具体实施方式

为了本文所公开的设备的环境以及设备的细节的一般性理解，参考附图。在附图中，类似的附图标记指示类似的元件。

如本文所用，术语“挤出材料”是指被软化或熔融以形成热塑性材料的固体材料，该热塑性材料将由增材制造系统中的挤出机排出。挤出材料包括但不严格限于形成三维打印物体的永久部分的“构建材料”和形成临时结构以在打印过程中支撑构建材料的部分并且然后在完成打印过程之后任选地移除的“支撑材料”。构建材料的示例包括但不限于丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)塑料、聚乳酸(PLA)、脂肪族或半芳香族聚酰胺(尼龙)、包括悬浮碳纤维或其他聚合材料的塑料、导电聚合物以及可进行热处理以产生适于通过挤出机排出的热塑性材料的任何其他形式的材料。支撑材料的示例包括但不限于高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、聚醋酸乙烯酯(PVA)和能够在热处理后挤出的其他材料。在一些挤出打印机中，固体挤出材料以连续细长的材料长度供应，通常称为“长丝”。该长丝以固定形式提供，由一个或多个辊从线轴或其他供应源牵拉挤出材料长丝并将该长丝馈送到流体连接到挤出机内的歧管的加热器。尽管所示示例使用作为长丝供应给加热器的挤出材料，但也可以使用其他挤出材料供应源，诸如颗粒或球形球固体挤出材料。加热器软化或熔融挤出材料长丝，以形成流入歧管中的热塑性材料。当位于喷嘴和歧管之间的阀打开时，热塑性材料的一部分从歧管流过喷嘴并作为热塑性材料流排出。如本文所用，术语“熔融”当应用于固体挤出材料时是指该固体挤出材料的任何温度升高，其软化或改变挤出材料的相，以使在三维物体打印机的操作期间所得的热塑性材料能够通过挤出机中的一个或多个喷嘴挤出。如本文档中所用，术语“热塑性材料”意指已熔融的固体挤出材料。如本领域技术人员所认识到的，某些无定形挤出材料在打印机操作期间不会转变成纯液态。

如本文所用，术语“挤出机”是指打印机的部件，该部件在单个流体腔室中熔融固体挤出材料，并将熔融的挤出材料提供给连接到一个或多个喷嘴的歧管。一些挤出机包括阀门组件，该阀门组件可被电子操作以使热塑性材料能够选择性地流过喷嘴。阀门组件使得两个或多个喷嘴能够独立地连接到歧管以将热塑性材料挤出穿过该连接的喷嘴。如本文所用，术语“喷嘴”是指挤出机的面板中的孔，该孔流体连接到挤出机中的歧管，并且热塑性材料通过该孔朝材料接收表面排出。在操作期间，随着挤出机沿着处理方向移动，喷嘴可沿着路径挤出热塑性材料的基本上连续的线性条带。控制器操作阀门组件中的阀门以控制将哪些喷嘴连接到阀门组件来挤出热塑性材料。喷嘴的直径影响挤出热塑性材料的线的宽度。不同的挤出机实施方案包括具有一系列孔尺寸的喷嘴，其中较宽的孔产生的线的宽度大于由较窄的孔产生的线的宽度。

如本文所用，术语“歧管”是指在挤出机的外壳内形成的腔室，其保持挤出材料供应源，用于在三维物体打印操作期间输送到挤出机中的一个或多个喷嘴。如本文所用，术语“条带”是指在三维物体打印操作期间挤出机在材料接收表面上形成的挤出材料的任何图案。常见的条带包括挤出材料的直线线性排布结构和弯曲条带。在一些构型中，挤出机以连续方式挤出热塑性材料以在处理方向和交叉处理方向上形成具有连续大量的挤出材料的条带，而在其他构型中，挤出机以间歇方式操作，以形成沿线性或弯曲路径排列的较小的热塑性材料组。三维物体打印机使用挤出材料的不同条带的组合形成各种结构。此外，三维物体打印机中的控制器在操作挤出机之前使用对应于挤出材料的不同条带的物体图像数据和挤出机路径数据，以形成挤出材料的每个条带。如下所述，控制器任选地在三维打印操作期间调整阀组件的操作和挤出机的旋转以通过一个或多个喷嘴形成热塑性材料的多个条带。

