本文中公開的系統(tǒng)和方法涉及產(chǎn)生三維物體的打印機(jī)，并且更特別地，涉及產(chǎn)生打印三維物體的均勻材料沉積和固化的高速三維物體打印機(jī)。

背景技術(shù)：

三維打印也稱為數(shù)字增材制造，是從數(shù)字模型制造實(shí)質(zhì)上任何形狀的三維固體物體的過程。三維物體打印是增材過程，其中一個(gè)或多個(gè)打印頭在襯底上以不同形狀噴射材料的連續(xù)層。典型地，類似于文檔打印機(jī)中的噴墨打印頭的噴射器頭包括聯(lián)接到材料供給的噴射器的陣列。單個(gè)噴射器頭內(nèi)的噴射器可以聯(lián)接到不同材料源或者每個(gè)噴射器頭可以聯(lián)接到不同材料源以使噴射器頭中的所有噴射器能夠噴射相同材料的滴。變?yōu)檎诋a(chǎn)生的物體的一部分的材料被稱為構(gòu)建材料，而用于為物體形成提供結(jié)構(gòu)支撐、但是隨后從物體去除的材料被稱為支撐材料。三維物體打印與主要依賴通過減材過程從工件去除材料的傳統(tǒng)物體形成技術(shù)(如切割或鉆孔)可區(qū)分。

盡管使用呈打印頭的形式的噴射器的三維物體打印機(jī)已作為可以提供噴射和紫外固化聚合物三維物體的高分辨率的增材制造技術(shù)出現(xiàn)，但是仍然需要三維物體打印系統(tǒng)的處理速度和生產(chǎn)率的改善。多個(gè)打印頭的使用已被提出以通過在打印頭的更少通過(如單次通過)期間以更高噴射頻率沉積構(gòu)建材料和支撐材料增加速度。然而，問題與更高噴射頻率和更少通過關(guān)聯(lián)。例如，在打印期間噴射的構(gòu)建材料和支撐材料的體積可以多達(dá)在相同或更短時(shí)間上的以前的三維物體打印機(jī)的大約10倍。由于構(gòu)建和支撐材料的小滴以高溫被噴射，因此由打印機(jī)產(chǎn)生的增加噴射速率可以升高已經(jīng)形成的部件的部分的溫度，由此有害地影響噴射材料的部件精度。另外，對(duì)于紫外可固化構(gòu)建和支撐材料，固化過程是發(fā)熱的。所以，取決于墨反應(yīng)成分，稀釋劑和添加劑，以及進(jìn)一步加熱打印機(jī)部件并且有害地影響部件精度的固化溫度，熱量在紫外固化期間被釋放。而且，當(dāng)部件被帶到打印區(qū)域中以便進(jìn)行下一層沉積時(shí)，它攜帶部件的所有熱歷史并且很可能不處于期望的溫度狀態(tài)。

所以，需要一種三維物體打印機(jī)，其補(bǔ)償在更高速度打印期間出現(xiàn)的熱效應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)實(shí)施例中一種三維物體打印系統(tǒng)包括：多個(gè)噴射器，所述多個(gè)噴射器配置成噴射材料滴；臺(tái)板，所述臺(tái)板與所述多個(gè)噴射器相對(duì)定位以能夠用噴射的材料滴在所述臺(tái)板的表面上形成三維物體；加熱器，所述加熱器配置成加熱所述臺(tái)板的表面；傳感器，所述傳感器配置成生成對(duì)應(yīng)于正在所述臺(tái)板的表面上形成的三維物體上的噴射材料的溫度的信號(hào)；輻射器，所述輻射器配置成將輻射引導(dǎo)到所述三維物體的噴射材料上；冷卻器，所述冷卻器配置成冷卻所述三維物體的噴射材料；以及控制器，所述控制器可操作地連接到所述多個(gè)噴射器、所述加熱器、所述傳感器、所述輻射器和所述冷卻器。

