TWI606917B - 三維全彩複合列印裝置 - Google Patents

Description

三維全彩複合列印裝置

本案係關於一種三維全彩複合列印裝置，尤指一種適用於立體快速成型機之三維全彩複合列印裝置。

3D列印(3D Printing)成型技術，亦稱為快速成型（Rapid Prrototyping，RP）技術，因快速成型技術具有自動、直接及快速，可精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或可製造直接使用的零件或成品，從而可對產品設計進行快速的評估，修改及功能試驗，大大縮短產品的開發週期，因而使得3D列印成型技術廣受青睞。

現今3D列印成型技術正處於蓬勃發展之階段，所採用的快速成型技術也各異，目前業界所採用之快速成型技術主要包含下述幾種技術：膠水噴印固化粉末成型（Color-Jet Printing，CJP，或稱Binder Jetting）技術、熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）技術、雷射燒結固態粉末成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）技術、紫外光固化液態樹脂成型（Multi-Jet Modeling，MJM）技術、或是雷射燒結固態粉末成型（Selective Laser Sintering，SLS）技術等等，但不以此為限。

然前述該等快速成型技術中，除了膠水噴印固化粉末成型（Color-Jet Printing，CJP，或稱Binder Jetting）技術能產生全彩的3D成型物外，其餘3D列印成型技術均無法能製造全彩的產品，因此對被稱為第三次工業革命的3D列印成型技術而言，是一個極大產品技術之缺失，沒有真正全彩的產品，意味著人類的科技又回到一個色彩表現被限制的時代，對3D列印成型產業而言是一個致命缺失。

此技術瓶頸主要是因為3D列印成型技術是利用基層堆疊技術，即如第1圖所示，當欲製造出3D成型物A時，主要係先透過電腦解析A之型態與結構，將之切分為A’所示之複數個疊層，隨後再透過前述等3D列印成型技術，利用逐層印刷並堆疊成型的方式，將A’所示之疊層以XY之軸向進行印刷，再層層堆疊，使其於Z方向進行堆疊，最後會形成如A所示之半圓形之3D成型物。同樣地，如欲進行第2圖所示之錐形瓶狀之3D成型物B，則同樣將B切分為B’所示之複數個疊層，再進行逐層印刷並堆疊成型，從而製造出錐形瓶狀之3D成型物B。然而，在很多3D列印成型技術之所以無法製成全彩3D產品，主要是在逐層堆疊時，缺乏相對應能產生全彩技術的列印頭。

舉例來說，習知雷射燒結固態粉末成型（Selective Laser Sintering，SLS）技術主要則是在一個成型槽中，逐層鋪上成型原料粉末，並利用雷射光依分層截面輪廓進行掃描燒結，使成型原料粉末的溫度上升至融化點，以使成型原料粉末黏接成一分層結構，並逐層堆疊成一3D成型物。然而於此SLS技術中，由於固態之成型原料粉末僅具有單一的色彩，且在其逐層堆疊的過程中，亦沒有任何裝置可實施全彩之噴印作業，故此SLS技術所製作出的3D成型物亦僅能維持原有固態成型原料粉末之原色，而無法製造出全彩化的3D成型物。

是以，就目前3D列印成型技術裝置之產業而言，其所面臨的技術瓶頸即為全彩表現問題，因此如何使此致命的先前技術之缺失能被改善，是目前3D列印成型產業上迫切需要去解決的主要課題。

