CN110893680A - 用于在增材制造系统中使用的挤出机机头的经优化的喷嘴布置 - Google Patents

Abstract

本发明题为“用于在增材制造系统中使用的挤出机机头的经优化的喷嘴布置”，公开了一种挤出机机头在面板中具有多个喷嘴的布置，该布置避免了在面板中心处与0°‑180°轴线和90°‑270°轴线相交成角取向处对齐该多个喷嘴。该挤出机机头包括具有面板的外壳，该面板具有多个喷嘴，该多个喷嘴在该喷嘴被投影到该面板的平面中的第一轴线上时彼此等距间隔开，并且该喷嘴在被投影到该面板的该平面中与该第一轴线正交的第二轴线上时彼此等距间隔开。挤出机机头从该面板的该平面中的该第一轴线和该第二轴线的交点沿着任何角路径的移动使得该多个喷嘴中的至少一个喷嘴能够不与任何其它喷嘴对齐。

Description

用于在增材制造系统中使用的挤出机机头的经优化的喷嘴 布置

本公开涉及在以矢量图形实现的三维物体打印机中使用的多喷嘴挤出机，并且更具体地讲，涉及在此类挤出机中喷嘴的布置。

三维打印也称为增材制造，是由几乎任何形状的数字模型制备三维固体物体的工艺。许多三维打印技术使用增材工艺，其中增材制造设备在先前沉积的层的顶上形成零件的连续的层。这些技术中的一些技术使用挤出机，挤出机将挤出材料诸如ABS塑料软化或熔融成热塑性材料，然后以预定图案发射热塑性材料。打印机通常操作挤出机以形成连续的热塑性材料层，该连续的热塑性材料层形成具有多种形状和结构的三维打印物体。在形成三维打印物体的每一层之后，热塑性材料冷却并硬化以将该层粘结到三维打印物体的下面层。这个增材制造方法能与传统的物体形成技术区分开，传统的物体形成技术大多依赖于通过减材工艺诸如切割或钻孔从工件移除材料。

打印二维图像的大多数打印机使用与打印机的分辨率匹配的位图图像。然后在介质上在被称为栅格的路径中扫描打印头。因此，这种打印方法有时被称为栅格打印。打印机通过在油墨或其它标记材料接收表面上逐个光栅地连续扫描印刷头来形成图像。有时这个扫描是通过前后运动来执行，其被称为双向打印。在其他情况下，接收表面或打印头仅在单个方向上移动，并且这种类型的打印被称为单向打印。矢量图形打印机的工作方式不同。由矢量图形打印机形成的二维图像使用基于一系列点、线和曲线的形状描述。这些描述用作将工具诸如挤出头沿着由线和曲线限定的路径移动的命令。这个移动发生在两个以上的正交方向上。使用本文档所述多喷嘴挤出机的打印机是矢量图形打印机。

许多现有的三维打印机使用通过单个喷嘴挤出材料的单个挤出机。打印头在预定路径中移动，以基于三维打印物体的模型数据将构建材料发射到支撑构件的选定位置或三维打印物体的先前沉积的层上。然而，使用仅具有单个喷嘴的打印头发射构建材料常常需要相当长的时间来形成三维打印物体。此外，具有较大喷嘴直径的印刷头可以更快地形成三维打印物体，但是丧失了为细节更多的物体以更精细的形状发射构建材料的能力，而具有较窄直径的喷嘴可以形成细节更多的结构，但需要更长的时间来构建三维物体。

为了解决单喷嘴挤出机的局限性，已经开发了多喷嘴挤出机。在这些多喷嘴挤出机中，喷嘴形成在公共面板中，并且通过喷嘴挤出的材料可以来自一个或多个歧管。在具有单个歧管的挤出机中，所有喷嘴都挤出相同的材料，但是从歧管到每个喷嘴的流体路径可以包括被操作以选择性地打开和关闭喷嘴的阀。这种能力使得能够通过改变挤出材料的喷嘴的数量和哪些喷嘴正在挤出材料来改变从喷嘴挤出的热塑性材料条带的形状。在具有不同歧管的挤出机中，每个喷嘴可以挤出不同的材料，其中从歧管中的一个歧管到其对应喷嘴的流体通道包括可以操作以选择性地打开和关闭喷嘴的阀。这种能力使得条带中材料的组成能够改变并使得从喷嘴挤出的热塑性材料条带的形状能够改变。同样，这些改变是通过改变挤出材料的喷嘴的数量和哪些喷嘴正在挤出材料来实现。这些多喷嘴挤出机使得不同的材料能够从不同的喷嘴挤出并被用于形成物体而不必协调不同挤出机主体的运动。这些不同的材料可以増强增材制造系统制备具有不同颜色、物理特性和构型的物体的能力。此外，通过改变挤出材料的喷嘴的数量，可以改变所产生的条带的尺寸，以在需要精确特征形成的区域诸如物体边缘提供窄的条带，而提供较宽的条带给物体的快速形成区域诸如其内部区域。

