CN110948851A - 用多喷嘴挤出机提供三维物体结构化支撑件的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明题为“用多喷嘴挤出机提供三维物体结构化支撑件的系统和方法”。一种在增材制造系统中操作多喷嘴挤出机的方法使得能够在形成物体的同时形成支撑结构。该方法包括：在多喷嘴挤出机中打开多于一个喷嘴；以及用控制器操作致动器以沿着路径移动多喷嘴挤出机，以用从打开的多于一个喷嘴挤出的材料同时形成支撑结构的第一组多个平行的带状物。

Description

用多喷嘴挤出机提供三维物体结构化支撑件的系统和方法

本公开涉及用于三维物体打印机的多喷嘴挤出机，更具体地，涉及此类挤出机的操作。

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作三维 (3D)立体物体的工艺。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挤出机，该挤出机将挤出材料(诸如ABS塑料)软化或熔融成热塑性材料，然后以预先确定的图案排出热塑性材料。打印机通常操作挤出机以形成连续的热塑性材料层，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，该热塑性材料冷却并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。

许多现有的三维打印机使用单喷嘴挤出机。打印头在预先确定的路径中移动，以基于三维打印物体的模型数据，通过单个喷嘴将构建材料排出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，使用仅具有单个喷嘴的打印头来排出构建材料常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更快地形成三维打印物体，但是对于更高细节的物体失去了以更精细形状排出构建材料的能力，而具有较窄直径的喷嘴可形成更精细的细节结构但需要更多时间来构建三维物体。

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。在一些多喷嘴挤出机中，喷嘴形成在共同的面板中，并且通过喷嘴挤出的材料可以来自一个或多个歧管。在具有单个歧管的挤出机中，喷嘴中的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包括阀，该阀被操作以选择性地打开和关闭喷嘴。这种能力使得从喷嘴挤出的热塑性材料条带的形状能够通过改变挤出材料的喷嘴的数量并选择性地操作哪些喷嘴挤出材料来变化。在具有多个歧管的多喷嘴挤出机中，一些喷嘴可挤出与由其他喷嘴挤出的材料不同的材料，这取决于喷嘴连接到的歧管。从歧管中的一个歧管到其对应的喷嘴的流体路径可包括阀，该阀被操作以选择性地打开和关闭该喷嘴。这种能力使得条带中的材料成分能够变化，并且从喷嘴挤出的热塑性材料条带的形状也可以变化。同样，这些变化是通过改变挤出材料的喷嘴的数量和改变哪些喷嘴被打开以挤出材料来实现的。这些多喷嘴挤出机使得不同的材料能够从不同的喷嘴挤出以形成物体，而不必协调不同挤出机体的移动。这些不同的材料可增强增材制造系统以生产出具有不同颜色、物理性质和构型的物体的能力。另外，通过改变挤出材料的喷嘴的数量，可以改变所产生的条带的尺寸，以在需要精确的特征部形成的区(诸如物体边缘)中提供窄的条带，并提供较宽的条带以快速形成物体的区，诸如其内部区域。

许多3D物体具有在打印表面上方悬臂的特征部和附属物，并且不能使用物体的简单逐层分解来打印。在形成这些物体时，必须打印某种形式的支撑件，使得特征部和附属物的初始层可以构建在支撑件上而不是在半空中。在一些情况下，该支撑件由与用于形成部件的材料不同的材料形成，并且该支撑材料被选择为可容易地从物体中移除的材料。对于使用单喷嘴挤出机的制造系统，提供另一单喷嘴挤出机以形成具有不同材料的支撑结构，然而，添加另一挤出机的复杂性，并且在大多数情况下，需要附加的时间来操作该附加的挤出机以打印支撑结构材料在时间和资源上可是昂贵的。

使用多喷嘴挤出机可解决使用多个单喷嘴挤出机时出现的一些问题，因为不同的喷嘴可被连接到不同的材料源。遗憾的是，此类构型减少了可用于形成3D物体结构的喷嘴的数量，使得内部填充条带更窄并且需要更多的通路。此外，多喷嘴挤出机头的操纵是复杂的，因为喷嘴必须定位成将支撑结构材料挤出到仅形成支撑结构的位置，并且必须将挤出构建材料的喷嘴定位到仅形成物体部分和特征部的位置。如果使用已知技术利用构建材料形成支撑结构，则支撑结构成为形成的物体的一部分，并且不能在不破坏物体的结构完整性的情况下与物体分离。更有效地使用多喷嘴挤出机来形成物体部分和支撑结构将是有益的。

一种新的多喷嘴挤出机系统被构造成使得物体部分和支撑结构能够用单个多喷嘴挤出机形成，而不从挤出机挤出不同的材料。多喷嘴挤出机系统包括多喷嘴挤出机、多个阀、致动器以及控制器，该多喷嘴挤出机具有带多个喷嘴的面板，多个阀中的每个阀被构造成以一对一的对应关系打开和关闭喷嘴中的一个喷嘴，该致动器操作地连接到多喷嘴挤出机，该致动器被构造成在平行于面板的平面中移动多喷嘴挤出机并被构造成使多喷嘴挤出机朝向和远离多喷嘴挤出机在其上排出挤出材料的表面移动，该控制器操作地连接到致动器和多个阀。该控制器被构造成打开多喷嘴挤出机中的多于一个喷嘴，并且操作致动器以使多喷嘴挤出机沿平行于面板的平面中的路径移动，以形成支撑结构的第一组多个平行带状物，同时使材料从打开的多于一个喷嘴挤出。

