TWI762595B - 三維模製系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於建立物件的三維模製系統，其包含： 一個三維模製列印頭，其中，該列印頭附接至一定位構件，其用以使該列印頭與正被印製之物件中之至少一者彼此空間性地相對移動。 該列印頭包含一管狀饋入構件與配置在該管狀饋入構件之一端的一噴嘴，該噴嘴有用於施配模製材料的一噴嘴出口，與用於介接在待建立的該物件上的模製材料之先前沉積軌道的一噴嘴尖端。 該管狀饋入構件包含用於饋入該模製材料至該噴嘴出口的一饋入通道。 該系統進一步包含：該管狀饋入構件在該噴嘴對面之一端的一模製材料饋入構件，其中，該模製材料饋入構件經配置為可用於使一壓力朝向該噴嘴施加於在該饋入通道內的該模製材料。 該系統進一步包含：一壓力判定構件，其用於判定指示施加於該模製材料之一壓力的一第一參數。 該系統進一步包含：一控制系統，其經配置為可基於指示施加於該模製材料之一壓力的該經判定之第一參數來控制該模製材料饋入構件。一種使用該系統的三維模製方法。

Description

三維模製系統及方法
本發明係有關於一種用於建立三維物件的三維模製系統，與一種用於三維模製三維物件的方法。
在三維模製中，物件的形成係藉由以控制方式層疊模製材料，致使可建立帶有所欲三維形狀的物件。形成物件的此一方式也被稱為積層製造法。三維模製經常使用三維模製列印機。該列印機有三維活動列印頭，該列印頭是在模製材料的先前沉積軌道上方移動時施配模製材料。
待列印物件可放上基底。該列印頭相對於正被模製或列印的物件可在三維空間中移動，反之亦然。在有些情形下，物件相對於列印頭可在一或多個維度中移動。模製物件有各種可能組合用於使物件相對於列印頭移動，反之亦然。
列印頭的移動由控制系統控制，其係控制列印頭附接至它的三維可控定位系統。用軟體，可設計軌道的圖案，此圖案用來移動列印頭以及用來沉積軌道。
物件建立於在相對於活動列印頭之參考位置的基底結構上。模製材料可與先前形成的軌道熔合。三維模製材料饋入列印頭的形式例如可為絲線、顆粒、棒桿、液體或懸浮液。該列印頭從列印頭通過噴嘴施配模製材料且使其以軌道的形式沉積於基底上而形成一層軌道，或在已沉積待建立物件的前一層時，沉積於物件的先前沉積軌道上，讓它凝固。該模製材料可與先前沉積軌道以熱或化學或其他方式熔合。化學模製材料可從列印頭施配且沉積於先前沉積軌道上且使其固化以在沉積後立即凝固。
基底及物件與列印頭在軌道中的相對移動以及同時沉積來自列印頭的模製材料允許熔合的沉積模製物件隨著各個沉積軌道成長且逐漸得到它所欲形狀。
在當前的材料擠出列印機(包括顆粒擠出機、撞頭擠出機(ram extruder)及注射器擠出機)中，材料係以前饋流量受控的方式沉積。取決於待沉積軌道的厚度與列印速度，模製材料的流量保持不變。材料流量的校準作為機器校準的一部份。
此外，為了維持待建立物件的準確尺寸，特別是維持正被沉積之軌道的受控厚度，必須校準造成列印頭在正被建立物件之先前沉積軌道上方移動的X-Y-Z定位系統。
在校準正確時，利用流量控制可準確地列印無空隙物件。在例如列印頭噴嘴與例如先前沉積層的間隙由於缺乏校準而增加時，模製材料的流量可能變得太小而不能填滿間隙，因而造成在列印軌道之間出現空間，而在列印物件中產生空腔。這被稱為擠出不足(under-extrusion)。
另一方面，當列印頭噴嘴與先前沉積軌道的間隙由於缺乏校準而減少時，模製材料的流量對於正被沉積的軌道可能變得太大，使得太多材料會被擠出。這被稱為過度擠出(over-extrusion)。在軌道被舖在兩個先前沉積軌道之間且其間的空間越來越窄時，也可能出現過度擠出。這可能導致物件與列印頭之間有過大的力以及物件由於模製材料溢流而有粗糙的表面。模製材料的溢流可能導致在列印頭的噴嘴尖端(nozzle tip)上有殘渣或殘留物，而可能脫落噴嘴尖端且與正被印製的物件熔合且造成物件的潛在損失。
校準的損失可能由熱膨脹以及在列印時和在列印熱熔合材料後的後續收縮造成。當熱膨脹及收縮沒有被充分補償時，噴嘴與先前沉積軌道的間隙可能沒有不變的尺寸。同樣，在與列印頭或噴嘴之沉積方向垂直的尺寸也可能由於熱效應而改變。
擠出不足或過度擠出的另一原因可能在於該模製材料進料尺寸的變動。例如，當使用絲線的模製材料時，它的直徑可能不同而造成模製材料在列印時被沉積的數量變動，因此在使用正被沉積之模製材料的恆定流量控制時，造成擠出不足或過度擠出。
在執行X-Y-Z系統與模製材料饋入構件的校準時，最高優先權是要防止過度擠出，因為這使得製程不可靠。因此，三維模製擠出列印機常有某種程度的擠出不足而導致形成開放空間或空腔。副作用是，部份會沒有密封性或耐壓性且該部份的強度會次於最佳。
因此，本發明的目標是要克服上述問題及缺點。
該目標用一種用於建立三維物件的三維模製系統達成，其包含： 一個三維模製列印頭，其中，該列印頭附接至一定位構件，其用以使該列印頭與正被印製之該物件中之至少一者彼此空間性地相對移動。
該列印頭包含一管狀饋入構件與配置在該管狀饋入構件之一端的一噴嘴，該噴嘴有用於施配模製材料的一出口，與用於介接在該待建立物件上的模製材料之先前沉積軌道的一噴嘴尖端。
該管狀饋入構件包含用於饋入該模製材料至該噴嘴出口的一饋入通道。
該系統進一步包含：配置於該管狀饋入構件在該噴嘴對面之一端的一模製材料饋入構件，其中，該模製材料饋入構件經配置為可用於使一壓力朝向該噴嘴施加於在該饋入通道內的該模製材料。
