DE60122219T2 - Stereolithografische Unterstützungsstrukturen - Google Patents

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Rajeev B. Valencia Kulkarni
Chris R. Moorpark Manners
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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf ein Verfahren zum Bilden eines dreidimensionalen Objekts auf einer Schicht-für-Schicht-Basis unter Verwendung von Stereolithographie und insbesondere ist sie gerichtet auf ein Verfahren zum Herstellen von Unterstützungen für stereolithographische Objekte durch Anwendung einer Methode zum Aushärten der Photopolymerflüssigkeit aus der das dreidimensional gebildete Objekt erzeugt wird. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein stereolithographisches Teil, welches durch selektive Stimulation eines flüssigen Mediums zu einem festen Zustand geformt wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In den letzten Jahren wurden verschiedene Techniken entwickelt für die schnelle Herstellung von dreidimensionalen Objekten für industrielle Zwecke. Diese werden manchmal bezeichnet als Rapid-Prototyping-and-Manufacturing-(„RP&M")-Techniken. Im Allgemeinen bilden Rapid-Prototyping-and-Manufacturing-Techniken dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht aus einem Arbeitsmedium unter Verwendung eines schichtweise geteilten Datensatzes, welcher Querschnitte des zu bildenden Objekts repräsentiert. Typischerweise wird eine Objektdarstellung zunächst bereitgestellt durch ein Computer-Aided-Design-(„CAD")-System.
  • Die Stereolithographie, welche gegenwärtig die üblichste RP&M-Technik ist, kann definiert werden als Technik für die automatisierte Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus einem fluidähnlichen Material unter Verwendung von selektiver Belichtung von Schichten des Materials auf einer Arbeitsoberfläche, um aufeinander folgende Schichten des Objekts (d.h. Lagen) auszuhärten und aneinanderzuhaften. In der Stereolithographie werden Daten welche das dreidimensionale Objekt darstellen eingegeben als oder umgewandelt in zweidimensionale Schichtdaten, welche Querschnitte des Objekts darstellen. Schichten aus Material werden sukzessive geformt und selektiv umgewandelt oder gehärtet (d.h. ausgehärtet) zu aufeinander folgenden Lagen in Übereinstimmung mit den zweidimensionalen Schichtdaten unter Verwendung eines computergesteuerten Laserstrahls aus ultraviolettem Licht (UV). Während der Umwandlung werden die aufeinander folgenden Lagen angehaftet an zuvor geformte Lagen um eine integrale Bildung des dreidimensionalen Objekts zu ermöglichen.
  • Die Stereolithographie stellt einen beispielhaften Weg zur schnellen Herstellung von komplexen oder einfachen Teilen ohne Verwendung von Werkzeugen dar. Da diese Technologie von der Verwendung eines Computers abhängig ist, um ihre Querschnittsmuster zu erzeugen, gibt es einen natürlichen Datenlink zu CAD/CAM. Solche Systeme treffen jedoch auf Schwierigkeiten, welche bezogen sind auf Schrumpfung, Verwindung oder andere Deformierungen, sowie Auflösung, Genauigkeit und Schwierigkeiten beim Herstellen von bestimmten Objektformen.
  • Obwohl sich gezeigt hat, dass die Stereolithographie selbst eine effektive Technik zum Bilden von dreidimensionalen Objekten ist, sind verschiedene Verbesserungen, welche die Schwierigkeiten der Technologie betreffen, seit längerer Zeit erwünscht. Viele Verbesserungen betrafen die zuvor erwähnten Schwierigkeiten und wurden hinsichtlich der Objektgenauigkeit, der Geschwindigkeit und Erscheinung des Bauobjekts über die Jahre hinweg gemacht. Es bleibt jedoch ein Bedarf für eine weitere Verbesserung im Hinblick auf das Aussehen des Bauobjekts und die leichte Herstellung von bestimmten Objektformen. Verschiedene Aspekte des stereolithographischen Bauprozesses können das Aussehen des Bauobjekts beeinflussen und die Leichtigkeit der Erzeugung des dreidimensionalen Objekts. Beispielsweise sind ein Aspekt und ein Gebiet für benötigte Verbesserungen die Bauobjektunterstützungen.
  • Die Herstellung von Unterstützungen ist der erste Schritt in dem stereolithographischen Bauprozess, weil das Bauobjekt zunächst von dem stereolithographischen System gestützt werden muss auf der Hubplattform in dem Gefäß mit Photopolymer. Die Unterstützungen werden aus vielfältigen Gründen benötigt. Die Unterstützungen wirken wie Befestigungen bei herkömmlichen Maschinen und halten das Bauobjekt oder einen Teil während des Bauprozesses am Platz. Die Unterstützungen stellen auch ein Mittel zum Sichern von isolierten Segmenten oder Inseln bereit, welche sonst wegschwimmen würden, oder sie werden verwendet, um bestimmte Geometrien zu erhalten, welche wahrscheinlich während des Laseraushärtens der Photopolymerflüssigkeit einer Deformierung unterliegen würden, wie beispielsweise einem Verwinden. Die Unterstützungsstruktur muss in einem manuellen und arbeitintensiven Nachbearbeitungsschritt entfernt werden. Unterstützungen werden in den Figuren des US-Patents 4,575,330 gezeigt. Die in diesem Patent gezeigten Unterstützungen befestigen das Objekt an der Plattform.
  • Der ursprüngliche Typ von Stützen oder Unterstützungen, welcher verwendet wurde, wurde tatsächlich durch das Aushärten von einzelnen Punkten gebildet. Diese Punkte wurden über eine spezifische Zeitdauer ausgehärtet, um eine ausreichende Aushärtetiefe mit einer korrespondierenden Aushärtebreite bereitzustellen. Dieser Typ von Stütze ist begrenzt in seiner Festigkeit und der zugehörigen Aushärtezeit, welche notwendig ist, um diesen Festigkeitsgrad zu erreichen, wenn es überhaupt möglich ist, die gewünschte Stärke zu erreichen.
  • Ein anderer Typ von Stütze oder Unterstützungsstruktur basiert auf der Notwendigkeit, die Anhaftungsfestigkeit zwischen den Schichten zu erhöhen. Die Anhaftungsfestigkeit ist proportional zu dem Kontaktgebiet zwischen den Schichten. Wenn ein Punkt ausgehärtet wird, erreicht die Aushärtebreite schnell eine Grenze, wo eine zusätzliche Aushärtebreite unpraktisch ist. Deshalb wurde ein anderes Verfahren zum Erhöhen des Kontaktgebiets implementiert. Anstelle des Aushärtens von Unterstützungen, welche Punktvektoren im Querschnitt sind, verwendet dieses neue Verfahren Unterstützungen, welche im Querschnitt Polygone sind. Diese Polygone können Dreiecke, Rechtecke, Oktagone etc. sein. Diese Strukturen ergeben ein größeres Kontaktgebiet zwischen den Schichten und eine viel größere Anhaftungsfestigkeit, zusammen mit einer viel größeren strukturellen Festigkeit gegenüber einer horizontalen Verschiebung. Diese Unterstützungen funktionieren ausreichend gut, aber sie bereiten immer noch Schwierigkeiten, weil: (1) sie schwer von dem Objekt zu entfernen sind; (2) sie nur eine begrenzte Anzahl von Objektvektoren unterstützen; und (3) sie die Verwendung einer Basis erfordern, um die Polygone zu unterstützen, um eine Befestigung an der perforierten Bauplattform zu gewährleisten.
