三維系統的材料檢測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明是有關于一種三維系統，且特別是有關于一種具有用來獲得建造材料擠出量的三維系統的材料檢測裝置。
【背景技術】
[0002]隨著計算機輔助制造(computer-aidedmanufacturing, CAM)的進步，三維(3-D)打印技術已發展于制造業中，并可進而根據原始設計概念迅速地制造產品。實際上，三維打印是一系列快速成型(rapid prototyping, RP)技術的一般通稱，且其基本原理和概念是層壓式制造，其中快速成型機用于通過掃描而在X-Y平面中形成工件的橫截面形狀，在Z座標中以層厚度間隙性地移位，且最終形成三維物體。三維打印技術可無限制地適用于各種幾何形狀的印制上，且RP技術可特別針對復雜的部件，產生優良的印制結果，而顯著地節省了工作和處理時間。因此，數字三維打印技術能夠根據最短的時間要求呈現通過計算機輔助設計(computer-aided design, CAD)軟件設計的數字三維模型的物體，以讓用戶觸摸并實際感覺模型的幾何結構，乃至對模型進行一些可能的功能測試。
[0003]然而，在目前使用可重復充填的容料筒的三維打印裝置中，打印裝置的塑性材料的使用或剩余的量往往難以定義或掌控，甚至可能是完全地無法檢測。此外，目前仍不存在可即時同步地通知三維打印裝置的建造材料的使用或剩余量的系統或裝置。因此，每當欲確認打印頭里的建造材料是否足夠，或是檢測打印頭內的建造材料的噴涂或是剩余量時，需將打印頭從打印模塊上拆卸下來。目前打印頭的拆卸過程往往需耗費大量的時間和人力以及可觀的成本。因此，就某種程度而言，目前的三維打印制程就維護與設備操作來說仍是昂貴且不方便操作。
【發明內容】
[0004]本發明提供一種三維系統的材料檢測裝置，其可在不需將打印容料筒從打印模塊上拆卸下來的情況下檢測打印頭或容料筒內用來打印的建造材料的使用或剩余量。
[0005]本發明的一種三維系統的材料檢測裝置經配置以在基座上以建造材料逐層地形成三維物體。三維系統的材料檢測裝置包括支架、打印頭、第一活塞、第二活塞、第一檢測單元以及第二檢測單元。此外，支架包括通孔、定位座以及支撐件。打印頭包括抵靠部、容料筒以及噴嘴，容料筒用以容置建造材料。噴嘴用以從其中擠出建造材料。打印頭可移動地位于該通孔中，以移動于一初始位置與一打印位置之間，當打印頭位于該打印位置時，抵靠部抵靠支架。第一活塞經配置以沿容料筒的一延伸軸滑動，并且第一活塞驅動打印頭從初始位置移向打印位置。第二活塞可滑動地位于容料筒內。第二活塞具有面對噴嘴的一第一側以及相對于第一側的一第二側，并接觸容置于容料筒內的建造材料的一上表面。第一活塞用于往噴嘴的方向推動第二側。第一檢測單元設置于支架，并經配置以檢測第一活塞的一原始位置以產生一初始信號，并且用以作為第一活塞的移動參考位置。第二檢測單元位于打印頭之上。若第一檢測單元檢測到第一活塞位于原始位置，或是第一活塞未與容料筒內的第二活塞接觸，第二檢測單元被驅動。若第一活塞移動至一第一位置以驅動打印頭移動至打印位置，第二檢測單元產生一第一信號。若第一活塞移動至一第二位置以驅動第二活塞接觸建造材料的上表面，第二檢測單元產生一第二信號。控制單元耦接第一檢測單元與第二檢測單元以接收來自第一檢測單元的初始信號，以及來自第二檢測單元的第一信號與第二信號以根據第一位置與第一活塞的第二位置之間的一距離計算建造材料的一擠出量。
[0006]基于上述，三維系統的材料檢測裝置以第一與第二檢測單元來檢測打印容料筒的向下運動。此外，三維系統的材料檢測裝置還包括第一與第二活塞。第一活塞用于觸發第二檢測單元，并且推動第二活塞向下以擠出建造材料。第二檢測單元檢測第二活塞沿容料筒垂直運動的初始與停止位置。通過定義第二活塞的移動距離，可計算建造材料的擠出量，使三維系統可精確的檢測建造材料的即時使用狀況，并且無須將打印頭從三維系統的材料檢測裝置上拆卸下來。
[0007]為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
【附圖說明】
[0008]圖1為根據本發明的一實施例的三維系統的材料檢測裝置的示意圖；
[0009]圖2為根據本發明的一實施例的三維系統的材料檢測裝置的部分剖面示意圖；
