CN111745951B - 用于操作三维（3d）物体打印机中的挤出机以改善层形成的方法 - Google Patents

Abstract

增材制造系统打开挤出机中形成条带所需的阀门，并操作致动器以使挤出机移动通过过渡区域，同时打开这些阀门以在挤出机的面板和所形成的物体的一部分之间形成一定量的足以形成条带的挤出材料。过渡区域的长度是根据被挤出材料的粘度和挤出机移动以形成条带的速度来确定的。过渡区域可垂直于挤出机的路径以形成条带或与挤出机的路径对准以形成条带。

Description

用于操作三维（3d）物体打印机中的挤出机以改善层形成的 方法

本公开涉及在三维(3D)物体打印机中使用的挤出机，并且更具体地，涉及此类挤出机中的阀门的操作。

三维打印也称为增材制造，是由几乎任何形状的数字模型制备三维固体物体的工艺。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，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。

在3D增材制造系统中使用的一些挤出机中，阀门被定位在挤出机内的热塑性材料中，并且操作这些阀门以启动和停止通过延伸穿过挤出机的公共面板的多个喷嘴的流。操作这些阀门可导致来自挤出机的一个或多个喷嘴的热塑性材料流的可靠性出现问题。在一些挤出机中，操作阀门以使阀门构件缩回并使热塑性材料流通过喷嘴可将一些材料拉回到挤出机中，以及操作阀门以将阀门构件推入流中以停止通过喷嘴的流可将一些材料推出喷嘴。另外，在挤出机的面板和要施加材料的层之间的材料的量和位置对于准确的物体形成是至关重要的。可抬起挤出机以避免将材料从面板擦拭到先前打印的层上，但是当挤出机返回到恢复对目标层进行挤出的位置时，无法准确知道面板上材料的量。操作挤出机以能够更准确地识别面板上材料的量将有助于改善零件的形成和质量。

一种操作多喷嘴挤出机的新方法，使得在挤出机到达在物体的层中形成条带的起始位置之前，在挤出机的面板和正在形成的物体的一部分之间建立足够量的用于形成条带的热塑性材料。该方法包括用控制器识别需要关闭挤出机中的所有阀门并抬起挤出机以将挤出机移动到用于形成条带的起始位置的要形成的条带，用控制器识别偏移条带的起始位置并且位于3D 物体制造系统正在形成的物体的周边内的过渡区域起始位置，用控制器操作至少一个致动器以将挤出机移动到过渡区域起始位置，用控制器打开通过用于形成要形成的条带的挤出机路径控制数据识别的挤出机中的阀门，以及用控制器操作该至少一个致动器以将挤出机从过渡区域起始位置移动到条带的起始位置以填充挤出机的面板与3D制造系统正在形成的物体在条带的起始位置处的一部分之间的体积。

新的3D物体制造系统实现了操作多喷嘴挤出机的方法，该方法使得能够在挤出机到达形成条带的起始位置之前在挤出机的面板和正在形成的物体的一部分之间建立足够量的热塑性材料用于条带的形成。该系统包括具有在公共面板中的多个喷嘴和以一对一的方式可操作地连接到喷嘴的多个阀门的挤出机，所述阀门被构造成选择性地打开和关闭每个阀门可操作地连接的喷嘴，可操作地连接到挤出机的至少一个致动器，该至少一个致动器被构造成抬起和移动挤出机，以及以能够独立控制阀门的方式可操作地连接到挤出机和多个阀门中的阀门的控制器。控制器被构造成识别需要关闭挤出机中的所有阀门并且抬起挤出机以将挤出机移动到用于形成条带的起始位置的要形成的条带，识别偏移条带的起始位置并且位于物体的周长内的过渡区域起始位置，操作至少一个致动器以将挤出机移动到过渡区域起始位置，打开通过用于形成条带的挤出机路径控制数据识别的挤出机中的至少一个阀门，以及操作该至少一个致动器以将挤出机从过渡区域起始位置移动到条带的起始位置以填充挤出机的面板与3D制造系统正在形成的物体在条带的起始位置处的一部分之间的体积。