  • Weitere Unterstützungsstrukturen sind beispielsweise aus der US-A-5,897,825, der EP-A-0 655 317 oder der US-A-5,595,703 bekannt.
  • Ein leichtes Entnehmen der Unterstützungsstruktur ist insbesondere kritisch, da es sowohl die Geschwindigkeit des Bauprozesses als auch das Aussehen des fertigen Bauobjekts beeinflusst. Die Unterstützungen waren traditionell schwer zu entfernen wenn das Unterstützungsmaterial einmal ausgehärtet war, um das Objekt zu unterstützen, entweder auf der Bauplattform oder um eine Hohlstruktur innerhalb des Bauobjekts zu unterstützen.
  • Das Entfernen von Unterstützungen, welche beschädigte nach oben gerichtete oder nach unten gerichtete Oberflächen auf dem Bauobjekt zurück lassen, beeinträchtigt das Aussehen des Bauobjekts und die Anwendbarkeit des stereolithographischen Verfahrens.
  • Eine Form von dreidimensionaler Objektbildung, welche die Problematik des Entfernens von Unterstützungen anspricht, ist die Schmelzablagerungs- Modulierungstechnik. Das US Patent 5,503,785 diskutiert die Notwendigkeit, die Unterstützungsstruktur mit einem minimalen Aufwand zu entfernen, um ein schnelles und einfaches Entnehmen zu ermöglichen. Dieses Patent offenbart ein Verfahren, wobei ein erstes Material verwendet wird, um das Modulierungsobjekt in der Unterstützungsstruktur zu bauen und ein zweites Freigabematerial, welches aus einer anderen. Zusammensetzung gebildet wird als das Material für das Objekt und die Unterstützungsstruktur. Das zweite Freigabematerial wird abgelagert in dem Raum zwischen dem Bauobjekt und der Unterstützungsstruktur und wird so ausgewählt, dass es eine schwache, brechbare Verbindung mit dem ersten Material bildet, in einer fertigen trennbaren Verbindung entlang der Objektunterstützungsstrukturverbindung. Der Nachteil dieses Vorgehens ist es jedoch, dass die Vorrichtung und das Verfahren ein Paar Spender benötigen von denen jeder seine eigene Auslassspitze für verschiedene Materialien und Materialreservoirs für das Bauobjekt/Unterstützungsstrukturmaterial und das Freigabeschichtmaterial hat. Dieses Vorgehen erhöht unnötiger Weise die Komplexität der Vorrichtung.
  • In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Bilden eines dreidimensionalen Objekts unter Verwendung von Stereolithographie, um ein flüssiges Medium zu stimulieren, um auf selektive Weise den Zustand in einen Festen zu ändern, um das dreidimensionale Objekt zu bilden, wobei das Verfahren aufweist:
    • a) Bereithalten eines Mediums im flüssigen Zustand in einem Behälter, wobei das Medium in der Lage ist überzugehen in einen festen Zustand bei selektiver Aufbringung von Energie, um eine Zustandsänderung zu stimulieren;
    • b) Empfangen einer Datenbeschreibung eines zu bildenden Objekts;
    • c) Manipulieren der empfangenen Daten, um die Daten zu optimieren für die Verwendung bei der selektiven Aufbringung von Energie, um den Zustandswechsel des flüssigen Mediums zu stimulieren, um ein Objekt zu bilden; und
    • d) selektives Aufbringen von Energie auf das flüssige Medium in dem Behälter, um eine Stützstruktur (bzw. Unterstützungsstruktur) und das dreidimensionale Objekt Schicht für Schicht zu bilden; wobei die Stützstruktur (bzw. Unterstützungsstruktur) eine Zwischenregion aufweist, welche die Grenzregionen verbindet, wobei die Grenzregionen ein kleineres Querschnittsgebiet aufweisen als die Zwischenregion, wobei auf die Grenzregionen, die die Unterstützungsstruktur berühren, selektiv verschiedene Energieniveaus aufgebracht werden, bei zumindest der nach unten gerichteten Grenzregionen, dann Erzeugen der Zwischenregion und des Objekts, um somit Schwachpunkte zu erzeugen, mit geringerer Aushärtung in dem in den festen Zustand übergegangenen flüssigen Medium, verglichen mit der Zwischenregion und dem dreidimensionalen Objekt bei zumindest den nach unten gerichteten Grenzregionen, um das Herausnehmen der Unterstützungsstruktur aus einem fertigen dreidimensionalen Objekt zu erleichtern.
  • In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, weist ein stereolithographisches Teil, welches durch selektive Stimulation eines flüssigen Mediums in einen festen Zustand umgewandelt wird, auf:
    • a) zumindest eine Unterstützungsstruktur mit einer Zwischenregion, welche gegenüberliegende Grenzregionen verbindet, wobei die Grenzregionen das Teil an aneinandergrenzenden Grenzen berühren;
    • b) die im festen Zustand befindliche Zwischenregion weist eine erste feste Aushärtetiefe und ein erstes Querschnittsgebiet auf; und
    • c) die Grenzregionen weisen eine zweite feste Aushärtetiefe und ein zweites Querschnittsgebiet auf, wobei die Kombination der zweiten festen Aushärtetiefe wesentlich kleiner ist, als die erste feste Aushärtetiefe und das zweite Querschnittsgebiet ausreichend kleiner ist, als das erste Querschnittsgebiet, um Schwachpunkte zu bilden an denen die Unterstützungsstruktur leicht von dem Teil abtrennbar ist.
  • Besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der entsprechenden abhängigen Ansprüche.
  • Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass ein Bauobjekt oder Teil mit glatterer Oberfläche erhalten wird, welches eine verminderte Bearbeitung benötigt aufgrund der leichten Herausnahme der Unterstützungsstruktur aus dem Bauobjekt durch die Verwendung eines Verfahrens bei dem eine Photopolymerflüssigkeit ausgehärtet wird, um ein Bauobjekt zu bilden, welches eine unterschiedliche Aushärtung von sowohl dem Bauobjekt als auch der Unterstützungsstruktur verwendet.
  • Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die unterschiedliche Aushärtung der Unterstützungsstruktur an den nach oben gerichteten und nach unten gerichteten Oberflächen an denen die Unterstützungen das Teil schneiden, die Herausnahme der Unterstützungen leichter macht, weniger Zeit benötigt und weniger schädlich ist für das Aussehen des fertigen Bauobjekts oder Teils.
  • Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass eine geringere Aushärtung der Unterstützungstruktur an den nach oben gerichteten und nach unten gerichteten Oberflächen stattfindet, um Schwachpunkte an der Unterstützungsgrenze des Bauobjekts oder Teils zu ermöglichen, so dass die Unterstützungen leicht weggebrochen werden können.
  • Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das stereolithographische Bauverfahren die geometrischen Polygonunterstützungen identifiziert, die das Bauobjekt tatsächlich berühren.
  • Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die Unterstützungsstruktur weniger Kontaktflächengebiet mit dem Bauobjekt aufweist, als die frühere Unterstützungsstruktur.
  • Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass verschiedene Aushärtetiefen des Photopolymaterials, welches das Bauobjekt bildet, angewendet werden für verschiedene Grenzen des Bauobjekts.
  • Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die Vorbereitung aufgrund der Anwendung von mehr Automation und weniger Benutzeranalyse der zu bildenden Unterstützungen schneller geht.
  • Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass eine bessere Bauobjekt-Unterstützung bereitgestellt wird, welche zu höheren Erträgen führt durch die Verwendung des stereolithographischen Verfahrens und der Vorrichtung, weil das Bauobjekt übermäßig unterstützt sein kann, was weniger Defekte aufgrund eines Mangels an Unterstützung zur Folge hat.
  • Es ist ein weiterer Vorteil, dass das Verfahren weniger Nachbearbeitung des Bauobjekts erfordert, da es einfacher ist die Unterstützungsstruktur zu entfernen, welche die Unterstützungsplattform oder den Hubtisch und das Bauobjekt berührt.
  • Es ist ein weiterer Vorteil, der vorliegenden Erfindung, dass das Bauobjekt ein besseres Aussehen hat, weil es weniger Verbindungs- oder Kontaktoberfläche mit der Unterstützungsstruktur gibt.
  • Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die Schwachpunkte an den Verbindungen zwischen der Unterstützungsstruktur und dem Bauobjekt es erleichtern die Unterstützungsstruktur zu entfernen.
  • Es ist ein noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die Unterstützungsstruktur kein eingeschlossenes Harz zwischen den Unterstützungen in dem zu bauenden Teil zurück hält.
  • Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass sehr filigran ausgestaltete Teile konstruiert werden können, weil die Unterstützungsstruktur entfernt werden kann, ohne dem Teil Schaden zuzufügen.
  • Diese Merkmale und Vorteile werden erreicht, durch das Anwenden der vorliegenden Erfindung und zwar durch die Benutzung eines Verfahrens zum unterschiedlichen Aushärten der Unterstützungsstruktur, welche eine Verbindung herstellt zwischen nach oben und nach unten gerichteten Oberflächen und dem Bauobjekt, um ein schneller erzeugtes, besser aussehendes Endteil herzustellen, welches weniger Nachbearbeitung benötigt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese Merkmale und Vorteile des Anwendens der Erfindung werden offensichtlich bei der Betrachtung der folgenden detaillierten Offenbarung der Erfindung, insbesondere wenn sie im Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
  • 1 ein Gesamtblockdiagramm eines stereolithographischen Systems zur Anwendung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine diagrammatische Darstellung der Unterstützungsstruktur der vorliegenden Erfindung, in Kontakt mit einem dreidimensionalen Teil, welches hergestellt wird, ist;
  • 3 eine Seitenaufrissansicht der Verbindungsseite eines einzelnen Strangs ist, welcher einen Teil der Unterstützungsstruktur bildet, welche das graphische Triangulationsmuster zeigt, welches verwendet wird von dem Computer beim Erzeugen des stereolithographischen Teils unter Verwendung der graphischen Daten und welche die Kontaktgebiete oder Verbindungen zwischen der Unterstützungsstruktur und dem Teil zeigt;
  • 4 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Strangs ist welcher von zwei Teilen gebildet wird, von denen einer in 3 gezeigt ist;
  • 5 eine Seitenaufrissansicht des zweiten Teils des einzelnen Strangs gemäß 4 ist, welche die Triangulation des zweiten Teils zeigt;
  • 6 eine perspektivische Ansicht von zwei Strängen gemäß 2 ist, welche verbunden sind durch Vorsprünge, die einige Schlüsselparameter zeigen, welche benutzt werden, um die Unterstützungsstruktur der vorliegenden Erfindung zu erzeugen;
  • 7 eine diagrammatische Darstellung von dreieckigen Klammern ist, welche verwendet werden, um das gesamte Strang-Projektionsnetzwerk in einem Teil zu verstärken;
  • 8 eine diagrammatische Darstellung der Unterstützungsverstärkungen (support gussets) ist, welche als eine Unterstützungsstruktur verwendet werden, um ein Teil zu verstärken, welches ein vertikales Gebiet neben einem nach unten gerichteten Gebiet aufweist;
  • 9 ein Prozessfließdiagramm ist, welches die Schritte zeigt welche verwendet werden, bei einem Stereolithographiesystem, um die verbesserte Unterstützungsstruktur der vorliegenden Erfindung herzustellen;
  • 10 ein Datenflussdiagramm ist, welches die Erzeugung und den Fluss der Daten zum Herstellen der Unterstützungsstruktur durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Stereolithographieteile werden vorzugsweise auf Strukturen gebaut, welche als Unterstützungen bekannt sind, anstatt sie direkt auf der Hubplattform aufzubauen, welche das Bauobjekt oder das Teil nach Oben und Unten bewegt, wenn aufeinander folgende Schichten oder Lagen in dem Photoaushärtungsbetrieb gebildet werden. Ein Grund für die Verwendung von Unterstützungen ist es, das Teil von der Plattform abzutrennen. Ein Teil welches direkt auf der Plattform ausgehärtet würde, wäre schwer zu entfernen, insbesondere wenn die anhaftende Oberfläche groß ist. Des Weiteren kann die Dicke der ersten Schicht, welche auf der Plattform gebildet wird, nicht genau gesteuert werden und kann sogar variieren wenn die Plattform schief ist oder fehlerhaft installiert wurde. Dies könnte Linien zur Folge haben, welche nicht tief genug ausgehärtet sind, um eine Plattform anzuhaften – ein Zustand welcher ein Kräuseln fördern könnte. Sogar ohne diese potenziellen Probleme würden die Löcher in der Plattform entsprechende Ausbeulungen auf der unteren Oberfläche jedes Teils erzeugen, welches direkt auf ihr gefertigt wird. Ein Verschieben von Flüssigkeit wenn die Hubplattform in einen Eintauchmodus des Teilbeschichtens eingetaucht wird, kann die Dicke der ersten paar Schichten verändern und diese Effekte wären unerwünscht innerhalb des Teils selbst.
  • Ein weiterer Grund für die Verwendung von Unterstützungen ist es, den Flüssigkeitsfluss um das Teil herum zu verbessern. Dies ermöglicht die Anwendung einer kürzeren Eintauch- oder Wiederbeschichtungszeit, da die Oberfläche der Flüssigkeit sich mit einem verbesserten Fluss schneller setzen wird.
  • Zusätzlich wird überschüssiges Harz schneller aus dem fertigen Teil abfließen, um die Nachbearbeitungszeit zu vermindern.
  • Unterstützungen werden auch verwendet, um Bereiche eines Teils zu verankern, welche sonst eine Tendenz sich zu bewegen aufweisen würden und um Gebiete zu verstärken die anfällig gegenüber einer Kräuselung oder einer Schädigung während der Teilherstellung sind. Unterstützungsstrukturen werden benötigt, um hohle Teile zu bauen oder Teile mit einem nicht unterstützten Überhang.
  • Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen, insbesondere auf 1, wird ein Blockdiagramm eines Stereolithographiegesamtsystems gezeigt, welches zum Ausführen der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Ein CAD-Generator 2 und eine geeignete Schnittstelle 3 stellen eine Datenbeschreibung des zu bildenden Objekts bereit, typischerweise im STL Datenformat und zwar über ein Netzwerk, wie beispielsweise das ETHERNET oder ähnliches zu einem Schnittstellencomputer 4, wo die Objektdaten manipuliert werden, um die Daten zu optimieren und um Ausgangsvektoren bereit zu stellen. Die STL Datei ist eine tesselierte Objektbeschreibung, welche besteht aus den X-, Y- und Z-Koordinaten der drei Eckpunkte von jedem Oberflächenpolygon, sowie einem Index, welcher die Ausrichtung der Oberflächennormale beschreibt. Die Oberflächenpolygone sind vorzugsweise Dreiecke. Die manipulierten Daten werden Spannungen, Kräuselung und Deformation reduzieren und die Auflösung, Festigkeit, Genauigkeit und Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit der Reproduktion steigern, selbst für eher schwierige und komplexe Objektformen. Der Schnittstellencomputer 4 erzeugt Schichtdaten durch schichtweises Aufteilen, variieren der Schichtdicke, Abrunden der Polygoneckpunkte, Füllen, Skalieren, Schraffieren, Versetzen von Vektoren, Anordnen von Vektoren und Herstellen von flachen Außenhäuten, nahezu flachen Außenhäuten, nach oben und nach unten gerichteten Außenhäuten.
  • Die Vektordaten und -parameter von dem Computer 4 sind gerichtet auf ein Steuerungssubsystem 5 zum Betreiben des Lasers des stereolithographischen Systems, der Spiegel, des Hubtischs und ähnlichem, welche die festen individuellen Lagen zulassen, welche Querschnitte des zu bildenden Objekts oder Teils repräsentieren und die Lagen, welche erfolgreich kombiniert werden sollen, um das dreidimensionale Teil zu bilden. Das Teil wird erzeugt durch die Anwendung einer geeigneten Form der Energiestimulation, wie beispielsweise einem graphischen Muster in Übereinstimmung mit diesen Vektordaten und Parametern an der Oberfläche des Fluidmediums, um die dünnen individuellen Schichten oder Lagen zu bilden. Jede feste Schicht oder individuelle Lage repräsentiert einen angrenzenden Querschnitt des zu produzierenden dreidimensionalen Objekts. Aufeinanderfolgende benachbarte Schichten oder Lagen werden übereinander angeordnet, da sie gebildet wurden, um das dreidimensionale Objekt oder Teil zu erzeugen.
  • 9 zeigt das Verfahren und die Schritte, welche verwendet werden in einem stereolithographischen System, um die verbesserte Stützstruktur der vorliegenden Erfindung zu bilden. Die Software erzeugt die tesselierte Objektbeschreibung in der STL-Datei 65. Der Algorithmus betrachtet alle Dreiecke der STL-Datei und identifiziert alle nach unten gerichteten Dreiecke durch Analysieren der Normalen des Dreiecks. Dies wird erreicht durch Vergleichen des Winkels der Normalen mit dem Unterstützungswinkel, welcher spezifiziert wird durch den Benutzer und anschließend werden alle Dreiecke in einem Satz platziert. Die gleiche Verfahrensweise wird wiederholt, um die nach oben gerichteten Dreiecke des STL-Bauobjekts oder Teils 11 zu identifizieren. In diesem Falle gibt es keinen Grenzwertwinkel, mit dem die Normalen verglichen werden. Alle Dreiecke, welche Normalen in der positiven aufwärtigen Richtung aufweisen, werden betrachtet als nach oben gerichtete Dreiecke und diese Dreiecke werden dann gesammelt und platziert in einem zweiten Satz. Der erste Satz von nach unten gerichteten Dreiecken wird analysiert und all die verschiedenen benachbarten Dreiecke werden gesammelt in verschiedenen Regionen. Die äußeren Kanten von allen benachbarten Dreiecken bilden eine nach unten gerichtete Region. Manche dieser Regionen werden erzeugt und gespeichert in der Überhangdatendatei (ODF) 66. Dieser Schritt wird wiederholt für den nach oben gerichteten Dreieckssatz und alle nach oben gerichteten Regionen werden erzeugt. Diese nach oben gerichteten Regionen werden auch gespeichert in der ODF-Datei 66. Die Schlüsselparameter für das Teil 11, wie später erläutert werden wird, werden auch in der ODF-Datei 66 gespeichert auf der Basis einer individuellen Region. Der Unterstützungsalgorithmus oder Unterstützungsgenerator 68 verwendet dann die Daten in der ODF-Datei 66, um die Unterstützungsstruktur 10 zu erzeugen.
  • Ein separates Softwaremodul erzeugt die Unterstützungslinien und Schraffurlinien in dem stereolithographischen Teil 11 durch Konstruieren der Unterstützungen unter den nach unten gerichteten Regionen, welche zuvor identifiziert wurden. Die Daten werden in dieses Modul in der Software von der komprimierten Dreieckslisten-(compressed triangle list, CTL-)Datei und der ODF-Datei 66 eingegeben. Die Ausgabe von diesem Modul ist die Unterstützungs-STL-Datei. Dies wird erreicht durch Öffnen der ODF-Datei 66 und Lesen der Regionendaten, wobei anschließend jede nach unten gerichtete Region betrachtet wird und die Unterstützungslinien und die Schraffurlinien erzeugt werden. Für jede Region werden Stränge und Projektionen erzeugt und, falls nötig, werden dreiecksförmige Klammern zu den Unterstützungsstrukturen hinzugefügt. Die Triangulationsdaten, welche erzeugt wurden für die Stränge und Projektionen, und, falls nötig, die dreiecksförmigen Klammern werden in der Unterstützungs-STL-Datei gespeichert. Wenn die ODF-Datei 66 geöffnet wird, werden alle Regionendaten in einer internen Regiondatenstruktur gespeichert. Diese Daten werden anschließend verwendet, um die benötigten Schritte auszuführen.
  • Anschließend wird jede nach unten gerichtete Region betrachtet und es werden Unterstützungslinien und Schraffurlinien erzeugt. Die Unterstützungslinien werden exakt unterhalb des Umfangs der Region erzeugt und anschließend werden zwei Sätze von Schraffurlinien erzeugt. Ein Satz ist parallel zu der X-Achse und der andere parallel zu der Y-Achse. Die Distanz zwischen den zwei parallelen Schraffurlinien ist gleich einem Wert, welcher spezifiziert wurde für den Linienabstandsparameter. Schraffurlinien werden immer parallel zu den X- und Y-Achsen erzeugt. Anfänglich werden die Schraffurlinien, welche parallel zu den X-Achsen sind, so erzeugt, dass die Distanz zwischen zwei parallelen aufeinander folgenden Schraffurlinien gleich dem Schraffurlinienabstand ist. Jede Schraffurlinie wird dann beschnitten an dem Punkt, wo sie die Unterstützungslinien für die Region schneidet. Zusätzliche Eckpunkte werden eingeführt zwischen den Endpunkten jeder Linie, so dass die Distanz zwischen aufeinander folgenden Eckpunkten gleich dem Strangabstand ist. Die Schraffurlinien, welche parallel sind zu der X-Achse, werden erzeugt und die Schraffurlinien, welche parallel sind zur Y-Achse, werden anschließend erzeugt.
