CN111132811A

CN111132811A - 用于混合和分配粘性材料以创建增材结构的方法和系统

Info

Publication number: CN111132811A
Application number: CN201980004707.0A
Authority: CN
Inventors: S.法克霍里; A.森尤尔特
Original assignee: Nike Inc
Current assignee: Nike Inc
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2020-05-08
Also published as: EP3628033A4; US11701629B2; US20210016237A1; WO2019236493A1; EP3628033B1; US20210016236A1; US11896942B2; EP3628033A1; US20200306704A1

Abstract

提供了用于混合和分配粘性材料以产生增材结构的各种系统和方法。作为一个示例，在利用多维打印设备的混合和分配头进行混合和分配操作期间，基于打印设备的操作条件，至少沿着混合室的中心轴线调节定位于混合与分配头的混合室中的混合杆的线性运动。

Description

用于混合和分配粘性材料以创建增材结构的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月4日提交的美国临时申请号62/680,344的优先权，其标题为“METHODS AND SYSTEM FOR MIXING AND DISPENSING VISCOUS MATERIALS FOR THECREATION OF ADDITIVE STRUCTURES”。出于所有目的，通过引用将上面列出的申请的全部内容并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于混合和分配粘性反应性液体以创建增材结构(additive structure)的混合和分配头。

背景技术

增材制造用于通过添加逐层材料来构建多维对象。增材制造技术可以利用计算机、3D建模软件、增材制造设备和分层材料。一旦创建了所期望的对象的计算机模型，增材制造设备就会以逐层的方式(layer-upon-layer fashion)铺设或添加材料(例如液体)的连续层，和/或材料的连续并排线，以根据计算机模型的数据制作所期望的3D对象。增材制造技术的一个示例是使用具有多维打印头的多维(例如，三维，3D)打印机进行的多维打印。多维打印头可用于混合和分配一种或多种粘性的反应性材料，以创建增材结构。在一个实施例中，混合和分配头(例如3D打印头)可以混合和分配一种或多种粘性的反应性液体，以创建鞋类的外底组件。

发明内容

附图说明

图1示出了用于混合和分配粘性反应性液体以产生增材结构的系统的实施例；

图2示出了在图1的系统中使用的混合和分配头的实施例的第一等距视图；

图3示出了图2的混合和分配头的实施例的第二截面图；

图4A示出了图2的混合和分配头的实施例的第三截面图；

图4B示出了图2的混合和分配头的实施例的详细截面图；

图5示出了图2的混合和分配头的实施例的第四截面图；

图6示出了对于混合和分配头，总流率对泵流率的阶跃变化的响应的曲线图；

图7示出了用于经由混合和分配头系统来混合和分配一种或多种液体的方法的流程图；

图8A示出了可适于混合和分配头的混合杆的示例的第一轮廓图；

图8B示出了图8A的混合杆的示例的第一横截面；

图8C示出了图8A的混合杆的示例的第二横截面；

图9示出了图8的混合杆的示例的第二轮廓图；

图10示出了定位于混合室中的图8的混合杆的示例的第三视图；

图2-5和图8A-10按比例示出，但是如果需要，可以使用其他相对尺寸。

具体实施方式

提供了用于混合和分配粘性材料以产生增材结构的系统和方法。作为一个示例，诸如图1中所示的增材制造系统的增材制造系统(在一个实施例中，其可以是多维打印设备)可以包括混合和分配头，该混合和分配头适于将一种或多种反应性粘性材料混合和分配到沉积表面上，以创建增材结构。在一个示例中，经由混合和分配头混合和分配的材料以及本文描述的方法可以用于制造鞋类的外底部件。混合和分配头的混合室形成在沿着混合和分配头的内部的长度延伸的混合杆的外壁与外部混合室壁之间，如图2-5及图8A-10所示。同样如图2-5及图8A-10所示，可以选择混合杆和混合室的锥形形状，以有效地和精确地沉积用于形成期望的增材结构的材料。如图1所示，混合杆联接到马达，以允许混合杆围绕并沿着混合杆的中心轴线的旋转和线性运动。混合杆的线性运动可以调节混合室的内部容积，而混合杆围绕中心轴线旋转以混合一种或多种材料。一个或多个泵可以将用于混合的一种或多种材料泵送到混合室中，并且混合杆的线性位置可基于一个或多个泵的速度(或泵送材料的流率或量)的变化而被连续调节。以这种方式，根据图7所示的方法，可以以期望的速率将混合材料沉积到沉积表面上以创建期望的结构。

图1-5和图8A-10示出了具有各个部件的相对定位的示例配置。如果示出为彼此直接接触或直接联接，则至少在一个示例中，这样的元件可以分别被称为直接接触或直接联接。类似地，示出为彼此邻接或彼此相邻的元件至少在一个示例中可以分别彼此邻接或彼此相邻。作为示例，彼此面共享接触地放置的部件可以被称为面共享接触。作为另一示例，在至少一个示例中，彼此间隔开定位的元件之间仅具有空间而没有其他部件可以被这样称呼。作为又一示例，示出为在彼此上方/下方、彼此相对的侧面或彼此的左侧/右侧的元件可以相对于彼此称为这样的元件。此外，如图中所示，在至少一个示例中，最顶部的元件或元件的点可以被称为部件的“顶部”，而最底部的元件或元件的点可以被称为部件的“底部”。如本文所使用的，顶部/底部、上部/下部、上方/下方可以相对于附图的竖直轴线，并且用于描述附图中的元件相对于彼此的定位。这样，在一个示例中，示出为在其他元件上方的元件竖直地位于其他元件上方。作为又一个示例，在附图中描绘的元件的形状可以被称为具有那些形状(例如，诸如圆形，笔直，平面，弯曲，倒圆，倒角，成角度等)。此外，在至少一个示例中，示出为彼此相交的元件可以被称为相交元件或彼此相交。更进一步，在一个示例中，示出为在另一元件内或在另一元件外的元件可以被这样称呼。

图1示出了用于混合和分配粘性反应性液体以产生增材结构的系统的实施例。具体地，图1示出了增材制造系统100，其可以是包括多维(例如3D)打印设备的多维(例如3D)打印系统。系统100包括混合和分配头102，其联接到包括在系统100的壳体106中的机架104。沉积表面(例如，基底)108可以被包括在壳体106的基部或底部处。混合和分配头102包括分配喷嘴110，其适于将来自混合和分配头102的混合材料沉积到沉积表面上。机架可以经由机架的马达来调节混合和分配头102的位置(例如，x、y和/或z位置，如由轴线系统120所示)，以在沉积表面108上逐层或并排或以挤出的材料线创建增材结构。一个或多个泵(例如，材料泵)112联接到混合和分配头102，并且适于使材料(例如，每个泵一种材料)以计量的速率(例如，以泵的流率或速度)流入混合和分配头102的混合室中。在一示例中，一个或多个泵112是容积泵。混合和分配头102的混合杆114联接到马达116。马达116适于既使混合杆绕混合和分配头102的中心轴线旋转(如方向箭头122所示)又使混合杆沿混合和分配头102的中心轴线(沿两个方向)线性运动(如方向箭头124所示)，如下面参考图2-6和图8A-10进一步描述的。在替代实施例中，两个马达可以联接到混合杆，其中每个马达都适于线性地移动或旋转混合杆。

