專利名稱：擠壓設(shè)備中的熔體流速補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用基于擠壓的分層制造技術(shù)來加工三維物體。更具體的說，本發(fā)明涉及向擠壓頭上的液化器提供固體造型材料，并相對(duì)于基體將易流動(dòng)狀態(tài)下的材料擠入預(yù)定的三維圖案中。
背景技術(shù)：
三維模型被用于藝術(shù)判斷、證明數(shù)學(xué)模型、形成堅(jiān)硬的加工工具、研究干擾和空間分配、以及測(cè)試函數(shù)性?；谟?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，基于擠壓的分層制造機(jī)器通過將來自擠壓頭的可固化造型材料擠壓成預(yù)定的圖案來建立三維模型。用來制造三維物體的基于擠壓的設(shè)備和方法的例子在Crump美國(guó)專利No.5,121,329，Crump美國(guó)專利No.5,340,433，Danforth等美國(guó)專利No.5,738,817，Batchelder等美國(guó)專利No.5,764,521和Dahilin等美國(guó)專利No.6,022,207中進(jìn)行了描述。所有這些都轉(zhuǎn)讓與了Stratasys.公司，即本發(fā)明的受讓人。
液體或固體造型材料的給料被提供給擠壓頭。在造型材料的給料是固體形式的情況下，擠壓頭使給料處于沉積所需的易流動(dòng)溫度。一種技術(shù)以細(xì)絲股的形式向擠壓頭提供造型材料。
在利用細(xì)絲進(jìn)給的現(xiàn)有技術(shù)中的Stratasys FDM造型機(jī)中，造型材料被裝入機(jī)器作為柔性細(xì)絲繞在供給卷軸(supply reel)上，諸如美國(guó)專利No.5,121,329中所公開的。可固化的材料被用做造型材料，在固化時(shí)它以充分的粘結(jié)作用粘著在前一層上，并且能作為柔性細(xì)絲被供應(yīng)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給輥將細(xì)絲股推進(jìn)入擠壓頭上的液化器。在液化器中，細(xì)絲被加熱至易流動(dòng)的溫度。易流動(dòng)的造型材料在液化器的遠(yuǎn)端被擠出管嘴，并且從液化器沉積到基體上。將細(xì)絲推入液化器的所述電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給輥產(chǎn)生一個(gè)“液化器泵”，其中細(xì)絲本身作為活塞。當(dāng)進(jìn)給輥將細(xì)絲推進(jìn)入液化器時(shí)，進(jìn)來的細(xì)絲股的力擠壓易流動(dòng)材料使其從管嘴流出。從管嘴擠出的材料的流速是細(xì)絲被推至擠壓頭的速度的函數(shù)。通過控制細(xì)絲推進(jìn)入液化器的速度來控制流速。控制器控制擠壓頭在水平x，y平面中的移動(dòng)，控制基體在垂直z方向的移動(dòng)，并且控制進(jìn)給輥推進(jìn)細(xì)絲的速度。通過同步控制這些過程變量，造型材料沿著CAD模型定義的工具路線層層地沉積成“串珠(beads)”。所述被擠壓的材料熔合到先前的沉積材料上，并固化形成近似CAD模型的三維物體。
所述的由液化器泵送來的擠壓材料具有珠狀橫截面區(qū)域，它能理想地被控制產(chǎn)生準(zhǔn)確的模型。通常，希望得到恒定的串珠寬度。串珠寬度與材料流出泵的流速以及擠壓頭的速度有關(guān)。串珠寬度也受擠壓管嘴尖端和在先擠壓層(或基體)之間的間距的影響。如果擠壓頭速度變化，而流速保持恒定，那么串珠寬度也會(huì)變化。
現(xiàn)有技術(shù)中的快速樣機(jī)系統(tǒng)中的一種類型沿包括折線的工具路線以恒定速度驅(qū)動(dòng)擠壓頭的運(yùn)動(dòng)。折線是由每個(gè)頂點(diǎn)處的X-Y坐標(biāo)對(duì)的系列定義的直線段的連續(xù)曲線。擠壓頭的速度被預(yù)先選定，以實(shí)現(xiàn)沿折線快速移動(dòng)擠壓頭、同時(shí)最小化偏離工具路線的位移的綜合目標(biāo)。結(jié)果，擠壓頭速度必須被設(shè)置足夠慢，以使偏差不會(huì)超過對(duì)應(yīng)沿折線的最大偏移的最大允許隨動(dòng)誤差。利用恒定的沿工具路線的擠壓頭速度，串珠寬度保持相當(dāng)?shù)囊恢拢窃诠ぞ呗肪€的始點(diǎn)和終點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生誤差，例如在“接合(seam)”處(也就是封閉環(huán)工具路線的始點(diǎn)和終點(diǎn))。
