CN113302038B - 用于3d打印构建板热膨胀的校平器 - Google Patents

Abstract

一种用于限制3D打印环境中的构建板膨胀的装置、系统和方法。所述装置、系统和方法可包括与用于打印环境中的构建板的安装件相关联的解耦校平器；以及多个调节器，所述调节器基本上穿过所述解耦校平器并安装在所述解耦校平器内。在打印环境的加热和冷却期间，校平器可以与安装件分离，并且在构建板上打印期间，校平器可以经由由所述多个调节器夹持的位置重新连接。

Description

用于3D打印构建板热膨胀的校平器

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月20日提交的名称为：“3D打印构建板热膨胀”的美国临时申请62/783,016的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文，如同将其全部内容进行阐述。

背景技术

技术领域

本发明涉及增材制造，并且更具体地，涉及提供用于3D打印构建板热膨胀的校平器的装置、系统和方法。

背景说明

长丝3D打印过程将长丝供给到喷嘴的液化器中，并且当具有材料的喷嘴在X-Y和Z平面中移动时熔化该材料。当材料离开打印头并到达打印造型时，材料从固态长丝状态变为熔融状态，再变回到固态。在加热和冷却过程中，材料的膨胀和收缩在部件中产生应力，并且在应用中，所打印的部件会翘曲。为了改善这个缺点，已知的方法是加热打印环境。

然而，举例来说，一块500×500mm的由钢制成的构建板，从20℃加热到200℃将膨胀0.040英寸。如果不解决这种膨胀，则其可能导致严重的机械结合(mechanicalbinding)。

在已知技术的一种解决方案中，为了解决由于膨胀而引起的机械结合，可以允许构建板在构建板安装件的一侧上浮动。然而，构建板安装件因此由于1/2英寸厚金属构建板而承受相当大的载荷。该载荷施加摩擦，这可能产生显著的磨损点。

另一方面，如果板是刚性安装的，那么当板膨胀时，机械系统将仍然结合。在这种情况下，安装板将对轴承加载，并增加Z轴丝杠更多的摩擦，以及大大降低轴承的寿命。

因此，需要提供用于3D打印构建板热膨胀的校平器的装置、系统和方法。

发明内容

本发明是并且包括用于限制3D打印环境中的构建板膨胀的装置、系统和方法。所述装置、系统和方法可包括与用于打印环境中的构建板的安装件相关联的解耦校平器；以及基本上穿过该解耦校平器并安装在该解耦校平器内的多个调节器。在打印环境的加热和冷却期间，校平器可以与安装件分离，并且在构建板上打印期间，校平器可以通过由多个调节器夹持的位置重新连接。

因此，本发明的实施方式提供了一种提供用于3D打印构建板热膨胀的校平器的装置、系统和方法。

附图说明

本发明的非限制性实施方式是关于附图来讨论的，附图形成了本发明的一部分，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1示出了实施方式的各方面；

图2A-图2B示出了实施方式的各方面；

图3A-图3B示出了实施方式的各方面；

图4示出了实施方式的各方面；

图5示出了实施方式的各方面；

图6A-图6B示出了实施方式的各方面；

图7示出了实施方式的各方面；

图8A-图8C示出了实施方式的各方面；以及

图9示出了图8A中的运动安装件。

具体实施方式

本文提供的附图和描述可能已经被简化以说明与清楚理解本文描述的装置、系统和方法相关的方面，同时为了清楚起见，消除了可以在典型的类似装置、系统和方法中发现的其它方面。本领域的普通技术人员可以认识到，其它元件和/或操作对于实现本文所述的装置、系统和方法可能是期望的和/或必要的。但是因为这样的元件和操作在本领域中是公知的，并且因为它们不促进对本发明的更好理解，所以在此可能不提供对这样的元件和操作的讨论。然而，本发明被认为固有地包括本领域普通技术人员将已知的对所描述的方面的所有这样的元素、变化和修改。

本文所使用的术语仅用于描述特定示例实施方式的目的，且不希望为限制性的。例如，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也可旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指明。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包含性的，因此指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。除非明确地确定为执行顺序，否则这里描述的方法步骤、过程和操作不应解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应当理解，可以采用附加的或替代的步骤。

