DE102015104803A1

DE102015104803A1 - 3-D Drucker mit Bewegungssensoren

Info

Publication number: DE102015104803A1
Application number: DE102015104803.5A
Authority: DE
Inventors: Kenneth D. Marino
Original assignee: Delaware Capital Formation Inc; Capital Formation Inc
Current assignee: OK International Inc
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-02-11
Also published as: GB201504220D0; US20160039148A1; AU2015202215B2; AU2015202215A1; GB2529009A; GB2529009B; CN105328902A

Abstract

Ein drei-dimensional Drucker, welcher einen Druckkopf zum Extrudieren eines Druckmaterials und eine Aufbau Plattform zum Empfang des Druckmaterials enthält, wobei der Druckkopf und die Aufbau Plattform jeweils einen Bewegungssensor haben zum Erzeugen eines Positionssignals zu einem Kontroller, welcher die gegenwärtige Position des Druckkopfes und der Aufbau Plattform mit einer erwünschten Position des Druckkopfes und der Aufbau Plattform vergleicht, zum Erzeugen eines Fehlersignals zu dem x–y Achsen Translator und dem z-y Achsen Translator, um eine relative Bewegung zwischen dem Druckkopf und der Aufbau Plattform und einen unerwünschten Positionsfehler in einer x–y Druckebene zu minimieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung ist auf einen drei-dimensional Drucker gerichtet, und namentlich auf einen drei-dimensional Drucker, welcher Bewegungssensoren hat, die sowohl an dem Druckkopf als auch an der Aufbau Plattform angebracht sind oder diese überwachen, um einem Bewegungskontroller einen geschlossenen Rückkopplungskreis bereitzustellen.
Hintergrund der Erfindung
Durch das vermehrte Verwenden von Computer unterstütztem Design (CAD) wurden Solid Modellbildungssysteme entwickelt, welche CAD Ausgabedaten in eine strukturelle Komponente übersetzen. Das automatische Bilden von Objekten in drei Dimensionen ist beim Prüfen auf CAD Eingabefehler, einer Teilfunktionalität, Beurteilen der Ästhetik, der Formbildung mittels subtraktiven Wachses und bei kleinen Produktionsläufen nutzbar. Während einige dieser Anwendungen einigermaßen unempfindlich gegenüber kurzen und weiträumigen dimensionalen Fehlern sind, wie beispielsweise das Beurteilen der Ästhetik, sind andere Anwendungen mäßig empfindlich gegenüber einem Fehler, wie beispielsweise das Testen der Teilfunktionalität. Andere Anwendungen, wie beispielsweise Formherstellung, sind extrem empfindlich gegenüber dimensionalen Fehlern.
Automatisierte drei-dimensionale Teile Druck Techniken, die gegenwärtig verfügbar sind, zeigen im Allgemeinen eine schwache weiträumige Dimensionstoleranz. Zusätzlich leidet das drei-dimensionale Drucken, auch bekannt als additive Herstellung, gegenwärtig unter einem schwachen Oberflächenfinish auf dem gedruckten Teil, was eine Nachbearbeitung erfordert, wie beispielsweise ein Sanden, um das Finish zu verbessern. Ein Teil der Ursache, dass das Oberflächenfinish rau ist, besteht aufgrund von inhärenten Verarbeitungsbedürfnissen, welche eine unerwünschte Bewegung in den Druckkopf und die Aufbau Plattform induzieren.
Folglich besteht ein Bedürfnis, eine Bewegungskompensation für eines oder beides von dem Druckkopf oder der Aufbau Plattform zu verbessern, um die Druckqualität zu verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt einen drei-dimensional Drucker bereit, welcher Bewegungssensoren beinhaltet, welche sowohl an einem Druckkopf als auch an einer Aufbau Plattform angebracht sind oder diese überwachen, um einem Bewegungskontroller einen geschlossenen Rückkopplungskreis bereitzustellen, so dass die relative Bewegung zwischen der Aufbau Plattform und dem Druckkopf minimiert wird und ein unerwünschter Positionsfehler in der x–y Druckebene minimiert wird. Die Bewegungssensoren können Beschleunigungssensoren, optische Bewegungssensoren oder piezoelektrische Sensoren sein. Das Bereitstellen von Bewegungskompensation und Einstellungen bei sowohl dem Druckkopf als auch der Aufbau Plattform verbessert die Druckqualität.
