CN109808190B - 用于在增材制造期间参照挤出机的角度朝向调整多喷嘴挤出机的速度的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种增材制造系统操作挤出机以通过所述挤出机的至少两个喷嘴挤出热塑性材料条带，以沿着所述挤出机与所述平台之间的相对运动路径形成热塑性材料条带。所述挤出机沿所述路径的速度与参照所述挤出机的朝向和所述挤出机与所述平台之间的所述相对运动路径的所述角度选择的所述预定速度相对应。所述系统中的控制器操作至少一个致动器，所述至少一个致动器可操作地连接到所述挤出机和所述平台中的至少一个，以使所述挤出机和所述平台中的所述至少一个相对于所述挤出机和所述平台中的另一个以所述预定速度沿所述相对运动路径移动，使所述热塑性材料的所述条带在交叉加工方向上连续。

Description

用于在增材制造期间参照挤出机的角度朝向调整多喷嘴挤出 机的速度的系统和方法

本公开涉及一种用于三维物体打印机的多喷嘴挤出机，更具体地，涉及用这种挤出机形成不同特征。

三维打印，也称为增材制造，是从几乎任何形状的数字模型制造三维立体物体的过程。许多三维打印技术使用加成工艺，其中增材制造装置在先前沉积层的顶部上形成连续层。这些技术中的一些使用挤出机将如ABS塑料等的挤出材料软化或熔化成热塑性材料，然后以预定的图案喷出热塑性材料。打印机通常操作挤出机以形成连续的热塑性材料层，其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，热塑性材料冷却并硬化以将层键合到三维打印物体的下层。这种增材制造方法可与传统的物体形成技术区分，传统的物体形成技术主要依靠通过如切割或钻孔的精制过程从工件上去除材料。

许多现有的三维打印机使用单个挤出机，所述挤出机通过单个喷嘴挤出材料。打印头在预定路径中移动，以基于三维打印物体的模型数据将构建材料喷到支撑构件的选定位置或三维打印物体的先前沉积的层上。然而，使用仅具有单喷嘴的打印头来喷出构建材料通常需要相当长的时间来形成三维打印物体。另外，具有较大喷嘴直径的打印头可以更快地形成三维打印物体，但是对于更高精细的物体来说失去了以更精细形状喷出构建材料的能力，而具有较窄直径的喷嘴可以形成更精细的复杂结构，但是需要更多时间来建造三维物体。

为了解决单喷嘴挤出机的局限性，已经开发出多喷嘴挤出机。在这些多喷嘴挤出机中，喷嘴形成于共同的面板中，并且通过喷嘴挤出的材料可以来自一个或多个歧管。在具有单歧管的挤出机中，所有喷嘴挤出相同的材料，但是从歧管到每个喷嘴的流体路径可以包含操作以选择性地打开和关闭喷嘴的阀。通过改变挤出材料的喷嘴数量以及哪些是挤出材料，这种能力使来自喷嘴的热塑性材料挤出机的条带形状能够改变。在具有不同歧管的挤出机中，每个喷嘴可以挤出不同的材料，流体路径从其中一个歧管到其相应的喷嘴，包含可以操作以选择性地打开和关闭喷嘴的阀。这种能力使条带中的材料成分以及来自喷嘴的热塑性材料挤出机的条带形状能够变化。同样，通过改变挤出材料的喷嘴数量和哪些是挤出材料来实现这些变化。这些多喷嘴挤出机使不同的材料能够从不同的喷嘴挤出并且用于形成物体而不必协调不同挤出机体的运动。这些不同的材料可以增强增材制造系统生产具有不同颜色、物理性质和配置的物体的能力。另外，通过改变挤出材料的喷嘴数量，可以改变所产生的条带的大小，以在例如物体边缘等需要精确特征形成的区域中提供窄条带，并提供更宽的条带以快速形成物体的区域，例如其内部区域。

