阅读说明：本技术 具有轴向位移的挤出机 (Extruder with axial displacement ) 是由 路德维希·卡顿 达格玛·杜格 金·拉格特 威廉·范德斯蒂恩 穆斯塔法·埃尔科克 马塞尔·莫 于 2019-01-11 设计创作，主要内容包括：一种用于挤出材料的挤出机,该挤出机包括螺杆(110)、筒体(120)、控制器和力传感器,其中,螺杆(110)的至少一部段(110b)是圆锥形的,并且其中,筒体(120)的至少一部段(120b)是圆锥形的,其中,挤出机(100)适于沿螺杆(110)的轴向方向移动螺杆(110),使得通过螺杆相对于筒体的轴向位移,来改变螺杆(110)和筒体(120)之间的泄漏间隙(180)的尺寸,其中,挤出机适于主动地获得运行特性,并且其中,控制器(160)适于根据运行特性,控制螺杆(110)的轴向位移,其中所述运行特性的至少一个是材料的向上力或螺杆上的向上力。(An extruder for extruding material, the extruder comprising a screw (110), a barrel (120), a controller and a force sensor, wherein at least a section (110b) of the screw (110) is conical and wherein at least a section (120b) of the barrel (120) is conical, wherein the extruder (100) is adapted to move the screw (110) in an axial direction of the screw (110) such that a size of a leakage gap (180) between the screw (110) and the barrel (120) is varied by axial displacement of the screw relative to the barrel, wherein the extruder is adapted to actively obtain operational characteristics, and wherein the controller (160) is adapted to control the axial displacement of the screw (110) depending on the operational characteristics, wherein at least one of said operational characteristics is an upward force of the material or an upward force on the screw.)

具有轴向位移的挤出机

发明领域

本发明涉及用于材料挤出的挤出机和用于操作这些挤出机的方法。更具体地，本发明涉及螺杆驱动的挤出机及其操作方法。

背景技术

在螺杆驱动的挤出机中，将粒料进给到安装在筒体内的螺杆。可以通过料斗将粒料进给到螺杆。螺杆的旋转将粒料进一步移入筒体。该筒体可以被加热。

现有技术的螺杆/筒体构造，例如在EP0110694A2、US2783498、US20170291364和DE102004050810中所公开的，其特征在于，螺杆的至少一部分是圆锥形的，并且筒体的至少一部分也是圆锥形的，从而通过将螺杆定位在筒体中，可以形成材料可以通过的泄漏间隙。

现有技术的控制系统，例如在US2016200024中公开的，用于控制螺杆旋转、筒体的加热，并且可选地控制筒体的冷却，以选择性地控制来自挤出机的末端的被液化的材料的流动。在US2016200024中，控制处理器使用存储在控制处理器的存储器中的基本校准曲线。这些曲线是通过在已知温度和已知马达速度下挤出原料而生成的。这些校准横跨挤出机的温度和速度范围进行。因此，可在内部获得已知点的包络，控制系统可以从这些包络中基于来自挤出机的输入来计算其运行参数(例如，螺杆旋转的控制、筒体的加热以及筒体的冷却)。

为了使用现有技术(微型)挤出设备来处理/3D打印材料(例如聚合物)，通常需要对具有不同粘度的材料使用不同的设置。

因此，在(微型)挤出机和控制这些挤出机的方法方面仍有改进的空间。

本发明的实施例的目的是提供一种用于挤出材料的良好的挤出机，并提供一种用于操作这种挤出机的良好的方法。

可以以主动和自动化的方式来操作挤出机。其中，主动涉及运行期间与时间有关的变化，而自动化涉及包括自动设备的操作。

上述目的通过根据本发明的方法和设备来实现。

在第一方面，本发明的实施例涉及一种用于挤出材料的挤出机，该挤出机包括螺杆、筒体和控制器。该筒体包括用于接收一定量的材料的筒体入口，以及筒体出口。螺杆的至少一部段是圆锥形的，并且筒体的至少一部段是圆锥形的，并且螺杆和筒体形成为使得螺杆可以定位在筒体中，使得螺杆的圆锥形部段装配在筒体的圆锥形部段中，在筒体和螺杆之间具有泄漏间隙，材料可以通过该泄漏间隙。挤出机被构造成使得在运行期间，螺杆的旋转使添加到筒体入口的材料朝向筒体出口前进。挤出机适于沿螺杆的轴向方向移动螺杆，从而通过螺杆相对于筒体的轴向位移来改变螺杆与筒体之间的泄漏间隙的尺寸。

所述挤出机适于获得运行特性，并且所述控制器适于在所述挤出机运行期间根据所述运行特性控制所述螺杆的轴向位移，所述运行特性的至少一个是所述材料在挤出机中的一个或多个位置处的向上力和/或螺杆上的向上力。挤出机包括力传感器，该力传感器用于测量材料在挤出机中的一个或多个位置处的向上力和/或螺杆上的向上力。在运行过程中，向上力在与轴向位移平行的方向上作用，并且在某种意义上与材料的净轴向运动方向相反。

在本发明的实施例中，控制器还可以适于根据材料的性质和运行特性来控制螺杆的轴向位移。

本发明的包括可轴向位移的螺杆和适于控制轴向位移的控制器的实施例的优点在于，低粘度和高粘度材料(例如粒料形式的聚合物)都可以用同一挤出机挤出。这与现有技术的系统，在现有技术的系统中，需要不同的设置来加工高粘度和低粘度材料(例如聚合物、凝胶和硅酮)。

