CN1911635A - 计算机与打印机辅助实物化的快速成型装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新的快速成型装置，此装置是将储存在计算机记忆区的虚拟物像经过计算机切层技术处理，再将虚拟物像的第一层切层轮廓范围，喷印流体于建构平台粉末上，并使喷印的流体与粉末粘结在一起，又再均匀的铺上一层新的粉状材料，再转移喷印第二层切层轮廓范围，如此重复以上所述的铺粉与喷印过程，直至完成虚拟物像的每一层切层轮廓范围的喷印，以完成快速制造出立体实物。本装置的设备包括打印机或绘图机的部分喷印机构与其韧体接口，转移至一个工作平台，由切层演算控制软件和喷印成型的过程控制韧体的搭配使用，组成一台新的快速成型设备，可将计算机记忆区的虚拟物像快速地制作成实体对象。

Description

计算机与打印机辅助实物化的快速成型装置

技术领域

本发明所涉及的是一种快速成型技术(Rapid Prototyping)领域的新方法及装置，尤其是指三维印刷技术(3D Printing)的新方法与装置。

背景技术

在过去的十年里，由于计算机辅助制造(CAM)的进步，制造业发展了快速雏型方法(Rapid Prototyping，RP)，能很迅速地将设计原始构想制造出来。快速原型(RP)技术能无限制几何形状，而且越复杂的零件越显示RP技术的卓越性，更可大大地节省人力与加工时间，在时间最短的要求下，将3D CAD上的设计零件，真实地呈现出来，不但摸得到，亦可真实地感受得到它的几何曲线，更可以试验零件的装配性、甚至进行可能的功能试验。

这些快速成型法有很多种，如三维印刷(3-D Printing)，立体印刷(Stereo-Lithography，SLA)，选择性雷射烧结(Selective Laser Sintering，SLS)，立体制版(Solider Process，SP)，熔合沉积模型(Fused Deposition Modeling，FDM)，层化物品制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)，及所谓的办公室雏型(Office RP)-快速概念成型法(Rapid Concept Modeler，RCM)。其中快速概念成型法(RCM)，为一种最新又最经济的方法，能将设计者构想概念由设计图迅速的作成地做模型，整合性地改进其缺点，确认后并进一步开新模而加速生产。如此不但构想与成品的开发时间加速，而且节省相当可观的开发经费。

所谓RCM目前的制作方法为利用较高熔点石蜡，经熔炉熔化在注出时经压晶体管振动而产生单粒径液滴，并利用CAD/CAM技术将预期产品予以成型，并将三维立体转换成许多水平的层状切片，由单粒径滴液在指定平面逐层涂布，再由这些层片的堆栈体，形成最后预期的立体型状。然而目前的技术水准仅限于使用石蜡材料来作成模型，再进一步来作成壳模等成型模具。如果能将金属液滴直接形成在预定模型上，更可以缩短时程及省下大量开发经费。根据美国普惠公司(Pratt & Whitney)生产飞机引擎零组件的经验，快速雏型法不但降低成本至原来的1/10，时间也节省70-90％。

若以快速成型的材料来区分，可以分为固体(如LOM)，液体(如SLA)，半固半液体(FDM)，粉末(如SLS)等多种。另外，在粉末冶金技术的应用上，金属粉末为主要的原料，可以均匀混合多种金属粉末，先予以成型，而再加以烧结(Sintered)程序，即可得到良好的工业零件，许多高级航天零件及汽车零件都是以这种方法制成。当然，粉末冶金技术最重要是先要有粉末，如铝粉是许多化学品，冶金制品，军事***，以及火箭燃料的主要原料，使用相当广泛；根据中科院的调查报告，国内使用粉末逐年提升，但多仰赖进口。

但就以快速成型的原来诉求而言，快速成型的目的，无论作为一种初期产品概念设计(Conceptual Design)或作为先期模具的雏型，先期设备投资即为一个相对昂贵的项目。而且就初期成型的概念，如果能以更经济、可靠、快速及更安全的方式，不但能在办公室就可以生产原型模型，而且未来设计普及程度亦将大辐提高。

使用喷印方式喷胶于多孔性材料以形成三维实体对象的专利于1993年USPN 5,204,055已公布，Z-corp.公司参考该专利衍申出USPN 5,902,244；USPN6,007,318；USPN 6,375,874；USPN Three-Dimensional Printer等专利。这些专利提出可供成型的设备设计理念，及粉末材料与胶粘剂的专利配方；唯其公开的专利配方其实并不可行。Z-corp.的设备亦于2000年左右开始引进台湾，成功大学航天系亦为使用者之一。然而多年的使用，发现该机器及使用材料的缺点，遂于2001年提出材料的发明专利，目前仍在再审查中，另外，基于本项技术的开发潜力，亦在2002年12月本校结合相关专长的教授组成的研发团队荣获经济部学界科专的肯定，补助三年的研究计画，藉由三维喷印核心技术的研究发展，以开发更先进的三维喷印技术；经一年半的研发及可行性研究，本发明的方法与装置技术的实施已获确认。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，基于国外Z-corp.公司的快速成型机的使用经验，及发明人过去在机械制造领域的多年经验，三维印刷式的快速成型机有下列的问题：