如本文所用，术语“处理方向”是指挤出机和材料接收表面之间的直线运动路径的方向，该材料接收表面接收从挤出机中的一个或多个喷嘴挤出的热塑性材料。对于弯曲的条带，该曲线的切线标识处理方向。材料接收表面是在增材制造过程期间保持三维打印物体的支撑构件或部分形成的三维物体的表面。在本文所述的示例性实施方案中，一个或多个致动器使挤出机围绕支撑构件移动，但是另选的系统实施方案移动支撑构件以在挤出机保持静止时在处理方向上产生相对运动。一些系统将两个系统的组合用于不同的运动轴。

如本文所用，术语“交叉处理方向”是指垂直于处理方向并且平行于挤出机面板和材料接收表面的轴线。处理方向和交叉处理方向是指挤出机与接收热塑性材料的表面的相对移动路径。在一些构型中，挤出机包括一系列喷嘴，这些喷嘴可在处理方向、交叉处理方向或两者上延伸。挤出机内的相邻喷嘴在交叉处理方向上隔开预先确定的距离。在一些构型中，随着这些线形成条带，系统使挤出机旋转以调整隔开挤出机中不同喷嘴的有效交叉处理方向距离，以改变分开从挤出机中的喷嘴挤出的热塑性材料的线的对应的交叉处理方向距离。

在增材制造系统操作期间，挤出机在处理方向上相对于在三维物体打印过程期间接收热塑性材料的表面沿直线路径和弯曲路径两者移动。此外，系统中的致动器任选地使挤出机围绕Z轴线旋转，以调整分开挤出机中的喷嘴的有效交叉处理距离，因此挤出机能够以热塑性材料的每条线之间的预先确定的距离形成热塑性材料的两条或更多条线。如本文所用，术语“Z方向”是指垂直于平面的移动方向，在该平面中处理方向和交叉处理方向彼此正交，该平面在本文中有时被称为X-Y平面。挤出机沿着外周边移动以在打印物体的层中形成二维区域的外壁，并且在周边内移动以用热塑性材料填充二维区域的全部或者一部分。

图1示出了具有挤出机108的增材制造系统100，该挤出机通过面板中的喷嘴挤出热塑性材料以在Z方向上在层与层之间形成联锁结构，如下文所详述。如本文档所描述的，尽管打印机100被示出为使用平面运动来形成物体的打印机，但是其他打印机架构可与挤出机和控制器一起使用，该控制器被构造成调节挤出机的旋转。这些架构包括Δ-机器人、选择顺应性装配机器手臂(SCARA)、多轴打印机、非笛卡尔打印机等。这些另选的实施方案中的运动仍然具有如上定义的处理方向和交叉处理方向，并且这些实施方案的挤出机中的喷嘴间距仍然限定了相对于交叉处理方向的喷嘴间距。图1中仅示出了一个歧管216，以简化该图，但挤出机108可具有多个歧管216。在一个实施方案中，挤出机108中的每个歧管216以一对一对应方式操作地连接到由不同的挤出材料供应源110馈送的不同的加热器208。另选地，每个歧管216可耦接到单个加热器208，该加热器容纳多个通道232，如已知的该多个通道由多个挤出材料供应源110馈送。在此实施方案中的每个通道都向挤出机108中的歧管供应热塑性材料，因此每个歧管接收与其他歧管正在接收的材料不同的材料。在图1的挤出机108中，每个喷嘴218流体连接到挤出机108内的单个歧管，使得每个喷嘴挤出相同的热塑性材料。在具有由不同加热器供应的多个歧管的实施方案中，喷嘴组流体连接到不同歧管，使得与连接到其他歧管的其他喷嘴组挤出的热塑性材料相比，该组能够挤出不同的热塑性材料。通过控制器128操作阀组件204中的阀而选择性地并且独立地激活和去激活来自每个喷嘴的热塑性材料的挤出。每个喷嘴218终止于面板260处，因此从喷嘴挤出的热塑性材料可由面板操纵以用于铺展。

