CN112368133A - 基于实时反馈的闭环打印过程调整 - Google Patents

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Abstract

在一些实施方案中，一种光反应性3D打印系统和方法包括提供具有树脂槽的系统，所述树脂槽包括膜片，其中所述膜片搁置在物理张紧元件上，使得所述树脂槽所受的增大的向下力引发所述膜片上的增大的张力。所述系统还包括：多个传感器，所述多个传感器包括树脂总体温度传感器；以及打印配方，所述打印配方包括将在打印平台上构建的3D打印零件中的每一层的信息。在一些实施方案中，测量树脂总体温度，并且在打印运行期间基于所述树脂总体温度测量值来更新所述打印配方中的信息，包括与所述树脂槽所受的向下力有关的信息。在一些实施方案中，能够在打印运行期间基于来自所述多个传感器中的至少两个传感器的输入来更新所述打印配方。

Description

基于实时反馈的闭环打印过程调整
相关申请
本申请要求2018年6月29日提交并且标题为“Closed Loop Print ProcessAdjustment Based On Real Time Feedback”的美国临时专利申请No.62/692,196的权益；该案出于所有目的通过引用特此并入。
背景技术
有许多类型的增材制造(即，3D打印)系统和方法。一种方法利用光敏聚合物(即，感光聚合物)，所述光敏聚合物在曝光后交联并且从液态树脂硬化成固态聚合材料。这些光反应性3D打印系统通常包括树脂池、照明系统和打印平台，其中照明系统将图像投射到树脂池中，致使在打印平台上形成聚合物体的层。随后，打印平台将打印出的层移出照明系统的焦平面，随后使下一层曝光(即，打印)。
常规的光反应性3D打印系统依赖于迎合通用用例的固定过程设置以开环方式操作。该解决方案导致差的产品性能，并且以不可重复的方式生产低质量的零件。在一些情况下，进行过程调整以启用具有挑战性的用例，所述用例在应用于其他用例时会使系统性能大大低于对于挑战性较低的一般用例而言的最佳性能。另一种常规方法是为每项单独的打印作业优化一组特定的打印过程参数。由于可用于优化打印过程的参数数量非常多，因此为每项作业产生经调整的过程所需要做的工作可能会很繁重。经常采用试错法。由于在最终零件生产期间很少存在在过程开发工作期间存在的条件，因此用于打印过程优化的这种方法的结果仅在转换为成功的最终产品时才勉强有效。另外，由于在打印过程本身期间未检测到由此产生的零件质量问题，因此可能会完成后续的打印作业，甚至整个生产运行，而不会检测到错误，从而使所有输出变为废品并且使机器时间变为无用功。在许多情况下，在打印速度与打印物体质量之间也要进行权衡，这很难针对不同的用例进行优化。
发明内容
在一些实施方案中，一种方法包括提供光反应性3D打印系统，所述系统包括：底座；升降器系统，所述升降器系统可移动地联接到所述底座，其中所述升降器系统包括升降臂；打印平台，所述打印平台安装到所述升降臂；树脂槽，其中所述树脂槽包括膜片，并且所述膜片搁置在物理张紧元件上，使得所述树脂槽所受的增大的向下力引发所述膜片上的增大的张力；膜片张紧设备，所述膜片张紧设备对所述树脂槽施加向下力；树脂池，所述树脂池由所述树脂槽和所述膜片限围起；照明系统；多个传感器，所述多个传感器包括树脂总体温度传感器；以及打印配方，所述打印配方包括将在所述打印平台上构建的3D打印零件中的每一层的信息。所述打印配方包括以下各项中的一者或多者：构建几何形状、照明能量、每层曝光时间、层之间的等待时间、打印平台位置、打印平台速度、打印平台加速度、树脂槽位置、树脂槽力、树脂化学反应性和树脂粘度。所述方法还包括：使用所述照明系统将图像投射透过所述膜片并且聚焦于位于所述树脂池内的聚合物界面处；使用所述升降器系统使所述打印平台以所述打印平台速度和所述打印平台加速度在z方向上移动；对所述树脂槽施加向下力以引发所述膜片上的膜片张力；使用所述树脂总体温度传感器来测量树脂总体温度；以及在打印运行期间基于所述树脂池的树脂总体温度来更新打印配方中的打印平台速度和打印平台加速度。
在一些实施方案中，一种光反应性3D打印系统包括：底座；升降器系统，所述升降器系统可移动地联接到所述底座，其中所述升降器系统包括升降臂；打印平台，所述打印平台安装到所述升降臂；树脂槽，其中所述树脂槽包括膜片，并且所述膜片搁置在物理张紧元件上，使得所述树脂槽所受的增大的向下力引发所述膜片上的增大的张力；膜片张紧设备，所述膜片张紧设备对所述树脂槽施加向下力；树脂池，所述树脂池由所述树脂槽和所述膜片围起；照明系统；多个传感器；以及打印配方，所述打印配方包括将构建的3D打印零件中的每一层的信息。所述多个传感器包括以下各项中的至少两者：z轴载台位置传感器；z轴载台速度传感器；树脂槽垂直位移传感器；升降臂载荷传感器；加速度计；树脂总体温度传感器；以及热成像系统。所述打印配方包括以下各项中的一者或多者：构建几何形状、照明能量、每层曝光时间、层之间的等待时间、打印平台位置、打印平台速度、打印平台加速度、树脂槽位置、树脂槽力、树脂化学反应性和树脂粘度。在打印运行期间基于来自所述多个传感器中的至少两个传感器的输入来更新所述打印配方。
附图说明
图1A至图1D是根据一些实施方案的示例性光反应性3D打印系统(PRPS)的简化透视示意图。
图1E是根据一些实施方案的具有四个图像投射器的PRPS和具有四个子图像的复合图像的简化透视示意图。
图1F示出根据一些实施方案的具有两个图像投射系统的PRPS的三个简化透视示意图。
图1G是根据一些实施方案的具有四个图像投射系统的PRPS的一部分的简化透视示意图。
图1H至图1K是根据一些实施方案的用于形成组成移动子图像的复合图像的移动光源或移动光学系统的简化示意图。
图1L是根据一些实施方案的在单个壳体中的多个PRPS的简化示意图。
图1M是根据一些实施方案的用于一个或多个PRPS的自动树脂分配系统的简化示意图。
图2A至图2B分别是根据一些实施方案的用于PRPS的树脂槽、膜片和膜片张紧设备的示例的简化的纵截面和透视分解示意图。
图3是根据一些实施方案的用于PRPS的热成像系统的示例的简化纵截面示意图。
图4是示出根据一些实施方案的用于多个像素的照明能量的示例的简化图。
图5和图6是根据一些实施方案的用于PRPS中的闭环反馈的方法的流程图。
定义
在本公开中，将使用以下术语。
树脂：通常是指未固化状态的单体溶液。
树脂池：树脂槽内容纳的一定量的树脂，可立即用于打印作业。
树脂槽：带有膜片的机械组件，用于容留树脂池。
打印平台(即，打印托盘)：附接到升降器的系统，在所述系统上固化树脂并构建物理零件(即，打印物体)。
升降器系统：将Z轴载台连接到打印平台的零件的系统。
Z轴载台：为升降器系统提供运动的机电系统。
聚合物界面：树脂池与图像显示系统的焦平面的物理边界。
膜片：产生聚合物界面的透明介质，通常定向为平行于XY平面。
构建区域：图像显示系统可物理寻址的XY平面区域。
打印内：在单项打印作业的开始和结束之间可能发生的事件的上下文。
打印间：在打印内与在打印内上下文之外可能发生的事件的上下文。
打印作业(即，打印运行)：由3D打印的第一个命令开始直到最后一个命令(包括最后一个命令)启动的事件序列。
打印过程参数(PPP)：确定在打印作业期间的系统行为的输入变量。
打印过程：由打印过程参数控制的总体打印系统行为。
聚合：化学反应，液态单体通过所述反应转变为固态聚合物。
固化：与聚合相同。
层移动：在图像显示系统的连续曝光之间，打印平台在Z轴上的移动(其中Z轴的取向类似于图1A中的示例所示)。
补给移动(即，泵移动)：打印平台的移动，所述移动比层移动大以允许在聚合物界面处补充树脂。
曝光时间：能量转移到聚合物界面的持续时间。
辐照度：入射到表面(即，聚合物界面)上的每单位面积的辐射功率。
像素：可直接操纵辐照度的构建区域XY平面的最小细分(其中XY平面的取向类似于图1A中的示例所示)。
图像显示系统：电子装置和光学装置的组合，所述组合使得能够在构建区域上在聚合物界面处进行像素级的辐照度操纵。
照明系统：电子装置和辐射发射源的组合，所述组合可由图像显示系统控制以调整递送到聚合物界面的辐照度。
闭环：利用传感器反馈基于“输入”和“输出”之间的最佳关系来对“系统”进行自动性能调整。
具体实施方式
本文公开了用于光反应性3D打印系统(PRPS)中的闭环反馈的实施方案。在一些实施方案中，PRPS配备有一个或多个传感器，所述传感器在打印运行之前、期间和/或之后监测各种参数。在一些情况下，使用来自传感器的信息来在打印运行期间更改打印过程，从而以闭环方式操作。如通过本文的系统和方法所描述的，闭环操作由于多种原因而可能是有益的，包括改善的打印质量(例如，打印物体的结构完整性和物体表面粗糙度)、打印运行持续时间和设备寿命。使用本文所述的系统和方法，还可以提高系统的制造效率和成本效益以及系统的维护和可维修性。
