CN114423587A - 具有用于协调供给器和预供给器的长丝路径长度测量装置的fff打印系统 - Google Patents

具有用于协调供给器和预供给器的长丝路径长度测量装置的fff打印系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及FFF打印系统(100)，该FFF打印系统包括打印头(105)、布置成将长丝(4)进给到打印头(105)中的进给器(91；126)、以及用于将长丝储存在一个或多个长丝卷轴(88)上的容器(801)。该系统还包括布置成将长丝从卷轴进给到进给器(91；126)的预进给器(81)和用于引导长丝(4)的第一柔性管(D01；102；121)。设置长丝路径长度测量装置(1)，以检测进给器和预进给器之间的不协调。测量信号被发送到处理系统以校正任何不协调。

Description

具有用于协调供给器和预供给器的长丝路径长度测量装置的 FFF打印系统
技术领域
本发明涉及一种具有长丝路径长度测量装置的FFF打印系统，并且涉及用于这种系统中的所述测量装置。本发明特别涉及一种具有供给器和预供给器的FFF打印系统。
背景技术
熔丝制造(FFF)是使用热塑性材料的连续丝的3D打印工艺。通过移动的加热打印头，长丝(filament)从丝卷被供给，并通过打印喷嘴沉积在生长工件上。打印头可以在计算机控制下移动以限定打印形状。通常，打印头在二维方向上移动一次，以沉积一个水平面或层。然后，工件或打印头垂直移动一小段距离以开始新的层。
通常，丝卷布置在卷轴上，该卷轴可以安装在3D打印装置的壳体上。通过供给器将长丝供给到打印头。在FFF长丝制造中，有两种主要类型的打印装置，称为直接供给打印装置和鲍登(Bowden)打印装置。在直接供给打印装置中，供给器布置在打印头中或打印头的顶部上。长丝被从长丝卷轴供给到供给器。在鲍登打印装置中，供给器布置在印刷头外部，并且从供给器到打印头，长丝被引导通过鲍登管。在该两种情况下，供给器产生用于将长丝供给通过打印头的供给力和用于展开卷轴的拉力。
在长丝卷轴存储在特殊存储隔间中的系统中，卷轴的展开可能由于某些原因而需要额外的力。已知包括附加供给器的系统，该附加供给器用于将长丝从存储隔间供给到打印装置的供给器。这种附加的供给器也称为预供给器(Prefeeders)。
当使用预供给器时，该预供给器需要与(打印机)供给器的动作一致地操作，以便在长丝供给过程中不引起任何干扰。当前，用于协调(alignment)供给器和预供给器的系统使用复杂的测量装置来感测供给器和预供给器之间的不协调。这种测量装置通常非常容易出错。
公布文件WO2018219698(A1)公开了一种利用力反馈打印非均匀丝的FFF打印机和方法。该专利申请没有公开具有供给器和预供给器的FFF打印系统。在所述FFF打印机中，长丝通过导管供给。在一个实施例中，导管被切割成两个部分，并且应力/应变仪被放置在该两个部分之间，用于测量在挤出期间施加的力。FFF打印机被配置成通过输送通道输送长丝。由于存在所述应力/应变仪，输送通道包括经由压力传感器彼此相关联的上游部分和下游部分，压力传感器用于感测力相关参数，该力相关参数用于控制3D打印材料的沉积。基于传感器信号，控制系统可以控制力，例如以维持从打印机喷嘴逸出的长丝的恒定直径。压力传感器连接在应力/应变仪的外壳和与其中一个管部分连接的端部止动件之间。这样，两个管部分通过压力传感器连接，这当然是需要的，以便使传感器测量压力值。对于这种应用，测量范围可能是足够的，但是当需要精确协调供给器和预供给器时，它将是不够的。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种测量装置，与现有技术的解决方案相比，该测量装置较少出现误差。
本发明的第一方面提供了一种FFF打印系统，该FFF打印系统包括：
-打印头；
-供给器，所述供给器被布置为将长丝供给到所述打印头中；
-容器，该容器用于将所述长丝存储在一个或多个长丝卷轴上；
-预供给器，所述预供给器被布置为将所述长丝从所述卷轴供给至所述供给器；
-第一柔性管，用于引导所述长丝，以及
-长丝路径长度测量装置。
该长丝路径长度测量装置包括：
-壳体，所述壳体包括用于所述长丝穿过的第一开口和与所述第一开口相对的第二开口；
-滑动件，所述滑动件可滑动地布置在所述壳体中并且部分地延伸出所述第二开口，所述滑动件包括用于所述长丝穿过的长丝通道，其中，所述滑动件的在所述壳体外部的外端连接到所述柔性管的第一端；
-至少一个非接触式传感器，所述至少一个非接触式传感器被布置为检测所述滑动件相对于所述壳体的位置变化，以获得指示所述第一柔性管中的所述长丝的路径长度变化的测量数据。
第一柔性管的第二端连接到FFF打印系统的连接点，该连接点相对于测量装置的壳体是静止的。
FFF打印系统还包括处理系统，该处理系统被布置为接收所述测量数据并且根据该测量数据控制预供给器。该长丝路径长度测量装置被布置为检测进给器和预进给器之间的不协调。测量信号被发送到处理系统以校正任何不协调。通过测量柔性管中的长丝的路径长度变化，可以使预进给器的动作与进给器的动作协调。使用滑动件和非接触式传感器的优点在于不需要或需要非常小的力。因此，没有额外的不需要的力施加到长丝。由此，实现了更精确的测量，并且可以优化对供给器的控制。
