(57)【要約】      （修正有）【課題】ノズル内の予想圧力が予測され、予想圧力から、圧力上限及び圧力下限が特定される付加製造システムを提供する。【解決手段】モーターを有する押し出し機と、押し出し機を工具経路に沿って移動させるガントリーアセンブリと、押し出し機内の検知圧力を表す圧力値を生成する圧力センサーと、モーターの速度値を受信し、該速度値から予測圧力値を生成するモデルと、応答閾圧力値を予測圧力値に基づいて設定する応答閾値モジュールと、圧力センサーから信号を受信するように構成され、応答閾圧力値が、圧力センサーからの圧力値と予測圧力値との間にあるとき、検知した圧力値に基づいて押出速度を調整するための信号を押し出し機に送信するように、検知した圧力値を、モデルからの信号と応答閾圧力値と比較するように構成されたコントローラー１３８と、を備える。【選択図】図１
0003222786.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
モーターを有する押し出し機と、
前記押し出し機を工具経路に沿って移動させるガントリーアセンブリと、
前記押し出し機内の検知圧力を表す圧力値を生成する圧力センサーと、
前記モーターの速度値を受信し、該速度値から予測圧力値を生成するモデルであって、前記モーターの前記速度値は、前記ガントリーアセンブリが前記押し出し機を工具経路に沿って移動させている間変化する、モデルと、
応答閾圧力値が前記圧力センサーからの圧力値と前記予測圧力値との間にあるとき、応答が実行されるように、該応答閾圧力値を前記予測圧力値に基づいて設定する応答閾値モジュールと、
を備える、付加製造システム。
【請求項２】
前記応答閾圧力値は、前記予測圧力値よりも大きく、前記応答閾値モジュールは、第２の応答閾圧力値が前記圧力センサーからの前記圧力値と前記予測圧力値との間にあるとき、第２の応答が実行されるように、該第２の応答閾圧力値を前記予測圧力値に基づいて設定する、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項３】
前記第２の応答は低圧力押し出し損失事象を示し、前記応答は高圧力押し出し損失事象を示す、請求項２に記載の付加製造システム。
【請求項４】
前記モデルは、速度値のシーケンスに対する検知圧力の周波数応答を生成する、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項５】
前記速度値から予測圧力値のシーケンスを生成し、各予測圧力値について個々の応答閾圧力値を設定することを更に含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項６】
前記モデルを記述するパラメーターが、前記押し出し機が可変速度工具経路に追従し材料を押し出している間に生成された速度値及び検知圧力値から求められる、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項７】
前記圧力センサーは前記押し出し機のノズルにある、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項８】
押し出し機速度に対する検知圧力のモデルを構築することによって付加製造システムを初期化することと、
前記付加製造システムを用いて、３Ｄ部品を、
前記３Ｄ部品の形状に従った工具経路に沿って押し出し機を移動させるガントリーアセンブリにガントリーコマンドを送信することと、
前記押し出し機が前記工具経路に沿って移動すると、押し出し機速度コマンド信号を前記押し出し機に送信して、前記押し出し機に材料を押し出させることと、
前記モデルに押し出し機速度信号を送信して予測圧力値のシーケンスを生成することと、
前記押し出し機内の圧力値のシーケンスを検知し、各検知圧力値について、該検知圧力値が、応答の実行の根拠となるほど、前記予測圧力値のシーケンスにおける対応する予測圧力値と十分異なるか否かを判断することと、
を含むステップを通じて印刷することと、
を含む、方法。
【請求項９】
前記圧力値は、前記押し出し機のノズルにおいて検知される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
各検知圧力値について、前記対応する予測圧力値よりも大きな高圧力応答閾値を設定することを更に含み、該高圧力応答閾値は、前記対応する予測圧力値に部分的に基づいており、
前記検知圧力値が前記対応する予測圧力値と十分異なるか否かを判断することは、前記検知圧力値が前記高圧力応答閾値を越えているか否かを判断することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記押し出し機速度コマンド信号は、前記押し出し機が前記工具経路に沿って移動すると変更され、前記モデルに送信された新たな各押し出し機速度信号を用いて、新たな圧力値が生成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
結果として得られる前記３Ｄ部品は、ニアネットシェイプ部品又はネットシェイプ部品である、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
