DE19524013A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen eines Traggebildes bei dreidimensionalem Modellieren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vor­ richtung zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten, die eine vorbestimmte Form haben. Ein nützlicher Verwendungszweck für solche Vorrichtungen ist das schnelle Herstellen eines Prototyps von Modellen oder Objekten. Es gibt verschiedene Systeme für solche Modellierzwecke, darunter Systeme, bei denen verfestigba­ res Material in Schichten aufgetragen wird. Zu solchen bekannten Systemen gehört das Modellieren durch Stereolithographie und schmelzflüssigen Auftrag. Die US-PS 5 121 329 beschreibt ein Sy­ stem des letzteren Typs, bei dem dreidimensionale Objekte gebil­ det werden, indem wiederholte Schichten von verfestigbarem Mate­ rial aufgetragen werden, bis die gewünschte Form erreicht ist.

Ein Nachteil von sämtlichen gegenwärtig existierenden dreidimen­ sionalen Modellier- oder Prototypenherstellsystemen ist in ver­ änderlichen Ausmaß deren Unvermögen, Modellgeometrieschichten im freien Raum ohne eine tragende Schicht oder ohne ein tragendes Gebilde in der endgültigen Geometrie des fertigen Objekts herzu­ stellen. Objekte, die überhängende Abschnitte oder Teile haben, welche nicht direkt in der endgültigen Geometrie durch das Mo­ delliermaterial abgestützt werden, verlangen das Auftragen von Material als ein tragendes Gebilde, um die überhängenden Teile abzustützen, wenn das Objekt aufgebaut wird.

Mittels einer computergesteuerten Ausrüstung, wie sie in der vorgenannten US-PS 5 121 329 beschrieben ist, wird der Entwurf eines zu bildenden Gegenstands am Anfang auf einem Computer er­ zeugt, wobei spezielle Software benutzt wird, um Ansteuersignale zum Ansteuern von Motoren für ein Modellunterteil und einen Mo­ dellmaterialabgabekopf zu liefern, so daß das Material in einem Fluidzustand auf derartige Weise abgegeben wird, daß der Gegen­ stand mit der gewünschten Form erzeugt wird, indem mehrere Materialschichten aufgetragen werden. Es ist möglich, ein sol­ ches System zu benutzen, um Material auf eine Unterlage oder ein Substrat auf derartige Weise unter geeigneter Softwaresteuerung aufzutragen, daß zusätzliche Geometrie erzeugt wird, die als ein Traggebilde für die überhängenden oder Freiraumabschnitte des gebildeten Objekts während des Objektbildungsverfahrens fungie­ ren. Das Verankern der Modell- oder Objektgeometrie an einem solchen Traggebilde löst das Problem des Aufbauens des Modells oder Objekts, erzeugt aber das zusätzliche Problem, daß das Traggebilde von dem Objektgebilde oder der Objektgeometrie ent­ fernt werden muß, ohne eine Beschädigung an dem fertigen Modell oder dem fertigen Objekt, das gebildet wird, zu verursachen. Wenn das Traggebilde aus demselben Material gebildet wird wie das, das zum Aufbauen des gewünschten Objekts benutzt wird, ist die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Traggebilde und dem Objekt genauso stark wie zwischen jeder einzelnen Schicht des Objekts oder Modells selbst. Wenn Kraft ausgeübt wird, um schließlich das Traggebilde von dem Objekt zu entfernen, bleibt entweder ein Teil des Traggebildematerials auf dem Objekt zurück oder es wird ein Teil des Objekts weggerissen. In jedem Fall wird das Objekt oder Modell zerstört oder stark verkratzt, und zwar bis zu einem Punkt, daß es wertlos ist.

Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche die vorgenannten Probleme beseitigen, indem sie eine schwache, zerbrechbare Verbindung zwischen dem Material des gebildeten Ob­ jekts und dem darunterliegenden Material des Traggebildes bil­ den, so daß jegliche Beschädigung an dem fertigen Objekt vermie­ den wird.

Hauptgegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mittels welchen die Grenzflächenverbin­ dungsfestigkeit zwischen dem Material des Objekts und dem darun­ terliegenden Traggebildematerial an der Objekt/Traggebilde- Grenzfläche minimiert wird, so daß ein schnelles und einfaches Entfernen des Tragmaterials mit minimaler Anstrengung möglich ist, jedoch bei einer Verankerungsfestigkeit, die ausreichend ist, um das Modell oder Objekt in seiner Lage zu halten, während es gebildet wird. Es werden Materialien für diesen Zweck ausge­ wählt, die eine minimale Grenzflächenverbindungsfestigkeit und deshalb eine leicht trennbare Verbindung zwischen den Materia­ lien an der Modell/Traggebilde-Grenzfläche ergeben.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein erstes, verfestigbares Material in einem vorbestimmten Muster aufgetragen, um sowohl das gewünschte Objekt als auch ein geson­ dertes, daruntergelegenes Traggebilde für frei aufgehängte Teile des Objekts zu bilden, wobei dazwischen ein Raum vorhanden ist, der die Unterseite der überhängenden Teile des Objekts bildet. Ein Trenn- oder zweites Material mit einer anderen Zusammenset­ zung als das Material für das Objekt wird in den vorgenannten Raum eingebracht. Das Material wird so ausgewählt, daß es eine schwache, zerbrechbare Verbindung mit dem ersten Material in ei­ ner ohne weiteres trennbaren Verbindung längs der Ob­ jekt/Traggebilde-Grenzfläche bildet. Vorzugsweise werden sowohl das erste als auch das zweite Material aufgebaut, indem sie in mehreren Schichten aufgetragen werden, wobei das Trennmaterial zwischen beabstandeten Schichten des Objekts und des Traggebil­ des auf demselben vertikalen Niveau in dem dreidimensionalen Ob­ jekt- und Traggebilde-Verbundgegenstand aufgebracht wird.