(1)机器的精度不足，以致成品的表面粗糙度高，尺寸误差大；

(2)材料的强度很差，粗胚件(green part)连用手取件都有可能损坏，需要后处理；

(3)喷印头的寿命短，常导致产品于制作过程中因喷头损坏而失败；

(4)打印速度不够快，每分钟仅二页；

(5)机器仍相当的昂贵。

本发明的目的是提供一种计算机与打印机辅助实物化的快速成型装置，主要利用一种整合计算机与打印机或绘图机***使用个人计算机或工作站，将市售或功能性需要而独立发展而成的打印机或绘图机，整合成具平面移动功能的喷印平台所组成的***，再与其它功能性装置及机构组合，构成可将储存在计算机记忆区的虚拟物像制造成立体实物的设备，配合三维成型方法的原理与技术成功地开发出一台三维喷印快速成型机。即使用本发明装置结合对象切层演算控制软件与将对象喷印成型的过程控制韧体，透过喷胶粘剂于选择位置的复合粉末材料上，将储存在计算机记忆区的虚拟物像一层一层地叠合喷印胶结制造成立体实物的装置。

技术手段：本发明自始即不预设立场，不作与其相同的原始快速成型方法与装置的模仿，完全针对一台先进的三维成型方法与装置的最佳化研究开发，本着精益求精原则，于方法与装置上予以改良。在过程中，经历相当的失败，但亦因此衍生不同应用的构想，可见原创性思维的重要性。

经过反复的研究及讨论，要整体的解决以上问题，需要有全新的概念出发作设计，本发明提出以下方法：

(1)直接能以市售打印机及其控制组件为机台的一部份：Z-corp.目前是利用HP的喷头，但自行研发其控制卡以喷出胶粘剂的喷量控制，其主要原因乃其粉末的成份需要胶粘剂量较大，尤其在成品的外壳(shell)加强其喷胶量才能获致所需的强度；但如此一来，其喷墨头的分辨率目前只作到600dpi的程度，先前更只作到300dpi。但要能直接以市售打印机及其控制组件为机台的一部份(目前分辨率很容易达1400dpi以上)，则必须研发更小量胶粘剂即可成型的粉末及必须破解打印机的过程控制，相信这也是Z-corp.一直无法作到的原因。

(2)研发更精致及材料强度更好的可成型粉末：这个问题较属于材料层面的问题，并不包含在本发明专利中所述，主要在本机器的测试中已发明较低喷胶量的可成型粉末，详见专利申请案号90100996号。

(3)喷头寿命的延长：若是以市售印机表机来应用，应可相当程度的延长寿命，唯需要同步设计一个喷头清理装置，以配合原打印机的动作需要，但其前题必须解决连续供墨(胶)的问题，故本发明亦必须包含连续供胶机构。

(4)加快打印速度：若能采用市售打印机，其速度至少每分钟4-8页，但若能在机构中分离铺粉机构与喷印机构，使用两者各自独立，如此可进一步节省非喷印区所需的运动时间，使整体打印速度加快。

(5)至若机器昂贵的问题，乃因须花费相当大的人力来开发喷头控制卡，以及在机器中仍有另一部计算机作为资料及程序传输的运算装置，另外喷胶量的增加，亦须增加泵浦及相关的控制，整体机器架构更属复杂。本发明以市售打印机直接运用于快速成型机机中，由于打印机的单价相对的非常便宜，因此本问题可以获致相当程度的解决。

(6)本发明亦提出其它机构设计，使快速成型机的堆栈过程更为精准，有助于提高产品的尺寸精度，甚至几何公差的减小，如将供料槽、建构槽及回收孔结合一体设计，有助提高刚性及改善机器及其制作产品的精度。

本发明采用的技术方案是：本发明是利用一种整合计算机与打印机或绘图机***使用个人计算机或工作站，将市售或功能性需要而独立发展而成的打印机或绘图机，整合成具平面移动功能的喷印平台及铺粉平台所组成的***，再与其它功能性装置及机构组合，结合对象切层演算控制软件与将对象喷印成型的过程控制韧体，透过喷胶粘剂于选择位置的复合粉末材料上，构成可将储存在计算机记忆区的虚拟物像一层一层地叠合喷印胶结制造成单色或彩色立体实物的方法，此为一新式三维印刷成型装置与技术。

