DE68927908T2

DE68927908T2 - Verringerung des stereolithographischen Verbiegens

Info

Publication number: DE68927908T2
Application number: DE68927908T
Authority: DE
Inventors: Raymond Samuel Freed; Charles William Hull; Charles William Van Lewis; Dennis Rollette Smalley; Stuart Thomas Spence; Wayne Allan Vinson
Original assignee: 3D Systems Inc
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 1988-04-18
Filing date: 1989-04-17
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2009-04-18
Also published as: ATE150693T1; KR100257033B1; ATE202517T1; HK1001675A1; JP2000000893A; WO1989010801A1; EP0362982B1; DE68927908D1; KR900700191A; HK1004856A1; DE68929309D1; CA1339750C; DE68929309T2; DE362982T1; EP0362982A3; US5273691A; JP3443365B2; EP0362982A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung eines dreidimensionalen Objekts nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, Anspruch 22, Anspruch 42 bzw. Anspruch 44.
Diese Technologie wird mittlerweile als "Stereolithographie" bezeichnet, und dieser Begriff soll hier verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Beseitigung oder Verringerung einer "Kräuselung" genannten Form von Verzerrung, welche in der Stereolithographie leicht auftreten kann und deren Natur im folgenden erläutert wird.
In der weiter unten gegebenen Beschreibung wird auf die folgenden Quellendokumente Bezug genommen:
US-Patent 4.575.330 (Hull), welches ein stereolithographisches System beschrieb, aus dem die vorliegende Erfindung entwickelt wurde;
EP-A-0 354 637 (3D Systems, Inc.), veröffentlicht am 14. Februar 1990, welches unter anderem Datenverarbeitungsmethoden zur Umwandlung von CAD-Daten (Daten des rechnergestützten Konstruierens) in Daten, welche die stereolithographische Bearbeitung steuern, beschreibt;
EP-A-0 355 945 (3D Systems, Inc.), veröffentlicht am 28. Februar 1990, welches Methoden zur Beseitigung von Spannungen beschreibt;
EP-A-0 338 751 (3D Systems, Inc.), veröffentlicht am 25. Oktober 1989, welches Träger für den Aufbau von dreidimensionalen Objekten beschreibt;
"Understanding PHIGS", veröffentlicht von Template, Megatek Corp., San Diego, Kalifornien, USA, worin eine ANSI-Norm erlutert wird, die PHIGS betrifft, das Hierarchische Interaktive Computergraphik-System des Programmierers, und
Anhang J: Programmuste - Viertelzylinder.
Bei der Produktion von Kunststoffteilen und ähnlichem ist es allgemein üblich, zuerst ein solches Teil zu entwerfen und dann sorgfältig einen Prototyp des Teils herzustellen, was alles mit einem beträchtlichen Aufwand an Zeit, Mühe und Kosten verbunden ist. Der Entwurf wird dann überarbeitet, und oft wird das mühsame Verfahren mehrmals wiederholt, bis der Entwurf optimiert worden ist. Nach der Optimierung des Entwurfs ist der nächste Schritt die Produktion. Die meisten serienmäßig gefertigten Kunststoffteile werden durch Spritzgießen hergestellt. Da die Kosten für Entwurfszeit und Werkzeugausrüstung sehr hoch sind, sind Kunststoffteile gewöhnlich nur bei einer Produktion von großem Umfang wirtschaftlich sinnvoll. Obwohl für die Produktion von Kunststoffteilen andere Verfahren zur Verfügung stehen, einschließlich direkte Maschinenbearbeitung, Vakuumformgebung und direktes Formen, sind solche Methoden typischerweise nur für die Kleinserienproduktion kosteneffektiv, und die hergestellten Teile haben gewöhnlich eine geringere Qualität als gegossene Teile.
In der Vergangenheit wurden sehr ausgeklügelte Methoden zur Erzeugung von dreidimensionalen Objekten innerhalb eines fließfähigen Mediums entwickelt, welches selektiv durch Strahlen ausgehärtet wird, die in vorgeschriebenen Schnittpunkten innerhalb des dreidimensionalen Volumens des fließfähigen Mediums selektiv fokussiert werden. Typisch für solche dreidimensionalen Systeme sind die in den US-Patenten Nr. 4.041.476, 4.078.229, 4.238.840 und 4.288.861 beschriebenen. Alle diese Systeme beruhen auf dem Aufbau einer synergistischen Erregung in ausgewählten Punkten tief im Inneren des fließfähigen Volumens, unter Ausschluß aller anderen Punkte in dem fließfähigen Volumen. Leider treten jedoch bei solchen Systemen der dreidimensionalen Formgebung eine Reihe von Problemen auf, welche die Steuerung der Auflösung und der Exposition betreffen. Die Verluste der Strahlungsflußdichte und der bildformenden Auflösung der fokussierten Stellen, wenn sich die Schnittpunkte tiefer in das fließfähige Medium hineinbewegen, erzeugen recht offensichtliche komplexe Steuerungssituationen. Absorption, Diffusion, Zerstreuung und Beugung tragen allesamt zu den Schwierigkeiten des Arbeitens tief im Inneren des fließfähigen Mediums auf einer wirtschaftlichen und zuverlässigen Basis bei.
In den letzten Jahren sind "Stereolithographie"- Systeme, wie etwa die im US-Patent Nr. 4.575.330 beschriebenen, in Gebrauch gekommen. Im wesentlichen ist Stereolithographie eine Methode zum automatischen Aufbauen von komplexen Kunststoffteilen durch aufeinanderfolgendes Drucken von Querschnitten eines Photopolymers (wie etwa von flüssigem Kunststoff) übereinander, bis alle dünnen Schichten zusammengefügt werden, um ein ganzes Teil zu formen. Bei dieser Technologie werden die Teile buchstäblich in einer Wanne mit flüssigem Kunststoff gezüchtet. Diese Herstellungsmethode ist äußerst leistungsfähig, wenn es darum geht, Entwurfsideen schnell in eine physische Form umzusetzen und Prototypen anzufertigen.
Durch Licht aushärtbare Polymere gehen in Gegenwart von Licht vom flüssigen in den festen Zustand über, und ihre Photogeschwindigkeit bei ultraviolettem Licht (UV) ist genügend hoch, um sie zu geeigneten Materialien für die Modellherstellung zu machen. Das Material, das nicht polymerisiert ist, wenn ein Teil hergestellt wurde, ist noch verwendbar und verbleibt in der Wanne, wenn nachfolgende Teile hergestellt werden. Ein Ultraviolettlaser erzeugt einen kleinen, intensiven UV-Lichtfleck. Dieser Lichtfleck wird mit einem Galvanometerspiegel-X-Y-Scanner über die Flüssigkeitsoberfläche bewegt. Der Scanner wird von mittels Computer erzeugten Vektoren oder ähnlichem angetrieben. Mit diesem Verfahren können schnell genaue, komplexe Muster hergestellt werden. Der Laserscanner, die Photopolymer-Wanne und die Hebevorrichtung bilden zusammen mit einem Steuercomputer eine Stereolithographie-Vorrichtung, die mit "SLV" bezeichnet wird. Eine SLV ist so programmiert, daß sie ein Kunststoffteil automatisch herstellt, indem sie jedesmal einen Querschnitt zeichnet und das Teil Schicht für Schicht aufbaut.
Stereolithographie stellt eine völlig neuartige Methode dar, um schnell komplexe oder einfache Teile ohne Werkzeugausrüstung herzustellen. Da diese Technologie die Verwendung eines Computers erfordert, um ihre Querschnittsmuster zu erzeugen, ist die Verbindung der Stereolithographie mit CAD/CAM ein logischer Schritt. Bei solchen Systemen sind jedoch Schwierigkeiten aufgetreten, die mit Schrumpfung, Spannung, Kräuselung und anderen Verzerrungen zusammenhängen, sowie mit der Auflösung, der Genauigkeit und Schwierigkeiten bei der Herstellung bestimmter Objektformen.
Objekte, die unter Anwendung der Stereolithographie hergestellt wurden, haben die Tendenz zur Verzerrung, wenn sich die Dichte der verwendeten Materialien zwischen dem flüssigen Zustand und dem festen Zustand ändert. Eine Änderung der Dichte verursacht eine Schrumpfung oder Ausdehnung des Materials, und dies erzeugt Spannungen, wenn ein Teil gebildet wird, derart, daß die unteren Schichten oder die angrenzende Struktur "gekräuselt" werden, was zu einer Verzerrung des gesamten Teils führt. Materialien mit einer geringeren Änderung der Dichte zeigen eine geringere Kräuselung, doch viele Materialien, die ansonsten für die Stereolithographie geeignet sind, weisen eine starke Schrumpfung auf. Der "Kräuselungs"- Effekt begrenzt die Genauigkeit der Bildung von Objekten mittels Stereolithographie. Die vorliegende Erfindung zeigt Wege auf, um den "Kräuselungs"-Effekt zu beseitigen oder zu verringern.
Die Materialschrumpfung ist ein häufig anzutreffendes Problem bei polymeren Materialien und bei Herstellungsverfahren (wie etwa Kunststoffspritzguß), bei denen diese Materialien verwendet werden. Die Stereolithographie ist jedoch eine neue Technologie, und die Probleme, die mit der Verzerrung infolge einer Schrumpfung zusammenhängen, sind noch nicht umfassend untersucht worden. Die anderen Hauptwege zur Verringerung der Verzerrung von Objekten, die von den Erfindern eingeschlagen wurden, bestanden in der Verwendung von photopolymeren Materialien, die eine geringere Schrumpfung aufweisen und weniger Spannungen erzeugen, oder von Materialien, die weniger unelastisch sind und weniger in der Lage sind, Beanspruchungen zu übertragen.
Diese anderen Methoden sind recht effektiv, haben jedoch Nachteile. Der zuerst eingeschlagene Weg, um eine geringe Schrumpfung in einem Photopolymer zu erreichen, bestand darin, oligomere Materialien mit hohen Anfangs-Äquivalentgewichten zu verwenden. Diese Materialien schrumpfen weniger, da bei der durch Licht ausgelösten Polymerreaktion die Herausbildung neuer Bindungen pro Volumeneinheit geringer ist. Diese Materialien mit hohem Äquivalentgewicht haben jedoch im allgemeinen höhere Molekulargewichte und eine wesentlich höhere Viskosität bei einer gegebenen Temperatur als die Materialien mit niedrigerem Molekulargewicht. Die hohe Viskosität führt zu einer langsamen Einebnung der Flüssigkeitsoberfläche. Die hohe Viskosität kann überwunden werden, indem eine erhöhte Prozeßtemperatur verwendet wird, doch höhere Temperaturen begrenzen die Lebensdauer der Flüssigkeit.
Die Schrumpfung in Photopolymeren ist auf die Schrumpfung bei der Bildung der Acrylbindungen zurückzuführen. Photopolymere können hergestellt werden, indem man statt der Acryle andere Funktionsgruppen reagieren läßt, doch sie haben eine wesentlich geringere Reaktivität als die Materialien mit Acrylbindungen, was zu im allgemeinen ungeeigneten Geschwindigkeiten bei der Bildung von festen Stoffen führt.
Materialien, die in gewissem Grade flexibel sind, wenn sie geformt werden, erzeugen gewöhnlich Objekte mit geringerer Verzerrung, da sie Beanspruchungen nicht über weite Entfernungen durch das Objekt hindurch übertragen können. Diese Eigenschaft ist jedoch ein Nachteil, wenn das Ziel das Ziel darin besteht, steife Objekte herzustellen. Einige Materialien sind weich, wenn sie geformt werden, und härten dann aus, wenn sie mit Strahlung von höherer Intensität oder anderen Mitteln nachgehärtet werden. Dies sind brauchbare Materialien für die Stereolithographie. Das gesamte Thema der Materialien, die infolge der Art und Weise, wie sie den Übergang vom flüssigen zum festen Zustand vollziehen, weniger Verzerrung erzeugen, wird gegenwärtig untersucht. Jedoch existieren derzeit keine Materialien, welche verzerrungsfreie Teile erzeugen.
