CN113165261A - 三维打印机头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维打印机头(10)，其包括接收部分(15)，所述接收部分具有用于将材料接收到接收部分中的至少两个入口(17,19)，其中，所述打印机头进一步包括：分配单元(21)，所述分配单元用于打印三维产品；挤出螺杆(13)，所述挤出螺杆至少在接收部分与分配单元之间延伸，用于调节被接收在接收部分中的材料，并且用于将材料移入分配单元以分配调节的材料。

Description

三维打印机头

本公开涉及一种用于打印三维产品的三维打印机头，优选地允许使用生物聚合物来制造3D支架。

本公开还涉及一种增材制造系统。

本公开进一步涉及一种用于打印三维产品的方法。

US2012/0080814A1公开了一种精密挤出沉积(PED)装置，其允许在3D支架的制造中使用生物聚合物，其中，PED装置利用三个主要组件：1)材料运送；2)3D运动；以及3)计算机辅助建模。材料运送组件包括可互换喷嘴、多个加热元件和精密传动螺杆。加热元件将材料加热到工艺温度。精密螺杆驱动材料通过材料运送室到达喷嘴进行挤出。3D运动由线性伺服控制，其允许PED在X方向、Y方向和Z方向上移动。PED的计算机辅助建模组件使用户能够相应地建立三维结构模型。

已知的PED装置被配置为仅处理一种单一起始材料。

本公开的主要目的是提供一种相对于现有技术改进的三维打印机头。第二个目的是提供一种三维打印机头，所述三维打印机头被配置为同时处理多于一种起始材料。第三个目的是提供一种三维打印机头，所述三维打印机头被配置为用于打印所制造的三维产品中的成分梯度。

这些目的可以用如权利要求1所述的三维打印机头来实现。

三维打印机头包括接收部分，所述接收部分具有用于将材料接收到接收部分中的至少两个入口，其中，所述打印机头进一步包括：分配单元，所述分配单元用于打印三维产品；挤出螺杆，所述挤出螺杆至少在接收部分与分配单元之间延伸，用于调节被接收在接收部分中的材料，并且用于将材料移入分配单元以分配调节的材料；以及压力控制器，所述压力控制器用于控制通过接收部分的至少两个入口的压力控制的材料供应，确定被接收在接收部分中的材料的混合比。

压力控制器提供压力控制的进给机构，用于处理通过至少两个入口接收在接收部分中的两种单独的起始材料，例如，两种单独的聚合物，并在打印过程中以不同的比例混合它们。因此，打印机头设计为允许双材料原位复合，从而能够通过由两种起始(聚合)材料的不同组合组成的梯度支架的单个连续过程来制造。打印机头通过使用以不同比例混合的两种起始材料来实现打印控制的成分梯度。在目前已知的3D打印机中，这是不可能的。当成分必须改变时，通常需要更换墨盒甚至打印机头。

成分梯度的应用包括产生在组合物的界面处进行改进的粘结的整体组合物，和/或具有局部可变成分的整体结构。材料性能梯度在生物学中也得到了高度利用，例如在骨内或在硬骨与较软肌腱或韧带之间的界面处。三维打印机头可以被配置为用于骨、肌腱和韧带的组织工程和其他生物应用，其中打印产品的不同区域需要不同的材料性能。例如，用于疝气治疗的网片(其在一侧上需要细胞粘附表面，并且在另一侧上需要细胞非粘附表面)可使用本公开中所公开的三维打印机头在单个连续过程中打印。

根据本公开的打印机头被配置为用于热塑性多材料打印应用。打印机头被配置为用于处理和调节至少两种单独的热塑性材料，以获得热塑性多材料，所述热塑性多材料将由分配单元分配，用于在连续打印过程中生产3D产品。

