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1. Gebiet
der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Verbesserungen für Verfahren
und Vorrichtungen zum Bilden von dreidimensionalen Objekten aus
einem flüssigen
Medium. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein neues und
verbessertes stereolithographisches Verfahren, welches die Anwendung von
verstärkten
stereolithographischen Aushärtetechniken
beinhaltet, um dreidimensionale Objekte, welche durch die Ausgestaltung
der Eingangsdaten beschrieben sind, genauer und ökonomischer aus lichtaushärtbaren
Polymeren zu reproduzieren.
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2. Beschreibung des einschlägigen Stands
der Technik
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Die
Stereolithographie stellt einen schnellen Weg bereit, um rasch komplexe
oder einfache Teile ohne herkömmliche
Werkzeugbearbeitung herzustellen. Das grundlegende stereolithographische
Verfahren und die Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens werden
beschrieben im US-Patent Nr. 4,575,330, welches dem Inhaber der
vorliegenden Erfindung gehört.
Da diese Technologie abhängt
von der Verwendung eines Computers, um die entsprechenden Querschnittsmuster
zu erzeugen, gibt es eine natürliche
Datenverbindung zu CAD/CAM. Solche Systeme wurden jedoch mit Schwierigkeiten konfrontiert,
welche zusammenhängen
mit Schrumpfung, Verwindung und anderen Verzerrungen, sowie der
Auflösung,
der Genauigkeit und Schwierigkeiten beim Herstellen bestimmter Objektformen.
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Die
Objekte, welche unter Verwendung von Stereolithographie hergestellt
wurden, tendieren dazu, sich gegenüber ihren von CAD erstellten
Abmessungen zu verzerren. Diese Verzerrung kann oder kann nicht
auftreten in einem speziellen Objekt, basierend darauf, wie viel
Spannung erzeugt wird durch die spezifischen Aushärteparameter
und auf der Fähigkeit
des Objekts, Spannungen zu widerstehen. Die Spannung, welche Verzug
erzeugt, entwickelt sich wenn das Material welches von einem flüssigen Zustand
in einen festen Zustand umgewandelt wird, in Berührung kommt mit oder anhaftet
an zuvor ausgehärtetem
Material. Wenn das Material umgewandelt wird von einem flüssigen in
einen festen Zustand schrumpft es leicht. Alle stereolithographischen
Harze erfahren eine Schrumpfung, wenn sie ausgehärtet werden. Die Schrumpfung
wird variieren, abhängig von
dem Harztyp, der Temperaturveränderung
als Resultat der Belichtungsrate und anderen verwandten Faktoren.
Diese Schrumpfung erzeugt Spannung und hat zwei hauptsächliche
physikalische Ursachen: (1) Die Dichte der Flüssigkeit ist kleiner als die des
festen Kunststoffmaterials; und (2) Die chemische Reaktion, welche
die Zustandsänderung
bewirkt, ist stark exotherm, was dazu führt, dass sich das Aushärtematerial
thermisch ausdehnt und kontrahiert.
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Bestimmte
Abschnitte eines Objekts werden in der Lage sein, Spannungen zu
widerstehen, ohne irgendwelche sichtbaren Wölbungen, nämlich da, wo die Spannungen
auf einem hinnehmbaren Niveau sind. Andererseits können sich
andere Abschnitte beträchtlich
verziehen, wenn die Spannung und die strukturelle Stärke einander
aufwiegen. Da die Spannung verursacht wird durch Kontakt zwischen
Aushärtematerial
und ausgehärtetem
Material kann sie sich entlang der gesamten Länge des Kontakts zwischen der
Aushärtelinie
und dem ausgehärteten
Material verbreiten. Der meiste Kontakt zwischen ausgehärtetem und
auszuhärtendem
Material tritt auf von einer Schicht zur nächsten und nicht entlang einer
einzigen Schicht. Dies impliziert, dass die meisten Verzerrungen
vertikaler Natur sein werden, und nicht horizontaler Natur. Des
Weiteren tendieren große
Merkmale in der XY-Ebene dazu, mehr zu schrumpfen als kleinere Merkmale
in der XY-Ebene. Da die Schrumpfung ein fester volumetrischer Prozentsatz
ist, wenn sich ein Teil umwandelt von einem großen Merkmal in ein kleines
Merkmal entlang der Z-Richtung, produziert die Differenz der Schrumpfungswerte
eine verstärkte
Diskontinuität
auf der äußeren Oberfläche, d.h.
eine geometrische Unzulänglichkeit,
welche allgemein bekannt ist als der differenzielle Schrumpfungseffekt.