在具有其喷嘴在公共面板中的这些多喷嘴挤出机中，面板相对于构建平台的运动以及面板相对于平台的XY轴线的取向对于条带的形成是至关重要的。如本文档中所用，“条带”是指从多喷嘴挤出机中的一个或多个打开的喷嘴挤出生成挤出材料图案的一个或多个挤出材料线条。即使多个喷嘴打开，但并非所有挤出材料线条都彼此接触，空间上分开的挤出物一起构成条带。邻接条带是这样的一种条带，其中来自多个喷嘴的所有挤出材料线条在交叉工艺方向上跨该条带邻接接触。在挤出机的路径的一些取向上，喷嘴中的一些喷嘴以防止形成挤出材料邻接条带的方式彼此对齐。如图5中所示，示出了具有九个喷嘴的先前已知的面板。当面板如图中所示取向并且沿着0°-180°(X)轴线或90°-270°(Y)轴线移动时，所有九个喷嘴都参与形成邻接条带，并且该条带具有其最大宽度。如本文档中所用，术语“0°-180°轴线”是指相对于面板的中心在0°方向或180°方向上的运动，并且挤出机的面板被取向成使得如果所有喷嘴都打开，则形成挤出机能够产生的最宽邻接条带，术语“90°-270°轴线”是指相对于面板的中心在90°方向或270°方向上的运动，并且挤出机的面板被取向成使得如果所有喷嘴都打开，则形成挤出机能够产生的最宽邻接条带。当面板保持如图所示取向在0°-180°轴线上和90°-270°轴线上，但沿着相对于这些轴线中的一个轴线旋转18°的路径移动时，如最右图示所示，九个喷嘴变成三行彼此对准的三个喷嘴，使得对于每行三个喷嘴，喷嘴中的一个喷嘴的材料被直接挤到另外两者挤出的挤出材料的顶上并且条带只有三个线条，在形成条带的挤出材料线条之间存在间隙，使得这些线条中没有任一者在交叉工艺方向上接触条带中的另一线条。挤出机的速度在这个角度必须显著减慢，以使得线条能够合并成邻接条带。因此，当图5的面板沿着0°、90°、180°和270°路径移动时全速生成最宽邻接条带，并且沿着18°、108°、198°和288°路径，条带最窄且挤出材料珠滴彼此分隔最开。该分隔是由于面板的取向和挤出机与平台之间相对运动的方向将面板中的喷嘴布置成具有正交列和行的阵列而发生的。这种布置减小了列中喷嘴所形成的线条之间的距离，因此线条彼此对齐，并且将线条分开行中喷嘴之间的间距。在特征差别通常不重要的物体的中心，面板运动优选是在产生最宽邻接条带的方向之一上，因此物体形成速度可以最大化。在特征形状变化更大并且有时复杂的物体的外侧边缘处；然而，可以打开更少的喷嘴，并且可能仅打开单个喷嘴，以使得能够形成这些特征。遗憾的是，这种类型的挤出机操作没有充分利用可供用于物体形成的大量喷嘴，并且固有地是缓慢的。因此，在公共面板中具有多个喷嘴的一些速度优点丧失，并且对于许多部分而言，与在物体内部形成上花费的时间相比，更多的时间可能花费在物体轮廓上。可以避免由于在挤出机的各种角取向处多个喷嘴对齐所产生的问题的用于三维物体打印机的在公共面板中具有多个喷嘴的挤出机机头会是有益的。

一种新的挤出机机头在面板中具有多个喷嘴的布置，其避免了在与面板的平面中的一对正交轴线成角取向处对齐该多个喷嘴。挤出机机头包括具有被构造成保持一定体积的热塑性材料的至少一个歧管的外壳和安装到该外壳的面板，该面板具有流体连接到该至少一个歧管的在该面板中形成的多个喷嘴，并且该面板中的该喷嘴在该喷嘴被投影到该面板的平面中的第一轴线上时彼此等距间隔开，并且该喷嘴在被投影到该面板的平面中与该第一轴线正交的第二轴线上时彼此等距间隔开，并且该挤出机机头从该面板的平面中的该第一轴线和该第二轴线的交点沿着任何角路径的运动使得该多个喷嘴中的至少一个喷嘴能够不与任何其它喷嘴对齐。

