專利名稱：切向制造系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及加工方法和設(shè)備，并且更具體地涉及在固體材料 切削、成形和拋光中采用激光的加工方法和設(shè)備，并且還更加具體地 涉及用于對(duì)在離心分離機(jī)上旋轉(zhuǎn)的固體工件進(jìn)行高功率處理的方法和 設(shè)備，這種處理有助于通過選擇性移除材料而同時(shí)使工件成形以及利 用從工件切向地噴射出來的材料制造第二制品的增長/形成。
背景技術(shù)：
在加工實(shí)踐中使用激光是公知的。另外，通過在向工件應(yīng)用刀具 同時(shí)快速旋轉(zhuǎn)工件來成形、切削和拋光工件是公知的。通用車床是以 這種方式工作的設(shè)備的一個(gè)實(shí)例。采用高功率脈沖輻射作為切削力或 者成形力的各種車床變形也是已知的。 一些當(dāng)前的專利示出利用激光 的幾種用途，其中激光相對(duì)于工件旋轉(zhuǎn)，或者反之亦然，這包括授予Okuda的美國專利號(hào)4， 170， 726，其教導(dǎo)一種當(dāng)光線相對(duì)于工件移位 時(shí)，通過在適當(dāng)公差下切向于旋轉(zhuǎn)路徑向旋轉(zhuǎn)工件施加激光束而成形 和修光工件的方法。工件被照射的部分熔化，并且熔化材料通過空氣 或者射流而被移除。在工件已被激光加熱之后，采用刀具加工帶有凹 槽的表面，并且將碎屑移除。授予Binder等人的美國專利號(hào)4， 687， 901披露了一種激光切削 和焊接機(jī)器，它具有產(chǎn)生激光束的兩個(gè)C02激光器以及用于將激光光 束導(dǎo)向到工件的引導(dǎo)和定向系統(tǒng)。工件被固定起來，并且激光器圍繞 工件旋轉(zhuǎn)。未討論或者披露任何碎屑移除裝置。授予Galel的美國專利號(hào)5， 442， 565教導(dǎo)一種采用實(shí)時(shí)加工中數(shù) 據(jù)收集以確定不相似材料層之間的交界面的輪廓和位置的切削設(shè)備?；谝驯淮_定的界面的輪廓和位置，控制系統(tǒng)被自動(dòng)地編程，以采用 線性運(yùn)動(dòng)設(shè)備，通過傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)自主地控制刀具運(yùn)動(dòng)。授予Amiguet等人的美國專利號(hào)6173213示出用于鑒別并且定向 輪狀工件的輪式識(shí)別系統(tǒng)。它使用激光以定位輪上的標(biāo)識(shí)和起點(diǎn)標(biāo)記。 這種系統(tǒng)包括輪式識(shí)別臺(tái)，用于向輪式識(shí)別臺(tái)輸送輪狀工件的輸送器， 以及檢測(cè)在輪式識(shí)別臺(tái)上的輪狀工件的徑向定向并且產(chǎn)生徑向定向信 號(hào)的輪定向傳感器。當(dāng)輪狀工件以穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪映射傳感 器掃描輪狀工件并且產(chǎn)生輪式映射信號(hào)模式?？刂茊卧獙⑤喪接成湫?號(hào)模式與至少一個(gè)參考輪式映射信號(hào)模式相比較。授予Massee的美國專利號(hào)6195， 595示出一種用于加工工件的設(shè) 備，它包括用于圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)載架的驅(qū)動(dòng)裝置和用于加工工件的 刀具。這種設(shè)備還包括用于相對(duì)于驅(qū)動(dòng)裝置沿著x方向和y方向移動(dòng) 刀具的刀具移動(dòng)裝置，以及控制單元，該控制單元包括用于一個(gè)或者 多個(gè)控制程序的存儲(chǔ)器，以便根據(jù)控制程序控制移動(dòng)裝置，從而使得 刀具將沿著用于加工工件的一條或者多條所期望路徑。激光束被用于掃描和測(cè)量工件。如果在被存儲(chǔ)的設(shè)備參數(shù)和測(cè)得的參數(shù)之間檢測(cè)到 差異，則每一個(gè)控制程序被修改，從而使得刀具仍將沿著所期望路徑。Tenaglia等人的美國專利申請(qǐng)公開號(hào)20050045607示出一種通過 向材料施加沖擊波而提高固體材料特性的方法和設(shè)備。激光沖擊處理 被用于提供沖擊波。這種方法包括向固體材料的一部分表面施加液體 能量吸收覆蓋層，該覆蓋層耐腐蝕，并且不易被透明的水覆蓋層分解 而且耐干燥，然后向固體材料的這個(gè)被涂覆部分施加透明覆蓋層。將 相干激光能量的脈沖導(dǎo)向固體材料的涂覆部分，以產(chǎn)生沖擊波。至少 未被使用能量吸收覆蓋層的一部分可以在另外的激光處理部位處在現(xiàn) 場(chǎng)再次使用，和/或被回收起來，以便在以后使用。發(fā)明內(nèi)容前面的專利反映出本發(fā)明人所知曉的現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀。對(duì)這些專 利的引用和討論旨在履行申請(qǐng)人所承認(rèn)的坦白地披露可能與對(duì)本發(fā)明 的權(quán)利要求進(jìn)行檢查有關(guān)的信息的義務(wù)。然而，申請(qǐng)人謙卑地認(rèn)為任 何上述專利都沒有披露、教導(dǎo)、暗示、示出或者以其它方式(無論是 單獨(dú)地或者當(dāng)相結(jié)合地考慮時(shí))，使得在這里描述并且要求保護(hù)的本 發(fā)明變得明顯。特別地，沒有任何已知的現(xiàn)有技術(shù)和/或現(xiàn)有技術(shù)參考 文獻(xiàn)示出通過在以下的本發(fā)明簡介和詳細(xì)說明中描述的過程來成形、 切削和拋光固體材料的方法。這種創(chuàng)造性系統(tǒng)提供一種設(shè)備，用于高速(例如，10000到45000rpm，或者更高)轉(zhuǎn)動(dòng)工件，向工件施加作用力，以釋放固體材 料的某個(gè)部分，由此相對(duì)于旋轉(zhuǎn)工件在切向路徑上噴射被釋放的材料， 并且如果需要的話，將被噴射的材料導(dǎo)向特定結(jié)構(gòu)，在該特定結(jié)構(gòu)上 通過材料增長工藝而形成了第二制品。這種創(chuàng)造性系統(tǒng)提供多個(gè)優(yōu)點(diǎn)和新穎特征，包括高速加工；容 易形成很多類型的材料，可能使用重量輕的機(jī)器，高精度和高準(zhǔn)確度， 以及不需刀具。對(duì)這種創(chuàng)造性切向制造系統(tǒng)的以下說明首先描述系統(tǒng) 工藝，然后描述執(zhí)行工藝的構(gòu)件。釋放過程概述向心力是保持工件處于其旋轉(zhuǎn)路徑的作用力。當(dāng)向心力超過將材 料粒子連接到工件表面的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，材料粒子自由"脫離"，并且 粒子將沿著其切向于旋轉(zhuǎn)方向的慣性路徑。為了釋放材料粒子，向心 作用力和由釋放試劑添加的能量的組合必須高于將材料保持到工件的 結(jié)合強(qiáng)度。因此，旋轉(zhuǎn)速率越高并且加工表面越靠近軸線，即向心力 越高，則釋放試劑從表面移除材料所需的能量越低。牛頓定律描述了 向心作用力關(guān)于半徑并且通過旋轉(zhuǎn)速率的平方如何成反比地變化。主要釋放過程物理、化學(xué)和熱學(xué)的。物理的有三個(gè)主要的釋放過程。物理過程使得當(dāng)工件經(jīng)過時(shí)將 材料射流引導(dǎo)至工件。在此情形中，射流中的材料沖擊工件表面并且 使得一部分表面剝離。