当将元件或层称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“耦合到”另一元件或层时，其可以直接在另一元件或层上、直接接合到、直接连接到或直接耦合到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

尽管术语第一、第二、第三等可以在这里用于描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开。也就是说，除非上下文清楚地指出，否则诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语在本文使用时不暗示顺序或次序。因此，在不脱离示例性实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以称为第二元件、组件、区域、层或部分。

本文公开了处理器实现的模块和打印系统，其可以提供对多种类型的数字内容的访问和转换，所述多种类型的数字内容包括但不限于打印计划和数据流，并且本文应用的算法可以跟踪、传递、操纵、转换、收发和报告所访问的内容。这些模块、应用程序、系统和方法的所述实施方式旨在是示例性的而非限制性的。

作为非限制性示例，用于与实施方式结合使用的示例性计算处理系统能够执行软件，例如操作系统(OS)、应用/应用程序、用户界面和/或一个或多个其它计算算法，例如本文讨论的打印配方、算法、决策、模型、程序和子程序。示例性处理系统的操作主要由非瞬性计算机可读指令/代码来控制，诸如存储在诸如硬盘驱动器(HDD)、光盘、固态驱动器等计算机可读存储介质中的指令。这些指令可以在中央处理单元(CPU)内执行以使系统执行本发明的操作。在许多已知的计算机服务器、工作站、移动设备、个人计算机等中，CPU在称为处理器的集成电路中实现。

应当理解，尽管示例性处理系统可以包括单个CPU，但是这样的描述仅仅是说明性的，因为处理系统可以包括多个CPU。这样，本发明的系统可以通过通信网络或一些其他数据通信手段来利用远程CPU的资源。

在操作中，CPU从计算机可读存储介质中获取、解码和执行指令。这样的指令可以包括在软件中。诸如计算机指令和其它计算机可读数据的信息经由系统的主数据传输路径在系统的组件之间传输。

此外，处理系统可以包含外围通信控制器和总线，其负责从CPU向诸如3D打印机和/或操作者交互元件的外围设备传送指令和/或从所述外围设备接收数据，以配制打印，如本文通篇所讨论的。外围总线的一个例子是相关领域中公知的外围组件互连(PCI)总线。

操作员显示器/图形用户界面(GUI)可以用于显示由处理系统生成的或应处理系统请求生成的视觉输出和/或呈现数据，例如响应于前述计算程序/应用的操作。这样的视觉输出可以包括例如文本、图形、动画图形和/或视频。

此外，处理系统可以包含网络适配器，所述网络适配器可以用于耦合到外部通信网络，所述外部通信网络可以包括或提供对因特网、内联网、外联网等的访问。通信网络可以利用电子地通信和传送软件和信息的方式来为处理系统提供访问。网络适配器可以使用任何可用的有线或无线技术与网络进行通信。作为非限制性示例，这样的技术可以包括蜂窝、Wi-Fi、蓝牙、红外等。

实施方式可以通过限制构建板膨胀而极大地改进3D打印环境的整体设计。这可以部分地通过允许系统加热而没有构建板将载荷施加在安装支架上来实现。

即，构建板可从安装件分离以用于加热或冷却过程，然后一旦环境达到饱和状态就重新连接。这可以通过使用定制的位置调节，例如弹簧加载夹具，机械地分离构建板来实现。

实施方式可以包括为构建区域周围的热腔室的方面。加热器在不脱离实施例的范围的情况下，可以提供将腔室加热到200℃-250℃以上的能力。

更特别地，500×500mm的典型构建板由将膨胀0.040英寸的钢制成。这种膨胀可能导致机械结合。为了解决由于膨胀而引起的机械结合，可以将构建板安装件10的一侧固定12，并且可以允许一侧“浮动”14，如图1所示。

当将构建板加热并膨胀时，构建板安装件的浮动侧可例如沿两个带肩螺栓和两个定位销移动。由于1/2英寸厚金属构建板，所以安装具有较重的载荷。所述载荷在两个带肩圆石螺栓和两个定位销上施加摩擦，这将限制板将滑动的程度。滑动运动的摩擦产生磨损点。

