高速挤出3-D打印系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本公开要求2018年3月21日提交的美国临时申请no.62/646,019的权益，其内容教导通过引用并入本文。

本发明总体上涉及三维(3d)打印系统，更具体地，涉及一种高速挤出3d打印系统。

背景技术：

本部分陈述仅提供与本公开相关的背景信息，且可以构成也可以不构成现有技术。

三维(3d)打印是用于直接通过数字模型制造3d模型的增材制造工艺，3d模型可包括原型或产品部件。增材制造是一种通过计算机辅助设计(cad)或动画建模软件获取虚拟蓝图，并将虚拟蓝图进行切片，形成用于3d打印系统(包括3d打印机)的数字横截面，以用作打印3d模型的指南的过程。以液滴或连续珠粒的形式依次沉积复合材料层，直到打印出最终的3d模型。将这些层焊接(也称为熔合)在一起以形成并保持3d打印模型的形状。

对于使用挤出沉积工艺(例如，熔丝制造(fusedfilamentfabrication，fff)和熔融沉积成型(fuseddepositionmodeling，fdm)的3d打印系统，通过加热的挤出喷嘴施加热塑性复合细丝。阻碍me3d打印技术在工业制造业中广泛应用的主要限制因素之一是构建速度慢。打印机移动速度、控制打印头速度的固件，以及通过打印头的挤出材料的体积流速是影响构建速率的因素。已知的3d打印系统受限于可用于“推动”细丝的力(给定速度下的扭矩)。例如，fff/fdm打印速度受限于驱使粘弹性熔融聚合物通过直径为0.4-2.0mm的小口的能力。

人们期望改进3d打印系统的速度、精度和可控性以提升打印3d部件的效率和生产率。因此，虽然当前的3d打印系统实现了其预期目的，但是仍需要一种新的和改进的3d打印系统及方法来更快更精确地生产3d部件。

技术实现要素：

根据本公开的若干方面，提供了一种利用3d打印机进行打印的方法。该方法包括通过在原料上施加第一挤出力将原料供给到筒中；以第一温度加热料筒中的原料以使原料熔融；以及将熔融原料沉积到支撑台上，其中选择第一挤出力和第一温度以提供高达120立方毫米/秒范围内的体积流速。

在另一方面，该方法进一步包括在筒的液化器部分中熔融原料，其中筒温度在20℃至600℃的范围内。

在另一方面，原料为细丝，并且该方法还包括使细丝与可旋转供料架接合以将细丝供给到筒中。

在另一方面，可旋转供料架安装在联接到驱动电机的驱动轴上。

在又一方面，该方法还包括测量由驱动电机施加到驱动轴的扭矩。

在另一方面，通过测量供应到驱动电机的电流来测量扭矩。

在另一方面，第一供料速率和第一温度根据主粘度曲线选择，其中主粘度曲线根据多个粘度测量值计算得出，多个粘度测量值由在不同供料速率和不同筒温度下获得的多个传感器测量值得到。

在另一方面，传感器测量值包括挤出力测量值、编码器测量值和温度传感器测量值。

在又一方面，该方法还包括以在0.1℃/秒到60℃/秒范围内的速率降低筒温度。

在又一方面，该方法还包括通过减小第一挤出力来暂停或停止沉积熔融原料。

根据本公开的若干方面，提供了一种三维打印机。该打印机包括控制系统；筒，包括电耦合到控制系统的加热元件，其中控制系统配置成选择筒温度；供料系统，配置成将原料供应至筒，其中控制系统配置成选择由供料系统施加至原料的挤出力；以及其中控制系统配置成选择提供高达120立方毫米/秒范围内的体积流速的筒温度和挤出力。

在另一方面，供料系统包括：包括驱动轴的驱动电机；供料架，联接到驱动轴并且配置成接合原料；扭矩传感器，电耦合到控制系统并且配置成测量由驱动电机施加的挤出力；以及编码器，电耦合到控制系统并且配置成测量驱动轴速度。

在另一方面，温度传感器固定到筒并且耦合到控制系统。

在另一方面，控制系统配置成基于以不同供料速率挤出原料得到的多个粘度测量值，计算主曲线，其中不同供料速率由编码器测量，温度由温度传感器测量，并且每个供料速率和温度的挤出力由扭矩传感器测量。

在另一方面，扭矩传感器为配置成测量施加到驱动电机的电流的电流传感器。

在又一方面，该三维打印机还包括冷却系统，其中冷却系统配置成以在0.1℃至60℃范围内的速率降低筒温度。

根据本公开的若干方面，提供了一种校准三维打印机的方法。该方法包括：以不同挤出力通过打印喷嘴挤出原料材料以达到一定范围的供料速率，执行原料供给速率扫描；得到在每个供料速率下的原料粘度；在不同筒温度下以及在一个或多个供料速率下，通过包括筒的打印喷嘴挤出原料；得到在每个筒温度下的原料粘度；由在每个供料速率和每个筒温度设置下得到的原料粘度计算原料的主粘度曲线；以及选择用于提供最大构建速率的供料速率和温度。

在另一方面，每个供料速率由编码器测量，编码器配置成测量驱动轴的旋转速率。

在另一方面，每个挤出力由与联接到驱动轴的驱动电机相关联的扭矩传感器测量。

在另一方面，每个筒温度由安装到筒的温度传感器测量。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是剪切稀化材料(shearthinningmaterial)a和牛顿流体b的粘度与剪切速率的代表性曲线图；

