DE10112629A1

DE10112629A1 - Verfahren und Einrichtung zur variablen Herstellung von Laminatstrukturen

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Publication number: DE10112629A1
Application number: DE10112629A
Authority: DE
Inventors: Dong Yol Yang; Dong Gyu Ahn; Bo Sung Shin; Sang Ho Lee
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2021-03-15
Also published as: KR100362737B1; JP2001301044A; KR20010094830A; US6627030B2; JP3699359B2; US20010040003A1; DE10112629B4

Abstract

Verfahren und Einrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Gegenstände als variable Laminatstrukturen, wobei streifenförmiges Material verwendet und daraus Materialstücke variabler Breite, variabler Kantenneigungen und variabler Länge auf Grund von dreidimensionalen computergestützten Konstruktionsdaten des Produkts unter Einsatz einer linearen Wärmequelle geschnitten, die geschnittenen Materialstücke auf einem dreidimensional positionierbaren beweglichen Tisch positionsrichtig gestapelt und schließlich zum Herstellen einer gegenseitigen Bindung zusammengedrückt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Ver fahren und eine Einrichtung zur variablen Fertigung von Lami natstrukturen, und mehr im einzelnen auf ein solches Verfah ren und eine solche Einrichtung, das bzw. die es ermöglicht, ein dreidimensionales Produkt durch Schneiden von streifen förmigem Material wie beispielsweise geschäumtem Kunstharz, thermoplastischem Kunstharz, wärmeaushärtendem Kunstharz usw. zu Einheitsformteilen mit variabler Breite, Neigungen und Länge unter Verwendung einer linearen Wärmeschneideinrichtung mit vier Freiheitsgraden, und durch Stapeln und Verbinden der geschnittenen Formteileinheiten, während das Material in va riablen Breiten und Dicken zugeführt wird.

Des weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur schnellen Prototyperstellung, das in der Lage ist, die Notwendigkeit für Nachbearbeitung zu Vermeiden und die Bauzeit durch Verbesserung der Abmessungsgenauigkeit des Produkts im Vergleich zur herkömmlichen schnellen Prototyp erstellungsverfahren zum Herstellen von Versuchsprodukten und Versuchsformen beträchtlich zu reduzieren.

Ein schnelles Prototypbauverfahren nach der vorliegenden Er findung kann in verschiedenen industriellen Bereichen einge setzt werden, beispielsweise bei der Herstellung von Archi tekturmodellen, Versuchsprodukten (beispielsweise von Turbi nenschaufeln für Flugzeuge, Laufrädern von Zentrifugalver dichtern, Mobiltelefonen oder dergleichen), Gestaltungspro dukten (wie beispielsweise Pikachu-Puppen, Dooly-Puppen oder dergleichen), Kernausschmelz-Gießen, oder dergleichen. Insbe sondere kann das schnelle Prototypbauverfahren bei der schnellen Produktion von Teilen eingesetzt werden, die jeweils dreidimensionale Formen haben, die nicht mit einem drei- oder fünfachsigen Schneidverfahren erzeugt werden können.

Herkömmliche schnelle Prototypbauverfahren können klassifi ziert werden in ein Verfahren zum Aushärten flüssigen Mate rials in einer dreidimensionalen Form durch Bestrahlung mit Laserstrahlen, und ein Verfahren zum Binden von Feststoff in Form von Teilchen oder Laminaten zu einem Produkt der ge wünschten Form.

In der obigen Beschreibung bezeichnet das schnelle Prototyp bauverfahren ein Herstellungsverfahren zum Fertigen von Tei len aus nichtmetallischem oder metallischem Material, wie beispielsweise Papier, Wachs, ABS-Kunststoff oder anderem Kunststoff, direkt zu einem Versuchsprodukt oder einer Form einer dreidimensionalen Gestalt unter Verwendung dreidimen sionaler computerunterstützter Konstruktionsdaten. Bisher sind verschiedene Materialen wie beispielsweise Metallpulver und Metalldraht als Material für schnelle Prototypbauverfah ren eingesetzt worden.

Zwischenzeitlich stellt die Stereolithographie, eine der Aus härteverfahren, die von der als 3D-System-Company entwickelt worden ist, ein Verfahren dar, bei welchem ein flüssiger Fotopolymer selektiv durch Laserstrahlen bestrahlt wird, um den Fotopolymer zu verfestigen, und eine Polymerschicht wird auf einer anderen gestapelt.

Wie die Stereolithographie ist auch ein Verfahren zum teil weisen Bestrahlen mit Laserstrahlen bekannt, das kommerziell durch die 3D-System-Company, Quadrax Company, Sony Company und Dupont Company kommerziell angewendet wird, und ein Ver fahren zum Bestrahlen jeweils einer Schicht unter Verwendung einer Ultraviolettlampe bekannt, das durch Cubital Company und Sculpting Company kommerziell verwendet wird.

Jedoch hat die Stereolithographie einen Nachteil insoweit, daß der verfestigte Fotopolymer sich während des Aushärtens zusammenzieht und sich daher verformt. Des weiteren tritt, wenn ein Produkt mit einem Vorsprung hergestellt wird, ein Nachteil insoweit auf, als eine Stütze notwendig ist, um den den Vorsprung bildenden Fotopolymer abzustützen und zu ver hindern, daß er abkippt bzw. niederfällt. Des weiteren sollte Kunstharz für die Stereolithographie verwendet werden, so daß die Festigkeit eines Produkts verringert wird, was verhin dert, daß das Produkt funktionell eingesetzt werden kann.