系统100包括控制器(例如，电子控制器)118，其与一个或多个泵112、马达116和机架104的马达/致动器进行电子通信。控制器118可以是微型计算机，包括微处理器单元，输入/输出端口，以及用于可执行程序、校准值和上载数据(例如3D计算机模型，诸如CAD模型)的电子存储介质(例如，存储器)。控制器118可以用计算机可读数据编程，该计算机可读数据表示可执行以便执行以下描述的方法以及被预期但未具体列出的其他变型的指令。系统100的部件可以至少部分地由控制器118控制。控制器118可以从系统100的传感器接收各种信号，并且将控制信号发送到系统100中包括的各种致动器。各种传感器可以包括，例如，机架104、图2-5所示的混合和分配头200、马达116和泵112的各种位置、流率和速度传感器。各种致动器可以包括例如泵112，马达116和机架104的马达。根据存储在控制器118的存储器中的指令和上载到控制器118的一个或多个计算机模型(例如CAD模型)，控制器能够经由机架104调节混合和分配头102的位置(沿一个、两个或三个方向)，调节一个或多个泵112的速度和/或启动/停止一个或多个泵112，经由马达116启动/停止和/或调节混合杆的旋转速度，以及经由马达116调节混合杆114的线性位置(沿方向124)。这样，可以用增材制造系统100增材地(例如，逐层)创建由上载的计算机模型定义的期望结构。另外，如下面进一步讨论的，控制器118可以基于从泵112接收到的反馈信号(例如，流率信号和/或泵命令)并根据基于上传的计算机模型的操作参数，向马达116发送电命令以调节混合杆114的旋转速度和/或线性位置。

如图1所示，控制器118，(一个或多个)泵112，马达116，机架104，混合和分配头102和沉积表面108可以全部包含在壳体106中。然而，在替代实施例中，控制器118和(一个或多个)泵112可以布置在壳体106的外侧(例如，在壳体106的外部)。在其他实施例中，壳体106可以是安装有机架104和混合和分配头102的结构框架，并且沉积表面108可以布置在结构框架的下方或基部。

图2-5示出了在图1的系统中使用的混合和分配头200的实施例。混合和分配头200可以是图1的混合和分配头102。图2示出了混合和分配头200的等距视图。图3示出了混合和分配头200的第一截面图。图4A示出了混合和分配头200的第二截面图，其中混合室壁的细节图在图4B中示出。图5示出了高压轴承和混合和分配头200的材料入口的放大截面图。图2-5中的每一个包括示出了作为参考的x，y和z轴的轴系统120。混合和分配头200具有平行于轴系统120的z轴布置的中心轴线202，该z轴可以称为竖直轴。中心轴线202是混合和分配头200的混合室204和混合杆206的公共中心轴线。

如图2-5所示，混合和分配头200包括壳体(例如，外部壳体)208，其也可以称为混合和分配头200的本体。壳体208分成混合头上本体209和混合头下本体211。混合杆206位于壳体208中的孔212内。孔212的内壁在混合杆的高压轴承214下方(如图4A，4B和5所示)并形成混合室壁210，该混合室壁210可以是混合室204的外壁。如在图4B的详细视图220和图5的放大视图中最佳所见，混合室204是环形的，并且在混合室壁210与混合杆206的外表面(例如，外侧)216之间并由其形成。在图4B的详细视图220中示出了混合杆206的外表面216与混合室壁210之间的间隙G。可以在混合室204中的该间隙G内混合一种或多种液体。

混合杆206和混合室204均具有锥形形状。如图4A所示，在混合杆206和混合室204的顶部部分234(最靠近高压轴承214并邻近高压轴承214布置)处，混合杆206具有较大的第一半径R₁，并且混合室具有较大的第一半径(或第一外直径，是第一半径的两倍)，为R₁+G。在混合杆206和混合室204的底部部分236(布置成比顶部部分234更靠近分配喷嘴230)处，混合杆206具有较小的第二半径R₂，并且混合室204具有较小的第二半径(或第二外直径，是第二半径的两倍)为R₂+G。混合杆206和混合室204的锥形部分238布置在顶部部分234和底部部分236之间，并且用作顶部和底部部分之间的成角度的过渡部(例如，相对于中心轴线202成角度的)。另外，在底部部分236的端部，混合杆206和混合室204每个朝向中心轴线202向内渐缩。具体地，混合杆206进一步渐缩至一点，并且混合室204渐缩至分配喷嘴230的出口孔口232。高压轴承214(例如，高压轴承214的底部)和锥形部分(例如，锥部)238的顶部之间的长度L₁，以及高压轴承214(例如，高压轴承214的底部)和分配喷嘴230的出口孔口232(例如，混合室204的端部)之间的长度L₂在图4A中示出。

如图3所示，混合杆206包括近端222和远端224，近端222与远端224相对布置。近端222适于联接至诸如图1所示的马达116的马达的致动器。以这种方式，混合杆206适于绕中心轴线202旋转(例如，围绕中心轴线202旋转)，如箭头226所示，并且适于沿两个方向至少沿着中心轴线202线性地平移(例如，移动)，如箭头228所示(如图2和3所示)。尽管箭头226示出了混合杆206沿逆时针方向的旋转，但是在替代实施例中，混合杆206的旋转方向可以是顺时针的。在其他实施例中，马达可以使混合杆206绕中心轴线沿顺时针和/或逆时针方向中的一个或两个旋转。此外，混合杆206可以沿着中心轴线202来回线性运动，从完全伸出位置(如图3和4A所示)到完全缩回位置(如图4A中的虚线250所示)。在完全伸出位置，远端224布置成与混合和分配头200的分配喷嘴230相邻。在一些实施例中，在完全伸出位置，远端224可以被定位在混合室204的远端壁处并且与该混合室204的远端壁面共享接触，该混合室204的远端壁直接连接到分配喷嘴230的出口孔口232，混合液体通过该出口孔口232分配到沉积表面(例如图1所示的沉积表面108)上。在完全缩回位置中，如图4A中的虚线250所示，混合杆206的远端224被定位为以阈值距离远离(例如，不相邻且不接触)分配喷嘴230的出口孔口232的位置。在一个实施例中，阈值距离可以在2.5-3.5mm的范围内。在另一个实施例中，阈值距离可以是3mm+/-小的加工公差(例如0.01mm)。因此，阈值距离可以是在混合和分配头200的操作(例如，混合和分配操作)期间混合杆206的行进距离。混合杆206可以连续地调节到完全伸出位置和完全缩回位置之间的多个位置，并且包括完全缩回位置和完全伸出位置。在一个示例中，如图4A和5所示，混合杆206的完全伸出位置与完全缩回位置之间的行进距离或阈值距离是高压轴承214(例如，高压轴承214的底部)和混合杆206的锥部238的顶部之间的长度L₁。长度L₁确定动态容积V_D或通过混合杆206的移动可达到的混合室204内部容积的最大变化，如下文进一步解释的。如图4A所示，通过将混合杆206线性运动到完全缩回位置，如虚线250所示，混合室204的容积增加(参见在此缩回位置时在混合杆206的较小半径R₂的外表面和混合室壁210之间创建的附加区域)。

混合杆206在图2-5中示出，底部部分236具有光滑、笔直的外表面216。然而，在其他示例中，混合和分配头的混合杆的底部可替代地具有切口，以增加混合室中材料的混合。混合杆802的一个实施例在图8A-10中示出，在图8A中以第一轮廓图800示出，在图9中以第二轮廓图900示出，在图10中以第三视图1000示出，其中混合杆802被定位在诸如图2-5的混合和分配头200的混合和分配头的混合室中。轴系统120也包括在图8A-10中。

