CN108367491B - 3d打印装置以及使用3d打印装置制造物体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用包含至少一个打印头(22)的3D打印装置(10)制造物体(40)的方法，所述打印头(22)具有至少一个排出装置(24)，其中所述排出装置(24)设置成将打印组合物(42)放置在预期位置处以产生所述物体(40)。特别地，在本文中意图的是在所述排出装置(24)的区域中，对离开所述排出装置(24)的打印组合物(42)进行检测和/或进行几何测量。本发明的其他方面涉及装备用于进行该方法的3D打印装置(10)。

Description

3D打印装置以及使用3D打印装置制造物体的方法
技术领域
本发明涉及使用3D打印装置(3D printing device)制造物体的方法，所述3D打印装置具有至少一个打印头(printhead)，所述至少一个打印头具有至少一个排出装置(discharge device)，其中所述排出装置设置成将打印材料放置在目标位置处以增材制造(additively manufacture)物体。本发明的其他方面涉及设置成执行所述方法的3D打印装置。
背景技术
现有技术中已知多种不同的增材制造方法(additive manufacturing method)用于制造原型(prototype)、小批量(short run)或单个制品(individual article)。也被称为3D打印的这些方法的共同之处在于，制品或物体是基于计算机模型直接制造的。有利地，因此可以廉价且容易地制造客户特定的组件(customer-specific component)。例如，为了制造物体，通过施加硬化剂(hardener)将粉末选择性固结，以这样的图案(取决于待制造物体)将硬化剂施加到粉末上。其他方法包括激光烧结，其中根据限定的图案以期望形式通过用激光熔化来固结粉末，以及熔融长丝制造(fused filament fabrication)，其中由可熔塑料逐层制造物体。同样已知的方法是其中通过使用喷嘴逐滴释放液体并且例如通过UV辐射的作用而固化。
DE 10 2011 106 614 A1公开了用于制造三维制品的方法和装置，其中制品由诸如硅酮的可固结材料构成，其或者以其初始状态在液相中或者可被液化。液体材料以液滴形式排出并定位在物体载体(object carrier)上。通过打印台或物体载体的可变对准、定位和倾度，实现了悬垂件(overhang)和自支撑元件的特殊3D打印。此处要打印的物体由多轴致动器对准，使得打印单元可以始终将打印体素(print voxel)垂直放置在打印平面上。
DE 10 2012 000 664 A1公开了具有载体和用于释放打印材料的挤出机并且具有驱动系统的三维物体的制造装置，其中载体和挤出机可以通过驱动系统在三个运动方向上相对于彼此移动以制造三维物体。为了改善可调性，在至少一个运动方向上提供多个驱动电机。
EP 1 886 793 A1描述了涉及影响液滴尺寸和影响打印液滴的飞行路径的各个方面。此外，选择从打印喷嘴到打印平面的距离，从而导致打印液滴的最佳分离。
DE 10 2013 003 167 A1涉及通过增材制造法来制造三维制品的其他方法。在部署时，制造物品的结构不同区域，根据在不同区域中部署时的选定配置标准制造空间结构。
DE 10 2015 110 342 A1描述了将导电元件打印到任何期望的主体上的又一种方法。通过优化喷嘴尖端和基板(substrate)之间的距离的大小来提高液滴定位的准确性。
然而，现有技术中已知的装置具有影响打印部件质量的技术缺陷。通过现有技术已知的增材方法可实现的物体的质量达不到通过注塑成型方法生产的可比物体的恒定质量。已知的方法不可能确保最终产品的均匀质量，这对于所生产物体的工业使用是不可缺少的。
麻烦的因素尤其是由于从打印喷嘴排出的材料的变化而产生的打印错误(misprint)或具有诸如气泡的缺陷的打印错误。例如，在没有放置的打印材料的情况下会产生这种气泡。
本发明的一个目的是提供用于增材制造物体的改进方法和相应的装置，利用其可以生产高质量的物体(例如与表面和形状真实性(in relation to surface and truenessto shape)相关)。本发明的另一个目的是提供一种方法，通过该方法可以确保产生的物体的均匀质量。
发明内容
提出了使用3D打印装置制造物体的方法。3D打印装置具有至少一个打印头，所述至少一个打印头具有至少一个排出装置，其中所述排出装置设置成将打印材料放置在目标位置处以增材制造物体。打印材料可以是用于制造永久性组件的材料，尤其是硅酮，或者可以是临时制造的部件或区域所需的材料，尤其是例如聚乙二醇(PEG)形式的支撑材料。
排出装置被设置成以单独的分离液滴的形式，作为一系列液滴或以在排出轴的方向上的串(strand)的形式释放打印材料。这些形式之间的流动转换是可能的。在本说明书的上下文中，从排出装置排出并放置在基板或物体上的打印材料的液滴被称为体素(voxel)。串(strand)是指排出的和尚未放置的打印材料以及放置的打印材料。放置的打印材料被理解为是指体素或串。
根据本发明，在排出装置的区域中检测和/或几何测量正在离开或已经离开排出装置的打印材料。在排出装置的区域中检测和/或几何测量打印材料，因此测量结果可以得出关于排出装置状态的结论。这意味着打印材料在它们离开时或它们已经离开之后和在它们被放置之前进行检测和/或几何测量。在液滴的情况下，这意味着它们在飞行期间被检测和/或几何测量。在排出装置的区域中的打印材料的测量可通过在打印材料已被放置之后对其进行进一步的测量来补充。
几何测量(geometric measurement)在广义上是指获得关于已经离开的打印材料的形式或形状的知识。
在该方法的一种配置中，基于所测量的几何形状来检测打印错误。例如，可以确定液滴、一系列液滴或串形式的打印材料是否完全离开。更具体地，检测和/或几何测量因此能够确定错误地未放置的打印材料。错误地未放置的打印材料可能是例如，磨损压力冲头(pressure ram，挤压杆)或堵塞排放装置的指示。如果检测到这种情况达到不可容忍的程度，则可以提供例如清洁排出装置或向用户发布维护建议。
此外，可以通过测量液滴形式、液滴系列形式或串形式来更精确地表征液滴、液滴系列和串。此处可以确定例如液滴横截面和串的直径。此外，还可以测量液滴的体积，通过其，给定已知的打印材料密度，还可以测定液滴的重量。此外，还可以测定液滴或串的旋转对称程度。在液滴的情况下，可以确定与限定的液滴几何形状的偏差。在串的情况下，可以确定与限定的串几何形状的偏差(例如与圆柱几何形状)。因此，例如，也可以检测和校正打印这些串中的打印头的错误的排出高度或错误的移动速度，这导致来自排出装置的排出串的变形。
几何测量可以附加地或可替代地包括测定打印材料的不期望的中断特征，特别是确定串接(stringing)。在体素的打印中，在液滴从排出装置分离之前不久，就会出现这样的形状，即其中液滴在一侧实际上是球形的，但是在另一侧上逐渐变小到一点。分离后，尖端可以变更小或完全消失。在某些情况下，例如过低的反应物温度，部分交联的材料或者在排出装置的次优条件下，特别是在错误的冲头(ram)前进速度，错误的冲头回缩速度(wrongram withdrawal speed)，错误的喷嘴打开时间或错误的冲头行程(wrong ram stroke)的情况下，然而，尖端并不消失，而是加宽以形成可以如此标记以使其将液滴连接到随后的液滴的线束(thread)。这种效应被称为串接(stringing)。例如，当串逐层中断(discontinue)并再次开始时，在串的情况下也可能存在串接。如果检测到串接达到不可容忍的程度，则可以提供例如清洁排出装置。
