CN110636934B - 三维模制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于建立对象的三维模制系统，其包括：一个三维模制打印头，其中，该打印头附接至一定位构件，其用以使该打印头与正被印制的对象中的至少一者彼此空间性地相对移动。该打印头包括一管状馈入构件与配置在该管状馈入构件的一端的一喷嘴，该喷嘴具有用于施配模制材料的一喷嘴出口，与用于介接在待建立的该对象上的模制材料的先前沉积轨道的一喷嘴尖端。该管状馈入构件包括用于馈入该模制材料至该喷嘴出口的一馈入通道。该系统进一步包括：该管状馈入构件在该喷嘴对面的一端的一模制材料馈入构件，其中，该模制材料馈入构件经配置为可用于使一压力朝向该喷嘴施加于在该馈入通道内的该模制材料。该系统进一步包括：一压力判定构件，其用于判定指示施加于该模制材料的一压力的一第一参数。该系统进一步包括：一控制系统，其经配置为可基于指示施加于该模制材料的一压力的该经判定的第一参数来控制该模制材料馈入构件。一种使用该系统的三维模制方法。

Description

三维模制系统及方法
技术领域
本发明是有关于一种用于建立三维对象的三维模制系统，与一种用于三维模制三维对象的方法
背景技术
在三维模制中，对象的形成是借由以控制的方式层迭模制材料，以建立带有所要三维形状的对象。形成对象的此一方式也被称为积层制造法。三维模制经常使用三维模制打印机。该打印机有三维活动打印头，该打印头是在模制材料的先前沉积轨道上方移动时施配模制材料。
待打印对象可放上基底。该打印头相对于正被模制或打印的对象可在三维空间中移动，反之亦然。在有些情形下，对象相对于打印头可在一或多个维度中移动。模制对象有各种可能组合用于使对象相对于打印头移动，反之亦然。
打印头的移动由控制系统控制，其是控制打印头附接至它的三维可控定位系统。用软件，可设计轨道的图案，此图案用来移动打印头以及用来沉积轨道。
对象建立于在相对于活动打印头的参考位置的基底结构上。模制材料可与先前形成的轨道熔合。三维模制材料馈入打印头的形式例如可为丝线、颗粒、棒杆、液体或悬浮液。该打印头从打印头通过喷嘴施配模制材料，且使其以轨道的形式沉积于基底上而形成一层轨道，或在已沉积待建立对象的前一层时，沉积于对象的先前沉积轨道上，让它凝固。该模制材料可与先前沉积轨道以热或化学或其它方式熔合。化学模制材料可从打印头施配且沉积于先前沉积轨道上且使其固化以在沉积后立即凝固。
基底及对象与打印头在轨道中的相对移动以及同时沉积来自打印头的模制材料，允许熔合的沉积模制对象随着各个沉积轨道成长且逐渐得到它所欲形状。
在当前的材料挤出打印机(包括颗粒挤出机、撞头挤出机(ram extruder)及注射器挤出机)中，材料是以前馈流量受控的方式沉积。取决于待沉积轨道的厚度与打印速度，模制材料的流量保持不变。材料流量的校准作为机器校准的一部份。
此外，为了维持待建立对象的准确尺寸，特别是维持正被沉积的轨道的受控厚度，必须校准造成打印头在正被建立对象的先前沉积轨道上方移动的X-Y-Z定位系统。
在校准正确时，利用流量控制可准确地打印无空隙对象。在例如打印头喷嘴与例如先前沉积层的间隙由于缺乏校准而增加时，模制材料的流量可能变得太小而不能填满间隙，因而造成在打印轨道之间出现空间，而在打印对象中产生空腔。这被称为挤出不足(under-extrusion)。
另一方面，当打印头喷嘴与先前沉积轨道的间隙由于缺乏校准而减少时，模制材料的流量对于正被沉积的轨道可能变得太大，使得太多材料会被挤出。这被称为过度挤出(over-extrusion)。在轨道被铺在两个先前沉积轨道之间且其间的空间越来越窄时，也可能出现过度挤出。这可能导致对象与打印头之间有过大的力以及对象由于模制材料溢流而有粗糙的表面。模制材料的溢流可能导致在打印头的喷嘴尖端(nozzle tip)上有残渣或残留物，而可能脱落喷嘴尖端且与正被印制的对象熔合且造成对象的潜在损失。
校准的损失可能由热膨胀以及在打印时和在打印热熔合材料后的后续收缩造成。当热膨胀及收缩没有被充分补偿时，喷嘴与先前沉积轨道的间隙可能没有不变的尺寸。同样，在与打印头或喷嘴的沉积方向垂直的尺寸也可能由于热效应而改变。
挤出不足或过度挤出的另一原因可能在于该模制材料进料尺寸的变动。例如，当使用丝线的模制材料时，它的直径可能不同而造成模制材料在打印时被沉积的数量变动，因此在使用正被沉积的模制材料的恒定流量控制时，造成挤出不足或过度挤出。
在执行X-Y-Z系统与模制材料馈入构件的校准时，最高优先权是要防止过度挤出，因为这使得制程不可靠。因此，三维模制挤出打印机常有某种程度的挤出不足而导致形成开放空间或空腔。副作用是，部份会没有密封性或耐压性且该部份的强度会次于最佳。
发明内容
因此，本发明的目标是要克服上述问题及缺点。
该目标用一种用于建立三维对象的三维模制系统达成，其包括：
一个三维模制打印头，其中，该打印头附接至一定位构件，其用以使该打印头与正被印制的该对象中的至少一者彼此空间性地相对移动。
该打印头包括一管状馈入构件与配置在该管状馈入构件的一端的一喷嘴，该喷嘴具有用于施配模制材料的一出口，与用于介接在该待建立对象上的模制材料的先前沉积轨道的一喷嘴尖端。
该管状馈入构件包括用于馈入该模制材料至该喷嘴出口的一馈入通道。
该系统进一步包括：配置于该管状馈入构件在该喷嘴对面的一端的一模制材料馈入构件，其中，该模制材料馈入构件经配置为可用于使一压力朝向该喷嘴施加于在该馈入通道内的该模制材料。
该系统进一步包括：一压力判定构件，其用于判定指示施加于该模制材料的一压力的一第一参数。
该系统进一步包括：一控制系统，其经配置为可基于指示施加于该模制材料的一压力的该经判定的第一参数来控制该模制材料馈入构件。
