一種合成複合物的方法和裝置與流程

2023-05-25 00:42:46

本實發明涉及合成一種有兩種或兩種以上物質構成的複合物，尤其是使用電腦控制的裝置從一種基本上呈液體的可硬化的物質合成一種複合物。

背景技術：

複合物一般由兩種或兩種以上的物質構成，這樣可以同時具有這些物質的組合特性。例如，碳纖維經常被用於合成製造自行車架，這種複合材料製成的自行車架強度高質量輕。

積層製造，通常所說的3D列印是一種用於合成物體的製造技術。積層製造過程通常包括用電腦軟體準備數字3D模型，由3D模型生成電腦指令根據物體的幾何形狀來定義一系列平行的橫截面，由電腦指令指引3D印表機根據各橫截面相應地合成連續的物質層，一層落一層直到合成複合物的所有層。

積層製造流程有很多種，常見的有立體光刻技術(SLA)，選擇性雷射燒結術(SLS)，熔絲製造(FFF)。立體光刻技術包括用光源(通常是紫外線或燈光)按照截面輪廓的要求照射盛滿液體可固化光敏聚合物液槽的上表面，在光源聚焦的上表面固化一個一致高度的橫截面薄片。硬化的光敏聚合物在液槽內的支撐平臺上形成一層物質，合成一層後，平臺在液槽內降低一個截面層的高度，然後光源聚焦第二層橫截面將第二層固化在第一層之上。重複該步驟，合成各個連續的層，平臺漸漸在液槽中降低直到複合物合成完畢。

立體光刻技術(SLA)相比傳統技術比如注模具有很多優勢。但是立體光刻技術也有一些不足。比如很多情況下使用立體光刻技術需要用複合材料合成物質，使其具有特定的物理特性比如增加強度或減小密度。以前試圖通過在光敏聚合物中添加填充物來滿足這個要求，填充物可以是陶瓷或金屬顆粒。在固化時形成懸浮的物來合成物體。但是由於可固化的懸浮物大部分是同質的，所以合成的複合物整體具有一致的材料特性，達不到在合成的複合物特定部分具有特定所希望的特性。

因此，需要一種方法和裝置可以選擇性地固化液體可硬化材料，可以用兩種或兩種以上的材料合成複合物，是複合物的不同位置具有不同的材料特性。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種使用一個電腦控制的裝置合成複合物的方法。該裝置包括：一個盛有基本上呈液體的可硬化的第一物質的蓄液池，一個用來固化第一物質的活化頭，和一個沉積頭連接提供第二物質，活化頭和沉積頭可以在蓄液池中相對運動，該方法包括以下步驟：根據複合物的幾何形狀，計算機發出指令，裝置接收指令；移動並選擇性操作沉積頭根據複合物的幾何形狀將第二物質一點一點的沉積在相應特定位置；並且移動並選擇性操作活化頭根據複合物的幾何形狀將第一物質一點一點的固化在相應特定位置；固化的第一物質和沉積的第二物質構成了複合物。

本發明還提供了一種電腦控制的裝置用以合成一種複合物，該裝置包括：一個盛有基本上呈液體的可硬化的第一物質的蓄液池；一個用來固化第一物質的活化頭，該活化頭可以相對於蓄液池移動；一個沉積頭連接提供第二物質，該沉積頭可以在蓄液池中相對運動；一個控制器配置為響應電腦指令根據複合物的幾何形狀移動和操作活化頭和沉積頭；該控制器移動並選擇性操作活化頭根據複合物的幾何形狀將第一物質一點一點的固化在相應特定位置，並且移動並選擇性操作沉積頭根據複合物的幾何形狀將第二物質一點一點的沉積在相應特定位置。

