用于制作模具与使用模具制作三维物件的三维成型机台的制作方法

本发明涉及一种三维成型机台，尤其涉及一种用于制作模具与使用模具制作三维物件的三维成型机台。

背景技术：

随着科技的日新月异，传统的平面复印技术已无法满足使用上的需求。有鉴于此，众多厂商无不积极投入三维打印技术的开发与研究，常见的三维打印技术包括光固化立体造型(以下简称，SLA)、分层物件制作(以下简称，LOM)、选择性激光烧结(以下简称，SLS)以及熔融沉积成型(以下简称，FDM)等，其中选择性激光烧结因为具有粉末选材广泛、适用性广、可直接烧结零件等诸多优点，成为当前发展最快的三维打印技术。然而，就选择性激光烧结应用于陶瓷件的成型而言，其仍具有精度与表面粗糙度不佳等问题。

以现有的人工牙的制作为例，其制作流程通常是将造粒后的陶瓷粉末经过干压成型、等静压(isostatic pressing)及预烧结等步骤以制得数种特定规格的陶瓷块材。由于陶瓷块材的致密度与结构强度较低，因此有利于后续电脑数值控制(以下简称，CNC)加工的进行。接着，依据病患咬模或三维扫描所得的齿形，并选择适当规格的陶瓷块材来进行电脑数值控制加工。之后，将电脑数值控制加工后的陶瓷块材进行强化处理以提高其结构强度，而后再经由上釉及表面处理等细部工序，即可获致可供病患使用的人工牙成品。然而，前述制作流程繁复，且电脑数值控制加工属减法制造，其加工过程中移除的材料比例高且无法回收再利用，不仅造成材料的浪费，也同时提高了生产成本。因此，如何整合三维打印技术于人工牙的制作或其他陶瓷件的制作，使其制作流程简化及避免材料的浪费，并在制作得到多个不同尺寸、外型的人工牙或其他陶瓷件的同时，符合所需的精度及表面粗糙度，便成为当前相当重要的课题。

技术实现要素：

本发明提供一种用于制作模具与使用模具制作三维物件的三维成型机台，其不仅操作简易，也可节省材料成本，并且能在制作得到多个轮廓、体积不同的三维物件的同时，符合所需的精度及表面粗糙度。

本发明提出一种用于制作模具与使用模具制作三维物件的三维成型机台，其包括载台、三维打印单元、注料单元以及加热单元。载台适于沿路径来回移动。三维打印单元位于路径上。三维打印单元适于提供热熔性材料至载台，以在载台上打印出模具，其中模具具有进料口、与进料口相连通的多个腔室以及与这些腔室相连通的多个溢料口。注料单元设置于三维打印单元的一侧，且位于路径上。载台沿路径将模具输送至注料单元的下方。注料单元自进料口注入成型材料至各个腔室。加热单元位于路径上，且注料单元位于三维打印单元与加热单元之间。在成型材料填满各个腔室后，载台沿路径将模具输送至加热单元内，使加热单元对各个腔室内的成型材料加热，以形成多个三维物件。

在本发明的一实施例中，上述的用于制作模具与使用模具制作三维物件的三维成型机台还包括滑轨。滑轨通过三维打印单元、注料单元以及加热单元。载台可移动地设置于滑轨上。

在本发明的一实施例中，上述的三维打印单元包括多个固定支架、喷印头以及多个连杆。喷印头由这些固定支架所围绕。各个连杆具有相对的第一连接部与第二连接部，其中各个连杆的第一连接部可移动地连接于对应的固定支架上，且各个连杆的第二连接部连接喷印头。

在本发明的一实施例中，上述的注料单元包括槽体、注料头以及活塞式推杆。槽体用以储存成型材料。注料头连接槽体。活塞式推杆滑设在槽体内。活塞式推杆适于推挤储存在槽体内的成型材料，以通过注料头将部分的成型材料自进料口注入各个腔室。

在本发明的一实施例中，上述的加热单元包括加热炉以及盖板。加热炉具有炉室以及与炉室的相连通的开口。盖板可动地设置在加热炉上，用以遮盖或暴露开口。

在本发明的一实施例中，上述的加热炉还具有与炉室及开口相连通的滑槽。滑槽位于路径上。在载台沿路径移动至加热单元内时，载台移入该滑槽 内。

在本发明的一实施例中，上述的模具还具有第一进料通道、多个第二进料通道以及多个溢料通道。进料口通过第一进料通道与各个第二进料通道相连通。各个腔室通过对应的溢料通道与溢料口相连通。

