专利名称：场造型工艺及设备的制作方法
本方法属形体的成型工艺，由型体材料制的小组元(形料微元体)组合成形体的造形方法及设备，形体----任何有任何形状的物体，如铸型、艺术形体、模具、模型、建筑物、机械零件、…等等…物体。本文中“形体”与“型体”同样含义，两个术语通用。
在本申请人的国内专利88105593.x公开了一种基于几何学微积分原理应用于形体造形工艺的方法，将形体材料和填空材料分别制成一个个很小的形体材料微元体和填空材料微元体，将二类材料的微元体一个个以各自的指定方向布置在某空间(形箱)内各自的指定位置，布置使型体材料微元体正好组合成所需的形体，而填空材料微元体填补在型体内外的空腔。
但以此原理的成型工艺中，就目前已知的和可想而知的具体实施方案，都须用机械设备制取大量的简单的微元体立方体、长方体等等。微元体的制作量极大，常常数以亿计，布置量也极大，精度不易控制。而相应的设备反而结构复杂，如本申请人的专利申请89108335.9所示的有大量小芯片的机构，由小芯片的伸缩留出的空穴，压制微元体，造型速度较慢。
本造形方法的目的在于利用场力切割薄层的方式，用以图形分布的场，从整片形体材料薄层中切割出有所需形状的形体材料薄层，将型体材料薄层组合成所需的形体，可实现更简单、更快速的造形工艺。
本造形方法的目的是这样实现的，先将形体材料制(分布)成形体材料薄层，利用图形场的场力从形体材料薄层中切割(吸附)出一片片各种有所需要的几何图形状的形体材料薄层，将一片片各种有所需要的几何图形状的形体材料薄层组合成一个所需要的型体。
而大多数造形过程是，先制得形体材料薄层，和填空材料薄层，用特定分布成图形的场，对整片形体材料薄层中与图形场相同的形状区域，作用了指向薄层某侧(剪切的)的场力，场力从该薄层中切割(吸附)出有所需要的图形状的形体材料薄层，一次次改变场的分布区域的形状，用场力切割出一片片各种不同的所需形状的形体材料薄层；同样方式，可用场力切割出一片片各种不同的所需形状的填空材料薄层，将一片片各有所需形状的型体材料薄层和一片片各有所需形状的填空材料薄层，放在布置空间内进行组合，该组合使一片片形体材料薄层正好组合成所需的型体，一片片填空材料薄层填补在形体内外的空腔。此时，形体已成形。
图1。未切割(吸附)的薄层。图2。电场切割器(电场切割(吸附)器)。
图3。电位线剖面。
图4。电位线及引出线。
图5。以电场力切割(吸附)出的图形薄层。
图6。作用在薄层上的电场力。
图7。以电场力切割(吸附)出的图形薄层。
图8。以电场力切割(吸附)出的图形薄层。
图9。图形薄层被组合(叠片)成形(型)体。
图10。场力切割出的填空材料薄层。
图11。(a)拼合薄层；(b)叠片出下部小、上部大的形(型)体。
图12。磁性粉粒层。图13。磁场切害磁性粉粒层。
图14。磁性粉粒层受磁场力的作用。
图15。磁场力切割出的图形磁性粉粒层。
图16。利用磁性粉粒层和磁场切割非磁性薄层。
图17。切割出的非磁性薄层。
图18。磁场切割(吸附)器。图19。小电磁铁及其线圈。
图20。磁性薄层。图21。磁场切割器切割磁性薄层。
图22。磁性薄层受磁场力和重力作用。
图23。被切割成两片的图形磁性薄层。
图24。静电造形(型)机。
图25。磁场造型机。
