CN210477829U - 增材制造系统中的预测流量控制响应 - Google Patents

Abstract

增材制造系统(100)，包括具有马达(220)和压力传感器(232)的挤出机(150)。滤波器(700)接收马达(220)的速度值(540)，并根据所述速度值(540)产生预测预测压力值(702)。响应阈值模块(706，708)基于所述预测压力值(702)设置响应阈值压力值，使得当所述响应阈值压力值处于来自所述压力传感器的所述压力值(508)和所述预测压力值之间(702)时，执行响应(516，518)。

Description

增材制造系统中的预测流量控制响应

背景技术

增材制造，也称为3D打印，描述了一组技术，其具有增加材料以形成3D 部件的共同特征，而不是像传统加工中那样减去材料。使用增材制造技术，可以从数字模型打印几乎任何形状的三维立体物体。

增材制造技术可用于原型设计(已经使用多年)，也即可以用于最终用途的生产部件。对于最终用途部件生产，希望打印净形零件或近净形零件(即，与作为源数据文件提供的数字图像非常接近地匹配的零件，因此需要很少或不需要后打印处理以获得所需的零件尺寸和形状公差)。

在基于挤出的增材制造中，部件被逐层打印出来，每层挤出到先前沉积的层上。挤出层通过挤出机被挤出打印头中的喷嘴，挤出机可以采用粘度泵的形式。

在用于增材制造应用的螺杆泵挤出机中，可消耗的材料被吸入腔室，在腔室中，可消耗材料被加压，熔化并变得可流动。该材料由马达驱动的螺杆的旋转来输送。当螺杆旋转时，螺杆的螺纹向熔融材料施加轴向力，使得熔融材料沿着螺纹朝向喷嘴向下移动。螺杆旋转的速率控制熔融材料的挤出速率。机架以合适的空间运动移动挤出机以沿着工具路径打印挤出的材料以形成3D部件。

实用新型内容

增材制造系统，包括具有马达和产生代表所述挤出机中感测的压力的压力值的压力传感器的挤出机。用于沿着工具路径移动所述挤出机的机架组件。模型接收马达的速度值并根据速度值产生预测压力值，其中，当所述机架沿着工具路径移动所述挤出机时，所述马达的所述速度值变化。响应阈值模块基于所述预测压力值设置响应阈值压力值。以及控制器，其配置为接收来自所述压力传感器的信号，并将所述感测压力与所述响应阈值压力值以及来自所述模型的信号进行比较，使得当所述响应阈值压力值处于来自所述压力传感器的压力值和所述预测压力值之间时，所述控制器发送信号到所述挤出机并基于所述感测压力来调节挤出速率。

在一个实施例中，所述响应阈值压力值大于所述预测压力值，并且所述响应阈值模块基于所述预测压力值设置第二响应阈值压力值，使得当所述第二响应阈值压力值处于来自所述压力传感器的所述压力值和所述预测压力值之间时，执行第二响应。

在一个实施例中，所述第二响应指示挤出物事件的低压损失，并且所述响应指示挤出物事件的高压损失。

在一个实施例中，所述模型产生感测的压力对速度值序列的频率响应。

在一个实施例中，所述的增材制造系统还包括根据所述速度值产生预测压力值序列，并为每个预测压力值设定单独的响应阈值压力值。

在一个实施例中，描述所述模型的参数由速度值和产生的感测的压力值确定，而所述挤出机遵循可变速度工具路径挤出材料。

在一个实施例中，所述压力传感器位于所述挤出机的喷嘴处。

一种方法，包括通过构建模型来初始化增材制造系统，例如使用过滤器来产生对挤出机速度的感测的压力频率响应的模型。使用增材制造系统通过将挤出机速度指令信号发送到所述挤出机以使所述挤出机挤出材料来打印部件。挤出机速度信号均被发送到模型以生成预测压力值序列。压力值序列被感测，并且对于每个感测到的压力值，确定所述感测的压力值与所述预测压力值序列中对应预测压力值之差是否足以保证采取动作。

