TWI531486B - 彩色立體列印裝置及彩色立體列印方法 - Google Patents

Description

彩色立體列印裝置及彩色立體列印方法

本發明是有關於一種立體列印裝置及立體列印方法，且特別是有關於一種彩色立體列印裝置及彩色立體列印方法。

隨著電腦輔助製造(computer-aided manufacturing,CAM)的進步，製造業發展了立體列印技術，其能將利用電腦輔助設計(computer-aided design,CAD)等軟體所建構的三維模型迅速地製造出來。具體而言，立體列印技術實際上是一系列快速原型成型(rapid Prototyping,RP)技術的統稱，其基本的製作原理是以疊層製造來完成，由快速原型機在X-Y平面內通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z座標間斷地作層面厚度的位移，最終形成立體物件。

以習知的熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM)為例，其雖然是快速且方便的成型方式，但就彩色立體物件的製造而言，不是待立體物件完成後方進行著色工作，便是成型材料 自身即需具有預成型物件所需的顏色。前者明顯地增加了立體物件的製作工序與工時，而後者受限於現有成型材料的材質特性，較難使能成型材料均具有所需的顏色，亦即無法確保立體物件所需的顏色之彩色顏料能與成型材料熔融混色，因而提高了取材的困難度與製作門檻，且立體物件的色彩呈現略顯不足。據此，如何針對前述情形並加以改善，便成為相關技術人員所需思考的議題之一。

本發明提供一種彩色立體列印裝置及彩色立體列印方法，其不僅能提高彩色立體物件的製作效率，亦能使彩色立體物件具有較佳的顯色性(color rendering property)。

本發明提出一種彩色立體列印裝置，用以形成彩色立體物件。彩色立體列印裝置包括平臺、第一列印單元、第二列印單元、彩色噴墨單元以及固化單元。第一列印單元用以提供一第一材料於平臺上。第二列印單元用以提供第二材料於平臺上，其中第一材料與第二材料之間維持間隙。彩色噴墨單元用以提供彩色顏料至間隙內。固化單元用以固化彩色顏料，以形成彩色立體物件，其中彩色立體物件是由多個彩色物件單元堆疊而成。

本發明提出一種彩色立體列印方法，用以在平臺上形成彩色立體物件。彩色立體物件是由多層彩色物件單元所堆疊而成。彩色立體列印方法包括以下步驟。首先，形成第一材料層於 平臺上。接著，沿著第一材料層的內輪廓形成一第二材料層並提供彩色顏料，其中第一材料層與第二材料層維持間隙，且彩色顏料位於間隙內。之後，固化彩色顏料以形成彩色層，並使第一材料層、該彩色層與第二材料層形成這些彩色物件單元的其中一層。

基於上述，本發明的彩色立體列印裝置可利用彩色熔融沉積成型的製造技術來列印出彩色立體物件，其中第一列印單元與第二列印單元可分別噴塗透明線材與白色線材於平臺上，以分別形成透明的第一材料層與白色的第二材料層。具體來說，第二列印單元例如是沿著透明線材的內輪廓來噴塗白色線材，並使透明線材與白色線材維持間隙，以於後續的製作步驟中，可利用彩色噴墨單元將彩色顏料彈射至間隙內，並附著於第一材料層及第二材料層上。接著，附著於第一材料層及第二材料層的彩色顏料可藉由設置於彩色噴墨單元旁側的固化單元投射出紫外光以固化成為彩色層。由於第一材料層為透明分層，且第二材料層為可用以提高彩色層的顯色程度的白色分層，因此觀看者可明確地辨識出位於第一材料層與第二材料層之間的彩色層的顏色。也就是說，本發明的的彩色立體列印裝置及其彩色立體列印方法不僅能提高彩色立體物件的製作效率，亦能使彩色立體物件具有較佳的顯色性。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