本案之主要目的在於提供一種可實施全彩化之3D列印之三維全彩複合列印裝置，應用於 雷射燒結固態粉末成型（SLS）技術以 實施全彩化之3D列印，俾可解決目前眾多3D列印成型技術無法製造出全彩化的技術瓶頸。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種全彩複合列印裝置， 適用一建構槽內容置一粒狀粉末成形的一三維成型物，其包含：複數個殼體，具有至少一分離殼體及一其他殼體，每一該殼體具有至少一個空室，且該至少一分離殼體與該其他殼體分離架構於至少一個位移機構上以進行位移；一光源組件，設置於該至少一分離殼體之該空室中，提供一雷射光源；至少一顏色墨水，每一該顏色墨水分別容設於該其他殼體之該至少一空室中；至少一噴墨晶片，每一該噴墨晶片對應設於該其他殼體之一底面，且每一該噴墨晶片均具有複數個噴孔，連通該至少一顏色墨水，並受該至少一噴墨晶片驅動噴出該至少一顏色墨水；以及一成型托盤，架構於該建構槽中，由一升降底座帶動以進行上下位移；其中，該至少一位移機構帶動該分離殼體位移，使該光源組件照射至該粒狀粉末上，並沿著該三維成型物之一分層截面輪廓進行燒結，以成形一單切層，再由該至少一位移機構帶動該其他殼體位移，使設置於該其他殼體內之該至少一噴墨晶片之該複數個噴孔噴出該至少一顏色墨水至該單切層上，復重覆施作以該光源照射燒結成形該粒狀粉末及噴印該顏色墨水於該單切層上，以構造出該三維成型物之一堆疊層，並反覆構造出複數該堆疊層，最終固化成形一全彩化之三維成型物。

1‧‧‧雷射燒結固態粉末成型機

2‧‧‧多功能複合列印裝置

20‧‧‧殼體

20a‧‧‧分離殼體

20b‧‧‧其他殼體

201、201a、201b、201c‧‧‧空室

21‧‧‧光源組件

22‧‧‧顏色墨水

23‧‧‧噴墨晶片

231‧‧‧底面

24‧‧‧成型托盤

25、25a、25b‧‧‧位移機構

3‧‧‧基座

31‧‧‧工作平台

32‧‧‧供粉槽

33‧‧‧建構槽

34‧‧‧滾輪

35a、35b‧‧‧升降底座

36‧‧‧粒狀粉末

37‧‧‧成型物

A、B‧‧‧3D成型物

A’、B’ ‧‧‧3D成型物之分層結構

第1圖為習知之3D成型物之堆疊分層示意圖。

第2圖為另一習知之3D成型物之堆疊分層示意圖。

第3圖為本發明之三維全彩複合列印裝置應用於雷射燒結固態粉末成型機之較佳實施例示意圖。

第4圖為本發明之三維全彩複合列印裝置之位移機構上架構分離殼體及其他殼體之配置示意圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

請參閱第3圖，為本案之三維全彩複合列印裝置應用於雷射燒結固態粉末成型 (SLA)機之較佳實施例示意圖。於本實施例為例，該雷射燒結固態粉末成型 (SLA)機1包含三維全彩複合列印裝置2及基座3等組件，其中該三維全彩複合列印裝置2包含複數個殼體20、一光源組件21、至少一顏色墨水22、至少一噴墨晶片23及一成型托盤24，於基座3之表面上具有工作平台31，且基座3設置有內嵌式之供粉槽32及建構槽33，供粉槽32係鄰設於建構槽33，其中，三維全彩複合列印裝置2之殼體20、光源組件21、顏色墨水22、噴墨晶片23等構件係對應設置於基座3之工作平台31之上方，惟成型托盤24係設置於建構槽33內，且供粉槽32及建構槽33之底面係由活動式之升降底座35a、35b所構成，其可因應驅動裝置(未圖示)之驅動以進行上下往復式之升降作業，藉以分別將供粉槽32及建構槽33內容設之粒狀粉末36進行上下推送，舉例來說，當欲進行雷射燒結固態粉末成型(SLS)作業前，則藉由升降底座35a之上升作業，以將供粉槽32內之粒狀粉末36推送至略高於工作平台31之高度，其後再由滾輪34於工作平台31上進行水平位移之推送作業，進而可將粒狀粉末36推移至鄰設之建構槽33內，此時，建構槽33之升降底座35b則會略為下降，使多三維全彩複合列印裝置2可對建構槽33內的粒狀粉末36進行後續之雷射燒結固態粉末成型(SLS)作業，如此透過供粉槽32及建構槽33彼此獨立之往復式之升降作業，可有效調控粒狀粉末36之供粉及成型作業。