图2是本公开的三维打印头和支撑台的一个方面的透视图；

图3是本公开的打印喷嘴的一个方面的透视图；

图4是图3的筒的横截面图；

图5a是本公开的z轴板总成和打印喷嘴的一个方面的透视图；

图5b是图5a的z轴板总成和打印喷嘴的后透视图；

图5c是图5a和5b的z轴板总成的弯曲件的顶透视图；

图6a是包括驱动电机、供料板和供料架的一个方面的供料系统的一部分的侧透视图；

图6b是包括驱动电机、供料板、空转总成和接收器的一个方面的供料系统的一部分的侧透视图；

图7a是本公开的供料架的一个方面的侧透视图；

图7b是图7a的供料架的不带面板的侧透视图；

图7c是图7b的供料架的横截面图；

图8a是本公开的空转总成的一个方面的前透视图；

图8b是图8a的空转总成的剖视图；

图9是本公开的打印头的一个方面的前分解透视图，示出了横杆和空转总成调节旋钮；

图10是本公开的空转总成的调节旋钮的一个方面的后视图；

图11a示出了本公开的传感器总成的一个方面的横截面图；

图11b示出了图14a的传感器总成的分解图；

图12是图2的打印头的横截面图，示出了本公开的力传感器的布置的一个方面；

图13示出了用于本公开的打印头的控制系统的一个方面的示意图；

图14是珠粒挤出物的示意性线条图；

图15是代表性粘度与剪切速率的对数曲线图，示出了随着剪切速率增加而粘度降低到呈现接近牛顿流动的区域；

图16是代表性挤出力与挤出速率的曲线图，示出了挤出力随着挤出速率的增加先减小后增加；以及

图17是表示流变表征方法的流程图。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、应用或用途。结合附图公开了图示的实施例，其中在所有附图中相同的附图标记表示相应的部件。附图不一定按比例绘制，一些特征可能被放大或缩小以示出具体特征的细节。所公开的具体结构和功能细节不应被理解为是限制性的，而是作为代表性基础来指导本领域技术人员如何实践所公开的概念。

已知的材料挤出(materialextrusion，me)3d打印机，例如熔丝制造(fff)和熔融沉积成型(fdm)打印机，其打印速度受限于原料可流过挤出喷嘴的速率。原料流过挤出喷嘴的速率受限于已知的3d打印机能够产生的、可施加到细丝的挤出力和喷嘴的加热功率。

令人惊讶地发现，通过下述方式可以显著提高材料挤出(me)3d打印机的速度和精度：选择材料挤出参数确保原料流动保持在高剪切速率，从而保持在剪切稀化区域中，以使得能够通过挤出喷嘴进行相对较高速度的挤出，其中挤出速率以体积流速表示，其范围高达120立方毫米/秒(mm^3/s)，例如在1mm^3/s-120mm^3/s范围内，包括该范围内的所有值和范围。所选择的材料挤出参数包括但不限于平均剪切面积(可随流速变化)；挤出力；流速；流动体积(可以随流速变化)、温度；挤出力；和平均熔融温度(可变的)。在各方面，3d打印机使用各种传感器来测量这些参数以在打印过程中提供闭环控制。在进一步的方面，3d打印机还用于基于这些参数映射和确定特定材料的工艺窗口。

在不受任何特定理论约束的情况下，基于对聚合物流变行为的理解，可知许多聚合物在足够高的材料流速下加工时会发生剪切稀化行为，其中速率取决于具体的聚合物。变形及流动分别以应变和应变率来表示，反映了主体在外力或应力的影响下移动的距离。剪切稀化是流体的非牛顿行为，其中流体粘度在剪切应变下减小。粘度定义为剪切应力与剪切应变之比。剪切应力可以是对加热区域中的打印喷嘴筒直径积分，作为特定平均剪切面积上的挤出力(单位pa或n/m^2)。平均剪切面积是平均流速的径向位置的横截面积(从喷嘴内部偏移)。剪切应变可以是对加热区域中的打印喷嘴筒体直径积分，作为流动体积上的平均流速(单位1/s)。图1示出了粘度与剪切速率的示例性曲线图，其示出了对于剪切稀化材料a，随着剪切速率增加其粘度降低，其中剪切稀化材料a包括通常用于3d打印系统中的聚合物材料。将剪切稀化材料与牛顿流体b进行比较，其中牛顿流体b的粘度随剪切速率的增加不发生变化。

本文公开了一种3d打印系统和方法，其中提供了足够的加热速率和挤出力，使得材料挤出(me)3d打印机的正常操作可获得剪切稀化状态。为了在给定原料的期望剪切稀化状态下操作(即在原料在熔融状态具有小于10^4pa*s的较低粘度，例如在10^1pa*s-10^4pa*s范围内)，在通过打印喷嘴12时，3d打印机挤出机对流速(剪切)和温度参数空间(即，在供料速率范围和温度范围内表征材料)进行在线表征扫描，固件(控制系统)配置成在低粘度区域中打印以调节和最大化体积产量。原料材料如热塑性塑料、硅氧烷、树脂(单组份和双组份体系)和其它表现出剪切稀化的非牛顿假塑性流体(pseudo-plastic)可在选定条件下通过约束的流动体系(管/喷嘴)挤出，以相对提高生产量。可以通过添加剂、加工或配方来改进材料，以改善或拓宽实现剪切稀化的加工窗口。

在各方面，3d打印机总体上包括打印头(包括加热的挤出喷嘴)、用于向喷嘴提供原料并控制供料速度的供料系统、用于在打印挤出物时支撑挤出物的支撑台、以及用于协助调节喷嘴和打印部件温度的冷却系统。在一种打印方法中，将原料供给到打印头中，然后原料在打印喷嘴中熔化，沉积在支撑台上以形成三维部件。在特定方面，当挤出物(即熔化的原料)沉积在支撑台上时，通过冷却系统降低挤出物的温度，从而与不使用冷却系统相比，以相对更快的速度固化挤出物。

图2示出了根据本公开的若干方面的包括三维打印头10的三维打印机1。三维打印头10包括打印喷嘴12。如上所述，打印头10还包括用于将原料22(在所示的方面为细丝)供给到打印喷嘴12中的供料系统14。原料22包括上述材料；材料示例包括热塑性材料或至少部分具有热塑性的材料(例如包括弹性嵌段的热塑性共聚物)。因此，材料的非限制性示例包括聚酯、聚醚醚酮、聚乙烯、热塑性弹性体等。另外，原料材料可包括可改变材料的机械、化学或粘弹性性质的各种改性剂。可替代地，可以使用其他材料，例如单组份和双组份交联聚合物，包括液体硅橡胶或聚氨酯。还需要注意的是，原料可以采用细丝、粉末或液体的形式。

