用于操作材料液滴喷射三维物体打印机以防止三维打印物体周边出现量化误差的系统和方法

摘要

本发明题为“用于操作材料液滴喷射三维(3D)物体打印机以防止三维打印物体的周边出现量化误差的系统和方法”。一种材料液滴喷射三维(3D)物体打印机中的切片器确定要喷射以在物体层中形成周边的材料液滴的数量，并且在形成该周边的层上分配量化误差。该切片器还使用蓝噪声发生器标识喷射以形成该周边的第一材料液滴的位置。

说明书

技术领域

本公开涉及三维(3D)物体打印机，该三维物体打印机喷射材料液滴以形成三维(3D)物体，并且更具体地，涉及利用那些打印机制造的3D物体中的周边的形成。

背景技术

三维打印也称为增材制造，是由几乎任何形状的数字模型制备三维固体物体的工艺。许多三维打印技术使用增材法，其中增材制造设备在先前沉积的层的顶部上形成部件的连续层。这些技术中的一些技术使用喷射熔融材料(诸如光聚合物或弹性体)的液滴的喷射器。打印机通常操作一个或多个喷射器以形成连续的热塑性材料层，该连续的热塑性材料层形成具有各种形状和结构的三维打印物体。在形成三维打印物体的每一层之后，将塑性材料进行固化，使得塑性材料硬化以将该层粘结到三维打印物体的下面层。这种增材制造方法与传统物体形成技术不同，该传统物体形成技术主要依赖于通过减成法(诸如切割或钻孔)从工件上去除材料。

最近，已经开发出一些3D物体打印机，从一个或多个喷射器喷射熔融金属液滴以形成3D物体。这些打印机具有被送入加热室中的固体金属源，诸如线材卷或粒料卷，在该加热室中固体金属被熔融并且熔融金属流入喷射器的室中。非绝缘导电线包裹在室周围。电流通过导体以产生电磁场，该电磁场致使室的喷嘴处的熔融金属的弯月面与室内熔融金属分离并且从喷嘴推进。与喷射器的喷嘴相对的平台通过控制器操作致动器在平行于平台平面的X-Y平面上移动，使得喷射的金属液滴在平台上形成物体的金属层，并且另一个致动器由控制器操作以改变喷射器或平台在竖直方向或Z方向上的位置，以维持喷射器与所形成的金属物体的最上层之间的恒定距离。这种类型的金属液滴喷射打印机也称为磁流体动力学打印机。

在连续地挤出热塑性材料以形成打印物体的周边和填充的已知3D物体打印机中，闭合周边的所挤出的每单位长度的材料的量与周边长度无关。然而，在喷射热塑性材料或熔融金属的液滴的3D物体打印机中，该过程不是连续的。相反，使用离散数量的液滴打印闭合周边。如果从所打印的最后一个液滴到所打印的第一个液滴的距离不等于用于形成周边的其余部分的液滴间距，则发生局部异常，该局部异常导致局部部件变形，尤其是在误差在连续层中重复出现的情况下。即使间距改变，周边的层中的材料的量也会导致部件高度不正确。

基于按需喷墨的3D物体打印机通常每单位距离以预定速率打印液滴以产生固定密度。这些打印机通常是基于光栅的打印机。在打印时将按需喷墨打印与工具路径移动结合需要新的打印约束。在挤出打印机中，所挤出的材料的量是模拟值。然而，在按需喷墨打印中，单独的液滴的喷射影响周边和边界的形成以及部件的填充。作为示例，如果形成圆柱体，则圆柱体的每个层被打印为具有相同半径的圆。例如，如果沿着周边的液滴之间的距离标称为1mm，则2mm半径圆每层需要4个液滴，即约12.57个液滴。对于每个层，液滴可以标准间距间隔开，然后最后一个(即第13个)液滴可被包括或排除。因此，存在用12个或13个液滴打印圆柱体层周边的选择。如果排除第13个液滴，则周边中所打印的第一个液滴和最后一个或第十二个液滴之间的距离为1.57乘以连续喷射的液滴之间的距离，该第一个液滴和最后一个液滴之间的距离在此示例中为1.57mm。因此，产生局部空隙。相反，如果喷射第十三个液滴作为周边中的最后一个液滴，则第一个液滴和最后一个液滴之间的距离在此示例中为仅0.57mm，这可能产生局部突起。

