CN107666999B - 3d打印设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种3D打印设备(500)，该3D打印设备(500)包括：打印机喷嘴(502)，用于在支撑结构(550)上沉积材料以便形成3D对象(10)，其中打印机喷嘴(502)和支撑结构(550)被布置为相对于彼此以平移方向(52，62)上的平移速度平移；以及振动致动器，该振动致动器被布置用于提供支撑结构(550)的至少第一部分在不同于平移方向(52、62)的方向上相对于打印机喷嘴(502)的振动运动(50、60)。

Description

3D打印设备和方法
技术领域
本发明涉及3D打印设备和用于制造3D对象的3D打印方法。
背景技术
本领域中已知熔融沉积成型(FDM)。例如，EP0833237描述了一种装置，该装置包含：可移动分配头，该可移动分配头被提供有以预定温度凝固的材料的供给；和基底构件，可移动分配头和基底构件以预定模式沿着X、Y以及Z轴相对于彼此移动，以通过堆积以受控速率从分配头排出到基底构件上的材料来创建三维对象。装置优选地在工艺中利用计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)软件由计算机驱动，以在材料沉积或分配时生成用于分配头和基底构件的受控移动的驱动信号。三维对象可以通过沉积凝固材料的重复层到彼此之上直到形成形状为止来产生。可以利用在凝固时用足够的结合力附着到前一层的任何材料(诸如自硬化蜡、热塑性树脂、熔化金属、双组分环氧树脂、泡沫塑料以及玻璃)。各层基础由前一层来限定，并且各层厚度由分配头的末端位于之前层上方的高度来限定并且严密控制。基底构件沿着基底平面的X和Y轴横向移动并且分配头沿着Z轴垂直于基底平面移动。
WO-2007050972公开了一种用于挤出材料以构造结构的喷嘴，该喷嘴具有用于挤出材料的多个出口。为了使材料更平稳地流出一个或多个出口，振动生成设备被安装到喷嘴上，并且布置为生成以下振动，该振动垂直于材料的流、平行于该流、相对于流成另一角度，或者相对于流成不止一个角度。
增材制造(AM)，或3D打印是材料加工的不断发展的领域。它可以用于生产中的快速原型制作(protyping)、定制、后期配置或进行小系列生产。
由现在的FDM打印机生产的细丝的分辨率受到目前至少约0.3mm的挤出细丝的直径的限制。为了创建小于约0.1mm的特征尺寸，例如具有相对小的特征尺寸的3D对象的表面上的图案(例如为了增加粗糙度用于提高抓握力)，需要诸如立体光刻的不同的制造技术，该立体光刻限于诸如光聚合物的光敏材料，例如，丙烯酸酯。此外，为了实现可以是沿支撑结构的平面(XY平面)大约0.1mm和与该平面垂直(沿着Z轴)大约0.02mm的最小分辨率，需要降低打印工艺的速度，例如使分配头相对于之前或更早的打印层精确对齐。在相对较高的速度下，分配头相对于支撑结构的定位精度较低，特别是在分配头的非线性移动移动的情况下。因此，需要较低的速度来提高精度，这导致3D打印对象的制造时间的增加。
发明内容
因此，本发明的一个方面是提供一种3D打印机和一种制造3D对象的方法，其可以提供相对较小的特征尺寸，而对制造时间的影响最小。
因此，在第一方面中本发明提供了一种3D打印设备，尤其是熔融沉积成型3D打印设备，其中3D打印设备包括：支撑结构；打印机喷嘴，用于在支撑结构上沉积材料以便形成3D对象，其中打印机喷嘴和支撑结构被布置为以平移方向上的平移速度相对于彼此平移；和振动致动器，被布置为用于提供支撑结构的至少第一部分相对于打印机喷嘴在与平移方向不同的方向上的振动运动。
术语“振动”和“振动的”是指在相反方向上的周期性运动，例如，来回或上下移动。
3D打印设备被布置为通过将材料沉积或分配在支撑结构上并且(同时)提供支撑结构相对于打印机喷嘴的相对平移来提供基本的打印图案。该相对平移可以只是支撑结构的平移，而打印机喷嘴不移动并且固定在一个位置；或者，该相对平移可以只是打印机喷嘴的平移，而支撑结构不移动并且固定在一个位置上；或者该相对平移可以是支撑结构和打印机喷嘴两者的移动的组合。3D打印设备的支撑结构的至少第一部分的振动运动被添加或叠加到相对平移中。振动运动相对于平移方向具有不同的方向。以这种方式周期性图案(通过振动运动)被添加到基本(平移引起的)图案。因此，振动运动允许除了支撑结构相对于打印机喷嘴的(第一级)相对平移移动之外的支撑结构的至少一部分的第二级(附加的)周期性移动。由于振动运动具有(并且特征在于)振动频率、振动幅度和振动方向，所以在支撑结构的第一部分(即，经历了除了平移运动之外的振动运动的部分)处通过沉积来自打印机喷嘴的材料创建的图案的尺寸和外形或形状至少由平移速度、振动频率和振动幅度和正常的打印参数(诸如分配的速度和分配的材料)的组合来确定。振动运动允许创建除了由(相对)平移运动创建的基本图案之外的相对较小尺寸的特征。以这种方式，不需要降低平移速度来提供提高的精度或对齐，来创建具有相对较小尺寸的特征。