在各方面，打印喷嘴12安装到z轴板总成16，使得打印喷嘴12可独立于供料系统14在z轴上相对于支撑台20上下移动。可替代地，打印喷嘴12可以以固定的方式安装到打印头10。

此外，提供了多个传感器。图2示出了传感器总成18的一个方面，在该方面，传感器总成测量打印喷嘴12相对于支撑台20的位置。还设置了附加传感器，用于监控驱动器/挤出机电机功率、驱动器旋转速度和筒温度，本文会对这些传感器进行进一步讨论。这些传感器也可以安装在类似的传感器总成18中。

图3示出了打印喷嘴12。打印喷嘴12包括筒30。在多个方面，筒30的一部分(在此也称为液化器)被加热以熔化细丝22(见图2)或穿过筒30中的开口32的其他原料。开口32沿筒30的长度延伸，从进料端34延伸到出料端36(如图3所示)。筒30的横截面在图4中示出。筒30包括加热线圈38，该加热线圈38围绕筒柄42的下部40缠绕多圈，从而成为液化器。另外或可替代地，对筒进行加热的加热元件和方法可采用，例如红外光谱300ghz-3thz和微波光谱0.03ghz-300ghz的电磁辐射、感应、电热片。围绕筒柄42和加热线圈38或其他加热元件设有绝缘体44，该绝缘体44提供加热线圈38和筒30之间的电气绝缘。绝缘体44可以包括围绕、涂覆或以其他方式沉积在筒30上的一层或多层陶瓷、玻璃纤维或其他材料。还设置了温度传感器46，该温度传感器46可以安装到形成于筒柄42的表面50上的通道48中的筒30，使得传感器46靠近筒30的限定开口32的内壁51。加热元件38电耦合到控制系统400，如13所示。

在各方面，筒30还包括在筒30的上部54中的颈部52，颈部52的直径比位于颈部52的上方和下方的筒的区域58、60的直径小。在各方面，颈部52可以提供热中断，以减少从筒30的下部40到筒30的上部54的热传递。此外，颈部52可以帮助将打印喷嘴12固定在打印喷嘴夹64(见图2)中，并且特别地，可防止筒30相对于喷嘴夹64在z方向上移动。筒30还包括端盖67，该端盖67使末端69保持抵靠筒30的出料端36。与筒30的邻近直径减小区域72的区域60相比，在各方面，筒30的靠近出料端36的外表面70具有直径减小区域72。

再次转到图3，喷嘴夹64包括夹架66和夹板68，筒30保持在夹架66和夹板68之间。夹板68通过一个或多个与夹板68和夹架66接合的机械紧固件74(例如螺钉)固定到夹架66上。此外，夹架66通过一个或多个机械紧固件(未示出)固定到z轴板总成16上。在各方面，可围绕夹架66的至少三个侧面放置隔离膜78，以提供与筒30的电气绝缘，防止传递到z轴板总成16。隔离膜78可以由例如沉积在夹板上的陶瓷涂层、玻璃纤维片、环氧树脂片或其他绝缘材料片形成。

在各方面，打印喷嘴12还包括用于保持引线82、84的线缆夹80，如图2所示，线缆夹80将加热线圈38和温度传感器46电耦合到控制系统400(见图15)。在线缆夹80和夹架66之间还可以设置背板86。在其他方面，如图所示，背板86为“l”形的，以便为引线82、84提供支撑架88。在各方面，线缆夹80和背板86通过机械紧固件90固定到夹架66，该机械紧固件穿过线缆夹80、背板86和夹架66上的孔92。

图5a和5b示出了其他方面，其中打印喷嘴12安装在z轴板总成16中。在所示的方面，z轴板总成16包括限定开口96的板94，板94由相对的第一和第二垂直侧壁98、100以及相对的第一和第二水平侧壁102、104构成。第二下部水平侧壁104在其内限定了用于接收打印喷嘴12的凹部106。如果z轴板总成配置成沿z轴移动，则侧壁104可以撞击到形成在供料板112上的突出部110，如图6a和6b所示。

参照图5a至5c，z轴板总成16还包括第一和第二弯曲件120、122。弯曲件120、122是固定z轴板总成16和供料板112的柔性部件，如图6所示。在各方面，弯曲件由发蓝弹簧钢(bluespringsteel)形成；然而，也可以使用其他金属、金属合金或聚合物材料。可以调整材料的选取和厚度以达到所需的弹簧力值。例如，在为发蓝弹簧钢的情况下，弯曲件的厚度可在0.10mm-1.00mm范围内，包括在该范围内的所有值和范围，如0.25mm。利用块124(为了清楚起见，未全部标记)和机械紧固件126(同样，为了清楚起见，只标记了一部分)将弯曲件120、122固定到z轴板94和供料板112。弯曲件120、122放置在板94、112与块124之间，机械紧固件126将块124固定到z轴板94和供料板112。

弯曲件120、122示为具有“c”形状，然而，可以假定其他构造。此外，在所示的方面中，“c”形弯曲件120、122的长臂123固定到供料板112；然而，对于每个弯曲件120、122，也可以考虑其他布置。虽然示出了两个弯曲件在z轴板总成16和供料板112之间延伸，但是可以设置三个或更多弯曲件，如三到八个弯曲件。另外，虽然示出了每个稳定块通过至少两个机械紧固件(例如螺钉)紧固到供料板112，以及通过至少三个机械紧固件(例如螺钉)紧固到z轴板总成16，但是可以用一个或多个(例如多达四个)机械紧固件将稳定模块124紧固到z轴板总成16和供料板112。

如图2所示，横杆140固定在由z轴板94形成的开口96中，其中z轴板94相对于横杆140和供料板112移动。横杆140可以使用配合紧固件142(例如螺母和螺栓组件)或通过与供料板112接合的螺钉固定。如果z轴板总成16在z轴方向移动，横杆140可以限制z轴板总成16的移动。

参照图6a和6b，示出了用于供给细丝形式的原料22的供料系统14的一个方面；然而，可以采用配置成将例如粉末或液体原料供给到喷嘴中的其他供料系统14。在该方面，供料系统14从丝车(未示出)或其他细丝供应源拉出丝22。将粉末或液体供给到喷嘴中的系统可以包括在打印喷嘴12的筒30内的螺旋推运器，以帮助将原料输送到筒30中。

