適用於立體成型機構的噴印模塊的製作方法

2023-09-22 11:16:50 2

專利名稱：適用於立體成型機構的噴印模塊的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種噴印模塊，尤指一種適用於立體成型機構的噴印模塊。
背景技術：
快速成型技術(Rapid Prototyping,簡稱RP技術)是依據建構金字塔層層堆疊成型的概念所發展而成，其主要技術特徵是成型的快捷性，能在不需要任何刀具，模具及卡具的情況下自動、快速將任意複雜形狀的設計方案快速轉換為3D的實體模型。目前RP技術發展出利用噴印技術結合載具精密定位技術的方式來生產3D的實體模型，其生產方式是先將一層粉末鋪設於載具上方並利用噴墨列印技術於部分粉末上噴印高黏度膠合劑液體，使膠合劑液體與粉末沾黏並固化，一直重複上述工序層層堆砌即可完成3D的實體模型。若將現有平面噴印技術應用在快速立體成型機上，由於現有平面噴印技術的噴液量是噴印在2D圖紙上，所以噴點越小越細緻，解析度也越高，但若應用到3D成型時，2D平面專用的列印噴頭一次所噴出的噴點液量，尚不足以覆蓋一個立體粉末顆粒的表面，會造成色彩飽和度不足，由於3D列印品質的決定除了在噴頭及列印精度外，最重要的是被噴印物的粉末顆粒大小，請參閱圖1，其是在微觀下待噴印的粉末顆粒呈現立體表面的結構示意圖，由於，在粉末顆粒11平鋪於建構平臺12上待列印時，微觀下待噴印的粉末顆粒11是呈現立體表面，因此所需的噴印液量會遠超過一般進行平面噴印的需求，以現有平面噴印技術應用到3D成型時，待噴印的粉末顆粒11粒徑大小為20-120 μ m，而一般2D平面專用的列印噴頭在解析度為1200Dpi時其噴墨孔的孔徑大小約為15 μ m以下，因此，2D平面專用的列印噴頭一次所噴出的噴點液量，液體13僅能覆蓋一個立體粉末顆粒11約1/3表面的面積 (如圖2所示)，因此，一般現有的作法是在同一粉末顆粒11上進行多次噴印，才能讓成品顏色鮮豔細緻，如此會造成時間上的浪費、多次噴印導致色彩不連續而造成噴印品質不佳以及列印噴頭壽命相對減短的缺點。因此，如何發展一種可改善上述現有技術缺失的適用於立體成型機構的噴印模塊，實為目前迫切需要解決的問題。

發明內容
本發明的主要目的在於提供一種適用於立體成型機構的噴印模塊，以解決現有使用2D平面專用的列印噴頭一次所噴出的噴點液量，僅能覆蓋一個立體粉末顆粒約1/3表面的面積，需在同一粉末顆粒上進行多次噴印，造成時間上的浪費、多次噴印導致色彩不連續而造成噴印品質不佳以及列印噴頭壽命相對減短等缺點。為達上述目的，本發明的一較廣義實施態樣為提供一種噴印模塊，適用於一立體成型機構，該立體成型機構鋪設粒徑20-120 μ m的粉末顆粒，該噴印模塊至少包含一噴印匣及一噴印控制電路，其中該噴印匣具有一噴孔片以及一噴印晶片，該噴孔片具有多個噴孔，其特徵在於該多個噴孔的孔徑為15-20 μ m，當該噴印晶片的驅動電壓控制在12-15伏特，且該噴印控制電路傳送1. 4-2. Ous的加熱脈衝電壓至該噴印晶片時，該多個噴孔噴出直徑大約64-68 μ m的液滴，以覆蓋該粉末顆粒至少2/3以上的表面積。本發明的有益技術效果是本發明是藉助噴印匣的噴孔片所包含的該多個噴孔的孔徑為15-20μπι，對該噴印晶片的驅動電壓為12-15伏特，以及噴印控制電路傳送 1. 4-2. 0 μ s的加熱脈衝電壓至噴印晶片，以使多個噴孔可噴出直徑大約64-68 μ m的液滴， 以覆蓋粒徑20-120 μ m大小的粉末顆粒的表面積，使得本發明的噴印模塊僅需在同一粉末顆粒上進行一次噴印，可達到快速噴印、單次噴印可達到良好的噴印品質以及延長噴印匣壽命等功效。


