用于操作三维打印机以补偿径向速度变化的系统和方法

摘要

本发明提供一种三维物体打印机，其配置成使得由至少一个打印头靠近平台的圆周边缘喷射到旋转平台上的材料的密度能够近似地等于靠近平台的中心喷射到旋转平台上的材料的密度。

说明书

技术领域

本公开涉及三维物体打印系统，并且更特别地，涉及用于在旋转平台或锥盘上形成三维物体的系统和方法。

背景技术

数字三维制造也称为数字增材制造，是从实质上任何形状的数字模型制造三维固体物体的过程。三维打印是增材过程，其中一个或多个打印头在衬底上以不同形状喷射材料的连续层。三维打印与主要依赖通过减材过程(如切割或钻孔)从工件去除材料的传统物体形成技术可区分。

在一种形式的三维物体打印中，一个或多个打印头安装在其上的径向臂将构建或支撑材料喷射到旋转平台或锥盘上以形成物体。打印头将材料向下喷射到以恒定角速度ω旋转的平台或锥盘上。由于旋转结构的外周边比该结构的内部分横跨更大的距离，因此外周边以比内部分更大的速度行进。由于(一个或多个)打印头中的喷墨器沿着径向臂以距离Δr相等地间隔并且沿着径向臂的每个喷墨器以时间间隔Δt喷射具有质量m的墨滴，因此由每个喷墨器形成的固体环的密度取决于其沿着径向臂的位置。因此，环的密度近似地为m/(rωΔtΔr)，原因是可以假设Δt和Δr相比于r都较小。来自这些参数的曲率效应是二阶变化。因此，正在形成的固体物体的密度主要随着沿着径向臂的喷墨器的位置而变化。

对于沿着径向臂的所有喷墨器保持密度恒定的一种方式是保持均匀的径向间隔Δr并且击发外喷墨器比击发内喷墨器更快。然而在多数喷墨打印机中不实行该解决方案，原因是对于打印头中的所有喷墨器，喷墨打印头需要恒定的击发频率。替代地，图像处理可以设计成通过半色调图像数据补偿不同的径向位置和平台或锥盘速度差异，以平衡由喷墨器形成的材料环的密度。然而该处理浪费打印头的相当大的吞吐能力并且引入各种成像伪影。

操作喷墨打印机以减小由喷墨器的径向位置的变化导致的物体材料密度的变化将是有利的。

发明内容

一种三维物体打印机配置成保持由沿着打印机中的径向臂的喷墨器喷射的材料的一致密度。所述三维物体打印机包括：平台，所述平台配置成围绕中心旋转；径向臂，所述径向臂从邻近所述平台的中心的位置延伸到邻近所述平台的圆周边缘的位置；安装到所述径向臂的至少一个打印头，所述至少一个打印头配置成当所述平台旋转经过所述至少一个打印头时将材料喷射到所述平台上；以及控制器，所述控制器可操作地连接到所述至少一个打印头和所述平台，所述控制器配置成旋转所述平台，当所述平台旋转经过所述至少一个打印头时操作所述至少一个打印头以将材料喷射到所述平台上，并且沿着所述径向臂在邻近所述平台的中心的位置和邻近所述平台的圆周边缘的位置之间以线性速度移动所述至少一个打印头，当所述至少一个打印头在邻近所述平台的中心的位置和邻近所述平台的圆周边缘的位置之间移动时所述线性速度使得所述至少一个打印头离所述平台的中心的距离与所述平台的角速度的乘积保持恒定。

三维物体打印机的另一实施例通过减小打印机中的打印头中的喷墨器之间的距离保持平台的外部分处的密度。所述打印机包括：平台，所述平台配置成围绕中心旋转；径向臂，所述径向臂从所述平台的中心上方的位置延伸到所述平台的圆周边缘上方的位置；安装到所述径向臂的至少一个打印头，所述至少一个打印头配置成当所述平台旋转经过所述至少一个打印头时将材料喷射到所述平台上，所述至少一个打印头还配置成具有喷墨器的线性阵列，当所述喷墨器的线性阵列朝着所述平台的圆周边缘延伸时所述线性阵列中的至少一些喷墨器彼此分离减小的距离；以及控制器，所述控制器可操作地连接到所述至少一个打印头和所述平台，所述控制器配置成旋转所述平台，并且当所述平台旋转经过所述至少一个打印头时操作所述至少一个打印头以将材料喷射到所述平台上。

