用于移动增材制造的方法和设备的制造方法

用于移动增材制造的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于移动增材制造的方法和设备
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]该申请要求于2014年6月20日提交并题为“用于移动增材制造的方法和设备(METHODS AND APPARATUS FOR MOBILE ADDITIVE MANUFACTURING) ” 的美国非临时专利申请S/N 14/310，443的优先权。该申请还要求作为非临时转换于2013年6月23日提交的美国临时申请S/N 61/838,302的优先权。该申请要求于2014年6月20日提交并题为“用于高级结构和道路的移动增材制造的方法和设备(METHODS AND APPARATUS FOR MOBILEADDITIVE MANUFACTURING OF ADVANCED STRUCTURES AND ROADWAYS) ”的美国非临时专利申请S/N 14/310，556的优先权。
发明领域
[0003]本公开涉及支持移动增材材料处理的方法和设备。机器人和人类控制的移动性可与增材制造技术组合，所述增材制造技术“打印”材料或经过相当长的距离将材料附加地递送到具体位置。方法和设备可应用于高级建筑结构和道路的制造。
[0004]发明背景
[0005]用于材料制造的一类已知的方法可被分类为增材制造。可以以在空间中的目标位置中在材料中沉积或锁定的方式处理各种形式的材料，包括固体形式、粉末形式、凝胶形式、气体形式或液体形式。
[0006]许多技术可用于执行增材制造。在挤出工艺中，通过可在工作区上方移动的挤出头控制为导线或细丝形式的材料。多个挤出头和挤出材料的使用可允许形成永久的和暂时的结构。通过在层中或在区域中构建挤出的材料，可在三个维度中形成复杂形状。然而，该技术受到工作空间大小的限制一所述头或多个头在平面的两个维度中移动的能力，并且还受到所述头相对于平面支撑结构垂直移动的能力的大小的限制。可存在关于该形式的增材制造的许多变型。
[0007]—类不同的增材制造可被分类为立体平板印刷。在该类中，光源或热源用于在空间中转化材料。在一些立体平板印刷实现中，工作支撑平面被浸没在光活性或热活性液体中，并且激光或其他光源或热源在支撑结构和液体的顶部水平面之间的液体的薄表面层上进行光栅化。通过将支撑结构向下平移一层深入到液体中，液体的流态性质在工作表面或先前处理过的层的上方重新形成新的未反应材料的薄层。
[0008]立体平板印刷的版本还可与粉末形成的起始材料一起作用。粉末可被成形为薄层并然后在空间上被限定。激光可用于将所述层的部分转化为固化材料。在其他示例中，例如，诸如电子束的其他能量源可用于转化粉末。可通过这些处理技术将包括金属、绝缘体和塑料的各种材料成形为三维形状。
[0009]当打印头用于使材料在粉末上沉积时，出现不同类型的处理。沉积物可与粉末进行化学反应，或者可以是粘合剂，其将粉末固结到粘合位置中。高分辨率打印技术的普及可使得该类型的增材制造工艺为成本有效的。
[0010]所述领域通过被实践几十年的增材制造的版本建立，并随着被快速定义的新技术和材料浮现。所述技术可当前受到可被生产的对象的维度的限制。相应地，可期望的是可允许增材制造技术和设备独立移动的开发方法和设备。
[0011]发明概述
[0012]相应地，本公开提供用于允许移动增材制造的方法和设备的描述。在一些示例中，移动增材制造设备可以以独立方式或自动化方式起作用。执行移动增材制造的设备可被称为Addibot (增材机器人)。
[0013]增材制造设备的重要特征可在于以数字模型驱动的受控方式将材料添加到产品，所述数字模型驻留在控制器中。通过增材制造设备的处理，数字表示可被转变为放置在三维空间中的材料的物理近似。
