三维打印机的制作方法

本发明一般性地涉及具有可转动且可滑动的构建平台的三维打印机。本发明还涉及利用具有可转动且可滑动的构建平台的三维打印机来打印三维对象的方法。

背景技术：

三维打印机使用增材工艺从数字模型构建出三维实体对象。不同于通常依赖于材料的移除而生成对象的传统机械加工技术，增材工艺铺设连续材料层来构建对象。三维打印机能够用于快速成型(rapid prototyping)、小批量生产、定制制造以及各种其他用途。

软件获取待构建对象的虚拟模型并且将模型切片成数字横截面。数字横截面被供给到三维打印机，而三维打印机铺设每个连续层，最终形成虚拟模型的完整三维对象。

三维打印机能够使打印头相对于构建平台移动，材料以多种方式沉积或形成在该构建平台上。在一种方法中，打印头随着材料沉积在构建平台上而沿x、y和z方向被驱动。在另一方法中，在构建平台沿z方向移动的情况下，打印头沿x和y方向被驱动。在另一方法中，构建平台沿x和y方向移动而打印头沿z方向移动。在又一方法中，构建平台沿x、y和z方向移动。最后，在极坐标系统中构建平台被转动并且由与预定线的角度和距固定点的半径来确定用于布置材料的坐标。

在此提出了利用转动的且还沿x方向平移的构建平台的发明。

技术实现要素：

本发明涉及用于打印三维对象的打印机，其包括支承结构、可滑动地设置在支承结构上的可转动的构建平台以及设置在可转动的构建平台之上的打印头。

本发明还涉及用于打印三维对象的方法，其包括提供支承结构、转动具有中心且设置在支承结构上的构建平台、可滑动地移动设置在支承结构上的构建平台，和利用打印头在构建平台上打印对象。

本发明还涉及控制驱动器来打印三维对象的方法，其包括提供三维打印机，所述三维打印机具有构建平台和用于驱动构建平台的驱动器；计算待在构建平台上打印的对象的打印过程中的第一预定时间的惯性；和根据在第一预定时间的惯性为驱动器设置时间直到第一预定时间的驱动电流。

附图说明

图1示出构建板在前部位置中的本发明的三维打印机的立体图。

图2示出构建板在后部位置中的、图1的三维打印机的立体图。

图3示出移除了构建板框架的、图1的三维打印机的立体图。

图4示出具有可转动的构建平台并且移除了平台板的、图1的三维打印机的立体图。

图5示出图1的三维打印机的打印头的侧视图。

图6示出正由三维打印机打印的对象的放大图。

图7示出可转动的构建平台。

图8示出具有着色装置的本发明的三维打印机的立体图。

图9A示出图8的着色装置的放大图。

图9B示出图8和图9A的着色装置的喷头的放大图。

图10示出具有齿条和小齿轮驱动器的、本发明的三维打印机的立体图。

图11示出具有齿条和小齿轮驱动器的、本发明的三维打印机的另一实施例的立体图。

具体实施方式

图1中示出包括支承结构10的三维打印机装置2，所述支承结构具有水平部段12和垂直部段14。可转动的构建平台102可滑动地设置在支承结构10上。打印头202设置在可转动的构建平台102之上。支承结构10的水平部段12具有用于可滑动地支承可转动的构建平台的线性引导轴16、18。

图4示出齿轮104，其由电机106驱动并且可转动的构建平台102位于该齿轮上。分别如箭头108和110所示，电机106使可转动的构建平台沿顺时针和逆时针方向转动。电机通常是精密电机，例如步进电机或伺服电机，其动作能够被精确控制，通常被控制到通常为0.1125至0.05625度的分辨率。电机106固定到框架112，而框架112安装到骑坐在线性引导轴16上的线性轴承114和116和骑坐在线性引导轴18上的线性轴承118和120。线性轴承114和116以及引导轴16和线性轴承118和120以及引导轴18通常是被加工到0.008至0.016mm的容差的高精密元件，以确保可转动的构建平台的定位的可重复性。图1示出可转动的构建平台102在前部位置中的三维打印机，并且图2示出可转动的构建平台102在后部位置中的三维打印机。

