DE60107569T2

DE60107569T2 - Filament-kassette

Info

Publication number: DE60107569T2
Application number: DE60107569T
Authority: DE
Inventors: William John Swanson; Minea A. Popa; Patrick W. Turley; Jr. William R. Priedeman; Paul E. Hopkins; Steve Brose; Daniel I. Kimm; David L. Pollard; Andrew M. Hahn
Original assignee: Stratasys Inc
Current assignee: Stratasys Inc
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: AU2001273689A1; US20010030383A1; JP2004504177A; US6685866B2; CN1386089A; US20040129823A1; CN1216726C; US6776602B2; EP1299217B1; US20040217517A1; US7374712B2; US20030011103A1; US20010038168A1; EP1299217A1; US6923634B2; JP4107960B2; WO2002006029A1; HK1050871A1; EP1299217A4; ES2231522T3

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft die Herstellung dreidimensionaler Objekte unter Verwendung von lagenweisen Herstellungstechnologien auf Extrusionsbasis. Insbesondere betrifft die Erfindung die Bildung von dreidimensionalen Objekten durch Extrusion von härtbarem Modelliermaterial in fließfähigem Zustand in drei Dimensionen in Bezug zu einer Basis, zu welcher das Modelliermaterial in Form eines Filamentes zugeführt wird.
Dreidimensionale Modelle werden für Tätigkeiten verwendet, z. B. für ästhetische Beurteilungen, für die Überprüfung eines mathematischen CAD-Modells, zur Bildung von Hardtooling, zum Studium der Interferenz- und Raumzuordnung und zur Überprüfung der Funktionalität. Lagenweise arbeitende Maschinen auf Extrusionsbasis bauen dreidimensionale Modelle durch Extrusion von härtbarem Modelliermaterial aus einem Extrusionskopf in einem vorbestimmten Muster auf, welches auf Designdaten basiert, die von einem computergestützten Design-(CAD)-System bereitgestellt werden. Ein Vorrat von entweder flüssigem oder festem Modelliermaterial wird dem Extrusionskopf zugeführt. Eine Technologie besteht darin, das Modelliermaterial in Form eines Filamentstranges zuzuführen. Wenn der Vorrat an Modelliermaterial eine feste Form besitzt, bringt ein Verflüssiger den Vorrat zwecks Ablagerung auf eine fließfähige Temperatur.
Beispiele für Vorrichtungen und Verfahren auf Extrusionsbasis zur Herstellung dreidimensionaler Objekte sind in dem US-Patent 4 749 347 von Valavaara, dem US-Patent 5 121 329 von Crump, dem US-Patent 5 340 433 von Crump, dem US-Patent 5 503 785 von Crump u. a., dem US-Patent 5 900 207 von Danforth u. a., dem US-Patent 5 764 521 von Batchelder u. a., dem US-Patent 6 022 207 von Dahlin u. a., dem US-Patent 6 067 480 von Stuffle u. a. und dem US-Patent 6 085 957 von Batchelder u. a. beschrieben, die alle für die Stratasys, Inc., den Inhaber der vorliegenden Erfindung eingetragen sind.
In den Modelliermaschinen, die eine Filamentzuführung einsetzen, wird das Modelliermaterial in die Maschine als flexibles Filament eingebracht, welches auf eine Zuführungsrolle aufgewickelt ist, wie dies in dem US-Patent 5 121 329 beschrieben ist. Ein verfestigbares Material, welches an der vorhergehenden Lage nach der Verfestigung mit einer entsprechenden Kraft haftet, und welches als flexibles Filament zugeführt werden kann, wird als Modelliermaterial verwendet. Der Extrusionskopf, welcher einen Verflüssiger und eine Ausgabedüse umfasst, empfängt das Filament, schmilzt das Filament in dem Verflüssiger und extrudiert das geschmolzene Modelliermaterial aus der Düse auf eine Basis, die in einer Aufbauumhüllung enthalten ist. Das Modelliermaterial wird Lage um Lage in Bereichen ausgebracht, die durch das CAD-Modell definiert sind. Das Material, welches extrudiert wird, schmilzt auf das zuvor abgelagerte Material auf und verfestigt sich, um ein dreidimensionales Objekt zu bilden, welches dem CAD-Modell gleicht. Bei der Bildung eines Modells aus Modelliermaterial, welches nach dem Abfall der Temperatur sich thermisch verfestigt, ist die Aufbauumhüllung vorzugsweise eine Kammer, welche auf eine Temperatur erwärmt ist, die während der Ablagerung höher als die Verfestigungstemperatur des Modelliermaterials ist und dann allmählich abgekühlt wird, um die Spannungen im Material zu verringern. Wie in dem US-Patent 5 866 058 beschrieben wird, entfernt ein solches Vorgehen die Spannungen aus dem Modell, während es aufgebaut wird, so dass das fertige Modell spannungsfrei ist und eine sehr geringe Verdrallung aufweist.
Bei der Schaffung dreidimensionaler Objekte durch lagenweise Ablagerung von verfestigbarem Material, werden Stützschichten oder Strukturen unterhalb von überhängenden Bereichen oder in Hohlräumen des Objektes unterhalb der Struktur aufgebaut, welche nicht durch das Modelliermaterial selbst abgestützt werden können. Wenn z. B. das Objekt ein Modell vom Inneren eines unterirdischen Hohlraumes ist und der Prototyp des Hohlraumes vom Boden aus aufwärts zur Decke aufgebaut wird, erfordert ein Stalaktit eine zeitweilige Abstützung, bis die Decke fes tiggestellt ist. Die Stützstruktur kann unter Verwendung desselben Ablagerungsverfahrens und derselben Ablagerungsvorrichtung, durch welche das Modelliermaterial abgelagert wird, aufgebaut werden. Die Vorrichtung produziert unter Steuerung einer geeigneten Software eine zusätzliche Geometrie, die als Stützstruktur für überhängende oder frei im Raum hängende Segmente des zu bildenden Objektes dient. Das Stützmaterial wird entweder von einem getrennten Extrusionskopf innerhalb der Modelliermaschine oder durch denselben Extrusionskopf abgelagert, welcher das Modelliermaterial ablagert. Es wird ein Stützmaterial gewählt, das an dem Modelliermaterial während des Aufbaues haftet und das von dem fertiggestellten Objekt entfernbar ist. Es sind verschiedene Kombinationen von Modellier- und Stützmaterialien bekannt, die z. B. in dem US-Patent 5 503 785 beschrieben werden.
In den dreidimensionalen Modelliermaschinen von Stratasys FDM^® des Standes der Technik, welche eine Filamentzuführung umfassen, wie sie in den o. g. Patenten beschrieben ist, wird eine Wicklung aus Modellierfilament, die auf eine Spule aufgewickelt ist, durch Befestigung der Spule auf einer Spindel in die Maschine eingegeben. Das Filament ist aus thermoplastischem Kunststoff oder Wachsmaterial hergestellt. Der Anwender führt einen Strang des Filamentes durch ein Führungsrohr, welches aus Material mit geringer Reibung hergestellt ist, und wickelt das Filament von der Spule ab, bis der Filamentstrang ein Paar von motorgetriebenen Zuführungsrollen am Extrusionskopf erreicht. Der Filamentstrang wird durch die Zuführungsrollen in einen Verflüssiger geschoben, welcher durch den Extrusionskopf gehalten wird. Innerhalb des Verflüssigers wird das Filament auf eine fließfähige Temperatur erwärmt. Weil die Zuführungsrollen fortlaufend Filament in den Ausgabekopf zuführen, extrudiert die Kraft des eintretenden Filamentstranges das fließfähige Material aus der Ausgabedüse, wodurch es auf einem Substrat abgelagert wird, welches entfernbar auf einer Aufbauplattform befestigt ist. Die Fließgeschwindigkeit des Materials, welches aus der Düse extrudiert wird, ist eine Funktion der Geschwindigkeit, mit welcher das Filament in den Kopf vorgeschoben wird, sowie der Größe der Ausgabedüsenöffnung. Eine Steuerung steuert die Bewegung des Extrusionskopfes in einer horizontalen x-y-Ebene, steuert die Bewegung der Aufbauplattform in einer vertikalen z-Richtung und steuert die Geschwindigkeit, mit welcher die Zuführungsrollen das Filament in den Kopf vorschieben. Durch synchrone Steuerung dieser Prozessvariablen wird das Modelliermaterial mit einer gewünschten Fließgeschwindigkeit in „Wülsten" oder „Bahnen" Schicht für Schicht in Bereichen abgelagert, die durch das CAD-Modell vorgegeben sind. Das ausgegebene Modelliermaterial verfestigt sich bei der Abkühlung und ergibt ein dreidimensionales festes Objekt.
Die Stratasys FDM^® Modelliermaschinen verwenden Modellierfilamente, welche aus feuchtigkeitsempfindlichen Materialien, z. B. thermoplastischem ABS-Kunststoff hergestellt sind. Damit die Maschinen ordnungsgemäß arbeiten und akkurate, robuste Modelle aufgebaut werden, muss das Material trocken gehalten werden. Deshalb werden die Filamentspulen, die in den Maschinen verwendet werden, zusammen mit Päckchen aus Trockenmittel in feuchtigkeitsundurchlässigen Verpackungen transportiert. Jede Filamentspule muss in ihrer Verpackung verbleiben, bis sie in die Modelliermaschine eingegeben wird. Die Spindel, an welcher die Spule befestigt wird, ist in einer Trockenkammer enthalten, einem Bereich der Maschine, der bei geringer Feuchtigkeit gehalten wird. Der Anwender wird instruiert, die Trockenmittelpäckchen, die mit der Filamentspule verpackt sind, in der Trockenkammer anzuordnen, und alle Trockenmittelpäckchen, die in der Maschine mit vorhergehenden Spulen angeordnet wurden, zu entfernen. Nach dem manuellen Zuführen des Filamentes zu den Zuführungsrollen verriegelt der Benutzer die Tür der Trockenkammer und weist die Maschine an, mit dem Aufbau des Modells zu beginnen. Um die Filamentspule aus der Maschine zu entfernen, spult der Benutzer das Filament manuell zurück in die Spule. US-Patent 6 022 207 zeigt und beschreibt, wie eine Spule des Standes der Technik in die Trockenkammer einer dreidimensionalen Modelliermaschine eingegeben wird.
Die manuelle Zuführung des Filamentes zum Kopf, wie sie gegenwärtig erfolgt, kann zeitraubend sein. Aus praktischen Gründen lassen die Benutzer oft das alte Trockenmittel in der Trockenkammer und tauschen es nicht gegen neues Trockenmittel aus, so dass in der Trockenkammer unzulässige Werte erreicht werden. Wei terhin führt der häufige Austausch von Spulen zu feuchtigkeitsbelastetem Material. Das Öffnen und Schließen der Trockenkammertür führt dazu, dass feuchte Luft innerhalb des abgeschlossenen Bereiches eingeschlossen wird. Auch eine teilweise benutzte Spule, die aus der Maschine entnommen wird, ist der Feuchtigkeit ausgesetzt und wird von dieser beeinträchtigt. Diese auf Feuchtigkeit zurückzuführenden Probleme führen zu Materialverschwendung, wenn der Benutzer den Typ oder die Farbe des Modelliermaterials wechselt. Weiterhin sind einige Materialien, die zur Anwendung als Modelliermaterialien in dem Stratasys FDM^®-Maschinen gewünscht werden, gegenüber Feuchtigkeit sehr anfällig und werden innerhalb von Minuten beeinträchtigt. Die Zeit, während der die Trockenkammertür zur Beschickung und Entnahme des Filamentes geöffnet ist, führt zu einer Menge von Feuchtigkeit in der Trockenkammer, die für einige erwünschte Materialien unakzeptabel ist, so dass die Auswahl von Modelliermaterialien zur Anwendung in diesen Maschinen begrenzt ist.