另一挤出机机头在挤出机机头的面板中具有多个喷嘴的布置，其避免了在与该面板的平面中的一对正交轴线成角取向处与该喷嘴对齐。这个挤出机机头包括具有被构造成保持一定体积的挤出材料的至少一个歧管的外壳和安装到该外壳的面板，该面板具有流体连接到该至少一个歧管的在该面板中形成的多个喷嘴，并且该面板中的该喷嘴在该喷嘴被投影到该面板的平面中的第一轴线上时彼此等距间隔开，并且该喷嘴在被投影到该面板的平面中与该第一轴线正交的第二轴线上时彼此等距间隔开，并且该多个喷嘴中喷嘴的数量是奇数，并且该挤出机机头从该面板的平面中的该第一轴线和该第二轴线的交点沿着任何角路径的运动使得该多个喷嘴中的至少一个喷嘴能够不与任何其它喷嘴对齐。

具有避免在与0°-180°轴线和90°-270°轴线成角取向处对齐多个喷嘴的多喷嘴布置的挤出机机头的前述方面和其他特征在以下描述中结合附图进行解释。

图1示出了一种增材制造系统，其中挤出机机头具有多喷嘴布置，该多喷嘴布置避免在与0°-180°轴线和90°-270°轴线成角取向处对齐多个喷嘴。

图2A至图2C示出了用于九喷嘴挤出机机头的符合使得挤出机机头能够避免在与0°-180°轴线和90°-270°轴线成角取向处对齐多个喷嘴的约束的另选喷嘴布置。

图3A至图3C示出了用于九喷嘴挤出机机头的符合使得挤出机机头能够避免在与0°-180°轴线和90°-270°轴线成角取向处对齐多个喷嘴的约束的另选喷嘴布置。

图4A至图4C示出了用于九喷嘴挤出机机头的符合使得挤出机机头能够避免在与0°-180°轴线和90°-270°轴线的角取向处对齐多个喷嘴的约束的另选喷嘴布置。

图5示出了由九喷嘴面板在取向于0°、90°和18°时可以形成的条带。

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”是指从增材制造系统中的挤出机发射的材料。挤出材料包括但不严格限于以下两者：形成三维打印物体的永久部分的“构建材料”、以及形成用于在打印过程期间支撑构建材料的部分、然后任选地在打印过程完成后被移除的临时结构的“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)、脂族或半芳族聚酰胺(尼龙)、包括悬浮碳纤维或其他聚集材料的塑料、导电聚合物、以及可以被热处理以产生适于通过挤出机发射的热塑性材料的任何其他形式材料。构建材料也包括不需要加热但随后通过暴露于空气或能量诸如UV光或热而硬化的其它材料。这些类型的材料包括食物材料。例如，巧克力和奶酪可以被挤出以形成各种形状的物体，诸如兔子、蛋等。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)、以及能够在被热处理之后挤出的其它材料。在一些挤出打印机中，挤出材料是作为通常称为“长丝”的连续细长长度的材料来供应。这个长丝是通过一个或多个辊从卷轴或其它供应源牵拉挤出材料长丝、并且将长丝馈送到流体连接到挤出机内的歧管的加热器中而以固体形式被提供。尽管所示的示例使用作为长丝被供应给加热器的挤出材料，但是也可以使用其他挤出材料供应，诸如颗粒或球形团块挤出材料。加热器软化或熔融挤出材料长丝以形成流入歧管的热塑性材料。当定位在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被发射作为热塑性材料流。如本文所用，术语“熔融”在应用于挤出材料时是指软化或改变挤出材料的相以使得在三维物体打印机操作期间能够通过挤出机中的一个或多个喷嘴挤出热塑性材料的挤出材料温度的任何升高。熔融的挤出材料在本文档中也被表示为“热塑性材料”。如本领域的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转变成纯液体状态。

如本文所用，术语“挤出机”是指打印机的部件，其在单个室中对挤出材料加压，因此挤出材料迁移到连接到一个或多个喷嘴的歧管以用于发射。本文档所述的多喷嘴挤出机包括阀组件，该阀组件可以以电子方式操作以使得挤出材料能够选择性地且独立地流过喷嘴。该阀组件使得该一个或多个喷嘴能够独立地连接到歧管以挤出挤出材料。如本文所用，术语“喷嘴”是指挤出机中的孔口，该孔口流体连接到挤出机中的歧管，并且挤出材料通过该孔口朝材料接收表面发射。在操作期间，喷嘴可以沿着挤出机的工艺路径挤出挤出材料的基本上连续的线性条带。控制器操作阀组件中的阀以控制哪些连接到阀组件的喷嘴挤出挤出材料。喷嘴的直径影响所发射的挤出材料的线条的宽度。不同的挤出机实施方案包括具有孔口尺寸范围的喷嘴，其中较宽的孔口生成宽度比由较窄孔口生成的线条的宽度宽的线条。

