DE3750709T2

DE3750709T2 - Gerät zur Entwicklung dreidimensionaler Modelle.

Info

Publication number: DE3750709T2
Application number: DE3750709T
Authority: DE
Inventors: Avigdor Bieber; Joseph Cohen-Sabban; Josef Kamir; Matthew Katz; Avinoam Livni; Michael Nagler; Itzchak Pomerantz
Original assignee: Cubital Ltd
Current assignee: Object Geometries Ltd
Priority date: 1986-06-03
Filing date: 1987-06-02
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2007-06-03
Also published as: ATE113746T1; ES2063737T3; EP0250121A3; EP0250121A2; EP0250121B1; JPS6372526A; US4961154A; DE3750709D1; JP2539435B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren für dreidimensionales Modellieren, insbesondere in Reaktion auf eine Rechnerausgabe.
Verschiedene Systeme für dreidimensionales Modellieren sind vorgeschlagen worden, wie jene im europäischen Patent Nr. 0171069 und in Veröffentlichungen von Hideo Kodama mit dem Titel "Automatic method for fabricating a three-dimensional plastic model with photo-hardening polymer", Rev. Sci. Instr. 52(11) Nov. 1981, Seiten 1770-1773 und von Alan J. Herbert mit dem Titel "Solid Object Generation" in Journal of Applied Photographic Engineering 8 : 185-188 (1982).
Ein System für dreidimensionales Modellieren, welches in den oben zitierten Druckschriften beschrieben ist, erzeugt ein dreidimensionales Objekt aus einem flüssigen Medium, das zur Verfestigung fähig ist, wenn es einer vorgeschriebenen synergetischen Stimulation unterworfen wird. Dieses System zum dreidimensionalen Modellieren weist typischerweise eine Vorrichtung zum Zeichnen und zur Bildung aufeinanderfolgender Querschnittsschichten des Objektes an einer zweidimensionalen Grenzfläche auf. Das System zum dreidimensionalen Modellieren weist außerdem typischerweise eine Vorrichtung zum Bewegen der Querschnitte auf, während diese zum Aufbau eines Objektes in einer schrittweisen Art erzeugt werden, wobei ein dreidimensionales Objekt aus einer im wesentlichen zweidimensionalen Fläche herausgebildet wird.
Ein Problem der Verfahren dieses Systems zum dreidimensionalen Modellieren, wie es in der oben zitierten Druckschrift beschrieben wird, ist die Schwierigkeit, Geometrien zu modellieren, die während des Prozesses des Herausbildens des Modells nicht selbsttragend sind. Solche Geometrien beinhalten Gegenstände mit einem eingeschlossenen inneren Hohlraum (wie ein hohler Ball), getrennten Teilen (wie eine zusammengesetzte Kette) und mit vertikal konkaven Formen (wie ein einfacher Wasserhahn). Diese Geometrien können zusammenfallen, während das Model aufgebaut wird, wenn nicht zumindest ein Teil des Modells während der Herstellung abgestützt wird.
Keine der oben zitierten Druckschriften berücksichtigt explizit das Problem des Stützens des zu modellierenden Gegenstandes, oder von Teilen des zu modellierenden Gegenstandes, während er aufgebaut wird. Fig. 4 der EP-0 171 069 offenbart, das zur Verfestigung fähige flüssige Medium auf einer zweiten Flüssigkeit aufschwimmen zu lassen, die nicht mischbar mit dem zur Verfestigung fähigen flüssigen Medium ist und dieses nicht benetzt. Die zweite, in EP-0 171 069 beschriebene Flüssigkeit ist deshalb vorgesehen, um eine dünne Schicht des zur Verfestigung fähigen flüssigen Mediums zu erzeugen (und derart eine dünne Schicht des zu modellierenden Gegenstandes selbst) und sie ist nicht viskos genug, um mehr als einen kleinen Grad von Unterstützung für die Unterseite des zu modellierenden Gegenstandes zu liefern.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System bereitgestellt, welches auf Koordinateninformationen anspricht, um ein dreidimensionales körperliches Modell einer gewünschten Geometrie zu liefern, wobei das System aufweist: Einrichtungen, um selektiv ein verfestigungsfähiges Modelliermaterial in aufeinanderfolgenden Schichten zu verfestigen, dadurch gekennzeichnet, daß das System weiterhin Einrichtungen aufweist, zur (i) Entfernung der nicht verfestigten Bereiche jeder selektiv verfestigten Schicht, (ii) Ersetzung dieser Bereiche durch ein entfernbares, verfestigbares Stützmaterial, welches nicht unter den gleichen Bedingungen wie jenes Modelliermaterial verfestigbar ist und (iii) Verfestigung dieses entfernbaren Stützmaterials, um das Modell zu stützen, während es hergestellt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, welches zur Bereitstellung eines dreidimensionalen körperlichen Modells einer gewünschten Geometrie auf Koordinateninformationen anspricht, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, ein verfestigungsfähiges Modelliermaterial aufeinanderfolgend Schicht für Schicht selektiv bzw. stellenweise zu verfestigen, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die selektive Verfestigung einer gegebenen Schicht die nicht verfestigten Bereiche davon entfernt werden und durch ein entfernbares, verfestigbares Stützmaterial ersetzt werden, welches nicht unter den gleichen Bedingungen wie das Modelliermaterial verfestigbar ist und daß das entfernbare Stützmaterial verfestigt wird, um das Modell zu stützen, während es hergestellt wird.