本發明的其他方面也有闡述。

附圖說明

以下結合附圖以實施例說明本發明。

圖1為用於合成複合物的裝置的橫切圖；

圖2為圖一裝置的橫切圖合成另一種複合物；

圖3為圖一圖二中的裝置的另一種形態正在合成圖二中的複合物；

圖4A和4B是圖一圖二中裝置另一種形態的橫切圖，該裝置正在合成一種可替換的物質；

圖5是在圖1至4B中裝置合成的複合物的橫截圖；

圖6是圖3中裝置合成一種可替換複合物的橫截圖；

圖7是一種可替換裝置合成一種可替換複合物的橫截圖；

圖8是另一種可替換裝置合成另一種可替換複合物的橫截圖；

圖9是另一種可替換裝置合成另一種可替換複合物的橫截圖；

圖10A和10B是另一種可替換裝置合成另一種可替換物的橫截圖；

圖11是固定板的透視圖；

圖12A-12E是在圖11所示的固定板上合成一種可替換物的各個階段的橫截圖。

具體實施方式

本實施例涉及一種方法和裝置用以合成複合物，涉及選擇性固化基本呈液體狀的可硬化第一物質和選擇性沉積第二物質在特定位置，第一物質和第二物質通過這種方法構成複合物。

圖1是一個電腦控制的裝置50合成一種複合物51，複合物由一個內核52和一個外殼53整體構成。裝置50有一個活化頭54與機械手臂55連接置於蓄液池56正上方，蓄液池至少部分填充有呈液體狀可硬化的第一物質57定義一個上表面58。該活化頭54和光源相連(圖中沒有顯示)，如紫外線或燈光用來硬化可硬化的第一物質57。操作時，活化頭54打開光源聚焦在蓄液池56上。沉積頭59安裝在活化頭54相鄰位置，沉積頭59通過一根或多根管子60連接並提供第二物質。操作時，沉積頭59一點一點擠壓或噴射第二物質。平臺61有至少一個表面用以支撐複合物50，並與置於蓄液池56中的第二機械手臂62連接。活化頭54，沉積頭55和平臺61由控制器(圖中未顯示)響應根據內核52的幾何形狀或外殼52的幾何形狀對裝置50發出電腦指令相對上表面58做相對運動，並且或者活化頭54，沉積頭55和平臺61他們之間做相對運動。電腦指令通常根據複合物51的3D模型生成並定義複合物51的幾何形狀。

複合物51是根據其幾何形狀在其特定位置由沉積頭59一點點選擇性沉積第二物質和活化頭54選擇性固化可硬化第一物質57。通常首先將將平臺61置於上表面58之上，根據內核52的幾何形狀移動並選擇性操作沉積頭59以選擇性沉積第二物質在特定位置，至少沉積的第二物質緊挨著平臺61。移動平臺61使至少部分沉積的第二物質淹沒在可硬化第一物質57中，在上表面58上方接近上表面的地方活化頭54移動並選擇性操作在上表面58上根據外殼53的幾何形狀在特定位置選擇性固化可硬化的第一物質57，至少一部分固化的物質緊挨著平臺61和/或沉積的第二物質。再次移動平臺61，通常將平臺降低入蓄液池56，根據上表面58復位沉積的第二物質和固化的第一物質。重複以上步驟，再次選擇性沉積第二物質和固化第一物質57直到合成內核52和外殼53，直到完成合成複合物51。

另一個合成複合物51的選擇是，首先在接近上表面58地方根據外殼53的幾何形狀選擇性操作活化頭54來固化可硬化的第一物質57，固化物質緊貼平臺61，然後移動平臺61將至少一部分固化物質排列在上表面58上。這樣可以接下來選擇性操作沉積頭59將第二物質一點一點的沉積在固化的第一物質上並可能也會沉積在平臺61上。

另外，活化頭54包括一個投影儀(圖中未顯示)在上表面58上投影一個外殼53幾何形狀的橫截面，從而根據一個投影合成整個一層外殼53。

沉積的第二物質和固化的第一物質一般有一個預知的深度通常呈粒狀。當內核52或外殼53合成為一層一層時，每一層由一個或多個小粒構成。另外，活化頭54包括一個投影儀(圖中未顯示)並在上表面36上投影物體20幾何形狀的橫截面，從而由一個投影生成整個一層物體20。沉積頭59和活化頭54可以被安裝在獨立的機械手臂上(圖中未顯示)同步移動和操作。

