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Digitale dreidimensionale Objektfertigung, auch als digitale additive Fertigung bekannt, ist ein Prozess der Fertigung eines dreidimensionalen soliden Objekts aus einem digitalen Modell. Dreidimensionales Objektdrucken ist ein additiver Prozess, bei dem aufeinanderfolgende Materialschichten auf einem Substrat in unterschiedlichen Gestalten gebildet werden. Die Schichten können durch Ausstoßen von Bindermaterial, gerichtete Energieabscheidung, Extrusionsmaterial, Ausstoßen von Material, Verschmelzen von Pulverbetten, Laminieren von Folien oder Aussetzen von flüssigem Fotopolymermaterial gegenüber Aushärtungsstrahlung gebildet werden. Das Substrat, auf dem die Schichten gebildet werden, wird entweder auf einer Plattform gestützt, die durch Betätigung von Aktuatoren, die mit der Plattform wirkverbunden sind, dreidimensional bewegt werden kann, oder die Materialabscheidungsvorrichtungen sind mit einem oder mehreren Aktuatoren für die kontrollierte Bewegung der Abscheidungsvorrichtungen zum Herstellen der Schichten, die das Objekt bilden, wirkverbunden. Dreidimensionales Objektdrucken unterscheidet sich von herkömmlichen Objektbildungstechniken, die zumeist auf dem Entfernen von Material von einem Werkstück durch einen Abtragungsgprozess, wie Schneiden oder Bohren, basieren.
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Woran es bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte mangelt, ist die Fähigkeit ein Objekt herzustellen, das einen zylindrischen Querschnitt aufweist. Vor dem dreidimensionalen Drucken von Objekten wurden solche Teile durch Drehen eines Teils aus den Beständen auf einer Drehbank und Anwenden einer Schneidvorrichtung auf das Teil zum Bilden des zylindrisch geformten Teils hergestellt. Auf ähnliche Weise konnten solche Objekte auch unter Verwendung von Extrudern und Spritzgussmaschinen hergestellt werden. Beim dreidimensionalen Drucken werden dreidimensionale zylindrisch geformte Objekte hergestellt, indem das Objekt von einem Ende her gebildet wird und das Objekt Schicht für Schicht aufgebaut wird. Das Bilden unregelmäßig geformter Objekte mittels Abtragungsherstelltechniken oder durch Bereitstellen einer geeigneten Stütze für unregelmäßige Strukturen, die aus Materialien gebildet werden, die ausgestoßen werden können, so dass sie sich von einem Umfang des Objekts aus erstrecken, kann schwierig sein. Darüber hinaus erfordern sekundäre Prozesse, wie Aushärten, Polieren oder Glätten, ein Entfernen des Objekts aus der Fertigungsstation, um es in einer Maschine anzubringen, die den sekundären Prozess ausführt. Folglich wäre ein dreidimensionaler Objektdrucker, der zylindrisch geformte Objekte mit unregelmäßigen Merkmalen bilden kann und sekundäre Prozesse an dem Objekt ausführen kann, ohne dass ein Entfernen des Objekts aus der Druckstation erforderlich ist, nützlich.
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Ein dreidimensionaler Objektdrucker, der ein dreidimensionales zylindrisch geformtes Objekt herstellen kann, beinhaltet mindestens zwei Stützen, die dazu konfiguriert sind, es einem zylindrischen Element zu ermöglichen, innerhalb der Stützen gestützt und gedreht zu werden, mindestens zwei Druckköpfe, wobei jeder Druckkopf mehrere Ausstoßvorrichtungen aufweist, die mit einer Materialzufuhr in Fluidverbindung stehen, wobei die Materialzufuhr für jeden Druckkopf bei den mindestens zwei Druckköpfen sich von dem Material unterscheidet, das den anderen Druckköpfen der mindestens zwei Druckköpfe zugeführt wird, wobei die mindestens zwei Druckköpfe um einen Umfang des zylindrischen Elements, das von den mindestens zwei Stützen gestützt wird, herum angeordnet sind, mindestens eine Objektbehandlungsvorrichtung, die um den Umfang des zylindrischen Elements, das von den mindestens zwei Stützen gestützt wird, herum positioniert ist, einen Aktuator, der dazu konfiguriert ist, mit dem zylindrischen Element, das von den mindestens zwei Stützen gestützt wird, wirkverbunden zu sein, um das zylindrische Element innerhalb der Stützen zu drehen, und eine Steuerung, die mit den mindestens zwei Druckköpfen, der mindestens einen Objektbehandlungsvorrichtung und dem Aktuator wirkverbunden ist. Die Steuerung ist dazu konfiguriert, den Aktuator dahingehend zu betreiben, das zylindrische Element innerhalb der mindestens zwei Stützen zu drehen, die mehreren Ausstoßvorrichtungen in jedem der mindestens zwei Druckköpfe dahingehend zu betreiben, dass sie mit den verschiedenen Materialien, die den mindestens zwei Druckköpfen zugeführt werden, auf dem sich drehenden zylindrischen Element Schichtabschnitte bilden, und die mindestens eine Objektbehandlungsvorrichtung dahingehend zu betreiben, dass sie die auf dem sich drehenden zylindrischen Element gebildeten Schichten modifiziert, während sich das zylindrische Element innerhalb der mindestens zwei Stützen dreht.