In der vorgenannten Ausführungsform, bei der das Trennmaterial als eine Schicht aufgetragen wird, bildet es die endgültige Tragschicht, die mit dem Material des Objekts, das gebildet wird, in Kontakt ist, kund ist sowohl mit dem Objekt als auch mit dem Traggebilde in Kontakt. Dieses zweite Material bildet jedoch eine Verbindung mit dem Material des Objekts, die wesentlich schwächer als die Verbindung des Primärmodellier- oder Ob­ jektmaterials mit sich selbst ist. Das gestattet, das Tragge­ bilde leicht wegzubrechen.

Wenn eine trennende Trennschicht gemäß der vorgenannten Ausfüh­ rungsform aufgetragen wird, können verschiedene Materialien er­ folgreich benutzt werden. Beispiele von Kombinationen von Mate­ rialien sind hier angegeben. Zum Beispiel, das Material, das be­ nutzt wird, um sowohl das Objekt als auch das Traggebilde zu bilden, kann ein thermoplastisches Harz sein, welches bei Umge­ bungstemperaturen erstarrt, wie z. B. ein Polyamid, und das Mate­ rial für die Trennschicht kann ein Kohlenwasserstoffwachs sein.

In der Ausführungsform, bei der das Trennmaterial als ein dünner Überzug zwischen dem Material des Objekts und dem daruntergele­ genen Traggebilde aufgetragen wird, wird das Trennmaterial in fließfähiger Form an der Grenzfläche zwischen dem Modelliermate­ rial und dem daruntergelegenen Traggebilde in einer Schicht auf­ getragen, die so dünn ist, daß ihre Geometrie bei der Konstruk­ tion des Modells und der Traggebilde außer Betracht gelassen werden kann. Bei einem solchen Verfahren wird das Material zum Bilden des Modells oder Objekts vorzugsweise wieder ein thermo­ plastisches Harz sein, das in flüssiger Form aufgetragen wird, wie z. B. ein Polyamid, und das Trennmaterial kann ein Formen­ trennmaterial wie Fluorchemikalien, Silicone oder Stearate, ein in einem Lösungsmittel oder in Wasser lösliches Polymer sein oder es kann sich um Dispersionen handeln, zu denen Wachse oder Polymere gehören.

Die hier beschriebene Vorrichtung, bei der zwei Spender benutzt werden, von denen jeder seine eigene Abgabespitze für ein an­ deres abzugebendes Material hat, kann auch benutzt werden, um das Objekt oder Modell aus einem ersten Material aufzubauen und um die daruntergelegene Traggeometrie aus einem zweiten Material zu bilden, welches eine schwache Verbindung mit der Unterseite des Teils des Objekts, das abgestützt wird, hat. Zum Beispiel kann, wie hier angegeben, das Material zum Herstellen des Ob­ jekts ein thermoplastisches Harz oder ein Präzisionsgießwachs sein, wobei das Material für das Traggebilde ein Wachs ist, wel­ ches eine schwache Verbindung an seiner berührenden Grenzfläche mit dem Material des Objekts bildet.

Ein vorteilhaftes Merkmal der Vorrichtung, die bei dem vorge­ nannten Verfahren benutzt wird, besteht darin, daß zwei Spender, die jeweils eine Abgabespitze haben, an einem einzelnen Abgabe­ kopf befestigt sind. Steuerbare Mechanismen sind vorgesehen, um den Abgabekopf und ein Materialempfangssubstrat relativ zueinan­ der längs X-, Y- und Z-Achsen zu bewegen, um ein dreidimensiona­ les Objekt in Schichten aufzubauen. Jeder der Spender trägt eine Abgabedüse, in welcher die Spitze befestigt ist. Vorzugsweise ist eine der Düsen relativ zu der anderen vertikal justierbar, so daß die Abgabespitze der nichts abgebenden Düse immer ober­ halb der Abgabespitze der Abgabedüse auf einem Niveau angeordnet sein kann, das ausreichend ist, um das Material nicht zu behin­ dern, welches durch die Abgabedüse abgegeben wird, um so eine Störung desselben zu vermeiden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Be­ zugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Abgabekopf- und Abga­ bedüsenmechanismus nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine vertikale Schnittansicht des Abgabekopfes nach der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung von einer Ausführungsform und einem Verfahren zum Aufbauen eines lösbaren Traggebildes für ein Objekt, das gebildet wird;

Fig. 4 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, welche die Bildung einer unterschiedlichen Trennschichtausführungsform veranschaulicht;

Fig. 5 eine schematische Darstellung von noch einer weiteren Ausführungsform, bei der ein Trennüberzug benutzt wird; und

Fig. 6 eine fragmentarische Seitenansicht, welche die beiden Ab­ gabespitzen nach den Fig. 1 und 2 in einer besonderen Abgabebe­ triebsart zeigt.

Das Traggebildebildungs- und -entfernungssystem zur Verwendung bei dem Aufbauen von dreidimensionalen Objekten, wie sie in den Fig. 3-5 gezeigt sind, kann bei verschiedenen Typen von Model­ lier- oder Protentypherstellsystemen verwendet werden. Besonders verwendbar sind diejenigen Systeme, welche dreidimensionale Ob­ jekte bilden durch die Bildung von aufeinanderfolgenden, benach­ barten Schichten oder Laminaten, insbesondere einschließlich derjenigen Systeme, die in der US-PS 5 121 329 offenbart sind. Die Trennschicht- und Trennüberzugsverfahren, die hier be­ schrieben sind, wären überall dort anwendbar, wo ein Traggebilde bei dem Modellier- oder Objektbildungsverfahren unter überhän­ genden Teilen eines Modells verlangt wird, welches schließlich im freien Raum aufgehängt sein wird.

