CN104943165B - 用于使用光透射衬底检测喷射透明材料的打印头中的不工作喷墨口的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在打印期间检测不工作喷墨口的装置。该装置包括其上被喷射材料的测试图案的光透射衬底。光源将光引导至衬底中并且光学传感器产生衬底的表面的图像数据。除非到达表面上具有材料的位置处，否则光通过衬底传播。因此，材料发射光，使得衬底的表面与发射光的材料之间存在对比。通过比较图像数据与表面上的发光区域的位置，检测不工作喷墨口。

Description

用于使用光透射衬底检测喷射透明材料的打印头中的不工作 喷墨口的系统

技术领域

本文中公开的装置涉及产生三维物体的打印机，并且更特别地涉及这样的打印机中的不工作喷墨口的精确检测。

背景技术

在衬底、例如纸上打印文件是公知的。现在更新的打印形式包括也称为数字增材制造的数字三维制造。该类型的打印是从数字模型制造实质上任何形状的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从工件去除材料的传统物体形成技术、例如切割或钻孔可区分。

用这些打印机生产三维物体会需要数小时，对于一些物体，甚至需要数天。在用三维打印机生产三维物体中出现的一个问题是喷射形成物体的材料滴的打印头中的喷墨口的一致功能性。在物体的打印期间，一个或多个喷墨口会由于以一定角度而不是垂直于打印头喷射、喷射的滴小于喷墨口应当喷射的或由于根本未能喷射任何滴而退化。遭受这些操作缺陷中的任何一个的喷墨口被称为不工作喷墨口。类似弊端在用打印头进行文件打印中是已知的。如果一个或多个喷墨口的操作状态在三维物体打印期间退化，则在打印操作完成之前不能评估被打印物体的质量。因此，需要数小时或多天的打印作业会产生由于打印头中的不工作喷墨口而不符合规范的物体。一旦检测到这样的物体，被打印物体被废弃，恢复程序被应用于打印头以恢复喷墨口功能性，并且重复打印作业。甚至在以高速在移动幅条上进行文件打印中，可能在幅条的长的长度上产生不可接受的图像并且幅条的该部分可能必须被废弃。

尽管在文件打印系统中已开发系统来检测不工作喷墨口，但是物体打印系统中的不工作喷墨口的检测更成问题。在物体打印和文件打印系统中特别成问题的是透明材料和墨的使用。这些材料和墨难以由成像系统检测，原因是它们喷射在其上的衬底上的透明墨/材料之间的对比度低。因此，衬底上的图案的图像数据中的噪声使测试图案的分析困难。在用透明墨或透明材料打印时能够检测不工作喷墨口的装置将能够在物体打印期间应用恢复程序，因此可以产生正确形成的物体或文件。以该方式，打印机的产品生产率提高并且它的打印更高效。

发明内容

一种检测不工作喷墨口的打印机包括：衬底，该衬底具有表面以及沿该衬底的外周的边缘；打印头，该打印头配置成将材料喷射到衬底的表面上；光源，该光源定位成将光引导至衬底的边缘中；光学传感器，该光学传感器定位成接收衬底的表面所发射的光，该光学传感器配置成产生与衬底的表面相对应的图像数据；以及控制器，该控制器操作地连接到打印头、光源和光学传感器，该控制器配置成操作打印头以参照预定图案将材料喷射到衬底的表面上、以选择性地激活光源、以在光源将光引导至衬底的边缘中时接收光学传感器所产生的图像数据、并且参照接收到的图像数据和预定图案来检测打印头中的不工作喷墨口。

