CN1167300A - 用能量场进行三维物体制造成型的方法和系统 - Google Patents

Abstract

用能量场进行三维物体制造成型的方法和系统，利用三维CAD信息和由CAD信息抽取系统、计算机和相关软件、能量场发生器组成的虚模具系统，生成与目标零部件相一致的实体能量场，作用于能因外界激励发生质变性变化的成型介质，使得能量汇聚点处的介质与非汇聚点处的介质分离开来，固化成型，再经过后续工艺处理形成目标零部件。其成型速度快，工艺简单，加工精度高，适用范围广。

Description

用能量场进行三维物体制造成型的方法和系统

本发明涉及一种用能量场进行三维物体制造成型的方法和系统。

传统机械制造技术可分为去除法加工，如车铣镗钻磨等，变形法加工，如锻压等，和以铸造、注塑为代表的添加法加工。其加工精度取决于刃具、模具与材料的相互作用，影响因素很多，灵活性较差。随着数控技术的发展，平面二维曲线加工已经可以很好实现。三维规则形体的加工也可以实现，但是因为用加工中心、三维雕刻机等设备加工三维形体在本质上仍是用二维去除法逐步由点成线、成面、成体，依赖于复杂的软硬件支持，所以用它们实现任意的三维制造困难很多。

正在发展中的快速原型制造技术主要采用添加法加工，较好地解决了自由三维形体的成型问题。它首先建立三维CAD模型，然后进行分层处理，采用各种方法将三维形体一层层地制造出来。

这些方法如美国专利5137662，用光敏液相法(SLA)，通过紫外激光逐层选区固化光敏聚合物材料得到三维形体；美国专利5340433，用熔化沉积法(FDM)，将熔化后能快速固化的材料通过可以三维移动的加热头逐层堆积成型。这些方法目前仍处在积点成线成面成体阶段，成形速度较慢，支持软件复杂。

以色列CUBITAL公司的美国专利5263130和5287435采用固基光敏液相法(SGC)成形：它首先在加工面上均匀施加光敏液体成型材料，用离子成像技术制造掩模，然后让能束通过掩模对光敏液曝光，固化，然后清除未固化的多余液体，接着在非成形处填充支持材料，并将当前层磨平，进入下一层的加工，如此重复，完成造型。正因为每层加工均需制造对应的掩模，再加上掩模的维护过程，使其成型过程多，工艺复杂，加工速度的提高并不显著。

快速原型制造技术目前的制造精度约为0.1mm，垂直方向呈阶梯状，需进一步加工后才能转换为模具，尚不能实现实用模具和较高精度零件的直接制造。用它们实现三维自由形体的制造仍然依赖于相对复杂的软硬件支持。

本发明的目的是提供一种用能量场发生器取代机械机构、减少误差环节，工艺简单，加工速度快的用能量场进行三维物体制造成型的方法和系统。

用能量场进行三维物体制造成型方法的系统由三维CAD信息抽取系统、含相关软件的计算机、控制线路、能量场发生器、成形箱和成形材料组成。

该系统的面型能量场发生器包括直射式和透射式。XY向为行列双向寻址面型能量场发生器，Z向可以采用与XY向相似的面型能量场发生器。为降低成本，考虑到Z向主要是提供定位成形面的功能，它可以采用仅有行寻址的面型能量场发生器、机械升降式、条状能量场发生器机械升降式、能束反射式等多种形式。

直射式面型能量场发生器包括整体集成式和分层式。直射分层式面型能量场发生器由选通与保持电路单元，连接单元，面阵型能量源和输出单元组成，面阵型能量源与控制电路分别集成，分层连接。整体集成式面型能量场发生器则将选通与保持电路单元和能量源整体集成在一起，省去了连接单元。上述的选通与保持电路单元采用带存储单元的有源矩阵电路，包括在非晶硅基体材料上和多晶硅基体材料上生成的薄膜电路形式、场效应管电路和晶体管电路形式；连接单元包括微导线阵列结构和导电膜结构；输出单元11包括微管阵列形式和对能量场进行放大与缩小输出调制形式。所用微管阵列包括PbO玻璃管阵列、光纤管阵列和C60纳米管阵列。放大与缩小输出调制包括由一组透镜组成的光学投影系统和电磁透镜系统。

透射式面型能量场发生器由面型光源、匀光板和面阵型光阀组成，其面型光阀包括液晶光阀，液晶光阀采用带存储单元的有源矩阵电路驱动。透射式面型能量场发生器也可以连接上述的输出单元。