圖1是在微觀下待噴印的粉末顆粒呈現立體表面的結構示意圖。圖2是圖1所示的粉末顆粒上噴印液體的剖面示意圖。圖3A是本發明較佳實施例的噴印匣的結構示意圖。圖;3B是圖3A移除噴孔片後的結構示意圖。圖3C是圖3A移除部分噴孔片後的結構示意圖。圖4A是圖;3B所示的加熱器示意圖。圖4B是圖4A的電路圖。圖5是圖;3B所示的另一加熱器示意圖。圖6A是噴印模塊的噴印控制電路與噴印晶片的連接結構示意圖。圖6B是圖6A所示的噴印數據信號PD、加熱控制信號MF、預熱控制信號PF的電壓信號波形圖。圖7是利用本發明的噴印模塊於粉末顆粒上噴印液滴的剖面示意圖。圖8是本發明的噴印晶片的驅動電壓及噴孔的噴出速度關係圖。
具體實施例方式體現本發明特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本發明能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及圖標在本質上是當作說明之用，而非用以限制本發明。本發明的噴印模塊可適用於一立體成型機構(未圖標)，例如落地型立體成型機構，來建構3D實體模型，且該立體成型機構是於一建構平臺71上鋪設一層粒徑20-120 μ m 大小的粉末顆粒72 (如圖7所示)，該噴印模塊至少包含一噴印匣3 (如圖3A所示)及一噴印控制電路6(如圖6A所示)。請參閱圖3A，其是本發明較佳實施例的噴印匣的結構示意圖。其中圖3A所示的噴印匣3是一簡化後的結構示意圖，於本實施例中，噴印匣3是一長條狀結構且包含噴印晶片 31、電連接片32、噴孔片33以及三個軸線陣列34的加熱器35 (如圖所示)，且噴孔片33 上包含多個對應於加熱器35的噴孔331。請參閱圖;3B及圖3C，其中圖;3B其是圖3A移除噴孔片後的結構示意圖，圖3C其是圖3A移除部分噴孔片後的結構示意圖，如圖所示，本實施例的噴印匣3的噴印晶片31的表面上的加熱器35是設置成沿參考軸線L延伸的軸線陣列34，並相對參考軸線L橫向或側向相互隔離，另外，噴印晶片31上還具有三個與參考軸線L平行的供墨流道36，主要用來傳送不同顏色的墨水，且彼此之間相對參考軸線L的垂直方向並排分隔，進而為對應的三個軸線陣列34的加熱器35提供不同顏色的墨水，每一軸線陣列34可由2排設置於供墨流道36兩側邊的同色墨水加熱器35所組成且均平行於參考軸線L的方向，且2排加熱器 35之間以交錯排列的方式設置於供墨流道36的兩側邊，故本實施例的噴印晶片31上具有 2排X 3色=6排的加熱器排數。請參閱圖4A，其是圖;3B所示的加熱器示意圖。如圖所示，加熱器35主要包括多個加熱板3511-3513、輸入端352、輸出端353以及串聯兩相鄰加熱板3511-3512,3512-3513 的導電層354。於本實施例中，加熱器35是由三個加熱板3511-3513構成為佳，但不以此為限，且兩相鄰的加熱板3511、3512及加熱板3512、3513之間以間隙350相互區隔，使加熱板
