CN1291829C - 挤压设备及用于该设备中的熔体流速补偿方法 - Google Patents

Abstract

公开了匹配液化器(26)的挤压速度的方法和装置，所述液化器以预定目标输出速度挤压材料流。本发明调整了进入液化器(26)的材料容积流速，以考虑从液化器(26)挤出的材料的预测熔体流速部分。补偿预测熔体流速使得液化器(26)沿工具路线沉积的材料产生的挤压外形(100)的误差减少。

Description

挤压设备及用于该设备中的熔体流速补偿方法

技术领域

本发明涉及利用基于挤压的分层制造技术来加工三维物体。更具体的说，本发明涉及向挤压头上的液化器提供固体造型材料，并相对于基体将易流动状态下的材料挤入预定的三维图案中。

背景技术

三维模型被用于艺术判断、证明数学模型、形成坚硬的加工工具、研究干扰和空间分配、以及测试函数性。基于计算机辅助设计(CAD)系统提供的设计数据，基于挤压的分层制造机器通过将来自挤压头的可固化造型材料挤压成预定的图案来建立三维模型。用来制造三维物体的基于挤压的设备和方法的例子在Crump美国专利No.5,121,329，Crump美国专利No.5,340,433，Danforth等美国专利No.5,738,817，Batchelder等美国专利No.5,764,521和Dahilin等美国专利No.6,022,207中进行了描述。所有这些都转让与了Stratasys.公司，即本发明的受让人。

液体或固体造型材料的给料被提供给挤压头。在造型材料的给料是固体形式的情况下，挤压头使给料处于沉积所需的易流动温度。一种技术以细丝股的形式向挤压头提供造型材料。

在利用细丝进给的现有技术中的Stratasys FDM造型机中，造型材料被装入机器作为柔性细丝绕在供给卷轴(supply reel)上，诸如美国专利No.5,121,329中所公开的。可固化的材料被用做造型材料，在固化时它以充分的粘结作用粘着在前一层上，并且能作为柔性细丝被供应。电动机驱动的进给辊将细丝股推进入挤压头上的液化器。在液化器中，细丝被加热至易流动的温度。易流动的造型材料在液化器的远端被挤出管嘴，并且从液化器沉积到基体上。将细丝推入液化器的所述电动机驱动进给辊产生一个“液化器泵”，其中细丝本身作为活塞。当进给辊将细丝推进入液化器时，进来的细丝股的力挤压易流动材料使其从管嘴流出。从管嘴挤出的材料的流速是细丝被推至挤压头的速度的函数。通过控制细丝推进入液化器的速度来控制流速。控制器控制挤压头在水平x，y平面中的移动，控制基体在垂直z方向的移动，并且控制进给辊推进细丝的速度。通过同步控制这些过程变量，造型材料沿着CAD模型定义的工具路线层层地沉积成“串珠(beads)”。所述被挤压的材料熔合到先前的沉积材料上，并固化形成近似CAD模型的三维物体。

所述的由液化器泵送来的挤压材料具有珠状横截面区域，它能理想地被控制产生准确的模型。通常，希望得到恒定的串珠宽度。串珠宽度与材料流出泵的流速以及挤压头的速度有关。串珠宽度也受挤压管嘴尖端和在先挤压层(或基体)之间的间距的影响。如果挤压头速度变化，而流速保持恒定，那么串珠宽度也会变化。

现有技术中的快速样机系统中的一种类型沿包括折线的工具路线以恒定速度驱动挤压头的运动。折线是由每个顶点处的X-Y坐标对的系列定义的直线段的连续曲线。挤压头的速度被预先选定，以实现沿折线快速移动挤压头、同时最小化偏离工具路线的位移的综合目标。结果，挤压头速度必须被设置足够慢，以使偏差不会超过对应沿折线的最大偏移的最大允许随动误差。利用恒定的沿工具路线的挤压头速度，串珠宽度保持相当的一致，但是在工具路线的始点和终点处会产生误差，例如在“接合(seam)”处(也就是封闭环工具路线的始点和终点)。

现有技术中样机系统的另一种类型是改变挤压头的速度来提高造型机器的生产量。挤压头沿工具路线的直线方向加速，并且在有偏转角或顶点处减速。美国专利No.6,054,077描述了这样一种改变挤压头速度的技术，它利用遵循液化器泵指数阶跃响应的X-Y轨道压型(trajectory profiling)来实现。挤压头的速度廓线看起来像“鲨鱼的牙齿”，而泵的廓线遵从阶跃函数。

