控制所分配的列印材料的密度的製作方法
2023-12-08 01:13:51 1
控制所分配的列印材料的密度的製作方法
【專利摘要】一種列印方法包括：控制用於將電脈衝施加至噴墨列印頭的壓電式噴嘴的時序參數，以便從噴嘴中分配材料液滴。控制時序參數以將氣泡引入材料液滴中，從而將材料的密度降低為小於材料的自然密度的所選擇的密度值。
【專利說明】控制所分配的列印材料的密度
【技術領域】
[0001]本發明涉及使用噴墨列印頭的列印。更具體地，本發明涉及在列印期間控制經所分配的材料的材料密度。
【背景技術】
[0002]三維(3D)列印廣泛用於構建物體，諸如，模型或原型。在3D列印中，通過以受控的方式沉積材料來構建物體，以便形成該物體。可從將構建的物體的數字表示中獲得引導該物體的構建的指令。這種數字表示可通過例如計算機輔助設計或計算機輔助製造程序或應用程式來生成。
[0003]常用的3D印表機使用用於選擇性地分配諸如光聚合物材料的材料的噴墨列印頭。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列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在噴墨列印頭內。在光聚合物材料由噴墨列印頭分配之後，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]噴墨列印頭可包括壓電元件。將電脈衝施加至壓電元件可在位於列印頭內的材料中生成壓力波。壓力波可使列印頭噴出或排出材料滴。
[0005]在某些情況下，壓力波可在材料內形成小凹孔(氣穴)。材料的成分可以氣態填充所形成的凹孔以在材料內形成氣泡。在噴墨列印頭中生成氣泡是熟知的現象(例如，參見 H.Wi jshoff, 「The dynamics of the piezoelectric inkjet printheadoperation」 , Physics Reports, V.491 (2010), pp.77-177)。在用於進行二維列印的傳統印表機中優選地使用噴墨列印頭。在這種應用中，墨滴中的氣泡的形成被視為寄生的或負面的效果，並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明，並且理解其實際應用，在下文中提供並且參考以下附圖。應注意，附圖僅作為實例提供並且決不限制本發明的範圍。相同的部件由相同的附圖標記表不。
[0007]圖1為根據本發明的實施方式的能夠在列印期間控制所分配的材料的密度的三維印表機的示意圖；
[0008]圖2A示出了根據本發明的實施方式的用於單個噴嘴的具有低佔空比的電脈衝生成；
[0009]圖2B示出了根據本發明的實施方式的用於單個噴嘴的具有高佔空比的電脈衝生成；
[0010]圖3A示出了根據本發明的實施方式的用於三組噴嘴的具有圖2A的佔空比的電脈衝生成；
[0011]圖3B示出了根據本發明的實施方式的用於三組噴嘴的具有圖2B的佔空比的電脈衝生成；以及
[0012]圖4為根據本發明的實施方式的用於控制所分配的列印材料的密度的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0013]在以下詳細描述中，為了徹底地理解本發明，闡述了大量具體細節。然而，本領域技術人員將理解，無需這些具體細節，也可實踐本發明。在其他情況下，並未詳細描述數值的方法、過程、部件、模塊、單元和/或電路，以免混淆本發明。
[0014]根據本發明的實施方式，可控制由噴墨列印頭的壓電式噴嘴分配的材料的密度。列印頭結合到印表機內或者與印表機相關聯。當將電脈衝施加至該噴嘴時，通過壓電式噴嘴分配材料液滴。脈衝的施加導致形成噴射包含在列印頭內的材料液滴的壓力波。由於液滴被噴射，另外的材料流入列印頭內。生成壓力波、分配液滴和另外的材料的流入的組合動作可在材料內引起氣穴(cavitation)。因此,在材料內的氣穴可增大該材料在列印頭內的氣泡含量。
[0015]可為了 3D列印的目的分配材料，以便形成物體。分配的材料液滴可沉積在表面上，以有助於形成物體。例如，表面可為要列印或形成物體的襯底、託盤或平臺。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]控制所分配的並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、區域或部件，使得能夠形成其中一個部件的密度不同於另一個部件的密度的物體。