这通过提供一种至少部分为圆锥形的螺杆以及通过提供一种控制器来实现，该控制器适于根据运行特性和根据材料的性质来控制所述位移。通过改变螺杆在筒体中的轴向位移，可以改变螺杆与筒体之间的泄漏间隙的尺寸，从而可以加工具有不同性质的材料。

本发明的实施例的优点在于，螺杆的轴向位移允许在实际加工过程中控制熔融速率和/或压力，因此，能够实现与时间有关的控制。因此，与现有技术的挤出机相比，在控制加工条件时，根据本发明的挤出机具有额外的自由度。

在本发明的实施例中，能够主动和连续地控制螺杆的轴向位移，并且这是实时变化的。控制器可以适于根据运行特性并且还可能根据材料的性质以自动化的方式控制螺杆的轴向位移。

本发明的实施例的优点在于，通过改变泄漏间隙的尺寸，可以控制挤出机中材料的回流。这允许控制挤出机的熔融和混合行为，并最终以自动化的方式调节流出筒体和/或连接到筒体出口的模头出口的流的质量。

本发明的实施例的一个优点是可以减少挤出机中材料的降解。这是可以的，因为可以减少在挤出机中的停留时间。

本发明的实施例的优点在于，可以减少为了开始挤出过程而所需的最小材料量。该最小量是通过料斗填充螺杆并在筒体出口使材料开始流出所需的量。该最小量可以例如降低到10克以下，或者甚至低于5克。因此，考虑到与例如需要约100克至一公斤的量的现有技术的挤出机相比，可以降低挤出水平上的质量流速，从而，停留时间和材料降解的可能性也被降低了。

本发明的实施例的优点在于，可以在闭环控制系统中限定螺杆的适当位移。在本发明的实施例中，闭环控制系统以自动方式主动响应。

本发明的实施例的优点在于，可以在挤出机的运行期间主动控制材料流，并且可以为具有不同粘度的一系列不同材料都这样做，所述粘度可能甚至在挤出机的运行期间发生变化(例如剪切稀化(thinning))。

在本发明的实施例中，控制器还适于根据运行特性来控制螺杆的旋转速度。另外，可以根据运行特性和时间来控制筒体的至少一部分的温度和/或一个或多个位置处的压力。该控制可以根据运行特性来完成，也可以根据材料的性质来完成。可以主动控制旋转速度、温度和/或压力。

本发明的实施例的优点在于，控制器除了对泄漏间隙的尺寸进行主动控制之外，还对旋转速度和/或筒体的至少一部分的温度进行控制，并且还可以控制一个或多个位置处的压力，以控制挤出过程。该控制可以以自动化或非自动化的方式进行。

在本发明的实施例中，运行特性是在挤出机中一个或多个位置处的温度和/或在挤出机中一个或多个位置处的材料的压力。

此外，在本发明的实施例中，运行特性是材料在挤出机中一个或多个位置处的向上力和/或螺杆上的向上力。

在本发明的实施例中，挤出机包括力传感器，该力传感器适于当材料流向筒体出口时测量材料的向上力，其中力传感器的输出与控制器连接。

本发明的实施例的优点在于，向上方向上的力的测量结果可以与在挤出螺杆的端部或在模头出口处引入的被产生的(developed)挤出压力相关联。因此，这种向上力测量结果可以通过控制器更好地控制挤出过程。

在本发明的实施例中，挤出机适于在挤出机的筒体出口处测量至少一种运行特性。

在本发明的实施例中，材料的性质至少包括材料的流变参数以及还可以包括热物理参数。

在本发明的实施例中，控制器适于从外部设备获取要挤出的材料的性质。这些性质可以例如存储在控制器可访问的存储元件中。除了流变参数外，其他性质可以是热物理性质，例如，导热系数。另一个性质例如可以是材料的密度。

本发明的实施例的优点在于，材料的固有参数用于通过通用校准更好地控制工艺参数。在本发明的实施例中，这些材料性质是与挤出机本身无关的标准参数。这些材料性质可以例如是材料的流变参数。泄漏间隙的尺寸可用于控制挤出机内材料流的流变性，并且存在更大的灵活性以实现挤出物的最佳流速质量。

在本发明的实施例中，材料可以是聚合物。流变参数可以与聚合物的流变曲线相关。控制器可以例如对于非牛顿聚合物流使用有效的动态/剪切粘度值。

本发明的实施例的优点在于，诸如压力和温度测量结果的运行特性可以与材料的性质相关联，以更好地控制螺杆的位移和/或旋转速度和/或筒体的至少一部分的温度。该数据还允许在筒体出口处获得所需的流速。

本发明的实施例的优点在于，可以实现从挤出机的开始到结束的连续流速。这允许在筒体出口处保持稳定的流速。

在本发明的实施例中，控制器适于在运行特性之一发生变化时控制泄漏间隙的尺寸和/或螺杆的旋转速度和/或筒体的至少一部分的温度和/或在一个或多个位置处的压力。其中，控制器可以适于根据材料的性质来控制这些参数。

本发明的实施例的优点在于，控制器可以通过改变螺杆的位移和/或旋转速度和/或筒体的至少一部分的温度和/或一个或多个位置处的压力来补偿所测得的运行特性之一的变化。

在本发明的实施例中，挤出机包括在筒体出口处的温度传感器，用于测量在筒体出口处的材料的温度，其中温度传感器的输出与控制器连接，和/或，挤出机包括在筒体出口处的压力传感器，用于测量在筒体出口处的材料的压力，其中压力传感器的输出与控制器连接。挤出机可包括在筒体出口处的温度传感器和在筒体出口处的压力传感器的组合。

