三维打印机的制作方法

1.本发明有关于一种三维打印机，且特别涉及应用光敏材料的光固化三维打印机。


背景技术：

2.近年来，三维打印已几乎成为人人耳熟能详的词汇，除了一般入门消费级应用，也有愈多的产业开始将三维打印导入模具样品开发、生产流程及客制化生产，更广泛应用于医疗、交通、建筑、珠宝、牙技等产业。然而，现有技术中的光固化三维打印机的打印尺寸偏小，因而适用产品类型受限，且存在成型速度慢及稳定度不足的问题。
3.根据上述，现有市场上亟需一种可提高打印尺寸、速度和品质的光固化三维打印机。


技术实现要素：

4.本发明提供一种三维打印机，通过单色液晶屏幕且无次像素的液晶屏幕与三维打印机中其他元件的搭配作动，有助快速地制造出超平滑且精细的三维打印产品。
5.依据本发明一实施方式提供一种三维打印机，用以制成三维打印产品，三维打印机包含光源模块、液晶屏幕、工作槽及工作平台。光源模块包含多个发光元件。液晶屏幕是单色液晶屏幕且无次像素，发光元件发出的光束朝向液晶屏幕。液晶屏幕邻近工作槽的封闭侧并与工作槽平行排列，工作槽供容置光敏材料，光敏材料为液态。工作平台邻近工作槽的开放侧。光束中至少一部分依照打印图案而通过液晶屏幕的穿透区并入射工作槽内与光敏材料的固化区产生交联固化，穿透区及固化区皆为时间序列参数，工作平台时间对应且间歇地接触固化区，使工作平台上逐渐由固化区堆叠成三维打印产品。因此，有助快速地制造出超平滑且精细的三维打印产品。
6.根据前述实施方式的三维打印机，其中光源模块的各发光元件可为发光二极管，光源模块还包含光源电路板，发光元件阵列排列且设置于光源电路板上。
7.根据前述实施方式的三维打印机，可还包含透镜阵列，设置于光源模块与液晶屏幕之间，透镜阵列包含多个透镜元件，各透镜元件是一单件，透镜元件组装成阵列排列并与发光元件分别对应设置。
8.根据前述实施方式的三维打印机，可还包含透镜阵列，其是一体成型并设置于光源模块与液晶屏幕之间，透镜阵列包含多个透镜元件，透镜元件阵列排列并与发光元件分别对应设置。
9.根据前述实施方式的三维打印机，可还包含外壳底板，其为金属材质，外壳底板导热连接光源模块的光源电路板，光源模块设置于外壳底板与液晶屏幕之间。
10.根据前述实施方式的三维打印机，可还包含升降马达、升降机构、输入接口、控制模块及外壳侧板。升降机构受升降马达驱动且连接工作平台。控制模块电性耦接光源模块、输入接口、液晶屏幕及升降马达。输入接口设置于外壳侧板。三维打印机分成第一零件组、第二零件组及第三零件组，第一零件组包含外壳底板、光源模块及透镜阵列，第二零件组包
含外壳侧板、输入接口及控制模块，第三零件组包含液晶屏幕、工作平台、升降机构及升降马达，且第一零件组、第二零件组及第三零件组之间仅通过电性连接器方式、螺丝方式及卡合方式中至少一方式组装。
11.根据前述实施方式的三维打印机，可还包含透镜支架，设置于光源模块与透镜阵列之间，透镜支架的材质对光束为不透明，透镜支架包含多个贯通隔间，贯通隔间中至少一者的内壁为阶梯状，贯通隔间阵列排列并与发光元件分别对应设置。
12.根据前述实施方式的三维打印机，其中各透镜元件的朝向光源面可包含平面，透镜阵列包含至少一凸粒，透镜阵列及其凸粒一体成型，凸粒与朝向光源面中以二列二行阵列排列的相邻四者连接。
13.根据前述实施方式的三维打印机，其中各透镜元件的朝向屏幕面可包含凸面，且各朝向屏幕面的曲率为四次以上。
14.根据前述实施方式的三维打印机，其中光束由各透镜元件的朝向屏幕面入射光敏材料的固化区的收光角可小于2度。
15.根据前述实施方式的三维打印机，其中在工作平台上逐渐由固化区堆叠成三维打印产品的过程中，液晶屏幕可不与工作槽接触。
16.根据前述实施方式的三维打印机，其中光束中至少一部分通过液晶屏幕的穿透区的穿透率可大于7％。
