CN111819505A - 用于打印3d对象的打印机 - Google Patents
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Abstract
一种用于基于计算机模型打印3D对象的打印机，该打印机包括用于挤出或固化材料的工具、支撑对象的层的平台；限定层的形状的运动结构，以及被配置为形成要遵循的用于制作对象的路径的控制器。为了提高制作对象的速度和精度中的至少一个，控制器被配置为通过限定多个线段并通过限定用于插入在线段之间的过渡段来限定路径。控制器还被配置为仅要求沿着线段代替沿着过渡段的材料沉积。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于基于计算机模型打印3D对象的方法和打印机。本公开涉及的打印机包括被配置为基于工具命令在激活状态和停用状态之间切换的工具。在激活状态下，它将材料添加到特定位置，本文称为添加位置。添加位置是对象的层中的位置。添加位置由形状限定结构的工具位置确定，该形状限定结构通常是工具的集成部分。该打印机还包括被布置为在对象的该层被工具限定时支撑对象的该层的平台(stage)。该打印机还包括运动结构，该运动结构被配置为接收运动命令并且基于其通过形状限定结构的移动来限定层的形状。该打印机还包括控制器，该控制器被配置为与工具和运动结构进行通信，并且被编程为通过与工具和运动结构的通信来制作对象。控制器被编程为接收限定对象的层的形状的形状数据，以基于该形状数据提供路径，并且基于该路径提供运动命令和工具命令。
背景技术
通常被称为3D打印的增材制造(AM)是根据允许从计算机3D绘图来创建对象的技术。
该处理包括对实体模型进行切片以形成2D切片，并通过制作每个对应于切片的层来打印对象。一层接一层，这些层被打印机创建，使得一层被布置在前一层的顶上。由于每一层具有给定的厚度，因此每次添加层时，真实对象都会增加体积。存在不同类型的技术：基于挤出(extrusion)的、基于颗粒的、基于轻聚合的，或基于层压的。每种技术都使用不同类型的材料和不同的制作层的方法，但是它们都应用沿着从实体模型的切片限定的路径引导工具或工具的一部分(本文称为形状限定结构)的原理。在该处理期间，材料根据切片的形状进行布置。材料通常是聚合物、金属合金、石膏或光敏聚合物。
在这种已知的打印机中，在平台上创建对象，并且相对于平台移动形状限定结构。通常，形状限定结构由操纵器移动和/或平台由致动器移动。操纵器和致动器中的一个或两个可以在笛卡尔空间的x、y或z方向上移动。
最常见的基于挤出的AM技术是熔融沉积建模。有时该技术被称为FDM，并且它具有等效的名称熔丝制造FFF(Fused Filament Fabrication,FFF)。这种挤出技术的原理是挤出熔融的材料(通常是热聚合物丝)，同时遵循根据切片限定的路径，从而创建对象的层。US5,121,329提供了该技术的示例。
常见的基于颗粒的AM技术是选择性激光烧结(SLS)，它是基于球形聚合物或金属粉末元素被激光烧结在一起。施加粉末层，并选择性地烧结对象的各层。随后，施加新的粉末层并重复该处理。
另一种常见的基于颗粒的AM技术是电子束熔融(EBM)，它是一种类型的选择性激光熔融(SLM)，用于通过在高真空下用电子束熔化金属粉末来直接制造完全致密的金属零件。其原理通常与SLS的原理相同，但是金属粉末被完全熔化并且不仅仅被烧结。
粉末床和喷墨头3d打印基于喷墨打印头，该喷墨打印头将粘合剂选择性地布置在粉末床(例如石膏)上。
最常见的光聚合技术是：
立体光刻法(SLA)，其中光敏聚合物液体树脂通过UV光或激光硬化。激光绘制基于切片限定的路径的形状，从而创建硬化层。随后，添加光敏聚合物液体，并通过激光绘制后续切片的形状，直到创建对象为止。
在增材制造场境中，数字光处理(DLP)与SLA相似，在该SLA中，应用DLP投影仪代替UV光束或激光来逐层硬化光敏聚合物。
最常见的基于层压的AM技术是层压对象制造(LOM)，其中板材(例如纸张、塑料或金属)被逐层粘合在一起，并且随后被切割以限定对象的形状。
3D打印的普遍问题是速度和质量中的至少一个低下。如果增加速度，容限(tolerance)可能会变得不可接受，并且要获得较窄的容限，必须降低速度。
