TWI430892B - 適用於立體成型機構之噴印模組 - Google Patents

Description

適用於立體成型機構之噴印模組

本案係關於一種噴印模組，尤指一種適用於立體成型機構之噴印模組。

快速成型技術(Rapid Prototyping，簡稱RP技術)係為依據建構金字塔層層堆疊成型的概念所發展而成，其主要技術特徵是成型的快捷性，能在不需要任何刀具，模具及卡具的情況下自動、快速將任意複雜形狀的設計方案快速轉換為3D的實體模型。

目前RP技術發展出利用噴印技術結合載具精密定位技術的方式來生產3D的實體模型，其生產方式係為先將一層粉末舖設於載具上方並利用噴墨列印技術於部分粉末上噴印高黏度膠合劑液體，使膠合劑液體與粉末沾黏並固化，一直重複上述製程層層堆砌即可完成3D的實體模型。

若將習知平面噴印技術應用在快速立體成型機上，由於習知平面噴印技術的噴液量是噴印在2D圖紙上，所以噴點越小越細緻，解析度也越高，但若應用到3D成型時，2D平面專用的列印噴頭一次所噴出的噴點液量，尚不足以覆蓋一個立體粉末顆粒的表面，會造成色彩飽和度不足，由於3D列印品質的決定除了在噴頭及列印 精度外，最重要的是被噴印物的粉末顆粒大小，請參閱第一圖，其係在微觀下待噴印的粉末顆粒呈現立體表面的結構示意圖，由於，在粉末顆粒11平鋪於建構平台12上待列印時，微觀下待噴印的粉末顆粒11係呈現立體表面，因此所需的噴印液量會遠超過一般進行平面噴印的需求，以習知平面噴印技術應用到3D成型時，待噴印的粉末顆粒11粒徑大小為20-120μm，而一般2D平面專用的列印噴頭在解析度為1200Dpi時其噴墨孔的孔徑大小約為15μm以下，因此，2D平面專用的列印噴頭一次所噴出的噴點液量，液體13僅能覆蓋一個立體粉末顆粒11約1/3表面的面積(如第二圖所示)，因此，一般習知的作法係在同一粉末顆粒11上進行多次噴印，才能讓成品顏色鮮艷細緻，如此會造成時間上的浪費、多次噴印導致色彩不連續而造成噴印品質不佳以及列印噴頭壽命相對減短的缺點。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之適用於立體成型機構之噴印模組，實為目前迫切需要解決之問題。

本案之主要目的在於提供一種適用於立體成型機構之噴印模組，俾解決習知使用2D平面專用的列印噴頭一次所噴出的噴點液量，僅能覆蓋一個立體粉末顆粒約1/3表面的面積，需在同一粉末顆粒上進行多次噴印，造成時間上的浪費、多次噴印導致色彩不連續而造成噴印品質不佳以及列印噴頭壽命相對減短等缺點。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種噴印模組，適用於一立體成型機構，該立體成型機構係鋪設粒徑20-120μm的粉末顆粒，該噴印模組至少包含一噴印匣及一噴印控制電路， 其中該噴印匣具有一噴孔片以及一噴印晶片，該噴孔片具有複數個噴孔，其特徵在於：該複數個噴孔之孔徑為15-20μm，當該噴印晶片之驅動電壓控制在12-15伏特，且該噴印控制電路傳送1.4-2.0μs之加熱脈衝電壓至該噴印晶片時，該複數個噴孔噴出直徑大約64-68μm之液滴，以覆蓋該粉末顆粒至少2/3以上的表面積。