在优选的实施方案中，还测量从排出装置排出的打印材料的重量。在打印过程期间，因此可以建立打印物体的连续质量平衡。可将通过体积和密度确定的打印材料的重量与测量的重量比较。因此，可以实现在打印操作期间识别任何异物(foreign body)引入到打印材料中。例如，异物(foreign body)可以是来自环境的漂浮颗粒，或者来自固化的硅酮沉积物或来自排放装置中的冷凝水。
不同的几何形状或错误地未放置的打印材料可能指示排出装置的问题，例如在将打印材料进料到打印头中的阻塞的喷嘴或气泡。因此，在本发明的一个实施方案中，已经从排出装置排出的打印材料的检测或测量的几何形状被用于触发打印头的自动清洁。清洁用于质量保证，因为只有在清洁喷嘴的情况下才能确保期望的体素，即串的几何形状(strandgeometry)。为此目的，3D打印装置具有清洁站，其可实现自动清洁。
如果识别出错误地未放置的打印材料，则将其与应放置打印材料的位置一起记录。本发明的一个实施方案设想再次打印错误地未放置的打印材料。因此，预期由错误地打印的物体导致的较少丢弃材料(less reject material)。为了再次打印未放置的打印材料，例如在其清洁之后，打印头被移回到记录位置并重复打印材料的排出。随后也可以通过后续层中的受控多重打印来放置错误地未放置的打印材料。
优选地，再次打印未放置的打印材料在固化的方法步骤之前。在固化之前再次打印未放置的打印材料具有以下优点：再次打印的打印材料仍可以结合到未固化的打印材料上，例如结合到所放置的邻近打印材料上，其中术语“邻近(adjacent)”可以涉及例如在同一层打印材料，或者根据固化策略，还可以涉及多层中的打印材料。为此目的，所使用的打印材料在施加之后仍是自由流动的，使得放置的打印材料可以彼此合并，从而导致放置的打印材料之间的平滑过渡。
可替代地或另外地，再次打印未放置的打印材料，可以发布错误消息或警告消息。可以错误消息的形式记录排出装置的时效(aging)。警告消息可能包括用户的维护建议，例如指出清洁是必要的。
还为了其他目的，例如在屏幕上和/或在数据载体上，已经离开的打印材料的几何形状的测量结果也可以提供给3D打印装置的用户。因此，使用者处于能够对打印材料的排出的任何变化做出适当地反应的位置。
通过装置控制系统中的自动校正，可以补偿发生的来自标准几何形状的一些识别的偏差。在该方法的一个实施方案中，基于测量结果，打印结果，即，离开的打印材料的期望几何形状处于自动闭合回路控制下(under automatic closed-loop control)。在本公开的上下文中，遵循标准术语的闭合回路控制(closed-loop control)应理解为意指操作参数的自动变化以保持测量参数，在此是均匀的几何形状。简言之，这也可以描述如下：如果几何形状差异过大，则会再次调整下文中提到的一个或多个参数，直到几何形状再次符合要求。如果这不可能，则可以停止3D打印操作。特别是在由于排出装置的磨损导致打印质量发生变化的情况下或在打印材料错误或缺失的情况下，后者将是这种情况。
能够影响从排出装置排出的打印材料的几何形状的3D打印装置的操作参数包括打印头的移动速度。在串的情况下，打印头的移动速度的增加可能导致串横截面在移动方向上的减小，并且与移动方向上的串横截面(strand cross section)的增大相对应地，打印头的移动速度降低。
能够影响从排出装置排出的打印材料的几何形状的3D打印装置的操作参数还包括在其上设置物体的基板上方的排出高度或应用高度。在串的情况下，在基板上方的排出高度的增加可能导致不精确的定位，并且在体素的情况下导致轨道误差(trajectoryerror)；在串的情况下在基板上方的排出高度的降低可能导致横向变形，并且在体素的情况下导致最高至并且包括堵塞喷嘴的不清楚的液滴破裂特征，并且导致串接现象。更具体地，在大多数情况下将排出装置浸入放置的打印材料中是不希望的。
能够影响从排出装置排出的打印材料的几何形状的3D打印装置的操作参数另外还包括打印材料所经受的在排出装置中占优势的物理压力。表述“物理压力(physicalpressure)”用于与表述“打印(printing)”区分。在排出装置中占优势的物理压力的增加导致在串的情况下和在体素的情况下升高的材料排出。在排出装置中占优势的物理压力的降低导致在串的情况下和在体素的情况下降低的材料排出。
这同样适用于材料储存器(material reservoir)中的物理供应压力。
能够影响从排出装置排出的液滴的几何形状的3D打印装置的操作参数还包括打印频率或液滴或体素的排出速率。打印频率的增加可导致体积减小，并且打印频率下降对应于体积的增加。进一步优选地，结合打印头的移动速度调整打印频率。
影响体素尺寸的喷嘴的其他参数是冲头前进速度、冲头回缩速度、喷射阀的打开时间和冲头行程。因此，同样建议通过改变这些参数对从排出装置排出的打印材料的几何形状进行闭合回路控制。冲头形状和喷嘴组合也影响体素大小，但这些参数在打印期间通常不能被改变。
影响串尺寸和打印精度的分配器的其他参数是流量(flow rate)、供料器速度、材料储存器中的供应压力和线路末端的材料收缩特性。因此，同样建议通过改变这些参数对从排出装置排出的打印材料的几何形状进行闭合回路控制。
测量方法
优选从一侧进行测量，即与打印材料的排出方向成直角，使得例如已经离开的液滴可以用其球形部分(spherical section)和尖端部分(tipped section)进行检测。在通过照相机进行测量的情况下，相应地指向其视野。在亮度测量的情况下，相应地布置光栅(light barrier)。
如果正在打印体素，为了能够确定串接和液滴几何形状，优选的是光束宽于最大可能的液滴直径。在串的情况下，用比串直径更宽的光束进行测量是有意义的。就横截面而言，光束是例如直径为0.3mm的圆形几何形状，在四边形几何形状的情况下为0.1mm×0.3mm。
优选尽可能靠近排出装置进行测量，以便例如所确定的液滴和串的特性允许关于排出装置的状态的充分结论，并且不会被诸如浮动颗粒的环境影响而变形。因此，来自排出装置的光束的距离优选小于1cm，优选小于1mm，特别优选小于0.1mm。
几何测量可以借助于覆盖排出装置的排出孔区域的照相机来实现。照相机的图像频率与喷射频率相匹配，使得在至少一个照相机图像中可以看到每个液滴。在这种情况下，计算机辅助评估照相机图像包括确定液滴的轮廓以及与理想液滴比较。在高打印频率的情况下，优选使用每秒数百到数百万个图像的高速照相机。
然而，优选地，几何测量是通过透射光操作或反射光操作中的至少一个亮度测量来实现的。这涉及通过光学发射器发射光束，其由光学接收器检测。本发明的该实施方案在许多情况下比使用高速照相机和相应的图像处理更有利。
在透射光操作中，接收器被设置为面向接收器或与接收器相对。如果打印材料横过光束，由于反射和吸收，它在其后面产生阴影，即在击中(hitting)接收器的亮度上的可测量的减少。接收到的信号相对于时间也被称为“阴影功能(function of shadowing)”。打印材料的存在是由于击中接收器的亮度降低而导致的。接收到的信号相对于时间的更精确的分析可以得出关于离开的打印材料的形状的结论。
在反射光操作中，接收器和发射器相对于彼此以0°至90°的角度布置。在0°的角度处，发射器同时是接收器，其在本公开中也被称为发射器/接收器单元。此处的测量原理如下：如果打印材料横过光束，则由于反射而产生可测量的信号。接收器测量发射的光的反射部分(reflected fraction)。光路中的打印材料的存在是由于击中接收器的亮度的增加而导致的。接收到的信号相对于时间的更精确的分析可以得出关于其形状的结论。