可以用多个能量场发生器以拼接组合的方式形成更大面积的能量场发生器，这样可以扩展系统的适用范围。

该系统所述的成型材料包括液态光敏树脂材料、可烧结的粉末材料、薄片材料和逻辑性功能材料。

由人工设计或直接由实物获取目标零部件的三维CAD信息，计算机用此信息控制能量场发生器生成与目标零部件相一致的实体能量场，这里的实体能量场是指能量的实际汇聚而非虚像，它包括机械力、电磁场、光、声、重力场、粒子束和温度场。该能量场作用于能因外界激励发生物态变化的成形介质，如：光敏聚合物及下文所述的逻辑性功能材料等等，逻辑性功能材料是指具有常态、激活态、质变态三态的功能材料。常态下逻辑性功能材料性质均匀，能束在其中以线性传播并以一定规律衰减，使得控制能束强度就可以控制其有效作用距离。激活态下，材料在某些能束作用下处于临界性激活状态，能束撤除后又能返回常态。质变态是指已经处于激活态的材料在某种或多种能量场的作用下，能量汇聚点处的材料相对于非汇聚点处的材料能够发生质变性变化，并分离出来的状态。与当前加工信息一致的实体能量场作用于成形介质，使得能量汇聚点处的介质即场内介质，相对于非能量汇聚点处的介质即场外介质，发生质变性变化，从而利用这种质变性变化，将场内介质与场外介质分离开来，固化成型，再经过后续工艺处理形成目标零部件。该系统的三维CAD信息抽取系统、计算机和相关软件与能量场发生器合在一起组成了“虚拟模具系统”，简称“虚模具”，因为该系统具有通用性，由三维CAD数据信息驱动，用它可以产生与各种目标零部件相一致的能量场，而不用增加其他硬件，与铸造用模具功能相似。

将三维CAD信息进行分层处理，用虚模具系统在XY向和Z向产生与当前成型层一致的面型能量场，作用于成形材料。当前层固化后，协调变化Z向与XY向能量场发生器，进入下一成型面的加工。如此重复，实现整体造型。

直射式的特点是控制面型能量源点阵中各点能量源的通断，使其发出的能束照射到成型材料上。透射式则是控制面型光阀阵列，对光进行调制，然后作用于成型材料上。

概括地说，能量场三维制造系统就是用虚模具系统产生能量场直接作用于成形介质进行分离成形的三维制造系统。

本发明的优点为：

1.用能量场发生器取代机械机构，极大地减少误差环节；

2.它将产品精度的决定因素由原来的机械传动、刃具、模具和材料等众多不易保持一致的因素，如硬度、应力变形等，转变为易于控制、易于保持一致的能量场的调控精度，系统的通用性及与外界的联络能力大为增加；

3.该系统直接由面生长成体，成形速度快，其计算机处理复杂度比由点成线成面成体的方法大为下降，并且有利于实现连续生长成形。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细地阐述。

图1为能量场三维制造系统原理框图；图2A为直射式能量场三维制造系统原理图，图2B为透射式能量场三维制造系统原理图；图3A为直射式能量场发生器结构图，图3B为直射式能量场发生器电路原理图，图3C为直射式能量场发生器的控制框图；图4为直射式能量场发生器中电源选通控制部分与能源面阵部分的连接结构原理图；图5为直射式能量场发生器多单元拼接与控制原理图；图6为能量场发生器用微管阵列进行能量输出的示意图；图7为能量场发生器进行放大或缩小输出的示意图；图8A，B，C，D为Z向能量场发生器的多种形式示意图；图9为Z向采用机械升降的透射式能量场三维制造系统结构图；图10为综合利用电磁场、重力场、温度场和超声波场的三维制造系统原理图。

实施例1：

用直射集成式多单元面型能量场进行三维物体制造成型方法的系统。所述的直射集成式多单元面型能量场三维制造系统由三维CAD信息抽取系统、含相关软件的计算机1、控制线路2、直射集成式面型能量场发生器3、4，成形箱5和成形材料6组成。

该实施例中，XY向和Z向均采用面型能量场发生器，所用面型能量场发生器采用整体集成形式，用非晶硅材料制成薄膜晶体管TFT阵列，将带存储单元的有源矩阵控制电路和激光二极管整体集成在一起。XY向能量场发生器采用多单元能量场发生器拼接与控制形式以适用于大面积的成形。所用成形材料为逻辑性功能材料。

