挤压设备及用于该设备中的熔体流速补偿方法技术

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。本发明专利技术调整了进入液化器（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。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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，本专利技术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。
技术介绍
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，即本专利技术的受让人。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(trajectoryprofiling)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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术认识到，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。本专利技术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。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是按照本专利技术的液化器，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。具体实施例方式本专利技术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(QoL)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(QoL)。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，支本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；一种使输出速度达到预定目标输出速度的方法，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↓［ＭＦ］），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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯W科姆，
申请(专利权)人：斯特拉塔西斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]