11、72‧‧‧粉末顆粒

12、71‧‧‧建構平台

13‧‧‧液體

3‧‧‧噴印匣

31‧‧‧噴印晶片

32‧‧‧電連接片

33‧‧‧噴孔片

331‧‧‧噴孔

34‧‧‧軸線陣列

35‧‧‧加熱器

350‧‧‧間隙

3511-3513、3511’、3513‧‧‧加熱板

352、Ain‧‧‧輸入端

353、Aout‧‧‧輸出端

354‧‧‧導電層

355、355’‧‧‧噴墨區域

36‧‧‧供墨流道

6‧‧‧噴印控制電路

73‧‧‧液滴

R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻

P‧‧‧電源訊號

D‧‧‧資料控制信號

M‧‧‧開關元件

G‧‧‧接地端

PD‧‧‧噴印資料信號

MF‧‧‧加熱控制信號

PF‧‧‧預熱控制信號

P1‧‧‧預熱脈衝電壓

P2‧‧‧加熱脈衝電壓

t1、t2‧‧‧時間長度

Y‧‧‧總寬度

Y1‧‧‧寬度

X‧‧‧長度

L‧‧‧參考軸線

第一圖：其係在微觀下待噴印的粉末顆粒呈現立體表面的結構示意圖。

第二圖：其係為第一圖所示之粉末顆粒上噴印液體之剖面示意圖。

第三圖A：其係為本案較佳實施例之噴印匣之結構示意圖。

第三圖B：其係為第三圖A移除噴孔片後之結構示意圖。

第三圖C：其係為第三圖A移除部分噴孔片後之結構示意圖。

第四圖A：其係為第三圖B所示之加熱器示意圖。

第四圖B：其係為第四圖A之電路圖。

第五圖：其係為第三圖B所示之另一加熱器示意圖。

第六圖A：其係為噴印模組之噴印控制電路與噴印晶片之連接結構示意圖。

第六圖B：其係為第六圖A所示之噴印資料信號PD、加熱控制信號MF、預熱控制信號PF之電壓信號波形圖。

第七圖：其係利用本案之噴印模組於粉末顆粒上噴印液滴之剖面示意圖。

第八圖：其係為本案之噴印晶片的驅動電壓及噴孔的噴出速度關係圖。

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，而非用以限制本案。

本案之噴印模組可適用於一立體成型機構(未圖示)，例如：落地型立體成型機構，來建構3D實體模型，且該立體成型機構係於一建構平台71上鋪設一層粒徑20-120μm大小的粉末顆粒72(如第七圖所示)，該噴印模組至少包含一噴印匣3(如第三圖A所示)及一噴印控制電路6(如第六圖A所示)。

請參閱第三圖A，其係為本案較佳實施例之噴印匣之結構示意圖。其中第三圖A所示之噴印匣3係為一簡化後之結構示意圖，於本實施例中，噴印匣3係為一長條狀結構且包含噴印晶片31、電連接片32、噴孔片33以及三個軸線陣列34的加熱器35(如第三圖B所示)，且噴孔片33上係包含複數個對應於加熱器35的噴孔331。

請參閱第三圖B及C，其中第三圖B其係為第三圖A移除噴孔片後之結構示意圖，第三圖C其係為第三圖A移除部分噴孔片後之結構示意圖，如圖所示，本實施例之噴印匣3之噴印晶片31的表面上的加熱器35係設置成沿參考軸線L延伸的軸線陣列34，並相對參考 軸線L橫向或側向相互隔離，另外，噴印晶片31上更具有三個與參考軸線L平行的供墨流道36，主要用來傳送不同顏色的墨水，且彼此之間相對參考軸線L的垂直方向並排分隔，進而為對應的三個軸線陣列34的加熱器35提供不同顏色的墨水，每一軸線陣列34可由2排設置於供墨流道36兩側邊之同色墨水加熱器35所組成且均平行於參考軸線L的方向，且2排加熱器35之間以交錯排列的方式設置於供墨流道36的兩側邊，故本實施例之噴印晶片31上係具有2排×3色=6排的加熱器排數。

請參閱第四圖A，其係為第三圖B所示之加熱器示意圖。如圖所示，加熱器35主要包括複數個加熱板3511-3513、輸入端352、輸出端353以及串聯兩相鄰加熱板3511-3512、3512-3513之導電層354。於本實施例中，加熱器35係由三個加熱板3511-3513構成為佳，但不以此為限，且兩相鄰之加熱板3511、3512及加熱板3512、3513之間以間隙350相互區隔，使加熱板3511-3513呈分離並列地設置，而本實施例中的每個加熱板3511、3512、3513之長度X、寬度Y1及厚度(未圖示)實質上相等，亦即加熱板3511-3513可為面積相同且體積相等之矩形電阻層，至於間隙350與複數個加熱板3511-3513之總寬度Y大約等於加熱板3511-3513之長度X，換言之，複數個加熱板3511-3513與其間之間隙350所共同定義出的噴墨區域355係大約為一面積為X×Y之正四邊形噴墨區域355。

此外，位於中間之加熱板3512其兩端係分別透過導電層354與加熱板3511及3513電性連接，而加熱板3511相對於與導電層354連接之另一端則與輸入端352相連，至於加熱板3513相對於與導電層354連接之另一端則與輸出端353相連，而輸入端352及輸出端 353可為與導電層354相同之導電材質，換言之，加熱器35相對兩終端的加熱板3511、3513係分別與輸入端352、輸出端353電性連接，且三個加熱板3511-3513之間亦透過導電層354彼此串聯而電性連接。

