用于移動增材制造的方法和設備的制造方法
【專利說明】用于移動增材制造的方法和設備
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]該申請要求于2014年6月20日提交并題為“用于移動增材制造的方法和設備(METHODS AND APPARATUS FOR MOBILE ADDITIVE MANUFACTURING) ” 的美國非臨時專利申請S/N 14/310，443的優(yōu)先權(quán)。該申請還要求作為非臨時轉(zhuǎn)換于2013年6月23日提交的美國臨時申請S/N 61/838,302的優(yōu)先權(quán)。該申請要求于2014年6月20日提交并題為“用于高級結(jié)構(gòu)和道路的移動增材制造的方法和設備(METHODS AND APPARATUS FOR MOBILEADDITIVE MANUFACTURING OF ADVANCED STRUCTURES AND ROADWAYS) ”的美國非臨時專利申請S/N 14/310，556的優(yōu)先權(quán)。
發(fā)明領域
[0003]本公開涉及支持移動增材材料處理的方法和設備。機器人和人類控制的移動性可與增材制造技術組合，所述增材制造技術“打印”材料或經(jīng)過相當長的距離將材料附加地遞送到具體位置。方法和設備可應用于高級建筑結(jié)構(gòu)和道路的制造。
[0004]發(fā)明背景
[0005]用于材料制造的一類已知的方法可被分類為增材制造?？梢砸栽诳臻g中的目標位置中在材料中沉積或鎖定的方式處理各種形式的材料，包括固體形式、粉末形式、凝膠形式、氣體形式或液體形式。
[0006]許多技術可用于執(zhí)行增材制造。在擠出工藝中，通過可在工作區(qū)上方移動的擠出頭控制為導線或細絲形式的材料。多個擠出頭和擠出材料的使用可允許形成永久的和暫時的結(jié)構(gòu)。通過在層中或在區(qū)域中構(gòu)建擠出的材料，可在三個維度中形成復雜形狀。然而，該技術受到工作空間大小的限制一所述頭或多個頭在平面的兩個維度中移動的能力，并且還受到所述頭相對于平面支撐結(jié)構(gòu)垂直移動的能力的大小的限制?？纱嬖陉P于該形式的增材制造的許多變型。
[0007]—類不同的增材制造可被分類為立體平板印刷。在該類中，光源或熱源用于在空間中轉(zhuǎn)化材料。在一些立體平板印刷實現(xiàn)中，工作支撐平面被浸沒在光活性或熱活性液體中，并且激光或其他光源或熱源在支撐結(jié)構(gòu)和液體的頂部水平面之間的液體的薄表面層上進行光柵化。通過將支撐結(jié)構(gòu)向下平移一層深入到液體中，液體的流態(tài)性質(zhì)在工作表面或先前處理過的層的上方重新形成新的未反應材料的薄層。
[0008]立體平板印刷的版本還可與粉末形成的起始材料一起作用。粉末可被成形為薄層并然后在空間上被限定。激光可用于將所述層的部分轉(zhuǎn)化為固化材料。在其他示例中，例如，諸如電子束的其他能量源可用于轉(zhuǎn)化粉末?？赏ㄟ^這些處理技術將包括金屬、絕緣體和塑料的各種材料成形為三維形狀。
[0009]當打印頭用于使材料在粉末上沉積時，出現(xiàn)不同類型的處理。沉積物可與粉末進行化學反應，或者可以是粘合劑，其將粉末固結(jié)到粘合位置中。高分辨率打印技術的普及可使得該類型的增材制造工藝為成本有效的。
[0010]所述領域通過被實踐幾十年的增材制造的版本建立，并隨著被快速定義的新技術和材料浮現(xiàn)。所述技術可當前受到可被生產(chǎn)的對象的維度的限制。相應地，可期望的是可允許增材制造技術和設備獨立移動的開發(fā)方法和設備。
[0011]發(fā)明概述
[0012]相應地，本公開提供用于允許移動增材制造的方法和設備的描述。在一些示例中，移動增材制造設備可以以獨立方式或自動化方式起作用。執(zhí)行移動增材制造的設備可被稱為Addibot (增材機器人)。
