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Die digitale dreidimensionale Fertigung, auch als digitale additive Fertigung bekannt, ist ein Prozess zur Herstellung eines dreidimensionalen festen Objekts mit nahezu jeder Form aus einem digitalen Modell. Das dreidimensionale bzw. 3D-Drucken ist ein additiver Prozess, bei dem ein oder mehrere Druckköpfe aufeinanderfolgende Schichten von Material in unterschiedlichen Formen auf ein Substrat ausstoßen. Das Substrat wird entweder auf einer Plattform gehalten, die durch den Betrieb von mit der Plattform operativ verbundenen Stellgliedern dreidimensional bewegt werden kann, oder der Druckkopf bzw. die Druckköpfe sind operativ mit einem oder mehreren Stellgliedern verbunden, die eine gesteuerte Bewegung des Druckkopfs bzw. der Druckköpfe ermöglichen, um die Schichten herzustellen, welche das Objekt bilden. Das dreidimensionale Drucken unterscheidet sich von traditionellen Techniken zum Formen von Objekten, die zumeist auf der Entfernung von Material von einem Werkstück durch einen subtraktiven Prozess wie etwa Schneiden oder Bohren beruhen.
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Aktuelle dreidimensionale Drucker weisen signifikante Einschränkungen bezüglich des Viskositätsbereichs der Materialien auf, die ausgestoßen werden können, wobei die meisten Materialien eine Obergrenze zwischen 10 und 20 Centipoise (cP) aufweisen. Die Drucker können flüssige Photopolymere ausstoßen, die nach ihrer Härtung durch die Obergrenze dieses Bereichs eingeschränkt sind. Das führt dazu, dass mit diesen Materialien hergestellte Objekte möglicherweise zu empfindlich und damit in ihrer Funktionalität eingeschränkt sind. Andere additive Fertigungsverfahren, wie die Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) oder das Selektive Lasersintern (SLS) können eine breitere Palette an Materialien verwenden und eignen sich somit zum Produzieren von Produkten, die haltbarer als die Objekte sind, die aus gehärteten Photopolymermaterialien hergestellt werden. Deshalb wäre ein System vorteilhaft, das in der Lage ist, Objekte mit gehärtetem Photopolymermaterialien zu produzieren, die so haltbar wie Objekte aus den FDM- und SLS-Verfahren sind.
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Ein Fertigungsverfahren, bei dem Fasern oder ein oder mehrere Stücke eines Netzes in eine dreidimensionale Struktur während eines additiven Fertigungsprozesses der Struktur eingebettet werden, erhöht die Robustheit und Haltbarkeit der Struktur. Das Verfahren umfasst das Betreiben von mindestens einer Ausstoßvorrichtung in einer Mehrzahl von Ausstoßvorrichtungen mit einer Steuervorrichtung, um mindestens eine Schicht eines Photopolymermaterials auf einem Substrat zu bilden, das Betreiben einer Quelle ultravioletter (UV-)Strahlung mit der Steuervorrichtung, um die mindestens eine Schicht des Photopolymers teilweise zu härten, das Betreiben eines Stellglieds mit der Steuervorrichtung, um Fasern auf einer Oberseitenfläche der mindestens einen Schicht des teilweise gehärtetem Photopolymers zu positionieren, und das Betreiben der mindestens einen Ausstoßvorrichtung mit der Steuervorrichtung, um zusätzliches Photopolymermaterial auf die Fasern auszustoßen, um mindestens eine weitere Schicht des Photopolymermaterials auf den Fasern zu bilden.
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Ein System, das Fasern oder ein oder mehrere Stücke eines Netzes in ein dreidimensionales Objekt während eines additiven Fertigungsprozesses der Struktur einbettet, erhöht die Robustheit und Haltbarkeit der Struktur. Das System umfasst ein Substrat, eine Mehrzahl von Ausstoßvorrichtungen, die zum Ausstoßen von Tropfen aus Photopolymermaterial in Richtung des Substrats ausgelegt sind, eine Quelle ultravioletter (UV-)Strahlung, die Strahlung aussendet, um das von der Mehrzahl von Ausstoßvorrichtungen ausgestoßene Photopolymermaterial zu härten, ein Stellglied, das zum Positionieren von Fasern auf dem von dem Substrat gehaltenen Photopolymermaterial ausgelegt ist, und eine Steuervorrichtung, die operativ mit der Mehrzahl von Ausstoßvorrichtungen, der Strahlungsquelle und dem Stellglied verbunden ist. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um mindestens eine Ausstoßvorrichtung in der Mehrzahl von Ausstoßvorrichtungen so zu betreiben, dass mindestens eine Schicht des Photopolymermaterials auf dem Substrat gebildet wird, um eine UV-Strahlungsquelle so zu betreiben, dass die mindestens eine Schicht des Photopolymers teilweise gehärtet wird, um das Stellglied so zu betreiben, dass Fasern auf einer Oberseitenfläche der mindestens einen Schicht des teilweise gehärteten Photopolymers positioniert werden, und um die Mehrzahl von Ausstoßvorrichtungen so zu betreiben, dass zusätzliches Photopolymermaterial auf die Fasern ausgestoßen wird, um mindestens eine weitere Schicht des Photopolymermaterials auf den Fasern zu bilden.