[0014]相应地，在该公开中所公开的一些示例中，可被称为Addibot的移动增材制造设备可经配置包括驱动系统，其可操作以沿表面移动该设备。在一些示例中，Addibot可在没有物理系绳的情况下起作用。另外，Addibot可包括导航系统，除其他功能以外，其可确定Addibot的当前位置和当Addibot被促使移动时其将行进的或者其在移动时正在行进的当前方位或方向。
[0015]Addibot可附加地包括能够执行代码的控制器，所述代码可执行算法功能。在一些示例中，该种控制器还可被分类为算法处理器。控制器还可将控制信号提供给Addibot的其他元件。Addibot可附加地包括增材制造系统，增材制造系统在Addibot在其处理期间在其上或者将移动到的整个表面上的规定位置中沉积材料或材料的组合。增材制造系统可基于数字模型将材料添加到表面，所述数字模型可在可位于Addibot中的一个或多个控制器中被处理。数字模型的来源可在Addibot的外部被确定，或者可选地可由Addibot的感测或其他处理确定，或者可以是结合与Addibot内的感测设备相关的数据和外部模型定义的组合。可通过电力系统对Addibot所具有的系统供电，所述电力系统能够提供功率以操作Addibot的至少驱动系统、导航系统、控制系统和增材制造系统。在一些示例中，多个电力系统可存在于Addibot中。
[0016]Addibot的增材制造系统可包括能够以受控方式基于数字模型添加材料的许多不同的类型和定义。在一些示例中，增材制造系统可包括三维(“3D”)打印头。打印头可以以许多标准方式将材料添加到表面，包括通过打印头挤出材料挤出或者以液体或溶剂化物的形式的材料的喷射。在一些示例中，3d打印头或三维打印头可包括大量喷嘴，其响应于被提供到喷嘴的电子控制信号单独地喷射液体形式微滴。在一些示例中，可由3d打印头处理的液体可包括水、水或水溶液、烃基溶剂、无机溶剂或乳浊液中的一种或多种，所述乳浊液为水、烃基溶剂或基于无机的溶剂中的两种或更多种的组合。溶液可包括在水、烃基溶剂或基于无机的溶剂中的一种或多种中成溶剂化物的材料。
[0017]在另一个方面中，时间维度可被包括，其中以下项中的一个或两个被控制以便获得所需结果:a)指定的挤出速率以及b)指定的挤出顺序。实施例可相应地包括时间与距离的比率以及挤出速率。
[0018]在一些示例中，Addibot还可包括视觉系统。视觉系统是可以操作的以创建表面在邻近移动增材制造设备的区域中的拓扑结构的数字模型。视觉系统可在Addibot上或Addibot内操作，并使用多种检测方案以用于分析表面并创建表面的模型，检测方案包括基于光或激光的成像技术或者基于其他电磁辐射的成像，包括红外线、紫外线或其他电磁辐射源。在一些示例中，视觉系统可利用基于声音的辐射，以创建可包括Addibot的区域中的表面的其周围事物的数字模型。在其他示例中，Addibot可部署物理传感器，以确定视觉系统所研究的区域中的表面的拓扑结构。位于Addibot内的控制器可初始化视觉系统的操作，并且可响应于视觉系统执行的计量接收信号。在其他示例中，Addibot可与例如位于Addibot自身的外部或者位于另一个Addibot上的视觉系统通信。
[0019]在一些示例中，Addibot还可包括材料储存系统，其能够储存将被供应到增材制造系统的至少第一材料。所储存的材料可包括固体、粉末、凝胶、液体或气体，提到了一些非限制性示例。在一些示例中，材料可以是导线形式或者在一些示例中可作为由增材制造系统放置的物理固体实体存在。材料储存系统可通过控制环境条件维持材料的储存条件。可被控制的条件可包括材料的温度或压力中的一个或多个。
[0020]在一些示例中，Addibot还可包括表面准备系统。表面准备系统可能够从在增材制造设备前面的区域中的表面区域除去片状表面材料、灰尘、尘土和碎片中的一个或多个。由于Addibot可移动，或者当Addibot固定时，Addibot内的增材制造系统可在一定方向中移动，因此表面准备系统是可以操作的以处理增材制造系统靠自己或者受Addibot的驱动系统控制可移动到的表面的区域。
