專利名稱：快速成型裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種裝置，以下稱為“快速成型裝置”，用于根據(jù)限定物體的數(shù)據(jù)連續(xù)地一層一層地形成薄材料層而成形出三維物體。
背景技術：
快速成型裝置(RPAs)根據(jù)限定物體的數(shù)據(jù)(以下稱為“構造數(shù)據(jù)(construction data)”)連續(xù)地一層一層地形成薄材料層(以下稱為“構造層(construction layer)”)而形成物體?，F(xiàn)在已經(jīng)存在形成用于制造物體的薄構造層的各種類型的RPAs以及不同方法。
其中一種類型的RPAs、傳統(tǒng)的被稱為“噴墨RPA”、“打印”出待制造物體的每一層。為了形成預定層，該噴墨RPA根據(jù)物體的構造數(shù)據(jù)控制至少一個分配器、即“打印頭”、分配至少一種液態(tài)構造材料，然后凝固所分配的材料。所分配的用于形成層的至少一種構造材料、以下稱為“建筑材料”(BM)、被打印成物體橫截面的形狀。打印成物體薄橫截面形狀的相鄰構造層中的建筑材料相對于彼此沿著物體的同一方向、以下稱為“疊置方向”、移動小增量距離。
為了便于說明，假設構造層形成的物體橫截面平行于相應坐標系中的xy平面，疊置方向是坐標系中的z方向。可選擇地建筑材料是光敏聚合物，其在沉積后通過暴露于適當?shù)碾姶泡椛?、通常是紫外輻射下而硬化?br> 對于許多構造物體來說，由于物體的復雜性和/或形狀不同，只包括打印成構造物體橫截面形狀的BM的構造層不是完全自支撐的，其在制造物體的過程中需要支撐。由于這個原因，至少一種構造材料、以下稱為“支撐材料”(SM)按照需求打印在每層的適當區(qū)域，以支撐所述層中的建筑材料。支撐材料所形成的形狀可使其在制造完物體后從物體上去除，基本上不會損壞建筑材料。在一些實施例中，支撐材料與建筑材料一樣，也是光敏聚合物。
噴墨型RPA通常都包括至少一個噴墨打印頭，該打印頭包括在安裝到“滑架(shuttle)”上的“打印頭組件”中。每個打印頭都具有一排一個或多個輸出口，且打印頭可控地通過每個輸出口獨立地分配構造材料。構造材料為存儲在至少一個供料盒中的一種或多種光敏聚合物，適當結構的導管將材料從供料盒運送到打印頭組件上的一個或多個儲料器中，打印頭從儲料器中獲得材料?？蛇x擇地，為了保持至少一種光敏聚合物的適當粘性，控制器控制至少一個加熱器來加熱光敏聚合物到適當?shù)墓ぷ鳒囟?，其中該加熱器可選擇地安裝在打印組件、打印頭和/或儲料器上。通常，該一種或多種光敏聚合物可以混合、分開或一起、同時或按順序地進行分配。
在制造物體的過程中，控制器控制滑架在平行于xy平面的支撐表面(以下稱為“構造平臺”)上重復移動。當滑架移動時，控制器根據(jù)限定物體的構造數(shù)據(jù)控制每個打印頭有選擇地通過它的輸出口分配構造材料，以在構造平臺上打印出形成物體的構造層，一層接著一層地疊置。一個或多個電磁輻射源(可選擇地為紫外輻射)安裝在滑架上且靠近打印頭組件，用于固化在每個構造層上打印的光敏聚合物構造材料?？蛇x擇地，在滑架上靠近至少一個打印頭組件的位置還安裝“校平輥”，其通過去除層上多余材料和/或材料毛刺來校平新打印的構造材料層到預定層高。通過“清潔片”刮去輥上粘附的從層上去除的多余材料，并將其集中在位于滑架上的廢料罐中。
可選擇地，在制造構造層期間滑架在支撐表面上方移動時，控制器控制滑架沿著x方向往復移動。可選擇地，在滑架沿著x方向進行任一次或多次掉轉時，控制器都會增加滑架在y方向的位移。在形成預定構造層之后，或者構造平臺沿著疊置方向下降或者滑架沿著疊置方向上升預定距離，該距離等于另一個要在剛形成的構造層之上成形的構造層厚度。
在制造物體的過程中，多余固化的光敏聚合物構造材料會聚集在打印頭上或打印頭組件中至少一個打印頭和清潔片之間。聚集的材料會導致輸出口全部或局部阻塞，在沉積構造材料時產(chǎn)生誤差，和/或在打印頭和輥在打印層上移動時損壞打印層。通常，在聚集了光敏聚合物“碎屑”后打印頭組件的功能變差，以至于必須更換打印頭組件。更換打印頭組件通常都是很昂貴的，且浪費時間，還需要重新校準RPA來精確控制輸出口沉積聚合物。
在這里引用美國專利US6,259,962、US6,658,314、US6,569,373以及美國申請10/101,089,09,484,272、10/336,032公開的全部內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例的一個方面涉及一種噴墨型快速成型裝置(RPA)，其具有改進的操作特性。
本發(fā)明實施例的一個方面涉及一種RPA，其包括帶有打印頭組件的滑架，其中每個打印頭都可拆卸地安裝在打印頭組件中，且可相對于組件中其它打印頭獨立地更換。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，滑架和打印頭具有這樣的結構，即在更換打印頭時其可通過包括在打印頭組件和打印頭中的對齊結構自動對齊。根據(jù)本發(fā)明一實施例，打印頭與存有限定打印頭操作特性的剖面數(shù)據(jù)的存儲器相連，RPA中的控制器通過該剖面數(shù)據(jù)控制打印頭。在本發(fā)明的一些實施例中，存儲器包括在打印頭中。
本發(fā)明實施例的一個方面涉及一種具有改進的燈的RPA，燈發(fā)出輻射以固化光敏聚合物構造材料。
RPA成形的構造層邊緣的光敏聚合物構造材料通常很難聚合且仍處于柔軟和粘性狀態(tài)，從而導致邊緣的清晰度差。根據(jù)本發(fā)明一實施例的輻射燈提供相對多的輻射能量，這樣輻射以與平面法線成相對大的角度入射到構造層中。與小入射角相比，大入射角輻射可更有效地聚合構造層邊緣的材料。本發(fā)明實施例的一個方面涉及一種具有改進的清潔片的RPA，清潔片用于去除聚集在RPA表面的聚合物碎屑。
因此根據(jù)本發(fā)明的實施例提供一種裝置，其根據(jù)限定物體的數(shù)據(jù)一層一層地連續(xù)地形成薄構造材料層而制造物體，該裝置包括多個打印頭，每個打印頭都具有成形出多個輸出口的表面，且打印頭可控地使每個輸出口相對于其它輸出口獨立地分配構造材料；滑架，打印頭安裝在該滑架上；支撐表面；以及控制器，其適于控制滑架在支撐表面上往復移動，并且當滑架移動時，其根據(jù)數(shù)據(jù)控制打印頭通過其各自的輸出口分配構造材料，以在支撐表面上形成第一層，之后繼續(xù)形成其它層；其中每個打印頭都可拆卸地安裝在滑架上，并且可相對于其它打印頭獨立地更換。
可選擇地，每個打印頭都包括至少一個對齊結構，其與包括在滑架中的對齊結構相匹配，并且當打印頭安裝在滑架上時，打印頭上至少一個對齊結構接觸相應的滑架對齊結構，從而將打印頭準確地定位在滑架中?？蛇x擇地，每個打印頭中的輸出口都是等間距地線性排列，且第一輸出口位于排列中的第一端?？蛇x擇地，包括在每個打印頭中的至少一個對齊結構和其相應的滑架對齊結構用于定位打印頭，它們各自的輸出口的列是平行的?？蛇x擇地，所述輸出口的列沿著垂直于所述輸出口的列的方向排列?？蛇x擇地，包括在每個打印頭中的至少一個對齊結構和其相應的滑架對齊結構用于定位打印頭，這樣每個打印頭中的第一輸出口都能精確地相對于另一個打印頭中的第一輸出口定位?？蛇x擇地，穿過輸出口中心的平行線在支撐表面上的投影彼此大致等間距，其中穿過輸出口中心的平行線垂直于輸出口的列。可選擇地，第一輸出口與垂直于輸出口的列的同一平面的距離通過下面的等式得出，即y(n)＝C+n(dy/N)，其中y是與平面的距離，C是常數(shù)，N是打印頭數(shù)量，dy是同一打印頭上相鄰輸出口之間的距離，對于每個打印頭來說n是不同的整數(shù)，且滿足0≤n≤(N-1)?？蛇x擇地，在形成層期間構造材料從打印頭中的輸出口被分配時，控制器控制滑架沿著垂直于輸出口的列的方向移動?？蛇x擇地，距離y(n)是這樣，即，使得打印頭在平行于輸出口的列的構造層上給定線的特定位置沉積小滴，在這樣的特定位置沉積小滴使得小滴大致不與先前其它的N打印頭在該給定線上沉積的任何材料小滴鄰接。可選擇地，在給定線上，每個沉積在先前已沉積的兩個最靠近的小滴之間的小滴與所述兩個先前已沉積的小滴的間距都相等。
在本發(fā)明的一些實施例中，每個打印頭中的至少一個對齊結構包括至少一個對齊銷，該銷突出于打印頭且端部相對于輸出口的列精確定位。
可選擇地，相應的滑架對齊結構是表面，對齊銷和對齊表面定位為使得當打印頭安裝在滑架上時，銷的頂端緊靠在對齊表面上。可選擇地或附加地，所述至少一個對齊銷包括三個對齊銷?？蛇x擇地，其中所述對齊銷中的兩個的頂端之間的線精確地平行于輸出口的列?？蛇x擇地，第三個對齊銷的頂端平行于輸出口的列移位且以與第一輸出口相距一準確距離遠離所有輸出口的位置。
在本發(fā)明的一些實施例中，每個打印頭都與存儲器相連?？蛇x擇地，存儲器包括在打印頭中。附加地或可選擇地，存儲器包括規(guī)定為打印頭特有的操作特性的剖面數(shù)據(jù)，且控制器利用這些數(shù)據(jù)控制打印頭?？蛇x擇地，當打印頭安裝在滑架上時，剖面數(shù)據(jù)自動成為可被控制器訪問。附加地或可選擇地，每個輸出口都與其自身的致動器相連，所述致動器可被控制為控制從輸出口分配構造材料，其中剖面數(shù)據(jù)包括可用于控制致動器的數(shù)據(jù)。
在本發(fā)明的一些實施例中，裝置包括溫度監(jiān)控器，其產(chǎn)生響應打印頭溫度的信號?？蛇x擇地存儲器包括標定數(shù)據(jù)(cablication data)，其使信號的特性與打印頭的溫度有關。
在本發(fā)明的一些實施例中，打印頭包括熱源，其可控地維持打印頭在所需溫度，存儲器包括可用于控制熱源的數(shù)據(jù)。
在本發(fā)明的一些實施例中，存儲器包括可用于確定輸出口相對于滑架中其它打印頭的輸出口的位置的數(shù)據(jù)。
在本發(fā)明的一些實施例中，構造材料包括光敏聚合物。可選擇地，該裝置包括發(fā)出輻射以聚合光敏聚合物的燈?？蛇x擇地，該燈發(fā)出相當大部分的輻射，從而以相對于其平面的大致非直角(non-normal angles)入射到構造層上。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供一種裝置，其根據(jù)限定物體的數(shù)據(jù)一層一層地連續(xù)地形成薄材料層而制造物體，該裝置包括至少一個打印頭，其具有成形出至少一個輸出口的表面，且打印頭可控地使輸出口分配液態(tài)的光敏聚合物材料；燈，其可控地發(fā)出使光敏聚合物聚合的輻射；以及控制器，其適于控制打印頭分配光敏聚合物并連續(xù)地形成層，控制燈照射并聚合所分配的光敏聚合物；其中由燈發(fā)出的相當大部分的輻射被定向為使得所述輻射以大致非直角的角入射到所述層上。
可選擇地，燈包括輻射源和反射輻射源發(fā)出的光的反射體，使得光以大致非直角的角入射到所述層上。附加地或可選擇地，相對于所述層的法線所述角的大小為大于20°。在本發(fā)明的一些實施例中，相對于所述法線所述角的大小為大于30°。在本發(fā)明的一些實施例中，相對于所述法線所述角的大小約等于45°。
在本發(fā)明的一些實施例中，反射體包括至少一個拋物線反射體，且至少部分光源位于反射體的焦點上?？蛇x擇地，反射體是近似于拋物線反射體的多邊形反射體?？蛇x擇地，部分光的入射角是正的，部分光的入射角是負的。
在本發(fā)明的一些實施例中，輻射源是放電式燈泡。可選擇地，所述燈泡是汞或氙放電燈泡。
