具有运动传感器的3D打印机技术领域
本发明涉及三维打印机，并且更具体地涉及具有运动传感器的三维打印机，所述运动传感器被附接至打印头和构建平台二者或监视打印头和构建平台二者，以向运动控制器提供闭环反馈。
背景技术
通过对计算机辅助设计(CAD)的使用的增多，已经开发了将CAD输出数据转变为结构部件的实体造型系统。以三维方式自动形成对象在测试输入CAD误差、部件功能性、美学评估、通过减少蜡的模具成型以及小规模生产运行中是有用的。虽然这些应用中的一些应用在某种程度上对短距离尺寸误差和长距离尺寸误差不敏感，例如美学评估，但是其他应用对误差适度敏感，例如测试部件功能性。还有其它应用，例如模具制造对尺寸误差极度敏感。
当前可用的自动三维部件打印技术普遍呈现出较差的长距离尺寸容限。另外，也被称为增材制造的三维打印目前遭受打印部件上的较差的表面光洁度的困扰，打印部件需要后处理，例如磨砂以提高光洁度。表面光洁度粗糙的部分原因归因于固有的处理需求，其将不期望的运动引入了打印头和构建平台。因此，存在提高针对打印头和构建平台中的一者或二者的运动补偿的需求以提高打印质量。
发明内容
本发明提供一种结合了运动传感器的三维打印机，其中运动传感器监视打印头和构建平台二者或被附接至打印头和构建平台二者，以向运动控制器提供闭环反馈，使得构建平台与打印头之间的相对运动最小化，并且使x-y打印平面中的不期望的位置误差最小化。运动传感器可以为加速度计、光学运动传感器或压电式传感器。向打印头和构建平台二者提供运动补偿和调整提高了打印质量。
3D打印机包括用于排出材料的喷嘴、用于根据规格可控制地定位喷嘴的装置；以及用于生成指示材料的最近排出部分的至少一个特征的反馈信号的装置。在一个实施方式中，反馈生成装置包括可见光成像系统或红外线发射成像系统。在另一实施方式中，反馈生成装置包括接近检测装置，例如电容式传感器、触觉传感器或气动传感器。定位装置对存储在控制器内的喷嘴运动列表做出响应，以在x-y平面内水平地平移喷嘴，并且该定位装置还包括沿z轴被垂直平移的对象支承台。该定位装置也能够进行操作以沿z轴平移喷嘴。
材料可以包括但不限于粘合剂、蜡、热塑性聚合物、热固性聚合物、树脂、金属合金、玻璃、环氧树脂、硅粘合剂以及它们的组合。材料也可以包括包含被添加以向该材料赋予期望的电学特性或结构特性的不同材料的组合。
附图说明
图1是本发明的3D打印机的框图；以及
图2是对打印头与构建平台之间的z轴相对运动的运动检测和反馈的框图。
具体实施方式
参考图1，图示了三维打印机10。打印机10包括也被称为打印头的喷嘴12，该喷嘴12被耦接至x-y龙门式平移器14。通过使用平移器14，在水平布置的x-y平面内可控制地平移喷嘴12。喷嘴12被布置在也被称为构建平台的工作台16上方，工作台16被耦接至z轴平移器18。在操作期间，在x-y平面中可控制地平移喷嘴12以排出一层材料。在排出一层材料之后，启动z轴平移器，以使工作台16降低等于所排出的材料的厚度的增量。然后，在x-y平面中再次平移喷嘴12，以在紧接的较低层上直接沉积下一层。喷嘴12包括被耦接至双向气缸22的针阀20。通过导管24，向气缸22提供处于适于启动针阀20的压力下的压缩空气源，从而控制通过喷嘴12的材料的开/关流。
喷嘴加热器26耦接至喷嘴12，该喷嘴加热器26被连接至加热器电力源28。诸如热电偶30的热感测装置与喷嘴12接触以保持期望的温度，该温度为被排出的材料的函数。导管32被连接至喷嘴12并且提供要被提供至喷嘴12的熔融材料流。该材料被贮存在加热的贮藏器34中，该加热的贮藏器34通过导管36被耦接至在期望压力下进行操作的压缩空气源。导管32具有相关联的加热器38并且贮藏器34具有相关联的加热器40，加热器38和加热器40二者被连接至加热器电力源42。诸如热电偶44的热感测装置，一样被提供用于将贮藏器保持在温度的预定范围内。温度的范围为所选材料的熔点的函数。
