CN111787978B - 混合制造设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种结合了增材和减材制造工艺的混合制造方法和制造设备，能够在病人第一次访问时，高速打印制成在放射治疗中使用的大尺寸，个体化病人设置和固定装置。同时利用增材和减材制造工艺的混合制造设备具有切割机构，料盒和沉积喷嘴。切割机构进给并切割从料盒中送入的物料，切割后的物料由沉积喷嘴定位放置。更具体地，切割机构提供了支撑入口，出口和至少一个切割头的腔室。入口接收未加工的材料，安装在腔室内的切割头在物料中或物料上加工出所需的轮廓，加工后的物料通过出口离开腔室,根据从数字模型中提取的指令，如数控(NC)编程语言，进行沉积。该模型自然地细分为各个独立的结构，每个结构定义一组参数值以指导相应物理部分的创建和放置。

Description

混合制造设备和方法

技术领域

本发明总体上涉及先进制造技术领域。更具体地，本发明描述了用于结合增材制造和减材制造工艺的系统和方法。

发明背景

放射治疗(放疗)是一种癌症治疗方法，通过使用光子(X射线，伽马射线)和带电粒子(电子和质子)形式的高能辐射来缩小肿瘤和杀死癌细胞。根据美国癌症协会的统计，超过60％的癌症患者在治疗过程中的某些时候接受放疗。为了最大程度地减少对周围健康组织的损害，放疗被计划为每天一次(某些情况下为两次)，每周5天，连续2至10周的分次治疗。在每个分次治疗中，放射束被塑形并从不同的场(角度)投放，使肿瘤得到较周围组织更加集中的放射剂量。放疗最重要的是按照治疗计划，投放精确的放射剂量到精确的肿瘤位置。这就要求在每个分次治疗中，要精确地对准并保持肿瘤和射束之间的位置和方向，并在每个分次治疗中重复这种对准和保持。在每个分次治疗中都要进行患者设置程序，将患者设置在治疗床上的治疗位置。每次治疗访问，患者会在治疗室中停留15-30分钟，但射线治疗仅需要1-5分钟。病人肿瘤和射线束的对准是通过基于二维X射线，三维锥形束计算机断层扫描(CBCT)甚至常规CT扫描的室内成像引导的治疗床移动来完成。

成像引导的患者定位技术可以在理论上将肿瘤与射束等中心线对准，并达到亚毫米级的精度。但是，在患者设置之后，治疗过程中的对准保持仅仅依靠患者设置和固定装置(PSID)。任何分次治疗中病人挪动导致的位置不确定性都需要额外的成像和治疗床校正。常用的PSID或者为患者的身体提供支撑以减少患者运动的可能性，或者对病人目标区域提供直接固定。由于具有很少的病人个体化性化设计，病人设置设备本身无法将位置不确定性降低到所需水平。诸如热缩面具或头环之类的固定装置，由于采用的简单的固定技术，牺牲了患者的舒适度，并引起病人不同程度的压力和焦虑。考虑到大多数接受RT疗法的患者自然处于压力状态，这可能会给患者带来令人恐惧的治疗体验。即使进行最严格的病人固定，分次治疗之间位置的不确定性仍在几毫米的范围内。

理想的PSID应该能够在病人的舒适姿态下确保患者姿态和限制患者的运动，并在整个治疗过程中保持位置的完整性。为了解决常用的PSID中的问题，本发明的第一部分集中于开发先进的制造技术，以快速制造用于放射治疗的个性化的，能够达到全身大小尺寸(例如2m×0.5m×0.2m)的PSID。放疗医院非常希望在患者第一次就诊的2-3小时内制作大规模的个性化PSID。为了满足高建造率和定制化的要求，本专利提供了一种创新的方法和相应的设备。本文介绍的技术可实现比传统3D打印技术快数千倍的材料沉积速率，并能够针对定制应用处理具有不同密度(对辐射透明，可变水密度等)的材料。

