CN111788062B - 三维打印控制 - Google Patents

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Abstract

用于3D打印反应性组分以形成热固性产物的三维(3D)物体生产系统和方法。本公开涉及使用具有包括一个或多个处理器的控制器的3D打印机来打印3D物体。本公开还提供了用于3D打印的3D物体生产系统和方法，包括基于反应性组分之间的反应速率来调整至少一个致动器的一个或多个参数以生产3D物体。

Description

三维打印控制
技术领域
本文的公开内容涉及三维打印控制方法和过程，并且还涉及用于执行并实现此类方法和过程的系统、装置和设备。本公开内容还涉及使用控制器来控制热固性产物的粘度、聚合度和长宽比并且基于对粘度、聚合度和长宽比的控制来打印3D物体。
背景技术
熔丝制造(FFF)，在本领域中也称为热塑性挤出、塑料喷射打印(PJP)、熔丝法(FFM)或熔融沉积成型，是增材制造工艺，其中材料被以连续层地挤出到平台上以形成三维产物。通常，FFF使用被挤出到更低温度的平台上的熔融热塑性材料。三维打印(3D打印)常常使用在3D打印完成之后容易从零件中溶解或移除的支撑结构。
使用热塑性塑料的现有FFF技术的缺点包括单材料特性打印、有限的打印方向强度、有限的耐用性和有限的柔软性。FFF通常不使用热固性材料，因为在固化之前，单体是低粘度液体，并且在沉积时，固化液体会流动或分解成液滴，从而导致成品零件质量低且分辨率不合期望的低。在实践中，利用热固性材料来打印的尝试已经要求添加填料(诸如无机粉末或聚合物)以在树脂完全固化之前在树脂中引发触变行为。这些解决方案影响打印零件的最终特性。其它问题包括打印零件的分辨率控制不佳和混合系统的频繁堵塞。
发明内容
可以描述的是，本文所述的示例性系统和方法可以通过控制或修改多种反应性组分中的一种或多种来控制或调整各种零件特性以提供用于在3D打印中使用的热固性产物。例如，基于异氰酸酯属性的来自异氰酸酯源的流量的一部分可以用于控制零件柔韧性、颜色、光学折射率等(例如，更具体地，更小的分子量(Mw)可以提供或赋予更刚性的材料，更高的Mw赋予更柔性的材料)。
另外，例如，基于多元醇属性的来自多元醇源的流量的一部分可以用于控制零件柔韧性、颜色、光学折射率等(例如，更具体地，更小的分子量可以赋予或提供更刚性的材料，更高的Mw赋予更柔软的材料)。更进一步地，例如，来自诸如产生气体的发泡剂或反应性物种的气体产生源的流量的一部分可以用于控制零件孔隙率或密度(例如，以创建受控“泡沫”)。
可以描述的是，示例性系统和方法可以包括或利用各种挤出热固性物打印设备以在产生或创建3D物体时监视/修复各种问题、控制各种参数、或者控制环境条件。例如，挤出热固性物打印设备可以被配置成通过检测电机上的扭矩来检测打印流管道/喷嘴中的阻塞(例如，使用扭矩上限来检测超出工作范围的粘度)，从而监视管道内的流动和/或打印设备内的压力。对阻塞的检测可以触发对混合系统的改变或清洁。另外，例如，随着材料离开打印头，例如通过颜色检测或化学检测，可以检测或确定混合质量(例如，使用计量泵来确保将正确比率的材料混合在一起或进行化学分析)，然后这可以用于延迟材料在零件上的沉积，将材料吹扫到吹扫区域中直到实现混合为止，并且/或者警告用户。更进一步地，例如，可以检测每种树脂的压力，并且必要时可以控制电机位移以实现期望的材料流速或者停止流动。换句话说，示例性系统和方法可以使用压力反馈来监视实际的体积流量以与计算出的体积流量进行比较。更进一步地，例如，可以监视各种反应性组分或所得的热固性产物的流动。更具体地，流动反馈可以用于监视实际的体积流量以与计算出的体积流量进行比较。更进一步地，例如，可以监视并在各种控制过程中使用被打印或创建的3D物体的重量。换句话说，打印设备可以被配置成检测打印的重量并且泵送量与程序期望量保持一致。另外，可以验证离开到平台上的材料的量以与理论量匹配，使得例如，能够进行校正或调整。更进一步地，例如，可以针对容器直径适配压力。更具体地，可以使用感测系统来补偿在反应性材料的打印期间跨不同尺寸的器皿所需的压力的梯度，并且另一测量装置将确保一致的流量。
另外更进一步地，例如，打印设备可以包括清洁尖端的尖端擦拭机构以防止团块形成和拖曳。更具体地，尖端擦拭物可以具有“清洁”区域以将喷嘴的尖端擦拭干净。由于聚氨酯会固化和硬化，所以必须有一“清洁”区域可擦拭。另外，尖端擦拭物可以是可更换的。
又更进一步地，打印设备可以提供或包括湿度受控柜以控制导致零件质量的水分。湿度受控柜可以具有内部或外部有源系统以去除水分。另外，受控柜可以具有至少两个功能：去除水分以帮助构建零件并且创建更窄的水分带宽(这可以允许更少的变量测试)。
更进一步地，例如，打印设备可以提供或包括吹扫容器(例如，桶)以放置吹扫材料。可以在零件开始时或在零件内部吹扫材料以防止喷嘴被固化材料卡住。
更进一步地，例如，打印设备可能能够控制柜温度。例如，柜可以具有侧面和天花板以包含加热的空气。内部柜的温度将帮助确定聚氨酯的固化时间。随着柜温度升高，聚氨酯粘度可以增加，并且固化时间可以减少。另外，升高内部温度，将移除或降低环境温度。
还可以描述的是，示例性系统和方法可以控制或调整各种打印条件以提供期望的几何形状以及放置在零件上的股线的所得零件填充。例如，可以调整或修改每层时间、通过喷嘴的流速、喷嘴处的粘度和固化加速。另外，树脂的温度可能影响喷嘴外的粘度变化和材料的更快反应速度。从材料的粘度和反应速率的定时的条件可以创建材料的轮廓，该轮廓转化为所得的物理和机械特性。粘度和反应速率的定时可能影响材料的空间填充特性。适当的空间填充能够改善机械特性并且对粘度和流速的控制能够在不损失零件分辨率的情况下允许实现更快的打印。更进一步地，例如，平台的温度增加可以引起粘度的降低和最接近平台的材料的更快的反应速度，并且可以对出口材料尤其对基础层引起不同的粘度和反应性。更进一步地，例如，构建体积的温度可以引起更快的反应速度并且开始加速完成零件的整体固化。更进一步地，例如，挤出喷嘴处的温度还能够随着沉积而改变固化以及所得的股线几何形状，例如以用于快速反应固化调整。另外更进一步地，例如，打印室的湿度可以用于控制或影响零件中气泡缺陷的形成。
还可以描述的是，示例性系统和方法可以使用喷嘴直径、喷嘴离正在打印的3D物体的高度和喷嘴尖端形状来控制或调整热固性产物的各种珠粒形状。通常，尖端(ID)尺寸越小，零件分辨率越好。更具体地，用于大多数零件的尖端(ID)可以限定最大/最小体积速率。通常，如果流量体积小于尖端(ID)，则出口流量可能在尖端(ID)的边缘之间“游走”。如果流量体积创建大于尖端(OD)的横截面，则材料可能在尖端周围向上流动，从而创建不平坦的顶表面。另外，零件限定可以由零件的支撑角度和分辨率限定。更进一步地，可以视需要而展平珠粒形成。通常，示例性系统和方法可以影响使珠粒的顶部成形的能力。
