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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Herstellen von Strukturkörpern,
insbesondere von Gussformen oder Gusskernen durch eine Ablagerungstechnik
(Rapid-Prototyping-Verfahren) sowie eine zum Durchführen des
Verfahrens geeignet Rapid-Prototyping-Vorrichtung.
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Mit Rapid-Prototyping-Verfahren ist
es möglich
einen Strukturkörper
direkt basierend auf Geometriedaten eines -Strukturkörpers herzustellen,
die durch ein CAD-Programm erzeugt wurden, wobei eine einzige Herstellungstechnik
verwendet wird. Daher erscheint es denkbar, Rapid-Prototyping-Vorrichtungen zu
bauen, die geeignet sind an nicht speziell für Herstellungsprozesse eingerichtete
Orte verwendet zu werden und die geeignet sind von nicht speziell
trainierten Personen bedient zu werden. Beispielsweise ist es denkbar,
Vorrichtungen für
Privatpersonen bzw. Heimwerkstätten
zur Verfügung
zu stellen. Eine Voraussetzung dafür ist, dass einerseits eine genügend große Anzahl
von kostengünstigen
Vorrichtungen mit einer einfachen Konstruktion angeboten werden
kann und dass andererseits Techniken angewendet werden, die im Falle
von unkorrekter Handhabung kein Sicherheitsrisiko bergen.
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Unter den Rapid-Prototyping-Verfahren
gibt es zwei unterschiedliche Gruppen von Verfahren, solche, bei
denen auf die gesamte Oberfläche
aufgetragenes Material selektiv gebunden wird (Selektiwerkleben),
und solche, bei denen Material von Anfang an selektiv abgelagert
und gebunden wird (Selektivauftragen).
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Stereolithographie und Selektiv-Laser-Verfahren
(SLS) sind Beispiele für
Selektiwerkleben-Verfahren, d. h. für Verfahren der ersten Gruppe.
Bei der Stereolithographie wird eine Schicht eines flüssigen Polymerharzes
abgelagerten und durch selektive Energiezufuhr mittels eines schwenkbaren
Laserstrahls selektiv ausgehärtet
(vgl. z. B. EP-0 171 069). Beim SLS-Verfahren (WO 88/02677) wird
eine Schicht eines Sintermaterials aufgetragen und selektiv teilweise
geschmolzen und dadurch zusammenverklebt durch selektives Zuführen von
Energie mittels eines schwenkbaren Laserstrahls. Jeder der vorhergehenden
Vorgänge wird
Schicht für
Schicht wiederholt, um einen dreidimensionalen Strukturkörper zu
formen. Jede nachfolgende Schicht wird durch die verfestigten und
nicht-verfestigten Abschnitte der jeweiligen, vorhergehenden Schicht
abgestützt.
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Sowohl die Stereolithographie als
auch das SLS-Verfahren sind nicht für die Verwendung in Heimwerkstätten geeignet.
Die verwendete Lasertechnologie ist einerseits zu kostenintensiv
und andererseits zu gefährlich
für die
Anwendung durch ungelerntes Bedienpersonal. Außerdem sind die bei der Stereolithographie
verwendeten Polymerharze nicht geeignet zur Anwendung in Heimwerkstätten im
Hinblick auf ihre kritische Wirkung auf die Umwelt.
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Eine andere Strategie des Selektivverklebens
erfordert keine Lasertechnologie und Photopolymere. Gemäß dem Verfahren
gemäß EP-0 431
924 B1 wird eine Schicht aus Partikelmaterial abgelagert. Durch
selektives Ablagern eines Bindermaterials wird die Schicht des Partikelmaterials
in selektierten Bereichen zusammenverklebt und daher direkt an die
im vorhergehenden Verfahrenszyklus erzeugte Schicht verklebt. Dieser
Prozess wird mehrmals wiederholt. In einem letzten Schritt wird
das Partikelmaterial entfernt, das von dem Bindermaterial unbenetzt geblieben
ist und dadurch nicht verklebt ist. Das Bindermaterial kann mittels
Drop-on-Demand-Druckköpfen kostengünstig abgelagert
werden, die aus der Drucktechnologie bekannt sind.
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Die erreichbare Genauigkeit der erzeugten Oberflächen ist
bei diesem Verfahren jedoch gering, da das aufgetragene Bindermaterial
in dem Partikelmaterial teilweise sich in unkontrollierter Weise
ausbreitet. Außerdem
ist zum Auftragen der Schichten des Partikelmaterials eine sehr
komplexe Ausrüstung erforderlich.
Daher ist diese Technik für
eine Vorrichtung zur Verwendung in Heimwerkstätten auch nicht geeignet.
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Ein Verfahren des selektiven Auftrages,
d. h. aus der zweiten Gruppe von Rapid-Prototyping-Verfahren, ist
aus WO 0 95/05943 bekannt. Ein Baumaterial wird selektiv in selektierte
Teilbereiche des Prozessbereichs mittels eines Drop-on-Demand-Druckkopfs abgelagert.
Die verbleibenden Teilbereiche werden auch mittels eines Drop-on-Demand-Druckkopfs
mit geschmolzenem Wachs als Supporting-Material verfüllt. Jede
nachfolgende Schicht wird auf eine nächste vorhergehende Schicht
nur nach deren Verfestigung abgelagert. Dieser Prozess wird Schicht für Schicht
wiederholt, bis der Strukturkörper
vervollständigt
ist.
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Wachs oder ähnliche Supporting-Materialien wie
Harzmaterialien können
durch einen Drop-on-Demand-Druckkopf jedoch wegen der materialspezifischen
Oberflächenspannung
nur in Tropfen extrem kleiner Größe aufgetragen
werden. Deshalb ist das Ablagern von Wachstropfen zum Verfüllen eines
großen
Volumens der Supporting-Struktur pro Schicht extrem komplex und
kann für
größere Modelle
zu Herstellungszeiträumen
von mehreren Tagen führen.