如果例如通过多个发射器和/或接收器进行多个亮度测量，则另外可以确定液滴的不同位置或非直线飞行路径或挤出串的不同位置。这也可以在发射器和接收器的V布置(大于0°且小于90°的角度)的情况下确定。
在评估接收信号时，进行随时间接收的信号与参考信号的比较。本文中参考信号可以来自其中存储源自模拟或测试运行的信号的数据库。可替代地，参考信号被记录在3D打印装置的校准中，或者在每种情况下在开始打印物体或物体层时记录。在这些情况下，可以有利地随时间对材料排出的变化作出反应，并且该过程可以独立于所建立的操作参数而进行。
亮度测量中的接收信号在物理术语上对应于用传感器几何形状对微滴形式进行卷积，即以一维形式。
Figure GDA0001696264990000071
其中femp代表液滴形式，g代表传感器的几何形状，其中t代表时间，T代表周期，且a代表对所讨论的周期选择的常数。
接收信号与参考信号的比较可以使用电子工程过滤器或借助于已知的数学方法以计算机辅助的方式进行。例如，所使用的电气工程过滤器可以首先是用于将接收到的信号与参考信号进行比较的最佳过滤器。此后，参考信号周围的公差带(tolerance band)被固定，并且确定接收到的信号是否在公差带内。在计算机辅助比较中，例如可能首先使用已知的最佳拟合算法来对接收的信号和参考信号在时间上进行连续建模。然后，可例如通过将时间信号分解为傅立叶系数等并且通过比较来确定偏差的程度。可替代地或另外地，为此目的，可通过在时间信号之间的平方差上形成积分或总和来确定偏差的程度。偏差的确定还可以包括导数相对于时间或信号的积分的检查。
在体素形式的打印材料的情况下，体素的几何测量以体素的打印频率的至少五倍，优选为至少十倍的扫描速率进行。这确保了足够的数据可用，使得对现有打印材料的几何测量是有意义的。
打印材料
所使用的打印材料优选为至少在加工期间为自由流动形式的材料，并且可以在排出之后被固化。在检测到打印错误的情况下，随后的固化性意味着可以进行例如清洁打印头，然后再次打印错误地未放置的打印材料的过程，在这种情况下，未交联的材料保持自由流动，直到它们被固化，使得随后放置的打印材料仍然可以粘合到在清洁之前放置的打印材料。
优选的情况是，打印材料的固化通过辐射或通过热方式，更优选以位置选择方式或通过辐射或热方式在整个区域上进行。因此，在所提出的方法中优选使用打印材料，所述打印材料在放置之后可以通过辐射或热的作用而被固化。
位置选择性暴露被理解为意指热源或辐射源以相对于基板可移动的方式布置或仅在物体的选定区域上起作用。区域暴露应理解为意指热源或辐射源在整个物体或物体的整个材料层上起作用。
例如，在所提出的方法的情况下，优选通过UV/VIS辐射的作用使用可通过光化辐射作用被固化的打印材料。UV辐射或UV光具有100nm至380nm范围内的波长，而可见光(VIS辐射)具有380nm至780nm范围内的波长。优选地，UV/VIS辐射对打印材料的作用是通过曝光单元(exposure unit)实现的。
在通过热方法固化的打印材料的情况下，可以使用红外光源(IR)来进行位置选择性或区域性热处理。
在本发明的方法中，使用的打印材料更优选为经由UV/VIS引发的加成反应交联的硅橡胶材料。UV/VIS引发的交联与热交联相比具有优势。首先，可以准确地判断UV/VIS辐射的强度、作用时间和作用位点，而排出的打印材料的加热(以及随后的冷却)总是由于相对低的热导率而延迟。由于硅酮的固有非常高的热膨胀系数，因此在热交联过程中不可避免地存在的温度梯度会导致机械应力，这会对所形成的物体的尺寸准确度产生不利影响，其在极端情况下可导致不可接受的形状扭曲。
UV/VIS诱导的加成-交联硅橡胶材料描述于，例如，DE 10 2008 000 156 A1、DE10 2008 043 316 A1、DE 10 2009 002 231 A1、DE 10 2009 027 486 A1、DE 10 2010 043149 A1和WO 2009/027133 A2。通过UV/VIS诱导的光敏氢化硅烷化催化剂的活化使交联上升，优选考虑的是铂的络合物。技术文献描述了许多光敏铂催化剂，其在排除光的情况下很大程度上是无活性的并且可以通过用波长为250-500nm的光照射转化为在室温下有活性的铂催化剂。这些的实施例是(η-二烯烃)(σ-芳基)铂配合物(EP 0 122 008 A1；EP 0 561919 B1)、Pt(II)-β-二酮酯配合物(EP 0 398 701 B1)和(η5-环戊二烯基)三(σ-烷基)铂(IV)配合物(EP 0 146 307 B1、EP 0 358 452 B1、EP 0 561 893 B1)。特别优选考虑MeCpPtMe3和通过取代存在于铂上的基团而由其衍生的配合物，如例如在EP 1 050 538 B1和EP 1 803 728 B1中描述的。以UV/VIS诱导方式交联的打印材料可以配制成单组分或多组分形式。
UV/VIS-诱导的加成交联的速率取决于许多因素，特别地铂催化剂的性质和浓度、UV/VIS辐射的强度、波长和作用时间、透明度、反射率、层厚度和硅橡胶材料的组成以及温度。
优选以催化足够量使用铂催化剂，以便能够在室温下充分快速交联。优选的是，基于相对于整个硅橡胶材料的Pt金属的含量，使用以重量计为0.1至500ppm的催化剂，优选地以重量计为0.5至200ppm，更优选地以重量计为1至50ppm。
为了固化以UV/VIS诱导方式进行加成交联的硅橡胶材料，优选使用波长为240至500nm，进一步优选为250至400nm，更优选为350至400nm，特别优选为365nm的光。为了实现快速交联(其应被理解为意指在室温下交联时间小于20分钟，优选为小于10分钟，更优选为小于1分钟)，建议使用功率为10mW/cm2至20000mW/cm2，优选为30mW/cm2至15000mW/cm2且辐射剂量为150mJ/cm2至20 000mJ/cm2，优选为500mJ/cm2至10 000mJ/cm2的UV/VIS辐射源。在这些功率和剂量值的范围内，可以实现最大为2000s/cm2和最小为8ms/cm2之间的区域特定辐照时间。
优选地，所提出的方法可用于生产作为弹性体部件，尤其是硅酮弹性体部件的物体。为了生产弹性体部件，优选使用上面提出的打印材料之一。弹性体，特别是硅酮弹性体，对3D打印过程提出了特殊要求，因为例如与热塑性塑料相比，这些材料是弹性的并且可以在制造物体期间变形。此外，未交联的材料是自由流动的直到它们被固化。
本发明还涉及由所提出的方法生产的弹性体部件，特别是硅酮弹性体部件。优选使用上述打印材料之一来构造弹性体部件。通过所提出的方法生产的弹性体部件的品质值得注意，其可相当于或甚至超过通过注塑成型生产的弹性体部件的质量。同时，可以根据需要调整表面。例如，表面可被结构化，尤其是给定规则结构，或者可以是光滑的和/或完全连续的。根据本发明生产的弹性体部件，由于再次打印错误地未放置的打印材料，也没有任何滞留的空气或气泡。因此，可以生产具有可靠物理性能的可机械应力的物体，其也适用于例如医疗应用。例如，在光学透镜的情况下可以确保弹性或光滑性，或各向同性的光学透明性。此外，弹性体部件的特征在于其几何形状不受用于铸造方法的模具限制。因此，弹性体部件可以具有咬边(undercut)和/或封闭的空腔。弹性体部件同样没有在注塑成型部件中出现的毛刺(burr)，特别是在半模(mold halves)分离处和浇道系统(runner system)处。
