TWI656015B - 熔融沉積成型裝置 - Google Patents

Abstract

一種熔融沉積成型裝置，適用於熔融沉積成型機，包含：高分子材料、容器、 噴頭、列印驅動平台及電腦系統；容器內設有加熱器，供高分子材料導入，並由加熱器對其加熱熔融；噴頭具有噴孔，設置於容器一端，使容器中熔融之高分子材料由噴孔擠出；列印驅動平台用以供噴頭架構於其上，以進行三軸位移；電腦系統包括介面控制系統及資料傳輸平台，資料傳輸平台依據操作指令進行切層運算產生列印資料，並傳輸至介面控制系統，且介面控制系統包括控制面板，以供使用者控制驅動列印驅動平台運作，以進行熔融沉積成型裝置之三維成型作業。

Description

熔融沉積成型裝置

本案係關於一種熔融沉積成型裝置，尤指一種具有電腦系統，且適用於熔融沉積成型機之熔融沉積成型裝置。

三維成型技術，亦稱為快速成型(Rapid Prototyping，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，因而使得三維列印成型技術廣受青睞。

然快速成型技術中，有一種熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，FDM)技術，其乃輸送成型材料透過加熱器對成型材料加熱成熔融液態，再由一擠出口擠出熔融液態成型材料而冷卻堆疊出三維成型物。此熔融沉積成型技術可以精確地構成非常複雜的產品，而且成型的過程中無需模具的輔助，更可以完成傳統工藝無法完成的一些特殊形狀產品，因此熔融沉積成型技術已被廣泛地運用在市面上的三維成型機構。

一般來說，傳統的熔融沉積成型機須透過與外部電腦系統之連結，方可將所欲成型的三維成型物進行切層列印格式影像分析作業，再將該等分析後之影像資料輸入熔融沉積成型機中，以進行對應之三維列印成型作業，然此等作業需透過使用者於外部電腦系統端進行相關操作，且該外部電腦系統亦需設定熔融沉積成型機的相關驅動及運算程式，操作起來並不便利。

此外，在以熔融沉積成型技術進行三維列印成型作業時，當對輸入的成型材料進行加熱時，為了使成型材料形成熔融狀態，加熱器的溫度通常相當高，如此一來， 過高的溫度及熱能會使得加熱器周邊的組件亦隨之受影響而易產生損壞，故若無法有效對加熱器所產生的熱能進行散熱，則其周邊的組件及熔融沉積成型機的整體使用壽命均可能受限。

有鑑於此，本發明提供一種熔融沉積成型裝置，其內具電腦系統可進行待列印之立體物件的相關切層運算，且更具有可耐受高溫的容器，且於容器中更具有複數個導熱、散熱結構，藉以輔助將加熱器所產生之熱能向外傳遞，以有效散熱，並可延長熔融沉積成型機之使用壽命。

本案之主要目的在於提供一種以熔融沉積成型裝置，適用於一熔融沉積成型機，俾解決習知之熔融沉積成型裝置需與外部電腦系統連接，導致使用者使用上之不便等缺失。

本案之又一目的在於提供一種熔融沉積成型裝置，透過其具有可耐受高溫的容器，且容器中更具有複數個導熱、散熱之結構，俾可解決目前熔融沉積成型機之散熱不佳的技術瓶頸。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種熔融沉積成型裝置，適用於一熔融沉積成型機，包含：至少一高分子材料；至少一容器，其內設有一加熱器，該至少一高分子材料係導入該至少一容器中，由該加熱器對該至少一高分子材料加熱熔融；至少一噴頭，具有一噴孔，設置於該至少一容器之一端，使該容器中熔融後之該高分子材料由該噴孔擠出；一列印驅動平台，用以供該至少一噴頭架構於其上，以進行三軸位移；以及一電腦系統，包括一介面控制系統及一資料傳輸平台，該資料傳輸平台依據一操作指令進行一切層運算而產生一列印資料，其中該切層運算即為將欲成型之一立體物件之一切層程序資料轉換成一二維切層列印格式影像資料，並傳輸至該介面控制系統，且該介面控制系統包括一控制面板，以供一使用者控制驅動該列印驅動平台運作，以進行該熔融沉積成型裝置之三維成型作業。

