CN111132837B - 增材制造的物体的分段装配船 - Google Patents

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Abstract

公开了用于生产、输送和部署增材制造的物体的船和方法，其中船和方法允许有效地制造增材制造的物体并且将其部署在水体上或部署到水体中。增材制造的物体被直接制造和/或建造在能够使自身下降到水中的船上，从而有助于所述物体的部署。

Description

增材制造的物体的分段装配船
技术领域
本公开以及关于本公开的讨论主要涉及波能转换器、它们的相关漂浮模块以及它们的相关浸没部件(如果有的话)。然而，本公开的范围以同等效力和同等益处适用于任何装置、系统、模块和/或设备，所述装置、系统、模块和/或设备包括经由可挤出材料和/或物质的挤出(包括所述材料通过3D打印机的“喷嘴”挤出)而制造的部件。
本公开以及关于本公开的讨论涉及波能转换器，其能够部署在海洋的表面上、表面处或表面下方。然而，本公开的范围以同等效力和同等益处适用于在内陆海、湖和/或任何其它水体或流体的表面上、表面处或表面下方的波能转换器和/或其它装置的制造。本公开以及关于本公开的讨论以同等效力和同等益处适用于下述制造：船、浮标、驳船、可漂浮的可居住结构(例如，海上家园)、桥梁、人造礁石、防波堤、管道和/或管道的部分(例如，用于污水、油、淡化水等流体的水下传输的管道)以及漂浮在水体表面、置于水体下方的地面和/或置于水体表面上方的地面(其中所述地面的至少一部分靠近水体)的其它结构、物体、船、腔室等。
本公开以及关于本公开的讨论主要涉及能够漂浮的结构。然而，本公开的范围以同等效力和同等益处适用于不能够漂浮的任何装置、系统、模块和/或设备。例如，当前的公开对于浸没的“非活性”或“反应”物质、船只、容器和/或其它灌水的部件的设计和/或制造具有同等效用。
发明内容
所公开的是：
用于生产增材制造的物体(AMO)的新型分段装配船(fabricationvessel)；
用于生产增材制造的物体的新型码头边结构；
用于制造和输送增材制造的物体(“AMO”)的方法；以及
用于将AMO部署到水体中的方法。
经由增材制造创建的物体能够在它们的最终使用位置制造或输送到它们的最终使用位置。在后一种情况中，对于大型的、重的物体(例如，大于10,000kg),可能需要特别的举升和输送固定件/设备。本公开消除了对特别的举升和输送固定件/装置的需求，这是因为物体被直接创建于将它们输送到部署位置或已经定位在部署位置的船上。
船(物体被创建于船上和/或船内)还能够简单地通过将它们自身较深地降到水中并且允许和/或迫使物体从船漂走或移除(诸如使用绞车、起重机、臂、机动轨道或任何其它机械化或人力分离手段)来将物体部署到水体中和/或水体上。这意味着物体可能永远不需要从它们被制造和/或建立的表面移动，直到部署它们的时候。
在一个优选实施方式中，分段装配船是能够漂浮的和/或能够调节地漂浮的，并且具有至少一个如下的甲板：该甲板能够浸没在水面下方，同时保持将甲板返回到水面上方的位置的能力。
分段装配船可以是船、艇、驳船、平台，潜艇或能够在水中和/或水上漂浮的任何其它物体。该类型的结构的一个实施方式与艇的构造和维修中所使用的“浮式干船坞”共享许多属性、特征和/或特性。在当前公开的AMO制造方法中使用的浮式结构在本文中通常称为浮式干船坞(“FDD”)，但它们可以是任何种类的浮式结构。
所公开的AMO制造方法使用具有安装于其上的一个或多个俗称3D打印机的增材制造装置(“AMD”)的大型浮式干船坞。该实施方式将被称为增材制造浮式干船坞(“AMFDD”)。
