三维打印机树脂补给方法
阅读说明：本技术 三维打印机树脂补给方法 (Three-dimensional printer resin replenishing method ) 是由 P.S.特纳 于 2018-02-20 设计创作，主要内容包括：三维打印机包括容器、光引擎、固定件、移动机构、传感器和控制器。容器用于容纳液态可光固化树脂,并且包括透明片,所述透明片限定下表面,可通过所述透明片照射树脂。光引擎被设置和配置为选择性地通过透明片照射树脂。固定件用于支撑三维制品,所述三维制品具有与透明片呈面向关系地浸入在树脂中的下表面。移动机构被配置为可控地平移固定件,以调节下表面在透明片上方的竖直高度。传感器被配置为监测三维制品上的树脂的动态竖直阻力。(Three-dimensional printer includes container, light engine, fixing piece, mobile mechanism, sensor and controller.For container for accommodating liquid photocurable resin, and including slide, the slide limits lower surface, can irradiate resin by the slide.Light engine is set and is configured to irradiate resin optionally through slide.Fixing piece is used to support three-dimensional article, and the three-dimensional article has the lower surface being immersed in slide in facing relation in resin.Mobile mechanism is configured as controllably translating fixing piece, to adjust vertical height of the lower surface above slide.Sensor is configured as the vertical resistance of dynamic of the resin on monitoring three-dimensional article.)
相关申请的交叉引用
本非临时专利申请要求2017年2月20日提交的由Peter Scott Turner作出的标题为“THREE DIMENSIONAL PRINTER RESIN REPLENISHMEN METHOD”(“三维打印机树脂补给方法”)的美国临时申请序列号62 / 460,947的优先权，其在U.S.C.119（e）的权益下通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及用于由能量可固化材料制造实心三维（3D）制品的设备和方法。更具体地，本公开涉及优化利用可光固化树脂的三维（3D）打印机的速度和输出质量的方式。
背景技术
三维（3D）打印机的使用正在迅速增加。一个类型的3D打印机包括具有总体操作原理的光固化打印机，所述操作原理包括选择性固化和硬化辐射可固化（可光固化）液态树脂。典型的光固化系统包括保持可固化树脂的容纳容器、联接到支撑表面的移动机构以及可控光引擎。光固化系统通过选择性地固化可光固化树脂层而形成三维（3D）制品。
在一个系统实施例中，容器包括透明片，所述透明片形成容器的下表面的一部分。支撑表面定位在透明片上方，并且与透明片呈面向关系。进行以下步骤：（1）移动机构定位支撑表面，由此可光固化树脂薄层位于支撑表面与透明片之间。（2）光引擎将像素化的光向上传递通过透明片，以选择性地将可光固化树脂层固化到支撑表面上。（3）移动机构而后递增地升高支撑表面。重复步骤（2）和（3），以形成三维（3D）制品，所述三维（3D）制品具有与透明片呈面向关系的下表面。
