CN110430988B - 校准基于喷墨的三维打印系统的方法 - Google Patents

Abstract

在本公开的一方面，三维打印系统包括用于支撑打印床（4）的升降机机构（6）、打印头组件（2）、移动机构（10）和控制器（16）。打印头组件包括打印头（8）和沿扫描轴线布置的平面器（24）。移动机构用于跨打印床扫描打印头。控制器被配置成：（a）将一个或多个油墨基础层打印到打印床上，（b）将一个或多个测试图案层打印到基础层上，直到可以进行对准确定，其中测试图案包括不同的定时值，以及（c）基于确定来接收信息和更新扫描轴线定时参数。

Description

校准基于喷墨的三维打印系统的方法

相关申请的交叉引用

本非临时专利申请要求于2017年3月17日提交的Mark Raymond Parker的标题为“METHOD OF CALIBRATING AN INKJET BASED THREE DIMENSIONAL PRINTING SYSTEM”的美国临时申请序列号62/472，749的优先权，其受益于U.S.C.119(e)通过引用并入本文中。

技术领域

本公开涉及用于由来自喷墨打印头的材料的选择性沉积制造固体三维（3D）制品的装置和方法。更具体地，本公开涉及用于准确地校准适合与相变油墨和可光固化油墨一起使用的打印系统的装置和方法。

背景技术

三维（3D）打印系统出于诸如原型设计和制造的目的而迅速增加使用。一种类型的3D打印机利用喷墨打印头来选择性地沉积材料以形成三维（3D）制品。打印头沿着“扫描轴线”扫描，并且选择性地且重复地形成累积地限定三维（3D）制品的层。在一些实施例中，每个层可以是UV固化的。在其它实施例中，使用相变油墨。如本领域中已知的，术语“油墨”包括构建材料和支撑材料两者。

相变油墨典型地包含蜡材料。相变油墨在室温或约25摄氏度下为固体。这些油墨在打印系统中在升高的温度下处理，以便于将油墨提供给打印头和喷射。因为它们在冲击时固化，所以这些油墨不倾向于在分配之后从限定的横向边界流动。因此，它们实现准确的横向临界尺寸。然而，它们具有一些挑战，包括在打印期间形成凹凸或粗糙表面的趋势。

另外，虽然相变油墨允许更精确的横向定位，但是当发生横向分配误差时，它们不太容易“原谅”。这是因为没有相变的其它油墨倾向于流动和展开，这消除了液滴放置误差。因此，实现相变油墨的准确对准比实现对于在室温下为液体的其它种类的油墨的准确对准更重要。所需要的是在横向方向上实现相对于竖直方向和准确度的平面性的总体解决方案。

发明内容

在本公开的第一方面中，三维打印系统包括用于支撑打印床的升降机机构、打印头组件、移动机构和控制器。打印头组件包括打印头和沿扫描轴线布置的平面器。打印头组件被配置成沿着扫描轴线相对于打印床平移，由此平面器沿着扫描引导或跟随打印头。打印头包括面向下的喷射器面。平面器限定平面化平面，所述平面化平面从喷射器面向下偏移一轨迹高度H_T。移动机构用于跨打印床扫描打印头。控制器被配置成：（a）将一个或多个油墨的基础层打印到打印床上，（b）将测试图案的一个或多个层打印到基础层上，直到可以进行对准确定，其中测试图案包括不同的定时值，以及（c）基于确定来接收信息和更新扫描轴线定时参数。

在一个实施方式中，控制器包括耦合到信息存储设备的处理器。所述信息存储设备包括存储指令的非易失性或非暂时性存储设备，所述指令在由处理器执行时，在三维制品的形成期间和在校准过程期间控制三维打印系统的升降机机构、打印头组件、移动机构和其它部分。控制器可以位于打印系统中的一个位置处或分布在多个位置之间。在一个实施例中，控制器包括在打印引擎外部的外部控制器和在打印引擎内部的内部控制器。

在另一实施方式中，打印头被配置成喷射在25摄氏度下为固体并且在升高的温度下以液体状态喷射的相变油墨。相变油墨可具有在60至140摄氏度的范围内或80至100摄氏度的范围内的熔点。相变油墨可以具有多种具有不同熔点的成分，以及因此可以不展现出特定的或不同的熔点。三维打印系统包括在将油墨输送到打印头之前加热和熔化油墨的油墨供应系统。相变油墨可包括提供相变特性的蜡成分。