射流材料可以是氣體或者液體，并且它可以在 射流中包括固體材料。實(shí)例包括冷凍氣體，例如干冰，或者例如在噴 砂中的礦物，或者例如在噴丸中的金屬，或者例如在玻璃珠噴沙中的 塑料。這些將通過射流全部被攜帶于氣流中。液體射流(經(jīng)常稱為水 射流)材料還可具有添加劑。通常，這些添加劑增加了表面張力，從 而當(dāng)其從射流孔隙通過到達(dá)目標(biāo)材料時(shí)，射流保持在一起?；瘜W(xué)的第二種釋放試劑為化學(xué)品。腐蝕性化學(xué)品被施加到工作 表面，并且與工件材料表面的化學(xué)反應(yīng)破壞保持材料的粘附力。有四 種典型的化學(xué)技術(shù)。第一種是溶解噴射在工件上的射流。水和油基的 溶劑是典型的這種類型的溶液。其它化學(xué)品包括酸性溶液、堿性溶液 或者酶溶液。這些化學(xué)試劑的每一種均可經(jīng)由加壓射流來噴射。也可 使用"噴墨"技術(shù)進(jìn)行這種噴射，并且液滴尺寸可以很小。熱學(xué)的最后一種釋放試劑過程是熱的。當(dāng)一部分的固體工件材 料被加熱時(shí)，工件狀態(tài)改變?yōu)橐后w或者氣體。熱材料的加壓射流或者 能量束(例如激光或者電子束)可以增加這種熱能量。 一個(gè)有趣的方 面是，具有更高熱態(tài)的材料(例如液體或者氣體)從該表面拋射出來， 并且留下較冷的固體材料。用以向工件添加熱量的另一方式是通過燃燒，這是化學(xué)過程和熱 過程之間的交叉過程。添加與適當(dāng)氣氛相關(guān)的點(diǎn)火(熱能)源允許工 件材料點(diǎn)燃并且在放熱化學(xué)反應(yīng)中燃燒。然后，這個(gè)燃燒過程提供熱 量，起初的點(diǎn)燃源也提供熱量，從而釋放一部分的工件。拋射和噴射有四種主要技術(shù)用于拋射和噴射從工件被釋放的材料切向過程、電荷、氣體膨脹以及加壓射流。切向過程在這個(gè)過程中的主要技術(shù)在于使用工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中 的總是改變的切線。切向運(yùn)動(dòng)速率依賴于在表面材料被拋射出來所處 的半徑上的旋轉(zhuǎn)速率。當(dāng)被噴射的材料的半徑小于在離心分離機(jī)上的工件的總半徑的大約40%時(shí)，切向速率不足以使得材料離開(clear) 極窄孔洞的側(cè)面。通過使得卡具保持將工件安裝在超過總半徑40%的位置處，可以避免這種限制。注意使用術(shù)語"拋射"，這是因?yàn)樵撨^程是通過消除向心作用力而非通過施加作用力。電荷為了增強(qiáng)這種拋射作用，可以利用電壓對(duì)工件充電。當(dāng)小 部分的工件被釋放時(shí)，小片材料將具有與工件相同的電荷。因?yàn)橄嗤?的電荷相互排斥，因此被釋放的材料將被噴射遠(yuǎn)離工件表面。氣體膨脹用于噴射碎屑的另一方法是利用氣體的熱膨脹。當(dāng)工 件被加熱時(shí)，鄰近和/或材料內(nèi)部的氣體膨脹。位于碎屑材料和工件后 面和兩者之間的氣體向碎屑材料施加壓力，這使碎屑材料從工件噴射 出來。加壓射流氣體或者液體射流可被導(dǎo)向至工件表面，以便幫助移 除碎屑。從工件移除的材料的量能夠以多種方式被確定。 一種方法是使用 應(yīng)變儀作為在卡具到離心分離機(jī)的連接部上的力傳感器。在固定半徑 和恒定旋轉(zhuǎn)速率下，向心力直接隨著質(zhì)量變化。通過測(cè)量作用力的減 小并且通過經(jīng)由激光三角測(cè)量法或者激光干涉計(jì)的測(cè)量半徑減小，可 以確定質(zhì)量變化。增長過程當(dāng)材料粒子被從工件拋射和噴射時(shí)，它們沿著基本切 向于工件旋轉(zhuǎn)路徑的路徑中飛行?；卓梢员恢糜谠撀窂街?，從而使得拋射的粒子被轉(zhuǎn)移到此。當(dāng)多個(gè)粒子被轉(zhuǎn)移到基底時(shí)，它們的沖擊 位置和部位可以被控制，從而使得它們相結(jié)合起來，以形成所需形狀。有多種方式用于控制粒子的軌道。 一種方法是調(diào)節(jié)切向路徑的起 點(diǎn)，從而使得微粒將落在特定區(qū)域中。為了更加精細(xì)地控制，微?？?以在工件中被充電。這些被充電過的微?？梢酝ㄟ^一個(gè)或者多個(gè)磁軛， 以改變并且調(diào)節(jié)粒子的軌道，如在陰極射線管中通過改變線圈中的電 流來調(diào)節(jié)充電粒子的軌道那樣。在另一方法中，充電粒子將飛行經(jīng)過 改變軌道的充電板。磁軛和/或充電板可被精細(xì)地控制，以影響微粒的 路徑。通過吹動(dòng)這些粒子，氣體射流或者液體射流也可被用于調(diào)節(jié)粒子 的軌道。雖然被釋放的粒子通常很小，但是在陸地環(huán)境中它們?nèi)允苤亓τ?響。將重力作為控制過程的一部分考慮進(jìn)去，在重力場(chǎng)中，例如在地 球上，微粒的軌道必須被調(diào)節(jié)。而且，離心分離機(jī)與充電工件一起的 旋轉(zhuǎn)形成了虛電流，即移動(dòng)電荷。移動(dòng)電荷形成磁場(chǎng)。這個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng) 的磁極位于離心分離機(jī)的軸線上。在計(jì)算和控制粒子軌道時(shí)，也必須 考慮這個(gè)磁場(chǎng)?？梢杂啥喾N適當(dāng)材料制造出供粒子在其上著陸的基底?；卓梢?為固體材料或者半固體材料，例如凝膠?；撞牧蠠o需被保持在固定 的定向中。它可以被連到在一個(gè)或者多個(gè)軸上旋轉(zhuǎn)和/或沿著一個(gè)或者 多個(gè)方向平移的卡具?？梢允褂眠@個(gè)過程來構(gòu)造三維結(jié)構(gòu)。不同類型的被拋射材料可以被用于增長過程中。通過在離心分離 機(jī)上使用不同材料，可以由金屬、塑料、玻璃或者礦物來生長合成物。為了增強(qiáng)這個(gè)過程，緊靠基底周圍的環(huán)境可以被控制，以使其適于該增長過程。基底可以與充電粒子相反地被充電，從而使得基底可 吸引粒子?；椎哪承┎糠挚梢员谎谡制饋?，從而使得粒子被吸引到 基底的特定區(qū)域。此外，環(huán)境可以添加有氣體，以增強(qiáng)粘附作用，并 且該基底可以使得來自其它材料源的其它材料被同時(shí)地沉積?；浊?室可包括在制造過程不同時(shí)刻對(duì)于恒定溫度或者變化溫度的溫度控 制。而且，基底的機(jī)械環(huán)境無需是空的?？梢跃哂懈鞣N外部支撐件， 并且可以充滿凝膠或者泡沫。從一個(gè)工件移除材料并且將其添加到另一正在形成的制品的制造 過程在制造例如用于注模成型的模具時(shí)能夠是非常有用的。過程環(huán)境控制優(yōu)選的是，構(gòu)造一種供工件在其中旋轉(zhuǎn)的腔室。 釋放試劑系統(tǒng)可以位于這個(gè)腔室的外部，但是具有進(jìn)入該腔室的通道。 腔室的環(huán)境優(yōu)選地被控制?？梢员豢刂频姆矫姘?、但不限于選擇性 地存在有氣體；磁場(chǎng)、電荷和溫度。腔室氣體該腔室可具有由離心分離機(jī)和工件移動(dòng)的內(nèi)部空氣， 或者，它可以受到換向吹風(fēng)機(jī)的控制。吹風(fēng)機(jī)可以改變速率和方向。 這種氣態(tài)環(huán)境可以具有在該環(huán)境內(nèi)的特殊氣體，例如用于增強(qiáng)燃燒的 氧氣。惰性氣體(例如氬或者氦)可以被引入，以延遲氧化，或者活 性氣體可被引入該環(huán)境中。局部或者完全真空也可被引入該腔室。腔室磁場(chǎng)和電特性該腔室可以具有可利用線圈或者其它裝置進(jìn) 行控制的磁性環(huán)境。該腔室也可具有利用充電板和導(dǎo)線進(jìn)行控制的電 環(huán)境。