本发明的装置，包含有一个工作平台，二个横跨悬挂于工作平台两边的精密滑轨的上的铺粉平台与喷印平台，结合前述三个平台的驱动机构，连续供胶***及软件与韧体接口；沿着工作平台长轴方向有一个供料槽，一个建构槽和一个多余材料的回收孔，供料槽及建构槽内一周围密封的可上下移动的活塞式平板，分别称为供料平板及建构平板，可经控制移动位置，以提供定量粉末均匀铺陈一层粉末的功能；铺粉平台与喷印平台两者具备结合与分离作动的功能，而且节省了在非喷印区域不必要的移动距离与时间。成型粉末置放于供料槽内并经过适当压实与压平，藉由电控程序及软件与韧体接口的整合，驱动铺粉平台及铺粉滚轮，平顺地将供料槽内的复合粉末转移至建构平板上，多余的粉末材料送至回收孔集中回收；然后切换至自动成型控制功能，驱动喷印平台，连续供胶***及喷头将计算机内存中的三维对象经切层处理后所得到的第一层轮廓图形资料，喷胶于建构平板相对应于轮廓图形的复合粉末上，以胶粘出一层薄薄的切层轮廓平板；完成一页喷印成型后，将建构平板下降一层的高度，及提高供料平板，再驱动铺粉平台及铺粉滚轮将预先设定的每一切层厚度材料，从供料槽内转移至建构槽的建构平板上，而多余的粉末材料亦送至回收孔集中回收，如此重复喷印成型与铺粉动作直至三维对象完全成型为止，最后将埋在建构槽的立体对象升起，去除未胶粘的粉末，即可得到立体实物模型。过程中使用单色胶粘剂可获得单色的实体对象，使用彩色胶粘剂即可获得彩色的实体对象。为加强对象的制作品质，可外加烘干或风干装置，以减少对象干燥成型时间。

本装置的铺粉平台上有一铺粉滚轮，其作用为渐增式地铺叠每一层粉末材料至建构平板上，动作过程是将供料槽内的成型粉末转移一层设定的建构材料体积至建构平板上，并将所用剩的多余粉末带至回收孔中集中于平台下的回收槽中。

本装置的喷印平台上所结合的喷头，可在整个工作平台上作XY轴的平面运动，喷印平台上另装有喷头清洁装置与胶粘剂供应***，至少包含一个以上的喷胶匣安装于喷头座(Printer Cartridge)中，作为提供喷头喷胶时的储存胶粘剂的小容器；喷胶匣上连接供应胶粘剂的管线，以供给喷印所须的胶粘剂；喷头内含多个喷嘴，使用市售的喷印技术即可达成喷印效果，并可多段数的变化调节控制喷出使对象胶结成型所需要的胶粘剂量，亦可选择性地喷印对象切层轮廓于成型粉末上，使对象胶合成型，本方法使用均匀胶粘剂喷出量于粉床上，制作成的对象可得到较强的强度与精度；此外，喷头清洁装置含有一个刮刀(Wiper)机构，位于喷头移动轨迹上，作为刮除喷嘴出口处附着的粉尘材料与胶粘剂的混合所形成的堆积污物，于喷印期间，喷嘴经过刮刀时，亦可喷出清洁胶水以清洁此刮刀。为求喷印具备切层轮廓较大面积的连续大量喷胶时的顺畅性，于喷头清洁装置盒中设计一软性槽状零件与驱动机构，可封闭喷头喷嘴并作抽取动作。此功能有助于保持喷头免于堵塞，大幅增加喷头寿命。

胶粘剂内可不含染料，亦可包含有色彩的染料，以上的胶粘剂可从喷嘴喷出于建构槽粉床的被选择区域上，以制作出单色或具多种复合颜色的实体对象，仅对象的表面起至某一厚度层的深度喷上多颜色胶粘剂使的呈现彩色实体。

供料槽、建构槽与回收孔使用两片长塑料平板与三块较短的平板和一块更短的平板结合而成，于较短平板上结合经球形铣刀铣切完成的横放转角压条，在供料槽及建构槽的内壁形成两个切断面具平顺圆形转角的长方孔；沿着供料及建构平板四周围切一凹状槽并组合软性硅胶封环，与供料槽和建构槽形成一类似活塞机构，能精密且平顺地上下滑动，并防止槽内粉末从接缝处滑落下去。回收孔由两片长塑料平板的突出于建构槽较短平板外壁的塑料平板壁与更短的平板组合而成。此种设计方式，一次将供料槽、建构槽与回收孔结合为一体，本发明创作可获得较佳的机械刚性(Stiffness)及两槽较好的平行度与垂直度，有效改善机器几何公差。

在软件及韧体方面，本发明将所使用的切层软件与控制成型制造的驱动韧体分开执行，当切层软件完成对象排放与加工参数设定等的所有制作前准备工作，交由计算机窗口化控制的韧体接口，以执行快速成型加工与制程状况的侦测，如此不但应用较便利的PC-Based控制外，更可省下手动按钮过程控制的外加电路设计装置，有助于机器成本的降低及简化操作程序。

以上所言的装置与各种新颖的零件的结构和组合特征，将更进一步地描述或说明于附图与专利范围中，以致于能完全了解利用计算机将储存于内存中经数字化处理后的三维对象资料使用三维印刷机制造成立体实物的装置与方法。

对照先前技术的功效

本发明与Z-corp.公司所研发快速成型的方法与装置乍看相似，基于该方法与装置已有专利，自无需再取样分析或基于模仿的想法；但其实有相当多的方法与装置装置的不同。

在此为具体地呈现本发明的原创性与进步性，特别具体列举出与Z-corp.公司的上述专利衍申出快速成型机的不同。分述如下：

(1)本发明具有使用市售或功能性需要而独立发展而成的打印机或绘图机，一般市售的打印机或绘图机为多家知名的国际型打印机公司(HP、Canon、Epson、Lexmark等)所开发而成，已具备相当良好的喷印稳定度与打印精度；不同于Z-corp.公司仅限于使用某些该公司只能驱动的特定低分辨率喷头，其适用广度与精密度皆优于Z-corp.公司的设计。

