本發(fā)明涉及一種制造具有一維、二維或三維幾何結(jié)構(gòu)的部件的方法，其中，部件的形狀通過使用聲場和聲力的作用并且通過固定在聲場中形成的形狀而獲得。這可通過使材料、例如離散粒子積聚在由聲場形成的壓力節(jié)點(diǎn)中來實(shí)現(xiàn)。此外，本發(fā)明涉及一種用于制造部件的設(shè)備，所述設(shè)備包括用于形成聲場的聲源裝置，所述聲場通過聲力產(chǎn)生形狀，所述形狀包括由顆粒分布形成的形狀，所述設(shè)備還包括用于固定顆粒分布的形狀的固定裝置。本發(fā)明的應(yīng)用可用于具有任意形狀的例如用于快速成型目的的制造材料以及材料的組裝的領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

快速成型方法在廣泛的技術(shù)應(yīng)用中發(fā)揮越來越大的作用，例如用于制造模型部件或前體材料。傳統(tǒng)的快速成型基于一維或二維結(jié)構(gòu)的串行式增加，得到復(fù)雜的二維或三維部件。這包括被稱為3d打印的快速成型方法。作為普遍性缺點(diǎn)，部件的串行式增長是一種增加式的、耗時(shí)的方法。因此，傳統(tǒng)的快速成型的應(yīng)用通常限于單一部件的制造。快速成型的常規(guī)應(yīng)用或小批量生產(chǎn)是具有挑戰(zhàn)性的。此外，快速成型的傳統(tǒng)技術(shù)在待制造的部件的可獲得的幾何結(jié)構(gòu)方面可能是受限的。需要將幾何結(jié)構(gòu)選擇為使得增長的部件的形狀不限制之后的一維或者二維結(jié)構(gòu)的增加。或者替代地，需要使用犧牲材料，所述犧牲材料填充在后處理后將構(gòu)成開口或空隙的那些區(qū)域。需要在后處理步驟中去除犧牲材料或者填充材料。因此，一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是通常不能通過傳統(tǒng)的快速成型方法制造完全封閉的中空空間。

在us2012/0068383a1中并且由m.caleap等在“pnas”的2014年第111卷第6226-6230頁中已經(jīng)提出了并行制造方法。在施加至液體中顆粒的聲力的作用下形成顆粒分布。在容納具有顆粒的液體的諧振器中通過駐波形成聲力。雖然駐波的形狀可通過諧振器的形狀以及聲換能器的數(shù)量和布置來影響，但是對于可實(shí)現(xiàn)的部件的幾何結(jié)構(gòu)還存在強(qiáng)大的限制?？芍圃炀哂型ㄟ^駐波疊加形成的形狀、特別是僅具有特定的對稱性的部件。待制造的每個(gè)特殊形狀均需要相適應(yīng)的諧振器幾何結(jié)構(gòu)和換能器布置，從而嚴(yán)重地限制了應(yīng)用該傳統(tǒng)技術(shù)的靈活性。物體通常必須顯示出相對于換能器布置的鏡面對稱性，從而進(jìn)一步限制了有效性。

參考作者在網(wǎng)絡(luò)博客http://diy3dprinting.blogspot.de/2014/01/ultrasonic-particle-levitation-could-it.html中的視頻演示，還考慮了通過超聲駐波使用顆粒操縱進(jìn)行3d打印。然而，視頻演示僅顯示，顆粒聚集在駐波的聲壓節(jié)點(diǎn)中。形成駐波需要多個(gè)超聲波陣列的布置的預(yù)定的幾何結(jié)構(gòu)。此外，顆粒組在聲壓中彼此分離，從而排除了完整的部件的固定和形成。由此，列舉的構(gòu)思不會得到3d打印技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的是提供一種制造部件的改進(jìn)的方法，其基于通過聲力的作用使材料分布成形，其中，避免了傳統(tǒng)技術(shù)的缺點(diǎn)和限制。特別地，所述制造方法能夠以提高的靈活性選擇部件的形狀、特別地使得能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則的部件形狀，并且不限制駐波的幾何結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的第二目的是提供一種用于制造部件的設(shè)備，其基于通過聲力的作用使材料分布成形，其中，避免了傳統(tǒng)技術(shù)的限制和缺點(diǎn)。特別地，所述設(shè)備應(yīng)使得能夠制造具有更復(fù)雜形狀的部件，并且其特征在于簡單化的結(jié)構(gòu)以及用于制造具有不同形狀的部件的改善的重新配置能力。

這些目的分別通過包括獨(dú)立權(quán)利要求的特征的用于制造部件的方法和設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。從從屬權(quán)利要求得到本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和應(yīng)用。