Es ist deshalb erforderlich, die Zuführung des Modellierfilamentes zu einer dreidimensionalen Modelliermaschine in einer Art und Weise vorzusehen, welche die Zuführungs- und Entnahmefunktion vereinfacht und die Feuchtigkeit, welche in die Maschine eindringen kann, vermindert. Außerdem ist es erwünscht, unverbrauchtes Filament leicht aus der Maschine entnehmen zu können, um es zur späteren Verwendung aufzubewahren.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Filamentkassette sowie eine Filament-Zuführungseinrichtung zur Zuführung von Modellierfilament in eine dreidimensionale Ablagerungs-Modelliermaschine. Die Filamentkassette besitzt eine Kammer, welche eine drehbare Spule mit Filament, eine Filamentbahn, welche von der Kammer zu einer Austrittsöffnung führt und eine Vorrichtung zum Vorwärtsbewegen des Filaments von der Spule entlang der Filamentbahn und aus der Austrittsöffnung heraus umfasst. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Einrichtung zum Vorwärtsbewegen eine Rolle, welche eine rotierende Antriebskraft von einer äußeren Antriebsrolle erhält. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Einrichtung zum Vorwärtsbewegen eine Rolle, welche durch den Benutzer manuell angetrieben wird. Die Filamentkassette ist luftdicht und schützt das feuchtigkeitsempfindliche Filament vor der Umgebung.
Eine Filamentkassettenaufnahme befindet sich an der Modelliermaschine und umfasst ein Rohr und eine Antriebseinrichtung. Das Rohr nimmt einen Filamentstrang auf, der von der Ausgangsöffnung der Kassette kommt, und es führt den Filamentstrang entlang einer Filamentbahn der Maschine. Die Antriebseinrichtung bewegt den Filamentstrang durch das Rohr in Abhängigkeit von Steuersignalen der Steuerung vorwärts. Die Filamentkassette kann durch Steuerung der Antriebseinrichtung, wobei der Filamentstrang durch das Rohr zurück in die Kassette geschoben wird, entnommen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform erfasst eine Verriegelungseinrichtung die Filamentkassette in einem Aufnahmefach der Modelliermaschine und gibt sie frei, um sowohl die Kassette festzuhalten als auch deren Entfernung zu ermöglichen. Es können eine oder mehrere Filament-Zuführungseinrichtungen in einer einzigen Modelliermaschine verwendet werden, von denen jede eine Filamentkassette aufnimmt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische schematische Ansicht einer gattungsgemäßen Filamentzuführung, die in einer dreidimensionalen Modelliermaschine auf Extrusionsbasis verwendet wird, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Filamentkassette, die in eine erste Ausführungsform einer dreidimensionalen Modelliermaschine eingegeben wird.
3 ist eine teilweise Explosionsansicht einer ersten Ausführungsform einer Filamentkassette.
4 ist eine Explosionsansicht der Spule und der unteren Umhüllung der in 3 dargestellten Filamentkassette.
5 ist eine detaillierte Ansicht der in 3 dargestellten Filamentkassette, teilweise in Explosionsdarstellung, welche einen Strang aus Filament in der Filamentbahn und eine befestigte Leiterplatte zeigt.
5A ist eine Detailansicht einer alternativen Struktur einer Leiterplatte, die an der ersten Ausführungsform der Filamentkassette befestigt ist.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Filamentkassette, welche die Bodenfläche sowie die Seiten- und Hinterkante der Kassette zeigt.
7 ist eine Vorderansicht der ersten Ausführungsform der Filamentkassette.
8 ist eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filamentkassettenaufnahme.
9 ist eine Vorderansicht der ersten Ausführungsform der Filamentkassettenaufnahme.
10 ist eine perspektivische Detailansicht des in 8 dargestellten Filamentantriebes als Teil der Filamentkassettenaufnahme.
11A ist eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform einer Filamentkassette, die in die Filamentkassettenaufnahme nach 8 eingeführt ist, und die Filamentantriebseinrichtung in ausgekoppelter Position zeigt.
11B ist eine Draufsicht auf die Filamentkassette, die in die Kassettenaufnahme nach 6 eingeführt ist und die Filamentantriebseinrichtung in Eingriffsposition zeigt.
12 ist eine perspektivische Detailansicht der Filamentantriebseinrichtung nach 11B, die in eine Rolle an der ersten Ausführungsform der Filamentkassette eingreift.
13 ist eine perspektivische Ansicht einer Filamentzuführungseinrichtung in einer zweiten Ausführungsform der dreidimensionalen Modelliermaschine.
14 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Filamentkassette.
15 ist eine Explosionsdarstellung der zweiten Ausführungsform der Filamentkassette (der Führungsblock ist nicht dargestellt).
16 ist eine perspektivische Ansicht der Kanisterbasis der zweiten Ausführungsform der Filamentkassette.
17 ist eine perspektivische Ansicht des in 14 dargestellten Führungsblockes, bei welchem die Zugangstür geöffnet ist.
18 ist eine Explosionsdarstellung der in 13 dargestellten Filamentkassettenaufnahme.
19 ist eine Schnittansicht der Filamentaufnahmeeinrichtung nach 13, wie sie sich entlang der Schnittlinie 19-19 ergibt.
Detaillierte Beschreibung
Eine Filamentzuführung 10, wie sie allgemein verwendet wird, um Filament zu einem Extrusionskopf 20 in einer dreidimensionalen Modelliermaschine auf Extrusionsbasis zu befördern, ist in 1 dargestellt. Eine Spule 12, die eine Wicklung von Filament 14 trägt, ist auf einer Spindel 16 befestigt. Das Filament 14 ist aus einem Modelliermaterial hergestellt, aus welchem ein dreidimensionales Modell (oder eine Stützstruktur für das dreidimensionale Modell) aufgebaut werden soll. Typischerweise hat das Filament einen kleinen Durchmesser, z. B. in der Größenordnung von 1,78 mm (0,070 Zoll).
Ein Strang des Filaments 14 wird durch ein Führungsrohr bzw. durch Röhren 18 zugeführt, die aus einem Material mit geringer Reibung, z. B. aus Teflon^TM hergestellt sind, und welche vorzugsweise auch eine Feuchtigkeitsbarriere bilden. Das Führungsrohr 18 leitet den Strang aus Filament 14 zum Extrusionskopf 20. Ein Paar von Zuführungsrollen 22, die an dem Extrusionskopf 20 befestigt dargestellt sind, empfangen den Filamentstrang 14 und führen den Filamentstrang 14 einem Verflüssiger 26 zu, der am Extrusionskopf 20 gehalten wird. Wie dargestellt, sind die Zuführungsrollen 22 gummibeschichtet, so dass sie den Filamentstrang 14 zwischen sich erfassen. Wie ebenfalls dargestellt, ist eine der Zuführungsrollen 22 eine angetriebene Rolle, die durch einen Motor 24 unter Steuerung einer Steuerungseinrichtung 25 angetrieben wird. Die andere Rolle 22 ist eine freilaufende Rolle. Der Verflüssiger 26 ist beheizt, so dass er das Filament 14 schmilzt. Der Verflüssiger 26 endet in einer Düse 28, welche eine Ausgabeöffnung 30 zur Ausgabe des geschmolzenen Modelliermaterials bildet. Der Verflüssiger 26 wird durch „Pumpen" des Filamentstrangs 14 in den Verflüssiger 26 durch die Zuführungsrollen 22 unter Druck gesetzt. Der Strang aus Filament selbst wirkt als Kolben und bildet eine „Verflüssigungspumpe". Der Druck presst das geschmolzene Modelliermaterial aus der Öffnung 30 mit einer volumetrischen Fließgeschwindigkeit. Die volumetrische Fließgeschwindigkeit ist eine Funktion der Größe der Ausgabeöffnung 30 und der Drehgeschwindigkeit der Zuführungsrollen 22. Durch selektive Steuerung des Motors 24 kann die Vorschubgeschwindigkeit des Filamentstranges 10 und damit die volumetrische Ausgabegeschwindigkeit des geschmolzenen Modelliermaterials genau gesteuert werden.
Der Extrusionskopf 20 wird in einer horizontalen x-y-Ebene durch einen x-y-Umsetzer 34 angetrieben, welcher Antriebssignale von der Steuerung 25 in Übereinstimmung mit den Designdaten erhält, die von einen CAD-Modell abgeleitet werden. Wenn sich der Extrusionskopf 20 in der x-y-Ebene bewegt, wird das geschmolzene Modelliermaterial aus der Öffnung 30 in gesteuerter Weise, Schicht für Schicht auf eine ebene Basis 32 (die teilweise in 1 dargestellt ist) ausgegeben. Nachdem jede Schicht ausgegeben wurde, wird die Basis 32 mit einer vorbestimmten Zunahme entlang einer vertikalen z-Achse durch einen z-Achsen-Umsetzer 36, welcher ebenfalls Antriebssignale von der Steuerung 25 erhält, abgesenkt. Das ausgegebene Material schmilzt und verfestigt sich, um ein dreidimensionales Objekt, welches dem CAD-Modell gleicht, zu bilden. In gleicher Weise kann Stützmaterial in Koordination mit der Ausgabe des Modelliermaterials ausgegeben werden, um Stützschichten oder eine Stützstruktur für das Objekt zu bilden.
Für die Fachwelt ist verständlich, dass hinsichtlich der Modelliermaschine und des Prozesses viele Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann jede relative Bewegung in den drei Dimensionen zwischen dem Extrusionskopf 20 und der Basis 32 verwendet werden, um das Objekt aufzubauen. Die Zuführungsrollen und der Motor können verschiedene Formen besitzen. Zum Beispiel können, wie dies im US-Patent 5 121 329 beschrieben ist, beide Rollen angetrieben werden (z. B. durch Kopplung der Rollen durch einen Synchronriemen), es können mehr Rollen hinzugefügt werden, oder die Rollen können gegeneinander federbelastet sein, mehr als durch die Gummibeschichtung, um einen ergreifenden reibenden Kontakt auf das Filament aufrecht zu erhalten. Jeder Typ eines Motors, welcher die Zuführungsrollen mit einer gesteuerten Geschwindigkeit antreiben kann, ist verwendbar, z. B. ein Servomotor oder ein Schrittmotor. Ebenso können unterschiedliche Anordnungen an Extrusionsköpfen verwendet werden, um unterschiedliche Typen oder Farben des Filaments von unterschiedlichen Filamentzuführungen auszugeben. Zum Beispiel kann der Extrusionskopf zwei Sätze von Zuführungsrollen halten, wobei jede durch einen eigenen Motor angetrieben wird, um zwei unterschiedliche Filamentstränge von zwei unterschiedlichen Spulen vorwärts zu bewegen, wie dies z. B. in den US-Patenten 5 121 329; 5 503 785 und 6 004 124 beschrieben ist.