本发明的实施例的优点在于，基于筒体出口处的压力和/或温度测量结果，控制器可以优化压力-体积-温度(PVT)控制曲线和相关的流速。使用力、压力和温度测量结果，控制器可以调节螺杆的轴向位移和旋转速度，以获得最佳的PVT曲线。

在本发明的实施例中，挤出机适于将模头安装在筒体出口上，使得材料可以经由模头出口离开挤出机，并且其中控制器适于根据模头出口以主动和自动的方式控制螺杆的轴向位移和/或螺杆的旋转速度。模头的几何形状从而被考虑。几何形状包括模头的形状以及尺寸。在本发明的实施例中，还可以考虑运行特性和材料的性质，以确定螺杆的轴向位移。

本发明的实施例的优点在于，控制器根据所安装的模头而起不同的作用。因此，可以将不同的模头安装在挤出机上，并且可以在筒体和模头出口处获得稳定的流速，并且可以对不同的模头实现这种效果。控制器可以例如考虑模头的形状因子和/或模头尺寸。

在本发明的实施例中，筒体是包括不同部段的分段式筒体，其中筒体的不同部段具有不同的形状和/或其中挤出机适于对所述不同的部段进行不同地加热/冷却。

将筒体分成几个部段允许逐步加热筒体。这允许改进螺杆的每个部段的热控制。因此，分段式筒体允许在整个挤出过程中改善可以熔融的材料的流变稳定性。

在本发明的实施例中，螺杆包括第一笔直部段，并且筒体包括第一笔直部段，使得螺杆的第一笔直部段装配在筒体的第一笔直部段内。

在本发明的实施例中，在螺杆的第一笔直部段与筒体的第一笔直部段之间存在泄漏间隙。在本发明的实施例中，螺杆的圆锥形部段的高度可以与筒体的圆锥形部段的高度基本相同。

因此，笔直部段对应于进料区，而圆锥形部段对应于压缩区。

在本发明的实施例中，螺杆的圆锥形部段在螺杆的第一笔直部段和螺杆的第二笔直部段之间，并且筒体的圆锥形部段在筒体的第一笔直部段和筒体的第二笔直部段之间，以使螺杆的第二笔直部段装配在筒体的第二笔直部段内。

在本发明的实施例中，在螺杆的第二笔直部段与筒体的第二笔直部段之间存在泄漏间隙。

在本发明的实施例中，挤出机包括在筒体入口和螺杆的一部分之间的供给室。

本发明的实施例的优点在于，材料颗粒可以在供给室中被弹回，因为这防止了它们被螺杆切割，并且还防止了它们被堵塞在螺杆和筒体之间，从而可以进行可靠的力测量。本发明的实施例的优点在于，可以将材料以粒料形式进给到挤出机中。这可以通过用粒料(部分)填充供给室来完成。

在第二方面，本发明的实施例涉及一种用于以自动化方式主动地操作根据本发明的实施例的挤出机的方法。该方法包括测量挤出的运行特性和/或获得材料的性质，并根据运行特性通过螺杆的轴向位移来改变泄漏间隙的尺寸。还可以根据材料的性质改变泄漏间隙的尺寸。

测量运行特性包括测量材料在挤出机中一个或多个位置处的向上力和/或螺杆上的向上力。向上力沿平行于螺杆的轴向方向作用。在挤出机的运行期间，根据测量的向上力来改变泄漏间隙的尺寸。感测的向上力与材料的净轴向运动相反。

在本发明的实施例中，在运行期间连续/主动地测量运行特性，并且基于运行特性的测量结果来在运行期间主动地改变泄漏间隙的尺寸。

在本发明的实施例中，该方法还包括根据运行特性来调节螺杆的旋转速度和/或筒体的至少一部分的温度和/或材料在一个或多个位置处的压力。在本发明的实施例中，还可以根据材料的性质来完成调节。

在本发明的实施例中，运行特性是在挤出机中一个或多个位置处的温度和/或在挤出机中一个或多个位置处的材料的压力。在本发明的实施例中，压力和温度都可以被组合以改善控制。

在本发明的实施例中，该方法包括获取待挤出材料的性质，并利用这些性质来控制泄漏间隙的尺寸和/或螺杆的旋转速度和/或筒体的至少一部分的温度。

本发明的实施例的优点在于，可以基于待挤出的材料的性质，以主动和自动化的方式控制泄漏间隙的尺寸和/或螺杆的旋转速度和/或筒体的至少一部分的温度和/或在一个或多个位置处的压力。本发明的实施例的优点在于，这允许调节沿着螺杆的熔融完成并在筒体出口处实现稳定的流动。在本发明的实施例中，该方法包括当所测得的参数之一改变时，以主动和自动的方式控制泄漏间隙的尺寸和/或螺杆的旋转速度和/或筒体的至少一部分的温度和/或在一个或多个位置处的压力。

在所附的独立和从属权利要求中陈述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以适当地与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征相结合，而不仅是权利要求中明确提出的。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见。

