切向制造系统的制作方法

专利名称：切向制造系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及加工方法和设备，并且更具体地涉及在固体材料 切削、成形和抛光中采用激光的加工方法和设备，并且还更加具体地 涉及用于对在离心分离机上旋转的固体工件进行高功率处理的方法和 设备，这种处理有助于通过选择性移除材料而同时使工件成形以及利 用从工件切向地喷射出来的材料制造第二制品的增长/形成。
背景技术：
在加工实践中使用激光是公知的。另外，通过在向工件应用刀具 同时快速旋转工件来成形、切削和抛光工件是公知的。通用车床是以 这种方式工作的设备的一个实例。采用高功率脉冲辐射作为切削力或 者成形力的各种车床变形也是已知的。 一些当前的专利示出利用激光 的几种用途，其中激光相对于工件旋转，或者反之亦然，这包括授予Okuda的美国专利号4， 170， 726，其教导一种当光线相对于工件移位 时，通过在适当公差下切向于旋转路径向旋转工件施加激光束而成形 和修光工件的方法。工件被照射的部分熔化，并且熔化材料通过空气 或者射流而被移除。在工件已被激光加热之后，采用刀具加工带有凹 槽的表面，并且将碎屑移除。授予Binder等人的美国专利号4， 687， 901披露了一种激光切削 和焊接机器，它具有产生激光束的两个C02激光器以及用于将激光光 束导向到工件的引导和定向系统。工件被固定起来，并且激光器围绕 工件旋转。未讨论或者披露任何碎屑移除装置。授予Galel的美国专利号5， 442， 565教导一种采用实时加工中数 据收集以确定不相似材料层之间的交界面的轮廓和位置的切削设备。基于已被确定的界面的轮廓和位置，控制系统被自动地编程，以采用 线性运动设备，通过传统运动控制系统自主地控制刀具运动。授予Amiguet等人的美国专利号6173213示出用于鉴别并且定向 轮状工件的轮式识别系统。它使用激光以定位轮上的标识和起点标记。 这种系统包括轮式识别台，用于向轮式识别台输送轮状工件的输送器， 以及检测在轮式识别台上的轮状工件的径向定向并且产生径向定向信 号的轮定向传感器。当轮状工件以稳定旋转速率旋转时，轮映射传感 器扫描轮状工件并且产生轮式映射信号模式。控制单元将轮式映射信 号模式与至少一个参考轮式映射信号模式相比较。授予Massee的美国专利号6195， 595示出一种用于加工工件的设 备，它包括用于围绕旋转轴线旋转载架的驱动装置和用于加工工件的 刀具。这种设备还包括用于相对于驱动装置沿着x方向和y方向移动 刀具的刀具移动装置，以及控制单元，该控制单元包括用于一个或者 多个控制程序的存储器，以便根据控制程序控制移动装置，从而使得 刀具将沿着用于加工工件的一条或者多条所期望路径。激光束被用于扫描和测量工件。如果在被存储的设备参数和测得的参数之间检测到 差异，则每一个控制程序被修改，从而使得刀具仍将沿着所期望路径。Tenaglia等人的美国专利申请公开号20050045607示出一种通过 向材料施加冲击波而提高固体材料特性的方法和设备。激光冲击处理 被用于提供冲击波。这种方法包括向固体材料的一部分表面施加液体 能量吸收覆盖层，该覆盖层耐腐蚀，并且不易被透明的水覆盖层分解 而且耐干燥，然后向固体材料的这个被涂覆部分施加透明覆盖层。将 相干激光能量的脉冲导向固体材料的涂覆部分，以产生冲击波。至少 未被使用能量吸收覆盖层的一部分可以在另外的激光处理部位处在现 场再次使用，和/或被回收起来，以便在以后使用。发明内容前面的专利反映出本发明人所知晓的现有技术的现状。对这些专 利的引用和讨论旨在履行申请人所承认的坦白地披露可能与对本发明 的权利要求进行检查有关的信息的义务。然而，申请人谦卑地认为任 何上述专利都没有披露、教导、暗示、示出或者以其它方式(无论是 单独地或者当相结合地考虑时)，使得在这里描述并且要求保护的本 发明变得明显。特别地，没有任何已知的现有技术和/或现有技术参考 文献示出通过在以下的本发明简介和详细说明中描述的过程来成形、 切削和抛光固体材料的方法。这种创造性系统提供一种设备，用于高速(例如，10000到45000rpm，或者更高)转动工件，向工件施加作用力，以释放固体材 料的某个部分，由此相对于旋转工件在切向路径上喷射被释放的材料， 并且如果需要的话，将被喷射的材料导向特定结构，在该特定结构上 通过材料增长工艺而形成了第二制品。这种创造性系统提供多个优点和新颖特征，包括高速加工；容 易形成很多类型的材料，可能使用重量轻的机器，高精度和高准确度， 以及不需刀具。对这种创造性切向制造系统的以下说明首先描述系统 工艺，然后描述执行工艺的构件。释放过程概述向心力是保持工件处于其旋转路径的作用力。当向心力超过将材 料粒子连接到工件表面的结合强度时，材料粒子自由"脱离"，并且 粒子将沿着其切向于旋转方向的惯性路径。为了释放材料粒子，向心 作用力和由释放试剂添加的能量的组合必须高于将材料保持到工件的 结合强度。因此，旋转速率越高并且加工表面越靠近轴线，即向心力 越高，则释放试剂从表面移除材料所需的能量越低。牛顿定律描述了 向心作用力关于半径并且通过旋转速率的平方如何成反比地变化。