各検知圧力値について、前記対応する予測圧力値未満の低圧力応答閾値と、前記予測圧力値よりも大きな高圧力応答閾値とを設定することを更に含み、
前記検知圧力値が前記対応する予測圧力値と十分異なるか否かを判断することは、前記検知圧力値が前記低高圧力応答閾値未満であるか、又は、前記高圧力応答閾値よりも大きいかを判断することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記低圧力応答閾値及び前記高圧力アラート閾値は、前記対応する予測圧力値に部分的に基づいて設定される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記検知圧力値が、前記予測圧力値のシーケンスにおける前記対応する予測圧力値と十分異なり、応答の実行を認めるとき、応答を印刷マネージャーに送信して前記部品の印刷を調整することを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
前記応答は、前記予測圧力値と前記検知圧力値との間の差をフィードバックとして用いて、前記押し出し機速度コマンド信号を調整することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
モーターによって駆動され、ノズルを通して材料を押し出し、該材料のロードを部品上に堆積させる押し出し機と、
前記押し出し機を工具経路に沿って可変速度で移動させるガントリーアセンブリと、
前記ノズル内の圧力がモーター速度の変化とともにどのように変動するのかのモデルのパラメーターを特定するモデル生成器と、
モーター速度値を前記モデルに適用して予想圧力値を生成し、該予想圧力値を用いて、押し出し損失を表す圧力閾値を特定し、前記ノズル内の圧力が該特定された圧力閾値のうちの１つよりも大きいとき、前記材料のロードが前記工具経路全体にわたって所望のサイズを維持するように、誤差信号を印刷マネージャーに送信する押し出し損失モニターと、
を備える、付加製造システム。
【請求項１８】
前記押し出し損失モニターは、各予想圧力値について２つの圧力閾値を特定し、一方の圧力閾値は前記予想圧力値よりも大きく、他方の圧力閾値は前記予想圧力値よりも小さい、請求項１７に記載の付加製造システム。
【請求項１９】
前記モデルに適用される前記モーター速度値は、前記印刷マネージャーによってアクチュエーターに提供され、工具経路に沿った前記ノズルの位置に基づいて経時的に変動する、請求項１７に記載の付加製造システム。
【請求項２０】
前記モデルパラメーターに含まれるフィルター係数は、モーター速度のシーケンスに対する前記ノズル内の前記圧力の周波数応答をモデル化する、請求項１７に記載の付加製造システム。
【請求項２１】
押し出し機を１つ以上の工具経路に沿って可変速度で移動させることと、
前記押し出し機が前記１つ以上の工具経路に沿って移動されるにつれて、押し出し機モーターの速度を変更することと、
前記押し出し機モーターの前記速度の変更と同期して高圧力閾値及び低圧力閾値を更新することと、
ノズル内の圧力値を検知することと、
前記検知圧力値を前記更新された高圧力閾値及び低圧力閾値と比較し、これに応答して、印刷のパラメーターを変更して所望の印刷品質を確保することと、
を含む、方法。
【請求項２２】
前記印刷のパラメーターを変更することは、流量の加速又は減速の間に応答時間遅延を補償しながら前記ノズルを通る材料フローを閉ループ形式で制御することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記押し出し機は、２００：１の動的な流量範囲を有する容積測定流量で材料を押し出す、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記押し出し機は、０インチ／秒〜１００インチ／秒の範囲にある速度で移動する、請求項２１に記載の方法。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、付加製造システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
３Ｄ印刷とも呼ばれる付加製造は、従来の機械加工のように材料を除去するのではなく材料を付加して３Ｄ部品を形成する共通の特性を有する一群の技術を表している。付加製造技法を用いると、実質上任意の形状の３次元固体物体をデジタルモデルから印刷することができる。
【０００３】
付加製造技術は、雛形作製（長年用いられてきた）に用いることができ、また、最終使用生産部品にも用いることができる。最終使用部品生産の場合、ネットシェイプ部品又はニアネットシェイプ部品（すなわち、ソースデータファイルとして提供されるデジタル画像に非常によく一致し、したがって、部品のサイズ及び形状について所望の公差を達成する事後印刷処理をほとんど又は全く必要としない部品）を印刷することが望ましい。
【０００４】
押し出しベースの付加製造では、部品は層単位で印刷され、各層は、以前に堆積された層の上に押し出される。押し出される層は、粘性ポンプの形態を取ることができる押し出し機によって印刷ヘッド内のノズルから押し出される。