Der 3-D Drucker enthält eine Düse zum Extrudieren eines Materials, eine Vorrichtung zum steuerbaren Positionieren der Düse gemäß der Spezifikation; und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals, welches indikativ ist für zumindest eine Eigenschaft eines zuletzt extrudierten Abschnitts des Materials. In einer Ausführungsform enthält die Rückkopplung erzeugende Vorrichtung ein visuelles oder Infrarot Emission bildgebendes System. In einer anderen Ausführungsform enthält die Rückkopplung erzeugende Vorrichtung eine Entfernung oder eine Näherung detektierende Vorrichtung, wie beispielsweise einen kapazitiven Sensor, einen taktilen Sensor, oder einen pneumatischen Sensor. Die Positionierungsvorrichtung ist reaktionsfähig auf eine Düsen Bewegungsliste, welche innerhalb eines Kontrollers gespeichert ist, zum horizontalen Verschieben der Düse innerhalb einer x–y Ebene, und weist ferner eine Objekt Stützstufe auf, welche vertikal entlang einer z-Achse verschoben wird. Die Positionierungsvorrichtung ist auch funktionsfähig zum Verschieben der Düse in der z-Achse.
Das Material kann bestehen aus, ist aber nicht beschränkt auf Klebstoffe, Wachse, thermoplastische Polymere, duroplatische Polymere, Harze, metallischen Legierungen, Gläser, Epoxidharze, Silikonklebstoffe, und Kombinationen daraus. Das Material kann auch Kombinationen enthalten, welche artfremde Materialien enthalten, welche hinzugefügt sind, um dem Material eine gewünschte elektrische oder strukturelle Eigenschaft zu vermitteln.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist ein Blockdiagramm eines 3-D Druckers der vorliegenden Erfindung; und
2 ist ein Blockdiagramm einer Bewegungsdetektion und einer Rückkopplung für eine z-Achsen relative Bewegung zwischen dem Druckkopf und der Aufbau Plattform.
Ausführliche Beschreibung
Bezug nehmend auf 1, ist ein drei-dimensional Drucker 10 dargestellt. Der Drucker 10 enthält eine Düse 12, welche auch als der Druckkopf bezeichnet wird, welcher mit einem x–y Gantry-Typ Translator 14 gekoppelt ist. Durch das Verwenden des Translators 14 wird die Düse 12 steuerbar innerhalb einer horizontal angeordneten x–y Ebene verschoben. Die Düse 12 ist über einem Tisch 16 angeordnet, welcher auch als die Aufbau Plattform bezeichnet wird, welcher mit einem z-Achsen Translator 18 gekoppelt ist. Während des Betriebs wird die Düse 12 steuerbar in der x–y Ebene verschoben, um eine Schicht von Material zu extrudieren. Nach dem Extrudieren einer Schicht von Material wird der z-Achsen Translator aktiviert, um den Tisch 16 um ein Inkrement zu senken, welches gleich ist wie die Dicke des extrudierten Materials. Die Düse 12 wird dann wieder in der x–y Ebene verschoben, um eine nächste Schicht direkt auf die unmittelbar darunter liegende Schicht abzuscheiden. Die Düse 12 enthält ein Nadelventil 20, welches mit einem bidirektionalen Luftzylinder 22 gekoppelt ist. Der Luftzylinder 22 wird durch einen Leiter 24 hindurch bereitgestellt, mit einer Quelle von komprimierter Luft bei einem Druck, welcher geeignet ist zum Aktivieren des Nadelventils 20, wobei dadurch der an/aus Strom von Material durch die Düse 12 hindurch gesteuert wird.
Mit der Düse 12 ist ein Düsenheizer 26 gekoppelt, welcher mit einer Heizleistungsquelle 28 verbunden ist. Das Wärme Abtastmittel, wie beispielsweise ein Thermoelement, kontaktiert die Düse 12 zum Aufrechterhalten der erwünschten Temperatur, welche eine Funktion des Materials ist, welches extrudiert wird. Ein Leiter 32 ist mit der Düse 12 verbunden und stellt einen Strom von geschmolzenem Material bereit, welches der Düse 12 bereitzustellen ist. Dieses Material wird in einem beheizten Reservoir 34 gehalten, welches über einen Leiter 36 mit einer Quelle von komprimierter Luft gekoppelt ist, welche bei einem erwünschten Druck betrieben wird. Der Leiter 32 hat einen verknüpften Heizer 38 und das Reservoir 34 hat einen verknüpften Heizer 40, welche beiden mit einer Heizerleistungsquelle 42 verbunden sind. Ein Wärme Abtastmittel, wie beispielsweise ein Thermoelement 44, ist bereitgestellt, um das Reservoir innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs zu halten. Der Temperaturbereich ist eine Funktion des Schmelzpunkts des ausgewählten Materials.
