TWI695776B - 立體列印裝置及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種立體列印裝置,其包含液體容置槽、成型平台以及一光源裝置,液體容置槽的承載件為不透氣的,同時本立體列印裝置在應用時得省略固態離形材。再者,本發明更提供一種立體工件的列印方法、立體工件的離形方法以及全氟聚醚(Perfluoropolyethers,PFPE)的應用。
Description
本發明是有關於一種列印裝置及列印/離形方法及PFPE之應用,特別是一種利用液態離形層作離形的立體列印裝置及利用其為列印立體工件的法方以及PFPE之材料應用。
習知的光固化立體列印裝置中,用於容置光敏樹脂的容置槽底部具有固態離形膜以及支撐固態離形膜的承載件,而在工件列印的過程中,光敏樹脂會硬化貼合於固態離形膜(例如是膠膜或是彈性矽膠塊)上。為了接續下一層工件的列印,需要施力將工件向上拉起以分離工件與固態離形膜並使液態光敏樹脂回填在工件與固態離形膜之間。惟工件成形時,固態離形膜與工件之間會產生真空吸力使工件與固態離形膜不易分離。
而上述問題可以透過施加更大的拉力來克服,但是可能會導致工件毀損以及固態離形膜因過度拉扯而變形,影響列印品質及效率。而日前CARBON3D團隊亦有開發出一種以液體為離形層的3D列印技術,簡稱為C.L.I.P.,其原理是將單一種光固化材倒入成型槽後,經由槽底透氣材對較底層的光固化材溶入氧氣以阻卻其受光固化,反之,光在進入氧氣較稀的較上層材料後,與材料反應固化而成工件。其理論上可省略固態離形材而將列印速度提
高近百倍,然而當使用時間達到一定長度時,其底層及未被光線照射區域的材料氧氣的累積及擴散問題將難以控制,故現階段並無法應用在量產上。
本發明提供一種立體列印裝置,以使工件易於從第二液態材分離。
本發明另提供一種立體工件的列印方法,以使工件易於從第二液態材分離。
本發明一實施例所提供的一種立體列印裝置包括液體容置槽、成型平台以及光源裝置。液體容置槽係包括一承載件以及一側壁,承載件至少與側壁連接並形成有一容置空間,容置空間可用於同時承載光固化材料層以及液態離型層。承載件為氣密材。成型平台係配置於液體容置槽相對於容置空間之一側,成型平台適於朝遠離及接近容置空間的方向移動,成型平台與承載件之間不存在一固態離形材;光源裝置係配置於液體容置槽相對於容置空間之另一側,提供一固化光束;其中,當容置空間承載有一液態材料時,固化光束經由承載件進入容置空間,以使液態材料固化於成型平台之表面。
綜合而言,本發明係應用了液態離型材之原理為設計,除可避免工件受損外,還可提升立體列印的速度及穩定度,同時提高工件尺寸的正確度。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉較佳實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。
10:第一液態材
15:第二液態材
15a:第一表面
15b:第二表面
20:工件
100a、100b:立體列印裝置
200:光源裝置
300:成型平台
400a、400b:液體容置槽
420:承載件
430:側壁
431:容置空間
D:厚度
I:固化光束
R:工件成形區
S:分層介面
P:刻度
S1~S6:流程步驟
圖1繪示本發明一實施例之立體列印裝置示意圖;圖2繪示本發明另一實施例之立體列印裝置示意圖;以及圖3繪示本發明之實施例之立體工件的列印方法的流程圖。
請一併參閱圖1及圖3,其繪示本發明一實施例之立體列印裝置示意圖。如圖1所示,本實施例的立體列印裝置100a包括光源裝置200、成型平台300以及液體容置槽400a。
液體容置槽400a包括承載件420及圍繞承載件420的側壁430,於本例中,承載件420及側壁430形成容置空間431,以供第一液態材10、第二液態材15及其他元件容置於其中。惟容置空間431之形成並不僅以前述二者之組合為限制。側壁430上可刻劃有數個刻度P,每兩相鄰刻度的最短距離可為1~5公釐,藉此使用者得以目視估悉各材料層之厚度及用量。承載件420得由透光材料製成。另外,承載件420不具有輸出氣體的功能或特性,具體而言,承載件420得以不透氣的材料所製成,不透氣是指氣體無法藉由材料本身的孔洞或是由加工而得的穿孔而由其一端輸往另一端之狀態。於本例中,承載件420其可選擇性的為一不具有氣體輸出孔、連續性孔隙或是其他用於輸出氣體及氣體分子結構之元件。另外,容置槽400a中亦得不包含其他具有供氣功能的外部元件。同時,承載件420得由離形能力較差的材料製成且無需於其表面設置有習知可移除的固態離形材。