混合杆802可以是空心的、细长的、单个连续单元，并且具有相对于z轴布置在底部部分806上方的顶部部分804。唇部803可将顶部部分804与底部部分806分开。顶部部分804可包括适于联接到马达(例如，图1的马达116)的致动器的近端808，类似于图2-5的混合杆206的近端222。混合杆802到致动器的联接可以使混合杆802能够绕混合杆802的中心轴线801旋转并且沿着中心轴线801在两个方向上线性平移。混合杆802沿第一方向的旋转由图8A、9和10中的箭头1008指示，并且混合杆802的线性运动由箭头807指示。在其他示例中，混合杆802可以被配置为在第二方向(未示出)上旋转，该第二方向与第一方向相反，如箭头1008所示。

如图8A所示，与图2-5的混合杆206不同，顶部部分804的直径810可以类似于或小于底部部分806的整体直径812。混合杆802还可以包括与近端808相对的远端814，该远端朝着混合杆802的中心轴线801向内渐缩，类似于图2-5的混合杆206的远端224。当混合杆802处于完全伸出位置时，远端814可以邻近混合和分配头的分配喷嘴(例如，图2-5的分配喷嘴230)，并且当混合杆802处于完全缩回位置时，远端814可与分配喷嘴的出口孔口(例如，图2-5的出口孔口232)以相比于处于安全伸出位置中时的更大的距离间隔开。

混合杆802的底部部分806可以包括第一部段816，该第一部段816具有光滑、连续的外表面818，该外表面818沿着第一部段816的长度820平行于中心轴线801。沿图8A所示的线A-A′截取的第一部段816的第一横截面850如图8B示，该横截面850示出了混合杆802的底部部分806的第一部段816的圆形外部几何形状。第一部段816的壁852相对于混合杆802的底部部分806的第一部段816的直径812是薄的。

如图8A所示，混合杆802的底部部分806的第二部段822沿z轴从第一部段816向下连续，并且其长度824比第一部段816的长度820长。第二部段822可在多个半圆形切口828中的切口之间的区域中沿着z-x平面具有第一直径826，如图8A所示，其类似于混合杆802的底部部分806的第一部段816的直径812。然而，沿着z-y平面，如图9所示，混合杆802的底部部分806的第二部段822可具有第二直径902，该第二直径小于混合杆802的底部部分806的第一部段816的直径812。

如图9所示，第一部段816通过在第一部段816和第二部段822的相交处的弯曲表面904过渡到混合杆802的底部部分806的第二部段822。换句话说，第二部段822具有沿第二部段822的整个长度824延伸的一组纵向切口906，纵向切口906相对于混合杆802的底部部分806的第一部段816减小了第二部段822的宽度，该宽度沿着y轴测量并且等于第二部段822的第二直径902。所述一组纵向切口906沿着混合杆802的相对侧布置，并且沿着中心轴线801与多个半圆形切口828偏移，所述多个半圆形切口828在下面进一步描述。所述一组纵向切口906形成沿着混合杆802的底部部分806的整个长度824延伸的平坦侧表面908，并且可以与z-x平面共面地布置。混合杆802在z-y平面中的宽度(例如，第二直径902)可以沿着混合杆802的底部部分806的第二部段822的长度824是均匀的。

返回到图8A中所示的第一轮廓图800，混合杆802的底部部分806的第二部段822还包括多个半圆形切口828，例如，沿y轴观察时为半圆形。所述多个半圆形切口828中的每一个都从混合杆802的底部部分806的弯曲外表面830沿着z轴朝向中心轴线801向内弯曲，弯曲外表面830由被所述多个半圆形切口828中的切口分开的部段形成。所述多个半圆形切口828可以沿着混合杆802的底部部分806的第二部段822的长度824以交错的方式布置。例如，参考图8A的第一轮廓图800，所述多个半圆形切口828的放置沿混合杆802的底部部分806的第二部段822的长度824在混合杆802的右侧和左侧之间交替，使得相邻的切口不沿着z轴对准。这样，所述多个半圆形切口828中的第一切口832布置在第二部段822的右侧，并且所述多个半圆形切口828中的第二切口834相对于z轴位于第一切口832的下方并位于第二部段822的左侧。所述多个半圆形切口828中的第三切口836位于第二切口834的下方并且在第二部段822的右侧，依此类推。这样，所述多个半圆形切口828中的每个切口沿x轴偏离(例如不与之相邻)。然而，所述多个半圆形切口可沿着z轴对准，从而沿着混合杆802的底部部分806的第二部段822的右侧和左侧形成两排切口。所述多个半圆形切口828中的每一个的深度838可以小于混合杆802的底部部分806的第二部段822的宽度(例如，第一直径826)的一半，并且可以在第二部段822的宽度的20％-40％的范围内。

沿线图8A中B-B’截取的第二横截面870在图8C中示出。第二横截面870沿图8A所示的所述多个半圆形切口828中的第三切口836(如图8A所示)的中点840提供了混合杆802的底部部分806的第二部段822的剖视图。在第三切口836的中点840处，图8C的第二横截面870示出了第三切口836在右侧具有与z-y平面共平面的平坦壁842。平坦壁842经由弯曲面板844联接到混合杆802的底部部分806的第二部段822的侧表面908。位于第三切口836的中点840处的第二部段822的内部横截面面积846小于混合杆802的底部部分806的第一部段816的内部横截面面积848，如图8B所示，图8C所示的内部横截面面积846通过第三切口836的深度838和平坦侧表面908被减小。

混合杆802的底部部分806的第二部段822的沿着所述多个半圆形切口828的相对布置的切口的中点的横截面可以具有相似但相反构造的几何形状。例如，第二切口834的横截面，如图8A所示，可以具有与图8C的第二横截面870相似的横截面，但是旋转了180度。此外，所述多个半圆形切口828的切口之间的区域的横截面可以关于中心轴线801对称，类似于具有两个相对布置的平坦侧和两个相对布置的弯曲侧的矩形。

如图9所示，所述多个半圆形切口828可以沿着z轴均匀地间隔开。将理解的是，图8A-10的混合杆802是具有多个切口的混合杆的非限制性示例，并且其他示例可以包括具有不同的几何形状、尺寸、数量和间隔的切口，而不脱离本公开的范围。

混合杆802可被插入混合室中以在分配之前混合材料。如图1000所示，混合杆802显示为包围在混合和分配头1004的混合室1002内。在一示例中，混合和分配头1004可与图2-5的混合和分配头200类似地使用。混合室1002可具有与图2-5的混合室204相似的形状。混合杆802的底部部分806的弯曲外表面830可以接触混合室1002的内壁1006。内壁1006可具有沿y-x平面截取的圆形横截面，因此平坦侧面908可与混合室1002的内壁1006间隔开。混合杆802的底部部分806的侧表面908与混合室1002的内壁1006之间的空间可以填充流入混合室1002中的有一种或多种粘性材料。

所述一种或多种粘性材料还可填充多个半圆形切口828中的每一个与混合室1002的内壁1006之间的空间。当混合杆802旋转时，如箭头1008所示，在多个半圆形切口828的边缘处引起层流，如箭头1010所示。层流促进混合室1002内的所述一种或多种粘性材料的混合，而混合室1002的内壁1006与混合杆802的底部部分806的弯曲外表面830之间的接触抑制了固化材料沿着混合室1002的内壁1006的积累，例如硬化材料。换句话说，混合室1002的内壁1006与混合杆802的底部部分806的弯曲外表面830之间的接触具有沿着混合室1002的内壁1006的刮擦作用。通过沿着混合杆802的底部部分806的长度824错开多个半圆形切口828中的每一个，例如，沿着z轴在右侧和左侧之间交替，刮擦效果以及增强的混合沿着混合室1002的整个长度1012传播。当具有高粘度、相对快速的固化时间的材料时，或者当要从混合和分配头分配多于一种材料时，图8A-10的混合杆802可以是优选实施例。