一些已知的方法可减少但不可消除所有可能周边的这个问题。一种方法是移动各个层的起始液滴以随机在各处形成闭合周边。虽然这种方法没有完全解决问题，但该方法确保局部偏离位于每个层的不同位置，因此误差不在单个位置处累加。在液滴间距误差接近液滴间距距离的一半的场景下，缺陷可能是非常明显的，尽管它在位置方面是随机化的。另一种可能的校正是将喷射的液滴的间距改为整数值。在如以上示例中所述的圆柱体的圆形层中，每个层中的液滴数量被四舍五入成十三个，以衰减最后一个液滴到第一个液滴的间隙。不过，尤其是在每个周边的液滴数量较少的情况下，误差的高度可快速构建。这两种可能解决方案的问题是层周边中的材料的量局部地或全局地不正确。两种方法在不同情况下可产生周边的高度和形状的误差，并且可能引起成品部件中结构稳定性的问题，尤其是对于薄的横截面部分。能够在利用打印机制造的部件中形成周边将是有益的，这些打印机以适当的液滴间距喷射离散的材料液滴以在周边的每个层中维持部件完整性。

发明内容

一种操作材料液滴喷射3D物体打印机的新方法可利用离散材料液滴以适当的液滴间距在部件中形成周边以在周边的每个层中实现部件完整性。该方法包括：通过执行从物体层数据模型生成的机器就绪指令来标识要在第一物体层中形成的周边；标识要喷射以在第一物体层中形成周边的材料液滴的数量以及第一物体层的第一量化误差，要在第一物体层中形成周边的材料液滴的所标识的数量为第一整数；标识要喷射以在第一物体层中形成周边的第一材料液滴的位置；使用材料液滴的所标识的数量和第一材料液滴的所标识的位置修改从物体层数据模型生成的机器就绪指令；以及执行所修改的机器就绪指令来操作材料液滴喷射3D物体打印机以在要由材料液滴喷射3D物体打印机形成的第一物体层中形成周边。

一种新型材料液滴喷射3D物体打印机可利用离散材料液滴以适当的液滴间距在部件中形成周边以在周边的每个层中实现部件完整性。该材料液滴喷射3D物体打印机包括：熔融机，该熔融机被构造成接收并熔融块体金属；喷射头，该喷射头具有流体连接到熔融机以从熔融机接收熔融块体金属的喷嘴；平台，该平台与喷射头相对地定位；至少一个致动器，该至少一个致动器可操作地连接到平台和至少一个喷射头中的至少一者，至少一个致动器被构造成使平台和至少一个喷射头中的至少一者相对于彼此移动；以及控制器，该控制器可操作地连接到熔融机、至少一个喷射头和至少一个致动器。该控制器被配置为：通过执行从物体层数据模型生成的机器就绪指令来标识要在第一物体层中形成的周边；标识要喷射以在第一物体层中形成周边的材料液滴的数量以及第一物体层的第一量化误差，要在第一物体层中形成周边的材料液滴的所标识的数量为第一整数；标识要喷射以在第一物体层中形成周边的第一材料液滴的位置；使用材料液滴的所标识的数量和第一材料液滴的所标识的位置修改从物体层数据模型生成的机器就绪指令；以及执行所修改的机器就绪指令来操作材料液滴喷射3D物体打印机以在要由材料液滴喷射3D物体打印机形成的第一物体层中形成周边。

