TWI585558B - 立體列印方法 - Google Patents

Description

立體列印方法

本發明是有關於一種列印方法，尤其是有關於一種立體列印方法。

自從二十世紀開始，隨著世界經濟競爭的日益激烈化和全球化，產品製造商們越來越需要以最短的時間製造出符合人們消費需求的新產品來搶佔市場。在一九八零年代末出現一種快速成型(Rapid Prototyping，簡稱RP)技術就是在這樣的背景下提出並逐步得以發展的。快速成型技術是一種逐層零件製造工藝，快速成型技術突破傳統的材料變形成型和去除材料成型的工藝方法，使用近乎全自動化的工藝從CAD文件直接生產所需要的模型或模具，可以顯著地減少產品原型的開發時間和成本，極大的提高產品的質量；另外，快速成型技術在製造過程中不需要任何傳統意義上的夾治具、刀具或模具即可製造出任何複雜形狀的零部件。因此，快速成型技術在現代製造業中越來越具有競爭力，有望成為二十一世紀的的主流製造技術。

另一方面，立體列印技術是近似快速成型技術的加法製造技術的一種形式，在加法製造技術中三維對象是通過連續的切層所創建出來的。立體列印技術相對於其他的加法製造技術而言，具有速度快，價格便宜，高易用性等優 點。立體列印機台就是可以「列印」出真實立體物體的一種設備，採用分層加工、疊加成形，即通過逐層增加材料來生成立體的物件實體，與傳統的去除材料加工技術完全不同。另一方面，稱之為「列印」技術是參照了其技術原理，因為分層加工的過程與習知的「噴墨列印」技術十分相似。

目前典型的立體列印技術有：光固化立體造型(StereoLithography Apparatus，SLA)、分層物件製作(Laminated Object Manufacturing，LOM)、選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering，SLS)和熔融沉積造型(Fused Deposition Modeling，FDM)等，其中各種方法具有其自身的特點和適用範圍。

然而，對於目前的立體列印技術而言，列印立體物件時需要增設許多支撐構件來支持立體物件側向延伸而懸空的構形。但是，支撐構件的形成多半需要額外的成本支出，在無形中增加了立體物件製作時的材料成本，造成列印材料的浪費，同時也耗損了大量的製作時間成本。

本發明提供了一種立體列印方法，以解決先前技術所造成的問題。

根據本發明一實施例，其揭露了一種立體列印方法，適用於列印立體物件，立體物件具有本體部以及本體部的側邊延伸出的延伸部，立體列印方法包括以下步驟。獲取關於該立體物件的一立體模型資訊。根據該立體模型資訊，獲取關於該立體物件的在X-Y平面上的一正投影圖檔及關於該立體物件沿Z軸形成的多個切層物件，並產生對應該些切層物件的在X-Y平面上的多個二維圖檔。依序地將每一該二 維圖檔與該正投影圖檔根據彼此對應的邊緣疊加而形成多個列印圖檔，其中每一該列印圖檔定義出一立體成形區及一堆疊支撐區。依序堆疊由成形粉末構成的多個成形粉層，並對應地根據該些列印圖檔，在每一該成形粉層上固化出對應的該立體成形區而共同地形成該立體物件，同時地，在每一該成形粉層上固化出對應的該堆疊支撐區的部分邊緣而共同地形成一第一側牆及一第二側牆，其中該第一側牆與該延伸部的外側緣相隔一第一間距且該第二側牆與該本體部鄰近該延伸部的側緣相隔一第二間距，列印出的該立體物件與該第一側牆及該第二側牆彼此不接觸。

在本發明一實施例中，立體列印方法還包含以下步驟。根據包含最底層的該切層物件的該二維圖檔的該列印圖檔進行列印時，完整地列印出該列印圖檔的該堆疊支撐區而形成一第一底壁。

在本發明一實施例中，該第一底壁具有沿Z軸貫穿的至少一穿孔。

在本發明一實施例中，立體列印方法還包含以下步驟。當該些列印圖檔的其中之一的該立體成形區與其前一層的該列印圖檔的該堆疊支撐區的邊緣部分重疊時，完整地列印其前二層的該列印圖檔的該堆疊支撐區而形成一第二底壁。

在本發明一實施例中，立體列印方法還包含以下步驟。以具有第一光訊號強度的第一雷射燒結地列印每一該立體成形區並以具有第二光訊號強度的第二雷射燒結地列印對應的該堆疊支撐區。