【０００５】
付加製造応用において用いられるスクリューポンプ押し出し機では、消耗材料がチャンバー内に引き込まれ、このチャンバー内で、加圧溶融されて流動可能になる。この材料は、モーターによって駆動されるスクリューの回転によって移送される。スクリューが回転すると、スクリューのネジ山が、軸方向力を溶融材料に与える。この軸方向力によって、溶融材料は、ネジ山を下ってノズルに向かう。スクリューの回転速度は、溶融材料の押し出し速度を制御する。ガントリーが、適した空間運動において押し出し機を動作させ、押し出された材料を工具経路に沿って印刷して３Ｄ部品を形成する。
【考案の概要】
【０００６】
付加製造システムが、モーターを有する押し出し機と、圧力センサーとを備える。モデルが、前記モーターの速度値を受信し、該速度値から予測圧力値を生成する。応答閾圧力値が前記圧力センサーからの圧力値と前記予測圧力値との間にあるとき、応答が実行されるように、応答閾値モジュールが、前記応答閾圧力値を前記予測圧力値に基づいて設定する。
【０００７】
方法が、フィルターを用いて押し出し機速度に対する検知圧力の周波数応答を生成するモデル等のモデルを構築することによって付加製造システムを初期化することを含む。部品が、押し出し機速度コマンド信号を前記押し出し機に送信して、該押し出し機に材料を押し出させることによって、前記付加製造システムを用いて印刷される。押し出し機速度信号が、前記モデルに送信され、予測圧力値のシーケンスが生成される。圧力値のシーケンスが検知され、各検知圧力値について、該検知圧力値が、動作を起こす根拠となるほど、前記予測圧力値のシーケンスにおける対応する予測圧力値と十分異なるか否かについての判断が行われる。
【０００８】
付加製造システムが、材料をノズルに提供して、該材料の層を部品上に堆積させる押し出し機を有する印刷ヘッドを備える。モデル生成器が、前記ノズル内の圧力がモーター速度の変化とともにどのように変動するのかをモデル化するアルゴリズムのパラメーターを特定する。押し出し損失モニターが、モーター速度値を前記モデルに適用して、予想圧力値を生成し、該予想圧力値を用いて、押し出し損失を表す圧力閾値を特定し、前記ノズル内の圧力が前記特定された圧力閾値のうちの１つよりも大きいとき、印刷マネージャーに信号を送信する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】１つの実施形態による付加製造システムのブロック図である。
【図２】１つの実施形態による押し出し機、ノズル及び圧力センサーのアセンブリの側面断面図である。
【図３】モーター速度値のグラフである。
【図４】１つの実施形態による、図３のモーター速度値についての予測圧力値、調節された実際の圧力値、高圧力閾値及び低圧力閾値のグラフである。
【図５】１つの実施形態によるコントローラーアセンブリの要素のブロック図である。
【図６】速度信号に対する内部ノズル圧力の周波数応答をモデル化するアルゴリズムのモデルパラメーターを特定するのに用いられる要素のブロック図である。
【図７】ＬＯＥモニター内の要素のブロック図である。
【考案を実施するための形態】
【００１０】
押し出しベースの付加製造システムは、押し出し機が生成する押し出し物が所与のアクチュエーター速度コマンドについて予想されたものよりも少ない押し出し損失（ＬＯＥ）障害を受ける可能性がある。押し出し機ノズルからの材料の容積測定流量が不十分であると、部品の脆弱化したエリア又は欠陥のあるエリアが生じる。
【００１１】
押し出しベースの付加製造システムの印刷ヘッド内の圧力の能動的なモニタリング及び制御は、これまで困難であり、機器のサイズの制約及び器具の信頼性に起因して間接的なものにすぎなかった。したがって、押し出し機の印刷ヘッドの動的な動きの間の圧力変動に対する能動的な応答は可能でなかった。本考案を用いると、押し出し機及び印刷ヘッドシステムの動的な動きの間に材料をより正確に押し出すために、予想圧力のより正確な予測が提供され、その結果、高精度の部品のビルド（ネット及びニアネット）が得られる。
【００１２】
ＬＯＥの１つの原因は、材料がその間ポンプの入力に利用できなくなる押し出し機ポンプの材料の枯渇である。ポンプへの入力において材料が不十分であるので、ポンプの出力における圧力が、ポンプの入力の材料の枯渇レートに対応して低下する。
【００１３】
ＬＯＥの第２の原因は、押し出し物が印刷ヘッドから出て行くのを妨げるノズルの詰まりである。一般に、ノズルの詰まりによるＬＯＥ障害は、ノズル内の圧力の上昇をもたらす。なぜならば、ノズルが詰まった後であっても、押し出し機は、ノズル内の溶融材料に力を印加し続けるからである。
【００１４】
圧力はＬＯＥ事象の間に変化するので、ノズル内の圧力を測定し、測定された圧力を、ＬＯＥ事象を表す固定閾値と比較することによってＬＯＥを検出することができることが予想される。しかしながら、本考案者らは、単にノズル内の圧力を測定し、その圧力を固定圧力上限及び固定圧力下限と比較するだけでは不十分であることを発見した。そのような単純な方式は、それらの上限及び下限が過度に狭く設定されている場合には多数の誤検知アラートをもたらし、それらの上限及び下限が過度に広く設定されている場合には実際のＬＯＥ事象を見落とすことになる。