附图说明

图1是本发明的左上-前透视图。

图2是本发明的右后-后视图。

图3是本发明的分解透视图。

图4是本发明的切割机构的分解正视图。

图5是本发明的左侧主视图。

图6是沿图5的6-6线的剖视图。

图7是图6中的区域7的细节图。

图8是本发明的立体图。其中示出了平台。

图9是概述了本发明优选的操作方法的简化流程图。

图10是本发明的简化流程图，详细说明了操作的各个步骤方法。

图11是概述用像素列模型近似立体光刻(STL)模型的过程图。

图12是本发明的示例性产品的图示，对其相对于医疗制造领域中的预期应用进行了解释。

图13是本发明的左侧正视图。

发明内容

附图中的所有图示都是出于描述本发明的选定形式的目的，并不旨在限制本发明的范围。

参考图1至图12，本发明旨在提供一种基于像素列模型类型，以及增材制造和减法制造方法的新颖组合制造方法来加速制造精确，大尺寸产品的装置和方法。详细地说，像素列模型定义了一个数字构造，该构造由三维结构的细长实体组成，这些实体由高度和顶端表面轮廓定义，并符合不同复杂性的三维原型模型。原型模型包括立体光刻(STL)，点场，表面网格或本领域普通技术人员可以使用的任何其他形式或各种三维模型。原型模型到像素列模型的转换定义了一系列的近似值；其中，原型模型的轮廓被像素列的相应特征最适合的平面和顶点来近似。在此转换的最优实现中，像素列模型将最终定义一个与原型模型有最小偏差的许多相连平面。这种近似方法应理解为任何建模过程的标准组成部分-数字模型本身通常是基于给定模型的分辨率对现实世界对象的近似。将给定的原型模型分割为像素列格式的好处是，像素列的任何部分都可以进一步分成不同的，有限的轮廓，以产生相应的刀具路径。这些刀具路径可以进一步包括与数控语言有关的任何已知格式或格式的组合，例如用于在给定空间中移动机器的书面指令。

本发明特别考虑了该技术在放射治疗领域的应用。更具体地，本发明可以用于创建个体化的病人固定装置，该装置用于在重复的放射治疗(每一次治疗称为分次治疗)期间维持患者的位置和与射束的对准。最初的射束与治疗目标区的对准可以通过使用现场成像引导，并达到令人满意的偏差，但是这种对准的保持在很大程度上取决于对患者运动的约束-即使患者轻微的运动也会导致放射治疗的中断，只有重新进行成像和对准，才能安全地继续放射治疗。当前生产和使用的个人固定装置昂贵且制造缓慢，需要在治疗过程开始之前对患者进行扫描，并要有足够的交货时间以通过常规制造工艺制造适合的固定装置。本发明将允许治疗设施扫描患者，制造适合的个体化固定装置，并在数小时而不是数天之内开始治疗，增加了这种治疗的可用性，同时减少了生产时间和使用非定制固定装置导致重新成像所产生的成本。

如图1和图3所示，在本发明的优选实现中，混合制造设备包括至少一个切割机构11，至少一个储料盒71和至少一个沉积喷嘴31。切割机构11可包括不同的切割方法，将从料斗71的进料切割成段。切割方法包括但不限于机械剪切，加热的线切割或激光切割。料盒71定义了任何适合的存储容器，用于存储将要分别通过切割机构11和沉积喷嘴31进行修改或沉积的材料。本发明的实现中已经考虑到使用不同材料形式的各种实施和操作方法，包括使用均匀尺寸的预成型材料和使用可以连续地供给到切割机构11的连续材料卷筒等。本发明的实现进一步考虑了使用不同的原料横截面几何形状(例如，正方形，矩形，六边形，三角形，圆形等)，以优化建造给定模型时的结构和精度。切割机构11还包括至少一个腔室21，至少一个入口22，至少一个出口23和至少一个切割头12。入口22限定了来自料盒71的材料可以进入腔室21的位置。因此，当所述材料穿过腔室21时，切割头12可以切割材料。出口23定义了与腔室21的入口22相对的部分，切割后的材料从腔室21通过出口23排出以到达沉积喷嘴31。在本发明的可操作构造中，料盒71与通过入口22，切割头12和出口23与沉积喷嘴31顺畅连通。

参考图1，图3和图8，混合制造设备进一步被构想为包括平台41。平台41包括构建板42，台架43和喷嘴定位组件44。构建板42是一个具有适当材料质量的平面，以接收和支撑由切割机构11切割后，从喷嘴31发放的材料。机架43提供了相对于构建板42固定的刚性结构，从而设定了沉积喷嘴31可以横穿的轴线。喷嘴定位组件44可以是电动机，致动器或其他适合类型和构造的动力装置的任何形式或组合，以使沉积喷嘴31移动到由与像素列模型相对应的坐标网格所定义的位置。所述模型被转换为普通技术人员能够识别的数控(NC)编程语言等机器指令。在优选的操作方法中，网格正方形在给定坐标系(X，Y)中首先沿X的增量方向填充，直到达到X的最大值为止，然后Y值再递增。通过该过程，沉积喷嘴31将前进并填充紧接着前一个已填充的网格正方形的网格，由此确保所沉积的材料不会从所需位置变形或偏斜。