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Differenzielle
Schrumpfung ist stärker
ausgeprägt
in Teilen, welche sich umwandeln von einem großen Merkmal in ein kleines
oder dünnes
Merkmal. Je größer die
Differenz bei den Größen der
Merkmale ist, desto größer ist
die differenzielle Schrumpfung. Typischerweise wird der größte Teil
des zu bildenden Objekts ausgehärtet
in einem so genannten Schraffur- (Hatch) oder Füll- (Fill) Muster. Ältere Techniken zum
Aushärten
der Aufbauteile haben die größte Schrumpfung
oder Verzerrung in dem größten Teil desjenigen
Teils erfahren, in dem das Schraffieren oder Füllen typischerweise auftritt,
und nicht in den Grenzschichten. Das Hauptteilgebiet, in dem die Schrumpfung
auftritt, wird Defekte und Oberflächenanomalien aufweisen. Ältere Aushärtemethoden,
die eine Mehrfachrandaushärtung
verwenden, haben die Grenzen zu diesen zentralen oder Haupt-Teilgebieten
ausgehärtet,
indem sie zunächst äußere Grenzbereiche
ausgehärtet
haben und anschließend
aufeinander folgende Grenzdurchläufe
nach innen in Richtung der Zentralgebiete ausgehärtet haben. Dieses Verfahren
verlässt
das endgültige
Verbinden der Grenze mit den zentralen schraffierten oder gefüllten Gebieten
derart, dass die unkorrigierten Oberflächendefekte oder – anomalien
in dem zentralen schraffierten oder gefüllten Gebiet unkorrigiert zurückbleiben.
Dies führt
zu ungenauen Reproduktionen der Eingangsdaten in dem dreidimensionalen Objekt,
welches geformt wird. Alternativ führt das direkte Verbinden der
Grenze mit dem zentralen schraffierten oder gefüllten Teilgebiet dazu, dass
die Grenzen verzerrt werden, wenn das Aushärten der zentralen schraffierten
oder gefüllten
Gebiete fortdauert und zwar aufgrund der Schrumpfung des größeren Zentral-
oder Hauptteilgebiets.
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Eine
weitere Verschlimmerung des Verzugsproblems kommt mit dem Auftreten
von Fortschritten in der Lasertechnologie auf, da verstärkt Laser
mit höherer
Leistung verwendet werden, um das lichtaushärtbare Material auszuhärten, was
zu einer schnellen Aushärtung
und einer beschleunigten Wärmeerzeugung
und Hitzeaufbau in den ausgehärteten Teilen
in einer kürzeren
Zeitspanne führt.
Versuche, diesen verstärkten
Wärmeaufbau
zu kompensieren, erfordern die Anwendung von niedrigerer Leistung und
kleinerer Punktgröße, welche
beide kontraproduktiv sind im Hinblick auf die höhere Geschwindigkeit und die
größere Aushärtefähigkeit
von Lasern mit höherer
Leistung. Andere Versuche, dieses Problem zu kompensieren, verwendeten
erhöhte
Verzögerungszeiten
zwischen dem Aushärten
der Komponente, um die Effekte der Teilschrumpfung und der damit
einhergehenden Teilverzerrung, welche sich aus der Schrumpfung ergibt,
zu reduzieren. Diskussionen hinsichtlich der Fähigkeit, diesen Typ der Aushärtung auszuführen, werden
beschrieben in den US-Patenten mit den Nummern 6,103,176 und 5,902,538,
welche beide dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören. Die
Diskussion der Techniken zum Vermindern der differenziellen Schrumpfung umfassen
die Verwendung einer Verzögerung
nach der Belichtung von zumindest einem Teil eines Querschnitts
oder einer Lage werden präsentiert
in USSN 09/246,504 (veröffentlicht
als US-Patent Nr. 6,399,010), welche am B. Februar 1999 eingereicht wurde,
und dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehört.
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Die
US-A-5,932,659 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen
Objekten in einer schichtartigen Weise, in der jede Schicht aufgeteilt
wird in eine innere Kernregion und eine äußere Hüllenregion, welche beaufschlagt
werden durch die Einstrahlung, um verschiedene Eigenschaften für die verschiedenen
Regionen zu erzeugen.