一种操作多喷嘴挤出机系统的方法使得物体部分和支撑结构能够用单个多喷嘴挤出机形成，而不从挤出机挤出不同的材料。该操作方法包括：打开多喷嘴挤出机中的多于一个喷嘴；以及用控制器操作致动器以沿路径移动多喷嘴挤出机以形成支撑结构的第一组多个平行带状物，同时使材料从打开的多于一个喷嘴挤出。

构造成使得物体部分和支撑结构能够用单个多喷嘴挤出机形成而不从挤出机挤出不同的材料的多喷嘴挤出机系统的前述方面和其他特征在下面的描述中结合附图对其进行了说明。

附图说明

图1示出了一种增材制造系统，该增材制造系统可被操作为用单个多喷嘴挤出机以形成物体部分和支撑结构而不从挤出机挤出不同的材料。

图2A示出了由图1的系统形成的支撑结构的隔离柱。

图2B示出了由图1的系统形成的以垂直角度交叉的支撑结构的交替的层。

图2C示出了由图1的系统形成物体的周边时支撑结构的形成。

图2D示出了由图1的系统形成的图2C的支撑结构的侧视图。

图2E示出了图2D中的支撑结构的顶视图。

图2F示出了由图1的系统形成的在实心层的块上具有隔离柱的支撑结构的形成。

图2G示出了由图1的系统形成的在隔离柱上的实心层的块的形成和实心层的块上多个隔离柱的形成。

图2H示出了由图1的系统形成的在多个隔离柱上以45°角度形成的条带层，以支撑物体的悬垂特征部。

图3示出了用于填充物体的内部区域的现有技术的挤出机喷嘴阵列构型和移动路径。

图4示出了用于形成圆柱形物体的图3的现有技术喷嘴阵列的打开的喷嘴和关闭的喷嘴的组合。

如本文所用，术语“挤出材料”是指在增材制造系统中从挤出机排出的材料。挤出材料包括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工艺中支撑构建材料的部分并且然后在完成打印工艺之后任选地移除的“支撑材料”。构建材料的示例包括但不限于丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)塑料、聚乳酸(PLA)、脂肪族或半芳香族聚酰胺(尼龙)、包括悬浮碳纤维或其他聚合材料的塑料、导电聚合物以及可进行热处理以产生适于通过挤出机排出的热塑性材料的任何其他形式的材料。构建材料还包括不需要加热但稍后通过暴露在空气或能量(诸如紫外线或热量)下硬化的其他材料。这些类型的材料包括食品材料。例如，可挤出巧克力和奶酪以形成各种形状的物体，诸如兔子、鸡蛋等。支撑材料的示例包括但不限于高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、聚乙烯醇(PVA)和能够在热处理后挤出的其他材料。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”。该长丝以固定形式提供，由一个或多个辊从线轴或其他供应源牵拉挤出材料长丝并将该长丝馈送到流体连接到挤出机内的歧管的加热器。尽管所示示例使用作为长丝供应给加热器的挤出材料，但也可以使用其他挤出材料供应源，诸如颗粒或球形球挤出材料。加热器软化或熔融挤出材料长丝，以形成流入歧管中的热塑性材料。当位于喷嘴和歧管之间的阀打开时，热塑性材料的一部分从歧管流过喷嘴并作为热塑性材料流排出。如本文所用，当术语“熔融”应用于挤出材料时是指挤出材料的任何温度升高，其软化或改变挤出材料的相，以使在三维物体打印机的操作期间热塑性材料能够通过挤出机中的一个或多个喷嘴挤出。在该文档中，熔融的挤出材料也表示为“热塑性材料”。如本领域技术人员所认识到的，某些无定形挤出材料在打印机操作期间不会转变成纯液态。

如本文所用，术语“挤出机”是指打印机的一个部件，该部件在单个腔室中对挤出材料加压，使得挤出材料迁移到连接到一个或多个喷嘴的歧管用于排出。对于某些材料，诸如环氧树脂和胶水，挤出材料可以在室温下。将其他挤出材料加热到熔融或软化挤出材料的温度，使其流到通过通道连接到一个或多个喷嘴的歧管。该文档中描述的多喷嘴挤出机包括阀组件，该阀组件可被电子操作以移动销以阻塞挤出材料或使挤出材料流到喷嘴，从而选择性地且独立地从喷嘴排出挤出材料。控制器操作阀组件以将多个喷嘴中的喷嘴独立地连接到歧管并且排出挤出材料。如本文所用，术语“喷嘴”是指挤出机外壳中的孔，该孔流体连接到挤出机中的歧管，并且挤出材料通过该孔朝向材料接收表面排出。在操作期间，喷嘴可沿挤出机的处理路径挤出挤出材料的基本上连续的线性条带。喷嘴的直径影响挤出材料的线的宽度。不同的挤出机实施方案包括具有一系列孔尺寸的喷嘴，其中较宽的孔产生的线的宽度大于由较窄的孔产生的线的宽度。