在喷嘴处于共同面板中的这些多喷嘴挤出机中，面板相对于构建平台的移动以及面板相对于平台的XY轴的朝向对于形成条带至关重要。如本文所使用的，“条带”是指在多喷嘴挤出机中作为聚集体从任何打开的喷嘴挤出材料，只要至少一个喷嘴保持打开并且材料从任何打开的喷嘴挤出。也就是说，即使打开多个喷嘴，但并非所有喷出的挤出物彼此接触，离散的挤出物构成条带。连续的条带是其中来自多个喷嘴的所有挤出物在横向加工方向上横跨条带连续接触的条带。在挤出机的一些朝向上，一些喷嘴以可以防止形成连续的挤出材料条带的方式彼此对齐。如图7所示，描绘了具有九个喷嘴的先前已知的面板。当面板如图所示定向并沿着0°到180°(X)轴或90°到270°(Y)轴移动时，所有的九个喷嘴均有助于形成连续的条带，并且条带具有其最大宽度。如本文所使用的，术语“0°到180°轴”是指在0°方向或180°方向上移动，挤出机的面板这样定向，如果打开所有喷嘴，那么形成了挤出机可以生产的最宽的连续条带，术语“90°到270°轴”是指在90°或270°方向上移动，挤出机的面板这样定向，如果打开所有喷嘴，那么形成了挤出机可以生产的最宽的连续条带。当面板保持如0°到180°轴和90°到270°轴所示的定向，但在从这些轴中的一个旋转18°的方向中的一个方向上移动时，如右图所示，九个喷嘴变成三行三个喷嘴，其彼此对齐，并且条带只有三个喷嘴宽，在形成条带的挤出线之间有间隙。因此，当图7的面板沿着0°、90°、180°和270°路径移动，并且条带最窄，并且挤出材料的珠子沿着18°、108°、198°和288°路径彼此分离时，生产出了最宽的条带。发生分离是因为面板的朝向和挤出机与平台之间的相对运动方向将面板中的喷嘴布置成具有正交列和行的阵列。这种布置减小了由列中的喷嘴形成的线之间的距离，因此线彼此对齐并通过一排中喷嘴之间的间隔将线分开。在物体的中心，其中特征区分通常是不重要的，面板移动优选地处于产生最宽的连续条带的方向中的一个，因此可以最大化物体形成速度。在物体的外边缘，其中特征形状更加变化并且有时复杂；然而，可以打开较少的喷嘴，并且可能仅打开一个喷嘴，使能够形成特征。遗憾的是，这种类型的挤出机操作并未充分利用可用于物体形成的大量喷嘴，并且本质上是慢的。因此，在共同面板中具有多个喷嘴的大部分速度优势会丢失，并且对于许多部件而言，与在物体内部的形成上花费的时间相比，可以花费更多的时间在物体的轮廓上。在共同面板中具有多个喷嘴的三维物体打印机将是有益的，其可以在物体外部的形成中利用所述数量的可用喷嘴。

参照面板移动的角度，新挤出机调整挤出机运动的速度，以使多个喷嘴能够填充挤出线之间的间隙以形成外部特征。所述设备包含：平台，其配置成在制造期间支撑物体；具有多个喷嘴的挤出机；至少一个致动器，其可操作地连接到所述挤出机与所述平台中的至少一个，所述至少一个致动器配置成使所述挤出机与所述平台中的所述至少一个相对于所述挤出机与所述平台中的另一个移动；以及控制器，其可操作地连接到所述挤出机和所述至少一个致动器。所述控制器配置成：(1)操作所述挤出机以参照物体图像数据和挤出机路径数据，通过所述挤出机的所述喷嘴中的至少两个挤出热塑性材料的条带，以沿着所述挤出机与所述平台之间的相对运动路径形成热塑性材料的条带，并且(2)操作所述至少一个致动器以预定速度沿所述相对运动路径移动所述挤出机和所述平台中的所述至少一个，所述控制器参照所述挤出机面板的朝向以及所述挤出机与所述平台之间的所述相对运动路径的角度选择所述预定速度，以使所述热塑性材料的所述条带在交叉加工方向上连续。

下文结合附图解释了用挤出机挤出的热塑性材料形成物体的系统的前述方面和其它特征。

图1描绘了增材制造系统，其根据挤出机的运动角度调节挤出机运动的速度，以形成条带。

图2是图1中所示系统的替代性实施例的框图，只有一个具有多个通道的加热器。

图3示出了图1和图2中所示的挤出机的操作，沿着342°到162°轴以不同的速度控制挤出机产生的条带之间的间隙。

图4示出了图1和图2中所示的挤出机的操作，沿着342°到162°轴以1/3的正常速度移除挤出机产生的条带之间的间隙。

图5是用于操作打印机的过程的流程图，打印机根据挤出机运动的角度调整挤出机的运动速度

图6是现有技术的三维物体打印机的示意图。

图7描绘了当定向在0°、90°和18°时可以由九个喷嘴面板形成的条带。

为了大致理解本文公开的设备环境以及设备细节，参考附图。在附图中，相同标号表示相同元件。

如本文所使用的，术语“挤出材料”是指被软化或熔化以形成由增材制造系统中的挤出机喷出的热塑性材料的材料。挤出材料包含但不严格限于形成三维打印物体的永久部分的“构建材料”和形成临时结构以在打印过程期间支撑构建材料部分的“支撑材料”，并且在打印过程完成后被选择性地移除。构建材料的实例包含但不限于丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)塑料、聚乳酸(PLA)、脂族或半芳族聚酰胺(尼龙)、包含悬浮碳纤维或其它聚集材料的塑料、导电聚合物以及可以被热处理以产生适于通过挤出机喷出热塑性材料材料的任何其它形式。支撑材料的实例包含但不限于高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、聚乙烯醇(PVA)和其它能够在热处理后挤出的材料。在一些挤出打印机中，挤出材料以连续细长的材料长度供应，通常称为“长丝”。这种长丝以固体形式提供，通过一个或多个辊从卷轴或其它供应拉出挤出材料长丝并向加热器供给长丝，所述加热器流体地连接到挤出机内的歧管。尽管所示的实例使用作为长丝提供给加热器的挤出材料，但也可以使用其它挤出材料供应品，例如，颗粒或球形球挤出材料。加热器软化或熔化挤出材料长丝，以形成流入歧管的热塑性材料。当打开定位于喷嘴和歧管之间的阀时，一部分热塑性材料通过喷嘴从歧管流过并作为热塑性材料流排出。如本文所使用的，应用于挤出材料的术语“熔化”是指挤出材料的任何温度升高软化或改变挤出材料的相，以在三维物体打印机操作期间使热塑性材料能够通过挤出机中的一个或多个喷嘴喷出。在本文中，熔化的挤出材料也表示为“热塑性材料”。如本领域技术人员所知，在打印机操作期间，某些无定形的挤出材料不会转变成纯液态。