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Deshalb
besteht ein Bedarf für
eine Technik, mit der die differenzielle Schrumpfung und die Verzerrung
in Teilen reduziert werden kann, welche unter Verwendung von Stereolithographie
hergestellt werden, ohne dabei den Gesamtaufbau oder die Herstellungszeit
zu beeinträchtigen
durch übermäßige oder verstärkte Verzögerungszeiten,
um den Komponenten das Aushärten
zu gestatten.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung, welche unten wieder
gegeben wird, beziehen sich auf die Erfindung, wie sie in den nachstehenden
Ausführungsformen
beschrieben wird.
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In Übereinstimmung
mit einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Bilden eines dreidimensionalen Objektteils mit mehreren Grenz-
bzw. Randbelichtungen in schichtartiger Weise durch selektives Aushärten eines
lichtaushärtbaren
Aufbaumaterials beschrieben, welches aufweist:
- (a)
Aushärten
eines Hauptteilgebiets des dreidimensionalen Objektteils in einer
ersten aushärtbaren
Schicht von Aufbaumaterial, um eine erste ausgehärtete Schicht zu bilden;
- (b) Verzögern
für eine
Zeitdauer nach dem Aushärten
des Hauptteilgebiets, um es dem Innern des Teils der Komponente
zu gestatten, zu schrumpfen, bevor das Äußere des Teils gezeichnet wird;
- (c) Aushärten
der Ränder,
welche das Hauptteilgebiet umgeben, in der ersten ausgehärteten Schicht
in mehreren Grenzzeichnungen unter Verwendung von Grenzvektoren
von Gebieten, welche am nächsten
gelegen sind zu dem Hauptteilgebiet, zu Gebieten, welche am weitesten
weg gelegen sind von dem Hauptteilgebiet, um es dem Aufbaumaterial
zu gestatten, geschrumpfte Gebiete zu füllen, um die Oberflächenanomalien
zu reduzieren und eine Randintegrität und Ebenheit zu erhalten;
und
- (d) Wiederholen der Schritte (a) bis (c) in einer zweiten Schicht
von aushärtbarem
Aufbaumaterial, welche zumindest einen Teil der ersten ausgehärteten Schicht
von Aufbaumaterial überdeckt.
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Vorzugsweise
weist das Objektteil eine Mehrzahl von Komponenten auf.
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Das
Verfahren zum Herstellen von stereolithographischen Teilen verwendet
eine Aushärtetechnik,
welche differenzielle Schrumpfung auf ein akzeptables Niveau beim
Aufbauen der Teile reduziert oder steuert.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht,
dass die Schrumpfung während
des Aufbaus von stereolithographischen Teilen gesteuert werden kann,
an der Schnittstelle zwischen den schraffierten oder gefüllten Hauptteilgebieten
und dem Teilrand.
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Durch
Einschließen
der Verzögerungszeit zwischen
den Komponentenvektoren und wahren CAD-Grenzscans, wird die Schrumpfung
von Harz oder Aufbaumaterialaushärtung
minimiert oder eliminiert.
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Es
ist ein bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass ein
Aufbaustil verwendet wird, welcher eine ausreichende Verzögerungsperiode
gestattet, nachdem das schraffierte oder gefüllte Hauptgebiet ausgehärtet ist,
um eine Schrumpfung zu gestatten, und die Verzögerungsperiode kombiniert mit
dem Befestigen des Teilrands direkt an dem schraffierten oder gefüllten Gebiet.
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Es
ist ein weiteres bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung,
dass das Anhaften des Teilrands direkt an das schraffierte oder
gefüllte
Hauptgebiet in aufeinander folgenden Grenzaushärtedurchläufen erreicht wird von dem
am nächsten
gelegenen Randgebiet neben dem schraffierten oder gefüllten Hauptgebiet
zu der Außenseite
oder dem am weitesten weg gelegenen Teil des schraffierten oder gefüllten Gebiets.
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Es
ist noch ein weiteres bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung,
dass die Technik die Verwendung von sowohl großen als auch kleinen Laserstrahlpunktgrößen verwenden
kann, um sowohl die schraffierten als auch gefüllten Hauptteilgebiete und
die Randgebiete auszuhärten.
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Es
ist noch ein weiteres bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung,
dass die Aushärtetechnik
flüssige
lichtaushärtbare
Materialien bereitstellt, um alle geschrumpften Gebiete des schraffierten
oder gefüllten
Hauptgebiets während
der mehreren Grenzzüge
zu füllen.
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Es
ist noch ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung, dass
Unterstützungen
für jede Komponente
eines Teils gezeichnet werden zwischen dem aufeinander folgenden
Komponentenvektorscannen und dem wahren CAD-Grenzzug.
