專利名稱：用于三維打印機的測試圖案和校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于維修3D打印機的裝置和方法，例如，用于清洗和校正3D打印機中使用的打印頭。
背景技術(shù)：
總體上，3D打印涉及到使用噴墨型打印頭，以將液體或膠狀粘合劑材料分配到粉末建筑材料層。該打印技術(shù)涉及通常使用輥子在表面上施加一層粉末建筑材料。在該建筑材料施加到表面上后，打印頭將液體粘合劑施加到該材料層的預(yù)定區(qū)域。該粘合劑滲入該材料并與該粉末起反應(yīng)，例如通過激活粉末中的粘結(jié)劑而使得打印區(qū)域中的層固化。該粘合劑同時滲透到下層，形成層間粘合。在形成第一橫截面部分后，重復(fù)前一步驟，建造連續(xù)的橫截面部分，直到形成最后的物體。例如參見US專利No.6,375,874和6,416,850，其公開內(nèi)容在此全文引入以供參考。
3D打印機通過使用彩色粘合劑材料以使粉末固化而制造彩色部件。清色粘合劑被用于制造白色部件表面，改變比例使用三原色以制造一定范圍的彩色。打印機必須在精確的位置處施加多種顏色的粘合劑液滴以使得部件表面具有精確的彩色。3D打印機使用單獨的打印頭以施加每種粘合劑顏色。通常，打印頭中的非一致性和打印頭安裝部件中的機械變化產(chǎn)生粘合劑液滴的定位的不精確，必須對此進行辨別和校正。
此外，用于執(zhí)行3D打印的裝置通常產(chǎn)生灰塵，其可不利地影響打印頭的運行。例如，灰塵可堵塞分配粘合劑材料的噴嘴，這可導(dǎo)致沒有分配粘合劑材料或者不精確地分配粘合劑材料。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供用于連續(xù)有效地維修3D打印機的裝置和方法。
通常，本發(fā)明涉及用于與迄今為止可得到的相比更為快速有效地制造三維物體的裝置和方法，所述三維物體包括鑄芯、玩具、瓶子、罐頭、建筑模型、汽車部件、分子模型、身體部件模型、蜂窩電話外殼和鞋等。此外，本發(fā)明涉及用于維護和運行前述裝置的系統(tǒng)和方法。
更具體地，本發(fā)明涉及用于校正多個打印頭的裝置和方法，以及用于清洗打印頭的裝置和方法。在一個實施例中，校正方法是特別適合于3D打印的確定液滴位置誤差的自動方法。在一個實施例中，由待校正的打印頭打印測試圖案，假定它們被理想地定位。然后掃描所得到的圖案，以確定打印圖像與理想圖像的偏離。然后這樣獲得的信息能夠校正所識別的誤差。本方法與現(xiàn)有技術(shù)中的不同之處在于至少使用從掃描校正圖案獲得的信號的諧波含量來確定未校正。掃描橫穿多條名義上相同的線對(line pair)，最終得到粉末中打印的圖像所固有的不勻度的平均數(shù)。不需要成像光學，因為不涉及邊緣檢測。
在一個方面，本發(fā)明涉及一種由三維打印機的多個打印頭形成測試圖案的方法。該方法包括下列步驟在建筑表面上限定區(qū)域以用于容納測試圖案，選擇能夠以高對比地打印的參考打印頭，由參考打印頭打印參考線，和由至少其中一個剩余的打印頭鄰接該參考線地打印測試線。
在多個實施方式中，限定區(qū)域的步驟包括在建筑表面上形成增強對比子層。增強對比子層能夠通過使用至少其中一個打印頭以單一且高對比顏色打印該區(qū)域、并以建筑材料的至少一個未打印層覆蓋該打印區(qū)域而形成。在一個實施方式中，該區(qū)域由所有可用的打印頭以最大的排出水平來打印，以使該區(qū)域飽和。
選擇打印頭的步驟包括下列步驟在高對比子層上由每個打印頭打印目標，比較這些目標、以辨別相對于未打印區(qū)域哪一個目標具有最高的對比，和選定與該最高對比目標相關(guān)聯(lián)的打印頭。而且，該方法可包括在每個打印步驟之前在建筑表面上堆積一層建筑材料的步驟。該打印步驟可包括在建筑材料上以預(yù)定的圖案堆積液體粘合劑。在一個實施方式中，打印頭以具有一種顏色的液體粘合劑打印，該顏色從由品紅色、黃色、青色、清色和黑色組成的一組中選擇。其它顏色和顏色的組合是預(yù)期的并落入本發(fā)明的范圍。
此外，打印測試線的步驟可包括由至少兩個剩余的打印頭打印顏色交替的條(bar)。打印參考線和打印測試線的步驟可包括打印多條參考線和打印對應(yīng)的多條測試線。在一個實施方式中，參考線和測試線能夠在多個行程中打印。打印多條線的步驟可包括打印多條水平線和多條豎直線。而且打印參考線的步驟可包括打印十條水平參考線和在其附近打印十條豎直參考線，打印測試線的步驟可包括打印十條相應(yīng)的水平測試線和打印十條相應(yīng)的豎直測試線。在一些實施方式中，可打印兩條參考線。在另一些實施方式中，可打印20條參考線。
在本方法的具體實施方式
中，打印參考線和打印測試線的步驟包括打印多個平行于打印頭的快軸(fast-axis)行程的名義上相同的線對，每個線對包括一條參考線和一條測試線，并打印多個垂直于打印頭的快軸行程的名義上相同的線對，每個線對包括一條參考線和一條測試線。在一個實施方式中，每多個線對設(shè)置成等間距的線性陣列。每條測試線可包括一系列測試條，其中每個剩余的打印頭打印中央測試條，該中央測試條名義上位于與相應(yīng)的參考線相距的距離等于參考線的名義陣列間距的1/2。在一個實施方式中，每個剩余的打印頭打印多個附加的測試條，這些測試條被設(shè)置成繞中央測試條遞增。
在另一方面，本發(fā)明涉及用于校正三維打印機中多個打印頭的測試圖案。該測試圖案包括多條基本上均勻間隔的單色參考線(solidreference line)和與多條參考線以交替的圖案設(shè)置的多條測試線，其中每條測試線包括至少一條具有非參考色的條。在一個實施方式中，以交替圖案打印顏色。在多個實施方式中，多條線的方向為基本上豎直或者在具體的實施方式中平行于打印頭的快軸行程。而且，該測試圖案可包括設(shè)置成與該第一測試圖案鄰近的第二測試圖案。該第二測試圖案包括第二多條基本上均勻間隔的單色參考線和與第二多條參考線以交替的方式設(shè)置的第二多條測試線。每條測試線包括至少一條非參考色的條，并且第二多條線可以取向為基本上垂直于打印頭的快軸行程。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種確定用于校正多個打印頭的校正系數(shù)的方法。打印頭需要運行一致而形成彩色圖像。由于打印頭和安裝的變化，需要測量打印頭的相對位置，并且需要對打印頭的驅(qū)動信號進行校正，以使得不同的顏色以正確的配準而打印。通常，由待校正的打印頭打印測試圖案，假定它們位于理想位置。接著掃描所獲得的圖像，以確定所打印的圖像與理想位置的偏離。由此獲得的信息能夠校正所確定的誤差。本方法與現(xiàn)有技術(shù)的不同在于至少使用從掃描測試圖案獲得的信號的諧波含量確定未校正。掃描儀橫穿多條名義上相同的線對，最終得到粉末中打印圖像的內(nèi)在不勻度的平均數(shù)。不需要成像光學，因為不涉及邊緣檢測。
特別地，本方法包括下列步驟在建筑表面打印測試圖案，產(chǎn)生代表該測試圖案的一組電信號，分析該電信號，以確定處于至少一個頻率的其諧波含量，并且根據(jù)該電信號的諧波含量確定校正系數(shù)。該測試圖案包括一個線對陣列。在一個實施方式中，該方法包括產(chǎn)生用于分析的多個電信號以及根據(jù)所述多個電信號的諧波含量確定多個校正系數(shù)。
在多個實施方式中，本方法包括通過照射測試圖案并在預(yù)定位置測量該測試圖案的反射率而產(chǎn)生電信號。在一個實施方式中，分析電信號的步驟包括對該信號使用模擬濾波器(例如使用運算放大器)。在另一實施方式中，分析電信號的步驟包括使該信號數(shù)字化，并對該信號使用數(shù)字濾波器(例如快速傅立葉變換)。在一個實施方式中，可從一組第三諧波值確定校正系數(shù)。在另一實施方式中，可從一組第一諧波值確定校正系數(shù)。該校正系數(shù)接近標稱測試條位移，所選定的諧波的最小值由標稱測試條位移確定。可通過確定與這一組第三諧波值相應(yīng)的或者代表這一組第三諧波值的分析曲線的最小值而確定該校正系數(shù)。本方法的一個實施方式包括下列步驟從通過橫過陣列掃描的傳感器而獲得的信號抽取第三諧波值，比較從每種顏色獲得的那一組第三諧波值，并且根據(jù)最小的第三諧波值確定校正系數(shù)。
在另一方面，本發(fā)明涉及維修三維打印機中的多個打印頭。通常，在3D打印過程中產(chǎn)生的部分的質(zhì)量取決于從打印頭的表面上的噴嘴陣列的粘合劑液體的液滴的可靠和精確的分配。為了保持高性能標準，在3D打印過程中必須時常地維修打印頭。粘合劑液體的液滴在粉末層表面上的沖擊使得粉末物質(zhì)從該粉末層的表面射出。射出的一些物質(zhì)在打印頭的表面上聚集，干擾粘合劑液體液滴的分配。打印頭維修的主要目的是從打印頭的表面上去除這些聚集的碎屑。
打印頭維修的一個方面是維修站，其包括清潔站、排出站和覆蓋(capping)站。在一個實施方式中，打印頭可在至少在兩個方向上相對于維修站移動的滑架內(nèi)處理。打印頭維修的另一方面是軟件算法，其指定每個打印頭何時需要維修。在一個實施方式中，打印頭可在至少在兩個方向上相對于維修站移動的滑架內(nèi)處理。
清潔站的多個實施方式包括至少一個容納部，其用于容納打印頭；至少一個噴嘴，其用于朝向打印頭的打印頭表面(或打印表面)噴射清潔流體；和擦拭器，其可緊鄰于打印頭表面設(shè)置，以去除過多的清潔流體，在某些情形下不接觸打印頭表面。清潔站還可包括防濺罩(splash guard)，用于隔離打印頭表面并防止清潔流體流到打印頭表面之外。防濺罩包括打開位置和密封位置，其中防濺罩被偏壓打開并且通過與打印頭接觸而被從打開位置驅(qū)動到密封位置。防濺罩可包括密封唇，其在密封位置時環(huán)繞打印頭表面。在一個實施方式中，密封唇大致為矩形形狀。擦拭器可由密封唇的一側(cè)形成，并且可包括凹口部分，其構(gòu)造成并設(shè)置成與打印頭表面上的噴嘴陣列的位置相對應(yīng)，以防止該擦拭器接觸噴嘴陣列。該擦拭器能夠相對于打印頭運動。
而且，清潔站可包括流體源，用于在壓力下將清潔流體提供到至少一個噴嘴。清潔流體可通過歧管提供到至少一個噴嘴。在一個實施方式中，該至少一個噴嘴包括一個噴嘴陣列。該至少一個噴嘴可設(shè)置成橫過該打印頭表面噴射清潔流體。在一個實施方式中，打印頭可設(shè)置在滑架內(nèi)，該滑架能夠相對于維修站在兩個方向上運動。
排出站的多個實施方式包括容納部，其限定一個開口，該開口大致對應(yīng)于打印頭的打印頭表面。在一個實施方式中，該容納部限定多個相應(yīng)的開口。該容納部可包括托盤，用于得到和/或引導(dǎo)排出的流體。在一個實施方式中，從打印頭排出的流體被引導(dǎo)到廢液的貯液池。