如本文所使用的，术语“挤出机”是指打印机的部件，在单个液压油腔中熔化挤出材料并将熔融的挤出材料提供给连接到一个或多个喷嘴的歧管。一些挤出机包含阀组件，其可以电子操作以使热塑性材料能够选择性地流过喷嘴。阀组件使一个或多个喷嘴能够独立地连接到歧管以挤出热塑性材料。如本文所使用的，术语“喷嘴”是指挤出机中的孔口，其在挤出机中流畅地连接到歧管，并且热塑性材料通过所述孔口朝向材料接收表面喷出。在操作期间，喷嘴可以沿挤出机的加工路径挤出热塑性材料的基本上连续的线性条带。控制器操作阀组件中的阀以控制连接到阀组件的喷嘴挤出热塑性材料。喷嘴的直径影响挤出的热塑性材料线的宽度。不同的挤出机实施例包含具有一系列孔口大小的喷嘴，其具有较宽的孔口，产生的线宽度大于由较窄孔口产生的线的宽度。

如本文所使用的，术语“歧管”是指在挤出机的壳体内形成的腔，其保持热塑性材料供应，在三维物体打印操作期间输送到挤出机中的一个或多个喷嘴。如本文所使用的，术语“条带”是指在三维物体打印操作期间，挤出机在材料接收表面上形成的挤出材料的任何图案。常见的条带包含挤出材料和弯曲条带的直线线性排列。在一些配置中，挤出机以连续方式挤出热塑性材料，以在加工和交叉加工方向上形成挤出材料的具有连续质量的条带，而在其它配置中，挤出机以间歇方式操作，以形成沿线性或弯曲路径布置的热塑性材料的较小的组。三维物体打印机使用挤出材料的不同条带的组合形成各种结构。另外，三维物体打印机中的控制器使用物体图像数据和挤出机路径数据，其在操作挤出机之前对应于不同的挤出材料条带以形成挤出材料的每个条带。如下所述，控制器可选地调整阀组件的操作和挤出机移动的速度，以在三维打印操作期间通过一个或多个喷嘴形成多个热塑性材料条带。

如本文所使用的，术语“加工方向”是指挤出机和材料接收表面之间的相对运动方向，所述材料接收表面接收从挤出机中的一个或多个喷嘴挤出的热塑性材料。材料接收表面是在增材制造过程期间保持三维打印物体的支撑构件或部分形成的三维物体的表面。在本文所述的说明性实施例中，一个或多个致动器使挤出机围绕支撑构件移动，但是替代性的系统实施例移动支撑构件以在挤出机保持静止时在加工方向上产生相对运动。一些系统将两种系统的组合用于不同的运动轴。

如本文所使用的，术语“交叉加工方向”是指垂直于加工方向并平行于挤出机面板和材料接收表面的轴。加工方向和交叉加工方向是指挤出机的运动的相对路径和接收热塑性材料的表面。在一些配置中，挤出机包含可以在加工方向、交叉加工方向或两者上延伸的喷嘴阵列。挤出机内的相邻喷嘴在交叉加工方向上以预定距离分离。在一些配置中，系统旋转挤出机，以调整在挤出机中分离不同的喷嘴的交叉加工方向距离，以调整分离热塑性材料线的相应的交叉加工方向距离，所述热塑性材料从所述挤出机中的所述喷嘴中挤出，线形成条带。

在增材制造系统的操作期间，挤出机相对于在三维物体打印过程期间接收热塑性材料的表面，沿着直线和弯曲路径在加工方向上移动。另外，系统中的致动器可选地使挤出机围绕Z轴旋转，以调整挤出机中分离喷嘴的有效交叉加工距离，以使挤出机能够形成两条或更多条热塑性材料线，每条热塑性材料线之间具有预定距离。挤出机沿着外周长移动以在打印物体的层中形成二维区域外墙，并且在周长内移动以用热塑性材料填充全部或一部分的二维区域。

