控制所分配的打印材料的密度的制作方法
【專利摘要】一種打印方法包括：控制用于將電脈沖施加至噴墨打印頭的壓電式噴嘴的時(shí)序參數(shù)，以便從噴嘴中分配材料液滴。控制時(shí)序參數(shù)以將氣泡引入材料液滴中，從而將材料的密度降低為小于材料的自然密度的所選擇的密度值。
【專利說明】控制所分配的打印材料的密度
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及使用噴墨打印頭的打印。更具體地，本發(fā)明涉及在打印期間控制經(jīng)所分配的材料的材料密度。
【背景技術(shù)】
[0002]三維(3D)打印廣泛用于構(gòu)建物體，諸如，模型或原型。在3D打印中，通過以受控的方式沉積材料來構(gòu)建物體，以便形成該物體。可從將構(gòu)建的物體的數(shù)字表示中獲得引導(dǎo)該物體的構(gòu)建的指令。這種數(shù)字表示可通過例如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或計(jì)算機(jī)輔助制造程序或應(yīng)用程序來生成。
[0003]常用的3D打印機(jī)使用用于選擇性地分配諸如光聚合物材料的材料的噴墨打印頭。逐層沉積光聚合物材料以形成3D模型。可沉積不同的光聚合物材料以形成正在打印的物體的不同部分。光聚合物材料可以液體或凝膠的形式存儲(chǔ)在噴墨打印頭內(nèi)。在光聚合物材料由噴墨打印頭分配之后，該材料可硬化或可固化(例如，通過曝光或紫外線照射)，以使材料硬化。
[0004]噴墨打印頭可包括壓電元件。將電脈沖施加至壓電元件可在位于打印頭內(nèi)的材料中生成壓力波。壓力波可使打印頭噴出或排出材料滴。
[0005]在某些情況下，壓力波可在材料內(nèi)形成小凹孔(氣穴)。材料的成分可以氣態(tài)填充所形成的凹孔以在材料內(nèi)形成氣泡。在噴墨打印頭中生成氣泡是熟知的現(xiàn)象(例如，參見 H.Wi jshoff, “The dynamics of the piezoelectric inkjet printheadoperation” , Physics Reports, V.491 (2010), pp.77-177)。在用于進(jìn)行二維打印的傳統(tǒng)打印機(jī)中優(yōu)選地使用噴墨打印頭。在這種應(yīng)用中，墨滴中的氣泡的形成被視為寄生的或負(fù)面的效果，并且投入了大量精力以完全地抑制這種氣泡形成或大幅地減少氣泡形成。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]為了更好地理解本發(fā)明，并且理解其實(shí)際應(yīng)用，在下文中提供并且參考以下附圖。應(yīng)注意，附圖僅作為實(shí)例提供并且決不限制本發(fā)明的范圍。相同的部件由相同的附圖標(biāo)記表不。
[0007]圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的能夠在打印期間控制所分配的材料的密度的三維打印機(jī)的示意圖；
[0008]圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于單個(gè)噴嘴的具有低占空比的電脈沖生成；
[0009]圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于單個(gè)噴嘴的具有高占空比的電脈沖生成；
[0010]圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于三組噴嘴的具有圖2A的占空比的電脈沖生成；
[0011]圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于三組噴嘴的具有圖2B的占空比的電脈沖生成；以及
[0012]圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于控制所分配的打印材料的密度的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]在以下詳細(xì)描述中，為了徹底地理解本發(fā)明，闡述了大量具體細(xì)節(jié)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，無需這些具體細(xì)節(jié)，也可實(shí)踐本發(fā)明。在其他情況下，并未詳細(xì)描述數(shù)值的方法、過程、部件、模塊、單元和/或電路，以免混淆本發(fā)明。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，可控制由噴墨打印頭的壓電式噴嘴分配的材料的密度。打印頭結(jié)合到打印機(jī)內(nèi)或者與打印機(jī)相關(guān)聯(lián)。當(dāng)將電脈沖施加至該噴嘴時(shí)，通過壓電式噴嘴分配材料液滴。脈沖的施加導(dǎo)致形成噴射包含在打印頭內(nèi)的材料液滴的壓力波。由于液滴被噴射，另外的材料流入打印頭內(nèi)。生成壓力波、分配液滴和另外的材料的流入的組合動(dòng)作可在材料內(nèi)引起氣穴(cavitation)。因此,在材料內(nèi)的氣穴可增大該材料在打印頭內(nèi)的氣泡含量。
[0015]可為了 3D打印的目的分配材料，以便形成物體。分配的材料液滴可沉積在表面上，以有助于形成物體。例如，表面可為要打印或形成物體的襯底、托盤或平臺(tái)。該表面可包括局部形成的物體的最近(例如，上部或頂部)表面。
[0016]控制所分配的并且沉積的材料的密度，從而能夠形成具有可控密度的物體。分別控制所分配的材料的密度以形成所形成的物體的每一層、區(qū)域或部件，使得能夠形成其中一個(gè)部件的密度不同于另一個(gè)部件的密度的物體。
[0017]通過將氣泡引入材料中，該材料的密度可從材料的自然密度中減小。如本文所使用的，當(dāng)材料是連續(xù)的并且未被氣泡中斷時(shí)，材料的自然密度被定義為材料的密度(例如，在給定的一組包括溫度和壓力的環(huán)境條件下)。因此，當(dāng)氣泡含量接近零時(shí)，材料的密度基本上等于該材料的自然密度。材料的氣泡含量(例如，可表示為體積或質(zhì)量分?jǐn)?shù))越大，材料的密度就越低。氣泡可陷入材料內(nèi)直到并且隨后材料硬化(例如，由于固化)。
