制造3D玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷物体的方法和系统技术方案

技术编号:22174067 阅读:38 留言:0更新日期:2019-09-21 14:43
一种制造三维物体(玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷)的装置,其包括:具有夹持表面的夹具102a或具有成形表面130的基座102,该夹持表面或成形表面构造成保持连续预成形材料106(如纤维或带)的端部;具有设置在夹持表面或成形表面上方的出料口118的进料系统100,该进料系统构造成将连续预成形材料给送到出料口与夹持表面或成形表面之间的成形区;激光输送系统134,其设置用于引导至少一条激光束穿过炉子132进入成形区,在成形区内形成热斑126;以及定位系统120,其设置用于实现夹持表面或成形表面与出料口之间的相对运动。在一些实施方式中,用于制造3D物体的装置还可包括包围成形区和出料口的炉子132。

Method and System for Making 3D Glass, Glass Ceramics and Ceramic Objects

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造3D玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷物体的方法和系统相关申请的交叉参考本申请根据35U.S.C.§119要求2016年11月18日提交的美国临时申请系列第62/423,997号的优先权,其内容作为本申请的基础并且通过参考完整地结合于此。公开领域本公开总体涉及制造三维(“3D”)玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷物体的方法和系统,更具体地涉及利用手动和计算机控制的激光辅助制造技术从连续玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷前体制造这种物体的方法和系统。背景利用诸如模塑(例如真空辅助模塑、吹塑等)和压制这样的工艺,可将平坦板式玻璃和玻璃陶瓷形成为三维部件。然而,用这些方法形成具有内部特征(如内腔、沟道等)的复杂玻璃和玻璃陶瓷部件几乎是不可能的。虽然有些后加工技术可用来形成孔,例如钻孔或蚀刻,但就形成各种所需的内部特征(包括沟道)而言,这些技术的容量是有限的。不仅如此,即便后加工有可能形成所需的内部特征,这种技术会显著增加部件成本,同时增大形成缺陷的风险。与微粒、粉末、团聚体相关的玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷也可通过模塑、压制和烧结型工艺形成三维物体。尽管这些工艺中的许多工艺可用来形成各种部件形式,包括具有不对称表面的部件形式,但尺寸控制往往很困难,因为这些工艺通常还依赖于粘合剂及其他加工助剂,它们在加工过程中氧化。出于这些相同原因,对任何所需内部特征的尺寸控制也与尺寸有关。此外,由于各种颗粒、界面和缺陷常常在加工之后保留在这些部件中,通过这些工艺形成的部件的机械性能和/或耐环境性能(例如耐腐蚀性)可能受到影响。增材制造(“AM”)(也称作“3D打印”)工艺正开发用于制造三维部件,通常是包含聚合物材料的三维部件。这些部件中的许多部件是采用逐层成形法,利用激光固化材料直接从部件的计算机辅助(“CAD”)模型成形。此外,大多数常规AM和3D打印型工艺采用粉末和/或液态前体,用于开发包含聚合物材料的部件。因此,所得到的通常由聚合物材料制造的部件常常具有与其制造中所用的前体有关的颗粒和界面。同时,由于这些聚合物材料不易受热冲击影响且与热应力相关的问题不大,对加工过程中的温度管理通常关注较少。因此,需要针对诸如玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷材料这样的材料的3D制造技术,该技术能够避免与热冲击和热应力相关的缺陷和失效。还需要用于这些材料的制造技术,这些技术可用来制造具有高度复杂的外部和/或内部表面的部件,如通过CAD及其他计算机辅助图案所限定的表面。另外需要可用来制造这种部件的制造技术,使得这些部件能够达到其理论强度及其他机械性能,同时限制与加工有关的机械性能和/或与耐受环境有关的性能的下降。