TWI795542B - 產生用於三維列印過程之經調適控制指令之技術 - Google Patents

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Abstract

數種方法及系統，其經配置可得到待製3D物件的電子3D模型。該方法進一步包含：基於該電子3D模型以及該製造過程的過程參數來產生數個控制指令，判定表示該電子3D模型的一網格模型，該網格模型包含各有可被該等過程參數中之至少一者影響之至少一性質的數個元素，而且使用該等控制指令、該網格模型及該等過程參數隨時間執行該製造過程的模擬。該模擬包含：為該網格模型的各元素確立該至少一性質相對於彼之一基準的一偏差，其中，該偏差由該等過程參數中之至少一者引起，以及確立該網格模型之該各元素之該至少一性質的一調適以補償該偏差。施用該調適於產生控制指令的該過程以得到至少一經調適控制指令。

Description

產生用於三維列印過程之經調適控制指令之技術
本發明係有關於一種產生用於利用3D列印材料擠出(ME)過程之3D物件製造過程之經調適控制指令的方法。本發明進一步有關於一種利用3D列印ME過程之3D物件製造方法。本發明進一步有關於一種產生用於利用3D列印ME過程之3D物件製造過程之經調適控制指令的系統。本發明進一步有關於一種利用3D列印ME過程來製造3D物件的系統。
在3D模製中，更特別的是，在材料擠出(ME)式的3D列印中，物件的形成係藉由以控制方式層疊模製材料致使可建立具有所欲三維形狀的物件。三維模製極常使用三維模製列印機。列印機有三維活動列印頭，該列印頭是在模製材料的先前堆積軌道上方移動時施配模製材料。
待製物件可放上基底。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。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。有各種選項用於使模製物件於其上的基底與列印頭互相相對移動。
列印頭的運動由控制系統控制，其係控制列印頭附接至它的可控定位系統。用軟體，可產生軌道的圖案，此圖案用來移動列印頭以及用來堆積軌道。
物件確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、樹脂或懸浮液。
也被稱為原料材料的模製材料從列印頭通過噴嘴來施配且以軌道的形式堆積於基底上而形成一層軌道，或在已堆積待建立物件的前一層時，堆積於物件的先前堆積軌道上，讓它凝固。模製材料可與先前堆積軌道以熱或化學或其他方式熔合。
基底及物件與列印頭沿著軌道的相對運動以及同時堆積來自列印頭的模製材料允許熔合堆積的模製物件隨著各個堆積軌道成長且逐漸得到它的所欲形狀。
在使用利用ME過程的3D列印從熔融聚合物產生物件時，材料的密度隨著溫度降低而增加。因此，物件會收縮。這對擁有較高收縮百分比的半結晶聚合物更為重要。
如果ME過程相對於降溫很快，則收縮通常可能是均勻的且可藉由產生有較大百分比的物件來補償。立即模製物件的本技藝注射成型生產過程近似這種性能。
在使用ME過程以極低速度製造物件時，來自噴嘴的ME原料在堆積後立即會隨著它冷卻而收縮。這 意謂，可列印比物件尺寸實際所需稍微大些的各個模製材料軌道或路。在冷卻後，最終產品的形狀則會與3D模型的形狀近似。
不過，當ME技術用在實際的速度時，相較於冷卻過程的熱時間常數，列印一層的時間不合適。待製物件的外部比內部更快地冷卻。這造成熱陷在列印物件內。從而，物件外部的收縮進展比物件內部的收縮快。
這可能造成列印物件的內部機械應力及變形。從而，可能得到不準確的物件形狀。隨著堆積材料冷卻，熱通過物件的頂面及側面釋出。因此，熱從列印區流到側壁而產生等溫線(isotherms)。這意謂，物件的核心仍比側邊溫熱。這造成一般要為平面的頂面彎曲。在由於收縮而隨後彎曲引起待製物件與列印物件之列印頭之間的間隙變太大或變太小時，在列印期間可能發生可能的失敗。
當藉由施加例如樹脂的化學原料材料且隨後使其固化來製造物件時，熱產生與原料材料在固化時的膨脹或收縮都可能造成物件相對於電子3D模型的變形。
更一般而言，在ME過程期間，ME原料材料的某些ME過程參數，例如溫度、密度，在待製物件內可能局部或全域改變。這些過程參數也可能在過程期間隨時間改變。這種改變可能影響待製3D物件的機械性質。此種機械性質的實施例為物件尺寸。不過，不只3D物件的尺寸在ME過程期間可能改變。例如楊氏模數、密度等等的其他機械性質在ME過程期間也可能由於過程參數在ME過 程期間改變而改變。
拿溫度作為ME過程參數的實施例以及物件尺寸作為3D物件之性質的實施例，3D物件的變形可能如上述發生。3D物件的變形可能為收縮與翹曲中之至少一者。此類變形在ME過程內可能導致進一步的後果。例如，由於溫度在ME過程期間改變而引起收縮，噴嘴與先前堆積原料材料之間的間隙可能出乎意外改變。相較於基於3D模型的預期結果，這可能導致實際製造3D物件及其機械性質的進一步偏差。
可補償此類變形及偏差。
在熔合堆積模製(FDM)技藝所習知的補償方法中，藉由補償由電子3D模型指定之預期形狀的外表面，可補償由溫度改變引起的收縮。因此，藉由放大電子3D模型，可補償收縮，不過，無法補償噴嘴與3D物件之間的上述間隙在列印期間的改變。3D物件的全域放大可補償全域尺寸變形。不過，在3D物件在製造之後的冷卻後，3D物件的數個部份可能變形且失去預期形狀。
再者，可施用電子3D模型的局部補償。例如，藉由堆積一或多個額外ME原料材料層於預期冷卻後會有凹陷的位置處，可補償在製造期間實際製造3D物件在冷卻後有凹陷的預期平坦水平表面。不過，由於有由堆積附加補償層引起的抖動問題，此一辦法的結果可能造成物件外表面粗糙。
使用3D列印ME過程的3D物件製造過程可 進一步包含後處理過程。此類後處理過程可能涉及3D物件的退火。退火3D物件允許減少物件內的殘餘應力。在本技藝中，退火的執行係藉由產生用於控制在退火爐中之退火時間及溫度曲線的控制指令，這與3D物件無關。在本技藝中，此後處理的優化，亦即退火，可能構成手動操作，因為後處理為所產生殘餘應力為未知的開環過程。
本發明的目標是要克服與FDM技藝習知補償方法有關的上述問題及缺點。達成此目標用一種產生用於利用3D列印材料擠出(ME)過程之3D物件製造過程之經調適控制指令的方法，如請求項1所述。
該方法包含得到該待製3D物件的一電子3D模型。該方法進一步包含：產生基於該電子3D模型與該製造過程之數個過程參數的控制指令，判定表示該電子3D模型的一網格模型，該網格模型包含各有可被該等過程參數中之至少一者影響之至少一性質的數個元素，以及使用該等控制指令、該網格模型及該等過程參數隨時間執行該製造過程的模擬。該模擬包含：為該網格模型的各元素確立該至少一性質相對於彼之一基準的一偏差，其中，該偏差由該等過程參數中之至少一者引起，以及確立該網格模型之該各元素之該至少一性質的一調適以補償該偏差。施用該調適於該等控制指令以得到至少一經調適控制指令。
該等經調適控制指令允許製造在下列中之至少一者後對電子3D模型依然準確的數個3D物件：在製 造過程結束時冷卻到室溫以及在根據使用規範來使用列印3D物件期間。本發明製造過程的模擬允許預測待列印3D物件的性質以及相較於基準的偏差。網格模型之各元素的至少一性質可與3D物件的至少一物理性質關聯。此類物理性質的實施例為物件變形與機械應力。
網格模型之各元素的至少一性質可被該製造過程的過程參數影響，例如設定至用於執行製造過程之預定值的溫度。過程參數使用於模擬以及可確立過程參數對於電子3D模型之網格模型的影響。可使用於模擬的其他參數可包括由下列參數組成的群組中之至少一者：處理時間、列印頭速度、噴嘴溫度、噴嘴直徑、列印軌道寬度、層厚度、擠出速度、建構腔溫度、重力、建構板傾角、建構腔氣流、堆積材料固化速度、固化產熱率(curing heat production rate)等等。