在图1的实施方案中，阀组件204将阀定位在挤出机108中的歧管和连接到挤出机108中的歧管的喷嘴中的每个喷嘴之间。阀组件204操作地连接到控制器128，因此该控制器可操作致动器打开和关闭这些阀，以用于从挤出机108中的该多个喷嘴挤出热塑性材料。具体地讲，控制器128激活和去激活连接到挤出机108中这些阀的组件204中的不同致动器，以从喷嘴挤出热塑性材料，并且在三维打印物体的每个层中形成不同热塑性材料的条带。

图1的系统100还包括针对加热器208的挤出材料分配系统212，该加热器连接到挤出机108中的歧管。来自独立供应源110的挤出材料在系统100操作期间以将连接到加热器的歧管中热塑性材料的压力维持在预定范围内的速率被馈送给加热器208。分配系统212是适于调节挤出机108的歧管中热塑性材料的压力的一个实施方案。在先前讨论的另选实施方案中，多个挤出材料分配系统212以一对一对应的方式操作地连接在多个挤出材料供应源110和加热器208中的通道232的一个通道之间。此外，在两个实施方案中，控制器128操作地连接到每个分配系统212中的致动器，以控制分配系统212将固体挤出材料从供应源110递送到由供应源馈送的加热器的速率。加热器208软化或熔融经由驱动辊224馈送给加热器208的挤出材料220。致动器240驱动辊224并且操作地连接到控制器128，使得控制器可以调节致动器驱动辊224的速度。与辊224相对的另一个辊是自由旋转的，使得该另一个辊遵循辊224被驱动的旋转速率。虽然图1描绘了使用机电致动器和驱动辊224作为机械移动机构以将长丝220移动到加热器208中的馈送系统，但是分配系统212的另选的实施方案使用一个或多个致动器来操作旋转螺旋钻或螺杆形式的机械移动机构。螺旋钻或螺杆将固体挤出材料从供应源110以挤出材料粉末或颗粒的形式移动到加热器208中。

在图1的实施方案中，加热器具有由不锈钢形成的主体，该主体包括一个或多个加热元件228，诸如电阻加热元件，该一个或多个加热元件操作地连接到控制器128。控制器128被构造成将加热元件228选择性地连接到电流，以软化或熔融加热器208内的一个或多个通道中的挤出材料220的长丝。虽然图1示出了加热器208接收固相的挤出材料作为固体长丝220，但在另选的实施方案中，该加热器可接收固相挤出材料，如粉末状或颗粒状挤出材料。冷却翅片236使来自加热器上游的通道中的热量衰减。在冷却翅片236处或附近的通道中保持固态的挤出材料的一部分在通道中形成密封件，该密封件防止热塑性材料从除了与歧管216的连接之外的任何开口离开加热器，这保持了挤出材料在进入歧管时保持热塑性状态的温度。挤出机108也可包括附加加热元件，以用于维持挤出机内的歧管内热塑性材料的升高温度。在一些实施方案中，隔热件覆盖挤出机108的外部的部分以维持挤出机的歧管内的温度。而且，喷嘴周围的区域维持在使材料保持热塑性状态的温度，因此当该材料行进到面板中的开孔时，它不会开始固化。

为了将歧管216内的热塑性材料的流体压力保持在预先确定的范围内，避免损坏挤出材料，并控制通过喷嘴的挤出速率，滑动离合器244操作地连接到每个致动器240的驱动轴，该致动器将长丝从供应源110馈送到加热器。如本文档中所用，术语“滑动离合器”指的是向物体施加摩擦力以将该物体移动到预定水平(即设定点)的设备。当超过摩擦力的预先确定的设定点的范围时，该设备滑动，从而该设备不再向物体施加摩擦力。滑动离合器使得无论致动器240被驱动的频率、速度或长度如何，由辊224施加在长丝220上的力能够保持在与该长丝的强度相对应的设定点周围的范围内。通过以高于长丝驱动辊224的最快预期旋转速度的速度驱动致动器240或者通过将编码器轮248放在辊224上并用传感器252感测旋转速率来保持该近恒定力。由传感器252生成的信号指示辊224的角度旋转，并且控制器128接收该信号以识别辊224的速度。控制器128被进一步构造成调整提供给致动器240的信号以控制致动器的速度。当控制器被构造成控制致动器240的速度时，控制器128操作致动器240，使得该致动器的平均速度略快于辊224的旋转。该操作确保驱动辊224上的扭矩总是滑动离合器扭矩的函数。

