立体打印装置的制作方法

本发明涉及一种立体打印装置，尤其涉及一种立体打印装置。

背景技术

近年来，随着科技的日益发展，许多利用逐层建构模型等加成式制造技术(additivemanufacturingtechnology)来建造物理三维(threedimensional,3d)模型的不同方法已纷纷被提出。一般而言，加成式制造技术是将利用计算机辅助设计(computeraideddesign,cad)等软件所建构的3d模型的设计数据转换为连续堆栈的多个薄(准二维)横截面层。于此同时，许多可以形成多个薄横截面层的技术手段也逐渐被提出。举例来说，打印装置的打印模块通常可依据3d模型的设计数据所建构的空间坐标xyz在基座的上方沿着xy平面移动，从而使建构材料形成正确的横截面层形状。所沉积的建构材料可随后自然硬化，或者通过加热或光源的照射而被固化，从而形成所要的横截面层。因此，通过打印模块沿着轴向z逐层移动，即可使多个横截面层沿z轴逐渐堆栈，进而使建构材料在逐层固化的状态下形成立体打印物件。

以通过照射单元固化建构材料而形成立体打印物件的技术为例，打印模块适于浸入盛装在盛槽中的液态成型材中，而照射单元在xy平面上照射作为建构材料的液态成型材，以使液态成型材被固化，并堆栈在打印模块的成型台上。如此，通过打印模块的成型台沿着轴向z逐层移动，即可使液态成型材逐层固化并堆栈成立体打印物件。然而，照射单元所投射的影像大小易受成像面与照射单元的距离公差影响，而不利於立体打印物件的品质。

技术实现要素：

本发明是针对一种立体打印装置，打印出的立体打印物件的品质佳。

根据本发明的实施例，立体打印装置包括盛槽、成型台以及照射单元。盛槽用以盛装液态成型材。成型台可移动地设置于盛槽。照射单元设置于盛槽旁且包括影像源及投影镜头。影像源用以发出影像光束。影像光束通过投影镜头，以照射并固化液态成型材。投影镜头的入射光瞳位置为enp，而2000mm≦enp≦15000mm。投影镜头的出射光瞳位置为exp，2000mm≦|exp|≦15000mm。

在根据本发明的实施例的立体打印装置中，所述投影镜头的有效焦距为efl，而320mm≦efl≦2270mm。

在根据本发明的实施例的立体打印装置中，所述投影镜头具有光圈号数f/#，而1.5≦f/#≦5.6。

在根据本发明的实施例的立体打印装置中，投影镜头具有光轴且从物侧至像侧依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜及第八透镜，且第一透镜至第八透镜各自具有朝向物侧且使影像光束通过的物侧面及朝向像侧且使影像光束通过的像侧面。

在根据本发明的实施例的立体打印装置中，第一透镜的物侧面及像侧面分别为凹面及凸面，第二透镜的物侧面及像侧面都为凸面。

在根据本发明的实施例的立体打印装置中，第三透镜的物侧面及像侧面分别为凸面及凹面，第四透镜的物侧面及像侧面分别为凹面及凸面。

在根据本发明的实施例的立体打印装置中，第五透镜的物侧面及像侧面分别为凹面及凸面，第六透镜的物侧面及像侧面分别为凹面及凸面。

在根据本发明的实施例的立体打印装置中，第七透镜的物侧面及像侧面分别为凸面及凹面，第八透镜的物侧面及像侧面都为凸面。

在根据本发明的实施例的立体打印装置中，投影镜头中最靠近所述成型台的成型面积为a1，成型台具有面向所述投影镜头的承载面，承载面的面积为a2，而0.142≦a1/a2≦1。

基于上述，通过依据液态成型材的温度及液态成型材的固化特性而相应调整液态成型材的固化参数，本发明可确保使用所述液态成型材的立体打印装置打印出的成型物的质量一定，因此可解决液态成型材因在不同温度下固化速率不同而造成使用所述液态成型材的立体打印装置打印出的成型物的质量不一的问题。

