CN107009802B - 用于制作三维冰雕的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制作三维冰雕的系统，其具有安装在冷藏外壳内的可移动打印头和风扇。打印头具有连接到冷冻水源的入口，并且可以在一个平台上喷射染色的或未染色的水。一个控制器可以移动所述打印头和调节它的喷水流量。某种流体可以在某温度下排入喷射的水中以加速冰的形成。喷射的水形成连续的冻结层。

Description

用于制作三维冰雕的系统和方法
技术领域
本发明涉及冰雕，特别是涉及到三维打印技术的系统和方法。
背景技术
冰雕通常作为晚餐，宴会，派对和其他节日场合的餐桌装饰。尽管这些装饰实际上可以用手工从大冰块雕刻制作，在大多数情况下，冰雕制作是将多部分模具先充满水，然后将其冷冻，其后将模具打开以得到所需的冰雕塑。但得到大量的不同的模具是相当花钱的，因为模具必须足够坚固，以支持水的重量，和足够包容以应对水结冰时的膨胀。用手工雕刻冰雕更昂贵，因为必须找到熟练的工匠，并花费大量的时间雕刻细节使雕塑具有吸引力。
使用三维打印技术，一个计算机辅助设计产生的文件可以转换成一份确定此设计的各连续打印层的轮廓的相应文件。此后由一个计算机控制的打印头在一个平台上分层打印材料，每一打印层都由计算机辅助设计转换成的文件给予确定。在每一层打印过程完毕之后，该平台随即相应下调，以给下一打印层创造空间。
这一过程一再重复，直至所有的打印层都打印完毕并已产出所需形状。通常，三维打印机一般用于原型制作，让开发者能更好地认识和理解其概念产品。在一些别的情况下，打印出来的工件亦作为模型用于制作成品生产所需的模具。当今三维打印机越来越普遍地用于成品生产。
三维打印机使用的材料可以是用紫外线光固化的液态高分子物质。或者打印机可以有一个加热器用来液化可热溶的塑料，让其在打印后冷却固化。
在某些情况下，设计者需要用三维打印机生产一个有底切部或悬垂部分的三维形状，比如一把直立的打开的伞。如果下面没有支撑，伞的边缘将不可能直接打印出来。由此原因，有些三维打印机会在打印过程使用有别于打印产品的材料作为支撑材料。支撑材料构造出一个支撑平台，以用于打印带有底切部或悬垂部分的设计。支撑材料可以在打印后消弃去以留下最终产品。
参考美国专利申请公开号2004/0038009；2013/0287933；2014/0054817；2014/0088751；2014/0265034；2014/0271964；2014/0374935；和2015/0231830；以及美国专利8460451。
发明内容
根据说明性的实施方案所显示本发明的特征和优点，本发明提供了一种用于制作三维冰雕的系统，该系统包括一外壳；一安装在外壳内用于喷射至少包括水的可移动的打印头，打印头具有一进口，适于连接到一冷冻水源；一可操纵移动打印头和调节打印头水流的控制器；和一适于连接到一流体源的端口，所述端口用于排出流体，排出流体的温度能促使从所述打印头喷射出来的水结冰。
在根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种系统，用于制作三维冰雕。该系统包括：一冷藏外壳；一安装在外壳内用于喷射至少包括水的可移动的打印头，打印头具有一入口；一可操作以移动打印头和调节打印头的出水流量的控制器；一安装在打印头的管道，适于被连接到一流体源并将流体引流到打印头喷射出来的水；一安装在外壳内的风扇；一安装在外壳内的可垂直移动的平台，所述控制器被耦合到所述平台并用于控制平台的下降，控制器可操纵打印头在平台上方作两个维度的移动；和一适于接收冷却水及一种或多种染料的歧管，打印头的入口被耦合到所述歧管以接收其内容。
根据本发明的又另一个方面，本发明提供一种方法，用于制造三维冰雕。该方法使用了一个位于外壳内的平台来制作三维冰雕，该方法包括以下步骤：先在平台上以随时间变化位置的方式喷射至少包括水，以形成基础层且所述基础层允许冻结；和随后在基础层上以随时间变化位置的方式喷射至少包括水，以形成后续层且所述后续层允许冻结。
通过采用类似上述的系统和方法，可以得到一种用于制作冰雕的改进的技术。在一个公开的实施方案中，一个可移动的打印头被安置在冷藏外壳内的一个可垂直移动的平台上方。打印头安装在一座可以作水平面上的二维运动的龙门架上。比如说，打印头可以安装在一条滑动轨上(打印头可以在x方向上滑动)，滑动轨的两端根部可横向沿着一对平行的导轨上滑动(在y方向滑动)。
