CN110325344B - 三维打印设备和三维打印方法 - Google Patents

Abstract

根据示例，一种设备可以包括打印头组件，所述打印头组件包含支撑打印头的壳体。所述打印头可以具有：喷嘴，用于将功能剂的液滴沿相应的飞行路径射出到构建材料颗粒层上，以由所述构建材料颗粒形成3D物体的部段；发光装置阵列，用于在相应的飞行路径中引导相应的光束；以及光子探测器阵列，用于检测从所述发光装置阵列的光源引导的相应光束，所述发光装置和所述光子探测器被支撑到所述壳体上。所述设备还可以包括：控制器，用于基于所述光子探测器是否检测到所述光束来确定是否有任何喷嘴在不正确地操作，并且响应于确定有喷嘴不正确地操作而输出关于不正确操作的喷嘴的指令。

Description

三维打印设备和三维打印方法

技术领域

本公开涉及三维打印设备和方法。

背景技术

在三维(3D)打印中，通常使用增材打印工艺来从数字模型制造三维固体零件。3D打印通常用于快速产品原型设计、模具生成、母模生成和短期制造。一些3D打印技术被认为是增材工艺，因为它们涉及将连续层或体积的材料施加到现有表面(模板或前一层)。这与通常依赖于去除材料以产生最终零件的传统加工工艺不同。3D打印通常需要固化或熔融构建材料，这对于一些材料可以使用热辅助挤出、熔化或烧结来实现，并且对于其他材料可以使用数字光投影技术来实现。增材制造技术通常采用分层工艺，其中构建材料的颗粒铺展成层并选择性地熔融在一起。在该工艺之后，将另外的颗粒铺展成另一层并选择性地熔融在一起。在多个层上重复此工艺以构建具有期望结构的3D零件。

发明内容

本公开提供一种三维打印设备，所述三维打印设备包括打印头组件，所述打印头组件包含：壳体；被支撑在所述壳体上的打印头，所述打印头具有喷嘴，所述喷嘴用于将功能剂的液滴沿相应的飞行路径射出到构建材料颗粒层上，以由构建材料颗粒形成三维物体的部段；发光装置阵列，用于在所述相应的飞行路径中引导相应的光束；光子探测器阵列，其中，所述光子探测器阵列中的每个光子探测器用于检测从所述发光装置阵列中的发光装置引导的光束，所述发光装置和所述光子探测器被支撑在所述壳体上；以及控制器，用于基于所述光子探测器是否检测到所述光束来确定是否有任何所述喷嘴在不正确地操作，并且响应于确定喷嘴在不正确地操作而输出关于不正确操作的喷嘴的指令，其中，每个所述喷嘴包括腔室和射出元件，其中激活特定喷嘴中的所述射出元件使得从所述特定喷嘴的腔室射出所述功能剂的液滴，并且其中用于在所述特定喷嘴的飞行路径中引导光束的光源随着所述射出元件的激活而被激活并且被激活一段持续时间，所述持续时间覆盖了从所述腔室射出的液滴通过所述光束正常所花费的时间段。

本公开还提供一种三维打印方法，所述方法包括：将构建材料颗粒铺展成层；激活打印头中的喷嘴的腔室内的射出元件，以选择性地将功能剂的液滴从所述腔室射出到构建材料颗粒层上，从而由所述构建材料颗粒形成三维物体的部段，所述打印头安装到壳体；激活光源以引导光束通过所射出的液滴的飞行路径；接收来自检测所述光束的探测器的信号，所述信号对应于是否检测到所述液滴已按预期从所述喷嘴射出，并且所述光源和所述探测器安装到所述壳体；从所接收到的信号确定是否有任何所述喷嘴未按预期射出液滴；以及响应于确定故障喷嘴未按预期射出液滴，输出关于所述故障喷嘴的指令，其中，每个所述光源对应于相应的射出元件，所述三维打印方法还包括随着分别对应于被激活光源的所述射出元件的激活而将所述光源激活一段持续时间，所述持续时间覆盖了由所述射出元件所射出的液滴通过从所述被激活光源引导的光束正常所花费的时间段。

本公开还提供一种三维打印设备，所述三维打印设备包括：铺展器，用于将构建材料颗粒铺展成构建材料颗粒层；打印头组件，所述打印头组件包含：打印头，所述打印头具有喷嘴，所述喷嘴用于将功能剂的液滴沿相应的飞行路径射出到所述构建材料颗粒层上，以由所述构建材料颗粒形成三维物体的部段；多个光源，用于在所述相应的飞行路径中引导相应的光束；多个光电探测器，其中，所述多个光电探测器中的每个光电探测器用于接收来自所述多个光源中的相应光源的光束；以及控制器，用于：从所述光电探测器接收信号；基于所接收到的信号确定是否有任何所述喷嘴未按预期射出液滴；以及响应于确定故障喷嘴未按预期射出液滴，输出关于所述故障喷嘴的指令，其中，每个所述喷嘴包括腔室和射出元件，其中激活特定喷嘴中的所述射出元件使得从所述特定喷嘴的腔室射出所述功能剂的液滴，并且其中用于在所述特定喷嘴的飞行路径中引导光束的光源随着所述射出元件的激活而被激活并且被激活一段持续时间，所述持续时间覆盖了从所述腔室射出的液滴通过所述光束正常所花费的时间段。

