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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein ein Materialzufuhrsystem für die „solid
freeform fabrication" und insbesondere
ein quantisiertes Zufuhrsystem, dass selektiv bestimmte Mengen von
Material direkt einer Vorrichtung zur solid freeform fabrication
zuführen kann,
um dreidimensionale Objekte zu bilden. Da das Zufuhrsystem quantisiert
ist, kann das System zum Aufbauen von dreidimensionalen Objekten
in Farbe verwendet werden oder um mehr als ein Material auszugeben.
Zusätzlich
kann das Zufuhrsystem mit einem hermetisch abgeschlossenen Abfallentfernungssystem
integriert sein, worin reaktive Materialien ohne spezielle Handhabungsverfahren
verarbeitet werden können.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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In
jüngster
Zeit wurden mehrere neue Technologien für die schnelle Erzeugung von
Modellen, Prototypen und Teilen entwickelt, die nur in begrenzter
Stückzahl
hergestellt werden sollen. Diese neuen Technologien können als
solid free form fabrication bezeichnet werden und werden hierin
mit „SFF" abgekürzt. Einige
SFF Techniken umfassen Stereolithographie, das selektive Ablagerungsmodellieren,
das schichtweise Objekt erstellen, das Selektiv Phase Area Deposition
Verfahren, die Multi-phase Jet Solidification, das Ballistic Particle
Manufacturing, das Fused Deposition Modeling, das Verfahren der
Particle Deposition, das Lasersintern u. Ä. Bei der SFF werden komplexe
Teile aus einem Baumaterial in einer hinzufügenden Art und Weise erzeugt,
im Gegensatz zu konventionellen Herstellungstechniken, die üblicherweise
auf dem Hinwegnehmen von Material basieren.
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Zum
Beispiel wird in konventionellen Herstellungstechniken Material
durch maschinelle Verarbeitung entfernt oder in einer Form oder
einer Düse
zu einer Vorform geformt und dann zurecht gestutzt. Im Gegensatz
dazu fügen
additive Herstellungstechniken taktweise Teile eines Baumaterials
zu angezielten Stellen hinzu, üblicherweise
Schicht für
Schicht, um ein komplexes Teil zu bauen.
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SSF
Technologien verwenden üblicherweise eine
graphische Computerdarstellung eines Teils und eine Zufuhr eines
Baumaterials, um das Teil in aufeinander folgenden Schichten herzustellen.
Die SFF Technologien haben viele Vorteile gegenüber den konventionellen Herstellverfahren
nach dem Stand der Technik. Zum Beispiel verkürzen die SFF Technologien dramatisch
die Zeit zur Entwicklung von Prototypteilen und sie können schnell
begrenzte Stückzahlen
von Teilen in Form eines Rapid Manufacturing Prozesses herstellen.
Sie vermeiden auch die Notwendigkeit für komplexe maschinelle Bearbeitungen, mit
dem konventionelle Herstellverfahren nach dem Stand der Technik
verbunden waren, insbesondere wenn Formen für Gussverfahren erzeugt werden müssen. Zusätzlich sind
die SFF Technologien vorteilhaft, da individuell angepasste Objekte
schnell durch die Verarbeitung von Computergraphik-Daten erzeugt
werden können.
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Es
gibt eine große
Vielzahl von Baumaterialien, die in verschiedenen SFF Techniken
verwendet werden. Diese Materialien werden typischerweise in der
Form eines Pulvers, einer Flüssigkeit,
eines Gases, einer Paste, eines Schaums oder eines Gels angewandt.
In jüngster
Zeit hat sich ein Interesse für
die Verwendung von hochviskosen pastenartigen Materialien in SFF
Prozessen entwickelt, um bessere mechanische Eigenschaften zu erreichen.
Außerdem hat
sich in jüngster
Zeit zusätzlich
ein Interesse beim Reproduzieren von visuellen Merkmalen, wie z.
B. Farbe, an den dreidimensionalen Objekten entwickelt, die durch
SFF Prozesse produziert werden. Dies hat dazu geführt, das
spezielle Additive für
das Baumaterial zusammen mit neuen Abgabesystemen entwickelt wurden,
um die Erzeugung dieser visuellen Merkmale zu ermöglichen,
wenn die dreidimensionalen Objekte gebaut werden.
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Eine
Kategorie von SFF die sich entwickelt hat ist das selektive Ablagerungsmodellieren
(selektive deposition modeling), welches mit „SDM" abgekürzt wird. Beim SDM wird ein
Baumaterial physisch schichtweise abgelagert, während es in einem fließfähigen Zustand
ist und dann wird dieses verfestigt um ein Objekt zu bilden. Bei
einem Typ der SDM Technologie wird das Modelliermaterial als kontinuierlicher
Faden durch eine über
Widerstandsheizung erwärmte
Düse extrudiert.
In einem weiteren Typ der SDM Technologie wird das Modelliermaterial
ausgestrahlt oder in einzelnen Tropfen abgegeben, um ein Teil aufzubauen.
In einer bestimmten SDM Vorrichtung wird ein thermoplastisches Material
mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das feste Modelliermaterial
verendet, welches durch ein Düsensystem
abgegeben wird, wie z. B. in einem System, wie es in Tintenstrahldruckern
verendet wird. Ein Typ von SDM Prozess, der Tintenstrahldruckköpfe verwendet,
wird beispielsweise in dem
US
Patent mit der Nummer 5,555,176 von Menhennett beschrieben,
welches außerdem
den Oberbegriff von Anspruch 1 bildet.
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Da
Tintenstrahldruckköpfe
zur Verwendung in zweidimensionalen Druckverfahren konstruiert sind,
müssen
spezielle Modifikationen vorgenommen werden, damit diese beim Aufbauen
von dreidimensionalen Objekten durch SFF Techniken verendet werden
können.
Dies ist allgemein der Fall, da es erhebliche Unterschiede zwischen
den zwei Verfahren gibt, die unterschiedliche Lösungen für unterschiedliche Probleme
verlangen. Zum Beispiel wird beim zweidimensionalen Drucken eine
relativ kleine Menge an flüssiger
Lösung
ausgesprüht
und dann wird dieser die Möglichkeit
gegeben zu trocknen oder auszuhärten,
wobei ein wesentlicher Gesichtspunkt auf die Druckauflösung gelegt
wird. Da nur eine geringe Menge an Material beim zweidimensionalen
Drucken ausgesprüht
wird, kann das Materialréservoir
für die flüssige Lösung direkt
in dem Tintenstrahldruckkopf verbleiben, während die Fähigkeit zum Drucken von vielen
Seiten bereut gestellt wird, bevor nachgefüllt oder ersetzt werden muss.
Im Gegensatz dazu muss beim SDM ein normalerweise festes Material,
wie z. B. ein thermoplastischer Kunststoff oder ein Wachsmaterial,
zu einem fließfähigen Zustand
erwärmt werden
damit es abgestrahlt werden kann und dann wird es dem Material ermöglicht zu
härten.
Darüber
hinaus ist beim SDM die Ausgabeauflösung nicht so kritisch wie
beim zweidimensionalen Drucken. Dies ist allgemein der Fall, da
für jeden
angezielten Pixel-Ort die Menge an Material, die bei SDM Techniken
abgegeben werden muss, erheblich größer ist als die Menge an Material
die bei zweidimensionalen Drucktechniken abgegeben werden muss.
Beispielsweise kann es beim SDM nötig sein, 6 Tropfen an einer
bestimmten Pixel-Stelle abzulagern verglichen mit nur einem oder
zwei Tropfen beim zweidimensionalen Drucken. Obwohl die Zielgenauigkeit
dieselbe sein kann, ist die tatsächliche
Auflösung,
die bei SDM Techniken erreicht wird, im Allgemeinen etwas geringer
als beim zweidimensionalen Drucken, da die 6 ausgegebenen Tropfen
herabtropfen können
oder zu benachbarten Pixel-Stellen rutschen können.
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Ein
weiterer Unterschied liegt darin, dass auf Grund der erheblich größeren Menge
an Material, die beim SDM abgegeben wird, die Geschwindigkeit mit der
Objekte geformt werden, wichtig wird. Da das Erreichen von höheren Aufbaugeschwindigkeiten
beim SDM eine hohe Priorität
war, haben die ersten SDM Techniken alle Ausgabeöffnungen in den Tintenstrahldruckköpfen verwendet,
um ein einzelnes Baumaterial auszugeben und um die Baugeschwindigkeit
beim Bilden des dreidimensionalen Objektes zu maximieren. Damit
wird allerdings die Fähigkeit
aufgegeben selektiv mehrere Farben von dem Druckkopf auszugeben,
während
das Objekt gebildet wird.
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Die
oben genannten Unterschiede Erzeugen eine Anzahl von Problemen die
gelöst
werden müssen.
Zum Beispiel kann die Menge an Material, die bei SDM Techniken abgelagert
wird, sowohl hinsichtlich Volumen als auch hinsichtlich Masse so
erheblich sein, dass es allgemein als unpraktisch angesehen wird
ein Reservoir direkt an dem Tintenstrahldruckkopf zu montieren,
welches das gesamte Material halten soll. Daher ist es für die meisten
SDM Systeme typisch, ein großes
Reservoir an einem von dem Druckkopf entfernten Ort bereitzustellen,
der über
ein Materialzufuhrsystem in Kommunikation mit dem Druckkopf ist,
welches System eine flexible „Nabelschnur" aufweist. Allerdings
müssen
der große
Behälter
und die Nabelschnur geheizt werden, um zumindest einen Teil des
Baumaterials fließfähig zu machen
oder zu halten, so dass das Material zu dem Abgabegerät fließen kann.