[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，當材料是連續的並且未被氣泡中斷時，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境條件下)。因此，當氣泡含量接近零時，材料的密度基本上等於該材料的自然密度。材料的氣泡含量(例如，可表示為體積或質量分數)越大，材料的密度就越低。氣泡可陷入材料內直到並且隨後材料硬化(例如，由於固化)。
[0018]可通過控制至該噴嘴的一系列電脈衝的施加，來控制由壓電式噴嘴分配的材料的氣泡含量。通過調整將電脈衝施加至壓電式噴嘴的時序(timing)，可控制氣泡的形成。該時間被一個或多個時序參數特徵化。至少可調節時序參數的子組，以便控制所分配的材料的氣泡含量。關於電脈衝的時間的可調節的參數可包括每個脈衝的持續時間或在連續脈衝之間的周期或時間。
[0019]可從施加至噴嘴的一個脈衝的特定點(例如，脈衝的開始)到施加至該噴嘴的緊接的隨後的脈衝的等價點(例如，開始)來測量在一個脈衝與下一個脈衝之間的時間段(在列印頭的連續操作期間)。根據本發明的某些實施方式，可通過印表機同時執行的操作來限制時間段(下文稱為脈衝周期)。例如，在列印頭與其上分配材料的襯底的表面之間的相對運動可具有恆定的速度(例如，始終或貫穿單個物體或物體的單個部件的形成)。為了精確地形成物體，利用其生成脈衝的脈衝頻率(脈衝周期的倒數，例如，表示為每秒的脈衝個數)可通過在分配材料與相對運動之間的協調來限制。根據本發明的其他實施方式，可與脈衝頻率的調整協調地調整相對運動。
[0020]可調整單個脈衝的持續時間(下文稱為脈衝寬度)。當脈衝頻率或脈衝周期是固定的或恆定的時，脈衝寬度的調整可伴隨脈衝延遲的補償調整。例如，脈衝延遲可描述在脈衝周期的恆定(例如，任選的)點與脈衝的開始之間的時間間隔。因此，對於特定的固定脈衝頻率或周期，脈衝寬度與其相應的脈衝延遲之和(可具有負值)可基本上是恆定的。
[0021]根據本發明的某些實施方式，可經驗地從實驗或觀測中獲得電脈衝時間與材料密度(或材料的相關特性，例如，半透明度)之間的關係。例如，確定經驗關係可包括在保持恆定的脈衝時間(例如，脈衝寬度和周期)的同時，操作列印頭的噴嘴以形成物體。隨後，測量所形成的物體的密度。相似的利用各種脈衝時間的物體的形成、其密度的測量和結果的分析可產生在脈衝時間與材料密度(或材料的相關特性，例如，半透明度或介電常數)之間的經驗關係。
[0022]根據本發明的某些實施方式，電脈衝至列印頭的一個噴嘴的施加可與脈衝至相鄰的噴嘴的施加協調。例如，該協調可防止同時將電脈衝應用於兩個相鄰的噴嘴(例如，最近的相鄰噴嘴與下一個最近的相鄰噴嘴)中。可在多組(例如，三組)噴嘴之中分配噴嘴，每個噴嘴是一組中的一個成員。電脈衝可同時施加至作為單組成員的噴嘴。脈衝在施加至其他組的脈衝之間的間隔期間施加至一組的脈衝。
[0023]根據本發明的某些實施方式，脈衝時間可被佔空比特徵化。用於單個噴嘴(或一組噴嘴)的佔空比可被定義為脈衝寬度與脈衝周期的比值。當協調電脈衝的施加從而使得不同時地將脈衝施加至相鄰的噴嘴時，可將用於那些噴嘴的總佔空比定義為與施加至所有那些噴嘴的脈衝之和的與脈衝周期的比值。
[0024]例如，當分配某些材料時,諸如,基於丙烯酸的光聚合物,例如，Objet VeroClear?RGD810(以色列雷霍沃特的Objet?公司)，可施加具有40%的總佔空比的電脈衝。施加具有40%或更小佔空比的電脈衝，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%)為低於材料的自然密度。
[0025]一個或多個電脈衝時序參數與材料密度(或氣泡含量)之間的關係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，當分配具有特定密度的材料時，參照查詢表，可產生電脈衝時序參數的值(其產生具有該密度的分配的材料)。代替查詢表，脈衝時序參數與材料密度之間的關係可表示為函數、公式或等式。例如，可經驗地將導出數據擬合為函數形式來獲得函數關係。
[0026]將所分配的材料的密度減小為低於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更輕的物體。根據材料和形成的物體，通過引入氣泡來減小材料密度可不會明顯地影響所形成的物體的機械強度或其他機械特性。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]儘管通過利用不同的材料來列印(例如，通過另外的列印頭或通過替換提供給列印頭的材料)可實現具有不同密度材料的列印，但是這種解決方案可對資源(例如，每種材料的有限數量的列印頭)或吞吐量(例如，替換材料供應容器和相關動作所需要的時間)造成更大的壓力(strain，應變)。另一方面，根據本發明的實施方式，可在列印過程期間反覆地改變脈衝時間，而不會減小列印速度。