Ausführungsform Eins
In der vorliegenden Erfindung ist die Spule, die eine Wicklung eines Filaments trägt, innerhalb einer Filamentkassette enthalten. 2 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Modelliermaschine 40, welche zwei Zuführungsfächer 42 besitzt, die vertikal angeordnet sind, jedes zur Aufnahme einer ersten Ausführungsform einer Filamentkassette 44. Wie dargestellt, wird eine Filamentkassette 44 in das untere Zuführungsfach eingeführt. Eine zweite Kassette 44 wird in das obere Zuführungsfach 42 eingeführt. Jede Filamentkassette enthält eine Spule, die eine Wicklung eines Filaments trägt. Vorzugsweise führt eine Kassette 44 Filament zu, das aus Modelliermaterial gebildet ist, während die andere Kassette 44 ein Filament zuführt, das aus Stützmaterial gebildet ist. Die Modelliermaschine 40 besitzt zwei Verflüssiger 26, wie dies in 1 dargestellt ist, von dem jeder einen Strang aus Filament von einer der Kassetten 44 erhält.
Wie im Detail im Folgenden noch beschrieben wird, enthält jedes Zuführungsfach 42 eine Kassettenaufnahme 46, welche in die Filamentkassette 44 eingreift und einen Strang des Filaments 14 von der Kassette 44 in das Führungsrohr 18 der Filamentzuführung 10 vorschiebt. Ein Anwender führt die Filamentkassette 44 in die Modelliermaschine ein, indem er die Kassette 44 in einer aufrechten Position hält und eine Führungskante 48 der Kassette 44 auf eines der Zuführungsfächer 42 ausrichtet. Der Benutzer steckt die Kassette 44 in das Zuführungsfach 42, bis ein harter Anschlag erreicht ist. In diesem Moment ist die Kassette 44 durch die Kassettenaufnahme 46 erfasst.
Im Detail ist die Filamentkassette 44 in den 3 bis 7 dargestellt. Wie die 3 und 4 zeigen, umfasst die Filamentkassette 44 eine obere Umhüllung 50, eine untere Umhüllung 52 und eine Spule 54, welche das Filament 14 trägt. Die obere Umhüllung 50 und die untere Umhüllung 52 sind durch einen Satz von vier Schrauben 55 (nicht dargestellt) aneinander befestigt, wobei die Spule 54 sich zwischen ihnen befindet. Die untere Umhüllung 52 besitzt eine Nabe 56 und die obere Umhüllung 50 besitzt eine Nabe 58. Eine kreisförmige Ausnehmung 59 innerhalb der oberen Umhüllung 50 und der unteren Umhüllung 52 umgibt jede der Naben 56 und 58. Die obere Umhüllung 50 und die untere Umhüllung 52 besitzen sieben Fächer 60 entlang der Peripherie der Ausnehmung 59. Zusammen bilden die Naben 56 und 58 eine Spindel, auf welcher sich die Spule 54 innerhalb einer Kammer dreht, die durch die kreisförmigen Ausnehmungen 59 gebildet wird. Päckchen von Trockenmittel 62 werden in den Fächern 60 so angeordnet, dass sie die trockenen Bedingungen in der Kammer der Kassette 44 aufrechterhalten. Ein enger Kanal 64 ist in der unteren Umhüllung 52 in einem geschlossenen Verlauf um die Peripherie der kreisförmigen Ausnehmungen 59 und der Fächer 60 vorgesehen. Eine Dichtung 68 sitzt in dem Kanal 64, und eine Rille 66 ist in der oberen Umhüllung 50 spiegelbildlich zum Kanal 64 vorgesehen. Die Dichtung 68 hält die Luft von der Spule 54 innerhalb der Kassette 44 fern, wenn die obere Umhüllung 50 und die untere Umhüllung 52 aneinander befestigt sind.
Jede der Umhüllungen 50 und 52 besitzt einen engen Kanal 70, der von der kreisförmigen Ausnehmung 59 zur Führungskante 48 der Kassette 44 führt, wie dies am besten in 5 erkennbar ist. Zusammen bilden die Kanäle 70 eine Filamentbahn, welche an der Ausgangsöffnung 72 der Kassette 44 endet, wie dies in 7 erkennbar ist. Am besten ist in 5 erkennbar, dass eine Rolle 76 gegenüber einer Rolle 78 entlang des Kanals 70 der unteren Umhüllung 52 befestigt ist. Wie dargestellt, dreht sich die Rolle 76 auf einer schwimmenden Achse 80, während die Rolle 78 sich auf einer festen Achse 82 dreht. Die schwimmende Achse 80 ist in einer länglichen Vertiefung 81 der oberen und unteren Umhüllungen 50 und 52 gelagert und quer zur Filamentbahn ausgerichtet. Die feste Achse 82 ist in einer zylindrischen Vertiefung 83 der oberen und unteren Umhüllungen 50 und 52 gelagert. Eine Kraft, die gegen die Rolle 76 wirkt, drückt die Rolle 76 gegen die Rolle 78, um den Filamentstrang 14 in der Filamentbahn zu ergreifen. Alternativ können beide Rollen eine feste Achse besitzen, und sie sind nahe genug zueinander angeordnet, um den Filamentstrang in der Bahn zu ergreifen. Die Rollen können eine elastomere Oberfläche besitzen, um das Ergreifen des Filamentstranges 14 zu unterstützen.
Der Kanal 70 der unteren Umhüllung 52, welcher die Filamentbahn bildet, kreuzt den Kanal 64 in einer Position, die zwischen der kreisförmigen Ausnehmung 59 und dem Rollenpaar 76 und 78 gelegen ist. Ein Halter 84, welcher in die Dichtung 68 integriert ist, befindet sich an dieser Stelle. Der Halter 84 besitzt eine mittige Bohrung 85 mit einem Durchmesser, der dem Filamentdurchmesser annähernd gleich ist.
Jede der Umhüllungen 50 und 52 besitzt einen anderen Kanal 86, welcher parallel zum Kanal 70 verläuft. Zusammen bilden die Kanäle 86 einen den Ausrichtungsstift aufnehmenden Hohlraum 88, welcher an der Führungskante 48 der Kassette 44 beginnt und vor dem Erreichen der Dichtung 68 endet. Der Hohlraum 88 besitzt ein trichterförmiges Mundstück, dem ein enger Hals folgt. Das Mundstück des Hohlraumes 88 ist in 7 dargestellt. Jede der oberen Umhüllung 50 und der unteren Umhüllung 52 besitzt eine Ausnehmung 89 an der rechten Seite des Kanals 86, welche zusammen eine Ausnehmung in der Führungskante 48 der Kassette 44 bilden. An der unteren Umhüllung 52 ist in der Ausnehmung 89 eine Leiterplatte befestigt.
In einer Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist, wird eine Leiterplatte 92 horizontal an der Basis der Ausnehmung 89 durch zwei Schrauben 94 befestigt und trägt auf seiner oberen Fläche ein EEPROM 96. Die Leiterplatte 92 besitzt in einem ihrer Abschnitte leitende Streifen 98, welche sich quer zur Kante 89 erstrecken, so dass sie von einem Leiterplattenverbinder aufgenommen werden können. In einer alternativen Ausführungsform, in 5A dargestellt, ist eine Leiterplatte 102 vertikal in einer Ausnehmung 89 durch Schrauben 104 befestigt. Die Leiterplatte 102 besitzt eine innere Fläche (nicht dargestellt), welche das EEPROM 96 trägt, und eine äußere Fläche, welche ein Paar von elektrischen Kontakten 106 besitzt.
Das EEPROM 96 wirkt als elektronische Kennung für die Kassette 44. Das EEPROM 96 enthält Informationen, welche die Kassette 44 und das Filament 14 identifizieren, z. B. den Typ des Materials, aus welchem das Filament gebildet ist. Das EEPROM 96 kann zusätzlich einen Zähler für die laufende Länge des Fila ments 14 enthalten, welches sich in der Kassette 44 befindet. Wenn die Kassette 44 in die Modelliermaschine 40 eingegeben wird, ist das EEPROM 96 elektrisch mit der Steuerung 25 verbunden, wie dies im Weiteren noch beschrieben wird. Wenn das Filament 14 aus der Kassette 44 in die Modelliermaschine 40 geschoben wird, korrigiert die Steuerung 20 kontinuierlich den Zähler für die laufende Länge des Filaments 14, welche sich in der Kassette 44 befindet. Dies ermöglicht der Steuerung 25 zu verhindern, dass die Maschine 40 versucht, ohne Filament zu modellieren. Das EEPROM 69 kann jeder elektronisch lesbare und beschreibbare Datenspeicher sein. Die Verwendung eines solchen Datenspeichers als Filamentkennung ist im US-Patent 5 939 008 beschrieben.
Die Filamentkassette 44 wird durch Anordnung der Spule 54, welche das Filament 14 auf der Nabe 56 der unteren Umhüllung 52 trägt, montiert. Die untere Umhüllung 52 wird vorbereitet, indem die Dichtung 68 in den Kanal 64 gedrückt wird, so dass die mittlere Öffnung 85 des Halters in dem Kanal 70 ausgerichtet wird. Eine der Leiterplatten 92 oder 102 wird an der unteren Umhüllung 52 befestigt. Die feste Achse 82, welche die Rolle 78 hält, wird in der zylindrischen Vertiefung 82 der unteren Umhüllung 52 angeordnet, während die schwimmende Achse 80, welche die Rolle 76 hält, in der länglichen Vertiefung 81 der unteren Umhüllung 52 angeordnet wird. Ein Filamentstrang 14 von der Spule 54 wird durch die Öffnung in dem Halter 84 gefädelt und in dem Kanal 70 der unteren Umhüllung 52 zwischen den Rollen 76 und 78 angeordnet. Ein Päckchen mit Trockenmittel ist in jedem der Fächer 60 angeordnet. Sobald sich jeder dieser Dinge in seiner Position in der unteren Umhüllung 52 befindet, werden die obere Umhüllung 50 und die untere Umhüllung 52 durch vier Schrauben 55 miteinander verbunden (alternativ kann jedes bekannte Befestigungsmittel verwendet werden). Die Schrauben 55 werden in vier Schraubbohrungen 108 in der unteren Umhüllung 52 eingesetzt und erstrecken sich in vier mit Gewinde versehene Schraubbohrungen 109 der oberen Umhüllung 50. Die Kassette 44 ist dann zum Einsetzen in die Modelliermaschine 40 bereit.
Sobald die Kassette 44 zusammengefügt ist, kann sie in einer feuchtigkeitsgeschützten Verpackung angeordnet werden, wobei die Verpackung zum Transport und zur späteren Verwendung vakuumversiegelt wird. Die Vakuumversieglung ist empfehlenswert, wenn das Filament 14 aus einem feuchtigkeitsempfindlichen Material besteht. Wegen der feuchtigkeitsempfindlichen Materialien sollte die Kammer der Kassette 44, welche das aufgewickelte Filament enthält, unmittelbar vor der Vakuumversieglung getrocknet werden. Die Kassette 44 verbleibt dann in der Verpackung, bis ein Anwender die Kassette 44 in die Modelliermaschine 40 eingibt.
Nachdem das Filament 14, welches sich in der Kassette 44 befindet, verbraucht oder in anderer Weise unbrauchbar geworden ist, kann die Kassette 44 durch Demontage der Umhüllungen 50 und 52 und erneute Anordnung von Filament 14 auf der Spule 54 aufgefüllt und weiter verwendet werden. Das EEPROM 96, das sich auf der Leiterplatte 92 oder 102 befindet, kann zurückgesetzt werden, bzw. die Leiterplatte kann ersetzt werden, um ein neues EEPROM 96 anzuordnen.
