CN109531997A - 在三维打印中控制针对改进挤出流的热的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在三维打印中控制针对改进挤出流的热的方法和装置。在用于打印三维物体的三维打印系统和方法中，将固体形态材料的温度升高至使材料熔化或部分熔化的点，从而因致动力或导致力的位移而开始从喷嘴流出。因为到材料的热传递对于材料熔化和流动并最终实现打印过程最重要，所以将材料升温至恰当温度是有用的。通过预测材料经由喷嘴的大的流量并在增大的淀积率之前调节加热速率，来使材料保持熔化，并且经由喷嘴挤出材料不受加热限制。

Description

在三维打印中控制针对改进挤出流的热的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于在三维(3D)打印中控制针对改进挤出流的热的方法和装置。
背景技术
在还已知为三维(3D)打印的添加制造(AM)中，可以通过在计算机控制下形成连续的材料层来创建3D物体。例如，基于挤出的分层制造机器可以通过将构建材料(在本文中也可互换地称为原料(feedstock)、丝料(filament)，或介质)以预定图案从挤出机挤出到构建表面(在本文中也可互换地称为构建板、构建平台、台架、基部或床)上来构建这样的3D物体。可以基于表示3D物体的计算机辅助设计(CAD)模型或任何其它合适的数据来确定预定图案。
原料可以供应到挤出机，并且挤出机可以使原料达到可流动的温度，从而生成可流动的原料以供淀积到构建板上。传入原料的力可导致可流动原料从挤出机挤出，例如从挤出机的喷嘴挤出。可流动原料可以经由喷嘴挤出，并且可以在凝固时以足够的黏合粘附到先前淀积的原料层上。
从喷嘴挤出的可流动原料的流率可以是原料投入率(即，原料被驱入挤出机的液化区的速率)(在本文中也可互换地称为进料率)的函数。控制器可以控制用于推进原料的机构的速度或者施加至原料的压力，以便控制投入率。除了控制投入率，控制器还可以控制挤出机沿水平x、y平面的移动，以及构建板沿垂直z方向的移动。
控制器可以控制挤出机相对于正被打印的3D物体的移动。例如，在一些情况下，被打印的3D物体可以沿x和y方向移动，并且挤出机可以是静止的。通过同步控制这种移动和投入率，可流动原料可以沿着可以从CAD模型获得的工具路径逐层淀积到构建板上。被挤出的可流动原料可以融合到先前淀积的原料上并固化以形成类似于该CAD模型的3D物体。
发明内容
根据一示例实施方式，一种三维(3D)打印系统，其可以包括：挤出机，该挤出机被配置成从挤出位置挤出给定原料，和控制器，该控制器被配置成，通过调节经由所述挤出机传递到所述给定原料的热传递量，来保持所述给定原料在所述挤出位置处为所述期望温度。所述调节可以基于所述给定原料的计划原料投入率和期望温度。所述控制器可以被配置成，在实施所述计划原料投入率之前的时间调节所述热传递量。所述时间可以基于所述3D打印系统中的热传递的时间响应。
所述3D打印系统还可以包括比例积分微分(PID)控制器和温度传感器。所述温度传感器可以联接至所述挤出机和所述PID控制器，并且可以被配置成感测所述挤出机的工作温度。所述PID控制器可以被配置成，还基于所述工作温度来调节所述热传递量。
所述时间响应可以取决于所述挤出机的尺寸、所述挤出机的比热、所述挤出机的传导率、所述挤出机的质量或它们的组合。
所述时间还可以基于当前时间、在当前时间的当前原料投入率、实施所述计划原料投入率的将来时间，以及在当前时间的所述当前原料投入率与在所述将来时间的所述计划原料投入率之间的变化率。
所述3D打印系统还可以包括联接至所述挤出机的加热部件。所述控制器可以被配置成，调节所述加热部件的输入功率设定以调节所述热传递量。
所述输入功率设定可以是功率值、百分比值，或占空比值。
所述控制器可以被配置成，基于所述计划原料投入率以及所述加热部件的输入功率与原料投入率之间的关系来控制所述输入功率设定。所述关系可以特定于所述期望温度、所述挤出机的环境条件、所述挤出机的特性，以及所述给定原料的特性。
所述环境条件可以包括容纳所述挤出机的腔室的环境温度和所述3D打印系统的风扇的速度。
所述挤出机的特性可以包括：表示所述挤出机的每温度差的热损失的第一热传递系数，和表示所述挤出机的随着所述3D打印系统的风扇的速度改变的热损失的第二热传递系数。
所述给定原料的特性可以包括：所述给定原料的密度、所述给定原料的比热、所述给定原料的热导率、固体形态的所述给定原料的横截面积或它们的组合。
所述3D打印系统还可以包括联接至所述挤出机的加热部件。实施所述计划原料投入率可以导致所述给定原料的当前原料投入率增大或减小。所述控制器可以被配置成，通过调节所述加热部件的输入功率设定来调节所述热传递量，以与所述当前原料投入率的增大或减小无关地保持所述给定原料为所述期望温度。
所述挤出机可以包括液化区，并且所述计划原料投入率可以表示将所述给定原料驱动到所述液化区中的计划速度。
所述期望温度可以是所述给定原料响应于施加的力或位移而开始流动的最低温度。
所述控制器还可以被配置成，接收用于打印3D物体的多个工具路径命令。所述计划原料投入率可以基于接收的所述多个工具路径命令中的一个或更多个。
根据另一示例实施方式，一种用于在三维(3D)打印系统中打印3D物体的方法，该方法包括以下步骤：从挤出机的挤出位置挤出给定原料，并且通过基于针对所述给定原料的计划原料投入率和期望温度调节经由所述挤出机传递到所述给定原料的热传递量，来保持所述给定原料在所述挤出位置处为所述期望温度。所述热传递量可以在实施所述计划原料投入率之前的时间调节。所述时间可以基于所述3D打印系统中的热传递的时间响应。