[0010]圖3A、3B、3C為根據本發明的一實施例示出的三維系統的材料檢測裝置的檢測過程;
[0011]圖4為根據本發明另一實施例的三維系統的材料檢測裝置的示意圖；
[0012]圖5為根據本發明一實施例的容料筒的透視圖。
[0013]附圖標記說明:
[0014]30:建造材料；
[0015]100:材料檢測裝置；
[0016]110:支架；
[0017]112:定位座；
[0018]114:支撐件；
[0019]115:通孔；
[0020]116:彈簧帽；
[0021]118:上推彈簧；
[0022]120:打印頭；
[0023]122:容料筒；
[0024]124:噴嘴；
[0025]126:抵靠部；
[0026]130:第一活塞；
[0027]132:第一活塞推桿；
[0028]134:第一活塞頭；
[0029]140:第二活塞；
[0030]142:第一側；
[0031]144:第二側；
[0032]150:第一檢測單元；
[0033]160:第二檢測單元；
[0034]170:樞軸；
[0035]180:控制單元；
[0036]195:線性電機；
[0037]200:基座；
[0038]Al:延伸軸；
[0039]Dl:距離；
[0040]h1:第一位置；
[0041]h2:第二位置；
[0042]Pl:初始位置；
[0043]P2:打印位置；
[0044]Rl:旋轉方向。
【具體實施方式】
[0045]有關本發明的前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考附圖的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」、「后」、「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，而并非用來限制本發明。并且，在下列各實施例中，相同或相似的元件將采用相同或相似的標號。
[0046]圖1為根據本發明的一實施例的三維系統的材料檢測裝置的示意圖。請參考圖1，在本實施例中，三維系統適于用來根據數字三維模型信息打印三維物體(未示出)。在本實施例中，三維系統的材料檢測裝置100經配置以讀取數字三維模型信息，其中數字三維模型信息可為數字三維圖像檔，其可通過使用例如是計算機輔助設計(computer-aideddesign, CAD)或是動畫模型軟件的電腦主機來構建。
[0047]此外，三維系統的材料檢測裝置100可移動地設置于基座200的上方，并且經配置以沿著滑軌(未示出)前后滑動。除此之外，基座200也可相對于三維系統的材料檢測裝置100移動。三維系統的材料檢測裝置100經配置以讀取及處理數字三維模型信息，并且控制三維系統的材料檢測裝置100與基座200的移動。因此，三維系統的材料檢測裝置100被配置以在其移動期間，逐層地涂布建造材料30 (示于圖3A)于基座200上，以形成多層的層壓材料層(laminated material layer)，其中層壓材料層相互堆疊以形成三維物體。
[0048]圖2為根據本發明的一實施例的三維系統的材料檢測裝置的部分剖面示意圖。請參考圖1與圖2，三維系統的材料檢測裝置100可包括支架110、至少一打印頭120、第一活塞130、第二活塞140、第一檢測單元150、第二檢測單元160以及控制單元180。支架110包括對應打印頭120的至少一通孔115、定位座112以及支撐件114。打印頭120可移動地且可拆卸地位于通孔115中，以使打印頭120經配置以在初始位置Pl (示于圖3A)及打印位置P2(示于圖3B)之間移動。打印頭120可包括抵靠部126、容料筒122以及噴嘴124，容料筒122用以容置建造材料30，而噴嘴用以從其中擠出建造材料30。在本實施例中，抵靠部126抵靠于支撐件114。第一活塞130可包括第一活塞推桿132以及第一活塞頭134。第一活塞推桿132連接于第一活塞頭134以驅動第一活塞頭134向下移動。第一活塞130經配置以沿著容料筒122的延伸軸Al滑動，并且驅動打印頭120由初始位置Pl向打印位置P2移動。第二活塞140可滑動地位于容料筒122內，其中第二活塞140可具有相對配置的第一側142與第二側144。