供料系统14通常包括驱动电机152、安装到驱动电机152的供料架154、安装到供料板112的空转总成156、以及同样安装到供料板112的接收器158。现在转到图6a，在各方面，支撑板159设置在驱动电机152和供料板112之间。支撑板159可以为供料板112以及固定至其上的各个部件(包括进料架154、空转总成156、接收器158、z轴板总成16、打印喷嘴12和传感器总成18)提供机械稳定性(本文稍后描述)。

驱动电机152包括从其延伸的驱动轴160(如图6b所示)，驱动轴160容置在供料架154中。在各方面，驱动电机152为伺服电机。供料架154以相对于驱动轴160不可旋转的方式安装到驱动轴160，使得供料架154与驱动轴160一起旋转。在各方面，驱动电机152包括多个传感器，例如电流传感器(图13中所示的164)、扭矩传感器(图13中所示的166)、或电流传感器和扭矩传感器两者，用于测量由供料架154施加到细丝22的挤出力。在各方面，扭矩传感器166可以省略，可用电流传感器164测量扭矩。此外，设置了编码器(图6a和13中所示的168)以测量驱动轴160或供料架154的旋转速度，从该旋转速度可以得到细丝22的线性流速和体积流速。一根或多根引线170将传感器电气耦合到控制系统400，如图13所示。此外，通过一根或多根引线172将电力提供给驱动电机152，在其他方面，引线也可电耦合到控制系统，如图13所示。

驱动轴160包括形成在驱动轴160的表面176中的凹槽174，凹槽174容置供料架154的一个或多个锁定功能件178。如图所示，锁定功能件为一对固定螺钉178，其穿过供料架154延伸至驱动轴160的凹槽174中；然而，在其他实施例中，锁定功能件178可以是从供料架154的内表面180延伸的齿(例如参见图7a)，或者是也可以穿过供料架154延伸至驱动轴160的凹槽174中的一组定位销。

现在参考图7a、7b和7c。供料架154包括面板182、背板184、驱动齿板186、188以及用于将板182、184、186、188固定到驱动轴160的架底板190。如上所述，架底板190上设有从外表面196通至内表面180的通孔192、194，固定螺钉178插入通孔中；螺钉178将架底板190接合到驱动轴160。如图所示，设置了与细丝22接合的两个驱动齿板186、188。虽然仅示出了两个板186、188，但是根据板的厚度和细丝的几何形状，可以设置一到四个驱动齿板。在特定方面，驱动齿板186、188包括形成在驱动齿板186、188的边缘200中的奇数个齿198。可使用例如电火花线切割机(电火花线edm)同时形成多个驱动齿板，其范围为1-300，包括该范围内的所有值和范围。若形成奇数个齿，并假设加工时板是前后叠放的，则可以通过将板186、188背对背放置来使齿198偏移。在各方面，驱动齿板186、188的尺寸为500nm至1微米，包括该范围内的所有值和范围。面板182、背板184和驱动齿板186、188通过定位销206相对于彼此以及架底板190定位。然后使用一个或多个机械紧固件210(例如螺母和螺栓组件)将板182、184、186、188和架底板190固定，机械紧固件插入从面板182延伸穿过供料架154到架底板190的孔212。

如图6b、8和8b所示，当用细丝作为原料22时，供料系统14还包括空转总成156。空转总成156有助于引导细丝22抵靠供料架154并进入打印喷嘴12的筒30。空转总成156包括空转架222，该空转架222悬挂在主轴226上的空转臂体224中，使得空转架222围绕主轴226旋转。在一个方面，轴承228放置在主轴226上，且空转架222骑设在轴承228上。在一个方面，轴承228包括球轴承；然而，可以采用其他轴承。空转架222包括在空转架222的外缘232中限定的通道230，通道230可以大体上适应在打印头10中使用的若干条细丝22的几何形状。换句话说，通道230的宽度可以等于或大于在打印头10中使用的若干条细丝22的厚度；然而，可以理解的是，在一些情况下，细丝22可以大于通道230。主轴226安装在两个突起234、236中，突起234、236在空转臂体224的邻近空转臂体224的第一端240处限定了凹槽238。

空转臂体224骑设在偏心凸轮242上并与其一起旋转，偏心凸轮242靠近与第一端240相对的第二端246围绕枢轴(在该情况下为螺钉244)旋转。当空转臂体224围绕枢轴244旋转时，空转臂体224上下移动，使空转架222上下移动。空转架222的这种上下运动使细丝22向左或向右转向。使细丝22向左或向右转向的能力有助于减小由细丝22在进料端34处撞击筒30的内壁50所引起的阻力。可影响细丝22的阻力的因素包括例如细丝22的厚度、硬度和弯曲特性。一对固定螺钉250设置在穿过凸轮开口254延伸至空转臂体224中的孔252中。固定螺钉250抵接偏心凸轮242。

板簧256的第一端257在靠近空转臂204的第二端246处固定到空转臂204。在各方面，使用一个或多个机械紧固件固定板簧256。板簧256向下延伸到空转架222，并且在特定方面，可以具有与空转臂体224的长度li相同或更长的长度ls。如图9所示，板簧256的第二端259(图8b中所示)处偏压第二偏心凸轮260。第二偏心凸轮260围绕枢轴点(在该示例中为螺钉262)旋转。第二凸轮260包括多个与板簧256接触的棘爪264，其中棘爪264的尺寸围绕凸轮的外缘变化。在各方面，如图6b和图9所示，调节旋钮266用于调节第二偏心凸轮260施加到板簧256的偏压，其中较大的棘爪264向板簧256施加更大的偏压。调节旋钮266安装在从第二偏心凸轮260延伸的保持支架268上。参照图10，保持支架268容置在从旋钮266的后部272延伸的毂270中，并且偏压毂270的内壁274。此外，保持支架268包括与毂270的内壁274互锁的机械功能件。例如，一个或两个保持支架268可包括齿，所述齿接合限定在毂270的内壁274中的一个或多个凹槽。还设置了第三偏心凸轮261。第二偏心凸轮260将与第三偏心凸轮261一起设置成已知的偏移量。使用者可以调节现有的偏心设置来达到驱动细丝所需的力。这可改进从打印头10到板簧256相互施加的力的一致性。