[0013]增材制造設備的重要特征可在于以數(shù)字模型驅(qū)動的受控方式將材料添加到產(chǎn)品，所述數(shù)字模型駐留在控制器中。通過增材制造設備的處理，數(shù)字表示可被轉(zhuǎn)變?yōu)榉胖迷谌S空間中的材料的物理近似。
[0014]相應地，在該公開中所公開的一些示例中，可被稱為Addibot的移動增材制造設備可經(jīng)配置包括驅(qū)動系統(tǒng)，其可操作以沿表面移動該設備。在一些示例中，Addibot可在沒有物理系繩的情況下起作用。另外，Addibot可包括導航系統(tǒng)，除其他功能以外，其可確定Addibot的當前位置和當Addibot被促使移動時其將行進的或者其在移動時正在行進的當前方位或方向。
[0015]Addibot可附加地包括能夠執(zhí)行代碼的控制器，所述代碼可執(zhí)行算法功能。在一些示例中，該種控制器還可被分類為算法處理器。控制器還可將控制信號提供給Addibot的其他元件。Addibot可附加地包括增材制造系統(tǒng)，增材制造系統(tǒng)在Addibot在其處理期間在其上或者將移動到的整個表面上的規(guī)定位置中沉積材料或材料的組合。增材制造系統(tǒng)可基于數(shù)字模型將材料添加到表面，所述數(shù)字模型可在可位于Addibot中的一個或多個控制器中被處理。數(shù)字模型的來源可在Addibot的外部被確定，或者可選地可由Addibot的感測或其他處理確定，或者可以是結(jié)合與Addibot內(nèi)的感測設備相關的數(shù)據(jù)和外部模型定義的組合?？赏ㄟ^電力系統(tǒng)對Addibot所具有的系統(tǒng)供電，所述電力系統(tǒng)能夠提供功率以操作Addibot的至少驅(qū)動系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和增材制造系統(tǒng)。在一些示例中，多個電力系統(tǒng)可存在于Addibot中。
[0016]Addibot的增材制造系統(tǒng)可包括能夠以受控方式基于數(shù)字模型添加材料的許多不同的類型和定義。在一些示例中，增材制造系統(tǒng)可包括三維(“3D”)打印頭。打印頭可以以許多標準方式將材料添加到表面，包括通過打印頭擠出材料擠出或者以液體或溶劑化物的形式的材料的噴射。在一些示例中，3d打印頭或三維打印頭可包括大量噴嘴，其響應于被提供到噴嘴的電子控制信號單獨地噴射液體形式微滴。在一些示例中，可由3d打印頭處理的液體可包括水、水或水溶液、烴基溶劑、無機溶劑或乳濁液中的一種或多種，所述乳濁液為水、烴基溶劑或基于無機的溶劑中的兩種或更多種的組合。溶液可包括在水、烴基溶劑或基于無機的溶劑中的一種或多種中成溶劑化物的材料。
[0017]在另一個方面中，時間維度可被包括，其中以下項中的一個或兩個被控制以便獲得所需結(jié)果:a)指定的擠出速率以及b)指定的擠出順序。實施例可相應地包括時間與距離的比率以及擠出速率。
[0018]在一些示例中，Addibot還可包括視覺系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)是可以操作的以創(chuàng)建表面在鄰近移動增材制造設備的區(qū)域中的拓撲結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型。視覺系統(tǒng)可在Addibot上或Addibot內(nèi)操作，并使用多種檢測方案以用于分析表面并創(chuàng)建表面的模型，檢測方案包括基于光或激光的成像技術或者基于其他電磁輻射的成像，包括紅外線、紫外線或其他電磁輻射源。