图1示出了增材制造系统，该增材制造系统操作多喷嘴挤出机以使得在挤出机到达用于形成条的起始位置之前能够建立热塑性材料流。

图2示出了增材制造系统的另选实施方案，该增材制造系统操作多喷嘴挤出机以使得能够在挤出机到达用于形成条带的起始位置之前建立热塑性材料流。

图3示出了由图1和图2的系统中的多喷嘴挤出机形成的圆形层中的过渡区域。

图4为图1和图2的增材制造系统的控制器所使用的工艺的流程图，以使得当挤出机到达用于形成条带的起始位置时能够建立挤出材料流。

图5示出了现有技术的三维物体增材制造系统或打印机100，其被构造成操作挤出机108以形成三维打印物体140。

图6示出了当以0°和90°取向时可由现有技术的九个喷嘴面板形成的条带。

在多喷嘴挤出机中，喷嘴被布置在公共面板中，并且面板的移动、面板的取向以及面板上相对于构建平台的材料的量对于条带的形成至关重要。如本文中所使用的，“条带”是指来自多喷嘴挤出机中的任何打开的喷嘴的作为聚集体形式的挤出材料，只要至少一个喷嘴保持打开并且从任何打开的喷嘴挤出材料即可。也就是说，即使打开了多个喷嘴，但并不是所有排出的挤出物都相互接触，这些离散的挤出物构成条带。连续条带是这样一种条带，其中来自多个喷嘴的所有挤出物在交叉处理方向上跨条带连续接触。

表面区域、过渡区域和内部区域位于正在形成的物体的层中。由于无法观察到物体的内部区域，因此可以稀疏地填充它们。这些区域必须具有足够的结构和刚度使得它们可支撑需要在内部区域上形成的过渡和表面结构。另外，具有这些内部区域有助于物体的整体刚度是有利的。在物体制造中，在这些不同类型的区域中所需的挤出材料的量之间找到适当的平衡很重要。在使用多喷嘴挤出机形成物体的制造系统中，挤出机可沿0°-180°(X)轴或90°-270°(Y)轴移动，如图6所示。沿着这些轴挤出使得所示挤出机的所有九个喷嘴有助于形成连续条带，并且条带具有最大宽度。如本文档中所用，术语“0°-180°轴”是指在0°方向或180°方向上的移动使得挤出机的面板被取向成所有喷嘴都打开，则形成挤出机可产生的效率最高的连续条带，术语“90°-270°轴”是在90°方向或270°方向上的移动使得挤出机的面板被取向成所有喷嘴都打开，则形成了挤出机可产生的效率最高的连续条带。由于所有喷嘴垂直于移动方向均等地被间隔开，因此有效地产生了连续条带。为了扎实地填充内部区域，挤出机可在一个层的0°方向上双向移动，而在下一层的90°方向上双向移动。

如本文所用，术语“挤出材料”是指通常被软化或熔融以形成热塑性材料的材料，该热塑性材料将由增材制造系统中的挤出机排出。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过程中支撑构建材料的部分并且然后在完成打印过程之后任选地移除的“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。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。挤出材料还包括热塑性聚合物以外的材料，诸如巧克力。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，诸如颗粒或球粒挤出材料。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，术语“熔融”当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的，某些无定形挤出材料在打印机的操作过程中不会转变成纯液体状态，并且一些挤出材料不需要加热即可挤出，例如一些食品材料。

如本文所用，术语“挤出机”是指打印机的部件，该部件在单个流体腔室中包含挤出材料，并将挤出材料提供给连接到延伸穿过公共面板的一个或多个喷嘴的歧管。一些挤出机包括阀门组件，该阀门组件可被电子操作以使热塑性材料能够选择性地流过喷嘴。阀门组件使得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。如本文所用，术语“喷嘴”是指挤出机中的孔口，该孔口流体连接到挤出机中的歧管，并且热塑性材料通过孔口朝材料接收表面发射。在操作期间，喷嘴可沿挤出机的处理路径挤出热塑性材料的基本上连续的线性条带。控制器操作阀门组件中的阀门以控制哪些连接到阀门组件的喷嘴挤出热塑性材料。喷嘴的直径影响挤出热塑性材料的线的宽度。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室，其保持挤出材料供应源，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热塑性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，挤出机以间歇方式运行，以形成沿线性或弯曲路径排列的较小的热塑性材料组。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。此外，三维物体打印机中的控制器在操作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。如下所述，控制器任选地在三维打印操作期间调整阀门组件的操作和挤出机移动的速度以通过一个或多个喷嘴形成热塑性材料的多个条带。