在本發(fā)明的一些實施例中，燈包括發(fā)光二極管，其可控地發(fā)出使光敏聚合物聚合的輻射。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供一種裝置，其根據(jù)限定物體的數(shù)據(jù)一層一層地連續(xù)地形成薄材料層而制造物體，該裝置包括至少一個打印頭，其可控地分配液態(tài)的光敏聚合物材料；燈，其可控地發(fā)出使光敏聚合物聚合的輻射；以及控制器，其適于控制打印頭分配光敏聚合物并連續(xù)地形成層，控制燈照射并聚合所分配的光敏聚合物；其中燈包括一發(fā)光二極管陣列，其可控地發(fā)出使光敏聚合物聚合的輻射。
可選擇地，該裝置包括顯微透鏡，其將發(fā)光二極管發(fā)出的光變成具有相對大錐角的錐形光束?？蛇x擇地錐角大于約80°?？蛇x擇地錐角大于約100°。
在本發(fā)明的一些實施例中，發(fā)光二極管陣列相對遠離所述層布置，且陣列中每個發(fā)光二極管都具有輻射導體，用于將輻射從發(fā)光二極管傳送到相對靠近所述層的位置，在該位置所述輻射照射所述層的區(qū)域。
在本發(fā)明的一些實施例中，控制器控制陣列中發(fā)光二極管發(fā)出的紫外光強度，并且使發(fā)光二極管發(fā)出的紫外光強度相對于陣列中其它發(fā)光二極管發(fā)出的紫外光強度獨立。
在本發(fā)明的一些實施例中，控制器打開和關閉陣列中的發(fā)光二極管，以減少陣列發(fā)出的不能有效使所述層中光敏聚合物聚合的輻射。
在本發(fā)明的一些實施例中，裝置包括刮片，其中控制器適于在刮片上方移動至少一個打印頭以清潔打印頭成形有輸出口的表面。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供一種裝置，其根據(jù)限定物體的數(shù)據(jù)一層一層地連續(xù)地形成薄材料層而制造物體，該裝置包括至少一個打印頭，其具有成形出至少一個輸出口的表面，且打印頭可控地通過輸出口分配液態(tài)的光敏聚合物材料；刮片；以及控制器，其適于控制打印頭分配光敏聚合物并連續(xù)地形成層，以及在刮片上方移動打印頭以清潔打印頭成形有輸出口的表面。
附加地或可選擇地，刮片包括至少一個清潔片，當控制器控制打印頭表面在刮片上移動時，該清潔片的邊緣從該表面上刮擦多余的構造材料。
可選擇地，當打印頭表面在刮片上移動時，至少一個清潔片的邊緣接觸該表面。
可選擇地，清潔片由彈性材料成形，從而接觸表面的邊緣就彈性地接觸該表面?？蛇x擇地所述邊緣是圓齒狀，且相應于所述至少一個打印頭的各個打印頭都具有不同的圓齒。
在本發(fā)明的一些實施例中，所述至少一個打印頭包括多個打印頭。
可選擇地，清潔片成形有至少一個槽，其將清潔片分割成多個齒，每個齒都具有接觸不同的所述多個打印頭之一的輸出口表面的邊緣，用于刮擦表面上的多余構造材料。
附加地或可選擇地，至少一個清潔片包括至少兩個清潔片?？蛇x擇地，所述至少兩個清潔片中的清潔片具有不接觸所述打印頭的輸出口表面的邊緣，但當控制器控制表面在刮片上移動時，該邊緣沿著表面移動并靠近表面?？蛇x擇地，當所述表面在所述刮片上方移動時，所述表面的區(qū)域在接觸與所述表面接觸的邊緣之前，移動通過不與所述表面接觸的邊緣。
在本發(fā)明的一些實施例中，裝置包括障礙物檢測系統(tǒng)，用于檢測在層中的突出于所述層的表面的缺陷。可選擇地，該障礙物檢測系統(tǒng)包括發(fā)射激光束的激光器，其中激光束沿著其長度接觸所述層的表面或者定位為靠近所述層的表面；以及接收激光束的檢測器；其中檢測器接收的來自激光器的光至少部分地被突出于所述表面的缺陷阻擋。
本發(fā)明實施例的一個方面涉及一種用于噴墨RPA的新型構造材料，與使用現(xiàn)有的噴墨構造材料相比，使用該材料制造的物體具有改進的結構強度。


下面參考

本發(fā)明的無限制性的實施例，其中在本段的后部列出了

。在圖中相同的結構、元件或部件用相同的附圖標記表示。在圖中示出的部件和特征的尺寸是為了方便和清楚地表示而選擇的，因此無須示出其比例。
圖1示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的快速成型裝置(RPA)；
圖2A是示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的滑架的底部透視圖，其中滑架包括在圖1所示的RPA中，且具有可單獨更換的打印頭；圖2B是示意地表示圖2A所示滑架的底部視圖；圖2C示意地表示去掉打印頭的圖2A-2B所示的滑架；圖2D示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的打印頭；圖2E和2F分別是示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的供應構造材料到RPA中打印頭的系統(tǒng)的透視圖和截面圖；圖3A示意地表示一些線，根據(jù)本發(fā)明實施例的打印頭的不同輸出口就沿著這些線分配構造材料以形成物體的構造層；圖3B表示圖3A的局部放大部分，以便于理解；圖4A示意地表示在現(xiàn)有技術中分配構造材料以形成構造層的方法；圖4B示意地表示根據(jù)本發(fā)明實施例的分配構造材料以形成構造層的方法；圖4C示意地表示了根據(jù)本發(fā)明一實施例的滑架，其用于按照圖4B所示的方法分配構造材料；圖5是示意地表示根據(jù)本發(fā)明實施例的另一種滑架的底部視圖；圖6A-6C分別示意地表示根據(jù)本發(fā)明實施例的為聚合構造材料提供紫外光的燈的透視圖、局部截面圖和橫截面圖；圖6D表示由UV燈發(fā)出的被圖1所示RPA成形的構造層反射的光的相對強度的曲線圖，所述光的強度是在由UV燈提供的光透過的孔隙的層以上的高度的函數(shù)；圖7A和7B是表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的另一種UV燈的示意截面圖；圖8示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的具有發(fā)光二極管的UV燈，其中發(fā)光二極管發(fā)出聚合紫外光；圖9A和9B是示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的具有UV燈的滑架的透視圖，其中UV燈包括遠離通過控制滑架而形成的構造層布置的發(fā)光二極管；圖10A和10B分別是示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的進行保養(yǎng)清潔的滑架的透視圖和橫截面圖；圖10C-10D示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的用于清潔滑架的不同清潔片；
圖11A和11B是示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的另一種清潔片結構的透視圖和橫截面圖；圖11C是示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的圖11A和11B所示清潔片的變形實例的透視圖；圖12A示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的用于檢測由RPA形成的構造層上隆起的系統(tǒng)；圖12B和12C示意地表示圖12A所示系統(tǒng)的橫截面；圖12D示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的圖12A所示系統(tǒng)的變形實例；圖13是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的RPA性能參數(shù)相互關系的圖表；以及圖14示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的制造相對薄的構造層且具有相對高的打印清晰度的方法。
具體實施例方式
圖1示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的在構造平臺24上制造物體22的噴墨RPA 20。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，RPA 20包括控制器26和滑架28，滑架28包括打印頭組件50、校平輥27、以及可選擇地兩個輻射源120，用于聚合由RPA所使用的用于制造物體的光敏聚合物?？蛇x擇地，構造平臺24安裝在工作臺25上且可控地相對于工作臺下降和上升。
在制造物體22的過程中，RPA 20的控制器26定期地移動滑架28到工作臺25上的保養(yǎng)區(qū)域220，在該區(qū)域包括廢料坑222和至少一個清潔片。舉例說明，保養(yǎng)區(qū)域220包括兩個清潔片，第一清潔片225和第二清潔片227。在保養(yǎng)區(qū)域220，控制器26執(zhí)行清洗程序以去除聚集在打印頭組件50的打印頭上的廢構造材料“碎屑”。在下文中將要說明保養(yǎng)區(qū)域220和清洗程序。
為了簡便，假設RPA 20所使用的光敏聚合物是紫外線可固化的，輻射源120是UV燈。在圖中示意地示出了RPA 20，只有與說明有關的RPA的特征和部件在圖1中示出了。坐標系21用于表示RPA 20的特征和部件的布置和位置的。
為了制造物體22，控制器26控制滑架28可選擇地沿著方塊雙箭頭31所示的方向平行于x軸在構造平臺24上方往復移動。在沿著x軸掉轉一次或多次方向后，控制器使滑架28可選擇地沿著方塊箭頭32所示的方向平行于y軸前進一增量距離。當滑架28在構造平臺24上移動時，控制器26控制打印頭根據(jù)限定物體22的構造數(shù)據(jù)分配構造材料(所需的建筑材料BM和/或支撐材料SM)，形成用于制造物體的構造層34。
在構造材料剛剛被打印形成給定構造層34的區(qū)域后，校平輥27接觸該區(qū)域，并且通過刮去打印材料的上部而壓平和校平構造層到所需厚度。為了實現(xiàn)刮去動作，輥27沿著其在滑架28前進方向上在構造材料上滾動時產(chǎn)生的旋轉方向上旋轉，但是旋轉速度大于滑架前進的相應線性速度。適當?shù)墓纹蛷U料“集中處”(未示出)安裝在滑架28中，用于清潔輥27上的廢構造材料。
構造層34沿垂直于構造平臺24、平行于z軸的堆疊方向疊置。在形成給定構造層34之后，可選擇地構造平臺24降低一定距離，該距離等于在給定構造層上待形成的另一個構造層的厚度。為了便于說明，在圖1中放大示出了構造層34的厚度。
舉例說明，物體22是小插圖38中示出的花瓶36的復制品，且在構造平臺24上示出了已制成的一部分。示意地示出的花瓶36由“數(shù)據(jù)橫截面”層40形成，層40由花瓶的構造數(shù)據(jù)限定。方塊箭頭42示意地表示將構造數(shù)據(jù)輸入到控制器26中，和/或根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)在控制器中產(chǎn)生構造數(shù)據(jù)，并被編排以控制結構層34的形成。
圖2A是示意地表示滑架28的從底部所示的透視圖。在圖2A的透視圖中，坐標系21的x軸和z軸與圖1所示的這兩個軸的方向相反。