於一些實施例中，粒狀粉末36係為一複合塑膠粉末、一金屬粉末及一複合金屬粉末之至少其中之一，但不以此為限。

於本實施例中，該三維全彩複合列印裝置2之複數個殼體20係可由但不限由金屬材質、塑膠材質、塑膠包覆金屬材質之至少其中之一種材質所構成，且該複數殼體20可區分為至少一分離殼體20a與其他殼體20b，該至少一分離殼體20a與其他殼體20b係彼此分離地設置，且每一殼體20中包含至少一空室201。

以本實施例為例，該複數個殼體20區分為一個分離殼體20a與其他殼體20b，該分離殼體20a具有一空室201a，而該其他殼體20b具有二個空室201b、201c，但分離殼體20a與其他殼體20b之空室201之數量並不以此為限。

如第3圖所示，該複數個殼體20係架構於至少一個位移機構25上以進行XY方向之平面位移，但不以此為限，舉例來說，其中該至少一分離殼體20a與該其他殼體20b分離架構於該至少一個位移機構25上，亦即該分離殼體20a及該其他殼體20b係共同架構於同一位移機構25上以進行XY方向之平面位移，然由於該分離殼體20a及該其他殼體20b係為分離地架構於同一該位移機構25上，故其分別於不同的位置上進行XY方向之平面位移；又或者是，於另一實施例中，如第4圖所示，該分離殼體20a架構於一個位移機構25a上以進行XY方向之平面位移，而該其他殼體20b則架構於另一個位移機構25b上以進行XY方向之平面位移，即該分離殼體20a與該其他殼體20b係彼此分離地設置於兩位移機構25a、25b上進行XY方向之平面位移，然其係可依實際施作情形而任施變化，並不以此為限。

除此之外，於另一些實施例中，如第3圖所示，該複數個殼體20更可架構於至少一個位移機構25上以進行XYZ三方向之位移，換言之，該複數個殼體20增加了如圖所示之Z方向之位移，且該至少一分離殼體20a與該其他殼體20b係可分離地、共同架構於同一個位移機構25上，以進行XYZ三方向之位移，然此該分離殼體20a及該其他殼體20b係為分離地架構於該位移機構25之不同位置上以進行XYZ三方向之位移，又或者是該分離殼體20a可單獨架構於一個位移機構25a上以進行XYZ三方向之位移(如第4圖所示)，而該其他殼體20b亦可單獨架構於另一個位移機構25b上以進行XYZ三方向之位移(如第4圖所示)，換句話說，該分離殼體20a及該其他殼體20b可分離地設置於同一位移機構25上，或是可分離地設置於不同之位移機構25a及25b上，其係可依照實際施作情形而任施變化，並不以此為限。

以本案實施例為例，三維全彩複合列印裝置2之該光源組件21設置於該分離殼體20a之空室201a中，提供一雷射光源，用以對基座3之建構槽33內之粒狀粉末36照射，並沿著成型物37之 一分層截面輪廓進行燒結，使粒狀粉末36溫度升至融點而固化 。

又於本實施例中，三維全彩複合列印裝置2之該至少一顏色墨水22可為黑色墨水或彩色墨水，但不以此為限。每一該顏色墨水22分別容設於該其他殼體20b之該至少一空室201b、201c中。

該至少一噴墨晶片23對應設於該其他殼體20b之一底面231，且每一該噴墨晶片23均具有複數個噴孔(未圖示)，連通該至少一顏色墨水22，並受該至少一噴墨晶片23驅動噴出該至少一顏色墨水22；於一些實施例中，該噴墨晶片23係可為但不限為熱汽泡式噴墨晶片、壓電式噴墨晶片及微機電(MEMS)製程製造之至少其中之一種噴墨晶片23。

又以本案實施例為例，該 其他殼體20b之空室201b內為容置 黑色的顏色墨水22，則其所對應之噴墨晶片23則為具有單一流道之黑色噴墨晶片23，而該 其他殼體20b之另一個空室201c內為容置彩色的 顏色墨水22，其所對應於彩色的顏色墨水22之噴墨晶片23則為具有三流道之彩色噴墨晶片23，但不以此為限。或是於另一些實施例中，該至少一噴墨晶片23係為二個噴墨晶片23，分別對應於空室201b、201c，且該二噴墨晶片23係為具有二流道之雙色噴墨晶片23，但不以此為限。