该控制系统经配置为可用于控制该定位构件及该打印头用于沉积两个第一轨道，其中所述两个第一轨道被隔开，且用于沉积在所述两个第一轨道之间的一中间轨道，同时使用指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数来控制施加于该模制材料的该压力。
借由控制该压力，由该控制系统使用该压力判定构件可感测例如在压力降到某一位准以下时发生挤出不足。借由增加施加于在该管状馈入构件内的该模制材料的该压力，可补偿此一挤出不足。例如，在沉积当前轨道时，如果先前沉积相邻轨道之间的空间变宽，这可能发生。
另一方面，可感测在指示施加于该模制材料的压力的该第一参数增加到某一位准以上时发生过度挤出。借由减少施加于在该管状馈入构件内的该模制材料的压力，可补偿此一过度挤出。例如，在先前沉积相邻轨道之间的空间越来越窄时，这可能发生。借由控制该模制材料的压力，打印对象的剩余空间会被良好地填充，而与剩余空间的容积无关。这会导致正被沉积的中间轨道与先前沉积相邻轨道熔合，造成空腔的完全填入且改善相邻轨道之间的结合(bonding)。因此，部份会有最优渗漏紧密度及强度。
由喷嘴与先前沉积层之间隙决定的轨道厚度常常很小。这意谓，通过此间隙的压降由于该模制材料的黏度而很大。对于从在喷嘴尖端中或其处的压力位准到达周遭压力的压降，它只需要毫米数量级的距离。当至喷嘴的距离变得较大时，通过间隙的压降增加。当压降等于喷嘴中的超压(overpressure)时，流量中止，且轨道不会变得较宽。当打印头在对象上方移动时，这取得平衡以变成稳定的轨道宽度。
与流量控制式打印的主要差异在于，正被沉积的中间轨道的宽度取得平衡有恒定的线宽同时恰好地填满所有间隙，然而基于流量的打印会很快地产生系统性的挤出不足或过度挤出。
借由控制施加于该模制材料的压力，可补偿喷嘴与先前沉积轨道之间的间隙尺寸变动。
在本发明系统的一具体实施例中，该控制系统经配置为可用于控制该模制材料馈入构件以使指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数维持在一预定最小压力值与一预定最大压力值之间。这允许施加于该模制材料的压力落在保证过度挤出或挤出不足不会发生的范围内，而与该定位构件的对齐或校准瑕疵无关。
在本发明系统的一具体实施例中，该控制系统经配置为可用于使指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数维持在一恒定值。这进一步改善将会沉积于相邻先前沉积轨道之间或与其毗邻的中间轨道被完全填满而不留下开放空间或空腔，同时防止形成残渣及残留物。此外，恒定的压力减少打印头及模制材料馈入构件的磨损。
在本发明系统的一具体实施例中，该模制材料馈入构件包括一可控驱动器与连接至该驱动器的一传动构件，其用于传递由该驱动器产生的一力至该模制材料。该可控驱动器允许该控制系统产生一可控力，其是产生施加于在该管状馈入构件(亦即，该馈入通道)内的该模制材料的压力，以及施加于在该喷嘴尖端处的该模制材料的压力。
在本发明系统的一具体实施例中，用于判定指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数的该压力判定构件包括一压力判定构件，其用于判定指示施加于在该馈入通道内的该模制材料的压力的第二参数。例如，这允许该可控驱动器及该传动构件用施加于该模制材料的力来判定指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数。经以此方式判定的该第二参数构成指示施加于在该馈入通道内的该模制材料的压力的度量。
取决于该模制材料，可选定适当的驱动器与力传动构件。该可控驱动器可用该控制系统控制。在该喷嘴尖端处的力与在该驱动器及传动系统内的转矩可视为指示施加于该模制材料的压力。
在本发明系统的一具体实施例中，该可控驱动器包括一旋转驱动器，且用于判定指示施加于在该馈入通道内的该模制材料的该压力的该第二参数的该压力判定构件包括：用于判定由该旋转驱动器及/或传动系统施加的一转矩的一转矩判定构件。这允许从由旋转驱动器与传动系统中的至少一者施加的转矩导出指示施加于该模制材料的压力的该第二参数。
在本发明系统的一具体实施例中，该可控驱动器包括一电动马达，且其中，该转矩判定构件包括一马达电流测量构件。这允许在没有任何其它转矩传感器下判定转矩。
在本发明系统的一具体实施例中，该模制材料馈入构件包括用于将模制材料馈入该模制材料馈入件的一柱塞。该柱塞允许形式为棒杆的模制材料馈入该管状馈入构件。
用由该柱塞施加于该模制材料的压力来指示施加于在该馈入通道内的该模制材料的一压力的该第二参数，且其中，用于判定指示施加于在该馈入通道内的该模制材料的压力的该第二参数的该压力判定构件包括一力传感器，其配置在该柱塞用于测量由该柱塞施加于该模制材料的压力。
从该施加力，可导出指示施加于在该馈入通道内的该模制材料的压力的该第二参数。这是测量来自该驱动系统的马达电流或转矩的另一种方式，以便于判定指示施加于在该管状馈入构件的该馈入通道内的该模制材料的一压力的该第二参数。
在本发明系统的一具体实施例中，用于判定指示施加于在该馈入通道内的该模制材料的压力的该第二参数的该压力判定构件包括连接至该管状馈入构件的该馈入通道的一压力传感器。因此，可直接用该压力传感器来判定指示施加于在该馈入通道内的该模制材料的压力的该第二参数。
在本发明系统的一具体实施例中，用于判定指示施加于在该馈入通道内的该模制材料的压力的该第二参数的该压力判定构件包括在该喷嘴处连接至该馈入通道的一压力传感器。因此，可用在该喷嘴内的该压力传感器交替直接判定指示施加于在该馈入通道内的该模制材料的压力的该第二参数。
在本发明系统的一具体实施例中，配置在该喷嘴处的该压力传感器包括一喷嘴变形传感器。优点是，该传感器不需要直接接触模制材料在该喷嘴的该馈入通道内的流动。