所述控制器配置成參考所述三維物體的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)操作所述多個(gè)噴射器以朝著所述臺(tái)板噴射材料滴以形成材料層從而在所述臺(tái)板的表面上產(chǎn)生所述三維物體，操作所述加熱器以加熱所述臺(tái)板的表面，將從所述傳感器接收的信號(hào)與預(yù)定閾值比較，操作所述輻射器以輻射所述臺(tái)板上的所述三維物體的噴射材料，以及響應(yīng)來自所述傳感器的信號(hào)超過所述預(yù)定閾值操作所述冷卻器以減小由被輻射材料產(chǎn)生的熱。

也公開一種操作三維物體打印系統(tǒng)的方法。在一個(gè)實(shí)施例中所述方法包括以下步驟：用控制器操作加熱器以加熱臺(tái)板的表面；參考三維物體的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)用所述控制器操作多個(gè)噴射器以朝著所述臺(tái)板的表面噴射材料滴以形成材料層從而在所述臺(tái)板的表面上產(chǎn)生所述三維物體；用傳感器生成指示形成所述臺(tái)板的表面上的所述三維物體的噴射材料的溫度的信號(hào)；用所述控制器操作輻射器以發(fā)射輻射從而固化形成所述臺(tái)板的表面上的所述三維物體的噴射材料；以及響應(yīng)來自所述傳感器的信號(hào)超過預(yù)定閾值用所述控制器操作冷卻器以減小來自被輻射材料的熱。

附圖說明

在結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述中解釋補(bǔ)償物體的更高速度打印期間的熱效應(yīng)的三維物體打印機(jī)的前述方面和其它特征。

圖1是具有平面支撐構(gòu)件、平整器輥、固化站、冷卻元件、加熱元件和調(diào)節(jié)站的三維物體打印系統(tǒng)的部分透視圖側(cè)視圖。

圖2是顯示為連接到控制器的圖1的三維物體打印系統(tǒng)的部件的示意圖。

圖3是操作圖1的三維物體打印系統(tǒng)的方法的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了本文中公開的系統(tǒng)和方法的環(huán)境以及系統(tǒng)和方法的細(xì)節(jié)的一般理解，參考附圖。在附圖中，始終使用相似的附圖標(biāo)記來標(biāo)示相似的要素。

圖1顯示產(chǎn)生三維物體或部件110的三維物體打印機(jī)100中的部件的配置。當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語“三維物體打印機(jī)”指的是參考物體的圖像數(shù)據(jù)噴射材料以形成三維物體的任何裝置。打印機(jī)100包括支撐材料容器114，構(gòu)建材料容器118，四個(gè)噴射器頭122、123、126、127，配置成冷卻物體110的多個(gè)冷卻元件130，加熱器132，平面支撐構(gòu)件134，調(diào)節(jié)站138，溫度傳感器140，致動(dòng)器142，控制器146，平面化器或平整器輥148，以及固化站150。管道150、152將噴射器頭122、123連接到支撐材料容器114并且管道154、156將噴射器頭126、127連接到構(gòu)建材料容器118。盡管在圖1中顯示四個(gè)噴射器頭122、123、126、127，但是在其它實(shí)施例中使用五個(gè)、六個(gè)、八個(gè)或任何其它期望數(shù)量的噴射器頭。

一個(gè)和可能多個(gè)致動(dòng)器142由控制器146控制以控制平面支撐構(gòu)件134和噴射器頭122、123、126、127相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)。也就是說，一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器可以可操作地連接到支撐打印頭的結(jié)構(gòu)以參考平面支撐構(gòu)件的表面在過程方向和交叉過程方向上移動(dòng)噴射器頭。替代地，一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器可以可操作地連接到平面支撐構(gòu)件134以移動(dòng)部件正在其上在過程和交叉過程方向上在平面支撐構(gòu)件134的平面中產(chǎn)生的表面。當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語“過程方向”指的是沿著平面支撐構(gòu)件34的表面中的一個(gè)軸線的運(yùn)動(dòng)并且“交叉過程方向”指的是沿著與該平面中的過程方向軸線正交的平面支撐構(gòu)件表面中的軸線的運(yùn)動(dòng)。這些方向在圖1中用字母“P”和“C-P”表示。