已开发一种操作三维物体打印机的方法，其保持由沿着打印机中的径向臂的喷墨器喷射的材料的一致密度。所述方法包括：用控制器使平台围绕所述平台的中心旋转；当所述平台旋转经过至少一个打印头时用所述控制器操作所述至少一个打印头以将材料喷射到所述平台上；以及用所述控制器将所述至少一个打印头沿着径向臂移动，所述径向臂从所述平台的中心上方的位置延伸到所述平台的圆周边缘上方的位置，所述控制器将所述至少一个打印头沿着所述径向臂以线性速度移动，当所述至少一个打印头移动到所述旋转平台的圆周边缘时所述线性速度使得所述至少一个打印头离所述平台的中心的距离与所述平台的角速度的乘积保持恒定。

附图说明

在结合附图进行的以下描述中解释保持由沿着打印机中的径向臂的喷墨器喷射的材料的一致密度的装置或打印机的前述方面和其它特征。

图1是具有打印头的三维物体打印机的图示，所述打印头配置成产生喷射到旋转平台上、从其中心到其圆周边缘的材料的一致密度。

图2是具有打印头的三维物体打印机的另一实施例的图示，所述打印头配置成产生喷射到旋转平台上、从其中心到其圆周边缘的材料的基本一致密度。

图3是配置成在平台的中心和其圆周边缘之间移动打印头的三维物体打印机的另一实施例的图示。

图4是打印头中的喷墨器将击发以沿着径向路径喷射滴的位置的图形。

图5是打印头中的喷墨器将击发以径向地对准滴并且沿着每个连续曲线部段提供更多滴的位置的图形。

图6是现有技术的三维物体打印机的图示，示出改变由打印头喷射到旋转平台上的材料的密度的因素。

具体实施方式

为了本文中所公开的设备的环境以及设备的细节的一般理解，参考附图。在附图中，相似的附图标记标示相似的要素。

当在本文中使用时，术语“构建材料”指的是以液滴的形式从一个或多个打印头中的多个喷射器喷射以形成在三维物体打印机中形成的物体中的材料层的材料。构建材料的例子包括、但不限于热塑性塑料、UV可固化聚合物和粘结剂，其可以被液化以便作为液滴从一个或多个打印机中的喷射器喷射并且随后硬化成通过增材三维物体打印过程形成物体的固体材料。在一些三维物体打印机实施例中，多种形式的构建材料用于产生物体。在一些实施例中，具有变化物理或化学特性的不同构建材料形成单个物体。在其它实施例中，打印机配置成喷射单个类型的构建材料的滴，所述构建材料通过包括在构建材料中的颜料或其它着色剂包含不同颜色。三维物体打印机控制具有不同颜色的构建材料的滴的喷射以形成具有变化颜色并且可选地在物体的表面上具有打印文字、图形或其它单色或多色图案的物体。

当在本文中使用时，术语“支撑材料”指的是在三维物体打印过程期间可以从打印头喷射以稳定由构建材料形成的物体的另一种材料。例如，当三维物体打印机施加构建材料层以形成物体时，打印机中的至少一个打印头也喷射接合物体的部分的支撑材料层。支撑材料将先前形成的构建材料层保持就位，在足够的构建材料存在以将物体保持在一起之前防止新形成的特征断裂，并且在硬化过程完成之前防止未完全固化的构建材料的部分流动脱位。支撑材料的例子包括、但不限于在打印过程期间为物体提供支撑并且在打印过程完成之后可以容易地从物体去除的蜡状材料。

当在本文中使用时，术语“过程方向”指的是在三维物体形成过程期间平台移动经过一个或多个打印头的方向。平台在打印过程期间保持三维物体和伴随的支撑材料。在一些实施例中，平台是在三维物体打印过程期间在径向臂上的一个或多个打印头附近或之下旋转以支撑物体的形成的平面构件或圆锥形构件。

当在本文中使用时，术语“交叉过程方向”指的是垂直于过程方向并且大致平行于喷射构建材料和支撑材料的滴以形成物体的打印头中的至少一些的布置的方向。两个或更多个打印头中的喷射器在交叉过程方向上对齐以允许打印头的阵列在二维平面区域上形成构建材料和支撑材料的打印图案。在三维物体打印过程期间，从对齐打印头形成的构建材料和支撑材料的连续层形成三维物体。

