CN103917372B - 控制所分配的打印材料的密度 - Google Patents

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Abstract

一种打印方法包括：控制用于将电脉冲施加至喷墨打印头的压电式喷嘴的时序参数，以便从喷嘴中分配材料液滴。控制时序参数以将气泡引入材料液滴中，从而将材料的密度降低为小于材料的自然密度的所选择的密度值。

Description

控制所分配的打印材料的密度
相关申请的交叉引用
该申请是PCT国际申请NO.PCT/IL2012/050367的国家申请阶段，该PCT国际申请的国际提交日期为2012年9月13日，公开为PCT国际专利申请NO.WO2013/038413，要求于2011年9月15日提交的临时专利申请No.61/534,910的优先权，将两者通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及使用喷墨打印头的打印。更具体地，本发明涉及在打印期间控制经所分配的材料的材料密度。
背景技术
三维(3D)打印广泛用于构建物体，诸如，模型或原型。在3D打印中，通过以受控的方式沉积材料来构建物体，以便形成该物体。可从将构建的物体的数字表示中获得引导该物体的构建的指令。这种数字表示可通过例如计算机辅助设计或计算机辅助制造程序或应用程序来生成。
常用的3D打印机使用用于选择性地分配诸如光聚合物材料的材料的喷墨打印头。逐层沉积光聚合物材料以形成3D模型。可沉积不同的光聚合物材料以形成正在打印的物体的不同部分。光聚合物材料可以液体或凝胶的形式存储在喷墨打印头内。在光聚合物材料由喷墨打印头分配之后，该材料可硬化或可固化(例如，通过曝光或紫外线照射)，以使材料硬化。
喷墨打印头可包括压电元件。将电脉冲施加至压电元件可在位于打印头内的材料中生成压力波。压力波可使打印头喷出或排出材料滴。
在某些情况下，压力波可在材料内形成小凹孔(气穴)。材料的成分可以气态填充所形成的凹孔以在材料内形成气泡。在喷墨打印头中生成气泡是熟知的现象(例如，参见H.Wijshoff,“Thedynamicsofthepiezoelectricinkjetprintheadoperation”,PhysicsReports,V.491(2010),pp.77-177)。在用于进行二维打印的传统打印机中优选地使用喷墨打印头。在这种应用中，墨滴中的气泡的形成被视为寄生的或负面的效果，并且投入了大量精力以完全地抑制这种气泡形成或大幅地减少气泡形成。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种打印方法，包括：控制用于将电脉冲施加至喷墨打印头的压电式喷嘴的时序参数，以便从喷嘴中分配材料液滴，控制时序参数以将气泡引入液滴内的材料中，从而将液滴内的材料的密度降低为小于材料的自然密度的所选择的密度值，其中，自然密度被定义为当材料是连续的并且未被气泡中断时的材料的密度。
优选地，该方法从由以下各项构成的时序参数列表中选择时序参数：脉冲周期、脉冲宽度、脉冲延迟、占空比、总占空比。
优选地，该方法控制时序参数包括将总占空比调整为40％或更小的值。
优选地，该方法控制时序参数包括根据时序参数与材料的密度相关的特性之间的预定对应关系来选择时序参数的值。
优选地，该方法从由材料的密度、硬化之后的材料的密度、半透明度、光学密度和介电常数构成的密度相关的特性的列表中选择密度相关的特性。
优选地，材料包括被配置为硬化以形成打印物体的区域的三维打印材料。
优选地，该方法控制时序参数包括选择对应于打印头与将沉积所分配的液滴的表面之间的相对运动的时序参数的值。
优选地，该方法进一步包括调节打印头与将沉积所分配的液滴的表面之间的相对运动的速度，以便与时序参数的所选择的值对应。
优选地，该方法进一步包括根据受控的时序参数将脉冲施加至喷嘴。
优选地，该方法施加脉冲包括同时将脉冲施加至打印头的多个喷嘴并且喷嘴通过至少一个其他喷嘴彼此隔开。
根据本发明的另一方面，提供了一种三维打印机，包括：控制器，被配置为将电脉冲施加至打印头的压电式喷嘴，脉冲通过可由控制器控制的时序参数来特征化，时序参数的值是可选择的，以使得材料液滴通过喷嘴来分配，液滴中的材料具有小于材料的自然密度的所选择的密度值，其中，自然密度被定义为当材料是连续的并且未被气泡中断时的材料的密度。
优选地，该打印机进一步包括打印头，打印头包括压电式喷嘴。
优选地，控制器被配置为从由以下各项构成的时序参数列表中选择时序参数：脉冲周期、脉冲宽度、脉冲延迟、占空比、总占空比。
优选地，控制器被配置为将总占空比调整为40％或更小的值。
优选地，控制器被配置为根据时序参数与材料的密度相关的特性之间的预定对应关系来选择时序参数的值。
优选地，控制其被配置为从由材料的密度、硬化之后的材料的密度、半透明度、光学密度和介电常数构成的密度相关的特性的列表中选择密度相关的特性。
优选地，控制器被配置为选择对应于打印头与将沉积所分配的液滴的表面之间的相对运动的时序参数的值。
优选地，打印头包括多个喷嘴，并且喷嘴通过至少一个其他喷嘴彼此隔开。