在本发明系统的一具体实施例中，用于判定指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数的该压力判定构件包括一压力判定构件，其用于判定指示施加于在正被沉积的该中间轨道内的该模制材料的一压力的一第三参数。这允许直接测量及控制在正被沉积的该中间轨道内的该模制材料，从而保证该模制材料的平滑沉积以及与横向先前沉积轨道的最优熔合。
在本发明系统的一具体实施例中，用于判定指示施加于在正被沉积的该中间轨道内的该模制材料的一压力的该第三参数的该压力判定构件包括一压力传感器，其具有在该喷嘴尖端处的一流体通道用于测量沉积模制材料在该喷嘴尖端处的压力。在该喷嘴尖端处的该流体通道允许在该喷嘴出口附近测量该喷嘴外的沉积中间轨道的压力。这允许在该喷嘴尖端处直接测量在正被沉积的该模制材料内的压力，而保证有快速准确的压力测量。
在本发明系统的一具体实施例中，用于判定指示施加于在正被沉积的该中间轨道内的该模制材料的一压力的该第三参数的该压力判定构件包括配置在该打印头与该定位构件之间的一力传感器。借由在从该打印头经由该门架及定位系统、基底到待建立对象的机械路径中的不同位置处测量反作用力，其是传输由该打印头施加于正被沉积的该中间轨道的力，可测量由该打印头(亦即，喷嘴尖端)施加于正被沉积的该中间轨道的该模制材料的力。从该经判定的力，可导出在该尖端处施加于该模制材料的压力。
在本发明系统的一具体实施例中，该力传感器配置在该打印头与该定位构件的一互连件处。在此情形下，该力可在该打印头与该定位构件之间测得，更特别的是，安装打印头的门架。
在本发明系统的一具体实施例中，用于判定指示施加于在正被沉积的该中间轨道内的该模制材料的一压力的该第三参数的该压力判定构件包括配置在该定位构件的基底上的一力传感器，其经配置为可用于收容该待建立对象。该待建立对象是位在该参考位置。它可装在该基底上。可测量在底板(build plate)上的力，或替换地可测量底板与定位构件之间的力，从它可导出指示该压力的参数。
可用正被印制的物件的重量补偿该经判定的压力。例如，在打印头不起作用或撤回时，此重量可由该力传感器判定。这可在执行轨道的沉积的印制期间间断地执行。
在本发明系统的一具体实施例中，该系统进一步包括一模制材料流量判定构件。这允许判定模制材料使用于沉积轨道的数量。从该模制材料流量及打印速度，可判定沉积轨道的厚度。
在本发明系统的一具体实施例中，该流量判定构件包括：用于判定该模制材料馈入构件的位移的一位移传感器，且其中，该控制系统经配置为可用于借由判定每一单位时间的一位移来判定该流量。该模制材料馈入构件将该模制材料推入该管状馈入构件。借由测量该馈入构件每一单位时间的位移，从该管状馈入构件的及时位移与横截面面积，可判定模制材料流量。
在本发明系统的一具体实施例中，该流量判定构件包括：用于判定该模制材料的流量的一流量传感器。
在本发明系统的一具体实施例中，该流量判定构件包括：用于判定该旋转驱动器的转速的一传感器。该旋转驱动器驱动该模制材料馈入构件。该模制材料在该管状馈入构件内的位移因而与该旋转驱动器的转速有关。因此，从该旋转驱动器的转速，可导出在该管状馈入构件中的模制材料流量。这有一优点是，当电动马达用作旋转驱动器时，可从与马达的驱动有关联的电气参数来轻易判定该转速。因此，不需要独立的位移传感器。
在本发明系统的一具体实施例中，该控制系统经进一步配置为使用使用经判定的该模制材料流量可交替控制该模制材料的流量。
在本发明系统的一具体实施例中，该控制系统经进一步配置为可控制该定位构件与该打印头用于沉积所述两个第一轨道，同时控制该模制材料的流量。在此方案中，所述第一两个轨道的沉积可与先前沉积轨道无关。所述轨道不需要用于防止空间及空腔的高填充等级(filling grade)，因此，可使用流量控制。不过，将会沉积于所述第一两个轨道之间的中间轨道需要不会留下空腔的高填充等级。因此，该中间轨道的沉积可使用压力控制。
该管状馈入构件可用至少配置于该管状馈入构件邻近该喷嘴的下半部四周的加热组件加热。这允许用熔合沉积模制系统加工可加热的模制材料。该模制材料在被推入该管状馈入构件时被加热。当到达该喷嘴时，该模制材料被加热到模制材料熔化温度。可按尺寸制作及控制该加热组件以到达必要的熔化温度。
该喷嘴可用配置在该喷嘴四周或于其内的加热组件加热。这允许调整该管状馈入构件的加热组件到较低的温度防止该模制材料热分解，因为有些材料在高温，亦即熔化温度，只能保持一段有限时间。只在该馈入通道接近该喷嘴的最后部份，将该模制材料加热到它的熔化温度，以此方式提供适当的印制同时该模制材料维持在良好的状态，亦即，防止其分解。
该目标进一步用一种三维模制方法达成，其包括：使用如以上所述用于三维模制的系统来执行三维模制，其中，该方法进一步包括：使用该模制材料馈入构件来馈入该模制材料，判定指示施加于该模制材料的一压力的一第一参数，根据指示施加于该模制材料的该压力的该第一参数来控制该模制材料馈入构件，沉积三维模制材料的两个第一轨道，其中所述两个第一轨道被隔开，且沉积在所述两个第一轨道之间的一中间轨道，同时使用指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数来控制施加于该模制材料的压力。
在本发明方法的一具体实施例中，根据指示施加于该模制材料的该压力的该第一参数来控制该模制材料馈入构件的控制的步骤包括：比较指示施加于该模制材料的压力的该第一参数与一参考值，且其中，该控制是基于该第一参数与该参考值的差额。
在本发明方法的一具体实施例中，根据指示施加于该模制材料的该压力的该第一参数来控制该模制材料馈入构件的控制的步骤包括：使指示施加于该模制材料的压力的该第一参数维持在一先前经判定的最小压力值与一先前经判定的最大压力值之间。