如本文所用，术语“歧管”是指在挤出机的外壳内形成的腔，该腔保持挤出材料的供应源，用于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。如本文所用，术语“条带”是指在三维物体打印操作期间从多喷嘴挤出机的多个喷嘴同时排出到材料接收表面上的多个挤出材料带状物的任何图案。单喷嘴挤出机不能形成条带，因为这些单喷嘴挤出机只能产生单个挤出带状物。常见的条带包括挤出材料的直线线性排布结构和弯曲条带。在一些构型中，挤出机以连续方式挤出材料以在处理方向和交叉处理方向上形成具有连续大量的挤出材料的条带，而在其他构型中，挤出机以间歇方式或以某种移动角度操作，形成较小的挤压材料组，该材料组在处理方向或交叉处理方向上是不连续的并且沿着线性或弯曲路径布置。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。此外，三维物体打印机中的控制器在操作多喷嘴挤出机之前使用对应于挤出材料的不同条带的物体图像数据和挤出机路径数据，以形成挤出材料的每个条带。

如本文所用，术语“处理方向”是指挤出机和材料接收表面之间的相对移动方向，该材料接收表面接收从挤出机中的一个或多个喷嘴排出的挤出材料。该材料接收表面是在增材制造工艺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。在本文所述的示例性实施方案中，一个或多个致动器使挤出机围绕支撑构件移动，但是另选的系统实施方案移动支撑构件以在挤出机保持静止时在处理方向上产生相对运动。一些系统将两个系统的组合用于不同的运动轴。另外，一个或多个致动器操作地连接到挤出机、其上形成有三维物体的平台、或者两者以使挤出机和平台朝向彼此和远离彼此运动。这种类型的移动有时被称竖直移动或者挤出机、平台或两者沿Z轴的移动。

如本文所用，术语“交叉处理方向”是指垂直于处理方向并且平行于挤出机面板和材料接收表面的轴。处理方向和交叉处理方向指的是挤出机和接收从一个或多个喷嘴排出的挤出材料的表面的相对移动路径。在一些构型中，挤出机包括喷嘴阵列，该喷嘴阵列可在处理方向、交叉处理方向或两者上延伸。挤出机内的相邻喷嘴在交叉处理方向上由预先确定的距离分开。在一些构型中，系统使挤出机旋转以调整分开挤出机中不同喷嘴的交叉处理方向距离，以调整分开从多喷嘴挤出机中的多个喷嘴排出的挤出材料的线的对应的交叉处理方向距离，因为这些线形成条带。

在增材制造系统的操作期间，挤出机沿着直的和弯曲的路径在处理方向上相对于接收在三维物体打印工艺期间挤出的材料的表面移动。另外，系统中的致动器任选地使多喷嘴挤出机围绕Z轴旋转，以调整分开多喷嘴挤出机中的喷嘴的有效交叉处理距离，使挤出机能够以挤出材料的每条线之间的预先确定的距离形成挤出材料的两条或更多条线。多喷嘴挤出机沿着外周边移动以在打印物体的层中形成二维区域的外壁，并且在周边内移动以用挤出材料填充二维区域的全部或者一部分。

图1示出了具有多喷嘴挤出机头108的增材制造系统100，该多喷嘴挤出机头通过平面构件中的喷嘴218挤出挤出材料，该平面构件有时称为面板 260。尽管打印机100被示出为使用平面运动来形成物体的打印机，但是其他打印机架构可与挤出机和控制器一起使用，该控制器被构造成参照挤出机的角度取向来调节挤出机的速度。这些架构包括Δ-机器人、选择顺应性装配机器手臂(SCARA)、多轴打印机、非笛卡尔打印机等。这些另选的实施方案中的运动仍然具有如上定义的处理方向和交叉处理方向，并且这些实施方案的挤出机中的喷嘴间距仍然限定了相对于交叉处理方向的喷嘴间距。图1中仅示出了一个歧管216，以简化该图，但挤出机头108可具有多个歧管216。在一个实施方案中，挤出机头108中的每个歧管216操作地连接到不同的加热器208，该加热器由不同的挤出材料供应源110以一对一的对应关系供给。在挤出机头108中，每个喷嘴218仅流体连接到挤出机头 108内的歧管中的一个，使得每个喷嘴可挤出与从连接到其他歧管的喷嘴挤出的材料不同的材料。通过操作致动器264的控制器128选择性地且独立地激活和停用来自每个喷嘴的挤压，该致动器操作地连接到套筒268内的销，以使套筒内的销往复运动，这些套筒是中空构件。致动器、销和套筒形成多个阀，这些阀被布置成彼此一对一的对应关系并且与面板中的喷嘴一对一的对应关系。每个喷嘴218的远端与面板260齐平，以使面板260能够用于成形物体中的材料的条带。套筒268内的销是细长的实心构件，该实心构件从致动器延伸到喷嘴开口并且被移动以允许材料从喷嘴选择性地流动。当控制器操作阀的致动器以使销移动到与喷嘴接合时材料流动终止，并且当致动器被操作以从喷嘴缩回销时材料流动。