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Um diese langen Herstellungszeiträume zu vermeiden,
sind Verfahren entwickelt worden, bei denen die Supporting-Struktur
nicht mehr durch aufgetropftes Wachs auf die Oberfläche durch Drop-On-Demand
Techniken geformt wird, sondern durch Ausbreiten eines Partikelmaterials
oder eines Füllmaterials
mittels eines Streichmessers oder dergleichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein
Rapid-Prototyping-Verfahren und eine Rapid-Prototyping-Vorrichtung
zu schaffen, die einerseits bezüglich
Kosten und Komplexität
und andererseits bezüglich
Sicherheitsaspekte für
die Anwendung sogar in Heimwerkstätten geeignet sind.
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Es gibt eine Anforderung während des
Produktionsprozesses abgestützte
Vorsprünge
und auskragende Vorsprünge
mehrerer Schichten durch ein Supporting-Material zu haben, das in
der nächsten vorangehenden
Schicht verfüllt
wird, um eine Abstützoberfläche zu haben,
auf der das Baumaterial der nachfolgenden Schicht zum Formen des
vorstehenden oder auskragenden Abschnitts abgelagert werden kann.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es nicht notwendig
ist verfestigte Supporting-Materialien für diesen Zweck zu verwenden. Überraschenderweise
wurde herausgefunden, dass sogar Flüssigkeiten effektiv und günstig als
Supporting-Materialien für
Rapid-Prototyping-Verfahren der vorliegenden Art sein können, wenn
diese Flüssigkeiten
eine Dichte haben, die gleich oder geringfügig größer als die Dichte des aufgetragenen
Baumaterials ist.
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Die Erfindung ist gerichtet auf ein
Rapid-Prototyping-Verfahren zum Produzieren eines Strukturkörpers durch
einen Produktionsprozess von mehrfach nachfolgenden Ablagerungen
von Schichten von Baumaterial. Jede nachfolgende Schicht von Baumaterial
wird auf die obere Oberfläche
der nächsten
vorangehenden Schicht von Baumaterial abgelagert. Das Baumaterial
hat eine vorbestimmte Dichte und wird wahlweise für jede Schicht
in flüssigem
Zustand in Form von Tropfen in selektierte Teilbereiche eines Prozessbereichs
abgelagert und wird veranlasst während
des Ablagerns mit der Verfestigung zu beginnen. Nach dem Ablagern
wird eine Supporting-Flüssigkeit
in flüssigem
Zustand in die verbleibenden Teilbereiche gefüllt, die an die selektierten Teilbereiche
des Prozessbereichs angrenzen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist
die Supporting-Flüssigkeit
so ausgewählt,
dass diese eine Dichte hat, die mindestens gleich der Dichte des
verfestigten Baumaterials ist, und dass diese während des Produktionsprozesses
in flüssigem
Zustand bleibt, und werden die verbleibenden Teilbereiche der nächsten vorangehenden
Schicht mit der Supporting-Flüssigkeit
im Wesentlichen bis zu der oberen Oberfläche des Baumaterials der nächsten vorangehenden
Schicht derart aufgefüllt, dass
die obere Oberfläche
des Baumaterials nicht mit Supporting-Flüssigkeit
benetzt wird, bevor das Baumaterial der nachfolgenden Schicht darauf
abgelagert ist.
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Es wird vorgeschlagen die Vorkehrung
zu treffen die verbleibenden Teilbereiche jeder nächsten vorangehenden
Schicht ohne Benetzen von dessen oberen Oberfläche zu füllen, wenn eine Supporting-Flüssigkeit
verwendet wird, die wirkungsvoll als ein Trennmittel bei Vorhandensein
zwischen nachfolgenden Schichten von Baumaterial effektiv sein würde, wodurch
ein gegenseitiges Haften unterbunden werden würde.
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Jedoch kann es in manchen Fällen sogar vorteilhaft
sein, wenn die obere Oberfläche
durch Supporting-Flüssigkeit
vernetzt ist, wenn die letztere so ausgewählt ist, dass sie die Verfestigung
des abgelagerten Baumaterials und das gegenseitige Haften von nachfolgenden
Schichten von Baumaterial unterstützt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
Erfindung ist die Supporting-Flüssigkeit
so ausgewählt,
dass sie eine Dichte hat, die mindestens gleich der Dichte des Baumaterials
ist, und dass sie im flüssigen
Zustand während
des Produktionsprozesses bleibt, und werden die verbleibenden Teilbereiche
jeder nächsten
vorangehenden Schicht mit der Supporting-Flüssigkeit im Wesentlichen bis
zur oberen Oberfläche des
Baumaterials jeder nächsten
vorangehenden Schicht so verfüllt,
dass die obere Oberfläche
mit Supporting-Flüssigkeit
benetzt ist, bevor das Baumaterial der nachfolgenden Schicht darauf
abgelagert wird, und wird das Baumaterial aus flüssigen Harzmaterialien ausgewählt, die
durch Reaktion mit einem in dem Supporting-Fluid enthaltenen, chemischen Reaktionsmittel
sich verfestigen.
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Wenn das Baumaterial aus Flüssigharzmaterialien
ausgewählt
ist, die durch Reaktion mit einem in dem Supporting-Fluid enthaltenen,
chemischen Reaktionsmittel verfestigt werden, wird die chemische
Reaktion spätestens
dann beginnen, wenn das abgelagerte Baumaterial der jeweiligen Schicht
mit dem Supporting-Fuid längs
in Kontakt kommt, wenn das letztere in die verbleibenden Teilbereiche
dieser Schicht verfüllt
wird. In diesem Fall ist es vielleicht nicht wichtig, ob die obere
Oberfläche
der vorangehenden Schicht zusätzlich
mit der Supporting-Flüssigkeit
vor dem darauf Ablagern des Baumaterials benetzt ist, so dass das
Verfahren gemäß dem ersten Aspekt
der Erfindung ausgeführt
werden kann, ohne die obere Oberfläche mit Supporting-Flüssikgeit
vor Ablagern des Baumaterials der nachfolgenden Schicht zu benetzen.
