TWI686285B - 擠壓裝置、蠟列印裝置及其蠟列印方法 - Google Patents
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Abstract
一種擠壓裝置，適於提供一成型材料。擠壓裝置包括一中空儲料管、一活塞元件以及一輸出元件。中空儲料管具有一容置空間，適於填充成型材料。活塞元件配置於容置空間中且覆蓋成型材料的其中一端。活塞元件適於在容置空間中移動。輸出元件配置於中空儲料管的一端且覆蓋成型材料的其中另一端。輸出元件具有一開口。其中，中空儲料管及輸出元件適於接收一熱源以加熱成型材料為液態。成型材料在中空儲料管內受活塞元件朝輸出元件推動而從開口輸出。
Description
本發明是有關於一種輸出裝置、列印裝置及其列印方法，且特別是有關於一種擠壓裝置、蠟列印裝置及其蠟列印方法。
紙張微流道分析裝置(microfluidic paper-based device,μPAD)是一種建立在紙張上的感測器，由於是使用低成本材料為基材，此種感測器非常便宜且方便攜帶。此外，用作為拋棄式的感測器，使用上也相當便利，是非常有潛力成為商品化的重點照護裝置(point-of-care)，特性上也符合世界衛生組織(World Health Organization，WHO)概述中“負擔得起的、敏感的、具體的、使用者友善的、快速和強大的、無設備的”醫療器材。至今，眾多研究學者已經將紙張微流道分析裝置，應用在各種感測上，例如葡萄糖、蛋白質、尿酸、大腸桿菌、癌細胞以及其他多種化學物質，證明了紙張微流道分析裝置可投入醫療診斷與環境監測。
在紙張微流道分析裝置中，由於紙基材是親水性的，因
此為了製造紙張微流道分析裝置，通常會先建立疏水屏障，以將流體流限制在所需位置內，或指示流體沿著期望的路徑。目前已有多種技術例如包括光刻膠法、電漿處理、蠟處理，絲網印刷、苯胺印刷、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)列印以及雷射處理技術已被開發用於製造疏水屏障。
但就目前而言，雖然紙張微流道分析裝置已經發展了許多的製造方法，大部分的製造技術都存在部分缺點，部分的製造技術中所使用的材料相當昂貴。此外，使用較簡易或較低成本的製造技術，亦容易降低紙張微流道分析裝置的印刷解析度。因此，如何簡化繁複的多步驟技術以有效降低製造成本，同時維持良好的印刷解析度，是本領域技術人員致力於達成的目標。
本發明提供一種擠壓裝置、蠟列印裝置及其蠟列印方法，可有效簡化微流道元件的製作過程，並大幅減低其製作成本，同時提升微流道元件的印刷解析度。
本發明的一實施例提出一種擠壓裝置，適於提供一成型材料。擠壓裝置包括一中空儲料管、一活塞元件以及一輸出元件。中空儲料管具有一容置空間，適於填充成型材料。活塞元件配置於容置空間中且覆蓋成型材料的其中一端。活塞元件適於在容置空間中移動。輸出元件配置於中空儲料管的一端且覆蓋成型材料的其中另一端。輸出元件具有一開口。其中，中空儲料管及輸出
元件適於接收一熱源以加熱成型材料為液態。成型材料在中空儲料管內受活塞元件朝輸出元件推動而從開口輸出。
在本發明的一實施例中，上述的成型材料的主要成分為石蠟。
在本發明的一實施例中，上述的擠壓裝置還包括一幫浦，連接於活塞元件。幫浦接收一操作訊號以使活塞元件在容置空間中移動。
在本發明的一實施例中，上述的擠壓裝置還包括一蓋件，配置於中空儲料管中相對輸出元件的一端。蓋件具有一穿孔，適於使活塞元件的一連接桿穿過穿孔。