如图2-5所示，混合室204可以包括一个或多个材料入口240。图2-5中所示的混合和分配头200的实施例包括三个材料入口(图2中仅两个，图3-5中仅一个)。然而，在替代实施例中，可以存在不同数量的材料入口，例如一个、两个、四个或更多个。每个材料入口240设置在混合室壁210内并穿过混合室壁210。此外，每个材料入口240在混合室壁210内布置在靠近高压轴承214但在高压轴承214下方的位置处。如图5所示，在材料入口240(的顶部)和高压轴承214(的底部)之间的距离由L₀表示。如下面进一步解释的，混合室的停滞容积与L₀有关，并且尽可能减小L₀可能是有利的。每个材料入口240联接至适于使来自材料源244的材料(例如，液体)流动的单独的通道242(也可以称为材料通路)。每个材料源244可以是在其中存储材料(例如粘性液体)的附加容器或容积部。每个材料源244可以流体地和/或直接地联接到泵，诸如图1中所示的泵112之一。在一些实施例中，材料源244可以是泵(例如，容积泵)的腔室。每个材料源244的泵可以控制从对应的材料入口240进入混合室204的材料的流动(例如，流率)。例如，如下所述，将材料(例如，液体材料)以计量的速率泵送通过一个或多个通道242，并通过一个或多个材料入口240泵入混合室204中。来自材料源244的材料通过入口246进入对应的通道242，该入口246与通道242成90度角布置。每个通道242的延伸通过对应的入口246的开口端被塞子248盖住。

混合杆206可以不包括在混合杆周围的靠近材料入口240的O形环密封件，因为混合杆206不用于密封材料入口240的开口。相反，如下面进一步解释的，停止每个材料源244的一个或多个泵的操作(或移动)停止材料向混合室的流动，从而停止来自分配喷嘴230的混合材料的流动。替代地，混合杆206可以包括在混合杆206周围、靠近材料入口240的O形环密封件。

如图4A所示，每个材料源244和中心轴线202之间的距离表示为R_p。由于适于将材料从材料源244经由对应的通道242和材料入口240泵送到混合室204中的泵的占地面积或半径，长度R_p可以是材料源244可被放置为距混合杆206的最接近的允许距离。在位于R_p处的材料源244的中心轴线与材料入口240(如图4A所示)之间限定了拔模角θ。如图3所示，在中心轴线202与连接分配喷嘴230的末端和混合头下本体211的外边缘的线之间限定了轮廓角

现在将参考图2-5说明混合和分配头200的示例性操作，以及为了增加混合和分配操作的效率而对混合和分配头200的几何变量的选择。材料通过一个或多个通道242和材料入口240以计量方式主动泵入混合室204。计量流量允许在反应性物质之间(例如，流入混合室的两种或更多种反应材料)实现适当的化学计量。

在一个示例中，根据本公开的方法和设备混合和分配的材料包括两种或更多种反应性液体。两种或更多种反应性液体可以是进行反应的第一液体和第二液体。在该示例中，第一液体包括第一化合物，该第一化合物具有包括第一官能团的第一化学结构，第二液体包括第二化合物，该第二化合物具有包括第二官能团的第二化学结构，其中第一官能团与第二官能团是反应的。第一官能团和第二官能团可反应形成反应聚合物，例如环氧树脂，聚氨酯和酚醛树脂。

第一液体和第二液体可以以各种比例混合，这取决于液体中第一化合物和第二化合物的浓度以及第一化合物和第二化合物反应的化学计量。第一液体与第二液体的比例可以按容积从100：1到1：100，或从50：到1:50，或从10：1到1:10，或从5：1到1：5，或从2：1到1：2。在混合物中，第一官能团的初始摩尔当量与第二官能团的初始摩尔当量的比率可以在10：1至1：10、5：1至1：5或2：1至1：2之间变化。

第一液体和第二液体的化合物的第一官能团和第二官能团中的至少一个可以是饱和官能团。饱和官能团的示例包括羟基，硫醇基，伯胺基，仲胺基，环氧基或它们的任意组合。

在一个特定示例中，第一液体包含一种或多种单或多官能异氰酸酯化合物，第二液体包含第二化合物，该第二化合物包含与第一液体的一种或多种单或多官能异氰酸酯化合物反应的第二官能团。异氰酸酯化合物可以是在其化学结构中具有一个或多个异氰酸酯官能团的预聚物或单体。例如，异氰酸酯预聚物的数均分子量(number averagemolecular)可为约250道尔顿至约10,000道尔顿，或约500道尔顿至约7,500道尔顿。第二官能团可包含羟基，伯胺基，仲胺基或其任意组合。第二化合物可以是多元酸化合物，多元醇化合物，多元胺化合物或其任意组合。多元酸化合物可以是二酸化合物。多元醇化合物可以是二醇化合物。聚胺化合物可以是二胺化合物。在该特定示例中，当将第一液体和第二液体混合时，第一液体的异氰酸酯与第二液体的第二化合物反应，形成聚氨酯。作为混合第一液体和第二液体的反应产物的聚氨酯可以是热固性聚合物。替代地，作为混合第一液体和第二液体的反应产物的聚氨酯可以是热塑性聚合物。

除了第一和第二化合物之外，第一液体、第二液体或两者都可以包括溶剂、填充剂、交联剂、着色剂(例如颜料和染料)、增强剂(例如纤维和石墨烯)、紫外线吸收剂、加工助剂等。在一些示例中，第一液体，第二液体或两者可基本上不含有机溶剂。

在最初混合时，如在25℃下以0.1倒秒的剪切速率确定的，第一和第二液体的粘度约为5，000厘泊至5,000,000厘泊，从50,000厘泊至4,000,000厘泊，或从20,000厘泊至2,000,000厘泊。在混合之前，如在25℃下以1,000倒秒的剪切速率确定的，第一液体或第二液体或两者的粘度可以为50厘泊至50,000厘泊，或100厘泊至20,000厘泊，或200厘泊至10,000厘泊。可以使用间隙为1毫米至2毫米的流变仪(例如Anton Parr MCR 301或302流变仪)测量粘度。

第一和第二液体可以是如美国专利申请公开号US 2017/0355865中所述的液体。

可以选择一种或多种粘性反应性液体以产生鞋类的外底。在一实施例中，可将至少两种粘性的反应性液体泵入混合室中并在其中混合。在另一个实施例中，混合室可以包括三个材料入口240，并且可以经由三个材料入口240注入两种不同的反应性液体(例如，相同的第一材料通过三个材料入口中的两个材料入口，第二材料通过三个材料入口中的第三材料入口)。在一些实施例中，当将具有相同材料的两种液体分别注入混合室中时，这两种液体可以具有不同的颜色或材料特性(例如固化时间)。这样，可以获得期望的挤出材料的颜色，弹性等。例如，所述至少两种粘性的反应性液体可以包括三种或更多种粘性的反应性液体，其各自具有不同的颜色(例如，蓝色，红色和黄色；或者青色，黄色，品红色和黑色等)，它们可以以不同的比例混合以制作各种颜色(例如，色调和底纹，辅助颜色，第三色等)。可选地，当使用多于三个的单独的粘性反应性材料时，泵头可包括四个或更多个入口和/或可存在到混合室的四个或更多个材料入口。

