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射出。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射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)、聚乙烯醇(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，挤出材料以连续细长的材料长度供应，通常称为“长丝”。该长丝以固体形式提供，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进料到流体连接到挤出机的加热器。尽管所示示例使用作为长丝供应给加热器的固体挤出材料，但也可以使用其他固体挤出材料供应源，诸如颗粒或球形固体挤出材料。加热器软化或熔融固体挤出材料长丝，以形成流入挤出机中的热塑性材料。当下文更详细讨论的新型阀定位在喷嘴之间并被操作时，热塑性材料的一部分从挤出机的入口流过喷嘴中的一个或多个喷嘴，并且以热塑性材料流的形式从由阀打开的喷嘴射出。如本文所用，术语“熔融”当应用于固体挤出材料时是指固体挤出材料的任何温度升高，其软化或改变固体挤出材料的相，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加热器操作期间不会转变成纯液态。

如本文所用，术语“挤出机”是指打印机的一部件，其接收热塑性材料并选择性地通过一个或多个喷嘴挤出热塑性材料。下文更全面讨论的挤出机包括滑阀和新型喷嘴构型，当阀由控制器电子操作时，喷嘴构型使热塑性材料能够选择性地流过喷嘴。如本文所用，术语“喷嘴”是指挤出机面板中的孔口，该孔口通过阀与热塑性材料源流体连接，并且热塑性材料通过该孔口朝向材料接收表面射出。在操作期间，喷嘴可沿挤出机的处理路径挤出热塑性材料的基本上连续的线性条带。控制器操作滑阀以控制挤出的热塑性材料的尺寸和一定程度的形状。如本文所用，术语“滑阀”意指在室内移动以完全或部分地阻挡入口的构件，该入口可向挤出机中的所有喷嘴进料。

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热塑性材料的任何图案。常见的条带包括热塑性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，挤出机以间歇方式运行，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热塑性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热塑性材料的不同条带的物体图像数据和挤出机路径数据，以形成热塑性材料的每个条带。如下文所述，控制器在三维打印操作期间调整滑阀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。就弯曲路径而言，直线运动路径是指曲线的切线。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指的是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分开预先确定的距离。在一些构型中，随着从挤出机中的喷嘴挤出的热塑性材料线形成条带，系统使挤出机旋转以调整分开挤出机中不同喷嘴的交叉处理方向距离，从而调整分开热塑性材料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横交处理距离，因此挤出机能够以预先确定的每条热塑性材料线之间的距离形成两条或更多条热塑性材料线。如本文所用，术语“Z方向”是指垂直于一平面的移动方向，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。挤出机既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，也在周边内移动以填充热塑性材料周边内的二维区域的全部或者一部分。

图1描绘了具有挤出机108的增材制造系统100，该挤出机包括滑阀以控制热塑性材料通过面板中的喷嘴的挤出，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。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，挤出机108内的滑阀操作地连接到由控制器128操作的致动器206，使得控制器可调节热塑性材料向挤出机108的面板202中的多个喷嘴的流动。具体地讲，控制器128操作致动器206以移动滑阀，从而选择性地从喷嘴中挤出热塑性材料并在三维打印物体的每个层中形成热塑性材料条带。下文参考图2和图3更详细地描述滑阀及其控制的细节。致动器206被称为阀芯致动器，并且该术语意指被构造为向阀芯提供动力以使阀芯至少在外壳的镗孔内平移，并且在一些实施方案中，使阀芯在外壳的镗孔内平移和旋转的部件。

图1的系统100还包括挤出材料分配系统212，其向连接到挤出机108的入口216的加热器208进料。在系统100运行期间，来自供应源110的固体挤出材料以将挤出机中的热塑性材料的压力保持在预先确定的范围内的速率被供给到加热器208。分配系统212是适于调节挤出机108中的热塑性材料的压力的一个实施方案。此外，控制器128操作地连接到用于分配系统212的致动器，以控制分配系统212将挤出材料从供应源110递送给加热器的速率。加热器208软化或熔融经由驱动辊224进料给加热器208的固体挤出材料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中的进料系统，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的螺旋推运器或螺杆形式的机械移动机构。螺旋推运器或螺杆将固相挤出材料以固体挤出材料粉末或颗粒的形式从供应源110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固体挤出材料220的长丝。虽然图1示出了加热器208接收如固体长丝220的固相挤出材料，但在另选的实施方案中，该加热器可接收如粉末状或颗粒状挤出材料的固相挤出材料。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固体挤出材料的一部分在通道中形成密封件，除了与挤出机108连接的开口，该密封件防止热塑性材料从任何开口离开加热器，这保持了挤出材料在进入挤出机时保持热塑性状态的温度。挤出机108还可包括附加的加热元件以保持挤出机内的热塑性材料的升高的温度，从而保持喷嘴周围的预先确定的温度，该预先确定的温度使材料保持在热塑性状态，因此材料在行进通过面板中的喷嘴时不会开始固化。在一些实施方案中，隔热件覆盖挤出机108的外部的部分以保持挤出机内的温度。