在一个实施方式中，安装于AMFDD的AMD类似于机架起重机地被构造，其中允许工作台(stage)沿至少三个轴线(即，向前/向后、左舷/右舷、上/下)移动，并且最大的跨接构件在其长轴两端中的任一端处受支撑。在其它实施方式中，AMD可以类似于吊杆起重机(boom crane)、a-框架起重机或者被线缆支撑。可移动工作台可以包含用于增材制造的必须设备中的至少一些(例如喷嘴、加热元件、料斗、混合器、测量设备等)，但不必包含所有的这种设备。该工作台能够支持一种或多种类型的材料(诸如水泥、泡沫、塑料、复合材料、金属、蜡、沙、石膏、纸、钢筋、网、织物或其任意组合)从单个材料孔口和/或喷嘴或者从多个材料孔口和/或喷嘴的沉积或挤出。
一个实施方式使用较小的FDD作为生产表面，AMO在该生产表面上被构造。它们也是用于输送由AMFDD构造的AMO的结构。它们还能够用于将AMO部署到水体中和/或水体上。这些较小的FDD在本申请中应称为建立和输送浮式干船坞(“BTFDD”)。使用BTFDD的实施方式的优点是，AMFDD或码头边实施方式在与多个BTFDD组合使用的情况下能够具有较大的“吞吐量”，这是因为这允许增材制造的物体一旦完成制造就快速地从制造区域移除(即使在所述物体被允许部署到水体中或水体上之前还需要物体进一步“固化”)。替代地，这种“固化”能够在(相对便宜的)BTFDD的底座或平台上进行。
使用BTFDD的实施方式包括至少一个AMFDD，该AMFDD能够将其自身以使其甲板被充分浸没的方式下降到水中，从而使至少一个BTFDD漂浮在AMFDD的甲板之上和/或从AMFDD的甲板漂走。能够将BTFDD定位在AMFDD的被浸没的甲板上，使得在AMFDD将其甲板上升到水面之上时，和/或在BTFDD将其龙骨下降到较大的深度时，BTFDD的龙骨(或其某些其它的底部)将被置于AMFDD的甲板上。这将BTFDD刚性地定位在AMFDD甲板上，以准备制造AMO。
于是，AMFDD上的AMD能够用于在BTFDD的甲板上构造AMO。当完成构造后，AMFDD能够使自身下降到水中，和/或BTFDD能够使其龙骨上升，从而允许BTFDD漂浮、推进、被拖曳和/或以其它方式从AMFDD移开。
现在包括AMO的BTFDD能够移动到用于卸载的港口或其它位置，或者能够移动到它能够将AMO部署到水中的位置。BTFDD能够通过使自身下降到水中足够深以允许AMO漂浮来部署BTFDD包括的AMO。一旦AMO漂浮，它们就可以从BTFDD移开。然后，BTFDD能够使其甲板上升到水面之上并移回AMFDD以再次参与所公开的过程。
应该注意的是，不需要BTFDD来使AMFDD实现功能。所公开的一个实施方式示出了AMFDD在其自己的甲板上构造AMO，然后通过使其甲板下降到水面的足以使AMO移开的下方来将AMO部署到水中。
所公开的码头边增材制造实施方式类似于在AMFDD上使用的AMD，但是该实施方式位于船坞或相似位置处的通道上。AMD具有轮、胎面、齿条与齿轮机构或者允许AMD沿着船坞通道移动和/或平移的一些其它部件。FDD或其它船可以位于AMD下方。AMD能够在其下方的船的甲板上增材制造一个或多个AMO。一旦完成至少一个AMO的构造，船就能够离开船坞并且使该至少一个AMO移动到用于存储或部署的新位置。
本文公开的技术有助于利用和/或通过“3D打印机”的AMO的逐层地系统和/或自动打印。该制造模式具有如下优势：能够对漂浮模块的结构、能够漂浮的结构和/或浮标的设计做出任意的复杂和/或显著的改变，并且该修改的设计能够被立即制造。也就是，不需要重建模具、更新原理图来指导手动制造过程等。
如本文所公开的，模块、结构和/或部件的自动打印高度有利于和/或有助于“规模化(scale)”(即，重复许多次)这种物体的制造和/或生产的能力，并且在最小化所需的制造材料量和减少在它们的生产期间需要的体力劳动量和/或监督量两方面均具有显著减少它们的生产成本的潜力。
可以通过使用一个或多个模具来补充本文公开的技术，该一个或多个模具潜在包括由泡沫和/或一些其它低密度材料制成的插入件，其中制造材料挤出和/或沉积到模具中，和/或制造材料围绕该模具挤出和/或沉积。并且，本文公开的技术可以与由金属或另一刚性材料制成的结构“骨架”一起使用，其中制造材料挤出和/或沉积到该结构“骨架”中，和/或制造材料围绕该结构“骨架”挤出和/或沉积。