由于滑动件部分地延伸出测量装置的壳体，因此其形成测量装置的伸缩部分。这样，可以从壳体外部手动操纵滑动件，这在校准过程期间是方便的。在校准期间，滑动件可以在其运动范围内手动移动，这允许容易的校准。
根据打印系统的类型，柔性管可以连接到不同的连接点。在一个实施例中，柔性管连接到供给器的上游侧。在另一实施例中，柔性管连接到预供给器的下游侧。在又一个实施例中，该系统包括合并模块，该合并模块被布置为合并来自不同卷轴的长丝，其中，柔性管被连接到长丝合并模块的下游侧。
在一个实施例中，FFF打印系统包括另外的处理系统，该另外的处理系统被布置为控制供给器并且被布置为与处理系统信号连通。该实施方案在FFF打印机与单独的长丝进料系统组合的情况下是有利的，其中两个系统具有它们自己的专门用于它们自己的任务的处理系统，并且能够彼此通信。处理系统可以被布置为将关于长丝供给状态的状态信息传送到布置在FFF打印机中的另外的处理系统。使用这种模块化系统几乎不需要对FFF打印机进行重新设计。只需要对一些软件重新编程。
在一个实施例中，所述至少一个传感器包括霍尔传感器。使用霍尔传感器的优点在于，其允许对滑动件进行模拟位置检测。产生连续的模拟信号，易于预处理。
在一个实施例中，所述至少一个传感器包括与安装在所述滑动件上的单个磁体相互作用的两个霍尔传感器。由于与中间磁体相互作用的两个霍尔传感器的结合，在给定霍尔传感器的一定灵敏度和一定磁体强度的情况下，与具有单个霍尔传感器的装置的冲程相比，滑动器可以具有更大的行程。在一个实施例中，该装置包括模拟电路，该模拟电路被布置为结合两个霍尔传感器的输出信号，以获得指示滑动件的位置变化的模拟信号。使用两个霍尔传感器的另一个优点是，这种配置产生高信噪比，其中最重要的是：在滑动块运动范围的两端。两个传感器的输出可以组合，使得仅需要一个IO管脚，并且不需要数字处理。
在一个实施例中，测量装置包括具有两个弹簧臂的扭簧，所述弹簧臂中的每一个被布置为在滑动件的行程的外端处抵抗滑动件的移动。弹簧臂允许滑动件的运动，但在其行程的外端抵抗滑动件的运动。优选地，霍尔传感器被布置为在滑动件的运动被弹簧臂抵抗的中间区域和两个外部区域处检测所述滑动件位置。
在一个实施例中，滑动件包括围绕中心轴线同轴布置的多个指状件，其中，面向中心轴线的指状件的侧壁与布置在壳体中的结构一起限定用于引导长丝的通道。
指状件可围绕长丝并将相对于壳体中的结构滑动。它们将引导长丝通过通道而不产生台阶形路径，并且将没有用于抓住长丝的、不希望的脊。
在一个实施例中，滑动件包括三个指状件。这种结构相对容易使用注射模制技术制造。此外，如果使用多于三个的指状物，它们将减小壁厚，这是不利的，因为该装置将是脆弱的并且更难以制造。
在一个实施例中，测量装置的壳体安装到FFF打印系统的外壁。将长丝路径测量装置放置在系统的外部，使得可能需要执行校准方法的用户可容易地接近该装置。应当注意，测量装置可以替代地放置在系统内，以便隐藏装置，以便保护它免受外力和/或满足美观需要。
在一个实施例中，FFF打印系统是包括打印装置和长丝供给系统的模块化系统。在该实施例中，处理系统可布置在长丝进给系统中，并且构造成与打印装置的处理器通信。这样，处理系统可以接收用于控制与打印机供给器成一直线的预供给器的指令。这种模块化系统的优点在于，在发生故障的情况下，仅需要更换或修理模块中的一个。
在一个实施例中，第一柔性管具有S形。这种特殊的形状可以避免在管上(并因此在滑动件乃至长丝上)的轴向力。因此，滑动件将仅经受由长丝路径长度的变化引起的横向力。
附图说明
本发明的这些和其它方面将参考以下描述的实施例而变得明显并将被阐明。在附图中，
图1A示意性地示出了根据本发明的实施例的长丝路径长度测量装置的示例；
图1B示意性地示出了根据另一实施例的长丝路径长度测量装置的示例；
图2A示出了结合两个霍尔传感器和磁体的电气结构；
图2B是图2A的方案的输出S作为磁体位置的函数的曲线图，该磁体位置是滑动件相对于壳体的位置；
图3A是一个简单实施例的透视图，其中，壳体是外圆筒，而滑动件是较薄的内圆筒；
图3B示出了图3A的实施例的横截面；
图4A是根据一个实施例的滑动件的透视图；
图4B示出了图4A的滑动件的前视图；
图4C示出了指状件连同布置在壳体中的另外一组指状件的横截面的示例；图5A是壳体的底部的透视图；
图5B示出了要连接到图5A所示的底部上的顶部的示例；
图5C示出了在指状件和支撑结构的位置处的滑动件的横截面；
图6示意性地示出了在其顶部上具有FFF打印装置的长丝供给系统的示例；
图7示出了图中的FFF打印系统的透视图，其中系统的前部是可见的；
图8示意性地示出了包括长丝供给系统的单喷嘴FFF打印系统的元件；
图9示出了根据另一实施例的长丝进给系统的透视图；
图10示出了具有结合的直接进给器的打印头；
图11A是图10的直接进给打印头的细节图；
图11B是图10的预供给器的细节图。可以看出，预进给器将长丝进给至鲍登管；
图12示意性地示出了根据实施例的长丝进给系统的处理系统；
图13示出一个预进给器的状态图的示例；
图14A是使用多个预进给器的进给系统的状态图，以及