Wie bereits dargelegt wurde, betrifft die vorliegende Erfindung die Verringerung oder Beseitigung des Effekts der "Kräuselungs"-Verzerrung in der Stereolithographie. Der Begriff "Kräuselung" wird benutzt, um einen Effekt zu beschreiben, der demjenigen ähnlich ist, der anzutreffen ist, wenn Überzüge auf solche Dinge wie Papier aufgetragen werden. Wenn ein Blatt mit einer Substanz überzogen wird, welche schrumpft, krümmt es sich nach oben, zum Überzug hin. Das liegt daran, daß der Überzug sowohl schrumpft als auch am Blatt klebt und eine Zugkraft auf die Oberseite, jedoch nicht auf die Unterseite des Blattes ausübt. Ein Blatt Papier hat eine unzureichende Spannkraft, um dem Zug zu widerstehen, und die meisten Überzüge bewirken, daß Papier sich wellt. Dasselbe geschieht, wenn ein Photopolymer auf der Oberseite eines dünnen Blattes aus bereits ausgehärtetem Photopolymer ausgehärtet wird.
Das obenerwähnte US-Patent 4.575.330 und EP-A- 121 (Scitex) offenbaren ein Verfahren und eine Vorrichtung von der Art, auf die im einführenden Absatz dieser Beschreibung Bezug genommen wurde. Genauer gesagt, offenbaren diese Patentbeschreibungen eine Vorrichtung von der Art, die eine Quelle einer vorgeschriebenen Stimulation, ein Mittel zum Bereitstellen aufeinanderfolgender Schichten eines transformierbaren fließfähigen Mediums zur Vorbereitung der Bildung aufeinanderfolgender Objektschichten des Objekts und ein Mittel zum selektiven Exponieren einer jeden der besagten Schichten mit der vorgeschriebenen Stimulation, um aufeinanderfolgende Objektschichten zu bilden, umfaßt, wobei das besagte Mittel zum selektiven Exponieren einer jeden der besagten Schichten durch eine Steuereinrichtung gesteuert wird, die gemäß einem vorgeschriebenen Programm betreibbar ist.
EP-A-0 250 121 offenbart ein Verfahren, bei welchem jede frische Schicht des transformierbaren fließfähigen Mediums durch die Dicke der Schicht hindurch vollständig exponiert wird, um sie auszuhärten und an die vorangegangene Schicht anzuhaften. In EP-A-0 250 121 wird eingeräumt, daß Verzerrungen infolge einer Schrumpfung entstehen können, und vorgeschlagen, das Schichtenmuster in zwei komplementäre Schachbrettmuster zu zerteilen, welche in jeweiligen Expositionsschritten vollständig durchgehend ausgehärtet werden, wodurch sich die zwei Schachbrettmuster vereinigen, um das gewünschte Muster für die Schicht zu bilden. Falls erforderlich, kann eine weitere Gesamt-Exposition vorgenommen werden, um eine solche Einheit in der endgültigen Objektschicht zu gewährleisten.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren von der erwähnten Art gekennzeichnet durch:
wenigstens eine Anfangsexposition der Schicht mit der besagten vorgeschriebenen Stimulation gemäß einem vorherbestimmten Muster, um einen Anfangsbereich der Objektschicht zu bilden, der nicht direkt an der vorangegangenen Objektschicht haftet, und
wenigstens eine weitere Exposition mit der besagten vorgeschriebenen Stimulation gemäß einem vorherbestimmten Muster, um einen weiteren Bereich der Objektschicht zu bilden, der wenigstens teilweise den besagten Anfangsbereich direkt mit der vorangegangenen Objektschicht verbindet.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren von der erwähnten Art gekennzeichnet durch:
wenigstens eine Anfangsexposition der Schicht mit der besagten vorgeschriebenen Stimulation gemäß einem vorherbestimmten Muster, um zwei lateral getrennte Bereiche der Objektschicht zu bilden, die nicht direkt miteinander verhaftet sind, und
wenigstens eine weitere Exposition mit der besagten vorgeschriebenen Stimulation gemäß einem vorherbestimmten Muster, um eine Struktur zu bilden, die die besagten getrennten Bereiche verbindet und nicht verfestigte Teile der Schicht zwischen den besagten Bereichen beläßt.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Vorrichtung der oben definierten Art dadurch gekennzeichnet, daß:
die Steuereinrichtung das besagte Mittel zum selektiven Exponieren einer jeden der besagten Schichten steuert;
wenigstens eine Anfangsexposition der vorgeschriebenen Stimulation auf die Schicht gemäß einem vorherbestimmten Muster angewandt wird, um einen Anfangsbereich der Objektschicht zu bilden, der nicht direkt an der vorangegangenen Objektschicht haftet, und
wenigstens eine weitere Exposition der vorgeschriebenen Stimulation auf die Schicht gemäß einem vorherbestimmten Muster angewandt wird, um einen weiteren Bereich der Objektschicht zu bilden, der wenigstens teilweise den besagten Anfangsbereich direkt mit der vorangegangenen Objektschicht verbindet.
Bei noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Vorrichtung der oben definierten Art dadurch gekennzeichnet, daß:
die Steuereinrichtung das besagte Mittel zum selektiven Exponieren einer jeden der besagten Schichten steuert;
wenigstens eine Anfangsexposition der vorgeschriebenen Stimulation auf die Schicht gemäß einem vorherbestimmten Muster angewandt wird, um zwei lateral getrennte Bereiche der Objektschicht zu bilden, die nicht direkt miteinander verhaftet sind, und
wenigstens eine weitere Exposition der vorgeschriebenen Stimulation auf die Schicht gemäß einem vorherbestimmten Muster angewandt wird, um eine Struktur zu bilden, die die besagten getrennten Bereiche verbindet und nicht verfestigte Teile der Schicht zwischen den besagten Bereichen beläßt.
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Die Verfahrensweise der Erfindung kann bei den Methoden der Stereolithographie angewandt werden, wie im obenerwähnten US-Patent 4 575 330 beschrieben wurde und hier erläutert wird. Genauer gesagt, kann die Erfindung mit Methoden realisiert werden, die weiter unten als Mehrfach-Durchgang und Sekundärstruktur beschrieben werden.
Die Implementierung der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit den Prinzipien von mittels Computer erzeugten Graphiken in Kombination mit Stereolithographie beschrieben, d. h. mit der Anwendung von lithographischen Methoden bei der Herstellung von dreidimensionalen Objekten, um gleichzeitig rechnergestütztes Konstruieren (CAD) und rechnergestützte Fertigung (CAM) bei der Herstellung von dreidimensionalen Objekten direkt nach Computeranweisungen durchzuführen. Die Erfindung kann für die Zwecke der plastischen Formgebung von Modellen und Prototypen in einer Entwurfsphase der Produktentwicklung angewandt werden, oder als ein Fertigungssystem, oder sogar als eine reine Kunstform.
Die Datenbank eines CAD-Systems kann verschiedene Formen annehmen. Eine Form besteht in der Darstellung der Oberfläche eines Objekts als ein Netz von Dreiecken. Diese Dreiecke bilden die innere und die äußere Oberfläche des Objekts vollständig. Diese CAD- Darstellung umfaßt gewöhnlich auch einen Normalvektor der Länge eins für jedes Dreieck, wobei die Normale von dem Festkörper wegzeigt, welchen das Dreieck begrenzt.
Bei einer Methode der Stereolithographie wird ein programmierter beweglicher UV-Licht-Punktstrahl, der auf eine Oberfläche oder Schicht einer UV-aushärtbaren Flüssigkeit scheint, verwendet, um einen festen Querschnitt des Objekts an der Oberfläche der Flüssigkeit zu bilden. Das Objekt wird dann auf eine programmierte Weise um die Dicke einer Schicht von der Flüssigkeitsoberfläche wegbewegt, und der nächste Querschnitt wird dann geformt und mit der unmittelbar vorangegangenen Schicht, die das Objekt definiert, verhaftet. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis das gesamte Objekt geformt ist.
Im Grunde genommen können alle Typen von Objektformen mit dieser Methode erzeugt werden. Komplexe Formen lassen sich leichter erzeugen, indem die Funktionen eines Computers verwendet werden, um die programmierten Befehle erzeugen zu helfen und dann die Programmsignale an das stereolithographische Objektbildungs-Untersystem zu senden.
Natürlich ist zu berücksichtigen, daß bei der praktischen Durchführung der Erfindung andere Formen einer geeigneten synergistischen Stimulation für ein aushärtbares fließfähiges Medium verwendet werden können, wie etwa Partikelbombardement (Elektronenstrahlen und ähnliches), chemische Reaktionen durch Spritzen von Stoffen durch eine Maske hindurch oder durch Farbstrahlen oder eine einfallende Strahlung, bei der es sich nicht um ultraviolettes Licht handelt.
Bei der Stereolithographie kann ein sich bewegender Laserstrahl verwendet werden, um Teile durch die Verfestigung von aufeinanderfolgenden Schichten von flüssigem Kunststoff aufzubauen. Diese Methode versetzt einen Konstrukteur in die Lage, auf einem CAD-System einen Entwurf zu erzeugen und in wenigen Stunden ein genaues Kunststoffmodell herzustellen.
Zum Beispiel wird das feste Modell zuerst auf dem normalen Wege auf einem CAD-System konstruiert, ohne spezielle Bezugnahme auf das stereolithographische Verfahren. Es wird eine Kopie des Modells für die stereolithographische Bearbeitung angefertigt. Wie später ausführlicher beschrieben wird, können Objekte mit strukturellen Konfigurationen konstruiert werden, welche Spannungen und Kräuselung in dem letztlich gebildeten Objekt reduzieren.
Zu diesem Zweck wird, wenn eine Stereolithographie-Linie, welche Teil einer vertikalen oder horizontalen Bildung ist, mit Unterbrechungen in der Linie anstelle einer Vollinie gezeichnet wird, was auch die "Strichlinien"-Methode genannt wird, die Zugkraft, die normalerweise entlang des Vektors übertragen wird, beseitigt, und der Kräuselungseffekt wird verringert. Wenn eine Stereolithographie-Linie, welche Teil einer vertikalen oder horizontalen Bildung ist, mit Biegungen in der Linie anstelle einer geraden Linie gezeichnet wird, was auch die "Gekrümmte-Linien"- Methode genannt wird, wird die Zugkraft, die normalerweise entlang des Vektors übertragen wird, verringert, und der Kräuselungseffekt wird verringert. Wenn eine Stereolithographie-Linie, welche Teil einer vertikalen oder horizontalen Bildung ist, so gezeichnet wird, daß sie nicht direkt an der Linie unter oder neben sich anhaftet, sondern, nachdem sie ausgebildet ist, mit einer sekundären Struktur verbunden ist, was auch die "Sekundärstruktur"-Methode genannt wird, wird die Zugkraft, die entlang des Vektors nach unten gerichtet ist, beseitigt, das Biegungsmoment auf den angrenzenden Linien wird verringert, und der Kräuselungseffekt wird stark verringert. Wenn eine Stereolithographie-Linie, welche Teil einer vertikalen oder horizontalen Bildung ist, so gezeichnet wird, daß sie nicht direkt an der Linie unter oder neben sich anhaftet, bis das Material im wesentlichen zur Reaktion gebracht worden ist, was auch die "Mehrfach-Durchgang"- Methode genannt wird, wird die Zugkraft, die entlang des Vektors nach unten gerichtet ist, verringert, die Struktur ist steifer, so daß sie einer Verformung widerstehen kann, und der Kräuselungseffekt wird stark verringert.
Als Beispiel sollen verschiedene Arten beschrieben werden, Schienen mit verringerter Kräuselung zu zeichnen: 1) eine Strichlinie, um die Zugwirkung auszuschalten; 2) eine Linie mit kurzen Segmenten, die miteinander Winkel bilden, um die Zugwirkung auszuschalten; 3) Linien, die nicht an der Schicht darunter anhaften, um die Zugwirkung zu beseitigen, die jedoch mit einer anderen Struktur zusammengehalten werden, und 4) Linien, die soweit wie möglich zur Reaktion gebracht wurden, bevor die Exposition, welche den Gelierpunkt (und die Haftung) auf die untere Schicht ausdehnt, angewandt wird.
Die Vorbereitung eines Modells für die Stereolithographie erfordert die Wahl der optimalen Ausrichtung, das Hinzufügen von Abstützungen und die Wahl der Betriebsparameter des Stereolithographie- Systems. Die optimale Ausrichtung (1) ermöglicht ein Entleeren des Objekts, (2) hat die kleinste Anzahl von nicht abgestützten Flächen, (3) optimiert wesentliche Flächen und (4) ermöglicht, daß das Objekt in die Kunstharzwanne paßt. Abstützungen müssen hinzugefügt werden, um nicht befestigte Bereiche zu sichern, und für andere Zwecke; eine CAD-Bibliothek von Abstützungen kann für diesen Zweck vorbereitet werden. Die Stereolithographie-Betriebsparameter umfassen die Wahl des Modellmaßstabs und der Schichtdicke (Scheibendicke).