17.根据前述实施方式的三维打印机，其中光源模块可设置于工作平台的上方。
18.根据前述实施方式的三维打印机，其中光源模块可设置于工作平台的下方。
19.通过前述实施方式的三维打印机，有助三维打印机的小型化并降低成本。
附图说明
20.图1a示出本发明第一实施例的三维打印机的立体图；
21.图1b示出第一实施例的三维打印机的部分元件及光敏材料、三维打印产品的立体图；
22.图1c示出第一实施例的三维打印机的爆炸图；
23.图1d示出第一实施例的三维打印机中透镜支架的立体图；
24.图1e示出第一实施例的三维打印机中透镜阵列的立体图；
25.图1f示出第一实施例的三维打印机中透镜阵列的仰视图；
26.图2a示出本发明第二实施例的三维打印机中透镜阵列的立体图；
27.图2b示出第二实施例的三维打印机中透镜阵列的另一立体图；
28.图3a示出本发明第三实施例的三维打印机中透镜支架及透镜阵列的立体图；
29.图3b示出第三实施例的三维打印机中透镜支架及透镜阵列的爆炸图；以及
30.图4示出本发明第四实施例的三维打印机中部分元件的立体图。
31.附图标记说明：
32.100：三维打印机
33.100a：第一零件组
34.100b：第二零件组
35.100c：第三零件组
36.110：外壳
37.112：外壳底板
38.113：外壳侧板
39.114：输入接口
40.116：罩部
41.118：控制模块
42.420：散热单元
43.130,430：光源模块
44.131,431：光源电路板
45.132,432：发光元件
46.140,340,440：透镜支架
47.143,343,443：贯通隔间
48.144,344,444：内壁
49.141,341：第一内壁部
50.142,342：第二内壁部
51.150,250,350,450：透镜阵列
52.155,255：凸粒
53.156,256,356,456：透镜元件
54.157,257,357：朝向光源面
55.158,258,358,458：朝向屏幕面
56.351：第一侧壁部
57.352：第二侧壁部
58.170：液晶屏幕
59.173：载台
60.180：工作槽
61.181：封闭侧
62.182：开放侧
63.189：光敏材料
64.190：工作平台
65.194：升降机构
66.195：升降马达
67.16：三维打印产品
具体实施方式
68.以下将参照附图说明本发明的多个实施例。为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明案件。也就是说，在本发明部分实施例中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式示出的；并且重复的元件将可能使用相同的编号表示的。
69.图1a示出本发明第一实施例的三维打印机100的立体图，图1b示出第一实施例的三维打印机100的部分元件及光敏材料189、三维打印产品16的立体图，图1c示出第一实施例的三维打印机100的爆炸图。由图1a至图1c可知，三维打印机100用以制成三维打印产品16，三维打印机100包含光源模块130、液晶屏幕(liquid crystal display，lcd)170、工作槽180及工作平台190。
70.光源模块130包含多个发光元件132。液晶屏幕170是单色液晶屏幕(monochrome lcd，即黑白液晶屏幕)且无次像素(sub-pixel)，发光元件132发出的固定波长的光束(图未示出)朝向液晶屏幕170。液晶屏幕170邻近工作槽180的封闭侧181并与工作槽180平行及对齐排列，工作槽180供容置光敏材料189，光敏材料189为液态。工作平台190邻近工作槽180的开放侧182。