图14B是图14A的状态图的索引。
应当注意，在不同附图中具有相同附图标记的项目具有相同的结构特征和相同的功能，或者是相同的信号。在已经解释了这种项目的功能和/或结构的情况下，在详细描述中没有必要重复其解释。
具体实施方式
图1A示意性地示出了根据本发明的实施例的长丝路径长度测量装置1的示例。长丝路径长度测量装置1，也称为测量装置1，包括壳体2，该壳体2包括用于长丝4通过的第一开口3。测量装置1还包括可滑动地布置在壳体2中的滑动件5。该滑动件5包括用于长丝4通过的长丝通道6。在外端处，滑动件5连接到柔性管10，该柔性管10用于将长丝4引导到例如打印机供给器(未示出)的输入端。壳体2包括第二开口9，滑动件5可以至少在某种程度上通过该第二开口9离开壳体2。在该实施例中，滑动件5是形成装置1的伸缩部分的细长部分。
测量装置1还包括至少一个传感器7，其被布置成检测滑动件5相对于壳体2的位置变化，以获得指示细丝4的路径长度变化的测量数据。该测量数据可被传送到处理系统(见箭头)。优选地，传感器7包括与信号发生器/反射器8协作的非接触式传感器7。该非接触式传感器7可以是光学传感器，例如飞行时间(time-of-flight)传感器。优选地，传感器7包括霍尔传感器7，其中信号发生器8包括磁体8。测量装置1的壳体2可根据测量装置1的应用而连接到第二柔性管15。图1A还示出了用于限制滑动件5向左移动的第一限位件11和用于限制滑动件5向右移动的第二限位件12。在该非常示意性的示例中，第一限位件11连接到壳体2的内壁，并且第二限位件12连接到滑动件5的外壁，但是本领域技术人员将清楚的是，可以想到其它解决方案。
图1B示意性地示出了根据另一实施例的长丝路径长度测量装置1的示例。与图1A相比，该测量装置1包括两个与单个磁体8相互作用的霍尔传感器71、72。该两个霍尔传感器71、72都为电路18提供输入，该电路18被布置为结合霍尔传感器71、72的信号以获得指示滑动件5相对于壳体2的位移的信号。两个霍尔传感器71、72面向相反的方向并且均感测磁体的磁场。由于霍尔传感器71、72和中间的磁体8的这种组合，在给定一个霍尔传感器的一定灵敏度或磁体强度的情况下，与图1A的实施例相比，滑动器5可具有更大的行程。图1B中的双箭头表示了较大的行程。为了使滑动件5能够有较大的行程，需要重新定位限位件11和12，见图1A和1B。
图2A示出了结合两个霍尔传感器71、72和磁体8的电路图。磁体8安装在滑动件5上，见图1B，因此磁体8可相对于两个霍尔传感器71、72移动。两个霍尔传感器都使用电压Vinp供电。在该示例中，每个霍尔传感器的输出都被连接到电阻器的端子，所述电阻其请见电阻器74、75。这两个电阻器74、75在它们的其他端子处连接以形成输出节点S。如果使用两个相同的霍尔传感器，并且电阻器74、75具有相等的阻值(R1＝R2)，则可以如图2B所示产生输出。图2B是图2A的方案中输出S作为磁体8的位置的函数的曲线图，该磁体8的位置是滑动件相对于壳体的位置，也称为“分离器位置”(Decoupler position)。在图2B中，S的值被表示为霍尔传感器的输入值Vinp的百分比。在该示例中，分离器位置在0和27mm之间变化。图2B的曲线图可以主要分为三个区域：第一区域，显示0-5mm之间的非线性递减曲线；第二区域，具有接近线性且缓慢递减的线；第三区域，在22-27mm之间，具有非线性递减曲线。注意，图2B中的曲线的斜率直接与测量装置的灵敏度相关。因此，在第一和第三区域中，与第二区域相比，灵敏度更高。这是有利的，因为较高的信噪比增加了位置传感器的精度，其中最重要的是：靠近两个限位件和两个弹簧。
在一个简单的实施例中，壳体2是外圆筒，并且滑动件5是可在该外圆筒内移动的较薄的内圆筒，其中长丝可穿过该两个圆筒，参见图3A。在图3B中，再次示出了图3A的圆筒，但是示出了它们的宽度。在图3B中，长丝被插入到左侧的开口3中并被推向右侧。如果新的长丝从预供给器供入供给器，则可能发生这种情况。如图中所示，长丝4可能卡在内圆筒4入口处的临界(或脊)处。在以下所述的图中，该问题通过使用滑动件和壳体的特殊设计来解决。
图4A是根据一个实施例的滑动件5的透视图。滑动件5可以被制造成单个模制部件，但是可替代地可以使用胶合或焊接或螺纹连接在一起的子部件组装而成。可选地，滑动件5可以使用诸如FFF的增材制造技术来制造。滑动件5包括第一圆柱体51、直径稍小的第二圆柱体52和两个弹簧保持件53、54，该两个弹簧保持件在相对的两侧连接到第二圆柱体52。弹簧保持件53、54设置成每个都保持扭簧(未示出)。注意，可以仅使用一个扭簧，而不是两个弹簧。优选地，在滑动件的两侧设置有两个扭簧，因为这避免了滑动件上的任何不希望的动量。滑动件5还包括用于存储磁体8的磁体保持件55，也参见图1B。滑动件5还包括三个指状件56，这些指状件56从第一圆柱体51在平行于滑动件5的主轴线的轴向方向上延伸。每个指状件56具有面对滑动件5的主轴线的侧壁57。这样，指状件56的侧壁57限定了通道58，该通道58在图4B中示出，该图示出了滑动件5的正视图。在该实施例中，由于第一和第二圆柱形部分51和52都是中空的，所以长丝4可以从一侧到另一侧穿过滑动件5。