覆蓋站的多個實施方式包括打印頭蓋支架和設(shè)置在該支架上用于密封打印頭的打印頭表面的至少一個打印頭蓋。通過打印頭接觸支架，使得該蓋在離開位置和覆蓋位置之間移動。覆蓋站可包括多個設(shè)置在該支架上的蓋。在一個實施方式中，支架被偏壓成將至少一個蓋保持在離開位置。該排出站和該覆蓋站可以是一組合站。在此實施方式中，從打印頭的排出能夠限制在由打印頭表面、打印頭蓋和廢液的貯液池所限定的腔體中。
在另一方面，本發(fā)明涉及用于清潔打印頭的裝置。該裝置包括至少一個噴嘴，其用于朝向打印頭的打印頭表面噴射清潔流體；和擦拭器，其可設(shè)置為緊鄰打印頭表面，用于從打印頭表面去除過多的清潔流體。
在一個實施方式中，該裝置包括防濺罩，該防濺罩用于隔離打印頭表面，并防止清潔流體流到打印頭表面之外。防濺罩可包括打開位置和密封位置，其中防濺罩通過與打印頭接觸而被從打開位置驅(qū)動到密封位置。此外，防濺罩可包括密封唇，該密封唇在密封位置環(huán)繞打印頭表面。密封唇大致為矩形形狀。在一個實施方式中，擦拭器由密封唇的一側(cè)形成。該擦拭器可包括凹口部分，其構(gòu)造成并設(shè)置成與打印頭表面上的噴嘴陣列的位置相對應(yīng)，以防止該擦拭器接觸噴嘴陣列。該擦拭器可相對于打印頭運動。此外，該裝置可包括流體源，該流體源用于在壓力下將清潔流體提供到至少一個噴嘴。該至少一個噴嘴可以是一個噴嘴陣列，并且可設(shè)置成橫過整個打印頭表面噴射清潔流體。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種清潔打印頭的方法。該方法包括下列步驟相對于至少一個噴嘴定位打印頭的打印頭表面，操作該至少一個噴嘴以朝向該打印頭表面噴射清潔流體，并且形成擦拭器和該打印頭之間相對運動，以使該擦拭器經(jīng)過該打印頭表面的附近，以去除過多的清潔流體。該擦拭器可包括凹口部分，其構(gòu)造并設(shè)置在該擦拭器上，以與打印頭表面上的噴嘴陣列相對應(yīng)，以防止該擦拭器接觸噴嘴陣列。
在多個實施方式中，定位該打印頭表面的步驟包括密封該打印頭表面，以防止清潔流體流到該打印頭表面之外。該操作步驟包括橫過該打印頭表面噴射清潔流體。此外，打印頭可操作成排出在清潔期間由打印頭吸入的任何清潔流體。在一個實施方式中，該至少一個噴嘴包括一個噴嘴陣列。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于清潔在三維打印機中使用的打印頭的裝置。該裝置包括密封蓋，其限定腔體并能夠與打印頭的打印頭表面接合；清潔流體源，其與該蓋連通，用于清潔打印頭表面；和真空源，其與該蓋連通，用于去除用過的清潔流體和碎屑。操作時，該真空源在該腔體內(nèi)形成負壓，該負壓防止清潔流體進入噴嘴，將清潔流體從清潔流體源吸到該腔體中，和/或從噴嘴吸入粘合劑流體和碎屑中的至少一個。該裝置可還包括設(shè)置成靠近該蓋的擦拭器，該擦拭器設(shè)置成在該打印頭與該蓋脫離時接合到該打印頭表面。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于清潔在三維打印機中使用的打印頭的方法。該方法包括下列步驟使打印頭的打印頭表面與限定一腔體的密封蓋接合；在該腔體中形成真空；和將清潔流體引導(dǎo)到該腔體中，并接觸打印頭表面。該方法可還包括從該腔體中去除清潔流體的步驟。在一個實施方式中，該方法包括使得該蓋從打印頭表面脫離的步驟和由擦拭器擦拭該打印頭表面的步驟。形成真空的步驟在該腔體內(nèi)形成負壓，該負壓將清潔流體吸入到該腔體中，防止清潔流體進入噴嘴和/或從該噴嘴吸入粘合劑流體和碎屑中的至少一個。
在另一實施方式中，本發(fā)明可包括用于清潔該打印頭裝置的可選的方法和裝置。清潔打印頭的方法可包括由包括清潔流體的輥子擦拭該打印頭，拖動振動構(gòu)件穿過該打印頭，通過吸液芯(wick)和/或其組合體通過毛細作用而橫過打印頭抽吸清潔流體。此外，該方法可選地可包括向打印頭施加負壓以去除碎屑的步驟。用于清潔在三維打印機中使用的打印頭的該裝置可包括吸液芯，該吸液芯設(shè)置成與該打印頭相鄰，用于橫過打印頭抽吸清潔流體。
在另一方面，本發(fā)明涉及用于清潔在三維打印機中使用的打印頭的裝置。打印頭內(nèi)部的壓力通常低于大氣壓力。該負壓由形成于該打印頭噴嘴的出口上的彎液的表面張力平衡。理想的是由清潔的清洗溶液將聚集的粉末從打印頭的表面上沖掉，而不會使得該彎液被破壞時將該溶液抽吸到打印頭中。該目的在該裝置中通過在打印頭外側(cè)保持一環(huán)境而實現(xiàn)，其中壓力低于打印頭內(nèi)的壓力。此外，所引起的壓力差使得粘合劑通過噴嘴從該頭部流出，沖掉可能堵塞在噴嘴通道中的任何粉末。該裝置包括基部、設(shè)置在該基部內(nèi)的凸輪軌道、適于在該凸輪軌道內(nèi)滑動地接合的蓋支架和限定一腔體并設(shè)置在該支架上的密封蓋。該蓋可由該支架運送而與該打印頭的表面接合。在多個實施方式中，該裝置包括清潔流體源，其與該蓋連通，用于清潔該打印頭表面；和真空源，其與該蓋連通，用于去除用過的清洗流體和碎屑。
在另一實施方式中，該裝置可還包括彈簧，其連接到該支架；和基部，其將該支架偏壓到容納位置，用于容納該打印頭。在一個實施方式中，該支架包括設(shè)置在該支架遠端的止擋件，用于在打印頭進入到該裝置時，接合該打印頭。該打印頭在接合到該止擋件之后，沿著該凸輪軌道向后滑動該支架，直到該打印頭表面和該蓋可密封地接合。在另一實施方式中，該裝置包括連接到該基部的閂鎖棘爪(latchpawl)，用于與該支架接合，以防止該支架和設(shè)置在該支架近端上的擦拭器向前運動，該擦拭器被設(shè)置成在該打印頭退出該裝置時接合到該打印頭表面。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于清潔在3D打印機中使用的打印頭的方法。該方法包括將該打印頭容納在一裝置內(nèi)的步驟，該裝置包括基部、設(shè)置在該基部內(nèi)的凸輪軌道、與該凸輪軌道可滑動地接合的蓋支架和限定一腔體并設(shè)置在該支架上的密封蓋。額外的步驟包括使打印頭的表面與蓋接合、在腔體內(nèi)抽出真空和將清潔流體引入到該腔體中并接觸打印頭表面。在一個實施方式中，該方法包括從該腔體去除清潔流體的步驟。該方法可還包括在打印頭從該裝置退出時使該蓋從打印表面脫離以及由擦拭器擦拭打印表面。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于清潔或檢修打印頭的裝置。該裝置包括用于朝向打印頭的表面噴射洗滌溶液的噴嘴陣列和設(shè)置在打印頭表面附近用于從打印頭表面去除過多的洗滌溶液的毛細吸收構(gòu)件。
在多個實施方式中，該噴嘴陣列包括一個或多個單獨的噴嘴，該毛細吸收構(gòu)件和打印頭能夠相對運動。流體源也可包括在該裝置中，用于在壓力下將洗滌溶液提供到該噴嘴陣列。在另一實施方式中，毛細吸收構(gòu)件包括可滲透材料和不可滲透材料中的至少一種。
該噴嘴陣列可設(shè)置成相對于該打印頭表面以一定的角度噴射洗滌溶液。在另一實施方式中，毛細吸收構(gòu)件設(shè)置成靠近打印頭表面，而不接觸設(shè)置在打印頭表面上的打印噴嘴。毛細吸收構(gòu)件和打印噴嘴之間的間距可自動地保持。在一個實施方式中，通過使該毛細吸收構(gòu)件的一部分在從打印噴嘴取下的位置處支承在打印頭表面上而保持該間距。該裝置可還包括用于收集洗滌溶液和碎屑的盆。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于清潔或檢修打印頭的方法。該方法包括下列步驟相對于至少一個噴嘴定位打印頭的表面，和操作該至少一個噴嘴朝向該打印頭表面噴射洗滌溶液。然后，通過使得毛細吸收構(gòu)件經(jīng)過打印頭表面附近而不接觸該打印頭表面，以從該打印頭表面去除過多的洗滌溶液。
在一個實施方式中，操作該至少一個噴嘴的步驟包括相對于該打印頭表面以一定的角度噴射洗滌溶液。在另一實施方式中，該方法可包括操作打印頭以排出在清潔期間由打印頭吸入的洗滌溶液。該方法可包括例如通過使該毛細吸收構(gòu)件的一部分在從打印噴嘴取下的位置處支承在打印頭表面上自動地保持毛細吸收構(gòu)件和位于打印頭表面上的打印噴嘴之間的間距。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種確定何時打印頭需要維修的方法。需要進行維修以保持足夠的打印頭性能。然而維修是費時的工作，而且維修過程的一些方面對打印頭有損害。從而希望按計劃維修打印頭，以平衡該過程的正面和負面影響。
識別打印頭需要維修的一種方法是從正在進行的打印操作可獲得的信息間接地推斷打印頭的狀態(tài)。例如通常以基于上次維修后所經(jīng)歷的時間、上次維修后分配的液滴數(shù)量和上次維修后打印的層的數(shù)目間隔地執(zhí)行打印頭維修。當這些指標中的一個或另一個達到預(yù)定觸發(fā)值時進行打印頭的維修?？蛇x地，維修觸發(fā)變量可限定為兩個或多個指標的權(quán)重函數(shù)。在一個實施方式中，用于一個或多個指標的觸發(fā)值被調(diào)整為與正在使用的粉末和粘合劑液體材料的特性相匹配。特定的系數(shù)和相應(yīng)的觸發(fā)值可選擇為適應(yīng)具體的應(yīng)用、環(huán)境和/或打印頭。
特別理想的是識別正在打印的圖像特性，其能夠定量地表示出打印頭維修的需要。這樣一個系數(shù)基于在下面的前面層被打印時打印的液滴在粉末層上的沖擊噴射出更少的碎屑的觀察。打印在前面的層上的粘合劑容易使得粉末粘合在新的層中，使得噴射出更少的碎屑，并且相應(yīng)地更少的碎屑聚集在打印頭表面上。因此，在一個實施方式中，當打印在之前未打印粉末上的液滴的數(shù)目達到了預(yù)定觸發(fā)值時，執(zhí)行打印頭維修?？蛇x地，基于上次維修后分配的液滴數(shù)量的維修間隔可改進以考慮在之前未打印粉末上打印的液滴的比例。在另一實施方式中，若其下方或其附近的任意像素未打印時，下面的層被認為是待打印的。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于確定在三維打印機中使用的打印頭的狀況的方法。該方法包括下列步驟獲得用于打印頭的至少一個運行參數(shù)的數(shù)據(jù)值，并將該數(shù)據(jù)值與閾值相比較，該數(shù)據(jù)值與該閾值的關(guān)系表示了打印頭的狀態(tài)。在一個實施方式中，該方法包括如果該數(shù)據(jù)值超過該閾值則啟動打印頭上的維修程序的步驟。運行參數(shù)可從由下列構(gòu)成的一組中選擇所經(jīng)歷的時間、打印頭所分配的液滴的數(shù)量、所打印的層的數(shù)量、在之前已打印粉末上分配的液滴、在之前未打印粉末上分配的液滴及其組合形式。此外，該數(shù)據(jù)值可在得到期間被補償以考慮三維打印機的運行環(huán)境因素，例如溫度、濕度、粘合劑材料和/或建筑材料。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于確定在三維打印機中使用的打印頭的狀況的方法。該方法包括對由打印頭分配的液滴計數(shù)和確定在之前未打印像素上分配的液滴的百分比的步驟。該方法可包括如果該百分比超過閾值則啟動打印頭上的維修程序的步驟。