1‧‧‧熔融沉積成型機

10‧‧‧熔融沉積成型裝置

11‧‧‧高分子材料

11’‧‧‧液態高分子材料

12‧‧‧容器

121‧‧‧第一開口

122‧‧‧加熱器

123‧‧‧風扇

124‧‧‧熱傳導鰭片

125‧‧‧隔熱管

126‧‧‧導熱通道

127‧‧‧第二開口

13‧‧‧噴頭

131‧‧‧噴孔

14‧‧‧電腦系統

141‧‧‧介面控制系統

1411‧‧‧控制面板

142‧‧‧資料傳輸平台

15‧‧‧列印驅動平台

16‧‧‧材料匣

17‧‧‧驅動輪

18‧‧‧進料器

19‧‧‧承載盤

2‧‧‧三維成型物

第1圖為本案較佳實施例之熔融沉積成型機之示意圖。

第2圖為第1圖所示之熔融沉積成型裝置之容器及噴頭之結構示意圖。

第3圖為第1圖所示之熔融沉積成型裝置之電腦系統之架構示意圖。

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。

請同時參閱第1圖及第3圖，第1圖為本案較佳實施例之熔融沉積成型機之示意圖，第3圖為第1圖所示之熔融沉積成型裝置之電腦系統之架構示意圖。如第1圖所示，本案之熔融沉積成型裝置10係適用於一熔融沉積成型機1中，且熔融沉積成型裝置10係包含：至少一高分子材料11、至少一容器12、至少一噴頭13、電腦系統14以及列印驅動平台15，其中容器12內設有加熱器122，高分子材料11係導入容器12中，由加熱器122對高分子材料11加熱熔融；噴頭13具有噴孔131，且設置於容器12之一端，使容器12中熔融後之液態高分子材料11’由噴孔131擠出；列印驅動平台15用以供噴頭13架構於其上，以進行三軸位移；以及如第3圖所示，電腦系統14包括介面控制系統141及資料傳輸平台142，資料傳輸平台142依據一操作指令以進行一切層運算，而產生一列印資料，其中該切層運算即為將欲成型之立體物件2之切層程序資料轉換成二維切層列印格式影像資料，並傳輸至介面控制系統141，且介面控制系統141包括控制面板1411，以供使用者控制驅動列印驅動平台15運作，以進行熔融沉積成型裝置10之三維成型作業。

請續參閱第1圖，於本實施例中，熔融沉積成型機1更包括材料匣16及進料器18，但不以此為限，其中材料匣16用以儲置高分子材料11，且該高分子材料11係 可透過驅動輪17及進料器18之導引驅動，進而以輸送至容器12。於一些實施例中，驅動輪17及進料器18亦可為合而為一的驅動進料裝置，主要作為輔助驅動高分子材料11進行進給輸送之用，且其型態係可依實際施作情形而任施變化，並不以本案例示之兩個別裝置為限。

又於本實施例中，如第1圖所示，高分子材料11係可為但不限為一成型線材，即為一細微之線狀體，例如：細微之塑膠線，但不以此為限。且以本實施例為例，高分子材料11之直徑係介於0.01mm至2.0mm，且其較佳值則介於0.1mm至1.0mm。

於一些實施例中，該高分子材料11材質係可為但不限為一熱塑性高分子材料，且該熱塑性高分子材料更可為但不限為塑膠材料及支撐材料，舉例來說，高分子材料11係為一聚氯乙烯、一聚乙烯、一聚苯乙烯、一聚氨基甲酸酯、一聚醯胺、一聚甲醛、一纖維素塑料、一聚四氟乙烯、一聚醯亞胺、一聚苯硫醚、一聚碳酸脂之至少其中之一或其混合物之熱塑性高分子材料，以作為塑膠材料，但不以此為限，又或者是，高分子材料11係可為一聚乳酸(PLA)、一丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、一丁二烯-苯乙烯(BS)、一丙烯腈-苯乙烯(AS)、一聚乙醯胺(PA)、一尼龍6、一尼龍66、一聚酸甲酯(PMMA)、一氯化聚乙烯(CPE)、一硝酸纖維素、一聚對苯二甲酸乙二酯(PETE或PET)、一聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、一聚對苯二甲酸二丁酯(PBT)、一改質聚氯化二甲基苯(m-PPE)之至少其中之一或其混合物之熱塑性高分子材料，以作為支撐材料，但不以此為限。