6 zeigt die untere Fläche, die hintere Kante und die rechte Seite der Filamentkassette 44. Wie dargestellt, steht die Rolle 76 aus einer Öffnung 111 auf der rechten Seite der Kassette 44 so vor, dass sie eine äußere Drehkraft aufnehmen kann. Im Weiteren soll detaillierter beschrieben werden, dass die Rolle 76 vorzugsweise durch ein Antriebsrad 156 an der Kassettenaufnahme 46 angetrieben wird, um den Filamentstrang 14 aus der Ausgangsöffnung 72 herauszubewegen.
Die Kassettenaufnahme 46, welche mit der Filamentkassette 44 zusammenwirkt, ist in den 8 bis 12 dargestellt. Die Kassettenaufnahme 46 ist auf dem Boden 110 jedes Aufnahmefaches 42 befestigt. Vorzugsweise ist der Boden 110 des Aufnahmefaches aus Metallblech hergestellt. Die Kassettenaufnahme 46 umfasst einen Verriegelungsmechanismus 112, eine hin- und hergehende Einheit 114 und eine Antriebseinheit 116. Der Verriegelungsmechanismus 112 ist auf dem Boden 110 durch einen Träger 116 befestigt. Der Verriegelungsmechanismus 112 umfasst ein Solenoid 118, einen Arm 120 und eine Verriegelung 122. Der Arm 120 ist mit dem Solenoid 118 an dessen einem Ende und integral mit der Verriegelung 122 an dessen anderem Ende verbunden. Der Arm 120, welcher sich von dem Solenoid 118 durch eine Öffnung im Boden 110 nach unten erstreckt, sitzt unterhalb und im We sentlichen parallel zum Boden 110, und ist dann nach oben so abgewinkelt, dass er schwenkt, um die Verriegelung 122 wechselweise oberhalb und unterhalb des Bodens 110 anzuordnen. Die Verriegelung 122 bewegt sich durch einen Ausschnitt 124 in dem Boden 110 auf und ab.
Das Solenoid 118 arbeitet unter Kontrolle der Steuerung 25 und schwenkt den Arm 120 auf und ab, um die Verriegelung 122 in Eingriff zu bringen und zu lösen. Wenn das Solenoid 118 unter Spannung gesetzt wird, schwenkt der Arm 120 am Verriegelungsende nach oben und bringt die Verriegelung 122 in eine Eingriffsposition. Wenn das Solenoid 118 stromlos ist, schwenkt das Verriegelungsende des Armes 120 nach unten und bewegt die Verriegelung 122 in eine gelöste Position.
Die hin- und hergehende Einheit 114 ist an dem Boden 110 des Aufnahmefaches durch einen Träger 126 befestigt. Die hin- und hergehende Einheit 114 umfasst einen Kolben 128, eine Auswurffeder 130, eine Bahn 132 und einen Rahmen 133. Der Kolben 128 sitzt parallel zum Boden 110 und oberhalb von diesem. Der Kolben 128 erstreckt sich durch eine Öffnung in dem Träger 126 und bewegt sich in dem Aufnahmefach 42, geführt durch die Bahn 132 vor und zurück. Das vordere Ende des Kolbens 128 ist mit dem Rahmen 133 gekoppelt, welcher im Wesentlichen quer zum Kolben 128 angeordnet ist. Der Rahmen 133 bewegt sich mit der Bewegung des Kolbens 128 rückwärts und vorwärts. Die Auswurffeder 130 ist um den Kolben 128 gewunden und verbindet den Träger 126 an ihrem hinteren Ende und den Rahmen 133 an ihrem vorderen Ende. Eine horizontale Kraft, die gegen den Rahmen 133 wirkt, drückt die Auswurffeder 130 zusammen. Wenn die Kraft aufhört, entspannt sich die Feder 130 und bewirkt, dass sich der Rahmen 133 und der Kolben 128 nach vorn bewegen. Ein Paar Lager 134 sind auf dem Boden 110 unterhalb des Rahmens 133 befestigt. Die Lager 134 sorgen für eine Fläche mit geringer Reibung, welche den Rahmen 133 in einer Ebene parallel zum Boden 110 abstützt, wodurch der Rahmen 133 zurück und vorwärts gleiten kann.
Am Rahmen 133 ist ein elektrischer Verbinder 136, ein Ausrichtungsstift 138 und ein Kanal 140. Der elektrische Verbinder 136 ist so gestaltet, dass er zur Leiterplat te der Filamentkassette 44 an deren Vorderseite passt, und so strukturiert, dass er eine elektrische Verbindung zur Steuerung 25 an dessen Rückseite ermöglicht. Wie dargestellt, besitzt die Vorderseite des elektrischen Verbinders 136 zwei Pogostifte 142, die so gestaltet sind, dass sie mit den elektrischen Kontakten 106 der Leiterplatte 102, die von der Kassette 44 gehalten wird, zusammenpassen (alternativ kann der elektrische Verbinder ein Leiterplattenverbinder zur Aufnahme der leitenden Streifen 98 der Leiterplatte 92 sein). Der Ausrichtungsstift 138 ist an dem Rahmen 133 an der rechten Seite des elektrischen Verbinders 136 befestigt. Der Ausrichtungsstift 138 erstreckt sich nach vorn in das Aufnahmefach 42 und hat einen Durchmesser der annähernd gleich dem Durchmesser des Halses des Hohlraumes 88 in der Filamentkassette 44 ist. Der Kanal 140 ist rechts vom Ausrichtungsstift 138 angeordnet. Der Kanal 140 besitzt einen Eingang 144, welcher nach vorn in den Aufnahmefach 42 weist, und ein Ausgang 146 weist zur Rückseite des Aufnahmefaches 42. Der Eingang 144 des Kanals 140 ist so gestaltet, dass er mit der Ausgangsöffnung 72 der Kassette 44 zusammenpasst, um den Filamentstrang 14 von der Ausgangsöffnung 72 aufzunehmen. Optional kann die Dichtung 140 eine luftdichte Abdichtung gegenüber der Ausgangsöffnung 72 und dem Führungsrohr 18 schaffen. Ein Filamentstrang 14, der dem Kanaleingang 144 zugeführt wird, tritt durch den Kanalausgang 146 aus, wo er dann in das Führungsrohr 18 eintreten und zum Verflüssiger 26 geleitet werden kann.
Die Antriebseinheit 116 ist mit dem Boden 110 des Aufnahmefaches durch einen Träger 148 verbunden. Die Antriebseinheit 116 umfasst ein Solenoid 150, einen Motor 152, einen Getriebezug 154, ein Antriebsrad 156, welches sich um eine Welle 158 dreht, und ein Gehäuse 160. Die Antriebseinheit 116 ist im Detail in den 10 bis 12 dargestellt. Das Solenoid 150 besitzt einen Betätiger 162, welcher an dem Träger 148 so befestigt ist, dass der Betätiger 162 sich im Aufnahmefach 42 vor und zurück bewegt. Die Spannungszuführung zum Solenoid 150 wird durch die Steuerung 25 gesteuert. Der Betätiger 162 bewegt sich in dem Aufnahmefach 42 nach vorn, wenn das Solenoid 150 betätigt wird, und es bewegt sich im Aufnahmefach 42 nach hinten, wenn das Solenoid 150 deaktiviert ist. Das Gehäuse 160, welches den Motor 152, den Getriebezug 154 und das Antriebsrad 156 lagert, ist schwenkbar auf dem Boden 110 vor dem Betätiger 162 befestigt. Wenn das Solenoid 150 unter Spannung gesetzt wird, schwenkt der Betätiger 162 das Gehäuse 160 in Uhrzeigerrichtung. Wenn durch den Betätiger 162 keine Kraft auf das Gehäuse 116 ausgeübt wird, befindet sich das Gehäuse 160 in einer nach oben gerichteten Ruheposition. Wenn der Betätiger 162 das Gehäuse 116 entgegen der Uhrzeigerrichtung dreht, wird das Antriebsrad 156 in einer Antriebsposition angeordnet, in welcher es gegen die schwimmend gelagerte Rolle 76 der Kassette 44 gedrückt wird, wenn die Kassette 44 in das Aufnahmefach 42 eingeführt ist.
Der Motor 152 verursacht in Reaktion auf Steuersignale von der Steuerung 25 eine Drehung der Welle 158 über den Getriebezug 154, was am besten in 10 erkennbar ist. Die Welle 158 dreht das Antriebsrad 156. Wenn es sich in Antriebsposition befindet, dreht das Antriebsrad 156 die Kassettenrolle 76. Bei Lösung des Betätigers 162 vom Gehäuse 160 kann das Gehäuse 160 in eine Ruheposition zurückschwenken. In einer alternativen Ausführungsform in welcher die Kassettenrolle eine feste Achse besitzt, kann das Solenoid 150 weggelassen werden, und das Antriebsrad 156 kann fest in der Antriebsposition verbleiben, in welcher es eine konstante Kraft gegen die Kassettenrolle ausübt.
Wie zuvor erwähnt, gibt ein Benutzer die Kassette 44 in die Modelliermaschine 40 ein, indem er die Kassette 44 in eines der Aufnahmefächer 42 steckt, bis ein harter Anschlag erreicht ist. Der harte Anschlag wird durch einen hinteren Anschlag, welcher auf dem Boden 110 des Aufnahmefaches befestigt ist (wie in 8 dargestellt) und das Zusammendrücken der Auswurffeder 130 gewährleistet. Wenn der Benutzer die Kassette 44 entnimmt, bewegt sie sich zurück bis sich die Verriegelung 122 an einer Rippe 180 an der unteren Fläche der Kassette 44 verfängt (dargestellt in 6). Die Verriegelung 122 wird vor der Zuführung der Kassette 44 durch Anweisung von der Steuerung 25 an das Solenoid 118 in eine nach oben gerichtete Position gebracht, so dass sie bereit ist, die Kassette 44 festzusetzen. Die Verriegelung 122 verbleibt in dieser nach oben gerichteten Position, bis der Benutzer die Kassette 44 entnehmen will, und zu dieser Zeit schaltet die Steuerung 25 das Solenoid 118 ab, um die Verriegelung 122 abzusenken.
Wenn die Kassette 44 in das Aufnahmefach 42 geschoben wird, gleitet der Ausrichtungsstift 138 in den Hohlraum 88 der Kassette 44. Der Ausrichtungsstift 138 dient dazu, die Kassette 44 ordnungsgemäß zur Kassettenaufnahme 46 auszurichten, und insbesondere dazu, einem Drehmoment entgegen zu wirken, welches durch Eingriff des Antriebssystems 116 auf die Kassette 44 ausgeübt wird. Wenn die Kassette 44 ordnungsgemäß zur Kassettenaufnahme 46 ausgerichtet ist, passen die Pogostifte 142 in die elektrischen Kontakte 106 der Leiterplatte 102. Dadurch wird ein elektrischer Kontakt zwischen der Kassette 44 und der Steuerung 25 hergestellt. Die Steuerung 25 erkennt, dass die Kassette 44 eingegeben wurde, wenn sie ermittelt, dass das EEPROM 96 vorhanden ist. Die Steuerung 25 liest die Zahl, welche im EEPROM 96 gespeichert ist. Wenn die Zahl anzeigt, dass die Menge an Filament 14, die in der Kassette 44 enthalten ist, sich unterhalb eines festgesetzten Schwellwertes „Kassette leer" befindet, wird der Benutzer angewiesen, eine neue Kassette 44 einzuführen.