还可以描述的是，示例性系统和方法可以控制或调整各种刀具路径控件。例如，每层的平移路径可以控制打印零件的流动和分辨率。在段/轮廓结束时，可以将尖端移动到下一段/轮廓，并且示例性系统和方法可以通过改变的流动(例如，减少或停止的流动)来移动到下一位置。刀具路径的创建应该是这样的，即下一段/轮廓的起点应该尽可能接近。另外，例如，示例性系统和方法可以控制是否使用平行或垂直图案来控制零件的所得强度各向同性。另外，应力应变结果可以用于修改所产生的刀具路径以基于从强度测试收集的数据返回“最强的”或“更柔软的”刀具路径。更进一步地，例如，每层时间可以控制使先前层硬化的时间。将有“最小层时间”，其可以被限定为部分地固化或胶凝给定体积的聚氨酯层所花费的最小时间量。如果在此最小时间之前打印下一层，则先前层可能因当前层的重量而变形，并且示例性系统和方法可以据此调整头速度。另外更进一步地，反应性组分或物种的化学计量和/或比率还可以用于控制零件质量。又更进一步地，示例性系统和方法可以用于控制3D物体的接缝(“接缝控制”)。更具体地，可以通过在层或路径的开始和停止处使用不同的Z或高度水平来重叠或隐藏3D物体的内部接缝从而减少接缝。另外，刀具路径的开始/结束可以是给定问题，并且开始/结束流量可以等于恒定流量横截面，以例如潜在地避免缺陷。开始/结束段能够重叠但是可以有体积变化。可以减少潜在的接缝缺陷，从而将零件或零件内部的所有开始/结束段隐藏起来。如果接缝是内部的，则刀具路径可以在填充零件时避免此体积，并且能够在Z或高度维度上移动接缝段，以减少填充体积(例如，在z较低处开始，升高到层高，然后减少结束段期间的体积流量)。
更进一步地，例如，示例性系统和方法可以包括或提供自动喷嘴清洁以允许在层之间清洁和/或以清除尖端上的堆积物。自动清洁可以是定时的或者使用智能技术来控制(例如，由传感器辨识)。因此，尖端上任何收集的材料可以在它变得完全或接近固化之前被移除。在至少一个实施例中，尖端擦拭物能由聚氨酯所不粘附的材料(例如，硅酮)制成。
更进一步地，例如，示例性系统和方法可以包括或提供包括加速的速度控制。更具体地，控制器可以具有对所有轴(X,Y,Z)的独立控制并且还可以具有对头体积流量的控制。对树脂/聚乙烯的体积流量的控制可以与X、Y、Z轴不同，因此，控制器可以在X、Y、Z轴移动开始之前/之后开始树脂/pu流动。另外，加速/减速对每个或所有轴来说可以是不同的并且可以被控制以创建期望的一致体积流量。
另外更进一步地，例如，示例性系统和方法可以包括或提供拐角速度控制以例如控制拐角区域的限定。为了创建更高速度的打印，更长的段(例如，更长更直的段)可以比拐角具有更高的打印速度。控制器可以控制所有轴以创建通过拐角的平滑且一致的体积流量。
附图说明
图1是示例性3D物体生产系统的框图。
图2是图1的系统的挤出热固性物打印设备的框图。
图3是示例性3D物体生产系统的框图。
图4是具有两种不同的热固性组分的打印3D物体。
图5是示例性3D物体生产系统的框图。
图6是能够组合最多8种反应性组分的挤出机。
图7是挤出机和挤出喷嘴。
图8示出了三个珠粒的横截面。
图9是金字塔形3D打印物体。
图10是展平环形的计算机图。
图11是3D打印的展平环形。
具体实施方式
在以下说明性实施例的详细描述中，参考形成其一部分的图的附图，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践的具体实施例。应当理解的是，在不脱离(例如，仍然落入)特此呈现的本公开内容的范围的情况下，可以利用其它实施例并且可以做出结构变化。
考虑到本公开的益处，这里公开的本发明主题的各种示例和实施例是可能的，并且对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。在本公开中，对“一些实施例”、“某些实施例”、“某些示例性实施例”和类似短语的引用各自意味着那些实施例是本发明主题的非限制性示例，并且可以存在未排除的替代实施例。
冠词“一”、“一个”和“该”在本文中用于指该冠词的语法宾语中的一个或一个以上(即，至少一个)。作为示例，“一个元件”是指一个元件或一个以上元件。
如本文所用，术语“约”是指所述值的±10％。仅作为示例，包含“约30％重量”的化合物的组合物可以包括从27％的重量化合物直至并包括33％重量的化合物。
词语“包含”被以与其开放式含义一致的方式使用，即，意味着给定产物或过程也能够任选地具有除明确地描述的特征或元件以外的附加特征或元件。应理解的是，在用语言“包含”描述实施例的任何地方，依据“由...构成”和/或“基本上由...构成”描述的另外类似的实施例也被设想到并在本公开的范围内。
如本文所用，术语“热固性物”、“热固性产物”和“热固性材料”可互换地使用并且是指形成共价键结合的交联或聚合网络的至少两种化学品的反应产物。与热塑性塑料相反，本文所述的热固性产物可以不可逆地凝固或凝结。
如本文所用，术语“弹性体”是指当施加应力时可变形但是在移除应力之后保持其原始形状的聚合物(例如，聚氨酯)。
如本文所用，术语“层”是指已被从挤出喷嘴挤出并且沉积在例如基材上的一股热固性产物。层最初是部分反应的热固性产物，并且固化以成为完全反应的热固性产物。
如本文所用，术语“部分反应的热固性产物”是指仍然为反应性的共价键结合的交联或聚合网络。例如，它仍然具有在滴定中赋予可测羟基数、NH数或NCO数的羟基、胺和/或异氰酸酯官能度。在另一实施例中，部分反应的热固性产物是粘度低于3,000,000cp的热固性产物。在一个实施例中，部分反应的热固性产物是分子量不大于100,000g/mol的热固性产物。
如本文所用，术语“完全反应的热固性产物”是指不具有可测反应性基团(例如，羟基、胺或异氰酸酯官能度)的共价键结合的交联或聚合网络。在另一实施例中，完全反应的热固性产物是作为固体并且没有可测粘度的热固性产物。
如本文所用，术语“环境参数”是指温度、水分水平和湿度中的一个或多个。
在某些实施例中，三维(3D)物体生产系统或三维(3D)物体生产方法包括控制器，该控制器包括一个或多个处理器。在某些实施例中，三维(3D)物体生产系统或三维(3D)物体生产方法能够能操作地耦接到挤出热固性物打印设备。在某些实施例中，三维(3D)物体生产系统或三维(3D)物体生产方法包括至少一个致动器，该至少一个致动器能操作地耦接到挤出喷嘴以在递送热固性产物以形成3D物体时移动挤出喷嘴。
在某些实施例中，包括一个或多个处理器的控制器能够向挤出热固性物打印设备提供指令。这些指令能够修改用于打印3D物体的方法。在某些实施例中，这些指令指示至少一个致动器，该至少一个致动器能操作地耦接到挤出喷嘴以在递送热固性产物以形成3D物体时移动挤出喷嘴。
在某些实施例中，控制器能够基于第一反应性组分与第二反应性组分之间的反应速率来调整至少一个致动器的一个或多个参数以生产3D物体以提供热固性产物。在某些实施例中，控制器能够基于第一反应性组分、第二反应性组分和第三反应性组分之间的反应速率来调整至少一个致动器的一个或多个参数以生产3D物体以提供热固性产物。在某些实施例中，控制器能够基于第一反应性组分、第二反应性组分和至少一种附加反应性组分(例如，总共三种、四种、五种、六种、七种、八种、九种或十种反应性组分)之间的反应速率来调整至少一个致动器的一个或多个参数以生产3D物体以提供热固性产物。