打印頭組件50可選擇地成形有多個插槽51，每個插槽都適于容納打印頭52，打印頭插入插槽和從插槽中拆卸可獨立于其它打印頭插入插槽或從插槽中拆卸。在圖2B和2C中更清楚地示出了插槽51，這兩幅圖分別表示從滑架28底部所示的具有和沒有打印頭52插入到插槽中的滑架。圖2D示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的單個打印頭52，與圖2A-2C相比，該圖更清楚地示出了打印頭的詳細部件。
舉例說明，組件50包括八個插槽51?？蛇x擇地，不同打印頭52或不同打印頭52組用于打印不同的構造材料。例如，一些打印頭52只打印BM或特定類型的BM，而其它打印頭52可只打印SM或特定類型的SM。打印頭52可通過任何方法被設計和構造為BM或SM專用打印頭。例如，用于打印BM的打印頭52的數(shù)量可不同于用于打印SM的打印頭52的數(shù)量。另外地或可選擇地，相鄰打印頭52可用于打印不同的構造材料，一個用于打印BM，而另一個用于打印SM。
舉例說明，在打印頭組件50中，假設用括弧54表示的插入插槽51中的四個打印頭52組用于打印BM，用括弧53表示的插入插槽51中的四個打印頭52組用于打印SM。為了便于授權，由括弧53表示的插槽51還可表示為插槽53，由括弧54表示的插槽51還可表示為插槽54。
根據(jù)本發(fā)明一實施例，打印頭組件50和打印頭52如此構成，使得每個打印頭都可相對容易地更換，例如由于損壞或維修所需的更換。可選擇地，所有打印頭52都近似相同。
每個打印頭52都包括殼體56，在圖2D中清楚地示出了該殼體，在殼體上成形有多個共線的、可選擇地等間距的輸出口58，構造材料通過這些口進行分配。為了簡便，在圖2D中示出虛線59，在圖2A和2B中的一些打印頭52上也示出該虛線，共線的輸出口58沿著該線進行排列。在下文中將參考附圖2E和2F說明根據(jù)本發(fā)明一實施例的供應構造材料到打印頭52中的方法和裝置。
電路板55包括控制壓電致動器(未示出)的電路57，壓電致動器位于殼體56中并被促動以分配構造材料，使材料流過輸出口58和打印頭52的其它部件。連接器47將電路板55連接到打印頭組件28中的電路上，打印頭組件與控制器26(參見圖1)相連。根據(jù)本發(fā)明一實施例，電路板55包括存儲器49，在其中存儲著數(shù)據(jù)，即表示打印頭52操作特性的“剖面數(shù)據(jù)(profile data)”。可選擇地，在下文中將要說明存儲在存儲器49中的剖面數(shù)據(jù)。
打印頭52和打印頭組件50具有相應的對齊特征。當打印頭插入到任一個插槽51中時，對齊特征配合使打印頭52自動對齊，這樣其輸出口58的線59就平行于同一線，可選擇地為y軸。因此安裝在打印頭組件50上的所有打印頭52中輸出口58的線59都彼此平行，且具有相對高的精度?？蛇x擇地，打印頭52中輸出口58的線59彼此等間距。
一些相應的對齊特征配合對齊打印頭52，這樣可選擇地，不同打印頭上用于打印相同構造材料的輸出口的y坐標不同。例如，根據(jù)本發(fā)明一實施例，插入插槽53(即由括弧53表示的插槽51)中的不同打印頭52上的輸出口58的y坐標是不同的。類似地，插入插槽54(即由括弧54表示的插槽51)中的打印頭52中的輸出口58的y坐標可能與插入插槽53中的打印頭52中的輸出口的y坐標相同，插槽54中兩個不同打印頭52中的輸出口58的y坐標是不同的。可選擇地，插槽54中的打印頭的結構與插槽53中的打印頭結構相同，因此可以理解，在下文中關于插槽54中打印頭的說明適用于插槽53中的打印頭。
假設每個打印頭52中的第一輸出口58是最接近xz平面(參見圖2A)的輸出口，位于相同打印頭上的相鄰輸出口之間的距離為“dy”。可選擇地，位于插槽54中的每個打印頭52上第一輸出口的y坐標的值通過下面的式子表示，y＝C+n(dy/N)＝C+nΔdy其中N表示插槽54的數(shù)量，Δdy＝dy/N，對于每個插槽來說n是不同的整數(shù)，且滿足條件0≤n≤(N-1)。
可選擇地，每個打印頭52的對齊特征都包括兩個x對齊銷60和一個y對齊銷62(在圖2B和2D中清楚地示出了)?？蛇x擇地，每個x銷都具有圓形端部，且該端部具有尖端61，每個y銷62都具有圓形端部，且該端部具有尖端63。每個x銷60的尖端61都相沿著x軸對于線59的x坐標偏移相同的精確距離Δx。可選擇地，對于所有的打印頭52來說Δx都近似相同。y銷62的尖端63沿著y軸相對于打印頭52上第一輸出口的y坐標偏移精確距離Δy?？蛇x擇地，對于所有的打印頭52來說Δy都近似相同。
每個插槽54都包括兩個x對齊按鈕64和一個y對齊按鈕66，其分別與每個打印頭52上的x對齊銷60和y對齊銷62相對應。在圖2A中未示出X對齊按鈕64，但是在圖2B中示意地示出了，且在圖2C中更加清楚地示出了。每個x對齊按鈕64都具有相同精度的控制長度且端部位于平的“對齊表面”65中。每個插槽54都包括至少一個彈性元件68，例如彈簧片或螺旋彈簧。當打印頭52插入到插槽54中時，至少一個彈性元件56擠壓打印頭，這樣x對齊銷60的尖端61就接觸插槽中對齊按鈕64的x對齊表面65。X對齊銷60和按鈕64的結構使得插入插槽51中的打印頭52中的輸出口58的線59相對精確地平行。
插槽54中的每個y按鈕66都具有不同長度，其長度可選擇地由等式1得出，按鈕的端部位于平的對齊表面67中。彈性元件69包括在每個插槽54中用于彈性擠壓插入插槽中的打印頭52，這樣打印頭的y對齊尖端63就擠壓插槽中對齊按鈕的y對齊表面67。y對齊銷62和按鈕66的結構使得插入不同插槽54中的每個打印頭52的第一輸出口58都具有不同的y坐標，該坐標可選擇地由等式1得出。因此插槽54中每個打印頭52的輸出口58相對于插槽54中其它打印頭的輸出口偏移(dy/N)＝Δdy的不同倍數(shù)。插槽54中所有打印頭52上的輸出口58在平行于y軸的線上的投影沿著該線間隔相等，其距離等于Δdy。舉例說明，對于圖1所示的插槽54和y對齊按鈕66的結構來說，打印頭54沿著y軸的位移隨著打印頭相對于打印頭組件50固定特征的x坐標的x坐標增加而線性減小。
圖2E是示意地表示打印頭組件50右上側的透視圖，其中安裝在組件中的打印頭52與儲料器401、402、403和404相連，儲料器包括在打印頭組件中用于存儲供應到打印頭的構造材料。透過由虛線表示的打印頭組件可以看出打印頭和儲料器。圖2F示意地表示了圖2E所示打印頭52的橫截面。
位于插槽54(參見圖2B和2C)中并可選擇地用于打印建筑材料(BM)的打印頭52由括弧標示“BM”表示，并作為BM打印頭。每個BM打印頭52都與存儲BM并供應BM到打印頭的儲料器401和403相連。供料導管409將儲料器401連接到“供料”泵(未示出)，可選擇地該泵用于從與打印頭組件50相距一定距離的BM供料盒將BM泵入儲料器401中。可選擇地，回流安全閥411將儲料器403連接到真空泵(未示出)，從而保持儲料器401和402中一定的真空度。
類似地，括弧標示的“SM”表示位于插槽53中并可選擇地用于打印支撐材料(SM)的打印頭52，該打印頭作為SM打印頭。每個SM打印頭52都與存儲SM并供應SM到SM打印頭的儲料器402和404相連。供料導管410將儲料器402連接到從SM供料盒泵出SM材料的泵。回流安全閥412將儲料器404連接到真空泵(未示出)。
可選擇地，供應BM到BM打印頭52的儲料器401和403的操作與供應SM到SM打印頭52的儲料器402和404的操作相同，下面將參考儲料器401和403以及BM打印頭52說明儲料器的操作過程。
參見圖2F，BM打印頭52的殼體56具有歧管420，其連接儲料器401和403并使供料泵泵入儲料器401中的BM自由地流進儲料器403。傳感器(未示出)產(chǎn)生響應BM在儲料器401和403中高度的信號。供料泵控制電路(未示出)控制供料泵的操作以保持儲料器401和403中BM所需的水平高度。圖2F示意地示出了充滿由陰影418表示的BM的儲料器401、403和歧管420。
可選擇地，小供料導管422具有不同直徑部分，如現(xiàn)有技術已知的，其將每個輸出口58都連接到歧管420上，并且與壓電致動器(未示出)相連?？刂破?6(參見圖1)控制壓電致動器連接到每個供料導管420上，以從歧管420中抽取BM418，并從供料導管相應的輸出口58排出所需量的BM。
為了防止無意地從口58中滴出BM，可選擇地真空泵與儲料器403相連，并在儲料器401和403中保持一定的真空度?；亓靼踩y411防止儲料器403中的BM被意外地吸入真空泵?；亓靼踩y411可通過已知的各種方法和裝置起作用?？蛇x擇地，回流安全閥包括浮子，當BM進入閥中并升高到預定水平面之上時，浮子會上升封閉真空泵吸氣的閥口。
發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，儲料器401和403中小于大氣壓大約2mm到9mm水柱的壓力有利于防止BM從輸出口58中意外流出。儲料器401和403中真空度的監(jiān)控以及保持壓力的真空泵的控制可通過已知的任何方法和裝置實現(xiàn)。在本發(fā)明的一些實施例中，真空泵連續(xù)工作以從儲料器403中吸出空氣，并使空氣穿過至少一個出口慢慢地流進儲料器401和/或403中。適當?shù)目刂齐娐房刂普婵毡闷胶獗脧膬α掀?03中吸出空氣的速度和空氣穿過至少一個出口流進儲料器401和/或403中的速度，從而保持所需的真空度。在本發(fā)明的一些實施例中，只在儲料器403中的壓力超過預定壓力時控制電路才控制真空泵工作。
當滑架28沿著x軸移動分配構造材料以打印構造層34(參見圖1)時，構造材料的小滴沿著平行于x軸的線、以下稱為“沉積線”、從打印頭52的每個輸出口58中分配到構造平臺24上，或前面形成的層34上。位于分配BM的同一打印頭52上的輸出口58(即插槽54中打印頭52上的輸出口)的沉積線彼此間隔相同的距離Δdy(等式1)。因此沿著y軸的空間清晰度(spatial resolution)、以下稱為“主(primary)”y清晰度PRy、等于Δdy，可選擇地構造材料以小滴的形態(tài)沉積足夠的材料，這樣沿著相鄰沉積線沉積的材料混合以形成厚度近似均勻的平滑構造層。
插槽54中打印頭52的一些輸出口58的沉積線在圖3A中示意地由線70表示。雖然沉積線70是沿著由RPA 20形成的構造表面的線，但是為了便于說明和表示出它們與確定其位置的輸出口58之間的關系，將沉積線投影在打印頭組件50的底部。圖3B是圖3A的局部放大圖，與圖3A相比可以更容易地看出沉積線70和它們的相對位置。
很方便地用索引標示Pk分別表示插槽54中的打印頭52，其中1≤k≤4，用索引標示DL1、DL2...DLM表示沉積線70，如圖3B所示(M等于打印頭PK中輸出口58的數(shù)量乘以打印頭的數(shù)量(可選擇地為四))。所有第四個沉積線70都與插槽54中同一打印頭P1、P2、P3或P4上的輸出口58相應。例如DL1、DL5、DL9...與打印頭P1相對應。
由于打印組件50上輸出口58相鄰線59之間的距離，當滑架28例如沿著x軸的正方向移動時，在構造層上同一給定的x坐標處，構造層在不同時間被不同的打印頭分配。假設滑架28沿著x方向移動的速度為Vs，相鄰打印頭52中的輸出口的列59之間的距離為dx，則在相同給定x坐標的構造層位置由相鄰打印頭52分配構造材料的兩次之間的時間延遲“td”等于dx/VS。
例如，如果打印頭P1在時間t1沿著沉積線DL1、DL5、DL9...在給定的x坐標處沉積構造材料，則打印頭P2在時間t2、即td秒之后、沿著沉積線DL2、DL6、DL10...在同一給定的x坐標處沉積構造材料。打印頭P1、P2、P3和P4在同一給定的x坐標處從輸出口58分配構造材料的相對時間t1、t2、t3和t4由各個沉積線延伸到圖3A和3B中右側的長度表示。在圖3B中，沉積線70的端部和相對時間t1、t2、t3和t4由標有相對時間的線表示。