电机102通常具有每转200机械步。通过软件控制，电机每转移动3200步以更精确地控制。通常，步进电机在无堵转的情况下以工作所需的最小电流来运行，从而降低噪音和在电机中积聚的热量。由过量电流导致的在电机中的热量积聚会造成运行问题，并且如果热量积聚过多会使电机关闭。

可以加热可转动的构建平台102以提高产品质量。加热的构建平台通过有助于防止翘曲(warp)而改善打印质量。由于被挤压出的塑料冷却，其会轻微收缩。当该收缩过程非均匀地出现在整个打印部分中时，其结果是翘曲的对象。这种翘曲通常表现为拐角抬离于构建平台。在加热的构建平台上进行打印允许被打印的对象在打印过程期间保持温暖，并且允许在其冷却到低于熔点时塑料更加均匀地收缩。加热的构建平台通常在材料如ABS和PLA的情况下产生更高品质的成品。加热的构建平台还能够帮助用户进行无筏基打印。

线性驱动器122，如步进电机、伺服电机或线性驱动器，被固定到支承结构10和框架112。线性驱动器122使框架112、以及因此的电机106和可转动的构建平台102分别沿箭头124和126的方向移动。线性驱动器122通常是精密驱动器，其动作能够被精确控制，通常控制到0.002毫米到0.004毫米的分辨率。替代地，如图10所示，齿条和小齿轮系统550可以被使用来使框架112沿箭头124和126的方向移动。齿条和小齿轮系统550包括由电机556驱动的齿条552和小齿轮554。电机556通常为精密电机，如步进电机。在图10中，齿条552附接到框架112，而电机556附接到支承结构10。这样，电机556保持静止，而齿条552随框架112移动。在图11中所示的另一实施例中，齿条和小齿轮系统550具有电机568，其中小齿轮554固定到框架112，而齿条552附接到支承结构10。这样，齿条552保持静止，而电机568与小齿轮560随框架112移动。

打印头202安装到滑动支架204，所述滑动支架沿如箭头206和208所描绘的垂直方向上下移动打印头。至少一个垂直引导轴210安装到支承结构10的垂直部段14。替代地，至少一个垂直引导轴210可以安装到支承结构10，从而消除对垂直部段14的需求。也可以使用第二垂直引导轴212。驱动器232使滑动支架204与打印头202一起沿箭头206和208的方向上下移动。驱动器232可以是固定到支承结构10和滑动支架204的步进电机、伺服电机或线性驱动器。驱动器232通常是精密驱动器，其动作能够被精确控制，通常控制到0.002毫米到0.004毫米的分辨率。在此，驱动器232是使螺杆234转动的步进电机。螺杆234穿过互补的螺母236以使滑动支架204沿箭头206和208的方向移动。驱动器通常能够以0.05毫米到0.35毫米的增量移动支架。在小增量移动的情况下，以较低的速度产生较高分辨率的部分；而在大增量移动的情况下，以较高的速度产生较低分辨率的部分。这里所示的是具有一个打印头202的打印机，也可以使用多个打印头。

滑动支架204具有骑坐在垂直引导轴210上的线性轴承214和216和骑坐在垂直引导轴212上的线性轴承218和220。线性轴承214和216以及引导轴210和线性轴承218和220以及引导轴212通常是加工到0.008至0.016mm的容差的高精密元件，以确保可转动的构建平台的定位的可重复性。

参照图5，打印头202具有对丝材222进行加热并且接通和断开熔融塑料流的喷嘴224。塑料被铺设在可转动的构建平台上以构建元件。也可以使用其他类型的材料和打印头。例如，打印头可以利用激光，通过使用选择性激光烧结而烧结放置在构建平台上的颗粒材料以创建元件，或者通过使用选择性激光熔融而熔融构建平台上的颗粒材料以创建元件。另外，打印头可以包括电子束，通过使用电子束熔炼而熔融构建平台上的颗粒材料以创建元件。替代地，打印头可以是喷墨系统，其在构建平台上的颗粒材料上打印粘结剂来创建元件。