現(xiàn)有技術(shù)中樣機(jī)系統(tǒng)的另一種類型是改變擠壓頭的速度來提高造型機(jī)器的生產(chǎn)量。擠壓頭沿工具路線的直線方向加速，并且在有偏轉(zhuǎn)角或頂點(diǎn)處減速。美國(guó)專利No.6,054,077描述了這樣一種改變擠壓頭速度的技術(shù)，它利用遵循液化器泵指數(shù)階躍響應(yīng)的X-Y軌道壓型(trajectoryprofiling)來實(shí)現(xiàn)。擠壓頭的速度廓線看起來像“鯊魚的牙齒”，而泵的廓線遵從階躍函數(shù)。
可以看到，現(xiàn)有技術(shù)中的可變速系統(tǒng)引入了更大的串珠寬度誤差，并且有接合誤差。希望在使可變速率系統(tǒng)的生產(chǎn)量較高的同時(shí)，減小串珠寬度誤差和接合質(zhì)量誤差，以便獲得所需的擠壓輪廓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種液化器泵控制方法和設(shè)備，它通過考慮液化器中造型材料的熱膨脹來減少現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)現(xiàn)的串珠誤差和接合誤差。造型材料的熔融伴隨著它的膨脹。本發(fā)明認(rèn)識(shí)到，在瞬變狀態(tài)期間熔化膨脹產(chǎn)生了預(yù)料之外的從液化器流出的擠壓流速。本發(fā)明預(yù)測(cè)了由造型材料的熱膨脹產(chǎn)生的擠壓流速的熔化流動(dòng)部分，并且在指定流速中補(bǔ)償了預(yù)測(cè)的熔體流動(dòng)。


圖1是三維造型機(jī)器中液化器泵擠壓設(shè)備的透視圖解視圖。
圖2a顯示了通過良好的接合連接在一起的擠壓外形。
圖2b顯示了通過過輕的接合連接在一起的擠壓外形。
圖2c顯示了通過過重的接合連接在一起的擠壓外形。
圖3是工作在最小流速下的液化器的圖解表示。
圖4是工作在最大流速下的液化器的圖解表示。
圖5a是工作在穩(wěn)態(tài)下，然后關(guān)閉的現(xiàn)有液化器泵所擠壓出的擠壓外形。
圖5b是圖5a中液化器泵所產(chǎn)生的流量的圖解表示。
圖6a是現(xiàn)有液化器泵打開、然后關(guān)閉時(shí)，它所擠壓出的擠壓外形。
圖6b是圖6a中液化器泵所產(chǎn)生的流量的圖形表示。
圖7a是按照本發(fā)明的液化器，在它打開和接著關(guān)閉時(shí)所擠出的擠壓外形。
圖7b是圖7a中液化器泵所產(chǎn)生的流量的圖解表示。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的方法和設(shè)備可被用在相關(guān)的擠壓系統(tǒng)，所述系統(tǒng)擠壓在液化器泵中顯出熱膨脹性的材料。對(duì)于以下各種類型的造型機(jī)或樣機(jī)系統(tǒng)尤其適用即所述造型機(jī)或樣機(jī)利用擠壓頭來沉積將被加熱至可流動(dòng)的材料的“路(road)”，這種材料在溫度下降后收縮并固化形成固體模型。優(yōu)選的材料沉積和形成過程是在美國(guó)專利No.5,121,329中公開的類型。
圖1顯示了一種典型的三維造型機(jī)10，它具有在控制器25控制下沉積造型材料的擠壓頭20。擠壓頭20裝有接受造型材料的給料并將其加熱至擠壓所需溫度的液化器26。熔化的造型材料從液化器26的尖端30以串珠21的形式沉淀在平面基體32上(部分顯示)。在所示的優(yōu)選實(shí)施例中，造型材料給料是柔性細(xì)絲14。典型地是，細(xì)絲具有小的直徑，如近似0.070英寸。裝有一卷細(xì)絲14的卷軸12安裝在心軸(spindle)16上。一股細(xì)絲14通過導(dǎo)管18進(jìn)給，所述導(dǎo)管將這股細(xì)絲14送至擠壓頭20。材料推進(jìn)機(jī)構(gòu)23包括一對(duì)由電動(dòng)機(jī)24驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給輥22，該機(jī)構(gòu)將細(xì)絲14以受控的速度推進(jìn)入液化器26。液化器26、細(xì)絲14和材料推進(jìn)機(jī)構(gòu)23一起形成了液化器泵。
通過進(jìn)給輥22把這股細(xì)絲14泵入液化器26來為液化器26加壓。這股細(xì)絲14用作活塞。加壓迫使熔化的造型材料從尖端30出來。從泵流出的液體材料的容積流率(QoL)可通過調(diào)整進(jìn)給輥22的轉(zhuǎn)速來控制。如圖所示，一個(gè)進(jìn)給輥22是驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)樱煽刂破?5控制下的電動(dòng)機(jī)24驅(qū)動(dòng)。另一個(gè)輥?zhàn)?2是惰輥?？刂破?5通過向驅(qū)動(dòng)進(jìn)給輥22的電動(dòng)機(jī)24提供控制信號(hào)來控制泵的流率(QoL)。