Das bevorzugte Materialauftrags- und -aufbauverfahren ist von dem in dem US-PS 5 121 329 beschriebenen Typ. Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Abgabekopf 2, der zwei an ihm befestigte Spender 8 und 30 zur Verwendung bei einem derartigen System hat, um die Traggebildebildungs- und -entfernungsverfahren auszuführen, wie sie hier angegeben sind. Für diesen Zweck ist der Abgabekopf 2 zur Relativbewegung in bezug auf ein Materialempfangsunterteil 56, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, gelagert, so daß er in der Lage ist, Material in mehreren Durchläufen und Schichten auf­ zutragen, um ein Objekt mit einer vorbestimmten Form zu bilden. Eine derartige Relativbewegung wird längs der X-, Y- und Z-Achse stattfinden, um das Auftragen des Materials in aufeinanderfol­ genden Schichten zu gestatten, so daß ein dreidimensionales Ob­ jekt gebildet wird. Schrittmotorangetriebene Schrauben, wie sie in der vorgenannten US-PS 5 121 329 angegeben sind, können be­ nutzt werden, um diese Relativbewegung zu erzeugen. Vorzugsweise wird der Abgabekopf 2 auf einem Untergestellwagen 4 befestigt, der sowohl in X- als auch in Y-Richtung bewegbar ist, wobei eine Schraubenspindel 6, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, be­ nutzt wird, um eine Bewegung in einer derartigen Richtung zu er­ zeugen. Der Schlitten 4 ist auf derartige Weise gelagert, daß er in einer Y- oder zweiten Richtung rechtwinkelig zu der Richtung der Ausdehnung der Schraubenspindel 6 durch eine zweite Schrau­ benspindel bewegbar ist. Beide Schraubenspindeln werden durch steuerbare Motoren wie z. B. Schrittmotoren angetrieben. Vor­ zugsweise steht die vorgenannte Relativbewegung unter der Steue­ rung eines computergesteuerten CAD/CAM-Systems, bei dem der Ent­ wurf des zu bildenden Gegenstands am Anfang auf einem Computer erzeugt wird. Software wird benutzt, um die dreidimensionalen Daten in dem Computer in eine gesteuerte Bewegung der Antriebs­ motoren für die Schraubenspindeln umzuwandeln, so daß der Abga­ bekopf 2 in einem vorbestimmten Bewegungsmuster bewegt wird, um nacheinander Materialschichten bis zu der gewünschten Form aufzutragen und aufzubauen. In der Ausführungsform, wie sie be­ schrieben ist, ist das Unter- oder Empfangssubstrat 56 (Fig. 6) in vertikaler oder Z-Richtung bewegbar, um die drei Dimensionen der Bewegung zu vervollständigen.

Ein erster Spender, vorzugsweise in der Form eines rohrförmigen Teils oder einer Leitung 8, ist zum Abgeben eines Materials vor­ gesehen. In den Fällen, in welchen das Versorgungsmaterial in fester Form bereitgestellt wird, z. B. als ein biegsames Filament oder ein biegsamer Strang, ist eine Heizwendel 10 auf dem Spen­ der 8 vorgesehen, so daß sie das feste Material erhitzt und zum Schmelzen bringt, so daß es in einem Fluidzustand einer Abgabe­ düse 12 zugeführt wird, die eine Abgabespitze 14 hat. Die Spitze 14 bildet eine Auslaßöffnung für das flüssige Material, das ab­ gegeben wird. Dieses Material wird normalerweise eines sein, welches bei Vorhandensein von vorbestimmten Bedingungen erstar­ ren wird, wie z. B. bei der gesteuerten Umgebungstemperatur, bei der die Objektbildung oder das Modellieren stattfindet. Der rohrförmige Spender 8 hat eine Kappe 16 an seinem Empfangsende, die an einem Befestigungsring 18 befestigt ist. Aus Gründen, die im folgenden angegeben sind, ist der Spender 8 zur selektiven, vertikalen Justierung befestigt, vorzugsweise durch Verwendung einer Schwenkverbindung mit dem Befestigungsring 18. Für diesen Zweck stehen zwei insgesamt sich horizontal erstreckende Schwenkzapfen 20 von entgegengesetzten Seiten der Kappe 16 vor und sind an dem Befestigungsring 18 befestigt.

Ein Hubbügel 22 ist an dem entgegengesetzten Ende des Spenders 8 benachbart zu der Spitze 14 befestigt und trägt eine Befesti­ gungsplatte 24. Eine Hubvorrichtung wie der gezeigte doppelwir­ kende Zylinder 28 ist mit seinem Kolben 26 an der Befestigungs­ platte 24 befestigt. Der Zylinder 28 kann ein Luft- oder Hydrau­ likfluidzylinder sein. Es ist ein hin- und herbewegbarer, dop­ pelwirkender Zylinder, der mittels Fluid angetrieben wird, so daß der Kolben 26 in vertikaler Richtung ausgefahren und zurück­ gezogen wird. Diese Bewegung unter der Steuerung eines Software­ programms, welches das Abgeben von Material aus den beiden dar­ gestellten Spendern koordiniert, gestattet das Anheben und Ab­ senken der Abgabespitze 14. Diese vertikale Höhenjustierung der Spitze 14 dient einem besonderen Zweck in bezug auf einen zwei­ ten Spender 30, der im folgenden beschrieben ist. Es sei ange­ merkt, daß die Hubvorrichtung 28 verschiedene Typen von Mecha­ nismen umfassen könnte, zu denen ein federbelastetes Solenoid gehört, welches ausgefahren wird, wenn es elektrisch betätigt wird, und eine Federrückführung benutzt, um eine periodische Hin- und Herbewegung des Kolbens 26 auszuführen. Der Kolben 26 ist normalerweise zurückgezogen, um die Spitze 14 auf einem vor­ bestimmten, erhöhten Niveau in bezug auf die Spitze 36 des Spen­ ders 30 zu halten, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Der Spender 30 trägt außerdem eine Düse 34 an seinem Abgabeende, an dem die Spitze 36 befestigt ist. Hier wiederum wird eine Heizwendel 32 vorzugsweise benutzt, um ein festes Versorgungsmaterial, das in den rohrförmigen Spender 30 eingeführt wird, zu schmelzen und in einen flüssigen Zustand zu bringen, in welchem es über die Dü­ senspitze 36 abgegeben wird. Der Spender 30 ist an dem Schlit­ tenkopf 4 durch eine Befestigungskappe 31 befestigt.