在一些实施方案中，本文所述的PRPS包含集成到闭环反馈系统中的多个传感器，所述传感器在宽范围的操作变量内实现提高的(或最佳的)打印效率，而无需人工干预或高度专业化的过程分析。这与常规系统形成了鲜明的对比，常规系统通常依赖于迎合通用用例的固定的过程设置以开环方式操作。
在一些实施方案中，两个或更多个传感器集成在PRPS中的闭环反馈系统中，以提供信息来在原位调整打印运行的参数。在常规系统中未识别或利用在打印期间的不同的输入参数(例如，照明能量、膜片张力和打印平台移动)与输出参数(例如，局部树脂温度和打印平台在移动期间承受的力)之间的关系。不同参数之间的关系可能很复杂，并且基于不直观的见解。例如，树脂的固化是放热过程，这导致树脂温度在整个运行过程中升高，这可能对整个打印运行的印刷质量产生负面影响。使复杂性增加的是，在一些情况下，树脂的反应性也随温度而变。例如，在一些情况下，树脂在较高温度下可能会更快地反应。由于打印不同的物体每层和在不同的图案中需要不同量的照明能量，因此树脂的温度升高(全局地和局部地)对于每一打印物体来说都将是不同的。使用本文所述的系统和方法，可在打印运行期间测量并考虑多个输入与输出参数(如上述参数)之间的复杂的相互作用，从而得到更高质量的打印物体。
在美国专利申请No.16/370,337中更完整地描述了与包括多个图像投射系统和/或针对各种因素(例如，树脂反应性、均匀性和对准性)的图像校正的PRPS有关的系统和方法，该案通过引用整体并入本文中。美国专利申请No.16/370,337中描述的系统和方法可与本文描述的闭环反馈系统和方法结合使用。
在一些实施方案中，本文描述的PRPS包含3D打印引擎、嵌入式系统电子装置和多个传感器(例如，力计、位置编码器、接近/存在检测传感器、粘度传感器、温度/湿度传感器、加速度计、光阵列传感器等)。所有传感器都可以连续地和/或定期地获取其相应的数据，这些数据可以反馈到嵌入式系统电子装置中。嵌入式系统电子装置可处理来自(一个或多个)传感器的数据，并在打印期间实时补偿或调整3D打印引擎中的驱动元件，以优化打印质量和/或打印速度。
在一些实施方案中，PRPS使用打印配方。打印配方包含将通过PRPS构建的3D打印零件中的每一层的信息。打印配方可包含在打印运行之前、期间和之后用于PRPS的指令。例如，打印配方可包括与以下各者有关的参数和指令：构建几何形状、照明能量、每层曝光时间、层之间的等待时间、打印平台位置、打印平台速度、打印平台加速度、树脂槽位置、树脂槽力、树脂化学反应性和树脂粘度。在常规系统中，打印配方是在打印运行之前预先确定的，并且是静态的(即，在打印运行期间它不会改变)。在本文所述的PRPS和方法中，可在打印运行之前、期间和/或之后更新打印配方。例如，可基于来自PRPS中的一个或多个传感器的输入，在打印运行之前、期间和/或之后更新打印配方内包含的参数和/或指令。在一些实施方案中，还可以在打印物体内的给定层的打印之前、期间和/或之后更新打印配方。
打印质量可能会受到许多不同的内部和外部因素的影响。可能影响PRPS中的打印质量的因素的一些非限制性示例包括多个项，诸如树脂反应性及其温度依赖性、树脂粘度及其温度依赖性、辐照度及其随多种因素的变化、打印平台移动速度、膜片张力，打印平台移动精度、树脂池内的氧气消耗率、打印零件的几何形状以及打印物体与膜片的脱离力。可通过打印物体的空间精度、结构完整性(例如，层与层的粘附等)、机械性质、表面光洁度以及打印物体的其他质量来评估整体零件质量，所有这些因素都可以通过实施本文所述的系统和方法来改善。
图1A至图1D示出根据一些实施方案的PRPS 100的示例。图1A至图1D中所示的PRPS100包括底座105、图像投射系统(即，“照明系统”)110、显示子系统(即，“图像显示系统”)115、树脂池120、聚合物界面125、树脂槽130、膜片135、打印平台140、升降器系统145、升降臂150、z轴载台155、构建区域160和膜片张紧设备165。现在将描述图1A至图1D中所示的示例性PRPS 100的操作。
底座105是PRPS 100的一些部件(例如，升降器系统145)附接到的框架。在一些实施方案中，底座105的一个或多个部分被垂直地定向，这限定了垂直方向(即，z方向)，PRPS100的一些部件(例如，升降器系统145)沿着所述垂直方向移动。打印平台140连接到升降臂150，所述升降臂可移动地连接到升降器系统145。升降器系统145使打印平台140能够通过z轴载台155的行动而在z方向上移动(如图1A中所示)。由此，打印平台140可下降到树脂池120中以在打印期间支撑打印零件并且将其从树脂池120中提出。
照明系统110将第一图像透过膜片135投射到树脂池120中，所述树脂池被围在树脂槽130内。构建区域160是树脂曝光(例如，曝露于来自照明系统的紫外光)并交联以在打印平台140上形成第一固体聚合物层的区域。树脂材料的一些非限制性示例包括丙烯酸酯、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、氨基甲酸酯、硅酮、乙烯基、其组合或在曝露于光照时交联的其他光反应性树脂。不同的光反应性聚合物具有不同的固化时间。另外，不同的树脂配方(例如，光反应性聚合物相对于溶剂的浓度不同，或不同类型的溶剂)具有不同的固化时间。在一些实施方案中，与具有平均固化时间的光敏树脂相比，所述树脂具有相对较短的固化时间。在一些实施方案中，树脂对约200nm至约500nm的照明波长或该范围之外的波长(例如，大于500nm或从500nm至1000nm)是光敏的。在一些实施方案中，树脂形成在固化后具有所制造的特定物体所要的性质的固体，诸如所要机械性质(例如，高断裂强度)、所要光学性质(例如，在可见波长下的高光学透射率)或所要化学性质(例如，在暴露于湿气时稳定)。在第一层曝光之后，打印平台140向上移动(即，如图1A所示，在正z方向上)，并且可通过使从照明系统110投射的第二图案曝光而形成第二层。随后可重复此“自下而上”的过程，直到打印出整个物体为止，然后将完成的物体从树脂池120中提出。
在一些实施方案中，照明系统110在不同波长的一定范围内，例如从200nm至500nm，或从500nm至1000nm，或在其他波长范围内，发射辐射能(即，照明)。照明系统110可使用能够投射图像的任何照明源。照明源的一些非限制性示例是发光二极管(LED)阵列、基于液晶的投射系统、液晶显示器(LCD)、硅基液晶(LCOS)显示器、基于汞蒸气灯的投射系统、数字光处理(DLP)投射器、离散激光器和激光投射系统。
在一些实施方案中，本文描述的PRPS的照明系统(即，图像投射系统)(例如，如图1A至图1D中的PRPS的元件110中所示)包含配置成阵列的多个图像投射器。在不牺牲打印速度的情况下，以高分辨率的构建元件像素覆盖较大的打印区域可能是有利的。图1E示出包含四个图像投射器170a-d的PRPS的简化示意性示例，所述四个图像投射器被配置为投射四个子图像180a-d以在构建区域160上形成单个复合图像。图1E示出照明系统是基于投射的系统的示例，然而，在其他实施方案中，照明系统可以是基于投射或非投射的系统，包括那些包含发光二极管阵列的系统、基于液晶的投射系统、液晶显示器(LCD)、硅基液晶(LCOS)显示器、基于汞蒸气灯的投射系统、数字光处理(DLP)投射器、离散激光器和激光投射系统。
图1F示出具有两个图像投射系统110a-b的PRPS的非限制性示例的三个透视示意图。图1F所示的PRPS的其他部件类似于图1A至图1D中所示的那些部件，并且为清楚起见，在图1F的系统中未示出PRPS的一些部件。树脂槽130a和树脂槽内的构建区域(未示出)约为图1A至图1D所示的PRPS中的两倍，这是通过使用两个图像投射系统110a-b而不是一个图像投射系统来实现。
图1G示出具有四个图像投射系统110c-f的PRPS的一部分的非限制性示例。在该示例中，四个图像投射系统布置成2x2阵列。在其他实施方案中，PRPS具有多个图像投射系统，所述多个图像投射系统布置成N×M阵列，其中N是在所述阵列的一个方向上的图像投射系统的数量，而M是在所述阵列的另一个方向上的图像投射系统的数量，其中N和/或M可以是1到5、或1到10、或1到20、或1到100、或2、或5、或10、或20或100。图1G示出四个图像投射系统110c-f，所述图像投射系统被配置为分别投射四个子图像190c-f，以在构建区域160a上形成单个复合图像。图1G还示出在该示例中子图像重叠。