Indem die nicht verfestigten Bereiche jeder Schicht entfernt und durch das entfernbare Stützmaterial ersetzt werden, welches dann verfestigt wird, können Modelle, die während der Herstellung nicht selbsttragend sind, hergestellt werden. Das Stützmaterial kann entfernt werden, sobald alle Schichten des Modells fertiggestellt sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das System Einrichtungen, um eine formstabile Schicht aus flüssigem, verfestigbarem Modelliermaterial in einer gewünschten Ebene bereitzustellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das verfestigbare Modelliermaterial so zusammengesetzt, daß es einen vergleichsweise geringen Grad an Schrumpfung aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das aktive Harz in dem Modelliermaterial, das einen gegebenen Schrumpfungskoeffizienten aufweist, mit einem anderen Harz gemischt, das einen gegebenen Expansionskoeffizienten aufweist, um so eine Mischung bereitzustellen, die einen Schrumpfungskoeffizienten von Null oder nahe Null hat.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Bestrahlung des Modelliermaterials dergestalt in einem Muster ausgeführt, daß, wenn Schrumpfen auftritt, zusätzliches Modelliermaterial sich dahin bewegt, um das Schrumpfen auszugleichen und verfestigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Modelliermaterial nacheinander in komplementären Mustern bestrahlt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das Modelliermaterial eine verfestigbare Flüssigkeit, die strahlungsdurchlässige Teilchen aufweist, um so das tatsächliche Volumen des Aushärtmaterials für ein gegeben es Volumen zu verringern und dadurch die Energie zu verringern, die erforderlich ist, um dieses gegebenes Volumen zu verfestigen, wodurch der Schrumpfungskoeffizient des Modelliermaterials verringert wird. Auf diese Weise wird die Lichtempfindlichkeit der verfestigbaren Flüssigkeit erhöht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das System weiterhin Einrichtungen, um Modelle mit vergrößerter oder verkleinerter Größe aus derselben Rechnerdatei zu liefern, während eine gewünschte Auflösung entlang jeder Achse aufrechterhalten wird.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende ausführliche Beschreibung, zusammengenommen mit den Zeichnungen, vollständiger verstanden und beurteilt, wobei:
Fig. 1 eine Blockdiagrammdarstellung eines dreidimensionalen Abbildungs- und Modelliersystems ist, welches gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist und wirkt.
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung eines hohlen Gegenstandes ist, der durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann und der darin gebildete Flüssigkeitsabflußkanäle aufweist,
Fig. 3 eine bildliche Darstellung zweier ineinander greifender Gegenstände ist, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können,
Fig. 4A, 4B, 4C und 4D ein Verfahren zur Schrumpfkompensation illustrieren, wobei Strahlung durch komplementäre Masken hindurch verwendet wird,
Fig. 5 ein seitlicher Querschnitt einer Vorrichtung zum dreidimensionalen Modellieren, indem selektiv dimensionierbares bzw. formbares Material in eine im allgemeinen zylindrischen Konfiguration gerollt wird, ist,
Fig. 6 eine Darstellung einer Vorrichtung zur Verwendung lichtunempfindlichen Gewebematerials bzw. Gewebeunterlagematerials ist, welches nützlich ist zusammen mit einem Teil der Vorrichtung aus Fig. 5,
Fig. 7 eine Darstellung einer Vorrichtung zum dreidimensionalen Modellieren ist, ähnlich der in Fig. 5 verwendeten, die direktes Schreiben mit Laser verwendet,
Fig. 8 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Schreiben mit einer LISA-Anordnung (LISA = linear shutter array, lineare Verschlußvorrichtung) ist, die nützlich ist zusammen mit einem Teil der Vorrichtung aus Fig. 5, und
Fig. 9 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Schreiben mit einem photographischen Film streifen ist, die nützlich ist zusammen mit einem Teil der Vorrichtung aus Fig. 5.
Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, die in einer allgemeinen Blockdiagrammform ein System zum dreidimensionalen Abbilden und Modellieren zeigt, das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und betrieben wird.
Das System hat typischerweise eine Eingabevorrichtung 10 für Konfigurationsinformationen, wie zum Beispiel einen herkömmlichen 3-D-Digitalisierer. Ein Beispiel für einen solchen Digitalisierer ist ein 3SPACE Digitizer, hergestellt und verkauft von der McDonnell Douglas Electronics Company. Andere geeignete Arten von Informationseingabevorrichtungen, wie die hier weiter oben bei der Diskussion des Standes der Technik beschriebenen, können alternativ verwendet werden. Zusätzliche Eingabequellen können dreidimensionale rechnergestützte Entwurfsdateien (computer aided design files, CAD-Dateien) und interaktiv ausgeformte Gegenstände sein, die an einer Workstation erzeugt wurden.
Weiterhin in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Ausgabe eines mit Rechner versehenen Tomographieabtastgerätes, wie zum Beispiel eines General Electric GE8800 CT Scanners, in der Form einer sequentiellen Vielschichtendatei von dem System verwendet werden, um eine körperhafte Wiedergabe des abgetasteten Objektes zu erzeugen. Eine derartiges Wiedergabemuster kann in der Diagnose und bei der Chirurgieplannung nützlich sein.
Workstation und Datenverarbeitungszentrum 12 empfängt Konfigurationsinformationseingaben von der Vorrichtung 10 und liefert eine betrachtbare Darstellung bzw. Anzeige dieser Information, vorzugsweise in gerasterter Form, für einen Benutzer bzw. Anwender und erlaubt es dem Benutzer, diese Information zu bearbeiten bzw. zu editieren oder eine derartige Information in der Workstation zu erzeugen.
Die wesentlichen, von der Workstation und dem Datenverarbeitungszentrum 12 durchgeführten Funktionen sind wie folgt:

a. VOXELISIERUNG

Voxelisierung ist eine automatische Funktion, die das massive Modell, das von einen CAD (Computer Aided Design = rechnergestütztes Entwurf-) System übernommen wurde, in ein kompaktes Voxellistenformat, wie zum Beispiel OCTREE, umwandelt, welches eine Behandlung der räumlichen Daten mit variabler Auflösung zuläßt. Konkret bedeutet dies die Umwandlung von Daten aus einer dreidimensionalen Vektordarstellung in eine Sammlung von Voxeln, die an bestimmten Stellen im Raum angesiedelt sind.

b. VOXELBEARBEITUNG

Voxelbearbeitung bzw. -editierung ist ein Werkzeug in der Hand des Benutzers, die die Veränderung der Gestalt eines auf dem Schirm dargestellten Gegenstandes erlaubt. Dies wird durchgeführt, indem dem Benutzer direkter Zugriff auf die Voxel gegeben wird, was ihm erlaubt, Voxelwerte mittels einer passenden Steuerungseinrichtung, wie zum Beispiel einem Lichtstift (Lightpen), einem Ball bzw. Trackball, einem Joystick usw., zuzufügen, zu löschen oder zu ändern. Die wesentlichen, durch diese Funktion verwirklichten Eigenschaften sind Zeichnen, Linienwahl, Querschnittsbestimmung, Raumausfüllung, Trimmen bzw. Ausschnittswahl, Kopieren und spiegelbildliches Abbilden.

c. FREIHANDFORMEN

Im Gegensatz zu der im vorigen Abschnitt beschriebenen Voxeleditierfunktion, die auf einer in Voxel umgewandelten CAD-Datei beruht, erlaubt diese Funktion die Schaffung eines Modells "aus dem Nichts", das heißt ohne die Eingabevorrichtung 10 zu verwenden. Der Benutzer erzeugt das Modell, indem er Formungsverfahren benutzt, die entweder im Aufbau oder in der Wegnahme von Material bestehen.
Zusätzlich zum Freihandformen wird der Benutzer simulierte Bearbeitungswerkzeuge zur Verfügung haben, die es ihm erlauben, den Gegenstand zu formen. Die von dem Benutzer verwendeten Softwarewerkzeuge weisen unter anderem auf: Werkzeugbestimmung (Bohrer, Drehbank, Walze, Düse, usw.), eine Aufbau/Wegnahmeoption, usw.