Mit dem xmy Achsen Translator 14, dem z-Achsen Translator 18, und mit dem Nadelventil Luftzylinder 22 ist ein Kontroller 46 gekoppelt. Der Kontroller 46 kann in einem Personal Computer Datenverarbeitungssystem verkörpert sein. Die Verbindung mit den Translatoren 14 und 18 kann mittels irgendeines geeigneten Mittels erfolgen, wie beispielsweise eines parallelen Kommunikationsports oder eines seriellen Kommunikationsports. Der Kontroller 46 hat einen Eingang zum Empfangen von drei-dimensional geformten Daten aus einem CAD System und hat einen Speicher 48 zum Speichern von Daten, welche repräsentativ für die Struktur sind, welche mittels der Düse extrudiert wird.
Für bestimmte Extrusionsmaterialien kann auf die verschiedenen gezeigten Heizer sämtlich verzichtet werden. Zusätzlich wurde festgestellt, dass für solche Materialien, die während oder nach der Extrusion erwärmt werden, eine lokale Quelle von Luft oder einem anderen Gas verwendet werden kann, um das Material schnell zu kühlen. Beispielsweise ist ein Kanal 47, welcher eine Mehrzahl von Öffnungen hat, mit einer Luftquelle gekoppelt und ist so angeordnet, dass er einen im Wesentlichen gleichförmigen Strom von kühlender Luft bei der Ebene bereitstellt, wo die Extrusion stattfindet.
Der Drucker 10 kann ein Abscheide Rückkopplungssystem enthalten, welches aus einem Rückkopplungssensor 60 besteht, welcher in der Nähe der Düsenspitze 12 betrieben wird und welcher ein Rückkopplungssignal bei dem Kontroller 46 bereitstellt. Dieses Rückkopplungssignal ist indikativ für eine Eigenschaft des extrudierten Tropfens. Namentlich detektiert der Rückkopplungssensor 60 eine Position oder andere Eigenschaft eines zuletzt extrudierten Abschnitts des Materials. Beispielsweise kann der Sensor 60 die Position des extrudierten Tropfens relativ zu einem Positionsreferenzsystem detektieren, wobei die Tropfen Position mittels des Kontrollers 46 überwacht wird, um während der Extrusion Einstellungen an der Düsenposition 12 vorzunehmen, falls erforderlich. Diese Technik ermöglicht vorteilhafterweise eine feinere Steuerung der Geometrie der extrudierten Struktur und führt zu einer Struktur, welche sich genauer an die annähert, welche mittels der dreidimensionalen Formdaten definiert ist. Das Rückkopplungssignal kann, abhängig von dem bestimmten Sensortyp 60, der verwendet wird, auch eine andere Information bereitstellen, wie beispielsweise die Temperatur des extrudierten Tropfens oder eine dielektrische Eigenschaft davon.
Die Rückkopplung, welche mittels des Sensors 60 bereitgestellt wird, ist wichtig, und dass eine Anzahl von verschiedenen Mechanismen in Betrieb sein können, welche darin resultieren, dass das extrudierte Material andere Dimensionen hat als die beabsichtigten. Wenn beispielsweise der extrudierte Tropfen (bead) um eine konvexe oder konkave Kontur herum aufgetragen wird, während er noch heiß genug ist, um formbar zu sein, neigt der Tropfen dazu, zu deformieren, um seine Länge zu minimieren. Auch kann der extrudierte Tropfen, abhängig von der Entfernung der Düse zu dem darunter liegenden Material, seinen abgeschiedenen Querschnitt ändern, als eine Funktion dieser Entfernung. Es wurde auch festgestellt, dass Gegendruck von bereits abgeschiedenem Material, welches nah bei der Düse ist, die Stromrate aus der Düse heraus reduzieren kann. Auch Änderungen der Temperatur oder der Zusammensetzung des zu extrudierenden Materials können die Rate ändern, bei welcher das Material aus der Düse heraus strömt und als Ergebnis die Rate, bei welcher das Material zu seiner endgültigen Dimension erstarrt.