在一些实施方案中，构建面积为100x100mm2至1000x1000mm2、或100x100mm2至500x500mm2、或100x1000mm2至500x1000mm2、或在先前范围之间的正方形或矩形范围、或大于1000x1000mm2。在一些实施方案中，从图像投射器阵列投射的子图像各自具有一定的面积，为50x50mm2至200x200mm2、或50x50mm2至150x150mm2、或50x100mm2至100x200mm2、或50x50mm2至150x150mm2、或192mm x 102.4mm、或134.4mm x 71.68mm。在一些实施方案中，每一子图像覆盖的区域是近似矩形、正方形、圆形、椭圆形或其他形状。在一些实施方案中，每一图像投射器以5mW/cm2至50mW/cm2、或10mW/cm2至50mW/cm2、或5mW/cm2至20mW/cm2的最大或平均功率密度来投射光。在一些实施方案中，每一像素或层的曝光时间为0.05s至3000s、或0.08s至1500s、或0.08s至500s、或0.05s至1500s。
在其他实施方案中，所描述的PRPS可包含一个或多个照明系统，所述照明系统能够在一个以上打印区域中投射图像。这样的一些示例是一些照明系统，所述照明系统安装在移动式门架上(例如，提供横向移动，或枢转移动)，或所述照明系统含有使所投射的图像能够聚焦在不同的打印区域中的光学系统(例如，使用镜子)。这样的移动照明系统可有利地以高分辨率的构建元件像素覆盖大的打印区域，同时最小化照明系统的数量(即，最小化设备成本)。
在一些实施方案中，图像投射器的移动包括移动图像投射器的光源(例如，诸如LED或灯)。在一些实施方案中，光源通过平移而移动(例如，沿着大致平行于构建区域的平面的平面)。图1H示出由子图像1010a-c组成的复合图像的非限制性示例，其中光源1012通过沿方向1005平移而移动。在一些实施方案中，光源通过平移移动并且平移方向(例如，图1H中的1005)大致平行于构建区域的平面。在这些情况下，如本文进一步描述，可以对每一图像进行位置校准，或进行其他校正。
在一些实施方案中，将通过使光源倾斜和/或绕着一个或多个旋转轴旋转而移动光源。图1I示出由子图像1020a-c组成的复合图像的非限制性示例，其中光源1022通过沿方向1006旋转而移动。在一些实施方案中，旋转方向(例如，图1I中的1006)具有大致平行于构建区域的平面的旋转轴。在图像投射器旋转的情况下，如本文进一步描述，可以考虑位置和其他校正，诸如翘曲和歪斜。
在一些实施方案中，用于图像投射器的光源将是固定的，并且所投射的子图像将通过使用移动光学系统(例如，移动镜或移动透镜)而移动。在一些实施方案中，光学系统将通过平移(例如，沿着大致平行于构建区域的平面的平面)而移动，或者通过使光学系统倾斜和/或绕着一个或多个旋转轴旋转而移动。图1J示出由子图像1030a-c组成的复合图像的非限制性示例，其中光源1032是固定的，并且镜1034通过沿方向1007旋转而移动以投射子图像1030a-c。另选地，图1K示出由子图像1040a-c组成的复合图像的非限制性示例，其中光源1042是固定的，并且透镜1044通过沿方向1008旋转而移动以投射子图像1040a-c。在移动光学系统的不同情况下(例如，图1J和图1K中所示的情况)，如本文进一步描述，可以针对位置、翘曲和歪斜对所投射的每一图像进行校准，和/或进行其他校正。
图1H至图1K中的非限制性示例包含具有一个移动图像投射器或一个固定图像投射器和一个移动光学系统(例如，镜子或透镜)的系统。在其他实施方案中，本文描述的PRPS可包含一个以上图像投射器和或光学系统，并且图像投射器和/或光学系统移动以将多个子图像投射到构建区域上。在这些情况下，多个图像投射器和/或光学系统都可通过平移或旋转来移动。在一些实施方案中，PRPS包含子系统，以使每一图像投射器和/或子图像能够独立地移动。在其他实施方案中，PRPS包含子系统，以使所有图像投射器和/或子图像能够成组移动。在一些实施方案中，一个或多个图像投射器和/或光学系统可平移和旋转以将子图像投射在构建区域内的不同位置。
在美国专利申请No.16/370,337中更完整地描述了与PRPS有关的系统和方法，所述PRPS包括具有多个图像投射系统、移动图像投射器和/或移动光学系统的系统，该案通过引用整体并入本文中。
图1L示出根据一些实施方案的容纳在单个壳体1050内的多个PRPS 1052a-c的简化示意图。壳体1050可维持受控的环境(例如，气压、温度和/或湿度)，将PRPS与外力(例如，地面运动)隔离，并且容纳由多个PRPS共享的集中式系统。例如，壳体1050可容纳能够控制壳体1050中的多个PRPS 1052a-c的集中式控制软件、可与壳体1050中的多个PRPS 1052a-c交互的集中式机器人，以及其他类型的集中式系统和部件，诸如作为自动树脂分配系统的树脂罐。
图1M是根据一些实施方案的PRPS的自动树脂分配系统1060的简化示意图。图1M中的示例包括自动树脂分配器1054，所述自动树脂分配器可将树脂从树脂缸1056a-c分配到PRPS 1052a-c的树脂槽中。此示例示出单个分配器1054将树脂从三个树脂缸1056a-c馈送到三个PRPS 1052a-c，然而，在不同的实施方案中，1至10个分配器可将树脂从1至10个树脂缸馈送到1至20个PRPS。例如，可使用自动树脂分配系统来对一个或多个PRPS馈料，其中每一PRPS可具有单个专用的树脂缸和分配器，或每一PRPS可具有将树脂从一个或多个树脂缸馈送到PRPS的专用分配器。使每一PRPS具有专用的分配器和树脂缸可能是有利的，例如，如果在不同的PRPS中使用不同类型的树脂，那么具有专用的树脂分配系统可防止树脂交叉污染。在一些实施方案中，在PRPS和/或树脂缸周围使用壳体(未图示)。
图1A至图1D中所示的示例系统和图1E至图1M中所示的PRPS仅为非限制性示例，并且根据本文所描述的一些实施方案，可对这些设计进行改变。例如，其他PRPS相对于图1A至图1G中所示的系统可为倒置的。在这样的“自上而下”系统中，照明源在树脂池上方，打印区域在树脂池的上表面处，并且打印平台在树脂池内在各打印层之间向下移动。本文描述的闭环反馈系统和方法适用于任何PRPS配置，包括倒置系统。在一些情况下，传感器或反馈系统的几何形状可改变以适应不同的PRPS几何形状，而不会改变PRPS内的闭环系统的基础操作。
在一些实施方案中，在本文描述的PRPS中包括额外系统(图1A至图1G中未示出)，以使树脂在树脂池内移动。例如，本文描述的PRPS可包括一个或多个树脂循环系统(例如，具有用于使树脂流入和流出树脂槽的入口、出口和泵的系统，或在树脂池内的用于在池内混合树脂的物理混合器，或在树脂池内使树脂移离膜片的刮擦器)。这样的树脂循环系统可以是连续的或间歇的，可降低树脂池内的热梯度，和/或可响应于在本系统和方法中测量的一个或多个反馈参数而在打印运行之前、期间和/或之后向膜片(即，打印区域)提供新鲜的树脂。
图2A示出根据一些实施方案的树脂槽130和具有树脂槽垂直位移传感器210的独特的膜片张紧系统的示例，所述示例可在本PRPS中的闭环反馈系统中使用。在常规系统中，可在组装树脂槽时确定膜片张力并在树脂槽中设置膜片张力。然而，这仅允许静态和不可调整的预定量的张力。在图2A所示的系统中，可在打印期间或打印之间的任何点调整膜片张力，其中可响应于来自一个或多个传感器210的反馈信息而自动进行调整。如图2A和图2B中所绘示，在一些实施方案中，树脂槽膜片135的周边附接到树脂槽130，并且膜片135搁置在物理张力环220上，使得桶所受的向下力(或载荷)“F”施加于膜片-张力环接触界面，从而致使膜片被置于随着向下力F增大而张力增大的状态。随后可基于预定的张力关系通过施加一定量的向下力将膜片中的张力设置为所要水平。所要的膜片张力水平可基于例如膜片的材料性质、打印速度、系统构造(例如，如果从下方支撑膜片或不支撑膜片)、树脂粘度和/或打印规格(例如，打印零件的公差范围)。
用于收集关于树脂槽130的垂直(即，z轴)位移230的信息的位置传感器210提供关于树脂槽130的垂直位移230的反馈，并指示系统是否能够支持所需张力或是否膜片135已达到临界的使用期限终止条件。例如，如上所述，随着膜片135老化，其将经历蠕变，并且树脂槽垂直位移230将在给定量的外加向下力F下改变。树脂槽130的垂直位移230也取决于树脂槽130的向下力F。此载荷F可由膜片张紧设备通过许多不同的机构气动地或机械地施加。在图1A至图1G和图2A至图2B中的PRPS中所示的非限制性示例中，采用气压缸设备165将力F施加于树脂槽130。在一些实施方案中，经由向下力机构中的传感器210来监测载荷F，并且使用力反馈、槽位移反馈和先前确定的张紧-力关系来在打印作业期间的任何点调整膜片张力。在其他实施方案中，膜片张紧设备使用电动机(例如，步进电动机)和线性编码器将向下力F施加于树脂槽130。在一些实施方案中，当不处于激活打印使用(即，激发打印模式)时，膜片张紧系统用于从膜片释放(或减小)张力，从而延长该关键元件的可用寿命。
