DE69206443T2

DE69206443T2 - Verfahren und Vorrichtung zur rechnergesteuerten Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen aus Rechnerdaten.

Info

Publication number: DE69206443T2
Application number: DE69206443T
Authority: DE
Inventors: Steven M Penn
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1991-01-31
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2012-01-30
Also published as: CA2060230A1; NO920411L; AU1057792A; DK0500225T3; CA2060230C; ES2081564T3; MX9200394A; US5260009A; NO304764B1; BR9200329A; KR100221295B1; ATE131111T1; JPH06179243A; EP0500225A1; JP3179547B2; EP0500225B1; DE69206443D1; NO920411D0; AU653577B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein computergesteuertes Verfahren sowie ein System zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten ausgehend von Computerdaten, verwendend ein computergesteuertes Aufbringen von mehreren Medien und das selektive Entfernen von Material.

Beschreibung des verwandten Standes der Technik

Nachdem komplizierte Designs den Bedarf für eine schnelle Prototypenherstellung steigen lassen, erfordert dieser Bedarf einer sofortigen Rückkopplung, daß Modell- oder Maschinenhersteller komplexe Bauteile in geringen Auflagen mit einer minimalen Vorbereitungszeit und Arbeitszeit herstellen. Allerdings sind die meisten Herstellungsverfahren langsam, aufwendig und teuer.
Während manuelle Bearbeitungs- und Formgebungsverfahren bei einfachen Designs oft kostengünstig und effektiv sind, können die Kosten bei den für komplexe Bauteile und Baugruppen notwendigen Iterationen prohibitiv sein. Zur Automatisierung von komplexen Herstellungen werden in großem Umfang von einem Computer numerisch gesteuerte Maschinen (CNC-Maschinen) verwendet; diese sind jedoch beim Betrieb, der Wartung und der Programmierung für die Einzelstückherstellung teuer.
Das am weitesten bekannte System auf dem Gebiet der schnellen Prototypenherstellung ist die Stereolithographie. Dieses System erzeugt komplexe Bauteile aus Computerdaten, indem ein Satz von computergesteuerten Spiegeln verwendet wird, um einen Laserstrahl ausgewählte zweidimensionale Bereiche eines in einer Wanne enthaltenen flüssigen Photopolymers überstreichen zu lassen und so eine Schicht aus festem Polymer zu erzeugen. Die ausgehärtete Schicht, welche mit einer Plattform verbunden ist, wird in die Wanne abgesenkt, und auf den vorhergehenden Schichten werden neue Schichten erzeugt, um ein dreidimensionales Bauteil zu bilden.
Wenn das Bauteil fertig ist, wird das überschüssige Harz mit einem Lösungsmittel entfernt, und es werden sowohl die Plattformbefestigung als auch alle überhängenden Stützen von dem gewünschten Objekt abgeschnitten. Ein zusätzliches Belichten ist notwendig, um eingeschlossene Flüssigkeit aushärten zu lassen.
In der EP-A-0 322 257 ist ein ähnliches Verfahren offenbart, bei dem jede Schicht eines Objektes gebildet wird, indem die Photosatzflüssigkeit durch eine Maske belichtet wird, und bei dem die nichtausgehärtete Flüssigkeit entfernt und durch eine Schicht aus nichtphotoaushärtbarem Trägermaterial ersetzt wird, beispielsweise Wachs, bevor die nächste Flüssigkeitsschicht aufgebracht wird.
Ein Hauptnachteil bei der Stereolithographie und bei ähnlichen Ansätzen besteht darin, daß Trägerstrukturen vorgesehen werden müssen, welche das Objekt mit der Plattform verbinden und alle Überhänge, großen Spannweiten oder getrennte Bereiche befestigen. Das Hinzufügen dieser Strukturen zu dem CAD-Modell und das nachfolgende manuelle Entfernen von dem Bauteil während des Reinigens ist arbeitsaufwendig und erfordert oft besondere Fähigkeiten.
Ein weiterer Nachteil sind die zusätzlichen Betriebs- und Umweltsicherheitsmaßnahmen, die bei der Verwendung von Lasern oder Harzen notwendig sind. Die bei diesem Verfahren und beim Reinigen verwendeten Chemikalien erfordern eine spezielle Handhabung, Belüftung und Lagerung, um das Bedienungspersonal und den Arbeitsplatz zu schützen. Beim Entfernen des Harzes und beim Reinigen werden große Mengen an Abfall erzeugt. Das Photopolymer ist teuer und kann nicht wiederverwendet werden. All dies macht eine Einrichtung in üblichen Arbeitbereichen oder Büros aufgrund der Abmessungen und aus Umweltgründen unmöglich. Aufgrund der delikaten Eigenschaften von Lasern und Optiken ist außerdem die Installation und Kalibrierung sehr schwierig. Aufgrund der Komplexität des Systems und der Kosten des Lasers ist die Wartung teuer.
Ein weiteres Lithographieherstellungsverfahren, welches in der US-A-4 247 508 (Fign. 15-17) beschrieben ist, ist das selektive Lasersintern. Dieses Verfahren verwendet einen Wärmelaser, um ausgewählte Bereiche eines pulverförmigen Materials, beispielsweise Wachs, Kunststoff oder Metall, aufzuschmelzen (zu sintern). In der Praxis wird eine mit Pulver gefüllte Wanne von dem Laser überstrichen, wodurch einzelne Partikel schmelzen, welche dann an benachbarten Partikeln anhaften. Wie bei der Photopolymer-Lithographie werden aufeinanderfolgend Schichten des geschmolzenen Pulvers behandelt. Ein Vorteil des Sinterverfahrens besteht darin, daß das nichterwärmte Pulver als Träger für das Bauteil bei seiner Herstellung dient. Dies bedeutet, daß das nichterwärmte Pulver von dem Objekt abgeschüttelt oder abgebürstet werden kann.
Allerdings ist auch das selektive Lasersintern ein komplexes teures optisches System. Die Auflösung des fertigen Bauteils ist auf den Durchmesser des Strahls begrenzt, der üblicherweise 250-500 um (0,01"-0,02") beträgt. Außerdem wird in einem zusätzlichen Schritt das Pulver durch eine Rollbürste aufgebracht und geebnet, was weitere elektromechanische Bauteile erfordert. Unglücklicherweise verursacht das Ebnen von feinen Pulvern mittels einer Rollbürste oft eine nichthomogene Packungsdichte. Außerdem ist, obwohl Pulver weniger als Flüssig-Photopolymer-Systeme kostet (hinsichtlich Material und Arbeit) das Erzielen einer 30 um-Schicht schwierig. Ein aus diesem Pulver erzeugtes Objekt hat eine mittelmäßige Auflösung, eine ungleichförmige Oberfläche und oft eine nicht-homogene Struktur.
Vom Massachusetts Institut of Technology wurde eine Untersuchung hinsichtlich der Herstellung durch dreidimensionales Drucken durchgeführt. Bei dieser Untersuchung wird ein Keramikpulver aufgebracht, wobei eine breite Zufuhrvorrichtung über einer Wanne oder Schale verwendet wird. Dann wird auf selektierte Bereiche des Pulvers ein Silica-Bindemittel gedruckt, um einen festen Querschnitt zu bilden. Das Verfahren wird wiederholt, um einen Stapel von Querschnitten zu bilden, der das fertige Objekt darstellt.
Bei diesem Ansatz werden die gleichen Probleme des Aufbringens des Pulvers wie beim selektiven Lasersintern erfahren, wobei zusätzlich die Schwierigkeit des Entfernens von ungebundenem Pulver aus inneren Hohlräumen auftritt. Außerdem sind die mittels dieses Systems erzeugten Objekte nicht wiederverwertbar. Die Untersuchung des MIT bezog sich auf die Herstellung von Keramikformen. Dann wird Metall oder ein anderes Material in die Form eingespritzt oder eingegossen, die nachher von den Gußteilen weggebrochen wird. Unglücklicherweise können die Innenhohlräume der Form, welche die fertigen Teile bestimmen, nicht leicht untersucht werden, was zu einem teuren Trial- und Error-Prozeß zum Erzielen von genauen Bauteilen führt.
In der US-A-4 247 508 ist ein Verfahren offenbart, bei dem jede Schicht in einer Matrix gebildet wird, wobei einige Zellen der Matrix mit das Objekt bildendem Material und einige mit die Form bildendem Material gefüllt sind. Die Materialien können beispielsweise Formgips in einer Sandform sein, wobei in diesem Fall der Formgips durch Hinzufügen von Wasser zu dem gesamten Stapel ausgehärtet wird, oder eine Mischung aus Epoxid und Härter in einer unausgehärteten Epoxidmatrix, wobei in diesem Fall das Objekt nach und nach beim Fortgang des Gießens aushärtet.
In der US-A-4 749 347 ist eine Vorrichtung offenbart, welche ein dreidimensionales Objekt auf einer Plattform bildet, indem Streifen aus Kunststoffmaterial extrudiert werden. In einer Ausführungsform ist jeder Streifen eben und senkrecht zur Plattform, und er erstreckt sich von der Plattform zur oberen Oberfläche des Objektes: das sich ergebende Objekt weist einen flachen Boden auf und ist massiv, und es kann keinerlei Überhänge oder Hohlräume enthalten. In einer zweiten Ausführungsform folgt jeder Streifen der Außenlinie des Objektes in einer zur Plattform parallelen Ebene, und er ist von dem unmittelbar vorhergehenden Streifen getragen, so daß eine hohle Schale gebildet wird.