主要释放过程物理、化学和热学的。物理的有三个主要的释放过程。物理过程使得当工件经过时将 材料射流引导至工件。在此情形中，射流中的材料冲击工件表面并且 使得一部分表面剥离。射流材料可以是气体或者液体，并且它可以在 射流中包括固体材料。实例包括冷冻气体，例如干冰，或者例如在喷 砂中的矿物，或者例如在喷丸中的金属，或者例如在玻璃珠喷沙中的 塑料。这些将通过射流全部被携带于气流中。液体射流(经常称为水 射流)材料还可具有添加剂。通常，这些添加剂增加了表面张力，从 而当其从射流孔隙通过到达目标材料时，射流保持在一起。化学的第二种释放试剂为化学品。腐蚀性化学品被施加到工作 表面，并且与工件材料表面的化学反应破坏保持材料的粘附力。有四 种典型的化学技术。第一种是溶解喷射在工件上的射流。水和油基的 溶剂是典型的这种类型的溶液。其它化学品包括酸性溶液、碱性溶液 或者酶溶液。这些化学试剂的每一种均可经由加压射流来喷射。也可 使用"喷墨"技术进行这种喷射，并且液滴尺寸可以很小。热学的最后一种释放试剂过程是热的。当一部分的固体工件材 料被加热时，工件状态改变为液体或者气体。热材料的加压射流或者 能量束(例如激光或者电子束)可以增加这种热能量。 一个有趣的方 面是，具有更高热态的材料(例如液体或者气体)从该表面抛射出来， 并且留下较冷的固体材料。用以向工件添加热量的另一方式是通过燃烧，这是化学过程和热 过程之间的交叉过程。添加与适当气氛相关的点火(热能)源允许工 件材料点燃并且在放热化学反应中燃烧。然后，这个燃烧过程提供热 量，起初的点燃源也提供热量，从而释放一部分的工件。抛射和喷射有四种主要技术用于抛射和喷射从工件被释放的材料切向过程、电荷、气体膨胀以及加压射流。切向过程在这个过程中的主要技术在于使用工件旋转运动中 的总是改变的切线。切向运动速率依赖于在表面材料被抛射出来所处 的半径上的旋转速率。当被喷射的材料的半径小于在离心分离机上的工件的总半径的大约40%时，切向速率不足以使得材料离开(clear) 极窄孔洞的侧面。通过使得卡具保持将工件安装在超过总半径40%的位置处，可以避免这种限制。注意使用术语"抛射"，这是因为该过程是通过消除向心作用力而非通过施加作用力。电荷为了增强这种抛射作用，可以利用电压对工件充电。当小 部分的工件被释放时，小片材料将具有与工件相同的电荷。因为相同 的电荷相互排斥，因此被释放的材料将被喷射远离工件表面。气体膨胀用于喷射碎屑的另一方法是利用气体的热膨胀。当工 件被加热时，邻近和/或材料内部的气体膨胀。位于碎屑材料和工件后 面和两者之间的气体向碎屑材料施加压力，这使碎屑材料从工件喷射 出来。加压射流气体或者液体射流可被导向至工件表面，以便帮助移 除碎屑。从工件移除的材料的量能够以多种方式被确定。 一种方法是使用 应变仪作为在卡具到离心分离机的连接部上的力传感器。在固定半径 和恒定旋转速率下，向心力直接随着质量变化。通过测量作用力的减 小并且通过经由激光三角测量法或者激光干涉计的测量半径减小，可 以确定质量变化。增长过程当材料粒子被从工件抛射和喷射时，它们沿着基本切 向于工件旋转路径的路径中飞行。基底可以被置于该路径中，从而使得抛射的粒子被转移到此。当多个粒子被转移到基底时，它们的冲击 位置和部位可以被控制，从而使得它们相结合起来，以形成所需形状。有多种方式用于控制粒子的轨道。 一种方法是调节切向路径的起 点，从而使得微粒将落在特定区域中。为了更加精细地控制，微粒可 以在工件中被充电。这些被充电过的微粒可以通过一个或者多个磁轭， 以改变并且调节粒子的轨道，如在阴极射线管中通过改变线圈中的电 流来调节充电粒子的轨道那样。在另一方法中，充电粒子将飞行经过 改变轨道的充电板。磁轭和/或充电板可被精细地控制，以影响微粒的 路径。通过吹动这些粒子，气体射流或者液体射流也可被用于调节粒子 的轨道。虽然被释放的粒子通常很小，但是在陆地环境中它们仍受重力影 响。将重力作为控制过程的一部分考虑进去，在重力场中，例如在地 球上，微粒的轨道必须被调节。而且，离心分离机与充电工件一起的 旋转形成了虚电流，即移动电荷。移动电荷形成磁场。这个感应磁场 的磁极位于离心分离机的轴线上。在计算和控制粒子轨道时，也必须 考虑这个磁场。可以由多种适当材料制造出供粒子在其上着陆的基底。基底可以 为固体材料或者半固体材料，例如凝胶。基底材料无需被保持在固定 的定向中。它可以被连到在一个或者多个轴上旋转和/或沿着一个或者 多个方向平移的卡具。可以使用这个过程来构造三维结构。不同类型的被抛射材料可以被用于增长过程中。通过在离心分离 机上使用不同材料，可以由金属、塑料、玻璃或者矿物来生长合成物。为了增强这个过程，紧靠基底周围的环境可以被控制，以使其适于该增长过程。基底可以与充电粒子相反地被充电，从而使得基底可 吸引粒子。基底的某些部分可以被掩罩起来，从而使得粒子被吸引到 基底的特定区域。此外，环境可以添加有气体，以增强粘附作用，并 且该基底可以使得来自其它材料源的其它材料被同时地沉积。基底腔 室可包括在制造过程不同时刻对于恒定温度或者变化温度的温度控 制。而且，基底的机械环境无需是空的。可以具有各种外部支撑件， 并且可以充满凝胶或者泡沫。