  • Es sollte festgehalten werden, dass, wenn die Unterstützungslinien erzeugt werden, die Originaleckpunkte, welche den Umfang der Region definierten, verwendet werden, um die grundlegenden Unterstützungslinien zu erzeugen. Zusätzliche Eckpunkte werden eingeführt zwischen den ursprünglichen Eckpunkten, so dass die Distanz zwischen aufeinander folgenden Eckpunkten gleich ist zu dem, was bekannt ist als der Strangabstandsparameter. Wenn jedoch die ursprünglichen Eckpunkte weniger sind, als der Strangabstand, werden keine Eckpunkte eingeführt zwischen den ursprünglichen Eckpunkten. Ein Filterprozess wird in dem Algorithmus verwendet an diesem Punkt für STL-Modelle oder Teile 11, welche fein tesseliert sind und die Dreiecksgröße ist sehr klein. Diese kleine Dreiecksgröße wird nach unten gerichtete Umfänge zur Folge haben, welche Eckpunkte aufweisen, die sehr nahe beieinander liegen und, später in dem Prozess, werden solche sehr nahe beieinander liegenden Eckpunkte zur Folge haben, dass nebeneinander liegende Stränge aneinander haften, was die Entfernung der Unterstützung schwer machen wird. Daher filtert der Algorithmus Eckpunkte der Unterstützungslinien und der Schraffurlinien heraus, die sehr nahe beieinander liegen, beispielsweise diejenigen, welche weniger als 0,05 Inch auseinander liegen.
  • Der nächste Schritt in dem Prozess ist, die tatsächlichen Stränge und Projektionen für jede Region zu erzeugen. Der Unterstützungsgenerator 68 betrachtet jede Unterstützungslinie einer Region, erzeugt einen Strang unter jedem Gipfel der Unterstützungslinie, teilt die Linie in Z-Richtung in gleich lange Eckpunkte, wobei der Abstand zwischen jedem Eckpunkt gleich dem Projektionsversatzhöhenparameter ist und es werden Projektionen von jedem der Eckpunkte zu dem nächsten benachbarten Strang erzeugt. Dieser Prozess wird wiederholt für jeden Strang der Unterstützungslinie und der gesamte Prozess wird wiederholt für jede Schraffurlinie der Region.
  • Wie in 10 zu sehen, erzeugt die Software die Bauobjektdaten-STL-Datei 65 und der Unterstützungsgenerator 68 erzeugt die Unterstützungsstruktur. Die STL-Datei 65 identifiziert die Verbindungsdreiecke klar von den Nicht-Verbindungsdreiecken. Diese Information wird gespeichert in dem 2-Byte-Attributfeld, welches vorhanden ist für jedes Dreieck in der STL-Dreieckattributdatei 69. Beispielsweise kann das Attributfeld gleichgesetzt werden mit (0) für Nicht-Verbindungsdreiecke, (1) für nach oben gerichtete Verbindungsdreiecke und (2) für nach unten gerichtete Verbindungsdreiecke.
  • Diese Daten werden dann eingespeist in den Schichtgenerator 70, um die SLI-Datei zu erzeugen, welche gebildet wird von einer Serie von nahe beieinander liegenden horizontalen Ebenen, welche mathematisch durch die tesselierte Objektdatei hindurch geschoben werden. Der Schichtgenerator 70 teilt die Unterstützungsdatei schrittweise auf, wobei die verschiedenen Typen von Dreiecken berücksichtigt werden. Er erzeugt anschließend Vektoren für die Dreiecke. Die Vektoren, welche erzeugt werden von Nicht-Verbindungsdreiecken werden identifiziert als Unterstützungsgrenzen (support boundaries, SB) und Vektoren, welche für die nach oben gerichteten Verbindungsdreiecke erzeugt wurden, werden identifiziert als unterstützende nach oben gerichtete Verbindungsgrenzen (support upfacing interfacing boundaries, SUIB). Die Vektoren, welche für die nach unten gerichteten Verbindungsdreiecke erzeugt werden, werden. identifiziert als unterstützende nach unten gerichtete Verbindungsgrenzen (support downfacing interfacing boundaries, SDIB). Die Baustildatei (STY) 74 weist verschiedene Aushärtetiefen für jeden der drei Vektortypen auf. Der SUIB und der SDIB werden Aushärtetiefen zugeordnet, welche kleiner sind als die Aushärtetiefen der SB, um die Verbindungsschichten schwächer zu machen als den Rest der Unterstützungsstruktur 11. Dies hat zur Folge, dass die Unterstützungsstruktur leichter zu entfernen ist von dem Teil und auch weniger Schäden an der Oberfläche erzeugt, an der die Unterstützungsstruktur befestigt ist.
  • Der Unterstützungsbaustil von der Baustildatei 74 wird eingespeist in die Plattformdatei (PLA) 75, welche einzigartig ist für das besondere Stereolithographiesystem, welches verwendet wird, um das Teil 11 herzustellen. Die Daten werden dann gespeist in das konvergierte Modul 72, welches die Information der SLI-Datendatei, der Stildatei 74 und der PLA-Datei 75 zusammenführt, um die Baudatei (Build File, BFF) 76 zu erzeugen.
  • Die Baudatei 76, welche die verschiedenen SLI-Dateien empfangen hat und sie zusammengeführt hat, beginnt nun mit dem Prozess des Erzeugens des tatsächlichen physikalischen Objekts unter Verwendung des Stereolithographiesystems mit seinem Fluidmedium oder seiner Photopolymerchemikalie.
  • Jedes geeignete Fluidmedium, welches in der Lage ist, in Reaktion auf die Anwendung einer geeigneten Form von Energiestimulation auszuhärten kann bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Viele flüssige Chemikalien sind bekannt, welche veranlasst werden können, sich in einen Polymerkunststoff im festen Zustand zu ändern durch Bestrahlung mit Ultraviolettlicht oder anderen Formen von Stimulation, wie beispielsweise Elektronenstrahlen, sichtbarem oder unsichtbarem Licht oder reaktiven Chemikalien, welche aufgebracht werden durch Tintenstrahl oder über eine geeignete Maske. Geeignete Photopolymere, welche verwendet werden können bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung, umfassen alle kommerziell erhältlichen Photopolymere, welche hergestellt werden durch CIBA Specialty Chemicals aus Los Angeles, Kalifornien, und verkauft werden von 3D Systems, Inc. aus Valencia, Kalifornien. Diese umfassen, sind aber nicht begrenzt auf SL 7540, SL 5170, SL 5180, SL 5195 und SL 5510 zur Verwendung in allen SLATM-Systemen, welche kommerziell erhältlich sind von 3D Systems.
  • Die vorliegende Erfindung kann ausgeführt werden auf jeder stereolithographischen Ausrüstung, sie soll aber im Kontext eines SLATM 7000-Systems diskutiert werden, welches kommerziell erhältlich ist von 3D Systems, Inc., dem Inhaber der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt, wird eine diagrammartige Illustration einer Unterstützungsstruktur gezeigt, welche im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet wird. Das dreidimensionale Objekt oder Teil, welches geformt wird, wird bezeichnet mit der Bezugsziffer 11 und die nach oben gerichtete Region des Teils 11 wird bezeichnet mit der Bezugsziffer 12. Die nach oben gerichtete Region 12 könnte genauso gut die Hubplattform sein, welche das Teil 11 unterstützt. Das Teil 11 weist eine nach unten gerichtete Region 13 auf, an der Stränge befestigt sind, von denen zwei mit den Bezugsziffern 14, 16 bezeichnet werden. Die Stränge werden verbunden durch die Vorspanner 15 über die gesamte Unterstützungsstruktur 10. Benachbarte Stränge 14 und 13 werden gezeigt, wie sie verbunden sind durch die Vorsprünge 15 und werden später diskutiert im Zusammenhang mit nebeneinander liegenden Strängen.