Die Spitzen 14 und 36 sind mit separaten Versorgungen oder Quel­ len von Materialien unterschiedlicher Zusammensetzungen, die in einem Fluidzustand geliefert werden, so daß sie unter vorbe­ stimmten Bedingungen verfestigbar sind, separat verbunden. Die Materialien könnten in einem flüssigen Zustand aus einem Reser­ voir direkt geliefert werden, z. B. durch eine Pumpe. Die Mate­ rialien können auch am Anfang in fester Form geliefert werden, z. B. in der Form eines flexiblen Filaments oder Stranges, wie es mit Bezug auf Fig. 5 der US-PS 5 121 329 gezeigt und beschrieben ist. Der flexible Strang wird aus festem Material bestehen, das relativ schnell über seine Erstarrungstemperatur hinaus erhitzt werden kann und das bei einem Temperaturabfall, nachdem es auf das empfangende Unterteil oder Substrat 56 aufgebracht worden ist, schnell erstarren wird. Ein flexibler Strang aus thermo­ plastischem Harz, Wachs oder Metall, welche verschiedene Mate­ rialien umfassen, wie sie im folgenden angegeben sind, kann be­ nutzt werden. Ein solcher Strang oder ein solches Filament ist in Fig. 2 mit 50 bezeichnet und wird von einer Versorgungsrolle (nicht dargestellt) über eine rohrförmige Leitung und ein Füh­ rungsgehäuse 54 durch einen geeigneten Materialvorschubmechanis­ mus gefördert. Zwei Klemmrollen 46 können als ein solcher Mecha­ nismus zum Erfassen und Vorschieben des Filaments 50 wirksam be­ nutzt werden. Eine intermittierende, gesteuerte Betätigung der Klemmrollen 46 erfolgt durch Schrittmotoren 38 und 40, von denen jeder ein Ritzel 42 bzw. 44 antreibt, über die die Antriebslei­ stung auf die Rollen 46 übertragen wird.

Die Motoren 38 und 40 werden durch geeignete Software programm­ gesteuert, um die Klemmrollen 46 intermittierend zu betätigen und um so das Filamentmaterial für einen besonderen Spender 8 oder 30 wahlweise vorwärts zu bewegen. Der gleiche Materialvor­ schubmechanismus, der oben mit Bezug auf das Filament 50 für den Spender 8 beschrieben worden ist, kann auch benutzt werden, um ein Filament von einer separaten Versorgungsrolle zu dem Spender 30 vorwärts zu bewegen.

Die Fig. 3-5 veranschaulichen verschiedene Methoden zum Schaffen eines entfernbaren Traggebildes unter überhängenden, frei aufge­ hängten Teilen eines herzustellenden dreidimensionalen Objekts. Fig. 4 zeigt eine besonders vorteilhafte Version, bei der eine Trennschicht B benutzt wird, um eine trennbare, zerbrechbare Verbindung zwischen einem Objekt oder Modell 58 und einem Trag­ gebilde 60 zu schaffen. In dieser Ausführungsform bestehen das Objekt 58 und das Traggebilde 60 aus dem gleichen Material A. Das Objekt 58 hat, wie dargestellt, einen überhängenden Teil längs seiner rechten Seite, wobei dessen Unterseite mit der Be­ zugszahl 62 bezeichnet ist. Die benachbarte obere Fläche oder Oberfläche des Traggebildes 60 ist mit der Bezugszahl 64 be­ zeichnet. Die Oberflächen 62 und 64 sind beabstandet, um einen Verbindungs- und Trennraum zwischen ihnen zu schaffen, der mit einem Trennmaterial B ausgefüllt wird.

Die Materialien A und B können auf verschiedene Weise aufgetra­ gen werden, um das Verbundgebilde, welches aus dem Objekt 58, dem Traggebilde 60 und der Trennschicht B besteht, in einer dreidimensionalen Konfiguration herzustellen, die in Fig. 4 bei­ spielshalber veranschaulicht ist. Bei Verwendung der Abga­ bevorrichtung des hier beschriebenen Typs wird das Material aus den Abgabespitzen 14 und 36 in Bahnen oder auf Wegen abgegeben, die in der X-Y-Ebene geradlinig sein können, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Beginnend bei dem Substrat 56 (Fig. 6) wird das Material in Schichten aufgebaut, wobei mehrere Bahnen in jeder vertikalen Höhe längs der Z-Achse aus den beiden Spendern 38 aufgetragen werden. Die Schichten für das Objekt 58 sowie die für das Traggebilde 60 werden in dem in Fig. 4 gezeigten Muster aufgebaut, bis das Niveau erreicht ist, wo der überhängende oder aufgehängte Teil des Objekts 58 sich sonst beträchtlich in den freien Raum hinaus erstrecken und daher eine Abstützung verlan­ gen würde. Nachdem die Schichtstreifen A-1 für das Objekt 58 aufgetragen worden sind, wird daher ein Schichtstreifen B-1 des Trennmaterials auf demselben Niveau oder in derselben Höhe auf­ getragen. Anschließend werden Tragschichten A-2 auf demselben Niveau aufgetragen. Dieser Prozeß wird fortgesetzt, wenn die Spender 8 und 30 steuerbar benutzt werden durch die intermittie­ rende Betätigung der Schrittmotoren 38 und 40, um die gewünschte Zufuhr der Materialien A und B in verfestigbarer, flüssiger Form zuzuführen und abzugeben. Das empfangende Substrat 56, welches das aufgetragene Material trägt, wird in bezug auf den Spender 2 vertikal justiert, um nacheinander die Materialschichten zu bil­ den, vorzugsweise in Streifen, wie es in Fig. 4 veranschaulicht ist, um das Objekt 58 sowie das Traggebilde 60 bis zu der ge­ samten, gewünschten Höhe aufzubauen. Das Trennschichtmaterial B wird in jedem Z- oder Höhenniveau intermittierend abgegeben, um den gesamten Trennraum sequentiell auszufüllen, der zwischen den benachbarten Oberflächen 62 und 64 des Objekts 58 und des Trag­ gebildes 60 gebildet ist. Nachdem das Verbundgebilde gemäß der Darstellung in Fig. 4 gebildet worden ist, kann das Traggebilde 60 leicht entfernt werden, und zwar wegen der schwachen oder entfernbaren Verbindung, welche durch das Material B gebildet wird.