附图说明

图1和图1A示出了根据本发明实施例的挤出机的示意图。

图2和图2A示出了螺杆和筒体的细节图，并且示出了根据本发明的实施例的如何通过在筒体中轴向移动螺杆来改变泄漏间隙的尺寸。

图3和图3A示出了沉入筒体中的螺杆的示意图，该螺杆留下最小的泄漏间隙尺寸。

图4和图4A示出了与图3和图3A相似的示意图，然而其中泄漏间隙的尺寸增加了。

图5、图5A和图5B示出了根据本发明实施例的料斗的示意图。

图6和图6A示出了根据本发明的实施例的竖向安装的挤出机中的粒料的流动。

图7和图7A示出了根据本发明实施例的水平安装的挤出机中的粒料的流动。

图8示出了根据本发明的实施例的螺杆的细节的示意图。

图9示出了就展开的通道构造而言，当由图8中的螺杆驱动时材料的速度分量。

图10示出了当由图8中的螺杆驱动时，在展开的通道的位置z处的固体床的宽度。

图11示出了根据本发明的实施例的螺杆和筒体的一部分的细节的示意图。

图12示出了根据本发明实施例的方法的流程图。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的元件。

具体实施方式

将针对特定实施例并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明目的，一些元件的尺寸可能被放大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于实施本发明的实际缩减。

在说明书和权利要求中的术语第一、第二等用于区分相似的元件，而不必用于在时间、空间、等级或任何其他方式上描述序列。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文所述的本发明的实施例能够以不同于本文所述或所示的其他顺序来操作。

此外，说明书和权利要求书中的术语顶部、下方等用于描述性目的，而不必用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文描述或示出的其他取向来操作。

应当指出，权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限于其后列出的方式。它不排除其他元素或步骤。因此，应解释为指定所提及的所述特征、整数、步骤或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件或它们的组合的存在或增加。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应限于仅由部件A和B组成的设备。这意味着相对于本发明，设备的唯一相关部件是A和B。

在整个说明书中，对“一个实施例”或“一实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定都指的是同一实施例，而是可以的指的是同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合，这对于本领域的普通技术人员而言，根据本公开将是显而易见的。

类似地，应当理解，在本发明的示例性实施例的描述中，有时将本发明的各种特征组合在单个实施例、附图或其描述中，以简化公开并帮助理解各种发明方面的一个或多个。然而，该公开方法不应被解释为反映了这样一种意图，即所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如所附权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述公开的实施例的所有特征。因此，特此将详细说明之后的权利要求明确地并入该详细说明中，其中每个权利要求独立地作为本发明的单独实施例。

此外，本文描述的一些实施例包括其他实施例中包括的一些特征，但是不包括其他实施例中包括的其他特征，不同实施例的特征的组合意在落入本发明的范围内，并且形成不同的实施例，如本领域技术人员将理解的那样。例如，在以下权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。

在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，未详细示出公知的方法、结构和技术，以免混淆对本说明书的理解。

在第一方面，本发明的实施例涉及一种用于挤出材料的挤出机。挤出机100包括螺杆110、筒体120和控制器160。这种挤出机的一个示例在图1和图1A中示出。

所述筒体包括用于接收一定量的材料的筒体入口140，以及筒体出口130。

螺杆110的至少一部分是圆锥形的，筒体120的至少一部分是圆锥形的。在本发明的实施例中，逐渐变细(tapering)是在筒体出口的方向上变小。从而，螺杆和筒体被设计成使得当螺杆安装在筒体内时，螺杆和筒体的圆锥形部段以相同的方式定向，例如，与螺杆和筒体的最大横截面相比，螺杆和筒体的最小横截面在螺杆的轴向方向上定位在距离筒体入口更远处(图1和图1A中的示例)。

挤出机100被构造成使得在运行期间，螺杆的旋转使添加到筒体入口140的材料朝向筒体出口130前进。

挤出机100适于沿螺杆110的轴向方向移动螺杆110，使得通过螺杆相对于筒体的轴向位移，在螺杆110和筒体120之间存在泄漏间隙180。可以通过改变轴向位移的尺寸来改变该泄漏间隙的尺寸，其中最小的尺寸使得在不使筒体和螺杆接触的情况下可以处理最少量的材料。在本发明的实施例中，泄漏间隙的尺寸可以被测量为螺杆与筒体之间的最短距离。泄漏间隙的最小的尺寸仍然足够大，从而避免了螺杆与筒体之间的接触。最大的尺寸可以例如取决于最大粒料尺寸，以避免未熔融的粒料可以通过泄漏间隙。泄漏间隙的尺寸可以例如在0.01mm与4mm之间，或者例如在0.05mm与2mm之间。

在本发明的实施例中，挤出机100适于获得与用户可访问的实时改变有关的运行特性(例如，螺杆的旋转速度和轴向位移)，并且控制器160适于以主动的和自动化的方式控制控制螺杆110的轴向位移使其作为实时(realtime)的函数，因此，螺杆110的轴向位移是具有时间相关性的(time dependent)运行特性。运行特性中的至少一个运行特性是材料在挤出机中一个或多个位置处的向上力，或者是螺杆上的向上力.或者是两者。挤出机包括力传感器，所述力传感器用于测量材料在挤出机中的一个或多个位置处的向上力，或螺杆上的向上力，或者所述两者。在运行期间，向上力沿平行于轴向方向的方向起作用，并且在某种意义上与材料的净轴向运动相反。

在本发明的实施例中，还可以根据材料的性质(例如流变学(rheological)或热物理(thermophysical)性质)控制螺杆的轴向位移。将运行特性和材料的性质都作为输入参数允许更好地控制材料流。这种控制可以针对不同的材料而有所不同。因此，与控制器不使用材料的性质来控制螺杆的轴向位移的情况相比，可以处理的材料范围更广。

材料的性质可以存储在存储元件170中。控制器160和存储元件170均在图1和图1A中示意性地示出。在存储元件170中，例如可以存储材料的流变参数。在本发明的实施例中，流变参数可以与材料的流变曲线相关联。这可以允许控制器160使用可能与非牛顿材料有关的材料(例如，用于足够高的剪切速率的聚合物)的有效粘度值。