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Die vorstehenden Aspekte und andere Merkmale eines Systems, das Fasern oder ein oder mehrere Stücke eines Netzes in ein additiv gefertigtes dreidimensionales Objekt einbettet, sind in der folgenden Beschreibung erläutert, wobei Bezug genommen wird auf die beiliegenden Zeichnungen.
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1 zeigt eine Draufsicht eines Systems zum Bilden einer dreidimensionalen Struktur mithilfe eines additiven Fertigungsverfahrens, das über die Fähigkeit verfügt, während des Bildungsprozesses Netzstücke nach Maß zuzuschneiden.
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2 zeigt eine Seitenansicht des Systems aus 1.
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3 zeigt eine Draufsicht des Systems aus 1, das weitere Elemente gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst.
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4 ist ein Flussdiagramm eines additiven Fertigungsverfahrens zum Einbetten eines Netzstücks oder einer Mehrzahl von Netzstücken in eine dreidimensionale Struktur.
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5 ist eine Darstellung einer Faserabgabevorrichtung, die in der in 3 gezeigten Ausführungsform verwendet werden kann.
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Für ein allgemeines Verständnis des Umfelds für das hier offenbarte System und Verfahren sowie der Details des Systems und des Verfahrens wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen werden gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Elemente verwendet.
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1 und 2 veranschaulichen ein System zum Bilden einer dreidimensionalen Struktur mithilfe eines additiven Fertigungsverfahrens, das über die Fähigkeit verfügt, während des Bildungsprozesses Fasern oder Netzstücke in die Struktur einzubetten. Der in diesem Dokument verwendete Begriff „Fasern“ bezieht sich auf eine Sammlung von Filamenten aus einem oder mehreren Materialien, die nützlich sind, um die Haltbarkeit oder Zugfestigkeit der gefertigten Struktur zu verbessern. Der in diesem Dokument verwendete Begriff „Netz“ bezieht sich auf eine Vielzahl von Fasern, die so angeordnet sind, dass sie in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen verlaufen, und die miteinander verbunden sind, um ein Gebilde zu bilden, das zu einem gewissen Grade luft- und lichtdurchlässig ist. Der Drucker 100 umfasst ein Substrat 10, mindestens eine Ausstoßvorrichtung 12, eine Schneidvorrichtung 14, ein Stellglied 16, eine Steuervorrichtung 18, einen Rasterbildprozessor 22, der Rasterdaten erzeugt, und einen Druckkopftreiber 24. Eine 3D-Teiledatei 20, wie sie zum Beispiel durch ein CAD-System (Computer-Aided Design, rechnergestützter Entwurf) erstellt wird, wird durch einen 3D-Rasterbildprozessor 22 empfangen, der Rasterbilddaten für die Schichten erzeugt, die zum Bilden des Teils 11 gedruckt werden sollen. Der 3D-Rasterbildprozessor 22 übergibt die Rasterbilddaten an den Druckkopftreiber 24, und der Treiber erzeugt die pixelierten Daten zum Betreiben der mindestens einen Ausstoßvorrichtung 12 sowie zum Senden der Daten an die Steuervorrichtung 18. Die mindestens eine Ausstoßvorrichtung 12 ist zum Ausstoßen von Tropfen eines Photopolymermaterials in Richtung des Substrats 10 konfiguriert, sodass die Tropfen eine Schicht des Photopolymermaterials auf der Oberseite des Substrats 10 bilden. Wie in 1 gezeigt, können mehrere Ausstoßvorrichtungen nacheinander vorgesehen sein, und das Teil 11 wird durch die Abfolge von Ausstoßvorrichtungen bewegt, um von jeder Tropfen von Photopolymermaterial zu empfangen. Die Schneidvorrichtung 14 ist zum Schneiden eines Netzmaterials in nahezu jede Form konfiguriert. Das Stellglied 16 ist dazu konfiguriert, mindestens ein Stück des Netzmaterials 13 von der Schneidvorrichtung 14 in Richtung des Substrats zu bewegen. Der Zweck des mindestens einen Stücks des Netzmaterials 13 besteht in der Erhöhung der Robustheit und Festigkeit des Teils, indem mindestens ein Stück des Netzmaterials 13 zwischen Schichten des Teils eingefügt wird. Das Netz wirkt als eine Stützstruktur innerhalb des Teils und kann im gesamten Teil platziert werden oder nur selektiv in stark belasteten Bereichen innerhalb des Teils platziert werden. Das Netzmaterial kann aus jedem Material hergestellt sein, das stark genug ist, um das gehärtete Teil zu stützen. Zu diesen Materialien zählen unter anderem Metalle wie zum Beispiel Nickel und Edelstahl sowie hochfeste Kunststoffe.