图6描绘了现有技术的三维物体增材制造系统或打印机100，其配置成操作挤出机108以形成三维打印物体140。打印机100包含支撑构件102、多喷嘴挤出机108、挤出机支撑臂112、控制器128、存储器132、X/Y致动器150、可选的Zθ致动器154和Z致动器158。在打印机100中，X/Y致动器150沿着X和Y轴将挤出机108移动到二维平面(“XY平面”)中的不同位置，以挤出在如图6所示的物体140等三维打印物体中形成一层的热塑性材料条带。例如，在图6中，X/Y致动器150沿引导件113平移支撑臂112和挤出机108，以使臂和挤出机沿Y轴移动，同时X/Y致动器150沿支撑臂112的长度平移挤出机108，以沿X轴移动挤出机。挤出图案包含层中的一个或多个区域的轮廓和热塑性材料的条带，其填充热塑性材料图案的轮廓内的区域。Z致动器158沿Z轴控制挤出机108和支撑构件102之间的距离，以确保挤出机108中的喷嘴保持在合适的高度，以将热塑性材料挤出到物体140上，物体在打印过程期间形成。对于一些实施例，挤出机108围绕Z轴旋转，Zθ致动器154控制挤出机108围绕Z轴旋转的角度。这种运动控制挤出机108中喷嘴之间的分离，尽管在制造过程中一些挤出机无需旋转。在系统100中，X/Y致动器150，Zθ致动器154和Z致动器158实施为机电致动器，例如，电动机、步进电机或任何其它合适的机电装置。在图6的打印机中，在形成由多层热塑性材料形成的三维打印物体140期间描绘了三维物体打印机100。

支撑构件102是平面构件，例如，玻璃板、聚合物板或泡沫表面，其在制造过程期间支撑三维打印物体140。在图2的实施例中，在应用每层热塑性材料后，Z致动器158也在方向Z移动支撑构件102，使其远离挤出机108，以确保挤出机108与物体140的上表面保持预定距离。挤出机108包含多个喷嘴，并且每个喷嘴将热塑性材料挤出到支撑构件102的表面上或如物体140等部分形成的物体的表面上。在图6的实例中，挤出材料作为长丝从挤出材料供应系统110提供，所述挤出材料供应品是ABS塑料的卷轴或另一种合适的挤出材料长丝，其从卷轴展开以将挤出材料供应到挤出机108。

支撑臂112包含支撑构件和一个或多个致动器，其在打印操作期间移动挤出机108。在系统100中，一个或多个致动器150在打印操作期间沿X和Y轴移动支撑臂112和挤出机108。例如，致动器150中的一个沿Y轴移动支撑臂112和挤出机108，而另一个致动器沿支撑臂112的长度移动挤出机108，以沿X轴移动。在系统100中，X/Y致动器150沿X和Y轴同时沿直线或弯曲路径可选地移动挤出机108。控制器128控制挤出机108在线性或弯曲路径的移动，使挤出机108中的喷嘴能够挤出热塑性材料到支撑构件102上或物体140的先前形成的层上。控制器128可选地沿X轴或Y轴以栅格化运动移动挤出机108，但是X/Y致动器150也可以沿X-Y平面中的任意线性或弯曲路径移动挤出机108。

控制器128是数字逻辑装置，例如，微处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或配置成操作打印机100的任何其它的数字逻辑。在打印机100中，控制器128可操作地连接到一个或多个致动器，致动器控制支撑构件102和支撑臂112的运动。控制器128还可操作地连接到存储器132。在打印机100的实施例中，存储器132包含易失性数据存储装置，例如，随机存取存储器(RAM)装置，以及非易失性数据存储装置，例如，固态数据存储装置、磁盘、光盘或任何其它合适的数据存储装置。存储器132存储编程的指令数据134和三维(3D)物体图像数据136。控制器128执行存储的程序指令134以操作打印机100中的部件以形成三维打印物体140并在所述物体140的一个或多个表面上打印二维图像。3D物体图像数据136包含例如多个二维图像数据图案，其对应于打印机100在三维物体打印过程期间形成的每层热塑性材料。挤出机路径控制数据138包含一组几何数据或致动器控制命令，控制器128处理所述命令以使用X/Y致动器150控制挤出机108的移动路径并使用Zθ致动器154控制挤出机108的朝向。控制器128操作致动器以使挤出机108在支撑构件102上方移动，如上所述，同时挤出机挤出热塑性材料以形成物体。

图1描绘了具有挤出机108的增材制造系统100'，挤出机通过面板中的孔挤出多种热塑性材料，如图3和图4所示，下文有更详细的描述。尽管打印机100'被描绘为使用平面运动来形成物体的打印机，但是可以使用其它打印机架构，其挤出机和控制器配置成根据如本文所述的挤出机的角度朝向来调节挤出机的速度。这些架构包括delta-bots、驯服的装配机器人臂(SCARA)、多轴打印机、非笛卡尔打印机等。这些替代性实施例中的运动仍然拥有如上定义的加工和交叉加工方向，并且这些实施例的挤出机中的喷嘴间距仍然限定了相对于交叉加工方向的喷嘴间距。图1中仅示出了一个歧管216，以简化图，但挤出机108可以具有多个歧管216。在一个实施例中，挤出机108中的每个歧管216可操作地连接到不同的加热器208，加热器由不同的挤出材料供应系统110供给，以一对一的对应方式供给。可替代地，每个歧管216可以耦合到单个加热器208'，所述加热器容纳多个通道232'，多个通道由多个挤出材料供应系统110供给，如图2的实施例100”所示。图2中的每个通道232'将热塑性材料供应到挤出机108中的歧管216，以使每个歧管能够接收与其它歧管正在接收的材料不同的材料。在挤出机108中，每个喷嘴218流畅地连接到挤出机108内的歧管中的一个，因此每个喷嘴可以挤出与从连接到其它歧管的喷嘴挤出的材料不同的热塑性材料。通过操作阀组件204中的阀，控制器128选择性地且独立地激活和停用来自每个喷嘴的挤出。每个喷嘴218还与面板260中的孔对齐，以配置喷嘴，以更灵活地形成所述材料的条带。