該系統進一步包含：一壓力判定構件，其用於判定指示施加於該模製材料之一壓力的一第一參數。
該系統進一步包含：一控制系統，其經配置為可基於指示施加於該模製材料之一壓力的該經判定之第一參數來控制該模製材料饋入構件。
該控制系統經配置為可用於控制該定位構件及該列印頭用於沉積兩個第一軌道，其中該等兩個第一軌道被隔開，且用於沉積在該等兩個第一軌道之間的一中間軌道，同時使用指示施加於該模製材料之一壓力的該第一參數來控制施加於該模製材料的該壓力。
藉由控制該壓力，由該控制系統使用該壓力判定構件可感測例如在壓力降到某一位準以下時發生擠出不足。藉由增加施加於在該管狀饋入構件內之該模製材料的該壓力，可補償此一擠出不足。例如，在沉積當前軌道時，如果先前沉積相鄰軌道之間的空間變寬，這可能發生。
另一方面，可感測在指示施加於該模製材料之壓力的該第一參數增加到某一位準以上時發生過度擠出。藉由減少施加於在該管狀饋入構件內之該模製材料的壓力，可補償此一過度擠出。例如，在先前沉積相鄰軌道之間的空間越來越窄時，這可能發生。藉由控制該模製材料的壓力，列印物件的剩餘空間會被良好地填充，而與剩餘空間的容積無關。這會導致正被沉積之中間軌道與先前沉積相鄰軌道熔合，造成空腔的完全填入且改善相鄰軌道之間的結合(bonding)。因此，部份會有最優滲漏緊密度及強度。
由噴嘴與先前沉積層之間隙決定的軌道厚度常常很小。這意謂，通過此間隙的壓降由於該模製材料的黏度而很大。對於從在噴嘴尖端中或其處的壓力位準到達周遭壓力的壓降，它只需要毫米數量級的距離。當至噴嘴之距離變得較大時，通過間隙的壓降增加。當壓降等於噴嘴中的超壓(overpressure)時，流量中止，且軌道不會變得較寬。當列印頭在物件上方移動時，這取得平衡以變成穩定的軌道寬度。
與流量控制式列印的主要差異在於，正被沉積之中間軌道的寬度取得平衡有恆定的線寬同時恰好地填滿所有間隙，然而基於流量的列印會很快地產生系統性的擠出不足或過度擠出。
藉由控制施加於該模製材料的壓力，可補償噴嘴與先前沉積軌道之間的間隙尺寸變動。
在本發明系統的一具體實施例中，該控制系統經配置為可用於控制該模製材料饋入構件以使指示施加於該模製材料之一壓力的該第一參數維持在一預定最小壓力值與一預定最大壓力值之間。這允許施加於該模製材料的壓力落在保證過度擠出或擠出不足不會發生的範圍內，而與該定位構件的對齊或校準瑕疵無關。
在本發明系統的一具體實施例中，該控制系統經配置為可用於使指示施加於該模製材料之一壓力的該第一參數維持在一恆定值。這進一步改善將會沉積於相鄰先前沉積軌道之間或與其毗鄰的中間軌道被完全填滿而不留下開放空間或空腔，同時防止形成殘渣及殘留物。此外，恆定的壓力減少列印頭及模製材料饋入構件的磨損。
在本發明系統的一具體實施例中，該模製材料饋入構件包含一可控驅動器與連接至該驅動器的一傳動構件，其用於傳遞由該驅動器產生之一力至該模製材料。該可控驅動器允許該控制系統產生一可控力，其係產生施加於在該管狀饋入構件(亦即，該饋入通道)內之該模製材料的壓力，以及施加於在該噴嘴尖端處之該模製材料的壓力。
在本發明系統的一具體實施例中，用於判定指示施加於該模製材料之一壓力的該第一參數的該壓力判定構件包含一壓力判定構件，其用於判定指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之壓力的第二參數。例如，這允許該可控驅動器及該傳動構件用施加於該模製材料的力來判定指示施加於該模製材料之一壓力的該第一參數。經以此方式判定之該第二參數構成指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之壓力的度量。
取決於該模製材料，可選定適當的驅動器與力傳動構件。該可控驅動器可用該控制系統控制。在該噴嘴尖端處的力與在該驅動器及傳動系統內的轉矩可視為指示施加於該模製材料的壓力。
在本發明系統的一具體實施例中，該可控驅動器包含一旋轉驅動器，且用於判定指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之該壓力之該第二參數的該壓力判定構件包含：用於判定由該旋轉驅動器及/或傳動系統施加之一轉矩的一轉矩判定構件。這允許從由旋轉驅動器與傳動系統中之至少一者施加之轉矩導出指示施加於該模製材料之壓力的該第二參數。
在本發明系統的一具體實施例中，該可控驅動器包含一電動馬達，且其中，該轉矩判定構件包含一馬達電流測量構件。這允許在沒有任何其他轉矩感測器下判定轉矩。
在本發明系統的一具體實施例中，該模製材料饋入構件包含用於將模製材料饋入該模製材料饋入件的一柱塞。該柱塞允許形式為棒桿的模製材料饋入該管狀饋入構件。
用由該柱塞施加於該模製材料的壓力來指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之一壓力的該第二參數，且其中，用於判定指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之壓力的該第二參數的該壓力判定構件包含一力感測器，其配置在該柱塞用於測量由該柱塞施加於該模製材料的壓力。
從該施加力，可導出指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之壓力的該第二參數。這是測量來自該驅動系統之馬達電流或轉矩的另一種方式以便於判定指示施加於在該管狀饋入構件之該饋入通道內之該模製材料之一壓力的該第二參數。