噴射器頭122、123、126、127也在正交于平面支撐構(gòu)件134的方向上移動(dòng)。該方向在本文中被稱為豎直方向，并且在圖1中用字母“V”表示。在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)由可操作地連接到平面支撐構(gòu)件134的一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器、由可操作地連接到噴射器頭122、123、126、127的一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器或由可操作地連接到平面支撐構(gòu)件34和噴射器頭122、123、126、127兩者的一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。這些各種配置中的這些致動(dòng)器可操作地連接到控制器46，所述控制器操作致動(dòng)器以在豎直方向上移動(dòng)平面支撐構(gòu)件34，噴射器頭122、123、126、127，或兩者。控制器146可操作地連接到噴射器頭122、123、126、127(圖2)。在某些實(shí)施例中，控制器配置成控制噴射器頭以在單次通過上相對(duì)于圖像數(shù)據(jù)沉積構(gòu)建材料和支撐材料。

致動(dòng)器142也可操作地連接到冷卻元件130、調(diào)節(jié)站138、平整器輥148、溫度傳感器140和固化站150?？刂破?46配置成控制致動(dòng)器142以控制平面支撐構(gòu)件134和冷卻元件、調(diào)節(jié)站138、平整器輥148、溫度傳感器140和固化站150相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)。也就是說，一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器可以可操作地連接到支撐冷卻元件130、調(diào)節(jié)站138、平整器輥148、溫度傳感器140和固化站150的結(jié)構(gòu)以參考平面支撐構(gòu)件的表面在過程方向和交叉過程方向上移動(dòng)調(diào)節(jié)站、平整器、溫度傳感器和固化站。

替代地，一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器可以可操作地連接到平面支撐構(gòu)件134以移動(dòng)部件正在其上在過程和交叉過程方向上在平面支撐構(gòu)件134的平面中產(chǎn)生的表面以便相對(duì)于冷卻元件130、調(diào)節(jié)站138、平整器輥148、溫度傳感器140和固化站150移動(dòng)部件110。在圖1所示的特定實(shí)施例中，平面支撐構(gòu)件134是傳送帶，其配置成相對(duì)于噴射器頭122、123、126、127，冷卻元件130，調(diào)節(jié)站138，平整器輥148和固化站150移動(dòng)物體110?？刂破?46也可操作地連接到調(diào)節(jié)站138、溫度傳感器140、平面支撐構(gòu)件134、平整器輥148和固化站150(圖2)。

控制器146在包括由噴射器頭122、123、126、127進(jìn)行的材料的沉積、由平整器輥148進(jìn)行的平整或平面化、由固化站150進(jìn)行的固化和在調(diào)節(jié)站138處的溫度調(diào)節(jié)的打印過程期間控制溫度傳感器140以跟蹤物體110的溫度。例如，溫度傳感器140可以是紅外傳感器或其它公知的溫度測量裝置。在一些實(shí)施例中，溫度傳感器140包括相對(duì)于噴射器頭、平整器、固化站和調(diào)節(jié)站固定或可移動(dòng)的多個(gè)溫度傳感器。在一些實(shí)施例中，溫度傳感器140配置成檢測物體100上的一個(gè)以上位置處的溫度。由冷卻元件130提供的空氣的溫度和量然后相對(duì)于在特定位置處檢測的溫度不同地被施加。

