[发明专利]基于运动加热的用于增材制造打印丝的设备、系统和方法

说明书

一种基于运动加热的用于打印丝的增材制造设备、系统和方法。该装置、系统和方法可以包括：打印喷嘴，用于响应于运动控制器在至少两个轴上对所述打印喷嘴的运动控制，递送至少部分液化的打印材料以形成打印造型；至少一个加热器，其在所述打印喷嘴周围，用于实现所述至少部分液化的打印材料的至少部分液化；以及相关接口，其在所述运动控制器与所述至少一个加热器之间，其中所述相关接口监视即将到来的所述运动控制，以便根据所述即将到来的所述运动控制来预期地致动所述至少一个加热器。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月19日提交的美国临时申请62/782,185的优先权权益，其标题为：“基于运动加热的用于增材制造打印丝的设备、系统和方法”，其全部内容通过引用并入本文，如同其全部内容被阐述一样。

技术领域

本公开涉及增材制造，并且更具体地涉及基于运动加热的用于增材制造打印丝的设备、系统和方法。

背景技术

包括三维打印在内的增材制造不仅在打印技术取得了非常显著的进步，而且在例如产品研究和开发能力、原型制作能力和实验能力方面也取得了非常显著的进步。在可用的增材制造三维打印(统称为“3D打印”)技术中，熔融沉积材料(“FDM”)打印是已经开发的最重要类型的3D打印之一。

FDM是一种增材制造技术，其允许在逐层的基础上创建3D元件，从印刷元件的基础层或底层开始，并且通过使用例如加热和将热塑性细丝挤出到连续层中来印刷到顶层或最后一层。简单地说，FDM系统包括打印头、X-Y平面控制器和打印平台，打印头通过加热的喷嘴供给打印材料细丝以进行打印，X-Y平面控制器用于在X-Y平面中移动打印头，基底在打印平台上打印，并且打印平台在打印连续层时在Z轴中移动。

更特别地，FDM打印机喷嘴将接收的热塑性打印丝材加热成半液态，并且将半液态热塑性塑料沿着为构建元件的每个连续层而提供的X-Y平面挤出路径平面沉积成可变尺寸的珠粒。印刷的珠/迹线尺寸可以基于部件或部件的方面而变化，然后被印刷。此外，如果需要用于部件的方面的结构支撑，则由FDM打印机打印的轨迹可包括可移除的材料以充当一种脚手架来支撑需要支撑的部件的方面。因此，FDM可用于构建实验或功能部件的简单或复杂几何形状，例如用于原型制作、低容量生产、制造辅助等。

然而，由于影响FDM，特别是影响FDM工艺的打印速度、质量和效率的多种因素，FDM在更广泛的应用中的使用受到严重限制，例如中等到大批量生产。如所提及的，在FDM打印中，通常将热塑性塑料挤出，并且加热，并且在打印头的X-Y和/或Z驱动器的控制下，从加热喷嘴向外推到打印板/平台或正被生产的部件的先前层上。更具体地说，喷嘴根据预先输入的几何形状通过印刷头的机器人X-Y平面调节来回移动，例如可以作为印刷计划输入处理器以控制机器人移动从而形成所需部件。

如所提及的，3D打印机的“热端”通常在喷嘴处具有至少一个加热元件以熔化细丝。加热器的控制通常是专用的比例-积分-微分控制器(PID控制器)。PID是广泛用于采用连续调制控制的工业控制系统中的控制回路反馈机制。PID控制器连续地计算作为期望的设定点(SP)和测量的过程变量(PV)之间的差的误差值，并且基于比例项、积分项和微分项(分别表示为P、I和D)向控制函数应用校正以解决误差值。

更特别地，喷嘴温度通常被设定为丝的熔化温度(Tm)。PID回路基于从喷嘴处的Tm测得的温度变化相应地增加或减少加热元件的能量。

然而，加热器和PID控制器必须对各种各样的灯丝以及灯丝加速度和速度执行上述温度控制。此外，必要的控制可以在印刷运行期间根据印刷计划而变化。当前的控制方法通常不能满足这个标准，因为温度控制难以实时调整和/或保持，例如由于打印喷嘴的温度梯度等。因此，已知的方法经常一贯地下冲和过冲超过印刷的各方面所需的温度。