从一个工件移除材料并且将其添加到另一正在形成的制品的制造 过程在制造例如用于注模成型的模具时能够是非常有用的。过程环境控制优选的是，构造一种供工件在其中旋转的腔室。 释放试剂系统可以位于这个腔室的外部，但是具有进入该腔室的通道。 腔室的环境优选地被控制。可以被控制的方面包括、但不限于选择性 地存在有气体；磁场、电荷和温度。腔室气体该腔室可具有由离心分离机和工件移动的内部空气， 或者，它可以受到换向吹风机的控制。吹风机可以改变速率和方向。 这种气态环境可以具有在该环境内的特殊气体，例如用于增强燃烧的 氧气。惰性气体(例如氩或者氦)可以被引入，以延迟氧化，或者活 性气体可被引入该环境中。局部或者完全真空也可被引入该腔室。腔室磁场和电特性该腔室可以具有可利用线圈或者其它装置进 行控制的磁性环境。该腔室也可具有利用充电板和导线进行控制的电 环境。腔室温度腔室内部的温度可以保持恒定，或者温度可以变化。 变化可以是在腔室中均匀的，或者可以在腔室中的不同区域中存在变 化。在相对较低旋转速度下，除材料移除之外的过程可以被用于处理 工件。例如，在工件经历材料移除过程之前，可以对材料进行清洗或 者喷射清洁。在材料移除之后，工件可以被热处理，例如退火或者回 火。对于热处理而言，可以使用不同的热量源，包括激光、电子束或 者对流加热。离心分离机也可以含有加热元件，用以加热工件。工件 可以被喷射上涂料，例如化学涂料或者粉末涂料或者湿润涂漆。喷墨 式涂料也可以被应用到旋转工件。然后，腔室的温度控制可被用于干 燥或者烤干涂敷到该表面上的材料。系统优点本发明具有多个优点。显著特征在于无需使用刀具。 在传统加工中，刀具通常利用成形为刀刃或者尖端的硬化材料制造出 来，并且被应用于工件表面，以削、刮、凿或者以其它方式切除一部 分表面。在表面中切割出的形状部分地依赖于刀具的形状和硬度。而 且，被加工的每一种类型材料要求不同的刀具形状，以有效地移除表 面。因此，在传统加工中，需要定期改变刀具，以实现所需的形状。 每次改变刀具均要耗费时间。在本发明的创造性系统中，为了代替硬化刀具，能量束或者射流 被用于从工件表面释放材料。作为控制系统的一部分，这个能量束/射 流的形状被调节(基本即时地)；因此无需改变刀具。这节约了时间 和刀具的、以及存储刀具和为刀具编制清单的花费。而且，该系统还 具有成形多种类型的材料的能力，从金属和矿物到玻璃、塑料和合成 物。在传统加工中，随着刀具从工件表面切除材料而产生热量。该热 量引起工件热膨胀和一定扭曲。为了除去热量，从外部源和/或从切削 刀具内部的通道，将冷却流体或者冷却气体喷射到工件上。另外的方 法是利用被移除的碎屑或者碎片作为热载体。然而，这要求仔细控制 切削刀具的形状以及高速切削过程。本创造性切向制造系统过程释放最热的材料，并且将其从表面抛 射出来，从而使工件保持低温。在这个系统中，还减少了被热影响的 面积，这是因为被释放的材料并不不保持接触该工件。而且，在传统加工中，在加工过程期间，切削刀具在工件中引起 振动。这种振动改变了刀具与工件的位置关系，并且这些改变可以导 致加工过程的误差，除非作出补偿和/或调节。最通常的是，为了减轻 振动，机器是极大型的结构，以便可靠地保持刀具与工件的关系。在使用本发明创造性系统中，当随着工件旋转，材料从工件表面 被切向地移除时，存在引导朝向离心分离机的轴线的反作用力。这个 反作用力与质量减少量、旋转速率的平方以及被移除材料的半径的倒 数直接相关。除了这个径向作用力，还存在质量降低。这两个作用均 引起离心分离机的振动和失衡。因此，工件可被定位在离心分离机的 相对侧上并且被同时地加工，因此将作用力抵消(零净效应)。以此 方式，振动可以被保持为减小到最小。也可以采用保持离心分离机平 衡的其它方法。存在一种特殊情形，其中该系统的特征唯一地满足制造要求；艮卩， 基于零重力太空的制造。将材料升高到太空中是非常昂贵的。将整个 机械工厂与其所有刀具和大型机器一起置于太空中的成本是难以承受 的。使用本发明创造性系统，单个机器实际上可以制造在太空中需要 的任何部件，如果获得材料和该部件的计算机描述的话。对于空间站 或者对于延伸的太空船，这是非常有用的，特别在维修或者更换受损 部件时。因此，本发明的目的在于提供一种新的和改进的切向制造系统， 它高速转动固体工件，向工件施加作用力，由此在切向于旋转工件的 路径上释放和喷射出处于熔融或者半熔融形式的一部分工件材料。本发明的另一目的在于提供一种新的和改进的切向制造系统，它 将从转动工件喷射出来的材料引导至基底，以使用材料增长或者沉积 过程来形成新制造出来的物体。本发明的另一目的或特征在于一种新的和改进的切向制造系统， 它提供比传统加工过程更加高效的材料切削和移除过程。通过结合附图考虑以下说明，可以更好地理解关于操作的组织和 方法的、作为本发明特征的其它新颖特征连同本发明的其它目的和优 点，其中通过实例方式示意出本发明的优选实施例。然而，应该清楚 地理解，附图是仅仅用于示意和说明目的，而并非旨在限定本发明。 在附于并且形成本公开内容一部分的权利要求书中具体指出表征本发 明的各种新颖特征。本发明并不存在于单独考虑的这些特征的任何一 个中，而是在于它的所有用于规定功能的结构的特定组合中。