可以看到，现有技术中的可变速系统引入了更大的串珠宽度误差，并且有接合误差。希望在使可变速率系统的生产量较高的同时，减小串珠宽度误差和接合质量误差，以便获得所需的挤压轮廓。

发明内容

本发明是一种液化器泵控制方法和设备，它通过考虑液化器中造型材料的热膨胀来减少现有技术中发现的串珠误差和接合误差。造型材料的熔融伴随着它的膨胀。本发明认识到，在瞬变状态期间熔化膨胀产生了预料之外的从液化器流出的挤压流速。本发明预测了由造型材料的热膨胀产生的挤压流速的熔化流动部分，并且在指定流速中补偿了预测的熔体流动。

根据本发明的一方面，提供一种挤压设备中的熔体流速补偿方法，其中在设有液化器的挤压设备中，所述液化器接收显示热膨胀性的固体成分材料，加热所述材料，并以输出速度沿着预定工具路线通过液化器的分配尖端沉积材料流，所述设备利用材料推进机构以控制输出速度的输入速度将固体成分材料送至液化器；在所述方法中需要使输出速度达到预定目标输出速度，其中所选预定目标输出速度用于获得沿工具路线沉积的材料的所需挤压外形，所述方法包括如下步骤：预测对应一段工具路线的时间段中的输出速度的熔体流速部分(Q_MFS)，所述熔体流速是在液化器中被加热的材料的热膨胀引起的流速；以及指定所述时间段的输入速度(Q_iS)，以便补偿所预测的熔体流速。

根据本发明的另一方面，提供一种挤压设备，包括：液化器，它接收显示热膨胀性的固体成分材料，加热所述材料，并沿预定工具路线以输出速度通过它的分配尖端沉积所述材料流；材料推进机构，它以控制输出速度的输入速度向液化器供应固体成分材料；向材料推进机构提供控制信号的控制器，控制信号控制材料推进机构的操作，以便输入速度补偿输出速度中的预测熔体流速部分(Q_MFS)。

附图说明

图1是三维造型机器中液化器泵挤压设备的透视图解视图。

图2a显示了通过良好的接合连接在一起的挤压外形。

图2b显示了通过过轻的接合连接在一起的挤压外形。

图2c显示了通过过重的接合连接在一起的挤压外形。

图3是工作在最小流速下的液化器的图解表示。

图4是工作在最大流速下的液化器的图解表示。

图5a是工作在稳态下，然后关闭的现有液化器泵所挤压出的挤压外形。

图5b是图5a中液化器泵所产生的流量的图解表示。

图6a是现有液化器泵打开、然后关闭时，它所挤压出的挤压外形。

图6b是图6a中液化器泵所产生的流量的图形表示。

图7a是按照本发明的液化器，在它打开和接着关闭时所挤出的挤压外形。

图7b是图7a中液化器泵所产生的流量的图解表示。

具体实施方式

本发明的方法和设备可被用在相关的挤压系统，所述系统挤压在液化器泵中显出热膨胀性的材料。对于以下各种类型的造型机或样机系统尤其适用：即所述造型机或样机利用挤压头来沉积将被加热至可流动的材料的“路(road)”，这种材料在温度下降后收缩并固化形成固体模型。优选的材料沉积和形成过程是在美国专利No.5,121,329中公开的类型。

图1显示了一种典型的三维造型机10，它具有在控制器25控制下沉积造型材料的挤压头20。挤压头20装有接受造型材料的给料并将其加热至挤压所需温度的液化器26。熔化的造型材料从液化器26的尖端30以串珠21的形式沉淀在平面基体32上(部分显示)。在所示的优选实施例中，造型材料给料是柔性细丝14。典型地是，细丝具有小的直径，如近似0.070英寸。装有一卷细丝14的卷轴12安装在心轴(spindle)16上。一股细丝14通过导管18进给，所述导管将这股细丝14送至挤压头20。材料推进机构23包括一对由电动机24驱动的进给辊22，该机构将细丝14以受控的速度推进入液化器26。液化器26、细丝14和材料推进机构23一起形成了液化器泵。