彼此相鄰沉積的液態(tài)構造材料的小滴彼此之間具有親合力，具有結合的趨勢。這種結合趨勢可在構造層中、例如圖1所示的由RPA 20形成的構造層34、產(chǎn)生缺陷。特別地，這種結合趨勢可導致構造層出現(xiàn)平行于沉積線70(RPA 20沿著沉積線70沉積構造材料)的條紋。當出現(xiàn)條紋時，條紋易于出現(xiàn)在沉積線70的附近，打印頭P4沿著該沉積線(即DL4、DL8、DL12...沉積構造材料。
圖4A表示會在構造層中形成條紋的方法。該圖表示構造層在給定x坐標處的沿著平行于xz平面的按時間順序的截面圖81、82、83和84。按時間順序的截面圖示出了小滴通過打印頭P1-P4沿著沉積線70沉積以形成構造層的情況。假設時間截面圖81、82、83和84分別在連續(xù)的時間t1、t2、t3和t4截取的，其中連續(xù)時間t1、t2、t3和t4之間過渡延時td。小滴沉積的沉積線由環(huán)形標示DLm表示。打印頭P1-P4沉積的構造材料小滴分別由表示Dr1-Dr4表示。
在時間t1，在時間截面圖81中，打印頭P1在給定的x坐標處沿著沉積線DL1、DL5...沉積小滴Dr1。在時間t2，時間截面圖82中，打印頭P2在該給定的x坐標處沿著沉積線DL2、DL6...沉積小滴Dr2，每個小滴Dr2都與先前沉積的小滴Dr1相鄰，且趨向于與小滴Dr1結合。在時間t3，在時間截面圖83中，打印頭P3沿著沉積線DL3、DL8...且相鄰于小滴Dr3沉積小滴Dr2，如時間圖所示小滴Dr3與先前沉積的小滴Dr1和Dr2結合。
可以看出，結合小滴中的材料不易于流到時間截面圖83所示的沉積線DL4、DL8、DL12......附近、結合小滴之間的空區(qū)域86。在時間t4，在時間截面圖84中，當打印頭P4在空區(qū)域86沉積小滴Dr4時，每個小滴中的材料就會遠離先前結合的每組小滴被拉出到該小滴的兩側。拉出的材料會在沉積線DL4附近產(chǎn)生小空隙88，如時間截面圖84所示?？障?8會在由RPA 20形成的構造層上產(chǎn)生條紋。
為了避免條紋產(chǎn)生，根據(jù)本發(fā)明一實施例，插槽54中的y對齊按鈕66的結構使得第一打印頭在x坐標處沉積材料之后，在給定x坐標處分配的每個小滴都等距地沉積在先前沉積的小滴之間。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當使用“等距”方法沉積小滴以形成構造層時，按圖4A所示方法沉積小滴而在構造層中出現(xiàn)的條紋會得到緩解或近似消除。需要指出的是，只有在用于構造層的沉積線的數(shù)量等于二的冪(a power of two)時，構造材料小滴的沉積才可以準確地和絕對地進行等距沉積。否則只能近似等距沉積。
圖4B示意地示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的“等距”沉積構造材料以形成物體的構造層的方法。該圖與圖4A類似，示出了按時間順序的截面圖91、92、93和94。該截面圖是在給定x坐標處沿平行于xz平面截取的，并示出了根據(jù)等距沉積方法按順序在時間t1、t2、t3和t4沿沉積線沉積構造材料的小滴。
在時間t1，在時間截面圖91中，沿著沉積線DL1、DL5、DL9...沉積小滴Dr1。在時間t2，在時間截面圖92中，沿著沉積線DL2、DL6...沉積小滴Dr2，其中小滴Dr2不與小滴Dr1相鄰而是等間距地位于沿著沉積線DL3、DL5...沉積的小滴之間。在時間t3，在時間截面圖93中，可選擇地沿著沉積線DL2、DL4...沉積小滴Dr3。從時間t1和t2到t3，小滴Dr1和Dr2中的材料會擴散。小滴Dr1和Dr2的擴散會局部覆蓋沿著沉積線DL4、DL8、DL12的區(qū)域96。在時間截面圖94中，當在時間t4沿著沉積線DL4、DL8、DL12沉積小滴Dr4時，由于被局部覆蓋所以沿著沉積線不會形成空隙，從而不會形成條紋。
圖4C是示意地表示執(zhí)行圖4B所示等距沉積方法的打印頭組件50的底部視圖。插槽54(可選擇地為插槽53)中的y對齊按鈕66的長度不會隨著其相對于打印頭組件50固定特征的x坐標的x坐標增加而線性減少。因此，打印頭P1、P2、P3、P4不會沿著圖3B和4A所示的沉積線DL1、DL2、DL3和DL4沉積材料。相反，打印頭P1、P2、P3、P4沿著圖4B所示的沉積線DL1、DL2、DL3和DL4沉積材料。
然而打印頭組件50和打印頭52的對齊特征使得打印頭組件中打印頭52在更換時不需要調(diào)節(jié)或校準對齊，給定打印頭通常都具有特有的操作特性。為了正確地操作給定的打印頭52，控制器26根據(jù)其特有的操作特性控制每個打印頭是有利的。根據(jù)本發(fā)明一實施例，用表現(xiàn)打印頭特有的操作參數(shù)的剖面數(shù)據(jù)來表示每個打印頭52?？蛇x擇地，上述剖面數(shù)據(jù)存儲在存儲器49中，存儲器可選擇地包括在打印頭的電路板55中。當打印頭52安裝在插槽51中時，控制器26和打印頭52之間的數(shù)據(jù)線通過包括在電路板中的連接器47實現(xiàn)，其中控制器通過該數(shù)據(jù)線接收打印頭的剖面數(shù)據(jù)。
表示打印頭52的剖面數(shù)據(jù)例如包括操作數(shù)據(jù)，該操作數(shù)據(jù)規(guī)定通過輸出口58控制構造材料沉積的打印頭中的每個壓電致動器的操作。通常地，致動器的操作數(shù)據(jù)規(guī)定致動器的特性是施加到致動器上的電壓和打印頭52分配的構造材料的特性和溫度的函數(shù)。該數(shù)據(jù)通常用于確定提升時間、下降時間以及控制器26施加到致動器以控制由輸出口58分配的構造材料小滴重量和/或噴射速度的電壓脈沖振幅，其中致動器與輸出口58連通?？蛇x擇地，剖面數(shù)據(jù)包括加熱器(可選擇地包括在打印頭52中)的操作特性，加熱器控制器26控制加熱器以保持打印頭儲料器中構造材料的所需溫度。
剖面數(shù)據(jù)還可包括打印頭的尺寸數(shù)據(jù)。例如在本發(fā)明的一些實施例中，打印頭52相對于另一個打印頭的x對齊銷60(參見圖2D)的長度可大幅度變化，其中該長度可控，從而使同一打印頭52上的x銷的長度Δx高精確度地保持相同。因此，對于RPA 20的所需清晰度的精確度來說，每個打印頭52的x銷60的推定長度可能是推定未知的。對于這種實施例來說，打印頭的剖面數(shù)據(jù)包括限定其x對齊銷長度的數(shù)據(jù)。
然而在上面已說明的實施例中，可選擇地位于打印頭電路板55(參見圖2D)上的存儲器49存有打印頭的剖面數(shù)據(jù)，在本發(fā)明的一些實施例中，打印頭52的剖面數(shù)據(jù)存儲在與打印頭分開的存儲裝置中。例如，存有打印頭52剖面數(shù)據(jù)的可選擇的軟盤、CD或便攜的閃存。當打印頭插入打印頭組件50(參見圖2A-2C)的插槽51中時，數(shù)據(jù)通過已知的各種方法和裝置從存儲裝置下載到控制器26中。
在上述實施例中，打印頭52插入打印頭組件50的單個插槽51中。在本發(fā)明的一些實施例中，打印頭組件沒有插槽。圖5是示意地表示打印頭組件100的底部視圖，其中打印頭組件100不包括將每個打印頭安裝在組件中的單個插槽，而是具有用于容納打印頭104的單個安裝腔102。
可選擇地打印頭104是相同的，且每個都具有兩個x對齊銷60和一個y對齊銷62。另外，每個打印頭104都具有兩個x對齊按鈕106。安裝腔102包括y對齊按鈕108和相應的彈性元件110，其與打印頭104(例如八個打印頭104)中的y對齊銷62相對應?？蛇x擇地，y對齊按鈕的長度隨著其相對于打印頭組件100固定特征的x坐標的x坐標增加而線性增加。安裝腔102還包括兩個x對齊按鈕112和相應的彈性元件114。
當八個打印頭104插入到安裝腔102中時，彈性元件114沿著x方向擠壓打印頭，并使打印頭一個接一個地彼此擠壓。結果，一個打印頭的x銷60就擠壓下一個打印頭的x按鈕106，最后一個打印頭的x銷擠壓腔中x對齊按鈕114。彈性元件110擠壓打印頭104使其y銷擠壓腔102中的y按鈕。打印頭104的x和y對齊銷和相應的安裝腔102中的x和y按鈕以及彈性元件共同作用對齊打印頭。
包括在滑架28中的每個輻射燈120(例如在圖2A中示出的)可選擇地包括紫外光燈泡122、反射體124和殼體126，其中紫外光燈泡發(fā)出紫外光聚合打印頭52分配的構造材料，殼體支撐和容納反射體和燈泡。紫外光燈泡122可選擇地是放電式燈泡，例如汞或氙放電燈泡?？蛇x擇地，燈120包括保護蓋板128，燈泡122發(fā)出的紫外光可透過該板，且該板覆蓋燈提供光的孔隙(aperture)129。
圖6A是示意地表示圖1所示滑架28的放大視圖，其中可穿過燈的殼體126看到根據(jù)本發(fā)明一實施例的燈120的部件，燈的輪廓由虛線表示。在圖中反射體124被局部剖開。圖6B和6C表示燈120沿線AA和BB的橫截面。
燈120發(fā)出的且被RPA20形成的構造層或構造平臺24(參見圖1)的表面反射回打印頭52的紫外光聚合打印頭52(參見圖2A)或滑架28其它部件上的構造材料。打印頭52上聚合后的構造材料會阻塞輸出口58或頭上的輸出口。另外，打印頭52上或滑架28其它區(qū)域的硬化塊或局部硬化的構造材料會落在物體上或碰撞物體，例如由RPA制造的物體22(參見圖1)，從而損壞物體。
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)從構造層反射到滑架28的光量是構造層和構造平臺24表面區(qū)域以上高度的函數(shù)，燈在該高度處提供光。反射到滑架28的反射光量與高度之間的函數(shù)關系類似于圖6D所示的圖表180，該圖表示出了到達滑架的反射光量“RR”與高度“H”的函數(shù)關系。
然而，對于相對大和相對小的高度H來說，反射光量都相對小，當然使高度相對小而不是相對大是有利的，這樣可有效地利用燈120發(fā)射的光。因此根據(jù)本發(fā)明的一實施例，燈120安裝在滑架28上，這樣在通過RPA 20打印構造層時，它們各自的孔隙129就會相對接近構造層。在本發(fā)明的一些實施例中，孔隙129離RPA 20制造的構造層的距離小于大約10mm。在本發(fā)明的一些實施例中，孔隙129離RPA 20制造的構造層的距離小于大約15mm。在本發(fā)明的一些實施例中，孔隙129離RPA 20制造的構造層的距離小于大約10mm。在本發(fā)明的一些實施例中，孔隙129離RPA 20制造的構造層的距離大約為5mm。
在使用噴墨RPA、例如RPA 20、成形物體時通常會遇到一個問題，即使物體成形出清晰的邊緣和特征相對困難。RPA制造的物體的構造層邊緣的材料在制造過程中易于“熔化(run)”，結果邊緣變形失去清晰度。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)物體的構造層邊緣表面的材料聚合速度相對慢、效率相對低，這種相對慢的和效率相對低的聚合得出不清晰的邊緣和物體圖象細節(jié)。另外低效率地聚合還可使物體邊緣未硬化，仍具有“粘性”。
由現(xiàn)有的RPA制造的物體的邊緣表面材料的無效率的、慢的或局部聚合是由于現(xiàn)有技術的RPA中燈發(fā)出聚合光的強度相對低、邊緣表面的反射能力相對強導致的。