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Es
ist noch ein anderes optionales Merkmal der vorliegenden Erfindung,
dass die Vektortypen, welche von dem Laser gezogen werden, so angeordnet
sind, dass sie die Verzögerungszeit
zwischen dem Komponentenzeichnen reduzieren und gleichzeitig soviel
Aufbau als möglich
bewerkstelligen und Verringerungen des dem Gesamtstereolithographiesystemdurchsatzes
reduzieren oder eliminieren.
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Es
ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass das stereolithographische
Verfahren zum Aushärten
von lichtaushärtbarem
Material Verzerrungen in dem fertigen Teil reduziert, und die Ebenheit
und Integrität
der Teilränder
erhält.
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Es
ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass das Aushärten der
Randgebiete in mehreren Grenzzeichnungen von dem Teil, welches am
nächsten
zu dem Hauptteilgebiet gelegen ist, zu dem Teil, welches am weitesten
weg von dem Hauptteilgebiet gelegen ist, die Oberflächenanomalien
und die Schrumpfung in dem fertigen stereolithographischen Teil
reduziert.
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Es
ist sogar noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung,
dass die Aufbaugeschwindigkeit des stereolithographischen Teils
nicht auf ein inakzeptables Niveau gesenkt werden muss, um eine verminderte
differenzielle Schrumpfung des Teils zu erreichen.
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Es
ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die
physikalische Eigenschaft der Dehnbarkeit beim Brechen des Teils
nicht reduziert wird.
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Diese
und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden erreicht mit dem
Verfahren der vorliegenden Erfindung durch Pausieren oder Verzögern für eine Zeitperiode
nachdem das schraffierte oder gefüllte Hauptgebiet des Teils
ausgehärtet
ist, um eine Schrumpfung zu gestatten, und anschließend die
Ränder
des Teils neben dem schraffierten oder gefüllten Hauptgebiet von der Innenseite
nach außen in
mehreren Grenzzeichnungsdurchläufen
auszuhärten,
um ein Teil zu produzieren, welches genau die Eingabedaten wiedergibt
und mit weniger Verzerrung, aber mit einer vergrößerten Dehnungsverlängerung
beim Brechen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung und ihre Anwendung wird nun eingehender beschrieben
unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen, welche in der
nachstehenden detaillierten Offenbarung beschrieben sind in Zusammenhang
mit den beigefügten
Zeichnungen, wobei:
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1 ist
eine graphische Darstellung der Abnahme der differenziellen Schrumpfung,
welche erhalten wird in Teilen, welche in Übereinstimmung mit dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;
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2 ist
eine diagrammatische Darstellung der Vektorscanzüge, welche mehrere Randvektorzüge zeigt
von dem Schraffurrand nach außen
zu dem endgültigen
Rand oder der wahren CAD-Grenze; und
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die 3A und 3B sind
diagrammatische Darstellungen der Vektorscanzüge, welche die Teilschichtgrenze
zeigen, interne Schraffurzüge
und die wahre CAD-Grenze.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Der
Zweck des Verzögerns
von zusätzlichen Vektorscanzügen durch
einen Laser in der Stereolithographie auf der Arbeitsoberfläche eines
Photopolymers ist es, eine spezifizierte Zeitdauer zwischen dem
Zeichnen der endgültigen
Schraffur eines dreidimensionalen Objektteils und dem Zeichnen seiner wahren
CAD-Grenze zu gestatten.
Diese Zeitverzögerung
gestattet es dem Inneren des Teils oder der Komponente zu schrumpfen,
bevor das Äußere des Teils
gezeichnet wird, um ein genaueres Teil herzustellen. Es wurde herausgefunden
bei verschiedenen Photopolymerharzen, dass differenzielle Schrumpfung
signifikant reduziert werden kann in einem bestimmten stereolithographischen
(SL-)System durch Anwenden von spezifischen Verzögerungszeiten zwischen der
endgültigen
Schraffur, zum Beispiel eines Teils und dem Zeichnen der wahren
CAD-Grenze des Teils. Beispielsweise betrug die differenzielle Schrumpfung
in einem Teil, welches in einem SLA7000-System mit einer Harzformulierung
hergestellt wurde, die vergleichbar ist mit SL7510, ungefähr 10 mils
(0,25 mm) ohne Zeitverzögerung
nach dem Schraffieren vor der endgültigen Grenze oder Randzeichnung,
welche die wahre CAD-Grenze darstellt, ungefähr 5 mils (0,13 mm) mit einer
5-sekündigen
Verzögerungszeit
und ungefähr
3 mils (0,08 mm) bei einer 15-sekündigen Verzögerungsdauer. Die differenzielle
Schrumpfung nimmt im Wesentlichen ab bei längeren Verzögerungszeiten bis zu 60 Sekunden,
aber der SL-Systemoutput kann auf unerwünschte Weise beeinflusst werden.
