用于维修3d打印机的装置和方法

摘要：本发明涉及用于形成三维物体的装置和方法以及与前述装置和方法结合使用的辅助系统。该装置和方法涉及到在相关３Ｄ打印机中使用的设备的３Ｄ打印和维修。提供一种维修站（１６），该维修站（１６）具有排出站（２２）、清洁站（２９）和覆盖站（２４）。还设置有可具有凹口（８２）的擦拭器（５４４、８１、８６）、可喷射喷嘴板的洗涤溶液（９２）、防溅罩（８１）、真空源。提供确定打印头状态的方法，例如获取打印头的运行参数或者对液滴进行计数。
申请人： Ｚ公司  国家/省市：美国( US )
申请人地址： 美国马萨诸塞  
主分类号： B41J 2/165  分类号： B41J 2/165  
公开号： 101056766  公开日： 2007年10月17日  
授权公告号： 101056766B  授权公告日： 2010年5月5日  
发明人： Ａ•Ｔ•埃尔南德斯 Ａ•Ａ•伯林 Ｂ•Ｄ•斯威特－布洛克 Ｊ•Ｐ•金斯利 Ｄ•卡塔利琴科 Ｃ•科达 Ｗ•Ｈ•曾格尔三世 Ｄ•Ｂ•拉塞尔  
优先权：US10/999,8472004/11/30  
优先权：US60/612,0682004/9/21  
代理机构：中国国际贸易促进委员会专利商标事务所( 11038 ) 代理人： 朱德强  
相关申请交叉引用
本申请要求2004年9月21日提交的美国临时专利申请No.60/612,068和2004年11月30日提交的美国专利申请序列号No.10/999,847的优先权，其公开内容全文在此引入以供参考。该申请还在此引入2004年11月30日提交的美国专利申请序列号No.11/000,100以供参考。


技术领域
本发明涉及用于维修3D打印机的装置和方法，例如，用于清洗和校正3D打印机中使用的打印头。
背景技术
总体上，3D打印涉及到使用喷墨型打印头，以将液体或胶状粘合剂材料分配到粉末建筑材料层。该打印技术涉及通常使用辊子在表面上施加一层粉末建筑材料。在该建筑材料施加到表面上后，打印头将液体粘合剂施加到该材料层的预定区域。该粘合剂渗入该材料并与该粉末起反应，例如通过激活粉末中的粘结剂而使得打印区域中的层固化。该粘合剂同时渗透到下层，形成层间粘合。在形成第一横截面部分后，重复前一步骤，建造连续的横截面部分，直到形成最后的物体。例如参见US专利No.6,375,874和6,416,850，其公开内容在此全文引入以供参考。
3D打印机通过使用彩色粘合剂材料以使粉末固化而制造彩色部件。清色粘合剂被用于制造白色部件表面，改变比例使用三原色以制造一定范围的彩色。打印机必须在精确的位置处施加多种颜色的粘合剂液滴以使得部件表面具有精确的彩色。3D打印机使用单独的打印头以施加每种粘合剂颜色。通常，打印头中的非一致性和打印头安装部件中的机械变化产生粘合剂液滴的定位的不精确，必须对此进行辨别和校正。
此外，用于执行3D打印的装置通常产生灰尘，其可不利地影响打印头的运行。例如，灰尘可堵塞分配粘合剂材料的喷嘴，这可导致没有分配粘合剂材料或者不精确地分配粘合剂材料。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于连续有效地维修3D打印机的装置和方法。
通常，本发明涉及用于与迄今为止可得到的相比更为快速有效地制造三维物体的装置和方法，所述三维物体包括铸芯、玩具、瓶子、罐头、建筑模型、汽车部件、分子模型、身体部件模型、蜂窝电话外壳和鞋等。此外，本发明涉及用于维护和运行前述装置的系统和方法。
