本文中公开的系统和方法涉及产生三维物体的打印机，并且更特别地，涉及用于这种打印机的挤出器组件。
背景技术：
数字三维制造也称为数字增材制造，是从数字模型制造实质上任何形状的三维固体物体的过程。三维物体打印是增材过程，其中一个或多个挤出器或喷射器组件在衬底上以不同形状形成连续材料层，例如热塑性塑料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(“abs”)或聚乳酸(“pla”)。在一些常规三维物体打印机中，挤出器类似于文件打印机中的打印头。这样的挤出器包括发出连续材料流以形成层的挤出器的阵列，而不是喷射材料滴的喷射器的阵列。
在其它已知的三维物体打印机中，挤出器组件包括单个喷嘴，其配置成挤出构建材料以形成用于产生打印物体的层。喷嘴大体上配置为发出构建材料的连续细丝的小圆孔。将细丝逐层地铺设在相邻条带中以形成三维部件。
在这样的挤出器组件中，打印物体应当快速和精确地形成。喷嘴的尺寸确定部件的最小分辨率和可以形成物体的速度。具有较大喷嘴的挤出器可以更快地形成物体，但是分辨率减小，原因是相邻条带的形成需要层的宽度等于喷嘴宽度的整数倍。在另一方面，具有较小直径喷嘴的挤出器可以用于形成较小的细节，但是由于每次通过中挤出的体积小，因此产品需要更多的时间产生，有时大约数小时或数天。因此，在常规三维物体打印机中，喷嘴的尺寸在构建速度和构建分辨率之间取舍。
该问题的一个解决方案是使用具有用于较大物体的大喷嘴和用于细节形成的小喷嘴的挤出器组件。然而，这样的挤出组件是昂贵的，原因是每个喷嘴都需要连接、阀和控制电路。另一种解决方案是使用小喷嘴挤出器组件来构建内部大部分中空的部件。尽管构建中空部件减少了产生物体所需的时间，但是物体的结构强度严重减小，限制了中空物体的效用。
因此，用包括挤出器组件的打印机形成三维物体的系统和方法的改进将是有益的，使得物体具有更大的细节，增加的结构强度，和减少的生产时间。
技术实现要素：
一种操作挤出器组件以形成三维构建物体的方法快速地形成构建物体，具有增强的特征分辨率和增加的结构强度。所述方法包括用至少一个致动器定位具有限定挤出区域的至少一个开口的挤出器，材料能够通过所述挤出区域通过所述至少一个开口被挤出。所述挤出器定位成用支撑在构建台板上的物体的一部分覆盖所述挤出区域的第一部分并且所述挤出区域的第二部分保持敞开。所述方法还包括邻近物体通过所述挤出区域的第二部分挤出构建材料的第一连续带，同时用所述至少一个致动器沿着物体移动所述挤出器。
在另一实施例中，一种用于三维物体打印系统的挤出器组件包括挤出器，至少一个致动器，以及控制器。所述挤出器包括配置成挤出连续材料带的至少一个开口，并且所述至少一个开口限定挤出区域，材料能够通过所述挤出区域通过所述至少一个开口被挤出。所述至少一个致动器可操作地连接到所述挤出器并且配置成在水平面中移动所述挤出器。所述控制器可操作地连接到所述挤出器、所述至少一个致动器和存储器。所述控制器配置成执行存储在所述存储器中的程序指令，从而操作所述至少一个致动器以将所述挤出器定位成由支撑在构建台板上的物体的一部分覆盖所述挤出区域的第一部分并且所述挤出区域的第二部分保持敞开，以及操作所述至少一个致动器以沿着物体移动所述挤出器，以及操作所述挤出器以通过所述挤出区域的第二部分挤出构建材料，同时操作所述至少一个致动器以移动所述挤出器以邻近物体挤出构建材料的第一连续带。
附图说明
在结合附图进行的以下描述中解释具有挤出器的打印机和用于操作具有挤出器的打印机的方法的前述方面和其它特征。
图1是具有挤出器组件的三维物体打印机的示意图。
图2示出了在构建物体的产生期间使用自阀调过程形成构建材料带的方法。
图3示出了使用图2的自阀调过程形成构建材料带的图1的3d物体打印机的挤出器主体的侧视部分横截面图。
图4示出了使用图2的自阀调过程形成构建材料带的图1的3d物体打印机的挤出器主体的另一侧视部分横截面图。
图5示出了在构建物体的产生期间使用自阀调过程形成构建材料带的方法。
图6示出了使用图4的自阀调过程形成构建材料带的图1的3d物体打印机的挤出器主体的侧视部分横截面图。
图7示出了使用图4的自阀调过程形成构建材料带的图1的3d物体打印机的挤出器主体的另一侧视部分横截面图。
图8示出了操作图1的3d物体打印机以产生构建物体的方法。
图9示出了根据图10的方法由图1的3d物体打印机产生的第一层的俯视图。