图2A和2B示出了具有带肩螺栓102和定位销104的浮动板侧14。右侧是顶部带肩螺栓102a的特写，并且看起来孔已经磨损。当所述孔磨损时，将改变构建板的高度，从而引起构建问题。

实施方式部分地通过允许系统加热而不使构建板在安装支架上施加载荷，极大地改进了构建板膨胀的整体设计。更具体地，构建板与安装件解耦用于加热或冷却过程，然后一旦环境达到饱和状态就重新接合。

这通过经由定制设计的弹簧夹机械地解耦构建板来实现。在低温应用中，这可以类似地用高温气缸执行。在200℃，可能需要夹紧解决方案。

该设计使用机械地松开的强力弹簧系统。这允许可以处理200℃的解决方案。

例如，图3A和3B示出了交替的松开202和夹紧204弹簧加载的构建板调整系统200。更特别地，在切换点206处的载荷导致构建板松开。弹簧系统208在转换点206处的卸载导致构建板夹紧。

图4示出了在构建板轴线驱动器306上的各种调节点使用的弹簧加载板调节系统200。更特别地，图4示出了具有三个这样的弹簧加载的夹紧/调节点206的构建板8。

如全文所讨论的，构建板需要是水平的。本发明的校平系统200可以集成到夹具设计中。例如，如图5所示，组件402可以在其ID上具有线程。部件404是锁定螺母，一旦进行调节，所述锁定螺母用于保持部件406的位置。使用扳手在部件的基部上的平面上升高和降低部件406。然后，通过松开或拧紧部件410，可以调节弹簧载荷。

图6A和6B示出了沿Z向下移动直到接触并驱动构建板进入固定弹簧松开调节器200的构建板8。一旦Z移动到该位置，加热器将开始加热环境。在加热过程中，构建板8可以在部件406的顶部上沿X-Y自由浮动。一旦环境达到期望的温度，Z轴将在Z方向上缓慢向上移动，并且弹簧销200将再次夹紧构建板8。

构建板位置不需要重复。所有打印物可以在新的构建板上重新开始。然而，实施方式的关键要素是一旦打印开始，构建板不应该移动。

不用说，实施方式的期望特征是在一定温度下校平构建板的能力。然而，当硬件处于220℃时，弹簧加载夹持点的手动调节可能是具有挑战性的。

因此，与上面在图4的示例中所引用的三个浮动夹具/调整点不同，销200中的一个或两个可以被永久地螺栓连接或锁定。热膨胀然后可以由另外两个浮动销200(或者如果两个位置调节被锁定，则由另外一个浮动销)吸收。

在这种替代实施方式中，假定没有第三销的计算，两个浮动夹具200需要足够的空间来解决膨胀。值得注意的是，当膨胀在永久螺栓处开始并膨胀时，永久地附接图4中使用的三个夹具中的一个可为系统提供总体上更大的刚度。

当然，其它机械方面可能妨碍实施方式的性能。例如，在构建期间，在构建板中可能发生振动。所述振动可在构建板上产生小的X-Y或旋转运动，然后将所述运动转化为实际打印。

类似于图4的3螺钉Z运动控制位置调整(而不是上面刚刚提到的一点或两点位置调整实施方式)，可以补救构建板中的这种小的移动。作为例子，利用在构建板上三个位置的传感器读数，例如来自X-Y工作台上的传感器读数，我们可以使用三个螺钉来校平构建板。即，如图7所示，与位置感测组合的三个螺钉可以实现3个轴上的振动/运动控制。

图8A、8B和8C示出了三位置调整实施方式802a、802b和802c。如对本领域技术人员显而易见的，并且还参考图7，不同于单个螺栓连接或两个夹具实施方式，三个位置调整使得能够调整构建板的偏转(yaw)、俯仰(pitch)或滚动(roll)。

更特别地，图8A示出了使用运动安装件(kinematic mount)810以使用三个螺钉802a、b、c来约束构建板以驱动水平。三个校平器，例如球804a、804b和804c，可以使三个螺钉的位置调整到水平。