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Die Steuervorrichtung 18 ist operativ mit dem Druckkopftreiber 24, der mindestens einen Ausstoßvorrichtung 12, der Schneidvorrichtung 14 und dem Stellglied 16 verbunden. Die Steuervorrichtung 18 ist konfiguriert, um die verschiedenen Komponenten des Systems zu betreiben. Die Steuervorrichtung 18 ist, zum Beispiel, ein eigenständiger, dedizierter Computer, der über eine zentrale Prozessoreinheit (Central Processing Unit, CPU) mit elektronischem Speicher und eine Anzeige oder Benutzerschnittstelle (User Interface, UI) verfügt. Die Steuervorrichtung 18 kann auch mit allgemeinen oder spezialisierten programmierbaren Prozessoren konfiguriert sein, die programmierte Anweisungen ausführen können, welche in einem mit der Steuervorrichtung operativ verbundenen Speicher gespeichert sind. Die Prozessoren, ihre Speicher und die Schnittstellenschaltungen konfigurieren die Steuervorrichtungen zur Durchführung der im Folgenden beschriebenen Operationen. Diese Komponenten können auf einer Leiterplatte in Form einer Schaltung oder in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) bereitgestellt sein. Jede der Schaltungen kann mit einem getrennten Prozessor implementiert sein, oder mehrere Schaltungen können auf demselben Prozessor implementiert sein. Alternativ können die Schaltungen mit diskreten Komponenten oder Schaltungen implementiert sein, die in höchstintegrierten (Very Large Scale Integrated, VLSI) Schaltungen bereitgestellt sind. Die hier beschriebenen Schaltungen können auch mit einer Kombination aus Prozessoren, ASICs, diskreten Komponenten oder VLSI-Schaltungen implementiert sein.
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Zuerst betreibt die Steuervorrichtung die mindestens eine Ausstoßvorrichtung 12, um Tropfen aus Photopolymermaterial auszustoßen, um mindestens eine Schicht des Photopolymermaterials auf dem Substrat 10 zu bilden; Die Steuervorrichtung 18 kann die mindestens eine Ausstoßvorrichtung 12 betreiben, um so viele Schichten hinzuzufügen, wie das durch die 3D-Teiledatei 20 gefordert wird oder wie es durch den Benutzer erwünscht ist, bevor das Photopolymermaterial gehärtet wird. Sobald das Photopolymermaterial gehärtet ist, wird mindestens ein Stück Netzmaterial 13 auf der obersten Schicht des Photopolymermaterials positioniert. Die Steuervorrichtung 18 kann die Schneidvorrichtung 14 auch in Bezug auf die verarbeiteten Daten betreiben, die zum Betreiben der mindestens einen Ausstoßvorrichtung 12 verwendet werden, um das Netzmaterial in ein oder mehrere Stücke des Netzes 13 zu schneiden, welche ein Form haben, die einem Abschnitt der mindestens einen Schicht des gehärteten Photopolymermaterials entspricht. Das resultierende mindestens eine Stück des Netzmaterials 13 wird in eine Form oder in Formen geschnitten, die der allgemeinen Querschnittsform der obersten Schicht des Teils 11 entsprechen, wie das in der Ausführungsform von 1 gezeigt ist. Die Verfügbarkeit eines Stücks des Netzmaterials 13 mit einer Form, die im Wesentlichen der Form der obersten Schicht des Teils entspricht, maximiert die Oberfläche der obersten Schicht, die das Stück des Netzmaterials 13 kontaktiert. Diese Maximierung der Kontaktfläche erhöht die strukturelle Integrität und Haltbarkeit des Teils. Die verarbeiteten Daten, die zum Betreiben der mindestens einen Ausstoßvorrichtung 12 verwendet werden, können durch die Steuervorrichtung 18 verwendet werden, um die Schneidvorrichtung 14 so zu betreiben, dass diese mehrere Netzstücke 13 schneidet, die individuell auf der obersten Schicht des Teils platziert werden. Die Schneidvorrichtung 14 ist konfiguriert, um das Netzmaterial mithilfe verschiedener Schneidverfahren zu schneiden, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Technik bekannt sind. In einer Ausführungsform ist die Schneidvorrichtung 14 ein Laserschneidsystem, und in einer anderen Ausführungsform ist die Schneidvorrichtung 14 ein System mit hin- und hergehender Klinge, das mit einem Stellglied operativ verbunden ist, welches konfiguriert ist, um das System mit hin- und hergehender Klinge als Reaktion auf Signale zu betreiben, die von der Steuervorrichtung 18 empfangen werden, um das Netz in Formen zu schneiden, die den Daten entsprechen, welche zum Betreiben der Ausstoßvorrichtungen verwendet werden, die das Teil gebildet haben. Das heißt, die