TWI816163B - 一種製造３ｄ物件的系統及其方法 - Google Patents

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Abstract

一種新穎的快速3D原型/製造技術，其特點在於使用一異向雙出口佈料頭，包含兩個分佈方向不同的佈料出口，分別可以塗佈立式或臥式的帶狀材料，增進組成3D製件的幾何彈性；佈料路徑可採用彈性變向式積層方式，使材料能沿3D製件的表面切線方向成形；並突破現行的細線薄層的佈料方法，也可採取一厚層成形方法逐層佈料，以一微分模具改變出料曲率或以一整形裝置修整已塗佈的材料，以消除積層階梯問題，使表面光滑度更好，並加快3D成形速度。

Description

一種製造3D物件的系統及其方法
本發明係關於快速3D原型與製造技術(rapid prototyping and production)的系統及方法，特別是關於以更快的速度至成表面光滑度更好的3D原型、元件及模具的系統及方法。
現行已商業化的積層製造技術，在金屬成形方面主要以金屬粉末積層法(Selective Laser Melting，SLM)，在非金屬成形方面主要有光固化成形法(Stereolithography，SLA)、熔融沉積成形法(Fused Deposition Modeling，FDM)、3D列印法(3D Printing，3DP)及層狀推疊製造法(Laminated Object Manufacturing，LOM)等。然而其實際應用領域尚不普遍，其原因為目前工業界咸認有下列幾項缺點仍待解決：(1)成形速度慢、(2)表面粗度差、(3)材料種類限制及(4)設備及材料成本高。
追究上述缺點的原因，係為現行各法採用的基本成形方式原則上皆是以水平積層佈料且利用連點成線之態樣固化成形。不論製件之幾何形狀如何，佈料時一律採用水平方向積層，因積層具有一定厚度，故遇到曲面、斜面等特徵結構時，會有積層階梯產生使著表面粗度變差。然而在固化時係以連點成線進而建構成平面、立體等結構，利用單點累積成所需之立體結構，導致成 形速度慢。如為改善曲面表面品質而減小積層厚度(即減小積層階梯)，則成形速率將會大幅減緩，因為以點寫體及水平積層佈料的總時間都會增加。圖1(a)為一3D製件實例，圖1(b)、(c)則示意出以目前現行積層製造技術製造時的情形，圖1(b)為葉片部份放大圖，圖1(c)為斷面示意圖。其中點線201為水平積層的橫切格子結構示意，217、218為水平積層的材料成形情形，其葉片103及輪轂102外壁必然會產生積層階梯，造成表面粗度差(214、212)。粗黑曲線203則表示出連點成線固化之掃描情形，利用以點寫體的建構方式，導致成形速度慢。而在成形物理方面現行各法分別需要高均粒度、高流動性金屬粉末(成本為一般粉末7-8倍)、光敏高分子、雷射、環境控制箱等相關設備，故製造成本高。且為達到高成形密度，還需要將不同粒度金屬粉末以不同比例混合，程序複雜。
復以SLM(或Selective Laser Sintering，SLS)法為例，其製件的表面粗糙度與雷射成型的路徑之角度有關係，在垂直或平行雷射燒結之平面可以得到比較好的表面粗糙度，曲面或斜面之表面粗糙度則受到一定限制[Amend,P.et al.,”A fast and flexible method for manufacturing 3D molded interconnect devices by the use of a rapid prototyping technology”,Journal of Physics Procedia,Volume 5,Part B,2010,Pages 561-572.]。SLM系統製成的塑膠射出成型模心，利用SLM系統製成的塑膠射出成型用模心，一般表面粗度達40微米(與砂模鑄造相當)，並需預留200-500微米供後續切削加工。亦有研究使用雷射進行拋光，將雷射之光點範圍調大，能將表面金屬重新熔化並再次固化，以達到拋光的效果。但此法所耗費能量相當高，因此成本也相對提高。且結果仍未達成工業界所期望之表面光滑度[A.Lamikiz et al.,”Laser polishing of parts built up by selective laser sintering”,International Journal of Machine Tools & Manufacture 47(2007)2040-2050]。
在增進成形速度方面，有所謂skin-core strategy，使用較小的雷射光點掃描輪廓，較大的雷射光點掃描內部，甚至開發多光束系統，以加快成 形速度。不過這些方法都需增加昂貴的雷射成本[K.Wissenbach,"Fantasia Project Shows Selective Laser Melting Can Produce Complex Components Quickly and Cost Effectively",http：//www.ineffableisland.com/2010/05/fantasia-project-shows-selective-laser.html？showComment=1318241730096]。
在FDM法方面，美國專利US.5121329係揭露了利用佈料頭沿空間中的曲線運動，以製造曲面或曲線框架(其專利中之原圖10、圖12)。該專利也敘述其佈料頭可在行進時調整施佈材料的厚度。但由於其佈料頭出料孔徑固定，僅能藉由調控進料速度或佈料頭移動速度的方式來達成施佈厚度不同的材料的目的。因此，其成形速度與水平積層佈料、連點成線固化的原始方式相比，並不會更快。另外，美國專利申請公開2015/0266244 A1號也敘述使用佈料頭在空間中曲線運動，並調節材料擠出流量來控制施佈材料的厚度，但也是使用固定出料孔徑。一般而言，FDM法的佈料頭出料孔徑約在0.25到1mm(參閱www.matterhackers.com/news/3d-printer-nozzle-comparison-guide)。佈料頭擠出的線狀材料的直徑與出料孔徑大致相當，調節材料擠出流量可以變化線狀材料的直徑的範圍也很有限。