打印或沉积材料的图案(或形状)将是周期性的并且将具有幅度，其中周期取决于振动运动的频率，该幅度取决于振动运动的幅度并且取决于平移方向与振动的方向之间的角度。当振动运动的方向与打印机喷嘴和支撑结构的相对平移处于同一平面内时，打印或沉积材料的图案的幅度将等于振动运动的幅度乘以在平移方向和振动运动的方向之间的角度的正弦的绝对值。如果打印机喷嘴和支撑结构的相对平移处于XY平面内并且振动运动的方向垂直于XY平面(即，在沿着Z轴(Z方向)的方向上)，则打印或沉积材料的图案将在Z方向上具有幅度，并且振动运动的幅度将处于最大值。在这种情况下，打印或沉积材料的图案在X-Y平面中将具有附加的幅度，该附加的幅度将具有比在Z方向上的幅度更小的值。
术语“3D打印对象”或“3D对象”是指经由3D打印(其是增材制造工艺)获得的三维对象，诸如具有高度、宽度和长度的对象。原则上，3D(或3DP)对象可以是可3D打印的任何对象。其可以是具有使用功能的物品或纯装饰性的物品。其可以是诸如汽车、房屋、建筑物等物品的比例模型。此外，3D对象可以是用于在另一设备或装置中使用的块件或元件，诸如透镜、镜子、反射器、窗口、准直器、波导、颜色转换元件(即，包括发光材料)、冷却元件、锁定元件、导电元件、外壳、机械支撑元件、感测元件等。3D打印对象包括3D打印材料。
增材制造(AM)是根据3D模型或另一电子数据源主要通过增材工艺来制作三维对象的一组工艺。因此，术语“3D打印”基本上等同于“增材制造”或“增材制造方法”。增材工艺可以涉及晶粒的结合(经由烧结、熔化或胶合)或材料层的结合(经由层的连续沉积或产生，例如聚合作用)等。一种广泛使用的增材制造技术是被称为熔融沉积成型(FDM)的工艺。熔融沉积成型(FDM)是通常用于成型、原型制作和生产应用的增材制造技术。FDM通过将材料铺设成层基于“增材”原理来工作；塑料细丝或金属线从线圈展开并供应材料，以生产部件。可能地(例如，对于热塑性塑料)，细丝在被铺设之前被熔化并被挤出。FDM是一种快速原型制作技术。FDM的另一术语是“熔丝制造”(FFF)。在本文中，应用术语“细丝3D打印”(FDP)，其被认为等同于FDM或FFF。一般而言，FDM打印机使用热塑性细丝，热塑性细丝被加热到其熔点，然后逐层地(或实际上是细丝接细丝地)挤出，以创建三维对象。FDM打印机可以用于打印复杂的对象。因此，在一个实施例中，该方法包括经由FDM 3D打印来产生3D打印对象。
3D打印对象特别地(至少部分地)由3D可打印材料(即，可以用于3D打印的材料)制成。
可以特别合适作为3D可打印材料的材料可以从由金属、玻璃、热塑性聚合物、硅树脂等构成的组选择。特别地，3D可打印材料包括从由以下材料构成的组选择的(热塑性)聚合物：ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)、尼龙(或聚酰胺)、醋酸纤维素(或纤维素)、PLA(聚乳酸)、对苯二酸酯(诸如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯))、丙烯酸树脂(聚甲基丙烯酸酯、有机玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))、聚丙烯(或polypropene)、聚苯乙烯(PS)、PE(诸如膨胀高冲击聚乙烯(或polyethene)、低密度(LDPE)、高密度(HDPE))、PVC(聚氯乙烯)、聚氯乙烯(Polychloroethene)等。可选地，3D可打印材料包括从由以下材料构成的组中选择的3D可打印材料：脲醛、聚酯树脂、环氧树脂、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯(PC)、橡胶等。可选地，3D可打印材料包括从由以下材料构成的组选择的3D可打印材料：聚砜、聚醚砜、聚亚苯基砜、酰亚胺(诸如聚醚酰亚胺)等。
通常，这些可打印的(聚合物)材料具有玻璃化转变温度Tg和/或熔化温度Tm。3D可打印材料在其离开喷嘴(假定为例如FDM)之前被3D打印机加热到至少玻璃化转变温度的温度，并且通常被加热到至少熔化温度的温度。因此，在一个实施例中，3D可打印材料包括热塑性聚合物，诸如具有玻璃化转变温度(Tg)和/或熔点(Tm)的热塑性聚合物。(本文)可以使用的材料的具体示例可以例如从由丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚苯乙烯(PS)、木质素、橡胶等组成的组中选择。