同時活化頭54通常在上表面58上方一點處操作在上表面58上固化可硬化的第一物質57，可以將活化頭54淹入蓄液池56並進行選擇性操作在蓄液池中固化可硬化物質57。進行操作時，在活化頭54的一端形成一層氧氣來防止固化的第一物質粘著活化頭54。

另外，蓄液池56可以有一個透光的基座(圖中未顯示)，如一個透明的部分，活化頭54包括一個投影儀(圖中未顯示)安裝在基座之下。裝置50可以在基座上生成一層氧氣以防止硬化的第一物質粘連基座。平臺61由機械手臂62託著懸在蓄液池中，平臺的表面接住固化的可硬化第一物質57並至少在剛開始時面對基座。本實施例中，裝置50合成外殼53是通過投影儀透過基座根據外殼53幾何形狀投影外殼的橫截面，固化相應於橫截面的一層可硬化的第一物質57。第一層外殼53附著在平臺61上接下來的各層附著在之前的層面上。平臺逐漸從蓄液池56中抽出使合成的各層從基座上移開。沉積頭59和機械手臂55可以安裝在蓄液池5中以接近平臺61並固化第一物質。

第一物質57和第二物質通常由不同成分組成，使得內核52和外殼53具有不同的特性。舉例來說，可以用導體材料構成內核52並用絕緣體構成外殼53，這樣可以不使用電線使電流穿過複合物51並保證安全。同樣，在沉積過程中裝置50可以調節第二物質的組成以影響複合物51的特性。比如，如果內核52由一種泡沫材料合成，比如聚氨酯泡沫，泡沫材料中氣泡的數量可以由裝置50在沉積過程中進行調整，從而使內核52的不同部分具有不同密度，影響複合物51整體的重量分布和強度。

圖2系是裝置50合成另一種複合物65包括支架66和可替換的外殼67。支架66是一個複雜的結構，由支撐物組成的網絡構成，是沉積頭59用硬質材料合成，如金屬(或金屬含量很高的物質)，以加強複合物65的結構。支架66和外殼67通常是由裝置50用一層一層的連續平面合成，開始時第一層挨著平臺61接下來的各層一層落一層在平臺61上堆高。這個漸進的合成支架66和外殼67的過程可以使活化頭54接觸到複雜的支架66的每個部分，支架66由外殼67包裹。

圖3中，裝置50的在另一種狀態下合成另外一種有可替換支架71和外殼72的可替換的複合物70，裝置50有一個可替換可轉動的平臺73連接第二機械手臂74，該裝置可以繞至少一個軸轉動，最多可以繞3個軸轉動。平臺73可以轉動，支撐支架71和內核72在合成過程中可以相對於上表面58傾斜，並可以在傾斜的同時相對於上表面58移動。這樣使活化頭54在上表面58上固化可硬化第一物質57從而構成非平面的小粒或層，形成起伏或雙曲線的部分。裝置50將平臺73置於轉軸延伸平行於上表面58，活化頭54可以和平臺73同步操作，平臺可以轉動並同時移動，活化頭54可以合成環狀的小粒和螺旋狀的小粒。

圖4A和4B顯示圖3中裝置50合成一種可替換複合物80兩個階段，包括一個支架81由沉積頭59沉積第二物質得到，一個主體82由活化頭54固化第一物質得到。主體82包括由多層非平面曲線層85構成，操作活化頭54和相對於上表面旋轉平臺73合成非平面曲線層85。