在工作中，塑料丝材222装入打印头202中。通常，该丝材存储在辊上，并且随着被打印头消耗，该丝材被从辊拉出。打印头的尖端226布置在可转动的构建平台102之上约0.25毫米处。塑料丝材222被位于打印头的模块230内部的加热器228熔融。熔融的塑料通常以每分钟30毫米至60毫米的速率从位于打印头的尖端中的、直径为0.2毫米至0.5毫米的孔中被挤压出。塑料被挤压出的速率取决于许多因素，包括但不限于成品的期望分辨率、成品的复杂度和使用的塑料的类型。可以使用不同的尖端，每个都具有不同尺寸的孔径以变化到被挤压出的熔融塑料的尺寸。如果期望具有较高分辨率的更加细化的产品，那么就使用具有更小孔径的尖端。如果生产速度比分辨率或细化更重要，则使用具有较大孔径的尖端。

当打印头挤压出塑料时，可转动的构建平台102沿箭头108和110的方向被电机104移动并且沿箭头124和126的x方向移动以适当布置被挤压出的塑料。可以使构建平台102转动并同时沿x方向移动，或者可以在构建平台在x方向保持固定时使其转动，或者可以使其沿x方向移动而不转动。一旦在可转动的构建平台102上沉积出第一层，驱动器232就使打印头202沿箭头206的方向向上移动。取决于期望的分辨率，打印头通常向上移动0.05毫米至0.35毫米。然后重复该过程以在第一层上构建另外的层。重复该过程直至完成所期望的对象。

图6示出正用于构建对象302的典型三维打印增材法，为清楚起见将所述对象放大。具有尖端226的喷嘴224将熔融塑料312挤压出到构建平台304上。一旦第一层314被沉积，打印头就沿箭头320的方向向上移动，通常大约移动约等于由打印头308铺设的熔融塑料312的直径324的距离322。然后打印第二层316。一旦打印出第二层316，打印头308再次沿箭头320的方向向上移动，并且开始第三层317。重复该过程直到完成对象所需的所有层都被打印。

通常由电机驱动的相对辊将丝材供给到打印头的喷嘴224中。为了防止在打印停止时丝材堵塞在打印头中，将丝材从打印头退出。将丝材从打印头退出使其从打印头的加热区移除，并且防止丝材变得太热和堵塞。为了使丝材退出，沿供给方向的相反方向驱动辊。

计算机操作的专用软件驱动三维打印机。当计算待打印的对象的位置和为了在可转动的构建平台上生成对象的位置的待打印位置时，采用极坐标系。专用软件优化打印头202和构建平台102的操作和动作。优化使打印过程的速度和精度提高。图7示出构建平台102的示图，该构件平台具有尺寸326的半径R。通常，构建平台应在打印头沉积熔融塑料的点之间移动的距离为大约0.002”。正如从图7中会领会的，与在距中心324的距离为R处测量等于0.002”的距离328相比，在距中心324的距离(332)为1/2R处测量等于0.002”的距离330时，构建平台304需要转动更多来使构建平台转动0.002”。换言之，要移动0.002”的给定距离，对象距构建平台的中心334越近，构建平台就必须转动更多。步进电机允许三维打印机获知在任意给定时间构建平台的中心相对于打印头所处的位置。当确定构建平台应转动或滑动为多大时，算法所考虑的一个变量是在给定时间构建平台的中心到打印头的已知距离。通过获知该距离，电机能够步进适量的步距以转动构建平台，使得无论打印头位于距中心1/4半径处、距中心1/2半径处、距中心3/4半径处、距中心基本上一个半径处或其间的任何距离处，构建平台都相对于打印头转动0.002”。

作为用于操作三维打印机的典型计算机的替代，三维打印机可以包括机载微处理器来驱动它，例如Raspberry Pi^TM微处理器。利用机载微处理器，用户能够通过Wi-Fi网络连接或通过集成到三维打印机中的USB端口来装载打印文件。