Es ist somit zu erkennen, daß das sekundäre Material B benutzt wird, um die letzte Schicht des Traggebildes in Kontakt mit dem Material A, welches die Unterseite 62 des überhängenden Teils des Objekts 58 bildet, herzustellen. Das Trennmaterial B wird so als eine Schicht aufgebracht, die der Kontur des Überhangs in dem Raum zwischen dem Objekt 58 und dem Traggebilde 60 angepaßt ist. Das Material B wird so ausgewählt, daß sich eine Verbindung mit dem Objekt- oder Modelliermaterial A ergibt, die wesentlich schwächer als die Verbindung des Materials A mit sich selbst ist. Wenn eine Trennkraft auf das Traggebilde 60 ausgeübt wird, bricht es weg, wobei möglicherweise ein Teil des Trennmaterials B anhaftend an der Unterseite 62 des Objekts 58 zurückbleibt. Wegen der schwachen Natur der Verbindung des Trennmaterials B mit dem Objekt- oder Modelliermaterial A kann jegliches Trennma­ terial, das auf dem Objekt verbleibt, leicht abgeschält werden, ohne daß eine Beschädigung an dem Modell oder Objekt selbst verursacht wird. Dieses Entfernen des Traggebildes wird er­ leichtert, indem das Trennmaterial B in einer relativ dünnen Schicht vorgesehen wird, die eine Dicke zwischen 0,0254 mm (0.0001 Zoll) und 3,175 mm (0.125 Zoll) und vorzugsweise in ei­ nem Bereich von 0,127 mm (0.005 Zoll) bis 0,508 mm (0.020 Zoll) hat, wie sie durch den Zwischenraum an der Grenzfläche zwischen den benachbarten Oberflächen 62 und 64 des Objekts 58 und des Traggebildes 60 festgelegt wird.

Verschiedene Materialien können benutzt werden, um das vorge­ nannte Ergebnis des schnellen und einfachen Entfernens des Trag­ gebildes 60 von dem gebildeten Objekt 58 zu erreichen, wie es mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben worden ist. Das Material A, das benutzt wird, um das Gebilde des Objekts 58 sowie das Tragge­ bilde 60 zu bilden, ist vorzugsweise ein thermoplastisches Mate­ rial, das bei vorbestimmten Umgebungsbedingungen, in die hinein es abgegeben wird, sich ohne weiteres verfestigen wird. Ver­ schiedene thermoplastische Harze wie Präzisionsgießwachse sind geeignet. Das Trennmaterial kann ein Kohlenwasserstoff­ wachsgemisch sein. Das Modellier- oder Objektmaterial A hat eine relativ hohe Zugfestigkeit. Zum Beispiel, wenn ein Polyamidmo­ delliermaterial A mit einer relativ hohen Zugfestigkeit von un­ gefähr 18,616 MPa (2700 psi) bei einem Trennmaterial B benutzt wurde, das von einem Kohlenwasserstoffwachsgemisch gebildet wird, trennten sich das gebildete Objekt 58 und das Traggebilde 60 ohne weiteres durch Aufbrechen längs der Naht- oder Trenn­ zone, die durch das Trennmaterial B gebildet wird. Das war auf die große Differenz in der Oberflächenspannung des Trennmate­ rials B relativ zu dem Modellier- oder Objektmaterial A zurück­ zuführen. Die stark reduzierte Oberflächenspannung des Trennma­ terials B relativ zu der des Objekt- und Traggebildematerials A verringert die Grenzflächenverbindungsfestigkeit an der Verbin­ dung, die durch das Material B gebildet wird, was gestattet, das Traggebilde 60 mit minimaler Beschädigung an der Unterseite 62 des Objekts 58 leicht wegzubrechen und abzutrennen.

Als ein weiteres Beispiel sind ein Polyamidmodelliermaterial und ein wasserlösliches Wachs als Trennmaterial B erfolgreich be­ nutzt worden. Wie in dem vorhergehenden Beispiel ist nicht nur die Grenzflächenverbindungsfestigkeit verringert worden, sondern auch das Traggebilde ist in Wasser bei Raumtemperatur in etwa fünf Minuten aufgelöst worden. Durch die Verwendung eines Trenn­ materials, das wasserlöslich ist, wogegen das Material A für das Objekt und das Traggebilde das nicht sind, kann jedes zu­ rückbleibende Traggebildematerial ohne weiteres aufgelöst und so entfernt werden, indem das Verbundobjekt 58-60 in ein Bad einge­ bracht wird. Dadurch wird das mechanische Entfernen des Tragge­ bildes vermieden.

Als ein weiteres Beispiel kann das Material A für das Objekt 58 und das Traggebilde aus einem Wachs- und Polymergemisch herge­ stellt werden, wobei ein wasserlösliches Wachs als Trennmaterial B in dem Trennraum oder der Verbindung benutzt wird. Hier wieder wird eine sehr schwache Grenzflächenverbindung geschaffen, die ein leichtes Trennen des Traggebildes gestattet, und außerdem löst sich auch das Trennmaterial B in Wasser bei Raumtemperatur ohne weiteres auf, was die Trennung des Traggebildes 60 sehr er­ leichtert.