(2)本发明具有可分离式喷印平台与铺粉平台；不同于Z-corp.公司的将铺粉滚轮与喷印机构置放于同一移动平台上，而且本设计的喷印平台具备重量轻，而且节省了非喷印区域的不必要的移动距离，亦优于Z-corp.公司的设计。

(3)本发明具有使用市售的喷印技术即可达成喷印效果，不需如Z-corp.公司喷印装置需外加泵浦及阀件作压力控制才可正常喷印。

(4)本发明具有的喷印方法使用均匀胶粘剂喷出量于粉床上，其与Z-corp.公司喷印方式分外壳(Shell)与核心(Core)区域喷上不同的胶粘剂量的方法不同，本方法制作成的对象可得到较强的强度与精度。

(5)本发明具有于喷头清洁装置盒中设计一软性槽状零件与驱动机构，可封闭喷头喷嘴并作抽取动作，此又与Z-corp.公司设计的接管仅作为喷头喷嘴废胶的收集管线的作用不同，此功能有助于保持喷头免于堵塞，大幅增加喷头寿命。

(6)本发明具有一次将供料槽、建构槽与回收孔结合为一体的设计方式，有别于Z-corp.公司在USPN 6,375,8745专利FIG.11所论述的制作方式，本发明创作可获得较佳的机械刚性(Stiffness)及两槽较好的平行度与垂直度，有效改善机器几何公差。

(7)本发明具有将切层软件与控制成型制造的驱动韧体分开执行，有别于Z-corp.公司开发的制作软件于机器上尤需使用一套计算机***的浪费，如此不但应用较便利的PC-Based控制外，更可省下手动按钮过程控制的外加电路设计装置，有助于机器成本的降低及简化操作程序。

附图说明

图1是本发明快速成型的整合***图。

图2是本发明快速成型机的立体透视图。

图3是本发明快速成型机装置的工作平台上视图。

图4是本发明喷印平台部分的放大详细图。

图5是本发明铺粉平台部分的放大详细图。

图6是本发明快速成型机喷印过程图。

图7是本发明供料槽与建构槽及回收孔的槽盒立体图。

图8是本发明打印机驱动控制接口下的非压力控制方式的喷头喷胶***方块图。

附图标记说明：1计算机；2快速成型机；3已成形的实体对象；4后处理装置；5完成后处理的实体对象；7资料存取装置；8三维对象；9应用软件；10切层软件；11切层演算结果资料；12加工设定资料；13窗口接口韧体驱动程序；14适配卡；15不干净区；16控制电路接口；17后处理程序；18干净区；19工作平台；20供料槽；21活塞式供料槽平板；22建构槽；23活塞式建构槽平板；24回收孔；25粉末回收槽；26工字形设计机架；27工字形设计机架；28螺杆传动机构；29螺杆传动机构；30喷印平台；31喷头；32小喷嘴孔；33快速滑轨；34离合器导轨；35供胶管；36移动导轨组件组合；37支撑导轨；38移动导轨；39离合杆；40铺粉平台；41铺粉滚轮；42遮粉滑动片；43电气箱；44移动导轨组件组合；45离合装置；46喷印平台主结构板；47清洁装置；48废胶收集杯；49胶粘液体储存瓶；50软性刮板；51废胶收集桶；52离合器摩擦轮；53回胶管；54建构粉末材料；55足够供给建构槽平板所需的建构粉末材料；57多余的建构粉末材料；58刮出的建构粉末材料；59铺平建构粉末材料；60长塑料平板；61较短的塑料平板；62转角压条；63螺丝；64更短的塑料平板。

具体实施方式

(一)快速成型机***

图1是一套快速成型的整合***，有计算机1，快速成型机2，已成形的实体对象3，一个后处理装置4与完成后处理的实体对象5。

计算机1为个人计算机或工作站，可独立或透过局域网络或宽频网络架设来进行计算。计算机1包含一些应用软件9，例如CAD/CAM软件，所绘制的三维对象8资料存取于计算机1的资料存取装置7，可使用应用CAD/CAM软件9对三维对象8资料作修改。当使用者欲制造出完成后处理的实体对象5时，需将三维对象8资料从资料存取装置7输出至切层软件10中，经一是列排放三维对象8与设定对应的加工条件后，将加工设定资料12传送至窗口接口韧体驱动程序13，透过窗口接口韧体驱动程序13中的适配卡14将加工设定资料12传至快速成型机2，作实体对象3制作前的预铺粉动作，完成后，由切层软件10驱动清洁喷头动作，再将切层演算结果资料11送至快速成型机2进行实体对象3的成型制作。