用于使一种或多种反应性材料流入混合室的泵(例如图1所示的泵112)是容积泵。容积泵包括但不限于：活塞，腔泵和齿轮泵。另外，容积泵允许通过操作一个或多个泵的(一个或多个)驱动马达的操作来控制进入混合室的材料的流动。驱动马达的单个转对应于由泵分配的材料的特定容积。以这种方式，可以通过泵的编程运动来瞬时地控制混合的反应性材料的总量以及进入混合室并因此离开分配喷嘴的每种材料的相对比率。例如，为了停止将材料输送到混合室和从分配喷嘴排出，可以停止一个或多个泵。由于材料的流动是通过停止泵本身而停止的，因此无需移动混合杆(沿z轴在线性方向上)来密封通往混合室的材料入口，并且在某些情况下可能不需要混合杆周围的O环形密封件。

通过分配喷嘴230的材料沉积速率由泵流率设定，材料流的驱动力是泵处(例如，在材料源244处)的高压与分配喷嘴230处的大气压力之间的压力差。因为没有其他驱动力使材料从泵移动到分配喷嘴，所以希望从(一个或多个)材料源244到分配喷嘴230的直接的且畅通无阻的路径。通过将每个材料入口240放置在尽可能靠近高压轴承214的位置，可以实现更直接的路径。随着材料入口240和高压轴承214之间的该长度L₀减小，可以在该停滞区域中收集的材料的容积V_s减小(参见图5)。停滞容积V_s与代表材料入口240和轴承214之间的间隙的长度L_o以及混合杆206在材料入口240的区域中的半径R₁有关：

V_s＝πR₁ ²L_o (1)

长度L₀可以由位于R_p处的材料源与材料入口240处的通道242的端部之间的拔模角θ来确定。

R_pcos(θ)＝L_o (2)

长度R_p表示由于泵的占地面积或半径，材料源244可以被放置为距中心轴线202的最接近的允许距离。通过在通道中经由通道242的端部在流动路径中并入90度的弯角，将拔模角θ与R_p分离，该通道的端部包括用塞子248封盖的通孔。这样，L₀仅受轴承214和通道242之间最小距离的限制，这由机械要求决定。

在利用混合和分配头200进行混合和分配操作期间，来自一个或多个材料源244的一种或多种材料(在一些实施例中，至少两种材料)在进入混合室204时会合，在混合室204处混合杆206的旋转运动引入剪切力，该剪切力在混合室204内混合材料。混合杆表面(例如，混合杆206的外表面)在图中被描绘为平滑的；但是，产生层流或湍流的表面特征可分别用于改善高或低粘度材料的混合。在一个示例中，表面特征可包含各种表面处理，例如凹槽、突起和/或图案。对于图2-5所示的缸内缸(cylinder-in-cylinder)几何形状，材料所经历的混合程度与剪切力γ成比例，该剪切力是材料在混合室204内停留时间t_r期间由混合的旋转运动赋予的。混合杆206施加的剪切力是混合杆206的表面所行进的距离d与混合杆206与混合室壁210之间的间隙G之比：

γ＝d/G (3)

停留时间是通过材料入口240进入混合室204到通过分配喷嘴230离开混合室204之间的经过时间。因此，停留时间是混合室容积V_m与流率v(例如材料通过和流出混合和分配头的流率)之比：

t_r＝V_m/v (4)

在停留时间期间，混合杆206表面所行进的距离d是混合马达速度RPM和混合杆206的平均半径R_ave的乘积，其中R_ave是在混合室的整个长度上R₁和R₂的平均值：

d＝t_r*RPM*R_ave (5)

然后，可以将影响混合程度的变量的总和D_m捆绑为：

D_m＝γ＝(RPM*V_m*R_ave)/(v*G) (6)

这些变量的相互依赖性与混合室204的设计具有关键的关系，如下所述。

系统的死容积V_d是在操作期间被混合材料占据的(混合室204的)内部容积的一部分。通常有利的是，使死容积尽可能小，以使分配的材料的成分快速转变。这是因为，直到已经分配完一整个死容积的材料，混合成分的相对比率的变化才会到达分配喷嘴230。为了最大程度地进行混合，根据以下要求，死容积应完全由混合室组成：

V_m＝V_d (7)

因此，可能需要考虑死容积和混合程度之间的关系。即，如果减少死容积，则必须增加混合杆206的RPM和/或半径，或者必须减小流率和/或间隙长度，以维持期望的混合程度。可以通过马达的尺寸和功率消耗来对混合杆RPM施加实际限制，这取决于所用材料的粘度。同样，泵的尺寸和功率消耗对G设置了下限，因为间隙长度会影响获得给定流率所需的压力。影响死容积的另一个因素是混合的反应性物质的胶凝时间t_g。停留时间必须小于凝胶时间，以使反应性材料不会在混合室204内固化并阻塞分配器。从而：

t_r<t_g (8)

因此，凝胶时间对停留时间设置了上限，并因此对死容积与流速的比率设定了上限。下表总结了可用于减少死容积的变量以及与之相关的挑战：

一旦通过考虑每个相关因素选择了合适的死容积，就可以确定混合室204的几何形状。对于此处所述的同心混合设计，死容积是一个环形棱柱：

V_d＝(π(R_ave+G)²-πR² _ave)*L₂ (9)

有利的是最大化L₂，以使分配喷嘴230尽可能地远离混合和分配头200的混合部分延伸。这样的突出帮助分配喷嘴230用表面轮廓对基底进行导航。分配器能够容纳的最大轮廓角Ф是在中心轴线202和连接分配喷嘴230的末端与混合头下本体211的外边缘的线之间绘制的。

如上所述，混合室204具有高的长宽比形状，具有大的L₂和小的G和R_ave。对于流经具有给定容积的管道的液体，所需压力随管道的长宽比而增加。因此，需要高的压力才能使高粘度的液体流过该系统。任何系统的内部容积都是系统内压力的函数。对于液体泵，由于与移动液体有关的压力P，在操作期间这导致内部容积V_i膨胀。因此，泵顺应(compliance)C_v可以定义为泵的内部容积随流率的变化：

V_i＝V₀+C_vv (12)

每当泵提供的流率发生变化时，这都会导致虚拟流量或“顺应流量”v_c流入或流出泵：

v_c＝-v’C_v (13)

然后，来自分配喷嘴230的总流量v_t是泵流率v_p以及泵加速度的函数：

v_t＝v_p+v_c (14)

v_t＝v_p-v_p’C_v (15)

这给快速改变流率提出了挑战，例如在开始或停止沉积时。图6描绘了总流率604对泵流率602的阶跃变化的响应的曲线图600。总流率604需要时间来响应泵的变化。这会在流率增加时导致滞后或流量不足，或在流率减少时导致溢流或流量过大。顺应流率603也部分地显示在图表600的开始处。

本文所述的混合头通过利用混合杆206的活塞运动(例如，沿着中心轴线202的线性运动)来减轻滞后和溢流效应，以使系统的内部容积适于抵消由与液体流量相关联的压力导致的容积变化。图6示出了随着泵流率602和总流率604改变而改变混合杆的线性位置606的示例。以这种方式，对混合杆在混合室内的线性位置的调节补偿了变化的泵流率，从而减轻了溢流效应，并允许从分配喷嘴的单程(single pass)创建多尺度特征(例如，在喷嘴的单个移动线中的具有不同的大小或厚度的特征)。

系统的内部容积与混合杆206的线性位置x和在高压轴承214处混合杆206的半径R₁有关，如下所示：

V_i＝V₀+πR₁ ²x+C_vv (16)