在又一实施方式中，打印头喷射两种不同的相变油墨，所述油墨包括构建材料和支撑材料。两种相变油墨在25摄氏度或室温下均为固体。构建材料具有比支撑材料更高的熔点。油墨的熔点可以在60至140摄氏度的范围内或80至100摄氏度的范围内的某处。

在进一步的实施方式中，打印头喷射两种不同的油墨，所述油墨包括构建材料和支撑材料。构建材料是紫外线（UV）可固化油墨。支撑材料是在25摄氏度下是固体的相变油墨，并且在升高的温度下具有一熔点，该熔点可以在60至140摄氏度的范围内或80至100摄氏度的范围内。

在又一实施方式中，打印头组件包括多个不同的打印头，所述打印头打印多个不同的油墨。多个不同的油墨可包括相变油墨和UV可固化油墨中的一种或多种。打印头组件可以包括单个平面器或多个平面器或用于每个打印头的平面器。

在根据步骤（a）的另一实施方案中，控制器配置成在升降机机构将打印床维持在固定竖直位置时打印基础层。打印基础层直到平面化平面接近由基础层限定的油墨的上表面，或者直到平面器开始平面化基础层。然后根据步骤（b），控制器在打印测试图案的每一层之后开始递增地降低打印床。

在本公开的第二方面中，三维打印系统包括用于支撑打印床的升降机机构、打印头组件、移动机构和控制器。打印头组件包括打印头和沿扫描轴线布置的平面器。移动机构被配置成沿着扫描轴线在打印头和打印床之间给予相对移动，由此平面器沿着扫描引导或跟随打印头。打印头包括面向下的喷射器面。平面器限定平面化平面，所述平面化平面从喷射器面向下偏移一轨迹高度H_T。移动机构用于跨打印床扫描打印头。控制器被配置成：（a）操作打印头和移动机构，以用于将多个油墨的基础层喷射到打印床上，同时将打印床维持在固定的竖直高度，直到油墨的基础层的累积厚度达到基础高度H_B，由此平面器开始接合油墨层或接近基础层的上表面，（b）将测试图案层打印到基础层上，（c）将基础向下递增一层厚度，（d）重复b和c以用于多个测试图案层直到可以进行对准确定，（e）基于测试图案接收信息，以及（f）更新机器定时参数以更准确地沿着扫描轴线对准三维打印系统。

在一个实施方式中，基础高度H_B为至少200微米。在第一实施例中，基础高度H_B为至少300微米。在第二实施例中，基础高度H_B为至少400微米。在第三实施例中，基础高度H_B在约400到600微米的范围内。

附图说明

图1是描绘示例性三维打印系统的示意性框图。

图2是示例性三维打印系统的等距图示。

图3是图示打印头组件中的部件的布置的示意图。

图4是三维打印系统的示例性部分的横截面视图。

图5是描绘从打印头喷射的油墨液滴的轨迹的示意图。

图6是描绘用于在三维打印系统中提供尺寸控制的示例性方法的流程图。

图7是用于为三维打印系统提供扫描轴线轨迹校准的测试图案的示例性部分。

图8是图7的测试图案的横截面视图。

具体实施方式

图1是示例性打印系统2的示意性框图。图2是图示部件的示例性物理布置的等距绘制打印系统2。在描述打印系统2时，利用相互正交的轴线X、Y和Z。轴线X和Y将被称为“横向”或“水平”轴线，并且Z将被描述为“竖直”轴线。然而，要理解的是，Z不一定与重力参考完美地对准。“X”也将指“扫描”轴线，并且“Y”将指“横切”轴线。方向+Z被称为大致“向上”方向，而方向-Z是大致“向下”方向。

打印系统2包括用于支撑、对准和竖直定位打印床4的升降机机构6。打印床4典型地由诸如铝的刚性材料形成，并且包括在其上要形成三维（3D）制品的上表面。刚度是重要的，使得可以实现准确的位置和尺寸公差。升降机机构6配置成沿竖直轴线Z可控制地定位打印床4。

打印系统2包括由移动机构10支撑和横向平移的打印头组件8。移动机构10被配置成当打印头组件8选择性地将油墨液滴沉积到打印床6上以形成三维（3D）制品的层时沿着扫描轴线X平移打印头组件8。在可替换实施例中，打印床被安装到横向平移打印床的移动机构，并且打印头组件被安装到升降机机构以相对于打印床竖直地定位打印头组件。本发明的另外的实施例包括用于相对于打印床在X、Y和Z轴线上移动打印头组件的可替换机构。