概述本公开的第一方面涉及用于制造三维物体的装置,所述装置包括:具有成形表面的基座;具有设置在成形表面上方的出料口的进料系统,该进料系统构造成将连续预成形材料给送到出料口与成形表面之间的成形区;包围成形表面、成形区和出料口的炉子;激光输送系统,其设置用于引导至少一条激光束穿过炉子进入成形区,在成形区内生成热斑;以及定位系统,其设置用于实现成形表面与出料口之间的相对运动。在一些实施方式中,用于制造3D物体的装置还可包括设置在炉子外部的冷却元件,所述冷却元件构造成冷却出料口上方的连续预成形材料。本公开的第二方面涉及用于制造三维物体的装置,所述装置包括:具有夹持表面的夹具,该夹持表面构造成保持连续预成形材料的端部;具有设置在夹持表面上方的出料口的进料系统,该进料系统构造成将连续预成形材料给送到出料口与夹持表面之间的成形区;激光输送系统,其设置用于引导至少一条激光束穿过炉子进入成形区,在成形区内生成热斑;以及定位系统,其设置用于实现夹持表面与出料口之间的相对运动。在一些实施方式中,用于制造3D物体的装置还可包括包围成形区和出料口的炉子;以及设置在炉子外部的冷却元件,所述冷却元件构造成冷却出料口上方的连续预成形材料。在前述用于制造3D物体的装置的某些实施方式中,定位系统设置成实现三个正交方向上的相对运动,其中基座或夹具连接至定位系统。定位系统还可设置成实现旋转方向和倾斜方向中至少一个方向上的相对运动。根据用于制造3D物体的这些装置的其他实施方式,进料系统还可构造成以可变速度将连续预成形材料给送到成形区。在一些实施方式中,连续预成形材料可包含玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷中的至少一种。根据一些实施方式,连续预成形材料也可以是棒、纤维或管的形式。在前述用于制造3D物体的装置的附加实施方式中,该装置还包括连接至进料系统、激光输送系统和定位系统的控制器。此外,控制器构造成至少部分基于控制器与进料系统、激光输送系统和定位系统的通信控制成形表面或夹持表面与出料口之间的相对运动。本公开的第三方面涉及制造三维物体的方法,所述方法包括:在位于出料口与成形表面之间的成形区中生成热斑;将连续预成形材料经出料口给送到成形区,利用热斑选择性地将连续预成形材料的附接端部加热成粘性状态;将粘性状态的附接端部附接至成形表面;将连续预成形材料经出料口给送到成形区,利用热斑选择性地将连续预成形材料位于附接端部上方的成形部分加热至粘性状态;通过根据对象创建模式实现成形部分与出料口的相对运动在成形区形成物体。此外,对象创建模式至少部分基于对三维物体的描述。本公开的第四方面涉及制造三维物体的方法,所述方法包括:在位于进料口与夹持表面之间的成形区生成热斑;将连续预成形材料的附接端部附接至夹持表面;将连续预成形材料经出料口给送到成形区,利用热斑选择性地将连续预成形材料的成形部分加热至粘性状态;通过根据对象创建模式实现成形部分与出料口的相对运动在成形区形成物体。此外,对象创建模式至少部分基于对三维物体的描述。在前述制造3D物体的方法的某些实施方式中,生成热斑的步骤包括将至少一条激光束引导至成形区。该生成步骤还可包括将至少两条激光束引导至成形区,所述至少两条激光束设置成从不同方向到达成形区。根据前述制造3D物体的方法的其他实施方式,所述形成步骤可通过根据对象创建模式在三个正交方向上实现成形部分与出料口的相对运动来进行。所述形成步骤可附加包括根据对象创建模式在旋转方向和倾斜方向中的至少一个方向上实现成形部分和出料口的相对运动。进一步就第四方面而言,所述形成步骤也可这样进行,使得实现相对运动的步骤包括根据对象创建模式将夹持表面定位在成形区上方。在前述方法的一些实施方式中,连续预成形材料可包含玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷中的至少一种。根据一些实施方式,连续预成形材料也可以是棒、纤维或管的形式。本公开的第五方面涉及玻璃制品,其包含:包含连续材料的三维物体,所述材料包含玻璃;以及包含连续材料的悬垂特征,该特征通过从物体生发出来的至少一个构件限定。在一些实施方式中,所述从物体生发出来的至少一个构件与物体形成至少90度的角。连续材料可以是包含氧化硅的玻璃。此外,玻璃制品可通过前述制造3D物体的装置和方法中的任何装置和方法形成。在以下的详细描述中给出了其他特征和优点,这些特征和优点对本领域的技术人员而言,根据所作描述就容易看出,或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。应理解,前面的一般性描述和以下的详细描述都仅仅是示例性的,用来提供理解要求保护的本公开的性质和特性的总体评述或框架。