参考图1和图8，在至少一个实施方案中，切割机构11被安装在沉积喷嘴31和机架43之间。在各种不同的实施方案中，切割机构11和储料盒71作为固定或移动结构被单独地安装到机架43。在不脱离本发明的范围的情况下，不同的方案可以由对配置和形状参数的限制所决定。

如图1和图3所示，还额外考虑在混合制造设备中加入了输出导管32和导向板37。输出导管32设定了穿过沉积喷嘴31的长度的中空空间，其中，输出导管32与腔室21的出口23流畅连通。引导板37用于设定与切割机构11相对的延伸出输出导管32的刚性轮廓突起。引导板37用于引导成型的材料到相应的网格正方形的位置。该位置由定位指令设定，通过喷嘴定位组件44的运作实现。进一步的考虑，导板37可用于在沉积一段材料后，通过执行反进给运动命令，挤压移动基板上的材料，从而将(X，Y)处最近沉积的材料将与先前在(X-d，Y)和(X，Y-d)位置沉积的材料相对齐；其中，d等于材料段的横向尺寸。

参考图3，混合制造装置被进一步构想为包括安装到输出导管32上的第一个引导涂胶器33和第二个引导涂胶器34。第一个引导涂胶器33定义了暴露于输出导管32外的空间和施加构件，使得一段材料穿过输出导管32时将被涂上一层粘合剂混合物。第二个引导涂胶器34是与第一个引导涂胶器类似的部件，被安装在垂直角度。这两个引导涂胶器能够使一段材料的两个相邻面同时涂上一层粘合剂。特别考虑的是，第一引导涂胶器33和第二引导涂胶器34被安装在输出导管32的朝向栅格X-d和Y-d方向的位置上，这种布置使仅与先前沉积的材料相结合的材料侧面被涂上一层结合剂。这种布置避免了粘合剂过度施加到非配合面，降低了耗材消耗，从而使粘合剂固定和固化材料段成为一体所需的成本和时间最小化。

如图3所示，沉积喷嘴31还被设计为包括端口35和正压装置36。本发明的实施设计含有正压装置，包括但不限于气泵，密封压力容器或任何其他装置。不受限制地向端口35输送气压。正压装置36与端口35顺畅连通，端口35进一步与输出导管32顺畅连通。端口35定义了一个可操作阀，该阀在接收到来自至少一个控制器设备的可执行命令时，将气压射流引入输出导管32中。设计理念是，引入的压缩空气(而不是输出导管32)会在材料段的端头面施加一个力，喷射出材料段，通过第一个33引导涂胶器和第二个引导涂胶器34，植入在基板上的位置上。

参考图1，图4，图6和图7所示，至少一个切割头12包括主切割刀具致动组件13和主切割刀具14。主切割头致动组件13相对于腔室21理想固定，使得主切割刀具14，对于入口22和任何进入的材料，可重新置位在腔室21内。在优选的实施中，主切割头致动组件13在腔室21内实现至少两个自由度，使得主切割刀具14可以不同角度切过材料段以产生端面。在理想的设计中，这些自由度的运动通过横向和横向运动的组合来实现，使得主切割刀具14能够按照控制器的指令以任何角度接合材料段。端面的特定尺寸由Z值和矢量范数(nX，nY，1)定义；其中Z定义给定像素柱的高度。此外，(X，Y)在所述像素柱内定义的点定义了像素柱相对于基板的网格位置。主切割头致动组件13控制主切割刀具14沿着由(nX，nY，1)限定的矢量范数限定的平面切过，从而切出由控制器产生和合理化的材料段端面，以近似模型曲面。

参考图7，在另一种情况下，至少一个切割头还包括副切割头致动组件15和副切割刀具16。副切割头致动组件15和副切割刀具16被设计成与主切割头致动组件13和主切割刀具14协同操作，以便更有效和方便地裁定材料段的最终尺寸。在一种情况下，在如上述切割上断面之前，副切割头致动组件15沿平行于基板的平面横向拉动副切割刀具16以确立像素柱最终的高度h。当连续的构建材料条被送到混合制造设备中时，这一切割装置将材料切割为适当长度以制备所需长度的材料条。