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。

如本文所用，术语“交叉工艺方向”是指垂直于工艺方向并且平行于挤出机面板和材料接收表面的轴线。处理方向和交叉处理方向指的是挤出机与接收热塑性材料的表面的相对移动路径。在一些构型中，挤出机包括一系列喷嘴，这些喷嘴可在处理方向、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分开预先确定的距离。在一些构型中，随着这些线形成条带，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，以调整分开从挤出机中的喷嘴挤出的热塑性材料的线的对应的交叉处理方向距离。

在增材制造系统操作期间，挤出机在处理方向上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直线路径和弯曲路径两者移动。另外，系统中的致动器任选地使挤出机围绕Z轴旋转，以调整分开挤出机中的喷嘴的有效交叉处理距离，使挤出机能够以热塑性材料的每条线之间的预先确定的距离形成热塑性材料的两条或更多条线。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热塑性材料填充二维区域的全部或者一部分。

图5示出了现有技术的三维物体增材制造系统或打印机100，其被构造成操作挤出机108以形成三维打印物体140。打印机100包括支撑构件 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执致动器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(“X-Y 平面”)中的不同位置，以挤出形成三维打印物体中的一个层的热塑性材料的条带，诸如图5中所示的物体140。例如，在图5中，X/Y致动器150 沿导轨113平移支撑臂112和挤出机108以使臂和挤出机沿Y轴移动，而 X/Y致动器150沿支撑臂112的长度平移挤出机108以使挤出机沿X轴移动。挤出的图案既包括该层中一个或多个区域的轮廓，又包括填充热塑性材料图案的轮廓内的区域的热塑性材料的条带。Z致动器158控制沿Z轴的挤出机108和支撑构件102之间的距离，以确保挤出机108中的喷嘴保持在适当的高度，以在打印过程中形成物体时将热塑性材料挤出到物体140 上。对于围绕Z轴旋转的挤出机108的一些实施方案，Zθ致动器154控制挤出机108围绕Z轴的旋转角度。尽管一些挤出机在制造过程中不需要旋转，但是该移动控制挤出机108中喷嘴之间的处理间距和交叉处理间距。在系统100中，X/Y致动器150、Zθ致动器154和Z致动器158被实现为机电致动器，诸如电动马达、步进马达或任何其他合适的机电装置。在图5 的打印机中，示出了在由多层热塑性材料层形成的三维打印物体140形成期间的三维物体打印机100。

支撑构件102是诸如玻璃板、聚合物板或泡沫表面的平面构件，其在制造过程中支撑三维打印物体140。在图5的实施方案中，在施加每层热塑性材料之后，Z致动器158还在Z方向上移动支撑构件102使其离开挤出机 108，以确保挤出机108与物体140的上表面保持预先确定的距离。挤出机108包括多个喷嘴，每个喷嘴将热塑性材料挤出到支撑构件102的表面或部分形成的物体(诸如物体140)的表面上。在图5的示例中，挤出材料以长丝形式从挤出材料供应源110提供，挤出材料供应源110是ABS塑料线轴或另一种合适的挤出材料长丝，其从线轴上展开以将挤出材料供应到挤出机108。