现有设备通常会在一定时间内导致系统中的超调(overshoot)和振荡。这些振荡将导致工具在材料沉积期间偏离规定的路径，从而导致得到的对象具有可见的缺陷，尤其是在运动幅度或方向突然变化(例如，在尖锐边缘)之后。这些缺陷通常被称为“振铃(ringing)”。当为了节省打印时间而增加运动参数(速度、加速度和加速度率)时，这些缺陷变得更加明显。因此，这种行为是阻止使用这种技术的机器实现快速且高质量打印的主要瓶颈。
发明内容
本公开的实施例的目的是提供用于更快和/或更精确地打印3D对象的打印机和方法。根据这些目的和其它目的，在第一方面，本公开提供了打印机、用于打印机的控制器以及打印方法。
在根据本公开的打印机中，控制器被配置为通过例如按提到的顺序执行以下步骤来限定路径：
a)基于形状数据来限定多个线段。作为示例，可以限定325个线段。每个线段构成要遵循的子路径，使得添加位置沿着线段移动，即，通过工具添加材料的位置应该沿着线段移动，以便创建期望的层的形状。
b)限定每个线段的起点和终点。这意味着为每个线段被分配其中添加位置沿着线段从起点到终点移动的方向。
c)限定线段的顺序，从而限定连续线段的列表。这可以例如是1-2-3-4，其指定首先要遵循1，随后遵循2，然后遵循3，然后遵循4。
d)在连续线段的列表中的至少一对相邻的两个线段之间限定过渡段，每个过渡段是基于后续线段处的期望的最小速度和最大加速度限定的，使得路径由包括被过渡段分开的至少一对线段的连续线段限定。作为示例，路径可以是1-2-t-3-t-4，这意味着一个过渡段被插入在线段2和3之间，并且一个过渡段被插入在线段3和4之间。
期望的最小速度和最大加速度在本文通过定义被称为安全区速度和安全区加速度。
步骤a)-d)可以以提到的顺序或以不同的顺序执行。作为示例，步骤b)可以在步骤c)之后执行，并且步骤a)-d)可以作为迭代处理被执行，其中这些步骤中的一个或多个步骤在这些步骤中的另一个步骤已经被执行之后被重新创建。
此外，控制器被编程为提供工具命令，使得当添加位置在线段内时激活工具，并且当添加位置在线段外时停用工具。
由于过渡段是基于后续线段中的期望的最小速度和最大加速度来限定的，并且由于仅在线段内激活工具，因此可以提高速度，而不因不准确的运动特性和非期望的加速度分布曲线(profile)的原因而有降低质量的风险。
本公开的装置适用于需要工具相对于平台精确且快速定位的任何系统，但是它尤其适用于其中机器的机械性能的限制不允许在打印移动期间(特别是在工具遵循复杂的二维路径并有急转弯来限定对象轮廓的情况下)保持高速度的低成本增材制造系统。
控制器可以由计算机处理单元和兼容的计算机程序软件构成，该计算机程序软件使处理器能够执行所限定的步骤。它也可以是经过硬编码以执行这些步骤的计算机处理单元。
3D打印是在计算机控制下将材料结合或固化以创建三维对象的处理。根据本文的定义，结合或固化材料的处理被称为“添加”材料。
添加位置由形状限定结构的工具位置确定。为了确定工具命令使得当添加位置在线段内时激活工具，控制器可以被配置为从形状限定结构的位置推导添加位置。因此，控制器可以被配置为与运动结构进行双向通信，其中在双向通信中，控制器接收与形状限定结构的位置相关的位置信息，并基于其确定添加位置。当添加位置在线段内时，激活工具。
工具可以被通电和断电。由于所涉及处理的特性，例如由于材料的加热或移动，从工具上电到添加材料之间将存在延迟。根据本文的限定，激活状态在添加材料时开始，即考虑从工具通电的时间到添加材料的时间的延迟，并且因此该状态是在工具通电步骤之后的状态。通常，在激活状态和停用状态之间切换的工具命令将是使工具通电或断电的命令，因此必须在期望的激活或停用时间之前的延迟时间提供该命令。在一个实施例中，控制器被配置为读取指定延迟的配置文件，并且基于该延迟计算工具命令以获得接通以便匹配在线段的起始处的激活。
在一个实施例中，打印机被配置用于在熔融沉积建模中的基于挤出的AM技术。在这个实施例中，工具形成挤出机，其中将丝线或塑料棒在被马达系统输送的同时熔化。在这个实施例中，工具位置是挤出机结构的喷嘴的位置，形状限定结构是挤出机的喷嘴，并且运动结构是打印机的马达结构，该马达结构将喷嘴放置在进行材料添加的位置。
在一个实施例中，打印机被配置用于选择性激光烧结(SLS)或选择性激光熔化。在这个实施例中，工具形成激光器和镜子，用于在待熔化或烧结的粉末上引导激光束。镜子通过马达系统移动。在这个实施例中，工具位置是镜子的位置，形状限定结构是镜子，添加位置是激光影响粉末的位置，并且运动结构是将镜子放置在工具位置的打印机的马达结构。