所述方法还可以包括以下步骤：感测所述挤出机的工作温度，并且还基于所述工作温度来调节所述热传递量。
所述时间响应可以取决于所述挤出机的尺寸、所述挤出机的比热、所述挤出机的传导率、所述挤出机的质量或它们的组合。
所述时间还可以基于当前时间、在当前时间的当前原料投入率、实施所述计划原料投入率的将来时间，以及在当前时间的所述当前原料投入率与在所述将来时间的所述计划原料投入率之间的变化率。
其中，调节所述热传递量的步骤可以包括以下步骤：调节联接至所述挤出机的加热部件的输入功率设定。
所述输入功率设定可以是功率值、百分比值，或占空比值。
所述方法还可以包括以下步骤：基于所述计划原料投入率以及所述加热部件的输入功率与原料投入率之间的关系来控制所述输入功率设定，所述关系可以特定于所述期望温度、所述挤出机的环境条件、所述挤出机的特性，以及所述给定原料的特性。
所述环境条件可以包括容纳所述挤出机的腔室的环境温度和所述3D打印系统的风扇的速度。
所述挤出机的特性可以包括：表示所述挤出机的每温度差的热损失的第一热传递系数，和表示所述挤出机的随着所述3D打印系统的风扇的速度改变的热损失的第二热传递系数。
所述给定原料的特性可以包括：所述给定原料的密度、所述给定原料的比热、所述给定原料的热导率、固体形态的所述给定原料的横截面积或它们的组合。
所述方法还可以包括以下步骤：实施所述计划原料投入率导致所述给定原料的当前原料投入率增大或减小。其中，调节所述热传递量的步骤可以包括以下步骤：调节联接至所述挤出机的加热部件的输入功率设定，以与所述当前原料投入率的增大或减小无关地保持所述给定原料为所述期望温度。
所述挤出机可以包括液化区，并且所述计划原料投入率可以表示将所述给定原料驱动到所述液化区中的计划速度。
所述期望温度可以是所述给定原料响应于施加的力或位移而开始流动的最低温度。
所述方法还可以包括以下步骤：接收用于打印所述3D物体的多个工具路径命令，并且基于接收的所述多个工具路径命令中的一个或更多个来确定所述计划原料投入率。
根据又一示例实施方式，一种用于控制三维(3D)打印系统的非暂时性计算机可读介质，其上可以编码有指令序列，其在被处理器加载和执行时，使所述处理器控制从挤出机的挤出位置挤出给定原料，并且通过基于所述给定原料的计划原料投入率和期望温度调节经由所述挤出机传递到所述给定原料的热传递量，来保持所述给定原料在所述挤出位置处为所述期望温度。所述热传递量在实施所述计划原料投入率之前的时间调节。该时间基于所述3D打印系统中的热传递的时间响应。
应当明白，本文公开的示例实施方式可以采用方法、装置、系统，或者其上编码有程序代码的计算机可读介质的形式来实现。
附图说明
前述根据下面对如在附图中例示的、示例实施方式的更具体描述而变清楚，其中，贯穿不同视图，相同字符指相同部分。附图不必比例化，而相反，将重点放在例示这些实施方式上。
图1是用于打印三维(3D)物体的3D打印系统的示例性实施方式的框图。
图2是挤出机的示例性实施方式的框图。
图3是用于加热给定原料的输入功率与给定原料的原料投入率之间的关系的标绘图的示例实施方式的图形。
图4是用于保持给定原料在挤出位置处为期望温度的主动控制回路的示例实施方式的框图。
图5A是原料投入率随时间变化的标绘图的示例实施方式的图形。
图5B是原料投入率随时间变化的标绘图的另一示例实施方式的图形。
图6是用于命令针对3D打印系统中的加热器的输入功率的方法的示例实施方式的流程图。
图7是用于在3D打印系统中打印3D物体的方法的示例实施方式的流程图。
图8是在可选地本文所公开实施方式内的计算机的示例内部结构的框图。
具体实施方式
以下是对示例实施方式的描述。
还被称为3D打印的添加制造包括用于经由形成3D物体的连续层的自动化工序来制造该3D物体的多种技术。粉末金属材料和粘合剂材料(例如，聚合物，如聚丙烯，或任何其它合适的粘合剂材料)的混合物形成原料，其能够在高温下模塑成3D物体的形状。
3D打印系统可以利用与金属注射成型(MIM)中使用的原料相当的原料。初始模塑件(也称为“原型件(green part)”)可以经历脱粘(debinding)工序以除去主粘合剂，然后进行烧结工序。在烧结期间，原型件可以达到粉末金属材料熔点附近的温度，蒸发任何剩余的粘合剂材料并将金属粉末材料形成固体块，从而生成3D物体的最终版本。3D物体的最终版本可以包括：金属、金属合金、陶瓷，或任何其它合适的材料或者合适的材料组合。
图1是用于打印三维(3D)物体104的3D打印系统102的示例性实施方式的框图100。3D打印系统102包括挤出机106和控制器112，该挤出机106被配置成从挤出位置110挤出给定原料108，而该控制器112被配置成，通过调节经由挤出机106至给定原料108的热传递量，来保持给定原料108在挤出位置110处为期望温度125。该调节可以基于针对给定原料108的计划原料投入率和期望温度125。控制器112可以被配置成，在实施计划原料投入率之前的时间调节热传递量。该时间可以基于3D打印系统102中的热传递的时间响应。
控制器112可以包括处理器和存储器，以及任何其它协处理器、信号处理器、输入部和输出部、数模转换器或模数转换器以及用于监测和控制3D打印系统102的制造工序的其它处理电路。控制器112可以被配置成控制给定原料108到挤出机106的供应，并且控制与制造工序相相关联的任何其它仪器或控制组件。