快速成型机2区分成干净区18与不干净区15，接口控制电路与电气组件均置于干净区18中。当切层软件10将切层演算结果资料11送至快速成型机2中的控制电路接口16，于快速成型机2上进行实体对象3的成型制作。使用一般市面上可购得的打印机或绘图机用喷头喷印二维切层形状于铺设完成的粉床上，完成一页喷印后，建构平板23下降一事先设定层厚高度，及提高供料平板21，铺粉滚轮再铺上事先设定层厚的新粉于上一页粉床上，再重复第二页喷印程序，如此重复动作，直至切层演算结果资料11完全喷印，利用喷胶与成型粉末产生胶合或反应，使得成型结果得到实体对象3。

当实体对象3的强韧度特性符合使用者要求时，改进实体对象3强韧度特性的后处理程序17可以省略；若实体对象3的强韧度特性不符合使用者要求时，可以使用后处理装置4进行处理，直至完成实体对象5。

(二)快速成型机装置

图2是快速成型机2的立体透视图，其包括工作平台19，沿着X轴方向依序有供料槽20和底部的活塞式供料槽平板21、建构槽22和底部的活塞式建构槽平板23及铺粉后多余粉末的回收孔24和可抽取的粉末回收槽25。虽然在图2省略绘制硅胶封环，不过在沿着活塞式供料槽平板21及活塞式建构槽平板23四周围各切一凹状槽并组合软性硅胶封环，并与供料槽20和建构槽22四周槽壁密合接触，形成一类似滑动活塞机构，并防止槽内粉末从接缝处滑落下去。活塞式供料槽平板21及活塞式建构槽平板23各接连工字形设计机架26，27，工字形设计机架26，27各与Z轴向供料槽20及建构槽22的螺杆传动机构28，29构成精密的线性运动机构，使得活塞式供料槽平板21及活塞式建构槽平板23能精密且平顺地上下运动，结合铺粉动作，可供应建构实体对象3的所需要的建构粉末量。

图3为快速成型机2去除不干净区15与干净区18各上盖后的装置上视图，工作平台19上依序有供料槽20，建构槽22，回收孔24三个槽孔，横跨工作平台上放于移动导轨38与支撑导轨37上，喷印平台30与铺粉平台40与移动导轨38及各移动导轨组件组合36，44形成有如可绕移动导轨38轴旋转的悬臂平台，喷印平台30另一边悬放于支撑导轨37上，如此横放通过于工作平台19上，在工作期间，需驱动上下离合杆39使离合器导轨34的作动以结合喷印平台30，使喷印平台30可以沿着负x轴方向作间歇式平移运动，控制离合器导轨34与离合装置45可使铺粉平台40与喷印平台30分开或结合地沿着x轴方向作往复铺粉移动与定位。喷印平台30有一沿着y轴方向的快速滑轨33，可装载至少一个以上的喷头31沿着快速滑轨33的轴作可控制速度的往复运动。喷印期间喷头在y轴方向的运动速度快于喷印平台30，铺粉平台40在x轴方向运动速度。喷头31上有很多小喷嘴孔32组合成至少一列，于喷印期间可控制喷出胶粘液体于选择性位置，胶粘液体由胶粘液体储存瓶中经供胶管35补充进入喷头内。檔中也指出铺粉平台40上具有一支铺粉滚轮41与轮侧两边的遮粉滑动片42，在下段文中有更详细说明。此外，在干净区18有一个电气箱43内含控制电路板16与各电气组件。

图4是图3的喷印平台30部分的放大详细图。喷印平台30有一沿着y轴方向的快速滑轨33，可装载至少一个以上的喷头31沿着快速滑轨33的轴作可控制速度的往复运动。喷头31上有很多小喷嘴孔32组合成至少一列，于喷印期间可控制喷出胶粘液体于选择性位置，胶粘液体由胶粘液体储存瓶49中经供胶管35补充进入喷头31内；于移动路径上装置一片软性刮板50，刮除喷头31工作期间所堆积的污物，喷嘴于适当时间会喷出微量干净的胶粘剂于软性刮板50上，一方面可作刮板清洁，另一方面填充胶粘剂入喷嘴微管中，喷头31下方装有一个废胶收集杯48以收集以上的污物胶质。当喷头31作清洁喷嘴时，于喷嘴下方安装一清洁装置47，连接回胶管53送至废胶收集桶51中。离合器摩擦轮52于喷印期间结合离合器导轨34带动喷印平台30往负x轴方向作间歇式平移运动，铺粉期间脱离离合器导轨34以随铺粉平台40作x轴方向往复移动，至程序原点时再结合离合器导轨34以作定位的用。喷印平台30上罩有一个密闭上盖，作为隔离不干净区15的粉尘，以保护喷头31的驱动电路组件与电气接头密封。

图5是图3的铺粉平台40部分的放大详细图。铺粉平台40上具有一支铺粉滚轮41与轮侧两边的遮粉滑动片42。于铺粉期间，铺粉平台40作x轴向移动，带动其上的铺粉滚轮41以犹如逆铣方式，将供料槽20内的成型粉末转移一层预先设定层厚的建构材料至活塞式建构槽平板23上，并将所用剩的多余粉末带至回收孔24中落入粉末回收槽25中。轮侧两边的遮粉滑动片42主要是防止铺粉期间多余的建构材料从供料槽20和建构槽22边缘漏出于工作平台的凹槽中。在图5的左边有一个离合装置45，其目的是当铺粉动作推动喷印平台30至左极限再往右移动时，一起拉回喷印平台30往程序原点，至程序原点时离合装置45脱离，铺粉平台40在继续往右回复至右极限位置。在下段喷印过程中有更详细说明。