在本發明一實施例中，該第一光訊號強度大於該第二光訊號強度。

在本發明一實施例中，該第一雷射或該第二雷射 的光束尺寸為1μm至1mm之間。

在本發明一實施例中，每一該第一間距的最短直線距離等於每一該第二間距。

在本發明一實施例中，每一該第一間距或每一該第二間距的最短直線距離為1μm。

在本發明一實施例中，每一該成形粉層包含一有機粉末或一無機粉末。

本發明實施例的立體列印方法可根據列印圖檔的立體成形區堆疊地列印出立體物件，且在列印立體物件的同時，根據堆疊支撐區列印出的第一側牆及第二側牆結合未被固化的成形粉層可用來支撐列印出的立體物件自本體部向外延伸的延伸部。因此，根據堆疊支撐區列印出的第一側牆及第二側牆來輔助列印出的立體物件使其順利完整的成形的立體列印方法，可提高立體列印方法在使用上及操作上的便利度。此外，由於本實施例的立體列印方法僅在成形粉層上燒結列印第一側牆及第二側牆，未被固化的成形粉層可在立體物件列印完成後，藉由移除第一側牆及第二側牆而可再次被收集利用於其他的立體物件的立體列印製程上，使得使用本實施例的立體列印方法來製作立體物件可具有較好的使用操作便利性，同時，未被固化的成形粉層還可再次利用，避免了成形粉層的材料浪費，進而可降低列印立體物件所需的生產成本。

100‧‧‧立體列印方法

110~140‧‧‧步驟

200‧‧‧立體物件

210‧‧‧本體部

220‧‧‧延伸部

300‧‧‧列印圖檔

310‧‧‧立體成形區

320‧‧‧堆疊支撐區

322‧‧‧部分

324‧‧‧區域範圍

400、500‧‧‧立體列印裝置

402‧‧‧成形粉層

410‧‧‧列印平台

420‧‧‧第一側牆

422‧‧‧第一間距

430‧‧‧第二側牆

432‧‧‧第二間距

440‧‧‧第一底壁

442‧‧‧穿孔

450‧‧‧第二底壁

為讓本發明之敘述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：圖1係繪示依照本發明一實施例的一種立體列印方法的 步驟流程圖。

圖2係繪示依照圖1的立體列印方法所述的立體物件的立體示意圖。

圖3係繪示依照圖1的立體列印方法所述的其中一列印圖檔的示意圖。

圖4係繪示依照圖1的立體列印方法列印立體物件時的一實施例的示意圖。

圖5係繪示依照圖1的立體列印方法列印立體物件時的另一實施例的示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之各實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本發明。並且，在下列各實施例中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號。

請參照圖1，其繪示依照本發明一實施例的一種立體列印方法100的步驟流程圖。如圖1所示，應先了解到，本實施例所述的立體列印方法可適用於一立體列印裝置，使其立體裝置可利用讀取關於一立體物件的立體模型資訊來列印地複製出相同構形的立體物件，其中立體模型資訊可為一數位立體圖像檔案，其可由一電腦主機透過電腦輔助設計(computer-aided design，CAD)或動畫建模軟體等建構而成，用以供立體列印裝置讀取並依據此立體模型資訊來列印地複製相同構形的立體物件。舉例來說，如圖2所示，本實施例 的立體物件200可具有本體部210以及本體部210的側邊延伸出的延伸部220，但不以此為限。

請回到圖1，本實施例的立體列印方法100包括以下步驟。

步驟110：藉由電腦主機透過電腦輔助設計(computer-aided design，CAD)或動畫建模軟體等建構而獲取關於立體物件的立體模型資訊。

步驟120：根據立體模型資訊，獲取關於立體物件的在X-Y平面上的正投影圖檔及關於立體物件沿Z軸形成的多個切層物件，並產生對應切層物件的在X-Y平面上的多個二維圖檔。應了解到，前述的切層物件相對應的堆疊後即為前述的立體物件的構形。

詳細來說，電腦主機分析立體模型資訊而取得正投影圖檔及數個關於切層物件的二維圖檔。應了解到，前述的二維圖檔可為立體物件沿Z軸模擬分割為多個切層物件後，對於每一切層物件在X-Y平面上所進行的正投影所產生的圖檔。在本實施例中，X-Y平面與Z軸彼此垂直，也就是說，Z軸與X-Y平面的法線彼此平行，但不以此為限。

步驟130：依序地將每一二維圖檔與正投影圖檔根據彼此對應的邊緣疊加而形成多個列印圖檔，其中每一列印圖檔定義出立體成形區及堆疊支撐區。應了解到，立體成形區即為每一二維圖檔中關於對應的切層物件的資訊。因此，立體列印裝置可根據列印圖檔中二維圖檔的資訊而複製切層物件，進一步將對應的切層物件組合而完成立體物件的列印。然而，為了在立體列印過程中，避免立體物件的延伸部懸空，而需要同時地根據列印圖檔中關於堆疊支撐區的資訊來對應的列印出支撐延伸部的支撐構件。

