TW201943569A - 三維模製方法及系統 - Google Patents

Abstract

一種用於產生供指示噴嘴維護用之一信號之方法，包含於一三維模製系統中經由一列印頭之一饋送通道利用饋送裝置將模製材料饋送至該列印頭之一噴嘴，判定指示該噴嘴內之模製材料之一流體阻力之一參數。該判定參數包含判定該饋送通道內之該模製材料之一流率，判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之一壓力及判定施加至該饋送通道外側之該模製材料上之一壓力，判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之該壓力與施加至該饋送通道外側之該模製材料上之該壓力間之一壓力差，以及由該判定流率及該判定壓力差計算該參數。該方法進一步包含比較該參數與一預定範圍及假設該參數超出該預定範圍時產生該信號。一種利用該用於產生供指示噴嘴維護用之一信號之方法於一三維式模製一三維物件之方法中在一三維模製系統內清洗一列印頭。一種利用該產生供指示噴嘴維護用之一信號之方法用於三維式模製一三維物件之方法及系統。

Description

三維模製方法及系統

發明領域 本發明係有關於一種用以產生一三維物件之三維模製系統，以及一種三維模製一三維物件之方法。

發明背景 三維模製物件係藉著以一受控制方式層疊模製材料而形成，使得可產生一所期望之三維形狀物件。此種形成物件之方式亦可稱為一積層製造(additive manufacturing)。通常使用三維模製列印機進行三維模製。列印機設有分配模製材料之一三維可移動式列印頭，而該列印頭在該模製材料之先前沉積軌跡上方移動。

待列印物件可置放於一基座上。列印頭可相對於待模製或待列印物件以一三維空間移動或反之。於某些情況下，物件係以一或多維方式相對於列印頭移動。用以移動物件之各種組合均屬可能而物件係在該等組合上相對於列印頭來模製或反之。

列印頭之運動係藉著一控制系統來控制且該控制系統係在一三維式控制定位系統中控制而該列印頭係附接至該三維控制定位系統。藉著軟體可設計一軌跡格式，該格式係用以移動該列印頭及用以沉積該等軌跡。

物件係以相對於可移動列印頭之一參考位置在一基座結構上產生。模製材料可與先前形成之軌跡融合。三維模製材料可以例如絲狀物、粒狀物、桿狀物、液體或一懸浮物型式饋送至列印頭內。列印頭經由一噴嘴自該列印頭分配模製材料並將該模製材料以軌跡型式沉積在基座上形成一軌跡層，或當待產生物件之一先前層材已沉積時，沉積在該物件上之容許固化之該先前沉積軌跡上。模製材料可以加熱方式或化學方式或其他方式與先前沉積軌跡融合。模製材料可自列印頭分配並沉積在先前沉積軌跡上以及在沉積後硬化以凝固。

基座與物件對於軌跡中之列印頭之相對運動及來自該列印頭之模製材料之同時沉積容許融合之沉積模製物件隨著每一沉積軌跡增長並逐漸達到其所期望之形狀。

於現行材料擠壓列印機(包含顆粒擠壓機、撞鎚(ram)擠壓機及針筒(syringe)擠壓機)中，模製材料係以一向前饋送、流量控制方式進行沉積。模製材料之流率係保持恆定，端視將被沉積軌跡厚度及列印速度而定。作為機器校準之部分，材料流量係加以校準。

此外，模製材料可利用壓力控制式列印來沉積，其中列印頭之一饋送通道內之壓力係受到控制，及/或其中列印頭之噴嘴尖端處之模製材料內之壓力可予以控制例如以防止模製材料之過度擠壓或擠壓不足。

列印頭之饋送通道內之模製材料可能於列印時衰變。此可能係因例如模製材料內之雜質，或來自三維列印機所安置環境之粉塵或其他顆粒之入侵，或其他來源所致。就經由一列印頭之噴嘴沉積之前先行熔化之可熔材料而言，為使其可列印，假設材料保持在接近熔解溫度之一高範圍處過久，會有分解或碎解之風險。

此舉可能導致碎解模製材料之固體顆粒之形成。於沉積例如可硬化樹脂時，模製材料內之汙染物，及/或饋送通道內之死點(dead spot)亦可能最終地導致固體顆粒之形成。此種狀況特別適用於列印頭噴嘴而該列印噴嘴通常係保持在該列印頭內之最高溫度處。靠近饋送通道壁面，特別係靠近噴嘴，模製材料之流率最低。因此，非期望之固化及碎解通常在此區域中引發。

沉積模製材料時，列印頭饋送通道及噴嘴內之殘渣或固體顆粒可能導致該饋送通道及該噴嘴之堵塞以及可能導致列印管件內側材料之回流，造成擠壓器之堵塞。

或者，噴嘴開口可能磨損並擴張，導致列印軌跡之一較大寬度以及較不準確之零件尺寸。此外，來自噴嘴之擠壓材料之壓力將較高，潛在地導致沉積在先前層材上之層材之過度擠壓。此舉可能導致物件與列印頭間之過度力量以及因模製材料之溢流導致所產生物件之一粗造表面。模製材料之溢流可能進一步導致列印頭之噴嘴尖端上之殘渣或殘留物可能脫離該噴嘴尖端並與待列印物件融合而導致物件之潛在損失。

發明概要 因此本發明之一目的係提供一種用於三維模製之方法及系統其克服上文所陳述之習知技藝之問題及缺點。

本目的係於一種方法中達成，該方法係用以產生供指示噴嘴維護用之一信號，包含在一三維模製系統中經由一列印頭之一饋送通道利用饋送裝置將模製材料饋送至該列印頭之一噴嘴，判定指示該噴嘴內之模製材料之一流體阻力之一參數。

判定參數包含判定饋送通道內之模製材料之一流率，判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之一壓力及判定施加至該饋送通道外側之該模製材料上之一壓力，判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之該壓力與施加至該饋送通道外側之該模製材料上之該壓力間之一壓力差，以及由該判定流率與該判定壓力差計算該參數。