通過參照下面的說明、附圖以及權(quán)利要求，這里所公開的本發(fā)明的這些和其他目的以及優(yōu)點和特性將變得更為明顯。此外，需要理解的是，這里所描述的多個實施方式的特性不是彼此唯一的，其可在多個組合形式和變化形式中存在。


在圖中，類似的附圖標記通常在不同視圖中表示相同的部件。此外，附圖不需要成比例，重要的是總體上設(shè)置為解釋本發(fā)明的原理。在下面的說明中，參照下列附圖描述本發(fā)明的多個實施方式，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的三維打印機的示意性立體圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的打印頭滑架的示意性立體圖；圖3A和3B分別是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的維修站的示意性立體圖和示意性平面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式在執(zhí)行排出功能期間在滑架和維修站相互作用的示意圖；圖5A-5D是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的打印頭覆蓋操作的一個實施方式的示意圖；圖6A-6D是根據(jù)本發(fā)明可選實施方式的打印頭排出和覆蓋操作的示意圖；
圖7A-7D是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的打印頭清潔站的示意圖；圖8A-8H是根據(jù)本發(fā)明的打印頭清潔站的可選實施方式的示意圖；圖9A和9B是根據(jù)本發(fā)明的打印頭清潔站的另一可選實施方式的示意圖；圖10A-10D是根據(jù)本發(fā)明的打印頭清潔站的另一可選實施方式的示意圖；圖11A-11J是根據(jù)本發(fā)明用于清潔打印頭的裝置和方法的一個實施方式的示意圖；圖12是圖11A-11J中示出的根據(jù)本發(fā)明實施方式的清潔打印頭的方法的步驟的示意圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的打印操作的示意性立體圖；圖14A和14B是液體粘合劑的液滴在建筑物表面上沖擊的示意圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的打印頭校正過程的示意性立體圖；圖16A和16B是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的對比測試目標和測試花紋校正方法的示意圖；圖17A-17D是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的校正傳感器系統(tǒng)及相關(guān)電子器件的示意圖；圖18是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的用于校正彩色打印頭的方法中一個步驟的示意圖；圖19A和19B是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的測試圖案的詳細示意圖；圖20A-20D是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的水平校正過程的詳細的示意圖；和圖21A和21B是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的豎直校正過程的詳細的示意圖。
具體實施例方式
下面描述本發(fā)明的實施方式。然而，需要明確指出的是，本發(fā)明不限制于這些實施方式，而是還包括對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的變化形式、改進形式及等同形式。
總體上簡單地看，圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式用于形成物體的3D打印機10的示意圖。打印機10通過在建筑物表面165或在容器中布置交替的建筑材料層和粘合劑液體層而形成三維物體，以打印多層而最終形成三維物體。在一些實施方式中，建筑材料可包括粉末，并且粘合劑液體可結(jié)合到建筑物材料中。在一些實施方式中，打印機10可用于形成用于檢查或外觀審查的物理原型。在其它實施方式中，打印機10可用于形成用于鑄造操作的模具或者可用于搜集對潛在產(chǎn)品的市場反饋的原型。
所示出的打印機10包括臺架12、滑架14、維修站組件16和測試圖案18。典型地，臺架12可沿著X軸驅(qū)動而一層接一層地制造物體。在一些實施方式中，可將馬達連接到臺架12。在其它實施方式中，臺架12可連接到螺釘，使得螺釘?shù)霓D(zhuǎn)動沿X軸移動臺架12。在一些實施方式中，臺架12可沿著豎直的Z軸驅(qū)動?？砂葱璧夭捎闷渌ㄎ幌到y(tǒng)。
滑架14典型地包括能夠分配用于形成物體所必需的粘合劑材料的打印頭20(見圖2)。在一些實施方式中，當臺架12沿著X軸移動時，滑架14沿著Y軸來回移動?；?4連接到臺架12。從而當滑架14與臺架12一起穿過打印機10移動時，粘合劑材料可在沿X軸和Y軸橫過打印機10的表面行進期間布置成兩維圖案。然后典型地，橫過打印機10的下一次通過將會是在Z軸的不同平面處，并且在Z軸上的z平面內(nèi)布置的材料與前面布置的材料結(jié)合，而作為所需物體的構(gòu)造的一部分。在一個實施方式中，在建筑臺下方的步進馬達驅(qū)動活塞提供Z軸的運動。
為了進一步提高性能，打印機10還包括維修站16。在一些實施方式中，維修站16設(shè)置在打印機10的固定點處。通常，維修站16維修由滑架14攜帶的打印頭20。維修站16一般位于去除打印頭20上或打印頭20周圍的碎屑或多余材料的物理位置。在一些實施方式中，過多的粘合劑材料被從滑架14去除或排出。通常，滑架14被驅(qū)動到維修站16中，以保持、存儲或保存以免損壞。典型地，維修站16可位于打印機10上任意點處，其中滑架14可以被驅(qū)動，以接合維修站16。測試圖案18也包括在打印機10中。在一些實施方式中，測試圖案18是被打印頭20忽略的測試區(qū)域，以在形成物體時改進滑架14的校正。
在一些實施方式中，滑架14可以出于診斷或維修的目的而移動。移動滑架14使得用戶可以出于維護的目的而接觸到打印頭20，例如清潔或替換。打印頭的清潔在圖6A-6D、7A-7D、8A-8J、9A-9B、10A-10D、11A-11J和12中詳細地示出。在一些實施方式中，打印頭20可被驅(qū)動為運行打印頭20的診斷程序。在可選實施方式中，滑架14可出于維修的目的而從打印機10升起。
在一個實施方式中，打印機10包括密封蓋，以容納打印操作期間所產(chǎn)生的任何灰塵或其它碎屑。該密封區(qū)域可被加熱，以方便在建筑材料和粘合劑材料更好的反應(yīng)。更好的反應(yīng)包括例如更快的反應(yīng)時間和改進的粘合。在一個實施方式中，通過將低速的熱空氣引入到該封閉區(qū)域而實現(xiàn)加熱?？諝獾牧鲃右话悴恢赶蚪ㄖ砻?，以防止在噴灑后干擾建筑材料。在一個實施例中，封閉溫度保持在從約90華氏度到150華氏度，優(yōu)選地從110到135華氏度，更優(yōu)選地約為125華氏度。
圖2更詳細地示出了滑架14的一個實施方式。滑架14通常包括一個或多個打印頭20。典型地，打印頭20是在形成物體期間通過其噴射粘合劑液體的裝置。圖2示出四個打印頭20；然而，在其它實施方式中，可有更多或更少的打印頭20。在一些實施方式中，打印頭20可插入到滑架14中，使得其彼此沿著X軸線偏置。在一些實施方式中，該偏置沿著X軸線基本上偏置相同的距離。在其它實施方式中，打印頭20可在滑架14內(nèi)交錯，使得打印頭20之間的距離變化。
圖3A和3B更詳細地示出了維修站16的一個實施方式。維修站16典型地包括排出站22、打印頭覆蓋站24和打印頭清潔站29。在多個實施方式中，滑架14可以以任意順序及任意次數(shù)與排出站22、打印頭覆蓋站24和打印頭清潔站29接合。在一些實施方式中，滑架14可連續(xù)地與同一站多次接合，例如排出站22。在其它實施方式中，滑架14可在排出站22、打印頭覆蓋站24和打印頭清潔站29任意之間以任意順序及任意次數(shù)重復(fù)地交替。在一些實施方式中，滑架14的打印頭20與維修站16接合，以在形成物體期間對打印頭20執(zhí)行維護操作。
通常，排出站22包括排出開口28，打印頭20可通過該排出開口排出碎屑，例如弄臟的粘合劑。排出開口28的數(shù)目可以變化。排出站22典型地是一個區(qū)域，其中打印頭20可排出這些材料，從而防止污染物在打印頭20中過量地堆積(這可能會影響打印質(zhì)量)。典型地，容納進入該排出站的碎屑，使得其不會弄臟打印頭20、滑架14、維修站16或打印機10的任意其它部件。
在一些實施方式中，打印頭20可驅(qū)動到排出開口28的正上方，其中打印頭20通過該排出開口28排出過量的粘合材料或其它廢棄物。通常，該廢棄物收集在容納部47中(見圖4)。在一些實施方式中，滑架14被驅(qū)動到維修站16正上方的位置，打印頭20在維修站16表面處位于排出開口28上方。在一些實施方式中，打印頭20的底面可延伸到排出開口28的表面平面之下，其中打印頭20可排出材料，以便于去除打印頭20上的污染物或過量的建筑材料。然后，該材料進入容納部47。在一個實施方式中，排出開口28位于容納部47上方。通常，容納部47位于排出開口28下方的位置，其中打印頭20排出該材料。在一些實施方式中，容納部47可包括用于容納所排出的材料的貯存器。