第一側142面向噴嘴124，并且接觸容置于圖1所示的容料筒122內的建造材料30的上表面，其中第一活塞130用于往噴嘴124的方向推動第二活塞140的第二側144。在本實施例中，第一側142可例如呈圓錐狀，而第二側144可為平坦的表面。然而，本發明不限于此，第二活塞140也可采用其他適合的形狀。第一檢測單元150可設置于支架110上，以檢測如圖1所示的第一活塞130的一原始位置，其中第一活塞130的原始位置可作為第一活塞130移動的參考位置。在本實施例中，第一檢測單元150可例如為光中斷傳感器(photo-1nterrupt sensor)。此外，第二檢測單元160可設置于打印頭120的上方。
[0049]圖3A、3B、3C為根據本發明的一實施例示出的三維系統的材料檢測裝置的檢測過程。請參考圖3A至3C，如圖1所示的控制單元180耦接第一活塞130、第一檢測單元150以及第二檢測單元160，其用以控制第一活塞130的移動，并且接收來自第一檢測單元150的初始信號，以及來自第二檢測單元160的第一與第二信號。詳細而言，當第一檢測單元150檢測到第一活塞130如圖3A所示位于原始位置時，或是當第一活塞130未與容料筒122內的第二活塞140接觸時，第二檢測單元160被觸發。此時，打印頭120是位于初始位置Pl。然后，控制單元180控制第一活塞130移動至如圖3B所示的第一位置hl，以帶動打印頭120由如圖3A所示的初始位置Pl移動至如圖3B所示的打印位置P2。當打印頭120位于打印位置P2以逐層地將建造材料30涂布在如圖1所示的基座200上而形成三維物件時，抵靠部126抵靠于支架110。當打印頭120移動至打印位置P2時，抵靠部126抵靠于支架110，并且第二檢測單元160可據以產生第一信號以表示第一活塞130與第二活塞140接觸。當第一活塞130從初始位置Pl移動至打印位置P2時，第二檢測單元160提供第一信號，因此，控制單元180可據此得到第一活塞130已經移動的相對距離。這個來自第一與第二檢測單元150、160的初始信號與第一信號之間的關系顯示目前容料筒120內使用中的材料的初始水平準位。然后，控制單元180驅動第一活塞130持續地移動至如圖3C所示的第二位置h2，并且同時接觸第二活塞140。當第一活塞130被移動至如圖3C所示的第二位置h2時，控制單元180可計算第一活塞130已經移動的距離Dl，也就是第一位置hi與第二位置h2之間的距離，并且可將上述的移動距離Dl與建造材料30的擠出量作關聯計算。
[0050]值得注意的是，當建造材料由噴嘴124擠出以進行三維打印時，第二活塞140將隨建造材料30的上表面移動。因此，在圖3B所示的情況中，當第一活塞130被移動至第一位置hi時，第一活塞130接觸第二活塞140，意指這時第一位置hi是等于第二位置h2，并且第一位置hi與第二位置h2之間的距離Dl為零，也就是這時建造材料30的擠出量為零。換句話說，此時建造材料30充滿于容料筒122中，并且尚未從噴嘴124中擠出。
[0051]除此之外，請再參考圖3A，定位座112經配置以支撐與定位打印頭120于通孔115中。打印頭120可拆卸地設置于定位座112中，其中定位座112可由彈性構件或是彈性材料所組成。在本實施例中，定位座112的彈性構件可緊壓并鎖固打印頭120，以將打印頭120固定于支架110上。將定位座112配置于支架110上使得打印頭120可以簡單且快速的方式來定位與更換，而不需使用任何的螺鎖件來固定。因此，使用者可快速地將打印頭120從支架110上拆卸下來，因而可大幅地減少使用者花費在更換容料筒的時間。因此，就人力與時間的花費而言，本實施例的三維打印裝置的打印效率可大幅地提升。
