CN110382236B - 加热室内部的3d打印喷嘴校准 - Google Patents

加热室内部的3d打印喷嘴校准 Download PDF

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Abstract

一种3D打印喷嘴校准系统，包括：加热室；安装在所述加热室内部的打印基板；打印基板移动装置，其构造成使得所述打印基板移动；移动滑架；至少一个导轨，所述移动滑架构造成在至少一个导轨上上下滑动；部分地安装在所述加热室内部的打印喷嘴；所述打印喷嘴连接到所述移动滑架；连接到所述移动滑架的硬止动件；固定部件，所述硬止动件搁置在其上；以及打印机控制器；其中所述打印基板构造成向上移动，直到在所述打印基板的确定的点中所述打印基板接触所述打印喷嘴的点，从而使所述硬止动件与所述固定部件断开连接；以及其中所述打印机控制器构造成在所述断开连接时存储所述打印基板的高度。

Description

加热室内部的3D打印喷嘴校准
技术领域
本发明总体涉及打印系统，以及具体涉及3D打印喷嘴校准系统。
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求于2017年3月6日提交的、序列号为62/467,258的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请通过引用以其整体并入本文。
背景技术
3D打印或增材制造(AM，Additive Manufacturing)、熔融沉积成型(FDM，FuseDepositing Modeling)和熔丝制造(FFT，Fused Filament Fabrication)是指用于打印三维物体的各种工艺中的任何一种工艺。主要是利用增材工艺，其中在计算机控制下铺设连续的材料层。这些物体可以是几乎任何形状或几何构造，并且可以从3D模型或其他电子数据源制成。多年来开发了不同类型的3D打印机，诸如3D FDM(熔融沉积成型)挤出打印机。3DFDM挤出打印机主要基于在打印机头中熔化丝材，例如塑料。
在用高熔化温度打印材料(诸如玻璃、金属等)进行打印时，希望在打印区域中保持高温，以避免由于打印部件上的热应力引起的裂缝或破裂。为此目的，打印过程必须在热环境中进行，例如在加热室/炉内部进行。
打印喷嘴相对于打印基板的高度校准非常重要，特别是对于第一层而言。如果喷嘴(打印头)放置得太靠近打印基板，则第一层可能非常薄并且难以粘附。如果喷嘴放置得离打印基板太远，则第一层根本不会粘附。打印基板不是完全平坦的，因此重要的是在打印基板区域的多个点处相对于打印基板校准喷嘴高度。
由于显著的热膨胀，在高温下打印时，高度校准更为关键。
现有解决方案使用安装在打印喷嘴附近的距离传感器。
在XY平面上使得打印基板移动到多个确定的点时，基板在Z轴上上下移动，直到距离传感器识别出打印基板。在多个确定的点中执行该过程使得打印机控制器能够对于整个打印基板区域生成相对于打印基板的喷嘴高度的映射文件。
由于重要的值是喷嘴和打印基板之间的距离(不是距离传感器和打印基板之间的距离)，因此需要进行另一种测量，喷嘴和打印基板之间至少在其中一个确定的点处的距离。该测量可以通过将喷嘴朝向打印基板移动来手动完成。通过使用这种方法，存在通过将喷嘴撞击到打印基板上而损坏喷嘴的风险。
加热室/炉导致在喷嘴的尖端安装在加热室/炉内部的非常热的环境(例如600℃)中时如何校准喷嘴高度的问题，在加热室/炉内部不可能使用标准电子装置/距离传感器等。
因此，需要一种能够在喷嘴尖端安装在热(或非常热)的环境中时校准打印喷嘴高度的系统。
附图说明
为了更好地理解本发明并示出如何实现本发明，现在将纯粹通过示例的方式参考附图。