优化构建平台的动作的另一种方法是固定当打印对象时构建平台102将转动的初始最小角度，例如1角分(minute)。举例而言，1角分的最小角度是基于所需的分辨率来确定的，比方说在等于构建平台的半径R的距离处的0.002”。虽然本示例使用0.002”，但是可以选择其它距离，这部分地取决于所期望的分辨率和打印速度。在打印时，软件评估从中心328到喷嘴224的尖端226的距离，并且确定如果构建平台转动1角分，当在喷嘴的尖端测量时构建平台将会移动的距离。如果距离小于0.002”，那么软件跳过构建平台转动1角分的点处的打印。然后，软件执行上述计算来评估，如果构建平台转动2角分，该距离是否将小于0.002”。如果该距离小于0.002”，那么软件跳过构建平台转动2角分的点处的打印，并且对构建平台转动3角分钟执行相同的计算。替代地，如果该距离大于0.002”，则进行打印。迭代过程继续进行直到距离大于0.002”，这时进行打印。正如通过此示例所示，越靠近中心打印对象，那么将跳过的转动步距就越多以便维持所期望的0.002”分辨率。如果当距离小于0.002”时未跳过打印，那么对象的分辨率将难以保持，这是因为通常固定量的材料铺设在每个点上。这样，就会铺设超过针对0.002”的分辨率所需的量的材料，导致具有减小的分辨率的斑点状结构。

为了控制电流，通常使用电位计来调节提供给电机的电流。替代地，为了允许电流的自动调节，也可以使用也称为数字电位器的数字电位计。数字电位器能够被计算机控制。

如果使用过小的电流来驱动构建平台，那么转动的构建平台的惯性能够导致构建平台跳过电机的步距。因此，能够实现基于构建平台的惯性来调节电流以优化电流，当惯性较小时使用较小的电流并且当惯性较大时使用较大的电流。

在确定构建过程期间构建平台的惯性时应考虑的要素中包括构建平台的质量、在构建平台上正打印的物体的位置、正在构建的物体的总质量和在构建过程期间的特定时间处正构建的物体的质量。举例而言，具有质量为M的对象，当位于距中心334等于二分之一半径R(1/2R)处的距离332时，其在构建平台中所产生的惯性将小于位于距中心334等于半径R的距离326处的相同质量的对象所产生的惯性(图7)。并且，当每个都位于距中心334的相同距离处时，具有两倍质量(2M)的对象所产生的惯性将大于具有质量(M)的另一对象所产生的惯性。

为了优化所需电流，算法确定将要构建对象的位置和构建过程期间在不同的时间处部分构建的对象的质量。通常，用构建对象所需的总持续时间除以预定数、例如10。但是也可以使用其它预定数，使用更大的数通常比更小的数提供更大的优化程度。返回到该示例，如果总构建时间为60分钟，那么就将该时间除以10。对于每个预定的6分钟的周期，使用在该6分钟的周期期间沉积的材料的总质量、构建平台的质量和构建对象的位置来计算最大惯性。算法计算在第一个6分钟的周期期间发生的构建平台的最大惯性，并且计算在该第一个6分钟的周期期间防止电机堵转(stall)所需的最小电流。控制器输出对数字电位器进行调节以便以该第一时间周期期间所需的最小电流驱动电机106。随着对象的质量在第二和每个后续的预定时间周期期间增加，惯性的力矩增大，因此电流需求增大。因此，在计算第二时间周期所需的最小电流时，使用第二时间周期结束时的结构质量。并且在计算每个后续的时间周期结束时所需的最小电流时，使用该后续的时间周期结束时的结构质量。

算法可以在开始打印操作之前为周期中的每个计算电流需求，或者算法可以计算第一时间周期的电流需求，开始打印，在第一时间周期期间进行打印的同时为第二和后续时间周期计算电流需求。

虽然在上述实施例中基于惯性计算的优化涉及可转动的构建平台，但是也可以与其它打印机应用相关。例如，部分基于正打印的对象的质量进行的惯性计算还能够被用于优化x-y移动的构建平台的动作。此外，部分基于打印头的质量进行的惯性计算能够被用于优化沿x、x-y、或x-y-z方向移动的打印头的动作。