腔室溫度腔室內(nèi)部的溫度可以保持恒定，或者溫度可以變化。 變化可以是在腔室中均勻的，或者可以在腔室中的不同區(qū)域中存在變 化。在相對(duì)較低旋轉(zhuǎn)速度下，除材料移除之外的過程可以被用于處理 工件。例如，在工件經(jīng)歷材料移除過程之前，可以對(duì)材料進(jìn)行清洗或 者噴射清潔。在材料移除之后，工件可以被熱處理，例如退火或者回 火。對(duì)于熱處理而言，可以使用不同的熱量源，包括激光、電子束或 者對(duì)流加熱。離心分離機(jī)也可以含有加熱元件，用以加熱工件。工件 可以被噴射上涂料，例如化學(xué)涂料或者粉末涂料或者濕潤涂漆。噴墨 式涂料也可以被應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)工件。然后，腔室的溫度控制可被用于干 燥或者烤干涂敷到該表面上的材料。系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。顯著特征在于無需使用刀具。 在傳統(tǒng)加工中，刀具通常利用成形為刀刃或者尖端的硬化材料制造出 來，并且被應(yīng)用于工件表面，以削、刮、鑿或者以其它方式切除一部 分表面。在表面中切割出的形狀部分地依賴于刀具的形狀和硬度。而 且，被加工的每一種類型材料要求不同的刀具形狀，以有效地移除表 面。因此，在傳統(tǒng)加工中，需要定期改變刀具，以實(shí)現(xiàn)所需的形狀。 每次改變刀具均要耗費(fèi)時(shí)間。在本發(fā)明的創(chuàng)造性系統(tǒng)中，為了代替硬化刀具，能量束或者射流 被用于從工件表面釋放材料。作為控制系統(tǒng)的一部分，這個(gè)能量束/射 流的形狀被調(diào)節(jié)(基本即時(shí)地)；因此無需改變刀具。這節(jié)約了時(shí)間 和刀具的、以及存儲(chǔ)刀具和為刀具編制清單的花費(fèi)。而且，該系統(tǒng)還 具有成形多種類型的材料的能力，從金屬和礦物到玻璃、塑料和合成 物。在傳統(tǒng)加工中，隨著刀具從工件表面切除材料而產(chǎn)生熱量。該熱 量引起工件熱膨脹和一定扭曲。為了除去熱量，從外部源和/或從切削 刀具內(nèi)部的通道，將冷卻流體或者冷卻氣體噴射到工件上。另外的方 法是利用被移除的碎屑或者碎片作為熱載體。然而，這要求仔細(xì)控制 切削刀具的形狀以及高速切削過程。本創(chuàng)造性切向制造系統(tǒng)過程釋放最熱的材料，并且將其從表面拋 射出來，從而使工件保持低溫。在這個(gè)系統(tǒng)中，還減少了被熱影響的 面積，這是因?yàn)楸会尫诺牟牧喜⒉徊槐３纸佑|該工件。而且，在傳統(tǒng)加工中，在加工過程期間，切削刀具在工件中引起 振動(dòng)。這種振動(dòng)改變了刀具與工件的位置關(guān)系，并且這些改變可以導(dǎo) 致加工過程的誤差，除非作出補(bǔ)償和/或調(diào)節(jié)。最通常的是，為了減輕 振動(dòng)，機(jī)器是極大型的結(jié)構(gòu)，以便可靠地保持刀具與工件的關(guān)系。在使用本發(fā)明創(chuàng)造性系統(tǒng)中，當(dāng)隨著工件旋轉(zhuǎn)，材料從工件表面 被切向地移除時(shí)，存在引導(dǎo)朝向離心分離機(jī)的軸線的反作用力。這個(gè) 反作用力與質(zhì)量減少量、旋轉(zhuǎn)速率的平方以及被移除材料的半徑的倒 數(shù)直接相關(guān)。除了這個(gè)徑向作用力，還存在質(zhì)量降低。這兩個(gè)作用均 引起離心分離機(jī)的振動(dòng)和失衡。因此，工件可被定位在離心分離機(jī)的 相對(duì)側(cè)上并且被同時(shí)地加工，因此將作用力抵消(零凈效應(yīng))。以此 方式，振動(dòng)可以被保持為減小到最小。也可以采用保持離心分離機(jī)平 衡的其它方法。存在一種特殊情形，其中該系統(tǒng)的特征唯一地滿足制造要求；艮卩， 基于零重力太空的制造。將材料升高到太空中是非常昂貴的。將整個(gè) 機(jī)械工廠與其所有刀具和大型機(jī)器一起置于太空中的成本是難以承受 的。使用本發(fā)明創(chuàng)造性系統(tǒng)，單個(gè)機(jī)器實(shí)際上可以制造在太空中需要 的任何部件，如果獲得材料和該部件的計(jì)算機(jī)描述的話。對(duì)于空間站 或者對(duì)于延伸的太空船，這是非常有用的，特別在維修或者更換受損 部件時(shí)。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種新的和改進(jìn)的切向制造系統(tǒng)， 它高速轉(zhuǎn)動(dòng)固體工件，向工件施加作用力，由此在切向于旋轉(zhuǎn)工件的 路徑上釋放和噴射出處于熔融或者半熔融形式的一部分工件材料。本發(fā)明的另一目的在于提供一種新的和改進(jìn)的切向制造系統(tǒng)，它 將從轉(zhuǎn)動(dòng)工件噴射出來的材料引導(dǎo)至基底，以使用材料增長或者沉積 過程來形成新制造出來的物體。本發(fā)明的另一目的或特征在于一種新的和改進(jìn)的切向制造系統(tǒng)， 它提供比傳統(tǒng)加工過程更加高效的材料切削和移除過程。通過結(jié)合附圖考慮以下說明，可以更好地理解關(guān)于操作的組織和 方法的、作為本發(fā)明特征的其它新穎特征連同本發(fā)明的其它目的和優(yōu) 點(diǎn)，其中通過實(shí)例方式示意出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，應(yīng)該清楚 地理解，附圖是僅僅用于示意和說明目的，而并非旨在限定本發(fā)明。 在附于并且形成本公開內(nèi)容一部分的權(quán)利要求書中具體指出表征本發(fā) 明的各種新穎特征。本發(fā)明并不存在于單獨(dú)考慮的這些特征的任何一 個(gè)中，而是在于它的所有用于規(guī)定功能的結(jié)構(gòu)的特定組合中。


當(dāng)考慮下面的詳細(xì)說明時(shí)，可以更好地理解本發(fā)明，并且除了以 上指出的目的之外的目的將變得明顯。說明參考了附圖，其中圖1是示出本發(fā)明創(chuàng)造性切向制造系統(tǒng)的基本功能原理的概略頂部平面視圖；圖2是本發(fā)明切向制造系統(tǒng)的第一優(yōu)選實(shí)施例的透視圖；圖3是示出本發(fā)明創(chuàng)造性系統(tǒng)第二優(yōu)選實(shí)施例的元件的透視圖；圖4是其側(cè)視圖；圖5是其頂部平面視圖；圖6是示出本發(fā)明創(chuàng)造性切向制造系統(tǒng)的第三優(yōu)選實(shí)施例的元件 的透視圖，包括用于利用掩罩過程成形基底的元件； 圖7是其頂部平面視圖； 圖8是其分解透視圖；圖9是示出本發(fā)明創(chuàng)造性系統(tǒng)第四優(yōu)選實(shí)施例的元件的透視圖； 圖IO是其側(cè)視圖；圖ll是其分解透視圖；圖12是示出本發(fā)明創(chuàng)造性系統(tǒng)第五優(yōu)選實(shí)施例的元件的透視圖； 圖13是其側(cè)視圖；圖14是示出第六優(yōu)選實(shí)施例的透視圖；圖15是示出沿著相反方向旋轉(zhuǎn)、以將材料噴射到位于離心分離機(jī) 之間的增長基底的相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)并排離心分離機(jī)的概略頂部平面視 圖；圖16和16a-16f是示出受到使用本發(fā)明創(chuàng)造性方法和設(shè)備的剖切 過程的立方體形工件的透視圖。
具體實(shí)施方式