一个挑战是透明片由已固化聚合物“污染”。理想地，聚合物将仅在支撑表面和3D制品的下表面上固化。但是，一些聚合物可在下窗口上固化。随着时间的推移，在窗口上的已固化聚合物将干扰3D打印机的适当操作。此外，下表面可粘附到下窗口。为了克服此问题，已采用了各种解决方案，包括在下窗口上提供释放涂层和/或使用化学抑制剂，以防止树脂在下窗口上或附近固化。
此类系统具有的另一挑战是如何在靠近下表面的构建平面处维持新树脂的供应。当3D制品的下表面具有实心和大截面面积时，树脂在构建平面处可变得被耗尽。3D制品的下表面的上下运动可用于补给树脂薄层。此上下运动可在3D制品的下表面上施加应力，导致质量中的下降。减慢上下运动可减少这些应力，但是将导致更长的处理时间。需要的是提供高速操作的系统，而在3D制品的质量中没有下降。
附图说明
图1是描绘了示例性三维（3D）打印系统的示意性框图。
图2是描绘了操作三维（3D）打印系统的示例性方法的流程图。
图3是描绘了三维（3D）制品的下表面在透明片上方的高度H（t）相对于时间t的示例性示意性时序图。
图4是描绘了高度H（t）和力F（t）相对于时间t的示例性示意性时序图。H（t）是三维（3D）制品的下表面在透明片上方的高度。F（t）是被施加在三维（3D）制品上的动态变化的竖直力。
图5是容纳树脂的示例性容器以及具有实心圆形截面的三维（3D）制品的俯视图。
图6是容纳树脂的示例性容器以及三维（3D）制品的侧视截面图。
发明内容
在本公开的第一方面中，三维（3D）打印机包括容器、光引擎、固定件、移动机构、传感器和控制器。容器用于容纳液态可光固化树脂，并且包括透明片，所述透明片限定下表面的至少一部分，可通过所述透明片照射树脂。光引擎被设置和配置为选择性地通过透明片照射树脂。固定件用于支撑三维（3D）制品，由此3D制品的下表面与透明片呈面向关系地浸入在树脂中。移动机构被配置为可控地平移固定件，由此可控制3D制品的下表面与透明片之间的竖直距离。传感器被配置为监测下表面上的动态竖直力。控制器被配置为：（a）将3D制品的下表面定位在从透明片隔开的操作距离处；（b）激活光引擎，以选择性地将树脂层固化到下表面上；（c）重复（a）和（b）一次或多次；（d）激活移动机构，以根据泵送循环而使下表面向上平移距离D，并且而后向下平移到操作距离；（e）与（d）同时，监测来自传感器的信号，所述信号指示被施加在3D制品的下表面上的动态力；（f）至少部分地基于来自传感器的信号的分析而更新泵送循环；以及（g）重复步骤（a）至（f），直到完成3D制品。
在一个实施方式中，光引擎包括光源和空间性光调制器。空间性光调制器操作，以选择性地控制横跨构建平面的像素元素，树脂被选择性地固化在所述构建平面之上。在一个实施例中，空间性光调制器是数字镜装置。空间性光调制器从光源接收未处理的光，并且反射或传递像素化和已处理的光。光引擎包括光学器件，所述光学器件将已处理的光传递到在树脂内并且靠近3D制品的下表面的构建平面。
在另一实施方式中，传感器是压敏换能器，所述压敏换能器可感测压缩和/或张拉中的动态变化。可安装换能器，由此其直接感测被施加到固定件的竖直力。
在又一实施方式中，控制器电联接和/或无线联接到光引擎、移动机构以及到传感器。控制器包括处理器，所述处理器联接到信息存储装置。信息存储装置包括存储指令的非暂时性或非易失性存储装置，当由处理器执行时，所述指令处理来自传感器的信号，并且控制光引擎和移动机构。控制器可被容纳在单个IC（集成电路）或多个IC中。控制器可被设置在三维打印系统内在一个位置处或分布在多个位置中。
