CN108025485B - 非接触式操纵设备、组装方法和3d打印 - Google Patents

非接触式操纵设备、组装方法和3d打印 Download PDF

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Abstract

用于材料和诸如电子部件之类的部件的非接触式操纵的设备，包括：材料和/或部件供给装置(5)；声学换能器阵列(1)；至少一个材料和/或部件连接(熔化、固化、焊接)装置(6)；基座(8)，在所述基座(8)上形成物体；具有可执行程序的计算单元。所述程序用来控制生成颗粒操纵所需的声场的声学换能器。所述控制程序能够接收和处理来自反馈装置的信号以估测材料颗粒或部件的位置并提高操纵精度。

Description

非接触式操纵设备、组装方法和3D打印
技术领域
本发明涉及3D打印，特别涉及采用材料和部件的基于声场的非接触式操纵的打印。
背景技术
塑料、玻璃或金属部件、电子部件或集成电子电路通常使用各种成形装置(例如自动组装线或三维打印机)分开制造。随后，手动或自动地将这些部件组装成最终产品。这样的产品组装需要单独的生产和组装设备，并且组装过程需要额外的生产时间，这导致更高的生产成本。接触式组装在微观和宏观尺度上都是在机械方面而言复杂的过程。用于小型部件的接触式组装技术通常受到防止物体从夹具释放的电场力的限制。对于自动化机械，操纵具有不同物理特性(几何形状、弹性等)的材料是复杂的。所述缺陷能够通过使用非接触式操纵方法和装置来避免。三维声学操纵技术的一个应用是利用声悬浮将小尺寸物体定位在三维空间中。物体可以在气体和液体介质两者中从一个位置运送到另一个位置，并且通过改变声场参数进行组合。与接触式组装技术相比，声悬浮可以适于管理更大范围的材料，具有更高的运行速度和高空间分辨率。
有许多已知的用于组装电子部件的机器人装置，例如美国专利No.4,637,134中公开的用于将电子部件插入到印刷电路板上的预定位置的设备。然而，该装置用作用于将电子部件插入由其他装置生产的另一个产品中的接触式操纵器。
存在一种已知的方法，其使用包括由多个超声学换能器构成的彼此面对的两个至四个平面的装置在三个维度中操纵气态介质中的颗粒(Yoichi Ochiai,Takayuki Hoshi,Jun Rekimoto“Pixie dust:graphics generated by levitated and animated objectsin computational acoustic-potential field”,ACM Transactions on Graphics(TOG)-Proceedings of ACM SIGGRAPH 2014TOG，第33卷第4期，2014年7月)。每个超声学换能器都是单独操作的，这允许同时管理一定轨迹的多个物体。可以控制悬浮物体以形成预定的簇。但是，这种方法和设备并不旨在用于三维产品的生产和组装。
美国专利No.5,500,493公开了一种声悬浮装置，其具有来自多个传感器的反馈，以维持物体的稳定和精确的空间定位。但是，该装置不适于在三维空间中运送部件或材料以用于三维产品的生产和组装。
最接近的现有技术被认为在美国专利No.6,766,691中公开。所述专利公开了使用光声成型来定位颗粒或颗粒簇的方法和设备。使用声学换能器和位于颗粒或颗粒群周围的反射器产生驻波，并且颗粒悬浮在空气中。这些驻波通过影响颗粒表面来改变颗粒簇的形状。加热梁用于熔化悬浮的颗粒簇以形成固体物体。所述方法的缺点之一是缺乏连接多个部件和/或制造产品的可能性。
本发明设计为用于使用材料和/或部件的非接触式声学操纵而由不同材料和/或部件制造产品。
发明内容
用于材料和部件(例如电子部件)的非接触式操纵的设备包括：材料和/或部件供给装置；声学换能器阵列；至少一个材料和/或部件连接(熔化、固化或焊接)装置，在该装置上形成物体；可选的反馈信号发生装置；以及计算单元，例如具有存储可执行程序的数字数据介质的常规台式计算机，该计算单元接收并处理来自反馈装置的信号并控制用于期望声场的产生的声学换能器，例如，将声能聚焦到空间中的特定点。
当换能器阵列彼此相对地放置时，由于位于顶部和底部阵列处的换能器发射的波的干涉，在聚焦区域中创建了具有最大和最小(节点)点的声场(图1)。如果在空气中执行声学操纵，则被操纵的物体悬浮在节点中。通过改变换能器的驱动相位和幅度可以改变焦点位置，从而使悬浮的物体移动到空间中的期望位置。
附图说明
参照以下附图在本发明的详细描述中描述本发明的其他特征和优点：
图1示出了非接触式打印设备的示意图；
图2示出了非接触式打印设备的部件之间的操作关联。
在参照实施例的附图提供本发明的详细描述之前，注意到，在所有附图中相同的元件由相同的数字表示。
具体实施方式