如本文所用，术语“歧管”是指在挤出机的外壳内形成的腔体，该腔体保持用于在三维物体打印操作期间递送给挤出机中的一个或多个喷嘴的挤出材料的供应。如本文所用，术语“条带”是指在三维物体打印操作期间从多喷嘴挤出机的多个喷嘴同时发射到材料接收表面上的多个挤出材料带的任何图案。单喷嘴挤出机不能形成条带，因为它们只能产生单个挤出珠滴。常见的条带包括挤出材料的直线线性布置以及弯曲的条带。在一些构型中，挤出机以连续的方式挤出材料以形成在工艺方向和交叉工艺方向两者上具有邻接质量的挤出材料的条带，而在其它构型中，挤出机以间歇方式或以一定运动角度操作，其形成在工艺方向或交叉工艺方向上不连续、并且沿着线性或弯曲路径布置的较小组的挤出材料。三维物体打印机利用挤出材料的不同条带的组合来形成各种结构。此外，三维物体打印机中的控制器在操作多喷嘴挤出机以形成挤出材料的每个条带之前使用物体图像数据和对应于挤出材料的不同条带的挤出机路径数据。

如本文所用，术语“工艺方向”是指挤出机与接收从挤出机中的一个或多个喷嘴发射的挤出材料的材料接收表面之间的相对运动方向。材料接收表面是保持三维打印物体的支撑构件或在增材制造工艺期间部分形成的三维物体的表面。在本文所述的例示性实施方案中，一个或多个致动器围绕支撑构件移动挤出机，但另选的系统实施方案移动支撑构件来在工艺方向上产生相对运动而挤出机保持静止。一些系统针对不同的运动轴线使用这两个系统的组合。另外，一个或多个致动器操作地连接到挤出机、在上面形成三维物体的平台、或者以上两者，以将挤出机和平台朝向和远离彼此移动。这种类型的移动有时被称为竖直运动或者挤出机、平台或这两者沿着Z轴的移动。

如本文所用，术语“交叉工艺方向”是指垂直于工艺方向并平行于挤出机面板和材料接收表面的轴线。工艺方向和交叉工艺方向是指挤出机与接收从一个或多个喷嘴发射的挤出材料的表面的相对运动路径。在一些构型中，挤出机包括喷嘴阵列，该喷嘴阵列可以在工艺方向、交叉工艺方向或这两者上延伸。挤出机内的相邻喷嘴在交叉工艺方向上分开预定距离。在一些构型中，系统旋转挤出机以调节分开挤出机中不同喷嘴的交叉工艺方向距离，以调节在线条形成条带时将从多喷嘴挤出机中的多个喷嘴发射的挤出材料线条分开的相应交叉工艺方向距离。

在增材制造系统操作期间，挤出机在工艺方向上相对于在三维物体打印工艺期间接收挤出材料的表面沿着笔直路径和弯曲路径两者移动。另外，系统中的致动器任选地围绕Z轴旋转多喷嘴挤出机以调节分开多喷嘴挤出机中的喷嘴的有效交叉工艺距离，以使得挤出机能够以挤出材料的每个线条之间的预定距离而形成挤出材料的两个或更多个线条。多喷嘴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挤出材料填充该二维区域的全部或一部分。

图1示出了具有挤出机机头108的增材制造系统100，该挤出机机头通过图2A至图2C、图3A至图3C、以及图4A至图4C中所示的面板中的一个面板中的喷嘴挤出多个热塑性材料，这在下文中更详细地描述。虽然打印机100被图示成使用平面运动形成物体的打印机，但其他打印机架构可以与这些图中所示的挤出机机头一起使用。这些架构包括増量机器人、选择顺应性组装机械臂(SCARA)、多轴打印机、非笛卡尔打印机等。这些另选实施方案中的运动仍然具有如上定义的工艺方向和交叉工艺方向，并且这些实施方案的挤出机中的喷嘴间距仍然相对于交叉工艺方向限定喷嘴间距。在图1中在挤出机机头108的外壳内仅示出了一个歧管216以简化该图，但挤出机机头108可以具有多个歧管216。在一个实施方案中，挤出机机头108中的每个歧管216操作地连接到以一对一对应方式由不同的挤出材料供应源110供料的不同的加热器208。在挤出机机头108中，每个喷嘴218流体地连接到挤出机机头108内的仅一个歧管，因此每个喷嘴挤出相同的热塑性材料，但是每个喷嘴可以以一对一对应方式连接到多个歧管中的一个歧管，因此每个喷嘴挤出与从连接到其他歧管的喷嘴挤出的材料不同的热塑性材料。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挤出。每个喷嘴218也与面板260中的孔隙对齐以构造喷嘴用于更灵活地形成物体中的材料的条带。在图1中，挤出机机头108是在穿过最靠近观察者角度的喷嘴的横截面中示出。