增材制造系统，包括具有挤出机的打印头，该挤出机向喷嘴提供材料以在部件上沉积材料层。模型生成器识别算法的参数，该算法模拟喷嘴中的压力如何随马达速度的变化而变化。挤出物损失监测器将马达速度值应用于模型以产生期望压力值，使用期望压力值来识别表示挤出物损失的压力阈值，并在当喷嘴中的压力超过所述识别的压力阈值中之一时，向打印管理器发送信号。

附图说明

图1是根据一个实施例的增材制造系统的框图；

图2是根据一个实施例的挤出机，喷嘴和压力传感器组件的侧剖视图；

图3示出了马达速度值的曲线图；

图4示出了根据一个实施例的图3的马达速度值的预测压力值，调节实际压力值，高压阈值和低压阈值的曲线图；

图5是根据一个实施例的控制器组件的元件的框图；

图6是用于识别算法的模型参数的元件的框图，该算法模拟内部喷嘴压力对速度信号的频率响应；

图7是LOE监视器中的元件的框图。

具体实施方式

基于挤出的增材制造系统可能经历挤出物损失(LOE)的失效，在此期间挤出机产生的挤出物比给定的致动器速度指令所预期的少。材料流出挤出机喷嘴的体积流量不足将导致部件的区域变弱或有缺陷。

在过去，主动监测和控制基于挤出的增材制造系统的打印头内的压力一直是具有挑战性的，并且由于设备尺寸限制和仪器可靠性而仅是间接实现。因此，在挤出机打印头的动态运动期间对压力变化的主动响应是不可能的。利用本发明，提供了对预期压力的更准确预测，以在挤出机和打印头系统的动态移动期间更精确地挤出材料，从而产生高精度的部件构造(净和近净)。

LOE之一原因是挤出机泵的材料不足，在此期间材料不能用于泵的输入。因为在泵的输入处没有足够的材料，所以泵的输出处的压力对应于泵的输入缺乏材料的速率而下降。

LOE的第二个原因是堵塞的喷嘴，其防止挤出物离开打印头。通常，堵塞的喷嘴LOE失效导致喷嘴内的压力增加，因为即使在喷嘴堵塞之后挤出机也继续向喷嘴内的熔融材料施加力。

由于在LOE事件期间压力改变，可以预期是，通过测量喷嘴中的压力并将测量的压力与代表LOE事件的固定阈值进行比较来检测LOE。然而，本发明人已经发现，简单地测量喷嘴内的压力并将该压力与固定的上限和下限压力进行比较是不令人满意的。如果限制设置得太窄，这种简单的方案会导致大量的误报警，如果限制设置得太宽，则会错过实际的LOE事件。

另外，喷嘴中的压力随着通过喷嘴沉积的挤出物的速率变化而变化。当挤出物需要以更快的速率时，致动器速度增加，从而在喷嘴内产生的压力增加。当挤出物需要较低的速率时，致动器速度降低，从而导致喷嘴内产生的压力降低。挤出物速率和内部喷嘴压力的这种变化经常发生在增材制造系统中，其中打印头沿着工具路径的不同部分以不同的速度移动。当打印头快速移动时，必须增加挤出物的速率，以便有足够的挤出物来实现适当的挤出体积。当打印头缓慢移动时，必须降低挤出物的速率以避免在部件的侧面上施加过多的材料或在材料层中引起其它变形。由于挤出物速率的变化导致喷嘴内部压力的变化，因此设定固定压力极限制可以在打印头的速度改变时引起警报。

根据下面描述的实施例，喷嘴内的预期压力是根据过去的挤出机致动器速度序列来预测。然后从预期压力确定上限和下限压力。随着速度的每个新值，识别新的预期压力和新的上限和下限压力。

在特定实施例中，通过使用对致动器速度序列的内部喷嘴压力的频率响应的模型来预测预期压力。在初始化阶段期间确定频率响应，此时致动器速度序列和内部喷嘴压力的相应序列被转换到频域，并且频域喷嘴压力与频域致动器速度的比率被用作频率响应。然后确定模型的参数，以便模型提供确定的频率响应。