Steuervorrichtung 18 betriebt das Stellglied 16 in den positiven und negativen X-, Y- und Z-Richtungen, um das mindestens eine Teil des Netzmaterials 13 von der Schneidvorrichtung 14 zu einer Oberseitenfläche der mindestens einen Schicht des gehärteten Photopolymermaterials zu transportieren. Um die Verstärkung des Teils zu unterstützen, kann die Steuervorrichtung 18 das Stellglied 16 auch so betreiben, dass die Ausrichtung der Netzstücke innerhalb einer Schicht oder in verschiedenen Schichten variiert. Schließlich betreibt die Steuervorrichtung 18 die mindestens eine Ausstoßvorrichtung 12, um weitere Schichten hinzuzufügen, nachdem das mindestens eine Stück des Netzmaterials 13 zur obersten Schicht des gehärteten Photopolymermaterials hinzugefügt wurde, um die mindestens eine Schicht des Photopolymermaterials auf der Oberseite des mindestens einen Stücks des Netzmaterials 13 zu bilden. Das Netzstück bzw. die Netzstücke, das bzw. die auf der Oberseitenfläche des gehärteten Photopolymers abgelegt wurde bzw. wurden, muss bzw. müssen nicht den Begrenzungen der obersten Schicht entsprechen. Zum Beispiel kann sich ein Abschnitt des Netzstücks bzw. der Netzstücke über die Kanten der obersten Schicht hinaus erstrecken. Der überstehende Abschnitt eines Stücks kann verwendet werden, um das Teil während der Produktion zu manipulieren, oder kann als Stütze für Material verwendet werden, das später ausgestoßen werden soll. Sobald das Teil fertiggestellt ist, können die Überstände der Netzstücke durch bekannte Verfahren entfernt werden. Der Prozess des Hinzufügens von Schichten und Netzstücken wird fortgesetzt, bis das dreidimensionale Teil 11 fertiggestellt ist.
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Im Folgenden werden verschiedene weitere Ausführungsformen des oben beschriebenen Systems offenbart. In einer Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, umfasst das System des Weiteren einen optischen Sensor 26, der dazu konfiguriert ist, Bilddaten der mindestens einen Schicht des Photopolymermaterials zu erzeugen, die ein Objekt bildet. Die Steuervorrichtung 18 ist operativ mit dem optischen Sensor 26 verbunden, um die durch den optischen Sensor 26 erzeugten Bilddaten zu empfangen, die einem Bild der verschiedenen Merkmale der Schicht des Photopolymermaterials entsprechen, insbesondere deren Form. Diese Bilddaten werden an die Steuervorrichtung 18 gesendet, welche Signale zum Betreiben der Schneidvorrichtung 14 und der mindestens einen Ausstoßvorrichtung 12 erzeugt. Die Schneidvorrichtung 14 schneidet dann das nächste Stück des Netzmaterials 13 nach den gewünschten Spezifikationen entsprechend den Signalen zu, die auf den von der Steuervorrichtung 18 gesendeten und durch den optischen Sensor 26 erzeugten Bilddaten basieren. Die Steuervorrichtung 18 kann diese Daten auch verwenden und die mindestens eine Ausstoßvorrichtung 12 so betreiben, dass Abweichungen bei der Oberseitenfläche der Schicht des gehärteten Photopolymermaterials berücksichtigt werden, die durch das Hinzufügen des mindestens einen Stücks des Netzmaterials 13 hergestellt wird. Wenn das mindestens eine Stück des Netzmaterials 13 zur Oberseitenfläche der Schicht des gehärteten Photopolymermaterials hinzugefügt wird, können sich rund um das Netz Erhöhungen oder Beulen bilden. Auch das Netz selbst kann über die Ebene der Oberseitenfläche der Schicht des gehärteten Photopolymermaterials hinaus angehoben werden. Daher muss die Schicht des Photopolymermaterials, die oben auf dem Netz hinzugefügt werden soll, diese Deformierungen in der Oberfläche der oberen Schicht berücksichtigen. Der optische Sensor 26 erfasst diese Informationen und erzeugt Bilddaten, die diesen Informationen entsprechen und zur Steuervorrichtung 18 gesendet werden. Wie oben erwähnt wurde, ist das Netzmaterial durchlässig, sodass das Aufbau- und Stützmaterial den Zwischenraum in dem Netzmaterial ausfüllen kann, und die Menge des ausgestoßenen Materials kann je nach Stelle variiert werden, um die Oberseitenfläche in der nächsten Photopolymerschicht zu einzuebnen. Damit betreibt die Steuervorrichtung 18 die mindestens eine Ausstoßvorrichtung 12 in Bezug auf diese Bilddaten, um in einigen Bereichen mehr Photopolymermaterial und in einigen Bereichen weniger hinzuzufügen, um eine ebene Oberseitenfläche auf der nächsten Schicht des Photopolymermaterials zu erzielen.