所附附图提供了对本公开的进一步理解,附图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造三维物体的装置,其包含:具有成形表面的基座;具有位于成形表面上方的出料口的进料系统,该进料系统构造成将连续预成形材料给送到出料口与成形表面之间的成形区;包围成形表面、成形区和出料口的炉子;激光输送系统,其设置成引导至少一条激光束进入成形区,在成形区中形成热斑;以及定位系统,其设置成实现成形表面与出料口之间的相对运动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.18 US 62/423,9971.一种制造三维物体的装置,其包含:具有成形表面的基座;具有位于成形表面上方的出料口的进料系统,该进料系统构造成将连续预成形材料给送到出料口与成形表面之间的成形区;包围成形表面、成形区和出料口的炉子;激光输送系统,其设置成引导至少一条激光束进入成形区,在成形区中形成热斑;以及定位系统,其设置成实现成形表面与出料口之间的相对运动。2.根据权利要求1所述的装置,其中定位系统设置成在三个正交方向上影响所述相对运动,并且其中基座连接到定位系统。3.根据权利要求2所述的装置,其中定位系统还设置成在旋转方向和倾斜方向中的至少一个方向上影响所述相对运动。4.根据权利要求1所述的装置,其中进料系统还设置成以可变速度将连续预成形材料给送到成形区。5.根据权利要求1所述的装置,其中进料系统还包含进料源,该进料源能够绕连续预成形材料的进料轴线旋转。6.根据权利要求1所述的装置,还包含:设置在炉子外部的冷却元件,该冷却元件设置成冷却出料口上方的连续预成形材料。7.根据权利要求1所述的装置,其中连续预成形材料包含玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷中的至少一种。8.根据权利要求7所述的装置,其中连续预成形材料具有棒、纤维、管、片、板或带的形式。9.根据权利要求1所述的装置,还包含:与进料系统、激光输送系统和定位系统连接的控制器,其中控制器构造成至少部分基于控制器与进料系统、激光输送系统和定位系统的通信控制成形表面与出料口之间的相对运动。10.一种制造三维物体的装置,其包括:具有夹持表面的夹具,该夹持表面构造成保持连续预成形材料的端部;具有位于夹持表面上方的出料口的进料系统,该进料系统构造成将连续预成形材料给送到出料口与夹持表面之间的成形区;激光输送系统,其设置成引导至少一条激光束进入成形区,在成形区中形成热斑;以及定位系统,其设置成实现夹持表面与出料口之间的相对运动。11.根据权利要求10所述的装置,其中定位系统设置成在三个正交方向上影响所述相对运动,其中夹具连接到定位系统。12.根据权利要求11所述的装置,其中定位系统还设置成实现夹持表面在成形区上方的运动。13.根据权利要求12所述的装置,其中定位系统还设置成在旋转方向和倾斜方向中的至少一个方向上影响所述相对运动。14.根据权利要求10所述的装置,其中进料系统还设置成以可变速度将连续预成形材料给送到成形区。15.根据权利要求10所述的装置,其中进料系统还包含进料源,该进料源能够绕连续预成形材料的进料轴线旋转。16.根据权利要求10所述的装置,还包含:包围成形区和出料口的炉子;以及设置在炉子外部的冷却元件,该冷却元件设置成冷却出料口上方的连续预成形材料。17.根据权利要求10所述的装置,其中连续预成形材料包含玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷中的至少一种。18.根据权利要求17所述的装置,其中连续预成形材料具有棒、纤维、管、片、板或带的形式。19.根据权利要求10所述的装置,还包含:与进料系统、激光输送系统和定位系统连接的控制器,其中控制器构造成至少部分基于控制器与进料系统、激光输送系统和定位系统的通信控制夹持表面与出料口之间的相对运动。20.一种制造三维物体的方法,其包括:在位于出料口与成形表面之间的成形区形成热斑;给送连续预成形材料通过出料口进入成形区,利用热斑选择性地将连续预成形...

【专利技术属性】
技术研发人员:T·M·扎吉赛克李兴华M·菲希尔C·W·德鲁诺斯基M·T·加拉赫N·R·惠尔勒
申请(专利权)人:康宁股份有限公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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