如上所述，供料系统14中还设置有图6b中所示的接收器158。接收器158是在供料架154和空转总成156之间引导细丝22的细长构件，其可有助于防止细丝22在供料架154和空转总成156中摩擦或缠绕。

打印头10还包括确定z轴板94相对于进料板112的高度的一个或多个传感器。图2(进一步参考图11a和11b)示出了传感器总成18的一个方面，其包括机电开/关位置传感器300(在这种情况下为按钮开关或限位开关)，其中开关通过z轴板总成16接触和激活开关302而触发。除了机电开/关位置传感器300之外，或者代替机电位置传感器300，可以使用其他线性位置传感器(例如磁性传感器或光开关)来连续跟踪z轴板94相对于供料板112的位置。这种传感器可以包括线性编码器、线性可变差动变压器、霍尔效应传感器、感应传感器、压电变换器等。在特定方面，连续位置传感器304(参见图2)与机电位置传感器300组合使用。机电位置传感器300包括将机电位置传感器300电耦合到控制系统400的引线306，参见图13。

如图所示，传感器总成18还包括联接到供料板112的传感器支架310；然而，可以理解，在一些配置变型中，传感器支架310联接到z轴板94。传感器支架310包括限定在其上的开口312，机电位置传感器300穿过该开口312。在开口312的底端314有延伸到开口312中的突出部316。在突出部316上，围绕机电位置传感器300设有弹簧318。保持块320骑设在弹簧318上(在特定方面，弹簧318插入到保持块320的基部322中的通道中)，以及保持块320联接到弹簧318，或者采用以上两种形式。

机电位置传感器300插入穿过保持块320中的孔324。保持块320利用机械紧固件326固定到传感器，该机械紧固件326接合机电位置传感器300和保持块320两者。在各方面，机械紧固件326为固定螺钉，其包括与保持块320上的孔323中的螺纹(未示出)配合的螺纹，并且对机电位置传感器300施加力。在其他方面，机械紧固件326完全容置在保持块320中，即，其不从保持块320突出，使得保持块320可在突出部316和开口312的与突出部316相对的顶端330之间自由骑设在开口312内。

此外，调节旋钮332通过调节旋钮332的基部334与开口312的过盈配合而接合在开口312中，或者通过位于调节旋钮332的基部334上的配合螺纹而接合在开口312中。调节旋钮332的基部334抵接保持块320，并将保持块320和弹簧318偏压在突出部316上。通过上下移动调节旋钮332，可以上下调节保持块320和传感器300相对于z轴板94的位置。如图所示，调节旋钮332包括柄部336，在所示的方面，柄部336的外径大于基部334和开口312的端部314的外径。然而，可替代地，调节旋钮332可以具有与调节旋钮332的基部334相同或比其小的柄部336。另外，虽然调节旋钮柄部336示为大体上呈圆柱形，但是调节旋钮柄部336可以具有其他构造，包括多棱柱形(例如六棱柱、八棱柱等形状)。

可以理解，如在所示的方面中，开口312的直径沿开口312的长度改变，其中开口312的直径从顶端330至底端314改变。开口312的靠近顶端330的第一部分338的直径较大，在开口312的靠近或位于开口长度的中部340处的第二部分342中过渡到较小的直径，在开口312的由突出部316限定的第三部分344中进一步过渡到更小的直径。在过渡区域340中，开口的形状为截头圆锥形。然而，可以理解，可替代地，开口312可以在第一部分338和第二部分342中具有相同的直径，或者甚至在第一部分338、第二部分342和第三部分344中沿开口的整个长度具有相同的直径。

在各方面，如图12所示，力传感器350放置在z轴板94的水平侧壁98上或横杆140中，并且布置成使其测量横杆140与z轴板之间的力。在所示的方面中，力传感器350放置在水平侧壁98中的凹部352内；可替代地，其可以放置在水平侧壁98的下侧。可替代地，力传感器350可以如上所述放置在传感器总成中，代替机电位置传感器。在其他方面，力传感器350例如是应变仪(如按钮力传感器或电容传感器)。

再次参考图2，3d打印机还包括冷却系统460。如图所示，冷却系统包括冷却风扇462。冷却风扇速度由控制系统400控制和测量。在各方面，测量供应至电机466的电流，并且可选地使用旋转编码器464来确定风扇速度。可选地，可以设置外部气源468。

结合加热元件(例如加热线圈38)，可实现使筒30的温度范围为20℃-600℃，包括该范围内的所有值和范围，例如100℃-550℃。冷却系统460可使筒30的温度以高达每秒60℃的速率降低，包括从每秒0.5℃到每秒60℃的所有值和范围。

图13示出了包括硬件、固件和软件的用于控制打印头10的控制系统400。控制系统400包括一个或多个处理器404，该处理器404通过一个或多个通信链路406，例如总线、电引线或一个或多个无线元件(wi-fi、蓝牙等)，耦合到打印头10的各部件152、14/16、12，支撑台20和冷却系统460。在存在多于一个处理器的情况下，处理器404执行分布或并行处理协议，并且处理器404可包括例如专用集成电路、可编程门阵列(包括现场可编程门阵列)、图形处理单元、物理处理单元、数字信号处理器或前端处理器。处理器404被认为是进行预编程来执行代码或指令，以执行例如操作、动作、任务、功能或步骤，并且在需要时处理器404配合其他设备和部件进行操作。

如上所述，驱动马达152、电流传感器164、扭矩传感器166和旋转编码器168都电耦合，或者可替代地，无线耦合到控制系统400。此外，与供料系统14和z轴板总成16相关联的传感器(包括机电开/关位置传感器300、连续位置传感器304和力传感器350)也电耦合，或者可替代地，无线耦合到控制系统400。另外，温度传感器46和打印喷嘴12的加热线圈38(或其他加热元件)也耦合到控制系统400。此外，与支撑台相关联的连续位置传感器418和与支撑台20相关联并且相对于供料板112沿z轴上下移动支撑台20的步进电机420(如驱动电机或步进电机)也耦合到控制系统400。以及，包括电机466和可选的旋转编码器464的冷却系统也耦合到控制系统400。