Unerwünschterweise
sind die Anlaufzeiten für
SDM Techniken die Tintenstrahldruckköpfe verwenden, auf Grund der
Zeitdauer, die nötig
ist um das verfestigte Material in dem großen, entfernten Reservoir bis
zu seinem fließfähigen Zustand
anfangs zu erwärmen,
länger
als beim zweidimensionalen Drucken mit Tintenstrahldruckköpfen. Zusätzlich wird
eine erhebliche Energienmenge benötigt, um die große Menge
an Material in dem fließfähigen Zustand
im Reservoir und in dem Zufuhrsystem während des Aufbauprozesses zu
halten. Dies erzeugt unerwünschterweise
eine erhebliche Menge an Hitze in der Aufbauumgebung. Da höhere Baugeschwindigkeiten
bei SDM Techniken eine Priorität hatten,
haben frühere
Hilfsmittel die Fähigkeiten
zur Farbabgabe der Tintenstrahldruckköpfe aufgegeben und stattdessen
alle Ausgabeöffnungen
der Druckköpfe
zur Ausgabe eines einzelnen Baumaterials, welches von einem einzigen
großen
Reservoirbereich bereitgestellt wird, vorgesehen. Gemäß dieser Zufuhrsysteme
nach dem Stand der Technik wären mehrere
entfernte Reservoire und Zufuhrsysteme notwendig, um mehrere Materialien
ausgeben zu können,
um mehrere Farben in einem Objekt zu realisieren. Dies würde die
Komplexität
und die Kosten eines derartigen Systems multiplizieren und ist üblicherweise
nicht praktikabel. Es existiert daher ein Bedarf die Beschränkungen
der SFF Zufuhrsysteme nach dem Stand der Technik zu überwinden,
die ein entferntes, beheiztes Materialreservoir verwenden. Es besteht
außerdem
ein Bedarf ein Zufuhrsystem für
einen Tintenstrahldruckkopf, der bei der SFF verwendet wird, zu
entwickeln, der von den Farbabgabefähigkeiten der Druckköpfe Gebrauch
machen kann.
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Zur
Zuführung
einer phasenändernden
Tinte zu einem Druckkopf für
ein zweidimensionales Drucken wurden schon zuvor Hilfsmittel vorgeschlagen. Zum
Beispiel wird im
US Patent mit
der Nummer 5,861,903 von Crawford eine Zufuhr von Tintenstiften oder
Tintenblöcken
linear in einem Ladebehältnis
gestapelt, welches den Stift am Ende des Stapels gegen eine Schmelzplatte
vorspannt, so dass die geschmolzene Farbe dann in den Druckkopf
in einem flüssigen
Zustand tropft. Auf ähnliche
Weise wird im
US Patent mit der
Nummer 4,593,292 von Lewis und im
US Patent mit der Nummer 4,609,924 von
De Young ein langer Block von fester Tinte gegen eine Heizplatte
vorgespannt, um die Tinte zur Zuführung der geschmolzenen Tinte
zu einem Druckkopf zu schmelzen. Auch im
US Patent mit der Nummer 4,636,803 wird
ein Vorrat von zylindrischen Pellets von fester Tinte entlang einer
länglichen
Anordnung vorwärts
bewegt, bevor sie zur Verwendung durch einen Tintenstrahldruckkopf
geschmolzen werden. Im
US Patent
mit der Nummer 4,631,557 von Cooke wird eine Kartusche,
die ein Phasen-änderndes
Material enthält
erwärmt,
um es dem geschmolzenen Material zu erlauben in ein Zufuhrsystem
für einen Druckkopf
abzufließen.
Im
US Patent mit der Nummer 4,682,185 von
Martner wird eine flexible Bahn einer heiß schmelzenden Tinte auf einer
Spule zu einem Heizer vorwärts
bewegt, wo das Material dann vor der Zuführung zu einem Tintenstrahldruckkopf geschmolzen
wird. Im
US Patent mit der Nummer 5,341,164 von
Miyazawa sind eine Reihe von Ausführungsformen eines Zufuhrsystems
für einen
Tintenstrahl offenbart. In einer Ausführungsform wird eine längliche
Anordnung von fester Tinte vorwärts bewegt
und an Ausschnitten vor dem Schmelzen abgebrochen. In einer weiteren
Ausführungsform
wird eine vertikale Anordnung von festen Tintenkugeln in einer einzelnen
Reihe gehalten und selektiv in den Druckkopf getropft. Allerdings
sind diese früheren Hilfsmittel
auf Zufuhrsysteme für
zweidimensionales Drucken gerichtet und sie betreffen nicht die
Probleme, die bei SDM Techniken auftreten, wie z. B. die Frage der
Handhabung und Zuführung
der erheblich größeren Menge
an Baumaterial, die zur Bildung von dreidimensionalen Objekten nötig ist.
Beispielsweise müssten
die früheren
linearen oder matrix-artigen Zufuhrsysteme, wenn sie für SDM verwendet
würden,
extrem lang sein, um die benötigte
Menge an Material halten zu können
oder sie würden
ein ständiges
manuelles Nachfüllen
während
des Bauprozesses benötigen.
Keine dieser Alternativen ist beim SDM erwünscht.
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Ein
weiteres Problem, dass für
SDM Techniken einzig ist, ist dass die geformten Schichten während des
Bauprozesses geformt oder geglättet
werden müssen,
um eine einheitliche Schicht zu bilden. Das Normalisieren der Schichten
wird üblicherweise mit
einem Einebnungswerkzeug erreicht, dass einen Teil des in den Schichten
abgelagerten Materials entfernt. Ein derartiges Einebnungswerkzeug
ist in dem
US Patent mit der
Nummer 6,270,335 von Leyden offenbart. Allerdings erzeugt
das Einebnungswerkzeug Abfallmaterial während des Bauprozesses, dass
bearbeitet werden muss. Üblicherweise
ist dies kein Problem, wenn mit nicht-reaktiven Materialien gearbeitet wird;
es wird allerdings ein Problem wenn reaktive Materialien verwendet
werden. Zum Beispiel sind die meisten Photopolymere reaktiv, und
ein übermäßiger Kontakt
mit der menschlichen Haut kann in Empfindlichkeitsreaktionen resultieren.
Damit benötigen
alle SFF Prozesse, die photopolymere Materialien verwenden, zusätzliche
Bearbeitungsschritte um einen übermäßigen physischen
Kontakt mit den Materialien zu minimieren oder zu vermeiden. Beispielsweise
tragen bei der Stereolithographie die Anwender üblicherweise Handschuhe, wenn
sie mit dem flüssigen
Harz umgehen und wenn sie fertige Teile von der Bauplattform entfernen.
Allerdings empfinden SDM Anwender, die normalerweise nicht-reaktive
Materialien verarbeiten, zusätzliche
Bearbeitungsschritte als unbequem und würden es daher wenn möglich bevorzugen,
wenn diese vermieden würden. Es
besteht daher ein Bedarf an Materialzufuhr- und Abfallsystemen für SDM, die
reaktive Materialien verarbeiten können, ohne die Implementierung
von speziellen Bearbeitungsverfahren zu benötigen.
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Diese
anderen Schwierigkeiten des Standes der Technik werden gemäß der vorliegenden
Erfindung überwunden,
in dem ein Baumaterial dem Abgabegerät einer SFF Vorrichtung in
diskreten Mengen bereitgestellt wird, auf der Basis des aktuellen Bedarfs,
wenn die Vorrichtung ein dreidimensionales Objekt bildet.
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ihre Vorteile über ein breites Spektrum von
SFF Verfahren bereit, in dem sie ein Baumaterial dem Abgabegerät einer SFF
Vorrichtung in diskreten Mengen auf der Basis des aktuellen Bedarfs
zuführt,
wenn ein dreidimensionales Objekt gebildet wird.
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Es
ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein neues Baumaterialzufuhrsystem
für eine
SFF Vorrichtung bereit zu stellen, welches die oben erwähnten Nachteile
des Standes der Technik überwindet.
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Es
ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein neues Baumaterialzufuhrsystem
für eine
SFF Vorrichtung bereit zu stellen, welches sich die Fähigkeiten
zur Ausgabe von mehreren Farben eines Tintenstrahldruckkopfes zu
Nutze macht, wenn dreidimensionale Objekte gebildet werden.
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Es
ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das Zufuhrsystem
das Baumaterial dem Ausgabegerät
nach Bedarf in bestimmten Mengen zuführt, um dreidimensionale Objekte
zu bilden.
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Es
ist noch ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das
von dem Zufuhrsystem zugeführte
Baumaterial in einen fließfähigen Zustand benachbart
zu dem Abgabegerät
erwärmt
wird und durch ein Kapillarventil in eine Abgabekammer überführt wird,
welche unter Unterdruck betrieben wird.
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Es
ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass es nicht länger notwendig
ist, eine große
Menge an Baumaterial in einem fließfähigen Zustand in einem entfernten
Reservoir bei einer erhöhten
Temperatur in einer SDM Vorrichtung zu halten.
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Es
ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass Materialien
von einer SDM Vorrichtung verwendet werden können ohne die Notwendigkeit
der Implementierung von speziellen Bearbeitungsschritten für das Material.
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Es
ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die
Menge an Strahlungswärme, die
von einer SDM Vorrichtung erzeugt wird, erheblich reduziert wird.
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Es
ist noch ein weiterer Vorteil des Zufuhrsystems der vorliegenden
Erfindung, dass Tintenstrahldruckköpfe verwendet werden können, um
dreidimensionale Objekte mittels SFF Techniken zu bauen, die visuelle
Eigenschaften, wie z. B. Farbe haben.
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Diese
und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden gemäß dem Verfahren
und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erreicht, die ein einzigartiges
Baumaterialzufuhrsystem verwendet, dass eine bestimmte Menge an
Baumaterial auf einer Bedarfsbasis in einem fließfähigen Zustand zu einem Abgabegerät zuführt. Nachdem
das Material dem Abgabegerät
zugeführt
wurde, wird es von dem nicht fließfähigen Zustand zu einem fließfähigen Zustand gebracht,
in dem es dann selektiv ausgegeben werden kann, um ein dreidimensionales
Objekt Schicht für
Schicht zu bilden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden beim Betrachten der folgenden detaillierten Offenbarung
der Erfindung klar werden, insbesondere wenn sie in Verbindung mit
den beigefügten
Zeichnungen betrachtet wird, bei denen:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines Festkörperablagerungsformgeräts nach
dem Stand der Technik ist;
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2 eine
schematische Seitenansicht einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Verwendung mit der Festköperablagerungsmodelliervorrichtung
von 1 ist;
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3 eine
schematische Seitenansicht eines Teils des Zufuhrsystems gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, dass an einem Tintenstrahldruckkopf befestigt gezeigt
ist;
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4 eine
schematische isometrische Ansicht einer alternativen Ausführungsform
des Zufuhrsystems gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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5 eine
schematische isometrische Ansicht eines Containers zum Halten einer
bestimmten Menge von Baumaterial zur Verwendung in der in 4 gezeigten
Ausführungsform
ist;
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6 eine
Querschnittsansicht des Abfallbehälters ist, der zu dem in 5 gezeigten
Container gehört;
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7 eine
schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist; und
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8 eine isometrische Ansicht einer SDM Vorrichtung
der Ausführungsform
ist, die schematisch in 7 gezeigt ist.