在一个实施例中，滑动件5的指状件与布置在壳体中的结构配合。图4C示出了指状件56以及布置在壳体中的另外一组指状件59(虚线指状件)的横截面的示例，这些指状件以与指状件56相同的方式、但在相反的方向上在轴向方向上延伸。指状件56形成角度β，β＝120度。在该示例中，指状件59具有与指状件56相等的尺寸，并且也形成等于β的角度。因此，指状件59自身至少部分地包围相同的通道58。
如果包括指状件56的滑动件5相对于包括指状件59的壳体移动，则指状件56相对于指状件59移动，但是，由于它们的构造，它们相互交错并且在它们重叠的区域处形成通道。它们还在它们不重叠的区域处形成通道58。现在，如果长丝4被供给通过测量装置1，则长丝将不会如图3B的情况那样碰到临界。因此，使长丝卡在测量装置中的风险最小化。
注意，这种成组的指状件的解决方案也可以使用四个(或甚至更多)指状件的组来工作。优选地，指状件的面向主轴线的侧壁弯曲，以形成圆形通道58的外周的部分。
壳体2可以包括底部和相关联的顶部，当滑块安装在底部后，该顶部用于封闭底部。图5A是壳体2的底部21的透视图。如图5A和5B所示，该实施例中的壳体是梁形盒。在将滑动件5放置在底部21中之前，两个扭簧在滑动件的两侧布置在弹簧保持件53、54上。每个扭簧包括两个扭臂，在图5A中扭臂用附图标记41、42、43和44表示。当滑动件充分移动到壳体中后，扭臂41和43(称为“下扭臂”41、43)将分别与抵靠部46、47接触。类似地，当滑动件5充分地移出壳体时，扭臂42和44(称为“上扭臂”42、44)将遇到相关的抵靠部。这样，扭簧的扭臂起到图1B中提到的限位件(请见11和12)的作用，但是现在处于偏置的方式。注意，抵靠部可以定位在距扭簧安装基座不同距离处，使得在其使扭簧弯曲成更靠近/远离安装基座时，每个抵靠部产生不同的力。
滑动件5的三个指状件56中的两个与布置在底部21中的支撑结构63接触。该支撑结构63包括形成等于120度的角度β的两个表面。如将在下面讨论图5C时所解释地，该角度可以取决于滑动件5的指状件56之间的角度。
图5B示出了要耦合到图5A所示的底部21的顶部22的示例。在该特定实施例中，顶部22包括两个壁64，该两个壁64具有成角度的外端的。在壳体2的闭合状态下，这两个壁64将布置在滑动件的其中一个指状件56的两侧。这在图5C中示出，该图示出了滑动件5在指状件和支撑结构63的位置处的横截面。如图5C所示，现在形成了一个通道，该通道被三个指状件56、两个壁64和支撑结构63包围，尽管在设计上不同，但是与参照图4C所述的部分类似地产生可延伸和无临界的通道。
图6示意性地示出了FFF打印系统100的一个示例，该FFF打印系统100包括长丝供给系统80和在该长丝供给系统80顶部的FFF打印装置90。图6示出了FFF打印装置90和长丝供给系统80的后视图。在该实施例中，长丝供给系统80包括上述分离器1、预供给器81和处理系统82。FFF打印装置90包括打印机供给器91和另外的处理系统92。该处理系统92连接到长丝供给系统80的处理系统82。该连接可以由通信电缆93实现。可选地，该连接可以是无线连接。需要注意的是，图6的示例示出了模块化FFF打印系统。需要注意的是，两个模块80和90可以集成到一个打印FFF打印系统中，其中不需要两个单独的处理系统，并且单个处理系统将是足够的。
从图6中可以看出，分离器1经由管101连接到预供给器81，管101可以是柔性管。分离器1的滑动件经由柔性管102连接到打印机供给器91。从图中可以看出，柔性管102形成为S形管。此外，打印机供给器91经由也称为鲍登管103的柔性管103连接到打印头(在图6中不可见)。
图7示出了图6的FFF打印系统100的透视图，其中系统的前部是可见的。在该示例中，FFF打印装置90包括打印头105。该打印头105包括喷嘴(在图7中不可见)，熔融长丝可以在该喷嘴处离开打印头105。长丝4通过打印机进给器91进给到打印头105中。FFF打印装置90还包括台架，该台架设置成至少在X方向上移动打印头105。在该实施例中，打印头105也可在垂直于X方向的Y方向上移动。台架包括至少一个机械驱动器(未示出)和一个或多个轴95以及打印头对接单元106。打印头对接单元106保持打印头105，并且因此也被称为打印头安装座106。应当注意，打印头对接单元106可以被布置为保持多于一个打印头，例如两个打印头，每个打印头各自接收其长丝。根据3D打印机的类型，在3D打印机1中或下方可以布置构建板108。该构建板18可以包括玻璃板或任何其它适合作为基底的物体。在图1的示例中，构建板94相对于打印头105在Z方向上可移动地布置，参见图7中的箭头。FFF打印装置90还包括用于显示信息和用于从用户接收指令的用户界面98。
打印机供给器91被布置成将长丝4供给到打印头105和从其收回。打印机供给器91被布置为以由处理系统92确定的不同速度供给和收回长丝。在需要不同类型的长丝的情况下，另一个打印头接管打印，打印过程暂停，或者在长丝卷轴几乎空的情况下(长丝末端)，可能需要收回。如上所述，由打印机供给器91进行的长丝的供给和收回需要与预供给器81的操作协调，这将在下面参照图13进行讨论。