在图1和图2的实施例中，阀组件204将阀门定位在挤出机108中的歧管之间，并且每个喷嘴连接到挤出机108中的歧管。阀组件204可操作地连接到控制器128，因此控制器可以打开和关闭阀门，用于从挤出机108的多个喷嘴挤出热塑性材料。具体地，控制器128激活和停用连接到挤出机108中的阀的组件204中的不同致动器，以从喷嘴挤出热塑性材料，并在如图6的物体140的三维打印物体的每层中形成不同热塑性材料的条带。

图1的系统100'还包含用于每个加热器208的挤出材料分配系统212，其连接到挤出机108中的歧管。来自每个单独的供应系统110的挤出材料以在系统100'的操作期间将连接到加热器的歧管中的热塑性材料的压力保持在预定范围内的速率供给到相应的加热器208。分配系统212是适合于调节挤出机108的每个歧管中的热塑性材料的压力的一个实施例。在图2的实施例100”中，多个挤出材料分配系统212可操作地连接在多个挤出材料供应系统110和加热器208'中的通道232'之间，一一对应。另外，在两个实施例中，控制器128可操作地连接到每个分配系统212的致动器，以控制分配系统212将挤出材料从供应系统110输送到由供应源供给的加热器的速率。图2的分配系统212可以配置成图1的分配系统212。加热器208和208'通过驱动辊224(图1)软化或熔化供给加热器208的挤出材料220。致动器240驱动辊224并可操作地连接到控制器128，因此控制器可以调节致动器驱动辊224的速度。与辊224相反的另一个辊自由旋转，因此其遵循辊224被驱动的旋转速率。而图1描绘了使用机电致动器和驱动辊224作为机械移动器以将长丝220移动到加热器208或208'中的供给系统，分配系统212的替代性实施例使用一个或多个致动器来操作机械移动器，以旋转螺旋钻或螺杆的形式。螺旋钻或螺杆将固相挤出材料从挤出材料粉末或颗粒形式的供应系统110移动到加热器208或208'中。

在图1和图2的实施例中，每个加热器具有由不锈钢形成的主体，所述主体包含一个或多个加热元件228，例如，电阻加热元件，其可操作地连接到控制器128。控制器128配置成选择性地将加热元件228连接到电流，以软化或熔化加热器208或208'内的通道或通道中的挤出材料220的长丝。而图1和图2示出了加热器208和加热器208'接收固相的挤出材料作为固体长丝220，在替代性实施例中，加热器接收作为粉末或颗粒状挤出材料的固相挤出材料。散热片236减弱加热器上游通道中的热量。在散热片236处或附近的通道中保持固态的挤出材料的一部分在通道中形成密封，所述密封防止热塑性材料从与歧管216的连接之外的任何开口离开加热器，这保持了温度，所述温度使挤出材料在进入歧管时处于热塑性状态。挤出机108还可以包含另外的加热元件，以保持挤出机内每个歧管内的热塑性材料的高温。在一些实施例中，热绝缘体覆盖挤出机108外部的部分，以保持挤出机内歧管内的温度。同样，图2中喷嘴的周围区域保持在使材料保持热塑性状态的温度，因此当其移动到面板中的孔时其不会开始凝固。

为了将歧管216内的热塑性材料的流体压力保持在预定范围内，避免损坏挤出材料，并控制通过喷嘴的挤出速率，滑动离合器244可操作地连接到每个致动器240的驱动轴，将长丝从供应系统110供给到加热器。如本文所使用的，术语“滑动离合器”是指将摩擦力施加到物体以将物体移动到预定的设定点的装置。当超过摩擦力的预定设定点的范围时，所述装置滑动，从而不再向物体施加摩擦力。滑动离合器使通过辊224施加在长丝220上的力能够保持在长丝强度的约束范围内，无论驱动器240被驱动的频率、速度或时长如何。通过以高于长丝驱动辊224的最快预期旋转速度的速度驱动致动器240或者通过将编码器轮248放置在辊224上并利用传感器252感测旋转速率来维持所述恒定力。由传感器252产生的信号指示辊224的角度旋转，并且控制器128接收所述信号以识别辊224的速度。控制器128进一步配置成调节提供给致动器240的信号以控制致动器的速度。当控制器配置成控制致动器240的速度时，控制器128操作致动器240，使其平均速度略快于辊224的旋转速度。这个操作确保驱动辊224上的扭矩总是滑动离合器扭矩的函数。