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Um
das Verständnis
zu erleichtern wurden wenn möglich
identische Referenzzeichen verwendet, um identische Elemente die
den Figuren gemeinsam sind, zu bezeichnen.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung stellt ihre Vorteile über ein breites Spektrum von
SFF Prozessen bereit. Während
die folgende Beschreibung hierin als Repräsentativ für eine Anzahl derartiger Anwendungen betrachtet
wird, ist sie nicht abschließend.
Wie es verstanden werden wird, können
die Basisvorrichtung und die Basisverfahren, die hierin gelehrt
werden, einfach an viele Anwendungen angepasst werden. Es wird beabsichtigt,
dass diese Beschreibung und die hierin beigefügten Ansprüche einen Umfang haben, der
in Übereinstimmung
mit dem Rahmen und der hier offenbarten Erfindung ist, unabhängig von
einem einschränkend
klingenden Sprachgebrauch, der durch die Notwendigkeit bedingt ist,
dass auf die speziell offenbarten Beispiele Bezug genommen werden
muss.
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Während die
vorliegende Erfindung auf alle SFF Techniken und daraus hergestellten
Objekte anwendbar ist, wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Festkörperablagerungsmodellierung
beschrieben, die ein Baumaterial verwendet, dass in einem fließfähigen Zustand
ausgegeben wird. Es wird jedoch gewürdigt werden, dass die vorliegende
Erfindung mit jeder SFF Technik ausgeführt werden kann und unter Verwendung
einer großen
Vielfalt von Baumaterialien. Das Baumaterial kann beispielsweise ein
durch Licht aushärtbares
oder sinterfähiges
Material sein, dass bis zu einem fließfähigen Zustand erwärmt wird,
aber wenn es erhärtet
eine Flüssigkeit mit
hoher Viskosität
bilden kann, einen Semi-Feststoff, ein Gel, eine Paste oder einen
Feststoff. Zusätzlich
kann das Baumaterial eine Verbundmischung von Komponenten sein,
wie z. B. eine Mischung aus einem Licht aushärtbaren flüssigen Harz und einem pulverförmigen Material,
wie z. B. einem Metall, einer Keramik oder einem Mineral, ganz wie gewünscht.
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Hierin
verwendet bezeichnet der Begriff „ein fließfähiger Zustand" eines Baumaterials
einen Zustand, in dem das Material nicht in der Lage ist Scherkräften zu
widerstehen, die von einem Abgabegerät ausgeübt werden, wie beispielsweise
die Kräfte,
die von einem Tintestrahldruckkopf ausgeübt werden, wenn das Material
ausgegeben wird, wodurch das Material dazu gebracht wird sich zu
bewegen oder zu fließen.
Vorzugsweise ist der fließfähige Zustand
des Baumaterials ein flüssiger
Zustand, allerdings kann der fließfähige Zustand des Baumaterials
auch isotropische Eigenschaften aufweisen. Die Begriffe „verfestigt" und „verfestigbar" wie sie hierin verwendet werden,
beziehen sich auf die Phasenänderungseigenschaften
eines Materials, wo das Material von dem fließfähigen Zustand zu einem nicht
fließfähigen Zustand übergeht.
Ein „nicht
fließfähiger Zustand" eines Baumaterials,
wie es hierin verwendet wird, ist ein Zustand, in dem das Material
unter dem Einfluss seines eigenen Gewichtes ausreichend selbsttragend
ist, um seine Form beizubehalten. Ein Baumaterial, welches in einem
festen Zustand, einem Gelzustand, einem Pastenzustand oder einem
thixotropischen Zustand existiert sind Beispiele eines nicht fließfähigen Zustandes
eines Baumaterials für
die Zwecke der vorliegenden Beschreibung. Außerdem bezeichnen die Begriffe „gehärtet" oder „aushärtbar" jede Polymerisationsreaktion.
Die Polymerisationsreaktion wird vorzugsweise durch das Aussetzen
zu Strahlung oder thermischer Wärme
ausgelöst.
Besonders bevorzugt umfasst die Polymerisationsreaktion das Vernetzen
von Monomeren und Oligomeren, welches durch Aussetzung zu einer
Strahlung im ultravioletten oder infraroten Wellenlängenband
initiiert wird. Darüber
hinaus bezieht sich der Begriff „ausgehärteter Zustand" auf ein Material
oder ein Teil eines Materials, in dem die Polymerisationsreaktion
im Wesentlichen vervollständigt
ist. Es sollte anerkannt werden, dass allgemein das Material leicht
zwischen dem fließfähigen und
dem nicht fließfähigen Zustand vor
dem Aushärten
wechseln kann, das Material jedoch, nachdem es ausgehärtet ist,
nicht zurück
zu einem fließfähigen Zustand
wechseln kann und durch das Gerät
ausgegeben werden kann. Außerdem
bezieht sich der Begriff „Stützmaterial" auf jedes Material,
das dazu gedacht ist, ausgegeben zu werden um eine Stützstruktur
für die
dreidimensionalen Objekte, während
diese geformt werden, zu bilden, und der Begriff „Baumaterial" bezeichnet jedes
Material, das dazu gedacht ist, ausgegeben zu werden, um die dreidimensionalen
Objekte zu bilden. Das Baumaterial und das Stützmaterial können ähnliche
Materialien mit ähnlicher
chemischer Formel sein, aber für die
hier vorliegenden Zwecke werden sie nur hinsichtlich ihrer vorgesehenen
Verwendung unterschieden. Ein bevorzugtes Verfahren zum Ausgeben
eines aushärtbaren
phasenändernden
Materials, um ein dreidimensionales Objekt zu formen und zum Ausgeben
eines nicht aushärtbaren
phasenändernden
Materials, um Stützen
für das
Objekt zu formen, ist in der gleichzeitig eingereichten US Patentanmeldung
mit unserem Aktenzeichen USA.282 offenbart, welche den Titel hat „Selective
Deposition Modeling With Cureable Phase Change Materials", und welches hiermit
durch Inbezugnahme vollständig
mit aufgenommen wird. Ein bevorzugtes, aushärtbares Phasenänderungsmaterial
und ein nicht aushärtbares
Phasenänderungsstützmaterial
werden in der gleichzeitig eingereichten US Patenanmeldung mit dem
Aktenzeichen USA.269 offenbart, welche den Titel hat „Ultraviolet
Light Cureable Hot Melt Composition", und welche hierin durch Inbezugnahme
vollständig mit
aufgenommen wird.
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Insbesondere
Bezug nehmend auf 1 ist allgemein unter dem Bezugszeichen 11 eine
SDM Vorrichtung nach dem Stand der Technik gezeigt, die angepasst
werden kann, um das Baumaterialzufuhrsystem gemäß der vorliegenden Erfindung
zu verwirklichen. Die SDM Vorrichtung 11 ist beim Aufbauen
eines dreidimensionalen Objekts 20 in einer Bauumgebung
gezeigt, die allgemein durch das Bezugszeichen 13 angezeigt
ist. Das Objekt wird Schicht für Schicht
auf einer Baubühne
oder Plattform 15 aufgebaut, die durch ein beliebiges,
konventionelles Betätigungsmittel 17 genau
vertikal positioniert werden kann. Das Objekt wird Schicht für Schicht
aufgebaut, in dem ein Baumaterial in einem fließfähigen Zustand ausgegeben wird.
Allgemein ist das Baumaterial normalerweise nicht in einem fließfähigen Zustand
und wechselt zu einem fließfähigen Zustand,
wenn es bei oder über
der Fließfähigkeitstemperatur
des Materials gehalten wird. Die Bauumgebung 13 wird bei
einer Temperatur unterhalb der Fließfähigkeitstemperatur des Materials
gehalten, so dass sich das dreidimensionale Teil verfestigen wird,
wenn das Baumaterial abgegeben wird. Direkt oberhalb und parallel
zu der Baubühne 15 ist
ein Schienensystem 19 angeordnet, an dem sich eine Laufkatze 21 befindet,
die ein Abgabegerät 14 trägt.
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Allgemein
wird der Laufkatze, die das Abgabegerät trägt, ein Baumaterial 23 von
einem entfernten Reservoir 25 zugeführt, auf Grund der Großen Menge
an Material, die typischerweise durch die SDM Vorrichtung ausgegeben
werden muss, um ein dreidimensionales Objekt aufzubauen. Um das
Material abzugeben, müssen
Heizmittel vorgesehen werden, um das Material in dem Reservoir 25 zu
einem fließfähigen Zustand
zu erwärmen
und um die Temperatur des Materials oberhalb der Fließfähigkeitstemperatur
des Baumaterials zu halten. Vorzugsweise ist der fließfähige Zustand
des Baumaterials ein flüssiger
Zustand. Die Änderung
des Materials zu dem fließfähigen Zustand
wird zuerst über
die Bereitstellung von Heizern 49 an dem Reservoir 25 erreicht und
beibehalten und durch die Bereitstellung von Heizern (nicht abgebildet)
an der Nabelschnur 51, die das Reservoir 25 mit
dem Abgabegerät 21 verbindet. An
dem Abgabegerät 21 ist
zumindest eine Ablauföffnung 27 zum
Abgeben des Baumaterials angeordnet. Ein Mittel zur Hin- und Herbewegung
wird für
das Abgabegerät 21 bereitgestellt,
welches auf dem Schienensystem 19 entlang eines horizontalen
Pfades durch ein konventionelles Antriebsmittel 29, wie z.
B. einen Elektromotor, hin und her angetrieben wird. Allgemein benötigt die
Laufkatze, welche das Abgabegerät 21 trägt, mehrere
Durchläufe,
um eine vollständige
Schicht an Material von der Ablauföffnung 27 auszugeben.
In 1 ist ein Teil einer Schicht von ausgegebenem
Material 31 gezeigt, nach dem die Laufkatze gerade ihren
Lauf von links nach rechts begonnen hat. Ein abgegebener Tropfen 33 wird
im Flug gezeigt und der Abstand zwischen der Ablauföffnung 27 und
der Schicht 31 von Baumaterial ist zur Vereinfachung der
Darstellung erheblich vergrößert dargestellt.