术语“可打印材料”还可以指代多种不同的3D可打印材料。术语“可打印材料”特别地指代可以被打印的材料。例如，在FDM的情况下，可打印材料可以包括可流动的加热的聚合物。可打印材料在室温下可以是固体，但是在加热时可以变成可打印的(即，特别是可流动的)。这种加热特别地旨在提供可流动的或可打印的材料。在喷墨打印的情况下，可打印材料可以包括液体(可以在沉积后(被)蒸发)中的颗粒。
术语“打印材料”在本文中特别地指代已经沉积或打印的可打印材料。因此，术语“可打印材料”在本文中特别地指代(尚)未分配、沉积或打印的材料。打印可以尤其地包括固化。例如，打印材料在沉积之后可以被固化(例如，通过光或另一热源加热)，接着在固化的打印材料上进一步打印。
在根据本发明的3D打印设备的一个实施例中，支撑结构沿着支撑结构平面延伸，其中平移方向平行于支撑结构平面，并且其中振动运动在平行和/或垂直于支撑结构平面的方向上。以这种方式，振动运动提供了周期性特征，该周期性特征在三个方向上被创建并且添加到打印材料的基础图案。基础图案是由打印机喷嘴和支撑结构的相对平移创建的图案。振动运动的方向以及因此幅度可以平行于X-Y平面(即支撑结构在其中延伸的平面)，或者处于Z方向上，即，在垂直于支撑结构的方向上。振动运动的方向也可以随时间变化，例如在第一时间段期间振动运动沿X-Y平面中的第一方向，在第二时间段期间振动运动沿X-Y平面中的第二方向并且在第三时间段期间振动运动沿Z方向，或任何其他组合。以这种方式可以在不同的方向上创建相对小尺寸的特征。
在根据本发明的3D打印设备的一个实施例中，振动运动具有振动频率，并且打印材料具有宽度，其中宽度乘以振动频率除以平移速度大于0.5。宽度被定义为打印材料沿着XY平面——诸如沿着平移方向的平面和/或支撑结构的平面——的最短距离。可以计算出，打印(或沉积)材料的(周期性)图案具有等于平移速度除以振动运动的频率的周期(在打印材料没有经历振动运动的情况下没有周期性图案并且因此没有周期)。通常，图案周期将大于零，但是图案周期的实际下限可以是打印材料的宽度的200％(这是在没有振动运动情况下的宽度)，因为否则例如在振动运动期间由于来回运动材料的一部分会沉积在相同的位置，这可能导致例如不期望的厚度变化，并且以这种方式避免了在振动运动期间打印材料的重叠，并且避免了诸如干涉图案的不期望的图案变化。结合这个得到宽度乘以振动频率除以平移速度应当大于0.5。例如100mm/sec的打印速度和0.3mm的打印材料的宽度导致167Hz的振动运动的最大频率，从而实现0.6mm的图案周期，该图案周期至少为打印材料的宽度的200％(即，宽度的两倍)。
在根据本发明的3D打印设备的一个实施例中，振动运动具有振动频率，并且打印材料具有高度，其中宽度乘以振动频率除以平移速度小于0.5。在这种情况下，振动方向与支撑结构平面成一个角度，例如垂直于支撑结构平面。高度(或厚度或延伸)被定义为打印材料在Z方向上的最短距离，例如垂直于支撑平面。与上文类似，可以计算出打印(或沉积)材料的(周期性)图案的周期等于平移速度除以振动运动的频率(在打印材料没有经历振动运动的情况下，将不会有周期性图案并且因此没有周期)。通常，图案周期将大于零，但是图案周期的实际上限可以是打印材料的高度(没有振动运动情况下的高度)的200％，因为否则例如打印材料的一部分可能漂浮并且因此不会沉积在前一层或支撑结构上。结合这个得到宽度乘以振动频率除以平移速度应当小于0.5。沿着Z方向的振动运动也可以在XY平面中导致周期性图案，其中幅度尤其地取决于振动运动相对于打印层的高度的幅度。
在一个实施例中，由振动运动引起的打印材料的图案周期小于印刷材料的宽度的1000倍。这导致宽度乘以振动频率除以平移速度大于0.001。高于打印材料的宽度的1000倍的实际上限的周期对应于相对大的特征，该相当大的特征也可以通过平移运动本身以足够的精确度来实现并且对于该特征不需要具有频率大于大约10Hz的分离的振动运动(另见下文)。例如，1000mm/sec的印刷速度和0.3mm的印刷材料的宽度导致30Hz的振动运动的最大频率，以实现至少为印刷材料的宽度的1000倍的30cm的图案周期。
在根据本发明的3D打印设备的实施例中，振动运动具有大于10Hz的振动频率。对于振动运动的频率的较低值，周期图案也可以通过打印机喷嘴相对于支撑结构的相对平移来创建，而在大于大约10Hz的频率，附加的振动运动将极大地提高打印周期性图案的精度。