Deshalb muss es einen Ausgleich geben zwischen einer akzeptablen
Schrumpfung und den Outputzeiten. Die 1 ist eine
graphische Darstellung der Abnahme der differenziellen Schrumpfung,
welche erhalten wird in Teilen, welche auf einem SLA7000-System
hergestellt wurden, welches kommerziell erhältlich ist von 3D Systems,
Inc., aus Valencia, Kalifornien, welches das Verfahren der vorliegenden
Erfindung verwendet. Akzeptable Schrumpfung trat dabei auf mit Verzögerungszeiten
von 15 Sekunden. Die 2 zeigt die Vektorscanzüge eines
Teils, welche im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet
werden mit mehreren Rändern,
welche die verbesserte Zeichenreihenfolge der vorliegenden Erfindung
verwenden. Die Zeichenreihenfolge der Ränder startet von dem Schraffurrand
(LB) 11 nach außen
in Richtung des endgültigen
Rands oder der Schichtgrenzengrundierung (layer boundary prime LBP),
welche die wahre CAD-Grenze
des Teils ist, welches gezeichnet wird von dem SL-System aus den
CAD-Dateidaten,
welche das Objekt darstellen. Der erste Vektorscanzug ist der Schichtrand
für Schraffur
(LB) 11. Als nächstes werden
die Schraffurvektorscanzüge
ausgeführt
unter Verwendung eines ersten Durchlaufs eines Schraffurlaserscans
oder Zugs (LH) 12 und einem zweiten Durchlauf eines Schraffurlaserscans
oder Zugs (LH) 14. Die 2 zeigt
das Zeichnen des Teils 10 mit der wahren CAD-Grenze oder
Schichtgrenzengrundierung (LBP). Nachdem die Schraffurvektorscanzüge ausgeführt sind,
können
die Füllvektorscanzüge für die nach
oben gerichteten (UB) oder nach unten gerichteten (DB) Vektoren
gezogen werden. Anschließend
werden die mehrfachen Randvektoren 13 und 17 gezogen,
welche sich von der Innenseite des Teils nach außen von dem LB-11-Scanvektorzug
bewegen, bis der LBP 15 schließlich gezogen ist. Es wurde
herausgefunden, dass diese Zeichnungsreihenfolge die Unregelmäßigkeiten
in der LBP 15 minimiert und sie scheint die physikalischen
Eigenschaften der Verlängerung
bei einem Bruch des Teils zu verbessern. In der Theorie wird davon
ausgegangen, dass das Zeichnen der Vektorscanzüge in der zuvor verwendeten
Reihenfolge von Schraffurrand (LB), endgültiger Rand (LBP) und schließlich der
Füllränder (LB)
verursachte, dass der LBP mit Spannung beaufschlagt wurde und nach
innen gezogen wurde durch die Schrumpfung in dem Schraffurgebiet,
was Unregelmäßigkeiten verursacht
hat, welche ein Bruch während
eines Dehnungsverlängerungstests
verursacht haben.
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Die 3A veranschaulicht
ein Teil, wie es im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet
wird, mit seinem Schichtgrenzenlaserscan oder -zug (LB) 11,
einen ersten Durchlauf eines Schraffurlaserscans oder -zugs (LH) 12 und
einen zweiten Durchlauf eines Schraffurlaserscans oder -zugs (LH) 14.
Die 3B zeigt den Zug des Teils 10 mit der
wahren CAD-Grenze oder der Schichtgrenzengrundierung (LBP) 15 mit
dem Zwischenraum 16 zwischen der LB und der LBP, welcher
die Verzögerungszeit
zwischen den Vektorscanzügen
LB und LBP darstellt.