控制器128是数字逻辑设备，诸如微处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或被构造成操作打印机100的任何其他数字逻辑部件。在打印机100中，控制器128操作地连接到一个或多个致动器150，该一个或多个致动器控制支撑构件的移动，该支撑构件支撑由从挤出机头108挤出的材料形成的物体。控制器128还操作地连接到存储器，该存储器包括易失性数据存储设备，诸如随机存取存储器(RAM)设备，以及非易失性数据存储设备，诸如固态数据存储设备、磁盘、光盘或任何其他合适的数据存储设备。存储器存储编程的指令数据和三维(3D)物体图像数据。控制器128执行存储的程序指令以操作打印机100中的部件，以在支撑构件上形成三维打印物体，并形成支撑从物体延伸的物体特征部的支撑结构。该支撑结构可以用与物体相同的材料形成，或者如果如上所述在挤出机头中包括多个歧管，则支撑结构可由与用于形成物体的材料不同的材料形成。3D物体图像数据包括例如多个二维图像数据图案，该多个二维图像数据图案对应于打印机100在三维物体打印工艺期间形成的每层挤出材料。挤出机路径控制数据包括一组几何数据或致动器控制命令，控制器128处理该命令以使用致动器150控制挤出机头108的移动路径并且使用致动器150 中的Zθ致动器控制挤出机头108和阀组件204的取向。Zθ致动器被构造成使挤出机头108和阀组件204围绕垂直于面板260并在面板260和支撑构件之间延伸的Z轴旋转。在该文档中，挤出机头108和阀组件204统称为挤出机。如上所述，控制器128操作致动器以使挤出机头108在支撑构件上方移动，同时挤出机挤出材料以形成物体和支撑结构。

图1的系统100还包括针对每个加热器208的挤出材料分配系统212，该加热器连接到挤出机头108中的歧管216。来自每个单独的供应源110的挤出材料以在系统100的操作期间将连接到加热器208的歧管216中的热塑性材料的压力保持在预先确定的范围内的速率馈送到对应的加热器208。分配系统212是适合于调节挤出机头108的每个歧管中的材料的压力的一个实施方案。另外，控制器128操作地连接到每个分配系统212中的致动器，以控制分配系统212将挤出材料从供应源110递送到由供应源馈送的加热器 208的速率。加热器208通过驱动辊224软化或熔融馈送到加热器的挤出材料220。致动器240驱动辊224并且操作地连接到控制器128，使得控制器可以调节致动器驱动辊224的速度。与辊224相对的另一个辊是自由旋转的，使得该另一个辊遵循辊224被驱动的旋转速率。虽然图1示出了使用机电致动器和驱动辊224作为机械移动机构以将长丝220移动到加热器208中的馈送系统，但是分配系统212的另选的实施方案使用一个或多个致动器来操作旋转螺旋钻或螺杆形式的机械移动机构。螺旋钻或螺杆将固相挤出材料从供应源110以挤出材料粉末或颗粒的形式移动到加热器208中。

在图1的实施方案中，每个加热器208具有由不锈钢形成的主体，该主体包括一个或多个加热元件228，诸如电阻加热元件，该一个或多个加热元件操作地连接到控制器128。控制器128被构造成将加热元件228选择性地连接到电流，以软化或熔融加热器208内的一个或多个通道中的挤出材料 220的长丝。虽然图1示出了加热器208接收固相的挤出材料作为固体长丝 220，在另选的实施方案中，加热器接收固相挤出材料，如粉末状或颗粒状挤出材料。冷却翅片236使来自加热器上游的通道中的热量衰减。在冷却翅片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件，该密封件防止热塑性材料从除了与歧管216的连接之外的任何开口离开加热器，这保持了挤出材料在进入歧管时保持热塑性状态的温度。挤出机头108 还可包括附加的加热元件，以保持挤出机头内每个歧管内的热塑性材料的升高的温度。在一些实施方案中，绝热体覆盖挤出机头108外部的部分，以保持挤出机头内歧管内的温度。同样，喷嘴周围的区域保持在使材料保持热塑性状态的温度，使得当该材料行进到面板260中的喷嘴218的远端时它不会开始凝固。