附图说明

在结合附图进行的以下描述中解释在三维打印期间检测不工作喷墨口的装置或打印机的前述方面和其它特征。

图1是三维物体打印机的透视图。

图2是具有外壳的三维物体打印机的前视图，描绘用于模块的外壳内的空间，所述模块能够在打印操作期间检测打印头中的不工作喷墨口。

图3是配合在图2中所示的空间中的用于检测不工作喷墨口的模块的透视图。

图4是用于操作图3的模块的方法的流程图。

具体实施方式

为了本文中公开的装置的环境以及装置的细节的大体理解，参照附图。在附图中，相似的附图标记表示相似的元件。

图1显示产生三维物体零件10的打印机100中的部件的配置。当在本文中使用时，术语“三维打印机”指的是参照物体的图像数据喷射材料以形成三维物体的任何装置。打印机100包括支撑材料容器14，构建材料容器18，一对喷墨打印头22、26，构建衬底30，平面支撑构件34，柱状支撑构件38，致动器42，以及控制器46。管道50将打印头22连接到支撑材料容器14并且管道54将打印头26连接到构建材料容器18。两个喷墨打印头由控制器46参照操作地连接到控制器的存储器中的三维图像数据操作以喷射供应到每个相应的打印头的支撑和构建材料。当构造该零件时，构建材料形成正产生的零件10的结构，而当材料固化时由支撑材料形成的支撑结构58能够使构建材料保持它的形状。在完成该零件之后，通过冲洗、吹气或熔化去除支撑结构58。

控制器46也操作地连接到至少一个和可能多个致动器以控制平面支撑构件34、柱状支撑构件38和打印头22、26相对于彼此的运动。也就是说，一个或多个致动器可以操作地连接到支撑打印头的结构以参照平面支撑构件的表面在过程方向和交叉过程方向上移动打印头。替代地，一个或多个致动器可以操作地连接到平面支撑构件34或柱状支撑构件38以在过程和交叉过程方向上移动在其上产生所述零件的表面。当在本文中使用时，术语“过程方向”指的是沿着平面支撑构件34的表面中的一个轴线的运动并且“交叉过程方向”指的是沿着与该表面中的过程方向轴线正交的平面支撑构件表面中的轴线的运动。这些方向在图1中用字母“P”和“C-P”表示。打印头22、26和柱状支撑构件38配置成通过致动器在正交于平面支撑构件34的方向上移动。该方向在本文中被称为竖直方向并且在图1中用字母“V”表示。在竖直方向上的运动可以由操作地连接到柱状支撑构件38的一个或多个致动器、由操作地连接到打印头22、26的一个或多个致动器或由操作地连接到柱状支撑构件38和打印头22、26两者的一个或多个致动器实现。这些各种配置中的这些致动器操作地连接到控制器46，所述控制器操作致动器以在竖直方向上移动柱状支撑构件38、打印头22、26或两者。

在图2中显示具有外壳的三维物体打印机。该打印机60具有外壳64。在外壳64内是形状上大体上为立方体的六个隔室。外壳64在图2中显示为没有闭合以隐藏隔室的门。隔室72包括在可移动平台82上的平面支撑件78。可移动平台82配置成具有一个或多个致动器和引导构件(未显示)以使可移动平台82能够在竖直方向上上下移动。平面支撑件78是三维物体形成于其上的表面。在一些实施例中，打印头86具有的长度大约等于在从隔室72的后壁到在隔室的前面处的开口的方向上的平面支撑件78的长度。在这些实施例中，打印头86在支撑构件92上安装在外壳64的侧壁96和100之间的空间中以便仅仅线性往复运动。在其它实施例中，打印头86具有的长度小于在从隔室72的后壁到在隔室的前面处的开口的方向上的平面支撑件78的长度。在这些实施例中，打印头86在支撑构件92上安装在外壳64的侧壁96和100之间的空间中以便在隔室72之上的平面中的两个正交方向上往复运动。在这些各种实施例中，一个或多个致动器104操作地连接到打印头86。控制器108操作致动器104以在支撑构件92上线性地来回移动打印头86或在平面内的两个正交方向上移动打印头。通过选择性地操作打印头86中的喷墨口并且竖直地移动支撑平台82和水平地移动构件92上的打印头86，三维物体可以形成于平面支撑件78上。

在图2中以虚线描画的区域112识别模块的放置，所述模块使用光透射衬底来检测打印机60中的不工作喷墨口。如上所述，如果在物体的打印期间喷墨口由于完全或部分地未能喷射材料或由于在偏斜方向上错误地喷射材料而出故障，则正在生产的物体变形。目前，在物体的生产完成之前不能检测到该变形。通过使用区域112以便光学地感测喷射到光透射衬底上的材料，打印机60可以配置成在物体生产期间检测不工作喷墨口，如下面更全面地所述。模块300内的一些部件可以在水平方向H、深度方向D和竖直方向V上移动，如图中所示。