可滑动且可转动的构建平台也可以与其他装置一起使用。例如，可以用扫描仪代替打印头。在一个实施例中，可以不插入打印头并且可以装入扫描头来代替打印头。在另一个实施例中，扫描头可以位于打印头上、与打印头一起或挨着打印头，使得无需物理地移除打印头和安装扫描头。扫描头可以用来扫描和存储待复制的对象的几何形状。为了复制对象，扫描仪扫描对象的几何形状，并且该信息被下载到计算机。然后，计算机生成对象的虚拟模型，创建用于打印对象的复制品的必要文件。此外，扫描头可以用来验证对象是否已被精确地打印。为了验证精确度，扫描头能够扫描所打印的对象的几何形状并且将信息下载到计算机。计算机将所打印的对象的几何形状与用于打印对象的虚拟模型进行比较以检查错误。

图8中描绘一种实施例，其中着色装置502固定到滑动支架204。着色装置502能够用于对三维对象进行涂色或者着色。通常，在喷涂对象时使用吸收型丝材，使得油墨被吸收到并且集成到三维对象中。通常，着色装置502包括具有至少一个喷嘴504的喷头503并且是多色的着色装置。着色装置502可以是喷墨型着色装置，或者它可以是能够将颜色施加到打印对象的任意其它类型的着色装置。如果它是喷墨型喷涂器，那么可以使用传统喷墨盒、例如在喷墨打印机中使用的那些。喷头503可以包括任意数量的喷嘴，典型喷墨喷涂器通常具有80到120个喷嘴。如图8中所示，喷嘴通常呈近似45度的角度，以便在大约处于打印头的正下方的位置对打印对象进行喷涂。还可以使用具有至少一个喷嘴508的第二着色装置506。

为了控制喷涂的精确度，可以一起地或者分开地使用不同方法。如图9A中所示，控制精确度的一种方法是，仅使用喷嘴中的某些来保持喷嘴出口510和正被喷涂的三维对象512之间的特定距离。图9B示出具有第一喷嘴514、第二喷嘴516、第三喷嘴518、第四喷嘴520和第五喷嘴522的喷头511的放大图。三维对象512具有弯曲表面513。由于喷头511的面528不垂直于弯曲表面513，所以第一喷嘴514和弯曲表面513之间的距离524小于第五喷嘴526和弯曲表面513之间的距离526。这样，当从第一喷嘴514对对象进行喷涂时，会在弯曲表面513上产生相对紧密的喷涂图案，从第五喷嘴522对对象进行喷涂会导致弯曲表面513的上部部分530上的过喷。这样，通常会希望使用基本上垂直于对象的弯曲表面513的喷嘴来喷涂三维对象。

利用打印三维对象所需的信息对驱动三维打印机的计算机进行编程，并且所述计算机了解在打印过程中着色装置502相对于三维对象的位置，这是由于着色装置固定到也保持打印头202的滑动支架204。这样，计算机可以只选择基本上垂直于三维对象的表面513的那些喷嘴来喷涂。对于在使用典型的喷墨打印机在纸张上进行打印时通常使用的喷墨盒来说，计算机能够控制特定喷嘴。

着色装置502可以用于在打印三维对象时对其进行喷涂，或者可以用于在三维对象已经被打印之后对其进行喷涂。在打印三维对象时对其进行喷涂时，着色装置或多个着色装置能够在打印头202打印层时、在打印头刚刚打印出层后、或者在打印头打印出许多层、例如2、3、4或任意其他数量的层时对对象进行喷涂。

在另一方法中，已完成的三维对象能够放置在构建平台上，然后使用连接到计算机的三维扫描仪对其进行扫描。然后，扫描图像显示在计算机显示器上，并且用户能够对屏幕上的对象“涂色”，进行修改直到用户对彩色图案满意。然后，着色装置可以用于根据涂在屏幕上的对象上的颜色来对对象涂色。

虽然已描述的是本发明的特定实施例，但是在本公开的精神和范围内能够对本发明进行进一步修改。因此，本申请旨在使用本发明的一般原理来涵盖本发明的任意变化、使用或改动。此外，本申请旨在涵盖与本公开的变型，只要其属于本发明所属和所附权利要求所落入的、本领域中已知或通常的实践的范围。