CN109070469B - 校准方法和构建单元 - Google Patents

Abstract

描述了一种校准平台的移动的方法，该方法包括：在校准运行中，引起平台的移动；在移动期间检测平台的多个位置；从所述多个位置得出移动模式；以及基于移动模式，确定对平台的移动的调整。

Description

校准方法和构建单元

背景技术

在增材制造技术中，例如使用所谓的三维(3D)打印机，通过添加连续的材料层以形成一系列横截面并且接合这些横截面以形成最终物体，从而构建三维物体。材料可以是粉末，例如塑料、金属或其它复合材料，并且材料可以熔合以形成最终形状。另一种增材制造技术可以形成粉末层，然后选择性地固化该层的一部分以形成物体的熔合/烧结横截面。

连续层可以形成在平台的顶部上，该平台在制造过程中竖直移动。通过增材制造产生的物体的质量可以根据许多参数而广泛变化，这些参数包括平台移动的推进精度。

附图说明

图1示出了构建单元的示例的示意图；

图2示出了构建单元的驱动机构的示例的示意图；

图3示出了校准工具的示例的示意图；

图4示出了图3的校准工具与构建单元的组合的示意图；

图5示出了与平台推进相关的测量数据的示例的示意图；

图6示出了与平台推进相关的校正项的示例的示意图；

图7示出了校准方法的示例的流程图；

图8示出了3D打印机的示例的示意图；和

图9示出了增材制造系统的替代示例的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于三维(3D)打印机(图1中未示出)的构建单元10的示意性截面图。构建单元10是粉末存储和输送系统的示例。然而，在以下描述中虽然参考粉末，但可以使用其它增材制造材料，并且在适当时，表述“粉末”意图也包括这些其它增材制造材料。

图1中所示的构建单元10的示例包括：粉末供应容器12，其用于容纳将在增材制造过程中使用的粉末；进料机构14，其用于将来自供应容器12的粉末移动到进料托盘16；和振动器系统18。在所考虑的示例中，粉末供应容器12布置在打印区下方。进料机构14可包括阿基米德螺杆，其用于将粉末从粉末供应容器12的底部提升到略低于打印区水平的进料托盘16。在一个示例中，振动器系统18可以包括偏心质量块，该偏心质量块高速旋转以产生振动，振动被传递到粉末供应容器12的底表面，以确保进料机构总是被供给粉末。在图1所示的示例中，进料托盘16每个都包括通道型轮廓，其在打印区的任一侧上、例如在打印方向上的打印区的前侧和后侧提供沉积区域。进料托盘16可以布置为略低于打印区水平，例如在打印区水平以下约40毫米，以不干扰重涂器系统移动(下面进一步解释)。进料托盘16可以收集由进料机构14提供的粉末和从先前层的沉积留下的回收粉末。

构建单元10还包括构建平台20，构建平台20可以是金属基底，在增材制造过程中，连续的粉末层沉积在该金属基底上。通常在对先前层应用熔融能量之后，在先前层的顶部构建新层。在增材制造过程中，构建平台以对应于层厚度的限定增量步进地向下移动，以形成用于下一层粉末的空间。层厚度的实例可以在0.02至0.4mm的范围内，例如约0.05mm、约0.1mm或约0.2mm。构建平台的向下移动越精确，则层厚度越恒定和可靠，从而产生最终3D物体的改进质量。随着3D物体的分辨率和质量的要求增加，对构建平台20的推进(也称为“层推进”)的准确性的要求增加，从而推进平台所允许的容差减小。例如，假设层厚度为0.1mm，则层推进精度应在+/-0.005mm的范围内。如果精度超出此范围，则在某些情况下，存在热泄漏和其它伪影的风险，这些会不利地影响到制造的物体的准确性和机械性能。

构建单元或者与构建单元结合使用的打印机还包括重涂器系统22，其将粉末分布整个构建平台20上。重涂器系统22与叶片24配合以将粉末散布在打印台板20上。叶片24可以从进料托盘16的底部收集粉末，其中叶片的最大移动角度可以用作关于进料托盘16中存在的粉末量的反馈指示。该信息可以用于驱动进料机构14，以向进料托盘16供应另外的粉末。沉入粉末中的叶片24向上旋转，以将粉末棱柱(prism)提升到进给位置。此外，包括辊的重涂器系统22将粉末从叶片24推到构建平台20。在所示的示例中，重涂器系统是载有反向旋转辊的滑动托架。辊将粉末层系推到构建平台20上。当托架移动时，由辊推动的粉末层系逐渐减小。这样，粉末层可沉积在构建平台20或先前粉末层的顶部上，以形成具有预定厚度(例如0.1mm)的新粉末层。