图2A还示出可选张力环测力元件240和膜片位移载荷传感器250的简化截面示意图。张力环测力元件240附接在张力环220下方，并提供关于张力环所受的力的离线和实时信息。该信息还可用于控制施加于树脂槽130的载荷F。膜片位移载荷传感器250附接在树脂槽130下方，并且可提供关于树脂槽130所受的力的离线和实时信息，所述信息也可用于控制施加于树脂槽130的载荷F。在一些实施方案中，传感器210、240和250全部一起用于控制膜片张紧系统，并且还提供冗余，这对于检测零件故障(例如，膜片蠕变或气压缸故障)很有用。
图2B示出根据一些实施方案的用于PRPS的膜片张紧设备的示例的示意性透视图。图2B所示的示例包含树脂槽130、膜片135、物理张紧元件(即，张力环)220、张紧机构165和打印底座105。在图2B所示的示例设备中，膜片135附着到树脂槽130，以形成能够容留树脂池(未示出)的容器。在该示例中，将附有膜片135的树脂槽130放置在张力环220上，并且张紧机构165与树脂槽130接触。当膜片135搁置在张力环220上时，张紧机构165(在所示示例中为气压缸)可对树脂槽130施加向下力F，从而将膜片135拉伸到张力环220上。因此，在该示例中，由张紧机构165施加到树脂槽130的向下力F增大将使膜片135上的张力增大。在该示例中，构建面积(未示出)小于张力环220的内部尺寸。在一些实施方案中，图2A中所示的测力元件240可被安装并适当地定位在打印底座105上，以测量由张力环220、树脂槽130或其组合施加的局部向下力。相似地，图2A中所示的位移传感器250可被安装并适当地定位在打印底座105上，以测量树脂槽130与其在打底座105中的相应空腔之间的位移。
在一些实施方案中，透明板(例如，玻璃)(未示出)附着到张力环220。在一些实施方案中，透明板与张力环220的顶部(即，张力环的与膜片接触的部分)齐平并从下方支撑膜片135。在其他实施方案中，透明板位于张力环220的顶部上方，并从下方支撑膜片135。在其他实施方案中，透明板位于张力环220的顶部下方，并且在大偏转的情况下支撑膜片135。在一些实施方案中，将透明板设置在张力环220的顶部下方是有利的。不受理论的限制，在透明板位于张力环220的顶部下方的一些实施方案中，更多的空气(或氧气)将渗透到膜片135中(与玻璃在张力环顶部处或上方并且与膜片135直接接触的实施方案相比)并被与膜片135相邻的树脂吸收。吸收的空气(或氧气)将降低与膜片135相邻的树脂的固化速率，并降低树脂粘附到膜片135的可能性。
在不同的实施方案中，本PRPS的传感器可包括以下各者中的一者或多者：z轴载台位置传感器、z轴载台速度传感器、z轴载台加速度传感器、树脂槽垂直位移传感器、升降臂载荷传感器、加速度计、树脂总体温度传感器、热成像系统和照明系统传感器。
再次参看图1A，示出了集成到示例PRPS中的传感器的非限制性示例。示出了附接到底座105的上部部分的加速度计10，所述加速度计可测量PRPS在各个方向上的局部加速度(例如，由于地面运动或其他外力)。还示出了附接到底座105的陀螺仪(或加速度计或水平传感器)15，所述陀螺仪可测量PRPS的整体加速度(在各个方向上)或倾斜。图1A中的PRPS还包含辐射功率传感器20，所述辐射功率传感器嵌入在图像投影系统110中的光学装置的照明路径内，能够测量来自图像投影系统110内的照明源的输出的强度。
继续图1A，PRPS可包含多个图像传感器以测量膜片135、构建区域160或与膜片135和/或构建区域160相邻的区域的不同性质。例如，图1A中的PRPS包含被定位成对构建区域160附近的区域成像的热图像传感器25，所述热图像传感器可测量树脂槽130内构建区域160附近的树脂的温度分布。图1A中的PRPS还包含也被定位成对构建区域160附近的区域成像的第二图像传感器(或捕获装置)30，所述第二图像传感器可测量任何波长的电磁辐射。
本PRPS中的图像传感器25和/或30可获取高分辨率图像(例如，在构建区域中的每一实际像素区域具有一个或多个检测到的分辨率的像素)或低分辨率图像。在一些情况下，图像传感器25和/或30获取低分辨率图像，随后对所述低分辨率图像进行上采样例如，可使用单图像超分辨率(例如，使用人工智能或深度学习)上采样来对低分辨率图像进行上采样。对低分辨率图像进行上采样可帮助检测构建区域上显示的图像的问题(或异常)，并将信息发送回PRPS以实时调整打印配方内容。获取低分辨率图像是有利的，因为它降低了图像传感器部件的成本(例如，可使用便宜的网络摄像头低分辨率相机代替更昂贵的高分辨率(例如，1080x1920)图像传感器)。
第二图像传感器30可用于提供光谱或高光谱信息(即，处于单个波长或多个波长以提供测量的光谱)，例如，投射图像的测量、树脂性质、温度分布和/或存在外来污染物。第二图像传感器30可检测任何范围内的波长，例如IR(例如，使用热成像相机)、UV(例如，在图像投射系统110的波长内)或可见光(例如，使用RGB相机))。
例如，第二图像传感器30可以是能够检测从图像投影系统110输出的波长(例如，用于使树脂曝光的光的UV波长)的图像传感器，并且可用于提供关于在构建区域160中(或在与构建区域160相邻的区域中)的所投射图像的准确性的离线或实时反馈。在一些情况下，低成本相机(例如网络摄像头)能够检测从图像投射系统110输出的波长，并且可用于从下方捕获膜片或构建区域的图像(例如，通过将相机指向树脂槽的底侧)以检查所投射的层图像是否按预期进行了投射。所捕获的图像可以以可见光的颜色显示，以便操作者在打印作业期间进行监测。在一些情况下，可在将树脂和时间浪费在出错的零件上之前尽早使用计算机视觉来分析捕获的图像并检测投射系统或图像显示子系统是否存在问题(例如，硬件问题、文件数据内容损坏等)。在一些实施方案中，可处理(例如，使用计算机视觉)来自第二图像传感器30的信息并且将所述信息反馈到PRPS以在打印运行期间调整打印配方(例如，通过基于来自传感器30的测量值来调整投射图像的性质，直到测量值与期望值匹配为止)。
在一些情况下，第二图像传感器30可检测IR波长(或UV或可见波长)中的光以确定在图像投射器与膜片之间的光路上是否存在灰尘或碎屑。这种传感器可与专用的投射器结合使用，以检测图像投射器与膜片之间的光路中的灰尘或碎屑。可采用能够分辨多个能量波长(例如，从UV到可见光，或从UV到IR，或从可见光到IR)的一个或多个图像传感器30来检测打印玻璃与膜片之间的异物污染或在树脂槽中的已沉淀在膜片上的污染物。例如，可将预期的显示图像与从捕获装置30捕获的图像进行比较，以检测碎屑的存在。在一些情况下，可采用多个图像光谱来检测不同类型的污染物，诸如来自先前构建的固体颗粒和/或固化的树脂污染物。
在另一个示例中，第二图像传感器30可以是能够检测某一光谱(例如，100nm至20微米)的图像传感器，所述光谱提供关于固化和未固化树脂的存在的信息(例如，通过检测交联的存在)，并且所述第二图像传感器可用于提供关于构建区域160(或与构建区域160相邻的区域)中的固化与未固化树脂的数量和分布的实时反馈。这种传感器30还可用于确定固化树脂是否在膜片附近，例如，由于固化树脂从待打印的零件脱落。在另一个示例中，第二图像传感器30可以是能够检测某一光谱(例如，100nm至20微米)的图像传感器，所述光谱提供关于树脂的其他性质的信息，诸如树脂是否随着时间而降解、是否存在水、和/或树脂中是否存在其他外来污染物。
再次参看图1B，示出集成到示例PRPS中的传感器的额外非限制性示例。线性编码器条带35放置在底座105的垂直(即，z方向，如图1A所示)部分上，并且线性编码器传感器40附接到升降器系统145。线性编码器传感器40联接到线性编码器条带35，使得当升降器系统145在垂直方向上移动时，线性编码器传感器40可提供关于升降器系统145相对于线性编码器条带35的位置的离线或实时信息。这样的实时信息可例如用于提供关于在打印运行期间打印的实际层厚度的反馈(例如，精确到几微米)。如果升降器系统145移动有点过远或不够，则实际位置信息可用于调整打印配方并解决错误，例如，通过取决于实际层厚度而在曝光期间对层施加更多或更少的能量。