所述固定波长的光束中至少一部分依照打印图案而通过液晶屏幕170的穿透区(图未示出)并入射工作槽180内与光敏材料189的固化区(图未示出)产生交联固化，穿透区及固化区皆为时间序列参数，工作平台190时间对应且间歇地接触固化区，使工作平台190上逐渐由固化区堆叠成图案化的三维打印产品16。因此，有助三维打印机100降低耗电量，光束通过液晶屏幕170时具有较高的穿透率，进一步提升光敏材料189的固化区的成型速度并对应更高的分辨率，从而三维打印机100具有高解析、高打印速度的特性，以快速地制造出超平滑且精细的三维打印产品16并跨入工业级量产市场。依据本发明的实施例中，液晶屏幕可为薄膜晶体管液晶屏幕(tft-lcd)。
71.光源模块130的各发光元件132可为发光二极管(light-emitting diode，缩写为led)，光源模块130还包含光源电路板131，发光元件132阵列排列且设置于光源电路板131上。因此，有利于光固化的三维打印机100具有接近平行的光源，且能降低耗电量。具体而言，各发光元件132为紫外光led。
72.三维打印机100可还包含外壳底板112，其为金属材质，外壳底板112以传导方式导热连接光源模块130的光源电路板131，光源模块130设置于外壳底板112与液晶屏幕170之间。因此，单色液晶屏幕且无次像素的液晶屏幕170提供光束较高的穿透率，有利发光元件132以较小的功率，使光束中至少一部分维持相同的强度入射光敏材料189的固化区，因而省去现有技术的三维打印机中鳍片状等复杂结构的散热单元、风扇、散热水管的使用，有助于三维打印机100的小型化并降低成本。第一实施例中，外壳底板112为三维打印机100的外壳110的底板(即外壳110的一部分)，可进一步简化三维打印机100的机构设计。
73.三维打印机100可还包含透镜阵列150，其是一体成型并设置于光源模块130与液晶屏幕170之间，透镜阵列150包含多个透镜元件156，透镜元件156阵列排列并与发光元件132(具体上为发光二极管)分别对应设置于固定位置。因此，发光元件132中发光二极管封装提供光束第一次光学设计，透镜元件156提供光束第二次光学设计，以有助光束路径的控制，进一步确保光束投射至液晶屏幕170的强度与均匀度。具体而言，透镜阵列150为一体射出成型，各透镜元件156为正四边形，透镜元件156以3
×
6阵列排列，发光元件132以3
×
6阵列排列，透镜元件156的数量及发光元件132的数量皆为18个，透镜元件156与发光元件132分别对应设置。依据本发明的其他实施例中(图未示出)，透镜阵列包含多个透镜元件，透镜元件中至少一者为六边形或本质上正六边形，透镜元件排列成蜂巢形阵列并与发光元件分别对应设置。
74.图1d示出第一实施例的三维打印机100中透镜支架140的立体图，由图1b至图1d可
知，三维打印机100可还包含透镜支架140，其设置于光源模块130与透镜阵列150之间，透镜支架140具体上与透镜阵列150连接并组装。透镜支架140的材质对光束为不透明，透镜支架140包含多个贯通隔间143，贯通隔间143中至少一者的内壁144为阶梯状，贯通隔间143阵列排列并与发光元件132分别对应设置。因此，透镜支架140除了提供透镜阵列150支持及定位，并可通过其内壁144控制光束的路径及品质。具体而言，贯通隔间143的数量及透镜元件156的数量皆为18个，贯通隔间143中至少一者的内壁144包含第一内壁部141及第二内壁部142，其中第二内壁部142较第一内壁部141内凸，因而第一内壁部141及第二内壁部142形成阶梯状。
75.图1e示出第一实施例的三维打印机100中透镜阵列150的立体图，图1f示出第一实施例的三维打印机100中透镜阵列150的仰视图。由图1e及图1f可知，各透镜元件156的朝向光源面157可包含平面，具体上透镜元件156的朝向光源面157连接形成一平整平面。透镜阵列150的所述平整平面包含至少一凸粒155，透镜阵列150及其凸粒155一体成型，凸粒155与朝向光源面157中以二列二行(即2