控制器128具有存储在连接到控制器的存储器中的设定点，该控制器识别致动器输出轴的速度略高于辊224的旋转速度。如本文档中所用，术语“设定点”意味着控制器用于操作部件以将对应于设定点的参数保持在围绕设定点的预先确定的范围内的参数值。例如，控制器128改变操作致动器240的信号，以使输出轴以由输出信号识别的速度在围绕设定点的预先确定的范围内旋转。除了致动器的命令速度之外，阀组件204中打开或关闭的阀的数量和离合器的扭矩设定点也影响长丝驱动系统212的操作。通过传感器252生成的信号识别辊224的所得的旋转速度。控制器128内的比例积分微分(PID)控制器参考存储在存储器中的差分设定点识别与该信号的误差，并调整控制器输出的信号以操作致动器240。另选地，控制器128可改变滑动离合器的扭矩水平，或者控制器128可改变扭矩水平并调整控制器用于操作致动器的信号。

滑动离合器244可是固定的或可调整的扭矩摩擦盘式离合器、磁粉离合器、磁滞式离合器、铁液离合器、气压离合器或永磁离合器。磁力操作的离合器类型可通过向离合器施加电压来调整其扭矩设定点。该特征部可以根据打印条件改变离合器上的扭矩设定值。术语“打印条件”是指影响为了适当地形成物体而在歧管中所需的热塑性材料的量的当前正在进行的制造操作的参数。这些打印条件包括被馈送给挤出机的挤出材料的类型、从挤出机发射的热塑性材料的温度、挤出机在X-Y平面中移动的速度、在物体上形成的特征的位置、挤出机相对于平台移动的角度等。

在图1所示的实施方案中，控制器128被构造成将一个或多个信号传输到致动器150以操作致动器，以平行于与该挤出机面板相对的X-Y平面移动挤出机108并且使挤出机108围绕其Z轴线旋转，该Z轴线垂直于与面板260相对的构建平台的X-Y平面并且通过面板的中心喷嘴。如本文档中所使用的，术语“被构造”在参照控制器使用时意指存储在控制器能够访问的存储器中的已编程指令，该已编程指令由控制器执行以通过处理数据并对操作地连接到控制器的一个或多个部件进行操作来执行功能。为了控制该挤出机和致动器150，在一个称为gcode的实施方案中，编程指令包括X轴线、Y轴线和Z轴线移动、阀操作以及该挤出机围绕Z轴线旋转的参数。例如，gcode指令采用以下形式：G1 P511 X10.0 Y12.5 Z0.2U180，这意味着控制器打开和关闭阀以符合对应于511(对应于二进制值111111111)的图案，因此打开所有喷嘴，将挤出机在X轴线、Y轴线和Z轴线上移动到坐标10.0、12.5、0.2，并将挤出机旋转到围绕Z轴线的180度位置。

控制器执行以操作系统100的gcode或其他数字控制(NC)语言从3D切片器获得。3D切片器从物体数据源(通常是计算机辅助设计或CAD系统)接收对应于待形成的物体的表面的数据。来自此类来源的物体表面数据的通用格式是STL数据。之后，3D切片器从该物体表面数据和形成切片所需的gcode生成该物体的3D水平切片，该水平切片还包括对应于物体内部的数据。如在下文更全面地说明的那样，在系统100中，新的3D切片器106生成具有增强物体层在Z方向上的联锁的特征的水平切片。另选地，控制器128可被构造成具有已编程指令，该已编程指令在由控制器执行时使该控制器修改从已知3D切片器接收的gcode，以将Z方向联锁特征结合到水平切片中。

