CN117157182A

CN117157182A - 具备构建材料控制的增材制造方法和设备

Info

Publication number: CN117157182A
Application number: CN202280021185.7A
Authority: CN
Inventors: 丹尼斯·赫尔曼; 迈克尔·希尔; 卡佳·施利希廷
Original assignee: Q Big 3d Ltd
Current assignee: Q Big 3d Ltd
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2023-12-01
Also published as: US20240042699A1; EP4308364A1; WO2022194682A1

Abstract

一种使用造型设备生产固体物体的方法，包括将具有挤出打印头(1)的构建材料沉积在预定区域上的构建表面(2)上。称重单元(4)施加到构建表面的构建材料量，优选地在构建材料沉积到构建表面上的过程中，或者在构建材料的每个水平已经沉积在构建表面上之后，或者测量施加到构建面上的力。优选地，将沉积在构建表面(2)上的构建材料量与沉积过程中被投影成沉积到构建表面上的构建物质进行比较。相应地控制(12)构建材料沉积。

Description

具备构建材料控制的增材制造方法和设备

技术领域

该发明涉及增材制造，以及一种包括用于构建固体形状部件的控制装置的方法和设备。

背景技术

增材制造是一种根据三维计算机/CAD数据有选择性地构建物体的技术，用于生产固体三维部件。增材制造最初被称为快速原型制造，如今通常也被称为3D打印。目前已知许多过程，例如选择性激光烧结(SLS)、3D喷墨打印、熔融丝制造(FFF)、熔融沉积成型(FDM)、多喷头建模(MJM)或立体光刻(STL或SLA)。

所有这些生产过程都是成熟的技术，然而仍存在一些尚未解决的问题，导致质量或/和性能方面的问题。

特别是在从材料沉积单元，例如挤出打印头等进行挤出和/或构建材料沉积过程中，所沉积的或固化到构建表面(打印床)上的构建材料的数量往往与预期数量、预期层厚度或准确定位有所偏差。

因此，当前应用的一个基本目标是提供具有改进性能或/和改进质量性能的方法和设备，特别是在材料沉积方面，或者至少减少或基本完全消除已知现有技术方法和设备的缺点。

发明内容

在一个方面，本公开涉及一种使用建模设备，例如熔融沉积建模(FDM)设备、多喷头建模(MJM)设备、熔融丝制造(FFF)设备或立体光刻(STL)设备，制造固体物体的方法，包括构建材料沉积单元，其中该单元包括用于沉积构建材料的喷嘴，构建表面，优选地还包括在所述方法或设备中有用的任何其他装置，方法包括或由以下步骤组成：

a.使用挤出头将构建材料沉积到第一层的预定区域的构建表面上；

b.在第二层和优选地更多层中重复步骤a)；

c.重复步骤a)和b)，直到构建出固体物体；

d.优选地在构建材料沉积到构建表面上时，或在每层构建材料沉积到构建表面上后，测量应用于构建表面的构建材料数量，或测量施加在构建表面上的力；

e.优选地将沉积到构建表面上的构建材料数量与在沉积期间计划沉积到构建表面上的构建材料进行比较，或与沉积到构建表面上的每层构建材料进行比较；

f.基于步骤d)和/或e)，影响构建材料的沉积，例如减少、增加或停止构建材料的沉积，或影响至少一个处理步骤或参数，例如启动或更改至少一个处理步骤或参数。

在另一个方面，本公开涉及一种建模设备，包括构建材料沉积单元、构建表面，其优选地位于构建腔室内、用于挤出头和/或构建表面的移动装置、构建材料供应装置、以及用于测量沉积到构建表面上的构建材料或施加在构建表面上的力的测量装置，优选地还包括控制单元。

