形狀形成過程及其針對創造結構元件和設計物體的應用制造技術

在此提供了一種工具，該工具單獨地創造多個三維結構元件，這些三維結構元件被順序地定位以形成一個成形物體。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本文所描述的多個實施例總體上涉及一種形狀形成過程，并且更確切地講涉及一種形狀形成過程及其針對創造結構元件和設計物體的應用。背景復合物通常指含有粘合劑和固體的多相材料。越來越多種類的結構復合物由有機聚合物粘合劑或“樹脂”和纖維構成，該纖維通常由玻璃、碳、或天然物構成。在一些變型中，該纖維可以是由金屬形成的。該纖維呈絲(連續或切碎的)、編織布的窄條、束或粗紗、編織物的形式，或者被制成為條或“帶”。由于從航空航天到娛樂設備范圍的行業對于輕質、高剛度材料的需求，結構復合物行業在不斷成長。復合材料通常是通過預先形成的模具來形成形狀的，這些模具是昂貴的并且增加了開發周期時間。典型地，建造復合物零件所需的步驟包括：1)設計零件，2)制成原型零件或[正像]，3)制成模具[負像]，4)將脫模劑添加至模具，5)添加樹脂和纖維，6)固化樹脂，7)移除最終零件，并且8)清潔或丟棄模具。這些步驟消耗了不必要的時間、材料和廢物，從而增加復合物零件的成本。簡要說明圖1展示了根據實施例的用于執行形狀形成過程并創造結構元件及其設計的工具。圖2A展示了根據另一示例的用于將樹脂和纖維傳送到目標區域的傳送機構。圖2B展示了根據另一示例的用于將樹脂和纖維傳送到目標區域并且使樹脂和纖維成形的替代性子系統。圖3展示了用于控制如圖1和圖2A的示例所描述的實現形狀形成過程的工具的控制器。圖4展示了根據另一實施例的用于實現樹脂/纖維控制的示例性子系統。圖5展示了使用例如以圖1至圖4的示例描述的工具所能夠生產的結構元件的示例。圖6A和圖6B展示了根據另一方面的由線A-A示出的結構元件的區段的替代性截面視圖。圖7展示了根據一個方面的用于形成結構元件的方法。圖8展示了根據另一示例的用于由多個結構元件形成一個物體的方法。圖9展示了使用例如以本文所提供的多個示例來描述的結構元件生產的成形物體的示例。詳細說明一些實施例包括一種通過形成多個三維結構元件的方式創造出成形或設計物體的系統和方法。在一個實施例中，用于創造成形三維結構的工具包括樹脂傳送機構、纖維源、固化機構、以及控制器。該纖維源可以提供與該樹脂同心地組合的纖維。固化機構在目標位置的給定方位使該樹脂和/或纖維固化。控制器將該樹脂和/或纖維操縱成所希望的形狀，而同時該固化機構使該樹脂和/或纖維固化在位。三維成形元件是在無支撐結構(即，用作固體支撐件來在固化過程中提供結構的支撐件、基片、或模具)的地方成形的元件。當聚合物被固化時，它從液體或半固體轉變到剛性材料、并且在這轉變過程中經過液體或橡膠狀轉變，其中該聚合物不能支撐結構。在本專利技術中，分配頭的自動運動將該“結構”提供成在自由空間中成形，而同時使這種預聚合物材料固化。四維成形元件是在三維上加上被成形到位的附加功能(例如，電氣布線、電路、或導電性)來成形的元件。其它的實例將是熱導性或光學通路。根據一些實施例，提供了一種三維成形的打印或布線板，該打印或布線板包括具有曲率并由多個單獨創造的結構元件形成的物理形狀。另外或可替代地，一些實施例包括無固體成形支撐件的情況下在自由空間中形成的電子裝置。更進一步地，一些實施例包括一種過程、或用于實現過程的工具，其中三維物體是在自由空間中形成的。工具可以實現(i)將精確量的液體樹脂與纖維一起傳送、將涂覆液體樹脂的纖維定位在X，Y，Z空間中，(ii)通過輻射或其他能量源來使用固化以使樹脂-纖維復合物固化的過程，從而鎖定該材料的位置，而同時傳送液體樹脂并使經涂覆的纖維的位置移動。在一些變型中，用機械切割機構或激光來切割經固化的涂覆纖維。在一些實施例中，提供了一種用于通過組合多個三維結構來創造成形物體的工具。該工具包括樹脂傳送機構、纖維源、能量源、以及控制器。該樹脂傳送機構被定位成將液化樹脂沉積到給定目標位置。該纖維源將一種纖維供應至該給定目標位置。能量源被定位成向沉積的樹脂提供能量并且固化在該目標位置處。該能量源可以被選定成足以液化該尖端部分。控制器對該目標位置處沉積的樹脂的固化進行定位，以使得通過在該給定位置處對該纖維進行操縱，來將該樹脂構筑成較大本體的三維結構元件。根據一些變體，該纖維源包括纖維引導件，該纖維引導件能夠控制該纖維在該目標位置處沿3個軸線的移動。該纖維引導件可以包括用于在該目標位置處沿3個軸線和1個或多個旋轉軸線對該纖維進行操縱的三維控制機構。通過舉例的方式，該纖維是單絲、纖維束、絲帶、膜或帶中的一者或多者。更進一步地，在一些實施例中，使用了刀或激光來切割固化之后的所述結構元件。可以使用切割和/或固化的動作來進一步使正由這些結構元件形成的物體成形。