In 1 ist auch ein Einebnungswerkzeug 39 gezeigt,
welches verwendet wird um die Schichten wie benötigt nach einander zu formen.
Eine derartige Formung ist üblicherweise
nötig, um
die sich addierenden Effekte in der Variation des Tropfenvolumens,
der thermischen Störungen
u. Ä. zu
eliminieren, welche während
des Bauprozesses auftreten. Nach dem Formen wird eine glatte, gleichmäßige Schicht
erreicht, wie es mit Bezugszeichen 41 angezeigt wird. Überschüssiges Material 43,
welches von dem Einebnungswerkzeug 39 entfernt wird, läuft durch
eine Abfallnabelschnur 47 zu einem Abfallbehälter 45.
Das Abfallmaterial 43 kann weggeworfen oder recycelt werden,
was allgemein von der Art des Materials abhängt und der Betriebseigenschaften
des Systems.
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Vorzugsweise
verwendet ein entfernter Computer 35 eine Datei mit CAD
Daten und erzeugt dreidimensionale Koordinatendaten eines Objektes, was
allgemein als eine STL Datei bezeichnet wird. Wenn ein Anwender
ein Objekt zu bauen wünscht, wird
ein Druckbefehl an dem entfernten Computer ausgeführt, in
dem die STL Datei mittels einer Print Client Software verarbeitet
wird, die zu der SDM Vorrichtung 11 als ein Druckauftrag
gesendet wird. Der Druckauftrag wird verarbeitet und, wie gewünscht, mittels
eines konventionellen Datenübertragungsmediums,
wie z. B. einem Magnetscheibenband, einem Mikroelektronikspeicher
o. Ä. übertragen.
Die Datenübertragungswege
und Steuerungen der SDM Vorrichtung werden durch gestrichelte Linien
bei 37 angedeutet. Die Daten werden in ein vorbestimmtes Muster
für jede
Schicht des aufzubauenden dreidimensionalen Objekts verarbeitet.
Eine Computersteuerung (nicht abgebildet) verwendet die vorbestimmten
Musterdaten um die geeigneten Steuerungsbefehle zu erzeugen um die
Vorrichtung zu bedienen, um das dreidimensionale Objekt zu formen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nun ein neues Baumaterialzufuhrsystem allgemein mit dem
Bezugszeichen 10 in 2 gezeigt
und welches in Verbindung mit der Festkörperablagerungsmodelliervorrichtung 11 nach
dem Stand der Technik verwendet werden kann, die in 1 gezeigt
ist. Vorteilhaft verzichtet das neue Baumaterialzufuhrsystem 10 auf
das Reservoir 25, die Nabelschnur 51 und die Heizelemente 49,
die an dem Reservoir der Vorrichtung nach dem Stand der Technik
befestigt waren. Das neue Verfahren zum Abgeben des Baumaterials durch
die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das Bereitstellen von zumindest einer Wartestation,
zum Bereitstellen einer Vielzahl von diskreten Mengen an Baumaterial
in einem nicht fließfähigen Zustand.
Eine Mehrzahl von diskreten Mengen an Baumaterial wird dann in der
Wartestation in zufäl liger
Reihenfolge beladen. Eine diskrete Menge an Baumaterial wird dann
zu zumindest einem Trichter an dem Abgabegerät zugeführt. Die diskrete Menge an
Baumaterial wird dann von dem nicht fließfähigen Zustand zu dem fließfähigen Zustand gebracht.
Das Baumaterial in dem fließfähigen Zustand
wird dann zu einem Behälter
des Abgabegerätes
bewegt und schließlich
in dem fließfähigen Zustand
Schicht für
Schicht abgegeben, um Schichten eines dreidimensionalen Objektes
zu bilden. Falls nötig,
kann ein zusätzlicher
Schritt des Bereitstellens einer Umgebung für das Baumaterial implementiert werden,
um es nach der Abgabe in einer Schicht in den nicht fließfähigen Zustand
zurückzuführen.
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In
einer Ausführungsform
wird das diskrete, nicht fließfähige Baumaterial
tropfenweise zu Trichtern zugeführt,
die an den Abgabegeräten
angeordnet sind. Die Trichter sind mit Heizern versehen, welche
das Baumaterial dazu verleiten in den fließfähigen Zustand zu wechseln.
Die Trichter sind über
einen Durchgang in Kommunikation mit einem Behälter, wobei das fließfähige Baumaterial
durch den Durchgang und in das Volumen des Behälters geführt wird, welcher das Material
in dem fließfähigen Zustand
hält. Das
Material wird dann durch die Ablauföffnungen des Abgabegerätes abgegeben.
In einer Ausführungsform
umfasst der Durchgang ein Kapillarventil, welches eine effektive
Kapillarkraft hat, die größer ist
als die Kapillarkraft der Ablauföffnung,
um es zu ermöglichen,
dass das fließfähige Baumaterial in
den Aufnahmebehälter
gezogen wird. Der Aufnahmebehälter
wird bei Unterdruck gehalten, um zu verhindern, dass Baumaterial
von den Ablauföffnungen abgezogen
wird und auch um beim Ziehen von neuem Baumaterial in den Aufnahmebehälter von
dem Trichter zu helfen. In einer weiteren Ausführungsform wird zumindest ein
Trichter und zumindest ein Aufnahmebehälter für jedes Abgabegerät bereitgestellt.
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Das
Abgabegerät
ist vorzugsweise ein Tintenstrahldruckkopf, obwohl andere Ausgabegeräte verwendet
werden können,
falls gewünscht.
In einer Ausführungsform
ist zumindest ein Trichter mit einem Abgabegerät versehen, um abzugebendes
Baumaterial zu empfangen, um das dreidimensionale Objekt zu bilden,
und zumindest ein Trichter ist mit dem Abgabegerät versehen, um ein Stützmaterial
zu empfangen, um eine Stützstruktur
für das
Objekt zu bilden. In einer weiteren Ausführungsform gibt ein Tintenstrahldruckkopf
ein Baumaterial ab, um das dreidimensionale Objekt zu formen und
ein weiterer Tintenstrahldruckkopf gibt ein Stützmaterial ab, um Stützen für das Objekt
zu formen.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
ist jedem Trichter eine einzigartige visuelle Eigenschaft zugeordnet
und diskrete Mengen an Baumaterial, die zu den zugehörigen visuellen
Eigenschaften gehören,
werden den jeweiligen Trichtern zugeführt. Vorzugsweise wird ein
Farbzusatz, wie z. B. ein Farbstoff, ein Pigment, den diskreten
Mengen an Baumaterial zugeführt
um die Farben Zyan, Magenta, Gelb und Schwarz bereitzustellen. Die
unterschiedlich gefärbten
Baumaterialien werden selektiv zu den spezifischen Trichtern zugeführt, um
es der SFF Vorrichtung zu ermöglichen,
dreidimensionale Objekte in Farbe zu bilden. Dies wird ermöglicht in
dem vorgesehen wird, dass eine Mehrzahl von Ablauföffnungen in
Kommunikation mit jedem Aufnahmebehälter ist, die einem bestimmten
Trichter zugeordnet sind, so dass das Abgabegerät selektiv das Baumaterial
mit jedem Farbadditiv jeder Farbkoordinate einer Schicht des dreidimensionalen
Objekts abgeben kann.
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Alternativ
können
die Trichter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften zugeordnet
werden, die zu unterschiedlichen Formeln des Baumaterials gehören, wodurch
das Zufuhrsystem für
diskrete Baumaterialien die Bildung von nicht homogenen dreidimensionalen
Objekten durch irgendeine SFF Technik ermöglichen würde.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Zufuhrsystem in einem Abfallentsorgungssystem integriert
und diskrete Mengen an Aufbaumaterial werden in Container bereitgestellt.
Die Container umfassen eine Abfallaufnahme, worin Abfallmaterial, das
beim Formen der Schichten erzeugt wird, in die Abfallaufnahme abgelagert
wird. Vorzugsweise verarbeitet das Zufuhrsystem zwei separate Zufuhrmaterialien,
wobei eines ein Baumaterial ist, um das Objekt zu bilden und das
andere ein Stützmaterial
ist, um das Objekt während
des Bauprozesses zu stützen.
Nachdem das Material in einem Container im Wesentlichen vollständig abgegeben
wurde, wird die Abfallaufnahme, welche das Abfallmaterial enthält, hermetisch
dicht abgeschlossen und der Container wird ausgestoßen. Vorteilhafterweise
können
die Container ohne die Notwendigkeit von speziellen Handhabungsverfahren
für das
Abfallmaterial verarbeitet werden. Dies macht den Abfall sicher
zur Entsorgung, wie z. B. in dem Abfall einer Einrichtung zugeführt wird,
die das Abfallmaterial entfernt und die Container, falls gewünscht, recyceln
kann. Alternativ, wenn das Abfallmaterial reaktiv ist, und auf Strahlung reagiert,
kann es durch Strahlungsaussetzung in der Abfallaufnahme, falls
gewünscht,
ausgehärtet
werden.
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Nun
wieder Bezug nehmend auf 2 umfasst das Baumaterialzufuhrsystem 10 allgemein
ein Abgabegerät 14 und
ein Zufuhrmittel für
Baumaterial, welches allgemein bei Bezugszeichen 34 gezeigt
ist. In dieser Ausführungsform
kann das Zufuhrsystem für
Baumaterial allgemeiner als ein mechanischer Impulszähler beschrieben
werden, der in der Lage ist, diskrete Mengen an nicht fließfähigem Baumaterial nach
Bedarf zu dem Abgabegerät 14 zuzuführen. Diskrete
Mengen an Baumaterial sind bei Bezugszeichen 18 gezeigt
und haben in dieser Ausführungsform
eine Kugelform mit einem durchschnittlichen Kugeldurchmesser von
etwa einem Zoll (1 inch). Allerdings kann die Form der diskreten
Menge an Baumaterial auch kubisch, konisch, zylindrisch oder ähnlich sein.
Sie können
auch in einer gemeinsamen, gleichmäßigen Form ausgebildet sein,
wie z. B. den Formen, die üblicherweise
in der pharmazeutischen Industrie für Tabletten und Pillen verwendet
werden. Sie können
auch die Form von Pellets annehmen oder sogar Granulat sein. Alternativ
können
die Formen nicht gleichmäßig sein
oder zufällig,
wie gewünscht.