通常，打印頭覆蓋站24位于打印頭20由打印頭蓋26覆蓋的區(qū)域。在一個實施方式中，每個打印頭20有一個打印頭蓋26。通常，由于滑架14與打印頭覆蓋站24接合，打印頭蓋26被驅(qū)動到環(huán)繞打印頭20的位置，使得打印頭蓋26形成繞打印頭表面54的密封(見圖5D)。打印頭蓋26保護打印頭20大體上避免污染、碎屑以及通常由于與打印頭20接觸而產(chǎn)生的物理損壞、劣化和元件。通常，打印頭覆蓋站24可在任意位置相對于接合排出站22或打印頭清潔站29的打印頭20及時地覆蓋打印頭20。通常，打印頭蓋26環(huán)繞打印頭20，以形成密封而防止例如干燥的損壞出現(xiàn)在打印頭20上。在一些實施方式中，維護可包括在打印頭20上或在打印頭20周圍的清潔。出于解釋的目的，僅示出了單個維修站16；然而可存在多個維修站16?？蛇x地，通過例如連續(xù)地相對維修站16定位打印頭20，單個維修站16可維修多個打印頭20。
打印頭清潔站29一般包括可清潔打印頭20的區(qū)域。在一個實施方式中，打印頭20可由加壓洗滌溶液92(參見圖8E)清潔。在一些實施方式中，在打印頭20將材料排出到容納部47中之后，打印頭20進入打印頭清潔站29。在其它實施方式中，打印頭20可進入打印頭清潔站29而無需首先將材料排出到容納部47中。在另外的實施方式中，打印頭20可重復(fù)地或者以任意順序進入打印頭清潔站29和排出站22。典型地，清潔站29通過以這樣的方式清洗打印頭20而對其進行清潔從打印頭20去除任何碎屑，并且自身容納有加壓洗滌溶液92，從而其不會弄臟打印頭20或打印機10的任何其它部件。例如在一個實施方式中，打印頭20在密封的環(huán)境中清潔，以容納任何碎屑和清潔材料。在另一實施方式中，打印頭20在清潔期間是被保護的，使得不會有過量的碎屑或清潔材料留在打印頭20上，這些物質(zhì)稍后將滴落到打印機10的任意部件上，例如建筑表面165。在一個實施方式中，每次清潔一個打印頭20。在另一實施方式中，可同時清潔多個打印頭20。在其它實施方式中，可相對于滑架14與維修站16的任意其它部件的接合以任意順序、在任意時間重復(fù)地清潔打印頭20。在一個實施方式中，打印機10包括用于確定何時清潔打印頭20的邏輯運算(logic)，這將在下面更詳細地討論。
圖3B是圖3A的維修站16的平面圖。從立體圖看出，滑架14沿X軸被驅(qū)動，使得打印頭20與排出開口28對準。在一個實施方式中，當此對準完成時，打印頭20通過排出開口28排出殘留物或廢棄材料。在一些實施方式中，該排出物可包括粘合劑材料或其它建筑材料。在一些實施方式中，在排出后，打印頭20進一步沿著X軸驅(qū)動到打印頭覆蓋站24，其中打印頭蓋26形成在打印頭20周圍的密封。在打印頭20周圍由打印頭蓋26形成的密封總體上保護打印頭20遠離元件、碎屑或殘留的粘合劑材料的污染，并防止打印頭20干燥。
圖4是本發(fā)明一個實施方式的排出功能的示意圖，由此粘合劑材料和碎屑41從打印頭20排出。在一些實施方式中，粘合劑碎屑41可包括過量的建筑材料。在一些實施方式中，在滑架14每次橫過建筑物表面165后，執(zhí)行該排出功能。在其它實施方式中，該排出功能可在滑架14任意給定數(shù)目的跨行之后周期性地進行。在其它一些實施方式中，該功能可以以固定的時間間隔進行。在此解釋性的實施方式中，滑架14定位在維修站16上方，使得打印頭20排成直線與孔板40形成空間的縫隙。在一些實施方式中，該孔板40包括環(huán)繞排出開口28的固體表面(見圖3B)，在滑架14合適地定位之后，打印頭20排出碎屑41或其它廢棄物。通常，碎屑41包括污染物，例如殘留在打印頭20中的過量的粘合劑材料。在一個實施方式中，碎屑41進入到廢液收集盤(catch tray)43中的廢液42。在一些實施方式中，廢液42可包括來自打印頭20的之前排出物的排出物。在排出時，粘合劑液體41的液滴撞擊在廢液42的貯液池的表面上，使得濺射最小，并且不會產(chǎn)生不需要的廢液浮質(zhì)。溢流道44位于容納部47底部上方一定距離處，足以保持廢液42的貯液池。通常，廢液42接著從溢流道44向下流動，其中其最終通過排水管45從維修站16排出。在一些實施方式中，任何溢出的廢液46也通過排水管45從廢液收集盤43排出，從而防止弄臟維修站16。
圖5A示出了本發(fā)明的覆蓋功能的一個實施方式，其中每個打印頭20由一個蓋密封。在一些實施方式中，這個覆蓋功能可在打印機10上通過任意給定次數(shù)后進行。在另外的實施方式中，該功能可在固定的時間間隔或在完成打印后進行。在圖5B中，滑架14沿著X軸驅(qū)動，并定位在維修站16上方，在此解釋性的實施方式中，在打印頭20和打印頭蓋26之間有空間縫隙。在這個位置處，打印頭蓋26還未覆蓋住打印頭20。通常，打印頭蓋26保持靜止，直到打印頭蓋驅(qū)動器50接合打印頭蓋支架52。在一些實施方式中，滑架14已經(jīng)移動到孔板40和排出開口28之外，從而在一些實施方式中，打印頭20可能已經(jīng)將碎屑41排出到廢液收集盤43中。在一些實施方式中，滑架14可以已經(jīng)驅(qū)動到打印頭清潔站29上方。在一些實施方式中，當滑架14連續(xù)地沿著X軸驅(qū)動時，打印頭蓋驅(qū)動器50與打印頭蓋支架52接合。通常，打印頭蓋驅(qū)動器50可包括金屬、塑料或具有足夠剛度的橡膠附件，以使得打印頭蓋支架52沿著X軸與滑架14一起移動。
圖5C-5D示出了該覆蓋功能的完成。典型地，打印頭蓋支架52為固定到維修站16并具有彈性系數(shù)的金屬或其它固體材料，從而滑架14和打印頭蓋驅(qū)動器50沿著X軸的運動使得打印頭蓋支架52在相同方向上沿著X軸移動。在一些實施方式中，打印頭蓋支架52的X軸運動又使得打印頭蓋26沿著Z軸運動，它們最后覆蓋住打印頭20。在其它實施方式中，包括打印頭蓋驅(qū)動器50的滑架14和打印頭蓋支架52在滑架運動的方向53上停止運動，并且打印頭20被覆蓋住。
通常，打印頭蓋驅(qū)動器50和打印頭蓋支架52接合，使得打印頭蓋支架52在打印頭蓋驅(qū)動器50運動的方向上運動。在一些實施方式中，打印頭蓋支架52包括彈性元件601，其中在彈性元件601壓縮時，打印頭蓋支架將相對于維修站16的外壁樞轉(zhuǎn)。該樞轉(zhuǎn)使得打印頭蓋26朝向打印頭20不均勻地驅(qū)動。因而，打印頭蓋26最為遠離打印頭蓋驅(qū)動器50的邊緣將開始接觸到打印頭20。在一些實施方式中，最初首先與打印頭20接觸的是最靠近打印頭蓋驅(qū)動器50的打印頭蓋26的邊緣。在上述任意實施方式中，打印頭蓋26繼續(xù)朝向打印頭20驅(qū)動，直到打印頭蓋26下降并環(huán)繞打印頭20。在一些實施方式中，打印頭蓋26在打印頭20周圍形成密封。在一個實施方式中，一個打印頭20由一個打印頭蓋26所覆蓋。在一個實施方式中，多個打印頭蓋26覆蓋多個打印頭20。通常，每個打印頭20使用一個打印頭蓋26。通常，相對于滑架14與打印機10的任意其它部件的接合，打印頭20可由打印頭蓋26以任意次數(shù)和任何次序覆蓋。
如圖5C和5D所示，打印頭蓋支架52包括臂600、彈性元件601和板602。通常，臂600與打印頭蓋驅(qū)動器50接合，并在打印頭蓋驅(qū)動器53運動的方向上移動。該運動使得彈性元件601壓縮，從而引起樞轉(zhuǎn)運動。該樞轉(zhuǎn)運動使得板602朝向打印頭20運動。打印頭蓋26典型地設(shè)置在板602的上表面上。在一個實施方式中，板602是剛性的，因而打印頭蓋26傾斜地靠近打印頭20，使得打印頭蓋26的一個邊緣在打印頭蓋26的任何其它邊緣接合打印頭20之前接合到打印頭20。在不同的實施方式中，打印頭蓋26的任意邊緣接合打印頭20。典型地，在打印頭蓋26的任一邊緣和打印頭20之間的首次接合后，板602繼續(xù)運動，直到打印頭蓋26環(huán)繞打印頭20。特別地，板602可響應(yīng)于滑架14的驅(qū)動力而彎曲或撓曲，直到板602呈現(xiàn)大致水平的取向。
圖5C包括維修站16和滑架14的剖視截面圖。在說明性實施方式中，滑架14沿著X軸在滑架運動的指示方向(箭頭53)上驅(qū)動。打印頭蓋驅(qū)動器50將接觸到打印頭蓋支架52，并且打印頭蓋驅(qū)動器50和打印頭蓋支架52都將沿著滑架運動的方向53運動。在說明性實施方式中，打印頭蓋26位于打印頭蓋支架52上。因而，打印頭蓋支架52在滑架運動方向53上的運動使得打印頭蓋26沿著Z軸運動。圖5C包括滑架14和維修站16的剖視示意圖。圖5C示出了當滑架14在滑架的運動方向53上運動時打印頭蓋驅(qū)動器50和打印頭蓋支架52之間的接觸點。在此實施方式中，在該位置處，在打印頭20和打印頭蓋26之間存在一個空間縫隙，從而打印頭蓋26還未密封打印頭20。
圖5D是處于從圖5C的時間向前一段時間的一個位置的滑架14和維修站16的示意圖，使得打印頭蓋26覆蓋住打印頭20的打印頭表面54。典型地，打印頭表面54包括打印頭20的底面，其包括并環(huán)繞粘合劑材料從打印頭20排出的位置。在此說明性實施方式中，滑架運動53使得打印頭蓋驅(qū)動器50接合并在滑架運動方向53上移動該打印頭蓋支架52。在此實施方式中，打印頭表面54具有由打印頭蓋26在其周圍形成的保護性密封。通常，該蓋或密封足以保護打印頭表面54免遭損壞或弄臟，在一些實施方式中，由打印頭蓋形成的密封可以是氣密性的。
圖6A是維修站16的可選實施方式的部分截面?zhèn)纫晥D，該維修站包括組合的排出和覆蓋站。在此解釋性實施方式中，滑架14在滑架運動方向53上驅(qū)動(沿著X軸)，并將自身定位在維修站16上方。在一些實施方式中，滑架14的驅(qū)動為從打印頭20的排出作準備。在此解釋性實施方式中，廢液收集盤43包括廢液42。通常，廢液42由打印頭20之前橫過維修站16的上次排出所產(chǎn)生。在一些實施方式中，打印頭蓋60的下邊緣可延伸到由廢液收集盤43所限定的區(qū)域中，但是通常，打印頭蓋60的下邊緣不接觸廢液收集盤43的底表面，因而廢液42自由地流動并聚集在廢液收集盤43中，直到廢液表面61升高到溢流道44的頂部。在這樣的位置，廢液42接著通過溢流槽62進入廢液溢流管63。通常，廢液溢流管63將廢液42帶出維修站16。
圖6B到6D更詳細地示出了覆蓋和排出功能?；?4在滑架運動方向53上運動，并被定位在維修站16上方。圖6B示出一種實施方式，其中打印頭蓋驅(qū)動器50和打印頭蓋支架52之間形成接觸，但是打印頭蓋支架還未在滑架運動方向53上運動足夠遠，以抬起打印頭蓋26到其覆蓋打印頭20的位置。圖6C示出了從圖6B的時間上稍后一點的實施方式。如圖6C所示，打印頭蓋支架52在滑架運動方向53上運動了所需的距離，以將打印頭蓋26抬起到其在打印頭20周圍形成密封的位置。該覆蓋功能與圖5A-5D中描述的大致類似。在一些實施方式中，打印頭蓋26包括限定腔64的排出柱67。打印頭20通過排出柱將廢液排出到廢液收集盤43。如圖6C所示，打印頭20將碎屑41排出到廢液收集盤43，其中其與任何現(xiàn)存的廢液42混合。在一些實施方式中，在溢流廢液65時，收集的廢液42將經(jīng)過溢流道44并向前行進通過溢流槽62且向下經(jīng)過廢液溢流管63，其中其最后將從維修站16排出。通常，該排出過程確保打印頭20和打印頭表面清潔且無阻塞，以保持三維打印機的可能最高的品質(zhì)。在一些實施方式中，多個打印頭20可基本上在同一時間排出材料。