再次参看图1C，示出集成到示例PRPS中的传感器的额外非限制性示例。示出与树脂槽130中的树脂120物理接触的热电偶(TC)45，以测量树脂的温度。在其他实施方案中，TC可位于树脂槽的外部，并且可被校准以提供关于树脂槽130中的树脂120的温度的信息。还示出IR温度传感器50，作为可测量树脂槽130中的树脂120的温度的传感器的另一个示例。在一些实施方案中，IR温度传感器50能够捕获图像以提供树脂槽130内的树脂120的温度的空间信息。在其他实施方案中，IR温度传感器50只能获取单个(或多个)测量点，而不是整个图像。图1C中的PRPS还配备有树脂液位传感器55，所述树脂液位传感器可测量树脂槽130中的树脂120的量(或深度)。例如，这种树脂液位传感器55可用于测量树脂120的消耗率，和/或是否有任何树脂已经从正打印的零件脱落(这将影响树脂液位，因为已打印零件移入和移出树脂120)。
再次参看图1D，示出集成到示例PRPS中的传感器的额外非限制性示例。示出附接到一个升降臂150的应变仪60。在一些实施方案中，将应变仪60放置在每一升降臂150上。应变仪60可用于测量升降臂承受的应变，以提供关于升降臂150的力和/或位置的信息。图1D中的PRPS还装备有嵌入在膜片张紧设备165的一个或多个气压缸中的压力传感器65。压力传感器65可提供关于膜片张紧设备165对膜片135施加的压力的离线和实时信息。
再次参看图1L，可将一个或多个环境传感器70定位在一个或多个PRPS附近以获取环境数据，诸如气压、温度、湿度、颗粒数、气味、环境中的化学物质或其他环境信息，并且可使用该信息来在打印运行期间或在打印运行之间调整打印配方，或可用于中止打印运行。在图1L中，一个或多个环境传感器70被放置在壳体1050内，然而，在其他实施方案中，一个或多个环境传感器70可被放置在一个或多个PRPS附近的工厂或其他空间中。
表1根据不同实施方案示出可并入PRPS中的可从传感器获取的信息(“传感器信息”)的一些非限制性示例，以及可如何使用来自不同传感器的信息来调整闭环反馈系统和方法中的不同过程参数(“过程参数/动作”)。
表1：可从PRPS中的传感器获得的信息的示例。
Figure BDA0002867707670000201
Figure BDA0002867707670000211
在示例中，可从载荷传感器(例如，以升降臂载荷传感器的形式附接到升降器负载臂)获得力(或载荷)反馈，以测量PRPS中的打印平台系统所承受的载荷量。随后可使用来自该传感器的信息来更改参数，诸如打印速度。可影响打印平台所受的载荷的因素的一些非限制性示例是树脂粘度、树脂温度、打印界面氧气消耗率、打印界面横截面积、打印速度以及来自成像源(例如，紫外线照明系统)的辐照度的变化。另外，可使用打印平台载荷反馈来从质量角度确定成品零件是否在可接受限度内，表明完成的打印零件存在于构建托盘上并且没有任何异物或多余的材料。在一些实施方案中，在打印作业期间，载荷反馈还可确定是否存在粘附问题以及零件是否已经从打印平台剥离。在一些情况下，载荷反馈还可用来理解多余的材料以湿润的表面区域或填充在零件几何形状内部的陷落空隙中的形式粘附到零件上。这可提供关于如何优化过程流程以回收废树脂的反馈。
在一些实施方案中，树脂可包含垂直粘度梯度，诸如由于树脂中的颜料和填料随时间沉降而引起。本文所述的PRPS和方法还可提供关于树脂老化和垂直粘度梯度的信息。例如，打印平台可在垂直方向上移动通过树脂池，并且可使用适当的传感器(例如，附接到z轴载台的位置、速度和加速度传感器，如z轴载台位置传感器、z轴载台速度传感器和z轴载台加速度传感器和升降臂载荷传感器)来测量打印平台所经历的位置、速度和力，这将提供关于树脂池内的垂直粘度梯度的一些信息。
在另一个示例中，可使用热成像传感器从膜片与树脂之间的界面(例如，在打印区域内)获得热图像反馈，以测量PRPS中的树脂池内的局部温度。聚合反应趋于放热，并且过多的热量产生会使聚合反应延伸超过所打印的几何形状所要的物理边界。实时获得来自打印区域的热图像图，使图像显示系统能够调整发射的能量密度，以补偿在打印层内的特定空间位置积聚的过多能量。在一些实施方案中，对局部温度异常(例如，热点)的此补偿可通过减少对过度的泵移动(即，补给移动)的需要而增大打印速度，所述泵移动是缓慢的，但是有助于在打印界面处保持均匀的温度。此补偿还防止非所要的材料固化，从而提高打印零件的整体尺寸精度。
图3示出可在PRPS中采用以检测局部和/或总体温度的热成像系统的一些非限制性示例。在一些实施方案中，热成像系统包含热成像相机310a-b，所述热成像相机聚焦在树脂池120内与膜片135相邻(即，在打印区域内或附近)的平面上。图3中的第一实施方案示出热成像相机310a偏离照明系统110的轴305的情形。在这种情形下，可采用图像校正来校正热成像相机310a与照明系统110之间的不同轴，并将在热图像中测量的位置与打印区域内的像素相关联。图3中的第二实施方案示出了一种情形，其中唯一地使用“热镜”320(即，反射红外光并且能透过照明系统所使用的波长(例如，紫外光)的镜)来使由热成像相机310b捕获的热图像的光路与由照明系统110投射的图像的光路同轴对准。在图3的实施方案中，热镜与照明系统110的光轴305对准(即，与从照明系统到聚合物界面的光路对准)，其中热镜320成角度，使得热成像相机310b捕获由热镜320反射的图像。由热镜320实现的同轴对准消除了在其他配置中所需的图像校正的需要，并且在一些实施方案中，可提供更好的热图像分辨率以及热图像与在打印区域内曝光的像素之间的更准确的相关性。
在另一个示例中，可从PRPS中的树脂池获得总体热反馈。可从树脂池内的任何位置或与树脂池相邻的任何位置获得总体热测量值。在一些实施方案中，使用一个以上总体测量值来获得对树脂池内的总体温度的更精确测量，并且可选地获得对树脂池内的总体梯度的某种指示。在这种情况下，总体梯度不同于像素长度尺度上的局部温度波动(例如，可通过热成像系统测量)，并且总体梯度是指较大尺度的温度波动。在一些实施方案中，将来自树脂池内的一个以上总体热传感器的信息和来自热成像系统的信息结合使用以在树脂池内构建更准确的温度分布。在一些实施方案中，在打印作业期间，该信息指示在宏观尺度上是否存在过多的热量累积。树脂的温度可能会影响聚合反应速率，如果不加考虑可能会导致零件精度问题和/或材料性质问题。在更严重的情况下，不考虑总体树脂温度可能会导致打印物体扭曲。监测此度量使系统能够采取对策，诸如更改照明能量、在较低温度下泵入新树脂、提高打印速度、降低打印速度(这不是最佳的)或将固态冷却直接应用于树脂或树脂槽。在一些实施方案中，所述系统还采用闭环树脂分配系统，其中树脂连续循环并维持在最佳温度。
在另一个示例中，可获得打印托盘的绝对位置反馈(例如，来自z轴载台位置传感器)。在一些实施方案中，打印平台的位置使得能够进行若干过程监测和质量增强。例如，绝对位置反馈实现实时的零件几何形状检查和监测。例如，可使用打印平台的实时绝对位置反馈来提供关于在打印运行期间打印的实际层厚度的信息，可反馈所述信息以调整打印配方并解决错误，例如，通过取决于实际层厚度而在曝光期间向层施加更多或更少的能量(例如，通过调整曝光时间)。在另一个示例中，绝对位置反馈可确定系统是否经历了会导致不可接受的零件质量的移动错误或累积错误。如果无法纠正，这种条件检测随后可使系统能够中止打印作业，从而消除额外的原材料浪费和机器时间开销。这比完成可能要花费数小时才能完成的错误作业以及在后续处理步骤中发现故障零件更好。在一些实施方案中，获得打印托盘的绝对速度和加速度(例如，从z轴载台速度传感器和/或z轴载台加速度传感器)，并且采用所获得的信息来确定打印过程是否正在所要求的过程控制限度内操作。在一些实施方案中，在闭环反馈系统中使用该信息来控制打印参数，诸如后续层的打印托盘速度和照明能量。打印平台的位置、速度和/或加速度也可与来自打印平台的力反馈结合使用，以确保忠实地执行在打印内进行的过程调整。
在另一个示例中，照明系统可配备有一个或多个照明系统传感器，并用于PRPS内的闭环反馈。打印过程高度依赖于以特定量的能量准确照射预定的空间图案，其中能量转移受能量通量和曝光时间控制。由于能量发射器(诸如LED)具有取决于多个因素(例如，输入能量、温度和装置寿命)的输出特性，因此在一些实施方案中，监测照明系统的输入特性和输出特性的能力是必不可少的。照明系统传感器的一个示例是辐射功率传感器，所述辐射功率传感器在打印运行期间在成像系统内提供反馈，并能够监测和调整每一层固化事件的最终能量剂量。照明系统传感器的另一个示例是用于监测照明系统的热性质(诸如LED结温)的传感器，所述传感器还可提供有关输入功率到输出辐射能转换的总效率的反馈。随后可基于来自一个或多个照明系统传感器的反馈，使用高响应性的控制系统进行调整，以维持照明系统的最佳性能并改善打印物体的质量。例如，可基于照明系统的热测量值来调整照明系统的冷却过程，而控制系统同时监测输出功率并调整到照明系统的输入功率或曝光时间(在打印配方中)以确保到正打印的层的像素的总能量转移的精度。另外，在一些实施方案中，可在系统的寿命期间监测照明系统的输入功率到输出功率特性(例如，使用能够测量照明系统的输出功率的照明系统传感器)，以确定所述照明系统何时不再在可接受的操作限度内。这样允许进行预防性的系统维护和部件更换，从而进一步减少机器停机时间和打印作业失败的可能性。