在本发明方法的一具体实施例中，根据指示施加于该模制材料的该压力的该第一参数来控制该模制材料馈入构件的控制的步骤包括：使指示施加于该模制材料的压力的该第一参数维持在一先前经判定的恒定值。
在本发明方法的一具体实施例中，判定指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数的步骤包括：判定指示施加于在该管状馈入构件及/或喷嘴的该馈入通道内的该模制材料的一压力的一第二参数。
在本发明方法的一具体实施例中，判定指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数的步骤包括：判定指示施加于在正被沉积的该中间轨道内的该模制材料的一压力的一第三参数。
在本发明方法的一具体实施例中，该方法进一步包括：判定一模制材料流量且使用该模制材料流量交替控制该模制材料的流量。
在本发明方法的一具体实施例中，该方法进一步包括：沉积所述两个第一轨道，同时控制该模制材料的该流量。
附图说明
图1a根据现有技术图示用于三维模制的系统。
图1b的方块图根据现有技术图示用于控制三维模制系统的控制系统。
图2a至图2c根据现有技术图标三维模制系统的数个方面。
图3a至图3b根据本发明的一具体实施例图标三维模制系统的数个方面。
图4a根据本发明的一具体实施例图示用于三维模制的系统。
图4b的方块图根据本发明的一具体实施例图示用于控制三维模制系统的控制系统。
图5根据本发明的一具体实施例图示用于三维模制的系统。
图6a至图6d根据本发明的一具体实施例图标三维模制系统的数个方面。
图7a至图7c根据本发明的一具体实施例图标三维模制系统的数个方面。
图8a至图8b根据本发明的一具体实施例图标三维模制系统的数个方面
具体实施方式
图1a以简化的形式图示用于三维模制的系统100。系统100包括经由连接件107附接至门架106的三维模制打印头121，该门架106包括在未图示于图1a的X-Y-Z定位系统中，它允许打印头121在沉积模制材料的轨道110时与待打印对象彼此相对移动。可逐层沉积轨道110。打印头121包括管状馈入构件101，其用作挤出机管，且经配置为可用于从管状馈入构件101的一端朝向连接在管状馈入构件101的反对端的喷嘴102馈入模制材料108。管状馈入构件101例如可由金属制成，例如不锈钢。
管状馈入构件101与喷嘴102各自包括有区段120a、120b的馈入通道。馈入通道区段120a允许引进且推向喷嘴的模制材料108，然而馈入通道区段120b位在喷嘴102内，且通向在喷嘴尖端102b的喷嘴出口102a。在打印期间，喷嘴尖端102b与正被沉积的轨道110的模制材料接触。
三维模制材料108可包括热塑聚合物，例如聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)和聚醚醚酮(PEEK)。这些材料可在管状馈入构件101内熔化且从喷嘴102施配到轨道109、110中，用于形成待建立对象。
为了允许打印头121沉积及熔合处于熔化状态的模制材料，管状馈入构件101以及喷嘴102可设有可配置于管状馈入构件101四周以加热及熔化模制材料进料的一或多个加热组件。
用于三维模制的其它材料可包括糊剂、悬浮液或树脂，彼等可沉积于薄轨道109、110中且借由例如暴露于紫外光、空气、热或其它固化剂而固化。
用由X-Y-Z定位系统指挥的连续沉积运作，沉积模制材料108于基底的第一轨道上，以及于先前沉积轨道109上。该基底可为底板、地面或适合用于初始化轨道及建物的沉积且携载待打印对象的任何其它结构。该基底可呈固定或活动。在有些情形下，该基底在水平X-Y方向是活动的，而打印头121在垂直Z方向是活动的。在其它情形下，该基底相对于打印头121在X-Y-Z水平及垂直方向是活动的。又在其它情形下，该打印头相对于基底在X-Y-Z水平及垂直方向是活动的。本说明书用后者举例说明。
当打印头121在先前沉积轨道109上方移动时，驱动系统113包括旋转驱动器104，传动齿轮105a、105b，其用于将旋转驱动器104的旋转运动传送到柱塞103的纵向运动，柱塞103朝向喷嘴102推挤在管状馈入构件101的馈入通道区段120a内的模制材料。驱动器104的转动可经由传动齿轮105a、105b转换成柱塞103的平移，以及柱塞103的主轴传动(spindletransmission)。
借由旋转至平移传动施加于模制材料108的压力可导出使用以下两者的转换比(transfer ratio)判定的转矩：马达轴的角位移与附接于旋转至传动齿轮105a、105b的心轴的柱塞103的纵向位移。旋转驱动器104可为步进马达，它可用数字元方式控制以在选定方向前进离散数目的小步。旋转驱动器104也可为DC或AC电动马达或伺服马达，它可用供应至马达的电压及/或电流来控制。在后者的情形下，连接至马达轴的编码器可提供马达的位置信息。
熟谙此艺者应了解，利用使用于熔合沉积模制系统的非旋转驱动器及传动齿轮将压力施加于打印头中的模制材料的控制会与旋转型驱动器及传动装置类似。
柱塞103可设有位移传感器111，其可经配置为可测量柱塞103相对于管状馈入构件101的位移X。如图1a所示的习知技术图示用于示范馈入在管状馈入构件101中的模制材料棒杆至喷嘴102的实施例。在本技艺中，可找到馈入模制材料至喷嘴102的替代实施例，例如，使用可用电动马达驱动的丝线冲压滚轮(filament punch roller)，将模制材料丝线馈入到管状馈入构件101中。使用X-Y-Z定位系统用类似方式执行轨道110在先前沉积轨道109上面的沉积同时将模制材料丝线馈入到管状馈入构件101中。