支撑臂112包括支撑构件和在打印操作期间移动挤出机108的一个或多个致动器。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中的一个致动器沿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任选地同时沿直线和弯曲路径沿X和Y轴移动挤出机108。控制器128控制挤出机108在线性和弯曲路径上的移动，这使得挤出机108中的喷嘴能够将热塑性材料挤出到支撑构件102上或物体140的先前形成的层上。控制器128 任选地沿X轴或Y轴以光栅运动移动挤出机108，但是X/Y致动器150还可沿X-Y平面内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。如本文中所使用的，术语“控制器”是指一个或多个控制器、处理器或计算机，其构造有编程指令以形成多个任务以实现功能。因此，用于打印机的控制器可为操作挤出机、移动挤出机、处理物体数据以及优化要制造的物体内的区域的填充以及其他任务和功能的多个控制器。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，该致动器控制支撑构件102和支撑臂112的移动。控制器128也可操作地连接到存储器132。在打印机100的实施方案中，存储器132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132存储编程指令数据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包括例如逐层限定物体的截面图的数据。每个数据层表示打印机100在三维物体打印过程期间形成的热塑性材料层。挤出机路径控制数据138包括控制器128处理的几何数据或致动器控制命令集合，以使用X/Y致动器150控制挤出机108的移动路径以及使用Zθ致动器154控制挤出机108的取向。如上所述，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，同时挤出机挤出热塑性材料以形成物体。

图1示出了具有挤出机108'的增材制造系统100'，该挤出机108'通过面板中的孔挤出多种热塑性材料。如文本所描述的，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108'可具有多个歧管216。在一个实施方案中，挤出机108'中的每个歧管216以一对一对应方式可操作地连接到由不同的挤出材料供应源110馈送的不同的加热器208。另选地，每个歧管216可耦接到单个加热器208'，该加热器容纳多个通道 232'，该通道由多个挤出材料供应源110馈送，如图2的实施方案100"所示。图2中的每个通道232'都向挤出机108"中的歧管216供应热塑性材料，以使每个歧管能够接收与其他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仅流体连接到挤出机108"内的歧管中的一个歧管，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热塑性材料。通过控制器128操作阀组件204中的阀而选择性地并且独立地激活和去激活来自每个喷嘴的挤出。每个喷嘴218也与面板260中的孔隙对齐以构造喷嘴用于更灵活地形成物体中的材料的条带。

在图1和图2的实施方案中，阀门组件204将阀门定位在挤出机108' 或108"中的歧管与连接到挤出机108'或108"中的歧管的每个喷嘴之间。阀门组件204操作地连接到控制器128，因此控制器可打开和关闭所述阀门，用于从挤出机108'或108"中的多个喷嘴挤出热塑性材料。具体地讲，控制器128激活和去激活连接到挤出机108'或108"中阀门的组件204中的不同致动器，以从喷嘴挤出热塑性材料，并且在三维打印物体的每一层中形成不同热塑性材料的条带，诸如图6中的物体140。

系统100'的一个实施方案包括称为切片器的程序。该程序通常由系统 100'中的另一个处理器(未示出)执行。切片器从切片器接收到的限定了要以多种已知格式中的一者产生的物体的数据生成用于操作打印机的部件的 3D物体图像数据。常用格式是STL格式，但也可使用其他格式，诸如 3MF、AMF和PLY。在STL格式中，物体表面由三角形面的边和角限定。切片器将这些STL数据转换为挤出机路径控制数据，以形成物体的二维 (2D)水平切片。在一个实施方案中，这种转换产生g代码，该g代码初始化打印系统并限定在挤出热塑性材料以形成层时挤出机沿其移动的路径。这种类型的挤出增材制造系统有时也称为矢量图形打印机。

为了控制多挤出机系统(诸如系统100'和100")中阀门的操作，由控制器128实现的切片器产生的g代码已经扩展为包括识别在移动过程中要打开的阀门的参数。扩展的g代码行的示例具有以下形式：G1 P511 X100 Y100 E1.5 F4500。在该示例中，G1识别用于移动和挤出操作的线，P511 是识别在移动过程中要打开的阀门的参数，X110和Y100将移动的结束位置识别为(100,100)，E1.5识别要馈送到挤出机的挤出材料的长度，为 1.5毫米，以及F4500识别挤出机在移动过程中的移动速度，为4500毫米/ 分钟。阀门参数P511等于P，后跟一个九位二进制数111111111，它是十进制值511的二进制表示形式，因此在该移动过程中所有阀门都打开。在系统100'和100"的一个实施方案中，执行g代码的控制器128是操作DUET板的处理器，诸如可从英国Peterborough的Think3DPrint3D获得的 DUET3D板，尽管可使用其他控制板和命令界面。DUET板中的控制器执行g代码以操作系统100'和100"的阀门和致动器，以形成用于物体形成的层。