优点和积极效果本方法主要优点是利用电场或磁场力切割出所需几何图形的薄层，省略了已有方法的须从微元体---细条---薄层，这几个中间过程，而可以直接用薄层叠片成任何形体，大大减少了制取和布置微元体的量。且制作(分布)薄层，仅需极简单的方法和机构，如喷涂方式等等。点阵状分布成几何图形的电场，可以由很多电位线排列组成，极易实现；图形磁场由很多小电磁铁排列组成。而由电子计算机控制的图形场变化速度极快；场力切割薄层因是非接触的作用力，切割速度几乎不受限制。本方法相应的造型设备，机构简单，速度很快。
实施例1见图1，图2，图3，图4，图5，图6，图7，图8所示。薄层1，电场切割器2，另一电极5，在电极2与电极5之间施加的直流电压6(充电后，会在电极2与电极5之间形成电场)。
电场切割器----图形电极2，可以是如图2所示，是一排排、一列列的以方阵状(点阵状)排列的导电材料细条25群，每根细条25外涂有绝缘层3(见图3)。每根细条25是独立的电路，各有独立的引出线4(见图4)，分别与控制电路连接，可由控制电路分别控制每根细条(电位线)25的电位。每根电位线上的电位不同，可在电场切割器2端面上形成一个图形电场(图中的涂黑区域--涂黑区域内的电位线都有电位；该区域之外的电位线无电位)。
本试验装置如图4设置。电极2设在上，电极5在下，两者有超过薄层1厚度的间距。接通电源6，在电压作用下，在电极2与电极5之间产生电场。先使电极2上的所有电位线，都取相同的电位值，产生匀强电场。用粉末喷涂方式将粉末直接喷涂在电极2的表面。持续喷涂，直至电极2上吸附了一层有一定厚度的薄层。这是因为，电场可使薄层(电介质)极化，电极2可使薄层1的两个表面产生极化电荷，薄层1的上表面产生(呈显)负性电荷；下表面呈显正的极化电荷。器2(金属电位线)表(端)面在电场中产生感应电荷，电极2表面感应出正的电荷；电极5表面感应出负的电荷。电极2与薄层1的接触面上，电极2表面正的感应电荷与整个薄层1的表面负的极化电荷，异性相吸。产生向上的静电吸引力f，并大于薄层所受的向下的重力。
薄层1与电极5之间有空气间隙(空气层)，在电场作用下，空气层的两个表层也会产生极化电荷的分布。薄层1的下表面与空气层的接触面上，各分布有异性的极化电荷，两者也相吸。但是，因为空气的极化电荷面密度较小，对薄层的影响较小，可以不考虑。
然后，使电极2上的黑影的图形区域内的电位线保留电位，图形区域外的其它电位线消除电位，在电极2和电极5之间仅仅产生图形电场。此时，图形电场只对薄层1中相应图形区域内，作用了向上的电场力，并大于该区域内薄层的向下的重力f＞g，该区域内的薄层始终被吸附在电极2上；而薄层中该图形区域之外的部分上，只有向下的重力g，只能落下。薄层被分离(切割(吸附))成不同形状的两片7和8，见图7和图8。
实施例2。如图13，图14，图15，图16，图17所示，为电磁式分离图形磁性粉粒层方法的试验装置。电场切割器2，绝缘膜19，磁性粉粒层11，磁源(磁铁)20，另一电极5，直流电源6，磁源(磁铁)21。
电场切割器2上有一绝缘膜19，再在绝缘膜上敷设一层磁性粉粒层11。与电场切割器2对称设置的另一电极5，电极5与磁性粉粒层3之间留有少量间隙。如图13所示。
整个装置接通电源6后，先使切割器2与电极5之间产生均匀电场，吸附着整个粉粒层11。而后，在电场切割器2和电极5之间产生一个图形电场，该图形电场使得绝缘膜19的两个表面上产生图形分布的极化电荷。同时，也在磁性粉粒层11的两个表面上产生图形分布的极化电荷(或感应电荷---该磁性粉粒如果是导体时)。在绝缘膜19与磁性粉粒层11的接触面上，绝缘膜19表面的极化电荷与磁性粉粒层11表面的(极化或感应)电荷，异性电荷相吸附，产生向上的静电吸引力f。