优选地，该打印机被配置为实现打印头与将沉积液滴的表面之间的相对运动，以使具有所选择的密度值的材料的直线或曲线被沉积在表面上。
根据本发明的又一方面，提供了一种打印方法，包括：通过选择施加至喷嘴以排出液滴的多个电脉冲的每一个的持续时间与多个脉冲的依次施加的脉冲之间的时间间隔的比值，并且通过根据选择将脉冲施加至喷嘴，从喷墨打印头的压电式喷嘴中分配材料液滴，同时控制所分配的材料的密度并且控制在液滴内的气泡的形成。
附图说明
为了更好地理解本发明，并且理解其实际应用，在下文中提供并且参考以下附图。应注意，附图仅作为实例提供并且决不限制本发明的范围。相同的部件由相同的附图标记表示。
图1为根据本发明的实施方式的能够在打印期间控制所分配的材料的密度的三维打印机的示意图；
图2A示出了根据本发明的实施方式的用于单个喷嘴的具有低占空比的电脉冲生成；
图2B示出了根据本发明的实施方式的用于单个喷嘴的具有高占空比的电脉冲生成；
图3A示出了根据本发明的实施方式的用于三组喷嘴的具有图2A的占空比的电脉冲生成；
图3B示出了根据本发明的实施方式的用于三组喷嘴的具有图2B的占空比的电脉冲生成；以及
图4为根据本发明的实施方式的用于控制所分配的打印材料的密度的方法的流程图。
具体实施方式
在以下详细描述中，为了彻底地理解本发明，阐述了大量具体细节。然而，本领域技术人员将理解，无需这些具体细节，也可实践本发明。在其他情况下，并未详细描述数值的方法、过程、部件、模块、单元和/或电路，以免混淆本发明。
根据本发明的实施方式，可控制由喷墨打印头的压电式喷嘴分配的材料的密度。打印头结合到打印机内或者与打印机相关联。当将电脉冲施加至该喷嘴时，通过压电式喷嘴分配材料液滴。脉冲的施加导致形成喷射包含在打印头内的材料液滴的压力波。由于液滴被喷射，另外的材料流入打印头内。生成压力波、分配液滴和另外的材料的流入的组合动作可在材料内引起气穴(cavitation)。因此，在材料内的气穴可增大该材料在打印头内的气泡含量。
可为了3D打印的目的分配材料，以便形成物体。分配的材料液滴可沉积在表面上，以有助于形成物体。例如，表面可为要打印或形成物体的衬底、托盘或平台。该表面可包括局部形成的物体的最近(例如，上部或顶部)表面。
控制所分配的并且沉积的材料的密度，从而能够形成具有可控密度的物体。分别控制所分配的材料的密度以形成所形成的物体的每一层、区域或部件，使得能够形成其中一个部件的密度不同于另一个部件的密度的物体。
通过将气泡引入材料中，该材料的密度可从材料的自然密度中减小。如本文所使用的，当材料是连续的并且未被气泡中断时，材料的自然密度被定义为材料的密度(例如，在给定的一组包括温度和压力的环境条件下)。因此，当气泡含量接近零时，材料的密度基本上等于该材料的自然密度。材料的气泡含量(例如，可表示为体积或质量分数)越大，材料的密度就越低。气泡可陷入材料内直到并且随后材料硬化(例如，由于固化)。
可通过控制至该喷嘴的一系列电脉冲的施加，来控制由压电式喷嘴分配的材料的气泡含量。通过调整将电脉冲施加至压电式喷嘴的时序(timing)，可控制气泡的形成。该时间被一个或多个时序参数特征化。至少可调节时序参数的子组，以便控制所分配的材料的气泡含量。关于电脉冲的时间的可调节的参数可包括每个脉冲的持续时间或在连续脉冲之间的周期或时间。
可从施加至喷嘴的一个脉冲的特定点(例如，脉冲的开始)到施加至该喷嘴的紧接的随后的脉冲的等价点(例如，开始)来测量在一个脉冲与下一个脉冲之间的时间段(在打印头的连续操作期间)。根据本发明的某些实施方式，可通过打印机同时执行的操作来限制时间段(下文称为脉冲周期)。例如，在打印头与其上分配材料的衬底的表面之间的相对运动可具有恒定的速度(例如，始终或贯穿单个物体或物体的单个部件的形成)。为了精确地形成物体，利用其生成脉冲的脉冲频率(脉冲周期的倒数，例如，表示为每秒的脉冲个数)可通过在分配材料与相对运动之间的协调来限制。根据本发明的其他实施方式，可与脉冲频率的调整协调地调整相对运动。
可调整单个脉冲的持续时间(下文称为脉冲宽度)。当脉冲频率或脉冲周期是固定的或恒定的时，脉冲宽度的调整可伴随脉冲延迟的补偿调整。例如，脉冲延迟可描述在脉冲周期的恒定(例如，任选的)点与脉冲的开始之间的时间间隔。因此，对于特定的固定脉冲频率或周期，脉冲宽度与其相应的脉冲延迟之和(可具有负值)可基本上是恒定的。
根据本发明的某些实施方式，可经验地从实验或观测中获得电脉冲时间与材料密度(或材料的相关特性，例如，半透明度)之间的关系。例如，确定经验关系可包括在保持恒定的脉冲时间(例如，脉冲宽度和周期)的同时，操作打印头的喷嘴以形成物体。随后，测量所形成的物体的密度。相似的利用各种脉冲时间的物体的形成、其密度的测量和结果的分析可产生在脉冲时间与材料密度(或材料的相关特性，例如，半透明度或介电常数)之间的经验关系。
根据本发明的某些实施方式，电脉冲至打印头的一个喷嘴的施加可与脉冲至相邻的喷嘴的施加协调。例如，该协调可防止同时将电脉冲应用于两个相邻的喷嘴(例如，最近的相邻喷嘴与下一个最近的相邻喷嘴)中。可在多组(例如，三组)喷嘴之中分配喷嘴，每个喷嘴是一组中的一个成员。电脉冲可同时施加至作为单组成员的喷嘴。脉冲在施加至其他组的脉冲之间的间隔期间施加至一组的脉冲。