(三)快速成型机的喷印过程

图6是快速成型机喷印过程图。

1、先倒入足够量的建构粉末材料54进入供料槽20中并适度地压平，再使活塞式建构槽平板23下降一预先设定厚度的距离，活塞式供料槽平板21上升至足够供给活塞式建构槽平板所需的建构粉末材料55的高度，以逆铣方式转动铺粉滚轮41从供料槽20刮出呈波浪形粉末的刮出的建构粉末材料58；

2、将刮出的建构粉末材料58转移并铺平建构粉末材料59于活塞式建构槽平板23上；

3、多余的建构粉末材料57转移至回收孔24落入粉末回收槽25中；

4、活塞式供料槽平板21与活塞式建构槽平板23下降一预先设定的厚度，铺粉平台40的离合装置45契合喷印平台30一起将喷印平台30往程序原点移动拉回，当喷印平台30移至程序原点时，驱动上下离合杆39使离合器导轨34作动，以结合喷印平台30，离合装置45脱离，铺粉平台40继续往右移动回复至左极限位置，此时，切层软件将切层演算结果资料11传至喷印控制电路接口16，进行切层轮廓图形喷胶于铺平建构粉末材料59上，喷头31沿y轴方向以线扫瞄运动方式完成一列的喷印后，喷印平台30上的离合器摩擦轮52结合离合器导轨34带动喷印平台30往负x轴方向移动一间隔，喷头31再沿y轴方向进行下一线扫瞄喷印运动，完成第二列喷印后，喷印平台30再往负x轴方向移动至下一间隔，如此循环直至一页喷印完成；

5、活塞式建构槽平板23上升至预留一预先设定的切层厚度的距离，活塞式供料槽平板21上升至足够供给建构槽平板所需的建构粉末材料55的高度，以逆铣方式转动铺粉滚轮41从供料槽20刮出呈波浪形粉末的刮出的建构粉末材料58，将刮出的建构粉末材料58转移并铺平建构粉末材料59于活塞式建构槽平板23上，并将喷印平台30推回至右极限再拉回并定位于程序原点处；

6、如此重复一至五步骤，直到实体对象3完成建构；

7、下降活塞式供料槽平板21，上升活塞式建构槽平板23，去除实体对象3周围未喷胶粘结的松散建构粉末，取出实体对象3，再依实体对象5的特性要求，选择性地决定是否进行后处理。

(四)供料槽与建构槽及回收孔的槽盒制作过程

图7是供料槽20与建构槽22及回收孔24的槽盒。供料槽20、建构槽22与回收孔24使用两片长塑料平板60与三块较短的塑料平板61和更短的塑料平板64结合而成，于较短的塑料平板61上结合经球形端铣刀铣切完成的横放转角压条62，在供料槽20及建构槽22的内壁形成二个切断面具平顺圆形转角的长方孔；回收孔24则不作转角处理。沿着供料平板21及建构平板23四周围切一凹状槽并组合软性硅胶封环，与供料槽20和建构槽22形成一类似活塞机构，能精密且平顺地上下滑动，并防止槽内粉末从接缝处滑落下去。回收孔24由两片长塑料平板60的突出于建构槽22较短平板61外壁的塑料平板壁与更短的塑料平板64使用粘合或螺钉钉合而成。此种设计方式，一次将供料槽20、建构槽22与回收孔24结合为一体，可获得较佳的机械刚性(Stiffness)及两槽较好的平行度与垂直度，有效改善机器几何公差。

(五)打印机驱动接口控制下的非压力控制方式的喷头喷胶***

图8是使用打印机驱动控制电路接口16下的非压力控制方式的喷头31喷胶***方块图。为求喷印具备切层轮廓较大面积的连续大量喷胶时的顺畅性，防止污物阻塞小喷嘴孔32处及保持软性括板50清洁以使括板的作用能完全发挥，提高喷头31的使用寿命，防止喷印品质降低等因素，故于喷头清洁装置47盒中设计一软性槽状零件与驱动机构，可封闭小喷嘴孔32并作抽取动作。

连续多页喷胶于大面积轮廓图形喷印时，顺畅地连续供胶更是决定其是否能完全成功喷印的主要关键。有鉴于此，故本发明提出打印机驱动接口控制下的非压力控制方式的喷头喷胶***，以符合进步与创造性。喷头31上有很多小喷嘴孔32组合成至少一列，于喷印期间可控制喷出胶粘液体于选择性位置，胶粘液体由胶粘液体储存瓶49中透过马达控制供胶机构(图8中的马达B与控制器)，经供胶管35补充进入喷头31内；于喷头31移动路径上装置一片软性刮板50，刮除喷头31工作期间所堆积的污物，喷嘴于适当时间会回至喷头座中，此时，经一软性槽状零件与驱动机构(马达A)，可封闭喷头小喷嘴孔32并作抽取动作，抽出微量干净的胶粘剂于小喷嘴孔32外侧，并往复于刮板作微摩擦动作，如此，一方面可作刮板清洁的用，另一方面填充胶粘剂入喷嘴微管中，喷头31下方装有一个废胶收集杯48以收集以上的污物胶质。当喷头31作清洁喷嘴时，于喷嘴31下方安装的清洁装置47，连接管子抽送废胶至废胶收集桶51中。

