DE112013000621T5

DE112013000621T5 - Vorrichtung zur Formgebung einer 3D-Struktur

Info

Publication number: DE112013000621T5
Application number: DE112013000621.9T
Authority: DE
Inventors: Sumio Ono
Original assignee: Heishin Ltd
Current assignee: Heishin Ltd
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2013-01-20
Publication date: 2014-10-23
Also published as: WO2013108914A1; JP2013146936A; JP6002954B2; US20150004274A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Formgebung einer dreidimensionalen (3D-)Struktur ist mit einer Materialabgabepumpe versehen, die einen einachsigen exzentrischen Schraubenpumpmechanismus aufweist, und einem Tisch, der gegenüber der Materialabgabepumpe angeordnet ist und durch eine Tischbewegungsvorrichtung horizontal bewegbar ist. Die Materialabgabepumpe und eine Lichtstrahlabgabevorrichtung sind an einem vorderen Ende eines Roboterarms angebracht. Der Roboterarm und die Tischbewegungsvorrichtung sind dazu aufgebaut, die Materialabgabepumpe und den Tisch relativ zueinander zu bewegen. Daher wird ein Grad der Freiheit bei der Formung des 3D-Aufbaus erhöht und eine Erzeugung verschiedener Arten von 3D-Aufbauten in einem kurzen Zeitabschnitt ist möglich.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Formgebung einer dreidimensionalen (3D-)Struktur, die eine 3D-Struktur durch Laminieren und Aushärten eines aushärtbaren Materials wie eines ultraviolett aushärtenden Kunststoffs bzw. Kunstharzes formen kann.
STAND DER TECHNIK
Herkömmlich sind optische Formgebungsvorrichtungen wie in dem nachstehenden Patentdokument 1 oder Patentdokument 2 offenbart als Vorrichtungen zum Formgeben einer 3D-Struktur durch Laminieren und Aushärten von Kunstharz und so weiter gegeben. Die optischen Formgebungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik können einen 3D-Aufbau durch sukzessives Laminieren einer ausgehärteten Schicht bilden, die durch Abstrahlen eines auf der Grundlage von vorab erzeugten Daten, wie CAD-CAM-Daten, ausgesendeten Laserstrahls auf ultraviolett aushärtendem Kunststoff geformt wird, der in einer Speicherwanne aufbewahrt wird, um den Kunststoff auszuhärten.
[Dokumente aus dem Stand der Technik]
[Patentschriften]

Patentschrift 1: JP2009-085570A
Patentschrift 2: JP1994-315985A

ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG
[Von der Erfindung zu lösende Aufgaben]
Die Vorrichtungen zur optischen Formgebung nach dem Stand der Technik wie vorstehend beschrieben werden oft für Anwendungen zur Erzeugung von Prototypen eines industriellen Produkts während der Forschungs- und Entwicklungsstufen verwendet. Wenn ein 3D-Aufbau für derartige Anwendungen erzeugt wird, kann ein anderer Prototyp mit dem Fortschritt der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten notwendig sein, der sich im Aufbau teilweise von einem zuvor erzeugten Prototyp unterscheidet.
Es gibt jedoch eine Schwierigkeit, dass die Vorrichtungen zur optischen Formgebung nach dem Stand der Technik wie vorstehend beschrieben einen geringen Freiheitsgrad beim Formen der 3D-Struktur aufweisen. Genauer gesagt müssen die optischen Formgebungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik den 3D-Aufbau durch Laminieren einer horizontalen Schicht bilden, die durch Abstrahlen von Ultraviolettstrahlen von einer beweglichen Lichtquelle auf den ultraviolett aushärtenden Kunststoff gebildet wird, der in der Speicherwanne vorgesehen ist. Das bedeutet, dass der Stand der Technik dazu dient, die dreidimensionale 3D-Struktur durch Laminieren von zweidimensionalen (2D-)Schichten zu bilden, die durch das Abstrahlen der Ultraviolettstrahlen gebildet werden, und daher ist die Richtung der Formgebung auf eine eindirektionale beschränkt.
Zudem können die optischen Formgebungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik wie vorstehend beschrieben nicht zusätzlich ein Teil formen, das nach der zuvor erzeugten 3D-Struktur notwendig wurde. Daher muss entweder eine Vorgehensweise gewählt werden, in der die Daten, wie CAD-CAM-Daten, zum Formgeben des gesamten Aufbaus inklusive des hinzugefügten Teils erzeugt werden und danach die 3D-Struktur integriert geformt werden, oder eine Vorgehensweise, in der nur das zusätzliche Teil getrennt geformt wird, und das zusätzliche Teil mit Klebstoff oder dergleichen auf der zuvor erzeugten Struktur befestigt wird, wenn die optischen Formgebungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik genutzt werden. Wenn die erste Vorgehensweise verwendet wird, kann ein beträchtlicher Aufwand und Zeit benötigt werden, um den Prototyp nach der Designänderung zu erhalten, und somit kann es für die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten problematisch werden. Wenn andererseits die letztere Vorgehensweise verwendet wird, kann es sein, dass die Festigkeit nicht ausreicht und Schwierigkeiten für die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten können dadurch verursacht werden, weil der Prototyp nicht integriert geformt ist, wenn die zweite Vorgehensweise verwendet wird. Daher haben die optischen Formgebungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik einen geringen Freiheitsgrad der Formgebung der 3D-Aufbauten.