一般来说，3D物体104的3D计算机辅助设计(CAD)模型(未示出)可以存储在可以由控制器112访问的本地或远程数据库(未示出)中。控制器112可以检索特定3D CAD模型，并生成机器就绪指令以供3D打印系统102执行来制造3D物体104。生成机器就绪指令可以包括创建中间模型，如通过将特定3D CAD模型转换成STereoLithography(STL)模型或其它多边形网格或其它中间表示，其可以被依次处理以生成用于由3D打印系统102制造3D物体的机器指令。
控制器112还可以被配置成以多种方式监测给定原料108的最终加热。例如，控制器112可以监测递送至下面还参照图2公开的加热部件(如电感或电阻电路)的功率。控制器112可以在任何数量的位置监测给定原料108或周围环境的温度。挤出机106可以通过xy平移器(未示出)沿着工具路径(未示出)在水平x、y平面中驱动，该xy平移器可以接收来自控制器112的、根据从表示3D物体104的CAD模型(未示出)获得的设计数据的驱动信号。
图2是挤出机206(如上面公开的图1的挤出机106)的示例性实施方式的框图200。挤出机206可以联接至散热器(如散热片236a和236b)，其聚合气流238a和238b以确保供应给挤出机206的给定原料208的固体形态。然而，应当明白，将给定原料208保持在特定温度以确保固体形态可以以任何合适的方式来执行，如分别经由构成挤出机206或其一部分的环境的空气的气温或水的水温。
腔室(未示出)可以容纳挤出机206。该腔室可以是环境密封的腔室，其可以用真空泵(未示出)或类似装置抽真空，以便提供用于制造的真空环境。腔室可以包括风扇(未示出)，以供生成气流238a和238b并保持挤出机206的环境温度240。
挤出机206可以接收给定原料208并将给定原料208加热至供挤出的期望温度，如上面公开的图1的期望温度125。期望温度125可以是给定原料响应于施加的力或位移而开始流动的最低温度。给定原料208通常在典型工作温度(例如，160摄氏度-250摄氏度)内可流动或可挤出。该温度范围可以取决于粘合剂。例如，一些粘合剂可以在大约205摄氏度下获得恰当的粘度，而其它粘合剂可以在较低温度(如约160摄氏度-180摄氏度)下获得恰当的粘度。应当明白，这些公开的温度范围是作为示例而非限制提供的。
应当明白，给定原料208可能不会真正“熔化”，因为其可以是金属和聚合物的混合物，其中金属不会熔化而聚合物会熔化。该混合物可以是用于打印3D物体的任何合适的混合物，如聚合物中的陶瓷，并且聚合物可以包括多种物质，其中每种物质都具有其自身的熔点。给定原料208的挤出温度可以使得并非所有聚合物在挤出期间都处于熔化状态。给定原料208的加热可以在熔化区220(在本文中也可互换地称为挤出机206的液化区或热端(hotend))内。
给定原料208可以以原料投入率222被推进到热端，在热端处给定原料208可以被加热并因此开始熔化。熔化区220可以是可移动区，在该可移动区内给定原料208因温度变化而不可逆地变形。由于挤出机206内的温度或致动速率的变化或者由于任何其它合适的条件，熔化区220可以是可移动的。
挤出机206可以被配置成，经由联接至挤出机206的至少一个加热部件(如加热器224)加热熔化区内的给定原料208，该加热部件可以连接到至少一个热块，如第一热块207a和第二热块207b。控制器(如上面公开的图1的控制器112)可以被配置成，调节加热器224的输入功率设定以调节传递至给定原料208的热量。该输入功率设定可以是功率值、相对于功率的百分比值，或用于控制输入功率的占空比值。
处于熔化形式的给定原料208可以以珠子或任何其它合适的形式从挤出机206的喷嘴226淀积到平坦基部(如构建板228)上。给定原料208可以是柔性丝料，或任何其它合适形式的构建材料，如连续的固体材料(例如，线轴上的丝料)、液态材料、半固体浆料、连续进料的一系列棒、固态颗粒材料，或任何其它合适的材料。线轴(未示出)可以承载可以安装在主轴(未示出)上的丝料卷，以供应至挤出机206。
传动系(drive train)230可以推进挤出机206中的给定原料208。传动系230可以包括至少一个致动器，如第一致动器232a和第二致动器232b，其可以被配置成使推进挤出机206中的给定原料208。第一致动器232a可以被配置成，对用于给定原料208的推进执行粗略控制，而第二致动器232b可以被配置成，相对于由第一致动器232a执行的控制执行精细且快速的控制。
应当明白，传动系230可以是用于推进挤出机206中的给定原料208的任何合适的机构。例如，传动系230可以包括由马达(未示出)驱动的一对进料辊(未示出)，该马达以受控速率(如原料投入率222)将给定原料208推进到挤出机206中。另选地，传动系230可以包括控制机构，如手指(未示出)，用于沿给定原料208的轴推动给定原料208并向下推入挤出机206。传动系230可以包括阀(未示出)，其控制释放来自压力源(未示出)的压力，该压力迫使给定原料208进入挤出机206。
可以通过将给定原料208“泵送”到挤出机206中来对挤出机206加压。给定原料208可以充当活塞。加压可以将熔化形式的给定原料208推出喷嘴226。挤出物234(即，给定原料208的输出流)的速度可以通过调节传动系230来控制，例如通过调节进料辊的旋转速度，或者通过以任何合适的方式调节传动系230，以实现原料投入率222，并因此调节出喷嘴226的流率。控制器(如上面公开的图1的控制器112)可以调节传动系230以控制给定原料208的原料投入率222。