參考圖1到14f，其中在各個(gè)視圖中相同的參考數(shù)字指的是相同的 構(gòu)件，在其中示意出一種新的和改進(jìn)的切向制造系統(tǒng)，這里總的用100 標(biāo)示?，F(xiàn)在參考圖l和2，可以看出這個(gè)創(chuàng)造性切向制造系統(tǒng)IOO僅僅 包括很少的基本構(gòu)件，包括工件110;卡具，或者工件保持裝置120; 旋轉(zhuǎn)設(shè)備，例如離心分離機(jī)130，包括基部140和軸150;釋放系統(tǒng)160， 優(yōu)選地為激光源；容納結(jié)構(gòu)170;控制系統(tǒng)(未示出，但是在本領(lǐng)域是公知的)，和用于以機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)離心分離機(jī)的馬達(dá)(也未示出，但 是在本領(lǐng)域是公知的)。如在這里使用地，"離心分離機(jī)"被廣義地 用于表示使得圍繞其軸的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的材料受到強(qiáng)離心作用力作用的一種旋轉(zhuǎn)機(jī)器。這個(gè)基本系統(tǒng)還可包括材料增長(accretion)系統(tǒng)， 包括增長基底180。在操作中，釋放系統(tǒng)將能量或者固體粒子的聚焦束190導(dǎo)向到工 件表面，以削弱表面材料的結(jié)合作用，并且與由離心分離機(jī)的徑向運(yùn) 動(dòng)引起的離心力相配合，破壞表面材料結(jié)合力，并且將材料噴射到引 導(dǎo)至增長基底的粒子路徑200上。這樣，在其最基本的創(chuàng)造性方面中，該系統(tǒng)的操作和結(jié)構(gòu)方案要 求卡具將工件連接到離心分離機(jī)；釋放系統(tǒng)添加能量，以從工件釋放 材料；容納結(jié)構(gòu)提供受控環(huán)境并且防止材料和氣體進(jìn)入處理區(qū)域，成 為污染物，或者防止它們離開容納結(jié)構(gòu)，成為危險(xiǎn)物；增長系統(tǒng)控制 增長過程和增長基底；并且控制系統(tǒng)將機(jī)器的各種構(gòu)件的行為結(jié)合在 一起。在圖2所示的創(chuàng)造性系統(tǒng)的第一優(yōu)選實(shí)施例中，該切向制造系統(tǒng) 包括位于離心分離機(jī)和容納結(jié)構(gòu)外的單個(gè)釋放裝置，用于引導(dǎo)高功率 的能量束或者材料。圖3-5示出第二優(yōu)選實(shí)施例200，其中三個(gè)能量源 位于容納系統(tǒng)的外部，當(dāng)多個(gè)工件旋轉(zhuǎn)到能量束路徑中時(shí)，每一個(gè)能 量源均以受控方式將相干能量的聚焦束導(dǎo)向到該多個(gè)工件。圖6-8示出創(chuàng)造性系統(tǒng)的第三優(yōu)選實(shí)施例，其具有沿著周向設(shè)置 的單個(gè)激光源160，用于將多個(gè)光束或者多散射光束區(qū)域195導(dǎo)向到多 個(gè)基本立方形工件110，每一個(gè)工件均被固定在工件卡具120中，卡具 120包括臂122和垂直于臂的指件124，以提供用于捕獲并且保持工件 的裝置。具有刻模設(shè)計(jì)128的掩罩126以插入關(guān)系被置于激光源和工 件表面之間。在這種構(gòu)造中，當(dāng)被掩罩起來的工件經(jīng)過能量源時(shí)，能 量源有效地覆蓋工件的整個(gè)表面區(qū)域，能量僅僅通過刻模部分并且能 量平衡被掩罩材料反射或者吸收掉。在離心分離機(jī)的每一次循環(huán)下， 覆蓋工件表面的能量源移除一層表面材料。被移除的工件材料量將依 賴于由旋轉(zhuǎn)速度乘以通過的次數(shù)而決定的暴露持續(xù)時(shí)間。調(diào)節(jié)掩罩或 者使用不同掩罩允許工件在不同深度處的多個(gè)層被移除。圖9-11示出創(chuàng)造性系統(tǒng)的第四優(yōu)選實(shí)施例400，其包括緊鄰并且 在離心分離機(jī)的軸150的正上方設(shè)置的單個(gè)激光源160。初始光束190 被引導(dǎo)通過軸中的開口，并且然后被軸向設(shè)置在軸150內(nèi)的近端反射 鏡410、 412分裂成發(fā)散光束192、 194。被分開的光束通過相對(duì)的光學(xué) 引導(dǎo)臂430、 440被徑向地引導(dǎo)至設(shè)置于光學(xué)引導(dǎo)臂的遠(yuǎn)端部分432、442處的一組上側(cè)遠(yuǎn)端反射鏡414、 416，在此處光束被向下引導(dǎo)至一 組下側(cè)遠(yuǎn)端反射鏡418、 420，這組反射鏡再次反射光束，但是這次是 向內(nèi)朝向軸150的旋轉(zhuǎn)軸線152反射。保持反射鏡410、 430的結(jié)構(gòu)通 常是中空的，以允許聚焦光束通過。工件110以可樞轉(zhuǎn)方式聯(lián)接到設(shè)置于從中樞490徑向延伸出來的 可轉(zhuǎn)動(dòng)臂470、 480的外部上的角架450、 460。該角架可包括供在其上 安裝樞轉(zhuǎn)平臺(tái)454、 464的第二軸線位置452、 462，該樞轉(zhuǎn)平臺(tái)在預(yù)定 范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以允許工件表面相對(duì)于光束樞轉(zhuǎn)。圖12和13示出創(chuàng)造性系統(tǒng)的第五優(yōu)選實(shí)施例500，它包括置于光 學(xué)引導(dǎo)臂510、520的頂部的兩個(gè)激光源。激光器將兩個(gè)不同的光束192、 194向外導(dǎo)向到一組上側(cè)遠(yuǎn)端反射鏡530、 540，該上側(cè)遠(yuǎn)端反射鏡將 光束向下反射到一組下側(cè)遠(yuǎn)端反射鏡550、 560，該下側(cè)遠(yuǎn)端反射鏡再 次朝向軸150的旋轉(zhuǎn)軸線向內(nèi)反射光束。角架570、 580以可樞轉(zhuǎn)方式 聯(lián)接到x軸572、 582，并且y軸平臺(tái)590、 600在y軸592、 602處以 可樞轉(zhuǎn)方式聯(lián)接到角架。整個(gè)工件安裝系統(tǒng)被置于可選擇性移除的盒 子610上，該盒子610可被軸向地置于固定的或者可旋轉(zhuǎn)的中樞620 上。圖14示出第五優(yōu)選實(shí)施例的一種變型，它可包括聯(lián)接到基部140 并且從基部140懸垂出來的一個(gè)或者多個(gè)臂630、 640。每一個(gè)臂支撐 增長基底650、 660，每一個(gè)基底使得基部670、 680在距離離心分離機(jī) 軸一定距離處以可樞轉(zhuǎn)方式連接到其相應(yīng)的臂，該距離大于工件距離 該軸的距離。因此，增長基底以與工件速度相同的速度旋轉(zhuǎn)，并且因 此能夠被直接和永久地固定于被噴射材料的路徑中。而且，激光器可 以連續(xù)地工作，而非間歇地工作，因此加速生產(chǎn)過程。這些臂能夠以 可移除方式連接，從而該設(shè)備能夠以示于圖12和13中的第五優(yōu)選實(shí) 施例的方式起作用。在操作中，被釋放的材料基本以大約60.3度的角 度從徑向直線拋射出來，該徑向直線從離心分離機(jī)的軸線到工件上的材料從其被釋放的位置。通過將增長基底定位在該角度和距軸線的徑 向距離的交叉點(diǎn)處，被噴射的材料可以被引導(dǎo)至基底上的特定部位處。 這種構(gòu)造最好地適合于在離心分離機(jī)上攜帶激光束的實(shí)施例。