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Wie oben erwähnt wurde, kann die Steuervorrichtung 18 zum Erzeugen von Signalen konfiguriert sein, um die Schneidvorrichtung 14 in Bezug auf Bilddaten zu betreiben, die von der Steuervorrichtung 18 zum Betreiben der mindestens einen Ausstoßvorrichtung 12 verwendet werden, um die mindestens eine Schicht des Photopolymermaterials zu bilden. In dieser Konfiguration kommen die Bilddaten, die durch die Steuervorrichtung 18 für jede Schicht verwendet werden, direkt aus der 3D-Teiledatei 20. Die Bilddaten kommen nicht aus dem tatsächlichen Teil 11, das aufgebaut wird, und zeigen daher keine möglichen Unvollkommenheiten oder unbeabsichtigten Änderungen, die möglicherweise während des Aufbauprozesses aufgetreten sind. Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform werden die Bilddaten von der Steuervorrichtung 18 verwendet, um die Schneidvorrichtung 14 zum Schneiden von jedem Netzstück 13 zu betreiben. Zusätzlich kann die Steuervorrichtung 18 diese Bilddaten aus der Teiledatei nehmen und sie mit empirisch ermittelten Daten modifizieren, die Abweichungen bei der Oberseitenfläche der Schicht des Photopolymermaterials entsprechen, in die das mindestens eine Stück des Netzmaterials 13 eingebettet wurde. Diese empirisch ermittelten Daten, die den Unvollkommenheiten und Erhöhungen in der Oberseitenfläche der Schicht des Photopolymermaterials entsprechen, in die ein Netzstück eingebettet wurde, werden in dem Speicher mit der Teiledatei 20 gespeichert, bevor der Aufbauprozess beginnt. Die Steuervorrichtung 18 verwendet dann diese empirisch ermittelten Daten und betreibt die mindestens eine Ausstoßvorrichtung 12, um in einigen Bereichen mehr Photopolymermaterial und in einigen Bereichen weniger Material hinzuzufügen, um eine ebene Oberseitenfläche auf der nächsten Schicht des Photopolymermaterials zu erzielen.
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Diese Unvollkommenheiten in der Schicht des Photopolymermaterials, das über dem Netzstück aufgetragen wird, können mithilfe anderer Verfahren kompensiert werden, wie sie in den folgenden Ausführungsformen beschrieben sind. In einer Ausführungsform kann das in 3 dargestellte System 100 des Weiteren ein zweites Stellglied 28 umfassen, das konfiguriert ist, um eine Platte oder Walze 30 in Bezug auf das Substrat 10 zu bewegen. Die Steuervorrichtung 18 ist operativ mit dem zweiten Stellglied 28 verbunden und ist des Weiteren dazu konfiguriert, das zweite Stellglied 28 so zu betreiben, dass die Platte oder Walze 30 in die Schicht des Photopolymers gedrückt wird, die das mindestens eine Stück des Netzmaterials bedeckt. Wenn die Platte oder Walze 30 in die Schicht des Photopolymers gedrückt wird, die das mindestens eine Stück des Netzmaterials 13 bedeckt, drückt sie das Photopolymermaterial in das mindestens eine Stück des Netzmaterials 13 hinein. Wenn die Schicht des Photopolymermaterials in das Netzstück bzw. die Netzstücke hinein gedrückt wird, wird das mindestens eine Stück des Netzmaterials 13 geringfügig unterhalb zur, geringfügig unterhalb der oder vollständig bündig mit der Oberseitenfläche der Schicht des Photopolymermaterials positioniert, die über dem Netzstück bzw. den Netzstücken aufgetragen wird. Diese Positionierung gewährleistet, dass die Oberseitenfläche der Schicht des Photopolymermaterials relativ eben und damit bereit ist, die nächste Schicht des Photopolymermaterials von der mindestens einen Ausstoßvorrichtung 12 zu empfangen. Die Platte oder Walze 30 kann aus einer zylindrischen Walzvorrichtung bestehen, die über die Schicht des Photopolymermaterials und das mindestens eine Stück des Netzmaterials 13 gewalzt wird. Die Platte oder Walze 30 kann auch aus einer warmen Platte bestehen, die in die Schicht des Photopolymermaterials und in das mindestens eine Stück des Netzmaterials 13 gedrückt wird, um die Photopolymerschicht zu erwärmen, was die Haftung des mindestens einen Stücks des Netzmaterials 13 an der Schicht des Photopolymermaterials, die auf das Netz aufgetragen wird, und die Einebnung der oberen Schicht des Photopolymermaterials unterstützt.