在本公开的一个方面中，三维打印机头包括至少两个储存器，每个储存器连接到接收部分的两个入口中的一个上，所述接收部分用于接收来自每个储存器的材料，其中，压力控制器被配置为在两个储存器之间提供压差，以控制从每个储存器到接收部分中的压力控制的材料供应，确定从两个储存器接收在接收部分中的材料的混合比。打印头包括至少两个储存器，其中，至少两个储存器中的第一储存器被配置为用于容纳第一起始热塑性材料，并且第二储存器被配置为用于容纳第二起始热塑性材料，其中，所使用的热塑性材料在第一起始热塑性材料和第二起始热塑性材料中可以是相同的，或在至少两个储存器中可以使用不同的热塑性材料。如果第一起始热塑性材料和第二起始热塑性材料中使用的热塑性材料是相同的，而起始材料的成分不同，即，例如，起始材料中的一种包括至少一种增材，例如填料，而所述增材在另一种起始材料中不存在或以不同量存在。由于被压力控制器控制的两个储存器中的压力差，第一起始材料和第二起始材料能够以连续的方式接收在接收部分中，用于混合至少两种起始材料。挤出螺杆被布置成混合被接收在接收部分中的起始材料，并将混合的材料输送到分配单元，以打印具有热塑性成分梯度(即，包括材料性能梯度和/或连续成分梯度)的三维产品。因此，打印头适于处理至少两种不同热塑性材料，其具有相对高粘度，即，在20摄氏度下至少20Pa.s.的粘度，更优选在20摄氏度下至少25Pa.s.的粘度。压差的目的是将材料供应给挤出螺杆，然后螺杆负责调节/混合材料并将材料输送到分配单元。组织工程热塑性塑料的实例包括：聚己内酯(PCL)、聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯(PEOT/PBT)和聚乳酸(PLA)。

通过在打印机头中集成至少两个储存器，可以自我调节两种起始材料的基于压力的进给。此外，该打印机头在储存器出口与接收部分入口之间具有最小距离，即，该距离甚至可以为零或几乎为零。所述距离可以设置为零或几乎为零，因为储存器的出口和接收部分的入口可以相同，或者出口可以定位为紧靠入口而两者之间没有距离或者距离很小。在本文公开的打印头的一个方面中，储存器之一的(虚拟)中心线与储存器的出口之间的(水平)距离等于或小于储存器的中心线与储存器的外壁表面之间的(水平)距离，其中，储存器的出口与接收部分的入口可以相同，或者出口可以定位为紧靠入口而两者之间没有距离或者距离很小。储存器出口与接收部分入口之间相对较长的距离，可以在从储存器到接收部分中的所需材料进给中提供压降或压力波动和/或温降或温度波动。储存器出口与接收部分入口之间相对短的距离或没有距离，为基于压力进给到接收部分的起始材料(特别是热塑性起始材料)提供可预测和可控制的条件，其提供具有所需预定特性的3D(组织)产品。储存器相对于打印机头的剩余部分的布置还可以减少死体积。因此，通过提供具有集成储存器的打印机头，所述打印机头具有用于打印三维产品中的成分梯度的改进配置。此外，该布置允许向储存器施加(高)频压力脉冲，例如，每次仅对一个储存器开启压力，并且“压力开启”时间的比率基于由两种(单独的)起始材料制成的所需成分。

打印机头提供具有至少两个储存器的压力控制进给机构，以控制由挤出螺杆混合的热塑性起始材料的比率以进行打印。发明人发现，通过压力控制进给机构与挤出螺杆组合，可以处理高粘度的熔融热塑性塑料。本文件中的高粘度指在20摄氏度下至少20Pa.s.的粘度，优选地在20摄氏度下至少25Pa.s.的粘度。本文公开的打印头可以处理最大粘度为1000Pa.s.的材料。

打印机头进一步包括螺旋挤出螺杆，所述螺旋挤出螺杆所具有的长度使得挤出螺杆能够在接收部分的至少一部分上延伸。这样的配置能够在具有相对紧凑尺寸的打印机头中设置尽可能大的挤出螺杆。相对长的螺杆允许尽可能最长的停留时间，以改进通过接收部分的入口进给的材料的混合。