Der Rückkopplungssensor 60 kann mittels einer Anzahl von verschiedenen Vorrichtungen verkörpert sein, welche entweder an dem Rahmen des Systems befestigt sind oder welche mit der Düse 12 verschoben werden. Im Allgemeinen kann der Rückkopplungssensor 60 innerhalb bildgebender Vorrichtungen verkörpert sein oder innerhalb Entfernungsabtastvorrichtungen. In jedem Fall funktionieren die Sensoren, um eine Information bezüglich des zuletzt extrudierten Materials bereitzustellen. Namentlich enthalten geeignete Sensoren, sind aber nicht beschränkt auf, sichtbare Bildgebungsvorrichtungen, Infrarot Emission bildgebende Vorrichtungen, kapazitive Detektionsvorrichtungen, taktile Detektionsvorrichtungen, und pneumatische Detektionsvorrichtungen.
Zusätzlich zu dem Sensor 60, welcher an der Düse 20 angebracht sein kann, ist ein zweiter Sensor 62 an dem Tisch 16 angebracht zum Senden eines Signals zu dem Kontroller 46. Beide Sensoren 60 und 62 können hohe Bandbreite Bewegungssensoren sein, wie beispielsweise Beschleunigungssensoren, optische Bewegungssensoren, piezoelektrische Sensoren, welche physikalisch angebracht sind, oder können sowohl den Druckkopf als auch die Aufbau Plattform überwachen, um dem Kontroller 46 geschlossene Kreis Rückkopplungssignale 61, 63 bereitzustellen, so dass die relative Bewegung zwischen der Aufbau Plattform und dem Druckkopf minimiert wird, wobei dadurch unerwünschte Positionsfehler in der x–y Druckebene vermieden werden.
Wie auch in 2 gezeigt, enthält der Druckkopf 64 den Sensor S1 65 und die Aufbau Plattform 66 enthält den Sensor S2 67. Der Druckkopf kann die Laser 68 und 70 enthalten, welche sich in der x–y und z Richtung bewegen. Der Sensor S1 sendet das Signal A_z 72 zu dem Kontroller 46 und der Sensor S2 sendet das Signal B_z 74 zu dem Kontroller, welcher dann ein Fehlersignal 76 zu dem x–y Achsen Translator 14 und dem z-Achsen Translator 18 erzeugen würde, um eine Bewegungskompensation und Einstellungen bei sowohl dem Druckkopf als auch der Aufbau Plattform bereitzustellen, um die Druckqualität zu verbessern. Der x–y Achsen Translator und der z-Achsen Translator können zum Beispiel Schrittmotoren sein. Um die Abscheideposition des Materials zu bestimmen, welches von der Düse extrudiert wird, stellt ein optisches System, welches ein Kamerasystem 78 enthält, dem Kontroller ein optisches Abscheide Rückkopplungssignal bereit.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine Ausführungsform davon beschrieben und dargestellt ist, versteht es sich, dass Änderungen und Modifikationen darin vorgenommen werden können, welche innerhalb des vollen beabsichtigten Geltungsbereichs der Erfindung liegen, wie nachstehend beansprucht, beispielsweise kann die Düse in der z-Achse verschoben werden und die Aufbau Plattform kann in der x–y Achse verschoben werden.

Claims

Ein System zum Drucken eines drei-dimensionalen Objekts gemäß einer Spezifikation des Objekts, aufweisend: einen Druckkopf zum Extrudieren eines Druckmaterials; eine Aufbau Plattform zum Empfangen des Druckmaterials; einen x–y Achsen Translator zum Bewegen von zumindest einem von dem Druckkopf oder der Aufbau Plattform in einer x–y Ebene; einen z-Achsen Translator zum Bewegen von zumindest einem von dem Druckkopf oder der Aufbau Plattform in einer z-Achsen Ebene; einen Druckkopf Sensor zum Überwachen der Position des Druckkopfes; einen Aufbau Plattform Sensor zum Überwachen der Position der Aufbau Plattform; und einen Kontroller zum Empfangen eines Signals von dem Druckkopf Sensor und dem Aufbau Plattform Sensor, welcher ein Fehlersignal zu dem x–y Achsen Translator und dem z-Achsen Translator erzeugt, um einen unerwünschten Positionsfehler in der x–y Ebene zu minimieren.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei der x–y Achsen Translator ein Schrittmotor ist.