3511-3513呈分離並列地設置，而本實施例中的每個加熱板3511、3512、3513的長度X、寬度 Yl及厚度(未圖標)實質上相等，亦即加熱板3511-3513可為面積相同且體積相等的矩形電阻層，至於間隙350與多個加熱板3511-3513的總寬度Y大約等於加熱板3511-3513的長度X，換言之，多個加熱板3511-3513與其間的間隙350所共同定義出的噴墨區域355是大約為一面積為XXY的正四邊形噴墨區域355。此外，位於中間的加熱板3512其兩端分別通過導電層354與加熱板3511及3513 電性連接，而加熱板3511相對於與導電層3M連接的另一端則與輸入端352相連，至於加熱板3513相對於與導電層3M連接的另一端則與輸出端353相連，而輸入端352及輸出端 353可為與導電層邪4相同的導電材質，換言之，加熱器35相對兩終端的加熱板3511、3513 分別與輸入端352、輸出端353電性連接，且三個加熱板3511-3513之間亦通過導電層3M 彼此串聯而電性連接。請參閱圖4B並配合圖4A，其中圖4B是圖4A的電路圖，加熱器35的電路包括串聯的多個電阻Rl、R2、R3，其分別對應於圖4A中的加熱板3511、3512、3513，而輸入端Ain及輸出端^Vout則分別對應於圖4A中的輸入端352及輸出端353。如圖4B所示，位於串聯的電阻R1-R3 —終端的電阻Rl是與輸入端Ain相連並接收電源訊號P，例如驅動電壓，至於串聯的電阻R1-R3另一終端的電阻R3則可直接接地，或者該電阻R3通過輸出端^Vout與開關組件M的漏極端(drain)相連，且開關組件M又通過柵極端(gate)接收一數據控制信號 D，並以源極端(source)與接地端G相連，以利用開關組件M接收數據控制信號D而控制加熱電路的導通。於一些實施例中，開關元件M可為電晶體，例如NM0S元件，但不以此為限。當加熱器35欲加熱液體，例如墨水(未圖標)，而進行噴印時，噴印控制電路6 將傳送一數據控制信號D以控制開關元件M導通，同時電源信號P將由加熱器35的輸入端 Ain輸入，如此一來，加熱器35的加熱板3511、3512及3513的溫度便可升高，進而將液體加熱以產生微熱氣泡，使液體微熱氣泡由噴墨區域355噴出至粉末顆粒72上以完成噴印的動作。請參閱圖5，其是圖;3B所示的另一加熱器示意圖。如圖所示，加熱器35同樣包括多個加熱板3511，、3512、3513，、輸入端352、輸出端353以及串聯兩相鄰加熱板3511，_3512、
3512-3513』的導電層354，且加熱器35的多個加熱板數目亦以三個為佳，而本實施例中加熱板3511，、3512、3513，的配置及其與輸入端352、輸出端353及導電層3M彼此間的關係與圖4A所示的較佳實施例相同，是以不再贅述。於本實施例中，三個加熱板3511』、3512、3513』的寬度Yl及厚度實質上相等，唯分別與輸入端352和輸出端353相連的兩加熱板 3511』、3513』朝外的一側邊長度小於位在中間的加熱板3512的長度X，亦即加熱板3512仍為矩形電阻層，但加熱板3511』及3513』實質上則為兩相對應的梯形電阻層，此時與輸入端 352、輸出端353電性連接的兩加熱板3511，、3513，其面積實質上小於加熱板3512的面積， 而加熱板3511』、3512、3513』與間隙350所共同定義的噴墨區域355』則大致呈正八邊形。