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In einer anderen Ausführungsform werden die Unvollkommenheiten in der Oberseitenfläche einer Schicht des Photopolymermaterials, die auf ein oder mehrere Netzstücke aufgetragen wurde, mit einer Einebnungsvorrichtung 32 repariert, die konfiguriert ist, um einen Abschnitt der mindestens einen Schicht des Photopolymermaterials zu entfernen, die auf das Netzstück oder die Netzstücke aufgetragen wurde. Die Steuervorrichtung 18 ist operativ mit der Einebnungsvorrichtung 32 verbunden und ist des Weiteren konfiguriert, um die Einebnungsvorrichtung 32 zu betreiben, um einen Abschnitt der mindestens einen weiteren Schicht des ungehärteten Photopolymermaterials zu entfernen, die auf das Netzstück oder die Netzstücke aufgetragen wurde. Der Abschnitt, der von der mindestens einen weiteren Schicht des ungehärteten Photopolymermaterials entfernt werden soll, ist ein beliebiger Abschnitt der Oberseitenfläche der letzten Schicht, der hervorsteht oder anderweitig die Ebenheit der Oberseitenfläche beeinträchtigt. Sobald diese Abschnitte entfernt wurden, ist die Oberseitenfläche der letzten Schicht des Photopolymermaterials ausreichend eben, damit weitere Schichten des Photopolymermaterials oben auf sie aufgetragen werden können. Nicht jede Schicht muss perfekt eben sein, weil Daten vom optischen Sensor 26 oder Bilddaten aus der Teiledatei verwendet werden können, um diese Unvollkommenheiten zu berücksichtigen und um die mindestens eine Ausstoßvorrichtung 12 zur entsprechenden Bildung der nächsten Schicht zu betreiben.
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Eine weitere Ausführungsform des Systems 100, das in 3 dargestellt ist, enthält einen Roboterarm 34, der verwendet wird, um ein Netzstück oder Netzstücke auf dem gerade gefertigten Teil zu positionieren. Das Stellglied 16 ist operativ mit dem Roboterarm 34 verbunden, um es der Steuervorrichtung 18 zu ermöglichen, das Stellglied 16 zu betreiben, um den Roboterarm 34 zu bewegen und das mindestens eine Netzstück 13 auf der Schicht des Photopolymermaterials zu positionieren. Demzufolge verbessert der Betrieb des Roboterarms 34 die Geschwindigkeit und Effizienz des Prozesses der Platzierung des mindestens einen Stücks des Netzmaterials 13 auf der Oberseitenfläche der Schicht des Photopolymermaterials. In dieser Ausführungsform können vorgeschnittene Netzstücke 13 auf einer anderen Auflageplatte aufbewahrt werden, oder die Schneidvorrichtung 14 kann so durch die Steuervorrichtung 18 betrieben werden, dass sie die Netzstücke schneidet. Um die Übereinstimmung der Netzstücke mit den Bereichen des gebildeten Teils zu erleichtern, kann eine Anzahl von vorgeschnittenen Netzstücken mit unterschiedlichen Breiten und Längen auf der Auflageplatte aufbewahrt werden, oder der Schneidvorrichtung 14 können Rollen von Netz in unterschiedlichen Breiten zugeführt werden. Die Steuervorrichtung 18 nimmt dann die Netzstücke 13 von der Auflageplatte, um sie auf dem Teil 11 zu platzieren. Weil das System 100 Objekte mit härtbaren flüssigen Photopolymeren bildet, ist in dem in 3 dargestellten System eine UV-Strahlungsquelle 36 enthalten. Die Steuervorrichtung 18 ist operativ verbunden mit der UV-Strahlungsquelle 36 und ist konfiguriert, um die UV-Strahlungsquelle 36 so zu betreiben, dass sie das flüssige Photopolymermaterial härtet, das von der mindestens einen Ausstoßvorrichtung 12 ausgestoßen wurde. Diese Härtung des Teils 11 kann je nach Bedarf von Zeit zu Zeit erfolgen. Das Teil kann von der mindestens einen Ausstoßvorrichtung 12 weg und an eine Stelle bewegt werden, wo die UV-Strahlungsquelle 36 direkt auf das Teil 11 auftreffen und es härten kann. Das Teil kann dann wieder zurück in seine ursprüngliche Position bewegt werden, damit die mindestens eine Ausstoßvorrichtung 12 betrieben werden kann, um den Aufbauprozess fortzusetzen.