[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或其他電磁相關特性。如果材料是透明的，則將氣泡引入材料內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係使得能夠通過測量或觀測其透明度來確定或估計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實例。
[0029]圖1為根據本發明的實施方式的能夠在列印期間控制所分配的材料的密度的三維印表機的示意圖。
[0030]3D印表機10包括列印頭12，該列印頭可通過控制器20的控制來操作。列印頭12包括多個壓電式噴射單元14。每個壓電式噴射單元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的壓電致動器的一系列電脈衝。將脈衝施加至壓電致動器可在提供至噴嘴16的列印材料中生成一系列壓力波。在列印材料中生成壓力波可使噴嘴16噴射或分配列印材料的液滴18。所分配的列印材料的密度可由所施加的一系列電脈衝的時序來確定。時序可由噴射控制模塊26的時間控制子模塊27控制。
[0031]脈衝可同時施加至多個壓電式噴射單元14中。為了抑制通過一個噴嘴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，由於各種機械、聲學或液力效應)，噴射控制模塊26可被配置為避免同時將脈衝施加至相鄰噴嘴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。脈衝僅同時施加至單個組的噴嘴16的壓電式噴射單元14。例如，當噴嘴16分成三組時，在一行噴嘴中的每第三個噴嘴16屬於第一組，緊隨第一組噴嘴之後的噴嘴屬於第二組，並且緊接第一組噴嘴之前的噴嘴屬於第三組。(例如，在圖1中示意性地示出的三個相鄰噴嘴16將分別屬於單獨的組，從而所示出的三個噴嘴16中的任意兩個都不同時分配液滴18)。因此，同時分配液滴的兩個噴嘴16通過不與前兩個同時分配液滴的至少兩個中間噴嘴16分離。
[0032]在某些實施方式中，壓電式噴射單元14的所有部件均位於列印頭12中。在其他實施方式中，壓電式噴射單元14的某些部件(例如，某個電路)可位於列印頭12的外部，諸如，在控制器20中。
[0033]儘管3D印表機10被示出為具有單個列印頭12，但是印表機可包括多個列印頭。各種列印頭可同時操作，例如，以提高列印速度。各種列印頭可被配置為分配不同材料，例如，以形成列印物體36的不同部分。
[0034]用於分配的材料可從材料池40經由導管系統42提供至列印頭12的噴嘴16。(導管系統42通常包括將材料從共同的材料池40提供到列印頭12的多個噴嘴16的多個支路，為了簡單起見，在圖1中未示出)。經由導管系統42將材料從材料池40提供到噴嘴16可通過控制器20的材料供應控制模塊38來控制。示例性3D印表機可包括用於將不同的材料供應至3D印表機池的多個墨盒供應單元(未示出)。可經由導管系統從多個墨盒單元中的不同墨盒中供應不同的材料。例如，在相同受讓人的美國專利N0.7，725，209中描述了這種供應單元，並且通過引用將其結合於此。
[0035]列印頭12可被配置為分配液滴18以便形成層，諸如列印物體36的層37a和37b。液滴18可沉積在正在列印的物體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。列印物體36可由支持平臺32支持。致動器30可由控制器20的運動控制模塊28操作以引起列印頭12與支持平臺32之間的相對平移或旋轉運動。例如。可操作致動器30以移動支持平臺32、列印頭12或兩者。由箭頭34示意性表示的運動(後文中稱為運動34)可包括在與支持平臺32基本平行的平面中的平移運動，可包括調節列印頭12與支持平臺32之間的距離的平移運動(例如，在通過沉積所分配的材料的液滴18來形成列印物體36時，隨著列印物體36的高度增大，為了在噴嘴16與列印物體36的最近點之間保持基本恆定的距離，並且從而保持基本恆定的層厚度)，或者可包括列印頭12與支持平臺32之間的相對旋轉。