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

包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明的一实施例的立体打印装置的示意图；

图2为本发明的一实施例的照射单元的示意图；

图3为本发明一实施例的投影镜头的调变转移函数的曲线图；

图4示出本发明一实施例的投影镜头的像散场曲线；

图5示出本发明一实施例的投影镜头的畸变；

图6示出利用本发明一实施例的投影镜头所形成的影像的相对照度；

图7示出本发明一实施例的投影镜头的入射光瞳位置与利用所述投影镜头投射出的影像的相对照度的关系；

图8示出本发明一实施例的立体打印装置的投影镜头的详细光学数据。

附图标号说明：

1：第一透镜；

2：第二透镜；

3：第三透镜；

4：第四透镜；

5：第五透镜；

6：第六透镜；

7：第七透镜；

8：第八透镜；

11、21、31、41、51、61、71、81：物侧面；

12、22、32、42、52、62、72、82：像侧面；

100：立体打印装置；

110：盛槽；

110a：内底；

120：成型台；

120a：承载面；

130：照射单元；

132：影像源；

134：投影镜头；

136：全反射棱镜；

138：保护板

140：控制单元；

200：液态成型材；

a：光轴；

as：孔径光阑

l：影像光束；

s、t：曲线；

x-y-z：直角座标。

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

图1为本发明的一实施例的立体打印装置的示意图。在此提供直角座标x-y-z于图1以利描述。请参照图1，在本实施例中，立体打印装置100例如是立体光刻打印(stereolithography，sl)装置。立体打印装置100包括盛槽110、成型台120及照射单元130。盛槽110用以盛装液态成型材200。成型台120可移动地设置于盛槽110且具有面向照射单元130的承载面120a。举例而言，成型台120可沿z轴的方向移动，以相对于位在xy平面上的盛槽110移动，并可浸入液态成型材200。照射单元130设置于盛槽110旁。照射单元130用以发出影像光束l。影像光束l照射液态成型材200,以使液态成型材200逐层固化,进而形成立体打印物件。更进一步地说，在本实施例中，立体打印装置100还包括控制单元140。控制单元140可控制成型台120沿z轴的方向移动，藉此，成型台120能移出或移入盛槽110并浸置于液态成型材200中。在立体打印的过程中，成型台120受控于控制单元140而浸入液态成型材200并与盛槽110的内底110a维持一段距离，此时照射单元130受控于控制单元140而发出影像光束l，以照射并固化成型台120与盛槽110内底110a之间的液态成型材200，进而使其形成一层固化层。而后，随着成型台120受控于控制单元140而逐渐远离盛槽110的内底110a，同时搭配照射单元130对所述固化层与内底110a之间的液态成型材200进行照射，便能逐渐在成型台120上形成多层堆叠的固化层。在成型台120移离盛槽110内的液态成型材200后，由多层固化层堆叠而成的立体打印物件也就完成。

图2为本发明的一实施例的照射单元的示意图。请参照图1及图2，照射单元130包括用以发出影像光束l的影像源132。在本实施例中，影像源132例如为数码微镜装置(digitalmicromirrordevices,dmd)或显示面板(displaypanel)，但本发明不以此为限。照射单元130还包括投影镜头134。投影镜头134配置于影像光束l的传递路径上且位于液态成型材200与影像源132之间。影像光束l通过投影镜头134，以照射并固化液态成型材200，进而堆叠出立体打印物件。对投影镜头134而言，影像源132所在侧称为物侧，而液态成型材200所在侧称为像侧。在本实施例中，从物侧通过设置在孔径光阑as之前的构件(例如：第四透镜4至第八透镜8)所观看的孔径光阑(aperturestop)as的像(即入射光瞳)落在极远处。换言之，投影镜头134为类远心镜头(liketelecentriclens)，而从投影镜头134出射的影像光束l与投影镜头134的光轴a近乎平行。藉此，影像光束l在成型台120的承载面120a(或已形成的固化层)上的成像大小及解析度不易受承载面120a(或已形成的固化层)与投影镜头134的距离公差影响，进而能形成品质良好的立体打印物件。

举例而言，在本实施例中，投影镜头134的入射光瞳位置(positionofentrancepupil)为enp，而2000毫米(mm)≦enp≦15000毫米。入射光瞳位置enp是指从像侧算起投影镜头134的第一个面(例如：第八透镜8的像侧面82)与光轴a的交点到入射光瞳(entrancepupil)所在平面与光轴a交点的距离。投影镜头134的出射光瞳位置(positionofexitpupil)为exp，而2000mm≦|exp|≦15000mm。出射光瞳位置exp是指从物侧算起投影镜头134的第一个面(例如：第一透镜1的物侧面11)与光轴a的交点到出射光瞳(exitpupil)所在平面与光轴a交点的距离。通过将投影镜头134的入射光瞳位置及出射光瞳位置设计在适当的范围内，投影镜头134的成像特性类似于远心镜头，而有助于打印出品质良好的立体打印物件。更进一步地说，在本实施例中，投影镜头134的有效焦距(effectivefocallength)为efl，而320mm≦efl≦2270mm。投影镜头134具有光圈号数(f-number)f/#，而1.5≦f/#≦5.6。通过将投影镜头134的有效焦距及光圈号数的至少一个设计在适当的范围内，投影镜头134特别适于应用在实际的立体打印装置100。