附图说明

以下(多个)附图中通过示例而非限制的方式图示了本公开的特征，其中，相似的附图标记指示相似的元件，其中：

图1A和图1B分别示出了可以在部分3D打印操作的期间实施的示例设备的一部分的部分截面正视图和仰视图；

图1C示出了根据另一示例的在图1A和图1B中描绘的设备的部分截面正视图；

图2A和图2B分别示出了另一示例设备的部分截面正视图和截面侧视图；

图3示出了可以采用图1A至图1C和图2A至图2B中所示的打印头组件中任一或两者的示例3D打印机的等距视图；

图4示出了可以被实施以由构建材料颗粒制造3D物体的另一示例设备的框图，所述另一示例设备也可以是3D制造装置、3D打印机等；

图5示出了用于在3D物体打印操作期间利用探测器来检测故障喷嘴的示例方法，该探测器和包含喷嘴的打印头一样安装到共同的壳体上；以及

图6示出了可以作为图5中操作的一部分或代替图5中操作实施的方法的流程图。

具体实施方式

可能有多种原因导致打印头喷嘴不正确地操作，例如，未能射出液滴、射出具有非预期尺寸的液滴、在不正确的时间射出液滴等。这些原因可以包括例如不正确工作的射出元件、堵塞或部分堵塞的喷嘴孔等。在3D打印中，不正确操作的喷嘴可导致3D物体形成有部分熔融的或不正确熔融的区域、颜色缺陷等。不正确熔融的区域会弱化形成的3D物体或以其他方式导致形成的3D物体有缺陷。由于构建材料颗粒以及在打印3D物体中使用的试剂可能相对昂贵，因此打印有缺陷的3D物体在打印3D物体所花费的金钱成本和时间两方面都代价较高。

本文公开了用于在3D物体打印操作期间检测故障喷嘴的设备和方法。本文所公开的设备可以包括发光装置(或等同地，光源)和光子探测器(或等同地，探测器)，所述光子探测器用于在3D物体打印操作期间当从喷嘴射出液滴时检测功能剂的液滴。发光装置和光子探测器可以与包含喷嘴的打印头安装到同一壳体上，从而使发光装置和光子探测器能够与打印头同时移动。在这方面，在本文公开的设备和方法中，可以在3D物体的打印期间的任何时刻检测液滴。

根据示例，在打印操作期间检测液滴使得可以实时检测故障喷嘴。故障喷嘴的实时检测使得可以同时确定是否继续打印未完成的3D物体。例如，当控制器确定喷嘴已经发生故障时，控制器可以停止打印3D物体并且可以等待来自操作者的进一步指令。在其他示例中，控制器可以实施缓解操作，所述缓解操作使得另一喷嘴或其他喷嘴将液滴输送到故障喷嘴打算输送液滴的位置上。这样，例如，通过实施本文公开的设备和方法，如果已知在3D物体的打印期间存在缺陷，则可以减少所打印的3D物体中的缺陷和/或可以停止3D物体的打印，这可以减少所浪费的构建材料颗粒和试剂。

在继续之前，应注意到在此所使用的术语“包括”和“包括有”是指“包括”或“包括有”以及“至少包括”或“至少包括有”，但不限于此。术语“基于”是指“基于”和“至少部分地基于”，但不限于此。

首先参照图1A和图1B，分别示出了可以在部分3D打印操作期间实施的示例设备100的一部分的部分截面正视图和仰视图。应当理解的是，图1A和图1B中示出的设备100可以包括附加部件，并且在不脱离本文公开的设备100的范围的情况下可以去除和/或修改本文描述的一些部件。

如图1A和图1B中所示，设备100可以包括打印头组件102，所述打印头组件可以包含支撑打印头106的壳体104。打印头106可以包括沿着打印头106的大部分长度或全部长度沿多个列(例如，沿单色墨槽的两列)布置的多个喷嘴108。在打印头106上可以设置按相对密集排列布置定位的相对大量的喷嘴108，从而能够以高分辨率(例如，600dpi、1200dpi等)从喷嘴108输送液体(例如，功能剂)。如图1B中所示，喷嘴108可以沿着喷嘴108的列以交错的方式布置，因为交错布置可以使喷嘴108能够以相对较高的分辨率进行打印。在其他示例中，一列中的喷嘴108可以与另一列中的喷嘴108对齐，或者喷嘴108可以布置成单列。附加地或在其他示例中，可沿壳体104设置多个打印头106。

在以上讨论的任何示例中，可以在每个喷嘴108内设置相应的射出元件110。射出元件110可以是已知或尚未已知的用于打印头喷嘴中的任何合适类型的射出元件。合适类型的射出元件110的示例可以包括热敏电阻器，所述热敏电阻器可以被加热以使喷嘴108的射出腔室中所含的功能剂在射出元件110上蒸发，并且形成迫使功能剂离开喷嘴108的孔的气泡。合适类型的射出元件110的其他示例可以包括压电射出元件，当在压电元件上施加电力时压电射出元件会变形，其中，所述变形迫使功能剂通过相应的孔离开喷嘴108。合适类型的射出元件110的进一步示例可以包括机械喷墨器，所述机械喷墨器可以包括可被打开以提供功能剂的连续流(例如将功能剂沉积为连续喷墨)的电磁阀。尽管未示出，但是可以从墨料输送系统向射出腔室供应功能剂，所述墨料输送系统可以包括含有功能剂的储存器。

射出元件110在被激活时可以使功能剂的液滴112从喷嘴108中射出并被输送到一层构建材料颗粒114上。用虚线示出了该层构建材料颗粒114，以指示该层构建材料颗粒114可以不形成为设备100的一部分。如图1A中所示，功能剂的液滴112可以沿从喷嘴108到该层构建材料颗粒114的飞行路径116行进。在这方面，从喷嘴108射出的液滴112均可以沿从喷嘴108到构建材料颗粒114的相应飞行路径116。

打印头组件102还可以包括发光装置(或源)120的阵列，每个发光装置可以引导各个光束122(其由虚线表示)通过液滴112的相应飞行路径116。发光装置120各自可以是能够生成和/或引导聚焦和/或准直光束122通过液滴112的飞行路径116的任何合适类型的发光装置。作为具体示例，每个发光装置120可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)，并且光束122可以是激光光束。在其他示例中，光源120可以是发光二极管、激光二极管等。

打印头组件102可以还包括将从相应的发光装置120接收光束122的多个光子探测器(或简称探测器)124，例如光电探测器、光学探测器等。每个光子探测器124可以定位成从相应的发光装置120接收光束122。另外，每个光源120可以定位成引导光束122穿过从每个喷嘴108射出的液滴112的飞行路径116，并且每个光子探测器124可以定位成在光束穿过飞行路径116之后接收光束122。如所示，发光装置120和光子探测器124可以经由相应的支撑件126、128安装到壳体104上。