为了将挤出机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操作地连接到致动器240的驱动轴，该致动器将长丝从供应源110进料到加热器。如本文所用，术语“滑动离合器”是指在摩擦力达到预先确定的设定点之前，向物体施加摩擦力以移动物体的设备。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。滑动离合器使得由辊224施加在长丝220上的力保持在对应于长丝强度的约束内，因此无论致动器240被驱动的频率、速度或时长如何，长丝都维持较低的断裂风险。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。如本文所用，术语“设定点”意指控制器用来操作部件以将对应于设定点的参数保持在设定点附近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，打开或关闭的喷嘴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来自该信号的误差，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、铁磁流体离合器、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。该特征使得可以根据打印条件改变离合器上的扭矩设定值。术语“印刷条件”是指当前正在进行的制造操作的参数，这些参数影响充分形成物体所需的热塑性材料的量。这些打印条件包括被进料给挤出机的挤出材料的类型、从挤出机射出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。

挤出机108的侧面剖视图在图2A中示出。挤出机108包括外壳264，该外壳中形成入口216以用于连接到加热器208的出口，因此挤出机可接收热塑性材料。面板202是在沿直径与入口相对的出口处附接于外壳264的平面构件。通过钻孔等方式在面板202中形成布置成阵列的多个喷嘴218。出口的直径对应于面板中的喷嘴阵列的长度，因此当阀芯的缩减部分与喷嘴阵列相对时，所有喷嘴可接收热塑性材料。外壳264在镗孔272的每个端部处关闭，阀芯276在镗孔272中双向移动。构件296延伸穿过外壳264的端壁288中的开口284，以接合阀芯276的一端部。弹簧280插置在外壳的端壁292与阀芯的另一端部之间的外壳的镗孔中。阀芯276的两个端部部分的直径与镗孔272的直径非常接近。阀芯276的中间部分的直径缩减，因此当直径缩减区段的任何部分与入口268相对时，热塑性材料围绕阀芯的该部分从入口216流动到在面板202中的喷嘴218处的出口。加热器298安装到外壳264的外部，以将镗孔中的热塑性材料保持在预先确定的温度范围内，该预先确定的温度范围保持热塑性材料可流动。

更详细地讲，挤出机外壳264具有精密镗孔272。镗孔中的滑动阀芯276具有精密外径。热塑性材料从入口进入，围绕阀芯的直径缩减部分流动，并进入喷嘴218。可通过将阀芯的较大直径部分之一定位在喷嘴上方来关闭喷嘴。在一个实施方案中，挤出机外壳为具有扩大的且打磨光滑的镗孔的不锈钢圆筒。阀芯的较大直径部分与外壳的圆柱形内壁之间的径向间隙为10微米。该尺寸的间隙有助于防止热塑性材料从外壳264泄漏。另选地，阀芯276可被构造为具有凹槽256，密封件(例如O形环260)设置在凹槽256内，如图2B所示。当阀芯276移动时，这些密封件由阀芯276承载并有助于防止热塑性材料的流失。密封件由弹性材料(诸如全氟弹性体)制成。在图2A和图2B所示的实施方案中，构件296是通过致动器206旋转以沿着镗孔272的纵向轴线推动阀芯276的小螺距螺杆。当螺杆的旋转反向时，弹簧280偏置相对的阀芯的端部以保持阀芯抵靠螺杆安置。通过使用该构件在镗孔内滑动阀芯，可从阵列的一端部到另一端部顺序地打开喷嘴。该运动要求当仅打开单个喷嘴时，该喷嘴必须是最左侧喷嘴或最右侧喷嘴。

图3示出了挤出机108的底视图。当挤出机在处理方向上的移动垂直于阵列的纵向轴线时，喷嘴218被布置成具有两个平行行216、220的阵列，这两个平行行在交叉处理方向上具有0.4mm的有效间距。图2A、图2B和图3所示的挤出机的构型提供了挤出机围绕Z轴的双向旋转。因此，通过使挤出机围绕其Z轴旋转，挤出机可始终被取向成使得喷嘴阵列的纵向轴线垂直于行进的处理方向。因此，从一排中的一喷嘴射出的热塑性材料在交叉处理方向上与另一排中的相邻喷嘴相距0.4mm，前提条件是阀芯的缩减部分与两个喷嘴相对。通过使喷嘴阵列的一行中的喷嘴偏离喷嘴阵列的另一行中的喷嘴以实现该目标，只要阀芯的直径缩减区段与所有喷嘴相对，就可由喷嘴形成熔融挤出材料的连续条带。