在进一步的实施方式中，基于来自传感器的信号，实时调节3D制品的下表面的平移速度。在第一实施例中，如果来自传感器的信号指示动态力具有的大小超过指定控制上限，则降低平移速度。在第二实施例中，如果来自传感器的信号指示动态力相对于时间具有的大小超过指定控制上限，则降低平移速度。在第三实施例中，如果来自传感器的信号指示动态力具有的大小小于指定控制下限，则增加平移速度。在第四实施例中，如果来自传感器的信号指示动态力相对于时间的斜率小于控制下限，则增加平移速度。
在更进一步的实施方式中，在3D制品的下表面向上平移远离透明片时，动态力相对于时间升高，并且而后下降。响应于动态力相对于时间的实时分析，可实时停止向上平移。当动态力的大小开始迅速下降时，可停止向上平移。
在另一实施方式中，控制器被配置为基于参数相关性而限定泵送循环，所述参数相关性使泵送循环参数至少与3D制品的下表面的几何形状相关。泵送循环参数包括泵送距离D和3D制品的下表面的平移速度。在第一实施例中，查找表使泵送循环参数与下表面几何形状参数相关。在第一实施例中，基于来自传感器的信号的分析，更新查找表。在第二实施例中，函数关系使泵送循环参数与下表面几何形状参数相关。在第二实施例中，基于来自传感器的信号的分析，更新函数关系。
在又一实施方式中，可在3D制品的下表面与透明片之间限定树脂流动流型。基于雷诺数，树脂流动流型可为层流或湍流的。更新泵送循环，以最大化雷诺数，同时维持层流流动，并且避免湍流流动。对于非常粘性的树脂，泵送循环还可具有对于动态力的上限。
在进一步的实施方式中，步骤（a）包括将下表面递增地升高距离d。在第一实施例中，D至少等于d的四倍。在第二实施例中，D至少等于d的10倍。在第三实施例中，D至少等于d的50倍。在第四实施例中，D至少等于d的100倍。
在进一步的实施方式中，步骤（a）包括将下表面递增地升高距离d。在一些实施例中，距离d在10至100微米的范围中。在某些实施例中，距离d可为约30微米。距离D根据诸如下表面的几何形状的因素而变化。在一些实施例中，距离D等于d的至少四倍。
具体实施方式
图1是三维（3D）打印系统2的实施例的示意性框图表示。图1中指示的是相互垂直的轴线X、Y和Z。轴线X和Y是横向轴线。在一些实施例中，X和Y也是水平轴线。轴线Z是中心轴线。在一些实施例中，Z是竖直轴线。在一些实施例中，方向+Z总体上向上，并且方向-Z总体上向下。
三维打印系统2包括容器4，所述容器4容纳可光固化树脂6。容器4包括透明片8，所述透明片8限定容器4的下表面10的至少一部分。光引擎12被设置为将光向上投射通过透明片8，以固化可光固化树脂6的层，以逐步形成三维制品14。三维制品14附接到固定件16，并且由此由固定件16支撑。移动机构18联接到固定件14，用于沿着竖直轴线Z平移固定件14。
三维打印系统2包括传感器20，所述传感器20被配置为监测被施加在三维制品14上的动态竖直力。在一个实施例中，传感器20是被设置在固定件16和/或移动机构18上的换能器，以感测被施加到固定件16的竖直力。动态竖直力主要由三维制品14通过树脂6的运动产生。
控制器22电联接或无线联接到光引擎12、移动机构18和传感器20。控制器22包括处理器24，所述处理器24联接到信息存储装置26。信息存储装置26包括存储指令的非暂时性或非易失性存储装置，当由处理器24执行时，所述指令分析和处理来自传感器20的信号，并且控制光引擎12和移动机构18。控制器22被容纳在单个IC（集成电路）或多个IC中。控制器22可被设置在三维打印系统2中在一个位置处或分布在多个位置之中。
三维制品14具有面向透明片8的下表面28。随着光引擎12选择性地将光能施加通过透明片8，其选择性地聚合靠近“构建平面”的树脂，所述“构建平面”可与下表面20重合或靠近下表面20。这具有的作用是，将树脂层选择性地构建到下表面28上。在控制器22的控制下，移动机构控制下表面28与透明片8之间的距离H（t）。