此时，再加入磁铁20，磁铁放在电极5的下面，磁铁对整层磁性粉粒层11产生向下的磁场吸引力φ。但是，在图形(电场)区域内的磁性粉粒层上，使作用在其上的向下的磁场吸引力，小于图形电场在其上产生的向上的电场吸引力，φ＜f。图形区域内的磁性粉粒层，仍然被图形电场吸附在绝缘层19上(保留不动)。如图14所示。本例暂时不考虑重力。
而该图形区域之外的磁性粉粒层11，被磁铁20的磁场力向下吸引到达电极5的表面上去了。这个试验过程，实现了从整层磁性粉粒层中，分离出所需要的几何图形分布的磁性粉粒层12。如图15所示。
将分离得到的磁性粉粒层12单独取出，再在上面敷设一片其它非磁性材料的薄层13，然后用一磁铁21(磁源)从上面去吸附图形磁性粉粒层12。将可以在吸附图形磁性粉粒层12的同时，把叠加在其上的该图形区域内的薄层13，也夹带着吸附上来。图形磁性粉粒层12(图形区域)之外的薄层，仍然因为重力而留在下面。从而，实现了从整片薄层13中，以场力切割(吸附、分离)出图形的薄层14。如图16，图17所示。
以上述的方法，一次次地改变图形电场的形状，可切割得到各种不同几何图形状的形体材料(或填空材料)薄层。
实施例3，磁场切割器15，如图18所示。由很多个小电磁铁26的纵横排列成方阵(矩阵状)。每个小电磁铁有一铁芯17，及线圈16，见图19。每个小电磁铁26的线圈电路是独立的，都各由控制电路控制。切割器15的矩阵中某几个指定位置处的小电磁铁26的电路(电流发生变化)，可产生一个个小的磁场，在整个切割器15的端面上构成一个图形状的磁场，图18中的黑影区域。
先在某平台上，分布一层形体材料磁性薄层18。然后，使切割器15上图形黑影区域内的小电磁铁26，保留有磁场；而该黑影区域外的小电磁铁26无磁场，如图21所示。利用切割器15上的图形磁场，到平台上去吸附磁性薄层。相同图形区域内的磁性薄层21被吸附到切割器15上带走，磁场力p＞g(重力)。而该图形区域外的薄层22，受重力的作用留下，见图22。以此，每次改变磁场区域的形状，可制得一片片各种有所需形状的形体材料(或填空材料)薄层21，如图23(a)、(b)所示。
对于形状简单，且是下部大，上部小的形体，直接用以场力切割得到的一片片各种所需形状的形体材料薄层，每片以指定次序、指定位置、指定方向自下而上地叠片成形体9，如图9所示。
对于形体中有部分结构，下部小，上部大。即有的形体材料薄层叠片时需要支撑。可以再以场力切割出一片片各种所需的图形状的填空材料(石蜡、松香、塑料粉末等)薄层，见图10。一片片各种所需图形状的形体材料薄层和一片片各种所需的图形状的填空材料薄层，共同布置。可将形体材料薄层和填空材料薄层拼合成一个大片(图11(a))，再叠放大片。布置时，按照自下而上叠片的指定次序、取每片指定材料、指定形状的薄层，按其指定位置、指定方向，叠片组合，直至形体材料构成型体9。如图11(b)所示。
可在布置成形体后，再将形体浸入粘结剂液体中，使粘结剂渗透到形体内。等形体固化后。形体固结后，可用化学或物理方法，再从形体内外去除填空材料。去除填空材料，可得到独立的形体，见专利申请88105593.x。
本设备是上述的场造形方法的相应设备，属于造形机电一体化设备。
本设备的目的在于设计，可将几种所用材料制(分布)成薄层，并有场切割器以场力切割一片片所需形状的薄层，有机构将所有的薄层一一布置就位的场造形机，实现造形设备自动化。