本文公开的技术能够用于挤出和/或沉积任何材料，并且未表达或暗示对制造材料的限制。一个实施方式涉及并有助于混凝土的挤出和/或沉积。另一实施方式涉及并有助于一种或多种水泥基材料的挤出和/或沉积。另一实施方式涉及并有助于塑料的挤出和/或沉积。另一实施方案涉及并有助于陶瓷材料的挤出和/或沉积。另一实施方式涉及并有助于复合材料的挤出和/或沉积。另一实施方式涉及并有助于聚合物的挤出和/或沉积。另一实施方式涉及并有助于金属材料的挤出和/或沉积。另一实施方式涉及并有助于玻璃的挤出和/或沉积。另一实施方式涉及并有助于晶体材料的挤出和/或沉积。另一实施方式涉及并有助于超材料的挤出和/或沉积。
本文公开的技术包括如下实施方式：在结构被制造时将结构增强件和/或部件插入到挤出的材料中。例如，一个实施方式涉及并有助于水泥通过“喷嘴”的挤出和/或沉积，其中在挤出和/或沉积过程中，例如通过独立的机器臂将钢销、金属丝、网状物和/或其它金属插入件自动插入材料。
能够通过所公开的技术创建的模块、结构和/或部件包括诸如通过使用和/或施加后张紧(post-tensioning)的钢筋而被预加应力的实施方式。
能够通过所公开的技术创建的模块、结构和/或部件包括如下的实施方式：其结合了结构特征、特别是那些通过使用连续的材料层的3D打印所制造的结构特征，其在所创建的结构内提供和/或支持“开孔(open voids)”和/或凹陷空间，其中，其它结构和/或可操作的部件能够被放置、装配、贴附和/或固定到“开孔”和/或凹陷空间中，并且/或者能够将轻质的空隙填充材料沉积到“开孔”和/或凹陷空间中。一个实施方式利用诸如闭孔聚合物或塑料泡沫的材料涌入和/或填充这些开孔中的至少一个开孔。
本文所讨论的实施方式使用永久和/或临时地安装于和/或贴附于浮式干船坞船的3D打印机。在一些实施方式中，这些3D打印机经由在至少三个线性自由度上的致动来定位和/或控制它们的喷嘴。然而，本公开的范围还包括使用包括但不限于以下种类中的任意种类和/或全部种类的3D打印机的实施方式：
以旋转自由度代替一个或多个材料喷嘴的3个线性自由度的任何3D打印机种类，以及喷嘴使用多于或少于3个自由度的任何3D打印机种类。
本文讨论的实施方式还包括那些完全通过3D打印制造AMO的实施方式。然而，本公开的范围包括借助于将水泥基材料、树脂和/或其它可挤出和/或可倾倒的材料倒入模具来制造部分和/或全部的AMO的实施方式，其中水泥基材料、树脂和/或其它可挤出和/或可倾倒的材料在模具中硬化。增材制造装置的材料沉积喷嘴能够用于将材料中的一些或全部沉积到铸模或模具中。
本文讨论的3D打印包括但不限于以下的任意和/或全部：
自由形式的沉积材料，其中不使用支撑件和/或外部结构。
将材料沉积在一个或多个支撑结构、骨架、网格等(例如，由金属制成)上和/或周围，这些支撑结构、骨架、网格等能够在完成制造之后留在原处和/或被移除。所述结构、骨架和/或网格可以是形成AMO的外部边界的“外骨骼”，和/或它们可以是形成AMO的内部结构的“内骨骼”。
将材料沉积到模具、型(form)、铸模等中。
尽管本公开的大部分是就波能转换器进行讨论，但对于本领域技术人员显而易见的是，本公开的大部分(即使不是全部)能够漂浮和浸没的部件和/或模块适用于并受益于其它类型的能够漂浮的装置和/或能够浸没的装置，和/或典型的部署模式涉及直接附接到海底的装置(诸如风力涡轮机塔架)的部件，并且所有的这种应用、使用和实施方式都包括在本公开的范围内。
本公开以及关于本公开的讨论以同等效力和同等益处适用于以下的制造：船、浮标、驳船、可漂浮的可居住结构(例如，海上家园)、桥梁、人造礁石、防波堤、管道和/或管道的部分(例如，用于污水、油、淡化水等流体的水下传输的管道)以及漂浮在水体表面、置于水体下方的地面和/或置于水体表面上方的地面(其中该地面的至少一部分靠近水体)的其它结构、物体、船、腔室等。