在模擬中，不僅可判定單一性質，也可判定由數學聯繫性質組成之組合與基準的偏差。例如，在執行模擬使用作為過程參數的溫度時，可模擬待列印3D物件在網格模型中的溫度性能，包括3D物件的冷卻。冷卻可能造成收縮，亦即物件尺寸可能偏離由電子3D模型判定的基準。不過，收縮也在3D物件內造成殘餘應力，這可從物件尺寸偏差導出。為了優化，網格模型元素可被過程參數影響而可模擬的其他性質例如可包括但不限於由下列性質組成的群組中之至少一者：潛變、彈性、黏彈性、等向性、抗拉強度、屈服強度、熱容量、水平外表面的粗糙度、結 晶程度、列印時間、後處理時間、成本、及其組合。
從該至少一性質的偏差，可導出被模擬性質的調適以補償偏差。基於該性質的經確立調適，例如物件尺寸及收縮，可調適控制指令以得到至少一經調適控制指令，其致能至少部份補償該模擬所預測的偏差。以此方式，可優化製造過程。例如，該至少一經調適控制指令可包括一指令以製造初始比預計大些的3D物件以允許3D物件在冷卻後收縮到它的標稱尺寸。
因此，在減少有缺陷部件之風險以及改善列印形狀準確度的目標下，可修正材料在列印過程期間的局部及時間相依收縮。可優化的其他事項為在列印部件內部的殘餘應力或暫時支撐結構的存在及形狀。
在一具體實施例中，產生該等控制指令的步驟包含：產生至少一電子工具路徑，其包含：基於該電子3D模型，產生用於該ME過程之原料材料的至少一堆積順序，判定表示該待製3D物件之一層的至少一電子切片(electronic slice)，判定用於該至少一電子切片中之各者的至少一電子工具路徑。根據該堆積順序，執行判定該至少一電子切片的步驟以及判定該至少一電子工具路徑的步驟。
在此具體實施例內的步驟大體被稱為可使用所謂切片器軟體執行的切片(slicing)。該切片係指ME過程，用它產生控制3D列印機的電子工具路徑以致能堆積原料材料於落在對應至生成電子切片之層內的軌道或路 中。
該堆積順序判定切片器軟體如何從3D物件的電子3D模型來產生電子切片及工具路徑。堆積順序經常是由下向上，其中，在3D物件的預計底面開始產生電子切片。在先前產生的電子切片上面產生後續的電子切片。
在各電子切片內，取決於3D物件在電子3D模型內的子結構，可能出現一或多個島狀物，其中，各島狀物為在對應子結構之電子切片內的橫截面。
從在電子切片內的島狀物，可生產電子工具路徑。切片器軟體，例如可被電子切片的數學空間變形(mathematically spatially morphing)影響，以及空間調適工具路徑。
在一具體實施例中，隨時間執行該製造過程之模擬的步驟包含：該ME過程的模擬，其包含判定該網格模型之該等元素對應至該至少一堆積順序的至少一啟動順序，以及根據該啟動順序，執行該ME過程的該模擬以得到一ME模擬結果。
在網格模型的模擬期間，可根據啟動順序來啟動網格元素。啟動順序涉及包括在模擬時主動參與的網格元素，然而在啟動前，網格元素不參與模擬。網格模型允許有限元素方法用於分析及模擬在ME過程期間的電子3D模型。網格模型之元素的啟動順序對應至至少一電子工具路徑的堆積順序允許在對應至將會在ME過程期間製造3D物件之次序的時間基礎上執行模擬。
在一具體實施例中，判定一啟動順序的步驟包含下列步驟中之一者：空間映射該至少一電子工具路徑於該網格模型的元素上，以及空間映射該至少一電子切片於該網格模型的元素上。
在堆積順序用於產生電子工具路徑時，啟動順序可跟隨電子切片的產生或電子工具路徑的產生。
在一具體實施例中，產生該至少一堆積順序的步驟包含：產生複數個互不相同堆積順序，且其中，執行該ME過程之該模擬的步驟包含：重覆以下步驟直到該偏差低於一第一預定臨界值：產生至少一電子工具路徑的步驟，其使用於該等複數個互不相同堆積順序中之一者的每次重覆；與，該ME過程的模擬步驟，其使用於各自對應至該一堆積順序之一啟動順序的每次重覆。
在確立低於該第一預定臨界值之該偏差後，各自選擇該一堆積順序以得到一較佳堆積順序。
如此，可從由數個堆積順序組成的群組確立最佳的堆積順序，其中，該至少一性質的偏差遵從某一標準。因此，例如，可判定物件尺寸的最佳配合，或殘餘機械應力的最小值。
在一具體實施例中，隨時間執行該製造過程之該模擬的步驟包含：使用至少一係數，其表示該等過程參數中之至少一者與該至少一性質的一關係。此類係數的實施例為熱膨脹係數、楊氏模數、熱導率、黏度指數、熱 傳遞係數、比熱容量、帕松比(Poisson ratio)、對流係數、熔化溫度、反應速率常數等等。
在一具體實施例中，該至少一係數為時間相依、各向異性及溫度相依中之至少一者。
藉由逼近材料性質可完成模擬及補償，亦即假定係數在列印過程期間為恆定值。實際上，例如楊氏模數、熱膨脹係數、黏性、熱導率、比熱容量的性質為溫度的函數。特別是，在列印半結晶材料時，溫度相依性可能為非線性。聚合物也已知有強時間相依性能，例如黏彈性，更具體言之，潛變或應力鬆弛。使材料結晶的溫度也取決於冷卻速率(亦即冷卻的速度)。
在擠出聚合物時，剪力可能出現在噴嘴造成分子沿著流動對齊。因此，例如熱膨脹係數、楊氏模數及熱導率等等的材料性質在列印方向與在垂直於列印方向的方向有不同的數值。如果模型納入考慮這些相依性中之一或多個，則補償會更準確。
在一具體實施例中，基於該偏差來判定用於該網格模型之各元素之該至少一性質之一調適的步驟包含：用下列步驟中之一者執行判定用於該網格模型之各元素之該調適的步驟：使該偏差符號顛倒，以及使該至少一係數符號顛倒與使該至少一係數呈倒數中之一者。
例如，如果發現例如變形的空間偏差，顛倒該變形可得出補償。
例如，可判定網格模型在模擬期間的變形向量場。藉由(符號)顛倒該變形向量場，可判定在該網格模型中的補償向量場，例如，這可能牽涉在ME過程期間用於收縮的空間補償。
如果發生上述變形向量場，得到補償向量場的替代方式是藉由使熱膨脹係數符號顛倒，然後直接導出各元素在列印時的模擬變形。例如，如果模擬使用熱膨脹係數的符號顛倒值，物件看似它在冷卻時成長，這直接產生補償向量場。
該等至少一性質中之一者可能不使用係數來線性聯繫於ME過程參數。替換地，藉由顛倒該係數，可判定用於網格模型之元素之性質偏差的補償，這可能牽涉使用該係數的倒數值。這可有效地補償該偏差。
判定調適的另一辦法涉及儲存執行該ME過程之該模擬的模擬結果，其係以顛倒的次序使用該啟動順序以及使用該等儲存模擬結果並且賦予由該模擬以顛倒的次序產生的該偏差給該調適。
例如，可以顛倒的次序模擬在3D列印期間的熱膨脹與在冷卻期間的收縮。機械網格模型初始(亦即，在列印、退火及最終冷卻後)會有預期形狀且在模擬時間倒退時會隨著溫度上升而膨脹。因此，在列印期間在升高的溫度下使用膨脹的尺寸來調適建立3D物件的控制指令，物件會在冷卻後收縮到預期形狀。
在一具體實施例中，該基準包含該電子3D模 型的3D尺寸以及該偏差包含該網格模型之3D尺寸相對於該電子3D模型之3D尺寸的一空間變形，且其中，用於該網格模型之各元素的該調適包含一空間補償。施用該調適於產生該等控制指令的步驟包含：施用該空間補償於該至少一電子工具路徑以得到至少一經空間補償之電子工具路徑，以及確立包含該至少一經空間補償之電子工具路徑的該至少一經調適控制指令。
在施用空間補償於電子工具路徑之後，藉由考慮到例如由冷卻後的收縮、或列印材料的應力鬆弛、或ME過程完成後的膨脹引起的變形，經空間補償之電子工具路徑允許該3D物件的製造致使3D物件的形狀準確地匹配電子3D模型的形狀。此具體實施例的優點在於模擬更準確地預測列印過程，因為熱的模型化在地點及時間上更精確。
在一具體實施例中，施用該空間補償於該至少一電子工具路徑的步驟包含：施用使用該ME模擬結果的一座標轉換於該至少一電子工具路徑中之各者。