图3B为直射式能量场发生器电路原理图的一种，这类电路采用带存储单元的有源矩阵形式。图中场效应管T1的栅极彼此相通成为行电极X(i)，X(i+1)，X(i+2)，…，T1的漏极相连成为列电极Y(j)，Y(j+1)，Y(j+2)，…，图中C为信号存储电容。激光二极管L一端接电源正极+Vc，一端与场效应管T2的漏极相联，T2的源极和信号存储电容C共地。这样，当X(i)上加上正脉冲选中该行，Y(j)上也加上选通信号时，T1将导通，信号存储电容C被充电。C上的电压升到一定值，T2导通，激光二极管L通过T2的漏极通地，电源电压加到L上，L发射激光，同时C通过T2放电，T2的栅极电压慢慢地减小，直至T2截断。C的充电电压决定了L的发光时间。当X(i)上施加的正脉冲移向X(i+1)时，当前T1关断，但C上的积累电荷将使L保持发光一段时间。所以，采用逐行扫描，扫描电压脉冲顺序地从X(1)移向X(2)…X(N)行，每次寻址一行，Y(1)，Y(2)…Y(m)同步变化，由于扫描速度足够快，使得L的持续发光时间可以大于一幅图象的扫描时间，从而实现了与当前层CAD信息一致的能量场的输出。图3C为直射式能量场发生器的控制框图。计算机输出数据信息和控制信息，数据信息经过译码和数据转换，传递给信息缓存单元。在时序控制单元作用下，当前成型信息被送入X向和Y向信号保持和驱动单元，从而控制能量场发生器生成与CAD信息一致的能量场。同步控制单元协调控制X、Y向信号保持和驱动单元的同步变化。

图5为直射式能量场发生器多单元拼接与控制原理图。多单元拼接与控制是用多块能量场发生器以拼接组合的方式形成大面积的能量场发生器。计算机通过控制单元将数据信息和控制信号经多路转换器对各个部分进行控制，进行制造加工。一个控制单元可以控制多个基层能量场发生器，计算机还可以分时控制多个控制单元以控制更大规模的能量场三维制造系统。带存储单元的有源驱动面阵型能量场发生器结构使得这种扩展易于进行，并且随着扫描速度的提高，这种扩展能力将同步提高。计算机可以通过网络传递信息给分散各地的控制单元，从而控制生产的进行。所以，能量场三维制造系统具有很强的对外联络能力。

起主控作用的计算机1，它内含的支持软件可以对三维CAD信息进行分层处理。在三维CAD信息及相关软件驱动下，计算机1通过控制线路2控制Z向直射式面型能量场发生器3在预定位置生成能量场A，控制XY向直射式面型能量场发生器4在预定位置生成能量场B，A、B能量场交汇，从而生成与目标零部件相一致的当前能量汇聚面，作用于成形箱5内的逻辑性功能材料6上，使得能量汇聚点处的介质相对于非能量汇聚点处的介质发生质变性变化，固化成形，附着在已有的上一个成形面上。计算机检测到当前层加工完成信号后，再协调变化Z向与XY向面型能量场发生器，进行新位置成形面的成形。7为成形中的工件。如此重复，工件由面成长为完整的三维形体。最后经过后续工艺处理，得到目标零部件。

实施例2：

用直射分层式面型能量场进行三维物体制造成型方法的系统。所述的直射分层式面型能量场三维制造系统由三维CAD信息抽取系统、含相关软件的计算机1、控制线路2、Z向能量场发生器机械升降机构3、XY向直射分层式面型能量场发生器4，成形箱5和成形材料6组成。

直射分层式面型能量场发生器由选通与保持电路单元8，连接单元9，面阵型能量源10和输出单元11组成，图3A为直射分层式能量场发生器结构图，其中计算机1通过控制线路2将控制信息和CAD数据信息传递给选通与保持电路单元8。选通与保持电路单元8生成与当前成型层一致的电源选通信号阵列，阵列中各点的电信号通过连接单元9传递给面阵型能量源10，面阵型能量源10在选通与保持电路单元8的控制下只在要成形的位置发射能束，通过输出单元11再作用于成形介质。选通与保持电路单元8由多晶硅材料制成的薄膜晶体管TFT阵列集成得到。连接单元9用导电膜结构，面阵型能量源10为集成在一起的激光二极管阵列，输出单元11采用光纤管阵列。

图6为该系统用光纤管阵列进行能量输出的示意图。用微管阵列进行能量输出可以隔离外界对能量场发生器的影响，同时可以提高系统的精度。微管阵列上端的微管分布密度低，与能量场发生器的直接输出精度一致，另一端分布密度高，象素点数上下一样，并且是单点控制。这样便提高了输出精度。其普通精度为10微米，需要时可以达到微米量级。由于可以高精度单点控制能量输出，该制造系统可以用于微细加工。