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Bevor
die diskreten Mengen an Baumaterial dem Abgabegerät zugeführt werden,
werden sie in Materialwartestationen gehalten, die allgemein bei dem
Bezugszei chen 12 gezeigt sind. Die Wartestationen werden
durch die Bereitstellung von zumindest einem Haltebehälter verwirklicht,
der bei dem Bezugszeichen 36 gezeigt ist. Vorzugsweise
enthält
jeder Haltebehälter
nur eine Mehrzahl von diskreten Mengen von Aufbaumaterial, die alle
eine gemeinsame Eigenschaft haben, wie z.B. dass sie dasselbe Farbadditiv
beinhalten, dieselbe Materialformel o. Ä. Es ist wichtig anzumerken,
dass eine große
Menge an diskreten Mengen von Baumaterial in den Wartestationen
enthalten sein müssen,
da die meisten SDM Techniken eine größere Menge an Material von
dem Druckkopf abgeben müssen,
verglichen an der Menge an Material, die bei zweidimensionalen Drucktechniken
abgegeben werden. Daher sind die Wartestationen 36 recht
groß und
wie in 2 gezeigt werden die diskreten Mengen an Baumaterial 18 zufällig innerhalb
der Wartestation angeordnet. In dieser Konfiguration spart die zufällige Anordnung
des Materials 18 in den Wartestationen eine erhebliche Raummenge
in der Vorrichtung verglichen mit dem Stapeln des Materials auf
eine lineare Weise.
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Bei
den Bezugszeichen 38A bis 38D sind Abgabebetätigungsmittel
gezeigt, welche die diskreten Mengen an Baumaterial zu den Trichtern 16 zuführen, die
an dem Abgabegerät 14 angeordnet
sind. Vorzugsweise gibt es einen Trichter 16 für jede Materialwartestation 12 und
zumindest einen Trichter 16 für jedes Abgabegerät 14.
Wenn einem Trichter das Baumaterial ausgeht, aktiviert das Computersteuerungssystem
(nicht abgebildet) das geeignete Abgabebetätigungsmittel 38A–38D,
um eine diskrete Menge an Baumaterial 18 dem Trichter 16 zuzuführen. Vorzugsweise
ist für
jeden Trichter 16 ein Sensor (nicht abgebildet) vorgesehen,
der einen geringen Befüllungszustand
des Trichters entdeckt. In Antwort auf den niedrigen Befüllungszustand
gibt das Computersteuerungssystem ein Signal an das Abgabebetätigungsmittel
aus, das dem Trichter mit dem niedrigen Befüllungszustand zugeordnet ist.
Dieses Signal veranlasst das Abgabebetätigungsmittel eine diskrete
Menge an Baumaterial zu dem Trichter zuzuführen. Bei dem Bezugszeichen 18A in 2 ist
beispielsweise eine diskrete Menge an Baumaterial im Flug gezeigt,
wie sie dem Trichter 16 zugeführt wird. Dies zeigt eine tropfenweise
Zufuhr des Baumaterials zu dem Abgabegerät 14.
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Die
vorliegende Erfindung ist einzigartig, da die diskreten Mengen von
nicht genutztem Baumaterial 18 bedarfsweise dem Abgabegerät 14 in
einem nicht fließfähigen Zustand
zugeführt
werden. Diese diskrete oder quantisierte Vorgehensweise beim Zuführen von
Baumaterial zu dem Abgabegerät
einer SFF Vorrichtung führt
zu einem erheblichen Vorteil gegenüber SFF Systemen nach dem Stand
der Technik. Ein Vorteil ist, dass sie vollständig das erwärmte Reservoir
des Standes der Technik eliminiert sowie das Nabelschnurzufuhrsystem.
Noch wichtiger ist es, dass System einfach anpassbar ist, um jede
Anzahl von unterschiedlichen Baumaterialien gleichzeitig auszugeben.
Beispielsweise können
Farbadditive, wie z. B. Farbstoffe oder Pigmente, den diskreten Mengen
an Baumaterial 18 vorher zugemischt werden, welche dann
ihren jeweiligen Trichtern an dem Abgabegerät 14 zugeführt werden,
um ein dreidimensionales Objekt in Farbe zu bilden.
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Der
nächste
Schritt in dem Zufuhrsystem für Baumaterial,
nachdem die diskreten Mengen an Baumaterial 18 den Trichtern 16 zugeführt wurden,
ist es den nicht fließfähigen Zustand
des Baumaterials zu einem fließfähigen Zustand
zu ändern.
Vorzugsweise ist ein Heizmittel an dem Abgabegerät vorgesehen, wie z. B. durch
das Bereitstellen von Heizelementen (nicht abgebildet) an dem Abgabegerät und dem Trichter,
um die Temperatur des Materials zu erhöhen, um es so von dem nicht
fließfähigen Zustand
zu einem fließfähigen Zustand
zu bringen. Die Zustandsänderung
ist in 2 durch die Bezugszeichen 18B, 18C und 18D angezeigt,
worin das Baumaterial gezeigt ist, wie es progressiv von dem nicht fließfähigen Zustand
zu dem fließfähigen Zustand wechselt.
In 3 gezeigt umfasst der Trichter 16 eine
Rückhaltewand 26,
die auch zur Übertragung von
Wärme zu
der diskreten Menge an Baumaterial 18 verwendet werden
kann, wodurch dieses dazu gebracht wird, in den fließfähigen Zustand
zu wechseln, wie es bei Bezugszeichen 32 angezeigt ist.
Es ist dieser fließfähige Zustand,
in dem das Baumaterial in der Lage ist zu dem Aufnahmebehälter zugeführt zu werden,
um selektiv mittels der Ablauföffnung 27 des Abgabegeräts abgegeben
zu werden. Obwohl nur ein Trichter 16 und ein Aufnahmebehälter 22 in 3 gezeigt
sind, kann jede Anzahl oder Kombination für jedes Abgabegerät, wie gewünscht, verwendet
werden.
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Nun
Bezug nehmend auf
3 ist eine schematische Querschnittsansicht
des Abgabegeräts
14 gezeigt.
Das Abgabegerät
14 ist
mit einem Aufnahmebehälter
22 versehen,
der in Kommunikation mit dem Trichter
16 über einen
Durchgang oder ein Kapillarventil
24 ist. Der Aufnahmebehälter enthält ein Volumen
eines Baumaterials in einem fließfähigen Zustand, wie es durch
Bezugszeichen
30 identifiziert ist. Vorzugsweise ist der
Durchgang ein Kapillarventil, welches eine effektive Kapillarkraft
hat, die größer ist
als die Kapillarkraft der Ablauföffnung
27.
Typischerweise beträgt
die Kapillarkraft der meisten Tintenstrahlköpfe zwischen etwa 3–9 Zoll
H
2O. Es ist somit wünschenswert ein poröses Material
für das
Kapillarventil
24 auszuwählen, dass eine effektive Kapillarkraft
hat, die größer ist
als etwa 9 Zoll H
2O. Zufriedenstellende
Resultate können
durch die Verwendung von Metallmaschenfiltern erreicht werden, die eine
effektive Kapillarkraft von zwischen etwa 25–60 Zoll H
2O
haben. Wenn an den Aufnahmebehälter
22 ein
Unterdruck angelegt wird, wird das fließfähige Baumaterial
32 durch
das Kapillarventil oder den Durchgang
24 gezogen und in
den Aufnahmebehälter
22 hinein.
Wie in
3 gezeigt, wird der Unterdruck auf das Materialvolumen
in dem Aufnahmebehälter
22 über eine
Vakuumleitungsverbindung
28 ausgeübt. Alternativ kann der Aufnahmebehälter eine
allgemein abgedichtete Membran umfassen o. Ä, und der Unterdruck kann durch
Bereitstellen einer vorgespannten Feder innerhalb der Membran bereitgestellt
werden, falls gewünscht.
Allgemein wird der Unterdruck benötigt, um das fließfähige Baumaterial in
dem Reservoir
30 daran zu hindern durch die Ablauföffnung
27 abzufließen, wenn
der Tintenstrahldruckkopf nicht in Verwendung ist. Das in
3 gezeigte
Kapillarventil ist vom Konzept her ähnlich wie das, welches im
US Patent mit der Nummer 5,280,300 von
Jon Fong worin das Kapillarventil in Verbindung mit dem Wiederbefüllen einer
wässrigen Tintenlösung in
einer Tintenstrahlkartusche verwendet wird.
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Vorzugsweise
wird das obere Oberflächenniveau 40 des
fließfähigen Baumaterials 30 in
dem Aufnahmebehälter 22 durch
einen Sensor (nicht gezeigt) überwacht.
Wenn das Material von der Ablauföffnung 27 abgegeben
wird, beginnt das Volumen des fließfähigen Baumaterials 30 in
dem Aufnahmebehälter
abzunehmen, was zu einem niedrigen Befüllungszustand führt, der
von dem Sensor entdeckt wird. Der Sensor bietet dann der Computersteuerung
ein Signal, welches wiederum dem geeigneten Abgabebetätigungsmittel 38A–38D signalisiert
eine weitere diskrete Menge an nicht fließfähigem Baumaterial 18 in den
Trichter 16 zu führen.
Dieses nicht verwendete Material wechselt dann zu dem fließfähigen Zustand, z.
B. durch die Anwendung von Wärme,
und es wird in den Aufnahmebehälter 22 gezogen
um den Vorrat an fließfähigem Baumaterial 30 aufzufüllen. Somit dienen
der Sensor (die Sensoren), das Abgabebetätigungsmittel (die Abgabebetätigungsmittel)
und das Computersteuerungssystem dazu, die diskreten Mengen an Baumaterial
zu den Trichtern nach Bedarf zuzuführen.
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Es
soll anerkannt werden, dass ein einzigartiges Merkmal der vorliegenden
Erfindung darin liegt, dass diskrete, nicht fließfähige Mengen an Baumaterial
selektiv direkt dem Abgabegerät
zugeführt
werden. Durch das Zuführen
von diskreten, nicht fließfähigen Mengen
an Baumaterial zu dem Abgabegerät werden
viele Vorteile erreicht. Zum Beispiel besteht nicht länger eine
Notwendigkeit, einen großen,
beheizten, entfernten Container bereit zu stellen, der fließfähiges Material über eine
Nabelschnur zu dem Abgabegerät
zuführt.
Dies eliminiert eine erhebliche Menge an Wärme, die zuvor bereitgestellt
wurde um das Material in dem fließfähigen Zustand zu halten. Allerdings
gibt es noch andere einzigartige Vorteile der vorliegenden Erfindung.