为了保持内部容积恒定，即V_i＝V₀：

πR₁ ²x＝-C_vv (17)

因此，通过泵顺应，混合杆206的线性位置x与流率v直接相关，其可以通过校准来确定。因此，混合室204的内部容积的变化率与R₁直接相关；因此，通过较较大的混合杆半径(例如，较大的R₁和/或R₂)可以使V_i快速变化。但是，如前所述，混合杆206的平均直径较小是有利的。因此，混合杆设计为具有两个半径R₁和R₂。混合杆206在轴承214和锥部238之间的长度L₁确定了动态容积V_D，该动态容积V_D是通过混合杆206的运动可获得的内部容积的最大变化。动态容积取决于系统的最大流量v_max和泵顺应：

πR₁ ²L₁＝C_vv_max (18)

通过选择合适的动态容积和混合杆半径，可以进行快速调节以保持一致的内部容积，即使在流率快速变化的情况下也可以进行精确分配。

在可变流率下精确沉积和快速调节流率的功能优势是能够从混合和分配头的分配喷嘴的单程创建多尺度特征。典型地，通过挤压创建的结构是经由喷嘴的多个程的光栅图案来沉积的，每个程都沉积具有固定宽度的材料线。较大的特征由许多个程构成，而较小的特征由较少的程构成。因此，既包含大特征又包含小特征的结构需要非常细的线的多个程，这会导致整体速度降低。该方法的第二个缺点是结构的最终表面具有阶梯状或肋状外观。本文所述的混合和分配头，例如图2-5中所示的混合和分配头200，由于其实现材料流率的快速变化的独特能力，允许在分配喷嘴的单个程中挤出平滑的多尺度特征。具体地，本文描述的混合和分配头的结构和操作允许通过改变材料流率与(混合和分配头的)分配喷嘴的线性速度的比来改变挤出线(例如，从分配喷嘴分配并沉积到基底或沉积表面上的材料线)的宽度。当来自分配喷嘴的材料流率相对于分配喷嘴速度快时，材料会过度挤出，从而形成比喷嘴开口宽的线。相反，当来自分配喷嘴的材料流率相对于分配喷嘴速度较慢时，材料会欠挤出(under-extrudes)并且可以作为毛细管桥(capillary bridge)被抽出，从而形成比喷嘴开口细的线。在一个实施例中，本文所述的混合和分配头可以能够产生在分配喷嘴直径的0.1至4倍范围内的挤出线宽。

宽度可变的线涉及对材料输送系统(例如，图1所示的系统100)的多个轴的同时控制。存储在诸如图1所示的控制器118之类的控制器的存储器中的指令和/或程序用于将期望的线宽(根据上载到控制器的数字3D模型)链接到混合和分配系统的机架的轴线命令。例如，X的线宽对应于喷嘴线性速度S与泵流率v的比率(Y)：s/v＝Y。可能存在导致比率Y的相同值的无限的解。因此，控制器可以确定喷嘴线性速度S和泵流率v，该泵流率针对S和v二者的实际限制(例如，操作边界或范围)产生最快的打印速度。一旦选择了流率v，可以基于材料在混合室中的停留时间来调节混合杆的混合马达(例如，图1中所示的马达116)的速度(RPM)(例如，混合杆的旋转速度)，以便以混合马达上的最小应力实现最小程度的混合，同时热量产生最少。还可以调节分配喷嘴与基底(例如，沉积表面)之间的距离z，以便在挤出细线时保持喷嘴与基底之间的液体接触，并在挤出较粗线时避免将喷嘴嵌入液体中。距离z大致等于挤出线的直径。如前所述，基于流率调节混合杆在z方向上的线性位置，以保持：πR₁ ²x＝-C_vv。

可以针对期望的材料和应用至少部分地选择本文所述的混合和分配头的规格(例如，几何和操作参数)。作为一个示例，混合和分配头可以与粘性的反应性液体一起使用以产生鞋类的外底部件。如上所述，混合和分配头的规格是相互关联的。因此，流率(及其相关联的线性速度)的上下边界和每层沉积材料层的打印时间可以完全定义系统，如下表所述。例如，假设鞋类外底的设定平均容积(例如28400mm³)，材料沉积的平均表面积(例如14194mm²)，平均生产时间(例如16分钟)和挤出线宽度(例如1毫米)，可以确定流率的上下边界和每层打印时间(例如分别为14mL/min，1.8mL/min和1-8min)。混合和分配头的其余规格可以根据上述关系确定(请参见公式1-18)。对于用于制造鞋类外底部件的混合和分配头的一个示例，混合和分配头可能具有下表中定义的规格：

图7示出了用于经由混合和分配头系统来混合和分配一种或多种液体的方法700的流程图。在一个示例中，混合和分配头系统可以是图1的系统100，并且包括混合和分配头，例如图2-5中所示的混合和分配头200。在另一个示例中，混合和分配头可以是图1的混合和分配头1004，其适合于图8A-10的混合杆802。在一个示例中，混合和分配头可用于印刷结构，例如鞋类的外底部件。可以由混合和分配头系统的电子控制器(例如，图1中所示的控制器118)基于存储在控制器的存储器中的指令并结合上传至控制器的数据(例如3D计算机模型)和从系统的传感器/组件接收到的信号来执行用于执行方法700的指令，系统的传感器/组件例如一个或多个泵(例如，图1中所示的泵112)的流率传感器，一个或多个马达(例如，图1所述的机架104的马达和马达116)的速度传感器，以及混合和分配头的分配喷嘴的和机架的位置传感器。

方法700在702处通过接收用户输入和/或命令开始。作为一个示例，用户输入和/或命令可以包括来自一个或多个计算机模型(例如CAD模型)的数据，该数据已经被上传至并存储在控制器的存储器中。来自计算机模型的数据可以包括与要经由混合和分配头打印的期望结构相对应的多维数据。控制器可以产生位置命令(例如，x，y，z坐标)，以经由系统的机架的马达相对于基底或沉积表面移动混合和分配头，并从计算机模型数据中确定要从混合和分配头挤出(例如沉积)的结构的所需线宽。在替代实施例中，用户可以在控制器处手动或通过无线网络输入结构数据，例如期望的线宽和/或坐标，以创建期望的结构。

在704处，该方法包括确定将要经由混合和分配头产生的(结构的)期望的线宽以及分配喷嘴线性速度S与泵流率v的对应比Y。控制器可以通过在上传的计算机模型中查找数据来确定期望的线宽，其对应于将要从混合和分配头的沉积材料创建的挤出线的期望宽度。如以上所讨论的，期望的线宽可以在混合和分配头的单个结构和线(例如，程)内变化。在一示例中，期望的线宽可以在混合和分配头的分配喷嘴的喷嘴直径的0.1至4倍的范围内。如上所述，X的线宽可以对应于喷嘴线性速度S与泵流率v的比Y。在一个示例中，控制器可以在存储在控制器的存储器中的查找表中查找比Y，其中根据用户输入和/或上传的计算机模型确定的线宽X是该表的输入，并且Y是输出。在另一示例中，控制器可以基于作为所需线宽X的函数的逻辑规则对比Y进行逻辑确定。