Zudem müssen beim Erzeugen der Prototypen für Forschung und Entwicklung wie vorstehend beschrieben verschiedene Prototypen erzeugt werden. Daher wird eine schnellere Formgebungsgeschwindigkeit der 3D-Aufbauten benötigt, wenn die Produktion verschiedener Arten von 3D-Aufbauten in einem kurzen Zeitabschnitt notwendig ist. Weil jedoch die optischen Formgebungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik eine beträchtliche Zeit benötigen, um die 3D-Struktur zu formen, können sie die Notwendigkeit zum Erzeugen verschiedener Arten von 3D-Strukturen in dem kurzen Zeitabschnitt nicht erfüllen.
Daher ist es der Zweck der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Formgebung einer 3D-Struktur zu schaffen, die einen hohen Freiheitsgrad der Formgebung einer 3D-Struktur aufweist und die verschiedene Arten von 3D-Strukturen in einem kurzen Zeitabschnitt erzeugen kann.
[Kurze Erläuterung der Erfindung]
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Formgebung einer dreidimensionalen (3D-)Struktur geschaffen, die eine Materialabgabepumpe umfasst, um dazu fähig zu sein, aushärtbares Material abzugeben. Die Materialabgabepumpe gibt das aushärtbare Material auf der Grundlage einer 3D-Form der zu formenden 3D-Struktur ab. Die 3D-Struktur wird geformt, nachdem bzw. indem das aushärtbare Material ausgehärtet wird.
Die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung kann die 3D-Struktur durch Abgeben des aushärtbaren Materials von der Materialabgabepumpe auf der Grundlage der 3D-Form der zu formenden 3D-Struktur formen. Daher kann die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung den Grad der Freiheit beim Formen abhängig von der Art der Abgabe des aushärtbaren Materials aus der Materialabgabepumpe erhöhen.
Zudem kann die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung zusätzlich eine andere 3D-Struktur auf eine existierende Struktur formen, indem das aushärtbare Material von der Materialabgabepumpe auf die existierende Struktur, wie eine zuvor erzeugte 3D-Struktur, abgegeben wird und das aushärtbare Material ausgehärtet wird. Daher kann die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur auch zum Formen, wie zu einer Feinanpassung der Form der existierenden 3D-Struktur beispielsweise wie in dem Fall einer Prototyperzeugung für Forschungs- und Entwicklungszwecke, verwendet werden. Zudem wird nach der Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung ein benötigtes Teil integriert mit der existierenden 3D-Struktur gebildet, um die 3D-Struktur mit hoher Festigkeit zu erhalten.
Die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung kann die 3D-Struktur durch sukzessives Aushärten des aushärtbaren Materials formen, das von der Materialabgabepumpe abgegeben wird. Daher kann die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung die 3D-Struktur mit höherer Geschwindigkeit als im Stand der Technik formen, bei dem dünne ausgehärtete Schichten des aushärtbaren Materials übereinander laminiert werden.
In der Vorrichtung zur Formgebung einer dreidimensionalen Struktur nach der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, dass die Materialabgabepumpe eine rotierende Verdrängerpumpe bzw. Drehkolbenpumpe umfasst.
In der Vorrichtung zur Formgebung einer 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung umfasst die Materialabgabepumpe die rotierende Verdrängerpumpe bzw. Drehkolbenpumpe. Daher kann mit der Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung die Formgebungsgenauigkeit der 3D-Struktur verbessert werden, indem eine Abgabemenge des aushärtbaren Materials genau angepasst wird.
In der Vorrichtung zur Formgebung einer dreidimensionalen Struktur nach der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, dass das von der Materialabgabepumpe abgegebene aushärtbare Material durch einen abgestrahlten Lichtstrahl ausgehärtet wird. Es ist wünschenswert, dass die Formgebungsvorrichtung eine Lichtstrahlabgabevorrichtung zum Abstrahlen des Lichtstrahls zum Aushärten des aushärtbaren Materials umfasst. Der Fokus des Lichtstrahls, der von der Lichtstrahlabgabevorrichtung abgestrahlt wird, stimmt wünschenswerterweise mit einem Abgabezielort des aushärtbaren Materials durch die Materialabgabepumpe überein.
Nach diesem Aufbau kann das aushärtbare Material, das von der Materialabgabepumpe abgegeben wird, sicher an einem geeigneten Ort ausgehärtet werden. Daher kann die Formgebungsgenauigkeit der 3D-Struktur verbessert werden.
Zudem ist es bei der Vorrichtung zur Formgebung der dreidimensionalen Struktur nach der vorliegenden Erfindung wünschenswert, dass die Lichtstrahlabgabevorrichtung zusammen mit der Materialabgabepumpe relativ zu dem Tisch bewegbar ist bzw. beide sich gemeinsam bewegen.
Nach diesem Aufbau kann verhindert werden, dass der Fokus des Lichtstrahls, der von der Lichtstrahlabgabevorrichtung abgestrahlt wird, vom Abgabezielort des aushärtbaren Materials durch die Materialabgabepumpe abweicht. Daher kann die Formgebungsgenauigkeit der 3D-Struktur weiter verbessert werden.