在另一个示例中，可使用运动传感器来检测PRPS中可能对打印质量产生不利影响的动力学事件。运动传感器的一些非限制性示例是陀螺仪(例如，九自由度陀螺仪或陀螺仪)、加速度计和/或水平指示器。在一些实施方案中，运动传感器用于检测影响整个系统的事件。例如，运动传感器可检测系统是否颠簸，或者系统所置于的支撑物(例如桌子)是否经历了任何运动(例如，来自经过的重型车辆)。运动传感器可附接到系统的任何部分，诸如底座。在一些实施方案中，可设置阈值，如果超过预定的动力学极限(例如，速度、加速度或位移)，则所述阈值将使作业中止。例如，运动传感器可以是加速度计，所述加速度计在打印运行期间监测PRPS的物理移动，并且如果检测到高于预定阈值的加速度，则发送信号以中止打印运行。如前所述，尽早中止已知超出可接受质量限度的打印作业节省了原材料并减少浪费机器时间。在一些实施方案中，可将不同的阈值应用于不同类型的打印物体。例如，一些打印物体(例如，用于航空航天或生物医学应用的零件)很敏感和/或具有严格的公差，要求较低的动力学事件阈值，而其他打印物体(例如，儿童玩具)具有更宽的制造公差，因此更剧烈的动力学事件都是可以接受的，无需中止作业。在一些实施方案中，在闭环系统中使用水平指示器信息与一系列可调整位置致动器结合来调整打印机取向，使得相对于树脂槽中的液位适当地维持PRPS坐标轴。
在另一个示例中，PRPS可包括能够测量树脂槽中的树脂液位的树脂液位传感器。能够测量树脂的流体/液体水平面的传感器(或传感器系统)的一些非限制性示例是光学传感器(例如，使用LED、激光器或成像系统)、超声波传感器、浮子式传感器和电容式传感器。这些树脂液位传感器可监测树脂槽中的树脂液位，出于几个原因，这是有利的。树脂液位监测器的用例的一些非限制性示例包括以下内容。树脂液位传感器可用于确定树脂消耗量(例如，通过在打印零件之前和之后测量树脂液位)。树脂液位传感器还可用于确定零件是否从构建平台掉落(例如，如果树脂液位突然上升，然后下降或两者兼而有之，则可使用这些测量值来提醒系统要迅速中止)。树脂液位传感器还可用于确定零件是否正确打印或正在正确打印(例如，通过监测树脂液位随时间的变化速率或实时的树脂消耗速率)。树脂液位传感器还可用于确定膜片是否发生泄漏或破裂(例如，如果树脂液位下降的速度高于正常打印所预期的速度)。树脂液位传感器还可用于确定树脂槽中的树脂是否由于环境照明而无意中固化(例如，如果在打印作业期间树脂液位没有降低，则液位测量结果可表明树脂槽中的树脂已意外地固化成树脂槽内的“平板”)。
在另一个示例中，从z轴载台驱动系统收集反馈，并在PRPS中的闭环反馈系统中使用所述反馈。例如，z轴载台驱动系统可包括传感器，以测量z轴载台的位置、速度和/或加速度(并提供关于打印平台的位置和运动的信息，因为它已连接到z轴载台)。在一些实施方案中，从z轴载台驱动系统检测到的信息(例如，位置、速度和/或加速度)使得能够进行可靠性监视和错误状况检查。
在另一个示例中，可获得树脂槽垂直位移信息，并在PRPS的闭环反馈系统中使用所述树脂槽垂直位移信息。例如，树脂槽的垂直位移可指示膜片的蠕变。在一些实施方案中，过度的膜片拉伸表明树脂槽和/或膜的寿命终止。在其他情况下，树脂槽的垂直位移信息提供关于树脂槽的正确放置和安装的反馈，例如，如由槽的周边周围的不均匀位移所指示。
在另一个示例中，如上所述，使用气压来维持用于树脂打印界面的膜片的适当张紧。膜片张力的变化可能会对打印质量产生不利影响。检测膜片张力的过度波动(例如，使用树脂槽垂直位移传感器和/或测量树脂槽所受的向下力)可实现及早作业中止，从而防止树脂浪费和无产出的制造时间。在一些实施方案中，当针对特定的膜片张力优化不同的打印动作时，可使用已调节的压力调整来在打印作业之间以及甚至在打印作业期间实现对膜片张力的主动改变。
在一些实施方案中，从传感器和控制系统收集的数据成为在打印作业期间生产的零件的永久质量记录的一部分。
在一些实施方案中，在PRPS中的闭环反馈系统中使用来自一个以上传感器的信息。上面描述了采用一个以上传感器的PRPS中的闭环系统的一些示例。现在将描述采用一个以上传感器的PRPS中的闭环系统的一些额外示例。
在一个示例中，可获得来自一个以上传感器的热反馈，并使用所述热反馈来对整体以及对PRPS中的构建区域的每一可空间寻址元素实现能量曝露调整。可监测树脂浴的温度(例如，在树脂池内的一个或多个点处获取)以检测总体树脂温度的变化。可使用这些变化来调整每一打印层曝露的总(或最大，或平均)能量水平，以补偿总体树脂反应性随树脂温度发生的变化。图4示出在y轴上具有照明能量并且在x轴上具有像素(即，“打印元素”)的示例性能量图。操作全局能量水平显示为虚线405，它是图像中的所有照明能量的参考点，其中每一像素的照明能量被确定为相对于操作全局能量水平405的偏移量。在一些实施方案中，可基于总体树脂温度如箭头410所指示地调整操作全局能量水平405。另外，可将构建区域中的局部温度的热图像反馈与总体温度反馈结合使用，以微调递送到构建区域的每一空间可寻址元素的能量的量。图4示出一个示例，其中基于来自热成像系统的信息以每像素不同的校正(例如，“Δe1”、“Δe2”、“Δe3-5”等)来调整不同的像素(例如，0,1,2,…)。图4示出一个示例，其中递送到像素1的能量的量与原始的(或未经调整的)像素1能量水平相比已减小了量Δe1，所述原始的像素1能量水平等于像素0的能量水平。递送到像素2的能量已变为新的水平e2(校正之前的像素2的能量水平在图中未示出)，并且递送到像素3至5的能量已变为新的水平e3-5(校正之前的像素3至5的能量水平在图中未示出)。在另一个示例中，在曝光分辨率为1920x1080像素的PRPS中，在构建区域中有2,073,600个唯一的空间可寻址元素。使构建区域的特定区域曝露于能量会导致树脂池内的“局部”热波动(即，在像素长度尺度上)。由于树脂的反应性通常取决于温度，因此由层的打印过程引起的这些局部温度波动直接影响后续层的曝光，并且在打印期间相邻层之间的热相互作用可最终影响最终零件的质量。可采取各种行动方案来减轻这种影响，诸如等待返回到空间均匀的热梯度。但是，这种方法将减慢打印过程，可能使其在经济上不可行。在一些实施方案中，本文所述的PRPS通过在闭环系统中结合总体树脂温度和热成像系统的反馈来克服这些问题，以连续地确保针对打印速度和零件指令在全局和局部上优化能量水平。例如，随着热点在构建区域中形成，可在那些“热”区域中降低后续打印层的曝光能量水平，以维持零件的构建质量，而不会在打印过程中引起延迟。以这种方式，可使用来自总体和局部温度监测系统的闭环反馈来维持最大打印速度，而不会牺牲构建质量。
在一些实施方案中，递送到树脂的能量与固化深度(即，光聚合物固化的程度)之间的关系通过一个函数关联，并且所述函数可具有任何关系(例如，线性、对数、无解析表达式的分段连续、离散等)。在PRPS的闭环反馈中可使用此关系来例如基于像素的所需固化深度和像素附近的树脂温度的测量值来调整传递到给定像素的能量。
在一些实施方案中，照明系统内的照明源(例如，灯、LED阵列、激光器等)将随着时间而老化，致使投射到打印区域上的能量的量随时间减少。在一些实施方案中，本文描述的PRPS和方法可解决照明系统老化。在一些情况下，可在照明源的整个寿命期间直接测量(例如，使用光电传感器)从照明系统输出的光。在另一个示例中，总体树脂温度和热成像系统可检测对于给定量的所递送照明能量树脂温度的变化，并且如果温度上升小于预期(例如，由于照明源老化)，则可改变操作全局能量水平405以解决差异。在一些实施方案中，PRPS可在照明系统内具有新的光源，并且可将操作全局能量水平405设置为较低水平(例如80％)。随后，随着照明系统内的照明源老化，可增加操作全局能量水平405(例如，高达90％或95％或100％)，以在照明源的可用寿命内使打印质量在运行间保持一致。
在另一个示例中，可获得来自多个传感器的信息，并使用所述信息来确定树脂粘度并预测PRPS中的垂直升降器移动的最大的可接受加速度和速度。在以下示例中，可将来自以下两个或多个传感器的信息一起使用：z轴载台位置、移动方向、速度和加速度、树脂总体温度、树脂槽向下力、树脂槽垂直位移和升降臂载荷传感器。在此示例中，来自树脂总体温度传感器的信息以及来自上面列出的一个或多个额外传感器的信息将使系统能够确定树脂粘度并预测垂直升降器移动的最大的可接受加速度和速度。例如，树脂的粘度将影响打印平台在移动通过树脂时所承受的载荷。然而，打印平台所承受的载荷也可取决于打印平台通过树脂的移动速率，因此在利用来自多个传感器(例如，包括打印平台速度和加速度传感器，而不仅是总体树脂温度传感器)的反馈时，可更准确地确定树脂的有效粘度。在一些实施方案中，当使用传感器和PRPS移动的上述组合来确定树脂粘度时，要考虑被打印零件的几何形状。