通过进给辊22把这股细丝14泵入液化器26来为液化器26加压。这股细丝14用作活塞。加压迫使熔化的造型材料从尖端30出来。从泵流出的液体材料的容积流率(Q_oL)可通过调整进给辊22的转速来控制。如图所示，一个进给辊22是驱动辊子，由控制器25控制下的电动机24驱动。另一个辊子22是惰辊。控制器25通过向驱动进给辊22的电动机24提供控制信号来控制泵的流率(Q_oL)。

挤压头20沿着水平x，y平面中的工具路线被x-y传送器34驱动，x-y传送器34接收与源自CAD模型的设计数据相适应的来自控制器25的驱动信号。当挤压头20在x-y平面上平移时，熔化的造型材料被可控制地从尖端30一层一层地分配在基体32上。每一层被分配之后，z轴传送器36使基体32沿垂直的z轴下移预定的增量，所述z轴传送器也接收来自控制器25的驱动信号。分配的材料熔合并固化，形成与CAD模型相似的三维物体。用来构造支撑结构的造型材料可分配成与用于构造物体的造型材料的分配相协调的同类样式，以便在修建物体时，支撑物体各部分。

本领域普通技术人员将可以理解，造型机器和过程的多种变化是可能的。例如，在挤压头20和基体32之间的任何三维空间的相对运动均可被用来构造物体。造型材料的给料，液化器和材料推进机构可以采用多种形式。

用作造型材料的材料包括热塑性材料、金属、陶瓷和石蜡。水也是广为人知的造型材料。除水以外，大多数造型材料在熔化时膨胀。现有技术中的流动控制方法没有解决这一行为，导致不能在接合处或始点与终点之间保持恒定的串珠。

在现有技术中，液化器的控制是基于压力模型的。此模型考虑了由于压力变化以及经过分配尖端处的压力下降而引起的造型材料的体积变化，但是没有解决由于温度变化引起的体积变化。应用压力模型，液化器流动控制被分成多个阶段，例如美国专利No.6,054,077中描述的情况。这些阶段包括预泵阶段(在此阶段中，液化器泵已经被指定打开，但由于时间延迟，其并没有挤压材料)和回吸阶段(在此阶段中，液化器泵已经被指定关闭，但仍继续挤压材料)。应该清楚，本发明作为对现有流动控制技术的补偿而被最有效地实现。

图2a显示了沿封闭工具路线(也就是一条具有相同起点和终点位置的工具路线)的所需的挤压外形40。挤压外形40包括起始工具路线部分42和终止工具路线部分44，两者通过良好的接合46连接起来。在挤压外形40中，串珠宽度保持恒定，使起始和终止工具路线部分42和44之间平滑过渡。图2b和图2c示出了挤压外形的误差，在实施现有压力模型以控制挤压速度的同时，沿着封闭工具路线可以观察到所述误差。图2b示出了过轻的接合，而图2c示出了过重的接合。图2b显示的挤压外形50，包括由过少或过薄的接合56连接在一起的最初工具路线部分52和最后工具路线部分54。过轻的接合56的产生是因为在工具路线起始和终止点处的串珠宽度比其它地方产生的小。图2c显示的挤压外形60包括由过重或过厚的接合66连接在一起的起始工具路线部分62和终止工具路线部分64。过重的接合66的产生是因为在工具路线起始和/或终止点处挤压了过多的材料。

本发明认为，造型材料的熔化膨胀是导致所需挤压外形中产生误差的重要原因，如图2b和图2c图示的接合误差。利用本发明，挤压流速的熔体流动部分被预测了，并且通过调整固体材料的输入速率来进行补偿，结果使串珠宽度误差和接合误差显著减少。

本发明的熔体流动补偿考虑了液化器的流动经历，以控制用来解决熔体流动的流速。图3是液化器26工作在最小流速时的横截面的图形表示。图4是液化器26工作在最大流速时的横截面的图形表示。细丝14以输入(或指定)流速Q_iS送入液化器26，以熔化速率Q_M在液化器26中被加热成液体，并且以输出流速Q_oL被挤出液化器26的尖端30。如图，在较高的流速下，与熔化的造型材料(液体76)相比，液化器26中以细丝14的形式存在的固体造型材料相对多些。这是因为液化器有限的熔化能力。如果输入流速Q_iS从较高的速度降到较低的速度，那么液化器26中液体76的量将增加，并且输出流速Q_oL将包括熔体流动部分Q_MFL，本发明考虑它的方法是通过向下调整指定的输入流速Q_iS。