Das System gemäß Anspruch 1 bis 2, wobei der z-Achsen Translator ein Schrittmotor ist.
Das System gemäß Anspruch 1 bis 3, wobei der Druckkopf Sensor ein Bewegungssensor ist.
Das System gemäß Anspruch 4, wobei der Bewegungssensor eines ist aus einem Beschleunigungssensor, einem optischen Bewegungssensor, oder einem piezoelektrischen Sensor.
Das System gemäß Anspruch 1 bis 5, wobei der Aufbau Plattform Sensor ein Bewegungssensor ist.
Das System gemäß Anspruch 6, wobei der Bewegungssensor eines ist aus einem Beschleunigungssensor, einem optischen Bewegungssensor oder einem piezoelektrischen Sensor.
Ein drei-dimensional Drucker aufweisend: eine Düse zum Dispensieren von Druckmaterial; einen Tisch zum Empfang des Druckmaterials; Mittel zum Abtasten einer gegenwärtigen x–y Achsen und z-Achsen Position der Düse und des Tischs; Mittel zum Vergleichen der gegenwärtigen x–y Achsen und z-Achsen Position der Düse und des Tischs mit einer erwünschten x-Achsen und z-Achsen Position der Düse und des Tischs und Berechnen eines Fehlersignals, wenn die gegenwärtige x–y Achsen und z-Achsen Position und die erwünschte x–y Achsen und z-Achsen Position nicht dieselben sind; und einen x–y Achsen Kontroller und einen z-Achsen Kontroller, welcher zumindest eines von der Düse und dem Tisch bewegt, als Reaktion auf das Fehlersignal.
Der Drucker gemäß Anspruch 8, wobei das Mittel zum Abtasten ein Düsen Bewegungssensor und ein Tisch Bewegungssensor ist.
Der Drucker gemäß Anspruch 9, wobei der Düsen Bewegungssensor und der Tisch Bewegungssensor eines sind aus einem Beschleunigungssensor, einem optischen oder einem Bewegungssensor, oder einem piezoelektrischen Sensor.
Der Drucker gemäß Anspruch 8 bis 10, wobei das Mittel zum Vergleichen ein Kontroller ist, welcher eingerichtet ist, um ein geschlossener Kreis Rückkopplungssignal für den x–y Achsen Translator und dem z-Achsen Translator bereitzustellen, um die relative Bewegung zwischen der Düse und dem Tisch und den unerwünschten Postitionsfehler in einer x–y Druckebene zu minimieren.
Der Drucker gemäß Anspruch 8 bis 11, wobei ein x–y Achsen Translator und ein z-Achsen Translator Schrittmotoren sind.
Ein drei-dimensional Drucker aufweisend: einen Druckkopf mit einem Bewegungssensor und einer Aufbau Plattform mit einem Bewegungssensor zum Überwachen der Position des Druckkopfes und der Aufbau Plattform; x–y Achsen und z-Achsen Translatoren für den Druckkopf und die Aufbau Plattform; und einen geschlossener Kreis Rückkopplungskontroller, welcher eingerichtet ist, Signale zu dem x–y Achsen Translator und dem z-y-Achsen Kontroller zu erzeugen, als Reaktion auf Bewegungssensor Signale, um die relative Bewegung zwischen dem Druckkopf und der Aufbau Plattform und den unerwünschten Positionsfehler in einer x–y Druckebene zu minimieren.
Der Drucker gemäß Anspruch 13, wobei der Bewegungssensor eines ist aus einem Beschleunigungssensor, einem optischen Bewegungssensor oder einem piezoelektrischen Sensor.
Der Drucker gemäß Anspruch 13 bis 14, wobei der x–y Achsen Translator und z-Achsen Translator Schrittmotoren sind.
Der Drucker gemäß Anspruch 13 bis 15, wobei der Druckkopf eine Düse enthält.
Der Drucker gemäß Anspruch 13 bis 16, wobei die Aufbau Plattform einen Tisch enthält.