本公开的实施方案可以与挤出材料的任何合适的基于层的增材制造系统一起使用。图1示出了一个这样的系统100，其是用于水平地使用基于层的增材制造技术打印或以其他方式构建3D物品，支撑结构和/或支架的第一示例性制造系统。用于系统100的合适系统包括由Stratasys，Inc.，Eden Prairie，MN以商标“FDM”开发的基于挤出的增材制造系统。在水平打印中，打印轴平行于打印平面，并且移动垂直于打印平面。尽管图1中示出了用于水平打印的系统。如图1所示，本文描述的实施方案还可以与任何基于挤出的增材制造系统一起使用，包括垂直轴打印机和多轴机器人系统。

如图1所示，系统100包括腔室104，压板106，压板机架108，打印头110，头机架112，工具更换器113和消耗组件114。腔室104在一个实施例中由腔室壁围绕，并且最初包含用于打印想要的3D物品的压板106。

在所示的示例中，打印头110是可互换的单喷嘴螺杆挤出机头，其配置成以分层方式沿着工具路径挤出消耗材料，从而将3D物品，支撑结构和支架打印到压板106的接收表面上。可以存储多个附加打印头110，例如如图1所示，在工具更换器113内，并且可以互换地用于不同的打印功能。在一个实施例中，工具更换器113持有三个或更多个单独的打印头。

打印头110由头机架112支撑，头机架112在示例性实施例中是台架组件，其配置成沿着平行于压板106的x-y平面(或基本上在x-y平面内)中的工具路径移动打印头110。或者，打印头110可以由机器人臂或其他机架组件支撑，该机械臂或其他机架组件被配置成以任何合适的空间运动将打印头110在2D 或3D工具路径中移动穿过压板106，包括机架定位到工作空间中的任何坐标位置，和/或俯仰偏航滚动运动。

在一个实施例中，系统100还包括控制器138，控制器138是被配置为监视和操作系统100的组件之一或多个控制电路。例如，可以用硬件，软件，固件等或其组合实现由控制器138执行之一或多个控制功能。控制器138可以与腔室104(包括任何加热机构)，打印头110的挤出机内的驱动机构，打印头110内的压力传感器，机架108和112以及各种其他传感器，校准装置，显示装置和/或用户通过合适的通信线路输入设备进行连通。

系统100还可以与位于系统100或远离系统100的计算机115通信，计算机115可以是与系统100和/或控制器138通信之一或多个基于计算机的系统，并且可以与系统100分离，或者可选地，计算机115可以是系统100的内部组件。计算机115包括基于计算机的硬件，例如数据存储设备，处理器，存储器模块等，用于生成和存储工具路径和相关的打印指令。计算机115可以将这些指令发送到系统100(例如，发送到控制器138)以执行打印操作。

打印头110包括局部料斗，其承载基于颗粒的消耗材料的供应，例如在美国专利No.8,955,558中公开的，在操作期间，控制器138可以引导打印头110 剪切并熔化从打印头110中的料斗提供的连续量的物品和支撑材料。周期性地，局部料斗用消耗品供应源114中的材料再填充。

打印头110还包括挤出机150，挤出机150包括马达220和用于加压，熔化和挤出消耗材料的驱动机构221。驱动机构221包括通过马达220旋转的螺杆或叶轮。当驱动机构通过合适布置(例如，齿轮，皮带等)基于控制器138 发送的速度指令由马达220旋转时，熔化的消耗材料由驱动机构221驱动。驱动机构221沿箭头225所示的方向通过挤出机150和喷嘴226驱动消耗材料。熔化的消耗材料作为挤出物从喷嘴226排出，形成压板106上的一层3D部件和/或支撑结构。在美国专利No.7,891,964中公开了一个示例性的叶轮驱动的粘度泵挤出机。

打印头110可以最初将支撑结构的一层或多层打印到压板106的接收表面上，以为随后的打印提供基座。这保持了3D物品的层和构建板之间的良好粘附，并且减小或消除了对压板106的接收表面和X-Y平面之间的任何平坦度的容差。