Fig. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform, die der nach Fig. 4 gleicht, bei der aber das Trennmaterial in flüssiger Form als ein dünner Überzug 70 längs der Trennlinie oder Verbindung zwi­ schen einem Objekt 66 und einem Traggebilde 68 aufgetragen wird. Hier wieder bestehen sowohl das Objekt als auch das Traggebilde aus dem gleichen Material A. Das Material A wird in Schichten niedergelegt, welche auf die oben mit Bezug auf Fig. 4 beschrie­ bene Weise vertikal aufgebaut werden. Bei dieser Version wird jedoch ein fließfähiges Mittel D auf die berührenden Seiten zwi­ schen dem Objekt 66 und dem Traggebilde 68 aufgetragen. Dieses Mittel unterbricht die molekulare Verbindung, die normalerweise in dem gleichen Material A zwischen dem Objekt und dem Tragge­ bilde auftreten würde, wodurch eine Verbindung erzeugt wird, die an der mit der Bezugszahl 70 bezeichneten Kontaktfläche wesent­ lich schwächer ist. Wenn eine Zugkraft auf das Verbundgebilde 66, 68 ausgeübt wird, bricht das Traggebilde 68 sauber und leicht weg, ohne irgendein Restmaterial zurückzulassen oder die verbleibende Modell- oder Objektkontaktseite zu beschädigen. Das Trennmittel bildet in diesem System eine Schicht D, die so dünn ist, daß ihre Geometrie bei der Konstruktion des Objekts und des Traggebildes außer Betracht gelassen werden kann. Der dünne Trennüberzug beträgt in der Dicke vorzugsweise weniger als 0,0508 mm (0.002 Zoll).

Als Trennmittel D können Lösungen, Emulsionen und Dispersionen benutzt werden. Das Material A für das Objekt 66 und das Tragge­ bilde 68 kann irgendeines derjenigen Materialien sein, die oben für das Material A in bezug auf Fig. 4 erwähnt worden sind. Zu den zufriedenstellenden Trennüberzugsmaterialien gehören lö­ sungsmittellösliche Verbindungen wie Polymere, z. B. Acrylate, und organische Verbindungen, z. B. Stearin- und Azelainsäuren. Wasserlösliche Polymere sind ebenfalls als Trennüberzug zufriedenstellend und beinhalten Material wie Polyethylenoxid und Polymere auf Glycolbasis; Polymere auf Polyvinylpyrroli­ donbasis; Polymere auf Methylvinylether- und Maleinsäurebasis; Polymere auf Polyoxazolinbasis; und Polyquaternium II. Herkömm­ liche Formentrennmittel können ebenfalls erfolgreich als Trenn­ überzug benutzt werden. Diese Materialien beinhalten Fluorchemikalien, Silicone, Lecithine und Stearate. Dispersionen können ebenfalls als Trennüberzug benutzt werden, einschließlich Wachsen, z. B. Paraffinen, mikrokristallinen und Polyethylenen, sowie Polymeren.

Beispiele des Materials A und des Trennüberzugs D, die bei 70 in der Ausführungsform nach Fig. 5 benutzt werden, beinhalten ein Polyamid als Material A für das Objekt 66 und das Traggebilde 68, wobei der Überzug ein Silicon ist. Das vorgenannte Material A hatte eine Zugfestigkeit von etwa 6,895 MPa (1000 psi), und die Proben, die mit einem Siliconüberzug an der Trennverbindung 70 zwischen dem Objekt und dem Traggebilde aufgebaut wurden, hatten eine Zugfestigkeit an der Grenzflächenverbindung von etwa 0,724 MPa (105 psi) und wurden an der Verbindung 70 durch Biegen der Verbundprobe leicht getrennt.

Eine weitere Kombination von Materialien, die für die Überzugs­ ausführungsform nach Fig. 5 erfolgreich benutzt worden ist, be­ inhaltete eine Wachs- und Polymermischung für das Objekt und das Traggebilde A, mit einer Stearinsäurelösung für den Trennüber­ zug. Die Proben, die aus diesen Materialien gemäß der Darstel­ lung in Fig. 5 aufgebaut wurden, hatten eine Zugfestigkeit, die an der Trennverbindung 70 so niedrig war, daß das Verbundgebilde gemäß der Darstellung in Fig. 5 in einer Testvorrichtung riß.