d. UMWANDLUNG IN MASSIVE MODELLE

Diese Funktion ist die Umkehr des Voxelisierungsvorganges. Eine Datei, die einen Körper als Gruppe von Voxeln im Raum beschreibt, wird in eine dreidimensionale Massivkonstruktionsgeometrie (constructive solid geometry = CSG) umgewandelt, die auf Voxeln als Grundwürfeln in einem ausgewählten CAD-Format basiert. Dies erlaubt es, daß auf der vorliegenden Vorrichtung ein Modell zur weiteren CAD-Analyse erzeugt wird und an dem gleichen Modell an einem zugeordneten CAD-System Bearbeitungen vorgenommen werden.
Mehrere Modellerzeugungsoperanden sind für den Benutzer vor der Erzeugung des körperlichen Modells verfügbar. Darunter sind Wahl des Maßstabs, Wahl der Auflösung, Erzeugung eines Körpernetzes, Erzeugung von Unterstützungsrippen (wenn es gebraucht wird, um einen Gegenstand an einer gewünschten Stelle im Raum zu stützen), Verschachtelung bzw. Ineinanderfügen (um den effizienten Gebrauch des Modelliermediums zu gewährleisten) und die Festlegung von Abflußkanälen (wenn gebraucht).
Workstation/Datenverarbeitungszentrum 12 wirkt mit einer herkömmlichen rechnergestützten 3-D- Entwurfsvorrichtung 14 und mit Software wie GEOMOD von General Electric/Calma, CADS von Computervision, UNIGRAPHICS von McAuto, MEDUSA von Prime Computer oder CIS zusammen. Eine Beschreibung und Auflistung von CAD-Programmen erscheint in "Engineering without Paper" von John K. Krouse, High Technology, März 1986, auf den Seiten 38-46. Workstation und Datenverarbeitungszentrum 12 liefert außerdem eine Ausgabe an den Erzeuger 16 für dreidimensionale Modelle.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Vorbehandlung der Konfigurationsinformation bereitgestellt, um so zu ermöglichen, daß komplexe oder hohle Gegenstände durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können.
Als ein vorbereitender Schritt für eine solche Vorbehandlung werden die Konfigurationsdaten zum Modellieren von einem CAD-Format in ein 3-dimensionales Rasterformat umgewandelt, in dem das gewünschte Objekt sich innerhalb einer dreidimensionalen Schachtel befindet, die in eine Vielzahl von kubischen Einheitsvolumina unterteilt wird, deren Abmessungen gleich der gewünschten räumlichen Auflösung sind, wobei jedes derartige Einheitsvolumen ein Voxel repräsentiert.
Jedes Voxel wird identifiziert durch drei Indizes x, y und z und es wird ihm ein Binärwert von 1 zugeordnet, wenn es innerhalb des zu modellierenden Gegenstandes liegt und sonst ein Wert von 0.
Es ist einzusehen, daß das körperhafte Modell durch den Binärwert aller Voxel innerhalb der vorbestimmten Auflösungsgrenzen vollständig beschrieben wird
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Umwandlung von Daten aus einem CAD-Format in ein Rasterformat erreicht werden, indem vom CAD-System verlangt wird, eine Abfolge von Parallelschnitten des Gegenstandes zu erzeugen, von denen jeder von dem anderen mit der gewünschten Auflösung beabstandet ist. Die Daten für jeden solchen Schnitt werden dann in ein zweidimensionales Rasterformat umgewandelt, das die gewünschte Auflösung hat. Ein Stapel derartiger Schnitte definiert eine dreidimensionale Matrix.
Sequentielles Schneiden dreidimensionaler Objekte ist eine herkömmliche Fähigkeit in CAD-Systemen und ist als "topographical map function" (topographische Abbildungsfunktion) im MEDUSA-System bekannt, welches von Prime Computer aus Natick, Massachusetts erhältlich ist. Die zweidimensionale Umwandlung von CAD-Daten in eine Rasterform ist völlig herkömmlich und ist im Handel erhältlich im Quantum 1 System, hergestellt von der Scitex Corporation Ltd aus Herzlia, Israel und in jenem System als die "Plot"- Funktion bekannt.
In Fig. 2 ist ein hohles Objekt 100 zu sehen. Ein Abflußkanal 102 und ein Luftkanal 103 werden in dem Modell ausgebildet, wenn es aufgebaut wird, um so die Drainage der hohlen Region 104 zu erlauben. Die Bildung derartiger Drainagekanäle kann gemäß der folgenden Abfolge von Betriebsschritten erfolgen:
1. BEGINNE, EINE SCHICHT (DIE UNTERSUCHTE SCHICHT) AN DER SPITZE DER DREIDIMENSIONALEN MATRIX ZU UNTERSUCHEN UND BEGINNE DAMIT, JEDE SCHICHT, SCHICHT FÜR SCHICHT, ZU PRÜFEN;
2. PRÜFE, OB DIE UNTERSUCHTE SCHICHT DER MATRIX AUßERDEM DIE UNTERSTE SCHICHT IST, WENN JA, GEHE ZU SCHRITT 9;
3. IDENTIFIZIERE DIE BEREICHE IN DER UNTERSUCHTEN SCHICHT, DIE EINEN BINÄRWERT VON NULL HABEN (DIES KANN ERREICHT WERDEN, INDEM EIN IN DER "CLAR"-FUNKTION DES R-280-SYSTEMS DER SCITEX CORPORATION LTD. ZUR VERFÜGUNG STEHENDER ALGORTHMUS VERWENDET WIRD);
4. PRÜFE, OB DIE NULLBEREICHE IN DER UNTERSUCHTEN SCHICHT IRGENDWELCHE NULLBEREICHE DER VORHERIGEN SCHICHT, DIE GEPRÜFT WORDEN IST, ÜBERLAPPEN;
5. WENN NElN, DEFINIERE EINEN NEUEN HOHLRAUM UND WEISE IHM DIE NICHT ÜBERLAPPENDEN NULLBEREICHE ZU UND GEHE ZU SCHRITT 2 FÜR EINE NACHFOLGENDE SCHICHT, DIE UNTER DER ZUVOR UNTERSUCHTEN SCHICHT LIEGT;