在最初打印支撑结构之后，然后打印头110可以打印3D部件的层，以及可选地任何支架或支撑结构的附加层。支撑结构层旨在沿着打印的Z轴支撑3D 物品的底部表面以抵抗卷曲力，并且任何支撑层旨在沿垂直Y轴支撑3D物品抵抗重力。在该实施例中，在箭头120所示的Z方向上执行打印。

图2提供了示例性打印头110的一部分的剖视图，示出了挤出机150，其包括由马达220驱动的驱动机构221。根据一个实施例，打印头110与2016年 9月12日提交的国际申请PCT/US2016/051303中公开的打印头相同，其全部内容通过引用并入本文。挤出机150安装到模具222，模具222限定了腔室224，喷嘴226，从腔室224延伸到喷嘴226的尖端的出口228，压力传感器接收区域 229，以及在腔室224和压力传感器接收区域229之间延伸的端口230。压力传感器模块232插入并安装到压力传感器接收区域229，使得压力传感器隔膜234 通过间隙238与压力传感器接收区域229的端部236隔开。

在操作中，马达220致动驱动机构221，使其将材料从材料输入端240输送到腔室224。当驱动机构221移动材料时，驱动机构221周围的加热器熔化材料以形成熔融材料，该熔融材料输出到腔室224内。通过驱动机构221的作用对腔室224中的熔融材料加压，使其填充端口230和间隙238，并流过喷嘴 226的模具出口228，从而形成挤出物。间隙238中的熔融材料压靠压力传感器膜片234，并且在响应时，压力传感器模块232沿着通信线242产生压力信号。

驱动机构221将材料从输入端240移动到腔室224的速度由马达220在控制线244上接收的致动器速度信号控制。速度值均由控制器组件138提供，在一个实施例中，该控制器组件138基于通过喷嘴226挤出的挤出物的期望体积流速每秒多次更新速度值。在特定实施例中，控制器组件138基于打印头110 的速度改变马达220的速度值。例如，当打印头110移动得更快，马达220的速度增加，以增加通过喷嘴226输出的挤出物的流速，从而保持所需的层厚度和小路宽度。当打印头110减速时，马达220的速度减慢以减小通过喷嘴226 输出的挤出物的流速，从而打印出所需尺寸的小路以形成3D部件的特征。使用本发明的主动压力监测和控制技术，当打印头沿着工具路径以可变速度移动时，来自挤出机的体积流速被实时动态控制。得到的3D部件是近净形状或净形状部分。

随着马达220的速度改变，腔室224中的熔融材料的压力以及因此间隙238 中的材料的压力也改变。通常，压力随着马达220的速度增加而增加，并且压力随着马达220的速度减小而减小。由于某些材料的特性，压力的变化趋于滞后于致动器速度的变化，并且随着平均速度的增加，平均压力趋于增加。结果，压力变化和致动器速度变化缺乏一一对应。

图3提供了曲线300，其示出了220的速度随时间的变化。在图3中，马达速度在纵轴302上示出，时间在水平轴304上示出。图4提供了与图3在相同时间段内在间隙238中调节(见下文)熔体压力的曲线400。在图4中，沿着垂直轴402示出了4个熔体压力，而在水平轴404上示出了时间。比较曲线 300和400，可以看出熔体压力滞后于马达速度，使得在马达速度中的相应变化之后发生熔体压力的变化。此外，可以看出平均熔体压力随着平均马达速度的恒定而降低。因此，本发明人已经发现熔体压力是马达速度的复杂函数，并且当前时间的熔体压力取决于一过去马达的速度序列。根据各种实施例，马达速度和所得压力之间的关系被建模为频率响应，其中马达速度的不同频率导致不同的喷嘴压力。