本發明的另一實施例提出一種蠟列印裝置，適於製作一微流道元件。蠟列印裝置包括一移動模組以及一擠壓裝置。移動模組包括一移動裝置及一承載平台。擠壓裝置配置於移動模組，適於藉由移動裝置在一三維空間中移動並提供一成型材料。擠壓裝置包括一中空儲料管、一活塞元件以及一輸出元件。中空儲料管具有一容置空間，適於填充成型材料。活塞元件配置於容置空間中且覆蓋成型材料的其中一端。活塞元件適於在容置空間中移動。輸出元件配置於中空儲料管的一端且覆蓋成型材料的其中另一端。輸出元件具有一開口。其中，中空儲料管及輸出元件適於接收一熱源以加熱成型材料為液態。成型材料在中空儲料管內受活塞元件朝輸出元件推動而從開口輸出至一紙體上，使液態的成型材料在紙體凝固以形成一微流道結構。
在本發明的一實施例中，上述的成型材料的主要成分為石蠟。
在本發明的一實施例中，上述的擠壓裝置還包括一幫浦，連接於活塞元件。幫浦接收一操作訊號以使活塞元件在容置空間中移動。
在本發明的一實施例中，上述的擠壓裝置還包括一蓋件，配置於中空儲料管中相對輸出元件的一端。蓋件具有一穿孔，適於使活塞元件在穿孔中移動。
在本發明的一實施例中，上述的蠟列印裝置還包括一處理器，電性連接於移動模組以及幫浦。處理器適於提供操作訊號。
在本發明的一實施例中，上述的蠟列印裝置還包括一加熱裝置，連接於擠壓裝置，適於提供熱源至輸出元件。
在本發明的一實施例中，上述的蠟列印裝置還包括至少一電子裝置，連接於處理器。
本發明的另一實施例提出一種蠟列印方法，適於製作一微流道元件。蠟列印方法包括：提供一蠟列印裝置，包括一移動模組、一擠壓裝置以及一幫浦。擠壓裝置配置於移動模組，擠壓裝置包括一中空儲料管、一活塞元件以及一輸出元件；提供一紙體至移動模組的一承載平台上，以及提供一成型材料至中空儲料管中；提供一操作訊號至蠟列印裝置；依據操作訊號提供一熱源至擠壓裝置並操控移動模組以移動擠壓裝置；提供成型材料至紙體以形成一微流道結構；以及完成微流道元件。
在本發明的一實施例中，上述的蠟列印裝置還包括連接於擠壓裝置的一加熱裝置，且上述依據操作訊號提供熱源至擠壓裝置的方法還包括：偵測擠壓裝置上的一溫度訊號；以及依據溫度訊號啟動加熱裝置以調整擠壓裝置的溫度。
在本發明的一實施例中，上述提供成型材料至紙體以形成微流道結構的方法還包括：提供成型材料至紙體，以在紙體中凝固而形成微流道結構的其中一部分；以及重複提供成型材料至紙體，以將在紙體中的微流道結構的其中一部分朝遠離擠壓裝置方向推動，並且在紙體中凝固而形成微流道結構的其中另一部分。
基於上述，在本發明的蠟列印裝置及其蠟列印方法中，蠟列印裝置藉由移動模組移動擠壓裝置，並同時藉由熱源加熱擠壓裝置中的成型材料以及藉由活塞元件推動以提供成型材料至紙體上形成微流道結構，進而製作出微流道元件。因此，可有效簡化微流道元件的製作過程，並大幅減低其製作成本，同時提升微流道元件的印刷解析度。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10:紙體
20:成型材料
30:微流道結構
50:微流道元件
100:蠟列印裝置
110:移動模組
112:移動裝置
114:承載平台
115:第一驅動元件
116:第二驅動元件
117:第三驅動元件
120:擠壓裝置
121:中空儲料管
122:活塞元件
123:活塞件
124:連桿
125:輸出元件
126:幫浦
127:蓋件
128:限位件
130:處理器
140:加熱裝置
160:框架
G:容置空間
H:穿孔
O:開口
S200~S250:步驟
圖1 為本發明一實施例的蠟列印裝置示意圖。
圖2 為圖1中的擠壓裝置剖面示意圖。
圖3 為圖1的蠟列印裝置所列印之微流道結構寬度曲線圖。
圖4 為本發明一實施例的蠟列印方法的步驟流程圖。
圖1為本發明一實施例的蠟列印裝置示意圖。圖2為圖1中的擠壓裝置剖面示意圖。請參考圖1及圖2，在本實施例中，蠟列印裝置100可視為是置於由X軸、Y軸及Z軸所形成的直角座標系所定義出的空間中。蠟列印裝置100適於製作一微流道元件50。微流道元件50例如是紙張微流道分析裝置或其他可用於檢測或分析化學物質等紙基檢測裝置。具體而言，在本實施例中，蠟列印裝置100將一成型材料20提供至一紙體10上以形成微流道元件50。