根据本发明的某些实施方式，脉冲时间可被占空比特征化。用于单个喷嘴(或一组喷嘴)的占空比可被定义为脉冲宽度与脉冲周期的比值。当协调电脉冲的施加从而使得不同时地将脉冲施加至相邻的喷嘴时，可将用于那些喷嘴的总占空比定义为与施加至所有那些喷嘴的脉冲之和的与脉冲周期的比值。
例如，当分配某些材料时，诸如，基于丙烯酸的光聚合物，例如，ObjetVeroClearTMRGD810(以色列雷霍沃特的公司)，可施加具有40％的总占空比的电脉冲。施加具有40％或更小占空比的电脉冲，可将足够的气泡引入所分配的材料中(例如，大约10％的体积)，以将所分配的材料的密度明显地减小(例如，减小大约10％)为低于材料的自然密度。
一个或多个电脉冲时序参数与材料密度(或气泡含量)之间的关系可由查询表或相似的表示来表示。例如，查询表可由材料密度索引。因此，当分配具有特定密度的材料时，参照查询表，可产生电脉冲时序参数的值(其产生具有该密度的分配的材料)。代替查询表，脉冲时序参数与材料密度之间的关系可表示为函数、公式或等式。例如，可经验地将导出数据拟合为函数形式来获得函数关系。
将所分配的材料的密度减小为低于材料的自然密度是有利的。例如，减小所分配的材料的密度能够形成比在分配具有其自然密度的材料时更轻的物体。根据材料和形成的物体，通过引入气泡来减小材料密度可不会明显地影响所形成的物体的机械强度或其他机械特性。同样，可减少形成物体所需要的材料量，因此降低形成物体的成本。
尽管通过利用不同的材料来打印(例如，通过另外的打印头或通过替换提供给打印头的材料)可实现具有不同密度材料的打印，但是这种解决方案可对资源(例如，每种材料的有限数量的打印头)或吞吐量(例如，替换材料供应容器和相关动作所需要的时间)造成更大的压力(strain，应变)。另一方面，根据本发明的实施方式，可在打印过程期间反复地改变脉冲时间，而不会减小打印速度。
利用某些材料，引入气泡以减小密度可影响所分配的材料或所形成的物体的其他特性。例如，引入气泡可影响材料的介电常数或其他电磁相关特性。如果材料是透明的，则将气泡引入材料内可使材料变得更加半透明。(在这种情况下，材料的半透明度与材料密度之间的关系使得能够通过测量或观测其透明度来确定或估计所分配的材料的或所形成的物体的密度)。ObjetVeroClearTMRGD810(以色列雷霍沃特的Objet公司)是在其自然密度下为至少部分透明的但随着气泡含量的增加变得更加半透明的材料的一个实例。
图1为根据本发明的实施方式的能够在打印期间控制所分配的材料的密度的三维打印机的示意图。
3D打印机10包括打印头12，该打印头可通过控制器20的控制来操作。打印头12包括多个压电式喷射单元14。每个压电式喷射单元14可通过控制器20的喷射控制模块26操作，以生成施加至该压电式喷射单元14的压电致动器的一系列电脉冲。将脉冲施加至压电致动器可在提供至喷嘴16的打印材料中生成一系列压力波。在打印材料中生成压力波可使喷嘴16喷射或分配打印材料的液滴18。所分配的打印材料的密度可由所施加的一系列电脉冲的时序来确定。时序可由喷射控制模块26的时间控制子模块27控制。
脉冲可同时施加至多个压电式喷射单元14中。为了抑制通过一个喷嘴16的液滴18的分配影响来自相邻或邻近喷嘴16的液滴的分配(例如，由于各种机械、声学或液力效应)，喷射控制模块26可被配置为避免同时将脉冲施加至相邻喷嘴16的压电式喷射单元14。在一种布置中，将喷嘴16分成三组或多组。脉冲仅同时施加至单个组的喷嘴16的压电式喷射单元14。例如，当喷嘴16分成三组时，在一行喷嘴中的每第三个喷嘴16属于第一组，紧随第一组喷嘴之后的喷嘴属于第二组，并且紧接第一组喷嘴之前的喷嘴属于第三组。(例如，在图1中示意性地示出的三个相邻喷嘴16将分别属于单独的组，从而所示出的三个喷嘴16中的任意两个都不同时分配液滴18)。因此，同时分配液滴的两个喷嘴16通过不与前两个同时分配液滴的至少两个中间喷嘴16分离。
在某些实施方式中，压电式喷射单元14的所有部件均位于打印头12中。在其他实施方式中，压电式喷射单元14的某些部件(例如，某个电路)可位于打印头12的外部，诸如，在控制器20中。
尽管3D打印机10被示出为具有单个打印头12，但是打印机可包括多个打印头。各种打印头可同时操作，例如，以提高打印速度。各种打印头可被配置为分配不同材料，例如，以形成打印物体36的不同部分。
用于分配的材料可从材料池40经由导管系统42提供至打印头12的喷嘴16。(导管系统42通常包括将材料从共同的材料池40提供到打印头12的多个喷嘴16的多个支路，为了简单起见，在图1中未示出)。经由导管系统42将材料从材料池40提供到喷嘴16可通过控制器20的材料供应控制模块38来控制。示例性3D打印机可包括用于将不同的材料供应至3D打印机池的多个墨盒供应单元(未示出)。可经由导管系统从多个墨盒单元中的不同墨盒中供应不同的材料。例如，在相同受让人的美国专利No.7,725,209中描述了这种供应单元，并且通过引用将其结合于此。