通过了解当前在聚合物界面处形成的几何形状，可进一步增强对垂直升降器移动的最大可接受加速度和速度施加的限制。例如，较大的横截面将增大零件和打印托盘移动通过树脂的阻尼效应，而较小的横截面将减小这种效应。在此示例中，升降臂载荷和树脂槽垂直位移反馈可与z轴载台加速度、位置和速度反馈结合使用，以了解打印运行期间的额外系统行为，并在闭环反馈系统中提供纠正措施。例如，可使用来自上面列出的多个传感器的信息来确定系统是否如建模般表现，如果不是，则系统可校正z轴载台移动曲线以将所要的操作速度和膜片载荷带回到正常操作限制内。另外，来自上面列出的传感器的信息可表明是否存在任何即将发生的异常行为，所述异常行为可表明打印过程已失败，这时最经济的做法可能是停止打印作业，以避免浪费资源或可能的设备损坏。
在另一个示例中，来自多个传感器的信息被集成到PRPS的闭环反馈系统中，以检测固化的树脂层与膜片之间变化的粘附力。随着这些粘附力的增加，膜片可能会变形，或者打印层可能粘附到膜片而根本不会释离。在一些实施方案中，当聚合物界面平面处于错误的z轴位置时，由于辐射能量曝露，膜片的柔性性质在打印层中产生不准确或有缺陷的几何形状。使用多个传感器(例如，z轴载台位置、移动方向、速度和加速度、树脂总体温度、树脂槽向下力、树脂槽垂直位移和升降臂载荷传感器)检测和纠正这种情况可使打印无故障地继续下去。在一些情况下，纠正措施可包括降低z轴载台移动速度以将粘附(或脱离)载荷维持在限制范围内，或者暂停以允许膜片和树脂槽在继续打印作业之前返回到所需要的稳态位置。另外，检测到粘附载荷和膜片偏转低于预期可提供以类似方式提高打印过程速度的机会。
在另一个示例中，当前的PRPS可配备有自动树脂分配系统(例如，图1M中的系统1060)，所述自动树脂分配系统包含自动树脂分配器，所述自动树脂分配器将树脂从一个或多个树脂缸分配到一个或多个PRPS的树脂槽中。树脂缸可包含一个或多个传感器以测量树脂缸中的树脂的性质，并且自动树脂分配器仅在树脂满足某些标准时可从树脂缸分配树脂。例如，树脂缸可包含温度传感器和粘度测量系统(例如，粘度计或流变仪)，并且仅当树脂温度和粘度在某些预定限度内时才可以分配树脂。可在自动树脂分配系统中使用树脂液位传感器(例如，图1C中的元件55)来确定PRPS的给定树脂槽中有多少树脂，以及何时树脂槽已满。这种自动树脂分配系统还可通过将树脂槽中的预测树脂液位(例如，来自校准的泵和/或分配时间)与来自树脂液位传感器的实际树脂液位进行比较来提供关于泄漏的信息，诸如膜片或者在PRPS和/或自动树脂分配系统内的软管或其他部件中的泄漏。例如，如果膜片泄漏，则树脂液位将低于预期，并且该信息可反馈到自动树脂分配系统或PRPS中的其他系统(例如，将通知发送给操作者)。
在另一个示例中，来自PRPS附近的环境传感器(例如，图1L中的传感器70)的信息可用于在打印运行期间或在打印运行之间调整打印配方，以提高打印零件的质量。环境传感器可从整个工厂和/或包含一个或多个PRPS的壳体获取数据。环境传感器的一些非限制性示例是气压传感器、温度传感器、湿度传感器和用于检测一种或多种气味和/或化学物质的“嗅探器传感器”。例如，PRPS可使用环境气压和温度传感器数据来确定使每层曝光多长时间，和/或使打印平台在打印层之间移动多长距离。
在一些实施方案中，能够检测PRPS附近的环境中的一种或多种气味和/或化学物质的环境嗅探器传感器可用于提供信息以在打印运行期间在打印运行之间调整打印配方。例如，一个或多个嗅探器传感器可与环境温度传感器一起使用，以确定树脂在用于打印之前是否被正确地调节(例如，混合和/或加热)。在这样的示例中，树脂可在不同的温度下发出不同的气味(嗅探传感器可检测到)，从而能够确定树脂是否准备好使用。使用来自嗅探器传感器的反馈，如果气味不符合预期，则可在将树脂用于打印运行之前进行额外的加热和混合。嗅探器传感器也可与温度传感器一起用作安全系统。例如，如果来自投射系统的曝光灾难性地停留在高功率设置中，导致PRPS周围的温度升高，并且同时导致发出嗅探器传感器可检测到的气味(例如，燃烧的气味)，随后可将来自这些传感器的信息反馈到PRPS以中止打印运行。嗅探器传感器和粒子计数器传感器也可组合使用，以确定打印引擎附近或周围的局部空气质量是否低于预定的一组阈值，并且如果空气质量不够，则可发出通知或可控制打印作业。
在另一个示例中，可使用加速度计的组合来检测外部冲击事件，所述事件可能超过针对生产具有可接受的打印质量的零件的预定极限。例如，可使用在打印底座上确定的重力、振动和/或在打印支柱上检测到的重力的组合。在一些情况下，没有一个测量值会超过故障阈值，但是当将来自多个上述传感器的值组合使用时，它们可能表明已超过故障标准。
在另一个示例中，可测量工厂/房屋的气压(例如，用于打印引擎系统中的气动装置)，并且使用所述气压来控制打印作业的开始。例如，如果房屋空气压力太低，则系统将不允许进行打印作业，从而节省了用于生产质量可能较低的零件的树脂和时间。如果压力过高并且能够损坏部件(例如，气动系统、膜片、张力环、树脂槽等)，则所述系统还可以防止进行打印作业。
在另一个示例中，升降臂力(或载荷)传感器数据可与z轴载台的预期运动相关。例如，可将编程的和实际的(即，测量的)z轴载台电动机电流水平与升降臂力数据进行比较，如果升降臂所受的实际力与预期力存在差异，则可在打印运行期间调整打印配方(例如，打印可能会变慢，曝光时间会发生变化等)，或者可中止打印作业(以节省树脂和时间)。例如，这种力差异可能表明打印引擎(电动机子系统、离合器接合问题、机械问题等)或正在打印的零件出现问题。这种差异还可能表明部件/设备(诸如(但不限于)导螺杆和轴承)过早磨损。
在另一个示例中，与所命令的电动机方向相比，PRPS可执行初始检查，以通过监测升降臂力(或载荷)传感器数据或膜片张紧系统力传感器数据来确保与升降臂、膜片张紧系统和/或电动机有关的子系统被正确地接线。例如，如果系统在命令电动机沿某个方向移动时经历意外的力(例如，大小和/或方向)，则可推断出子系统(例如，升降臂或电动机系统)的问题和提醒技术人员和/或操作者检查PRPS中的接线。在另一个示例中，线性编码器系统(例如，图1B中的元件35和40)可与升降臂力传感器一起使用以检查电动机接线。
在另一个示例中，与升降臂力(载荷)传感器联接在一起一个或多个可听传感器(即，能够检测声音的传感器)可用于确定打印零件粘着(或粘附)到膜片上的程度。粘着在膜片上的零件可发出指示所述零件粘着在膜片上的程度的声音，并且可在闭环反馈系统中使用这些声音来在打印运行期间调整打印配方。例如，基于来自听觉传感器的静摩擦声信息和来自升降臂上的传感器(例如，测力元件)的力数据，可以实时调整各种打印参数(例如，减慢运动或调整)泵实时移动)以达到所需的打印质量。
在另一个示例中，可听传感器与加速度计或振动传感器联接在一起的组合可用于检测PRPS设备的磨损。例如，如果PRPS中的导螺杆在移动期间发出噪声，同时使整个z轴载台振动，则可推断出导螺杆或驱动机构在打印引擎上受到磨损。在不同的实施方案中，不同的噪声特征与不同的振动/加速度计特征结合在一起可用于映射到系统中的不同磨损点。
在另一个示例中，可使用气流传感器和环境温度传感器来监测图像投射系统内的冷却系统和周围的打印引擎环境。例如，如果气流传感器读取到用于图像投射系统的气流不足，并且附近温度升高，则系统可做出反应以保护设备(在这种情况下，为图像投射系统)。例如，PRPS可进入安全模式，以防止设备出现过热状况。这样的冷却系统还可在包含多个PRPS的壳体中使用，并且可使用上述传感器组合来控制此冷却系统。
在另一个示例中，可使用来自一个或多个加速度计和电动机编码器传感器系统的反馈来调整移动速度，以避免在PRPS中出现谐波(即，机械共振条件)。
图5是根据一些实施方案的用于PRPS中的闭环反馈的方法500的流程图。在步骤510，提供PRPS。所述PRPS包括：底座；具有升降臂的升降器系统，所述升降器系统可移动地联接到所述底座；打印平台，所述打印平台安装到所述升降臂；树脂槽；膜片张紧装置，所述膜片张紧设备向树脂槽施加向下力；树脂池，所述树脂池由树脂槽和膜片限制；照明系统；多个传感器；和打印配方。PRPS的树脂槽包括膜片，并且膜片搁置在物理张紧元件上，使得树脂槽所受的增大的向下力引发膜片上的增大的张力。所述多个传感器包括树脂总体温度传感器，并且可选地包括树脂槽垂直位移传感器和升降臂载荷传感器。打印配方包括将在打印平台上构建的3D打印零件中的每一层的信息。所述打印配方包括以下各项中的一者或多者：构建几何形状、照明能量、每层曝光时间、层之间的等待时间、打印平台位置、打印平台速度、打印平台加速度、树脂槽位置、树脂槽力、树脂化学反应性和树脂粘度。