图8示意性地示出了包括长丝进给系统80的单喷嘴FFF打印系统的元件。图8示出了示意性的横截面，其中长丝进给系统80包括具有前门84的盒形壳体。在该实施例中，长丝进给系统80还包括用于存储长丝卷轴的容器801。在该实施例中，容器801是空气调节的。容器801也称为空调机柜801。除湿器803被布置为从未调节的机柜802中抽出空气，对空气除湿，然后将其送入空调机柜801中。长丝供给系统80还包括电源804、预供给模块81和处理单元82。该长丝供给系统80还包括长丝合并模块806，其设置为将来自多个长丝入口的长丝通道合并到单一合并出口路径M07中。
现在描述长丝的行程。S01表示长丝离开卷轴88时的长丝-卷轴分离。S02表示自由长丝弧。P01表示预供给器入口漏斗。P02表示第一长丝检测器。P03表示预进给传动系。P04表示预进给器路径。P05表示第二长丝检测器。M01表示第一长丝检测器。M02表示合并入口。M03a-M03d表示合并途径。M04-M06表示合并连接点。M07表示合并出口路径。M08表示合并出口。D01表示合并分离器鲍登管。D02表示分离器入口。D03表示分离器滑动件。D04表示分离器间隙。D05表示分离器出口。D06表示分离器-供给器连接。F01表示打印机供给器入口。F02表示流量传感器。F03表示打印机供给器传动系统。F04表示打印机供给器出口。H01表示打印头鲍登管。H02表示打印芯入口。H03表示冷端，最后H04表示热端。
如从图8中可以看出，分离器1的滑动件D02连接至在合并出口M08处开始的鲍登管D01。因为管D01是柔性管，如果需要，其可以弯曲。在该管中积聚了太多细丝的情况下，管道在这个部分的弯曲将导致滑动件的移动。
分离器1(即，长丝路径长度测量装置)在长丝的加载、打印和卸载期间提供用于预进给器81的操作的信息。例如，在长丝供给期间，预供给器81将长丝沿管向下供给，直到长丝到达打印机供给器入口F01。长丝可能被尚未启动的打印机供给器3阻挡。这导致鲍登管D01中的长丝张力将增加，并且由于这个原因，滑动件D03将滑出分离器1。该分离器1中的传感器(也见图1B)将检测到滑动件D03的运动，并且所获得的测量数据可以用于启动或调节打印机供给器3的启动。
在供给双喷嘴打印设备的情况下，长丝供给系统80可以包括两个长丝合并模块806、两个合并出口路径和两个分离器1。第一分离器将与通向第一打印机供给器的管连接，第二分离器将与通向第二打印机供给器的另一管连接。在打印设备包括多于两个喷嘴的情况下，例如三个、四个或甚至更多，可以在长丝供给系统中提供相应数量的分离器、长丝合并模块和合并出口路径。
图9示出了根据另一实施例的长丝供给系统80的透视图。在该示例中，长丝供给系统80包括具有门84的箱83。门84的开口提供了到多个隔室的入口，多个所述隔室设置为存储多个长丝卷轴85。在该示例中，箱83具有用于存储六个长丝卷轴的六个隔室。该实施例适于将两个长丝供应到双喷嘴打印系统的两个打印头。在每个隔室处布置两个长丝入口86、87。这些入口通过通道连接到为每个隔室单独设置的预供给器。因此，在该实施例中，长丝供给系统80包括六个预进给器。在每个隔室，两个长丝入口86、87可被标记，例如使用数字“1”和“2”或“I”和“II”，以便使用者可将正确的长丝放入长丝入口。让我们假设隔室1中的卷轴保持PLA，并且用户想要通过第一喷嘴打印PLA，并通过第二喷嘴打印另外的第二材料。然后，用户界面提示用户将PLA长丝插入标记为“1”的第一长丝入口中。
在一个实施例中，分离器1布置在直接供给打印系统中。图10示出了具有集成的直接供给器的直接驱动打印头组件120。其中，分离器1布置在直接驱动打印头组件120上，而不是像前述实施例那样地远离打印头。存储在卷轴88上的长丝4使用鲍登管121和预供给器81被引导到直接驱动打印头组件120。卷轴88可以被布置在卷轴保持器125中。应当注意，作为一个卷轴保持器的替代，可以有多个彼此相邻的卷轴保持器，类似于图9所示的盒83中的多个隔室。直接驱动打印头组件120可以包括单个打印头或多个打印头。在多个打印头的情况下，可以布置多个预供给器和多个鲍登管。
图11A是图10的直接驱动打印头组件120的详细视图。可以看出，该直接驱动打印头组件120包括供给器126和打印头105。分离器1包括可滑动地布置在分离器1的壳体中的滑动件5。分离器的壳体安装在直接驱动打印头组件120上。图11B是图10的预供给器81的详细视图。可以看出，预供给器将长丝4供给至鲍登管121中。
图12示意性地示出了根据一个实施例的长丝供给系统的处理系统82。该处理系统82包括处理单元71、I/O接口72和存储器73。处理单元71被设置为从存储器73读取和写入数据及计算机指令，该处理单元71还被设置为通过I/O接口72与传感器(如测量装置1)和其它设备通信。存储器73可包括易失性存储器，如ROM，或非易失性存储器，如RAM存储器，或任何其它类型的计算机可读存储器。处理系统82可以包括若干处理单元。应当注意，FFF打印装置的处理系统92可以包括与图12中描述的那些相同的元件。