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Um
die Verzögerungszeit
beim Aufbau eines einzigen Teils oder einer Komponente oder mit
mehreren Komponenten, welche in einem stereolithographischen System
aufgebaut werden zu minimieren, wurde ein einfacher Algorithmus
entwickelt: Dieser Algorithmus sieht vor, dass für den Fall, dass mehrere Teile
in dem System aufgebaut werden, jede Komponente fertig gestellt
wird, bevor die nächste
gezeichnet wird. Wenn eine einzelne Komponente oder ein Teil 10 aufgebaut
wird auf einem stereolithographischen Ausrüstungsteil, zeichnet die Vektorscan- oder
-zugsequenz den inneren Grenzschichtvektor (LB) und anschließend einen
aufwärtigen
Grenzvektor (Upboundary Vector, UB) oder einen abwärtigen Grenzvektor
(Downboundary Vector, DB). Anschließend wird diese spezifische
Grenze schraffiert oder gefüllt
durch einen Schraffurvektor-(LH) Zug oder einen aufwärtigen oder
abwärtigen
Füllvektor
(UF oder DF). Die meisten Schraffurstile weisen zumindest zwei Schraffuren
auf. Wenn die letzte Schraffur für den
letzten inneren Grenztyp gezogen ist, wird die aktuelle Zeit (T1) aufgenommen für dieses individuelle Teil
oder diese Komponente. Wenn ein Teil drei innere Grenztypen aufweist,
wie beispielsweise LB, UB und DB, welche in dieser Reihenfolge durch
den Laserscan gezogen werden, dann wird die Zeit nicht aufgenommen,
bis der letzte Schraffur oder Füllvektor
für die
DB gezogen ist. Unterstützungen
werden dann gezogen für
das Teil, falls diese vorgesehen sind.
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Nachdem
die Unterstützungsvektorscans oder
-züge fertig
gestellt sind, wird die aktuelle Zeit (T2)
verglichen mit der vorherigen Zeit T1, welche
aufgenommen wurde nach der Vollendung des Schraffurvektorzugs. Das
System weist eine programmierte Verzögerungszeit auf, nach dem Schraffieren,
welche im Allgemeinen bezeichnet wird als die Nachschraffurverzögerungszeit
(Post-Hatch Delay Time, PHD), welche verwendet wird, um es dem Aushärten oder
Vernetzen des Photopolymerharzes zu gestatten, vollendet zu werden
und das Potenzial für
eine Teilschrumpfung von der ursprünglich beabsichtigten Größe, welche
in der CAD-Datendatei kommuniziert wird, zu reduzieren. Die Differenz
von T2 – T1 wird verglichen mit dem programmierten
PHD-Wert und die Differenz zwischen diesen Werten ist die Zeitdauer,
die das stereolithographische System abwartet, bevor es den LBP-Laserscan
zieht. Falls die Zeit zum Ziehen des Unterstützungsvektors größer ist
als die programmierte PHD, dann weist das System keine Verzögerung auf.
Das Ziehen der Unterstützungen zwischen
dem letzten Schraffurvektorzug und der LBP minimiert jegliche Verzögerungszeit,
welche benötigt
wird, und optimiert die Verwendung der PHD-Zeit durch gleichzeitiges
Ausführen
der Unterstützungsvektorzüge.
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Eine
zusätzliche
Optimierungsprozedur wird verwendet, welche automatisch entscheidet,
ob eine Verzögerung
notwendig ist für
den Abschnitt eines Teils, welches aufgebaut wird, obwohl ein PHD
programmiert wurde. Da die effektive Schrumpfung des Teils proportional
zu der Größe des inneren
Festbestandteils des Teils, welches aufgebaut wird, ist, benötigen große Gebiete
in der Länge
mit langen Vektorscanzügen
mehr Verzögerungszeit
als kleine Gebiete in der Länge,
welche kürzere
Vektorscanzüge benötigen. Wenn
ein Teil aufgebaut wird und in der Höhe zunimmt, verändert sich
die Geometrie des Teils derart, dass häufig das Querschnittsgebiet,
welches gescannt wird, ausreichend klein ist, so dass keine Verzögerung notwendig
ist. Dies wird erreicht, indem das System das Gebiet bearbeitet,
welches gezogen wird durch Berechnen der Länge von jedem Schraffur (LH)
oder Füll
(UF oder DF) für
dieses Gebiet. Wenn eine Schraffur- oder Fülllänge, welche größer ist
als die spezifizierte nominale Länge,
welche programmiert ist in der Software des Systems, dann wird eine
Verzögerungszeitdauer
angewandt. Wenn keine Schraffur- oder Füllvektorlängen vorliegen, die größer sind
als die programmierte Länge, dann
wird keine Verzögerungszeitdauer
angewandt. Es wurde herausgefunden, dass eine programmierte Länge von
1,0 Inches (25,4 mm) gut funktioniert. Dieser Algorithmus gestattet
es, in einem dynamischen Prozess angewandt zu werden, so dass das
stereolithographische (SL-)System die Teilgeometrie, welche gezogen
wird, beurteilt, und die Verwendung der Verzögerungszeit optimiert.
