用于3D打印机的柔性悬臂结构和3D打印机的制作方法

用于3d打印机的柔性悬臂结构和3d打印机
1.本技术是申请号为202111269489.9、申请日为2021年10月29日、发明名称为“3d打印机和用于3d打印机的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本公开总体上涉及3d打印技术领域，具体涉及用于实现打印平台的调平的3d打印机及用于3d打印机的柔性悬臂结构。


背景技术：

3.3d打印机(又称，三维打印机、立体打印机)通过逐层打印的方式来构造三维物体。相关技术中，3d打印机包括用于挤出打印材料的打印头以及用于沉积打印材料以形成三维物体的打印平台。打印头被构造成能够相对于打印平台移动并在移动的同时将打印材料挤出在打印平台的表面上。打印材料在打印平台的表面逐层沉积并熔合在一起从而打印出三维物体。
4.三维物体的打印精度受到多种因素的影响。在其上形成三维物体的打印平台的表面是否处于预定位置和角度，特别是是否为水平平面，是决定打印精度的至关重要的因素之一。因此，需要进一步改善打印平台的定位和调平技术。
5.在此部分中描述的方法不一定是之前已经设想到或采用的方法。除非另有指明，否则不应假定此部分中描述的任何方法仅因其包括在此部分中就被认为是现有技术。类似地，除非另有指明，否则此部分中提及的问题不应认为在任何现有技术中已被公认。


技术实现要素：

6.本公开实施例提供了一种用于3d打印机的柔性悬臂结构和一种3d打印机。
7.根据本公开的一方面，提供了一种用于3d打印机的柔性悬臂结构，所述柔性悬臂结构包括：本体，所述本体用于安装到所述3d打印机的打印平台，所述打印平台包括用于承载打印物体的打印平面；从所述本体延伸的第一悬臂；从所述本体延伸的第二悬臂，所述第二悬臂包括连接到所述本体的近端和与所述近端相对的远端；连接部，所述第一悬臂与所述第二悬臂的所述远端经由所述连接部相连接；以及传感器，所述传感器安装到所述第二悬臂，所述传感器被构造成通过感测施加到所述打印平面的力所致的所述柔性悬臂结构的变形来生成指示施加到所述打印平面的力的感测信号。
8.根据本公开的另一方面，提供了一种3d打印机。所述3d打印机包括：打印平台，所述打印平台包括用于承载打印物体的打印平面；打印头，所述打印头被构造成能够相对于所述打印平台移动；以及至少三个柔性悬臂结构，每个柔性悬臂结构为根据权利要求1-4中的任一项所述的柔性悬臂结构，其中，所述至少三个柔性悬臂结构分别安装在所述打印平台的不同位置。
9.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
10.在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本公开公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本公开范围的限制。
11.图1示出了根据本公开的实施例的3d打印机的结构图。
12.图2示出了根据本公开的实施例的柔性悬臂结构。
13.图3示出了根据本公开的实施例的3d打印机的用于安装传感器的布置结构。
14.图4示出了图3中的布置结构的局部放大图。
15.图5示出了根据本公开的实施例的3d打印机的用于安装传感器的另一布置结构。
16.图6示出了根据本公开的实施例的用于3d打印机的方法的流程图。
17.图7示出了根据本公开的实施例的在图6的方法中确定打印头已经接触到打印平面的示例操作的流程图。
具体实施方式
18.以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
19.在本公开中，除非另有说明，否则使用术语“第一”、“第二”等来描述各种要素不意图限定这些要素的位置关系、时序关系或重要性关系，这种术语只是用于将一个元件与另一元件区分开。在一些示例中，第一要素和第二要素可以指向该要素的同一实例，而在某些情况下，基于上下文的描述，它们也可以指代不同实例。
20.在本公开中对各种所述示例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例的目的，而并非旨在进行限制。除非上下文另外明确地表明，如果不特意限定要素的数量，则该要素可以是一个也可以是多个。此外，本公开中所使用的术语“和/或”涵盖所列出的项目中的任何一个以及全部可能的组合方式。