本设备的目的是这样实现的，具有制(分布)薄层机构、移运件、场切割(吸附)器、布置台等等零部件组成，移运件联接(络)着制(分布)薄层机构与布置台，场切割(吸附)器设在薄层经过的途中，由制(分布)薄层机构将形体材料制(分布)成薄层，薄层由移运带移运，经过场切割(吸附)器被图形场力切割出一片片各种有所需要的图形状的形体材料薄层，由移运带将薄层移运到布置台上，一片片图形薄层被放在布置平台上，被叠层成形体。
优点和积极效果本机利用场切割的原理，场切割器可执行计算机的程序指令，可很快地变换场的图形；且场切割力是非接触的力，可连续地、快速地切割薄层；且切割精度很高。因而，整机的造型速度和精度远比本申请人的专利申请89108335.9的以小芯片的伸缩来制取微元体的造形机快。
实施例4，图24所示的静电造形机，主要由喷涂装置，移送机构，场切割器，电场板，布置机构等等部件组成。
装置的机构特征本机构由形体粉料喷涂装置30，驱动轮31，电极32，电场切割器33，振动器34，外电极35，电极36，移运带37，电极38，导向轮39，回收驱动轮40，电极41，回收带42，回收导向轮43，刮板44，回收料斗45，电极46，布置平台47，电极49，填空粉料喷涂装置50，等等零部件组成。
本装置的机构特征最基本的是移运机构，由移运带37环绕驱动轮3 1和导向轮39运行而形成----作为移运薄层用。移运带37是一条很薄的带。驱动轮31本身是个可充电的电极。电极32和图形吸附切割器33及电极36，设在移运带37内的下方，并都与移运带37紧贴。电场切割器33紧跟着电极32，电极36紧跟着电场切割器33。电场切割器33上设振动器34。
电场切割器33与实施例1中的电场切割器2相同，如图2，图3，图4所示。
喷涂装置30设在移运机构的右方，最好是静电喷涂装置(装置30头部也有电极)。内含有盛有形体材料粉末的容器。喷粉料喷嘴对着移运带37。
回收机构设在移运机构的、电场切割器33的下方。由回收带42环绕驱动轮40和导向轮43运行而构成。电极41设在回收带42环内的上边缘。回收带42的上表面与(移运带37上的)薄层之间有间隙。刮板44贴着回收带42。回收料斗45设在回收机构的左端的下方。
布置平台47设在移运带37的下方，E点到F点区段。平台由布置机构操纵，可上下移动。
外电极35设在轮31及移运带37的外围。电极46设在电极36对应的、移运带37的下方。电极49设在移运带37和形体48之间，EF区段，可向左移出EF区段。
喷涂装置50设在喷涂装置30的下方，其装置与装置30相似。内含有盛有填空材料粉末的容器。喷粉料口对着移运带37。
而设在移运带37外面的电极35、电极46、电极49，都与移运带37上的薄层有一定距离(移运带上的薄层与处在其外围的电极之间有空气间隙)。
电场分布特征给滚筒电极31、电极32、电极36、电极38、电场切割器33(其中所需的图形区域)，都充上相同电极性的电位；给予外电极35、电极41，电极46，都充相反电极性的电位。因而，图中从A点到B点，是由电极31与外电极35产生的电场区域；而从B点到C点，是由电极32与电极35产生的电场区域；而从C点到D点，是由电场切割器33与电极41(电极41也可以改成电场切割器，两个对称的电场切割器所形成的图形电场，精度更高)所产生的图形电场区域；而从D点到E点是由电极36与电极46产生的电场区域；从E点到F点区段，会有电极38与电极49产生的匀强电场。但是，当电极49左移出EF区段，该区段就无电场。