申请人已经令人惊讶地发现，与本领域中的方法相比，基于反应性组分之间的反应速率来调整至少一个致动器的一个或多个参数以生产3D物体能够提供意外优良的3D打印物体。在某些实施例中，所述一个或多个参数能够包括以下中的至少一个：热固性产物的每层时间、经过挤出喷嘴的热固性产物的流速、经过挤出喷嘴的热固性产物的粘度、热固性产物的固化加速、层平移路径、层图案、接缝结构、移动速度和拐角速度。
在某些实施例中，能够调整热固性产物的每层时间以优化由挤出喷嘴挤出的各层之间的时间。取决于反应性组分的特性和所期望的最终3D产物的几何形状，每层时间调整可以发生变化。如本文所用，术语“热固性产物的每层时间”是指在能够将下一层沉积在其上面之前应该经过的最小时间量。
在某些实施例中，热固性产物的最小每层时间可以为从约10秒至数小时。在某些实施例中，热固性产物的每层时间可以为从约30秒至约30分钟。在某些实施例中，热固性产物的每层时间可以为从约60秒至约20分钟。在某些实施例中，热固性产物的每层时间可以为约10秒、约20秒、约30秒、约40秒、约50秒、约60秒、约2分钟、约3分钟、约4分钟、约5分钟、约6分钟、约7分钟、约8分钟、约9分钟、约10分钟、约15分钟、约20分钟、约25分钟、约30分钟、约35分钟、约40分钟、50分钟、1小时、1.5小时、2小时、或指定值之间的任何范围。如果在沉积一层与随后沉积另一层之间已经过的时间量不足，则当沉积下一层时，它可能熔融或流入在先层。在某些实施例中，一层的高度为x，并且当沉积下一层时，零件的高度可以为2x。如果已经过的时间量不足，则在沉积下一层之后，高度可能小于2x。在某些实施例中，如果高度在2x的5％内，则能够说已经过了最小时间。
在某些实施例中，能够调整经过挤出喷嘴的热固性产物的流速以优化经过挤出喷嘴的流速。取决于反应性组分的特性和所期望的最终3D产物的几何形状，流速调整能够发生变化。如本文所用，术语“经过挤出喷嘴的流速”是指在一秒内推动通过喷嘴的体积流速或以mm3为单位的材料的体积。速率可以因尖端直径而异。在某些实施例中，能够通过打印机上泵的强度来设置最小速率。在某些实施例中，能够通过设置泵位移来控制流速。
在某些实施例中，经过挤出喷嘴的流速可以为从约0.01mm3/s至约1mm3/s。在某些实施例中，流速可以为从约0.05mm3/s至约0.75mm3/s。在某些实施例中，流速可以为从约0.1mm3/s至约0.5mm3/s。在某些实施例中，流速可以为约0.01mm3/s、约0.02mm3/s、约0.03mm3/s、约0.04mm3/s、约0.05mm3/s、约0.06mm3/s、约0.07mm3/s、约0.08mm3/s、约0.09mm3/s、约0.1mm3/s、约0.15mm3/s、约0.2mm3/s、约0.25mm3/s、约0.3mm3/s、约0.35mm3/s、约0.4mm3/s、约0.45mm3/s、约0.5mm3/s、约0.55mm3/s、约0.6mm3/s、约0.65mm3/s、约0.7mm3/s、约0.75mm3/s、约0.8mm3/s、约0.85mm3/s、约0.9mm3/s、约0.95mm3/s、约1mm3/s、或指定值之间的任何范围。在某些实施例中，材料的流速与混合室的体积相结合能够设置材料在它离开喷嘴时的反应程度。例如，如果打印机正在以0.1mm3/s打印并且混合器的体积为2mm3，则反应混合物可以为平均约20秒进入其反应；如果流速被降低至0.01mm3/s，则反应混合物可以为平均约200秒进入其反应。
在某些实施例中，能够调整经过挤出喷嘴的热固性产物的粘度以优化经过挤出喷嘴的热固性产物的粘度。取决于反应性组分的特性和所期望的最终3D产物的几何形状，粘度能够发生变化。粘度随聚合物分子量的增加而增加。粘度也随着材料中尿烷和脲键的浓度的增加而增加。因此，对于给定A(异氰酸酯共混物)和B(多元醇共混物)，当它们起反应时，粘度将增加。例如，对于给定A和B，如果混合物在200秒时离开挤出喷嘴，则与如果它在20秒时离开挤出喷嘴比，它能够具有更高的反应程度、更高的尿烷/脲基密度和更高的分子量。在某些实施例中，随着从反应性组分的混合到混合物离开挤出喷嘴时的时间增加，粘度能够增加。
在某些实施例中，与具有更低的反应程度的材料比，具有更高的反应程度的材料能够赋予珠粒不同的长宽比(横截面宽度与高度比)。在某些实施例中，长宽比可以为从约1至约10。在某些实施例中，长宽比可以为从约1至约5。在某些实施例中，长宽比为约1、约1.5、约2、约2.5、约3、约3.5、约4、约4.5、约5、约6、约7、约8、约9、约10、或指定值之间的任何范围。在某些实施例中，长宽比能够与粘度成反比。例如，对于更高粘度的珠粒长宽比将为1，而对于更低粘度的珠粒长宽比为5。
申请人已经令人惊讶地发现，控制珠粒的长宽比能够提供打印优化并且为打印的3D物体提供具有所期望的物体分辨率。在某些实施例中，长宽比能够用于设置材料的空间填充属性。在某些实施例中，长宽比与材料的聚合程度和材料的粘度有关。例如，如果长宽比为5，则层高度更低，但是打印头的平移路径能够在相邻珠粒之间以更大的距离行进。比较而言，如果长宽比为1，则平移路径将相邻的珠粒放置得更近以生产固体零件。在某些实施例中，通过打印头的流速，该打印头设置其粘度并因此设置珠粒的长宽比，能够用于设置分辨率以及总体打印速度。在较慢的流速和低的长宽比下，打印分辨率可以为珠粒宽度。在较高的流速下，高的长宽比允许用更少的相邻珠粒快速填充层。分辨率可以为与更低的粘度相关联的更宽的珠粒宽度。
在某些实施例中，控制器能够分析长宽比并且基于珠粒的长宽比打印3D物体。例如，控制器能够指示3D打印机对于3D物体的某些方面利用低长宽比/高粘度的珠粒进行打印，然后控制器能够指示3D打印机对于3D物体的其它方面利用高长宽比/低粘度的珠粒进行打印。对长宽比的这种控制能够给3D物体提供高分辨率，例如在3D物体的边缘上，然后使用提高的打印速度来对3D物体的各方面进行空间填充。
在某些实施例中，能够调整热固性产物的固化加速以优化热固性产物的固化加速。取决于反应性组分的特性和所期望的最终3D产物的几何形状，固化加速能够发生变化。在某些实施例中，能够通过提高在给定时间的反应程度来实现固化加速。在某些实施例中，促进剂可以为具有被设计有更高反应性的反应物的催化剂或配方。