请参照图2，在本实施例中，投影镜头134从物侧至像侧依序包括第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7及第八透镜8。第一透镜1至第八透镜8各自具有朝向物侧且使影像光束l通过的物侧面11、21、31、41、51、61、71、81及朝向像侧且使影像光束l通过的像侧面12、22、32、42、52、62、72、82。第一透镜1的物侧面11及像侧面12分别为凹面及凸面。第二透镜2的物侧面21及像侧面22都为凸面。第三透镜3的物侧面31及像侧面32分别为凸面及凹面。第四透镜4的物侧面41及像侧面42分别为凹面及凸面。第五透镜5的物侧面51及像侧面52分别为凹面及凸面。第六透镜6的物侧面61及像侧面62分别为凹面及凸面。第七透镜7的物侧面71及像侧面72分别为凸面及凹面。第八透镜8的物侧面81及像侧面82都为凸面。需说明的是，上述投影镜头134的透镜数量及各透镜的形状是用以举例说明本发明而非用以限制本发明，在其他实施例中，投影镜头134的透镜数量及各透镜的形状也可作其他适当设计。

另外，在本实施例中，为使影像光束l能充分地且近乎平行照射成型台120的承载面120a(或已形成的固化层)上的液态成型材200，投影镜头134中最靠近成型台120的成型面积a1大而接近承载面120a的面积a2。举例而言，0.142≦a1/a2≦1。换言之，相较于一般观测用的远心镜头(例如：望远镜等)，投影镜头134中最靠近成型台120的透镜(例如：第八透镜8)的面积特别大。此外，在本实施例中，照射单元130还可选择性包括设置在影像源132与投影镜头134之间的全反射棱镜(totalinternalreflectionprism，tir)136以及设置在全反射棱镜136与影像源132之间的透光的保护板138，全反射棱镜136具有朝向物侧的物侧面136-1及朝向像侧的像侧面136-2，保护板138具有朝向物侧的物侧面138-1及朝向像侧的像侧面138-2。然而，本发明不以此为限，在其他实施例中，照射单元130也可不包括全反射棱镜136和/或保护板138。

图3为本发明一实施例的投影镜头的调变转移函数(modulationtransferfunction，mtf)的曲线图。由图3可证，利用投影镜头134投射出的影像的解析度高。图4示出本发明一实施例的投影镜头的像散场曲线(astigmaticfieldcurves)。图4的曲线s代表在弧矢(sagittal)方向上的像散场曲线。图4的曲线t代表在子午(tangential)方向的像散场曲线。由图4可证，利用投影镜头134投射出的影像的像散场曲小。图5示出本发明一实施例的投影镜头的光学畸变(opticaldistortion)。由图5可证，利用投影镜头134投射出的影像的畸变小，其值必小于0.5％。图6示出利用本发明一实施例的投影镜头所形成的影像的相对照度(relativeillumination)。由图6可证，利用投影镜头134投射出的影像的相对照度高,影像的相对照度大于90％。图7示出本发明一实施例的投影镜头的入射光瞳位置与利用所述投影镜头投射出的影像的相对照度的关系。由图7可证，投影镜头134的入射光瞳位置大于或等于2000毫米(mm)时，利用投影镜头134投射出的影像的相对照度高，而照射单元130的能量不易损耗。另外，图8示出本发明一实施例的立体打印装置的照射单元的详细光学数据。

综上所述，本发明一实施例的立体打印装置利用类远心的投影镜头将影像光束投射至液态成型材，以形成具有指定图案的固化层，进而堆叠出立体打印物件。从类远心投影镜头出射的影像光束几乎与投影镜头的光轴平行。藉此，影像光束在成型台的承载面(或已形成的固化层)上的成像大小及解析度不易受承载面(或已形成的固化层)与投影镜头的距离公差影响，进而能形成品质良好的立体打印物件。

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。