在一个公开的实施方案中，连续的各层的水被打印到平台上，平台然后依次下降以给下一层创造空间。打印的水在接近冰点的温度下喷出(在某些情况下，水被过冷)。冷冻过程可以通过引导寒冷空气到打印头喷出的水流中得以加快。在某些情况下，排放液化的气体到打印出来的水中，液化的气体气化时可以迅速冻结所打印的水。
在另一个实施方案中，支持不断增长的冰雕的平台是固定的，而一个铰接式多关节悬臂可用来移动打印头在三维空间内运动，以给冰雕制作予以高度的灵活性。
在一个公开的实施方案中，冷却后的水在从打印头被喷出前在一个歧管中和染料混合。一个控制器可以改变染料的用量以产生各种颜色组合，包括没有颜色(中性透明)。在另外的实施方案中，一种流畅的纤维材料可与冷冻水在被喷出前在歧管中混合。这些纤维材料增强了冰雕的强度，以允许普通情况下不可行的极端冰雕形状。
一个公开的实施方案在开始打印每一层时首先铺垫冷冻的冰颗粒。这些冰颗粒可以通过造雪机制造或从一个装有天然雪的容器中抽取。此铺垫好的冷冻冰粒层随后通过散布器具加以铺平整匀到希望的深度。该散布器具可以是类似一个转动的雨刮子或一个平行划动的抹平刮板。再后，将水喷到预定的区域将铺垫好的冰颗粒冻结。
因此，数层的冰体将在宽松的冰颗粒包围中形成。当三维冰雕完成时，操作者可以除掉松散的冰颗粒来让成品冰雕显露出来。这些松散的冰颗粒作为支撑材料，使得带悬垂部分或底切部分等等的冰雕能得以制造出来。
附图说明
以上简述以及有关本发明的其他目标，特征和优点可通过参阅下面的说明性实施方案的相关绘图以及绘图的详细描述得以充分理解。其中：
图1是一个根据本发明原理的一种方法运作的系统的透视图，缺口部分是为了显示内部；
图2是图1中的打印头的剖视图，示意图还包括一个控制器，一个歧管与所述打印头相配在一起；
图3是可以使用于图1的系统的造雪单元的剖面图；
图4是两个图3的单元安装在图1的系统中的平面图；
图5是图4的系统中，冰雕的一大部分已经制造出来后的正视图；
图6是一可以代替图4的设计的平面图；
图7是图6的系统中，冰雕的一大部分已经制造后示出的正视图；
图8是一个可替代于图4和6的设计的正视图；
图9是一个替代图1的系统的部分系统的正视图；
图10是一个以用一个气球形成空腔后使用一个前述系统制成的冰雕的正视图。
具体实施方式
参照图1，所示的系统包括外壳10，一个箱形隔热结构，结构上有门12而门上有一个观察窗12A。外壳10座落在制冷单元14上面，制冷单元通过与外壳底板的热传导和通过端口16的对流给外壳内部予以冷却，端口16通过一根装在外壳壁内的导管(未示出)与制冷单元14连通。外壳10内部装有一个温度计17T和湿度计17H，它们分别产生指示外壳内的温度和湿度的信号。挂在外壳10的顶部是一个由电机驱动(未示出)的风扇叶片18(自由体图示)，用于驱动冷空气到下面将论述的工作区。
矩形平台20由四个致动器22通过杆22A在平台的四角予以支撑，通过操作致动器可以调整平台的垂直位置。这些致动器22可以是导螺杆或者气压缸等等。一些替代实施方案也可使用齿条和小齿轮，吊缆，环形带等设计。用于调节平台20的垂直位置的机械动力装置可以采用步进马达，伺服马达等。平台20的四角同步可以通过机械链接四角的驱动来实施。
作为在平台的每一个角都使用一个分开的致动器的替代方案，一些设计可以是只有一个连接到平台中心的致动器。在这种(和其他的)方式中，平台20的横向位置稳定性可用垂直滑杆作为导轨来解决。
图1中显示可移动的打印头24正在平台20上制造三维雕塑36(以虚线示出)。打印头24安放在可移动的支架26上，而这支架26又得到致动器杆28的支撑。致动器杆28的两端连接在支架30A和30B上，支架30A和30B又分别得到致动器杆32A和32B的支撑。致动器杆32A和32B安装在外壳10的内壁的对立面上。
支架26和致动器杆28一起充当一个线性致动器。致动器杆28可以具有一个不会轴向旋转的外套筒，但在套筒的内部有轴向旋转的螺丝杆。支架26本身可以充当杆28上的引导螺母。杆28的非旋转外套筒可与导轨(未示出)配合以防止支架26转动。支架26将有螺纹或其他突起部分与杆28啮合，并在杆28的引导螺纹带动下作纵向运动。杆28在一个内部电动机(未示出)带动下转动，而所述内部电动机则是在下述的控制器的控制下运转。在某些实施方案中致动器杆28也可以采用气压缸，齿条和小齿轮，缆索，环形带等来代替。