在本发明的一实施例中，上述的各个第二进料通道的截面积大于对应的溢料通道的截面积。

在本发明的一实施例中，当成型材自各个溢料口流出模具时，成型材料填满各个腔室。

在本发明的一实施例中，上述的腔室的体积各不相同。

基于上述，本发明的三维成型机台可先制作出具有不同轮廓、体积的多个腔室的模具，其中这些腔室的轮廓、体积分别与待制作的多个三维物件的轮廓、体积相符。之后，接续进行注入成型材料于这些腔室、加热填满于这些腔室内的成型材料等步骤，以同时制作得到多个轮廓、体积不同的三维物件。换言之，本发明的三维成型机台不仅操作简易、制造工时较短、无需投入大量人力，且能在制作得到多个轮廓、体积不同的三维物件的同时，符合所需的精度及表面粗糙度。另一方面，在无需通过电脑数值控制加工来除料的情况下，更能避免材料的浪费。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一实施例的三维成型机台的示意图；

图2A至图2C是图1的三维成型机台制作模具与三维物件的过程；

图3是图2A的模具的俯视示意图。

附图标记说明：

10：模具；

11：进料口；

12a～12h：腔室；

13a～13h：溢料口；

14：第一进料通道；

15a～15h：第二进料通道；

16a～16h：溢料通道；

21、22：三维物件；

100：三维成型机台；

110：载台；

120：三维打印单元；

121：固定支架；

122：喷印头；

123：连杆；

123a：第一连接部；

123b：第二连接部；

130：注料单元；

131：槽体；

132：注料头；

133：活塞式推杆；

134：成型材料；

140：加热单元；

141：加热炉；

141a：炉室；

141b：开口；

141c：滑槽；

142：盖板；

150：滑轨；

P：路径。

具体实施方式

图1是本发明一实施例的三维成型机台的示意图。请参考图1，在本实施例中，三维成型机台100包括载台110、三维打印单元120、注料单元130以及加热单元140。载台110可由陶瓷材料或其他适当的材质所构成，且适于沿路径P来回移动。详细而言，三维成型机台100还包括滑轨150，其中 载台110来回移动的路径P例如是由滑轨150所定义。也就是说，载台110为可移动地设置在滑轨150上，以受到滑轨150的导引而沿着路径P来回移动。

三维打印单元120、注料单元130以及加热单元140皆位于路径P上，即三维打印单元120、注料单元130以及加热单元140皆位于滑轨150的上方(或称滑轨150通过三维打印单元120、注料单元130以及加热单元140的下方)，其中注料单元130位于三维打印单元120以及加热单元140之间。此处，三维打印单元120例如是采用熔融沉积成型的三维打印技术，但本发明不限于此。在另一实施例中，三维打印单元可采用光固化立体造型的三维打印技术。

在本实施例中，三维打印单元120可包括多个固定支架121、喷印头122以及多个连杆123，其中固定支架121的数量与连杆123的数量相对应，且各个连杆123具有相对的第一连接部123a与第二连接部123b。各个连杆123的第一连接部123a可动地连接在对应的固定支架121上，且各个连杆123的第二连接部123b连接由这些固定支架121所围绕的喷印头122。在本实施例中，这些对应设置的固定支架121与连杆123例如构成了三维移动并联机构(three-dimensional translational parallel mechanism)，适于带动喷印头122相对于载台110沿着空间中的X轴、Y轴与Z轴作移动。

就熔融沉积成型的三维打印技术来说，其是先将扫描所得的实体物的三维模型分为多个二维切层，以得到控制喷印头122运动的二维轨迹的几何信息。喷印头122适于将热熔性材料(例如ABS树脂、尼龙或蜡等)加热到临界状态，以呈现半流体性质，在电脑控制下，根据其中一个二维切层所对应的二维轨迹通过固定支架121与连杆123所构成的三维移动并联机构带动喷印头122，使喷印头122将半流动状态的材料挤压出来而提供至载台110上，以在载台110上凝固形成轮廓形状的薄层。当其中一个二维切层打印完毕后，通过固定支架121与连杆123所构成的三维移动并联机构的带动以使喷印头122在前述二维切层上根据另一个二维切层所对应的二维轨迹打印另一个二维切层。如此逐层打印且固化粘结，以自下而上堆叠形成一个三维实体。

请继续参考图1，注料单元130可包括槽体131、注料头132以及活塞式推杆133，其中槽体131可作为储存成型材料134所用，且注料头132与槽 体131相连接。另一方面，活塞式推杆133滑设在槽体131内，在活塞式推杆133朝注料头132所在处移动时，储存在槽体131内的成型材料134会受到活塞式推杆133的推挤，以使部分的成型材料134自注料头132射出。此处，成型材料134可以是由陶瓷粉体与粘土混合而成，其中陶瓷粉体的材料可包括二氧化锆、三氧化二铝、二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、碳化硅或其组合。