6. WENN JA UND WENN DER NULLBEREICH IN DER UNTERSUCHTEN SCHICHT GENAU EINEN NULLBEREICH IN DER ZUVOR UNTERSUCHTEN SCHICHT ÜBERLAPPT, WEISE IHN DEMSELBEN HOHLRAUM ZU, WIE DEN, DEM JENER NULLBEREICH IN DER ZUVOR UNTERSUCHTEN SCHICHT ZUGEWIESEN IST UND GEHE ZU SCHRITT 2 FÜR EINE NACHFOLGENDE SCHICHT, DIE UNTER DER ZUVOR UNTERSUCHTEN SCHICHT LIEGT;
7. WENN JA UND WENN DER NULLBEREICH IN DER UNTERSUCHTEN SCHICHT MEHR ALS EINEN NULLBEREICH IN DER ZUVOR UNTERSUCHTEN SCHICHT ÜBERLAPPT UND ALLE ÜBERLAPPTEN NULLBEREICHE IN DER ZUVOR UNTERSUCHTEN SCHICHT DEMSELBEN HOHLRAUM ZUGEORDNET SIND, DANN WEISE DEN NULLBEREICH IN DER UNTERSUCHTEN SCHICHT DEMSELBEN HOHLRAUM ZU, WIE DEN, DEM DIE ÜBERLAPPTEN NULLBEREICHE IN DER ZUVOR UNTERSUCHTEN SCHICHT ZUGEORDNET SIND UND GEHE ZU SCHRITT 2 FÜR EINE NACHFOLGENDE SCHICHT, DIE UNTER DER ZUVOR UNTERSUCHTEN SCHICHT LIEGT;
8. WENN JA UND WENN DER NULLBEREICH IN DER UNTERSUCHTEN SCHICHT MEHR ALS EINEN NULLBEREICH IN DER ZUVOR UNTERSUCHTEN SCHICHT ÜBERLAPPT UND DIE ÜBERLAPPTEN NULLBEREICHE IN DER ZUVOR UNTERSUCHTEN SCHICHT VERSCHIEDENEN HOHLRÄUMEN ZUGEORDNET SIND, DANN WEISE DEN NULLBEREICH IN DER UNTERSUCHTEN SCHICHT UND WEISE ALLE NULLBEREICHE IN ZUVOR UNTERSUCHTEN SCHICHTEN, DIE DAMIT ZUSAMMENHÄNGEN, NEU EINEM EINZIGEN HOHLRAUM ZU, VERWERFE DIE VERBLEIBENDEN HOHLRAUMZUORDNUNGEN FÜR DIE NEU ZUGEWIESENEN NULLBEREICHE UND GEHE ZU SCHRITT 2 FÜR EINE NACHFOLGENDE SCHICHT, DIE UNTER DER ZUVOR UNTERSUCHTEN SCHICHT LIEGT;
9. WENN ALLE SCHICHTEN DER MATRIX UNTERSUCHT WORDEN SIND, BESTIMME DIE MINIMALEN UND MAXIMALEN WERTE VON X, Y UND Z JEDEN HOHLRAUMES;
10. WENN IRGENDEINER DIESER WERTE AN DER PERIPHERIE DER MATRIX LIEGT, VERWERFE DIESEN HOHLRAUM, WEIL ER NICHT ISOLIERT IST. ALLE ANDEREN HOHLRÄUME WERDEN ALS ISOLIERT BETRACHTET;
11. WÄHLE FÜR JEDEN ISOLIERTEN HOHLRAUM X UND Y KOORDINATEN AN DEN EXTREMEN OBEREN UND UNTEREN STELLEN DARIN, DIE DIE JEWEILS GRÖßTEN UND KLEINSTEN Z-WERTE HABEN;
12. WEISE FÜR JEDEN HOHLRAUM DEN STELLEN, DIE DIE GLEICHEN X UND V KOORDINATEN WIE DIE OBERSTE STELLE ODER KOORDINATEN IN DER NÄHE DAVON UND HÖHERE Z-WERTE ALS DIE OBERSTE STELLE HABEN, DEN WERT NULL ZU UND DEFINIERE SO EINEN KANAL;
13. WEISE FÜR JEDEN HOHLRAUM DEN STELLEN, DIE DIE GLEICHEN X UND Y KOORDINATEN WIE DIE UNTERSTE STELLE ODER KOORDINATEN IN DER NÄHE DAVON UND NIEDRIGERE Z-WERTE ALS DIE UNTERSTE STELLE HABEN, DEN WERT NULL ZU UND DEFINIERE SO EINEN KANAL;
14. WAHLWEISE KÖNNEN DIE SCHRITTE 12 UND 13 BEENDET WERDEN, WENN DIE DADURCH DEFINIERTEN KANÄLE MIT EINEM HOHLRAUM IN VERBINDUNG STEHEN, FÜR DEN BEREITS KANÄLE, DIE IN MIT DER PERIPHERIE DER MATRIX IN VERBINDUNG STEHEN, DEFINIERT WORDEN SIND.
15. WAHLWEISE KÖNNEN DIE KANÄLE NACH DER DRAINAGE VERSPERRT WERDEN, INDEM SIE MIT EINER VERFESTIGBAREN FLÜSSIGKEIT GEFÜLLT ODER TEILWEISE GEFÜLLT UND DANN VERFESTIGT WERDEN.
Zusätzlich, wie in Fig. 3 zu sehen, können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mehrere getrennte Gegenstände 112 und 114 (Fig. 3) zusammen modelliert werden und relativ zueinander so plaziert werden, daß sie sich nicht berühren, während zu gleicher Zeit diese mehreren Gegenstände gegenseitig ineinander gepaßt bzw. verschachtelt werden, um so ein minimales Gesamtvolumen einzunehmen.
Ein Verfahren zum effizienten Verschachteln mehrerer Gegenstände, die zur gleichen Zeit modelliert werden sollen, kann gemäß der folgenden Abfolge von Betriebsschritten ablaufen:
1. BESTIMME FÜR JEDEN DER ZU MODELLIERENDEN GEGENSTÄNDE DIE EXTREMKOORDINATEN UND BERECHNE EIN MINIMALES UMHÜLLVOLUMEN IN FORM EINER SCHACHTEL FÜR JEDEN DIESER GEGENSTÄNDE;
2. SORTIERE DIE UMHÜLLVOLUMINA IN ABSTEIGENDER ORDNUNG NACH DEM VOLUMEN;
3. DEFINIERE EINE DREIDIMENSIONALE RASTERMATRIX (MASTERMATRIX BZW. HAUPTMATRIX), IN DIE DIE GEGENSTÄNDE PLAZIERT WERDEN;
4. PLAZIERE DAS GRÖßTE UMHÜLLVOLUMEN IN DIE MATRIX, INDEM DER INHALT DER MATRIX DIESES GEGENSTANDES IN DIE HAUPTMATRIX KOPIERT WIRD, WOBEI AM PUNKT (1,1,1) BEGONNEN WIRD;
5. FÜR JEDES DER VERBLEIBENDEN UMHÜLLVOLUMEN, BEGINNE MIT DEM NÄCHSTGRÖßTEN VOLUMEN UND FAHRE EINES NACH DEM ANDEREN FORT, BIS DAS KLEINSTE VOLUMEN ERREICHT IST, BESTIMME IN JEDEM FALL EINE ORIENTIERUNG IN DER MASTERMATRIX, MIT DER ES PLAZIERT WERDEN KANN, OHNE IRGEND IN ES DER ZUVOR ANGEBRACHTEN UMHÜLLVOLUMINA ZU ÜBERLAPPEN ODER ZU BERÜHREN, DABEI KEINE VERGRÖßERUNG ODER EINE MINIMALE VERGRÖßERUNG DES URSPRÜNGLICH AUSGEWÄHLTEN, VON DER MASTERMATRIX DEFINIERTEN VOLUMENS BEWIRKEND. IM VERLAUF DER ANPAßVERSUCHE KÖNNEN DIE 6 MÖGLICHEN ORTHOGONALEN ORIENTIERUNGEN VERSUCHT WERDEN;
6. WENN DIE BESTE ANPASSUNG GEFUNDEN IST, PLAZIERE JEDES DER VERBLEIBENDEN UMHÜLLVOLUMEN AN IHRE AM BESTEN ANGEPAßTE STELLE.
Zusätzlich können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Referenzmarkierungen in dem Modell aufgenommen werden, indem selektiv die Färbung der verfestigbaren Flüssigkeit an vorbestimmten Schichten geändert wird.