  • 3 zeigt die Verbindungsseite, welche im Allgemeinen bezeichnet wird mit der Bezugsziffer 18 von Strang 14. Die Seite 18 wird geformt durch das graphische Muster, welches erzeugt wird durch den Programmiercomputer 4, welcher verwendet wird, um ein erstes Dreieck 19 und ein zweites Dreieck 20 zu erzeugen, welche die Zwischenregion der Verbindungsseite 18 des Stranges 14 aufweisen, wie erläutert werden wird. Die Dreiecke 19 und 20 weisen eine größere Aushärtetiefe auf als die Teile der Seiten 18, welche das Teil 11 berühren. Zwei zusätzliche Dreiecke 21 und 24 werden erzeugt an gegenüberliegenden Enden der Seite 18 durch den Unterstützungsgenerator 68 (s. kurz 10). Das Dreieck 21 ist ein nach oben gerichtetes Verbindungsdreieck, welches die unterstützende nach oben gerichtete Oberfläche 22 des zu erzeugenden Teils 11 verbindet oder berührt. Das untere Verbindungsdreieck 24 berührt die unterstützende nach unten gerichtete Oberfläche 25 des Teils 11. Wie zuvor erläutert könnte das untere Verbindungsdreieck 24 auch verbunden sein mit der Hubplattform (nicht gezeigt) des SLATM-Systems. Die Verbindungsdreiecke 21 und 24 werden ausgehärtet zu einer geringeren Tiefe als die Dreiecke 19 und 20, welche die Zwischenregion der Verbindungsseite 18 aufweisen. Die Schichtdreiecke 21 und 24 erzeugen jeweils unterstützende nach oben gerichtete Verbindungsgrenzen (SUIB) und unterstützende nach unten gerichtete Verbindungsgrenzen (SDIB). Der SLI- oder SLICE-Generator 70 aus 10 schiebt mathematisch eine Serie von nahe beieinander liegenden horizontalen Ebenen durch die tesselierte Objektdatei. Die SLI-Datei repräsentiert jeweils eine Serie von nahe beieinander liegenden zweidimensionalen Querschnitten des dreidimensionalen Objekts bei einem leicht verschiedenen Z-Koordinatenwert.
  • 5 zeigt die Nicht-Verbindungsseite, welche im Allgemeinen bezeichnet wird mit der Bezugsziffer 28, welche kombiniert wird mit der Verbindungsseite 18, um den Strang 14 zu bilden, s. kurz 4. Wie in 5 zu sehen, gibt es ein graphisches Triangulationsmuster, welches auch von dem Computer 4 gebildet wird, um ein erstes Dreieck 29 und ein zweites Dreieck 30 in der Seite 28 zu bilden. Die Seite 28 weist auch ein drittes Dreieck 27 auf, welches nach unten zeigt, um nach unten gerichtete Gebiete auf dem Strang 14 selbst zu vermeiden, welches aber nicht das Teil 11 berührt. Die Seite 28 verleiht der Seite 18 des Strangs 14 Festigkeit und wird ausgehärtet auf eine Tiefe, welche größer ist als die Aushärtetiefe der Verbindungsdreiecke 21 und 24.
  • 4 zeigt anschließend den fertig zusammengebauten Strang 14 mit der Verbindungsseite 18 und der Nicht-Verbindungsseite 28, die dergestalt zusammengebaut sind, dass sie sich orthogonal schneidende Seiten bilden. Der Strang 14 verbindet sich jeweils mit dem Teil 11 entlang der unteren und oberen Verbindungsoberfläche 22 und 25. Es sollte festgehalten werden, dass nur bei der Verbindungsseite 18 die Verbindungsdreiecke 21 und 24 das Teil entlang der Teilverbindungsoberflächen 22 und 25 berühren. Der Zweck der Stränge mit ihren Verbindungsseiten ist es, Unterstützung für das Teil 11 zu bieten, während das Teil gebaut wird. Die Stränge, wie beispielsweise die Stränge 14, 16 und 31, die in 2 dargestellt sind, sind immer vertikal ausgerichtet. Die individuellen Stränge bestehen aus mehreren Komponenten, welche aus Dreiecken gebildet werden, wie zuvor jeweils erläutert im Hinblick auf die Seiten 18 und 28 gemäß der 3 und 5.
  • Es gibt Parameter, welche verbunden sind mit den Strängen 14 und 31, welche modifiziert werden können, um die Größe des Strangs auf geeignete Weise zu ändern. Die orthogonale Ausrichtung der Verbindungs- und Nicht-Verbindungsseiten stellt den benötigten Betrag an Festigkeit und Selbstunterstützung bereit für das Teil, so dass jeder Strang eine ausreichende Festigkeit aufweist, um dem Druck einer Wiederbeschichtungsklinge (nicht gezeigt) zu widerstehen, welche verwendet werden könnte, um zusätzliche Lagen von Photopolymerflüssigkeit auf das Teil 11 während der Herstellung aufzubringen. Das unterschiedliche Aushärten der Unterstützungsstruktur 10 gewährleistet jedoch, dass die Verbindungsdreiecke 21, 26, 24 und 39, welche in 6 zu sehen sind, eine geringere Aushärtetiefe haben, als die Zwischenregionen der Stränge 14 und 34 und die orthogonalen Seiten 18, 28, 32, 34, um Schwachpunkte zu erzeugen an der Verbindung mit dem Teil 11 entlang der Verbindungsoberflächen 22 und 24, um die Unterstützungsstruktur 10 auf einfache Weise von dem fertigen Teil 11 zu entfernen.
  • Wie am besten in 6 zu sehen, gehen die Vorsprünge 15 aus von einem Strang und erstrecken sich auf einen benachbarten Strang. Die Vorsprünge 15 erstrecken sich vom Strang 31 zum Strang 14. Die Vorsprünge können entweder in einer aufwärtigen oder einer abwärtigen Richtung angeordnet sein. Keiner der Vorsprünge berührt jemals das Teil 11 und sie sind alle gebildet aus Nicht-Verbindungsdreiecken. Alternativ könnte der Vorsprung gebildet werden aus einer verschiedenartigen geometrischen Form, wie beispielsweise Rechtecken, welche auch orthogonal ausgerichtet wären. Solch ein Design kann die Vorsprünge fester machen, falls eine solche Festigkeit gewünscht sein sollte.
  • Zurückkehrend zu 6 ist zu sehen, dass die zwei Stränge 14 und 31 eine ähnliche Struktur aufweisen. Der Strang 31 weist beispielsweise eine Nicht-Verbindungsseite 34 und eine Verbindungsseite 32 auf. Die Verbindungsseite 32 weist das obere Verbindungsdreieck 36 und das untere Verbindungsdreieck 39 auf. Die Schlüsselparameter, welche der Unterstützungsstruktur der vorliegenden Erfindung zugeordnet sind, werden in 6 gezeigt. Diese Parameter definieren die kritischen Distanzen und Dimensionen der Stränge, Vorsprünge und, falls verwendet, der dreieckförmigen Klammern. Diese Parameter umfassen die Strangbeabstandung 40, welche in diesem Fall die Distanz zwischen den Strängen 14 und 31 ist. Die Verbindungsschnitthöhe 41 ist die Höhe des vertikalen Teils der unteren Verbindungsdreiecke 24 und 39, welche tatsächlich in das Teil 11 (nicht gezeigt) eindringt. Diese Höhe kann dieselbe sein oder verschieden für das nach unten gerichtete und nach oben gerichtete Dreieck 5. Die offene Verbindungshöhe 42 ist die Höhe des vertikalen Teils des Verbindungsdreiecks, welches nicht in das Teil 11 eindringt. Dieselbe Höhe kann jeweils verwendet werden für die oberen und unteren Verbindungsdreiecke 21, 36 und 24, 39 oder verschiedene Höhen können verwendet werden falls gewünscht. Die Vorsprungsversatzhöhe 44 repräsentiert den Höhenunterschied oder den vertikalen Unterschied zwischen dem Startpunkt des Vorsprungs 15 und dem Endpunkt des Vorsprungs, da sich der Vorsprung zwischen benachbarten Strängen erstreckt. Die Vorsprungsdicke wird gezeigt durch die Distanz zwischen den Vorsprungsdickenpfeilen 45. Auf ähnliche Weise wird die Strangdicke gezeigt durch die Distanz zwischen den Strangdickepfeilen 46. Die Strangdicke ist die tatsächliche Dicke oder Breite von entweder den Verbindungsseiten 32, 18 oder den Nicht-Verbindungsseiten 34, 28.