再次參照圖6C，在一些實施方式中，密封可形成于由排出腔64限定的區(qū)域中。通常，腔64在頂部由打印頭20和打印頭蓋26限制，在底部由廢液表面61限制，側(cè)部由排出柱67限制。在一個實施方式中，廢液收集盤43中廢液61的表面的液面高度足夠高，以淹沒排出柱67的底部。排出柱67的底部的最低點位于溢流道44的最低點之下，這防止廢液42在排出柱的最低點下方滴落。在此情形下，當打印頭蓋26抵靠著打印頭20的打印頭表面54密封時，腔64是氣密的，從而防止打印頭表面54干躁。在此實施方式中，排出物41被阻止在除了通過廢液溢流管63的其它任意方向從腔64溢出，這里排出物41無害地離開維修站16。該示例性實施方式使得排出物41弄臟打印機10的任意部件的危險最小。
圖7A-7D示出了根據(jù)本發(fā)明的打印頭清潔站500的一個實施方式。打印頭清潔站500還可安裝在維修站16中。打印頭清潔站500包括保存洗滌溶液543的貯存器542和在壓力下將洗滌溶液543分配到至少一個噴嘴540和優(yōu)選一組噴嘴540的泵545。噴嘴540能夠產(chǎn)生洗滌溶液543的高速流。運行時，噴嘴540指向到打印頭520的打印頭表面577。當指向到打印頭表面577時，清潔溶液543散開并從打印頭表面577去除污染物例如建筑物材料和粘合材料。噴嘴540的方位可相對于打印頭表面577成角度，使得流體流動沿著打印頭表面577的平面引入。例如洗滌溶液可在最靠近噴嘴540的側(cè)部接觸打印頭520，并從最遠離噴嘴540的打印頭520的側(cè)部排出。該方法通過減小洗滌溶液在打印頭表面577上的聚集以及洗滌溶液543和碎屑的量而起到改進洗滌溶液543流的功效，否則該碎屑將在噴嘴540附近排出并干涉噴嘴540。防濺罩還可包括在打印頭清潔站500中，以容納液體洗滌溶液543流產(chǎn)生的濺射。
在噴嘴540的操作完成后，希望去除殘留在打印頭表面577上的大部分洗滌溶液543。這在傳統(tǒng)上通過拖動擦拭元件橫過打印頭表面577而實現(xiàn)。該方法的缺點在于擦拭元件和打印頭表面577之間的接觸可能由于例如損壞噴墨噴嘴孔的邊緣而降低打印頭520的性能。因此，本發(fā)明的目的是提供一種從打印頭表面577去除聚集的洗滌溶液的裝置，而不接觸噴墨噴嘴附近的精細的區(qū)域。在一個實施方式中，毛細吸收構(gòu)件544可設(shè)置為使得打印頭表面577可在其上表面546上方非常接近的位置通過一次或多次，而不發(fā)生接觸。允許毛細吸力將聚集的洗滌溶液543從打印頭表面577抽走。毛細吸收構(gòu)件544可由剛性的、半剛性的或者適應(yīng)(compliant)材料制成，并且可具有吸收或不可滲透的特性，或者其任意的組合形式。
對于毛細吸收構(gòu)件544，為了有效地從打印頭表面577去除聚集的洗滌溶液543，毛細吸收構(gòu)件544的上表面546和打印頭表面577之間的縫隙必需要小，期望范圍介于約0英寸到約0.03英寸之間。本發(fā)明的另一目的是提供一種裝置，用于將該縫隙保持在該范圍內(nèi)，而不用求助于精細的、剛性的和昂貴的部件。
在另一實施方式中，毛細吸收構(gòu)件544可由適應(yīng)的橡膠片構(gòu)成，該橡膠片的方向與毛細吸收構(gòu)件544和打印頭520之間的相對運動的方向547大致垂直，并且毛細吸收構(gòu)件544的一部分上表面546設(shè)置成其僅在遠離打印頭噴嘴孔的非重要區(qū)域內(nèi)輕輕地接觸或干涉打印頭表面577。毛細吸收構(gòu)件544的上表面546在一些位置可包括一個或多個凹口548，在這些位置處毛細吸收構(gòu)件544不然將接觸到打印頭表面577的精密部件。選擇系統(tǒng)尺寸使得毛細吸收構(gòu)件544總是接觸打印頭表面577，并且在打印頭520穿過該毛細吸收構(gòu)件時其彎折，這與打印頭520和打印頭清潔站500的相對位置中的期望變化無關(guān)。因此上表面546隨著打印頭表面577的位置而移動，通過在打印頭表面577和下降表面凹口548之間延伸的一個基本上恒定的空間而保持。為了進一步延長打印頭520的壽命，毛細吸收構(gòu)件544的彎曲區(qū)域可以具有減小的截面，以提供更可靠的彎曲行為，并且毛細吸收構(gòu)件544的上表面546具有較小的變形。
圖7B-7D示出了根據(jù)本發(fā)明的修復(fù)循環(huán)。圖7B示出打印頭520沿著箭頭547所指示的路徑接近打印頭清潔站500。當打印頭520輕輕地接觸毛細吸收構(gòu)件544時，如圖7C所示，沿著路徑547的運動停止，并且洗滌溶液543由噴嘴陣列540導(dǎo)引到打印頭表面577。當噴射操作完成時，打印頭520繼續(xù)沿著路徑547行進，如圖7D所示。毛細吸收構(gòu)件544進一步變形為允許打印頭520通過，并且聚集的洗滌溶液543由毛細作用從打印頭表面577帶走。在噴射和擦拭之后，在一些實施方式中，打印頭520可打印大量液滴，以噴出可能在修復(fù)過程期間已經(jīng)吸入的任何洗滌溶液。
預(yù)期有另外的清潔方法，例如由圓柱形的“漆輥”擦拭打印頭表面577，該漆輥通過在洗滌流體的容器中滾動而使自身清潔并保持潮濕。在另一實施方式中，清潔系統(tǒng)可包括連續(xù)的細絲，其將洗滌流體向上帶到打印頭表面577，并將碎屑帶到貯槽中。該系統(tǒng)可包括能在細絲上運行的小刮刀，以去除內(nèi)在的碎屑。
圖8A示出根據(jù)本發(fā)明的清潔站529的可選實施方式。通常，打印機10能夠確定何時通過維修站16清潔打印頭20，這將在下面更詳細地描述。在一些實施方式中，只有單個打印頭20由維修站16清潔。在其它實施方式中，清潔多個打印頭20。在一些實施方式中，維修站16包括噴嘴歧管80。通常，噴嘴歧管80包括至少一個噴嘴540，并優(yōu)選地一組噴嘴540。在一些實施方式中，維修站16包括防濺罩81。通常，防濺罩81被包括在打印頭清潔站529中，以容納由洗滌溶液543流產(chǎn)生的飛濺。典型地，防濺罩81通過容納洗滌溶液543防止粉末或粘合材料而污染。通常，除了增加歧管80和防濺罩81之外，清潔站529與參照圖7A-7D描述的清潔站500一樣運行。
圖8B是位于打印頭清潔站529內(nèi)的防濺罩81的示意圖。防濺罩81通常包括凹口82、排出孔83、驅(qū)動表面89、彎曲點85和密封唇86。圖8C-8H示出清潔站529的運行。典型地，打印頭20被這樣驅(qū)動打印頭表面54在凹口82正上方經(jīng)過，而沒有接觸凹口82的表面。典型地，避免在打印頭表面54和凹口82之間的接觸防止破壞或改變打印頭表面54上的噴嘴的軌跡。在一個實施方式中，密封唇86可用作擦拭器，在打印頭表面54附近接觸打印頭20，而不接觸打印頭表面54自身。一旦打印頭20已經(jīng)清潔了凹口82，它們進入排出孔83正上方的空間內(nèi)。通常，排出孔83用于洗滌溶液543流過。一旦打印頭20設(shè)置為大致位于排出孔83上方，打印頭20接合到驅(qū)動表面89。典型地，打印頭20接合到驅(qū)動表面89，從而使得防濺罩81沿著彎曲點85彎曲。在一些實施方式中，彎曲點85包括樞轉(zhuǎn)點，該樞轉(zhuǎn)點允許包括凹口82、排出孔83、驅(qū)動表面89和密封唇86的防濺罩81的至少一部分在驅(qū)動打印頭20的方向上樞轉(zhuǎn)。通常，在彎曲點85處的這種樞轉(zhuǎn)將排出孔83抬高到打印頭20，使得密封唇86接觸打印頭20。通常，密封唇86被驅(qū)動到一個位置，其中密封唇形成在打印頭表面54周圍的密封。典型地，由密封唇86形成的密封是不漏水的，從而防止洗滌溶液543弄臟打印機10。通常，用于已用過的洗滌溶液543的唯一可用的出口是通過排出孔83。
圖8C包括打印頭20在其接近維修站16時的另一個立體圖。圖8C大致示出由維修站16執(zhí)行的清潔操作的開始位置。在說明性的實施方式中，打印頭20在打印頭運動的方向87上驅(qū)動，使得打印頭表面54被帶到維修站16上方。當打印頭20正在被驅(qū)動時，打印頭側(cè)部88將接合防濺罩81的驅(qū)動表面89。在此接合后，打印頭20移動驅(qū)動表面89，使得密封唇86在打印頭表面54周圍形成密封(見圖8D)。在一些實施方式中，驅(qū)動表面89在樞轉(zhuǎn)點85處樞轉(zhuǎn)。在一些實施方式中，彎曲連接部85可包括彈性元件。通常，該過程使得由防濺罩81在打印頭20的鄰近于打印頭表面54的下側(cè)周圍形成不滲水的密封。
圖8D示出打印頭20移動到其在維修站16上方的期望位置。通常，這是維修站16將要清潔打印頭20的位置。如圖8D所示，驅(qū)動表面89在打印頭表面54的一部分周圍密封打印頭20。該密封由防濺唇86在打印頭表面54周圍完成。通常，防濺唇86是防濺罩81的一部分。在一個實施方式中，當打印頭210正在通過其接觸驅(qū)動表面89而驅(qū)動防濺罩81時，由此產(chǎn)生的防濺罩81的運動還將密封唇86移動到抵靠住打印頭20底部并沿著打印頭表面54的位置。在一些實施方式中，密封唇86處于抵靠著打印頭20的底面而抵靠著打印頭表面54。通常，與沿著打印頭側(cè)部88相對的，在打印頭20的底面上形成圍繞打印頭表面54的密封是所希望的，因為其防止弄臟打印頭側(cè)部88或打印頭20的任何其它側(cè)。例如，殘留在打印頭20上的洗滌溶液可能在打印期間滴落，從而影響打印質(zhì)量。
圖8E是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式在由維修站16清潔打印頭20的期間維修站16的局部剖開的側(cè)視圖。在打印頭表面54周圍形成密封后，噴嘴歧管80噴射洗滌溶液射流91。通常，噴嘴歧管80包括加壓洗滌溶液92。在一個實施方式中，加壓洗滌溶液92以單個射流91噴射到打印頭表面54。在其他實施方式中，有洗滌溶液92的多個射流91。運行時，洗滌溶液射流91朝向到打印頭20的打印頭表面54。當朝向到打印頭表面54上時，洗滌溶液射流91從打印頭表面54疏松并去除污染物，例如粘合材料。洗滌溶液射流91的取向可相對于打印頭表面54傾斜，使得流體流動被引導(dǎo)到打印頭表面54的平面上。例如，在一個實施方式中，洗滌溶液射流91可在最靠近噴嘴歧管80的一側(cè)接觸到打印頭20，并從打印頭20的最遠離噴嘴歧管80的一側(cè)排出。這種方法通過減少洗滌溶液92在打印頭表面54上的聚集以及加壓洗滌溶液92和碎屑的量而改進了洗滌溶液射流91的效率，否則它們將在噴嘴歧管80附近排出并與噴嘴歧管80干涉。圖8F是圖8E中示出的發(fā)明的另一部分剖視圖。打印頭表面54位于用于清潔的合適位置。密封唇86在打印頭表面54周圍形成的密封，從而保護打印頭20的其余部分免遭污染。