Wenn die vorliegende Erfindung benutzt wird, kann ein Problem von räumlicher Verformung auf Grund von Schrumpfen des verfestigbaren Materials bei der Verfestigung auftreten. Ein derartiges Schrumpfen kann zum Beispiel 2% in jeder linearen Dimension betragen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Schrumpfproblem beseitigt werden, indem ein Mehrschrittbestrahlungsverfahren verwendet wird, bei dem eine anfängliche Bestrahlung stattfindet, der eine Schrumpfung folgt. Überschüssiges verfestigbares Material neigt dazu, in den durch das Schrumpfen freigewordenen Bereich zu gehen. Ein zweiter Bestrahlungsschritt, typischerweise mit demselben Muster wie der erste Schritt, findet statt. Anschließende Bestrahlung, Härtung und Füllen in mehreren Durchläufen kann, wenn gewünscht, ebenfalls stattfinden. Das obige Verfahren zur Bewältigung des Schrumpfproblems kann auch in einer kontinuierlichen Weise durchgeführt werden, indem die Dauer der Strählungsanwendung verlängert wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine nicht schrumpfende, verfestigbare Flüssigkeit bereitgestellt werden, indem in die gewöhnliche schrumpfende, verfestigbare Flüssigkeit eine andere Flüssigkeit gemischt wird, die sich bei der Verfestigung um ungefähr das gleiche Maß ausdehnt, mit dem die schrumpfende verfestigbare Flüssigkeit schrumpft. Das Verhältnis der zwei Bestandteile kann gemäß ihrer Schrumpfungskoeffizienten angepaßtwerden, so daß die Mischung einen Gesamtschrumpfungskoeffizienten von Null oder nahe Null aufweist. Ein typisches Monomer, das sich bei der Polymerisierung ausdehnt, ist Norbornen Spiroorthocarbonat, welches in den Proceedings von RADCURE, 1984, Seite 11 - 1 erwähnt wird. Es kann mit Photopolymeren vom Epoxytyp gemischt werden, die die üblichen Schrumpfungskoeffizienten von ungefähr 2% haben.
Verformungen wegen Verspannungen, die in dem Modell während eines letzten Behandlungsschrittes erzeugt werden, können vermieden werden, indem der letzte Aushärtungsschritt nicht stattfindet, was dadurch möglich gemacht wird, daß jede Schicht vollständig ausgehärtet wird wenn sie gebildet wird, indem jede Verfestigungsschicht überbelichtet wird, wenn sie gebildet wird.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Schrumpfeffekte verringert werden, indem die gleichzeitige Bestrahlung und Verfestigung von großen Flächen der verfestigbaren Schicht vermieden wird. In diesem Zusammenhang wird auf die Fig. 4A-4D verwiesen, die die Bestrahlung eines gegebenen Musters in zwei Schritten mittels komplementärer Schachbrettmuster zeigt.
Fig. 4A zeigt eine typische Verfestigungsmustermaske für eine gegebene Schicht eines Modells. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wird dieses Muster in zwei komplementäre, typischerweise Schachbrettmustermasken zerlegt, dargestellt in den Fig. 4B und 4C. Diese Musterzerlegung kann entweder photographisch verwirklicht werden, indem passende Filter verwendet werden oder elektronisch mittels einer logischen UND-Verknüpfung zwischen dem Maskenmuster und einem Datenmuster.
Die verfestigbare Schicht wird durch jede der komplementären Mustermasken getrennt belichtet, so daß Verformungen auf Grund von Schrumpfen, die auf die erste Belichtung folgen, zumindest teilweise während der zweiten Belichtung ausgeglichen werden. Falls nötig, kann eine dritte Belichtung durchgeführt werden, die eine Maske verwendet, die dem vollständigen Muster oder ausgewählten Teilen davon entspricht, um irgendwelche nicht verfestigten Bereiche in dem Muster auszufüllen. Das Ergebnis des Komplementärmusterbelichtungsverfahrens ist ein überlagertes, verfestigtes Muster, wie in Fig. 4D zu sehen.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Schrumpfungskompensierung erreicht werden, indem die Belichtungsmasken durch eine Vorbehandlung verformt werden, um die erwartete Schrumpfung im fertigen Modell zu berücksichtigen. Ein derartiges Verfahren wird beim Formen oder Ausgießen angewendet, wenn die Formen zu diesem Zweck verformt werden.
Es wird nun auf die Fig. 5 verwiesen, die eine Ausführungsform einer Modellievorrichtung zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und betreibbar ist. Die Modelliervorrichtung der Fig. 5 kann als der Modellerzeuger 16 der Fig. 1 fungieren.
Die Vorrichtung aus Fig. 5 wirkt dahingehend, ein festes Objekt zu erzeugen, indem dessen Gestalt, Schicht für Schicht, auf die äußere Schicht eines rotierenden Zylinders geschrieben wird. Eine Rolle 300 wird in einer durch den Pfeil 301 angezeigten Drehrichtung durch die Antriebseinrichtung 305 um die Achse 302 gedreht. Eine Schicht 303 aus verfestigbarem Material wird auf die Rolle 300 entlang einer Linie 304 parallel zu der Achse 302 durch die Auftragsvorrichtung 306 aufgebracht. Das verfestigbare Material wird aus einem Vorratsbehälter 308 über eine digital gesteuerte Pumpe 310 geliefert.