方法進一步包含比較參數與一預定範圍以及假設該參數超出該預定範圍時產生信號。

此容許一使用者知道一指示噴嘴內之模製材料之一流體阻力之參數超出範圍，亦即該方法係在三維模製系統之一控制系統中實施以啟動供噴嘴維護用之適當動作。

流體阻力可藉著壓力差與流率之比例來判定。作為流體阻力之一替代物，熟習技藝人士將知道一流體傳導可加以判定因其係流體阻力之倒數(inverse)。

於一實施例中，比較參數與一預定範圍包含比較該參數與一第一預定臨界值，以及假設指示流體阻力之參數超出該預定範圍時產生信號包含假設該參數大於或等於該第一預定臨界值時產生一第一信號。

此容許發出一過高阻力之信號，其可能係例如由噴嘴之堵塞或污垢所導致。

於一實施例中，比較參數與一預定範圍包含比較該參數與一第二預定臨界值，以及假設指示流體阻力之參數超出該預定範圍時產生信號包含假設該參數小於或等於第二預定臨界值時產生一第二信號。

此容許發出一過低阻力之信號，其可能係例如由磨損所造成之噴嘴出口之擴張所導致。

於一實施例中，判定施加至饋送通道內之模製材料上之一壓力包含使用一第一壓力感測器用以判定由饋送裝置施加至該模製材料上之一壓力。

當判定直接施加至模製材料上之一壓力時，該壓力可藉著例如一柱塞尖端處之一感測器來判定而該模製材料係藉著該柱塞推送經由饋送通道。替代地，一力量感測器可附接至此一柱塞，亦即一應變量規，而施加至該模製材料上之該壓力可由該應變量規導出。

於一實施例中，判定施加至饋送通道內之模製材料上之一壓力包含使用一第二壓力感測器其連接至靠近噴嘴之該饋送通道。

可採用一流體壓力感測器其具有與饋送通道區之一流體連接關係。此可適用於使用可熔材料之列印機而熔化狀態下之饋送通道內之壓力可加以測量。此外，可採用液體模製材料藉此饋送通道內之壓力可利用一壓力感測器來測量。

此外，饋送裝置內之一驅動器之驅動力可予以安定化諸如舉例而言驅動該饋送裝置之一電氣馬達之一驅動電流。

於一實施例中，饋送裝置包含一旋轉驅動器、一致動器以及一傳動裝置用以轉移該旋轉驅動器與該致動器間之一驅動力，其中判定施加至饋送通道內之模製材料上之一壓力包含測量該驅動器與傳動系統中之一者內之一驅動力。

致動器例如可為一柱塞其可配置成推動模製材料之桿件經由饋送通道。

致動器亦可為一驅動輪其配置成藉著抓握或摩擦力推送模製材料絲狀物經由饋送通道。

於一實施例中，驅動力可利用連接至旋轉驅動器及傳動系統以及致動器中之一者之一扭矩感測器來測量。

於一替代性實施例中，旋轉驅動器包含一電氣馬達，其中驅動力可藉著測量供應至該電氣馬達之一電流來量測。

供應至電氣馬達之電流係正比於馬達扭矩由此係正比於施加至模製材料上之壓力而無需一機械式感測器。

於一實施例中，判定施加至饋送通道外側之模製材料上之一壓力包含： 指定一大氣壓力值給施加至該饋送通道外側之該模製材料上之該壓力。

在此情況下，施加至饋送通道外側，亦即噴嘴外側，之模製材料上之壓力可假設為大氣壓力。當與相對於該大氣壓力之壓力工作時，該饋送通道外測之該壓力可假設等於0。

於一實施例中，測量施加至饋送通道外側之模製材料上之一壓力包含判定施加至噴嘴之一尖端處之模製材料上之一壓力。於待產生物件上之沉積期間模製材料自該噴嘴之該尖端處之該噴嘴之一出口開口流出。沉積期間模製材料經常仍處於一液體狀態。超出該噴嘴尖端時，該模製材料將固化、硬化、或堅硬化。因此，在該噴嘴尖端處該模製材料內之該壓力係該饋送通道外側之壓力之代表。此容許該饋送通道內側與外側之模製材料內之壓力差之精確判定。

於一實施例中，判定施加至噴嘴之一尖端處之模製材料上之壓力包含測量該噴嘴尖端與用以置放一待模製物件之一基座間之一力量。

為判定噴嘴尖端處之壓力，可測量待產生三維物件與該噴嘴尖端間之一力量。因為不可能直接在液體，尚未固化之模製材料，中測量此力量，所以該力量可在該物件置放之基座與該噴嘴尖端間之路徑中之任何位置處加以測量。該噴嘴尖端處之該模製材料中之該壓力係直接正比於所測量之力量。

於一實施例中，測量噴嘴與一用以置放待模製物件之基座間之一力量包含在一組位置中之至少一位置處使用一力量感測器而該組位置包含：列印頭與一用以定位相對於該基座之該列印頭之三維定位系統間之一連接，該基座至該三維定位系統之一連接，該基座與地面間之一位置，以及該基座與該待列印物件間之一位置。

於一實施例中，判定饋送通道內之模製材料之一流率包含判定該饋送通道內之該模製材料之一位移。當沉積該模製材料至待產生三維物件上時該模製材料係推送經由該饋送通道。每一時間單位之位移材料量判定該模製材料之流率。不論該模製材料是否係處於一固態或處於一液態均可判定此位移模製材料量。

於一實施例中，判定饋送通道內之模製材料之一位移包含判定用以饋送該模製材料經由該饋送通道之饋送裝置之一位移。該位移例如可藉著感測一致動器之位移來測量而該致動器係配置成推送該模製材料經由該饋送通道。替代地，該位移可藉著感測驅動該致動器之一驅動馬達之位移來測量。

於一實施例中，方法進一步包含當產生供指示噴嘴維護用之信號時啟動一序列俾替換噴嘴與列印頭中之至少一者。

本目的係在一種方法中依據本發明之另一態樣而進一步達成，該方法係於一三維式模製一三維物件之方法中在一三維模製系統內清洗一列印頭，包含： 移動該列印頭至一清洗位置； 清洗該列印頭之一饋送通道； 實施如上所述之該用以產生供指示噴嘴維護用之一信號之方法的該等步驟。