[0018]可通過控制至該噴嘴的一系列電脈沖的施加，來控制由壓電式噴嘴分配的材料的氣泡含量。通過調(diào)整將電脈沖施加至壓電式噴嘴的時(shí)序(timing)，可控制氣泡的形成。該時(shí)間被一個(gè)或多個(gè)時(shí)序參數(shù)特征化。至少可調(diào)節(jié)時(shí)序參數(shù)的子組，以便控制所分配的材料的氣泡含量。關(guān)于電脈沖的時(shí)間的可調(diào)節(jié)的參數(shù)可包括每個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間或在連續(xù)脈沖之間的周期或時(shí)間。
[0019]可從施加至噴嘴的一個(gè)脈沖的特定點(diǎn)(例如，脈沖的開始)到施加至該噴嘴的緊接的隨后的脈沖的等價(jià)點(diǎn)(例如，開始)來測(cè)量在一個(gè)脈沖與下一個(gè)脈沖之間的時(shí)間段(在打印頭的連續(xù)操作期間)。根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方式，可通過打印機(jī)同時(shí)執(zhí)行的操作來限制時(shí)間段(下文稱為脈沖周期)。例如，在打印頭與其上分配材料的襯底的表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可具有恒定的速度(例如，始終或貫穿單個(gè)物體或物體的單個(gè)部件的形成)。為了精確地形成物體，利用其生成脈沖的脈沖頻率(脈沖周期的倒數(shù)，例如，表示為每秒的脈沖個(gè)數(shù))可通過在分配材料與相對(duì)運(yùn)動(dòng)之間的協(xié)調(diào)來限制。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式，可與脈沖頻率的調(diào)整協(xié)調(diào)地調(diào)整相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
[0020]可調(diào)整單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間(下文稱為脈沖寬度)。當(dāng)脈沖頻率或脈沖周期是固定的或恒定的時(shí)，脈沖寬度的調(diào)整可伴隨脈沖延遲的補(bǔ)償調(diào)整。例如，脈沖延遲可描述在脈沖周期的恒定(例如，任選的)點(diǎn)與脈沖的開始之間的時(shí)間間隔。因此，對(duì)于特定的固定脈沖頻率或周期，脈沖寬度與其相應(yīng)的脈沖延遲之和(可具有負(fù)值)可基本上是恒定的。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方式，可經(jīng)驗(yàn)地從實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)中獲得電脈沖時(shí)間與材料密度(或材料的相關(guān)特性，例如，半透明度)之間的關(guān)系。例如，確定經(jīng)驗(yàn)關(guān)系可包括在保持恒定的脈沖時(shí)間(例如，脈沖寬度和周期)的同時(shí)，操作打印頭的噴嘴以形成物體。隨后，測(cè)量所形成的物體的密度。相似的利用各種脈沖時(shí)間的物體的形成、其密度的測(cè)量和結(jié)果的分析可產(chǎn)生在脈沖時(shí)間與材料密度(或材料的相關(guān)特性，例如，半透明度或介電常數(shù))之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方式，電脈沖至打印頭的一個(gè)噴嘴的施加可與脈沖至相鄰的噴嘴的施加協(xié)調(diào)。例如，該協(xié)調(diào)可防止同時(shí)將電脈沖應(yīng)用于兩個(gè)相鄰的噴嘴(例如，最近的相鄰噴嘴與下一個(gè)最近的相鄰噴嘴)中。可在多組(例如，三組)噴嘴之中分配噴嘴，每個(gè)噴嘴是一組中的一個(gè)成員。電脈沖可同時(shí)施加至作為單組成員的噴嘴。脈沖在施加至其他組的脈沖之間的間隔期間施加至一組的脈沖。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方式，脈沖時(shí)間可被占空比特征化。用于單個(gè)噴嘴(或一組噴嘴)的占空比可被定義為脈沖寬度與脈沖周期的比值。當(dāng)協(xié)調(diào)電脈沖的施加從而使得不同時(shí)地將脈沖施加至相鄰的噴嘴時(shí)，可將用于那些噴嘴的總占空比定義為與施加至所有那些噴嘴的脈沖之和的與脈沖周期的比值。
[0024]例如，當(dāng)分配某些材料時(shí),諸如,基于丙烯酸的光聚合物,例如，Objet VeroClear?RGD810(以色列雷霍沃特的Objet?公司)，可施加具有40%的總占空比的電脈沖。施加具有40%或更小占空比的電脈沖，可將足夠的氣泡引入所分配的材料中(例如，大約10%的體積)，以將所分配的材料的密度明顯地減小(例如，減小大約10%)為低于材料的自然密度。
[0025]一個(gè)或多個(gè)電脈沖時(shí)序參數(shù)與材料密度(或氣泡含量)之間的關(guān)系可由查詢表或相似的表示來表示。例如，查詢表可由材料密度索引。因此，當(dāng)分配具有特定密度的材料時(shí)，參照查詢表，可產(chǎn)生電脈沖時(shí)序參數(shù)的值(其產(chǎn)生具有該密度的分配的材料)。代替查詢表，脈沖時(shí)序參數(shù)與材料密度之間的關(guān)系可表示為函數(shù)、公式或等式。例如，可經(jīng)驗(yàn)地將導(dǎo)出數(shù)據(jù)擬合為函數(shù)形式來獲得函數(shù)關(guān)系。
[0026]將所分配的材料的密度減小為低于材料的自然密度是有利的。例如，減小所分配的材料的密度能夠形成比在分配具有其自然密度的材料時(shí)更輕的物體。根據(jù)材料和形成的物體，通過引入氣泡來減小材料密度可不會(huì)明顯地影響所形成的物體的機(jī)械強(qiáng)度或其他機(jī)械特性。同樣，可減少形成物體所需要的材料量，因此降低形成物體的成本。