在某些实施例中，能够调整层平移路径以优化挤出热固性产物的层平移路径。取决于反应性组分的特性和所期望的最终3D产物的几何形状，层平移路径能够发生变化。如本文所用，术语“层平移路径”是指在将材料沉积在层中的同时由打印头横过的路径。在某些实施例中，能够遵循路径以将材料沉积在已经由切片应用指定的区域中。在某些实施例中，能够选取层平移路径，使得在放置相邻珠粒之前经过最小时间量。在某些实施例中，最小时间量可以为从约1秒至约5分钟。在某些实施例中，此最小时间量可以为从约5秒至约1分钟。在某些实施例中，此最小时间量可以为约1秒、约5秒、约10秒、约15秒、约20秒、约25秒、约30秒、约35秒、约40秒、约45秒、约50秒、约60秒、约90秒、约2分钟、约3分钟、约4分钟、约5分钟、或指定值之间的任何范围。如果已经过的时间量不足，则珠粒能够组合并形成长宽比与单个珠粒不同的珠粒。在某些实施例中，构造平移路径的算法能够控制层平移路径，使得当将珠粒彼此相邻放置时不会发生珠粒变形。
在某些实施例中，能够调整层图案以优化挤出热固性产物的层图案。取决于反应性组分的特性和所期望的最终3D产物的几何形状，层图案能够发生变化。如本文所用，术语“层图案”是指在将材料沉积在层中的同时由打印头横过的图案。在某些实施例中，层图案可以是打印头被引导以填充区域的系统路径。在某些实施例中，层图案可以是从外到内用同心圆填充的圆。在某些实施例中，层图案可以是放置相邻平行线的图案。在某些实施例中，能够选取层图案，使得在放置相邻珠粒之前经过最小时间量。在某些实施例中，此最小时间量可以为从约1秒至约5分钟。在某些实施例中，此最小时间量可以为从约5秒至约1分钟。在某些实施例中，此最小时间量可以为约1秒、约5秒、约10秒、约15秒、约20秒、约25秒、约30秒、约35秒、约40秒、约45秒、约50秒、约60秒、约90秒、约2分钟、约3分钟、约4分钟、约5分钟、或指定值之间的任何范围。如果已经过的时间量不足，则珠粒能够组合并形成长宽比与单个珠粒不同的珠粒。在某些实施例中，构造填充图案的算法能够控制层图案，使得当将珠粒彼此相邻放置时不会发生珠粒变形。
在某些实施例中，能够调整接缝结构以优化挤出热固性产物的接缝结构。取决于反应性组分的特性和所期望的最终3D产物的几何形状，接缝结构能够发生变化。如本文所用，术语“接缝结构”是指当每层开始在同一X、Y点处打印时形成的垂直线。
在某些实施例中，能够调整移动速度以优化挤出热固性产物和挤出喷嘴的移动速度。取决于反应性组分的特性和所期望的最终3D产物的几何形状，移动速度能够发生变化。如本文所用，术语“移动速度”是指由打印头横过的线性速度。在某些实施例中，移动速度可以为从约1mm/s至约50mm/s。在某些实施例中，移动速度可以为从约2mm/s至约25mm/s。在某些实施例中，移动速度可以为约1mm/s、约2mm/s、约3mm/s、约4mm/s、约5mm/s、约6mm/s、约7mm/s、约8mm/s、约9mm/s、约10mm/s、约11mm/s、约12mm/s、约13mm/s、约14mm/s、约15mm/s、约16mm/s、约17mm/s、约18mm/s、约19mm/s、约20mm/s、约21mm/s、约22mm/s、约23mm/s、约24mm/s、约25mm/s、或指定值之间的任何范围。
在某些实施例中，能够调整拐角速度以优化挤出热固性产物和挤出喷嘴的拐角速度。取决于反应性组分的特性和所期望的最终3D产物的几何形状，拐角速度能够发生变化。如本文所用，术语“拐角速度”可以是指给定线性速度的最小转弯半径。由于3D打印珠粒中的每条曲线由多个线性段组成，所以能够将这种改变方向的能力表达为最大角速度，其中：
Figure BDA0002528412590000141
并且其中θ是拐角角度，并且
最大线速度v＝ωr
其中r是拐角的半径。
在某些实施例中，控制器能够调整第一反应性组分、第二反应性组分和第三反应性组分中的一种或多种的量和流速中的一项或两项，以为3D物体设计的第一区域提供热固性产物，以提供与第二区域的同一物理特性不同的第一区域的物理特性。在某些实施例中，物理特性可以为柔韧性、颜色、光学折射率、硬度、孔隙率和密度中的一种或多种。
在某些实施例中，控制器能够被配置成执行或方法还包括调整用于与第一反应性组分、第二反应性组分和第三反应性组分中的一种或多种一起使用的气体产生源的量和流速中的一项或两项。
在某些实施例中，控制器能够被配置成执行或方法还包括控制挤出喷嘴与3D物体之间的距离。申请人已经令人惊奇地发现，与本领域中的方法相比，控制挤出喷嘴与3D物体之间的距离能够提供意外优良的3D打印物体。
在某些实施例中，控制器能够被配置成检测挤出热固性物打印设备内的阻塞。在某些实施例中，控制器能够被配置成移除挤出热固性物打印设备内的阻塞。在3D打印期间，反应性组分可能阻塞、堵塞、阻挡或填充挤出热固性物打印设备的一部分。通过使用控制器来检测并移除阻塞，能够打印均匀且准确的3D打印物体。在某些实施例中，阻塞可能在挤出热固性物打印设备内部(例如，在喷嘴的内部上)。在某些实施例中，阻塞可能在挤出热固性物打印设备的外部上(例如，在喷嘴的外部上或在喷嘴的尖端上)。在某些实施例中，阻塞被自动地移除，例如通过吹扫至处置杯。在某些实施例中，阻塞被手动地移除，例如通过手动地擦拭喷嘴。
将参考图1至图2描述示例性系统、设备、装置、方法和过程。对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，来自一个实施例的元件或过程可以与其它实施例的元件或过程相结合地使用，并且使用本文阐述的特征的组合的此类系统、设备、装置、方法和过程的可能的实施例不限于图中所示和/或本文所述的具体实施例。另外，应认识到本文所述的实施例可以包括不一定按比例示出的许多元件。更进一步地，应认识到本文的过程的定时以及各种元件的尺寸和形状可以被修改但仍然落入本公开的范围内，但是某些定时、元件的一种或多种形状和/或尺寸、或类型可以优于其它元件。
在图1中进一步图示地描绘用于执行或进行本文所述的示例性方法和/或过程的示例性3D物体生产系统10。如所示，示例性系统10可以包括计算设备12。计算设备12可以被配置成接收输入并且将输出发送到挤出热固性物打印设备100，使得例如，计算设备12可以使用挤出热固性物打印设备100或与其一起工作以生产3D物体。
另外，计算装置12可以包括数据存储装置14。数据存储装置14可以允许访问处理程序或例程16以及一种或多种其它类型的数据18(例如，3D物体设计、计算机辅助设计(CAD)文件、传感器数据、材料特性、参数、度量、变量等)，该数据18可以用于进行或执行示例性方法和/或过程，该示例性方法和/或过程用于执行3D物体的生产的控制和/或将3D设计转换成一个或多个打印过程以生产3D物体。可以将计算设备12描述为能操作地耦接到挤出热固性物打印设备100以例如向且从挤出热固性物打印设备100发送数据。例如，计算设备12可以使用例如模拟电连接、数字电连接、无线连接、基于总线的连接等电气耦接到挤出热固性物打印设备100。
处理程序或例程16可以包括用于执行以下各项程序或例程：计算数学、切片应用、CAD过程、3D设计翻译算法和过程、空间算法、过程自动化算法、矩阵数学、标准化算法、比较算法、反馈控制回路、或实现本文所述的一个和/或多个示例性方法和/或过程所需要的任何其它处理。例如，数据18可以包括3D物体设计数据、3D物体信息、参数、3D打印参数、材料特性、传感器数据、变量、来自根据本文公开采用的一个或多个处理程序或例程的结果，或可能是执行本文所述的一个和/或多个过程或方法所必需的任何其它数据。