此容許當清洗列印頭饋送通道時產生供指示噴嘴維護用之信號。熟習技藝人士將理解當清洗該饋送通道時，該噴嘴亦可清除模製材料。

於一實施例中，清洗位置係在三維模製系統之一建構室內。

此容許一快速且有效率之方式清洗列印頭饋送通道而無需將該列印頭移動至另一位置。因此，操作條件諸如溫度可予以保留。

本目的係在一種方法中依據本發明之另一態樣而進一步達成，該方法係用以三維式模製一三維物件包含： 三維式定位一列印頭其連接至一三維模製系統之一三維定位系統； 利用該列印頭沉積模製材料； 執行如上所述之該用以產生供指示噴嘴維護用之一信號之方法之該等步驟。

此容許當現場執行一物件之模製時判定是否需要噴嘴維護。此容許饋送通道及噴嘴進行清潔以供進一步使用。假設此舉並未導致一流體阻力夠低以供列印頭之適當操作時，控制系統可於另一實施例中配置成產生另一信號及/或啟動一序列俾替換該噴嘴及列印頭中之至少一者。當因為例如該噴嘴出口磨損而擴張以致於該流體阻力過低時此作法亦可加以實施。因此，可替換該噴嘴及/或列印頭。

於一實施例中，方法進一步包含仰賴施加至饋送通道內之模製材料上之壓力，施加至該饋送通道外側之該模製材料上之壓力及該饋送通道內之該模製材料之流率中之至少一者控制列印頭內之模製材料之饋送及該列印頭之定位中之至少一者，以及依據指示該列印頭之噴嘴內之模製材料之流體阻力之參數適應該列印頭內之該模製材料之該饋送及該列印頭之定位中之至少一者之該悾制。

此有利地容許當使用施加至饋送通道內及外側之模製材料上之判定壓力執行模製材料之壓力控制式沉積以構建一三維物件時產生指示噴嘴維護之一信號。

本目的亦係在一種系統中達成，該系統係用於三維式模製一三維物件，包含一三維定位系統，一三維模製列印頭其連接至該三維定位系統，饋送裝置用以經由該列印頭之一饋送通道將模製材料饋送至一噴嘴，裝置用以判定指示該三維模製列印頭之一噴嘴內之模製材料之一流體阻力之一參數，其中該用以判定該噴嘴內之該模製材料之一流體阻力之裝置包含： 流量判定裝置用以判定該饋送通道內之該模製材料之一流率； 第一壓力判定裝置用以判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之一壓力及第二壓力判定裝置用以判定施加至該饋送通道外側之該模製材料上之一壓力； 處理裝置，其中該處理裝置係組配及配置用以： 判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之該壓力與施加至該饋送通道外側之該模製材料上之該壓力間之一壓力差； 由該判定流率及該判定壓力差計算指示該模製材料之該流體阻力之該參數； 該系統進一步包含一比較器用以比較該參數與一預定範圍，以及一產生器，在當指示該流體阻力之該參數超出該預定範圍時，用以產生供指示噴嘴維護用之一信號。

指示三維模製列印頭之一噴嘴內之模製材料之一流體阻力之參數可由噴嘴上之一壓力差與經由該噴嘴之模製材料之一流率間之一比率來判定。當此參數超出範圍時，比較器促使能夠產生供指示噴嘴維護用之信號以及啟動進一步動作以供該噴嘴及/或列印頭之維護之用。

於一實施例中，比較器係配置用以比較參數與一第一預定臨界值；以及產生器係配置成假設該參數大於或等於該第一預定臨界值時用以產生一第一信號。

於一實施例中，比較器係配置用以比較參數與一第二預定臨界值，以及產生器係配置成假設該參數小於或等於該第二預定臨界值時用以產生一第二信號。

於一實施例中，第一壓力判定裝置包含一第一壓力感測器用以判定由饋送裝置施加至模製材料上之一壓力。

於一實施例中，第一壓力判定裝置包含一第二壓力感測器其連接至靠近噴嘴之饋送通道。

於一實施例中，饋送裝置包含一旋轉驅動器、一致動器及一傳動裝置用以轉移該旋轉驅動器與該致動器間之一驅動力，以及其中用以判定施加至饋送通道內之模製材料上之一壓力之第一壓力判定裝置包含裝置用以測量該驅動器與傳動系統中之一者內之一驅動力。

於一實施例中，用以測量驅動器與傳動系統中之一者內之一驅動力之裝置包含一扭矩感測器其係組配及配置於該旋轉驅動器及該傳動系統以及該致動器中之任一者之間。

於一實施例中，旋轉驅動器包含一電氣馬達，以及其中用以測量該驅動器與傳動系統中之一者內之一驅動力之裝置包含一電流感測器其用以測量供應至該電氣馬達之一電流。

於一實施例中，該第二壓力判定裝置包含裝置用以指定一大氣壓力值給施加至饋送通道外側之模製材料上之該壓力。

於一實施例中，第二壓力判定裝置包含一第三壓力感測器用以判定施加至噴嘴之一尖端處之模製材料上之一壓力。

於一實施例中，第三壓力判定裝置包含一力量感測器配置於噴嘴與一置放待模製三維物件之基座之間。施加至饋送通道外側之模製材料上之壓力係直接正比於施加至噴嘴尖端處之噴嘴外側之模製材料上之力量。

於一實施例中，力量感測器係配置在一組位置中之至少一位置處而該組位置包含：列印頭與一用以定位相對於基座之該列印頭之定位系統間之一連接，該基座至該定位系統之一連接，該基座與接地間之一位置，以及該基座與待列印物件間之一位置。

於一實施例中，流量判定裝置係配置用以判定饋送通道內之模製材料之一位移。

於一實施例中，流量判定裝置包含一位移感測器其連接至用以經由饋送通道饋送模製材料之饋送裝置。

於一實施例中，系統進一步包含一清洗位置，及定位裝置其假設參數大於或等於第一預定臨界值時係組配及配置用以將三維模製列印頭移動至該清洗位置，以及該列印頭係配置用以清洗饋送通道。