Da diskrete Mengen an Material selektiv den verschiedenen Trichtern
zugeführt
werden, kann das System einfach angepasst werden um entweder selektiv
unterschiedliche Materialien auszugeben oder um selektiv ein einzelnes Baumaterial
mit unterschiedlichen Additiven, wie z. B. Pigmenten oder Farbstoffen,
falls gewünscht,
auszugeben.
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Zum
Beispiel kann in einer Ausführungsform ein
Trichter vorgesehen sein, um ein Baumaterial zuzuführen, dass
exklusiv zum Bauen des dreidimensionalen Objekts abgegeben wird,
während
andere Trichter dem Zuführen
eines Baumaterials gewidmet sein können, das exklusiv zum Bilden
einer Stützstruktur
für das
dreidimensionale Objekt ausgegeben wird. Alternativ könnten mehr
als ein Abgabegerät vorgesehen
sein, d. h. ein Tintenstrahldruckkopf, wobei einer zum exklusiven
abgeben von Baumaterial zur Bildung des dreidimensionalen Objekts
vorgesehen ist und ein weiterer könnte zum exklusiven Abgeben
des Stützmaterials
vorgesehen sein, um eine Stützstruktur
des dreidimensionalen Objekts zu bilden, wie benötigt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann das Abgabegerät 14 eine
Mehrzahl von Trichtern haben, worin jedem Trichter eine einzigartige
visuelle Eigenschaft zugeordnet ist. Die einzigartige visuelle Eigenschaft,
die den Trichtern zugeordnet ist, kann Farbe, Tönung, Textur, Fluoreszenz oder
Transluszenz betreffen. Wenn z. B. Farbe die einzigartige visuelle
Eigenschaft wäre,
die den Trichtern zugeordnet ist, würden Tabletten oder Pellets
des Baumaterials, in denen ein Farbadditiv schon enthalten ist,
exklusiv einem Trichter zugeführt
werden, der dieser Farbe zugeordnet ist. Es ist somit vorgesehen,
dass die diskreten Mengen an Baumaterial selektiv den Trichtern mit
spezifischen Farbadditiven zugeführt
werden, um es dem Tintenstrahldruckkopf zu ermöglichen, dreidimensionale Objekte
in Farbe zu bauen. In einer Ausführungsform
können
Farbadditive wie beispielsweise Zyan, Magenta, Gelb und Schwarz
den diskreten Mengen an Baumaterial bereit gestellt werden und selektiv
den Trichtern zugeführt
werden, denen Zyan, Magenta, Gelb und Schwarz zugeordnet ist. Die Trichter
können
dann in Kommunikation mit Aufnahmebehältern sein, die es erlauben,
dass das Baumaterial mit den verschiedenen Farben selektiv zu jeder Koordinate
einer Schicht des dreidimensionalen Objektes abgegeben wird. Vorzugsweise
werden eine Mehrzahl von Ablauföffnungen
bereitgestellt, die in Kommunikation mit jedem Aufnahmebehälter sind der
jedem Trichter zugeordnet ist, so dass das Abgabegerät selektiv
das Baumaterial mit jedem Farbadditiv zu jeder Koordinate des dreidimensionalen
Objekts abgeben kann. Es ist somit vorgesehen, dass dreidimensionales
Farbaufbauen mittels SDM erreicht werden kann, in dem das einzigartige
Abgabegerät
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Alternativ
könnten
die Trichter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften von
unterschiedlichen Baumaterialformeln zugeordnet sein. Beispielsweise
könnten
Baumaterialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften
selektiv an jeder Koordinate in jeder Schicht des dreidimensionalen
Objekts abgegeben werden. Dies würde
wünschenswert
zusammengesetzte, nicht homogene, dreidimensionale Objekte bilden,
wie z. B. Objekte, die teilweise keramisch und teilweise metallisch
sind.
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Das
in 1 gezeigte Abgabegerät läuft in einer horizontalen Ebene
hin und her, während
die Baubühne
stationär
bleibt. Allerdings können
andere Bewegungsmittel verwendet werden, um das Abgabegerät und die
Baubühne
jeweils zu bewegen, wenn das Baumaterial abgegeben wird. Beispielsweise könnte das
Abgabegerät
stationär
gehalten werden und die Baubühne
könnte
hin und her bewegt werden, wie gewünscht, wie es in 7 gezeigt
ist. Darüber
hinaus könnten,
falls gewünscht,
sowohl das Abgabegerät
als auch die Baubühne
hin und her bewegt werden. Zusätzlich,
wenn zwei oder mehr Abgabegeräte
verwendet werden, können
sie so konfiguriert sein, um in unterschiedliche Richtungen innerhalb
einer horizontalen Ebene, falls gewünscht, hin und her bewegt zu
werden. Alternativ müssen
sich die Bewegungsmittel nicht auf eine Hin- und Herbewegung beschränken. Beispielsweise
könnte
die Baubühne
kontinuierlich um eine Achse drehen, die benachbart eines stationären Abgabegerätes ist
und umgekehrt, falls gewünscht.
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Bezug
nehmend auf 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform
des Baumaterialzufuhrsystems 10 bezeigt. In dieser Ausführungsform
bildet die Wartestation 12 ein Magazin zum Halten einer
Mehrzahl von Container 42. Die Container halten eine diskrete Menge
an Baumaterial, das ursprünglich
in einem nicht fließfähigen Zustand
ist. Die Container 42 sind vorzugsweise Kartuschen, die
nicht verwendetes Material enthalten und die zu Beginn in das Magazin per
Hand durch einen Anwender geladen werden, wobei allerdings der Ladevorgang
auch automatisiert sein könnte,
falls gewünscht.
In dieser Ausführungsform
sind die Kartuschen in einer linearen Weise gestapelt. Durch Bereitstellen
einer erheblichen großen Menge
an Baumaterial in jeder Kartusche kann die Länge des Magazins auf eine akzeptable
Größe minimiert
werden, wodurch lineares Stapeln der Kartuschen vereinfacht wird.
Das Bereitstellen einer erheblichen großen Menge an Baumaterial in
den Kartuschen ist möglich,
da das Material in jeder Kartusche langsam und bedarfsweise dem
Druckkopf ausgegeben wird, anstatt das es auf einmal dem Druckkopf
zugeführt
wird. Der Trichter umfasst einen mechanischen Impulsgeber 44 der
die Kartuschen aufnimmt und sie dann in eine Position dreht, wo
eine Extrusionsstange 46 Kraft auf die Kartusche ausübt, um das
Baumaterial aus der Kartusche zu entfernen. Das Material wird durch
eine Öffnung
an dem Ende in 5 bei Bezugszeichen 70 gezeigt
und in einen Filter 48 entfernt. Die Extrusionsstange 46 ist
axial entlang einer Welle 54 durch einen Zufuhrmotor 52 vorgespannt.
Während
die Extrusionsstange 46 die Kraft zum Ausstoßen des
Baumaterials aufbringt, fließt
das Material durch den Filter 48 und wird dem Abgabegerät 14 zugeführt.
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Es
sollte angemerkt werden, dass die Menge an Kraft, die durch die
Extrusionsstange ausgeübt wird,
eine erhebliche Menge an Scherbelastung auf das Material in der
Kartusche ausübt,
um das Material auszustoßen.
Die Größe dieser
Kraft ist so erheblich, dass das Material nicht in dem fließfähigen Zustand
sein muss, um es von der Kartusche auszustoßen. Abhängig von dem Baumaterial und
den Spezifikationen des Abgabegerätes kann der Filter weggelassen
werden. Wenn jedoch ein Tintenstrahldruckkopf als das Abgabegerät verwendet
wird, kann es wünschenswert
sein, das Baumaterial durch einen 5 Mikrometer Filter zu führen, bevor
das Material dem Druckkopf zugeführt
wird. Alternativ kann der Filter von der SDM Vorrichtung weggelassen
werden, wenn das Material vor dem Laden des Materials in die Kartuschen
gefiltert wurde. In dieser Ausführungsform
wer den die diskreten Mengen an Baumaterial in den Kartuschen der
Wartestation 12 zugeführt,
während
das Baumaterial in einem nicht fließfähigen Zustand ist. Heizelemente,
die mit Bezugszeichen 15 identifiziert werden, sind an
der Wartestation 12, an dem Impulsgeber 44, an
dem Filter 48 und an dem Abgabegerät 14 angeordnet. Die
Heizelemente 40 bieten eine thermische Wärme, um
das Baumaterial in den fließfähigen Zustand
zu überführen und
um das Baumaterial in dem fließfähigen Zustand
zu halten, während
es sich durch das Zufuhrsystem zu dem Druckkopf bewegt. Vorzugsweise geht
das Baumaterial von dem nicht fließfähigen Zustand zu dem fließfähigen Zustand
in der Kartusche über,
bevor es dem Impulsgeber 44 zugeführt wird, obwohl dies nicht
verlangt ist.
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Die
Ausführungsform
von 4 zeichnet sich dadurch aus, dass ein Abfallentsorgungsmittel mit
dem Baumaterialzufuhrsystem 10 integriert ist. Abfallmaterial
das in 7 mit dem Bezugszeichen 58, 92 und 43 gezeigt
ist, welches während
dem Einebnen erzeugt wird, wird durch eine Abfallnabelschnur 56 zurückgeführt und
einem Abfallempfangsbehälter 60 zugeführt, der
an dem Container 42 vorgesehen ist. Das Abfallentsorgungsmittel
ist einzigartig, da es reaktives Abfallmaterial aufnehmen kann, wie
z. B. ein nicht ausgehärtetes
Photopolymermaterial, und das Abfallmaterial hermetisch in jeder
Kartusche vor dem Ausgeben der Kartusche versiegelt. Es ist wünschenswert
dass die versiegelten und ausgegebenen Container 66 direkt
von Anwendern in einer Büroumgebung
gehandhabt werden können,
wodurch die Notwendigkeit für
spezielle Handhabungsprozedere für
das Abfallmaterial eliminiert wird.
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Insbesondere
Bezug nehmend auf 7 ist allgemein bei den Bezugszeichen 86 eine
bevorzugte Festkörperfreiformherstellungsvorrichtung
gezeigt. Diese Vorrichtung 86 ist so dargestellt, dass
sie schematisch das Materialzufuhr- und abfallsystem 10 von 4 umfasst.