在图3的方块图中显示在物体打印期间检测喷射透明材料的不工作喷墨口的模块的一个实施例。模块300配置成配合在打印机60的区域112内。模块300包括光学传感器304、光透射衬底308、衬底传输件312、光源314、一个或多个致动器316、清洁构件320、控制器324、和废料容器328。光学传感器304配置成用于通过致动器316在方向W和L上双向移动。该配置使得光学传感器304能够在传输件312的环形带330的表面之上运动。传输件312包括环形带330，该环形带围绕辊332夹带(entrained)。致动器316驱动辊332以使带双向移动，从而将衬底308移动至其能够被打印的位置处并且然后移动至其能够被清洁的位置处。控制器324操作地连接到致动器316以使光学传感器304运动、以驱动辊332从而使光透射衬底308与带312一起移动、并且以通过清洁构件320扫掠光透射衬底308。在一些实施例中，假如传感器至少与衬底308一样宽，则光学传感器304仅需配置成在方向L上双向移动。

光透射衬底308是由这样的材料制造的平面构件：所述材料支撑从打印头86喷射的构建材料和支撑材料并且提供沿衬底的边缘进入衬底的光的全内反射。这些材料使沿着衬底的边缘进入的光能够保持在平面衬底内，除非衬底的表面上的一些材料改变材料和平面表面之间的界面处的全内反射性质。对于喷射具有在大约1.3到大约1.5的范围内的折射率的材料或墨的打印机，光透射衬底典型地具有在大约1.4到大约1.8的范围内的折射率。例如，平面衬底可以基本上由聚碳酸酯、丙烯酸酯或玻璃组成。当打印衬底时，喷射到衬底的平面表面上的材料和衬底之间的相似折射率使沿着衬底向下传播的光能够进入材料，尽管相对于衬底和材料之间的界面的入射角小。在材料的内部的光具有相对于衬底上的材料的内部表面的大入射角，该角使光能够出射到环境空气中。光的其它部分在最终出射材料之前经历多次内反射。出射光提供光透射衬底的平面表面上的材料的位置的视觉指示，原因是从料堆出射的光与光未出射的未覆盖表面很好地形成对比。当传感器304通过衬底308之上时，传感器304产生形成衬底308上的测试图案的图像数据的电信号。

在图4中显示操作产生三维物体的打印机的方法。在该方法的描述中，过程正在执行某个任务或功能的陈述指的是控制器或通用处理器执行存储在操作地连接到控制器或处理器的存储器中的编程指令以处理数据或操作打印机中的一个或多个部件以执行任务或功能。上述的控制器324可以是这样的控制器或处理器。替代地，控制器324可以用一个以上处理器和关联的电路和部件实现，其中的每一个配置成形成本文中所述的一个或多个任务或功能。