Wenn die Steuerung 25 erkennt, dass die Kassette 44 gefüllt ist, setzt sie das Solenoid 150 der Antriebseinheit 116 unter Spannung. Wie zuvor beschrieben, dreht die Betätigung des Solenoid 150 das Gehäuse 160 so, dass das Antriebsrad 156 sich in die Antriebsposition bewegt, in welcher es gegen die Rolle 76 der Kassette 44 drückt. Das Antriebsrad 156 übt eine Kraft gegen die Rolle 76 aus und drückt die Rolle 76 gegen die Rolle 78, wodurch der Filamentstrang 14, der sich in der Filamentbahn befindet, eingeklemmt wird. Wenn das Antriebsrad 156 durch den Motor 152 in einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn angetrieben wird, dreht sich die Rolle 76 in Uhrzeigerrichtung, so dass der Filamentstrang 14 in den Kanal 140 und danach in das Führungsrohr 18 geschoben wird.
Die Kassettenaufnahme 46 fährt fort, den Filamentstrang 14 vorzuschieben, bis er die Zuführungsrollen 22 erreicht. Die Steuerung 25 ermittelt die Ankunft des Filamentes 14 an den Führungsrollen 22. Der Motor 24 ist vorzugsweise ein Gleichstrom-Schrittmotor, und die Ermittlung wird durch Beobachtung der Strombelastung des Motors 24 erreicht. Um die Strombelastung zu beobachten, aktiviert die Steuerung 25 den Motor 24 beim Beginn des Selbstzuführungsprozesses. Wenn das Filament zwischen den Rollen 22 vorhanden ist, erhöht sich die Strombelastung. Wenn die Steuerung 25 das Ansteigen der Strombelastung im Motor ermittelt, signalisiert die Steuerung 25 dem Motor 24 und der Kassettenaufnahme 46 das Anhalten. Zusätzlich schaltet die Steuerung 25 das Solenoid 150 ab, um die Kraft des Antriebsrades 156 gegen die Rolle 76 zu beenden. Dies dient dazu, während der Modellierung keine Reibungskraft von den Rollen auf das Filament 14 auszuüben. Das Filament 14 wird von jeder der Kassetten 44 in gleicher Weise zugeführt. Sobald beide Materialien zugeführt sind, kann die Modellierung beginnen.
Optional kann, wie oben erwähnt, die Antriebseinheit 116 so gestaltet sein, dass das Antriebsrad 156 in einer festen Position verbleibt, in welcher es eine konstante Kraft ausübt. Bei dieser Anordnung ist es möglich, das Rollenpaar 22 wegzulassen und stattdessen das Rollenpaar an der Kassette 44 zu verwenden, um das Filament 14 dem Verflüssiger 26 zuzuführen. In diesem Fall wird das Antriebsrad 156 mit einer gesteuerten Geschwindigkeit angetrieben, um die Vorschubgeschwindigkeit des Filamentes 14 in den Verflüssiger 26 zu steuern.
Um das Filament zu entnehmen, treibt die Steuerung 25 den Motor 24 für kurze Zeit rückwärts an, was dazu dient, den Filamentstrang 14 aus dem Verflüssiger 26 und den Zuführungsrollen 22 herauszuziehen. Die Steuerung 25 trennt dann die Kassettenaufnahme 46 von der Kassette 44 und ermöglicht es dem Benutzer, die Kassette 44 aus dem Aufnahmefach 42 zu entfernen. Um die Kassette 44 aus der Maschine 40 auszustoßen, drückt der Benutzer die Kassette 44 gegen den harten Anschlag, um die Lösung der Verriegelung 122 zu erreichen. Die Feder 130 drückt dann die hin- und hergehende Einheit 114 nach vorn und stößt die Kassette 44 aus.
Die obere Fläche und die untere Kante der Kassette 44 besitzen beide ein Fenster 170, welches dem Benutzer ermöglicht, die Menge an Filament 14, die sich innerhalb der Kassette 44 befindet, visuell zu kontrollieren, wenn die Kassette 44 zugeführt oder nicht zugeführt ist. Wenn eine nutzbare Menge an Filament 14 in der Kassette 44 verbleibt, wenn sie aus dem Aufnahmefach 42 entfernt wird, kann die Kassette zur späteren Benutzung aufbewahrt werden. Verbleibt keine nutzbare Menge an Filament, kann die Kassette 44 neu gefüllt und wieder verwendet werden.
Ausführungsform Zwei
13 zeigt eine Filamentzuführungseinheit 178 in einer zweiten Ausführungsform der Modelliermaschine 180, welche Modelle aus Filament aufbaut, das von einer zweiten beispielhaften Ausführungsform einer Filamentkassette 184 zugeführt wird. Die Filamentzuführungseinheit 178 und die Filamentkassette 184 sind zum Aufbau von Modellen aus feuchtigkeitsempfindlichen Materialien besonders geeignet. Die Filamentzuführungseinheit 178 umfasst vier Aufnahmefächer 182, vier Filamentkassetten 184, die jede eine Spule 186 enthalten, welche eine Wicklung von Filament 188 trägt, vier Filamentkassettenaufnahmen 190, zwei Anschlussblöcke 192 und ein Trockensystem 194. Die vier Aufnahmefächer 182 sind zur Vorderseite der Modelliermaschine 180 horizontal ausgerichtet. Jedes Aufnahmefach 182 empfängt eine Filamentkassette 184 und ist mit einer Filamentkassettenaufnahme 190 verbunden, die an dessen Oberseite befestigt ist. Die Anschlussblöcke 192 sind an einem Rahmen 195 der Filamentzuführungseinheit 178 befestigt, und jeder ist mit einem Paar von Kassettenaufnahmen 190 verbunden.
Ein Benutzer führt die Filamentkassette 184 in die Modelliermaschine 180 ein, indem er die Kassette 184 in aufrechter Position hält, die Kassette 184 in eines der Aufnahmefächer 182 steckt, eine Verriegelung 196 an der Filamentkassettenaufnahme 190 erfasst, und die Verriegelung 196 nach vorn zieht, um die Filamentkassettenaufnahme 190 in eine abgesenkte Position zu bewegen. In der abgesenkten Position ist die Filamentkassettenaufnahme 190 mit der Filamentkassette 184 ausgerichtet und verriegelt die Kassette 184 in ihrer Position. Ein Filamentstrang wird manuell von jeder Filamentkassette 184 zu der entsprechenden Kassettenaufnahme 190 zugeführt (wie dies detailliert im Folgenden beschrieben wird). Die Kassettenaufnahme 190 schiebt dann unter Kontrolle der Steuerung 25 automatisch den Filamentstrang durch das Rohr 202 und den damit verbundenen Anschlussblock 192 zum Extrusionskopf 20.
Jeder Anschlussblock 192 besitzt zwei Eingangsöffnungen 198, eine Luftöffnung 199 und eine Ausgangsöffnung 200. Die Eingangsöffnungen 198 sind mit den zugehörigen Kassettenaufnahmen 190 durch Rohrstränge 202 verbunden, welche eine Bahn für die Filamentstränge von den Aufnahmen 190 zu dem zugehörigen Anschlussblock 192 bilden. Die Ausgangsöffnungen 200 von jedem Anschlussblock 192 sind mit den Rohrsträngen 204 verbunden. Die Rohre 204 bilden eine Filamentbahn von jedem Anschlussblock 192 zu einem Verflüssiger 26 (wie dies in 1 dargestellt ist). Für das Filament 188, welches aus einem feuchtigkeitsempfindlichen Material gefertigt ist, wird das Trockensystem 194, welches einen Kompressor 206, ein Filter 208 und einen regenerativen Trockner 210 umfasst, verwendet, um trockene Bedingungen in der Bahn des Filamentstranges aufrecht zu erhalten, wenn dieser von der Kassette 184 zum Verflüssiger 26 befördert wird, wie dies im Weiteren detaillierter beschrieben werden soll.
Zu gegebener Zeit wird nur ein Filamentstrang zu jedem Anschlussblock 192 und zu jedem Paar von Zuführungsrollen 22 zugeführt. Die anderen Filamentstränge verbleiben in den zugehörigen Kassettenaufnahmen 190. Eine Kassette 184, welche den Filamentstrang zum Anschlussblock 192 zuführt, wird als erste Materialzuführungskassette bezeichnet, während eine Kassette 184, bei welcher der Filamentstrang, in der Kassettenaufnahme 190 verbleibt, als Ersatz-Materialzuführungskassette bezeichnet wird. Die Maschine 180 kann von der ersten zur Ersatz-Materialzuführungskassette 184 ohne Zutun des Benutzers umschalten, indem der Filamentstrang von der ersten Kassette 184 zurück zu ihrer Aufnahme 190 geführt und der Filamentstrang von der Ersatzkassette 184 durch den Anschlussblock 192 zu den Zuführungsrollen 22 vorgeschoben wird. Die Ersatzkassette wird dann zur ersten Kassette. Bei einer typischen Modellieranwendung ist es bevorzugt, dass der eine Anschlussblock 192 Modelliermaterialfilament und der andere Anschlussblock 192 Stützmaterialfilament empfängt. Dann kann die Maschine 180 automatisch auf die Ersatzzuführung umschalten, wenn die erste Zuführung erschöpft ist, und es geht keine Modellierzeit verloren. Die erschöpfte Kassette kann zum Vorteil des Benutzers ersetzt werden, während die Modelliermaschine 180 weiterläuft. Alterna tiv kann die Umschaltung, wenn die erste und die Ersatzkassette 184 unterschiedliche Typen von Filament 180 enthalten, erfolgen, bevor das Material erschöpft ist, um den Aufbau aus einem anderen Materialtyp oder einer anderen Farbe zu ermöglichen.
Die Filamentkassette 184 ist detailliert in den 14 bis 17 dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Filamentkassette 184 einen Kanister 212, einen Führungsblock 214 und eine Spule 186, die eine Wicklung aus Filament 188 trägt, umfasst. Der Kanister 212 ist aus einem Körper 216 und einem Deckel 218 gebildet, welcher auf dem Körper 216 drückt. Das Innere des Kanisters 212 bildet eine Kammer, die die Spule 186 enthält. Die Spule 186 dreht sich um eine Nabe 220 des Körpers 216 und eine Nabe 221 des Deckels 218. Optional ist eine Federplatte 222 an der Innenseite des Deckels 218 befestigt. Die Federplatte 222 besitzt spitze Finger, welche so gebogen sind, dass sie eine Drehung der Spule 186 nur in der Richtung ermöglichen, welche das Filament 188 aus der Kassette 184 herausdrückt. Der Führungsblock 214 ist an dem Kanisterkörper 216 durch einen Satz von Schrauben (nicht dargestellt) befestigt, welche sich durch sechs Schraubbohrungen 232 im Körper 216 (in 15 dargestellt) erstrecken.
Wegen des Filamentes 188, das aus feuchtigkeitsempfindlichem Material besteht, wurde die Kassette 184 luftdicht hergestellt. Der Kanister 212 und der Führungsblock 214 sind aus Materialien gefertigt, die einen Wasserdampftransport blockieren, z.B. jeweils aus Metallblech und Polypropylen. Ein Streifen aus für Feuchtigkeit undurchdringlichem Band 223 dichtet den Deckel 218 gegenüber dem Körper 216 ab. Die Feuchtigkeit kann aus dem Inneren der Kammer des Kanisters 212 durch eine Öffnung 226 im Kanisterboden 216 abgezogen werden, und die Öffnung 226 wird mit einem Stopfen 228 abgedichtet. Vorzugsweise wird ein Stück für Feuchtigkeit undurchdringliches Band 230 über dem Stopfen 228 angeordnet, um die Öffnung 226 weiter abzudichten.