1‧‧‧溶解槽

2‧‧‧溶液

10、10a‧‧‧彩色立體物件

11‧‧‧彩色物件單元

23‧‧‧第一列印模組

45‧‧‧第二列印模組

100、100A、100B‧‧‧彩色立體列印裝置

110‧‧‧平臺

120‧‧‧第一列印單元

121、131、141‧‧‧供料匣

122、132‧‧‧列印頭

123‧‧‧第一材料

123a‧‧‧第一材料層

130‧‧‧第二列印單元

133‧‧‧第二材料

133a‧‧‧第二材料層

140‧‧‧彩色噴墨單元

142‧‧‧噴墨頭

143‧‧‧彩色顏料

143a‧‧‧彩色層

150‧‧‧固化單元

170、170a、170b‧‧‧移動單元

171、171a、171b、172‧‧‧滑桿

G‧‧‧間隙

圖1是本發明一實施例的彩色立體列印裝置的示意圖。

圖2A至圖2D是利用圖1的彩色立體列印裝置形成彩色立體物件的製作流程示意圖。

圖2E與圖2F是將圖2D的彩色立體物件的第一材料層溶解的製作流程示意圖。

圖3是本發明另一實施例的彩色立體列印裝置的示意圖。

圖4是本發明又一實施例的彩色立體列印裝置的示意圖

圖1是本發明一實施例的彩色立體列印裝置的示意圖。請參考圖1，在本實施例中，彩色立體列印裝置100例如是彩色熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM)立體列印裝置，其適於依據三維模型之多個切層輪廓以逐層形成二維的物件單元，尤其是彩色物件單元11(繪示於圖2C)，而相互堆疊的這些彩色物件單元11(繪示於圖2C)可形成彩色立體物件10(繪示於圖2D)。

彩色立體列印裝置100包括平臺110、第一列印單元120、第二列印單元130、彩色噴墨單元140以及固化單元150，其中平臺110可作為承載第一列印單元120與第二列印單元130所噴塗出的熱熔性材料所用，其中平臺110適於沿著Y軸來回移動。另一方面，第一列印單元120可包括供料匣121與列印頭122， 其中供料匣121可用以盛裝熱熔性的第一材料123(例如是透明線材)並與列印頭122相連通，以將第一材料121傳輸至列印頭123。第二列印單元130可包括供料匣131與列印頭132，其中供料匣131可用以盛裝熱熔性的第二材料133(例如是白色線材)並與列印頭132相連通，以將第二材料133傳輸至列印頭132。此處，第一列印單元120與第二列印單元130可並列設置以整合成為雙噴頭型式的第一列印模組23，但本發明不限於此。

另一方面，彩色噴墨單元140可包括供料匣141與噴墨頭142，其中供料匣141可用以盛裝彩色顏料143並與噴墨頭142相連通，以將供料匣141內的彩色顏料143傳輸至噴墨頭142。在此，彩色顏料143例如是光固化樹脂，其可包括紅色顏料、青色顏料、黃色顏料、黑色顏料、透明顏料、白色顏料或上述顏料之組合，以調合出各個彩色物件單元11(繪示於圖2C)所需的顏色。而固化單元150可為紫外光固化單元，其可與彩色噴墨單元140並列設置以構成第二列印模組45。

在本實施例中，彩色立體列印裝置100更包括移動單元170，配置於平臺110上，且第一列印模組23與第二列印模組45配置於移動單元170上。具體來說例，第一列印模組23與第二列印模組45例如是可移動地配置於移動單元170中沿著X軸延伸的滑桿171上，而滑桿171例如是可移動地配置於移動單元170中沿著Z軸延伸的滑桿172上。也就是說，第一列印模組23與第二列印模組45可由滑桿171所引導，以沿著X軸而相對於平臺110 來回移動。另一方面，滑桿171可由滑桿172所引導，以沿著Z軸而相對於平臺110來回移動，進而調變第一列印模組23及第二列印模組45與平臺110之間的相對距離。

圖2A至圖2D是利用圖1的彩色立體列印裝置形成彩色立體物件的製作流程示意圖。首先，請參考圖2A，固定移動滑桿171在Z軸上的位置，並使第一列印模組23與第二列印模組45在滑桿171上沿著X軸來回移動，且平臺110亦同時沿著Y軸來回移動。一般來說，第一列印單元120可設置有加熱器(未繪示)，以加熱第一材料123，使得加熱熔融後的第一材料123可在前述移動過程中經由列印頭122來噴塗於平臺110上。

具體來說，第一材料123可以是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS)或聚乳酸(Polylactic Acid,PLA)所構成的透明樹脂，其在噴塗於平臺110後可形成例如呈現半熔融狀態的第一材料層123a。此處，第一材料層123a與彩色物件單元11(繪示於圖2C)的外部輪廓實質上一致，且為空心結構，但在其他可行的實施例中，第一材料層123a亦可為實心結構，本發明對此不加以限制。

請參考圖2B，持續固定移動單元170在Z軸上的位置，並使第一列印模組23與第二列印模組45在滑桿171上沿著X軸來回移動，且平臺110亦同時沿著Y軸來回移動。在此，第二列印單元130亦可設置有加熱器(未繪示)，以加熱第二材料133，使得加熱熔融後的第二材料133可在前述移動過程中經由列印頭 132來噴塗於平臺110上。其中，列印頭132大致上是沿著第一材料層123a的內輪廓來將第二材料133噴塗於平臺110上。