擠壓頭20沿著水平x，y平面中的工具路線被x-y傳送器34驅(qū)動(dòng)，x-y傳送器34接收與源自CAD模型的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相適應(yīng)的來自控制器25的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)擠壓頭20在x-y平面上平移時(shí)，熔化的造型材料被可控制地從尖端30一層一層地分配在基體32上。每一層被分配之后，z軸傳送器36使基體32沿垂直的z軸下移預(yù)定的增量，所述z軸傳送器也接收來自控制器25的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。分配的材料熔合并固化，形成與CAD模型相似的三維物體。用來構(gòu)造支撐結(jié)構(gòu)的造型材料可分配成與用于構(gòu)造物體的造型材料的分配相協(xié)調(diào)的同類樣式，以便在修建物體時(shí)，支撐物體各部分。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將可以理解，造型機(jī)器和過程的多種變化是可能的。例如，在擠壓頭20和基體32之間的任何三維空間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)均可被用來構(gòu)造物體。造型材料的給料，液化器和材料推進(jìn)機(jī)構(gòu)可以采用多種形式。
用作造型材料的材料包括熱塑性材料、金屬、陶瓷和石蠟。水也是廣為人知的造型材料。除水以外，大多數(shù)造型材料在熔化時(shí)膨脹?，F(xiàn)有技術(shù)中的流動(dòng)控制方法沒有解決這一行為，導(dǎo)致不能在接合處或始點(diǎn)與終點(diǎn)之間保持恒定的串珠。
在現(xiàn)有技術(shù)中，液化器的控制是基于壓力模型的。此模型考慮了由于壓力變化以及經(jīng)過分配尖端處的壓力下降而引起的造型材料的體積變化，但是沒有解決由于溫度變化引起的體積變化。應(yīng)用壓力模型，液化器流動(dòng)控制被分成多個(gè)階段，例如美國(guó)專利No.6,054,077中描述的情況。這些階段包括預(yù)泵階段(在此階段中，液化器泵已經(jīng)被指定打開，但由于時(shí)間延遲，其并沒有擠壓材料)和回吸階段(在此階段中，液化器泵已經(jīng)被指定關(guān)閉，但仍繼續(xù)擠壓材料)。應(yīng)該清楚，本發(fā)明作為對(duì)現(xiàn)有流動(dòng)控制技術(shù)的補(bǔ)償而被最有效地實(shí)現(xiàn)。
圖2a顯示了沿封閉工具路線(也就是一條具有相同起點(diǎn)和終點(diǎn)位置的工具路線)的所需的擠壓外形40。擠壓外形40包括起始工具路線部分42和終止工具路線部分44，兩者通過良好的接合46連接起來。在擠壓外形40中，串珠寬度保持恒定，使起始和終止工具路線部分42和44之間平滑過渡。圖2b和圖2c示出了擠壓外形的誤差，在實(shí)施現(xiàn)有壓力模型以控制擠壓速度的同時(shí)，沿著封閉工具路線可以觀察到所述誤差。圖2b示出了過輕的接合，而圖2c示出了過重的接合。圖2b顯示的擠壓外形50，包括由過少或過薄的接合56連接在一起的最初工具路線部分52和最后工具路線部分54。過輕的接合56的產(chǎn)生是因?yàn)樵诠ぞ呗肪€起始和終止點(diǎn)處的串珠寬度比其它地方產(chǎn)生的小。圖2c顯示的擠壓外形60包括由過重或過厚的接合66連接在一起的起始工具路線部分62和終止工具路線部分64。過重的接合66的產(chǎn)生是因?yàn)樵诠ぞ呗肪€起始和/或終止點(diǎn)處擠壓了過多的材料。
本發(fā)明認(rèn)為，造型材料的熔化膨脹是導(dǎo)致所需擠壓外形中產(chǎn)生誤差的重要原因，如圖2b和圖2c圖示的接合誤差。利用本發(fā)明，擠壓流速的熔體流動(dòng)部分被預(yù)測(cè)了，并且通過調(diào)整固體材料的輸入速率來進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)果使串珠寬度誤差和接合誤差顯著減少。
本發(fā)明的熔體流動(dòng)補(bǔ)償考慮了液化器的流動(dòng)經(jīng)歷，以控制用來解決熔體流動(dòng)的流速。圖3是液化器26工作在最小流速時(shí)的橫截面的圖形表示。圖4是液化器26工作在最大流速時(shí)的橫截面的圖形表示。細(xì)絲14以輸入(或指定)流速Q(mào)iS送入液化器26，以熔化速率QM在液化器26中被加熱成液體，并且以輸出流速Q(mào)oL被擠出液化器26的尖端30。如圖，在較高的流速下，與熔化的造型材料(液體76)相比，液化器26中以細(xì)絲14的形式存在的固體造型材料相對(duì)多些。這是因?yàn)橐夯饔邢薜娜刍芰?。如果輸入流速Q(mào)iS從較高的速度降到較低的速度，那么液化器26中液體76的量將增加，并且輸出流速Q(mào)oL將包括熔體流動(dòng)部分QMFL，本發(fā)明考慮它的方法是通過向下調(diào)整指定的輸入流速Q(mào)iS。