在打印机头的另一方面中，至少两个入口中的第一入口与接收部分的至少两个入口中的第二入口在直径上相对。至少两个入口的这种布置提供了对接收部分的体积的最大进入，并且改进了被接收在接收部分中的两种起始材料在使用中被控制的混合。

在直径上相对的进给入口也将确保在两个入口之间的接收部分中延伸的挤出螺杆的上部处的力平衡，并将进一步防止挤出螺杆上的任何弯矩。挤出螺杆优选地至少具有双螺纹，以进一步确保该力平衡，并在接收部分区域和挤出部分区域中提供至少两种起始材料的良好分配混合。挤出螺杆的螺纹数与接收部分的进给入口数相同，在本公开的打印机头中至少有两个进给入口。因此，如果使用两种以上单独的起始材料，例如三种起始材料，则接收部分具有三个入口，并且挤出螺杆具有三个螺纹，以获得本段中提到的优点。

为了通过挤出螺杆进一步改进和优化两种起始材料的分配和分散混合和/或调节，特别是对于聚合物混合/调节，挤出螺杆在挤出螺杆的长度方向上看到进给部分、过渡部分和压缩部分，其中，进给部分、过渡部分和压缩部分具有不同的螺杆几何形状。

在本公开中，螺杆几何形状由以下螺杆几何参数中的至少一个限定：

-横截面上看到的螺纹形状，优选地是三角形；

-螺杆直径，例如挤出螺杆具有可变螺杆直径，特别是靠近分配单元的挤出螺杆的螺杆直径小于靠近接收部分入口的挤出螺杆的螺杆直径；

-螺纹尺寸，例如螺纹深度和/或高度，优选地挤出螺杆具有可变螺纹尺寸，更优选挤出螺杆靠近分配单元的螺纹尺寸小于靠近接收部分入口的螺纹尺寸；

-螺纹螺距，优选地挤出螺杆具有可变螺纹螺距，更优选挤出螺杆靠近分配单元的螺纹螺距小于靠近接收部分入口的螺纹螺距。

以下挤出螺杆设计允许材料诱导压力积聚的有益“压缩性”效应，以促进挤出，即，具有恒定直径的挤出螺杆，其螺纹具有如上所述的可变切口深度和/或可变螺距。有利地，靠近分配单元的切口深度低于靠近接收部分入口的切口深度。

这些螺杆几何参数中的至少一个可以用于获得由挤出螺杆处理的材料的预定目标，例如相对低的扭矩和由挤出螺杆混合材料的相对高的程度。

特别是对于(生物)聚合物混合，挤出螺杆的进给部分可以是螺杆长度的30-70％，过渡部分可以是螺杆长度的15-35％，和/或压缩部分可以是螺杆长度的15-35％。

挤出螺杆包括筒体，其中，筒体和/或挤出螺杆可以由硬质合金制成。螺杆和筒体优选地由耐磨硬质合金制成，以能够在通过两个入口中的一个装载在接收部分中的至少一种起始材料中使用研磨填料。

在本公开中所公开的打印机头能够移动，以提供3D增材制造产品。打印机头和储存器一起可以安装在几种商用3D打印机上，这些打印机具有台架，即，导轨系统，所述导轨系统被配置为基于从控制器单元接收的信号在水平X-Y平面上移动打印机头，并且可选地，导轨系统可以被配置为还在垂直于水平X-Y平面的Z轴上移动打印机头。通过将压力调节器放置在台架的打印机移动臂上，可以减轻具有储存器的打印机头重量。

打印机头可以进一步包括温度调节器，优选地加热元件，该温度调节器用于加热通过两个入口中的至少一个供应的材料和/或加热接收部分、挤出螺杆部分和/或分配单元。还有可能的是，对于打印机头的至少一个区域中的某些起始材料，温度调节器包括：加热器/冷却器元件，其用于加热或冷却打印机头中正在处理的材料，以达到预定区域中的材料的所需温度和/或粘度。