具體來說，第二材料133可以是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS)或聚乳酸(Polylactic Acid,PLA)所構成的白色樹脂，其在噴塗於平臺110後可形成例如呈現半熔融狀態的第二材料層133a。此處，第二材料層133a亦為空心結構，但在其他可行的實施例中，第一材料層133a亦可為實心結構，本發明對此不加以限制。另一方面，第一材料層123a與第二材料層133a之間可維持間隙G。

接著，請參考圖2C，此時的移動單元170在Z軸上的位置仍舊被固定，而第一列印模組23與第二列印模組45可在滑桿171上沿著X軸來回移動，且平臺110亦同時沿著Y軸來回移動。在此，噴墨頭142例如是壓電式噴墨噴頭(piezoelectric ink-jet print head)，以透過點陣(lattice)的方式將彩色顏料143彈射至間隙G內，且均勻地附著於第一材料層123a及第二材料層133a上。此時，附著於第一材料層123a及第二材料層133a上的彩色顏料143仍呈半液態狀，因此可藉由設置於彩色噴墨單元140旁側的固化單元150投射出紫外光。在紫外光的照射下，彩色顏料143可即時地被固化以形成彩色層143a，從而避免呈現半液態狀的彩色顏料143溢流。其中，固化後的第一材料層123a、彩色層143a與第二材料層133a可緊密地連結在一起而不易剝離。

至此，已大致完成其中一個彩色物件單元11的製作，而 在形成其中一個的彩色物件單元11後，可藉由調變移動單元170在Z軸上的位置，並透過反覆執行圖2A至圖2C所示的步驟，以接續形成其他分層的彩色物件單元，並使這些彩色物件單元相互堆疊以形成彩色立體物件10，如圖2D所示。

由於第一材料層123a為透明分層，且第二材料層133a為可用以提高彩色層143a的顯色程度的白色分層，因此觀看者可明確地辨識出位於第一材料層123a與第二材料層133a之間的彩色層143a的顏色。也就是說，上述實施例所述的彩色立體列印裝置100及其彩色立體列印方法不僅能提高彩色立體物件10的製作效率，亦能使彩色立體物件10具有較佳的顯色性(color rendering property)。

另一方面，在以上所述的彩色立體物件10的製作流程中，圖2B所示的形成第二材料層133a的製作步驟與圖2C所示的形成彩色層143a的製作步驟可相互對調。也就是說，在形成第一材料層123a於平臺110上後，可先藉由彩色噴墨單元140沿著第一材料層123a的內輪廓將彩色顏料143彈射於第一材料層123a的內側緣。接著，利用設置於彩色噴墨單元150旁側的固化單元150來將彩色顏料143固化成為彩色層143a。之後，利用第二列印單元130沿著彩色層143a的內輪廓來將第二材料133噴塗於平臺110上且附著於彩色層143a的內側緣，以在平臺110上形成第二材料層133a。此時，第一材料層123a與第二材料層133a之間仍維持間隙G，其中彩色層143a位於間隙G內，且固化後的第一 材料層123a、彩色層143a與第二材料層133a亦可緊密地連結在一起而不易剝離。

在上述實施例中，是以第一材料層123a為透明樹脂所構成的透明層作說明，惟本發明不限於此。圖2E與圖2F是將圖2D的彩色立體物件的第一材料層溶解的製作流程示意圖。請參考圖2E與圖2F，在本實施例中，第一材料層123a可以是由有色(或無色)的可溶解樹脂所構成。因此，在完成彩色立體物件10的製作後，可進一步將彩色立體物件10浸入溶解槽1，使得由可溶解樹脂所構成的第一材料層123a溶解於溶解槽1內的溶液2中以暴露出彩色層143a，從而得到彩色立體物件10a。通常而言，溶液2可以是酸性溶液、鹼性溶液、有機溶液或其他適於溶解由可溶解樹脂所構成的第一材料層123a的溶液，而且在由可溶解樹脂所構成的第一材料層123a溶解於溶解槽1內的溶液2後，彩色層143a並不會被溶液2所溶解，故彩色立體物件10a仍可保有完整的彩色層143a而具有美觀的外型。

以下將列舉其他實施例以作為說明。在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖3是本發明另一實施例的彩色立體列印裝置的示意圖。請參考圖3，彩色立體列印裝置100A與彩色立體列印裝置100 大致相似，惟二者主要差異之處在於：彩色立體列印裝置100A可包括移動單元170a與170b，其中第一列印單元120與第二列印模組45分別可移動地配置於滑桿171a上，且第二列印單元130可移動地配置於滑桿171b上。也就是說，本實施例的第一列印單元120與第二列印單元130並未整合成為第一列印模組23。