於本例中,光源裝置200得包含有一利用數位光源處理(digital light processing,DLP)技術之紫外光投影元件,但不以DLP為限,其亦得以液晶
或是其他方式為之,其得輸出有一固化光束I,而固化光束I之波長得以主要落在紫外光之波段。於本例中,成型平台300得連接有一活動懸臂(省略於圖),得驅動成型平台300為一穩定的定向往復運動,另外,成型平台300具有一成形表面,適於供工件形成於其表面。
在本實施例中,本實施例的第二液態材15係設置於承載件420與第一液態材10之間。而第一液態材10的材質得為光照射而固化的液態樹脂,第二液態材15的材質可包含全氟聚醚(Perfluoropolyethers,PFPE)。更明確的說,第一液態材10以及第二液態材15得分別為DuPont公司生產的多功能高分子添加劑『Fluoroguard PRO』以及『FunToDo』牌的『Castable Blend』型立體列印光敏樹脂。除了上面兩種材料外,亦可以其他符合下列說明之材料予以替代。首先,第二液態材15與第一液態材10彼此大致不相溶,或者說,第二液態材15與第一液態材10不相溶或相溶性很低。在一實施例中,第二液態材15與第一液態材10具有顯著的極性差異,使得第二液態材15與第一液態材10可彼此大致不相溶並於二者之間產生一明顯的分層介面S,舉例來說,第二液態材15可為極性液體而第一液態材10可為非極性液體,或者,第二液態材15可為非極性液體而第一液態材10可為極性液體。因此容置空間431可用於同時承載為光固化材料層的第一液態材10以及為液態離型層的第二液態材15。
另外,一般來說,全氟聚醚的比重約為1.6~2.1之間,而立體列印光敏樹脂之比重則約為0.9~1.5之間,雖然存在許多種配搭,但第一液態材10的比重C1與第二液態材15的比重C2的比例,即C2/C1大於1.2時,效果較佳。再者,第二液態材15的厚度D並無限制,例如,自0.5毫米時已可初步應用,惟由1毫米至40毫米時,其效率較佳,而於1~3毫米以下時其效率最佳。惟需注意的是,第二液態材15的厚度建議,但非必要地,以0.5毫米以上為佳,其原因在於若第
二液態材15過薄,則第一液態材10在擾動時可能會克服第二液態材15之阻力而黏附於承載件420之表面,以致後續工件製作失敗。
第二液態材15的光穿透率並無限制,惟建議以透明色較佳,另外,在實際使用時,實際透光率以85%以上時較佳,致使得光源裝置200發出的固化光束I的能量可穩定地傳遞至第一液態材10。
接著,就系統設置說明如下,本實施例中的成型平台300係配置於承載件420相對於第一液態材10及第二液態材15之一端;而光源裝置200係配置於相對應的另一端,亦即承載件420係大致處於光源裝置200以及成型平台300之間。而成型平台300得至少使該成型表面往承載件420相對於各液態材之表面的法向量方向進行往復運動,惟此僅為一例,其移動方向並不以前述為限。
在應用時,先提供有前述的立體列印裝置100a(步驟S1)。隨後,待使用者將第一液態材10及第二液態材15置入該液體容置槽400a後,將成型平台300泡入第一液態材10中,並於離分層介面S一初始距離之處靜置以待該第二液態材15與該第一液態材10因比重、極性或是其他物理性質的不同而自然分層而於二者間產生有一平穩態的分層介面S(步驟S2)。而前開之初始距離得與工件之厚度相同。於本例中,初始距離為約0.5公釐。需注意的是,與CARBON3D利用氣體濃度之梯度界面不同,於本例中,第一液態材10及第二液態材15為兩種不同物理特性的化合物,而在兩者材料顏色不同時,其係界面為可視的。亦應了解到,使用者在將第一液態材10與第二液態材15置入液體容置槽400a的先後順序並無限制,當第一液態材10及第二液態材15置入液體容置槽400a後第一液態材10及第二液態材15可因其二者之極性以及比重差產生自然分層現象,而使得第二液態材15位於第一液態材10及光源裝置200之間並於其二者之間產生一穩定且明確的分層介面S。
