CN109476082B

CN109476082B - 3d打印机和用于限制材料增积的方法

Info

Publication number: CN109476082B
Application number: CN201780040344.7A
Authority: CN
Inventors: 崔斯特瑞姆·布德尔; 雷蒙·鲁道夫·特特罗; 钱尼尔·布德尔
Original assignee: Atum Holding BV
Current assignee: Atum Holding BV
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2037-06-19
Also published as: US20190152153A1; NL2017052B1; EP3475066A1; CN109476082A; JP2019520246A; EP3475066B1; WO2018004336A1; JP7021129B2; US10688725B2; EP3475066C0

Abstract

本公开涉及一种3D打印机和在其中实现的用于限制在3D打印期间可能导致的并且导致相对于用于打印的期望形式的变形的固有材料增积的方法。为此目的，公开了两种机制，即基于所提供的模型：针对固有增积补偿模型并基于所补偿的模型来生成针对3D打印机的打印的层，或者，基于该模型来生成用于3D打印机的打印的层并且针对固有增积补偿用于打印的层。

Description

3D打印机和用于限制材料增积的方法

技术领域

本公开涉及一种3D打印机和在其中实现的用于限制在3D打印期间可能导致的且导致相对于用于打印的期望形式的变形的固有材料增积的方法。

背景技术

渗出(bleeding)是打印材料在用于打印的物体的形式外部的不希望有的增积。在用激光打印机进行打印的情况下，渗出是固体材料由于扩散和照明或通过而产生的增积，因为用于打印的材料在某种程度上是透明的。基于除了打印材料的固化以外的原理的热敏打印机和3D打印机也可能遭受渗出。扩散和透射的程度取决于光路、扩散、透射等。固化激发(例如激光或其他光源、热等)比预期的更深地渗透到打印材料中来用于固化，这导致不期望有的增积。在3D立体平板印刷的情况下，这种材料可以在z方向上以及在x和y方向上都增积。重复地在彼此上构建层允许少量的光重复地穿透材料，这在每种情况下引起少量的增积。在打印了所确定的数量的层之后，总的所产生的被打印的层随后在不希望有的增积的情况下变得如此厚，且由于此，光透射变得如此低，以至于由于材料的增积而导致不充足的光通过。

材料的透射系数和对渗出的敏感性是材料相关的。这些是可以基于所确定的3D模型来测量的或者可以通过测试来确定的值。

应认识到，从US-2014/107823中已知的是通过使用于打印的模型尺寸过大来补偿在打印后的收缩，使得在打印以及在打印后出现的收缩之后，产品获得原本要打印的期望形式。因此，在本出版物的第127段中描述了为了补偿在打印后出现的收缩，模型必须是尺寸过大的。

发明内容

本公开涉及一个完全不同的问题，其就本公开的发明人所知在文献中没有完全被认识到，并且确实导致所打印的产品相对于期望形式的不可接受的变形，更具体地，由打印过程本身导致的、例如由于扩散和由于激发(例如激光或热)被传递(传输)到打印材料(打印材料例如在打印过程期间被逐层地固化，以便形成用于打印的产品)中太深而引起的增加的变形。因此，本公开涉及在打印过程期间材料在期望形式之外的不期望有的增积，而US-2014/107823涉及在打印过程后被打印的材料的收缩的问题。

在这个背景下，强调的是，在US-2014/107823中提到的收缩的问题完全是所使用的打印材料固有的。相反，不期望有的增积的问题不仅由所使用的打印材料而且也由在打印过程中应用的打印机的特性和/或设置(例如激光强度或热强度)引起，其中存在用于在所应用的打印机的这些设置和特性中找到对关于不期望有的增积和尺寸过大的问题的解决方案的许多可能性。因为它与所使用的打印材料相关联，收缩是进一步全向的，而不期望有的增积是激发(例如激光或热)的辐射方向和这种激发的扩散的结果，并且由于这些原因，技术人员将以前没有认识到的收缩和不期望有的增积的问题视作完全不相关的方面。