在本發明系統的一具體實施例中，用於判定指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之壓力的該第二參數的該壓力判定構件包含連接至該管狀饋入構件之該饋入通道的一壓力感測器。因此，可直接用該壓力感測器來判定指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之壓力的該第二參數。
在本發明系統的一具體實施例中，用於判定指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之壓力的該第二參數的該壓力判定構件包含在該噴嘴處連接至該饋入通道的一壓力感測器。因此，可用在該噴嘴內的該壓力感測器交替直接判定指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之壓力的該第二參數。
在本發明系統的一具體實施例中，配置在該噴嘴處的該壓力感測器包含一噴嘴變形感測器。優點是，該感測器不需要直接接觸模製材料在該噴嘴之該饋入通道內的流動。
在本發明系統的一具體實施例中，用於判定指示施加於該模製材料之一壓力的該第一參數的該壓力判定構件包含一壓力判定構件，其用於判定指示施加於在正被沉積之該中間軌道內之該模製材料之一壓力的一第三參數。這允許直接測量及控制在正被沉積之該中間軌道內的該模製材料，從而保證該模製材料的平滑沉積以及與橫向先前沉積軌道的最優熔合。
在本發明系統的一具體實施例中，用於判定指示施加於在正被沉積之該中間軌道內之該模製材料之一壓力的該第三參數的該壓力判定構件包含一壓力感測器，其具有在該噴嘴尖端處的一流體通道用於測量沉積模製材料在該噴嘴尖端處的壓力。在該噴嘴尖端處的該流體通道允許在該噴嘴出口附近測量該噴嘴外的沉積中間軌道之壓力。這允許在該噴嘴尖端處直接測量在正被沉積之該模製材料內的壓力，而保證有快速準確的壓力測量。
在本發明系統的一具體實施例中，用於判定指示施加於在正被沉積之該中間軌道內之該模製材料之一壓力的該第三參數的該壓力判定構件包含配置在該列印頭與該定位構件之間的一力感測器。藉由在從該列印頭經由該門架及定位系統、基底到待建立物件的機械路徑中的不同位置處測量反作用力，其係傳輸由該列印頭施加於正被沉積之該中間軌道的力，可測量由該列印頭(亦即，噴嘴尖端)施加於正被沉積之該中間軌道之該模製材料的力。從該經判定之力，可導出在該尖端處施加於該模製材料的壓力。
在本發明系統的一具體實施例中，該力感測器配置在該列印頭與該定位構件的一互連件處。在此情形下，該力可在該列印頭與該定位構件之間測得，更特別的是，安裝列印頭的門架。
在本發明系統的一具體實施例中，用於判定指示施加於在正被沉積之該中間軌道內之該模製材料之一壓力的該第三參數的該壓力判定構件包含配置在該定位構件之基底上的一力感測器，其經配置為可用於收容該待建立物件。該待建立物件是位在該參考位置。它可裝在該基底上。可測量在底板(build plate)上的力，或替換地可測量底板與定位構件之間的力，從它可導出指示該壓力的參數。
可用正被印製之物件的重量補償該經判定之壓力。例如，在列印頭不起作用或撤回時，此重量可由該力感測器判定。這可在執行軌道之沉積的印製期間間斷地執行。
在本發明系統的一具體實施例中，該系統進一步包含一模製材料流量判定構件。這允許判定模製材料使用於沉積軌道的數量。從該模製材料流量及列印速度，可判定沉積軌道的厚度。
在本發明系統的一具體實施例中，該流量判定構件包含：用於判定該模製材料饋入構件之位移的一位移感測器，且其中，該控制系統經配置為可用於藉由判定每一單位時間的一位移來判定該流量。該模製材料饋入構件將該模製材料推入該管狀饋入構件。藉由測量該饋入構件每一單位時間的位移，從該管狀饋入構件的及時位移與橫截面面積，可判定模製材料流量。
在本發明系統的一具體實施例中，該流量判定構件包含：用於判定該模製材料之流量的一流量感測器。
在本發明系統的一具體實施例中，該流量判定構件包含：用於判定該旋轉驅動器之轉速的一感測器。該旋轉驅動器驅動該模製材料饋入構件。該模製材料在該管狀饋入構件內的位移因而與該旋轉驅動器的轉速有關。因此，從該旋轉驅動器的轉速，可導出在該管狀饋入構件中的模製材料流量。這有一優點是，當電動馬達用作旋轉驅動器時，可從與馬達之驅動有關聯的電氣參數來輕易判定該轉速。因此，不需要獨立的位移感測器。
在本發明系統的一具體實施例中，該控制系統經進一步配置為使用使用經判定之該模製材料流量可交替控制該模製材料的流量。
在本發明系統的一具體實施例中，該控制系統經進一步配置為可控制該定位構件與該列印頭用於沉積該等兩個第一軌道，同時控制該模製材料的流量。在此方案中，該等第一兩個軌道的沉積可與先前沉積軌道無關。該等軌道不需要用於防止空間及空腔的高填充等級(filling grade)，因此，可使用流量控制。不過，將會沉積於該等第一兩個軌道之間的中間軌道需要不會留下空腔的高填充等級。因此，該中間軌道的沉積可使用壓力控制。
該管狀饋入構件可用至少配置於該管狀饋入構件鄰近該噴嘴之下半部四周的加熱元件加熱。這允許用熔合沉積模製系統加工可加熱的模製材料。該模製材料在被推入該管狀饋入構件時被加熱。當到達該噴嘴時，該模製材料被加熱到模製材料熔化溫度。可按尺寸製作及控制該加熱元件以到達必要的熔化溫度。
該噴嘴可用配置在該噴嘴四周或於其內的加熱元件加熱。這允許調整該管狀饋入構件的加熱元件到較低的溫度防止該模製材料熱分解，因為有些材料在高溫，亦即熔化溫度，只能保持一段有限時間。只在該饋入通道接近該噴嘴的最後部份，將該模製材料加熱到它的熔化溫度，以此方式提供適當的印製同時該模製材料維持在良好的狀態，亦即，防止其分解。