在根据本发明的3D打印设备的一个实施例中，振动致动器被布置为提供支撑结构的第一部分的第一振动运动和支撑结构的第二部分的第二振动运动，第二振动运动关于振动频率和/或振动幅度与第一振动运动不同。这提供了创建具有取决于支撑结构上的位置的特征尺寸(由振动运动创建)的3D对象。例如，在与可打印3D对象的第一部分相对应的支撑结构的第一部分处，振动运动提供了大约0.1mm的特征尺寸，并且在与可打印3D对象的第二部分相对应的支撑结构的第二部分处，振动运动提供大约0.05mm的特征尺寸。可选地，支撑结构的另一部分(除了第一部分和第二部分之外)根本不振动。
在根据本发明的3D打印设备的实施例中，支撑结构的至少第三部分被夹持以影响支撑结构的第三部分的振动运动。以这种方式，与3D可打印对象的第三部分相对应的支撑结构的第三部分将例如不振动，或将经历可忽略的幅度，使得在3D可打印对象的第三部分处创建形状，其中仅通过支撑结构相对于打印机喷嘴的相对平移来创建基础图案。夹持提供了在支撑结构的第三部分处的振动运动的减小或限制。实际上，在垂直于支撑结构平面的方向上的诸如振动幅度的振动将受到该夹持的最大影响(即，Z方向上的振动)。
在根据本发明的3D打印设备的一个实施例中，振动致动器被布置为向支撑结构提供具有频率和幅度的振动图案，该频率和幅度依据振动图案随支撑结构而变化。以这种方式，振动频率和振动幅度取决于支撑结构上的位置，并且因此3D对象将具有以下图案，该图案具有取决于可打印3D对象在与振动图案相对应的支撑结构上的位置的周期性特征。例如，振动致动器可以包括多个振动源，每个振动源作用在支撑结构的不同部分上，从而在支撑结构的不同部分处提供预定的振动运动。特别地，在垂直于支撑结构的方向上的诸如振动幅度的振动将受到该实施例的最大影响(即，在Z方向上的振动)。
在根据本发明的3D打印设备的实施例中，振动致动器是超声致动器。超声致动器可以有利地提供振动图案，该振动图案取决于确定支撑结构的共振频率的支撑结构的性质，诸如质量、尺寸等。
在根据本发明的3D打印设备的一个实施例中，3D打印机还包括处理器，该处理器布置为控制支撑结构的振动运动和打印机喷嘴相对于支撑结构的相对平移。以这种方式，平移和振动运动可以彼此对齐。有利地，处理器包括针对不同时间段关于平移速度和方向、暂停时段(例如，在打印层的结束时)、振动频率以及振动幅度和方向的指令。
在根据本发明的3D打印设备的一个实施例中，支撑结构包括振动板，振动致动器被布置为向振动板提供振动运动。通常，这导致振动致动器必须将振动运动提供给更小的(较小质量的)结构，这是更节能的并且可以提供更快和更精确的振动运动。
在第二方面中，本发明提供一种用于制造3D对象的方法，尤其是用于制造3D对象的熔融沉积成型方法，其中方法包括以下步骤：在以平移方向上的平移速度相对于彼此平移支撑结构和打印机喷嘴的同时，将来自打印机喷嘴的材料沉积在支撑结构上，并且使支撑结构的至少第一部分在不同于平移方向的方向上相对于打印机喷嘴振动。
本发明第一方面的优点和变化类似地适用于本发明的第二方面，反之亦然。
在根据本发明的方法的一个实施例中，振动运动的频率和/或幅度和/或方向根据时间变化。这为创建3D对象的特定形状或图案提供了额外的自由度。
在根据本发明的方法的一个实施例中，后续设置的材料层之间的振动运动是同相的。在后续层之间同相的振动运动意味着后续沉积的层(在彼此之上)的幅度和频率是相似的，使得第一层的周期性图案的最小值/最大值与在第一层上沉积或打印的第二后续层的周期性图案的最小值/最大值一致。以这种方式，这些随后设置的材料层之间的固定或粘附被最大化。通过在后续沉积材料层之间创建相差，例如频率差，可以调整在这些后续沉积材料层之间的粘附和固定。
在根据本发明的方法的一个实施例中，该方法还包括在将第二(后续)材料层沉积在第一材料层上之前进行时间延迟。这例如提供了后续层之间的最佳对准。
在第三方面中，本发明提供了一种计算机可读存储介质指令，当该计算机可读存储介质指令在由3D打印设备的至少一个处理器执行时使打印设备生成用于3D制造的3D对象或计算机可读3D模型，该计算机可读存储介质指令包括用于将来自打印机喷嘴的材料沉积在支撑结构上的指令，用于生成支撑结构相对于打印机喷嘴的具有在平移方向上的平移速度的平移运动的指令，以及用于生成支撑结构的一部分在不同于平移方向的方向上相对于打印机喷嘴的振动运动的指令。
本发明第一方面的优点和变化类似地适用于本发明的第三方面，反之亦然。
附图说明
现在将参照示意性附图仅用示例的方式来描述本发明的实施例，在附图中，对应的附图标记指示对应的部分，并且在附图中：
图1示意性地描绘了根据本发明的3D打印设备的实施例；