Weitere im Stand der Technik aufgefundene Probleme bestehen darin, daß: - keine variable Oberflächenfarbe geschaffen oder mehr als ein Materialmedium für die Herstellung des gewünschten Objektes verwendet werden kann, - die Unterstützung bei Überhängen, großen Spannweiten oder losgelösten Bereichen nicht automatisch entfernt werden kann, - kein automatisiertes System zum physischen Reproduzieren von dreidimensionalen Computerdesigns und -bildern geschaffen werden kann. Die gegenwärtig verfügbaren Systeme sind teuer, das von ihnen verwendete Medium kann nicht wiederverwertet werden, und sie ermöglichen keine automatische Handhabung der Bauteile nach der Herstellung aufgrund der Verwendung von Pulvern und Harzen als Schüttgut, die Behälter anstelle von Förderplattformen erfordern. Daher sind gegenwärtig Verbesserungen wünschenswert, welche einige oder alle dieser Probleme überwinden.
Im Hinblick auf die obengenannten Probleme des Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein computerunterstütztes Herstellungssystem, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Objektes in mehr als einem Materialmedium und/oder mit mehr als einer Oberflächenfarbe zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein automatisiertes System, eine automatisierte Vorrichtung sowie ein Verfahren zum physischen Reproduzieren von dreidimensionalen Computerdesigns und -bildern zu schaffen, einschließlich einer automatisierten Handhabung der Bauteile nach der Herstellung.
Es ist eine wiederum weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum automatischen Entfernen der Mediumunterstützung bei Überhängen, großen Spannweiten, getrennten Bereichen und ähnlichem von dem hergestellten Objekt zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Objektes unter Verwendung eines wiederverwertbaren Mediums zu schaffen.
Die Erfindung schafft ein computergesteuertes Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten, enthaltend die folgenden Schritte:
a) Aufbringen einer Schicht aus einem ersten flüssigen Material auf eine Zielfläche an ausgewählten Stellen, welche einem Querschnitt eines dreidimensionalen Objekts entsprechen, wobei dieses Medium aushärtet, wenn es derart aufgebracht ist;
b) Aufbringen eines zweiten Materials auf die erste Schicht aus ausgehärtetem ersten Material, um das ausgehärtete erste Material einzukapseln;
c) Ebnen der Oberfläche des einkapselnden zweiten Materials;
d) Aufbringen einer weiteren Schicht aus dem ersten Material auf die geebnete Oberfläche an ausgewählten Stellen, welche einem weiteren Querschnitt des dreidimensionalen Objekts entsprechen;
e) Wiederholen der Schritte (b) bis (d), um das dreidimensionale Objekt zu bilden; und
f) selektives Entfernen des zweiten Materials von dem ersten Material, um das aus dem ausgehärteten ersten Material gebildete dreidimensionale Objekt hervorzubringen.
Die Erfindung schafft auch ein System zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten ausgehend von Computerdaten, mit: einer im wesentlichen ebenen Zielfläche, wenigstens einer gesteuerten Abgabevorrichtung, um wiederholt ein erstes Material in einem flüssigen Zustand auf der Zielfläche an Stellen aufzubringen, welche einem Querschnitt eines herzustellenden Objekts entsprechen, wenigstens einer Abgabevorrichtung, um wiederholt ein das erste Material einkapselndes zweites Material auf zusprühen, wenigstens einer Schneidvorrichtung, um das eingekapselte Material zu ebnen, damit die Zielfläche zur Aufnahme von zusätzlich aufgebrachtem ersten Material vorbereitet ist, und einem Träger-Entfernsystem zum Entfernen der Zielfläche und des zweiten Materials, wobei das erste Material intakt bleibt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen verwenden ein Verfahren und ein Prozeß zum computergesteuerten Herstellen von gewünschten dreidimensionalen Objekten das Aufbringen einer Schicht aus flüssigem unlöslichen Material auf eine Plattform an gewünschten Stellen. Das flüssige Medium härtet aus, wenn es die Plattform berührt; obwohl die Verwendung einer wasserlöslichen Plattform bevorzugt wird, kann die Plattform dauerhaft sein. Dann wird ein wasserlösliches Medium aufgesprüht, um das ausgehärtete unlösliche Medium einzukapseln. Auch dieses wasserlösliche Medium härtet bei Berührung aus. Dann wird die oberste Oberfläche des einkapselnden Materials geebnet, wodurch ein Teil des wasserlöslichen einkapselnden Materials entfernt wird, um das darunterliegende unlösliche Material für ein neues Aufbringen in einem Muster freizulegen. Die sich ergebenden Überbleibsel des Ebnens werden entfernt, und auf die geebnete Oberfläche wird eine weitere Schicht aus flüssigem unlöslichen Material aufgebracht. Diese zweidimensionalen Sprühmuster werden nacheinander gedruckt oder "gestapelt", um ein von einer wasserlöslichen Form umgebenes dreidimensionales Objekt zu bilden. Dieser Zyklus des Aufbringens einer flüssigen unlöslichen Mediumschicht und einer wasserlöslichen einkapselnden Schicht, gefolgt durch das Ebnen und Entfernen der Überbleibsel des Ebnens, ist als ein Druckzyklus bekannt, und er wird fortgeführt, bis das dreidimensionale Objekt vollständig ist. Dann wird das Objekt in Wasser eingetaucht, wodurch die wasserlösliche Form aufgelöst wird und das dreidimensionale Objekt intakt gelassen wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält ein System zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten ausgehend von Computerdaten wenigstens eine Objektabtast- und Bildaufnahmevorrichtung, die zum Erzeugen und Speichern von speziellen Daten bezüglich des gewünschten dreidimensionalen Objektes verwendet wird. Diese Daten werden zu einem Mikroprozessorsteuersystem gesandt, welches die empfangenen Daten in aufeinanderfolgende Querschnitte des physisch herzustellenden dreidimensionalen Objektes verarbeitet.
Wenigstens eine Abgabevorrichtung sprüht eine Schicht von wenigstens einem eutektischen Material auf vorbestimmte Bereiche auf einer Zielfläche, und wenigstens eine Düse sprüht wasserlösliches Material, um basierend auf Eingaben von dem Mikroprozessorsteuersystem die Schicht aus eutektischem Material einzukapseln. Das exakte Positionieren der aufgesprühten Materialien ist nicht nur von dem vom CAD- System empfangenen Muster bestimmt, sondern auch durch einen Satz von Linear-Positionierungsvorrichtungen, welche die wenigstens einmal vorgesehene Abgabevorrichtung, die wenigstens einmal vorgesehene Düse oder die Zielfläche gemäß den von dem Mikroprozessorsteuersystem empfangenen Vorgaben bewegen.
Wenn eine Schicht aus eutektischem Material mit dem wasserlöslichen Material eingekapselt ist, ebnet eine mikroprozessorgesteuerte Schneidvorrichtung das eingekapselte Material ein, um das darunterliegende eutektische Material freizulegen, während eine mikroprozessorgesteuerte Vakuumvorrichtung das unerwünschte geebnete Material entfernt. Wenn alle Druckzyklen beendet sind, werden das fertige Objekt und die Form in ein Wasser verwendendes Träger-Entfernsystem eingetaucht, wodurch die wasserlösliche Form aufgelöst und das dreidimensionale Objekt intakt gelassen wird.
Ein Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens besteht darin, daß ausgewählte Schichten aus einem flüssigen unlöslichen Material und selbst ausgewählte Stellen innerhalb einer Schicht mit einer anderen Farbe als die verbleibenden Schichten des flüssigen unlöslichen Materials ausgeführt werden können, wodurch der gesamte Bereich an Farben und alles von einer leichten Schattierung bis zu abrupten Farbänderungen innerhalb desselben hergestellten Objektes möglich sind. Dieser Aspekt ermöglicht, qualitativ hochwertige Modelle, welche Details sichtbar machen, für einen weiten Bereich von Anwendungen herzustellen, beispielsweise wissenschaftliche, medizinische und geologische Studien, um einige zu nennen. Außerdem können durch die Verwendung von mehr als einem Typ von unlöslichem Material auch unterschiedliche Strukturen erzeugt werden. Ferner sind durch die geeignete Wahl des unlöslichen Mediums wie Wachs, thermoplastischer Kunststoff, etc. und durch die Verwendung des wasserlöslichen Mediums für eine Form das Formmedium und das Objekt selbst wiederverwertbar.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich dem Fachmann aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, welche sich auf die beigefügte Zeichnung bezieht. In dieser zeigen:

Beschreibung der Zeichnungen

- Figur 1a eine perspektivische Ansicht einer automatisierten Station zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
- Figur 1b eine perspektivische Darstellung eines Beispiels eines gemäß der Erfindung hergestellten dreidimensionalen Objektes;
- die Figuren 2a-c eine Vorderansicht, eine Draufsicht, bzw. eine Seitenansicht von links von einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Systems zum schnellen Herstellen von Prototypen aus Figur 1a gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines Mikroprozessors und einer Wanne zum Wasserspülen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
- Figur 4 ein Verfahrens-Flußdiagramm, welches ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer Druckkopf-, Inspektions- und Reinigungsstation gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
- die Figuren 6a und 6b Diagramme von Kurvenformen, welche das Detektorausgangssignal gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergeben;
- die Figuren 7a bis 7c Ansichten der sich ergebenden Struktur während ausgewählter Verfahrensschritte zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Figur 4; wobei das Objekt aus einem Material mit niedrigem Schmelzpunkt hergestellt ist; und
- die Figuren 8a-c Ansichten der sich ergebenden Struktur während ausgewählter Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt oder einer hohen Viskosität hergestellten, dreidimensionalen Objektes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Figur 4.
Wenn nicht anders angegeben, bezeichnen übereinstimmende Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren die gleichen Teile.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die vorliegende Erfindung erzeugt exakte Kopien eines CAD- Modells ohne eine Bearbeitung, die in einer üblichen Arbeitsumgebung betrieben werden kann, da keine Umweltgefahr besteht.
Wann immer hier auf CAD-Bilder Bezug genommen wird, kann davon ausgegangen werden, daß auch Bilder von anderen Objektabtast- und Bildaufnahmevorrichtungen maßstabsgerecht durch Verwendung der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden können. Ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu begrenzen, beziehen sich solche üblicherweise verwendeten Vorrichtungen auf computer-aided design (CAD), computeraided manufacturing (CAM), computer-aided engineering (CAE), Computertomographie (CT), die Bilddarstellung mittels magnetischer Resonanz (MRI), Positron-Emission-Tomographie (PET), Laser-Kopierfräser, Konfokal-Abtastmikroskopie (CSM), Infrarot-Bilderstellungsvorrichtungen, Elektronenmikroskopie etc. Auf diese Weise kann mit dieser Erfindung eine unzählbare Vielzahl von Subjekten in Farbe reproduziert werden, einschließlich Modelle von Lebewesen oder Pflanzen, und sogar Himmelskörper können reproduzierte Objekte sein.
Figur 1a ist eine perspektivische Zeichnung einer automatisierten Station zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine oder mehrere mikroprozessorgesteuerte Verteil- oder Druckvorrichtungen 10, welche einen Druckkopf 20 enthalten, pumpen eutektisches Material in flüssigem Zustand entweder als Tropfen oder dünner Strahl auf eine allgemein ebene Zielfläche, beispielsweise eine Plattform 15. Die Plattform 15 dient als eine Basis für den ersten und die folgenden Druck- und Sprühschritte. Unabhängige, computeradressierbare Abgabevorrichtungen 10 sind vorzugsweise Farbdüsen wie diejenigen eines Farbplotters oder eines Farbseitendruckers, die dafür ausgelegt sind, geschmolzenes Wachs, geschmolzenen Kunststoff oder anderes Material zu versprühen. Die Druckvorrichtungen 10 innerhalb des Druckkopfes 20 werden gemäß einem zweidimensionalen Datenplan ein- oder ausgeschaltet, der in einem Mikroprozessor gespeichert ist und von diesem übermittelt wird.
Der Begriff "Mikrocomputer" wird manchmal in der Bedeutung verwendet, daß der Mikrocomputer einen Speicher benötigt und ein "Mikroprozessor" nicht. Hier können diese Begriffe auch synonym verwendet werden, und sie beziehen sich auf äquivalente Dinge. Der Ausdruck "Verarbeitungsschaltung" enthält anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), programmierbare Array-Logik (PALs), programmierbare Logik-Anordnungen (PLAs), Decoder, Speicher, nicht auf Software basierende Prozessoren oder andere Schaltungen oder Digitalcomputer, welche Mikroprozessoren und Mikrocomputer jedes Aufbaues oder jeder Kombination daraus enthalten. Der Begriff "enthalten" ist hinsichtlich des Bereichs der Erfindung im Sinne einer nicht erschöpfenden Aufzählung zu verstehen.
Für die Herstellung der Plattform 15 aus einem wasserlöslichen Material wird ein "nicht dargestelltes) Spritzgußwerkzeug verwendet. Das Gußwerkzeug kann Druck- oder Vakuumöffnungen sowie Kühl/Heiz-Mechanismen aufweisen, um den Gußprozeß zu beschleunigen. Zusätzlich kann der Gußwerkzeughohlraum eine variable Querschnittsdicke in Abhängigkeit von der Geometrie des gewünschten Objektes aufweisen. Weniger wünschenswert als wasserlösliche Plattformen sind aus Metall oder anderen nichtlöslichen Materialien, beispielsweise Keramiken oder speziellen Kunststoffen, hergestellte Plattformen, da sie den Bereich vermindern, der während der Waschphase dem Lösungsmittel ausgesetzt ist.
Wie in Figur 1a dargestellt ist, wird ein Material oder werden mehrere Materialien 25 durch Hitze oder ein anderes Verfahren in einen flüssigen Zustand überführt, und sie werden durch den Druckkopf 20 ausgespritzt, so daß sie auf die Plattform 15 treffen, wo die Materialien 25 schnell aushärten und haften bleiben, wodurch eine Schicht in einem zweidimensionalen Muster mit einem variablen Querschnitt erzeugt wird. Mehrere solcher Schichten, die nacheinander übereinanderliegend gebildet sind, sind als ein Stapel bekannt. Obwohl das Objekt 55, welches einen Stapel von Schichten aus Materialien 25, 35 enthält, die gemäß den Mikroprozessor-Anweisungen aufgebracht sind, in Figur 1a mit sichtbaren Schichten dargestellt ist, ist dies ausschließlich zur Erläuterung und Verdeutlichung so dargestellt. In der Praxis haben diese Schichten eine Dicke von vorzugsweise 125 um (0,005"), und sie sind für das menschliche Auge nahezu unsichtbar.
Eine beheizte Düse oder mehrere beheizte Düsen bzw. Pistolen 30 (besser in der Ausführungsform der Figuren 2a-c zu sehen) sprühen eine zufällige Beschichtung aus vorzugsweise wasserlöslichem Material 35 auf, wodurch die vorher gedruckten, nicht zufälligen und unlöslichen Muster eingekapselt werden. Ein Materialaufbewahrungs- und Liefersystem 40, welches ausführlicher in Verbindung mit den Figuren 2a-c dargestellt wird, stellt Behälter für jedes der gemäß der vorliegenden Erfindung aufzubringenden Materialien 25, 35 bereit. Durch die Verwendung von geheizten Düsen oder Pistolen 30 zum Abgeben des wasserlöslichen Materials 35 ist die Lebensdauer des Druckkopfes 20 erhöht, da er nicht für irgendein wasserlösliches Material verwendet wird. Aufgrund der Verwendung der Vorrichtung 30 oder Vorrichtungen 30 zum zufälligen Sprühen, welche keine ausführlichen Anweisungen zum Richten von gesprühten Partikeln auf spezielle Punkte x, y benötigen, wird zusätzlich eine signifikante Verminderung des Volumens der Computerdaten und der Verarbeitung der Computerdaten erzielt.