控制器128具有存储在连接到控制器的存储器中的设定点，所述设定点识别致动器输出轴在辊224的旋转速度上略高的速度。如本文所使用的，术语“设定值”意指控制器用于操作部件以将对应于设定值的参数保持在大约设定值的预定范围内的参数值。例如，控制器128改变操作致动器240的信号，以使输出轴以由输出信号识别的速度在大约设定值的预定范围内旋转。除了致动器的指令速度之外，阀组件204中打开或关闭的阀的数量和离合器的扭矩设定点也影响长丝驱动系统212的操作。所产生的辊224的旋转速度由传感器252生产的信号识别。控制器128内的比例-积分-微分(PID)控制器根据存储在存储器中的差分设定点识别来自所述信号的误差，并调整控制器输出的信号以操作致动器240。可替代地，控制器128可以改变滑动离合器的扭矩水平，或者控制器128可以改变扭矩水平并调整控制器操作致动器的信号。

滑动离合器244可以是固定的或可调节的扭矩摩擦盘式离合器、磁粉离合器、磁滞式离合器、铁磁离合器、气压离合器或永磁离合器。磁力操作的离合器类型可以通过向离合器施加电压来调节其扭矩设定值。这个特征使能够根据打印条件更改离合器上的扭矩设定值。术语“打印条件”是指当前正在进行的制造操作的参数，其影响歧管中用于充分形成物体的热塑性材料的量。这些打印条件包含供应到挤出机的挤出材料的类型，从挤出机挤出的热塑性材料的温度，挤出机在X-Y平面中移动的速度，在物体上形成特征的位置，挤出机相对于平台移动的角度等。

在图1和图2所示的实施例中，控制器128配置成将一个或多个信号传输到X/Y致动器150，以调节挤出机108在平台102上方移动的速度。控制器128配置成根据挤出机108将要移动的路径的角度和挤出机面板沿所述路径移动时的朝向来调节挤出机108的速度。当挤出机108在挤出过程中沿0°到180°轴或90°到270°轴在任一方向上移动时，挤出机面板的方向如图7所示，控制器128根据为热塑性材料的挤出而打开的喷嘴的数量，以额定速度移动挤出机。虽然挤出机面理论上可以定向，因此所有打开的喷嘴都有助于沿任何运动路径的连续条带，但实际考虑可以防止这种朝向。当物体图像数据和挤出机路径数据需要挤出机面板的朝向及其相对于平台的运动路径时，干扰挤出机形成连续条带的能力，控制器可以降低挤出机沿相对于平台的运动路径移动的速度，来解决这种干扰。

如上所述，当挤出机面板如图所示定向并且挤出机运动角度沿18°、108°、198°和288°路径中的一个时，形成图7所示的面板中的喷嘴生成的条带的线之间产生的间隙最大。图3描绘了挤出机头的操作，其中面板中的喷嘴是图7中喷嘴布置的镜像。当这种类型的挤出机头沿72°、162°、252°和342°路径中的一个移动，所述喷嘴阵列的行和列彼此正交，并且当打开所有九个喷嘴时，喷嘴产生具有三个单独线的条带。图3示出了这种挤出机沿162°到342°路径的任一方向调速的效果。已经使用具有九个喷嘴面板的挤出机在0°到180°打印基底304，所述面板的定向和移动如图7所示。在基底304上沿162°-342°路径打印对角线条带，在所述路径处三个喷嘴的组巧合地对齐。对角线条带以308、312、316、320、324和328的顺序打印，当挤出机沿162°路径移动时，打印条带308、316和324，当挤出机沿342°路径移动时，打印条带312、320和328。即，挤出机108的方向如图7中的两个中间面板所示，沿162°路径移动直到其到达停止位置，在那里其以90°平移而不挤出任何材料，然后沿342°路径返回，直到其到达另一个停止位置，在那里其平移90°而不挤出任何材料，以到达形成下一对条带的位置。形成条带308和312使用了九个开式喷嘴，形成条带316和320使用了六个开式喷嘴，形成条带324和328使用了三个开式喷嘴。打印每个对角线条带，因此挤出机在条带左部分以额定速度的1/3移动，在条带中心部分以额定速度的2/3移动，在条带右部分以额定速度移动。在这个实例中，额定速度为4000mm/分钟。