Als pulverisiertes Material verwendende Verfahren sind die selektive Laser-Sinterung, die von DTM Company kommerziell eingesetzt wird, und der dreidimensionale Druck bekannt, der durch die Solingen Company, Z-Corporation usw. kommerziell eingesetzt wird und von MIT entwickelt wurde.

Bei der selektiven Laser-Sinterung wird ein Produnkt in der Weise hergestellt, daß pulverisiertes Kunststoffmaterial ausgebreitet und das Pulvermaterial durch Bestrahlung mit Laserstrahlen gebunden wird. Die selektive Laser-Sinterung wird zum Herstellen eines metallenen Produkts und einer Gießform unter Verwendung von kunststoffbeschichtetem Eisen pulver eingesetzt.

Wenn ein metallisches Produkt oder eine Gießform unter Ver wendung von kunststoffbeschichtetem Eisenpulver hergestellt wird, muß der Kunststoff entfernt und das Eisenpulver zum Verbinden derselben gesintert werden. Des weiteren ist nach Bearbeitung erforderlich, beispielsweise das Tränken mit Kupfer, um die Hohlräume zwischen dem Eisenpulver zu füllen. Die selektive Laser-Sinterung hat jedoch insoweit einen Nach teil, als Maßgenauigkeit nicht erreicht werden kann, weil das Material sich während der Nachbehandlung zusammenzieht.

Beim dreidimensionalen Drucken wird ein flüssiges Bindemittel selektiv zu dem ausgebreiteten Pulver hinzugegeben, um ein Produkt zu ergeben. Unter Anwendung eines solchen dreidimen sionalen Druckens kann eine Keramikschale für das Kernaus schmelz-Gießen aus Keramikpulver hergestellt werden, oder ein Produkt kann aus Pulver mit Stärke als Hauptbestandteil her gestellt werden. Jedoch hat das dreidimensionale Drucken den Nachteil, daß aufgrund thermischer Verformung ein Zusammen ziehen erfolgt, weil eine Nachbearbeitung erforderlich ist, um die Dichte und die Festigkeit eines Produkts zu erhöhen.

Bei der Laminatstrukturherstellung, die von Helisys Company kommerziell eingesetzt wird, wird ein Produkt durch Wieder holen eines Prozesses zum Binden mehrerer Papierstücke in Form dünner Filme und Schneiden des gebundenen Papiers unter Verwendung eines Laserstrahls hergestellt. Obwohl die Lami natstrukturherstellung einen Vorteil insoweit hat, daß die Herstellungskosten eines Produkts niedrig sind, weil Papier als Rohmaterial eingesetzt wird, hat sie jedoch den Nachteil, daß Arbeit erforderlich ist, um ein fertiges Produkt aus um gebendem Überschußmaterial nach der Fertigung des Produkts herauszulösen.

Beispielsweise in einem Fall, wo ein kugeliges Produkt her gestellt wird, wenn dieses kugelige Produkt durch Stapeln und Schneiden vielfacher Papierstücke hergestellt wird, ist Ar beit notwendig, um das fertige sphärische Produkt aus dem übrigen Papierteil herauszuarbeiten, weil das kugelige Pro dukt vom übrigen Papierteil umgeben ist. Obwohl dünne Kunst stoffplatten entwickelt worden sind und zum Herstellen eines Kunststoffprodukts eingesetzt werden können, tritt dabei der gleiche Nachteil wie bei Papier auf.

Gemäß einem Schmelzauftrags-Modellieren, das von Stratasys Company kommerziell angewendet wird, wird ein Produkt in solcher Weise hergestellt, daß Kunststoffmaterial in Form von Fäden zwischen beheizten Düsen hindurchpassiert wird, die jeweils eine Form ähnlich einer Extrusionsdüse haben, und wird während des Schmelzens miteinander verbunden. Jedoch hat dieses Schmelzauftrags-Modellieren den Nachteil, daß die Oberfläche des Produkts rauh ist, weil Material in Form von Fäden eingesetzt wird.

Im folgenden ist ein schnelles Prototypbauverfahren für ein Produkt aus funktionellem Material wie beispielsweise Metall oder eine Gießform beschrieben.

Bei dem von Santia National Lab entwickelten und kürzlich durch Optomec Company kommerziell eingesetzten Lasertechnik- Formgebungsverfahren wird ein Produkt in solcher Weise her gestellt, daß ein metallisches Substrat teilweise erhitzt wird, um einen Schmelzbereich zu bilden, und es wird Metall pulver in den Schmelzbereich unter Einsatz von Gas einge bracht.

Jedoch hat das Lasertechnik-Formgebungsverfahren einen Nach teil dahingehend, daß die Maßgenauigkeit eines Produkts auf grund der Verformung während der Verfestigung verschlechtert wird, weil ein Produkt aus geschmolzenem Metall hergestellt wird. Des weiteren hat das Lasertechnik-Formgebungsverfahren insoweit noch einen Nachteil, als ein Produkt, das einen Vor sprung oder einen auskragenden Bereich aufweist, nicht her stellbar ist, weil das Produkt aus geschmolzenem Material hergestellt wird.