图10示出了图11的第一层和根据图10的方法由图1的3d物体打印机产生的第二层的俯视图。
图11示出了操作图1的3d物体打印机以产生构建物体的方法。
图12示出了同时平移和旋转从而形成弯曲特征的图1的挤出器主体的俯视部分示意图。
图13示出了使用图1的挤出槽产生弯曲特征的挤出因数相对于半径与挤出宽度的比率的图形。
图14是具有带挤出槽的挤出器组件并且包括独立致动器的三维物体打印机的示意图，致动器配置成在x、y、z和旋转方向的每一个上移动挤出器主体。
具体实施方式
为了本文中公开的系统和方法的环境以及系统和方法的细节的一般理解，参考附图。在附图中，相同的附图标记始终用于表示相同的元件。
图1示出了三维物体打印机100。三维物体打印机100包括致动器组件104，挤出器组件108，构建台板112，和控制器116。致动器组件104包括至少一个致动器120和附接到支撑框架(未示出)的一对轨道124。轨道124配置成支撑致动器120和挤出器组件108以使致动器120能够沿着x轴128，y轴132和z轴136平移挤出器组件108，并且围绕在所示实施例中平行于z轴136的旋转轴线140旋转挤出器组件108。
在图1的实施例中，致动器组件104包括单个致动器120，其配置成相应地在x轴、y轴和z轴128、132、136上平移挤出器组件108，并且围绕旋转轴线140旋转挤出器组件108。在另一实施例中，致动器组件104包括配置成在x轴、y轴和z轴128、132、136上移动挤出器组件108的第一致动器，以及配置成围绕旋转轴线140旋转挤出器组件108的第二致动器。在另外的实施例中，致动器120可以被配置成相应地在x轴、y轴和z轴128、132、136中的一个或多个上平移挤出器组件108，而不旋转挤出器组件108。
在图13中所示的又一实施例中，致动器组件104a包括配置成在x方向128上移动挤出器主体164的第一致动器120x，配置成在y方向132上移动挤出器主体164的第二致动器120y，配置成在z方向136上移动挤出器主体164的第三致动器120z，以及配置成围绕旋转轴线140旋转挤出器主体164的第四致动器120r。在另一实施例中，致动器组件104a包括第一、第二和第三致动器120x、120y和120z中的一个或多个，但是不包括第四致动器120r。
返回参考图1，挤出器组件108包括挤出器主体160和储存器164，所述储存器配置成储存一定量的构建材料。在挤出器主体160的底部限定至少一个挤出开口168(在图1的视图中未按比例示出)。至少一个挤出开口168可操作地连接到储存器164，并且配置成挤出从储存器164接收的材料以在构建台板112上形成构建物体180。
在图1所示的实施例中，至少一个挤出开口168是单个槽形开口。在一个实施例中，槽形挤出开口168的长度在大约0.75mm到大约6.4mm之间，并且槽形挤出开口168的宽度在大约0.2mm到大约0.5mm之间。在另一具体实施例中，槽形挤出开口168的长度约为1.2mm，并且槽形挤出开口168的宽度约为0.3mm。在其它实施例中，至少一个挤出开口168包括成直线或成阵列的多个槽或多个较小的喷嘴。在另外的其它实施例中，至少一个挤出开口由另一合适的开口或多个开口形成。在具有单个挤出开口的实施例中，开口的尺寸限定单个挤出开口的挤出区域，构建材料可以通过所述挤出区域被挤出。在具有一个以上挤出开口的实施例中，每个开口的尺寸限定区域，并且多个挤出开口的区域之和限定可以通过其挤出该材料的挤出区域。
图2示出了用于操作三维物体打印机100以挤出构建材料以形成构建物体180的自阀调过程300。过程正在执行一些任务或功能的陈述是指控制器或通用处理器执行存储在可操作地连接到控制器或处理器的非暂时性计算机可读存储介质中的编程指令以处理数据并且操作系统中的一个或多个部件以执行任务或功能。上述三维物体打印机100的控制器116可以配置有部件和编程指令以提供执行过程300的控制器或处理器。替代地，控制器可以用一个以上处理器和关联的电路和部件实现，其中的每一个配置成形成本文中描述的一个或多个任务或功能。