当在本文中使用时，术语“z方向”指的是三维物体打印机中的打印头和形成于支撑构件上的物体和支撑材料之间的分离的方向。在三维物体打印过程的开始时，z方向指的是支撑构件和形成构建材料和支撑材料的层的打印头之间的分离的距离。当打印头中的喷射器形成构建材料和支撑材料的每个层时，打印头和最上层之间的z方向分离减小。在许多三维物体打印机实施例中，打印头和打印材料的最上层的z方向分离保持在较窄公差内以允许构建材料和支撑材料的喷射滴的一致放置和控制。在一些实施例中，支撑构件在打印操作期间移动远离打印头以保持z方向分离，而在其它实施例中打印头移动远离部分打印物体和支撑构件以保持z方向分离。

图6示出证明由打印头的径向臂配置产生的不一致密度的现有技术的三维物体打印机100。打印机100包括旋转平台102和安装到径向臂108的、形成喷墨器104的线性阵列的一个或多个打印头112。打印头112中的喷墨器彼此相距相同距离。控制器130可操作地连接到致动器134从而以预定角速度ω旋转平台102。如图1中所示，由更靠近臂108的外端的喷墨器104喷射的材料滴116比由更靠近平台102的中心处的径向臂的原点的喷墨器喷射的材料滴116分离更大的距离。径向臂越长，由沿着径向臂108的长度的喷墨器形成的线的密度的差异越大。因此，可以由打印机100形成的物体的尺寸受到从中心到其周边的物体中的材料的密度的差异的公差限制。

图1中所示的喷墨打印机的实施例解决了图6中所示的密度变化的问题。再次地，控制器130操作致动器134从而以预定角速度ω旋转平台102。在该实施例中，由安装到径向臂108的一个或多个打印头112形成的喷墨器的线性阵列中的喷墨器104之间的间隔不是相同距离。而是，更靠近径向臂的外端的喷墨器比更靠近平台的中心的喷墨器更紧靠在一起定位。喷墨器之间的距离的该变化使得来自喷墨器的滴能够沿着径向保持对准，如图4中所示。在一个实施例中，沿着径向臂的内半部的喷墨器分离对应于300dpi的距离，而沿着径向臂的外半部的喷墨器分离对应于600dpi的距离。在另一实施例中，每个喷墨器之间的距离变化，每个喷墨器与朝着径向臂的外端的下一个相邻喷墨器的靠近程度大于该喷墨器与朝着径向臂的内端的下一个相邻喷墨器的靠近程度。

在图2所示的实施例中，控制器130操作致动器134从而以预定角速度ω旋转平台102。内打印头120定位成沿着臂108径向地延伸，并且外打印头124相对于臂108成一定角度倾斜。两个打印头中的喷墨器104在与打印头的宽度交叉的交叉过程方向上分离相同的距离。然而通过相对于径向臂108倾斜打印头124，相比于打印头124与臂108径向地对准的情况，打印头124中的喷墨器喷射彼此更靠近的材料滴。

在图3的打印机配置中，打印头120安装到径向臂108并且可操作地连接到致动器138，所述致动器可操作地连接到控制器130以使控制器130能够将打印头120径向地沿着臂108在平台102的中心和其圆周边缘之间移动。再次地，控制器130根据由控制器130生成的电信号操作致动器134从而以角速度ω旋转平台102。如下所述，控制器配置成(1)当打印头120在平台的中心和平台的圆周之间移动时改变平台的角速度，(2)改变打印头沿着径向臂的线性速度，或(3)当打印头沿着径向臂移动时改变打印头的倾斜度。替代地，控制器130可以配置成执行这些操作的某个组合以帮助保持正在形成的材料环的密度直到物体形成完成。

在第一类型的操作中，控制器130通过操作致动器138移动打印头，并且当打印头位置变化时，控制器操作致动器134以根据打印头的位置改变旋转平台102的角速度。平台102的角速度的该变化允许由打印头120喷射的材料的密度保持大致一致。保持一致密度的一种方式是保持打印头沿着臂108的径向位置r和平台的角速度ω的乘积恒定。因此，当r随着打印头120沿着径向臂108的向外运动增加时，控制器减小平台的角速度，因此新径向位置和新角速度的乘积近似地等于处于先前位置的径向位置和先前角速度的乘积。

当在该文献中参考上述的乘积使用时，术语“恒定”表示乘积从一个打印头位置到另一个打印头位置改变的量不超过靠近圆周边缘和靠近平台的中心的半径之间的比率。密度的该公差范围由打印头具有在径向方向上的长度产生。当喷墨器之间的间隔相同并且打印头保持在特定位置时，相比于平台部分经过最靠近平台的中心的打印头的端部，平台以更高的速度行进经过最靠近圆周边缘的打印头的端部。因此，乘积保持“恒定”指的是径向距离和角速度乘积使得在平台的圆周边缘处的打印头的端部处喷射的材料的密度近似于在邻近平台的中心的打印头的端部处喷射的密度。该近似密度不超过邻近平台的中心的打印头的内部分和邻近圆周边缘的打印头的外部分之间的半径的比率，可以被表达为[(外半径/内半径)+1]/2。当在该定义中使用时，内部分指的是比外部分更靠近中心的部分。也就是说，“内”部分不必靠近中心并且“外”部分不需要靠近圆周边缘。而是，一个部分比另一部分相对更靠近中心。因此，外半径与内半径的比率可以接近1。