Es gibt besondere Vorteile aufgrund der Verwendung der Ausfüh­ rungsformen nach Fig. 4 oder Fig. 5 mit entweder einer Trenn­ schicht oder einem Trennüberzug zwischen dem überhängenden Teil des Objekts und dem daruntergelegenen Traggebilde, das aus dem gleichen Material A gebildet wurde. Der erste Vorteil bezieht sich auf die Schrumpfeigenschaften. Alle Materialien schrumpfen in gewissem Ausmaß. Wenn Materialien mit beträchtlich unter­ schiedlichen Schrumpfeigenschaften für das Objekt- oder Modell­ gebilde sowie für das angrenzende Traggebilde benutzt werden, wird es eine große Schrumpfungsdifferenz längs der Trenn­ verbindung zwischen den beiden Materialien geben. Das kann ex­ treme Beanspruchungen und Verbindungsausfälle verbunden mit Ob­ jektverwindung hervorrufen. Diese potentiell nachteiligen Aus­ wirkungen werden minimiert, indem dieselbe Masse des Materials A in sowohl dem Objektgebilde 58 oder 66 als auch in dem Tragge­ bilde 60 oder 68 benutzt wird, mit nur einer relativ dünnen Trennschicht oder einem relativ dünnen Trennüberzug dazwischen. Schmelz- und Modelliertemperaturen von unterschiedlichen Mate­ rialien kommen ebenfalls ins Spiel. Diese Materialien müssen so ausgewählt werden, daß sie in bezug auf die benutzten Temperatu­ ren kompatibel sind, damit sie in der Lage sind, ihre vorgese­ henen Funktionen zu erfüllen. Obgleich spanabhebend bearbeitba­ res Wachs als ein Traggebildematerial eine relativ hohe Umge­ bungstemperatur von 60°C verlangt, damit Laminierfestigkeit zum Aufbauen eines großen, dicken Traggebildes erzielt wird, wird es somit vernünftig gut sogar bei der niedrigeren Modelliertempe­ ratur von 30°C eines thermoplastischen Objekts und Traggebildes laminieren, wie z. B. Gießwachs, wenn es in einer relativ dünnen Schicht in der Grenzflächen- oder Trennzone zwischen dem Objekt und dem Traggebilde aufgetragen wird. Mit anderen Worten, die relativ dünne Schicht eines Trennmaterials B gemäß der Darstel­ lung in Fig. 4 kann ausreichend gut laminieren, selbst bei der Modelliertemperatur des Materials A, um eine Schicht mit ausreichender Festigkeit zum Abstützen des über ihm befindlichen Objektmaterials A zu bilden. Die relativ schwache Verbindung oder das relativ schwache Laminat, gebildet durch eine solche Trennschicht aus dem Material B, ist erwünscht, um die schnelle und einfache Trennung des Traggebildes 60 zu erzielen.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform, die mit der Ab­ gabevorrichtung nach den Fig. 1, 2 und 6 erfolgreich benutzt werden kann. In dieser Version wird ein erstes Material A be­ nutzt, um das Objekt 72 zu bilden, wogegen ein zweites Material C mit unterschiedlicher Zusammensetzung benutzt wird, um das Traggebilde 74 aufzubauen. Diese beiden Gebilde sind in Grenz­ flächenkontakt längs einer Trennlinie oder -verbindung 76. Hier wieder würden die beiden Materialien A und C in Schichten in mehreren Durchgängen mit dem Abgabekopf 2 aufgebracht werden, wie es mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben worden ist, wobei jeder Durchgang des Abgabekopfes einen langgestreckten Streifen oder eine langgestreckte Bahn bildet, wie es in den Fig. 3 und 4 dar­ gestellt ist. Dieselben Kombinationen von Materialien für das Objektmaterial A und das Traggebildematerial C können wie oben mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben bezüglich der Materialien A und B benutzt werden.

Da, wie oben mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben, unterschiedliche Materialien aus den Düsenspitzen 14 und 36 in derselben Horizon­ talebene oder auf demselben vertikalen Niveau abgegeben werden, d. h. Bahnen oder Streifen A-1 und A-2 sowie B-1 in bezug auf Fig. 4, gibt es ein Problem, daß die nichtabgebende Düse und ihre Spitze das Material stört, das durch die abgebende Düse aufgetragen wird. Dieses Problem wird beseitigt, indem die oben mit Bezug auf die Fig. 1, 2 und 6 beschriebene Einrichtung zum vertikalen Einstellen der Höhe einer der Spenderspitzen in bezug auf die andere vorgesehen wird. So ist anhand dieser Figuren zu erkennen, daß der Spender 8 vertikal einstellbar ist, zumindest an seinem Abgabeende, wo die Düse 12 und die Spitze 14 angeord­ net sind, und zwar mittels der Hubvorrichtung 28. Der Spender 30 kann für das Abgeben des Materials A benutzt werden, wobei der Spender 8 zum Abgeben des Materials B oder C gemäß der Darstel­ lung in den Fig. 3 und 4 dient. Die Düse 12 und somit die Spitze 14 wird, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, normalerweise durch die Hubvorrichtung 28 auf einem erhöhten Niveau oberhalb der Abgabe­ spitze 36 des Spenders 30 gehalten. Die Höhendifferenz ist der besseren Übersichtlichkeit halber in Fig. 6 in vergrößertem Maß­ stab gezeigt. Es ist lediglich notwendig, daß die Spitze 14 in der Größenordnung von einigen Millimetern (d. h. in der Größen­ ordnung eines Bruchteils eines Zolls), wobei sogar 1,6 mm (1/16 Zoll) ausreichend sind, oberhalb der Spitze 36 ist, wenn die Spitze 36 abgibt. Wenn Material aus dem Spender 8 über die Spitze 14 abgegeben werden soll, wird die Vorrichtung 28 betä­ tigt, um den Kolben 26 auszufahren und die Spitze 14 abzusenken, so daß sie um dieselbe Größenordnung unterhalb der Spitze 36 ist. Durch diese Anordnung wird jede mögliche Störung zwischen einer Düsenspitze und dem Material, das durch die andere abgege­ ben wird, vermieden.

Es sei angemerkt, daß die beiden Spender, die an dem einzelnen Abgabekopf 2 angebracht sind, andere Formen als die der langge­ streckten, rohrförmigen Spender/Verflüssiger, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, haben können. Wenn statt des Zuführens eines schmelzbaren Feststoffes in der Form eines Filaments oder Stabes zu den Spendern die abzugebenden Materialien direkt als eine Flüssigkeit aus einem Reservoir mit Hilfe einer Pumpe zugeführt werden, dann würden die langgestreckten, rohrförmigen Spender mit ihren Heizwendeln nicht benötigt werden. Außerdem könnte mit Bezug auf die Ausführungsform in Fig. 5 der dünne Überzug aus Trennmaterial aus einer Spritze durch eine Nadel, die als eine Abgabespitze dient, gepumpt werden. Eine solche Abgabevorrich­ tung könnte als einer der Spender dienen, die an dem Kopf 2 an­ gebracht sind. Außerdem könnte für denselben Verwendungszweck das flüssige Trennmaterial über eine Bürstenspitze abgegeben werden, die Borsten hat und dazu dienen könnte, die Flüssigkeit auf die oberen Oberflächen des Traggebildes 68 an der Grenzflä­ che 70 mit dem Objekt- oder Modellgebilde 66 aufzustreichen. Es ist vorstellbar, daß der flüssige Überzug auch längs der verti­ kalen Seite jeder Schicht in dem Traggebilde 68 aufgestrichen werden kann, wo es eine Trennung von der benachbarten, vertika­ len Fläche an der Unterseite des Objekts 66 gibt. Das flüssige Material, das als der dünne Überzug zugeführt wird, erstarrt und härtet wenigstens teilweise aus, bevor die nächsten, benachbar­ ten Schichten des Materials A des Objekts 66 aufgebracht werden.