打印头组件8经由油墨路径14接收来自油墨供应12的油墨。在示例性实施例中，油墨路径14是将相变油墨从油墨供应12传输到打印头组件8的加热管。控制器16被配置成操作打印系统2以打印三维（3D）制品，并且在要描述的校准方法期间操作。

如图2中所图示，打印系统2包括底盘18，底盘18支撑包括打印头组件8的各种部件。打印头组件沿扫描轴线X扫描，并且包括沿横切轴线Y设置的喷嘴阵列。喷嘴可以利用整数序列沿轴线Y相对于位置进行编号。在这样的实施例中，编号在偶数整数和奇数整数之间相对于位置交替。由偶数整数指定的那些喷嘴可以被称为“偶数喷嘴”，并且由奇数整数指定的那些可以被称为“奇数”喷嘴。这种常规将在下面的讨论中利用。

图3示意性地描绘了沿着扫描轴线X的示例性打印头组件8。沿着X布置，打印头组件8包括两个UV灯20、两个风扇22、平面器滚筒24和打印头26。打印头26具有下表面28。平面器滚筒24配置成冲击和平面化在平面化平面30上方延伸的材料。竖直距离H_T在下表面28和平面化平面30之间延伸。如稍后将解释的，竖直距离H_T将被称为“轨迹高度”H_T。

打印头26可以包括不同分组的喷嘴以打印不同的油墨。如果这些油墨中的一些是UV可固化的（利用紫外线光可固化），则UV灯20可以被操作以固化油墨。在一些实施例中，打印系统2将不利用UV可固化油墨，并且然后不需要UV灯20。

图3描绘了打印头组件8，该打印头组件8具有一个打印头26和一个平面器滚筒24。在一个可替换实施例中，打印头组件8可以包括多个打印头26和一个平面器滚筒24。在另一可替换实施例中，打印头组件8可以包括多个打印头26，所述打印头26具有针对每个打印头26的分离的平面器滚筒24。

图4是包括打印床4、平面器24、打印头26和其它部件的打印系统2的示例性部分的横截面视图。不期望的是，平面器24直接冲击打印床4。平面化平面30最初在打印床4的上表面32上方的竖直距离H_B处，该竖直距离H_B被最小化，同时确保平面器不会“撞”到打印床4中。

用于实现准确临界尺寸的重要参数是打印头26的下表面28与上表面34之间的竖直液滴轨迹距离H，喷射的油墨液滴从打印头26降落在所述上表面34上。图5将上表面34描绘为一些先前打印的油墨36的顶部，其具有减小H的效果。在该说明性附图中，打印头26从右向左以水平速度分量V_X穿过。打印头26被配置成当打印头仍然固定时喷射具有竖直速度V_Z的微滴。但是在打印头移动的情况下，液滴也具有水平速度分量Vx。在其从打印头面28到表面34的飞行期间，液滴已经接收到等于约H倍（Vx除以Vz）的扫描方向偏移。当在两个方向上执行打印时，+X扫描与-X扫描之间的水平偏移加倍。

如果H和V_Z都是精确已知的，则通过调整发射液滴的定时容易地补偿水平偏移。然而，由于机械公差，H通常不是精确已知的。此外，Vz也不是精确已知的。当打印系统2开始打印到上表面32上时，H的值等于H_B加H_T。稍后，当打印油墨36建立时，由于平面器24的作用，H的值将稳定在H_T的值上。

图6是描绘用于提供用于在打印系统2中打印3D制品的尺寸控制的方法40的流程图。根据步骤42，清洁打印床4定位在三维打印系统2中以与升降机机构6对准并接合。

根据步骤44，支撑部分60（参见图8）被打印在打印床4的上表面32上，同时升降机机构6将打印床维持在固定的竖直高度。支撑部分60由支撑材料的一个或多个打印层形成。在一个实施例中，支撑部分60通过打印六个支撑材料层来形成。