參考可操作地連接到控制器的存儲(chǔ)器中的三維物體圖像數(shù)據(jù)，噴射器頭122、123、126、127的每一個(gè)也由控制器146操作，從而朝著平面支撐構(gòu)件134的上表面135噴射供應(yīng)到打印區(qū)域中的每個(gè)相應(yīng)的噴射器頭的支撐和構(gòu)建材料。物體110大致在逐層的基礎(chǔ)上形成，其中構(gòu)建和支撐材料在每層對(duì)應(yīng)于圖像數(shù)據(jù)的位置處被噴射直到層達(dá)到相應(yīng)物體高度并且物體110已形成。在一些實(shí)施例中，構(gòu)建和支撐材料的每個(gè)層在噴射器頭相對(duì)于平面支撐構(gòu)件134的單次通過中由噴射器頭122、123、126、127沉積。在一些實(shí)施例中，噴射到支撐構(gòu)件的材料類似于聚碳酸酯或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材料，并且是紫外可固化的。然而，可以使用任何期望材料。

在一個(gè)特定實(shí)施例中，構(gòu)建和支撐材料在由噴射器頭122、123、126和127噴射之前被加熱到約80攝氏度的溫度。在材料被噴射到平面支撐構(gòu)件134之后，材料在撞擊平面支撐構(gòu)件的表面135時(shí)或撞擊先前的沉積材料層時(shí)快速地凝固或達(dá)到凝膠狀態(tài)。

控制器146也操作加熱器132以將打印區(qū)域處的平面支撐構(gòu)件134的表面135加熱到期望溫度。加熱器132可以包括加熱元件(未顯示)，所述加熱元件可操作地連接到平面支撐構(gòu)件以加熱支撐構(gòu)件134。在其它實(shí)施例中，加熱元件包括熱燈，如紅外(IR)熱燈，微波加熱器，加熱墊，或任何其它期望的加熱元件。在加熱器包括紅外熱燈的一些特定實(shí)施例中，紅外熱燈是具有1或2微米峰率的Adphos紅外熱燈。然而，可以使用任何期望的加熱器。

在材料層已噴射到平面支撐構(gòu)件134之后，控制器146控制致動(dòng)器142以將平面支撐構(gòu)件134移動(dòng)到適當(dāng)位置，其中部分形成的物體110在平整器輥148下方以平整物體110，在紫外固化站150下方以固化紫外可固化構(gòu)建和支撐材料，并且在調(diào)節(jié)站138下方以將部件進(jìn)一步冷卻到期望溫度，從而為另一材料沉積層準(zhǔn)備物體110。

平整器輥148包括具有平滑表面的被加熱圓筒(未顯示)?？刂破?46控制平整器輥148的被加熱圓筒以與最近形成的層接合旋轉(zhuǎn)，由此熔化、轉(zhuǎn)移和去除最近形成的層的部分以提供用于待噴射的后續(xù)層的平滑和平坦表面。平整器還保證物體110處于后續(xù)層的材料沉積的正確高度。在一些實(shí)施例中，被加熱圓筒去除沉積材料的多達(dá)大約20％以提供具有明確限定的厚度的平滑層。相對(duì)于圓筒定位的刮刀(未顯示)保證附著到圓筒的材料從圓筒被刮除并且回收或以另外方式引導(dǎo)到例如接收器(也未顯示)中。

固化站150包括輻射裝置151，所述輻射器裝置配置成將輻射引導(dǎo)到由噴射器頭噴射到平面支撐構(gòu)件134的材料以固化噴射材料。在一些實(shí)施例中，輻射裝置151是將電磁輻射引導(dǎo)到物體的輻射器。在其它特定實(shí)施例中，輻射裝置151是紫外(UV)燈，或一系列紫外光發(fā)射二極管(LEDs)，其朝著物體110發(fā)射紫外光譜中的電磁輻射以固化形成物體的材料。調(diào)節(jié)站138配置成在每一層材料沉積之后控制三維物體110的一部分的溫度以便使溫度達(dá)到最佳范圍以便進(jìn)一步的材料沉積。如果物體110的先前層的溫度在下一層的沉積期間過高，噴射材料不能充分地凝固，導(dǎo)致層間配準(zhǔn)誤差。如果物體110的先前層的溫度在下一層的沉積期間過低，材料可能具有朝著先前層的更弱附著，導(dǎo)致各向異性機(jī)械性質(zhì)和過早機(jī)械故障，例如，楊氏模量在X-Y方向上較強(qiáng)，但是在Z方向上較弱。