附图说明

结合附图在以下描述中解释了操作材料液滴喷射3D物体打印机和新材料液滴喷射3D物体打印机的方法的前述方面和其他特征，该打印机利用离散材料液滴以适当的液滴间距在部件中形成周边以在周边的每个层中实现部件完整性。下文所描述的方法和打印机分配在每个层中发生的材料密度层误差，从而以使误差不易通过人眼察觉的方式跨层形成周边。此分配采用每个量化步骤生成的误差，并将其分配到后续空间或时间量化步骤。

图1描绘了金属液滴喷射3D金属物体打印机，该金属液滴喷射3D金属物体打印机将量化误差分配在形成周边的层上，并且确定在每个层中形成周边的第一喷射金属液滴的位置。

图2是在后续层中形成周边的液滴的位置相对于在先前形成的层中形成周边的液滴的位置的图。

图3分别描绘了相邻层、由中间层分开的层以及由两个中间层分开的层的三个概率密度函数。

图4是由执行图1的打印机中的切片器程序的控制器实现以在形成周边的层上分配量化误差并且确定在每个层中形成周边的第一个液滴的起始位置的过程的流程图。

具体实施方式

对于3D物体打印机及其在增材制造部件中跨周边的不同层分配量化误差的操作的一般理解以及对于打印机及其操作的细节，参考附图。在附图中，类似的附图标记指示类似的元件。

图1示出了熔融金属3D物体打印机100的实施方案，该熔融金属3D物体打印机可配备有修改的切片器程序，该修改的切片器程序利用控制器实现，以在增材制造部件中跨周边的不同层分配量化误差。尽管以下描述参考图1的金属液滴喷射3D物体打印机进行，但是切片器程序可与单个喷嘴或多喷嘴材料液滴喷射3D物体打印机一起使用。

在图1的打印机中，熔融块体金属的液滴从具有单个喷嘴的喷射头104喷射，并且来自喷嘴的液滴针对平台112上的物体108的周边的层形成线。如本文档中所用，术语“块体金属”意指可以聚集体形式获得的导电金属，诸如通常可用规格的线材或宏观大小比例的粒料。块体金属源160(诸如金属线材130)被送入喷射头中并且熔融，从而为喷射头内的室提供熔融金属。惰性气体供应164通过气体供应管144向喷射头104中的熔融金属的室提供惰性气体168(诸如氩气)的压力调整源，以防止在喷射头中形成金属氧化物。

喷射头104可移动地安装在分别在一对竖直取向的构件120A和120B中的z轴轨道116A和116B内。构件120A和120B在一端连接到框架124的一侧，在另一端通过水平构件128相互连接。致动器132安装到水平构件128并且可操作地连接到喷射头104以沿着Z轴轨道116A和166B移动喷射头。致动器132由控制器136操作以维持喷射头104的单个喷嘴和平台112上的物体108的最上表面之间的距离。

安装到框架124的是平面构件140，该平面构件可由花岗岩或其他坚固材料形成，以向平台112的移动提供可靠的固体支撑。平台112附连到X轴轨道144A和144B，因此平台112可沿X轴双向移动，如图所示。X轴轨道144A和144B附连到台148，并且台148附连到Y轴轨道152A和152B，因此台148可沿着Y轴双向移动，如图所示。致动器122A可操作地连接到平台112，而致动器122B可操作地连接到台148。控制器136操作致动器122A和122B以沿着X轴移动平台并且沿Y轴移动台148以在与喷射头104相对的X-Y平面中移动平台。当熔融金属156的液滴朝向平台112喷射时，执行平台112的该X-Y平面移动在物体108上形成熔融金属液滴的线条。控制器136还操作致动器132以调节衬底上的喷射头104和最近形成的层之间的竖直距离，以便于在物体上形成其他结构。虽然熔融金属3D物体打印机100在图1中被描绘为以竖直取向操作，但是也可采用其他替代取向。此外，虽然图1所示的实施方案具有在X-Y平面中移动的平台并且喷射头沿着Z轴移动，但其他布置方式也是可能的。例如，喷射头104可被配置用于在X-Y平面中和沿着Z轴移动。

