三维打印材料以及包含其的三维打印成品的制作方法

本实用新型涉及一种三维打印材料以及包含其的三维打印成品。具体而言，本实用新型涉及一种包含光固化材料及热塑性弹性体(thermoplastic elastomer，TPE)材料的三维打印材料以及包含其的三维打印成品。

背景技术：

三维打印为快速成型技术的一种，原先多用于在开模前制造测试用样品。然而，随着三维打印技术的进步，以及对于各种精密且非量产型的产品的需求的增加，使得三维打印技术也逐渐开始投入于直接制造所需的产品。此外，随着开源资源的发展及流通，三维打印技术也促成了“自造者革命”，使得各种创意及设计得以更轻易地实践。

在三维打印技术中，基本上是通过逐层堆叠材料来制造最后的成品。承上，在此概念下，受限于三维打印的性质，一般一次只能使用一种材料来制造所需成品。然而，在同一成品中，所需的性质，例如所需的应力耐受性，可能会根据最终成品各处的形状及位置而有所不同。因此，有必要发展可更弹性地依据设计来建构包含不同性质，特别是刚度性质的成品的技术。

技术实现要素：

解决问题的技术手段：

为解决上述问题，本实用新型的一实施例提供一种三维打印成品。所述三维打印成品包含一或多个支持结构；以及间质结构。所述间质结构以所述支持结构为中心包围所述支持结构，且相较于所述支持结构具有较高柔度。在此，所述三维打印成品由相同的混合三维打印材料所形成，且所述混合三维打印材料至少包含光固化材料及热塑性弹性体材料(TPE)。此外，在所述三维打印成品中，所述间质结构相较于中心包覆的所述支持结构包含较高比例的热塑性弹性体材料(TPE)，且中心的所述支持结构相较于周遭包覆的所述间质结构包含较高比例的光固化材料。

于一实施例中，分布于三维打印成品中不同的支持结构具有相同或不同的刚度或柔度。

本实用新型的再一实施例提供一种包含光固化材料及热塑性弹性体材料(TPE)的三维打印材料。

对照现有技术的功效

依据本实用新型的实施例所提供的三维打印材料以及包含其的三维打印成品，可更弹性地依据所需成品的设计来建构成品的结构，使结构中各处具有不同性质。举例而言，可使成品的结构依据需求包含不同刚度性质。进一步而言，也可较方便地形成具不同结构性质的成品，而改善或简化用于形成具不同结构性质成品的工艺。

附图说明

图1为根据本实用新型的一实施例的三维打印材料及三维打印材料层的示意图。

图2A及图2B为根据本实用新型的一实施例的三维打印方法的示意图。

图3为根据本实用新型的一实施例的三维打印材料层的放大剖面侧视图。

图4为根据本实用新型的一实施例的三维打印成品中支持结构及间质结构的示意图。

图5A及图5B为根据本实用新型的其他实施例的三维打印成品中支持结构及间质结构的示意图。

图6为根据本实用新型的一实施例的三维打印成品中可能的应力集中点的示意图。

图7为根据本实用新型的一实施例的三维打印方法中所使用的矩阵发射头的示意图。

图8为根据本实用新型的一实施例三维打印材料层中需要以能量光束照射的位点的分布的示意图。

图9A至图9D为根据本实用新型的一实施例使用矩阵发射头照射能量光束的过程的示意图。

图10为根据本实用新型的一实施例使用矩阵发射头照射不同位点的示意图。

主要元件符号说明：

11-16、11’：位点

35：应力集中点

100：三维打印材料

200：能量光束

110：第一群组位点

120：第二群组位点

101：光固化材料

102：热塑性弹性体材料

10：材料层

20、20’：发射头

30、30’：支持结构

40、40’：间质结构

50：矩阵发射头

r：半径

d1、d2、d3：距离

1000、2000、3000、4000：三维打印成品

具体实施方式

下文中将描述各种实施例，且本领域技术人员在参照说明搭配附图下，应可轻易理解本实用新型的精神与原则。然而，虽然在文中会具体说明一些特定实施例，这些实施例仅作为例示性，且于各方面而言皆非视为限制性或穷尽性意义。因此，对于本领域技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神与原则下，对于本实用新型的各种变化及修改应为显而易见且可轻易达成的。