当考虑下面的详细说明时，可以更好地理解本发明，并且除了以 上指出的目的之外的目的将变得明显。说明参考了附图，其中图1是示出本发明创造性切向制造系统的基本功能原理的概略顶部平面视图；图2是本发明切向制造系统的第一优选实施例的透视图；图3是示出本发明创造性系统第二优选实施例的元件的透视图；图4是其侧视图；图5是其顶部平面视图；图6是示出本发明创造性切向制造系统的第三优选实施例的元件 的透视图，包括用于利用掩罩过程成形基底的元件； 图7是其顶部平面视图； 图8是其分解透视图；图9是示出本发明创造性系统第四优选实施例的元件的透视图； 图IO是其侧视图；图ll是其分解透视图；图12是示出本发明创造性系统第五优选实施例的元件的透视图； 图13是其侧视图；图14是示出第六优选实施例的透视图；图15是示出沿着相反方向旋转、以将材料喷射到位于离心分离机 之间的增长基底的相对侧上的两个并排离心分离机的概略顶部平面视 图；图16和16a-16f是示出受到使用本发明创造性方法和设备的剖切 过程的立方体形工件的透视图。
具体实施方式
参考图1到14f，其中在各个视图中相同的参考数字指的是相同的 构件，在其中示意出一种新的和改进的切向制造系统，这里总的用100 标示。现在参考图l和2，可以看出这个创造性切向制造系统IOO仅仅 包括很少的基本构件，包括工件110;卡具，或者工件保持装置120; 旋转设备，例如离心分离机130，包括基部140和轴150;释放系统160， 优选地为激光源；容纳结构170;控制系统(未示出，但是在本领域是公知的)，和用于以机械方式驱动离心分离机的马达(也未示出，但 是在本领域是公知的)。如在这里使用地，"离心分离机"被广义地 用于表示使得围绕其轴的旋转轴线旋转的材料受到强离心作用力作用的一种旋转机器。这个基本系统还可包括材料增长(accretion)系统， 包括增长基底180。在操作中，释放系统将能量或者固体粒子的聚焦束190导向到工 件表面，以削弱表面材料的结合作用，并且与由离心分离机的径向运 动引起的离心力相配合，破坏表面材料结合力，并且将材料喷射到引 导至增长基底的粒子路径200上。这样，在其最基本的创造性方面中，该系统的操作和结构方案要 求卡具将工件连接到离心分离机；释放系统添加能量，以从工件释放 材料；容纳结构提供受控环境并且防止材料和气体进入处理区域，成 为污染物，或者防止它们离开容纳结构，成为危险物；增长系统控制 增长过程和增长基底；并且控制系统将机器的各种构件的行为结合在 一起。在图2所示的创造性系统的第一优选实施例中，该切向制造系统 包括位于离心分离机和容纳结构外的单个释放装置，用于引导高功率 的能量束或者材料。图3-5示出第二优选实施例200，其中三个能量源 位于容纳系统的外部，当多个工件旋转到能量束路径中时，每一个能 量源均以受控方式将相干能量的聚焦束导向到该多个工件。图6-8示出创造性系统的第三优选实施例，其具有沿着周向设置 的单个激光源160，用于将多个光束或者多散射光束区域195导向到多 个基本立方形工件110，每一个工件均被固定在工件卡具120中，卡具 120包括臂122和垂直于臂的指件124，以提供用于捕获并且保持工件 的装置。具有刻模设计128的掩罩126以插入关系被置于激光源和工 件表面之间。在这种构造中，当被掩罩起来的工件经过能量源时，能 量源有效地覆盖工件的整个表面区域，能量仅仅通过刻模部分并且能 量平衡被掩罩材料反射或者吸收掉。在离心分离机的每一次循环下， 覆盖工件表面的能量源移除一层表面材料。被移除的工件材料量将依 赖于由旋转速度乘以通过的次数而决定的暴露持续时间。调节掩罩或 者使用不同掩罩允许工件在不同深度处的多个层被移除。图9-11示出创造性系统的第四优选实施例400，其包括紧邻并且 在离心分离机的轴150的正上方设置的单个激光源160。初始光束190 被引导通过轴中的开口，并且然后被轴向设置在轴150内的近端反射 镜410、 412分裂成发散光束192、 194。被分开的光束通过相对的光学 引导臂430、 440被径向地引导至设置于光学引导臂的远端部分432、442处的一组上侧远端反射镜414、 416，在此处光束被向下引导至一 组下侧远端反射镜418、 420，这组反射镜再次反射光束，但是这次是 向内朝向轴150的旋转轴线152反射。保持反射镜410、 430的结构通 常是中空的，以允许聚焦光束通过。工件110以可枢转方式联接到设置于从中枢490径向延伸出来的 可转动臂470、 480的外部上的角架450、 460。该角架可包括供在其上 安装枢转平台454、 464的第二轴线位置452、 462，该枢转平台在预定 范围内旋转，以允许工件表面相对于光束枢转。图12和13示出创造性系统的第五优选实施例500，它包括置于光 学引导臂510、520的顶部的两个激光源。激光器将两个不同的光束192、 194向外导向到一组上侧远端反射镜530、 540，该上侧远端反射镜将 光束向下反射到一组下侧远端反射镜550、 560，该下侧远端反射镜再 次朝向轴150的旋转轴线向内反射光束。