由於位在中間的加熱板3512佔加熱器35大部分的電阻值，且相對大於兩終端的加熱板3511』及3513』的電阻值，故應可理解，當加熱器35進行加熱時，其最高溫區便可集中在噴墨區域355』的中央範圍，以避免三個加熱板3511』、2352、3513』因延遲加熱所可能造成的熱點(hot spot)偏移狀況，並控制液體微熱氣泡使其較容易由加熱器35的中心生長並噴出至粉末顆粒72上。請參閱圖6A及圖6B，其中圖6A是噴印模塊的噴印控制電路與噴印晶片的連接結構示意圖，圖6B是噴印數據信號PD、加熱控制信號MF、預熱控制信號PF的電壓信號波形圖，如圖所示，當噴印模塊欲執行噴印動作時，噴印控制電路6會通過傳送噴印數據信號 PD、加熱控制信號MF以及預熱控制信號PF至噴印晶片31來控制加熱器35進行加熱或預熱，其中，預熱控制信號PF以及加熱控制信號MF分別會有預熱脈衝電壓Pl及加熱脈衝電壓P2，通過預熱脈衝電壓Pl控制加熱器35先將部份墨水及噴印匣3預熱，再利用加熱脈衝電壓P2將部份液體加熱，使其產生氣泡而將液體噴至對應的粉末顆粒72上。請再參閱圖6B，當噴印數據信號PD為高電位信號時，加熱器35由加熱控制信號 MF控制，以控制加熱器35加熱，相反的，當噴印數據信號PD為低電位信號時，加熱器則改由預熱控制信號PF控制，以控制加熱器35預熱，也就是說，當噴印模塊執行噴印動作時，若有列印數據，即噴印數據信號PD為高電位時，噴印模塊會通過加熱控制信號MF使加熱器35 對部分液體加熱並產生氣泡，進而將液滴推擠出噴孔片33的噴孔331，反之，若沒有列印數據，即噴印數據信號PD為低電位時，噴印模塊會藉助噴印數據信號PD控制加熱器35對部分液體及噴印匣3進行預熱。加熱控制信號MF以及預熱控制信號PF會隨著噴印模塊執行噴印動作時持續傳送，其中預熱脈衝電壓Pl的時間長度、以及加熱脈衝電壓P2的時間長度t2，會依不同的噴印模塊型號而有所不同。且噴印模塊的控制信號，即噴印數據信號PD、加熱控制信號MF 以及預熱控制信號PF的電壓大小會依不同的噴印模塊型號而有所以不同。請再參閱圖3A-圖3C、圖4A-圖4B、圖5、圖6A-圖6B及圖8，本發明噴印匣3的噴孔片33所包含的多個噴孔331的孔徑可為15-20 μ m,當噴印模塊欲執行噴印動作時，噴印控制電路6傳送至噴印晶片31的驅動電壓可為12-15伏特(如圖8所示)，以及噴印控制電路6可傳送1. 4-2. 0 μ s的加熱脈衝電壓至噴印晶片31，可達到使多個噴孔331以14_16m/ s的噴出速度噴出直徑大約64-68 μ m的液滴73，如此一來，所噴出的液滴73即可覆蓋立體成型機構於建構平臺71上所鋪設的粒徑20-120 μ m大小的粉末顆粒72至少2/3以上的表面積。於本發明的實施例中，粉末顆粒72粒徑大小是以70 μ m為最佳，使得多個噴孔331 以14-16m/s的噴出速度所噴出直徑64-68 μ m的液滴73可幾乎完全覆蓋粉末顆粒72的表面積(如圖7所示)，本發明的噴印模塊僅需在同一粉末顆粒72上進行一次噴印，可達到快速噴印、單次噴印可達到良好的噴印品質以及延長噴印匣3壽命等功效。
綜上所述，本發明的適用於立體成型機構的噴印模塊是藉助噴印匣的噴孔片所包含的該多個噴孔的孔徑為15-20μπι，對該噴印晶片的驅動電壓為12-15伏特，以及噴印控制電路傳送1. 4-2. Oys的加熱脈衝電壓至噴印晶片，俾使多個噴孔可噴出直徑大約 64-68 μ m的液滴，以覆蓋粒徑20-120 μ m大小的粉末顆粒的表面積，使得本發明的噴印模塊僅需在同一粉末顆粒上進行一次噴印，可達到快速噴印、單次噴印可達到良好的噴印品質以及延長噴印匣壽命等功效。本發明得由熟知此技術的人士任施匠思而為諸般修飾，然而皆不脫離如附本申請權利要求所欲保護的範圍。
