具有運(yùn)動(dòng)傳感器的3d打印機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維打印機(jī)，并且更具體地涉及具有運(yùn)動(dòng)傳感器的三維打印機(jī)，所述運(yùn)動(dòng)傳感器被附接至打印頭和構(gòu)建平臺(tái)二者或監(jiān)視打印頭和構(gòu)建平臺(tái)二者，以向運(yùn)動(dòng)控制器提供閉環(huán)反饋。
【背景技術(shù)】
[0002]通過對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的使用的增多，已經(jīng)開發(fā)了將CAD輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)部件的實(shí)體造型系統(tǒng)。以三維方式自動(dòng)形成對(duì)象在測(cè)試輸入CAD誤差、部件功能性、美學(xué)評(píng)估、通過減少蠟的模具成型以及小規(guī)模生產(chǎn)運(yùn)行中是有用的。雖然這些應(yīng)用中的一些應(yīng)用在某種程度上對(duì)短距離尺寸誤差和長(zhǎng)距離尺寸誤差不敏感，例如美學(xué)評(píng)估，但是其他應(yīng)用對(duì)誤差適度敏感，例如測(cè)試部件功能性。還有其它應(yīng)用，例如模具制造對(duì)尺寸誤差極度敏感。
[0003]當(dāng)前可用的自動(dòng)三維部件打印技術(shù)普遍呈現(xiàn)出較差的長(zhǎng)距離尺寸容限。另外，也被稱為增材制造的三維打印目前遭受打印部件上的較差的表面光潔度的困擾，打印部件需要后處理，例如磨砂以提高光潔度。表面光潔度粗糙的部分原因歸因于固有的處理需求，其將不期望的運(yùn)動(dòng)引入了打印頭和構(gòu)建平臺(tái)。因此，存在提高針對(duì)打印頭和構(gòu)建平臺(tái)中的一者或二者的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)男枨笠蕴岣叽蛴≠|(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種結(jié)合了運(yùn)動(dòng)傳感器的三維打印機(jī)，其中運(yùn)動(dòng)傳感器監(jiān)視打印頭和構(gòu)建平臺(tái)二者或被附接至打印頭和構(gòu)建平臺(tái)二者，以向運(yùn)動(dòng)控制器提供閉環(huán)反饋，使得構(gòu)建平臺(tái)與打印頭之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)最小化，并且使χ-y打印平面中的不期望的位置誤差最小化。運(yùn)動(dòng)傳感器可以為加速度計(jì)、光學(xué)運(yùn)動(dòng)傳感器或壓電式傳感器。向打印頭和構(gòu)建平臺(tái)二者提供運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和調(diào)整提高了打印質(zhì)量。
[0005]3D打印機(jī)包括用于排出材料的噴嘴、用于根據(jù)規(guī)格可控制地定位噴嘴的裝置；以及用于生成指示材料的最近排出部分的至少一個(gè)特征的反饋信號(hào)的裝置。在一個(gè)實(shí)施方式中，反饋生成裝置包括可見光成像系統(tǒng)或紅外線發(fā)射成像系統(tǒng)。在另一實(shí)施方式中，反饋生成裝置包括接近檢測(cè)裝置，例如電容式傳感器、觸覺傳感器或氣動(dòng)傳感器。定位裝置對(duì)存儲(chǔ)在控制器內(nèi)的噴嘴運(yùn)動(dòng)列表做出響應(yīng)，以在x-y平面內(nèi)水平地平移噴嘴，并且該定位裝置還包括沿z軸被垂直平移的對(duì)象支承臺(tái)。該定位裝置也能夠進(jìn)行操作以沿z軸平移噴嘴。
[0006]材料可以包括但不限于粘合劑、蠟、熱塑性聚合物、熱固性聚合物、樹脂、金屬合金、玻璃、環(huán)氧樹脂、硅粘合劑以及它們的組合。材料也可以包括包含被添加以向該材料賦予期望的電學(xué)特性或結(jié)構(gòu)特性的不同材料的組合。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明的3D打印機(jī)的框圖；以及