此外，打印机头可以包括用于每个储存器的单独的温度调节器，使得有可能为每个储存器中的起始材料提供单独的温度。

打印机头的分配单元可以包括：分配针，其用于在本公开所公开的打印机头中沉积正在处理和调节的材料，优选地，分配针包括隔热层和/或温度调节器。

储存器可以以可拆卸的方式附接到打印机头上。储存器可以与打印机头分开，以便于清洁。此外，有可能的是，储存器被制成可交换的，以用装满的储存器更换空的储存器，或对于不同的起始材料使用不同的储存器。例如，每个储存器可以包括快速释放流体耦合器，该耦合器用于以流体连通的方式容易地耦合储存器和接收部分，使得可以以相对快速和用户友好的方式替换储存器。储存器可以设置有单向阀。例如，快速释放流体耦合器可以设置有单向阀。这种单向阀防止在可移动储存器与打印机头的耦合/分离过程中发生泄漏，和/或防止在使用中从接收部分到其中一个储存器中的回流。储存器被配置为能够与打印头的剩余部分分开，使得储存器是可清洗的和/或可灭菌的，以避免在各种打印过程中(生物)材料中的污染。由于储存器与打印头的可拆卸连接，因此不可能使用数字体积流量控制器来控制向接收部分的进给。在本文献中公开的使用基于压力进给的打印头中，如上所述的优点是，在储存器与接收部分之间没有或几乎没有距离，即，储存器出口和接收单元入口之间可以没有间隔，以保证进给到接收部分中的材料具有所需的特性。此外，储存器中的起始材料在被混合的材料的粘度上可以具有非常大的差异，使得有时可能需要相对大的压差，以通过储存器出口和接收部分入口供应起始材料。至少两个储存器之间的这种大的压差，尤其是储存器出口和接收单元入口之间的距离相对小或没有距离，可以导致材料从第一储存器流向第二储存器，即，大压差可以导致不希望的回流。通过单向阀，有可能例如在至少两种起始材料之间的交替工作循环中每次仅注入一种材料，消除回流的风险。挤出螺杆被设计为提供足够的停留时间，允许至少两种材料混合和均匀，即使材料不同时注入。

本公开还涉及包括如上所述的打印机头的一种增材制造系统。

本公开还涉及一种通过使用本文所公开的打印机头来打印三维产品的方法，所述方法使用至少两种单独的起始材料，优选地是两种单独的聚合物或更优选的两种单独的热塑性塑料，用于制造包括材料性能梯度和/或连续成分梯度的三维产品。所使用的聚合物中的至少一种可以是生物聚合物。通过该方法获得的三维产品例如是用于组织工程的梯度支架。

在用于打印的方法中，有可能的是，对通过接收部分的每个入口的材料供应施加频率压力脉冲。通过频率压力脉冲，有可能的是，对于通过第一入口的材料供应开启压力，同时对于通过第二入口供应的材料关闭压力，以不提供通过第二入口的材料供应，反之亦然，其中，压力与时间的比率基于正打印的三维产品中的所需成分。压力开启是指例如储存器中的压力使得材料从该储存器流向接收部分，并且压力关闭是指储存器中的压力低于材料从储存器流向接收部分所需的最小压力。为了完全消除回流和逆流，压力占空比可以与单向阀组合实现，使得每次仅开启一个压力，并且因此每次仅打开一个单向阀。然后通过用于每种起始材料的压力与时间的比率来确定混合比。