一旦產生電子工具路徑，在空間補償之後，座標轉換可施用於電子工具路徑以得到經調適電子工具路徑。如此，在用於3D列印的實際ME過程中，可遵循空間上彎曲的工具路徑，其允許堆積原料材料於空間上彎曲的軌道中。電子工具路徑變成在3個維度可調適，且因此會更準確地遵循正在列印之物件的頂面，儘管它由於局部變形而尚未平坦。
對比於只補償物件外表面，補償電子工具路徑以及致能它們在三維中變得彎曲可考慮到在垂直方向的局部收縮且有助於確保以準確的厚度列印所有的列印軌道。這保證與局部熱積蓄無關的恆定壓力且大體提高過程的可靠性。
此外，允許列印路徑彎曲確保水平外表面的粗糙度不會被抖動問題提高。
在一替代具體實施例中，施用該空間補償於該至少一電子工具路徑的步驟包含：施用使用該ME模擬結果的一座標轉換於該至少一電子切片中之各者以得到至少一經空間補償之電子切片，以及執行使用該至少一經空間補償之電子切片中之各者判定至少一電子工具路徑的步驟。
根據本發明方法的此一具體實施例，判定第一經空間補償之切片，使用判定至少一電子工具路徑的步驟，從它可產生經空間補償之工具路徑。
在一具體實施例中，產生控制指令的步驟包含：產生由可啟動且可停用之數個視需要電子工具路徑組成的至少一群組，以及其中，執行該ME過程之該模擬的步驟包含：對於由數個視需要電子工具路徑組成之該至少一群組的每個群組：停用由數個視需要電子工具路徑組成的該各個群組以得到一被停用的各個群組，執行該ME過程的 模擬，以及確立該ME過程之該模擬的該偏差是否高於一第二預定臨界值。
在確立高於該第二預定臨界值的該偏差後，啟動該被停用的各個群組。
由視需要電子工具路徑組成的群組可能涉及待列印3D物件的一特殊特徵，例如支撐結構。使用與製造3D物件之原料材料不同的原料材料，可堆積此類支撐結構。支撐結構的原料材料最好可移除，例如利用可溶的材料，更具體言之，利用水溶性材料，或列印易拆式支撐物以及使它脫落。支撐結構防止3D物件的特徵在ME過程期間倒塌。當製造過程完成時，可移除支撐結構。
需要支撐結構之特徵的實施例可為一端附接至3D物件之主體而另一端自由地伸入空間的水平梁。
在電子3D模型遇到3D物件這樣的特徵時，可將產生基於該3D模型之控制指令的步驟配置成可產生由用於該支撐結構之視需要電子工具路徑組成的群組。藉由停用由與支撐結構有關之視需要電子工具路徑組成的群組，可執行使用經停用之工具路徑的模擬。當模擬成功時，且模擬結果確立ME過程之模擬的偏差低於第二臨界值，與支撐結構有關的視需要電子工具路徑可保持停用。在此情形下，顯然不需要支撐結構且在不使用它們下可達成在規範內的3D物件。
不過，如果在ME過程之模擬期間確立的偏差超過第二臨界值，在不使用支撐結構下無法達成在規範 內的3D物件，且重新啟動與支撐結構有關的視需要電子工具路徑，以允許在製造過程期間使用支撐結構。
因此，優點是需要較少的支撐材料(亦即，支撐材料的消耗較少，列印物件的時間較少，以及後處理成本較少)。
在一具體實施例中，該ME過程的該模擬包含使用一有限元素方法的熱機械模擬。
這允許模擬使用3D物件被機械及熱性質影響之機械性質的有限元素方法(FEM)。
在一具體實施例中，該製造過程進一步包含：在該ME過程之後的一後處理過程，且其中，產生基於該電子3D模型及該製造過程之過程參數的控制指令的步驟包含：產生用於該後處理過程的數個後處理控制指令；與其中，隨時間執行該製造過程之該模擬的步驟進一步包含：使用該ME模擬結果以及使用該等後處理控制指令來執行該後處理過程的模擬。
這允許製造過程不僅僅是涵蓋原料材料堆積的ME過程。特別是，也可模擬後處理，在此後處理影響製造過程的結果。
在一具體實施例中，該等後處理控制指令包含退火過程指令。退火涉及使3D物件暴露於溫度-時間曲線，該曲線可用後處理控制指令設定，亦即退火過程控制 指令。此外，該退火過程的定時可用該等退火過程控制指令設定。
使用退火過程控制指令模擬該網格模型，可減少例如由殘餘應力引起的任何偏差。在列印3D物件內的總殘餘應力儘可能低為較佳。
在一具體實施例中，執行該後處理過程之模擬的步驟包含：確立複數個互不相同的後處理指令集合，且重覆下列步驟直到該偏差低於一第三預定臨界值：執行該後處理過程的該模擬，其使用於該等複數個互不相同後處理指令集合中之一集合的每次重覆，與在確立低於該第三預定臨界值的該偏差後，各自選擇該一後處理指令集合以得到一較佳後處理指令集合，以及確立包含該較佳後處理指令集合的該至少一經調適控制指令。
這允許利用不同的控制指令集合得到優化為較佳的後處理控制指令集合且判定該集合給出最佳的結果，其中，優化必要性質的偏差，亦即低於第三預定臨界值。
在一具體實施例中，隨時間執行該製造過程之該模擬的步驟包含：執行下列步驟直到該至少一性質的該偏差小於或等於一第四預定臨界值：使用來自前一個模擬的該等經調適控制指令在至少一疊代循環中執行該製造過程的該模擬，與施用來自該疊代循環的該調適於該等控制指令。
這允許使用疊代實現最佳的結果。初始控制指令利用模擬結果產生經調適控制指令且施用模擬結果於控制指令。以此方式，經調適控制指令在至少一性質的偏差低於第四預定臨界值時可實現。
利用經調適控制指令再度完成模擬循環且施用模擬結果於先前經調適控制指令，以得到新經調適控制指令，可得到優化的經調適控制指令。這可施用於ME過程控制指令與後處理控制指令兩者。
根據另一方面，用一種利用3D列印材料擠出(ME)過程的3D物件製造過程也可實現本發明的目標，其包含：使用用上述方法得到的至少一經調適控制指令。
這允許藉由考慮到由過程參數造成的偏差來補償製造過程，除此之外，該等偏差需要待製3D物件之電子3D模型的調適。
根據另一方面，用一種產生用於利用3D列印材料擠出(ME)過程之3D物件製造過程之經調適控制指令的系統達成本發明的目標，其包含設有一記憶體及數個程式指令的一處理器，其中，該處理器經配置成可用於執行上述方法的步驟中之任一者。
這允許在例如可專門用來產生經調適控制指令的電腦系統中執行本發明方法，其中，該調適基於製造過程的模擬。
又根據另一方面，用一種利用3D列印材料擠出(ME)過程來製造3D物件的系統達成本發明的目標，該 系統包含至少一列印頭，其用於堆積原料材料以建立該該3D物件，連接至該列印頭的一定位系統，其中，該定位系統經配置成可決定該列印頭相對於該3D物件的位置。
該系統進一步包含：經配置成可得到數個控制指令且使用該等控制指令來控制該定位系統的一控制器。
該系統進一步包含：如上述之一系統，其產生用於利用3D列印材料擠出(ME)過程之3D物件製造過程的數個經調適控制指令，其中，該控制器經配置成可從用於產生數個經調適控制指令的該系統得到數個經調適控制指令。
100:3D物件；物件
100’:虛線
101a、101b、101a’、101b’、401a、401b、401a’、401b’、401a”、401b”、405a、405b:柱體
102:橫樑；橫桿
102’、402:橫樑
103、403:基底
104:變形物件
105a、105b:象腳
106a、106b:熱中心線；中心線
107a、107b、407a、407b:凹痕
108:凸起變形形狀
200:軌跡
201、404、702:列印頭
202:弧形箭頭
203、707:3D物件
204、204’:位置
205、704:噴嘴
300a、300b、300c、300e:具體實施例；實施例
300d:具體實施例
301、302b、302c、302d、305a、305b、305c、305d、306c、306d、307a、307b、307c、307d:步驟
302a:處理步驟；步驟
303:過程參數；ME過程參數；參數
304a:控制指令
304b:電子工具路徑
304c:電子切片
304d:退火指令
306a、306b:步驟；模擬步驟
308a、308d:調適
308b:空間補償向量場；空間補償
308c:空間補償向量場
309:電子3D模型；3D模型