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Ein Verfahren zum Betreiben eines dreidimensionalen Druckers, der ein dreidimensionales zylindrisch geformtes Objekt herstellt, beinhaltet Betreiben, mittels einer Steuerung, eines Aktuators, der mit einem zylindrischen Element wirkverbunden ist, dahingehend, das zylindrische Element innerhalb von mindestens zwei Stützen zu drehen, Betreiben, mittels der Steuerung, mehrerer Ausstoßvorrichtungen in jedem der mindestens zwei Druckköpfe, denen unterschiedliche Materialien zugeführt werden, dahingehend, dass sie mit den unterschiedlichen Materialien, die den mindestens zwei Druckköpfen zugeführt werden, Schichtabschnitte auf dem sich drehenden zylindrischen Element bilden, und Betreiben, mittels der Steuerung, mindestens eines Objektbehandlungsbestandteils dahingehend, die auf dem sich drehenden zylindrischen Element gebildeten Schichten zu modifizieren, während sich das zylindrische Element innerhalb der mindestens zwei Stützen dreht.
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Die vorstehenden Aspekte und andere Merkmale eines Geräts und eines Verfahrens, das ein dreidimensionales zylindrisch geformtes Objekt herstellen kann, sind in der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen erklärt.
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1A zeigt eine Längsansicht eines Drucksystems, das dazu konfiguriert ist, zylindrisch geformte Objekte zu bilden.
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1B zeigt eine Endansicht des Drucksystems, das dazu konfiguriert ist, zylindrisch geformte Objekte zu bilden, die in 1A abgebildet sind.
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1C zeigt eine andere seitliche Längsansicht des Drucksystems und veranschaulicht eine versetzte Anordnung der Bestandteile, die zum Erstellen und Behandeln eines zylindrisch geformten Objekts erforderlich sind, während das zylindrische Element, um das herum das Objekt gebildet wird, entlang der Längsachse des Elements verschoben wird.
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2 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Druckers zum Bilden eines zylindrisch geformten Objekts.
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3A zeigt eine Endansicht eines zylindrischen Objekts, das um ein zylindrisches Element herum gebildet wird.
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3B zeigt eine seitliche Längsansicht eines zylindrischen Objekts, das um ein zylindrisches Element herum gebildet wird.
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Für ein allgemeines Verständnis der Umgebung für die hierin offenbarte Vorrichtung und das hierin offenbarte Verfahren sowie der Details des Geräts und des Verfahrens wird Bezug auf die Zeichnungen genommen. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente.