[0008]圖2是對(duì)打印頭與構(gòu)建平臺(tái)之間的z軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和反饋的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]參考圖1，圖示了三維打印機(jī)10。打印機(jī)10包括也被稱為打印頭的噴嘴12，該噴嘴12被耦接至x-y龍門式平移器14。通過使用平移器14，在水平布置的x-y平面內(nèi)可控制地平移噴嘴12。噴嘴12被布置在也被稱為構(gòu)建平臺(tái)的工作臺(tái)16上方，工作臺(tái)16被耦接至z軸平移器18。在操作期間，在x-y平面中可控制地平移噴嘴12以排出一層材料。在排出一層材料之后，啟動(dòng)z軸平移器，以使工作臺(tái)16降低等于所排出的材料的厚度的增量。然后，在x-y平面中再次平移噴嘴12，以在緊接的較低層上直接沉積下一層。噴嘴12包括被耦接至雙向氣缸22的針閥20。通過導(dǎo)管24，向氣缸22提供處于適于啟動(dòng)針閥20的壓力下的壓縮空氣源，從而控制通過噴嘴12的材料的開/關(guān)流。
[0010]噴嘴加熱器26耦接至噴嘴12，該噴嘴加熱器26被連接至加熱器電力源28。諸如熱電偶30的熱感測(cè)裝置與噴嘴12接觸以保持期望的溫度，該溫度為被排出的材料的函數(shù)。導(dǎo)管32被連接至噴嘴12并且提供要被提供至噴嘴12的熔融材料流。該材料被貯存在加熱的貯藏器34中，該加熱的貯藏器34通過導(dǎo)管36被耦接至在期望壓力下進(jìn)行操作的壓縮空氣源。導(dǎo)管32具有相關(guān)聯(lián)的加熱器38并且貯藏器34具有相關(guān)聯(lián)的加熱器40，加熱器38和加熱器40 二者被連接至加熱器電力源42。諸如熱電偶44的熱感測(cè)裝置，一樣被提供用于將貯藏器保持在溫度的預(yù)定范圍內(nèi)。溫度的范圍為所選材料的熔點(diǎn)的函數(shù)。
[0011]控制器46耦接至X-y軸平移器14、z軸平移器18并且耦接至針閥氣缸22?？刂破?6可以被具體化成個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^任何合適的裝置諸如并行通信端口或串行通信端口來實(shí)現(xiàn)到平移器14和18的連接?？刂破?6具有用于接收來自CAD系統(tǒng)的三維成形數(shù)據(jù)的輸入，并且具有用于存儲(chǔ)表示被噴嘴排出的結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器48。
[0012]對(duì)于某些排出材料，可以完全去掉示出的各種加熱器。另外，對(duì)于在排出過程中或在排出之后被加熱的那些材料，已經(jīng)提供空氣或某些其它氣體的本地源以加速材料的冷卻。例如，具有多個(gè)開口的導(dǎo)管47被耦接至空氣源并且被布置成使得其向正在發(fā)生排出的平面提供基本上均勻的冷卻空氣流。
[0013]打印機(jī)10可以包括沉積反饋系統(tǒng)，其包括反饋傳感器60，該反饋傳感器60在噴嘴12的尖端附近進(jìn)行操作并且向控制器46提供反饋信號(hào)。該反饋信號(hào)指示排出的珠狀物的特性。更具體地，反饋傳感器60檢測(cè)材料的最近排出的部分的位置或其它特性。通過示例，傳感器60可以檢測(cè)排出的珠狀物相對(duì)于位置參照系統(tǒng)的位置，由控制器46監(jiān)視珠狀物位置，以便在排出期間如果需要的話就對(duì)噴嘴12的位置做出調(diào)整。該技術(shù)有利地允許對(duì)排出的結(jié)構(gòu)的幾何形狀進(jìn)行更精細(xì)的控制，并且產(chǎn)生更緊密接近由三維成形數(shù)據(jù)所定義的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)采用的特定類型的傳感器60，反饋信號(hào)也可以提供其它信息，諸如排出的珠狀物的溫度或其介電特性。
[0014]由傳感器60提供的反饋是重要的，并且許多不同的機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行操作，導(dǎo)致排出的材料具有除預(yù)期尺寸之外的尺寸。例如，在珠狀物仍足夠熱以至于易彎曲的情況下，當(dāng)將排出的珠狀物涂敷到凸形輪廓或凹形輪廓周圍時(shí)其易于扭曲以使其長(zhǎng)度最小化。而且，根據(jù)從噴嘴到下層材料的距離，排出的珠狀物可以根據(jù)該距離改變其沉積的橫截面。而且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn):來自噴嘴附近的已經(jīng)沉積的材料的背壓可以降低從該噴嘴流出的流速。而且，要被排出的材料的溫度或成分的變化可以改變材料從噴嘴流出的速率，并且因此，改變材料固化為其最終尺寸的