Eine von der Stanford University und der Carnegie Mellon University entwickelte Formauftragsfertigung ist eine Tech nik, bei welcher ein Metallauftrag mit einer CNC-Bearbeitung kombiniert wird. Bei der Formauftragsfertigung wird Metall aufgebracht und auf eine gewünschte Dicke und Umrißform unter Verwendung eines CNC-Fräsverfahrens bearbeitet, und der ver bleibende Teil in derselben Ebene wird mit einem anderen Me tall ausgefüllt, und das Material wird zur Bildung einer Schicht CNC-bearbeitet. Nachdem die Schicht fertiggestellt ist, wird ein Kugelstrahlen durchführt, um Restspannung zu eliminieren. Ein gewünschtes Produkt wird durch die oben beschriebene Reihe von Prozeßvorgängen fertiggestellt. Jedoch weist die Formauftragsfertigung insoweit einen Nach teil auf, als viel Zeit notwendig ist, um ein Produkt her zustellen, weil eine Vielzahl von Prozessen durchgeführt werden muß, um ein Produkt fertigzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben erläuterten, beim Stand der Technik auftretenden Probleme zu bewältigen und ein Verfahren und eine Einrichtung zum schnel len Prototypbau zu schaffen, wobei Material wie beispielswei se geschäumtes Kunstharz, thermoplastisches Kunstharz und wärmeaushärtendes Kunstharz in Gestalt eines Streifens unter Verwendung einer linearen Wärmeschneidvorrichtung mit vier Freiheitsgraden geschnitten wird und geschnitttene Material stücke miteinander verbunden und gestapelt werden, um ge wünschte Breite, Neigungen und Länge entsprechend computer geschützter Konstruktionsdaten eines Produkts zu erhalten, während das Material kontinuierlich zugeführt wird, wodurch die Fertigungszeit verringert, die Maßgenauigkeit der herge stellten Produkte verbessert, und der Materialverlust ver mindert wird.

Zur Lösung der oben genannten Aufgabe umfaßt die vorliegende Erfindung ein Fertigungsverfahren mit variabler Laminierung, das folgende Schritte umfaßt: Beschichten streifenförmigen Materials mit einem Bindemittel, während das streifenförmige Material transportiert wird, Schneiden des geförderten strei fenförmigen Materials in Materialstücke variabler Breite, mit variablen Neigungen, und variabler Länge gemäß dreidimensio nalen computergestützten Konstruktionsdaten eines dreidimen sionalen Produkts unter Verwendung einer linearen Heizquelle, Stapeln der geschnittenen Materialstücke auf einem bewegli chen Tisch, der in entsprechende Positionen des dreidimensio nalen Produkts positioniert wird, und Drücken der gestapelten geschnittenen Materialstücke zum Verbinden eines Stücks am anderen.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren weiter den Schritt des Schneidens und Lagerns des verbleibenden Materials mit Ausnahme der geschnittenen Ma terialstücke. Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die li neare Heizquelle eine Heißdraht-, Laser-, Plasma-, Heiz strahl- oder Heißgaseinrichtung.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht das streifenförmige Material aus geschäumtem Kunstharz, thermo plastischem Kunstharz oder wärmeaushärtendem Kunstharz.

Des weiteren umfaßt die Erfindung eine Fertigungseinrichtung für variable Laminierung, die umfaßt: Zuführmittel zum Zufüh ren eines streifenförmigen Materials, Fördermittel zum hori zontalen Fördern des streifenförmigen Materials, Beschich tungsmittel zum Beschichten der Unterseite des streifen förmigen Materials mit einem Bindemittel, Schneidmittel zum Schneiden des geförderten streifenförmigen Materials in Mate rialstücke mit variabler Breite, variablen Neigungen und variabler Länge gemäß dreidimensionalen computergestützten Konstruktionsdaten eines dreidimensionalen Produkts unter Einsatz einer linearen Wärmequelle, Halte- und Verschiebemit tel zum Halten eines geschnittenen Stücks und zum vertikalen Bewegen des geschnittenen Stücks, und Positioniermittel zum dreidimensionalen Bewegen der geschnittenen Materialstücke, um die geschnittenen Materialstücke an Ort und Stelle für ein dreidimensionalen Produkt zu positionieren.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung umfaßt die Ein richtung außerdem Mittel zum Schneiden und Lagern des ver bleibenden Materials mit Ausnahme der zur Fertigung des Produkts verwendeten Teile.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung umfaßt die Ein richtung ferner eine Papierzuführrolle, welche Papier zur Unterseite des verbleibenden Materials zuführt, um so zu verhindern, daß ein auf die Unterseite des verbleibenden Materials aufgetragenes Bindemittel auf den Fördermitteln verschmiert wird, während das verbleibende Material durch die Fördermittel hindurchpassiert.

Nach einem noch weiteren Merkmal der Erfindung liegen die Schneidemittel aus linearer Wärmeschneider mit vier Frei heitsgraden vor, der eine Verschiebe- und Drehbewegung ausführen kann.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung umfaßt die Ein richtung weiter eine Drückvorrichtung, welche auf den För dermitteln gestapelte geschnittene Stücke zusammendrückt, um die Stücke miteinander zu verbinden.