图1a的系统100可用控制系统控制，该控制系统经配置为可用与必要轨道厚度及打印速度成正比的速率施配三维模制材料。为了实现此事，应取得模制材料108的预定流量。该控制系统控制旋转驱动器104，且位移传感器111测量柱塞103的位移X。柱塞103每一单位时间的位移提供模制材料108的流量，因而允许控制系统调节模制材料108施配于轨道110中的必要数量。
图1b的方块图图标流量控制系统112的实施例，其中，提供必要流量的设定值S给减法单元115，其经配置为可从设定值S减去每一单位时间的计算位移X，因而给出可供应至控制系统的调节器模块114的错误讯号。
在图1b中以方块图标的流量调节器模块114可设有比例、比例及积分、或比例积分及微分控制函数的适当转换函数(transfer function)H1。流量控制系统112可控制旋转驱动器104及传动齿轮105a、105b以及驱动系统113中从齿轮105b到柱塞103的主轴传动(spindle transmission)的传动。
如上述，柱塞103的位移可从位移传感器111得到，不过，熟谙此艺者可找到用于建立柱塞103的位移的替代案。
图2a根据习知技术图示借由模制材料的沉积的三维模制。模制材料的新轨道110a沉积于先前沉积轨道109上。在理想的情况下，沉积轨道是以连续方式沉积而成。先前沉积轨道与轨道之间在水平方向及垂直方向都没有间隙。在模制材料相对于必要轨道厚度和打印头121的沉积速度的流量被准确地控制时，可达成此事。沉积模制材料的程度及紧密度(tightness)高度取决于系统或打印机的校准。
图2b图示流量控制式三维模制被称为挤出不足的通病。在挤出不足下，空腔或间隙201出现在模制材料的沉积期间。轨道110b显示在打印于先前沉积轨道上时施配不完全。在三维模制系统没有被正确地校准时可能出现此类间隙201。在执行校准时，目标通常是要防止过度挤出，因为此会使制程不可靠。不过，完美的校准是不可能的，因为有随机误差，因此三维模制系统或打印机常有某种程度的挤出不足。副作用是，部份会没有密封性或耐压性且该部份的强度会次于最佳。
图2c图示过度挤出。在过度挤出下，模制材料进入过度挤出轨道110c的流量太高。结果，可能出现模制材料的脊突(crest)202，这是由喷嘴尖端102b累积模制材料且推挤多余模制材料到横向于沉积或打印方向的旁边造成。
在图3a中，模制材料的轨道110d经沉积成在先前沉积轨道109之间可理想地紧配合而与在这些轨道之间的剩余空间的容积无关。同样，在图3a中，先前沉积轨道109之间的空间比轨道本身窄。
在图3b的实施例中，紧配合的沉积轨道110e比先前沉积轨道宽。这会导致空腔的完全填入且改善与相邻及下面印制轨道的结合。因此，以此方式印制的部份会有最优渗漏紧密度及强度，这可用下述沉积模制系统达成。
图4a图示用于熔合沉积模制的三维模制系统400，其类似图1a。可提供转矩传感器401以测量由旋转驱动器104及传动齿轮105a、105b施加于柱塞103从而施加于模制材料108的转矩。从测得的转矩，可导出施加于在管状馈入构件101中的模制材料108的压力。
替换地，压力传感器可附接至柱塞103。该压力传感器经配置为可用于测量由柱塞103施加于模制材料108的压力。该柱塞压力传感器可附接至柱塞103的尖端以直接测量施加于模制材料108的压力。该柱塞压力传感器也可为附接至柱塞103与旋转驱动器104及/或传动系统105a、105b的接合点的力传感器。此外，该压力传感器可为附接至柱塞柄的应变计(strain gauge)。在压力或力施加于柱塞103时，该压力或力传递到模制材料108。由于有外加压力或力，柱塞柄可能变形，此变形可用应变计测量。由柱塞103施加于在管状馈入构件101的较高端的模制材料108的压力最终产生模制材料108在喷嘴102内的压力。
图4b的方块图图标用系统400执行压力控制式三维模制的控制系统412实施例。例如，转矩传感器401可提供驱动模制材料馈入构件的马达的测得转矩，它可用作指示施加于模制材料108的压力的测得参数PM，其中，测得转矩为在管状馈入构件101的馈入通道120a、120b内的压力的代表参数。替换地，马达电流可用作指示施加于模制材料108的压力的参数PM，其中，马达电流为在馈入通道120a、120b内的压力的代表参数。马达电流与由马达传输至柱塞103的传动齿轮105a、105b的转矩成正比。此外，柱塞压力可用作指示施加于模制材料108的压力的第一参数PM。
控制系统412可经配置为可用减法器403比较测得第一参数PM与参考参数值PR。减法器403拿参考参数值PR减测得第一参数PM，以产生供应至有转换函数H2的压力调节模块402的错误讯号或差额。转换函数H2可为比例(P)，比例及积分(PI)，或比例、积分及微分(PID)。压力调节模块402控制驱动系统113。
借由控制旋转驱动器104，转矩经由传动齿轮105a、105b施加于柱塞103，使用转矩传感器401可测量代表施加于馈入通道120a、120b中的模制进料的压力的转矩。因此，可达成在管状馈入构件101内的模制材料108的流量控制。
参考值或设定点PR可取决于打印头行进速度、间隙大小、温度、模制材料性质而有所不同。
图5图示用于控制在喷嘴尖端的流量的三维模制系统500，其对应至图4a的系统，其具有用于建立指示施加于模制材料108的压力的第一参数PM的替代方式。在图4a的系统中，该参数是指示施加于在打印头121内的模制材料108的压力，亦即，管状馈入构件101。在图5的系统中，指示施加于模制材料的压力的参数取决于在喷嘴102尖端102b施加于正被沉积于轨道110中的模制材料的压力。在借由施加压力于在打印头121内的模制材料108来挤出时，造成在沉积层110内有在喷嘴尖端102b处的压力，这产生推挤喷嘴尖端102b远离先前沉积轨道109的力，该力为施加于模制材料的压力的代表参数。此力从打印头121经由门架106及连接至待模制对象放在其上的基底504的X-Y-Z定位系统503传播。