当光子探测器124接收到光束122时，光子探测器124可生成与所接收光束122的强度相对应的电信号，例如电压或电流。也就是说，对于具有更高光强的所接收光，电信号的强度可以更高。在其他示例中，光子探测器124可以生成与检测到的光强相对应的数据，例如，可以生成表示所检测到的光的光强的数据。在任何方面，光子探测器124可以将所生成的电信号和/或数据传送至控制器130。所接收光的光强可以根据液滴112是否通过光束122而变化。所接收光的光强也可以根据当液滴112通过光束122时液滴112的尺寸和/或成分而变化。根据示例，可以随时间或定期地测试和/或校准光子探测器124，以确保光子探测器124正确地操作并精确地检测液滴112。

控制器130可以是基于半导体的微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、图形处理单元(GPU)、张量处理单元(TPU)、和/或其他硬件装置，并且可以经由通信线路与射出元件110、光源120和探测器124通信。控制器130可以由所接收的电信号和/或数据确定液滴112是否被特定的喷嘴108正确地射出，该特定的喷嘴例如是沿着与光束122相交的飞行路径116射出液滴112的喷嘴108。也就是说，控制器130可以在所接收的电信号或数据指示光束122的光强低于一定阈值水平(这可以包括探测器124未接收到光束122的指示)时，确定液滴112是从该特定喷嘴108正确地射出的。同样地，控制器130可以在所接收的电信号或数据指示光束122的强度高于一定阈值水平时，确定液滴112是从该特定喷嘴108正确地射出的。换言之，如果确定液滴112已经通过光束122和/或如果确定液滴112具有超过一定水平的某种特性(例如，体积、成分等)，则控制器130可以确定液滴112是正确地射出的。

控制器130可以附加地或在其他示例中确定液滴112是否在激活射出元件110之后的预定时间范围内穿过光束122。也就是说，当控制器130向特定喷嘴108的射出元件110发送射出指令时，控制器130还可以向发光装置120发送激活信号，该发光装置用于引导光束122通过与该喷嘴108相对应的液滴112的飞行路径116。激活信号可以在一段持续时间内保持有效，该持续时间覆盖液滴112或多个液滴112被形成和从喷嘴108射出并通过光束122正常所花费的时间段。可以通过测试确定所述持续时间。控制器130可以确定射出指令是何时被发送到射出元件110的以及何时从光子探测器124接收到电信号或数据。控制器130可以基于何时从光子探测器124接收到电信号或数据来确定液滴112是否在预定时间范围内穿过光束122。如果控制器130确定液滴112在预定时间范围内穿过光束122，则控制器130可以确定液滴112被正确地射出。然而，如果控制器130确定液滴112在预定时间范围内未穿过光束122，则控制器130可以确定液滴112未正确射出。

如果液滴112在预定时间范围内未穿过光束122，则可以认为液滴112未正确射出。附加地或在其他示例中，如果液滴122在预定时间范围内穿过光束122但具有不正确的特性(例如，具有不正确的体积、具有不正确的成分等)，则可以认为液滴112未正确射出。在控制器130确定液滴112未正确射出的情况下，控制器130可以确定射出液滴112的喷嘴108可能在不正确地操作或者可能以其他方式发生了故障。响应于做出此判定，控制器130可以输出警报，使得可以通知使用者或操作者可能有不正确操作的喷嘴108。附加地或在其他示例中，响应于做出此判定，控制器130可以实施操作以缓解由不正确操作的喷嘴108引起的错误或者停止射出功能剂的液滴112。

如本文所讨论的，功能剂可以是使得其上已经沉积有功能剂的构建材料颗粒114粘合在一起的粘合剂。附加地或在其他示例中，功能剂可以是用于增强其上已经沉积有功能剂的构建材料颗粒114的熔融的熔融剂。在这些示例中，当施加能量时，功能剂可以增强其上沉积有功能剂的构建材料颗粒114对能量的吸收。在其他示例中，功能剂可以是用于减少或抑制其上施加有功能剂的构建材料颗粒114的熔融的细化剂(detailing agent)。附加地或在其他示例中，功能剂可以是用于对构建材料颗粒114施加颜色的着色剂。附加地或在其他示例中，功能剂可以改变构建材料颗粒114的化学成分，例如，对于被打印的金属，提供碳的黑色墨料可被结合到被打印的不锈钢中，含有金属纳米颗粒的墨料可以被局部添加到打印的金属中(例如，铜加入铝合金中、铬加入钛合金中)等等。

附加地或在另外的示例中，功能剂可以包括能量墨料，例如含有如下化合物的墨料，所述化合物当其在升高的温度下分解时释放大量能量，如在构建材料颗粒114暴露于能量期间可能发生的那样。此额外热能可以用于促进构建材料颗粒114的熔化过程，特别是当构建材料颗粒114是金属颗粒时。

根据示例，被发射通过液滴112的飞行路径116的光束122的类型可以取决于液滴112的发光特性。也就是说，例如，在液滴112是透明的并且因此可以吸收红外光的情况下，光束122可以是红外光束。在液滴112为不透明的其他示例中，光束122可以在红外与紫外光谱之间。因此，一方面，可以将光束122的类型调谐到准确地跟踪液滴112的发光特性的光谱。

在图1C中，示出了根据另一示例的图1A和图1B中所示设备100的部分截面正视图。图1C中所示出的设备100类似于图1A和图1B中所示的设备100，除了图1C中所示的设备100中光束122的路径可以从这层构建材料颗粒114的表面反射离开之外。也就是说，例如，发光装置120可以成角度地以图1C中所示的方式引导光束122，并且探测器124也可以在光束122已被反射离开构建材料颗粒114之后成角度地接收光束122。