310、400、400’、400”:網格模型
311a、803:經調適控制指令
311b:經空間補償之電子工具路徑；電子工具路徑
311c:經空間補償之電子切片
311d:經調適退火指令
312:回饋
313、d:偏差
314:測試
402’:有凹面變形的橫樑
402”:向上彎曲橫樑
405a”、405b”:縮窄
406:完成的網格元素
407a”、407b”:隆凸
408:凸起變形
409:尚未完成的網格元素
500:實施例；變形網格模型
500’:實施例；經空間補償之網格模型
501、509:節點
502:空間變形向量
503:變形節點
504:未變形元素的邊界
505:空間補償向量
506:虛線
507:經空間補償之電子工具路徑；粗連續線
508:變形元素
600:房屋
601:露台
602:支撐結構
603:露台的模擬形狀
700:ME系統；系統
701:3D定位系統；定位系統
703:原料材料供應器
705:底板
706:控制單元
800:3D列印系統
801:電子3D模型
802:處理單元
X0:空間起始點；起始點
X1:空間終點；終點
圖1A根據習知技術圖示示範待製3D物件之3D模型的二維(2D)圖。
圖1B以橫截面示意比較根據本技藝習知3D列印過程製造之3D物件與圖示於圖1A之3D模型的2D圖。
圖2圖示使用ME系統製造之3D物件的示意橫截面。
圖3A的方塊圖圖示用於產生經調適控制指令的本發明方法之第一非限定性示範具體實施例。
圖3B的方塊圖圖示用於產生經空間補償之工具路徑的本發明方法之第二非限定性示範具體實施例。
圖3C的方塊圖圖示用於產生經空間補償之切片的本發明方法之第三非限定性示範具體實施例。
圖3D的方塊圖圖示用於產生經調適退火指令的本發明方法之第四非限定性示範具體實施例。
圖3E的方塊圖圖示用於產生經調適控制指令的本發明方法之第五非限定性示範具體實施例。
圖4A圖示待製物件之網格模型的一實施例。
圖4B圖示圖4A物件的模擬變形網格模型。
圖4C圖示圖4B物件的經空間補償之網格模型。
圖5A為圖4B網格模型的詳圖。
圖5B為圖4C網格模型的詳圖。
圖5C為圖4C網格模型的詳圖，其包括經空間補償之工具路徑的示意圖。
圖6A的示意橫截面圖根據本發明之一具體實施例圖示有支撐結構的示範待製3D物件。
圖6B的示意橫截面圖圖示在製造時不使用支撐結構的圖6A示範3D物件。
圖7的示意等角視圖圖示使用3D列印材料擠出(ME)過程來製造3D物件的系統。
圖8的方塊圖圖示使用3D列印材料擠出(ME)過程來製造3D物件的系統。
圖1A圖示示範待製之3D物件100之3D模型的二維(2D)圖。3D物件100有放在基底103上的兩個直立之柱體101a、101b，與橫跨柱體之頂部的橫桿102。根 據習知技術，物件100可使用利用材料擠出(ME)的3D列印系統製造。
習知技術的ME過程遵循物件100的形狀。在使用ME系統製造時，列印頭經控制成它可根據本技藝使用所謂切片器軟體工具產生的電子工具路徑來堆積原料材料，其中，3D物件100的3D模型被轉換為數個切片，亦即界定由下往上的3D物件層，該等切片用來產生致能ME系統的電子工具路徑以完成待製的3D物件100。當使用例如熔合堆積模製(FDM)技術來製造3D物件100時，用ME系統的列印頭逐層堆積處於高溫熔融狀態的ME原料材料以允許它與先前堆積層熔合。
在ME過程期間，3D物件的收縮會在進行堆積時以及在堆積過程完成時發生。在堆積期間及之後，3D物件的較早堆積部份會冷卻以及在這些部份內的溫度降低時，結果會發生收縮。3D物件會變形，這取決於製造3D物件的花費時間與ME原料材料的材料性質，例如楊氏模數、熱容量、暴露於較低溫度環境的表面積、原料熔化溫度Tm等等。結果，形成變形物件104，如圖1B所示。
圖1B圖示在ME過程結束時於冷卻後之變形物件104，在此物件的預期形狀用圖1B的虛線100’圖示。一開始，柱體101a’、101b’相對於圖1A之柱體101a、101b的預期形狀呈現收縮。在基底103處，柱體101a’、101b’兩者變成個別‘象腳’105a、105b。
當柱體101a’、101b’用橫樑102’連結 時，由於形成橫樑102’的層收縮而會把它們拉在一起。從現在開始，物件以柱體101a’、101b’的共同熱中心線為中心收縮而不是以個別熱中心線106a、106b為中心收縮。中心線106a、106b係顯示朝向對方傾斜。
橫樑102’的初始堆積層可相對快地冷卻。這些初始層在堆積新橫樑層時可能已收縮。新橫樑層在堆積後收縮，導致橫樑102’彎曲，這以凸起變形形狀108圖示。在遵循切片軟體所規畫的原始水平路徑時，列印頭噴嘴與3D物件之間的間隙可能變太小或太大，造成該原料材料擠出不足或擠出過度且最終導致列印工作失敗。
隨著橫樑102’在ME過程期間變得較厚時，後續橫樑102’層變形的可能性減少。因此，橫樑102’的寬度稍微小於基於物件100之預期形狀的預期值。此外，由於柱體101a’、101b’收縮不均勻，可能出現例如凹痕107a、107b的變形。
如上述，當使用例如3D列印機的ME系統來製造3D物件時，ME原料材料用ME系統的列印頭堆積於軌道中，其中，該等軌道係逐層配置。藉由使軌道與先前堆積層熔合，可得到3D物件。
ME原料材料的各軌道需要ME系統之列印頭會沿著它移動以堆積原料材料的電子工具路徑。關於ME系統，使用所謂切片器或切片器軟體可產生控制指令。切片器產生形式為電子切片的控制指令，亦即表示3D模型之一層的資料項，該層有允許ME系統堆積ME原料材 料於對應層中的預定厚度。切片可由下向上產生，讓ME原料材料的第一層堆積於基底上，以及連續一層一層地堆積其上。由於本技藝的大部份ME系統無法用單一動作堆積數層，各電子切片可用來產生對應至空間中之一軌跡的電子工具路徑，ME系統的列印頭必須沿著該軌跡移動以堆積ME原料材料於正確的位置以實際製造電子3D模型所描述的3D物件。
電子工具路徑可定義為表示空間起始點X0=(x0，y0，z0)與空間終點X1=(x1，y1，z1)以及起始點至終點之軌跡的資料項。將會沿著軌跡堆積ME原料材料數量E。沿著電子工具路徑軌跡的堆積速率可為沿著軌跡行進之路徑長度s的函數。在軌跡中，堆積速率可用ME列印頭沿著軌跡從起始點移到終點時的dE/ds表示。不過，堆積速率也可為在沿著軌跡行進時的空間座標函數。此外，堆積速率可為在沿著以dE/dt表示之軌跡時的時間函數。堆積速率進一步可為前述時間、路徑長度及空間座標函數的組合。堆積速率dE/ds或dE/dt在執行ME原料材料的堆積時大於零。
根據此一定義的電子工具路徑可實作為可由與ME系統一起使用之控制器或處理器處理的資料項。在此應用中，電子工具路徑受限於列印頭將會沿著它堆積ME原料材料於待製3D物件上的軌跡，因此是沿著dE/ds或dE/dt不為零的空間軌跡。列印頭在電子工具路徑外的行進軌跡在此應用中不被考慮，不過，行進時間包括在模擬 中，因為這些可能影響模擬結果。
在此應用中，為求簡化，假設電子工具路徑有單一軌跡。不過，可想到包括在電子工具路徑定義中各有起始點及終點的多條軌跡而不偏離所描述之本發明的教導。此外，電子工具路徑可由有重疊起始點及終點的環狀軌跡界定。
軌跡的數學描述可用例如多項式方程式、連貫的座標集合、聯繫的線段集合等等。此外，軌跡可數學描述為隨時間的空間函數。熟諳此藝者能夠選擇適當的數學軌跡描述。
為求簡化，假設列印頭位置、電子工具路徑及在其中之軌跡的笛卡兒座標系統。熟諳此藝者容易明白，可應用任何三維座標系統。此外，也為求簡化，假設列印頭處於用於在大體與重力垂直之向下方向堆積ME原料材料的直立位置。不過，可想到列印頭的其他位置及自由度。
應瞭解，在本技藝中，大部份電子工具路徑在各電子切片的平面內通常是彎曲的。再者，可想像到，堆積速率在急轉彎時不是常數，且堆積速率可調整到在這些情形下的堆積速率，反之亦然。在做行進運動時，列印頭經常縮回例如3毫米以防在結構的部份之間繪製薄線(亦即，在dS/dt≠0時，dE/dt≠0)。