应当理解的是，为了提供本发明实施例的完整且可理解的描述，呈现了许多具体细节。然而，本领域技术人员将理解，实施例的示例不限制可以在没有这些具体说明的情况下实施的本发明的应用。没有详细描述众所周知的方法、程序和部件，以使实施例不是误导性的。此外，不应认为该描述将本发明限制为给定的实施例示例，而仅仅是作为本发明的可能实现之一。
用于材料和/或诸如电子部件的部件的非接触式操纵的设备10包括：材料(液体、固体或中间态)和/或部件3供给装置5，其将材料和/或部件输送到设备10内的区域，所述材料和/或部件3能够在所述区域内被声场4捕集；至少位于一个平面内的声学换能器1阵列，其中所述声学换能器1阵列包括声学换能器1，声学换能器1以覆盖声学换能器1的安装基部2的大部分区域的方式布置；至少一个材料和/或部件连接(熔化、固化或焊接)装置6，其输送大量的集中能量，例如激光或其他电磁辐射发射装置；其上形成有物体7的基座8，其中所述基座8能够移动，使得物体7可以在形成期间保持位置并从声场中拉出。设备10还可以具有反馈装置9，例如摄像头，以确定被运送的材料、部件和其他物体的位置，从而确保其准确的运送和定位；以及计算单元11，例如包括存储控制程序的数字数据存储介质的传统台式计算机，该控制程序由计算单元11执行以便接收和处理来自反馈装置9的信号并且通过控制声学换能器1来控制设备10内的声场4。用于设备控制的数据可以经由通用计算机数据输入手动地输入或者从扫描将由设备10复制的物体12的装置接收。
其中一种声学操纵方法基于将换能器1的阵列聚焦到空间中的期望点。空间中的点处的声场幅度可以使用以下等式表示为从换能器阵列中的每个声学换能器发射的声波的叠加(将换能器近似为点源)：
Figure GDA0002977059020000041
其中Ai是由换能器产生的紧邻换能器的声场的幅度；ri是从换能器i到空间r中的位置的距离；Φi是换能器的相对驱动相位；k是介质内的波矢；P是声场的幅度；以及r是空间中的位置。换能器驱动相位Φi被选择为使得声场幅度P(r)将在空间中的期望位置r处被最大化。由于从位于分别安装在安装基座2的顶部和底部上的顶部和底部阵列(图1)中的换能器行进的波之间的干涉，换能器阵列彼此相对地定位以产生具有聚焦区域中的最大和最小(节点)点的声场。如果在空气中进行声学操纵，则由液体、金属、塑料等最常出现的物质制成的被操纵物体悬浮在节点中。通过改变换能器1的驱动相位，可以相应地改变焦点位置，使悬浮的物体移动到空间中的期望位置。值得注意的是，这只是用于声学操纵的可能方法之一，可以使用不同的换能器布置和不同的换能器驱动参数。不仅可以控制相位，而且还可以控制幅度和/或频率，以产生适合于物体在介质中的悬浮和操纵的不同声场。
用于材料和/或部件(例如电子部件)的非接触式操纵的方法包括：引入形成物体7所需的材料并使材料悬浮，材料可以是液体、固体或非晶体，其中使用供给装置5将材料供给到在设备10内产生的声场5中；随后使用声场4将材料或部件非接触地运送到期望位置；通过将材料和/或部件暴露于电磁辐射，将材料和/或部件附接到通过熔化、固化或焊接而形成在固定或可动基座8上的物体。材料和/或部件与通过熔化、固化或焊接而被打印的物体的连接过程可以被排序并组合以适应特定的任务，例如使得液体材料被运送到被打印的物体的表面上并使用紫外线照射使其固化，将电子部件运送到正在打印的物体并使用激光束将其焊接到该物体上；或者将固体材料供给到超声场中，使其熔化并以液态运送到正在打印的物体上，并在物体表面上固化。
在物体7形成期间，所述可动基座8可以沿至少一个方向移动，例如从声场中拉出已打印层，从而可以打印下一个层。因此，设备10可以具有比正在形成的物体7更小的尺寸，这是因为整个物体将不会放置在声学换能器1的阵列之间，而是仅仅其正在形成的一部分被放置在声学换能器1的阵列之间。
其他元件例如电子部件可以通过至少一个供给装置5供给到设备10中。这种电子部件可以使用受控的声场4在设备10内运送至所述部件将要附接的位置。可以同时运送相同或不同材料的一个或多个部件。还可以同时附接多个部件，从而加快打印过程。
声学换能器1的阵列由计算单元使用存储在其数字数据存储介质中的控制程序来控制。该程序被执行以使得可以根据所运送的材料或部件的参数及其在设备10内的位置来调节发送到每个声学换能器1的驱动信号(相位、幅度、频率)。为了确保能够由设备10通过独立路径同时地或顺序地运送的材料和部件的准确运送以及在熔化、固化和连接期间的精确操纵，可以从至少一个信号发生装置9形成反馈信号，该反馈信号用于确定声学换能器阵列之间的运送材料和部件的精确位置。
术语“声学”限定的是可听频率范围内的波、超声波和任何其他弹性波。
与最接近的现有技术相比，本发明的优点是：能够使用多种类型的材料进行打印；打印元件可以是SMT部件；混合打印，其中不同的材料和部件的组合是可能的；不同的连接方法是可能的；非接触式操纵允许在高温下熔化材料。尽管本说明书列出了本发明的许多特征和优点，并提供了结构细节和特性，但是这些描述仅作为本发明的实施示例给出。根据对权利要求中使用的术语的最常规的理解，在不脱离本发明的原理的情况下，设备的部件、它们的尺寸和布局可能存在变化。