参考图2-4，过程300开始于控制器116操作致动器120以定位挤出器主体160，使得挤出槽168的第一部分172由支撑在构建台板112上的物体184覆盖，而挤出槽168的第二部分176保持敞开(框304)。在所示的实施例中，覆盖第一部分172的物体184是形成构建物体180的一部分的先前挤出的构建材料带。在其它实施例中，覆盖第一部分的物体可以是在其周围或其上形成构建物体的金属、木质或塑料物体，例如模板或引导件。
一旦挤出器主体160被定位，控制器116操作挤出器组件108以通过至少一个挤出开口168的第二部分176挤出构建材料(框308)。当挤出器组件108被操作以挤出时，控制器116操作致动器120以沿着物体184将挤出器组件108移动到图3和4的视图中的页面中，从而邻近物体184形成构建材料的连续带188(图4)(框312)。
在一些实施例中，控制器116配置成基于敞开的第二部分176的面积调节由挤出器组件108挤出的构建材料的流速。例如，控制器116可以配置成操作挤出器组件108从而以从用于通过未覆盖的挤出开口挤出的最大流速减少与被覆盖的第一部分172与至少一个挤出开口168的总面积的比率成比例的量的速率挤出构建材料。例如，如果被覆盖的第一部分172是至少一个挤出开口168的总面积的三分之一，则挤出材料的流速将减少最大流速的三分之一至二分之一。
从图4中可以看出，构建材料的条带188具有的宽度小于挤出槽168的宽度。因此，挤出的构建物体180的给定层(例如层192)的总体尺寸不限于至少一个挤出开口168的宽度的整数倍，而是可以以任何期望的宽度形成。而且，在一些实施例中，控制器116配置成操作致动器120以在挤出过程期间横向于形成条带的方向，例如在图3和4的视图中水平地移动挤出器组件108以沿着其长度改变条带188的宽度。
在一些实施例中，重复过程300以形成具有小于挤出槽168的宽度的宽度的多个带。在其它实施例中，在完成过程300时，控制器116配置成邻近带188形成一个或多个附加带，每个附加带具有的宽度大致等于挤出槽168的宽度。构建材料的带彼此相邻地形成，从而形成构建材料相邻层192。在一些实施例中，控制器116配置成形成多个构建材料相邻层以形成构建物体180。
上述三维物体打印机100的配置形成构建物体的弯曲表面和精细特征，同时仍然能够形成宽带。结果，打印机100可以高速地形成物体，而不会牺牲构建物体180的较小特征的分辨率。此外，在覆盖挤出槽168的第一部分172的物体是先前挤出的带的实施例中，相邻的带彼此重叠，减少或消除相邻带之间的间隙，由此改善构建物体180的总体强度。
图5示出了用于操作三维物体打印机100以挤出构建材料以形成构建物体180的另一自阀调过程350。过程正在执行一些任务或功能的陈述是指控制器或通用处理器执行存储在可操作地连接到控制器或处理器的非暂时性计算机可读存储介质中的编程指令以处理数据并且操作系统中的一个或多个部件以执行任务或功能。上述三维物体打印机100的控制器116可以配置有部件和编程指令以提供执行过程350的控制器或处理器。替代地，控制器可以用一个以上处理器和关联的电路和部件实现，其中的每一个配置成形成本文中描述的一个或多个任务或功能。
参考图5-7，过程350开始于控制器116操作挤出器组件180以挤出构建材料，同时操作致动器120以移动挤出器组件以形成构建材料的第一带200(框354)。在所示的实施例中，第一带200在两个相邻带208、212之间的接缝204上居中，所述两个相邻带在与第一带200紧下方的层216的第一带200相同的方向上延伸。第一带200和相邻带不与第一带200紧下方的层216的相邻带208、212形成共同的接头。由于偏移，构建物体180的总体强度被改善。然而，在其它实施例中，第一带200可以从接缝204居中偏移，或者可以与接缝204对准。在另外的实施例中，第一带200紧下方的层的带相对于第一带横向地定向，例如相对于第一带垂直(例如如层256和260所示)或相对于第一带成45度的角。
一旦形成第一带200，控制器116操作致动器120以将挤出器组件108移动到挤出开口168的第一部分220由第一带200覆盖的位置，而挤出开口168第二部分224保持敞开，如图6中所示(框358)。在图6所示的实施例中，构建物体180的外缘形成。因此，控制器116操作致动器120以将挤出槽168的外缘与先前挤出的层的外缘，例如下层216的带208的外缘对准。