在一个实施方案中，打印头的位置由位置测量恒定地确定，并且打印材料根据打印头的恒定地确定的位置通过排出装置放置。更具体地，确立了打印头相对于基板的相对位置并由此确立了相对于待制造的物体的位置。优选地，为此目的，针对三个空间方向X、Y和Z中的每一个确定位置。至少针对处于与基板平行的平面中的那些空间方向来确定位置。在考虑确定的实际位置并且不考虑假定的目标位置的各个情况下，通过排出装置排出打印材料。
例如，如果物体的生产中断，则打印头位置的恒定确定是有利的。例如，为了清洁所使用的排放装置，这种中断可能是必需的。为此目的，打印头可以被带到从已经部分形成的物体移开的安全位置，在那里它可以被清洁。在清洁中打印头位置的任何变化，例如通过在清洁过程中传输到打印头的力，如同以前一样恒定地确定，并在再次继续打印操作时予以考虑。清洁间隔优选是可编程的，使得可以根据所处理的打印材料调整它们。
中断的另一个原因可能是触发安全装置。打印头是移动部件，并且如果例如他/她的手靠近移动部件，则存在3D打印装置的使用者受伤的风险。因此，在现有技术中，通常使用紧急关闭开关，其停止对使用的定位单元的供电。由于打印头的惯性或者由于外力被施加到打印头上，即使在电源已经停止之后它也可以继续移动，并且因此其实际位置可以与最后已知的目标位置不同。有利的是，位置测量单元的操作继续，使得即使当紧急关闭开关被触发时，打印头的位置仍然被连续地确定。为此目的，优选的情况是，将用于位置测量单元的电源与定位单元的电源分离。这能够实现无缝地继续生产物体，这是因为在定位单元的供电恢复之后，打印头被引导回到其目标位置。因此，有利的是，可以完成和保存尤其是复杂或昂贵的3D物体，否则这些3D物体在紧急切断后会被拒绝(reject)。
持续确定打印头实际位置的另一个优点是可以识别未能达到规定位置。当确定的打印头的实际位置相差超过给定容差时，认为未达到定义的目标位置。这例如可以是固定的，例如在0.1mm至0.5mm的范围内。同样可想象的是，例如基于几乎球形的体素的直径或串的直径来限定与体素或串的大小有关的容差。例如，当测量的位置在限定的时间段内的任何时间在容差范围内不与目标位置相对应时，可以认为“未到达”位置。例如，将尚未达到的位置传回(communicate back)控制单元，然后进一步处理该信息，例如记录并用于控制打印操作的其余部分。
在本发明的另一优选的实施方案中，除了所述的利用所获得的关于打印材料的几何形状的信息来确定错误地未放置的打印材料之外，这些错误地未放置的打印材料也可以通过位置的恒定测量来确定。如果没有通过打印头达到定义的位置，则打印材料不可能按预期排出到定义的位置。这同样表现为在物体中错误地未放置的打印材料。如果以这种方式识别错误地未放置的打印材料，则优选地将其与应放置打印材料的位置一起记录。为了再次打印未放置的打印材料，将打印头移回到记录位置，并且如已经描述的，优选在固化打印材料之前重复排出。
3D打印方法
为了使用排出的打印材料构造物体，根据定义的方案将打印材料沉积在基板上，形成第一材料层。例如，在形成第一材料层之后，排出装置和基板之间的距离增加并且部署下一材料层。接下来是其他材料层，根据定义的方案沉积每个材料层，直到已完成期望的物体。
根据从模板得到的方案施加打印材料。通常使用CAD(计算机辅助设计)软件设计该模板，或者通过对制品的三维扫描来创建。为了得到用于材料排出的方案，软件通常计算模板的水平截面，这些部分中的每个对应材料层。随后，计算如何将打印材料定位在相应的层中。这里要考虑的是打印材料是否以体素形式，以串形式，或以体素和串的组合形式排出。
如果适当，也可以在得到该方案时放置支撑材料。由于打印材料不能自由浮动地放置在空间中，因此当待制造的物体具有空腔、咬边、悬垂件、自支撑或薄壁部件时，可能需要放置支撑材料。支撑材料在打印过程中填充空腔并且用作基底(basis)或支架(scaffold)以便能够在其上放置和固化打印材料。在打印过程结束后，再次移开支撑材料并清除物体的空腔、咬边和悬垂件、自支撑或薄壁部件。通常，所使用的支撑材料是与打印材料的材料不同的材料。根据物体的几何形状，计算支撑材料的必要形状。在计算支撑材料的形状时，可以使用各种策略以例如使用最小量的支撑材料或增加产品的规模真实性(trueness to scale)。优选在几何上测量排出的支撑材料，就像上述的其他打印材料一样。为此目的，可以提供单独的装置。
在得到来自水平截面的材料排出的方案时，可以使用各种运动策略，其中运动策略的选择也可以影响所生产物体的性质。在以体素形式排出的情况下，可以使用例如，双运动策略，Xing(“交叉”)运动策略或边界运动策略。
在双运动策略(dual movement strategy)中，打印头在相对于基板的选定的主打印方向上逐行地来回移动，并且打印材料逐行投放。在每行之后，打印头以与打印行成直角的方式进一步移动一行宽度，然后重复打印材料的排出。该过程类似于常规喷墨打印机的打印。
Xing运动策略(xing movement strategy)非常实质性地对应于双运动策略。与双运动策略相反，主打印方向在每个或在每第n个材料层之后(其中n是自然数)被旋转90°。这导致更精确地符合物体的尺寸稳定性，因为材料层的旋转确保了打印材料的均匀分布。
双运动策略以及xing运动策略的优点在于例如，可以实现物体边缘的高精度。
在边界运动策略(border movement strategy)中，对于每个材料层，首先产生物体的外周边，随后例如通过双运动策略或xing运动策略填充封闭区域。在边界运动策略中，待打印的层的外周边可以用比待打印的层的内部或物体的内部体积更高的分辨率的更小的体素来生成。在待生产的物体的内部，可以使用较大的体素进行填充，而没有对几何尺寸的准确性或待生产的物体的表面质量具有任何影响的相关的较低分辨率。
所提到的运动策略是基本模式。如果看起来合适，则也可以在同一个物体的范围内组合和变化它们。不同运动策略之间的混合形式也是可以想象的。
如果打印材料采用体素的形式，则除了选择运动策略之外，还可以在创建材料排放方案时包含体素偏移量(voxel offset)。在这种情况下，体素不是以层内的正交图案刚性对齐，而是可以彼此偏移放置。例如，在近似球形体素的情况下，每个第二线可以被放置偏移半个体素直径。与正交网格相比，这可以减少线路分离。体素放置得更密集，并且表面质量有所提高。体素的偏移可以降低边缘清晰度(edge sharpness)。
对于体素在材料层的平面中的偏移放置另外地或可替代地，可以设置彼此偏移的两个邻近平面的体素。
如果排出装置已被设置为放置不同尺寸的体素，则尤其在物体边缘的区域中可以另外改变放置的打印材料的尺寸以实现更高的边缘清晰度。优选地，选择放置体素的位置及其尺寸使得物体的边缘以最大精确度(maximum exactness)被再次产生。例如，在边缘的区域中，定位多个较小的体素而不是单个体素。结果，可实现的边缘清晰度和/或表面质量得到提高。
通过适当选择在放置打印材料中所用的参数，尤其是排出装置的参数，可以影响待制造的物体的性能。可以被影响的物体的属性的实例是边缘清晰度、表面质量和尺寸稳定性。在打印开始之前，通过配置排出装置来确定待制造的物体的性质。
边缘清晰度(Edge sharpness)被理解为意指属于其中待放置打印材料的物体的区域相对于其中没有放置打印材料的物体外部的区域的划界的清晰度(sharpness of thedelimitation)。过渡越突然，边缘清晰度越高。典型地，当体素的大小或串的直径减小时，边缘清晰度得到改善。相反，当体素的大小或串的直径增加时，边缘清晰度下降。