該目標進一步用一種三維模製方法達成，其包含：使用如以上所述用於三維模製之系統來執行三維模製，其中，該方法進一步包含：使用該模製材料饋入構件來饋入該模製材料，判定指示施加於該模製材料之一壓力的一第一參數，根據指示施加於該模製材料之該壓力的該第一參數來控制該模製材料饋入構件，沉積三維模製材料的兩個第一軌道，其中該等兩個第一軌道被隔開，且沉積在該等兩個第一軌道之間的一中間軌道，同時使用指示施加於該模製材料之一壓力的該第一參數來控制施加於該模製材料的壓力。
在本發明方法之一具體實施例中，根據指示施加於該模製材料之該壓力的該第一參數來控制該模製材料饋入構件的步驟包含：比較指示施加於該模製材料之壓力的該第一參數與一參考值，且其中，該控制係基於該第一參數與該參考值的差額。
在本發明方法之一具體實施例中，根據指示施加於該模製材料之該壓力的該第一參數來控制該模製材料饋入構件的步驟包含：使指示施加於該模製材料之壓力的該第一參數維持在一先前經判定之最小壓力值與一先前經判定之最大壓力值之間。
在本發明方法之一具體實施例中，根據指示施加於該模製材料之該壓力的該第一參數來控制該模製材料饋入構件的步驟包含：使指示施加於該模製材料之壓力的該第一參數維持在一先前經判定之恆定值。
在本發明方法之一具體實施例中，判定指示施加於該模製材料之一壓力的該第一參數的步驟包含：判定指示施加於在該管狀饋入構件及/或噴嘴之該饋入通道內之該模製材料之一壓力的一第二參數。
在本發明方法之一具體實施例中，判定指示施加於該模製材料之一壓力之該第一參數的步驟包含：判定指示施加於在正被沉積之該中間軌道內之該模製材料之一壓力的一第三參數。
在本發明方法之一具體實施例中，該方法進一步包含：判定一模製材料流量且使用該模製材料流量交替控制該模製材料的流量。
在本發明方法之一具體實施例中，該方法進一步包含：沉積該等兩個第一軌道，同時控制該模製材料之該流量。
圖1a以簡化的形式圖示用於三維模製的系統100。系統100包含經由連接件107附接至門架106的三維模製列印頭121，該門架106包含在未圖示於圖1a的X-Y-Z定位系統中，它允許列印頭121在沉積模製材料的軌道110時與待列印物件彼此相對移動。可逐層沉積軌道110。列印頭121包含管狀饋入構件101，其用作擠出機管，且經配置為可用於從管狀饋入構件101的一端朝向連接在管狀饋入構件101之反對端的噴嘴102饋入模製材料108。管狀饋入構件101例如可由金屬製成，例如不鏽鋼。
管狀饋入構件101與噴嘴102各自包含有區段120a、120b的饋入通道。饋入通道區段120a允許引進且推向噴嘴的模製材料108，然而饋入通道區段120b位在噴嘴102內，且通向在噴嘴尖端102b的噴嘴出口102a。在列印期間，噴嘴尖端102b與正被沉積之軌道110的模製材料接觸。
三維模製材料108可包括熱塑聚合物，例如聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)和聚醚醚酮(PEEK)。這些材料可在管狀饋入構件101內熔化且從噴嘴102施配到軌道109、110中，用於形成待建立物件。
為了允許列印頭121沉積及熔合處於熔化狀態的模製材料，管狀饋入構件101以及噴嘴102可設有可配置於管狀饋入構件101四周以加熱及熔化模製材料進料的一或多個加熱元件。
用於三維模製的其他材料可包括糊劑、懸浮液或樹脂，彼等可沉積於薄軌道109、110中且藉由例如暴露於紫外光、空氣、熱或其他固化劑而固化。
用由X-Y-Z定位系統指揮的連續沉積運作，沉積模製材料108於基底的第一軌道上，以及於先前沉積軌道109上。該基底可為底板、地面或適合用於初始化軌道及建物之沉積且攜載待列印物件的任何其他結構。該基底可呈固定或活動。在有些情形下，該基底在水平X-Y方向是活動的，而列印頭121在垂直Z方向是活動的。在其他情形下，該基底相對於列印頭121在X-Y-Z水平及垂直方向是活動的。又在其他情形下，該列印頭相對於基底在X-Y-Z水平及垂直方向是活動的。本說明書用後者舉例說明。
當列印頭121在先前沉積軌道109上方移動時，驅動系統113包含旋轉驅動器104，傳動齒輪105a、105b，其用於將旋轉驅動器104的旋轉運動傳送到柱塞103的縱向運動，柱塞103朝向噴嘴102推擠在管狀饋入構件101之饋入通道區段120a內的模製材料。驅動器104的轉動可經由傳動齒輪105a、105b轉換成柱塞103的平移，以及柱塞103的主軸傳動(spindle transmission)。
藉由旋轉至平移傳動施加於模製材料108的壓力可導出使用以下兩者之轉換比(transfer ratio)判定的轉矩：馬達軸之角位移與附接於旋轉至傳動齒輪105a、105b之心軸的柱塞103之縱向位移。旋轉驅動器104可為步進馬達，它可用數位方式控制以在選定方向前進離散數目的小步。旋轉驅動器104也可為DC或AC電動馬達或伺服馬達，它可用供應至馬達的電壓及/或電流來控制。在後者的情形下，連接至馬達軸的編碼器可提供馬達的位置資訊。
熟諳此藝者應瞭解，利用使用於熔合沉積模製系統之非旋轉驅動器及傳動齒輪將壓力施加於列印頭中之模製材料的控制會與旋轉型驅動器及傳動裝置類似。