在圖4A中，旋轉平臺73使複合物80傾斜讓活化頭54在上表面58上選擇性固化可硬化物質57，從而合成一個非平面層85。支架81的一部分淹入可硬化的物質57。圖4B中是裝置50的另一種工作狀態，一個噴嘴83通過接在機械手臂55上的管子84接通氣體。轉動平臺73使複合物80傾斜向上，噴嘴83用氣體噴支架81覆蓋可硬化物質57的部分，從而在用沉積頭59沉積第二物質之前至少部分將可硬化物質57從支架81上移除，以繼續合成支架81的其他部分。另外，噴嘴83連接能量源或化學製劑用以在沉積第二物質之前從支架81上非破壞性的移除液體狀的第一物質57。比如，噴嘴83可以包括一個超聲發射器使支架81震動來移除支架上液體狀第一物質。

圖5是一種由裝置50合成的可替換複合物10的橫截面。複合物10是多層結構，一層包裹著一層。其中內核11，外核13和外殼15是由固化的可硬化第一物質構成。內部填充物12和外部填充物14分別由沉積的第二和第三物質構成，由此沉積頭59連接提供第二和第三物質。第一，第二和第三物質具有不同屬性，因此可以塑造複合物10的特性以滿足特定的功能和審美要求。舉例來說，如果要求合成物10做為防衝擊的屏障，在硬化第一物質57時可以採用堅硬的材料，如陶瓷複合材料，第二第三物質可以是低密度或高密度的聚氨酯泡沫材料。這樣可以在受力經過複合物10時衝擊像預想的那樣被吸收。

圖6是裝置50合成另外一種可替換的複合物20。複合物20包括一個在平臺73上的支撐結構21，瓦楞22接在由支撐結構21上伸出的小臂上，主體23連在瓦楞22上。合成複合物20首先用沉積頭59將第二物質合成支撐結構21，從而使小臂和瓦楞22咬合。瓦楞22和小臂咬合。然後合成主體23，用活化頭54將非平面粒狀固化的可硬化第一物質排列在瓦楞22上，這樣每一個瓦楞22都與主體23粘連。完成主體23後，將複合物20從蓄液池中移除，排乾後移除支撐結構21，將嵌入主體23的瓦楞22暴露出來。第二物質是可熔物質，如蠟質複合物，加熱複合物20以熔化並移除支撐結構21。同樣的，如果第二物質是可溶物質，如石膏，可以將支撐結構21浸在適當的液體中。

圖7是可替換裝置30，有一個活化頭31連接第一機械手臂32和一個沉積頭33連接第二機械手臂34。機械手臂32，34位於蓄液池上方，蓄液池盛有液體狀可硬化第一物質35構成上表面36。相對於上表面36移動並選擇性操作活化頭31在上表面36上選擇性固化可硬化的第一物質35。沉積頭33連接並提供第二物質，第二物質是成卷的纖維38，沉積頭33選擇性操作剪斷並將纖維38插入第一物質35。

裝置30合成複合物39，複合物39有多層物質37和纖維38構成。活化頭31在上表面36上固化第一物質35以合成多層物質37已形成小粒。沉積頭33跟隨活化頭31在固化不久後將剪斷的纖維38噴入一個或多個小粒中，在第一物質35處於啫喱狀還未硬化時。在合成過程中，插入小粒38中纖維38的密度可以由裝置30進行調整，這樣可以使每個小粒37的密度和硬度有所不同。另外沉積頭33在沉積過程中或剛完成沉積時可以調整纖維38的特性。比如，加熱合成纖維38以增加硬度，或當第一物質處於啫喱狀是加熱嵌入小粒中的可記憶形狀的合金纖維38來調整纖維38的形狀來增加纖維38和小粒之間的張力。

圖8中是裝置30的另一種形式合成另一種複合物40，其中，裝置30的活化頭31和沉積頭33連接在同一個機械手臂32上。平臺39在支撐結構41上，平臺低於上表面36。在合成複合物40的過程中，纖維38 通過裝置30和支撐機構41相連並從沉積頭38上卷出。活化頭31跟隨沉積頭33固化由可硬化第一物質35構成的小粒42，小粒中含有纖維38。這樣可以是一個或連續的纖維38穩固在每個小粒42中。因為纖維38穩固在支撐結構41上，在合成小粒42時或在合成小粒42之前對纖維38施力，這樣當固化小粒42時，複合物40具有張力。另外，一個附加的支撐結構(圖中未顯示)從平臺上伸出在第一支撐結構的遠端，第一支撐結構在複合物40的另一端，纖維38在沉積頭和第一支撐結構之間固定並拉緊。纖維38形成紋理有助於和小粒咬合，如形成一組突起的結核。