Das wasserlösliche Material 35 ist vorzugsweise bei Raumtemperatur fest und weist geschmolzen eine Viskosität auf, die kompatibel mit üblichen Ausrüstungen zum Farbsprühen sind, und das Material weist nach dem Aufbringen und Aushärten gute Eigenschaften bei der maschinellen Bearbeitung auf. Das Material 35 trägt während der Herstellung das gewünschte unlösliche dreidimensionale Objekt, und es kapselt es ein. Wie in Figur 1b gesehen werden kann, gewährleistet die Wasserdispersionseigenschaft des Materials 35, daß nach dem Eintauchen in einen Wasserbehälter ein nur aus Material 25 bestehendes, sehr sauberes dreidimensionales Objekt 55 übrigbleibt.
Ein wasserlösliches Material wird gegenüber den bei den anderen, vorher diskutierten Systemen verwendeten Trägermaterialien bevorzugt, beispielsweise gegenüber Pulver (welche leicht eine rauhe, flockige Oberfläche zurücklassen) oder UV-aushärtbare Harze (die manuell mit einem Schneidwerkzeug oder einer Schleifmaschine entfernt werden müssen) Verfahren mit Pulver als Träger stellen außerdem keine geeigneten Haltekräfte gegen ein Verziehen des Objektes bereit. Die Verwendung von wasserlöslichen Materialien oder Materialien wenigstens mit niedrigem Schmelzpunkt ermöglicht dem Anwender der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zu anderen Materialablagerungssystemen, komplexe Merkmale wie Ausleger oder an Decken oder Wänden aufgehängte Objekte oder sogar beispielhaft und nicht einschränkend so komplizierte und komplexe Objekte wie ein Schiff in einer Flasche herzustellen. Zusätzlich sind wasserlösliche Materialien sehr billig, und sie müssen nicht notwendigerweise mit dem Druckkopf 20 gedruckt werden, sondern sie können schnell und kostengünstig mit Düsen 30 aufgesprüht werden.
Obwohl insgesamt die Verwendung eines wasserlöslichen Materials als Form bevorzugt wird, wird darauf hingewiesen, daß das Material 35 ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt sein könnte, welches dann entfernt wird, indem es Wärme ausgesetzt wird, oder ein alkohollösliches Material, welches aufgelöst würde, wenn es in Alkohol eingetaucht wird. Im allgemeinen werden unterschiedliche Eigenschaften der Form und des Objektes ausgenutzt, um die Form zu entfernen, ohne das Objekt anzugreifen. Somit wird, nachdem die letzte Schicht gedruckt ist, der Träger weggeschmolzen oder aufgelöst, wobei das dreidimensionale Objekt intakt gelassen wird, von dem ein Beispiel in Figur 1b dargestellt ist. Diese Materialien werden, obwohl sie häufig nicht so wünschenswert sind wie wasserlösliche Materialien, gegenüber den oben in Verbindung mit anderen Materialaufbringsystemen diskutierten Trägermaterialien bevorzugt, und ihre Verwendung liegt im Bereich der vorliegenden Erfindung.
Positionierungsvorrichtungen 45, die entlang den Achsen X, Y, Z eines kartesischen Koordinatensystems (welches so in Figur 1a bezeichnet ist) angeordnet sind, bewegen den Druckkopf 20 und/oder die Zielfläche 50 in Übereinstimmung mit Computeranweisungen. Die Zielfläche 50 ist für die erste aufgebrachte Schicht eine Plattform 15 und für jede nachfolgende aufgebrachte Schicht die vorhergehende aufgebrachte Schicht. Insbesondere können die Positionierungsvorrichtungen 45 jedes dreidimensionale Objekt vollständig definieren, vorzugsweise durch Bewegen der Zielfläche 50 horizontal (Y) oder vertikal (Z) und durch Bewegen des Druckkopfes 20 horizontal (X) über die Zielfläche 30. Die Positionierungsvorrichtungen 45 verwenden Drehmotoren 48, um die Zielfläche 50, die Sprühvorrichtungen 30 und den Druckkopf 20 zu bewegen. Es wird darauf hingewiesen, daß auch andere Motoren wie etwa Linearmotoren anstelle des Drehmotors 48 verwendet werden können.
Es sollte von Beginn an erkannt werden, daß die Positionierungsvorrichtungen 45 eine volumetrische Positionierungsvorrichtung oder eine mit einer linearen Positionierungsvorrichtung zusammenwirkende ebene Positionierungsvorrichtung oder drei lineare Positionierungsvorrichtungen sein können, etc.; ein solches Detail sollte den Bereich der Erfindung in keiner Weise einschränken.
In den Figuren 2a-c sind eine Vorderansicht, eine Draufsicht und eine Seitenansicht von links einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Systems zur schnellen Prototypenherstellung von Figur 1a gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hinsichtlich der in den Figuren 2a-c dargestellten Elemente, welche den vorhergehend in Verbindung mit der Ausführungsform von Figur 1a beschriebenen entsprechen, wird auf die dortige Beschreibung Bezug genommen. Wie durch einen Vergleich der Figuren 1a und 2a-c gesehen wird, ist die genaue Positionierung der Elemente eines erfindungsgemäßen Systems belanglos mit der Ausnahme, daß der Druckkopf 20 und die Sprühvorrichtung oder Sprühvorrichtungen 30 vorzugsweise so angeordnet sind, daß sie die Materialien senkrecht auf die Zielfläche 50 aufbringen.
Das in den Figuren 2a-c dargestellte System zur Prototypenherstellung ruht auf einem Trägertisch 56. Auslegerträger 58 verstärken Träger 62, um einen Sturzträger 64 zu verstärken, an welchem der oder die Druckköpfe 20, die Sprühvorrichtung oder die Sprühvorrichtungen 30, etc. hängen.
Eine oder mehrere Schneidvorrichtungen 60 (am besten in Figur 2a zu sehen), welche so angeordnet sind, daß sie die oberste Fläche der Zielfläche 50 in bestimmten Intervallen entlang der vertikalen Achse der Herstellung ebnen, entfernen einen Teil des wasserlöslichen Einkapselungsmittels 35 und legen das darunterliegende unlösliche Material 25 für das Aufbringen eines neuen Musters frei. Die Schneidvorrichtung(en) 60 kompensieren auch Oberflächen- und Höhenänderungen, welche durch Durchflußraten-Differenzen unter den mehreren Druckvorrichtungen 10 am Druckkopf 20 hervorgerufen werden. Auch wird ein Verziehen des Objektes vermindert, da die Ebnungswirkung der Schneidvorrichtung(en) 60 dazu dient, Spannungen abzubauen, die in dem Material 25, 35 durch Abkühlen und Schrumpfen hervorgerufen werden.
Ein Vakuumkopf- und Pumpsystem 65 (am besten in Figur 2c zu sehen) entfernt Überbleibsel, die während der Ebnungswirkung der Schneidvorrichtung(en) 60 erzeugt werden. Die Überbleibsel können in einem (nicht dargestellten) gefilterten Kanister für ein Entsorgen oder späteres Wiederverwerten gesammelt werden. Eine (am besten in Figur 2a zu sehende) Vakuumspannvorrichtung 70 hält die Aufbauplattform 15 an Positionierungsvorrichtungen 45 und ermöglicht ein einfaches schnelles Entfernen und Ersetzen der Plattform 15 ohne die Gefahr einer Beschädigung oder Verformung der Plattform 15. Die Vakuumspannvorrichtung 70 ermöglicht auch einem System gemäß der vorliegenden Erfindung, optional eine automatisierte Fördervorrichtung zum Einbringen und Entfernen des Objektes bzw. ein Gestell 75 (in Figur 1a dargestellt) zu verwenden.
