CN110770005B - 具有对打印路径的依路径控制的3d打印过程 - Google Patents

Abstract

一种用于在增材熔融沉积模制过程中由细丝状建造材料生产物体的方法，包括如下步骤：供应所述建造材料；以用于所述建造材料的供给速率将所述建造材料运输到打印头内，其中所述建造材料在被驱动的驱动轮和第二轮之间被运输；借助所述打印头内的加热设备熔化所述建造材料；以排出速率通过所述打印头的孔将熔化的所述建造材料排出到对应于要被生产的所述物体的所选横截面的排出位置，同时所述打印头沿着预定路径以预定移动速度相对于所述排出位置移动，其中所述路径在每个位置处具有可为正值、零或负值的曲率；其中控制单元根据打印路径的曲率至少控制所述驱动轮的驱动、所述打印头内的所述加热设备和所述打印头的移动。同样还公开了用在用于利用细丝状建造材料执行增材熔融沉积模制过程的装置中的控制单元。

Description

具有对打印路径的依路径控制的3D打印过程

本发明涉及一种用于在增材熔融沉积模制过程中由细丝状构造材料生产物品的过程，包括如下步骤：供应所述构造材料；以用于所述构造材料的供给速率将所述构造材料递送到打印头内；其中，在被驱动的驱动轮和第二轮之间传送所述构造材料；借助所述打印头中的加热设备熔化所述构造材料；根据要被生产的物品的所选横截面将熔化的所述构造材料以排出速率通过所述打印头的孔排出到排出位置，同时打印头沿着预定路径以预定移动速度相对于所述排出位置移动，其中所述路径在每个位置处都具有可为正值、零或负值的曲率；其中控制单元至少控制驱动轮的驱动、打印头中的加热设备和打印头的移动。本发明类似地涉及一种用在用于利用细丝状构造材料执行增材熔融沉积模制过程的系统中的控制单元。

增材制造过程或3D打印过程是用来以一层一层的方式构造物品的过程。因此，它们明显不同于其它用于生产物品的过程，比如铣削或钻削。在后者的过程中，物品被处理以使得该物品通过材料移除来得到其最终几何形状。

增材制造过程利用不同的材料和过程技术来实现物品的分层构造。例如，在熔融沉积模制（FDM）过程中，将热塑性细丝液化并且利用喷嘴的辅助将其一层一层地沉积到可移动的构造平台上。固化产生固体物品。基于该物品的CAD绘图来控制所述喷嘴和构造平台。针对这种技术的早期专利文件是US5121329。如果这个物品的几何形状是复杂的，例如带有几何底切，那么就不得不还得打印支撑材料以及在所述物品完成之后再将该支撑材料移除。

对打印过程的动态控制形成了US2015/097308的主题，例如。这个专利申请公开了一种用于三维部件的分层打印的增材制造系统，包括：构造成供应可消耗材料的驱动系统；构成接收所述可消耗材料的液化器管；构造成熔化所述可消耗材料的加热设备；构造成挤出熔化的所述可消耗材料的喷嘴；至少一个传感器，其构造成测量所述液化器管内的压力，以及控制器，其构造成基于测量的压力利用驱动机构来调节所述可消耗材料的供给速率。在封闭控制环中控制挤出物的材料流速率。

另一种控制打印过程的方法形成了US2015/0266244A1的主题。这个专利申请涉及一种用于使用用于一个或多个构造材料的挤出机生产物品的系统。这个挤出机具有至少一个喷嘴，所述喷嘴带有喷嘴尖，该喷嘴尖具有出口开口和大于或等于所述出口开口的宽度的长度。该系统还具有控制器，该控制器联接到所述挤出机并且被构造成使用基于要被生产的物品的表面的斜坡计算得到的用于喷嘴的路径的修正因数。用于正斜坡的修正因数不同于用于负斜坡的修正因数。挤出机还被构造成使得喷嘴沿着该路径移动以将材料沉积在所述表面的斜坡上。修正因数去除了因相对于路径的斜坡引起的所沉积材料的厚度中的区别。