圖2的示意橫截面圖示正在使用有列印頭201之ME系統列印的3D物件203，列印頭201有用於沿著 軌道堆積原料材料於3D物件上的噴嘴205。圖2圖示與列印頭201之細長中心線沿著它從位置204移到位置204’之電子工具路徑有關的軌跡200實施例。
假設存在用於在弧形箭頭202方向沿著軌跡200移動、旋轉及定位列印頭201的定位系統。列印頭201的噴嘴205根據軌跡200來堆積ME原料材料，以最終完成待列印的3D物件203。需要電子工具路徑以控制定位系統及列印頭執行原料材料的堆積。該電子工具路徑主要數學描述要由噴嘴從起始點X0行進到終點X1的軌跡200。由圖2可見，軌跡呈弧形，且允許前後相接地堆積原料材料軌道。在習知技術中，軌跡常落在對應至要依序堆積以建立3D物件之一層原料材料的非弧形平面中。
圖3A至圖3E的方塊圖圖示本發明方法的示範之具體實施例300a至300e。
在圖示該方法之概括的實施例300a的圖3A中，在步驟301，可得到描述待製3D物件的電子3D模型309。這可用外部經由通到設計及/或儲存電子3D模型於其中之另一電腦或處理器的連線來接收電子3D模型的處理器或電腦得到。該電子3D模型也可從儲存電子3D模型於其中的記憶體得到，或從產生電子3D模型309的任務(task)或行程(process)經由通訊鏈路來得到。
處理步驟302a包含產生用於在ME系統中使用電子3D模型309來製造3D物件的控制指令304a。控制指令304a可包含數個電子切片、數個電子工具路徑、以及 控制器或控制單元可用來控制ME系統的其他指令，以堆積原料材料直到完成3D物件的製造，且包括涵蓋製成3D物件之退火的後處理。
使用過程參數303基於電子3D模型309來產生控制指令304a。過程參數303涵蓋用於完成ME過程及後處理的所有過程階段。過程參數303可包括例如處理時間、列印頭速度、噴嘴溫度、噴嘴直徑、列印軌道寬度、層厚度、擠出速度、建構腔溫度、建構板傾角、建構腔氣流、堆積材料固化速度、固化產熱率等等。
與產生控制指令(步驟302a)並行，在步驟305a從電子3D模型309可判定網格模型310。
網格模型310的結構化可使用本技藝所習知的適當有限元素方法(FEM)模型。網格模型有數個互連網格元素，彼等使用基於ME過程參數303與數學上被這些ME過程參數影響之性質的數學關係相互作用。
在一實作中，使用習知熱機械FEM模型來判定網格模型(步驟305a)，網格模型中與一或多個待製3D物件有關的元素在模擬開始時全部聯繫在一起。
優化處理時間的方法之一是選擇不同的模擬方法，例如顯性FEM模擬、隱性數值模擬、基於立體像素的模擬或無網格模擬。
優化處理時間的另一方法是在列印位置附近使用極細網格，但是較粗的網格用於模擬機械性質在空間及/或時間中有較小梯度的模擬部份。這可藉由把由遠離 熔池之元素組成的群組組合成有較少自由度的較大結構達成，或藉由把結構的這些部份換成另一網格。
在步驟306a，網格模型310用來模擬控制指令304a。該模擬允許由控制指令304a引進網格模型310的過程參數303影響待判定網格元素的性質。以此方式，可判定一或多個性質與基準的偏差，如果控制指令304a在沒有任何調適下用來實際製造3D物件，這可能發生。若有偏差，則可判定該一或多個性質的補償。
從該補償，在模擬期間也可判定控制指令的調適，該調適在施用於控制指令時導致ME系統製造可能會發生偏差補償的3D物件。在步驟307a，調適308a可施用於控制指令304a，這允許得到經調適控制指令311a。經調適控制指令311a可使用於ME系統以製造在ME過程結束時很像原始的電子3D模型309而且沒有在步驟306a之模擬所預測之偏差的3D物件。熟諳此藝者會明白，利用本發明方法，原始電子3D模型不需要修改以考慮到由所用ME過程造成的任何預測偏差。控制指令304a的調適308a可施用於控制指令的空間效應、時間效應、過程參數中之至少一者，這在以下實施例中會進一步加以闡明。
圖3B的方塊圖圖示本發明方法的第二非限定性示範之具體實施例300b。
在具體實施例300b中，得到3D物件之3D模型的步驟301可與圖3A的具體實施例300a相同。產生控制指令(步驟302b)可包含產生電子工具路徑304b，它可用 來控制ME系統以製造3D物件。電子工具路徑304b可使用本技藝習知的所謂切片器軟體產生。該切片器軟體常常是以由下向上的方式從電子3D模型309判定切片。不過，可應用按照切片器軟體之政策集合所判定的任何其他方式。該等切片可包含對應至3D物件之支線(ramification)的一或多個島狀物。該等切片及支線隨後用來判定電子工具路徑304b，它可用來控制ME系統，例如3D列印機。電子工具路徑304b可使用例如G碼(G-code)產生。熟諳此藝者會明白，可使用任何適當的數值控制(NC)程式設計語言。在步驟302b由切片器軟體產生的電子工具路徑304b提供工具路徑軌跡、位置、堆積速率、定時等等，以及根據由切片器軟體之參數303設定之原料材料層堆積順序的時間相依次序。
步驟305b從電子3D模型309建立網格模型310。在步驟305b的一示範實作中，網格模型的元素按照時間相依次序建立，這與在ME過程期間堆積原料材料的次序相似。
在步驟305b的一替代實作中，一次逐步建立整個網格模型310，但是尚未列印的元素取得極低的勁度。在步驟305b的又一替代實作中，可一次逐步建立整個網格模型310，但是補償尚未列印之網格元素的應力或變形。
又在步驟305b的另一實作中，為了得到最大準確度，可沿著由列印頭指示之電子工具路徑且接通(黑 色)網格元素的軌跡來建立網格模型310的元素，這在以下說明圖4A時進一步解釋。
作為另一替代例，使用來自產生控制指令之步驟的切片，可判定網格模型。
電子工具路徑304b可使用於步驟306b的模擬。由於電子工具路徑304b主要提供列印頭的軌跡，電子工具路徑304b可映射於網格模型310上。較佳地，電子工具路徑304b的位置、次序、定時及軌跡可用來確立網格模型310之網格元素的啟動順序，其對應至用切片器軟體設定值判定的堆積順序。替換地，根據啟動順序之網格元素的啟動也可意指添加新元素至勁度矩陣與循序地改變已界定網格模型310中之元素的性質(例如楊氏模數)中之至少一者。
當根據啟動順序在步驟306b模擬網格模型310時，網格元素性質可顯出對應至3D物件在使用ME過程列印時之真實世界性能的時間相依性能。
不過，啟動順序可替換地與網格模型310之結構化同時地從電子3D模型309由下向上產生。粗略近似例如可藉由假設不變的原料材料流率，從而確保總時間近似切片器所預測的時間。
更具體言之，當使用啟動順序執行網格模型的熱機械模擬時，取決於像是在真實世界之中的堆積溫度、環境溫度及材料性質，可逐漸形成作為網格元素性質的網格模型尺寸及形狀。
在步驟306b的模擬期間，模擬後的物件尺寸及形狀可與電子3D模型309作為基準的原始尺寸及形狀做比較。在熱機械模擬中可判定它與原始形狀及尺寸看似空間變形的偏差作為空間變形向量場，亦即由網格模型310之各元素的空間變形向量組成的場。基於空間變形向量場，可判定空間補償向量場，亦即由網格模型之各元素之空間補償向量組成的場。空間補償向量場用來得到製成3D物件的尺寸及形狀，其對應至原始電子3D模型之形狀及尺寸。在施用調適的步驟307b中，空間補償308b可用作電子工具路徑304b的調適，此係藉由使用空間補償向量場對電子工具路徑軌跡執行座標轉換。
經空間補償之電子工具路徑311b允許以空間上彎曲的方式堆積原料材料，如圖2所示，藉此補償熔融原料材料在堆積後的收縮。熟諳此藝者會明白，在冷卻前，列印3D物件會看似扭曲。不過，在冷卻後，列印3D物件在形狀及尺寸方面會很像原始電子3D模型，這在以下說明圖示圖4A至圖4C的實施例時會進一步更詳細地解釋。