在另一FDM相關技術中，美國專利US.8221669號則揭露以帶狀(非圓柱形)原料為供給材料時，相較於目前的商用系統中所使用的圓柱形原料具有較短的響應時間，其中“響應時間”係為當供給機構接收命令後以供/暫停給原料至液化器中，在液化器的擠出尖端的末端的實際流率變化的開始或停止所需之延遲時間。該專利係藉由減少響應時間以提高製件之美感及結構質量。然而對於如何提升材料之堆疊沉積速率並非該專利之目的，且於該專利中未提及。
此外尚有其他製作金屬件的快速成形方法。例如，美國專利US. 7942987揭露了利用FDM法之概念以建構出金屬製件，該專利係描述一種將金屬合金加熱至固相線溫度與液相線溫度之間，使得該金屬合金呈半固態狀態並具有足夠之黏度，以利於擠壓成形。不過，這基本上還是點掃描及水平積層的成形模式。
另一方法統稱為雷射沉積技術(Laser Deposition Technology，LDS)，美國專利US.4323756揭露了使用線材並以能量束為熱源，將其融化沉積於物件表面上之技術概念。為了減少粉末料倉的設置並簡化後續處理，美國專利US.5043548則揭露了利用氣流以乘載微細粉末送入雷射光束中加以熔融並沉積於物件上，其中雷射光束並未直接聚焦於物件上，故不會造成物件熔融，雷射光束係聚焦於粉末送入位置以將粉末熔融並佈料於物件上。這基本上也還是點掃描的成形模式，且成形物件的邊緣輪廓亦較為粗糙。
另有研究使用能改變大小的佈料出口來加快成型速率。如布魯克氏等(Brooks et al.)設計了一種有兩段式開口的擠出頭，可以調整選擇較粗或較細兩種擠出材料線徑，變化範圍也是有限。而其成形還是逐層成形，並不能解決積層階梯的問題。[4 H.Brooks et al.,“Variable fused deposition modelling-concept design and tool path generation”,in Rapid Design,Prototyping and Manufacturing,pp.113-122.ISBN 978-0-9566643-1-0,from eprints.lancs.ac.uk/50959/]
又美國專利US.6030119號敘述了一種可以改變出料口開口長度的佈料裝置，其開口機構使用兩個平面式的部件重疊形成一長形開口，調節兩個部件的相對位置則可以調整開口的長度。不過其成形還是逐層成形，依然有積層階梯的問題。又其目的是為了加快成形速率，故最大開口的長度很寬，因此每層佈料時佈料裝置只沿單一軸向運動，也不適於多自由度運動。
本案發明人之一先前的發明(中華民國專利I611909號及美國專 利10,766,802 B2)敘述了一種「彈性變向佈料」3D成形技術，的基本原理係使用一佈料頭將具有流動性的一可固化材料塗佈於一基座上，使其於一定環境條件下成為固態，並使佈料頭對基座在空間中依預定的佈料路徑產生一相對運動，致使可固化材料連續塗佈、前後材料依序按預定的位置固化相接成為一3D製件。其佈料路徑不限於現行的水平積層模式，係採取依據製件之幾何形狀的需要、彈性地變動積層方向的成形策略，在需要良好表面品質時，使材料沿3D製件的表面切線方向積層成形，因此可消除因水平積層方式產生之輪廓階梯問題，使製件之成形表面光滑度良好。此技術採用一個具有多個獨立自由度的運動機構裝置，使佈料系統對基座在空間中產生3D曲線軌跡。又佈料時，使出料的厚度、寬度、速率可隨製件的局部幾何形狀調整，可以產生包括帶狀、線狀、點狀等幾何形狀，在3D製件幾何形狀適當時，加大出料寬度，以線成面，使佈料呈帶狀的面積式佈料方法，大幅加快成形速度，而線狀、點狀等幾何形狀則用於3D製件較細微特徵結構的部份。另外，佈料時在材料發生固化過程的區域，於材料的表面局部外加一微分成形機構，以限制固化中的材料的流動、使其固化成所欲的形狀，並產生良好的表面光滑度；更進一步，可使帶狀出料在寬度的方向上可以改變曲率，以配合製件的局部幾何形狀。
圖2係以圖1(a)的製件形狀為例說明上述「彈性變向佈料」法成形的步驟。此圖假設佈料頭401移動而基座501a不動。(a)-(c)：佈料頭塗佈帶狀出料於載台上，多層帶狀出料疊合(即兩條帶狀出料彼此以寬面相接)製成輪轂內部。(d)-(e)：舖製輪轂外部。(f)製葉片基部603，以作為下一部葉片成形的起始部。(g)葉片成形：葉片係由多條帶狀出料彼此以窄面相接並排形成(此稱為縫合)。葉片第一條帶狀出料為葉片邊緣部601，成形時先接合於基部603上，然後向外施料，每間隔一定距離則施料製支持柱605與預先製作的支架610相連，最後接合於預先製作的支持框構形430。隨後，葉片第2條帶狀出料602也從先接合於基部603上開始，然後利用已 固化之邊緣部601為支持，以縫合方式與邊緣部601並排連接。另一選擇是先將支持構形建於葉片下，如現行FDM法或SLA法。另注意圖示帶狀出料的寬度是可以變動的，所以能縫合成整個葉片的輪廓。
要使佈料系統對一基座在空間中產生如圖2所示的任意3D曲線軌跡需要多個獨立自由度。在一般情況下，如果佈料頭的材料出口僅為是單一孔洞時，則意味著運動裝置之自由度的至少須為3，方能允許3D曲線軌跡之路徑追蹤。然而，如果要塗佈寬的帶狀材料，則運動裝置須至少4個獨立自由度。
圖2(h)示上述「彈性變向佈料」技術使用的機台構造一例，其基本構造為一5個自由度(5軸)機台，具有3個線性運動自由度(X,Y,Z)及兩個旋轉運動自由度(A軸(繞X軸轉)、B軸(繞Y軸轉))。製件及其載台等基座區501置於A軸旋轉台上。佈料系統401搭載於Z軸上，佈料頭可繞Z軸旋轉，為第6個自由度(C軸)。