請同時參閱第1圖及第2圖，第2圖為第1圖所示之熔融沉積成型裝置之容器及噴頭之結構示意圖，如第1圖及第2圖所示，本案僅以單一容器12進行例示，然本案之至少一容器12係可由多個容器12所組成，用以供多個高分子材料11分別導入每一容器12中，換言之，本案之容器12之數量及結合型態係可依照實際施作情形而任施變化，並不以此為限。又，如圖所示，容器12係為一殼體結構，且每一容器12之殼體係可為但不限為由金屬材料所製成，或是可由其他可耐受高溫之材質所製成，並不以此為限，其主要係為使容器12可耐受高溫而不致產生變形或是結構受損。

請續參閱第2圖，如圖所示，容器12之頂部及底部分別具有第一開口121及第二開口127，用以供線形之高分子材料11由第一開口121導引輸入容器12內，並由第二開口127輸出於容器12之外。於一些實施例中，第一開口121及第二開口127之口徑係略大於高分子材料11之線徑，但不以此為限。噴頭13設置於容器12之底部，並對應設置於容器12之第二開口127處，且於第二開口127相連通，於本實施例中，噴頭13可為但不限為一漸縮之錐形中空結構，且於噴頭13之末端具有一噴孔131，供以輸出熔融後之高分子材料11’。於一些實施例中，噴孔131之直徑係為0.05~0.2mm，但不以此為限。又於本實施例中，容器12內部更具有隔熱管125及加熱器122，隔熱管125係為一管狀結構，設置於第一開口121及第二開口127之間，且與第一開口121、第二開口127相連通，供以輔助高分子材料11於容器12中進行輸送，且隔熱管125更可透過第二開口127而與噴頭13之噴孔131相連通，俾可將高分子材料11導送至噴孔131處。

於本實施例中，加熱器122係設置於容器12內部，且設置於容器12之底部區域，並與隔熱管125相鄰接，當高分子材料11經由隔熱管125之導引而輸送至加熱器122處時，則可透過加熱器122之加熱熔融，使之成為液態狀態，再將熔融後之液態高分子材料11’向下輸送至噴頭13之噴孔131處，以輸出液態之高分子材料11’。於一些實施例中，加熱器122係可為但不限為一熱電阻加熱器、一雷射加熱器、一其它結構之加熱器之其中之一。

以及，於本實施例中，容器12具有至少一導熱通道126以及熱傳導鰭片124等導熱及散熱組件，但不以此為限；其中，該至少一導熱通道126可為但不限為環繞設置於隔熱管125周緣之中空通道結構，且於一些實施例中，其係可設置於熱傳導鰭片124及加熱器122之間，但並不以此為限，主要用以將加熱器122所散發之熱能予以熱傳導，並將熱能傳遞至與該導熱通道126相連通之熱傳導鰭片124處，以使熱能於熱傳導鰭片124處實施熱交換作用；甚至於，於另一些實施例中，容器12更具有風扇123，且風扇123係設置於熱傳導鰭片124之上，但不以此為限，用以對熱傳導鰭片124 吹拂，以輔助該熱傳導鰭片124可更快速地將熱能傳遞出去，即該風扇124係可加強熱傳導鰭片124實施熱交換作用，進而以達到有效散熱之目的。

請同時參閱第1圖及第3圖，於本實施例中，電腦系統14係設置於熔融沉積成型機1中，換言之，及本案之電腦系統14係內建於熔融沉積成型機1中，故使用者無需再另行連接一外接式的電腦系統；以及，本案之電腦系統14係與熔融沉積成型機1之容器12、材料匣16、驅動輪17及進料器18等機構電連接，但不以此為限。且於一些實施例中，介面控制系統141係具有控制面板1411，用以供使用者可直接於控制面板1411上進行操控，進而可控制及驅動列印驅動平台15進行位移，俾進行熔融沉積成型裝置10之三維成型作業。於另一些實施例中，電腦系統14之資料傳輸平台142中更可具備一處理器(未圖示)，但不以此為限，用以對欲成型之立體物件2進行切層運算，以將該欲成型之立體物件2之切層程序資料轉換成二維切層列印格式影像資料，並傳輸至介面控制系統141。