在物体层的形成之间，控制器128还操作致动器150中的Z轴致动器以在Z方向上移动挤出机108或平台102，因此挤出机108可在先前形成的层的顶部上形成另一层。在系统100中，该Z方向距离是足以形成具有与该层的水平切片数据相对应厚度的下一层的距离。另外，由于挤出机108是多喷嘴挤出机，因此该挤出机可被定向成，随着挤出机在X-Y平面中移动，由喷嘴排出的热塑性材料在交叉处理方向上彼此接触以形成排出的热塑性材料的带，而不是小珠。这些带增强了X-Y平面中相邻材料带之间的表面积接触，并且有助于改善在Z方向上的物体的结构完整性的特征的填充。

在图2中示出特征的一个示例，该特征改善在Z方向上的物体的结构完整性。底层是平台102上的实心层204，该实心层已通过在平台上移动挤出机(在该示例中被称为X方向)打印完毕。在形成该层并且控制器操作Z轴致动器以调节挤出机与最近形成的层之间的竖直距离之后，形成具有条带的下一层208，该条带通过将挤出机从图中所示的平面移入并移出(在该示例中被称为Y方向)而形成。在一个实施方案中，每个条带标称宽度为3.6mm，并且在它们之间留有间隙。同样，在沿着Z方向移动挤出机或平台之后，形成下一层212，该层具有在间隙上方形成的条带。该条带由附加的热塑性材料形成，该热塑性材料不仅覆盖上一层的条带，而且还进入上一层的相邻条带之间的间隙中并填充该间隙。该附加的热塑性材料量在当前正在形成的层与先前形成的层之间形成联锁结构。通过下述方式提供附加的热塑性材料：减慢挤出机沿着间隙的移动使得附加材料在形成T形的交叉构件之前填充该间隙，或增加向加热器进料固体挤出材料的速率。该联锁结构显著增加了层之间的粘结面积。这种增大的层粘结面积以三种方式改善了物体的竖直结构完整性。首先，最近形成的层与紧接的先前形成的层之间的接触表面积显著增加。其次，沉积的材料的量更大，并且该热塑性材料向界面添加更多的热量以协助间隙区域中的粘结。最后，与当其仅通过将材料分布在先前形成的层的表面上而形成粘结时相比，这些层之间的粘结的方向现在在X-Y平面中更强。由于多喷嘴挤出机能够形成材料带，因此与在多通道工艺(multi-pass process)中打印的分离的小珠相比，多喷嘴挤出机更多地促进层的粘附。层中间隙的方向和挤出机填充间隙时该挤出机的移动方向应是对齐的。当挤出机垂直于间隙的方向移动时，所排出的材料不对间隙进行填充，并且层之间的粘结弱于当挤出机与间隙方向对准时的粘结。

在本文中，术语“联锁条带”意指在由在条带间形成有间隙的一个层中的条带以及在下一层中的填充该间隙并覆盖形成该间隙的条带的至少一部分的条带。最常见地，通过在一层中的一对条带之间留下空间而产生间隙，并且该间隙由下一层中的条带填充，该条带通过将挤出机在与形成上一层中留下的条带和间隙时相同的方向上移动而形成。通常，许多联锁条带被布置在一个层和后一层内。也可在下一层与下下层之间制备联锁条带。区域中的间隙设置在下面层的无间隙的区域上方，使得不同层中的间隙相对于彼此交错。通过在相同方向上移动挤出机而形成的具有联锁条带的层的数量可以是任何数量，但是该数量应保持为相对较小的层数量(诸如两个至四个层)，使得挤出机能够在层中的填充区域的不同方向上移动。这种约束使得能够形成与X-Y平面中的第一组联锁条带垂直的联锁条带。通过交替联锁条带的方向，获得了额外的结构完整性。