控制器136可用执行编程指令的通用或专用可编程处理器实现。执行编程功能所需的指令和数据可以存储在与处理器或控制器相关联的存储器中。处理器、处理器的存储器和接口电路配置控制器来执行前面描述的以及下面描述的操作。这些组件可以设置在印刷电路卡上，或者设置为专用集成电路(ASIC)中的电路。每个电路可以由单独的处理器实现，或者多个电路可以在同一处理器上实现。另选地，这些电路可以由分立元件或设置在超大规模集成(VLSI)电路中的电路来实现。此外，本文所述描述的电路可以用处理器、ASIC、分立元件或VLSI电路的组合来实现。在金属物体形成期间，要产生的结构的图像数据从扫描系统或者在线连接或工作站连接发送到控制器136的一个或多个处理器，以用于处理和生成输出到喷射头104的喷射头控制信号。

熔融金属3D物体打印机100的控制器136需要来自外部源的数据以控制打印机用于金属物体制造。通常，要形成的物体的三维模型或其他数字数据模型存储在可操作地连接到控制器136的存储器中，或者控制器可通过服务器等访问存储数字数据模型的远程数据库，或者存储数字数据模型的计算机可读介质可选择性地耦接到控制器136以用于访问。该三维模型或其他数字数据模型由利用控制器实现的切片器处理，以产生标识物体的每个层的数据，然后生成机器就绪指令以由控制器136以已知方式执行，从而操作打印机100的部件并且形成对应于模型的金属物体。机器就绪指令的生成可包括中间模型的产生，诸如当物体的CAD数字数据模型被转换为STL物体层数据模型、或其他多边形网格或其他中间表示时，继而可处理该中间模型以生成机器指令，诸如用于由打印机制造设备的g代码。如本文档中所用，术语“机器就绪指令”意指由计算机、微处理器或控制器执行以操作3D金属物体增材制造系统的部件以在平台112上形成金属物体的计算机语言命令。控制器136执行机器就绪指令以控制熔融金属液滴从喷射头104喷射、台148和平台112的定位以及喷射头102和平台112上的物体108的最上层之间的距离。

由控制器136实现的切片器分配在由系统100制成的部件中形成的周边的不同层中发生的量化误差，并且确定在层中形成周边的喷射材料的第一液滴的位置，尽管切片器可利用系统100中的另一个处理器实现。切片器生成用于生成机器就绪指令的3D物体层数据，这些指令操作打印机的部件以形成对应于数字数据模型的物体。数字数据模型的常用格式是STL格式，但也可使用其他格式，诸如3MF、AMF和PLY。在STL格式中，物体表面由三角形面的边和角限定。切片器将这些STL数据转换为物体的二维(2D)水平切片，然后生成机器就绪指令，这些指令操作致动器以沿着工具路径移动喷射头，并且操作喷射头以喷射金属液滴来形成物体。在一个实施方案中，此转换产生g代码，该g代码初始化打印系统，并且限定喷射头移动所沿着的路径并且操作喷射头以喷射熔融金属液滴来形成部件的层。

由图1的控制器136实现的切片器执行的跨周边的层分配量化误差确保长期累加误差从不超过一个量化单元。这种性质无法利用随机舍入实现。另外，量化误差分配确保量化状态之间的转变以可能的最高频率发生，使得误差不在长时间或长距离内聚集。在解决周边层中的量化误差的切片器中，误差分配在Z方向或竖直方向上，只有这样由每个周边层中材料的量化产生的所有误差都分配到下一个层。

在算法上，量化误差如下分配：过程的液滴误差被初始化为零(液滴_误差＝0)并且对于每个层：

液滴_累加＝液滴_浮点数+液滴_误差；

液滴_层＝地板(液滴_累加+0.5)；

液滴_误差＝液滴_累加-液滴_层，其中液滴_浮点数是表示为浮点或非整数数量的用于打印周边的期望液滴数量或液滴质量的量，该液滴_浮点数在先前指出的示例中为12.57，并且针对层标识的液滴_误差用于标识下一个层中的液滴_累加。