Claims (7)

1.一种非接触式声学操纵设备(10)，包括：
声学换能器(1)和由计算单元(11)使用所述声学换能器控制的声场，其特征在于，所述设备(10)包括：至少一个用于供给材料和/或部件(3)的供给装置(5)；基座(8)，在所述基座(8)上形成物体(7)；声学操纵的路径，所述声学操纵的路径基本上在至少位于一个平面内的声学换能器(1)阵列的前面并沿着所述声学换能器(1)阵列延伸，并且基本上从所述至少一个用于供给材料和/或部件(3)的供给装置(5)一直延伸到在其上形成物体(7)的所述基座(8)，其中操纵包括悬浮、捕集、定向和遵循预定轨迹的运动中的任一项或任意组合，并且其中所述声学换能器(1)以覆盖声学换能器(1)的安装基部(2)的大部分区域的方式布置；和至少一个用于连接、熔化、固化或焊接材料和/或部件(3)的装置(6)；
通过改变声学换能器(1)的相位和/或幅度改变焦点位置，使悬浮的物体(7)移动到空间中的期望位置；
所述基座(8)可以沿至少一个方向移动；
材料和/或部件(3)与通过熔化、固化或焊接而被打印的物体(7)的连接过程可以被排序组合以适应特定的任务。
2.根据权利要求1所述的非接触式声学操纵设备(10)，其特征在于，所述至少一个用于供给材料和/或部件(3)的供给装置(5)是用于液体、固体或中间态材料的供给装置。
3.根据权利要求1所述的非接触式声学操纵设备(10)，其特征在于，所述至少一个用于连接、熔化、固化或焊接材料和/或部件(3)的装置(6)是激光或其他电磁辐射发射装置。
4.根据权利要求1所述的非接触式声学操纵设备(10)，其特征在于，还包括用于生成反馈信号的至少一个反馈装置(9)，所述反馈装置包括视频摄像头。
5.根据权利要求4所述的非接触式声学操纵设备(10)，其特征在于，所述计算单元(11)的数字数据存储介质包含可执行控制程序，所述可执行控制程序用于接收和处理来自所述至少一个反馈装置(9)的信号并用于控制所述声场。
6.一种使用非接触式操纵来组装产品的方法，其特征在于，所述方法包括：沿着声学操纵的路径产生声场(4)，所述声学操纵的路径基本上在至少位于一个平面内的声学换能器(1)阵列的前面并沿着所述声学换能器(1)阵列延伸，并且基本上从至少一个用于供给材料和/或部件(3)的供给装置(5)一直延伸到在其上形成物体(7)的基座(8)，通过至少一个供给装置(5)将至少一个材料和/或部件(3)同时地或顺序地输送到形成在非接触式声学操纵设备(10)内的声场(4)；通过改变所述声学换能器(1)的驱动相位和/或振幅和/或频率来控制使用声场(4)非接触地运送所述材料和/或部件(3)；在所述材料和/或部件(3)上施加集中能量或其他电磁辐射以使所述材料和/或部件(3)熔化、固化或焊接；在所述基座(8)上形成固体物体(7)；
通过改变声学换能器(1)的相位和/或幅度改变焦点位置，使悬浮的物体(7)移动到空间中的期望位置；
所述基座(8)可以沿至少一个方向移动；
所述材料和/或部件(3)与通过熔化、固化或焊接而被打印的物体(7)的连接过程可以被排序组合以适应特定的任务。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一个声学换能器(1)的阵列由计算单元(11)的可执行控制程序控制，所述可执行控制程序存储在所述计算单元(11)的数字数据存储介质中并由所述计算单元(11)在考虑了从所述至少一个反馈装置(9)接收的数据的情况下执行。
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