Die Oberfläche des festen Modells wird dann in Dreiecke eingeteilt, typischerweise "PHIGS". Ein Dreieck ist das kleinste komplexe Vieleck für Vektorberechnungen. Je mehr Dreiecke gebildet werden, desto besser ist die Auflösung der Oberfläche, und desto genauer ist folglich das gebildete Objekt in Bezug auf den CAD-Entwurf.
Anschließend werden die Datenpunkte, welche die Dreieckskoordinaten darstellen, über geeignete Netzkommunikationsmittel zum stereolithographischen System übertragen. Die Software des stereolithographischen Systems zerschneidet dann die dreieckigen Bereiche horizontal (X-Y-Ebene) in Scheiben mit der gewählten Schichtdicke.
Die stereolithographische Einheit (SLV) brechnet als nächstes die Bereichsgrenzen-Vektoren, Schraffurlinien-Vektoren und Vektoren der horizontalen Oberfläche (Haut). Schraffurlinien-Vektoren bestehen aus einer Kreuzschraffur zwischen den Grenzen-Vektoren. Es sind verschiedene Stile verfügbar. Haut-Vektoren, welche mit hoher Geschwindigkeit und mit einer großen Überlappung gezeichnet werden, bilden die horizontalen Oberflächen der Außenseite des Objekts. Horizontale Gebiete im Inneren, die sich zwischen oberer und unterer Haut befinden, werden nur durch Kreuzschraffur- Vektoren ausgefüllt.
Die SLV bildet dann das Objekt aus aufeinanderfolgenden horizontalen Schichten, indem sie den ultravioletten Strahl eines Helium-Cadmium-Lasers über die Oberfläche eines durch Licht aushärtbaren Kunstharzes bewegt und die Flüssigkeit verfestigt, wo er auftrifft. Die Absorption in dem Kunstharz verhindert, daß das Laserlicht tief eindringt, und ermöglicht, daß eine dünne Schicht gebildet wird. Jede Schicht besteht aus Vektoren, welche in der folgenden Reihenfolge gezeichnet werden: Grenze, Schraffur und Oberfläche.
Die erste Schicht, die von der SLV gezeichnet wird, haftet an einer horizontalen Plattform an, die unmittelbar unter der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist. Diese Plattform ist an einer Hebevorrichtung befestigt, welche sie dann, mittels Computer gesteuert, vertikal absenkt. Nach dem Zeichnen einer Schicht taucht die Plattform einige Millimeter in die Flüssigkeit ein, um die zuvor ausgehärtete Schicht mit frischer Flüssigkeit zu überziehen, und bewegt sich dann ein kleineres Stück nach oben, wobei sie einen dünnen Flüssigkeitsfilm zurückläßt, aus dem die zweite Schicht gebildet wird. Nach einer Pause, um der Flüssigkeitsoberfläche zu ermöglichen, sich zu glätten, wird die nächste Schicht gezeichnet. Da das Kunstharz Hafteigenschaften aufweist, wird die zweite Schicht fest an die erste angefügt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis alle Schichten gezeichnet worden sind und das gesamte dreidimensionale Objekt gebildet ist. Normalerweise stellen die unteren ca. 0,25 Zoll des Objekts eine Stützstruktur dar, auf welcher das gewünschte Teil aufgebaut wird. Kunstharz, das nicht dem Licht ausgesetzt worden ist, verbleibt in der Wanne, um für das nächste Teil verwendet zu werden. Es gibt sehr wenig Materialabfall.
Die Nachbearbeitung umfaßt die Erwärmung des gebildeten Objekts, um überschüssiges Harz zu entfernen, eine Ultraviolett- oder Wärme-Aushärtung, um die Polymerisation zu vollenden, und das Entfernen der Abstützungen. Zusätzliche Bearbeitungen, einschließlich Schleifen und Zusammenbau zu funktionierenden Modellen, können ebenfalls ausgeführt werden.
Die Stereolithographie hat viele Vorteile für die Herstellung von Kunststoffobjekten. Bei ihr entfällt die Notwendigkeit, Konstruktionspläne und Zeichnungen anzufertigen und Werkzeugzeichnungen und Werkzeuge herzustellen. Der Konstrukteur kann direkt mit dem Computer und einer stereolithographischen Einrichtung arbeiten, und wenn er mit der Konstruktion so, wie sie auf dem Ausgabebildschirm des Computers gezeigt wird, zufrieden ist, kann er ein Teil zur direkten Betrachtung herstellen. Wenn die Konstruktion geändert werden muß, kann das einfach über den Computer realisiert werden, und dann kann ein weiteres Teil hergestellt werden, um zu überprüfen, ob die Änderung richtig war. Falls die Konstruktion mehrere Teile mit miteinander in Wechselwirkung stehenden Konstruktionsparametern erfordert, wird der Nutzen der Stereolithographie sogar noch größer, da sämtliche Konstruktionen von Teilen schnell geändert und wieder so gestaltet werden können, daß der Gesamtaufbau hergestellt und untersucht werden kann, wenn nötig mehrmals.
Nachdem die Konstruktion vollständig ist, kann die Produktion der Teile sofort beginnen, so daß die Wochen und Monate zwischen Konstruktion und Produktion eingespart werden. Die endgültigen Produktionsleistungen und Teilekosten dürften ähnlich wie die gegenwartigen Kosten des Spritzgießens für die Kleinserienproduktion sein, wobei die Lohnkosten sogar niedriger sind als die, die beim Spritzgießen entstehen. Spritzgießen ist nur dann wirtschaftlich, wenn große Anzahlen von identischen Teilen benötigt werden. Stereolithographie ist für kleine Produktionsserien günstig, da die Notwendigkeit einer Werkzeugausrüstung entfällt und die Produktionsvorbereitungszeit minimal ist. Ebenso lassen sich Konstruktionsänderungen und nach Kundenwunsch anzufertigende Teile unter Verwendung der Methode leicht realisieren. Aufgrund der Einfachheit der Herstellung von Teilen kann Stereolithographie ermöglichen, Kunststoffteile an vielen Stellen zu verwenden, wo gegenwärtig Teile aus Metall oder einem anderen Material eingesetzt werden. Darüber hinaus gestattet sie, schnell und wirtschaftlich Kunststoffmodelle von Objekten herzustellen, bevor die Entscheidung getroffen wird, teurere Teile aus Metall oder einem anderen Material herzustellen.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung in der Stereolithographie, um eine Kräuselung zu beseitigen oder zu verringern, wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
FIG. 1 die Bildung einer Schiene mit Stereolithographie zeigt;
FIG. 2 ein Detail des Reaktionsbereichs zeigt;
FIG. 3 eine Perspektivansicht einer Strichlinien- Schiene ist;
FIG. 4 eine Perspektivansicht einer Kurze-Segmenteoder Gekrümmte-Linien-Schiene ist;
FIG. 5a ein Stirnseiten-Aufriß einer Schiene ohne Haftung, außer für die verbindende Sekundärstruktur, ist;
FIG. 5b eine Perspektivansicht einer Schiene ohne Haftung, außer für die verbindende Sekundärstruktur, ist;
FIG. 6 eine Schiene ist, die durch Niete zusammengehalten wird;
FIG. 7 ein Viertelzylinder ist;
FIG. 8 ein Flußdiagramm ist, das die Software- Architektur eines geeigneten Stereolithographie-Systems zeigt, in welchem die vorliegende Erfindung hergestellt werden kann;
FIG. 9 ein Gesamt-Blockschaltbild eines Stereolithographie-Systems für die Realisierung der vorliegenden Erfindung ist;
FIG. 10 und 11 Flußdiagramme sind, welche die Grundkonzeptionen zeigen, die bei der Realisierung der Stereolithographie-Methode der vorliegenden Erfindung angewandt werden;
FIG. 12 eine Kombination eines Blockschaltbilds, einer Prinzipdarstellung und einer Aufriß-Schnittansicht eines Systems ist, das für die Realisierung der Erfindung geeignet ist;
FIG. 13 eine Aufriß-Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Stereolithographie-Systems für die Realisierung der Erfindung ist;
FIG. 14a die Zugwirkung einer Linie auf eine andere, unter sich befindliche Linie zeigt;
FIG. 14b die Linien von FIG. 14a zeigt, die infolge der Zugwirkung nach oben gekräuselt sind;
FIG. 15a zwei bereits ausgehärtete Linien mit einem Zwischenraum mit nicht ausgehärtetem Kunstharz zwischen sich zeigt;
FIG. 15b die entgegenwirkenden Kräfte zeigt, die ausgeübt werden, wenn das nicht ausgehärtete Kunstharz im Zwischenraum von FIG. 15a ausgehärtet wird;
FIG. 16a die Aushärtungstiefe zeigt, die erreicht wird, wenn eine spezielle Exposition in einem einzigen Durchgang durchgeführt wird;
FIG. 16b die Aushärtungstiefe zeigt, die durch den Linseneffekt erreicht wird, wenn die Exposition von FIG. 16a in mehrfachen Durchgängen durchgeführt wird;
FIG. 17a das Problem der Biegung nach unten bei der Mehrfach-Durchgang-Methode zeigt;
FIG. 17b eine mögliche Lösung des Problems von FIG. 17a durch Erhöhung der Exposition bei den ersten Durchgängen der Mehrfach-Durchgang-Methode zeigt;
FIG. 18 eine Musterliste ist, welche REDRAW- Befehle in der Datei .L zeigt;
FIG. 19 eine Musterliste ist, welche REDRAW- Befehle in der Datei .R zeigt;
FIG. 20 eine Musterliste ist, welche REDRAW- Standardparameter in der Datei .PRM zeigt;
FIG. 21a Vektoren zeigt, die einen Querschnitt eines Objekts aufspannen;
FIG. 21b die Auswirkung einer endlichen Sprungzeit auf die Zeichnung der Vektoren von FIG. 21a zeigt;
FIG. 21c die Anwendung der Zickzack-Methode zur Verminderung des Problems von FIG. 21b zeigt;
FIG. 22a eine Seitenansicht von aufgestapelten Linien von unterschiedlichen Schichten zeigt;
FIG. 22b die Verwendung einer genieteten Sekundärstruktur zum Befestigen aneinandergrenzender Linien einer speziellen Schicht zeigt;
FIG. 22c eine Seitenansicht der genieteten Sekundärstruktur von FIG. 22b zeigt;
FIG. 22d die Verwendung von Nieten zum Befestigen der Sekundärstrukturen von aneinandergrenzenden aufgestapelten Schichten zeigt;
FIG. 22e eine Draufsicht der genieteten Sekundärstruktur von FIG. 22b zeigt;
FIG. 23a Niete zeigt, wobei der Durchmesser der Niete viel kleiner ist als die Breite der Linien;
FIG. 23b Niete zeigt, wobei der Durchmesser der Niete größer ist als die Niete von FIG. 23a;
FIG. 23c Niete zeigt, wobei der Durchmesser der Niete größer ist als die Breite der Linien;
FIG. 24a eine Seitenansicht von aufgestapelten Linien ist, die durch Niete verbunden sind;
FIG. 24b eine Draufsicht von überdimensionierten Nieten ist;
FIG. 24c eine Draufsicht von versetzten Nieten ist;
FIG. 24d eine Draufsicht von Nieten ist, die verwendet werden, um aufgestapelte Stützlinien zu verbinden;
FIG. 25a eine Seitenansicht einer Sekundärstruktur zeigt, die verwendet wird, um aneinandergrenzende Linien zu verbinden;
FIG. 25b eine Draufsicht der Struktur von FIG. 25a ist, die Niete zeigt, die verwendet werden, um eine aufgestapelte Sekundärstruktur zu verbinden;
FIG. 25c eine Seitenansicht der Sekundärstruktur und der Niete von FIG. 25b ist;
FIG. 26a ein Teil zeigt, das nach der Strichlinien-Methode hergestellt wurde;
FIG. 26b ein Teil zeigt, das nach der Gekrümmte- Linien-Methode hergestellt wurde;
FIG. 26c ein Teil zeigt, das nach der Sekundärstruktur-Methode hergestellt wurde;
FIG. 27a die Verwendung von Ziegeln und Mörtel bei der Strichlinien-Methode zeigt;
FIG. 27b die Aushärtungs-Reihenfolge für die Ziegel-und-Mörtel-Variante der Strichlinien-Methode zeigt;
FIG. 27c die Aushärtungs-Reihenfolge für eine andere Variante der Strichlinien-Methode zeigt;
FIG. 27d die Aushärtungs-Reihenfolge für eine dritte Variante der Strichlinien-Methode zeigt;