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108中的歧管。来自每个独立供应源110的挤出材料在系统100'操作期间以将连接到加热器的歧管中热塑性材料的压力维持在预定范围内的速率被馈送给对应的加热器208。分配系统212是适于调节挤出机108"的每个歧管中热塑性材料的压力的一个实施方案。在图2的实施方案100"中，多个挤出材料分配系统212以一对一的方式可操作地连接在多个挤出材料供应源110与加热器208'中的通道232'之间。另外，在两个实施方案中，控制器128可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的速率。图2的分配系统212可被构造成图1的分配系统212。加热器208和208'软化或熔化经由驱动辊224(图1)馈送到加热器208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或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以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或208'中。

在图1和图2的实施方案中，每个加热器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可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或208'内的一个或多个通道中的挤出材料220的长丝。虽然图1和图2示出了加热器208或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作为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。在冷却散热片236处或附近的通道中保持固体的挤出材料的一部分在该通道中形成密封，所述密封与到歧管216的连接相比防止热塑性材料从任何开口离开加热器，这维持在进入歧管时将挤出材料保持在热塑性状态的温度。挤出机108"也可包括附加加热元件，用于维持挤出机内每个歧管内热塑性材料的升高温度。在一些实施方案中，隔热件覆盖挤出机108"的外部的部分以维持挤出机内歧管内的温度。同样，图2中的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中的孔时，它不会开始固化。

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。如本文所用，术语“滑动离合器”是指将摩擦力施加给物体以将物体移动直至预定设定点的设备。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。滑动离合器使得由辊224施加在长丝220上的力能够保持在对长丝强度的约束之内，而无论致动器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”是指影响为了适当地形成物体而在歧管中所需的热塑性材料的量的当前正在进行的制造操作的参数。这些打印条件包括被馈送给挤出机的挤出材料的类型、从挤出机发射的热塑性材料的温度、挤出机在X-Y平面中移动的速度、在物体上形成的特征的位置、挤出机相对于平台移动的角度等。

在图1和图2所示的实施方案中，控制器128如上所述构造有程序指令134、物体图像数据136和挤出机路径控制数据138，以识别挤出机在层的不同区域中的移动路径，并将一个或多个信号传输到X/Y致动器150以移动挤出机108'和108"并调节挤出机在平台102上方移动的速度。图1和图2中的控制器128接收挤出机路径控制数据，该数据经过修改以包括过渡区域，该过渡区域用于在形成条带之前建立挤出材料流，如下文中更详细讨论的。控制器128被构造成参照挤出机将被移动的路径的角度以及在其沿着那个路径移动时挤出机面板的取向来调节挤出机108'和108"的速度。控制器128还构造有存储在可操作地连接到控制器的存储器中的编程指令，当由控制器执行时，使控制器能够为X-Y致动器150生成信号，该信号使挤出机沿着与过渡图案对应的路径移动，如下完整所述。

当控制器128接收用于形成物体的层的g代码时，其将层内的区域识别为周边区域、过渡区域和内部区域。周边区域对应于层或层的一部分的边界。内部区域是物体的周边内的区域。过渡区域为在将挤出机移动到由用于形成条带的g代码指示的起始位置之前将挤出机定位为打开适当阀门的区域。这些过渡区域使挤出材料的流达到适当的速率，并使挤出材料以适当的构型存在于面板上，以在条带形成开始于用于条带的g代码中识别的位置之前形成下一个条带。

控制器128被构造成在g码中识别需要关闭阀门并且将挤出机抬起并移动到条带起始位置的条带。当识别出这些条带时，控制器128生成g代码，该g代码在其中阀门被关闭的一个条带的端部和需要抬起挤出机的下一个条带的起始之间插入过渡区域。为了形成图3中所示的圆柱体的层 304，挤出机通过在位置312开始并在挤出机打开挤出机中的喷嘴子集并沿周向路径在顺时针或逆时针方向继续前进时挤出材料直到返回起始位置来首先形成周边308。一旦形成周边308，挤出机就继续形成条带316，直到其到达周边308，在此处它沿着条带的宽度向右移动并返回到周边内部以形成条带320。挤出机以此方式继续来回形成条带，直到形成圆柱层的右侧为止。此时，必须移动挤出机以填充该层的左侧，但是该移动需要关闭阀门，这样材料不会在已经形成的层的那部分上挤出，并且需要挤出机抬起以防止面板上的材料碰到已经形成的层的一部分。为了将挤出机移动到下一个条带的起始位置324，关闭阀门并且将挤出机抬起到一定的高度，使面板上剩余的材料不会接触正在打印的部件的其他材料。当将挤出机降低至起始位置324时，阀门的打开和面板上剩余的材料不会足够快地填充挤出机的面板与被打印部件之间的区域以充分形成条带328。