在打印操作中的预定时间，控制器108(图2)操作致动器104以将打印头86移动到位于区域112中的模块300中(方块404)。响应控制器324检测到模块300中的打印头，控制器324操作传输件312以将光透射衬底308移动到与打印头806相对(方块408)。控制器324然后生成到达控制器108的信号以操作打印头中的喷墨口在衬底308上打印测试图案(方块412)。在一个实施例中，重复地操作打印头中的每个喷墨口以在与喷墨口相对的衬底308的一部分上形成也称为测试点的料堆。在打印测试图案之后，控制器108将打印头86移动到模块300之外并且为控制器324产生信号。响应于来自控制器108的信号，控制器324操作致动器316以将光学传感器304移动到与衬底308上的测试图案相对的位置处(方块416)。该移动能够通过将光学传感器移动至模块的衬底308被打印的一侧或者致动器驱动辊332能够操作以将衬底移动至光学传感器所定位的一侧来完成。控制器324然后激活光源314以将光照到衬底308的一个边缘中(方块418)。在附图中，光源将在方向L上延伸的光投射到右边缘上的衬底308的边缘中，如附图中所示，尽管光能够被引导至其它三个边缘中的任何一个中。光源314能够是发光二极管(LED)的阵列、激光二极管的阵列、冷阴极荧光灯、灯丝等。所述阵列能够是一维(即线性的)或者二维阵列。光源314所产生的光能够是红外的、紫外的、多色的、或单色的。光源能够与衬底分开或者附接至衬底，以使得光能够投射到衬底中。通过操作致动器以使光学传感器304在衬底308之上沿方向L移动从而产生作为衬底308的平面表面的图像数据被提供给控制器324的电信号(方块420)来继续该过程。构建材料和支撑材料已被喷射的区域如上文所解释的发射光。内反射光的表面的部分以及发射光的那些部分应当与用于喷射构建材料和支撑材料的测试图案相对应。参照用于形成测试图案的构建和支撑材料的期望位置来分析平面表面的图像数据以识别不工作喷墨口(方块242)，并且如果不工作喷墨口被识别，则为打印机的操作者产生指示缺陷打印头的信号(方块482)。操作者能够然后采取适当的动作。如果衬底在其被打印的位置处成像，则通过控制器324操作致动器316以使传输件312反向旋转并且使衬底回到其起始位置(方块432)来继续该过程。否则，衬底已处于用于清洁的位置处。控制器324操作致动器316以使衬底308与清洁构件320相接合并且然后使清洁构件320在方向L上移动以从衬底去除材料(方框436)。被去除的材料收集在废料容器328中，该废料容器在附图中被示为定位于环形带330的前端处，尽管能够使用清洁构件移动的位置和方向。容器328能够不时被从打印机移除并且更换或清空且随后重新安装。如果衬底在其被打印的位置处成像，则控制器324操作致动器316以使光学传感器304回到衬底308之上的位置处(方块440)。

在一些实施例中，图4的过程通过评价衬底清洁而继续。在这些实施例中，控制器在清洁器已从衬底的表面去除材料之后激活光源(方块444)，并且使光学传感器在衬底之上移动以产生已清洁的衬底的图像数据(方块448)。这些图像数据与预定阈值比较，以识别从衬底发出的光是否超过阈值，原因是光仅在衬底的表面上具有材料的位置处被发出(方块452)。如果超过阈值，则从光学传感器接收到的图像数据中具有噪声。响应于对噪声的检测，能够执行另一种清洁操作(方块426-440)并且出现对清洁的另一次评价(方块444-452)。如果衬底在当前测试中被清洁超过一次(方块456)，则衬底的至少一部分的图像数据被存储在操作地连接到控制器的存储器中(方块460)。从在对打印头的下一次测试中获得的图像数据减去这些噪声数据，以使得能够识别测试图案而没有噪声干扰，因此控制器能够检测到不工作喷墨口。

清洁构件320安装于操作地连接到致动器316的支撑构件348。如上所述，控制器324操作致动器以使支撑构件348移动从而通过清洁构件320清扫衬底308。该动作将来自衬底308的构建和支撑材料扫掠到废料容器328中，以恢复衬底的表面用于另一次测试图案打印。清洁构件320能够包括清洁溶剂340的供给，该供给配置成在清洁构件扫掠衬底之前将清洁溶剂散布在衬底上。清洁溶剂与构建和支撑材料相互化学作用，以使材料在遇到清洁构件之前疏松。除此之外或者备选地，加热器344能够操作地连接到控制器，以用于将加热器选择性地连接到电源。加热器相对于清洁构件320定位，以在清洁构件扫掠衬底308之前加热构建和支撑材料。

尽管上述的实施例在形成三维物体的打印机内，但是光透射衬底和从由这样的衬底所发射的光检测不工作喷墨口的系统也可以在二维文件打印系统中使用，特别是使用透明墨的那些二维文件打印系统。因此，当在本文中使用时，词语“材料”指的是能够用于形成三维物体的衬底以及用于文件打印的墨。在文件打印系统中，光透射衬底能够定位成接近打印机中的打印区域，并且打印头不时移动而与衬底相对以用于将墨喷射到衬底上。光然后被投射到衬底中并且衬底成像，因此能够分析图像数据以识别不工作喷墨口。类似地，将透明墨喷射到移动条幅或成像构件(例如鼓)上的打印头能够移动而与光透射衬底相对，以用于打印和检测不工作喷嘴头。

