用于三维对象打印的分层的非接触式控制的制作方法

本文档中所公开的装置和方法涉及三维对象打印，并且更确切地说涉及三维对象打印机中的调平系统。

背景技术：

数字三维对象制造(也称为数字增材制造)为由数字模型制成几乎任何形状的三维固体对象的工艺。三维对象打印是其中一或多个喷射器头部沉积材料以积聚零件的增材工艺。通常以受控方式以离散的量沉积材料以形成若干层，所述层共同形成所述零件。初始材料层沉积到衬底上，且后续层沉积于先前层的顶部上。衬底支撑于平台上，所述平台可相对于喷射头部移动因此可打印每一层；经由操作性地连接到所述平台的致动器的操作而移动衬底，或者经由操作性地连接到喷射器头部的致动器的操作移动喷射器头部。三维对象打印区别于传统的对象形成技术，所述传统的对象形成技术主要依赖于通过减法过程(例如，切割或钻孔)从工作零件中移除材料。

在许多三维对象打印系统中，在沉积每一材料层之后，部分地打印的零件经受调平过程。调平过程确保每一层是受控的厚度，且后续层具有平坦表面以用于进行形成。通过在每一连续层之间执行此调平过程，在较窄公差内制造较高质量零件。

在一些三维对象打印系统中，在沉积每一连续材料层之后，调平辊使零件的上部表面展平。图6示出了具有传送带14和调平辊18的现有技术三维对象打印系统10。传送带14具有大体上平面表面22，例如部分地形成的零件26等打印零件建置于所述表面上。传送带14经配置以在平行于传送带14的表面22的传送方向x上传送零件26。辊18在垂直于传送带14的表面22的垂直方向y上布置于传送带14的表面22上方。辊18围绕在横向方向z上延伸的纵向轴线成圆柱形，所述横向方向平行于传送带14的表面22且正交于传送方向x。

在沉积每一连续材料层之后，传送带14在传送方向x上传送零件26。将辊18调整到距传送带14的表面22适当的距离。传送带14在传送带14与辊18之间馈送零件26以使零件26的上部表面30展平，所述上部表面与搁置于传送带14的表面22上的零件26的底部表面是相对的。

打印系统10经设计以处置在横向方向z上多达20英寸宽的零件，例如零件26，但辊18既定仅从零件26的上部表面30移除约3微米的材料。此约束施加了辊18的昂贵制造公差。举例来说，辊18可为二十英寸长且直径为两英寸。此相对大的辊必须以紧密公差制造以得到圆柱度。具体来说，辊必须以紧密公差制造以得到笔直性和圆度。如本文所使用，“笔直性”指代辊的直径在其整个长度上的变化率。如本文所使用，“圆度”指代取决于测量直径的圆周上的角度的直径变化率。具有完美圆度的辊当从所有角度测量时具有精确相同的直径。相反，具有不完美圆度的辊具有取决于测量直径的角度的直径变化。在不同角度处的此直径变化称为“偏转”。

图7示出了具有不完美圆度或偏转的辊18的打印系统10的侧视图。圆形轮廓34示出了辊18的理想圆度。可以看出，辊18的一些部分延伸超出圆形轮廓34。辊18的特定偏转对于制造的每一辊都不同。因此，除非消除辊的偏转，否则辊18不能真正展平零件26的上部表面30，但偏转的消除必然带来显著的制造成本。

图8a和图8b示出了辊18的偏转对调平过程的影响。在辊18在零件26的上部表面30上方移动时，辊18的纵向轴线维持与传送带14的固定距离。然而，因为辊18的直径变化，所以在辊18移动跨越零件26时零件26的上部表面30中产生波纹，如图8b中所见。因此，辊18的偏转不利地影响调平过程。

在例如打印系统10等当前打印系统中，将辊18研磨为大约一微米的极紧密公差以使偏转的影响最小化，这带来了大的费用。即使当制造为所需的精度时，辊18也有污染或损坏零件26的风险。另外，对于辊18的每一次通过，从零件26移除了材料且废弃。所需的是用于在三维对象打印中调平衬底的低成本方法。