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Ein
alternativer Ansatz machte Gebrauch von individuellen Timern für jedes
Teil oder jede Komponente, welche gezogen wird, wenn mehrfache Teile
gezogen werden auf einer Aufbauplattform während desselben Aufbauprozesses.
Dieser Ansatz kombiniert die Verwendung von Timern und die zeiteffektive
Reihenfolge der Vektorscanzüge,
um den gesamten Output des SL-Systems zu optimieren. Es wurde festgestellt,
dass dies besonders effektiv in einem SL-System ist, wie einem SL7000-System
von dem Inhaber der vorliegenden Erfindung, wobei mehrere Laserstrahlpunktgrößen eingesetzt
werden und es deshalb eine erhöhte
Anzahl von Grenztypen und inneren Vektorscanzügen gibt, welche verwendet werden
können.
Es kann dort angewandt werden, wo mehrere Kopien von derselben SDL-Datei
ein Teil repräsentieren
oder mehrere SDL-Dateien mehrere Teile repräsentieren, welche gezogen werden.
In diesem Modus wird jeder Grenztyp für alle Komponenten in einer
spezifischen Reihenfolge gezogen, wie beispielsweise der Großpunktschichtrand
(LLB), der nach unten gerichtete Großpunktrand (Large Spot Downfacing
Border, LDB), der nach oben gerichtete Großpunktrand (Large Spot Upfacing
Border, LUB), anschließend
der Kleinpunktschichtrand (Small Spot Layer Border, LB), der nach
unten gerichtete Kleinpunktrand (Small Spot Downfacing Border, DB),
der nach oben gerichtete Kleinpunktrand (Small Spot Upfacing Border,
UB), anschließend
der Unterstützungsrand
und schließlich
die Schichtgrenzengrundierungsgrenze oder endgültigen Ränder (Layer Boundary Prime,
LBP). In diesem Verfahren werden alle LLB-Vektorscanzüge ausgeführt, zunächst für alle Komponenten,
bevor weitergemacht wird mit dem nächsten Grenztyp. Dies ist ein
wesentlicher Unterschied zum anfänglichen
Zeichnen aller Grenz- oder Randtypen für ein einziges Teil und anschließendem Fortfahren
mit dem Randtyp. Ein SL7000-System kann beispielsweise einen Laserstrahl
mit großer
Punktgröße von ungefähr 0,030
Inches (0,76 mm) im Durchmesser verwenden und einen Strahl mit kleiner
Punktgröße von ungefähr 0,010 Inch
(0,25 mm) im Durchmesser.
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Da
jedes individuelle Teil oder Komponente einen eigenen Timer für PHD aufweist,
kann der Prozess weiter optimiert werden in einer gegebenen Schicht,
wenn PHD-Komponenten oder Teile und Nicht-PHD-Komponenten oder Teile
in derselben Schicht gezogen werden. Beispielsweise ist es, falls ein
Teil ein PHD-Teil
ist, aber ein anderes nicht, möglich
durch Anordnen der PHD-Komponenten zuerst in der Vektorzugsequenz
und durch einen individuellen Timer für das PHD-Teil die programmierte
PHD-Zeit zu absorbieren, wenn der Nicht-PHD-Schraffur/Füllvektor gezogen wird und trotzdem
nicht den gesamten SL-Systemdurchsatz
zu beeinflussen. Des Weiteren ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit
des Auftretens von Verzögerungen
durch Ziehen der Unterstützungsvektorscans
nach dem Schraffieren aller Komponenten zu reduzieren. Eine zusätzliche
Verzögerung
kann vermieden werden durch die Verwendung des Algorithmus, welcher
das zuvor diskutierte Gebiet, welches gezogen wird, verwendet, um
zu bestimmen, ob es groß genug
ist, um die programmierte PHD anzuwenden. Dieser Mechanismus gestattet das
Mischen von PHD- und Nicht-PHD-Teilen oder Komponenten in einem
einzigen Aufbau auf einen SL-System und sogar mehrfache PHD-Teile
mit verschiedenen PHD-Werten
in jeglicher Kombination, wobei der optimale Teildurchsatz in dem
System beibehalten wird.