图2是描绘了利用三维（3D）打印系统2形成三维制品14的示例性方法30的流程图。图3是H（t）相对于时间t的示例性图表，其可对应于方法30的一部分。两者将被同时讨论。
根据步骤32，三维制品14的下表面28定位在透明片8上方的操作距离或高度Hop处。步骤32由图3图表的左侧在 t = 0下描绘。
根据步骤34，激活光引擎12，以将树脂层固化到下表面28上。步骤34对应于图3中t= 0与t = t1之间的虚线。在步骤34的固化之后，距离H（t）减小了已添加到下表面28上的光固化树脂的厚度。所述方法而后前进返回到步骤32，其中，下表面升高返回到操作高度Hop。
在前进到步骤36之前，重复步骤32和34一次或多次。图3将这些描绘为重复两次，但是步骤32和34的重复次数可变化。在前进到步骤36之前，其可完全不重复，或可重复1、2、3、4、5、6、7或更多次。重复次数可取决于各种因素，诸如，下表面28的几何形状、树脂6流变性以及到树脂中的固化深度。在时间t1和时间t2下或附近，下表面28递增地升高距离d，以在操作光引擎之前提供适当的操作高度Hop。
当下表面28具有相对大的几何形状时，树脂6可不在t = 0与t = t3之间完全地重新填充在下表面28与透明片8之间。在某一时间下，树脂添加层的质量被损害。而后可执行“泵送循环”。根据图3在时间t = t3与t = t7之间示出了示例性泵送循环。下表面28在透明膜8上方升高到H（t）= Hpump。下表面28在t = t3与t = t6之间升高的距离将被称为泵送距离D。
根据步骤36，至少部分地基于下表面28的几何形状而确定泵送循环。泵送循环还可取决于树脂特性，诸如，粘度。泵送循环限定D和速度分布或曲线，包括在t = t3与t = t7之间的高度H（t）相对于时间t。
根据步骤38，移动机构18开始泵送循环。根据步骤40，与泵送循环同时监测来自传感器20的信号。所述信号指示由树脂6在三维制品14上的动态力或运动引起的力。图4中示出了“理想化”动态力分布F（t）相对于时间t。这是理想化的，因为实际图表可具有未被描绘的其它“摆动”，但是显示了主要的力转换。图4的顶部图表描绘了在t ＝ t3与t ＝ t6之间的H（t）相对于时间t。虽然图3和图4将运动描述为在各个时间之间是线性（恒定斜率）的，但是这是为了说明的目的。实际运动可为非线性的，以便优化下表面28与透明片8之间的树脂流动流型。
图4的底部图表描绘了在时间t ＝ t3与t ＝ t6之间由传感器20检测的动态竖直力F（t）。在t ＝ t3与t ＝ t4之间，随着下表面28升高，树脂6的粘性阻力导致透明片8向上弯曲。透明片8弹性地拉动返回，并且导致力增加。当树脂6最终开始基本上在下表面28与透明片8之间流动时，力F（t）开始迅速下降，如在t ＝ t4与t ＝ t5之间描绘的。最终，随着下表面28更远离透明片28，力F（t）在t ＝ t5与t ＝ t6之间下降得更慢，并且所述力是由于通过树脂6的粘性阻力而导致的。
根据步骤42，响应于分析步骤40信号，并且与分析步骤40信号同时，可实时调节泵送运动。除非所述分析确定了力曲线F（t）不是最佳的，否则步骤42不一定发生。存在有其中调用步骤42的数个实施例，并且以下是一些示例性实施例。
根据第一实施例，在t3与t4之间对于力F（t）相对于时间t存在有控制上限。过高的力可导致损坏三维制品14，并且甚至可能损坏透明片8。如果所述分析显示F（t）的大小已超过控制上限，则降低H（t）相对于t的斜率（其等于固定件16的向上平移速度），以便减小对于泵送循环的峰值力（在图4中显示为曲线的峰值）。
根据第二实施例，在时间t3与t4之间对于力F（t）相对于时间t的斜率存在有控制上限。如果步骤40的分析指示斜率的大小超过控制上限，则实时降低向上平移速度（H（t）相对于t的斜率），以便减小对于泵送循环的峰值力。