现在具体参考附图，要强调的是，所示的细节仅是示例性的，并且仅出于对本发明优选实施例的说明性论述的目的，并且为了提供据信是对本发明的原理和概念方面的最有用和易于理解的描述而呈现。在这方面，未试图以比对本发明的基本理解所必要的内容更详细地显示本发明的结构细节，通过附图进行的描述使得本领域技术人员明了如何可在实践中体现本发明的几种形式。在附图中：
图1是根据本发明实施例的3D打印喷嘴校准系统的示意图，其使用固定的打印头/喷嘴和移动的打印基板进行打印；
图1A是图1的3D打印喷嘴校准系统的示意性侧视图；
图2是示出根据本发明实施例的由图1的系统执行的喷嘴校准过程的流程图；
图3是根据本发明实施例的3D打印喷嘴校准系统的示意图，其使用移动的打印头/喷嘴和固定的基板进行打印；
图3A是图3的3D打印喷嘴校准系统的示意性侧视图；以及
图4是示出根据本发明实施例的由图3的系统执行的喷嘴校准过程的流程图。
具体实施方式
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应理解的是，本发明在其应用方面不限于在下面的描述中阐述的或在附图中示出的构造的细节和部件的布置。本发明适用于其他实施例或以各种方式实践或实施。此外，应理解的是，本文采用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应被视为是限制性的。
本发明提供一种用于在喷嘴的尖端安装在热(或非常热)的环境(例如，600℃)中时校准3D打印喷嘴的系统。在整个说明书中，在加热室内打印的3D打印材料，诸如玻璃、金属或任何其它需要高熔化温度的打印材料可被称为打印材料。
将意识的是，本发明的校准过程在使用固定的打印头/喷嘴和移动的打印基板打印的系统中执行，但是该过程也可以在使用移动的打印头/喷嘴和固定的打印基板打印或移动的打印喷嘴和移动的打印基板的任何其他组合的系统中类似地执行。
将意识的是，术语“固定的打印喷嘴”和“固定的打印基板”与打印过程有关。在校准期间，打印喷嘴和/或打印基板可以是固定的或不固定的。
图1是根据本发明实施例的3D打印喷嘴校准系统100的示意图，其使用固定的打印头/喷嘴和移动的打印基板进行打印，所述3D打印喷嘴校准系统100包括：加热室/炉105；部分安装在加热室105内部的打印头(喷嘴)110；安装在加热室105内部的移动的基板/打印基板120；用于使得打印基板120在XYZ平面中移动的移动装置106；打印喷嘴110连接到其的移动滑架140；移动滑架140在其上上下滑动的至少一个线性导轨150(示出两个)；连接到移动滑架140的硬止动件160；限定喷嘴尖端位置(工作位置)的固定部件170，硬止动件160搁置在固定部件170上；以及打印机控制器(未示出)。
喷嘴110的上侧安装在加热室105的外部，以及下侧(喷嘴的尖端)安装在加热室105的内部。喷嘴110连接到移动滑架140，移动滑架140安装在加热室105的外部。滑架140在至少一个线性导轨150上平行于“Z”轴滑动，并且如果暴露于垂直推力，则使得喷嘴110能够向上移动。连接到滑架140的硬止动件160搁置抵靠在固定部件170上并限定喷嘴的尖端位置(工作位置)。
根据本发明的实施例，硬止动件160连接到简单电路的一个极性，并且固定部件170连接到同一电路的另一个极性。只要硬止动件搁置抵靠在固定部件170上，则电路就会闭合，即喷嘴的尖端处于下部位置(工作位置)处。当喷嘴向上移动时，硬止动件160从固定部件170断开连接并且电路断开。当断开连接发生时，电路向打印机控制器发送信号以记录打印基板的精确高度。
图1A是图1的3D打印喷嘴校准系统100的示意性侧视图。