Das Arbeitsvolumen 78, welches in Figur 2a durch strichpunktierte Linien umrissen ist, zeigt die maximale Objektumhüllung an, innerhalb der ein Objekt angeordnet sein kann, wenn es gedruckt wird. Da einige Materialkombinationen ein Drucken bei Umgebungstemperaturen oberhalb der Raumtemperatur (beispielsweise bei Metallen) oder deutlich darunter (beispielsweise bei Wasser) erfordern, kann innerhalb des Arbeitsvolumens 78 eine Klimakammer angeordnet sein.
Schüttgutcontainer 80 (am besten in Figur 2c zu sehen), welche Teil eines Materialaufnahme- und Liefersystems 40 von Figur 1a sind, nehmen trockene, feste Volumen von Verarbeitungsmaterial 25, 35 auf, welches dann durch zu eine Zufuhrvorrichtung 82 in entsprechende kleinere, erwärmte Kammern 84 gefördert und abgemessen wird, wo ein Schmelzen und Filtern vorgenommen wird. Die Zufuhrvorrichtung 82 kann eine Schnecken- oder Schraubenzufuhrvorrichtung sein, obwohl andere Zufuhrvorrichtungen möglich sind, und sie ist von einem Motor 83 angetrieben. Das sich ergebende geschmolzene flüssige Medium wird durch Druckvorrichtungen 86, von denen jede eine Pumpe oder eine ähnliche Vorrichtung sein kann, vor der Lieferung über Zufuhrleitungen 88 für flüssiges Medium zu dem Druckkopf 20 oder der Sprühpistole 30 unter Druck gesetzt. Die Zufuhrleitungen 88 für flüssiges Medium sind unterbrochen dargestellt; dies geschieht für die Deutlichkeit, und jede der Leitungen 88 läuft von der Druckvorrichtung 86 in Abhängigkeit von der entsprechenden Leitung entweder zum Druckkopf 20 oder zur Sprühvorrichtung 30 oder den Sprühvorrichtungen 30 weiter.
Zusätzlich zur Formgebung ermöglicht ein System gemäß der vorliegenden Erfindung in einzigartiger Weise, ein Objekt mit hoher Auflösung farbig herzustellen. Nutznießer dieses einzigartigen Aspektes sind die Gebiete Medizin, Geologie, Architektur und Ingenieurwissenschaften sowie die Kunst, Astronomie und viele andere Disziplinen. Das Material 25 oder die Materialien 25 können verschiedene Materialfarben oder verschiedene Farbkombinationen sowie verschiedene Materialzusammensetzungen haben. Um ein gewünschtes Maß an visueller Realität zu erzielen, werden die Farben Zyan, Magenta, Gelb, Schwarz und Weiß bevorzugt, da jeder Zwischenfarbton des gesamten Farbspektrums durch Materialüberlappung oder ein Verlaufenlassen des Materials erzielt werden kann.
In Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Mikroprozessors und eines Träger-Entfernsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Mikroprozessorsteuersystem 90 und das Trägerentfernsystem 95 sind in einer Arbeitsstation gezeigt. Obwohl dies nicht dargestellt ist, können solche Steuer- und Träger-Entfernsysteme in anderer Weise angeordnet sein, und sie könnten physisch mit den in den Figuren 1a oder 2a-c dargestellten Systemen kombiniert sein, um ein voll automatisiertes System zur schnellen Prototypenherstellung zu schaffen.
Es wird ein CAD-System verwendet, um spezifische Daten zu erzeugen und zu speichern, beispielsweise Abmessungen, Farbe oder andere gewünschte Eigenschaften, welche gewünschte dreidimensionale physikalische Objekte simulieren. Diese Daten werden zu dem Mikroprozessorsteuersystem 90 gesandt, und sie werden in diesem gespeichert und verarbeitet. Das Mikroprozessorsteuersystem 90 enthält Mikroprozessoranweisungen sowie einen Bildverarbeitungs- und Datenkonversionscode, um die Eingangsdaten in aufeinanderfolgende Querschnitte des physisch herzustellenden dreidimensionalen Objektes zu verarbeiten.
Das System, das Verfahren sowie der Prozeß zum computergesteuerten Herstellen der gewünschten dreidimensionalen Objekte beinhaltet das Aufbringen von Schichten aus flüssigen Materialien 25, 35 auf der Zielfläche 50 an vorbestimmten Stellen. Diese vorbestimmten Stellen werden von dem Mikroprozessorsteuersystem 90 basierend auf verarbeiteten Scheiben-Daten erarbeitet, die von einer Computerbilddatei im CAD-System empfangen werden. Das Mikroprozessorsteuersystem 90 steuert auch die Reihenfolge und den Zeitablauf der Arbeitsschritte des Systems, des Verfahrens und des Prozesses sowie der elektromechanischen Bauteile für die Materialförderung, die Rückkopplungssensoren sowie die Systemprozesse.
Es wird darauf hingewiesen, daß das Mikroprozessorsteuersystem 90 auch das CAD-System oder jede andere gewünschte Objektabtast- und Bildaufnahmevorrichtung umfassen kann, anstatt daß diese Funktionen von getrennten Systemen durchgeführt werden.
Das Träger-Entfernsystem 95 besteht aus einer Spülwanne 96 mit ausreichender Größe, so daß sie ein Volumen von Lösungsmittel und das Objekt 55 vollständig aufnehmen kann, auf welches das Lösungsmittel einwirken wird. Eine Zirkulationspumpe oder eine Umrührvorrichtung 98 können integriert sein, um den Prozeß des Auflösens und des Abtragens der Überbleibsel zu beschleunigen. Das Lösungsmittel ist Wasser, wenn das zu entfernende Formmaterial 35 wasserlöslich ist, etc.
Das Träger-Entfernsystem 95 kann statt dessen auch eine Temperaturkammer 96 enthalten, in welcher das Objekt 55 angeordnet wird. Eine Luftumwälzvorrichtung 98 kann in eine solche Kammer 96 integriert sein, um den Prozeß des Auflösens zu beschleunigen. Das letztgenannte System wird am besten dann verwendet, wenn das Formmaterial 35 bei einer geringeren Temperatur schmilzt als das Material 25 des Objektes. Dies ermöglicht ein selektives Entfernen der Form, wenn sie einer Temperatur ausgesetzt wird, die höher als der Schmelzpunkt der Form und geringer als der Schmelzpunkt des Objektes ist. Es ist ein großer Bereich von Kombinationen der Materialien 25, 35 möglich, beispielsweise Wasser und Wachs, Wachs und Kunststoff, Kunststoff und Metall, und so weiter. In vielen Fällen können die Materialien 25, 35 der Form und des Objektes für eine wiederholte Benutzung wiederverwertet werden, wodurch Abfall vermindert wird.
In Figur 4 ist ein Prozeß-Flußdiagramm dargestellt, in welchem ein Prozeß zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert ist. Wenn die Plattform für das Objekt auf der Vakuumspannvorrichtung positioniert ist (Block 100), werden die Düsen des Druckkopfes überprüft, um zu sehen, ob sie alle funktionieren. Dies wird erzielt, indem der Druckkopf 20 so positioniert wird, daß seine Fördermenge für eine optische Inspektionsstation (Block 110) sichtbar ist. Die Düsen des Druckkopfes drucken dann ein Muster von kurzlinigen Segmenten (Block 120), welche abgetastet werden, um zu verifizieren, daß jede der Düsen einwandfrei funktioniert (Block 130). Wenn bestimmt wird, daß nicht alle der Düsen ordnungsgemäß arbeiten, wird der Druckkopf 20 zur Reinigungs- und Abwischstation (Block 150) bewegt, wo das System gereinigt wird, um den Durchfluß der Düsen freizulegen (Block 160). Dann wird der Druckkopf zur optischen Inspektionsstation (Block 110) zurückgeführt, wo die Düsen erneut überprüft werden (Blöcke 120 und 130). Obwohl dies im Prozeß von Figur 4 nicht dargestellt ist, ist offensichtlich, daß der Druckkopf 20 so oft wie gewünscht überprüft werden kann.
Wenn alle Düsen ordnungsgemäß arbeiten (Block 140), wird die Farbzufuhr überprüft (Block 170). Wenn die Zufuhr für unzureichend befunden wird, wird der Schmelzkanister aus dem Schüttgutbehälter gefüllt (Block 180). Wenn die Farbzufuhr ausreicht, wird der Prozeß fortgeführt, indem die Scheiben- Daten (Block 190) des Objektes geladen werden.