在方法500的步骤520，使用照明系统将图像投射透过膜片并且聚焦于位于树脂池内的聚合物界面处。在步骤530，使用升降器系统使打印平台以打印平台速度和打印平台加速度在z方向上移动。在步骤540，对树脂槽施加向下力以引发膜片上的膜片张力。在步骤550，使用树脂总体温度传感器来测量树脂总体温度。在步骤560，在打印运行期间基于树脂池的树脂总体温度来更新打印配方中的打印平台速度和打印平台加速度。
在其他实施方案中，方法500中提供的PRPS中的多个传感器包括以下各者中的一者或多者：z轴载台位置传感器；z轴载台速度传感器；树脂槽垂直位移传感器；升降臂载荷传感器；加速度计；树脂总体温度传感器；和热成像系统。方法500中提供的PRPS可另外包括上述PRPS实施方案的任何特征(例如，多个图像投射器、移动图像投射器等)。
图6是根据一些实施方案的用于PRPS中的闭环反馈的第二方法600的流程图。步骤510至560与上述方法500相同。在该方法600中，PRPS包括可选的树脂槽垂直位移传感器和升降臂载荷传感器。在步骤610，使用升降臂载荷传感器来测量升降臂所受的载荷，并使用树脂槽垂直位移传感器来测量树脂槽垂直位移。在步骤620，在打印运行期间，基于升降臂所受的载荷、树脂槽垂直位移和树脂池的总体温度来更新打印配方中的树脂槽位置和树脂槽力。
方法500和600是非限制性示例。与这些示例方法相似的其他实施方案包括一种PRPS，所述PRPS包括本文所述的一个或多个传感器，使用所述传感器执行一个或多个测量，并且使用所述测量来调整本文所述的打印配方的一个或多个元素。
已详细参考了所公开的发明的实施方案，在附图中已示出所述实施方案的一个或多个示例。每一示例均以解释本技术而非限制本技术的方式提供。实际上，尽管已经关于本发明的特定实施方案详细地描述了本说明书，但应了解，本领域技术人员在理解了前述内容之后，可容易地想到对这些实施方案的替代、变型和等同物。例如，示出或描述为一个实施方案的一部分的特征可以与另一个实施方案一起使用以产生又一个另外的实施方案。因此，意图是本主题涵盖所附权利要求及其等同物的范围内的所有此类修改和变型。在不脱离所附权利要求书中更特定阐述的本发明的范围的情况下，本领域的普通技术人员可实践本发明的这些和其他修改和变型。此外，本领域的普通技术人员将了解，前述描述仅仅是示例，并且不意图限制本发明。

Claims (18)

1.一种方法，所述方法包括：
提供光反应性3D打印系统，所述系统包括：
底座；
升降器系统，所述升降器系统可移动地联接到所述底座，其中所述升降器系统包括升降臂；
打印平台，所述打印平台安装到所述升降臂；
树脂槽，其中所述树脂槽包括膜片，并且所述膜片搁置在物理张紧元件上，使得所述树脂槽所受的增大的向下力引发所述膜片上的增大的张力；
膜片张紧设备，所述膜片张紧设备对所述树脂槽施加向下力；
树脂池，所述树脂池由所述树脂槽和所述膜片围起；
照明系统；
多个传感器，所述多个传感器包括树脂总体温度传感器；以及
打印配方，所述打印配方包括将在所述打印平台上构建的3D打印零件中的层的信息，其中所述打印配方包括以下各项中的一者或多者：构建几何形状、照明能量、每层曝光时间、层之间的等待时间、打印平台位置、打印平台速度、打印平台加速度、树脂槽位置、树脂槽力、树脂化学反应性和树脂粘度；
使用所述照明系统将图像投射透过所述膜片并且聚焦于位于所述树脂池内的聚合物界面处；
使用所述升降器系统使所述打印平台以所述打印平台速度和所述打印平台加速度在z方向上移动；
对所述树脂槽施加向下力以引发所述膜片上的膜片张力；
使用所述树脂总体温度传感器来测量所述树脂池中的树脂总体温度；以及
在打印运行期间基于所述树脂池的所述树脂总体温度来更新所述打印配方中的所述打印平台速度和所述打印平台加速度。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
所述多个传感器还包括：
树脂槽垂直位移传感器；以及
升降臂载荷传感器；以及
所述方法还包括：
使用所述升降臂载荷传感器来测量所述升降臂所受的载荷；
使用所述树脂槽垂直位移传感器来测量树脂槽垂直位移；以及
在所述打印运行期间基于所述升降臂所受的所述载荷、所述树脂槽垂直位移和所述树脂总体温度来更新所述打印配方中的所述树脂槽位置和所述树脂槽力。
3.如权利要求2所述的方法，其中在所述光反应性3D打印系统不处于激活打印模式时，调整所述树脂槽位置和所述树脂槽力以减小所述膜片上的所述张力。
4.如权利要求2所述的方法，所述方法还包括：
在所述打印运行期间基于所述升降臂所受的所述载荷、所述树脂槽垂直位移和所述树脂总体温度来更新所述打印配方中的所述树脂粘度。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述膜片张紧设备包括气压缸。
6.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述打印运行期间基于所述树脂总体温度来更新所述打印配方中的所述树脂化学反应性。
7.如权利要求1所述的方法，其中：
所述多个传感器还包括：
热成像系统；并且
所述方法还包括：
使用所述热成像系统来测量所述聚合物界面的温度分布；以及
在所述打印运行期间基于所述树脂总体温度和所述聚合物界面的所述温度分布来更新所述打印配方中的所述照明能量。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述在所述打印运行期间更新所述打印配方中的所述照明能量包括更新操作全局能量水平。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述在所述打印运行期间更新所述打印配方中的所述照明能量包括更新多个像素中的所述照明能量，其中单独地调整每一像素的所述照明能量。
10.如权利要求7所述的方法，其中与当在所述打印运行期间不更新所述打印配方中的所述照明能量时的每层曝光时间相比，在所述打印运行期间基于所述树脂总体温度和所述聚合物界面的所述温度分布来更新所述打印配方中的所述照明能量以减少所述每层曝光时间或层之间的等待时间。
11.一种光反应性3D打印系统，所述光反应性3D打印系统包括：
底座；
升降器系统，所述升降器系统可移动地联接到所述底座，其中所述升降器系统包括升降臂；
打印平台，所述打印平台安装到所述升降臂；
树脂槽，其中所述树脂槽包括膜片，并且所述膜片搁置在物理张紧元件上，使得所述树脂槽所受的增大的向下力引发所述膜片上的增大的张力；
膜片张紧设备，所述膜片张紧设备对所述树脂槽施加向下力；
树脂池，所述树脂池由所述树脂槽和所述膜片围起；
照明系统；
多个传感器，所述多个传感器包括以下各项中的至少两者：
z轴载台位置传感器；
z轴载台速度传感器；
树脂槽垂直位移传感器；
升降臂载荷传感器；
加速度计；
树脂总体温度传感器；以及
热成像系统；以及
打印配方，所述打印配方包括将构建的3D打印零件中的层的信息，其中所述打印配方包括以下各项中的一者或多者：构建几何形状、照明能量、每层曝光时间、层之间的等待时间、打印平台位置、打印平台速度、打印平台加速度、树脂槽位置、树脂槽力、树脂化学反应性和树脂粘度，
其中在打印运行期间基于来自所述多个传感器中的至少两个传感器的输入来更新所述打印配方。
12.如权利要求11所述的光反应性3D打印系统，其中所述膜片张紧设备包括气压缸。
13.如权利要求11所述的光反应性3D打印系统，其中所述膜片张紧设备包括电动机和线性编码器。
14.如权利要求11所述的光反应性3D打印系统，其中所述照明系统包括发光二极管、液晶显示器和激光器中的至少一者。
15.如权利要求11所述的光反应性3D打印系统，其中所述照明系统在所述打印运行期间移动。
16.如权利要求11所述的光反应性3D打印系统，所述光反应性3D打印系统还包括一个以上照明系统，其中所述一个以上照明系统被配置成阵列。
17.如权利要求11所述的光反应性3D打印系统，其中：
所述热成像系统包括热镜和热成像相机；
所述热镜与所述照明系统的光轴对准；并且
所述热镜成角度，使得所述热成像相机捕获由所述热镜反射的图像。
18.如权利要求11所述的光反应性3D打印系统，其中所述加速度计在所述打印运行期间监测所述3D打印系统的物理移动，并且如果检测到高于预定阈值的加速度，则发送信号以中止所述打印运行。
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