圖15示出兩個(gè)或者更多離心分離機(jī)800、 810可以以并排的關(guān)系 設(shè)置，并且可以沿著相反的方向旋轉(zhuǎn)，從而將材料820、 830噴射到位 于在離心分離機(jī)之間的噴射材料路徑中的增長基底850的相對(duì)側(cè)上。 離心分離機(jī)系統(tǒng)的這種共軸(ganging)形成在制造過程期間可被操縱 的多個(gè)材料流。隨著材料積聚在基底上，并且隨著正在形成的產(chǎn)品的 質(zhì)量增加，基底可以旋轉(zhuǎn)，以展現(xiàn)基底的側(cè)面或者邊緣，從而使得增 長材料可以被引導(dǎo)至正在形成的產(chǎn)品的側(cè)面?？商娲睾?或另外地， 一個(gè)或者多個(gè)離心分離機(jī)的位置可以相對(duì)于彼此被調(diào)節(jié)，以提供從不 同角度導(dǎo)向的材料流并且產(chǎn)生出產(chǎn)品的所有增長表面。顯然，共軸離 心分離機(jī)的使用將提高制造速度。圖16，即16a-16f示意其中可以采用創(chuàng)造性系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)剖切過程 的方式。這種過程的主要目的在于移除工件的部分，而不是消除或 者熔化所有的材料部分。該過程要求使用能量源，圍繞該部分的周邊 形成一系列的切口，從而使得該部分不再連接到工件。例如，為了從 工件900移除一個(gè)正立方體(圖16),首先將被暴露于表面的正方形 的周邊910切割至立方體深度(圖16a)。第二切口 920 (圖16b)從 頂側(cè)邊緣930到相對(duì)側(cè)底邊緣940。這將移除呈三角形楔體的一半體積。 第三切口 950 (圖16c)沿著從第一側(cè)的相對(duì)頂邊緣960到底邊緣970 突出的直線。被移除的這個(gè)楔體又是剩余體積的一半。第四切口 980 和第五切口 990(圖16d)每一個(gè)均從立方體的頂邊緣到底部中心1000。 被移除的形狀將是具有平坦端部的菱形體，并且又為剩余體積的大約 一半。這個(gè)過程在連續(xù)切割中繼續(xù)，使得每次切割均移除剩余體積的 大約一半(圖16e-16f)，直至通過剖切的移除速率低于材料的熔化或 者消除速率。這個(gè)過程將材料移除速率極大地提高到一般激光材料移 除速率的大約300倍(并且提高到比傳統(tǒng)高速銑削速度高兩到七倍)。工件工件必須是固體材料，因?yàn)橐后w或者氣體將不具有足夠的 表面張力或者內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度，以在離心分離機(jī)施加的旋轉(zhuǎn)作用力下將 自身保持到一起。適合于加工的固體材料包括金屬、塑料、礦物、玻 璃、合成物、有機(jī)物以及冷凍氣體和冷凍液體。工件的形狀可以被預(yù) 先形成為適用于加工過程并且連接到卡具的形狀，這包括塊形、柱形， 多面體形、板形和環(huán)形。工件也可以被用作用于多個(gè)小部件的坯料。 一種方法是形成單個(gè)小部件，并且然后當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)時(shí)將其移除(將需 要著陸區(qū)域)，或者是形成多個(gè)部件，并且在處理之后將它們分離開。 環(huán)形工件可以被置于離心分離機(jī)中樞上。然后，環(huán)的各段可被形成為 各個(gè)單獨(dú)物件，或者環(huán)可以被加工成單個(gè)部件。工件可以由柔性材料 制成并且在支承卡具中，卡具提供了在角向作用力下加工所必需的結(jié) 構(gòu)形狀?？ň呖ň叩哪康脑谟趯⒐ぜB接并且固定到離心分離機(jī)。它可 以包括單個(gè)聯(lián)結(jié)設(shè)備，例如螺栓或者螺絲連接件。對(duì)于聯(lián)結(jié)設(shè)備，例 如螺絲或者螺栓或粘結(jié)劑，可以使用單個(gè)表面，例如板、柱體、環(huán)或 者筒體。也可以使用多個(gè)表面，例如聯(lián)結(jié)到框架的夾具或者老虎鉗。 磁性板也可以被用于快速聯(lián)結(jié)?？ň呖梢员皇謩?dòng)地聯(lián)結(jié)到工件，或者 可以使用自動(dòng)夾緊或者聯(lián)結(jié)系統(tǒng)。單個(gè)卡具(圖1和2)或者多個(gè)卡具(圖3-13)可以位于離心分 離機(jī)上。使用一對(duì)或者多對(duì)卡具(圖3-13)提供同時(shí)處理兩個(gè)物件的 方法。利用在離心分離機(jī)軸線的相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)卡具，可以在離心分 離機(jī)上保持質(zhì)量和作用力相平衡?？ň吣軌蛳鄬?duì)于離心分離機(jī)被固定。在這種情形中，工件的被固 定部分呈相對(duì)于卡具徑向運(yùn)動(dòng)的外側(cè)弧線面向外的關(guān)系。或者，卡具可以安裝具有可調(diào)節(jié)軸的轉(zhuǎn)盤。這些包括單個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線或者多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線。例如，如果轉(zhuǎn)盤軸線大致平行于離心分離機(jī)軸 線，則工件可以在轉(zhuǎn)盤上旋轉(zhuǎn)，以暴露工件的所有側(cè)面。將轉(zhuǎn)盤置于 垂直于離心分離機(jī)半徑樞轉(zhuǎn)的可調(diào)節(jié)臂上允許成形工件的頂部以及側(cè) 面。這允許制造出復(fù)雜的三維形狀?？ň咭部梢员宦?lián)結(jié)到離心分離機(jī), 從而使得它們可以在沿著單個(gè)方向或者多個(gè)方向的平移中調(diào)節(jié)?？ň呖梢员恢苯拥芈?lián)結(jié)到離心分離機(jī)，或者可以被聯(lián)結(jié)到盒子。 卡具可以作為永久部件被聯(lián)結(jié)到離心分離機(jī)，或者卡具可以是被移除的?？ň吆邢到y(tǒng)允許工件被安裝在位于機(jī)器外的盒子中。該盒子系統(tǒng) 還允許從離心分離機(jī)更換被充滿的盒子。當(dāng)離心分離機(jī)正在處理另一 盒組件時(shí)，工件可以被移除或者被插入這個(gè)盒子中。在盒子系統(tǒng)中， 可以具有單個(gè)盒子或者組裝到托盤中的多個(gè)盒子。如果在托盤中容納有多個(gè)盒子，則該系統(tǒng)可包括或者可移除的盒子，或者包括用于盒子 托盤的更換系統(tǒng)。盒子托盤可以以類似于用于處理光盤的構(gòu)造進(jìn)行管 理，構(gòu)造包括平面回轉(zhuǎn)構(gòu)造，垂直堆疊構(gòu)造和垂直回轉(zhuǎn)構(gòu)造。離心分離機(jī)該離心分離機(jī)包括工件、卡具、卡具盒和旋轉(zhuǎn)支架。 離心分離機(jī)具有多種可能的結(jié)構(gòu)。它可具有單個(gè)水平面或者多個(gè)水平 面。另外，它能夠以多種方式相對(duì)于地面定向。具有垂直于地面的離 心分離機(jī)軸線的水平離心分離機(jī)是用于在其它應(yīng)用中使用的離心分離 機(jī)的一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。具有平行于該地面的軸線的豎直離心分離機(jī)在重 力場(chǎng)中可能具有某些優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)殡x心分離機(jī)的重量由提供徑向?qū)?zhǔn)的相同支承件支撐，并且離心分離機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的兩側(cè)均可接觸到。 