挤出机206可以被配置成，将给定原料208加热到适合于以任何合适的方式挤出的范围内的工作温度。可以使用任何数量的加热技术。在一个方面，诸如感应加热或电阻加热的电技术可以被有用地用于液化给定原料208。给定原料208可以以多相状态挤出，和/或以具有高粘度和/或非牛顿流体特性的糊剂等形式挤出。这样，挤出机206将给定原料208加热至可流动状态。
为了促进给定原料208的电阻加热，加热器224可以由一个或更多个接触垫、探针等构成，其可以位于进料路径(即，挤出机206内的给定原料208的遍历路径)内，以便在恰当位置提供用于形成通过给定原料208的回路的位置。为了促进电感加热，加热器224可以由一个或更多个电磁体组成，这些电磁体可以位于与给定原料208的进料路径相邻的合适位置，并且由控制器(如上面公开的图1的控制器112)操作，以通过产生涡流在内部加热给定原料208。在一个方面，加热器224可以同时使用电阻加热和电感加热两者，以在给定原料208内实现更严格控制或更均匀分布的电加热。
挤出机206可以在x-y平面中平移。熔化原料可以以可控制方式逐层地从挤出位置210(如喷嘴226的喷嘴尖端)或任何其它合适的挤出位置分配到构建板228上。在分配每层后，构建板228可以通过z轴平移器(未示出)沿垂直z轴降低预定增量，该z轴平移器还可以从控制器(如上面公开的图1的控制器112)接收驱动信号。所分配原料可以熔化并固化以形成类似于CAD模型的3D物体(如上所公开的)。被用于构建支承结构的构建材料可以与分配给定原料208协调地按类似方式分配，以在3D物体的构建时支承3D物体的部分。
如上面关于图1和图2所公开的那样，在3D打印系统中，可以将固体形态的给定原料的温度升高至使给定材料熔化或部分熔化的点，从而因致动力或力导致的位移而开始流动。因为热传递至给定材料对于给定材料熔化和流动并最终实现打印过程最重要，所以将给定原料升高到合适的温度是有用的。本文公开的示例实施方式预测正在从挤出位置210(如挤出机206的喷嘴)挤出的给定原料208的原料投入率222的流量，并在增大或减小淀积率之前调节加热率，确保给定原料208保持熔化或部分熔化，并且挤出不受加热限制。
可能期望将给定原料208保持在给定原料208开始流动的最低温度。这样，可以防止给定原料208的热降解。因而，一旦打印，就可以防止给定原料208的新淀积的(即，打印的)层使已经打印的结构变形。这种变形可以通过与新淀积层的传输热而产生。
将给定原料208保持在使能实现流动性的最低温度下的挑战是，打印速度的扰动可能导致在打印过程中给定原料208的不期望的停止流动。在这种情况下，给定原料208被驱入液化区的速度(即，原料投入率222)可以增大。速度的这种增大可能需要将更多的热递送至给定原料208，以在给定原料208离开喷嘴226时将其温度升高到恰当温度。如果传递至给定原料208的热量小于期望量，则给定原料208中未熔化(或部分未熔化)的材料量可能停止、堵塞或减缓挤出物流过喷嘴226，从而损坏正在打印的3D物体，如上面公开的图1的3D物体104。
图3是用于加热给定原料的输入功率342与给定原料的原料投入率322之间的关系的标绘图340的示例实施方式的图形300。根据示例实施方式，输入功率342可以基于下式来计算：
P＝ρCPA(TE-T∞)vz+(α+βfs)(TE-T∞)。 (1)
在上面的式(1)中，P是输入功率342，ρ是给定原料的材料密度，Cp是给定原料的材料比热，A是给定原料的横截面积，TE是挤出机的温度，T∞是容纳挤出机的腔室的环境温度，vz是针对给定反馈的原料投入率，α是描述挤出机上每温差的热损失的热传递系数，β是描述热损失的系数，其随着3D打印系统的风扇的风扇速度而变化，以及fs是风扇速度。
风扇可以是3D打印系统所采用的任何合适的风扇。例如，风扇可以位于腔室中并且被配置成使被加热的空气循环。风扇可以是一组风扇，其联接至挤出机并且被配置成冷却挤出机。风扇可以联接至挤出机并且按影响喷嘴尖端和正在打印的3D物体的方式配置。
标绘图340示出了为了基于原料投入率322保持给定原料在挤出机的挤出位置处为期望温度所需的输入功率342。输入功率342可以是绝对功率值、百分比值，或占空比值。标绘图340特征化作为原料投入率322(即，原料的进料率)的函数的、加热器的输入功率342。应当明白，标绘图340对于期望温度是特定的。原料投入率322为零的初始功率输入值344是挤出机环境的函数，如上面公开的图2的挤出机206的环境温度240。较冷的环境条件可能需要较高的初始输入功率值344。
一个示例实施方式可以预料作为原料投入率的变化的函数的、在挤出位置处给定原料的温度变化。例如，当前原料投入率351可能需要基于上面公开的式(1)的当前输入功率值346，以便将给定原料保持在期望温度。然而，计划原料投入率353可能需要基于上面公开的式(1)的将来输入功率值348，以便将给定原料保持在期望温度。代替感测温度变化并调节输入功率342以进行补偿，一示例实施方式在实施(即，应用)计划原料投入率353之前改变输入功率342。