於一實施例中，系統進一步包含一建構室而待產生三維物件可容納於該建構室內，其中清洗位置係組配及配置於該建構室內。

於一實施例中，當產生供指示噴嘴維護用之信號時定位裝置係配置用以啟動一序列俾替換該噴嘴及列印頭中之至少一者。

於一實施例中，系統進一步包含一控制系統，其中該控制系統係組配及配置用以仰賴施加至饋送通道內之模製材料上之壓力，施加至該饋送通道外側之該模製材料上之壓力及該饋送通道內之該模製材料之流率中之至少一者控制饋送裝置及定位裝置中之至少一者，以及依據指示三維模製列印頭之噴嘴內之模製材料之流體阻力之參數適應該饋送裝置及定位裝置中之至少一者之該控制。

實施例之詳細說明 圖1a中，係顯示一管狀饋送構件101用以在一三維模製系統之一列印頭中使用如即將關聯於圖3進一步加以說明者。管狀饋送構件101係配置用以接收模製材料108，該模製材料可推送至噴嘴102。管狀饋送構件101之內側形成一上饋送通道120a及饋送通道之噴嘴區120b。噴嘴102處之饋送通道部分120b係易於因模製材料之污染或分解或當引入及推送模製材料至管狀饋送構件101內時之污染而堵塞及汙染。

圖1b中，係顯示噴嘴102中之饋送通道102b內之污垢(黑色部分)。殘渣可能在靠近噴嘴出口102a處累積而模製材料在該處之流率最低。模製材料當經由堵塞或汙染之饋送通道120b及/或噴嘴出口102a時可能經歷一高流體阻力。

圖1c中，係顯示噴嘴出口102a擴張(虛線)而該擴張現象可能因磨損而在延長使用後發生。模製材料係經由上饋送通道120a及饋送通道之噴嘴區120b以高壓推送至噴嘴102，其中該模製材料必需經由狹窄之噴嘴出口102a。因此，饋送通道120b、及噴嘴出口102a可能隨著時間而磨損導致模製材料以一低流體阻力通過。

圖2a中，係顯示一管狀饋送構件101用以融合沉積模製其中一固態之初始模製材料108a係饋送至噴 嘴102，其中，在正常情況下，模製材料108b當加熱時將以一熔化狀態上升至位準108c。

圖2b中，係顯示管狀饋送構件101存有靠近噴嘴出口102a之污垢而因其高流體阻力遂導致位準108c向上爬升至管狀饋送構件101內之較高位準處，亦即上饋送通道120a。

圖3中，係以一簡化型式顯示一種用於三維模製之系統100。系統100包含一模製列印頭121其經由一連接桿107附接至一支架106，該支架106係包含一X-Y-Z定位系統114，該定位系統容許列印頭121與安置在基座113處之待列印三維物件122於沉積模製材料層110時彼此相對性移動。熟悉本技藝人士將理解可用各種方式彼此相對性移動列印頭121及三維物件122或基座113。

列印頭121包含如所說明之管狀饋送構件101，其充作一擠壓管件之用，且其係配置用以由管狀饋送構件101之一端部朝向連接至管狀饋送構件101之相對端部處之一噴嘴102饋送模製材料108。管狀饋送構件101可例如由一金屬，諸如不鏽鋼，製成。

噴嘴102處之饋送通道區120b通往噴嘴尖端102b處之噴嘴出口102a。列印期間，噴嘴尖端102b係接觸沉積之模製材料110。

三維模製材料108可包含熱塑性聚合物諸如舉例而言聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)及聚醚醚酮(PEEK)。此類材料可於管狀饋送構件101內熔化並自噴嘴102分配至後續軌跡109, 110中，俾形成一待產生三維物件122。

管狀饋送構件101及噴嘴102可設有一或多個加熱元件，該等加熱元件可環繞或靠近管狀饋送構件101配置，以加熱並熔化模製材料進料以便容許列印頭沉積並融合處於一熔化狀態之模製材料。

供三維模製用之其他材料可包含糊狀物、懸浮物或樹脂，該等材料可沉積在薄軌跡中以及例如藉著曝露於紫外光、空氣、熱量、或其他硬化劑來硬化。

模製材料108係沉積在一基座113上之一第一軌跡，亦即基座113上之先前沉積軌跡109，中以及在X-Y-Z定位系統114所引導之連續沉積操作中沉積在後續軌跡110上。基座113可為一基板、地面或任何其他適合用以啟動軌跡之沉積以及建構並承載待列印物件之結構。基座113可為固定式或移動式。在某些情況下，基座113可以一水平X-Y方向移動，而列印頭121可以一垂直Z-方向移動。在其他情況下，基座113可相對於列印頭121在X-Y-Z水平及垂直方向上移動。又於其他情況下，列印頭121可相對於基座113在X-Y-Z水平及垂直方向上移動。於此說明中，後者之情況係藉著實例而提供。

當列印頭121在先前沉積軌跡109上方移動時，一驅動系統包含一驅動器104，一傳動齒輪105a, 105b用以將驅動器104之旋轉運動傳動為一柱塞103之一縱向運動，該柱塞將管狀饋送構件101之上饋送通道120a內之模製材料朝向饋送通道之噴嘴區120b及噴嘴102推送。旋轉-至-平移式傳動105a, 105b,103可為一心軸傳動，其中作為傳動齒輪105a, 105b之零件之一螺帽係藉由旋轉驅動器104來驅動。藉著旋轉-至-平移式傳動施加至模製材料108上之壓力可利用馬達軸的角向位移與附接至旋轉-至-平移傳動105a, 105b, 103之一心軸之柱塞103的縱向位移之轉換比率自所判定之扭矩中導出。旋轉驅動器104可為一步進馬達其可以數位式控制以便在一選定方向上進行一謹慎數量之步進。

