[发明专利]用于操纵材料的装置和方法

说明书

提供了用于操纵材料的装置。该装置可以包括一个或多个以三维配置布置的定子线圈，以及至少一个载体被配置用于在其上移动的表面。该装置的定子线圈可被配置用于产生电磁场，用于驱动表面上的载体来操纵材料。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年12月22日提交的名称为“Apparatus and Methods forMaterial Manipulation”的美国临时专利申请号62/437,910的优先权，该申请出于所有目的以引用方式整体并入本文。

技术领域

本申请涉及用于材料操纵和运输的装置和方法，尤其是利用三维配置的磁性器件致动载体的装置和方法。

背景技术

机械系统长期用于材料操作和运输。例如，机械系统可以用于生成简单的二维(“2D”)编织预制件，如绳索和套管结构。然而，这些系统不容易配置，并且经常会遇到适应性差的问题。尤其是，现有的机械系统可能无法满足与三维(“3D”)编织相关的一些挑战和要求。在3D编织中，为了利用纤维沿某些方向上的特定强度，使用移动载体通过多条复杂路径对纤维进行布线。

复杂的机械系统可以实现更高程度的载体路径适应性，并可用于3D编织。然而，由于尺寸的限制以及需要制造的部件的尺寸复杂性，这些系统很难实现。例如，制造部件时会遇到挑战，这些部件可以通过各种复杂的路径被精确地固定、移动和通过载体。

在一些情况下，可以通过用电磁系统替换机械系统来获得更大程度的载体路径适应性。然而，现有的电磁系统存在一些缺点，如在载体运动过程中无法保持线张力，这可能会增加载体弹出或失准的风险。这使得现有的电磁系统不适用于需要适当的线张力或精确对准的3D编织应用。从上面可以看出，需要一种改进的装置和方法来实现高程度的载体路径适应性。

发明内容

公开了用于材料操纵(material manipulation)和运输的改进装置和方法。所述装置可以包括电磁致动系统，所述系统可以移动周围的材料或部件。例如，所述装置可以包括具有下方定子线圈的表面，所述定子线圈在所述表面上方产生电磁场。所述定子线圈可以以2D平面配置或3D配置进行布置。在一些情况下，所述定子线圈可以用可移动永磁体或可切换永磁体代替。用于容纳材料或部件的一个或多个载体可以耦合到所述装置的表面。使用所述电磁场施加的多个力，可以控制这些载体以不同的速度和加速度沿各种复杂路径在所述表面上移动。所述装置提供高度的载体路径适应性，并且可以容易地配置用于不同的应用。在一个实例中，所述装置可用于形成复杂的3D结构，如3D编织结构或3D打印结构。这可以通过例如使用所述表面上的所述载体沿复杂的运动路径运输和分配材料来实现。可由所述装置操纵的材料的实例包括纤维、粉末、油墨、液体聚合物或复合材料。在另一个实例中，可以按照类似传送机的方式在所述装置的表面上传送部件，甚至可以将部件组装在一起形成中间产品或成品。所述装置可以由许多易于组装和拆卸的分立组件形成。这允许所述装置按比例缩放以满足不同的制造要求。例如所述，装置可以用于制造具有各种形状、大小和功能的产品。

所述装置可以包括表面，至少一个载体被配置成在所述表面上移动。磁性器件可以以3D配置在装置中提供。所述3D配置可以包括球体或多面体配置。所述磁性器件可被配置用于提供用于驱动所述表面上的所述载体的磁场。所述磁性器件可以包括定子线圈、可移动永磁体或可切换永磁体。在一些情况下，所述磁性器件中的一个或多个组件的位置和/或取向可以是可调整或可移动的，以改变所述磁场的状态。在一些实例中，所述磁性器件可以包括具有相同或不同线圈直径的定子线圈。可选地，所述定子线圈可被布置成在所述线圈之间具有不同的间隔。在所述装置表面下方可以以3D配置提供不同密度的定子线圈。

所述表面可以包括以网格图案布置的多个载体导板。所述载体导板可以通过定义多个轨道的间隙间隔开。所述载体可被配置成以平移或旋转的方式沿着所述轨道移动。所述轨道还可以允许所述载体在运动过程中改变其方向。在一些情况下，无需在所述表面上提供轨道。例如，表面可以包括无轨道承载层，一个或多个载体可以在所述承载层上移动。