詳細來說，請參照圖3，其係繪示依照圖1的立 體列印方法所述的列印圖檔的其中之一的示意圖。其中，每一列印圖檔300的立體成形區310即為對應的二維圖檔中關於切層物件的正投影資訊，另一方面，列印圖檔300的堆疊支撐區320為每一列印圖檔中對應正投影圖檔的邊緣扣除立體成形區310以外的部分322加上用以堆疊形成後述的第一側牆420及第一間距422(請參照圖4)的區域範圍324。應了解到，本實施例所述的列印圖檔300可為對應圖4中的對應地列印第二個切層物件時立體列印裝置所讀取的列印圖檔300，也就是指自列印平台向上數的第二個切層物件的列印圖檔300，但不以此為限。

步驟140：依序堆疊由成形粉末構成的多個成形粉層，並對應地根據列印圖檔，在每一成形粉層上固化出對應的立體成形區而共同地形成立體物件，同時地，在每一成形粉層上固化出對應的堆疊支撐區的部分邊緣而共同地形成第一側牆及第二側牆，其中第一側牆與延伸部的外側緣相隔第一間距且第二側牆與本體部鄰近延伸部的側緣相隔第二間距，列印出的立體物件與第一側牆及第二側牆彼此不接觸。

詳細來說，可同時參照圖4，在立體列印裝置400的列印平台410上逐層地塗佈成形粉末而形成成形粉層402，並逐一地根據列印圖檔提供的資訊，逐一地在每一成形粉層402上固化出對應的立體成形區而共同地形成立體物件200。在本實施例中，在每一成形粉層上，可使用具有第一光訊號強度的第一雷射燒結地列印每一立體成形區並以具有第二光訊號強度的第二雷射燒結地列印對應的堆疊支撐區，其中第一光訊號強度大於第二光訊號強度，也就是說，本實施例可利用最佳的光訊號強度的雷射來列印立體物件200，同時，以較弱的光訊號強度的雷射來列印用以支撐立體物件200的延伸部210的支撐構件，可節省整體發射雷射的能量，而 可減少列印所需的成本。應了解到，前述的用以支撐立體物件200的延伸部210的支撐構件可為第一側牆420、第二側牆430以及堆疊地沒有被燒結的成形粉層402。

詳細來說，第一雷射或第二雷射的光束尺寸可為1μm至1mm之間；第一雷射列印出的立體物件的解析度可為100dpi以上；第一雷射或第二雷射可為二極體雷射、氣態雷射、光纖雷射、固態雷射或半導體雷射的其中之一或前組合，但皆不以此為限。另外，第一雷射或第二雷射可以連續發射模式(Continuously fusing mode)或脈衝發射模式(Pulse fusing mode)發射，但不以此為限。

進一步的說，對應每一列印圖檔的資訊，在成形粉層402上固化出對應的立體成形區而共同地形成立體物件200時，同時地，在成形粉層402上固化出對應的該堆疊支撐區的部分邊緣(也就是指，包含於堆疊支撐區內用以形成第一側牆420及第二側牆430的部件)，在根據所有列印圖檔的資訊，列印完成所有的切層物件而形成立體物件200時，固化出對應的堆疊支撐區的部分邊緣的部份會共同地形成第一側牆420及第二側牆430，其中第一側牆420與延伸部220的外側緣相隔第一間距422且第二側牆430與本體部210鄰近延伸部220的側緣相隔第二間距432，應了解到，列印出的立體物件200與第一側牆420及第二側牆430彼此不接觸，且第一間距422與第二間距432內填滿未被固化的成形粉末，使得立體物件200在列印完成後可便於自列印平台410上取出。在本實施例中，每一第一間距422的最短直線距離可等於每一第二間距432，另外，每一第一間距422或每一第二間距432的最短直線距離也可為1μm，但不皆以此為限。

進一步的說，在根據包含最底層的切層物件的二維圖檔的列印圖檔進行列印時，也就是指在列印平鋪於列印 平台410上的成形粉層時，可完整地列印出列印圖檔的堆疊支撐區而形成第一底壁440，可增加支撐立體物件200的延伸部220的整體支撐構件的穩固程度及支撐強度。另一方面，在一些實施例中，如圖5所示，第一底壁440還可具有沿Z軸貫穿的穿孔442。當立體物件200列印完成後，移除支撐立體物件200的延伸部220的被燒結形成的支撐構件時，未被燒結列印的成形粉末可自穿孔442排出，以利於成形粉末的收集及再次利用。