FIG. 27e die Aushärtung für eine vierte Variante der Strichlinien-Methode zeigt;
FIG. 28a die Beseitigung von Spannungen von der Gekrümmte-Linien-Methode zeigt;
FIG. 28b die Gekrümmte-Linien-Methode mit einer Größe des Zwischenraums von 40-300 Milli-Inches zeigt;
FIG. 28c die Gekrümmte-Linien-Methode mit einer geringeren Größe des Zwischenraums als in FIG. 28b zeigt;
FIG. 28d eine Variante der Gekrümmte-Linien- Methode zeigt, die eine dreieckige Form aufweist;
FIG. 28e eine andere Variante der Gekrümmte- Linien-Methode zeigt;
FIG. 28f die Winkel zeigt, die zu der Variante von FIG. 28e gehören;
FIG. 28g eine dritte Variante der Gekrümmte- Linien-Methode zeigt;
FIG. 28h eine Ziegel-und-Mörtel-Variante der Gekrümmte-Linien-Methode zeigt;
FIG. 28i die Aushärtungs-Reihenfolge für die Variante von FIG. 28h zeigt;
FIG. 28j die Aushärtungs-Reihenfolge für eine andere Ziegel-und-Mörtel-Variante der Gekrümmte-Linien- Methode zeigt;
FIG. 29a einen nicht verzerrten freitragenden Bereich zeigt;
FIG. 29b einen verzerrten freitragenden Bereich zeigt;
FIG. 29c eine Draufsicht von Vektoren zeigt, die zur Haftung in einem freitragenden Bereich beitragen, der hergestellt wurde, um die Kräuselung zu verringern;
FIG. 30 eine Musterliste ist, welche die Festlegung von kritischen Gebieten in einer kritischen Datei .BOX zeigt;
FIG. 31 eine Musterliste ist, welche die Festlegung von RIVET- [NIET-] Befehlen in der Datei .L zeigt;
FIG. 32 eine Musterliste ist, welche die Festlegung von Standard-RIVET-Parametern in der Datei .PRM zeigt;
FIG. 33 eine Musterliste ist, welche eine Datei .V zeigt;
FIG. 34a eine Seitenansicht eines nicht verzerrten Viertelzylinders zeigt;
FIG. 34b eine Seitenansicht eines verzerrten Viertelzylinders ist;
FIG. 34c eine Draufsicht einer Schicht des Viertelzylinders ist;
FIG. 34d eine Draufsicht der Schicht von FIG. 34c ist, welche die Auswirkungen einer horizontalen Kräuselung zeigt;
FIG. 35a eine Seitenansicht eines Viertelzylinders ist, die dessen obere Schichten, Stützschicht, Ständer- Schichten und Basisschicht zeigt;
FIG. 35b eine Draufsicht eines Viertelzylinders ist, welche die innere und die äußere konzentrische, kreisformig gekrümmte Schiene zeigt;
FIG. 35c eine Draufsicht eines Viertelzylinders ist, welche den den gekrümmten Schienen gegenüberliegenden Winkel zeigt;
FIG. 35d eine Draufsicht eines Viertelzylinders ist, welche die innere und die äußere Schiene zeigt, die durch Kreuzschraffur verbunden sind;
FIG. 35e eine Draufsicht eines Viertelzylinders ist, welche die Verwendung von Nieten zum Verbinden der gestapelten Kreuzschraffur von FIG. 35d zeigt;
FIG. 35f eine Perspektivansicht eines Viertelzylinders ist;
FIG. 35g eine Seitenansicht eines verzerrten Viertelzylinders ist, welche die Definition des Kräuselungsfaktors zeigt;
FIG. 36a eine Seitenansicht eines Teils ist, das geschlitzte Bereiche aufweist;
FIG. 36b eine Vorderansicht des Teils von FIG. 36a ist;
FIG. 36c eine Draufsicht des Teils von FIG. 36a ist; und
FIG. 36d eine Seitenansicht des Teils von FIG. 36a ist, welche die Sneer-Effekte zeigt.
Die vorliegende Erfindung wird in ihrer Anwendung auf eine stereolithographische Methode und Vorrichtung des Typs beschrieben, der für den Aufbau von aufeinanderfolgenden Schichten eines Photopolymers bestimmt ist, wobei jede Schicht durch Zeichnen einer Reihe von Vektoren mit einem Lichtbüschel auf der Flüssigkeitsoberfläche gebildet wird, die jeden Querschnitt des Objekts definiert, wobei die Verbesserung in der Verringerung oder Beseitigung der Kräuselung besteht. Eine Anzahl von Methoden wurde untersucht, indem Schienen aufgebaut wurden, die eine Reihe von Schichten von geraden Linien darstellen, und indem die resultierende Verzerrung untersucht wurde. Die Kraft oder Spannung wird in diesem Falle an der Grenzfläche erzeugt, wo das Polymer aushärtet (und schrumpft) und an der darunter befindlichen Schicht anhaftet, wie in dem folgenden Schema gezeigt ist.
Es wird nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf FIG. 1 und 2 Bezug genommen; das Lichtbüschel 3 bewegt sich über die Flüssigkeit 2 in der angegebenen Richtung, wobei er sie in einen Festkörper 1 verwandelt. Dadurch wird eine feste obere Schicht 4 gebildet, die an der unteren Schicht 5 anhaftet. Der Begriff Lichtbüschel bezieht sich auf eine synergistische Stimulation, wie etwa UV-Licht, das auf die Oberfläche des flüssigen Polymers auftrifft.
In dem vergrößerten Schema (FIG. 2) wird gezeigt, wie das Licht von dem Büschel in das Photopolymer eindringt und dabei den Reaktionsbereich 6 bildet. Die Grenzfläche 9 zwischen Festkörper und Flüssigkeit, oder Gelierpunkt, ist angegeben. Der polymere Zustand des Materials in dem aktiven Bereich ist jedoch komplexer.
Das gesamte Material in dem Bereich reagiert. Das Material im oberen linken Teil des Bereichs wird am stärksten zur Reaktion gebracht, da das Licht am intensivsten ist und das Büschel sich am längsten in diesem Gebiet befunden hat. Das Material im unteren rechten Teil, unmittelbar über der unteren Schicht, wird am wenigsten zur Reaktion gebracht, da das Licht am wenigsten intensiv ist und das Büschel sich die kürzeste Zeit in diesem Gebiet befunden hat.
Während das Material reagiert, ändert sich seine Dichte. Bei der vorliegenden Erläuterung wird angenommen, daß die Änderung der Dichte eine Schrumpfung verursacht, doch eine Ausdehnung ist ebenfalls möglich. Der Reaktionsbereich 6 verhält sich wie ein komplexer schrumpfender Zylinder, und die Schrumpfung 7 erfolgt in Richtung auf das Innere dieses Zylinders. Im unteren linken Gebiet des Reaktionsbereichs 6 haftet das neue feste Material der oberen Schicht 4 mittels Haftung 8 an der unteren Schicht 5.
Wenn eine Schicht gebildet wird, ohne an einer darunter befindlichen Schicht befestigt zu werden, ist keine "Kräuselungs"-Verzerrung vorhanden, da der Reaktionsbereich, während er schrumpft, nur an seiner eigenen Schicht befestigt ist (und durch sie Zwang ausgeübt wird). Bei der Erzielung dieser Einzelschicht "Haftung" wird die Schicht auf Druck beansprucht, es wird jedoch kein Biegungsmoment erzeugt. Das liegt daran, daß alle horizontalen Kräfte von der Schrumpfungsreaktion keine andere feste Basis haben, auf die sie einwirken können, als die gerade gebildete Schicht, und das neue feste reagierende Material die Möglichkeit hat, sich leicht nach links zu verschieben, während es gebildet wird.
Wenn jedoch eine Schicht gebildet wird und gleichzeitig an einer darunter befindlichen Schicht befestigt wird, schrumpft der Teil des befestigten Materials im Reaktionsbereich immer noch. Dieses Schrumpfen ist nun mit dem restlichen Teil der Schiene auf zweierlei Weise verknüpft:
a. Das Material unmittelbar über dem Haftungspunkt schrumpft. Da dieses schrumpfende Material nun die Oberseite der darunter befindlichen Schicht als eine feste Basis verwenden kann, erzeugt es in dieser Basis eine Druckspannung. Während die neue Schicht gebildet wird, wird die gesamte Oberseite der vorangegangenen (unteren) Schicht zusammengedrückt, und dies verursacht ein Biegungsmoment in der unteren Schicht.
b. Der Reaktionsbereich schrumpft und ist an der sich nun bildenden oberen Schicht befestigt. Dieser Bereich wird nach links gezogen, ebenso wie bei der Bildung einer nicht befestigten Schicht. Der Reaktionsbereich ist jedoch nun auch an der unteren Schicht befestigt, so daß er gegen die Bewegung nach links Widerstand leistet, und so zieht das Schrumpfen auch die obere Schicht nach rechts. Dies verursacht ein Biegungsmoment in der Schiene.
Es ist anzumerken, daß es bei Photopolymer- Reaktionen zwei Typen der Schrumpfung gibt. Der erste Mechanismus besteht darin, daß das Polymer infolge der Bildung von Polymerbindungen schrumpft. Das Ergebnis ist, daß der feste Polymer-Zustand dichter ist als der flüssige Vorpolymerisat-Zustand, und folglich nimmt eine gegebene Menge eines Polymers weniger Raum ein als das Vorpolymerisat, aus dem es gebildet wurde. Dieser Schrumpfungsmechanismus läuft im wesentlichen augenblicklich ab, im Vergleich zu der Zeit, die benötigt wird, um Lasermuster zu erzeugen (d. h. weniger als eine Mikrosekunde).
Der zweite Mechanismus ist eine Wärmewirkung. Photopolymere sind exotherm, so daß sie Wärme abgeben, wenn sie reagieren. Diese Wärme erhöht die Temperatur des Polymers, und es dehnt sich bei der Bildung aus. Die nachfolgende Abkühlung und Schrumpfung hat die gleiche Wirkung wie die auf die Zustandsänderung zurückzuführende Schrumpfung, außer daß sie langsamer verläuft und im Vergleich zu der Zeit, die benötigt wird, um Lasermuster zu erzeugen, lange dauert (Sekunden). Für die Photopolymere, mit denen gegenwärtig gearbeitet wird, ist der Zustandsänderungs- Mechanismus der wesentlichere von den zwei Typen der Schrumpfung.
Ein typisches Beispiel eines stereolithographischen Photopolymers ist das Stereolithographie-Kunstharz Desoto SLR800, das von Desoto, Inc., 1700 South Mt. Prospect Road, Des Plaines, Illinois 60018, hergestellt wird.

Methoden zur Eindämmung der Kräuselung

Wenn eine Stereolithographie-Linie, welche Teil einer vertikalen oder horizontalen Bildung ist, mit Unterbrechungen in der Linie anstelle einer Vollinie gezeichnet wird, was auch die "Strichlinien"-Methode genannt wird, wird die Zugkraft, die normalerweise entlang des Vektors übertragen wird, beseitigt, und der Kräuselungseffekt wird verringert. Wenn eine Stereolithographie-Linie, welche Teil einer vertikalen oder horizontalen Bildung ist, mit Biegungen in der Linie anstelle einer geraden Linie gezeichnet wird, was auch die "Gekrümmte-Linien"-Methode genannt wird, wird die Zugkraft, die normalerweise entlang des Vektors übertragen wird, verringert, und der Kräuselungseffekt wird verringert. Wenn eine Stereolithographie-Linie, welche Teil einer vertikalen oder horizontalen Bildung ist, so gezeichnet wird, daß sie nicht direkt an der Linie unter oder neben sich anhaftet, sondern, nachdem sie ausgebildet ist, mit einer sekundären Struktur verbunden ist, was auch die "Sekundärstruktur"-Methode genannt wird, wird die Zugkraft, die entlang des Vektors nach unten gerichtet ist, beseitigt, das Biegungsmoment auf den angrenzenden Linien wird verringert, und der Kräuselungseffekt wird stark verringert. Wenn eine Stereolithographie-Linie, welche Teil einer vertikalen oder horizontalen Bildung ist, so gezeichnet wird, daß sie nicht direkt an der Linie unter oder neben sich anhaftet, bis das Material im wesentlichen zur Reaktion gebracht worden ist, was auch die "Mehrfach-Durchgang"-Methode genannt wird, wird die Zugkraft, die entlang des Vektors nach unten gerichtet ist, verringert, und die Struktur ist steifer, so daß sie einer Kräuselung widerstehen kann.