在图1C所示的示例设备100中，光子探测器124所接收光束122的光强水平可以根据功能剂的液滴112是否已经被沉积到这层材料颗粒114的表面上的预期位置上而变化。在这方面，发光装置120可以相对于喷嘴108在特定位置处引导光束122，使得光束122反射离开一层构建材料颗粒114的表面的位置是期望液滴122落在这层构建材料颗粒114的表面上的位置。另外，控制器130可以确定液滴112是否已经成功地沉积于这层构建材料颗粒114上的预期位置处。响应于确定液滴112未成功地沉积在其预期位置处，控制器130可以确定被指示射出液滴112的喷嘴108发生故障或以其他方式不正确地操作。结果，控制器130可以输出警告以指示问题、可以实施缓解操作、和/或可以停止生产3D物体。

现在转至图2A和图2B，分别示出了另一示例设备200的部分截面正视图和截面侧视图。应当理解的是，图2A和图2B中示出的设备200可以包括附加部件，并且在不脱离本文公开的设备200的范围的情况下可以去除和/或修改本文描述的一些部件。

图2A和图2B中示出的设备200包括与图1A和图1B中示出的设备100中所含那些特征类似的特征。然而，在设备200中，探测器124被示为与光源120安装到同一支撑件126上。也就是说，光源120的阵列和探测器124的阵列两者被示为相对于喷嘴108的阵列定位在同一侧。在这方面，在光束122已经从液滴112被反射之后，探测器124可以检测从光源120发出的光束122，如图2A中所示。也就是说，当探测器124未检测到从液滴112反射或以其他方式发出的光束122时，探测器124可以不输出信号或者可以输出第一信号，并且当探测器124检测到从液滴112发出的光束122时，探测器124可以输出第二信号。控制器130可以由从探测器124接收的信号确定特定喷嘴108是否正确地射出液滴112。

在图2A和图2B中，示出了单排喷嘴108。然而，应当理解，可以沿打印头106设置另外一排喷嘴108，如图1B所示。在这方面，所述另外一排喷嘴108可以与光源120和探测器124对准，所述光源和探测器在图2B中未被示为与喷嘴108对准。光源120可以发出具有落入可见光谱、UV光谱和IR光谱中的一个或多个内的波长的光束122。

现在转至图3，示出了可以采用图1A至图1C和图2A至图2B中所示出的打印头组件102中的任一个或两个的示例3D打印机300的等距视图。应当理解的是，图3中示出的3D打印机300可以包括附加部件，并且在不脱离本文公开的3D打印机的范围的情况下可以去除和/或修改本文描述的一些部件。

3D打印机300可以包括构建区域平台302、包含构建材料颗粒306的构建材料供应装置304、以及铺展器308。构建材料供应装置304可以是用于将构建材料颗粒306定位在铺展器308与构建区域平台302之间的容器或表面。构建材料供应装置304可以是料斗或表面，可以在所述料斗或表面上例如从位于构建材料供应装置304上方的构建材料源(未示出)供应构建材料颗粒306。附加地或可替代地，构建材料供应装置304可以包括用于将构建材料颗粒306从储存位置提供(例如，移动)至要铺展到构建区域平台302或先前形成层的构建材料颗粒306上的位置的机构。例如，构建材料供应装置304可以包括料斗、螺旋式输送器等。一般而言，3D物体或零件将由构建材料颗粒306生成，并且构建材料颗粒306可由包括但不限于聚合物、金属和陶瓷的任何合适的材料形成。另外，构建材料颗粒306可以是粉末形式。

铺展器308可以在如由箭头310指示的方向(例如，沿着y轴)上在构建材料供应装置304上方并且跨越构建区域平台302移动，以将构建材料颗粒306构成的层314铺展到构建区域平台302的表面上。层314可以形成为跨越构建区域平台302具有基本均匀的厚度。在示例中，层314的厚度可以在约90μm至约110μm的范围内，但是也可以使用更薄或更厚的层。例如，层314的厚度可以在约20μm至约200μm，或约50μm至约200μm的范围内。铺展器308还可以在铺展构建材料颗粒306之后返回到与构建材料供应装置304相邻的位置。铺展器308可以是刮墨刀、滚柱、反向旋转滚柱或适用于将构建材料颗粒306铺展在构建区域平台302上的任何其他装置。

3D打印机300还可以包括在构建区域平台302上方或下方布置成阵列的多个加温装置320。每个加温装置320可以是灯或其他热源，其例如用于将热量施加到构建材料颗粒306构成的铺展层314上，以将构建材料颗粒306维持在预定阈值温度处或以上。根据示例，加温装置320可以将构建材料颗粒306的温度维持在相对较高温度，其有利于构建材料颗粒306(例如，其上已经混合或施加有诸如熔融剂之类特定液体的构建材料颗粒306)在选定位置处的熔融。

3D打印机300可以还包括第一打印头组件330和第二打印头组件332，这两个组件可以在箭头338指示的这两个方向上(例如，沿着x轴)跨越构建区域平台302进行扫描。第一打印头组件330和第二打印头组件332可以具有与图1A至图1C或图2A至图2B中所示的那些特征类似的特征，并且可以延伸构建区域平台302的宽度。也就是说，第一打印头组件330和第二打印头组件332中的打印头106的喷嘴108可以跨越构建材料颗粒306构成的层314的大部分表面输送一种功能剂或多种功能剂的液滴112。

在其他示例中，第一打印头组件330和第二打印头组件332可以不延伸构建区域平台302的宽度。在这些示例中，还可以沿y轴扫描第一打印头组件330和第二打印头组件332，以使第一打印头组件330和第二打印头组件332能够定位在构建区域平台302上方的大部分区域上。第一打印头组件330和第二打印头组件332可以附接到移动的XY工作台或平移托架(均未示出)，所述移动的XY工作台或平移托架用于将第一打印头组件330和第二打印头组件332与所述构建区域平台302相邻地移动，以便将相应的液滴112沉积在构建材料颗粒306构成的层314上的预期位置中。