附图说明

图1展示了根据本公开的设备和方法，其中构建材料沉积到构建表面上并集成以实现受控和高质量的固体物体制造。

具体实施方式

通过使用建模设备，例如熔融沉积建模(FDM)设备、或多喷头建模(MJM)设备、或熔融丝制造(FFF)设备、或立体光刻(STL)设备，制造固体物体的方法，解决了本申请的目标，包括构建材料沉积单元，该单元包括用于沉积构建材料的喷嘴，构建表面，优选地还包括在所述方法或设备中有用的任何其他装置，包括或由以下步骤组成：

b.在第二层和优选地更多层中重复步骤a)；

c.重复步骤a)和b)，直到构建出固体物体；

e.优选地将沉积到构建表面上的构建材料数量与沉积过程中计划沉积到构建表面上的构建材料进行比较，或与沉积到构建表面上的每层构建材料进行比较；

f.基于步骤d)和/或e)，影响构建材料的沉积，例如减少、增加或停止构建材料的沉积，或影响至少一个处理步骤或参数，例如启动或更改至少一个工艺步骤或参数。

另一个方面，通过一种建模设备解决了该问题，该建模设备包括构建材料沉积单元、构建表面，其优选地位于构建腔室内、用于挤出头和/或构建表面的移动装置、构建材料供应装置、以及用于测量沉积到构建表面上的构建材料或施加在构建表面上的力的测量装置，优选地还包括控制单元。

另一个方面，通过下述描述的算法解决了该问题。

在一个方面，本公开涉及一种使用建模设备，例如熔融丝制造(FFF)设备、或多喷头建模(MJM)设备、或立体光刻(STL)设备，制造固体物体的方法，包括构建材料沉积单元，该单元包括用于沉积构建材料的喷嘴，建造表面，优选地还包括在所述方法或设备中有用的任何其他装置，包括或由以下步骤组成：

b.在第二层和优选地更多层中重复步骤a)；

c.重复步骤a)和b)，直到构建出固体物体；

d.优选地在构建材料沉积到构建表面上时，或在构建材料沉积到构建表面上后，测量应用于构建表面的构建材料数量，或测量施加在构建表面上的力；

e.优选地将沉积到构建表面上的构建材料数量与沉积期间计划沉积到构建表面上的构建材料进行比较，或与沉积到构建表面上的每层构建材料进行比较；

在另一个方面，本公开涉及一种建模设备，包括构建材料沉积单元、构建表面，优选地位于构建腔室内、用于挤出头和/或构建表面的移动装置、构建材料供应装置、以及用于测量沉积到构建表面上的构建材料或施加在构建表面上的力的测量装置，优选地还包括控制单元。

根据本公开的方法，提供了实时集成质量控制的优势。因此，可以在有利的质量范围内改善或维持固体3D物体，或者以自动的方式通过自动停止打印作业来节省昂贵的构建材料，以防出现严重的质量问题。此外，现在可以通过这种有利的方法和设备确定是否存在机械碰撞，例如由于人为干预或由于任何设备装置的运动错误。显示剩余打印时间。由于表面压力，测量层厚度，特别是第一层的厚度。记录传感器数据以供以后的文档和质量控制。

以下特定术语将被定义，除非在本文中明确定义，技术术语应按照增材制造领域或其子领域的技术人员的理解来理解。

在本文中，“熔融丝制造”(FFF)一词的含义应按照本领域技术人员所知的方式来理解。该术语包括所有基于挤出的增材制造过程，如熔融沉积建模(FDM)，熔融颗粒制造(FGF)或激光金属沉积(LMD)。

在本文中，“多喷头建模”(MJM)一词的含义应按本领域技术人员所知的方式来理解。

在本文中，“立体光刻”(STL)一词的含义应按照本领域所知的方式来理解。该术语包括基于液体树脂的其它打印过程，如立体光刻(SLA)或数字光处理(DLP)或相关的过程，其中打印的物体附着在构建平台上。

在本文中，“选择性激光烧结”(SLS)一词的含义应本领域所知的方式来理解。

在本文中，“构建材料”一词的含义应理解为在制造过程中可以固化的任何材料。它可以是丝材、颗粒、液体或浆料的形式。构建材料可以使用构建材料沉积装置来施加，或者在与立体光刻(STL)相关的过程中，液体已经与构建平台接触。它可以选择使用热塑性材料，如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚乳酸(PLA)、高冲击聚苯乙烯(HIPS)、热塑性聚乙烯(TPE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯(ASA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸乙二醇酯乙二醇(PETG)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯砜(PPSU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、热塑性聚氨酯(TPU)或/和脂肪族聚酰胺(PA)或/和这些材料的混合物，或/和这些材料与有机或无机添加剂，如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、玻璃珠、金属颗粒、陶瓷、碳纳米管的混合物，或/和像光敏树脂的热固性材料或/和像混凝土或巧克力或粘合剂的粘弹性液体。