本发明的实施例的优点在于，将材料的流变参数用作固有参数，因此其独立于挤出机100。材料的流变曲线可以例如由材料的供应商提供，或者可以使用流变仪测量。

在本发明的实施例中，挤出机可包括模头150，该模头150可抵靠挤出机100的筒体出口130安装(参见图1和图1A以及图2和图2A)。

除了材料的流变数据外，控制器还可以使用筒体出口130和模头出口152的数据，其中模头出口152被限定为附接到筒体出口的模头150(例如打印针或微型模具)的出口。这些数据可以例如包括模头出口的形状因子，其将模头上的压降与运行特性、模头尺寸和聚合物的性质相关联。

本发明实施例的优点是可以考虑多种模头类型，从而允许多种可能的最终材料形状。

运行特性可以例如是挤出机中一个或多个位置处的温度或者压力，或者温度和压力两者。在本发明的实施例中，在挤出机中的一个或多个位置处测量材料的温度或压力，或温度和压力两者。例如，可以在筒体出口和模头进口之间测量压力和温度。测得的温度(们)和压力(们)为控制系统提供信息，以根据实时改变来优化压力-体积-温度(PVT)控制曲线/图表(control diagrams)和相关的流速。

为了测量温度，热电偶可位于挤出机中的不同位置处。测得的其他运行特性是材料在挤出机中的一个或多个位置处的向上力，或螺杆上的向上力，或它们两者。

在本发明的实施例中，挤出机包括适于测量作为运行特性的材料的向上力的力传感器。该力传感器可以例如测量在螺杆的轴线上的向上力，其中该力平行于轴向位移(与材料的净轴向运动相反)作用。这种力传感器例如可以通过在螺杆的轴线上的测力传感器108来实现，该测力传感器可以记录在螺杆的轴线上的向上力。力传感器可以位于圆锥形螺杆的顶部，用于测量由熔融材料(例如聚合物)产生的向上压力。在本发明的实施例中，所述力测量给控制器提供信息以与取决于挤出机的旋转速度的在挤出螺杆的端部(例如，在筒体出口和模头入口之间)产生的挤出压力相关。这将提高挤出/打印的质量。

在本发明的实施例中，控制器160可使用流变数据和运行特性来控制螺杆的轴向位移或筒体的至少一部分的温度或一个或多个位置处的压力或螺杆的旋转速度或这些特征的组合，以控制材料从挤出机中的流出(例如，速度、流速)。

在本发明的实施例中，控制器160适于当运行特性实时改变时，调节螺杆的轴向位移或筒体的至少一部分的温度或一个或多个位置处的压力或螺杆的转速或这些特征的组合。通过调节螺杆的轴向位移，可以调节螺杆与筒体120之间的泄漏间隙180。这在图2和图2A中示出。在左图中，螺杆沉入筒体120内，以使螺杆的圆锥形部段紧密邻接筒体的圆锥形部段，但不会接触筒体。可以将螺杆安装成使得在螺杆和筒体之间没有物理接触的情况下获得最小的泄漏间隙的尺寸。在右图中，通过沿轴向方向进一步移动螺杆，使泄漏间隙180的尺寸大于最小的泄漏间隙的尺寸。因此，与左图相比，螺杆的外端(螺杆的最靠近筒体出口的端部)与筒体出口130之间的体积190增大了。通过调节轴向位移，可以调节内部摩擦力以及由此产生的热量和压力分布。

控制器160可以基于所获得的运行特性和基于材料的性质(例如材料的流变数据)，使用流变公式来计算优选的控制参数(例如，螺杆的轴向位移、螺杆的转速以及筒体的至少一部分的加热)，从而获得具有一定速度和/或流速和/或粘度的流出物。

图3和图3A示出了留出最小的泄漏间隙尺寸的沉入筒体120中的螺杆110。在本发明的实施例中，由此避免了螺杆与筒体之间的接触。

与图3和图3A中的泄漏间隙的尺寸相比，在图4和图4A中，泄漏间隙180的尺寸增大了。

在本发明的实施例中，控制器160可被配置为当测得的压力高于预定极限和/或当测得的温度高于预定极限时，沿轴向方向移动螺杆，从而增加泄漏间隙的尺寸，或者当测得的压力低于预定极限时和/或当测得的温度低于预定极限时，减小泄漏极限的尺寸。

通过调节泄漏间隙的尺寸，可以在挤出机中产生材料的回流。这种回流例如导致材料的摩擦力增加，因此挤出机将主动地影响材料的流变性，因此也调节了挤出机100的筒体出口130处的流速。

在本发明的实施例中，挤出机适于在其筒体入口处接收颗粒形式的材料。在本发明的实施例中，筒体入口140与料斗(hopper)146连接，所述料斗通过漏斗144和连接件142具有可控的材料摄入。这种料斗146(在图5、图5A和图5B中有更多细节)及其连接件142和漏斗144的示例在图1和图1A中示出。料斗通过连接件142连接到筒体入口140，以确保材料的受控输送。从连接件的第一部分的主轴线(即从筒体入口140)到筒体的轴向方向的角度α能够在0至90°之间变化。

其优点在于，可以选择最佳角度以在重力的影响下使粒料掉落到螺杆中，包括由供给室的受控体积填充而引起的材料自由流动。因此，可以防止螺杆被进入的粒料阻塞，从而可以进行可靠的力传感器测量。所述角度例如可以根据粒料的尺寸和/或重量和/或密度和/或根据螺杆来进行选择。优选地，材料沿基本上正交于螺杆方向的方向进入挤出机。