应当理解，本文所公开的实施例提供不同的优点，并且对于所有实施例不一定需要特定的优点。

下面将参考示出示例性实施例的附图更详细地解释打印机头和增材制造系统，其中：

图1是增材制造系统的示意图示；

图2a、图2b是示出打印机头的细节的截面图；

图3a至图3c是示出打印机头的挤出螺杆的细节的视图；

图4示出了用于打印3D产品(例如用于组织工程的3D产品)的过程步骤的流程图。

在以下描述中，相同的或对应的部件具有相同的或对应的附图标记。参考特定附图公开的每个特征也可以与本公开中公开的另一个特征组合，除非对于本领域技术人员来说这些特征明显不兼容。

在图1中，示出了增材制造系统100，其包括计算机系统20。计算机系统20通过界面实现用户交互。在计算机系统中，提供用于控制系统100中的过程的软件(计算机程序)。系统100进一步包括压力和温度控制器30、压力调节器40a、40b、打印机控制器50、打印机平台60和承载打印机头10的台架70。

台架70以可移动的方式支撑打印机头10。台架70从打印机控制器50和计算机系统20(图1中由线18示意性地表示)接收用于在水平X-Y方向上移动打印机头10的指令(图1中由线16示意性地表示)。可选地，打印机头10也可以通过台架70在与水平X-Y平面正交的Z轴上移动，以在平台60上打印3D增材制造产品。还有可能的是代替打印机头10的Z轴移动或除了打印机头10的Z轴移动之外，平台60可以在Z方向上移动。台架70或打印机头10可以支撑压力调节器40a、40b。

在图2a和图2b中更详细地示出了用于打印3D产品的三维打印机头10。打印机头10包括筒体11(图2b)和位于筒体11中的挤出螺杆13。附图中所示的打印机头10的接收部分15(图2b)形成在筒体11与挤出螺杆13的上部之间。挤出螺杆13的上部在图2b中由虚线15a标识。接收部分15具有两个入口17、19，该入口用于将材料接收到接收部分15中。打印机头10进一步包括分配单元21，该分配单元用于在平台60上打印三维产品。分配单元21包括分配针24，其中，分配单元21包括用于针24的隔热层(未示出)和/或温度调节器(未示出)。分配针24的绝缘层或(单独的)温度调节器有助于防止或至少减少由于温度过低而导致的针堵塞的风险。

挤出螺杆13的下部(虚线15a下方的部分)在接收部分与分配单元之间延伸。通过挤出螺杆13，被接收在接收部分15中的材料被调节(混合)并被输送到分配单元21，用以将调节的材料分配在平台60上。压力控制器30和压力调节器40a、40b被配置为用于通过接收部分15的两个入口17、19控制压力控制的材料供应，确定被接收在接收部分15中的材料与由输送螺杆13调节的材料的混合比。压力控制器30从计算机系统20上运行的计算机程序接收指令，如图1中由线22示意性地表示。

在打印机头10中，三维打印机头包括两个储存器25a、25b，如图1和图2a所示。每个储存器25a、25b包含与另一储存器25a、25b中的起始材料不同的起始材料。每个储存器25a、25b具有出口27、29，所述出口直接连接到接收部分15的两个入口17、19中的一个上，所述入口用于接收来自每个储存器的材料。直接连接是指接收部分入口17、19与储存器的出口27、29之间的距离为零或几乎为零，因为出口27、29定位为紧靠入口17、19。压力控制器30和压力调节器40a、40b被配置为在两个储存器25a、25b之间提供压差，以控制从每个储存器25a、25b到接收部分15中的压力控制的材料供应，确定从两个储存器25a、25b接收到接收部分15中的材料的混合比。换句话说，压力调节器40a、40b被配置为在每个储存器25a、25b内提供不同的压力。线路42a、42b向压力调节器40a、40b提供控制信号，其中，线路44a、44b控制储存器内的压力。此外，该布置允许压力调节器40a、40b向储存器25a、25b施加频率压力脉冲，例如在每次仅对一个储存器开启压力，并且“压力开启”时间的比率基于由储存器25a、25b内的两种起始材料制成的所需成分。压力调节器40a、40b可以包括压力源，例如压力泵，或者压力调节器40a、40b连接到(远程)压力源。