而在第一液態材10與第二液態材15自然分層後,對該液體容置槽400a輸出一固化光束I以使該固化光束I穿透第二液態材15並與該第一液態材10反應固化於該成型平台300之表面(步驟S3),同時,工件20之一端得與第二液態材15連接。更明確的說,第二液態材15與第一液態材10之分層介面S係定義有一工件成形區R,在光源裝置200發出固化光束I穿過承載件420及第二液態材15而至工件成形區R時,第一液態材10可受到固化光束I照射而反應並固化以於於成型平台300上形成工件20。於本例中,固化光束I的曝光強度按材料之選用以及製程速率及精度相對應,故其並無一定,於本例中,其功率為1mW/cm2。
待首層工件形成於成型平台300後,成型平台300可朝光源裝置200或是第二液態材15的反方向移動,促使工件20移動而與第二液態材15分離(步驟S4)。第一液態材10會因工件20與第二液態材15分離而產生擾動,故宜靜置以待第二液態材15與第一液態材10之間的介面的擾動穩定(步驟S5)後,再行重復前述固化以及調整位置的程序以達到工件列印之效(步驟S6)。在本實施例中,第一液態材10以及第二液態材15的黏度值並無限制,惟黏度愈小效果愈明顯。本例中,第一液態材10及二液態材15之黏度在3000cps以下時效果可見,1000cps以下時效果較佳,小於100cps時效果最佳。黏度之用意在於使工件20在脫離第二液態材15時,其介面的表面擾動可快速恢復穩定,同時,還可避免因黏度過高而產生持續性的壓差位移現象。
在由於本實施例中所選用的離形層為第二液態材15,所以工件20可輕易地與第二液態材15分離。另外,本實施例的工件20的線寬並無限制,惟利用上開材料及參數時,其所列印之工件條寬以0.5公釐以下為妥。惟經不同的參數調整及材料選用,其工件之線寬亦得有異動,故前者僅供參酌。
最後,本發明除了無需離形層外,本發明亦不需要出氣之相關元件及設計,藉此,本發明並無氣體濃度難以精準控制的問題而得為連續性的批
次輸出。相較於CARBON3D之設計,本發明的裝置難以具列方式說明,故特以排除方式定義之。
附帶一提的是,為了與另一具體實施例作區隔,本例中的第二液態材15特定義有具有彼此相對的第一表面15a及第二表面15b,第一表面15a接觸於承載件420,且第二表面15b因與第一液態材10大致不相溶而可與第一液態材10形成材料介面層。
接著,請參閱圖2,其繪示本發明另一實施例之立體列印裝置示意圖。如圖2所示,本實施例的立體列印裝置100b與圖1的實施例所述的立體列印裝置100a的構形大致相同。主要差異在於,其作動方向為倒置,同時,本實施例的液體容置槽400b內的第二液態材15的比重C2小於第一液態材10的比重C1,使得本實施例的第一液態材10設置於承載件420與第二液態材15之間。而當C1/C2大於1.2時,其效果較佳。詳細而言,本例中,第一液態材10與第二液態材15得分別為比重約為0.8~1的矽油以及比重約為1.1~1.5之間的光敏樹脂。例如是比重約為0.95的矽油及比重約為1.15之光敏樹脂,即為一例。
本實施例的第二液態材15具有彼此相對的第一表面15a及第二表面15b,第一表面15a面對於承載件420,且隔擋第一液態材10。此外,本實施例的光源裝置200配置於液體容置槽400b的上方,以提供固化光束I穿過第二液態材15而照射工件成形區R,第二液態材15並不會固化,反之,第一液態材10照光後在工件成形區R內形成工件20。
於本例中,第二液態材15的材質可包含全氟聚醚(Perfluoropolyethers,PFPE)。在本實施例中,成型平台300朝遠離第二液態材15的方向移動以促使工件20向下移進而與第二液態材15分離。由於本實施例中所選用的離形層為第二液態材15,所以第一液態材10形成的工件20不會與第二
液態材15緊密接合,而可輕易地與第二液態材15分離,使第一液態材10填充在工件20與第二液態材15之間,以便進行後續列印步驟。
綜合以上所述實施例,本發明的液體容置槽因第二液態材與第一液態材彼此大致不相溶,使第一液態材與第二液態材之間有分層介面,藉利用該介面為離形,工件與固態離形材在分離時將不產生真空吸力現象,避免了工件受損,而且還可提升立體列印的堆疊速度及穩定度,同時提高工件尺寸的正確度。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,本發明所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作些許之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:第一液態材