附图说明
为了更全面地理解本发明的本质和目的，结合附图并参照以下具体实施方式，在附图中：
图1是本发明的第一实施方式的立体图；
图2是图1中的实施方式处于下一阶段的立体图；
图3是图1中的实施方式处于另一下一阶段的立体图；
图4是图1中的实施方式处于又一下一阶段的立体图；
图5是图1中的实施方式处于再一下一阶段的立体图；
图6是图1中的实施方式处于另一下一阶段的立体图；
图7是图1中的实施方式处于又一下一阶段的立体图；
图8是图1中的实施方式处于再一下一阶段的立体图；
图9是图1中的实施方式处于另一下一阶段的立体图；
图10是图1中的实施方式处于又一下一阶段的立体图；
图11是本发明的可选实施方式的立体图；
图12是图11中的实施方式处于下一阶段的立体图；
图13是图11中的实施方式处于另一下一阶段的立体图；
图14是图11中的实施方式处于又一下一阶段的立体图；并且
图15是本发明的另一可选实施方式的立体图。
具体实施方式
图1示出了本公开的实施方式的立体图。大型浮式干船坞100漂浮在水体101中，具有水线102。水线102是船坞100相对于水体101的表面的位置，并且对应于足以保持船坞漂浮但不足以浸没其甲板103的深度。
在较大的浮式干船坞100的甲板103上载置两个较小的浮式干船坞104。大型船坞100上安装有两个增材制造装置105，该增材制造装置105包括材料沉积撑杆106、滑接轮105和机架107。材料沉积撑杆106相对于它们各自的滑接轮105沿着一条轴线延伸，即相对于大型浮式干船坞100的水平甲板103上下延伸。滑接轮105被约束为并能够相对于它们各自的机架107沿着一条轴线移动，即相对于大型浮式干船坞100向左右舷移动(port tostarboard)。机架107沿着正交于它们各自的滑接轮105的轴线移动，即相对于大型浮式干船坞100向船头和船尾移动。
关于该实施方式，经由驳船108将用于增材材料装置的材料通过管道或软管109供应到大型浮式干船坞100中。沉积撑杆106在小型浮式干船坞104上构造和/或制造增材制造的物体。在增材制造的物体111完成的情况下，构造增材制造的物体110。
图2绘示了图1中的实施方式，其以代表AMO制造过程的后续步骤的方式构造。大型浮式干船坞100增加了其净重(和/或降低了其浮力)，以使其在水体101中较深地漂浮，即，水线102在大型浮式干船坞100上移动得更高。在所示出的构造中，水线102上升到大型浮式干船坞100的甲板103现在被浸没的点处。水线102也足够高，以至于较小的浮式干船坞104现在漂浮在水体101中，并且不再与大型浮式干船坞100的甲板103接触。材料沉积撑杆106、滑接轮105和机架107全部沿着它们各自的轴线和/或自由度移动到它们距增材制造的物体111最远的位置。
图3示出了漂浮且不与大型浮式干船坞100的甲板103(即，制造甲板)接触并且能够远离大型浮式干船坞100地移动(或被移动)的小型浮式干船坞104(即，输送船坞)。在其它实施方式中(未示出)，如上所述，并非通过大型浮式干船坞的降低、而是通过小型浮式干船坞的上升而实现了小型浮式干船坞的龙骨与大型浮式干船坞的甲板之间的竖直间隔。
图4示出了包含所构造的增材制造的物体111的小型浮式干船坞104继续从大型浮式干船坞100移开。两个“空”的小型浮式干船坞112朝向大型浮式干船坞100移动以替换下水的(launched)浮式干船坞104。
图5示出了漂浮在水体101中足够浅的水线102的深度处的较小的“空”的浮式干船坞112，使得它们能够移动到大型浮式干船坞100的甲板103上和/或上方的位置，而不与甲板103接触。