圖3B的本發明方法具體實施例中，可用兩個步驟完成模擬步驟306b。在第一步驟中，網格模型310的模擬可使用一或多個ME過程參數，其係與例如熱生成、溫度、固化速率、密度或密度的時間變化、化學反應等等的形狀變形關聯，其中，可使用網格元素的時間相依順序來執行模擬。因此，若使用例如溫度時，網格模型310 顯示在可遵循網格元素的時間相依順序時，待製3D物件之進化溫度曲線的預測。
在第二步驟中，在使用第一模擬結果的機械模擬中，可模擬待製3D物件的變形。網格模型310的元素可具有熱及機械的性質，例如熱容量、熱膨脹、熱導率、密度、彈性、剪力、物件尺寸、物件形狀與殘餘應力。這些性質可相關於具有例如熱導率係數、熱傳遞係數、熱膨脹係數、楊氏模數、剪力模數及帕松比之係數的ME過程參數。
藉由顛倒空間變形向量場，可判定形式最簡單的空間補償向量場308b。替換地，在機械模擬中，可使符號顛倒或顛倒與物理性質相關以得到變形的任何係數或係數組合以得到空間補償。此外，可判定隨時間而改變的空間補償向量場。
得到空間補償向量場的第二方法包含：顛倒聯繫網格元素之被模擬性質與過程參數303中之至少一者的係數。例如，模擬可使網格模型之各元素的熱膨脹係數符號顛倒。例如，如果模擬使用熱膨脹係數的符號顛倒值，物件看似它在冷卻時成長，這直接產生空間變形向量場，如圖4C所示意圖示的。
得到空間補償向量場的第三方法包含：執行兩步驟模擬。在第一模擬步驟中，可實行列印過程的熱模擬。網格模型中之各元素的溫度在各個時間點可存入處理器的記憶體直到3D物件完全冷卻到室溫。然後，在第二 模擬步驟中，用預期形狀可建立3D物件的機械勁度模型。機械模型的各元素接收隨時間而改變但是隨後在時域中倒退的對應儲存溫度。機械模型初始(亦即在列印、退火以及最終冷卻後)會有預期形狀且會在溫度隨時間倒退而上升時成長。在模擬隨時間倒退的ME過程後，隨後從勁度模型移除元素。不過，記住各元素就在移除前的空間變形向量。所有元素的組合空間變形向量一起構成用作空間補償向量場的空間變形向量場以得到經空間補償之電子工具路徑311b。
在已產生經空間補償之電子工具路徑311b時，可能需要把電子工具路徑311b轉換成可被ME系統控制器處理的控制指令。此類控制指令的產生可使用例如廣泛使用於ME系統及CNC機器的G碼。熟諳此藝者會明白，可使用任何適當的數值控制(NC)程式設計語言。
圖3C的方塊圖圖示本發明方法的第三非限定性示範之具體實施例300c。
如上述，在步驟301可得到電子3D模型309。使用來自在產生控制指令的步驟302c之切片器的電子切片304c作為控制指令，在步驟305c從電子3D模型可產生網格模型310與網格元素的時間相依順序。
此外，如上述，在步驟306c可模擬網格模型310。從該模擬，可判定空間補償向量場308c。然後，使用施用調適的步驟307c可調適電子切片304c，其中，使用基於空間補償向量場的座標轉換來空間補償電子切片 304c。經空間補償之電子切片311c可用作經調適控制指令以控制ME系統，例如3D列印機。
在ME系統不被裝備成可處理經空間補償之電子切片311c的情形下，施用調適的步驟307c可包括經空間補償之電子切片311c可用來產生經空間補償之電子工具路徑作為經調適控制指令的附加步驟。隨後，可用電子工具路徑產生器來產生經空間補償之電子工具路徑。根據習知技術，可用ME系統進一步處理經空間補償之電子工具路徑以製造3D物件。
圖3D的方塊圖圖示本發明方法的第四非限定性示範之具體實施例300d。更具體言之，該後處理包括退火。
在ME過程期間，收縮可能在待製3D物件中產生內部應力。由於材料的塑性變形與黏彈性性能，在溫度及時間的影響下，可部份釋放應力。最終3D物件的殘餘應力減少3D物件的機械負荷能力，且可能造成3D物件由於應力隨著時間逐漸鬆弛而變形。模擬的目標可為用來提供用於ME及退火過程的控制指令，其致能製造有最小殘餘應力的3D物件。這可用以下步驟達成：‧在模擬ME過程後，進一步模擬退火過程，且藉由優化在模擬期間的退火程序以得到在退火溫度、退火時間及殘餘應力之間的最佳值；‧模擬列印工具路徑的不同次序，且選擇最佳次序；‧改變列印諸層的路線以用更好的方式分散由ME 過程誘發的熱；‧局部修改列印速度或堆積速度。
在圖3D中，產生控制指令的步驟302d可包含：產生控制指令以根據過程參數303來設定退火空間的退火溫度與計時器設定值，以允許退火隨時間依據預定義的溫度曲線來發生。
判定網格模型的步驟305d可如在說明圖3A至圖3C中之任一者時所述來執行。在控制指令涉及ME過程之空間性質的熱機械模擬(步驟306a、306b或306c)後，可獲得網格模型310。
步驟306d使用退火溫度設定值及計時器設定值的模擬可包括：模擬列印後的冷卻軌跡，包括列印後的退火程序。在模擬期間，可預測3D物件內的溫度、殘餘應力及殘餘應力數量，殘餘應力隨著時間及溫度而改變的鬆弛，以及列印形狀的空間變形向量場。
基於殘餘應力及空間變形的模擬數值，可得到退火溫度及計時器設定值的調適308d。
在步驟307d可執行調適308d對於退火指令304d(亦即，退火溫度及計時器設定值)的應用。根據來自模擬步驟306d的調適308d，可改變控制指令中的退火爐溫度設定值或退火計時器設定值。以此方式，可得到經調適退火指令311d。
圖3E的方塊圖圖示本發明方法的第五非限定性之示範具體實施例300e。根據第五具體實施例，可疊 代根據圖3A至圖3D之實施例供產生用於利用3D列印材料擠出過程之3D物件製造過程之經調適控制指令的方法。如圖3E所示，使用測試314，經調適控制指令311a可條件回饋312至模擬步驟306a。測試準則例如可為與在步驟306a模擬高於預定臨界值之性質有關的偏差313。當滿足測試準則時，疊代且回饋312經調適控制指令到模擬步驟306a，藉此允許執行經調適控制指令的修正。經調適控制指令的疊代也可應用於如在說明圖3B、圖3C及圖3D時所述的本發明方法之示範的具體實施例300b、300c及300d。
在本發明方法的任一示範之具體實施例300a、300b、300d中，可重覆模擬直到ME過程模擬後的偏差低於某一臨界值。如果優化性質的準確度不足，可實行後續疊代以改善補償的準確度且可執行控制指令的後續調適。
一般來說，電子工具路徑的調適可相對小，從而調適不會大幅改變與ME過程關聯之物理性質的計算。因此，在後續疊代後，可能不需要重複ME過程參數計算而只是重複機械性質計算。
在機械性質模擬中，一或多個機械性質可能彼此相依。如果網格模型考慮到這些相依性中之一或多個，則調適會更準確。
關於評估網格元素之空間性質的模擬，各個空間補償可直接作用於網格模型而不是施用空間補償於控制指令，亦即電子工具路徑。在此情形下可跳過疊代經調 適控制指令的步驟，亦即經空間補償之電子工具路徑。
在所用方法中之任一者中，藉由假設在ME過程期間的恆定值，透過近似材料性質，可實行模擬及補償。例如楊氏模數、熱膨脹係數、熱導率、比熱容量的性質可為溫度的函數。特別是，在列印半結晶材料時，溫度相依性可能為非線性。聚合物也已知有強烈的時間相依性能，例如黏彈性，更具體言之，潛變或應力鬆弛。材料結晶的溫度也可能取決於冷卻速率(亦即，冷卻的速度)。
當堆積例如聚合物的某些原料材料時，噴嘴可能有剪力造成分子沿著流動對齊。因此，在模擬中，可模擬在電子工具路徑之軌跡之方向與在電子工具路徑之軌跡之橫向有不同數值的材料性質，例如熱膨脹係數、楊氏模數及熱導率等等。
在圖4A至圖4C中，以2D圖圖示在不同加工階段的待製3D物件。選擇2D圖是為了簡化。
圖4A圖示3D物件的網格模型400。網格模型400有放在基底403上的柱體401a、401b，與在柱體之間的橫樑402，彼等與圖1A的柱體101a、101b，基底103及橫樑102對應。