打印头12可被配置为分配液滴18以便形成层，诸如打印物体36的层37a和37b。液滴18可沉积在正在打印的物体36的下层37a的表面上，该液滴在该表面上凝固(或可固化以凝固)以形成新的上层37b的至少一部分。凝固的材料具有由液滴18中的材料的密度确定的密度。打印物体36可由支持平台32支持。致动器30可由控制器20的运动控制模块28操作以引起打印头12与支持平台32之间的相对平移或旋转运动。例如。可操作致动器30以移动支持平台32、打印头12或两者。由箭头34示意性表示的运动(后文中称为运动34)可包括在与支持平台32基本平行的平面中的平移运动，可包括调节打印头12与支持平台32之间的距离的平移运动(例如，在通过沉积所分配的材料的液滴18来形成打印物体36时，随着打印物体36的高度增大，为了在喷嘴16与打印物体36的最近点之间保持基本恒定的距离，并且从而保持基本恒定的层厚度)，或者可包括打印头12与支持平台32之间的相对旋转。
控制器20的条件模块48可控制从一个或多个传感器(例如，温度计、湿度传感器、流量传感器或其他光学、机械或电磁传感器)中接收表示在打印头12中或在3D打印机10的另一个外壳或部件中的一个或多个环境条件(例如，环境温度、湿度、冷却液流、冷却剂成分)的数据。条件模块48可控制一个或多个环境控制装置(例如，加热器、风扇或过滤器)以控制一个或多个环境条件。条件模块48可被配置为当一个或多个所感测的环境条件偏离预定范围时产生警报(例如，可看见或可听见的)或者停止或暂停3D打印机10的操作或两者。警报可指示操作人员执行校正动作(例如，更换过滤器、补充材料、重置开关)以将环境条件恢复为可接受的值。
控制器20包括处理器22以及一个或多个模块。处理器22可包括一个或多个处理装置。处理器22的全部或某些部件可结合在打印机10中，或者可结合在与打印机10通信的计算机或外部控制单元中。处理器22可根据程序指令进行操作。
根据本发明的某些实施方式，控制器20的模块(诸如，喷射控制模块26、运动控制模块28、材料供应控制模块38或条件模块48)可包括用于实现模块的功能的执行的电路。根据某些实施方式，控制器20的模块可包括程序、应用程序或一组程序指令(其被配置为由处理器22执行以便实现模块的功能的执行)。
控制器20的处理器22可与数据存储单元24通信。数据存储单元24可包括一个或多个易失性或非易失性数据、固定的或可移动的数据存储装置。数据存储单元24可包括非易失性计算机可读数据存储介质。数据存储单元24可包括结合在控制器20或3D打印机10中的一个或多个部件数据存储装置。数据存储单元24可包括与控制器20分开或远离控制器20的一个或多个部件数据存储装置。在这种情况下，处理器22可经由数据通信信道或网络与数据存储单元24的远程部件通信。
数据存储单元24可用于存储用于处理器22或控制器20的操作的程序指令。所存储的程序指令可包括用于操作控制器20的一个或多个模块(诸如，喷射控制模块26、运动控制模块28、材料供应控制模块38或条件模块48)的指令。
数据存储单元24可用于存储用于控制3D打印机10的操作的数据或参数以形成打印物体36。例如，数据存储单元24可用于存储物体描述44。
根据本发明的某些实施方式，物体描述44可包括由3D打印机10形成或打印的物体的数字表示。例如，数字表示可包括体积元素的三维阵列。每个体积元素可包括规定在物体的三维位置处的成分的信息(例如，如在合适的三维坐标系统中所规定的)。物体描述44可由处理器22获得和解释。基于物体描述44，处理器22可生成用于通过例如喷射控制模块26、运动控制模块28或材料供应模块38执行的一系列指令。执行所生成的指令可控制3D打印机10的部件(诸如，一个或多个打印头12或致动器30)的操作，以便形成打印物体36。
根据本发明的某些实施方式，物体描述44可包括用于通过例如喷射控制模块26、运动控制模块28或材料供应模块38执行的一系列指令。执行所生成的指令可控制3D打印机10的部件(诸如，一个或多个打印头12或致动器30)的操作，以便形成打印物体36。
物体描述44可包括密度数据46。如果物体描述44包括要形成的物体的数字表示，则密度数据46可规定数字表示的元件的密度。密度数据46可规定打印物体36的元件的密度(例如，在沉积的材料已经凝固之后)或在要分配的液滴18中的材料的密度以便形成该元件。如果物体描述44包括由控制器20的模块执行以便形成打印物体36的指令，则密度数据46可包括由喷射控制模块26的时间控制子模块27执行的指令。指令的执行可使喷射控制模块26控制压电式喷射单元14的电脉冲时序，从而使喷嘴16分配具有期望密度的液滴18。
在一种实施方式中，为了在构建的3D模型内部引入不同的气泡量并测试在构建的3D模型内部的不同的气泡量，使用用于图案化(patterning，模式化)馈入打印头的电信号的不同的喷射频率以及脉冲宽度和延迟的不同组合，从由ALARISTM3D打印机喷射的透明光聚合物ObjetVeroClearTMRGD810(均来自以色列雷霍沃特的公司)中打印大约1cm厚的平面平行样品。不同的构建条件导致不同的和变化的气泡含量，并且反过来导致不同的半透明程度，如在以下示图中所描述的和示意性示出的。