支架30A和致动器杆32A一起充当一个线性致动器，同样支架30B和致动器杆32B一起充当另一个线性致动器。线性致动器30A/32A将通过具有共同的机械驱动和/或共同的电子控制器与线性致动器(由30B/32B构成)同步。杆32A(32B)可以具有一个不会轴向旋转的外套筒，但在套筒的内部，有轴向旋转的螺纹。支架30A(30B)可以充当杆32A和杆(32B)螺丝上的螺母。支架30A和30B通过致动器杆28的连接可以有效地防止它们的转动。支架30A(30B)设有螺纹或其他突起部，啮合在杆32A(32B)的螺丝上，并受杆32A(32B)的推动做纵向运动。导螺杆将由一内部电动机(未示出)来带动，而内部电动机是受一个下面将描述的控制器控制。在一些实施方案中，致动器杆32A(32B)可以采用气压缸，齿条和小齿轮，缆索，环形带等来代替。
参照图2，打印头24被显示为一带有筒状喷嘴34的矩形金属块，喷嘴34由夹头37套牢于加大孔24A的适当位置中。喷嘴34在其末端有一孔34A。孔24B与喷嘴34的根端连通。孔24B的外端部是一柔性导管38其中一端的插入口，导管的另一端连接到歧管40的出口40A。歧管40示出具有五个连接到机电阀42，44，46，48，和50的流体入口。这五个机电阀分别受到输入端W，C，M，Y和F的控制。
冷却单元52供水来自于管线54，然后向阀42供给冷冻水，在某些情况下，冷却单元52供给的冷冻水可以是过冷水。流过阀42的冷冻水的流量是通过W的输入信号来控制的，在本实施方案中，输入信号是由控制器56提供。W的输入信号可以在一个从零(无水流)到最大水流量(阀全开)的连续范围内连续地控制水的流量。控制器56具有接口Te和H分别接收来自温度传感器17T和湿度传感器17H的信号，(图1)其控制打印过程的方式将在下面描述。
在一些实施方案中粘度增强剂将从供应管线54中被添加到冷冻水中。如以下所述，增强的粘度将延缓打印后水的流动，以增加打印的精度和防止打印的水的溢出。在一些实施方案中，粘度增强剂可以是羧甲基纤维素或甲基纤维素。
控制器56的输出端C，M，Y连接到阀44，46，和48上标示的对应的输入接口。阀44，46和48分别提供青色染料(TC)，品红染料TM，和黄色染料的TY。通过阀44，46和48的染料流量是由来自输入端C，M，和Y的信号来分别控制；而这些信号是由控制器56的相应标记好的输出端提供。C，M，和Y的信号可以在一个连续的范围从零(无流动)到最大流量(阀全开)范围来控制染料流量。因此，水和染料的混合物可以从歧管40通过导管38供给孔24B的入口，该入口可认为是水和染料的接入口。
如由连接致动器杆28和输出装置58之间的虚线所示，控制器56发送控制信号到输出装置58，以机械方式控制致动器杆28。应该理解的是，在该图中，杆28和支架26仅仅为了示意性地标出致动器的存在的略图，在实践中，机构会更加复杂。如前所述，致动器杆28可以是一个导螺杆，而支架26可以是螺母，被杆28纵向驱动而不会沿轴向旋转。
类似于输出装置58，控制器56还发送控制信号到输出装置60，以机械方式控制致动器杆32A和32B(图1)，以类似的方式，控制器56发送控制信号到输出装置62来控制致动器22(图1)。输出装置58，60和62可在预定范围内连续地调整其各自的致动器的线性位置。
流质的纤维材料FF被输入到阀50，该阀是由控制器56的输出端F发送到阀50上的输入端F的信号来控制。材料FF可以是混有纤维材料的液体，例如纤维素或聚合物链。同样，阀50可以由控制器56在一个预定范围内连续调节其流量(零到最大流量)。
孔24C与加大孔24A相交，其外侧端和柔性导管64相连接，导管另一端连接到流体源66。在本实施方案中，流体源66是一个制冷单元，通过导管64给孔24C供给强冷空气。在其他实施方案中流体源66可以是液化气体源，比如液氮的来源。
管道67和68被安装在打印头24的下侧的斜孔中，安放的角度收敛地指向喷嘴34。管道67和68(也称为端口)与孔24C连通。管道67和68的远端有孔径相对小的喷嘴67A和68A。小孔径对液化气排出后变成为气态有帮助，但在一些实施方案中管道67和68的出口将不具有任何约束，以利管道的畅通。
为了便于对上述装置的有关原理的理解，在此针对与图1和2相连的实施方案的运作过程做简要描述。起初，与操作别的三维打印机一样，操作员将设好控制器56的程序。例如，操作员从一份计算机辅助设计好的(冰雕的)绘图转换成的定义文件开始，该文件定义出打印件的各连续层的外围。然后控制器56通过输出装置62发送一个信号给致动器22指示它把平台20升到打印头24的位置附近，从而启动打印系统。打印头24与平台20的距离应该为合适打印冰层的距离，其打印方式将在下面给予描述。