技术实现要素：

一种三维对象打印机包含：压板；喷射器头部，其具有经配置以朝向所述压板喷射材料液滴的多个喷射器；传感器，其经配置以测量喷射到所述压板上的材料液滴的高度；以及控制器，其操作性地连接到所述传感器和所述喷射器头部。所述控制器经配置以：操作所述多个喷射器以朝向所述压板喷射材料液滴以在所述压板上形成第一材料层；操作所述传感器以测量所述第一材料层的高度型面；以及参考所述测得的高度型面操作所述多个喷射器以朝向所述压板喷射材料液滴以在所述第一材料层上形成第二材料层。

一种操作三维对象打印机的方法包含：操作喷射器头部的多个喷射器以朝向压板喷射材料液滴以在所述压板上形成第一材料层；操作传感器以测量所述第一材料层的高度型面；以及参考所述测得的高度型面操作所述多个喷射器以朝向所述压板喷射材料液滴以在所述第一材料层上形成第二材料层。

附图说明

在结合附图做出的以下描述中阐释方法和装置的前述方面和其它特征。

图1示出了三维对象打印机。

图2示出了操作三维对象打印机的方法的流程图。

图3a到d图示了使用图1的打印机的图2的方法的步骤的执行。

图4示出了包含示范性测得的高度型面和示范性目标高度型面的绘图。

图5示出了用于图1的打印机的示范性控制系统图。

图6示出了现有技术三维对象打印系统的透视图。

图7示出了图6的现有技术打印系统的侧视图。

图8a和8b描绘了图6的现有技术打印系统中的调平组合件的辊中的偏转所造成的波纹影响。

具体实施方式

对于本文所公开的打印机和方法的环境以及所述打印机和方法的细节的一般理解，参考附图。在附图中，相同参考标号指定相同元件。

图1示出了三维对象打印机100。打印机100包含压板104和喷射器头部108。压板104具有大体平面的上部表面112，例如零件116等三维对象通过打印机100形成于所述表面上。喷射器头部108具有喷射器120，其经配置以喷射构建材料的液滴以在压板104的表面112上形成三维对象。在许多实施例中，所述多个喷射器120在交叉处理方向z上布置成一或多个行。然而，在其它实施例中，所述多个喷射器120可实际上包括仅单个喷射器120。在一些实施例中，所述多个喷射器包含经配置以喷射构建材料的液滴的第一多个喷射器以及经配置以喷射例如蜡等支撑材料的液滴的第二多个喷射器。

打印机100包含操作性地连接到喷射器头部108的控制器124。控制器124经配置以参考图像数据而操作喷射器头部108以在表面112上形成对应于所述图像数据的三维对象。为了形成三维对象的每一层，控制器124操作打印机100以在处理方向x上扫掠喷射器头部108一或多次，同时从喷射器120将材料液滴喷射到压板104上。在多次通过的情况下，喷射器头部108在每一次扫掠之间在交叉处理方向z上移位。在每一层形成之后，喷射器头部108在垂直方向y上移动远离压板104以开始打印下一层。打印机100可包含轨道128或此项技术中已知的其它致动器，其经配置以促进喷射器头部108在x、y和z方向上的前述移动。在替代实施例中，打印机100包含致动器(未图示)，其经配置以使压板104在x、y及z方向上移动以实现喷射器头部108和压板104的相同的相对运动。

打印机100进一步包含传感器132，其操作性地连接到控制器124且经配置以感测由打印机100形成的材料层的高度。如下文更详细地论述，控制器124经配置以操作传感器132以测量部分地形成的零件116的层的上部表面的高度型面。基于此高度型面，可通过调整后续层的厚度型面来补偿层的高度型面中的变化或误差。在一个实施例中，传感器132是光学表面轮廓仪，其经配置以在处理方向x上相对于压板104移动以每次一条线或一行地扫描整个零件116。然而，其它配置是可能的，其中传感器132不需要移动以扫描零件116。另外，如图所示，传感器132附接到喷射器头部108。然而，传感器132可经配置以独立于喷射器头部108而移动，且在此类配置中不附接到喷射器头部108。