图2A和2B示意性示出了用于单个喷嘴16的电脉冲生成的控制。
图2A示出了根据本发明的实施方式的用于单个喷嘴的具有低占空比的电脉冲生成。与在图2B中所示的电脉冲生成的占空比相比，在图2A中所示的电脉冲生成的占空比较低。施加具有低占空比的脉冲，可导致气泡含量增加和所分配的材料的密度减小。
曲线图200示出了随时间T变化的至打印头的喷嘴的压电元件的电压V的电信号的施加。如曲线图200所示，除了在生成电脉冲202时以外，所施加的电压大约为0。脉冲周期204是依次连续施加至喷嘴的脉冲202之间的时间间隔。脉冲周期204(脉冲频率的导数)可通过多个因素中的一个来确定。例如，脉冲周期204可与脉冲202的施加与打印头与正在形成的打印物体之间的相对运动的同步相关。
脉冲宽度206表示施加脉冲202的时间。例如，脉冲宽度206可表示在脉冲202的半极大处的全宽度。
脉冲可同时施加至打印头的多个喷嘴。例如，在施加至单个喷嘴(或一组喷嘴)的第一脉冲202的末端与紧接的之后的脉冲202之间的时间间隔期间，脉冲可施加至其他喷嘴。因此，在脉冲至单个喷嘴的连续施加之间的脉冲至其他喷嘴的施加可限制占空比。
图2B示出了根据本发明的实施方式的用于单个喷嘴的具有高占空比的电脉冲生成。与在图2A中所示的电脉冲生成的占空比相比，在图2B中所示的电脉冲生成的占空比较高。施加具有低占空比的脉冲可导致增加的气泡含量，而施加具有高占空比的脉冲可为所分配的材料提供接近材料的自然密度的密度。
如曲线图200'所示，除了在生成电脉冲202'时以外，所施加的电压大约为0。脉冲周期204是在依次连续施加至喷嘴的脉冲202'之间的时间间隔。脉冲宽度206'表示施加脉冲202'的时间。
当脉冲周期204是固定的或限制为恒定值时，曲线图200的脉冲宽度206与脉冲延迟208之和等于曲线图200'的脉冲宽度206'与脉冲延迟208'之和。
图3A示出了根据本发明的实施方式的用于三组喷嘴的具有图2A的占空比的电脉冲生成。
曲线图300a、300b和300c分别表示施加至三组不同的喷嘴的电脉冲202。例如，曲线图300a、300b和300c可表示施加至打印头的三个相邻喷嘴的电脉冲202。如图3A所示，脉冲延迟208表示在施加至不同组的喷嘴的脉冲202之间的时间延迟。例如，在脉冲202施加至与曲线图300a对应的喷嘴之后，另一个脉冲202在脉冲延迟之后208施加至与曲线图300b对应的喷嘴。
例如，在图2A和图3A中，脉冲宽度206可大约为4微秒。脉冲延迟208可大约为5微秒。脉冲周期204可大约为33微秒，与大约30千赫兹的喷射或脉冲频率对应。因此，每个喷嘴的占空比大约为12％，并且总占空比大约为36％。当利用这种脉冲时序来分配典型的基于丙烯酸的光聚合物时，气泡含量大幅增加(例如，大约10％)，并且所分配的材料的密度相应地减小(减小为自然密度的大约89％)。在这种条件下，透明的基于丙烯酸的光聚合物可呈现为不透明的。
图3B示出了根据本发明的实施方式的用于三组喷嘴的具有图2B的占空比的电脉冲生成。
曲线图310a、310b和310c分别表示施加至三组不同的喷嘴的电脉冲202'。脉冲延迟208'表示在施加至不同组的喷嘴的脉冲202'之间的时间延迟。在图3B中所示的占空比接近最大值。因此，几乎一直将脉冲202'施加至这几组喷嘴的其中一个。
例如，在图2B和图3B中，脉冲宽度206'可大约为7微秒。脉冲延迟208'可大约为1微秒。脉冲周期204可大约为33微秒，与大约30千赫兹的喷射或脉冲频率对应。因此，每个喷嘴的占空比大约为21％，并且总占空比大约为63％。当利用这种脉冲时序来分配典型的基于丙烯酸的光聚合物时，气泡含量接近0(例如，小于0.1％)，并且所分配的材料的密度接近自然密度。
尽管在图3A和图3B的每一个中，所有组的所有脉冲被示出为具有单个脉冲宽度(分别为206和206')和单个脉冲延迟(分别为208和208')，但是脉冲宽度和脉冲延迟对于不同的组可不同。
控制器可被配置为根据用于控制所分配的打印材料的密度的方法来操作打印机。尤其地，3D打印机的控制器可被配置为根据该方法来操作。
图4为根据本发明的实施方式的用于控制所分配的打印材料的密度的方法的流程图。(也参照在图1中所示的部件。)
关于该流程图应理解，仅为了方便和清晰起见，已经选择了将所示出的方法分成由流程图的方框表示的离散操作。替代性地将所示出的方法分成离散操作可以具有等效的结果。这种替代性地将所示出的方法分成离散操作应被理解为表示本发明的其他实施方式。
同样，应理解的是，除非特别说明，否则仅为了方便和清晰起见，选择了由流程图的方框表示的操作的所示出的执行顺序。可按照具有等效结果的替代顺序或同时执行所示出的方法的操作。所示出的方法的操作的这种重新排序应理解为表示本发明的其他实施方式。
密度控制方法400可通过3D打印机10的控制器(诸如控制器20)或控制器的处理器(诸如处理器22)来执行。
可获得通过打印来形成的物体的描述(方框410)。可从与控制器20相关的或者可通过控制器20来通信的数据存储单元24中获得该描述。描述可包括要形成的物体的数字表示。可分析描述以产生一系列要执行的操作。可替代地，所获得的描述可包括一系列要执行的以便形成物体的操作。