如图3所示，以额定速度沿162°到342°路径移动如上所述定向的挤出机不能使从开式喷嘴喷出的挤出热塑性材料的线足够扩散以填充间隙并在交叉加工方向形成连续的条带。间隙大小取决于开式喷嘴的数量和挤出机的速度。随着每个条带的速度降低，挤出的材料量和热塑性材料扩散的程度增加，如在条带的中心和左部分中可以看到的。如图所示，通过沿162°路径移动挤出机形成的条带与通过沿342°路径移动挤出机形成的条带的材料扩散量不同。这个差异可能部分地归因于打印的顺序，部分地归因于挤出机的未对准。这个效果表明，当挤出机移动时，可以通过改变挤出机的速度来补偿一些量的挤出机未对准。为了补偿未对准，在打印机校准期间确定未对准参数，并且所述参数存储在可操作地连接到控制器128的存储器中。在打印物体期间，控制器128根据未对准参数调整挤出机的速度。图3还表明，条带的宽度不一定与挤出机运动的角度无关。对于图中所示的角度，条带的宽度理想地是旋转角度喷嘴列之间的间距的三倍加上单个喷嘴宽度的三倍。旋转角度的间隔宽度为0.865mm。因此，对于用于形成图3中的条带的旋转角度的九喷嘴配置，条带宽度为：1.265×3，约为3.8mm。

在图4中，已经沿162到342°路径打印另一组条带408、412、416、420、424和428，喷嘴相同数量，挤出机具有如上解释的关于图3的喷嘴阵列布置。条带408和412以额定速度的2/3打印，条带416和420以额定速度的1/2打印，条带424和428以额定速度的1/3打印。各个路径上打开的喷嘴的数量保持如上所述，关于图3。因此，每个条带的所有部分都以一定的速度形成，所述速度小于额定速度。产生的扩展大于图3中额定速度产生的扩展，表明即使在条带内线之间产生最大间隙的角度，挤出机速度的调节也可以补偿喷嘴的非最佳布局，并且无论间隙宽度如何，挤出机速度可以降低到在交叉过程方向上维持连续条带的水平，而不必打印多次通过的区域。图4还示出了通过增加与打印方向对齐的开式喷嘴的数量可以减小线之间的间隙。经验实验用于建立所有挤出机运动角度的最佳速度，所述挤出机运动角度使喷嘴对齐，用于特定面板配置。当挤出机在加工方向上移动时，其它挤出机运动角度需要比这些角度更小的速度降低，这取决于喷嘴之间间距的规划。

图3和图4描绘的结果显示，无论挤出机移动的额定速度如何，较慢的移动速度能够使通过面板的喷嘴的流动更大。通过保持为优选的挤出机面板朝向建立的喷嘴中的压力和0°、90°、180°和270°的移动角度，能够以挤出机额定速度通过喷嘴流动。对于在这些移动角度下较快的挤出机移动速度，此压力需要更高，并且对于在这些移动角度下较慢的挤出机移动速度，此压力需要更低，以在交叉加工方向上获得相同的连续条带宽度。为了达到这种效果，足够的长丝供应到加热器，以在这些角度下保持适当的预定压力。当沿着路径以多个喷嘴对齐的角度，例如用于形成图3和图4中的条带的挤出机的72°，定向和移动挤出机时，通过供给所需量的长丝并以经验确定的速度移动以挤出所述量的长丝来保持所需的较高压力。因此，在挤出机中的热塑性材料压力和从挤出机挤出的热塑性材料的量之间保持了平衡。如果调整挤出机的速度以匹配供给到挤出机加热器的长丝量，那么也调整挤出的材料量以保持压力/挤出量平衡。

图5描绘了用于操作打印机的过程500的框图，所述打印机参照挤出机移动的角度调整挤出机移动的速度。在以下讨论中，对执行功能或动作的过程500的提及是指操作如控制器128的控制器，以执行存储的程序指令以执行与打印机中的其它部件相关联的功能或动作。结合图1的打印机100'和图2的打印机100"描述过程500，用于说明目的。

过程500开始于控制器检索正在制作的物体的层中的条带的物体图像数据(框504)。控制器识别挤出机和平台之间的相对移动路径以及在挤出机移动期间要打开的喷嘴的数量(框508)。所识别的相对移动路径包含在挤出机面板沿路径移动时识别挤出机面板的朝向。然后，所述过程参照相对路径的角度识别挤出机与平台之间的相对运动的速度(框512)。然后，控制器操作用于挤出材料长丝供应品的长丝移动器，其将长丝供应到连接到用于开式喷嘴的歧管的加热器通道，参照所识别的速度操作X/Y致动器以使挤出机沿挤出机的相对路径移动，并且操作阀组件以打开所识别的喷嘴(框520)。在形成条带时(框524)，控制器继续相应地操作这些部件(框520)。当条带完成时(框524)，所述过程确定所述层是否完成(框528)，并且如果其未完成，那么检索所述层中下一个条带的物体图像数据(框504)。否则，所述过程确定物体的最后一层是否已经形成(框532)，并且如果已经形成，那么所述过程停止。否则，所述过程沿Z轴调整挤出机相对于平台的位置，并检索下一层的物体图像数据(框536)，因此可以打印下一层(框504到528)。

Claims (7)

1.一种设备，其包括：

平台，其配置成在制造期间支撑物体；

挤出机，其具有多个喷嘴，所述多个喷嘴形成于所述挤出机的面板中；

至少一个致动器，其可操作地连接到所述挤出机和所述平台中的至少一个，所述至少一个致动器配置成使所述挤出机和所述平台中的至少一个相对于所述挤出机和所述平台中的另一个移动；以及