从俯视图(未示出)看到，至少两个入口17、19的第一入口17与至少两个入口17、19的第二入口19在直径上相对。在如图2b所示的打印机头10的截面图中，入口17、19在垂直方向上彼此稍微偏置，但是也可以将入口(未示出)配置为使得入口17、19的中心线位于一个水平面上。

储存器25a、25b能够以可拆卸的方式附接到打印机头10上。每个储存器25a、25b可以拧在打印机头10上。还有可能的是打印机头10包括快速释放流体偶合器，该耦合器用于以流体连通的方式耦合储存器和接收部分15。

每个储存器25a、25b与接收部分15之间的流体连接设置有单向阀。单向阀可以是快速释放流体偶合器的一部分。这种单向阀防止在可移动储存器25a、25b与打印机头10的耦合/分离过程中发生泄漏，和/或防止在使用中从接收部分15到其中一个储存器25a、25b中的回流。特别是对于高粘度材料，通过单向阀可以有效地防止由于对材料进给施加相对高的压力而产生的回流。单向阀可以是球形单向阀。使用球形单向阀提供了打印梯度中的出色结果。

储存器25a、25b具有相同的构造，并且每个储存器具有朝向储存器出口27、29的倾斜底部轮廓31、33。倾斜底部轮廓31、33使可能导致材料浪费的死区最小化，这有助于清洁储存器25a、25b。

打印机头10包括：温度调节器，即，加热元件，其用于加热通过两个入口中的至少一个供应的材料，用于加热接收部分15、挤出螺杆部分和/或分配单元21。打印机头10的每个储存器25a、25b包括：单独的温度调节器35、37，其用于使每个储存器25a、25b中的起始材料达到所需的预定温度。打印机头10中的每个温度调节器由压力和温度控制器30控制，其由线46示意性地表示。如上所述，压力和温度控制器30从在计算机系统20上运行的计算机程序接收温度指令，如图1中由线22示意性地表示。

在替代的增材制造系统(未示出)中，还有可能的是温度调节器和压力调节器和/或台架直接从在计算机系统上运行的计算机程序接收指令。

打印机头中用于分配由单独的起始聚合物制成的材料的条件：材料储存器、接收部分、螺杆筒体和分配单元中的温度可以操作至250摄氏度的最高温度，并且储存器压力可以在低真空与1000kPa之间变化，优选地在100kPa与1000kPa之间变化。

图3a至图3c是示出打印机头的挤出螺杆13的细节的视图。如在图3b中螺杆13的截面图中可见，挤出螺杆具有双螺纹13a、13b。在打印头中，挤出螺杆的螺纹数对应于包含要由挤出螺杆混合的材料的储存器的数量。在挤出螺杆13的长度方向上看到，螺杆13在从接收部分15到分配单元21的方向上具有进给部分f、过渡部分t和压缩部分c，其中，进给部分、过渡部分和压缩部分具有不同的螺杆几何形状。螺杆几何形状由以下螺杆几何参数中的至少一个限定：螺杆直径、螺纹尺寸(例如螺纹深度和/或高度)、螺纹螺距、横截面上看到的螺纹形状(例如三角形、正方形)和/或螺纹边缘形状(例如角边、圆边、圆边的曲率以及具有圆边和角边的螺纹的组合)。在所示的挤出螺杆设计中，进给部分f约为螺杆13有效长度T的50％，过渡部分t约为螺杆有效长度T的25％，并且压缩部分c约为螺杆13有效长度T的25％。每个部分的长度可以变化，即，进给部分f可以是螺杆13有效长度T的30-70％，过渡部分可以是螺杆13有效长度T的15-35％，和/或压缩部分可以是螺杆13有效长度T的15-35％。