柱塞103可設有位移感測器111，其可經配置為可測量柱塞103相對於管狀饋入構件101的位移X。如圖1a所示的習知技術圖示用於示範饋入在管狀饋入構件101中之模製材料棒桿至噴嘴102的實施例。在本技藝中，可找到饋入模製材料至噴嘴102的替代實施例，例如，使用可用電動馬達驅動的絲線衝壓滾輪(filament punch roller)，將模製材料絲線饋入到管狀饋入構件101中。使用X-Y-Z定位系統用類似方式執行軌道110在先前沉積軌道109上面的沉積同時將模製材料絲線饋入到管狀饋入構件101中。
圖1a的系統100可用控制系統控制，該控制系統經配置為可用與必要軌道厚度及列印速度成正比的速率施配三維模製材料。為了實現此事，應取得模製材料108的預定流量。該控制系統控制旋轉驅動器104，且位移感測器111測量柱塞103的位移X。柱塞103每一單位時間的位移提供模製材料108的流量，因而允許控制系統調節模製材料108施配於軌道110中的必要數量。
圖1b的方塊圖圖示流量控制系統112的實施例，其中，提供必要流量的設定值S給減法單元115，其經配置為可從設定值S減去每一單位時間的計算位移X，因而給出可供應至控制系統之調節器模組114的錯誤訊號。
在圖1b中以方塊圖示的流量調節器模組114可設有比例、比例及積分、或比例積分及微分控制函數的適當轉換函數(transfer function)H1 。流量控制系統112可控制旋轉驅動器104及傳動齒輪105a、105b以及驅動系統113中從齒輪105b到柱塞103之主軸傳動(spindle transmission)的傳動。
如上述，柱塞103的位移可從位移感測器111得到，不過，熟諳此藝者可找到用於建立柱塞103之位移的替代案。
圖2a根據習知技術圖示藉由模製材料之沉積的三維模製。模製材料的新軌道110a沉積於先前沉積軌道109上。在理想的情況下，沉積軌道是以連續方式沉積而成。先前沉積軌道與軌道之間在水平方向及垂直方向都沒有間隙。在模製材料相對於必要軌道厚度和列印頭121之沉積速度的流量被準確地控制時，可達成此事。沉積模製材料的程度及緊密度(tightness)高度取決於系統或列印機的校準。
圖2b圖示流量控制式三維模製被稱為擠出不足的通病。在擠出不足下，空腔或間隙201出現在模製材料的沉積期間。軌道110b顯示在列印於先前沉積軌道上時施配不完全。在三維模製系統沒有被正確地校準時可能出現此類間隙201。在執行校準時，目標通常是要防止過度擠出，因為此會使製程不可靠。不過，完美的校準是不可能的，因為有隨機誤差，因此三維模製系統或列印機常有某種程度的擠出不足。副作用是，部份會沒有密封性或耐壓性且該部份的強度會次於最佳。
圖2c圖示過度擠出。在過度擠出下，模製材料進入過度擠出軌道110c的流量太高。結果，可能出現模製材料的脊突(crest)202，這是由噴嘴尖端102b累積模製材料且推擠多餘模製材料到橫向於沉積或列印方向的旁邊造成。
在圖3a中，模製材料的軌道110d經沉積成在先前沉積軌道109之間可理想地緊配合而與在這些軌道之間的剩餘空間的容積無關。同樣，在圖3a中，先前沉積軌道109之間的空間比軌道本身窄。
在圖3b的實施例中，緊配合的沉積軌道110e比先前沉積軌道寬。這會導致空腔的完全填入且改善與相鄰及下面印製軌道的結合。因此，以此方式印製的部份會有最優滲漏緊密度及強度，這可用下述沉積模製系統達成。
圖4a圖示用於熔合沉積模製的三維模製系統400，其類似圖1a。可提供轉矩感測器401以測量由旋轉驅動器104及傳動齒輪105a、105b施加於柱塞103從而施加於模製材料108的轉矩。從測得的轉矩，可導出施加於在管狀饋入構件101中之模製材料108的壓力。
替換地，壓力感測器可附接至柱塞103。該壓力感測器經配置為可用於測量由柱塞103施加於模製材料108的壓力。該柱塞壓力感測器可附接至柱塞103的尖端以直接測量施加於模製材料108的壓力。該柱塞壓力感測器也可為附接至柱塞103與旋轉驅動器104及/或傳動系統105a、105b之接合點的力感測器。此外，該壓力感測器可為附接至柱塞柄的應變計(strain gauge)。在壓力或力施加於柱塞103時，該壓力或力傳遞到模製材料108。由於有外加壓力或力，柱塞柄可能變形，此變形可用應變計測量。由柱塞103施加於在管狀饋入構件101之較高端之模製材料108的壓力最終產生模製材料108在噴嘴102內的壓力。
圖4b的方塊圖圖示用系統400執行壓力控制式三維模製的控制系統412實施例。例如，轉矩感測器401可提供驅動模製材料饋入構件之馬達的測得轉矩，它可用作指示施加於模製材料108之壓力的測得參數PM ，其中，測得轉矩為在管狀饋入構件101之饋入通道120a、120b內之壓力的代表參數。替換地，馬達電流可用作指示施加於模製材料108之壓力的參數PM ，其中，馬達電流為在饋入通道120a、120b內之壓力的代表參數。馬達電流與由馬達傳輸至柱塞103之傳動齒輪105a、105b的轉矩成正比。此外，柱塞壓力可用作指示施加於模製材料108之壓力的第一參數PM 。
控制系統412可經配置為可用減法器403比較測得第一參數PM 與參考參數值PR 。減法器403拿參考參數值PR 減測得第一參數PM ，以產生供應至有轉換函數H2 之壓力調節模組402的錯誤訊號或差額。轉換函數H2 可為比例(P)，比例及積分(PI)，或比例、積分及微分(PID)。壓力調節模組402控制驅動系統113。
藉由控制旋轉驅動器104，轉矩經由傳動齒輪105a、105b施加於柱塞103，使用轉矩感測器401可測量代表施加於饋入通道120a、120b中之模製進料之壓力的轉矩。因此，可達成在管狀饋入構件101內之模製材料108的流量控制。