上述中華民國專利I611909號(及美國專利10,766,802 B2)的針對上述現行其他主要積層製造技術的基本方法上的缺點提出一全新的3D成形概念及相應的施行手段。不過，該技術的佈料系統只使用一個佈料出口，只有一個出料方向。在變向佈料成形的過程中，時常需要改變佈料出口分佈方向與3D製件的相對座向，這係依靠多自由度的運動機構裝置來調整。當此相對座向變動較大時，運動機構裝置的運動會有較劇烈的變化，或會需要更多自由度。這會造成運動路徑規劃上的不便，及可能增加運動機構裝置的硬體成本。如圖2之例中，以x-y-z座標系統示意佈料頭401的座向，可以看見成型過程中佈料頭相對於工件(或基座501a)的座向變動很大，多自由度運動機構裝置的各自由度必須有很大的運動範圍。如由圖2(a)到圖2(d)，佈料頭必須繞y軸近乎直角使出料口貼近輪轂外部側牆。如到圖2(f)製作葉片基部時，因需要採立式出料(即出料高度大於寬度，如矮牆狀)，不光是要使佈料頭繞x軸側傾，還必須使 佈料頭繞y軸轉動一較大角度，才能立式出料。
為解決上述問題，本發明之一方面係提出一種製造3D物件的系統，包含：一異向雙出口佈料頭，用於塗佈一材料以製造一3D物件，異向雙出口佈料頭包含分佈方向不同的二佈料出口，可以獨立分別向兩個不同方向出料；一材料供應單元，用於供應材料給異向雙出口佈料頭；一基座，用於承載塗佈材料與3D物件；以及一運動機構裝置，用於使該佈料頭對該基座在空間中依照一預定的軌跡產生一相對運動。
依據本發明之一實施例，其中異向雙出口佈料頭更包括一材料腔室，其中異向雙出口佈料頭的二佈料出口相互連通到異向雙出口佈料頭內的材料腔室，材料供應單元供應材料到材料腔室，並可調節供料速率以配合出料流率的變化，二佈料出口分別包含可以使出料口尺寸連續變動的一閘門機構，可以獨立調節二佈料出口的截面的尺寸，以塗佈寬度不同或寬度連續變動的帶狀之材料。
依據本發明的另一實施例，其中閘門機構之一更包括至少一閘門元件，閘門元件更包含一凹槽特徵，當閘門元件完全閉合時，凹槽特徵及異向雙出口佈料頭之內壁形成一噴嘴結構，以用於塗佈線狀及點狀之材料。
依據本發明之再一實施例，其中閘門機構之控制方向包含二布料出口之厚度方向及寬度方向，其中寬度方向可利用複數個閘門元件相互推疊但個自獨立作動，以調整出料口之尺寸。
依據本發明之又一實施例，其中二佈料出口之一包含一水平出料口，水平出料口之開口的長邊與水平方向大致平行，閘門機構之一包含一 水平閘門機構，水平閘門機構包含一水平閘門元件，水平閘門元件於材料腔室內呈大致垂直向的配置，水平閘門機構開關時水平閘門元件行轉動加移動的運動模式使水平閘門元件下端沿水平出料口之開口的長邊直線運動，且保該材料腔室的內部容積大致恆定，以調節出料的截面的尺寸及保持穩定出料。
依據本發明之又一實施例，其中水平閘門元件為構成材料腔室之結構之一部份，水平閘門機構包含：一U形結構與水平閘門元件連結成一體，一二連桿機構包含U形結構，二連桿機構之一端固定只能轉動，另一端運動由一限位槽所侷限。
依據本發明之又一實施例，其中更包括一整形裝置，用於修整塗佈成形後的材料，將多餘的材料去除；一可動工具台，異向雙出口佈料頭與整形裝置皆裝置於其上，可以視需要轉換位置分別接近3D物件進行佈料或修整工作。
依據本發明之又一實施例，其中整形裝置包含一熱刮工具，藉由熱刮工具與塗佈成形後的材料相接觸，使多餘的材料軟化後將之去除。
依據本發明之又一實施例，其中熱刮工具包含一彎曲構件及一致動器，致動器轉動彎曲構件可使其上不同部位與材料接觸時產生不同的曲率。
依據本發明之又一實施例，其中熱刮工具包含一可變形構件及一致動器，致動器可調整可變形構件之曲率。
依據本發明之又一實施例，其中運動機構裝置具備至少4個運動自由度。
本發明之另一方面係提出一種製造3D製件的方法，其包含： 使用一受熱後有流動性的一可固化材料在一基座上逐層累積材料成為一3D製件，可固化材料可於一預定溫度固化，在累積一層材料時，先以一運動機構裝置使一佈料頭對基座在空間中依一預定的佈料軌跡產生相對運動，同時佈料頭塗佈該可固化材料成一厚層，然後使用一整形裝置對基座在空間中依一預定的整形軌跡產生相對運動，修整厚層的材料的表面，去除多餘材料並改進表面光滑度，然後累積下一層材料，重複以上的步驟，直到完成該3D製件。其中厚層係指一層佈料的厚度內的垂直方向上需要有曲率、形狀變化。其中整形裝置包含一熱刮工具，所述修整厚層的過程包含熱刮工具依預定的整形軌跡運動並與厚層及厚層下方緊鄰的至少另一厚層接觸、局部加熱軟化材料後去除預定的整形軌跡以外的多餘材料，熱刮工具包含一可調整與材料接觸的接觸面在積層方向上的曲率形狀的機制，以使修整過的厚層的側表面在積層方向上有正確連續且平滑的形狀。
103:葉片
102:輪轂
140:轉軸
201:點線
203:粗黑曲線
212,214:表面粗度
217、218:水平積層
401、401M:佈料頭
404H:材料腔
404H1:右側牆
404H2:左側牆
404H3:上部結構
404H31:上部結構下緣
404H4:水平閘門元件
404H41:水平閘門元件上端
404H42:水平閘門元件下端
404H43:手把部
404H43a:水平部分
404H5:垂直閘門元件
404H5a、404H5b、404H5c:閘門元件
404H10:材料腔室
404G20:凹槽特徵
405V，405H:出料口
405G:出口
405Ha，405Va:出料口長邊
406:材料的入口
420A1:U形薄板
420A1a、420A1b:U形薄板的部分
420A2、420A3:握持部
420A4:樞軸
430:支持框構形
451、451a、451b、451c:帶狀出料
460:基板
461:L形結構
462:直柱
463:軸
463a:軸心
464:限位槽
465:軌跡
466、468:轉軸
467:橫樑