【００１５】
加えて、ノズル内の圧力は、ノズルを通じて堆積される押し出し物の速度が変化すると変化する。押し出し物がより高速なレートで必要とされるとき、アクチュエーター速度が増加され、ノズル内の圧力の増加がもたらされる。押し出し物のより低速なレートが必要とされるとき、アクチュエーター速度が減少され、ノズル内の圧力の減少がもたらされる。押し出し物レート及び内部ノズル圧力のそのような変化は、印刷ヘッドが工具経路の種々の部分に沿って種々の速度で移動する付加製造システムでは頻繁に発生する。印刷ヘッドが高速に移動しているとき、適切な押し出し量を達成するために押し出し物が十分なものとなるように、押し出し物のレートを増加させなければならない。印刷ヘッドが低速に移動しているとき、部品の側面にわたって過剰な材料が押し出されること又は材料の層における他の変形が引き起こされることを回避するために、押し出し物のレートを減少させなければならない。押し出し物のレートが変化する結果、ノズルの内部圧力が変化するので、圧力限界を固定して設定すると、印刷ヘッドの速度が変化する度にアラートがトリガーされる可能性がある。
【００１６】
以下で説明する実施形態によれば、ノズル内の予想圧力が、過去の押し出し機のアクチュエーター速度のシーケンスから予測される。その後、予想圧力から、圧力上限及び圧力下限が特定される。新たな各速度値を用いて、新たな予想圧力並びに新たな圧力上限及び圧力下限が特定される。
【００１７】
特定の実施形態では、予想圧力は、アクチュエーター速度のシーケンスに対する内部ノズル圧力の周波数応答のモデルを用いることによって予測される。この周波数応答は、初期化フェーズの間に求められる。この初期化フェーズでは、アクチュエーター速度のシーケンス及び内部ノズル圧力の対応するシーケンスが周波数領域に変換され、周波数領域のアクチュエーター速度に対する周波数領域のノズル圧力の比が周波数応答として用いられる。その後、モデルが、求められた周波数応答を提供するように、モデルのパラメーターが求められる。
【００１８】
本開示の実施形態は、材料を押し出す任意の適した層ベースの付加製造システムとともに用いることができる。図１は、層ベースの付加製造技法を用いて３Ｄアイテム、支持構造体、及び／又は足場を水平に印刷又は別の方法でビルドする第１の例示的な製造システムである１つのそのようなシステム１００を示している。システム１００の適したシステムには、ミネソタ州エデンプレイリーにあるStratasys, Inc.社によって商標「ＦＤＭ」の下で開発された押し出しベースの付加製造システムが含まれる。水平印刷では、印刷軸は印刷平面に平行であり、動きは印刷平面に垂直である。水平印刷のシステムは図１に示されているが、本明細書において説明する実施形態は、垂直軸プリンター及び多軸ロボットシステムを備える任意の押し出しベースの付加製造システムとともに用いることもできる。
【００１９】
図１に示すように、システム１００は、チャンバー１０４、プラテン１０６、プラテンガントリー１０８、印刷ヘッド１１０、ヘッドガントリー１１２、工具交換器１１３、及び消耗アセンブリ１１４を備える。チャンバー１０４は、１つの実施形態では、チャンバー壁によって密閉され、所望の３Ｄアイテムを印刷するプラテン１０６を初期から収容している。
【００２０】
図示した例では、印刷ヘッド１１０は、層ごとに工具経路に沿って消耗材料を押し出し、それによって、３Ｄアイテム、支持構造体、及び足場をプラテン１０６の受け面上に印刷するように構成された交換可能なシングルノズルスクリュー押し出し機ヘッドである。複数の追加の印刷ヘッド１１０を、例えば、図１に示すように工具交換器１１３内に格納することができ、種々の印刷機能に交換可能に用いることができる。１つの実施形態では、工具交換器１１３は、３つ以上の個別の印刷ヘッドを保持する。
【００２１】
印刷ヘッド１１０は、ヘッドガントリー１１２によって支持される。ヘッドガントリー１１２は、例示的な実施形態では、プラテン１０６に平行なｘｙ平面内（又は実質的にｘｙ平面内）で工具経路に沿って印刷ヘッド１１０を移動させるように構成されたガントリーアセンブリである。代替的に、印刷ヘッド１１０は、作業空間内の任意の座標ロケーションへのガントリーの位置決め及び／又はピッチヨーロール運動を含む任意の適した空間運動で、プラテン１０６にわたる２Ｄ工具経路又は３Ｄ工具経路において印刷ヘッド１１０を移動させるように構成されたロボットアーム又は他のガントリーアセンブリによって支持することができる。
【００２２】
システム１００は、１つの実施形態では、当該システム１００の構成要素をモニタリングし動作させるように構成された１つ以上の制御回路であるコントローラー１３８も備える。例えば、コントローラー１３８によって実行される制御機能のうちの１つ以上は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア等、又はそれらの組み合わせで実施することができる。コントローラー１３８は、チャンバー１０４（任意の加熱機構を備える）、印刷ヘッド１１０の押し出し機内の駆動機構、印刷ヘッド１１０、ガントリー１０８及び１１２内の圧力センサー並びに様々な他のセンサー、較正デバイス、表示デバイス、及び／又はユーザー入力デバイスと適した通信回線を介して通信することができる。