加热单元140可包括加热炉141以及盖板142。加热炉141具有炉室141a以及与炉室141a相连通的开口141b。盖板142设置在加热炉141上，且位于开口141b所在侧。详细而言，盖板142例如是可滑移地设置在加热炉141上，视制程需求以遮盖或暴露开口141b。另一方面，加热炉141还具有与炉室141a及开口141b相连通的滑槽141c，其中滑槽141c例如是位于路径P上。举例来说，当载台110沿路径P移动至加热单元140内时，载台110可移入滑槽141c内。在另一实施例中，盖板可通过枢转结构设置在加热炉上，以通过掀动的方式遮盖或暴露开口，本发明对此不加以限制。

图2A至图2C是图1的三维成型机台制作三维物件的过程。图3是图2A的模具的俯视示意图。为求清楚表示与便于说明，模具10以剖面示出。以下将以同步制作多个尺寸、大小不同的人工牙为例作说明，但三维成型机台100的应用并不以多个尺寸、大小不同的人工牙的制作为限。举例来说，在利用三维成型机台制作人工牙之前，需先以三维扫描器伸入病患的口腔内，以对病患欲更替的多个牙齿进行扫描，其中三维扫描器例如是针对暴露于牙龈外的多个牙冠进行扫描，以取得多个牙冠的三维点数据(牙冠即本实施例所欲制作的陶瓷件)。接着，将各笔三维点数据载入逆向工程软件，例如3-matic、Imageware、PolyWorks、Rapidform或者Geomagic，以通过逆向工程软件建构出被扫描的各个牙冠的三维数字模型。详细而言，前述三维数字模型可具有相对的内轮廓与外轮廓，将内轮廓与外轮廓分别分为多个二维切层，以得到控制喷印头122运动的二维轨迹。

请参考图2A与图3，使控制单元(图未示)依据各个牙冠的二维切层所对应的二维轨迹控制固定支架121与连杆123所构成的三维移动并联机构，以带动喷头122相对于载台110沿着如图1所示的空间中的X轴、Y轴与Z轴作移动，并通过喷印头122提供热熔性材料至载台110，以在载台110上分 别打印出模具10。详细而言，模具10可具有进料口11、与进料口11相连通的多个腔室12a～12h以及与这些腔室12a～12h相连通的多个溢料口13a～13h。各个腔室12a～12h分别与对应的牙冠的三维数字模型相符，因而具有不同的轮廓、体积。

在本实施例中，模具10还具有第一进料通道14、多个第二进料通道15a～15h以及多个溢料通道16a～16h，其中进料口11通过第一进料通道13与第二进料通道15a～15h相连通，且腔室12a～12h分别通过溢料通道16a～16h与溢料口13a～13h相连通。

接着，通过载台110沿路径P将模具10输送至注料单元130的下方，并使注料头132对准于模具10的进料口11，再通过活塞式推杆133推挤储存在槽体131内的成型材料134，使得部分的成型材料134自注料头132射出，并经由进料口11、第一进料通道13以及第二进料通道15a～15h分别注入腔室12a～12h内。接着，持续将成型材料134注入腔室12a～12h内。待腔室12a～12h被成型材料134填满后，多余的成型材料134会分别经由溢料通道16a～16h自溢料口13a～13h流出。换言之，当成型材料134自溢料口13a～13h流出模具10时，代表着腔室12a～12h已分别被成型材料134所填满。至此，便能暂时停止注料的动作。

在本实施例中，各个第二进料通道15a～15h的截面积大于对应的溢料通道16a～16h的截面积。基于白努利定律(Bernoulli's law)，如此设计将有助于提升注料与填料的速度，且溢料的速度会大于注料的速度。

之后，请参考图2C，在成型材料134填满腔室12a～12h后，通过载台110沿路径P将模具10输送至加热单元140内。如图1所示，在通过载台110沿路径P将模具10输送至加热单元140时，盖板142会暴露出加热炉141的开口141b，使载台110以及其上的模具10可经由开口141b送入炉室141a内。在载台110以及其上的模具10送入炉室141a内之后，使盖板142遮盖住开口141b，以通过加热炉141对腔室12a～12h内的成型材料134加热，以形成多个三维物件，例如多个轮廓、体积不同的人工牙。图2C示出出其中两个三维物件(例如人工牙)21与22以示意。在另一实施例中，模具的腔室的轮廓、体积可互为相同，以制作出相同的三维物件。

综上所述，本发明的三维打印机台可先制作出具有不同轮廓、体积的多 个腔室的模具，其中这些腔室的轮廓、体积分别与待制作的多个三维物件的轮廓、体积相符。之后，接续进行注入成型材料于这些腔室、加热填满于这些腔室内的成型材料等步骤，以同时制作得到多个轮廓、体积不同的三维物件。换言之，本发明的三维打印机台不仅操作简易、制造工时较短、无需投入大量人力，且能在制作得到多个轮廓、体积不同的三维物件的同时，符合所需的精度及表面粗糙度。另一方面，在无需通过电脑数值控制加工来除料的情况下，更能避免材料的浪费。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。