更具体地，本发明涉及用于校正多个打印头的装置和方法，以及用于清洗打印头的装置和方法.在一个实施例中，校正方法是特别适合于3D打印的确定液滴位置误差的自动方法.在一个实施例中，由待校正的打印头打印测试图案，假定它们被理想地定位.然后扫描所得到的图案，以确定打印图像与理想图像的偏离.然后这样获得的信息能够校正所识别的误差.本方法与现有技术中的不同之处在于至少使用从扫描校正图案获得的信号的谐波含量来确定未校正.扫描横穿多条名义上相同的线对(line pair)，最终得到粉末中打印的图像所固有的不匀度的平均数。不需要成像光学，因为不涉及边缘检测。
在一个方面，本发明涉及一种由三维打印机的多个打印头形成测试图案的方法。该方法包括下列步骤：在建筑表面上限定区域以用于容纳测试图案，选择能够以高对比地打印的参考打印头，由参考打印头打印参考线，和由至少其中一个剩余的打印头邻接该参考线地打印测试线。
在多个实施方式中，限定区域的步骤包括在建筑表面上形成增强对比子层。增强对比子层能够通过使用至少其中一个打印头以单一且高对比颜色打印该区域、并以建筑材料的至少一个未打印层覆盖该打印区域而形成。在一个实施方式中，该区域由所有可用的打印头以最大的排出水平来打印，以使该区域饱和。
选择打印头的步骤包括下列步骤：在高对比子层上由每个打印头打印目标，比较这些目标、以辨别相对于未打印区域哪一个目标具有最高的对比，和选定与该最高对比目标相关联的打印头。而且，该方法可包括在每个打印步骤之前在建筑表面上堆积一层建筑材料的步骤。该打印步骤可包括在建筑材料上以预定的图案堆积液体粘合剂。在一个实施方式中，打印头以具有一种颜色的液体粘合剂打印，该颜色从由品红色、黄色、青色、清色和黑色组成的一组中选择。其它颜色和颜色的组合是预期的并落入本发明的范围。
此外，打印测试线的步骤可包括由至少两个剩余的打印头打印颜色交替的条(bar)。打印参考线和打印测试线的步骤可包括打印多条参考线和打印对应的多条测试线。在一个实施方式中，参考线和测试线能够在多个行程中打印。打印多条线的步骤可包括打印多条水平线和多条竖直线。而且打印参考线的步骤可包括打印十条水平参考线和在其附近打印十条竖直参考线，打印测试线的步骤可包括打印十条相应的水平测试线和打印十条相应的竖直测试线。在一些实施方式中，可打印两条参考线。在另一些实施方式中，可打印20条参考线。
在本方法的具体实施方式中，打印参考线和打印测试线的步骤包括打印多个平行于打印头的快轴(fast-axis)行程的名义上相同的线对，每个线对包括一条参考线和一条测试线，并打印多个垂直于打印头的快轴行程的名义上相同的线对，每个线对包括一条参考线和一条测试线。在一个实施方式中，每多个线对设置成等间距的线性阵列。每条测试线可包括一系列测试条，其中每个剩余的打印头打印中央测试条，该中央测试条名义上位于与相应的参考线相距的距离等于参考线的名义阵列间距的1/2。在一个实施方式中，每个剩余的打印头打印多个附加的测试条，这些测试条被设置成绕中央测试条递增。
在另一方面，本发明涉及用于校正三维打印机中多个打印头的测试图案。该测试图案包括多条基本上均匀间隔的单色参考线(solidreference line)和与多条参考线以交替的图案设置的多条测试线，其中每条测试线包括至少一条具有非参考色的条.在一个实施方式中，以交替图案打印颜色.在多个实施方式中，多条线的方向为基本上竖直或者在具体的实施方式中平行于打印头的快轴行程.而且，该测试图案可包括设置成与该第一测试图案邻近的第二测试图案.该第二测试图案包括第二多条基本上均匀间隔的单色参考线和与第二多条参考线以交替的方式设置的第二多条测试线.每条测试线包括至少一条非参考色的条，并且第二多条线可以取向为基本上垂直于打印头的快轴行程.