在图1的实施方案中，阀组件204将阀定位在挤出机机头108中的该一个或多个歧管与连接到挤出机机头108中的该一个或多个歧管的喷嘴中的每一个喷嘴之间。阀组件204操作地连接到控制器128，因此控制器可以打开和关闭该阀，用于从挤出机机头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机头108中该阀的组件204中的不同致动器，以从该喷嘴挤出热塑性材料，并且在由该系统形成的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也包括用于连接到挤出机机头108中歧管的每个加热器208的挤出材料分配系统212。来自每个独立供应源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相应的加热器208。分配系统212是适于调控挤出机机头108的每个歧管中热塑性材料的压力的一个实施方案。此外，控制器128操作地连接到用于每个分配系统212的致动器，以控制分配系统212将挤出材料从供应源110递送给由该供应源供料的加热器的速率。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并操作地连接到控制器128，因此控制器可以调控致动器驱动辊224的速度。与辊224相对的另一辊是自由轮转的，因此其遵循辊224被驱动的旋转速率。虽然图1示出了使用机电致动器和驱动辊224作为机械移动装置将长丝220移动到加热器208中的馈送系统，但是分配系统212的另选实施方案使用一个或多个致动器操作旋转螺旋输送件或螺杆形式的机械移动装置。螺旋输送件或螺杆以挤出材料粉末或粒料的形式将来自供应源110的固相挤出材料移动到加热器208中。

在图1的实施方案中，每个加热器具有由不锈钢形成的主体，该主体包括操作地连接到控制器128的一个或多个加热元件228，诸如电阻加热元件。控制器128被构造成选择性地将加热元件228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。虽然加热器208被图示成将固相的挤出材料作为固体长丝220来进行接收，但是在另选实施方案中，加热器将固相的挤出材料作为粉末或粒化的挤出材料来进行接收。冷却散热片236衰减加热器上游的通道中的热。在冷却散热片236处或附近的通道中保持固体的挤出材料的一部分在该通道中形成密封，该密封与到歧管216的连接相比防止热塑性材料从任何开口离开加热器，这维持在进入歧管时将挤出材料保持在热塑性状态的温度。挤出机机头108也可以包括附加加热元件，用于维持挤出机内每个歧管内热塑性材料的升高的温度。在一些实施方案中，隔热件覆盖挤出机机头108的外部的部分以维持挤出机内歧管内的温度。

为了将歧管216内热塑性材料的流体压力维持在预定范围内，避免损坏挤出材料，以及控制通过喷嘴的挤出速率，滑动离合器244操作地连接到将长丝从供应源110馈送给加热器的每个致动器240的驱动轴。如本文所用，术语“滑动离合器”是指将摩擦力施加给物体以将物体移动直至预定设定点的设备。当超过关于摩擦力的预定设定点的范围时，设备滑动，因此其不再施加摩擦力给物体。滑动离合器使得由辊224施加在长丝220上的力能够保持在对长丝强度的约束之内，而无论致动器240被驱动的频率、速度或长度如何。可以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放置在辊224上并利用传感器252感测旋转速率来维持这个恒定的力。由传感器252生成的信号指示辊224的角旋转，并且控制器128接收这个信号以标识辊224的速度。控制器128还被构造成调节被提供给致动器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，因此其平均速度略微快于辊224的旋转。这个操作确保驱动辊224上的扭矩始终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，其标识致动器输出轴相比于辊224的旋转速度略微更高的速度。如本文档中所用，术语“设定点”是指控制器用于操作部件以将对应于该设定点的参数保持在关于该设定点的预定范围内的参数值。例如，控制器128改变操作致动器240的信号以在关于设定点的预定范围内以由输出信号标识的速度旋转输出轴。除了用于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以及用于离合器的扭矩设定点也影响长丝驱动系统212操作。辊224的所得到的旋转速度由传感器252生成的信号来标识。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来从这个信号标识误差，并且调节由控制器输出的信号以操作致动器240。另选地，控制器128可以改变滑动离合器的扭矩水平，或者控制器128可以既改变扭矩水平，又调节控制器用以操作致动器的信号。