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die anliegen den Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm, das ein Fertigungsverfah ren mit variabler Laminierung gemäß der Erfindung zeigt,

Fig. 2 ein schematisches Diagramm, welches eine Fertigungs einrichtung zur variablen Laminierung nach der Erfindung zeigt,

die Fig. 3a bis 3d Darstellungen, welche die Materialzuführ rolle und den Rollenträger der Fertigungseinrichtung mit variabler Laminierung nach Fig. 2 zeigen,

die Fig. 4a bis 4d Darstellungen, welche den Heißdrahtschnei der der Fertigungseinrichtung mit variabler Laminierung nach Fig. 2 zeigen,

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Steuerung für den Heißdraht schneider der Fertigungseinrichtung für variable Laminierung nach Fig. 2,

Fig. 6 eine Darstellung des Stückhalters der Fertigungsein richtung für variable Laminierung nach Fig. 2,

Fig. 7 ein Blockdiagramm der Steuerung für den Stückhalter der Fertigungseinrichtung vor variable Laminierung nach Fig. 2,

Fig. 8 ein Blockdiagramm der Steuerung für den dreidimensio nal beweglichen Tisch der Fertigungseinrichtung für variable Laminierung nach Fig. 2,

die Fig. 9a und 9b schematische Darstellungen, welche die Beschichtungseinrichtung der Fertigungseinrichtung für variable Laminierung nach Fig. 2 zeigen,

Fig. 10 eine Darstellung der Drückeinrichtung der Fertigungs einrichtung für variable Laminierung nach Fig. 2,

Fig. 11 die Rinne und den Restmaterialspeicherkasten der Fer tigungsein richtung für variable Laminierung nach Fig. 2, und

Fig. 12 ein Diagramm, welches eine Schneidtechnik der Seiten einer Formteileinheit mit vorgegebenen Neigungen zeigt.

Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen in allen Darstellungen die gleichen Bezugszeichen zum Bezeichnen gleicher oder ähnlicher Komponenten verwendet sind.

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Fertigungsver fahren mit variabler Laminierung gemäß der vorliegenden Er findung zeigt. Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Fertigungseinrichtung für variable Laminierung nach der Erfindung zeigt. Die Fig. 3a bis 3d sind Ansichten, welche die Materialzuführrolle und den Rollenträger der Fertigungs einrichtung für variable Laminierung nach Fig. 2 zeigt. Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm der Steuerung für den Heißdraht schneider der Fertigungseinrichtung für variable Laminierung nach Fig. 2. Fig. 6 zeigt eine Darstellung des Schneidteil halters der Fertigungseinrichtung für variable Laminierung nach Fig. 2. Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm der Steuerung für den Schneidteilhalter der Fertigungseinrichtung für variable Laminierung nach Fig. 2. Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm der Steuerung für den dreidimensional beweglichen Tisch der Fer tigungseinrichtung für variable Laminierung nach Fig. 2. Die Fig. 9a und 9b sind schematische Darstellungen, welche die Beschichtungseinrichtung der Fertigungseinrichtung für variable Laminierung nach Fig. 2 zeigen. Fig. 10 ist eine Darstellung, welche die Drückvorrichtung der Fertigungsein richtung für variable Laminierung nach Fig. 2 zeigt. Fig. 11 ist eine Darstellung der Rinne und des Restmaterialspeicher behälters der Fertigungseinrichtung für variable Laminierung nach Fig. 2. Fig. 12 zeigt ein Diagramm, das eine Technik zum Schneiden der Seiten einer Formteileinheit mit vorgegebenen Neigungen zeigt.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist eine Fertigungseinrich tung für variable Laminierung nach der Erfindung eine Mate rialzuführrolle 12 auf, die streifenförmiges Material wie beispiesweise geschäumtes Kunstharz, thermoplastisches Kunst harz und wärmeaushärtendes Kunstharz in auf der Materialzu führrolle 12 aufgewickeltem Zustand speichert. Die Material zuführrolle 12 wird von einem Zuführrollenträger 11 abge stützt, der vertikal beweglich ist. Das auf der Material zuführrolle 12 aufgewickelte Material wird entweder konti nuierlich oder intermittierend durch eine hintere Zuführvor richtung 14 und eine vordere Zuführvorrichtung 15 zugeführt, wobei es durch eine Einstellrolle 13 hindurchgelangt.

Eine Beschichtungsvorrichtung 23 ist in der Nähe der hinteren Zuführvorrichtung 14 angeordnet, und dient dazu, die Unter seite des von der hinteren Zuführvorrichtung 14 kontinuier lich mit einem Bindemittel zu beschichten, wozu eine Be schichtungswalze 24 verwendet wird, an welcher das Bindemit tel anhaftet. Dementsprechend wird die Unterseite des zuge führten streifenförmigen Materials gleichförmig und vollstän dig mit dem Bindemittel beschichtet.

Zwei Heißdrahtschneider 16 sind zwischen der hinteren Zuführ vorrichtung 14 und der vorderen Zuführvorrichtung 15 angeord net, um das zugeführte streifenförmige Material zu schneiden. Die Heißdrahtschneider 16 sind so konstruiert, daß sie in Richtungen X, Y, Θx und Θy einstellbar beweglich sind, und dienen zum Schneiden des zugeführten streifenförmigen Mate rials in Materialstücke, die jeweils eine Einheitsform ent sprechend einer Form gemäß den computergestützten Konstruk tionsdaten des Produkts haben, wobei Heißdrähte mit hoher Temperatur eingesetzt werden. Beim Schneiden der Material stücke durch die Heißdrahtschneider 16 werden Breite, seit liche Neigungen und Länge des Stücks während des Schneidens gesteuert.