为了解决熔体流动，给定的工作系统的熔体流动特性可用方程式来建模。圆柱体液化器中的材料固体棒的熔化速率被注意到是近似指数变化的。对固体材料输入速度的阶跃增长，熔化速率指数增长到等于固体材料输入速度的渐近值。当液化器泵被打开时，来自液化器的材料的熔体流速近似指数地增长。相反，当液化器泵被关闭时，熔体流速近似指数地减到零。因此，熔体流动能被依赖于液化器熔体流动时间常数的指数方程预测出来。

图5a和5b图示了现有技术中的液化器泵关闭时的材料流速。图5a图示了挤压外形80，图5b是流量的图形表示。在压制挤压外形80过程中，装有液化器泵的挤压头以恒定的速度向右移动。在第一工具路线点82处，指定的流速87是恒定的速度，并且液化器泵足够长以达到稳定的状态。在第二点84处，流速87被指定关闭(产生适当的回吸压降)，而挤压头继续移动。尽管泵被指定关闭，但是流动仍持续。这附加的流动是由液化器中熔化材料的未考虑的膨胀产生的，它导致挤压外形80的过量部分86。该过量部分86能被测出来，并且具有指数形式。如果挤压头将在点84处停止移动，那么由膨胀产生的过量流动将在所述点处产生大球或过重接合。

在图5b中，所述的指定流速87是描述目标流速的阶跃函数。在目标流速中，流动需要从泵打开时保持恒定直到泵关闭时。然而，由于没有考虑材料的膨胀，所以泵的实际流速88不等于指定流速87。当泵被关闭后，实际流速88在点84以后不是立即下降到零，而是经历一个指数下降降到零。

图6a和6b图示了现有技术中的液化器泵打开时的材料流速。图6a图示了挤压外形90，图6b是流量的图形表示。在挤压外形90中，所述挤压头以恒定的速度向右移动。所述液化器泵保持打开，直到它几乎达到稳定状态，接着它被指定关闭。在第一工具路线点92，所述泵被指定打开，以恒定流速97工作，但不是所有指定流被立即挤压出来。三个时间常数过后，在第二个工具路线点94处，流速97被指定关闭。沿挤压外形90的一部分95，在点92和94之间，当实际流速98接近指定流速97时，挤压出的串珠变宽了。在点94处，实际流速98赶上了指定流速97。与图5a和5b中的例子一样，所述泵被关闭后，由于液化器中材料的热膨胀使得流动仍继续。当所述泵被指定打开时，流失的体积等于当所述泵指定关闭后挤压出的材料的过剩量(量入等于量出)。

在图6b中，所述的指定流速97是表示目标流速的阶跃函数。如上所述，当在点92处所述泵被打开时，实际流速98起初不等于指定流速97，而是指数地增加到指定流速97。达到稳态或指定流速所需的时间等于热量从液化器壁传导至固体材料的中心所花费的时间。这种行为的熔体流动时间常数(τ_MF)在细丝标称直径为0.070的情况下是在1与3秒之间，并且达到稳态的时间约等于3到4个时间常数。

所述液体材料的输出流速Q_oL受材料进入液化器的速度(Q_iS)和固体细丝熔化的速度(Q_M)的影响。熔化产生的材料输出流速(也就是“熔体流动”)能用方程式预测：

Q_MFL＝％_MF*Q_M    (1)

其中，％_MF是熔化过程中造型材料的百分比膨胀率，Q_MFL是由于熔化产生的液体材料的输出流速。本发明将液体体材料的输出流速Q_oL作为送入液化器的材料速度和熔体流速部分的和：

Q_oL＝Q_iS+Q_MFL＝Q_iS+％_MF*Q_M    (2)

在任何给定的时间处，液体材料的输出流速Q_oL可以写成根据以下方程式的固体材料输出速度Q_oS的函数：

Q_oL＝Q_oS(1+％_MF)    (3)

固体材料输出速度Q_oS可写成：

$Q_{\mathrm{oS}}=\frac{Q_{\mathrm{oL}}}{1+{\%}_{\mathrm{MF}}}=\frac{Q_{\mathrm{iS}}+{\%}_{\mathrm{MF}}*Q_M}{1+{\%}_{\mathrm{MF}}}---\left(4\right)$

方程式(4)能被简化成如下：

$Q_{\mathrm{oS}}=\frac{Q_{\mathrm{iS}}}{1+{\%}_{\mathrm{MF}}}+\frac{{\%}_{\mathrm{MF}}*Q_M}{1+{\%}_{\mathrm{MF}}}---\left(5\right)$