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Eine seitliche Längsansicht des dreidimensionalen Objektdrucksystems 10 ist in 1 gezeigt. Das Drucksystem 10 beinhaltet ein Paar Stützen 14, die ein zylindrisches Element 22 stützen, das mit dem Aktuator 18 wirkverbunden ist. Die Stützen 14 weisen ein Durchgangsloch 26 zur Aufnahme eines Endes des zylindrischen Elements 22 auf. Wenngleich die Stützen 14 mit einem Durchgangsloch, das mit einer Auflagerung ausgestattet sein kann, gezeigt sind, können die Stützen offen sein und einen U-förmigen Sattel zur Aufnahme des zylindrischen Elements 22 aufweisen. Wenngleich das System 10 aus 1 zwei Stützen für das zylindrische Element 22 aufweist, können mehr Stützen vorgesehen werden, insbesondere in Ausführungsformen, die das zylindrische Element 22 sowohl verschieben als auch drehen. Der Aktuator 18 ist dazu konfiguriert, das zylindrische Element 22 zu drehen und beinhaltet in einigen Ausführungsformen einen linearen Aktuator, der das zylindrische Element 22 bidirektional in die Richtung der Längsachse des zylindrischen Elements 22 zieht und schiebt. Das abgebildete System 10 beinhaltet auch drei Druckköpfe 30a, 30b und 30c, die in Umfangsrichtung um das zylindrische Element 22 herum positioniert sind, um Materialtropfen auf das zylindrische Element 22 auszustoßen, während der Aktuator 18 das zylindrische Element dreht und in einigen Ausführungsformen verschiebt. Eine Ausführungsform könnte weniger oder mehr Druckköpfe aufweisen, solange sowohl das Erstellungsmaterial als auch das Stützmaterial zur Bildung des Objekts ausgestoßen werden können.
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Eine Endansicht des Systems 10 ist in 1B gezeigt. In dieser Ansicht weist das zylindrische Element 22 eine Schicht 40 aus einem ersten Material und eine Schicht 44, die aus zwei Materialien gebildet ist, auf. Die Schicht 40 ist ein Stützmaterial, die vom Druckkopf 30a ausgestoßen wurde, und die zwei Materialien der Schicht 44 wurden von den Druckköpfen 30b und 30c ausgestoßen. Die Materialien können verschiedene Eigenschaften, verschiedene Farben oder beides aufweisen. Zusätzlich zu den Druckköpfen beinhaltet das System 10 einen Nivellierer 48, eine Aushärtungsvorrichtung 52, eine Schneidvorrichtung 56 und eine Poliervorrichtung 60. Der Nivellierer 48, die Aushärtungsvorrichtung 52, die Schneidvorrichtung 56 und die Poliervorrichtung 60 werden in diesem Dokument allgemein als Objektbehandlungsvorrichtung bezeichnet. Wie in diesem Dokument verwendet, bezieht sich "Objektbehandlungsvorrichtung" auf jegliche Vorrichtung, die dazu konfiguriert ist, ein Merkmal eines der aus den Druckköpfen ausgestoßenen Materialien zu modifizieren. Der Nivellierer 48 ist eine Vorrichtung, die dazu konfiguriert ist, Material von einer äußeren Schicht am Element 22 auf einer vorgegebenen Höhe zu entfernen. Die Aushärtungsvorrichtung ist dazu konfiguriert, eine Strahlung zu emittieren, die das auf das Element 22 ausgestoßene Material teilweise oder vollständig verfestigt. Bei der Strahlung kann es sich um einen Ultraviolett-, Wärme-, Infrarot- oder einen anderen Frequenzbereich handeln, der zum Verfestigen eines oder mehrerer von den Druckköpfen 30a, 30b und 30c ausgestoßenen Materialien geeignet ist. Das Material muss vor dem Durchführen jeglicher Behandlungen, die Material von einer Schicht entfernen, gehärtet oder verfestigt werden. Dieses Härten oder Verfestigen kann durch Drehen der Welle zum Erhalt von mehreren erforderlichen Strahlungsladungen erreicht werden. In der in 1B gezeigten Ausführungsform stößt der Druckkopf 30a Stützmaterial, wie Wachs, aus, während die Druckköpfe 30b und 30c Baumaterialien zum Bilden eines Objekts ausstoßen. Bei der Schneidvorrichtung 56 handelt es sich um eine Klinge oder einen anderen gehärteten Gegenstand mit einer scharfen Spitze, die bzw. der zum Entfernen von Material von einer äußeren Schicht auf Tiefen, die größer sind, als die mit dem Nivellierer 48 möglichen, geeignet ist. Die Poliervorrichtung 60 beinhaltet mindestens ein Paar Walzen 64, um die ein Endlosband 68 gezogen wird. Das Endlosband ist mit Sand oder anderem Schleifmittel beschichtet, um eine Außenschicht auf dem Element 22 einer Oberflächenbearbeitung zu unterziehen.