在一些实施方案中控制器56最初会将打印头24移动到一个偏僻的地方，按多余的格式做移动，目的是为了在开始打印所需的冰雕之前让输水系统有充分时间得以灌注。在任何情况下，控制器56最终将把打印头24移动到将要打印的冰雕的边沿某个位置上，并开始打印冰雕。更具体地说，控制器56将通过输出装置58和60发送信号将支架26和30A/30B移动到予期的开始位置上。
在眼下这案例中，将要打印的雕塑36将是一叠层的同轴圆柱体(很像一个多层婚礼蛋糕)。因此，打印头24会移动到一处可以被认为是最低层的圆柱体的底部的圆周的位置上。控制器56和装置58和60将按一个预编的栅格模式移动打印头24，以创建第一层。比如说，该栅格模式可以先绘制第一层的轮廓，然后按之字形图案填充轮廓内部。
在打印头24移动过程中，控制器56将发送一个信号给输入端W来打开阀42。阀42将产生与打印头24的速度兼容的流量，以使整个打印层能有均匀的密度。除此之外，取决于外壳内的温度和湿度是否有利于快速冷冻，控制器56可以使用输入Te和H的温度和湿度信号来调整打印头24的速度和阀42的流量。冷却单元52冷却的水将接近冰点，或者可以在某些情况下，为过冷水。这些水将通过歧管40，出口40A，导管38，孔24B，以及喷嘴34，穿过喷孔34A被喷射出来成为很窄的水流，或细小的水滴落于平台20上。
制冷单元14能够保持平台20和冷冻的外壳10内的空气在冰点以下。在外壳10中的空气可以通过风扇18进行循环，以保持均匀的冰下温度。此外，从流体源66(制冷机)过来的强冷空气穿过导管64到达孔24C中。这个强冷空气中立即传递到管68，也绕过加大孔24A到达管道67。通过喷嘴67A和68A喷出的强冷空气和喷孔34A喷出来的冷水混合，进一步给34A喷出来的水以冷却。在某些情况下，来自流体源66供给的是液体氮，并在通过喷嘴67A和68A喷出时立即蒸发，以创造一个极低温的环境。
另外，前述的在水中的粘性增强剂将趋向于阻止打印出来的水的扩散。因此，水将倾向于在原地停留较长时间，从而增加了打印的水在所需位置准确地冻结的能力。此功能对防止打印到平台20边缘附近的水免于掉离平台尤其有用。
前述的所有方式方法，甚至其中的一部分方式方法，将致使到达平台20的水能快速冻结。尽管好的结果的范围厚度为0.01至60毫米，但产生的打印冰层可以设计成几乎任何需要的厚度。实际打印使用的厚度将根据所希望的精细细节，生产速度，水流量，冷冻速率，温度，湿度等来选择。
当第一层被打印到平台20上之后，控制器56将给输入端W发送一个信号来关闭阀42。控制器56也将通过输出装置62发送信号到致动器22来降低平台20，其降低的高度等于所需的打印层的厚度。控制器56可以在这个时刻暂停，以便让新打印的一层有时间冻结。暂停时间将由控制器56根据在输入端Te和H收到的温度和湿度的信号来调节。
控制器56现在基于定义文件所给出的接下来的一层的参数来进行操作，转换好后的定义文件定好了每个打印层的轮廓。于是，打印头24会移动到要打印的雕塑36的最低层圆柱的圆周位置上。控制器56将再次按一个预编的格式移动打印头24，以创建所述第二层。具体地说，控制器56将发出一个信号给输入端W来打开阀42。水将穿过歧管40，出口40A，导管38，孔24B和喷嘴34以一个非常窄的水流，或者作为细水滴从孔34A喷出，落到平台20上之前打印好的冰层上。和前述一样，在外壳10内部的寒冷温度以及从管道67和68中的冷流体将冻结从孔34A打印出来的水。
上述过程将逐层重复。在这过程中，控制器56将先完成雕塑36的下圆柱体然后才开始上圆柱体的打印。此上圆柱体的轮廓将是一个有较小直径的圆。当该上圆柱体结束后，冰雕即完成，水流动将被停掉，且打印头24被移动到一个远处的长驻位置。
控制器56可以给前述打印层中的每一层按预编的方式进行着色。具体来说，控制器56可以通过发送适当的信号到输入端C，M，和Y，分别打开阀44，46和48。阀44,46和48可以根据所需颜色被打开到在从0到100％之间的任意值。从而，青色染料TC，品红染料TM和黄色染料TY将在歧管40混合，产生一个预先设置的颜色。
应该理解的是，并非所有的打印层都需要被一致地着色，颜色可以根据空间位置来调节以产生期望的效果。例如，冰雕可以制成一个有红色衬衫和蓝裤子的卡通人物。在一些冰雕中，带有颜色的特征可以被嵌入冰雕中(比如，人物胸腔内部的一个红色的心)。当需要清晰的彩色边界时，打印头24将被移动到远处，并继续通过喷嘴34喷射水，这样即可以允许充分时间给染料混合物到达打印头，或者给予充分时间排放到清水(或不同颜色的水)。