由于挤出材料在条带端部处保留在面板上，因此还可需要抬起挤出机，以避免耗尽在最后一次打印条带期间所建立的面板的材料，以及防止面板上的材料与先前挤出到该层中的材料接触。当如图3所示挤出机连续从一个条带挤出到另一条带时，或者当如图3的左侧部分所示没有在条带的端部形成连接件时，不需要挤出机的抬起和喷嘴的关闭。另外，当将挤出机移动短距离时，诸如小于挤出机宽度的两倍的距离，或者当挤出机直接从周边条带过渡到填充条带或反之时，则不需要抬起挤出机。

为了解决在面板和要打印的部件之间建立足够量的挤出材料时出现的滞后现象，控制器128生成并执行g代码，将挤出机移动到位置332，该位置与起始位置324偏移了预先确定的距离，使得一旦挤出机到达位置324，来自喷嘴的挤出材料的流能够在面板和部件之间建立足够量的挤出材料。该预先确定的距离取决于挤出材料的粘度以及挤出机从位置332移动到位置324的速度。在一个实施方案中，该距离对应于在挤出机从位置332移动到位置324的方向上跨挤出机的面板的距离。当挤出机到达位置324 时，在面板和部件之间重新建立挤出材料，并且控制器128执行g代码以形成该层左侧部分的第一条带328。因此，当它继续朝着周边到达位置340 时，它会反转方向并越过位置332。一旦到达那里，挤出机向左移动一段距离，该距离对应于条带的宽度，然后继续跨圆柱体内部到达位置344。如上面关于层的右侧所述，这种来回运动持续进行直到完成该层的左侧，在执行用于形成下一层的g代码之前关闭阀门并抬起挤出机。

挤出机的放置距离条带起始位置偏移距离，打开用于要形成的条带的 g代码指示的阀门，将挤出机移动到条带起始位置，然后继续移动挤出机以形成条带对于物体形成中遇到的许多情况很有用。一个此类情况是周边形成。例如，在形成周边308时，当挤出机沿顺时针方向运动以形成周边时，将挤出机移动到内部区域中的位置，该位置大约是跨面板的距离的一半。在此位置，打开用于周边条带的g代码中所识别的阀门，并且将挤出机移动到用于周边条带的起始位置。通常，从偏移位置到周边条带起始位置的移动垂直于用于形成周边的移动，但是可使用其他角度。一旦到达周边条带位置，挤出机就会沿顺时针路径并形成周边条带。这种操作有用的另一种情况是拐角形成。在这种情况下，将挤出机定位在与拐角起始位置的偏移处，该偏移在拐角的周边内。然后打开阀门，将其移动到拐角起始位置，从该位置移动挤出机以形成拐角。在此操作中，不会打开任何阀门以允许将材料挤出到拐角的外部。

一般而言，执行图4中所示的过程以使得当挤出机到达用于形成条带的起始位置时能够建立挤出材料的流。在下面的讨论中，对执行功能或动作的过程400的引用是指控制器(诸如控制器128)的操作，以执行存储的程序指令以及挤出机路径控制数据来执行与打印机中的其他部件相关联的功能或动作。出于例示性目的，结合图1的打印机100'和图2中的打印机 100"描述过程400。