【００２３】
システム１００は、当該システム１００とともに又は当該システム１００から遠隔に配置されたコンピューター１１５と通信することもできる。このコンピューター１１５は、システム１００及び／又はコントローラー１３８と通信する１つ以上のコンピューターベースのシステムとすることができ、システム１００から別個のものであってもよいし、代替的にシステム１００の内部構成要素であってもよい。コンピューター１１５は、工具経路及び関連した印刷命令を生成及び記憶するデータ記憶デバイス、プロセッサ、メモリモジュール等のコンピューターベースのハードウェアを備える。コンピューター１１５は、これらの命令をシステム１００（例えば、コントローラー１３８）に送信して印刷動作を実行することができる。
【００２４】
印刷ヘッド１１０は、米国特許第８，９５５，５５８号に開示されているような粒子ベースの消耗材料のサプライを動作中に保持するローカルホッパー（local hopper）を備え、コントローラー１３８は、印刷ヘッド１１０内のホッパーから提供されるアイテム及び支持材料の連続した量を剪断及び溶融するように印刷ヘッド１１０に指示することができる。周期的に、ローカルホッパーは、消耗材供給源１１４内の材料の補充を受ける。
【００２５】
印刷ヘッド１１０は、消耗材料の加圧、溶融及び押し出しを行うモーター２２０及び駆動機構２２１を備える押し出し機１５０を更に備える。駆動機構２２１は、モーター２２０によって回転されるスクリュー又はインペラーを備える。駆動機構２２１が、コントローラー１３８によって送信された速度コマンドに基づいて適した装置機構（例えば、ギア、ベルト等）を通じてモーター２２０によって回転されると、溶融消耗材料は、この駆動機構によって駆動される。駆動機構２２１は、押し出し機１５０及びノズル２２６を通じて消耗材料を矢印２２５によって示される方向に駆動する。溶融消耗材料は、３Ｄ部品及び／又は支持構造体の層をプラテン１０６上に形成する押し出し物としてノズル２２６から吐出される。１つの例示的なインペラー駆動型粘性ポンプ押し出し機は、米国特許第７，８９１，９６４号に開示されている。
【００２６】
印刷ヘッド１１０は、支持構造体の１つ以上の層をプラテン１０６の受け面上に最初に印刷して、後続の印刷の基部を提供することができる。これによって、３Ｄアイテムの層とビルドシートとの間の良好な付着が維持され、プラテン１０６の受け面とｘｙ平面との間の平坦度に対するあらゆる許容誤差が削減又は除去される。
【００２７】
支持構造体が最初に印刷された後、印刷ヘッド１１０は、次に、３Ｄ部品の層と、任意選択で足場又は支持構造体の任意の追加層とを印刷することができる。支持構造体の層は、カール力に対して３Ｄアイテムの底面を印刷ｚ軸に沿って支持することを目的としており、いずれの支持層も、重力に対して３Ｄアイテムを垂直ｙ軸に沿って補強することを目的としている。印刷は、この実施形態では、矢印１２０によって示されるＺ方向に行われる。
【００２８】
図２は、モーター２２０によって駆動される駆動機構２２１を備える押し出し機１５０を示す例示的な印刷ヘッド１１０の一部分の断面図を提供している。１つの実施形態によれば、印刷ヘッド１１０は、２０１６年９月１２日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１６／０５１３０３号に開示されている印刷ヘッドと同じである。この国際出願は、引用することによってその全内容が本明細書の一部をなす。押し出し機１５０はダイ２２２に取り付けられている。ダイ２２２は、チャンバー２２４と、ノズル２２６と、チャンバー２２４からノズル２２６の先端に延在する放出口２２８と、圧力センサー収容エリア２２９と、チャンバー２２４と圧力センサー収容エリア２２９との間に延在するポート２３０とを画定している。圧力センサーモジュール２３２は、圧力センサー振動板２３４がギャップ２３８によって圧力センサー収容エリア２２９の端部２３６から隔置されるように、圧力センサー収容エリア２２９に挿入されて取り付けられる。
【００２９】
動作中、モーター２２０は、駆動機構２２１を作動させ、駆動機構に材料を材料入力部２４０からチャンバー２２４に移送させる。駆動機構２２１が材料を移動させている間、駆動機構２２１の周囲の加熱器が材料を溶融して、チャンバー２２４内に出力される溶融材料を形成する。チャンバー２２４内の溶融材料は、駆動機構２２１の動作によって加圧され、溶融材料はポート２３０及びギャップ２３８を充填するとともにノズル２２６のダイ放出口２２８を通って流れ、それによって、押し出し物が形成される。ギャップ２３８内の溶融材料は、圧力センサー振動板２３４を押圧し、これに応答して、圧力センサーモジュール２３２は、通信回線２４２に沿って圧力信号を生成する。
【００３０】