Die Scheiben-Daten des Objektes werden ausgehend von dem dreidimensionalen Computerbild des Objektes erzeugt, einschließlich der Farbinformation, welches durch eine Anwendungssoftware in eine vertikale Abfolge von zweidimensionalen Mustern umgesetzt wird. Obwohl von der Software ein zweites Bild in der Form eines negativen Volumens um das erste Bild herum erzeugt werden könnte, dann das Bild der Form in einen Satz von zweidimensionalen Scheiben umgesetzt werden könnte und dann die Scheiben-Daten des Objektes und der Form in aufeinanderfolgender Reihenfolge kombiniert werden könnten, ist ein zweites Bild nicht notwendig oder wird nicht bevorzugt. Die Gesamtwirkung der Sprühvorrichtungen 30 ermöglicht ein genaues Drucken mit nur dem Bild des Objektes.
Wenn die ersten Scheiben-Daten geladen sind (Block 190), wird die Plattform 15 so positioniert, daß die Schneidvorrichtung(en) 60 deren Oberfläche ebnen kann/können (Block 210), und die Plattform 15 wird um die Dicke von einer Schicht abgesenkt (Block 220) Der Druckkopf 20 fährt dann das Scheibenmuster in Übereinstimmung mit den empfangenen Scheiben-Daten ab und bringt das Scheibenmuster auf (Block 230). Die Scheiben-Daten der ersten Schicht bestimmen die Position des Druckkopfes oberhalb der Plattform 15 zusammen mit einer geeigneten Funktion der Abgabevorrichtung an dieser Stelle. Der Druckkopf 20 bewegt sich in einer Ebene parallel zur Plattform 15, bis die Schicht komplett ist. Wenn das Drucken des Musters der ersten Scheibe beendet ist, sprühen die Sprühvorrichtungen 30 auf die obere Fläche der Zielfläche 50 eine gleichmäßige Schicht aus dem löslichen Trägermaterial 35 (Block 240).
Obwohl das Laden der nächsten Scheiben-Daten im Prozeß- Flußdiagramm vor dem Schritt des Ebnens dargestellt ist, kann dies nach dem Schritt des Ebnens oder vorzugsweise gleichzeitig mit dem Schritt des Ebnens durchgeführt werden. Tatsächlich kann das Mikroprozessorsteuersystem 90 die nächsten Scheiben-Daten zu jedem Zeitpunkt während des Druckzyklus laden, wenn dies am schnellsten geschehen kann.
Wenn die gedruckte Schicht nicht die letzte ist (Block 250), wird die Farbzufuhr erneut überprüft (Block 170), und es wird notwendigenfalis Farbe hinzugeführt (Block 180). Die nächsten Scheiben-Daten werden geladen (Block 190), während die Plattform 15 so positioniert wird, daß die Schneidvorrichtung(en) 60 die obere Fläche der Zielfläche 50 ebnen kann/können (Block 210). Die Plattform 15 wird dann um die Dicke einer Schicht nach unten bewegt (Block 220), und die nächste Schicht wird gedruckt (Blöcke 230, 240). Wenn dies die letzte zu druckende Schicht ist (Block 250), wird das Teil aus der Vakuumspannvorrichtung entfernt (Block 260), und es wird in ein Lösungsmittel eingetaucht, vorzugsweise Wasser, um das lösliche Trägermaterial aufzulösen (Block 270). Dieses Verfahren ergibt das vollständige dreidimensionale Objekt (Block 280).
In einem Beispiel eines bevorzugten Prozesses gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein flüssiges Wachs bei 60ºC (140 Grad F) (Material 25) in aufeinanderfolgenden Schichten aufgespritzt, um das Objektmuster zu bilden. Gleichzeitig werden aufeinanderfolgende Schichten aus Eis (Material 35) um das Objektmuster herum aufgespritzt, um eine gefrorene Form zu bilden. Die kombinierte feste Masse aus den Materialien 25, 35 wird dann erwärmt, um nur den Teil der Form zu schmelzen, wodurch ein wiederverwertbares Gußmuster mit hoher Auflösung übriggelassen wird. Es sind viele andere Kombinationen aus Materialien 25, 35 denkbar, die nur durch das Vorstellungsvermögen des Fachmannes eingeschränkt sind.
In Figur 5 ist eine Druckkopfinspektions- und Reinigungsstation gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Druckkopf 20 empfängt geschmolzenes Medium über einen Medienzufuhrschlauch 310, und er bringt Tropfen 320 aus einem solchen Medium auf ein Förderband 330 in der Form von kurzen parallelen Linien 340 auf. Die Oberfläche des Förderbandes 330 besteht vorzugsweise aus Papier. Optische Sensoren 350 tasten die parallelen Linien 340 ab, die durch die gleichzeitige Betätigung von allen Druckvorrichtungen oder Düsen 10 (in der Zeichnung nicht sichtbar) des Druckkopfes 20 gedruckt wurden. Der Mikroprozessor spricht auf jedes Ausgangssignal eines optischen Sensors 350 an, welches wenigstens eine fehlerhaft arbeitende Druckvorrichtung anzeigt, indem der Druckkopf 20 vom Förderband 330 weggeleitet wird, um zum Entfernen von Fremdstoffen eine Reinigung und ein Abwischen zu erfahren. Über einen von einem Reinigungsventil gesteuerten Luftschlauch 360 wird Luft in den Druckkopf 20 eingebracht. Dies reinigt in effektiver Weise jede fehlerhaft funktionierende Druckvorrichtung 10 am Druckkopf 20 von Fremdstoffen. Dann wird der Druckkopf 20 abgewischt (nicht dargestellt), und er wird wieder über dem Förderband 330 angeordnet. Der Druckkopf 20 bringt wiederum auf das Förderband 330 frische Mediumtropfen 320 in der Form von kurzen parallelen Linien 340 auf, die von dem optischen Sensor 350 abgetastet werden. Diese Prozedur wird wiederholt, bis alle Druckvorrichtungen 10 am Druckkopf 20 richtig arbeiten. Obwohl ein Inspektionssystem mit einem optischen Sensor als bevorzugt erläutert wurde, ergeben sich dem Fachmann verschiedene andere Inspektionssysteme.
In den Figuren 6a-b sind Kurvendiagramme dargestellt, welche das Ausgangssignal des optischen Sensor 350 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergeben. In diesen Diagrammen zeigen rechteckige Kurvenformen genau die Anzahl der arbeitenden Düsen an. Das Fehlen einer rechteckigen Wellenform an einer Stelle, an der eine Wellenform vorliegen sollte, zeigt eine fehlerhaft funktionierende Düse an. In Figur 6a ist das Ausgangssignal eines optischen Sensors 350 dargestellt, bei dem alle Düsen funktionieren, während in Figur 6b eine Kurvenform dargestellt ist, bei der zwei Düsen fehlerhaft arbeiten.
In den Figuren 7a-c sind Ansichten der sich ergebenden Struktur bei den Prozeßschritten 230, 240 bzw. 210 bei der Herstellung eines dreidimensionalen Objektes dargestellt, welches gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von Figur 4 aus einem Material mit geringem Schmelzpunkt, beispielsweise Wachs, hergestellt werden soll. In Figur 7a ist der Druckkopf 20 dargestellt, welcher Tropfen 420 aus Wachs in der Form einer Wachsschicht 400 an speziellen Stellen auf der löslichen Plattform 15 aufbringt, welche durch das Mikroprozessorsteuersystem gemäß dem CAD- Bild bestimmt sind. Eine solche Schicht 400 ist unabhängig von ihrer Zusammensetzung als positives Material bekannt, und sie wird, wenn alle Schichten vollständig sind, das gewünschte dreidimensionale Objekt bilden.
In Figur 7b sprüht die Sprühvorrichtung 30 Tropfen 430 aus wasserlöslichem Formmaterial 440 auf, um die aufgebrachte Wachsschicht 400, welche auf der löslichen Plattform 410 vorliegt, einzukapseln. Das Material 440, welches unabhängig von seiner Zusammensetzung als das negative Material bekannt ist, wird, wenn alle Schichten vollständig sind, die Form bilden. In Figur 7b ist ein einzigartiges Merkmal des Verfahrens von Figur 4 dargestellt, nämlich das, wonach das aufgesprühte negative Material 440 zufällig aufgebracht wird, so daß die Sprühpartikel vom Computer nicht auf spezielle Stellen mit den Koordinaten x, y aufgebracht werden müssen.