在本发明的实施例中，挤出机包括供给室148。供给室148是在筒体入口140和螺杆110的一部分之间的腔体，该供给室可以容纳多个颗粒。该腔体是集成在筒体内的静态腔体。在挤出机的运行期间，供给室可以例如仅部分地填充有颗粒。在无法通过螺杆将颗粒带走的情况下，该腔体的存在可使颗粒弹回。因此，供给室必须提供允许颗粒弹回的空间。颗粒的尺寸例如可以大到1、2、3或4mm。从而防止这些颗粒被螺杆切割。

供给室148可根据挤出机的优选取向而不同地定位。供给室的形状和取向(图1和图1A所示的角度β)都可以根据供给室的优选取向而不同。

取决于挤出机的取向，供给室148可以围绕螺杆110的一部分，或者可以仅存在于螺杆的一例。腔体可被定位成使得只有螺杆脊部(由螺纹形成)的第一旋转/圈是腔体中的颗粒可进入的(accesible)。

在图6和图6A以及图7和图7A的示例中，料斗146通过其连接件142与筒体入口140连接。用于供给材料的漏斗144与连接件142连接。这两个图均示出了连接件142中的材料的颗粒朝向螺杆110。

图6示出了根据本发明的实施例的包括料斗146的挤出机100的示意图。在示例中，挤出机安装在竖向位置。在该示例中，供给室148围绕螺杆110的一部分。在此示例中，该供给室具有类似盘的形状。然而，本发明不限于此。其他形状也是可以的。在本发明的实施例中，供给室的轴向取向与螺杆的轴向方向之间的角度β在0°至90°之间。在连接件142的轴向方向与筒体的轴向方向之间的角度α可以在0°至90°之间。在本发明的实施例中，供给室的取向β和连接件的取向α彼此相关。在图6和图6A的示例中，供给室148具有轴向取向，该轴向取向与螺杆的轴向方向成的角度β为90°。在这种情况下，角度α例如在30°和60°之间，例如45°。取决于挤出机的优选取向，供给室的轴向取向β可以在90°和0°之间变化。在图7和7A中示出了后一种情况。在这种情况下，角度α为90°。

图7和图7A示出了根据本发明的实施例的包括料斗146的挤出机100的示意图。在示例中，挤出机安装在水平位置。在该示例中，供给室148位于螺杆的一部分的一例(即，当挤出机可运行时的顶侧)。在该示例中，供给室覆盖两个螺杆脊部。颗粒可以通过供给室148和通过连接件弹回。

待挤出的材料可以例如是聚合物。可能的聚合物材料例如：ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯聚合物)、PP(聚丙烯)、PA(聚酰胺)、PA12(聚酰胺12)、PE(聚乙烯)、PHB(聚羟基丁酸酯)、PLA(聚乳酸)、SEBS(氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物)、LDPE(低密度聚乙烯)、HIPS(高抗冲聚苯乙烯)和PC(聚碳酸酯)。这些材料的加工温度可能高达280℃。在本发明的实施例中，还可以应用具有高达400℃的加工温度的诸如PEKK(聚醚酮酮)或PEEK(聚醚醚酮)的材料。在本发明的实施例中，筒体和螺杆材料可以适于实现这些更高的加工温度。本发明的实施例的一个优点是可以挤出具有不同粘度的聚合物。这是可以的，因为挤出机包括：可以在筒体中轴向地移动的圆锥形螺杆；和控制器，该控制器适于根据运行特性和根据挤出机的材料的性质来控制螺杆在轴向方向上的位移。通过轴向地移动螺杆，可以增加或减小泄漏间隙。不同材料的粘度可以例如在10²-10⁷Pa s(牛顿粘度极限)的范围。

此外，由于使用了圆锥形螺杆，所以在筒体出口130处(例如在模头入口处)筒体可以具有较小的直径。使用圆锥形螺杆，挤出机中所需的材料更少，因此与常规挤出螺杆相比，生产时间(throughput time)短。

根据本发明实施例的挤出机可以例如是3D打印机头。由于根据运行特性和根据材料的性质的可控制的泄漏间隙的尺寸，因此可以实现比常规3D打印机更精确的3D打印机。而且，可以使用更多种的材料。

在本发明的实施例中，将螺杆和筒体细分为3个部分，以优化材料的熔融行为。这例如在图1和图1A中示出，其中筒体分为三个部段。第一笔直部段120a(具有恒定的直径)、圆锥形部段120b(具有减小的直径)和第二笔直部段120c(具有恒定的直径)。螺杆也分为三个部段。第一笔直部段110a(具有恒定的直径)、圆锥形部段110b(具有减小的直径)和第二笔直部段110c(具有恒定的直径)。在图图1和图1A以及图2和图2A中示出了其示例。在本发明的实施例中，第一笔直部段是进料区，其中固体粒料被从料斗向前推至压缩区。在本发明的实施例中，压缩区对应于圆锥形部段。在压缩区中，粒料经受最强的熔融。筒体可以被构造成使得热量可以被添加到筒体以熔融粒料。控制器可以被配置用于控制所添加的热量的量。在本发明的实施例中，粒料可以在压缩区的端部被完全地熔融，并且可以在输送区中被均质化，然后在筒体出口130(例如模头150的入口)处被推出。在本发明的实施例中，第二笔直部段对应于输送区。