在一个实施例中，打印机被配置用于电子束熔化(EBM)。在这个实施例中，工具形成电子发射结构和天线结构，用于在待熔化的粉末上引导电子束。天线由电子系统控制。在这个实施例中，工具位置是天线的位置，添加位置是电子束影响粉末的位置，并且运动结构是控制天线的电子系统。
在一个实施例中，打印机被配置用于立体光刻(SLA)。在这个实施例中，工具形成激光器和镜子，用于在待固化的液态聚合物上引导激光束。镜子通过马达系统移动。在这个实施例中，工具位置是镜子的位置，添加位置是激光影响液体聚合物的位置，并且运动结构是将镜子放置在工具位置的打印机的马达结构。如果SLA处理基于UV硬化，那么工具位置可以是UV灯的位置，添加位置是来自灯的光影响液态聚合物的位置，并且运动结构是将UV灯放置在工具位置的打印机的马达结构。
安全区速度和安全区加速度可以被表示为例如可用特定打印机获得的最大速度和加速度的百分比。安全区速度特别是在添加材料期间被认为可允许的最小速度，并且安全区加速度特别是在添加材料期间被认为可允许的最大加速度。在一个示例中，安全区速度可以被表示为在打印机的最大速度的40到100个百分比(pct.)之间，并且安全区加速度可以被表示为打印机的最大加速度的0-40个百分比。
控制器可以包含至少一个安全区的限定，该安全区形成几何边界(geometricalboundary)，在几何边界内应当遵守最小速度和最大加速度。可以在配置文件中限定安全区，控制器可访问该配置文件，使得可以对该配置文件进行重新限定。安全区的限定可以例如基于打印机的机械状况、对速度的要求与对准确度的要求或处理的其它参数来做出。
过渡段可以特别地限定组合的速度和加速度分布曲线。在一个示例中，组合的速度和加速度分布曲线由斜坡上升或斜坡下降分布曲线构成。斜坡上升分布曲线在本文中是指任何种类的阶跃、线性、s-曲线、或指数或正弦加速度分布曲线。
可以基于期望的最小速度和最大加速度通过以下操作来限定过渡段：
-接收限定运动结构加速和减速的能力的运动结构分布曲线，
-通过将运动结构加速和减速的能力与过渡段之后的线段中的期望的最小速度进行比较来限定过渡段的必要长度，以及
-基于必要长度来限定过渡段。
因此，控制器可以初始地考虑当形状限定结构遵循路径时被认为允许的最小速度和最大加速度，即添加位置移动得多快。为了获得在该最小速度和最大加速度的边界内的移动，控制器可以计算过渡段的长度，该过渡段的长度是在进入添加位置之前加速运动结构所需的。
控制器可以被配置为限定限制运动结构的移动的极限，并且识别在形状限定结构沿着路径的移动期间是否达到极限。该极限可能是由本文称为的硬碰撞引起的，硬碰撞是指打印机的一部分与正在打印的对象之间的物理碰撞，或者是与运动结构的极限的“碰撞”，即达到轴承结构、线性致动器或类似结构的极限。该极限也可能是由本文称为的软碰撞引起的，软碰撞是指与基于处理相关方面打印的对象的移动碰撞(例如，已经打印的部分被工具熔化或破坏)。
在这个实施例中，控制器可以被配置为响应于识别达到极限来执行以下活动中的至少一个：
a)可以通过在沿着路径移动期间将工具抬升离开对象来改变工具与平台之间的距离来避免碰撞。通常，这是通过在移动期间操纵工具路径的z坐标来完成的。
b)可以通过个改变线段的顺序来避免碰撞。为了获得短期或快速执行，线段的顺序可以是1-2-3-t-4-5，并且该顺序可以被改变为例如4-5-2-1-t-3，从而避免碰撞。
c)可以通过改变过渡段来避免碰撞。这涉及创建具有不同形状的过渡段。
控制器可以被配置为接收限定打印机的至少一部分的形状的几何数据，并且通过执行碰撞模拟来预测硬碰撞，在碰撞模拟中，在考虑形状数据和几何数据的同时模拟形状限定结构沿着路径的移动，并且其中控制器被配置为基于碰撞模拟来限定极限。碰撞模拟在本文中被认为是虚拟地围绕路径移动添加位置，同时观察潜在的硬碰撞。
控制器可以被配置为接收限定运动结构的运动学能力的运动学数据，并且通过执行运动学模拟来预测运动学极限，在运动学模拟中，在考虑形状数据和运动学数据的同时，沿着路径模拟形状限定结构的移动，并且其中控制器被配置为基于运动学模拟来限定极限。运动学模拟在本文中被认为是虚拟地围绕路径移动添加位置，同时观察潜在地达到运动学极限。
控制器可以被配置为接收限定与工具将材料添加到层的处理相关的处理特性的处理数据，并且被配置为通过在考虑处理数据和形状数据的同时执行其中模拟形状限定结构沿着路径的移动的软碰撞模拟来预测软碰撞，以在考虑处理特性的情况下识别与形状限定结构的移动相关的问题，并且其中所述控制器被配置为基于处理模拟来限定极限。