图2A至2B示意性地描绘了通过根据本发明的3D打印设备创建的周期性图案；
图3示意性地描绘了通过根据本发明的3D打印设备创建的周期性图案；
图4示意性地描绘了通过根据本发明的3D打印设备创建的周期性图案；以及
图5A至5C示意性地描绘了用过根据本发明的3D打印设备创建的周期性图案。
附图不必是按比例。
具体实施方式
图1示意性地描绘了根据本发明的3D打印设备或3D打印机的实施例，该3D打印设备或3D打印机可以例如用于如本文所述的高级制造(AM)方法。3D打印设备500包括具有打印机喷嘴502的打印机头501，用于将3D可打印材料打印或沉积到支撑结构550上。作为示例，示意性地描绘了FDM打印机的实施例。
附图标记530指示配置为打印3D对象(特别是FDM 3D打印)的功能单元。该附图标记也可以指示3D打印阶段单元。这里，仅示意性地描绘了用于提供3D打印材料的诸如FDM3D打印机头的打印机头501。本发明的3D打印机可以包括多个打印机头，但其他实施例也是可能的。附图标记320指示可打印3D可打印材料的细丝(诸如上文指示的材料)。为了清楚起见，未描绘出3D打印机的全部特征，仅描绘了对于本发明特别相关的那些特征。3D打印机500被配置为通过在支撑结构550上沉积或沉积多个细丝320来生成3D对象10，其中每个细丝320包括诸如具有熔点Tm的3D可打印材料。在该示例中，3D打印机500被配置成加热打印机喷嘴502上游的细丝材料。这例如可以通过包括挤出和/或加热功能中的一个或多个的设备来进行。这种设备由附图标记573指示，并且被布置在打印机喷嘴502的上游(即，在细丝材料离开打印机喷嘴502之前的时间)。附图标记572指示具有(特别是线形式的)材料的线轴。3D打印机500将该材料转换成细丝或纤维320。通过在细丝上一个细丝一个细丝地布置细丝，可以形成3D对象10。然而，本文使用的3D打印技术不限于FDM(也参见上文)。附图标记580表示可打印材料(或其前驱体)的存储器。例如，具有材料的线轴可以用作存储器。
3D打印机500进一步包括转换单元1100，这里作为示例是加热器单元1150。加热器单元1150可以功能性地耦合到打印机头501。加热器单元1150被特别地配置为向(到支撑结构550的)流中的可打印材料提供热量。可选地，加热器单元可以包括激光器。
箭头50和55分别表示支撑结构550的平行于支撑结构550的平面(其也是支撑结构550和/或打印机喷嘴502的主要平移方向)和垂直于支撑结构550的振动运动。振动运动50、55由振动致动器(未示出)提供，该振动致动器诸如振动马达(例如线性谐振致动器振动马达、偏心旋转质量振动马达)或(超)声致动器(诸如具有用于声学激励的电子信号生成器的扬声器)。控制器(未示出)可以被布置为控制打印机喷嘴(打印机头)和支撑结构的(相对)移动、平移和振动。例如，控制器可以在预定时间量内，在特定位置，针对特定层等关闭振动运动。以这种方式打印与位置相关的周期性图案，其中幅度和/或频率等随着打印的3D对象而变化。
振动运动50的方向(即，平行于支撑结构550的平面的振动运动)通常与打印的方向(即，打印机喷嘴相对于支撑结构的相对运动或平移的方向)不在同一方向。因此，(线性)周期性运动的振动与(线性)平移成不同于零的角度。以这种方式，可以创建具有(周期性)特征的图案，该特征取决于振动运动的频率和幅度并且取决于振动运动的方向与打印或平移方向之间的角度。
在一个实施例中，支撑结构550以特定的振动频率和特定的振动幅度振动。作为时间的函数，因此当材料沉积在支撑结构550上时，振动频率和/或幅度可以变化或可以是恒定的。可选地，在打印过程的一段时间内振动运动可以不存在。
在另一个实施例中，仅支撑结构550的第一部分振动。例如，振动致动器仅致动或激励支撑结构550的第一部分，并因此向支撑结构550的第一部分提供振动运动。在另一示例中，支撑结构550的第三部分以这样的方式被夹紧，使得它不会振动或以较小的程度(即，较小的幅度)振动，例如通过使用固定或施加局部重量而由此主要局部地抑制在Z方向上的振动运动55(即，在垂直于由支撑结构550所限定的平面的方向上)和/或平行于支撑结构550的平面(XY平面)的振动运动。在另一个示例中，振动致动器被布置为在支撑结构上提供振动图案，在该振动图案中振动频率和/或振动幅度作为支撑结构上的位置的函数而变化。这可以例如通过导致支撑结构550的声学共振的(超)声致动器来实现。以这种方式，可以使振动局部化，其中支撑结构的第一部分振动并且支撑结构的另一部分不振动或振动的程度较小，例如具有较小的幅度。或者，用于振动的多个振动源可以在不同位置处作用于支撑结构，以生成相对复杂的振动图案。
