确定构建表面的局部高度的方法与流程

1.本发明涉及一种熔丝制造装置和一种确定用于这种熔丝制造装置的构建板的构建表面的局部高度的方法。本发明还涉及一种计算机程序产品。


背景技术：

2.熔丝制造(fff)是使用热塑性材料的连续丝的3d打印工艺。丝从线圈通过移动的加热打印头供给，并通过打印喷嘴沉积在生长工件上。打印头可以在计算机控制下移动以限定打印形状。通常，打印头在二维方向上移动以一次沉积一个水平面或层。然后，工件或打印头垂直移动一小段距离以开始新的层。
3.在fff 3d打印中，打印喷嘴与沉积第一材料层的构建表面之间的距离是需要控制到严格公差的关键参数。通常，50至500微米的距离需要控制在该距离的百分之几内。通常，构建表面和喷嘴具有制造公差和设备中的变化(由于热伸长、弯曲等)，这导致喷嘴到构建表面的距离的变化不是恒定的。这些需要在打印之前测量。
4.为了测量构建表面的局部高度，可以使用机械探针(类似于cnc或cmm设备中的接触探针)，但是这增加了打印头的重量并且还增加了成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种熔丝制造装置，其中解决了现有技术的至少一些问题。
6.根据第一方面，提供了一种熔丝制造装置，该装置包括打印头，该打印头包括熔化室和喷嘴，打印头相对于构建表面沿至少两个垂直方向可移动地布置。该装置还包括布置成将丝材料供给到打印头的供给器。该装置还包括传感器，该传感器布置成直接或间接地测量熔化室中的压力，该传感器产生压力数据。该装置还包括流量传感器，其布置成测量进入打印头的丝流量以获得流量数据。最后，该设备包括控制器，该控制器布置用于：
7.a)控制喷嘴在构建表面上的移动；
8.b)在喷嘴的移动期间控制熔融丝材料在构建表面上的沉积；
9.c)接收压力数据和流量数据，以及
10.d)使用所述压力数据和所述流量数据，针对所述构建表面上的多个位置确定所述构建表面的局部高度。
11.当迫使熔融丝，如熔融聚合物通过由构建表面覆盖的喷嘴孔口时，在孔口的后面将存在压力，该压力是流量和流动阻力的函数。这种流动阻力取决于喷嘴的阻力和喷嘴与表面之间的间隙的阻力。后者是构建表面和喷嘴之间的距离的函数。这个原理被称为挡板喷嘴机构。通过利用该原理测量构建表面和fff打印机的喷嘴之间的距离，可以构建稳健的低成本高度测量系统。压力变化直接在熔化室中测量，或者(间接地)通过测量作用在丝上的力或者喷嘴和构建表面之间的喷嘴的反作用力来测量。甚至更间接地，供给器马达的驱动扭矩可用于估计熔化室中的压力。
12.在一个实施方式中，控制器布置成在打印期间改变进入打印头的丝材料的流量，
以便维持熔化室中的恒定压力，其中控制器布置成基于改变的供给流量来确定局部高度。
13.在一个实施方式中，控制器布置成在打印期间保持恒定的丝流量，同时使熔化室中的压力变化，其中控制器布置成基于变化的压力来确定局部高度。
14.在一个实施方式中，控制器布置成在打印期间改变喷嘴和构建表面之间的距离，以便维持丝的恒定流量和熔化室中的恒定压力，其中控制器布置成基于改变的距离确定局部高度。
15.在一个实施方式中，控制器布置为沿预定轨迹沉积单层材料，并确定轨迹上多个位置处的构建板的局部高度。
16.在一个实施方式中，控制器布置成使用多个位置的确定的局部高度生成构建板的高度图。
17.在一个实施方式中，构建表面包括表示构建板的识别的表面不平整物的预定义图案，并且其中控制器布置成在表面不平整物的预定义图案上沉积单层材料，并且确定表面不平整物的预定义图案的局部高度，并且将预定义图案的确定的局部高度转换成构建板的识别码。
18.根据本发明的另一方面，提供了一种确定用于熔丝制造装置的构建板的构建表面的局部高度的方法，所述装置包括打印头，所述打印头包括熔化室和喷嘴，所述装置还包括供给器、传感器和流量传感器，所述供给器布置成将丝材料供给到所述打印头，所述传感器布置成直接或间接测量所述熔化室中的压力以获得压力数据，所述流量传感器布置成测量进入所述打印头中的丝的流量以获得流量数据，所述方法包括：