21.在基于挤出的(例如，熔融沉积成型)3d打印技术中，从打印头挤出的打印材料逐层沉积在打印平台限定的平面上。一般而言，需要该平面为平整表面，并且垂直于3d打印机的z轴方向。否则，打印材料在逐层沉积过程中会发生错位。这将产生例如打印出的物体的竖直轴向发生偏斜、外形精度下降等打印缺陷，甚至导致打印失败。
22.因此，为了确保打印质量和成功率，在打印之前，需要对打印平台进行调平。所述调平操作至少包括：检测打印平台限定的平面是否平整，并对该平面的位置进行标定以将其调整到与打印头的z轴方向垂直。相关技术包括手动和自动调平方案。手动调平方案通过操作者手动操作机械结构来实现调平，存在操作复杂、受人为因素影响大等缺陷。自动调平方案虽然能够减少人为操作的影响，但不可避免地提高了3d打印机的结构和线路复杂度并因此增加了成本。而且，在调平精度和可靠性上也存在较大提高空间。
23.本公开实施例提供了一种改进的3d打印机，以便能够克服上述问题中的至少一个。
24.下面将结合附图详细描述本公开的实施例。
25.图1示出了根据本公开的实施例的3d打印机100。3d打印机100包括打印平台110以及打印头120。打印头120被构造成能够相对于打印平台110移动。打印平台110限定有打印平面112。从打印头120挤出的打印材料逐层沉积在打印平台110限定的打印平面112上，从而打印出三维物体。
26.3d打印机100还包括至少一个传感器130，如下文将结合图2-6所详细描述的。至少一个传感器130安装到打印平台110上，并被构造成生成指示施加到打印平面112的力的感测信号。将至少一个传感器安装到打印平台110至少有利于简化传感器的安装结构并且易于电路布线。
27.传感器130可以为能够生成上述感测信号的任何类型的传感器。在一个示例中，该传感器为压电陶瓷传感器。施加在打印平面112上的力可导致该压电陶瓷传感器发生对应形变。压电陶瓷传感器进一步能够基于形变的量生成指示施加到打印平面112的力的感测信号(例如，电势差)。压电陶瓷传感器成本低，测量可靠性高。采用压电陶瓷传感器至少有利于降低成本并提高可靠性。
28.此外，3d打印机100还包括用于控制3d打印机100的打印操作的处理器。处理器可以集成到3d打印机100中。在另外的实施例中，处理器可以独立于3d打印机100并通过有线或无线方式与3d打印机100通信。在进行打印操作之前，处理器可控制3d打印机100实现对打印平台110的自动调平。在自动调平操作中，处理器可控制打印头120从预定位置朝向打印平面112移动。当打印头120接触到打印平面112时，打印头120会将力施加到打印平台110。该接触产生的力能够被上述至少一个传感器130感测到并由传感器130的感测信号指示。基于该感测信号，处理器能够确定打印头120已经接触到打印平面112。进一步地，响应于确定打印头120已经接触到打印平面112，处理器能够确定打印头120从上述预定位置在打印机的z轴方向上移动的距离。根据所确定的距离，处理器能够确定打印平面112在所述方向上的位置。在一个示例中，根据需要，可选取处于同一高度的多个预定位置。处理器可控制打印头120从该多个预定位置朝向打印平面112移动并确定多个距离。通过比较多个距离，可以确定打印平面112是否为平整表面。而且，通过确定打印头120从至少三个不共线的预定位置在打印机100的z轴方向上移动的距离，可以在打印机的坐标系中标定出打印平面112的位置，从而判断打印平面112是否与3d打印机100的z轴方向垂直。
29.可在打印平台110上安装任意数量的传感器130。在一个示例中，可选择使用三个传感器130并将三个传感器130分别安装在打印平台110的三个不共线的位置上。在这种情况下，处理器能够基于来自三个传感器130的感测信号，确定施加到打印平面112的合力。响应于该合力超过预定阈值，处理器确定打印头120已经接触到打印平面112。与仅仅取决于单个传感器的感测信号来判断相比，采用三个传感器130并基于三个感测信号计算打印平台110所受合力确保了：无论打印头120在任何位置接触打印平面112，都能够可靠地感测并判断出打印头120已经接触到打印平面112。而且，3d打印机100所处的环境中往往存在许多干扰因素，使得传感器的测量值产生波动。用合力与预定阈值进行比较能够减少由于单个传感器的测量值波动导致的错误判断，进一步提高了感测和判断的可靠性。另一方面，由于计算合力在一定程度上弱化了单个传感器的测量值波动，可以更加合理地确定预定阈值，而不用为了保证可靠性牺牲灵敏度。例如，可将预定阈值确定地尽可能较低，从而提高判断接触发生的灵敏度。