如上所述，3D物体(如上面公开的图1的3D物体104)可以基于打印命令(在本文中也可互换地称为工具路径命令)来打印，该命令可以从表示3D物体的CAD模型获得。CAD模型可以由多个片段(slice)组成，每个片段都表示一层(其在本文中也可互换地称为3D物体的片段)。一示例实施方式可以采用(i)从CAD模型的片段中已知的确定性的一系列打印命令，和(ii)用于挤出机(在本文中也可互换地称为液化挤出机)的确定性加热器负载和原料投入率关系。该关系可以经由上述式(1)来计算，其可以被用于生成上述图3的标绘图340。该关系可以是任何合适的关系，其可以被采用来确定针对加热器的输入功率值，以保持给定原料在挤出位置处为期望温度。
对于原料类型和挤出机类型的每种组合，可以逐个物体地确定(i)和(ii)两者。利用来自(ii)的加热器负载对原料投入率的依赖性，和来自(i)的针对挤出机的有关原料投入率的已知命令，可以在改变原料投入率之前应用增大加热器电流量，以便补偿挤出位置处(如在喷嘴尖端处)的热损失(在原料投入率增加的瞬间发生)。发送加热器命令的变化之前的时间量可以通过温度可以增大的速率来确定，这可以根据测量加热器在恒定电流负载下对加热器进行加热的速率来确定。类似地，当给定原料的原料投入率减小时，可以减小加热器命令(通过减小时间平均加热器电流或占空比)。
图4是用于保持给定原料在挤出位置处为期望温度的主动控制回路450的示例实施方式的框图400。主动控制回路450可以被控制器(如上面公开的图1的控制器112)采用。主动控制回路450接收计划运动422，如可以从一系列打印命令(如上面公开的一系列打印命令)获得的针对给定原料的将来投入率。
主动控制回路450包括增益423，其描述为将加速原料保持在期望温度425所需的功率输入增量(或百分比或占空比)。该增益423可以根据挤出机408的动力学、挤出机的环境，以及挤出正被挤出的给定原料的材料来确定。增益423(即，GS)将功率差量δP与针对原料投入率随时间的给定变化426(即，其是原料投入率422随时间变化的微分417)的增加相关联。例如：
并且
Gs≈ρCPA(TE-T∞)， (3)
其中，ρ是给定原料的材料密度，Cp是给定原料的材料比热，A是给定原料的横截面积，TE是挤出机的温度，即，图4的感测温度TE426，并且T∞是容纳挤出机408的腔室的环境温度，而vz是针对给定反馈的原料投入率，如上所述。TE是感测的挤出机408的温度(即，测量的温度)，其可以通过热电偶或任何其它合适的温度传感器来感测。
主动控制回路450将比例-积分-微分(PID)增益应用于期望温度425与感测温度TE426之间的差427。PID增益包括比例增益456、积分增益452以及微分增益454，其可以通过第一组合器419彼此组合以生成PID结果427。PID结果427可以通过第二组合器421与基于增益423确定的功率差量组合，以生成挤出机408的加热器的输入功率设定442。
原料投入率随时间的给定变化426(即，)确定应当在主动控制回路450中应用的、其定时可能是重要的速率。所使用的的值可以由控制器112在时间上向前移位，例如：
其中，值τ是由系统确定的自由参数，而tcurrent是系统的当前(物理)时间。值τ可以根据系统的时间响应来确定，并且可以取决于以下各项中的至少一个：系统大小、系统比热、系统传导率、系统质量或它们的组合，或者任何其它合适的系统参数。
转回至图1，3D打印系统102还可以包括PID控制器(未示出)和温度传感器(未示出)。例如，控制器112可以被配置成实现PID控制，如在上面讨论的图4的主动控制回路450中采用的PID控制458。温度传感器可以联接至挤出机106和PID控制器，并且可以被配置成感测挤出机106的工作温度，如上面公开的图4的感测(即，工作)温度TE426。PID控制器可以被配置成，还基于工作温度(即，感测温度TE426)来调节热传递量。
图5A是原料投入率522随时间572变化的标绘图570的一示例实施方式的图形500。在标绘图570中，值τ 574可以根据系统的时间响应来确定，并且可以取决于以下各项中的至少一个：系统大小、系统比热、系统传导率，以及系统质量或它们的组合。应当明白，术语系统是指挤出机本身，并且例如可以通过挤出机的、给定原料穿过的内部几何形状限定。在当前时间tcurrent578按值τ 574移位至将来时间t＝tcurrent+τ580的斜率576(如上在式(4)中公开的)可以被用于控制加热器，即，值τ 574可用于配置在当前时间(即，tcurrent578)到加热器的输入功率。值τ 574在本文中可互换地称为相移或时间相移。
图5B是原料投入率594随时间596变化的标绘图592的另一示例实施方式的图形590。图形590包括另一个标绘图598，其示出了挤出机的时间响应。该时间响应包括相移574，其反映挤出机中的热传递的响应时间并且可以取决于以下各项中的至少一个：挤出机的尺寸、挤出机的比热、挤出机的传导率、挤出机的质量或它们的组合。
转回至图1，3D打印系统102包括挤出机106和控制器112，该挤出机106被配置成从挤出位置110挤出给定原料108，而该控制器112被配置成，通过调节经由挤出机106至给定原料108的热传递量，来保持给定原料108在挤出位置110处为期望温度125。该调节可以基于针对给定原料108的计划原料投入率(如上面公开的图3的计划原料投入率353)和期望温度125。控制器112可以被配置成，在实施计划原料投入率353之前的时间调节热传递量。该时间可以基于3D打印系统102中的热传递的时间响应(如上面针对图5B公开的时间响应)。挤出机106可以被考虑为良传导性。