Wegen der Drehung der Rolle 300 um die Achse 302 wird die Schicht aus verfestigbaren Material an eine Schreibstation gegeben, die allgemein mit der Referenznummer 312 bezeichnet ist. Typischerweise hat die Schreibstation einen endlosen Filmstreifen 314, der zu Rotation gebracht wird, so daß er eine Oberflächengeschwindigkeit hat, die mit der der Schicht 303 synchronisiert ist.
Ein Filmantriebsmechanismus 316, wie eine von MEKEL aus Walnut, Kalifornien erhältliche Filmtransportvorrichtung, bewegt den Film in einer durch die Pfeile 318 angezeigten Richtung, vorbei an einem elektrophotographischen Plotter 320, wie er in einem HP Laserdrucker gefunden werden kann, der ein Belichtungsmuster darauf schreibt, und darauf folgend an einer Strahlungsquelle 322 vorbei, die typischerweise eine starke UV-Lichtquelle aufweist, wie sie beim photographischen Kontaktabziehen verwendet wird. Die Quelle 322 belichtet die Schicht 303 durch den endlosen Filmstreifen 314, der an dieser Stelle in Kontakt mit der Schicht 303 gebracht wird.
Nach der Belichtung, wird die belichtete Schicht zu einer Fixierstation 324 bewegt, die eine Spüleinrichtung, typischerweise mit einer Bürste 326 und/oder einer Absaugpumpe, aufweist, die den nicht gehärteten Teil der Schicht 303 entfernt. Eine Endbehandlungsstation 325 hat eine Vorrichtung 328 zur Füllung des durch die Entfernung des nicht gehärteten Teils der Schicht 303 hinterlassenen Raumes mit einem entfernbaren Material, wie zum Beispiel einem Heißwachs (Carbowax 1540 von Union Carbide).
Die Schicht 303 wird dann durch ein Gebläse 330 gekühlt und durch eine Bürste 332 geglättet und ist dann bereit, eine weitere Schicht 303 zu aufzunehmen. Alle diese Stationen sind so angeordnet, daß sie sich radial bewegen können, um so in Berührung mit der Rolle zu bleiben, wenn diese sich ausdehnt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Schicht 303 aus einem verfestigbarem Material ein lichtunempfindliches Gewebematerial sein, das von einer Rolle 340 zugeführt wird, wie es in Fig. 6 gezeigt ist.
Die Auftragsvorrichtung 306 kann herkömmliche Auftragwalzen verwenden, wie sie in Druckmaschinen verwendet werden, oder sie kann alternativ dazu ein Gardnermesser oder jedes andere passende Streichmesser verwenden. Vorzugsweise hat die Schicht 303 ein verfestigbares Material von relativ großer Viskosität, wie zum Beispiel 3100, hergestellt von Vitralit (T.M.) aus Zürich, Schweiz oder Macrobase 600, erhältlich von ARCO Chemical Company aus den USA.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Schreibstation 312 direktes Laserschreiben auf der Schicht 303 anwenden, indem ein modulierter Laserstrahl verwendet wird. Solch eine Ausführungsform ist bildhaft in Fig. 7 gezeigt. Eine Laserquelle 350 erzeugt einen Ausgangsstrahl über den Lasermodulator 352. Der modulierte Laserstrahl geht durch einen Strahlablenker 354, der auf die Schicht 303 Linie für Linie schreibt. Diese Vorrichtung findet sich in dem Raystar Laser Plotter der Scitex Corporation aus Israel.
Gemäß einer weiteren, alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gezeigt in Fig. 8, kann direktes, zeilenweises Laserschreiben auf der Schicht 303 durch die Verwendung einer linearen Lichtquelle, wie zum Beispiel ein Modell AUVBA, hergestellt von American Ultraviolet Co. oder Modell 6508A431, hergestellt von Canrad Hanovia, bereitgestellt werden, die die Schicht 303 über eine lineare Verschlußanordnung (LISA) (=linear shutter array) 362 beleuchtet, wie zum Beispiel eine LISA-2500, hergestellt von Phillips oder ein Flüssigkristallichtventil, wie ein Modell H-4060, hergestellt von der Hughes Aircraft Company aus Carlsbad, Kalifornien oder eine elektrooptischer keramischer PLZT Lichtdurchlaß, entwickelt vom Standard Elektrik Forschungszentrum in Stuttgart, Deutschland.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gezeigt in Fig. 9, kann ein zuvor vorbereiteter Film 364 für die kontaktlose Belichtung der Schicht 303 in Verbindung mit einem herkömmlichen Projektionssystem, das eine Lichtquelle 366 und Linsen 368 aufweist, verwendet werden.
Wie man sieht, ist das hier oben in Zusammenhang mit den Fig. 5-9 beschriebene Verfahren nicht auf eine zylindrische Anordnung beschränkt, sondern gleichermaßen auf eine rechteckige oder schraubenförmige Anordnung oder jede andere aufgebaute feste Anordnung anwendbar ist.
Nach dem Abschluß der Aufbauschritte wird der aufgebaute Zylinder oder ein anderes festes Objekt von der Vorrichtung aus Fig. 14 abgenommen und dann einer Behandlung unterworfen, um das Wachs oder anderes Füllmaterial zu entfernen, so daß nur das polymerisierte verfestigte Material zurückbleibt.
Es ist einzusehen, daß verschiedene kleine Gegenstände mittels passender, bereits oben besprochener Verschachtelungsverfahren zusammengestellt werden können, so daß sie zusammen in einem Aufbauprozeß hergestellt werden können. In gleicher Weise kann ein großer Gegenstand in Komponenten zerlegt werden, von denen jede durch die hier oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden kann.