30.此外，传感器130可通过任何方式安装到打印平台110，只要能够感测到施加到打印平面112的力。在一个示例中，如图1所示，传感器130安装到打印平台110的柔性悬臂结构115上。柔性悬臂结构115被构造成由施加到打印平面112的力而变形。通过柔性悬臂结构115来安装传感器能够使传感器更加灵敏且可靠地感测到施加到打印平面112的力。
31.图2示出了根据本公开实施例的柔性悬臂结构115。柔性悬臂结构115包括：本体210；从本体210延伸的第一悬臂220；以及从本体210延伸的第二悬臂230。第一悬臂220与第二悬臂230被设置成在远离本体210的位置240处相连接，使得第一悬臂220的变形传递到第二悬臂230。传感器130安装在第二悬臂230上。如此一来，可以通过调整第一悬臂220与第二悬臂230连接的位置和结构来调整第二悬臂230的变形量，从而调整传感器130的灵敏度。这使得本公开的安装有传感器的打印平台布置结构具有可移植性。通过微调柔性悬臂结构，根据本公开的打印平台布置结构即可适配具有不同载荷要求的多种3d打印机。图2示出了一种可能的结构。如所示，第一悬臂220与第二悬臂230从本体210的部分215处沿同一方向延伸，并且第一悬臂220被设置成围绕在第二悬臂230的外侧。第一悬臂220与第二悬臂230在与本体210的部分215相对的位置240处经由连接部260相连接。
32.进一步地，图3和图5分别示出了根据本公开的实施例的用于安装传感器的两种不同的示例布置结构。通过在布置结构中包括上述柔性悬臂结构并利用柔性悬臂结构来将传感器安装到打印平台，能够通过简单的结构设计来满足感测灵敏度及强度的需求。特别是，整个用于安装传感器的布置结构不再需要包括为安装传感器而设计的额外结构，进一步降低了结构复杂度和成本。
33.首先来看图3，打印平台110被设置为包括打印平板310以及支撑打印平板310的打印平板支架320。打印平板310提供打印平面112。打印平板310和打印平板支架320之间安装有三个柔性悬臂结构115。三个传感器130分别安装到三个柔性悬臂结构115。打印平板310和打印平板支架320可根据需要采用任何合适的形状和构造。三个柔性悬臂结构115可以安装在任何位置处。在图3的实施例中，打印平板310为矩形。与此相适应的，打印平板支架320也为矩形。三个柔性悬臂结构115中的两个布置在矩形的一个边缘处并且三个柔性悬臂结构115中的余下的一个布置在相对的边缘处。
34.图4示出了图3中的布置结构的局部放大图。如图4所示，柔性悬臂结构115的本体210连接到打印平板支架320的上表面。柔性悬臂结构115的第一悬臂220连接到打印平板310的下表面。传感器130安装到柔性悬臂结构115的的第二悬臂230。如此一来，当力施加到打印平面112时，柔性悬臂结构115的第一悬臂220由于连接到提供打印平面112的打印平板130将受力产生变形。如上面关于图2所详细描述的，第一悬臂220与第二悬臂230相连，使得第一悬臂220的变形传递到第二悬臂230。安装于第二悬臂230的传感器130感测到变形并相应生成指示施加到打印平板310的力的感测信号。
35.可以通过任何方式将柔性悬臂结构115的第一悬臂220连接到打印平板310的下表面。在图3、图4示出的实施例中，第一悬臂220螺栓连接到打印平板310的下表面。在一个示例中，在螺栓连接外还套设有弹簧410，以便相对于柔性悬臂结构115抬高打印平板310，使得两者之间形成一间隙。该间隙能够防止打印平板310碰到柔性悬臂结构115的其他部分导致柔性悬臂结构115不能正常变形。该弹簧410可以用垫片、塑料套筒等间隔件替代。
36.图5示出的示例布置结构与图4类似，打印平台110也被设置为包括打印平板510以
及支撑打印平板510的打印平板支架520。打印平板510提供打印平面112。三个传感器130分别安装到三个柔性悬臂结构115。
37.图5示出的示例布置结构与图4的区别在于：柔性悬臂结构115安装在打印平板支架520的下方。柔性悬臂结构115的本体210连接到打印平板支架520的下表面。柔性悬臂结构115的第一悬臂220连接到3d打印机的其他结构。如此一来，当力施加到打印平面112时，力从提供打印平面112的打印平板130传递到打印平板支架520，柔性悬臂结构115的本体210由于连接到打印平板支架520将受力产生变形。然而，第一悬臂510由于连接3d打印机的其他结构将不产生变形。安装于第二悬臂230的传感器130感测到变形并相应生成指示施加到打印平板支架520的力的感测信号。应理解，图5示出的布置结构响应于施加在打印平面112上的力而生成感测信号的作用原理与图4示出的布置结构相同。区别在于在图5示出的布置结构中柔性悬臂结构115的变形过程与在图4中相反。