可以采用其它定向，并且也可使得定向可被調(diào)節(jié)或者可樞轉(zhuǎn)，從而使 得離心分離機(jī)可在一個(gè)定向中被加工，并且然后被置于另一定向下， 以進(jìn)行產(chǎn)品處理。離心分離機(jī)結(jié)構(gòu)選項(xiàng)離心分離機(jī)的尺寸根據(jù)預(yù)期用途被調(diào)節(jié)。 對(duì)于很小的制品的制造，可以使用小型離心分離機(jī)。隨著工件尺寸變 大，對(duì)旋轉(zhuǎn)控制和約束的要求也增加，并且對(duì)系統(tǒng)可以施加尺寸限制，但是這個(gè)限制可能很大。離心分離機(jī)的旋轉(zhuǎn)支架保持卡具或者卡具盒。它圍繞一條軸線旋 轉(zhuǎn)。支架可將該軸線容納在其內(nèi)，或者它可以隨著軸一起旋轉(zhuǎn)，或者 旋轉(zhuǎn)支架可以是圍繞固定軸旋轉(zhuǎn)的獨(dú)立結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)支架利用徑向支承 件和軸向支承件而相對(duì)于基部結(jié)構(gòu)被固定。徑向支承件圍繞旋轉(zhuǎn)軸線 平穩(wěn)地傳遞作用力。軸向支承件沿著旋轉(zhuǎn)軸線平穩(wěn)地傳遞作用力。這 些支承件可以具有任何類型，包括空氣支承件。另一可替代形式是采用在圓形軌道上的多個(gè)支架。在這種情形中， 軸線不需要斷續(xù)結(jié)構(gòu)。離心分離機(jī)可以是未被平衡的系統(tǒng)，通過支承件保持，具有圓形 路徑，或者更典型地，離心分離機(jī)可以被平衡。平衡離心分離機(jī)的過 程可以是手動(dòng)的或者自動(dòng)的。在被安裝到離心分離機(jī)上之前，盒子可 以被預(yù)先平衡。利用馬達(dá)引起離心分離機(jī)旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)可以是電動(dòng)的(或者是直接 驅(qū)動(dòng)的或者經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng))，或者它可以是氣動(dòng)馬達(dá)或者液壓馬達(dá)。釋放系統(tǒng)釋放系統(tǒng)提供用于向工件表面添加能量以削弱表面材 料結(jié)合力的裝置。它可以包括單個(gè)源并且具有從源到離散工件的單個(gè) 路徑，如示于圖2中，或者它可以包括指向多個(gè)工件的多個(gè)源，如示 于圖3-5中。能量源從其被指向工件的方向可以是從適合用于將實(shí)現(xiàn)的 成形、切削、拋光或者其它加工操作的類型的任何角度。為了允許被 釋放的材料粒子離開工件，切向路徑應(yīng)該是不會(huì)受到工件阻礙。釋放系統(tǒng)可具有單個(gè)源和通向工件的多個(gè)路徑。例如，激光束可 以從多個(gè)不同反射鏡被反射，并且被引導(dǎo)至圍繞離心分離機(jī)的周邊的 多個(gè)位置處。除了具有單個(gè)源以及單個(gè)路徑或者多個(gè)路徑，系統(tǒng)也可具有多個(gè)源和多個(gè)路徑。不同類型的源可以被結(jié)合于單個(gè)機(jī)器中。或 者，多個(gè)離心分離機(jī)可以使用相同的一個(gè)或者多個(gè)源。例如，在雙離心分離機(jī)系統(tǒng)中，每一個(gè)離心分離機(jī)是激活的或者 正被加載或者未被加載。在這個(gè)實(shí)例中，當(dāng)一個(gè)離心分離機(jī)減速時(shí)， 減速能量被用于起動(dòng)第二離心分離機(jī)。而且，如果使用單個(gè)能量源(例 如激光器)，則激光器可以幾乎恒定地工作，且具有很短的停機(jī)時(shí)間。能量束的光束路徑依賴于所用的能量源，在C02激光器的情形中， 光束波長被玻璃吸收，從而光束路徑位于空氣或者真空中并且利用反射鏡進(jìn)行引導(dǎo)和控制。在YAG激光器的情形中，光束通過玻璃，從而光束路徑可以被引導(dǎo)通過光纜并且利用反射鏡進(jìn)行控制。其它能量源， 例如電子束、微波和無線電波，每一種均具有其自己的控制方法。能量源的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間可以被控制。這包括在較短脈沖期間沖 擊在工件上的光束強(qiáng)度的變化。如果要求或者需要的話，則光束強(qiáng)度 可以開始在一個(gè)水平下，以"軟化"該區(qū)域，并且然后改變到另一水 平，以從工件釋放更多材料。能量光束可以由被固定、可變、旋轉(zhuǎn)、 成角度的或者平移的透鏡和反射鏡控制。例如，如果激光束被投射到 在平行于離心分離機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線上并且以與離心分離機(jī)相同的頻率和 相反的方向旋轉(zhuǎn)的平面鏡上，則當(dāng)工件經(jīng)過時(shí)，能夠通過多種角度將 激光束引導(dǎo)至工件表面上的特定位置處?；蛘?，如果反射鏡被固定， 則當(dāng)該工件表面旋轉(zhuǎn)通過光束時(shí)，朝向工件表面被引導(dǎo)的光束在任何 時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)生一條直線，而非尖點(diǎn)。能量光束的聚焦也可進(jìn)行控制，從分散的能量區(qū)到極小的點(diǎn)。光束可以具有由激光源腔，例如在Gaussian Beam或者更寬光束(例如 Dimodal或者Quadramodal光束)中的薄尖錐確定的能量模式。通常的 技術(shù)可以被用于防止能量光束反射回到源中，例如以小角度引導(dǎo)光束， 從而使得反射不具有返回路徑。除了能量束，也可以使用射流。加壓氣體或者液體通過閥門進(jìn)入 管狀輸送系統(tǒng)中并且通過噴嘴離開。這可具有單個(gè)噴嘴或者圍繞離心 分離機(jī)外的多個(gè)噴嘴。噴嘴可以在其定向下被固定到工件或者是可調(diào) 節(jié)的。噴嘴的角度的方向不限。噴嘴和壓力系統(tǒng)可以結(jié)合到單個(gè)單元 中，如"噴墨"。除了被聚焦的能量源，也可釆用未被聚焦的能量源，以當(dāng)被離心 分離時(shí)控制工件釋放材料。例如，可在放置有一個(gè)或者多個(gè)工件的爐 子中執(zhí)行掩罩過程。當(dāng)爐子達(dá)到足夠高的溫度、從而熔化工件材料時(shí)， 被暴露出來的表面材料將釋放并且脫離。容納系統(tǒng)存在兩種級(jí)別的容納系統(tǒng)，機(jī)器外罩和工作區(qū)域容器。機(jī)器外罩通常要求完整系統(tǒng)的完整外罩。這包括提供安全系統(tǒng)， 以保證如果使用激光器，則外罩將不會(huì)讓任何引起損傷的激光光線 出來。很多類型的材料脫氣并且燃燒，特別是塑料，從而釋放出必須被 中和并且容納的各種類型的有毒物質(zhì)，并且用于該過程中的任何流體 也必須被容納、中和，并且過濾。否則，操作人員和處于該區(qū)域中的 其它人會(huì)吸入本發(fā)明創(chuàng)造性過程產(chǎn)生的細(xì)小灰塵粒子。這些灰塵粒子 可具有一微米的尺寸量級(jí)。該系統(tǒng)必須包括用于防止這些粒子引起傷害的裝置。而且，機(jī)器和操作人員需要利用屏障被分離開，以防止操作人員 與移動(dòng)部件接觸。外罩的另一目的在于，如果離心分離機(jī)或者工件在 災(zāi)難事件中破裂，則保護(hù)外部環(huán)境，使其不受破壞。機(jī)器外罩還為機(jī)器本身提供一定的保護(hù)水平，以使其不會(huì)遭受偶然損壞。工作區(qū)域容器工作區(qū)域是圍繞在離心分離機(jī)上旋轉(zhuǎn)的工件的區(qū) 域。