线段的顺序可以通过评估运动结构使添加位置遵循不同线段顺序的路径将花费多长时间以及通过选择提供最短持续时间的顺序来限定。在这个实施例中，控制器可以被配置为比较不同的顺序。例如，顺序1-2-3-4可能花费5秒钟来执行，而顺序3-2-4-1可能花费3秒钟来执行，并且控制器可以被配置为生成此类可比较的组合并考虑执行最终路径花费的时间来选择提供最有希望的解决方案的顺序。特别地，控制器可以被配置为在最终路径中建立不同的顺序，即包括过渡段，并且被配置为选择最快的顺序。
工具可以被通电和断电，通常，处理的特性限定了从工具被通电的时间点直到材料被添加时的延迟。控制器可以被配置为限定这样的延迟并且提供工具命令，使得当工具位置在过渡段内时工具被通电。特别地，控制器可以被配置为使用该延迟，以便于实际添加恰好在线段的起始处开始。为此，控制器可以从添加位置到达线段的开始时间减去延迟，并在等于开始时间减去延迟的时间提供工具命令以使工具通电。
控制器可以被配置为将连续线段的列表中的一个线段的第一方向与连续线段的列表中的后续线段的第二方向进行比较，并且提供第一方向和第二方向之间的角度，并且在该角度超过预定义的角度值的情况下在线段之间限定过渡段。为此，控制器可以被配置为接收限定角度值的配置数据文件。
控制器可以被配置为通过至少限定过渡段的加速区和过渡段的后续耗散区来限定过渡段，并且其中控制器被配置为将加速区限定为其中运动结构使形状限定结构加速或减速的区，并且将耗散区限定为其中运动结构向形状限定结构提供恒定速度并且其中模拟先前加速区中的加速或减速以引起形状限定结构的振动的区。
控制器可以被配置为通过将先前加速区中的加速度或减速度与限定形状限定结构或附接到形状限定结构的部件的刚度的结构数据文件进行比较来模拟先前加速区中的加速度或减速度是否将引起形状限定结构的振动。
在第二方面，本公开提供了一种用于通过使用打印机基于计算机模型来打印3D对象的方法，该打印机包括：
-工具，被配置为基于工具命令在激活状态和停用状态之间切换，处于激活状态的该工具被配置为将材料添加到对象的层中的添加位置，其中添加位置通过形状限定结构的工具位置来确定；
-平台，被布置为支撑对象的层；
-运动结构，被配置为接收运动命令并且基于该运动命令来通过移动形状限定结构来限定层的形状；以及
-控制器，被配置为与工具以及与运动结构进行通信并且被编程为接收限定对象的层的形状的形状数据、基于形状数据提供路径、为运动结构提供运动命令来使得形状限定结构遵循该路径、以及基于该路径提供工具命令，
该方法包括以下步骤：
-基于形状数据来限定多个线段；
-限定每个线段的起点和终点
-限定线段的顺序，从而限定连续线段的列表；以及
-在连续线段的列表中的至少一对相邻的两个线段之间限定过渡段，每个过渡段是基于后续线段处的期望的最小速度和最大加速度限定的，使得路径由包括被过渡段分开的至少一对线段的连续线段限定。
该方法还包括以下步骤：提供用于运动结构的运动命令，使得形状限定结构遵循路径，以及提供工具命令，当添加位置在线段内时，通过该工具命令激活工具，并且当添加位置在线段外时，通过该工具命令停用工具。因此，该方法由于路径在线段和过渡段中的分割而使得高速制作对象。
根据本公开的第二方面的方法通常可以包括在根据本公开的第一方面的打印机中隐含的任何步骤。
在另一方面，本发明提供了一种用于打印机的并且具有针对根据第一方面的打印机的控制器描述的特征的控制器。
附图说明
在下文中，将参考附图进一步详细解释本公开，其中：
图1图示了FDM打印机；
图2图示了SLS打印机；
图3图示了SLA打印机；
图4图示了本发明的具体实施例；
图5图示了安全区概念；
图6图示了对象的切片；
图7图示了从切片生成线段；
图8图示了过渡段的生成；
图9图示了完整的路径；
图10图示了在安全区期间添加附加的加速度；
图11图示了不同类型的碰撞；
图12图示了缓冲区概念；
图13图示了经由过渡段修改来避免碰撞；
图14图示了经由线段重新排序来避免碰撞；
图15图示了经由工具抬升来避免碰撞；以及
图16图示了工具激活延迟补偿。
具体实施方式
应该理解的是，具体实施方式和具体示例虽然指示了本发明的实施例，但是仅是通过示例的方式给出，因为根据本具体实施方式在本发明的精神和范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
本公开的方法和装置适用于需要工具相对于平台精确且快速定位的任何系统，但是它尤其适用于其中机器的机械性能的限制不允许在打印移动期间(特别是在工具遵循复杂的二维路径并有急转弯来限定对象轮廓的情况下)保持高速度的低成本增材制造系统。