图1中所示的构建单元10还包括驱动机构26，其可包括马达28和齿轮单元30。马达28可以是直流驱动马达，例如永磁步进马达。更具体地，马达28可以是伺服马达，例如允许控制角度位置或线性位置、速度和加速度的旋转致动器或线性致动器。它是一种包括用于位置反馈的传感器或编码器的电马达。齿轮单元30可包括减速齿轮、多级齿轮、行星齿轮或其组合。驱动机构26连接到导螺杆(图1中未示出)，导螺杆经由齿轮单元30将马达旋转传递到构建平台22。编码器和/或传感器(图1中未示出)，例如光学传感器，可以联接到马达28、齿轮单元30或导螺杆34的输出轴，以监测导螺杆34的旋转。作为替代，可以在马达、齿轮单元和导螺杆中的两个或多个上设置两个或多个编码器或传感器。传感系统可用于检测导螺杆34的每一个整转。

导螺杆34由支撑构建平台20的引导结构32围绕。

构建单元10的操作可以由控制器40控制，控制器40可以向构建单元10提供驱动信号和控制信号，用于控制进料机构14、振动器系统18、重涂器系统22和叶片24，并且驱动机构26使构建平台20向上和向下移动。控制器40可以设置在构建单元10内或外部。在一个示例中，控制器40可以包括微处理器、存储器和用于与构建单元和其它设备(例如，与关联的打印机、控制站等)通信的接口。控制器40还可包括专用的马达驱动器。

图2示出了根据一个示例的驱动机构26的进一步细节。在图2中，使用与图1中相同的附图标记，马达总体上以28示出，并且齿轮单元以30示出。图2还示出了由马达28经由齿轮单元驱动的导螺杆34。图2还示出了控制器40，控制器包括微处理器42、存储器44和马达驱动器46。马达驱动器46联接到马达34以控制其旋转。齿轮单元30包括用于检测与导螺杆34连接的最终齿轮级的旋转的传感器48。导螺杆34在导向结构32中被引导，并且使得构造平台22在导螺杆旋转时竖直移动。驱动导螺杆34的齿轮单元30可以包括在导螺杆或最终齿轮级的每次整转时可以由传感器检测到的特征。传感器可用于对导螺杆的旋转或回转分度。传感器48可以实现为光学传感器。传感器48联接到控制器40。马达28可包括附加的旋转编码器和用于控制马达操作的任何其它传感设备，例如霍尔传感器等。

构建平台移动或层推进的准确性的改进直接提高了制造的3D物体的精度。提高层推进的准确性允许制造具有更好的尺寸公差和更好的机械性能的3D物体，因为所制造的物体具有改善的匀质性。驱动机构的机械部件(包括导螺杆)受制造公差的影响。由于这些机械公差，例如导螺杆和/或齿轮单元的机械跳动、马达以恒定增量的旋转将不总是导致构建平台以恒定增量的层推进。结果，驱动马达以对应于相等旋转角度的一系列步进进行旋转将不总是导致以恒定增量的层推进。例如，导螺杆的机械跳动可导致构建平台的竖直移动的增量节距的正弦变化。由于这种正弦误差本质上是重复性的，因此它们可以通过肉眼容易地观察到，且因此降低了制造的物体的质量。这种正弦误差不仅导致制造的物体的尺寸误差，而且还导致外观误差和感觉误差。如果可以补偿这些误差，则可以在公差和所需精度方面放宽与平台传动装置相关的部件(例如，齿轮单元和导螺杆)的制造和组装。因此可以降低平台传动装置的制造和组装的成本和时间。