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In 4 ist ein additives Fertigungsverfahren 200 zum Einbetten eines Netzstücks oder einer Mehrzahl von Netzstücken in eine dreidimensionale Struktur dargestellt. In der Beschreibung dieses Verfahrens beziehen sich Aussagen, dass ein Prozess eine Aufgabe oder Funktion durchführt, darauf, dass eine Steuervorrichtung oder ein Allzweck-Prozessor programmierte Anweisungen ausführt, die in einem operativ mit der Steuervorrichtung oder dem Prozessor verbundenen Speicher gespeichert sind, um Daten zu manipulieren oder um eine oder mehrere Komponenten in dem Drucker so zu betreiben, dass sie die Aufgabe oder Funktion durchführen. Die oben erwähnte Steuervorrichtung 18 kann eine solche Steuervorrichtung oder ein solcher Prozessor sein. Alternativ kann die Steuervorrichtung 18 mit mehr als einem Prozessor und zugehörigen Schaltungen und Komponenten implementiert sein, von denen jede dazu konfiguriert ist, eine oder mehrere der hier beschriebenen Aufgaben oder Funktionen durchzuführen.
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Die Steuervorrichtung 18 (1) betreibt mindestens eine Ausstoßvorrichtung 12 in einer Mehrzahl von Ausstoßvorrichtungen 12, um mindestens eine Schicht eines flüssigen Photopolymermaterials auf einem Substrat zu bilden (Block 204). Die Steuervorrichtung 18 ermittelt dann, ob ein Stück verstärkendes Netzmaterial 13 auf die Oberseitenfläche der Schicht des Photopolymermaterials hinzugefügt werden soll (Block 208). Wenn die Daten aus der Datei 20 vorgeben, dass kein Stückt des Netzmaterials hinzugefügt werden soll, betreibt die Steuervorrichtung 18 eine oder mehrere Ausstoßvorrichtungen 12 mit Bilddaten für die nächste Schicht, um einen weitere Schicht des Photopolymermaterials oben auf der vorherigen Schicht des Photopolymermaterials zu bilden (Block 204). Diese Feststellung wird unter Bezug auf Bilddaten getroffen, die durch die Steuervorrichtung 18 aus einer 3D-Teiledatei 20 empfangen werden. Wenn die Daten vorgeben, dass ein Stück des Netzmaterials hinzugefügt werden soll, betreibt die Steuervorrichtung 18 die Strahlungsquelle 36, um das ausgestoßene Photopolymer teilweise zu härten (Block 210). Die in diesem Dokument verwendete Formulierung „teilweise gehärtet“ bedeutet, dass eine oder mehrere Schichten des Photopolymers noch nicht vollständig durch das Einwirken einer härtenden Strahlung gehärtet wurden. Die Form bzw. der Umriss von einem oder mehreren Netzstücken werden identifiziert (Block 212). Die Identifizierung des Umrisses erfolgt durch Verarbeitung von Bilddateien, die aus der 3D-Teiledatei 20 empfangen wurden, oder durch Verarbeitung von Bilddaten, die durch die Steuervorrichtung 18 von dem optischen Sensor 26 empfangen wurden, der so positioniert ist, dass er Bilddaten von dem Teil 11 erfassen kann, während dieses aufgebaut wird. Die Steuervorrichtung 18 betreibt dann einen Roboterarm 34 zum Auswählen eines geeigneten Netzstücks, oder die Steuervorrichtung kann – unter Verwendung entweder der Bilddaten aus der 3D-Teiledatei 20 oder der Bilddaten vom optischen Sensor 26 – die Schneidvorrichtung 14 betreiben, um mindestens ein Stück des Netzmaterials 13 in die identifizierte Form zu schneiden (Block 216). Jedes nach dem Stand der Technik bekannte Schneidverfahren kann verwendet werden, um die verschiedenen zuvor erwähnten Schneidvorrichtungen so zu betreiben, dass das mindestens eine Stück des Netzmaterials geschnitten wird. Der Roboterarm 34 wird dann durch die Steuervorrichtung 18 betrieben, um ein oder mehrere Stücken des Netzmaterials 13 auf der Oberseitenfläche der teilweise gehärteten Schicht hinzuzufügen (Block 220). Das mindestens eine Stücks des Netzmaterials 13 wird direkt auf der Oberseitenfläche der Schicht des teilweise gehärteten Photopolymermaterials platziert, mit einer geeigneten Ausrichtung der Filamente in dem Stück, und es kann über dem Photopolymermaterial hervorstehen. Die Steuervorrichtung 18 betreibt die mindestens eine Ausstoßvorrichtung 12, um zusätzliches Photopolymermaterial auf das mindestens eine Stück des Netzmaterials 13 auszustoßen, um mindestens eine weitere Schicht des Photopolymermaterials auf dem mindestens einen Stück des Netzmaterials 13 zu bilden (Block 224). Die Verteilung des Photopolymermaterials zur Bildung der nächsten Schicht des Photopolymermaterials kann aus den Bilddaten ermittelt werden, die entweder aus der 3D-Teiledatei 20 oder vom optischen Sensor 26 an die Steuervorrichtung 18 gesendet werden.