為了解決熔體流動(dòng)，給定的工作系統(tǒng)的熔體流動(dòng)特性可用方程式來建模。圓柱體液化器中的材料固體棒的熔化速率被注意到是近似指數(shù)變化的。對(duì)固體材料輸入速度的階躍增長(zhǎng)，熔化速率指數(shù)增長(zhǎng)到等于固體材料輸入速度的漸近值。當(dāng)液化器泵被打開時(shí)，來自液化器的材料的熔體流速近似指數(shù)地增長(zhǎng)。相反，當(dāng)液化器泵被關(guān)閉時(shí)，熔體流速近似指數(shù)地減到零。因此，熔體流動(dòng)能被依賴于液化器熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)的指數(shù)方程預(yù)測(cè)出來。
圖5a和5b圖示了現(xiàn)有技術(shù)中的液化器泵關(guān)閉時(shí)的材料流速。圖5a圖示了擠壓外形80，圖5b是流量的圖形表示。在壓制擠壓外形80過程中，裝有液化器泵的擠壓頭以恒定的速度向右移動(dòng)。在第一工具路線點(diǎn)82處，指定的流速87是恒定的速度，并且液化器泵足夠長(zhǎng)以達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。在第二點(diǎn)84處，流速87被指定關(guān)閉(產(chǎn)生適當(dāng)?shù)幕匚鼔航?，而擠壓頭繼續(xù)移動(dòng)。盡管泵被指定關(guān)閉，但是流動(dòng)仍持續(xù)。這附加的流動(dòng)是由液化器中熔化材料的未考慮的膨脹產(chǎn)生的，它導(dǎo)致擠壓外形80的過量部分86。該過量部分86能被測(cè)出來，并且具有指數(shù)形式。如果擠壓頭將在點(diǎn)84處停止移動(dòng)，那么由膨脹產(chǎn)生的過量流動(dòng)將在所述點(diǎn)處產(chǎn)生大球或過重接合。
在圖5b中，所述的指定流速87是描述目標(biāo)流速的階躍函數(shù)。在目標(biāo)流速中，流動(dòng)需要從泵打開時(shí)保持恒定直到泵關(guān)閉時(shí)。然而，由于沒有考慮材料的膨脹，所以泵的實(shí)際流速88不等于指定流速87。當(dāng)泵被關(guān)閉后，實(shí)際流速88在點(diǎn)84以后不是立即下降到零，而是經(jīng)歷一個(gè)指數(shù)下降降到零。
圖6a和6b圖示了現(xiàn)有技術(shù)中的液化器泵打開時(shí)的材料流速。圖6a圖示了擠壓外形90，圖6b是流量的圖形表示。在擠壓外形90中，所述擠壓頭以恒定的速度向右移動(dòng)。所述液化器泵保持打開，直到它幾乎達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，接著它被指定關(guān)閉。在第一工具路線點(diǎn)92，所述泵被指定打開，以恒定流速97工作，但不是所有指定流被立即擠壓出來。三個(gè)時(shí)間常數(shù)過后，在第二個(gè)工具路線點(diǎn)94處，流速97被指定關(guān)閉。沿?cái)D壓外形90的一部分95，在點(diǎn)92和94之間，當(dāng)實(shí)際流速98接近指定流速97時(shí)，擠壓出的串珠變寬了。在點(diǎn)94處，實(shí)際流速98趕上了指定流速97。與圖5a和5b中的例子一樣，所述泵被關(guān)閉后，由于液化器中材料的熱膨脹使得流動(dòng)仍繼續(xù)。當(dāng)所述泵被指定打開時(shí)，流失的體積等于當(dāng)所述泵指定關(guān)閉后擠壓出的材料的過剩量(量入等于量出)。
在圖6b中，所述的指定流速97是表示目標(biāo)流速的階躍函數(shù)。如上所述，當(dāng)在點(diǎn)92處所述泵被打開時(shí)，實(shí)際流速98起初不等于指定流速97，而是指數(shù)地增加到指定流速97。達(dá)到穩(wěn)態(tài)或指定流速所需的時(shí)間等于熱量從液化器壁傳導(dǎo)至固體材料的中心所花費(fèi)的時(shí)間。這種行為的熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)(τMF)在細(xì)絲標(biāo)稱直徑為0.070的情況下是在1與3秒之間，并且達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間約等于3到4個(gè)時(shí)間常數(shù)。