在本发明的实施例中，处理系统82被布置为使用状态机控制预供给器81。在长丝供给系统80包括多个预供给器的情况下，处理系统82可被布置为模拟每个预供给器的状态机。在一个实施例中，分离器1根据滑动件5的行程位置产生几个不同的信号。如果滑动件被拉出壳体到该滑动件被扭簧停止的程度，分离器可以产生称为PullPos的信号，以指示滑动件超过一定的力阈值。如果滑动件被推入壳体中到该滑动件被扭簧停止的程度，则分离器可以产生称为PushPos的信号，以指示滑动件在另一方向上(与PullPos阈值相比)超过另一阈值。如果将滑动件从壳体拉出到该滑动件被扭簧停止的程度，则分离器可以产生称为PickupPos的信号，以指示供给器已经夹持在长丝上。
在图13中，示出了一个预供给器81的状态图的示例。在多个预供给器的情况下，每个预供给器根据该方案工作，并且它们可以处于彼此独立的不同状态。例如，在打印时，一个预供给器(或在双喷嘴系统的情况下为两个预供给器)可以具有“跟随”(Following)状态，而其它预供给器将被“预加载空闲”(Preloaded idle)或“空闲”(Vacant)。
图13中的每个圆圈是所称的状态，并且在这些状态中，预供给器表现出特定的行为。在圆圈/状态之间有箭头，这些箭头是“转换”，并且在文本中有条件；在该条件下从一个状态进入另一个状态。可以由预供给器传感器提供两种可能的条件。该预供给器可包括第一长丝传感器(见图8中的P02)，以探测该卷轴和该预供给器之间的长丝。第二长丝传感器(见P05)可以被设置为检测在预供给器和分离器之间的长丝。如果第一长丝传感器P02检测到长丝，它将产生信号FilementDetect_1，而如果第二长丝传感器P05检测到长丝，它将产生信号FilementDetect_2。该信号由处理系统82处理。
首先，预供给器81将进入“预初始化”(PRE-INITIALIZING)状态401，其是在通电之后的等待状态。接下来，预供给器81将进入“初始化”(INITIALIZING)状态402，其中扫描长丝检测传感器以查看材料存在于何处/是否存在。根据不同的传感器值，接下来将进行正确的下一动作。例如，如果Filement_Detect_1和Filement_Detect_2都被接收到，则预供给器可以进入“牵引分离器”(PULL DECOUPLER)状态403，其中预供给器将试图移动分离器1的滑动件5。这给出了关于长丝是否被加载到打印机供给器中的指示。接着，预供给器可以进入“解除牵引”(UNDO PULL)状态404，其中预供给器用于将分离器的滑动件移回正常打印区域中。接下来，预供给器可以进入“加载空闲”(LOADED IDLE)状态419，其中长丝被加载到打印机供给器中并且预供给器空闲。接下来，预供给器可以进入“跟随”状态417，其中，使用用于跟随打印机供给器的分离器查找表来控制选定的预供给器速度。预供给器可以间歇地供给长丝以匹配打印机的长丝需求，并且将使用很少的功率。
预供给器81可以进入“卸载”(UNLOADING)状态418，在该状态下，长丝通过打印机供给器从打印头卸载到刚好超过其夹紧轮。可以通过被称为
Decoupler_pullpos_setpoint查找表来控制预供给器81，以用于牵引长丝。打印机供给器也被设置为运行，以便释放长丝。
预供给器可以进入“停车”(PARKING)状态405，其中，长丝通过预供给器从打印机供给器卸载到停车位置。
预供给器可以进入“预加载空闲”(PRELOADED IDLE)状态406，其中，预供给器被禁用并且长丝存在于预进给器81中。接下来，预供给器可以进入“释放”(RELEASING)状态407。
预供给器可以进入“加载到供给器”(LOAD TO FEEDER)状态412，其中，预供给器相对快速地将长丝供给到打印机供给器。可以在查找表中找到要供给的长丝长度，该查找表包括关于特定的预供给器和打印机供给器之间的距离的信息。
预供给器81可以进入“准备拾取”(PREPARE PICKUP)状态413，其中，预供给器速度被设置为低，同时监测分离器1以达到PushPos设定点；预供给器81将把长丝推入打印机供给器。
预供给器可进入“等待拾取”(WAITING FOR PICKUP)状态414，其中，预供给器速度低，但打印机供给器现在加速。一旦分离器发送PickupPos信号，则预进给将进入“跟随”状态。
通过查找表，预进给器可以到达“加载到打印头”(LOAD TO PRINTHEAD)状态416，该状态是分离器位置用作预进给器速度的输入的第一状态。
预供给器可进入“长丝结束”(END-OF-FILAMENT)状态420，在该状态下，长丝供给系统将向打印机发出已检测到长丝结束的信号。当被分离器检测到时，预供给器被禁用以防止磨损。
预供给器可以进入“抓取”(GRABBING)状态409，其中，预供给器被设定为缓慢地运行以便抓取所提供的长丝。
预供给器可以进入“拉回”(PULLBACK)状态411，其中，预供给器被设定为向后运行，将长丝移动到停车位置。
预供给器可以进入“退出”(EJECT)状态410，其中，预供给器将向后运行一段时间，例如35秒的时间段。
预供给器可以进入“错误”状态(ERROR)415，其中，预供给器被禁用，并且系统等待经由例如打印机的用户界面输入的错误重置命令。
该预进给器可以进入“空闲”(VACANT)状态408，在该状态下，预进给器马达被禁用。