Benetzen der oberen Oberfläche
der oberen Oberfläche
kann jedoch zusätzlich eine Kreuzverbindung
der Baumaterialien von angrenzenden Schichten zwischen der oberen
Oberfläche
der vorangehenden Schicht und der unteren Oberfläche der nachfolgenden Schicht
begünstigen, so
dass es von zusätzlichem
Vorteil sein kann gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung zu arbeiten und die verbleibenden Teilbereiche
der vorangehenden Schicht so zu verfüllen, dass Benetzen der oberen Oberfläche in der
Tat erreicht wird. Benetzen der oberen Oberfläche könnte ferner bevorzugt sein,
um die obere Oberfläche
des Baumaterials in den selektierten Teilbereichen so bündig wie
möglich
mit der Flüssigkeitsoberfläche der
Supporting-Flüssigkeit
und den verbleibenden Teilbereichen nach Verfüllen dergleichen zu erhalten,
um Oberflächenspannungseffekte
am Übergang
zwischen der Supporting-Flüssigkeit
und dem Baumaterial zu kompensieren.
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Gemäß beiden Aspekten der Erfindung
ist es bevorzugt die obere Oberfläche der vorangehenden Schicht
und das Flüssigkeitsniveau
der Supporting-Flüssigkeit
miteiander so bündig
wie möglich
zu haben. Wenn Tropfen des Baumaterials in die Supporting-Flüssigkeit
in den verbleibenden Teilbereichen abgelagert werden, wird der Tropfen
in die Supporting-Flüssigkeit
geringfügig
eintauchen, wodurch manche leichte Überlappung der oberen Oberfläche des
Baumaterials der vorangehenden Schicht und des Baumaterials der
nachfolgenden Schicht hervorgerufen wird, die auf die Supporting-Flüssigkeit
in verbleibenden Teilbereichen der vorangehenden Schicht aufgetragen
wurde. Dies führt
zu einer Art von Vertiefungen zwischen angrenzenden Schichten, was
seinerseits für
Stabilität
des derart produzierten Strukturkörpers günstig ist.
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Diese leichten Überlappungen von aufeinanderfolgenden
Schichten können
durch eine Berechnung für
die Programmsteuerung der Drop-on-Demand-Auftragungsvorrichtung
betrachtet werden und können
durch eine entsprechende Berechnung der obersten Schicht des Strukturkörpers kompensiert werden.
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Da ein Verfahren zum selektiven Auftragen von
der Erfindung verwendet wird, ist es nicht notwendig Vorrichtungen
zur Verfügung
zu stellen, wie beispielsweise wahlweise bewegte Laser und Materialien,
z. B. Photopolymere, die für
die Anwendung in Heimwerkstätten
aus Gründen
der Sicherheit nicht geeignet sind.
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Da eine Flüssigkeit anstatt eines festen
Materials oder eines Schüttguts
als Supporting-Material verwendet wird, ist die Komplexität der erforderlichen Vorrichtung
zur Handhabung des Supporting-Materials signifikant reduziert. Dies
ermöglicht
es Vorrichtungen zu verwenden, die von einer derart einfachen Konstruktion
sind und so kostengünstig
sind, dass sie geeignet für
Heimwerkstätten
sind.
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Beim Verwenden einer Flüssigkeit
als Supporting-Material ist außerdem
die Trennung des Strukturkörpers
von dem Supporting-Material
beträchtlich
vereinfacht.
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Bevor eine nachfolgende Schicht abgelagert wird,
werden die verbleibenden Teilbereiche der nächsten vorangehenden Schicht
mit Supporting-Flüssigkeit
verfüllt.
Dies kann von oben her durch eine Auftragungsvorrichtung ausgeführt werden,
z. B. durch ein Auftragungsrohr, von dem die Supporting-Flüssigkeit
in die verbleibenden Teilbereiche fließt. Bevorzugt wird der Produktionsprozess durch
Verwenden eines Behälters
ausgeführt,
in dem der Strukturkörper
auf einer Plattform geformt wird. Die Supporting-Flüssigkeit
kann in den Behälter
zugeführt
werden bis das Flüssigkeitsniveau
des Supporting-Fluids in dem Behälter
bis zu dem Niveau der oberen Oberfläche der vorangehenden Schicht
angestiegen ist. In anderen Fällen
kann der Behälter
ein Reservoir der Supporting-Flüssigkeit
enthalten und die vorangehende Schicht wird in das Reservoir abgesenkt,
wodurch ein Fließen
der Supporting-Flüssigkeit
in die verbleibenden Teilbereiche verursacht wird, bis deren Flüssigkeitsniveau
im Wesentlichen bündig
mit der oberen Oberfläche
der vorangehenden Schicht ist. Statt Absenken der vorangehenden Schicht
kann der Behälter
relativ zu der vorangehenden Schicht angehoben werden. Es ist möglich, dass die
vorangehende Schicht vollständig
durch die Supporting-Flüssigkeit
eingetaucht ist und dass die vorangehende Schicht im Wesentlichen
angehoben wird, bis die obere Obefläche der Schicht zusammen mit
der Oberfläche
der Supporting-Flüssigkeit
im Wesentlichen bündig
ist, wonach die obere Seite der Schicht abgewischt oder mittels
einem Nivellierinstrument ebengeschabt wird. Dies kann sogar verursachen,
dass die obere Oberfläche
des Baumaterials der vorangehenden Schicht vor Ablagernder nachfolgenden
wieder unbenetzt ist, obwohl die obere Oberfläche zuvor in dem Supporting-Fluid
eingetaucht war. Durch Wegwischen von übermäßiger Supporting-Flüssigkeit
kann das Flüssigkeitsniveau
des Reservoirs der Supporting-Flüssigkeit
konstant gehalten werden. In anderen Fällen, die bevorzugt zu sein scheinen,
wird das Flüssigkeitsniveau
des Reservoirs konstant durch entsprechende Überlaufmesser des Behälters konstant
gehalten.