請參閱第四圖B並配合第四圖A，其中第四圖B係為第四圖A之電路圖，加熱器35之電路包括串聯的複數個電阻R1、R2、R3，其係分別對應於第四圖A中之加熱板3511、3512、3513，而輸入端Ain及輸出端Aout則分別對應於第四圖A中之輸入端352及輸出端353。如第四圖B所示，位於串聯之電阻R1-R3一終端之電阻R1係與輸入端Ain相連並接收電源訊號P，例如：驅動電壓，至於串聯之電阻R1-R3另一終端的電阻R3則可直接接地，或者該電阻R3透過輸出端Aout與開關元件M之汲極端(drain)相連，且開關元件M又透過閘極端(gate)接收一資料控制信號D，並以源極端(source)與接地端G相連，俾以利用開關元件M接收資料控制信號D而控制加熱電路之導通。於一些實施例中，開關元件M可為電晶體，例如：NMOS元件，但不以此為限。

當加熱器35欲加熱液體，例如：墨水(未圖示)，而進行噴印時，噴印控制電路6將傳送一資料控制信號D以控制開關元件M導通，同時電源訊號P將由加熱器35之輸入端Ain輸入，如此一來，加熱器35之加熱板3511、3512及3513的溫度便可升高，進而將液體加熱以產生微熱氣泡，使液體微熱氣泡由噴墨區域355噴出至粉末顆粒72上以完成噴印的動作。

請參閱第五圖，其係為第三圖B所示之另一加熱器示意圖。如圖所示，加熱器35同樣包括複數個加熱板3511’、3512、3513’、 輸入端352、輸出端353以及串聯兩相鄰加熱板3511’-3512、3512-3513’之導電層354，且加熱器35之複數個加熱板數目亦以三個為佳，而本實施例中加熱板3511’、3512、3513’的配置及其與輸入端352、輸出端353及導電層354彼此間的關係與第四圖A所示之較佳實施例相同，是以不再贅述。於本實施例中，三個加熱板3511’、3512、3513’之寬度Y1及厚度實質上相等，唯分別與輸入端352和輸出端353相連的兩加熱板3511’、3513’朝外之一側邊長度小於位在中間之加熱板3512的長度X，亦即加熱板3512仍為矩形電阻層，但加熱板3511’及3513’實質上則為兩相對應之梯形電阻層，此時與輸入端352、輸出端353電性連接之兩加熱板3511’、3513’其面積實質上小於加熱板3512之面積，而加熱板3511’、3512、3513’與間隙350所共同定義之噴墨區域355’則大致呈正八邊形。

由於位在中間之加熱板3512佔加熱器35大部分的電阻值，且相對大於兩終端之加熱板3511’及3513’的電阻值，故應可理解，當加熱器35進行加熱時，其最高溫區便可集中在噴墨區域355’的中央範圍，以避免三個加熱板3511’、2352、3513’因延遲加熱所可能造成的熱點(hot spot)偏移狀況，並控制液體微熱氣泡使其較容易由加熱器35的中心生長並噴出至粉末顆粒72上。

請參閱第六圖A及B，其中第六圖A係為噴印模組之噴印控制電路與噴印晶片之連接結構示意圖，第六圖B係為噴印資料信號PD、加熱控制信號MF、預熱控制信號PF之電壓信號波形圖，如圖所示，當噴印模組欲執行噴印動作時，噴印控制電路6會藉由傳送噴印資料信號PD、加熱控制信號MF以及預熱控制信號PF至噴印晶片 31來控制加熱器35進行加熱或預熱，其中，預熱控制信號PF以及加熱控制信號MF分別會有預熱脈衝電壓P1及加熱脈衝電壓P2，藉由預熱脈衝電壓P1控制加熱器35先將部份墨水及噴印匣3預熱，再利用加熱脈衝電壓P2將部份液體加熱，使之產生氣泡而將液體噴至對應的粉末顆粒72上。

請再參閱第六圖B，當噴印資料信號PD為高電位信號時，加熱器35由加熱控制信號MF控制，以控制加熱器35加熱，相反的，當噴印資料信號PD為低電位信號時，加熱器則改由預熱控制信號PF控制，以控制加熱器35預熱，也就是說，當噴印模組執行噴印動作時，若有列印資料，即噴印資料信號PD為高電位時，噴印模組會藉由加熱控制信號MF使加熱器35對部分液體加熱並產生氣泡，進而將液滴推擠出噴孔片33之噴孔331，反之，若沒有列印資料，即噴印資料信號PD為低電位時，噴印模組會藉由噴印資料信號PD控制加熱器35對部分液體及噴印匣3進行預熱。