在图13中，“预进给器禁用”(prefeeder disable)状态表示没有电流流过预进给器的马达。通过禁用预供给器，不产生热量，这将不利地在长丝到达打印芯之前加热长丝。
图14A是使用多个预供给器的供给系统的状态图。图14B是图14A的状态图的索引。进给系统可以处于“初始化”(INITIALISE)状态501，其中所有的预进给器顺序地设置为该“初始化”状态。在“使能打印”(ENABLE PRINT)状态502中，所有致动器(预进给器和分离器)被使能，并且进给系统将接受外部通信。
现在，将参照图13描述在加载和卸载期间的预进给器81的更详细的行为，尤其是关于分离器1的作用。下面将描述从预进给状态到预进给状态的两个过程。
应当注意，当打印时，优选地，滑动件5在分离器1中的位置保持在两个扭簧(也参见图5)不被偏压的区域中，使得长丝被无张力地提供给FFF打印装置90。该FFF印刷装置90在打印时不应当“感觉到”长丝供给系统80，因为推动或拉动长丝将直接导致过度挤出或挤出不足：长丝的通过次数多于或少于预期(毕竟，这是开环指令，没有反馈或校正)。
加载材料。
首先，必须将卷轴放置在长丝供给系统80的隔室之一中，并且将长丝端部插入漏斗(即入口86、87之一)中。
预供给器处于“空闲”，但是FilementDetect_1转换开始起作用，并且状态转到“抓取”。使用两个入口86、87中的来确定预供给器旋转的校正，并且物理地确定长丝是进入供给器1还是供给器2。
在“抓取”状态中，参见状态409，预供给器旋转，直到第二长丝传感器P05看到长丝，然后转到“拉回”，其中，预供给器返回，直到该相同的传感器不再看到长丝。通过沿着传感器的这种“来回”，我们知道确保长丝被预供给器很好地抓住，现在状态为“预加载空闲”。在该“预加载”期间，我们检查是否存在NFC标签，以进行材料类型检测。如果是，则将材料类型传递到链接的打印机。如果没有，则用户将被告知有“新”材料，之后用户将必须通过打印机屏幕指示已经放置了什么种类的长丝。
如果随后开始打印作业，则需要长丝来打印。打印机“查看”其可用的材料列表(其存在于预加载空闲的预供给器中)，并且如果在打印作业和可用的材料之间存在匹配，则它将加载命令(LOAD command)发送到正确的预供给器。(转换“预加载空闲”->“加载到供给器”)。加载到供给器以固定的速度和固定的生产距离开始，以使长丝接近打印机供给器。在该距离之后，自动进入“准备拾取”。在该“准备拾取”状态413中，预进给比在“加载到供给器”状态412中运行得慢，并且分离器的位置被监控，但是它不能确定速度。然而，该位置被用作条件。PushPos位置不是位于扭簧之间的部分，而是在弹簧范围内，位于延伸部分。分离器仅能延伸至此，因为长丝压靠于打印机供给器。当这种情况发生时，开始打印机供给器的转动，并且它比预供给器(其不停止，除非拾取完全失败)运行得稍快。这是预供给器由“准备拾取”->“等待拾取”。
在“等待拾取”时，打印机供给器比预供送器旋转得稍快，并且当打印机抓住长丝时，由于速度差，它将再次将分离器拉回(位置朝0返回)。这一直进行到Decoupler_PickupPos，即另一个(第一/低)弹簧范围中的位置。这是仅当(通过较快旋转的打印机供给器)主动拉动长丝时进入分离器的情况，并且这是切换到“加载到打印头”的条件。这两个弹簧范围的使用确保了我们确切地知道打印机是否已经抓住长丝。
参见状态416，“加载到打印头”为第一状态，其中，分离器位置经由查找表用作用于预进给速度的输入。如果分离器较低，那么长丝进给系统80显然比FFF打印装置90所需进给的材料少。该位置对应于高的预进给速度，使得其能够赶上积压。如果分离器1较高，我们显然提供了太多的材料，该位置在工作台中给出负速度(＝返回到供给系统)。在这种状态下，长丝供给系统80实际上是从动装置，其“感觉”有多少长丝必须通过分离器1引入。
打印
“跟随”是在实际打印期间材料站20的预进给器所处的状态。打印机发送跟随命令(FOLLOW command)，以表示它需要从负载到供给器的查找表切换到跟随表。该跟随表是更平稳/渐缩管，因为在打印期间的长丝速度比在加载和卸载期间的低得多。在这种状态下，还存在一个额外的控制回路，其目的是通过一个滞后控制器消耗尽可能少的功率。其工作如下：我们将分离器从中间朝向下弹簧臂41、43逐渐降低(由于打印机使用长丝)，并且在其接触下弹簧臂41、43之前不久，我们快速地继续使用长丝，直到分离器再次处于中间，并且然后我们再次切断对预供给器的电力供应。这样，我们具有一种占空比，并且在大约90％的时间内(根据打印作业，这可以更多或更少)关闭预供给器。这种操纵对于减少在长丝供给系统80的底部处的热发展(heat development)是有利的。
卸载材料