整个装置的工作过程喷涂装置30内的形体材料粉料，喷涂在移运带37上，形成形体材料薄层1。然后，马上随移运带37向前移动，进入A点到B点(电极31与电极35)的电场区域。在该区域内的电场作用下，移运带37的外表面分布有电荷(如果是金属材料将是感应出的电荷；而如果是绝缘材料会是极化的电荷)，而在薄层表面上也产生极化电荷。移运带37与薄层是紧贴在一起的，在贴合面上，移运带37表面上的电荷与薄层表面的电荷极性相反，而产生异性相吸的静电作用力，将薄层吸附在移运带37上；本实施例中，薄层与各个外电极之间也留有空气间隙，与实施例1中相同，该空气间隙表层的极化电荷对薄层的影响也可忽略不计，下同。
同理，薄层随着移运带37继续前移，在B点到C点区段的电极32与电极35的电场作用下，仍然吸附在移运带37上。
薄层附在移运带37上经过C点到D点的区段，将经过电场切割器33与电极41之间的图形电场的作用。薄层经过电场切割器33时，因切割器33上由点列(阵)状排列电位线组成的电场切割器，其上每根电位线分别由电子计算机控制其电位。计算机可不断地改变图形电场的形状，并令切割器33上所需要的图形区域随移运带37一起向左方前移，并且图形区域的移动速度与移运带37相同。图形区域经过的电位线都取相同的电位值f。这样，意味着该图形吸附电场，对薄层而言，是相对静止不动的。与前述静电吸附原理相同，该图形电场作用下，图形区域内，移运带37与薄层才有静电吸附力。
薄层经过电场切割器33时，在图形电场作用下，图形区域内的薄层仍吸附在移运带37上。而图形电场区域外的薄层，因其上是无电场力的，主要由向下的重力作用而落下。如果图形电场区域之外的薄层仅靠其自身的重力或因其上仍有残余的静电力，不能全部落下。可利用设在电场切割器33上的振动器34，传过切割器33和移运带37给予薄层微微的振动，从移运带37上振落薄层中的被切割出的余料。此时，图形电场力大于重力加振动力。余料落下到回收带42上，由回收带42移运到G点附近，由重力作用(或由刮板44刮)落到回收料斗45内。
所需的图形薄层仍然吸附在移运带37上。然后，进入E点到F点的区段，由电极38与电极49的电场作用，继续吸附在移运带37上。到平台47上方。
以后，移运机构暂停，将电极49逐渐抽出EF区段，使EF区段的电场消失。平台47由布置机构操纵，平台上移接近图形薄层。那样，图形薄层上只有向下的重力作用，由重力将形体材料图形薄层轻轻放落在平台47上。
放置好一片形体材料图形薄层后。而后，以同样的方式，由喷涂装置50喷涂一层填空材料的薄层，经过与前述相同的移运和电场切割过程后，可将一层图形填空材料薄层，按定位要求再放置在平台47上，与前一片图形型体材料薄层相嵌成大的一层薄层(图11(a))。
上述过程重复很多次，将一片片薄层叠放在台47上，直至叠片(层)48中有型体形成。计算机可使切割器上按要求相应地变化电场的图形，切割出各种不同形状的薄层。最终，得到任何形状的形体。
实施例5，如图25所示，为磁场造型机，与静电造型机有点相似。由喷涂装置65，驱动轮5 1，移运带52，导向轮53，磁铁54，磁场切割器55，磁铁56，磁铁57，回收料斗58，布置平台59，振动器60，磁铁61，等等组成。
机构特征由移运带52环绕轮51和轮53组成移运机构，其内从K起向左，设置磁铁54，磁切割器55，磁铁56，磁铁57。磁切割器55与实施例3中的磁场切割器15相同；其电路控制方式与电场切割器相似。磁铁61设在轮51内。
喷涂装置65对着K点，其内含有盛放磁性粉末的容器。
回收料斗58设在M点到L点区段，移运带52的下方。
布置平台59设在N点到P点区段，移运带52的下方。由布置机构操纵，可上下移动。
振动器60设在切割器55上。上述各磁铁可以与切割器15结构相似。