501a:基座
505:可旋轉工具台
506:工具台
506b:可移動平台
506a:基座
530:整形裝置
531:熱刮工具
532:曲棒
532a:內圓弧
532b、532c:曲棒左邊
533:加熱器
534:轉動裝置
540:曲面
545:表面
546、547:多餘材料
601:邊緣部
602:帶狀出料
603:基部
605:支持柱
610:支架
712a、712b:帶狀出料寬度
713a、713b:帶狀出料高度
1501、1502:方向
C1、C2、C3:曲線
O、P、P*、Q:點
S1、S2，S3:曲面
本發明之特徵及優勢可由以下附圖及相應的詳細敘述進一步說明：
圖1(a)為3D製件之示意圖，圖1(b)及1(c)示意以現行積層製造技術製造圖1(a)之3D製件的情形；圖2(a)-(g)為以圖1(a)之製件為例，利用先前技術「彈性變向佈料」技術的單一出料口佈料頭實行彈性變向佈料進行成形示意；圖2(h)為先前技術「彈性變向佈料」技術使用的機台構造一例；圖3為本發明異向雙出口佈料頭的基本概念與佈料情形示意； 圖4為以圖1(a)之製件為例，利用本發明異向雙出口佈料頭實行彈性變向佈料進行成形示意；圖5為本發明之異向雙出口佈料頭的結構與操作的設計實例之一；圖6為圖5之佈料頭的調整出料口開口尺寸的設計實例；圖7為本發明之異向雙出口佈料頭的結構與操作的設計實例之二；圖8為本發明之佈料頭調整出料口開口尺寸的另一設計實例。
圖9為本發明之佈料頭調整出料口開口尺寸的另一設計實例。
圖10(a)為本發明多層立式帶狀材料在垂直方向上縫合成一物件之例；圖10(b)為本發明整形裝置修整物件表面之例；圖11為本發明機台設備例一，包含能交互施行佈料頭佈料及整形裝置修整物件表面的可動工具台；圖12為本發明機台設備例二，包含能交互施行佈料頭佈料及整形裝置修整物件表面的可動工具台；圖13為本發明能交互施行佈料頭佈料及整形裝置修整物件表面的可動工具台之另一例；圖14為本發明整形裝置之熱刮工具之例，及其工作原理。
圖15為本發明整形裝置之熱刮工具之另一例。
圖16(a)-(e)示本發明之「厚層成形」方法的原理與步驟。
為解決上述問題，本發明提出一新的異向雙出口佈料頭，佈 料頭包含兩個分佈方向不同的佈料出口。特別是，包含兩個基本互成垂直方向的佈料出口，一個出口可用於在水平方向塗佈產生臥式的帶狀出料，另一個出口可用於在垂直方向塗佈產生立式的帶狀出料。兩個佈料出口可相連通從同一材料腔供料。圖3(a)示異向雙出口佈料頭401M的基本概念。異向雙出口佈料頭401M包含一垂直方向的出料口405V及一水平方向的出料口405H。圖3(b)示立式的帶狀出料的情形。圖3(c)示臥式的帶狀出料的情形。一般而言，本發明使用之佈料頭包含可以調節佈料出口的開口尺寸的機制，其最大開口面積對最小開口面積的比例至少約10到200倍，因此可以應付不同的幾何特徵尺寸並增加佈料速率(體積成形率)。
另外，本發明還包括一整形裝置，用於修整固化後的材料的表面，以修整表面的曲率以及改進表面光滑度。異向雙出口佈料頭與整形裝置皆裝置於一可動工具台上，可動工具台復裝於多自由度的運動機構裝置，可以視需要轉換佈料頭與整形裝置的位置使其分別接近製件進行佈料或修整工作。整形裝置之一例包含一切削工具，另一例為一熱刮工具。
更進一步，本發明還包含一「厚層成形」方法，此法在每層先以佈料頭塗佈層厚較大的材料，然後使用整形裝置修整材料的表面，每層皆如此交互進行，逐層成形，可以快速產生有光滑曲面的物件。
圖4以圖1(a)的製件形狀為例說明本發明的異向雙出口佈料頭進行彈性變向佈料成形的情形，並與圖2相比較。如由圖4(a)到圖4(b)，使用水平方向出料口進行臥式帶狀出料，製作輪轂內部。如由圖4(a)到圖4(d)，製作輪轂外部側牆時，可以使用垂直方向的出料口對側牆敷料，故佈料頭只需繞y軸略傾即可。如到圖2(f)製作葉片基部時，只需使佈料頭繞x軸側傾，即可以使用垂直方向的出料口立式出料。
本發明所述之可固化材料可包含任何具有流體狀態且在特定環 境條件下能轉化成固體狀態之材料。
例如，許多聚合物材料具有此種特性。大多數的熱塑性高分子材料，在高溫狀態下成流體，而在低溫時則會固化成形，例如尼龍、PMMA、及PS(如ABS)等材質。蠟是另一種具有此種可固化特性的材料。蠟及熱塑性高分子材料可用於製造精密鑄造(如失蠟鑄造)用的模型(蠟型)(patterns)。
另一種型態的可固化材料可以是糊狀材料。糊狀材料為固體顆粒與液態載體的混合狀態。例如在傳統的金屬粉末射出成型製程中，金屬粉末混合在加熱過的蠟與聚合物的流體載體中，一齊被射入模具中，冷卻後成為固體毛胚。隨後以化學侵蝕或燃燒方式除去固體毛胚中的蠟與聚合物，留下的金屬粉末毛胚可經燒結固結以增加其強度。
糊狀材料的另一例為陶瓷漿料，陶瓷漿料為微細的陶瓷粉末搭配水及黏合劑混合而成。陶瓷漿料可以前文所述的方式佈料成形。如瓷漿的流動性較高、黏度較小，可以射出方式佈料；如瓷漿的流動性較低、黏度較大，則可以擠出方式佈料。更佳地，可在佈料的同時，以熱空氣吹過佈料上，加速陶瓷漿料的乾燥過程，如此可形成陶瓷粉末毛胚。陶瓷粉末毛胚可再經燒結而固結。
糊狀材料的又一例為混凝土漿料，以建構出水泥部件。
另外一種型態的可固化材料可以是玻璃。玻璃可利用壓力與溫度的調整使其熔融，以擠出方式佈料，藉由控制溫度方式使其固化成形。
本發明的另一形式為塗佈一粉粒狀的可結合材料，並對其施以一結合處理，使粉粒狀的材料於基座上固結成一體。例如金屬或塑膠粉末皆是粉粒狀的可結合材料，可用雷射或電弧焊熱局部加熱為結合處理，使粉末顆粒部份或全體融熔，當材料離開局部加熱區後，粉末冷卻固結成一體。結合處理的另一例是另對粉末噴塗黏著劑，將其固結成一體。例如用於金屬粉末射出成型或陶磁粉末成型等傳統製程的添加黏著劑可用於固結金屬粉末或陶磁粉末。