在一个实施例中，支撑结构包括基底板，振动板设置在基底板上，并且可打印材料沉积在振动板(未示出)上。基底板提供相对平移，并且振动板提供振动运动50、55。以这种方式，将打印对象保持在距打印机喷嘴一定距离处所需的能量以及振动运动所需的能量可以被分离并且可以采用针对其特定功能被最优化的单独的致动器。振动板有利地比基底板更薄(质量更小)，并且因此振动所需的能量减少，这可以导致更准确的振动运动。
振动运动可以在沉积层时变化，但是也可以在后续的沉积层之间变化，即，打印第一层时的振动运动与在第一层上打印下一个后续层是不同的，这例如通过设置不同的幅度和/或频率来实现。取决于打印材料本身的若干特性(例如尺寸和材料特性等)、振动运动的频率和幅度、平移速度和诸如例如温度的其他工艺参数，可以通过应用或选择特定的振动运动来调整后续的层之间的固定。例如，以第一振动频率和第一振动幅度沉积第一层，并且以第二振动频率和第二振动幅度沉积后续的层。垂直于支撑结构(即，在Z方向上)的振动运动特别地可能导致后续的打印层之间的改进的粘合或固定，因为在一些位置，打印机头更接近先前沉积的层，并因此将可打印(待被沉积)的材料按压到(先前)打印层上。
作为振动运动的结果，打印材料的图案形状将具有图案周期和图案幅度(定义为与平移方向相垂直的图案延伸)，该周期和幅度被叠加到由打印机喷嘴和支撑结构之间的相对平移运动所提供的打印材料的基础图案，并且该基础图案将具有图案宽度和图案高度，该图案宽度由所测量的平行于支撑结构的平面(并且垂直于平移方向)的打印材料的最短距离限定，该图案宽度由所测量的垂直于支撑结构的平面(Z方向)的打印材料的最短距离限定。
不同实施例中的振动运动的特征在于振动周期1/f和振动幅度A(单位：米)，其中f是振动运动的频率。图2A示出了通过根据本发明的3D打印设备创建的沉积的或打印的材料的周期性图案110的示意图，该周期性图案110通过在X方向上具有平移或打印速度v的平移运动52与在Y方向或Z方向上的振动运动50相叠加来创建。打印机喷嘴通过将支撑结构550相对于打印机喷嘴502以平移速度v移动(平移)来打印连续的线。支撑结构的振动运动50在可打印材料的位置处(即，可打印材料被分配或沉积的位置)引起周期性移动，这导致具有由振动频率和幅度额外地(除了相对平移运动52之外)确定的形状或外形的图案。周期性图案110具有周期PP，该周期PP等于平移或打印速度v除以振动运动50的频率f：PP＝v/f。周期性图案110还具有图案幅度PA，在这种情况下该幅度PA等于振动运动50的幅度A，这是由于振动运动的方向(在Y方向上或在Z方向上)垂直于平移的方向。图2B示出了类似于图2A中所示的周期性图案120，除了印刷材料具有比图2A中所示的周期性图案110更大的宽度之外。
图3示出了利用根据本发明的3D打印设备创建的周期性图案130的示意性示例。在该实施例中，具有平移速度v的平移运动62的方向和振动运动60的方向都在X-Y平面内并且相对于彼此具有角度α(不同于零)。周期性图案130具有周期PP2，该周期PP2等于平移速度v除以振动运动60的频率f与角度α的正弦的绝对值的乘积：PP2＝v/(f*abs(sin(α)))。周期性图案130还具有图案幅度PA2，在这种情况下，该图案幅度PP2等于振动运动60的幅度A2乘以角度α的正弦的绝对值：PA2＝abs(sin(α))*A2。
在一个实施例中，宽度乘以振动频率除以平移速度大于0.5。可以计算出，打印(或沉积)材料的图案的周期等于平移速度除以振动运动的频率(在打印材料没有经历振动运动的情况下，将不存在周期性图案，并因此没有周期)。通常，图案周期将大于零，但是图案周期的实际下限可以是打印材料的宽度的200％(这是在没有振动运动的情况下的宽度)，因为否则例如在振动运动期间来自来回运动的材料的一部分将沉积在相同的位置，这可能导致例如不期望的厚度/高度变化，由此以这种方式避免了在振动运动期间打印材料的重叠，并且避免了诸如干涉图案的不期望的图案的变化。结合这个得出宽度乘以振动频率除以平移速度应该大于0.5。例如，100mm/sec的印刷速度和0.3mm的印刷材料的宽度导致167Hz的振动运动的最大频率，以实现0.6mm的图案周期，该图案周期至少为打印材料的宽度的200％(即，宽度的两倍)。
在一个实施例中，由振动运动引起的打印材料的图案周期比1000倍的打印材料的宽度小。这导致宽度乘以振动频率除以平移速度大于0.001。比1000倍的打印材料的宽度的该实际上限高的宽度对应于相对大的特征，该相对大的特征也可以通过平移运动本身以足够的精确度来实现，并且对于该特征不需要具有比大约10Hz大的频率的分离的振动运动(另见下文)。例如，1000mm/sec的印刷速度和0.3mm的打印材料的宽度导致30Hz的振动运动的最大频率，以实现30cm的图案周期，该图案周期至少为打印材料的宽度的1000倍。