根據(jù)本發(fā)明的第一總體方面，以上目的通過下述制造部件的方法來實(shí)現(xiàn)，其中，前體材料設(shè)置在工作介質(zhì)中，并且經(jīng)受聲力(聲輻射力)，從而形成材料分布，所述材料分布具有待制造的部件的形狀。對材料分布和工作介質(zhì)中的至少一者進(jìn)行固定，其中，結(jié)合了材料分布的材料，或者材料分布的材料與工作介質(zhì)相結(jié)合，或者結(jié)合了工作介質(zhì)。固定包括結(jié)合，結(jié)合包括材料和/或工作介質(zhì)成分的固化或者連接。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地在工作介質(zhì)中，通過生成聲干擾圖像而產(chǎn)生聲力。聲干擾圖像通過彼此干擾的多個(gè)子波形成。由于子波的干擾，聲干擾圖像是優(yōu)選地位于工作介質(zhì)中的一位置處的聲強(qiáng)度和相位圖像，并且聲干擾圖像具有強(qiáng)度極值(強(qiáng)度最大值和/或強(qiáng)度最小值)的分布。聲干擾圖像是優(yōu)選地位于工作介質(zhì)中的靜態(tài)的一維、二維或三維圖像，所述聲干擾圖像在聲源裝置的操作期間被維持。

材料分布形成在工作介質(zhì)中的形成聲干擾圖像(聲干擾圖像的聚焦區(qū)域)的位置處或該位置周邊。在后一情況中，聲干擾圖像的聚焦區(qū)域可在工作介質(zhì)之外。前體材料通過聲干擾圖像的作用在工作介質(zhì)內(nèi)移動。根據(jù)材料和工作介質(zhì)的特性(壓縮性、吸收性和反射率)，不同的聲力作為平移力作用到材料和周圍介質(zhì)上，這是通過與聲干擾圖像的相互作用而產(chǎn)生的。各個(gè)材料成分、例如材料的顆粒、特別是混合物或懸浮液中的顆粒因此可在由能量的梯度決定的方向上移動，并且一旦移動到能量更有利的位置，所述材料成分就可保持在該位置處或者該位置周邊。因此，前體材料朝著聲干擾圖像的能量極值移動。優(yōu)選地，前體材料圍繞聲干擾圖像的能量極值聚集(在能量極值處積聚)，或者聚集在被聲干擾圖像所提供的能量梯度穿過的保持表面處。保持表面是位于工作介質(zhì)中或者與工作介質(zhì)鄰近的平面或者曲面。作為示例，將可壓縮性比工作介質(zhì)的可壓縮性低的材料成分移動至聲干擾圖像的具有最小的壓力變化的部分(例如，壓力節(jié)點(diǎn))。另外，將可壓縮性比工作介質(zhì)的可壓縮性大的材料成分移動至聲干擾圖像的具有最大壓力變化的部分。替代地，材料成分朝著能量極值移動，并且聚集在保持表面處，所述保持表面例如是保持器的壁或者工作介質(zhì)中的材料載體。

通常，另外的力作用在位于工作介質(zhì)中的待成形的材料上，例如重力。另外的力可包括由于化學(xué)勢引起的力、電場力、光場力和磁場力中的至少一種。使材料經(jīng)受聲力，這包括根據(jù)所述另外的力來調(diào)節(jié)聲力，從而形成材料分布。在一示例中，如果待成形的材料包括懸浮液中的顆粒，則材料可抵抗重力而保持在聲場的壓力節(jié)點(diǎn)中，否則所述懸浮液中的顆粒將會沉淀。

利用聲干擾圖像的構(gòu)造使得前體材料根據(jù)待制造的部件的形狀而聚集，沿著具有待產(chǎn)生的形狀的一維、二維、三維形貌(線或表面/塊體，直的和/或彎的)的材料分布布置前體材料。然后，固定材料分布。使材料分布的前體材料和/或工作介質(zhì)結(jié)合，從而在施加聲力之后維持材料分布的形狀。

根據(jù)本發(fā)明的第二通用方面，上述目的通過一種聲學(xué)制造設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，所述聲學(xué)制造設(shè)備適用于制造部件，并且包括聲源裝置。聲源裝置包括至少一個(gè)聲源，所述聲源適用于向例如位于容器的內(nèi)部空間中或者被保持在自由空間中的工作介質(zhì)發(fā)射聲波。優(yōu)選地，聲波具有非可聞?lì)l率范圍內(nèi)的頻率、特別是超聲波頻率。特別優(yōu)選地，聲波的頻率為至少20khz、特別地至少40khz，直到ghz范圍。

根據(jù)本發(fā)明，聲源裝置適用于優(yōu)選地在工作介質(zhì)中生成聲干擾圖像，其中，聲干擾圖像通過干擾子波形成，并且具有根據(jù)要獲得的形狀布置的強(qiáng)度極值。有利地，聲干擾圖像不通過聲學(xué)駐波的疊加生成，而是通過子波的干擾生成。

聲干擾圖像的生成提供了本發(fā)明的兩個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)：首先，聲干擾圖像的生成不需要容納帶有顆粒的工作介質(zhì)的聲學(xué)諧振器。聲干擾圖像獨(dú)立于工作介質(zhì)的外形并且獨(dú)立于任何外部的諧振器的幾何結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生。因此，對于容納帶有前體材料的工作介質(zhì)的容器的形狀沒有特別限制。聲干擾圖像獨(dú)立于容器的內(nèi)部形狀而產(chǎn)生。相同的容器可用于生成不同的聲干擾圖像，即，用于制造具有不同形狀的部件。第二，對于構(gòu)造要獲得的形狀，與傳統(tǒng)的駐波的疊加相比，聲干擾圖像基本上提供更多的自由度。因此，本發(fā)明能夠形成具有更復(fù)雜形狀的部件并且靈活性更高。換言之，聲學(xué)制造設(shè)備對于容器的設(shè)計(jì)和至少一個(gè)聲源的布置具有較小的限制并在設(shè)定待制造的部件的不同形狀方面具有提高的靈活性。