此外，在这里注意，扩散和通过导致与激发的辐射方向关联的增积。相反，收缩至少是近似全向的，并且可能仅由被打印的产品的局部厚度决定。考虑扩散和通过是远非全向的，且需要一种完全不同的方法。

下面将进一步阐明成为作为本公开起因的不期望有的增积的问题。在图7中，箭头A指示3D打印机的构造方向，该打印机在图中从上到下被定向。平放在图中的顶部处的物体9、10的层首先按照箭头A的方向被打印，朝着箭头A的顶端的层稍后被打印，以及在图的底部处的层最后被打印。特别地，为了获得精确地如所规定的形成的形状(例如确切地圆形的)，在孔11周围的打印材料的打印在过去在3D打印技术中是不小的问题。如今，3D打印机被越来越广泛地使用，尽管其中确切的尺寸标注是至关重要的应用领域(例如牙医业)仍然遭受精确地关于因而产生的计量和其精度的缺乏的相当大的问题，这在额外的和其他应用领域中引起很大的问题。

本公开的目的是防止被打印产品相对于要被打印的模型的尺寸过大。渗出是材料的不期望有的增积，这导致被打印模型相对于原始数字模型的尺寸变化，更具体地，尺寸过大。这与上面引用的现有技术相反，现有技术涉及在打印过程后出现的收缩的补偿。

本公开涉及模型的由于渗出而变得更厚的部分被打印得更薄的措施。通过考虑出现的自然固有增积，被打印物体将根据其所基于的模型而获得正确的尺寸。

因此，不需要打印可以因此通过在基础层处或基础层的先前无意的增积来打印的像素，如在打印方向上看到的。这些像素可以从模型中移除和/或在先前的薄片中被忽略(“涂掉(blacked out)”)，所述先前的薄片是在用于打印的产品的外表面之前被打印的，使得打印材料的局部固化(例如聚合)独有地一直发生到外表面。

这种渗出现象的校正的目的是获得在尺寸上稳定的和准确的打印。

利用这种方法，可以打印圆孔11，而与模型中的孔的定向无关，而照惯例这对于3D打印机总是个大问题。通过将该方法不仅应用于模型中的孔而且应用在整个模型上，模型作为整体被实现为相对于以数字模型的形式的“主模型”具有较小变化。

因此，本公开的主要目的是通过不精确地打印模型的所确定的部分来补偿渗出，因为模型的所确定的部分是借助于渗出而被构造的且因此不需要被打印，因为这些部分的打印将导致相对于根据模型的期望形式的在产品的外表面之外的渗出。

这些目的可以用各种方式来实现。这是因为存在各种方式来确保由渗出形成的部分不再被打印或者不再需要被打印。

附图说明

图1至图4显示了有和/或没有变换、增积或对其的补偿的环的模型；

图5示出了模型的薄片/切片；

图6示出了直接在图5的薄片上方的薄片/切片；以及图7是示出了3D打印机打印物体的示意图。

具体实施方式

模型渗出校正算法：

1.最初提供的是用于打印的物体(在图1-4中的环1)的模型，而没有考虑不期望有的材料增积，且因此没有校正。图1显示了没有变换、增积或对其的补偿的环的模型。为每个垂直截面确定的是：

最低点(2)＝X：0，Y：0，Z：10

最高点(3)＝X：0，Y：0，Z：11

图2显示了渗出的影响：当打印机根据图1一直打印到模型的边界时，用虚线4标示的增积产生，这是不期望有的。

2.确定层/模型点，其如果被打印则引起渗出

a.算法：

待校正的点(P_c)＝具有+1的法线(在向上方向上)(P_z)且具有比渗出校正(B_c)更厚的下/起始层(L_l)的所有点

P_c＝P_z&(L_l>B_c)

顶部：

最低点(2)＝X：0，Y：0，Z：10

最高点(3)(P_c)＝X：0，Y：0，Z：11，5

(假设B_c＝0.5)