角架570、 580以可枢转方式 联接到x轴572、 582，并且y轴平台590、 600在y轴592、 602处以 可枢转方式联接到角架。整个工件安装系统被置于可选择性移除的盒 子610上，该盒子610可被轴向地置于固定的或者可旋转的中枢620 上。图14示出第五优选实施例的一种变型，它可包括联接到基部140 并且从基部140悬垂出来的一个或者多个臂630、 640。每一个臂支撑 增长基底650、 660，每一个基底使得基部670、 680在距离离心分离机 轴一定距离处以可枢转方式连接到其相应的臂，该距离大于工件距离 该轴的距离。因此，增长基底以与工件速度相同的速度旋转，并且因 此能够被直接和永久地固定于被喷射材料的路径中。而且，激光器可 以连续地工作，而非间歇地工作，因此加速生产过程。这些臂能够以 可移除方式连接，从而该设备能够以示于图12和13中的第五优选实 施例的方式起作用。在操作中，被释放的材料基本以大约60.3度的角 度从径向直线抛射出来，该径向直线从离心分离机的轴线到工件上的材料从其被释放的位置。通过将增长基底定位在该角度和距轴线的径 向距离的交叉点处，被喷射的材料可以被引导至基底上的特定部位处。 这种构造最好地适合于在离心分离机上携带激光束的实施例。图15示出两个或者更多离心分离机800、 810可以以并排的关系 设置，并且可以沿着相反的方向旋转，从而将材料820、 830喷射到位 于在离心分离机之间的喷射材料路径中的增长基底850的相对侧上。 离心分离机系统的这种共轴(ganging)形成在制造过程期间可被操纵 的多个材料流。随着材料积聚在基底上，并且随着正在形成的产品的 质量增加，基底可以旋转，以展现基底的侧面或者边缘，从而使得增 长材料可以被引导至正在形成的产品的侧面。可替代地和/或另外地， 一个或者多个离心分离机的位置可以相对于彼此被调节，以提供从不 同角度导向的材料流并且产生出产品的所有增长表面。显然，共轴离 心分离机的使用将提高制造速度。图16，即16a-16f示意其中可以采用创造性系统以实现剖切过程 的方式。这种过程的主要目的在于移除工件的部分，而不是消除或 者熔化所有的材料部分。该过程要求使用能量源，围绕该部分的周边 形成一系列的切口，从而使得该部分不再连接到工件。例如，为了从 工件900移除一个正立方体(图16),首先将被暴露于表面的正方形 的周边910切割至立方体深度(图16a)。第二切口 920 (图16b)从 顶侧边缘930到相对侧底边缘940。这将移除呈三角形楔体的一半体积。 第三切口 950 (图16c)沿着从第一侧的相对顶边缘960到底边缘970 突出的直线。被移除的这个楔体又是剩余体积的一半。第四切口 980 和第五切口 990(图16d)每一个均从立方体的顶边缘到底部中心1000。 被移除的形状将是具有平坦端部的菱形体，并且又为剩余体积的大约 一半。这个过程在连续切割中继续，使得每次切割均移除剩余体积的 大约一半(图16e-16f)，直至通过剖切的移除速率低于材料的熔化或 者消除速率。这个过程将材料移除速率极大地提高到一般激光材料移 除速率的大约300倍(并且提高到比传统高速铣削速度高两到七倍)。工件工件必须是固体材料，因为液体或者气体将不具有足够的 表面张力或者内部结合强度，以在离心分离机施加的旋转作用力下将 自身保持到一起。适合于加工的固体材料包括金属、塑料、矿物、玻 璃、合成物、有机物以及冷冻气体和冷冻液体。工件的形状可以被预 先形成为适用于加工过程并且连接到卡具的形状，这包括块形、柱形， 多面体形、板形和环形。工件也可以被用作用于多个小部件的坯料。 一种方法是形成单个小部件，并且然后当工件旋转时将其移除(将需 要着陆区域)，或者是形成多个部件，并且在处理之后将它们分离开。 环形工件可以被置于离心分离机中枢上。然后，环的各段可被形成为 各个单独物件，或者环可以被加工成单个部件。工件可以由柔性材料 制成并且在支承卡具中，卡具提供了在角向作用力下加工所必需的结 构形状。卡具卡具的目的在于将工件连接并且固定到离心分离机。它可 以包括单个联结设备，例如螺栓或者螺丝连接件。对于联结设备，例 如螺丝或者螺栓或粘结剂，可以使用单个表面，例如板、柱体、环或 者筒体。也可以使用多个表面，例如联结到框架的夹具或者老虎钳。 磁性板也可以被用于快速联结。卡具可以被手动地联结到工件，或者 可以使用自动夹紧或者联结系统。单个卡具(图1和2)或者多个卡具(图3-13)可以位于离心分 离机上。使用一对或者多对卡具(图3-13)提供同时处理两个物件的 方法。利用在离心分离机轴线的相对侧上的两个卡具，可以在离心分 离机上保持质量和作用力相平衡。卡具能够相对于离心分离机被固定。在这种情形中，工件的被固 定部分呈相对于卡具径向运动的外侧弧线面向外的关系。或者，卡具可以安装具有可调节轴的转盘。这些包括单个旋转轴线或者多个旋转轴线。例如，如果转盘轴线大致平行于离心分离机轴 线，则工件可以在转盘上旋转，以暴露工件的所有侧面。将转盘置于 垂直于离心分离机半径枢转的可调节臂上允许成形工件的顶部以及侧 面。这允许制造出复杂的三维形状。卡具也可以被联结到离心分离机, 从而使得它们可以在沿着单个方向或者多个方向的平移中调节。