在一个或多个实施例中，可以使用在可编程计算机上执行的一个或多个计算机程序来实现系统10，该可编程计算机诸如包括例如处理能力、数据存储装置(例如，易失性或非易失性存储器和/或存储元件)、输入装置和输出装置的计算机。可以应用本文所述的程序代码和/或逻辑来输入数据以执行本文所述的功能性并且生成期望的输出信息。可以将输出信息作为输入应用于如本文所述的或如将以已知方式应用的一个或多个其它装置和/或方法。
可以使用任何可编程语言或代码来提供用于实现本文所述的方法和/或过程的程序，例如为适合于与计算机系统进行通信的高级过程和/或面向对象的编程语言或代码。例如，可以将任何此类程序存储在任何合适的装置上，例如，存储介质，该合适的装置可由在计算机系统(例如，包括处理设备)上运行以便在读取该合适的装置时配置并操作该计算机系统以用于执行本文所述的程序的通用或专用程序。换句话说，至少在一个实施例中，可以使用被配置有计算机程序的计算机可读存储介质来实现系统10，其中如此配置的存储介质使计算机以具体和预定义的方式操作以执行本文所述的功能。另外，在至少一个实施例中，可以将系统10描述为由在一个或多个非暂时性介质中编码的逻辑(例如，目标代码)实现，该逻辑包括执行用代码，并且当由处理器执行时，可操作来执行诸如本文所述的方法、过程和/或功能性的操作。
例如，计算设备12可以为任何固定或移动的计算机系统(例如，控制器、微控制器、个人计算机、微型计算机等)。计算设备12的确切配置不是限制性的，并且实质上可以如本文所述使用能够提供合适的计算能力和控制能力的任何装置，数字文件可以为包含数字比特(例如，以二进制等编码)的任何介质(例如，易失性或非易失性存储器、CD-ROM、磁性可记录磁带等)，该数字比特可以由本文所述的计算设备12读取和/或写入。另外，如本文所述，用户可读格式的文件可以为可由操作员读取和/或理解的可在任何介质(例如，纸、显示器等)上呈现的数据的任何表示(例如，ASCII文本、二进制数、十六进制数、十进制数、图形等)。
鉴于上文，将容易地显而易见的是，根据本公开的一个或多个实施例中所述的功能性可以以如本领域技术人员已知的任何方式来实现。因此，计算机语言、计算机系统或将用于实现本文所述的过程的任何其它软件/硬件不应对本文所述的系统、过程或程序(例如，由此类系统、过程或程序提供的功能性)的范围构成限制。
本公开中所述的方法和/或逻辑，包括归因于系统或各种组成组件的方法和/逻辑，可以至少部分地用硬件、软件、固件或它们的任何组合加以实现。例如，可以在一个或多个处理器内实现这些技术的各个方面，该处理器包括一个或多个微处理器、DSP、ASIC、FPGA或任何其它等效集成或分立逻辑电路，以及此类组件或其它装置的任何组合。术语“处理器”或“处理电路”通常可以单独或与其它逻辑电路，或任何其它等效电路相结合地指代前述逻辑电路中的任一种。
可以在同一装置内或在单独的装置内实现这种硬件、软件和/或固件以支持本公开中所述的各种操作和功能。此外，所述的组件中的任一个均可以一起或单独地作为分立但可互操作的逻辑装置被实现。例如使用框图等的不同特征的描述旨在突出不同的功能方面，并且不一定暗示必须通过单独的硬件或软件组件来实现此类特征。相反，功能性可以由单独的硬件或软件组件执行，或者集成在公共或单独的硬件或软件组件内。
当用软件加以实现时，可以将归因于本公开中所述的系统、装置和方法的功能性体现为诸如RAM、ROM、NVRAM、EEPROM、闪速存储器、磁性数据存储介质、光学数据存储介质等计算机可读介质上的指令和/或逻辑。指令和/或逻辑可以由一个或多个处理器执行以支持本公开中所述的功能性的一个或多个方面。
挤出热固性物打印设备100可以包括任何一个或多个装置、机构和结构以便能够执行如本文所述的3D物体产生或打印。通常，如图2中所示，挤出热固性物打印设备100可以至少包括用于保持或包含第一反应物的第一反应物室，以及用于保持或包含附加的或第n个反应物的一个或多个附加的反应物室或第n反应物室。反应室可以能操作地耦接到混合室，使得可以将反应物混合以生产或提供如本文所述的热固性产物。混合室可以能操作地耦接到挤出喷嘴，该挤出喷嘴能够将热固性产物递送到正在打印或形成3D物体的生产室。
系统100的部分或项目，其中一些被描绘在图2中，中的每一个均可以具有能操作地耦接到其的对应监视设备。例如，设备100可以包括能操作地耦接到第一反应物室以监视与其有关的一个或多个参数和/或变量的第一反应室物监视设备，以及能操作地耦接到第n个反应物室以监视与其有关的一个或多个参数和/或变量的第n反应物室监视设备。另外，设备100可以包括分别能操作地耦接到混合室、挤出喷嘴和生产室以监视与其有关的一个或多个参数和/或变量的混合室监视设备、挤出喷嘴监视设备和生产监视设备。
系统100的部分或项目，其中的一些被描绘在图2中，中的每一个均可以具有能操作地耦接到其的对应控制设备。例如，设备100可以包括能操作地耦接到第一反应物室以控制、修改或调整与其有关的一个或多个设定、参数和/或过程的第一反应物室控制设备，以及能操作地耦接到第n反应物室以控制与其有关的一个或多个设定、参数和/或过程的第n反应物室控制设备。另外，设备100可以包括分别能操作地耦接到混合室、挤出喷嘴和生产室以控制与其有关的一个或多个设定、参数和/或过程的混合室控制设备、挤出喷嘴控制设备和生产控制设备。
图3是示例性3D物体生产系统的框图。在图3中，切片应用软件向控制器发送物体描述。控制器向3D打印机发送控制指令以打印3D物体。3D打印机向控制器发送反馈，该控制器然后将反馈发送到切片应用。
图4是具有两种不同的热固性组分的打印3D物体。3D物体具有星形的形状。星形的内部较深着色部分由硬热固性材料组成。星形的外部较浅着色部分由软热固性材料组成。
图5是示例性3D物体生产系统的框图。在图5中，切片应用软件向控制器发送物体描述。控制器向3D打印机发送控制指令以打印3D物体。3D打印机向控制器发送反馈，该控制器然后将反馈发送到切片应用。3D打印机包含用于监视并控制湿度、温度和干燥气流的控制器。
各种三维(3D)物体生产方法和系统可以与本文所述的以下示例性方法和系统一起使用：例如2016年12月6日提交的美国临时申请序号62/430,919、2017年6月23日提交的美国临时申请序号62/524,214以及标题为“MANUFACTURE OF THREE DIMENSIONAL OBJECTSFROM THERMOSETS”并于与本申请同一日提交的PCT专利申请，其中的每一个均通过引用整体地并入本文。
本文引用的所有专利、专利文献和参考文献都被整体地并入，如同它们各自被单独地并入一样。已经参考说明性实施例提供本公开，并且本公开不旨在以限制性的意义来解释。如先前所述，本领域的技术人员应认识到，其它各种说明性应用可以使用如本文所述的技术来利用本文所述的设备和方法的有益特性。对说明性实施例以及本公开的附加实施例的各种修改将在参考本描述时显而易见。