随后，在用于打印的环1的模型中确定的是在图3中用虚线5指示的边界，3D打印必须一直到该边界在环1的圆周形状中发生，以便实现如图1中所示的环1的初始预期形状，考虑到固有地出现的增积。由于此，不期望有的增积因此成为打印过程的整体部分：

3.确定校正点

a.算法：

校正点(P_n)＝待校正的点(P_c)–渗出校正(B_c)

P_n＝P_c–B_c

顶部：

最低点(2)＝X：0，Y：0，Z：10

P_c(图2中的3’)＝X：0，Y：0，Z：11，5

P_n(图3中的3”)＝X：0，Y：0，Z：10.5

(假设B_c＝0.5)

然后要发送到打印机的模型被修改：

4.更改模型的“待校正的点(P_c)”，使得它们等于“校正点(P_n)”

a.算法：‘渗出点’＝‘渗出校正点’

P_c＝P_n

顶部：

最低点＝X：0，Y：0，Z：10

最高点＝X：0，Y：0，Z：10.5

(假设B_c＝0.5)

5.经修改/变换的模型的切片或薄片然后可以被产生，如果用于控制其的打印机基于薄片并将被发送到打印机。

在该算法中值得注意的是，为了这个目的，Bc被假定为已知的。Bc的值可以通过测试来确定，并且对于不同的因素和方面(例如材料的类型、在增积下的切片的厚度、激光器或其他固化打印机元件的强度等)将是不同的。这尤其将在下文中被进一步阐明。

另一种算法也将在下文中进一步被阐明。这种替代算法在这里被称为像素/薄片校正算法。图5示出了薄片/切片6，以及图6示出了直接在图5的薄片6上方的薄片/切片7。在薄片/切片之间有(有限的)距离。图5包括产品像素8，而图6不包括。该算法可以如下运行：

1.生成模型而没有较正，因为其是要被打印的。

2.计算模型的所有薄片

3.确定并定义要校正的像素：

a.每层，检查用于打印的形式的像素是否仍然作为用于打印的产品元素存在于后续(叠加)层上。

要校正的像素的位置(P_c)＝“产品像素”的当前层(P_w)！＝“非产品像素”的叠加层(P_b)

P_c＝P_w！＝P_b

4.如果该层包括要校正的像素，则校正被计算如下：

a.根据下面的公式确定(基础)薄片：

开始校正层(L_s)＝当前层(以毫米为单位)(L_c)-渗出校正(以毫米为单位)(B_c)

渗出校正涉及多个层，其中间距离之和等于渗出校正。

L_s＝L_c-B_c

-在“开始校正层”处开始并以当前层(L_h)结束，将所有层中的‘待校正的’产品像素(P_c)转换为非产品像素。

L_a＝L_s

L_a！＝P_b{

P_c＝black

L_a+＝1layer

}

5.计算经修改/变换的模型的薄片。

因此，提供了一些方法，当其转换模型时，考虑到通常不期望有的增积，使得部分从初始模型中被移除，这些部分通过增积被取代，因此，增积不再是不需要的，而是将形成打印过程的整体部分。校正可以基于模型本身，通过变换它并生成其薄片/切片或者通过确定校正并将它合并到先前生成的薄片/切片中。作为第三种选择，这里还参考了一种方法，其中模型被复制，所复制的模型在对应于不期望有的增积的厚度的一段距离上被平移(移位)，并与原始模型组合。这应该被认为是一种基于在打印层或薄片从模型生成之前的模型的补偿的方法。然后，从因而产生的组合模型生成补偿增积的打印机指令。

渗出的形式也可以在立体平板印刷以外的系统中发生。在例如选择性激光烧结(SLS)中，增积可以由于热通过基本材料的热传导还基于透射和/或扩散等而发生。在熔融沉积建模中，悬垂材料可能下垂，这具有与渗出相同的净效果。在粉末层喷墨打印中，UV和/或热固化油墨可以被用于使粉末颗粒通过毛细力比理想的更深地渗透到粉末层中。其净效应可与渗出相比。根据本公开的特征在这种技术中同样适用。