旋轉驅動器104亦可為一電氣馬達，DC或AC，或伺服馬達，其可藉著供應至該馬達之電壓及/或電流來控制。在後者情況下，一連接至馬達軸之編碼器可提供該馬達之位置資訊。一熟悉本技藝人士將理解亦有另一型式之線性致動器可適用。

柱塞103可設有一位移感測器111，該位移感測器可配置成測量柱塞103相對於管狀饋送構件101之一位移X。圖3充作一實例顯示將管狀饋送構件101中之桿件型式之模製材料108饋送至噴嘴102。本技藝中將模製材料饋送至噴嘴102之替代性實例係可獲得的，諸如利用例如可由一電氣馬達驅動之絲狀物衝壓滾筒將模製材料絲狀物饋送至一管狀饋送構件101中。當模製材料絲狀物饋送至該管狀饋送構件101內時，利用一X-Y-Z定位系統114以類似方式執行先前沉積軌跡109之頂部上之軌跡110的沉積。

依據圖3之系統100可藉著一控制系統來控制，該控制系統係配置成控制列印頭121，亦即旋轉驅動器104，以便以一正比於所需軌跡厚度及列印速度之速率分配三維模製材料。為達成此目的，將完成模製材料108之一預定流率。該控制系統控制旋轉驅動器104，以及一位移感測器111測量柱塞103之位移X。每一時間單位之柱塞103之位移提供模製材料108之流率，藉此容許該控制系統調節軌跡110中被分配模製材料108之所需數量。

如所說明者，柱塞103之位移可自一位移感測器111獲得，然而熟悉本技藝人士可找到替代方式俾建立柱塞103之位移。

可提供一扭矩感測器112以測量由旋轉驅動器104及傳動齒輪105a, 105b施加至柱塞103以及藉此施加至模製材料108之扭矩。由所測量之扭矩，可導出施加至管狀饋送構件101中之模製材料108上之一壓力。該壓力可用以壓力控制三維模製其中軌跡係沉積以形成具有高密度、高強度之一接觸式沉積模製材料層。

替代地，一壓力感測器可附接至柱塞103。該壓力感測器係配置用以測量由柱塞103施加至模製材料108之壓力。該柱塞壓力感測器可附接至柱塞103之尖端以直接地測量施加至模製材料上之壓力。柱塞壓力感測器亦可為一力量感測器其附接至柱塞103與旋轉驅動器104及/或傳動齒輪105a, 105b之接合點。此外，壓力感測器可為一應變量規其附接至柱塞桿。當一壓力或力量施加至柱塞103時，此壓力或力量係轉移至模製材料108。因為所施加之壓力或力量，所以柱塞桿將變形，該變形現象可由應變量規來測量。由柱塞103施加至管狀饋送構件101之一較高端部內之模製材料108上之壓力最終導致噴嘴102內之模製材料之一壓力。

在圖3之系統中，施加至列印頭121，亦即上饋送通道120a及饋送通道之噴嘴區120b，內之模製材料上之壓力係由柱塞壓力、馬達扭矩、驅動扭矩或馬達電流來判定，其中馬達電流係正比於施加至驅動器機制上之馬達扭矩以及藉此正比於施加至模製材料上之壓力。馬達電流可利用電流測量裝置諸如比流器或將可由熟悉本技藝人士獲得之其他裝置來判定。

此外，於圖4a-4c中，將討論用以判定上饋送通道120a及饋送通道之噴嘴區120b內側壓力之替代性方式。在圖3之系統中，指示施加至模製材料上之壓力之參數係由施加至沉積在噴嘴尖端102b處之軌跡110中之模製材料上之力量來判定或正比於該力量。當藉著施加一壓力至列印頭121中之模製材料108上進行擠壓時，噴嘴尖端102b處之一壓力係在沉積軌跡110中引發，其導致一力量而該力量將噴嘴尖端102b推離先前沉積軌跡109。

此力量係自列印頭121經由支架106及連接至基座113之X-Y-Z定位系統114轉移，而待模製物件122係置放在該基座上。替代地，X-Y-Z定位系統114及支架106可連接至地面。因此待模製三維物件122可在地面上而該地面係充作待列印物件之一基座。

因此施加至模製材料上之力量亦在支架106與列印頭121之間傳遞以及可在例如連接桿107處加以測量。圖3之列印頭121至支架106之連接桿107可由例如至少一彈性連接構件形成。一位移感測器可測量該彈性連接構件之後續變形以作為經由自列印頭121通過X-Y-Z系統及基座至待產生物件之傳遞路徑所傳遞之力量之一測量值，以及藉此得知施加至沉積軌跡110中之饋送上之壓力。

替代地，力量之測量亦可在依據圖4a之一系統中達成，其中列印頭121與支架106間之連接桿107係設有一負載單元或應變量規115如圖3中所示，其測量由列印頭121及沉積軌跡110相對於支架106所施加之一力量。

此外，施加至沉積軌跡110中之模製材料上之力量可藉著例如利用一重量感測器、或壓力墊116在物件與基座113之間測量。如此測量之力量係指示施加至沉積層內之模製材料上之壓力。施加至沉積層內之模製材料上之壓力係直接正比於測量力量減去物件增加之重量，其可由列印設定值準確地加以估算。

如圖4a-4c中所顯示者，替代性測量施加至列印頭121內之模製材料上之壓力，如關聯於圖3所說明者，亦即驅動器及傳動系統之扭矩或柱塞103處之力量，可直接測量管狀饋送構件101內之模製材料108上之一壓力，亦即可直接測量上饋送通道120a。由配置用以測量上饋送通道120a內之一壓力之壓力感測器401所測量之壓力可用以控制旋轉驅動器104以便獲得一壓力其適於將模製材料列印至沉積軌跡110中。壓力感測器401之一替代方式係顯示於圖4b中，其中壓力感測器402係置放於噴嘴102內以及其中壓力係在噴嘴102內之饋送通道之噴嘴區120b處加以感測。測量饋送通道之噴嘴區120b內之壓力之另一替代方式係使用一變形感測器403諸如環繞饋送通道120b之噴嘴102之一應變量規。