螺杆的第一笔直部段与筒体的第一笔直部段之间的间隙的尺寸以及螺杆的第二笔直部段与筒体的第二笔直部段之间的间隙的尺寸与机械空隙有关并且取决于螺杆和筒体的制造和设计。

在本发明的实施例中，筒体出口130可以连接至模头150。该模头将材料的熔融体形成为特定的形状。一旦材料离开模头150，材料就由于冷却而固化。模头(例如，管状模头)直径可以例如在0.15mm至2mm之间的范围(例如1mm、0.8mm、0.6mm和0.4mm)。所选择的模头直径影响背压，进而影响施加在挤出螺杆上的力。

在图1中示出的示例性挤出机包括是一种模块化挤出机，其允许适配单独的部件并清洁单独的部件。在顶部，马达被安装到四个柱状物111。这些柱状物连接到铝冷却块117。马达使用键联接连接到螺杆110。螺杆通过使用两个滚珠轴承105和107而被居中：一个轴承在调节螺母106中，另一个轴承在筒体拉入件104的底部。筒体拉入件位于冷却块中。筒体拉入件还保持测力传感器环109以将力均匀地分布在测力传感器(load cell)108上，并具有用于料斗140的开口。筒部120a、120b和120c用于进料、压缩和均质化所述材料。它们可以具有单独的加热元件和热电偶，以精确控制不同区的温度。热电偶118可以位于螺杆的输送区120c之后的熔融区中。这允许精确地读取处理材料(例如聚合物)的温度。该示例性挤出机还包括用于冷却筒体的冷却管道116。

在本发明的实施例中，料斗140的位置可以是可调节的。料斗单元的位置、螺杆长度以及作为长度轴线的函数的轮廓变化可以被选择为与熔融区、加压区和计量区中的划分一致。

在本发明的实施例中，对挤出螺杆进行优化以获得最佳的PVT曲线/图表。这可以包括确定进料区和压缩区的长度。优选地，尺寸被选择为使得可以使用具有不同粘度的多种不同材料。在本发明的实施例中，挤出机包括机电控制系统(包括控制器160)，以用于以最佳高度移动螺杆，从而可以控制筒体和挤出机之间的泄漏距离以提供最佳PVT曲线/图表。该控制可以取决于螺杆尺寸和所挤出的材料。

本发明实施例的优点在于，通过沿着挤出机连接特征PVT点，即，创建运行表面，可以提高(微)挤出技术的稳定性。为了滤出材料类型，通用校准被使用，通用校准使用输入参数，该输入参数诸如例如是材料的玻璃化温度和熔融温度之类。例如，对于新型聚合物材料，需要提供材料的性质以通过控制器160在初始化时为每个区识别合适的运行条件。在本发明的实施例中，对于这些材料可以记录流变曲线。控制器可以使用这些流变曲线以在挤出时获得最佳的流变行为。

图8示出了螺杆110的细节或元素的示意图。通道由螺杆、螺纹和筒体形成。在该图中，H是通道的高度，δ_f是用于避免在旋转螺杆时发生接触的缝隙的高度，W是通道的宽度。在该图中，筒体的直径用D_b表示。在此图中，θ是螺杆角度。这是螺纹与正交于螺杆的平面之间的角度。

图9示出了材料的速度分量，选择了展开的(unwound)通道作为配置。V_b是材料的速度。V_bz是z方向上的速度(展开成一个笔直通道后；z方向沿着该通道)。V_bx是x方向上的速度(展开成一个笔直通道后；x方向垂直于z方向)。

图10示出了在展开的通道的各个位置z处的固体床的宽度。位置由X_z表示(简称为X)。z^*是固体床消失的位置(零宽度)，并且必须将其视为控制器的设计设置。

图11示出了在位置z处的螺杆110的一部分和筒体120的一部分的示意图(与图8-图10有关；展开的通道)。在泄漏间隙中存在熔融材料膜。熔融材料膜沿横轴方向的运动可以表示为V_bx。靠近螺杆内侧面存在材料的固体床820，因为内聚力(cohesive)可以足够强以引起这种相互作用。先前熔融的聚合物在该固体床之前进行循环830。材料朝着筒体移动并形成熔融材料膜810。该膜的平均厚度为δ。在该图中，H是通道的高度，W是通道的宽度，X是在展开的通道的选择位置z处的固体床的宽度。

以下段落示出了一个可能的示例，其示出了在给定的时间的运行特性(例如温度和压力)和材料性质(例如流变参数)如何与以下相关联：(i)固体床消失的位置z*，假定如图8-10中所示的展开的通道的配置；以及(ii)出口处的所需流速。

对于固体床的宽度X，熔融相F_melt的质量流速可以表示为：

在这个公式中，ρ是熔融材料的密度，T_m是熔融温度，T₀是筒体温度，B_r是布林克曼数(Brinkmann number)，W是通道的宽度，|V_bx|是在x方向上的绝对速度(图9)，k是传导率(conductibity)，λ′是用于将温度从环境温度(T_s0)升高到床的熔融温度的由比热容贡献(固体比热容：c_s)校正的熔化热(heat of fusion)λ：

λ′＝λ+c_S(T_m-T_S0)

在用于F_melt公式中，温度和压力是用于获得所需B_r的运行特性。流变参数也用于影响B_r。布林克曼数可以表示为：

在该公式中，n是反映非牛顿流变特性的材料参数，η₀是牛顿粘度极限(形式上n＝1)，p是(平均)压力，V_r是相对速度与固相/固体床运动(速度V_sz)的相对速度，并且δ是膜层的平均厚度。