在图6中，较小的浮式干船坞112将其船体定位在大型浮式干船坞100的甲板103上。大型浮式干船坞100已充分减小了其净重(和/或增大了其浮力)，以便使水线102定位在大型浮式干船坞100的载置有较小的浮式干船坞112的甲板103下方。由于大型浮式干船坞100的甲板103在小型浮式干船坞的底面(即它们的龙骨)下方上升，所以小型浮式干船坞的底面(即它们的龙骨)载置于大型浮式干船坞100的甲板上。位于大型浮式干船坞100上的增材制造装置105上的材料沉积撑杆106已开始在小型浮式干船坞112的甲板113上制造增材制造的物体110。以这种方式，增材制造的物体在小型浮式干船坞的甲板上被“3-D打印”。在3-D打印的一种方式中，诸如水泥的材料通过“喷嘴”以线性且分层的方式沉积，即喷嘴的移动限定轮廓，并且随着喷嘴移动从喷嘴中挤出材料使结构被建立。在一些实施方式中，所述形成的结构包含内部中空的空隙，使得该结构是能够漂浮的。
图7示出了具有八个增材制造的物体111的小型浮式干船坞104，该增材制造的物体已经在小型浮式干船坞104的甲板113上被制造。小型浮式干船坞104相对于水体101的表面以一定深度漂浮，以使水线102在甲板113的下方，其中增材制造的物体111已经在甲板113上被制造。
图8示出了具有八个增材制造的物体111的小型浮式干船坞104，该增材制造的物体111已经在小型浮式干船坞104的甲板113上被制造。八个增材制造的物体111现在在水101的表面附近被部分浸没。小型浮式干船坞104增加了其净重(和/或减小了其浮力)，以便使水体101的表面现在位于小型浮式干船坞104的甲板113的上表面之上。相对于增材制造的物体111，小型浮式干船坞104的甲板113被充分降低到水中，并且/或者水线102充分地高，使得增材制造的物体111现在漂浮在水中并且不再与小型浮式干船坞104的甲板113接触。
图9示出了已经在小型浮式干船坞104的上甲板113上被制造的增材制造的物体111依靠自身或通过外力从小型浮式干船坞104移开。小型浮式干船坞上的结构(例如机械臂、轨道、绞盘、横杆、输送机、起重机等)能够有助于这种运动。
在图10中，增材制造的物体111已经全部从小型浮式干船坞104卸载。在卸完增材制造的物体后，小型浮式干船坞104减小了其净重(和/或增大了其浮力)，以便使水线移动，从而使其甲板113从水中升高和/或离开水中。小型浮式干船坞104现在准备好用作图4中的小型浮式干船坞112，并且移回大型浮式干船坞100以再次开始所公开的过程的重复。
在图11中，浮式干船坞200以水线201漂浮。水线201表示浮式干船坞200相对于水体203的表面的深度和/或竖直位置，在该深度和/或竖直位置处浮力平衡。水线201足以保持浮式干船坞200漂浮，但高度不足以使浮式干船坞200的甲板204浸没。浮式干船坞200已在其上装配/安装了四个增材制造装置205，这四个增材制造装置205由材料沉积撑杆206、滑接轮205、机架207和梁208构成。梁208使沉积撑杆206一致地移动。
沉积撑杆206能够相对于它们各自的滑接轮205沿着一条轴线移动(即，相对于浮式干船坞200向上/向下移动)。滑接轮205被约束为并能够相对于它们各自的机架207沿着一条轴线移动(即，相对于浮式干船坞200向左舷/向右舷移动)。机架207能够沿着正交于它们各自的滑接轮205的轴线移动(即，相对于浮式干船坞200向船头/船尾移动)。
在制造过程中被增材制造装置205消耗的材料通过管道/软管209从位于浮式干船坞200内部(例如，诸如211的竖直壁的内侧)的相应的槽210供应。
沉积撑杆206在浮式干船坞200的甲板204上构造增材制造的物体212。图11中示出的一些增材制造的物体(例如213)正在被构造，而其它的增材制造的物体(例如212)已经完成。
图12示出了浮式干船坞200增大了其净重(和/或减小了其浮力)以便使其在水体203中较深地漂浮。
在所示出的构造和/或制造步骤中，水线201足够高以便使浮式干船坞200的甲板204被浸没。水线201也足够高，以至于所制造的增材制造的物体212现在漂浮在水体203中并且不再与甲板204的上表面接触。材料沉积撑杆206向上并且远离浮式干船坞200的甲板地移动到材料沉积撑杆206在增材制造的物体212之上且不能够与之接触的位置。