[0027]盡管通過利用不同的材料來打印(例如，通過另外的打印頭或通過替換提供給打印頭的材料)可實(shí)現(xiàn)具有不同密度材料的打印，但是這種解決方案可對(duì)資源(例如，每種材料的有限數(shù)量的打印頭)或吞吐量(例如，替換材料供應(yīng)容器和相關(guān)動(dòng)作所需要的時(shí)間)造成更大的壓力(strain，應(yīng)變)。另一方面，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，可在打印過程期間反復(fù)地改變脈沖時(shí)間，而不會(huì)減小打印速度。
[0028]利用某些材料，引入氣泡以減小密度可影響所分配的材料或所形成的物體的其他特性。例如，引入氣泡可影響材料的介電常數(shù)或其他電磁相關(guān)特性。如果材料是透明的，則將氣泡引入材料內(nèi)可使材料變得更加半透明。(在這種情況下，材料的半透明度與材料密度之間的關(guān)系使得能夠通過測(cè)量或觀測(cè)其透明度來確定或估計(jì)所分配的材料的或所形成的物體的密度)。Objet VeroClear? RGD810 (以色列雷霍沃特的Objet公司)是在其自然密度下為至少部分透明的但隨著氣泡含量的增加變得更加半透明的材料的一個(gè)實(shí)例。
[0029]圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的能夠在打印期間控制所分配的材料的密度的三維打印機(jī)的示意圖。
[0030]3D打印機(jī)10包括打印頭12，該打印頭可通過控制器20的控制來操作。打印頭12包括多個(gè)壓電式噴射單元14。每個(gè)壓電式噴射單元14可通過控制器20的噴射控制模塊26操作，以生成施加至該壓電式噴射單元14的壓電致動(dòng)器的一系列電脈沖。將脈沖施加至壓電致動(dòng)器可在提供至噴嘴16的打印材料中生成一系列壓力波。在打印材料中生成壓力波可使噴嘴16噴射或分配打印材料的液滴18。所分配的打印材料的密度可由所施加的一系列電脈沖的時(shí)序來確定。時(shí)序可由噴射控制模塊26的時(shí)間控制子模塊27控制。
[0031]脈沖可同時(shí)施加至多個(gè)壓電式噴射單元14中。為了抑制通過一個(gè)噴嘴16的液滴18的分配影響來自相鄰或鄰近噴嘴16的液滴的分配(例如，由于各種機(jī)械、聲學(xué)或液力效應(yīng))，噴射控制模塊26可被配置為避免同時(shí)將脈沖施加至相鄰噴嘴16的壓電式噴射單元
14。在一種布置中，將噴嘴16分成三組或多組。脈沖僅同時(shí)施加至單個(gè)組的噴嘴16的壓電式噴射單元14。例如，當(dāng)噴嘴16分成三組時(shí)，在一行噴嘴中的每第三個(gè)噴嘴16屬于第一組，緊隨第一組噴嘴之后的噴嘴屬于第二組，并且緊接第一組噴嘴之前的噴嘴屬于第三組。(例如，在圖1中示意性地示出的三個(gè)相鄰噴嘴16將分別屬于單獨(dú)的組，從而所示出的三個(gè)噴嘴16中的任意兩個(gè)都不同時(shí)分配液滴18)。因此，同時(shí)分配液滴的兩個(gè)噴嘴16通過不與前兩個(gè)同時(shí)分配液滴的至少兩個(gè)中間噴嘴16分離。
[0032]在某些實(shí)施方式中，壓電式噴射單元14的所有部件均位于打印頭12中。在其他實(shí)施方式中，壓電式噴射單元14的某些部件(例如，某個(gè)電路)可位于打印頭12的外部，諸如，在控制器20中。
[0033]盡管3D打印機(jī)10被示出為具有單個(gè)打印頭12，但是打印機(jī)可包括多個(gè)打印頭。各種打印頭可同時(shí)操作，例如，以提高打印速度。各種打印頭可被配置為分配不同材料，例如，以形成打印物體36的不同部分。
[0034]用于分配的材料可從材料池40經(jīng)由導(dǎo)管系統(tǒng)42提供至打印頭12的噴嘴16。(導(dǎo)管系統(tǒng)42通常包括將材料從共同的材料池40提供到打印頭12的多個(gè)噴嘴16的多個(gè)支路，為了簡單起見，在圖1中未示出)。經(jīng)由導(dǎo)管系統(tǒng)42將材料從材料池40提供到噴嘴16可通過控制器20的材料供應(yīng)控制模塊38來控制。示例性3D打印機(jī)可包括用于將不同的材料供應(yīng)至3D打印機(jī)池的多個(gè)墨盒供應(yīng)單元(未示出)。可經(jīng)由導(dǎo)管系統(tǒng)從多個(gè)墨盒單元中的不同墨盒中供應(yīng)不同的材料。例如，在相同受讓人的美國專利N0.7，725，209中描述了這種供應(yīng)單元，并且通過引用將其結(jié)合于此。
[0035]打印頭12可被配置為分配液滴18以便形成層，諸如打印物體36的層37a和37b。液滴18可沉積在正在打印的物體36的下層37a的表面上，該液滴在該表面上凝固(或可固化以凝固)以形成新的上層37b的至少一部分。凝固的材料具有由液滴18中的材料的密度確定的密度。打印物體36可由支持平臺(tái)32支持。致動(dòng)器30可由控制器20的運(yùn)動(dòng)控制模塊28操作以引起打印頭12與支持平臺(tái)32之間的相對(duì)平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。例如。可操作致動(dòng)器30以移動(dòng)支持平臺(tái)32、打印頭12或兩者。由箭頭34示意性表示的運(yùn)動(dòng)(后文中稱為運(yùn)動(dòng)34)可包括在與支持平臺(tái)32基本平行的平面中的平移運(yùn)動(dòng)，可包括調(diào)節(jié)打印頭12與支持平臺(tái)32之間的距離的平移運(yùn)動(dòng)(例如，在通過沉積所分配的材料的液滴18來形成打印物體36時(shí)，隨著打印物體36的高度增大，為了在噴嘴16與打印物體36的最近點(diǎn)之間保持基本恒定的距離，并且從而保持基本恒定的層厚度)，或者可包括打印頭12與支持平臺(tái)32之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。