×
2)阵列排列的相邻四者(分别位于相邻的四个透镜元件156上)直接连接，即凸粒155位于朝向光源面157中以二列二行阵列排列的相邻四者的中心或交界。因此，有助入射至液晶屏幕170的光束保持高强度且较均匀。依据本发明的其他实施例中(图未示出)，各透镜元件的朝向光源面可包含凹面。
76.由图1b及图1c可知，各透镜元件156的朝向屏幕面158可包含凸面，且各朝向屏幕面158的曲率为四次以上，即各透镜元件156的朝向屏幕面158为非球面，且朝向屏幕面158的非球面曲线方程式为四阶以上。因此，有助光束路径的控制，以提高打印分辨率、打印尺寸及品质，从而使三维打印机100特别适用于印制精致物品，例如珠宝类的戒指、玩偶模型、以及生医材料类的牙齿模型、骨科材料、内脏模型、血管模型或义肢等。
77.光束由各透镜元件156的朝向屏幕面158入射光敏材料189的固化区的收光角可小于2度，具体上光束通过上述优化的四次曲率透镜元件156阵列及其新颖凸粒155阵列，可将入射光敏材料189的固化区的收光角矫正至小于2度。因此，有助作为背光源的光束实现趋近平行光源的效果(平行光源的收光角为0度)，以改善现有技术中光发散问题，使得通过液晶屏幕170的光束的光强度上升，且液晶屏幕170受光较均匀，因此大幅提升三维打印产品16的分辨率和品质。再者，光束由各透镜元件156的朝向屏幕面158入射光敏材料189的固化区的收光角可小于1度。
78.在工作平台190上逐渐由固化区堆叠成三维打印产品16的过程中，液晶屏幕170可不与工作槽180接触。因此，现有技术中三维打印机受限于穿透率，以致光栅(例如液晶屏幕)需与工作槽或其他治具(例如膜)接触，以避免穿透率更为降低，而依据本发明的三维打印机100通过液晶屏幕170提供光束较高的穿透率，可提升三维打印机100工程设计上的弹性并降低成本。
79.光束中至少一部分通过液晶屏幕170的穿透区的穿透率可大于7％。因此，有利光敏材料189的固化区图案化速度较快，进一步提升三维打印机100的打印速度，同时降低耗电量。再者，光束中至少一部分通过液晶屏幕170的穿透区的穿透率可大于9％。
80.由图1a至图1c可知，三维打印机100可还包含升降马达195、升降机构194、输入接口114、控制模块118及外壳侧板113。升降机构194受升降马达195驱动且连接工作平台190，控制模块118包含控制电路板，控制电路板上设有处理器、存储器及其他电子零件(皆未另
标号)，控制模块118电性耦接光源模块130、输入接口114、液晶屏幕170及升降马达195。输入接口114设置于外壳侧板113，外壳侧板113为连接而成的四侧壁。三维打印机100分成第一零件组100a、第二零件组100b及第三零件组100c，第一零件组100a包含外壳底板112、光源模块130、透镜支架140及透镜阵列150，第二零件组100b包含外壳侧板113、输入接口114及控制模块118，第三零件组100c包含液晶屏幕170、载台173、工作平台190、升降机构194及升降马达195，且第一零件组100a、第二零件组100b及第三零件组100c之间仅通过电性连接器方式、螺丝方式及卡合方式中至少一方式组装。因此，第一零件组100a、第二零件组100b及第三零件组100c的三件式组装设计便于使用者自行拆装三维打印机100，以及更换或升级其中的零件。再者，三维打印机100的外壳110由下至上包含外壳底板112、外壳侧板113及罩部116，罩部116可为透明材质，罩部116可视使用需求组装至三维打印机100，且工作槽180可于需要添加、移除或更换光敏材料189等情况时由三维打印机100拆装。