示例
现在参考以下示例进一步详述本文公开的3D物体生产系统和方法。这些示例是仅为了说明而提供的，并且本文所述的实施例绝不应该被解释为限于这些示例。相反，实施例应该被解释成包含由于本文提供的教导而成为证据的所有变化。
示例1A
能够分配准确量的若干种反应性组分的设备可用于创建具有一系列物理特性的3D物体。
过程
描绘填充星形(图4中所示)的3D模型使用Solidworks 2018CAD软件来创建并且作为STL文件导出。模型被设计有(1)立起的外形和(2)内平坦区域。
使用现成的“切片”应用来处理STL文件以创建利用独特的热固性材料来创建每个个别区域所需要的动作的G代码描述。
使用红色且硬度为肖氏60A的热固性物1来构建区域1—星形的外部立起的区域。使用绿色且硬度为肖氏95A的热固性物2来构建区域2—星形的内部填充的区域。
如表1中所示，热固性物1是通过使用两种反应性组分A1和B1来混合而生产的；热固性物1是通过使用两种反应性组分A2和B2来混合而生产的：
表1
Figure BDA0002528412590000211
与反应性组分A2相比，异氰酸酯:预聚物的比率对反应性组分A1来说更低。与反应性组分B1相比，反应性组分B2具有更大重量百分比的预聚物。
使用具有改良的CSD-30挤出机的Hyrel Engine SR打印机在两个单独的操作中打印模型。
操作1
使用热固性物1来打印外部星形以生产由切片应用所限定的几何图案的6层。使用以下参数来沉积每层。
珠粒高度：0.8mm
珠粒宽度：1.2mm
线性速度：25mm/s
流速：24mm3/s
操作2
使用热固性物2来打印内部填充的星形以按相同参数生产由切片应用所限定的几何图案的4层。
图4中所示的打印物体演示了(1)每种热固性材料都能够形成由CAD程序创建的3D模型的尺寸精确的表示，并且(2)两种热固性材料结合以形成具有独特特性(在这种情况下为颜色和硬度)的单个物体。
示例1B
示例1A是使用仅能够在任何时间挤出两种反应性组分的Hyrel挤出机来创建的。添加能够组合并挤出多种反应性组分的挤出机将允许：
1.具有独特特性的区域被同时地挤出；并且
2.以精确比率混合反应性组分以从具有特殊独特特性的反应性组分创建特殊特性。
图6示出了能够组合最多8种反应性组分的挤出机。
图6中的这种类型的挤出机能够通过以下在单个操作中创建星形：在描述图1中所示的星形的外部立起的区域的同时选择性地挤出反应性组分A1和B1以创建热固性物1，并且在描述图4中所示的星形的内部填充的区域的同时挤出反应性组分A2和B2以创建热固性物2。附加地，这种类型的挤出机能通过以具体比率组合热固性物1和2来创建具有共混特性的区域。
例如，可以如表2中所示的那样使用图6中的挤出机：
热固性物1 热固性物2 硬度
100％(24mm3/s) 0％(0.00mm3/s) 肖氏60A
50％(12mm3/s) 50％(12mm3/s) 肖氏75A
0％(0.00mm3/s) 100％(24mm3/s) 肖氏90A
以这种方式，组合反应性组分能够以精确比率产生特殊特性，包括硬度、颜色、光学折射率、密度(泡沫)和孔隙率(泡沫)，并且能够在正在构造的模型的限定区域内创建共混特性。
通过给“切片”应用提供用以理解每种反应性组分的混合比率与每种特殊特性之间的关系的机制，可以创建连续的特性谱。
例如，在模型内的每个点的硬度被指定情况下在单个操作中打印示例1A中所述的星形由以下步骤实现。
通过在切片应用内存储每种反应性组分A1、A2、B1和B2的描述并且通过在专有算法内使用那些参数，切片应用将生成具有用于创建参数值的流速的描述的G代码。
这种G代码描述能允许适当地配置的3D物体制造系统控制4种反应性组分的流速以创建具有硬度混合在肖氏60A与肖氏90A之间的热固性材料。
以适当的比率添加有色色调将允许上述系统创建共混颜色。以适当的比率添加水将使上述系统生成具有指定密度和孔隙率的泡沫。
示例2
由于各种原因可能发生示例1中所述的挤出系统的混合室或挤出喷嘴内的阻塞。对阻塞的识别和对校正动作的启动是开发利用热固性物来创建3D物体的生产式系统的基础。
为了识别阻塞，必须对照正常操作条件来监视并比较挤出系统和反应性组分流的操作参数。
图7示出了与图6中所示的挤出系统类似的挤出系统。两个系统使用利用挤压喷嘴给混合室供料的若干相同的ViscoTec 5/5液体泵。为了简单起见，图4使用示出了2个液体泵。
电机电流/扭矩
能够测量由驱动液体泵的每个电机汲取的电流。对于DC电机，驱动液体泵所需要的扭矩可以与由电机汲取的电流成比例。
挤出系统中的阻塞导致驱动液体泵的电机递送更多的扭矩并且因此使电机汲取更高的电流。
在正常操作中，由驱动ViscoTec 5/5液体泵的电机汲取的电流范围在0.5A与1.25A之间。虽然峰值可能高于1.25A，但是大于1.25A的扩展电流汲取强烈地暗示存在阻塞。
反应性组分压力
能够使用压力换能器来测量反应性组分的压力。在挤出喷嘴之前，能够在液体泵之前和在混合室内测量每种反应性组分的压力。
能够通过混合室中的压力增加来表征阻塞，并且当混合室中的压力变得高于在液体泵之前的压力时强烈地暗示阻塞。
实际的反应性组分压力取决于组分的粘度，但是对于粘度为40,000cp的组分来说，在液体泵之前80psi的压力是典型的，而在挤出喷嘴处的压力增加以创建增加的流量的同时，混合室中的压力应该保持显著地低于60psi。
反应性组分流速
能够使用各种传感器技术来测量反应性组分的流速。每种反应性组分的流速在液体泵之前并在混合室的流出处被测量。
阻塞可能导致材料流的全部或部分减少。遗憾的是，材料的缺乏或压力故障也可能使材料流速减小或完全停止。通过在液体泵之前并在混合室的流出处测量压力和材料流速，探知了阻塞的存在，用于识别阻塞可能性的逻辑表示于下表3中：
表3
Figure BDA0002528412590000251
ViscoTec 5/5液体泵能够以介于0.05ml/s与6.0ml/s的速率准确地泵送液体。
反应性组分质量
在正常操作中，ViscoTec 5/5挤出机能够非常准确地计量挤出的反应性组分的体积。
旨在被挤出的材料的积聚体积由在3D打印机上运行的G代码解释器在物体的整个生产中记录。
通过将力传感器添加到构建表面的每个拐角，能够在3D物体的整个生产中测量挤出材料的质量。
通过监视要挤出的材料的预定质量与如安装在构建表面上的力传感器所测量的实际质量之间的差异，能够确定沉积材料的实际质量是否显著地小于预定质量，从而暗示潜在阻塞。
组合反应性组分的颜色
通过在挤出喷嘴中安装诸如AMS AS7261 Tri-stimulus XYZ_NIR传感器的颜色传感器，能够测量组合热固性物的颜色。
能够通过添加色调来控制每种反应性组分的颜色。能够通过混合存在于每种组分中的色调来控制最终热固性物的颜色。在上述示例中，反应性组分A1包含红色调，反应性组分A2包含黄色调，反应性组分B1包含蓝色调，并且反应性组分B2包含蓝色调。