[0036]控制器20的條件模塊48可控制從一個(gè)或多個(gè)傳感器(例如，溫度計(jì)、濕度傳感器、流量傳感器或其他光學(xué)、機(jī)械或電磁傳感器)中接收表示在打印頭12中或在3D打印機(jī)10的另一個(gè)外殼或部件中的一個(gè)或多個(gè)環(huán)境條件(例如，環(huán)境溫度、濕度、冷卻液流、冷卻劑成分)的數(shù)據(jù)。條件模塊48可控制一個(gè)或多個(gè)環(huán)境控制裝置(例如，加熱器、風(fēng)扇或過濾器)以控制一個(gè)或多個(gè)環(huán)境條件。條件模塊48可被配置為當(dāng)一個(gè)或多個(gè)所感測(cè)的環(huán)境條件偏離預(yù)定范圍時(shí)產(chǎn)生警報(bào)(例如，可看見或可聽見的)或者停止或暫停3D打印機(jī)10的操作或兩者。警報(bào)可指示操作人員執(zhí)行校正動(dòng)作(例如，更換過濾器、補(bǔ)充材料、重置開關(guān))以將環(huán)境條件恢復(fù)為可接受的值。
[0037]控制器20包括處理器22以及一個(gè)或多個(gè)模塊。處理器22可包括一個(gè)或多個(gè)處理裝置。處理器22的全部或某些部件可結(jié)合在打印機(jī)10中，或者可結(jié)合在與打印機(jī)10通信的計(jì)算機(jī)或外部控制單元中。處理器22可根據(jù)程序指令進(jìn)行操作。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方式，控制器20的模塊(諸如，噴射控制模塊26、運(yùn)動(dòng)控制模塊28、材料供應(yīng)控制模塊38或條件模塊48)可包括用于實(shí)現(xiàn)模塊的功能的執(zhí)行的電路。根據(jù)某些實(shí)施方式，控制器20的模塊可包括程序、應(yīng)用程序或一組程序指令(其被配置為由處理器22執(zhí)行以便實(shí)現(xiàn)模塊的功能的執(zhí)行)。
[0039]控制器20的處理器22可與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元24通信。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元24可包括一個(gè)或多個(gè)易失性或非易失性數(shù)據(jù)、固定的或可移動(dòng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元24可包括非易失性計(jì)算機(jī)可讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元24可包括結(jié)合在控制器20或3D打印機(jī)10中的一個(gè)或多個(gè)部件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元24可包括與控制器20分開或遠(yuǎn)離控制器20的一個(gè)或多個(gè)部件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置。在這種情況下，處理器22可經(jīng)由數(shù)據(jù)通信信道或網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元24的遠(yuǎn)程部件通信。
[0040]數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元24可用于存儲(chǔ)用于處理器22或控制器20的操作的程序指令。所存儲(chǔ)的程序指令可包括用于操作控制器20的一個(gè)或多個(gè)模塊(諸如，噴射控制模塊26、運(yùn)動(dòng)控制模塊28、材料供應(yīng)控制模塊38或條件模塊48)的指令。
[0041]數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元24可用于存儲(chǔ)用于控制3D打印機(jī)10的操作的數(shù)據(jù)或參數(shù)以形成打印物體36。例如，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元24可用于存儲(chǔ)物體描述44。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方式，物體描述44可包括由3D打印機(jī)10形成或打印的物體的數(shù)字表示。例如，數(shù)字表示可包括體積元素的三維陣列。每個(gè)體積元素可包括規(guī)定在物體的三維位置處的成分的信息(例如，如在合適的三維坐標(biāo)系統(tǒng)中所規(guī)定的)。物體描述44可由處理器22獲得和解釋。基于物體描述44，處理器22可生成用于通過例如噴射控制模塊26、運(yùn)動(dòng)控制模塊28或材料供應(yīng)模塊38執(zhí)行的一系列指令。執(zhí)行所生成的指令可控制3D打印機(jī)10的部件(諸如，一個(gè)或多個(gè)打印頭12或致動(dòng)器30)的操作，以便形成打印物體36。[0043]根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方式，物體描述44可包括用于通過例如噴射控制模塊26、運(yùn)動(dòng)控制模塊28或材料供應(yīng)模塊38執(zhí)行的一系列指令。執(zhí)行所生成的指令可控制3D打印機(jī)10的部件(諸如，一個(gè)或多個(gè)打印頭12或致動(dòng)器30)的操作，以便形成打印物體36。
[0044]物體描述44可包括密度數(shù)據(jù)46。如果物體描述44包括要形成的物體的數(shù)字表示，則密度數(shù)據(jù)46可規(guī)定數(shù)字表示的元件的密度。密度數(shù)據(jù)46可規(guī)定打印物體36的元件的密度(例如，在沉積的材料已經(jīng)凝固之后)或在要分配的液滴18中的材料的密度以便形成該元件。如果物體描述44包括由控制器20的模塊執(zhí)行以便形成打印物體36的指令，則密度數(shù)據(jù)46可包括由噴射控制模塊26的時(shí)間控制子模塊27執(zhí)行的指令。指令的執(zhí)行可使噴射控制模塊26控制壓電式噴射單元14的電脈沖時(shí)序，從而使噴嘴16分配具有期望密度的液滴18。