图1图示了基于挤出的打印机(FDM)。所示的打印机包括呈热聚合物丝卷轴形式的丝线供应装置1。丝线2通过进给马达(feeding motor)(未示出)被供应到挤出机3。进给马达由工具命令控制。挤出机3包括喷嘴4和电加热器(未示出)。加热器也经由工具命令控制。在这个实施例中，工具由丝线供应装置和包括喷嘴和加热器的挤出机构成，并且形状限定结构是喷嘴。挤出机3固定到可沿着箭头5所示的笛卡尔空间的两个方向移动挤出机、加热器和喷嘴的运动结构。当喷嘴根据从切片限定的路径移动时。工具的形状限定结构(即在这种情况下为喷嘴4)具有工具位置，并且该工具位置确定对应的添加位置6，在该添加位置，添加材料，并且因此当工具处于激活状态时，材料限定对象的层。
由于丝线的进给所隐含的时间延迟和加热中所隐含的时间延迟，因此必须在工具必须处于激活状态的时间点之前使进给马达和喷嘴加热器通电。在这个实施例中，提及工具被通电意味着使进给马达和加热器中的至少一个通电。在高级实施例中，在不同的速度或热强度之间控制加热器和进给马达中的至少一个，从而控制材料的沉积速率。
当一层完成时，平台7如箭头8所示向下移动。
图2图示了SLS打印机，其中球形聚合物或金属粉末被来自激光的光烧结。该打印机包括激光源或灯21、将激光束引导到聚合物池23中的添加位置25中的镜子22。镜子构成工具的一部分，即形状限定结构，并且工具位置是镜子的位置，其由运动结构基于运动命令来控制。运动结构由箭头24示出。
工具位置限定添加位置。平台由待烧结材料池23构成。
在已经烧结粉末层后，平台通过由箭头26所示的操纵器向下移动，并在池中提供均匀的粉末水平，该水平通过箭头27所示的向上移动的操纵器来补偿。随后，烧结新的粉末层。
图3图示了SLA打印机，该打印机在许多方面与SLS打印机对应。该SLA打印机包括激光源或灯31以及镜子32，该镜子32通过经由运动结构34改变工具位置将激光束引导到添加位置35。光聚合物液态树脂33被来自激光器的UV光硬化。激光器绘制基于切片限定的路径形状，从而创建硬化层。随后，添加光敏聚合物液体，并通过激光器绘制后续切片的轮廓，直到创建对象为止。平台由支撑板36构成，支撑板36可通过箭头37所示的操纵器移动。
SLA和SLS打印机的工具通过打开或关闭灯21、31或在灯和镜子之间应用挡板(shutter)从激活状态切换到停用状态。
这种示例性设备是低成本的三维建模机(Weistek Ideawerk-Speed)，其中工具是如在编号为5,121,329的美国专利中描述的挤出头，但是，如本领域技术人员将理解的，在不背离本发明的原始精神和范围的情况下，本发明可以应用于多种增材制造机器和方法，而与所使用的具体工具或机器的价格无关。
图4图示了这种打印机41。如所提到的，工具42是基于挤出的。该工具包括挤出头、材料供应装置和接口。工具位置(即挤出头的位置)是通过以下实现的：在提供一个轴43(X坐标)的方向上移动工具，并且在提供另外两个轴45、46(Y和Z)的两个其它方向上独立地移动平台44，从而提供在3个独立维度上控制工具相对位置的能力，从而允许创建任何任意的三维路径。实际定位是使用以开环构造操作并构成运动结构的定时带、皮带轮和步进马达完成的。
在这个特定示例中，控制器包括在个人计算机上运行的切片软件47和内置在打印机中的微控制器48。控制器连接到运动结构，该运动结构经由接口接收运动命令。基于这些命令，它相对于工具移动平台，从而限定层的形状。
在控制器中限定期望的安全区速度和安全区加速度极限。
图5图示了速度作为时间的函数。安全区速度51可以基于机器的其它极限，例如最大挤出速率53，而加速度极限可以凭经验找到并且被认为是机器常数，或者它可以是由用户选择的作为平衡打印质量和速度的方式的参数。要遵循的线段要以该极限内的速度和加速度遵循，并且为了在每个线段中获得该安全区速度和安全区加速度，必须计划线段之间的过渡52。在本文中，连接相邻线段的段被称为过渡段。
切片软件(切片器)基于供应的对象几何形状为微控制器生成运动指令。
马达的移动的同步由微控制器基于从切片器接收到的信息来处理。
切片器采用由用户使用3D文件格式(例如，.stl)供应的包含描述对象的三角形的几何形状61，并在预定义的高度生成该3D形状的2D切片32。
基于这些2D切片62，描述了线段集合71，其中应当沉积材料以便创建期望的几何形状。因此，在工具被激活时，添加位置应遵循所有线段。