表面质量(surface quality)被理解为意指表面的光滑度。高质量的表面是连续且平滑，没有凹陷和凸起(bulge)，例如表面粗糙度Ra<0.4μm。理想地例如，通过注塑成型来实现这种表面。
尺寸稳定性(dimensional stability)被理解为意指物体的几何尺寸的标度的真实性(trueness to scale)，即它们与模板的尺寸仅具有很小的偏差(如果有的话)。
在本发明的上下文中，在打印过程中一些喷射或分配器操作参数也可以变化，例如在每种情况下在一个或多个材料层之后或者甚至从体素到体素、从串到串、从体素到串或从串到体素，例如甚至取决于已经放置的体素和串的已知实际位置，这能够重新调整待制造的物体的性质。
优选地，在体素形式的打印材料的情况下，通过调整体素大小来设置或重新调整物体的边缘清晰度和/或通过调整体素偏移来设置物体的表面质量和/或通过调整3D打印装置的移动策略来设定尺寸稳定性。可以通过配置喷射参数来改变体素大小。
优选地，在串形式的打印材料的情况下，通过调节体积流量来设置或重新调整物体的边缘清晰度和表面质量，和/或通过调整排出装置的运动策略来设置尺寸稳定性。可以通过配置分配器参数而如所述地变化体积流量。
体积流量(volume flow rate)是指每单位时间排出的打印材料的体积。在串的放置中，在相对于基板或物体的排出串期间，打印头与排出装置一起移动。放置在基板或物体上的串的形状取决于体积流量和打印头的瞬时速度，以及与基板的距离，或者在另外的实施方案中取决于喷嘴进入最后层的穿透深度。为了放置确定数量的打印材料，使体积流率与瞬时速度相匹配以使所放置的串的形状对应于期望的形状是有利的。
瞬时速度可以例如从打印头的恒定确定的位置计算，其中打印头的位置在两个接合点(juncture)处确定，并且形成确定的位置之间的差异并除以两个接合点之间经过的时间。
为了实施固化，使用固化策略。优选地，打印材料的固化遵循放置一层打印材料或放置多层打印材料，或者在打印过程中直接进行。
在打印过程中直接固化打印材料被称为直接固化策略。如果使用通过UV/VIS辐射可固化的打印材料，与其他固化策略相比，UV/VIS源在很长一段时间内都具有活性，因此可以非常低的强度工作，这导致更慢地交联通过物体。这限制了物体的加热并导致标度真实的物体，这是因为由于温度峰值不会引起物体的膨胀。
在每层固化策略中，放置每个完整材料层之后是放置的材料层的辐射诱导交联。在该操作过程中，新打印的层与下面的固化打印层结合。在放置打印材料之后不立即进行固化，因此打印材料在固化之前有时间松弛。由此意味着打印材料可以彼此合并，与直接固化策略相比，这实现更光滑的表面。
在第n层固化策略中，除了仅在放置n个材料层(其中n是自然数)之后进行固化之外，该过程类似于每层固化策略中的过程。可用于松弛打印材料的时间进一步增加，这进一步改善了表面质量。然而，由于打印材料的流动，可以实现边缘清晰度的降低。
在一个优选的实施方案中，固化策略与再次打印未放置的打印材料相匹配。例如，在通过每层固化策略或第n层固化策略实现放置的材料层的交联之前，在每种情况下打印材料层之后是再次打印错误地未放置的打印材料。
3D打印装置
本发明的另一方面是提供通过3D打印方法用于制造物体的3D打印装置。3D打印装置具有至少一个打印头，所述至少一个打印头具有至少一个排出装置，其中所述排出装置具有控制单元以将打印材料放置在目标位置处以增材制造物体。
3D打印装置被设计和/或设置为执行本文描述的方法之一。因此，针对3D打印装置相应地公开了在所述方法的上下文中描述的特征，并且相反地，针对该方法相应地公开了在3D打印装置的上下文中描述的特征。
根据本发明，3D打印装置具有至少一个光学测量单元，其被布置和设置成使得可以在排出装置的区域中几何地测量从排出装置排出的打印材料。
光学测量装置可以是照相机。优选地，在照相机的帮助下，在体素打印的情况下，在喷射频率的数量级下成像是可能的。更具体地，可使用高速照相机，利用适当的图像处理软件评估图像。
可替代地并且优选地，光学测量单元包括具有光学发射器和光学接收器的光栅(light barrier)。此处优选使用减光的激光测微计(light-reduced laser micrometer)。
在一个优选的实施方案中，通过在打印头的移动轴线上的合适的夹持器(holder)设置发射器和接收器。可替代地，直接固定在打印头上或排出装置上是可能的。可将光学测量装置安装在距排出装置的出口开口固定的距离处或者通过可调节的夹持器以可变的距离安装。
在另外的实施方案中，光学测量装置包括至少一个光纤。在每种情况下，通常为发射器和接收器中的每一个提供一个光纤。在反射光操作中，可能只有单根光纤连接到排出装置的情况，在这种情况下使用发射器/接收器单元。
光纤优选地布置成使得其光出射面积(light exit area)集成到排出装置中或者借助于附件固定到排出装置，使得出射光束(exiting light beam)如激光束直接集成在排出装置的出口处或液滴或串通道中。在该实施方案中，可以独立于3D打印装置中的打印头而布置发射器和接收器。该变体的优点在于，光纤可被设置在离液滴非常小的距离处，或者以零距离设置在整合变体中，使得光束暴露于较小水平的外部影响，例如在周围飞行的颗粒。进一步有利的是，不必在打印头上或在移动轴上设置重型部件(heavy component)，其在3D打印期间也必须被加速。
在优选的实施方案中，至少一个重量传感器被分配给基板。例如，可在基板的接触点处以电子方式测量重量。重量传感器可以不断地确定和记录打印物体的质量或质量增加。即使单个打印体素的质量也可以通过测量基板上的打印体重量的增加来确定。结合已离开的打印材料的液滴识别和监测，可以实现识别打印材料的任何异物污染。如果检测到异物污染，则相应地生成并执行自动消息或动作。
如果在基板上检测到重量突然增加，例如在特定重量限制如1kg以上，则打印过程可能立即中断。这是在未经授权侵入(encroachment)到打印区域的情况下的人员保护措施。打印头在此处不再移动，并发出报警消息。
在一个优选的实施方案中，3D打印装置还具有位置测量单元，通过该位置测量单元可以恒定地确定打印头的位置，其中位置测量单元被连接到排出装置的控制单元，并且其中排出装置被设置为根据打印头的恒定确定的位置放置打印材料。
3D打印装置进一步包括基板，通过从打印头的排出装置排出打印材料而在其上构建物体。此处的基板和打印头相对于彼此移动，在所有三个空间方向X、Y和Z上可以进行相对运动。为此目的，例如，打印头可被布置成使得它可以在X和Y方向上移动，并且基板可被布置成使得它可以在Z方向上移动。此处还可以设想其他配置；例如，基板可被布置成可在Y方向上移动，并且打印头可被布置成可在X和Z方向上移动。可替代地或另外地，基板和/或打印头可被配置成可枢转的，使得任何期望的空间布置都是可能的。
可为3D打印装置中的各种打印材料提供多个排出装置，包括技术上不同的那些排出装置。
各个排出装置具有排出轴线，其限定了其中从排出装置排出材料的方向。通常，排放轴线相对于基板定向，使得其与基板成直角。可选地，3D打印装置可被配置成使得排出轴线的对齐也可以相对于基板改变。
为了释放单独的液滴，排出装置可以包括一个或多个喷嘴，其类似于喷墨打印机的喷嘴的方式在基板的方向上喷射打印材料的液滴。因此，这些喷嘴也被称为喷射喷嘴。各种实施方案是本领域技术人员已知的。喷射喷嘴被设置成使得它们仅在需要时以受控的方式释放液滴。在喷射喷嘴的优选实施方案中，在排出打印材料时，可能影响液滴的体积，使得可以产生不同尺寸的液滴。
可以在喷射喷嘴中提供例如加热元件，使用其加热打印材料，并且产生的蒸汽气泡的液滴被驱出喷射喷嘴；这被称为气泡喷射(bubblejet)。