(六)改善快速成型件加工速度、强度、韧性与精度的方法

改善快速成型件强度、韧性与精度的方法依制作时程分为快速成型制作过程中及快速成型制作完成实体对象3后等的前后处理方法。说明如下：

(1)快速成型制作过程中的处理

A.提高可喷出的胶粘剂粘度：使用标准至精致品质喷印。

B.增多建构材料的胶合量：提高喷胶量或重复喷胶。

C.输入外加能量以促进胶合反应：

a.喷印过程中使用微波或红外线光加热。

b.导入热空气于建构区中流动以加速干硬化。

D.加工参数条件的控制：收缩比例补正与肉厚外渗补正等。

E.高强度反应型的胶合作用：单剂型或两剂以上型的胶合促进剂，使产生化学键结。

(2)快速成型制作完成实体对象3后的处理：

A.浸润外加的强化特性的材料：渗快干胶、硬蜡、树酯胶等。

B.表面处理：喷沙、机械震动或超音波震动研磨、喷漆等。

C.输入外加能量以促进胶合反应：

a.使用微波加热实体对象3。

b.使用红外线光或烤箱加热实体对象3。

c.冷冻干燥加速材料去湿。

d.两步骤以上的化合以调整物性特质的反应。

D.真空环境的结合应用：将对象内含的空气吸出，再渗入所预定达到特殊功能的加强促进剂，可提高渗入深度加强特性的发挥。

(七)彩色喷印

一般市售的彩色喷墨打印机的彩色喷头可以加入放置于三维快速成型喷印机的胶粘剂喷头座(Printer Cartrdge)中，直接喷印彩色胶粘剂于建构平板23的建构复合粉末材料54上，并与的产生胶合成型作用，而制作出具彩色的实体对象3，以延伸更广大的应用领域。例如产品设计者直接可将产品彩色图文卷标先贴附于CAD的三维对象表面，经彩色三维快速原型喷印机制作，可直接将计算机中的三维彩色立体虚拟图像径制造成有如实物的具真实彩现化的立体模型，可快速地供产品设计者、公司决策者、制造者与市场使用者作为进一步修改与评估的确认，降低错误决策的发生与提高产品设计与市场接受的成功率。

胶粘剂内可不含染料，亦可包含有色彩的染料，以上的胶粘剂可从喷嘴喷出于建构区粉床的被选择区域上，以制作出单色或具多种复合颜色的实体对象，切层软件可以调整喷印，使得仅在对象的表面起至某一厚度层的深度喷上多颜色胶粘剂使的呈现彩色实体，实体内部仍喷上单色或无色的胶粘剂。因彩色胶粘剂成本高于单色胶粘剂成本，故如经以上的切层轮廓周围表层的彩色调整处理，可以加速喷印速度与节省彩色胶粘剂的用量与成本。

Claims (16)

1.一种计算机与打印机辅助实物化的快速成型装置，其特征在于：

一个工作区域，有一个长度沿着纵轴宽度沿着横轴的工作平台，沿着工作平台长轴方向有一个供料孔，一个建构孔和一个多余材料的回收孔；

一个供料槽连接至供料孔和一个可移动供粉活塞与供料槽内缘面接触；

一个建构槽连接至建构孔和一个可移动建构活塞与建构槽内缘面接触；

一个回收槽可供抽取并回收铺粉后多余材料而连接至多余材料回收孔的回收槽；

一个喷胶打印***包括一个跨轨悬放于工作平台上的喷印平台与喷印装置，前者可于工作平台上作x轴向的运动，喷印装置包括单独或多个喷头及其对应的数组式喷嘴，其上的喷头可于工作平台上作y轴向的喷印运动，喷头上的喷嘴可于相关于对象的每一切层轮廓作线性扫瞄的选择性位置喷胶于铺设平整的建构材料上；

一个铺设材料***包括一个铺设材料装置，可移动并跨轨悬放于工作平台上；

一个连续供胶喷印***是包括一个或多个供胶装置、一个或多个喷印装置和一个或多个清洁喷嘴的组合装置；

一个控制装置是位于工作区域上而可以与建构活塞、供料活塞、跨轨悬放式铺设材料装置和跨轨悬放式喷头喷嘴作连结，此控制装置可控制供料槽材料转移至建构槽，再依序以每一切层渐增方式铺设建构材料，以及实时侦测***运作功能的异常，并进行警示与处理；该控制装置并包含一个控制单元可控制单色或彩色喷头喷上单色或彩色胶粘剂，并可控制喷胶于每一建构材料层所选择位置与其相对应的喷胶量，依据虚拟物像的切断面轮廓，将它喷胶于每一建构材料层而形成的轮廓区域粘结成一体；以及一个可改进被制造对象的品质的机构者。