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Wie in 1B gezeigt, sind die Aktuatoren 72 und 76 mit den Druckköpfen 30a, 30b, 30c, dem Nivellierer 48, der Aushärtungsvorrichtung 52, der Schneidvorrichtung 56, dem Endlosband 64 und mindestens einer Walze 64 der Poliervorrichtung 60 wirkverbunden. Eine Steuerung 80 ist mit den Aktuatoren 72 und 76 wirkverbunden. Die Steuerung 80 ist zum Betreiben der Aktuatoren 72 und 76 dahingehend, die Druckköpfe, den Nivellierer, die Aushärtungsvorrichtung, die Schneidvorrichtung und die Poliervorrichtung selektiv in einer radialen Richtung in Bezug auf die Mitte des zylindrischen Elements 22 zu bewegen, konfiguriert. Dieser Vorgang ermöglicht es den Objektbehandlungsvorrichtungen und den Druckköpfen zu einer Position in Bezug zu einer äußeren Fläche des Objekts, das um das Element 22 herum konstruiert wird, bewegt zu werden, damit die Behandlungsvorrichtung oder der Druckkopf ihre/seine beabsichtigte Funktion wirksam erfüllen kann. Darüber hinaus betreibt die Steuerung 80 die Aktuatoren 76 dahingehend, mindestens eine Walze 64 der Poliervorrichtung 60 anzutreiben, um das Endlosband um die Walzen 64 zu drehen.
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Wie in 1C gezeigt, können die Bestandteile des Systems 10 entlang der Längsachse des zylindrischen Elements 22 zueinander versetzt sein. Wie in der Figur gezeigt, sind der Druckkopf 30a, die Schneidvorrichtung 56 und die Poliervorrichtung 60 entlang einer Richtung parallel zur Längsachse des Elements 22 versetzt und sind auf unterschiedlichen Seiten des Elements 22 positioniert. Der Aktuator 18 wird von der Steuerung 80 dahingehend betrieben, die Drehgeschwindigkeit des Elements 22 zu regeln und das Element 22 zu verschieben, damit von dem Druckkopf ausgestoßenes Material zu einer Position gegenüber einer Objektbehandlungsvorrichtung zur Behandlung des Objekts, das um das Element 22 erstellt wird, bewegt werden kann.
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Ein Prozess 200 zum Betreiben eines Drucksystems 10, das wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, ist in 2 gezeigt. Aussagen, dass der Prozess eine Aufgabe oder Funktion ausführt, beziehen sich auf eine Steuerung oder einen Allzweckprozessor, die bzw. der programmierte Anweisungen ausführt, die in einem nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedium gespeichert sind, das mit der Steuerung oder dem Prozessor wirkverbunden ist, um Daten zu verarbeiten und ein oder mehrere Bestandteile in dem System dahingehend zu betreiben, dass sie die Aufgabe oder Funktion ausführen. Die Steuerung 80 des vorstehend angeführten Drucksystems 10 kann mit Bestandteilen und programmierten Anweisungen konfiguriert sein, um eine Steuerung oder einen Prozessor bereitzustellen, die bzw. der den Prozess 200 ausführt. Alternativ dazu kann die Steuerung mit mehr als einem Prozessor und zugehöriger Schaltung und zugehörigen Bestandteilen umgesetzt werden, von denen jeder dazu konfiguriert ist, eine oder mehrere der nachstehend beschriebenen Aufgaben oder Funktionen auszuführen.