術(shù)語“聲干擾圖像”指的是聲學(xué)波前，其通過例如在工作介質(zhì)中的子波的干擾而生成。例如利用至少一個(gè)聲學(xué)衍射元件和/或多個(gè)聲源產(chǎn)生子波。聲干擾圖像形成在二維或三維空間區(qū)域(圖像區(qū)域、焦點(diǎn)區(qū)域)中。優(yōu)選地，材料分布在聲學(xué)波前的圖像區(qū)域、特別是圖像平面中成形。在該情況下，材料分布聚集在聚焦的聲干擾圖像中。替代地，材料可形成在聲干擾圖像的不是聲學(xué)波前的圖像平面的區(qū)域中。在該情況下，材料分布聚集在與聚焦的聲干擾圖像鄰近處，即，在干擾波前的非聚焦部分中。

替代地，可使用各種用于生成聲干擾圖像的技術(shù)，這些技術(shù)可獨(dú)立地或者組合地應(yīng)用。首先，可將聲干擾圖像形成為全息圖案、特別是全息圖像(下文中：本發(fā)明的第一實(shí)施例)。第二，可通過疊加由多個(gè)聲源產(chǎn)生的聲波來生成聲干擾圖像(下文中：本發(fā)明的第二實(shí)施例)。聲源可包括例如至少一個(gè)聲陣列裝置(聲源的集成陣列)或位于不同位置的分離的聲源。第一和第二實(shí)施例都可被組合以用于產(chǎn)生聲干擾圖像。

根據(jù)第一實(shí)施例，全息圖像是通過將聲波(主聲波)從聲源經(jīng)由至少一個(gè)聲學(xué)衍射元件傳輸?shù)焦ぷ鹘橘|(zhì)中而產(chǎn)生的干擾圖案。有利地，一個(gè)單一聲源、例如壓電振蕩器可布置成用于將聲波傳輸?shù)铰晫W(xué)衍射元件。替代地，多個(gè)聲源和/或多個(gè)聲學(xué)衍射元件可設(shè)置成能夠例如在制造容器內(nèi)或在制造容器的至少一個(gè)側(cè)壁上在工作介質(zhì)中生成聲干擾圖案。

術(shù)語“聲學(xué)衍射元件”指的是一種材料，其能夠與主聲波的波前相互作用，使得穿過波前的相位和/或振幅通過衍射而特別地改變。每個(gè)改變的相位和/或振幅均提供有助于之后的干擾的子波。相互干擾的子聲波由所述至少一個(gè)聲學(xué)衍射元件產(chǎn)生。優(yōu)選地，聲學(xué)衍射元件像光學(xué)全息中的全息板或投影光學(xué)元件中的衍射光學(xué)元件一樣使用。在聲波的波前與聲學(xué)衍射元件的相互作用之后，通過聲波的自干擾，即通過工作介質(zhì)中的子波的干擾，生成聲干擾圖像。自干擾根據(jù)要獲得的形狀產(chǎn)生聚集了前體材料的強(qiáng)度分布。

聲學(xué)衍射元件被結(jié)構(gòu)化或成形為使得其匹配主聲波的波前形狀和要獲得的聲干擾圖像。聲源產(chǎn)生例如與聲學(xué)衍射元件相互作用的平面或球面主聲波。然而，本發(fā)明不限于使用平面或球面波。如果使用最初由聲源產(chǎn)生的波前的其它形狀，則可相應(yīng)地調(diào)整聲學(xué)衍射元件的結(jié)構(gòu)。如從光學(xué)器件已知的那樣，使用全息圖的用于基于計(jì)算機(jī)的計(jì)算的算法、例如利用gerchberg-saxton算法來計(jì)算聲學(xué)衍射元件的結(jié)構(gòu)。該計(jì)算可容易地適用于聲學(xué)。

優(yōu)選地，聲學(xué)衍射元件是聲全息圖。有利地，聲全息圖可包括透射全息圖和反射全息圖。透射全息圖適用于在聲波從聲源向?qū)a(chǎn)生工作介質(zhì)中的材料分布的位置傳遞期間使波前成形。使用透射全息圖在聲學(xué)制造設(shè)備的結(jié)構(gòu)和將聲干擾圖像導(dǎo)入到工作介質(zhì)中的幾何結(jié)構(gòu)方面可以是有利的。例如，透射全息圖可與聲源直接連接，從而輔助調(diào)整從聲源發(fā)射的波前圖像。