權利要求
1.一種噴印模塊，適用於一立體成型機構，該立體成型機構鋪設20-120 μ m的粉末顆粒，該噴印模塊至少包含一噴印匣及一噴印控制電路，其中該噴印匣具有一噴孔片以及一噴印晶片，該噴孔片具有多個噴孔，其特徵在於該多個噴孔的孔徑為15-20 μ m，當該噴印晶片的驅動電壓控制在12-15伏特，且該噴印控制電路傳送1. 4-2. 0μ s的加熱脈衝電壓至該噴印晶片時，該多個噴孔噴出直徑大約64-68 μ m的液滴，以覆蓋該粉末顆粒至少2/3以上的表面積。
2.根據權利要求1所述的噴印模塊，其特徵在於，該噴印匣還包含多個加熱器，每一加熱器包括多個加熱板，該多個加熱板間分離並列設置並通過一導電層彼此串聯而電性連接，以形成一噴墨區域，且相對兩終端的該加熱板分別與一輸入端及一輸出端電性連接。
3.根據權利要求2所述的噴印模塊，其特徵在於，該噴墨區域實質上為正四邊形，且該多個加熱板實質上為面積相同的矩形。
4.根據權利要求2所述的噴印模塊，其特徵在於，該噴墨區域實質上為正八邊形，且與該輸入端及該輸出端電性連接的相對兩終端的該加熱板的面積實質上是小於其餘的該加熱板的面積，以避免該加熱器的熱點偏移。
5.根據權利要求1所述的噴印模塊，其特徵在於，該粉末顆粒大小最佳為70μ m。
6.根據權利要求1所述的噴印模塊，其特徵在於，於該噴印晶片的驅動電壓為12-15伏特時，該液滴的噴出速度為14-16m/s。
7.—種噴印模塊，適用於一立體成型機構，該立體成型機構鋪設20-120 μ m的粉末顆粒，該噴印模塊至少包含一噴印匣及一噴印控制電路，其中該噴印匣具有一噴孔片、一噴印晶片以及多個加熱器，該噴孔片具有多個噴孔，其特徵在於該多個加熱器的每一加熱器包括多個加熱板，該多個加熱板間分離並列設置並通過一導電層彼此串聯而電性連接，以形成一噴墨區域，且相對兩終端的該加熱板分別與一輸入端及一輸出端電性連接；當該噴印晶片的驅動電壓控制在12-15伏特，且該噴印控制電路傳送1. 4-2. 0μ s的加熱脈衝電壓至該噴印晶片時，該多個加熱器在該噴墨區域集中熱點由噴孔噴出液滴以覆蓋該粉末顆粒至少2/3以上的表面積。
8.根據權利要求1所述的噴印模塊，其特徵在於，該多個噴孔的孔徑為15-20μπι。
9.根據權利要求1所述的噴印模塊，其特徵在於，該由噴孔噴出液滴直徑大約 64-68 μ m0
全文摘要
本發明是一種噴印模塊，適用於一立體成型機構，該立體成型機構鋪設20-120μm的粉末顆粒，該噴印模塊至少包含一噴印匣及一噴印控制電路，其中該噴印匣具有一噴孔片以及一噴印晶片，該噴孔片具有多個噴孔，其特徵在於該多個噴孔的孔徑為15-20μm，當該噴印晶片的驅動電壓控制為12-15伏特，且該噴印控制電路傳送1.4-2.0μs的加熱脈衝電壓至該噴印晶片時，該多個噴孔噴出直徑大約64-68μm的液滴，以覆蓋該粉末顆粒至少2/3以上的表面積。
文檔編號B41J3/407GK102371776SQ201010258900
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月16日 優先權日2010年8月16日
發明者奚國元, 戴賢忠, 林景松, 董雅清, 黃啟峰 申請人:研能科技股份有限公司