图2中示出了用于操作三维对象打印机的方法200。在所述方法的描述中，方法正在执行某种任务或功能的陈述涉及控制器或通用处理器实行存储在非暂时性计算机可读存储媒体中的经编程指令，所述非暂时性计算机可读存储媒体操作性地连接到所述控制器或处理器以操纵数据或操作打印机中的一或多个组件以执行所述任务或功能。上文提到的控制器124可为此控制器或处理器。或者，可以使用多于一个处理器以及相关联电路和组件来实施控制器，其中的每一个被配置成形成本文所描述的一个或多个任务或功能。

当执行方法200时，其通过操作喷射器头部的多个喷射器以朝向压板喷射材料液滴以在压板上形成第一材料层(框204)而开始。具体来说，如图3a中所示，控制器124经配置以操作喷射器头部108的喷射器120以在处理方向x上扫掠一或多次，同时从喷射器120朝向压板104喷射材料液滴以在压板104的表面112上形成第一材料层304。如图所示，第一层304直接形成于压板104上，但可类似地为形成于压板104上的先前形成材料层上的材料层。

接着，方法200通过操作传感器以测量第一材料层的高度型面(框208)而继续。具体来说，如图3b中所示，控制器124经配置以操作传感器132以在第一材料层304的形成之后测量部分地形成的零件116的高度型面。在一个实施例中，传感器132在处理方向x上扫掠一或多次以完全扫描第一层304。然而，在一些实施例中，传感器132经配置以扫描整个第一层304而不移动。如本文所使用，术语“高度型面”指代与空间中的多个相对位置相关联且表示部分地形成的零件的表面轮廓的多个高度值或距离值。在一个特定实施例中，“高度型面”表示部分地形成的零件随处理方向x上的位置以及交叉处理方向z上的位置而变的高度，例如高度＝f(x,z)。

接着，方法200通过参考测得的高度型面操作所述多个喷射器以朝向压板喷射材料液滴以在第一材料层上形成第二材料层(框212)而继续。具体来说，如图3c中所示，控制器124经配置以操作喷射器头部108的喷射器120以在处理方向x上扫掠一或多次，同时从喷射器120朝向压板104喷射材料液滴以在第一材料层304上形成第二材料层308。控制器124经配置以在第一材料层304的形成之后操作喷射器120以便形成第二材料层308以使得其具有补偿测得的高度型面中的变化的厚度型面。如本文所使用，术语“厚度型面”指代与空间中的多个相对位置相关联的多个厚度值或长度值。在一个特定实施例中，“厚度型面”表示材料层随处理方向x上的位置以及交叉处理方向z上的位置而变的厚度，例如厚度＝f(x,z)。

如下文相对于图5更详细描述，在一个实施例中，至少基于在第一材料层304的形成之后零件的测得的高度型面而确定第二材料层308的经调整厚度型面。所述经调整厚度型面用以调整经喷射以形成第二材料层308的材料液滴的相对液滴体积或液滴质量，以使得第二材料层308具有补偿在第一材料层304的形成之后测得的高度变化的厚度变化。

在方法200的一个实施例中，框208和212的处理大体上同时执行。具体来说，如图3d中所示，控制器124经配置以在操作传感器132以测量高度型面的同时实时确定经调整厚度型面，且根据经调整厚度型面操作喷射器120以形成第二材料层308。如图3d中所示，传感器132在处理方向x上物理上布置于喷射器120前方，以使得在传感器132已扫描第一材料层304的对应部分的高度之后形成第二材料层308的每一部分。在另一实施例中，传感器132包括在处理方向x上布置于喷射器120的相对侧上的一对传感器(未图示)。以此方式，打印机100可在处理方向x上双向操作，从而实现打印速度效率。

在许多实施例中，对于零件的每一层重复方法200直到完全形成零件为止。具体来说，控制器124经配置以操作喷射器头部108的喷射器120以在压板104上形成多个层。在形成每一连续层之后，控制器124经配置以操作传感器132以测量先前形成的材料层的高度型面。在形成每一连续层中，控制器124经配置以参考先前测得的高度型面操作喷射器120以便补偿先前形成层的高度型面中的不希望的变化。