在一些示例中，視覺系統(tǒng)可利用基于聲音的輻射，以創(chuàng)建可包括Addibot的區(qū)域中的表面的其周圍事物的數(shù)字模型。在其他示例中，Addibot可部署物理傳感器，以確定視覺系統(tǒng)所研究的區(qū)域中的表面的拓撲結(jié)構(gòu)。位于Addibot內(nèi)的控制器可初始化視覺系統(tǒng)的操作，并且可響應于視覺系統(tǒng)執(zhí)行的計量接收信號。在其他示例中，Addibot可與例如位于Addibot自身的外部或者位于另一個Addibot上的視覺系統(tǒng)通信。
[0019]在一些示例中，Addibot還可包括材料儲存系統(tǒng)，其能夠儲存將被供應到增材制造系統(tǒng)的至少第一材料。所儲存的材料可包括固體、粉末、凝膠、液體或氣體，提到了一些非限制性示例。在一些示例中，材料可以是導線形式或者在一些示例中可作為由增材制造系統(tǒng)放置的物理固體實體存在。材料儲存系統(tǒng)可通過控制環(huán)境條件維持材料的儲存條件?？杀豢刂频臈l件可包括材料的溫度或壓力中的一個或多個。
[0020]在一些示例中，Addibot還可包括表面準備系統(tǒng)。表面準備系統(tǒng)可能夠從在增材制造設備前面的區(qū)域中的表面區(qū)域除去片狀表面材料、灰塵、塵土和碎片中的一個或多個。由于Addibot可移動，或者當Addibot固定時，Addibot內(nèi)的增材制造系統(tǒng)可在一定方向中移動，因此表面準備系統(tǒng)是可以操作的以處理增材制造系統(tǒng)靠自己或者受Addibot的驅(qū)動系統(tǒng)控制可移動到的表面的區(qū)域。
[0021]在一些示例中，Addibot還可包括通信系統(tǒng)，其可能夠向移動增材制造設備的外部傳輸信號。在一些示例中，用戶可在將控制信號或多個控制信號傳輸給Addibot時使用Addibot外部的通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)還可能夠接收源于移動增材制造設備外部的信號。在一些示例中，作為非限制性示例，被傳輸或接收的信號可包括無線電頻率信號、紅外信號、光學信號或基于聲音的信號或發(fā)射中的一個或多個。在一些示例中，通信系統(tǒng)可起作用以感測移動增材制造設備的環(huán)境。除了信號傳輸功能之外，可進行感測。在一些示例中，Addibot內(nèi)可存在多個通信系統(tǒng)和/或感測系統(tǒng)。
[0022]在一些示例中，Addibot的電力系統(tǒng)可包括電池。
[0023]在一些示例中，Addibot的電力系統(tǒng)可包括內(nèi)燃機或其他類型的發(fā)動機。
[0024]在一些示例中，Addibot的電力系統(tǒng)可包括可連接到電源的電線，所述電源可駐留在還可被稱為移動增材制造設備的Addibot的外部。
[0025]可存在涉及移動增材制造設備的許多方法。在一些示例中，用戶可將信號傳輸?shù)紸ddibot，其可包括已經(jīng)描述的設備示例的類型中的任一種。傳輸?shù)男盘柨墒笰ddibot接下來利用Addibot的系統(tǒng)在表面上沉積材料的第一層。Addibot可繼續(xù)響應于初始信號從第一位置移動到第二位置或不同的位置。在移動之后，Addibot可進一步繼續(xù)響應于初始信號沉積材料的第二層。構(gòu)成的材料的第一層和材料的第二層可在成分方面或諸如厚度的物理外觀不同，或者除了其是位于第二位置的方面外可以是相同的。
[0026]在一些示例中，方法可附加地包括在空間坐標系統(tǒng)中為可被稱為Addibot的用于移動增材制造的設備定向的步驟。