[0045]在一種實(shí)施方式中，為了在構(gòu)建的3D模型內(nèi)部引入不同的氣泡量并測(cè)試在構(gòu)建的3D模型內(nèi)部的不同的氣泡量,使用用于圖案化(patterning,模式化)饋入打印頭的電信號(hào)的不同的噴射頻率以及脈沖寬度和延遲的不同組合，從由ALARIS?3D打印機(jī)噴射的透明光聚合物Objet VeroClear? RGD810 (均來自以色列雷霍沃特的Objet?公司)中打印大
約Icm厚的平面平行樣品。不同的構(gòu)建條件導(dǎo)致不同的和變化的氣泡含量，并且反過來導(dǎo)致不同的半透明程度，如在以下示圖中所描述的和示意性示出的。
[0046]圖2A和2B示意性示出了用于單個(gè)噴嘴16的電脈沖生成的控制。
[0047]圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于單個(gè)噴嘴的具有低占空比的電脈沖生成。與在圖2B中所示的電脈沖生成的占空比相比，在圖2A中所示的電脈沖生成的占空比較低。施加具有低占空比的脈沖，可導(dǎo)致氣泡含量增加和所分配的材料的密度減小。
[0048]曲線圖200示出了隨時(shí)間T變化的至打印頭的噴嘴的壓電元件的電壓V的電信號(hào)的施加。如曲線圖200所示，除了在生成電脈沖202時(shí)以外，所施加的電壓大約為O。脈沖周期204是依次連續(xù)施加至噴嘴的脈沖202之間的時(shí)間間隔。脈沖周期204(脈沖頻率的導(dǎo)數(shù))可通過多個(gè)因素中的一個(gè)來確定。例如，脈沖周期204可與脈沖202的施加與打印頭與正在形成的打印物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的同步相關(guān)。
[0049]脈沖寬度206表示施加脈沖202的時(shí)間。例如，脈沖寬度206可表示在脈沖202的半極大處的全寬度。
[0050]脈沖可同時(shí)施加至打印頭的多個(gè)噴嘴。例如，在施加至單個(gè)噴嘴(或一組噴嘴)的第一脈沖202的末端與緊接的之后的脈沖202之間的時(shí)間間隔期間，脈沖可施加至其他噴嘴。因此，在脈沖至單個(gè)噴嘴的連續(xù)施加之間的脈沖至其他噴嘴的施加可限制占空比。
[0051]圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于單個(gè)噴嘴的具有高占空比的電脈沖生成。與在圖2A中所示的電脈沖生成的占空比相比，在圖2B中所示的電脈沖生成的占空比較高。施加具有低占空比的脈沖可導(dǎo)致增加的氣泡含量，而施加具有高占空比的脈沖可為所分配的材料提供接近材料的自然密度的密度。
[0052]如曲線圖200’所示，除了在生成電脈沖202’時(shí)以外，所施加的電壓大約為O。脈沖周期204是在依次連續(xù)施加至噴嘴的脈沖202’之間的時(shí)間間隔。脈沖寬度206’表示施加脈沖202’的時(shí)間。
[0053]當(dāng)脈沖周期204是固定的或限制為恒定值時(shí)，曲線圖200的脈沖寬度206與脈沖延遲208之和等于曲線圖200’的脈沖寬度206’與脈沖延遲208’之和。[0054]圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于三組噴嘴的具有圖2A的占空比的電脈沖生成。
[0055]曲線圖300a、300b和300c分別表示施加至三組不同的噴嘴的電脈沖202。例如，曲線圖300a、300b和300c可表示施加至打印頭的三個(gè)相鄰噴嘴的電脈沖202。如圖3A所示，脈沖延遲208表示在施加至不同組的噴嘴的脈沖202之間的時(shí)間延遲。例如，在脈沖202施加至與曲線圖300a對(duì)應(yīng)的噴嘴之后，另一個(gè)脈沖202在脈沖延遲之后208施加至與曲線圖300b對(duì)應(yīng)的噴嘴。
[0056]例如，在圖2A和圖3A中，脈沖寬度206可大約為4微秒。脈沖延遲208可大約為5微秒。脈沖周期204可大約為33微秒，與大約30千赫茲的噴射或脈沖頻率對(duì)應(yīng)。因此，每個(gè)噴嘴的占空比大約為12%，并且總占空比大約為36%。當(dāng)利用這種脈沖時(shí)序來分配典型的基于丙烯酸的光聚合物時(shí)，氣泡含量大幅增加(例如，大約10% )，并且所分配的材料的密度相應(yīng)地減小(減小為自然密度的大約89% )。在這種條件下，透明的基于丙烯酸的光聚合物可呈現(xiàn)為不透明的。
[0057]圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于三組噴嘴的具有圖2B的占空比的電脈沖生成。
[0058]曲線圖310a、310b和310c分別表示施加至三組不同的噴嘴的電脈沖202’。脈沖延遲208’表示在施加至不同組的噴嘴的脈沖202’之間的時(shí)間延遲。在圖3B中所示的占空比接近最大值。因此，幾乎一直將脈沖202’施加至這幾組噴嘴的其中一個(gè)。
[0059]例如，在圖2B和圖3B中，脈沖寬度206’可大約為7微秒。脈沖延遲208’可大約為I微秒。脈沖周期204可大約為33微秒，與大約30千赫茲的噴射或脈沖頻率對(duì)應(yīng)。因此，每個(gè)噴嘴的占空比大約為21%，并且總占空比大約為63%。當(dāng)利用這種脈沖時(shí)序來分配典型的基于丙烯酸的光聚合物時(shí)，氣泡含量接近O (例如，小于0.1% )，并且所分配的材料的密度接近自然密度。
[0060]盡管在圖3A和圖3B的每一個(gè)中，所有組的所有脈沖被示出為具有單個(gè)脈沖寬度(分別為206和206’)和單個(gè)脈沖延遲(分別為208和208’)，但是脈沖寬度和脈沖延遲對(duì)于不同的組可不同。
[0061 ] 控制器可被配置為根據(jù)用于控制所分配的打印材料的密度的方法來操作打印機(jī)。尤其地，3D打印機(jī)的控制器可被配置為根據(jù)該方法來操作。
[0062]圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于控制所分配的打印材料的密度的方法的流程圖。(也參照在圖1中所示的部件。)
[0063]關(guān)于該流程圖應(yīng)理解，僅為了方便和清晰起見，已經(jīng)選擇了將所示出的方法分成由流程圖的方框表示的離散操作。替代性地將所示出的方法分成離散操作可以具有等效的結(jié)果。這種替代性地將所示出的方法分成離散操作應(yīng)被理解為表示本發(fā)明的其他實(shí)施方式。
