發光角度限制件14能夠吸收與該面光源法線成較大夾角的雜散光線。該雜散光線會從其他大角度入射材料槽30，因而導致光固化型液態成型材料在不希望固化的位置產生固化，造成產品的瑕疵與解析度下降。
動態光罩模組20設至於光源模組10的上方，隨時間產生複數個光罩圖案。本實施例的動態光罩模組20是液晶顯示面板，液晶顯示面板在大面積情況下仍然能夠維持高解析度(例如 : 7680x4320)。根據產品每層希望固化的位置顯示不同的圖案，藉由液晶分子使光線通過或不通過而在希望固化的位置使光固化型液態成型材料固化。
材料槽30包括周壁31、底壁32及一透光件33，周壁31連接於底壁32，透光件33設置於底壁32，光固化型液態成型材料設置於材料槽30中。材料槽的周壁31係可拆卸地與底壁32連接。本實施例的底壁32為一基座，其長度與寬度均大於周壁31的長度與寬度，周壁31的高度為後述的成型模組40的成型板41的厚度的15至25倍，周壁31的高度大於現有的材料槽的高度以防止光固化型液態成型材料濺出材料槽30。
底壁32具有一第一開口321，透光件33設置於第一開口321，動態光罩模組20係對應於第一開口321，本實施例的透光件33為一透明玻璃板，使光源模組。本實施例的材料槽30還包括一快拆板34，快拆板34安裝卡合於第一開口321，快拆板34具有一第二開口341，透光件33卡合安裝於第二開口341。動態光罩模組20設置於透光件33的上方而且也卡合安裝於快拆板34的第二開口341，即動態光罩模組20設置在材料槽30內而由周壁31所圍繞。來自光源模組10的光線依序穿過透光件33及動態光罩模組20。由於動態光罩模組20安裝定位於快拆板34，而快拆板34又安裝定位於底壁32的第一開口321，請參閱圖4，動態光罩模組20可以根據需求設置不同尺寸的液晶顯示面板或由多個小尺寸的液晶顯示面板拼接組合而形成一大尺寸的動態光罩模組20，可以根據動態光罩模組20的尺寸更換具有不同尺寸的第二開口341的快拆板34。
成型模組40包括一成型板41以及一驅動裝置42，驅動裝置42驅動成型板41平行於一第一方向Z往復移動而接近或遠離底壁32，成型板41具有一成型面411，成型面411與底壁32相向設置。驅動裝置42包括一支架421、一導軌422以及一驅動件423，導軌422設置於底壁32而且位於周壁31的外部，導軌422沿第一方向Z延伸，成型板42設置於支架421，支架421可移動地設置於導軌422。驅動件423驅動支架421於導軌422沿第一方向Z往復移動。驅動件423可以是伺服馬達以及導螺桿，伺服馬達驅動導螺桿旋轉，支架421螺合於導螺桿，而且藉由導螺桿的轉動使支架421於導軌422沿第一方向Z往復移動。
成型板41具有較大的尺寸，本實施例的成型板41的長度係大於32英吋，可以一次在成型板41上成型多個相同或不同的產品。成型板41具有複數個通孔412，當成型板41在材料槽30中上升時，通孔412作為光固化型液態成型材料回填的路徑，使得光固化型液態成型材料可經由該等通孔412流動至成型面411而補充至下一層希望固化成型的區域並完全覆蓋已固化的產品。
成型模組40更包括至少一超音波震盪件43，本實施例的成型模組40包括複數個超音波震盪件43，超音波震盪件43設置於成型板41與成型面411相對設置的表面，複數個超音波震盪件43排列成陣列狀，當一層的光固化型液態成型材料在成型板41與材料槽30的底部(此處是指動態光罩模組20以及設置於動態光罩模組20上的離型薄膜)之間固化時，部分固化的產品會附著於材料槽30的底部，藉由超音波或低頻震盪件43震盪並將此震盪傳遞至已固化的產品，使產品脫離材料槽30的底部(動態光罩模組20上的離型薄膜)，然後成型板41上升，光固化型液態成型材料從孔412流動而回填至下一層希望固化成型的區域。本實施例的超音波震盪件43可以適配置在整個成型板41，為了清楚表示成型板41的結構，圖1只表示出設置在成型板41半部的超音波震盪件43。此震盪件43也能配置於側壁31或底壁32加快樹脂回填。
成型模組40更包括一重量感測器44，其設置於驅動裝置42與成型板41的連接處，偵測成型板41的負重。本實施例的重量感測器44可以是應力/應變規(stress/strain gauge)。驅動裝置42驅動成型板41移動的速度與距離可根據重量感測器44所測得的成型板41的負重而決定，避免成型的產品因為成型板41移動速度過快而使產品與成型板41產生分離，可以適當地降低拉拔力。
請參閱圖5，本實施例的大面積成型式積層製造設備更包括一控制模組50，控制模組50根據重量感測器44偵測的數據控制成型板41移動的速度。控制模組50包括一處理器51，處理器可以是各種微控制器晶片。處理器51除了連接於重量感測器44以外，處理器51也連接於一計算機裝置52，處理器51傳送控制指令給計算機裝置52，使計算機裝置52傳送光罩圖案至動態光罩模組20的液晶顯示面板。處理器51也連接於一繼電器53，繼電器53控制光源模組10的迴路，處理器51控制繼電器53導通或關斷，使光源模組10的發光件11發光或熄滅，處理器51也控制特定控制區內的發光件11發光或同時使所有控制區的發光件11發光或熄滅。處理器51也連接於驅動裝置42的驅動件423，控制驅動件423的伺服馬達的轉速，以便控制成型板41移動的速度。