38.可以通过任何方式将柔性悬臂结构115的本体210连接到打印平板支架520的下表面。在图5示出的实施例中，本体210螺栓连接到打印平板支架520的下表面。在一个示例中，在螺栓连接处设置有垫片，以便在柔性悬臂结构115和打印平板支架520之间形成一间隙。该间隙能够防止打印平板支架520碰到柔性悬臂结构115的其他部分导致柔性悬臂结构115不能正常变形。垫片可以用套筒等间隔件替代。
39.此外，图5示出的示例布置结构与图4的区别还在于：三个柔性悬臂结构115分别布置在矩形打印平板支架520的三个不同的边缘处。
40.在一些实施例中，3d打印机100还包括升降机构150(图1)。处理器被构造成根据所确定的打印平面112的位置控制升降机构150以实现打印平面112的调平。在图3、图4示出的布置结构中，升降机构150连接到打印平板支架320以调整打印平面112的竖直位置。在图5示出的布置结构中，升降机构150连接到三个柔性悬臂结构115的第一悬臂220以调整打印平面112的竖直位置。
41.本公开的实施例还提供一种用于3d打印机的方法，以实现改进的调平。图6示出了根据本公开的实施例的用于3d打印机的方法600的流程图。如图6所示，该方法600包括步骤610至640。
42.在步骤610中，由处理器控制打印头从预定位置朝向打印平面移动。在步骤620中，基于来自至少一个传感器的感测信号，由处理器确定打印头已经接触到打印平面。当打印头接触到打印平面时，会将力施加在打印平面上。该接触产生的力能够被至少一个传感器感测到并由传感器的感测信号指示。步骤620能够基于该感测信号，确定打印头已经接触到所述打印平面。在步骤630中，响应于确定打印头已经接触到打印平面，由处理器确定打印头从预定位置在3d打印机的z轴方向上移动的距离。在步骤640中，根据所确定的距离，由处理器确定打印平面在z轴方向上的位置。在一个示例中，根据需要，可选取处于同一高度的多个预定位置。控制打印头从该多个预定位置朝向打印平面移动并确定多个距离。通过比较多个距离，可以确定打印平面是否为平整表面。而且，通过确定打印头从至少三个不共线的预定位置在打印机的z轴方向上移动的距离，可以在打印机的坐标系中标定出打印平面的位置，从而判断打印平面是否与3d打印机的z轴方向垂直。
43.如图7所示，由所述处理器确定所述打印头已经接触到所述打印平面(步骤620)进一步包括步骤710和步骤720。在步骤710中，基于来自至少三个传感器的感测信号，由处理
器确定施加到打印平面的合力。在步骤720中，响应于合力超过预定阈值，由处理器确定打印头已经接触到打印平面。
44.返回参考图6，在一些实施例中，根据本公开的实施例的方法600还可以包括步骤650。在步骤650中，根据所确定的打印平面在z轴方向上的位置，由处理器控制多个升降机构以实现所述打印平面的调平。
45.应当理解的是，在本说明书中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系或尺寸为基于附图所示的方位或位置关系或尺寸，使用这些术语仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，并且因此不能理解为对本公开的保护范围的限制。
46.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
47.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
48.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
49.本说明书提供了能够用于实现本公开的许多不同的实施方式或例子。应当理解的是，这些不同的实施方式或例子完全是示例性的，并且不用于以任何方式限制本公开的保护范围。本领域技术人员在本公开的说明书的公开内容的基础上，能够想到各种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所附权利要求所限定的保护范围为准。