19.a)控制喷嘴在构建表面上的移动；
20.b)在喷嘴的移动期间控制熔融丝材料在构建表面上的沉积；
21.c)接收压力数据和流量数据，以及
22.d)使用所述压力数据和所述流量数据，针对所述构建表面上的多个位置确定所述构建表面的局部高度。
23.所述方法可以进一步包括e)使用所确定的构建表面的局部高度识别构建板。该实施方式涉及通过利用高度测量来识别构建表面。构建表面特意配备有对于单独的构建表面(或表面类型)而言独特的凹陷或凸起区域。通过扫描该图案，执行识别。“条形码”风格的图案非常适合于此目的，但是也可以使用其它图案，例如点编码或者甚至是字母编码。
24.图案通常放置在构建表面的周边，在该处没有构建物体，因此它不干扰待构建的物体，但它也可以用于构建的区域中，并且在该情况下，图案在物体上是可见的。这允许通过检查所得到的物体来识别所使用的构建表面。
25.凹陷或凸起区域可以用各种方法施加到构建表面。例如，但不限于：机械加工、激光加工、压花、焊接或胶合。
26.根据另一方面，提供了一种计算机程序产品，其包括代码，所述代码体现在计算机可读存储装置上并且配置成当在上述装置的控制器上运行时执行上述方法。
附图说明
27.下面将参考附图更详细地讨论本发明，其中
28.图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的熔丝制造(fff)装置；
29.图2示意性地示出了根据本发明的实施方式的在构建板上沉积构建材料层的打印头的横截面；
30.图3示出了具有沿其边缘沉积的丝材料的轨迹的构建板的俯视图；
31.图4示意性地示出了根据实施方式的控制器；
32.图5示出了根据本发明的实施方式确定构建板的构建表面的局部高度的方法的流程图。
具体实施方式
33.图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的熔丝制造(fff)装置1，也称为3d打印机。3d打印机1包括打印头2，也称为沉积头2，在其外端，打印头2包括喷嘴4，熔融丝在该喷嘴处离开沉积头2。丝5通过供给器3供给到打印头2中，丝5的一部分围绕线轴8储存，线轴可以可旋转地布置在3d打印机的壳体(未示出)上，或者可旋转地布置在包含一个或多个线轴的容器(未示出)内。3d打印机1包括控制器7，其布置成控制供给器3和打印头2的移动，并且因此控制喷嘴4，在该实施方式中，3d打印机还包括鲍登(bowden)管9，其布置成将丝5从供给器3引导到打印头2。
34.3d打印机1还包括机架，其布置成至少在一个方向上移动打印头2，该方向表示为x方向。在该实施方式中，打印头2也可在垂直于x方向的y方向上移动。机架包括至少一个机械驱动器14和一个或多个轴15以及打印头对接单元16，打印头对接单元16保持打印头2，因此也称为打印头支架16，注意，打印头对接单元16可以布置成保持多于一个打印头，例如两个打印头，每个打印头接收其自身的丝。
35.构建板18可以根据3d打印机的类型布置在3d打印机1中或下方。构建板18可以包括玻璃板或任何其它适合作为基底的物体。在图1的例子中，构建板18安装在构建板支架6上，构建板支架6相对于打印头2在z方向上可移动地布置，参见图1。因此，构建板18的顶部表面10，也称为构建表面10，可垂直于x-y平面移动。
36.可以布置合适的驱动装置(未示出)以控制构建板支架6的移动，这些驱动装置可以包括由控制器7或单独的控制器控制的传动装置和马达。
37.图1的3d打印机1还包括布置成确定丝5流量的流量传感器31.流量传感器31可以包括布置成在向打印头2供应丝材料5时测量供给器3的电动马达的驱动扭矩的电路，替代地，流量传感器31可以包括在供给期间与丝接触的轮和布置成测量轮的旋转的电路。流量传感器31布置成生成作为输出的流量数据。