图2是示出由根据本发明实施例的系统100执行的喷嘴校准过程的流程图200。在步骤210中，打印机控制器向打印基板移动装置发送命令，以使得打印基板120在XY平面中移动到确定的点。在步骤220中，当打印基板处于确定的点处时，打印机控制器向打印基板移动装置发送命令以使得打印基板120在Z轴上向上移动。当喷嘴的尖端接触打印基板时，喷嘴110被打印基板向上推动，并且硬止动件160也向上移动并与固定部件170断开连接，该硬止动件160与喷嘴110连接到相同的移动滑架。在步骤230中，由于断开连接，电路断开，向打印机控制器发送信号以记录打印基板的高度，并且控制器向打印基板移动装置发送信号以停止向上移动。该Z高度参数存储在打印机控制器中。
将意识到的是，可以在多个确定的点中根据需要重复该过程，以便在打印基板的每个确定的点处创建打印基板和喷嘴尖端之间的距离的映射文件。
将意识到的是，系统100可以包括测力传感器而不是电路，该测力传感器作为固定部件，硬止动件搁置在该固定部件上。在这种情况下，打印机控制器测量在测力传感器上产生的力，并检测当打印基板接触喷嘴尖端时力的衰减。
将意识到的是，也可以使用诸如距离传感器、基于电容的传感器、IR传感器、基于激光的传感器等的其他解决方案来代替电路来检测硬止动件160与固定部件170的断开连接。
如前所述，硬止动件限定喷嘴尖端的下部位置(工作位置)。有时在打印期间，需要缩回打印材料。如果喷嘴在其滑架上自由向上移动，则缩回涉及可将喷嘴向上拉动的力。根据本发明的实施例，为了防止该移动，在打印期间(不是在高度校准期间)，可以使用电磁体(例如图1中的180)或可以防止这种移动的任何其他类型的锁定机构，以便保持喷嘴的尖端锁定在工作位置处(例如，机械地锁定)。在一些情况下，电磁体可以是固定部件(图1中的170)，硬止动件搁置在该固定部件上。在这种情况下，硬止动件应由磁性(铁磁性)材料形成。
根据本发明的实施例，可以在校准之前或期间使用清洁站，以防止粘附到喷嘴尖端的熔化材料导致高度测量不准确的情况。
根据本发明的实施例，高度校准过程可以在非平面的打印基板或表面上进行。由于可以根据需要重复该过程，因此可以通过在大量点中校准来生成全面的映射文件。根据映射文件，打印机控制器可以在打印时将Z轴校正发送到打印基板。
如上所述，所描述的校准过程可以在使用固定的打印头/喷嘴和移动的打印基板打印的系统中以及在使用移动的打印头/喷嘴和固定的打印基板或移动的打印喷嘴和移动的打印基板的任何其他组合进行打印的系统中执行。
图3是根据本发明实施例的3D打印喷嘴校准系统300的示意图，其使用移动的打印头/喷嘴和固定的打印基板进行打印，该3D打印喷嘴校准系统300包括：加热室/炉305；部分地安装在加热室内部的移动打印头(喷嘴)310；安装在加热室内部的基板/打印基板320；打印喷嘴310连接到其的移动滑架340；移动滑架在其上上下滑动的至少一个线性导轨350(示出两个)；至少一个线性导轨350安装到其上的板355；连接到移动滑架340的硬止动件360；连接到板355的搁置部件370，其限定喷嘴的尖端位置(工作位置)，硬止动件360搁置在该搁置部件370上；打印机控制器(未示出)；以及移动装置(图3A的365)，该移动装置用于使得板355在XYZ平面中与打印喷嘴310、滑架340、硬止动件360、至少一个线性导轨350和搁置部件370一起移动。
如前所述，硬止动件限定喷嘴尖端的下部位置(工作位置)。有时在打印期间，需要缩回打印材料。如果喷嘴在其滑架上自由向上移动，则缩回涉及可将喷嘴向上拉动的力。根据本发明的实施例，为了防止该移动，在打印期间(不是在高度校准期间)，可以使用电磁体(例如图3中的380)或使用可以防止这种移动的任何其他类型的锁定机构，以便保持喷嘴的尖端锁定在其当前工作位置处(例如，机械地锁定)。在一些情况下，电磁体可以是搁置部件(图3中的370)，硬止动件搁置在该搁置部件上。在这种情况下，硬止动件应由磁性(铁磁性)材料形成。