  • Als Beispiel und um das unterschiedliche Aushärten zu veranschaulichen, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um Schwachpunkte in der Unterstützungsstruktur 10 der Verbindung mit dem Teil 11 zu erzeugen, können das obere Verbindungsdreieck 21 und das untere Verbindungsdreieck 24, welche jeweils die SDIB und die SUIB bilden nach dem schichtweisen Teilen Aushärtetiefen von ungefähr 9 mils aufweisen. Die Strangverbindungsseite 18 und die Nicht-Verbindungsseite 24 können eine Aushärtetiefe von ungefähr 12 mils aufweisen, abhängig von dem speziell verwendeten Harz. Im Allgemeinen wird die Aushärtetiefe der oberen und unteren Verbindungsdreiecke 21 und 24 an der SUIB und der SDIB 2 bis 3 mils dünner sein, als der Rest der Unterstützungsstruktur 10. Die Aushärtetiefe des Teils 11 kann jede gewünschte Dicke aufweisen, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 10 mils oder eine größere Dicke. Die Dicke der Aushärtetiefe des Teils 11 relativ zu der Aushärtetiefendicke der Unterstützungen wurde als unwichtig angesehen in Bezug auf die Schaffung von Schwachpunkten und zwar wegen der erhöhten Festigkeit des Teils aufgrund der sukzessiv übereinander gelagerten Schichten.
  • Eine weitere Unterstützungseinheit, welche dreiecksförmige Klammer genannt wird, wird in 7 gezeigt und wird verwendet zusätzlich zu der grundlegenden Unterstützungsstruktur, welche aus Strängen und Vorsprüngen besteht. Die Bezugsziffer 48 bezeichnet im Allgemeinen die Hauptstrangvorsprungsstruktur, welche dreiecksförmige Klammern 49 aufweist. Die Hauptstränge werden bezeichnet durch die Bezugsziffern 52, 53 und 54. Diese dreiecksförmige Klammerstruktur wird verwendet, wenn der Teilbau fortschreitet und die Höhe des Strangvorsprungsgerüsts zunimmt. Dieses Gerüst kann ins Wanken kommen, wenn die Wiederbeschichtungsklinge (nicht gezeigt) welche in einem SLATM-System verwendet wird neues Photopolymer auf das Teil in der Photopolymerwanne (ebenfalls nicht gezeigt) aufbringt. Solch ein Wanken ist gefährlich für die Stabilität der Unterstützungen und des Teils 11. Deshalb muss das Strangvorsprungsgerüst geklammert werden, damit es während des gesamten Bauprozesses stabil bleibt. Die dreieckförmigen Klammern 49 dienen diesem Zweck. Jede dreieckförmige Klammer besteht aus drei Strängen mit verschiedenen Vorsprüngen dazwischen. Die drei Stränge 52, 53 und 54 bilden jeweils die Dreiecksform in der X-Y-Ebene. Zwei der Endstränge werden befestigt an dem Hauptunterstützungsstrang, um mit der Hauptunterstützungsstruktur eine kohäsive Einheit zu bilden. Die dreieckförmige Versatzbreite, welche durch die dreieckförmigen Versatzbreitenpfeile 50 in 7 angezeigt wird, repräsentiert die Distanz des äußersten vertikalen Strangs der dreieckförmigen Klammer von der tatsächlichen Unterstützungsstruktur. Wenn diese Distanz ausreichend vergrößert wird, gibt es mehrere Stränge auf der Klammer zwischen der Unterstützungsstruktur und dem obersten Strang. Es sollte im Hinblick auf alle Schlüsselparameter die zuvor diskutiert wurden, festgehalten werden, dass die verwendete Software die Werte der Parameter ändern kann, von denen, welche in einem Stil verwendet werden, um besser Unterstützungen zu erzeugen, und dies kann stattfinden unter einer dynamischen Modifikation der Parameter.
  • Eine weitere Form von Unterstützungsstruktur, welche verwendet werden kann, ist die Verstärkung (gusset), welche allgemein bezeichnet wird durch die Bezugsziffer 55 in 8. Die Verstärkung 55 wird verwendet auf einem Teil mit nach unten gerichteten Oberflächen, welche vertikale Gebiete angrenzend dazu aufweist. Die Verstärkung 55 wird gebildet aus schrägen Streifen 56 der Dreiecke 61 und horizontalen Streifen 58 der Dreiecke 62. Die horizontalen Streifen 58 unterstützen die schrägen Streifen 56, wenn die Verstärkung 55 in der Z-Richtung gebaut wird. Zusammen bilden die schrägen Streifen 56 und die horizontalen Streifen 58 eine kohäsive Einheit, nämlich die Verstärkung 55, welche das nach unten gerichtete Gebiet 13 des Teils unterstützt. Die Freiräume 60 zwischen den schrägen Streifen 56 und den horizontalen Streifen 58 gestatten dem Photopolymermaterial leicht abzulaufen und verhindern das Einschließen von flüssigen Volumina in dem herzustellenden Teil.
  • Die Dreiecke 61 und 62 der Verstärkung 55, welche in 8 gezeigt werden, werden auf dieselbe Weise hergestellt, wie die Strangdreiecke 19, 20, 29 und 30, welche zuvor diskutiert wurden unter Bezugnahme auf die 3 und 5. Jeder schräge Streifen 56 und jeder horizontale Streifen 58 wird, wie gezeigt, aus zwei Dreiecken gebildet. Die Stärke der Streifen, welche in jeder Verstärkung 55 verwendet werden, hängt von der Größe des nach unten gerichteten Gebiets und dem gewählten Verstärkungswinkel ab. Ein vorgegebener Winkel von 45° wird angewandt, bis er durch die Bedienperson des stereolithographischen Systems überschritten wird. Die Dicke der Vorsprünge zwischen benachbarten Verstärkungen 55 wird auf die gleiche Weise wie die Vorsprungsdicke 45 bestimmt, welche zuvor unter Bezugnahme auf 6 diskutiert wurde. Es sollte festgehalten werden, dass jeweils alle Dreiecke 61 und 62 der schrägen Streifen 56 und 58 Verbindungsdreiecke sind und daher leichter von dem Teil das hergestellt wird zu entfernen sind.
  • Während die Erfindung oben beschrieben wurde unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, ist es offensichtlich, dass viele Änderungen, Modifikationen und Variationen hinsichtlich der Materialien, der Anordnungen der Teile und Schritte durchgeführt werden können, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert wird. Beispielsweise kann beim Anwenden des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zum Bilden einer Unterstützungsstruktur das Verfahren genauso gut benutzt werden, um Unterstützungen für Teile herzustellen, die den Quick-CastTM-Baustil für ein direktes Hüllenausschmelzverfahren verwenden.