具體而言，蠟列印裝置100包括一移動模組110以及一擠壓裝置120。移動模組110包括一移動裝置112及一承載平台114。在本實施例中，移動裝置112用以在一三維空間中移動擠壓裝置120，而承載平台114用以承載製作中的微流道元件50。舉例而言，在本實施例中，承載平台114及移動裝置112例如是在Y軸及X軸方向上分別以第一驅動元件115移動待製作中的微流道元件50及以第二驅動元件116移動擠壓裝置120以進行列印。而在列印開始以前，移動裝置112例如是在Z軸方向上以第三驅動元件117進行初始高度校正。如此一來，可實現高精度的自動控制以提升微流道元件50的印刷解析度。第一驅動元件115、第二
驅動元件116及第三驅動元件117可選用步進馬達，但本發明並不限於此。在其他的實施例中，移動裝置112及承載平台114可分別配置用以在不同維度上的驅動元件組合移動物件，本發明並不限於此。
擠壓裝置120配置於移動模組110，且適於藉由移動裝置110在三維空間中移動並提供成型材料20。在本實施例中，成型材料20的主要成分為石蠟(paraffin wax)。但在其他實施例中，成型材料20例如可選用高分子材料或低熔點金屬等固體墨水，本發明不限於此。擠壓裝置120包括一中空儲料管121、一活塞元件122以及一輸出元件125。
中空儲料管121具有一容置空間G，適於填充成型材料20。中空儲料管121的材質例如為金屬，舉例而言，在本實施例中，中空儲料管121為空心銅管，但在其他實施例中，也可以是由其他金屬或導熱材質製成。在本實施例中，中空儲料管121的內徑為14毫米，且外徑為22毫米，但本發明不限於此。
活塞元件122配置於容置空間G中且覆蓋成型材料20的其中一端，且活塞元件122適於在容置空間G中移動。詳細而言，在本實施例中，擠壓裝置120還包括一幫浦126，連接於活塞元件122。幫浦126例如為步進馬達，但本發明並不限於此。幫浦126接收一操作訊號以使活塞元件122在容置空間G中移動。具體而言，活塞元件122包括一活塞件123及一連桿124。在本實施例中，活塞件123的直徑為14毫米且厚度為6毫米，其主要材質為聚甲
基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)或其他種類塑膠，本發明不限於此。連桿124連接於活塞件123與幫浦126之間。因此，當幫浦126接收到操作訊號時，則藉由連桿124推動活塞件123，進而將成型材料20推出。
在本實施例中，擠壓裝置120還包括一蓋件127，配置於中空儲料管121中相對輸出元件125的一端，以封住中空儲料管121。蓋件127具有一穿孔H，適於使活塞元件122在穿孔H中移動。具體而言，活塞元件122的連桿124延伸穿過穿孔H。在本實施例中，蓋件127例如是直徑為14毫米的矽膠塞。
此外，在本實施例中，擠壓裝置120還具有一限位件128，配置於連桿124上。在幫浦126藉由連桿124推動活塞件123時，連桿124可藉由用以支撐擠壓裝置120的一框架160抵住限位件128而停止繼續移動。換句話說，使用者可進一步藉由調整連桿124上的限位件128而限制活塞件123可移動的範圍，但本發明並不限於此。
輸出元件125配置於中空儲料管121的一端且覆蓋成型材料20的其中另一端。具體而言，輸出元件125覆蓋中空儲料管121的其中一端，且成型材料20被填充於輸出元件125與活塞件123之間。詳細而言，輸出元件125具有一開口O，成型材料20可藉由開口O被擠出。輸出元件125的材質例如為金屬，舉例而言，在本實施例中，輸出元件125為材質為鋁的螺形針頭，且開口的孔徑小於0.3毫米，但在其他實施例中，也可以是由其他金屬