在本文中，“构建材料沉积单元”一词的含义应理解为任何通常用于FFF、FDM、FGF、LMD、MJM、STL、SLA或DLP方法的已知沉积手段。特别是，构建材料沉积单元可以选择自优选喷嘴或喷嘴阵列的挤出打印头，用于沉积，还可以选择激光或发光二极管或两者的组合作为辐射源。

在本文中，“构建材料沉积单元输出位置”一词的含义应理解为构建材料沉积单元的区域或子区域，其中构建材料从该区域中排出所述单元。在特别的实施例中，它可以是挤出头喷嘴输出位置。

在本文中，“构建表面”一词的含义应理解为构建材料沉积单元沉积构建材料的区域。它可以形成一个“构建床”，并位于构建腔室内。构建表面和构建床这两个术语可以互换使用。

在本文中，“构建腔室”一词的含义应理解为三维区域，其中在该区域内打印三维物体，包括构建表面。构建腔室可以是开放的，或其也可以有侧壁，或/和也具有顶盖和/或底盖，并且可能具有用于改变或维持构建腔室内预设温度的附加手段。构建腔室可以包括用于批量或连续生产的装置，例如一个工作箱，其可以以适当方式取出并与另一个工作箱交换。它可能还具有用于持续运输固体三维物体的输送机。

在本文中，“移动装置”一词的含义应理解为任何有助于使构建材料沉积单元或构建表面在X轴、Y轴和Z轴上改变位置的装置。X轴、Y轴或Z轴的运动可以通过多于一个致动器来实现，这些致动器可以单独控制，例如实现构建表面的倾斜或扭曲。这样的装置为技术人员所熟知，因此不需要在此详细解释。

在本文中，“构建材料供给装置”一词的含义应理解为向构建材料沉积单元提供构建材料的任何装置。

在本文中，“任何附加装置”一词的含义应理解为用于测量已分配材料或施加于构建表面的压力的测量装置。

在本文中，“沉积”一词的含义应理解为将构建材料提供到适用的材料状态，并根据三维数据集将其应用于构建表面，以获得所需的固体三维物体的过程。

在本文中，“重复”步骤a)和b)应理解为按照预定义的三维数据集，以重复的层或轨迹方式施加构建材料，直到形成所计划的固体三维物体。

在本文中，“测量”构建材料数量应理解为使用测量装置来检测构建材料实际的重量、质量、体积或/和沉积方式，例如构建材料施加在构建材料的构建表面或之前的层或轨迹上的厚度、角度等。

在本文中，“计划”沉积在构建表面应理解为例如根据3D数据计算出的构建材料，将其沉积到构建材料的构建表面或之前的层或轨迹上，以获得所需的固体三维物体。

在本文中，“影响”应理解为根据本公开的方法中的应用、改变、停止或启动的任何控制。特别是，这可以涉及减少、增加或停止构建材料的沉积，或启动或改变任何过程参数，例如构建材料质量、体积或沉积速度，以及设备中任何可移动部件，如构建材料沉积单元或构建表面的移动速度，温度控制，如改变–增加或减少-构建材料沉积单元或/和构建腔，或任何温度装置，如冷却或加热装置，或材料输送机中的温度)。

在本文中，“测量装置”应理解为一种装置，其能够测量以下任一项：体积或体积差异、质量或质量差异、压力或压力差异、力或力差异、触觉变化、计划的外观或计划的三维或二维外观或其偏差。特别是，这样的装置可以选择自称重装置或称重单元、天平、膜或触觉压力装置，以及成像系统等。