图8A，B，C，D为Z向能量场发生器的多种形式示意图。为了降低成本，Z向能量场发生器可以用图8中的简化形式。图8A为只有行控制的Z向面型能量场发生器，因为Z向主要是定位成型面，移动行即可。图中16为能量场发生器，15为行控制器。其控制原理相当于将图3B中Y向列信号线连接到一起，使得X向选通信号一次选通一行。

图8B为机械升降式，用机械升降机构控制Z向位移和成形面。其中Z向能量场发生器机械升降机构3为与步进电机升降机构相连的成形支架，17为处于成形支架上的随支架运动的已成形工件。

图8C中用机械机构升降条状能量场发生器控制Z向能束输出位置。

图8D则通过调节三块反射镜19，20，22将光源21发出的能束沿水平线方向作用于成形单元18。

起主控作用的计算机1内含的支持软件可以对三维CAD信息进行分层处理。在三维CAD信息及相关软件驱动下，计算机1通过控制线路2控制XY向直射分层式面型能量场发生器4在预定位置生成与目标零部件相一致的当前能量汇聚面，作用于成形箱5内的液体光敏树脂材料6表面上，使得能量汇聚点处的介质固化成形，附着在已有的上一个成形面上。计算机检测到当前层加工完成信号后，让Z向机械升降机构下降一定高度，液体光敏树脂均匀覆盖在已有加工面上，再控制XY向面型能量场发生器，进行新位置成形面的成形。如此重复，工件由面成长为完整的三维形体7。最后经过后续工艺处理，得到目标零部件。

实施例3：

用透射式液晶光阀面型能量场进行三维物体制造成型方法的系统。所述的透射式液晶光阀面型能量场三维制造系统由三维CAD信息抽取系统、含相关软件的计算机1、控制线路2、Z向能量场发生器机械升降机构3、XY向透射式液晶光阀面型能量场发生器4，成形箱5和成形材料6组成。其中XY向采用透射式液晶光阀面型能量场发生器4，它由面型弧光灯光源4a，匀光板4b，液晶光阀4c和输出单元11组成。所用成形材料为液体光敏树脂材料。

图7为系统XY向能量场发生器进行放大或缩小输出的原理图。能量场发生器4通过能量场调制单元12后辐射面积放大或缩小，以便使用同一能量场三维制造系统进行不同精度的成型制造。图中13为经过调制的能量场，14为成型单元。本系统的调制单元12是一组透镜组成的光学投影系统。

起主控作用的计算机1，它内含的支持软件可以对三维CAD信息进行分层处理。在三维CAD信息及相关软件驱动下，计算机1通过控制线路2控制XY向透射式面型能量场发生器4在预定位置生成与目标零部件相一致的当前能量汇聚面，作用于成形箱5内的液体光敏树脂材料6的表面上，使得能量汇聚点处的材料固化成形，附着在已有的上一个成形面上。图中4a为面型光源，它发出的光通过匀光板4b后均匀地照射到面型液晶光阀4c上，面型液晶光阀4c在控制单元的控制下有选择地让光场通过，通过的光场与当前成形层的CAD信息一致。计算机检测到当前层加工完成信号后，让Z向机械机构下降一定高度，液体光敏树脂均匀覆盖在已有加工面上，再控制Xy向面型能量场发生器，进行新位置成形面的成形。7为成形中的工件。如此重复，工件由面成长为完整的三维形体。最后经过后续工艺处理，得到目标零部件。

也可以用逻辑性功能材料作为成形介质实现上述的分离成形过程。

实施例4：

综合利用电磁场、重力场、温度场和超声波场的三维制造系统。用能量场进行三维物体制造成型方法的系统由三锥CAD信息抽取系统、含相关软件的计算机1、控制线路2、Z向能量场发生器温控系统3、XY向电磁场和超声波场发生器4，成形室5、成形材料6、供料单元23、保护舱24和隔震系统25组成。

流体成形材料6进入供料单元23，供料单元内的材料处于超声波的作用下，使得材料在低于自然凝固点的温度下仍处于匀质液体状态，一旦流出超声波作用区即可迅速固化。在重力作用下，流体成形材料通过出料口进入超声波和电磁场发生器4综合控制的能量场约束成形区。电磁场控制单元利用CAD信息控制电磁场发生器产生与CAD信息相对应的电磁约束力和电磁场分布形式，使进入场中的流体材料变为目标尺寸，并继续沿重力线方向进入成形室5。图中7为正在成形的工件。成形室5内的温度受Z向能量场发生器温控系统3的制约，Z向能量场发生器温控系统3使成形室内维持有利于成形和后续热处理的温度场梯度分布，使离开超声波作用区的流体材料固化成形。成形室5内充满保护性介质，如惰性气体等。24为保护舱，功能是防止外界干扰，创造有利的内部成形环境。上述各部分置于隔振系统25上，以减少外界振动、冲击对成形精度的影响。这样，根据CAD信息控制电磁约束，就可以形成尺寸连续变化的三维形体。