[0052]圖4為根據本發明另一實施例的三維系統的材料檢測裝置的示意圖。請參考圖1、圖3A、圖3B與圖4，在本實施例中，彈簧帽116以及上推彈簧118可位于抵靠部126與支架110之間。因此，當第一活塞130驅動打印頭120移動至打印位置P2以執行打印工作時，可壓縮上推彈簧118，并使其產生彈性恢復力。當打印頭120未執行打印工作時，上推彈簧118將打印頭120由打印位置P2恢復至初始位置Pl。在本實施例中，所配置的打印頭120與通孔115的數量如圖4所示為多個。打印頭120互相平行地排列，且可移動地位于對應的通孔115中。此外，三維系統的材料檢測裝置100可進一步包括與支架110連接的樞軸170 (示于圖4)。控制單元180耦接至樞軸170以控制支架110沿樞軸170繞轉，以將打印頭120的其中之一轉換至與第一活塞130對齊排列的位置。當樞軸170轉動支架110以轉換打印頭120時，被轉動至與第一活塞130對齊的打印頭120便被推動至打印位置P2以執行打印工作。其他那些未對齊于第一活塞130的打印頭120則可通過上推彈簧118回復至初始位置Pl。初始位置Pl的垂直高度高于打印位置P2，使得其他的打印頭120不會干涉或妨礙在打印制程中的打印頭120，以避免弄臟或損壞打印物件。另一方面，當打印頭120的其中之一在進行打印時，在打印中的打印頭120需要向下移動至適當的打印高度，以擠出建造材料30并且執行打印制程。在本實施例中，線性電機195可經配置以連接第一活塞130，以驅動第一活塞130帶動打印頭120向下移動。此外，線性電機195可耦接至控制單元180以驅動第一活塞130克服上推彈簧118的彈性恢復力，并將打印頭120向下移動至打印位置P2。
[0053]圖5為根據本發明一實施例的第二活塞位于打印容料筒內的透視圖。請參考圖1、圖3C及圖5，第二活塞140可滑動地位于容料筒122內。第一檢測單元150位于打印頭120的一側以檢測第一活塞130的原始位置，并作為控制單元180計算第一活塞130移動距離的參考位置。建造材料30可充填于容料筒122內，并經由噴嘴124擠出。此外，例如是橡膠等的緩沖材料(未示出，其為選擇性構件)可設置于第二活塞140的第二側144，以作為第一活塞130與第二活塞140之間的緩沖。當第二活塞140被充填在容料筒122內的建造材料30推升時，第二活塞140的第二側144可被用來作為定義第二活塞140的垂直位置的檢測表面。換句話說，第二活塞140的第二側144的不同位置間的相對距離可用以定義第二活塞140的移動距離。此外，依據建造材料30的材料特性不同，可選擇性地配置加熱元件(未示出)以對容料筒122或整個打印頭120進行加熱，以持續地融化建造材料30成為液態流體。
[0054]請再參考圖4，在本實施例中，樞軸170是沿著打印頭120的旋轉軸配置，以例如沿著旋轉方向Rl旋轉打印頭120。雖然圖4中示出了三個打印頭，但是本發明并不限制于此，打印頭120的數量可依實際應用需求作調整。當打印中的打印頭120的建造材料30用完時，樞軸170可旋轉其中一個打印頭120至對齊第一活塞130的打印位置以替換上述打印制程中所使用的打印頭120。在本實施例中，三維系統的材料檢測裝置100可讓使用者大幅減少重新充填塑性材料30的頻率。由于多個打印頭120彼此互相平行地排列于相同的支架110上，使用者可一次重新充填所有打印頭120的容料筒122，而不用在每次容料筒120內的建造材料30用完時，即立即更換并充填打印頭120。因此，本實施例中的三維系統的材料檢測裝置100可大幅的提升三維打印制程的效率。此外，三維打印制程可因此延續較長的時間，而不會因為更換打印頭120的步驟而中斷打印制程。再者，控制單元180可監控并獲得建造材料30的擠出量。換句話說，通過結合多個打印容料筒122于三維系統100的材料檢測裝置100中，可減少打印頭120的更換頻率而獲得可持續更長時間的三維打印行程。此外，打印頭120的容料筒122可以不同形式或顏色的建造材料30充填以執行多材料或多顏色的三維打印制程，同時控制單元180可配置用來協調各種不同建造材料30間的打印制程。
[0055]綜上所述，本發明的三維系統的材料檢測裝置使用第一與第二活塞，伴隨第一與第二檢測單元以精確地計算并獲得建造材料的擠出量。當打印頭被移動到打印位置時，抵靠部接觸支架，并且第二檢測單元據此產生第一信號。此外，控制單元驅動第一活塞持續地移動至第二位置，并且同時接觸第二活塞。當第一活塞被移動至與第二活塞接觸，控制單元由來自第一檢測單元的初始信號，可得到第一活塞的移動。根據來自第一檢測單元的初始信號，以及來自第二檢測單元的第一與第二信號，控制單元可計算在容料筒內的第二活塞的移動距離，并且進一步定義建造材料的擠出量。因此，本發明的三維系統的材料檢測裝置可容易且快速地得到打印頭的建造材料擠出量，并且可省去頻繁地從支架上拆卸打印容料筒的過程。如此一來，三維打印制程的時間與人力耗費可大幅的減少。