图5提供了用于构造和使用模型以在给定马达速度序列的情况下预测压力值的部件的框图。在图5中，控制器组件138被示出为包括打印管理器500，其基于一组工具路径506发出机架命令502和致动器速度。打印管理器500将机架命令502发送到头机架112以沿着工具路径506移动打印头。将致动器速度提供给马达220，使得马达220将使驱动机构221旋转，以产生沿着工具路径具有一致的小路宽度和层厚度的挤出物。测量马达220的实际速度并将其存储为马达速度504。

在初始化阶段期间，当已知挤出机150正在被正常操作并且没有经历失去挤出事件时，打印管理器500发出机架命令序列502和为一组测试工具路径的马达速度序列。马达220基于所述马达速度序列旋转驱动机构221，从而产生测量的马达速度504。同时，压力传感器232感测喷嘴中的熔融材料的压力以形成感测的压力值序列，该感测的压力值序列被存储为感测的压力508，将该感测的压力序列508和马达速度序列504提供给模型发生器510，模型发生器 510使用感测的压力508和致动器速度504来构建用于感测的压力508对致动器速度序列504响应的模型。根据一个实施例，该模型由一组模型参数512描述。

图6提供了模型生成器510之一特定实施例的框图。在图6中，使用傅立叶变换(FT)将马达速度504转换到频域。使用低通滤波器对得到的频域值进行低通滤波，以消除由于信号噪声引起的较高频率波动。使用傅里叶变换将对应于该马达速度序列504的该感测的压力值序列508转换到频域。将由低通滤波器输出的滤波后的频域马达速度和由傅里叶变换输出频域感测的压力均提供到频率响应计算器，该频率响应计算器产生感测到的马达速度的压力的频率响应。根据一个实施例，频率响应计算器简单地将表示感测的压力的频域除以表示马达速度的滤波频域以产生频率响应。将得到的频率响应提供给滤波器设计器，滤波器设计器选择包括在该组模型参数512中的滤波器系数，以形成对频率响应建模的滤波器。

一旦确定了模型参数512，参数值可以由挤出物损失(LOE)监视器514 使用以设置将触发响应的压力限制。特别地，LOE监视器514可以产生高压警报516和低压警报518，它们被传送回打印管理器500。为响应于接收到响应中之一，打印管理器500可以停止当前层的打印，并向希望纠正产生LOE事件的故障的操作员发送消息，从而保存正在构建的部件或改变打印参数以确保所需的打印质量。根据一个实施例，改变打印参数包括以闭环方式控制流过喷嘴的材料，同时补偿流速加速或减速期间的响应时间延迟。

图7提供了根据一个实施例的LOE监视器514中的元件的框图。在图7中， LOE监视器514接收在产生实际部件时产生的马达速度序列504和相应的感测的压力序列508。马达速度序列504基于挤出机移动的速度产生，在一个实施例中，其范围从0-100英寸/秒。在这样的实施方案中，挤出机以体积流速挤出材料，其具有200：1的动态流动范围。马达速度504序列被提供给模型700，模型700基于模型参数512构造。将马达速度序列504之一应用于模型700产生预测压力702。预测压力702是由电动机速度序列的压力模型预期的压力。对于每个新的马达速度值504，将新的有限长度的马达速度序列应用于模型700，从而对于每个有限长度的马达速度序列产生单独的预测压力702。这产生了预测压力702序列。然后，通过模型输出调节704进一步调节预测压力序列702。

根据一个实施例，模型输出调节704以限幅单元开始，该限幅单元将所有负预测压力转换为零值。在限幅单元的输出处产生的预测压力值序列被提供给低通滤波器以去强调短持续时间、高频尖峰/噪声。然后将滤波序列应用于高通滤波器以去除压力传感器232固有的漂移/偏移。高通滤波器输出的压力值被平方，并且在取每个滤波后的平方值的平方根之前，该平方值通过低通滤波器，该方法用于更容易地比较由于正和负挤出机加速度引起的压力变化，同时在较低压力值下减少错误的/正值。