滑动离合器244可以是固定的或可调节的扭矩摩擦盘离合器、磁性颗粒离合器、磁滞离合器、铁流体离合器、气压离合器或永磁离合器。磁性操作的离合器类型可以具有通过向离合器施加电压来调节的扭矩设定点。这个特征使得离合器上的扭矩设定点能够参照打印条件而改变。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所示的系统中，控制器128被构造成传输一个或多个信号给X/Y致动器150，以调控挤出机机头108在平台102上方移动的速度。控制器128被构造成参照挤出机机头108将被移动的路径的角度以及在其沿着那个路径移动时挤出机面板的取向来调控挤出机机头108的速度。当具有图2A至图2C、图3A至图3C、和图图4A至图4B所示的喷嘴布置的挤出机机头108在挤出期间在沿着0°-180°轴线或90°-270°轴线的方向上移动，并且挤出机面板如附图所示取向时，控制器128参照被打开用于挤出热塑性材料的喷嘴的数量以标称速度移动挤出机。虽然挤出机面在理论上可以取向成使得所有打开的喷嘴对于沿着任何运动路径的邻接条带有贡献，但是实际的考虑可能阻止此类取向。当物体图像数据和挤出机路径数据所要求的挤出机机头面板的取向及其相对于平台的运动路径干扰挤出机机头形成邻接条带的能力时，控制器可以降低挤出机机头沿着那个运动路径相对于平台移动的速度，以解决这个干扰。

为了减少由可以沿着对齐喷嘴使得它们形成在上文参照图5所述的条带中的分开线条的路径移动的多个喷嘴的喷嘴布置产生的问题，使用约束来显著减少可能的布置的数量。第一约束是在0°-180°轴线和90°-270°轴线方向上要求最佳喷嘴间距。这个约束确保物体内部的最佳条带形成，其中条带是通过在0°-180°轴线和90°-270°轴线方向之间交替路径方向来形成，以降低部件内弱点的可能性。这个约束意味着如果每个喷嘴位置被投影到穿过中心喷嘴位置的0°-180°轴线上或者被投影到90°-270°轴线上，则喷嘴彼此等距地间隔开。本文档中所用的术语“投影”是指沿着垂直于被投影到的轴线和喷嘴的线将喷嘴位置移动到该轴线。这个约束也涵盖其中中心喷嘴的直径小于其余喷嘴的直径的实施方案。在这个实施方案中，与中心喷嘴相邻的喷嘴之间的间距在投影到正交轴线之一上时比投影到中心喷嘴任一侧的轴线上的其他喷嘴之间的间距小。

第二约束是喷嘴必须分开某个最小距离。最小距离是必要的，例如，以使得阀组件的往复构件能够具有足够的面积进入挤出机机头的上表面以及保持面板的结构完整性。即，喷嘴中的一些喷嘴可以定位在不在喷嘴之间提供足够面板金属的位置处，以防止面板挠曲。第三约束源于如何形成物体的周边。通常，所有喷嘴被设定成尺寸相等，并且周边由从中心喷嘴和由中心喷嘴形成的物体的周边内的那些喷嘴挤出的材料形成。由中心喷嘴形成的物体的周边外的喷嘴不打开。因此，第三约束是喷嘴布置具有奇数数量的喷嘴，其中当喷嘴被设定成尺寸相等时，中心喷嘴定位在面板中间。术语“面板中间”是指在水平和竖直正交轴线上喷嘴投影的中间的喷嘴。这三个约束对于在与0°-180°轴线或90°-270°轴线方向成特定角取向处在条带中不形成仅分开的线条的喷嘴布置而言是必要的。应用这些约束和下文讨论的一些其他约束就得到图2A至图2C所示的九喷嘴面板的喷嘴布置、图3A至图图3C所示的十一喷嘴面板的喷嘴布置、以及图4A至图4C所示的十三喷嘴面板的喷嘴布置。

可以使用其他约束来在满足这三个必要约束的布置之间进行选择。这些较不严格的标准中的一个标准是喷嘴布置的最外喷嘴与中心喷嘴之间的距离，而不管是以什么角度移动挤出机来形成条带。这个标准使得无论挤出机的角取向如何都能够以大致相同宽度的条带形成物体的周边，因为相同数量的喷嘴被提供到中心喷嘴的右侧和左侧，并且每个方向上的最外喷嘴与中心喷嘴相距大约相同的距离。最外喷嘴是在垂直于挤出机运动路径的方向上距中心喷嘴最远的喷嘴。可以通过测量所有挤出机运动角度的从中心喷嘴到最外喷嘴的距离以及与最外喷嘴的最大距离和最小距离之间的差值来评估候选喷嘴布局是否符合这个标准。对于一些设计，诸如具有十一个或更多个喷嘴且仍然满足前述其他标准的那些设计，可以使该差值小于两个喷嘴直径或者甚至小于1.5个喷嘴直径并且满足这个标准。对于具有少于十一个喷嘴并且仍然满足先前讨论的其他标准的候选喷嘴布局，该差值可以小于2.5个喷嘴直径并且仍然满足这个标准。去除那些具有太大的条带宽度变化的候选布局。即，去除具有十一个或更多个喷嘴并且条带宽度变化大于两个喷嘴直径的喷嘴布局。同样，去除具有少于十一个喷嘴并且条带宽度变化大于2.5个喷嘴直径的喷嘴布局。另外，可以通过改变工艺速度来减轻条带宽度的差异，与外喷嘴相距小的距离且成角度地以更慢速度进行就使得能够实现材料的更多扩散，以确保与挤出机运动角度无关的更相等的条带宽度。因此，差异小到足以允许速度改变来弥补那个差异的喷嘴布置可能是重要的。