Ein Materialstückhalter 18 ist oberhalb des geförderten streifenförmigen Materials angeordnet und dient zum festen Halten eines Materialstücks, wenn es aus dem streifenförmigen Material mittels der Heißdrahtschneider 16 geschnitten wird. Das bedeutet, daß, während das streifenförmige Material durch die Heißdrahtschneider 16 in das jeweilige Stück geschnitten wird, die Saugvorrichtung 19 des Schneidteilhalters 18 verti kal abwärts bewegt wird und das geschnittene Stück hält, wo durch das geschnittene Stück fixiert und eine seitliche Vib ration dieses Stücks verhindert wird. Wenn das Stück voll ständig geschnitten ist, wird der Schneidteilhalter 19 wei ter vertikal abwärtsbewegt und legt die Formteileinheit auf einen dreidimensional beweglichen Tisch 21, der unter dem ge förderten streifenförmigen Material angeordnet ist. Zu dieser Zeit ist die Formteileinheit auf dem dreidimensional bewegli chen Tisch 21 entsprechend Koordinaten positioniert, die durch die computergestützten Konstruktionsdaten des Produkts festgelegt sind.

Der dreidimensional bewegliche Tisch 21 wird in einer X-Y- Ebene bewegt, wenn das Materialstück in der gleichen Ebene wie derjenige des Tischs 21 bearbeitet wird, oder wird in Richtung einer Z-Achse verschoben, wenn die Formteileinheit in einer von derjenigen des Tischs 21 verschiedenen Ebene bearbeitet wird, um die Formteileinheit jeweils in einer Position entsprechen den computergestützten Konstruktions daten zu plazieren.

Eine Drückvorrichtung 22 ist neben dem dreidimensional beweg lichen Tisch 21 angeordnet. Die Drückvorrichtung 22 drückt ein auf dem dreidimensional beweglichen Tisch 21 mittels des Halters 19 plaziertes und von der Beschichtungsvorrichtung 23 auf seiner Unterseite mit dem Bindemittel beschichtetes Mate rialstück auf die Oberseite eines unter dem jeweils oberen Stück liegendes darunterliegendes Stück, um es mit diesem zu verbinden.

Eine Laufrolle 20 ist vor der vorderen Zuführvorrichtung 15 angeordnet, um ein dünnes Papierstück zuzuführen, um zu ver hindern, daß das auf dem Restmaterialrahmen befindliche Bin demittel auf der vorderen Zuführvorrichtung 15 verschmiert wird, während das Restmaterial durch die vordere Zuführvor richtung 15 gelangt.

Ein Restmaterialschneider 25 befindet sich hinter der vorde ren Zuführvorrichtung 15, um das Restmaterial, also den Ma terialstreifenrahmen mit Ausnahme der aus dem ursprünglichen Materialstreifen durch die Heißdrahtschneider 16 herausge schnittenen Stücke zu schneiden. Dabei wird das Restmaterial längs einer Führung 26 zwischen der vorderen Zuführvorrich tung 15 und dem Restmaterialschneider 25 zugeführt.

Ein Restmaterialspeicherkasten 28 ist hinter dem Restmate rialschneider 25 angeordnet, um die geschnittenen Restma terialstück aufzunehmen, nachdem sie durch eine Rinne 27 weiterbefördert worden sind.

Im folgenden wird ein Fertigungsverfahren für variable La minierung unter Verwendung der vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschriebene Fertigungseinrichtung für variable Laminierung beschrieben.

Wenn computergestützte Konstruktionsdaten (*.DTL, *.IGES, *.dxf, usw.) in eine Steuereinheit eingegeben werden, steuert diese Steuereinheit die gesamte Fertigungseinrichtung für va riable Laminierung. Das bedeutet, die Steuereinheit steuert die Zuführgeschwindigkeit des streifenförmigen Materials, das auf der Materialzuführrolle 12 aufgewickelt ist, unter Ein satz der hinteren und vorderen Zuführvorrichtung 14 bzw. 15 (die hintere und vordere Zuführvorrichtung 14 bzw. 15 stellt eine Materialzuführeinheit dar). Das zugeführte streifenför mige Material wird durch die Heißdrahtschneider 16 jeweils in eine Formteileinheit geschnitten, und das jeweils herausge schnittene Stück wird mittels des Schneidteilhalters 18 zu dem dreidimensional beweglichen Tisch 21 zugeführt (die Heiß drahtschneider 16 und der Schneidteilhalter 18 bilden eine Trimmeinheit). Die Steuereinheit steuert die Schneidgeschwin digkeit Vs, die Schneidtemperatur T, und die Schneidformin formation für das streifenförmige Material. Dabei bezeichnet die Schneidforminformation die Punktkoordinaten (X, Y, Z) an einer zentralen Position in Dickenrichtung, die Schneidwinkel (Θ₁, Θ₂), und Nachführinformation (die Punktkoordinaten X, Y, Z, die Schneidwinkel Θ₁, Θ₂ und die Nachführinformation bil den die Forminformation). Dabei bestimmt die Nachführinfor mation, welcher der beiden Heißdrähte 17 führt und welcher nachgeführt wird.

Die zu dem dreidimensional beweglichen Tisch 21 zugeführten Formteileinheiten werden gestapelt und miteinander verbunden (der dreidimensional bewegliche Tisch 21 bildet eine Sta pel/Bindeeinheit). Andererseits wird das Restmaterial durch den Restmaterialschneider 25 geschnitten, und die geschnit tenen Restmaterialstücke werden im Restmaterialspeicherkasten 28 gelagert (der Restmaterialschneider 25 und der Restmate rialspeicherkasten 28 bilden eine Restmaterialschneide/Spei chereinheit).