圖8G示出在清潔操作完成后，打印頭20從維修站16出來的運動。打印頭20目前在打印頭運動方向93上運動遠離維修站16。這與進入維修站16時使用的滑架運動方向53基本上相同。當打印頭20被從維修站16向外驅(qū)動時，打印頭表面54被帶到密封唇86和凹口82上方。在一些實施方式中，密封唇86可用作擦拭器并從打印頭20的底部靠近打印頭表面54的區(qū)域上帶走碎屑和洗滌溶液92；然而，凹口82阻止密封唇86和打印頭表面54在對應(yīng)于噴嘴的位置的區(qū)域接觸。密封唇86和打印頭表面54之間的接觸可通過例如損壞打印頭表面54上的噴嘴孔的邊緣而降低打印頭20的性能。然而，在噴嘴歧管80的操作完成后，仍然希望去除殘留在打印頭表面54上的大部分洗滌溶液92。因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于從打印頭表面54上去除聚集的洗滌溶液的裝置，并且不接觸打印頭表面54上噴嘴周圍的精密區(qū)域。因為在一個實施方式中，凹口82阻止密封唇86和打印頭表面54之間直接接觸，毛細吸收構(gòu)件544(如上所述)可設(shè)置為使得打印頭表面54可非常接近地一次或多次在毛細吸收構(gòu)件544上方通過，而沒有接觸，允許毛細吸力將聚集的洗滌溶液92從打印頭表面54抽走。圖8H示出了圖8A的維修站16的部分剖開的仰視立體圖。這里可見到在清潔后打印頭20被驅(qū)動遠離維修站16時打印頭表面54的敏感部分通過凹口82上方。通常，打印頭54的敏感部分包括打印頭噴嘴陣列。
圖9A和9B示出了圖8B的防濺罩81的可選實施方式。在此實施方式中，防濺罩81包括錐形密封表面94。通常，錐形密封表面94形成為使得其在由打印頭邊緣95所形成的角落周圍形成密封。從而，在此實施方式中的密封通過錐形的密封表面94而形成，密封表面94接觸打印頭20的打印頭表面54以及打印頭側(cè)部88。從而，由這種實施方式形成的密封包在打印頭20的邊緣周圍，以在清潔操作期間容納洗滌溶液92。圖9A和9B的可選防濺罩81及其相關(guān)部件的操作與上所述的大致類似。
圖10A-10D示出了圖8B的防濺罩81的另一可選實施方式。在此實施方式中，防濺罩81再次由防濺密封唇86形成密封；然而，在此實施方式中，防濺罩81由防濺罩支撐彈簧102驅(qū)動到在打印頭表面54周圍的密封位置。該過程與覆蓋操作中覆蓋打印頭20所使用的過程類似。通常，打印頭20在打印頭運動的第一方向(箭頭100)上被帶到維修站16上方。一旦大致位于排出孔83上方，打印頭運動方向改變?yōu)榕c打印頭運動大致垂直的方向(箭頭101)。在一些實施方式中，打印頭運動方向101與上述打印頭運動方向100垂直?，F(xiàn)在打印頭20在打印頭運動的第二方向101上前進，直到打印頭側(cè)部88接合到防濺支撐彈簧102(見圖10B)。如圖10C所示，防濺罩支撐彈簧102在打印頭運動的第二方向101上前進。該運動將防濺罩81接合到打印頭表面54。
一旦如上所述執(zhí)行清潔操作，打印頭20在打印頭運動的第三方向(箭頭103)上運動遠離維修站16。通常，當打印頭20與維修站16脫開時，打印頭運動的第三方向103與打印頭運動的第一方向100相對。該脫開打破了由防濺密封唇86所形成的密封，并且打印頭表面54被帶到密封唇86上方，在那里可執(zhí)行擦拭件操作，以從打印頭表面54上去除碎屑或洗滌溶液92。如上所述，還可執(zhí)行吸液操作。
圖11A-11J示出了用于清潔打印頭20的可選系統(tǒng)146。該系統(tǒng)146位于維修站16中(圖1)。在一個實施方式中，系統(tǒng)146包括清潔站148，該清潔站大體上由閂鎖棘爪152、彈簧154、擦拭件156、打印頭蓋158、蓋支架192、第二彈簧162和凸輪軌道164組成。為了解釋的目的，圖中僅示出了一個清潔站148。然而，也可將多個站148設(shè)置在維修站16中。可選地，通過例如相對于清潔站148連續(xù)地定位打印頭20，單個清潔站148可用于多個打印頭20。
圖11A表示了清潔系統(tǒng)146的開始位置。如圖11B所示，打印頭20靠近清潔站148并接合閂鎖棘爪152。當打印頭20經(jīng)過閂鎖棘爪152時，閂鎖棘爪152被驅(qū)動。打印頭20繼續(xù)移動經(jīng)過閂鎖棘爪152并接合擦拭件156(圖11C)。打印頭20經(jīng)過擦拭件156。如圖11D所示，打印頭20接觸蓋支架192，該蓋支架192沿著凸輪軌道164被驅(qū)動并擠壓彈簧162。打印頭蓋26設(shè)置為抵靠打印頭表面54(圖11E和11F)。如圖11F所示，打印頭蓋26密封住打印頭表面54，同時該表面54由洗滌溶液92沖洗(見圖11F)。
在打印頭表面54清潔后，打印頭20開始移出維修站16(圖11G)。閂鎖棘爪152接合蓋支架192并使其運動停止。如圖11H所示，打印頭20接合擦拭印頭表面54的擦拭件156。在可選實施方式中，擦拭件156振動以進一步清潔打印頭表面54。在可選實施方式中，擦拭件156可在與噴嘴位置相對應(yīng)的區(qū)域開凹口，從而防止擦拭件156和打印頭表面54之間接觸。打印頭20繼續(xù)向前運動，驅(qū)動閂鎖棘爪152(圖11I)，該閂鎖棘爪152又釋放蓋支架192(圖11J)。蓋支架192急速返回其開始位置。在打印頭表面54清潔后，打印頭20開始移出維修站16(圖11G)。系統(tǒng)146現(xiàn)在準備清潔另一打印頭20。
圖12示出了用于清潔打印頭20的系統(tǒng)146。(圖12還更詳細地示出了圖11F)打印頭20設(shè)置成由打印頭表面54抵靠著打印頭蓋26，該打印頭蓋在此實施方式中由橡膠制成。該蓋包括密封唇172，用于繞打印頭表面54密封。維修站16通過供應(yīng)管184連接到洗滌流體供應(yīng)容器182，并通過回收管188連接到洗滌流體回收容器186。洗滌流體回收容器186通過真空管190與真空源180(在此情況下為真空泵)連通。此外，閥178位于回收管188中。閥178可由手動或自動驅(qū)動。
運行時，真空源180在打印頭蓋54的腔體174內(nèi)形成真空。該真空通過供應(yīng)管184從供應(yīng)容器182抽出洗滌流體。該洗滌流體如噴霧176那樣進入腔體174打在打印頭表面54上。噴霧176從打印頭表面54洗掉碎屑，例如過多的建筑材料和干燥的粘合劑。使用過的洗滌流體和碎屑由真空源180從腔體174中抽出并通過回收管188進入到回收容器186中。此外，在腔體174內(nèi)由真空源180形成的負壓防止洗滌流體進入噴嘴，并且實際上可能使得少量的粘合劑流出噴嘴，以從噴嘴沖出任意的粉末建筑材料。噴嘴中的阻塞物或障礙物可使得在錯誤的方向上開始噴射。一旦操作完成，系統(tǒng)146移動到圖11G示出的步驟。在可選實施方式中，打印頭20設(shè)置在維修站16上方。密封唇86被驅(qū)動為與打印頭20對齊，并且打印頭20被從下方擦拭并潤滑，以去除任何聚集的碎粒并提高粘合材料流出打印頭20的流動性。特別地，潤滑器將潤滑劑施加到打印頭表面20上，以使打印頭表面54上的任何碎屑潮濕。然后，打印頭20移動并使打印頭表面54穿過密封唇86，該密封唇用作擦拭器并將打印頭表面54擦拭干凈。
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明3D打印機的典型的打印操作。為了清楚起見，僅示出了一個打印頭220。打印頭220在粉末層200上方移動，該粉末層200已經(jīng)在3D打印機的建筑表面上鋪開(例如如圖1所示)。如前所述，打印頭220可沿著X軸和Y軸方向移動。在所述操作中，打印頭220在單一方向(箭頭202)上移動。當打印頭220在粉末層200上方行進時，打印頭220由以下方式執(zhí)行打印操作通過以預(yù)定的方式將液體粘合劑的液滴212附著到粉末層200上，從而在粉末層200上形成打印部分204和未打印部分206。
在粉末層200上打印后，新一層粉末在粉末層200上鋪開，以準備容納新的打印體218。當打印頭220將液滴212附著到粉末層200上時，粉末的顆粒210由液滴212的沖擊噴出在粉末層200上(見圖14A和14B)。這些顆粒210可最終接觸并粘附到打印頭220。因而碎屑216通過例如與打印頭噴嘴208發(fā)生干涉而降低打印質(zhì)量。所噴出的顆粒210的量將部分地取決于粉末為“濕的”或是“干的”。若下層是之前打印的，則粉末將是濕的(見圖14B)。若下層是在之前未打印的，則粉末將是干的(見圖14A)。
如圖14A所示，打印頭220將液滴212附著到干燥的粉末層200上。當液滴212沖擊在粉末層200上時，相對大體積的顆粒210移動，并且在粉末層200中形成凹坑214。顆粒210被向上朝向打印頭220噴出，它們可能作為碎屑216而聚集在打印頭220的表面上。
如圖14B所示，打印頭220將液滴212附著到濕的粉末層200上。當液滴212沖擊粉末層200時，相對小體積的顆粒210移動，并且在粉末層200中形成相對小的凹坑214。打印在前一層上的粘合劑會粘合新層中的粉末，從而形成較少的顆粒被噴出，因此在打印頭表面上聚集較少的碎屑。
3D打印機包括用于監(jiān)視打印頭220狀況的邏輯電路，其至少部分地基于上次清潔后在前一打印和/或未打印粉末層上打印的液滴的數(shù)量。其它系數(shù)包括例如使用時間、分配的液滴數(shù)量以及所打印的層的數(shù)量。3D打印機可根據(jù)達到設(shè)定閾值的前述系數(shù)中的任意一個或者各個系數(shù)的組合來確定任意所需的清潔程序的頻率和期間。例如，打印頭220可在每使用5分鐘后進行清潔。任何具體系數(shù)的閾值可根據(jù)所使用的液體粘合劑和粉末材料的種類以及其它可能影響打印頭狀態(tài)的操作性的環(huán)境因素(例如溫度和濕度)而變化。
此外或者可選地，3D打印機可使用用于監(jiān)視和維護打印頭220的清潔度的其它系統(tǒng)和方法。例如，在一個實施方式中，3D打印機可包括用于檢查打印頭表面的成像系統(tǒng)。用戶可手動地確定打印頭220需要清潔，或者3D打印機可包括用于自動地確定需要清潔的成像系統(tǒng)。在手動系統(tǒng)中，打印頭表面的圖像向用戶顯示在例如視頻監(jiān)視器上，并且如果認為需要的話，用戶可啟動清潔程序。在自動系統(tǒng)的一個實施例中，服務(wù)中打印頭表面的實際圖像被傳送到處理器，用于與清潔打印頭表面的圖像(即測試圖像)相比較。在一個實施方式中，打印頭表面顏色較暗而粉末顏色較亮。若打印頭表面的大部分由碎屑所覆蓋，實際圖像和測試圖像之間將會存在對比的差別。若對比的差別達到預(yù)定閾值，該系統(tǒng)啟動清潔程序。