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Wenn eine Supporting-Flüssigkeit
als das Supporting-Material verwendet wird, ist es die besondere
Abfolge, die gewählt
wird, indem einzelne Schichten des Strukturkörpers geformt werden, die schließlich ein
selektives und hoch-präzises
Formen des Strukturkörpers
erlaubt. In jedem Schritt des Ablagerns des Baumaterials wird das
letztere auf bereits Abgelagertem abgelagert und mindestens teilweise
verfestigtes Baumaterial der vorangehenden Schicht oder das Baumaterial
wird in einer derartigen Abfolge abgelagert, dass es mit dem bereits
in dem aktuellen Ablagerungszyklus abgelagerten Baumaterial längs haftet,
so dass das Baumaterial an bereits aufgetragenem Baumaterial der
aktuellen Schicht längs
angebracht wird.
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Es ist möglich, dass außer von
dem flüssigen Supporting-Material keine zusätzlichen
Supporting-Strukturen vorgesehen werden. Zusätzliche Supporting-Strukturen
können
jedoch vorgesehen werden, die aus dem Baumaterial während und
entlang der Produktion des Strukturteils produziert werden. Nachdem
der Produktionsprozess des Formens des Strukturkörpers vervollständigt wurde,
werden diese Supporting-Strukturen des Baumaterials entfernt. Supporting-Strukturen
dieser Art können
die Stabilität
des Strukturteils erhöhen,
insbesondere wo lange, überhängende Abschnitte
einer Schicht temporär
durch zusätzliche
Supporting-Strukturen abgestützt
werden. Gemäß einer
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist das Ablagern von Baumaterial für eine Schicht Formen der Supporting-Strukturen
zum Abstützen
eines Bereichs einer nachfolgenden Schicht auf.
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Insbesondere kann die erste Schicht
des Strukturteils, die direkt auf der Basis hergestellt wird, hergestellt
werden, um lediglich aus einzelnen, im Abstand voneinander angeordneten
stiftförmigen Supporting-Strukturen
zum Abstützen
der nächsten nachfolgenden
Schicht bestehen. Deshalb wird es vermieden, dass eine Gesamtoberflächeschicht
direkt auf der Basis geformt wird, was sonst zu Schwierigkeiten
beim Trennen des Strukturkörpers
von der Basis führen
kann.
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Dort, wo die selektierten Teilbereiche
einer nachfolgenden Schicht einen Abschnitt aufweisen, der nicht
mit einer oberen Oberfläche
der nächsten vorangehenden
Schicht verbunden ist sondern als eine Insel auf der Supporting-Flüssigkeit
in einem verbleibenden Teilbereich der vorangehenden Schichtabgelagert
werden soll, kann ein Formen der Supporting-Strukturen auch verwendet
werden, um ein Abdriften der "schwimmenden" Abschnitte in der Supporting-Flüssigkeit
zu verhindern und um ein Aufschwimmen dieser Abschnitte zu verhindern,
wenn die Schicht in der Supporting-Flüssigkeit zum Verfüllen der
verbleibenden Teilbereiche der Schicht abgesenkt wird. Ein derartiger
Abschnitt der nachfolgenden Schicht kann eine Spitze eines hängenden
Abschnitts sein, der beabsichtigt von einer Schicht oberhalb der
nachfolgenden Schicht nach unten hängt.
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Dort, wo es beabsichtigt ist, dass
eine nachfolgende Schicht des Baumaterials ausgedehnte Abschnitte
von Baumaterial aufweist, die von einem Abschnitt der oberen Oberfläche des
Baumaterials der nächsten
vorangehenden Schicht über
Abschnitte der verbleibenden Teilbereiche der nächsten vorangehenden Schicht
sich erstrecken, können
die ausgedehnten Abschnitte durch Starten mit Ablagern von Baumaterial
von den Abschnitten der oberen Oberfläche und durch Fortschreiten
mit Ablagern des Baumaterials entlang der beabsichtigten, ausgedehnte
Abschnitte auf das Supporting-Fluid geformt werden, das in die verbleibenden
Teilbereiche der nächsten
vorangehenden Schicht verfüllt
wird. Als eine Alternative werden die sich erstreckenden Abschnitte
des Baumaterials durch Starten mit Ablagern von Baumaterial auf
das Supporting-Fluid geformt, das in die verbleibenden Teilbereiche
der nächsten vorangehenden
Schicht verfüllt
wird und durch Fortschreiten mit Auftragen von Baumaterial entlang
des beabsichtigten, ausgedehnten Abschnitts in Richtung des Abschnitts
der oberen Oberfläche.
Diese Alternative kann bevorzugt sein, weil Schrumpfen auf Verfestigung
von denjenigen Abschnitten des Baumaterials, die auf die Supporting-Flüssigkeit
abgelagert wurden, zumindest teilweise ein lokales Schrumpfen sein
wird, ohne zu einer Verformung der ganzen Schicht zu führen.
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Derselbe Schrumpfmechanisumus kann
im Allgemeinen ausgenutzt werden, wenn eine Schicht von Baumaterial
nicht in einer Art und Weise geformt wird, dass jeder nachfolgende
Tropfen von Baumaterial sofort mit dem nächsten vorangehenden Tropfen während des
Ablagerns verbunden wird, sondern dass einzelne Tropfen zuerst als
"Inseln" aufgetragen werden, die durch Verfüllen in einem späteren Schritt miteinander
verbunden werden.