首先将参照图1来说明根据本实用新型的一实施例的一种三维打印材料及三维打印方法。具体而言，在图1中三维打印材料100包含光固化材料101及热塑性弹性体(thermoplastic elastomer，TPE)材料102。承上，在实施三维打印时，将包含有光固化材料101及热塑性弹性体材料102的三维打印材料100铺设于三维打印作业平台上，以形成一层打印材料层10。

在一较佳实施例中，光固化材料101及热塑性弹性体材料102皆为粉末状的形式，而三维打印材料100为包含光固化材料101及热塑性弹性体材料102的粉末的混合粉末。然而，本实用新型不限于此，且在符合本实用新型的意旨下，光固化材料101及热塑性弹性体材料102也可分别为粉末状以外的形式。举例而言，光固化材料101及热塑性弹性体材料102可为胶体状、膏状、类果冻状、黏稠液体状、半流体状、液体状，且三维打印材料100为依据光固化材料101及热塑性弹性体材料102的性质所混合的材料。

在此，举例而言，光固化材料101可包含光敏树脂；热塑性弹性体材料102可包含聚苯乙烯系弹性体、聚氨酯系弹性体、聚烯烃系弹性体、聚醚酯系弹性体、聚酰胺系弹性体、热塑性硫化胶、动态加硫聚烯系弹性体等。然而，上述仅为示例，且本实用新型不限于此。另外，上述光固化材料101与热塑性弹性体材料102可分别为包含复合多种材料的复合材料。

承上所述，参照图1，根据本实用新型的一实施例的三维打印方法，首先先将三维打印材料100铺设为一层打印材料层10。铺设三维打印材料100于三维打印作业平台上的方法可为现有或未来发展的各种方式，在此将不详细描述。

接下来，参照图2A至图2B，根据本实用新型的一实施例的三维打印方法进一步包含于所述材料层10中的不同位点11-16以能量光束200照射。例如，先以发射头20照射能量光束200于位点11上(图2A)，接着再依据预设距离移动一次移至位点13上，并以发射头20照射能量光束200于位点13上(图2B)。在此，预设距离可为距离d1及d2的总和。亦即，预设距离等于位点11与位点12之间的距离d1以及位点12与位点13之间的距离d2的总和。然而，本实用新型不限于此，且预设距离也可为其他距离。例如，预设距离可为位点11与位点12之间的距离d1，且发射头20可由位点11以预设距离的距离d1移动至位点12进行照射。

上述的移动预设距离及照射能量光束200的过程可重复一或多次，使得于同一层材料层10上；根据设计需以能量光束200照射的位点皆被照射为止。举例而言，于一实施例中，被照射的位点可为位点11、13、及15；于另一实施例中，被照射的位点可为位点11、12、13、14、15、16；而在又一实施例中，被照射的位点可仅有一个。然而，上述仅为示例，且本实用新型不限于此。具体而言，被照射的位点的数量及位置可依据需求来设计，且不同位点之间的移动预设距离可相同或不同。

另外，根据本实用新型的各种实施例，能量光束200可为不同波长的光束。举例而言，能量光束可为红外线、紫外光或雷射等。

承上所述，材料层10在照射能量光束200后，会依据设计固化成型。接着依序重复多次上述材料层铺设及照射能量光束步骤，直到完成所需的三维打印成品为止。

根据本实用新型的一实施例，在三维打印材料100的位点上，照射能量光束200，其固化成形的结构将参照图3进行详细的说明。

参照示出材料层的放大剖面侧视图图3。在材料层10中，以能量光束200直接垂直照射位点11为例，混合三维打印材料100中的光固化材料101受到能量光束200直接照射而光固化，形成支持结构30。另外，混合三维打印材料100中的热塑性弹性体材料102，会吸收能量光束200的能量并转换成热能，在吸收足够能量后；其热塑性弹性体材料102会以支持结构30为中心，形成熔融状间质结构40。亦即，如同支持结构30是钢筋，熔融状间质结构40为水泥一般，熔融状间质结构40会包覆着支持结构30，并以支持结构30为骨架塑型。在此实施例中，粉末状的热塑性弹性体材料102可在得到能量后，如同水泥砂加水后熔融成一团，并以支持结构30为中心骨架来塑型。然而，上述仅为说明性叙述，且不代表热塑性弹性体材料102的性质完全如同水泥砂一般。

在能量光束200移除或移开后，得到足够能量而熔融塑型的区域冷却后会固化，进而形成以支持结构30为中心的包覆结构；间质结构40。然而，要注意的是，支持结构30与间质结构40实质上为一体成形的结构，而非分离的结构，在此所绘示的图式仅为了清楚起见而夸张显示区别两者。