[0021]在一些示例中，Addibot还可包括通信系统，其可能够向移动增材制造设备的外部传输信号。在一些示例中，用户可在将控制信号或多个控制信号传输给Addibot时使用Addibot外部的通信系统。通信系统还可能够接收源于移动增材制造设备外部的信号。在一些示例中，作为非限制性示例，被传输或接收的信号可包括无线电频率信号、红外信号、光学信号或基于声音的信号或发射中的一个或多个。在一些示例中，通信系统可起作用以感测移动增材制造设备的环境。除了信号传输功能之外，可进行感测。在一些示例中，Addibot内可存在多个通信系统和/或感测系统。
[0022]在一些示例中，Addibot的电力系统可包括电池。
[0023]在一些示例中，Addibot的电力系统可包括内燃机或其他类型的发动机。
[0024]在一些示例中，Addibot的电力系统可包括可连接到电源的电线，所述电源可驻留在还可被称为移动增材制造设备的Addibot的外部。
[0025]可存在涉及移动增材制造设备的许多方法。在一些示例中，用户可将信号传输到Addibot，其可包括已经描述的设备示例的类型中的任一种。传输的信号可使Addibot接下来利用Addibot的系统在表面上沉积材料的第一层。Addibot可继续响应于初始信号从第一位置移动到第二位置或不同的位置。在移动之后，Addibot可进一步继续响应于初始信号沉积材料的第二层。构成的材料的第一层和材料的第二层可在成分方面或诸如厚度的物理外观不同，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间坐标系统中为可被称为Addibot的用于移动增材制造的设备定向的步骤。
[0027]在一些示例中，方法可附加地包括执行计量过程以便测量表面的区域的拓扑结构的步骤。该区域可通常在邻近Addibot的区域中或者在Addibot将移动到的区域中。在一些示例中，方法中的附加步骤可包括处理计量过程的结果，并使用处理结果以控制Addibot的增材制造系统。
[0028]在一些示例中，涉及通过Addibot处理的方法可包括沉积层的步骤，在该层中材料包括水。在这些示例的一些中，其上被沉积材料的表面可由水组成。在这些示例的一些中，由水组成的表面可以是其中水处于固体形式的表面，所述固体形式可以是水冰。
[0029]一个或多个计算机的系统可经配置凭借具有安装在系统上的软件、固件、硬件或它们的组合执行特定操作或动作，所述软件、固件、硬件或它们的组合在操作时使系统执行动作。一个或多个计算机程序可经配置凭借包括指令执行特定操作或动作，当通过数据处理设备执行时，所述指令使设备执行动作。一个一般的方面包括移动增材制造设备，其包括:可操作以沿表面移动设备的驱动系统；确定位置和方位的导航系统；能够执行算法并提供控制信号的控制器；根据由控制器处理的数字模型，在整个表面的规定位置中沉积材料或材料的组合的增材制造系统；以及能够提供功率以操作至少驱动系统、导航系统、控制系统和增材制造系统的电力系统。该方面的其他实施例包括对应的计算机系统、设备以及在一个或多个计算机存储装置上记录的计算机程序，每个计算机程序经配置执行方法的动作。
[0030]实现可包括以下特征中的一个或多个。设备可包括示例，其中:增材制造系统包括3d打印头。设备可包括示例，其中:3d打印头包括大量喷嘴，其响应于被提供到喷嘴的电子控制信号单独地喷射液体形式微滴。设备可包括示例，其中:液体包括水、水溶液、烃基溶剂或乳浊液中的一种或多种，所述乳浊液包括水或烃基溶剂。设备附加地包括:创建在邻近移动增材制造设备的区域中的表面的拓扑结构的模型的视觉系统。设备可包括示例，其中:控制器将控制信号提供到视觉系统以初始化其操作，并响应于计量处理而接收电信号。设备附加地包括:能够储存将被供应到增材制造系统的至少第一材料的材料储存系统。设备可包括示例，其中:材料储存系统通过控制温度和压力中的一个或多个维持储存条件。