In der Vorrichtung zur Formgebung der dreidimensionalen Struktur nach der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, dass die rotierende Verdrängerpumpe das aushärtbare Material unter Verwendung eines einachsigen exzentrischen Schraubenpumpenmechanismus mit einem Rotor vom Außengewindetyp zum exzentrischen Drehen durch eine Antriebskraft und einem Stator mit einer als ein Innengewinde gebildeten Innenumfangsfläche pumpt.
In der Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung umfasst die Materialabgabepumpe die Pumpe, die den Pumpmechanismus mit der einachsigen exzentrischen Schraube aufweist. Daher kann in der Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung die Abgabemenge und der Abgabedruck des aushärtbaren Materials genau angepasst werden, ohne ein Pulsieren etc. zu verursachen. Daher kann nach der Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung die 3D-Struktur genau in eine gewünschte Form geformt werden.
Die Vorrichtung zur Formgebung der dreidimensionalen Struktur nach der vorliegenden Erfindung umfasst wünschenswerterweise als einen Bewegungsmechanismus zum Bewegen der Materialabgabepumpe einen Manipulator mit mindestens drei oder mehr Freiheitsgraden, der zum Bewegen der Materialabgabepumpe dient.
Nach diesem Aufbau ist die Materialabgabepumpe frei bewegbar. Daher kann das aushärtbare Material aus verschiedenen Richtungen abgegeben werden, und der Freiheitsgrad beim Formen der 3D-Struktur kann weiter erhöht werden.
Zudem ist es wünschenswert, dass die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung die Materialabgabepumpe zum Abgeben des aushärtbaren Materials, einen Tisch, der gegenüber einem Abgabeanschluss der Materialabgabepumpe angeordnet ist, und einen Bewegungsmechanismus zum relativen Bewegen der Materialabgabepumpe und des Tischs umfasst. Zudem ist es wünschenswert, dass der Bewegungsmechanismus eine Tischbewegungsvorrichtung zum Bewegen des Tischs umfasst.
Nach den Konfigurationen kann das aushärtbare Material durch freies Bewegen des Tischs bezüglich der Materialabgabepumpe noch genauer auf der Grundlage der 3D-Form der zu formenden 3D-Struktur abgegeben werden, und daher kann der Freiheitsgrad beim Formen der 3D-Struktur weiter verbessert werden.
[Effekte der Erfindung]
Nach der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur geschaffen werden, in der der Freiheitsgrad beim Formgeben der 3D-Struktur hoch ist und verschiedene Arten von 3D-Strukturen in einer kurzen Zeit hergestellt werden können.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
1 ist ein Konzeptschaubild, das einen Aufbau einer Vorrichtung zur Formgebung einer 3D-Struktur nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine Schnittansicht, die einen Aufbau einer Materialabgabepumpe veranschaulicht, die für die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach 1 verwendet wird.
3 ist ein Ablaufplan, der den Betrieb der Vorrichtung zur Formgebung einer 3D-Struktur nach 1 veranschaulicht.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Formgebungsvorgang für eine 3D-Struktur durch die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach 1 veranschaulicht.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die den Formgebungsvorgang der 3D-Struktur durch die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach 1 veranschaulicht.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Modifizierung des Formgebungsverfahrens der 3D-Struktur durch die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur nach 1 veranschaulicht.
VERFAHREN ZUM DURCHFÜHREN DER ERFINDUNG
Als Nächstes wird eine Vorrichtung 10 zur Formgebung einer 3D-Struktur (die nachstehend einfach als „die Formgebungsvorrichtung 10” bezeichnet wird) nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genauer mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Wie in 1 veranschaulicht umfasst die Formgebungsvorrichtung 10 hauptsächlich eine Materialabgabepumpe 20, einen Tisch 50, einen Bewegungsmechanismus 60, eine Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 und eine Steuervorrichtung 80. Die Formgebungsvorrichtung 10 gibt aushärtendes Material von der Materialabgabepumpe 20 hin zum Tisch 50 ab, während sie die Materialabgabepumpe 20 und den Tisch 50 relativ zueinander durch den Bewegungsmechanismus 60 bewegt. Zudem wird ein Lichtstrahl (Ultraviolettstrahlen) auf das aushärtbare Material abgestrahlt, der von der Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 ausgesendet wird, um das Material auszuhärten und dadurch die 3D-Struktur zu formen. Nachstehend wird ein Aufbau jeder Komponente, die zusammen die Formgebungsvorrichtung 10 bilden, und der Betrieb der Formgebungsvorrichtung 10 genauer beschrieben.
Die Materialabgabepumpe 20 ist innerhalb einer Formgebungskammer 12a eines Gehäuses 12 angeordnet, in dem eine Lichtabschirmung verwendet wird. Die Materialabgabepumpe 20 pumpt das in einem Speichertank 14 vorbereitete aushärtbare Aushärtungsmaterial und gibt es ab. In dieser Ausführungsform wird ultraviolett aushärtender Kunststoff als das aushärtbare Material verwendet. Die Materialabgabepumpe 20 umfasst eine rotierende Verdrängerpumpe, die einen einachsigen exzentrischen Schraubenpumpmechanismus aufweist (eine einachsige Exzenterschraubenpumpe).