用于布置选择的另一标准是减少布置中对齐喷嘴的角度的数量和影响。第一线条方法是限制在工艺方向上相邻喷嘴之间的任何间隙的允许尺寸，而不管角度如何。如本文档中所用的，相邻喷嘴是指生成更靠近由参考喷嘴形成的线条的材料线条的喷嘴。例如，在图2A中，当挤出机机头沿着90轴线移动时，喷嘴N4的相邻喷嘴是N3和N5，但当挤出机机头沿着将由N2、N5和N8生成的线条对齐的路径移动时，N4的相邻喷嘴是N7和N8。因此，由N4、N7和N8生成的线条被约束成分开不超过预先确定的距离。布置评估的另一标准是将由相邻喷嘴生成的线条之间的间隙的数量限制到预先确定的数量。为了评估这个标准，喷嘴布置围绕面板中心的法线旋转，并且评估每个角取向处喷嘴的间距。通过这个评估，可以标识标称速度的减小，其使得相邻喷嘴能够充分地散布它们的线条以覆盖否则在正以特定角取向形成周边时会存在的间隙。例如，对齐N2、N5和N8的角取向的评估标识使得由N4和N6形成的材料线条能够充分扩散以碰到正由喷嘴N2、N5和N8形成的共同材料线条的速度减小。然后，可以针对所有角度计算平均速度，并且仅允许平均速度高于特定最小值的布置通过这个标准。

用于评估不同喷嘴布置的另一标准是限制以任何可能的角取向排列的喷嘴的数量。这个标准可以用于喷嘴的任何分组。例如，沿着45°路径移动图2A中的布置就将N1与N3对齐，将N7与N9对齐。将这个标准应用于该布置就得到图2B中所示的布置，其中N6和N7已被移位，因此N7和N9不再在45°路径上彼此对齐。相反，只有N1和N3是这样的。类似地，N2、N5和N8可以在图2A和图2B的布置中的一个角取向中对齐，但具有N2的移位如图2C所示，这个三喷嘴对齐可以减少到两个，即N5和N8。这个方法的便利捷径是评价与中心喷嘴对齐的喷嘴组。这个方法的计算强度较小，并且捕获许多更有问题的布置。

可以使用各种编程语言诸如Matlab、Python、C和R来实现用于生成喷嘴布置排列、以及参照前面指出的约束和标准对它们进行评估的过程。该过程开始于奇数数量的X个喷嘴，其具有在0°-180°轴线或90°-270°轴线方向上彼此等距间隔开的相邻喷嘴。然后该过程生成在90°-270°轴线上具有相同间距并且中心喷嘴保持未移动的X-1个喷嘴的所有排列。对于大的X值，排列被分成块，以保留存储器和数组大小限制，但是也保留编程语言的优点，诸如Matlab的数组处理能力。参考喷嘴之间的预先确定的距离的限制，可能性的数量迅速减小。通过针对圆度进行选择、限制任何角度处喷嘴之间的最大间隙、以及限制在任何角度与中心喷嘴对齐的喷嘴的数量，进一步减少候选布置的数量。另外，对称性是去除冗余候选者的有用标准，因为具有已经考虑的候选者的左/右、上/下或旋转对称的喷嘴布置的任何排列被确定为等同于先前考虑过的候选者，并且不需要进一步评估。可以用于进一步减少的其他标准是多少角取向生成高于预定阈值的材料线条之间的间隙、用于保持所形成的周边的宽度一致性的在任何方向上最外喷嘴与中心喷嘴之间的距离、以及其他随角度变化的标准。

Claims (20)

1.一种挤出机机头，包括：

外壳，所述外壳具有被构造成保持一定体积的挤出材料的至少一个歧管；和

面板，所述面板安装到所述外壳，所述面板具有形成在所述面板中的流体地连接到所述至少一个歧管的多个喷嘴，并且所述面板中的所述喷嘴在所述喷嘴被投影到所述面板的平面中的第一轴线上时彼此等距间隔开，并且所述喷嘴在被投影到所述面板的所述平面中与所述第一轴线正交的第二轴线上时彼此等距间隔开，并且