通過舉例的方式，可以使用本文所描述的多個實施例來創造成形物體(或其部分)，包括防彈衣、假肢、個性化的眼鏡或護目鏡、用于某一分類裝置(槍、刀、錘、游戲控制器、網球拍等)的手柄或定制把手、船、滑橇、雪橇、滑雪板、家具、椅子、凳子、架子、牌子(包括可以利用導電纖維或注入粉末的樹脂的具有電子電路的牌子)、定制纖維光學器件或燈、以及定制箱和包裝設備。工具概述圖1展示了根據實施例的用于執行形狀形成過程并創造結構元件及其設計的工具。更詳細地，一些實施例包括用于由多個單獨的、具有所希望形狀的三維結構元件創造設計物體的工具100。設計物體是指由工具100的使用者設計的、具有由多個設計參數指定的結構特征和幾何特征的任何物體。通過舉例的方式，設計物體可以對應于用于以可電操作的方式承載電子電路和部件的成形電路板。這些設計參數例如可以指定該成形電路板的厚度、輪廓、形狀、以及整體尺寸。工具100運行以通過在形成該物體的同時現場順序地創造該物體的多個單獨的結構元件來形成該設計物體。在這方面，工具100可以作為三維打印機運行，但是與使用多個層的添加將多個二維層形成為成品物體的常規途徑形成對比，圖1的示例性工具100在正在形成的物體的現場單獨地創造一個三維結構元件。除了其他優點，所產生的物體可以使更多樣化的設計物體能夠具有結構合理的特征。另外，一些變型使結構元件能夠包括集成的導電性，這可以產生具有固有電氣特性或能力的三維成形物體。另外，可以形成具有大的空隙空間的形狀，從而致使零件具有高的剛度和強度而且還具有低的重量。在實施例中，工具100包括傳送機構110，該傳送機構使樹脂與纖維聯接以形成結構元件。更詳細地，工具100包括機器人臂104，該機器人臂任選地被提供在X-Y定位臺106(例如，可旋轉臺)上(如所示出的，該機器人臂不在該X-Y定位臺或可旋轉臺上，正在形成的樣品是在可旋轉臺上)以提供三加軸線定位系統。臂104可以繞一個或多個鉸鏈114樞轉，以使各種運動和自由度成為可能。該臂可以被提供在平臺130上，該平臺用于支撐和保持臂104、以及諸如定位臺106的其他部件。定位臺106可以進而支持正在形成的物體(例如復合物成形結構零件、電路板或電氣元件)的固位和成形。在一個實施例中，傳送機構110包括將樹脂和纖維107分開地傳送到目標111的多個結構。樹脂傳送結構105可以將預定量的樹脂從樹脂源經過管道115傳送到該目標的一個區域。通過舉例的方式，樹脂傳送結構105可以包括計量泵，例如注射泵、蠕動泵、齒輪泵、或漸進式空腔泵(progressive cavity pump)。例如，泵本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種結構元件，該結構元件與多個其他結構一致地整合以形成一個設計結構，該結構元件包括具有剛性且穩定的三維形狀的材料，該結構元件是通過a)將一種液體樹脂涂覆到纖維上并且b)將該液態樹脂和纖維從液態固化到固態來形成的。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2013.11.15 US 61/905,0521.一種結構元件，該結構元件與多個其他結構一致地整合以形成一個設計結構，該結構元件包括具有剛性且穩定的三維形狀的材料，該結構元件是通過a)將一種液體樹脂涂覆到纖維上并且b)將該液態樹脂和纖維從液態固化到固態來形成的。2.如權利要求1所述的結構元件，其中，該結構元件是通過將該纖維插入到該樹脂中并且然后在固化該樹脂和纖維之前使該纖維和樹脂成形來形成的。3.如權利要求1所述的結構元件，其中，該結構元件是通過將該液體樹脂沉積在該纖維上、并且通過將該纖維操縱成所希望的形狀而使該液體樹脂和纖維成形來形成的。4.如權利要求1所述的結構元件，其中，該結構元件是通過使該液體樹脂和該纖維成形來形成的。5.如權利要求1所述的結構元件，其中，該結構元件與其他結構是通過相對彼此順序地形成來一致地整合的。6.如權利要求1所述的結構元件，其中，該材料是由樹脂和纖維形成的。7.如權利要求3所述的結構元件，其中，該樹脂是具有丙烯酸酯、環氧化物或乙烯基反應性基團中的一者或多者的單體。8.如權利要求7所述的結構元件，其中，該樹脂包括自由基紫外光光敏引發劑制劑或陽離子紫外光光敏引發劑制劑之一。9.如權利要求1所述的結構元件，其中，該材料是由纖維或纖維束形成的。10.如權利要求9所述的結構元件，其中，該纖維是玻璃纖維、碳纖維、天然纖維、導線、或纖維束。11.如權利要求1所述的結構元件，其中，該結構元件呈股線的形式。12.一種設計結構，包括：多個結構元件，該多個結構元件被整體地形成為一個本體，每個結構元件包括具有剛性且穩定的三維形狀的材料，每個結構元件是通過將該材料從液態固化來形成為該本體的，這些結構元件各自被順序地形成在該本體的一個對應位置處。13.如權利要求12所述的設計結構，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：R·J·弗萊明，
申請(專利權)人：R·J·弗萊明，
類型：發明
國別省市：美國;US