参考图1，图13，在进一步的实施例中，混合制造设备包括落料机构24和负压装置25。落料机构24理想地与腔室21联成一体，使得负压装置25经由腔室21与腔室21流畅连通。进一步考虑将落料机构24设定为落料操作的入口，所述操作与负压装置25产生的真空相同时发生。所设计的落料机构24用以清除生产过程中的废料。当主切割刀具14切割像素柱上端面后，副切割刀具16切割下一个像素柱的底面时，会产生废料。当废料滞留在这些活动组件的挤压点或剪切区域时，会对主切割头致动组件和副切割头致动组件构成危害。

参考图1，图3，图4和图6，该混合制造设备还包括进料导管51和进料输送装置52。其中进料导管51连接在腔室21的入口22和料盒71之间。进料输送装置52安装在进料导管51内，与入口22相邻。通过进料输送装置52可以控制通过进料导管51的入料进入腔室21。在一种实现中，进料输送装置52可以是布置在进料导管51对面的一系列从滚轮。在这种实现中，进料输送装置52提供了一种进料或退料的方式，把入料定位于相对主切割刀具14或副切割刀具16的适当位置。例如，进料输送装置52可以将入料前进到预定长度，使材料段所要的末端停止在副切割刀具16的位置，由副切割刀具16切断入料，从而得到材料段所要的最大高度。

另外，混合制造设备可包括传送导管61以及传送装置62。其中传送导管61连接在腔室21的出口23和沉积喷嘴31之间。在至少一个实现中，传送导管61和传送装置62设计为与进料导管51和进料输送装置52相似的结构和组件。进一步考虑，进料输送装置52可以与传送装置62协同操作，即，入料可以由进料输送装置52接收，前进并穿过腔室21，然后由输送装置62接收。通过这种方法，进给输送机52和转移输送机62可以沿相反的方向推进材料段以向材料段施加张力，以使得主切割刀具14和副切割刀具16能够进行更有效的切割操作。可以设想，通过进料输送装置52和传送装置62结合在一起的正向和反向进给，材料段可以调节到相对于副切割刀具16和主切割刀具14的所要的位置。

参考图9至图12，应用所描述的设备，本申请设计了一种首选的，相对于传统的制造方法(包括3D打印)，在制造速速上具有更大优势的混合制造方法。具体地，首选的制造方法考虑使用的混合制造设备包括至少一个控制器装置81，至少一个切割机构11，至少一个沉积喷嘴31和至少一个喷嘴定位装配44(步骤A)。控制器设备81接收至少一个3D测量模型(步骤B)。相应地，初始模型被传送到控制器装置81并准备进行处理。制造方法进一步将连续的测量模型细分为分布在坐标平面上的多个相似的像素柱结构(步骤C)。每个像素柱都定义了包含以下信息的的结构：像素柱网格位置，像素柱高度和测量轮廓。网格位置由前面描述的坐标(X，Y)定义，同时像素柱高度可以定义为Z。理想状况下，所建PSID的拓扑轮廓能够由如前所述的通过点(nX，nY，h)的向量和(X，Y，Z)位置来定义。为了能够开始生产符合拓扑模型的物理结构，喷嘴定位组件44将沉积喷嘴31移动到与某一像素柱的网格位置相对应的位置(步骤D)。随后，材料条被从料盒71送料到切割机构11中(步骤E)。在本发明的各种实施方法中，材料条可以是存储在匣盒71内的连续材料，或者可以是统一尺寸的均匀的材料段(步骤F)。制造方法进一步用切割机构11切割材料条，将材料条制备为与相应模型像素柱的像素高度和形貌轮廓一致的材料柱(步骤G)。在本方法的各种设想的实现方式中，在不脱离本发明的范畴下，形貌轮廓可以定义多种重合的平面或其他表面轮廓，从而需要多个平面或非平面的切割操作。在切割机构11完成切割后，最终成型的材料柱进入沉积喷嘴31，并被放置到由该像素柱所定义的栅格位置(步骤H)。然后，针对在模型中众多像素柱所定义的参数，重复迭代上面概述的方法，直到最终生成符合形貌模型近似值的结构为止。此时，每个网格位置已填充有符合相应像素柱的材料柱(步骤I)。

尽管上面已经对本发明的优选实施方法进行了说明，但是应当理解，在不脱离后面声明的本发明的精神和范畴下，实施方法可以做出许多其他可能的修改和变化。

Claims (12)

1.一种混合制造设备，包括：

至少一种切割机构；

至少一个料盒；

至少一个沉积喷嘴；

输出导管；

切割机构包括至少一个腔室，至少一个入口，至少一个出口及至少一个切割头；

入口连接到腔室中；出口连接到腔室中；出口相对于入口有穿过腔室的位移；切割头安装在腔室内；切割头位于入口和出口之间；料盒与入口流畅连通；沉积喷嘴与出口流畅连通；料盒通过入口、切割头和出口与沉积喷嘴流畅连通；