该时间还可以基于当前时间(如上面公开的图5A的当前时间tcurrent 578)、在当前时间578的当前原料投入率571、计划原料投入率573要实施的将来时间580，以及在当前时间578的当前原料投入率571与在将来时间580的计划原料投入率573之间的变化率(如上面公开的图4的变化率436或者图5A的斜率576)。
输入功率设定(如上面公开的图3的输入功率设定342、图4的输入功率设定442，或者式(1)的输入功率设定)可以是功率值、百分比值，或占空比值。控制器112可以被配置成，基于计划原料投入率(如上面公开的图3的计划原料投入率353，或者图5A的计划原料投入率573)，以及针对加热部件的输入功率与原料投入率之间的关系(如上面公开的图3的标绘图340所公开的关系)，来控制输入功率设定。这种关系可以特定于期望温度、挤出机的环境条件、挤出机106的特性，以及给定原料108的特性。该环境条件可以包括容纳挤出机106的腔室(未示出)的环境温度(如上面公开的图2的环境温度240)和3D打印系统102的风扇(未示出)的速度。
挤出机106的特性可以包括：第一热传递系数(如上面针对式(1)公开的α)，其表示挤出机的每温度差的热损失；和第二热传递系数(如上面针对式(1)公开的β)，其表示挤出机106的热损失，其随着3D打印系统102的风扇(未示出)的速度而变化。给定原料108的特性可以包括给定原料的密度和比热，以及固体形态的给定原料的横截面积(如上面针对式(1)公开的)。给定原料的特性可以包括给定原料的热导率。这些特性的值可以作为给定原料的温度的函数而变化。
3D打印系统102还可以包括加热部件(如加热器124)，其可以经由至少一个热块(如第一热块107a和第二热块107b)联接至挤出机106。加热器124可以对第一热块107a和第二热块107b进行加热，以将热量传递至挤出机106的液化区109。实施计划原料投入率可以导致给定原料108的当前原料投入率增大或减小。控制器112可以被配置成，通过调节加热部件的输入功率设定来调节热传递量，以与当前原料投入率的增大或减小无关地保持给定原料108为期望温度。挤出机106可以包括液化区109，并且计划原料投入率可以表示将给定原料108驱动到液化区109中的计划速度。挤出机106可以联接到至少一个散热器(如第一散热器136a和第二散热器136b)，其可以联接至挤出机106，以在给定原料108进入液化区109之前将其保持为固体形态111。诸如第一热中断部113a和第二热中断部113b的至少一个热中断部可以分别位于第一散热器136a与第一热块113a之间以及第二散热器136b与第二热块113b之间。
控制器112还可以被配置成，接收用于打印3D物体104的多个工具路径命令。该计划原料投入率可以基于接收的所述多个工具路径命令中的一个或更多个。
与跟踪挤出物的温度并响应于所跟踪温度的变化来改变针对加热器的功率输入值相反，一示例实施方式基于工具路径命令，并且具体基于根据工具路径命令确定的针对原料投入率的变化，来预测温度变化，并在针对原料投入率的改变之前改变功率输入值，从而避免了所跟踪温度的变化。虽然温度也可以跟踪，但这样的跟踪温度信息使能针对功率输入值进行二次调整，而针对功率输入值的初级调整可以响应于针对原料投入率的预料变化来执行。与仅基于温度的输入功率值相反，一示例实施方式采用输入功率值作为原料投入率、原料的特性(如上面公开的直径和比热)、容纳挤出机的腔室的第一温度、挤出机的第二温度、用于在3D打印系统中循环空气或进行冷却的风扇的速度等的函数。这样，一示例实施方式可以相对于仅基于感测温度控制针对加热器的输入功率，来将给定原料108保持为更一致的温度，使能保持给定原料108的温度，以使给定原料108保持熔化或部分熔化的形式。处于熔化或部分熔化形式的给定原料108可以从挤出机206的喷嘴126淀积，以形成3D物体104。
图6是用于命令针对3D打印系统(包括用于打印3D物体的挤出机)中的加热器的输入功率的方法的一示例实施方式的流程图600(602)。该方法开始(604)并且接收针对给定原料的计划原料投入率vz 622和用于实施计划原料投入率vz 622的计划时间t 624(606)。该方法确定时间常数τ676(在本文中也可互换地称为相移τ)(608)。时间常数τ676可以表示挤出机中的热传递的响应时间，并且可以是测量的响应时间，其是挤出机的第一特性和给定原料的第二特性的函数。该方法确定用于发送命令以调整针对加热器的输入功率值的时间678(610)，该加热器被配置成加热给定原料，所确定时间678是在计划时间t 624之前的值并且基于针对挤出机的时间常数τ676。所确定时间678可以是t-τ。该方法可以确定输入功率值642(612)。输入功率值642可以基于输入功率与原料投入率之间的关系640，如用于加热给定原料的输入功率与给定原料的原料投入率之间的关系的标绘图615，如上面针对图3公开的。该方法可以向加热器发送命令(614)，其中输入功率值642在所确定时间678(即，t-τ)确定，并且该方法此后在该示例实施方式中结束(616)。
图7是用于在三维(3D)打印系统中打印3D物体的方法的示例实施方式的流程图(700)。该方法开始(702)并从挤出机的挤出位置挤出给定原料(704)，并且通过基于针对给定原料的计划原料投入率和期望温度调节经由挤出机到给定原料的热传递量，保持给定原料在挤出位置处为期望温度，在实施计划原料投入率之前的时间调节所述热传递量，该时间基于3D打印系统中的热传递的时间响应(706)，并且该方法此后在该示例实施方式中结束(708)。