有些冰雕将有纤细，脆弱的部分，可能很容易折断。当打印这些脆弱部分时，控制器56可给阀50的输入端F发送信号，让阀50发送流质纤维材料FF进入歧管40到喷管34喷出。这些纤维材料将被嵌进冰雕的脆弱部以加强它。
雕塑36完成之后，控制器56将往输出装置62发送信号将平台20降低最低高度。操作员可以随后打开门12，从平台20上取出雕塑36，并检查雕塑36。如果有必要，细小缺陷可以用合适的雕刻工具加以修补。此外，可以用热空气枪暂时熔化雕塑的一层薄表皮，然后允许其重新冻结来平整雕塑36的表面。雕塑36到此即可以拿去展示。
参照图3，一个用于喷射冷冻冰粒的分配单元70具有管状室72与出口72C和一个水进口72A。单元70也被称为喷雾器。环形室74围绕着管状室72，并通过入口74A供给了压缩空气。环形腔室74通过在管状室72壁上若干倾斜孔72B与内室72连通。管状室72的出口72C由喇叭76包围。分配单元70可按照美国专利4793554公开的方案进行建造。
在操作过程中，通过入口74A供给的压缩空气穿过孔72B喷入管状室72的水中，管状室72的水由进口72A供给。压缩空气强行将空气和水通过出口72C喷出，以形成夹带微滴水的空气流。排出的空气遇到压力突然下降，这导致温度迅速下降。其结果是夹带的水滴迅速冻成冰颗粒。
参看图4和5，一对前面提到的可选的分配单元70被安装在如前所述平台20一侧上方，在一对平行的环形带78A和78B之间。刀片80连接在环形带78A和78B的底段之间。环形带78A和78B转动通过公共轴82C连接在一起的滚筒82A和82B。在另一端，环形带78A和78B转动通过公共轴84C连接在一起的滚筒84A和84B。轴，鼓82A和鼓82B是由同轴的传动轴82D驱动，而82D是由一个外部马达驱动(未示出)。
鼓82A和82B的旋转带动了环形带78A和78B的同步旋转，从而带动轴84C，鼓84A和鼓84B的旋转。环形带78A和78B的循环转动导致刀片80在其横向于它的长度方向移动。正如在此要描述的，刀片80作为机械散布器，是一个条形的具有一个顶点指尖向下的三角形横截面的横杆。
参照图6和7，一对前面提到的可选的分配单元70被安装在前面提到的平台20的一侧。在该实施例中，示出的一对机械散布器具(雨刮片)90和92作为枢接浆叶安装到枢纽90A和92A上，各自按相关的弧线90C和92C转动。
对于这些替代系统，现在将结合图1-5对它们的操作进行描述。在此替代系统中，一对分配单元70(图3和4)将被放置到平台20的一侧与打印头24相同的高度。再次说明，控制器56将把平台20移动到接近打印头24的初始高度。在起用打印头24之前，控制器56将开动分配单元70向平台20(图4)喷一层冷冻冰粒86A。分配单元将在一个预定时间间隔之后被停止。
接着，控制器56将启动电机(未示出)以公共轴82C以带动皮带78A和78B，以移动图4中所示处在缩回位置的刀片80。移动刀片80然后将在冷冻冰粒86A上平滑移动，以铺平冰层建立统一的高度，这高度将实质上为以前描述的冰雕的各层的高度。完成任务后皮带78A和78B将逆转方向，使刀片80返回到原来的缩回位置。
接下来，打印头24会移动到一个雕塑的基部的位置上。图4中雕塑的基部以虚线示出为轮廓88A。控制器56将按一个预编格式移动打印头24在轮廓88A内部喷水以便开始建筑冰雕的第一层。根据先前描述的原因，喷出的水将迅速冻结。因此，轮廓88A内部将变成一层固体的冰。
前述过程将逐层重复。具体地说，如图5所示，分配单元70不断地往生长中的冰雕88上连续地铺上新冰粒层。每一层新冰粒将由刀片80平整到预定高度，然后用打印头24在冰颗粒层内的部分区域产生冷冻的冰层。
还和以前一样，控制器56可以操纵阀46-52来添加纤维材料FF或染料TC，TM和TY。
如在图5中所示，正在增长的冰雕88是一个轴对称体，在环形悬空区边上接壤的是的悬垂部分88B。应该理解的是，打印这样的悬垂部分必须从一个与冰雕88的主体不相连的环形体开始，如果没有任何在下面的支撑，将无法让环形体增长并最终连接到冰雕的主体。
图5中所示的冰雕88由冰粒筒86不断装入一直埋入到其顶侧。冰粒筒86是由从由分配单元70生产的多层冷冻冰粒所形成，但从来没有被从打印头24喷射的水固化。冰粒筒86被视为在悬垂部分88B能连接到冰雕88的主体上之前给予悬垂部分88B从下面的支撑。
在一些实施方案中，机械散布器具包括可做顶部水平平整和整理冰粒筒侧面的散布器。另一替代方案是打印头可在冰粒筒的边缘打印一薄水线以创建一薄壳以保证冰颗粒在打印过程中不会流失。
上述过程将一层一层地继续，直到冰雕88完成。刀片80和打印头24将被撤回，且平台20可被降低以给冰雕88上方提供净空。