參考值或設定點PR 可取決於列印頭行進速度、間隙大小、溫度、模製材料性質而有所不同。
圖5圖示用於控制在噴嘴尖端之流量的三維模製系統500，其對應至圖4a的系統，其具有用於建立指示施加於模製材料108之壓力之第一參數PM 的替代方式。在圖4a的系統中，該參數係指示施加於在列印頭121內之模製材料108的壓力，亦即，管狀饋入構件101。在圖5的系統中，指示施加於模製材料之壓力的參數取決於在噴嘴102尖端102b施加於正被沉積於軌道110中之模製材料的壓力。在藉由施加壓力於在列印頭121內的模製材料108來擠出時，造成在沉積層110內有在噴嘴尖端102b處的壓力，這產生推擠噴嘴尖端102b遠離先前沉積軌道109的力，該力為施加於模製材料之壓力的代表參數。此力從列印頭121經由門架106及連接至待模製物件放在其上之基底504的X-Y-Z定位系統503傳播。
替換地，X-Y-Z-系統及門架106可連接至地面。因此，待列印物件可在用作待列印物件之基底的地面上。然後，可測量在物件、地面之間施加於模製材料的力。
因此，該力也在門架106、列印頭121之間傳播且例如可在互連件107處測得。列印頭121至圖4a門架106的互連件107可用至少一回彈性連接構件502形成。位移感測器501可測量回彈性連接構件502的變形作為通過從列印頭121經由X-Y-Z系統及基底到待建立物件之傳播路徑傳輸之力的度量，從而施加於沉積軌道110中之饋料之壓力的度量。替換地，圖4a系統也可實現該力的測量，其中，列印頭121與門架106的互連件107設有測力計(load cell)或應變計，其係測量由列印頭121及正被沉積之軌道110施加的壓力。
此外，在物件與基底504之間可測量施加於在正被沉積之層110中之模製材料的力，例如利用體重計或壓力墊(pressure pad)。以此方式測得的力可指示施加於在正被沉積之層內之模製材料的壓力。
如圖6a至圖6d所示，除了測量施加於在列印頭121內之模製材料108的壓力，如在說明圖4a時所述，亦即，還可測量旋轉驅動器104及傳動系統105a、105b的轉矩或在柱塞103的力，該轉矩及力把施加於在管狀饋入構件101內之模製材料108的壓力描繪成第二參數。此外，可直接測量施加於在管狀饋入構件101(亦即，饋入通道區段120a)內之模製材料108的壓力，如圖6a所示。為了得到適合用於列印模製材料於待沉積軌道110中的壓力，由壓力感測器601測量的壓力可用來控制旋轉驅動器104。
圖6b圖示壓力感測器602的替代安置，其中，壓力感測器602放在噴嘴102內，且其中，被感測的是在噴嘴102內之饋入通道區段120b的壓力。用於測量饋入通道120b內之壓力的替代案是要測量噴嘴102或噴嘴尖端102b的變形，例如使用設置在饋入通道區段120b四周的應變計603。
測量饋入通道120a、120b內之壓力的替代案是要具有如圖6d所示的壓力感測器604，其配置在噴嘴102內且流體連接至噴嘴尖端102b。在噴嘴尖端102b測得的壓力為施加於模製材料軌道110的壓力。相對於圖5，此法提供用於建立施加於在軌道110內之模製材料之壓力的替代第三參數。
適合使用於上述用於測量列印頭121內之壓力之三維模製系統的壓力感測器包含有可變形膜片的膜片感測器。例如水銀的液體可傳遞在將會測量其中壓力之模製材料通道(亦即，饋入通道120a、120b)內或在噴嘴尖端102b處的壓力至膜片。感測器本身可為下列類型，包括薄膜金屬感測器，與感測器有關的導體/應變計，壓電感測器，磁阻式感測器(magneto-resistive sensor)，雷射干涉感測器(laser interferometer sensor)，與基於機械位移的感測器。
如圖6a至圖6d所示，使用用於形成沉積模製材料之連續軌道的流量控制，可沉積在先前沉積軌道109近旁的軌道110。軌道110的模製材料會藉由經由噴嘴出口102a施加於它的壓力而流到先前沉積軌道且與先前沉積材料熔合。圖7a至圖7c圖示使用壓力控制來沉積模製材料108之軌道的替代策略。
使用如圖7a所示的流量或流量控制，沉積第一軌道701。圖7b圖示沉積與第一軌道701隔開的第二軌道702，其中，在第一軌道701與第二軌道702之間的空間中，可列印第三或中間軌道703。圖7c圖示使用壓力控制在軌道701及702之間列印第三軌道703。模製材料填充在第一軌道701與第二軌道702之間的開放空間且與先前沉積軌道701、702熔合，致使軌道701至703形成沒有間隙或空腔的連續層。
圖8a、圖8b圖示列印策略的改良，其中，使用流量控制來沉積第一軌道堆疊801。使用壓力控制，可沉積有較粗沉積輪廓的相鄰軌道802a、802b作為填充物。
用於流量控制112及流量控制412的控制系統可納入可程式邏輯控制器(PLC)，具有包含程式指令之記憶體(RAM，ROM，EPROM等等)的微控制器或處理器，該等程式指令在運作時造成處理器執行流量及壓力的控制，如上述。
程式指令可包含用於從這些指示的力及轉矩算出施加於模製材料108之壓力的模組，如上述。此外，可計算在旋轉驅動器104，傳動齒輪105a、105b，模製材料管狀饋入構件101及噴嘴102內由摩擦及其他原因引起的損失且用來補償或修正控制迴路412，如上述。