[0064]同樣，應(yīng)理解的是，除非特別說明，否則僅為了方便和清晰起見，選擇了由流程圖的方框表示的操作的所示出的執(zhí)行順序。可按照具有等效結(jié)果的替代順序或同時(shí)執(zhí)行所示出的方法的操作。所示出的方法的操作的這種重新排序應(yīng)理解為表示本發(fā)明的其他實(shí)施方式。
[0065]密度控制方法400可通過3D打印機(jī)10的控制器(諸如控制器20)或控制器的處理器(諸如處理器22)來執(zhí)行。
[0066]可獲得通過打印來形成的物體的描述(方框410)。可從與控制器20相關(guān)的或者可通過控制器20來通信的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元24中獲得該描述。描述可包括要形成的物體的數(shù)字表示。可分析描述以產(chǎn)生一系列要執(zhí)行的操作。可替代地，所獲得的描述可包括一系列要執(zhí)行的以便形成物體的操作。
[0067]可獲得和密度相關(guān)的數(shù)據(jù)(方框420)。和密度相關(guān)的數(shù)據(jù)可規(guī)定全部或部分要形成的物體的和密度相關(guān)的特性。和密度相關(guān)的特性可包括由噴嘴16分配的材料的密度、或者要形成的物體的或該物體的區(qū)域、部分或部件的密度(例如，在材料已經(jīng)凝固之后)。和密度相關(guān)的特性可包括材料或物體的相對(duì)密度(例如，自然密度的一部分或比重)。和密度相關(guān)的特性可包括所分配的材料液滴的質(zhì)量或者材料或物體的氣泡含量。和密度相關(guān)的特性可包括可與材料或物體的密度相關(guān)聯(lián)的特性。這種特性可包括例如半透明度、光學(xué)密度、抗拉強(qiáng)度或介電常數(shù)。
[0068]可確定對(duì)應(yīng)于和密度相關(guān)的數(shù)據(jù)的脈沖時(shí)序(方框430)。例如，可從查詢表或使和密度相關(guān)的特性與脈沖時(shí)序的一個(gè)或多個(gè)特征相關(guān)的函數(shù)關(guān)系中獲得脈沖時(shí)序。脈沖時(shí)序的特征可包括用于單個(gè)噴嘴或一組噴嘴的脈沖頻率或脈沖周期、脈沖寬度、脈沖延遲、占空比或者用于多組噴嘴的總占空比。
[0069]在確定脈沖時(shí)序特征時(shí)，可考慮另外的因素。例如，和一方面的打印頭12與另一方面的正在打印的物體或支撐平臺(tái)32之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的同步可影響脈沖頻率或脈沖周期的確定。
[0070]例如，脈沖頻率可與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度協(xié)調(diào)以便實(shí)現(xiàn)材料沉積的預(yù)定速率。例如，如果沉積速率是每毫米100滴，則22千赫茲的脈沖頻率與每秒220毫米的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)。利用相同的沉積速率，33千赫茲的脈沖頻率與每秒300毫米的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)。
[0071]根據(jù)所確定的脈沖時(shí)序，將電脈沖(通常是一系列電脈沖的一部分)施加至噴嘴16的壓電式噴射單元14(方框440)。電脈沖的施加可使材料的多個(gè)液滴18通過相關(guān)聯(lián)的噴嘴16來分配。氣泡含量和由此每個(gè)液滴18的密度由脈沖時(shí)序來確定。
[0072]利用受控密度的液滴18的分配，在打印頭12與支撐平臺(tái)32之間的同時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)可引起所分配的材料以直線或曲線的形式沉積在正在形成的物體(諸如打印物體36)上。通過其他噴嘴16或打印頭12的材料的同時(shí)分配(或在打印頭12與支撐平臺(tái)32之間的橫向或其他另外的相對(duì)運(yùn)動(dòng))可引起受控密度的材料的區(qū)域、范圍或?qū)映练e在打印物體36上。
[0073]實(shí)例
[0074]如上所述，可經(jīng)驗(yàn)地確定在氣泡含量與脈沖時(shí)序之間的關(guān)系。下面的實(shí)例示出了當(dāng)打印3D模型時(shí)氣泡含量的經(jīng)驗(yàn)性確定。
[0075]為了在3D模型內(nèi)部引入不同的氣泡量并且測(cè)量氣泡含量，從透明光聚合物ObjetVeroClear? RGD810中打印并且通過ALARIS?3D打印機(jī)噴射(均來自以色列雷霍沃特的
Objet?公司)大約Icm厚的平面平行樣品。在圖案化施加至打印頭的壓電元件的電信號(hào)中使用不同的噴射(脈沖)頻率以及脈沖寬度和脈沖延遲的不同組合。在圖3A和圖3B中示意性描述了所測(cè)試的脈沖時(shí)序圖案和可變參數(shù)。
[0076]不同的構(gòu)建條件(脈沖時(shí)序)導(dǎo)致不同的和變化的氣泡含量，并且反過來，導(dǎo)致該模型的不同的半透明程度。
[0077]噴墨打印頭采用用于在打印頭的工作容積內(nèi)部將電脈沖轉(zhuǎn)換成壓力波的壓電元件。常見的先有技術(shù)實(shí)踐是為了針對(duì)給定幅度(例如，如在圖3A中所示的脈沖202的高度)的脈沖最大化噴射液滴的體積。該方法產(chǎn)生可能最寬的脈沖(例如，在圖3B中的最大脈沖寬度206’)，同時(shí)脈沖延遲(例如，在圖3B中的脈沖延遲208’)被設(shè)置為避免與連續(xù)脈沖的時(shí)間重疊的最小值。對(duì)于測(cè)試打印頭，典型的時(shí)序參數(shù)包括7.0微秒的脈沖寬度和
1.0微秒的脈沖延遲。對(duì)于常用的脈沖時(shí)序參數(shù)，脈沖寬度大于脈沖延遲。