Die Methoden zur Eindämmung der Kräuselung beruhen darauf, daß Teile auf solche Weisen hergestellt werden, daß die obengenannten Effekte (a) und (b) beseitigt oder verringert werden. Es gibt verschiedene einfache Beispiele von Arten, Schienen mit verringerter Kräuselung zu zeichnen: 1) eine Strichlinie, um die Zugwirkung auszuschalten; 2) eine Linie mit kurzen Segmenten, die miteinander Winkel bilden, um die Zugwirkung auszuschalten; 3) Linien, die nicht an der Schicht darunter anhaften, um die Zugwirkung zu beseitigen, die jedoch mit einer anderen Struktur zusammengehalten werden, und 4) Linien, die soweit wie möglich zur Reaktion gebracht wurdem, bevor die Exposition, welche den Gelierpunkt (und die Haftung) auf die untere Schicht ausdehnt, angewandt wird. Diese Methoden werden als die Strichlinien-, Gekrümmte- Linien-, Sekundärstruktur- bzw. Mehrfach-Durchgang- Methode bezeichnet. Diese grundlegenden Schienen werden im folgenden ausführlicher beschrieben.
Eine Schiene, die mit einer Strichlinie hergestellt wurde, ist in FIG. 3 dargestellt. FIG. 4 zeigt eine Schiene, die mit kurzen Segmenten hergestellt wurde, welche miteinander Winkel bilden. FIG. 5a und 5b zeigen eine Schiene, die mit Linien hergestellt wurde, die nicht an der Schicht darunter anhaften, die jedoch mit einer anderen Struktur zusammengehalten werden.
Um zu verstehen, wie Linien so vollständig wie möglich zur Reaktion gebracht werden, bevor sie an der Linie darunter anhaften, ist es erforderlich, den Prozeß der Festkörperbildung zu verstehen. Die Dauer der Reaktionszeit, die benotigt wird, um eine Schicht in der Stereolithographie zu bilden, hängt von der Schichtdicke, von der Adsorptionsrate der einwirkenden Reaktionsenergie und von der Reaktionsgeschwindigkeit des Materials ab.
Die Dickenansprechkurve zur Bildung eines festen Überzugs auf einer Flüssigkeitsoberfläche in Abhängigkeit von der einwirkenden Reaktionsenergie ist eine logarithmische Funktion. Das feste Material an der Grenzfläche Flüssigkeit/Festkörper befindet sich gerade am Gelierpunkt, und beim festen Material an der Oberfläche ist die Reaktion am weitesten fortgeschritten. Nachdem ein Überzug gebildet ist, erhöhen nachfolgende Expositionen die Reaktion an der Oberfläche, doch dehnen die Dicke des Überzugs immer weniger aus.
Eine wirksame Methode, um die Kräuselung einzudämmen, besteht darin, eine Schichtdicke zu wählen, die genügend groß ist, so daß die Masse der neuen oberen Schicht in starkem Maße ausgehärtet (zur Reaktion gebracht) wird. Es ist sogar noch wirksamer diese Schicht mit mehrfachen Expositionen auszuhärten, so daß nur die letzten Expositionen die Haftung herbeiführen. In diesem Falle hat sich beim größten Teil des Materials im Reaktionsbereich bereits die Dichte geändert, bevor die Haftung erfolgt. Außerdem sind die neue obere Schicht und die unteren Schichten vollständiger ausgehärtet und besser in der Lage, einer Verformung zu widerstehen.
In einem Beispiel wird eine Schiene mit zwei parallelen, nahe beieinander befindlichen Wänden aufgebaut, wobei die Exposition genügend gering ist, so daß die Schichten nicht anhaften, und die Wände werden mit kurzen senkrechten Vektoren verbunden, die bis zu einer Tiefe exponiert werden, die genügend groß ist, so daß die Schichten an diesen Stellen anhaften und die Struktur zusammenhalten.
Bei dieser Methode werden die Vektoren für die zwei Wände beide für jede Schicht gezogen, und die Haftung wird durch Anwendung einer zusätzlichen Exposition für die verbindenden Vektoren erzielt.
Diese Konzeption wurde zu einer Methode des Aufbaus von Teilen verallgemeinert. Bei dieser Methode wird ein Teil mit einer Innenwand und einer Außenwand und mit verbindenden Rippen konstruiert. Das oben beschriebene Teil, das mit dem hier als Anhang J beigefügten Basic-Programm "Viertelzylinder" hergestellt wurde, ist ein solches Teil. FIG. 7 im Zeichnungsteil zeigt dieses Teil. Dieser "Baustil" wird als "Vernieten" bezeichnet, wobei die stärker exponierten verbindenden Vektoren Niete genannt werden.
Anhang J ist ein Programm zur Herstellung eines Viertelzylinders, der verwendet wird, um die Wirksamkeit verschiedener Anti-Kräuselungs-Methoden zu messen.
Bei Anwendung dieses Baustils hängt, wenn die Innenwand und die Außenwand ausreichend exponiert werden, um eine Haftung zu bewirken, das Maß der Kräuselung des Teils vom Maß der Exposition über das Maß hinaus ab, das erforderlich ist, um zu erreichen daß die Tiefe des Polymers gleich der Schichttiefe ist. Das heißt, je mehr die Wände über den Punkt hinaus exponiert werden, an dem die Schicht die darunter befindliche Schicht berührt, desto mehr wird das Teil gekräuselt. Dies ist die eigentliche Grundlage eines Standard-"Kräuselungstests" für verschiedene Kunstharze, der weiter unten in dieser Anmeldung ausführlicher beschrieben wird. Entsprechend diesem Test wird eine Reihe von diesen Viertelzylindern mit unterschiedlichen Expositionen hergestellt, und es wird die Kurve der Kräuselung in Abhängigkeit von der Exposition gezeichnet. Unter Anwendung dieses Tests wurde entdeckt, daß unterschiedliche Kunstharz- Rezepturen unterschiedliche Kräuselungen aufweisen, und dies ermöglicht die Auswahl der besten Kunstharze.
Ferner ist anzumerken, daß die hier beschriebenen Methoden zur Verringerung der Kräuselung auch auf das Verfahren der Herstellung von Teilen durch das Schmelzen von Metall- oder Kunststoffpulver mit einem wärmeerzeugenden Laser anwendbar sind. Tatsächlich kann das Pulverschmelzverfahren sogar noch anfälliger gegenüber einer Kräuselung sein als eine Herstellung mit Photopolymeren, und die Verfahren zur Verringerung der Kräuselung werden bei diesem Verfahren sogar noch stärker benötigt.
Außerdem ist anzumerken, daß bei den allgemeinen Herstellungs-Algorithmen, die in EP-A-0 354 637 dargelegt wurden, ein Teil mittels CAD konstruiert werden kann und unter Verwendung einer X-Achsen- Schraffur und 60-Grad- und 120-Grad-Schraffur sowie mit einem geeigneten MIA, das so ausgelegt ist, daß es eine nahezu radiale Kreuzschraffur erzeugt, in Scheiben zerlegt werden kann. Falls dieses Teil dann mit einer starken Exposition für die Kreuzschraffur und einer geringeren Exposition für die Grenzen exponiert wird, so wurde die in den vorangehenden Absätzen beschriebene Methode der Teileherstellung über CAD-Konstruktion implementiert. FIG. 8 im Zeichnungsteil zeigt ein für diesen Zweck geeignetes Gesamt-Stereolithographie- System, welches in EP-A-0 354 637 ausführlicher beschrieben wird.
Variationen sind möglich, wie etwa, daß die unterbrochenen Linien oder gekrümmten Linien mit Strichlinien mit geringerer Exposition "gefüllt" werden können, um die Oberflächenstruktur zu ebnen. Strichlinien oder unterbrochene Linien können als die Stützlinien verwendet werden, die nicht direkt mit der Linie unter sich oder der angrenzenden Linie verbunden sind. Die nicht gestützten Linien sind mit den Stützlinien mittels kleiner zusätzlicher Strukturlinien verbunden. Bei der Sekundärstruktur zur Anbindung nicht gestützter Linien kann es sich um "Niete" von höherer Exposition an der Oberseite dieser Linie handeln, die sie mit den Linien darunter verbinden.
Dünnere Schichten können gebildet werden, indem die Absorption des Materials so geregelt wird, daß eine gegebene Exposition einen dünneren Überzug erzeugt, während das Material in der Nähe der oberen Oberfläche nach wie vor fast vollständig zur Reaktion gebracht wird.
Die beschriebenen verschiedenen Methoden zur Eindämmung der Kräuselung sind additiv. Das heißt, falls zwei oder mehr von ihnen kombiniert werden, wird die Kräuselung noch stärker verringert. Außerdem existieren viele andere mögliche Variationen der beschriebenen Methoden.
Nunmehr wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, und insbesondere auf FIG. 9 im Zeichnungsteil; dort ist ein Blockschaltbild eines Gesamt-Stereolithographie- Systems dargestellt, das für die Realisierung der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Ein CAD-Generator 2 und eine geeignete Schnittstelle 3 übermitteln eine Datenbeschreibung des zu bildenden Objekts, typischerweise im Format PHIGS, über ein Kommunikationsnetz wie etwa ETHERNET oder ähnliches zu einem Schnittstellencomputer 4, wo die Objektdaten verarbeitet werden, um die Daten zu optimieren und Ausgangsvektoren bereitzustellen, welche Spannungen Kräuselung und Verzerrung reduzieren und Auflösung, Festigkeit, Genauigkeit, Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit der Vervielfältigung erhöhen, selbst für recht komplizierte und komplexe Objektformen. Der Schnittstellencomputer 4 erzeugt Schichtvektor-Daten durch aufeinanderfolgendes Zerlegen in Scheiben, Variieren der Schichtdicke, Abrunden der Ecken von Vielecken, Füllen, Erzeugen von ebenen Hüllen, fast ebenen Hüllen, nach oben gewandten und nach unten gewandten Hüllen, Skalierung, Kreuzschraffur, Versetzen von Vektoren und Ordnen von Vektoren.
Die Vektordaten und Parameter vom Computer 4 werden zu einem Steuerungs-Teilsystem 5 übertragen, zum Betreiben des Lasers, der Spiegel, der Hebevorrichtung usw. des Stereolithographie-Systems.
FIG. 10 und 11 sind Flußdiagramme, welche das zu Grunde liegende System für die Erzeugung von dreidimensionalen Objekten mittels Stereolithographie veranschaulichen.
Es sind viele flüssige Chemikalien bekannt, welche durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht (UV) oder andere Formen synergistischer Stimulation, wie etwa Elektronenstrahlen, sichtbares oder unsichtbares Licht oder reaktive Chemikalien, die mittels Farbstrahl oder über eine geeignete Maske aufgetragen werden, dazu gebracht werden können, sich in einen polymeren Kunststoff im festen Zustand zu verwandeln. UV- aushärtbare Chemikalien werden gegenwärtig als Druckfarbe für das Hochgeschwindigkeits-Drucken, bei Verfahren des Beschichtens von Papier und anderen Materialien, als Klebstoffe und auf anderen speziellen Gebieten verwendet.
Lithographie ist die Technik der Vervielfältigung von graphischen Objekten unter Anwendung verschiedenartiger Methoden. Zu den neueren Beispielen gehören photographische Vervielfältigung, Xerographie und Mikrolithographie, wie sie bei der Herstellung von mikroelektronischen Leiterplatten angewandt wird. Mittels Computer erzeugte Graphiken, die auf einem Plotter oder einer Kathodenstrahlröhre dargestellt werden, sind ebenfalls Formen von Lithographie, wobei das Bild eine Abbildung eines mittels des Computers codierten Objekts ist.
Rechnergestütztes Konstruieren (CAD) und rechnergestützte Fertigung (CAM) sind Methoden, bei denen die Fähigkeiten von Computern auf die Prozesse der Konstruktion und Fertigung angewandt werden. Ein typisches Beispiel für CAD liegt auf dem Gebiet des Entwurfs von elektronischen Leiterplatten, wo ein Computer und ein Plotter den Entwurf einer Leiterplatte zeichnen, wenn die Entwurfsparameter als Eingangsdaten des Computers gegeben sind. Ein typisches Beispiel für CAM ist eine numerisch gesteuerte Fräsmaschine, wo ein Computer und eine Fräsmaschine Metallteile herstellen, wenn die korrekten Programmieranweisungen gegeben sind. Sowohl CAD als auch CAM sind wichtig und sind sich rasch entwickelnde Technologien.