[0036]控制器20的條件模塊48可控制從一個或多個傳感器(例如，溫度計、溼度傳感器、流量傳感器或其他光學、機械或電磁傳感器)中接收表示在列印頭12中或在3D印表機10的另一個外殼或部件中的一個或多個環境條件(例如，環境溫度、溼度、冷卻液流、冷卻劑成分)的數據。條件模塊48可控制一個或多個環境控制裝置(例如，加熱器、風扇或過濾器)以控制一個或多個環境條件。條件模塊48可被配置為當一個或多個所感測的環境條件偏離預定範圍時產生警報(例如，可看見或可聽見的)或者停止或暫停3D印表機10的操作或兩者。警報可指示操作人員執行校正動作(例如，更換過濾器、補充材料、重置開關)以將環境條件恢復為可接受的值。
[0037]控制器20包括處理器22以及一個或多個模塊。處理器22可包括一個或多個處理裝置。處理器22的全部或某些部件可結合在印表機10中，或者可結合在與印表機10通信的計算機或外部控制單元中。處理器22可根據程序指令進行操作。
[0038]根據本發明的某些實施方式，控制器20的模塊(諸如，噴射控制模塊26、運動控制模塊28、材料供應控制模塊38或條件模塊48)可包括用於實現模塊的功能的執行的電路。根據某些實施方式，控制器20的模塊可包括程序、應用程式或一組程序指令(其被配置為由處理器22執行以便實現模塊的功能的執行)。
[0039]控制器20的處理器22可與數據存儲單元24通信。數據存儲單元24可包括一個或多個易失性或非易失性數據、固定的或可移動的數據存儲裝置。數據存儲單元24可包括非易失性計算機可讀數據存儲介質。數據存儲單元24可包括結合在控制器20或3D印表機10中的一個或多個部件數據存儲裝置。數據存儲單元24可包括與控制器20分開或遠離控制器20的一個或多個部件數據存儲裝置。在這種情況下，處理器22可經由數據通信信道或網絡與數據存儲單元24的遠程部件通信。
[0040]數據存儲單元24可用於存儲用於處理器22或控制器20的操作的程序指令。所存儲的程序指令可包括用於操作控制器20的一個或多個模塊(諸如，噴射控制模塊26、運動控制模塊28、材料供應控制模塊38或條件模塊48)的指令。
[0041]數據存儲單元24可用於存儲用於控制3D印表機10的操作的數據或參數以形成列印物體36。例如，數據存儲單元24可用於存儲物體描述44。
[0042]根據本發明的某些實施方式，物體描述44可包括由3D印表機10形成或列印的物體的數字表示。例如，數字表示可包括體積元素的三維陣列。每個體積元素可包括規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系統中所規定的)。物體描述44可由處理器22獲得和解釋。基於物體描述44，處理器22可生成用於通過例如噴射控制模塊26、運動控制模塊28或材料供應模塊38執行的一系列指令。執行所生成的指令可控制3D印表機10的部件(諸如，一個或多個列印頭12或致動器30)的操作，以便形成列印物體36。[0043]根據本發明的某些實施方式，物體描述44可包括用於通過例如噴射控制模塊26、運動控制模塊28或材料供應模塊38執行的一系列指令。執行所生成的指令可控制3D印表機10的部件(諸如，一個或多個列印頭12或致動器30)的操作，以便形成列印物體36。
[0044]物體描述44可包括密度數據46。如果物體描述44包括要形成的物體的數字表示，則密度數據46可規定數字表示的元件的密度。密度數據46可規定列印物體36的元件的密度(例如，在沉積的材料已經凝固之後)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的模塊執行以便形成列印物體36的指令，則密度數據46可包括由噴射控制模塊26的時間控制子模塊27執行的指令。指令的執行可使噴射控制模塊26控制壓電式噴射單元14的電脈衝時序，從而使噴嘴16分配具有期望密度的液滴18。
[0045]在一種實施方式中，為了在構建的3D模型內部引入不同的氣泡量並測試在構建的3D模型內部的不同的氣泡量,使用用於圖案化(patterning,模式化)饋入列印頭的電信號的不同的噴射頻率以及脈衝寬度和延遲的不同組合，從由ALARIS?3D印表機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)中列印大
約Icm厚的平面平行樣品。不同的構建條件導致不同的和變化的氣泡含量，並且反過來導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示意性示出了用於單個噴嘴16的電脈衝生成的控制。