在各方面，传感器用于测量熔体流动和粘度。在各方面，驱动电机152编程为通过对细丝施加挤出力以给定的供料速率，例如立方毫米/秒(基于例如部件2的几何形状)，来供给细丝或其他原料22。此外，设置了旋转编码器168以测量供料架154或驱动轴160的旋转速度。此外或可选地，编码器可用在挤出电机上，或者当细丝作为原料22时，编码器可用在细丝上。以一定速率供给细丝22的力可由电机施加在供料架154上的力和扭矩确定(假定相对于细丝22没有滑动)。可以直接确定力和扭矩，或者使用基于提供给驱动电机152的电流、驱动轮轴线上的扭矩传感器、喷嘴夹具64上的力测量传感器或筒30内部的压力传感器的相互关系来确定力和扭矩。

例如但不受以下特定数字的限制，如果电机每安提供力2nm，则供给电机2安，可施加力4nm。然后将该测量值除以驱动齿板186、188的半径，得到施加到细丝22上的力。此外，可以考虑筒30和端尖部69的几何形状。假定剪切应力(在该区域上的力)和剪切应变(位移)是已知的，根据该测量值可以确定剪切粘度，即对剪切流的阻力。此外，温度传感器46可测量筒30的温度，从而温度是已知的。因此，对于给定的原料材料，可以基于上述测量以及调节筒温度和细丝的供料速率，通过3d打印机生成流量配置。

不受任何特定理论的约束，如本领域普通技术人员将理解的，对于许多热塑性聚合物材料或部分热塑性共聚物(包括聚合物链中的一定量的交联)以及一些交联聚合物体系，随着筒中的温度升高和聚合物温度升高(至少达到材料开始热降解的点)，粘度可降低。此外，增加施加到细丝上的力或施加到细丝上的力的速率可降低粘度(即剪切稀化)，直到降低至细丝可通过筒快速熔融。

施加到原料上的热量和力的组合使得原料22可流经打印喷嘴12并沉积在支撑台20上。然而，通过筒30的开口32对原料22的拖动和作用在原料上的力(例如当从细丝筒供给细丝时对细丝的拉力)，这可能例如导致细丝缩回，从而可能影响上述确定的力。因此，在力传感器350处检测到的力可用于改变或调整上述确定的力测量值。

本文还公开了一种使用上述打印头10沉积原料形成三维部件2(见图2)的方法。原料22被供给到筒30中。在筒30的液化器部分40中，加热原料22以降低原料22的粘度，同时对原料22施加挤出力以将原料22挤出到支撑台20上。原料22以多层顺序层的形式沉积在支撑台20上，每层在沉积下一层之前至少部分固化，直到形成三维部件2。

在其他方面，在细丝22用作原料的情况下，为了将细丝22供给到筒30中，细丝22与供料架154的驱动齿198接合，通过空转总成156偏压供料架154。驱动电机152旋转供料架154，从而拉动细丝22，迫使细丝22进入打印喷嘴12的筒30。在筒30中，细丝22被加热到足以降低细丝22的粘度的温度。由于供料架154施加到细丝22的力，细丝22在从筒30出来时可进一步经历剪切稀化，从而进一步降低粘度。细丝22从打印喷嘴12出来并以多层顺序层的形式沉积在支撑台20上，每层在沉积下一层之前至少部分固化，直到形成三维部件2。

在多个方面，原料22被供给到打印喷嘴12中的速率由控制系统400确定，控制系统400还测量实际原料供给速率并调节电机电流和扭矩以实现所需的供给速率。

因此，除了或替代其他流变测量方法，可以使用本文公开的3d打印机确定和映射给定聚合物材料体系的剪切稀化状态。在各方面，通过液化器40将热施加到原料22以实现粘度降低到给定流速和温度下的剪切稀化状态，因此对于给定的挤出机功率值可实现更大的流速。可利用由热电偶46提供的喷嘴处的温度(tnozzle)、从电流传感器164或扭矩传感器166得到的喷嘴处的压力(pnozzle)，以及可选的挤出温度(text)(其可测量或从喷嘴温度得出)映射粘性行为并保持在剪切稀化状态。可以生成两个单独的图，一个用于实现剪切稀化区域中的粘度，另一个用于维持剪切稀化区域中的粘度。3d打印机的控制系统400设计成通过获得预定工具路径和聚合物的挤出速度和温度设定点，根据预先建立的校准数据计算提供剪切稀化所需的供料速率和温度，然后若有必要则调节工具路径，实现3d打印机在剪切稀化状态(通过tnozzle、pnozzle)下操作。

令人惊讶地发现，当以超过现有fff和fdm打印机的能力的速度运行时，打印质量随着速度的提升而提高。此外，挤出力在一致且可预测的点处显著下降。如图14所示，随着速度增加，挤出材料450呈波状或珠状样式，且其不会给3d打印部件带来结构完整性问题。波状样式(也称颤振)可能由于通过端口的剪切稀化(粘度的快速降低)导致端口阻力的快速下降，从而使得加压/弹性熔体释放。颤振也可能是由于剪切稀化而在端口出口处发生粘滑。为了避免波状或珠状样式，可以降低打印机的供料速率。如上所述，可以单独地或组合调整以下参数以减少或消除颤振：润滑性、润滑剂、材料、材料添加剂、出口扩口、尖端加热等。如上所述，3d打印系统设计成在原料22的剪切稀化状态下操作，在剪切稀化状态，材料的剪切速率为30001/s及以上，如在3,000-10,0001/s范围内，包括该范围内的所有值和范围。3d打印系统设计成利用相对较大的扭矩，具体为喷嘴口直径0.4mm而扭矩接近70mm^3/s(例如，喷嘴口直径0.4mm而扭矩在50mm^3/s-65mm^3/s范围内，包括该范围内的所有扭矩值和范围)。剪切稀化流动程度可以由通过编码器168测量的给定供料速率所需的功率值来感知，其应与w/mm^3/s直接相关。可以利用挤出机动力学来启动剪切稀化过程。在加热之前对冷材料预加应力可以使材料加速向剪切稀化转变，以提高挤出速率。在其他方面，可以用高性能挤出机电机以脉冲力冲击熔体，其中可以以脉冲形式施加额外的力。阻力(也称为水头损失)可理解为剪切稀化流和牛顿流之间的差异，其使得流动和不流动情况之间存在更大差距，因此利用阻力成为限制关闭时渗出/流出现象的有效手段。这需要通过冷却系统460降低筒30的温度来实现。