图13绘示了漂浮的和/或下水的增材制造的物体212依靠自身或通过外力从浮式干船坞200移开。
图14示出了漂浮的和/或下水的增材制造的物体212已经被部署到期望的位置。浮式干船坞200随后减小了其净重(和/或增大了其浮力)，以便使其水线201定位在浮式干船坞200的甲板204下方，即，甲板204现在位于水线之上且位于水面之上。浮式干船坞200上的材料沉积撑杆206开始在浮式干船坞200的甲板上制造另外的增材制造的物体213。
图15示出了本公开的另一实施方式的立体图。水体300能够访问船坞302内的通道或孔301内部。船坞302也可以是码头、突码头(pier)、防波堤、埠头(quay)、地块(landmass)等。三个增材制造装置303示于船坞302上并且经由轨道/轮等沿着平行于船坞302中的通道301的轴线移动和/或在船坞302中的通道301上移动。AMD303和相应的材料沉积撑杆305的运动与关于图1中的实施方式所说明的那些运动类似。
图15示出了三个增材制造装置303以及相应的通道301，其中应当理解的是，AMD和通道的数量是任意的并且不受限制。浮式干船坞306能够以如下的方式将它们自身定位在通道304中：使得沉积撑杆305能够在浮式干船坞306的甲板303上构造增材制造的物体307。在制造过程中消耗的材料通过管道/软管308从相应的槽309供应。这些槽能够安装于车辆或船，例如卡车、有轨车、艇(ship)或驳船。某些所示出的增材制造的物体(例如311)正在被构造，而另一些(例如307)已完成。具有完成的增材制造的物体的浮式干船坞310可以离开船坞302，以便将浮式干船坞310上的完成的增材制造的物体输送到一个或多个新的位置。

Claims (10)

1.一种分段装配船，其用于在所述分段装配船位于水体中的情况下增材制造并部署物体，所述分段装配船包括：
制造船坞，其相对于所述水体的水线布置在第一竖直位置；
输送船坞，其能够被接收于所述制造船坞，用于出入所述制造船坞，
增材制造装置，其邻近所述输送船坞地安装于所述船，用于在所述输送船坞上构造增材制造的物体；
其中，使所述制造船坞下降到第二竖直位置有助于所述输送船坞的外出，这是因为所述输送船坞至少部分地浸没在所述水线下方。
2.根据权利要求1所述的分段装配船，其特征在于，所述第二竖直位置使所述输送船坞因所述输送船坞的浮力而与所述制造船坞分离。
3.根据权利要求1所述的分段装配船，其特征在于，所述增材制造的物体能够漂浮。
4.根据权利要求1所述的分段装配船，其特征在于，所述输送船坞能够推进到远程位置。
5.一种部署增材制造的物体的方法，所述方法包括：
在水体上提供船，增材制造装置位于所述船上；
将所述船的第一船坞定位在第一竖直位置；
使用所述增材制造装置在所述第一船坞上生产增材制造的物体；
使所述第一船坞下降直到部署所述增材制造的物体所需的力减小；以及
将所述增材制造的物体部署到所述水体中；
所述第一船坞能够与所述船分离，并且其中所述第一船坞在所述增材制造的物体的生产期间载置于较大的第二船坞。
6.根据权利要求5所述的部署增材制造的物体的方法，其特征在于，所述增材制造的物体是波能发电机的部件。
7.根据权利要求5所述的部署增材制造的物体的方法，其特征在于，用于生产所述增材制造的物体的材料是水泥。
8.根据权利要求5所述的部署增材制造的物体的方法，还包括利用与所述船相邻的第二船向所述增材制造装置供应材料的步骤。
9.根据权利要求5所述的部署增材制造的物体的方法，其特征在于，所述较大的第二船坞容纳多个较小的船坞。
10.根据权利要求5所述的部署增材制造的物体的方法，其特征在于，所述增材制造装置同时生产多个增材制造的物体，并且多个增材制造的物体能够同时被部署。
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