本公开提供了一种校准构建平台的移动的系统和方法以及基于校准结果操作的构建单元。校准构建平台的移动改善了制造的物体的尺寸公差和其匀质性。用于校准构建单元中的构建平台的竖直移动的系统的示例可以包括：用于接收构建单元的结构；接触构建平台的引导件，所述引导件由该结构支撑；至少一个传感器；控制传感器的处理器，其中处理器和至少一个传感器布置用以在构建平台的移动期间确定构建平台的多个竖直位置；从所确定的多个竖直位置得出移动模式；并且基于移动模式确定移动校正项。处理器和所述至少一个传感器可以被布置用以：当构建平台接近构建平台的顶层时，确定第一组竖直位置中的至少两个；当构建平台靠近构建平台的底层时，确定第二组竖直位置中的至少两个；以及当构建平台靠近构建平台的中间层时，确定第三组竖直位置中的至少两个。它们还可以被布置用以依据至少两组竖直位置确定移动模式并且从中确定校正项，其中校正项用于在构建平台的整个竖直移动范围内调整构建平台的竖直移动。

校准工具50的更具体示例在图3和4中示出。校准工具50的功能是测量构建平台20在平台的一个或多个点处的位置和/或移动。在校准工具的一个示例中，平台位置和/或移动的测量可以是具有高精度的直接测量，例如精度在0.01-0.001mm的范围内，更具体为约0.003mm或约0.004mm或约0.005mm。位置测量和/或移动测量的精度可以与层推进的增量节距相关。精度应该足够好以检测相对于标称层推进增量小于增量节距的10％或小于增量节距的5％或甚至小于增量节距的4％的偏差。例如，如果层推进的节距为0.1mm，则校准工具的精度应为0.005mm或更小，例如是0.003mm或0.004mm。

图3和4中所示的校准工具50的示例包括用于支撑线性引导件54的工具结构52，引导件支撑和引导接触位移传感器56。在所示的示例中，如图4所示，接触位移传感器关联于滑动单元58，一旦构建单元10插入校准工具50中，则滑动单元58就会抵靠构建平台的顶表面。线性引导件54引导并接触滑动单元58，滑动单元58在其竖直移动期间抵靠在构建平台20上，其中不施加力或基本上不施加力，而是施加重力。传感器56可以是光学传感器，并且可以包括光学线性编码器，其可以测量与层推进相对应的、构建平台的步进竖直移动。传感器56的输出信号被馈送到控制器60或其它数据处理单元。控制器60还可以例如通过触发和控制传感器56的操作来控制校准工具50的操作。在所示的示例中，控制器60包括微处理器和存储器。

在图4的图中，示出了构建单元10插入校准工具50中，其中包括传感器56的滑动单元58抵靠构建平台(在图4中不可见)。

一旦构建单元10或粉末输送系统放置在校准工具50内，则工具就可以测量构建平台的通过一组层增量或移动增量的层推进。理论上，如果所有机械部件都是完美的，那么层推进应该没有误差，并且层推进增量应该是逐层恒定。然而，由于若干潜在的误差源(errorcontributor)，由传感器56检测并描述构建平台的竖直移动的信号可具有正弦分量。这种“误差源”的例子是马达和导螺杆之间的机械跳动，这可能是由导螺杆这样的机械跳动、齿轮单元的机械跳动或马达轴对齿轮单元的机械跳动、导螺杆对其螺母的机械跳动、导螺杆对其轴承的机械跳动、轴承对轴承壳体的机械跳动或者导螺杆与螺母之间的垂直度误差造成。

图5示出了当测量尚未校准的构建单元的层推进增量时，由接触位移传感器56获得的测量结果的示例。在没有校准的情况下，构建单元的控制器40将驱动马达28以通过相等步长旋转，其中每个步进对应于马达的轴的限定的旋转角度输出。假设构建单元的驱动机构受到一个或多个机械误差的影响，如上所述，则这些可重复的机械误差将导致具有可重复分量的层推进增量的误差，该可重复分量通常可由正弦项来描述。该正弦项可以通过回归算法(例如最小二乘算法(LSQ)或任何其它类似方法)从测量结果得出。