另外，當列印圖檔的其中之一的立體成形區與其前一層的列印圖檔的堆疊支撐區的邊緣部分重疊時，也就是，在第一次列印出具有延伸部220的切層物件前，完整地列印包含其第前二層的切層物件的列印圖檔的堆疊支撐區而形成第二底壁450，可進一步再增加支撐立體物件200的延伸部220的支撐構件的穩固程度與支撐強度，同時，在第一次列印出具有延伸部220的切層物件前，關於此切層物件的前一層的切層物件的列印圖檔的堆疊支撐區僅燒結的列印出與立體物件200相隔第一間距422而不與立體物件200接觸的第一側牆420的部份，使得包含延伸部220的切層物件中第一個切層物件被列印出時，可完整地被承載於未被燒結成形粉末舖設形成的成形粉層402上，使得立體物件200的延伸部220在列印時可穩定的承載於支撐構件上，且立體物件200列印完成後還可順利地取下，避免立體物件200與其支撐構件因燒結而不慎黏合所產生無法順利取出成品的問題。

應了解到，每一成形粉層402可包含有機粉末或無機粉末，也就是說，形成成形粉層402的成形粉末可為有機粉末或可為無機粉末，但不以此為限。

由上述本發明實施例可知，應用本發明具有以下優點。本發明實施例的立體列印方法可根據列印圖檔的立 體成形區堆疊地列印出立體物件，且在列印立體物件的同時，根據堆疊支撐區列印出的第一側牆及第二側牆結合未被固化的成形粉層可用來支撐列印出的立體物件自本體部向外延伸的延伸部。因此，根據堆疊支撐區列印出的第一側牆及第二側牆來輔助列印出的立體物件使其順利完整的成形的立體列印方法，可提高立體列印方法在使用上及操作上的便利度。此外，由於本實施例的立體列印方法僅在成形粉層上燒結列印第一側牆及第二側牆，未被固化的成形粉層可在立體物件列印完成後，藉由移除第一側牆及第二側牆而可再次被收集利用於其他的立體物件的立體列印製程上，使得使用本實施例的立體列印方法來製作立體物件可具有較好的使用操作便利性，同時，未被固化的成形粉層還可再次利用，避免了成形粉層的材料浪費，進而可降低列印立體物件所需的生產成本。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，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。

100‧‧‧立體列印方法

110~140‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種立體列印方法，適用於列印一立體物件，該立體物件具有一本體部以及自本體部的側邊延伸出的一延伸部，該立體列印方法包括：獲取關於該立體物件的一立體模型資訊；根據該立體模型資訊，獲取關於該立體物件的在X-Y平面上的一正投影圖檔及關於該立體物件及沿Z軸形成的多個切層物件，並產生對應該些切層物件的在X-Y平面上的多個二維圖檔；依序地將每一該二維圖檔與該正投影圖檔根據彼此對應的邊緣疊加而形成多個列印圖檔，其中每一該列印圖檔定義出一立體成形區及一堆疊支撐區；以及依序堆疊由成形粉末構成的多個成形粉層，並對應地根據該些列印圖檔，在每一該成形粉層上固化出對應的該立體成形區而共同地形成該立體物件，同時地，在每一該成形粉層上固化出對應的該堆疊支撐區的部分邊緣而共同地形成一第一側牆及一第二側牆，其中該第一側牆與該延伸部的外側緣相隔一第一間距且該第二側牆與該本體部鄰近該延伸部的側緣相隔一第二間距，列印出的該立體物件與該第一側牆及該第二側牆彼此不接觸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之立體列印方法，還包含：根據包含最底層的該切層物件的該二維圖檔的該列印圖檔進行列印時，完整地列印出該列印圖檔的該堆疊支撐區而形成一第一底壁。
3. 如申請專利範圍第2項所述之立體列印方法，其中該第一底壁具有沿Z軸貫穿的至少一穿孔。
4. 如申請專利範圍第1項所述之立體列印方法，還包含：當該些列印圖檔的其中之一的該立體成形區與其前一層的該列印圖檔的該堆疊支撐區的邊緣部分重疊時，完整地列印包含其第前二層的該切層物件的該列印圖檔的該堆疊支撐區而形成一第二底壁。
5. 如申請專利範圍第1項所述之立體列印方法，還包含：以具有第一光訊號強度的第一雷射燒結地列印每一該立體成形區並以具有第二光訊號強度的第二雷射燒結地列印對應的該堆疊支撐區。
6. 如申請專利範圍第5項所述之立體列印方法，其中該第一光訊號強度大於該第二光訊號強度。
7. 如申請專利範圍第5項所述之立體列印方法，其中該第一雷射或該第二雷射的訊號光束尺寸為1μm至1mm之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之立體列印方法，其中每一該第一間距的最短直線距離等於每一該第二間距。
9. 如申請專利範圍第1項所述之立體列印方法，其中每一該第一間距或每一該第二間距的最短直線距離為1μm。
10. 如申請專利範圍第1項所述之立體列印方法，其中每一該成形粉層包含一有機粉末或一無機粉末。