除此之外，於另一些實施例中，該複數殼體20之該其他殼體 20b 亦可具有四個用以容設四種顏色墨水22之空室201，其中四個容設一種顏色墨水22之每一空室201中，由其所對應之噴墨晶片23之噴孔輸出顏色墨水22，則該對應之噴墨晶片23之數量同樣為四，且其係均為具有單一流道之單色噴墨晶片23。當然，殼體20之該其他殼體 20b 亦可具有六個用以容設六種顏色墨水22之空室201，由其所對應之噴墨晶片23之噴孔輸出顏色墨水22，則該對應之噴墨晶片23之數量同樣為六個，且其係均為具有單一流道之單色噴墨晶片23，甚至，殼體20之該其他殼體 20b 亦可具有七個用以容設七種顏色墨水22之空室201，由其所對應之噴墨晶片23之噴孔輸出顏色墨水22，則該對應之噴墨晶片23之數量同樣為七個，且其係均為具有單一流道之單色噴墨晶片23。由此可見，該其他殼體20b內的空室201、顏色墨水22及噴墨晶片23之數量、設置方式及型態等係可依照實際情形而任施變化，並不以此為限。

以及，如前所述，本案之三維全彩複合列印裝置2之該成型托盤24係架構於建構槽33之升降底座35b上，以隨著升降底座35b之驅動進行上下方向之位移，且於成型托盤24上承載支撐由該光源組件21之光源 照射粒狀粉末36，而固化成形之三維成型物37之單切層。

於本實施例中，本案之三維全彩複合列印裝置2進行全彩化之三維成型程序係為先由位移機構25控制該分離殼體20a以進行XY方向或是XYZ三方向之位移，藉以使該分離殼體20a之位置對應於基座3之建構槽33，並使分離殼體20a內裝設之光源組件21以光源 照射設置於建構槽33中之 該粒狀粉末36，使之於該成型托盤24上欲成型的位置產生固化，復由該位移機構25控制該其他殼體20b進行XY方向或是XYZ三方向之位移，使該其他殼體20b內之該噴墨晶片23之噴孔對應到前述該粒狀粉末36成形固化之位置，並使該噴孔於一預定時間噴出顏色墨水22附著於該燒結成形之粒狀粉末36 上，以成形一三維成型物37之單切層，再透過設置於建構槽33下方之升降底座35b以控制該成型托盤24向下位移至欲成型另一層單切層之高度，復重覆施作以光源組件21照射燒結成形粒狀粉末36 及噴印顏色墨水22於該已成型之單切層上，以構造出三維成型物37之堆疊層，如此反覆上述之光源照射燒結成形粒狀粉末36及噴印顏色墨水22製程，進而構造出複數堆疊層，最終固化成形以一全彩化之三維成型物37。

綜上所述，本案之三維全彩複合列印裝置，能廣泛應用於雷射燒結固態粉末成型(SLS) 技術，透過位移機構帶動三維全彩複合列印裝置之殼體於XY方向上進行平面位移、或是於XYZ三方向進行位移，以有效地實施全彩化之3D列印，不僅可突破傳統單色之3D成型物之技術瓶頸，增加3D成型物之色彩擬真及藝術性，同時更利於推廣全彩化3D列印技術，並使全彩化3D列印技術更為普及化。

本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1‧‧‧雷射燒結固態粉末成型機

2‧‧‧多功能複合列印裝置

20‧‧‧殼體

20a‧‧‧分離殼體

20b‧‧‧其他殼體

201、201a、201b、201c‧‧‧空室

21‧‧‧光源組件

22‧‧‧顏色墨水

23‧‧‧噴墨晶片

231‧‧‧底面

24‧‧‧成型托盤

25、25a、25b‧‧‧位移機構

3‧‧‧基座

31‧‧‧工作平台

32‧‧‧供粉槽

33‧‧‧建構槽

34‧‧‧滾輪

35a、35b‧‧‧升降底座

36‧‧‧粒狀粉末

37‧‧‧成型物

Claims (14)