實施成形的裝置包含一個具有多個獨立自由度的運動機構裝置，使佈料系統對基座在空間中產生3D曲線軌跡，還包含出料的佈料頭，又可包含微分成形機構，此外還包含能調整進料速度的供料系統及能調控環境條件的環境調控系統。在製程與軟體程序方面包括之前提及的成形程序、幾何資料分解重組的程序、產生成形參數與製程參數的程序、與控制佈料頭及微分成形機構的動作的程序、及控制機台產生3D曲線軌跡的程序。以下敘述具體實施的裝置及相應的操作方法。
實施例：具有兩個出料方向且可調整出料開口尺寸的佈料頭
先前技術中一個佈料頭僅有一個出料開口，且開口出料方向是也只有一個。藉由調整佈料頭本身的座向，可以改變佈料出口相對於基座或機台的角度與姿態，因而可以塗佈產生臥式(水平)的帶狀材料或立式(垂直)的帶狀材料。能夠在水平及垂直兩個方向佈料有助於增進佈料成形的操作彈性，因為使用不同角度的帶狀材料可以快速組合成一3D物件，如圖2之例所示。如果佈料頭不必調整本身的座向就可以產生臥式或立式的帶狀材料，則可以減少機台所需的自由度、簡化機台操作、增加佈料組合成3D物件的幾何組合上的彈性。
本發明的異向雙出口佈料頭包含兩個相連通到同一材料腔、但出料開口的長邊互成大致垂直方向的佈料出口，一個出口可用於在水平方向塗佈產生臥式的帶狀出料，另一個出口可用於在垂直方向塗佈產生立式的帶狀出料，兩個佈料出口分別由獨立的閘門機構管制開關。
圖5示異向雙出口佈料頭的結構與操作之例一。如圖5(a)示，材料腔404H包含兩個側牆(右側牆404H1與左側牆404H2)、兩個閘門元件(水平閘門元件404H4與垂直閘門元件404H5)及一個夾在兩個側牆間的上部結構404H3。被這兩個側牆、兩個閘門元件及上部結構所侷限的空間為材料腔室 404H10，其上方開口為材料供應單元(未畫出)送入材料的入口406。該材料供應單元供應材料到該材料腔室，並可調節供料速率以配合出料流率的變化。閘門機構包含水平閘門元件與垂直閘門元件，水平閘門元件404H4控制一長邊在水平方向的出料口，垂直閘門元件404H5則控制一長邊在垂直方向的出料口。圖5(a)所示為兩個閘門皆關閉的情形。如圖5(b)、5(c)所示，當水平閘門元件404H4向逆時針方向移動並轉動時，就開啟水平方向出料口405H。水平方向出料口的長邊405Ha係呈水平方向。當水平閘門元件移動到不同位置，塗佈的帶狀出料451會在水平方向呈現不同的寬度，如圖5(b)、5(c)中712a、712b兩處所示。如圖5(d)、5(e)所示，當垂直閘門元件404H5向上移動時，就開啟垂直方向出料口405V。垂直方向出料口的長邊405Va係呈垂直方向。同樣地，當垂直閘門元件移動到不同位置，塗佈的帶狀出料451呈立式矮牆狀，並在垂直方向呈現不同的高度，如圖5(d)、5(e)中713a、713b兩處所示。
如圖5所示之例，垂直方向與水平方向兩出料口相連並通往同一個材料腔室404H10。兩個閘門元件分別獨立管制兩出料口的開關。兩個閘門也可同時打開，塗佈出一條帶狀材料，如圖5(f)所示。圖5(f)示佈料頭正將一段立式帶狀出料451b塗佈到另一段立式帶狀材料的上緣，進行垂直向的縫合成形。此情況下，佈料時同時開啟水平方向出料口可以增加接觸面積，有助上下帶狀材料縫合。
材料腔404H組合時，使用螺絲及外加鎖附結構(未畫出)使兩個側牆與兩個閘門元件之間以及水平閘門元件的上端404H41與上部結構404H3的下緣404H31之間保持適度的接觸壓力，使腔內流動性材料自接觸面間洩漏的量極小，但同時使兩個閘門元件可以移動。
水平閘門元件採轉動方式開關，而非水平線性移動，這樣可以顯著縮小材料腔下端的長度。如圖5(c)示水平閘門元件404H4全開的情形，此時 材料腔下端的長度僅比水平方向出料口405H的長度多一點。如此可以減少佈料頭與成形物件碰撞的機會。理想上，水平閘門元件開關時其下端404H42應該沿水平方向出料口的長邊405Ha呈直線運動。但如果水平閘門元件的轉動是繞一固定軸，則其下端404H42必定會呈圓弧形運動。因此水平閘門元件宜採行一轉動加平移的移動方式。
圖6示一水平閘門開關機構，可以達成上述的理想移動方式。首先，由於兩個側牆間的間距很小，因此驅動兩個閘門的機構係置於兩個側牆之外(右側牆404H1之外)。水平閘門元件404H4有一手把部404H43經由一L形結構461與右側牆404H1之外的直柱462連結成一體。手把部404H43、L形結構461與直柱462形成一U形結構，右側牆404H1則位於U形結構之中。水平閘門元件404H4的運動是緊貼右側牆404H1的內面。因上述U形結構是連結成一體的結構，使直柱462在一與右側牆平行的平面上運動就可以驅動水平閘門元件產生完全相同的運動。因此，可將驅動機構置於側牆之外驅動直柱462，即可控制水平閘門的開關。
直柱462的下端462經一轉軸466連接到一橫樑467的一端，而橫樑467的另一端連接到一轉軸468，轉軸468則固定於一基板460上。直柱462的上端則連接到一軸463，軸463則位於基板460上的曲線形限位槽464內。亦即，直柱462與橫樑467構成一2連桿機構，其一端的轉軸468固定在基板上，另一端軸463在限位槽464內。基板460與右側牆404H1平行，兩者皆固定於佈料頭上。限位槽464限制軸463在基板上的軌跡為465，軌跡465的曲線形狀與材料腔內的上部結構404H3的下緣404H31曲線形狀相同，並且兩者對齊。又軸463的軸心463a對齊水平閘門元件的上端404H41。因此，推拉軸463時，在限位槽464限制下，水平閘門元件的上端404H41會緊貼並沿著上部結構404H3的下緣404H31移動。同時，基於2連桿機構(直柱462與橫樑467)的作用，軸463在限位槽軌跡465上每一不同的位置會對應水平閘門元件一個不同的角度， 亦即不同的出料口開口尺寸，而且這些位置、角度在運動學上皆是確定的(kinematically determinate)。最後，適當設計上部結構的下緣404H31(及限位槽軌跡465)的曲線形狀，使水平閘門元件轉動開啟時，其位置同時略微上升，則可以使其下端404H42沿出料口的長邊405Ha呈直線運動。