[0047]圖2A示出了根據本發明的實施方式的用於單個噴嘴的具有低佔空比的電脈衝生成。與在圖2B中所示的電脈衝生成的佔空比相比，在圖2A中所示的電脈衝生成的佔空比較低。施加具有低佔空比的脈衝，可導致氣泡含量增加和所分配的材料的密度減小。
[0048]曲線圖200示出了隨時間T變化的至列印頭的噴嘴的壓電元件的電壓V的電信號的施加。如曲線圖200所示，除了在生成電脈衝202時以外，所施加的電壓大約為O。脈衝周期204是依次連續施加至噴嘴的脈衝202之間的時間間隔。脈衝周期204(脈衝頻率的導數)可通過多個因素中的一個來確定。例如，脈衝周期204可與脈衝202的施加與列印頭與正在形成的列印物體之間的相對運動的同步相關。
[0049]脈衝寬度206表示施加脈衝202的時間。例如，脈衝寬度206可表示在脈衝202的半極大處的全寬度。
[0050]脈衝可同時施加至列印頭的多個噴嘴。例如，在施加至單個噴嘴(或一組噴嘴)的第一脈衝202的末端與緊接的之後的脈衝202之間的時間間隔期間，脈衝可施加至其他噴嘴。因此，在脈衝至單個噴嘴的連續施加之間的脈衝至其他噴嘴的施加可限制佔空比。
[0051]圖2B示出了根據本發明的實施方式的用於單個噴嘴的具有高佔空比的電脈衝生成。與在圖2A中所示的電脈衝生成的佔空比相比，在圖2B中所示的電脈衝生成的佔空比較高。施加具有低佔空比的脈衝可導致增加的氣泡含量，而施加具有高佔空比的脈衝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，除了在生成電脈衝202』時以外，所施加的電壓大約為O。脈衝周期204是在依次連續施加至噴嘴的脈衝202』之間的時間間隔。脈衝寬度206』表示施加脈衝202』的時間。
[0053]當脈衝周期204是固定的或限制為恆定值時，曲線圖200的脈衝寬度206與脈衝延遲208之和等於曲線圖200』的脈衝寬度206』與脈衝延遲208』之和。[0054]圖3A示出了根據本發明的實施方式的用於三組噴嘴的具有圖2A的佔空比的電脈衝生成。
[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衝202。例如，曲線圖300a、300b和300c可表示施加至列印頭的三個相鄰噴嘴的電脈衝202。如圖3A所示，脈衝延遲208表示在施加至不同組的噴嘴的脈衝202之間的時間延遲。例如，在脈衝202施加至與曲線圖300a對應的噴嘴之後，另一個脈衝202在脈衝延遲之後208施加至與曲線圖300b對應的噴嘴。
[0056]例如，在圖2A和圖3A中，脈衝寬度206可大約為4微秒。脈衝延遲208可大約為5微秒。脈衝周期204可大約為33微秒，與大約30千赫茲的噴射或脈衝頻率對應。因此，每個噴嘴的佔空比大約為12%，並且總佔空比大約為36%。當利用這種脈衝時序來分配典型的基於丙烯酸的光聚合物時，氣泡含量大幅增加(例如，大約10% )，並且所分配的材料的密度相應地減小(減小為自然密度的大約89% )。在這種條件下，透明的基於丙烯酸的光聚合物可呈現為不透明的。
[0057]圖3B示出了根據本發明的實施方式的用於三組噴嘴的具有圖2B的佔空比的電脈衝生成。
[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衝202』。脈衝延遲208』表示在施加至不同組的噴嘴的脈衝202』之間的時間延遲。在圖3B中所示的佔空比接近最大值。因此，幾乎一直將脈衝202』施加至這幾組噴嘴的其中一個。
[0059]例如，在圖2B和圖3B中，脈衝寬度206』可大約為7微秒。脈衝延遲208』可大約為I微秒。脈衝周期204可大約為33微秒，與大約30千赫茲的噴射或脈衝頻率對應。因此，每個噴嘴的佔空比大約為21%，並且總佔空比大約為63%。當利用這種脈衝時序來分配典型的基於丙烯酸的光聚合物時，氣泡含量接近O (例如，小於0.1% )，並且所分配的材料的密度接近自然密度。
[0060]儘管在圖3A和圖3B的每一個中，所有組的所有脈衝被示出為具有單個脈衝寬度(分別為206和206』)和單個脈衝延遲(分別為208和208』)，但是脈衝寬度和脈衝延遲對於不同的組可不同。
[0061 ] 控制器可被配置為根據用於控制所分配的列印材料的密度的方法來操作印表機。尤其地，3D印表機的控制器可被配置為根據該方法來操作。
[0062]圖4為根據本發明的實施方式的用於控制所分配的列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]關於該流程圖應理解，僅為了方便和清晰起見，已經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果。這種替代性地將所示出的方法分成離散操作應被理解為表示本發明的其他實施方式。