所述液體材料的輸出流速Q(mào)oL受材料進(jìn)入液化器的速度(QiS)和固體細(xì)絲熔化的速度(QM)的影響。熔化產(chǎn)生的材料輸出流速(也就是“熔體流動(dòng)”)能用方程式預(yù)測(cè)QMFL＝％MF*QM(1)其中，％MF是熔化過程中造型材料的百分比膨脹率，QMFL是由于熔化產(chǎn)生的液體材料的輸出流速。本發(fā)明將液體體材料的輸出流速Q(mào)oL作為送入液化器的材料速度和熔體流速部分的和QoL＝Qis+QMFL＝QiS+％MF*QM(2)在任何給定的時(shí)間處，液體材料的輸出流速Q(mào)oL可以寫成根據(jù)以下方程式的固體材料輸出速度QoS的函數(shù)QoL＝QoS(1+％MF) (3)
固體材料輸出速度QoS可寫成QoS=QoL1+%MF=QiS+%MF*QM1+%MF---(4)]]>方程式(4)能被簡(jiǎn)化成如下QoS=QiS1+%MF+%MF*QM1+%MF---(5)]]>在穩(wěn)態(tài)條件下QM＝QiS，并且方程式(5)簡(jiǎn)化為QoS＝QiS(6)在非穩(wěn)態(tài)條件下，由于熔融產(chǎn)生的固體材料擠壓速度能被下述方程式(7)預(yù)測(cè)，因此方程式(5)也能被簡(jiǎn)化QMFS=%MF*QM1+%MF---(7)]]>所以固體材料的輸出速度QoS由如下方程式給出QoS=QiS1+%MF+QMFS---(8)]]>本發(fā)明通過設(shè)置指定輸入速度來補(bǔ)償由于材料膨脹產(chǎn)生的熔體流速，這樣輸出流速將近似達(dá)到目標(biāo)流速。在前面的例子中，階躍輸入被假定，并且液化器泵打開至少3個(gè)時(shí)間常數(shù)，以便取得接近穩(wěn)態(tài)的條件。然而，通過利用本發(fā)明，任何作為時(shí)間函數(shù)的熔體流動(dòng)都能被補(bǔ)償。
在適于給定操作系統(tǒng)的許多方法中，熔體流速能被表示為時(shí)間函數(shù)。典型實(shí)例中，細(xì)絲泵液化器的適當(dāng)表達(dá)方式是指數(shù)公式QMFS=%MF*QiS1+%MF*(1-e-1τMF)---(9)]]>其中，τMF是定義由熔融產(chǎn)生的流速的指數(shù)增長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)，QMFS是由于熔體膨脹產(chǎn)生的固體材料擠壓速度(也就是擠壓后被重新固化的膨脹產(chǎn)生的材料流速)。對(duì)方程式(9)求導(dǎo)，ΔQMFS的差分方程表示如下ΔQMFS=(%MF*QiS1+%MF-QMFS)*ΔtτMF---(10)]]>方程式(10)接著被用來計(jì)算從一個(gè)時(shí)間階段至另一個(gè)時(shí)間階段的熔體流速的變化。對(duì)任何給定流動(dòng)經(jīng)歷，這種計(jì)算均是有效的，并且不論輸入流動(dòng)的形式如何，這種計(jì)算也是有效的。
圖7a和圖7b圖示了液化器泵產(chǎn)生的材料流速，其中根據(jù)本發(fā)明熔體流速被考慮進(jìn)來。圖7a示出了按照本發(fā)明液化器泵擠壓出的擠壓外形，而圖7b是液化器泵產(chǎn)生的流量的圖形表示。
在壓制擠壓外形100過程中，擠壓頭以恒定速度向右移動(dòng)。在第一點(diǎn)102處，泵被打開，泵被設(shè)置了比目標(biāo)流速更高的指定流速104。所述指定流速104接著指數(shù)地降到目標(biāo)速度。在第二點(diǎn)106處，指定流速104首先反轉(zhuǎn)方向、接著指數(shù)衰減升到目標(biāo)流速零。在這種方式中，擠壓外形100具有恒定的串珠寬度，并且實(shí)際流速108等于目標(biāo)流速。重要的是，當(dāng)泵被打開時(shí)的過量流動(dòng)等于泵被關(guān)閉時(shí)的流動(dòng)不足。
方法熔體流速補(bǔ)償?shù)牡谝徊绞谴_定在每個(gè)時(shí)間段的目標(biāo)輸出流速。目標(biāo)速度是液體材料或重新固化材料的所需輸出流速，這樣選擇是為了(近似地)獲得所需擠壓外形。這里為了討論方便，目標(biāo)速度被看作是重新固化材料的所需輸出流速。接著，這個(gè)目標(biāo)流速，與表示工作系統(tǒng)熱性質(zhì)的常數(shù)(熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)τMF和百分比熔化膨脹率％MF)一起，被用來計(jì)算在每個(gè)時(shí)間段的指定輸入流速。為了計(jì)算指定輸入流速，從一個(gè)時(shí)間段到另一個(gè)時(shí)間段的輸出流速的熔體流速部分被預(yù)測(cè)。熔體流速可通過計(jì)算在每個(gè)階段熔化膨脹產(chǎn)生的固體材料擠壓速度的變化QMFS而被預(yù)測(cè)。