在x方向上的速度(绝对值)可以计算为：

|V_bx|＝V_bsin(θ)

在这个公式中，V_b是材料的速度，而θ是螺旋角。

材料的速度可以计算为：

V_b＝πD_bN

在这个公式中，N是螺杆速度，D_b是筒体直径。

相对速度可以计算为：

在这个公式中，V_sz是固相/固体床的运动，V_b是材料的速度，θ是螺旋角。前者来自：

在这个公式中，Q₀是初始体积流速。

在给定的床宽X处的熔融相的质量流速可用于计算沿展开的螺杆的熔融曲线(与图10相关)(步骤dz)：

该公式可以积分，直到达到z^*：X(z^*)＝0。在上式中，ρ_s是固相/固体床的密度，V_sz是固相/固体床的运动。因此，有可能在考虑运行特性和流变参数的情况下，控制挤出机以将z^*保持在期望值。本发明中的实际位移允许一个额外的影响熔融的工作距离和B_r的控制参数(例如，δ变化)。

通过考虑以下等式，可以实现用于模头出口的熔融后的稳定流动(保持z^*的Q)。第一组等式表示在模头进口之前的、因此在靠近筒体出口的区域中的压力增加量(ΔP)。第二个等式表示模头出口处的压力下降量(ΔP′)。为了获得稳定的流动，模头出口处的压力下降量应与模头入口之前的压力增加量相同。

可以使用以下等式获得模头入口之前的压力增量(梯度：ΔP/ΔL)。当n＝1时：

V_bz＝V_bcos(θ)

V_b＝πD_bN

在这些等式中，Q_d和Q_p是用于体积流速的纯阻力和压力贡献，其中后者对所述压力增加量有贡献。F_d和F_p是相关的校正因子以校正挤出机通道的有限尺寸。G用于简化表示。

当n＜1(具有相对于n＝1的情况的f和g校正函数)时，最后两个等式变为：

这些是第一组等式，其示出了作为Q(N)的函数的ΔP(压力增加量)。

模头出口处的压力下降量(ΔP′)可以使用以下等式(具有以下尺寸的管状模头的示例：长度L和半径R)计算：

这是第二个等式，其示出了作为Q(N)的函数的压力变化。由于压力增加量应与压力下降量相同(ΔP＝ΔP′)，因此可以从两个等式中求解N。通过为给定的模头类型(例如管形)选择正确的模头尺寸，可以使N与对熔融行为的控制相符合，这由于轴向位移的可能性而具有额外的控制自由度。

根据本发明的实施例的挤出机可以例如是微型挤出机。然而，本发明不限于此，其还可以被应用于较大型的挤出机。

在本发明的实施例中，鉴于用于新(例如聚合物)材料的可靠的测试设备，所述微型挤出单元可以用作实验室规模的挤出机。

根据本发明的实施例的微型挤出机可以作为挤出单元集成到基于挤出的增材制造(additive manufacturing)装置中。这为3D打印(增材制造)提供了新的机会，因为目前主要使用基于长丝(filament)的材料。对于本发明，使用先进的控制器160和可轴向移动的锥形螺杆，可以通过同一挤出机来加工具有低粘度和高粘度的材料。与其中需要刚性长丝以确保连续生产的基于长丝的3D打印技术相反，本发明还允许覆盖刚性较小的材料，因此扩大了市场范围。

总之，根据本发明实施例的挤出机具有几个优点(例如，当部署在3D打印机中时)，例如：

-可以使用多种材料进行打印，也可以使用无法用作长丝或不能被加工成长丝的材料；

-当挤出机被构造成用于挤出粒料时，这具有粒料通常比长丝便宜的优点；

-当挤出机被构造成用于挤出粒料时，这具有如下优点：因为去除了一个加工步骤(长丝的生产)，所以可以更好地保持材料的机械性能；

-本发明实施例的一个优点是它使得添加剂能够被容易地使用；

-根据本发明的实施例的挤出机的优点在于，由于设计的适应性(例如，通过沿轴向方向移动螺杆来改变泄漏间隙的尺寸)和闭环过程，它们易于适用于其他材料。

-在第二方面，本发明的实施例涉及根据本发明的实施例的用于操作挤出机100的方法200。这种方法和闭环控制的步骤的示例在图12中示出。该方法包括测量210运行特性并且根据运行特性通过螺杆的轴向位移来改变220泄漏间隙221的尺寸。可以非自动化地或自动化地测量运行特性，也可以实时地测量运行特性。可以基于实时测量结果实时地改变泄漏间隙的尺寸。测量运行特性包括测量材料在挤出机中一个或多个位置处的向上力，或螺杆上的向上力，或所述两者。向上力沿平行于螺杆的轴向方向的方向作用。在挤出机的运行期间，根据测得的向上力来改变泄漏间隙的尺寸。所感测的向上力与材料的净轴向运动相反。操作可以由此以非自动化或自动化的方式完成。

另外，该方法可以包括根据运行特性并且还可能根据材料的性质来调节螺杆的旋转速度222。螺杆的旋转速度可以以非自动化或自动化的方式进行调节。另外，可以调节筒体的至少一部分的温度223，或一个或多个位置处的压力，或调节温度和压力两者。该调节可以以非自动化或自动化的方式进行。因此，如图12所示，实现闭环控制系统。

运行特性可以例如是挤出机中一个或多个位置处的温度或挤出机中一个或多个位置处的材料压力或两者。这些可以例如在筒体处或模头出口处或两者处测得。另一个运行特性可以是材料的流速。