Claims

1. System (16), welches auf Koordinateninformationen anspricht, um ein dreidimensionales physikalisches Modell einer gewünschten Geometrie bereitzustellen, wobei das System aufweist:

Einrichtungen (312), Um selektiv ein verfestigungsfähiges Modelliermaterial (303) in aufeinanderfolgenden Schichten zu verfestigen, dadurch gekennzeichnet, daß das System weiterhin Einrichtungen (324, 325, 330) aufweist, um (i) die nicht verfestigten Bereiche jeder selektiv verfestigten Schicht (303) zu entfernen, (ii) diese Bereiche durch ein entfernbares, verfestigbares Stützmaterial zu ersetzen, welches nicht unter denselben Bedingungen wie das Modelliermaterial (303) verfestigbar ist, und (iii) Verfestigen des entfernbaren Stützmaterials, um das Modell zu stützen, während es hergestellt wird.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Einrichtungen zum selektiven Verfestigen optische Einrichtungen (366, 386) aufweisen, um ein vergrößertes Bild, welches durch eine Maske (364) festgelegt wird, auf jede Schicht (303) zu projizieren.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Modelliermaterial ein aktives Harz aufweist, welches einen gegebenen Schrumpfungskoeffizienten hat und welches mit einem zweiten Harz vermischt ist, welches einen gegebenen Expansionskoeffizienten hat, um eine Mischung bereitzustellen, welches einen Schrumpfungskoeffizienten von Null oder nahe Null hat.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches weiterhin aufweist:

Einrichtungen (10), um Koordinateninformationen eines dreidimensionalen Gegenstandes bereitzustellen, und

Einrichtungen, die so ausgelegt sind, daß sie Koordinateninformationen von der Bereitstellungseinrichtung (10) empfangen und diese Koordinateninformationen so handhaben, daß sie für die Verwendung in der dreidimensionalen Modellierung angepaßt sind.

5. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches weiterhin Einrichtungen (328) aufweist, um das entfernbare Stützmaterial in einem geschmolzenen Zustand bereitzustellen.

6. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches weiterhin Einrichtungen aufweist, um eine formstabile Schicht eines flüssigen, verfestigungsfähigen Modelliermaterials in einer gewünschten Ebene bereitzustellen.

7. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das verfestigungsfähige Modelliermaterial eine verfestigungsfähige Flüssigkeit aufweist, die strahlungsdurchlässige Teilchen einschließt, um das effektive Volumen von Aushärtmaterial für ein gegebenes Volumen der verfestigungsfähigen Flüssigkeit zu vermindern und um damit die für die Verfestigung des gegebenen Volumens erforderliche Energie zu reduzieren und damit auch die Schrumpfung zu reduzieren.

8. System nach Anspruch 1, welches weiterhin Einrichtungen aufweist für die Bereitstellung von Modellen mit vergrößerten oder verkleinerten Maßen aus derselben Computerdatei, während entlang jeder Achse eine gewünschte Auflösung aufrechterhalten wird.

9. Verfahren, welches für die Bereitstellung eines dreidimensionalen physikalischen Modells einer gewünschten Geometrie auf Koordinateninformationen anspricht, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, daß ein verfestigungsfähiges Modelliermaterial (303) Schicht für Schicht selektiv verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die selektive Verfestigung einer gegebenen Schicht die nicht verfestigten Bereiche dieser Schicht entfernt und durch ein entfernbares, verfestigbares Stützmaterial ersetzt werden, welches nicht unter denselben Bedingungen wie das Modelliermaterial (303) verfestigbar ist, und daß das entfernbare Stützmaterial verfestigt wird, um das Modell zu stützen, während es hergestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt der selektiven Verfestigung die Bestrahlung des verfestigungsfähigen Modelliermaterials in einem Muster beinhaltet, so daß eine Schrumpfung auftritt und daß zusätzliches, verfestigungsfähiges Modelliermaterial an diese Stelle tritt, um die Verschrumpfung aufzufangen, und verfestigt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das verfestigungsfähige Modelliermaterial (303) nacheinander in zueinander komplementären Mustern bestrahlt wird.