在一些示例中，功能剂是熔融剂，所述熔融剂用于增强其上沉积有熔融剂的构建材料颗粒306对能量的吸收。在这些示例中，辐射发生器334可以用于向构建材料306构成的层314上施加熔融辐射。熔融辐射可以是光、电磁辐射、微波等形式。特别地，例如，熔融辐射发生器334可以被激活并例如沿箭头338所指示的方向跨越构建材料颗粒306构成的层314移动，以便向构建材料颗粒306上施加光和/或热形式的熔融辐射。辐射发生器334的示例可以包括：UV、IR或近IR固化灯，IR或近IR发光二极管(LED)，在可见光和近IR范围内发射的卤素灯，微波装置，或具有期望电磁波长的激光器。熔融辐射发生器334的类型可以至少部分地取决于施加到构建材料颗粒306构成的层314上的功能剂中所使用的活性材料的类型。附加地或在其他示例中，光束122可以由具有与熔融辐射发生器334类似的电磁波长类型的辐射构成。在这些示例中，熔融辐射发生器334可以包括光源120，所述光源可以生成较大光强的光以熔融构建材料颗粒306，并且可以生成较小光强的光以检测液滴112。

在对选定区域中的构建材料颗粒306进行熔融之后，构建区域平台302可以如箭头312所指示的(例如，沿z轴)被降低。另外，可以跨越构建区域平台302移动铺展器308，以在先前形成的层之上形成构建材料颗粒306构成的新层314。此外，第一打印头组件330和第二打印头组件332可以将功能剂的液滴112输送到构建材料颗粒306构成的新层的相应选定区域上。此外，辐射发生器334可以用于向构建材料颗粒306构成的新层314上施加熔融辐射，并且可以降低构建区域平台302。可以重复上述过程，直到形成预定数量的层以制造期望的3D零件。

如图3中进一步示出的，3D打印机300可以包括控制器350，所述控制器可以控制3D打印机300部件的操作，所述部件包括：构建区域平台302、构建材料供应装置304、铺展器308、加温装置320、第一打印头组件330、第二打印头组件332、以及辐射发生器334。具体地，例如，控制器350可以控制射出元件110(未示出)以控制3D打印机300部件的各种操作。控制器350可以是基于半导体的微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、图形处理单元(GPU)、张量处理单元(TPU)、和/或其他硬件装置。虽未示出，但控制器350可以经由通信线路连接到3D打印机300的部件。

控制器350还被示为与数据存贮装置352通信。数据存贮装置352可以包括与3D打印机300要打印的3D零件有关的数据。例如，所述数据可以包括第一打印头组件330要在每个构建材料层314中沉积功能剂液滴的位置。数据存贮装置352还可以包括用于基于从打印头组件330、332中的探测器124接收的信号和/或数据来确定喷嘴108何时不正确工作以及用于处理确定不正确工作的喷嘴108的指令。根据示例，控制器350可以等同于图1A和图2A中所示的控制器130。在其他示例中，控制器350可以接收来自控制器130的数据，并且其向控制器130传送指令。本文会更详细地描述控制器130和/或控制器350能够操作的各种方式。

现在参照图4，示出了可以用于由构建材料颗粒114、306制造3D物体的另一示例设备400的框图，所述设备还可以是3D制造装置、3D打印机等。应当理解的是，图4中描绘的设备400可以包括附加部件，并且在不脱离本文公开的设备400的范围的情况下可以去除和/或修改本文描述的一些部件。参照图1A至图1C、图2A至图2B、以及图3对设备400进行描述。

设备400可以包括控制器402，所述控制器可以控制设备400的操作。控制器402可以是基于半导体的微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、图形处理单元(GPU)、张量处理单元(TPU)、和/或其他硬件装置。控制器402可以访问数据存贮装置404，所述数据存贮装置可以是随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、存储装置、光盘等。数据存贮装置404可以在其上存储关于设备400要制造的3D物体的数据。

设备400还可以包括接口406，控制器402可以通过所述接口将指令传送至设备400中所包含的多个部件。接口406可以是控制器402可以通过其传送指令的任何合适的硬件和/或软件。在一些示例中，接口406还能使信息从部件传送至控制器402。在任何方面，部件可以包括铺展器410、打印头电机412、多个射出元件110 414-1至414-N、多个光源416-1至416-N、输出装置418、和多个探测器420-1至420-N。铺展器410可以等效于图3中描绘的铺展器308。射出元件110 414-1至414-N可以等同于射出元件110，光源416-1至416-N可以等同于光源120，并且探测器420-1至420-N可以等同于图1A至图1C和图2A至图2B中所示的探测器124。变量“N”可以表示大于一的值。

设备400还可以包括存储器430，在所述存储器上可以存储有控制器402可执行的机器可读指令432至446(其也可以称为计算机可读指令)。存储器430可以是包含或存储可执行指令的电子、磁性、光学或其他物理存储装置。存储器430可以是例如随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、存储装置、光盘等。存储器430(其也可以称为计算机可读存储介质)可以是非暂态机器可读存储介质，其中，术语“非暂态(non-transitory)”不包含暂态传播信号。

控制器402可以提取、解码和执行指令432以访问3D物体切片，其中，每个切片可以标识要在构建材料颗粒114、306构成的特定层314中形成的3D物体的部段(例如，包含关于这部段的指令)。控制器402可以提取、解码和执行指令434以控制铺展器410将构建材料颗粒114、306铺展成层314。控制器402可以提取、解码和执行指令436以控制打印头电机412。控制器402可以提取、解码和执行指令438以激活包含在喷嘴108中的致动器414-1或多个射出元件414-1至414-N。控制器402可以提取、解码和执行指令440以激活光源416-1或多个光源416-1至416-N。控制器402可以提取、解码和执行指令442以接收来自探测器420-1或多个探测器420-1到420-N的信号/数据。控制器402可以提取、解码和执行指令444以确定是否有任何喷嘴108未能按预期射出液滴112。控制器402可以提取、解码和执行指令446，以响应于确定有喷嘴未能按预期射出液滴而输出关于故障喷嘴的指令。