控制器46耦接至x-y轴平移器14、z轴平移器18并且耦接至针阀气缸22。控制器46可以被具体化成个人计算机数据处理系统。可以通过任何合适的装置诸如并行通信端口或串行通信端口来实现到平移器14和18的连接。控制器46具有用于接收来自CAD系统的三维成形数据的输入，并且具有用于存储表示被喷嘴排出的结构的数据的存储器48。
对于某些排出材料，可以完全去掉示出的各种加热器。另外，对于在排出过程中或在排出之后被加热的那些材料，已经提供空气或某些其它气体的本地源以加速材料的冷却。例如，具有多个开口的导管47被耦接至空气源并且被布置成使得其向正在发生排出的平面提供基本上均匀的冷却空气流。
打印机10可以包括沉积反馈系统，其包括反馈传感器60，该反馈传感器60在喷嘴12的尖端附近进行操作并且向控制器46提供反馈信号。该反馈信号指示排出的珠状物的特性。更具体地，反馈传感器60检测材料的最近排出的部分的位置或其它特性。通过示例，传感器60可以检测排出的珠状物相对于位置参照系统的位置，由控制器46监视珠状物位置，以便在排出期间如果需要的话就对喷嘴12的位置做出调整。该技术有利地允许对排出的结构的几何形状进行更精细的控制，并且产生更紧密接近由三维成形数据所定义的结构的结构。根据采用的特定类型的传感器60，反馈信号也可以提供其它信息，诸如排出的珠状物的温度或其介电特性。
由传感器60提供的反馈是重要的，并且许多不同的机构可以进行操作，导致排出的材料具有除预期尺寸之外的尺寸。例如，在珠状物仍足够热以至于易弯曲的情况下，当将排出的珠状物涂敷到凸形轮廓或凹形轮廓周围时其易于扭曲以使其长度最小化。而且，根据从喷嘴到下层材料的距离，排出的珠状物可以根据该距离改变其沉积的横截面。而且，已经发现：来自喷嘴附近的已经沉积的材料的背压可以降低从该喷嘴流出的流速。而且，要被排出的材料的温度或成分的变化可以改变材料从喷嘴流出的速率，并且因此，改变材料固化为其最终尺寸的速率。
可以通过被固定到系统的框架或者随喷嘴12平移的许多不同设备来具体化反馈传感器60。通常，反馈传感器60可以被具体化在成像设备内或接近感测设备内。在任一情况下，传感器起作用以提供关于最近排出的材料的信息。更具体地，合适的传感器包括但不限于可见光成像设备、红外线发射成像设备、电容式检测设备、触觉检测设备和气动检测设备。
除可以被附接至喷嘴20的传感器60之外，第二传感器62被附接至工作台16以向控制器46发送信号。传感器60和传感器62二者可以为高带宽运动传感器，诸如加速度计、光学运动传感器、压电式传感器，其被物理附接至打印头和构建平台二者或者可以监视打印头和构建平台二者，以向控制器46提供闭环反馈信号61、63，使得构建平台与打印头之间的相对运动最小化，从而消除x-y打印平面中的不期望的位置误差。
同样如图2中所示，打印头64包括传感器S165，并且构建平台66包括传感器S267。打印头可以包括沿x-y方向和z方向测距(range)的激光器68和激光器70。传感器S1向控制器46发送信号Az72，并且传感器S2向控制器发送信号Bz74，这随后会向x-y轴平移器14和z轴平移器18生成误差信号76，以向打印头和构建平台二者提供运动补偿和调整，从而提高打印质量。x-y轴平移器和z轴平移器可以为例如步进电机。为了确定从喷嘴排出的材料的沉积位置，包括摄像机系统78的光学系统向控制器提供光学沉积反馈信号。
虽然已经关于本发明的实施方式描述和示出了本发明，但是要理解的是，可以在本发明中做出变化和修改，该变化和修改在下文所要求保护的本发明的全部预期范围内，例如，可以沿z轴平移喷嘴并且可以沿x-y轴平移构建平台。