Wie in 2 veranschaulicht umfasst die Materialabgabepumpe einen mit einem Außengewinde geformten Rotor 22, der exzentrisch durch eine Antriebskraft gedreht wird, und einen Stator 24, der eine als Innengewinde geformte Innenumfangsfläche aufweist. Die Materialabgabepumpe 20 ist so aufgebaut, dass der Rotor 22 und der Statur 24 innerhalb eines Pumpengehäuses 26 untergebracht sind. Das Pumpengehäuse 26 ist ein zylindrisches Teil, das aus Metall hergestellt ist, und weist eine Öffnung an einer Endseite in der Längsrichtung auf, die als ein Abgabeanschluss 26a dient. Eine Öffnung, die als ein Einführungsanschluss 26b dient, wird in einem mittleren Teil in der Längsrichtung des Pumpengehäuses 26 gebildet. Der Einführungsanschluss 26b ist mit einem Speichertank 14 durch Verrohrung verbunden. Zudem kann eine Pumpe 16 zur Zufuhr des aushärtbaren Materials an die Materialabgabepumpe 20 in einem Verrohrungssystem eingebaut sein, das die Materialabgabepumpe 20 mit dem Speichertank 14 verbindet, falls dies nötig ist.
Die Materialabgabepumpe 20 kann das aushärtbare Material ansaugen, das vom Eingangsanschluss 26b zu pumpen ist, und das Material vom Abgabeanschluss 26a abgeben, indem sie den Rotor 22 in einer vorbestimmten Richtung dreht. Der Stator 24 ist ein Teil, das im Wesentlichen die Erscheinung und Form eines Zylinders aufweist, der aus einem elastischen Körper oder einem Kunststoff wie Gummi gebildet ist. Eine Innenumfangswand 29 des Stators 24 wird als eingängiges oder mehrgängiges Innengewinde mit n Nuten geformt. In dieser Ausführungsform ist der Stator 24 als mehrgängiges Innengewinde mit zwei Nuten geformt. Zudem wird ein Durchgangsloch 30 des Stators 24 so gebildet, dass die Schnittansicht (die Öffnung) desselben stets eine im Wesentlichen elliptische Form aufweist, wenn der Stator 24 an einem beliebigen Ort in der Längsrichtung des Stators 24 geschnitten und angesehen wird.
Der Rotor 22 ist ein aus Metall hergestellter Wellenkörper und wird mit einem Außengewinde mit einem oder mehreren Gängen mit n – 1 Nuten geformt. In dieser Ausführungsform ist der Rotor 22 als exzentrisches Außengewinde mit einer Nut geformt. Der Rotor 22 ist so geformt, dass seine Schnittansicht im Wesentlichen einen Kreis bildet, wenn der Rotor 22 an einem beliebigen Ort in Längsrichtung geschnitten und angesehen wird. Der Rotor 22 wird in die Durchgangsbohrung 30 eingeführt, die im vorstehend beschriebenen Stator 24 gebildet ist, um frei und exzentrisch in der Durchgangsbohrung 30 drehbar zu sein. Ein Ende des Rotors 22 auf der Seite des Basisendes desselben (der Seite des Einführungsanschlusses 26b) ist über ein Kardangelenk usw. mit einem Motor 28 verbunden, der eine Quelle der Antriebskraft ist. Daher wird der Rotor 22 durch die Antriebskraft vom Motor 28 gedreht.
Wenn der Rotor 22 in den Stator 24 eingefügt ist, kommen eine Außenumfangswand 32 des Rotors 22 und die Innenumfangswand 29 des Stators 24 in einen Zustand, in dem sie einander an ihren Tangentiallinien eng berühren, und ein Fluidübertragungsweg 34 (eine Kavität) wird zwischen der Innenumfangswand 29 des Stators 24 und der Außenumfangswand 32 des Rotors 22 gebildet. Der Fluidübertragungsweg 34 wird so geformt, dass er sich spiralförmig in der Längsrichtung des Stators 24 und des Rotors 22 erstreckt.
Wenn der Rotor 22 innerhalb des Durchgangslochs 30 des Stators 24 dreht, rückt der Fluidübertragungsweg 34 in der Längsrichtung des Stators 24 vor, während er sich innerhalb des Stators 24 dreht. Daher wird der Rotor 22 gedreht, das aushärtbare Material wird aus dem Speichertank 14 über einen Flussweg 40, der mit einer Endseite des Stators 24 (der Seite des Eingangsanschlusses 26b) verbunden ist, in den Fluidübertragungsweg 34 eingesaugt und das aushärtbare Material wird in einem Zustand hin zur anderen Endseite des Stators 24 übertragen, in welchem das aushärtbare Material innerhalb des Fluidübertragungsweg 34 eingeschlossen ist, und daher ist das aushärtbare Material auf die andere Endseite des Stators 24 (die Seite des Abgabeanschlusses 26a) abgebbar.