Wie aus 19 erkennbar ist, wird ein Strang aus Filament 188 von der Innenseite des Kanisters 212 durch einen Auslass 224 in eine Filamentbahn 236 im Füh rungsblock 214 herausgeführt. Die Filamentbahn 236 erstreckt sich durch den Führungsblock 214 und endet in einer Ausführungsöffnung 238. Anschließend an die Filamentbahn 236 besitzt der Führungsblock 214 eine Kammer 238, in welcher eine gerändelte Rolle 240 an einem Stift 242 befestigt ist. Der Stift 242 ist so befestigt, dass die gerändelte Rolle 240 den Strang aus Filament in der Bahn 236 gegen eine Wand 246 einklemmt. Ein Benutzer kann den Filamentstrang aus der Austrittsöffnung 238 und entlang der Filamentbahn 236 manuell durch Drehen der Rolle 240 in Uhrzeigerrichtung herausschieben. Um eine gegen den Uhrzeigersinn erfolgende Drehung der Rolle 240 zu verhindern (welche den Filamentstrang zum Kanister 212 schieben würde, wo er nur durch Öffnen des Kanisters zugänglich wäre), wird vorzugsweise eine die Drehung verhindernde Platte 244 in der Kammer 238 befestigt, die neben der Rolle 240 angeordnet ist. Für die Fachwelt ist klar, dass die gerändelte Rolle 240 auch durch einige andere Mittel zum Vorschub des Filamentstranges ersetzt werden kann. Zum Beispiel kann die Wand 246 eine angehobene Kontur aufweisen, die es dem Benutzer ermöglicht, eine manuelle Antriebskraft auf das Filament über die Kontur auszuüben. Weiterhin kann die angehobene Kontur durch mitlaufende Rollen gebildet werden, oder eine mitlaufende Rolle kann in Kombination mit der gerändelten Rolle 240 verwendet werden.
Für das Filament 188, das aus feuchtigkeitsempfindlichem Material gebildet ist, wird eine Luftströmung zu der Filamentbahn 236 verhindert. Der Führungsblock 214 besitzt eine entfernbare Abdeckkappe 248, welche die Ausgangsöffnung 238 abdichtet, sowie eine Tür 250, die die Kammer 238 einschließt. Die Abdeckkappe 248 schnappt auf ein Paar von Nuten 254 an dem Führungsblock 214 auf, so dass eine zusammendrückbare Dichtung 252 an der Unterseite der Abdeckkappe 248 die Ausgangsöffnung 238 abdeckt. Die Abdeckkappe 248 wird durch den Benutzer zum Zeitpunkt der Einfügung der Kassette 184 in die Maschine 180 entfernt. Vorzugsweise hat der Führungsblock einen zweiten Satz von Nuten 258, an welchen die Abdeckkappe 248 geparkt werden kann, wenn sie von dem ersten Satz Nuten 254 entfernt ist. Die Tür 250 besitzt eine zusammendrückbare Dichtung 258 an ihrer Innenfläche und schwenkt um das Gelenk 260. Wenn die Tür 250 offen ist, wird die Rolle 240 für den Benutzer zugänglich. Die Tür 250 wird durch einen Benutzer ge öffnet, um Filament in die Maschine 180 einzuführen und wird ansonsten geschlossen gehalten. Eine zusammendrückbare Dichtung 234 ist zwischen den Führungsblock 214 und dem Kanisterkörper 216 angeordnet, um die Kassette 184 weiter abzudichten.
Der Führungsblock 214 kann ein EEPROM 96 halten (zuvor beschrieben mit Bezug auf die Ausführungsform Eins). Die kreisförmige Platte 102, welche ein EEPROM 96 trägt, ist in einer Einsenkung 262 des Führungsblockes 214 befestigt und besitzt ein Paar von elektrischen Kontakten 106, die nach außen weisen, während das EEPROM 96 nach innen weist. Die Schaltung 102 ist an dem Führungsblock 214 durch drei Schrauben 266 befestigt. Zur leichten Anwendung dient der Führungsblock 214 vorzugsweise als Handgriff für die Kassette 184. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Führungsblock 214 ein Paar von Griffen 264 (dargestellt in 14) an dessen gegenüberliegenden Seiten.
Die Filamentkassette 184 wird montiert, indem die Spule 186, welche das Filament 188 trägt, auf der Nabe 220 des Körpers 216 angeordnet wird, und der Filamentstrang wird in den Führungsblock 214 zugeführt. Der Filamentstrang wird entlang der Filamentbahn 236 so angeordnet, dass er die Rolle 240 berührt. Optional werden Päckchen mit Trockenmittel 62 (wie dies in Bezug zur Ausführungsform Eins dargestellt ist) in Fächern angeordnet, die durch Speichen 225 der Spule 186 gebildet werden. Dann wird der Deckel 218 auf den Körper 216 gedrückt, und das Band 223 wird angebracht. Dann ist sie zur Anwendung bereit. Die Kassette 184 kann in gleicher Weise neu gefüllt und wiederverwendet werden, nachdem das Filament 188, welches darin enthalten ist, verbraucht oder unbrauchbar geworden ist, indem der Deckel 218 des Kanisters 212 entfernt wird und das Filament 188 auf der Spule 186 ersetzt wird. Wenn die Kassette 184 neu gefüllt wird, kann das EEPROM 96, das auf der Leiterplatt 102 angeordnet ist, zurückgesetzt werden, oder die Leiterplatte wird ersetzt, um ein neues EEPROM 96 bereitzustellen.
Bei feuchtigkeitsempfindlichen Materialien sollte die Kassette 184, die das aufgewickelte Filament enthält, bis zu einem Wert getrocknet werden, bei welchem der Feuchtigkeitsgehalt die Qualität des Modells nicht beeinträchtigt. Bei thermoplastischen Kunststoffen für Höchsttemperaturen, z. B. bei Polykarbonat, Polyphenylsulfon, Polykarbonat-ABS-Mischungen und Ultem^TM beträgt der zulässige Wert für den Feuchtigkeitsgehalt weniger als 700 Teile pro Million (ppm) Wassergehalt (gemessen unter Verwendung des Karl-Fischer-Verfahrens). Es können Mehrfachtechniken angewendet werden, um das Filament zu trocknen.
Das Material kann durch Anordnung der Kassette 184, welche das aufgewickelte Filament enthält, in einem Ofen unter Vakuumbedingungen getrocknet werden. Die Kassette 184 wird in dem Ofen angeordnet, bevor die Leiterplatte 102 befestigt und bevor die Öffnung 226 zugestopft wird. Der Ofen wird auf eine Temperatur gebracht, die für den speziellen Typ von Modelliermaterial geeignet ist. Bei thermoplastischen Kunststoffen für Hochtemperaturen ist eine Temperatur zwischen 175 bis 220°F typisch. Der Ofen besitzt eine Vakuumpumpe, welche in dem Ofen eine trockne Umgebung aufrecht erhält. Die Öffnung 226 im Kanister 212 erleichtert es, die Kammer des Kanisters 212 auf die umgebende Temperatur des Ofens zu bringen, so dass das Modelliermaterial getrocknet wird. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Materials einen Wert erreicht, der für das Modelliermaterial erwünscht ist, wird die Öffnung 226 sofort abgedichtet und die Kassette 184 aus dem Ofen entfernt. Bei thermoplastischen Kunststoffen für Hochtemperaturen beträgt die erwartete Trocknungszeit zwischen 4 und 8 Stunden, um weniger als 300 ppm Wassergehalt zu erreichen. Die Leiterplatte wird danach befestigt. Die vollständig montierte Kassette 184 kann in einer feuchtigkeitsgeschützten Verpackung bis zur Installation in der Maschine vakuumversiegelt werden.
Alternativ können Päckchen aus Trockenmittel 62 allein verwendet werden, um das Material in der Kammer des Kanisters 212 ohne Anwendung des Ofens zu trocknen. Es wurde demonstriert, dass die Anordnung von Päckchen 62, welche Tri-Sorb-Molekular-Sieb und Kalziumoxid (CaO) als Trockenmittelmischung in der Kassette 184 enthalten, und das Versiegeln der Kassette 184 in einer feuchtigkeitsgeschützten Verpackung das Material auf einen Wert des Wassergehaltes von weniger als 700 ppm und bis zu einem bevorzugten Bereich von 100 bis 400 ppm trocknen kann. Dieses Trocknungsverfahren nur mit Trockenmittel hat gegenüber dem Ofentrocknungsverfahren Vorteile: es erfordert keine spezielle Ausrüstung, und es ist schneller, billiger und sicherer als die Ofentrocknung. Geeignete Tri-Sorb-Molekular-Sieb-Trockenmittelmischungen sind folgende: Zeolit, NaA; Zeolit, KA; Zeolit, CaA; Zeolit, NaX; und Magnesium-Aluminiumsilikat.
Das Modellierfilament in der Kassette 184 kann später durch Ofentrocknung oder durch Ersetzen der Trockenmittelpäckchen erneut getrocknet werden, wenn die Kassette 184 mit Feuchtigkeit kontaminiert wird, obwohl eine nutzbare Menge von Filament 188 verblieben ist. Eine Kontamination mit Feuchtigkeit kann z. B. auftreten, wenn die Zugangstür 250 für längere Zeit offen gelassen wird, wenn die Kassette 184 aus der Maschine 180 ohne Einsetzen der Abdeckkappe 248 entfernt wird oder wenn die Kassette 184 durch einen Anwender geöffnet wird.
Die Filamentkassettenaufnahme 190, welche die Filamentkassette 184 erfasst, ist im Detail in den 18 und 19 dargestellt. Jede Kassettenaufnahme umfasst einen Lift 270 und einen Antriebsblock 272. Wie die 19 zeigt, beinhaltet der Antriebsblock 272 eine Eintrittsleitung 274, eine Austrittsleitung 276, ein Paar Rollen 278 und 279, einen Motor 280 und eine Verriegelung 196. Die Rolle 278 ist eine angetriebene Rolle und die Rolle 279 ist eine freilaufende Rolle. Die angetriebene Rolle 278 wird durch den Motor 280 angetrieben. Der Motor 280 ist vorzugsweise ein Gleichstrommotor mit einer Stromzuführung, die durch die Steuerung 25 gesteuert wird. Der Motor 280 erstreckt sich seitlich durch den Antriebsblock 272 und stellt eine Verbindung zur Antriebsrolle 278 durch ein Antriebsrad 282 her, das auf der Welle der Rolle 278 befestigt ist.
Die Ausgangsleitung 276 ist mit dem Rohr 202 verbunden. Der Filamentstrang, der vom Führungsblock 214 bereitgestellt wird, verläuft durch die Eingangsleitung 274 zu den Rollen 278 und 279. Die Eingangsleitung 274 ist auf die Ausgangsöffnung 238 des Führungsblocks 214 ausgerichtet, wenn die Kassette 184 eingegeben und in der Modelliermaschine 180 verriegelt ist. Um für eine luftdichte Bahn für den Filamentstrang zu sorgen, welcher in den Antriebsblock 272 eintritt, umgibt eine Dichtung 284 die Eingangsleitung 274 in der Nähe ihres Eingangs und drückt gegen den Führungsblock 214 der eingegebenen Kassette 184. Von den Rollen 278 und 279 wird der Filamentstrang zur Ausgangsleitung 276 und von dort zum Rohr 202 geleitet. Das Rohr 202 bildet eine luftdichte Abdichtung mit der Ausgangsleitung 276. In gleicher Weise bilden das Rohr 202 und das Rohr 204 eine luftdichte Abdichtung mit den Öffnungen 198 und 200 des Anschlussblockes 192, wodurch eine luftdichte Filamentbahn von der Kassette 184 zu den Zuführungsrollen 22 entsteht.