Nunmehr wird spezieller auf FIG. 10 im Zeichnungsteil eingegangen; die stereolithographische Methode wird in groben Zügen umrissen. Schritt 8 erfordert die Erzeugung von CAD- oder anderen Daten, typischerweise in digitaler Form, welche ein durch das System zu bildendes dreidimensionales Objekt darstellen. Diese CAD-Daten definieren gewöhnlich Flächen im Vieleck-Format, wobei gegenwartig Dreiecke und zu den Ebenen dieser Dreiecke senkrechte Normalen, z. B. für Anstiegsangaben, bevorzugt werden, und sie sind bei einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit dem Hierarchischen Interaktiven Graphik-System des Programmierers (PHIGS) konform, das nunmehr als ANSI-Norm übernommen wurde. Diese Norm wird beispielsweise in der Veröffentlichung "Understanding PHIGS", veröffentlicht von Template, Megatek Corp., San Diego, Kalifornien, beschrieben, welche hiermit durch Bezugnahme vollständig in das vorliegende Patent aufgenommen wird, so als ob sie vollständig dargelegt wäre.
In Schritt 9 werden die PHIGS-Daten oder die zu ihnen gleichwertigen Daten in eine modifizierte Datenbank zum Treiben des Stereolithographie- Ausgabesystems bei der Bildung von dreidimensionalen Objekten umgewandelt. In diesem Zusammenhang werden die das Objekt definierenden Informationen speziell verarbeitet, um Spannungen, Kräuselung und Verzerrung zu reduzieren und Auflösung, Festigkeit und Reproduktionsgenauigkeit zu erhöhen.
Schritt 10 in FIG. 10 erfordert die Erzeugung von einzelnen Festkörper-Objektschichten, welche Querschnitte eines zu bildenden dreidimensionalen Objekts darstellen. Schritt 11 kombiniert die nacheinander gebildeten aneinandergrenzenden Objektschichten, so daß das gewünschte dreidimensionale Objekt gebildet wird, welches in das System zur selektiven Aushärtung einprogrammiert wurde.
Folglich erzeugt das stereolithographische System dreidimensionale Objekte durch Erzeugung eines Querschnittsmusters des zu bildenden Objekts an einer ausgewählten Oberfläche eines fließfähigen Mediums, z. B. von einer UV-aushärtbaren Flüssigkeit oder ähnlichem, das in der Lage ist, seinen physischen Zustand in Reaktion auf eine geeignete synergistische Stimulation, wie etwa auftreffende Strahlung, Elektronenstrahlen oder anderes Partikelbombardement oder aufgetragene Chemikalien (wie mittels Farbstrahl oder Spritzen über eine an die Flüssigkeitsoberfläche angrenzende Maske), zu ändern, wobei aufeinanderfolgende aneinandergrenzende Objektschichten, die entsprechende aufeinanderfolgende aneinandergrenzende Querschnitte des Objekts repräsentieren, automatisch gebildet und miteinander zu einem Ganzen verbunden werden, so daß ein schrittweiser laminarer Aufbau oder Aufbau aus dünnen Schichten des Objekts erzielt wird, wodurch ein dreidimensionales Objekt gebildet und von einer im wesentlichen ebenen oder blattartigen Oberfläche des fließfähigen Mediums während des Formungsprozesses gezogen wird.
Die oben beschriebene Methode, die in FIG. 10 dargestellt ist, wird im Flußdiagramm von FIG. 11 genauer umrissen, wobei Schritt 8 erneut die Erzeugung von CAD- oder anderen Daten erfordert, typischerweise in digitaler Form, welche ein durch das System zu bildendes dreidimensionales Objekt darstellen. In Schritt 9 werden erneut die PHIGS-Daten durch ein eindeutiges Umwandlungssystem in eine modifizierte Datenbank zum Treiben des Stereolithographie- Ausgabesystems bei der Bildung von dreidimensionalen Objekten umgewandelt. Schritt 12 erfordert, ein fließfähiges Medium in einem Zustand zu halten, in dem es zu einer Verfestigung in Reaktion auf eine vorgeschriebene reaktive Stimulation in der Lage ist. Schritt 13 erfordert die Anwendung dieser Stimulation als ein graphisches Muster, in Reaktion auf eine Datenausgabe vom Computer 4 in FIG. 9, auf eine festgelegte Flüssigkeitsoberfläche, um an dieser Oberfläche einzelne dünne, feste Schichten zu bilden, wobei jede Schicht einen angrenzenden Querschnitt eines herzustellenden dreidimensionalen Objekts repräsentiert. Bei einer praktischen Anwendung ist jede Objektschicht eine dünne Objektschicht, jedoch dick genug, um bei der Bildung des Querschnitts und beim Anhaften an die angrenzenden Objektschichten, die andere Querschnitte des zu bildenden Objekts definieren, ausreichend kohäsiv zu sein.
Schritt 14 in FIG. 13 erfordert die Aufeinanderschichtung der aufeinanderfolgenden aneinandergrenzenden Schichten oder Objektschichten, so wie sie gebildet werden, um die verschiedenen Schichten zu vereinigen und das gewünschte dreidimensionale Objekt zu definieren. Normalerweise wird, wenn das fließfähige Medium aushärtet und sich festes Material bildet, um eine Objektschicht zu bilden, diese Objektschicht von der Arbeitsoberfläche des fließfähigen Mediums wegbewegt, und die nächste Objektschicht wird in der neuen Flüssigkeit gebildet, welche die zuvor gebildete Objektschicht ersetzt, so daß jede nachfolgende Objektschicht über alle anderen Querschnitts-Objektschichten gelegt wird und (aufgrund der natürlichen Haftungseigenschaften des ausgehärteten fließfähigen Mediums) mit ihnen vereinigt ist.
Der Vorgang der Herstellung solcher Querschnitts- Objektschichten wird ständig wiederholt, bis das gesamte dreidimensionale Objekt geformt worden ist. Das Objekt wird dann entfernt, und das System ist bereit, ein weiteres Objekt herzustellen, welches mit dem vorangegangenen Objekt identisch sein kann oder ein völlig neues Objekt sein kann, das durch Änderung des Programms gebildet wird, welches das stereolithographische System steuert.
FIG. 12-13 im Zeichnungsteil zeigen verschiedene Vorrichtungen, die für eine Durchführung der stereolithographischen Methoden geeignet sind, welche durch die Systeme und Flußdiagramme von FIG. 1 - 3 dargestellt und beschrieben werden.
Wie zuvor erwähnt, ist "Stereolithographie" eine Methode und eine Vorrichtung zur Herstellung von festen Objekten durch aufeinanderfolgendes "Drucken" von dünnen Schichten eines aushärtbaren Materials, z. B. eines UV-aushärtbaren Materials, übereinander. Ein programmierbarer beweglicher UV-Licht-Punktstrahl, der auf eine Oberfläche oder Schicht einer UV-aushärtbaren Flüssigkeit scheint, wird verwendet, um einen festen Querschnitt des Objekts an der Oberfläche der Flüssigkeit zu bilden. Das Objekt wird dann auf eine programmierte Weise um die Dicke einer Schicht von der Flüssigkeitsoberfläche wegbewegt, und der nächste Querschnitt wird dann geformt und mit der unmittelbar vorangegangenen Schicht, die das Objekt definiert, verhaftet. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis das gesamte Objekt geformt ist.
Im Grunde genommen können alle Typen von Objektformen mit der stereolithographischen Methode erzeugt werden. Komplexe Formen lassen sich leichter erzeugen, indem die Funktionen eines Computers verwendet werden, um die programmierten Befehle erzeugen zu helfen und dann die Programmsignale an das stereolithographische Objectbildungs-Untersystem zu senden.
Die Datenbank eines CAD-Systems kann verschiedene Formen annehmen. Eine Form besteht, wie weiter oben angegeben, in einer Darstellung der Oberfläche eines Objekts als ein Netz von Dreiecken (PHIGS). Diese Dreiecke bilden die innere und die äußere Oberfläche des Objekts vollständig. Diese CAD-Darstellung umfaßt auch einen Normalvektor der Länge eins für jedes Dreieck. Die Normale zeigt von dem Festkörper weg, welchen das Dreieck begrenzt. Diese Erfindung stellt ein Mittel zur Verarbeitung solcher CAD-Daten zu den schichtweisen Vektordaten bereit, die zur Bildung von Objekten durch Stereolithographie benötigt werden.
Damit Stereolithographie erfolgreich funktioniert, muß eine gute Haftung zwischen einer Schicht und der nächsten vorhanden sein. Folglich muß der Kunststoff von einer Schicht den Kunststoff überziehen, der gebildet wurde, als die vorangegangene Schicht hergestellt wurde. Bei der Herstellung von Modellen, die aus vertikalen Segmenten bestehen, fällt der Kunststoff, der in einer Schicht gebildet wird, genau auf den zuvor gebildeten Kunststoff von der vorangegangenen Schicht und gewährleistet dadurch eine gute Haftung. Wenn man beginnt, einen übergang von vertikalen zu horizontalen Merkmalen zu vollziehen, indem man endliche Sprünge in der Schichtdicke verwendet, wird schließlich ein Punkt erreicht, wo der in einer Schicht gebildete Kunststoff nicht in Kontakt mit dem Kunststoff kommt, der in der vorangegangenen Schicht gebildet wurde, und dies verursacht ernste Haftungsprobleme. Horizontale Oberflächen selbst weisen keine Haftungsprobleme auf, da infolgedessen, daß sie horizontal sind, der gesamte Bereich auf einer Schicht aufgebaut ist, wobei die Seite-an-Seite-Haftung die strukturelle Einheit aufrechterhält
Eine Ausführungsform eines stereolithographischen Systems, auf welche die vorliegende Erfindung anwendbar ist, ist in FIG. 12 in einem senkrechten Querschnitt dargestellt. Ein Behälter 21 ist mit einer UV- aushärtbaren Flüssigkeit 22 oder ähnlichem gefüllt, um eine festgelegte Arbeitsoberfläche 23 bereitzustellen. Eine programmierbare Quelle von ultraviolettem Licht 26 oder ähnliches erzeugt in der Ebene der Oberfläche 23 einen ultravioletten Lichtfleck 27. Der Lichtfleck 27 läßt sich durch die Bewegung von Spiegeln oder anderen optischen oder mechanischen Elementen (in FIG. 12 nicht dargestellt), die zusammen mit der Lichtquelle 26 verwendet werden, über die Oberfläche 23 bewegen. Die Position des Lichtflecks 27 auf der Oberfläche 23 wird durch ein Computersteuerungssystem 28 gesteuert. Wie zuvor erwähnt wurde, kann das System 28 durch CAD-Daten gesteuert werden, die von einem Generator 20 in einem CAD-Konstruktionssystem oder ähnlichem erzeugt werden und im PHIGS-Format oder einem gleichwertigen Format zu einem rechnergestützten Umwandlungssystem 25 übertragen werden. In diesem Umwandlungssystem 25 werden die das Objekt definierenden Informationen speziell verarbeitet, um Spannungen, Kräuselung und Verzerrung zu reduzieren und Auflösung, Festigkeit und Reproduktionsgenauigkeit zu erhöhen.
Eine bewegliche Hebevorrichtungs-Plattform 29 im Inneren des Behälters 21 kann wahlweise auf- und abwärts bewegt werden, wobei die Position der Plattform durch das System 28 gesteuert wird. Wenn die Vorrichtung arbeitet, erzeugt sie ein dreidimensionales Objekt 30 durch den schrittweisen Aufbau von miteinander vereinigten Objektschichten, wie 30a, 30b, 30c.
Die Oberfläche der UV-aushärtbaren Flüssigkeit 22 wird im Behälter 21 auf einer konstanten Höhe gehalten, und der Fleck von UV-Licht 27 oder eine andere geeignete Form von reaktiver Stimulation von ausreichender Intensität, um die Flüssigkeit auszuhärten und sie in ein festes Material zu verwandeln, wird auf eine programmierte Weise über die Arbeitsoberfläche 23 bewegt. Während die Flüssigkeit 22 aushärtet und sich festes Material bildet, wird die Hebevorrichtungs- Plattform 29, die sich ursprünglich unmittelbar unter der Oberfläche 23 befand, auf programmierte Weise mittels eines geeigneten Stellantriebs von der Oberfläche weg nach unten bewegt. Auf diese Weise wird das feste Material, das zu Beginn gebildet wurde, unter die Oberfläche 23 bewegt, und neue Flüssigkeit 22 fließt über die Oberfläche 23. Ein Teil dieser neuen Flüssigkeit wird wiederum durch den programmierten UV- Lichtfleck 27 in festes Material verwandelt, und das neue Material verbindet sich durch Haftung mit dem unter ihm befindlichen Material. Dieser Prozeß wird fortgesetzt, bis das gesamte dreidimensionale Objekt 30 gebildet ist. Das Objekt 30 wird dann aus dem Behälter 21 entfernt, und die Vorrichtung ist bereit, ein weiteres Objekt herzustellen. Anschließend kann ein weiteres Objekt hergestellt werden, oder es kann durch Änderung des Programms im Computer 28 irgendein neues Objekt angefertigt werden.