在操作中，三个调节器802a、b、c可以自由移动，与此同时构建板从环境温度变为期望的构建腔室温度。一旦达到构建温度，可以锁定位置调整。图9中示出了例如图8A中的运动安装件800。

上述实施方式主要涉及简化手动调节。然而，实施方式也可以包括自动校平。

例如，构建板可以沿Z向上移动到传感器可以用于测量从打印头到构建板的距离的位置。这可以在至少三个位置进行。可以进行多位置感测，并且采用冷平均算法，例如，以获得数据并确定水平。

此后，可以夹紧/拧紧通篇讨论的三个位置调节器，以便使构建板水平。上述感测可以检验板的水平到预定公差。

然后，可以用松开的锁定机构执行后退。然而，三个螺钉可保持它们在Z上的位置，即，新的校平的位置，并且在延迟之后，Z轴可向上移回，重新夹紧构建板，其中系统从校平工作中卸载。

在又一方面，当不需要时，例如在填充移动期间，可以停用打印区域处的对流烤箱。对流烤箱可以仅在需要时，例如在轮廓移动期间打开。

也可以采用双加热器布置。例如，可以使用对流类型加热来恒定地提供构建平面下方的加热，而在构建平面处，可以可变地提供加热。上述方法优点包括由于可变的加热而降低了物理部件的各向异性，但是由于对流加热而保持了尺寸公差。

在上述详细描述中，可以看出，为了本发明的清楚和简洁，将在单个实施方式中的各种特征组合在一起。本发明的这种方法不应解释为反映实施方式需要比本文明确叙述的更多的特征的意图。相反，本发明将涵盖本领域技术人员根据本发明将理解的对本发明的实施方式的所有变化和修改。

Claims (20)

1.一种用于3D打印环境中的构建板膨胀的限制器，包括：

解耦校平器，所述解耦校平器与用于所述打印环境中的构建板的安装件相关联；以及

多个调节器，所述调节器基本上穿过所述解耦校平器并安装在所述解耦校平器内；

其中，在所述打印环境的加热和冷却期间，所述校平器与所述安装件分离，但是在所述构建板上打印期间，所述校平器通过由所述多个调节器夹持的位置而与所述安装件重新连接。

2.根据权利要求1所述的限制器，其中，所述多个调节器包括弹簧加载的夹具。

3.根据权利要求1所述的限制器，其中，所述多个调节器包括三个调节器。

4.根据权利要求1所述的限制器，其中，所述加热包括加热到至少200℃。

5.根据权利要求1所述的限制器，其中，所述构建板是钢。

6.根据权利要求1所述的限制器，其中，所述构建板为500×500mm。

7.根据权利要求1所述的限制器，其中，所述膨胀为0.040英寸。

8.根据权利要求1所述的限制器，其中，所述多个调节器中的每一个调节器都缺少磨损点。

9.根据权利要求1所述的限制器，其中，所述分离包括从所述多个调节器移除载荷。

10.根据权利要求1所述的限制器，其中，所述分离包括将载荷添加到所述多个调节器。

11.根据权利要求10所述的限制器，其中，所述载荷的添加是手动的。

12.根据权利要求10所述的限制器，其中，所述载荷的添加抵消弹簧常数。

13.根据权利要求1所述的限制器，其中，所述分离和重新连接是自动的。

14.根据权利要求1所述的限制器，其中，所述多个调节器包括偏转、俯仰和滚动调节器。

15.根据权利要求14所述的限制器，其中，所述多个调节器存在于运动安装件内。

16.根据权利要求15所述的限制器，其中，所述多个调节器包括穿过所述运动安装件的螺钉，所述螺钉与响应于所述螺钉的转动的运动球相结合。

17.根据权利要求1所述的限制器，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器能够感测从所述构建板到打印品的输出的距离。

18.根据权利要求17所述的限制器，其中，所述至少一个传感器包括三个位置传感器。

19.根据权利要求18所述的限制器，还包括能够将校平算法应用于由所述传感器输出的数据的处理系统，所述处理系统至少包括平均算法。

20.根据权利要求1所述的限制器，其中，在打印期间，结合所述分离和所述重新连接，用于所述打印环境的加热器被启动和关闭。