Zudem ist der Tisch 50 an einem Ort angeordnet, der dem Abgabeanschluss 26a der Materialabgabepumpe 20 gegenüberliegt. Der Tisch 50 umfasst einen horizontal angeordneten Plattenkörper und ist innerhalb einer Formgebungskammer 12a angeordnet, wobei die Lichtabschirmungen in dem Gehäuse 12 verwendet werden. Der Tisch 50 kann sich relativ zur Materialabgabepumpe 20 durch den später genau beschriebenen Bewegungsmechanismus 60 bewegen.
Der Bewegungsmechanismus 60 bewegt entweder eines oder beide aus der Materialabgabepumpe 20 und dem Tisch 50, um beide relativ zueinander zu bewegen. Der in dieser Ausführungsform verwendete Bewegungsmechanismus 60 umfasst einen Roboterarm 62 (einen Manipulator), zum Bewegen der Materialabgabepumpe 20, und eine Tischbewegungsvorrichtung 64 zum Bewegen des Tischs 50.
Der Roboterarm 62 weist mindestens drei oder mehr Freiheitsgrade auf, und die Materialabgabepumpe 20 ist an einem Spitzenendteil des Arms 62 angebracht. Daher ist die Materialabgabepumpe 20 dreidimensional bezüglich des Tischs 50 bewegbar. Zudem umfasst die Tischbewegungsvorrichtung 64 eine linear geführte Vorrichtung (eine XY-Linearführung), und kann den Tisch 50 sanft und frei durch die Antriebskraft einer (nicht gezeigten) Antriebsquelle in den horizontalen Richtungen (X/Y-Richtungen) bewegen.
Die Lichtabstrahlungsvorrichtung 70 dient dazu, ultraviolette Strahlen auf das aushärtbare Material abzustrahlen, das von der Materialabgabepumpe 20 zum Tisch 50 hin abgegeben wird, und das aushärtbare Material auszuhärten. Die Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 ist zusammen mit der Materialabgabepumpe 20 an einem Spitzenendteil des Roboterarms 62 angebracht. Zudem ist die Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 so eingebaut, dass eine optische Achse derselben in der Abgaberichtung des Aushärtungsmaterials durch die Materialabgabepumpe 20 orientiert ist, und der Brennpunkt der ultravioletten Strahlen mit einem Abgabezielort des Aushärtematerials zusammenfällt.
Die Steuervorrichtung 80 dient dazu, den Betrieb jedes Teils zu steuern, das zur Formgebungsvorrichtung 10 gehört, und ist innerhalb eines Computers durch Installieren von Steuerprogrammen bzw. eines Steuerprogramms implementiert. Die Steuervorrichtung 80 umfasst eine Formgebungsdatenspeichereinrichtung bzw. Formdatenspeichereinrichtung 82, eine Abgabesteuervorrichtung 84, eine Ortssteuervorrichtung 86 und eine Bestrahlungssteuervorrichtung 88. Die Formgebungsdatenspeichereinrichtung 82 speichert Daten zum Bilden einer 3D-Struktur (Formgebungsdaten), die in den Computer eingegeben sind, der die Steuervorrichtung 80 bildet. Die Abgabesteuervorrichtung 84 führt eine Abgabesteuerung des Aushärtungsmaterials durch die Materialabgabepumpe 20 wie vorstehend beschrieben durch. Die Abgabesteuervorrichtung 84 kann eine Abgabemenge des aushärtbaren Materials durch Durchführen einer Drehsteuerung des Rotors 22 anpassen.
Die Ortssteuervorrichtung 86 kann den relativen Ort der Materialabgabepumpe 20 zum Tisch 50 durch Durchführen einer Bewegungssteuerung des Roboterarms 62 und der Tischbewegungseinrichtung 64 steuern, die den Bewegungsmechanismus 60 bilden. Zudem steuert die Bestrahlungssteuereinrichtung 88 einen Ultraviolettabstrahlungszustand durch die Lichtstrahlabgabevorrichtung 70.
Als Nächstes wird ein Betrieb der Formgebungsvorrichtung 10 genauer mit Bezug auf einen beispielsweise in 3 veranschaulichten Ablaufplan beschrieben. Wenn die 3D-Struktur durch die Formgebungsvorrichtung 10 geformt wird, werden zunächst im Schritt 1 die Formgebungsdaten aufgenommen und in der Formgebungsdatenspeichereinrichtung 82 gespeichert. Insbesondere werden die Formgebungsdaten einer Flasche in der Formgebungsdatenspeichereinrichtung 82 gespeichert, wenn eine beispielsweise in 4 veranschaulichte flaschenartige 3D-Struktur geformt wird. Dann bewegen sich im Schritt 2 die Materialabgabepumpe 20 und der Tisch 50 unter der Steuerung durch die Ortssteuervorrichtung 86 zu einem vorbestimmten Referenzort. Dann geht der Steuerablauf zum Schritt 3 weiter.