20:工件
100a:立體列印裝置
200:光源裝置
300:成型平台
400a:液體容置槽
15:第二液態材
15a:第一表面
15b:第二表面
420:承載件
430:側壁
431:容置空間
D:厚度
I:固化光束
R:工件成形區
S:分層介面
P:刻度
Claims (10)
- 一種立體列印裝置,包括:一液體容置槽,包括一不透氣的承載件以及一側壁,該承載件至少與該側壁連接並形成有一容置空間,該容置空間可用於同時承載一光固化材料層以及一液態離型層;一成型平台,配置於該承載件的一側,該成型平台適於朝遠離及接近該承載件的方向移動;一光源裝置,配置於該承載件的另一側,該光源裝置可提供一固化光束,該固化光束可經由該承載件進入該容置空間將該光固化材料層固化於該成型平台之表面,該液態離型層可設置於該光源裝置以及該光固化材料層之間,該成型平台與該承載件之間不存在可移除的固態離型材。
- 如申請專利範圍第1項所述之立體列印裝置,其中該立體列印裝置滿足下列條件之一:(1)C2/C1>1.2,C1為該光固化材料層之比重,C2為該液態離型層之比重,(2)該光固化材料層與該液態離型層不相溶或相溶性很低,(3)該光固化材料層與該液態離型層,二者之間有一分層介面,(4)該光固化材料層為極性液體或非極性液體二者之一,該液態離型層為極性液體或非極性液體二者之另一,(5)該光固化材料層為比重為0.8~1的矽油,以及該液態離型層為比重為1.1~1.5之間的光敏樹脂。
- 如申請專利範圍第1項所述之立體列印裝置,其中該立體列印裝置滿足下列條件之一:(1)該液態離型層之厚度大於0.5mm,(2)該液態離型層之厚度介於1毫米至40毫米,(3)該液態離型層之厚度介於1毫米至3毫米。
- 如申請專利範圍第1項所述之立體列印裝置,其中該立體列印裝置滿足下列條件之一:(1)該液態離型層的材料中包括一全氟聚醚(Perfluoropolyethers,PFPE),該全氟聚醚之黏度低於1000cps,(2)該光固化材料層的黏度在3000cps以下,(3)該液態離型層的黏度在3000cps以下。
- 如申請專利範圍第1項所述之立體列印裝置,其中該立體列印裝置滿足該液態離型層的透光率高於85%的一條件。
- 一種立體列印裝置的製造方法,包含以下步驟:提供一液體容置槽,包括一不透氣的承載件以及一側壁,該承載件至少與該側壁連接並形成有一容置空間,該容置空間可用於同時承載一光固化材料層以及一液態離型層;提供一成型平台;提供一光源裝置,該光源裝置可提供一固化光束,該液態離型層可設置於該光源裝置以及該光固化材料層之間;配置該成型平台於該承載件的一側,該成型平台適於朝遠離及接近該容置空間的方向移動;配置該光源裝置於該承載件的另一側,以允許該光源裝置輸出的該固化光束可經由該承載件進入該容置空間將該光固化材料層固化於該成型平台之表面。
- 如申請專利範圍第6項所述之立體列印裝置的製造方法,其中該立體列印裝置滿足下列條件之一:(1)C2/C1>1.2,C1為該光固化材料層之比重,C2為該液態離型層之比重,(2)該光固化材料層與該液態離型層不相溶或相溶性很低,(3)該光固化材料層與該液態離型層,二者之間有一分層介面,(4)該光固化材料層為極性液體或非極性液體二者 之一,該液態離型層為極性液體或非極性液體二者之另一,(5)該光固化材料層為比重為0.8~1的矽油,以及該液態離型層為比重為1.1~1.5之間的光敏樹脂。
- 如申請專利範圍第6項所述之立體列印裝置的製造方法,其中該立體列印裝置滿足下列條件之一:(1)該液態離型層之厚度大於0.5mm,(2)該液態離型層之厚度介於1毫米至40毫米,(3)該液態離型層之厚度介於1毫米至3毫米。
- 如申請專利範圍第6項所述之立體列印裝置的製造方法,其中該立體列印裝置滿足下列條件之一:(1)該液態離型層的材料中包括一全氟聚醚(Perfluoropolyethers,PFPE),該全氟聚醚之黏度低於1000cps,(2)該光固化材料層的黏度在3000cps以下,(3)該液態離型層的黏度在3000cps以下。
- 如申請專利範圍第6項所述之立體列印裝置的製造方法,其中該立體列印裝置滿足該液態離型層的透光率高於85%的一條件。
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