一旦打印工作完成(使得长丝返回到调节/干燥空间)，或在打印工作期间，当卷轴变空时(使得长丝路径可被清理用于另一个满卷轴)，则需要卸载长丝。预供给器仍然处于“跟随”状态，并且由打印机通过卸载命令(UNLOAD command)而进入“卸载”。这种状态具有其自身的查找表，该查找表以这样的方式设置，即当分离器处于下弹簧臂范围内并因此在长丝上存在拉伸应力时，预供给器保持静止。该拉伸应力有助于打印机供给器将长丝拉出打印芯。更重要的是，它防止柔性材料被卡住。仅试图推动弹性件通过具有一些中断/过渡的卷绕路径；它将隆起/扭结，然后形成环圈或自身紧固。然而，如果在打印机供给器返回长丝的同时，预供给器拉动该长丝，则该橡胶带将总是被拉紧，并且将没有机会将其自身扣住或锁定。当打印机完全排出长丝时(打印机供给器不能比其所处位置被进一步推动；它放慢)，打印机向预供给器发送停车命令(PARK command)。然后，其切换到“停车”状态，其中，预供给速度是恒定的，并且这(独立于分离器位置)返回长丝，直到第二长丝检测传感器不再看到长丝为止，然后再次处于“预加载空闲”。
以上已经参考附图中所示的多个示例性实施例描述了本发明。一些部分或元件的修改和替代实施是可能的，并且包括在如所附权利要求中限定的保护范围内。应当注意，上述实施例是说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代实施例。在权利要求中，括号中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。动词“包括”及其变化形式的使用不排除存在权利要求中所述的元件或步骤之外的元件或步骤。元件前面的冠词“一种”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (13)

1.一种FFF打印系统(100)，所述FFF打印系统包括：
-打印头(105)；
-供给器(91；126)，所述供给器(91；126)被布置为将长丝(4)供给到所述打印头(105)中；
-容器(801)，该容器(801)用于将所述长丝存储在一个或多个长丝卷轴(88)上；
-预供给器(81)，所述预供给器(81)布置为将所述长丝从所述卷轴供给至所述供给器(91；126)；
-第一柔性管(D01；102；121)，用于引导所述长丝(4)；
-长丝路径长度测量装置(1)，包括：
-壳体(2)，所述壳体(2)包括用于所述长丝(4)穿过的第一开口(3)和与所述第一开口(3)相对的第二开口(9)；
-滑动件(5)，所述滑动件(5)可滑动地布置在所述壳体中并且部分地延伸出所述第二开口(9)，所述滑动件包括用于所述长丝穿过的长丝通道(58)，其中，所述滑动件的在所述壳体外部的外端连接到所述柔性管的第一端；
-至少一个非接触式传感器，所述至少一个非接触式传感器被布置为检测所述滑动件相对于所述壳体的位置变化，以获得指示所述第一柔性管中的所述长丝的路径长度变化的测量数据，
其中，所述第一柔性管的第二端连接到所述FFF打印系统的连接点，所述连接点相对于所述测量装置的壳体是静止的，以及
其中，所述FFF打印系统还包括处理系统(82)，所述处理系统(82)被布置为接收所述测量数据并且根据所述测量数据来控制所述预供给器。
2.根据权利要求1所述的FFF打印系统，其中，所述连接点为包括以下各项的组中的一个：
所述供给器(91)的上游侧，
所述预供给器(81)的下游侧，以及
长丝合并模块(806)的下游侧。
3.根据前述权利要求中任一项所述的FFF打印系统，其中，所述FFF打印系统包括另外的处理系统(92)，该另外的处理系统(92)被布置为控制所述供给器并且被布置为与所述处理系统(82)信号连通。
4.根据前述权利要求中任一项所述的FFF打印系统，其中，所述至少一个非接触式传感器包括霍尔传感器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的FFF打印系统，其中，所述非接触式传感器包括与安装在所述滑动件上的单个磁体相互作用的两个霍尔传感器。
6.根据权利要求5所述的FFF打印系统，其中，所述测量装置包括模拟电路，所述模拟电路被布置为将两个所述霍尔传感器的输出信号结合，以获得指示所述滑动件的位置的模拟信号。
7.根据前述权利要求中任一项所述的FFF打印系统，其中，所述测量装置包括具有两个扭臂的扭簧，该弹簧臂中的每一个被布置为在所述滑动件的行程的相应外端处抵抗所述滑动件的移动。
8.根据前述权利要求中任一项所述的FFF打印系统，其中，所述滑动件包括围绕中心轴线同轴布置的多个指状件，其中，所述指状件的面向所述中心轴线的侧壁与布置在所述壳体中的结构一起限定用于引导所述长丝的通道。
9.根据权利要求8所述的FFF打印系统，其中，指状件的数量为三个。
10.根据前述权利要求中任一项所述的FFF打印系统，其中，所述系统包括直接驱动打印头组件(120)，并且其中，所述测量装置(1)的壳体被安装到所述直接打印头组件中。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的FFF打印系统，其中，所述测量装置(1)的壳体安装至所述FFF打印系统(100)的外壁。
12.根据权利要求11所述的FFF打印系统，其中，所述第一柔性管具有S形。
13.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的FFF打印系统中的长丝路径长度测量装置(1)。
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