图3A是图3的3D打印喷嘴校准系统300的示意性侧视图。
图4是示出根据本发明实施例的由系统300执行的喷嘴校准过程的流程图400。在步骤410中，打印机控制器向打印喷嘴移动装置发送命令，以使得打印喷嘴在XY平面中移动到确定的点。在步骤420中，当打印喷嘴处于确定的点处时，打印机控制器向打印喷嘴移动装置发送命令以使得打印喷嘴沿Z轴向下移动。当喷嘴的尖端接触打印基板时，喷嘴被打印基板向上推动，并且与喷嘴连接到相同移动滑架的硬止动件也向上移动并与搁置部件断开连接。在步骤430中，由于断开连接，电路断开，向打印机控制器发送信号以记录喷嘴的高度，并且控制器向打印喷嘴移动装置发送信号以停止向上移动。该Z高度参数存储在打印机控制器中。
将由本领域技术人员意识到的是，本发明不限于上文特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围由所附权利要求限定，并且包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及本领域技术人员在阅读前述描述时将想到的变化和修改。

Claims (20)

1.一种3D打印喷嘴校准系统，包括：
加热室；
安装在所述加热室内部的打印基板；
打印基板移动装置，其构造成使得所述打印基板移动；
移动滑架；
至少一个导轨，所述移动滑架构造成在该至少一个导轨上上下滑动；
部分地安装在所述加热室内部的打印喷嘴；所述打印喷嘴连接到所述移动滑架；
连接到所述移动滑架的硬止动件；
固定部件，所述硬止动件搁置在该固定部件上；以及
打印机控制器；
其中所述打印基板构造成向上移动，直到所述打印基板在所述打印基板的确定的点中接触所述打印喷嘴的点，从而使所述硬止动件与所述固定部件断开连接；以及
其中所述打印机控制器构造成在所述断开连接时存储所述打印基板的高度。
2.根据权利要求1所述的3D打印喷嘴校准系统，其特征在于，所述硬止动件连接到电路的一个极性，并且所述固定部件连接到所述电路的另一个极性。
3.根据权利要求1所述的3D打印喷嘴校准系统，其特征在于，所述固定部件是测力传感器；并且其中所述系统还构造成测量在所述测力传感器上产生的力并且当所述打印基板接触所述打印喷嘴尖端时检测所述力的衰减。
4.根据权利要求1所述的3D打印喷嘴校准系统，其特征在于，所述断开连接由距离传感器、基于电容的传感器、IR传感器和基于激光的传感器中的一种传感器检测。
5.根据权利要求1所述的3D打印喷嘴校准系统，其特征在于，还包括锁定机构，所述锁定机构构造成在打印时锁定所述打印喷嘴。
6.根据权利要求5所述的3D打印喷嘴校准系统，其特征在于，所述锁定机构包括电磁体和机械锁定中的一种。
7.根据权利要求1所述的3D打印喷嘴校准系统，其特征在于，所述打印基板是非平面的打印基板。
8.一种3D打印喷嘴校准系统，包括：
加热室；
安装在所述加热室内部的打印基板；
移动滑架；
包括至少一个导轨的板，所述移动滑架构造成在所述至少一个导轨上上下滑动；
部分地安装在所述加热室内部的打印喷嘴；所述打印喷嘴连接到所述移动滑架；
连接到所述移动滑架的硬止动件；
连接到所述板的搁置部件，所述硬止动件搁置在所述搁置部件上；
打印喷嘴移动装置，其构造成使得所述板、所述打印喷嘴、所述滑架、所述硬止动件和所述搁置部件移动；以及
打印机控制器；
其中所述打印喷嘴构造成在所述打印基板的确定的点的上方，与所述滑架、所述硬止动件和所述搁置部件一起向下移动，直到所述打印基板接触所述打印喷嘴的点，从而导致所述硬止动件从所述搁置部件断开连接；以及