為了便於解釋，該實施例使用2D模型，但是有3個或多個自由度的ME過程可為模擬的主題。圖示網格模型400有以符號表示網格元素之時間相依啟動之模擬的列印頭404，其中，網格模型400的元素細分為完成的網格元素406(黑色)與尚未完成的網格元素409(白色)。
圖4B圖示在使原始的網格模型400經受與機械變形關聯之ME過程參數之模擬所預測的變形之後的網格模型400’。按有限元素方法分析的慣例，變形可能被誇大。圖4B的3D物件包含有凹面變形的橫樑402’，有象腳變形形狀之柱體405a、405b的基底，與凹痕407a、407b。柱體401a’及401b’係顯示朝向對方傾斜。
圖4C圖示經空間補償之網格模型400”，其係藉由施用基於圖4B變形的網格模型400’判定的空間補償向量場於圖4A原始的網格模型400來得到。以此方式，有可能在列印後得到3D物件，其形狀係根據電子3D模型而不必修改原始電子3D模型以補償由列印過程造成的空間變形。從圖4C清楚可見，空間補償可施用於用來製造3D物件的原始電子工具路徑。經空間補償之網格模型400”包含各自向外傾斜的柱體401a”及401b”，隆凸407a”、407b”，在柱體基底的縮窄405a”、405b”，與向上彎曲橫樑402”。在ME系統使用從在說明圖3B及圖3C時提及之模擬得到的經空間補償之電子工具路徑實際製造3D物件後，會得到有緊密符合3D物件之電子3D模型之形狀的3D物件。
圖5A至圖5C為2D網格模型之模擬的實施例500及500’，其圖示空間變形向量場的空間變形向量502，空間補償向量場的空間補償向量505，以及經空間補償之電子工具路徑507。
圖5A圖示變形網格模型500，細虛線為未變 形網格模型中之未變形元素的邊界504。空間變形向量502起源於元素的節點501且在變形網格模型500之變形元素508的變形節點503結束。該等空間變形向量一起形成離散空間變形向量場。用取決於選定元素之類型及次序的方式(例如線性，二次等等)，可從空間變形向量場以內插法得到元素內的空間變形。
圖5B圖示經空間補償之網格模型500’，圖中空間補償向量505在此情形下可藉由顛倒圖5A空間變形向量502的方向得到。起源於未變形網格模型之節點501的各箭頭到達經空間補償之網格模型500’的節點509。空間補償向量505一起形成離散空間補償向量場。此空間補償向量場也可為連續數學場的近似。用取決於選定元素之類型及次序的方式(例如線性，二次等等)，可從空間補償向量場以內插法得到元素內的空間補償。
圖5C圖示有經空間補償之電子工具路徑507的圖5B經空間補償之網格模型500’。虛線506表示使用原始電子3D模型判定的原始電子工具路徑。粗連續線507表示經空間補償之電子工具路徑，其係藉由執行基於在原始電子工具路徑座標上之空間補償向量場的座標轉換來得到。
可明白，可能需要不同的數學表示法以描述經調適電子工具路徑，例如直線可能必須細分為多個區段或被例如多項式的另一數學函數取代以描述工具路徑軌跡的曲率。可進一步明白，在原始電子切片的座標上可執行 類似的座標轉換以得到經空間補償之電子切片。後者可轉換為可轉換為經調適控制指令的經空間補償之電子工具路徑。
由於圖5C的經空間補償之電子工具路徑507，列印3D物件的尺寸準確度以及ME過程的可靠性可改善。熟諳此藝者會明白，也可為優化ME過程之附加或其他性質的目標，例如3D物件在列印後的殘餘應力，暫時支撐結構的形狀或列印3D物件要花費的時間。
圖6A及圖6B為示範待列印3D物件的示意橫截面圖。
基於上述本發明方法具體實施例300a至300e中之任一者的模擬，在列印期間，可判定及補償最終3D物件的變形。然而，在有些情況下，模擬無法提供適當的解決方案。圖6A圖示有露台601之房屋600的實施例。在例如本發明方法各個具體實施例300b、300c之產生控制指令的步驟302b、302c中，已確立的是，基於露台601的尺寸，為了避免露台601在列印後有不必要的變形，需要施用支撐結構602。
本技藝常見，支撐結構不是原始的3D模型309的一部份而是用產生控制指令(步驟302b、302c)來產生，亦即切片器。產生本發明方法各個具體實施例300b、300c之控制指令的示範之步驟302b、302c因此可提供與支撐結構602有關的視需要電子工具路徑。這些視需要電子工具路徑可具有被啟動或停用的能力。在本發明方法各 個具體實施例300b、300c之步驟306b、300c的第一模擬實例中，藉由停用視需要電子工具路徑來暫時移除支撐結構。當步驟306b或步驟306c的模擬各自產生露台的模擬形狀603時，它與露台601之預期形狀的偏差d超過預定臨界值，亦即，模擬結果顯示超過預期形狀601的形狀偏差或變形。在此情形下，可再啟動視需要電子工具路徑，藉此重新安裝支撐結構602。不過，當偏差d在模擬後低於預定臨界值時，視需要電子工具路徑或支撐結構602可保持停用，藉此使支撐結構602變得多餘。
可明白，網格中表示支撐結構的元素可賦予不同的性質。如果例如要從不同的材料來列印支撐結構，則模擬可能導致該材料的性質有不同的性能。
替換地，根據如圖3E所示的本發明方法具體實施例300e，當疊代模擬無法收歛到適當的解答時或在例如經空間補償之電子工具路徑與已列印的幾何相交時，顯然需要暫時的支撐結構602以致能待優化性質的充分優化。可提出演算法的調適以偵測模擬的不收歛且藉由分別啟動及停用關於暫時支撐結構的視需要電子工具路徑來疊代地增加及移除支撐結構以改善疊代過程直到已滿足優化目標。以此方式，支撐結構在模型中可當作獨立物件。然後，打開或關閉模擬支撐結構的各個個別區段且判定被支撐結構的變形差異。因此，優點是需要較少的支撐材料(亦即，消耗較少支撐材料，較少的3D物件列印時間，以及較少的後處理成本)。
圖7為ME系統700的示意等角視圖，其係利用堆積原料材料的ME過程來製造3D物件707。
系統700有3D定位系統701以空間移動列印頭702。該列印頭有原料材料供應器703與噴嘴704以堆積原料材料於位在底板705上的3D物件707。系統700進一步包含：控制單元706，可將它配置成可控制定位系統701、列印頭702及原料材料供應器703。可將控制單元706配置成可接收允許控制系統根據3D模型來製造3D物件707的控制指令。控制單元706可具有處理器與記憶體，以及允許控制單元經由適當介面來控制系統700的可執行指令。
該等控制指令可包含根據上述方法中之任一所產生的經調適控制指令。
可將使用ME過程的共同3D列印系統組配為可使列印頭在3個自由度中運動，通常在X、Y、Z座標中。有些ME系統有不同的自由度個數，例如圖2的列印機。由於有附加自由度，此組態允許遵循3D物件的曲率把3D物件切成數層。這有益於列印3D物件的強度。它可防止需要暫時支撐結構而且也可致能列印列印頭難以接近的結構。
可將ME系統組配為有4、5或多個自由度。本專利所描述的方法不限於例如有3個自由度之3D列印機的ME系統，但是也可使用於有其他自由度個數的ME系統。
圖8的方塊圖圖示使用ME過程以堆積原料材料來製造3D物件的3D列印系統800。可配置例如個人電 腦的處理單元802以得到電子3D模型801。可進一步配置處理單元802以執行如上述產生用於利用3D列印材料擠出過程之3D物件製造過程之經調適控制指令的方法具體實施例中之任一的步驟。
由處理單元802產生的經調適控制指令803可供應至使用堆積原料材料之ME過程來製造3D物件707之ME系統700的控制單元706。處理單元802與控制單元706可集成為單一組合處理單元。