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Das
Prinzip, welches angewandt wird beim Verwenden der verbesserten
Randscanvektorzugreihenfolge ist es, den effizienten Einsatz von
Verzögerungsperioden
nach dem Schraffieren mit einem Spannungsreduzierungsaushärteverfahren
in jeder Schicht oder Lage zu kombinieren, um differenzielle Schrumpfung
zu reduzieren. Das Aufbaumaterial ist vorzugsweise ein lichtaushärtbares
Photopolymerharz, wie beispielsweise die von 3D Systems, Inc., Valencia,,
Kalifornien erhältlichen
SL7540, SL7520 oder SL7510, obwohl jedes geeignete Photopolymerharz
verwendet werden kann.
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Es
sollte auch festgehalten werden, dass die vorliegende Erfindung
angewandt werden kann mit Laserstrahlbreiten mit dualer Punktgröße oder
Laserstrahlbreiten mit einfacher kleiner Punktgröße. Wenn lediglich eine Strahlbreite
mit einer kleinen Punktgröße verwendet
wird, ist die Aushärtung
langsamer, damit die chemische Reaktion der Photopolymerreaktion
ablaufen kann, und trotzdem eine verminderte Schrumpfung erhalten
wird. Die bevorzugte UV-Lichtquelle zum Aushärten ist ein Laser mit einer definierten
Strahlbreite bzw. Durchmesser. Geeignete Laser umfassen einen HeCd-Laser
oder vorzugsweise einen Festkörperlaser.
Kleine Punktgrößenbelichtungen
können
verwendet werden, um die Schrumpfung zu reduzieren, wie zuvor diskutiert
und im Zusammenhang mit einer verminderten Laserleistung. Beispielsweise
hat sich herausgestellt, dass die Verwendung einer maximalen Laserleistung
von 300 mW die differenzielle Schrumpfung signifikant verminderte.
Die Verwendung von einem Laser kleiner Punktgröße verwendet vorzugsweise eine
Laserstrahlbreite von 12 mil (0,30 mm) oder weniger und wenn es
in einem dualen Punkgrößenmodus
des Betriebs verwendet wird, verwendet es eine Laserstrahlbreite
mit einer großen
Punktgröße von 27
mil (0,63 mm). Wenn die Verwendung eines Laserstrahls mit einer
einzigen Punktgröße verwendet
wird, kann die Strahlbreite jegliche Breite aufweisen, welche über 12 mil
(0,30 mm) liegt.
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Das
vorliegende Verfahren des Bildens eines dreidimensionalen Objekts
ergibt eine Aushärtung von
flüssigem
Material in verschiedenen volumetrischen Prozentsätzen in
den Zwischenschichten. Die teilweise ausgehärtete Zwischenschicht kann
ausgehärtet
werden von ungefähr
20 bis ungefähr
80 Vol.-% des Aufbaumaterials,
mehr bevorzugt von ungefähr
50 bis ungefähr
75 Vol.-% des Aufbaumaterials und am meisten bevorzugt von ungefähr 60 bis ungefähr 75 Vol.-%
des Aufbaumaterials während des
Aushärtens
der teilweisen Zwischenschicht.
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Während die
vorliegende Erfindung in erster Linie entwickelt wurde, um differenzielle
Schrumpfung zwischen stereolithographischen Teilen zu reduzieren,
sollte festgehalten werden, dass die Technik genauso gut angewandt
werden kann auf andere Technologien, welche dreidimensionale Objekte
bilden. Sie könnte
genauso gut angewandt werden auf Systeme, welche Photopolymere mit
irgendeinem UV-aushärtbaren
System verwenden. Zusätzlich
ist es, obwohl es im Zusammenhang mit flüssigen Photopolymeren beschrieben
wird, welche in einer stereolithographischen Vorrichtung verwendet
werden, möglich,
die Erfindung mit anderen Materialien in anderen Anwendungen einzusetzen.
Zum Beispiel kann eine Paste oder ein sinterbares Material, welches
mit UV-Licht aushärtbar
ist, genauso gut eingesetzt werden. Die Paste kann ein metallisches
oder keramisches Metall sein, welches gemischt ist mit einer aushärtbaren
Flüssigkeit.
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Das
Verfahren der Erfindung kann ausgeführt werden von einer Vorrichtung,
zum Beispiel einer stereolithographischen Vorrichtung, zum Bilden eines
dreidimensionalen Objektteils in schichtartiger Weise, wobei die
Vorrichtung gesteuert wird beispielsweise durch ein Computerprogramm,
welches einen Computer steuert, welcher in der Vorrichtung eingesetzt
wird, um die Verfahrensschritte in Übereinstimmung mit der Erfindung
wie oben beschrieben auszuführen.