根据本发明目的由具有权利要求1的特征的过程和由具有权利要求12的特征的控制单元实现。在从属权利要求中指出了根据本发明的过程的优选实施例。它们可被按期望的方式组合，除非上下文中确定无疑地给出相反的指示。

一种用于在增材熔融沉积模制过程中由细丝状构造材料生产物品的过程，包括如下步骤：

-供应所述构造材料；

-以用于所述构造材料的供给速率将所述构造材料递送到打印头内；

-借助所述打印头内的加热设备熔化所述构造材料；

-根据要被生产的所述物品的所选横截面将熔化的所述构造材料以排出速率通过所述打印头的孔排出到排出位置，同时所述打印头沿着预定路径以预定移动速度相对于所述排出位置移动，

其中所述路径在每个位置具有可为正值、零或负值的曲率；

其中控制单元至少控制所述构造材料的递送、所述打印头内的所述加热设备和所述打印头的移动。

该过程的特点在于如下事实：根据所述打印头在其相对于所述排出位置移动期间所处的位置处的所述路径的曲率，

控制单元控制所述打印头的相对移动，使得

所述打印头经历相对运动时的速度与所述曲率的绝对值负相关，

控制单元控制所述构造材料的所述供给速率，使得

所述供给速率与所述曲率的绝对值负相关，以及

控制单元控制打印头内的加热设备，使得

所述加热设备的温度与构造材料的供给速率正相关和/或与打印头经历相对运动时的速度正相关。

在根据本发明的过程中，一层一层地构造物品。该过程因此是熔融沉积模制（FDM）过程。根据本发明的该过程中的步骤顺序被重复直到已经形成该物品。如果重复应用的次数足够低，也可以指的是要被构造的二维物品。这种二维物品也可以被表征为涂层。对于它的构造，例如为了应用可以进行≥ 2到≤ 20次的重复。

要被形成的物品的电子模型有利地被保持在CAD程序中。该CAD程序然后可计算该模型的横截面，这个横截面通过施加细丝变成物品的横截面。

被应用的一根根的细丝可具有≥ 50 µm到≤ 5000 µm的直径，例如。

该构造材料可包含选自以下组的可熔聚合物，所述组包括：聚氨酯、聚酯、聚环氧烷、增塑的PVC、聚酰胺、蛋白质、PEEK、PEAK、聚丙烯、聚乙烯、热塑性弹性体、POM、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、ABS、聚酰胺、共聚酯酰胺、热塑性弹性体、热塑性聚氨酯弹性体或这些中至少两种的组合。

除了可熔聚合物之外，所述构造材料还可包括另外的添加剂，例如填充剂、稳定剂等，以及其他的聚合物。在一层中的添加剂的总含量可例如≥ 0.1%按重量到≤ 50%按重量，优选地≥ 0.3%按重量到≤ 25%按重量，尤其优选地0.5%到15%按重量。

在根据本发明的过程中，所供应的构造材料被递送到打印头内，打印头在最简单的情况下可被认为是可控挤出喷嘴。作为用于递送的驱动器，例如使用被驱动轮（驱动轮）和第二轮，第二轮可类似地被驱动，或者替换地，可不被驱动。构造材料此时位于这些轮之间并且至少通过驱动轮的运动被递送到打印头内。在打印头中，构造材料此时借助加热设备被熔化。

熔化的构造材料被排出到排出位置上。排出位置可以是用于要被建立的物品的支撑件。对于物品的逐层建立的第一次通过来说通常如此。随着物品的建立的发展，排出位置通常是构造材料的前一沉积层。根据增材制造的原理，沉积的发生是根据要被生产的物品的所选横截面。

为了描述排出过程，考虑排出速率，其描述了熔化的构造材料通过为此目的提供的打印头（喷嘴）孔的材料流。该排出速率可以mg构造材料/秒为单位给出，例如。在简单的但权宜地设计的打印头中，可通过构造材料的供给速率直接控制排出速率。