这些组分中的任一种的组合能生产具有独特颜色的热固性物。这些组分中的任一种的缺乏或量的减少能导致挤出热固性物具有可测量的不同颜色。识别缺失的颜色成分将暗示该组分在挤出系统中的潜在阻塞。
组合反应性组分的光谱分析
通过在挤出喷嘴内安装诸如AMS AS7265x智能光谱传感器的多光谱成像传感器，能够表征挤出材料的化学组成。
通过对照由传感器测量的化学组成来比较挤出材料的预测化学组成将允许缺少与具体反应性组分有关的化学成分，这将暗示该组分在挤出系统中的潜在阻塞。
潜在动作
·启动延迟并通知操作员
·启动自动化清洁周期并通知操作员
·启动受影响材料的自动化吹扫
·请求操作员启动手动清洁程序
对阻塞识别的优化
能在3D打印机控制系统中收集并存储每个传感器读数的历史数据以优化对阻塞的识别。例如，在正常操作期间，将对每种类型的反应性组分的压力极限进行监视并更新，以提供对暗示阻塞的传感器值的更准确地理解。
示例3
示例2中所述的系统利用流速传感器来帮助识别每个组分挤出系统内的阻塞。也能够在正常操作期间使用那些传感器来补偿由反应性组分参数中的变化或诸如挤出机喷嘴的硬件中的公差所引起的流速不一致。
如能够在图8中看到的，每种反应性组分的流速的小变化可能导致打印珠粒高度和宽度的非线性变化。
图8示出了与ViscoTec Duo挤出机一起使用德国RepRap x400i LAM打印机打印的三个珠粒的横截面。每个珠粒利用由2种反应性组分A1和B1组成的热固性材料来打印，如表4中所示。
表4
Figure BDA0002528412590000281
对于上面示出有40,000cp的未反应粘度的材料
100％流速(6.0mm3/s)创建珠粒；
·珠粒宽度：0.9mm
·珠粒高度：0.675mm
75％流速(4.0mm3/s)创建珠粒；
·珠粒宽度：0.782mm
·珠粒高度：0.645mm
125％流速(8.0mm3/s)创建珠粒；
·珠粒宽度：1.017mm
·珠粒高度：0.766mm
珠粒宽度特别是珠粒高度的变化可能降低打印物体的质量。通过监视所期望的流速与实际流速之间的差异，能够采用比例、微分、积分(PID)控制算法以使用控制回路反馈机制来优化所期望的流，从而生产更准确且稳定的流和更一致的打印珠粒。
示例4
先前示例中所述的挤出喷嘴能够在某些情况下在喷嘴的尖端上积聚反应的热固性材料的各部分。材料的这种“斑点”可能干扰标记打印的任何先前打印的材料并且可能使挤出喷嘴错位。
切片应用能够识别要在打印期间完成自动化尖端清洁处理的机会。尖端清洁处理能够使挤出机移动到构建平台的边缘，其中清洁擦拭物能够从挤出喷嘴中移除任何积聚的材料。
清洁擦拭物能够在每次打印开始时被定位并且在打印完成之后更换。
示例5
诸如所描述的那些热固性材料可能受到包含有它们的环境条件的影响。
部分反应的热固性材料的粘度、流速和反应速率可能取决于其温度。
在高相对湿度的环境中沉积热固性材料可能在固化材料中引起气泡。
德国RepRap x400i LAM打印机被具有允许监视并控制环境条件的集成传感器和控制系统的密封外壳围绕。
外壳被连接到提供相对湿度为0％并保持在正压力下的冷(15℃)空气的空气管线。空气被以在外壳内维持小于15％的相对湿度的速率引入。能够使温度维持在15℃与25℃之间的恒定温度下。恒定温度能够提供有益的3D打印条件。
示例6
如示例5中所述，热固性材料的粘度、流速和反应速率可能取决于温度。
通过监视上述热固性材料的温度、构建表面(构建板)的温度以及外壳内的环境的温度，能够针对温度来优化许多打印参数，包括：
a.热固性产物的每层时间，
b.挤出热固性产物的流速，以及
c.挤出热固性产物的粘度
每层时间
每种热固性材料具有相关联的反应速率。此速率能够提供材料将达到凝胶状态的速率的指示。反应速率以及因此达到凝胶状态所花费的时间可能取决于温度。反应速率随温度而增加并且达到凝胶状态所花费的时间减少。
图9示出了利用示例3中所述的材料打印的胶印金字塔，此材料在25℃下在约90秒内达到凝胶状态。此时材料是自支撑的并且阻止流动。
胶印金字塔打印包含按以下参数打印的约50层：
·珠粒高度：0.675mm
·珠粒宽度：0.75mm
·线性速度：12mm/s
·流速：6.075mm3/s
能够将每个新层挤出到已经达到凝胶状态的先前层上。随着每层的面积减少，打印每层所需要的时间也从金字塔基部处的约3.5分钟减少到金字塔顶峰处的10秒以下。
一旦已经打印了约一半的层，打印一层所花费的时间就小于达到凝胶状态所花费的时间并且后续层被沉积到液体表面上，从而使打印变得不稳定。
为了创建稳定物体，每层在下一层沉积之前应该已经达到凝胶状态。这能够以两种方式实现。
a.打印能够暂停以允许在先层达到凝胶状态。
每次暂停的持续时间将为：
暂停持续时间＝凝胶时间–层打印时间
例如，花费30秒沉积的层在下一层沉积之前具有60秒的延迟。
b.能通过添加附加的反应性组分来提高热固性材料的反应速率。
例如，以上描述的在25℃下胶凝时间为90秒的热固性物可以具有使用附加的组分泵添加的附加催化剂，从而提高材料反应速率并且减少其胶凝时间。
使用示例5中所述的温度数据，能优化打印机控制系统以基于对凝胶时间和温度的更准确理解来生成更精确的层间延迟。例如，如表5中所示：
表5
温度 胶凝时间
15℃ 102s
20℃ 95s
25℃ 90s
30℃ 86s
35℃ 82s
粘度/流速
如已在先前示例中所示的：
·流速的任何变化可能引起任何挤出珠粒的高度和宽度的变化
·温度的任何变化可能引起挤出材料的粘度和流速的变化
使用示例5中描述的温度数据，能优化打印机控制系统以针对外壳、构建板或材料的当前温度校正所期望的流速。
示例7
在由三个垂直轴X、Y和Z描述的3维空间内构建每个物体。
接缝结构
接缝是当每层开始在同一X、Y点处打印时形成的垂直线。例如，如果每层从(X,Y,Z)空间中的以下坐标起开始打印，则垂直线可能由于挤出材料的起始流速的变化而变得在物体上可见。
a.层5-(100.000,100.00,4.000)
b.层4-(100.000,100.00,3.000)
c.层3-(100.000,100.00,2.000)
d.层2-(100.000,100.00,1.000)
e.层1-(100.000,100.00,0.00)
能够通过将相邻层的起点移动到层内的随机位置来优化接缝结构。
拐角速度
理想地，能够使热固性材料的挤出珠粒瞬时改变方向。每种独特热固性材料的物理特性能够包括其改变方向的能力。
由于3D打印珠粒中的每条曲线由若干线性段组成，所以能够将这种改变方向的能力表达为最大角速度，其中：
Figure BDA0002528412590000321
并且其中θ是拐角角度，并且
最大线速度v＝ωr
其中r是拐角的半径。
图10和图11示出了利用示例3中所述的热固性材料打印的展平环形。
使用以下打印参数来打印物体：
a.珠粒高度：0.675mm
b.珠粒宽度：0.75mm
c.线性速度：12mm/s
d.流速：6.075mm3/s
e.填充图案：同心
f.拐角速度：72度/秒