在垂直于由支撑结构限定的平面的方向上(即，在垂直于X-Y平面的Z方向上，其中在X-Y平面中提供有平移运动)有振动运动的情况下，提供以下图案，在该图案中垂直于支撑结构平面的打印材料的延伸部(或高度)将呈现出至少由振动运动的频率f和幅度A以及平移速度v所确定的周期性结构。图4示出了在Z方向上的这种振动运动的示意性3D图，该振动运动导致在Z方向上具有周期性图案的后续层。在实践中，振动运动的幅度不应该超过印刷材料的高度的200％，以避免喷嘴直接接触下面的层。如果在可打印材料将被沉积的位置处没有层，则该限制甚至可以低于打印材料的高度的200％。此外，优选地，后续打印层应呈现同相的周期性图案(即，具有类似的周期性图案)以避免将打印机喷嘴按压入先前打印的层中。通常，打印层的厚度或高度是0.02mm至2mm。振动运动可能导致高度在0.01mm和4mm之间变化。
支撑结构的(附加的)振动运动可用于改善相邻材料层之间的粘附特性。如果在相邻层的沉积期间的振动运动是同相的，那么打印材料的形状将是保形的，因此实现紧密压实的打印，如在图5A中对于五个后续层511、512、513、514、515所示意性示出的。通过改变振动运动的相位和/或幅度，可以调整相邻材料图案之间的重叠量和间隙的尺寸，如图5B和图5C中示意性示出的。图5B示意性地示出了后续的或相邻的层521、522被打印或沉积成具有不同的振动运动的幅度，例如层521具有比相邻或后续的层522更小的幅度。以这种方式，可以调整相邻沉积或分配的材料之间的粘附。可选地，通过在相邻线之间包括间隙或空隙(其可通过使得相继的打印层具有相对于彼此异相的周期性图案来提供)，特别地在打印工艺中使用透明或半透明材料时，3D对象的光学性质也可以得到调整。可以引起相邻打印材料之间的粘附或机械连接以及表面的变化，和/或可以形成将引起散射或者甚至闪光效应的空隙。以这种方式可以实现(局部)光学效果。图5C示意性地示出后续或相邻的打印层531、532具有不同的相，即，相邻层531、532的峰(最大值)和谷(最小值)不重合。
振动频率一般大于或等于10Hz。对于振动运动的频率的较低值，也可以通过打印机喷嘴相对于支撑结构的相对平移来创建周期性图案，而在10Hz以上的频率，该附加的振动运动将极大地提高打印周期性图案的精度。
可选地，当切换到下一个(后续)层的打印时引入延迟时间，以便启动与先前层同相的新层。该延迟时间也可以用于在垂直于支撑结构平面的方向上在3D对象中实现诸如螺旋形或锯齿形图案的特定图案。诸如根据Chladni图案的共振之类的特定共振可以提供振动运动的局部化并因此提供所得到的周期性图案的改善的分辨率
本文中术语“基本上”(诸如在“基本上由……构成”中)将被本领域技术人员理解。术语“基本上”还可以包括具有“全部”、“完全”、“所有”等的实施例。因此，在实施例中，还可以去除形容词基本上。在适用的情况下，术语“基本上”还可以涉及90％或更高，诸如95％或更高，特别是99％或更高，甚至更特别地99.5％或更高，包括100％。术语“包括”还包括其中术语“包括”意指“由……构成”的实施例。术语“和/或”特别涉及“和/或”之前和之后提及的项中的一个或多个。例如，短语“项1和/或项2”以及类似短语可以涉及项1和项2中的一个或多个。术语“包括”在实施例中可以指代“由……构成”，但在另一实施例中还可以指代“至少包含所限定的物质，且可选地包含一个或多个其他物质”。
此外，说明书与权利要求中的术语第一、第二、第三等用于在类似的元件之间进行区分，并且不必用于描述相继顺序或时间顺序。应理解，这样使用的术语在适当环境下是可互换的，并且本文中所描述的发明的实施例能够以除了本文中所述或图示的顺序之外的其它顺序来操作。
本文中的设备尤其地在操作期间进行描述。如对本领域技术人员而言将是清楚的，本发明不限于操作方法或操作中的设备。
应注意，上面提及的实施例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求范围的情况下设计许多备选实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。动词“包括”及其词形变化的使用不排除除了权利要求中所陈述的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件之前的冠词“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件和借助于适当编程的计算机来实施。在列举若干装置的设备权利要求中，这些部件中的若干装置可以由同一个硬件项来体现。在互相不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能有利地使用。
