用于三维对象的打印系统的制作方法
【技术领域】
[0001]现有技术状态中不利的是可被打印的对象的尺寸局限于某一尺寸，例如Xyz-方向上50cm，因为示例性的笛卡儿坐标操纵器具有相对应的有限尺寸。更大尺寸的对象，例如2mX2mX3m是不可用典型的笛卡儿坐标操纵器打印的。本发明的目的在于一种用于容易打印更大3D对象的系统。
【背景技术】
[0002]本发明涉及一种用于三维对象的打印系统。3D打印系统适合于例如3D原型机制造是众所周知的。这可实现工件快速且简易的生产，以用于起动成批生产之前的测试目的。但对于小批量单个工件的生产，3D打印系统也是合适的。目前具有若干种类型的3D打印系统。一种类型主要包含打印喷嘴和笛卡儿坐标操纵器，其被预见在xyz-方向上移动打印喷嘴。因而典型的笛卡儿坐标操纵器包括三个线性运动自由度。有待打印的3D对象的结构储存在例如一种三维矩阵中，其中对于各个坐标都提供了在相应的坐标上是否必须应用打印材料部分的信息。虽然相应的打印材料部分通常是以液态或可与之相当的状态打印的，但打印材料会在应用之后硬化，从而逐点和逐层打印出固体对象。
【发明内容】
[0003]这个问题通过用于前述种类的三维对象的打印系统来解决。这种打印系统，其特征在于一种用于储存和执行机器人程序的控制单元，受到控制单元控制并包括具有若干个部件的臂的工业机器人，以及打印单元，臂的顶端可根据机器人程序的路径数据沿着预定的运动路径而移动，打印单元安装在机器人臂的顶端并受到控制单元的控制，打印单元包括至少一个打印喷嘴，其用于根据机器人程序的对象数据在相应的坐标上逐点应用相应的打印材料部分。
[0004]本发明的基本思想是使用具有较大操作范围的工业机器人作为操纵器，其用于沿着预定的运动路径携带打印单元。典型的工业机器人具有例如围绕旋转底座的为3m的工作空间，并且包括例如四个、五个、六个或甚至七个运动自由度。机器人受到控制单元(相应地，机器人控制器)的控制。这是一种计算装置，其能够运行包含例如所需机器人运动的数据的软件程序。这种机器人的臂由例如旋转底座以及第一臂部件和第二臂部件组成，第一臂部件和第二臂部件以可回转的方式链状地连接起来。这两个臂部件可能各具有例如1.5m长度。每个部件通常包括自身的驱动器，并造成相应的运动自由度。因而在机器人的工作空间中利用第二臂部件的末端可能达到每个xyz-坐标。
[0005]在根据本发明的打印系统中优选使用涂布机器人。用于操纵的典型的工业机器人被预见在起点和终点之间移动它们的臂。在那些点之间的运动种类并不具有重要意义。涂布机器人另一方面被预见以优选恒定的速度沿着给定的运动路径而移动其臂。这里不仅运动的起点和终点很重要，而且在那些点之间的整个运动也很重要。如果涂布机器人比所需的更慢，那么涂布结果将太厚，如果运动路径偏离其所需途径，那么涂布结果将是不均匀的。准备好的涂布机器人沿着整个运动路径具有高的精度，并因此非常适合用作用于打印三维对象的打印单元的操纵器。合适的机器人是例如ABB IRB5000或IRB5500。
[0006]通常在第二部件的末端会预见到腕部，其提供了额外的运动自由度，以用于使预见位于腕部的外端的工具(相对应地，打印单元)定向。因而利用工业机器人的通常较大的工作空间来打印三维对象是可能的。
[0007]根据本发明的一个实施例，工业机器人(相应地，其臂)包括至少六个机器人部件，其具有六个运动自由度。如果机器人臂包括六个运动自由度，那么在其工作空间中，在各个定向上达到各个点是可能的。因而同具有三个运动自由度的笛卡儿坐标操纵器相比，在柔性方面赋予了某种超冗余性，笛卡儿坐标操纵器不会提供使工具定向的可能性。这种超冗余性例如可以一种有利的方式用于使机器人运动路径的编程变得更为灵活。
[0008]当应用打印材料部分时，在喷嘴的坐标和打印材料部分在有待打印的三维对象的表面上的相应撞击坐标之间存在差异。机器人的控制通常准备成使得打印材料部分的所需撞击坐标是在所需的运动路径中给出的，而打印喷嘴的真实的运动路径确定成使得其相对于打印材料的相应撞击坐标在固定的距离范围内，以避免任何冲突。相对于打印喷嘴始终在固定距离范围内的虚拟撞击点被称为TCP (工具中心点)。
[0009]因为撞击坐标不一定与必须应用打印材料部分的定向相关，所以打印材料部分可能从具有相应的不同定向的打印喷嘴的不同坐标应用于某一坐标上。这例如可通过打印喷嘴的相应的经调节的定向而实现校正打印喷嘴的实际位置的潜在偏差的可能性。因而工业机器人的运动自由度的超冗余性用于以有利的方式改善其精度。
[0010]根据本发明的另一实施例，可预见到用于预先确定至少一个打印喷嘴(相应地，TCP)的真实的实际位置的装置。因而可以很容易地检测真实位置与打印喷嘴(相应地，TCP)的相应的所需位置的偏差。由于其大的工作范围和组成的若干个运动自由度，工业机器人可能会经历在所需的预定的运动路径和真实运动路径之间的某些偏差。那些偏差对于有待打印的三维对象的结果具有很重要的意义，因为错放的打印材料部分将降低打印的三维对象的品质。