Die aushärtbare Flüssigkeit 22, z. B. die UV- aushärtbare Flüssigkeit, muß verschiedene wichtige Eigenschaften aufweisen: (A) Sie muß bei der verfügbaren UV-Lichtquelle genügend schnell aushärten, um praktisch anwendbare Objektbildungszeiten zu ermöglichen. (B) Sie muß haftfähig sein, so daß aufeinanderfolgende Schichten aneinander anhaften. (C) Ihre Viskosität muß niedrig genug sein, so daß frisches flüssiges Material schnell über die Oberfläche fließt, wenn die Hebevorrichtung das Objekt bewegt. (D) Sie sollte UV-Licht absorbieren, so daß der gebildete Überzug recht dünn ist. (E) Sie muß im festen Zustand in demselben Lösungsmittel hinreichend unlöslich sein, so daß die UV-aushärtbare Flüssigkeit und teilweise ausgehärtete Flüssigkeit, nachdem das Objekt gebildet worden ist, von dem Objekt abgewaschen werden kann. (F) Sie sollte in möglichst hohem Maße ungiftig und nicht reizend sein.
Das ausgehärtete Material muß ebenfalls wünschenswerte Eigenschaften haben, wenn es sich einmal im festen Zustand befindet. Diese Eigenschaften hängen von der betreffenden Anwendung ab, wie bei der herkömmlichen Verwendung von anderen Kunststoffmaterialien Solche Parameter wie Farbe Gefüge, Festigkeit, elektrische Eigenschaften, Entflammbarkeit und Elastizität gehören zu den Eigenschaften, die zu berücksichtigen sind. Außerdem sind in vielen Fällen die Kosten des Materials wichtig.
Das UV-aushärtbare Material, das bei der vorliegenden Ausführungsform eines funktionierenden Stereolithographie-Systems (z. B. FIG. 12) verwendet wird, ist das Stereolithographie-Kunstharz DeSoto SLR 800, das von DeSoto, Inc., in Des Plains, Illinois, hergestellt wird.
Die Lichtquelle 26 erzeugt den UV-Lichtfleck 27, der genügend klein ist, um zu ermöglichen, die Einzelheiten des gewünschten Objekts zu formen, und genügend intensiv ist, um die verwendete UV-aushärtbare Flüssigkeit ausreichend schnell auszuhärten, um praktisch anwendbar zu sein. Die Quelle 26 ist so angeordnet, daß sie programmiert werden kann, aus- und eingeschaltet zu werden und sich so zu bewegen, daß sich der fokussierte Fleck 27 über die Oberfläche 23 der Flüssigkeit 22 bewegt. Somit härtet der Lichtfleck 27, während er sich bewegt, die Flüssigkeit 22 zu einem Festkörper aus und "zeichnet" ein festes Muster auf der Oberfläche, auf eine sehr ähnliche Weise, wie ein Registriergerät oder Diagrammplotter einen Stift benutzt, um ein Muster auf Papier zu zeichnen.
Die Lichtquelle 26 ist typischerweise ein Helium- Cadmium-Ultraviolettlaser, wie etwa das Modell 4240-N HeCd Multimode Laser, das von Liconix in Sunnyvale, Kalifornien, hergestellt wird.
In dem System von FIG. 12 können Mittel vorgesehen sein, um die Oberfläche 23 auf einer konstanten Höhe zu halten und dieses Material wieder aufzufüllen, nachdem ein Objekt entfernt worden ist, so daß der Brennfleck 27 scharf im Brennpunkt auf einer feststehenden Brennebene verbleibt und somit eine maximale Auflösung bei der Bildung einer hohen Schicht entlang der Arbeitsoberfläche sicherstellt. In diesem Zusammenhang ist es wünschenswert, dem Brennpunkt eine solche Form zu geben, daß ein Bereich hoher Intensität unmittelbar an der Arbeitsoberfläche 23 erzeugt wird, der schnell zu niedriger Intensität hin divergiert und dadurch die Tiefe des Aushärtungsprozesses begrenzt, um die dünnsten geeigneten Querschnitt-Objektschichten für das zu bildende Objekt bereitzustellen.
Die Hebevorrichtungs-Plattform 29 wird verwendet, um das zu bildende Objekt 30 zu stützen und zu halten und es je nach Erfordernis auf- und abwärts zu bewegen. Typischerweise wird, nachdem eine Schicht gebildet ist, das Objekt 30 über die Ebene der nächsten Schicht hinausbewegt, um der Flüssigkeit 22 zu ermöglichen, in den zeitweilig leeren Raum an der Oberfläche 23 zu fließen, der dort zurückblieb, wo der Festkörper gebildet wurde, und anschließend zurück zur richtigen Höhe für die nächste Schicht bewegt. Die Anforderungen an die Hebevorrichtungs-Plattform 29 bestehen darin, daß sie auf eine programmierte Weise mit geeigneten Geschwindigkeiten und mit angemessener Genauigkeit bewegt werden kann, und daß sie genügend leistungsfähig ist, um das Gewicht des zu bildenden Objekts 30 zu handhaben. Außerdem ist eine manuelle Feineinstellung der Position der Hebevorrichtungs-Plattform während der Einrichtungsphase und dann, wenn das Objekt entfernt wird, von Nutzen.
Die Hebevorrichtungs-Plattform 29 kann mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch sein und kann ebenso eine optische oder elektronische Rückkopplung aufweisen, um ihre Position genau zu steuern. Die Hebevorrichtungs-Plattform 29 ist typischerweise entweder aus Glas oder aus Aluminium gefertigt, doch ist jedes Material, an dem das ausgehärtete Kunststoffmaterial anhaftet, geeignet.
Eine rechnergesteuerte Pumpe (nicht dargestellt) kann verwendet werden, um eine konstante Höhe der Flüssigkeit 22 an der Arbeitsoberfläche 23 aufrechtzuerhalten. Ein geeignetes Füllstanderkennungssystem und geeignete Rückkopplungsnetzwerke, die in der Technik wohlbekannt sind, können verwendet werden, um eine Flüssigkeitspumpe oder eine Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung anzutreiben, wie etwa eine massive Stange (nicht dargestellt), die aus dem fließfähigen Medium hinausbewegt wird, wenn die Hebevorrichtungs-Plattform tiefer in das fließfähige Medium hineinbewegt wird, um Änderungen des Flüssigkeitsvolumens auszugleichen und den Flüssigkeitspegel an der Oberfläche 23 konstant zu halten. Eine andere Möglichkeit ist, daß die Quelle 26 relativ zu dem abgefühlten Pegel 23 bewegt werden kann und der Brennpunkt automatisch an der Arbeitsoberfläche 23 scharf gehalten wird. Alle diese verschiedenen Möglichkeiten können leicht durch eine geeignete Datenverarbeitung in Verbindung mit dem Computersteuerungssystem 28 erreicht werden. Nachdem das dreidimensionale Objekt 30 gebildet worden ist, wird die Hebevorrichtungs-Plattform 29 angehoben, und das Objekt wird zur Nachbearbeitung von der Plattform entfernt.
Wie aus FIG. 13 im Zeichnungsteil ersichtlich ist, ist hier eine andere Konfiguration eines Stereolithographie-Systems dargestellt, bei dem die UV- aushärtbare Flüssigkeit 22 oder ähnliches auf einer schwereren UV-durchlässigen Flüssigkeit 32 schwimmt, welche mit der aushärtbaren Flüssigkeit 22 nicht mischbar und nichtnetzend ist. Beispielsweise sind Ethylenglykol oder schweres Wasser für die Zwischen- Flüssigkeitsschicht 32 geeignet. In dem System von FIG. 13 wird das dreidimensionale Objekt 30 von der Flüssigkeit 22 nach oben gezogen, anstatt nach unten, und weiter in das flüssige Medium hinein, wie im System von FIG. 12 dargestellt ist.
Die UV-Lichtquelle 26 in FIG. 13 fokussiert den Lichtfleck 27 an der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit 22 und der nicht mischbaren Zwischen- Flüssigkeitsschicht 32, wobei die UV-Strahlung durch ein geeignetes UV-durchlässiges Fenster 33 aus Quarz oder ähnlichem durchgeht, das an der Unterseite des Behälters 21 befestigt ist. Die aushärtbare Flüssigkeit 22 wird in einer sehr dünnen Schicht über der nicht mischbaren Schicht 32 bereitgestellt und hat dadurch den Vorteil, daß die Schichtdicke direkt begrenzt wird, anstatt daß man sich nur auf Adsorption und ähnliches verläßt, um die Aushärtungstiefe zu begrenzen, da im Idealfall eine ultradünne Objektschicht herzustellen ist. Folglich ist der Bildungsbereich schärfer definiert, und manche Oberflächen werden mit dem System von FIG. 13 glatter ausgebildet als mit dem von FIG. 12. Außerdem wird ein kleineres Volumen von UV-aushärtbarer Flüssigkeit 22 benötigt, und das Ersetzen eines aushärtbaren Materials durch ein anderes ist einfacher.
Nun soll näher auf die Maßnahmen eingegangen werden, die ergriffen werden, um Spannungen und Kräuselung in dem so weit beschriebenen stereolithographischen System zu verringern.
Nunmehr wird eine Ausführungsform der weiter oben beschriebenen Mehrfach-Durchgang-Methode zur Verringerung der Kräuselung beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird eine Schicht aus flüssigem Kunstharz schrittweise durch mehrfache Durchgänge eines UV-Laserstrahls über das Kunstharz bis zu einer bestimmten Tiefe ausgehärtet, derart, daß die Schicht beim ersten Durchgang nicht an einer angrenzenden, bereits ausgehärteten Schicht darunter anhaftet. Statt dessen wird eine Haftung bei einem späteren Durchgang erreicht, und es sind sogar, nachdem eine Haftung erzielt worden ist, zusätzliche Durchgänge möglich, um eine noch stärkere Haftung zu erreichen. Zum Beispiel wird für eine Schichtdicke von 0,51 mm (20 mils) eine Haftung erreicht, wenn genügend viele Durchgänge durchgeführt worden sind, um die Schicht schrittweise 0,51 mm (20 mils) tief auszuhärten. Jedoch können sogar dann, nachdem eine Haftung erreicht worden ist, zusätzliche Durchgänge durchgeführt werden, um zu bewirken, daß die Schicht weitere 0,15 mm (6 mils) in die darunter befindliche, bereits ausgehärtete Schicht eindringt, um eine noch größere Haftung zwischen den Schichten zu erreichen. Im Ergebnis wird eine Aushärtungstiefe von 0,66 mm (26 mils) erreicht, obwohl die Schichtdicke nur 0,51 mm (20 mils) betragen kann.
Die Mehrfach-Durchgang-Methode verringert die Kräuselung auf zweierlei Weise. Erstens härtet die Mehrfach-Durchgang-Methode eine Schicht schrittweise aus und ermöglicht den oberen Abschnitten einer Schicht, auszuhärten, ohne Spannungen auf zuvor ausgehärtete Schichten zu übertragen. Es wird nun auf Figur 14a Bezug genommen; wenn die Schicht 100 in einem einzigen Durchgang ausgehärtet wird, schrumpft das Kunstharz, aus dem die Schicht besteht, und haftet gleichzeitig an der Schicht 101 an, womit es bewirkt, daß Spannungen auf diese Schicht übertragen werden. Das Ergebnis ist, daß, außer wenn die Schicht 101 irgendwie verankert ist, um der Übertragung von Spannungen zu widerstehen, beide Schichten nach oben gekräuselt werden, wie in Figur 14b dargestellt ist. Wenn die Schicht 100 dagegen in mehrfachen Durchgängen ausgehärtet würde, könnte sie ausgehärtet werden, ohne Spannungen von wesentlicher Größe auf die Schicht 101 zu übertragen. Es wird nun auf Figur 15a Bezug genommen; durch die Mehrfach-Durchgang- Methode könnte die Schicht 100 fast so weit ausgehärtet werden, daß sie an der Schicht 101 anhaftet, daß sie jedoch von ihr durch einen Abstand 102 getrennt ist, welcher in der Größenordnung von ein paar Milli-Inches liegen könnte. Dann, in einem nachfolgenden Durchgang, würden die Schichten miteinander verhaftet; da jedoch die Menge an Kunstharz, die während des abschließenden Durchgangs ausgehärtet wird, gering ist, tritt bei dem abschließenden Durchgang im Vergleich mit einem einzelnen Durchgang eine geringere Schrumpfung auf, und daher werden weniger Spannungen auf die untere Schicht übertragen.