測量沉積軌跡110內之壓力之一替代方式係具有一壓力感測器404如圖4d中所示，該壓力感測器係配置於噴嘴102內且其係流體式連接至噴嘴尖端102。噴嘴尖端102b處所測量之壓力代表施加至模製材料軌跡110上之壓力。

用以測量列印頭121內之壓力之適用於如上所說明之一三維模製系統中之壓力感測器包含薄膜感測器其具有一變形薄膜。一液體諸如水銀可轉移模製材料通道內之壓力其中該通道內之壓力即將加以測量，亦即上饋送通道120a、饋送通道之噴嘴區120b、或噴嘴尖端102b至薄膜處。感測器本身可為包含一薄膜金屬感測器、一傳導器/應變量規有關之感測器、一壓電感測器、磁阻感測器、雷射干涉計感測器及依據機械位移之感測器中之一種型式。

圖5中，係顯示一控制系統500用以建立指示噴嘴102之流體阻力之參數。於功能方塊501中，指示饋送通道內與饋送通道外側，亦即沉積層中，之參數間之壓力差之一參數係由指示施加至上饋送通道120a及饋送通道之噴嘴區120b內之模製材料108上之壓力之一參數與指示施加至噴嘴外側之模製材料上之壓力之一參數來建立。指示饋送通道內之參數間之壓力差之參數係如上文所說明者來導出或測量，亦即扭矩、馬達電流。指示饋送通道外側，亦即沉積層中，之壓力之參數係如上文所說明者來判定。

於功能方塊502中，指示模製材料之流率之一參數係如上文所說明者來建立。

於功能方塊503中，指示壓力差之參數與指示流率之參數間之比率以建立指示噴嘴102之流體阻力之參數係加以計算。

於功能方塊504中，指示噴嘴之流體阻力之參數係針對界定一範圍之臨界值作比較。當指示噴嘴之流體阻力之參數超過一上限時，於功能方塊505中，可產生一信號指出由可能之污垢所導致之一過高之流體阻力。此可能導致產生包含一可聽見或可看見之指示之一警報。此外，當三維模製系統裝設一清洗位置時，控制系統可配置成將列印頭121移動至該清洗位置並進行清洗，亦即淨空饋送通道，藉此處理掉饋送通道120b或噴嘴出口102a中存在之污垢及殘渣。該清洗作業可在適當溫度條件下執行俾最佳地處理掉模製材料或可使用一專用之清除材料以清理管狀饋送構件101及噴嘴102內側之上饋送通道120a及饋送通道之噴嘴區120b。

當指示噴嘴之流體阻力之參數低於一下限時，於功能方塊506中，可產生另一信號指出由噴嘴出口之可能磨損所導致之一過低之流體阻力。此亦可導致產生包含一可聽見或可看見之指示之一適當警報。此外，當三維模製系統裝設一裝置俾機械式替換噴嘴或列印頭121時，控制系統可配置成啟動噴嘴102及/或列印頭121之一替換。

控制系統可包含一可程式邏輯控制器(PLC)、一微控制器或處理器具有包含程式指令之一記憶體(RAM、ROM、EPROM、等)，該等程式指令於操作時導致該處理器執行所說明之功能方塊501-506。所說明之壓力感測器及力量感測器係連接至控制系統而在該控制系統處可獲得測量壓力、力量及位移如同本技藝中所良好建立者。

圖6中，係顯示一指示一種用於三維模製一三維物件之方法之流程圖600，具有三維模製物件之步驟601，其包含定位列印頭602，饋送模製材料及沉積該模製材料603，判定指示噴嘴之流體阻力之參數604，比較參數與一範圍中之臨界壓力值605，當參數超出範圍時產生一信號606。

定位列印頭602、饋送及沉積模製材料603之步驟係同時實施，其中列印頭初始地係在其上放置待列印物件之基座上移動，以及隨後在先前沉積層109上移動如圖3中所示。模製材料之饋送接著導致將模製材料初始地沉積至先前沉積層109上。此類步驟、及列印頭121據以移動之格式以及沉積模製材料之數量、層材厚度係一起導致三維物件之三維模製。格式及層材厚度可由一三維模型藉著控制系統來導出而該三維模型可電子式提供給該控制系統。

指示噴嘴之流體阻力之參數可由噴嘴上之壓力差計算而得如上文所說明者。

於步驟602中，係形成沉積模製材料之軌跡，組成待產生之三維物件122。端視指示噴嘴之流體阻力之參數而定，沉積軌跡中心線可加以偏移。當例如因為噴嘴出口之擴張導致阻力為低時，以恆定流率列印或沉積時軌跡傾向於較寬。因此，軌跡中心線可較正常時相隔更遠以容許物件依據規格進行模製。

替代地，當使用壓力控制式列印時，壓力設定點可設定在一較低位準處以容許沉積軌跡之寬度落入規格內。

當使用流量控制式列印時，在低流體阻力時，流率設定點可設定在一仰賴噴嘴之流體阻力之一位準處以容許軌跡寬度落入規格內。

對於一熟悉本技藝人士而言將清楚的是本發明之範圍並非受限於前文所討論之實例反而其若干修正及修改係可能的而並未脫離隨附請求項所界定之本發明之範圍。特定地，可進行本發明之各種態樣之特定特徵之組合。本發明之一態樣可藉著加入關聯於本發明之另一態樣所說明之一特徵進一步有利地予以強化。雖然本發明已在圖式及說明中詳細揭示與說明，然而此類揭示與說明係視為說明性或示範性而已，且並非限制性。

本發明並非受限於所揭露之實施例。由圖式、說明及隨附請求項之一研讀，一熟悉本技藝人士於實施所主張之本發明時可理解並實現所揭露實施例之變化。於請求項中，用字”包含"並未排除其他步驟或元件，且不定冠詞”一(a)”或”一(an)”並未排除多數。特定措施在相互不同之附屬請求項中描述之僅有事實並非指示此類措施之一組合不能有利地使用。請求項中之任何參考號碼不應闡釋為限制本發明之範圍。