然后该处理将限定例如对象72的外表面或对象73的内部结构。图6图示了如在形状数据中限定的层的形状。图7图示了通过将该形状分成多个线段而获得的连续线段74的对应列表。
例如，通过将可获得的速度与限定的安全区速度进行比较，或者通过评估连接到交叉点的两条线段之间的角度，识别其中速度偏差会引起振铃的相邻线段之间的交叉点。无论何时出现这种情况，都将限定过渡段，使得速度和加速度可以在先前和后续线段中位于安全区速度和加速度内。
例如，在直过渡段和线性加速度分布曲线的情况下，过渡段的长度将基于加速率和安全区速度，如下所示：
其中L是过渡段的长度，v是安全区速度，a是所选择的加速度，通常接近机器的最大可能加速度，并且da是以a的加速度加速之后所需的耗散区的长度。
在弯曲过渡段的情况下，样条(spline)的最小曲率半径(其进而设置最大加速度和区域的长度)可以如下计算：
其中Rmin是最小曲率半径，vs是期望的安全区速度，并且as是最大安全区加速度。
通过选择像这样的半径，消除了在下一条路径之前插入耗散区的需要。原因是打印机在过渡期间永远不会超出安全区极限，并且因此在加速结束之后可能立即发生材料沉积。
在这个步骤之后，识别并记录每个线段的两个可能的起点75。
然后选择第一点81和线段82，并且限定具有第一加速区和耗散区的初始过渡段83。加速区是运动结构加速直到达到安全区速度的区域，以及一旦达到安全区速度，加速度就将减小到不超过安全区加速度的区域。
切片器然后继续查找下一个最佳点，并通过使用例如基于预定义参数集合的样条来连接该下一个最佳点，预定义参数可以是：
-搜索半径84
-最小曲率半径(或最大加速度)
-样条的起点和终点处的切线约束
搜索半径84限定评估潜在连接的最大距离。这样做是为了限制所需的处理能力。
最小曲率限定了过渡区期间的最大向心加速度，这进而限定了所需的耗散区的长度。
最后一个参数是样条的起点和终点处的切线要求。这可以被引入以确保从样条到后续线段的平滑过渡而不会引起附加的振动。
基于这些参数，可以规划从当前线段的端点到后续线段的下一起点的可能路线集合85，并且可以选择从一个线段到下一线段的最短路径。
迭代以这种方式继续，直到该层上的所有线段都已经被至少访问一次，但不超过一次。结果是连续线段的列表，包括在必要时布置在线段之间的过渡段。在仅当添加位置在线段内而不在线段外的情况下添加材料的假设下，可以以期望的速度完成得到的路径而不引起超过期望量的振动。
图9图示了连续线段和过渡段的列表，这些过渡段被添加在4个线段之间。这被称为连续线段的路径。
在层91的末端，可以通过使用相同的方法将当前层的最后一点与下一层的第一点连接，实现不同层之间的平滑过渡，或者在不需要打印其它层的情况下可以插入减速区92。
最后，生成运动指令并将其发送到控制器。在这个步骤期间，例如在构成线段的长直线期间，可以插入另外的加速度和减速度。这样做是为了进一步加快打印速度。图10示出了这种情况的示例。代替保持恒定速度，在保持起始速度和结束速度相同的同时，插入满足安全区要求的小加速度101和减速度102。这意味着不需要重新计算路径，但是可以获得附加的打印速度。在使用这种方法时，可以控制挤出以匹配该加速度，从而避免挤出不足。
图11图示了在实现本发明的过程中可能遇到的潜在问题。
由于过渡段111被生成为延伸到对象的边界112之外，因此可以实现识别和减轻潜在碰撞113的方法。否则，将存在生成的路径将超出轴行程限制114或引起与其它已打印的对象部分发生碰撞或与另一个对象115发生碰撞的风险。
通过限制对象可以放置或不能放置在工作空间内的位置，可以采取步骤来避免找不到可能的解决方案来避免碰撞的情况。图12图示了对象周围的安全区，该安全区用于限制对象可以接近极限的程度。给定线段末端的速度和机器能够达到的最大加速度，可以计算出减速到机器能够以任意角度转弯的速度所需的距离121或计算机器能够沿着其以全速转弯的半径122。通过取这些值中的最小值，可以在每个对象周围生成“缓冲区”123。然后，应当防止将对象放置在距轴极限或距另一个对象比该距离更近的位置。这是为了防止在崩溃之前无法建立可以安全停止或重定向工具的路径的情况。
在这种第一安全措施之后，可以通过找到所有将超出打印机111的工作区域的过渡段样条来避免碰撞。随后，修改这些过渡段以避免碰撞。图13示出了这样做的一种可能方法。在这个示例中，通过为样条选择更锐利的最小转角半径131，减小过渡段的大小，然后通过扩展下一条线的耗散区132来补偿由较高加速度引起的额外振动。