控制器116然后操作挤出器组件108以挤出构建材料并且同时操作致动器120以移动挤出器组件108，从而邻近第一带200并且在下层216的带208的顶部上形成构建材料的第二带232，如图7中所示(框362)。在图7的图示中，第二带232形成构建物体180的外缘。在其它实施例中，第二带可以形成不在外缘处的构建物体的一部分，并且可以例如是带236、240、244、248中的一个。形成与相邻带重叠的中间带减小相邻带之间存在的间隙，由此改善构建物180的总体强度。
读者应当领会在一些实施例中，可以在第一和第二带200、232的形成之间形成构建材料的附加带，例如带236、240、244、248等中的一个或多个。在其它实施例中，可以在形成第一和第二带之前或之后形成带236、240、244、248等中的一个或多个。
与上面关于图2-4讨论的实施例中一样，图5-7的实施例也能够形成具有精细特征的带，同时也提供构建物体的更快形成。而且，由于构建物体的外缘由其相对边缘相对于相邻层交错的带形成，因此没有共同的接头存在于相邻层之间(将图4与图7比较)。结果，没有共同的断裂线出现在构建物体180的外缘处形成的带的内侧，由此进一步改善构建物体180的总体结构强度。
在一些实施例中，控制器配置成操作致动器120以相对于彼此在不同方向上形成相邻层的带。图8示出了用于以这样的方式操作三维物体打印机100以形成构建物体180的一个过程400。过程正在执行一些任务或功能的陈述是指控制器或通用处理器执行存储在可操作地连接到控制器或处理器的非暂时性计算机可读存储介质中的编程指令以处理数据并且操作系统中的一个或多个部件以执行任务或功能。上述三维物体打印机100的控制器116可以配置有部件和编程指令以提供执行过程400的控制器或处理器。替代地，控制器可以用一个以上处理器和关联的电路和部件实现，其中的每一个配置成形成本文中描述的一个或多个任务或功能。
参考图8-10，过程400开始于控制器116操作致动器120以旋转挤出器主体160以使槽的宽度与第一层440(图9)的行进方向对准(框404)。在图9所示的实施例中，例如，第一方向在y方向上。在一些实施例中，控制器116基于构建物体的数字模型确定期望的行进方向。控制器116然后操作致动器120以在行进方向上平移挤出器主体160，同时从槽168挤出材料以挤出构建材料带442、444、446、448、450以形成第一层440(框408)。
在一个特定实施例中，致动器120在挤出过程期间以约5000mm/min至8000mm/min的速度移动挤出器主体160。在另一特定实施例中，致动器在挤出过程中以约6000mm/min的速度移动挤出器主体160。带442、444、446、448、450中的一个或多个可以使用上面参考图2-7所述的自阀调过程300、350形成。特别地，可以形成层使得下层440对应于图7中的层256，而上层472对应于图7中的层252。
在三维物体打印机的一些实施例中，控制器116配置成操作致动器120和挤出器组件108以通过首先形成中心带442，然后形成相邻带444、446，并且最后形成外带448、450而产生条带442-450，从而改善带442-450之间的粘附并且因此改善层的结构强度。在一个特定实施例中，外带448、450使用自阀调过程300、350中的一个形成以具有小于其它带442、444、446的宽度的宽度，从而提供第一层440的期望总宽度和外轮廓。在另一实施例中，使用上述的自阀调过程300、350形成带442、444、446、448、450中的任何一个或多个。在其它实施例中，层442-450从左到右或从右到左形成以增加层形成速度。在一些实施例中，条带442-450具有彼此不同的宽度。例如，外侧条带448、450具有的宽度可以是内条带442、444、446的宽度的一半。
一旦第一层440完成，控制器116操作致动器120以旋转挤出器主体160以与第二方向对准(框412)。在所示的实施例中，第二方向与x方向对准，与第一方向正交。然而，读者应当领会取决于构建物体的特性，第一和第二方向之间的角可以是其它期望的角。控制器116然后操作致动器120以平移挤出器主体160，同时从槽168挤出材料以挤出形成第二层的构建材料带462、464、466、468、470(框416)。挤出带462、464、466、468、470中的一个或多个可以使用上述的自阀调过程300、350形成以形成精细特征和/或增加相邻带之间的粘附。