在标识用于层中的周边的液滴的数量之后，确定移动期间液滴的虚拟轴线的值。在机器就绪指令(诸如g代码)中，每个液滴由三个坐标(x,y,e)标识。X坐标和Y坐标标识限定喷射器在平台的X-Y平面中移动的路径的点，并且e坐标标识喷射的液滴的累加数量。液滴以液滴间距参数内的间隔喷射。如本文档中所使用，术语“液滴间距”意指当喷射器沿着层中的路径移动时喷射的相邻液滴的中心之间的预限定距离。阈值限定沿着路径的喷射器移动。阈值是液滴间距的特定部分。例如，可选择0.5作为与路径的限定的液滴间距一起使用的阈值，这意指液滴在沿着液滴间距的中间位置处喷射。通过改变阈值，可在液滴间距内改变喷射的液滴的位置。

作为示例，在以下表格中示出了限定层中的闭合喷射器路径的点的三个坐标(x,y,e)：

这些值表示十个点，因为第一个点和第十一个点处于相同的x,y位置，这些点限定作为层中的圆的闭合周边。e坐标表示在返回到原点的路径开始时累加的液滴计数。该表格指示：当喷射器穿过圆形路径时，喷射器针对液滴间距的0.5阈值喷射12.57个液滴。如上所述，控制器无法操作喷射器喷射12.57个液滴，而是操作喷射器在一些层中喷射十二个液滴并且操作喷射器在其他层中喷射十三个液滴。因此，表格中所示的e坐标的浮点数需要缩放至十二个液滴或十三个液滴方案。该缩放的结果在以下两个表格中示出。首先示出了十二个液滴的表格：

因为第一个e坐标和最后一个e坐标之间的差值是十三，所以当喷射器沿着(x,y)路径移动时，十三个液滴被喷射以形成圆形周边。

接下来，示出十二个液滴路径的表格：

因为第一个e坐标和最后一个e坐标之间的差值是十二，所以当喷射器沿着(x,y)路径移动时，十二个液滴被喷射以形成圆形周边。使用坐标，为不同层中的十二个液滴周边和十三个液滴周边生成g代码。

这种误差分配计算确定要在每个周边层中使用的液滴的数量，但这种误差分配计算不确定一层与另一层之间液滴位置的关系。在每层中的液滴数量相同的情况下，如果一层中的液滴与前一层中的液滴偏移半个圆，则以上标识的误差分配产生更大的结构完整性。此位置移位类似于将连续的砖层移位半个砖长度。类似地，该液滴位置移位可在先前所述的简单圆柱形物体示例中通过在用于形成周边的第一个液滴的位置中使用液滴间距距离移位的一半来实现。

然而，当周边中液滴的数量改变时，简单移位液滴间距距离的一半会出现一个问题。例如，如果液滴的数量增加1，则相邻层之间会产生差频，并且随着喷射头沿循着周边，液滴间距距离从.5mm转为-5mm。由于针对周边的起始的相位关系始终为180度相差，因此沿着周边存在一个位置，在该位置处，连续层之间的液滴始终对齐，并且附近的液滴几乎对准。该同步允许在构建周边时进行误差累加。在每层液滴的期望分数为0.5的情况下，每层液滴的数量在两个值之间切换。这种切换导致液滴的对准，即在每一层中，一个后续的液滴在沿着周边的相同位置处落在先前喷射的液滴上，并且紧邻该位置的其他液滴落在先前喷射的液滴的附近。在图2中描绘了这种情况，其中X表示在紧邻当前层之前形成的层中形成周边的液滴，并且O表示在当前层中形成周边的液滴。