[0027]在一些示例中，方法可附加地包括執(zhí)行計量過程以便測量表面的區(qū)域的拓撲結(jié)構(gòu)的步驟。該區(qū)域可通常在鄰近Addibot的區(qū)域中或者在Addibot將移動到的區(qū)域中。在一些示例中，方法中的附加步驟可包括處理計量過程的結(jié)果，并使用處理結(jié)果以控制Addibot的增材制造系統(tǒng)。
[0028]在一些示例中，涉及通過Addibot處理的方法可包括沉積層的步驟，在該層中材料包括水。在這些示例的一些中，其上被沉積材料的表面可由水組成。在這些示例的一些中，由水組成的表面可以是其中水處于固體形式的表面，所述固體形式可以是水冰。
[0029]一個或多個計算機的系統(tǒng)可經(jīng)配置憑借具有安裝在系統(tǒng)上的軟件、固件、硬件或它們的組合執(zhí)行特定操作或動作，所述軟件、固件、硬件或它們的組合在操作時使系統(tǒng)執(zhí)行動作。一個或多個計算機程序可經(jīng)配置憑借包括指令執(zhí)行特定操作或動作，當通過數(shù)據(jù)處理設備執(zhí)行時，所述指令使設備執(zhí)行動作。一個一般的方面包括移動增材制造設備，其包括:可操作以沿表面移動設備的驅(qū)動系統(tǒng)；確定位置和方位的導航系統(tǒng)；能夠執(zhí)行算法并提供控制信號的控制器；根據(jù)由控制器處理的數(shù)字模型，在整個表面的規(guī)定位置中沉積材料或材料的組合的增材制造系統(tǒng)；以及能夠提供功率以操作至少驅(qū)動系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和增材制造系統(tǒng)的電力系統(tǒng)。該方面的其他實施例包括對應的計算機系統(tǒng)、設備以及在一個或多個計算機存儲裝置上記錄的計算機程序，每個計算機程序經(jīng)配置執(zhí)行方法的動作。
[0030]實現(xiàn)可包括以下特征中的一個或多個。設備可包括示例，其中:增材制造系統(tǒng)包括3d打印頭。設備可包括示例，其中:3d打印頭包括大量噴嘴，其響應于被提供到噴嘴的電子控制信號單獨地噴射液體形式微滴。設備可包括示例，其中:液體包括水、水溶液、烴基溶劑或乳濁液中的一種或多種，所述乳濁液包括水或烴基溶劑。設備附加地包括:創(chuàng)建在鄰近移動增材制造設備的區(qū)域中的表面的拓撲結(jié)構(gòu)的模型的視覺系統(tǒng)。設備可包括示例，其中:控制器將控制信號提供到視覺系統(tǒng)以初始化其操作，并響應于計量處理而接收電信號。設備附加地包括:能夠儲存將被供應到增材制造系統(tǒng)的至少第一材料的材料儲存系統(tǒng)。設備可包括示例，其中:材料儲存系統(tǒng)通過控制溫度和壓力中的一個或多個維持儲存條件。設備附加地包括:能夠從在增材制造系統(tǒng)前面的表面區(qū)域除去片狀表面材料、灰塵、塵土和碎片中的一個或多個的表面準備系統(tǒng)。設備附加地包括:能夠向移動增材制造設備的外部傳輸信號并接收源自移動增材制造設備外部的信號的通信系統(tǒng)。設備可包括示例，其中:傳輸?shù)男盘柊o線電頻率、紅外、光學或基于聲音的發(fā)射中的一種或多種。設備可包括示例，其中:通信系統(tǒng)可起作用以接收關于移動增材制造設備的環(huán)境的信息。設備可包括其中電力系統(tǒng)包括電池的示例。設備可包括其中電力系統(tǒng)包括內(nèi)燃機的示例。設備可包括其中電力系統(tǒng)包括連接到移動增材制造設備外部的電源的電線的示例。方法附加地包括:在空間坐標系統(tǒng)中為設備定向。方法附加地包括:執(zhí)行計量過程以測量表面的區(qū)域的拓撲結(jié)構(gòu)。方法附加地包括:通過算法處理計量過程的結(jié)果，以及基于通過算法處理計量過程的結(jié)果的結(jié)果而控制增材制造系統(tǒng)。所描述的技術的實現(xiàn)可包括硬件、方法或過程、或者計算機可訪問介質(zhì)上的計算機軟件。