更详细地，图5示出了位移误差(以微米计)的测量值，即与一系列298层推进的标称层推进增量的偏差。图5中的实线表示每层的单独测量值，其中，如上所述，图5未示出绝对层推进增量但是与标称层推进增量的偏差，例如0.1mm。图5中绘制的虚线正弦波曲线是使用LSQ方法从测量得出的。正弦波反映了位移误差的良好近似值，可用于补偿所述误差。更具体地，由马达驱动器46提供给马达28的驱动信号可以使用描述以对应于标称层推进(例如100μm)的旋转角度增量来驱动马达28的所述正弦波的项减去在关于图5所示的回归算法期间针对各个层计算的幅值和相位的正弦来校准。在图6中示出了由马达驱动器46最终施加以产生校准的层推进的正弦信号的示例。从测量数据得出的正弦波近似值可以在校准工具50的控制器60中计算，并且可以提供给构建单元10的控制器40以用于得出校准的马达驱动器信号。替代地或另外地，可以为每个层推进增量确定校准值。

假设层推进中的误差主要由导螺杆34的机械跳动引起，则使用马达28的旋转编码器/传感器以及在导螺杆34处或在齿轮单元30的输出处的光学传感器或编码器48(其检测每个导螺杆旋转)，将由马达驱动器46与导螺杆34同相地施加补偿的正弦信号。两个传感器都可用于确定导螺杆34的绝对当前角位置和构建平台的当前竖直位置。除了马达28的编码器/传感器之外，传感器或读取器48还用于检测导螺杆34的参考角位置，例如0°。例如，传感器或读取器可以是光学或机械的传感器或读取器。校准的层推进马达驱动器信号可以至少部分地补偿由校准工具50测量的层推进误差。更具体地，当基于校准的层推进增量控制马达28时，层推进误差可以降低到可接受的水平。例如，低于标称层推进增量的10％、5％、4％或甚至3％。

用于校准层推进增量的正弦项可以以函数项或查找表(LUT)(例如，如在校准运行期间确定的)的形式存储在控制器40的存储器44中。正弦校正项可用下式表示：P_err(x)＝A·sin(Θx+alpha)，其中P_err是可用作校正项的校准误差，A是从测量结构得到的正弦波的振幅，并且Θ是与对应于层推进增量的导螺杆角度成比例的常数，x是层数，并且alpha是正弦(sinus)的相位的常数。如果附加的机械部件对层推进的精度有实质性影响，则可以修改校正项；例如，它可以包括附加的常数项和/或正弦项或余弦项。

现在参考图7描述用于校准构建单元的构建平台的移动的方法的示例。构建平台的移动的校准在校准运行中执行，其中校准运行可以在例如制造构建单元或使用校准工具20获得构建单元的服务时进行，如图3和4所示。在校准运行期间，当构建单元处于校准工具中时，引起构建平台20的移动，使得构建平台20以步进方式、对应于标称层推进增量地竖直移动；参见框72。标称层推进增量的一个示例是0.1mm。在每个步进之后，停止构建平台20，并且通过接触位移传感器56检测构建平台的竖直位置；参见框74。构建平台的移动及位置检测或测量被多次重复。

尽管可以检测构建平台的与构建平台的推进位置的整个范围相对应的所有竖直位置，但是取决于构建平台所覆盖的竖直距离和层推进的数量，检测和处理所有的层推进位置可能消耗大量时间，例如5到8小时。在这方面，应该注意，校准运行通常在构建平台的最低速度下执行，以确保高的位置和检测精度。因此，代替在可能层推进位置的整个范围内测量平台位置，也可以基于测量构建平台的层推进位置的一个或多个限定的子集来执行校准。例如，可以确定接近构建平台的顶部位置的层推进增量的子集、接近构建平台的底部位置的层推进增量的子集以及接近构建平台的中间位置的层推进增量的子集。层推进增量的每个子集应包括足够的增量，以覆盖导螺杆的至少一个整转。假设导螺杆的一个整转对应于构建平台的竖直移动3mm，则层推进增量的一个子集可以例如覆盖构建平台的竖直移动约10mm。

层推进增量的每个子集用以得出移动模式，其中得出移动模式可以包括得出多个位置的表达式，该表达式包括正弦项；见框76。如果从两个或更多个子集得出的正弦项是相同或相似的，则可以假设机械误差沿着导螺杆的长度对于层推进增量具有相同或类似的影响。然后，相同的校准表达式可用于在导螺杆的整个长度上校正马达28的驱动信号。然而，如果发现从两个或更多个子集得出的正弦项彼此不同，则可能推荐得到不同的表达式，用于在沿着导螺杆的长度的不同子部分上提供对马达的驱动信号的不同校正。如果项彼此之间的差异小于规定的程度，例如小于信号幅值的10％左右，则认为项相同或相似。因此，如果项相差超过规定的程度，例如超过信号幅值的10％或更多，则认为项彼此不同。还可以考虑相位变化。还可以基于两个或更多个子集的组合得出用于单个表达式，用于在导螺杆的整个长度上校正驱动信号。例如，这可以通过计算两个或更多个表达式的平均值通过加权幅值和/或相位来完成。