在所示的實(shí)施例中，調(diào)節(jié)站138包括配置成相對(duì)于由溫度傳感器140感測的溫度冷卻物體110的冷卻裝置160，和配置成相對(duì)于由溫度傳感器140感測的溫度加熱物體110的加熱裝置162，從而保證物體110的溫度(更特別地，物體110的頂表面溫度)在某個(gè)范圍內(nèi)以便以正確的配準(zhǔn)、精度、表面光潔度和機(jī)械性質(zhì)構(gòu)建部件。在一些實(shí)施例中，優(yōu)選溫度略低于墨凝固溫度以保證材料小滴的快速凝固，以及層之間的良好附著。對(duì)于一些材料該溫度在約40到約50攝氏度的范圍內(nèi)，但是溫度與材料的性質(zhì)相關(guān)。冷卻裝置160可以是配置成朝著物體110引導(dǎo)空氣的一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇，其中控制器配置成控制從一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇朝著墨引導(dǎo)的空氣的空氣速度和/或溫度。在一些實(shí)施例中，風(fēng)扇可以被聯(lián)接以在控制器的控制下從合適的制冷氣體源(未顯示)接收和吹送制冷空氣或其它氣體?？梢允褂美鋮s裝置的任何期望類型。

調(diào)節(jié)站138的加熱裝置162配置成加熱物體110。加熱裝置可以是加熱元件，如熱燈，微波加熱元件，或任何其它期望的加熱元件。調(diào)節(jié)站138相對(duì)于由溫度傳感器140感測的溫度繼續(xù)冷卻和加熱過程直到物體110的表面已達(dá)到期望溫度。物體110然后被帶到打印區(qū)域以便由噴射器頭122、123、126、127進(jìn)行另一材料層沉積，并且噴射、平整、固化和調(diào)節(jié)的過程逐層地重復(fù)直到形成物體110。

三維物體打印機(jī)100還配置成當(dāng)物體在打印區(qū)域中、由平整器輥148平整時(shí)和在固化站150中固化期間用冷卻元件130主動(dòng)冷卻物體110?？刂破?46基于由來自溫度傳感器140的溫度數(shù)據(jù)形成的三維物體110的溫度操作冷卻元件130。在特定實(shí)施例中，控制器146配置成控制冷卻元件130以將物體110冷卻到當(dāng)使用紫外材料時(shí)允許有效的紫外固化的期望固化溫度。在圖1所示的實(shí)施例中，冷卻元件130包括在打印區(qū)域中循環(huán)空氣的一個(gè)或多個(gè)冷卻風(fēng)扇。由每個(gè)風(fēng)扇產(chǎn)生的流量和空氣的溫度由控制器146可變地控制以保證物體的溫度在預(yù)定范圍內(nèi)。如果溫度過高，一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇被操作以冷卻三維物體。在圖1所示的實(shí)施例中，冷卻元件130獨(dú)立于噴射器頭122、123、126、127。在其它實(shí)施例中，冷卻元件可以定位在噴射器頭之間。在一些實(shí)施例中，冷卻元件與噴射器頭一起移動(dòng)。