Die Antriebsrolle 278 und die mitlaufende Rolle 279 müssen einen griffigen, reibenden Kontakt zum Filamentstrang aufrecht erhalten, um ihn entlang der Filamentbahn vorwärts zu bewegen. Um den Filamentstrang zu ergreifen, können die Rollen 278 und 279 elastomere Oberflächen besitzen, oder die mitlaufenden Rolle 279 kann gegenüber der Antriebsrolle 278 federbelastet sein, wie dies in US-Patent 5 121 329 beschrieben ist. Ein Vorteil der federbelasteten Struktur besteht darin, dass die Rollenoberflächen hart und verschleißfester sein können. Vorzugsweise haben die Oberflächen der Rollen 278 und 279 jede auch eine Nut um ihren Umfang, um den Filamentstrang auf seinem Weg von der Eingangsleitung 274 zur Ausgangsleitung 276 auszurichten. Die Rollen 278 und 279 sind zwecks Wartung durch den Benutzer durch die Abdeckplatte 308 hindurch zugänglich.
Der Antriebsblock 272 enthält auch einen Filamentsensor 286, welcher entlang der Filamentbahn zwischen dem Rollenpaar 278 und 279 und der Ausgangsleitung 276 angeordnet ist. Der Sensor 286 ist elektrisch mit der Steuerung 25 verbunden und erzeugt ein Signal, welches anzeigt, ob das Filament in der Position des Sensors 286 vorhanden ist. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist der Sensor ein Mikroschalter-Sensor mit schwimmender Achse. Der Antriebsblock 274 trägt ferner einen elektrischen Verbinder 290. Der elektrische Verbinder 290 besitzt zwei Pogostifte 142, welche auf die elektrischen Kontakte 106 der Leiterplatte 102 ausgerichtet sind und das EEPROM 96, das auf der Leiterplatte 102 befestigt ist, mit der Steuerung 25 verbinden. Das EEPROM 96 signalisiert der Steuerung 25, wenn es über die Pogostifte 142 angeschlossen ist, dass die Kassette 182 vorhanden ist. Auf diese Weise erkennt die Maschine 180 bei jeder Kassette 184, ob diese eingegeben ist oder nicht.
Der Antriebsblock 272 wird manuell durch die Anwendung der Verriegelung 196 angehoben und abgesenkt. Die Verriegelung 196 besitzt eine Handhabung 291 an ihrem einen Ende und einen Verriegelungsstift 292 an ihrem anderen Ende. Die Verriegelung 196 erstreckt sich durch den Antriebsblock 272 in der Weise, dass die Handhabung 291 für einen Benutzer zugänglich ist, und der Verriegelungsstift 292 steht in einen vertikalen Schlitz 296 des Antriebsblocks 272 vor. Der Schlitz 296 empfängt eine Verriegelungsplatte 294, welche sich von dem Lift 270 vertikal nach unten erstreckt. Die Verriegelungsplatte 294 besitzt eine Öffnung 298 zur Aufnahme des Verriegelungsstiftes 292. Durch Ziehen der Handhabung 291 der Verriegelung 196 wird der Verriegelungsstift 292 zurückgezogen und ermöglicht das Eindringen in sowie die Entfernung des Stiftes 292 aus der Öffnung 298. Wenn der Verriegelungsstift 292 in die Öffnung 298 eingefügt ist, wird der Antriebsblock 272 in einer angehobenen Position gehalten und ermöglicht das Einfügen bzw. die Entnahme der Kassette 184 in sowie aus dem Aufnahmefach 182. Wenn der Verriegelungsstift 292 aus der Öffnung 298 entfernt ist, fällt der Antriebsblock 272 in seine abgesenkte Position, in welcher er die Kassette 184 in dem Aufnahmefach 182 hält. Ein Benutzer hebt den Antriebsblock 272 an oder senkt ihn ab, indem er die Verriegelungshandhabung 291 ergreift, nach vorn zieht und entweder die Verriegelung 196 anhebt oder absenkt.
Ein Paar von Führungsstäben 302 sind auf dem Antriebsblock 272 vorgesehen, welche den Antriebsblock 272 mit dem Lift 270 koppeln und die Verriegelungsplatte 294 in dem Schlitz 296 ausrichten. Die Führungsstäbe 302 sind in zwei Aufnahmen 288 an der oberen Fläche des Antriebsblockes 272 befestigt. Die Führungsstäbe 302 erstrecken sich vertikal von dem Antriebsblock 272 nach oben und durch ein Paar von Führungslagern 304 in den Lift 270. Ein Paar von e-Clips 306 werden auf die Führungsstangen 302 oberhalb des Liftes 270 aufgeschnappt, um den Antriebsblock 272 in seiner abgesenkten Position abzustützen. Vorzugsweise umgeben ein Paar Federn 300 die Führungsstangen in den Aufnahmen 272. In der angehobenen Posi tion werden die Federn 300 unterhalb des Liftes 270 zusammengedrückt. Wenn an der Verriegelung 196 gezogen wird, um den Stift 292 aus der Öffnung 298 zu ziehen, drücken die Federn 302 den Antriebsblock 272 in seine abgesenkte Position.
Das Trockensystem 194 schafft eine aktive Feuchtigkeitsbarriere entlang der Filamentbahn und hält das Filament 188 trocken, solange es in der Maschine 18 ist. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Trockensystem 194 ein Trockenluft-Einblassystem, welches trockene Luft unter Druck in die Luftöffnung 199 des Anschlussblockes 192 einbringt. Die trockene Luft strömt durch das Rohr 204 und verlässt das Rohr 4 in der Nähe des Verflüssigers 26. Wenn die Zuführungsrollen 22 verwendet werden, um den Filamentstrang in den Verflüssiger 26 vorzuschieben, verlässt das Filament das Rohr 204, wenn es in die Führungsrollen 22 eintritt. Alternativ können die Zuführungsrollen 22 weggelassen werden, indem das Rollenpaar 278 und 279 in dem Antriebsblock 272 verwendet wird, um das Filament in den Verflüssiger 26 mit einer gesteuerten Geschwindigkeit vorzuschieben. Der Ausgang des Rohres 204 dient als Entlüftung, durch welche irgendwelche Feuchtigkeit, welche entlang der Filamentbahn eingeschlossen war, entweichen kann. Zum Beispiel wird der Luftstrom, der durch das Trockensystem 194 erzeugt wird, irgendwelche feuchte Luft, die in den Antriebsblock 272 während der Zeit, in welcher die Antriebsleitung 274 des Antriebsblocks 272 gegenüber einer Filamentkassette 184 nicht versiegelt war, ausgetrieben. Zusätzlich verhindert der positive Druck, der in dem Rohr 204 aufrecht erhalten wird, dass feuchte Luft in das offene Ende des Rohres 204 eindringt. Indem ein positiver Druck in den Rohren 202 und 204 aufrecht erhalten wird und irgendwelche Feuchtigkeit aus der Filamentbahn austreibt, ermöglicht das Trockensystem 194, die Modelliermaschine 180 in einer feuchten Umgebung mit feuchtigkeitsempfindlichen Modelliermaterial zu betreiben.
Wie vorstehend erwähnt wurde, umfasst das Trockensystem 194 der beispielhaften Ausführungsform einen Kompressor 206, ein Filter 208 und einen regenerativen Trockner 210. Der Kompressor 206 nimmt die Umgebungsluft auf und leitet die Luft unter Druck zum Filter 208. Das Filter 208 entfernt aus der Luft die Wasser partikel. Ein Norgren^TM F72G-Allzweckfilter ist für diese Anwendung geeignet. Von dem Filter 208 strömt die Luft unter Druck zum Trockner 210, welcher vorzugsweise ein regenerativer Trockner, z. B. ein MDH-Serientrockner ist, der von der Firma Twin Tower Engineering, Inc. in Broomfield, Colorado bezogen werden kann. Die unter Druck stehende trockene Luft strömt vom Trockner 210 in jeden Anschlussblock 192. In alternativen Ausführungsformen des Trockensystems kann jede Quelle von unter Druck stehender trockener Luft erfolgreich verwendet werden, um Feuchtigkeit aus der Filamentbahn auszutreiben, und andere trockene Gase können ebenso gut verwendet werden. Wichtig ist, dass das Trockensystem kontinuierlich trockene Luft oder anderes Gas unter Druck der Filamentbahn zuführt und damit verhindert wird, dass feuchte Luft in der Filamentbahn verbleibt oder in diese eindringt, und am Ende oder in der Nähe des Endes der Filamentbahn entweichen kann. Eine Alternative zum Trockensystem 194 besteht darin, einen Tank mit komprimiertem Stickstoff als Trockengasquelle zu verwenden. Eine weitere Alternative ist ein regeneratives Trockensystem, z. B. ein Heißluft-Trockenmitteltrockner, der einen Ausgang mit einem Taupunkt von etwa –40°F oder darunter besitzt.
Um eine der Kassetten 184 in der Modelliermaschine 180 zu installieren, muss die Maschine zunächst eingeschaltet werden. Der Benutzer entfernt dann die Verschlusskappe 248 von den Filamentkassetten 184 und fügt die Kassette 184 sofort in eines der Aufnahmefächer 182 ein. Die Verschlusskappe 248 kann in den Nuten 156 des Führungsblockes 214 abgelegt werden, um sie zur späteren Verwendung sicherzustellen. Der Benutzer verriegelt die Kassette 184 an ihrem Platz, indem er an der Verriegelung 196 zieht, wie dies bereits beschrieben wurde. Sobald sie verriegelt ist, stellen die Pogostifte 142 einen Kontakt zur Leiterplatte 102 her und verbinden dadurch das EEPROM 96 mit der Steuerung 25. Sobald die Steuerung 25 erfasst, dass die Kassette 184 eingegeben ist, schaltet die Steuerung 25 den Motor 280 ein. Die Antriebsrolle 278 beginnt sich dann zu drehen.
Der Benutzer öffnet als nächstes die Tür 250 des Führungsblockes 214, um Zugang zur Rolle 240 zu bekommen und dreht die Rolle 240 manuell, indem er eine nach unten gerichtete Kraft auf die Rolle ausübt. Die Drehung der Rolle 240 führt den Filamentstrang 188 aus dem Führungsblock 214 heraus in die Zugangsleitung 274 des Antriebsblockes 272. Wenn der Filamentstrang die sich bereits drehende Antriebsrolle 278 erreicht, ergreift das Rollenpaar 278 und 279 den Filamentstrang und übernimmt den Vorschub des Stranges vom Benutzer. Der Benutzer schließt daraufhin sofort die Tür 250 um die Filamentbahn abzudichten. Das Rollenpaar 278 und 279 schiebt dann den Filamentstrang mindestens bis zur Position des Filamentsensors 286. Wenn die Filamentkassette 184 eine Reservekassette ist, signalisiert die Steuerung 25 dem Motor 280 die Drehung zu beenden, so dass der Vorschub des Filamentstranges am Sensor 286 endet. Alternativ führt, wenn die Kassette 184 eine erste Kassette ist, das Rollenpaar 278 und 279 den Filamentstrang durch den Anschlussblock 192 zu den Zuführungsrollen 22 (oder alternativ zum Verflüssiger 26). Wenn der Filamentstrang die Zuführungsrollen 22 erreicht, übernehmen die Zuführungsrollen 22 die Steuerung des Vorschubes des Filamentstranges. Wenn der Strom am Motor 280 gering genug eingestellt und das Filament steif genug ist, kann der Motor 280 eingeschaltet bleiben und weiterhin einen konstanten Schub ausüben, aber er wird stehen bleiben, wenn die Zuführungsrollen 22 sich nicht in Bewegung befinden. Diese Anordnung verhindert, dass der Motor 280 synchron mit dem Betrieb der Antriebsrollen 22 ein- und ausgeschaltet werden muss. In einer alternativen Ausführungsform kann das Rollenpaar 278 und 279 als Materialvorschubmechanismus anstatt der Zuführungsrollen 22 dienen. In einem solchen Fall wird die Funktion des Motors 280 durch die Steuerung 25 genau kontrolliert, um den Vorschub des Filamentes in den Extrusionskopf 20 zu steuern.