Zum Vorbereiten der Oberfläche für nachfolgende Schichten entfernt eine Fräs-Schneidvorrichtung oder eine andere Schneidvorrichtung 60 oder entfernen andere Schneidvorrich tungen 60 einen Teil der vorhergehenden Schichtdicke, um das positive Material 400 freizulegen. In Figur 7c ist die Schneidvorrichtung 60 dargestellt, welche das wasserlösliche Formmaterial 440 ebnet, um die aufgebrachte Wachsschicht 400 freizulegen. Dieser Schritt bestimmt auch die Dicke jeder Schicht, und er kompensiert unterschiedliches Aufbringen durch die Farbdüse. Nachdem alle Schichten aufgebracht sind, wird das negative Material 440 selektiv durch ein nicht dargestelltes Lösungsmittel entfernt, wodurch das positive Material 400, in diesem Falle Wachs, intakt gelassen wird.
Verschiedene Materialien können zu viskos sein, als daß sie bei einem Mechanismus mit Farbdüsen verwendet werden können. Allerdings können diese Materialien gewünschte Eigenschaften wie Haltbarkeit, Aussehen oder Löslichkeit in Wasser aufweisen. Eine gewünschte Verwendung für ein solches viskoses Material, welches ausschließlich als Beispiel und in keiner Weise einschränkend angegeben wird, kann Schaltungsbaugruppen enthalten, die aus leitendem Medium wie Pasten oder Epoxidharzen hergestellt sind.
Zur Verwendung von Materialien mit hohem Schmelzpunkt oder hoher Viskosität können Zerstäubungsdüsen oder Druckspritzpistolen, wie sie zum Lackieren verwendet werden, als eine Alternative zu Druckköpfen mit Farbdüsen verwendet werden. Solche Düsen oder Sprühpistolen können eine Spritzwirkung oder die Wirkung eines Kolbens verwenden, und sie sind mit verschiedenen Düsendurchmessern erhältlich.
In den Figuren 8a-c sind Ansichten der sich während der Prozeßschritte 230, 240 bzw. 210 ergebenden Struktur bei der Herstellung eines dreidimensionalen Objektes gegeben, welches gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von Figur 4 aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt oder hoher Viskosität hergestellt wird. Es wird darauf hingewiesen, daß ein solches Material mit hohem Schmelzpunkt oder hoher Viskosität Metall, Keramik, Kunststoff, Paste, Epoxid, etc. sowie Kombinationen oder Legierungen aus solchen Metallen sein können, beispielsweise und nicht einschränkend eine Zinn-Blei-Legierung.
In Figur 8a ist der Farbdüsen-Druckkopf 20 dargestellt, der Tropfen 520 aus Wachs zum Bilden einer Wachsschicht 500 an bestimmten Stellen der Plattform 15 aufbringt, die von dem Mikroprozessorsteuersystem gemäß dem CAD-Bild bestimmt sind. Eine solche Schicht 500 stellt unabhängig von ihrer Zusammensetzung das negative Material dar, und wenn alle Schichten vollständig sind, bildet sie die Form bzw. den Träger.
In Figur 8b sprüht die Sprühdüse oder die Spritzpistole 30 Tropfen 530 aus einem Material 540 mit hohem Schmelzpunkt oder hoher Viskosität auf das Trägermaterial 500 sowie auf Hohlräume jeglichen Musters darin. Das Material 540 stellt unabhängig von seiner Zusammensetzung das positive Material dar, und wenn es vollständig ist, bildet es das gewünschte dreidimensionale Objekt. In Figur 8b ist ein einzigartiges Merkmal des Prozesses von Figur 4 zu sehen, nämlich daß das aufgesprühte positive Material 540 zufällig verteilt ist, so daß die Sprühpartikel nicht durch den Computer zu speziellen Stellen mit Koordinaten x, y gerichtet sind.
Zur Vorbereitung der Oberfläche für nachfolgende Schichten entfernt ein Fräser oder eine andere Vorrichtung einen Teil der vorhergehenden Schichtdicke, um das positive Material freizulegen. In Figur 8c ist die Schneidvorrichtung 60 dargestellt, welche das positive Material 540 ebnet, um die aufgebrachte Wachsschicht 500 freizulegen. Jede Schicht wird auf eine vorbestimmte Dicke gefräst, was ein unterschiedliches Aufbringen durch die Düsen kompensiert. Nachdem alle Schichten aufgebracht sind, besteht das endgültige Volumen aus einem Objekt mit hohem Schmelzpunkt oder hoher Viskosität in einer Gußform mit geringem Schmelzpunkt. Das negative Material 500 wird selektiv durch ein Lösemittel oder Wärme entfernt, was nicht dargestellt ist, wodurch das positive Material 540 mit hohem Schmelzpunkt oder hoher Viskosität intakt gelassen wird.
Dieser Ansatz ist dahingehend einzigartig, daß er ermöglicht, Objekte aus vielen anderen Materialien herzustellen, beispielsweise Nylon, PVC oder sogar Metallegierungen, um nur einige zu nennen, was bei der Verwendung von nur einer Farbdüsen-Druckvorrichtung alleine nicht möglich wäre. Außerdem dient das Fräsen der oberen Fläche der aufgebrachten Schichten dazu, Spannungen abzubauen, welche bei anderen Systemen ein Verziehen des Bauteils bewirken. Außerdem ist die Anzahl der notwendigen Farbdüsen-Druckköpfe vermindert, da ein Großteil des Materials zufällig aufgesprüht wird, während ein ausreichend breiter Überdeckungsbereich gewährleistet ist.
Die Einfachheit des Systems, des Verfahrens und des Prozesses gemäß der vorliegenden Erfindung bietet viele Vorteile. Die Druckköpfe sind klein und billig, und sie können für mehrere Abtastverfahren ausgebildet werden, einschließlich Vektorisieren und Rastern. Die Aufspritzöffnungen sind klein, was eine sehr hohe Auflösung ermöglicht. Außerdem können weite Öffnungen oder Ausspritzfelder für das Aufbringen von großem Volumen sowie zum Aufbringen von hochviskosen Materialien verwendet werden. Zusätzlich können ein System, ein Verfahren und ein Prozeß gemäß der vorliegenden Erfindung an verschiedene Arbeitsumgebungen und Anwendungen angepaßt werden, die von Gießereien und Maschinenfabriken bis hin zu kleinen Desktop-Systemen reichen. Da das Medium auf jede Oberfläche gedruckt werden kann, können automatische Förder- und Materialhandhabungssysteme eingesetzt werden. Dies ermöglicht einen schnellen und einfachen Durchgang von verschiedenen Datenquellen. Dies beinhaltet mehrfache computererzeugte Bilder auf wenigstens einem Computer, die von einem oder mehreren gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung gebauten Systemen schnell in Prototypen umgesetzt werden.
Einige der unzähligen Objekte, die mit dieser Technik erzeugt werden können, beinhalten Prototypen, Gießmuster, Formen, Skulpturen, und Strukturbauteile. Es ergibt sich dem Fachmann leicht, daß diese Liste in keiner Weise abschließend ist und daß sich dem Fachmann zahlreiche andere Anwendungen ergeben.
Es wird darauf hingewiesen, daß verschiedene Ausführungsformen der Erfindung Hardware, Software oder mikrocodierte Firmware verwenden oder von dieser ausgeführt werden können. Die Prozeßdiagramme sind auch für Flußdiagramme für mikrocodierte und auf Software basierende Ausführungsformen repräsentativ. Obwohl eine spezielle Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, ergeben sich dem Fachmann zahlreiche Modifikationen und abweichende Ausführungsformen. Daher ist beabsichtigt, daß die Erfindung nur durch den Wortlaut der beigefügten Patentansprüche begrenzt ist.