此外，於另一些實施例中，電腦系統14之資料傳輸平台142更可透過一通用序列匯流排(USB)傳輸介面，以接收該對欲成型之立體物件2之二維切層列印格式影像資料，但不以此為限，且透過資料傳輸平台142中之處理器對該二維切層列印格式影像資料進行解譯以及編排之動作，以完成驅動前置工作，再傳輸一訊號給介面控制系統141，進而以控制及驅動列印驅動平台15隨之位移，並使噴頭13依據介面控制系統141傳送過來之列印資料及列印指令，以進行熔融沉積成型裝置10之三維成型作業。又於一些實施例中，該通用序列匯流排(USB)傳輸介面包含一列印格式系統(Print Form Host Application)及一影像資料處理器(Image Data Processor)之至少其中之一，且不以此為限。

請同時參閱第1~3圖，如前所述，熔融沉積成型機1係包含熔融沉積成型裝置10、材料匣16、驅動輪17、進料器18及承載盤19等組件。其中，熔融沉積成型裝置10包含：至少一高分子材料11、至少一容器12、至少一噴頭13、電腦系統14及列印驅動平台15，該列印驅動平台15為可移動式之平台，其上承載容器12及噴頭13， 且列印驅動平台15主要透過一驅動元件(未圖示)所驅動，以進行上下、或是左右之XYZ三軸之位移。於本實施例中，使用者可透過電腦系統14之資料傳輸平台142之通用序列匯流排(USB)傳輸介面，以將欲成型之立體物件之二維切層列印格式影像資料輸入至電腦系統14中，並透過資料傳輸平台142中的處理器(未圖示)對所輸入之二維切層列印格式影像資料進行切層運算，以將該欲成型之立體物件2之切層程序資料轉換成二維切層列印格式影像資料，並傳輸至介面控制系統141；此時，使用者再透過電腦系統14之控制面板1411，以對熔融沉積成型機1進行操控，而使該列印驅動平台15先位移至一列印位置，且該列印位置係可相對於一承載盤19，但不以此為限，此時架構於其上之容器12及噴頭13即隨之位移至該列印位置，以利於進行欲成型之立體物件之三維成型作業。其後，當熔融沉積成型機1接獲列印指令後，則高分子材料11會由材料匣16輸出，透過驅動輪17及進料器18之驅動導引，而使高分子材料11由容器12之第一開口121而輸入至容器12中，並設置於容器12之隔熱管125中，透過驅動輪17及進料器18之驅動而向下輸送至加熱器122處，使加熱器122對高分子材料11加熱熔融，以形成液態高分子材料11’，並由設置於容器12下之噴頭13的噴孔131擠出至承載盤19上，並依據每一層不同之斷面圖形進行堆疊，且隨著液態高分子材料11’的自然冷卻固化、依序堆疊成型，進而以層層堆疊出一三維成型物2。於進行此三維成型作業過程中，透過容器12中的導熱通道126、熱傳導鰭片124及風扇123等組件，藉以將加熱器122運作時產生的熱能向上傳遞，並透過風扇123的強制排熱，以使熱能可由熱傳導鰭片124而傳遞出去，進而達到有效散熱之目的。

本案之熔融沉積成型裝置主要透過其內設置的電腦系統以直接對所欲成型的立體物件進行切層運算而產生列印資料，而無需另行連接額外設置的電腦系統，此外，更透過熔融沉積成型機之驅動輪及進料器使高分子材料進給輸送至容器中，並由加熱器使之加熱熔融，再藉由噴孔輸出已熔融之液態高分子材料，同時更透過容器內設置的隔熱管、導熱通道、熱傳導鰭片及風扇等組件以加強容器之熱交換作業，俾可有效進行散熱，藉以延長容器及熔融沉積成型機之使用壽命。

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。

Claims (13)