磁场分布特征从K点到L点，分别有磁铁51和磁铁54的均匀磁场；从L点到M点，有磁切割器55的图形磁场；从M点到P点，分别有磁铁56和磁铁57的均匀磁场。
机构工作特征喷涂装置65将磁性粉末喷涂在移运带52上，形成磁性薄层，先后由磁铁61和磁铁54吸附在移运带上。并被移运经过I点和L点。然后，进入L点到M点，由磁切割器55的图形磁场的作用，可将磁性薄层中的所需要的图形薄层，由图形磁场力吸附在移运带52上；不需要的图形薄层被向下的重力或振动器60的振动力，而落下到回收料斗58内。此时，图形磁场力大于重力加振动力。所需要的图形磁性薄层经过M点到N点区段，被磁铁56吸附在移送带52上。进入N点到P点区段，被磁铁57继续吸附在移运带52上。而后，移运机构暂停，再撤离磁铁57(消除NP区段的磁场)，图形薄层在重力作用下，被放落在布置平台59上。经过每次改变图形磁场，一次次切割出各种图形的磁性薄层，经布置后，可在平台上，将各种所需要的图形薄层层层叠加成一个型体(此例中，形体上部小，下部大)。
本说明书中一些技术术语的定义和补充说明本专利申请所描述的造型工艺是全新的工艺，很多技术特征无法以现有的术语来描述。因此，本人尝试重新组织一些技术术语，来描述这些技术特征，但是不知道是否合适。
薄层----面积较大、厚度很薄的片状物体；也是指形体内两个相邻的截面或曲面间的一片(层)薄片(薄层)；或是由粉粒分布成的一层很薄的粉粒层。
切割----是指从整片薄层中用场力吸附出、或分离出、或分割出有特定的几何图形状的薄层。
磁性粉末----可被磁场作用磁场力的细粉末的物质，例如铁粉、氧化铁粉、磁性塑料粉末，等等。
移运带----等于移运件。
电极----本文中，除电场切割器外，各电极基本上是平板状的电极。
薄层—等于薄片、或粉末层、…等等。
权利要求
1.一种用形(型)体材料微元体组合造型的形体造型方法，其特征在于先将形体材料制(或分布)成型体材料薄层，利用图形场的场力从形体材料薄层中切割(或吸附、或分离)出一片片(层层)各种有所需要的几何图形状的型体材料薄层，将一片片(层层)各种有所需要几何图形状的型体材料薄层组合成一个所需要的形体。
2.一种用形体材料微元体组合造形的场造形设备，其特征在于具有制(分布)薄层机构、移运件、场切割(吸附)器、布置台等等零部件组成，移运件联接(络)着制(分布)薄层机构与布置台，场切割(吸附)器设在薄层经过的途中，由制(分布)薄层机构将形体材料制(分布)成薄层，薄层由移运带移运，经过场切割(吸附)器被图形场力切割出一片片各种有所需要的图形状的形体材料薄层，由移运带将薄层移运到布置台上，一片片图形薄层被放在布置平台上，被叠层成形体。
3.一种制备图形薄层的方法，其特征在于先用图形场切割出一层图形磁性粉末层，再在该粉末层上叠放一层大的非磁性材料薄层，用磁铁从非磁性薄层上去吸附其下的图形磁性粉末层，在吸附图形磁性粉末层的同时，吸附出一片非磁性材料的图形薄层。
全文摘要
本申请案属于形体组合造型工艺。本申请人的中国专利88105593.X中提出了一种用形体材料微元体组合成型体的方法。由于该需要用机械方式制备巨量的微元体,机构较为复杂,精度较低。本工艺及设备改为利用场对薄层的场力(f或Φ),切割图形状的薄层,再将薄层组合成型体的方法。场力可高精度地快速切割图形薄层,使本工艺的适用性高,设备简单。
文档编号B26F1/00GK1174112SQ9710652
公开日1998年2月25日 申请日期1997年7月17日 优先权日1997年7月17日
发明者高波 申请人:高波