反射全息圖適用于通過在全息圖材料處反射聲波來使聲波的波前成形。反射全息圖在改變聲波的遠(yuǎn)場中的波前而非近場中的波前方面可以是有利的。此外，從聲源向形成聲干擾圖像的位置行進(jìn)的聲波在工作介質(zhì)內(nèi)反射，即，聲波不行進(jìn)穿過厚度變化的附加固體介質(zhì)(例如，透射全息圖)。由此，聲干擾圖像可生成為純相位全息圖。可組合一個(gè)以上的透射全息圖和/或反射全息圖以用于產(chǎn)生聲干擾圖像。

根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，聲源裝置包括多個(gè)聲源、優(yōu)選地包括至少一個(gè)聲源陣列。優(yōu)選地，一個(gè)單一聲源陣列可用于產(chǎn)生聲干擾圖像。例如聲源陣列的聲源是可獨(dú)立控制的聲源、如壓電振蕩器，每個(gè)聲源均適用于發(fā)射聲波。通過獨(dú)立地控制聲源，產(chǎn)生彼此干擾的子聲波。所有獨(dú)立的聲源的聲波均疊加，以用于在工作介質(zhì)中生成聲干擾圖像。聲源陣列是相位陣列源，例如從超聲成像應(yīng)用中已知的那樣。利用聲源、例如聲源陣列的相對于生成聲干擾圖像的位置的已知的方位，可特定地控制單一聲源，使得疊加的聲波的波前具有要獲得的形狀。本發(fā)明的第二實(shí)施例在聲學(xué)制造設(shè)備的簡化的架構(gòu)方面具有特別的優(yōu)點(diǎn)?？缮陕暩蓴_圖像而無需設(shè)置聲全息圖，并且聲源提供了用于產(chǎn)生待制造的部件的不同形狀的完全的靈活性。

根據(jù)本發(fā)明的另一有利變型，可通過變化的聲波波形生成聲干擾圖像。改變聲波波形包括改變聲的頻率、聲的振幅和/或聲的相位的至少一者。聲干擾圖案通過使用聲源裝置的控制器而隨著時(shí)間改變。

可在使工作介質(zhì)中的材料分布成形期間改變聲波波形。有利地，微調(diào)頻率會稍微移動強(qiáng)度極值、例如節(jié)面的位置。結(jié)合固定的被調(diào)整的反應(yīng)時(shí)間，這將使得能夠調(diào)整部件的幾何特征、例如壁厚。此外，可在使工作介質(zhì)中的材料分布成形期間切換聲干擾圖像，從而以分時(shí)方式產(chǎn)生不同的圖案。形成聲干擾圖像的速度高于移動前體材料的速度，從而可疊加多個(gè)圖案以用于形成使材料分布成形的有效的聲干擾圖像。

替代地，可在各個(gè)制造步驟之后改變聲波波形。由此，改變頻率使得能夠使用單個(gè)印刷的全息圖來使具有不同尺寸的部件成形。可通過降低頻率來增大部件的尺寸，反之亦然。

在本發(fā)明的第一和/或第二實(shí)施例的另一有利的變型中，可設(shè)置參考聲源，該參考聲源布置成用于將參考聲波傳輸?shù)焦ぷ鹘橘|(zhì)中。參考聲源包括至少一個(gè)聲源，所述聲源將參考聲波直接地或者經(jīng)由聲學(xué)反射器和/或分束器中的至少一者發(fā)送到聲干擾圖像的位置。由此，聲源裝置的產(chǎn)生主波的聲源也可用于產(chǎn)生參考聲波。參考聲波沿著相對于主聲波的方向偏離的參考方向行進(jìn)至生成聲干擾圖像的位置。有利地，參考聲波可輔助聲全息圖和/或聲干擾圖像的構(gòu)造。此外，利用參考聲源增強(qiáng)聲能輸入。

優(yōu)選地，聲學(xué)制造設(shè)備包括構(gòu)造成用于容納包括前體材料的工作介質(zhì)的容器。容器是一種器皿(接收器、貯存器)，其內(nèi)部空間可填充有工作介質(zhì)。聲源裝置布置成用于在容器的內(nèi)部空間中產(chǎn)生聲力。因此，至少一個(gè)聲源布置在容器內(nèi)，集成在容器壁中或者與容器壁機(jī)械地耦接。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選變型，聲學(xué)制造設(shè)備包括固定裝置，所述固定裝置適用于使前體材料和/或工作介質(zhì)結(jié)合。根據(jù)結(jié)合的類型，固定裝置可由用于將外部固定輸入引入到容器內(nèi)的供應(yīng)單元來提供。替代地或者附加地，如果固定輸入由周圍環(huán)境的熱能給出，則可由容器和在固定期間保持顆粒分布的聲源裝置提供固定裝置。

通過前體材料之間和/或工作介質(zhì)內(nèi)的結(jié)合工藝獲得顆粒分布的固定，同時(shí)材料分布保持具有由靜止的聲干擾圖像確定的形狀。在顆粒分布中，前體材料與顆粒分布之外的周圍介質(zhì)相比具有不同的材料特性。前體材料具有允許前體材料的結(jié)合或與工作介質(zhì)的結(jié)合或者抑制工作介質(zhì)(如果周圍介質(zhì)將被固化)的結(jié)合的性質(zhì)。