38.替代地或附加地，第一压力传感器32可以布置在打印头2和打印头对接单元16之间，以便测量喷嘴4上的压力，也参见图1，第一压力传感器32可以包括压电元件、电阻传感器、光学传感器、电容传感器或布置成生成指示喷嘴4上的压力的信号的任何其他类型的传感器。
39.可选地或附加地，第二压力传感器33可以布置在构建板18和构建板支架6之间，参见图1，第二压力传感器33可以布置成测量与喷嘴4所经历的压力直接相关的构建板18上的压力，第二压力传感器33可以包括压电元件、电阻传感器、光学传感器、电容传感器或布置成生成指示构建板18上的压力的信号的任何其他类型的压力传感器。
40.图2示意性地示出了沉积头2的示例，该沉积头具有用于接收可打印材料的丝5的
入口21、熔化室22和具有用于排出可流动可打印材料的孔口23的喷嘴4。控制器7配置成使用加热元件(未示出)来控制对熔化室22的加热。在该示例中，压力传感器34布置在打印头2中，以便测量熔化室22中的压力，从而获得压力数据。压力传感器34可包括布置在熔化室22的壁中的压电元件，以便产生指示熔化室22内部的压力的信号。所产生的信号包含传送到控制器7的压力数据。
41.请注意，为了简化起见，在图1和图2中，仅画出了传感器31、32、33、34与控制器7之间的一些通信线路。应当注意，一个或多个传感器和控制器7之间的通信可以经由有线连接或无线连接或这两种类型的组合来进行。
42.所产生的流量数据和由传感器产生的压力数据可以用于确定用于熔丝制造装置的构建板18的构建表面10的局部高度，如将在下面更详细地解释的。
43.在本发明的实施方式中，控制器7布置成通过以下方式确定构建板18的构建表面10的局部高度：
44.a)控制喷嘴4在构建表面10上的移动；
45.b)在喷嘴4的移动期间控制熔融丝材料在构建表面10上的沉积；
46.c)接收压力数据和流量数据，以及
47.d)使用所述压力数据和所述流量数据，针对所述构建表面10上的多个位置确定所述构建表面10的局部高度。
48.控制器7可以布置成使用多个位置的确定的局部高度生成构建板的高度图。高度图可以例如包含参考零高度位置定义的表面10的高度的相对值。高度图可以进行存储并用于生成将改进3d打印的第一层的可靠性的更好的工具路径。
49.图2的示例中的构建板18具有多个脊11和凹槽或凹痕/凹陷12，脊11和凹槽或凹痕12是可以在构建板18上有目的地制造的表面不规则的例子。通过沿着构建表面10提供多个直的脊和/或凹槽的预定义序列的图案，可以使用根据本发明的一些实施方式的方法识别构建板18。脊和/或凹槽可以平行布置以形成条形码。
50.或者，表面不平整物的预定义图案可包括沿构建表面10的多个圆形脊和/或圆形凹槽的预定义序列，以形成特定点编码。还可以想到，表面不平整物的预定义图案包括沿着构建表面10的多个字母和/或数字形状的脊11和/或凹槽12的序列，以形成字母编码。
51.控制器7可以布置成沿着预定轨迹沉积单层材料，并且确定构建板18在轨迹上的多个位置处的局部高度。图3中示出了这种轨迹的示例，其示出了具有沿其边缘沉积的丝材料26的轨迹的构建板18的俯视图。该轨迹还与表面不平整物35的图案交叉，该环形轨迹可用于扫描构建板18表面上图案化的识别码，并且还确定构建板18表面在构建板18边缘的局部高度。
52.在高度测量期间，喷嘴4在x-y平面(也称为喷嘴平面)中移动，以获得构建表面10上所需的x、y位置的高度数据，以这种方式，可以评估表面的高度、倾斜、曲率和不平度。局部高度值可以用于产生足以确定构建板18相对于喷嘴平面的倾斜或曲率的简单高度图。这种确定的倾斜或曲率可以用于直接产生高度图，或者可以将其添加到已经存在的构建表面10的图中。
53.构建板的高度图可以用于未来的打印以产生更好的工具路径，从而提高3d打印的第一层的可靠性。控制器7可以布置成首先通过在表面不平整物31的图案上沉积层来识别
构建板，然后搜索与识别码相对应的存储的高度图，然后使用存储的高度图来校正在打印物体期间的局部高度。