可获得和密度相关的数据(方框420)。和密度相关的数据可规定全部或部分要形成的物体的和密度相关的特性。和密度相关的特性可包括由喷嘴16分配的材料的密度、或者要形成的物体的或该物体的区域、部分或部件的密度(例如，在材料已经凝固之后)。和密度相关的特性可包括材料或物体的相对密度(例如，自然密度的一部分或比重)。和密度相关的特性可包括所分配的材料液滴的质量或者材料或物体的气泡含量。和密度相关的特性可包括可与材料或物体的密度相关联的特性。这种特性可包括例如半透明度、光学密度、抗拉强度或介电常数。
可确定对应于和密度相关的数据的脉冲时序(方框430)。例如，可从查询表或使和密度相关的特性与脉冲时序的一个或多个特征相关的函数关系中获得脉冲时序。脉冲时序的特征可包括用于单个喷嘴或一组喷嘴的脉冲频率或脉冲周期、脉冲宽度、脉冲延迟、占空比或者用于多组喷嘴的总占空比。
在确定脉冲时序特征时，可考虑另外的因素。例如，和一方面的打印头12与另一方面的正在打印的物体或支撑平台32之间的相对运动的同步可影响脉冲频率或脉冲周期的确定。
例如，脉冲频率可与相对运动的速度协调以便实现材料沉积的预定速率。例如，如果沉积速率是每毫米100滴，则22千赫兹的脉冲频率与每秒220毫米的相对运动对应。利用相同的沉积速率，33千赫兹的脉冲频率与每秒300毫米的相对运动对应。
根据所确定的脉冲时序，将电脉冲(通常是一系列电脉冲的一部分)施加至喷嘴16的压电式喷射单元14(方框440)。电脉冲的施加可使材料的多个液滴18通过相关联的喷嘴16来分配。气泡含量和由此每个液滴18的密度由脉冲时序来确定。
利用受控密度的液滴18的分配，在打印头12与支撑平台32之间的同时相对运动可引起所分配的材料以直线或曲线的形式沉积在正在形成的物体(诸如打印物体36)上。通过其他喷嘴16或打印头12的材料的同时分配(或在打印头12与支撑平台32之间的横向或其他另外的相对运动)可引起受控密度的材料的区域、范围或层沉积在打印物体36上。
实例
如上所述，可经验地确定在气泡含量与脉冲时序之间的关系。下面的实例示出了当打印3D模型时气泡含量的经验性确定。
为了在3D模型内部引入不同的气泡量并且测量气泡含量，从透明光聚合物ObjetVeroClearTMRGD810中打印并且通过ALARISTM3D打印机喷射(均来自以色列雷霍沃特的公司)大约1cm厚的平面平行样品。在图案化施加至打印头的压电元件的电信号中使用不同的喷射(脉冲)频率以及脉冲宽度和脉冲延迟的不同组合。在图3A和图3B中示意性描述了所测试的脉冲时序图案和可变参数。
不同的构建条件(脉冲时序)导致不同的和变化的气泡含量，并且反过来，导致该模型的不同的半透明程度。
喷墨打印头采用用于在打印头的工作容积内部将电脉冲转换成压力波的压电元件。常见的先有技术实践是为了针对给定幅度(例如，如在图3A中所示的脉冲202的高度)的脉冲最大化喷射液滴的体积。该方法产生可能最宽的脉冲(例如，在图3B中的最大脉冲宽度206')，同时脉冲延迟(例如，在图3B中的脉冲延迟208')被设置为避免与连续脉冲的时间重叠的最小值。对于测试打印头，典型的时序参数包括7.0微秒的脉冲宽度和1.0微秒的脉冲延迟。对于常用的脉冲时序参数，脉冲宽度大于脉冲延迟。
在一种实施方式中，通过从常用值中有意地改变脉冲时序参数，在喷射的材料中引入更多的(例如，明显大于最小的)气泡含量。通过测量打印模型的材料密度来测量气泡含量。与喷射的液体的密度相比，在气泡中的气体的密度很小可忽略。因此，包含气泡的材料(材料A)的密度与没有气泡的相同材料(材料B)的(自然)密度的比值可被假设为等于气泡在材料A中的体积分数。
在由打印头制造商推荐的最常见的操作模式中，电脉冲宽度(在图3B中是206'，对于所有喷射器同样如此)是7.0微秒，脉冲延迟(在图3B中是208'，对于所有喷射器同样如此)是1.0微秒，并且喷射频率是30kHz。脉冲分别施加至三组喷嘴。30kHz的喷射频率与33.3微秒的脉冲周期204(在图3B中)对应。因此，在单个脉冲周期中，脉冲被施加总共21微秒的时间(用于全部三组喷嘴的脉冲宽度之和)，大约为脉冲周期的63％。总占空比的值(作为将电脉冲供应至喷嘴的脉冲周期的一部分)通常保持为尽可能的高以增加所喷射的液滴的量。在这种条件下，在材料中观测特定含量的气泡，并且材料在一定程度上呈现为半透明的。
当使用7.5微秒的电脉冲宽度206'(图3B，对于所有喷嘴同样如此)、4.5微秒的脉冲延迟208'(图3B，对于所有喷射器同样如此)以及22kHz的喷射频率时，材料的气泡含量非常小，并且材料看起来完全透明。
当使用4.0微秒的电脉冲宽度206(图3A，对于所有喷射器同样如此)、5.0微秒的脉冲延迟208(图3A，对于所有喷射器同样如此)以及30kHz的喷射频率时，该材料看起来完全不透明。这种具有大于脉冲宽度的脉冲延迟的脉冲时序与先有技术中已知的脉冲时序形成对比。利用典型的先有技术的脉冲时序，将脉冲延迟被设置为低值，并且脉冲宽度被设置为高值，以提供从打印头中喷射的足够高的材料液滴量。