Claims (18)

1.一种用于形成物体的打印机，包括：

衬底，所述衬底具有表面以及沿所述衬底的外周的边缘；

打印头，所述打印头配置成将材料喷射到所述衬底的表面上；

光源，所述光源定位成将光引导至所述衬底的边缘中；

光学传感器，所述光学传感器定位成接收所述衬底的表面所发射的光，所述光学传感器配置成产生与所述衬底的表面相对应的图像数据；

清洁器，所述清洁器配置成从所述衬底的表面的至少一部分去除材料；以及

控制器，所述控制器操作地连接到所述打印头、所述光源、所述光学传感器和所述清洁器，所述控制器配置成操作所述打印头以参照预定图案将材料喷射到所述衬底的表面上、以选择性地激活所述光源、以在所述光源将光引导至所述衬底的边缘中时接收所述光学传感器所产生的图像数据、以参照接收到的图像数据和预定图案来检测所述打印头中的不工作喷墨口，并且所述控制器配置成操作所述清洁器以从所述衬底的表面的至少一部分去除材料。

2.根据权利要求1所述的打印机，其中所述光源是红外光源。

3.根据权利要求1所述的打印机，其中所述光源是紫外光源。

4.根据权利要求1所述的打印机，其中所述光源是单色光源。

5.根据权利要求1所述的打印机，其中所述光源是多色光源。

6.根据权利要求1所述的打印机，其中所述光源是激光二极管。

7.根据权利要求1所述的打印机，所述光学传感器还包括：

光电探测器的一维阵列。

8.根据权利要求1所述的打印机，所述光学传感器还包括：

光电探测器的二维阵列。

9.根据权利要求1所述的打印机，所述控制器还配置成在所述清洁器已从所述衬底的表面去除材料之后激活所述光源，并且识别从所述光学传感器接收到的图像数据中的噪声。

10.根据权利要求9所述的打印机，所述控制器还配置成响应于被识别出的超过预定阈值的所述图像数据中的噪声操作所述清洁器以从所述衬底去除材料。

11.根据权利要求10所述的打印机，所述控制器还配置成将用于识别噪声的所述图像数据的至少一部分存储在操作地连接到所述控制器的存储器中并且参照被存储在所述存储器中的用于识别噪声的所述图像数据的至少一部分来检测不工作喷墨口。

12.根据权利要求1所述的打印机，所述清洁器还包括：

配置成与所述衬底的表面的至少一部分相接合并且相对于所述表面的至少一部分移动的构件；以及

致动器，所述致动器操作地连接到所述构件并且操作地连接到所述控制器，以使所述控制器能够操作所述致动器以使所述构件相对于所述衬底的表面的至少一部分移动。

13.根据权利要求1所述的打印机，所述清洁器还包括：

施布器，所述施布器操作地连接到溶剂的供给；并且

所述控制器还配置成操作所述施布器以将溶剂施布于所述衬底的表面的至少一部分，从而从所述衬底的表面的至少一部分去除材料。

14.根据权利要求1所述的打印机，所述清洁器还包括：

加热器，所述加热器定位成加热所述衬底的表面的至少一部分；并且

所述控制器还配置成操作所述加热器以加热所述衬底的表面的至少一部分，从而从所述衬底的表面的至少一部分去除材料。

15.根据权利要求1所述的打印机，其中所述衬底由聚碳酸酯组成。

16.根据权利要求1所述的打印机，其中所述衬底由聚丙烯酸酯组成。

17.根据权利要求1所述的打印机，其中所述衬底由玻璃组成。

18.根据权利要求1所述的打印机，其中所述衬底具有在1.4到1.8的范围内的折射率，并且由所述打印机喷射的材料具有在1.3到1.5的范围内的折射率。