另一个选择是压电元件的布置，该压电元件由于电压而变形，并且因此可以从喷射喷嘴喷射液滴。这种类型的喷墨打印方法原则上对于本领域技术人员来说可从传统打印和从所谓的3D打印已知，其中三维制品由可光聚合的油墨一层一层地构建。用于喷墨打印或多喷射3D打印的这类打印头通常可以施加低粘度打印油墨或打印材料，例如粘度低于50mPa·s的那些。
在本发明的方法中的打印头中，优选使用基于具有压电元件的喷射阀的排出装置。这些能实现排出低粘度材料(其中可以获得几皮升(pL)(2pL对应于约0.035μm的液滴直径)的液滴的液滴体积)，和中等和高粘度材料(例如硅橡胶材料，其中优选的是喷嘴直径为50至500μm的压电打印头，并且可以产生纳升范围(从1到100nL)的液滴体积)。对于低粘度材料(<100mPa·s)，这些打印头可以非常高的剂量频率(约1-30kHz)沉积液滴，而对于粘度较高的材料(>100Pa·s)，取决于流变学性质(剪切变稀特性)，可以实现最高达约500Hz的剂量频率。例如在DE 10 2011108 799A1中描述了合适的喷射喷嘴。
为了释放打印材料的串，通过例如从卡座(cartridge)、注射器或桶(vat)对储存器容器加压并且选择性地沉积在基板上以形成物体，通过喷嘴打印材料被表示为串。这种排出装置在本说明书的上下文中被称为分配器。压力可以例如，通过气压或通过机械装置，例如通过小型挤出机，通过活塞泵或通过偏心螺杆来建立。各种实施方案是本领域技术人员已知的。
排出装置具有控制单元。控制单元控制通过排出装置放置的打印材料。为了放置打印材料，控制单元可以利用由该方案得到的目标位置并且优选地附加地恒定确定的实际位置，并且进一步优选地还附加地另外的输入参数，例如打印头的当前速度。控制单元可以例如，包括连接到位置测量单元和排出装置的微控制器。控制单元可以作为单独的单元执行，或者与3D打印装置的机器控制系统组合执行。机器控制系统可同样地包括微控制器，在这种情况下，其连接到定位单元。
定位单元设置成将打印头相对于基板定位，其中相对位置至少沿着三个空间轴X、Y和Z可调节，并且还可能是可旋转的。定位单元包括至少一个电机，典型地具有为每个可调节空间轴设置的至少一个单独的电机。例如，电动机被执行为电动电机，特别是步进电机(stepper motor)。
排出装置具有通过控制单元或分配器致动的喷射喷嘴。在一个实施方案中，3D打印装置具有配置为分配给打印头的多个排出装置。此处的打印头可以具有多个不同的排出装置，例如一个或多个喷射喷嘴和一个或多个分配器。在这种情况下，例如可通过分配器将打印材料快速放置在物体的内部，并且可以用喷射喷嘴高质量地制造物体的表面。可替代地，可以想象的是，打印头包括多个等效的排出装置。以这种方式，例如，多个物体可以同时被增材制造，或者可在单个物体的构造上并行地与多个排出装置一起工作。在这两种情况下，整体所需的打印时间缩短。
在喷射(作为喷射装置新型的)的情况下，控制单元限定喷射喷嘴何时排出体素。此外，控制单元可以限定体素的大小。
在分配器(作为排出装置)的情况下，控制单元限定分配器何时开始排出串形式的打印材料并且排出何时结束。此外，体积流量(即在什么时间内排出多少打印材料)，可由控制单元限定。
如果使用支撑材料，打印头可具有用于支撑材料的一个或多个另外的排出装置。可替代地或另外地，也可提供具有合适的排出装置的另外的打印头用于支撑材料的排出。
位置测量单元被设置为恒定地确定打印头的位置。为此目的，位置测量单元可以限定的速率对打印头的位置进行测量并将它们传送到控制单元。
位置测量单元优选地被设置为参照可由定位单元调节的每个轴或空间方向进行位置测量。
至少设置位置测量单元以确定打印头在平行于基板的平面内的位置。它优选被设置为确定打印头在空间中的位置。
位置测量单元优选地在电机、旋转编码器、光学尺(optical scale)，特别是玻璃尺(glass scale)、GPS传感器、雷达传感器、超声波传感器、LIDAR传感器和/或至少一个光栅中具有至少一个步进计数器(step counter)。电机中的步进计数器尤其可被配置为非接触开关(contactless switch)，例如磁传感器，特别是霍尔传感器(Hall sensor)。
3D打印装置优选地另外地具有包含待打印物体的模板或计算机模型的主控制器，其中主控制器和排出装置的控制单元被设置用于彼此双向通信。
例如，主控制器可以作为与控制单元通信的计算机执行，例如通过数据网络，例如以太网或WLAN，或者通过连接，例如串行连接或USB。
计算机模型可以任何数据格式记录在主控制器中。标准数据格式包括例如，STL、OBJ、CLI/SLC、PLY、VRML、AMF、STEP、IGES。在描述的方法的执行中，主控制器通过模型产生虚拟水平切片(virtual horizontal slice)(称为切片(slicing))。随后使用这些水平切片来计算方案，其说明打印材料必需如何定位以用于物体的增材构造。这里要考虑的是打印材料是否以体素形式，以串形式，或以体素和串的组合形式排出。如果物体的形状需要放置支撑材料，则主控制器优选地设置成也生成用于放置支撑材料的方案。也可以解耦的方式进行支撑材料的计算和放置。
在制造物体期间，主控制器和控制单元彼此通信，使得主控制器可根据检测到的离开的打印材料，尤其是根据检测到的错误地未放置的打印材料、打印头的确定的位置和可选的进一步确定的参数更新方案。主控制器可同样地接收关于发生的错误和/或关于错误地未放置的打印材料的消息，这可以相应地考虑。
打印头的位置直接反馈到主控制器使主控制器可以直接影响打印头的移动路径。例如，可以加速和减慢物体外部的打印头，使得打印头在其中放置打印材料的实际打印操作期间以相对于物体的恒定速度移动。特别是在高速下，因此可以避免或减少共振或振动，这导致物体的更高质量。物体外部的加速导致空转运行(idle run)中的死时间(deadtime)缩短，这减少了打印所需的时间，因此进而减少了每个物体的打印成本。
如果使用在UV/VIS下固化的打印材料，则3D打印装置优选具有UV/VIS源。在位置选择性曝光的情况下，UV/VIS源被布置成可相对于基板移动并且仅照亮物体的选定区域。在低区域曝光(low-area exposure)的情况下，在一个变型中，UV/VIS源被配置为使得整个物体或物体的整个材料层一次全部暴露。在一个优选的变体中，UV/VIS源被设计为使得其光强度或其能量可被可变地调节，并且UV/VIS源在任何时间仅暴露物体的子区域，可以以这种方式相对于物体移动UV/VIS源，即整个物体可以用UV/VIS光曝光，任选地以不同的强度。例如，为此目的，UV/VIS源被配置为UV/VIS LED条，并相对于物体或在打印物体上方移动。
优选地，3D打印装置还包括清洁站，其能够自动清洁打印头的排出装置。由于打印头位置的恒定确定，清洁也可以在物品的生产过程中进行。为此，中断打印并将打印头移至清洁站。在进行清洁操作之后，将打印头精确地引导至打印材料将要放置的下一个位置，并继续打印操作。
附图说明
附图示出了本发明的工作实例，尽管附图仅以示意形式示出了本发明的主题。在下文中参考附图示出和描述的工作实例不应被认为是对于本发明主题的限制。在权利要求的范围内可能的多种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
附图示出：
图1致动排出装置的方法的工作实例的示意图，
图2本发明的一个实施方案中的3D打印装置的示意性设置，
图3本发明的一个实施方案中的串排出和串测量的侧视图，
图4根据图3的串测量的顶视图，
图5本发明的一个实施方案中的液滴测量的侧视图，