圖4是本發明又一實施例的彩色立體列印裝置的示意圖。請參考圖4，彩色立體列印裝置100B與彩色立體列印裝置100A大致相似，惟二者主要差異之處在於：第一列印單元120與第二列印單元130可整合成為第一列印模組23，且可移動地配置於滑桿171a上，而第二列印模組45可移動地配置於滑桿171b上。

綜上所述，本發明的彩色立體列印裝置可利用彩色熔融沉積成型的製造技術來列印出彩色立體物件，其中第一列印單元與第二列印單元可分別噴塗透明線材與白色線材於平臺上，以分別形成透明的第一材料層與白色的第二材料層。具體來說，第二列印單元例如是沿著透明線材的內輪廓來噴塗白色線材，並使透明線材與白色線材維持間隙，以於後續的製作步驟中，可利用彩色噴墨單元將彩色顏料彈射至間隙內，並附著於第一材料層及第二材料層上。接著，附著於第一材料層及第二材料層的彩色顏料可藉由設置於彩色噴墨單元旁側的固化單元投射出紫外光以固化成為彩色層。由於第一材料層為透明分層，且第二材料層為可用以提高彩色層的顯色程度的白色分層，因此觀看者可明確地辨識出位於第一材料層與第二材料層之間的彩色層的顏色。也就是 說，本發明的彩色立體列印裝置及其彩色立體列印方法不僅能提高彩色立體物件的製作效率，亦能使彩色立體物件具有較佳的顯色性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

23‧‧‧第一列印模組

45‧‧‧第二列印模組

100‧‧‧彩色立體列印裝置

110‧‧‧平臺

120‧‧‧第一列印單元

121、131、141‧‧‧供料匣

122、132‧‧‧列印頭

123‧‧‧第一材料

130‧‧‧第二列印單元

133‧‧‧第二材料

140‧‧‧彩色噴墨單元

142‧‧‧噴墨頭

143‧‧‧彩色顏料

150‧‧‧固化單元

170‧‧‧移動單元

171、172‧‧‧滑桿

Claims (10)

1. 一種彩色立體列印裝置，用以形成一彩色立體物件，該彩色立體列印裝置包括：一平臺；一第一列印單元，用以提供一第一材料於該平臺上；一第二列印單元，用以提供一第二材料於該平臺上，其中該第一材料與該第二材料之間維持一間隙；一彩色噴墨單元，用以提供一彩色顏料至該間隙內；以及一固化單元，用以固化該彩色顏料，以形成該彩色立體物件，其中該彩色立體物件是由多個彩色物件單元堆疊而成。
2. 如申請專利範圍第1項所述的彩色立體列印裝置，更包括：至少一移動單元，配置於該平臺上，且該第一列印單元、該第二列印單元、該彩色噴墨單元與該固化單元配置於該至少移動單元上。
3. 如申請專利範圍第1項所述的彩色立體列印裝置，其中該第一列印單元與該第二列印單元構成一第一列印模組，且該彩色噴墨單元與該固化單元構成一第二列印模組。
4. 如申請專利範圍第1項所述的彩色立體列印裝置，其中該第一材料包括透明樹脂或可溶解樹脂，而該第二材料包括白色樹脂。
5. 如申請專利範圍第1項所述的彩色立體列印裝置，其中該彩色顏料包括紅色顏料、青色顏料、黃色顏料、黑色顏料、透明 顏料、白色顏料或上述之組合。
6. 一種彩色立體列印方法，用以在一平臺上形成一彩色立體物件，該彩色立體物件是由多個彩色物件單元堆疊而成，該彩色立體列印方法包括：形成一第一材料層於該平臺上；沿著該第一材料層的內輪廓形成一第二材料層並提供一彩色顏料，其中該第一材料層與該第二材料層之間維持一間隙，且該彩色顏料位於該間隙內；以及固化該彩色顏料以形成一彩色層，並使該第一材料層、該彩色層與該第二材料層形成該些彩色物件單元的其中一者。
7. 如申請專利範圍第6項所述的彩色立體列印方法，其中彩色層附著於該第一材料層上。
8. 如申請專利範圍第6項所述的彩色立體列印方法，還包括：在形成該些彩色物件單元的其中一者後，接續形成其他該些彩色物件單元，並使該些彩色物件單元相互堆疊以形成該彩色立體物件。
9. 如申請專利範圍第8項所述的彩色立體列印方法，更包括：在形成該彩色立體物件後，將該彩色立體物件浸入一溶解槽，以使該第一材料層溶解於該溶解槽內的溶液中。
10. 如申請專利範圍第9項所述的彩色立體列印方法，其中該溶解槽內的溶液包括酸性溶液、鹼性溶液或有機溶液。