Im Schritt 3 wird die Bewegungssteuerung jedes Teils durch die Abgabesteuereinrichtung 84, die Ortssteuereinrichtung 86 und die Bestrahlungssteuereinrichtung 88 auf der Grundlage der Formgebungsdaten durchgeführt, die in der Formgebungsdatenspeichereinrichtung 82 gespeichert sind. Genauer gesagt führt die Abgabesteuereinrichtung 84 eine Abgabemengensteuerung des aushärtbaren Materials auf der Grundlage der Formgebungsdaten, des relativen Orts der Materialabgabepumpe 20 und des Tischs 50 durch. Die Abgabemengensteuerung wird durch Anpassen einer Dreh- bzw. Rotationsgröße des Rotors 22 der Materialabgabepumpe 20 durchgeführt. Daher wird eine geeignete Menge des aushärtbaren Materials zum Formen der 3D-Struktur hin zum Tisch 50 abgegeben.
Die Ortssteuereinrichtung 86 steuert den Ort und den Winkel des Roboterarms 62 und steuert den Ort der Tischbewegungsvorrichtung 64 (Ortssteuerung) auf der Grundlage der Formgebungsdaten. Daher wird das aushärtbare Material an einem geeigneten Ort und in einem geeigneten Winkel abgegeben, um die 3D-Struktur zu erzeugen. Zudem führt die Bestrahlungssteuereinrichtung 88 eine Steuerung durch, um die Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 während eines Zeitabschnitts der Abgabe des aushärtbaren Materials von der Materialabgabepumpe 20 zu betreiben (eine Bestrahlungssteuerung). Daher wird das aushärtbare Material, das auf den Tisch 50 abgegeben wird, durch die Ultraviolettstrahlen ausgehärtet.
Insbesondere wird der Roboterarm 62 wie durch einen Pfeil veranschaulicht um eine Achse L gedreht, wenn die flaschenförmige 3D-Struktur wie in 4 veranschaulicht geformt wird. Zudem wird das aushärtbare Material von der Materialabgabepumpe 20 abgegeben, und die Ultraviolettstrahlen werden von der Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 abgestrahlt. Daher wird das abgegebene aushärtbare Material sukzessive bzw. schrittweise ausgehärtet. Somit wird die flaschenförmige 3D-Struktur sukzessiv geformt, wenn die Materialabgabepumpe 20, der Roboterarm 62 usw. betrieben werden.
Unter der vorstehend im Schritt 3 beschriebenen Abgabesteuerung, Ortssteuerung und Bestrahlungssteuerung wird im Schritt 4 geprüft, ob das Formen der 3D-Struktur abgeschlossen wurde, wenn das Formen der 3D-Struktur begonnen hat. Wenn das Formen der 3D-Struktur im Schritt 4 nicht abgeschlossen wurde, kehrt der Steuerablauf zum Schritt 3 zurück, und das Formen der 3D-Struktur wird fortgesetzt. Wenn andererseits das Formen der 3D-Struktur abgeschlossen wurde, werden die Abgabesteuerung, die Ortssteuerung und die Bestrahlungssteuerung beendet und somit ist eine Serie von Bewegungssteuerungen abgeschlossen. Insbesondere wird der Steuerablauf vom Schritt 4 zum Schritt 3 zurückkehren, wie durch eine Zwei-Punkt-Strich-Linie in 4 veranschaulicht, wenn unvollständige Teile vorhanden sind, und ein Formen des Zwei-Punkt-Strich-Linienteils wird durchgeführt. Wenn andererseits das Formen bis zu dem Teil abgeschlossen wurde, der durch die Zwei-Punkt-Strich-Linie veranschaulicht ist, werden die Abgabesteuerung, die Ortssteuerung und die Bestrahlungssteuerung beendet, weil das Formen der Flasche als der 3D-Struktur abgeschlossen ist.
Wie vorstehend beschrieben kann man in der Formgebungsvorrichtung 10 eine 3D-Struktur mit einer gewünschten Form durch Abgeben des aushärtbaren Materials formen, während die Materialabgabepumpe 20 und der Tisch 50 unter Verwendung des Bewegungsmechanismus 60 relativ zueinander bewegt werden. Zudem ist der Roboterarm 62 als der Bewegungsmechanismus 60 angepasst, und es ist möglich, die Materialabgabepumpe 20 dreidimensional zu bewegen. Daher ist es für die Formgebungsvorrichtung 10 möglich, das aushärtbare Material von verschiedenen Winkeln und verschiedenen Orten abzugeben und daher ist der Freiheitsgrad des Formens hoch.
Man bemerke, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das Beispiel beschränkt ist, in dem der Roboterarm 62 als der Bewegungsmechanismus 60 für die Materialabgabepumpe 20 angepasst ist und die Materialabgabepumpe 20 sich dreidimensional bewegen kann, wie in dieser Ausführungsform veranschaulicht, sondern die Materialabgabepumpe 20 kann zweidimensional bewegbar sein. Obwohl in dem Beispiel die zweidimensional angetriebene Tischbewegungsvorrichtung 64 als der Bewegungsmechanismus 60 für den Tisch 50 veranschaulicht ist, ist die vorliegende Erfindung zudem nicht darauf beschränkt, sondern eine Hebevorrichtung kann zusätzlich zur Tischbewegungsvorrichtung 64 wie vorstehend beschrieben vorgesehen sein, um einen dreidimensionalen Antrieb zu ermöglichen. Zudem kann der Bewegungsmechanismus 60 eine beliebige Art von Mechanismus sein, solange er die Materialabgabepumpe 20 und den Tisch 50 relativ zueinander bewegen kann. Zudem ist es möglich, entweder den Roboterarm 62 oder die Tischbewegungsvorrichtung 64 im Aufbau wegzulassen.