增加UV燈發(fā)出的聚合光的強度通常不能解決這個問題。RPA成形的物體構造層本體中的大部分材料都會在一定的紫外光強度下相對快速聚合，但是這個強度不足以快速和有效地聚合構造層邊緣表面的構造材料。因此增加紫外光的強度會浪費能量，大部分增加的強度都用于加熱構造層本體中已經(jīng)聚合的材料了。增加的熱量增加RPA部件和構造層中的熱應力，使構造層趨向變形，損壞物體成形的精確度和物體的質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，為了在不過度加熱浪費能量的情況下增加UV燈發(fā)出的光聚合構造層邊緣的構造材料的效率，燈發(fā)出的光與構造層法線平面成相對大的角度。在給定燈發(fā)出的光強度的情況下，入射到構造層邊緣表面的光強度與入射到平行于層表面的表面的光強度之間的比率隨著入射角的增加而增加。因此當入射角增加時，邊緣構造材料的聚合效率相對于構造層本體中材料的聚合效率增加。因此根據(jù)本發(fā)明一實施例，確定出合適的入射角和紫外光強度，從而使光有效地聚合邊緣材料以及構造層本體材料，不會過度加熱而浪費能量。具有根據(jù)本發(fā)明一實施例的UV燈的RPA制造的構造層的邊緣材料可相對有效地聚合。結果邊緣不會象現(xiàn)有的RPA制造的構造層邊緣那樣易于熔化和變形，清晰度提高了。
舉例說明，包括在滑架28中的UV燈120發(fā)射的大部分紫外光的入射角可選擇地大約等于45°?？蛇x擇地，UV燈中的反射體124包括邊緣反射體130和平面反射體132，該平面反射體可選擇地是殼體126經(jīng)過處理的表面，這樣它就能反射燈泡122發(fā)射的光?？蛇x擇地，邊緣反射體130包括兩個成鏡像的拋物線反射體134，它們在公共邊緣136相交，且定位為使得它們各自的焦點近似一致。輻射燈泡122可選擇地通過反射體中適當?shù)目装惭b在邊緣反射體130上。燈泡122的接觸端138安裝到殼體126上的電插槽(未示出)中，其與燈泡122電接觸以供應電能(未示出)?？蛇x擇地，插槽支撐燈泡122并保持燈泡在殼體126中的適當位置。
燈泡122具有固定位置的“熱點”140，燈泡發(fā)射的大部分光都從該點發(fā)出，熱點140近似位于拋物線反射體134的焦點處。每個拋物線反射體134都如此定位使得熱點140發(fā)出的大部分光反射大約45°角到蓋板128上，燈120發(fā)出的光穿過蓋板128入射到RPA20成形的構造層上。
圖6B中的燈120的橫截面視圖示意地表示了反射來自熱點140的紫外光線150的拋物線反射體134，因此從燈中發(fā)出的光以與蓋板平面成大約45°角穿過蓋板128。反射光入射到由RPA20制造的構造層152的區(qū)域。在插圖156中放大地示出了層152的邊緣154。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，紫外光(從燈120中以相對于構造層152平面大約45°角發(fā)出)沿著接近邊緣表面的法線方向(如塊箭頭158所示)入射到邊緣154的表面區(qū)域。結果，入射到邊緣154表面的光的相對強度增加，大部分入射光沿著邊緣射入構造材料，從而有效地聚合材料。
圖6C示意地表示平面反射體132，其反射來自熱點140的光線159并使其從蓋板128射出。為了提供相對強的光來聚合RPA 20成形的構造層材料，可選擇地使平面鏡彼此相對靠近，這樣從燈120中發(fā)出的由燈泡122發(fā)射的光集中在構造層相對小的表面區(qū)域。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)相對接近平面反射體可減少燈120發(fā)出的朝滑架28中打印頭中的輸出口反射的紫外光量。
圖7A和7B是示意地表示UV燈120變形實例的橫截面圖。該橫截面圖是沿圖6A中線AA截取的，且類似于圖6B所示。在圖7A中，根據(jù)本發(fā)明一實施例的邊緣反射體160類似于邊緣反射體124，其包括四個拋物線反射體161、162、163和164。拋物線反射體161和163彼此成鏡像，拋物線反射體162和164彼此成鏡像。所有拋物線反射體的焦點都近似與燈泡122的熱點140一致。在圖7B中，根據(jù)本發(fā)明一實施例的邊緣反射體170類似于邊緣反射體124，其包括兩個“棱形”拋物線反射體171和172以及平面反射體173和174。拋物線反射體171和172彼此成鏡像，且每個都包括兩個平面板175。平面反射體172和174彼此成鏡像。
傳統(tǒng)的用于發(fā)射紫外光的放電式燈泡、例如汞和氙放電燈泡、在操作時通常需要高壓電源和復雜的點燃系統(tǒng)，其會產(chǎn)生大量的熱且不能快速的打開和關閉。
在本發(fā)明的一些實施例中，UV燈包括發(fā)射用于聚合構造材料的紫外光的發(fā)光二極管。與其傳遞的UV能量相比，UV發(fā)光二極管產(chǎn)生少量的熱能，且可相對快速的打開和關閉，同時還能提供具有相對小的所需輻射帶寬的紫外線輻射。發(fā)光二極管的輸出強度可相對容易地控制，并且它們可緊密排列布置以提供使RPA形成的構造材料快速聚合的所需紫外光強度。
可快速打開和關閉發(fā)光二極管，不會延時或RF(無線電頻率)干涉放電式燈泡的輻射操作。制造物體的過程可快速開始，且由于前述的發(fā)光二極管可快速打開/關閉，從而使得過程本身更可靠。
此外，使用發(fā)光二極管會減少打印模型的變形，原因如下例如，制造過程中的物體和室內(nèi)溫度的顯著差異是導致最終打印的物體在冷卻后變形的一個原因，尤其是在快速進行冷卻且在整個過程中冷卻不均勻時。當發(fā)光二極管陣列單位固化量只發(fā)射少量熱時，待制造的物體就會在比使用放電式燈時低的溫度中進行制造，物體在冷卻時易于出現(xiàn)的變形得到緩解。
圖8示意地表示包括UV燈190的滑架28，可選擇地每個UV燈190都包括緊密排列的發(fā)射紫外光的發(fā)光二極管192陣列191?？蛇x擇地，發(fā)光二極管192為DIE態(tài)(即半導體塊，在這種情況下是未封裝的發(fā)光二極管)，它們的排列間距大約為1mm?？蛇x擇地，發(fā)光二極管192是SMD發(fā)光二極管，其在陣列191中的間距小于2mm。為了使UV輻射以相對較大的入射角入射到RPA 20成形的構造層中，可選擇地，每個發(fā)光二極管192都通過已知方法與顯微透鏡相連，其使發(fā)光二極管發(fā)出的光變成具有相對大錐角的錐形光束?？蛇x擇地，錐角大于約80°(全錐角)?？蛇x擇地錐角大于約100°(全錐角)。可選擇地，控制器26通過控制施加到發(fā)光二極管的電流或電壓來控制UV發(fā)光二極管192發(fā)出的光強度?？蛇x擇地，控制器26以一連串電流或電壓脈沖的形式傳遞電能到發(fā)光二極管192中，且控制器控制脈沖的占空因數(shù)以控制發(fā)光二極管發(fā)出的紫外光強度。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，控制滑架28操作的控制器26(參見圖1)控制陣列191中發(fā)光二極管192發(fā)出的紫外光強度，且獨立于陣列中其它發(fā)光二極管發(fā)出的光強度。特別地，控制器控制單個發(fā)光二極管192以限制燈190發(fā)出的UV輻射的位置和時間。例如，當打印構造層34時，該層具有沒有沉積構造材料的未打印區(qū)域?？蛇x擇地，控制器26控制發(fā)光二極管192使未打印區(qū)域接收少量或近似不接收紫外光。在制造物體、例如上述物體22的過程中，控制器26定期執(zhí)行保養(yǎng)程序，遠離構造平臺24移動滑架28到保養(yǎng)區(qū)域200中以進行清潔。在執(zhí)行保養(yǎng)程序的過程中，控制器26可選擇地關閉發(fā)光二極管192。
然而，發(fā)光二極管192產(chǎn)生少量的熱，它們和/或與發(fā)光二極管相連的電路不產(chǎn)生熱，這在密集排列的陣列中有利于提高燈190的散熱特性。在本發(fā)明的一些實施例中，發(fā)光二極管192安裝在適當?shù)纳崞虾?或與塞貝克效應裝置(Peltier device)相連、和/或裝備有適當?shù)娘L扇以進行散熱。
在本發(fā)明的一些實施例中，RPA類似于根據(jù)本發(fā)明一實施例的RPA 20包括滑架，其中發(fā)光二極管相對遠離RPA制造的構造層定位。發(fā)光二極管發(fā)出的紫外光通過光纜或光纖被傳送到構造層中。
圖9A和圖9B是示意地表示滑架194的透視圖，滑架194包括相對遠離滑架打印的構造層定位的發(fā)光二極管196。圖9A是滑架194的底部透視圖。圖9B是表示滑架“右上側”和構造層198的透視圖。發(fā)光二極管196與從發(fā)光二極管傳送光到構造層的光纖或光纜200相連。發(fā)光二極管196發(fā)出的紫外光通過端部202排出光纜200，該端部202由適當?shù)闹谓Y構或殼體(未示出)支撐靠近構造層198(參見圖9B)?？蛇x擇地，端部202與適當?shù)耐哥R相連或成形在一起，這樣錐形光束的紫外光就具有相對大的錐角。發(fā)光二極管196和可選擇地與發(fā)光二極管相連的電路支撐或安裝在殼體(未示出)中，該殼體為“開放”結構以便于散熱。
如上所述，在制造物體的過程中，控制器26定期地移動滑架28到保養(yǎng)區(qū)域220(參見圖1)并執(zhí)行清潔程序。該清潔程序通常包括從滑架的所有輸出口上刮去構造材料以恢復材料流過打印頭的流動的清除程序?？刂破?6控制滑架28接觸至少第一清潔片225和第二清潔片227其中一個的邊緣，并在近似垂直于該邊緣的方向上移動，這樣在清除程序結束后清潔片就會刮掉殘留在輸出口表面上的殘余材料小滴以及在制造過程中聚集在打印頭52表面的過多的材料“碎屑”和塵土。
圖10A和10B分別是示意地表示在進行根據(jù)本發(fā)明一實施例的清潔程序時滑架28底部的放大透視圖和橫截面圖。圖中示出了從具有輸出口58的打印頭52的表面230(以下稱為“口表面”)去除構造材料碎屑229并清潔表面的清潔片225和227。
清潔片225和227分別具有“清潔”邊緣226和228，可選擇地它們彼此平行且平行于x軸?？蛇x擇地，第一清潔片225的清潔邊緣226接近但是不接觸口表面230。第二清潔片227的清潔邊緣228接觸口表面230?；?8在塊箭頭232所示的方向上平行于y軸移動。當滑架28移動時，第一清潔片225的邊緣226去除突出于口表面232相對大的碎屑沉積物。第二清潔片227的邊緣228去除殘留碎屑并刮擦清潔表面。
通過清潔片225和227從打印頭52表面去除的碎屑229落入或掉進廢料坑222中，如圖虛線所示。分開的第一和第二清潔片225和227之間保持足夠距離，這樣通過片的清潔邊緣226和228從口表面230上去除的碎屑會順利地落入或掉進廢料坑222中。在執(zhí)行保養(yǎng)程序的過程中，合適的真空泵(未示出)去除廢料坑222中累積的碎屑。
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)通過使用兩個清潔片，預清潔片、即不接觸打印頭52表面230的第一清潔片225、和刮擦片、即接觸并刮擦表面的第二清潔片227，在清洗過程中可減小碎屑沉積在打印頭之間的可能性。
在本發(fā)明的一些實施例中，清潔片的邊緣不是直的而是小圓齒狀或圓齒形。圖10C示意地表示了具有圓齒邊緣242的清潔片240。直的清潔片邊緣易于橫向沿著片邊緣推動從打印頭52刮擦下來的碎屑部分。被迫沿著邊緣移動的碎屑易于聚集在打印頭之間的空間中。圓齒形邊緣可以防止去除碎屑的橫向移動，而是將碎屑引入廢料坑222中。