顯然，熟諳此藝者明白，本發明的範疇可能不受限於上文所討論的實施例，反而有可能有數個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詳細圖示及描述本發明，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)」可包括其他的步驟或元件，且不定冠詞「一(a)」或「一(an)」可涉及單一實體或複數個實體。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。
300a:具體實施例；實施例
301、305a、307a:步驟
302a:處理步驟；步驟
303:過程參數；ME過程參數；參數
304a:控制指令
306a:步驟；模擬步驟
308a:調適
309:電子3D模型；3D模型
310:網格模型
311a:經調適控制指令

Claims (20)

  1. 一種用以產生經調適控制指令的方法，該等指令用於利用3D列印之一材料擠出(ME)過程之三維(3D)物件的一製造過程，該方法包含下列步驟：得到待製3D物件的一電子3D模型；基於該電子3D模型與該製造過程之數個過程參數產生數個控制指令；判定表示該電子3D模型的一網格模型，該網格模型包含各有可被該等過程參數中之至少一者影響之至少一性質的數個元素；使用該等控制指令、該網格模型及該等過程參數隨時間執行該製造過程的模擬，其包含下列步驟：為該網格模型的各元素確立該至少一性質相對於彼之一基準的一偏差，其中，該偏差由該等過程參數中之至少一者引起；確立該網格模型之該各元素之該至少一性質的一調適以補償該偏差；將該調適施用於該等控制指令，以得到至少一經調適控制指令。
  2. 如請求項1之方法，其中，產生該等控制指令的步驟包含產生至少一電子工具路徑，其包含下列步驟：基於該電子3D模型，產生用於該ME過程之原料材料的至少一堆積順序； 判定表示該待製3D物件之一層的至少一電子切片；判定用於該至少一電子切片中之各者的至少一電子工具路徑；且其中，根據該堆積順序，執行判定該至少一電子切片的步驟以及判定該至少一電子工具路徑的步驟。
  3. 如請求項2之方法，其中，隨時間執行該製造過程之模擬的步驟包含該ME過程的模擬，其包含下列步驟：判定該網格模型之該等元素中對應至該至少一堆積順序的至少一啟動順序；根據該啟動順序來執行該ME過程的該模擬，以得到一ME模擬結果。
  4. 如請求項3之方法，其中，判定一啟動順序的步驟包含下列步驟中之一者：將該至少一電子工具路徑空間映射於該網格模型的元素上；與將該至少一電子切片空間映射於該網格模型的元素上。
  5. 如請求項3或4之方法，其中，產生該至少一堆積順序的步驟包含產生複數個互不相同堆積順序，且其中執行該ME過程之該模擬的步驟包含：重覆以下步驟直到該偏差低於一第一預定臨界值：產生該至少一電子工具路徑的步驟，其針對每次重覆使用該等複數個互不相同堆積順序中之一者；與 該ME過程的模擬步驟，其針對每次重覆使用對應至個別堆積順序之一啟動順序；在確立該偏差低於該第一預定臨界值後，選擇該個別堆積順序以得到一較佳堆積順序。
  6. 如請求項3之方法，其中，隨時間執行該製造過程之該模擬的步驟包含：使用至少一係數，其表示該等過程參數中之至少一者與該至少一性質的一關係。
  7. 如請求項6之方法，其中：該至少一係數為時間相依、各向異性及溫度相依中之至少一者。
  8. 如請求項6或7之方法，其中，基於該偏差來判定用於該網格模型之各元素之該至少一性質之一調適的步驟包含：針對該網格模型之各元素，透過執行下列步驟中之一者來判定該調適的步驟：使該偏差符號顛倒；使該至少一係數符號顛倒與使該至少一係數呈倒數中之一者；與儲存執行該ME過程之該模擬的模擬結果，其係以顛倒的次序使用該啟動順序以及使用所儲存的該等模擬結果，並且將由該模擬以顛倒的次序產生的該偏差賦予給該調適。
  9. 如請求項8之方法，其中，該基準包含 該電子3D模型的3D尺寸，以及該偏差包含該網格模型之3D尺寸相對於該電子3D模型之3D尺寸的一空間變形，且其中，用於該網格模型之各元素的該調適包含一空間補償；且其中，施用該調適以產生控制指令的步驟包含：施用該空間補償於該至少一電子工具路徑以得到至少一經空間補償之電子工具路徑；與確立包含該至少一經空間補償之電子工具路徑的該至少一經調適控制指令。
  10. 如請求項9之方法，其中，施用該空間補償於該至少一電子工具路徑的步驟包含：將使用該ME模擬結果的一座標轉換施用於該至少一電子工具路徑中之各者。
  11. 如請求項9之方法，其中，施用該空間補償於該至少一電子工具路徑的步驟包含以下步驟：將使用該ME模擬結果的一座標轉換施用於該至少一電子切片中之各者以得到至少一經空間補償之電子切片；執行使用該至少一經空間補償之電子切片中之各者判定至少一電子工具路徑的步驟。
  12. 如請求項3、4、6及7中任一項之方法，其中，產生該等控制指令的步驟包含：產生由可啟動且可停用之數個視需要電子工具路徑組成的至少一群組；且其中，執行該ME過程之該模擬的步驟包含： 對於由數個視需要電子工具路徑組成之該至少一群組的每個群組：停用由數個視需要電子工具路徑組成的個別群組以得到一被停用的個別群組；執行該ME過程的模擬；確立該ME過程之該模擬的該偏差是否高於一第二預定臨界值；在確立該偏差高於該第二預定臨界值後，啟動該被停用的個別群組。
  13. 如請求項3、4、6及7中任一項之方法，其中，該ME過程的該模擬包含使用一有限元素方法的熱機械模擬。
  14. 如請求項3、4、6及7中任一項之方法，其中，該製造過程進一步包含在該ME過程之後的一後處理過程，且其中，產生基於該電子3D模型及該製造過程之過程參數的控制指令的步驟包含：產生用於該後處理過程的數個後處理控制指令；且其中，隨時間執行該製造過程之該模擬的步驟進一步包含：使用該ME模擬結果以及使用該等後處理控制指令來執行該後處理過程的模擬。
  15. 如請求項14之方法，其中，該等後處理指令包含數個退火過程控制指令。
  16. 如請求項14之方法，其中，執行該後 處理過程之模擬的步驟包含：確立複數個互不相同的後處理指令集合；重覆下列步驟直到該偏差低於一第三預定臨界值：執行該後處理過程的該模擬，其針對每次重覆使用該等複數個互不相同後處理指令集合中之一集合；在確立該偏差低於該第三預定臨界值後，選擇個別後處理指令集合以得到一較佳後處理指令集合；確立包含該較佳後處理指令集合的該至少一經調適控制指令。
  17. 如請求項1至4、6及7中任一項之方法，其中，隨時間執行該製造過程之該模擬的步驟包含：執行下列步驟直到該至少一性質的該偏差小於或等於一第四預定臨界值：使用來自前一個模擬的該等經調適控制指令在至少一疊代循環中執行該製造過程的該模擬；與將來自該疊代循環的該調適施用於該等控制指令。
  18. 一種利用3D列印材料擠出(ME)過程之三維(3D)物件的製造方法，其包含：使用利用如請求項1至17中之任一項之方法得到的至少一經調適控制指令。
  19. 一種用以產生經調適控制指令的系統，該等指令用於利用一3D列印材料擠出(ME)過程之三維(3D)物件的一製造過程，其包含： 設有一記憶體及數個程式指令的一處理器，其中，該處理器經配置成可用於：執行如請求項1至17中之任一項所述的步驟中之任一者。
  20. 一種利用3D列印材料擠出(ME)過程來製造三維(3D)物件的系統，該系統包含：至少一列印頭，其用於堆積原料材料以建立該該3D物件；連接至該列印頭的一定位系統，該定位系統經配置成可決定該列印頭相對於該3D物件的位置；一控制器，其經配置成可得到數個控制指令且使用該等控制指令來控制該定位系統；該系統進一步包含如請求項19之一系統，其產生用於利用3D列印材料擠出(ME)過程之3D物件製造方法的數個經調適控制指令；其中，該控制器經配置成可從用於產生數個經調適控制指令的該系統得到數個經調適控制指令。
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