Im Gegensatz zu der Vorrichtung nach dem Stand der Technik, die
in 1 gezeigt ist, wird die Baubühne 15 durch das konventionelle
Antriebsmittel 29 hin und her bewegt, anstelle der Abgabe-Laufkatze.
Die Abgabe-Laufkatze 21 wird vertikal präzise durch
Betätigungsmittel 17 bewegt, um
die Dicke der Schichten des Objekts 20 zu steuern. Das Betätigungsmittel 17 umfasst
vorzugsweise lineare Betätigungsmittel
für präzise Gewindespindel,
die durch Servomotoren angetrieben sind. In der bevorzugten Ausführungsform
ruhen die Enden der linearen Betätigungsmittel 17 an
entgegen gesetzten Enden der Bauumgebung 13 und in einer
Querrichtung zu der Richtung der Hin- und Herbewegung der Baubühne. Um
die Darstellung in 7 zu vereinfachen sind sie jedoch
in einer zweidimensionalen, flachen Weise dargestellt, wodurch der
Eindruck erweckt wird, dass die linearen Betätigungsmittel in der Richtung
der Hin- und Herbewegung
der Baubühne 15 ausgerichtet
sind. Obwohl sie mit der Richtung der Hin- und Herbewegung ausgerichtet
sein können,
ist es bevorzugt, dass sie in einer Querrichtung angeordnet sind,
um den Raumbedarf innerhalb der Vorrichtung zu optimieren.
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In
der Bauumgebung, die allgemein durch das Bezugszeichen 13 angezeigt
wird, ist bei Bezugszeichen 20 ein dreidimensionales Objekt
gezeigt, welches mit integral ausgebildeten Stützen 53 geformt wird.
Das Objekt 20 und die Stützen 53 ruhen beide
in einer ausreichend festen Weise auf der Baubühne 15, um die Beschleunigung
und die Abbremsungseffekte während
der Hin- und Herbewegung der Baubühne auszuhalten, während sie
jedoch immer noch von der Bühne
entfernbar sind. Um dies zu erreichen, ist es wünschenswert zumindest eine komplette
Schicht von Stützmaterial
auf der Baubühne
vor dem Ausgeben des Baumaterials abzulagern, da das Stützmaterial
so gestaltet ist, um am Ende des Bauprozesses entfernt werden zu
können.
In dieser Ausführungsform
wird das Material, das bei Bezugszeichen 23A angezeigt
ist, von der Vorrichtung 10 ausgegeben, um das dreidimensionale
Objekt 20 zu bilden und das Material, welches durch Bezugszeichen 23B angezeigt
ist, wird zur Bildung der Stütze 53 ausgegeben.
Container, die allgemein durch Bezugszeichen 42A und 42B angezeigt
sind, halten jeweils eine bestimmte Menge dieser zwei Materialien 23A und 23B.
Nabelschnüre 51A und 51B führen das
Material jeweils mm Abgabegerät 27,
welches in der bevorzugten Ausführungsform
ein Tintenstrahldruckkopf ist, der eine Mehrzahl von Ablauföffnungen aufweist.
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Die
Materialien 23A und 23B sind vorzugsweise Materialien,
die ihre Phase ändern
können,
die in einen flüssigen
Zustand erwärmt
werden, und wobei Heizmittel (nicht abgebildet) an den Nabelschnüren 51A und 51B vorgesehen
sind, um die Materialien in einem fließfähigen Zustand zu halten, während sie
dem Abgabegerät 27 zugeführt werden.
Bei dieser Ausführungsform
ist der Tintenstrahldruckkopf so konfiguriert um sowohl Materialien
von einer Mehrzahl von Ablauföffnungen
abzugeben, so dass beide Materialien selektiv Schicht für Schicht
an jeder Stelle in jeder geformten Schicht abgelagert werden können. Wenn
das Abgabegerät 27 zusätzliches
Material 23A oder 23B benötigt, werden Extrusionsstangen 40A bzw. 46B betätigt, um
das Material aus den Container 42A und 42B durch
die Nabelschnüre 51A und 51B zu
extrudieren, und es zu den Ablauföffnungen 27 des Abgabegeräts 14 zu
führen.
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Die
Abgabe-Laufkatze 21 in der in 7 gezeigten
Ausführungsform
umfasst ein beheiztes Einebnungswerkzeug 39, welches überschüssiges Material
von den Schichten entfernt, um die abgegebenen Schichten zu normalisieren.
Das beheizte Einebnungswerkzeug kontaktiert das Material in einem nicht
fließfähigen Zustand
und da es geheizt ist transformiert es einen Teil des Materials
stellenweise zu einem fließfähigen Zustand.
Aufgrund der Oberflächenspannungskräfte haftet
dieses überschüssige fließfähige Material
an der Oberfläche
des Einebnungswerkzeuges und wenn das Einebnungswerkzeug dreht,
wird das Material zu den Abschabern 90 gebracht, die in
Kontakt mit dem Einebnungswerkzeug 39 sind. Der Abschaber 90 trennt
das Material von der Oberfläche
des Einebnungswerkzeugs 39 und leitet das fließfähige Material
in einen Abfallbehälter,
der allgemein durch das Bezugszeichen 94 angezeigt ist,
und an der Laufkatze 21 angeordnet ist. Ein Heizer 96 und
ein Thermistor 98 an dem Abfallbehälter 94 dienen dazu
die Temperatur des Abfallbehälters
auf einem ausreichenden Niveau zu halten, so dass das Abfallmaterial
in dem Behälter
im fließfähigen Zustand
verbleibt. Der Abfallbehälter
ist mit einer beheizten Abfallnabelschnur 56 verbunden, um
das Abfallmaterial den Abfallbehältern 60A und 60B zuzuführen. Dem
Abfallmaterial wird es ermöglicht
aufgrund der Schwerkraft nach unten zu den Abfallempfangsbehältern 60A und 60B zu
fließen.
Obwohl nur eine Nabelschnur 56 gezeigt ist, die über eine
Stoßlasche
mit jedem Abfallempfangsbehälter verbunden
ist, ist es bevorzugt eine separate Abfallnabelschnur 56 zwischen
dem Abfallbehälter 94 und jedem
Abfallempfangsbehälter 60A und 60B vorzusehen.
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Für jeden
Abfallempfangsbehälter 60A und 60B existiert
ein zugeordnetes Magnetventil 100A und 100B, um
die Zufuhr an Abfallmaterial zu den Abfallempfangsbehältern zu
regulieren. Die Ventile 100A und 100B verbleiben
vorzugsweise geschlossen und öffnen
nur, wenn die jeweilige Extrusionsstange 46A bzw. 46B betrieben
wird, um zusätzliches Material
zu entfernen. Wenn z. B. nur die Extrusionsstange 46A in
Betrieb genommen wird, wird nur Ventil 100A geöffnet, um
es zu ermöglichen,
das Abfallmaterial 43 in den Abfallempfangsbehälter 60A auszugeben.
Diese Rückkoppelungssteuerung
der Ventile verhindert die Zuführung
von zu viel Abfallmaterial zu dem jeweiligen Abfallsempfangsbehälter in
dem die Zufuhr an Abfallmaterial in die Abfallempfangsbehälter im
Verhältnis
zu der Rate, mit der Material von den Container zu dem Abgabegerät zugeführt wird, ausgeglichen
wird. Somit wird die Zufuhr von Abfallmaterial zu den Abfallempfangsbehälter über die
Zufuhrraten an Baumaterial und Stützmaterial des Zufuhrsystems
ausbalanciert.
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In
der Ausführungsform
von 7 ist ein zusätzliches
Detektionssystem in dem Abfallsystem vorgesehen, um zu verhindern,
dass Abfallmaterial aus dem Abfallreservoir 94 überfliest.
Das System umfasst einen optischen Sensor 102 der in dem
Abfallbehälter 94 vorgesehen
ist und der ein Übermaß an Abfallmaterial
in dem Behälter
entdeckt. Wenn das Niveau des Abfallmaterials in dem Abfallbehälter 94 über ein
festgesetztes Niveau steigt, wird es durch den Sensor 102 entdeckt.
Der Sensor 102 stellt wiederum der Computersteuerung ein
Signal bereit, welches die Vorrichtung herunterfährt. Dies verhindert, dass
Abfallmaterial die Komponenten innerhalb der Vorrichtung überströmt in dem
Falle einer Fehlfunktion des Zufuhr- und Abfallsystems. Die Vorrichtung kann
dann gewartet werden, um die Fehlfunktion zu korrigieren, wodurch
eine übermäßige Beschädigung der
Vorrichtung verhindert wird.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform,
die in 7 dargestellt ist, ist das Baumaterial 23A ein
Material, das seine Phase ändern
kann, welches durch Aussetzung zu Strahlung ausgehärtet werden
kann. Nachdem das aushärtbare
phasenänderungsfähige Material 23A in
einer Schicht abgelagert wurde, wird es von dem fließfähigen Zustand
zu einem nicht fließfähigen Zustand überführt. Nachdem
eine Schicht durch den Durchlauf des Einebnungswerkzeuges 39 über die
Schicht normalisiert wurde, wird die Schicht anschließend einer
Strahlung durch eine Strahlungsquelle 88 ausgesetzt. Die
Strahlung ist vorzugsweise im ultravioletten oder infraroten Band
des Spektrums. Es ist jedoch wichtig, dass die Einebnung vor dem Aussetzen
einer Schicht zu der Strahlungsquelle 88 erfolgt. Dies
liegt daran, dass das bevorzugte Einebnungswerkzeug die Schichten
nur normalisieren kann, wenn das Material in den Schichten von dem nicht
fließfähigen zu
dem fließfähigen Zustand
geändert
werden kann, was nicht auftreten kann, wenn das Material 23A zuerst
ausgehärtet
wird.
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In
Verbindung mit dem aushärtbaren
Baumaterial 23A wird ein nicht aushärtbares phasenänderungsfähiges Material
für das
Stützmaterial 23B verwendet.
Da das Stützmaterial
nicht ausgehärtet
werden kann, kann es von dem Objekt und der Baubühne entfernt werden, in dem
es z. B. in einer Lösung aufgelöst wird.
Alternativ kann das Stützmaterial durch
Anwendung von Wärme
entfernt werden, um das Material in einen fließfähigen Zustand zurückzuführen, falls
gewünscht.