Claims

1. Computergesteuertes Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten, enthaltend die folgenden Schritte:

a) Aufbringen einer Schicht aus einem flüssigen ersten Material (25) auf eine Zielfläche (15, 50) an ausgewählten Stellen, welche einem Querschnitt eines dreidimensionalen Objekts (55) entsprechen, wobei dieses Medium aushärtet, wenn es derart aufgebracht ist;

b) Aufbringen eines zweiten Materials (35) auf die erste Schicht aus ausgehärtetem ersten Material (25), um das ausgehärtete erste Material einzukapseln;

c) Ebnen der Oberfläche des einkapselnden zweiten Materials (35);

d) Aufbringen einer weiteren Schicht aus dem ersten Material (25) auf die geebnete Oberfläche an ausgewählten Stellen, welche einem weiteren Querschnitt des dreidimensionalen Objekts (55) entsprechen;

e) Wiederholen der Schritte (b) bis (d), um das dreidimensionale Objekt (55) zu bilden; und

f) selektives Entfernen des zweiten Materials (35) von dem ersten Material (25), um das aus dem ausgehärteten ersten Material (25) gebildete dreidimensionale Objekt (55) hervorzubringen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Ebnens das Entfernen eines Teils des zweiten Materials (35) und das Freilegen des darunterliegenden ersten Materials (25) enthält und bei dem die nachfolgend aufgebrachte Schicht aus dem ersten Material (25) so aufgebracht wird, daß sie mit dem freigelegten, darunterliegenden ersten Material (25) in Berührung kommt und sich mit diesem verbindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Schritt des Ebnens von einem Schritt des Entfernens von Überbleibseln gefolgt ist, die aus dem Schritt des Ebnens resultieren.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die ausgewählten Stellen durch Betrieb eines Steuersystems bestimmt werden, welches Daten empfängt, speichert und verarbeitet, welche die Abmessungen des dreidimensionalen Objekts (55) beschreiben.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Schichten aus dem ersten Material (25) eine Mehrzahl von Farben haben.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ausgewählte Bereiche einer einzigen Schicht eine Mehrzahl von Farben haben.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das zweite Material (35) flüssigkeitslöslich ist, wobei der Schritt des selektiven Entfernens des zweiten Materials (35) den Schritt enthält, dieses Material in einer Flüssigkeit aufzulösen, in welcher es löslich ist und in welcher das ausgehärtete erste Material (25) nicht löslich ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Zielfläche (15) eine Plattform ist, welche flüssigkeitslöslich ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem die Lösungsflüssigkeit Wasser ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Aufbringen einer Schicht aus dem ersten Material (25) in Übereinstimmung mit Scheiben-Daten geschieht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Aufbringen einer Schicht aus dem zweiten Material (35) in Übereinstimmung mit Scheiben-Daten geschieht.

12. System zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten ausgehend von Computerdaten, mit: einer im wesentlichen ebenen Zielfläche (15), wenigstens einer gesteuerten Abgabevorrichtung (20), um wiederholt ein erstes Material (25) in einem flüssigen Zustand auf der Zielfläche (15) an Stellen aufzubringen, welche einem Querschnitt eines herzustellenden Objekts (55) entsprechen, wenigstens einer Abgabevorrichtung (30), um wiederholt ein das erste Material (25) einkapselndes zweite Material (35) auf zusprühen, wenigstens eine Schneidvorrichtung (60), um das eingekapselte Material (25) zu ebnen, damit die Zielfläche (50) zur Aufnahme von zusätzlich aufgebrachtem ersten Material (25) vorbereitet ist, und einem Träger-Entfernsystem zum Entfernen der Zielfläche (50) und des zweiten Materials (35), wobei das erste Material (25) intakt bleibt.

13. System nach Anspruch 12, bei dem die Zielfläche (15, 50) wasserlöslich ist.

14. System nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei dem wenigstens eine Abgabevorrichtung (20) in Übereinstimmung mit einem in einem Mikroprozessor gespeicherten, zweidimensionalen Datenplan ein- oder ausgeschaltet wird.

15. System nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem wenigstens eine Abgabevorrichtung (20) zum Aufbringen von ersten Materialien (25) mit gleicher Zusammensetzung, jedoch unterschiedlichen Farben verwendet wird.

16. System nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem wenigstens eine Abgabevorrichtung (20) zum Aufbringen von ersten Materialien (25) mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und unterschiedlichen Farben verwendet wird.

17. System nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem wenigstens eine Abgabevorrichtung (20) zum Aufbringen von ersten Materialien (25) mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, jedoch gleicher Farbe verwendet wird.