[0064]同樣，應理解的是，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行順序。可按照具有等效結果的替代順序或同時執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理解為表示本發明的其他實施方式。
[0065]密度控制方法400可通過3D印表機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)來執行。
[0066]可獲得通過列印來形成的物體的描述(方框410)。可從與控制器20相關的或者可通過控制器20來通信的數據存儲單元24中獲得該描述。描述可包括要形成的物體的數字表示。可分析描述以產生一系列要執行的操作。可替代地，所獲得的描述可包括一系列要執行的以便形成物體的操作。
[0067]可獲得和密度相關的數據(方框420)。和密度相關的數據可規定全部或部分要形成的物體的和密度相關的特性。和密度相關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域、部分或部件的密度(例如，在材料已經凝固之後)。和密度相關的特性可包括材料或物體的相對密度(例如，自然密度的一部分或比重)。和密度相關的特性可包括所分配的材料液滴的質量或者材料或物體的氣泡含量。和密度相關的特性可包括可與材料或物體的密度相關聯的特性。這種特性可包括例如半透明度、光學密度、抗拉強度或介電常數。
[0068]可確定對應於和密度相關的數據的脈衝時序(方框430)。例如，可從查詢表或使和密度相關的特性與脈衝時序的一個或多個特徵相關的函數關係中獲得脈衝時序。脈衝時序的特徵可包括用於單個噴嘴或一組噴嘴的脈衝頻率或脈衝周期、脈衝寬度、脈衝延遲、佔空比或者用於多組噴嘴的總佔空比。
[0069]在確定脈衝時序特徵時，可考慮另外的因素。例如，和一方面的列印頭12與另一方面的正在列印的物體或支撐平臺32之間的相對運動的同步可影響脈衝頻率或脈衝周期的確定。
[0070]例如，脈衝頻率可與相對運動的速度協調以便實現材料沉積的預定速率。例如，如果沉積速率是每毫米100滴，則22千赫茲的脈衝頻率與每秒220毫米的相對運動對應。利用相同的沉積速率，33千赫茲的脈衝頻率與每秒300毫米的相對運動對應。
[0071]根據所確定的脈衝時序，將電脈衝(通常是一系列電脈衝的一部分)施加至噴嘴16的壓電式噴射單元14(方框440)。電脈衝的施加可使材料的多個液滴18通過相關聯的噴嘴16來分配。氣泡含量和由此每個液滴18的密度由脈衝時序來確定。
[0072]利用受控密度的液滴18的分配，在列印頭12與支撐平臺32之間的同時相對運動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(諸如列印物體36)上。通過其他噴嘴16或列印頭12的材料的同時分配(或在列印頭12與支撐平臺32之間的橫向或其他另外的相對運動)可引起受控密度的材料的區域、範圍或層沉積在列印物體36上。
[0073]實例
[0074]如上所述，可經驗地確定在氣泡含量與脈衝時序之間的關係。下面的實例示出了當列印3D模型時氣泡含量的經驗性確定。
[0075]為了在3D模型內部引入不同的氣泡量並且測量氣泡含量，從透明光聚合物ObjetVeroClear? RGD810中列印並且通過ALARIS?3D印表機噴射(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。在圖案化施加至列印頭的壓電元件的電信號中使用不同的噴射(脈衝)頻率以及脈衝寬度和脈衝延遲的不同組合。在圖3A和圖3B中示意性描述了所測試的脈衝時序圖案和可變參數。
[0076]不同的構建條件(脈衝時序)導致不同的和變化的氣泡含量，並且反過來，導致該模型的不同的半透明程度。
[0077]噴墨列印頭採用用於在列印頭的工作容積內部將電脈衝轉換成壓力波的壓電元件。常見的先有技術實踐是為了針對給定幅度(例如，如在圖3A中所示的脈衝202的高度)的脈衝最大化噴射液滴的體積。該方法產生可能最寬的脈衝(例如，在圖3B中的最大脈衝寬度206』)，同時脈衝延遲(例如，在圖3B中的脈衝延遲208』)被設置為避免與連續脈衝的時間重疊的最小值。對於測試列印頭，典型的時序參數包括7.0微秒的脈衝寬度和