其中所述打印机控制器构造成在所述断开连接时存储所述打印喷嘴的高度。
9.根据权利要求8所述的3D打印喷嘴校准系统，其特征在于，所述硬止动件连接到电路的一个极性，并且所述搁置部件连接到所述电路的另一个极性。
10.根据权利要求8所述的3D打印喷嘴校准系统，其特征在于，所述搁置部件是测力传感器；并且其中所述系统还构造成测量在所述测力传感器上产生的力，并在所述打印基板接触所述打印喷嘴的尖端时检测所述力的衰减。
11.根据权利要求8所述的3D打印喷嘴校准系统，其特征在于，所述断开连接由距离传感器、基于电容的传感器、IR传感器和基于激光的传感器中的一个检测。
12.根据权利要求8所述的3D打印喷嘴校准系统，其特征在于，还包括锁定机构，其构造成在打印时锁定所述打印喷嘴。
13.根据权利要求12所述的3D打印喷嘴校准系统，其特征在于，所述锁定机构包括电磁体和机械锁定中的一种。
14.根据权利要求8所述的3D打印喷嘴校准系统，其特征在于，所述打印基板是非平面的打印基板。
15.一种校准3D打印喷嘴的过程，该过程包括：
(i)提供3D打印喷嘴校准系统，该系统包括：
打印机控制器；
打印基板；
移动滑架和至少一个导轨，所述移动滑架构造成沿z轴在该至少一个导轨上上下滑动；
打印喷嘴，所述打印喷嘴连接到所述移动滑架并沿z轴从所述打印基板移位；
硬止动件，所述硬止动件也连接到所述移动滑架并能够与所述打印喷嘴一起沿z轴移动；以及
固定部件，当所述打印喷嘴处于其打印位置时，所述硬止动件搁置在所述固定部件上；
(ii)使所述打印基板和所述打印喷嘴沿z轴朝向彼此移动，直到所述打印基板接触所述打印喷嘴，从而使得所述硬止动件与所述固定部件断开连接；以及
(iii)当所述硬止动件与所述固定部件断开连接时，由所述打印机控制器存储所述打印基板的高度。
16.根据权利要求15所述的校准3D打印喷嘴的过程，其特征在于，所述3D打印喷嘴校准系统包括打印基板移动装置，且通过所述打印机控制器发送命令到打印基板移动装置以沿z轴向上移动所述打印基板来执行步骤(ii)。
17.根据权利要求15所述的校准3D打印喷嘴的过程，其特征在于，所述3D打印喷嘴校准系统包括打印喷嘴移动装置，且通过所述打印机控制器发送命令到所述打印喷嘴移动装置以沿z轴向下移动所述打印喷嘴来执行步骤(ii)。
18.根据权利要求15所述的校准3D打印喷嘴的过程，其特征在于，所述3D打印喷嘴校准系统包括沿x轴、y轴和z轴移动所述打印基板的打印基板移动装置。
19.根据权利要求15所述的校准3D打印喷嘴的过程，其特征在于，所述3D打印喷嘴校准系统还包括：
板，该板包括至少一个导轨，所述移动滑架与所连接的打印喷嘴和硬止动件配置为在所述至少一个导轨上上下滑动，固定部件连接到所述板；以及
打印喷嘴移动装置，其配置为沿z轴移动所述板、所述打印喷嘴、所述移动滑架、所述硬止动件和所述固定部件；以及其中
使所述打印基板和所述打印喷嘴沿z轴朝向彼此移动的的步骤(ii)包括沿z轴向下移动所述板、所述移动滑架、所述打印喷嘴、所述硬止动件和所述固定部件，直到所述打印基板接触所述打印喷嘴，以及继续沿z轴向下移动所述板和所述固定部件，直到所述硬止动件与所述固定部件断开连接。
20.根据权利要求15所述的校准3D打印喷嘴的过程，其特征在于，所述3D打印喷嘴校准系统包括至少沿x轴和y轴移动所述打印基板的打印基板移动装置，且所述过程包括：移动所述打印基板到新的x、y位置并重复步骤(ii)和步骤(iii)从而创建在一个以上x、y位置处打印基板和喷嘴的尖端之间的距离的映射文件。
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