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Aussparungsabschnitte einer Schicht,
die durch Wandabschnitte von Baumaterial umgeben sind, können mit
Supporting-Flüssigkeit
durch deren Auftragen von oben oder durch ein Überlaufen der Supporting-Flüssigkeit über die
Umgrenzungswandabschnitte verfüllt
werden, wenn die verbleibenden Teilbereiche davon außerhalb
verfüllt
werden. Bevorzugt werden jedoch die Umgrenzungswandabschnitte durch
Ablagern von Baumaterial geformt, was durch ein entsprechendes Ablagerungsprogramm
gesteuert wird, mit einer Öffnung,
die es ermöglicht,
dass Supporting-Flüssigkeit
in den Aussparungsabschnitt fließt.
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Bevor eine nachfolgende Schicht auf
der oberen Oberfläche
des Baumaterials der vorhergehenden Schicht aufgetragen wird, ist
es bevorzugt die obere Oberfläche
der vorhergehenden Schicht zu nivellieren, um in einer kontinuierlichen
und bündigen Horizontalebene
zu sein. Durch Nivellieren der oberen Oberfläche können Unregelmäfligkeiten
kompensiert werden und das Niveau der oberen Oberfläche kann
gemäß einer
gewünschten
Höhe der
jeweiligen Schicht korrigiert werden. Nivellieren kann durch eine Nivellierklinge
und/oder sogar durch Wärmestrahlung
ausgeführt
werden, wenn das Baumaterial von einer Art ist, das schmilzt und
verläuft
wenn es Wärme
ausgesetzt wird.
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Die Dichte der Supporting-Flüssigkeit
ist mindestens gleich verglichen als mit der des Baumaterials. Jedoch
ist es bevorzugt, dass die Supporting-Flüssigkeit eine höhere Dichte
als das Baumaterial hat. Eine Viskosität aus einem breiten Bereich von
Viskositäten
ist möglich,
um für
die Supporting-Flüssigkeit
verwendet werden zu können.
Jedoch hat die Supporting-Flüssigkeit
eine Viskosität
in dem Viskositätsbereich
von 150-400 mPa∙s.
Auf diese Art und Weise stellt die Supporting-Flüssigkeit einerseits eine ausreichende
Abstützung
des Baumaterials zur Verfügung
und andererseits ist sie flexibel genug, um eine gewünschte Form
durch Fließen
innerhalb einer geeigneten Zeitspanne anzunehmen. Ferner werden
die Tropfen des Baumaterials nicht in die Supporting-Flüssigkeit
wegen ihrer kinetischen Energie einsinken, wenn sie auf die Supporting-Flüssigkeit
tropfen, und werden einem Abtriften von abgelagerten Tropfen in
der Supporting-Flüssigkeit
in einem angemessenen Ausmaß gegenüber stehen.
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Gemäß der Erfindung ist es bevorzugt,
dass, insbesondere bei Verfahren, die ein Supporting-Flüssigkeit-Reservoir
verwenden, das Supporting-Fluid eine Dichte hat, die nur geringfügig höher als
die des Baumaterials ist, bevorzugt 1,01 bis 2-mal so hoch, und
ferner bevorzugt 1,05 bis 1,5-mal so hoch. Auf diese Art und Weise
wird erreicht, dass einerseits das Baumaterial, das zu der Supporting-Flüssigkeit
abgelagert wurde, durch die letztere abgestützt wird, aber andererseits
der Strukturkörper,
der in die Supporting-Flüssigkeit
in dem Behälter
eingetaucht ist, keinen wesentlichen Auftrieb erfährt, der
signifikante Kräfte
verursachen würde,
die auf den Strukturkörper wirken
und dadurch eine Beschädigung
des Strukturkörpers
verursachen können.
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Bevorzugt wird eine Glycerinlösung als
Supporting-Flüssigkeit
verwendet, obwohl andere Flüssigkeitszusammensetzungen
verwendet werden können,
die von dem Fachmann bevorzugt werden. Ferner kann die Supporting-Flüssigkeit
zur Reduzierung deren Oberflächenspannung
Additive enthalten. Dies kann günstig
sein das Flüssigkeitsniveau
der Supporting-Flüssigkeit
so bündig
wie möglich
mit der oberen Oberfläche
der jeweiligen Schichten zu haben. Wenn eine Glycerinlösung verwendet
wird, kann eine wässrige
Lösung
verwendet werden, die in einer Menge von 85 Gew.% und Proylenglycol
1,2 - Propandiol oder Polysorbat als Aditive enthält.
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Gemäß der Erfindung soll ein Baumaterial, das
geeignet ist zum selektiven Auftragen mittels einer Drop-On-Demand
Technik als Baumaterial verwendet werden. Geeignete Baumaterialien
sind schmelzbare Materialien, wie beispielsweise ein Wachsmaterial
oder ein thermoplastisches Material, die eine Viskosität von nicht
höher als
20 mPa∙s
im geschmolzenen Zustand bei einer Temperatur von nicht höher als
130°C haben,
so dass sie in diesem Zustand beim Ablagern durch Drop-On-Demand Techniken
verwendet werden können.
Verfestigung dieser schmelzbaren Haumaterialien wird durch Abkühlung erreicht.
In anderen Fällen
ist das Baumaterial aus flüssigen
Harzmaterialien ausgewählt,
die durch Reaktion mit einem chemischen Reaktionsmittel sich verfestigen,
das in einer chemischen Reaktionsatmosphärenumgebung des Baumaterials
während
dessen Ablagerns enthalten ist und/oder das in der Supporting-Flüssigkeit
selbst wie vorhergehend beschrieben enthalten ist. Das Baumaterial
kann sogar aus thermofixierbaren Harzmaterialien ausgewählt werden,
die in einem geeigneten Flüssigzustand
getropft werden und die zu deren Verfestigung durch Thermofixierung
Wärme,
z. B. Strahlungswärme,
ausgesetzt werden.
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Ferner wird bevorzugt ein beheiztes
Nivellierinstrument verwendet. Dieses reduziert die Tendenz, dass
die Supporting-Flüssigkeit
an dem Nivellierinstrument klebt. Dadurch kann eine glattere Oberfläche der
aufgetragenen Supporting-Flüssigkeit
erreicht werden.