卡具可以被直接地联结到离心分离机，或者可以被联结到盒子。 卡具可以作为永久部件被联结到离心分离机，或者卡具可以是被移除的。卡具盒系统允许工件被安装在位于机器外的盒子中。该盒子系统 还允许从离心分离机更换被充满的盒子。当离心分离机正在处理另一 盒组件时，工件可以被移除或者被插入这个盒子中。在盒子系统中， 可以具有单个盒子或者组装到托盘中的多个盒子。如果在托盘中容纳有多个盒子，则该系统可包括或者可移除的盒子，或者包括用于盒子 托盘的更换系统。盒子托盘可以以类似于用于处理光盘的构造进行管 理，构造包括平面回转构造，垂直堆叠构造和垂直回转构造。离心分离机该离心分离机包括工件、卡具、卡具盒和旋转支架。 离心分离机具有多种可能的结构。它可具有单个水平面或者多个水平 面。另外，它能够以多种方式相对于地面定向。具有垂直于地面的离 心分离机轴线的水平离心分离机是用于在其它应用中使用的离心分离 机的一种传统结构。具有平行于该地面的轴线的竖直离心分离机在重 力场中可能具有某些优点，这是因为离心分离机的重量由提供径向对准的相同支承件支撑，并且离心分离机支撑结构的两侧均可接触到。 可以采用其它定向，并且也可使得定向可被调节或者可枢转，从而使 得离心分离机可在一个定向中被加工，并且然后被置于另一定向下， 以进行产品处理。离心分离机结构选项离心分离机的尺寸根据预期用途被调节。 对于很小的制品的制造，可以使用小型离心分离机。随着工件尺寸变 大，对旋转控制和约束的要求也增加，并且对系统可以施加尺寸限制，但是这个限制可能很大。离心分离机的旋转支架保持卡具或者卡具盒。它围绕一条轴线旋 转。支架可将该轴线容纳在其内，或者它可以随着轴一起旋转，或者 旋转支架可以是围绕固定轴旋转的独立结构。旋转支架利用径向支承 件和轴向支承件而相对于基部结构被固定。径向支承件围绕旋转轴线 平稳地传递作用力。轴向支承件沿着旋转轴线平稳地传递作用力。这 些支承件可以具有任何类型，包括空气支承件。另一可替代形式是采用在圆形轨道上的多个支架。在这种情形中， 轴线不需要断续结构。离心分离机可以是未被平衡的系统，通过支承件保持，具有圆形 路径，或者更典型地，离心分离机可以被平衡。平衡离心分离机的过 程可以是手动的或者自动的。在被安装到离心分离机上之前，盒子可 以被预先平衡。利用马达引起离心分离机旋转，马达可以是电动的(或者是直接 驱动的或者经由传动系统)，或者它可以是气动马达或者液压马达。释放系统释放系统提供用于向工件表面添加能量以削弱表面材 料结合力的装置。它可以包括单个源并且具有从源到离散工件的单个 路径，如示于图2中，或者它可以包括指向多个工件的多个源，如示 于图3-5中。能量源从其被指向工件的方向可以是从适合用于将实现的 成形、切削、抛光或者其它加工操作的类型的任何角度。为了允许被 释放的材料粒子离开工件，切向路径应该是不会受到工件阻碍。释放系统可具有单个源和通向工件的多个路径。例如，激光束可 以从多个不同反射镜被反射，并且被引导至围绕离心分离机的周边的 多个位置处。除了具有单个源以及单个路径或者多个路径，系统也可具有多个源和多个路径。不同类型的源可以被结合于单个机器中。或 者，多个离心分离机可以使用相同的一个或者多个源。例如，在双离心分离机系统中，每一个离心分离机是激活的或者 正被加载或者未被加载。在这个实例中，当一个离心分离机减速时， 减速能量被用于起动第二离心分离机。而且，如果使用单个能量源(例 如激光器)，则激光器可以几乎恒定地工作，且具有很短的停机时间。能量束的光束路径依赖于所用的能量源，在C02激光器的情形中， 光束波长被玻璃吸收，从而光束路径位于空气或者真空中并且利用反射镜进行引导和控制。在YAG激光器的情形中，光束通过玻璃，从而光束路径可以被引导通过光缆并且利用反射镜进行控制。其它能量源， 例如电子束、微波和无线电波，每一种均具有其自己的控制方法。能量源的强度和持续时间可以被控制。这包括在较短脉冲期间冲 击在工件上的光束强度的变化。如果要求或者需要的话，则光束强度 可以开始在一个水平下，以"软化"该区域，并且然后改变到另一水 平，以从工件释放更多材料。能量光束可以由被固定、可变、旋转、 成角度的或者平移的透镜和反射镜控制。例如，如果激光束被投射到 在平行于离心分离机的旋转轴线上并且以与离心分离机相同的频率和 相反的方向旋转的平面镜上，则当工件经过时，能够通过多种角度将 激光束引导至工件表面上的特定位置处。或者，如果反射镜被固定， 则当该工件表面旋转通过光束时，朝向工件表面被引导的光束在任何 时间内将产生一条直线，而非尖点。能量光束的聚焦也可进行控制，从分散的能量区到极小的点。光束可以具有由激光源腔，例如在Gaussian Beam或者更宽光束(例如 Dimodal或者Quadramodal光束)中的薄尖锥确定的能量模式。通常的 技术可以被用于防止能量光束反射回到源中，例如以小角度引导光束， 从而使得反射不具有返回路径。除了能量束，也可以使用射流。加压气体或者液体通过阀门进入 管状输送系统中并且通过喷嘴离开。这可具有单个喷嘴或者围绕离心 分离机外的多个喷嘴。喷嘴可以在其定向下被固定到工件或者是可调 节的。喷嘴的角度的方向不限。