1.0微秒的脈衝延遲。對於常用的脈衝時序參數，脈衝寬度大於脈衝延遲。
[0078]在一種實施方式中，通過從常用值中有意地改變脈衝時序參數，在噴射的材料中引入更多的(例如，明顯大於最小的)氣泡含量。通過測量列印模型的材料密度來測量氣泡含量。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為等於氣泡在材料A中的體積分數。
[0079]在由列印頭製造商推薦的最常見的操作模式中，電脈衝寬度(在圖3B中是206』，對於所有噴射器同樣如此)是7.0微秒，脈衝延遲(在圖3B中是208』，對於所有噴射器同樣如此)是1.0微秒，並且噴射頻率是30kHz。脈衝分別施加至三組噴嘴。30kHz的噴射頻率與33.3微秒的脈衝周期204(在圖3B中)對應。因此，在單個脈衝周期中，脈衝被施加總共21微秒的時間(用於全部三組噴嘴的脈衝寬度之和)，大約為脈衝周期的63%。總佔空比的值(作為將電脈衝供應至噴嘴的脈衝周期的一部分)通常保持為儘可能的高以增加所噴射的液滴的量。在這種條件下，在材料中觀測特定含量的氣泡，並且材料在一定程度上呈現為半透明的。
[0080]當使用7.5微秒的電脈衝寬度206』 (圖3B，對於所有噴嘴同樣如此)、4.5微秒的脈衝延遲208』(圖3B，對於所有噴射器同樣如此)以及22kHz的噴射頻率時，材料的氣泡含量非常小，並且材料看起來完全透明。
[0081]當使用4.0微秒的電脈衝寬度206 (圖3A，對於所有噴射器同樣如此)、5.0微秒的脈衝延遲208 (圖3A，對於所有噴射器同樣如此)以及30kHz的噴射頻率時，該材料看起來完全不透明。這種具有大於脈衝寬度的脈衝延遲的脈衝時序與先有技術中已知的脈衝時序形成對比。利用典型的先有技術的脈衝時序，將脈衝延遲被設置為低值，並且脈衝寬度被設置為高值，以提供從列印頭中噴射的足夠高的材料液滴量。
[0082]相對於利用常用的參數組(7.0微秒的脈衝寬度、1.0微秒的脈衝延遲和30kHz的噴射頻率)獲得的值，使用非標準的組合(例如，4.0微秒的脈衝寬度、5.0微秒的脈衝延遲和30kHz的噴射頻率；或者7.5微秒的脈衝寬度、4.5微秒的脈衝延遲和22kHz的噴射頻率)將從列印頭中噴射的材料液滴的量降低到了一定程度(5-8%)。由於在液滴中存在氣泡而引起這種下降。所構建(凝固)的材料的密度降低到相同的程度。
[0083]計算使用不同的頻率和脈衝值列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的精度的數字Fowler ProMaxCaliper IP67(美國的Fred V.Fowler公司)來測量方塊的尺寸。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中顯示了結果。
[0084]表1:以不同的脈衝和頻率值噴射的Objet VeroClear RGD810材料的密度值。[0085]
【權利要求】
1.一種列印方法，包括:控制用於將電脈衝施加至噴墨列印頭的壓電式噴嘴的時序參數，以便從所述噴嘴中分配材料液滴，控制所述時序參數以將氣泡引入所述液滴內的所述材料中，從而將所述液滴內的所述材料的密度降低為小於所述材料的自然密度的所選擇的密度值。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，從由脈衝周期、脈衝寬度、脈衝延遲、佔空比或總佔空比構成的時序參數列表中選擇所述時序參數。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，控制所述時序參數包括將所述總佔空比調整為40%或更小的值。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，控制所述時序參數包括根據在所述時序參數與所述材料的密度相關的特性之間的預定對應關係來選擇所述時序參數的值。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，從由所述材料的密度、硬化之後的所述材料的密度、半透明度、光學密度和介電常數構成的密度相關的特性的列表中選擇所述密度相關的特性。
6.根據權利要求4所述的方法，其中，選擇所述值包括應用將所述時序參數與所述密度相關的特性相關的查詢表。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，所述材料包括被配置為硬化以形成列印物體的區域的三維列印材料。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，控制所述時序參數包括選擇對應於所述列印頭與將沉積所分配的液滴的表面之間的相對運動的所述時序參數的值。