在稳态条件下Q_M＝Q_iS，并且方程式(5)简化为：

Q_oS＝Q_iS    (6)

在非稳态条件下，由于熔融产生的固体材料挤压速度能被下述方程式(7)预测，因此方程式(5)也能被简化：

$Q_{\mathrm{MFS}}=\frac{{\%}_{\mathrm{MF}}*Q_M}{1+{\%}_{\mathrm{MF}}}---\left(7\right)$

所以固体材料的输出速度Q_oS由如下方程式给出：

$Q_{\mathrm{oS}}=\frac{Q_{\mathrm{iS}}}{1+{\%}_{\mathrm{MF}}}+Q_{\mathrm{MFS}}---\left(8\right)$

本发明通过设置指定输入速度来补偿由于材料膨胀产生的熔体流速，这样输出流速将近似达到目标流速。在前面的例子中，阶跃输入被假定，并且液化器泵打开至少3个时间常数，以便取得接近稳态的条件。然而，通过利用本发明，任何作为时间函数的熔体流动都能被补偿。

在适于给定操作系统的许多方法中，熔体流速能被表示为时间函数。典型实例中，细丝泵液化器的适当表达方式是指数公式：

$Q_{\mathrm{MFS}}=\frac{{\%}_{\mathrm{MF}}*Q_{\mathrm{iS}}}{1+{\%}_{\mathrm{MF}}}*(1-e^{\frac{-1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{MF}}}})---\left(9\right)$

其中，τ_MF是定义由熔融产生的流速的指数增长的时间常数，Q_MFS是由于熔体膨胀产生的固体材料挤压速度(也就是挤压后被重新固化的膨胀产生的材料流速)。对方程式(9)求导，ΔQ_MFS的差分方程表示如下：

${\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{MFS}}=(\frac{{\%}_{\mathrm{MF}}*Q_{\mathrm{iS}}}{1+{\%}_{\mathrm{MF}}}-Q_{\mathrm{MFS}})*\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{MF}}}---\left(10\right)$

方程式(10)接着被用来计算从一个时间阶段至另一个时间阶段的熔体流速的变化。对任何给定流动经历，这种计算均是有效的，并且不论输入流动的形式如何，这种计算也是有效的。

图7a和图7b图示了液化器泵产生的材料流速，其中根据本发明熔体流速被考虑进来。图7a示出了按照本发明液化器泵挤压出的挤压外形，而图7b是液化器泵产生的流量的图形表示。

在压制挤压外形100过程中，挤压头以恒定速度向右移动。在第一点102处，泵被打开，泵被设置了比目标流速更高的指定流速104。所述指定流速104接着指数地降到目标速度。在第二点106处，指定流速104首先反转方向、接着指数衰减升到目标流速零。在这种方式中，挤压外形100具有恒定的串珠宽度，并且实际流速108等于目标流速。重要的是，当泵被打开时的过量流动等于泵被关闭时的流动不足。

方法

熔体流速补偿的第一步是确定在每个时间段的目标输出流速。目标速度是液体材料或重新固化材料的所需输出流速，这样选择是为了(近似地)获得所需挤压外形。这里为了讨论方便，目标速度被看作是重新固化材料的所需输出流速。接着，这个目标流速，与表示工作系统热性质的常数(熔体流动时间常数τ_MF和百分比熔化膨胀率％_MF)一起，被用来计算在每个时间段的指定输入流速。为了计算指定输入流速，从一个时间段到另一个时间段的输出流速的熔体流速部分被预测。熔体流速可通过计算在每个阶段熔化膨胀产生的固体材料挤压速度的变化Q_MFS而被预测。当液化器起初在没有挤压至少4个熔体流动时间常数之后开始动作时，起始熔体流速ΔQ_MFS被假定为零。熔体流速ΔQ_MFS的变化被加到熔体流速的前个值中以计算新的熔体流速值。然后，这个新的熔体流速从系统控制器的目标流速中减出去，来产生所需的挤压外形。在每个时间段这个计算反复进行，直到液化器停止动作。

实现

本发明的实现是通过如下方法实现的：识别给定工作系统的由于熔体流动产生的百分比膨胀率％_MF和熔体流动时间常数τ_MF；定义几个变量的方程式：ΔQ_MFS瞬时变量，Q_MFS，t表示在时间t的固体材料挤压的熔体流速部分，和指定输出变量Q_iS；提供两个输入变量，时间段Δt和目标流速Q_Targer，它是一个时间函数；并且提供Q_MFS，t-1的起始值。