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Unter Bezugnahme auf 2 beginnt der Prozess mit dem Anbringen eines zylindrischen Elements an zwei oder mehr Stützen und dem Wirkverbinden des zylindrischen Elements mit einem Aktuator (Block 204). Aktuatoren, die mit den Druckköpfen, die Material auf das zylindrische Element ausstoßen, und mit den Objektbehandlungsvorrichtungen, die um das zylindrische Element herum positioniert sind, wirkverbunden sind, werden dahingehend betrieben, diejenigen Bestandteile, die für einen oder mehrere erste Vorgänge, die mit dem zylindrischen Element durchgeführt werden, nicht erforderlich sind, zurückzuziehen oder diejenigen Bestandteile, die zum Durchführen des einen oder der mehreren ersten Vorgänge erforderlich sind, zu positionieren (Block 208). Der Aktuator, der mit dem zylindrischen Element wirkverbunden ist, wird aktiviert, um das zylindrische Element zu drehen, und die Bestandteile, die den einen oder die mehreren ersten Vorgänge durchführen, werden entsprechend betrieben (Block 212). In der Regel beinhaltet der erste Vorgang das Betreiben der Ausstoßvorrichtungen in mehreren Druckköpfen, die um das sich drehende zylindrische Element positioniert sind, um unterschiedliche Materialien auf das sich drehende Element auszustoßen und Schichten auf dem sich drehenden Element zu bilden. Andere Vorgänge, die vor dem Ausstoßen dieser Materialien erfolgen, können durchgeführt werden, wie Polieren oder das Schneiden einer Struktur in das Element. Die Drehwelle und Bestandteile, die um das sich drehende Element positioniert sind, können so bewegt werden, wie es für die weitere Herstellung von Objektschichten auf dem Element oder für die Behandlung der auf dem Element gebildeten Schichten erforderlich ist (Block 216). Beispielsweise kann während der Bildung der Schichten ein linearer Aktuator dahingehend betrieben werden, das sich drehende Element in der Richtung seiner Längsachse zu bewegen, um bestimmte Bereiche des Elements und die auf dem Element gebildeten Schichten gegenüber von Bestandteilen zu positionieren, die entlang des Elements zueinander in Längsrichtung versetzt sind. Alternativ dazu oder zusätzlich können Aktuatoren dahingehend betrieben werden, Bestandteile in einer radialen Richtung von dem sich drehenden Element weg oder darauf zu zu bewegen, um die Bestandteile in Bezug auf das sich drehende Element geeignet zu positionieren, damit sie Vorgänge an den Schichten des sich drehenden Elements durchführen. Diese Vorgänge beinhalten das Zurückziehen der Druckköpfe, um einem radialen Wachstum der Schichten um das Element herum Rechnung zu tragen, das Positionieren einer Aushärtungsvorrichtung, um Material auf dem Element zu härten, und das Positionieren eines Nivellierers, einer Poliervorrichtung oder einer Schneidvorrichtung derart, dass sie mit dem Material auf dem Element in Kontakt kommen. Sobald diese Vorgänge abgeschlossen sind (Block 220), wird die Drehung des Elements beendet (Block 224) und das Element mit dem gebildeten Objekt wird von den Stützen entfernt (Block 228). Anderenfalls fährt der Prozess mit dem Erstellen des Objekts um das sich drehende Element herum fort (Block 216).
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Ein Beispiel für ein um ein zylindrisches Objekt herum gebildetes Objekt ist in einer Endansicht in 3A und in einer seitlichen Längsansicht in 3B gezeigt. In 3B weist das Objekt 300 eine innere Schicht 40 aus einem ersten Material und eine äußere Schicht 44 aus zwei Materialien auf. Die innere Schicht 40 besteht aus einem Stützmaterial, das durch Schmelzen oder einen chemischen Vorgang entfernt werden kann, wenn das Element 22 und das Objekt 300 aus dem System 10 entfernt werden. Das Beseitigen der Stützschicht 40 ermöglicht die Freigabe des Objekts 300 von dem Element 22. Der vorstehend beschriebene Prozess ermöglicht, dass Objektmerkmale, wie eine Schlaufe 304, Zinken 308 und Keile 312, in dem Objekt ausgebildet werden. Diese Merkmale können mit zusätzlichen Materialien oder mit Materialen, die von dem konzentrischen Material der Schicht 44 verschieden sind, gebildet werden. Wie in 3B gezeigt, ermöglicht die Fähigkeit, das Element 22 zu verschieben, dass Material im Bereich 320 weggeschnitten werden kann. Außerdem ermöglicht das Verschieben eines bestimmten Teils des Objekts 300 in eine Position gegenüber der Poliervorrichtung 60, dass der Bereich 316 in 3B eine andere Oberflächenbearbeitung erhält als der Rest der Außenfläche des Objekts 300. Folglich ermöglichen das System 10 und der Prozess 200 es einem zylindrischen Objekt, schnell gebildet zu werden, da die zylindrische Form des Elements 22 dazu verwendet wird, eine Grundlage für das Objekt zu bilden, das später entfernt wird. Wie in diesem Dokument verwendet, bezieht sich der Begriff "zylindrisch geformtes Objekt" auf eine dreidimensionale Struktur, die um ein zylindrisches Element gebildet wird, das Merkmale aufweisen kann, die sich von den Wänden des Objekts erstrecken oder dort hineingeschnitten sind, so dass das Objekt eine unregelmäßige Oberfläche aufweisen kann, die um dessen längliche Mittellinie allgemein zylindrisch ist.