本发明还适用于包括说明书中所述和/或附图中所示的特征中的一个或多个特征的设备。本发明还涉及包括说明书中所述和/或附图中所示的特征中的一个或多个特征的方法或工艺。
为了提供附加的优点，可以组合本专利中所讨论的各个方面。此外，特征中的一些特征可以形成一个或多个分案申请的基础。

Claims (14)

1.一种3D打印设备(500)，包括：
-支撑结构(550)，
-打印机喷嘴(502)，用于在所述支撑结构(550)上沉积材料以便形成3D对象(10)，其中所述打印机喷嘴(502)和所述支撑结构(550)被布置为相对于彼此在平移方向(52、62)上以平移速度平移，以及
-振动致动器，被布置为用于提供所述支撑结构(550)的至少第一部分在不同于所述平移方向(52、62)的方向上相对于所述打印机喷嘴(502)的振动运动(50、60)。
2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中所述支撑结构(550)沿着支撑结构平面延伸，其中所述平移方向(52、62)平行于所述支撑结构平面，并且其中所述振动运动(50、60)处于平行于和/或垂直于所述支撑结构平面的方向上。
3.根据权利要求1或2所述的3D打印设备，其中所述振动运动(50、60)具有振动频率，并且所述打印材料具有宽度，并且其中所述宽度乘以所述振动频率除以所述平移速度大于0.5。
4.根据权利要求1或2所述的3D打印设备，其中所述振动运动(50、60)是在垂直于所述支撑结构平面的方向上并且具有振动频率，并且所述打印材料具有高度，并且其中所述高度乘以所述振动频率除以所述平移速度小于0.5。
5.根据前述权利要求1或2中任一项所述的3D打印设备，其中，所述振动运动(50、60)具有大于或等于10Hz的振动频率。
6.根据前述权利要求1或2中任一项所述的3D打印设备，其中，所述振动致动器被布置为提供所述支撑结构的所述第一部分的第一振动运动和所述支撑结构的第二部分的第二振动运动，所述第二振动运动关于频率和/或幅度不同于所述第一振动运动。
7.根据前述权利要求1或2中任一项所述的3D打印设备，其中，所述支撑结构(550)的至少第三部分被夹持以影响所述支撑结构的所述第三部分的所述振动运动(50、60)。
8.根据前述权利要求1或2中任一项所述的3D打印设备，其中，所述振动致动器被布置为向所述支撑结构(550)提供具有随所述支撑结构变化的频率和幅度的振动图案。
9.根据前述权利要求1或2中任一项所述的3D打印设备，还包括处理器，所述处理器被布置为控制所述支撑结构的所述振动运动(50、60)以及所述打印机喷嘴(502)和所述支撑结构(550)的所述相对平移。
10.根据前述权利要求1或2中任一项所述的3D打印设备，其中，所述支撑结构(550)包括振动板，所述振动致动器被布置为向所述振动板提供振动运动。
11.根据前述权利要求1或2中任一项所述的3D打印设备，所述3D打印设备包括多个振动致动器。
12.一种用于制造3D物体(10)的方法，包括以下步骤：
-在平移方向上以平移速度相对于彼此平移(52、62)支撑结构(550)和打印机喷嘴(502)的同时，将来自所述打印机喷嘴(502)的材料沉积在所述支撑结构(550)上，以及
-使所述支撑结构(550)的至少第一部分在不同于所述平移方向的方向上相对于所述打印机喷嘴(502)振动(50、60)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述振动(50、60)的频率和/或幅度和/或方向作为时间的函数而变化。
14.一种计算机可读存储介质指令，所述计算机可读存储介质指令在由3D打印设备(500)的至少一个处理器执行时，使得所述打印设备生成3D对象(10)，所述计算机可读存储介质指令包括：
-用于将材料从打印机喷嘴(502)沉积在支撑结构(550)上的指令，
-用于生成所述支撑结构(550)相对于所述打印机喷嘴(502)的具有平移方向上的平移速度的平移运动(52、62)的指令，以及
-用于生成所述支撑结构(550)的一部分相对于所述打印机喷嘴(502)在不同于所述平移方向的方向上的振动运动(50、60)的指令。
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