基于移动模式和从其得出的表达式，可以确定层推进误差和用于校正层推进误差的相应的移动调整；参见框78。该调整可以以数学表达式的形式或以多个值的形式(例如，以查找表的形式)确定。在任一种形式中，调整可以存储为用于构建单元的操作的校准函数或值。例如，调整可以存储在控制器44的存储器44中，以便在构建单元的操作期间使用。然后，可以通过向标称层推进增量添加或从标称层推进增量中减去校正或校准项，来确定用于马达28的校正或校准的驱动信号。

此外，可以在一系列校准运行中执行校准运行。在第一校准运行中，仅在移动范围的一部分上测量构建平台的第一多个竖直位置，例如在移动范围的5％、10％或20％上。然后，从测量的位置得出第一移动模式；并且基于移动模式，确定第一调整。然后执行第二校准运行，其中平台移动并且所述第一调整应用于马达驱动信号。测量第二多个竖直位置，其中这些位置可以与第一校准运行期间测量的位置相同或不同。特别是，它们可以覆盖平台的移动范围的不同部分。可以从第二多个测量得出第二移动模式。如果第二移动模式显示层推进误差低于限定的阈值，例如，低于标称层推进增量的10％或5％，则可以认为校准已完成。然而，如果在构建平台的竖直位置的至少一部分中的层推进误差高于限定的阈值，则从第二移动模式得出进一步的调整和/或检测构建平台的附加位置以得出一个或更多的进一步移动模式和相应的调整。可以重复该序列，直到已经确定校正项或校正值并且其导致在构建平台的整个移动范围内低于阈值的层推进误差。

在第一校准运行或进一步校准运行中，不是在每一个层推进增量处测量构建平台的位置，而是可以在层推进增量的限定的整数倍处(例如每两个、每三个等增量处)测量位置，并得出相应的校正项。

图8示出了三维(3D)打印机80的示例。打印机80包括构建平台82，构建平台82可经由驱动机构在竖直方向上移动，该驱动机构示意性地示出为导螺杆84。如参考构建单元10所述的，导螺杆84被联接到驱动马达和齿轮机构(未示出)。驱动机构联接到控制器86，控制器86包括例如微处理器、马达驱动器和存储器。控制器86可以适于驱动马达，以基于存储在联接到控制器86的存储器中的调整项或调整值，以标称层推进增量或校准层推进增量使打印机82竖直移动。打印机80还包括安装在托架90上的打印喷嘴88。托架90构造为在平行于且在构建平台82上方的平面上以二维方式移动。打印机80还可包括用于熔融沉积的粉末材料的热源。打印粉末层形成在构建平台82的顶部上，或形成在由平台承载的基底上。在沉积每一层之后，平台以对应于一层推进的增量步进地降低。在沉积新层之前，可以熔融先前层。

如上所述，可以校准构建平台82的竖直移动，以考虑到由驱动机构的机械部件引起的重复性层推进误差，例如由于导螺杆还有其它部件的机械跳动所导致的。这允许以更宽松的公差制造构建单元的机械部件，因为可以通过校准方法补偿机械缺陷。因此，构建单元的驱动机构的制造和组装将变得更便宜。马达驱动器将始终使用传感器48知道导螺杆的确切位置，包括导螺杆在旋转角度方面的精确绝对位置。因此，正确的校准值可以应用在每个层中，其中可以确定将在构建平台移动的整个范围上应用的校准项，或者可以针对构建平台移动的多个子部分确定多个校准项或者甚至是多个校准值，其中为每个单独的层推进增量得出一个专用校准值。