图3a至图3c所示的挤出螺杆13具有以下特征：

(i)在直径上相对的平行螺纹，

(ii)具有螺距p1和芯直径D1的进给区f、具有分别线性变化到p2和D2的螺距和直径的过渡区、以及具有螺距p2和芯直径D2的压缩区，以及

(iii)如图3c详细示出的三角形螺纹切口，宽度为w，切口深度为d，角度为α，限定螺纹切口尖端处的三角形切口和倒角R。

尺寸w、D1、D2、p1和p2用于限定用于调节多活性聚合物的优化螺杆几何形状。对于处理高粘度材料，例如，螺纹切口的宽度w从进给区朝向压缩区减小。芯直径D1>芯直径D2。螺距p1>螺距p2。三角形螺纹切口限定了挤出螺杆13与筒体11之间的楔形空间，与矩形空间相比，由于挤出过程中聚合物熔体的拉伸流动，楔形空间增强了混合。

作为非限制性实例：挤出螺杆13螺纹长度的尺寸可以是42mm，螺杆直径为6mm。三角形螺纹切口具有37度的角度α，切口尖端处的倒角R为0.3mm。进给区具有21mm的长度f、8mm的螺距p1和1.3mm的切口深度d。过渡区具有螺距为8mm(p1)至6mm(p2)的线性过渡以及切口深度d在10mm长度t上的从1.3mm至0.8mm的线性过渡。压缩区具有11mm的长度c、6mm的螺距p2和0.8mm的切口深度。

一种用于打印三维产品的过程，所述三维产品包括材料性能梯度，特别是用于组织工程的梯度支架，所述过程通过使用至少两种不同的起始材料，特别是两种不同的聚合物或两种单独的热塑性塑料来制造三维产品。在本公开中，不同的起始材料是指材料具有不同的特性/性能。该过程至少包括以下步骤，在图4中描绘了这些步骤：

步骤1：通过第一压力将至少两种不同起始热塑性材料中的至少第一材料进给到打印头的接收部分中，并且通过第二压力将第二热塑性材料进给到接收部分中，其中，在接收部分中，第一材料接触第二材料；

步骤2：提供第一压力与第二压力之间的压差，以控制要混合的第一材料和第二材料的供应量；

步骤3：打印第一材料和第二材料的混合物。

以上公开的三维打印过程用于骨、肌腱和韧带的组织工程和其他生物应用，其中打印产品的不同区域需要不同的材料性能。

在步骤2中，通过挤出螺杆进行混合，所述挤出螺杆混合并将混合物输送到分配单元以打印混合物。在步骤1与步骤2之间，确定第一材料和第二材料的压力阈值，其中，刚好高于压力阈值的压力连续地向接收部分供应材料，但不足以在没有螺杆运动的情况下挤出材料。在步骤2中，有可能使用两个压力的互补占空比来控制要混合的第一材料和第二材料的供应量。例如，对于总周期为5秒的占空比，如果在3秒内第一储存器高于压力阈值而第二压力对应于或低于压力阈值并且然后在剩余的2秒内第二储存器反之，则可以挤出约60％的第一材料的混合物。每次只将一个压力转到高于阈值压力，确保压力不平衡不能关闭单向阀。通过压力占空比，每次只有至少两种起始材料中的一个被进给到接收部分。

前面概述了几个实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本公开的各个方面。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改其他打印机头结构的基础，以实现本文介绍的实施例的相同目的和/或实现其相同优点。本领域技术人员还应当认识到，等效构造并不脱离本公开的主旨和范围，并且它们可以在不脱离本公开的主旨和范围的情况下进行各种改变、替换和变更。

Claims (15)

1.一种三维打印机头，包括接收部分，所述接收部分具有用于将材料接收到所述接收部分中的至少两个入口，其中，所述打印机头进一步包括：分配单元，所述分配单元用于打印三维产品；挤出螺杆，所述挤出螺杆至少在所述接收部分与所述分配单元之间延伸，用于调节被接收在所述接收部分中的材料，并且用于将材料移入所述分配单元以分配调节的材料；以及压力控制器，所述压力控制器用于控制通过所述接收部分的至少两个入口的压力控制的材料供应，确定被接收在所述接收部分中的材料的混合比。