或導熱材質製成。
在本實施例中，由於成型材料20選用熔點高於常溫的石蠟，因此在擠壓出於成型材料20時，可額外提供一熱源至以金屬或其他導熱材質製成的中空儲料管121或輸出元件125，進而將成型材料20加熱熔化為液態。如此一來，可藉由中空儲料管121與輸出元件125的熱傳導效應，對成型材料20加熱熔化成液態。
在成型材料20被加熱熔化成液態同時，藉由活塞元件122朝輸出元件125推動所施予的壓力，進而使成型材料20能順利從輸出元件125的開口O擠出，以在紙體10中凝固形成微流道結構30，進而製成微流道元件50。如此一來，本實施例的蠟列印裝置100可以不需使用額外的有機溶劑、光遮罩或各種模具，即可製作完成微流道元件50。因此，可有效簡化微流道元件50的製作過程，並大幅減低其製作成本。
值得一提的是，在本實施例中，成型材料20可依據所欲製作微流道元件50的種類或需求而調整提供的次數。詳細而言，成型材料20由擠壓裝置120擠出時呈現液態，因此可藉由毛細現象滲入紙體10的纖維間隙中。此時，由於成型材料20遠離熱源，因此會在紙體10中的黏度會急速地上升以形成微流道結構30。
因此，使用者可再次提供成型材料20至紙體以推動先前已形成的微流道結構30，而剛才所提供的成型材料20則因黏度急速地上升以形成新的微流道結構30。換句話說，隨著提供成型材料20的次數增加，所形成的微流道結構30的可達深度範圍就越
大。如此一來，相較於傳統的製作方式，本實施例可在增加微流道元件50中微流道結構30深度的同時減低對微流道結構30成型寬度的影響，進而減低對微流道元件50印刷解析度的影響。
在本實施例中，蠟列印裝置100還包括一處理器130、一加熱裝置140以及至少一電子裝置150。處理器130電性連接於移動模組110、擠壓裝置120、加熱裝置140以及至少一電子裝置150。詳細而言，處理器130可提供操作訊號至移動模組110中分別用以驅動擠壓裝置120或紙體10在三維空間中的移動的第一驅動元件115、第二驅動元件116以及第三驅動元件117，進而移動擠壓裝置120以在紙體10形成微流道結構30。
處理器130例如是包括中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)、微處理器(Microprocessor)、微處理器(Micro controller)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、可程式化控制器、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)或其他類似裝置或這些裝置的組合，本發明並不加以限制。在本實施例中，處理器130選用Arduino Mega 2560微處理器。
除此之外，處理器130可進一步提供操作訊號至擠壓裝置120上的幫浦126，同時提供操作訊號至加熱裝置140。因此，可即時加熱擠壓裝置120中的成型材料20並由活塞元件122擠壓出。如此一來，可使成型材料20為液態狀態而滲入紙體10中，進而形成微流道結構30。因此，相較於傳統製作微流道元件的方式，本實施例的蠟列印裝置100並不需要將成型材料20擠出後，
再額外加熱紙體10以熔化成型材料20。
在本實施例中，加熱裝置140連接於擠壓裝置120，並且提供熱源至輸出元件125。詳細而言，加熱裝置140例如為一加熱件，嵌於輸出元件125內，藉由處理器130提供的電流資訊而對輸出元件125及中空儲料管121加熱，進而熔化靠近開口O處的成型材料20。除此之外，處理器130也可監控輸出元件125的實際溫度而調整輸入至加熱裝置140的電流資訊，進而控制成型材料20在輸出時的溫度。如此一來，可藉由溫度梯度的效應控制成型材料20在紙體10上流動的距離，以完成高解析度的印刷效果。