在上述照射能量光束200的过程中，若照射的时间越长，提供的能量越高，则得以扩散能量至周遭的范围也越广。亦即，直接照射能量光束200至位点对应的垂直区域时，从被照射的垂直区域为中心，能量会由中心往外扩散。例如，在各方向扩散能量的速率实质上相等的时候，吸收能量而成为熔融间质结构40的区域，实质上为以支持结构30为中心的圆柱形。在此情况下，圆柱形的半径可为r，且半径r随着照射的时间越长而变大。

重复铺设材料层10且照射能量光束200的步骤，其所形成的三维打印成品中，依据直接照射能量光束200的位点的数量及位置，可包含一或多个支持结构以及包覆上述一或多个支持结构的对应间质结构。要注意的是，不同支持结构之间的对应间质结构可能会互相重叠且融合成一团。举例而言，参照图4，圆柱体的三维打印成品1000中，包覆三个各别支持结构30’的间质结构40’可为整合的。在此情况下，介于支持结构30’之间的间质结构40’可能在还未冷却固化前就又吸收到照射下一位点时扩散的能量，或者是在冷却固化后吸收到照射下一位点时扩散的能量再度熔融，使得最后介于支持结构30’之间的间质结构40’可融为一体。

另外，同样参照图4，根据本实用新型的一实施例，在依序重复多次材料层铺设及照射能量光束步骤后，三维打印成品1000中位于不同层的材料层中被照射的位点可连成一线形支持结构30’。亦即，图4的三维打印成品1000可为图3的材料层10一层一层堆叠起来的结构。然而，本实用新型不限于此。例如，参照图5A，根据本实用新型的另一实施例，三维打印成品2000也可为位于不同层的材料层中被照射的位点并未同时或仅部分连成线形的形态。另外，参照图5B，根据本实用新型的另一实施例，三维打印成品3000中的支持结构30’可具有曲折，且非朝着同一方向延伸。在此情况下，可通过调整照射能量光束的角度和位置来达成类似的支持结构30’。

依据上述示例，本领域技术人员应可依据本实用新型的原则变化修改，形成各种样式及形状的支持结构30’及间质结构40’，在此将不再一一赘述。

承上所述，由于直接照光会使光固化材料101固化，且吸收能量会使热塑性弹性体材料102熔融塑型。因此，支持结构可能包含照光而固化的光固化材料101、以及吸收能量后塑型的热塑性弹性体材料102；而间质结构可能包含吸收能量后塑型的热塑性弹性体材料102、以及少数部分未特别固化但被熔融塑型的热塑性弹性体材料102所包覆在内的光固化材料101。

由于在完成固化后或完成最终成品后，未固化或未被包覆的材料会被去除或清理，因此最后间质结构相较于中心包覆的支持结构可包含较高比例的热塑性弹性体材料102，且中心的支持结构相较于周遭包覆的间质结构包含较高比例的光固化材料101。

在此，间质结构与支持结构会因为材料的性质不同，而使得最后的力学性质不同。举例而言，在较佳实施例中，支持结构可具有较大刚性，间质结构可具有较高柔度。在此类实施形态中，由于间质结构包含较高比例的热塑性弹性体材料102，故相较于支持结构可具有较高柔度。亦即，三维打印成品中，直接照射所述能量光束的位点(支持结构)相较于所述位点以外的区域(间质结构)具有较高刚性。在较佳实施例中，所选用的热塑性弹性体材料102一般为兼具橡胶与塑胶特性的材料，故具有较佳的柔度及弹性。相对而言，较佳实施例中所选用的光固化材料101在固化后具有较佳的刚度，因此可作为整体结构的支撑并加强整体结构的强度和可靠性。因此，可根据需要的间质结构的区域大小及与支持结构搭配而得到整体结构的刚度或柔度来决定照射能量光束200的时间。

举例而言，可在需求期望产生较大缓冲效果的位点照射越久的能量光束200，使得所述位点上的支持结构包含较高比例的热塑性弹性体材料102。亦即，分布于三维打印成品中不同支持结构的刚度或柔度，可由照射能量光束的时间决定。