替换地，X-Y-Z-系统及门架106可连接至地面。因此，待打印对象可在用作待打印对象的基底的地面上。然后，可测量在对象、地面之间施加于模制材料的力。
因此，该力也在门架106、打印头121之间传播且例如可在互连件107处测得。打印头121至图4a门架106的互连件107可用至少一回弹性连接构件502形成。位移传感器501可测量回弹性连接构件502的变形作为通过从打印头121经由X-Y-Z系统及基底到待建立对象的传播路径传输的力的度量，从而施加于沉积轨道110中的馈料的压力的度量。替换地，图4a系统也可实现该力的测量，其中，打印头121与门架106的互连件107设有测力计(loadcell)或应变计，其是测量由打印头121及正被沉积的轨道110施加的压力。
此外，在对象与基底504之间可测量施加于在正被沉积的层110中的模制材料的力，例如利用体重计或压力垫(pressure pad)。以此方式测得的力可指示施加于在正被沉积的层内的模制材料的压力。
如图6a至图6d所示，除了测量施加于在打印头121内的模制材料108的压力，如在说明图4a时所述，亦即，还可测量旋转驱动器104及传动系统105a、105b的转矩或在柱塞103的力，该转矩及力把施加于在管状馈入构件101内的模制材料108的压力描绘成第二参数。此外，可直接测量施加于在管状馈入构件101(亦即，馈入通道区段120a)内的模制材料108的压力，如图6a所示。为了得到适合用于打印模制材料于待沉积轨道110中的压力，由压力传感器601测量的压力可用来控制旋转驱动器104。
图6b图示压力传感器602的替代安置，其中，压力传感器602放在喷嘴102内，且其中，被感测的是在喷嘴102内的馈入通道区段120b的压力。用于测量馈入通道120b内的压力的替代案是要测量喷嘴102或喷嘴尖端102b的变形，例如使用设置在馈入通道区段120b四周的应变计603。
测量馈入通道120a、120b内的压力的替代案是要具有如图6d所示的压力传感器604，其配置在喷嘴102内且流体连接至喷嘴尖端102b。在喷嘴尖端102b测得的压力为施加于模制材料轨道110的压力。相对于图5，此法提供用于建立施加于在轨道110内的模制材料的压力的替代第三参数。
适合使用于上述用于测量打印头121内的压力的三维模制系统的压力传感器包括有可变形膜片的膜片传感器。例如水银的液体可传递在将会测量其中压力的模制材料通道(亦即，馈入通道120a、120b)内或在喷嘴尖端102b处的压力至膜片。传感器本身可为下列类型，包括薄膜金属传感器，与传感器有关的导体/应变计，压电传感器，磁阻式传感器(magneto-resistive sensor)，雷射干涉传感器(laser interferometer sensor)，与基于机械位移的传感器。
如图6a至图6d所示，使用用于形成沉积模制材料的连续轨道的流量控制，可沉积在先前沉积轨道109近旁的轨道110。轨道110的模制材料会借由经由喷嘴出口102a施加于它的压力而流到先前沉积轨道且与先前沉积材料熔合。图7a至图7c图示使用压力控制来沉积模制材料108的轨道的替代策略。
使用如图7a所示的流量或流量控制，沉积第一轨道701。图7b图示沉积与第一轨道701隔开的第二轨道702，其中，在第一轨道701与第二轨道702之间的空间中，可打印第三或中间轨道703。图7c图示使用压力控制在轨道701及702之间打印第三轨道703。模制材料填充在第一轨道701与第二轨道702之间的开放空间且与先前沉积轨道701、702熔合，致使轨道701至703形成没有间隙或空腔的连续层。
图8a、图8b图示打印策略的改良，其中，使用流量控制来沉积第一轨道堆栈801。使用压力控制，可沉积有较粗沉积轮廓的相邻轨道802a、802b作为填充物。
用于流量控制112及流量控制412的控制系统可纳入可程序逻辑控制器(PLC)，具有包括程序指令的内存(RAM，ROM，EPROM等等)的微控制器或处理器，所述程序指令在运作时造成处理器执行流量及压力的控制，如上述。
程序指令可包括用于从这些指示的力及转矩算出施加于模制材料108的压力的模块，如上述。此外，可计算在旋转驱动器104，传动齿轮105a、105b，模制材料管状馈入构件101及喷嘴102内由摩擦及其它原因引起的损失且用来补偿或修正控制回路412，如上述。
显然，熟谙此艺者明白，本发明的范畴不受限于上文所讨论的实施例，反而有可能有改善及修改而不脱离如随附权利要求所界定的本发明范畴。特别是，可做出本发明不同方面中的特定特征的组合。借由添加描述于本发明的另一方面的特征，可进一步有利地增进本发明的一方面。尽管已用附图及说明图示及详述本发明，然而此类图解说明及描述应被视为仅供图解或举例说明而不是限制。
本发明不受限于所揭露的具体实施例。在实施所主张的本发明时，从附图、说明及随附权利要求的研究，熟谙此艺者可了解及实现揭露具体实施例的变体。在权利要求中，用字「包括(comprising)」不排除其它的步骤或组件，且不定冠词「一(a)」或「一(an)」不排除复数个。以互不相同的附属权利要求来陈述一些措施的作法不表明所述措施的组合不能用来获益。权利要求中的任何组件符号应不被视为本发明范畴的限制。
附图标记说明
100 三维模制系统
101...管状馈入构件
102...喷嘴
102a...喷嘴出口
102b...喷嘴尖端
103...柱塞
104...旋转驱动器
105a、105b...传动齿轮
106...门架
107...连接件/互连件
108...模制材料
109...先前沉积轨道
110...沉积的FDM轨道/沉积层
110a...模制材料的新轨道
110b...模制材料施配不完全的轨道
110c...过度挤出的模制材料轨道