Wie in 5 veranschaulicht ist es in der Formgebungsvorrichtung 10 dieser Ausführungsform möglich, einen vorhandenen Aufbau wie einen 3D-Aufbau aufzustellen, der bereits unabhängig auf dem Tisch 50 erzeugt wurde, und das aushärtbare Material von der Materialabgabepumpe 20 auf den Aufbau abzugeben und das Material auszuhärten. Daher kann eine 3D-Struktur zusätzlich auf der existierenden Struktur gebildet werden, um eine Formgebungsverarbeitung wie eine Feinanpassung der Form zu erlauben. Daher ist es möglich, einen 3D-Aufbau mit einer hohen Festigkeit im Vergleich zu dem Fall zu erhalten, in dem beispielsweise ein getrennt erzeugtes Teil an die vorhandene 3D-Struktur angeklebt wird, weil ein notwendiges Teil integriert an der vorhandenen 3D-Struktur geformt wird.
Nach der Formgebungsvorrichtung 10 ist es auch möglich, eine Abfolge des Formens einer Vielzahl von Teilen zu definieren, die einen 3D-Aufbau bilden, und den 3D-Aufbau in der Reihenfolge der Abfolge pro Teil zu formen. Alternativ ist es mit der Formgebungsvorrichtung 10 wie in 5 veranschaulicht auch möglich, das Teil der 3D-Struktur (im veranschaulichten Beispiel einen Behälter), der in der stehenden Haltung wie in 4 veranschaulicht gebildet ist, horizontal zu legen und ein weiteres Teil (in dem veranschaulichten Beispiel einen Griff) zusätzlich daran zu formen.
Hier kann es sein, dass die Festigkeit des geformten Teils (der Komponente) nicht ausreichend ist, bis das aushärtbare Material ausgehärtet ist, wenn der 3D-Aufbau von der Formgebungsvorrichtung 10 gebildet wird. Wenn beispielsweise eine Verformung des formgebenden Teils in Betracht gezogen werden muss, bevor das aushärtbare Material ausgehärtet ist und die ausreichende Festigkeit zeigt, kann ein Unterstützungsteil 95 zum Unterstützen des geformten Teils zusätzlich zusammen mit der zu erzeugenden 3D-Struktur erzeugt werden, wie durch gestrichelte Linien in 6 veranschaulicht. Daher kann die Verformung vermieden werden, bevor das aushärtbare Material ausgehärtet ist, und es ist möglich, die gewünschte 3D-Struktur durch Entfernen des Unterstützungsteils 95 zu erzeugen, nachdem das aushärtbare Material ausgehärtet ist.
Weil die Formgebungsvorrichtung 10 wie vorstehend beschrieben dazu dient, die 3D-Struktur durch sukzessives Aushärten des aushärtbaren Materials zu formen, das von der Materialabgabepumpe 20 abgegeben wird, kann sie die 3D-Struktur mit hoher Geschwindigkeit im Vergleich zu dem Fall formen, in dem die optischen Formgebungsvorrichtungen des Standes der Technik verwendet werden, in denen dünne ausgehärtete Schichten des aushärtbaren Materials immer wieder laminiert werden.
In der Formgebungsvorrichtung 10 umfasst die Materialabgabepumpe 20 die rotierende Verdrängerpumpe bzw. besteht aus dieser. Daher kann nach der Formgebungsvorrichtung 10 dieser Ausführungsform die Abgabemenge des aushärtbaren Materials präzise angepasst werden. Zudem tritt beispielsweise ein Pulsieren der Abgabemenge und des Abgabedrucks des aushärtbaren Materials nicht auf, weil die Materialabgabepumpe 20 insbesondere aus der Pumpe besteht, die mit dem einachsigen exzentrischen Schraubenpumpmechanismus versehen ist. Daher ist es gemäß der Formgebungsvorrichtung 10 möglich, die 3D-Struktur genau passend zu einem Design zu formen. Man bemerke, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, obwohl in dieser Ausführungsform das Beispiel veranschaulicht ist, in dem die mit dem einachsigen exzentrischen Schraubenpumpmechanismus versehene Pumpe als die Materialabgabepumpe 20 verwendet wird, sondern die Materialabgabepumpe 20 kann aus anderen Arten von rotierenden Verdrängerpumpen gebildet sein.
Weil die Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 in der Formgebungsvorrichtung 10 wie vorstehend beschrieben so eingebaut ist, dass der Fokus des Lichtstrahls zum Sollabgabeort des aushärtbaren Materials durch die Materialabgabepumpe 20 passt, können die ultravioletten Strahlen sicher auf das aushärtbare Material abgestrahlt werden, das von der Materialabgabepumpe 20 abgegeben wird. Zudem kann die Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 der Materialabgabepumpe 20 folgen, während ihr Ort und Winkel änderbar sind, weil die Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 zusammen mit der Materialabgabepumpe 20 am Roboterarm 62 angebracht ist. Daher ist es in der Formgebungsvorrichtung 10 möglich, das von der Materialabgabepumpe 20 abgegebene aushärtbare Material auszuhärten, und daher kann die 3D-Struktur genau geformt werden. Man bemerke, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, obwohl in dieser Ausführungsform der Aufbau veranschaulicht ist, in dem die Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 zusammen mit der Materialabgabepumpe 20 am Roboterarm 62 angebracht ist. Insbesondere kann die Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 beispielsweise an einem anderen Roboterarm als die Materialabgabepumpe 20 angebracht sein, und die Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 kann dazu aufgebaut sein, sich so an geeignete Orte zu bewegen, dass die Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 mit der Materialabgabepumpe 20 zusammenwirkt bzw. damit verkettet ist.