喷嘴和压力系统可以结合到单个单元 中，如"喷墨"。除了被聚焦的能量源，也可釆用未被聚焦的能量源，以当被离心 分离时控制工件释放材料。例如，可在放置有一个或者多个工件的炉 子中执行掩罩过程。当炉子达到足够高的温度、从而熔化工件材料时， 被暴露出来的表面材料将释放并且脱离。容纳系统存在两种级别的容纳系统，机器外罩和工作区域容器。机器外罩通常要求完整系统的完整外罩。这包括提供安全系统， 以保证如果使用激光器，则外罩将不会让任何引起损伤的激光光线 出来。很多类型的材料脱气并且燃烧，特别是塑料，从而释放出必须被 中和并且容纳的各种类型的有毒物质，并且用于该过程中的任何流体 也必须被容纳、中和，并且过滤。否则，操作人员和处于该区域中的 其它人会吸入本发明创造性过程产生的细小灰尘粒子。这些灰尘粒子 可具有一微米的尺寸量级。该系统必须包括用于防止这些粒子引起伤害的装置。而且，机器和操作人员需要利用屏障被分离开，以防止操作人员 与移动部件接触。外罩的另一目的在于，如果离心分离机或者工件在 灾难事件中破裂，则保护外部环境，使其不受破坏。机器外罩还为机器本身提供一定的保护水平，以使其不会遭受偶然损坏。工作区域容器工作区域是围绕在离心分离机上旋转的工件的区 域。释放能量通过这个区域，到达工件，并且这是粒子被释放和容纳 的地方。这个容纳系统的目的在于限制粒子路径并且保护操作人员 和环境。它还允许工件的环境得以控制。而且，它保护释放系统，从 而使得它不被粒子污染或者损坏。能量源到工作区域的通道为该容纳 系统内的通过开口或者窗口。工作区域容器可以成形为使得供聚焦能 量通过的部分更加靠近工件，并且用于粒子路径的区域更加远离。这个容器的一部分还可具有不透激光的窗口，并且当工件经过时， 闪光灯可以照亮该工件。控制系统系统的控制优选地为在专用计算机系统上运行的软件。 由计算机控制的主要系统包括离心分离机、释放试剂(即，能量源)、 增长系统、环境控制和紧急关闭。在所有的这些系统中，最优控制将 包括传感器反馈。离心分离机控制包括旋转速率和定时、卡具定向、工件控制(例 如加热、冷却或者充电)、自动平衡系统、夹紧系统以及支承系统。能量源/释放试剂系统控制包括源的强度和持续时间。对光束的路 径控制包括控制用于光束的反射镜、透镜和环境。包括对准系统控制。 对于射流，路径控制包括阀门和孔隙改变以及压力控制。增长控制系统包括基底定向、粒子路径控制以及增长环境控制。环境控制包括内部工作区域气体、温度、电、磁环境以及副产品 的气体、流体和固体的处理。这还包括用于从外部源(例如热或者冷 或者尘土)正常化内部环境的补偿系统。紧急关闭系统包括监测关键构件并且控制系统行为的传感器，从 而使得防止发生灾难事故。以上公开内容足以使得相关领域技术人员能够实施本发明，而无 需过多实验。该公开内容还提供目前由本发明人所设想到的实施本发 明的最佳方式。虽然在这里详细示出和披露的、用于切向制造的具体设备和切向 制造方法完全能够实现目的并且提供在这里所述的优点，但是应该理 解，它仅仅示意本发明目前优选的实施例，而且除了在所附权利要求 中限定的之外并不限于在这里示出的构造或者设计的细节。因此，本 发明的正确范围应当仅由所附权利要求的最广义的解释确定，从而涵 盖与在附图中示意和在说明书中描述的那些等同的所有的修改以及所 有的关系。
权利要求
1.一种制造系统，包括具有基部和轴的离心分离机，所述轴具有旋转轴线；用于驱动所述离心分离机的装置；工件保持装置，设置于所述基部上，以用于保持工件，从而使得工件的质心不被置于所述旋转轴线上；用于将能量引导至工件的表面的材料释放装置；以及用于控制所述材料释放装置的控制装置。
2. 根据权利要求1的系统，还包括围绕所述离心分离机的容纳结构。
3. 根据权利要求1的系统，其中所述材料释放装置是聚焦能量束。
4. 根据权利要求3的系统，其中所述聚焦能量束从包括激光束和 粒子束构成的组中选择。
5. 根据权利要求l的系统，还包括材料增长系统。
6. 根据权利要求5的系统，其中所述材料增长系统包括增长基底 和基底保持装置。
7. 根据权利要求6的系统，其中所述控制装置控制并且结合所述 材料释放系统和所述材料增长系统的行为。
8. —种切向制造系统，包括至少一个马达驱动的离心分离机，该离心分离机具有基部和具有 旋转轴线的轴；置于所述离心分离机的每一个的所述基部上、以用于将至少一个工件连到其相应的离心分离机的至少一个工件卡具；用于向被保持于所述卡具中的工件的表面添加足够的能量、以从 工件释放材料的材料释放系统；围绕所述离心分离机、以用于控制就绕在所述离心分离机周围的 制造环境并且防止不必要的材料和气体干扰制造工艺的容纳结构；以 及用于至少控制所述材料释放系统的控制系统。
9. 根据权利要求8的系统，其中所述材料释放装置包括置于所述 离心分离机和所述容纳结构外的至少一个能量源，并且其中所述能量 源能够将能量束或者材料束引导至由所述卡具保持并且在所述离心分 离机作用下旋转到能量束或者材料束的路径中的工件的表面上。
10. 根据权利要求8的系统，其中所述能量源是围绕所述容纳结 构周向设置的激光器。