控制器，其可操作地连接到所述挤出机和所述至少一个致动器，所述控制器配置成：

参照放置在所述物体的内部部分内或所述物体的外部上的来自所述挤出机的热塑性材料的条带，选择所述挤出机与所述平台之间的相对运动路径的角度；

在所述挤出机中选择数个喷嘴用于挤出所述热塑性材料，所选数量的喷嘴至少是两个喷嘴，并且可以多达所述多个喷嘴中的所有所述喷嘴；

操作所述挤出机以使用物体图像数据和挤出机路径数据，通过所述挤出机的所选数量的喷嘴挤出热塑性材料的所述条带，以沿着所述挤出机与所述平台之间的所述相对运动路径形成热塑性材料的条带；

操作所述至少一个致动器以预定速度沿所述相对运动路径移动所述挤出机和所述平台中的所述至少一个；

当所述挤出机以选定的角度、以额定速度和所述挤出机的面板的预定朝向沿所述相对运动路径，在从所述挤出机的所选数量的喷嘴挤出的热塑性材料之间产生间隙时，选择所述挤出机沿所述相对运动路径的预定速度小于所述额定速度，以使所述热塑性材料的条带在横向加工方向上连续；并且

利用所选数量的喷嘴和所述挤出机的未对准参数，调整所选的预定速度。

2.根据权利要求1所述的设备，其中响应于所述挤出机面板的所述朝向以及所述相对运动路径处于将所述面板中的所述喷嘴布置成具有正交列和行的阵列的角度，所述预定速度是所述挤出机的所述额定速度的一半。

3.根据权利要求1所述的设备，所述控制器进一步配置成：

响应于所述条带放置在所述物体的所述内部部分中而针对所述挤出机与所述平台之间的所述相对运动路径选择0°到180°轴或90°到270°轴。

4.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：

多个挤出材料供应品；

具有多个通道的加热器，所述加热器的每个通道可操作地连接到所述多个挤出材料供应品中的仅一个挤出材料供应品，所述多个通道与所述多个挤出材料供应品之间一一对应，并且所述加热器中的每个通道可操作地连接到所述挤出机中的仅一个歧管，所述多个通道与所述挤出机中的多个歧管之间一一对应，以使每个通道产生的热塑性材料能够进入与所述通道可操作地连接的所述歧管；

多个机械移动器，每个机械移动器配置成将挤出材料从所述挤出材料供应品中的一个移动到所述加热器中的所述通道中的相应的一个，每个机械移动器还配置用于独立控制向所述加热器中所述相应的一个通道供应所述挤出材料的速度；以及

所述控制器，其进一步配置成：

操作对应于所述所选喷嘴中的一个的每个机械移动器，以预定速度将挤出材料移动到所述加热器中的所述相应通道中，所述预定速度参照相对挤出机移动的所述预定速度，在所述相应歧管中保持预定压力。

5.一种操作增材制造系统的方法，其包括：

参照放置在所述物体的内部部分内或所述物体的外部上的待从所述挤出机挤出的热塑性材料的条带，选择所述挤出机与所述平台之间的相对运动路径的角度；

在所述挤出机中选择数个喷嘴用于挤出所述热塑性材料，所述数个喷嘴形成于所述挤出机的面板中，所选数量的喷嘴至少是两个喷嘴，并且可以多达所述多个喷嘴中的所有所述喷嘴；

利用控制器操作挤出机以使用物体图像数据和挤出机路径数据，通过所述挤出机的所选数量的喷嘴挤出热塑性材料的条带，以沿着所述挤出机与平台之间的所述相对运动路径形成热塑性材料的条带，所述平台支撑用所述热塑性材料形成的物体；

当所述挤出机以一个角度、以额定速度和所述挤出机的面板的预定朝向沿所述相对运动路径，在从所选数量的喷嘴挤出的热塑性材料之间产生间隙时，利用所述控制器选择小于所述挤出机沿所述相对运动路径的所述额定速度的预定速度，以使所述热塑性材料的所述条带在横向加工方向上连续；

利用所述控制器操作至少一个可操作地连接到所述挤出机和所述平台中的至少一个的致动器，以使所述挤出机和所述平台中的所述至少一个相对于所述挤出机和所述平台中的另一个以所选的预定速度沿所述相对运动路径移动，以使所述热塑性材料的所述条带在横向加工方向上连续；并且

利用所选数量的喷嘴和所述挤出机的未对准参数，调整所选的预定速度。

6.根据权利要求5的所述的方法，所述预定速度的选择还包括：

当所述挤出机面板的所述朝向以及所述相对运动路径处于将所述面板中的所述喷嘴布置成具有正交列和行的阵列的角度时，选择所述预定速度是所述挤出机的所述额定速度的一半。

7.根据权利要求5的所述的方法，还包括：

当所述条带放置在所述物体的所述内部部分中时，针对所述挤出机与所述平台之间的所述相对运动路径选择0°到180°轴或90°到270°轴。

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