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Um mögliche Unvollkommenheiten in der Oberseitenfläche der aufgetragenen Schicht zu beseitigen, betreibt dann die Steuervorrichtung 18 optional ein zweites Stellglied 28, um eine Platte oder Walze 30 in die aufgetragene Schicht des Photopolymermaterials und das mindestens eine Stück des Netzmaterials 13 zu drücken (Blöcke 228 und 232). Die Steuervorrichtung 18 betreibt die Platte oder Walze 30, um entweder eine zylindrische Walzvorrichtung über die aufgetragene Schicht und das Stück des Netzmaterials 13 zu walzen oder um eine Platte, die warm sein kann, gegen die aufgetragene Schicht und das mindestens eine Stück des Netzmaterials 13 zu drücken. Die zylindrische Walzvorrichtung drückt die aufgetragene Schicht des Photopolymermaterials in das Netzmaterial 13 und hilft dadurch bei der Glättung des Netzes, sodass die nächste Schicht des Photopolymermaterials akkurat hinzugefügt werden kann. Die Platte, die warm sein kann, glättet und drückt das Netzmaterial 13 in die Schicht hinein und erwärmt es gleichzeitig, sodass es besser an der Schicht des Photopolymermaterials haftet.
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Zusätzlich oder alternativ können die Unvollkommenheiten in der Oberseitenfläche des aufgetragenen Photopolymers beseitigt werden, indem eine Einebnungsvorrichtung verwendet wird, welche die Unvollkommenheiten entfernt. Somit wird der Prozess damit fortgesetzt, dass ermittelt wird, ob die aufgetragene Schicht eingeebnet werden sollte (Block 236), und wenn das der Fall ist, betreibt die Steuervorrichtung 18 eine Einebnungsvorrichtung, um Abschnitte der aufgetragenen Schicht des ungehärteten Photopolymers zu entfernen (Block 240). Durch das Betreiben der Einebnungsvorrichtung 32 wird jeder Abschnitt der Oberseitenfläche der aufgetragenen Schicht des Photopolymermaterials entfernt, der hervorsteht oder anderweitig die Ebenheit der Oberseitenfläche der Schicht beeinträchtigt. Sobald die optionale Einebnung abgeschlossen ist, ermittelt die Steuervorrichtung 18 dann aus den Bilddaten, ob zusätzliche Schichten des Photopolymermaterials und möglicherweise des Netzmaterials auf das Teil 11 aufgebracht werden sollen (Block 244). Wenn die Steuervorrichtung 18 ermittelt, dass der Prozess mit dem Hinzufügen weiterer Schichten fortgesetzt werden soll, wird das Verfahren fortgesetzt (Block 204). Wenn die Steuervorrichtung 18 ermittelt, dass keine weiteren Schichten zu dem Teil 11 hinzugefügt werden sollen, ist das Verfahren damit abgeschlossen (Block 248). An jeder Stelle während des Prozesses des Verfahrens 200, die von den oben genannten Stellen abweichen können, können die Schichten des Photopolymermaterials optional durch eine UV-Strahlungsquelle 36 gehärtet werden. Wenn durch die Steuervorrichtung 18 ermittelt wird, dass die Schicht des Photopolymermaterials gehärtet werden muss, betreibt die Steuervorrichtung 18 die UV-Strahlungsquelle 36, um die zuletzt aufgetragene Schicht des Photopolymermaterials zu härten.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform des in 3 dargestellten Systems sind der Roboterarm 34 und die Schneidvorrichtung 14 durch eine in 5 dargestellte Faserabgabevorrichtung 504 ersetzt. Die Abgabevorrichtung 504 ist operativ mit dem Stellglied 16 verbunden, sodass die Steuervorrichtung 18 das Stellglied 16 betätigen kann, um die Abgabevorrichtung 504 in unterschiedlichen X-, Y-Positionen in verschiedenen Ebenen über dem Teil 11 zu positionieren. Die Abgabevorrichtung 504 enthält einen Körper 508, der sich in eine Düse 512 verengt. Eine Mehrzahl von Fächern 516 sind zur selektiven Kommunikation mit dem Inneren des Körpers 508 und der Düse 512 konfiguriert. Wenn ein Fach 516 in eine Position bewegt wird, die dem Fach eine Kommunikation mit dem Inneren des Körpers 508 und der Düse 512 ermöglicht, passieren kurze einzelne Fasern, die in dem Fach aufbewahrt sind, durch den Körper 508 und die Düse 512 hindurch. Damit können, indem das Stellglied 16 betrieben wird, um die Düse 512 oberhalb einer Position über einer gehärteten Photopolymerschicht zu positionieren, wo Fasern positioniert werden sollen, und indem dann ein Fach 516 in eine Position bewegt wird, die ein Ausgeben der Fasern durch die Düse 512 ermöglicht, Fasern auf dem Teil 11 abgelagert werden. Weitere Schicht(en) können dann auf die Fasern aufgetragen werden, und Unvollkommenheiten in der Oberseitenfläche können wie oben erklärt mit einer Walze oder Einebnungsvorrichtung beseitigt werden.