为了将歧管216内的热塑性材料的流体压力保持在预先确定的范围内，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操作地连接到每个致动器240的驱动轴，该致动器将长丝从供应源110馈送到加热器。如本文档中所用，术语“滑动离合器”指的是向物体施加摩擦力以将物体移动到预先确定的设定点的设备。当超过摩擦力的预先确定的设定点的范围时，该设备滑动，从而该设备不再向物体施加摩擦力。滑动离合器使得通过辊224施加在长丝220上的力能够保持在长丝的强度的约束内，无论驱动器240被驱动的频率、速度或长度如何。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放在辊 224上并用传感器252感测旋转速率来保持该恒定力。由传感器252生成的信号指示辊224的角度旋转，并且控制器128接收该信号以识别辊224的速度。控制器128被进一步构造成调整提供给致动器240的信号以控制致动器的速度。当控制器被构造成控制致动器240的速度时，控制器128操作致动器240，使得该致动器的平均速度略快于辊224的旋转。该操作确保驱动辊 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，该控制器识别致动器输出轴的速度略高于辊224的旋转速度。如本文档中所用，术语“设定点”意味着控制器用于操作部件以将对应于设定点的参数保持在围绕设定点的预先确定的范围内的参数值。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围绕设定点的预先确定的范围内旋转。除了致动器的命令速度之外，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。通过传感器 252生成的信号识别辊224的所得的旋转速度。控制器128内的比例积分微分(PID)控制器参考存储在存储器中的差分设定点识别与该信号的误差，并调整控制器输出的信号以操作致动器240。另选地，控制器128可改变滑动离合器的扭矩水平，或者控制器128可改变扭矩水平并调整控制器用于操作致动器的信号。

滑动离合器244可是固定的或可调整的扭矩摩擦盘式离合器、磁粉离合器、磁滞式离合器、铁液离合器、气压离合器或永磁离合器。磁力操作的离合器类型可通过向离合器施加电压来调整其扭矩设定点。该特征部可以根据打印条件改变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，其影响歧管中用于物体的充分形成的材料量。这些打印条件包括馈送到挤出机的挤出材料的类型、从挤出机排出的热塑性材料的温度、挤出机在XY平面中移动的速度、在物体上正在形成的特征部位置、挤出机相对于平台正在移动的角度等。

现有技术的多喷嘴挤出机喷嘴阵列如图3所示。这种构型的喷嘴具有九个喷嘴，每个喷嘴宽0.4mm。喷嘴的行被取向成相对于其中形成喷嘴阵列的平面构件的水平轴和垂直轴成一定角度。当挤出机如图所示取向并沿0° -180°(水平轴)向任一方向移动以及沿90°-270°(垂直轴)向任一方向移动并且所有喷嘴均打开时，挤出机始终如一地产生挤出材料的连续条带，如图所示。在图3所示的具体实施方案中，条带的宽度为3.6mm宽。该条带是挤出机可形成的在其宽度上连续的最宽的条带，并且主要用于填充物体的内部区域。

为了形成圆柱形物体，喷嘴如图4所示打开。打开中心喷嘴以形成物体的周边，同时适当的打开和关闭周边内的其余喷嘴以形成物体的邻近周边的内部部分。在这种意义上使用的“适当的”意味着较少的喷嘴在由锐角限定的区中贡献材料，使得材料在该区域中成比例地分布。因此，由中心喷嘴形成的周边内部的喷嘴的打开/关闭状态随着挤出机的中心喷嘴遵循圆形路径而变化，而不使挤出机围绕垂直于面板的轴旋转，以形成物体外部的圆柱形壁。

在某些移动角度下，图3中所示的挤出机的喷嘴排列成不同的行并形成材料的分立的带状物，这些带状物在如图所示的交叉处理方向上不连续。为了补偿这种现象，挤出机沿着路径移动的速度降低，以使挤出材料有更多的时间扩散并填充形成的条带的带状物之间的间隙。对于图3所示的喷嘴阵列，这种效果最明显的角度是90°的倍数+18°。在这些角度下，速度可被减慢到用于沿着水平路径和垂直路径移动挤出机的典型速度的一半，但通常速度降低到典型速度的三分之二。

图1的系统具有控制器，该控制器被构造成沿着路径移动挤出机，并且其速度使得图3所示的条带中的非连续带状物在物体的形成期间有用地部署为支撑结构。通过形成具有从物体的周边外部的喷嘴同时挤出的材料的多个隔离的平行带状物的支撑结构，可在支撑结构上印刷物体特征部的固体表面。形成支撑结构的隔离的带状物节省材料并使支撑结构更容易从完成的部件脱离。

当图3所示的挤出机喷嘴阵列用于图1的系统中时，挤出机移动以形成支撑结构的良好路径角度为45°和225°或-45°和135°。控制器128被构造成具有存储在连接到控制器的存储器中的编程指令，该编程指令当由控制器执行时致使控制器操作一个或多个致动器150以沿着用于支撑结构形成的这些路径移动挤出机。这些路径角度使得喷嘴能够沿着移动路径等间隔，使得当多喷嘴挤出机头以0°或90°移动以形成特征部或填充物体周边内的区时，可以在结构之上形成特征部的实心基部。另外，沿着用于结构形成的路径角度，多喷嘴挤出机阵列实际上更宽，因为当挤出机沿0°路径或90°路径移动以进行填充或特征部形成时，外喷嘴的中心间隔为3.2mm，而沿 45°路径或-45°路径的双向移动致使外喷嘴的中心间隔为3.4mm用于支撑结构形成。当沿0°路径或90°路径移动时，一个外喷嘴的外侧边缘到另一个外喷嘴的外侧边缘为3.6mm，当沿45°路径或-45°路径移动时为3.8mm。这些路径角度也使得仅三个喷嘴能够用于形成支撑结构，并且三个带状物的中心彼此分开1.7mm，而区域填充物或特征部由间隔1.6mm的三个带状物形成。另选地，沿着这些路径可以使用四个喷嘴以将带状物分开1.1mm，这减小了支撑结构之间的间隔，但是使用三个喷嘴而不是四个喷嘴提供了材料节省，这在某些情况下更有利。沿着这些路径形成具有三个打开喷嘴的支撑结构使得多喷嘴挤出机能够从移动路径推进5.1mm的距离以形成等间隔的平行支撑条带，该距离比当沿0°路径或90°路径移动以排出带状物用于形成填充物或特征部时挤出机头横向推进4.8mm的距离更宽。可打开四个喷嘴以沿着45°路径或-45°路径形成支撑结构，以使多喷嘴挤出机能够横向推进4.5mm的距离，以形成等间隔的平行支撑条带，用于形成支撑结构。