有利地，可使用各種類型的結(jié)合工藝，所述結(jié)合工藝可根據(jù)前體材料和工作介質(zhì)的特征來選擇。如果材料包括反應(yīng)物質(zhì)，所述反應(yīng)物質(zhì)可在聲學(xué)制造設(shè)備的操作溫度下、特別是在室溫下提供結(jié)合反應(yīng)，則通過將聲干擾圖像維持一定的固定時(shí)間、例如在若干秒鐘到若干小時(shí)的范圍內(nèi)，可簡單地獲得固定。替代地，通過供應(yīng)固定輸入、例如熱能輸入、輻射輸入和固定劑輸入中的至少一者，引起固定。為了施加熱能輸入，固定裝置包括將熱能引導(dǎo)至材料分布的熱源、例如紅外輻射源。替代地，光源可設(shè)置成用于將輻射輸入引導(dǎo)至材料分布。光源可適用于發(fā)射例如可視光或者紫外光。固定劑是能夠提供顆粒之間的結(jié)合處理的化學(xué)物質(zhì)。固定劑例如經(jīng)由至少一個(gè)供給管線或者利用噴涂處理而供應(yīng)至工作介質(zhì)中。

根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例，材料分布的所有前體材料可同時(shí)被固定。固定同時(shí)影響了成形的材料分布的所有材料。有利地，這提供了部件形狀的并行制造。與傳統(tǒng)的快速成型相比，避免了串行式的花費(fèi)時(shí)間的部件增長過程。

在聲干擾圖像的本發(fā)明的應(yīng)用中，材料分布形成為具有要獲得的部件的形狀。根據(jù)本發(fā)明的一有利實(shí)施例，固定的材料分布可提供待制造的材料。固定的材料分布是要獲得的部件，所述固定的材料分布可選地可經(jīng)受另外的精加工或處理步驟。

替代地，固定的顆粒分布可提供中間制品，所述固定的材料經(jīng)受另外的處理，以便獲得最終的部件。例如，中間制品可用作用于沉積由例如金屬或塑料制成的表面層的載體材料，或者中間產(chǎn)品用于模制成型過程。

根據(jù)另一替代方案，圍繞材料分布的工作介質(zhì)可制造成待獲得的部件或制造成要經(jīng)受另外的處理步驟的中間制品。在該實(shí)施例中，固定優(yōu)選地包括使圍繞固定的材料分布的工作介質(zhì)固化，并將固化的工作介質(zhì)從固定的顆粒分布分離的步驟。有利地，該部件形成有相對于材料分布的形狀互補(bǔ)的形狀。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選的變型，生成聲干擾圖像、形成材料分布以及對材料分布和工作介質(zhì)中的至少一者進(jìn)行固定的步驟至少重復(fù)一次。在第一制造階段中制造的部件可用作用于另外的階段的中間制品。部件為另外的材料的施加提供了基體?？衫眯碌穆晫W(xué)圖案形成之后的層，所述層進(jìn)而被固化，從而分層地建立最終的部件的形狀。替代地，可從內(nèi)部部分到外部部分(“內(nèi)向外”)相繼地建立體積結(jié)構(gòu)。

如果需要，也可將材料分布保持在介質(zhì)中而不分離兩者，然后可將兩者固化。

作為本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可使用范圍廣泛的不同的前體材料，所述前體材料能夠通過聲干擾圖像的作用而在工作介質(zhì)中移動。優(yōu)選地，該材料包括可流動物質(zhì)，所述可流動物質(zhì)包括顆粒(前體顆粒)或流體。該材料可以是化學(xué)均勻的，或者其可包括化學(xué)物質(zhì)的組合物。在優(yōu)選的示例中，前體材料包括固體顆粒、粒劑、粉末、液體顆粒、糊狀物的懸浮液、聚合物、液滴、氣泡、聚合物顆粒和膠束顆粒、軟物質(zhì)顆粒和生物細(xì)胞中的至少一種。

固體顆?？砂ɡ缃饘兕w粒、半導(dǎo)體顆粒、非晶體顆粒、陶瓷顆?；蛩芰项w粒。液體顆粒、特別是液滴可包括例如鹽溶液、染料、有機(jī)分子、化學(xué)引發(fā)劑或抑制劑。術(shù)語“軟物質(zhì)顆粒”是指包括液體和固體物質(zhì)、例如生物細(xì)胞的材料。該材料還可包括前述示例的中一個(gè)或一個(gè)以上，從而構(gòu)成混合材料。前體顆?？删哂星颉A柱體、立方體、棱錐體、錐體、其截面(截頭形狀)或其疊加的形狀?；蛘?，材料可具有更復(fù)雜的規(guī)則的或不規(guī)則的幾何形狀。

前體材料的尺寸依據(jù)所使用的工作介質(zhì)和要獲得的部件的尺寸來選擇。在本發(fā)明的優(yōu)選應(yīng)用中，前體顆粒具有小于或等于有關(guān)的波長的特征尺寸、例如直徑，所述特征尺寸為至少1μm、優(yōu)選地至少10μm和/或至多5mm、優(yōu)選地至多1mm。優(yōu)選地，顆粒和工作介質(zhì)具有相同的質(zhì)量密度。因此，該材料可在工作介質(zhì)中浮起。然而，這不是必需的，并且密度差可用于去除未被捕獲在用于固定的聲學(xué)圖像中的任何顆粒。