In dieser Ausführungsform umfasst
das Abfallmaterial beide Materialien, da sie sich während der
Einebnung zusammen finden. Vorzugsweise wird eine zweite Strahlungsquelle 70 bereitgestellt,
um das Abfallmaterial in den Abfallaufnahmebehältern einer Strahlung auszusetzen,
um das Material 23A dazu zu bringen auszuhärten, so dass
kein reaktives Material mehr in den Abfallaufnahmebehältern vorliegt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Container 42 zu Verwendung in dem Zufuhr- und Abfallsystem
ist in den 5 und 6 gezeigt.
Jeder Container 42 umfasst einen Spritzenteil 22 und
einen Kolbenteil 64. Das Spritzenteil bildet einen Zylinder mit
einer kleinen Öffnung 70 an
einem Ende zum Ausgeben des Materials. Ein Flansch 72 ist
an dem Ende gegenüber
der kleinen Öffnung
vorgesehen, welcher als ein Schlüssel
zum Beladen der Container in den Trichter dient. Das Kolbenteil 64 umfasst
ein Kolbenende 64 welches gegen das Material in dem Zylinder
des Spritzenteils 62 anliegt. Das Kolbenteil 64 umfasst
auch ein Dichtungsende 76, welches, wie es in 4 gezeigt
ist, wenn der Container in seine Position geladen wird und durch
den Impulszähler 44 gehalten
wird, von der Extrusionsstange 46 bearbeitet wird, welche
das Kolbenteil des Spritzenteils treibt. Während das Kolbenteil 64 in
das Spritzenteil 62 getrieben wird, wird das Material in
dem Spritzenteil durch die kleine Öffnung 70 ausgestoßen.
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Vorzugsweise
haben alle Container, die mit dem Baumaterial beladen sind, eine
identische Flanschkonfiguration, die nur in einem Magazin aufgenommen
werden kann, welches das Baumaterial ausgibt. Alle mit dem Stützmaterial
beladenen Container haben eine andere Flanschkonfiguration, die nur
in dem Magazin aufgenommen werden kann, welches das Stützmaterial
ausgibt.
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Eine
vorstehende Spitze 82 ist an dem Kolbenende 74 vorgesehen,
welche das restliche Material in der kleinen Öffnung 70 ausstößt. Ein
einzigartiges Merkmal des Containers ist ein Abfallaufnahmebehälter 60,
der an dem Kolbenteil 64 vorgesehen ist, zur Aufnahme der
Zufuhr des Abfallmaterials. Vorzugsweise sind zwei symmetrisch gegenüber liegende
Abfallaufnahmebehälter 60 für jedes
Kolbenteil 64 vorgesehen, wie es in 6 gezeigt
ist. Die symmetrischen Abfallempfangsbehälter werden durch eine gemeinsame
Basis 80 definiert und zwei im Wesentlichen parallel verlaufende
Seitenwände 78.
Die Länger
der Seitenwände
ist geringer als der Abstand zwischen den Seitenwänden, so
dass, wie es in 4 gezeigt ist, das Magazin 16 eine
Keilnut 84 haben kann, die so bemessen ist, dass sie nur
dann den Einsatz der Container erlaubt, wenn die Seitenwände 78 horizon tal
positioniert sind. Die Seitenwand muss horizontal positioniert in
dem Magazin sein, so dass der Impulszähler 44 dann die Container
zu der geeigneten Position drehen kann, wobei die Seitenwände vertikal
positioniert werden, bevor auf den Container mittels der Extrusionsstange 46 eingewirkt
wird. Da der Container um die gemeinsame Basis 80 des Kolbenteils
symmetrisch ist, kann der Container nicht inkorrekt in das Magazin
eingesetzt werden.
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Wieder
Bezug nehmend auf 4 wirkt die Extrusionsstange
auf Kolbenteil 64, um den Kolben in das Spritzenteil 62 zu
treiben, und dadurch das Baumaterial von dem Container zu entfernen.
Wenn dies passiert, wird das Abfallmaterial 43 in den Abfallempfangsbehälter 60 des
Kolbenteils 64 abgegeben. Nachdem das Material im Wesentlichen
vollständig zu
dem Abgabegerät 14 zugeführt wurde,
wird das Abfallmaterial vorzugsweise innerhalb des Containers für eine sichere
Entsorgung versiegelt. Dies wird dadurch erreicht, wenn das Abdichtungsende 76, welches
in 5 gezeigt ist, das zylindrische Spritzenteil 60 angreift,
um eine im Wesentlichen luftdichte Passung zu erreichen. Nachdem
das Material im Wesentlichen vollständig zu dem Abgabegerät zugeführt wurde
und der Kolben abgedichtet wurde, dreht dann die Impulszählertrommel
und stößt die abgedichtete
Kartusche in eine Abfallschublade oder einen Behälter 68 aus, wie es
durch das Bezugszeichen 66 angezeigt ist. Nachdem die versiegelte
Kartusche 66 ausgestoßen
ist, ersetzt der Impulszähler den
ausgestoßenen
Container, in dem ein neuer Container von der Wartestation geladen
wird. Die in 4 gezeigte Ausführungsform
hat viele Vorteile gegenüber
existierenden Zufuhrsystemen. Zum Beispiel, da das Material in hermetisch
abgedichteten Kartuschen sowohl zugeführt als auch ausgestoßen wird,
kann reaktives Material von der SFF Vorrichtung in einer Büroumgebung
verwendet werden, ohne das spezielle Handhabungsverfahren benötigt würden. Zusätzlich,
wenn das Baumaterial UV-aushärtbares
Material ist, kann eine UV Blitzaushärtungslampe, die bei Bezugszeichen 70 gezeigt
ist, verwendet werden, um das Abfallmaterial auszuhärten, in
dem das Abfallmaterial einer Strahlung ausgesetzt wird, nachdem
das Abfallmaterial in den Abfallempfangsbehälter 60 ausgegeben
wurde. Dies bietet einen zusätzlichen
Schutzgrad in dem Fall, dass eine ausgestoßene Kartusche falsch gehandhabt
und unerwarteter Weise bis zu dem Punkt beschädigt wird, dass ein direkter
Kontakt mit dem Abfallmaterial möglich
wäre.
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Es
wird bevorzugt, dass eine SFF Vorrichtung, wie sie in 7 gezeigt
ist, mit zwei Zufuhrsystem versehen wird, von denen zur Vereinfachung
der Darstellung nur eines in 4 bei Bezugszeichen 10 gezeigt
ist. Ein Zufuhrsystem führt
das Baumaterial 23A zu und das andere führt das Stützmaterial 23B zu.
Wie in Verbindung mit dem bevorzugten Container diskutiert wurde,
die in 6 gezeigt sind, sind die Stützmaterialkartuschen so konfiguriert,
dass sie nicht in das Magazin des Baumaterials eingesetzt werden
können.
Genauso sind die Kartuschen des Baumaterials so konfiguriert, dass
sie nicht in das Magazin des Stützmaterials
eingesetzt werden können.
Eine derartig spezielle Kodierung der Kartuschen und Magazine eliminiert
die Möglichkeit
einer unbeabsichtigten Vermischung der Materialien der Vorrichtung.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst
das Abfallmaterial Teile von sowohl dem Baumaterial als auch dem
Stützmaterial,
die zu dem Abfallaufnahmebehälter
der Kartusche des Stützmaterials
und der Kartusche des Baumaterials zugeführt werden. Vorzugsweise wird
das Abfallmaterial dem Abfallaufnahmebehälter einer Kartusche nur zugeführt, wenn
die Kartusche Material für
die Verwendung durch das Abgabegerät ausstößt.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann der Container flexible Schläuche
oder Taschen umfassen anstelle einer Kartusche, um das Material
zuzuführen.
Zusätzlich
könnten,
anstatt der Verwendung einer Extrusionsstange um das Material auszustoßen, ein
Paar von Walzen verwendet werden, um das Material aus einem Ende
des Schlauches oder der Tasche auszuquetschen. Abfallmaterial könnte ebenfalls
zurück
in die Schläuche
oder Taschen an dem entgegen gesetzten Ende des Schlauchs oder der
Tasche geführt
werden, während
sich die Walzen vorbewegen um das Material auszustoßen, in
einer ähnlichen
Weise in der eine Schlauchquetschpumpe arbeitet. Das Material des
Schlauchs oder der Tasche könnte
für Strahlung
transparent sein, in welchem Fall das Abfallmaterial in der Tasche
oder dem Schlauch durch Aussetzung zu Strahlung ausgehärtet werden
könnte,
die durch die dünnen
Wände der Tasche
oder des Schlauchs hindurch tritt. Die Taschen könnten dann verknotet oder versiegelt
werden, bevor das Abfallmaterial ausgestoßen wird.
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Nun
Bezug nehmend auf 8 ist die SDM Vorrichtung,
die schematisch in 7 gezeigt ist, bei Bezugszeichen 10 gezeigt.
Um Zugang zu der Bauumgebung zu ermöglichen, ist eine Schiebetür 104 an
der Vorderseite der Vorrichtung vorgesehen. Die Tür 104 erlaubt
keinen Austritt der Strahlung innerhalb der Maschine in die Umgebung.
Die Vorrichtung ist so konfiguriert, dass sie nicht arbeiten wird
oder angeschaltet werden kann, wenn die Tür 104 offen ist. Wenn
die Vorrichtung in Betrieb ist, wird sich die Tür 104 zusätzlich nicht öffnen lassen.
Eine Baumaterialzufuhrtür 106 wird
so bereitgestellt, dass die Baumaterialcontainer in die Vorrichtung
eingesetzt werden können.
Eine Stützmaterialzufuhrtür 108 wird so
bereitgestellt, dass das Stützmaterial
in die Vorrichtung eingesetzt werden kann. Eine Abfallschublade 68 ist
an dem unteren Ende der Vorrichtung 10 vorgesehen, so dass
die ausgestoßenen
Abfallcontainer von der Vorrichtung entfernt werden können. Eine
Anwenderschnittstelle 110 ist bereitgestellt, die in Kommunikation
mit dem externen Computer 35 ist, der zuvor diskutiert
wurde, und welche Schnittstelle den Empfang der Druckbefehldaten
von dem externen Computer überwacht.
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Was
beschrieben wurde sind bevorzugte Ausführungsformen, in denen Modifikationen
und Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne von dem Rahmen der beigefügten
Ansprüche
abzuweichen.