在本文中，“称重装置”、“称重单元”或“天平”可以互换使用，其应理解为任何能够测量由在增材制造设备的构建表面上沉积材料所导致的重量、质量、力量、重量差异、质量差异或力量差异的设备。它还能够并可以用于测量由构建材料沉积单元，如挤出打印头，与已经沉积在构建表面上的构建材料之间或其他设备装置、装置或设备部件之间的碰撞所产生的压力或力量差异。称重单元可以作为单个部件使用，也可以作为2、3、4、5、6或更多个部件使用，或作为称重单元的阵列使用，在另一方面，这些称重单元可以相互连接或/和连接到其他设备装置，如用于移动任何设备部件，例如构建材料沉积单元或加热或冷却元件的任何电机，或/和其可以与控制单元连接起来。在另一方面，它可以输入到控制装置或其它直接控制电路中，并可用于测量构建材料在构建表面上的计划和实际应用情况，其中控制单元(12)或任何其他直接电路可以因此对其他任何方法参数，如构建材料沉积单元的移动速度、构建表面等进行更改。

在本文中，，“力敏感装置”可以是任何能够测量施加在本发明的方法中使用的设备的表面、部件或区域上的力的装置、传感器或部件。例如，它可以是一个力传感器。根据本公开的优选实施例，力敏感传感器与构建表面相连，并且优选地还与控制单元相连，优选地确定是否存在机械碰撞，例如由于人为干预或由于一个或多个设备装置的运动错误导致的机械碰撞。

在本文中，“构建材料沉积单元头喷嘴输出位置”应理解为在沉积到构建表面之前构建材料离开所述单元的一个点或区域。

在本文中，“成像系统”应理解为任何成像或拍照设备。在一方面，这样的系统可以可视化，并优选地整合从沉积单元释放并沉积到构建表面或先前的材料轨迹上的构建材料，并且优选地直接地或通过本地控制单元或中央控制单元(12)与计划材料的2D或3D外观进行比较，并且优选地通过整合的结果，即比较这些图像，可以反馈并改变对控制打印作业有用的任何方法参数，例如X、Y、Z轴的移动速度、沉积体积或/和构建材料的质量流量等，或/和对于启动、改变或停止过程步骤或额外的过程步骤产生影响，例如沉积速度、冷却速率、构建材料层厚度等。

在本文中，“控制单元”应理解为接收来自设备的一个或多个测量装置的信息，并进行优选地整合的单元，用于控制一个或多个过程步骤。特别是，控制单元可以是分散式或集中式控制单元(12)，其中可以整合计划的和实际的过程参数，并控制各种方法参数，即产生影响，即启动、停止、减少或增加方法参数。特别是，控制单元整合了称重装置或称重单元、天平、膜或触觉压力装置，或/和成像系统的输入。因此，可以对计划沉积到构建表面(以及已经沉积的轨迹)的构建材料与实际沉积的构建材料进行比较。优选地，计算并比较所述构建材料的体积流量或质量流量，并且可以被控制在接近或优化范围内维持。例如，通过增加构建材料沉积单元电机速度来增加质量沉积速率，可以至多抵消在预定时间范围内低于50％的测量质量。通过减小构建材料沉积单元电机速度，可以抵消超过15％的测量质量。这种质量流量修正可以即时发生，也可以在一分钟到数小时或数天的延长时间范围内逐渐发生。通过这种方式，现在可以提高固体3D物体的质量，并获得非常接近或基本上类似于计划固体3D物体的固化3D物体。至少现在可以，例如在进行非常长时间的打印作业时，例如过夜打印，即使没有人员在场，也可以根据打印参数自动化进行打印作业，或者如果计划的打印参数，例如构建材料沉积与计划范围相差太大，则可以自动停止打印作业。因此，根据本公开，该设备和方法可以通过对打印作业的影响或完全停止来提高质量或节省昂贵的材料和时间，从而节省昂贵的材料。

在本文中，“算法”应理解为在计算设备上临时或永久执行的程序。该算法可以读取传感器数据或来自其他可执行程序，如机器路径的数据，并更改其他程序或控制变量中的值，以影响硬件组件。