[0031]一個一般的方面包括用于處理表面的方法，包括:將控制信號傳輸?shù)皆O備，其中設備包括:可操作以沿表面移動設備的驅(qū)動系統(tǒng)；確定位置和方位的導航系統(tǒng)；能夠執(zhí)行算法并提供控制信號的控制器；根據(jù)被控制器處理的數(shù)字模型，在整個表面的規(guī)定位置中沉積材料或材料的組合的增材制造系統(tǒng)。方法還包括電力系統(tǒng)能夠提供功率以操作至少驅(qū)動系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和增材制造系統(tǒng)。方法還包括利用設備在表面上沉積材料的第一層。方法還包括將設備移動到不同位置。方法還包括在表面的不同位置上沉積材料的第二層。該方面的其他實施例包括對應的計算機系統(tǒng)、設備以及在一個或多個計算機存儲裝置上記錄的計算機程序，每個計算機程序經(jīng)配置執(zhí)行方法的動作。
[0032]實現(xiàn)可包括以下特征中的一個或多個。方法附加地可包括在空間坐標系統(tǒng)中為設備定向。方法可附加地包括執(zhí)行計量過程，以測量表面的區(qū)域的拓撲結(jié)構(gòu)。方法可附加地包括:通過算法處理計量過程的結(jié)果，以及基于通過算法處理計量過程的結(jié)果的結(jié)果來控制增材制造系統(tǒng)。所描述的技術的實現(xiàn)可包括硬件、方法或過程或者計算機可訪問介質(zhì)上的計算機軟件。
[0033]實現(xiàn)可包括以下特征中的一個或多個。方法附加地可包括提供支撐表面，其中支撐表面對在所選擇的光譜區(qū)域中的光透明。方法可附加地包括基于數(shù)字模型以及Addibot的導航系統(tǒng)在它們的環(huán)境中利用導航信號的通信，將Addibot定向到給定位置。在一些示例中，Addibot可檢測位于支撐表面上的位置信息，Addibot架(ride)在所述支撐表面上。方法可附加地包括通過Addibot的光產(chǎn)生部件的動作照射表面下方的材料。在一些示例中，光產(chǎn)生部件可發(fā)射激光輻射。在其他示例中，所產(chǎn)生的光可以是來自其他源的集中強光。在一些示例中，支撐表面下方的工作產(chǎn)品可位于材料層的下方。材料可包括液體形式或粉末形式的材料，其在利用具有選擇的光譜特征的光照射之后可改變化學或物理特征。在一些示例中，在材料層上接收輻射之后，下一個動作可包括使工作產(chǎn)品下降以產(chǎn)生形成另一材料層的能力。
[0034]在一些示例中，可通過一次用于一層的模塑圖案的放置形成壁。此后，可在以模塑圖案形狀形成的沉積物內(nèi)填充材料，以形成固化形式?？梢砸耘c填充模塑材料的沉積物一致的形式處理的材料可被視為固化材料，其中可然后通過材料自身的內(nèi)部反應或者通過外部力或相互作用固化材料。水泥、瀝青和聚合物前驅(qū)體可包括固化材料的一些示例。在一些示例中，模塑圖案可具有在它們內(nèi)的內(nèi)部封閉形狀，并且當在由該模塑圖案形成的沉積物內(nèi)填充材料時，不能填充這些內(nèi)部封閉形狀。在一些其他示例中，可通過在將材料填充到模塑圖案之前，逐層提升Addibot來形成許多模塑材料的層。
[0035]在一些示例中，模塑圖案可具有被限定的許多內(nèi)部區(qū)域?？赏ㄟ^材料填充內(nèi)部區(qū)域中的一些，以形成壁式結(jié)構(gòu)。其他內(nèi)部區(qū)域可不被填充，或者可用諸如電線(作為非限制性示例)的其他材料填充。在一些示例中，模塑圖案可用于創(chuàng)建新穎和高級的道路。多個圖案可形成單層結(jié)構(gòu)，其可形成鞏固道路的特征。在其他示例中，腔室或通道可被成形到模塑材料中，通過腔室或通道可放置導線或其他形式的導電材料。