相对于利用常用的参数组(7.0微秒的脉冲宽度、1.0微秒的脉冲延迟和30kHz的喷射频率)获得的值，使用非标准的组合(例如，4.0微秒的脉冲宽度、5.0微秒的脉冲延迟和30kHz的喷射频率；或者7.5微秒的脉冲宽度、4.5微秒的脉冲延迟和22kHz的喷射频率)将从打印头中喷射的材料液滴的量降低到了一定程度(5-8％)。由于在液滴中存在气泡而引起这种下降。所构建(凝固)的材料的密度降低到相同的程度。
计算使用不同的频率和脉冲值打印的材料样品的密度。这些样品是矩形块材料，具有以下尺寸：40mm×40mm×10mm。利用具有0.01mm的精度的数字FowlerProMaxCaliperIP67(美国的FredV.Fowler公司)来测量方块的尺寸。利用具有0.0001g的精度的MettlerToledo(瑞典的Mettler-Toledo)的分析天平AB204-S来确定这些方块的重量。在表1中显示了结果。
表1：以不同的脉冲和频率值喷射的ObjetVeroClearRGD810材料的密度值。
参数 第一工作点 第二工作点
喷射频率：kHz 30 22
脉冲宽度：微秒 4 7.5
脉冲延迟：微秒 5 4.5
密度：g/cm3 1.26 1.41
从表1中可以看出，以第一工作点构建的样品具有比以第二工作点构建的样品低大约10％的密度。仔细的显微镜检查表明以第二工作点构建的样品不包含气泡。因此，以第一工作点构建的样品具有10％的气泡含量。
为了节省光聚合物材料，本发明的实施方式可被用于构建具有明显增加的气泡含量(密度减小)的模型。从表1描述的数据中，可得出结论：利用具有4.0微秒的宽度、5.0微秒的延迟的电脉冲参数并且利用30kHz的喷射频率来运行打印头提供了至光聚合物的10％的气泡引入量。当脉冲延迟超过脉冲宽度时(即，仅在低于大约40％的占空比时)可获得这种极高的气泡含量。
在构建3D模型期间，在相邻或后续片或层的打印之间，可快速地改变馈入打印头的电脉冲的参数组(宽度、延迟和频率)。这使得能够在单个构建过程期间并且使用单个构建材料来打印几个模型或几个模型部分，其中，形成每个模型或每个模型部分的材料具有其自身不同的气泡含量，而不需要更换或改变构建材料。
对本领域技术人员将显而易见的，喷射频率的变化需要适当地改变打印头在运动方向(X方向)上运动的速度，以提供所需要的材料沉积的速率。例如，对于100dpm(每毫米的液滴)的沉积速率，22kHz的喷射频率与速度为220mm/秒的打印头运动对应，而33kHz的喷射频率与速度为300mm/秒的打印头运动对应。
已经示出施加至打印头的电脉冲的时序参数(例如，其宽度、延迟以及频率)的变化能够在喷射材料内部不仅生成两个极值(小到可忽略(<0.1％)和相当大(大约10％))的气泡含量，而且能够获得一些中间值。
本发明的第二种实施方式可被用于在单个托盘或支撑平台上构建至少两个模型，其中，一个模型具有非常小的气泡含量，并且第二模型的材料具有中间的气泡含量。可使用单个材料(例如，在ALARIS3D打印机上使用ObjetVeroClearRGD810(以色列的Objet公司))来构建所有模型。
从本文描述的数据中可理解，可利用220mm/秒的打印头运动速度(喷射频率为22kHz)以及宽度为7.5微秒并且延迟为4.5微秒的电脉冲参数来构建根据本实例的第一种实施方式的模型的层或区域。可利用220mm/秒的运动速度(喷射频率为22kHz)以及宽度为4.0微秒并且延迟为5.0微秒的电脉冲参数来构建属于本实例的第二种实施方式的模型的层或区域。可利用相同的喷射频率(即，使用相同的打印头的运动速度)来构建这两种类型的区域。
如本文所述，具有非常少的气泡含量的模型呈现为透明的，而具有非常大的气泡含量的模型呈现为半透明的。因此，在相同的打印过程期间并且使用相同的材料，可在相同的托盘上打印两个模型，一个模型是透明的，而第二个模型具有半透明的外观。
可根据所需的气泡含量来进行对施加至打印头的电脉冲的时序参数的控制。在其他情况下，例如，当使用透明的光聚合物材料来构建但是在不同模型中(或在相同模型的不同部分中)需要不同的半透明度值时，可根据所需的半透明度值(例如，根据校准表或曲线)直接进行控制。可在构建过程之前并且可选择地在打印系统的外部确定与所需要的气泡含量的分布对应的电脉冲的图案(或半透明度-在透明光聚合物的情况下)。
因此，在另一种实施方式中，在机器的外部并且在构建过程之前执行与所需要的半透明度的分布对应的电脉冲的图案的确定步骤。在这种情况下，利用预定的脉冲时序开始构建。
根据另外的实施方式，可在相同的打印表面或托盘上并且使用单个所提供的材料在单个打印过程中构建两个模型，其中，第一模型是透明的并且第二模型是完全不透明的。从上面描述的数据中可以理解，可利用220mm/秒的运动速度(喷射频率为22kHz)以及宽度为7.5微秒并且延迟为4.5微秒的电脉冲参数来构建属于第一模型的区域；并且可利用300mm/秒的运动速度(喷射频率为30kHz)以及宽度为5.0微秒并且延迟为3.0微秒的电脉冲参数来构建属于第二模型的区域。因此，可在打印头的两次通过中在托盘之上构建其中两种区域类型存在于打印平面上的相同层之中的打印层，一次通过利用与透明模型的区域的喷射频率对应的打印头运动速度，并且第二次通过利用与半透明模型的区域的喷射频率对应的打印头运动速度。可利用与相关模型的相关的半透明度(或透明度)程度对应的打印头运动速度，在单次通过中在托盘上构建包括两个模型的仅其中一个的区域的打印层。