Die oben beschriebenen Prozesse werden wiederholt, bis das Produkt mit einer gewünschten Form vollständig hergestellt ist.

Nachstehend wird die Funktion der Fertigungseinrichtung für variable Laminierung und das Fertigungsverfahren mit variab ler Laminierung mehr im einzelnen beschrieben.

Zuerst wird streifenförmiges Material, wie beispielsweise geschäumtes Kunstharz, thermoplastisches Kunstharz oder wär meaushärtendes Kunstharz, von der durch den Zuführrollenträ ger 11 abgestützten Materialzuführrolle 12 zur Einstellrolle 13 zugeführt, um zu verhindern, daß streifenförmiges Material beschädigt wird (beispielsweise durch Knittern oder Biegen). In diesem Zustand wird das streifenförmige Material konti nuierlich oder intermittierend mittels der hinteren und vor deren Zuführvorrichtung 14 bzw. 15 zugeführt. Dabei wird die Fördergeschwindigkeit und die Zuführlänge des streifenförmi gen Materials durch die in Fig. 1 gezeigte Steuereinheit ge steuert.

In dem Zeitpunkt, in welchem das streifenförmige Material durch die hintere Zuführvorrichtung 14 hindurchpassiert, wird die Unterseite des streifenförmigen Materials, wie in den Fig. 9a und 9b abgebildet ist, mittels der Beschichtungswalze 24 der Beschichtungsvorrichtung 23, die unter dem gefördertem streifenförmigen Material positioniert ist, gleichförmig mit einem Bindemittel beschichtet.

Das so gleichförmig mit dem Bindemittel beschichtete strei fenförmige Material wird mittels der Heißdrahtschneider 16 in Formteileinheiten geschnitten. Dabei werden Schneidgeschwin digkeit Vs, Schneidtemperatur T und Schneidforminformation jedes Heißdrahtschneiders 16 durch die Steuereinheit ge steuert.

Es sind zwei Heißdrahtschneider 16 zum Schneiden des strei fenförmigen Materials vorgesehen. Wie in Fig. 4d gezeigt, sind zwei Drahtpatronen beiderseits des geförderten strei fenförmigen Materials angeordnet, und zwei Heißdrähte 17 ragen aus den Drahtpatronen vor. Jeder Heißdrahtschneider 16 ist so aufgebaut, daß er eine Verschiebung und Drehung mit vier Freiheitsgraden ermöglicht. Jeder Heißdrahtschneider 16 kann in Richtung der X- und der Y-Achse verschoben werden und in Richtung Θx und Θy gedreht werden. Dementsprechend sind die Heißdrahtschneider 16 so aufgebaut, daß sie das freie Schneiden des streifenförmigen Materials in jeweils eine Formteileinheit einer gewünschten Form durch die Heißdrähte 17 ermöglichen.

Um das streifenförmige Material jeweils in eine Formteilein heit einer gewünschten Form zu schneiden, sollten die Heiß drahtschneider 16 durch die in Fig. 5 gezeigte Steuerung be tätigt werden. Die Software-Einheit der in Fig. 5 gezeigten Steuerung berechnet die Positionskoordinaten (X, Y) eines zentralen Querschnitts und seitliche Neigungen (Θx, Θy) unter Verwendung der Forminformation (STL-Datei) der Oberseite und Unterseite einer Formteileinheit und berechnet den Grad der Komplexität einer Form unter Verwendung der berechneten Posi tionskoordinaten (X, Y) des zentralen Querschnitts und der berechneten Seitenneigungen (Θx, Θy). Des weiteren werden die Bewegungsbahnen des führenden und des nachgeführten Elements und der Heißdrahtschneider 16 aus dem berechneten Komplexi tätsgrad einer Form bestimmt, und die Relativgeschwindigkeit V_Cut - V_F des streifenförmigen Materials wird berechnet, nachdem die Bewegungsgeschwindigkeit V_Cut der Heißdraht schneider 16 und die Fördergeschwindigkeit V_F des streifen förmigen Materials berechnet worden sind. Die Temperatur T_h der Heißdrähte erhält man aus einer empirisch ermittelten Temperatur-Relativgeschwindigkeit. Diese Ergebnisse werden zur Software-Einheit der in Fig. 5 gezeigten Steuerung für die Heißdrahtschneider 16 eingegeben, um die Heißdrahtschnei der 16 zu betätigen.

Beim Schneiden der Formteileinheit werden Ober- und Untersei te der Formteileinheit in Richtung der X-Achse mit Seitennei gungen (Θ₁, Θ₂) gemäß Fig. 12 geschnitten, so daß die Posi tionierung der Formteileinheiten leicht durchgeführt werden kann und die Bindekraft der Formteileinheit verbessert wird.

Während die Formteileinheit durch die Heißdrahtschneider 16 gemäß des oben beschriebenen Vorgangs geschnitten werden, wird die Saugvorrichtung 19 des Schneidteilhalters 18 verti kal bewegt, um die zuvor geschnittene Oberseite der Formteil einheit, die in Richtung der X-Achse zu mehr als die Hälfte geschnitten ist, anzusaugen und zu halten. Nachdem die Form teileinheit komplett ausgeschnitten ist, wird die Formteil einheit mit einer auf dem dreidimensional beweglichen Tisch 21 eingestellten Position plaziert. Der Schneidteilhalter 18 sollte mittels der in Fig. 7 gezeigten Steuerung gesteuert betätigt werden, um seine vertikale Bewegung und das Halten der Formteileinheit zu veranlassen.