1. 一種熔融沉積成型裝置，適用於一熔融沉積成型機，包含：至少一高分子材料；至少一容器，該至少一容器之頂部設置一第一開口，該至少一容器之底部設置一第二開口，該至少一容器內設有一加熱器、一隔熱管、至少一導熱通道及一熱傳導鰭片，該至少一高分子材料係導入該至少一容器之該加熱器中，由該加熱器對該至少一高分子材料加熱熔融，該隔熱管連通設置於該至少一容器之該第一開口及該第二開口之間，該至少一導熱通道係為環繞設置於該隔熱管周緣之中空通道結構，且該至少一導熱通道係設置於該熱傳導鰭片與該加熱器之間，以將該加熱器所散發出之熱能予以熱傳導，該熱傳導鰭片與該至少一導熱通道連通，以實施熱交換作用；至少一噴頭，具有一噴孔，設置於該至少一容器之一端，且該噴孔與該隔熱管連通，供以將該至少一高分子材料導送至該噴孔處，並使該容器中熔融後之該至少一高分子材料由該噴孔擠出；一列印驅動平台，用以供該至少一噴頭架構於其上，以進行三軸位移；以及一電腦系統，包括一介面控制系統及一資料傳輸平台，該資料傳輸平台依據一操作指令進行一切層運算而產生一列印資料，其中該切層運算即為將欲成型之一立體物件之一切層程序資料轉換成一二維切層列印格式影像資料，並傳輸至該介面控制系統，且該介面控制系統包括一控制面板，以供一使用者控制驅動該列印驅動平台運作，以進行該熔融沉積成型裝置之三維成型作業。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熔融沉積成型裝置，其中該電腦系統之該資料傳輸平台係透過一通用序列匯流排傳輸介面，以接收該二維切層列印格式影像資料，並對該二維切層列印格式影像資料進行解譯以及編排之動作，以完 成驅動前置工作，再傳輸一訊號給該介面控制系統，以控制及驅動該列印驅動平台位移，以進行該熔融沉積成型裝置之三維成型作業。
3. 如申請專利範圍第2項所述之熔融沉積成型裝置，其中該通用序列匯流排傳輸介面包含一列印格式系統及一影像資料處理器之至少其中之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之熔融沉積成型裝置，其中該高分子材料為一熱塑性高分子材料，該熱塑性高分子材料係為一聚氯乙烯、一聚乙烯、一聚苯乙烯、一聚氨基甲酸酯、一聚醯胺、一聚甲醛、一纖維素塑料、一聚四氟乙烯、一聚醯亞胺、一聚苯硫醚、一聚碳酸脂之至少其中之一或其混合物。
5. 如申請專利範圍第1項所述之熔融沉積成型裝置，其中該高分子材料為一熱塑性高分子材料，該熱塑性高分子材料係為一聚乳酸(PLA)、一丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、一丁二烯-苯乙烯(BS)、一丙烯腈-苯乙烯(AS)、一聚乙醯胺(PA)、一尼龍6、一尼龍66、一聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、一氯化聚乙烯(CPE)、一醋酸纖維素、一聚對苯二甲酸乙二酯(PETE或PET)、一聚氯乙烯(PVC)、一聚丙烯(PP)、一聚對苯二甲酸二丁酯(PBT)、一改質聚氯化二甲基苯(m-PPE)之至少其中之一或其混合物。
6. 如申請專利範圍第1項所述之熔融沉積成型裝置，其中該熔融沉積成型機更包括一材料匣及一進料器，該至少一高分子材料係為一成型線材，且儲置於該材料匣中，並透過該進料器之驅動以供給輸入至該至少一容器中。
7. 如申請專利範圍第6項所述之熔融沉積成型裝置，其中該成型線材之直徑係介於0.01mm至2.0mm之間。
8. 如申請專利範圍第6項所述之熔融沉積成型裝置，其中該成型線材之直徑係介於0.1mm至1.0mm之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之熔融沉積成型裝置，其中該至少一容器係由一金屬材料所製成。
10. 如申請專利範圍第1項所述之熔融沉積成型裝置，其中該加熱器設置於該至 少一容器之底部，並與該隔熱管相鄰接，該至少一高分子材料經該隔熱管導送至該加熱器處，即透過該加熱器加熱熔融，再由該噴孔擠出熔融後之該高分子材料。
11. 如申請專利範圍第1項所述之熔融沉積成型裝置，其中該加熱器係為一熱電阻加熱器、一雷射加熱器之其中之一。
12. 如申請專利範圍第1項所述之熔融沉積成型裝置，其中該噴孔直徑係為0.05~0.2mm。
13. 如申請專利範圍第1項所述之熔融沉積成型裝置，其中該至少一容器更具有一風扇，供以加強該熱傳導鰭片實施熱交換作用。