排出过程的另一个描述符是打印头相对于排出位置的移动速度。打印头的速度，例如，以厘米/秒为单位，可通过3D打印机的控制器监测。

根据FDM打印的概念，打印头沿着预定路径移动（以相对的方式）。在有材料从打印头排出的部分中，路径对应于要被生产的物品的相应横截面。这种打印路径的一个几何描述符是路径的曲率。该路径的曲率优选地被定义为使得，在路径在x/y坐标系中延伸的情况下，y坐标对x坐标的二阶导数d²y/dx²代表曲率。为零的路径曲率对应直线。不为零的曲率的符号由x/y坐标系的定位确定，因此以曲率的绝对值为基础作为过程中的控制变量。

在根据本发明的过程中，控制单元至少控制用于构造材料的供给速率（例如，驱动轮的驱动）、打印头中的加热设备和打印头的（相对）运动。这优选地不仅以二进制方式（开/关）实施，而且还连续地（例如，借助脉宽调制）实施。

根据本发明，想到控制单元根据路径曲率影响3D打印过程。这使得可以在实际中在沿着路径的构造材料可以被更快地排出而不丧失精度的位置处更快地排出构造材料。相反，可以在沿着路径的指示更精密的打印过程的位置处以适当的精度工作。

控制单元与路径曲率的绝对值负相关地控制打印头的（相对）运动：打印头的（相对）运动和路径曲率的绝对值是相反的。当路径曲率的绝对值升高时，打印头经历相对运动时的速度降低。在更低弯曲或笔直部分上，打印头移动得（相对地）比在路径的弯曲部分中更快。对于熔融构造材料的排出速率来说同样如此，该排出速率通过供给速率确定：如果打印头能够更快地移动，必须递送更多的材料。同样地，加热设备也必须能够管理增加的材料要求，并且因此，在增加的供给速率和/或增加的（相对的）打印头速度下，对应的热输出也能用于熔化构造材料。

在最简单的情况下，路径曲率和打印头的（相对）运动之间的关系可以是线性关系。路径曲率和打印头的（相对）运动此时借助恒定的比例因数相关联。这同样适用于路径曲率和构造材料的供给速率以及加热设备的温度之间的关系。

控制单元可以调节打印路径的曲率以引入在非常尖锐的曲线的情况下对打印过程有益的光滑。

整体上，根据本发明的过程因此使得可以增加FDM过程的效率，而不必在3D打印的精度方面做出让步。

在该过程的优选实施例中，在打印头经历相对运动时的速度和路径的曲率的绝对值之间的负相关由非线性函数表达。合适的函数尤其是那些不具有任何拐点并且保持单值的函数。二次函数或指数函数是这些函数的示例。函数是连续的这一事实不保证它们适合于本发明。根据本发明还包括复合函数，复合函数的各个部分与路径曲率的不同区域相关。

在该过程的另一个优选实施例中，构造材料的供给速率和路径曲率的绝对值之间的负相关由非线性函数表达。合适的函数尤其是那些不具有任何拐点并且保持单值的函数。二次函数或指数函数是这些函数的示例。函数是连续的这一事实不保证它们适合于本发明。根据本发明还包括复合函数，复合函数的各个部分与路径曲率的不同区域相关。

在该过程的另一个优选的实施例中，加热设备的温度和构造材料的供给速率之间的正相关由非线性函数表达。合适的函数尤其是那些不具有任何拐点并且保持单值的函数。二次函数或指数函数是这些函数的示例。函数是连续的这一事实不保证它们适合于本发明。根据本发明还包括复合函数，复合函数的各个部分与路径曲率的不同区域相关。

在该过程的另一优选的实施例中，加热设备的温度和打印头经历相对运动时的速度之间的正相关由非线性函数表达。二次函数或指数函数是这些函数的示例。

也可利用低通滤波器提供加热设备中的根据打印头的相对速度的温度调整。例如，可以使用针对打印过程期间的下2秒或下5秒的打印头的预先计算的平均相对速度作为计算的基础。由此在根据本发明的过程中实施进一步的预测性要素。