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Gemäß der Erfindung wird selektives
Auftragen verstanden als Auftragen in Teilbereichen, die den geometrischen
Querschnitten in den jeweiligen Schichten des herzustellenden Strukturkörpers entsprechen.
Die Steuerung der bewegbaren Dosiervorrichtung zum Ablagern des
Wachses wird auf der Basis der geometrischen Daten des Strukturkörpers ausgeführt, die
beispielsweise von einer CAD-Datei geliefert werden.
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Bevorzugt werden die Schichten des
Strukturkörpers
mit einer Dicke zwischen 0,05 und 1 mm produziert. Durch auswählen einer
Schichtdicke innerhalb dieses Bereichs wird ein optimaler Kompromiss
zwischen Herstellungsgenauigkeit und erreichbarer Herstellungsgeschwindigkeit
erreicht. Außerdem,
wenn die Supporting-Flüssigkeit
in Schichten mit einer Dicke unterhalb von 0,05 mm abgelagert wird,
sind die Erfordernisse bezüglich
der Nivellierinstrumentanordnung und der Supporting-Flüssigkeit erhöht wegen
der Wirkungen der Oberflächenspannungen,
wodurch sich die Kosten erhöhen.
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Bevorzugt wird die Dicke der Schichten
des Strukturkörpers
von Schicht zu Schicht variiert, abhängig von der Komplexität der zu
produzierenden Schichten und/oder dem Ausmaß an Geometrieänderungen.
Wenn, z. B., die Form von mehreren nachfolgenden Schichten identisch
ist, reduziert eine Erhöhung
der Schichtdicke den Herstellungszeitraum ohne eine Einbuße an Genauigkeit.
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Die Vorrichtung betreffend löst die Erfindung das
Problem durch schaffen einer Rapid-Prototyping-Vorrichtung mit einem
Supporting-Flüssigkeit-Behälter, der
nach oben offen ist, einer Basis, die zur schrittweisen Vertikalbewegung
innerhalb des Supporting-Flüssigkeit-Behälters angetrieben
wird, wobei die Schritte programmgesteuert gemäß der gewünschten Dicke der Schicht sind,
ein Mittel zum Konstantaufrechterhalten des Flüssigkeitsniveaus unabhängig von
der Menge des abgelagerten Baumaterials, eine programmgesteuerte
Drop-On-Demand-Auftragungsvorrichtung,
die in einer Horizontalebene quer zum Behälter bewegbar ist, und ein
Nivelliermittel, das quer zum Behälter horizontalbewegbar ist.
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Eine Variante der Rapid-Prototyping-Vorrichtung
gemäß der Erfindung
weist keine besondere Supporting-Flüssigkeit-Auftragungsvorrichtung auf. In diesem
Fall wird das Ruftragen der Supporting-Flüssigeit zu dem Strukturkörper und
das Verfüllen
der Aussparungen in der Schicht, die während des vorangehenden Zyklus
produziert wurde, durch Absenken der Basis oder der Plattform in
das Reservoir der Supporting-Flüssigkeit
während
der Strukturkörper
vollständig
durch die Supporting-Flüssigkeit bedeckt
ist, die in dem Supporting-Flüssigkeit-Behälter enthalten
ist, und durch darauffolgendes Wiederanheben ausgeführt.
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Eine andere Variante der Rapid-Prototyping-Vorrichtung
gemäß der Erfindung
weist als Alternative eine Supporting-Flüssigkeit-Auftragungsvorrichtung
mittels derer eine Supporting-Flüssigkeit abgelagert
werden kann, um die gesamte Oberfläche des Teils zu bedecken.
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Die Supporting-Flüssigkeit-Auftragungsvorrichtung
kann zum Beispiel als einzelne, in zwei Dimensionen bewegbare Düsen ausgebildet
sein oder als ein zweidimensionales Düsenfeld. In anderen Fällen weist
die Supporting-Flüssigkeit-Auftragungsvorrichtung
einen horizontalbewegbaren Balken mit einer Reihe von Düsen auf,
wobei in den Balken das Nivellierinstrument integriert ist.
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Bevorzugt weist die Supporting-Flüssigkeit-Auftragungsvorrichtung
ein Niveauerkennungssystem auf, d. h. ein Sensormechanismus, mittels dessen
das aktuelle Niveau der Supporting-Flüssigkeit-Oberfläche in den
verbleibenden Teilbereichen der Schicht detektiert werden kann,
die während
des letzten Zyklus produziert wurde. Mittels einer geeigneten Steuervorrichtung
kann die Supporting-Flüssigkeit-Auftragungsvorrichtung
auf der Basis der derart bestimmten Werte gesteuert werden.
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Für
alle Varianten der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist das Nivellierinstrument
bevorzugt beheizbar. Dies reduziert die Tendenz, dass die Supporting-Flüssigkeit
an dem Nivellierinstrument klebt. Dadurch kann eine glattere Oberfläche der
aufgetragenen Supporting-Flüssigkeit
erreicht werden.
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Jedoch kann gemäß der Erfindung das Nivellierinstrument
sogar dadurch ausgebildet sein, dass Zähne in der Oberfläche der
Schicht, die während des
letzten Zyklus produziert wurde, nicht entfernt sondern toleriert
werden, wenn die Oberfläche
der Supporting-Flüssigkeit
mittels des Nivelliermittels abgewischt wird, um geglättet zu
werden. Dies kann beispielsweise durch Verwenden eines Nivellierinstruments
(Wischer) mit einem Gummirand erreicht werden. Es stimmt, dass es
akzeptabel ist, dass mit einer derartigen Ausführungsform Unregelmäßigkeiten
in Höhe
innerhalb einer einzelnen Schicht des Strukturkörpers nicht ausnivelliert werden.