[0078]在一種實(shí)施方式中，通過從常用值中有意地改變脈沖時(shí)序參數(shù)，在噴射的材料中引入更多的(例如，明顯大于最小的)氣泡含量。通過測(cè)量打印模型的材料密度來測(cè)量氣泡含量。與噴射的液體的密度相比，在氣泡中的氣體的密度很小可忽略。因此，包含氣泡的材料(材料A)的密度與沒有氣泡的相同材料(材料B)的(自然)密度的比值可被假設(shè)為等于氣泡在材料A中的體積分?jǐn)?shù)。
[0079]在由打印頭制造商推薦的最常見的操作模式中，電脈沖寬度(在圖3B中是206’，對(duì)于所有噴射器同樣如此)是7.0微秒，脈沖延遲(在圖3B中是208’，對(duì)于所有噴射器同樣如此)是1.0微秒，并且噴射頻率是30kHz。脈沖分別施加至三組噴嘴。30kHz的噴射頻率與33.3微秒的脈沖周期204(在圖3B中)對(duì)應(yīng)。因此，在單個(gè)脈沖周期中，脈沖被施加總共21微秒的時(shí)間(用于全部三組噴嘴的脈沖寬度之和)，大約為脈沖周期的63%。總占空比的值(作為將電脈沖供應(yīng)至噴嘴的脈沖周期的一部分)通常保持為盡可能的高以增加所噴射的液滴的量。在這種條件下，在材料中觀測(cè)特定含量的氣泡，并且材料在一定程度上呈現(xiàn)為半透明的。
[0080]當(dāng)使用7.5微秒的電脈沖寬度206’ (圖3B，對(duì)于所有噴嘴同樣如此)、4.5微秒的脈沖延遲208’(圖3B，對(duì)于所有噴射器同樣如此)以及22kHz的噴射頻率時(shí)，材料的氣泡含量非常小，并且材料看起來完全透明。
[0081]當(dāng)使用4.0微秒的電脈沖寬度206 (圖3A，對(duì)于所有噴射器同樣如此)、5.0微秒的脈沖延遲208 (圖3A，對(duì)于所有噴射器同樣如此)以及30kHz的噴射頻率時(shí)，該材料看起來完全不透明。這種具有大于脈沖寬度的脈沖延遲的脈沖時(shí)序與先有技術(shù)中已知的脈沖時(shí)序形成對(duì)比。利用典型的先有技術(shù)的脈沖時(shí)序，將脈沖延遲被設(shè)置為低值，并且脈沖寬度被設(shè)置為高值，以提供從打印頭中噴射的足夠高的材料液滴量。
[0082]相對(duì)于利用常用的參數(shù)組(7.0微秒的脈沖寬度、1.0微秒的脈沖延遲和30kHz的噴射頻率)獲得的值，使用非標(biāo)準(zhǔn)的組合(例如，4.0微秒的脈沖寬度、5.0微秒的脈沖延遲和30kHz的噴射頻率；或者7.5微秒的脈沖寬度、4.5微秒的脈沖延遲和22kHz的噴射頻率)將從打印頭中噴射的材料液滴的量降低到了一定程度(5-8%)。由于在液滴中存在氣泡而引起這種下降。所構(gòu)建(凝固)的材料的密度降低到相同的程度。
[0083]計(jì)算使用不同的頻率和脈沖值打印的材料樣品的密度。這些樣品是矩形塊材料，具有以下尺寸:40_X40_X 10_。利用具有0.0lmm的精度的數(shù)字Fowler ProMaxCaliper IP67(美國的Fred V.Fowler公司)來測(cè)量方塊的尺寸。利用具有0.0OOlg的精度的Mettler Toledo (瑞典的Mettler-Toledo)的分析天平AB204-S來確定這些方塊的重量。在表I中顯示了結(jié)果。
[0084]表1:以不同的脈沖和頻率值噴射的Objet VeroClear RGD810材料的密度值。[0085]
【權(quán)利要求】
1.一種打印方法，包括:控制用于將電脈沖施加至噴墨打印頭的壓電式噴嘴的時(shí)序參數(shù)，以便從所述噴嘴中分配材料液滴，控制所述時(shí)序參數(shù)以將氣泡引入所述液滴內(nèi)的所述材料中，從而將所述液滴內(nèi)的所述材料的密度降低為小于所述材料的自然密度的所選擇的密度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，從由脈沖周期、脈沖寬度、脈沖延遲、占空比或總占空比構(gòu)成的時(shí)序參數(shù)列表中選擇所述時(shí)序參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，控制所述時(shí)序參數(shù)包括將所述總占空比調(diào)整為40%或更小的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，控制所述時(shí)序參數(shù)包括根據(jù)在所述時(shí)序參數(shù)與所述材料的密度相關(guān)的特性之間的預(yù)定對(duì)應(yīng)關(guān)系來選擇所述時(shí)序參數(shù)的值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，從由所述材料的密度、硬化之后的所述材料的密度、半透明度、光學(xué)密度和介電常數(shù)構(gòu)成的密度相關(guān)的特性的列表中選擇所述密度相關(guān)的特性。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，選擇所述值包括應(yīng)用將所述時(shí)序參數(shù)與所述密度相關(guān)的特性相關(guān)的查詢表。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述材料包括被配置為硬化以形成打印物體的區(qū)域的三維打印材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，控制所述時(shí)序參數(shù)包括選擇對(duì)應(yīng)于所述打印頭與將沉積所分配的液滴的表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的所述時(shí)序參數(shù)的值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)在所述打印頭與將沉積所分配的液滴的表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度，以便與所述時(shí)序參數(shù)的所選擇的值對(duì)應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)受控的所述時(shí)序參數(shù)將所述脈沖施加至所述噴嘴。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，施加所述脈沖包括同時(shí)將所述脈沖施加至所述打印頭的多個(gè)噴嘴。