81.光源模块130可设置于工作平台190的下方。因此，三维打印机100具有优选的工程设计便利性。
82.依据本发明的其他实施例中(图未示出)，光源模块可设置于工作平台的上方。因此，依据本发明的三维打印机具有工程设计弹性，亦可应用于下沉式光固化三维打印机。
83.图2a示出本发明第二实施例的三维打印机中透镜阵列250的立体图，图2b示出第二实施例的三维打印机中透镜阵列250的另一视角的立体图。第二实施例中，三维打印机(未完整示出)用以制成三维打印产品，三维打印机包含光源模块、液晶屏幕、工作槽及工作平台。
84.第二实施例的光源模块包含多个发光元件。液晶屏幕是单色液晶屏幕且无次像素，发光元件发出的光束朝向液晶屏幕。液晶屏幕邻近工作槽的封闭侧并与工作槽平行及对齐排列，工作槽供容置光敏材料，光敏材料为液态。工作平台邻近工作槽的开放侧。光束中至少一部分依照打印图案而通过液晶屏幕的穿透区并入射工作槽内与光敏材料的固化区产生交联固化，穿透区及固化区皆为时间序列参数，工作平台时间对应且间歇地接触固化区，使工作平台上逐渐由固化区堆叠成三维打印产品。
85.由图2a及图2b可知，三维打印机还包含透镜阵列250，其是一体成型并设置于光源模块与液晶屏幕之间，透镜阵列250包含多个透镜元件256，透镜元件256阵列排列并与发光元件分别对应设置。具体而言，透镜阵列250为一体射出成型，各透镜元件256为正四边形，透镜元件256以5
×
8阵列排列，发光元件以5
×
8阵列排列(图未示出)，透镜元件256的数量及发光元件的数量皆为40个，透镜元件256与发光元件分别对应设置。
86.各透镜元件256的朝向光源面257包含平面，具体上透镜元件256的朝向光源面257连接形成一平整平面。透镜阵列250的所述平整平面包含至少一凸粒255，透镜阵列250及其凸粒255一体成型，凸粒255与朝向光源面257中以二列二行阵列排列的相邻四者直接连接。
87.由图2a可知，各透镜元件256的朝向屏幕面258包含凸面，且各朝向屏幕面258的曲率为四次以上。光束由各透镜元件256的朝向屏幕面258入射光敏材料的固化区的收光角小于2度。
88.关于第二实施例的三维打印机的其他细节，可参照前述第一实施例的三维打印机100的内容，在此不再详述。
89.图3a示出本发明第三实施例的三维打印机中透镜支架340及透镜阵列350的立体
图，第三实施例中，三维打印机(未完整示出)用以制成三维打印产品，三维打印机包含光源模块、液晶屏幕、工作槽及工作平台。
90.第三实施例的光源模块包含多个发光元件。液晶屏幕是单色液晶屏幕且无次像素，发光元件发出的光束朝向液晶屏幕。液晶屏幕邻近工作槽的封闭侧并与工作槽平行及对齐排列，工作槽供容置光敏材料，光敏材料为液态。工作平台邻近工作槽的开放侧。光束中至少一部分依照打印图案而通过液晶屏幕的穿透区并入射工作槽内与光敏材料的固化区产生交联固化，穿透区及固化区皆为时间序列参数，工作平台时间对应且间歇地接触固化区，使工作平台上逐渐由固化区堆叠成三维打印产品。
91.图3b示出第三实施例的三维打印机中透镜支架340及透镜阵列350的爆炸图，由图3a及图3b可知，第三实施例的三维打印机还包含透镜阵列350，其设置于光源模块与液晶屏幕之间，透镜阵列350包含多个透镜元件356，各透镜元件356是一单件(single piece)，透镜元件356组装成阵列排列并与发光元件分别对应设置。因此，有助依需求组装成不同尺寸的透镜阵列，以适用于多样的三维打印机。具体而言，各透镜元件356为正四边形，透镜元件356以5
×
8阵列组装排列，发光元件以5
×
8阵列排列(图未示出)，透镜元件356的数量及发光元件的数量皆为40个，透镜元件356与发光元件分别对应设置。