圓齒形邊緣不是唯一可以防止碎屑沿著邊緣橫向移動的邊緣形狀。圖10D示意地示出了邊緣246形狀類似一連串三角形脈沖的清潔片244，該清潔片具有相似的功能。
在本發(fā)明的一些實施例中，清潔區(qū)域220(參見圖1)包括單個清潔片。圖11A和11B分別是示意地表示滑架28進行保養(yǎng)清潔的透視圖和橫截面圖，在對滑架進行保養(yǎng)清洗的過程中，可選擇地使用單個清潔片248來清潔打印頭52的口表面230。
可選擇地清潔片248為由塑料、橡膠或金屬成形的薄彈性片?？蛇x擇地，清潔片248由大約50微米厚的薄鋼板成形。清潔片248安裝在廢料坑222的上方，這樣其相對于打印頭52的表面230成一角度。在清洗過程中，控制器26(參見圖1)定位滑架28，使表面230(參見圖11B)向下壓在清潔片248上，使該片以與表面成銳角的方式接觸表面，且片的清潔邊緣250彈性擠壓表面。當滑架28沿塊箭頭232的方向移動時，清潔邊緣250就會有效地刮掉表面230上的碎屑229，并使碎屑落入和/或調(diào)入廢料坑222。
在本發(fā)明的一些實施例中，根據(jù)本發(fā)明一實施例的類似于清潔片248的清潔片具有槽，其包括多個單獨的彈性齒。圖11C示意地示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的具有槽的清潔片260，用于清潔滑架28。清潔片260包括多個具有清潔邊緣264的齒262。在清洗過程中，每個齒262都以銳角的形式接觸不同打印頭52的表面230，且齒的邊緣264彈性擠壓該表面。由于每個齒262都是彈性獨立于其它齒的，所以每個齒262都可獨立于其它齒調(diào)節(jié)其要清潔的打印頭52表面230的高度，即z坐標。因此清潔片260可有效地補償表面230高度的微小差異。
需要指出的是，不是只能在清潔片248和260設置根據(jù)本發(fā)明實施例的槽。類似于片225和227(參見圖10A)以及片242和246的清潔片也可以具有槽，這樣每個片都包括多個小的清潔片(即齒)，每個齒都清潔不同的打印頭52，并可獨立調(diào)節(jié)以補償打印頭上表面230的高度差。
盡管定期地對打印頭52進行保養(yǎng)清洗，在制造物體或校平構造層的過程中，構造材料碎屑仍會落在構造層上，在這兩種情況下都會在構造成上留下不希望的隆起而損壞層。當出現(xiàn)這種情況時，層上的隆起不但會損壞要沉積在損壞層上的下一層的質(zhì)量，而且當滑架28在構造層上移動時，其還會與隆起發(fā)生碰撞從而被損壞。
因此，根據(jù)本發(fā)明一實施例的RPA、例如RPA 20、可選擇地包括障礙物檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)產(chǎn)生響應構造層上形成的不想要的隆起的信號，并將該信號傳遞到控制器26中?？刂破?6或者進行校正動作、例如使用校平輥27來校平層，或者停止制造物體，并發(fā)出指示需要使用者介入的警報。
圖12A和12B是分別示意地表示類似于RPA 20的RPA 300的透視圖和橫截面圖，RPA 300包括根據(jù)本發(fā)明實施例的障礙物檢測系統(tǒng)302。只有與說明有關的RPA 300的部件和特征在圖12A和12B中示出。在圖中，所示的RPA 300在制造物體(未示出)的過程中形成構造材料層304，并檢測頂部構造層306的隆起。
障礙物檢測系統(tǒng)302可選擇地包括激光器308和所需的相應光學裝置(未示出)，控制器26可控制激光器產(chǎn)生激光波束310。該檢測系統(tǒng)包括光學檢測器312和所需的相應光學裝置(未示出)，用于檢測激光器308發(fā)出的光?？蛇x擇地，激光器308和檢測器312分別安裝在支架314和315上，支架314和315位于工作臺25上形成的槽316和317中。支架314和315可選擇地分別安裝在位于槽316和317中的螺紋軸318和319上。該槽可選擇地平行于y軸?？刂破?6控制至少一個電機(未示出)以轉動軸318和319，使支架314和315沿著其各自的槽316和317定位在適當位置，從而定位在適當?shù)膟坐標上?？蛇x擇地，激光器308和檢測器312可被控制器26控制在垂直于工作臺25的方向(即平行于z軸)上提升和下降。
為了檢測頂部構造層306的隆起，控制器26定位激光束10使其沿著激光束長度方向接觸層表面，并沿著槽316移動支架314，這樣當其移動時，層上存在的隆起至少會局部阻擋激光束。在控制器26移動激光器308時，其移動檢測器312檢測激光束10。當光束被阻擋時，檢測器312根據(jù)激光束10產(chǎn)生信號以指示存在隆起。圖12C示意地示出了激光束被隆起320阻擋的情況?？蛇x擇地，控制器26移動激光器308和檢測器312，這樣當滑架28沿y軸移動時激光束10位于其前部，并在滑架的打印頭分配構造材料再次打印該區(qū)域以得到另一個構造層之前“掃描”頂部層306區(qū)域的隆起。
需要指出的是，圖12A和12B所示的障礙物檢測系統(tǒng)302的結構限制了激光器308和檢測器312在z軸上的移動。這種限制不會影響檢測系統(tǒng)302檢測頂部構造層隆起的能力，因為RPA 300、例如RPA 20、在打印每個新的構造層時，構造平臺24都會降低近似層厚的距離。因此，RPA 300制造的所有構造層都近似在距離工作臺25相同的高度上進行，即z坐標相同，或在工作臺上相同的小高度范圍內(nèi)進行。
然而，在根據(jù)本發(fā)明實施例的一些RPA中，構造層不是都在同一z坐標處制造的。相反，對于RPA制造的至少一些新層的每個構造層，RPA的滑架都被提升層厚的距離。在這種實施例中，使障礙物檢測系統(tǒng)沿著z軸的移動范圍大于檢測系統(tǒng)302的移動范圍是有利的而非必須的。當然如果需要，根據(jù)本發(fā)明一實施例的障礙物檢測系統(tǒng)被設置為沿著z軸的移動范圍大于檢測系統(tǒng)302的移動范圍是有利的。
圖12D示意地表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的障礙物檢測系統(tǒng)330，它是系統(tǒng)300的變形實例。障礙物檢測系統(tǒng)330沿著z軸的移動范圍大于系統(tǒng)302的移動范圍?？蛇x擇地檢測系統(tǒng)330包括支架332，每個支架都具有可被控制上升和下降的滑塊334。激光器308和檢測器312安裝在位于不同支架332的滑塊334上，且可選擇地被控制定位在滑塊z方向長度的不同位置上。定位激光器308和檢測器312的移動范圍近似等于滑塊334在z方向的移動范圍加上滑塊在z方向的長度?？蛇x擇地，舉另一個實例說明，用于檢測隆起的激光器和檢測器安裝在滑架28上，這樣其與滑架一起平行于z軸移動。
需要指出的是，根據(jù)本發(fā)明實施例的障礙物檢測系統(tǒng)、例如檢測系統(tǒng)302和330、不只用于檢測構造層上的隆起，還檢測構造平臺24上的障礙物。這種障礙物例如可以是由RPA制造的第一物體部件，其被無意中留在RPA構造平臺上從而干擾RPA制造第二、后面的物體。
可選擇地，根據(jù)本發(fā)明一實施例，RPA包括碰撞檢測系統(tǒng)，用于檢測是否以及何時RPA的滑架與障礙物發(fā)生碰撞。當發(fā)生碰撞時，控制器26可選擇地停止制造物體，并產(chǎn)生警報以警告使用者發(fā)生了碰撞，需要使用者介入。
舉例說明，在圖12A-12D所示的RPA 300包括碰撞檢測系統(tǒng)340，其可選擇地安裝在滑架28上。可選擇地，碰撞檢測系統(tǒng)340包括加速計(未示出)，其可產(chǎn)生響應滑架28加速度的信號。碰撞通常會產(chǎn)生使滑架發(fā)生不希望加速度的力，該加速度具有用于識別碰撞產(chǎn)生的加速度的特征曲線。例如，碰撞通常導致一推力作用在滑架上，從而產(chǎn)生相應的可識別的加速度。
然而在圖12A-12D中所示的碰撞系統(tǒng)340安裝在滑架28上，根據(jù)本發(fā)明一實施例的碰撞檢測系統(tǒng)可安裝在RPA其它部件中或其上。例如，碰撞檢測系統(tǒng)可安裝在RPA的部件(不是滑架)上，以檢測部件由于碰撞而產(chǎn)生的振動。在本發(fā)明的一些實施例中，碰撞檢測系統(tǒng)包括識別碰撞發(fā)出的聲音的擴音器和相應算法。
RPA分配的構造層小滴的打印清晰度(即沿著x和y方向打印的構造材料的小滴密度)和限定RPA操作規(guī)格的其它“操作”參數(shù)彼此通常具有復雜的關系。例如“損失率”通常指通過校平輥27(參見圖1)從打印的構造層上去除的構造材料的數(shù)量與打印形成層的材料數(shù)量的比率。隨著損失率的增加，層的厚度減少、構造質(zhì)量增加(疊置方向、即z方向的構造清晰度增加)、生產(chǎn)速度減小、以及成本增加。為了使RPA進行有效操作，其操作參數(shù)的值根據(jù)參數(shù)之間關系確定。由于RPA操作參數(shù)之間的關系復雜，通常很難確定使RPA進行有效操作的操作參數(shù)的值。因此清晰度和RPA的其它操作參數(shù)通常由廠商設置且不能被使用者調(diào)整。因此限制了使用者確定生產(chǎn)規(guī)格(以下稱為“物體規(guī)格”)的機動性，從而限制了RPA制造物體的所需質(zhì)量和特性。
為了使使用者靈活地控制RPA的操作參數(shù)，從而控制物體規(guī)格，根據(jù)本發(fā)明一實施例，RPA的控制器具有“RPA”操作算法和數(shù)據(jù)。該RPA操作算法和數(shù)據(jù)使使用者可根據(jù)由RPA制造的物體所需的規(guī)格調(diào)整RPA的操作參數(shù)。使用者輸入信息到限定所需物體規(guī)格的RPA中，控制器根據(jù)RPA數(shù)據(jù)和算法調(diào)整RPA的操作參數(shù)，以確保物體的規(guī)格。如果物體規(guī)格的特定輪廓不能被滿足時，控制器會告知使用者不能被滿足，同時會指示他或她哪種物體規(guī)格適用，以及如何設置可接收的物體規(guī)格輪廓。
例如，RPA 20的控制器26可選擇地具有與層厚(LT)、x和/或y軸打印清晰度(PR)、以及打印頭52驅(qū)動電壓(DV)值有關的數(shù)據(jù)，其中打印頭52控制打印頭分配的構造材料小滴的體積。圖13示意地表示控制器26可用的RPA數(shù)據(jù)的圖表350。圖表350表示與層厚LT、清晰度PR和打印頭52操作電壓DV值相關的表面360。(例如圖表350表示的操作數(shù)據(jù)對于不同的打印頭可以不同。如上所述，根據(jù)本發(fā)明一實施例，打印頭電路板55中的存儲器49將每個打印頭52的這些操作數(shù)據(jù)輸送到控制器26中)。假設清晰度用單位dpi表示，即沿著圖1所示的x或y軸分配構造材料以制造構造層的點或小滴的單位英寸數(shù)量。表面360上的線361和362用于顯現(xiàn)該平面，且分別位于圖表350中與DV-LT和PR-LY面平行的平面內(nèi)。線361和位于與DV-LT面平行的平面內(nèi)的其它線表示不同清晰度PR常量時的層厚LT，且層厚LT是驅(qū)動電壓DV的函數(shù)。線362和表面360內(nèi)與PR-LT面平行的其它線表示不同DV常量時的LT，且層厚LT是PR的函數(shù)。當使用者選定所需的構造層LT和打印清晰度PR時，控制器26根據(jù)由圖表350中數(shù)據(jù)確定的RPA算法確定驅(qū)動電壓。如果使用者選定的LT和PR沒有相應的驅(qū)動電壓，則控制器26會警告使用者，同時向使用者顯示LT和PR可選用的范圍。