在本實施例中，電子裝置150例如是電池或顯示器，分別用以提供處理器130電力或顯示製作資訊，本發明並不限於此。
圖3為圖1的蠟列印裝置所列印之微流道結構寬度曲線圖。請同時參考圖1至圖3，其橫軸為蠟列印裝置100的列印寬度，單位為微米，縱軸為在微流道元件50上所測量到的實際寬度，單位為微米。如圖3所顯示，本實施例的蠟列印裝置100經設定列印寬度為200至500微米列印出的微流道結構30，經實際測量可得400至1000微米的實際寬度，且由實驗的數據得出相關係數可高達0.985，且可形成有效寬度為468微米的微流道結構30。換句話說，本實施例的蠟列印裝置100可藉由加熱裝置140有效控制液態成型材料20的流動距離，進而提升微流道元件50的印刷解析度。
圖4為本發明一實施例的蠟列印方法的步驟流程圖。請
參考圖1、圖2及圖4，本實施例的蠟列印方法可適用於圖1的蠟列印裝置，但本實施例的蠟列印方法並不限定需以圖1的蠟列印裝置執行。在步驟S200中，提供蠟列印裝置100，包括移動模組110、擠壓裝置120以及幫浦126，擠壓裝置120配置於移動模組110，擠壓裝置120包括中空儲料管121、活塞元件122以及輸出元件125。
接著，在步驟S210中，提供紙體10至移動模組110的承載平台114上，以及提供成型材料20至中空儲料管120中。接著，在步驟S220中，提供一操作訊號至蠟列印裝置100。接著，在步驟S230中，依據操作訊號提供一熱源至擠壓裝置120並操控移動模組110以移動擠壓裝置120。接著，在步驟S240中，提供成型材料20至紙體10以形成微流道結構30。
最後，在步驟S240中，完成微流道元件50。如此一來，本實施例的蠟列印裝置100可以不需使用額外的有機溶劑、光遮罩或各種模具，即可製作完成微流道元件50。因此，可有效簡化微流道元件50的製作過程，並大幅減低其製作成本，同時提升微流道元件50的印刷解析度。
除此之外，在本實施例中，蠟列印裝置100還包括連接於擠壓裝置120的加熱裝置140，且在步驟S230中還可以包括偵測擠壓裝置120上的一溫度訊號的步驟，以及接著依據溫度訊號啟動加熱裝置140以調整擠壓裝置120的溫度的步驟。如此一來，可進一步藉由控制擠壓裝置120中成型材料20的溫度提升，同時
省去再額外加熱紙體10以熔化成型材料20的步驟。
值得一提的是，在本實施例中，在步驟S240中，提供成型材料20至紙體10以形成微流道結構30的方法還包括提供成型材料20至紙體10，以在紙體10中凝固而形成微流道結構30的其中一部分。接著，重複提供成型材料20至紙體10，以將在紙體10中的微流道結構30的其中一部分朝遠離擠壓裝置120方向推動，並且在紙體10中凝固而形成微流道結構30的其中另一部分。除此之外，在本實施例中，還可根據不同種類的微流道元件50而調整提供成型材料20至紙體10的次數，以在增加微流道元件50中微流道結構30深度的同時減低對微流道結構30成型寬度的影響，進而減低對微流道元件50印刷解析度的影響。
綜上所述，在本發明的蠟列印裝置及其蠟列印方法中，蠟列印裝置藉由移動模組移動擠壓裝置，並同時藉由熱源加熱擠壓裝置中的成型材料以及藉由活塞元件推動以提供成型材料至紙體上形成微流道結構，進而製作出微流道元件。因此，可有效簡化微流道元件的製作過程，並大幅減低其製作成本，同時提升微流道元件的印刷解析度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧紙體
20‧‧‧成型材料
30‧‧‧微流道結構
50‧‧‧微流道元件
110‧‧‧移動模組
120‧‧‧擠壓裝置
121‧‧‧中空儲料管
122‧‧‧活塞元件
123‧‧‧活塞件
124‧‧‧連桿
125‧‧‧輸出元件
126‧‧‧幫浦
127‧‧‧蓋件
128‧‧‧限位件
130‧‧‧處理器