在一些實施方式中，可通過使用氣簾或靜電荷來保持打印頭表面的清潔度。該系統(tǒng)可在打印頭表面上提供低壓氣簾，其將減少或阻止碎屑聚集在打印頭表面上?？蛇x地，打印頭表面可具有位于在其上的靜電荷，該靜電荷與施加到粉末的電荷相同，從而使得粉末顆粒與打印頭表面互相排斥。
圖15是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的打印頭對準操作的示意圖。特別地，上面描述的打印頭滑架14被示出與校正的測試圖案129相關(guān)。測試圖案129被打印在三維打印系統(tǒng)10的建筑表面165上(見圖1)。測試圖案129包括增強對比子層130，其限定了一個區(qū)域，該區(qū)域中打印有X軸校正圖案133和Y軸校正圖案134。X軸和Y軸校正圖案133、134是由交替的參考線135和測試線136組成的線對陣列。在子層130上還包括對比優(yōu)化的圖案131，稍后將參照16A和16B對其進行更詳細的介紹?；?4包括用于掃描測試圖案129的對準傳感器系統(tǒng)132。稍后將參照17A-17D對該系統(tǒng)132進行更詳細的介紹。
首先在建筑表面165上鋪一層建筑材料而形成圖案129。然后打印頭20被用于在建筑材料粉末層上打印增強對比子層130。通常，增強對比子層130提供參考背景，以在已打印層及其環(huán)境之間形成對比。通常，希望通過使用與在稍后打印三維部分所使用的相同的粘合劑溶液執(zhí)行校正操作(例如形成測試圖案129)。透明粘合劑具有一個特殊的問題，即由透明粘合劑在粉末上打印的圖像難以從未打印環(huán)境中區(qū)分。該問題可通過打印增強對比子層130來解決，盡管這不是必需的。
增強對比子層130被打印在尺寸足以布置整個校正圖案目標(例如X軸校正圖案133、Y軸校正圖案134、對比優(yōu)化圖案131)的建筑表面165上。在一些實施方式中，可使用例如品紅或青色的暗色?？稍谠搮^(qū)域上進行一次以上的打印，以提高該顏色的暗度。然后，一層新的粉末在子層130上鋪開，使該暗色模糊。當接著在該新層上用透明粘合劑打印圖像時，已打印區(qū)域中的粉末是潮濕的，并且變得有點透明，露出子層130的暗色。在一些實施方式中，增強對比子層130及在其上鋪開的粉末可共同被稱為增強對比子層130。然后已打印區(qū)域?qū)⑴c其環(huán)境對比更為明顯，以更容易由校正傳感器系統(tǒng)檢測。
接下來在增強對比子層130上打印對比優(yōu)化圖案131。在一些實施方式中，對比優(yōu)化圖案131包括由每個打印頭20打印的已打印區(qū)域或目標143-146(見圖16A)。接著校正傳感器系統(tǒng)132確定共同形成對比優(yōu)化圖案131的已打印目標143-146和增強對比子層130之間對比最大的區(qū)域，以確定對比優(yōu)化圖案131的目標143-146中的哪一個(及其相應(yīng)的打印頭)相對于增強對比子層130的未打印區(qū)域141(見圖16A)具有最大的對比。
整個操作中采用四種顏色的其中一種作為參考標準，并突出其它顏色相對于參考顏色的位置誤差。在一個實施方式中，這四種顏色包括清色(已打印區(qū)域143)、黃色(已打印區(qū)域144)、品紅色(已打印區(qū)域145)和青色(已打印區(qū)域146)。理想的是采用與未打印背景具有對比最大的顏色作為參考。為此，用每種顏色打印目標，隨后由校正傳感器系統(tǒng)132檢查?？蛇x擇產(chǎn)生最小光電傳感器輸出的顏色。
圖16A和16B更詳細地示出了對比優(yōu)化圖案131。圖16A是包括前述目標142-146的對比優(yōu)化圖案131的示意圖。圖16B示出了光源電流和光電傳感器輸出之間的關(guān)系(例如校正傳感器電流)。當在照射在光電傳感器上的光線增加時，其最終將達到一個水平，其中傳感器輸出接近最大值并變得不敏感以進一步增大光輸入。這種不敏感的狀態(tài)通常被稱為飽和，并且由圖16B中的飽和區(qū)域147所表示。傳感器輸出的成比例區(qū)域由圖16B中的成比例區(qū)域148所表示。為了使傳感器輸出信號的信息內(nèi)容最大化，理想的是在正常操作狀態(tài)下避免使傳感器飽和。在3D打印機中使用的粉末在折射率方面可大范圍地變化，在最大傳感器照度上產(chǎn)生大的變化。為了補償這種效應(yīng)，校正傳感器組件被定位在建筑表面上的未打印區(qū)域142上方，并且感應(yīng)未打印區(qū)域142(見圖16A)。通過光源的輸出電流逐漸增加，直到傳感器輸出減小指示飽和。然后光源電流減小，以在成比例區(qū)域148內(nèi)提供安全運行界線。可選地，該光源電流可逐漸增加，直到達到預(yù)定的安全光電傳感器輸出。
再參照圖15，設(shè)置成彼此基本上成直角的兩個基本上相同的線對陣列由X軸校正測試圖案133和Y軸校正測試圖案134組成。在一個實施方式中，其中一個測試圖案代表三維打印機10的慢軸打印體，而另一個測試圖案代表三維打印機10的快軸打印體。通常，X軸校正測試圖案133和Y軸校正測試圖案134被依次處理，并且處理過程是相同的。通常，X軸校正測試圖案133和Y軸校正測試圖案134包括參考線135和測試線136。在一個實施方式中，參考線135由打印頭20形成，其被確定為相對于增強對比子層130具有最大對比。下面參照圖18、19A、19B和21A對這些線對進行更詳細的討論。
在一些實施方式中，為了確定對比優(yōu)化圖案131和增強對比子層130之間的最大對比，滑架14可包括例如發(fā)光二極管(LED)的光源137，其產(chǎn)生一束錐形光138?？蛇x地，該光源可以是激光器或燈，并且可使用多個光源。LED光源137照亮正檢查的整個區(qū)域。在一些實施方式中，LED光源137是藍綠色，以在已打印和未打印區(qū)域之間形成高水平對比。光學濾波器僅在包括LED輸出的狹窄的波長窗口內(nèi)使光透過。周圍空間的光線具有較少的由濾波器透過的波長的光線，使得到達光電傳感器的大部分光線由光源產(chǎn)生。因而，該系統(tǒng)對周圍空間光線的變化相對不敏感。
在另一實施方式中，通過將光源137的輸出調(diào)制到比所關(guān)心的信號的頻率高得多而實現(xiàn)周圍環(huán)境光線的不敏感性。對光電傳感器的輸出電子地濾波，以僅通過調(diào)制光線的頻率。這增強了系統(tǒng)對低亮度級的敏感性。一種可選的透鏡能夠增強該系統(tǒng)對低亮度級的敏感性。
圖17A-17D更詳細地示出了校正傳感器系統(tǒng)132。在具體的實施方式中，系統(tǒng)132通常為打印頭滑架14的一部分。在具體的實施方式中，系統(tǒng)132安裝在印刷電路板160上，該印刷電路板例如包括用于引導(dǎo)滑架14、使打印頭20噴射并操作校正傳感器系統(tǒng)132的邏輯電路。系統(tǒng)132通常包括光源137、光學傳感器162、光線入口162、光電傳感器163和光學透鏡164。光源137用于照亮測試圖案129上的一個斑點，該斑點的直徑與正在掃描的彩色線條的寬度大致相同。光源137和光電傳感器163可以都是聚焦或者未聚焦的。圖17C-17D示出了校正傳感器系統(tǒng)132的不同運行狀態(tài)。圖17C示出了在建筑表面上由錐形光138照亮的區(qū)域166。在一個實施方式中，光源用光照亮所關(guān)心的區(qū)域。圖17D中被照亮的建筑表面165上的感應(yīng)區(qū)域142將光反射回光電傳感器163。典型地，感應(yīng)區(qū)域142相當于打印目標142-146或參考線135及測試線136的一部分，并小于被照亮區(qū)域166的面積。管狀光線入口通道162將光電傳感器的視野限制到小于被照亮區(qū)域的斑點上。在一些實施方式中，光電傳感器163可包括從打印表面的被照亮區(qū)域166檢測表面光電壓的能力。在其它實施方式中，系統(tǒng)132可包括光學透鏡164，以將反射光匯聚在傳感器163上。
圖18示出了圖15的X軸校正圖案133。X軸校正圖案133和Y軸校正圖案134基本上相同，除了這兩個線對的取向基本上垂直以外，然而可選構(gòu)造是預(yù)料到的，并且被認為落入本發(fā)明的范圍中。如前所述，X軸校正圖案133包括一系列參考線135和測試線136。通常，每條參考線135以與增強對比子層130相比具有最大對比的方式由打印頭20打印，并且每條測試線136由剩余的三個打印頭20的至少一個以相對較小對比的方式以交替的圖案打印。由于在不同的實施方式中打印頭的數(shù)目可以發(fā)生變化，在每條測試線136中相應(yīng)的彩色條的數(shù)目也可發(fā)生變化。在一個示例性的實施方式中，參考線135可由透明的堆積材料形成，并且測試線136可以是依次重復(fù)的黃色、品紅色和青色堆積體(deposit)。典型地，測試圖案129由打印頭20打印，以確定打印頭20是否正確地校正。假定打印頭20理想地定位，打印測試圖案129。一旦測試圖案129打印完，滑架14在測試圖案129的表面上方驅(qū)動，并且校正傳感器系統(tǒng)132掃描測試圖案129的至少一部分，以確定測試線136與理想位置的偏差。然后掃描結(jié)果被用于校正任何識別到的誤差。
圖19A-19B示出了通過測試圖案的掃描斑點行進路徑171。圖19A示出了標稱的X軸校正圖案170。當感應(yīng)區(qū)域142在線對重復(fù)方向173的方向上經(jīng)過已打印線條時，光電傳感器163接收到由光源137發(fā)出的反射光。彩色條的反射系數(shù)與未打印背景(在一個實施例中未打印背景是白色的)的不同，并且各個顏色的反射系數(shù)彼此也不同。如圖19B所示，目標的基本單元是線對，例如線對174，其包括單色參考線135和測試線136，測試線136包括由對稱變化的短條191構(gòu)成的陣列181，該條191包括第一彩色條176、第二彩色條177和第三彩色條178?？蛇x實施方式可具有更多或更少的彩色條。總體上而言，彩色條176、177和178是測試線條136的組成部分。該線對174在所示方向上周期性地重復(fù)，并且在例如參考線135的接連參考線之間具有恒定的間距(“P”)197。在圖19B示出的實施方式中，線對174重復(fù)11次；然而，線對的數(shù)目將變化以適應(yīng)具體的應(yīng)用和/或所希望的精確度。