在决定应当打印线段的顺序时，也可以将碰撞避免作为参数之一加以考虑。图14示出了示例，其中，通过在下一段上选择不同的起点141代替原始计划的段142，可以制作满足所有要求的新过渡段143，而不越过轴极限114，即使仅通过修改原始过渡段81来完成这一点可能是不可能的。
在基于接触的材料沉积技术(诸如，在我们的示例中的挤出机)的情况下，也可以考虑另一种潜在类型的碰撞。在类似FDM打印的技术中，非常不期望将工具移至对象115的已打印部分上方或附近。来自工具的辐射热可能导致已经打印的部分重新熔化并变形，从而在打印的对象中产生缺陷，从而导致“软”碰撞，其中即使可能不发生物理碰撞，打印质量也仍然受到损害。
图15示出了缓解该问题的方法。当检测到潜在的软碰撞时，通过操纵其Z坐标153(将平台44移动离开工具42)，在过渡段111期间将工具从工作平面152抬升151离开。
在本发明的实现过程中潜在遇到的另一个实际问题是要求在线段的起始和结束期间精确地激活和停用工具。
图16图示了通过调制工具的激活信号来使工具的激活与线段匹配的方法。
在示例性实施例的情况下，工具是丝线挤出机。对于像这样的工具，由于需要在喷嘴内部建立压力，因此在发送激活信号161之后，需要花费相当长的时间162使丝线挤出163开始。同样，在停用期间，除非喷嘴被物理阻塞，否则丝线会由于引力、残余压力和热膨胀而继续渗出。在3D打印中使用的其它类型的工具中也存在不同程度的类似延迟。
除了使用如在现有技术中描述的其它响应改进方法(例如，在过渡时段期间缩回丝线)外，除了这些技术，还可以使用过渡段形式的添加路径以稍早地发送激活信号161，以尝试使工具的激活与线段164同步。
Claims (18)
1.一种用于基于计算机模型打印3D对象的打印机，所述打印机包括：
-工具，被配置为基于工具命令在激活状态和停用状态之间切换，处于激活状态的所述工具被配置为将材料添加到对象的层中的添加位置，其中所述添加位置通过形状限定结构的工具位置来确定；
-平台，被布置为支撑对象的层；
-运动结构，被配置为接收运动命令并且基于该运动命令来通过移动形状限定结构来限定层的形状；以及
-控制器，被配置为与工具以及与运动结构进行通信并且被编程为接收限定对象的层的形状的形状数据、基于形状数据提供路径、为运动结构提供运动命令来使得添加位置遵循该路径、以及基于该路径提供工具命令，
其中控制器被配置为通过以下操作来限定路径：
-基于形状数据来限定多个线段；
-限定每个线段的起点和终点
-限定线段的顺序，从而限定连续线段的列表；
-在连续线段的列表中的至少一对相邻的两个线段之间限定过渡段，每个过渡段是基于后续线段处的期望的最小速度和最大加速度限定的，使得路径由包括被过渡段分开的至少一对线段的连续线段限定，
并且其中，控制器被编程为提供工具命令，使得当添加位置在线段内时激活工具，并且当添加位置在线段外时停用工具。
2.根据权利要求1所述的打印机，其中所述控制器包含至少一个安全区的限定，所述安全区形成几何边界，在所述几何边界内应当遵守最小速度和最大加速度。
3.根据权利要求1或2所述的打印机，其中所述过渡段基于期望的最小速度和最大加速度通过以下操作来限定：
-接收限定运动结构加速和减速的能力的运动结构分布曲线，
-通过将运动结构加速和减速的能力与过渡段之后的线段中的期望的最小速度进行比较来限定过渡段的必要长度，以及
-基于必要长度来限定过渡段。
4.根据前述权利要求中任一项所述的打印机，其中所述控制器被配置为限定限制运动结构的移动的极限，并且识别在形状限定结构沿着路径的移动期间是否达到极限，并且其中所述控制器被配置为响应于识别达到极限而执行以下活动中的至少一个：
a)改变工具和平台之间的距离
b)改变线段的顺序；以及
c)改变过渡段。
5.根据权利要求4所述的打印机，其中所述控制器被配置为接收限定打印机的至少一部分的形状的几何数据，并且通过执行碰撞模拟来预测硬碰撞，在碰撞模拟中，在考虑形状数据和几何数据的同时模拟形状限定结构沿着路径的移动，并且其中所述控制器被配置为基于碰撞模拟来限定极限。