本公开的进一步细节将在下文中进行说明。

特别地，图1显示了一种根据本公开的设备，可以用于执行本公开的方法。构建材料通过颗粒输送机(9)进入材料沉积单元，本实施例中为挤出式打印头(1)，该打印头被驱动，以在x轴(7)和y轴(8)上移动。挤出式打印头(1)的移动通过一个或多个电机来实现，这些电机可以与控制单元(12)连接。在当前实施例中，构建表面(2)可以在z轴(6)上上下移动；在构建作业期间，构建表面(2)从用于校准目的的0位置降低，其在构建作业期间，例如通过床面平整来实现。z轴的移动也通过一个电机来实现，该电机可以与控制单元(12)连接。一个或多个天平装置，例如1、2、3、4、5、6个或更多个，例如称重单元(4)，与构建表面(2)连接。它可以位于构建表面(2)的下方，或者与z轴在(多个)位置相连，(多个)位置位于构建表面(2)与用于移动构建表面(2)的支柱连接处。也有可能称重装置位于打印床与打印表面(2)之间的连接点和z轴(6)之间，是一个天平(4)，它部分或完全承载打印床与打印表面(2)的重量。

或者，可以在构建表面(2)内部放置一个或多个称重单元(4)，例如2、3、4、5、6个或更多个，该构建表面设计为双层，其中称重单元位于一个上表面和一个下层之间，其中构建材料沉积在上表面，而下层中的两层形成集成的构建表面(2)。这种双层构建表面(2)的设计使得上表面可以自由移动或者不固定，以便称重单元可以测量其上沉积的构建材料的质量变化，或者在构建材料沉积单元与构建表面(2)或已经沉积在构建表面(2)上的构建材料发生碰撞时，测量质量变化。

在本公开技术的另一实施例中，称重单元(4)可以位于整个设备下方，以测量从单独的构建材料储罐(例如颗粒输送机(9))输送到设备的材料量。

称重装置还可以用于执行打印作业开始前的床面平整程序，以校准设备。这样，床面平整程序可以在不需要任何额外测量装置的情况下有利地进行。构建材料沉积单元，例如挤出式打印头，可以直接移动到不同预定义位置，并降低到构建表面(2)上，以执行平整步骤。

如本领域的技术人员所知，构建材料(打印材料)通过颗粒输送机(9)按照标准程序供应给挤出式打印头。构建材料(仍为颗粒状)通过位于挤出式打印头的筒中的挤出螺杆推送到挤出喷嘴，其中挤出螺杆由电机驱动；电机可以连接到控制单元(12)，因此在打印作业期间挤出速度以及其他参数可以控制和调整。构建材料通过加热装置(10)在挤出式打印头中被热力液化。一旦构建材料从挤出式打印头喷嘴推出并进入预定区域，构建材料再次固化，从而有助于构建一个坚固的物体(3)。

在本发明的另一方面或附加方面中，如果使用封闭的构建腔室，可以通过控制内部温度来控制构建材料的固化速度/速率。封闭构建腔室(5)的温度可以包含额外的温度控制装置和温度控制传感器。例如，一个冷却单元(11)，例如冷却风扇，可以向构建材料的新鲜沉积的轨迹吹送冷空气，从而加速构建材料的固化过程。当然，冷却单元(11)也可以放置在构建腔室(5)内，或者可以在构建腔室内放置第二冷却单元，以改善构建腔室(5)内的空气循环，从而增加打印物体(3)与环境之间的热交换。

根据本公开的称重装置的基本工作原理如下。在打印过程之前、期间和/或之后，使用一个秤来测量打印的固体物体或堆积在构建表面上的构建材料的重量。秤可以放置在打印床下方或打印机本身下方，例如，如果打印材料是从打印机外部供应的。无论如何，秤都在测量构建腔室(5)中构建表面(2)上沉积的处理的质量的数量。秤也可以放置在靠近材料供应处，并测量由打印头处理的材料的减少量。

本公开的优选方面或/和实施方式如下所述。

根据本公开的一个方面，可以在打印作业之前应用该方法，以提供一种简单可靠的校准方法。特别地，在开始打印过程之前，执行床面平整过程步骤，即进行调平程序。

根据本公开的一个方面，该方法使用测量装置来测量构建材料的数量，其中测量装置是连接到构建表面的天平或连接到材料沉积单元喷嘴输出位置的测量装置，或者是一种成像系统，优选记录材料沉积单元喷嘴输出位置与构建表面上的沉积区域以及之前沉积的构建材料层之间的构建材料沉积过程。