读者应当领会并非在所有实施例中都需要旋转挤出器主体(框404、412)。例如，在过程的一些实施例中，在移动挤出器主体160和挤出构建材料之前不旋转挤出器主体160以对准宽度(框408)。替代地，带442、444、446、448、450可以形成为宽度小于框408中的挤出槽168的宽度。附加地或替代地，在其它实施例中，在移动挤出器主体160和挤出构建材料以形成第二层之前不旋转挤出器主体160以对准槽的宽度(框416)。结果，在以上实施例的一些中，第一层440的带442、444、446、448、450的宽度可以不同于第二层472的带462、464、466、468、470。
如果附加层仍将被打印，则控制器116可以操作致动器120以旋转挤出器主体160以与第三方向对准并且在第三方向上形成另一层，或者控制器116可以操作致动器120以重复框400的处理以在第一和第二方向上产生附加层。尽管图9和10将带442-450、462-470示出为彼此分离以清楚地显示不同层440、460的带442-450、462-470的相应对准，但是读者应当领会带442-450、462-470典型地彼此相邻或重叠形成，从而形成连续的构建材料层。
图11示出了用于以这样的方式形成操作三维物体打印机100以形成构建物体180的另一过程500。过程正在执行一些任务或功能的陈述是指控制器或通用处理器执行存储在可操作地连接到控制器或处理器的非暂时性计算机可读存储介质中的编程指令以处理数据并且操作系统中的一个或多个部件以执行任务或功能。上述三维物体打印机100的控制器116可以配置有部件和编程指令以提供执行过程500的控制器或处理器。替代地，控制器可以用一个以上处理器和关联的电路和部件实现，其中的每一个配置成形成本文中描述的一个或多个任务或功能。
过程500开始于控制器116操作挤出器主体160以挤出构建材料并且操作致动器120以移动挤出器主体160以形成在第一方向上定向的带的第一层(框504)。第一层可以以与上面关于图8-10讨论的第一层440类似的方式形成。接着，控制器116操作挤出器主体160以挤出构建材料并且操作致动器120以移动挤出器主体160以形成在第一方向上定向的带的第二层(框508)。第二层偏离第一层形成，使得第一层和第二层的带不具有共同的接头。应当注意在一些实施例中，可以在相同方向上打印两个以上的相邻带，任何带在不同方向上或在相同方向上偏移并且不与其相邻部分具有共同的接头。
过程500继续进行控制器116操作挤出器主体160以挤出构建材料并且操作致动器120以移动挤出器主体160以形成在第二方向上定向的带的第三层(框504)。第三层可以以与上面关于图8-10讨论的第二层472类似的方式形成，例如，具有相对于第一层和第二层垂直定向的带。接着，控制器116操作挤出器主体160以挤出构建材料并且操作致动器120以移动挤出器主体160以形成在第二方向上定向的带的第四层(框508)。第四层偏离第三层形成，使得第一和第二层的带不具有共同的接头。
图6和7中所示的层260、256、252和216可以相应地对应于根据过程500形成的第一、第二、第三和第四层。如图6和7中所示，第三和第四层252、216彼此偏移，并且第一和第二层260、256以类似的方式彼此偏移，但是偏移在图6和7中不可见，原因是层260、256的带在图中水平地形成。
为了形成弯曲的细节，控制器116配置成操作致动器120，或者在具有独立的平移和旋转致动器的实施例中，操作平移和旋转致动器两者，以同时旋转和平移挤出器主体160(图11)。当挤出器主体160和槽168旋转和平移时，槽168的外缘限定弯曲部的外缘，而槽168的内缘形成弯曲部的内缘。由于挤出槽168的外缘比槽168的内缘行进更大的距离，因此需要对挤出进行调节以解决内缘和外缘的不同行进距离。特别地，当弯曲部的半径相比于槽168的宽度较小时，必须调节挤出的构建材料的量。作为示例，挤出具有等于槽的宽度的半径(r)的小圆挤出等于πr2的面积，而外缘行进2πr的线性距离。因此，挤出速率应当与πr2/(2πr)或r/2成比例。在另一方面，对于很大半径的圆(r)，由挤出槽168的内缘和外缘行进的距离之间的差异是最小的，并且挤出速率与打印的面积(2πrr)除以路径长度(2πr)(等于r，或在该示例中为槽宽度)成比例。图12示出了挤出因数相对于半径与挤出宽度或槽宽度的比率绘制的曲线。