出于促进如何确定经调整厚度型面的理解的目的，图4中示出了示范性测得的高度型面。具体来说，图4示出了包含示范性测得的高度型面404的绘图400。测量的高度型面404由实线指示且对应于在第一材料层304的形成之后零件的测得的高度。绘图400还包含目标高度型面408。目标高度型面408由点线指示且对应于在第一材料层304的形成之后零件的理想或既定高度。我们应注意，为简单起见，绘图400仅示出相对于处理方向x上的位置(x)的型面404和408。然而实际上，高度型面将包含相对于处理方向x上的位置以及交叉处理方向z上的位置界定的值。另外，如图所示，在垂直方向y上的零高度值基本上对应于压板的表面112。然而，此对应出于绘图400的目的而仅是任意的。

图5示出了打印机100的一个实施例的控制系统图。控制系统本质上是使用传感器132以确定误差的闭环反馈系统，所述系统以闭环方式通过调整后续层的厚度型面而补偿所述误差。在所说明的实施例中，控制器124包含位置控制组件504、喷射器控制组件508以及传感器控制组件512。我们应注意，相对于图5所示且描述的特定布置仅是示范性的。所属领域的技术人员将理解，可采用许多替代且相等的布置来实现相似功能。

位置控制组件504经配置以提供控制信号以用于操作轨道128或其它致动器，所述轨道或致动器负责根据需要提供喷射器120和压板104的相对运动以及提供传感器132和压板104的相对运动。另外，在一个实施例中，位置控制组件504将相关位置信息提供到喷射器控制组件508和传感器控制组件512。确切地说，位置控制组件508将位置信息(xe,ze)提供到喷射器控制组件508，其指示喷射器120在处理方向x上和交叉处理方向z上的位置。位置控制组件508还将位置信息(xs,zs)提供到传感器控制组件512，其指示传感器132在处理方向x上和交叉处理方向z上的位置。

传感器控制组件512经配置以操作传感器132以测量部分地形成的零件116的部分的高度。传感器控制组件512经配置以从传感器132接收对应于部分地形成的零件116在特定位置的高度的信号。传感器控制组件512还经配置以从位置控制组件504接收关于传感器132的位置的位置信息(xs,zs)。基于来自传感器132的信号和位置信息(xs,zs)，传感器控制组件512经配置以产生在材料层的形成之后部分地形成的零件的测得的高度型面，图5中指示为mhlayer(x,z)。

控制器124经配置以将测得的高度型面mhlayer(x,z)与待形成的下一层的目标高度型面进行比较，所述目标高度型面在图5中指示为thlayer+1(x,z,)。基于所述比较，控制器124经配置以确定待形成的下一层的经调整厚度型面，在图5中指示为atlayer+1(x,z)。在一个实施例中，控制器124包含比较器516，其经配置以从目标高度型面thlayer+1(x,z,)减去测得的高度型面mhlayer(x,z)以便计算经调整厚度型面atlayer+1(x,z)。

如所属领域的技术人员将理解，可以许多替代但相等的形式来表达特定数学关系。举例来说，待形成的下一层的目标高度型面也可表示为先前形成的层的目标型面与待形成的下一层的标称厚度型面的求和。另外，可通过将先前形成层的测得的高度型面与先前形成层的目标型面进行比较来确定先前形成层的高度误差型面。随后可通过以先前形成层的高度误差型面修改待形成的下一层的标称厚度型面来确定待形成的下一层的经调整厚度型面。

喷射器控制组件508经配置以从比较器516接收经调整厚度型面atlayer+1(x,z)。另外，喷射器控制组件508经配置以从位置控制组件504接收关于喷射器120的位置的位置信息(xe,ze)。基于经调整厚度型面atlayer+1(x,z)和位置信息(xe,ze)，喷射器控制组件508经配置以将适当启动信号提供到喷射器120。具体来说，喷射器控制组件508经配置以计算在喷射器120的当前位置应当喷射的所需液滴质量或液滴体积，以便根据经调整厚度型面atlayer+1(x,z)实现厚度。基于计算出的液滴质量或液滴体积，喷射器控制组件508经配置以将实现计算出的液滴质量或液滴体积的启动信号提供到喷射器120。以此方式，喷射器控制组件508操作喷射器120以形成具有补偿先前形成层的高度变化的厚度型面的后续层。