用于在利用如上述典型实施例所述的液化器泵的工作系统中实现本发明的算法如下：

在t＝0时，Q_MFS，t＝Q_MFS，t-1＝ΔQ_MFS＝0

在时间t，固体材料挤压速度中的熔体流速部分如下：

Q_MFS，t＝Q_MFS，t-1+ΔQ_MFS    (11)

将要被指定、以便接近t-1到t时间段处的目标流速的固体材料的输入流速可用上述对应Q_iS的方程式(8)计算得到：

Q_iS＝(1+％_MF)*(Q_Target-Q_MFS，t)    (12)

系统控制器控制材料推进机构，以计算出的输入流速向液化器供给材料，来获得所述时间段的目标流速。从此时间段到下个时间段的熔体流速的变化由上述方程式(10)的应用给出：

${\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{MFS}}=(\frac{{\%}_{\mathrm{MF}}*Q_{\mathrm{iS}}}{1+{\%}_{\mathrm{MF}}}-Q_{\mathrm{MFS},t})*\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{MF}}}---\left(13\right)$

然后，计算出的熔体流速的变化被用在方程式(11)中，并且对每个时间段重复使用该算法。

可以理解，百分比膨胀率％_MF和熔体流动时间常数τ_MFS对给定的工作系统是唯一的。在特定工作系统的工作温度下，对于给定的造型材料，这些属性可以计算出来或者它们可被实验测得。在图1所示的典型实施例中，系统的熔体流动时间常数可以根据长圆柱体的辐射热条件模型估计出来。在这种情况下，细丝为一个长圆柱体，通过使它受迫进入热的液化器而使它突然被暴露在外壁温度大幅上升的情况下。传统热传递条件的图表解决方案被展示在多种不同的热传递教材上，例如“TemperatureCharts for Induction and Constant Temperature Heating”，Heisler，M.P，Trans.ASME，69，(1947)。表示恒定壁温度边界条件的图表线可被表示为与exp[-(5.31*α*t)/(r_o ²)]成比例，其中α是造型材料的热扩散系数，r_o是细丝半径。此条件下的熔体流动时间常数由下述方程式给出：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{MF}}=\left(r_o^2\right)/(5.31*\mathrm{\α})$

其中α＝材料热扩散系数＝k/(ρ*c_ρ)，k是热导率，ρ是密度，c_ρ是比热。

Stratasys三维造型机中使用ABS细丝的情况下：

r_o＝0.035inch

c_ρ＝0.45BTU/(lbm-F)(平均值，25℃到250℃)

ρ＝0.0376lbm/in³

k＝2.28E-6BTU/(sec-in-F)

这样，α＝2.28E-6/(.0376*.45)＝135E-6(in²/sec)，并且τ_MF＝(0.035)²/(5.31*135E-6)＝1.7sec。聚苯乙烯材料(它由ABS表示)的比容从30℃下的0.96cm³/gm变到250℃下的1.06cm³/gm。(“PVT Data forpolymers”；Zoller and Walsh.Technomic Publishing，1995，133页)。这是10％的增加，因此这种材料的％_MF＝0.10。

熔体流动时间常数的值和理论上获得的百分比膨胀率是在工程假设基础上的实际系统值的估计。这些常数能通过实体工作系统给出的挤压外形中的真实误差的实际检测来进行修改，以获得更加准确地表征真实系统响应的值。在StratasysFDM三维造型机上，ABS热塑性材料的熔体流动时间常数被以经验为根据地测出为2.0秒，并且熔体流膨胀率被测出是8％。在这个使用以经验为根据而获得的常数的机器中，挤压外形最坏情况下的误差被减少80-90％。