Alternativ können die separaten Bau- und Trennmaterialien aus einer einzelnen Düsenspitze an einem einzelnen Abgabekopf, der mehrere Versorgungsdurchlässe hat, abgegeben werden. Eine solche Abgabekopfkonfiguration ist in Fig. 6 der US-PS 5 121 329 ge­ zeigt und in Spalte 14, Zeilen 11-36, beschrieben. Bei dieser Abgabekopfausführungsform werden die separaten Materialien in einem flüssigen Zustand zugeführt, entweder durch schmelzen ei­ nes Filaments oder Stabes oder durch Pumpen von Flüssigkeit aus einem Reservoir, durch separate Strömungsdurchlässe in dem Ab­ gabekopf. Geeignete Durchflußregler würden benutzt werden, um das eine oder das andere Material wahlweise und intermittierend abzugeben.

Es ist vorstellbar, daß verschiedene Änderungen an der Vorrich­ tung und dem Verfahren, die hier beschrieben worden sind, vorge­ nommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims (15)

1. Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten, die überhängende Teile haben, welche im Raum frei aufgehängt sind, gekennzeichnet durch:
Abgeben eines ersten, verfestigbaren Baumaterials in einem Fluidzustand in einem vorbestimmten Muster, um mehrere Schichten des Materials aufzutragen, die einen dreidimensionalen Verbund­ körper bilden, welcher sowohl aus einem dreidimensionalen Objekt als auch aus einem gesonderten, dreidimensionalen Traggebilde besteht, welches überhängenden Teilen des Objekts unterlagert ist, die während der Schichtauftragung Abstützung verlangen, wo­ bei das Objekt und das Traggebilde durch einen Zwischenraum zwi­ schen sich getrennt sind, der die Unterseite der überhängenden Teile des Objekts bildet; und
Abgeben eines zweiten oder Trennmaterials in den Zwischenraum zwischen dem Objekt und dem Traggebilde in einem mehrere Durch­ läufe beinhaltenden Auftragsprozeß koordiniert mit dem Abgeben des ersten Materials und in Kontakt mit demselben, wobei das zweite Material eine andere Zusammensetzung als das erste Mate­ rial hat, so daß das zweite Material eine schwache, zerbrechbare Verbindung mit dem ersten Material in einer leicht trennbaren Verbindung in dem Zwischenraum zwischen dem Objekt und dem Trag­ gebilde bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennmaterial als eine Schicht aufgetragen wird, die sich der Kontur des Zwischenraums anpaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht in mehreren Schichtabschnitten durch intermit­ tierendes Auftragen des Trennmaterials zwischen benachbarten, beabstandeten Schichten des Objekts und des Traggebildes auf demselben vertikalen Niveau in dem dreidimensionalen Verbundge­ bilde aufgebaut wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Trennmaterial bis zu einer Dicke zwischen 0,0254 mm (0.0001 Zoll) und 3,175 mm (0.125 Zoll) in einer ver­ tikalen Richtung bei jedem Auftragungsdurchgang aufgetragen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Baumaterial ein thermoplastisches Harz einge­ setzt wird und daß als Trennmaterial ein spanabhebend bearbeit­ bares Wachs eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Baumaterial ein Präzisionsgießwachs eingesetzt wird und daß als Trennmaterial ein spanabhebend bearbeitbares Wachs eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Trennmaterial als ein dünner Überzug in dem Zwischenraum in Kontakt mit benachbarten Flächen des Objekts und des Traggebildes, die durch das erste oder Baumaterial gebildet werden, aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Überzug eine vernachlässigbare Dicke hat, die ausreicht, um die benachbarten Flächen des Objekts und des Traggebildes zu bedecken und die molekulare Verbindung zu unterbrechen, die nor­ malerweise zwischen den Teilen des ersten oder Baumaterials, welche diese Flächen bilden, auftreten würde.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Baumaterial ein thermoplastisches Harz ist und daß das Trennmaterial, welches den Überzug bildet, ein wasserlösliches Polymer ist.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Baumaterial ein thermoplastisches Harz ist und daß das Trennmaterial, welches den Überzug bildet, ein lösungsmittellös­ liches Polymer ist.

11. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Baumaterial ein thermoplastisches Harz ist und daß das Trennmaterial, welches den Überzug bildet, ein Silicon ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Baumaterial ein thermoplastisches Harz ist und daß das Trennma­ terial, welches den Überzug bildet, eine Stearinsäurelösung ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste oder Baumaterial und das zweite oder Trennmaterial aus zwei separaten Düsen abgegeben werden, von denen jede eine Abgabespitze hat und die jeweils an einem ein­ zelnen Abgabekopf befestigt sind zur Relativbewegung in bezug auf ein Material aufnehmendes Unterteil längs X-, Y- und Z-Ach­ sen und zum Steuern des Abgebens des Baumaterials und des Trenn­ materials aus den Düsen derart, daß das Material aus nur einer Düse gleichzeitig abgegeben wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Düsen relativ zu dem empfangenden Unterteil vertikal ein­ stellbar ist und daß die Höhe der einen Düse während des Prozes­ ses des Abgebens des Baumaterials und des Trennmaterials steuer­ bar eingestellt wird, so daß sich die Abgabespitze der nichtab­ gebenden Düse immer oberhalb der Abgabespitze der abgebenden Düse auf einem Niveau befinden wird, das ausreicht, um das Mate­ rial, welches durch die abgebende Düse abgegeben wird, während des Materialabgabeprozesses nicht zu behindern.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Aus­ führen der Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14.