图8是可以实现本公开的各种实施方式的计算机800的内部结构的一示例的框图。计算机800包含系统总线802，其中，总线是用于在计算机或处理系统的组件之间进行数据传递的一组硬件线路。系统总线802本质上是连接计算机系统的不同部件(例如，处理器、磁盘存储部、存储器、输入/输出端口、网络端口等)的共享管道，其能够在这些部件之间传递信息。联接至系统总线802的是I/O装置接口804，以供将各种输入和输出装置(例如，键盘、鼠标器、显示器、打印机、扬声器、等)联接至计算机800。网络接口806允许计算机800连接到附接至一网络的各种其它装置。存储器808为可以被用于实现本公开的实施方式的计算机软件指令810和数据812提供易失性存储。磁盘存储部814为可以被用于实现本公开的实施方式的计算机软件指令810和数据812提供非易失性存储。中央处理器单元818也联接至系统总线802并提供执行计算机指令。
本文所公开的进一步的示例实施方式可以利用计算机程序产品来配置；例如，控制可以用软件进行编程以实现示例实施方式。进一步的示例实施方式可以包括非暂时性计算机可读介质，其包含可以由处理器执行的指令，并且当被加载和执行时，使处理器完成本文所述的方法。应当明白，框图和流程图的部件可以用软件或硬件实现，如经由上面公开的图8的电路的一个或更多个排布结构，或者其等同物、固件、其组合，或将来确定的其他类似实现。例如，上面公开的图1的控制器112可以用软件或硬件实现，如经由上面公开的图8的电路的一个或更多个排布结构，或者其等同物、固件、其组合，或将来确定的其他类似实现。另外，本文所描述的框图和流程图的部件可以以任何方式按软件、硬件，或固件来组合或划分。如果用软件实现，那么该软件可以采用能够支持本文所述示例实施方式的任何语言来编写。软件可以存储在任何形式的计算机可读介质中，如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘只读存储器(CD-ROM)等。在操作中，通用或专用处理器或处理核心以本领域熟知的方式加载和执行软件。还应明白，框图和流程图可以包括更多或更少的部件，不同地布置或定向，或者不同地表示。应当明白，实现可以规定例示执行本文所公开实施方式的框图，流程图和/或网络图，以及框图和流程图的数量。
虽然具体示出并描述了多个示例实施方式，但本领域技术人员应当明白，在不脱离所附权利要求书涵盖的实施方式的范围的情况下，可以在形式和细节上对其进行各种改变。

Claims (29)

1.一种用于打印三维3D物体的3D打印系统，所述3D打印系统包括：
挤出机，该挤出机被配置成从挤出位置挤出给定原料；以及
控制器，该控制器被配置成，通过基于所述给定原料的计划原料投入率和期望温度调节经由所述挤出机传递到所述给定原料的热传递量，来保持所述给定原料在所述挤出位置处为所述期望温度，所述控制器被配置成在实施所述计划原料投入率之前的时间调节所述热传递量，该时间基于所述3D打印系统中的热传递的时间响应。
2.根据权利要求1所述的3D打印系统，所述3D打印系统还包括：比例积分微分PID控制器和温度传感器，所述温度传感器联接至所述挤出机和所述PID控制器，并且被配置成感测所述挤出机的工作温度，所述PID控制器被配置成还基于所述工作温度来调节所述热传递量。
3.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中，所述时间响应取决于所述挤出机的尺寸、所述挤出机的比热、所述挤出机的传导率、所述挤出机的质量或它们的组合。
4.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中，所述时间还基于当前时间、在所述当前时间的当前原料投入率、实施所述计划原料投入率的将来时间，以及在所述当前时间的所述当前原料投入率与在所述将来时间的所述计划原料投入率之间的变化率。
5.根据权利要求1所述的3D打印系统，所述3D打印系统还包括：加热部件，该加热部件联接至所述挤出机，并且其中，所述控制器被配置成调节所述加热部件的输入功率设定以调节所述热传递量。
6.根据权利要求5所述的3D打印系统，其中，所述输入功率设定是功率值、百分比值或占空比值。
7.根据权利要求5所述的3D打印系统，其中，所述控制器被配置成基于所述计划原料投入率以及所述加热部件的输入功率与原料投入率之间的关系来控制所述输入功率设定，所述关系特定于所述期望温度、所述挤出机的环境条件、所述挤出机的特性以及所述给定原料的特性。
8.根据权利要求7所述的3D打印系统，其中，所述环境条件包括容纳所述挤出机的腔室的环境温度和所述3D打印系统的风扇的速度。
9.根据权利要求7所述的3D打印系统，其中，所述挤出机的特性包括表示所述挤出机的每温度差的热损失的第一热传递系数、和表示所述挤出机的随着所述3D打印系统的风扇的速度改变的热损失的第二热传递系数。
10.根据权利要求7所述的3D打印系统，其中，所述给定原料的特性包括所述给定原料的密度、所述给定原料的比热、所述给定原料的热导率、固体形态的所述给定原料的横截面积或它们的组合。