Da die Unregelmäßigkeiten
jedoch statistisch ausnivelliert werden, wenn eine große Anzahl
von Schichten produziert wird, übersteigt
die Verschlechterung der Genauigkeit des Strukturkörpers oft
nicht einen akzeptablen Bereich. Da kein Material mechanisch entfernt wird,
wird verhindert, dass der Körper
durch das Nivellierinstrument beschädigt wird. In Verbindung mit den
Baumaterialien, die gemäß der Erfindung
verwendet werden, ist dieses Risiko besonders hoch.
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Gemäß der Erfindung kann jede ähnliche Vorrichtung
als die Drop-On-Demand-Auftragungsvorrichtung dienen. Bevorzugt
wird ein Druckkopf mit einem Piezoelektro-System verwendet. Vorrichtungen,
die eine größere Anzahl
von Düsen
aufweisen, können
verwendet werden. Insbesondere wird ein Druckkopf mit einer Pezoelektro-Paddeltechnik
bevorzugt. Unter Pezoelektro-Paddeltechnik
wird die Verwendung eines pezoelektrischen Biegewandlers verstanden,
der an seinem einen Ende befestigt ist und dessen anderes vorstehendes
Ende an der Düsenöffnung benachbart
angeordnet ist, durch die der pezoelektrische Biegewandler durch
Paddelbewegungen Fluid abführt.
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Es stimmt, dass das Verfahren und
die Vorrichtung gemäß der Erfindung
besonders gut für
die Verwendung für
die Heimwerkstätten
geeignet sind. Jedoch ist die Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung
gemäß der Erfindung
nicht auf Heimwerkstätten
begrenzt.
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Ausführungsformen der Erfindung
werden in Verbindung mit den Zeichnungen gezeigt. In den Zeichnungen: 1a–1g zeigen schematisch die einzelnen Verfahrensschritte
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2a–2g zeigen schematisch die einzelnen Verfahrensschritte
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 zeigt
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die geeignet zum Ausführen
des Verfahrens gemäß den 1a–1g ist; und
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4 zeigt
eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die geeignet ist zum Ausführen
des Verfahrens gemäß den 2a–2g.
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Die Konstruktion einer Rapid-Prototyping-Vorrichtung
gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist aus 3 ersichtlich.
Die Vorrichtung weist einen Supporting-Flüssigkeit-Behälter 5 auf,
der oben offen ist und mit Supporting-Flüssigkeit gefüllt ist,
wobei in den Behälter 5 eine
vertikal bewegbare Basis oder eine Plattform 1 angeordnet ist.
Oberhalb der Basis 1 ist eine Drop-On-Demand-Vorrichtung
vorgesehen, die in einer Horizontalebene bewegbar ist. Außerdem ist
ein Nivellierinstrument vorgesehen, das oberhalb der Basis horizontal
bewegbar ist.
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Die grundsätzliche Funktionsweise der
Rapid-Prototyping-Vorrichtung
gemäß 3 ist aus Figuren 1a–1g ersichtlich.
Dies entspricht einer Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der Erfindung. Im
Folgenden werden einzelnen die Verfahrensschritte beschrieben, die
aus Figuren 1a–1g ersichtlich
sind: Wie aus 1a ersichtlich,
ragt zunächst
die Basis 1 aus der Supporting-Flüssigkeit, die in dem Supporting-Flüssigkeit-Hehälter 5 enthalten
ist, wobei die Supporting-Flüssigkeit
eine geringfügig
höhere
Dichte als das Baumaterial hat, das nachfolgend verwendet wird.
Durch Bewegen der Drop-On-Demand-Auftragungsvorrichtung 2 und
selektives Ablagern des Baumaterials wird eine erste Schicht des
Strukturkörpers
auf der Basis 1 geformt. Hier besteht diese erste Schicht
des Strukturkörpers lediglich
aus festen, im Abstand von einander angeordneten Supporting-Struktur-Stifte.
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Wie aus 1b ersichtlich wird die Basis 1, die
mit der ersten Schicht des Strukturkörpers versehen ist, in das
Bad von Supporting-Flüssigkeit
abgesenkt, bis die Schicht des Strukturkörpers vollständig durch
die Supporting-Flüssigkeit
bedeckt ist.
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Darauf folgend wird die Basis 1 angehoben bis
die obere Seite der Schicht des Strukturkörpers und die Oberfläche der
Supporting-Flüssigkeit
bündig
sind, wie aus 1c ersichtlich.
Dann wird die Oberseite der Schicht des Strukturkörpers mittels des
beheizten Nivellierinstruments abgewischt, so dass eine glatte Oberfläche aus
der Oberfläche
der Schicht des Strukturkörpers
und der Supporting-Flüssigkeit
geformt wird. Auf diese Art und Weise werden die Aussparungen in
der Schicht des Strukturkörpers
vollständig
mit Supporting-Fluid
verfüllt.
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Wie aus 1d ersichtlich wird nun eine zusätzliche
Schicht auf der bündigen
Oberfläche
produziert, wobei die letztere wie vorhergehend beschrieben durch
Bewegen der Drop-On-Demand-Auftragungsvorrichtung 2 in
einer Horizontalebene und durch selektives Ablagern von Baumaterial
geformt wird. Nun wird nicht länger
die feste Supporting-Struktur geformt, sondern Strukturen des eigentlichen
Strukturkörpers
werden in selektierten Teilbereichen des Prozessbereichs produziert.
Das Aufbringen des Baumaterials zum Formen einer Schicht des Strukturkörpers umfasst
die folgenden Schritte: In einem ersten Schritt wird Baumaterial
auf einen Teilbereich der Oberfläche
der vorhergehenden Schicht aufgetragen, dessen Teilbereich durch
feste Strukturen aus Baumaterial geformt sind. Das abgelagerte Baumaterial
wird mit dem Baumaterial der vorhergehenden Schicht verklebt und
dadurch kann es in der Supporting-Flüssigkeit nicht wegfließen. Dann
wird Baumaterial auf die verbleibenden Teilbereiche der Oberfläche der
vorhergehenden Schicht abgelagert, wobei die verbleibenden Teilbereiche durch
Supporting-Flüssigkeit
geformt sind. Zusätzliches
Baumaterial wird darin jedoch nur in verbleibenden Teilbereichen
abgelagert, die direkt angrenzend an derartige Teilbereiche sind,
in denen Baumaterial auf die aktuelle Schicht vorhergehend aufgetragen wurde.