駆動機構２２１が材料を入力部２４０からチャンバー２２４に移動させる速度は、モーター２２０によって制御回線２４４上で受信されるアクチュエーター速度信号によって制御される。速度値は、コントローラーアセンブリ１３８によって提供される。コントローラーアセンブリ１３８は、１つの実施形態では、ノズル２２６を通って押し出される押し出し物の所望の容積測定流量に基づいて速度値を毎秒複数回更新する。特定の実施形態では、コントローラーアセンブリ１３８は、印刷ヘッド１１０の速度に基づいてモーター２２０の速度値を変化させる。例えば、印刷ヘッド１１０がより高速に移動しているとき、所望の層の厚さ及びロード（road）幅が維持されるように、モーター２２０の速度が増加され、ノズル２２６を通って出力される押し出し物の流量が増加される。印刷ヘッド１１０が低速になると、モーター２２０の速度が減速され、ノズル２２６を通って出力される押し出し物の流量が低下され、それによって、３Ｄ部品の特徴部を形成する所望のサイズのロードが印刷される。本考案の能動的な圧力モニタリング技法及び制御技法を用いると、印刷ヘッドが工具経路に沿って可変速度で移動されるとき、押し出し機からの容積測定流量はリアルタイムで動的に制御される。その結果得られる３Ｄ部品は、ニアネットシェイプ部品又はネットシェイプ部品である。
【００３１】
モーター２２０の速度が変化すると、チャンバー２２４内の溶融材料の圧力も変化し、したがって、ギャップ２３８内の材料の圧力も変化する。一般に、モーター２２０の速度が増加すると、圧力は増加し、モーター２２０の速度が減少すると、圧力は減少する。幾つかの材料の特性に起因して、圧力の変化は、アクチュエーター速度の変化よりも遅れる傾向があり、平均圧力は、平均速度が増加すると増加する傾向がある。その結果、圧力の変化及びアクチュエーター速度の変化は１対１の対応関係を欠いている。
【００３２】
図３は、２２０の速度の経時的な変化を示すグラフ３００を提供している。図３では、モーター速度は縦軸３０２に示され、時間は横軸３０４に示されている。図４は、図３に示すものと同じ期間にわたるギャップ２３８内の調節された（以下を参照）溶融圧力のグラフ４００を提供している。図４では、溶融圧力は縦軸４０２に沿って示されている一方、時間は横軸４０４に示されている。グラフ３００及び４００を比較すると、溶融圧力は、モーター速度よりも遅れており、溶融圧力の変化が、モーター速度の対応する変化の後に起こるようになっていることが分かる。さらに、平均溶融圧力は、一定の平均モーター速度とともに減少することが分かる。したがって、溶融圧力はモーター速度の複雑な関数であることが本考案者らによって発見され、現時点における溶融圧力は過去のモーター速度のシーケンスに依存する。様々な実施形態によれば、モーター速度と、その結果得られる圧力との間の関係は、モーター速度の異なる周波数が異なるノズル圧力をもたらす周波数応答としてモデル化される。
【００３３】
図５は、モーター速度のシーケンスを所与として圧力値を予測するモデルを構築及び使用するのに用いられる構成要素のブロック図を提供している。図５には、一組の工具経路５０６に基づいてガントリーコマンド５０２及びアクチュエーター速度を発行する印刷マネージャー５００を備えるコントローラーアセンブリ１３８が示されている。印刷マネージャー５００は、工具経路５０６に沿って印刷ヘッドを移動させるガントリーコマンド５０２をヘッドガントリー１１２に送信する。アクチュエーター速度は、モーター２２０が駆動機構２２１を回転させて、一貫したロード幅及び層の厚さを有する押し出し物を工具経路に沿って生成するように、モーター２２０に提供される。モーター２２０の実際の速度が測定され、モーター速度５０４として記憶される。
【００３４】
初期化フェーズの間、押し出し機１５０が適切に稼働しており、押し出し損失事象を受けていないことが分かると、印刷マネージャー５００は、一組の検査工具経路５０６用のガントリーコマンド５０２のシーケンス及びモーター速度のシーケンスを発行する。モーター２２０は、モーター速度のシーケンスに基づいて駆動機構２２１を回転させ、その結果、測定されたモーター速度５０４が得られる。同時に、圧力センサー２３２が、ノズル内の溶融材料の圧力を検知し、検知された圧力値のシーケンスを形成する。これらの圧力値は、検知圧力５０８として記憶される。検知圧力５０８のシーケンス及びモーター速度５０４は、モデル生成器５１０に提供され、モデル生成器５１０は、検知圧力５０８及びアクチュエーター速度５０４を用いて、アクチュエーター速度５０４のシーケンスに対する検知圧力５０８の応答のモデルを構築する。１つの実施形態によれば、モデルは、一組のモデルパラメーター５１２によって記述される。
【００３５】