计算机可读存储介质430可以是包含或存储可执行指令的任何电子、磁性、光学或其他物理存储装置。因此，计算机可读存储介质430可以是例如随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、存储装置、光盘等。计算机可读存储介质430可以是非暂态机器可读存储介质，其中术语“非暂态”不涵盖暂态传播信号。

参照图5中示出的方法500更详细地讨论设备400可实施的各种方式。具体地，图5示出了用于在3D物体打印操作期间利用探测器来检测故障喷嘴的示例方法500，所述探测器和包含喷嘴的打印头一样安装到共同的壳体上。本领域普通技术人员应该清楚方法500代表概括的说明，并且在不脱离方法500的范围的情况下可以添加其他操作或者可以去除、修改或重新布置现有操作。

为进行说明，参照图1A至图1C、图2A至图2B、以及图4中所图示的设备100、200、400，以及图4中图示的3D打印机300对方法500进行描述。然而，应当理解，在不脱离方法500的范围的情况下可以实施具有其他配置的设备和3D打印机来执行方法500。

在框502处，可以访问3D物体切片。例如，控制器402可以执行指令432以访问3D物体切片，其中，每个切片可以标识在构建材料颗粒114、306构成的特定层中形成的3D物体的部段。控制器402可以从数据存贮装置404、从用户输入、经由网络等访问3D物体切片。

在框504处，可以跨越构建区域平台302铺展构建材料颗粒114、306构成的层314。例如，控制器402可以执行指令434以控制铺展器308、410跨越构建区域平台302铺展一堆构建材料颗粒114、306，从而形成构建材料颗粒114、306构成的层314。

在框506处，可以控制打印头电机412以使打印头106、330、332移动跨越构建材料颗粒114、306构成的铺展层314。因此，打印头电机412可以是能使其上支撑有打印头106、330、332的托架跨越铺展层314移动的电机。在这方面，打印头电机412的激活可以使打印头106、330、332在图3中箭头338所指示的方向上移动。另外，在一些示例中，打印头电机412的激活可以使打印头106、330、332如图3中所示沿y轴移动。在任何方面，控制器402可以执行指令436以控制打印头电机412，并因此控制打印头106、330、332跨越层314的移动。

在框508处，可以选择性地激活多个射出元件414-1至414-N以将功能剂的液滴112从喷嘴108射出到构建材料颗粒114、306构成的层314的选定位置上。也就是说，当打印头106、330、332跨越构建材料颗粒114、306构成的层314移动(例如，扫描)以使功能剂的液滴112被射出到层314上的选定位置上时，控制器402可以执行指令438以选择性地激活射出元件110 414-1至414-N中的一些或全部。例如，当打印头106、330、332移动以将功能剂的液滴112输送到层314上要熔融在一起的位置上时，控制器402可以选择性地激活射出元件414-1至414-N。可以通过所访问的3D物体切片(例如，当前层314的物体切片)来限定液滴112要输送至的位置。

在框510处，可以激活多个光源416-1至416-N以引导相应的光束122与从喷嘴108射出的液滴112的飞行路径116相交。控制器402可以执行指令440以激活光源416-1至416-N并且使光源416-1至416-N在一段持续时间内保持激活，所述持续时间覆盖了由射出元件414-1至414-N射出的液滴通过相应的光束122正常所花费的时间段。在一些示例中，控制器402可以激活每个光源416-1至416-N。在其他示例中，控制器402可以激活将光束122引导到被激活的射出元件414-1至416-N的飞行路径116中的那些光源416-1至416-N。在这些示例中，当控制器402激活以下致动器414-1时，控制器402可以激活光源416-1，所述致动器将射出液滴112通过从光源416-1发出的光束122。另外，控制器402可以在覆盖由致动器414-1射出的液滴通过光束122正常所花费的时间段的持续时间到期之后关闭光源416-1。

如以上讨论的，在一些示例中，光源416-1至416-N可以在液滴112到达构建材料颗粒114、306构成的层之前引导光束122穿过液滴112的飞行路径116。附加地或在其他示例中，光源416-1至416-N可以在构建材料颗粒114、306构成的层的表面上引导光束122穿过液滴112的飞行路径116。也就是说，例如，光束122可以被引导在液滴112要落到的位置处反射离开构建材料颗粒114、306构成的层的表面。在其他示例中，光源416-1至416-N可以在一个或多个方向上移动光束122(例如，扫描光束122)，这可以增强对液滴112的检测。

在框512处，控制器402可以接收来自探测器420-1至420-N的信号，其中，所述信号可以对应于是否检测到液滴112已经按预期从喷嘴108射出。如本文所讨论的，探测器420-1至420-N(其还可以被称为光电探测器)可以收集光源416-1至416-N已输出的光束122。也就是说，每个探测器420-1至420-N可以定位成收集从相应光源416-1至416-N发出的光束122，例如，第一探测器420-1可以定位成收集从第一光源414-1发出的光束122，第二探测器420-2可以定位成收集从第二光源414-2发出的光束122，等等。另外或在其他示例中，源自共同光源414-1的光束122可以例如利用准直机构或透镜来过滤，以被引导至第一探测器420-1、第二探测器420-2等。

每个探测器420-1至420-N可以生成与探测器420-1至420-N收集的光的光强相对应的信号，并且可以将生成的信号发送至控制器402。因此，例如，探测器420-1可以响应于所收集的光处于第一光强水平而生成第一信号、可以响应于所收集的光处于第二光强水平而生成第二信号，等等。通过特定示例，如果从对应于探测器420-1的光源416-1引导的光束122无干扰地被收集，如在液滴112不通过光束122时会发生的那样，则探测器420-1可以生成第一信号。如果光束122以相对少量的干扰被收集，如当液滴112比预期要小(例如具有比预期更小的体积)时会发生的那样，则探测器420-1可以生成第二信号。如果光束122在收集期间被阻挡，如在液滴112具有预期体积时会发生的那样，则探测器420-1可以生成第三信号。