为了开始和停止打印，已知的fdm打印机在需要时缩回细丝以关闭挤出。细丝的回缩实际上使挤出流反向。在细丝回缩之后使挤出流开始回流需要时间来稳定，导致在重新开始时挤出材料的质量降低。在本文所述的方法中，在剪切稀化区域中操作，通过减小由驱动电机152施加在挤出材料上的力/压力，可便于暂停或停止打印过程。本文的方法使得打印过程的开始和停止速度比已知的3d打印过程更快。

当剪切稀化聚合物熔化并处于显著的剪切应变下时，其粘度通常下降。然后挤出机驱动电机152的力可以下降并保持较高的挤出速度和供料速率，因为熔体在筒30的出料端36进入稀化状态和/或挤出物在筒30的边缘下被粉碎。在剪切稀化状态下操作的本发明方法可以利用较低的熔体温度。降低的温度能够减少打印部件的热变形。

打印头12在x、y方向上的移动速度预期达到2000mm/s，包括从1到2000mm/s的所有值和范围，其中以加速度和功率相对稳定的状态达到该速度。初始要求包括许多前瞻性的性能要求，例如：挤出机上的力增加12倍；挤出机响应性提高2个数量级；加速度和最高速度为3倍；反应较快，温度控制准确；以及通过驱动电机152的扭矩测量的来自筒30的力/压力反馈。

根据用于管道(筒30的在出料端36处的开口32)中的粘性流体的层流的哈根-泊肃叶定律(hagen-poisseuillelaw)：体积流量与驱动压力(即扭矩)成线性关系；随筒30的在出料端36处的开口32的半径的四次方增大，与粘度成反比，与管道长度成反比；给定流速的压力与长度、流速和粘度成线性关系，并且与筒30的在出料端36处的开口32的直径的四次方成反比。因此，如果筒30的在出料端36处的开口32中的流体的瞬时粘度降低二十倍，则支持该流速所需的压力应当同样降低二十倍。

哈根-泊肃叶可理解为由以下方程表示：p＝k*q*mu，其中，p为压力，k为几何形状常数，q为体积流量，mu为粘度。根据该方程，可以理解压力随着粘度的降低而降低。该定律适用于层流、不可压缩流和牛顿流。在低挤出速率下，剪切稀化原料22的流动和粘度可接近牛顿流的流动和粘度。参见图15，其示出了剪切速率对剪切稀化材料粘度的影响，应在曲线右侧的粘度相对较低、接近牛顿行为的状态下操作，使得根据哈根-泊肃叶定律实现相对较高的流速。

在10mm^3/s至100mm^3/s的体积流速下，熔融原料22的粘度足以使雷诺数较低，表明是层流。当材料被剪切至稀化状态并且流速增加时，雷诺数也增加。根据用于管道中流体的达西-魏斯巴赫公式(darcy-weisbachformulation)，这可能最终导致来自边界阻力和紊流效应的背压增加，大致与平均流速的平方成比例。达西-魏斯巴赫公式可理解为由以下方程表示：p＝k*v^2，其中k是几何形状和材料特性常数，v是平均流速。

叠加哈根-泊肃叶和达西-魏斯巴赫公式，可以获得如图16所示的挤出力相对于挤出速率的曲线图。在该图中，随着挤出速率增加，挤出力降低，这可能是由于热和剪切稀化效应引起的粘度降低。然而，随着挤出速率继续增加，挤出力再次开始增加，这可能是由于在筒中停留时间较短，原料熔融受限使增加粘度，以及平均流速和雷诺数增加引起的效应。图上的突出显示区域a提供了期望的操作区域。

可观察到，用于通过筒30的在出料端36的0.4mm开口32挤出聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)所需的力从20n/mm^3/s降低到40n/mm^3/s。还可观察到，在较高的挤出速率(～60mm^3/s)下，从筒30在出料端36的0.4mm开口32(间歇、失控)“喷射”流体，其在所喷射的材料后面留下空腔。这种间歇喷射可以是在固相线之前(此时原料22的固体部分和原料22的熔体部分在液化器40中相遇)压缩(粘弹性)熔体的压力累积，方向朝向筒30的出料端36，其通过在筒30的出料端36处粘度大幅降低，而快速释放(比固相线的降低速度更快)。然后会形成低粘度熔体所在的相对低压区域，该区域填充有固相线，该过程不断重复。缓解这种影响的一种方法(预期为上升到剪切稀化状态或从剪切稀化状态下降这一过程的一部分)是在固相线和端口之间生成较大体积的熔体。该熔体体积可以成为上述哈根和达西方程中几何常数的一部分。

本公开提供了3d打印机挤出机硬件和控制系统400固件运行时间程序的组合，以执行材料流校准数据集，该材料流校准数据集用于设置给定打印作业的操作参数。数据收集步骤可以在各个打印机的每次打印之前执行，或者可以在单独的3d打印机上在单独的时间执行，材料处理条件数字传输到随后的打印机控制系统400和固件模块上。硬件和使能软件的这种组合包括专用于打印机平台的产品方案，该产品方案设计成以高达500克/小时范围内的高挤出速度操作，例如在1克/小时-500克/小时范围内，包括该范围内的所有值和范围，例如基于数据驱动操作条件设置成200克/小时-400克/小时。然而，应理解，材料的密度可以影响这些数值，因此上面给出的数值是基于密度为1.15g/cm^3的材料。如本文所述，挤出速度和体积流速可以理解为原料22通过打印喷嘴12挤出的速率。然而，由于在拐角处减慢、在层之间减慢等原因，打印期间的打印速度或规模生产率可以相对较小，例如为挤出速度的20％-99％，包括该范围内的所有值和范围，例如为挤出速度的60％-99％。