根据本公开的一个方面，该方法可以测量作用于构建表面的力。特别地，为了测量施加在构建表面上的力，可以将立敏感装置，优选地为一个或多个力传感器，连接到构建表面上。最好将这种力敏感装置也连接到控制单元，优选地确定是否存在机械碰撞，例如由于人为干预与任何设备装置的意外接触或由于一个或多个设备装置的运动中出现错误。

根据本公开的一个方面，该方法涉及确定或/和影响一个或多个方法步骤或参数的变化，这对于改善打印方法和/或打印物体的质量输出可能是有用的。特别地，通过使用本公开的方法，可以启动或更改一个或多个过程步骤或参数，包括改变材料输出速率、改变沉积速度、改变冷却速率、改变构建材料层厚度、改变温度，优选地改变与材料或打印物体周围环境温度相互作用的加热元件设置。

根据本公开的一个方面，该方法可以应用与其他方法和/或设备特征和参数兼容的任何构建材料，并且构建材料的设置可能会根据其他方法参数的不同而变化。特别是构建材料可以从丝材、颗粒、液体或浆料中选择。

根据本公开的一个方面，该方法可以从以下热塑性材料中选择构建材料，例如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚乳酸(PLA)、高冲击聚苯乙烯(HIPS)、热塑性聚乙烯(TPE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯(ASA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸乙二醇酯乙二醇(PETG)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯砜(PPSU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、热塑性聚氨酯(TPU)或/和脂肪族聚酰胺(PA)，或/和这些材料的混合物，或/和将这些材料与有机或无机添加剂，如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、玻璃珠、金属颗粒、陶瓷、碳纳米管的混合物，或/和像光敏树脂的热固性材料或/和像混凝土或巧克力或粘合剂的粘弹性液体。根据本公开的一种方面，该方法可以应用控制单元(12)，所述控制单元可以优选地集成测量过程步骤及其测量结果或输出以及影响过程步骤，优选地使用一个或多个算法进行集成。

根据本公开的一个方面，该方法的算法可以描述如下：

1.在第一步中，传感器数据的模数转换或在测量设备内进行，或在控制单元内进行。

2.在控制单元中接收数据，并存储传感器数据，或使用定义时间段的数字传感器值的原始数据进行计算得出的结果。

3.将测量得出的数值与所需的体积或质量进行比较，以执行机器路径代码，优选地以G-Code格式表示。

4.根据前一步骤结果的预定阈值做出决策。

a.如果测量值比请求值高或低0％到30％，则根据值之间的差异直接或相反的比例、指数、对数或多项式函数改变控制变量的值。或者，可以使用这些函数的组合或预定义在查找表中的值。控制变量的值将被改变，直到测量值和请求值相等。或者，可以使用输入值的数学计算导数或积分来形成测量并且请求值可以用于正确调整控制变量。控制变量可以是电机速度、温度控制装置、轴位置，其在权利要求XXX中定义。

b.如果测量值比请求值高或低30％到100％，则根据可以预先定义或部分预定义和基于例如重量、压力或相机图像导出的值的部分实时值例行程序执行操作。典型的操作可以是暂停或停止打印过程。

c.如果在一次打印过程中进行的校正次数达到一个值，其指示部件质量严重受影响且优选进行一个新的打印作业而不是继续当前打印作业，应停止当前的过程。

d.如果待校正的控制变量的值超过了不合理的限制或受到物理或机械约束的限制，应采取行动以防止对打印物体、机械部件或其他相关物体或人员造成伤害。

5.结束程序或在之前的一个步骤中继续。

根据本公开的一个方面，建模设备可以包含一个或多个测量装置。特别地，用于测量沉积在构建表面上的构建材料的测量装置可以是连接到构建表面的天平，或是连接到材料沉积单元喷嘴输出位置的测量装置，或是记录材料沉积单元喷嘴输出位置与构建表面上的沉积区域以及之前沉积的构建材料层之间的构建材料沉积过程的成像系统，或是连接到构建表面的力敏感装置，优选是力传感器。