在框514处，可以由所接收到的信号确定是否有任何喷嘴108发生故障。也就是说，控制器402可以执行指令444以由从探测器420-1至420-N接收的信号确定是否有任何喷嘴108未能按预期射出液滴112。如果射出信号被发送到特定喷嘴108的致动器414-1，光源416-1被激活以发出光束122，并且探测器420-1发送指示在射出信号传输之后的一定时间段内液滴112未穿过光束122或具有不足够体积的信号，则控制器402可以确定特定喷嘴108未能按预期射出液滴112。因此，例如，控制器402可以由从探测器420-1接收的信号确定未从特定喷嘴108射出液滴112或者所射出的液滴112未按预期(例如，以正确的体积)射出。

响应于在框514处确定一个喷嘴108和/或多个喷嘴108发生了故障，控制器402可以执行指令446以输出指令，如框516所示。在一些示例中，控制器402可以向输出装置418输出指令以向操作者发出警报，从而通知操作者一个喷嘴或多个喷嘴108发生了故障。在这些示例中，控制器402可以停止打印操作，直到操作者决定继续打印操作。在其他示例中，控制器402可以输出指令以执行缓解操作来补偿出现故障的一个或多个喷嘴108。缓解操作可以包括例如使另一个喷嘴或多个其他喷嘴108将功能剂的液滴112沉积到构建材料颗粒114、306构成的层上出现故障的一个或多个喷嘴108本来要沉积液滴112的位置上。

根据其他示例，并且如图6中所示，控制器402可以在框516处实施其他操作。也就是说，图6示出了可以作为图5中的框516的一部分或代替所述框516实施的方法600的流程图。在这方面，在框602处，控制器402可确定一个喷嘴或多个喷嘴108已发生故障。另外，在框604处，控制器402可以确定为正处于打印过程中的3D物体选择的打印质量水平。也就是说，用户可以选择以多种打印质量水平中的一种来打印3D物体，例如，高质量水平、低质量水平(例如，草稿模式)等。要打印的3D物体的打印质量可以基于各种考虑因素，例如，3D物体的重要性、容差要求等。

在框606处，控制器402可以确定所选择的打印质量水平是否超过一定的打印质量水平。例如，控制器402可以在框606处确定所选择的打印质量水平是高质量水平还是低质量水平。响应于在框606处确定所选择的打印质量水平超过一定的打印质量水平(例如，要以高质量水平打印3D物体)，控制器402可以如框608处所示的停止3D物体的打印。也就是说，控制器402可以停止激活射出元件414-1至414-N，从而停止将液滴112射出到构建材料颗粒114、306构成的层上。然而，响应于在框606处确定所选择的打印质量水平低于一定的打印质量水平(例如，要以低质量水平打印3D物体)，控制器402可以如框610处所示的继续3D物体的打印。也就是说，当打印头106、330、332跨越构建材料颗粒114、306构成的层移动时，控制器402可以继续激活射出元件414-1至414-N，从而继续将液滴112射出到构建材料颗粒114、306构成的层上。因此，例如，如果为3D物体所选的质量水平较低，则可以继续制造有缺陷的3D物体。

返回参照图5，响应于在框514处确定没有喷嘴108发生故障或者在图6中的框610处确定继续打印之后，可以在框518处确定是否要继续方法500。控制器402可以确定在以下情况下将继续方法500：构建材料颗粒114、306构成的层的附加区域要熔融在一起、3D物体的附加部段由附加层的构建材料颗粒114形成，等等。响应于确定将继续方法500，控制器402可以重复框508至518，直到在框518处确定要中断方法500，此时方法500可以如框520处所示的结束。

根据示例，可以在每次激活射出元件414-1至414-N时执行框510至518。在其他示例中，可以在预定的时间段执行框510至518，在打印操作期间对于每个射出元件414-1至414-N执行一次，在初始激活射出元件414-1至414-N以便打印到新形成层的构建材料颗粒114、306上期间对于每个射出元件414-1至414-N执行一次，等等。另外，探测器124可以周期性地和/或随时间推移进行测试和/或校准操作，以确保探测器124、420-1至420-N正确地操作，例如准确地检测液滴112。

方法500和方法600中阐述的一些或所有操作可以作为程序或子程序包含在任何期望的计算机可访问介质中。另外，方法500和方法600可以由计算机程序实施，所述计算机程序可以以活动和非活动两者的各种形式存在。例如，它们可以作为机器可读指令存在，包括源代码、目标代码、可执行代码或其他格式。以上任一种指令都可以实施在非暂态计算机可读存储介质上。

非暂态计算机可读存储介质的示例包括计算机系统RAM、ROM、EPROM、EEPROM以及磁盘或光盘或磁带。因此，应当理解的是，能够执行上述功能的任何电子装置都可以执行以上列举的那些功能。

尽管贯穿整个本公开进行了具体描述，但本公开的代表性示例在广泛应用范围内具有实用性，并且以上讨论不旨在且不应被解释为限制性的，而是作为本公开各方面的说明性讨论来提供。

本文中已经描述和图示的是本公开的示例以及其一些变型。本文中使用的术语、描述和附图仅以说明的方式阐述，并不意味着限制。在本公开的精神和范围内许多变化是可行的，本公开的精神和范围旨在由以下权利要求及其等同方案限定，其中，除非另外指明，否则所有术语都是指其最广泛的合理意义。

Claims (13)

1.一种三维打印设备，所述三维打印设备包括：

打印头组件，所述打印头组件包含：

壳体；

被支撑在所述壳体上的打印头，所述打印头具有喷嘴，所述喷嘴用于将功能剂的液滴沿相应的飞行路径射出到构建材料颗粒层上，以由构建材料颗粒形成三维物体的部段；

发光装置阵列，用于在所述相应的飞行路径中引导相应的光束；

光子探测器阵列，其中，所述光子探测器阵列中的每个光子探测器用于检测从所述发光装置阵列中的发光装置引导的光束，所述发光装置和所述光子探测器被支撑在所述壳体上；以及

控制器，用于基于所述光子探测器是否检测到所述光束来确定是否有任何所述喷嘴在不正确地操作，并且响应于确定喷嘴在不正确地操作而输出关于不正确操作的喷嘴的指令，

其中，所述控制器还基于确定的光束被液滴中断的时机来确定是否有任何所述喷嘴在不正确地操作，

其中，每个所述喷嘴包括腔室和射出元件，其中，激活特定喷嘴中的所述射出元件使得从所述特定喷嘴的腔室射出所述功能剂的液滴，并且其中，用于在所述特定喷嘴的飞行路径中引导光束的发光装置随着所述射出元件的激活而被激活并且被激活一段持续时间，所述持续时间覆盖了从所述腔室射出的液滴通过所述光束正常所花费的时间段。