110d...紧配合地沉积的模制材料轨道
110e...比先前沉积轨道宽的模制材料轨道
111...位移传感器
112...流量控制系统
113...驱动系统
114...流量调节器模块
115...减法单元
120a、120b...馈入通道
121...三维模制打印头
400...在打印头内用于流量控制的三维模制系统
401...转矩传感器
402...压力调节模块
403...减法器
412...用于压力控制的控制系统
500...在喷嘴尖端用于流量控制的三维模制系统
501...位移传感器
502...回弹性连接构件
503...XYZ定位系统
601-604...压力传感器
701...第一轨道
702...第二轨道
703...使用压力控制的第三或中间轨道
801...第一轨道堆栈
802a-802b...相邻轨道
‘S’...流量设定点
‘X’...每一单位时间的位移
PR...压力设定点或参考值
PM...指示压力的测得参数/第一参数
‘H1’...流量控制转换函数
‘H2’...流量控制转换函数

Claims (30)

1.一种用于建立三维对象的三维模制系统，其包括：
一个三维模制打印头(121)；
该打印头(121)附接(106，107，502)至一定位构件(503)，其用以使该打印头(121)与正被印制的对象中的至少一者彼此空间性地相对移动；
该打印头(121)包括：
一管状馈入构件(101)；
配置在该管状馈入构件(101)的一端的一喷嘴(102)，该喷嘴(102)具有一喷嘴出口(102a)与用于介接在待建立的该对象上的模制材料(108)的先前沉积轨道(109)的一喷嘴尖端(102b)；
该管状馈入构件(101)包括用于馈入模制材料(108)至该喷嘴出口(102a)的一馈入通道(120a，120b)；
该系统(400，500)进一步包括：配置于该管状馈入构件(101)在该喷嘴(102)对面的一端的一模制材料馈入构件(103，104，105a，105b)，其中，该模制材料馈入构件经配置为可用于使一压力朝向该喷嘴(102)施加于在该馈入通道(120a，120b)内的该模制材料；
该系统(400，500)进一步包括：一压力判定构件(401，501，601-604)，其用于判定指示施加于该模制材料(108，110)的一压力的一第一参数(PM)；
该系统(400，500)进一步包括：一控制系统(412)，其经配置为可基于指示施加于该模制材料(108，110)的一压力的该经判定的第一参数(PM)来控制该模制材料馈入构件(103，104，105a，105b)；其中
该控制系统经配置为可用于控制该定位构件(106)及该打印头(121)，以供下列动作用：
沉积两个第一轨道(701，702)，其中所述两个第一轨道(701，702)被隔开，且
沉积在所述两个第一轨道(701，702)之间的一中间轨道(703，110d，110e)，同时使用指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数(PM)来控制施加于该模制材料(108，110)的该压力。
2.如权利要求1所述的系统，其中，该控制系统(412)经配置为可用于控制该模制材料馈入构件(103，104，105a，105b)以使指示施加于该模制材料(108，110)的一压力的该第一参数(PM)维持在一预定最小压力值与一预定最大压力值之间。
3.如权利要求1所述的系统，其中，该控制系统(412)经配置为可用于使指示施加于该模制材料(108，110)的一压力的该第一参数(PM)维持在一恒定值。
4.如权利要求1所述的系统，其中，该模制材料馈入构件(103，104，105a，105b)包括一可控驱动器(104)与一传动构件(105a，105b，103)，其用于传递由该驱动器(104)产生的一驱动力至该模制材料(108)。
5.如权利要求1所述的系统，其中，用于判定指示施加于该模制材料(108，110)的一压力的该第一参数(PM)的该压力判定构件(401，501，601-604)包括：一压力判定构件(401，601-604)，其用于判定指示施加于在该馈入通道(120a，120b)内的该模制材料(108)的一压力的一第二参数。
6.如权利要求5所述的系统，其中，该可控驱动器(104)包括一旋转驱动器，且其中，用于判定指示施加于在该馈入通道(120a，120b)内的该模制材料(108)的该压力的该第二参数的该压力判定构件(401，601-604)包括：用于判定由该旋转驱动器(104)及/或传动系统(105a，105b)施加的一转矩的一转矩判定构件(401)。
7.如权利要求6所述的系统，其中，该可控驱动器(104)包括一电动马达(104)，且其中，该转矩判定构件(401)包括一马达电流测量构件。
8.如权利要求5所述的系统，其中，该模制材料馈入构件(103，104，105a，105b)包括用于将模制材料棒杆馈入该管状馈入构件(101)的一柱塞(103)，且其中，用于判定指示施加于在该馈入通道(120a，120b)内的该模制材料(108)的该压力的该第二参数的该压力判定构件(401，601-603)包括：一压力传感器，其配置在该柱塞(103)用于测量由该柱塞(103)施加于该模制材料(108)的该压力。
9.如权利要求5所述的系统，其中，用于判定指示施加于在该馈入通道(120a，120b)内的该模制材料(108)的该压力的该第二参数的该压力判定构件(401，601-603)包括：连接至该管状馈入构件(101)的该馈入通道(120a)的一压力传感器(601)。
10.如权利要求9所述的系统，其中，用于判定指示施加于在该馈入通道(120a，120b)内的该模制材料(108)的该压力的该第二参数的该压力判定构件(401，601-603)包括：在该喷嘴(102)处连接至馈入通道(120a，120b)的一压力传感器(602)。