當(dāng)液化器起初在沒有擠壓至少4個(gè)熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)之后開始動(dòng)作時(shí)，起始熔體流速ΔQMFS被假定為零。熔體流速ΔQMFS的變化被加到熔體流速的前個(gè)值中以計(jì)算新的熔體流速值。然后，這個(gè)新的熔體流速?gòu)南到y(tǒng)控制器的目標(biāo)流速中減出去，來產(chǎn)生所需的擠壓外形。在每個(gè)時(shí)間段這個(gè)計(jì)算反復(fù)進(jìn)行，直到液化器停止動(dòng)作。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)是通過如下方法實(shí)現(xiàn)的識(shí)別給定工作系統(tǒng)的由于熔體流動(dòng)產(chǎn)生的百分比膨脹率％MF和熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)τMF；定義幾個(gè)變量的方程式ΔQMFS瞬時(shí)變量，QMFS，t表示在時(shí)間t的固體材料擠壓的熔體流速部分，和指定輸出變量QiS；提供兩個(gè)輸入變量，時(shí)間段Δt和目標(biāo)流速Q(mào)Target，它是一個(gè)時(shí)間函數(shù)；并且提供QMFS，t-1的起始值。
用于在利用如上述典型實(shí)施例所述的液化器泵的工作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的算法如下在t＝0時(shí)，QMFS，t＝QMFS，t-1＝ΔQMFS＝0在時(shí)間t，固體材料擠壓速度中的熔體流速部分如下QMFS，t＝QMFS，t-1+ΔQMFS(11)將要被指定、以便接近t-1到t時(shí)間段處的目標(biāo)流速的固體材料的輸入流速可用上述對(duì)應(yīng)QiS的方程式(8)計(jì)算得到QiS＝(1+％MF)*(QTarget-QMFS，t) (12)系統(tǒng)控制器控制材料推進(jìn)機(jī)構(gòu)，以計(jì)算出的輸入流速向液化器供給材料，來獲得所述時(shí)間段的目標(biāo)流速。從此時(shí)間段到下個(gè)時(shí)間段的熔體流速的變化由上述方程式(10)的應(yīng)用給出ΔQMFS=(%MF*QiS1+%MF-QMFS,t)*ΔtτMF---(13)]]>然后，計(jì)算出的熔體流速的變化被用在方程式(11)中，并且對(duì)每個(gè)時(shí)間段重復(fù)使用該算法。
可以理解，百分比膨脹率％MF和熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)τMFS對(duì)給定的工作系統(tǒng)是唯一的。在特定工作系統(tǒng)的工作溫度下，對(duì)于給定的造型材料，這些屬性可以計(jì)算出來或者它們可被實(shí)驗(yàn)測(cè)得。在圖1所示的典型實(shí)施例中，系統(tǒng)的熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)可以根據(jù)長(zhǎng)圓柱體的輻射熱條件模型估計(jì)出來。在這種情況下，細(xì)絲為一個(gè)長(zhǎng)圓柱體，通過使它受迫進(jìn)入熱的液化器而使它突然被暴露在外壁溫度大幅上升的情況下。傳統(tǒng)熱傳遞條件的圖表解決方案被展示在多種不同的熱傳遞教材上，例如“TemperatureCharts for Induction and Constant Temperature Heating”，Heisler，M.P.，Trans.ASME，69，(1947)。表示恒定壁溫度邊界條件的圖表線可被表示為與exp[-(5.31*α*t)/(ro2)]成比例，其中α是造型材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，ro是細(xì)絲半徑。此條件下的熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)由下述方程式給出τMF＝(ro2)/(5.31*α)其中α＝材料熱擴(kuò)散系數(shù)＝k/(ρ*cρ)，k是熱導(dǎo)率，ρ是密度，cρ是比熱。
Stratasys三維造型機(jī)中使用ABS細(xì)絲的情況下ro＝0.035inchcρ＝0.45BTU/(1bm-F)(平均值，25℃到250℃)ρ＝0.0376lbm/in3k＝2.28E-6BTU/(sec-in-F)這樣，α＝2.28E-6/(.0376*45)＝135E-6(in2/sec)，并且τMF＝(0.035)2/(5.31*135E-6)＝1.7sec。聚苯乙烯材料(它由ABS表示)的比容從30℃下的0.96cm3/gm變到250℃下的1.06cm3/gm。(“PVT Data forpolymers”；Zoller and Walsh.Technomic Publishing，1995，133頁(yè))。這是10％的增加，因此這種材料的％MF＝0.10。
熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)的值和理論上獲得的百分比膨脹率是在工程假設(shè)基礎(chǔ)上的實(shí)際系統(tǒng)值的估計(jì)。這些常數(shù)能通過實(shí)體工作系統(tǒng)給出的擠壓外形中的真實(shí)誤差的實(shí)際檢測(cè)來進(jìn)行修改，以獲得更加準(zhǔn)確地表征真實(shí)系統(tǒng)響應(yīng)的值。在Stratasys FDM三維造型機(jī)上，ABS熱塑性材料的熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)被以經(jīng)驗(yàn)為根據(jù)地測(cè)出為2.0秒，并且熔體流膨脹率被測(cè)出是8％。在這個(gè)使用以經(jīng)驗(yàn)為根據(jù)而獲得的常數(shù)的機(jī)器中，擠壓外形最壞情況下的誤差被減少80-90％。
術(shù)語(yǔ)表下表定義了本申請(qǐng)中使用的一些變量變量定義QiS指定的固體材料的液化器輸入速度。
QoS材料被固化后，材料的輸出速度。
QM液化器中固體材料的熔化速度。
QMFL由熔化膨脹產(chǎn)生的液體材料的輸出流速。
QoL液體材料的輸出速度。
QMFS由熔化膨脹產(chǎn)生的固體材料的輸出速度。
QTarget液化器目標(biāo)輸出流速。
％MF由溫度變化產(chǎn)生的造型材料的百分比膨脹率，百分比形式。
τMF液化器熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)。
盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員知道在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出形式和細(xì)節(jié)上的變化。例如，目前的描述集中在三維造型的應(yīng)用，但是可以理解本發(fā)明中的熔體流速補(bǔ)償也可以應(yīng)用在其他為了取得預(yù)定擠壓外形的擠壓系統(tǒng)中。本發(fā)明可應(yīng)用的其他領(lǐng)域包括膠粘劑分配應(yīng)用(例如，轎車、尿布、盒子和衣服的組裝)，和焊膏擠壓(例如，用在電路板的制造上)。進(jìn)一步說，在這里描述的典型工作系統(tǒng)中，熔體流速的響應(yīng)近似于依賴液化器熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)的指數(shù)函數(shù)。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，指定的泵流速是根據(jù)熔體流的估算指數(shù)分布決定的。對(duì)大多數(shù)應(yīng)用提供充分的準(zhǔn)確度的同時(shí)，指數(shù)函數(shù)具有簡(jiǎn)化優(yōu)勢(shì)。但是，對(duì)給定的工作系統(tǒng)，流速分布可能適合其他時(shí)間響應(yīng)函數(shù)，例如多項(xiàng)式函數(shù)或高階方程，它們更復(fù)雜但可提供更高的準(zhǔn)確率。本發(fā)明所述的熔體流速補(bǔ)償可通過查表實(shí)現(xiàn)，尤其是在使用較復(fù)雜的熔體流模型的情況下。
權(quán)利要求
1.在設(shè)有液化器的擠壓設(shè)備中，所述液化器接收顯示熱膨脹性的固體成分材料，加熱所述材料，并以輸出速度沿著預(yù)定工具路線通過液化器的分配尖端沉積材料流，所述設(shè)備利用材料推進(jìn)機(jī)構(gòu)以控制輸出速度的輸入速度將固體成分材料送至液化器；一種使輸出速度達(dá)到預(yù)定目標(biāo)輸出速度的方法，其中所選預(yù)定目標(biāo)輸出速度用于獲得沿工具路線沉積的材料的所需擠壓外形，所述方法包括如下步驟預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)一段工具路線的時(shí)間段中的輸出速度的熔體流速部分(QMF)，所述熔體流速是在液化器中被加熱的材料的熱膨脹引起的流速；以及指定所述時(shí)間段的輸入速度(QiS)，以便補(bǔ)償所預(yù)測(cè)的熔體流速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，它還包括如下步驟在隨后的時(shí)間段中重復(fù)預(yù)測(cè)步驟和指定步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于熔體流速被預(yù)測(cè)為液化器的熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)(τMF)和材料百分比熱膨脹率(％MF)的函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于使用指數(shù)模型來預(yù)測(cè)關(guān)于時(shí)間的熔體流速。