所述挤出机机头从所述面板的所述平面中的所述第一轴线和所述第二轴线的交点沿着任何角路径的移动使得所述多个喷嘴中的至少一个喷嘴能够不与任何其它喷嘴对齐。

2.根据权利要求1所述的挤出机机头，其中所述多个喷嘴中喷嘴的数量是奇数。

3.根据权利要求2所述的挤出机机头，其中所有所述喷嘴都具有相同的直径。

4.根据权利要求3所述的挤出机机头，其中所述喷嘴中的一个喷嘴位于所述面板的所述平面中的中心处。

5.根据权利要求4所述的挤出机机头，其中位于中心喷嘴的第一侧的所述喷嘴的数量等于位于所述中心喷嘴的第二侧的喷嘴的数量。

6.根据权利要求5所述的挤出机机头，其中所述中心喷嘴的所述第一侧的一个喷嘴与所述中心喷嘴的所述第一侧的任何其它喷嘴相比与所述中心喷嘴相距更大距离，并且与所述中心喷嘴的所述第二侧的与所述中心喷嘴的所述第二侧的任何其它喷嘴相比与所述中心喷嘴相距更大距离的喷嘴相比与所述中心喷嘴相距相同的距离。

7.根据权利要求6所述的挤出机机头，其中所述中心喷嘴与沿着挤出机机头运动的任何路径角度的最外喷嘴之间的最小距离与所述中心喷嘴与沿着挤出机运动的任何路径角度的最外喷嘴之间的最大距离之间的差值不超过预定数量的喷嘴直径。

8.根据权利要求7所述的挤出机机头，其中对于具有十一个或更多个喷嘴的所述挤出机机头，所述预定数量的喷嘴直径不大于二。

9.根据权利要求7所述的挤出机机头，其中对于具有十一个或更多个喷嘴的所述挤出机机头，所述预定数量的喷嘴直径是1.5。

10.根据权利要求7所述的挤出机机头，其中对于具有少于十一个喷嘴的所述挤出机机头，所述预定数量的喷嘴直径不大于2.5。

11.根据权利要求6所述的挤出机机头，其中所述喷嘴彼此间隔开不小于预定距离的距离。

12.根据权利要求11所述的挤出机机头，其中没有喷嘴被定位在所述面板中，以生成与由挤出机机头运动路径确定的相邻喷嘴生成的挤出材料线条分开超过预定距离的挤出材料线条。

13.根据权利要求12所述的挤出机机头，其中所述第一轴线与0°-180°轴线对齐，并且所述第二轴线与90°-270°轴线对齐，并且所述第一轴线和所述第二轴线在所述面板的所述中心处相交。

14.根据权利要求13所述的挤出机机头，其中所述喷嘴的数量等于或大于九，并且在没有挤出机机头运动的角度下，三个或更多个喷嘴对齐，以在由另一喷嘴挤出的挤出材料的顶上挤出挤出材料。

15.一种挤出机机头，包括：

外壳，所述外壳具有被构造成保持一定体积的挤出材料的至少一个歧管；

面板，所述面板安装到所述外壳，所述面板具有形成在所述面板中的流体地连接到所述至少一个歧管的多个喷嘴，并且所述面板中的所述喷嘴在所述喷嘴被投影到所述面板的平面中的第一轴线上时彼此等距间隔开，并且所述喷嘴在被投影到所述面板的所述平面中与所述第一轴线正交的第二轴线上时彼此等距间隔开，所述多个喷嘴中喷嘴的数量为奇数，并且

所述挤出机机头从所述面板的所述平面中的所述第一轴线和所述第二轴线的交点沿着任何角路径的移动使得所述多个喷嘴中的至少一个喷嘴能够不与任何其它喷嘴对齐。

16.根据权利要求15所述的挤出机机头，其中所述喷嘴中的一个喷嘴位于所述面板的所述平面中的中心处。

17.根据权利要求16所述的挤出机机头，其中位于中心喷嘴的第一侧的所述喷嘴的数量等于位于所述中心喷嘴的第二侧的喷嘴的数量。

18.根据权利要求17所述的挤出机机头，其中对于所述第一轴线和所述第二轴线二者，所述中心喷嘴的所述第一侧的一个喷嘴与所述中心喷嘴的所述第一侧的任何其它喷嘴相比与所述中心喷嘴相距更大距离，并且与所述中心喷嘴的所述第二侧的与所述中心喷嘴的所述第二侧的任何其它喷嘴相比与所述中心喷嘴相距更大距离的喷嘴相比与所述中心喷嘴相距相同的距离。

19.根据权利要求18所述的挤出机机头，其中所述中心喷嘴与沿着挤出机机头运动的任何路径角度的最外喷嘴之间的最小距离与所述中心喷嘴与沿着挤出机运动的任何路径角度的最外喷嘴之间的最大距离之间的差值不超过预定数量的喷嘴直径。

20.根据权利要求19所述的挤出机机头，其中所述第一轴线与0°-180°轴线对齐，并且所述第二轴线与90°-270°轴线对齐，并且所述第一轴线和所述第二轴线在所述面板的所述中心处相交。

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