过程400以控制器识别条带形成开始，该条带形成需要在将挤出机移动到条带的起始位置之前关闭所有阀门并抬起挤出机(框404)。控制器识别从条带起始位置偏移并且位于物体区域的周边内的过渡区域起始位置 (框408)。如在本文中所使用的，术语“过渡区域”是指在挤出机到达条带起始位置之前操作挤出机以使得能够建立挤出材料流。一旦挤出机到达过渡区域起始位置，就打开用于形成条带所识别的阀门，并且将挤出机移动通过过渡区域至条带起始位置(框412)。从那里开始，执行物体形成控制数据以形成条带(框416)。

Claims (13)

1.一种用于操作三维(3D)物体制造系统的方法，包括：

用控制器识别要在层中形成的条带，其需要关闭挤出机中的多个阀门中的每个阀门，并在将所述挤出机移动到用于在所述层中形成所述条带的起始位置之前，将所述挤出机提升到所述层的先前形成的部分之上；

用所述控制器识别过渡区域起始位置，所述过渡区域起始位置偏移所述条带的所述起始位置并且定位在由所述三维 (3D) 物体制造系统 形成的物体的周边内；

操作所述挤出机以关闭所述挤出机中的所述多个阀门中的每一个阀门；

用所述控制器操作至少一个致动器，以将所述挤出机提升到所述层的先前形成的部分之上并将所述挤出机定位到所述过渡区域起始位置；

用所述控制器打开所述挤出机中的阀门，所述阀门由用于要在所述层中形成的所述条带的形成的挤出机路径控制数据识别；以及

用所述控制器操作所述至少一个致动器，使所述挤出机在由所述挤出机路径控制数据识别的所述阀门打开的情况下，从所述过渡区域起始位置移动到所述条带的所述起始位置，以填充所述挤出机的面板和由所述三维 (3D) 物体制造系统 形成的所述物体在所述条带的所述起始位置处的部分之间的体积。

2.根据权利要求1所述的方法，所述过渡区域起始位置的所述识别还包括：

用所述控制器将所述过渡区域起始位置识别为从所述条带的所述起始位置朝向所述周边内的区域的内部偏移；以及

用所述控制器操作所述至少一个致动器以将所述挤出机从所述周边内的所述区域的所述内部朝向所述周边移动到所述条带的所述起始位置。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

一旦所述挤出机到达所述条带的所述起始位置，继续使用所述挤出机路径控制数据来用所述控制器操作所述至少一个致动器以形成所述条带。

4.根据权利要求3所述的方法，其中从所述条带的所述起始位置的所述偏移是参考由用于形成所述条带的所述挤出机路径控制数据所识别的速度以及由所述挤出机挤出的材料的粘度来确定的。

5.根据权利要求3所述的方法，其中一旦所述挤出机到达所述条带的所述起始位置，从所述条带的所述起始位置的所述偏移对应于在所述挤出机移动以形成所述条带的方向上跨所述挤出机的面板的距离。

6.根据权利要求5所述的方法，其中一旦所述挤出机到达所述条带的所述起始位置，从所述条带的所述起始位置的所述偏移对应于在所述挤出机移动以形成所述条带的所述方向上跨所述挤出机的所述面板的距离的一半。

7.根据权利要求5所述的方法，其中一旦所述挤出机到达所述条带的所述起始位置，从所述条带的所述起始位置的所述偏移对应于在与所述挤出机移动以形成所述条带的所述方向垂直的方向上跨所述挤出机的所述面板的所述距离的一半。

8.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至少一个致动器，以在与所述挤出机离开用于形成所述条带的所述起始位置之后在与所述挤出机头移动的方向垂直的方向上将所述挤出机从所述过渡区域起始位置移动到所述条带的所述起始位置。

9.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至少一个致动器，以在与所述挤出机离开用于形成所述条带的所述起始位置之后在所述挤出机头移动的方向相反的方向上将所述挤出机从所述过渡区域起始位置移动到所述条带的所述起始位置。

10.根据权利要求4所述的方法，其中所述过渡区域起始位置偏移所述条带的所述起始位置，并且要形成的所述条带包括拐角。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述过渡区域起始位置在要形成的所述条带中的所述拐角内。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

用所述控制器操作要用于形成包括所述拐角的所述条带的多个阀门。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

当所述挤出机从所述过渡区域起始位置移动至所述条带的所述起始位置时，用所述控制器操作要用于形成包括所述拐角的所述条带的所述多个阀门。

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