具体而言，可于预期要完成的三维打印成品中的应力集中点增加照射能量光束的时间，使得由于应力集中而需要较高应力耐受性的位点具有较大的缓冲能力。例如，参照图6，为正方体的三维打印成品4000的耦角可为应力集中点35。在此情况下，当逐层堆叠材料层并照射能量光束以形成三维打印成品4000时，当能量光束照射至对应于应力集中点35的位点时，可增加照射的时间以使对应应力集中点35的耦角的支持结构包含较高比例的热塑性弹性体材料，且使间质结构的区域扩大，进而使耦角的应力减弱或分散，避免应力对结构造成伤害。

承上所述，根据本实用新型，可由相同的混合三维打印材料通过照射能量光束的单纯工艺形成三维打印成品，且所形成的三维打印成品可具有不同刚度或柔度性质的结构。藉此使得制造具有不同刚度或柔度性质的结构的工艺可轻易地完成，而可简化或改善工艺。另外，根据本实用新型也使得三维打印成品可根据需求进行各种设计，以求具有较佳的不同结构特性。

接下来，将参照图7至图9D来说明根据本实用新型的变化实施例的三维打印方法。

在照射步骤中，用于发射能量光束的装置可为M×N的矩阵发射头50，其中M及N为正整数。举例而言，参照图7，矩阵发射头50包含9个各别发射头20’，其以3×3的矩阵形式分布。然而，本实用新型不限于此，且矩阵发射头可包含任何数量配置的矩阵形式，且在此所具体列出的实施例仅作为示例。

承上，根据本实用新型的一实施例，包含多个各别发射头20’的矩阵发射头50可取代上文所述的单一发射头20于同一层材料层上同时照射多个能量光束至多个位点，进而加快照射步骤的进程。举例而言，参照图8，当材料层10具有均匀分布的16个位点11’需照射能量光束，且两个位点之间的预设距离为d3时，单一发射头需依照预设距离d3分别移动16次来完成照射。然而，相较之下，参照图9A至图9D，矩阵发射头50可沿着箭头依序依照预设距离d3来移动4次即可完成照射。

上述材料层上的位点的数量及分布仅为示例，本实用新型不限于此，且依据矩阵发射头的矩阵形式及材料层上的多个位点分布，可任意设计移动路线以使得矩阵发射头可依据预设距离移动一或多次以照射位于同一层材料层上的不同多个位点。

接下来，根据本实用新型的一实施例，将进一步连同图9A及图9B参照图10说明以矩阵发射头照射不同群组位点时的情况。

图9A显示矩阵发射头照射图10所示的第一群组位点110，接着矩阵发射头50会依据预设距离d3移动一次，于图9B中以矩阵发射头照射图10所示的第二群组位点120。其中，第一群组位点110与第二群组位点120具有部分重叠的位点。根据设计，这些重叠的位点可以是需要照射较久能量光束的位点。然而，根据本实用新型的其他实施例，于每次依据预设距离(例如预设距离d3)移动中，矩阵发射头中的各别发射头所照射的光束能量强度为可调整。亦即，举例而言，对应于同时属于第一群组位点110及第二群组位点120的重叠位点的个别发射头，可相较于矩阵发射头中的其他发射头具有较小能量，以使得最后所有位点所接受的能量相同。然而，上述仅为示例，且矩阵发射头中的各别发射头，可依据每次移动所照射不同位点的能量需求来作调整。

除上述说明之外，以矩阵发射头形成三维打印成品的工艺基本上与以单一发射头进行的工艺相同，且在此将不再赘述。

根据本实用新型，可制作各种物品以符合更细腻的各种需求。举例而言，可生产具有一定整体强度和稳定度，却保有适合跑跳的较佳弹性的鞋子中底。另外，也可根据个体要求，加强部分结构强度或改善部分结构弹性或柔度，以实现定制化的产品。

承上所述，依据本实用新型的实施例所提供的三维打印材料、使用其的三维打印方法以及包含其的三维打印成品，可形成或具有不同性质的结构特性。因此，可更弹性地依据三维打印成品的设计来建构结构。例如，可依据应力集中点的位置来设计并建构结构的柔度以符合需求。此外，同一产物中包含不同刚度或柔度性质的结构也可较简单地通过相同混合三维打印材料所形成，进而改善了工艺的便利性。

文中所述仅为本实用新型的一些较佳实施例。应注意的是，在不脱离本实用新型的精神与原则下，本实用新型可进行各种变化及修改。本领域技术人员应该明了，本实用新型由所附申请专利范围所界定，且在符合本实用新型的意旨下，各种可能置换、组合、修饰及转用等变化，皆不超出本实用新型所附权利要求所界定的范畴。