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述多個(gè)噴嘴的所述噴嘴通過至少一個(gè)其他噴嘴彼此隔開。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述多個(gè)噴嘴的所述噴嘴通過至少兩個(gè)其他噴嘴彼此隔開。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括引起在所述打印頭與將沉積所述液滴的表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以使具有所選擇的密度值的材料的直線或曲線被沉積在所述表面上。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，從將打印的物體的表示中獲得所選密度值。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述材料包括光聚合物。
17.—種三維打印機(jī)，包括:控制器，被配置為將電脈沖施加至打印頭的壓電式噴嘴，所述脈沖通過可由所述控制器控制的時(shí)序參數(shù)來特征化，所述時(shí)序參數(shù)的值是可選擇的，以使得材料液滴通過所述噴嘴來分配，所述液滴中的所述材料具有小于所述材料的自然密度的所選擇的密度值。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的打印機(jī)，進(jìn)一步包括所述打印頭，所述打印頭包括所述壓電式噴嘴。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的打印機(jī)，其中，從由脈沖周期、脈沖寬度、脈沖延遲、占空比或總占空比構(gòu)成的時(shí)序參數(shù)列表中選擇所述時(shí)序參數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的打印機(jī)，其中，控制所述時(shí)序參數(shù)包括將所述總占空比調(diào)整為40%或更小的值。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的打印機(jī)，其中，控制所述時(shí)序參數(shù)包括根據(jù)在所述時(shí)序參數(shù)與所述材料的密度相關(guān)的特性之間的預(yù)定對(duì)應(yīng)關(guān)系來選擇所述時(shí)序參數(shù)的值。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的打印機(jī)，其中，從由所述材料的密度、硬化之后的所述材料的密度、半透明度、光學(xué)密度和介電常數(shù)構(gòu)成的密度相關(guān)的特性的列表中選擇所述密度相關(guān)的特性。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的打印機(jī)，進(jìn)一步包括將所述時(shí)序參數(shù)與所述密度相關(guān)的特性相關(guān)的查詢表。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的打印機(jī)，其中，所述材料包括被配置為硬化以形成打印物體的區(qū)域的三維打印材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的打印機(jī)，其中，控制所述時(shí)序參數(shù)包括選擇對(duì)應(yīng)于在所述打印頭與將沉積所分配的液滴的表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的所述時(shí)序參數(shù)的值。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的打印機(jī)，進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)在所述打印頭與將沉積所分配的液滴的表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度，以便與所述時(shí)序參數(shù)的所選擇的值對(duì)應(yīng)。
27.根據(jù)權(quán)利要求17所述的打印機(jī)，其中，所述打印頭包括多個(gè)噴嘴，并且施加所述脈沖包括同時(shí)將所述脈沖施加至所述多個(gè)噴嘴。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的打印機(jī)，其中，所述多個(gè)噴嘴的所述噴嘴通過至少一個(gè)其他噴嘴彼此隔開。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的打印機(jī)，其中，所述多個(gè)噴嘴的所述噴嘴通過至少兩個(gè)其他噴嘴彼此隔開。
30.根據(jù)權(quán)利要求17所述的打印機(jī)，被配置為實(shí)現(xiàn)在所述打印頭與將沉積所述液滴的表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以使具有所選擇的密度值的材料的直線或曲線被沉積在所述表面上。
31.根據(jù)權(quán)利要求17所述的打印機(jī)，其中，從將打印的物體的表示中獲得所選擇的密度值。
32.根據(jù)權(quán)利要求17所述的打印機(jī)，其中，所述材料包括光聚合物。
33.一種打印方法，包括:通過選擇施加至噴嘴以排出液滴的多個(gè)電脈沖的每一個(gè)的持續(xù)時(shí)間與所述多個(gè)脈沖的依次施加的脈沖之間的時(shí)間間隔的比值，并且通過根據(jù)所述選擇將所述脈沖施加至所述噴嘴，從噴墨打印頭的壓電式噴嘴中分配材料液滴，同時(shí)控制所分配的材料的密度并且控制在液滴內(nèi)的氣泡的形成。
【文檔編號(hào)】B41J2/04GK103917372SQ201280054358
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月15日
【發(fā)明者】亞歷山大·里賓松 申請(qǐng)人:斯特塔西有限公司