1. 一種三維全彩複合列印裝置，適用一建構槽內容置一粒狀粉末成形的一三維成型物，其包含：
   複數個殼體，具有至少一分離殼體及一其他殼體，每一該殼體具有至少一個空室，且該至少一分離殼體與該其他殼體分離架構於至少一個位移機構上以進行位移；
   一光源組件，設置於該至少一分離殼體之該空室中，提供一雷射光源；
   至少一顏色墨水，每一該顏色墨水分別容設於該其他殼體之該至少一空室中；
   至少一噴墨晶片，每一該噴墨晶片對應設於該其他殼體之一底面，且每一該噴墨晶片均具有複數個噴孔，連通該至少一顏色墨水，並受該至少一噴墨晶片驅動噴出該至少一顏色墨水；以及
   一成型托盤，架構於該建構槽中，由一升降底座帶動以進行上下位移；
   其中，該至少一位移機構帶動該分離殼體位移，使該光源組件照射至該成型托盤上承載之該粒狀粉末，並沿著該三維成型物之一分層截面輪廓進行燒結，以成形一單切層，再由該至少一位移機構帶動該其他殼體位移，使設置於該其他殼體內之該至少一噴墨晶片之該複數個噴孔噴出該至少一顏色墨水至該單切層上，復重覆施作以該光源照射燒結成形該粒狀粉末及噴印該顏色墨水於該單切層上，以構造出該三維成型物之一堆疊層，並反覆構造出複數該堆疊層，最終固化成形一全彩化之三維成型物。
2. 如申請專利範圍第1項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該複數個殼體之該分離殼體及該其他殼體共同架構於同一該位移機構上，以進行XY方向之平面位移，且該分離殼體及該其他殼體為分離地架構於該位移機構不同位置上，以進行做XY方向之平面位移 。
3. 如申請專利範圍第1項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該複數個殼體之該分離殼體架構於其中一個該位移機構上，以進行XY方向之平面位移，該其他殼體則架構於另一個該位移機構上，以進行做XY方向之平面位移 。
4. 如申請專利範圍第1項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該複數個殼體之該分離殼體及該其他殼體一共同架構於同一個該位移機構上，以進行XYZ三方向之位移，且該分離殼體及該其他殼體為分離架構於該位移機構之不同位置上，以進行XYZ三方向之位移 。
5. 如申請專利範圍第1項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該複數個殼體之該分離殼體架構於其中一個該位移機構上，以進行XYZ三方向之位移，該其他殼體則架構於另一該位移機構上，以進行做XYZ三方向之位移 。
6. 如申請專利範圍第1項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該複數殼體係由一金屬材質、一塑膠材質、一塑膠包覆金屬材質之至少其中之一種材質所構成。
7. 如申請專利範圍第1項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該噴墨晶片係為一熱汽泡式噴墨晶片、一壓電式噴墨晶片及一微機電製程製造之噴墨晶片之至少其中之一種噴墨晶片。
8. 如申請專利範圍第1項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該至少一噴墨晶片係為二個噴墨晶片，分別為一具有三流道之彩色噴墨晶片及一具有單一流道之黑色噴墨晶片。
9. 如申請專利範圍第1項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該至少一噴墨晶片係為二個噴墨晶片，分別為具有二流道之雙色噴墨晶片。
10. 如申請專利範圍第1項項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該至少一噴墨晶片係為四個噴墨晶片，分別為四個具有單一流道之單色噴墨晶片。
11. 如申請專利範圍第1項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該至少一噴墨晶片係為六個噴墨晶片，分別為六個具有單一流道之單色噴墨晶片。
12. 如申請專利範圍第1項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該至少一噴墨晶片係為七個噴墨晶片，分別為七個具有單一流道之單色噴墨晶片。
13. 如申請專利範圍第1項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該至少一顏色墨水係為四種顏色墨水，且分別容設於該殼體之該至少一空室中。
14. 如申請專利範圍第1項所述之三維全彩複合列印裝置，其中該粒狀粉末係為一複合塑膠粉末、一金屬粉末及一複合金屬粉末之至少其中之一種粒狀粉末。