尽管已经根据有限数量的实施方式描述了本发明，但本领域技术人员将理解，本发明并不受在本文中已经特别示出和描述的内容的限制。而是本发明的范围包括本文中描述的各种特征的组合和子组合以及在阅读本说明书之后对本领域技术人员将显而易见的并且在现有技术中不存在的变化和修改。

Claims (20)

1.一种打印方法，包括：控制用于将电脉冲施加至喷墨打印头的压电式喷嘴的时序参数，以便从所述喷嘴中分配材料液滴，控制所述时序参数以将气泡引入所述液滴内的所述材料中，从而将所述液滴内的所述材料的密度降低为小于所述材料的自然密度的所选择的密度值，其中，所述自然密度被定义为当所述材料是连续的并且未被气泡中断时的所述材料的密度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，从由以下各项构成的时序参数列表中选择所述时序参数：脉冲周期、脉冲宽度、脉冲延迟、占空比、总占空比。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，控制所述时序参数包括将所述总占空比调整为40％或更小的值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，控制所述时序参数包括根据所述时序参数与所述材料的密度相关的特性之间的预定对应关系来选择所述时序参数的值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，从由所述材料的密度、硬化之后的所述材料的密度、半透明度、光学密度和介电常数构成的密度相关的特性的列表中选择所述密度相关的特性。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料包括被配置为硬化以形成打印物体的区域的三维打印材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，控制所述时序参数包括选择对应于所述打印头与将沉积所分配的液滴的表面之间的相对运动的所述时序参数的值。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括调节所述打印头与将沉积所分配的液滴的表面之间的相对运动的速度，以便与所述时序参数的所选择的值对应。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括根据受控的所述时序参数将所述脉冲施加至所述喷嘴。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，施加所述脉冲包括同时将所述脉冲施加至所述打印头的多个喷嘴并且所述喷嘴通过至少一个其他喷嘴彼此隔开。
11.一种三维打印机，包括：控制器，被配置为将电脉冲施加至打印头的压电式喷嘴，所述脉冲通过可由所述控制器控制的时序参数来特征化，所述时序参数的值是可选择的，以使得材料液滴通过所述喷嘴来分配，所述液滴中的所述材料具有小于所述材料的自然密度的所选择的密度值，其中，所述自然密度被定义为当所述材料是连续的并且未被气泡中断时的所述材料的密度。
12.根据权利要求11所述的打印机，进一步包括所述打印头，所述打印头包括所述压电式喷嘴。
13.根据权利要求11所述的打印机，其中，所述控制器被配置为从由以下各项构成的时序参数列表中选择所述时序参数：脉冲周期、脉冲宽度、脉冲延迟、占空比、总占空比。
14.根据权利要求11所述的打印机，其中，所述控制器被配置为将总占空比调整为40％或更小的值。
15.根据权利要求11所述的打印机，其中，所述控制器被配置为根据所述时序参数与所述材料的密度相关的特性之间的预定对应关系来选择所述时序参数的值。
16.根据权利要求15所述的打印机，其中，所述控制其被配置为从由所述材料的密度、硬化之后的所述材料的密度、半透明度、光学密度和介电常数构成的密度相关的特性的列表中选择所述密度相关的特性。
17.根据权利要求11所述的打印机，其中，所述控制器被配置为选择对应于所述打印头与将沉积所分配的液滴的表面之间的相对运动的所述时序参数的值。
18.根据权利要求11所述的打印机，其中，所述打印头包括多个喷嘴，并且所述喷嘴通过至少一个其他喷嘴彼此隔开。
19.根据权利要求11所述的打印机，被配置为实现所述打印头与将沉积所述液滴的表面之间的相对运动，以使具有所选择的密度值的材料的直线或曲线被沉积在所述表面上。
20.一种打印方法，包括：通过选择施加至喷嘴以排出液滴的多个电脉冲的每一个的持续时间与所述多个脉冲的依次施加的脉冲之间的时间间隔的比值，并且通过根据所述选择将所述脉冲施加至所述喷嘴，从喷墨打印头的压电式喷嘴中分配材料液滴，同时控制所分配的材料的密度并且控制在液滴内的气泡的形成。
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