根据第三实施例，在特定时间t下对于力F（t）存在有控制下限。过低的力F（t）指示了增加对于三维制品14的构建速率的机会，而没有不利影响。如果步骤40的分析指示力F（t）的大小低于控制下限，则增加下表面28的向上平移速率（其等于高度H（t）相对于时间t的斜率）。
根据第四实施例，在t3与t4之间对于F（t）相对于时间t的斜率存在有控制下限。过低的斜率指示了增加对于三维制品14的构建速率的机会，而没有不利影响。如果所述分析显示F（t）相对于t曲线斜率低于控制下限，则增加下表面28的向上平移速率。
根据第五实施例，正在执行的泵送循环基于力F（t）相对于时间t的预期图表。基于所述分析，可确定的是，时间t4比预期更早发生-换句话说，力F（t）开始比预期更早地迅速下降。而后可通过减少时间t = t6和t = t7而暂时缩短泵送循环。此情况增加了对于三维制品14的构建速率，同时仍确保下表面28与透明片8之间的树脂完全再流。
根据步骤44，完成从t = t3至t = t7的泵送循环。步骤44实际上与步骤32重合，其中，下表面再次定位在操作距离Hop处。可重复步骤32至44的循环，直到完成三维制品14。
根据步骤46，存储新的参数相关性，所述参数相关性使泵送循环至少与下表面28的几何形状以及可能其它参数相关。此新的参数相关性可用于步骤32至44的后续重复。此参数相关性可采用各种实施例。
在第一实施例中，参数相关性由查找表限定。根据第一实施例，步骤46包括修改查找表，所述查找表使泵送循环与各种输入变量（诸如，下表面28的几何形状）相关。
在第二实施例中，参数相关性由一个或多个函数关系限定，所述函数关系使泵送循环与下表面28的几何形状相关。函数关系包括函数参数，诸如，乘法常数。根据第二实施例，步骤46包括修改一个或多个函数参数，并且由此修改函数关系。
在第三实施例中，参数相关性由一个或多个查找表和一个或多个函数关系的组合限定。步骤46可包括对于查找表和/或函数关系的修改。
图5和图6是简化图示，用于示出圆柱形三维制品14的简单几何形状，用于讨论下表面28的几何形状的目的。图5是容纳树脂6的容器4以及三维制品14的俯视图，并且图6是侧视图。所要求的泵送距离D与流入半径R越来越相关，所述流入半径R是圆形三维制品14的横向半径。因此，对于此类简单的几何形状，查找表可使泵送距离D与R相关。更复杂的几何形状将不具有此类简单的相关性，但是对于此类几何形状，可估测等效流入半径R。通过利用方法30，对于给定的树脂6，可随着时间自动改进相关性。
随着三维制品14的下表面28升高到透明片8上方，树脂流入，如由箭头48指示的。如果平移速度H（t）相对于t具有足够低的大小，则树脂流动48流型将是层流的，并且流动矢量将趋向于是均匀径向向内的。但是随着H（t）相对于t增加超过某个阈值，树脂流动48流型变成湍流和不规则的。此类流动流型不是最佳的。最佳树脂流动48速率是在流动变成湍流之前对于层流流动的上限。可执行包括步骤42和46的方法30，以提供最高大小的平移速度（高度H（t）相对于时间t），其中，树脂流动48是层流的，并且不超过动态力的上限。
限定泵送循环的变量可显著变化。以最佳层流流动操作要求数个变量的相关性。给定材料层的有效半径（流入距离）R可显著变化。更小的有效半径可在1至5毫米的范围中。更大的有效半径范围可在5至500毫米或更大的范围中。
树脂6的流变特性与几何形状组合，以确定最佳泵送循环。根据下表面28几何形状、树脂6流变性以及可能其它因素，泵送循环可包括小至100至300微米或大至500至5000微米的泵送距离。平移速度（高度H（t）相对于时间t的斜率）也可广泛变化。可接受的最大力F（t）max取决于包括树脂6流变性和下表面28几何形状的因素。对于给定的树脂流变性，这可通过寻找对于给定几何形状的力F（t）的界限而被确定。
上文描述的具体实施例以及其应用仅为了说明的目的，并且不排除由所附权利要求的范围涵盖的修改和变化。