给定72度/秒的拐角速度和20mm的半径，线性速度将为12mm/s。
与热固性物流速一致地优化几何形状、分辨率和打印速度可能是创建3D模型的准确3D表示的关键。

Claims (16)

1.一种三维(3D)物体生产系统，其包括：
挤出热固性物打印设备，所述挤出热固性物打印设备包括：
打印头，所述打印头包括混合室，所述混合室用以接收并混合至少第一反应性组分和第二反应性组分以提供部分反应的热固性产物，所述混合室被可操作地耦接于用于递送所述部分反应的热固性产物的挤出喷嘴，以形成3D物体；
计量设备，所述计量设备用以个别地至少控制进入所述混合室中的一种或多种所述反应性组分的量和流速；以及
控制器，所述控制器包括一个或多个处理器，并且被可操作地耦接到所述挤出热固性物打印设备，
其中，所述控制器被配置成：
接收3D物体设计；
使用由所述挤出热固性物打印设备递送的所述部分反应的热固性产物，基于所述3D物体设计来生产成3D物体；以及
基于所述第一反应性组分和所述第二反应性组分之间的反应速率来调整生产所述3D物体的一个或多个打印参数，以根据所述3D物体设计来提供所述部分反应的热固性产物，
其中，所述一个或多个打印参数包括以下至少一个：
热固性产物的每层时间，经过挤出喷嘴的热固性产物的流速，经过挤出喷嘴的热固性产物的粘度，热固性产物的固化加速，层平移路径，层图案，接缝结构，移动速度和拐角速度，并且
其中，每层所述热固性材料的时间为30秒至30分钟；和/或
其中，所述部分反应的热固性材料通过所述挤出喷嘴的流速为0.01mm3/s至1mm3/s；和/或
其中，当作为用横截面宽度除以沉积珠粒的高度来被确定时，通过所述挤出喷嘴的所述部分反应的热固性材料的粘度所生产的所述部分反应的热固性材料的珠粒的长宽比是从1到5。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个打印参数还包括：
所述热固性产物的温度、生产所述3D物体的平台的温度、生产所述3D物体的腔室内的温度、所述挤出喷嘴的温度，和/或生产所述3D物体的所述腔室内的湿度。
3.根据权利要求1或2所述的系统，
其中，所述3D物体设计包括限定几何形状的区域，
其中，调整所述一个或多个打印参数，以基于所限定的几何形状形成该区域，和/或
其中，所述3D物体设计包括限定填充特性的区域，
其中，调整所述一个或多个打印参数，以基于所限定的填充特性形成该区域。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括：
至少一个致动器，其能操作地耦接到所述打印头，以在当递送所述部分反应的热固性产物时移动所述挤出喷嘴，从而形成所述3D物体，并且，
其中，所述一个或多个打印参数还包括以下至少一项：
当在层中沉积所述部分反应的热固性产物时由所述打印头所横过的路径；
层图案；
接缝结构；
当在所述层中沉积所述部分反应的热固性产物时由所述打印头横过的线性速度；以及
当在所述层中沉积所述热固性产物时，针对给定线性速度下的最小转弯半径。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述控制器进一步配置为基于选择的分辨率来生产所述3D物体，
其中，所述部分反应的热固性产物的层路径和流速是基于所选择的分辨率，和/或
针对所述3D物体设计的多个不同区域中的每一个来选择分辨率。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述混合室接收并混合至少第一反应性组分、第二反应性组分和第三反应性组分，以提供所述部分反应的热固性产物。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述3D物体设计包括第一区域和位于与所述第一区域不同位置的第二区域，其中，所述第一区域的物理特性与所述第二区域的同一物理特性有区别，以及
控制器配置为：
生成一个或多个挤出热固性打印过程，以通过调整一个或多个所述反应性组分的量和流速中的一项或两项，基于3D物体设计来生产所述3D物体，从而针对所述3D物体设计的第一个区域来生产所述部分反应的热固性产物，其固化以形成以下热固性产物，该热固性产物包括的第一区域的物理特性与所述3D物体设计的第二区域的同一物理特性有区别。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，
所述物理特性为柔韧性、颜色、光学折射率、硬度、孔隙率和/或密度。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，
所述控制器进一步配置为调整包括气体产生源的第三反应组分进入所述混合室的量和流速中的一项或两项，以针对所述3D物体设计的第一区域提供所述部分反应的热固性产物，以提供具有与所述第二区域的物理特性有区别的同一物理特性的所述第一区域。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器进一步配置为：
基于由所述气体产生源的量和流速确定的发泡速率，来控制所述挤出喷嘴和所述3D物体之间的距离。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置为：
基于在所述混合室内生产的并通过所述挤出喷嘴挤出的所述部分反应的热固性产物的一个或多个流动特性，使用所述计量设备来调整一个或多个所述反应性组分的流速。
12.根据权利要求11所述的系统，还包括：
一个或多个流量检测器，其用于监视每个反应组分的实际流动特性，其中，所述一个或多个流动特性包括每个反应组分进入所述混合室的流速，和/或
一个或多个压力检测器，其用于在进入和/或流入所述混合室之前监视每个反应组分的压力。
13.根据权利要求11或12所述的系统，
其中，所述控制器被配置为：计算所述部分反应的热固性产物的一个或多个流动特性，以基于所述3D物体设计来生产所述3D物体，以及
其中，基于所述部分反应的热固性产物的一个或多个流动特性，使用所述计量设备来对一个或多个反应性组分的流速进行的调整包括：将实际的一个或多个流动特性与一个或多个计算的流动特性进行比较。
14.根据权利要求4所述的系统，
其中，当在层中沉积所述部分反应的热固性产物时由所述打印头横过的路径被选择为以使得在放置相邻珠粒之前经过1秒到5分钟；和/或
其中，当在层中沉积所述部分反应的热固性产物时由所述打印头横过的线性速度为1mm/s至50mm/s。
15.一种三维(3D)对象生产方法，包括：
提供根据权利要求1-14中任一权利要求所述的三维(3D)物体生产系统；
将至少两种反应性组分导入混合室中以生产出部分反应的热固性产物；以及
通过挤出喷嘴挤出所述部分反应的热固性产物，以基于3D物体设计来生产所述3D物体。
16.一种三维(3D)物体，包括根据权利要求15的生产方法生产的热固性树脂。
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