支撑结构可用控制器128被构造成沿着这些路径以不同的方式移动挤出机来形成。例如，控制器128可被构造成操作致动器以使挤出机沿45°路径和225°路径或沿135°路径和-45°路径中的一个路径双向移动，以产生具有材料的三条平行的单独的带状物的条带。支撑结构的连续层中的条带被放置在彼此的顶部上，使得条带堆叠以形成支撑件304的隔离柱308，如图2A所示。在该图中，当挤出机在135°方向上移动时形成条带S1、S3 和S5，并且当挤出机在-45°方向上移动时形成条带S2、S4和S6。这种方法稳定了支撑结构并有助于带状物的形成更加一致。在转换到用以填充角度中的一个填充角度挤出的材料在支撑结构上铺设物体特征部之前，挤出机移动角度分别切换到-135°或45°，或切换到垂直于在支撑结构上方的区域中形成物体基部的下一层所需的移动角度的方向上的0°或90°。在填充物体特征部的基部之前切换用于层形成的移动方向降低了形成搁置在支撑结构上的物体特征部的基部的材料落在支撑结构的隔离柱之间的风险。如图2H中所示，在多个隔离柱上形成由45°取向的带状物形成的条带的至少一个层，以有助于支撑物体特征部的基部。这种类型的多喷嘴挤出机移动可以通过使支撑结构层和要由支撑结构支撑的特征部的底层之间的间隔稍微更大来增强，以减小物体对支撑结构的粘附。例如，通过控制器操作挤出机以使支撑结构中的每个层或至少最后一层比支撑结构附近的物体的层稍微薄一些，可实现这种改变，使得物体特征部的底层与其所搁置的支撑结构的顶层之间的较大距离减小了两层之间的接触。通常，对于通常遇到的物体层，该距离在层厚度的约1/4到约1/2的范围内。具有0.4mm喷嘴的挤出机的典型层厚度为0.2mm，使得间隙将在约0.05mm至约0.1mm的范围内。

用于形成支撑结构(诸如图2B中的结构312)的另一种控制器构型为针对支撑结构的连续层使挤出机交替在45°/225°和135°/-45°之间移动。在这种结构中，底层是由挤出机如上面关于图2A所述的那样移动而形成的，并且下一层是在挤出机沿45°方向移动以形成条带S7和S9并且在-135°上移动以形成S7和S9之间的条带的情况下形成的。这种支撑结构形成方法产生单独的带状物的条带，这些带状物在垂直的对角线方向上彼此交叉。这种形成方法产生支撑结构，该支撑结构类似于用单喷嘴挤出机形成的那些支撑结构，除了这些支撑结构更有效地形成，因为它们是通过移动具有多个喷嘴打开的多喷嘴挤出机以形成条带而形成的。由于带状物彼此分开，单独的线的宽度可通过控制器128操作步进电机240以改变馈送到多喷嘴挤出机的长丝的量来调整。通过馈送更多的长丝来产生较宽的线，并且通过馈送更少的长丝来产生较窄的线。

已经参考这些结构为物体特征部的底层提供的支撑件描述了这些用多喷嘴挤出机形成支撑结构的方法。并非物体的所有部分都需要具有下面层支撑。可以在不具有支撑结构的情况下形成以足够接近垂直的角度打印的部分，但如果角度与垂直相差太远，则可能出现问题，诸如降低的表面质量。在偏离垂直的更极端的角度下，物体的那些部分可能破裂或不能很好地打印以使部件能够完成。需要避免出现任何这些问题的角度。当物体特征部的下侧的斜面低于出现这些问题的角度时，还需要考虑支撑结构和物体侧面之间的相互作用。通常，支撑结构需要足够靠近周边以提供足够的支撑，但不能太靠近以至于不能轻易地折断。实现该目标的一种方法是在物体周边之外并平行于物体周边来挤出材料的带状物。通过使用中间喷嘴形成周边外部，可打开周边外部的常闭喷嘴中的一个常闭喷嘴，以挤出部件表面附近的材料。通常，最靠近周边的喷嘴靠的太近，因为排出的带状物太强地粘附到部件，但是下一个最接近中心喷嘴的喷嘴通常不会产生太靠近周边的结构。然而，可以打开其他喷嘴中的一个喷嘴，诸如最远离中心喷嘴并且在周边外部的喷嘴，以在物体周边的外部形成支撑结构。除了最靠近的喷嘴之外的其他喷嘴常常可用于补充或代替距离中心喷嘴最远的喷嘴。这种类型的结构形成在图2C中示出。在该图中，可以看到截头圆锥形物体316的内表面，并且周边由挤出机108的面板中的中心喷嘴形成，而支撑结构320由外喷嘴形成。物体316和支撑件320之间的图中的黑线标识它们之间的间隙。支撑件320的支撑结构可形成有沿45°轴至225°轴形成的隔离柱324和332，以及沿135°轴至-45°轴形成的隔离柱328和336，如图2D和图2E所示。