用于承載前體材料和成形的顆粒分布的工作介質(zhì)通常包括可流動的氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)，所述介質(zhì)包括如下中的至少一種：氣體，如空氣、六氟化硫、如氮?dú)饣驓鍤膺@樣的惰性氣體、如氦氣這樣的低密度氣體、或者氣體混合物；液體，如水、油、有機(jī)物溶劑、緩沖溶液；熔融物質(zhì)；作為液體與惰性顆粒的混合物的漿料；乳液；懸浮液；以及泡沫。與液態(tài)工作介質(zhì)相比，氣態(tài)工作介質(zhì)在提供更高的聲學(xué)對比度方面具有特別的優(yōu)勢。因此，可對顆粒施加更大的聲力。

有利地，可使用本發(fā)明的方法制造具有各種形狀的部件，其中，所述部件具有沿著線、面或三維體積的主尺度。材料分布可形成拓?fù)浞忾]的表面，例如封閉的體積或圓環(huán)形形狀。在本發(fā)明的另一變型中，顆粒分布可包括至少兩個(gè)子分布，所述子分布同時(shí)形成在工作介質(zhì)中，但是是相互分離的。每個(gè)子分布均獨(dú)立于任何外部諧振器幾何形狀并且獨(dú)立于容器的內(nèi)部形狀而形成。此外，材料分布可包括用于產(chǎn)生中空部件的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的聲學(xué)制造裝置的另一優(yōu)選實(shí)施例，容器可包括子容器，該子容器限定用于容器的容納前體材料并形成顆粒分布的子體積。有利地，可通過使用子容器來提高使用前體材料的效率。

根據(jù)本發(fā)明的另一變型，容器可包括提供保持表面的材料載體。材料載體可包括例如聲透明材料載體或至少一個(gè)容器壁。本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例對于使用大的前體材料成分和/或產(chǎn)生具有沿著表面的主尺度的部件(2維部件)具有特別的優(yōu)點(diǎn)。聲學(xué)圖案用于在保持表面、例如墻壁處布置材料。

根據(jù)本發(fā)明的一特別優(yōu)選的實(shí)施例，容器的內(nèi)壁設(shè)置有吸聲和/或防反射材料。利用吸聲和/或防反射材料，可抑制內(nèi)壁對形成聲干擾圖像的任何影響。

附圖說明

以下參考附圖對本發(fā)明的另外的細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行描述，附圖示出：

圖1：本發(fā)明的聲學(xué)制造設(shè)備的使用透射全息圖的第一實(shí)施例的剖視圖；

圖2：聲學(xué)制造設(shè)備的第一實(shí)施例的使用反射全息圖的修改變型例；

圖3和4：分別是第一實(shí)施例的另外的變型例，其中，聲學(xué)制造設(shè)備設(shè)置有子容器或材料載體；

圖5和6：根據(jù)本發(fā)明使用的透射和反射全息圖的另外的細(xì)節(jié)；

圖7：設(shè)置參考聲源的示意圖；以及

圖8：本發(fā)明的聲學(xué)制造設(shè)備的第二實(shí)施例的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過示例性地參照使用液態(tài)工作介質(zhì)、例如水，描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。需強(qiáng)調(diào)，本發(fā)明不限于該示例，而是也可利用如空氣這樣的氣體工作介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。此外，需強(qiáng)調(diào)，本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用不限于所述示例的幾何結(jié)構(gòu)。依據(jù)本發(fā)明的特定用途、特別是容器的形狀，可修改一個(gè)和/或多個(gè)聲源裝置的布置和/或聲束路徑的幾何形狀。

示例性地參照顆粒材料，但是本發(fā)明類似地適用于積聚和匯集呈其它形式的材料或呈粒劑、糊狀物的懸浮液、和/或聚合物形式的混合物。

附圖僅代表示意性圖示。在實(shí)際實(shí)施中，電源和控制單元設(shè)置成用于操作聲源裝置和固定裝置。特別地，控制單元設(shè)置成用于向聲源的振蕩器施加操作電壓，從而限定由聲源發(fā)射的主聲波的振幅、頻率和相位。

根據(jù)圖1，聲學(xué)制造設(shè)備100的第一實(shí)施例包括容器10、聲源裝置20(具有未示出的電源和放大器)、固定裝置30以及控制裝置40。容器10包括器皿，所述器皿具有例如內(nèi)部空間的體積為例如50l的立方體形狀。容器10的壁11由例如玻璃、塑料、例如鋼那樣的金屬、或陶瓷制成。容器10的上側(cè)可打開或關(guān)閉。優(yōu)選地，容器壁11的內(nèi)表面具有由例如彈性塑料或橡膠制成的吸聲層。

聲源裝置20包括：聲源21，其與控制裝置40相連接；以及透射全息圖22。聲源21包括例如直徑例如為25mm的壓電振蕩器，所述壓電振蕩器由金屬板支撐，并且產(chǎn)生具有球面波前的主聲波。聲源21布置在容器10中，從而水平地發(fā)射主聲波。