当冰雕88仍然在平台20上(或在某些情况下，冰雕已被从外壳10中移出后)冰粒筒86的松散冰颗粒可以用刷子和/或压缩空气流除去。如前所述，冰雕88可以用手工雕刻工具细加工，接着用热空气表面处理来平滑冰雕塑的表面。
图6和7显示的替代系统的操作方式类似于图4和5中所示的系统，所不同的是由分配单元70喷出来的第一层(及后来的各层)的冷冻冰粒86A'由机械散布器具(雨刮片)90和92整平。机械散布器具(雨刮片)90和92的尖端按弧线90C和92C横扫沉积的冰颗粒的整个平面。和以前一样，冰雕88'底下有一处空缺部，悬垂部分88B'由冰粒筒86'的宽松冰粒支持。
再次说明，该过程将一层一层地进行，直到冰雕88'完成。打印头24和雨刮片90和92将被撤回，并且平台20被降低以给冰雕88'的上方提供净空。此后，的松散冰粒筒86'可以用刷子和/或压缩空气除去。如前所述，冰雕88'可以用雕刻工具手工细加工，接着用热空气加热来平滑冰雕的表面。
参考图8，所显示的分配单元94是图3中的分配单元的一个替代方案。具体来说，真空泵94B通过一个漏斗形入口94C从容器98中吸入雪96。雪96可以自然雪或人造雪。吸入的雪可以作为冷冻冰粒通过真空泵94B从喷嘴94A撒放到正在建造的冰雕塑88"的顶部。
按先前所描述的方式，冰雕塑88"可以处在冰粒筒86"的包围之中，冰粒筒86"在打印过程中给予冰塑雕88"暂时支持。和以前一样，一个类似于先前说明的打印头可用来喷水以让冰颗粒的一些区域转换成固体冰。
参照图9，图中显示的是一个备用实施例，该系统具有一个平台120，其高度是由单一的柱122来垂直调节，柱122可以通过一个液压缸，齿条和小齿轮，或其它致动器来调节操作。
在本实施例中，打印头204被安装在多关节的关节臂200上。具体地说，打印头204被安装在关节臂200的末段臂200A的顶端。末段200A的前端通过关节200D枢轴连接到中间段200B。中间段200B的近端再通过关节200E和200的根基段200C枢轴连接。根基段200C通过关节200F枢轴连接到底座202。关节200D，200E，和200F由单独的马达(未示出)驱动旋转，并由控制器56通过类似于先前描述的输出设备加以控制(图2的输出装置58，60和62)。
类似于先前描述的歧管(图2中的歧管40)，冷冻水和添加的染料可以通过歧管140提供给打印头204。所供应的水可以通过臂膀200A-200C上的管道(未示出)供给打印头204。尽管一些实施例可以包括冷却导管(例如图2中的管道67和68)，打印头204将基本上是类似于图2的喷嘴34的一根管子。和以前一样，打印之后，从打印头204喷射的液体会立即冻结在冰雕188上。
关节臂200具有在冰雕188建造过程中无需做底部到顶部的移动就可以达到冰雕任意区域的能力。在图9中，打印头204被展示为从下方插入由悬垂部分188B造成的下方空缺，从而在打印带有悬垂部分的冰雕时，排除了对临时支撑材料的需要。
在一些实施方案中，通过旋转柱122以带动平台120像转盘一样旋转从而使关节臂200可以到达冰雕188的背面。在其他实施方案中，底座202可以安装在一个圆形轨道上，从而可以把关节臂带到冰雕188的各个侧面。但仍然在其他实施方案中，关节臂200可以是围绕冰雕188的关节臂组中的一个，关节臂组同时操作来制作雕塑。
在更复杂的实施例中，关节200D-200F可以绕两个轴(即像掌指关节的两个角自由度)，或三个轴(即，三个角自由度像髋关节,可以屈曲，旋转和外展/内收)这些更复杂的关节的关节臂200在基础部202保持静止状态下可以转到冰雕188周围任何地方。
在本实施例中，关节臂200A-200C上的关节200D-200F可以用伺服电机(未示出)来实现其关节运动，伺服电机是由一个如先前描述的(图2中的控制器56)控制器来控制。此外，在本实施例中，差分GPS接收机205充当位置检测器被安装在打印头204上，以给控制器提供打印头的实际位置。所提供的位置可以被控制器用于调节所述打印头的活动(打印头的位置，喷水量等)。此外，在关节200D-200F上的轴编码器(未示出)可以作为轴位置检测器，为控制器提高位置精度提供反馈作用。各种其它位置检测器均被考虑用于提供打印头204位置的反馈。比如，位置监控可以由超声波测量设备，装有模式识别软的件相机，或者相机与打印头204上的标示或灯光配合来进行。在某些情况下，所监视的位置可以通过激光测距设备，可见光扫描仪，多普勒雷达检测器，激光测距传感器，红外距距传感器等来确定。