在确定比率Y之后，该方法继续到706以基于所确定的比率Y选择泵流率v。可能存在对一个或多个材料泵的泵流率v和机架的马达的喷嘴线性速度S或适于调节混合和分配头(以及因此混合和分配头的分配喷嘴)的x，y和/或z位置的系统的实际限值(例如，上限和下限阈值或边界)。v和S的这些上限和下限阈值可以存储在控制器内存中，因此，控制器可以为泵流率选择在这些阈值内的值。在一个示例中，控制器可以针对比Y确定产生最快打印速度的泵流率，该泵流率适合v和S的上限和下限阈值。在一个示例中，控制器可以在查找表中查找泵速，该查找表可以基于v和S的上限和下限阈值以及最快的可能的打印速度凭经验确定，其中Y是输入，v是输出。在另一个示例中，控制器可以基于逻辑规则对泵流率v进行逻辑确定，该逻辑规则是比率Y以及v和S的上限和下限阈值的函数。控制器还可针对所确定的泵流率为每个材料泵(例如一个或多个泵)确定对应的泵命令。在一个实施例中，如果有两个或多个材料泵(将两种或多种材料泵入混合室)，则上述的泵流率v可以是来自混合和分配头的材料的总流率。因此，在706处，控制器可以确定两个或更多个泵的单独的泵流率以实现总流率v，然后确定两个或更多个泵的对应的泵命令。

该方法继续进行到708，以设定和/或调节混合马达(例如，图1中所示的马达116)的转速，并且因此设定和/或调节由混合马达驱动的混合杆的转速RPM。在一个示例中，控制器可基于材料在混合室中的停留时间(例如，经由一个或多个泵注入到混合室中的材料)确定混合马达的转速，以便以混合马达上的最小应力实现最小的混合程度，同时产生热力最少。材料在混合室中的停留时间可以基于所使用的一种或多种材料而改变，并且可以由用户输入到控制器和/或包括在上传到控制器的数据中。在一个示例中，控制器可以使用存储在控制器存储器中的查找表来查找混合马达的旋转速度，其中以材料停留时间作为输入并且以旋转速度作为输出，然后将马达的转速设定为确定的转速值。

在710处，该方法包括调节混合和分配头相对于基底(例如，图1所示的沉积表面108)的位置，包括混合和分配头的x，y和/或z位置(参见图1-5中的坐标轴线120)。例如，控制器可基于上传到控制器存储器的计算机模型的数据确定混合和分配头的x，y和/或z位置，然后将命令(例如，电信号)发送到直接联接到混合和分配头或混合和分配头的机架的一个或多个马达，以将混合和分配头移动到确定的位置。混合和分配头的z位置可以包括分配喷嘴和基底(例如，沉积表面)之间的距离Z。可以在混合和分配操作期间调节距离Z，以便在挤出细线时保持分配喷嘴与基底之间的液体接触，并且在挤出粗线时避免将喷嘴嵌入液体中。例如，控制器可以确定距离Z大致等于挤出线的期望直径(例如宽度)，如在704处确定的。在一些示例中，控制器可以为混合和分配头的所确定的x，y和z位置确定单独的(例如，三个)命令。在替代示例中，控制器可以产生与混合和分配头的最终的x，y，z位置相对应的一个命令，并将该命令发送到适于移动混合和分配头的马达的致动器。

该方法继续到712，以将混合和分配头的混合杆(例如，图2-5中所示的混合杆206)调节到完全伸出位置，以开始混合和分配操作并打印期望的结构。在一个示例中，在712处的方法可以包括：控制器向混合杆的马达发送命令以至少沿着图1-5所示的z轴将混合杆线性地移动到完全伸出位置(如上所述)，其中混合杆的远端布置成与混合和分配头的分配喷嘴相邻。完全伸出位置可以是混合杆的这样的线性位置，其中混合杆最靠近分配喷嘴的端部。

在714处，该方法包括使一种或多种液体(例如，材料)从泵(每种材料一个泵)流动，并以确定的流速(如在706处确定)通过对应的入口通道和材料入口进入混合和分配头的混合室，同时以确定的旋转速度(如在708处确定)旋转混合杆以在混合室内混合一种或多种液体。在714处使一种或多种液体流动可包括控制器基于来自分配喷嘴的材料的期望总流率而将单独的泵命令(如在706处所确定的)发送到一个或多个泵。所确定的泵命令可以是流量或流率命令。另外，旋转混合杆可包括，在将确定的泵命令发送到一个或多个泵的致动器的同时，将马达命令发送到联接到混合杆的马达，以使混合杆以确定的转速旋转。

该方法继续到716，以通过混合和分配头的分配喷嘴从混合室分配一种或多种液体的经混合的混合物。在716处的方法可以与在714处的方法同时和/或连续地发生。在718处，该方法包括在混合和分配操作期间(例如，在714和716处的方法期间)，调节混合杆的线性位置L(或x位置，如上述等式中所使用)，以基于泵流率v调节混合室的内部容积。在一个示例中，在716处的方法可以包括控制器基于一个或多个材料泵的泵命令的变化而确定混合杆在图1-5所示的z轴方向上(例如，在相对于重力和用于沉积的基底的方向上)的线性位置。例如，在一个示例中，控制器可以基于逻辑规则对混合杆的线性位置L进行逻辑确定，该逻辑规则是每个泵的每个泵命令的变化之和乘以增益值的函数。在另一示例中，控制器可以在存储在控制器的存储器中的查找表中查找混合杆的线性位置L，其中，一个或多个泵的泵命令的变化是输入，而L是输出。

该方法继续到720以基于所需的挤出线宽X的变化以及上传的计算机模型的其他数据连续地调节泵流率(例如，一个或多个材料泵的泵命令)，混合杆马达的转速，混合和分配头的位置(例如，x、y和/或z位置)，和/或混合杆的线性位置L。如上所述，方法在720处可以包括连续重复在704-718处的方法。例如，可以基于泵命令的变化来连续地调节混合杆的线性位置L。以这种方式，在混合和分配头以期望的线性速度移动的同时，材料可以继续以总的期望流率从分配喷嘴流出，以产生具有期望的宽度和/或图案的挤出线。这种连续的调节过程可以使精细的细节和更精确的结构以更快的速度打印。

在722处，该方法包括将混合杆的线性位置调节至完全缩回位置(例如，如图4A中的虚线250所示)，以及响应于停止从混合和分配头的分配喷嘴分配混合物的请求而停止一个或多个材料泵。例如，当一个材料线完成时(如根据要创建的结构的上传计算机模型的数据确定)，控制器可以向泵发送命令以停止将材料流入混合室，同时向混合杆的马达发送命令，以将混合杆线性运动到缩回位置并远离分配喷嘴的端部。使混合杆缩回的这种动作可能经由向上抽吸运动而破坏分配材料的毛细管桥，该抽吸运动是通过向上缩回混合杆并远离分配喷嘴而产生的。结果，混合和分配头可能停止分配材料，并且多余的材料可以不会沉积在基底上。此外，如上所述，通过利用能够线性向上移动的混合杆和能够停止材料流动的容积泵，在混合杆和混合室和材料通道之间的密封系统是不必要的。例如，可以从混合和分配头系统中排除混合杆和混合室之间的密封O形圈。这样，混合杆的线性运动可以仅在混合和分配操作期间执行(并开始/停止混合和分配操作)，并且在系统的非操作(例如，不进行混合和分配)期间不用于将混合室从材料源密封。