渗出的现象的材料相关性(特别是对于立体平板印刷)将在下面通过示例的方式进一步进行讨论。例如，并非所有打印材料例如对激光或其他光都是同样透明的，且因此较少的扩散和透射将发生。为此目的，提处了形成具有不同打印材料的渗出特性的数据库。关于渗出的校正因子可以使用所确定的3D模型来进行测量，或者可以通过测试来进行确定和记录。其中具有多个水平圆柱体的3D模型也可以用于此目的。

考虑到用于基于模型进行打印的产品的壁厚必须足够厚，使得壁厚不再影响渗出程度。在通过测试形成的一组数据中，为了预先确定预期的渗出程度以实现对其的补偿，可以相对于它们所基于的模型物理地测量被打印的产品的渗出，且然后从其推导出渗出的具体值，并然后将该值应用在预期的补偿中。

例如，图7中的圆孔11的直径从数字模型中是已知的。然后在打印的z方向上测量孔的圆度和直径，导致：

Bc＝孔数字值-测量值

这然后重复x次，分布在总打印区域的不同位置上方，这产生平均值。

打印机可以具有分布在整个光场上方的辐射强度变化。本公开的发明人的测量和经验表明，这种变化通常小于10％。基于这些测量结果，因此也可能补偿光场。通过使打印区域的一些部分的照明低于其他部分的照明，可以使打印区域上的总剂量相等。

在确定这些不同的常数后，它们可以被存储在材料数据库中。每种材料都有其自己的常数。

还可能影响渗出现象出现的深度。例如，可能添加颜料。添加光吸收颜料或着色剂使光穿透深度能够被减小。这里重要的是着色剂和/或颜料吸收催化剂的有源带宽。如果例如利用在催化剂的吸收范围内不吸收的蓝色着色剂/颜料，则光将穿透待聚合的材料，就好像不存在着色剂一样。

颜料否则具有与着色剂略有不同的效果。因为颜料是固体颗粒，所以它们可能引起扩散/散射。如从光源的辐射角度看到的，这种散射确保较小的穿透深度，但是由于由这些粒子引起的散射，更多的渗出将出现在x、y方向上，即横向于打印方向。

此外，可能使用所谓的抑制剂。抑制剂将抑制催化剂的作用。由于与抑制剂的组合的催化剂的存在，催化剂和抑制剂共同充当着色剂。以这种方式，催化剂将抑制光的穿透深度，但将不引起聚合。

还可能影响光源相关的光穿透深度。通常存在在辐射光谱和穿透深度之间的关系。

所有这些影响可以导致每材料更多的表，或者简单地导致对具有不同的添加剂、颜料、油墨、着色剂、激光强度等的相同材料的其他表。

下面是关于渗出的校正表的示例。

窄带照明

宽带照明

还存在许多其他可用的材料，尽管前述示例足以能够将本公开的原理付诸实践。这是因为从上面的表中完全清楚的是，在具有窄带宽和宽光谱的照明之间有相当大的区别，并且渗出是材料相关的。

照明光谱λ(nm)的宽度因此可以是用于确定渗出的穿透深度的相关方面。测量表明，树脂被照射的光谱越窄且这个波长越短，总穿透深度和渗出就越短。因此渗出取决于用于照明的光谱。

以mJ/cm²为单位构建层所使用的辐射剂量(Ec)可以等于光强乘以照明时间。

测量还表明，每种材料在每个辐射剂量(Ec)下都有它自己的渗出常数。这在不同的日子进行测量，如果照明强度和照明时间保持相同，则因而产生的渗出将总是相同的。

权利要求现在将遵循本公开的实施例的前述描述，保护范围不限于本公开的实施例的前述描述。

Claims

1.一种控制用于打印产品的3D打印机的方法，包括：

-提供所述产品的模型；以及

-针对在打印期间在打印材料中由于来自源的激发的通过和扩散而产生的固有增积来补偿所述模型；以及

-基于所补偿的模型，以针对所述3D打印机的所述打印材料生成用于打印的层，

特征在于：

所述模型的补偿包括：在与来自所述源的入射激发的方向有关的所述固有增积的方向上将所述模型减小对应于固有增积的程度的尺寸。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述源是激光或热。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，固有增积的所述程度取决于来自至少包括下列项的组的情况：打印材料的类型、添加剂；光的带宽；光的强度；温度；环境光。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述添加剂包括颜料、着色剂和抑制剂中的一种或多种。