术语表

下表定义了本申请中使用的一些变量：

变量              定义

Q_iS       指定的固体材料的液化器输入速度。

Q_oS       材料被固化后，材料的输出速度。

Q_M        液化器中固体材料的熔化速度。

Q_MFL      由熔化膨胀产生的液体材料的输出流速。

Q_oL       液体材料的输出速度。

Q_MFS      由熔化膨胀产生的固体材料的输出速度。

Q_Target    液化器目标输出流速。

％_MF    由温度变化产生的造型材料的百分比膨胀率，百分比形式。

τ_MF    液化器熔体流动时间常数。

尽管已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域中的技术人员知道在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以作出形式和细节上的变化。例如，目前的描述集中在三维造型的应用，但是可以理解本发明中的熔体流速补偿也可以应用在其他为了取得预定挤压外形的挤压系统中。本发明可应用的其他领域包括胶粘剂分配应用(例如，轿车、尿布、盒子和衣服的组装)，和焊膏挤压(例如，用在电路板的制造上)。进一步说，在这里描述的典型工作系统中，熔体流速的响应近似于依赖液化器熔体流动时间常数的指数函数。因此，在本发明的优选实施例中，指定的泵流速是根据熔体流的估算指数分布决定的。对大多数应用提供充分的准确度的同时，指数函数具有简化优势。但是，对给定的工作系统，流速分布可能适合其他时间响应函数，例如多项式函数或高阶方程，它们更复杂但可提供更高的准确率。本发明所述的熔体流速补偿可通过查表实现，尤其是在使用较复杂的熔体流模型的情况下。

Claims (11)

1.一种挤压设备中的熔体流速补偿方法，其中在设有液化器的挤压设备中，所述液化器接收显示热膨胀性的固体成分材料，加热所述材料，并以输出速度沿着预定工具路线通过液化器的分配尖端沉积材料流，所述设备利用材料推进机构以控制输出速度的输入速度将固体成分材料送至液化器；在所述方法中需要使输出速度达到预定目标输出速度，其中所选预定目标输出速度用于获得沿工具路线沉积的材料的所需挤压外形，所述方法包括如下步骤：

预测对应一段工具路线的时间段中的输出速度的熔体流速部分(Q_MFS)，所述熔体流速是在液化器中被加热的材料的热膨胀引起的流速；以及

指定所述时间段的输入速度(Q_iS)，以便补偿所预测的熔体流速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括如下步骤：在随后的时间段中重复预测步骤和指定步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：熔体流速被预测为液化器的熔体流动时间常数(τ_MF)和材料百分比热膨胀率(％_MF)的函数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使用指数模型来预测关于时间的熔体流速。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述指数模型是液化器的熔体流动时间常数(τ_MF)和所述材料百分比热膨胀率(％_MF)的函数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述关于时间的熔体流速的指数模型，在Q_iS从零开始的阶跃变化过程中，由公式 $Q_{\mathrm{MFS}}=\frac{{\%}_{\mathrm{MF}}*Q_{\mathrm{iS}}}{1+{\%}_{\mathrm{MF}}}*(1-e^{\frac{-t}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{MF}}}})$ 表示。

7.一种挤压设备，包括：

液化器，它接收显示热膨胀性的固体成分材料，加热所述材料，并沿预定工具路线以输出速度通过它的分配尖端沉积所述材料流；

材料推进机构，它以控制输出速度的输入速度向液化器供应固体成分材料；

向材料推进机构提供控制信号的控制器，控制信号控制材料推进机构的操作，以便输入速度补偿输出速度中的预测熔体流速部分(Q_MFS)。

8.根据权利要求7所述的挤压设备，其特征在于：所述控制器具有预测熔体流速部分作为液化器熔体流动时间常数(τ_MF)和材料百分比热膨胀率(％_MF)的函数的算法。

9.根据权利要求8所述的挤压设备，其特征在于：所述算法包括：根据差分方程式 ${\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{MFS}}=\frac{{\%}_{\mathrm{MF}}*Q_{i{S}_{t-1}}}{1+{\%}_{\mathrm{MF}}}-Q_{{\mathrm{MAS}}_{t-1}}*\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{MF}}}$ 计算熔体流速部分(ΔQ_MFS)从前一时间段至下一时间段的预测变化，其中Q_iSt-1是前一时间段的输入速度，Q_MFSt-1是前一时间段固体材料输出速度中的熔体流速部分，Δt是时间段的长度。

10.根据权利要求7所述的挤压设备，其特征在于：利用指数模型预测所述关于时间的熔体流速。

11.根据权利要求10所述的挤压设备，其特征在于，所述关于时间的熔体流速的指数模型，在Q_iS从零开始的阶跃变化过程中，由公式 $Q_{\mathrm{MFS}}=\frac{{\%}_{\mathrm{MF}}*Q_{\mathrm{iS}}}{1+{\%}_{\mathrm{MF}}}*(1-e^{\frac{-t}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{MF}}}})$ 给出。

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