92.三维打印机还包含透镜支架340，其设置于光源模块与透镜阵列350之间，透镜支架340具体上与透镜阵列350连接并组装。透镜支架340的材质对光束为不透明，透镜支架340包含多个贯通隔间343，贯通隔间343中至少一者的内壁344为阶梯状，贯通隔间343阵列排列并与发光元件分别对应设置。具体而言，贯通隔间343的数量及透镜元件356的数量皆为40个，贯通隔间343中各者的内壁344包含第一内壁部341及第二内壁部342，其中第二内壁部342较第一内壁部341内凸，因而第一内壁部341及第二内壁部342形成阶梯状。透镜元件356中各者包含第一侧壁部351及第二侧壁部352，其中第一侧壁部351较第二侧壁部352外凸，因而第一侧壁部351及第二侧壁部352形成阶梯状。通过第一内壁部341与第一侧壁部351对应组装，第二内壁部342与第二侧壁部352对应组装，使透镜阵列350定位于透镜支架340。
93.各透镜元件356的朝向屏幕面358包含凸面，且各朝向屏幕面358的曲率为四次以上。光束由各透镜元件356的朝向屏幕面358入射光敏材料的固化区的收光角小于2度。
94.关于第三实施例的三维打印机的其他细节，可参照前述第一实施例的三维打印机100的内容，在此不再详述。
95.图4示出本发明第四实施例的三维打印机中部分元件的立体图，第四实施例中，三维打印机(未完整示出)用以制成三维打印产品，三维打印机包含光源模块430、液晶屏幕、工作槽及工作平台。
96.光源模块430包含多个发光元件432。液晶屏幕是单色液晶屏幕且无次像素，发光元件432发出的光束朝向液晶屏幕。液晶屏幕邻近工作槽的封闭侧并与工作槽平行及对齐排列，工作槽供容置光敏材料，光敏材料为液态。工作平台邻近工作槽的开放侧。光束中至少一部分依照打印图案而通过液晶屏幕的穿透区并入射工作槽内与光敏材料的固化区产生交联固化，穿透区及固化区皆为时间序列参数，工作平台时间对应且间歇地接触固化区，使工作平台上逐渐由固化区堆叠成三维打印产品。
97.由图4可知，光源模块430的各发光元件432为紫外光led，光源模块430还包含光源
电路板431，发光元件432阵列排列且设置于光源电路板431上。
98.第四实施例的三维打印机还包含透镜阵列450，其是一体成型并设置于光源模块430与液晶屏幕之间，透镜阵列450包含多个透镜元件456，透镜元件456阵列排列并与发光元件432分别对应设置。具体而言，透镜阵列450为一体射出成型，各透镜元件456为正四边形，透镜元件456以3
×
6阵列排列，发光元件432以3
×
6阵列排列，透镜元件456的数量及发光元件432的数量皆为18个，透镜元件456与发光元件432分别对应设置。
99.第四实施例的三维打印机还包含透镜支架440，其设置于光源模块430与透镜阵列450之间，透镜支架440具体上与透镜阵列450连接并组装。透镜支架440的材质对光束为不透明，透镜支架440包含多个贯通隔间443，贯通隔间443中至少一者的内壁444为阶梯状(图未示出)，贯通隔间443阵列排列并与发光元件432分别对应设置。具体而言，贯通隔间443的数量及透镜元件456的数量皆为18个。
100.各透镜元件456的朝向屏幕面458包含凸面，且各朝向屏幕面458的曲率为四次以上。光束由各透镜元件456的朝向屏幕面458入射光敏材料的固化区的收光角小于2度。
101.再者，第四实施例的三维打印机还包含散热单元420，其为金属材质且包含多个鳍状部，散热单元420以传导方式导热连接光源模块430的光源电路板431，光源模块430设置于散热单元420与液晶屏幕之间。此外，第四实施例的三维打印机的外壳的底板不与光源模块430实体连接。
102.关于第四实施例的三维打印机的其他细节，可参照前述第一实施例的三维打印机100的内容，在此不再详述。
103.虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。