[发明专利]非接触式操纵设备、组装方法和3D打印

说明书

用于材料和诸如电子部件之类的部件的非接触式操纵的设备，包括：材料和/或部件供给装置(5)；声学换能器阵列(1)；至少一个材料和/或部件连接(熔化、固化、焊接)装置(6)；基座(8)，在所述基座(8)上形成物体；具有可执行程序的计算单元。所述程序用来控制生成颗粒操纵所需的声场的声学换能器。所述控制程序能够接收和处理来自反馈装置的信号以估测材料颗粒或部件的位置并提高操纵精度。

技术领域

本发明涉及3D打印，特别涉及采用材料和部件的基于声场的非接触式操纵的打印。

背景技术

塑料、玻璃或金属部件、电子部件或集成电子电路通常使用各种成形装置(例如自动组装线或三维打印机)分开制造。随后，手动或自动地将这些部件组装成最终产品。这样的产品组装需要单独的生产和组装设备，并且组装过程需要额外的生产时间，这导致更高的生产成本。接触式组装在微观和宏观尺度上都是在机械方面而言复杂的过程。用于小型部件的接触式组装技术通常受到防止物体从夹具释放的电场力的限制。对于自动化机械，操纵具有不同物理特性(几何形状、弹性等)的材料是复杂的。所述缺陷能够通过使用非接触式操纵方法和装置来避免。三维声学操纵技术的一个应用是利用声悬浮将小尺寸物体定位在三维空间中。物体可以在气体和液体介质两者中从一个位置运送到另一个位置，并且通过改变声场参数进行组合。与接触式组装技术相比，声悬浮可以适于管理更大范围的材料，具有更高的运行速度和高空间分辨率。

有许多已知的用于组装电子部件的机器人装置，例如美国专利No.4,637,134中公开的用于将电子部件插入到印刷电路板上的预定位置的设备。然而，该装置用作用于将电子部件插入由其他装置生产的另一个产品中的接触式操纵器。

存在一种已知的方法，其使用包括由多个超声学换能器构成的彼此面对的两个至四个平面的装置在三个维度中操纵气态介质中的颗粒(Yoichi Ochiai,Takayuki Hoshi,Jun Rekimoto“Pixie dust:graphics generated by levitated and animated objectsin computational acoustic-potential field”,ACM Transactions on Graphics(TOG)-Proceedings of ACM SIGGRAPH 2014TOG，第33卷第4期，2014年7月)。每个超声学换能器都是单独操作的，这允许同时管理一定轨迹的多个物体。可以控制悬浮物体以形成预定的簇。但是，这种方法和设备并不旨在用于三维产品的生产和组装。

美国专利No.5,500,493公开了一种声悬浮装置，其具有来自多个传感器的反馈，以维持物体的稳定和精确的空间定位。但是，该装置不适于在三维空间中运送部件或材料以用于三维产品的生产和组装。

最接近的现有技术被认为在美国专利No.6,766,691中公开。所述专利公开了使用光声成型来定位颗粒或颗粒簇的方法和设备。使用声学换能器和位于颗粒或颗粒群周围的反射器产生驻波，并且颗粒悬浮在空气中。这些驻波通过影响颗粒表面来改变颗粒簇的形状。加热梁用于熔化悬浮的颗粒簇以形成固体物体。所述方法的缺点之一是缺乏连接多个部件和/或制造产品的可能性。

本发明设计为用于使用材料和/或部件的非接触式声学操纵而由不同材料和/或部件制造产品。

发明内容

用于材料和部件(例如电子部件)的非接触式操纵的设备包括：材料和/或部件供给装置；声学换能器阵列；至少一个材料和/或部件连接(熔化、固化或焊接)装置，在该装置上形成物体；可选的反馈信号发生装置；以及计算单元，例如具有存储可执行程序的数字数据介质的常规台式计算机，该计算单元接收并处理来自反馈装置的信号并控制用于期望声场的产生的声学换能器，例如，将声能聚焦到空间中的特定点。