2.根据权利要求1所述的三维打印设备，其中，响应于确定在激活所述发光装置的所述持续时间期间检测到被引导通过喷嘴的所述飞行路径的所述光束的光强水平高于一定阈值水平，所述控制器确定所述喷嘴在不正确地操作。

3.根据权利要求1所述的三维打印设备，其中，所述控制器还响应于确定喷嘴在不正确地操作而执行以下之一：缓解操作以及停止所述打印头将所述功能剂的液滴射出到所述构建材料颗粒层上。

4.根据权利要求1所述的三维打印设备，其中，所述控制器确定为所述三维物体选择的打印质量水平，并且其中，所述控制器响应于确定喷嘴在不正确地操作而基于所确定的为所述三维物体选择的打印质量水平来确定是否停止制造所述三维物体。

5.根据权利要求1所述的三维打印设备，其中，所述控制器还基于确定的光束的光强水平来确定是否有任何所述喷嘴在不正确地操作。

6.根据权利要求1所述的三维打印设备，其中，所述发光装置是垂直腔面发射激光器。

7.根据权利要求1所述的三维打印设备，其中，所述发光装置阵列用于将相应的光束引导到所述构建材料颗粒层上的选定位置处，并且其中，所述光子探测器阵列用于检测从所述构建材料颗粒层上的所述选定位置反射的相应光束。

8.根据权利要求1所述的三维打印设备，其中，所述发光装置可移动以使所述光束移动，并且其中，所述光子探测器用于在所述光束移动时检测所述光束的特性。

9.一种三维打印方法，所述三维打印方法包括：

将构建材料颗粒铺展成层；

激活打印头中的喷嘴的腔室内的射出元件，以选择性地将功能剂的液滴从所述腔室射出到构建材料颗粒层上，从而由所述构建材料颗粒形成三维物体的部段，所述打印头安装到壳体；

激活光源以引导光束通过所射出的液滴的飞行路径；

接收来自检测所述光束的探测器的信号，所述信号对应于是否检测到所述液滴已按预期从所述喷嘴射出，并且所述光源和所述探测器安装到所述壳体；

从所接收到的信号确定是否有任何所述喷嘴未按预期射出液滴，其中，确定是否有任何所述喷嘴未按预期射出液滴包括基于何时从所述探测器接收到信号来确定是否有任何所述喷嘴未按预期射出液滴；以及

响应于确定故障喷嘴未按预期射出液滴，输出关于所述故障喷嘴的指令，

其中，每个所述光源对应于相应的射出元件，所述三维打印方法还包括：

随着分别对应于被激活光源的所述射出元件的激活而将所述光源激活一段持续时间，所述持续时间覆盖了由所述射出元件所射出的液滴通过从所述被激活光源引导的光束正常所花费的时间段。

10.根据权利要求9所述的三维打印方法，其中，确定是否有任何所述喷嘴未按预期射出液滴还包括响应于所接收到的信号表明未检测到液滴、检测到的液滴的体积低于预定体积、检测到的液滴的成分不正确、或以上情形的组合，而确定喷嘴未按预期射出液滴。

11.根据权利要求9所述的三维打印方法，所述三维打印方法还包括：

从所接收到的信号确定喷嘴发生故障；

确定为所述三维物体选择的打印质量水平；

确定所选择的打印质量水平是否超过一定的打印质量水平；

响应于确定所选择的打印质量水平超过所述一定的打印质量水平，而停止激活所述射出元件；以及

响应于确定所选择的打印质量水平低于所述一定的打印质量水平，继续激活所述射出元件。

12.一种三维打印设备，所述三维打印设备包括：

铺展器，用于将构建材料颗粒铺展成构建材料颗粒层；

打印头组件，所述打印头组件包含：

打印头，所述打印头具有喷嘴，所述喷嘴用于将功能剂的液滴沿相应的飞行路径射出到所述构建材料颗粒层上，以由所述构建材料颗粒形成三维物体的部段；

多个光源，用于在所述相应的飞行路径中引导相应的光束；

多个光电探测器，其中，所述多个光电探测器中的每个光电探测器用于接收来自所述多个光源中的相应光源的光束；以及

控制器，用于：

从所述光电探测器接收信号；

基于所接收到的信号确定是否有任何所述喷嘴未按预期射出液滴，其中，确定是否有任何所述喷嘴未按预期射出液滴包括基于何时从所述探测器接收到信号来确定是否有任何所述喷嘴未按预期射出液滴；以及

响应于确定故障喷嘴未按预期射出液滴，输出关于所述故障喷嘴的指令，

其中，每个所述喷嘴包括腔室和射出元件，其中，激活特定喷嘴中的所述射出元件使得从所述特定喷嘴的腔室射出所述功能剂的液滴，并且其中，用于在所述特定喷嘴的飞行路径中引导光束的光源随着所述射出元件的激活而被激活并且被激活一段持续时间，所述持续时间覆盖了从所述腔室射出的液滴通过所述光束正常所花费的时间段。

13.根据权利要求12所述的三维打印设备，其中，所述控制器还用于：

从所接收到的信号确定喷嘴发生故障；

确定为所述三维物体选择的打印质量水平；

确定所选择的打印质量水平是否超过一定的打印质量水平；以及

响应于确定所选择的打印质量水平超过所述一定的打印质量水平，输出停止射出所述液滴的指令。

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