54.图4示意性地示出了根据实施方式的控制器7。控制器7包括处理单元71、i/o接口72和存储器73，处理单元71布置成从存储器73读取和写入数据和计算机指令，处理单元71还布置成通过i/o接口72与传感器和其它设备通信，存储器73可包括诸如rom的易失性存储器、诸如ram存储器的非易失性存储器、或任何其它类型的计算机可读存储器。
55.图5示出了根据本发明的一些实施方式的确定构建板18的构建表面的局部高度的方法50的流程图。方法50包括控制喷嘴4在构建表面10上的移动的步骤51，该方法还包括在喷嘴4的移动期间控制熔融丝材料在构建表面10上的沉积的步骤52，该方法还包括接收压力数据和流量数据的步骤53。方法50还包括使用压力数据和流量数据确定构建表面10上的多个位置的构建表面10的局部高度的步骤54。注意，在图5中，步骤绘制为连续的步骤，但是控制器7实际上可以同时执行一些或所有步骤。因此，在移动打印头2和控制构建表面10上的丝的沉积的同时，控制器7可以接收来自传感器的输入并确定构建板18的局部高度。
56.在一个实施方式中，控制器7布置成在打印期间改变丝材料5进入打印头2的流动，以便在熔化室22中保持恒定压力，当喷嘴4沿着喷嘴平面中的表面移动时，喷嘴4和构建表面10之间的距离可以由于不平整性或表面曲率而改变。在两种情况下，在熔化室22中经受的背压将改变。这些变化将进行测量并用在控制回路中以立即试图保持熔化室内的先前压力。在该实施方式中，这通过改变供给流量来完成。控制器7然后将基于变化的供给流量确定局部高度。
57.在另一个实施方式中，控制器7布置成在打印期间使熔化室22中的压力以保持丝5的恒定流量的方式变化，其中控制器布置成基于变化的压力来确定局部高度。
58.在另一个实施方式中，控制器7布置成在打印期间改变喷嘴4和构建表面10之间的距离d，也参见图2，以便维持丝5的恒定流量和熔化室22中的恒定压力，其中控制器7布置成基于变化的距离d确定局部高度。
59.熔化室22中的压力可以使用压力传感器34测量，这样压力可以直接测量。压力也可以以间接的方式测量，例如使用布置成测量由丝5感测的压力传感器、布置成测量作用在喷嘴上的压力的压力传感器，例如传感器32，其它类型的间接测量也是可能的，例如使用压力传感器33测量作用在构建板18上的压力。
60.控制器7可以使用不同的控制方案，并且控制器7还可以布置成使用上述实施方式之一，或者其可以布置成可选地根据用户输入或喷嘴类型或所使用的材料类型在控制方案之间切换。
61.注意，可以对通过上述方法确定的测量高度图的附加校准和线性化，以获得更准确的结果。通过重复该过程并在每个步骤中使用新的数据，局部高度值的精度将提高。校准可以补偿材料的(温度相关的)粘度变化和喷嘴几何形状变化。在一个实施方式中，喷嘴的校准包括在半空中打印，将构建板从喷嘴移除以避免任何背压。这样，可以表征喷嘴-材料组合，并找到用作上述方法的输入的压力和流量数据。
62.以上已经参考附图中所示的多个示例性实施方式描述了本发明。一些部分或元件的修改和替代实施是可能的，并且包括在如所附权利要求中限定的保护范围内。应当注意，上述实施方式是说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代实施方
式。例如，喷嘴4可在x方向和z方向上移动，而构建板18在y方向上移动。或者喷嘴4可在x方向移动，同时构建板18在y方向和z方向移动。或者喷嘴4可以是固定的，而构建板18可在x方向、y方向和z方向上移动。
63.此外，装置1可以是直接供给器3d打印机系统，其中丝供给器3布置在打印头中或打印头附近。
64.在权利要求中，括号中的任何附图标记不应解释为限制权利要求。动词“包括”及其变化形式的使用不排除存在权利要求中所述的元件或步骤之外的元件或步骤。元件前面的冠词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。