在另一方面，本发明涉及一种确定用于校正多个打印头的校正系数的方法。打印头需要运行一致而形成彩色图像。由于打印头和安装的变化，需要测量打印头的相对位置，并且需要对打印头的驱动信号进行校正，以使得不同的颜色以正确的配准而打印。通常，由待校正的打印头打印测试图案，假定它们位于理想位置。接着扫描所获得的图像，以确定所打印的图像与理想位置的偏离。由此获得的信息能够校正所确定的误差。本方法与现有技术的不同在于至少使用从扫描测试图案获得的信号的谐波含量确定未校正。扫描仪横穿多条名义上相同的线对，最终得到粉末中打印图像的内在不匀度的平均数。不需要成像光学，因为不涉及边缘检测。
特别地，本方法包括下列步骤：在建筑表面打印测试图案，产生代表该测试图案的一组电信号，分析该电信号，以确定处于至少一个频率的其谐波含量，并且根据该电信号的谐波含量确定校正系数。该测试图案包括一个线对阵列。在一个实施方式中，该方法包括产生用于分析的多个电信号以及根据所述多个电信号的谐波含量确定多个校正系数。
在多个实施方式中，本方法包括通过照射测试图案并在预定位置测量该测试图案的反射率而产生电信号。在一个实施方式中，分析电信号的步骤包括：对该信号使用模拟滤波器(例如使用运算放大器)。在另一实施方式中，分析电信号的步骤包括：使该信号数字化，并对该信号使用数字滤波器(例如快速傅立叶变换)。在一个实施方式中，可从一组第三谐波值确定校正系数。在另一实施方式中，可从一组第一谐波值确定校正系数。该校正系数接近标称测试条位移，所选定的谐波的最小值由标称测试条位移确定。可通过确定与这一组第三谐波值相应的或者代表这一组第三谐波值的分析曲线的最小值而确定该校正系数。本方法的一个实施方式包括下列步骤：从通过横过阵列扫描的传感器而获得的信号抽取第三谐波值，比较从每种颜色获得的那一组第三谐波值，并且根据最小的第三谐波值确定校正系数。
在另一方面，本发明涉及维修三维打印机中的多个打印头。通常，在3D打印过程中产生的部分的质量取决于从打印头的表面上的喷嘴阵列的粘合剂液体的液滴的可靠和精确的分配。为了保持高性能标准，在3D打印过程中必须时常地维修打印头。粘合剂液体的液滴在粉末层表面上的冲击使得粉末物质从该粉末层的表面射出。射出的一些物质在打印头的表面上聚集，干扰粘合剂液体液滴的分配。打印头维修的主要目的是从打印头的表面上去除这些聚集的碎屑。
打印头维修的一个方面是维修站，其包括清洁站、排出站和覆盖(capping)站。在一个实施方式中，打印头可在至少在两个方向上相对于维修站移动的滑架内处理。打印头维修的另一方面是软件算法，其指定每个打印头何时需要维修。在一个实施方式中，打印头可在至少在两个方向上相对于维修站移动的滑架内处理。
清洁站的多个实施方式包括：至少一个容纳部，其用于容纳打印头；至少一个喷嘴，其用于朝向打印头的打印头表面(或打印表面)喷射清洁流体；和擦拭器，其可紧邻于打印头表面设置，以去除过多的清洁流体，在某些情形下不接触打印头表面。清洁站还可包括防溅罩(splash guard)，用于隔离打印头表面并防止清洁流体流到打印头表面之外.防溅罩包括打开位置和密封位置，其中防溅罩被偏压打开并且通过与打印头接触而被从打开位置驱动到密封位置.防溅罩可包括密封唇，其在密封位置时环绕打印头表面.在一个实施方式中，密封唇大致为矩形形状.擦拭器可由密封唇的一侧形成，并且可包括凹口部分，其构造成并设置成与打印头表面上的喷嘴阵列的位置相对应，以防止该擦拭器接触喷嘴阵列.该擦拭器能够相对于打印头运动.