透射全息圖22是平板，其布置成鄰近聲源21(如圖所示，在聲源21的近場中)或者與聲源21間隔開。透射全息圖22由塑料制成并具有例如下文參考圖5所述的結(jié)構(gòu)。透射全息圖22提供所謂的菲涅爾全息圖，所述菲涅爾全息圖使得聲干擾圖像5能夠在近場中重建，而無需附加的成像元件、例如變換透鏡。特別地，多個(gè)柱體設(shè)置在平板上，其中，柱體具有與透射全息圖22的平面尺度垂直的不同的長度。依據(jù)柱體的長度，可向主聲波的波前施加局部特定的相移。通過在透射全息圖22的結(jié)構(gòu)處散射主聲波，產(chǎn)生多個(gè)彼此干擾的子波7。聲干擾圖像5在距聲源裝置20例如2cm的距離處獲得。

固定裝置30適用于向容器10的內(nèi)部空間、特別是向聲干擾圖像5的位置供應(yīng)固定輸入。在一優(yōu)選的示例中，固定裝置30包括用于供應(yīng)熱輻射能量的熱發(fā)射器、例如紅外光源。固定裝置30與控制裝置40相連接，所述控制裝置40與聲源裝置20的操作同步地控制固定裝置30的操作。

在制造部件1的一實(shí)際示例中，圖1的容器10填充有工作介質(zhì)2、例如水。前體顆粒3、如具有50μm以下的直徑的聚二甲基硅氧烷(pdms)顆粒分布在工作介質(zhì)2中。根據(jù)本發(fā)明的制造方法，聲干擾圖像5由聲源裝置20產(chǎn)生，其中，聲干擾圖像5具有對應(yīng)于要獲得的部件1的形狀的強(qiáng)度極值。通過將pdms顆粒移動至具有部件1的形狀的體積，所述pdms顆粒形成顆粒分布4。

在形成具有要獲得的部件1的形狀的顆粒分布4之后，激活固定裝置30以用于固定顆粒3。形成顆粒分布4的持續(xù)時(shí)間可包括例如若干秒或若干分鐘。利用熱輻射的作用，在顆粒分布4中彼此接觸的顆粒3彼此結(jié)合。在一定的固定時(shí)間之后，顆粒分布4固化，并且可作為要獲得的部件1從容器10取出。在工作介質(zhì)2中短暫平衡顆粒分布或者重新填充體積之后，可制造下一個(gè)部件1。

在另一示例中，前體材料包括分布在液態(tài)工作介質(zhì)、例如液態(tài)pdms(如硅酮樹脂184，制造商dowcorning)中的氣泡。固定包括設(shè)定pdms(通過熱能獲得)，從而獲得具有限定的中空空間的部件。根據(jù)另一示例，前體材料包括位于液態(tài)工作介質(zhì)、例如液態(tài)環(huán)氧樹脂中的聚苯乙烯顆粒。在設(shè)定環(huán)氧樹脂之后，部件包括具有嵌入顆粒的固化環(huán)氧樹脂。

圖2示出聲學(xué)制造設(shè)備100的第一實(shí)施例的具有容器10、聲源裝置20和固定裝置30的修改變型。聲源裝置20包括如圖1所示的聲源21和反射全息圖23，所述反射全息圖23定位在聲源21的遠(yuǎn)場中。主聲波6以例如1mhz的頻率和1.5mm的相應(yīng)波長在水中被導(dǎo)向反射全息圖23。在聲源21的25mm的直徑和工作介質(zhì)2中的1498m/s的聲速的狀態(tài)下，聲源21與反射全息圖23之間的距離l大于d²/(4*λ)＝104mm。使用反射全息圖23在如下方面具有優(yōu)勢：遠(yuǎn)場中的主聲波6的波前的簡單形狀，以及主聲波6和由反射全息圖23產(chǎn)生的僅通過液態(tài)工作介質(zhì)2的子波的行進(jìn)。

為了制造部件1，聲源裝置20由控制裝置(圖2未示出)操作，從而在工作介質(zhì)2中形成聲干擾圖像5，并且前體顆粒3聚集成顆粒分布4。在形成顆粒分布4之后，通過利用固定裝置30引入的固定輸入來獲得固定。在該實(shí)施例中，固定裝置30可包括例如uv光源。

圖3示出圖1所示的聲學(xué)制造設(shè)備的第一實(shí)施例的另一變型。在該變型中，前體顆粒3不在工作介質(zhì)2中分布在容器10的整個(gè)內(nèi)部空間中，而是分布在子容器12中。子容器12在利用聲源裝置20形成聲干擾圖像5的位置處支撐在容器10的內(nèi)部空間中。子容器12包括具有例如筒狀的器皿。子容器12的至少一個(gè)壁由層材料、例如箔形成，該層材料適用于將聲波傳遞到子容器12中。在聲學(xué)制造設(shè)備100的操作中，工作介質(zhì)2填充到子容器12內(nèi)，并且前體顆粒3分布在子容器12中的工作介質(zhì)2內(nèi)。子容器12在聲源裝置20前方浸沒在位于容器10內(nèi)的其余的工作介質(zhì)2或者其它液體中。如以上參考圖1所述地形成和固定顆粒分布4。