100‧‧‧三維模製系統

101‧‧‧管狀饋送構件

102‧‧‧噴嘴

102a‧‧‧噴嘴出口

102b‧‧‧噴嘴尖端

103‧‧‧柱塞

104‧‧‧旋轉驅動器

105a、105b‧‧‧傳動齒輪

106‧‧‧支架

107‧‧‧連接桿

108‧‧‧模製材料

108a‧‧‧固態模製材料

108b‧‧‧熔化模製材料

108c‧‧‧熔化模製材料位準

109‧‧‧先前沉積軌跡

110‧‧‧沉積軌跡

111‧‧‧位移感測器

112‧‧‧扭矩感測器

113‧‧‧基座

114‧‧‧X-Y-Z定位系統

115‧‧‧負載單元/應變量規

116‧‧‧重量感測器/壓力墊

120a‧‧‧饋送通道

120b‧‧‧饋送通道之噴嘴區

121‧‧‧列印頭

122‧‧‧三維物件

401-404‧‧‧壓力感測器

500‧‧‧控制系統

501‧‧‧建立壓力差

502‧‧‧建立流率

503‧‧‧計算指示流體阻力之參數之計算器

504‧‧‧比較參數與臨界值之比較器

505‧‧‧信號產生器

506‧‧‧信號產生器

600‧‧‧3D模製方法

601‧‧‧三維模製

602‧‧‧定位列印頭

603‧‧‧饋送模製材料

604‧‧‧判定指示噴嘴之流體阻力之參數

605‧‧‧比較參數與一壓力範圍

606‧‧‧當參數超出範圍時產生一信號

圖1a-1c顯示依據習知技藝之一種用於三維模製之系統之噴嘴。 圖2a-2b顯示依據習知技藝之一種用於三維模製之系統之噴嘴。 圖3顯示依據本發明之一種用於三維模製之系統之一圖式。 圖4a、4b、4c及4d顯示依據本發明之一實施例之用於一三維模製系統之壓力測量配置。 圖5顯示依據本發明之一實施例之一種用於三維模製之控制系統之一方塊圖。 圖6顯示依據本發明之一實施例之一種用於三維模製之方法的步驟。

Claims (37)