在图7中所示之一特定实施例中，相应的感测的压力值508由感测到的压力调节710来调节。该感测的压力调节包括低通滤波器以减弱短持续时间，高频尖峰/噪声和高通滤波器以消除压力传感器中固有的漂移/偏移。然后将滤波的压力值的平方，并且在滤波的压力值取平方根之前将平方后的该压力值通过低通滤波器，以产生调节的感测的压力值。

图4提供了由模型输出调节704输出的预测压力值序列的曲线406和由感测的压力调节710输出的调节的感测的压力值的曲线400。如图4所示，预测压力值406基本上类似于实际压力值400。

由模型输出调节704输出的处理的压力值被提供给上限计算单元706和下限计算单元708。上限计算单元706将高压阈值设定为高于预测压力，使得如果实际压力如果超过高压阈值，则执行高压响应516。下限计算单元708设定低力阈值，使得当实际压力低于低力阈值时，执行低压响应518。

在图4中，图表408提供了上限计算单元706输出的上限阈值的值作为时间的函数，图表410提供相应时间段上的下限阈值的值。如图4所示，上限阈值408和下限阈值410不是静态的，而是随预测压力而变化。根据一个实施例，上限计算单元716简单地将5000psi添加到来自模型输出调节704的预测压力以形成上限阈值，并且下限计算单元708简单地从模型输出调节704中的预测压力减去500psi以产生下限阈值。

感测的压力调节710的输出被提供给两个比较器712和714。比较器712 将由感测的压力调节710的输出压力值与由上限计算单元706计算的上限压力值进行比较。如果由感测到压力调节710输出的测量的压力超过上限阈值，执行高压响应516。比较器714将由感测的压力调节710输出的测量的压力与由下限计算单元708计算的下限阈值进行比较。如果测量的压力低于下限阈值，则执行低压响应518。换句话说，比较器712和714确定所感测的压力值与相应的预测压力值之差是否足以保证执行响应。

在另外的实施例中，可以连续地将感测的压力输出与压力目标进行比较，并且可以使用感测的压力和压力目标之间的差异或误差来调节马达速度，从而提供系统的连续反馈控制。当挤出机以可变速度在工路径上移动时，压力模型能够因为马达速度与挤出机速度相关地变化而提供变化的压力目标。如在传统过程控制中已知的那样，测量的压力和模型的压力目标之间的误差或差异可用于控制马达速度，同时确保马达速度调节产生稳定的反馈机制。因此，通过设计用于实现喷嘴中的压力目标的量和材料流出喷嘴的所需体积流量来调节马达速度。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (7)

1.一种增材制造系统，包括：

挤出机，其具有马达；

机架组件，用于沿着工具路径移动所述挤出机；

压力传感器，其产生代表所述挤出机中感测的压力的压力值；

模型，其接收所述马达的速度值并根据所述速度值产生预测压力值，其中，当所述机架沿着工具路径移动所述挤出机时，所述马达的所述速度值变化；和

响应阈值模块，其基于所述预测压力值设定响应阈值压力值；以及

控制器，其配置为接收来自所述压力传感器的信号，并将所述感测压力与所述响应阈值压力值以及来自所述模型的信号进行比较，使得当所述响应阈值压力值处于来自所述压力传感器的压力值和所述预测压力值之间时，所述控制器发送信号到所述挤出机并基于所述感测压力来调节挤出速率。

2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述响应阈值压力值大于所述预测压力值，并且所述响应阈值模块基于所述预测压力值设置第二响应阈值压力值，使得当所述第二响应阈值压力值处于来自所述压力传感器的所述压力值和所述预测压力值之间时，执行第二响应。

3.根据权利要求2所述的增材制造系统，其中，所述第二响应指示挤出物事件的低压损失，并且所述响应指示挤出物事件的高压损失。

4.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述模型产生感测的压力对速度值序列的频率响应。

5.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，还包括根据所述速度值产生预测压力值序列，并为每个预测压力值设定单独的响应阈值压力值。

6.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，描述所述模型的参数由速度值和产生的感测的压力值确定，而所述挤出机遵循可变速度工具路径挤出材料。

7.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述压力传感器位于所述挤出机的喷嘴处。

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