11.根据权利要求1所述的3D打印系统，所述3D打印系统还包括：加热部件，该加热部件联接至所述挤出机，其中，所述计划原料投入率的实施导致所述给定原料的当前原料投入率增大或减小，并且所述控制器被配置成，通过调节所述加热部件的输入功率设定来调节所述热传递量，以与所述当前原料投入率的增大或减小无关地保持所述给定原料为所述期望温度。
12.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中，所述挤出机包括液化区，并且所述计划原料投入率表示将所述给定原料驱动到所述液化区中的计划速度。
13.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中，所述期望温度是所述给定原料响应于施加的力或位移开始流动的最低温度。
14.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中，所述控制器还被配置成接收用于打印3D物体的多个工具路径命令，并且其中，所述计划原料投入率基于接收的所述多个工具路径命令中的一个或更多个。
15.一种用于在三维3D打印系统中打印3D物体的方法，该方法包括以下步骤：
从挤出机的挤出位置挤出给定原料；以及
通过基于所述给定原料的计划原料投入率和期望温度调节经由所述挤出机传递到所述给定原料的热传递量，来保持所述给定原料在所述挤出位置处为所述期望温度，在实施所述计划原料投入率之前的时间调节所述热传递量，该时间基于所述3D打印系统中的热传递的时间响应。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括以下步骤：感测所述挤出机的工作温度，并且还基于所述工作温度来调节所述热传递量。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述时间响应取决于所述挤出机的尺寸、所述挤出机的比热、所述挤出机的传导率、所述挤出机的质量或它们的组合。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述时间还基于当前时间、在当前时间的当前原料投入率、实施所述计划原料投入率的将来时间，以及在所述当前时间的所述当前原料投入率与在所述将来时间的所述计划原料投入率之间的变化率。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，调节所述热传递量的步骤包括以下步骤：调节联接至所述挤出机的加热部件的输入功率设定。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述输入功率设定是功率值、百分比值或占空比值。
21.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括以下步骤：基于所述计划原料投入率以及所述加热部件的输入功率与原料投入率之间的关系来控制所述输入功率设定，所述关系特定于所述期望温度、所述挤出机的环境条件、所述挤出机的特性以及所述给定原料的特性。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述环境条件包括容纳所述挤出机的腔室的环境温度和所述3D打印系统的风扇的速度。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述挤出机的特性包括表示所述挤出机的每温度差的热损失的第一热传递系数、和表示所述挤出机的随着所述3D打印系统的风扇的速度改变的热损失的第二热传递系数。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述给定原料的特性包括所述给定原料的密度、所述给定原料的比热、所述给定原料的热导率、固体形态的所述给定原料的横截面积或它们的组合。
25.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括以下步骤：实施所述计划原料投入率导致所述给定原料的当前原料投入率增大或减小，并且其中，调节所述热传递量的步骤包括以下步骤：调节联接至所述挤出机的加热部件的输入功率设定，以与所述当前原料投入率的增大或减小无关地保持所述给定原料为所述期望温度。
26.根据权利要求15所述的方法，其中，所述挤出机包括液化区，并且所述计划原料投入率表示将所述给定原料驱动到所述液化区中的计划速度。
27.根据权利要求15所述的方法，其中，所述期望温度是所述给定原料响应于施加的力或位移而开始流动的最低温度。
28.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括以下步骤：接收用于打印所述3D物体的多个工具路径命令，并且基于接收的所述多个工具路径命令中的一个或更多个来确定所述计划原料投入率。
29.一种用于控制三维3D打印系统的非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质上编码有指令序列，所述指令序列在被处理器加载和执行时，使得所述3D打印系统：
控制从挤出机的挤出位置挤出给定原料；以及
通过基于所述给定原料的计划原料投入率和期望温度调节经由所述挤出机传递到所述给定原料的热传递量，来保持所述给定原料在所述挤出位置处为所述期望温度，在实施所述计划原料投入率之前的时间调节所述热传递量，该时间基于所述3D打印系统中的热传递的时间响应。
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