构建单元可以与打印机相关联，使得它与打印机集成，如上所述并如图8所示的，或者它可以作为与打印机相关联的单独单元提供，如图9中示意性地示出的那样。图9示出了增材制造系统的示例的示意图。图9中所示的增材制造系统的示例包括打印机100和构建单元110。如上所述，打印机100可以是3D打印机。同样如上所述，可以在制造三维物体期间将构建单元110引入打印机30中。构建单元32可以设置在手推车118上，用于将构建单元110移动到打印机100以及移动离开打印机100。构建单元110的移动表示为构建单元的虚线再现110'。打印机100和构建单元110中的每一个可以包括相应的专用处理器102、112和相应的专用存储器104、114，如图9所示。此外，在图9所示的示例中，打印机包括用户界面106。可选地或另外地，可以在构建单元110处或在远程终端(未示出)处提供用户界面。

如果构建单元110被提供为与打印机100分离的实体，则根据一个示例，操作增材制造装置可以包括：在增材制造过程开始之前，将构建单元110与三维打印机100相关联或将构建单元插入到打印机。构建单元110可以包括构建平台和平台驱动机制，如上所述。打印机可以使用存储在存储器104中的校准数据经由平台驱动机构控制构建平台的移动，其中校准数据基于在校准运行中确定的移动模式引起对平台移动的调整。校准数据可以通过构建单元110存储，例如存储在存储器114中，并且可以在构建单元与打印机相关联时传送到打印机。校准数据可以表示正弦校正项。

Claims (14)

1.一种校准平台的移动的方法，该方法包括：

在校准运行中，引起所述平台的移动；

在移动期间，检测所述平台的多个位置；

从所述多个位置得出移动模式；和

基于所述移动模式确定对所述平台的移动的调整，

其中得出所述移动模式包括得出所述多个位置的表达式，所述表达式包括正弦项。

2.根据权利要求1所述的方法，其中引起所述平台的移动使得所述平台在构建单元中沿竖直方向移动。

3.根据权利要求2所述的方法，其中检测多个位置包括：在所述平台的步进式移动期间，以规则间隔检测所述平台的竖直位置。

4.根据权利要求2所述的方法，其中引起所述平台的移动使得所述平台以第一增量移动，每个第一增量对应于要在3D打印作业中沉积的打印介质的标称层厚度，并且检测多个位置包括在限定的多个所述第一增量处检测所述平台的竖直位置。

5.根据权利要求4所述的方法，其中确定所述调整包括：从所述表达式得出校正项；以及基于所述第一增量和所述校正项，得出竖直平台移动的第二增量。

6.根据权利要求5所述的方法，其中得出所述竖直平台移动的第二增量包括通过减法或加法组合所述第一增量和所述校正项。

7.根据权利要求2所述的方法，其中得出所述移动模式包括使用最小二乘法得出所述多个位置的表达式。

8.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述调整包括使用查找表。

9.一种构建单元，包括

构建平台；

平台驱动机构，所述平台驱动机构包括导螺杆；

存储器，所述存储器存储在校准运行中得出的校正函数和校正值中的至少一个，其中所述校正函数和所述校正值中的至少一个基于在所述校准运行中确定的移动模式和从其得出的表达式确定，其中所述表达式包括正弦项；

控制器，所述控制器可操作地联接到所述存储器，所述控制器包括程序代码，所述程序代码用以控制所述平台驱动机构以使所述构建平台在竖直方向上以增量移动，其中所述增量基于第一标称增量和所述校正函数或校正值来确定。

10.根据权利要求9所述的构建单元，其中所述第一标称增量对应于所述导螺杆的相等的节距旋转角度，并且所述校正函数或校正值校正由于所述导螺杆的机械跳动引起的所述竖直平台移动的正弦误差。

11.根据权利要求9所述的构建单元，其中所述校正函数包括正弦项。

12.一种操作增材制造装置的方法，所述方法包括将构建单元与三维打印机相关联，所述构建单元包括构建平台和平台驱动机构；

其中，所述打印机使用校准数据经由所述平台驱动机构控制所述构建平台的移动，其中所述校准数据基于在校准运行中确定的移动模式引起对所述平台的移动的调整，其中得出所述移动模式包括得出多个位置的表达式，所述表达式包括正弦项。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述校准数据通过所述构建单元存储，并且在所述构建单元与所述打印机相关联时传送到所述打印机。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述校准数据表示正弦校正项。

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