在另一个优选的实施例中，控制单元区分要生产的物品的在最终物品上从外部可见的区域和从外部不可见的区域。在这种情况下，与可见的相当的区域相比，不可见的区域在打印头的更高相对速度下被制造。因此，在外部外观不重要的部分的情况下，可以减少制造时间。

在另一个优选的实施例中，这个非线性函数包含选自构造材料的与剪切速率相关的粘度、构造材料的与温度相关的粘度、构造材料的热容、构造材料的传热系数、可用于打印头和构造材料之间的传热的表面、在打印头和构造材料之间的传热系数的项或两个或更多个这些项的组合。关于可用于打印头和构造材料之间的换热的表面，更加优选的是，在这种情况下，考虑打印头的构造材料与打印头接触的位置处的且具有比局部构造材料温度高约≥ 5°C的温度的内表面。

在该过程的另一个优选实施例中，控制单元被设计为检测，借助至少一个预定义的标准，构造材料的排出速率是否低于预定排出速率超过预定量，并且如果满足了所述至少一个标准则允许发生至少一个预定动作。以这种方式，可以检测并消除打印过程中的故障。

所述至少一个预定动作优选地选自如下：使喷嘴不受喷嘴中存在的挡块的阻挡、减少驱动轮的驱动速度、增加加热设备中的温度或它们的组合。

类似地优先从下列中选择所述至少一个预定义的标准：构造材料的不正确递送（例如，驱动轮和第二轮之间的速度差）、打印头内超过预定压力或它们的组合。

在该过程的另一个优选实施例中，控制单元确定在沿着路径在打印头前方预定距离处的位置处的路径曲率并且根据预定函数定义加热设备的温度。这个变量因此包含预测性要素。以这种方式，在热输出开始增加和打印头中的构造材料的温度增加之间的时间延迟可被补偿。类似地以预测的方式，如果在路径的另外一段中指示更低的熔化的构造材料的温度，那么可降低该温度。