根据本公开的一个方面，建模设备的天平通过一个或多个重量传感器与构建表面相连接。

根据本公开的一个方面，建模设备可以展示重量传感器的特殊位置。特别地，一个或多个重量传感器可以位于构建表面的每个角落，或者在构建表面的上方、之中或下方的规则间距处。

根据本公开的一个方面，建模设备的控制单元可以与设备的一个或多个组件连接，一个或多个组件选自打印床、测量装置、构建材料供给装置、材料沉积单元，其包括用于材料沉积的致动器、移动装置，优选为X轴、Y轴或/和Z轴、加热装置和冷却装置以及测量装置。

根据本公开的一个方面，建模设备的算法在本文公开的方法或/和本文公开的设备中，可以是有用的，其中该算法的特征是

关于质量或作用在打印床上的力的信息可以通过以下方式使用：

1.在开始打印作业之前：

i)通过使用天平测量一定数量的请求质量流量(或电机转速)的质量流量(随时间间隔的重量增加)，自动校准新材料或新设置(如新的加热温度、新的部件冷却风扇速度或新的环境温度)的质量流量。

ii)进行安全检查，以确定是否有人或部件位于构建平台上，可能导致碰撞或受伤。

iii)调平程序：

(1)将打印头移动到不同的X/Y位置(优选为网格点)。

(2)对于每个位置，将打印床移动到与打印喷嘴碰撞，并在传感器检测到力或重量时停止或反转Z运动。

(3)将喷嘴接触打印床所在位置的X、Y和Z坐标存储在控制单元中。

(a)如果Z运动由多于一个可单独控制的致动器执行，则可以使用高度图来自动对齐床面。例如，降低床的一侧并提升另一侧以纠正床面倾斜。如果存在三个或更多的致动器，还可以纠正床面的扭曲。

(b)通过将变量Z偏移添加到第一层的X/Y工具路径中，可以使用高度图来确保第一层(和后续层)的均匀层高。

iv)触觉测量：

(1)可以通过在打印头与物体之间发生碰撞时测量力的变化，并存储相应的坐标信息来测量放置在打印床上的物体。

2.在打印作业期间：控制单元将请求的(计划的)重量(来自工具规划)与实际在不同时间点进行打印时沉积的重量进行比较。

i)当超过指定的偏差阈值时，将执行预先编程的操作，这些操作可以是以下之一：

(1)将挤出机电机的转速调快或调慢到与质量流量偏差成比例

(2)暂停打印任务并等待用户输入

(3)如果偏差达到更高的阈值并且已经发生严重的欠挤出情况，则取消打印任务。

(4)如果在一个打印任务中发生了太多次偏差，则取消打印

(5)触发警报信号或输出错误消息

(6)执行其他预先编程的例程(例如，移动到打印体积中未使用的区域，以非常快的速度挤出直到错误被纠正，按照特定顺序冷却和/或加热加热元件至某一层，执行可以通过振动引起系统松动材料的特定运动)。

ii)物体的位置：如果装备有多个传感器，可以利用重量分布来确定物体的位置。这对于过程监控非常有用。例如，可以检测到物体是否从打印床上松动。

iii)检测打印缺陷：材料的积累通常会通过几层传递。这在重量传感器上显示为重复的模式，并表明在部件的这个区域存在欠挤出、过挤出或卷曲效应。卷曲是由于聚合物收缩而导致的打印线条意外抬起的效果。例如，部件的悬挑边缘出现卷曲会导致喷嘴尖端对物体施加更大的压力，因此影响打印床。

3.打印任务完成后：存储测量和/或校正数据，以便后续使用，并用于制造数据的文档，其中该文档用于质量保证目的。

4.在任何时候：通过测量和集成与构建材料沉积到构建表面相关的重量或质量变化，可以作为安全功能来在检测到突然的力量变化时停止Z轴移动。例如，在将打印床向一个方向移动时发生碰撞。特别是在将打印床向下移动并且身体部位位于打印床下方时，可以预防个人受伤。