在第二类型的操作中，控制器130配置成当打印头沿着径向臂108连续地移动时改变打印头120的速度。在该实施例中，当打印头沿着径向臂在靠近平台的中心的位置和靠近圆周边缘的位置之间移动时控制器130操作致动器138以改变沿着径向臂108的打印头120的线性速度。另外，控制器130也操作致动器134以将旋转平台102的角速度保持在相同速度。为了实现该方法，将由三维物体打印机打印的物体的图像数据以已知方式被处理成同心圆柱。每个圆柱的宽度和在圆柱的圆周中待打印的每英寸点的数量取决于参考平台的中心的打印头的径向位置和打印机架构。在该实施例的变型中，生成用于操作至少一个打印头的数据以允许每个圆柱的圆周的径向位置与先前圆柱和当前圆柱之间的圆周的变化的乘积保持恒定。圆柱形环在宽度上取决于打印头的径向位置线性地减小，与单个打印头从平台的中心到其外缘跨越打印区域的情况一样。在具有不跨越穿越平台102的打印区域并且向外移动以在多个位置喷射材料从而允许材料滴的交错的单个打印头的打印机中，通过使用所有同心环的平均宽度，除了打印头径向速度以外，平台的角速度也变化。描绘三维物体打印机的该实施例中的该关系的图形在图5中被显示。如图中所示，与图4中的情况一样，墨滴不仅径向地对准，而且更多的滴沿着每个连续曲线部段被提供。

在第三类型的操作中，当控制器将打印头沿着径向臂108移动以改变由打印头喷射的滴之间的有效距离时控制器配置成操作致动器138以倾斜打印头120。如已经参考图1中的实施例所述，与打印头与径向臂对准时相比，打印头的该倾斜允许材料以更高的分辨率从打印头喷射。

在沿着径向臂移动打印头的三种类型的操作中，控制器可以以不连续方式、连续方式或这两种运动的组合移动打印头。而且，如先前所述，控制器130可以配置成执行用于沿着径向臂移动打印头的三种类型的操作的组合。另外，控制器还可以配置成改变这三种类型的操作或它们的任何组合期间的平台的角速度以帮助保持喷射材料的一致密度而无论平台上的材料的位置如何。

在一些实施例中，控制器130配置成在交错模式下操作平台和打印头，并且在其它实施例中，控制器130配置成在单程模式下操作平台。在交错模式下，控制器130操作致动器138以当完成每个平台回转时增量地移动打印头120，因此平台上的任何特定位置可以由打印头经过一次以上。该交错模式允许平台上的材料滴的分辨率高于单独打印头中间隔的喷墨器可能产生的分辨率。在单程模式下，控制器130操作致动器138以移动打印头120，因此平台上的每个位置经过打印头仅仅一次。

上面已参考打印头在邻近平台的中心的位置和邻近平台的圆周边缘的位置之间移动描述了打印机的操作。读者应当注意控制器130可以配置成用于打印头的双向运动。一般而言，当打印头从中心向外行进时控制器减小打印头的速度和/或平台的角速度，并且当打印头朝着平台中心向内行进时控制器增加打印头的速度和/或平台的角速度。因此，当打印头在邻近平台的中心的位置和邻近平台的圆周边缘的位置之间行进时，不管打印头正在移动所沿着的方向，控制器130配置成移动打印头并且调节平台的角速度和打印头的线性速度。另外，控制器可以改变打印头的倾斜度从而当打印头向外移动时增加喷射滴的分辨率并且当打印头向内移动时减小分辨率。

尽管上述打印机配置减小靠近径向臂的内端喷射的墨滴和更靠近圆周边缘喷射的墨滴之间的密度的差异，但是处理图像数据的其它技术还可以增强该效果。例如，用于操作径向臂上的(一个或多个)打印头的渲染图像数据(如半色调数据)可以被处理以减小在径向臂之下的内部分和外部分之间的平台上的材料的密度的差异。也可以使用其它渲染图像数据处理以利用上述的结构配置。