本發明的大面積成型式積層製造設備，藉由設置大面積的成型板以及大型的支架、導軌及大功率的驅動件，使得利用下照式光固化成型技術的積層製造設備可以在成型板上一次成型多個產品，並且利用超音波震盪件使產品成型後與材料槽的底壁分離，而且根據重量感測器偵測成型板的負重，從而調整驅動件驅動成型板移動的速度與距離以減少列印時間與拉拔力，避免產品從成型板脫落。藉此，成型板不需要如現有的下照式光固化成型技術，在每一層材料成型後，成型板需上升後再下降，可以加快生產的速度，提高產量。
另外，本發明的大面積成型式積層製造設備使用可見光的光源，而且光固化型液態成型材料也對應地使用可見光固化型材料，不使用現有的紫外光的光源，可以降低設備使用的成本，而且避免傳統紫外光照射導致設備壽命縮短的問題，而且不需要進行加熱等後固化製程。
如圖6，本發明的光源模組藉由擴散片將出光角度打散得到均勻的面光源(圖6a)，然後經過兩片增亮板將出光角度集中，並透過光回收循環的機制提升中心正視角的光能量(圖6b、6c)，最後透過發光角度限制件將兩側大角度漏光篩除(圖6d)，最後可以得到光強度均勻且發散角度小的曝光光源，因而得到品質一致的光固化產品。
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，即大凡依本發明之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。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。
10:光源模組 11:發光件 12:擴散片 13:增亮板 14:發光角度限制件 20:動態光罩模組 30:材料槽 31:周壁 32:底壁 33:透光件 34:快拆板 40:成型模組 41:成型板 42:驅動裝置 43:超音波震盪件 44:重量感測器 50:控制模組 51:處理器 52:計算機裝置 53:繼電器 321:第一開口 341:第二開口 411:成型面 412:通孔 421:支架 422:導軌 423:驅動件 Z:第一方向
圖1是本發明的大面積成型式積層製造設備的立體圖。 圖2是圖1的大面積成型式積層製造設備的側視圖及光源模組的放大圖。 圖3是圖1的大面積成型式積層製造設備的立體分解圖。 圖4是本發明的大面積成型式積層製造設備的材料槽的另一實施例的立體分解圖。 圖5是圖1的大面積成型式積層製造設備的系統方塊圖。 圖6是圖1的大面積成型式積層製造設備的光源模組之發光角度分布特性。
10:光源模組
30:材料槽
31:周壁
32:底壁
40:成型模組
41:成型板
42:驅動裝置
43:超音波震盪件
44:重量感測器
411:成型面
412:通孔
421:支架
422:導軌
423:驅動件
Z:第一方向

Claims (9)

  1. 一種大面積成型式積層製造設備，其包括：一光源模組，其包括：複數個發光件，排列成陣列狀；一擴散片，其係設置於該些發光件的上方，且包括複數個使光線散射的第一微結構；一增亮板，其係設置於該擴散片的上表面，且包括複數個使光線匯聚的第二微結構；一發光角度限制件，其係設置於該增亮板的上表面，且具有限制發光角度的第三微結構；一動態光罩模組，設至於該光源模組上方，隨時間產生複數個光罩圖案；一材料槽，包括周壁、底壁以及一透光件，該周壁連接於該底壁，該透光件設置於該底壁，一光固化型液態成型材料設置於該材料槽中；一成型模組，包括一成型板以及一驅動裝置，該驅動裝置驅動該成型板平行於一第一方向往復移動而接近或遠離該底壁，該成型板具有一成型面，該成型面與該底壁相向設置；其中，該等發光件發出的光線由下至上依序穿過該擴散板、該增亮板以及該發光角度限制件形成一成型光線，該成型光線具有一照射角度，該成型光線通過該材料槽的該透光件及該動態光罩模組照射至該光固化型液態成型材料，使光固化型液態成型材料固化後成型於該成型板，出射光角度與該面光源模組法線夾±30度以內；其中 該第一微結構為顆粒狀、該第二微結構為稜鏡狀、該第三微結構為格柵狀。
  2. 如請求項1所述之大面積成型式積層製造設備，其中該材料槽的該周壁係可拆卸地設置於該底壁，該底壁具有一開口，該透光件設置於該開口，該動態光罩模組係對應於該開口。
  3. 如請求項1所述之大面積成型式積層製造設備，其中該動態光罩模組由該周壁圍繞，且設置於該底壁的該開口，該成型光線依序通過該透光件及該動態光罩模組。
  4. 如請求項1所述之大面積成型式積層製造設備，其中該成型板具有複數個通孔，該光固化型液態成型材料可經由該等通孔流動。
  5. 如請求項1所述之大面積成型式積層製造設備，其中該成型模組更包括至少一超音波震盪件，該至少一超音波震盪件設置於該成型板與該成型面相對設置的表面。
  6. 如請求項1所述之大面積成型式積層製造設備，其中該成型模組更包括一重量感測器，其設置於該驅動裝置與該成型板的連接處，偵測成型板的負重。
  7. 如請求項6所述之大面積成型式積層製造設備，其中該驅動裝置包括一支架、一導軌以及一驅動件，該成型板設置於該支架，該驅動件驅動該支架於該導軌沿該第一方向往復移動。
  8. 如請求項6所述之大面積成型式積層製造設備，其更包括一控制模組，該控制模組根據該重量感測器偵測的數據控制該成型板移動的速度。
  9. 如請求項1所述之大面積成型式積層製造設備，其中該等 發光件發出的光線為可見光，該光固化型液態成型材料為可見光固化型材料。
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