図６は、モデル生成器５１０の１つの特定の実施形態のブロック図を提供している。図６では、モーター速度５０４は、フーリエ変換（ＦＴ）を用いて周波数領域に変換される。その結果得られる周波数領域値は、ローパスフィルターを用いてローパスフィルタリングされ、信号雑音に起因した高域側の周波数変動が除去される。モーター速度５０４のシーケンスに対応する検知圧力値５０８のシーケンスは、フーリエ変換を用いて周波数領域に変換される。ローパスフィルターによって出力されるフィルタリングされた周波数領域のモーター速度と、フーリエ変換によって出力される周波数領域の検知圧力とは、周波数応答計算機に提供され、周波数応答計算機は、モーター速度に対する検知圧力の周波数応答を生成する。１つの実施形態によれば、周波数応答計算機は、検知圧力の周波数領域表現を、モーター速度のフィルタリングされた周波数領域表現によって単に除算するだけで周波数応答を生成する。その結果得られる周波数応答は、フィルター設計者に提供され、フィルター設計者は、一組のモデルパラメーター５１２に含まれるフィルター係数を選択して、周波数応答をモデル化したフィルターを形成する。
【００３６】
モデルパラメーター５１２が求められると、パラメーター値は、押し出し損失（ＬＯＥ）モニター５１４が、応答をトリガーする圧力限界を設定するのに用いることができる。特に、ＬＯＥモニター５１４は、高圧力アラート５１６及び低圧力アラート５１８を生成することができる。これらのアラートは、印刷マネージャー５００に返信される。これらの応答のうちの一方の受信に応じて、印刷マネージャー５００は、現在の層の印刷を停止し、このＬＯＥ事象を生み出した不具合の修正を期待してメッセージをオペレーターに送信することができ、それによって、構築中の部品の保全又は印刷のパラメーターの変更を行って所望の印刷品質を確保することができる。１つの実施形態によれば、印刷のパラメーターを変更することは、流量の加速又は減速の間に応答時間遅延を補償しながらノズルを通る材料フローをループ形式で制御することを含む。
【００３７】
図７は、１つの実施形態によるＬＯＥモニター５１４内の要素のブロック図を提供している。図７では、モーター速度５０４のシーケンスと、実際の部品の生産中に生成された対応する検知された圧力５０８とが、ＬＯＥモニター５１４によって受信される。モーター速度５０４のシーケンスは、押し出し機が移動する速度に基づいて生成される。この速度は、１つの実施形態では、０インチ／秒〜１００インチ／秒の範囲にある。そのような実施形態では、押し出し機は、２００：１の動的な流量範囲を有する容積測定流量で材料を押し出す。モーター速度５０４のシーケンスは、モデルパラメーター５１２に基づいて構築されるモデル７００に提供される。モーター速度５０４のシーケンスをモデル７００に適用することによって、予測圧力７０２が得られる。予測圧力７０２は、モーター速度のシーケンスに対する圧力のモデルによって予想される圧力である。新たな各モーター速度値５０４を用いて、モーター速度の新たな有限長のシーケンスが、モデル７００に適用され、その結果、モーター速度の有限長のシーケンスごとの個々の予測圧力７０２が得られる。これによって、予測圧力７０２のシーケンスが生成される。この予測圧力７０２のシーケンスは、次に、モデル出力調節部７０４によって更に調節される。
【００３８】
１つの実施形態によれば、モデル出力調節部７０４は、全ての負の予測圧力をゼロの値に変換するクリッピングユニットから開始する。クリッピングユニットの出力において生成された予測圧力値のシーケンスは、ローパスフィルターに提供され、短期間の高周波数のスパイク／雑音の強調が抑えられるようにする。フィルタリングされたシーケンスは、次に、ハイパスフィルターに適用され、圧力センサー２３２に本来備わっているドリフト／オフセットが除去される。ハイパスフィルターによって出力された圧力値は２乗され、これらの２乗値はローパスフィルターを通され、その後、各フィルタリングされた２乗値の平方根が取られる。この手法は、より低い圧力値における誤検知を削減しつつ、正及び負の双方の押し出し機加速度に起因した圧力変化をより容易に比較するのに利用される。
【００３９】
図７に示す１つの特定の実施形態では、対応する検知圧力値５０８は、検知圧力調節部７１０によって調節される。この検知圧力調節部７１０は、短期間の高周波数スパイク／雑音の強調を抑えるローパスフィルターと、圧力センサーに本来備わっているドリフト／オフセットを除去するハイパスフィルターとを備える。フィルタリングされた圧力値は、次に２乗され、２乗された圧力値は、ローパスフィルターを通され、その後、フィルタリングされた値の平方根が取られて、調節された検知圧力値が生成される。
【００４０】
図４は、モデル出力調節部７０４によって出力される予測圧力値のシーケンスのグラフ４０６と、検知圧力調節部７１０によって出力される調節された検知圧力値のグラフ４００とを提供している。図４に示すように、予測圧力値４０６は、実際の圧力値４００と実質的に同様である。
【００４１】
モデル出力調節部７０４によって出力される処理された圧力値は、上限計算ユニット７０６及び下限計算ユニット７０８に提供される。上限計算ユニット７０６は、実際の圧力が上側圧力閾値を超えた場合に、高圧力応答５１６が実行されるように、予測圧力よりも大きな上側圧力閾値を設定する。下限計算ユニット７０８は、実際の圧力が下側圧力閾値と交差して下回ったとき、低圧力応答５１８が実行されるように、下側圧力閾値を設定する。
【００４２】