Während der Modellierung kann die Steuerung 25 die Menge des Filamentes, die in jeder Kassette 184 verbleibt, durch die Verwendung eines Zählers erfassen, der sich in jedem EEPROM 96 befindet. Wenn in einer der ersten Kassetten 184 das Filament ausgeht, schaltet die Modelliermaschine 180 automatisch auf die Ersatzkassette 184 ohne Eingriff des Operators um. Um das Filament zurückzuführen, treibt die Steuerung 25 den Motor 24 für eine kurze Zeit, die geeignet ist, den Filamentstrang 188 aus dem Verflüssiger 26 und den Zuführungsrollen 22 herauszuziehen, rückwärts an. Die Steuerung 25 treibt danach den Motor 280 rückwärts an, um den Fi lamentstrang aus dem Rohr 204, dem Anschlussblock 192, dem Rohr 202 heraus und am Sensor 286 vorbeizuziehen. Die Maschine 180 erkennt, dass der Anschlussblock 192 frei ist, um Filament von der Ersatzkassette 184 zu empfangen, wenn der Sensor 286 des Antriebsblockes der ersten Kassette 272 erfasst, dass das Filament nicht länger vorhanden ist. Die Maschine 180 führt dann das Filament von der Ersatzkassette 184 zum Extrusionskopf 20. Dieser automatische Zurückführungs- und Neuzuführungsprozess ist von besonderem Vorteil bei der Modellierung von großen Objekten sowie wenn die Modelliermaschine 180 über die Dienststunden hinaus betrieben wird. Der Benutzer kann die entleerte Kassette 184 ersetzen, während die Maschine 180 mit dem Aufbau des Modells fortfährt. Die entleerte Kassette 184 kann dann neu gefüllt und weiter verwendet werden.
Im Falle, dass der Benutzer wünscht, eine der Kassetten 184 von der Maschine 180 zu entfernen, bevor die Kassette 184 vom Filament geleert ist, kann der Benutzer die Maschine 180 anweisen, den Rückführungsprozess durchzuführen. Wenn eine verwendbare Menge an Filament 188 in der Kassette 184 verbleibt, wenn sie aus der Modelliermaschine entfernt wird, kann die Kassette 184 zur späteren Verwendung ohne Kontamination aufbewahrt werden. In einem solchen Fall sollte der Benutzer die Ausgangsöffnung 238 mit der Verschlusskappe 248 abdichten. Wenn in der Kassette 184 eine verwendbare Menge an Filament verblieben ist, das Filament jedoch mit Feuchtigkeit kontaminiert ist, kann die Kassette 184 erneut getrocknet werden, wie dies zuvor beschrieben wurde.
In dem US-Patent 5 866 058 ist beschrieben, dass beim Aufbau eines Modells aus thermisch verfestigbarem Material es von Vorteil ist, das Modell in einer Kammer aufzubauen, die auf eine Temperatur erwärmt ist, welche höher als die Verfestigungstemperatur des Modelliermaterials ist, und das Material nach der Ablagerung allmählich abzukühlen und so Spannungen aus dem Material zu entfernen. Eine Anzahl von gewünschten thermoplastischen Modelliermaterialien haben hohe Schmelzpunkte, z. B. Polykarbonat, Polyphenylsulfon, eine Polykarbonat-ABS-Mischung und Ultem^TM, und sie sind zusätzlich feuchtigkeitsempfindlich. Eine Modelliermaschine zur Ablagerung, welche zum Aufbau von Modellen bei einer hohen Temperatur besonders geeignet ist, wird in der PCT-Anmeldung US00/17363 beschrieben.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, kann die Fachwelt erkennen, dass verschiedene Merkmale der Ausführungsform 1 mit Merkmalen der Ausführungsform 2 zusammen verwendet und ausgetauscht werden können, ebenso wie umgekehrt. Zum Beispiel kann das Trockensystem der Ausführungsform 2 mit der Struktur der Ausführungsform 1 verwendet werden, und die Ausführungsform 1 kann verwendet werden, um erste und Reservekassetten zu verwenden, wie dies unter Bezugnahme auf Ausführungsform 2 beschrieben ist. Weiterhin ist der Fachwelt klar, dass die Filamentkassette und das Zuführungssystem entsprechend der vorliegenden Erfindung mit Vorteil für andere Extrusionsanwendungen als zum Aufbau von dreidimensionalen Modellen durch einen Schmelzablagerungsprozess verwendet werden kann. Der Motor zum Antrieb einer Rolle, die an einer Filamentkassette gelagert wird, kann besser an der Kassette als an der Modelliermaschine befestigt werden.

Claims

Filamentkassette (44, 184), die folgendes umfasst: – eine Kammer (59) mit einer drehbaren Spule (54, 186) auf der Modellierfilament (14, 188) aufgewickelt ist, die durch Erhitzen fließfähig gemacht wird; – einen Filamentpfad (70, 236), der von der Kammer (59) zu einer Austrittsöffnung (72, 238) führt und, – eine Vorrichtung (116, 278, 279, 280, 282) zum Vorwärtsbewegen eines Strangs des Filaments (14, 188) von der Spule (54, 186) entlang des Filamentpfades (70, 236), dadurch gekennzeichnet, dass: – die besagte Kammer (59) einen Vorrat an Trockenmittel (62) enthält und, – die Kammer (59) luftdicht ist; – wobei die Filamentkassette (44, 184) zum Heranführen von Modellierfilament an eine dreidimensionale Modelliermaschine (40, 180) genutzt wird.
Filamentkassette nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Vorwärtsbewegen Folgendes umfassen: – ein Paar Rollen (76, 78), die einander gegenüberliegend entlang des Filamentpfades angebracht sind, so dass sie den Filamentstrang zwischen sich greifen.
Filamentkassette nach Anspruch 2, wobei jede Rolle aus dem erwähnten Rollenpaar passiv ist, und eine Rolle aus dem Paar eine Begleitrolle (76) ist, die für den Zugriff einer äußeren Antriebskraft zugänglich ist.
Filamentkassette nach Anspruch 3, wobei die Begleitrolle (76) eine rechtwinklig zum Filamentpfad schwimmende Drehachse aufweist, so dass sich die Begleitrolle vom Filamentpfad bei Fehlen einer von außen einwirkenden Kraft wegbewegt, was eine Druckentlastung auf einen Filamentstrang im Filamentpfad bewirkt.
Filamentkassette nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zum Vorwärtsbewegen eine Rändelrolle (240) aufweist, die so gegenüber einer Wand des Filamentpfades angebracht ist, dass der Filamentstrang zwischen den Rollen gegriffen wird.
Filamentkassette nach Anspruch 5, wobei die Rändelrolle (240) so angebracht ist, dass sie für eine äußere Antriebskraft zugänglich ist.
Filamentkassette nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zum Vorwärtsbewegen einen erhobenen Umriss in einer Wand des Filamentpfades umfasst, über dem ein Filamentstrang positioniert ist, wobei der erhobene Umriss derart zugänglich ist, dass sich eine äußere Antriebskraft auf den Filamentstrang ausüben lässt.
Filamentkassette nach Anspruch 7, wobei der erhobene Umriss durch die Fläche einer Riemenspannrolle definiert wird.
Filamentkassette nach Anspruch 1, wobei eine Rückhalterung (84) den Filamentstrang im Filamentpfad (70) positioniert, bei gleichzeitiger Abdichtung der Luftströmung entlang des Filamentpfades (70).
Filamentkassette nach Anspruch 1, wobei der Zugang zur Vorrichtung zum Vorwärtsbewegen durch eine Tür (250) erfolgt, die eine kompressible Dichtung (258) auf einer inneren Fläche aufweist, um das Einströmen von Luft in die Kammer zu verhindern.
Filamentkassette nach Anspruch 1, wobei die Kammer und das aufgewickelte Filament getrocknet werden, bis der Wassergehalt weniger als 700 ppm beträgt.
Filamentkassette nach Anspruch 1, wobei eine herausnehmbare Dichtung (248) das Einströmen von Luft durch die Austrittsöffnung verhindert.
Filamentkassette nach Anspruch 1, die darüber hinaus Folgendes umfasst: einen derart auf der Kassette aufgebrachten elektronisch ablesbaren und beschreibbaren Datenspeicher (96), dass er einer äußeren Steuerung zugänglich ist, die Information über das Filament enthält.
Methode zum Zuführen von Modellierfilament an eine dreidimensionale Modelliermaschine, wobei diese Methode die folgenden Schritte umfasst: – Einführen einer Kassette (44, 184) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in eine Aufnahmevorrichtung (42, 182) zum Beladen der Modelliermaschine (44, 184); – Einfädeln eines Filamentstrangs (14, 188) in den Filamentpfad (70, 236) der Kassette (44, 184) und, – Vorziehen des Filamentstrangs (14, 188) aus der Austrittsöffnung (72, 238) der Kassette (44, 184) und Einfädeln des Strangs in eine entsprechende Führung (140, 274) der Modelliermaschine.
Methode nach Anspruch 14, die darüber hinaus einen Schritt umfasst, bei dem das Strömen von Luft in die Kammer während des Ziehens von Filament (188) aus der Kassette (184) verhindert wird.
Methode nach einem der Ansprüche 14 oder 15, die darüber hinaus die folgenden Schritte umfasst: – Feststellen, dass das noch in der Kassette (44, 184) verbleibende Filament (14, 188) eine vorgegebene Mindestlänge erreicht hat und, – automatisches Rückführen des Filamentstrangs (14, 188) aus der Führung (140, 274), als Reaktion auf die Feststellung, dass die Mindestlänge erreicht wurde, so dass die Kassette (44, 184) entfernt und ausgetauscht werden kann.
Methode zum Zusammensetzen der Filamentkassette gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, welche die folgenden Schritte umfasst: – Laden der Spule (54, 186) mit aufgewickeltem Filament (14, 188) in die Kammer (59) und, – Versiegeln der Kassette nach dem Beladen mit dem Filament (14, 188), so dass die Kammer (59) luftdicht wird.
Methode nach Anspruch 17, die darüber hinaus den folgenden Schritt umfasst: – Heizen der Filamentkassette (44, 184) in einem Ofen, bis der Wassergehalt der Kammer weniger als 700 ppm beträgt, bevor der Versiegelungsschritt erfolgt.
Filamentkassette nach Anspruch 1, die darüber hinaus Folgendes umfasst: – einen Hohlraum (88) zum Ausrichten der Kassette nach einer Vorrichtung zum Aufnehmen der Kassette (46) der Modelliermaschine.