2.根据权利要求1所述的一个供料槽是指一个供料平板连接于供料腔形成一开口槽以储存对象成型所需要的建构材料的槽；

一个建构槽是指一个建构槽平板连接于建构腔形成一开口槽以容纳由供料槽转移而来对象成型每一切层厚度所需要的建构材料的槽；

一个回收槽是指一个槽以容纳由供料槽转移而来铺设于建构槽后所剩下的建构材料的回收槽；

铺设材料装置是指一个跨轨悬放式铺粉平台，包括独立或与喷印平台连结的装置，此装置包括一个可转动移动的铺粉滚轮横跨于铺粉平台，可将供料槽提供的对象成型每一切层厚度所需要的建构材料依序转移至建构槽及回收孔；一个清洁组件沿着铺粉滚轮轴方向接触于铺粉滚轮柱状表面上，可清洁铺粉滚轮上的附着物；另一个清洁组件沿着纵轴方向移动接触于供料槽外壁、建构槽外壁至回收孔外壁，可移转一些建构材料从供料槽经建构槽至回收孔；

供胶装置是由一个或多个储存胶粘剂液体的容器连接管线及控制供胶机构，输入胶粘剂液体进入喷头中的装置，当喷头的胶粘剂匣内的胶粘剂使用一定量后，可透过此供胶装置补充不足的胶粘剂量，使成形喷印能持续运作；

喷印装置是指可提供单色或多种彩色的胶粘剂作选择性喷印的装置，它包含的喷头喷嘴可于建构槽上依照对象每一切层轮廓沿横轴作来回双向选择及控制喷胶位置与胶量，喷印于建构材料上以形成对象的每一切层轮廓；

清洁喷嘴的组合件，喷胶***含有一个清洁喷嘴的机构；

单色或彩色胶粘剂可使用一种或多种染料溶解或分散悬浮于胶粘剂液体中，调结合成为可感知的单色或彩色的颜色。

3.根据权利要求1所述的建构材料包括可与应用的胶粘剂产生反应的粉末材料，与应用的胶粘剂仅仅粘结粉末而不与粉末产生反应的粉末材料。

4.根据权利要求1所述的单独或多个喷头是指喷头对应的供应胶粘剂输入喷头内的通路数目，每个喷头各有其相对应的数组式喷嘴。

5.根据权利要求1所述的控制单元是为控制每个喷头喷嘴在建构槽的每一建构材料上的对象切层轮廓线性扫瞄位置上喷上可控制的胶粘剂量，并可实时侦测喷印运作功能的异常。

6.根据权利要求1所述的清洁喷嘴的组合装置是为了清除喷嘴上残留的胶粘剂及附着上的建构材料。

7.根据权利要求1所述的选择性位置是指依照对象每一切层轮廓范围内喷上胶粘剂。

8.根据权利要求1所述的供胶装置其供胶运作包括间歇式及连续式补充供应方式，此方式包括使用负压虹吸原理或正压间歇式及连续式或间歇式挤压原理，进行补充供应胶粘剂。

9.根据权利要求1所述的喷印平台与铺设材料装置包括两者结合一起或可分开以执行喷印及铺设建构材料的整合装置。

10.根据权利要求1所述的可改进被制造对象品质的机构是指快速成型制作过程中及快速成型机刚制作完成实体对象后，使用设备本身加工参数的控制与调整，或是外加其它机构进行后处理，以改进被制造对象于制造期间或制造后的加工速度、强度、韧性、表面粗糙度与几何跟尺寸精度等品质。

11.根据权利要求2所述的可感知的颜色包括市售各厂牌打印机墨水的主要三色及五色分色颜色及黑色。

12.根据权利要求2所述的胶粘剂液体，是指可与粉末材料产生反应或仅仅粘结粉末而不与粉末产生反应的胶粘剂液体。

13.根据权利要求2所述的清洁组件是一个移动装置，可防止多余的建构材料分散累积在供料及建构区四周。

14.根据权利要求4项所述的供应胶粘剂可为无色的胶粘剂或添加有颜色的染料，于建构槽的每一建构材料上的对象切层轮廓线性扫瞄位置上喷上无色或有颜色并可控制喷量的胶粘剂。

15.根据权利要求5所述的喷头喷嘴之操作驱动方式含压电振动式、气泡挤压式及压力控制驱动等操作驱动方式；该喷头喷嘴可于建构槽上依照对象每一切层轮廓沿横轴作来回双向选择及控制喷胶位置与胶量，并打印于建构材料上。

16.根据权利要求6所述的清洁喷嘴的组合装置包括一个软性刮板，可清洁喷嘴上残留的胶粘剂及附着上的建构材料；一个软性材料的罩杯，于喷嘴怠机时隔绝空气并保持喷嘴湿润，以防止喷嘴堵塞；当喷头移动进入清洁喷嘴的组合件区时驱动软性刮板与罩杯将被驱动，以驱使干净的胶粘剂流通过至少1个喷嘴以上，并具有清洁与保护喷嘴的功用。

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