图4A至图4D示出了挤出机108形成直角拐角的操作。在图4A中，挤出机在五个最右侧喷嘴打开的情况下在90°的前进方向上移动，直到最前排喷嘴到达周边。移动阀芯以关闭所有喷嘴，并且挤出机围绕其Z轴沿顺时针方向旋转90°至图4B所示的位置。为了防止需要小的X轴和Y轴移动来将喷嘴阵列的端部与拐角重新对准，Z轴与阵列的端部的喷嘴对准。然后挤出机以180°的前进方向移动，同时滑动阀芯以打开在阵列端部的四个喷嘴，如图4C和图4D所示。

图5中示出了用于操作系统100的过程500。该过程由控制器(诸如控制器128)执行，该控制器执行存储在操作地连接到控制器的存储器中的编程指令，并且当控制器执行指令时，控制器处理数据并操作操作地连接到控制器的部件以形成该过程的流程图中所述的任务。过程500开始于控制器从3D切片器接收水平切片和NC编程指令(框504)。控制器操作致动器中的一个致动器以将固体挤出材料进料到加热器中，并且激活加热器以熔融固体挤出材料，从而形成进料到挤出机入口的热塑性材料(框508)。控制器执行NC编程指令以操作移动和旋转挤出机的致动器，并且操作操作地连接到阀芯的致动器以选择性地打开和关闭喷嘴(框512)。进料系统和挤出机的操作(方框508至512)继续进行，直到物体的制造完成(方框516)。

图6A为挤出机108的另选的实施方案108’的侧面剖视图。该实施方案被构造成不具有弹簧280。为了在挤出机外壳的镗孔内推进和回缩阀芯，构件296的一端部固定地附接到阀芯276，另一端部操作地连接至致动器206，该致动器为双向旋转的小螺距旋转调节螺杆。因此，当致动器206由控制器128(图1)操作以在一个方向上旋转时，构件296平移和旋转，使得阀芯276随着其围绕其纵向轴线旋转而朝端壁292推进。当致动器206沿相反方向旋转时，其使构件296和阀芯276朝端壁288回缩。图6B所示的另选的实施方案108”类似于图6A的另选的实施方案，不同之处在于阀芯276沿着其纵向轴线构造有通孔604，使得构件296穿过阀芯276并且构件296的远侧端部608被保持环612捕获。该实施方案以与实施方案108’几乎相同的方式操作，因为小螺距调节螺杆206操作地连接到构件296的延伸到挤出机外壳外部的端部，因此致动器的操作在镗孔272内推进和回缩阀芯276。在图6C的另选的实施方案108”’中，构件296固定地附接到阀芯276并且被构造为具有齿轮齿616(也称为齿条)的线性阵列。致动器206(图1)是双向旋转的小齿轮618，并且小齿轮的齿轮齿与构件296上的齿条616相互啮合，因此控制器128对致动器的操作使小齿轮旋转以推进和回缩镗孔272中的阀芯276。

图6D所示的另选的实施方案108””被构造为具有连杆装置620以推进和回缩阀芯276。延伸部624从端壁288延伸，并且枢轴销628从延伸部624延伸到该图的平面外。连杆构件632具有孔636，该孔接纳枢轴销628，因此连杆构件可围绕枢轴销旋转。构件296还具有从该构件延伸的枢轴销640，并且该枢轴销640平行于枢轴销628。连杆构件632中具有两个细长开口或狭槽644a和644b。一个狭槽644a接收枢轴销640，并且另一个狭槽644b接收从传动连杆652延伸的枢轴销648。枢轴销648平行于枢轴销628和640。传动连杆652固定地附接到枢轴销656并且枢轴销656操作地连接到旋转致动器206(图1)以使传动连杆652围绕枢轴销656双向地旋转。当控制器128操作致动器206以使传动连杆652围绕枢轴销656沿顺时针方向旋转时，枢轴销648在狭槽644b内滑动以沿顺时针方向推动连杆构件632的上端，同时枢轴销640在狭槽644a内滑动以沿逆时针方向推动连杆构件632的下端。连杆构件632围绕枢轴销628的这种逆时针旋转使阀芯276朝向端壁288平移。为了使阀芯276在镗孔272中朝向端壁292推进，操作致动器以使传动连杆在逆时针方向上旋转，使得连杆构件632围绕枢轴销628在顺时针方向上旋转。

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。