140‧‧‧加熱裝置
160‧‧‧框架
G‧‧‧容置空間
H‧‧‧穿孔
O‧‧‧開口
Claims (9)
- 一種蠟列印裝置，適於製作一微流道元件，包括：一移動模組，包括一移動裝置及一承載平台；以及一擠壓裝置，配置於該移動模組，該擠壓裝置適於藉由該移動裝置在一三維空間中移動並提供一成型材料，該擠壓裝置包括：一中空儲料管，具有一容置空間，適於填充該成型材料；一活塞元件，配置於該容置空間中且覆蓋該成型材料的其中一端，該活塞元件適於在該容置空間中移動；以及一輸出元件，配置於該中空儲料管的一端且覆蓋該成型材料的其中另一端，該輸出元件具有一開口，其中該中空儲料管及該輸出元件適於接收一熱源以加熱該成型材料為液態，其中該成型材料在該中空儲料管內受該活塞元件朝該輸出元件推動而從該開口輸出至一紙體上，使液態的該成型材料在該紙體凝固以形成一微流道結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的蠟列印裝置，其中該成型材料的主要成分為石蠟。
- 如申請專利範圍第1項所述的蠟列印裝置，其中該擠壓裝置還包括一幫浦，連接於該活塞元件，該幫浦接收一操作訊號以使該活塞元件在該容置空間中移動。
- 如申請專利範圍第1項所述的蠟列印裝置，其中該擠壓裝置還包括一蓋件，配置於該中空儲料管中相對該輸出元件的一端，該蓋件具有一穿孔，適於使該活塞元件在該穿孔中移動。
- 如申請專利範圍第1項所述的蠟列印裝置，還包括：一處理器，電性連接於該移動模組以及該幫浦，該處理器適於提供該操作訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述的蠟列印裝置，還包括：一加熱裝置，連接於該擠壓裝置，適於提供該熱源至該輸出元件。
- 如申請專利範圍第5項所述的蠟列印裝置，其中蠟列印裝置還包括：至少一電子裝置，連接於該處理器。
- 一種蠟列印方法，適於製作一微流道元件，包括：提供一蠟列印裝置，包括一移動模組、一擠壓裝置、一幫浦以及連接於該擠壓裝置的一加熱裝置，該擠壓裝置配置於該移動模組，該擠壓裝置包括一中空儲料管、一活塞元件以及一輸出元件；提供一紙體至該移動模組的一承載平台上，以及提供一成型材料至該中空儲料管中；提供一操作訊號至該蠟列印裝置；依據該操作訊號提供一熱源至該擠壓裝置並操控該移動模組以移動該擠壓裝置，包括：偵測該擠壓裝置上的一溫度訊號；以及依據該溫度訊號啟動該加熱裝置以調整該擠壓裝置的溫度； 提供該成型材料至該紙體以形成一微流道結構；以及完成該微流道元件。
- 如申請專利範圍第8項所述的蠟列印方法，其中提供該成型材料至該紙體以形成該微流道結構的方法還包括：提供該成型材料至該紙體，以在紙體中凝固而形成該微流道結構的其中一部分；以及重複提供該成型材料至該紙體，以將在紙體中的該微流道結構的其中一部分朝遠離該擠壓裝置方向推動，並且在紙體中凝固而形成該微流道結構的其中另一部分。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| RU213706U1 (ru) * | 2022-01-25 | 2022-09-23 | Андрей Сергеевич Долгин | Экструдер для печати керамическими пастами на 3D-принтере по технологии наплавления |
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2017
- 2017-12-15 TW TW106144146A patent/TWI686285B/zh active
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