釋放能量通過這個(gè)區(qū)域，到達(dá)工件，并且這是粒子被釋放和容納 的地方。這個(gè)容納系統(tǒng)的目的在于限制粒子路徑并且保護(hù)操作人員 和環(huán)境。它還允許工件的環(huán)境得以控制。而且，它保護(hù)釋放系統(tǒng)，從 而使得它不被粒子污染或者損壞。能量源到工作區(qū)域的通道為該容納 系統(tǒng)內(nèi)的通過開口或者窗口。工作區(qū)域容器可以成形為使得供聚焦能 量通過的部分更加靠近工件，并且用于粒子路徑的區(qū)域更加遠(yuǎn)離。這個(gè)容器的一部分還可具有不透激光的窗口，并且當(dāng)工件經(jīng)過時(shí)， 閃光燈可以照亮該工件?？刂葡到y(tǒng)系統(tǒng)的控制優(yōu)選地為在專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的軟件。 由計(jì)算機(jī)控制的主要系統(tǒng)包括離心分離機(jī)、釋放試劑(即，能量源)、 增長系統(tǒng)、環(huán)境控制和緊急關(guān)閉。在所有的這些系統(tǒng)中，最優(yōu)控制將 包括傳感器反饋。離心分離機(jī)控制包括旋轉(zhuǎn)速率和定時(shí)、卡具定向、工件控制(例 如加熱、冷卻或者充電)、自動(dòng)平衡系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)以及支承系統(tǒng)。能量源/釋放試劑系統(tǒng)控制包括源的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。對(duì)光束的路 徑控制包括控制用于光束的反射鏡、透鏡和環(huán)境。包括對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)控制。 對(duì)于射流，路徑控制包括閥門和孔隙改變以及壓力控制。增長控制系統(tǒng)包括基底定向、粒子路徑控制以及增長環(huán)境控制。環(huán)境控制包括內(nèi)部工作區(qū)域氣體、溫度、電、磁環(huán)境以及副產(chǎn)品 的氣體、流體和固體的處理。這還包括用于從外部源(例如熱或者冷 或者塵土)正?；瘍?nèi)部環(huán)境的補(bǔ)償系統(tǒng)。緊急關(guān)閉系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)關(guān)鍵構(gòu)件并且控制系統(tǒng)行為的傳感器，從 而使得防止發(fā)生災(zāi)難事故。以上公開內(nèi)容足以使得相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，而無 需過多實(shí)驗(yàn)。該公開內(nèi)容還提供目前由本發(fā)明人所設(shè)想到的實(shí)施本發(fā) 明的最佳方式。雖然在這里詳細(xì)示出和披露的、用于切向制造的具體設(shè)備和切向 制造方法完全能夠?qū)崿F(xiàn)目的并且提供在這里所述的優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)該理 解，它僅僅示意本發(fā)明目前優(yōu)選的實(shí)施例，而且除了在所附權(quán)利要求 中限定的之外并不限于在這里示出的構(gòu)造或者設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。因此，本 發(fā)明的正確范圍應(yīng)當(dāng)僅由所附權(quán)利要求的最廣義的解釋確定，從而涵 蓋與在附圖中示意和在說明書中描述的那些等同的所有的修改以及所 有的關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種制造系統(tǒng)，包括具有基部和軸的離心分離機(jī)，所述軸具有旋轉(zhuǎn)軸線；用于驅(qū)動(dòng)所述離心分離機(jī)的裝置；工件保持裝置，設(shè)置于所述基部上，以用于保持工件，從而使得工件的質(zhì)心不被置于所述旋轉(zhuǎn)軸線上；用于將能量引導(dǎo)至工件的表面的材料釋放裝置；以及用于控制所述材料釋放裝置的控制裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括圍繞所述離心分離機(jī)的容納結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述材料釋放裝置是聚焦能量束。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述聚焦能量束從包括激光束和 粒子束構(gòu)成的組中選擇。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，還包括材料增長系統(tǒng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中所述材料增長系統(tǒng)包括增長基底 和基底保持裝置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中所述控制裝置控制并且結(jié)合所述 材料釋放系統(tǒng)和所述材料增長系統(tǒng)的行為。
8. —種切向制造系統(tǒng)，包括至少一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的離心分離機(jī)，該離心分離機(jī)具有基部和具有 旋轉(zhuǎn)軸線的軸；置于所述離心分離機(jī)的每一個(gè)的所述基部上、以用于將至少一個(gè)工件連到其相應(yīng)的離心分離機(jī)的至少一個(gè)工件卡具；用于向被保持于所述卡具中的工件的表面添加足夠的能量、以從 工件釋放材料的材料釋放系統(tǒng)；圍繞所述離心分離機(jī)、以用于控制就繞在所述離心分離機(jī)周圍的 制造環(huán)境并且防止不必要的材料和氣體干擾制造工藝的容納結(jié)構(gòu)；以 及用于至少控制所述材料釋放系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述材料釋放裝置包括置于所述 離心分離機(jī)和所述容納結(jié)構(gòu)外的至少一個(gè)能量源，并且其中所述能量 源能夠?qū)⒛芰渴蛘卟牧鲜龑?dǎo)至由所述卡具保持并且在所述離心分 離機(jī)作用下旋轉(zhuǎn)到能量束或者材料束的路徑中的工件的表面上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述能量源是圍繞所述容納結(jié) 構(gòu)周向設(shè)置的激光器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中所述工件卡具包括具有刻模設(shè)計(jì) 的掩罩，每一個(gè)所述掩罩都以插入關(guān)系而被置于所述能量源和所述工件表面之間。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述能量源被定位用以從所述 離心分離機(jī)的所述軸的緊鄰正上方引導(dǎo)光束。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述能量源被置于所述離心分 離機(jī)上，從而使得所述能量源在所述離心分離機(jī)上旋轉(zhuǎn)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述能量源不隨著所述離心分 離機(jī)旋轉(zhuǎn)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，還包括從所述軸徑向延伸出來的至少兩個(gè)光學(xué)引導(dǎo)臂，所述引導(dǎo)臂的每一個(gè)都具有近端和遠(yuǎn)端并且包括 將光束從所述能量源引導(dǎo)至工件的反射裝置。