根據(jù)聲學(xué)制造設(shè)備100的第一實(shí)施例的另一變型，可形成二維顆粒分布4，如圖4所示。在該變型中，容器10包括聲學(xué)透明的材料載體13，所述材料載體例如由聚酯膜制成。顆粒3通過重力的作用沉積在材料載體13上。聲源裝置20布置成用于在豎直方向上朝著顆粒載體13發(fā)射聲干擾波前。根據(jù)聲干擾圖像5的形狀，形成顆粒分布4的二維布置。聲干擾圖像5不需要聚焦在材料載體13的平面中。替代地，聲干擾圖像5聚焦在材料載體13的平面的下方。聲力將顆粒3朝著聲干擾圖像5的極值移動，并且顆粒3被材料載體13的保持表面收集。在利用固定裝置30固定之后，可將要獲得的層狀的部件1從容器10取出。圖3和4的變型可組合，即，顆粒載體13可布置在容器10的內(nèi)部空間中的子容器12中。

作為替代方案，材料分布可形成在容器10的壁上或者靠近容器10的壁，聲干擾圖像或者其它聲干擾圖案可形成在該位置處，從而確定要獲得的形狀。

圖5示意性地示出可例如在圖1、3或4的示例中使用的聲源裝置20的剖視圖。聲源裝置20包括中空載體26，所述中空載體26具有帶有傳聲側(cè)壁27的筒形盒形狀。筒形盒的內(nèi)部空間填充有氣體、例如空氣。側(cè)壁27在其內(nèi)表面上載有聲源21、如壓電振蕩器。透射全息圖22布置在側(cè)壁27的面向周圍的工作介質(zhì)2的外表面上。透射全息圖22例如利用螺紋連接或膠連接而與側(cè)壁27直接連接。有利地，透射全息圖22具有相對于聲源21的固定的對準(zhǔn)。

透射全息圖22由塑性材料veroclear(商品名)制成。所述透射全息圖22包括具有柱體22.1的板，所述板相對于側(cè)壁27的平面垂直地突出。柱體的長度形成相對于水的大約1.5rad/mm的相位差(水中和veroclear中的聲速分別為：1498m/s和2330m/s，頻率：1mhz)。透射全息圖22例如由塑料通過模制成型、銑削或利用常規(guī)3d打印機(jī)制造。利用gerchberg-saxton算法計(jì)算柱體的長度。特別地，依據(jù)通過側(cè)壁27傳遞的主聲波的波前以及要獲得的聲干擾圖像計(jì)算透射全息圖。主波前通過利用水聽器傳感器的測量或數(shù)值模擬獲得。

圖6示意性地示出例如在圖2的示例中使用的反射全息圖23的剖視圖。反射全息圖23由厚度為例如1mm并且橫向尺度為10cm的金屬板制成。反射全息圖23通過鉆通孔23.1穿過板而產(chǎn)生。主聲波6在反射全息圖23處反射，從而產(chǎn)生多個(gè)子波用以形成聲干擾圖像(未示出)。全息圖相對于主聲學(xué)路徑的傾斜的定向形成沿其表面的寬的相位分布。通孔消除了特定子波的反射。可使用來自光學(xué)的二元全息圖法、例如迂回相位法來構(gòu)造聲學(xué)反射全息圖。

圖7示意性地示出參考聲源24的設(shè)置，所述參考聲源布置成用于將參考聲波8發(fā)射至產(chǎn)生聲干擾圖像5的位置。具有透射全息圖22的聲源21和參考聲源24二者均布置在聲學(xué)制造設(shè)備100的容器10中。在該示例中，利用在透射全息圖22處產(chǎn)生的干擾子波7與參考聲波8的疊加來產(chǎn)生聲干擾圖像5。具有要獲得的部件1的形狀的顆粒分布4形成在子容器13中。在利用固定裝置(未示出)固定之后，子容器13和完成的部件1可從容器10取出。

根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，聲源裝置20包括如圖8中示意性地示出的聲源陣列25。聲源裝置20包括具有封閉的內(nèi)部空間的筒形盒，內(nèi)部空間填充有氣體、例如空氣。聲源陣列25耦接至盒的一個(gè)側(cè)壁的內(nèi)表面。聲源陣列25包括壓電振蕩器的二維矩陣排列。每個(gè)壓電振蕩器均可在相位和振幅方面獨(dú)立地控制。對于產(chǎn)生聲干擾圖像，僅控制相位就是足夠的。在一實(shí)際的示例中，聲源陣列25包括32×32＝1024個(gè)振蕩器的矩形網(wǎng)格，每個(gè)振蕩器均具有1mm的邊長。將振蕩器的相位和振幅選擇為使得所有子波的疊加產(chǎn)生具有與要獲得的部件的形狀相對應(yīng)的形狀的波前7。

本發(fā)明的在上述說明書、附圖和權(quán)利要求中公開的特征對于在本發(fā)明的不同實(shí)施例中單獨(dú)地或成組合地或成子組地合實(shí)現(xiàn)本發(fā)明可以是同樣重要的。