Obwohl in dieser Ausführungsform das Beispiel veranschaulicht wird, in dem der ultraviolett aushärtende Kunststoff als das aushärtbare Material verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und das Material kann irgendeine Art von Material sein, solange es nach dem Abgeben aus der Materialabgabepumpe 20 aushärtbar ist. Genauer gesagt ist es möglich, ein Kunstharz, das durch einen Lichtstrahl außer Ultraviolettstrahlen aushärtbar ist, wie einen Duroplasten bzw. warm aushärtenden Kunststoff, oder ein Sintermetall als aushärtbares Material zu verwenden. Zudem ist es wünschenswert, eine geeignete Vorrichtung anstelle der Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 anzubauen, um das aushärtbare Material auszuhärten, wenn ein Material außer dem ultraviolett aushärtenden Kunststoff als das aushärtbare Material verwendet wird. Genauer gesagt ist es wünschenswert, eine Heißlufterzeugungsvorrichtung einzubauen, die Heißluft erzeugen kann, wenn der warm aushärtende Kunststoff als das aushärtbare Material verwendet wird. Zudem kann die Formgebungsvorrichtung 10 ohne das Vorsehen der Lichtstrahlabgabevorrichtung 70 aufgebaut sein, wenn ein aushärtbares Material mit Eigenschaften hinsichtlich der Aushärtbarkeit verwendet wird, das keinen Lichtstrahl oder Heißluft benötigt.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die Vorrichtung zur Formgebung einer 3D-Struktur nach der vorliegenden Erfindung kann geeignet zum Erzeugen des bezüglich des Designs genauen 3D-Objekts in einem kurzen Zeitabschnitt unter Verwendung der Formgebungsdaten wie der CAD-CAM-Daten verwendet werden. Zudem kann die Vorrichtung zur Formgebung der 3D-Struktur der vorliegenden Erfindung geeignet zum integrierten Formen beispielsweise der Komponente auf dem existierenden Aufbau verwendet werden, um eine zuvor erzeugte 3D-Struktur präzise zu modifizieren.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung zur Formgebung einer dreidimensionalen (3D-)Struktur (Formgebungsvorrichtung)
20: Materialabgabepumpe
22: Rotor
24: Stator
50: Tisch
60: Bewegungsmechanismus
62: Roboterarm (Manipulator)
64: Tischbewegungsvorrichtung
70: Lichtstrahlabgabevorrichtung
80: Steuervorrichtung

Claims

Vorrichtung zur Formgebung einer dreidimensionalen Struktur mit einer Materialabgabepumpe, um dazu fähig zu sein, aushärtbares Material abzugeben, wobei die Materialabgabepumpe das aushärtbare Material auf der Grundlage einer dreidimensionalen Form der zu formenden dreidimensionalen Struktur abgibt, wobei die dreidimensionale Struktur geformt wird, nachdem das aushärtbare Material ausgehärtet ist.
Vorrichtung zur Formgebung einer dreidimensionalen Struktur, wobei die Materialabgabepumpe aus einer rotierenden Verdrängerpumpe besteht.
Vorrichtung zur Formgebung einer dreidimensionalen Struktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei das von der Materialabgabepumpe abgegebene aushärtbare Material durch das Bestrahlen mit einem Lichtstrahl ausgehärtet wird, und die Formgebungsvorrichtung eine Lichtstrahlabgabevorrichtung zum Abstrahlen des Lichtstrahls umfasst, um das aushärtbare Material auszuhärten, und wobei der Fokus des Lichtstrahls, der von der Lichtstrahlabgabevorrichtung abgestrahlt wird, einem Abgabezielort des aushärtbaren Materials durch die Materialabgabepumpe entspricht.
Vorrichtung zur Formgebung einer dreidimensionalen Struktur nach Anspruch 3, wobei die Lichtstrahlabgabevorrichtung zusammen mit der Materialabgabepumpe bewegbar ist.
Vorrichtung zur Formgebung einer dreidimensionalen Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die rotierende Verdrängerpumpe das aushärtbare Material unter Verwendung eines einachsigen exzentrischen Schraubenpumpenmechanismus mit einem Rotor vom Außengewindetyp zum exzentrischen Drehen durch eine Antriebskraft und einem Stator mit einer Innenumfangsfläche aufweist, die als ein Innengewinde geformt ist.
Vorrichtung zur Formgebung einer dreidimensionalen Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die weiterhin als einen Bewegungsmechanismus zum Bewegen der Materialabgabepumpe einen Manipulator aufweist, der mindestens drei oder mehr Freiheitsgrade aufweist und zum Bewegen der Materialabgabepumpe dient.