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述指數(shù)模型是液化器的熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)(τMF)和所述材料百分比熱膨脹率(％MF)的函數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述關(guān)于時(shí)間的熔體流速的指數(shù)模型，在QiS從零開始的階躍變化過程中，由公式QMFS=%MF*Qis1+%MF*(1-e-tτMF)]]>表示。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于預(yù)測(cè)所述時(shí)間段的輸出速度中的熔體流速部分(QMF)，包括將前一個(gè)時(shí)間段的熔體流速部分(QMF，t-1)加到從前一個(gè)時(shí)間段起的熔體流速部分的預(yù)測(cè)變化量(ΔQMF)，并且其中所述時(shí)間段中輸入速度(QiS)是根據(jù)方程式QiS＝(1+％MF)*(QTarget-QMF)而被指定的，其中QTarget是預(yù)定目標(biāo)輸出速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于熔體流速部分的預(yù)測(cè)變化由差分方程ΔQMFS=%MF*QiSt-11+%MF-QMFSt-1*ΔtτMF]]>給出，其中QiSt-1是前一段的輸入速度，Δt是時(shí)間段的長(zhǎng)度。
9.一種擠壓設(shè)備，包括液化器，它接收顯示熱膨脹性的固體成分材料，加熱所述材料，并沿預(yù)定工具路線以輸出速度通過它的分配尖端沉積所述材料流；材料推進(jìn)機(jī)構(gòu)，它以控制輸出速度的輸入速度向液化器供應(yīng)固體成分材料；向材料推進(jìn)機(jī)構(gòu)提供控制信號(hào)的控制器，控制信號(hào)控制材料推進(jìn)機(jī)構(gòu)的操作，以便輸入速度補(bǔ)償輸出速度中的預(yù)測(cè)熔體流速部分(QMF)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的擠壓設(shè)備，其特征在于所述控制器具有預(yù)測(cè)熔體流速部分作為液化器熔體流動(dòng)時(shí)間常數(shù)(τMF)和材料百分比熱膨脹率(％MF)的函數(shù)的算法。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的擠壓設(shè)備，其特征在于所述算法包括根據(jù)差分方程式ΔQMFS=%MF*QiSt-11+%MF-QMFSt-1*ΔtτMF]]>計(jì)算熔體流速部分(QMF)從前一時(shí)間段至下一時(shí)間段的預(yù)測(cè)變化，其中QiSt-1是前一時(shí)間段的輸入速度，QMFSt-1是前一時(shí)間段固體材料輸出速度中的熔體流速部分，Δt是時(shí)間段的長(zhǎng)度。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的擠壓設(shè)備，其特征在于利用指數(shù)模型預(yù)測(cè)所述關(guān)于時(shí)間的熔體流速。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的擠壓設(shè)備，其特征在于，所述關(guān)于時(shí)間的熔體流速的指數(shù)模型，在QiS從零開始的階躍變化過程中，由公式QMFS=%MF*QiS1+%MF(1-e-tτMF)]]>給出。
全文摘要
公開了匹配液化器(26)的擠壓速度的方法和裝置，所述液化器以預(yù)定目標(biāo)輸出速度擠壓材料流。本發(fā)明調(diào)整了進(jìn)入液化器(26)的材料容積流速，以考慮從液化器(26)擠出的材料的預(yù)測(cè)熔體流速部分。補(bǔ)償預(yù)測(cè)熔體流速使得液化器(26)沿工具路線沉積的材料產(chǎn)生的擠壓外形(100)的誤差減少。
文檔編號(hào)B29C47/10GK1555306SQ02818246
公開日2004年12月15日 申請(qǐng)日期2002年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月21日
發(fā)明者詹姆斯·W·科姆, 詹姆斯 W 科姆 申請(qǐng)人:斯特拉塔西斯公司