在一個(gè)實(shí)施例中，冷卻元件130被控制以將部件的表面的溫度保持在預(yù)定范圍內(nèi)以增強(qiáng)材料的性質(zhì)，如上面描述的結(jié)合或另一性質(zhì)。在一些實(shí)施例中，除了別的因素之外，取決于噴射以形成物體的材料的類型選擇特定范圍?？梢越?jīng)驗(yàn)地確定提供增強(qiáng)性質(zhì)的溫度范圍。在某些實(shí)施例中，選定范圍可以為約35℃到約100℃；然而，取決于正在噴射的材料和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選定范圍可以是該范圍內(nèi)的范圍。而且，如下面更詳細(xì)地所述，通過相對(duì)于由溫度傳感器140檢測的溫度控制加熱器132、冷卻元件130和調(diào)節(jié)站138，通過物體110的厚度的溫度梯度可以準(zhǔn)確地保持在期望范圍內(nèi)。

在一些實(shí)施例中，當(dāng)物體110由平整器輥148平整、由固化站150固化和由調(diào)節(jié)站138冷卻或加熱時(shí)，溫度傳感器140被控制以繼續(xù)檢測物體110的溫度，并且加熱器132、冷卻元件130和調(diào)節(jié)站138被控制以保持在打印區(qū)域之外的物體110的期望溫度梯度。所以，在某些實(shí)施例中，控制器146配置成在整個(gè)打印過程期間收集物體110(特別地，物體110的表面)的溫度數(shù)據(jù)?；跈z測到的溫度，控制器146在包括每一層的材料沉積、平整和固化的整個(gè)打印過程期間控制冷卻元件130、加熱器132以及調(diào)節(jié)站138的冷卻裝置160和加熱裝置162以保證物體110的表面的溫度在最佳范圍內(nèi)。

多個(gè)打印頭的使用已被提出以通過以更高噴射頻率并且在打印頭的更少通過中沉積構(gòu)建材料和支撐材料增加速度。然而，問題與更高噴射頻率和更少數(shù)量的通過關(guān)聯(lián)。例如，在打印期間噴射的構(gòu)建材料和支撐材料的體積可以多達(dá)以前的三維打印機(jī)的大約10倍，并且甚至可以在更短時(shí)間內(nèi)噴射材料的增加體積。在沉積期間，由打印機(jī)噴射的被加熱墨小滴可以升高已經(jīng)形成的部件的部分的溫度，由此有害地影響噴射材料的位移精度。另外，當(dāng)使用紫外可固化構(gòu)建和支撐材料時(shí)，用于固化由打印頭噴射的紫外墨層的固化過程是發(fā)熱過程。當(dāng)使用紫外可固化墨時(shí)，在構(gòu)建和支撐材料的每個(gè)層被噴射到平面支撐構(gòu)件34之后，平面支撐構(gòu)件34移動(dòng)物體10經(jīng)過紫外固化站38，并且紫外固化站中的發(fā)射器(未顯示)朝著物體110發(fā)射紫外光譜中的電磁輻射以固化墨。

圖3描繪操作三維打印機(jī)以在逐層的基礎(chǔ)上形成三維物體的方法200。該過程開始于在控制器的控制下操作加熱器以加熱三維物體打印機(jī)的臺(tái)板的表面(方塊210)。在控制器的控制下參考三維物體的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)操作多個(gè)打印頭以朝著臺(tái)板的表面噴射材料滴以形成材料層從而在臺(tái)板的表面上產(chǎn)生三維物體(方塊216)。溫度傳感器生成指示在打印表面上形成的材料層的溫度的信號(hào)(方塊222)并且參考指示在打印表面上形成的材料的溫度的信號(hào)控制冷卻元件以減小來自臺(tái)板的表面上的噴射材料的熱(方塊228)?？刂破秸饕云秸谂_(tái)板的表面上形成的三維物體的表面(方塊234)并且由控制器控制輻射器以發(fā)射輻射從而固化臺(tái)板上的噴射材料(方塊240)。由控制器控制調(diào)節(jié)站的冷卻裝置以減小來自臺(tái)板的表面上的噴射材料的熱直到材料達(dá)到預(yù)定溫度(方塊246)。