图6本发明的一个实施方案中的布置在夹持器中的打印头和光学测量单元的侧视图，
图7本发明的一个实施方案中具有发射器和接收器的打印头的侧视图，
图8本发明的一个实施方案中具有发射器/接收器单元的打印头的侧视图。
具体实施方式
在以下对本发明的工作实例的描述中，相同或相似的组件和元件由相同或相似的参考标号(reference numeral)标识，在这种情况下，在各个情况下省略这些组件或元件的重复描述。
图1示出了本发明的方法的工作实例的过程的示意图。在主控制系统12中记录待制造的物体的模板。主控制系统12使用其来确定描述必须放置打印材料以产生物体的位置的方案。这些位点是目标位置。这些目标位置被传送到控制单元14。控制单元14连接到机器控制系统16。通过机器控制系统16，致动定位单元18以将打印头22移动到目标位置。可替代地，机器控制系统16可以具有与主控制系统12(未示出)的直接连接。
通过位置测量单元20来监控打印头22的移动。位置测量单元20和定位单元18/打印头22特别通过机械连接以这种方式彼此连接，即打印头22的位置的任何改变由位置测量单元20确定。位置测量单元20将所确定的打印头22的位置传送回到控制单元14。
打印头22包括排出装置24，排出装置24被设置成放置用于构造物体的打印材料。控制单元14连接到排出装置24并控制打印材料的排出。在这种情况下，控制单元14根据通过位置测量单元20恒定地确定的打印头22的位置来致动排出装置24。因此，考虑到实际确定的实际位置而放置打印材料，而不是例如在打印头22处于目标位置的假设下。
还是这种情况的是打印头22的确定位置也可以由控制单元14通过双向连接反馈回到主控制系统12。这使得主控制系统12处于根据所确定的打印材料已经放置的位置来计划进一步放置打印材料的位置。
此外，如所示，位置测量单元20可以附加地将打印头22的恒定确定的位置传送给机器控制系统16。在该方法的一个变体中，如果打印头22不能到达目标位置，后者可由于该反馈而产生错误消息并将其发送到控制单元14。同样可以实现闭合回路控制电路，从而以这种方式致动定位单元18，即使得由位置测量单元20确定的打印头22的位置与目标位置的偏差最小化。为此目的，打印头22的实际位置可以通过定位单元18不断地重新调整到目标位置，在本公开的上下文中，该定位单元18也被称为用于占据精确位置的重新调整。
图2示出了3D打印装置10的示意图。3D打印装置10包括主控制系统12，其包含用于待制造的物体40的模板并且连接至控制单元14。3D打印装置10进一步包括基板30，物体40通过放置打印材料42而增材地建造在基板30上。
为了放置打印材料42，所示实施例中的打印头22包括两个排出装置24。排出装置24作为喷射喷嘴28执行。喷射喷嘴28以单个液滴或体素44的形式放置打印材料42。另一个排出装置24被配置为分配器26并且将打印材料42以串46的形式放置。
在图2所示的实例中，喷射喷嘴28和分配器26都用于物体40的增材构造，通过使用喷射喷嘴28来放置形成物体40的表面的体素44以及使用分配器26以放置串46从而快速填充物体40的内部。
如果使用通过UV/VIS辐射的作用而固化的打印材料42，则优选提供UV/VIS光源。在图2的实施方案中，为此目的，提供了以位置选择性方式发射UV/VIS光的LED条34。为了能够用UV/VIS光覆盖基板30的区域，LED条34被设计成可移动的。在热固化打印材料42的情况下，作为替代，优选提供设置用于打印材料42的位置选择性加热的IR光源。为此目的，IR光源可以特别地固定到打印头22。可替代地，可加热空间可用于固化。
为了定位打印头22，即相对于基板30，3D打印装置10还包括三个定位单元18，其中这些定位单元18中的每一个能够在三个空间轴X、Y和Z之一上移动。为此目的，每个定位单元18都连接到可沿其实现运动的轴线32。在图2所示的工作实例中，为此目的，定位单元18中的一个被分配给基板30并且使得基板30能够在被指定为“Z”的空间方向上移动。两个另外的定位单元18被分配给打印头22并且使得打印头22能够在被指定为“X”和“Y”的空间方向上移动。所有三个定位单元18一起能够实现打印头22的定位或者在相对于基板30的三个空间方向中的任何一个上。定位单元18由机器控制系统16致动，其进而与控制单元14通信。
为了确定打印头22的位置，3D打印装置10具有三个位置测量单元20。位置测量单元20各自被分配给三个空间方向X、Y和Z中的一个，并且检测打印头22或基板30的移动，从而恒定地确定打印头22相对于基板30的相对位置。位置测量单元20连接到控制单元14。此外，可以提供与机器控制系统16的连接。
图3示出了本发明的一个实施方案中的串排出和串测量的侧视图，例如使用参考图2描述的3D打印装置10。
此处的排出装置24包括例如分配器26。分配器26将打印材料42以串46的形式沉积在基板30上。沉积的串46导致形成物体40的层49。分配器26布置在物体40上方的排出高度H处，在完成层49之后其再次被重新调整。
还示出了本发明的光学测量单元50，其在此处为光栅的形式。光学测量单元50包括彼此相对布置的发射器52和接收器54。发射器52发射由接收器54接收的光束56。测量在透射光操作中进行。接收器54接收由发射器52发射的光，其由于在打印材料42处的吸收和反射而以相应的比例减小。
光学测量单元50能够测量排出装置24的区域中的离开的串46。为此目的，光束56基本上垂直于排出装置24的排出轴线35定位。光束56的垂直布置允许在排出装置24的区域中几何地测量排出的串46的横截面。
还以示意形式示出了分配给基板30的重量传感器66。在基板30的接触点处以电子方式测量重量。重量传感器66可以恒定地确定和记录打印物体40的质量增加。
图4是根据图3的串测量的顶视图。
发射器52发射光束56，并且它由接收器54接收。存在于光束56中的串46在其后面产生阴影57。阴影57的尺寸取决于串46的几何形状，更具体地取决于所示工作实例中的串46的横截面积。示出了串46的两个横截面，即最佳圆柱形串横截面(optimallycylindrical strand cross section)58和变形串横截面(deformed strand crosssection)60。打印头22在打印过程中的移动导致串46变形，这例如在图3中显而易见。可替代地，在排出高度H太低的情况下产生串46的变形。通过测量阴影57或接收器54处的入射亮度，可以确定是否存在容许程度的变形。根据本发明，例如通过增加排出高度H或通过减慢打印速度来可选地校正这点。
将进行测量所使用的光束56的宽度b与串直径d匹配，使得相应的有意义的测量是可能的。
图5示出了本发明的一个实施方案中的液滴测量的侧视图。示出了例如由图2所示的3D打印装置10排出的液滴48。液滴的运动方向v由箭头表示。它基本上对应于排出轴线35，具有由于打印头22在打印过程中的移动而产生与其垂直的分量(component)。
液滴48包括球形部分45和尖端部分47。球形部分45被分配最大直径D。在出现串接时，尖端部分47被高度延伸。在飞行期间，即在其已经与喷射喷嘴28分离之后并且在其已经撞击基板30或物体40的已经打印的部分(在其上液滴48形成体素44)之前，液滴48穿过光束56。
所示出的光束56的横截面在本公开中也被称为测量窗口。它具有与最大直径D匹配的宽度b和高度h。在所示的工作实例中，光束56的宽度b被选择为略大于液滴48的直径。光束56的高度h被选择为光束56的宽度b的大约五分之一。所示的光束因此是有效的一维形式。尽管如此，至少可以确定接收器处的液滴几何形状，使得为了确定未放置的打印材料，可以检测光束56中的液滴48的存在并且可以检测串接。在替代实施方案中，针对光束56选择的高度h更大。