参考列表：

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Claims

1.一种使用建模装置，例如熔融沉积建模(FDM)设备、多喷头建模(MJM)设备、熔融丝制造(FFF)设备或立体光刻设备(STL)，制造固体物体的方法，包括构建材料沉积单元，其中构建材料沉积单元包括用于沉积构建材料的喷嘴，构建表面，优选地还包括在所述方法或设备中有用的任何其他装置，方法包括或由以下步骤组成：

b.在第二层和优选地更多层中重复步骤a)；

c.重复步骤a)和b)，直到构建出固体物体；

d.优选地在构建材料沉积到构建表面上时，或在每层构建材料沉积到构建表面后，测量应用于构建表面的构建材料数量，或测量施加在构建表面上的力；

e.优选地将沉积到构建表面上的构建材料的数量与在沉积期间计划沉积到构建表面上的构建材料进行比较，或与沉积到构建表面上的每层构建材料进行比较；

f.根据步骤d)和/或e)，影响构建材料的沉积，例如减少、增加或停止构建材料的沉积，或影响至少一个处理步骤或参数，例如启动或更改至少一个处理步骤或参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在开始打印过程之前进行了一次床面平整过程步骤(调平程序)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用测量装置来测量构建材料数量，所述测量装置是连接到构建表面的天平，或是连接到材料沉积单元喷嘴输出位置的测量装置，或是一种成像系统，优选地记录材料沉积单元喷嘴输出位置与构建表面上的沉积区域以及之前沉积的构建材料层之间的构建材料沉积过程。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，一种力敏感装置，优选的一种力传感器，用于测量施加在构建表面上的力，其连接到构建表面上，优选地也连接到控制单元，优选地确定是否存在机械碰撞，例如由于人为干预或由于一个或多个设备装置的运动错误导致的机械碰撞。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，启动或更改另一个处理步骤或参数包括，改变材料输出速率、改变沉积速度、改变冷却速率、改变构建材料层厚度、改变温度，优选地改变与材料或打印物体周围环境温度相互作用的加热元件设置。

6.根据前述任一条权利要求所述的方法，其特征在于，构建材料从丝材、颗粒、液体或浆料中选择。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，构建材料从热塑性材料、填充材料的热塑性材料或热固性材料中选择，优选地以下热塑性材料，例如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚乳酸(PLA)、高冲击聚苯乙烯(HIPS)、热塑性聚乙烯(TPE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯(ASA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸乙二醇酯乙二醇(PETG)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯砜(PPSU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、热塑性聚氨酯(TPU)或/和脂肪族聚酰胺(PA)，或/和这些材料的混合物，或/和这些材料与有机或无机添加剂，如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、玻璃珠、金属颗粒、陶瓷、碳纳米管的混合物，或/和像光敏树脂的热固性材料，或/和像混凝土或巧克力或粘合剂的粘弹性液体。

8.根据前述任一条权利要求所述的方法，其特征在于，控制单元(12)整合了测量过程步骤和影响过程步骤，优选地使用一个或多个算法进行整合。

9.一种建模设备，包括构建材料沉积单元、构建表面，优选地位于构建腔室内，用于挤出头和/或构建表面的移动装置，构建材料供给装置，以及用于测量沉积在构建表面上的构建材料或施加在构建表面上的力的测量装置，优选地还包括控制单元。

10.根据权利要求9所述的建模设备，其特征在于，测量装置，用于测量沉积在构建表面上的构建材料，是连接到构建表面的天平，或连接到材料沉积单元喷嘴输出位置的测量装置，或记录材料沉积单元喷嘴输出位置与构建表面上的沉积区域以及之前沉积的构建材料层之间的构建材料沉积过程的成像系统，或连接到构建表面的力敏感装置，优选地是一种力传感器。

11.根据权利要求9或10的建模设备，其特征在于，天平通过一个或多个重量传感器与构建表面连接。

12.根据权利要求9、10或11所述的建模设备，其特征在于，一个或多个重量传感器位于构建表面的每个角落，或者在构建表面的上方、之中或下方的规律间距处。

13.根据权利要求9至12中的任一条所述的建模设备，其特征在于，控制单元与以下一项或多项连接：打印床、测量装置、构建材料供给装置、材料沉积单元，其包括用于材料沉积的致动器、移动装置优选地为X轴、Y轴或/和Z轴、加热装置、冷却装置和测量装置。

14.适用于权利要求1至8中的任一条所述的方法或权利要求9至13中的任一条所述的设备的算法。