顯然，熟諳此藝者明白，本發明的範疇不受限於上文所討論的實施例，反而有可能有改善及修改而不脫離如隨附請求項所界定的本發明範疇。特別是，可做出本發明不同方面中之特定特徵的組合。藉由添加描述於本發明之另一方面的特徵，可進一步有利地增進本發明的一方面。儘管已用附圖及說明圖示及詳述本發明，然而此類圖解說明及描述應被視為僅供圖解或舉例說明而不是限制。
本發明不受限於所揭露的具體實施例。在實施所主張的本發明時，從附圖、說明及隨附請求項的研究，熟諳此藝者可了解及實現揭露具體實施例的變體。在請求項中，用字「包含(comprising)」不排除其他的步驟或元件，且不定冠詞「一(a)」或「一(an)」不排除複數個。以互不相同的附屬請求項來陳述一些措施的作法不表明該等措施的組合不能用來獲益。請求項中的任何元件符號應不被視為本發明範疇的限制。
100‧‧‧三維模製系統101‧‧‧管狀饋入構件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‧‧‧門架107‧‧‧連接件/互連件108‧‧‧模製材料109‧‧‧先前沉積軌道110‧‧‧沉積的FDM軌道/沉積層110a‧‧‧模製材料的新軌道110b‧‧‧模製材料施配不完全的軌道110c‧‧‧過度擠出的模製材料軌道110d‧‧‧緊配合地沉積的模製材料軌道110e‧‧‧比先前沉積軌道寬的模製材料軌道111‧‧‧位移感測器112‧‧‧流量控制系統113‧‧‧驅動系統114‧‧‧流量調節器模組115‧‧‧減法單元120a、120b‧‧‧饋入通道121‧‧‧三維模製列印頭201‧‧‧空腔或間隙202‧‧‧脊突400‧‧‧在列印頭內用於流量控制的三維模製系統401‧‧‧轉矩感測器402‧‧‧壓力調節模組403‧‧‧減法器412‧‧‧用於壓力控制的控制系統500‧‧‧在噴嘴尖端用於流量控制的三維模製系統501‧‧‧位移感測器502‧‧‧回彈性連接構件503‧‧‧XYZ定位系統504‧‧‧基底601-604‧‧‧壓力感測器701‧‧‧第一軌道702‧‧‧第二軌道703‧‧‧使用壓力控制的第三或中間軌道801‧‧‧第一軌道堆疊802a-802b‧‧‧相鄰軌道‘S’‧‧‧流量設定點‘X’‧‧‧每一單位時間的位移PR‧‧‧壓力設定點或參考值PM‧‧‧指示壓力的測得參數/第一參數‘H1’‧‧‧流量控制轉換函數‘H2’‧‧‧流量控制轉換函數
圖1a根據習知技術圖示用於三維模製的系統。
圖1b的方塊圖根據習知技術圖示用於控制三維模製系統的控制系統。
圖2a至圖2c根據習知技術圖示三維模製系統的數個方面。
圖3a至圖3b根據本發明之一具體實施例圖示三維模製系統的數個方面。
圖4a根據本發明之一具體實施例圖示用於三維模製的系統。
圖4b的方塊圖根據本發明之一具體實施例圖示用於控制三維模製系統的控制系統。
圖5根據本發明之一具體實施例圖示用於三維模製的系統。
圖6a至圖6d根據本發明之一具體實施例圖示三維模製系統的數個方面。
圖7a至圖7c根據本發明之一具體實施例圖示三維模製系統的數個方面。
圖8a至圖8b根據本發明之一具體實施例圖示三維模製系統的數個方面。
101‧‧‧管狀饋入構件
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‧‧‧門架
107‧‧‧連接件/互連件
108‧‧‧模製材料
109‧‧‧先前沉積軌道
110‧‧‧沉積的FDM軌道/沉積層
113‧‧‧驅動系統
120a、120b‧‧‧饋入通道
121‧‧‧三維模製列印頭
400‧‧‧在列印頭內用於流量控制的三維模製系統
401‧‧‧轉矩感測器

Claims (30)

  1. 一種用於建立三維物件的三維模製系統，其包含：一個三維模製列印頭；該列印頭附接至一定位構件，其用以使該列印頭與正被印製之物件中之至少一者彼此空間性地相對移動；該列印頭包含：一管狀饋入構件；配置在該管狀饋入構件之一端的一噴嘴，該噴嘴有一噴嘴出口與用於介接在待建立的該物件上的模製材料之先前沉積軌道的一噴嘴尖端；該管狀饋入構件包含用於饋入模製材料至該噴嘴出口的一饋入通道；該系統進一步包含：配置於該管狀饋入構件在該噴嘴對面之一端的一模製材料饋入構件，其中，該模製材料饋入構件經配置為可用於使一壓力朝向該噴嘴施加於在該饋入通道內的該模製材料；該系統進一步包含：一壓力判定構件，其用於判定指示施加於該模製材料之一壓力的一第一參數；該系統進一步包含：一控制系統，其經配置為可基於指示施加於該模製材料之一壓力的該經判定之第一參數來控制該模製材料饋入構件；其中該控制系統經配置為可用於控制該定位構件及該列印頭，以供下列動作用： 沉積兩個第一軌道，其中該等兩個第一軌道被隔開，且沉積在該等兩個第一軌道之間的一中間軌道，同時使用指示施加於該模製材料之一壓力的該第一參數來控制施加於該模製材料的該壓力。
  2. 如請求項1之系統，其中，該控制系統經配置為可用於控制該模製材料饋入構件，以使指示施加於該模製材料之一壓力的該第一參數維持在一預定最小壓力值與一預定最大壓力值之間。
  3. 如請求項1之系統，其中，該控制系統經配置為可用於使指示施加於該模製材料之一壓力的該第一參數維持在一恆定值。
  4. 如請求項1之系統，其中，該模製材料饋入構件包含一可控驅動器與一傳動構件，其用於傳遞由該驅動器產生的一驅動力至該模製材料。
  5. 如請求項4之系統，其中，用於判定指示施加於該模製材料之一壓力之該第一參數的該壓力判定構件包含：用於判定指示施加於在該饋入通道內之該模製材料的一壓力之一第二參數的一壓力判定構件。