另外，當水平閘門元件轉動開關時，宜使材料腔室404H10的內容積(體積)大致保持恆定，以避免關門時擠出材料或開門時造成內部空泡等現象，會影響出料流率的控制。例如，設計時使軸463到轉軸466間的距離對水平閘門元件的全長(上端404H41到下端404H42)呈適當的比例，則可使材料腔室的內容積大致保持恆定。
圖7示異向雙出口佈料頭的結構與操作之例二。此例與圖5之例一之不同在水平閘門的結構與操作方式。圖7的水平閘門元件404H4靠近下端有一水平部分404H43a，位於右側牆404H1與左側牆404H2的下緣之間，當水平閘門元件404H4沿水平方向(x方向)移動時，可以開關水平閘門。如圖7(a)示水平閘門關閉時，圖7(b)示水平閘門接近全開時的情形。
圖5與圖7之例在垂直方向使用單片閘門元件，可以調整垂直出料的高度，但垂直出料的寬度則大致固定。若使用多片相疊但可獨立滑動的閘門元件，則可以調整出料的寬度。圖8示此一調整出料口開口尺寸的設計實例。與圖5相較，此例的垂直方向閘門使用多片相疊但可獨立滑動的閘門元件(404H5a、404H5b、404H5c)。獨立調整各閘門元件的位置可以調整出料口產生幾個不同的出料寬度。如圖8所示，一個閘門元件從關到開可以使出料口開口截面積產生數倍的變化。例如開口寬度為1mm，最大開口長度為5mm，則開口截面積的變化至少可以從1mm2到5mm2。使用3個可獨立滑動的閘門元件，則開口截面積的變化至少可以從1mm2到15mm2。水平閘門也可以採用相同原理，使用多片相疊但可獨立滑動的水平 閘門元件，可以調整水平出料的厚度。
圖9示調整出料口開口尺寸的另一設計實例，用以塗佈線狀材料。圖9示佈料頭前端的放大圖，水平閘門元件404H4的前端(下端)404H42靠左側牆404H2部分的上邊緣有一凹槽特徵404G20。當水平閘門元件404H4與垂直閘門元件404H5全關時，此一凹槽特徵與左側牆404H2的內壁形成一噴嘴(或擠出孔)結構，材料可以從材料腔室404H10以此凹槽特徵為流道流到出口405G，而擠出成線狀材料。此時基本上就與現行FDM法的佈料方式相同。因此，本技術所具備的彈性實包含現行的FDM法。假設凹槽特徵404G20的內徑為0.25mm(與一般FDM技術的噴嘴內徑相當)，而出料口全開時開口尺寸為2mm寬、5mm長，則出料口開口截面積的變化最大可達200：1。
另外，雖然圖5之例的兩個出料口角度安排為垂直方向與水平方向，但實施上也不一定要相互垂直，仍然能達到佈料頭不必調整本身的座向就可以產生臥式或立式的帶狀材料的目的。
實施例：熱刮整形裝置與「厚層成形」方法
將多個帶狀出料疊合或縫合成形時，帶狀出料之間難免會有接縫痕跡，影響表面光滑度。材料膨脹或收縮也會影響尺寸精準度。例如圖10(a)示3條立式帶狀出料(451a,451b,451c)在垂直方向上縫合成帶狀出料451。這可以使用如圖2(h)所示的多自由度機台攜載佈料頭以垂直向出料口出料來產生。不過，因為圖5與圖7的佈料頭的佈料出口的邊緣是平直的，每條帶狀出料的表面在垂直方向上也是平直的，如545所指。因此，在垂直方向上，縫合成的表面是多面形，而非如虛線540所示的真曲面。要得到如虛線540所示的真曲面，需要把多餘的材料如546所指、及接縫痕跡上的多餘材料如547處去除。
去除多餘材料可用一整形裝置對佈料成形的材料施行二次修整。由於本發明的佈料成形過程係運用多自由度機台來產生佈料頭與工件(所要成形的物件)間的多自由度相對運動，以整形裝置取代佈料頭將能夠容易地接近、修整工件的大部份表面。理想的做法之一是採用一能更換工具的工具夾持系統，就像CNC工具機上使用的刀具夾持更換系統一樣。另一做法是使用一可動工具台來攜載整形裝置與佈料頭，視需要移動分別使整形裝置或佈料頭接近工件。
圖11示可動工具台之一例，使用一可旋轉工具台505。整形裝置530與佈料頭401分別裝在可旋轉工具台上不同位置，視需要轉動可旋轉工具台，使整形裝置或佈料頭接近工件。圖11所示係使用圖2(h)的5自由度機台，加裝可旋轉工具台505於Z軸移動平台上，圖11(a)示使用佈料頭時，(b)示使用整形裝置時。
又如果是使用機械手臂式的多自由度運動系統，則可以將整形裝置530裝在佈料頭所在的末端上，然後用最靠近的一個旋轉關節(如B軸)來旋轉變換，如圖12所示。
圖13示可動工具台之另一例，使用一有直線位移能力的工具台506，可以取代圖11中的可旋轉工具台505。工具台506包含一X2軸可移動平台506b，可在其基座506a上直線位移。其基座506a裝於Z軸移動平台上，整形裝置530與佈料頭401間隔一段距離裝在可移動平台506b，如此則整形裝置530與佈料頭401皆可在x-z平面上移動，視需要分別使整形裝置或佈料頭接近工件。此直線位移工具台自然也可以裝於多自由度機械手臂式的前端，視需要轉換佈料或修整工作。
對大多數材料來說，可以用切削工具當作整形裝置。例如使用旋轉的銑刀，特別是球頭端銑刀，可以配合多自由度運動系統(機台)， 描溯(trace)並切削各種形狀的表面。
對熔點較低的材料(如熱塑性塑膠或蠟)來說，可以使用一加熱工具當整形裝置，以熱刮的方式修整成形後的材料或改善其表面光滑度。此製程類似切削，但此熱刮工具不必持續高速旋轉，而材料表面受熱後更易於變形、修整。
最簡單的熱刮工具可以是一可加熱升溫的圓柱直棒。不過，如果要修整曲面，並且希望減少熱刮行程的總次數，則熱刮工具需要能夠配合工件表面不同位置的表面曲率，以增大每次熱刮的接觸寬度。圖14示能調整並適應不同的曲面的熱刮工具之一例，其工作原理係採用一彎曲構件，轉動此彎曲構件可使其上不同部位與塗佈的材料接觸產生不同的曲率，以滿足所需之曲率變化。此熱刮工具531包含一曲棒532、與曲棒連接的加熱器533、以及一轉動裝置(即「致動器」)534。加熱器加熱曲棒使曲棒成為熱刮棒。轉動裝置可使加熱器與曲棒一體繞轉軸140轉動。以下進一步說明。