Die Steuerung für den Schneidteilhalter 18 empfängt, wie in Fig. 7 angedeutet, die computergestützten Konstruktionsdaten der Oberseite der Formteileinheit, berechnet die Kontur der Oberseite und wählt die in der Kontur sitzende Saugvorrich tung 19. Danach berechnet die Steuerung die Reihenfolge des Haltens der Formteileinheit durch die Saugvorrichtung 19. Die vertikale Bewegungsdistanz der Saugvorrichtung 19 wird in An ziehung der Dicke des Materials und der dreidimensionalen An ordnung des Geräts berechnet. Diese berechneten Ergebnisse werden der Hardware-Einheit der Steuerung eingegeben, um den Schneidteilhalter 18 und die Saugvorrichtung 19 zu betätigen.

Die geschnittenen Formteileinheiten werden also auf den drei dimensionalen Tisch 21 gestapelt, und der dreidimensionale Tisch 21 wird mittels der in Fig. 8 gezeigten Steuerung ge steuert. Die Steuerung für den dreidimensional beweglichen Tisch 21 empfängt die computergestützten Daten der Unterseite der Formteileinheit durch die Software-Einheit und berechnet die Mittenkoordinaten der Unterseite der Formteileinheit (X_C, Y_C). Die Steuerung transformiert die Mittenkordinaten (X_C, Y_C) in Koordinaten auf dem dreidimensional beweglichen Tisch 21, um die Mittenkoordinaten der Unterseite der Formteilein heit (X_CT, Y_CT) auf dem dreidimensional beweglichen Tisch 21. Die Bewegungsdistanz des dreidimensional beweglichen Tischs 21 wird aus den computergestützten Daten im Hinblick auf die Stapelrichtung (X_dir bzw. Y_dir), der Dicke des zugeführten Materials t und der dreidimensionalen Anordnung des Geräts berechnet. Der Grund, warum die Mittenkoordinaten der Unter seite der Formteileinheit (X_C, Y_C) auf dem dreidimensional beweglichen Tisch 21 durch Transformation der Koordinaten berechnet werden, liegt darin, einen Stapelfehler zu verhin dern, der auf Grund einer Diskrepanz von Stapelkoordinaten auftreten könnte. Diese Ergebnisse werden in die in Fig. 8 dargestellte Steuerung für den dreidimensional beweglichen Tisch 21 eingegeben, um diesen Tisch 21 zu betätigen.

Wenn die Formteileinheiten auf dem dreidimensional bewegli chen Tisch gestapelt sind, werden die Formteileinheiten durch die in Fig. 10 dargestellte Drückvorrichtung 22 zusammenge drückt, um die einzelnen Teile aneinander zu binden.

Dementsprechend wird ein Produkt einer gewünschten Form fertiggestellt.

Das Restmaterial, aus dem die Formteileinheiten ausgeschnit ten worden sind, wird mittels der vorderen Fördervorrichtung 15 weiterbefördert, durch den in Fig. 5 gezeigten Restmate rialschneider 25 in Stücke geschnitten und in dem Restmate rialspeicherkasten 28 gelagert. Dabei wird das Restmaterial durch den vertikal bewegen Restmaterialschneider 25 geschnit ten, wenn der Restmaterialteil durch die Führung 26 gelangt, und die geschnittenen Restmaterialstücke werden durch die Rinne 27 geführt und im Restmaterialspeicherkasten 28 abge legt.

Gemäß dem Verfahren und der Einrichtung nach der Erfindung wird das Produkt mit einer gewünschten Form durch Wiederholen der oben beschriebenen Prozeduren hergestellt.

Obwohl das streifenförmige Material gemäß der vorstehenden Beschreibung durch Heißdrähte geschnitten wird, kann das streifenförmige Material auch durch eine lineare Wärmequelle geschnitten werden, wie beispielsweise mittels Laser, Plasma, eines Wärmestrahls, Heißgas oder dergleichen.

Das Fertigungsverfahren für variable Laminierung und die Ein richtung nach der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrie ben, haben folgende Unterschiede im Vergleich zu herkömmli cher Laminatobjekt-Herstellung und Schmelzauftrag-Modellie rung.

Erstens können das Fertigungsverfahren für variable Laminie rung und die Einrichtung nach der Erfindung bei Schaumkunst stoff, thermoplastischem Kunststoff und wärmeaushärtendem Kunststoff sowie bei sämtlichen Materialen eingesetzt werden, die durch lineare Wärmeschneideinrichtungen geschnitten wer den können.

Zweitens kann ein Produkt komplizierter Form in einem Zug hergestellt werden, weil Herstellungsbreite und Herstellungs länge während der Herstellung des Produkts gesteuert werden können.

Drittens kann die Maßgenauigkeit eines Produkts beträchtlich verbessert werden, weil die Neigungen der hergestellten Ober flächen während der Herstellung des Produkts gesteuert werden können.

Viertens wird die Herstellungszeit im Vergleich zu anderen Techniken abgekürzt, weil streifenförmiges Material verschie dener Dicken zugeführt werden kann.

Fünftens wird eine Schicht eines Produkts durch Kombinieren von Formteileinheiten gebildet, die in Bereiche unterteilt sein können, und die anderen Schichten können in der gleichen Weise gebildet werden, sodaß eine Nachbearbeitung von ver bleibendem Material selten notwendig ist und die Verlustrate an Material im Vergleich mit herkömmlicher Laminatobjekt-Her stellung verringert ist.