從圖表350可以看出在給定驅(qū)動電壓DV時，RPA制造的物體中構造層的層厚LT會隨著打印清晰度PR的提高而增加。這是因為在給定DV時，打印頭52分配的構造材料的小滴的體積近似相同，隨著清晰度的增加，沿著x和/或y軸單位英寸分配的小滴密度增加。但是隨著構造層層厚增加，沿著z軸的構造清晰度會降低，RPA制造的物體與其復制的物體相比逼真度下降。打印成構造層的構造材料的表面張力也會降低逼真度和所制造的產(chǎn)品質(zhì)量。構造材料的表面張力有使構造層邊緣變形的傾向，邊緣的變形趨勢會隨著層厚的增加而加強。
根據(jù)本發(fā)明一實施例，沿著x和/或y軸具有相對高的打印清晰度、逼真度和質(zhì)量的RPA制造的物體是由相對薄的構造層形成的。
物體構造層的x節(jié)距和y節(jié)距是沿著x和y軸分配的分別用于形成構造層的構造材料小滴坐標之間的距離。(x節(jié)距和y節(jié)距分別是x和y打印清晰度的倒數(shù))。物體中的層以相對低的x和/或y清晰度(不需要相同)和相對大的x節(jié)距和/或y節(jié)距打印，這樣打印出來的層就會相對薄，它不像厚層那樣易受表面張力作用的影響。然而根據(jù)本發(fā)明一實施例，相鄰構造層中沉積的構造材料小滴的x和/或y坐標相互偏移一片段(fraction)，即“節(jié)距片段(pitch fraction)”，小于小滴x節(jié)距或y節(jié)距之一。(節(jié)距片段無需x和y坐標都相同)。
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)物體的逼真度和質(zhì)量近似為具有“有效”x和/或y清晰度的相對薄層制造的物體的逼真度和質(zhì)量，其中“有效”x和/或y清晰度等于實際打印層時的相對低的清晰度乘以相應節(jié)距片段的倒數(shù)。由于節(jié)距片段小于1，所以有效清晰度會增加。
圖14示意地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的打印層。圖中示出了由根據(jù)本發(fā)明實施例的RPA成形的構造層381、382、383的截面圖，且該截面例如是平行于xz平面的截面。層381、382和383分別由構造材料391、392和393小滴成形。在圖中示意地示出的是混合后并被校平輥、例如校平輥27(參見圖1)、校正后的小滴。每三層都重復打印構造層381、382和383，因此之后的每個第三層都具有相同的x坐標。
層381、382和383以沿著x軸相對低的清晰度Ndpi以及相應的x節(jié)距進行打印，其中“Δx”＝1/N英寸。用“1/P”表示節(jié)距片段，其中“P”是大于1的數(shù)。因此在RPA打印的“第n”排小滴391的x坐標是(xo+(n-1)Δx)，其中xo是層381中沿著x軸的第一個小滴的x坐標。根據(jù)本發(fā)明一實施例，層382中小滴392的相應x坐標是(xo+(n-1)Δx+(1/P)Δx)，層383中小滴393的相應x坐標可選擇地是(xo+(n-1)Δx+Δx)。
每層381、382和383中小滴的x坐標都與由物體構造數(shù)據(jù)限定的相似體素(homologous voxel)的x坐標相對應，其中根據(jù)物體的構造數(shù)據(jù)打印層。與相鄰層中小滴相對應的構造數(shù)據(jù)元素相對彼此偏移一定距離，該距離等于(1/P)Δx。
在本發(fā)明的一些實施例中，每層中的小滴都與根據(jù)構造數(shù)據(jù)限定的相應層中的相似體素相對應，其中構造數(shù)據(jù)被分割成具有與Δx相等且與“低”打印清晰度N相對應的x節(jié)距的體素。構造層是“薄層”，其厚度與構造層381、382和383的厚度相對應。
在本發(fā)明的一些實施例中，三層中的所有小滴都與根據(jù)構造數(shù)據(jù)限定的“厚”層的相似體素相對應，其中“厚”層的厚度與所有三層厚度的總和相應。厚“構造數(shù)據(jù)”層被分割為具有與高效打印清晰度(P×N)相對應的x節(jié)距(1/P)Δx的體素。構造層381中的小滴391與構造數(shù)據(jù)層中x坐標等于(xo+(n-1)Δx)的體素相對應。構造層382和383中的小滴392和393與構造數(shù)據(jù)層中x坐標分別等于(xo+(n-1)Δx+(1/P)Δx)和(xo+(n-1)Δx+Δx)的小滴相對應。
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，層281、282和283的有效打印清晰度近似等于P×N，與等于Δx/P的有效x節(jié)距相對應。在圖14中示出了層281、282和283的有效x節(jié)距Δx/P。
舉幾個實例說明，圖14中的P等于2，節(jié)距片段是0.5。如果沿著x軸的低打印清晰度N等于600dpi，相應的x節(jié)距為1/600英寸，則構造層沿著x軸的有效打印清晰度為2×600＝1200dpi，相應高清晰度×節(jié)距等于1/1200英寸。
制造物體的RPA制造裝置包括一個或多個限定和提供有限生產(chǎn)能力的RPA。當裝置收到制造物體的指令時，裝置必須確定如何分配和安排其生產(chǎn)能力以滿足要求。每個生產(chǎn)指令都限定了根據(jù)一組物體規(guī)格制造至少一個物體，物體規(guī)格限定了一組RPA操作參數(shù)(例如，清晰度、層厚、損失率、生產(chǎn)時間...)，這些操作參數(shù)通常與其它生產(chǎn)指令的操作參數(shù)不同。因此分配和安排生產(chǎn)能力通常都是復雜的，且經(jīng)常需要生產(chǎn)管理者在計算機程序的協(xié)助下監(jiān)視和執(zhí)行生產(chǎn)進度。
根據(jù)本發(fā)明一實施例，分配和安排RPA裝置的生產(chǎn)能力由任務管理算法(JMA)來執(zhí)行，使用者可在不需要生產(chǎn)管理者介入的情況下通過界面分配和安排生產(chǎn)能力。
當使用者想要設置裝置制造物體的順序時，使用者訪問JMA。JMA響應使用者并通過用戶界面在計算機屏幕上顯示多個虛擬構造平臺。每個虛擬構造平臺都代表例如圖1所示的構造平臺24。在該平臺上RPA裝置中的RPA按照RPA裝置的順序制造物體。
每個虛擬構造平臺都具有多個“平臺參數(shù)”。舉例說明平臺參數(shù)包括在平臺上制造物體的開始和結束估計時間、平臺上可用的生產(chǎn)空間以及空間成本。可選擇地，平臺參數(shù)包括RPA操作參數(shù)，例如層厚、清晰度和損失率，RPA裝置根據(jù)平臺參數(shù)在平臺上制造物體。
使用者選擇出具有制造物體所需的足夠可用空間的平臺，與制造物體的物體規(guī)格相應且為使用者提供合適的進度安排和成本的RPA操作參數(shù)。一旦使用者完成選擇平臺的步驟后，使用者就進行管理需求、例如支付或簽署定購單、以確定和保存他或她已經(jīng)預定的制造空間和時間。
在本發(fā)明的一些實施例中，使用者至少可限定平臺的一些平臺參數(shù)。例如，JMA可選擇地為使用者提供至少一個“空的”構造平臺，從而使用者可限定平臺參數(shù)?？蛇x擇地，使用者限定的平臺參數(shù)可以包括優(yōu)先級，如果優(yōu)先級足夠高，則使用者的某些任務可以不按順序進行，而是在已安排好的在先任務之前進行。JMA根據(jù)使用者限定的平臺參數(shù)可選擇地在平臺上產(chǎn)生相應的生產(chǎn)空間成本。例如，如果使用者為優(yōu)先于其它任務的平臺設置了非常高的優(yōu)先級，則JMA會確定平臺上的空間成本(space cost)。
在許多情況下，使用者不能方便地確定執(zhí)行使用者任務所需的RPA操作參數(shù)、平臺空間、成本以及其它參數(shù)(以下稱為“任務數(shù)據(jù)”)。由于這個原因，可選擇地JMA為使用者提供生產(chǎn)向?qū)椭褂谜叽_定任務數(shù)據(jù)參數(shù)?？蛇x擇地，向?qū)ㄟ^交互詢問界面(interactive interrogation session)來幫助使用者，其中向?qū)С尸F(xiàn)給使用者一些問題，問題的答案用于確定任務數(shù)據(jù)?？蛇x擇地，使用者傳送用來限定使用者想要生產(chǎn)物體的構造數(shù)據(jù)，向?qū)Ц鶕?jù)所傳送的構造數(shù)據(jù)確定任務數(shù)據(jù)。一旦任務數(shù)據(jù)已經(jīng)確定，向?qū)Ь蜁怀龌蛑甘灸男┥a(chǎn)平臺適于使用者的任務。
在本申請的說明書和權利要求書中，每一個動詞、如“包括”、“包括”、“具有”以及相關的詞匯表示賓語或動詞賓語沒有必要全部列出元件、部件、主語的元件或部件或動詞的主語。
已經(jīng)通過詳細實施例說明了本發(fā)明，但是沒有限制本發(fā)明的范圍。所述的實施例包括不同的特征，并不是所有特征都需要包括在本發(fā)明的所有實施例中。本發(fā)明一些實施例只使用一些特征或特征的組合。本領域技術人員可以看出，所述的本發(fā)明實施例的變形實例和本發(fā)明實施例包括各種在上述實施例中說明的特征的組合。本發(fā)明的范圍只由權利要求書限定。
本申請要求2003年5月1日提交的美國臨時申請60/466,731為優(yōu)先權，在此引用其公開的全部內(nèi)容。
權利要求
1.一種裝置，其根據(jù)限定物體的數(shù)據(jù)一層一層地連續(xù)地形成薄構造材料層而制造物體，該裝置包括多個打印頭，每個打印頭都具有成形出多個輸出口的表面，且打印頭可控地使每個輸出口相對于其它輸出口獨立地分配構造材料；一滑架，所述打印頭安裝在該滑架上；一支撐表面；以及一控制器，其適于控制所述滑架在所述支撐表面上往復移動，并且當所述滑架移動時，其根據(jù)數(shù)據(jù)控制所述打印頭通過其各自的輸出口分配所述構造材料，以在所述支撐表面上形成第一層，之后繼續(xù)形成其它層；其中，每個打印頭都可拆卸地安裝在所述滑架上，并且可相對于其它打印頭獨立地更換。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中，每個打印頭都包括至少一個對齊結構，其與包括在所述滑架中的對齊結構相匹配，并且當一打印頭安裝在所述滑架上時，該打印頭上至少一個對齊結構接觸所述相應的滑架對齊結構，從而將所述打印頭準確地定位在所述滑架中。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其中，每個打印頭中的輸出口都是等間距地線性排列，且第一輸出口位于排列中的一第一端。
4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中，包括在每個打印頭中的至少一個對齊結構和其相應的滑架對齊結構用于定位所述打印頭，它們各自的輸出口的列是平行的。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其中，所述輸出口的各列沿著垂直于所述輸出口的列的方向排列。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其中，包括在每個打印頭中的至少一個對齊結構和其相應的滑架對齊結構用于定位所述打印頭，這樣每個打印頭中的第一輸出口都能精確地相對于另一個打印頭中的第一輸出口定位。