1. 一種用於產生供指示噴嘴維護用之一信號之方法，包含： 於一三維模製系統中利用饋送裝置將模製材料經由一列印頭之一饋送通道饋送至該列印頭之一噴嘴； 判定指示該噴嘴內之模製材料之一流體阻力之一參數，包含 判定該饋送通道內之該模製材料之一流率； 判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之一壓力及判定施加至該饋送通道外側之該模製材料上之一壓力； 判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之該壓力與施加至該饋送通道外側之該模製材料上之該壓力間之一壓力差；以及 由該判定流率與該判定壓力差計算該參數； 比較該參數與一預定範圍:以及 假設該參數超出該預定範圍時產生該信號。
2. 如請求項1之方法，其中： 該比較該參數與一預定範圍包含： 比較該參數與一第一預定臨界值；以及其中 該假設指示該流體阻力之該參數超出該預定範圍時產生該信號包含： 假設該參數大於或等於該第一預定臨界值時產生一第一信號。
3. 如請求項1之方法，其中 該比較該參數與一預定範圍包含： 比較該參數與一第二預定臨界值；以及其中 該假設指示該流體阻力之該參數超出該預定範圍時產生該信號包含： 假設該參數小於或等於該第二預定臨界值時產生一第二信號。
4. 如前述請求項中之任一項之方法，其中該判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之一壓力包含 使用一第一壓力感測器用以判定藉由該饋送裝置施加至該模製材料上之一壓力。
5. 如請求項1-3中之任一項之方法，其中該判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之壓力包含： 使用一第二壓力感測器其連接至靠近該噴嘴之該饋送通道。
6. 如請求項1-3中之任一項之方法，其中該饋送裝置包含一旋轉驅動器，一致動器及一傳動裝置用以轉移該旋轉驅動器與該致動器間之一驅動力，以及其中該判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之一壓力包含測量該驅動器與傳動系統中之一者內之一驅動力。
7. 如請求項6之方法，其中該驅動力可使用組配及配置在該旋轉驅動器與該傳動系統及該致動器中之任一者間之一扭矩感測器來測量。
8. 如請求項7之方法，其中該旋轉驅動器包含一電氣馬達，以及其中該驅動力可藉著測量供應至該電氣馬達之一電流來測量。
9. 如前述請求項中之任一項之方法，其中該判定施加至該饋送通道外側之該模製材料上之一壓力包含： 指定一大氣壓力值給施加至該饋送通道外側之該模製材料上之該壓力。
10. 如請求項1-8中之任一項之方法，其中該判定施加至該饋送通道外側之該模製材料上之一壓力包含： 判定施加至該噴嘴之一尖端處之該模製材料上之一壓力。
11. 如請求項10之方法，其中該判定施加至該噴嘴之一尖端處之該模製材料上之一壓力包含： 測量該噴嘴與一用以置放一待模製物件之基座間之一力量。
12. 如請求項11之方法，其中該測量該噴嘴與一用以置放一待模製物件之基座間之一力量包含： 在一組位置中之至少一位置處使用一力量感測器而該組位置包含：該列印頭與一用以定位相對於該基座之該列印頭之三維定位系統間之一連接，該基座至該三維定位系統之一連接，該基座與地面間之一位置，以及該基座與該待列印物件間之一位置。
13. 如前述請求項中之任一項之方法，其中該判定該饋送通道內之該模製材料之一流率包含： 判定該饋送通道內之該模製材料之一位移。
14. 如請求項13之方法，其中該判定該饋送通道內之該模製材料之一位移包含： 判定該用以經由該饋送通道饋送該模製材料之饋送裝置之一位移。
15. 如前述請求項中之任一項之方法，進一步包含： 當產生供指示噴嘴維護用之該信號時啟動一序列俾替換該噴嘴及該列印頭中之至少一者。
16. 一種於一三維式模製一三維物件之方法中在一三維模製系統內清洗一列印頭之方法，包含： 移動該列印頭至一清洗位置； 清洗該列印頭之一饋送通道； 實施依據前述請求項中之任一項之該用以產生供指示噴嘴維護用之一信號之方法的該等步驟。
17. 如請求項16之方法，其中該清洗位置係在該三維模製系統之一建構室內。
18. 一種用於三維式模製一三維物件之方法包含： 三維式定位一列印頭其連接至一三維模製系統之一三維定位系統； 利用該列印頭沉積模製材料； 實施依據請求項1-16中之任一項之該用以產生供指示噴嘴維護用之一信號之方法的該等步驟。
19. 如請求項18之方法，進一步包含： 仰賴施加至該饋送通道內之該模製材料上之該壓力、施加至該饋送通道外側之該模製材料上之該壓力及該饋送通道內之該模製材料之該流率中之至少一者控制該列印頭內之該模製材料之饋送及該列印頭之定位中之至少一者； 依據指示該列印頭之該噴嘴內之該模製材料之該流體阻力之該參數適應該列印頭內之該模製材料之該饋送及該列印頭之定位中之至少一者之該悾制。
20. 一種用於三維式模製一三維物件之系統，包含： 一三維定位系統； 一列印頭其連接至該三維定位系統； 饋送裝置用以經由該列印頭之一饋送通道將模製材料饋送至一噴嘴； 裝置用以判定指示該列印頭之一噴嘴內之模製材料之一流體阻力之一參數，其中該用以判定該噴嘴內之該模製材料之一流體阻力之裝置包含： 流體判定裝置用以判定該饋送通道內之該模製材料之一流率； 第一壓力判定裝置用以判定施加至該饋送通道之該模製材料上之一壓力及第二壓力判定裝置用以判定施加至該饋送通道外側之該模製材料上之一壓力； 處理裝置，其中該處理裝置係組配及配置用以： 判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之該壓力與施加至該饋送通道外側之該模製材料上之該壓力間之一壓力差； 由該判定流率與該判定壓力差計算指示該模製材料之該流體阻力之該參數； 一比較器用以比較該參數與一預定範圍； 一產生器，在當指示該流體阻力之該參數超出該預定範圍時，用以產生供指示噴嘴維護用之一信號。
21. 如請求項20之系統，其中 該比較器係配置用以比較該參數與一第一預定臨界值；以及其中 該產生器係配置成假設該參數大於或等於該第一預定臨界值時用以產生一第一信號。
22. 如請求項21之系統，其中 該比較器係配置用以比較該參數與一第二預定臨界值；以及其中 該產生器係配置成假設該參數小於或等於該第二預定臨界值時用以產生一第二信號。
23. 如請求項20-22中之任一項之系統，其中該第一壓力判定裝置包含一第一壓力感測器用以判定由該饋送裝置施加至該模製材料上之一壓力。
24. 如請求項20-22中之任一項之系統，其中該第一壓力判定裝置包含一第二壓力感測器其連接至靠近該噴嘴之該饋送通道。
25. 如請求項20-22中之任一項之系統，其中該饋送裝置包含一旋轉驅動器，一致動器及一傳動裝置用以轉移該旋轉驅動器與該致動器間之一驅動力，以及其中該用以判定施加至該饋送通道內之該模製材料上之一壓力之第一壓力判定裝置包含裝置用以測量該驅動器與傳動系統中之任一者內之一驅動力。
26. 如請求項25之方法，其中該用以測量該驅動器與傳動系統中之一者內之一驅動力之裝置包含一扭矩感測器其係組配及配置在該旋轉驅動器與該傳動系統及該致動器中之任一者之間。
27. 如請求項26之方法，其中該旋轉驅動器包含一電氣馬達，以及其中該用以測量該驅動器與傳動系統中之一者內之一驅動力之裝置包含一電流感測器用以測量供應至該電氣馬達之一電流。
28. 如請求項20-27中之任一項之系統，其中該第二壓力判定裝置包含裝置用以指定一大氣壓力值給施加至該饋送通道外側之該模製材料上之該壓力。
29. 如請求項20-27中之任一項之系統，其中該第二壓力判定裝置包含一第三壓力感測器用以判定施加至該噴嘴之一尖端處之該模製材料上之一壓力。
30. 如請求項29之系統，其中該第三壓力感測器包含一力量感測器配置於該噴嘴與一用以置放該待模製三維物件之基座之間。
31. 如請求項30之系統，其中該力量感測器係配置在一組位置中之至少一位置處而該組位置包含：該列印頭與該用以定位相對於該基座之該列印頭之三維定位系統間之一連接，該基座至該三維定位系統之一連接，該基座與地面間之一位置，以及該基座與該待列印物件間之一位置。
32. 如請求項20-31中之任一項之系統，其中該流量判定裝置係配置用以判定該饋送通道內之該模製材料之一位移。
33. 如請求項32之系統，該流量判定裝置包含一位移感測器其連接至該用以經由該饋送通道饋送該模製材料之饋送裝置。
34. 如請求項20-33中之任一項之系統，進一步包含一清洗位置，及定位裝置其係組配及配置用以 假設該參數大於或等於該第一預定臨界值時移動該列印頭至該清洗位置；以及其中 該列印頭係配置用以清洗該饋送通道。
35. 如請求項34之系統，其中該系統進一步包含一建構室而待產生三維物件可容納於該建構室內，其中該清洗位置係組配及配置在該建構室內。
36. 如請求項20-35中之任一項之系統，其中當產生供指示噴嘴維護用之該信號時該定位裝置係配置用以啟動一序列俾替換該噴嘴及該列印頭中之至少一者。
37. 如請求項20-36中之任一項之系統，其中該系統進一步包含一控制系統，其中該控制系統係組配及配置用以 仰賴施加至該饋送通道內之該模製材料上之該壓力、施加至該饋送通道外側之該模製材料上之該壓力及該饋送通道內之該模製材料之該流率中之至少一者控制該饋送裝置及定位裝置中之至少一者； 依據指示該列印頭之該噴嘴內之該模製材料之該流體阻力之該參數適應該饋送裝置及定位裝置中之至少一者之該控制。