为了消除由液滴在周边的层上的起始位置相移和量化误差分配的相互作用产生的问题，使用蓝噪声发生器选择起始位置而不是在层之间固定移位液滴间距距离的一半。蓝噪声发生器将下一层的第一个液滴从先前形成的层的第一个液滴移动液滴间距距离的一半，然后另外使用白噪声发生器以介于负的液滴间距距离的一半和正的液滴间距距离的一半之间的另外距离对该液滴进行扰动，该白噪声发生器具有三角概率分布，这意味着概率发生器不是均匀的。通过对两个白噪声概率密度函数(PDF)求平均，易于产生三角PDF。最终偏移量被重新映射到负的液滴间距距离的一半和正的液滴间距距离的一半(-π至+π)之间。

在层中周边的密度与在先前形成的层中形成的周边相比不均匀(诸如具有悬伸部的区域)的情况下，可使用标称周边密度来限定相移，该标称周边密度是一层中每单位长度的液滴的平均数。该相移在层之间产生相位差，该相位差为针对密度低于标称密度的周边以接近于但不是全尺寸(即，小于+/-液滴间距的一半)的标称密度分配的蓝噪声，并且为针对密度远大于标称密度的周边分配的接近白噪音。

利用切片器实现来定位液滴以在层中形成周边的蓝噪声发生器确保量化误差变化与液滴起始位置相位变化去相关。在图3中示出了相邻层之间的相位差以及相隔两层和三层的相位差的概率密度函数。如图所示，非相邻平面之间的相位关系通过使用蓝噪声发生器来移位层中周边的第一个液滴的起始位置而快速去相关。蓝噪声发生器的使用有助于确保通过使用量化误差分配过程来确定针对层中周边要喷射的液滴的数量不会产生累加的差频。

在图4中示出了用于操作材料液滴喷射3D物体打印机以衰减量化误差并且确定用于在层中形成周边的起始液滴位置的过程。在该过程的描述中，该过程正在执行某一任务或功能的陈述是指控制器或通用处理器执行编程指令以操作打印机中的一个或多个部件来执行任务或功能，该编程指令存储在可操作地连接到控制器或处理器的非暂态计算机可读存储介质中。上述控制器136可以是此类控制器或处理器。另选地，控制器可由多于一个的处理器和相关联的电路和部件来实现，它们中的每一者均被配置为形成本文所描述的一个或多个任务或功能。此外，该方法的步骤可以以任何可行的时间顺序执行，而与图中所示的顺序或描述处理的顺序无关。

图4是操作材料液滴喷射3D物体打印机(诸如打印机10)以衰减量化误差并且确定用于在3D物体的层中形成的周边的起始液滴位置的过程的流程图。过程400开始于切片器接收要产生的物体的数字数据模型(框204)。然后，切片器生成物体层数据和机器就绪指令以形成物体的每个层(框208)。对于第一层，切片器确定是否在层中形成一个或多个周边(框212)。使用误差分配过程(诸如先前描述的算法)，确定要喷射以形成周边的液滴的数量(框216)。切片器还使用一个或多个液滴位置移位技术确定形成周边的第一个液滴的位置，如上所述(框220)。修改和存储用于操作打印机以在层中形成周边和在层中形成任何填充线的先前生成的机器就绪指令(框224)。该修改是通过单独保留X,Y坐标但改变g代码指令的e值来执行的，如前所述。该改变实际上变更基于距离的馈送速率(例如，液滴/毫米)。另选地，如果通过一组X,Y坐标和馈送速率而不是e值来描述g代码指令，则改变作为时间的函数的馈送速率(例如，液滴/毫秒)。如果要处理另一个层(框228)，则以相同的方式生成机器就绪指令(框212至框224)。一旦已处理所有层并且生成对应的机器就绪指令，则打印机的控制器就执行机器就绪指令以形成物体(框232)。

应当理解的是，以上公开的与其他特征和功能的变型或其替代者可期望地被组合到许多其他不同的系统、应用或方法中。本领域的技术人员随后可做出各种当前未预见或未预料到的替换、修改、变化或改进，这些也旨在被以下权利要求书涵盖。