在本发明的某些实施例中，分析测试图案，以便通过视觉地比较测试图案内的间隙和/或重叠来确定对系统扫描轴线定时参数的什么（如果有的话）更新是必要的。为了提供间隙和/或重叠的改进的可视性，某些实施例在打印床与测试图案之间和/或在支撑材料（包括支撑部分60）与测试图案之间提供颜色对比度。在打印床是黑色阳极化铝板并且支撑材料是白色的实施例中，支撑部分60在厚度上是仅数层，以便允许黑色表面保持可见并且提供与测试图案的白色支撑材料的鲜明对比。在构建材料是深色的（诸如黑色或深紫色）的进一步实施例中，当从上方观察时，支撑部分60可以是足够的层以提供白颜色，以便提供与深色构建材料的鲜明对比。在另外的实施例中，利用不同油墨的组合来提供基于色调、灰度和/或亮度的对比。本发明的进一步实施例可以包括各种厚度、形状和/或外观的支撑部分，以便改进测试图案的可视性。

根据步骤46，一个或多个基础层62（参见图8）被打印以位于测试图案之下。在一些实施例中，基础层62被打印，而升降机机构6将打印床维持在固定的竖直高度。因此，支撑部分45和基础层62的打印具有减少H的效果，因为上表面34“向上生长”，而打印头26的下表面28和打印床的上表面32相对于彼此保持竖直固定。基础层62被打印直到平面器24接近或开始接触打印油墨36的上表面34。

根据步骤48到54，打印测试图案的集合。在图7中图示了本发明的一个实施例的一个这样的测试图案64。该测试图案是使用液滴喷射定时的某个“偏移”来打印的，使得补偿液滴速度的水平分量Vx。当打印头从左向右移动时，使用奇数喷嘴打印“奇数”图案。当打印头从右向左移动时，使用偶数喷嘴打印“偶数”图案。另外的实施例使用奇数和偶数喷嘴的任何序列打印相似或可替换的测试图案。因为平面器24已经接合打印油墨的上表面34，所以高度H总是等于H_T，该H_T是打印头26的下表面28和平面化平面30之间的竖直偏移。因此，液滴的与扫描相关的偏移距离将从层到层相对地固定。

在所图示实施例的步骤48中，使用奇数喷嘴的第一集合来打印测试图案64的“奇数66”部分。平面器24可以取决于打印头组件8相对于打印床4横向移动的沿着X轴线的方向接合打印层。在步骤50中，使用偶数喷嘴的第一集合打印测试图案64的“偶数68”部分。平面器24可以取决于打印头组件8相对于打印床4横向移动的沿着X轴线的方向接合打印层。

在步骤52中，使用奇数喷嘴的第二集合打印测试图案64的“奇数70”部分。平面器24可以取决于打印头组件8相对于打印床4横向移动的沿着X轴线的方向接合打印层。在步骤54中，使用偶数喷嘴的第二集合打印测试图案64的“偶数72”部分。平面器24可以取决于打印头组件8相对于打印床4横向移动的沿着X轴线的方向接合打印层。根据步骤55，升降机机构6使打印床向下递增等于单层厚度的量。

重复步骤48至55，直到生成足够的测试图案层段74以准确地读取测试图案64。测试图案可以包括多个图案64，如在图7中图示的以不同的定时值生成的那样。定时值是喷嘴开始喷射液滴以形成图案段74的开始时间。可以调整定时值，由此可以对准用于不同打印头和不同扫描方向的液滴。设计图案64，由此当两个图案段（例如，“奇数66”和“偶数68”）在没有间隙或重叠的情况下彼此“平接好（butt up）”时识别对准。当66和68重叠时，则68和70将在它们之间展现间隙。因此，可以使用对图案64的手动观察来确定定时值是否适当地对准液滴。通过提供多个测试图案64，用户或机器视觉系统可以选择没有间隙或重叠的图案64，其对应于定时值的适当集合。因此，在步骤48到54中，可生成多个测试图案64以提供与不同定时值的比较。

根据步骤56，分析测试图案64。这可以通过选择具有测试图案64的奇数和偶数部分的列之间的最小间隙的测试图案64来手动完成。可替换地，该选择可以由与打印系统2相关联或包括在打印系统2中的视觉系统自动执行。

根据步骤58，利用所分析的测试图案来更新液滴定时参数。这可以利用由打印系统2所生成的到用户界面的输入或以完全自动化的方式来完成。

在可替换实施例中，除了关于步骤48到54描述的测试图案，可打印可替换类型的测试图案。该可替换测试图案仍会被打印在基础层上，所述基础层在平面器24开始接合打印油墨的上表面34之前被打印。再次，测试图案将被打印，在其中H等于H_T，H_T是打印头26的下表面28和平面化平面30之间的竖直偏移。