Claims (22)

  1. Ein Verfahren zum Bilden eines dreidimensionalen Objekts unter Verwendung von Steorolithographie, um ein flüssiges Medium zu stimulieren, so dass es selektiv übergeht in einen festen Zustand, um das dreidimensionale Objekt zu bilden, aufweisend: a) Bereithalten eines Mediums im flüssigen Zustand in einem Behälter, wobei das Medium in der Lage ist überzugehen in einen festen Zustand bei selektiver Aufbringung von Energie, um eine Zustandsänderung zu stimulieren; b) Empfangen einer Datenbeschreibung eines zu bildenden Objekts; c) Manipulieren der empfangenen Daten, um die Daten zu optimieren für die Verwendung bei der selektiven Aufbringung von Energie, um den Zustandswechsel des flüssigen Mediums zu stimulieren, um ein Objekt zu bilden und d) selektives Aufbringen von Energie auf das flüssige Medium in dem Behälter, um eine Stützstruktur und das dreidimensionale Objekt Schicht für Schicht zu bilden, wobei die Stützstruktur eine Zwischenregion aufweist, welche die Grenzregionen (21, 24) verbindet, wobei die Grenzregionen (21, 24) ein kleineres Querschnittsgebiet aufweisen, als die Zwischenregion, wobei auf die Grenzregionen (21, 24) die die Unterstützungsstruktur berühren selektiv verschiedene Energieniveaus aufgebracht werden bei zumindest der nach unten gerichteten Grenzregion (24); dann Erzeugen der Zwischenregion und des Objekts, um dadurch Schwachpunkte zu erzeugen mit geringerer Aushärtung in dem in den festen Zustand übergegangenen flüssigen Medium als bei der Zwischenregion und dem dreidimensionalen Objekt bei zumindest den nach unten gerichteten Grenzregionen, um das Herausnehmen der Unterstützungsstruktur aus einem vollendeten dreidimensionalen Objekt zu erleichtern.
  2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend das Bereitstellen der Unterstützungsstruktur mit einer nach Oben gerichteten Grenzregion (21), wobei die nach Oben gerichtete Grenzregion (21) das dreidimensionale Objekt berührt und Schwachpunkte mit geringerer Aushärtung aufweist in dem in den festen Zustand übergegangenen flüssigen Medium als die Zwischenregion und das dreidimensionale Objekt, um das Herausnehmen der Unterstützungsstruktur aus dem vollendeten dreidimensionalen Objekt zu erleichtern.
  3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Unterstützungsstruktur sich vertikal erstreckende Stränge (14) aufweist, wobei die Stränge (14) zumindest eine nach Unten gerichtete Grenzregion (24) umfassen, welche das dreidimensionale Objekt berührt.
  4. Das Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei jeder Strang (14) zwei sich orthogonal schneidende Seiten (18, 28) aufweist, wobei eine Seite eine Objekt-Grenzseite (18) ist und eine zweite Seite eine Nicht-Grenzseite (28) ist.
  5. Das Verfahren nach Anspruch 4, aufweisend graphische Muster der zwei sich orthogonal schneidenden Seiten (18, 28) zu Dreiecken (19, 20, 29, 30).
  6. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei nebeneinander liegende Stränge (14, 31) verbunden werden mit Vorsprüngen (15), um die Unterstützungsstruktur zu verstärken.
  7. Das Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Vorsprünge (15) dreieckförmige Klammern aufweisen.
  8. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Verwendung eines Lasers, um selektiv Energie aufzubringen auf das flüssige Medium.
  9. Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das flüssige Medium ein Photopolymerharz aufweist.
  10. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Verwendung einer höhenverstellbaren Plattform in dem Behälter, um das dreidimensionale Objekt in dem flüssigen Medium anzuheben und abzusenken.
  11. Das Verfahren gemäß Anspruch 9, umfassend das selektive Verwenden eines Lasers, um das Photopolymer selektiv auszuhärten, um das dreidimensionale Teil mit der Unterstützungsstruktur zu bilden, wobei das Teil und die Unterstützungsstruktur unterschiedlich ausgehärtet werden, so dass das Teil und die Unterstützungsstruktur unterschiedliche Dicken aufweisen, wobei die Dicken am geringsten sind bei den Grenzregionen.
  12. Ein stereolithographisches Teil, welches gebildet wird durch selektive Stimulation eines flüssigen Mediums zu einem festen Zustand aufweisend: a) zumindest eine Unterstützungsstruktur mit einer Zwischenregion, welche die gegenüberliegenden Grenzregionen (21, 24) verbindet, wobei die Grenzregionen (21, 24) das Teil bei den aneinandergrenzenden Grenzen (22, 25) berühren; b) die Zwischenregion im festen Zustand weist eine erste feste Aushärtetiefe und ein erstes Querschnittsgebiet auf; und c) die Grenzregionen (21, 24) haben eine zweite feste Aushärtetiefe und ein zweites Querschnittsgebiet, wobei die Kombination der zweiten festen Aushärtetiefe ausreichend kleiner ist als die erste feste Aushärtetiefe und das zweite Querschnittsgebiet ausreichend kleiner ist als das erste Querschnittsgebiet, um Schwachpunkte zu bilden an denen die Unterstützungsstruktur leicht von dem Teil abtrennbar ist.
  13. Das Teil gemäß Anspruch 12, wobei die Grenzregionen nach Oben gerichtete Grenzregionen (21) und nach Unten gerichtete Grenzregionen (24) umfassen.
  14. Das Teil gemäß Anspruch 13, wobei das Teil eine dritte feste Aushärtetiefe aufweist, welche größer ist als die zweite feste Aushärtetiefe.
  15. Das Teil gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Unterstützungsstruktur vertikal ausgerichtete Stränge (14) umfasst.
  16. Das Teil gemäß Anspruch 15, wobei bei den Strängen (14) jeweils die gegenüberliegenden Grenzregionen (21, 24) verbunden sind mit einer Objekt-Grenzseite (18).
  17. Das Teil gemäß Anspruch 16, wobei die Stränge (14) jeweils eine Objekt-Nicht-Grenzseite (28) aufweisen, welche die Objekt-Grenzseite (18) orthogonal schneidet.
  18. Das Teil gemäß Anspruch 17, wobei die Objekt-Nicht-Grenzseite (28) und die Objekt-Grenzseite (18) graphisch gemusterte Dreiecke (19, 20, 29, 30) sind.
  19. Das Teil gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei nebeneinander liegende vertikal ausgerichtete Stränge (14, 31) verbunden und verstärkt sind, mit zumindest einem Vorsprung (15), welcher sich dazwischen erstreckt.
  20. Das Teil gemäß Anspruch 19, wobei der zumindest eine Vorsprung (15) eine dreieckförmige Klammer umfasst.
  21. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei die Unterstützungsstruktur zum Verstärken des Teils Versteifungen umfasst.
  22. Das Teil gemäß Anspruch 21, wobei die Versteifungen gebildet sind aus horizontalen Streifen und schrägen Streifen, welche verbunden sind, mit dem Teil wobei die Streifen getrennt werden durch Freiräume, um den Abfluss des flüssigen Mediums während der Herstellung des Teils zu erleichtern.
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