设备附加地包括:能够从在增材制造系统前面的表面区域除去片状表面材料、灰尘、尘土和碎片中的一个或多个的表面准备系统。设备附加地包括:能够向移动增材制造设备的外部传输信号并接收源自移动增材制造设备外部的信号的通信系统。设备可包括示例，其中:传输的信号包括无线电频率、红外、光学或基于声音的发射中的一种或多种。设备可包括示例，其中:通信系统可起作用以接收关于移动增材制造设备的环境的信息。设备可包括其中电力系统包括电池的示例。设备可包括其中电力系统包括内燃机的示例。设备可包括其中电力系统包括连接到移动增材制造设备外部的电源的电线的示例。方法附加地包括:在空间坐标系统中为设备定向。方法附加地包括:执行计量过程以测量表面的区域的拓扑结构。方法附加地包括:通过算法处理计量过程的结果，以及基于通过算法处理计量过程的结果的结果而控制增材制造系统。所描述的技术的实现可包括硬件、方法或过程、或者计算机可访问介质上的计算机软件。
[0031]一个一般的方面包括用于处理表面的方法，包括:将控制信号传输到设备，其中设备包括:可操作以沿表面移动设备的驱动系统；确定位置和方位的导航系统；能够执行算法并提供控制信号的控制器；根据被控制器处理的数字模型，在整个表面的规定位置中沉积材料或材料的组合的增材制造系统。方法还包括电力系统能够提供功率以操作至少驱动系统、导航系统、控制系统和增材制造系统。方法还包括利用设备在表面上沉积材料的第一层。方法还包括将设备移动到不同位置。方法还包括在表面的不同位置上沉积材料的第二层。该方面的其他实施例包括对应的计算机系统、设备以及在一个或多个计算机存储装置上记录的计算机程序，每个计算机程序经配置执行方法的动作。
[0032]实现可包括以下特征中的一个或多个。方法附加地可包括在空间坐标系统中为设备定向。方法可附加地包括执行计量过程，以测量表面的区域的拓扑结构。方法可附加地包括:通过算法处理计量过程的结果，以及基于通过算法处理计量过程的结果的结果来控制增材制造系统。所描述的技术的实现可包括硬件、方法或过程或者计算机可访问介质上的计算机软件。
[0033]实现可包括以下特征中的一个或多个。方法附加地可包括提供支撑表面，其中支撑表面对在所选择的光谱区域中的光透明。方法可附加地包括基于数字模型以及Addibot的导航系统在它们的环境中利用导航信号的通信，将Addibot定向到给定位置。在一些示例中，Addibot可检测位于支撑表面上的位置信息，Addibot架(ride)在所述支撑表面上。方法可附加地包括通过Addibot的光产生部件的动作照射表面下方的材料。在一些示例中，光产生部件可发射激光辐射。在其他示例中，所产生的光可以是来自其他源的集中强光。在一些示例中，支撑表面下方的工作产品可位于材料层的下方。材料可包括液体形式或粉末形式的材料，其在利用具有选择的光谱特征的光照射之后可改变化学或物理特征。在一些示例中，在材料层上接收辐射之后，下一个动作可包括使工作产品下降以产生形成另一材料层的能力。
[0034]在一些示例中，可通过一次用于一层的模塑图案的放置形成壁。此后，可在以模塑图案形状形成的沉积物内填充材料，以形成固化形式。可以以与填充模塑材料的沉积物一致的形式处理的材料可被视为固化材料，其中可然后通过材料自身的内部反应或者通过外部力或相互作用固化材料。水泥、沥青和聚合物前驱体可包括固化材料的一些示例。在一些示例中，模塑图案可具有在它们内的内部封闭形状，并且当在由该模塑图案形成的沉积物内填充材料时，不能填充这些内部封闭形状。在一些其他示例中，可通过在将材料填充到模塑图案之前，逐层提升Addibot来形成许多模塑材料的层。
[0035]在一些示例中，模塑图案可具有被限定的许多内部区域。可通过材料填充内部区域中的一些，以形成壁式结构。其他内部区域可不被填充，或者可用诸如电线(作为非限制性示例)的其他材料填充。在一些示例中，模塑图案可用于创建新颖和高级的道路。多个图案可形成单层结构，其可形成巩固道路的特征。在其他示例中，腔室或通道可被成形到模塑材料中，通过腔室或通道可放置导线或其他形式的导电材料。