圖14(a)示此熱刮工具的側面透視圖，曲棒由端點O點到上方始點P點之間彎曲，P點沿平行於轉軸140的方向向下投影到O點所在水平面為P*點。標記點Q標記曲棒的外圓弧面所指方向，以方便說明。圖14(a)中曲棒的外圓弧指向正右方，故P*點在O點正左方。S1示一面向右方並向右方凸出的曲面。在此相對座向關係下，使用熱刮工具熱刮S1曲面時，曲棒532與S1曲面的接觸曲線如C1，其曲率正與圖14(a)之側視視角所見的曲棒的內圓弧532a曲率相同。故此時可以熱刮出與曲棒本身由O點到P點相同的曲率。
圖14(b)示另一面向右方並向右方凸出的曲面S2，此曲面的曲率(彎曲程度)比S1為小。此時可將熱刮工具轉動，如圖中標記點Q(及 P*點)示熱刮工具順時針方向轉動一角度。從圖14(b)視角所見的曲棒的左邊532b的曲率變小了，故此時可以熱刮曲面S2產生曲率較小的曲面。在此相對座向關係下，曲棒532與S2曲面的接觸曲線如C2，係在S2曲面上呈斜向延伸。
圖14(c)示如何熱刮一曲面S3。此時可將熱刮工具由圖14(a)的位置轉動90度，如圖中標記點Q所示。在此視角下，故曲棒本身由O點到P點的彎曲不復可見，曲棒的左邊532c的曲率變為零(及直線)，故可以熱刮曲面S3。而在此相對座向關係下，曲棒532與曲面S3的接觸曲線如C3，係在曲面S3上呈現出曲棒本身由O點到P點的彎曲度。
圖14(d)與圖14(e)示如何熱刮向右方呈凹面的曲面，其情況與圖圖14(b)與圖14(a)類似，只是凹凸相反，熱刮工具角度不同。茲不贅述。
圖15示能調整並適應不同的曲面的熱刮工具之另一例，其工作原理係使用一可變形構件和一致動器以改變此構件之曲率。熱刮工具主要由上下兩片可撓曲的薄板(即「可變形構件」)構成。此兩個可撓曲薄板可以是單一U形薄板420A1的兩個部份(420A1a、420A1b)，參考圖15(a)。兩個握持部(420A2、420A3)分別連接兩個可撓曲薄板之兩端，並以一樞軸420A4(即「致動器」)相連接。如圖15(b)所示，當兩個握持部依1501方向張開時，兩個薄板(420A1a、420A1b)向內彎曲以形成凹面。由圖15(c)所示，當兩個握持部依1502方向靠近時，兩個薄板(420A1a、420A1b)則會向外彎曲形成凸面。兩個薄板表面的曲率大小可藉由調整兩個握持部的開閤程度來調控。兩個握持部的開閤可以使用適當的致動裝置，例如兩個同軸但旋向相反的渦齒輪(圖中未示出)。加熱裝置則可以加裝到握持部的側方(圖中未示出)。
使用上述熱刮工具，便可以修整不同曲率的表面。加熱後軟化或熔化的多餘材料由熱刮工具刮除製件表面，然後可以用海綿或棉布等清潔移除。如圖10(b)示一曲棒形式的熱刮工具531正在修整第3層材料。
運用上述的整形裝置，本發明還包含一「厚層成形」方法，此法在每層先以佈料頭塗佈層厚較大的材料，然後使用整形裝置修整材料的表面，每層皆如此交互進行，逐層成形，可以快速產生有光滑曲面的物件。此方法的逐層佈料方式與FDM法近似，但每層厚度(高度)要大得多，故總層數較少，成形速度快。整形裝置則用來修整每層內的垂直方向上的曲率、形狀。在傳統的FDM製程中，層厚必須要小，才能在垂直方向上(即積層的方向上)產生形狀的變化。但使用整形裝置則可以在一定程度內一次修整更大的厚度，故能使用厚層，加快成形速率。當一層的佈料成形及修整完成後，新一層材料即塗佈於其上，然後用整形裝置修整新一層材料的表面及其與前一層間的接縫，去除多餘材料，並使表面光滑。如此逐層反覆實施向上成形，在過程中除了正在成形的最上一層外，其下方各層都是經過修整完成的，佈料頭與整形裝置最多只需向下伸約1到2層的距離，降低與已完成的部份碰撞的機會。
圖16(a)-(f)以3層帶狀出料結構及使用熱刮工具531為例說明「厚層成形」方法。首先，佈料頭塗佈第1層(451a)與第2層(451b)，如圖34(a)所示。接著，熱刮整形裝置修整第1層與第2層，如圖34(b)。然後佈料頭塗佈第3層，如圖34(c)。接著，熱刮整形裝置修整第3層與第2層，如圖34(d)。此時，因第2層已於前一修整步驟修整完成，故此一步驟主要是刮除第3層的多餘材料與2、3層間接縫的痕跡。如之前圖16解釋，使用一可旋轉的曲棒可以調整其與材料表面接觸的曲率，包含不同曲率的凸面及凹面以及平面。如圖34(e)示用曲棒的另一側修整3層曲面結構的凹面。
上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
例如所述實施例係以製作一般尺寸之零件或模型為例，故舉佈料口開口尺寸為毫米數量級。但如遇需要製作大型零件或模型，前述之佈料口開口及閘門元件上的凹槽特徵之尺寸自然應隨之放大。
又如圖14所示曲棒之形狀與尺寸也可視要製作的零件或模型性質調整，只要是使用一曲棒的轉動來產生所需要的不同的熱刮曲率，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
又如所述「厚層成形」方法，其所謂「厚層」係指一層佈料的厚度內的垂直方向上需要有曲率、形狀變化時，此厚度即可謂厚層，可用整形裝置來修整每層內的曲率、形狀。因此所謂「厚層」也係相對於製件大小及形狀而言，而非一絕對標準之尺寸。
401M:佈料頭
405V，405H:出料口
451:帶狀出料

Claims (12)

  1. 一種製造3D物件的系統，包含：一異向雙出口佈料頭，用於塗佈一材料以製造一3D物件，該異向雙出口佈料頭包含分佈方向不同的二佈料出口，可以獨立分別向兩個不同方向出料；一材料供應單元，用於供應該材料給該異向雙出口佈料頭；一基座，用於承載塗佈該材料與該3D物件；一運動機構裝置，用於使該異向雙出口佈料頭對該基座在空間中依照一預定的軌跡產生一相對運動；以及一整形裝置，用於修整塗佈成形後的該材料，將多餘的該材料去除。