Vergleichstafel

Wie oben beschrieben, wird bei dem Herstellverfahren mit va riabler Laminierung unter Einrichtung nach der Erfindung ein dreidimensionales Produkt in solcher Weise hergestellt, daß ein streifenförmiges Material variabler Dicke und Breite zu geführt und mittels einer linearen Wärmeschneidvorrichtung mit vier Freiheitsgraden in Formteileinheiten variabler Brei te, Neigung und Länge durchschnitten wird, und die geschnit tenen Formteileinheiten werden zu dem Produkt kombiniert, wo durch die Herstellgeschwindigkeit des Produkts beträchtlich gesteigert wird.

Des weiteren ermöglicht das Herstellverfahren mit variabler Laminierung und die Einrichtung nach der Erfindung das Schneiden des streifenförmigen Materials in Formteileinheiten unter Verwendung der linearen Wärmeschneidvorrichtung, wäh rend Breite, Seitenneigung und Länge gesteuert werden, wo durch die Maßgenauigkeit des Produkts verbessert wird.

Des weiteren kann nach dem Fertigungsverfahren mit variabler Laminierung und der Einrichtung nach der Erfindung ein Pro dukt durch Kombinieren einer Vielzahl geschnittener Stücke hergestellt werden, so daß der Materialverlust minimiert werden kann und Nachbearbeitung nur selten erforderlich ist.

Ferner können bei der variablen Laminierung Schaumkunststoff, thermoplastischer Kunststoff, wärmeaushärtender Kunststoff und sämtliche Materialen als Fertigungsmaterial eingesetzt werden, die durch eine lineare Wärmeschneidvorrichtung ge schnitten werden können, so daß das Verfahren auf verschie denen industriellen Gebieten einsetzbar ist, beispielsweise beim Bau von Architekturmodellen, bei der Herstellung von Versuchsprodukten, von Formgestaltungen, Kernen beim Kernaus schmelz-Gießverfahren oder dergleichen.

Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung nun zwecks Erläuterung beschrieben worden sind, ist für den Fach mann klar, daß verschiedene Modifikationen, Ergänzungen und Substitutionen möglich sind, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er in den anliegenden Patentan sprüchen definiert ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände durch variablen Laminatstrukturaufbau, mit folgenden Schrit ten:
Beschichten von streifenförmigem Material mit einem Kleb stoff, während das streifenförmige Material zugeführt wird,
Schneiden des streifenförmigen Materials während seiner Zu führung in Materialstücke variabler Breite, variabler Kanten neigungen, und variabler Länge entsprechend dreidimensionalen computergestützten Konstruktionsdaten des dreidimensionalen Produkts, wobei das Schneiden unter Einsatz einer linearen Wärmequelle erfolgt,
Stapeln der geschnittenen Materialstücke auf einem bewegli chen Tisch, der jeweils in die entsprechenden Positionen des dreidimensionalen Produkts positioniert wird und
Zusammendrücken der gestapelten geschnittenen Materialstücke, um diese aneinander zu binden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den Schritt des Schneidens und Sammelns des nach dem Ausschneiden der Mate rialstücke aus dem zugeführten streifenförmigen Material verbleibenden Restmaterial umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als lineare Wärme quelle ein Heißdraht, ein Laser, Plasma, ein Wärmestrahl oder Heißgas eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das streifenförmi ge Material aus Kunststoffschaum, thermoplastischem Kunst stoff oder wärmeaushärtendem Kunststoff besteht.

5. Einrichtung zum Herstellen einer variablen Laminatstruk tur, mit:
Zuführmitteln zum Zuführen eines streifenförmigen Materials,
Beschichtungsmitteln zum Beschichten der Unterseite des streifenförmigen Materials mit einem Klebstoff,
Schneidmitteln zum Schneiden des streifenförmigen Materials während seiner Zuführung in Materialstücke variabler Breite, variabler Kantenneigung und variabler Länge gemäß dreidimen sionalen computergestützten Konstruktionsdaten des herzustel lenden dreidimensionalen Produkts, wobei die Schneidmittel eine lineare Wärmequelle umfassen,
Halte- und Bewegungsmittel zum Halten einer jeweils geschnit tenen Formteileinheit und zum vertikalen Bewegen derselben, und
Positioniermittel zum dreidimensionalen Bewegen der geschnit tenen Materialstücke, um die jeweils geschnittene Formteil einheit an Ort und Stelle zum Aufbau des dreidimensionalen Produkts zu positionieren.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, die weiter Mittel zum Schnei den und Speichern des nach dem Schneiden der zum Aufbau des Produkts benutzten Materialstücke verbleiben Restmaterials aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, die weiter eine Papierzu führrolle aufweist, die Papier zur Unterseite des Restma terials zuführt, um zu verhindern, daß auf der Unterseite des Restmaterials aufgebrachter Klebstoff die Fördermittel ver schmiert, durch welche das Restmaterial hindurchgelangt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Schneidmittel zum Schneiden der für den Aufbau des dreidimen sionalen Produkts benötigten Materialstücke aus dem streifen förmigen Material ein linearer Wärmeschneider mit vier Frei heitsgraden ist, der Verschiebe- und Drehbewegungen ausführen kann.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, weiter mit einer Drückvorrichtung, welche die geschnittenen und gesta pelten Materialstücke zur Erzeugung der gegenseitigen Bindung zusammendrückt.