周边也可以各种角度形成，并且用于打印外部支撑件的喷嘴根据周边的角度而变化。然后，可将外周边直接附接到支撑结构的单独的柱上，这些柱以-45°、45°、225°或135°打印，其中选择周围区域中的支撑结构层的角度以确保支撑件可与外周边相交。因此，如果外周边用45°的角度的条带印刷，则支撑结构层以135°打印，以确保支撑结构的柱接触外周边。在一些情况下，在物体的一部分外部的喷嘴靠近物体的其他部分(诸如钝角的角部)或甚至与物体的其他部分重叠。在这些情况下，只有当喷嘴位于物体的所有侧面的外部时才打开喷嘴，并且在一些狭窄的角落，必须关闭所有外部喷嘴。

控制器128还可被构造成操作阀以打开周边外部的多于一个喷嘴，以形成更强的支撑结构，该支撑结构可用作部件的周边的支撑件。对于九喷嘴挤出机，可打开多达五个喷嘴并关闭四个喷嘴以打印物体的周边。可打开这四个通常关闭的喷嘴中的多达三个喷嘴以提供支撑结构，该支撑结构靠近物体的周边但与物体的周边分开并且遵循周边的形状。

在支撑结构的高度可能难以仅用支撑件的隔离柱实现的情况下(因为柱的高度使其结构不稳定)，则通过在恢复柱的构建之前偶尔在支撑结构中形成实心层可添加附加的结构强度。使用实心层的一种方式是使用实心层形成如图2F所示的支撑结构的大部分以形成实心的支撑块，然后在支撑块344的最顶部支撑层的区域上产生单独的柱308。使用实心层的另一种方法是偶尔将该实心层单独地或者作为如图2G所示的实心层348的一小组插入在具有单独的柱的较大距离的层之间。

当用或者以-45°和45°与条带交替，或者以-135°和135°与条带交替的单独的柱打印支撑结构时，多喷嘴挤出机可在条带之间沿交叉方向推进。如果喷嘴保持打开并允许在条带之间的推进期间内挤出，如此形成的单独的柱被更强地支撑并且更可能开始。

Claims (26)

1.一种在增材制造系统中操作多喷嘴挤出机的方法，包括：

在所述多喷嘴挤出机中打开多于一个喷嘴；以及

用控制器操作致动器以沿着路径移动所述多喷嘴挤出机，以用从所打开的多于一个喷嘴挤出的材料同时形成支撑结构的第一组多个平行的带状物。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述路径的角度与用于填充物体的一部分的路径移动角度不对齐。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述路径的所述角度为45°、-45°、135°或-135°，并且用于填充所述物体的所述部分的所述角度为0°、180°、90°或270°。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所打开的喷嘴形成支撑结构的所述第一组多个平行的带状物，使得所述带状物彼此间隔相等。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

用所述控制器操作所述致动器以将所述多喷嘴挤出机推进一定距离用于支撑结构形成，所述距离大于所述多喷嘴挤出机被推进以填充所述物体的所述部分的距离；以及

在所述多喷嘴挤出机中打开喷嘴，所述喷嘴位于正在形成的所述物体的周边之外，以在用于填充所述物体的所述部分的两个方向之间的方向上形成支撑结构的第二组多个平行的带状物。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述多喷嘴挤出机被推进以形成所述支撑结构的所述距离在所述第二组多个平行的带状物中的支撑结构的所述多个平行的带状物之间产生相等的间距。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

用所述控制器操作所述致动器以使所述多喷嘴挤出机在垂直于用于形成所述第一组多个平行的带状物的所述路径的所述方向的角度上移动，以在操作所述挤出机中的所述喷嘴以在支撑结构的层上形成所述物体的层之前用支撑结构的所述第二组多个平行的带状物形成所述支撑结构的层。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：

用所述控制器操作所述致动器以移动所述多喷嘴挤出机以在支撑结构的所述第一组多个平行的带状物的顶部上形成支撑结构的第二组多个平行的带状物，所述第二组多个平行的带状物在形成前一层中的支撑结构的所述第一组多个平行的带状物的方向上形成。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：

用所述控制器操作所述致动器以移动所述多喷嘴挤出机以在支撑结构的所述第一组多个平行的带状物的顶部上形成支撑结构的第二组多个平行的带状物，支撑结构的所述第二组多个平行的带状物在垂直于形成前一层中的支撑结构的所述第一组多个平行的带状物的方向的方向上形成。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