挤出工艺通过三个关键要素实现：挤出打印机头10上的硬件、流变表征程序和数据分析转化为控制系统400设置。3d打印机硬件包括通常在毛细管流动应变控制熔体流变仪中使用的部件。流变仪可理解为是一种精密仪器，其放置几何构型的目标材料、控制其周围的环境，以及施加和测量广范围的应力、应变和应变速率。其至少由聚合物液化器和喷嘴以形成聚合物流体、精确应变(位移)测量系统和应力(力)测量系统组成，本文的3d打印机也包括上述部件。如上所述，应变测量系统可包括在供料架154或驱动轴160上的编码器168，或直接的细丝编码器。当与筒30的几何形状结合时，可以精确计算应变和剪切速率测量值。应力测量系统可包括电流传感器164、挤出电动机152上的扭矩传感器、驱动轮轴线上的扭矩传感器、喷嘴底座上的力测量传感器或喷嘴内部的压力变换器。

根据由传感器收集的数据，或在单独的硬件(其他打印机单独或与在流变仪上收集的数据组合)上获取的数据，形成挤出映射并用于引发进出剪切稀化状态的转变。流变表征程序包括进行材料供料速率(剪切速率)扫描和记录不同聚合物原料材料的剪切应力响应。在不同温度下的附加扫描使得可以利用时间-温度叠加来计算给定材料体系的主曲线。根据该数据，可以计算各种控制算法以配置打印机固件并针对最大构建速率优化材料流特性。

流变表征的方法如图17所示，包括以下步骤：参照方框a，以不同挤出力通过打印喷嘴12挤出原料22以达到一定范围的供料速率，来执行聚合物原料材料的原料22供料速率(剪切速率)扫描，并且根据编码器168和驱动电机152的扭矩测量值得到针对每个供料速率施加的挤出力的原料22粘度；参照方框b，在不同筒30温度设置下和在一个或多个挤出力下通过筒30的打印喷嘴12挤出原料22，记录在温度范围内的不同筒温度下通过筒30挤出的聚合物原料22的剪切应力响应，并且根据每个温度设置下的编码器168和驱动电机152的扭矩测量值得到原料22粘度；参照方框c，利用时间-温度叠加计算给定原料22的主粘度曲线；参照框d，根据主曲线计算控制算法；参照方框e，使用计算的控制算法配置打印机控制系统400；参照方框f，针对最大构建速率优化原料22的流动特性，最大构建速率在本文中可理解为在测试的供料速率和温度条件下该特定材料能达到的最快构建速率。可以理解，在表征材料时，如本领域技术人员所理解的，可以对流变曲线进行校正，这种校正方式可以包括在毛细管流变测定法中应用的校正方式。除了产生剪切稀化条件所必需的性能之外，用于监测剪切稀化所需的反馈、打印喷嘴12和加热器元件/加热线圈38响应于保持和控制本文剪切稀化过程。

变量的组合设置成形成在上述原料22的剪切稀化状态下操作的流体，包括但不限于以下变量：材料密度，在0.8g/cm^3-1.6g/cm^3范围内，包括该范围内的所有值和范围；从打印喷嘴12出来时的材料熔体粘度，在小于10^4pa*s范围内，包括该范围内的所有值和范围；源自驱动电机扭矩的挤出力，在1n-100n范围内，包括该范围内的所有值和范围；加热线圈38的功率，在3w-100w范围内，包括该范围内的所有值和范围；筒30的温度，在20℃-600℃范围内，包括该范围内的所有值和范围；端尖部69形状，包括其中所有值和范围；端尖部69的直径，在0.25-5mm范围内，包括该范围内的所有值和范围；端尖部69的长度，在0.2-5mm范围内，包括该范围内的所有值和范围；筒30的开口32的形状；筒30的开口32的直径，在1mm-10mm范围内，包括该范围内的所有值和范围；以及筒30的开口32的长度，在1-150mm范围内，包括该范围内的所有值和范围。当采用变量的正确组合时，3d打印机10可以在每单位体积流量的挤出力(n/mm^3/s)在低于2.4e-4n/mm^3/s范围内的状态下操作，即可理解为远低于本领域的当前实践方法。可以理解，上述参数和范围可以用于选择校准3d打印机头10的参数。

本公开还提供了感测系统和计算算法，其确定系统是否以适当的剪切稀化状态挤出，并且对上述变量进行校正以维持剪切稀化挤出，包括对硬件变化(端口尺寸)的建议。

在各方面，可以通过假设流动阻力随任何流体的流速(大致呈平方)增加，从而确定运行范围。理想状态是处于聚合物熔体流动状态，其中动态粘度降低到fff/fdm打印机具有的粘度的约1/10，fff/fdm打印机也理解为在约35mm^3/s或150克/小时以下运行。同样，可以理解，打印规模生产率，即打印时的实际生产率可能降低很多。

可以理解，筒30的温度可能被流速的变化干扰。为了保持剪切稀化状态下操作，由工具路径限定的速度配置由控制算法确认，并且用于优化控制变量设定点。

还可以理解的是，剪切稀化状态高度依赖于筒30中的几何形状变量。对于相对较小直径的筒30开口32，给定流速下的剪切量高于相对较大直径的筒30开口。这样，取决于筒30开口32的尺寸，整个状态会存在转变。提供了一种系统，该系统通过用户输入或通过自动校准接收用于剪切稀化操作的公称流速，然后该状态下继续在操作。粘性更大的流动会存在某种“斜坡”。还提供了通过该粘性流动快速倾斜并感测何时进入剪切稀化状态的装置。

本公开已经描述了某些优选实施例及其修改。在阅读和理解说明书的基础上，可以想到其它的修改和变化。因此，本公开并不限于作为实施本公开的预期最佳模式而公开的特定(一个或多个)实施例，而是本公开将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。