7.根據(jù)權利要求6所述的裝置，其中，穿過所述輸出口的中心的平行線在所述支撐表面上的投影彼此大致等間距，其中穿過所述輸出口的中心的平行線垂直于所述輸出口的列。
8.根據(jù)權利要求7所述的裝置，其中，所述第一輸出口與垂直于所述輸出口的列的同一平面的距離通過下面的等式得出，即y(n)＝C+n(dy/N)，其中y是與平面的距離，C是常數(shù)，N是打印頭數(shù)量，dy是同一打印頭上相鄰口之間的距離，對于每個打印頭來說n是不同的整數(shù)，且滿足0≤n≤(N-1)。
9.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中，在形成層期間構造材料從所述打印頭中的輸出口被分配時，所述控制器控制所述滑架沿著垂直于所述輸出口的列的方向移動。
10.根據(jù)權利要求9所述的裝置，其中，所述距離y(n)是這樣，即，使得打印頭在平行于所述輸出口的列的一所述層上給定線的特定位置沉積小滴，在這樣的特定位置沉積小滴使得所述小滴大致不與先前其它的N打印頭在該給定線上沉積的任何材料小滴鄰接。
11.根據(jù)權利要求10所述的裝置，其中，在所述給定線上，每個沉積在先前已沉積的兩個最靠近的小滴之間的小滴與所述兩個先前已沉積的小滴的間距都相等。
12.根據(jù)權利要求3-11中任一項所述的裝置，其中，所述每個打印頭中的至少一個對齊結構包括至少一個對齊銷，該對齊銷突出于打印頭且其端部相對于所述輸出口的列精確定位。
13.根據(jù)權利要求12所述的裝置，其中，所述相應的滑架對齊結構是表面，所述對齊銷和對齊表面定位為使得當所述打印頭安裝在所述滑架上時，所述銷的頂端緊靠在所述對齊表面上。
14.根據(jù)權利要求12或13所述的裝置，其中，所述至少一個對齊銷包括三個對齊銷。
15.根據(jù)權利要求14所述的裝置，其中，其中所述對齊銷中的兩個的頂端之間的線精確地平行于所述輸出口的列。
16.根據(jù)權利要求15所述的裝置，其中，第三個對齊銷的頂端平行于所述輸出口的列移位且以與所述第一輸出口相距一準確距離遠離所有輸出口。
17.根據(jù)上述任一項權利要求所述的裝置，其中，每個打印頭都與一存儲器相連。
18.根據(jù)權利要求17所述的裝置，其中，所述存儲器包括在所述打印頭中。
19.根據(jù)權利要求17或18所述的裝置，其中，所述存儲器包括規(guī)定為所述打印頭特有的操作特性的剖面數(shù)據(jù)，且所述控制器利用這些數(shù)據(jù)控制所述打印頭。
20.根據(jù)權利要求19所述的裝置，其中，當所述打印頭安裝在所述滑架上時，所述剖面數(shù)據(jù)自動成為可被所述控制器訪問。
21.根據(jù)權利要求19或20所述的裝置，其中，每個輸出口都與其自身的致動器相連，所述致動器可被控制為控制從所述輸出口分配所述構造材料，其中所述剖面數(shù)據(jù)包括可用于控制所述致動器的數(shù)據(jù)。
22.根據(jù)權利要求19-21中任一項所述的裝置，其中，所述裝置包括溫度監(jiān)控器，其產(chǎn)生響應所述打印頭溫度的信號。
23.根據(jù)權利要求22所述的裝置，其中，所述存儲器包括標定數(shù)據(jù)，其使所述信號的特性與所述打印頭的溫度有關。
24.根據(jù)權利要求19-23中任一項所述的裝置，其中，所述打印頭包括熱源，其可控地維持所述打印頭在所需溫度，所述存儲器包括可用于控制所述熱源的數(shù)據(jù)。
25.根據(jù)權利要求19-24中任一項所述的裝置，其中，所述存儲器包括可用于確定所述輸出口相對于其它安裝在所述滑架中打印頭的輸出口的位置的數(shù)據(jù)。
26.根據(jù)上述任一項權利要求所述的裝置，其中，所述構造材料包括光敏聚合物。
27.根據(jù)權利要求26所述的裝置，其中，所述裝置包括發(fā)出輻射以聚合所述光敏聚合物的燈。
28.根據(jù)權利要求27所述的裝置，其中，該燈發(fā)出相當大部分的輻射，使得所述輻射相對于所述層的平面以大致非直角入射到所述層上。
29.一種裝置，其根據(jù)限定物體的數(shù)據(jù)一層一層地連續(xù)地形成薄材料層而制造物體，該裝置包括至少一個打印頭，其具有成形出至少一個輸出口的表面，且所述打印頭可控地通過所述輸出口分配液態(tài)的光敏聚合物材料；一燈，其可控地發(fā)出輻射以聚合所述光敏聚合物；以及一控制器，其適于控制所述打印頭分配光敏聚合物并連續(xù)地形成所述層，控制所述燈照射并聚合所分配的光敏聚合物；其中，由所述燈發(fā)出的相當大部分的輻射被定向為使得所述輻射以大致非直角的角入射到所述層上。
30.根據(jù)權利要求28或29所述的裝置，其中，所述燈包括輻射源和反射所述輻射源發(fā)出的光的反射體，使得光以大致非直角的角入射到所述層上。
31.根據(jù)權利要求29或30所述的裝置，其中，相對于所述層的法線所述角的大小為大于20°。
32.根據(jù)權利要求29或30所述的裝置，其中，相對于所述法線所述角的大小為大于30°。
33.根據(jù)權利要求29或30所述的裝置，其中，相對于所述法線所述角的大小約等于45°。
34.根據(jù)權利要求30-33中任一項所述的裝置，其中，所述反射體包括至少一個拋物線反射體，且至少部分所述光源位于所述反射體的焦點上。
35.根據(jù)權利要求34所述的裝置，其中，所述反射體是近似于拋物線反射體的多邊形反射體。
36.根據(jù)權利要求28-35中任一項所述的裝置，其中，部分所述光的入射角是正的，部分所述光的入射角是負的。
37.根據(jù)上述任一項權利要求所述的裝置，其中，所述輻射源是放電式燈泡。
38.根據(jù)權利要求35所述的裝置，其中，所述所述燈泡是汞或氙放電燈泡。
39.一種裝置，其根據(jù)限定物體的數(shù)據(jù)一層一層地連續(xù)地形成薄材料層而制造物體，該裝置包括至少一個打印頭，其可控地分配液態(tài)的光敏聚合物材料；一燈，其可控地發(fā)出輻射以聚合所述光敏聚合物；以及一控制器，其適于控制所述打印頭分配所述光敏聚合物并連續(xù)地形成所述層，控制所述燈照射并聚合所分配的光敏聚合物；其中，所述燈包括一發(fā)光二極管陣列，其可控地發(fā)出使所述光敏聚合物聚合的輻射。
40.根據(jù)權利要求27-29中任一項所述的裝置，其中，所述燈包括發(fā)光二極管，其可控地發(fā)出使所述光敏聚合物聚合的輻射。
41.根據(jù)權利要求38或40所述的裝置，其中，該裝置包括顯微透鏡，其將所述發(fā)光二極管發(fā)出的光變成具有相對大錐角的錐形光束。
42.根據(jù)權利要求41所述的裝置，其中，錐角大于約80°。
43.根據(jù)權利要求41所述的裝置，其中，錐角大于約100°。
44.根據(jù)權利要求39-43中任一項所述的裝置，其中，所述發(fā)光二極管陣列相對遠離所述層布置，且所述陣列中每個發(fā)光二極管都具有輻射導體，用于將輻射從所述發(fā)光二極管傳送到相對靠近所述層的位置，在該位置所述輻射照射所述層的區(qū)域。
45.根據(jù)權利要求39-44中任一項所述的裝置，其中，所述控制器控制陣列中發(fā)光二極管發(fā)出的紫外光強度，并且使發(fā)光二極管發(fā)出的紫外光強度相對于陣列中其它發(fā)光二極管發(fā)出的紫外光強度獨立。
46.根據(jù)權利要求39-45中任一項所述的裝置，其中，所述控制器打開和關閉所述陣列中的發(fā)光二極管，以減少所述陣列發(fā)出的不能有效使所述層中光敏聚合物聚合的輻射。
47.根據(jù)權利要求1-46中任一項所述的裝置，其中，所述裝置包括刮片，所述控制器適于在所述刮片上方移動至少一個打印頭以清潔所述打印頭上成形有所述輸出口的表面。
48.一種裝置，其根據(jù)限定物體的數(shù)據(jù)一層一層地連續(xù)地形成薄材料層而制造物體，該裝置包括至少一個打印頭，其具有成形出至少一個輸出口的表面，且所述打印頭可控地通過所述輸出口分配液態(tài)的光敏聚合物材料；一刮片；以及一控制器，其適于控制所述打印頭分配所述光敏聚合物并連續(xù)地形成所述層，以及在所述刮片上方移動所述打印頭以清潔成形有所述輸出口的表面。
49.根據(jù)權利要求47或48所述的裝置，其中，所述刮片包括至少一個清潔片，當所述控制器控制所述表面在所述刮片上移動時，該清潔片的邊緣從所述表面上刮擦多余的構造材料。
50.根據(jù)權利要求49所述的裝置，其中，當所述表面在所述刮片上移動時，至少一個清潔片的邊緣接觸所述表面。
51.根據(jù)權利要求50所述的裝置，其中，所述清潔片由彈性材料成形，從而接觸所述表面的邊緣就彈性地接觸所述表面。
52.根據(jù)權利要求51所述的裝置，其中，所述邊緣是圓齒狀，且相應于所述至少一個打印頭的各個打印頭都具有不同的圓齒。
53.根據(jù)權利要求49-52中任一項所述的裝置，其中，所述至少一個打印頭包括多個打印頭。
54.根據(jù)權利要求53所述的裝置，其中，所述清潔片成形有至少一個槽，其將所述清潔片分割成多個齒，每個齒都具有接觸不同的所述多個打印頭之一的輸出口表面的邊緣，用于刮擦所述表面上的多余構造材料。
55.根據(jù)權利要求50-54中任一項所述的裝置，其中，所述至少一個清潔片包括至少兩個清潔片。
56.根據(jù)權利要求55所述的裝置，其中，所述至少兩個清潔片中的清潔片具有不接觸所述打印頭的輸出口表面的邊緣，但當所述控制器控制所述表面在所述刮片上移動時，該邊緣沿著所述表面移動并靠近所述表面。
57.根據(jù)權利要求56所述的裝置，其中，當所述表面在所述刮片上方移動時，所述表面的區(qū)域在接觸與所述表面接觸的邊緣之前，移動通過不與所述表面接觸的邊緣。
58.根據(jù)上述任一項權利要求所述的裝置，其中，所述裝置包括障礙物檢測系統(tǒng)，用于檢測在層中的突出于所述層的表面的缺陷。
59.根據(jù)權利要求58所述的裝置，其中，所述障礙物檢測系統(tǒng)包括發(fā)射激光束的一激光器，其中所述激光束沿著其長度接觸所述層的表面或者定位為靠近所述層的表面；接收激光束的一檢測器；以及其中，所述檢測器接收的來自所述激光器的光至少部分地被突出于所述表面的缺陷阻擋。
全文摘要
一種裝置，其根據(jù)限定物體的數(shù)據(jù)一層一層連續(xù)地形成薄構造材料層而制造物體，該裝置包括多個打印頭(52)，每個打印頭都具有成形出多個輸出口(58)的表面，且打印頭可控地使每個輸出口相對于其它輸出口獨立地分配構造材料；滑架(50)，打印頭安裝在該滑架上；支撐表面；以及控制器，其適于控制滑架在支撐表面上往復移動，并且當滑架移動時，其根據(jù)數(shù)據(jù)控制打印頭通過其各自的輸出口分配構造材料，以在支撐表面上形成第一層，之后繼續(xù)形成其它層；其中每個打印頭都可拆卸地安裝在滑架上，并且可相對于其它打印頭獨立地更換。
文檔編號B29C67/00GK1805839SQ200480016586
公開日2006年7月19日 申請日期2004年5月2日 優(yōu)先權日2003年5月1日
發(fā)明者伊格爾·蔡圖恩, 莫什·利維, 伊萊亞休·M·克里奇曼, 戴維·埃謝德, 哈南·戈塞特, 德羅爾·達奈, 邁爾·巴內(nèi)森, 蔡姆·克蘭亨德勒, 蓋伊·門奇克 申請人:奧布吉特幾何有限公司