11. 根据权利要求的系统，其中所述工件卡具包括具有刻模设计 的掩罩，每一个所述掩罩都以插入关系而被置于所述能量源和所述工件表面之间。
12. 根据权利要求1的系统，其中所述能量源被定位用以从所述 离心分离机的所述轴的紧邻正上方引导光束。
13. 根据权利要求12的系统，其中所述能量源被置于所述离心分 离机上，从而使得所述能量源在所述离心分离机上旋转。
14. 根据权利要求12的系统，其中所述能量源不随着所述离心分 离机旋转。
15. 根据权利要求8的系统，还包括从所述轴径向延伸出来的至少两个光学引导臂，所述引导臂的每一个都具有近端和远端并且包括 将光束从所述能量源引导至工件的反射装置。
16. 根据权利要求15的系统，其中所述反射装置包括置于所述远 端处的上下侧远端反射镜，并且其中所述轴是中空的并且包括位于其 上端处的开口以及用于所述引导臂的每一个的、轴向地置于所述轴中 的一个近端反射镜，由此当所述光束被引导通过所述轴中的开口时， 光束被所述近端反射镜分裂成发散光束并且通过所述光学引导臂的每 一个被径向地引导至所述上侧远端反射镜，在上侧远端反射镜处，发 散光束被向下地引导至所述下侧远端反射镜，而该下侧远端反射镜将 光束反射到工件上。
17. 根据权利要求15的系统，其中所述光束被所述反射装置向内地朝向所述旋转轴线引导。
18. 根据权利要求15的系统，其中所述能量源包括至少两个激光 源，其每一个被置于所述光学引导臂中的一个的顶部上，这样每一个 所述激光器都朝向所述引导臂的所述远端引导光束，并且所述反射装 置反射光束，从而使得光束最终被向内朝向所述旋转轴线引导。
19. 根据权利要求8的系统，其中所述工件保持装置具有允许工 件相对于能量束枢转的至少一条旋转轴线。
20. 根据权利要求8的系统，其中所述工件保持装置被置于可选 择性移除的盒子上，所述盒子可以被轴向地置于所述轴上。
21. 根据权利要求8的系统，还包括至少一个臂，所述臂从所述 基部延伸出来，以用于支撑增长基底，从而使得该增长基底以与工件 速度相同的速度旋转，并且该增长基底因此能够被直接地和永久地固 定于从工件喷射出来的材料路径中。
22. 根据权利要求8的系统，其中所述系统包括共轴离心分离机，该离心分离机具有将能量引导至工件、从而可从工件喷射出材料以形 成向增长基底的相对侧同时地施加材料的多个材料路径的材料释放装 置。
23. 根据权利要求8的系统，还包括具有增长基底和用于保持所 述增长基底的装置的增长系统。
24. 根据权利要求23的系统，其中所述控制系统控制并且结合所 述材料释放系统和所述材料增长系统的行为。
25. —种制造方法，包括以下步骤(a) 提供具有用于保持固体工件的装置，将能量源作用于工件上 的离心分离机；(b) 高速旋转所述离心分离机；和(c) 引导能量源，以向工件施加作用力，并且由此使工件材料的 某些部分在切向于旋转工件的路径上释放和喷射。
26. 根据权利要求25的方法，其中步骤(c)包括将气体射流或者 液体射流引导至工件。
27. 根据权利要求25的方法，其中步骤(c)包括将腐蚀性化学品 引导至工件表面。
28. 根据权利要求25的方法，其中步骤(c)包括将热能引导至工 件表面。
29. 根据权利要求25的方法，其中步骤(c)包括将电子束引导至 工件表面。
30. 根据权利要求25的方法，还包括以下步骤向工件施加电压、 以施加电荷，使得喷射粒子被工件排斥。
31. 根据权利要求25的方法，还包括以下步骤(d) 邻近离心分离机放置基底；(e) 将从工件喷射出的材料引导至基底，以通过材料增长过程形成制造的物体。
32. 根据权利要求25的方法，其中步骤(e)包括调节喷射粒子的 起点。
33. 根据权利要求32的方法，其中步骤(e)包括对粒子进行充电 并且使得喷射粒子经过磁场。
34. 根据权利要求32的方法，其中所述粒子控制装置包括利用气 体射流或者液体射流吹动粒子。
全文摘要
一种通过从工件移除材料和/或向基底添加材料来制造成形物体的方法。这种工艺在离心分离机上旋转工件。被加工的工件的表面基本背离离心分离机轴线。当表面材料被释放时，它沿着离开旋转工件的切向路径，从而将其从表面移除。使用能量束例如激光、或者材料射流，从工件上释放和清除一小部分。当工件经过时，使用短脉冲的激光束/材料射流可以移除工件的特定部位。相对于工件旋转定向激光束/材料射流并且控制激光束/材料射流可以改变所被移除部分的位置。改变激光束/材料射流的强度和持续时间可以改变所被移除的材料量。重复地移除工件的若干部分可将工件成形为一定形状。通过使用计算机控制，以定向、定时并且调节激光束/材料射流的强度和持续时间，将工件成形为所期望的形式。从表面释放的材料可以被引导至基底。使用各种控制系统，例如将释放材料充电并且使其经过磁轭或者充电板，可以将释放材料以成形形状沉积到在该基底上。这可在形成旋转工件时被同时地完成。如果从工件被释放的材料不需要用在同时地形成另一物体中，则可将其收集起来，以进行回收。
文档编号G06F19/00GK101268466SQ200680034342
公开日2008年9月17日 申请日期2006年7月19日 优先权日2005年7月19日
发明者托马斯·C·汉森 申请人:托马斯·C·汉森