6.根据权利要求4或5所述的打印机，其中所述控制器被配置为接收限定运动结构的运动学能力的运动学数据，并且通过执行运动学模拟来预测运动学极限，在运动学模拟中，在考虑形状数据和运动学数据的同时，沿着路径模拟形状限定结构的移动，并且其中所述控制器被配置为基于运动学模拟来限定极限。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的打印机，其中所述控制器被配置为接收限定与工具将材料添加到层的处理相关的处理特性的处理数据，并且被配置为通过在考虑处理数据和形状数据的同时执行其中模拟形状限定结构沿着路径的移动的软碰撞模拟来预测软碰撞，以在考虑处理特性的情况下识别与形状限定结构的移动相关的问题，并且其中所述控制器被配置为基于处理模拟来限定极限。
8.根据前述权利要求中任一项所述的打印机，其中通过评估运动结构遵循不同线段顺序的路径的持续时间，并且通过选择提供最短持续时间的顺序来限定线段的顺序。
9.根据前述权利要求中任一项所述的打印机，其中所述工具能够被通电和断电，并且其中所述工具特征在于，所述工具限定了从所述工具被通电的时间点直到材料被添加时的延迟，并且其中所述控制器被配置为限定该延迟。
10.根据权利要求9所述的打印机，其中所述控制器被配置为提供工具命令，使得当添加位置在过渡段内时，所述工具被通电。
11.根据前述权利要求中任一项所述的打印机，其中所述控制器被配置为将连续线段的列表中的一个线段的第一方向与连续线段的列表中的后续线段的第二方向进行比较，并且提供第一方向和第二方向之间的角度，并且在该角度超过预定义的角度值的情况下在线段之间限定过渡段。
12.根据权利要求11所述的打印机，其中所述控制器被配置为接收限定所述角度值的配置数据文件。
13.根据前述权利要求中任一项所述的打印机，其中所述控制器被配置为通过至少限定过渡段的加速区和过渡段的后续耗散区来限定过渡段，并且其中所述控制器被配置为将加速区限定为其中运动结构使形状限定结构加速或减速的区，并且将耗散区限定为其中运动结构向形状限定结构提供恒定速度并且其中模拟先前加速区中的加速或减速以引起形状限定结构的振动的区。
14.根据权利要求13所述的打印机，其中所述控制器被配置为通过以下操作来限定过渡段：
-基于先前线段和后续线段的位置，在限定直过渡段或弯曲过渡段之间进行选择；
-如果选择了直过渡段，那么将长度应用于直过渡段，该长度通过以下公式应用：
其中L是直过渡段的应用长度，v是所述控制器中限定的安全区速度，a是所述控制器中限定的加速度、并且da是在加速区中加速之后所需的耗散区的长度，
并且
-如果选择了弯曲过渡段，那么将曲率半径应用于弯曲过渡段，该曲率半径通过以下等式应用：
其中Rmin是最小曲率半径，vs是所述控制器中限定的安全区速度，并且as是所述控制器中限定的最大安全区加速度。
15.根据权利要求13或14所述的打印机，其中所述控制器被配置为通过将先前加速区中的加速度或减速度与限定形状限定结构或附接到形状限定结构的部件的刚度的结构数据文件进行比较来模拟先前加速区中的加速度或减速度是否将引起形状限定结构的振动。
16.根据前述权利要求中任一项所述的打印机，其中所述形状限定结构是所述工具和所述平台中的至少一个。
17.根据前述权利要求中任一项所述的打印机，其中所述控制器被配置用于为路径中的至少一个线段限定斜坡上升速度和斜坡下降速度，所述斜坡上升速度和所述斜坡下降速度被限定在所述控制器中限定的安全区加速度极限内。
18.一种用于通过使用打印机基于计算机模型来打印3D对象的方法，所述打印机包括：
-工具，被配置为基于工具命令在激活状态和停用状态之间切换，处于激活状态的所述工具被配置为将材料添加到对象的层中的添加位置，其中所述添加位置通过形状限定结构的工具位置来确定；
-平台，被布置为支撑对象的层；
-运动结构，被配置为接收运动命令并且基于该运动命令来通过移动形状限定结构来限定层的形状；以及
-控制器，被配置为与工具以及与运动结构进行通信并且被编程为接收限定对象的层的形状的形状数据、基于形状数据提供路径、为运动结构提供运动命令来使得形状限定结构遵循该路径、以及基于该路径提供工具命令，
所述方法包括以下步骤：
-基于形状数据来限定多个线段；
-限定每个线段的起点和终点
-限定线段的顺序，从而限定连续线段的列表；以及
-在连续线段的列表中的至少一对相邻的两个线段之间限定过渡段，每个过渡段是基于后续线段处的期望的最小速度和最大加速度限定的，使得路径由包括被过渡段分开的至少一对线段的连续线段限定；
所述方法还包括以下步骤：提供用于运动结构的运动命令，使得形状限定结构遵循路径，以及提供工具命令，当添加位置在线段内时，通过该工具命令激活工具，并且当添加位置在线段外时，通过该工具命令停用工具。
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