在该过程的另一优选实施例中，用于

打印头经历相对运动时的速度和曲率的绝对值之间的负相关，

供给速率与曲率的绝对值之间的负相关，和/或

加热设备的温度和构造材料的供给速率和/或打印头经历相对运动时的速度之间的正相关的相关因数

在根据本发明的过程之前和/或期间通过标定在根据本发明的过程中使用的增材熔融沉积模制机器确定。

本发明的另一方面是用在用于利用细丝状构造材料执行增材熔融沉积模制过程的系统中的控制单元，其中所述过程包括以下步骤：

-供应所述构造材料；

-以用于所述构造材料的供给速率将所述构造材料递送到打印头内（其中，构造材料优选地在被驱动的驱动轮和第二轮之间被递送）；

-借助所述打印头中的加热设备熔化所述构造材料；

-根据要被生产的物体的所选横截面以排出速率通过所述打印头的孔将熔化的所述构造材料排出到排出位置，同时所述打印头沿着预定路径以预定移动速度相对于所述排出位置移动，

其中所述路径在每个位置处具有可为正值、零或负值的曲率；

并且其中所述控制单元至少控制所述构造材料的递送、打印头内的加热设备和打印头的移动。

所述控制单元被设计成：根据打印头在其相对于排出位置移动期间所处的位置处的路径的曲率，

控制打印头的相对运动以使得所述打印头经历相对运动时的速度与曲率的绝对值负相关，

控制构造材料的供给速率以使得该供给速率与曲率的绝对值负相关，以及

控制打印头的加热设备以使得加热设备的温度与用于构造材料的分布器设备正相关和/或与打印头经历相对运动时的速度正相关。

还可能的是，控制单元被同样地设计成实施之前描述的根据本发明的过程的优选实施例。

参照下列附图进一步阐明根据本发明的过程的多个方面，但是并不限于这些附图。在附图中：

图1示出了构造材料的非线性特征；

图2示出了根据本发明的过程中的流程图；

图3示出了根据本发明的过程中的另一流程图；

图4示出了根据本发明的过程中的另一流程图。

图1示出了构造材料的非线性特征。在控制单元可访问的数据库中为各种不同的材料存储加热设备的温度与构造材料的供给速率之间的正相关。非线性特征的另一个示例是指数升高特征，该特征指示在小供给速率的情况下的小温度升高，并且遵循指数增长定律，指示了在更高供给速率的情况下的剧烈温度升高。

图2示出了与根据本发明的过程相关的流程图。这个流程图关于调节构造材料的进入打印头的递送速率这一方面。这里，术语“递送速率”是用作“供给速率”的同义词。一般来说，控制单元控制构造材料的供给速率以使得供给速率与打印路径的曲率的绝对值负相关。在3D打印过程的开始时，控制单元访问包含关于材料的信息的数据库，该信息可包含例如在图1中描述的特征。打印头的所允许的行进速度还被确定以用于相应所遇到的打印路径的曲率。基于此，确定构造材料的进入打印头的设置点递送速率。实际递送速率（并且因此间接地排出速率）在控制电路中被与该设置点比较并且在需要时被调节。另一控制操作关于打印头的行进速度，这同样地被连续地确定并且在需要时被调节。这种情况发生在打印路径的曲率变化时。在所允许的行进速度有变化的情况下，也会自动调节递送速率。

图3示出了与根据本发明的过程相关的另一流程图。在这种情况下，打印头被分成两个功能区域：热端熔化所引入的构造材料，以及挤出机向外传送熔化的材料。首先，控制单元加载关于该材料和打印路径的信息（片数据）并调节热端中的温度到设置点。在已经达到设置点之后，挤出过程开始，在挤出过程中打印头中的被驱动的驱动轮的速度nA和非被驱动的驱动轮的速度nL在此处被比较。如果它们在预先确定的容差窗口内重合，那么实际打印过程可被执行。速度差指示打印头中的故障，并且在这种情况下，因此调用形式为带有不同的消除问题的方式的方案矩阵的方案。

图4示出了与根据本发明的过程相关的另一流程图，其中描述了用于故障处理的方法。如果检测到故障，从包含存储的方案的矩阵（方案矩阵）中选择合适的解决方法。在目前的情况下，解决方法包括通过加热和冲刷清洗打印头，例如通过在位于物品的打印区域外侧的刷头上驱动打印头。在完成清洗过程之后，重复中断的打印过程。为了决定这是否取得成功，还要参考基于打印路径曲率的所允许的行进速度和包含关于构造材料的信息的数据库。在成功消除故障的情况下，打印过程按计划继续进行。否则，建议更换打印头或打印喷嘴。

Claims (13)

1.一种用于在增材熔融沉积模制过程中由细丝状构造材料生产物品的过程，包括如下步骤：

-供应所述构造材料；

-以用于所述构造材料的供给速率将所述构造材料递送到打印头内；

-借助所述打印头内的加热设备熔化所述构造材料；

-根据要被生产的所述物品的所选横截面以排出速率通过所述打印头的孔将熔化的所述构造材料排出到排出位置，同时所述打印头沿着预定路径以预定移动速度相对于所述排出位置移动，其中所述路径在每个位置处具有可为正值、零或负值的曲率；