从图4和5中显而易见，通过在液滴48或串46周围布置多个发射器52和多个接收器54(例如，两个或三个发射器52和两个或三个接收器54)来确定液滴48或串46的横截面可能是有利的。以这种方式，偏差不仅可以在一维中检测，而且可以在二维或三维中检测，使得关于液滴48或者串46的旋转对称的结论是可能的。为了确定未放置的打印材料和串接，仅一个发射器52和一个接收器54是足够的，因为所有的事物是光束56中的打印材料42的存在和量。
图6示出了本发明的一个实施方案中的布置在夹持器62中的打印头22和光学测量单元50的侧视图，打印头被布置成可在移动轴线36上移动。在参考图2描述的3D打印装置10中，移动轴线36对应于其中示出的y轴线32。基板30可独立于Z轴上的打印头22移动。
光学测量单元50再次包括发射器52和接收器54，其被布置成使得它们可以测量已经离开排出装置24附近的打印材料42。发射器52和接收器54被固定在夹持器62上，夹持器62以固定的方式连接到移动轴线36。因此，如果打印头22与移动轴线36一起沿与移动轴线36成直角的轴线移动，则发射器52和接收器54也相应地移动。
图7示出了本发明的一个实施方案中具有发射器52和接收器54的打印头22的侧视图。借助于光纤64使发射器52和接收器54各自靠近排出装置24。测量在透射光操作中进行。与参照图6描述的实施方案相比，该实施方案的优点在于，发射器52和接收器54原则上可以位于3D打印装置10上的任何位置，并且在打印头22移动的情况下不一定需要携带(carryalong)。此处光纤64的光出射区域(light exit area)紧邻排出装置24的排出口；例如其被集成到排出装置24的液滴或串通道中，或者其借助于排出装置24上的附件(attachment)(未示出)被固定。
图8示出了本发明的一个实施方案中具有发射器/接收器单元68的打印头22的侧视图。光学测量单元50在此由发射器/接收器单元68形成并且包括接近排出装置24的单个光纤64。测量在反射光操作中进行。

Claims (16)

1.一种使用具有至少一个打印头(22)的3D打印装置(10)制造物体(40)的方法，所述打印头(22)具有至少一个排出装置(24)，其中所述排出装置(24)设置成将打印材料(42)放置在目标位置处从而增材制造所述物体(40)，
其特征在于，在所述打印材料(42)离开时或在所述打印材料(42)离开之后以及在放置所述打印材料(42)之前在所述排出装置(24)的区域中通过在透射光操作或反射光操作中的至少一个亮度测量来检测和/或几何测量离开所述排出装置(24)的打印材料(42)和/或支撑材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还通过重量传感器(66)测量离开所述排出装置(24)的打印材料(42)的重量，其中所述重量传感器(66)分配给在其上增材制造所述物体(40)的基板(30)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，离开所述排出装置(24)的打印材料(42)的所测量的几何形状以及如果合适的话，所测量的重量用于检测打印错误。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，离开所述排出装置(24)的打印材料(42)的所测量的几何形状以及如果合适的话，所测量的重量用于检测错误地未放置的打印材料(42)、异物进入和/或串接。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在固化的方法步骤之前重新打印所检测的错误地未放置的打印材料(42)。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于离开所述排出装置(24)的打印材料(42)的所测量的几何形状，触发所述打印头(22)的清洁和/或发出维护建议。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，借助于所述3D打印装置(10)的一个或多个操作参数，离开所述排出装置(24)的打印材料(42)的几何形状处于闭合回路控制下，所述操作参数从以下列表中选择：
所述打印头(22)的移动速度；
在其上增材制造所述物体(40)的基板(30)上方的排出高度；在排出装置(24)中占优势的物理压力，其中将所述打印材料(42)施用至所述排出装置(24)；
材料储存器中的物理供应压力；
以及在体素的情况下，打印频率、冲头前进速度、冲头回缩速度、喷射阀的打开时间、和冲头冲程，
以及在串的情况下，在线的末端处的流速、进料器速度和材料回缩特性。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述亮度测量包括评估随时间接收的信号与参考信号的比较，其中在3D打印装置(10)的校准中或者在所述物体(40)或所述物体(40)的层(49)的打印开始时记录参考信号。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体(40)是弹性体部件。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体(40)是硅酮弹性体部件。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过位置测量单元(20)恒定地确定所述打印头(22)的位置，并且根据所述打印头(22)的恒定地确定的位置通过所述排出装置(24)放置所述打印材料(42)。
12.一种通过3D打印方法制造物体(40)的3D打印装置(10)，所述3D打印装置(10)具有至少一个打印头(22)，所述打印头(22)具有至少一个排出装置(24)，其中所述排出装置(24)具有控制单元(14)以将打印材料(42)放置在目标位置处从而增材制造所述物体(40)，
其特征在于，所述3D打印装置(10)具有至少一个光学测量单元(50)，所述光学测量单元(50)布置和设置成在所述打印材料(42)离开时或在所述打印材料(42)离开之后以及在放置所述打印材料(42)之前可以在所述排出装置(24)的区域中通过在透射光操作或反射光操作中的至少一个亮度测量来检测和/或几何测量离开所述排出装置(24)的打印材料(42)。
13.根据权利要求12所述的3D打印装置(10)，其特征在于，在所述打印头(22)的移动轴线(36)上布置所述光学测量单元(50)。
14.根据权利要求12或13所述的3D打印装置(10)，其特征在于，所述光学测量单元(50)包括至少一个光纤(64)，所述光纤(64)的光出射区域集成到所述排出装置(24)中或通过附件固定在所述排出装置(24)上。
15.根据权利要求12或13所述的3D打印装置(10)，具有在其上增材制造所述物体(40)的至少一个基板(30)，以及分配给所述基板(30)的重量传感器(66)。
16.根据权利要求12或13所述的3D打印装置(10)，其中所述3D打印装置(10)具有位置测量单元(20)，借助于所述位置测量单元(20)可以恒定地确定所述打印头(22)的位置，
其中所述位置测量单元(20)连接到所述排出装置(24)的控制单元(14)，
以及其中所述排出装置(24)设置成作为所述打印头(22)的恒定确定位置的函数来放置所述打印材料(42)。
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