[0011]根据本发明的另一实施例，用于预先确定真实实际位置的装置包括用于相应机器人轴线的加速度传感器、分解器、编码器或激光干涉仪，相应的测量值可从那里提供给控制单元，控制单元准备据此预先推导出至少一个打印喷嘴的真实实际位置。
[0012]分解器通常在工业机器人中用于确定相应的机器人部件的回转角度。基于那些数据并通过使用机器人部件的几何结构可以据此确定机器人臂(相应地，TCP)的实际位置。实际位置数据通常用作输入数据，用于机器人的的驱动器的控制环路，驱动器促成机器人的姿势。同样当预见到控制环路时，机器人臂的实际位置可能经历相对于所需位置的偏差。
[0013]预先确定真实的实际位置意味着基本评估出最近将来的位置，例如在50ms等时间内的TCP的位置。这种特征是本发明的另一实施例所需要的，根据此实施例可预见到根据机器人程序的对象数据，只有在(预先)确定的至少一个打印喷嘴的真实的实际位置与相应坐标相对应的情况下才应用相应的打印材料部分，其中当然要假定一定的公差范围。
[0014]换句话说，如果打印喷嘴(相应地，TCP)根据机器人程序的对象数据经过相应的坐标时，就应用打印材料部分。如果存在超过某一极限的偏差，那么就停止相应的打印材料部分的应用。因而避免了打印材料部分以大于例如0.5mm的公差的极大的偏差应用于某一位置。
[0015]在原理上，存在两种偏差。根据第一变体，真实运动路径与预定的运动路径相对应，但在真实和所需的运动速度之间存在差异。在这种情况下，当打印喷嘴根据机器人程序的对象数据经过相应的坐标时，根本不会停止打印材料部分的应用，而是在那个时刻及时进行时间移位。根据第二变体，真实运动路径不与预定的运动路径相对应，因而根本不会到达根据机器人程序的对象数据的相应坐标，并且在这种情况下停止应用相应的打印材料部分。
[0016]为了避免双倍应用打印材料部分，根据本发明的另一实施例可预见到根据机器人程序的对象数据的每个相应的坐标而将相应的打印材料部分仅仅应用一次。因而一旦应用打印材料部分，如果打印喷嘴根据机器人程序的对象数据经过相应的坐标，并且如果相同的坐标被再次经过，那么不会进一步应用打印材料部分。因而对于各个坐标必须将是否已经执行应用的信息储存在例如控制单元的存储器中。
[0017]为了确保打印材料部分同样应用于根据机器人程序的对象数据的由于太大的运动路径偏差而已经被忽略的那些相应的坐标上，以下用于三维对象的打印系统的实施例是可预见的。这种打印系统的特征在于，控制单元准备调节预定的运动路径，使得在由于相应的真实实际位置与根据预定运动路径的相应的所需位置的偏差而没有应用打印材料部分的情况下，至少一个打印喷嘴再次逼近相应的坐标，以应用相应的打印材料部分。因而在已经打印了一层有待打印的对象之后，额外的路径可能得以增补，据此，这层所有错过的坐标得以逼近。这在应用下一层之前必须重复，直至层的所有相应坐标已经应用了相应的所需的打印材料部分。
[0018]根据本发明的另一实施例，打印单元包括若干个单独的可控制的打印喷嘴，用于彼此独立地逐点应用相应的打印材料部分。打印单元例如可包括一排十个打印喷嘴，其优选垂直于机器人臂的顶端运动方向进行定向。在相邻喷嘴之间的距离应优选在坐标被限定在一种三维矩阵中的情况下与有待应用的坐标的典型距离相对应，或与坐标的距离的多倍相对应。因而可能并行地应用几个打印材料部分。
[0019]—般说来，若干个打印喷嘴的其中一个喷嘴根据机器人程序的对象数据经过相应坐标的几率比单个打印喷嘴更高。出于这个原因，在本发明的范围内还可提供具有例如四个打印喷嘴的打印单元，这些打印喷嘴是非常紧密在一起的。整个打印单元沿着预定的路径移动，其中相对于所需的预定运动路径可能发生某些偏差。相对于相应坐标具有最低偏差的那个打印喷嘴将被预见用于应用相应的打印材料部分。打印三维对象的精度将随之增加。
[0020]根据本发明用于三维对象的打印系统的另一实施例，逐层应用相应的打印材料部分是可预见的。通常三维对象是从底部至顶部逐层打印的。如果下面第(η-1)层的相应的打印材料部分没有应用的话，就不能应用第η层中的打印材料部分。在应用打印材料时已经忽略了一层的某些坐标的情况下，在应用下一层之前，那些坐标将被再次逼近，并且试图再次应用打印材料。
[0021]根据本发明的另一实施例，预定的运动路径是曲流状的，并且确定成使得根据机器人程序的对象数据，在相应的坐标上应用相应的打印材料部分的同时，机器人臂的顶端优选不会经历加速。曲流状的运动路径特别适合于覆盖有待打印的三维对象的一层的矩阵状设置的坐标。在机器人臂的顶端的加速得以避免的情况下，以有利的方式简化了真实实际位置的预先确定过程。
[0022]根据本发明的另一实施例，预定的运动路径确定成使得根据机器人程序的对象数据，在相应的坐标上应用相应的打印材料部分的同时，只有一个机器人部件会经历主动运动。因而机器人运动一方面是相当平滑的，因为其并不由若干个机器人部件的若干运动之和组成。别的机器人臂围绕其旋转底座的旋转运动是此一个示例。另一方面，这种运动是相当容易预测的，因为其是预先确定实际位置所需要的，实际位置可能超前例如30ms。
[0023]在从属权利要求中