参考图3，底部两个层304和308示出了四个联锁条带和覆盖在这些联锁条带上的实心层312。如本文所用，术语“实心层”是指形成有在处理方向和交叉处理方向上连续的条带的层，使得在该层中不存在开放空间或间隙。实心层有助于在与图3所示的联锁条带垂直的方向上形成用于下一组联锁层的基础。在物体形成期间，通过操作所有喷嘴都打开的挤出机以形成尽可能最宽的条带来实现最大效率。然而，当要形成实心顶层时，包含间隙的层与实心层之间可能会发生不匹配，如图3所示。为了解决这种情况，由挤出机中部的喷嘴而不是挤出机边缘处的喷嘴形成的条带来填充间隙，使得填充间隙的条带的边缘避免与形成间隙的条带的边缘对齐。

在具有九喷嘴挤出机的实施方案的一个示例中，形成间隙的条带在九个喷嘴中的八个喷嘴打开的情况下形成。由于喷嘴具有0.2mm的直径，该操作在条带之间留下0.4mm的间隙。因此，每个条带具有3.2mm的宽度，并且以正常长丝速率的8/9的速率向挤出机的歧管进料长丝。在全部九个喷嘴都打开并且以正常长丝速率的10/9的速率向歧管进料的情况下形成间隙填充条带，以提供具有3.6mm宽度的条带和填充间隙所必需的附加热塑性材料。

为了使联锁条带有效，填充间隙的材料需要保持在足以在间隙中提供材料流动的温度。可以多种方式满足该条件。举例来说，外部加热器可将热量施加到正在其上制造部件的平台，以确保部件温度不会促进材料在间隙被填充之前冻结。另外，外部加热器可被定位成将热量朝向具有间隙的层的表面引导，以保持足够的温度以使热塑性材料流入间隙中。还可操作挤出机的加热器以将由挤出机喷嘴排出的材料的温度升高至使材料的流动足以进行间隙填充的水平。系统中使用的材料的选择还可为所排出的材料提供足够的流动以填充间隙。具体地讲，由于半结晶材料(诸如尼龙、PEEK、PEKK或TPU)比非晶过渡材料需要更多的时间来固化，因此这些材料是可用的。

另一种方法是形成多个联锁层，其中每个层的条带在相同方向上形成。如图4所示，每个层404、408和412的条带通过双向移动挤出机而形成，并且一个层的条带填充上一层的间隙同时还在同样的上一层的实心条带层上形成间隙。然后用实心层(未示出)封盖住该结构的顶部。

联锁条带区也可用于增强结构完整性，如图5所示。下层为层504。该层具有两个区508和512，这两个区具有在相同方向上形成的间隙516，并且这些区由实心条带520隔开。该层由在该两个区上为实心的层524覆盖，但层524中具有间隙528，该间隙在垂直于层504中的间隙的方向上延伸。当层524覆盖层504时，间隙528具有由实心条带520提供的底板。层532为旋转九十度的层504。当该层在层504和层524的组合之上形成时，层532中的实心条带中的一个实心条带填充层524中的间隙，并且为类似于层524的另一层(除了已旋转九十度)提供间隙536。该交替的图案可继续，直到实心封盖层完成该联锁结构。

用于操作挤出机以形成联锁结构的方法在图6中示出。该方法由控制器执行，该控制器执行存储在操作地连接到该控制器的存储器中的已编程指令，并且当该控制器执行该指令时，该控制器处理数据并对操作地连接到控制器的部件进行操作以形成该方法的流程图中所述的任务。

过程600从接收来自3D切片器的水平切片和gcode开始(框604)。之后，控制器识别待修改以结合联锁结构的切片，并且修改用于那些切片的gcode以在对应层中形成间隙或填充先前形成的层中的间隙(框608)。该控制器执行gcode以操作致动器和挤出机以形成联锁层(框612)，并且当联锁结构完成时(框616)，该控制器操作挤出机以形成实心层(框620)。

应当理解的是，以上公开的与其他特征和功能的变型或其替代者可期望地被组合到许多其他不同的系统、应用或方法中。本领域的技术人员随后可做出各种当前未预见或未预料到的替换、修改、变化或改进，这些也旨在被以下权利要求书涵盖。