系统要求成形介质对电磁场敏感，如金属熔液等等。为了更好地进行成形，可以平衡工件的部分重力，以便减缓成形工件的下降速度。

该系统适用于流体原材料的精密成形，尤其是金属熔液的实心轴类成形。以圆轴类成形为例，控制电磁场便可以控制成形工件的半径，这个半径可以很小，也可以在大范围内变动。该轴的直线度取决于重力场和电磁场的调控精度，工件的表面粗糙度取决于材料的纯度、温度场的调控精度及系统的保护程度，两者都可以达到很高精度。另外调控温度场，可以使工件直接达到诸如非晶态等具有优异机械性能的状态。所以，该系统可以较好地解决变径超细轴、柔性轴的精密加工难题。

显然，只要能控制生成不同的电磁约束形状便能进行不同形状的工件成形。另外，该系统可以推广应用于超高平面度的工件成形。此时，只需控制重力场和温度场，将重力场作用下的稳定液面固化下来即可，适用于多种材料。

总之，该系统将工件加工和后续工艺处理同步进行，工序少，材料利用率高，又能达到很高的精度。

Claims (18)

1.一种用能量场进行三维物体制造成型的方法，其特征在于通过控制电路(2)，由CAD信息抽取系统、含相关软件的计算机(1)和Z向面型能量场发生器(3)、XY向面型能量场发生器(4)组成了虚模具系统，通过对三维CAD信息进行分层处理，在XY向和Z向生成与当前加工面一致的能量场，作用于能因外界激励发生物态变化的成形材料(6)，当前层固化后，协调变化XY向和Z向虚模具系统生成新位置的能量场，进行下一层的加工，如此重复，实现整体造型。

2.根据权利要求1所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于面型能量场发生器分为直射式和透射式两种。

3.根据权利要求1所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的能量场包括机械力、电磁场、光场、声场、重力场、粒子束和温度场。

4.根据权利要求2所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的能量场发生器采用多单元能量场发生器拼接与控制形式。

5.根据权利要求2所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的能量场发生器XY向为行列双向寻址面型能量场发生器，Z向仅为行寻址的面型能量场发生器。

6.根据权利要求2所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的能量场发生器XY向为行列双向寻址的面型能量场发生器，Z向为机械升降式。

7.根据权利要求2所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的能量场发生器XY向为行列双向寻址的面型能量场发生器，Z向为条状能量场发生器机械升降式。

8.根据权利要求2所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的能量场发生器XY向为行列双向寻址的面型能量场发生器，Z向为能束反射式。

9.根据权利要求2所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的成形材料(6)包括液态光敏树脂材料，可烧结的粉末材料，薄片状材料和逻辑性功能材料。

10.根据权利要求2所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的直射式能量场发生器采用带存储单元的有源矩阵控制电路与能量源的整体集成形式。

11.根据权利要求2所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的直射式面型能量场发生器为由选通与保持电路单元(8)，连接单元(9)，面阵型能量源(10)和输出单元(11)组成的分层结构形式。

12.根据权利要求11所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的直射式面型能量场发生器中的选通与保持电路单元(8)包括在非晶硅基体材料上和多晶硅基体材料上生成的薄膜电路形式。

13.根据权利要求11所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的直射式面型能量场发生器中的选通与保持单元(8)包括场效应管电路形式和晶体管电路形式。

14.根据权利要求11所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的直射式面型能量场发生器中的连接单元(9)包括微导线阵列结构和导电膜结构。

15.根据权利要求11所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的直射式面型能量场发生器中的输出单元(11)所用微管阵列包括PbO玻璃管阵列、光纤管阵列和C60纳米管阵列。

16.根据权利要求2所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的透射式面型能量场发生器(3)、(4)由面型光源3a、4a、匀光板3b、4b和面阵型光阀3c、4c组成。

17.根据权利要求16所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的透射式面型能量场发生器的面阵型光阀包括液晶光阀。

18.根据权利要求16所述的一种用能量场进行三维物体制造成型方法的系统，其特征在于所述的透射式面型能量场发生器的XY向面型能量场发生器(3)、(4)中的液晶光阀采用带存储单元的有源矩阵电路驱动。

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