参看图10，冰雕388由前述设备制造。然而，在这里，一组三个气球306A，306B，和306C在冰雕388开始制造之前就放置于预定位。
气球306A，306B，306C作为一个组可以在开始时拿胶布或胶水粘成一组合。或者，它们可以最初由绳绑好，绳稍后可被切割或丢弃。气球306A，306B，和306C也可以在它们完全被冰雕388包裹前撤掉。
利用气球306A，306B，和306C可以给冰雕388中间创造空隙和减少所需的水和冰的量，从而减少冰雕制造时间。
在图10中，热风枪308被手H持着，热风枪将热风流对着还在底座320上的冰雕388，以暂时熔化其表面，从而使冰雕的表面更平滑。
可以理解，可以对于上述实施例来进行各种修改。前述系统可以缩放从而制造微型雕刻(例如，4至10厘米高)，或非常大的雕塑(1至10米高)，或两者之间的任何尺寸。该支承雕刻的平台的轮廓可以是矩形，圆形，椭圆形，多边形，或其他任意轮廓。一些实施例可以在垂直方向调整打印头的高度，而不是垂直调节所述支撑雕塑的平台。与其使用内含导管的整块打印头，打印头也可以是可移动的捆绑在一起的分立的管道或喷嘴(或干脆是单个导管或喷嘴)。在一些实施方案中，歧管将被直接连接到打印头并直接喷出的独立的导管所替换。在一些情况下，给机箱壳体制冷的制冷单元可以放置于壳体以外一定距离的地方。如果是在自然寒冷的室外环境中操作(或是由液态氮等来增强结冰效果)，外壳和制冷单元都可以去除。在某些情况下，一对雨刮子可以用单个大雨刮子取代，或具有三个以上的雨刮子。除了水平喷射之外，冰粒也可以以不同的角度喷出，包括竖直喷出。
显然，在上述教导下，本发明的许多修改和变化是可能的。因此，可以理解，在所附权利要求的范围内，本发明的具体应用可以不同于以上描述。

Claims (30)

1.一种用于制作三维冰雕的系统，其特征在于：包括：
一外壳；
一安装在外壳内用于喷射至少包括水的可移动的打印头，打印头具有一进口，适于连接到一冷冻水源；
一可操纵移动打印头和调节打印头水流的控制器；
一适于连接到一流体源的端口，所述端口用于排出流体，排出流体的温度能使从所述打印头喷射出来的水结冰；
一位于外壳的平台；和
一分配单元，用于往平台递送冷冻颗粒冰,
并且通过以下步骤实现三维冰雕的制作：
先在平台上以随时间变化位置的方式喷射至少包括水，以形成基础层且所述基础层允许冻结；和
随后在基础层上以随时间变化位置的方式喷射至少包括水，以形成后续层且所述后续层允许冻结；
并且包括以下步骤：
在往该平台开始首次喷射至少包括水的操作之前，先在平台上初次铺上冷冻冰粒，首次喷射水的面积小于或等于初次铺上冷冻冰粒的面积；
在随后的喷射至少包括水的步骤与首次喷射步骤之间往平台上铺上冷冻冰粒，各次喷射水的面积小于或等于各次铺上的冷冻冰粒的面积；和
去除各次铺上但没有在随后的喷射步骤中被喷射到的冷冻冰粒。
2.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：所述的端口包括一个安装在所述打印头的管道，管道适于连接到所述流体源并将流体指引到所述打印头喷射出来的水。
3.一种根据权利要求2的系统，其特征在于：所述的管道具有一喷嘴用于减压排出流体。
4.一种根据权利要求3的系统，其特征在于：所述的流体源为液化的气体，所述喷嘴可操作以允许排出的液化气变成为气态。
5.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：包括：一制冷单元，用于降低外壳内的温度。
6.一种根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的制冷单元被耦合到所述端口。
7.一种根据权利要求5所述的系统，其特征在于：包括：一设置于外壳内的风扇。
8.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：包括：安装在外壳内的可垂直移动的平台，所述控制器被耦合到所述平台且用于控制它的下降，控制器可操作打印头以两个维度在平台上方移动。
9.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：包括：一安装在外壳内的平台，所述控制器可操作打印头在平台上方在三维空间中移动。
10.一种根据权利要求9的系统，其特征在于：所述的打印头包括一个支撑所述打印头的关节臂，所述控制器可操作关节臂的关节和移动打印头。
11.一种根据权利要求10的系统，其特征在于：所述关节臂具有多个关节。