操作所述多喷嘴挤出机以形成物体的周边，同时打开所述多喷嘴挤出机中的另一个喷嘴以形成支撑结构的平行于所述周边的带状物。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：

打开所述多喷嘴挤出机中的不同的喷嘴以随着所述周边的取向变化而形成支撑结构的所述带状物。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

操作所述多喷嘴挤出机以形成支撑结构的所述带状物，使得所述带状物连接到支撑结构的所述第一组多个平行的带状物。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括：

打开所述多喷嘴挤出机中的第二喷嘴以加宽平行于所述周边的所述支撑结构。

14.一种增材制造系统，包括：

多喷嘴挤出机，所述多喷嘴挤出机具有带多个喷嘴的面板；

多个阀，所述多个阀中的每个阀被构造成以一对一的对应关系打开和关闭所述喷嘴中的一个喷嘴；

致动器，所述致动器操作地连接到所述多喷嘴挤出机，所述致动器被构造成在平行于所述面板的平面中移动所述多喷嘴挤出机，并且被构造成使所述多喷嘴挤出机朝向和远离所述多喷嘴挤出机排出挤出材料的表面移动；和

控制器，所述控制器操作地连接到所述致动器和所述多个阀，所述控制器被构造成：

在所述多喷嘴挤出机中打开多于一个喷嘴；以及

操作所述致动器以沿着平行于所述面板的所述平面中的路径移动所述多喷嘴挤出机，以用从所打开的多于一个喷嘴挤出的材料同时形成支撑结构的第一组多个平行的带状物。

15.根据权利要求14所述的系统，所述控制器被进一步构造成：

操作所述致动器来以第一角度移动所述多喷嘴挤出机以填充物体的一部分；以及

操作所述致动器来以不与所述第一角度对齐的第二角度移动所述多喷嘴挤出机以形成支撑结构。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述第二角度为45°、-45°、

135°或-135°，并且所述第一角度为0°、180°、90°或270°。

17.根据权利要求16所述的系统，所述控制器被进一步构造成：

操作所述致动器以移动所述多喷嘴挤出机，使得所打开的喷嘴形成支撑结构的所述第一组多个平行的带状物，其中相邻带状物之间的间距相等。

18.根据权利要求17所述的系统，所述控制器被进一步构造成：

操作所述致动器以将所述多喷嘴挤出机推进一定距离用于支撑结构形成，所述距离大于所述多喷嘴挤出机被推进以填充所述物体的所述部分的距离；以及

操作所述多个阀中的阀以在所述多喷嘴挤出机中打开喷嘴，所述喷嘴位于形成的所述物体的周边之外，以在用于填充所述物体的所述部分的两个方向之间的方向上形成支撑结构的第二组多个平行的带状物。

19.根据权利要求18所述的系统，所述控制器被进一步构造成：

操作所述致动器以将所述多喷嘴挤出机推进所述距离以形成所述第二组多个平行的带状物，所述第二组中的相邻带状物间距相等。

20.根据权利要求19所述的系统，所述控制器被进一步构造成：

操作所述致动器来以垂直于所述多喷嘴挤出机被移动以形成所述第一组多个平行的带状物的角度的角度来移动所述多喷嘴挤出机，以在操作所述多喷嘴挤出机中的所述喷嘴以在支撑结构的层上形成物体的层之前用支撑结构的所述第二组多个平行的带状物形成所述支撑结构的层。

21.根据权利要求14所述的系统，所述控制器被进一步构造成：

操作所述致动器以移动所述挤出机以在支撑结构的所述第一组多个平行的带状物的顶部上形成支撑结构的第二组多个平行的带状物，所述第二组多个平行的带状物在与用于形成前一层中的支撑结构的所述第一组多个平行的带状物的移动方向相同的方向上形成。

22.根据权利要求14所述的系统，所述控制器被进一步构造成：

操作所述致动器以移动所述多喷嘴挤出机以在支撑结构的所述第一组多个平行的带状物的顶部上形成支撑结构的第二组多个平行的带状物，支撑结构的所述第二组多个平行的带状物在垂直于形成前一层中的支撑结构的所述第一组多个平行的带状物的方向的方向上形成。

23.根据权利要求22所述的系统，所述控制器被进一步构造成：

操作所述多个阀中的至少一个阀以形成物体的周边，同时操作所述多个阀中的其他阀以打开所述多喷嘴挤出机中的另一个喷嘴以形成支撑结构的平行于所述周边的带状物。

24.根据权利要求23所述的系统，所述控制器被进一步构造成：

操作所述多个阀中的不同的阀以打开所述多喷嘴挤出机中的不同的喷嘴以随着所述周边的取向变化而形成支撑结构的所述带状物。

25.根据权利要求24所述的系统，所述控制器被进一步构造成：

操作所述多喷嘴挤出机中的所述多个阀中的阀以形成支撑结构的所述带状物，使得所述带状物连接到支撑结构的所述第一组多个平行的带状物。

26.根据权利要求23所述的系统，所述控制器被进一步构造成：

操作所述多个阀中的第二阀以打开所述多喷嘴挤出机中的第二喷嘴以加宽平行于所述周边的所述支撑结构。

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