圖9是另外一種裝置110具有裝置50的很多特性。具有相同標號的特性具有相同功能。裝置110包括兩個機械手臂55，112可以相對蓄液池56運動。第二機械手臂112包括一個噴嘴113，噴嘴113連接一個真空系統(圖中未顯示)響應電腦指令可以將液體狀的可硬化第一物質57從蓄液池56中移除。

裝置110正在進一步合成一種可替換物質114，包括具有好多孔116的主體115。如上所述，主體115由活化頭54選擇性固化可硬化第一物質57合成。合成主體115時，第二機械手臂112選擇性移除滯留在孔116中的可硬化第一物質57。這樣可以讓沉積頭59選擇性地將第二物質117沉積在孔116中。

圖10A是裝置50的另外一種選擇，活化頭54由噴嘴組170組成，噴嘴和能量源相連並可以選擇性將能量源聚焦上表面58用以將可硬化第一物質的小粒171固化。噴嘴組170呈線性排列並可以繞著大體上垂直於上表面58由機械臂55確定的軸轉動。當活化頭54在上表面58上橫向移動時，噴嘴組170和上表面58保持距離，噴嘴組170相對於活化頭運動方向繞動。噴嘴組170可以選擇性操作用以使最多4個小粒171同時硬化。這可能包括選擇性不激活一部分噴嘴組170以在固化的小粒170之間構成小空腔172。

圖10B是活化頭54沿著第一方向175在上表面58上的運行軌跡並同時操作噴嘴組170中每個噴嘴，以固化可硬化第一物質57的相應部分。當活化頭沿著路徑移動時，噴嘴組相對於第一方向繞動這樣固化的相應部分的寬度減小，這樣相應部分174在固化過程中是連續光滑並寬度不同。在固化相應部分174時，噴嘴組170曝露的能量源的強度可能不同，因此提供一個穩定淨曝露強度可以將固化相應部分在一個恆定的深度。比如，當噴嘴組170繞動固化了一個較薄的部分，所有噴嘴組170的曝露強度變小。相反的，當噴嘴組170沿曲線(圖中未顯示)運動時，在曲線外邊緣的噴嘴組170曝露在比排列在曲線內側的強度大的能量源下。另外，可選擇調整噴嘴組170中的每個噴嘴形狀(圖中未顯示)並是噴嘴組170中每個噴嘴分別繞動。

圖11是和裝置50連接的固定板160。固定板160被固定在平臺61上，固定板上有一個或多個螺釘161和/或有凸起和/或凹陷的區域162，以使第一物質或第二物質附著在平臺61上。固定板160可以從平臺61上取下並永久連在固化的物質上。其他附件如螺紋柱163在固化過程中和螺釘161固定，這樣可以增加固化物質內的固定長度。

圖12A到12E是在裝置50固化另一種可選物質164的不同階段固定板160連接在平臺61上。圖12A是固定板160通過很多機械固件165連接在平臺61上。圖12B是多層可選物質164固化在固定板160，螺釘161和穿孔的區域162上。螺紋柱163和負載分散裝置169連接在一些螺釘上。圖12C是在固化的最後階段，平臺轉動將可選物質傾斜嵌入固定板160中。圖12D是完整的可選物質164外加一塊固定板由兩個附加的螺紋固定件167連接在上表面上。各個可拆除的提升固件168連接在附加螺紋固定件167上。圖12E是將可選物質164連帶兩塊固定板160，166從平臺61上移除。

任何不偏離本實用新型/發明的功能和結構理的修改都將包括在權利要求書的範圍中。雖然使用特定的實施例說明本發明，但是本發明不限於這些實施例並可以其他形式應用。