12.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：所述的冷冻水是过冷水。
13.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：所述的打印头具有用于接收至少一种染料的连接结构。
14.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：包括：一适于接收冷冻水和一种或多种染料的歧管，所述控制器可操作以控制所述冷冻水及一种或多种染料的流量，所述打印头的入口被耦合到所述歧管以接收其内容。
15.一种根据权利要求14的系统，其特征在于：所述歧管适于接收流质的纤维材料以递送至打印头的入口。
16.一种根据权利要求14的系统，其特征在于：所述的冷冻水含有粘度增强剂以延迟从所述打印头排出到雕塑上的冷冻水的扩散。
17.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：包括：一安装在所述外壳内并且耦合到所述控制器的温度传感器，温度传感器用于测量外壳内的温度以允许控制器根据温度传感器的输出来调节打印头的活动。
18.一种根据权利要求17的系统，其特征在于：包括：一安装在所述外壳内并且耦合到所述控制器的湿度传感器，湿度传感器用于测量外壳内的湿度以允许控制器根据湿度传感器的输出来调节打印头的活动。
19.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：包括：一用于监控所述打印头的运动并且向控制器反馈位置信息的位置检测器。
20.一种根据权利要求19的系统，其特征在于：所述位置检测器为安装在打印头上的GPS接收机。
21.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：所述分配单元包括一个用于排出水滴和空气的混合物的喷雾器。
22.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：所述分配单元包括：
一个适合于保持雪供应的容器；和
一个真空泵单元，用于从容器中吸取雪，并往平台递送所吸的雪。
23.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：包括：一机械散布器用于均匀地平整递送到平台上的冷冻冰粒。
24.一种根据权利要求23的系统，其特征在于：所述机械散布器包括：
一条横向移动的刀片。
25.一种根据权利要求23的系统，其特征在于：所述机械散布器包括：一个枢轴安装的刀片。
26.一种根据权利要求1的系统，其特征在于：包括：一个支撑在平台上的气球。
27.一种用于制造三维冰雕的系统，其特征在于：包括：
一冷藏外壳；
一安装在外壳内用于喷射至少包括水的可移动的打印头，打印头具有一入口；
一可操作以移动打印头和调节打印头的出水流量的控制器；
一安装在打印头的管道，适于被连接到一流体源并将流体引流到打印头喷射出来的水；
一安装在外壳内的风扇；
一安装在外壳内的可垂直移动的平台，所述控制器被耦合到所述平台并用于控制平台的下降，控制器可操纵打印头在平台上方作两个维度的移动；
一适于接收冻却水及一种或多种染料的歧管，打印头的入口被耦合到所述歧管以接收其内容；
一用于往平台上输送冷冻冰粒的分配单元；和
一用于均匀地分配输送到平台上的冷冻冰粒的机械分配单元。
28.一种制作三维冰雕的方法，其特征在于：使用了权利要求1所述的系统并通过以下步骤制作三维冰雕：
先在平台上以随时间变化位置的方式喷射至少包括水，以形成基础层且所述基础层允许冻结；和
随后在基础层上以随时间变化位置的方式喷射至少包括水，以形成后续层且所述后续层允许冻结；
并且包括以下步骤：
在往该平台开始首次喷射至少包括水的操作之前，先在平台上初次铺上冷冻冰粒，首次喷射水的面积小于或等于初次铺上冷冻冰粒的面积；
在随后的喷射至少包括水的步骤与首次喷射步骤之间往平台上铺上冷冻冰粒，各次喷射水的面积小于或等于各次铺上的冷冻冰粒的面积；和
去除各次铺上但没有在随后的喷射步骤中被喷射到的冷冻冰粒。
29.一种根据权利要求28的方法，其特征在于：包括以下步骤：在所述外壳内排出流体，排出流体的温度促使首次喷射的和随后喷射的水结成冰。
30.一种根据权利要求29的方法，其特征在于：排出流体的步骤是使排出的流体对准首次及随后喷射的移动过程中的水流。
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