  2. 如請求項1所述之製造3D物件的系統，其中該異向雙出口佈料頭更包括一材料腔室，其中該異向雙出口佈料頭的該二佈料出口相互連通到該異向雙出口佈料頭內的該材料腔室；該材料供應單元供應該材料到該材料腔室，並可調節供料速率以配合出料流率的變化；該二佈料出口分別包含可以使出料口尺寸連續變動的一閘門機構，可以獨立調節該二佈料出口的截面的尺寸，以塗佈寬度不同或寬度連續變動的帶狀之該材料。
  3. 如請求項2所述之製造3D物件的系統，其中該些閘門機構之一更包括至少一閘門元件，該閘門元件更包含一凹槽特徵， 當該閘門元件完全閉合時，該凹槽特徵及該異向雙出口佈料頭之內壁形成一噴嘴結構，以用於塗佈線狀及點狀之該材料。
  4. 如請求項2所述之製造3D物件的系統，其中該些閘門機構之控制方向包含該二布料出口之厚度方向及寬度方向，其中寬度方向可利用複數個閘門元件相互推疊但個自獨立作動，以調整該出料口之尺寸。
  5. 如請求項2所述之製造3D物件的系統，其中：該二佈料出口之一包含一水平出料口，該水平出料口之開口的長邊與水平方向大致平行；該些閘門機構之一包含一水平閘門機構，該水平閘門機構包含一水平閘門元件，該水平閘門元件於該材料腔室內呈大致垂直向的配置，該水平閘門機構開關時該水平閘門元件行轉動加移動的運動模式使該水平閘門元件下端沿該水平出料口之開口的長邊直線運動，且保持該材料腔室的內部容積大致恆定，以調節出料的截面的尺寸及保持穩定出料。
  6. 如請求項5所述之製造3D物件的系統，其中：該水平閘門元件為構成該材料腔室之結構之一部份；該水平閘門機構包含：一U形結構與該水平閘門元件連結成一體；以及一二連桿機構包含該U形結構，該二連桿機構之一端固定只能轉動，另一端運動由一限位槽所侷限。
  7. 如請求項1所述之製造3D物件的系統，更包括：一可動工具台，該異向雙出口佈料頭與該整形裝置皆裝置於 其上，可以視需要轉換位置分別接近該3D物件進行佈料或修整工作。
  8. 如請求項7所述之製造3D物件的系統，其中該整形裝置包含一熱刮工具，藉由該熱刮工具與塗佈成形後的該材料相接觸，使多餘的該材料軟化後將之去除。
  9. 如請求項8所述之製造3D物件的系統，其中該熱刮工具包含一彎曲構件及一致動器，該致動器轉動該彎曲構件可使其上不同部位與該材料接觸時產生不同的曲率。
  10. 如請求項8所述之製造3D物件的系統，其中該熱刮工具包含一可變形構件及一致動器，該致動器可調整該可變形構件之曲率。
  11. 如請求項1所述之製造3D物件的系統，其中該運動機構裝置具備至少4個運動自由度。
  12. 一種製造3D製件的方法，其係利用如請求項1~11中任一項所述之製造3D物件的系統，其包含：使用一受熱後有流動性的一可固化材料在一基座上逐層累積材料成為一3D製件，該可固化材料可於一預定溫度固化；以及在累積一層材料時，先以一運動機構裝置使一佈料頭對該基座在空間中依一預定的佈料軌跡產生相對運動，同時該佈料頭塗佈該可固化材料成一厚層，然後使用一整形裝置對該基座在空間中依一預定的整形軌跡產生相對運動，修整該厚層的材料的表面，去除多餘材料並改進表面光滑度，然後累積下一層材料，重複以上的步驟，直到完成該3D製件； 其中該厚層係指一層佈料的厚度內的垂直方向上需要有曲率、形狀變化；其中該整形裝置包含一熱刮工具，所述修整該厚層的過程包含該熱刮工具依該預定的整形軌跡運動並與該厚層及該厚層下方緊鄰的至少另一該厚層接觸、局部加熱軟化材料後去除該預定的整形軌跡以外的多餘材料，該熱刮工具包含一可調整與材料接觸的接觸面在積層方向上的曲率形狀的機制，以使修整過的該厚層的側表面在積層方向上有正確連續且平滑的形狀。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120304449A1 (en) * 2011-06-02 2012-12-06 A. Raymond Et Cie Component with a passageway made by three-dimensional printing
TW201632345A (zh) * 2014-11-29 2016-09-16 國立清華大學 彈性變向佈料高速3d成形技術
CN110421837A (zh) * 2019-08-05 2019-11-08 华育昌(肇庆)智能科技研究有限公司 双色3d打印机
CN111376475A (zh) * 2018-12-27 2020-07-07 精工爱普生株式会社 三维造型装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109703017A (zh) * 2019-01-23 2019-05-03 河北工业大学 一种双臂协同3d打印机器人

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120304449A1 (en) * 2011-06-02 2012-12-06 A. Raymond Et Cie Component with a passageway made by three-dimensional printing
TW201632345A (zh) * 2014-11-29 2016-09-16 國立清華大學 彈性變向佈料高速3d成形技術
CN111376475A (zh) * 2018-12-27 2020-07-07 精工爱普生株式会社 三维造型装置
CN110421837A (zh) * 2019-08-05 2019-11-08 华育昌(肇庆)智能科技研究有限公司 双色3d打印机

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