现在参考图8的实施例，支撑部分60和基础层62都可以被称为“基础层”62，因为这些是位于测试图案64之下的层。测试图案层段74累积地形成测试图案64。在一个实施例中，存在约20-40个基础层62，基础层62包括累积地限定等于至少H_B的高度的支撑部分60。在该实施例中，测试图案64可以包括至少30个测试图案层74。在示例性实施例中，基础层62（包括支撑部分60）和测试图案层的组合包括总共约100-110层。另外的实施例可以限定较少的层以减少构建时间和材料消耗，但是可能降低准确地分析测试图案的能力。另外的实施例可以限定附加层，以改进准确地分析测试图案的能力，但是可能需要测试方法花费较多时间并且消耗较多材料。

基础层62的支撑部分60完全位于剩余基础层62和测试图案64之下。当支撑部分60由相变油墨形成时，已经发现的是，冷却打印床4允许快速且容易地移除油墨。这对于打印床4的便捷清洁和重新使用是重要的。

尽管图8仅图示了单个材料的单个测试图案64，但是本发明的其它实施例包括用于附加材料的附加测试图案，诸如用于支撑材料、多个不同构建材料和/或多个不同颜色材料。取决于相对于打印床的面积所需的测试图案的数量和大小，这样的附加的测试图案被包括在单个测试方法期间或者可以单独地或以组来完成。

在一些实施例中，测试图案64全部打印紧挨在一起，以便具有用于优化液滴定时的可比较的结果。在其它实施例中，可以在跨打印床4的不同位置处重复一个或多个测试图案64，以便表征打印位置对图案对准的效果。

上文所描述的特定实施例及其应用仅用于说明性目的，且不排除由所附权利要求的范围涵盖的修改和变化。

Claims (11)

1.一种用于制造三维制品的三维打印系统，包括：

升降机机构，其用于支撑打印床；

打印头组件，其配置成沿着扫描轴线相对于所述打印床扫描打印头，所述打印头组件包括所述打印头和沿着所述扫描轴线布置的平面器，由此所述平面器在扫描期间引导或跟随所述打印头，所述打印头包括喷射器面，所述平面器限定平面化平面，所述平面化平面从所述喷射器面向下偏移轨迹高度H_T；

移动机构，其用于相对于所述打印床扫描所述打印头组件；以及

控制器，其被配置成：

(a)操作所述打印头和所述移动机构以将一个或多个油墨的基础层喷射到所述打印床上，在所述打印床被定位在固定高度的同时所述基础层被打印，至少直到所述平面器开始接合所述基础层；

(b)将测试图案的一个或多个层打印到所述基础层上，直到可以进行对准确定，同时向下递增所述打印床，其中所述测试图案包括不同的定时值，定时值是喷嘴开始喷射液滴以形成所述测试图案的图案段的开始时间；

(c)基于所述测试图案来接收信息；以及

(d)更新系统定时参数以更准确地沿着所述扫描轴线对准所述三维打印系统。

2.根据权利要求1所述的三维打印系统，其中所述打印头被配置成喷射在60摄氏度以下为固体并且在升高的温度下以液体状态喷射的相变油墨。

3.根据权利要求2所述的三维打印系统，其中所述打印头包括两个打印头，所述两个打印头包括用于喷射支撑材料的第一打印头和用于喷射用于形成所述三维制品的构建材料的第二打印头。

4.根据权利要求1所述的三维打印系统，其中所述打印头包括多个打印头，所述多个打印头包括喷射相变油墨的第一打印头和喷射紫外线可固化油墨的第二打印头。

5.根据权利要求1所述的三维打印系统，其中所述多个基础层具有为至少200微米的厚度。

6.根据权利要求5所述的三维打印系统，其中所述多个基础层具有在400至600微米的范围内的厚度。

7.根据权利要求1所述的三维打印系统，其中所述基础层限定由相变油墨形成的支撑部分。

8.根据权利要求7所述的三维打印系统，其中所述基础层包括打印在所述支撑部分上的所述测试图案的多个层。

9.根据权利要求1所述的三维打印系统，其中所述基础层包括至少20层油墨。

10.根据权利要求1所述的三维打印系统，其中所述基础层和所述测试图案层的组合包括至少50层油墨。

11.根据权利要求1所述的三维打印系统，其中通过用户界面手动地接收关于所述测试图案接收的所述信息。

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