加熱控制信號MF以及預熱控制信號PF會隨著噴印模組執行噴印動作時持續傳送，其中預熱脈衝電壓P1的時間長度t1以及加熱脈衝電壓P2的時間長度t2，會依不同的噴印模組型號而有所不同。且噴印模組之控制信號，即噴印資料信號PD、加熱控制信號MF以及預熱控制信號PF之電壓大小會依不同的噴印模組型號而有所以不同。

請再參閱第三圖A-C、第四圖A-B、第五圖、第六圖A-B及第八圖，本案噴印匣3之噴孔片33所包含之複數個噴孔331之孔徑可為15-20μm，當噴印模組欲執行噴印動作時，噴印控制電路6傳送至噴印晶片31之驅動電壓可為12-15伏特(如第八圖所示)，以 及噴印控制電路6可傳送1.4-2.0μs之加熱脈衝電壓至噴印晶片31，可達到使複數個噴孔331以14-16m/s的噴出速度噴出直徑大約64-68μm之液滴73，如此一來，所噴出的液滴73即可覆蓋立體成型機構於建構平台71上所鋪設之粒徑20-120μm大小的粉末顆粒72至少2/3以上的表面積。

於本案之實施例中，粉末顆粒72粒徑大小係以70μm為最佳，使得複數個噴孔331以14-16m/s的噴出速度所噴出直徑64-68μm的液滴73可幾乎完全覆蓋粉末顆粒72的表面積(如第七圖所示)，本案之噴印模組僅需在同一粉末顆粒72上進行一次噴印，可達到快速噴印、單次噴印可達到良好的噴印品質以及延長噴印匣3壽命等功效。

綜上所述，本案之適用於立體成型機構之噴印模組係藉由噴印匣之噴孔片所包含之該複數個噴孔之孔徑為15-20μm，對該噴印晶片之驅動電壓為12-15伏特，以及噴印控制電路傳送1.4-2.0μs之加熱脈衝電壓至噴印晶片，俾使複數個噴孔可噴出直徑大約64-68μm之液滴，以覆蓋粒徑20-120μm大小的粉末顆粒的表面積，使得本案之噴印模組僅需在同一粉末顆粒上進行一次噴印，可達到快速噴印、單次噴印可達到良好的噴印品質以及延長噴印匣壽命等功效。

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。

<AlEx><AlEx>

71‧‧‧建構平台

72‧‧‧粉末顆粒

73‧‧‧液滴

Claims (5)

1. 一種噴印模組，適用於一立體成型機構，該立體成型機構係鋪設20-120μm的粉末顆粒，該噴印模組至少包含一噴印匣及一噴印控制電路，其中該噴印匣具有一噴孔片以及一噴印晶片，該噴孔片具有複數個噴孔，其特徵在於：該複數個噴孔之孔徑為15-20μm，當該噴印晶片之驅動電壓控制在12-15伏特，且該噴印控制電路傳送1.4-2.0μs之加熱脈衝電壓至該噴印晶片時，該複數個噴孔噴出直徑大約64-68μm之液滴，以覆蓋該粉末顆粒至少2/3以上的表面積，其中該粉末顆粒大小以70μm為最佳。
2. 如申請專利範圍第1項所述之噴印模組，其中該噴印匣更包含複數個加熱器，每一加熱器係包括複數個加熱板，該複數個加熱板間係分離並列設置並透過一導電層彼此串聯而電性連接，以形成一噴墨區域，且相對兩終端之該加熱板係分別與一輸入端及一輸出端電性連接。
3. 如申請專利範圍第2項所述之噴印模組，其中該噴墨區域實質上為正四邊形，且該複數個加熱板實質上為面積相同之矩形。
4. 如申請專利範圍第2項所述之噴印模組，其中該噴墨區域實質上為正八邊形，且與該輸入端及該輸出端電性連接之相對兩終端之該加熱板之面積實質上係小於其餘之該加熱板之面積，俾以避免該加熱器之熱點偏移。
5. 如申請專利範圍第1項所述之噴印模組，其中於該噴印晶片之驅動電壓為12-15伏特時，該液滴之噴出速度為14-16m/s。