  6. 如請求項5之系統，其中，該可控驅動器包含一旋轉驅動器，且其中，用於判定指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之該壓力之該第二參數的該壓力判定構件包含：用於判定由該旋轉驅動器及/或傳動系統施加之一轉矩的一轉矩判定構件。
  7. 如請求項6之系統，其中，該可控驅動器包含一電動馬達，且其中，該轉矩判定構件包含一馬達電流測量構件。
  8. 如請求項5之系統，其中，該模製材料饋入構件包含用於將模製材料棒桿饋入該管狀饋入構件的一柱塞，且其中，用於判定指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之該壓力之該第二參數的該壓力判定構件包含：一壓力感測器，其配置在該柱塞並用於測量由該柱塞施加於該模製材料的該壓力。
  9. 如請求項5之系統，其中，用於判定指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之該壓力之該第二參數的該壓力判定構件包含：連接至該管狀饋入構件之該饋入通道的一壓力感測器。
  10. 如請求項9之系統，其中，用於判定指示施加於在該饋入通道內之該模製材料之該壓力之該第二參數的該壓力判定構件包含：在該噴嘴處連接至饋入通道的一壓力感測器。
  11. 如請求項10之系統，其中，該壓力判定構件包含一噴嘴變形感測器。
  12. 如請求項1之系統，其中，用於判定指示施加於該模製材料之一壓力之該第一參數的該壓力判定構件包含：用於判定指示施加於在正被沉積之該中間軌道內之該模製材料之一壓力的一第三參數的一壓力判定構件。
  13. 如請求項12之系統，其中，用於判定指示施加於在正被沉積之該中間軌道內之該模製材料之一壓力之該第三參數的該壓力判定構件包含：一壓力感測器，其在該噴嘴尖端處有一流體通道並用於測量在該噴嘴尖端處之該沉積模製材料的一壓力。
  14. 如請求項12之系統，其中，用於判定指示施加於在正被沉積之該中間軌道內之該模製材料之一壓力之該第三參數的該壓力判定構件包含：配置在該列印頭與該定位構件之間的一力感測器。
  15. 如請求項14之系統，其中，該力感測器配置在該列印頭與該定位構件的一互連件處。
  16. 如請求項12之系統，其中，用於判定指示施加於在正被沉積之該中間軌道內之該模製材料之一壓力之該第三參數的該壓力判定構件包含：配置在一基底上的一力感測器，該基底經配置為可用於收容該待建立物件。
  17. 如請求項1至16中之任一項所述的系統，其進一步包含：一模製材料流量判定構件。
  18. 如請求項17之系統，其中，該流量判定構件包含：用於判定該模製材料饋入構件之位移的一位移感測器，且其中，該控制系統經配置為可用於藉由判定每一單位時間的一位移來判定該流量。
  19. 如請求項17之系統，其中，該流量判定構件包含：用於判定該模製材料之流量的一流量感測器。
  20. 如請求項6之系統，其進一步包含一模製材料流量判定構件，其中，該流量判定構件包含用於判定該驅動器之一轉速的一感測器。
  21. 如請求項17之系統，其中，該控制系統經進一步配置為可使用該經判定之模製材料流量來交替控制該模製材料的一流量。
  22. 如請求項21之系統，其中，該控制系統經進一步配置為可控制該定位構件及該列印頭用於沉積該等兩個第一軌道，同時控制該模製材料的流量。
  23. 一種用於建立三維物件的三維模製方法，其包含：使用如請求項1之三維模製系統來執行三維模製該三維物件的步驟，其包含：使用該模製材料饋入構件饋入該模製材料；判定指示施加於該模製材料之一壓力的一第一參數；根據指示施加於該模製材料之該壓力的該第一參數來控制該模製材料饋入構件；沉積三維模製材料的兩個第一軌道，其中該等兩個第一軌道被隔開；與沉積在該等兩個第一軌道之間的一中間軌道，同時使用指示施加於該模製材料之一壓力的該第一參數來控制施加於該模製材料的該壓力。
  24. 如請求項23之方法，其中，根據指示 施加於該模製材料之該壓力之該第一參數來控制該模製材料饋入構件的步驟包含：比較指示施加於該模製材料之該壓力的該第一參數與一參考值；且其中該控制步驟係基於該第一參數與該參考值的差額。
  25. 如請求項24之方法，其中，根據指示施加於該模製材料之該壓力的該第一參數來控制該模製材料饋入構件的步驟包含：使指示施加於該模製材料之該壓力的該第一參數維持在一先前經判定之最小壓力值與一先前經判定之最大壓力值之間。
  26. 如請求項25之方法，其中，根據指示施加於該模製材料之該壓力的該第一參數來控制該模製材料饋入構件的步驟包含：使指示施加於該模製材料之該壓力的該第一參數維持在一先前經判定之恆定值。
  27. 如請求項23之方法，其中，判定指示施加於該模製材料之一壓力之該第一參數的步驟包含：判定一第二參數，其指示施加於在該管狀饋入構件及/或噴嘴之該饋入通道內之該模製材料的一壓力。
  28. 如請求項23之方法，其中，判定指示施加於該模製材料之一壓力之該第一參數的步驟包含：判定一第三參數，其指示施加於在正被沉積之該軌道內之該模製材料的一壓力。
  29. 如請求項23之方法，其進一步包含：判定一模製材料流量；使用該模製材料流量來交替控制該模製材料的一流量。
  30. 如請求項29之方法，其進一步包含：沉積該等兩個第一軌道，同時控制該模製材料的流量。
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