9.根據權利要求1所述的方法，進一步包括調節在所述列印頭與將沉積所分配的液滴的表面之間的相對運動的速度，以便與所述時序參數的所選擇的值對應。
10.根據權利要求1所述的方法，進一步包括根據受控的所述時序參數將所述脈衝施加至所述噴嘴。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，施加所述脈衝包括同時將所述脈衝施加至所述列印頭的多個噴嘴。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述多個噴嘴的所述噴嘴通過至少一個其他噴嘴彼此隔開。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述多個噴嘴的所述噴嘴通過至少兩個其他噴嘴彼此隔開。
14.根據權利要求10所述的方法，進一步包括引起在所述列印頭與將沉積所述液滴的表面之間的相對運動，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.根據權利要求1所述的方法，其中，從將列印的物體的表示中獲得所選密度值。
16.根據權利要求1所述的方法，其中，所述材料包括光聚合物。
17.—種三維印表機，包括:控制器，被配置為將電脈衝施加至列印頭的壓電式噴嘴，所述脈衝通過可由所述控制器控制的時序參數來特徵化，所述時序參數的值是可選擇的，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於所述材料的自然密度的所選擇的密度值。
18.根據權利要求17所述的印表機，進一步包括所述列印頭，所述列印頭包括所述壓電式噴嘴。
19.根據權利要求17所述的印表機，其中，從由脈衝周期、脈衝寬度、脈衝延遲、佔空比或總佔空比構成的時序參數列表中選擇所述時序參數。
20.根據權利要求17所述的印表機，其中，控制所述時序參數包括將所述總佔空比調整為40%或更小的值。
21.根據權利要求17所述的印表機，其中，控制所述時序參數包括根據在所述時序參數與所述材料的密度相關的特性之間的預定對應關係來選擇所述時序參數的值。
22.根據權利要求21所述的印表機，其中，從由所述材料的密度、硬化之後的所述材料的密度、半透明度、光學密度和介電常數構成的密度相關的特性的列表中選擇所述密度相關的特性。
23.根據權利要求21所述的印表機，進一步包括將所述時序參數與所述密度相關的特性相關的查詢表。
24.根據權利要求17所述的印表機，其中，所述材料包括被配置為硬化以形成列印物體的區域的三維列印材料。
25.根據權利要求17所述的印表機，其中，控制所述時序參數包括選擇對應於在所述列印頭與將沉積所分配的液滴的表面之間的相對運動的所述時序參數的值。
26.根據權利要求17所述的印表機，進一步包括調節在所述列印頭與將沉積所分配的液滴的表面之間的相對運動的速度，以便與所述時序參數的所選擇的值對應。
27.根據權利要求17所述的印表機，其中，所述列印頭包括多個噴嘴，並且施加所述脈衝包括同時將所述脈衝施加至所述多個噴嘴。
28.根據權利要求27所述的印表機，其中，所述多個噴嘴的所述噴嘴通過至少一個其他噴嘴彼此隔開。
29.根據權利要求27所述的印表機，其中，所述多個噴嘴的所述噴嘴通過至少兩個其他噴嘴彼此隔開。
30.根據權利要求17所述的印表機，被配置為實現在所述列印頭與將沉積所述液滴的表面之間的相對運動，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.根據權利要求17所述的印表機，其中，從將列印的物體的表示中獲得所選擇的密度值。
32.根據權利要求17所述的印表機，其中，所述材料包括光聚合物。
33.一種列印方法，包括:通過選擇施加至噴嘴以排出液滴的多個電脈衝的每一個的持續時間與所述多個脈衝的依次施加的脈衝之間的時間間隔的比值，並且通過根據所述選擇將所述脈衝施加至所述噴嘴，從噴墨列印頭的壓電式噴嘴中分配材料液滴，同時控制所分配的材料的密度並且控制在液滴內的氣泡的形成。
【文檔編號】B41J2/04GK103917372SQ201280054358
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年9月13日 優先權日:2011年9月15日
【發明者】亞歷山大·裡賓松 申請人:斯特塔西有限公司