Das zusätzliche
Baumaterial, das mit der Supporting-Flüssikeit in Kontakt kommt, kommt
dann gleichzeitig mit dem bereits aufgetragen Baumaterial in Kontakt
und klebt daran. Deshalb ist Wegfließen des zusätzlichen Baumaterials wegen
Bewegungen der Supporting-Flüssigkeit
unterbunden. Auf diese Art und Weise wird zusätzliches Baumaterial an Abschnitte
der bereits aufgetragenen Schicht längs angebracht bis die Schicht
des Strukturkörpers
vervollständigt
ist.
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Die Schritte, die in 1b bis 1d ersichtlich sind,
werden wiederholt bis alle Schichten des Strukturkörpers vervollständigt sind,
wie in 1e gezeigt.
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Wie aus 1f ersichtlich
wird die Basis mit dem vervollständigten
Strukturkörper
aus den Supporting-Flüssigkeit-Behälter 5 bewegt,
der Supporting-Flüssigkeit
enthällt,
so dass die Supporting-Flüssigkeit
von dem Strukturteil abtropfen kann.
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Wie 1g ersichtlich
werden Supporting-Strukturen, die in dem Strukturkörper vorgesehen
sind, nun mechanisch entfernt, um das gewünschte Produkt abzuschließen.
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Der Produktionszyklus, wie in 1a bis 1g gezeigt, kann auch in der Art ausgeführt werden, dass
bei jeder Stufe die Basis 1 in das Reservoir der Supporting-Flüssigkeit
in Behälter 5 derart
abgesenkt wird, dass die obere Oberfläche des Baumaterials nicht
durch die Supporting-Flüssigkeit
benetzt wird, bevor eine nachfolgende Schicht abgelagert wird. Aussparungen
in einer Schicht von Baumaterial können mit der Supporting-Flüssigkeit
durch programmgesteuertes Formen von entsprechenden die Aussparung
umgebenden Öffnungen
in den Wänden
verfüllt
werden, so dass die Supporting-Flüssigkeit in die Aussparung überströmen kann,
wenn die Schicht in die Supporting-Flüssigkeit getaucht wird.
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Die Konstruktion einer Rapid-Prototyping-Vorrichtung
gemäß einer
zusätzlichen
Ausführungsform
der Erfindung ist aus 4 ersichtlich.
Die Vorrichtung weist einen Supporting-Flüssigkeit-Behälter 5 auf,
der oben offen ist und mit Supporting-Flüssigkeit gefüllt ist,
wobei in dem Behälter 5 eine
vertikalbewegliche Basis 1 angeordnet ist. Über der
Basis 1 ist eine Drop-On-Demand-Autragungsvorrichtung 2 vorgesehen,
die in einer Horizontalebene bewegbar ist. Eine Supporting-Flüssigkeit-Auftragungsvorrichtung 3 weist
einen Horizontalbalken 31 mit einer Reihe von Düsen 32 auf,
der horizontalbeweglich über
der Basis 1 ist. Ein beheizbares Nivellierinstrument 4 ist.
in dem Balken 31 integriert.
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Die grundsätzliche Funktionsweise der
Rapid-Prototyping-Vorrichtung
gemäß 4 ist aus 2 bis 2b ersichtlich. Dies entspricht
einer Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Im Folgenden werden die einzelnen Verfahrensschritte des Verfahrens
gemäß der Erfindung
beschrieben, wie aus 2a bis 2g ersichtlich: Wie aus 2a ersichtlich, ragt zunächst Basis 1 aus
der Supporting-Flüssigkeit,
die in dem Supporting-Flüssigkeit-Behälter enthalten
ist, wobei die Supporting-Flüssigkeit
eine geringfügig
höhere
Dichte hat als das Baumaterial, das nachfolgend verwendet wird.
Durch Bewegen der Drop-On-Demand-Auftragungsvorrichtung 2 und
durch selektives Auftragen des Baumaterials wird eine erste Schicht
des Strukturkörpers
auf der Basis 1 geformt. Hier besteht die erste Schicht
des Strukturkörpers
lediglich aus einer festen Supporting-Struktur.
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Wie aus 2b ersichtlich wird die Basis 1, die
eine erste Schicht des Strukturkörpers
aufweist, in den Supporting-Flüssigkeit-Behälter 5 abgesenkt bis
die Oberfläche
der darin enthaltenen Supporting-Flüssigkeit und die obere Seite
des Strukturkörpers
eine einzelne Ebene bilden.
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Wie aus 2c ersichtlich wird nachfolgend der Balken 31,
der eine Reihe von Düsen 32 aufweist, über die
Basis 1 bewegt, wobei gleichzeitig Supporting-Flüssigkeit
zum Strukturteil abgelagert wird. Gleichzeitig wird das Nivellierinstrument 4,
das in dem Balken 31 integriert ist, quer über die
Oberseite der Schicht des Strukturkörpers gezogen, so dass Supporting-Fluid in die Aussparungen
in der Schicht gedrückt
wird, wobei diese Aussparungen vollständig mit Supporting-Fluid verfüllt werden
und eine glatte Oberfläche
von der oberen Seite der Schicht des Strukturkörpers und der Oberfläche der
Supporting-Flüssigkeit
geformt wird.
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Die Verfahrensschritte, die aus 2e bis 2g ersichtlich sind, entsprechen den
vorhergehend beschriebenen Verfahrensschritten in Verbindung mit 1b bis 1g.