11.如权利要求10所述的系统，其中，该压力判定构件(601-603)包括一喷嘴变形传感器(603)。
12.如权利要求1所述的系统，其中，用于判定指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数(PM)的该压力判定构件(401，501，601-604)包括：一压力判定构件(501，604)，其用于判定指示施加于在正被沉积的该中间轨道(703，110d，110e)内的该模制材料的一压力的一第三参数。
13.如权利要求12所述的系统，其中，用于判定指示施加于在正被沉积的该中间轨道(703，110d，110e)内的该模制材料的一压力的该第三参数的该压力判定构件(501，604)包括：一压力传感器(604)，其在该喷嘴尖端(102b)处有一流体通道用于测量在该喷嘴尖端(102b)处的该沉积模制材料(110)的一压力。
14.如权利要求12所述的系统，其中，用于判定指示施加于在正被沉积的该中间轨道(703，110d，110e)内的该模制材料的一压力的该第三参数的该压力判定构件(501，604)包括：配置在该打印头(121)与该定位构件(504，106)之间的一力传感器(501)。
15.如权利要求14所述的系统，其中，该力传感器(501)配置在该打印头与该定位构件(106)的一互连件(107)处。
16.如权利要求12所述的系统，其中，用于判定指示施加于在正被沉积的该中间轨道(703，110d，110e)内的该模制材料的一压力的该第三参数的该压力判定构件(501，604)包括：配置在一基底(504)上的一力传感器，该基底经配置为可用于收容该待建立对象。
17.如权利要求1所述的系统，其进一步包括：一模制材料流量判定构件。
18.如权利要求17所述的系统，其中，该流量判定构件包括：用于判定该模制材料馈入构件(103，104，105a，105b)的位移的一位移传感器，且其中，该控制系统经配置为可用于借由判定每一单位时间的一位移来判定该流量。
19.如权利要求17所述的系统，其中，该流量判定构件包括：用于判定该模制材料的流量的一流量传感器。
20.如权利要求17及6所述的系统，其中，该流量判定构件包括：用于判定该驱动器(104，105a，105b)的一转速的一传感器。
21.如权利要求17所述的系统，其中，该控制系统(412)经进一步配置为可使用该经判定的模制材料流量来交替控制该模制材料(108)的一流量。
22.如权利要求21所述的系统，其中，该控制系统(412)经进一步配置为可控制该定位构件(106)及该打印头用于沉积所述两个第一轨道(701，702)，同时控制该模制材料流量。
23.一种用于建立三维对象的三维模制方法，其包括：
使用如权利要求1所述的用于三维模制的系统(400，500)来执行三维模制该三维对象的步骤，其包括：
使用该模制材料馈入构件(104，105a，105b，103)馈入该模制材料(108)；
判定指示施加于该模制材料的一压力的一第一参数(PM)；
根据指示施加于该模制材料(108，110)的该压力的该第一参数(PM)来控制该模制材料馈入构件(104，105a，105b，103)；
沉积三维模制材料的两个第一轨道(701，702)，其中所述两个第一轨道(701，702)被隔开；与
沉积在所述两个第一轨道(701，702)之间的一中间轨道(703，110d，110e)，同时使用指示施加于该模制材料(108，110)的一压力的该第一参数(PM)来控制施加于该模制材料的该压力。
24.如权利要求23所述的方法，其中，根据指示施加于该模制材料(108，110)的该压力的该第一参数(PM)来控制该模制材料馈入构件(104，105a，105b，103)的控制(412)的步骤包括：
比较(403)指示施加于该模制材料(108，110)的该压力的该第一参数(PM)与一参考值(PR)；且其中
该控制是基于该第一参数(PM)与该参考值(PR)的差额。
25.如权利要求24所述的方法，其中，根据指示施加于该模制材料(108，110)的该压力的该第一参数(PM)来控制该模制材料馈入构件(104，105a，105b，103)的控制(412)的步骤包括：
使指示施加于该模制材料(108，110)的该压力的该第一参数(PM)维持在一先前经判定的最小压力值与一先前经判定的最大压力值之间。
26.如权利要求25所述的方法，其中，根据指示施加于该模制材料(108，110)的该压力的该第一参数(PM)来控制该模制材料馈入构件(104，105a，105b，103)的控制(412)的步骤包括：
使指示施加于该模制材料(108，110)的该压力的该第一参数(PM)维持在一先前经判定的恒定值。
27.如权利要求23所述的方法，其中，判定指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数(PM)的步骤包括：判定一第二参数，其指示施加于在该管状馈入构件(101)及/或喷嘴(102)的该馈入通道(120a，120b)内的该模制材料(108)的一压力。
28.如权利要求23所述的方法，其中，判定指示施加于该模制材料的一压力的该第一参数(PM)的步骤包括：判定一第三参数，其指示施加于在正被沉积的该轨道(110，703)内的该模制材料的一压力。
29.如权利要求23所述的方法，其进一步包括：
判定一模制材料流量；
使用该模制材料流量来交替控制该模制材料(108)的一流量。
30.如权利要求29所述的方法，其进一步包括：
沉积所述两个第一轨道(701，702)，同时控制该模制材料流量。
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