在一個實施方式中，掃描斑點沿著垂直于參考線135的行進路徑橫過線對174的陣列。在圖19B示出的實施方式中，完成目標檢查需要33個掃描斑點經(jīng)過。示出了三個典型的掃描路徑行進路徑171(見圖19A)。在一個實施方式中，彩色條176、177和178的寬度、條之間所預(yù)期的最小間距和掃描斑點的大小應(yīng)該基本上相等。圖19B中示出的彩色條176、177和178在等于參考線節(jié)距P 197的0.5倍的間距左右對稱地變化。示例性的短條被標為短條191。在一個實施方式中，變化增量(“δ”)可典型地為300dpi或0.007英寸的兩個像素。三個短條的彩色條176、177和178的最上部一組的位置被名義上等間距地打印在兩條參考線135之間。隨著陣列向下，三個彩色條176、177和178的組從中央位置以增加的量分開，例如+/-nδ，其中n為整數(shù)(例如1δ、2δ、3δ等)。參考線135和測試線136的寬度和節(jié)距被選擇為使信號對比最優(yōu)。這里所給定的尺寸僅為解釋性的目的，而決不認為是限制性的目的。
圖20A-20D示出了相對于單個掃描斑點行進路徑171的校正操作的一個實施方式。圖20A和20B示出了單個掃描斑點行進路徑171在滑架運動方向193上經(jīng)過參考線135和測試線136。當掃描斑點經(jīng)過已打印的彩色條時，光電傳感器接收到由光源137發(fā)出的反射光。彩色條的反射系數(shù)與未打印背景的不同，并且各個顏色的反射系數(shù)也不同。圖20C示出了傳感器輸出信號，其表示出與彩色條間距相關(guān)的強周期性和由于不同顏色反射系數(shù)的峰值變化。
如圖20D所示，任意信號可以表示為任意大量的正弦曲線的和，每個正弦曲線相對于固定標準具有恒定的離散頻率、恒定的幅度和恒定的相位關(guān)系。取出信號的正弦成分的方法被稱為傅立葉分析，通常的實際方法是使信號數(shù)字化，然后采用計算算法例如快速傅立葉變換(“FFT”)。圖20D示出在圖20C中示出的信號的主要諧波成分。這些成分的頻率由布置在測試圖案129上的幾何約束所固定。每個成分的大小由顏色反射系數(shù)的不同以及可調(diào)節(jié)的彩色條相對于其中央位置的位移(“E”)183(見圖20B)所影響。頻率為參考條頻率的三倍的諧波成分的大小增加了彩色測試條與理想校正位置的位移，并可用于確定位移的大小。圖20D是傳感器輸出的示意圖，表示了空間頻率和第一諧波峰值185、第二諧波峰值186、第三諧波峰值187、第五諧波峰值188。第一諧波峰值185還可用于表示未校正的指示器。
圖21A和21B示出了一個校正圖案，其示出了在根據(jù)本發(fā)明測試圖案的一個實施方式中的未校正。如上所述，圖19A的校正圖案被示出為其將由理想地校正的打印頭20所打印。圖21A示出由未校正打印頭20打印的校正圖案。每個可調(diào)節(jié)彩色條(包括第二彩色條192)實際上被打印在偏離其名義上真實位置的位置。為了使用這種校正圖案來確定每個顏色的位置誤差183，總共需要11個橫過該圖案的掃描，如圖所示。每個掃描將產(chǎn)生如圖20C所示的種類的信號。對于這些信號中的每個，第三諧波的大小可從數(shù)字FFT或模擬濾波中取出。盡管第三諧波的大小隨著該未校正而確實地增加，該未校正只是該諧波的大小的一個組成部分。一部分峰值是恒定的，并且取決于線寬/間距比。一部分峰值是可變的，并且取決于顏色條在參考線135之間是否良好地居中。
在第三諧波的大小最小的標稱顏色條位移處確定能夠提出這些其它組成部分。采集對于每個掃描所感興趣諧波的最大值，例如第三諧波。通過將這些數(shù)據(jù)點的曲線擬合并確定該擬合曲線的最小點(見圖21B)，可以確定該未校正是校正圖案步進分辨率(step resolution)的一部分。例如如果所檢查的打印頭被理想地校正，擬合曲線的最小值將與零點的標稱彩色條位移175一致。
最小值的位置產(chǎn)生準確的校正系數(shù)。在一個實施方式中，該校正系數(shù)用于改變打印頭噴射信號的計時，從而改變打印頭輸出的位置。特別地，該精確測量的未校正能夠用作校正的幾何偏移，使得打印頭20或早或晚地“噴射”，使得機械未校正能夠在打印期間自動地補償。因而，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高水平的打印精度，導(dǎo)致生產(chǎn)出尺寸精確的三維物體，即使使用多個打印頭。在一個實施方式中，在打印任何三維部件之前和/或在打印頭替換之后進行該校正步驟。
已經(jīng)描述了本發(fā)明的某些實施方式，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很顯然，在沒有偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以使用結(jié)合這里所披露的原理的其它實施方式。所描述的實施方式在任何方面都應(yīng)該是僅是解釋性的，而不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種用三維打印機的多個打印頭形成測試圖案的方法，該方法包括在建筑表面上限定一區(qū)域，用來接收所述測試圖案；選擇能以高對比的方式打印的參考打印頭；用所述參考打印頭打印參考線；以及用剩余打印頭中的至少一個鄰近于所述參考線地打印測試線。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中限定一區(qū)域的步驟包括在所述建筑表面上形成增強對比子層。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述增強對比子層的形成包括使用至少一個打印頭以單一且高對比的顏色打印所述區(qū)域；以及用至少一層未打印的建筑材料覆蓋所述已打印區(qū)域。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中選擇打印頭的步驟包括以下步驟；用每個所述打印頭在所述增強對比子層上打印目標；比較這些目標，以識別哪一個目標相對于未打印區(qū)域具有最大對比度；以及選擇與最大對比度的目標相關(guān)的打印頭。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個所述打印頭用具有一顏色的液體粘合劑打印，該顏色從由品紅色、黃色、青色、清色和黑色構(gòu)成的一組中選出。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中打印參考線和打印測試線的步驟包括打印多個參考線和打印相應(yīng)的多個測試線。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中打印參考線和打印測試線的步驟包括打印與所述打印頭的快軸行程平行的多個名義上相同的線對，每個線對包括一個參考線和一個測試線；以及打印與所述打印頭的快軸行程垂直的多個名義上相同的線對，每個線對包括一個參考線和一個測試線。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中多個線對中的每個被布置成等間距線性陣列。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中每個測試線包括一系列測試條，其中每個所述剩余打印頭打印中央測試條，該中央測試條名義上位于距離相應(yīng)參考線一距離處，該距離等于所述參考線的名義陣列間距的1/2。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中每個剩余打印頭打印多個附加的測試條，這些測試條在所述中央測試條周圍增量地移位。
11.一種測試圖案，用來校正在三維打印機中的多個打印頭，所述測試圖案包括多個基本上均勻間隔的單色參考線；以及多個測試線，其與所述多個參考線以交替圖案布置，其中每個所述測試線包括至少一個非參考顏色的條。
12.如權(quán)利要求11所述的測試圖案，其中所述多個線的方向基本上平行于快軸打印頭行程，第二多個線的方向基本上垂直于所述快軸打印頭行程。
13.一種方法，其確定用來校正多個打印頭的校正系數(shù)，所述方法包括在建筑表面上打印測試圖案；形成代表所述測試圖案的一組電信號；分析所述電信號，以確定處于至少一個頻率的其諧波含量；以及基于所述電信號的所述諧波含量確定校正系數(shù)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中形成電信號的步驟包括照亮所述測試圖案；以及測量在預(yù)定位置處的所述測試圖案的反射率。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中分析所述電信號的步驟包括通過使用模擬濾波器和數(shù)字濾波器中的至少一個來確定信號中的處于預(yù)定頻率的諧波含量。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述校正系數(shù)接近名義測試條的位移，通過該位移確定所述選擇諧波的最小值。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述校正系數(shù)通過定位分析曲線的最小值來確定，該分析曲線與所述諧波值組相配或代表所述諧波值組。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述校正系數(shù)由一組第三諧波值確定。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述校正系數(shù)由一組第一諧波值確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過例如噴墨打印頭打印的具有連續(xù)層的建筑而形成三維物體的裝置和方法。為了校正打印頭，使用測試圖案(129)，該測試圖案由交替的參考線(135)和測試線(136)構(gòu)成，它們分別平行和垂直于快軸行程，測試線包括在中央測試條的周圍增量地移位的測試條(191)。還提供打印頭的清潔。測試圖案(129)由校正傳感器系統(tǒng)(132)讀取并且被快速傅立葉變換(FFT)分析。
文檔編號B29C67/00GK101060990SQ200580038271
公開日2007年10月24日 申請日期2005年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月21日
發(fā)明者W·J·菲努普, A·A·伯林, A·T·埃爾南德斯, J·P·金斯利, W·H·曾格爾三世 申請人:Z公司