2.根据权利要求1所述的三维打印机头，其中，所述三维打印机头包括至少两个储存器，每个储存器连接到所述接收部分的两个入口中的一个上，所述接收部分用于接收来自每个储存器的材料，其中，所述压力控制器被配置为在所述两个储存器之间提供压差，以控制从每个储存器到所述接收部分中的压力控制的材料供应，确定从所述两个储存器接收在所述接收部分中的材料的混合比。

3.根据权利要求1或2所述的三维打印机头，其中，所述挤出螺杆在所述接收部分的至少一部分上延伸。

4.根据前述权利要求中任一项所述的三维打印机头，其中，在所述接收部分中，所述至少两个入口中的第一入口与所述至少两个入口中的第二入口在直径上相对。

5.根据前述权利要求中任一项所述的三维打印机头，其中，所述打印机头能够移动，以提供3D增材制造产品。

6.根据前述权利要求中任一项所述的三维打印机头，其中，在所述挤出螺杆的长度方向上看到，所述螺杆具有进给部分、过渡部分和压缩部分，其中，所述进给部分、所述过渡部分和所述压缩部分具有不同的螺杆几何形状，优选地，所述进给部分为所述螺杆长度的30-70％，所述过渡部分为所述螺杆长度的15-35％，和/或所述压缩部分为所述螺杆长度的15-35％。

7.根据权利要求6所述的三维打印机头，其中，螺杆几何形状由以下螺杆几何参数中至少一个限定：

在横截面上看到的螺纹形状，例如三角形、正方形；

螺杆直径；

螺纹尺寸，例如螺纹深度和/或高度；

螺纹螺距；

螺纹边缘形状，例如角边、圆边、圆边的曲率以及具有圆边和角边的螺纹的组合。

8.根据前述权利要求中任一项所述的三维打印机头，其中，所述挤出螺杆至少具有双螺纹。

9.根据前述权利要求中任一项所述的三维打印机头，其中，所述打印机头包括温度调节器，优选地加热元件，所述温度调节器用于加热通过所述两个入口中的至少一个供应的材料、所述接收部分、挤出螺纹部分和/或所述分配单元，和/或所述分配单元包括分配针，优选地，所述分配针包括隔热层和/或温度调节器。

10.根据前述权利要求中任一项所述的三维打印机头，其中，所述挤出螺杆包括筒体，其中，所述筒体和/或所述挤出螺杆由硬质合金制成。

11.根据前述权利要求2至10中任一项所述的三维打印机头，其中，所述储存器能够以可拆卸的方式附接到所述打印机头上，优选地，所述打印机头包括快速释放流体耦合器，所述快速释放流体耦合器用于以流体连通的方式耦合每个储存器与所述接收部分，优选地，所述快速释放流体偶合器设置有单向阀。

12.根据前述权利要求2至11中任一项所述的三维打印机头，其中，所述打印机头包括用于每个储存器的单独的温度调节器。

13.增材制造系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的三维打印机头。

14.一种通过使用前述权利要求1至12中任一项所述的三维打印机头打印三维产品的过程，通过使用至少两种单独的起始材料来制造三维产品，优选地两种单独的聚合物或两种单独的热塑性塑料来制造三维产品，所述三维产品包括材料性能梯度，例如用于组织工程的梯度支架。

15.根据权利要求14所述的过程，其中，对于通过所述接收部分的每个入口的材料供应施加频率压力脉冲，优选地，对于通过第一入口的材料供应开启压力，同时对于通过第二入口的材料供应关闭压力而不供应材料，反之亦然，其中，压力与时间的比率基于正打印的三维产品中的所需成分。

Images