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述反射裝置包括置于所述遠(yuǎn) 端處的上下側(cè)遠(yuǎn)端反射鏡，并且其中所述軸是中空的并且包括位于其 上端處的開口以及用于所述引導(dǎo)臂的每一個(gè)的、軸向地置于所述軸中 的一個(gè)近端反射鏡，由此當(dāng)所述光束被引導(dǎo)通過所述軸中的開口時(shí)， 光束被所述近端反射鏡分裂成發(fā)散光束并且通過所述光學(xué)引導(dǎo)臂的每 一個(gè)被徑向地引導(dǎo)至所述上側(cè)遠(yuǎn)端反射鏡，在上側(cè)遠(yuǎn)端反射鏡處，發(fā) 散光束被向下地引導(dǎo)至所述下側(cè)遠(yuǎn)端反射鏡，而該下側(cè)遠(yuǎn)端反射鏡將 光束反射到工件上。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述光束被所述反射裝置向內(nèi)地朝向所述旋轉(zhuǎn)軸線引導(dǎo)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述能量源包括至少兩個(gè)激光 源，其每一個(gè)被置于所述光學(xué)引導(dǎo)臂中的一個(gè)的頂部上，這樣每一個(gè) 所述激光器都朝向所述引導(dǎo)臂的所述遠(yuǎn)端引導(dǎo)光束，并且所述反射裝 置反射光束，從而使得光束最終被向內(nèi)朝向所述旋轉(zhuǎn)軸線引導(dǎo)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述工件保持裝置具有允許工 件相對(duì)于能量束樞轉(zhuǎn)的至少一條旋轉(zhuǎn)軸線。
20. 根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述工件保持裝置被置于可選 擇性移除的盒子上，所述盒子可以被軸向地置于所述軸上。
21. 根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)臂，所述臂從所述 基部延伸出來，以用于支撐增長基底，從而使得該增長基底以與工件 速度相同的速度旋轉(zhuǎn)，并且該增長基底因此能夠被直接地和永久地固 定于從工件噴射出來的材料路徑中。
22. 根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括共軸離心分離機(jī)，該離心分離機(jī)具有將能量引導(dǎo)至工件、從而可從工件噴射出材料以形 成向增長基底的相對(duì)側(cè)同時(shí)地施加材料的多個(gè)材料路徑的材料釋放裝 置。
23. 根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，還包括具有增長基底和用于保持所 述增長基底的裝置的增長系統(tǒng)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)控制并且結(jié)合所 述材料釋放系統(tǒng)和所述材料增長系統(tǒng)的行為。
25. —種制造方法，包括以下步驟(a) 提供具有用于保持固體工件的裝置，將能量源作用于工件上 的離心分離機(jī)；(b) 高速旋轉(zhuǎn)所述離心分離機(jī)；和(c) 引導(dǎo)能量源，以向工件施加作用力，并且由此使工件材料的 某些部分在切向于旋轉(zhuǎn)工件的路徑上釋放和噴射。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中步驟(c)包括將氣體射流或者 液體射流引導(dǎo)至工件。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中步驟(c)包括將腐蝕性化學(xué)品 引導(dǎo)至工件表面。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中步驟(c)包括將熱能引導(dǎo)至工 件表面。
29. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中步驟(c)包括將電子束引導(dǎo)至 工件表面。
30. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，還包括以下步驟向工件施加電壓、 以施加電荷，使得噴射粒子被工件排斥。
31. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，還包括以下步驟(d) 鄰近離心分離機(jī)放置基底；(e) 將從工件噴射出的材料引導(dǎo)至基底，以通過材料增長過程形成制造的物體。
32. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中步驟(e)包括調(diào)節(jié)噴射粒子的 起點(diǎn)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中步驟(e)包括對(duì)粒子進(jìn)行充電 并且使得噴射粒子經(jīng)過磁場(chǎng)。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中所述粒子控制裝置包括利用氣 體射流或者液體射流吹動(dòng)粒子。
全文摘要
一種通過從工件移除材料和/或向基底添加材料來制造成形物體的方法。這種工藝在離心分離機(jī)上旋轉(zhuǎn)工件。被加工的工件的表面基本背離離心分離機(jī)軸線。當(dāng)表面材料被釋放時(shí)，它沿著離開旋轉(zhuǎn)工件的切向路徑，從而將其從表面移除。使用能量束例如激光、或者材料射流，從工件上釋放和清除一小部分。當(dāng)工件經(jīng)過時(shí)，使用短脈沖的激光束/材料射流可以移除工件的特定部位。相對(duì)于工件旋轉(zhuǎn)定向激光束/材料射流并且控制激光束/材料射流可以改變所被移除部分的位置。改變激光束/材料射流的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間可以改變所被移除的材料量。重復(fù)地移除工件的若干部分可將工件成形為一定形狀。通過使用計(jì)算機(jī)控制，以定向、定時(shí)并且調(diào)節(jié)激光束/材料射流的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，將工件成形為所期望的形式。從表面釋放的材料可以被引導(dǎo)至基底。使用各種控制系統(tǒng)，例如將釋放材料充電并且使其經(jīng)過磁軛或者充電板，可以將釋放材料以成形形狀沉積到在該基底上。這可在形成旋轉(zhuǎn)工件時(shí)被同時(shí)地完成。如果從工件被釋放的材料不需要用在同時(shí)地形成另一物體中，則可將其收集起來，以進(jìn)行回收。
文檔編號(hào)G06F19/00GK101268466SQ200680034342
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2006年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月19日
發(fā)明者托馬斯·C·漢森 申請(qǐng)人:托馬斯·C·漢森