図４において、グラフ４０８は、上限計算ユニット７０６によって出力される上限閾値の値を時間の関数として提供し、グラフ４１０は、対応する期間にわたる下限閾値の値を提供する。図４に示すように、上限閾値４０８及び下限閾値４１０は、静的ではなく、予測圧力とともに変動する。１つの実施形態によれば、上限計算ユニット７０６は、モデル出力調節部７０４からの予測圧力に５０００ｐｓｉを単に加えるだけで上限閾値を形成し、下限計算ユニット７０８は、モデル出力調節部７０４からの予測圧力から５００ｐｓｉを単に引くだけで下限閾値を生成する。
【００４３】
検知圧力調節部７１０の出力は、２つの比較器７１２及び７１４に提供される。比較器７１２は、検知圧力調節部７１０からの出力圧力値を、上限計算ユニット７０６によって計算された圧力上限と比較する。検知圧力調節部７１０によって出力される測定された圧力が上限閾値を超えている場合、高圧力応答５１６が実行される。比較器７１４は、検知圧力調節部７１０によって出力される測定された圧力を、下限計算ユニット７０８によって計算された下限閾値と比較する。測定された圧力が下限閾値未満である場合、低圧力応答５１８が実行される。換言すれば、比較器７１２及び７１４は、検知圧力値が、応答の実行の根拠となるほど、対応する予測圧力値と十分異なるか否かを判断する。
【００４４】
追加の実施形態では、検知圧力出力を圧力目標値と連続的に比較することができ、検知圧力と圧力目標値との間の差又は誤差を用いてモーター速度を調整し、それによって、システムの連続フィードバック制御を提供することができる。押し出し機が可変速度で工具経路を横断しているとき、モーター速度が押し出し機の速度に相関して変化するにつれて、圧力モデルは、変化する圧力目標値を提供することができる。従来のプロセス制御において知られているように、測定された圧力とモデルの圧力目標値との間の誤差又は差を用いて、モーター速度を制御することができるとともに、モーター速度の調整が安定したフィードバック機構をもたらすことを確保することができる。したがって、モーター速度は、ノズル内の圧力目標値と、ノズルからの材料の所望の容積測定流量とを達成するように設計された量によって調整される。
【００４５】
本考案は好ましい実施形態を参照しながら説明されてきたが、本考案の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態及び細部に関して変更を加えることができることが、当業者には認識されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年4月24日(2019.4.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
モーターを有する押し出し機と、
前記押し出し機を工具経路に沿って移動させるガントリーアセンブリと、
前記押し出し機内の検知圧力を表す圧力値を生成する圧力センサーと、
前記モーターの速度値を受信し、該速度値から予測圧力値を生成するモデルであって、前記モーターの前記速度値は、前記ガントリーアセンブリが前記押し出し機を工具経路に沿って移動させている間変化する、モデルと、
応答閾圧力値を前記予測圧力値に基づいて設定する応答閾値モジュールと、
前記圧力センサーから信号を受信するように構成され、前記応答閾圧力値が、前記圧力センサーからの圧力値と前記予測圧力値との間にあるとき、前記検知した圧力値に基づいて押出速度を調整するための信号を前記押し出し機に送信するように、前記検知した圧力値を、前記モデルからの信号と前記応答閾圧力値と比較するように構成されたコントローラーと、
を備える、付加製造システム。
【請求項２】
前記応答閾圧力値は、前記予測圧力値よりも大きく、前記応答閾値モジュールは、第２の応答閾圧力値が前記圧力センサーからの前記圧力値と前記予測圧力値との間にあるとき、第２の応答が実行されるように、該第２の応答閾圧力値を前記予測圧力値に基づいて設定する、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項３】
前記第２の応答は低圧力押し出し損失事象を示し、前記応答は高圧力押し出し損失事象を示す、請求項２に記載の付加製造システム。
【請求項４】
前記モデルは、速度値のシーケンスに対する検知圧力の周波数応答を生成する、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項５】
前記速度値から予測圧力値のシーケンスを生成し、各予測圧力値について個々の応答閾圧力値を設定することを更に含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項６】
前記モデルを記述するパラメーターが、前記押し出し機が可変速度工具経路に追従し材料を押し出している間に生成された速度値及び検知圧力値から求められる、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項７】
前記圧力センサーは前記押し出し機のノズルにある、請求項１に記載の付加製造システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本開示は、付加製造システムに関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】削除
【補正の内容】