5.如权利要求1-2和4中任一项所述的方法，还包括关于至少一种打印材料和确定在相关材料中的固有增积的所述程度的至少若干情况编译所述固有增积的值的表。

6.如权利要求3所述的方法，还包括关于至少一种打印材料和确定在相关材料中的固有增积的所述程度的至少若干情况编译所述固有增积的值的表。

7.如权利要求1-2、4和6中任一项所述的方法，其中，所述固有增积由于来自至少包括下列项的组中的至少一种机制而产生：透射；扩散；传导；毛细作用。

8.如权利要求3所述的方法，其中，所述固有增积由于来自至少包括下列项的组中的至少一种机制而产生：透射；扩散；传导；毛细作用。

9.如权利要求5所述的方法，其中，所述固有增积由于来自至少包括下列项的组中的至少一种机制而产生：透射；扩散；传导；毛细作用。

10.一种控制用于打印产品的3D打印机的方法，包括：

-提供所述产品的模型；

-基于所述模型，以针对所述3D打印机的打印材料生成用于打印的层；

以及

-针对在打印期间在打印材料中由于来自源的激发的通过和扩散而产生的固有增积来补偿用于打印的所述层，

特征在于：

用于打印的所述层的补偿包括：在与来自所述源的入射激发的方向有关的所述固有增积的方向上在用于打印的所述层中移除用于打印的像素，直到用于打印的所述产品的外表面的对应于固有增积的程度的深度。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述源是激光或热。

12.如权利要求10或11所述的方法，其中，固有增积的所述程度取决于来自至少包括下列项的组的情况：打印材料的类型、添加剂；光的带宽；光的强度；温度；环境光。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述添加剂包括颜料、着色剂和抑制剂中的一种或多种。

14.如权利要求10-11和13中任一项所述的方法，还包括关于至少一种打印材料和确定在相关材料中的固有增积的所述程度的至少若干情况编译所述固有增积的值的表。

15.如权利要求12所述的方法，还包括关于至少一种打印材料和确定在相关材料中的固有增积的所述程度的至少若干情况编译所述固有增积的值的表。

16.如权利要求10-11、13和15中任一项所述的方法，其中，所述固有增积由于来自至少包括下列项的组中的至少一种机制而产生：透射；扩散；传导；毛细作用。

17.如权利要求12所述的方法，其中，所述固有增积由于来自至少包括下列项的组中的至少一种机制而产生：透射；扩散；传导；毛细作用。

18.如权利要求14所述的方法，其中，所述固有增积由于来自至少包括下列项的组中的至少一种机制而产生：透射；扩散；传导；毛细作用。

19.一种包括打印元件和控制器的3D打印机，其中，基于所提供的模型，所述控制器被配置成用于执行下列操作中的至少一项：

-通过在与来自源的入射激发的方向有关的固有增积的方向上将所述模型减小对应于固有增积的程度的尺寸，针对在打印期间在打印材料中由于来自所述源的激发的通过和扩散而产生的固有增积来补偿所述模型，并基于所补偿的模型，以针对所述3D打印机的所述打印材料生成用于打印的层，

以及

-通过在与来自所述源的所述入射激发的方向有关的所述固有增积的方向上在用于打印的所述层中移除用于打印的像素，直到用于打印的产品的外表面的对应于固有增积的程度的深度，基于所述模型，以针对所述3D打印机的所述打印材料生成用于打印的层，并针对在打印期间在打印材料中由于来自所述源的激发的通过和扩散而产生的固有增积来补偿用于打印的所述层。

20.如权利要求19所述的3D打印机，其中，所述源是激光或热。

21.如权利要求19或20所述的3D打印机，其中，所述控制器包括相对于所述3D打印机在外部的计算机。