[0056]最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。
【主權項】
1.一種三維系統的材料檢測裝置，經配置以將一建造材料逐層成形于一基座上，以形成一三維物件，其特征在于，該三維系統的材料檢測裝置包括: 一支架，包括至少一通孔； 至少一打印頭，包括一抵靠部、一容料筒以及一噴嘴，該容料筒用以容置該建造材料，該噴嘴用以從其中擠出該建造材料，該打印頭可移動地位于該通孔中，以移動于一初始位置與一打印位置之間，當該打印頭位于該打印位置時，該抵靠部抵靠該支架； 一第一活塞，經配置以沿該容料筒的一延伸軸滑動，并且該第一活塞驅動該打印頭從該初始位置移向該打印位置； 一第二活塞，可滑動地位于該容料筒內，該第二活塞具有面對該噴嘴的一第一側以及相對于該第一側的一第二側，并接觸容置于該容料筒內的該建造材料的一上表面，該第一活塞用于往該噴嘴的方向推動該第二側； 一第一檢測單元，設置于該支架，并經配置以檢測該第一活塞的一原始位置以產生一初始信號，并以該原始位置作為該第一活塞的移動參考位置； 一第二檢測單元，設置于該打印頭的上方，其中當該第一檢測單元檢測到該第一活塞位于該原始位置，或是該第一活塞未與該容料筒內的該第二活塞接觸時，該第二檢測單元被觸發，當該第一活塞移動至一第一位置以帶動該打印頭移動至該打印位置時，該第二檢測單元產生一第一信號，當該第一活塞移動至一第二位置以帶動該第二活塞接觸該建造材料的該上表面時，該第二檢測單元產生一第二信號；以及 一控制單元，耦接該第一檢測單元與該第二檢測單元以接收來自該第一檢測單元的該初始信號以及來自該第二檢測單元的該第一信號與該第二信號以根據該第一位置與該第二位置之間的一距離計算該建造材料的一擠出量。2.根據權利要求1所述的三維系統的材料檢測裝置，其特征在于，該控制單元耦接該第一活塞以控制該第一活塞的移動。3.根據權利要求1所述的三維系統的材料檢測裝置，其特征在于，該支架還包括一定位座以支撐并定位該打印頭于該通孔中。4.根據權利要求1所述的三維系統的材料檢測裝置，其特征在于，該至少一打印頭與該至少一通孔的數量皆為多個，并且該些打印頭互相平行地排列，并且可移動地位于該支架上的對應的該些通孔中。5.根據權利要求4所述的三維系統的材料檢測裝置，其特征在于，還包括連接至該支架的一樞軸，該控制單元耦接該樞軸以控制該支架沿該樞軸旋轉，以轉換該些打印頭的其中之一至與該第一活塞對齊的該第一位置。6.根據權利要求1所述的三維系統的材料檢測裝置，其特征在于，還包括位于該抵靠部與該支架之間的一上推彈簧，以將該打印頭由該打印位置恢復至該初始位置。7.根據權利要求6所述的三維系統的材料檢測裝置，其特征在于，還包括一線性電機，其中該線性電機驅動該第一活塞以克服來自該上推彈簧的一彈性恢復力，以推動該打印頭至該打印位置進行打印。8.根據權利要求7所述的三維系統的材料檢測裝置，其特征在于，該第一活塞包括一活塞推桿以及一活塞頭，該活塞推桿連接至該活塞頭，該線性電機驅動該活塞推桿移動，并且該活塞頭用于接觸該第二活塞。9.根據權利要求1所述的三維系統的材料檢測裝置，其特征在于，該第一檢測單元為一光中斷傳感器。10.根據權利要求1所述的三維系統的材料檢測裝置，其特征在于，該支架還包括一支撐件，該抵靠部抵靠該支撐件。
【專利摘要】本發明提供一種三維系統的材料檢測裝置，包括一支架、一打印頭、一第一活塞、一第二活塞、一第一檢測單元以及一第二檢測單元。支架包括一定位座以及一支撐件。打印頭可拆卸地位于該定位座中，并且包括容料筒以及噴嘴，容料筒用以容置建造材料，噴嘴具有用來擠出建造材料的一開口。第二活塞接觸容置于容料筒內的建造材料的上表面。第一活塞用于往噴嘴的方向推動第二活塞。第一檢測單元用于檢測第一活塞的原始位置，并且第二檢測單元用于檢測第二活塞的移動距離，其可提供在容料筒中用來打印的建造材料的使用量信息。
【IPC分類】B33Y50/00, B29C67/00
【公開號】CN105711085
【申請號】CN201410717749
【發明人】張瑞豐, 張家鳴, 克萊德·范德里納·寇德羅
【申請人】三緯國際立體列印科技股份有限公司, 金寶電子工業股份有限公司, 泰金寶電通股份有限公司