混合制造设备还包括：

主涂胶器；

副涂胶器；

主涂胶器侧向安装到输出导管上，与切割机构存在偏移；

副涂胶器侧向安装在输出导管上，与切割机构存在偏移；

副涂胶器围绕输出导管与主涂胶器存在夹角；

主涂胶器与副涂胶器被安装在垂直角度，以使一段材料的两个相邻面可以同时涂上一层粘合剂；

切割头包括主切割头致动组件和主刀头，主切割头致动组件在腔室内实现至少两个自由度，使得主刀头可以以不同角度切过材料段以产生端面；至少一个切割头还包括副切割头致动组件和副刀头，副切割头致动组件和副刀头被设计成与主切割头致动组件和主刀头协同操作，以裁定材料段的最终尺寸。

2.如权利要求1所述的混合制造设备，包括：

平台，包括基板、机架和喷嘴定位组件；

机架安装在邻近基板的位置；

喷嘴定位组件安装在机架上；

喷嘴定位组件隔着机架远离基板安装；

沉积喷嘴可操作地安装在喷嘴定位组件上，其中，喷嘴定位组件相对于基板定位沉积喷嘴位置。

3.如权利要求1所述的混合制造设备，包括：

输出导管，输出导管穿过沉积喷嘴，输出导管与出口流畅连通；

导向板，安装在沉积喷嘴附近，与切割机构相对。

4.如权利要求3所述的混合制造设备，包括：

导气接口；

正压装置；

导气接口被整合到沉积喷嘴中；

导气接口位于出口附近；

导气接口与输出导管流畅连通；

正压装置通过导气接口与输出导管流畅连通。

5.如权利要求1所述的混合制造设备，

主刀头可操作地联接至主切割头致动组件；

其中，主切割头致动组件将主刀头相对于入口重新定位。

6.如权利要求5所述的混合制造设备，包括：

副切割头致动组件安装在腔室内，并与主切割头部致动组件存在偏移；

副刀头可操作地联接至副切割头致动组件；

其中，副切割头致动组件将副刀头相对于入口重新定位。

7.如权利要求1所述的混合制造设备，包括：

落料口；

负压装置；

落料口连接到腔室；

落料口与腔室流畅连通；

负压装置通过落料口与腔室流畅连通。

8.如权利要求1所述的混合制造设备，包括：

进料导管；

进料输送装置；

进料导管连接在入口和料盒之间；

进料输送装置安装在进料管道内；

进料输送装置位于入口附近。

9.如权利要求1所述的混合制造设备，包括：

送料管道；

送料装置；

送料管道连接在出口和沉积喷嘴之间；

送料装置安装在送料管道内；

送料装置位于出口附近。

10.一种混合制造方法，用于权利要求1至9中任一项的混合制造设备，混合制造方法包括：

（A）提供至少一种混合制造设备，其中，该混合制造设备包括至少一个控制器装置，至少一个储料盒，至少一个切割机构，至少一个沉积喷嘴和至少一个喷嘴定位组件；

（B）利用控制器装置接收至少一个形貌模型；

（C）利用控制器装置将形貌模型细分为坐标平面，以产生多个像素柱，其中，众多像素柱中的每一个均包括网格位置，像素高度和形貌轮廓；

（D）利用喷嘴定位组件将沉积喷嘴动到众多像素柱中的任一像素柱的网格位置；

（E）将一材料条从料仓分配到切割机构中；

（F）利用切割机构切割材料柱，使得材料柱的长度等于相应的任意像素柱的高度；

（G）利用切割机构使材料柱整形以符合任意像素柱的形貌轮廓；

（H）用沉积喷嘴将材料柱分配到任意像素柱的网格位置上；

（I）对多个像素柱的每一个重复步骤D至H。

11.一种结合了增材和减材制造工艺的混合制造方法，用于权利要求1至9中任一项的混合制造设备，混合制造方法能够在病人第一次访问时，打印制成在放射治疗中使用的大尺寸，个体化病人设置和固定装置。

12.一种结合了增材和减材制造工艺的混合制造设备，混合制造设备为权利要求1至9中任一项的混合制造设备，混合制造设备能够在病人第一次访问时，打印制成在放射治疗中使用的大尺寸，个体化病人设置和固定装置。

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