这样，通过利用具有本文所述的几何规格的混合和分配头系统，该混合和分配头系统适于产生可变的流率并随着泵流率变化来调节混合室的内部容积(经由混合杆的线性运动，同时混合杆也旋转以用于混合)，混合材料的流率可更迅速地变化，从而提供通过混合和分配头的单个程(例如移动线)创建具有不同宽度(以及更多细节)的多尺度特征的能力。与需要多个程以创建具有变化线宽的结构的系统相比，这可以导致以更快的速度以更高的精度创建期望的结构。本文所述的混合和分配头还可以产生更平滑的特征(没有阶梯状或肋状外观)。因此，在利用多维打印设备的混合和分配头进行混合和分配操作期间，基于打印设备的操作条件，至少沿着混合室的中心轴线调节位于混合与分配头的混合室中的混合杆的线性运动的技术效果是，可以在更短的时间内更精确地创建平滑、多尺度特征。

本领域技术人员将进一步认识到，尽管已经参考几个实施例以示例的方式描述了本发明，但是本发明不限于所公开的实施例，并且在不脱离本发明的如所附权利要求书中所定义范围的情况下可以构造替代实施例。

以下权利要求特别指出了被认为是新颖且非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可以指代“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这样的权利要求应理解为包括一个或多个这样的元件的结合，既不要求也不排除两个或多个这样的元件。可以通过修改本权利要求或通过在本申请或相关申请中提出新权利要求来主张所公开的特征，功能，元件和/或特性的其他组合和子组合。这样的权利要求，无论是在范围上与原始权利要求相比更宽，更窄，相同或不同，也被认为包括在本公开的主题内。

Claims

1.一种方法，包括：

在利用多维打印设备的混合和分配头进行混合和分配操作期间，基于打印设备的操作条件，至少沿着混合室的中心轴线调节定位于混合与分配头的混合室中的混合杆的线性运动。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

调节所述混合杆的线性运动包括沿着所述中心轴线相对于所述混合室连续地调节所述混合杆的线性位置，并且其中，连续地调节所述混合杆的线性位置包括在完全伸出的第一位置和缩回的第二位置之间在沿所述中心轴线的两个方向上连续地向上和向下移动所述混合杆，在所述第一位置中，所述混合杆的远端被布置为与所述混合和分配头的分配喷嘴相邻，在所述第二位置中，所述远端远离所述分配喷嘴向内移动一阈值距离。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括在混合和分配操作期间，并在基于打印设备的操作条件调节所述混合杆的线性运动的同时，在所述混合室内混合一种或多种液体并经由在所述混合室的一端布置的分配喷嘴分配一种或多种经混合的液体。

4.根据权利要求1所述的方法，在所述混合室处接收至少两种分离的反应性液体，并经由所述混合杆的旋转运动在所述混合室内混合这至少两种反应性液体，并且其中在混合室处接收至少两种反应性液体包括经由至少两个对应的材料入口在混合室处接收至少两种反应性液体，所述材料入口定位于混合室的外壁中，在所述中心轴线的方向上在距离所述混合杆的高压轴承的阈值距离内的竖直位置处。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括在使所述混合杆围绕中心轴线连续旋转以在所述混合室内混合一种或多种液体的同时调节所述混合杆的线性运动。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括使所述一种或多种液体通过一个或多个容积泵流入所述混合室中，并且其中，打印设备的操作条件是在使所述一种或多种液体经由所述一个或多个泵流入所述混合室期间的所述一个或多个容积泵的速度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，调节混合杆的线性运动包括，基于使第一液体流入混合室的第一泵的速度的第一变化和使第二液体流入混合室的第二泵的速度的第二变化，沿着中心轴线相对于混合室连续地调节混合杆的线性位置。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括通过停止流体地联接到所述混合室的一个或多个泵，停止从所述混合和分配头分配混合液体，并且其中停止分配混合液体还包括使所述混合杆向上线性移动并远离所述混合和分配头的分配喷嘴。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括在混合和分配操作期间且在调节所述混合杆的线性和旋转运动的同时，经由打印设备的机架来调节所述混合和分配头相对于沉积表面的位置。

10.一种用于增材制造的混合和分配头，包括：

混合室，包括设置在混合室壁中的至少一个材料入口；和

混合杆，定位于混合室内，并适于在用混合和分配头进行混合和分配期间绕中心轴线旋转并沿中心轴线性移动。

11.根据权利要求10所述的混合和分配头，其中，混合室是环形的，并且形成在将混合杆的外壁和混合室壁分开的空间中，并且其中，混合室的内部容积随着混合杆沿着中心轴线相对于混合室的线性位置变化而被调节，并且其中，在混合杆和混合室之间没有O形环密封件。

12.根据权利要求10所述的混合和分配头，其中，所述混合杆具有伸出的第一位置和缩回的第二位置，在所述第一位置处，所述混合杆的远端定位为邻近位于所述混合和分配头的端部处的分配喷嘴，在所述第二位置处，所述混合杆的远端远离所述分配喷嘴向内移动，并且其中，所述混合杆适于线性运动到包括所述第一位置与所述第二位置及在所述第一位置与所述第二位置之间的多个位置中。

13.根据权利要求12所述的混合和分配头，还包括联接到所述混合杆的近端的马达，所述混合杆的近端与所述混合杆的远端相反，所述马达适于使所述混合杆绕所述中心轴线旋转，并同时使所述混合杆沿着所述中心轴线在两个方向上运动。

14.根据权利要求10所述的混合和分配头，还包括控制器，所述控制器具有存储在非暂时性存储器中的计算机可读指令，在所述混合和分配头的操作期间执行所述计算机可读指令时，使得所述控制器：基于泵的泵速，沿着所述中心轴线调节所述混合杆的线性位置，所述泵经由至少一个材料入口将至少一种物料泵入所述混合室中。

15.根据权利要求10所述的混合和分配头，其中，所述混合杆和所述混合室具有锥形形状，其中在所述混合和分配头的顶部部分中，所述混合杆具有较大的第一半径，并且所述混合室具有较大的第一外直径，在所述混合和分配头的底部部分中，所述底部部分相比于所述顶部部分更靠近分配喷嘴布置，所述混合杆具有较小的第二半径，并且所述混合室具有较小的第二外直径。

16.根据权利要求10所述的混合和分配头，其中，所述混合杆具有从所述混合杆的外表面朝向所述中心轴线向内延伸的多个半圆形切口，所述多个半圆形切口被设置为彼此交错并沿所述混合杆的相对侧交替，并且其中，所述混合杆具有沿着所述混合杆的底部部分的长度延伸且形成所述混合杆的平坦侧表面的一组直切口，所述平坦侧表面沿着所述中心轴线与所述多个半圆形切口偏离。

17.根据权利要求10所述的混合和分配头，其中，所述混合室具有由沿所述中心轴线的方向的长度限定的相对高的长宽比形状，该长度大于所述混合杆的外壁与混合室壁之间的间隙并且大于所述混合室的平均外直径，其中所述平均外直径是所述第一外直径和所述第二外直径的平均值。

18.一种系统，包括：

混合和分配头，包括：

混合室，包括至少一个材料入口；和

混合杆，定位在所述混合室中并适于沿着中心轴线旋转和线性移动；

第一泵，联接到所述至少一个材料入口中的第一材料入口；和

控制器，具有存储在非暂时性存储器中的计算机可读指令，所述计算机可读指令在所述混合和分配头的操作期间被执行，导致所述控制器：

沿所述中心轴线线性地移动所述混合杆至基于所述第一泵的第一操作量确定的线性位置，并同时使所述混合杆绕所述中心轴线旋转。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，指令还导致所述控制器调节所述混合杆的旋转速度。

20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述至少一个材料入口被设置在混合室壁中，相对于平行于所述中心轴线的竖直方向在位于围绕所述混合室形成的、所述混合杆的高压轴承下方的竖直位置处。