其中控制单元至少控制所述构造材料的递送、所述打印头内的所述加热设备和所述打印头的移动；

其特征在于

根据所述打印头在其相对于所述排出位置移动期间所处的位置处的所述路径的曲率：

所述控制单元控制所述打印头的相对运动以使得所述打印头经历相对运动时的速度与所述曲率的绝对值负相关，

所述控制单元控制所述构造材料的所述供给速率以使得所述供给速率与所述曲率的绝对值负相关，以及

所述控制单元控制所述打印头内的所述加热设备以使得所述加热设备的温度与所述构造材料的所述供给速率正相关和/或与所述打印头经历相对运动时的速度正相关。

2.如权利要求1所述的过程，其特征在于，所述构造材料在被驱动的驱动轮和第二轮之间被传送。

3.如权利要求1或2所述的过程，其特征在于，在所述打印头经历相对运动时的速度和所述路径的所述曲率的所述绝对值之间的负相关由非线性函数表示。

4.如权利要求1或2所述的过程，其特征在于，在所述构造材料的所述供给速率和所述路径的所述曲率的所述绝对值之间的负相关由非线性函数表示。

5.如权利要求1或2所述的过程，其特征在于，在所述加热设备的温度和所述构造材料的所述供给速率之间的正相关由非线性函数表示。

6.如权利要求1或2所述的过程，其特征在于，在所述加热设备的温度和所述打印头经历相对运动时的速度之间的正相关由非线性函数表示。

7.如权利要求6所述的过程，其特征在于，所述非线性函数包含选自下面的项：所述构造材料的与剪切速率相关的粘度，所述构造材料的与温度相关的粘度，所述构造材料的热容，所述构造材料的传热系数，可用于所述打印头和所述构造材料之间的传热的表面，所述打印头和所述构造材料之间的传热系数或两个或更多个这些项的组合。

8.如权利要求1或2所述的过程，其特征在于，所述控制单元被设计成借助至少一个预定义的标准检测所述构造材料的排出速率是否低于预定排出速率超过预定量并且如果满足了所述至少一个标准就允许至少一个预定动作发生。

9.如权利要求8所述的过程，其特征在于，所述至少一个预定动作选自下列：使喷嘴不受所述喷嘴中存在的挡块的阻挡，减少被驱动的驱动轮的驱动速度，增加所述加热设备中的温度或它们的组合。

10.如权利要求8所述的过程，其特征在于，所述至少一个预定义的标准选自下列：所述构造材料的不正确递送，所述打印头内超过预定压力或它们的组合。

11.如权利要求1或2所述的过程，其特征在于，所述控制单元确定沿着所述路径在所述打印头前面预定距离处的位置处的所述路径的曲率并且根据预定函数定义所述加热设备的温度。

12.如权利要求1或2所述的过程，其特征在于，在所述过程之前和/或期间通过标定用在所述过程中的增材熔融沉积模制机器来确定用于

在所述打印头经历相对运动时的速度和所述曲率的绝对值之间的负相关、

在所述供给速率和所述曲率的绝对值之间的负相关、和/或

在所述加热设备的温度和所述构造材料的供给速率和/或所述打印头经历相对运动时的速度之间的正相关的相关因数。

13.一种用于用在用于利用细丝状构造材料执行增材熔融沉积模制过程的系统中的控制单元，其中所述过程包括如下步骤：

-供应所述构造材料；

-以用于所述构造材料的供给速率将所述构造材料递送到打印头内；

-借助所述打印头内的加热设备熔化所述构造材料；

-根据要被生产的物体的所选横截面以排出速率通过所述打印头的孔将熔化的所述构造材料排出到排出位置，同时所述打印头沿着预定路径以预定移动速度相对于所述排出位置移动，其中所述路径在每个位置处具有可为正值、零或负值的曲率；

其中控制单元至少控制所述构造材料的递送、所述打印头内的所述加热设备和所述打印头的移动；

其特征在于

所述控制单元被设计成，根据所述打印头在其相对于所述排出位置移动期间所处的位置处的所述路径的曲率：

控制所述打印头的相对运动以使得所述打印头经历相对运动时的速度与所述曲率的绝对值负相关，

控制所述构造材料的所述供给速率以使得所述供给速率与所述曲率的绝对值负相关，以及

控制所述打印头内的所述加热设备以使得所述加热设备的温度与所述构造材料的所述供给速率正相关和/或与所述打印头经历相对运动时的速度正相关。

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