Die zweite Art und Weise, wie die Mehrfach- Durchgang-Methode die Kräuselung verringert, besteht darin, daß, wenn der Haftungs-Durchgang durchgeführt wird, das Kunstharz, das bei diesem Durchgang ausgehärtet wird, eine Zwischenschicht zwischen einer starren, bereits ausgehärteten Schicht darunter und dem starren, bereits ausgehärteten Abschnitt der aktuellen Schicht darüber bildet. Es wird nun auf Figur 15b Bezug genommen; das Aushärten dieses Kunstharzes erzeugt gleichzeitig Spannungen sowohl in der oberen als auch in der unteren ausgehärteten Schicht, welche die Tendenz haben, sich gegenseitig aufzuheben. Zum Beispiel hat die untere Schicht 101 die Tendenz, sich nach oben zu krümmen, während die obere Schicht 100 die Tendenz hat, sich nach unten zu krümmen, wie angegeben. Das Ergebnis ist, daß diese Effekte die Tendenz haben, einander auszugleichen, da die Kraft, die bestrebt ist, die Schicht 101 nach oben zu kräuseln, durch die Steifigkeit des bereits ausgehärteten Abschnitts der Schicht 100 kompensiert wird, während die Kraft, die bestrebt ist, die Schicht 100 nach unten zu kräuseln, durch die Steifigkeit der unteren Schicht 101 kompensiert wird.
Eine mögliche Ausführungsform der Mehrfach- Durchgang-Methode besteht darin, für eine gegebene Schicht nur zwei Durchgänge vorzusehen, wobei die Haftung (und mögliche über-Aushärtung, um zwecks besserer Haftung in die nächste Schicht einzudringen) beim zweiten Durchgang eintritt. Bei dieser Ausführungsform ist es vorzuziehen, eine Schicht bei einem ersten Durchgang so auszuhärten, daß sie der unteren Schicht so nahe wie möglich kommt, d. h. bis auf höchstens als 1 Milli-Inch, wobei diese Schicht dann beim zweiten Durchgang an die untere Schicht angehaftet wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Mehrfach- Durchgang-Methode besteht darin, für eine gegebene Schicht mehr als zwei Durchgänge vorzusehen, d. h. vier oder fünf Durchgänge, so daß nach dem ersten Durchgang ein sich schrittweise ändernder Anteil des nicht ausgehärteten Zwischenraums zwischen den Schichten bei nachfolgenden Durchgängen schrittweise ausgehärtet wird, bis ein Zwischenraum von nur etwa zwei bis drei Milli- Inches verbleibt. Anschließend wird bei einem nachfolgenden Durchgang der verbleibende Zwischenraum von zwei bis drei Milli-Inches ausgehärtet, und es wird eine Haftung erreicht.
Bei der Entscheidung, ob die Mehrfach-Durchgang- Methode mit nur zwei Durchgängen oder mit mehr als zwei Durchgängen durchzuführen ist, ist es wichtig, die Genauigkeit zu berücksichtigen, mit welcher die Aushärtungstiefe für eine gegebene Schicht geschätzt und/oder gesteuert werden kann. Falls zum Beispiel die Aushärtungstiefe nur mit einer Genauigkeit von zwei bis drei Milli-Inches geschätzt werden kann, besteht bei der Ausführungsform mit zwei Durchgängen die Gefahr, daß beim ersten Durchgang eine Haftung erreicht wird, was zunächst den Sinn der Anwendung der Mehrfach-Durchgang- Methode zunichte inachen würde und außerdem zu einer Kräuselung führen würde. Natürlich besteht bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Mehrfach- Durchgang-Methode die Gefahr, daß vor dem gewünschten Durchgang (wobei dieser gewünschte Durchgang nicht der abschließende Durchgang sein muß, falls eine über- Aushärtung in die nächste Schicht hinein vorgenommen wird) eine Haftung erreicht werden könnte, aufgrund der Ungenauigkeit bei der Schätzung der Aushärtungstiefe, doch ist dies ein viel geringeres Problem als im Falle von zwei Durchgängen, da in dem Durchgang, während dem eine Haftung erfolgt, typischerweise nur eine sehr geringe Menge Kunstharz ausgehärtet wird und daher nur sehr wenig Spannungen auf die untere Schicht übertragen werden. Im Falle von zwei Durchgängen dagegen wird im allgemeinen beim ersten Durchgang eine große Menge an flüssigem Kunstharz ausgehärtet, so daß eine Haftung während dieses Durchgangs zu einer starken Kräuselung führen kann, da die Spannungen, die auf die untere Schicht übertragen werden, von der Menge an Kunstharz abhängen, die ausgehärtet ist, wenn die Haftung erfolgt. Der Grund, weshalb im Falle von zwei Durchgängen beim ersten Durchgang viel Kunstharz ausgehärtet wird, besteht darin, daß es, wie weiter oben erläutert wurde, bei dieser Ausführungsform wichtig ist zu versuchen, beim ersten Durchgang bis zu einem Abstand von wenigen Milli-Inches von der darunter befindlichen Schicht hinunter auszuhärten, so daß beim zweiten Durchgang, wenn eine Haftung erreicht wird, nur eine geringe Menge Kunstharz ausgehärtet wird. Daher wird beim ersten Durchgang typischerweise ein großes Kunstharzvolumen ausgehärtet, mit dem Ziel, bis zu einem Abstand von wenigen Milli-Inches von der unteren Schicht auszuhärten. Für eine Schichtdicke von 0,51 mm (20 mil) erfordert dies, daß der erste Durchgang ungefähr 0,45 - 0,475 mm (18-19 mils) in Richtung auf die darunter befindliche Schicht eindringt, was einem wesentlich größeren Volumen von flüssigem Kunstharz entspricht.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Mehrfach- Durchgang-Methode ist es dagegen nicht erforderlich, daß der erste Durchgang die Schichten einander bis auf wenige Milli-Inches nahebringt. Statt dessen kann nach dem ersten Durchgang ein breiterer Zwischenraum gelassen werden, und es ist nachfolgenden Durchgängen vorbehalten, die Schichten bis auf wenige Milli-Inches aneinander anzunähern und schließlich anzuhaften. Daher wird, falls überhaupt eine Haftung vor dem gewünschten Durchgang erfolgt, diese sicher nicht beim ersten Durchgang erfolgen, wenn eine große Menge an flüssigem Kunstharz ausgehärtet wird, sondern sie wird erst bei einem späteren Durchgang erfolgen, wenn nur ein relativ kleines Volumen von flüssigem Kunstharz ausgehärtet wird. Auch wird nach dem Beerschen Gesetz (das weiter unten erläutert wird) bei einem nachfolgenden Durchgang im Vergleich zu einem ersten Durchgang typischerweise eine wesentlich geringere Eindringung der Aushärtungstiefe erreicht, selbst wenn die Exposition des UV-Lasers bei jedem Durchgang konstant gehalten wird.
Die Ungenauigkeit bei der Schätzung der Aushärtungstiefe ist auf viele Quellen zurückzuführen. Im allgemeinen hängt die Aushärtungstiefe logarithmisch von der Exposition durch den UV-Laser ab, was bedeutet, daß eine Verdopplung oder Verdreifachung der Exposition die Aushärtungstiefe nicht verdoppelt oder verdreifacht sondern wesentlich weniger stark erhöht.
Diese Beziehung (zwischen Exposition und Aushärtungstiefe) kann theoretisch in der Form einer als Beersches Gesetz bekannten Gleichung beschrieben werden, die wie folgt lautet: If = I&sub0; e-αx wobei If die Intensität des UV-Lichts in der Flüssigkeit in einem Abstand X ist, I&sub0; die Intensität des UV-Lichts an der Flüssigkeitsoberfläche ist, α eine Proportionalitätskonstante ist und X der Abstand von der Flüssigkeitsoberfläche ist, in dem die Intensität If gemessen wird. Daher kann im Prinzip die Vergrößerung der Aushärtungstiefe für einen gegebenen Durchgang auf der Grundlage der akkumulierten Exposition der vorangegangenen Durchgänge und der zusätzlichen Exposition, die bei dem gegebenen Durchgang zur Anwendung kommt, bestimmt werden.
Infolge von verschiedenen praktischen, die "reale Welt" widerspiegelnden Überlegungen muß jedoch die Vergrößerung der Aushärtungstiefe nicht exakt dem Beerschen Gesetz folgen. Erstens unterschätzt infolge eines Effekts, der "Linseneffekt" genannt wird, die auf der Grundlage des Beerschen Gesetzes geschätzte Aushärtungstiefe bei einer Realisierung der Mehrfach- Durchgang-Methode die erreichte tatsächliche Aushärtungstiefe um ungefähr zwei bis drei Milli-Inches. Das Ergebnis ist, daß eine Haftung eher erreicht werden kann als erwartet.
Der Linseneffekt tritt auf, weil das ausgehärtete Kunstharz vom vorangegangenen Durchgang als eine Linse wirkt, da das ausgehärtete Kunstharz im Vergleich mit dem flüssigen Kunstharz einen anderen Brechungsindex hat. Bei einer Realisierung der Mehrfach-Durchgang- Methode verläuft der Laserstrahl während der Zwischendurchgänge durch das Kunstharz hindurch, das bei vorangegangenen Durchgängen bereits ausgehärtet wurde, und das ausgehärtete Kunstharz wirkt, wie oben erwähnt, als eine Linse und fokussiert das UV-Laserlicht, wodurch es bewirkt, daß dieses eine größere Eindringung der Aushärtungstiefe erreicht, als unter Verwendung des Beerschen Gesetzes vorhergesagt wird.
Der Linseneffekt kann anhand von FIG. 16 veranschaulicht werden, in der gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind wie in den vorangegangenen Figuren. FIG. 16a zeigt ausgehärtetes Kunstharz 103, das mittels eines einzigen Durchgangs des UV-Lasers bei einer speziellen Exposition hergestellt wurde. Die erreichte Aushärtungstiefe ist mit T&sub1; bezeichnet.
FIG. 16b zeigt das ausgehärtete Kunstharz, das mittels mehrfacher Durchgänge des UV-Laserstrahls hergestellt wurde, wobei die Vergrößerung der Aushärtungstiefe bei den einzelnen Durchgängen mit den Bezugszahlen 103a, 103b, 103c bzw. 103d bezeichnet ist. Wenn angenommen wird, daß die Summe der schrittweisen Expositionen, die bei den einzelnen Durchgängen durchgeführt wurden, auf der Grundlage des Beerschen Gesetzes gleich der Exposition ist, die bei dem einzigen Durchgang von FIG. 16a durchgeführt wurde, so wäre zu erwarten, daß T&sub2; gleich T&sub1; ist. Jedoch ist, wie dargestellt, infolge des Linseneffektes T&sub2; größer als T&sub1;, um ein Inkrement, das mit T&sub3; bezeichnet ist und das in der Größenordnung von 50-76 µm (2-3 mils) liegt.
Ein weiterer Grund für die Ungenauigkeit ist auf das Bleichen der Photoinitiator-Komponente des Kunstharzes zurückzuführen (auch "Photobleichen" genannt), welches auftreten kann, wenn das Kunstharz durch die mehrfachen Durchgänge des UV-Lichtes viele Male exponiert wird. Infolge des Photobleichens wird von dem Photoinitiator weniger UV-Licht absorbiert als vorhergesagt, mit dem Ergebnis, daß das Laserlicht tiefer als vorhergesagt in das Kunstharz eindringt.
Ein dritter Grund für die Ungenauigkeit sind Schwankungen der Intensität des von dem Laser erzeugten Lichts, welche ihrerseits durch Schwankungen in der Leistungsabgabe des Lasers hervorgerufen werden.
Zum Beispiel hat ein Laser, der gegenwärtig in der SLA-250 verwendet wird, einer handelsüblichen Stereolithographie-Vorrichtung, die von 3D Systems Inc., hergestellt wird, eine Dauereistungsabgabe von ungefähr 20 mW. Aufgrund von Leistungsschwankungen kann der Laserausgang durch Leistungsimpulse von 16-28 mW unterbrochen werden. Bei der SLA-250 ist der Laserstrahl so ausgerichtet, daß er sich in inkrementalen Schritten über die Oberfläche des flüssigen Kunstharzes bewegt und dann nach jedem Schritt für eine gegebene Zeitdauer unbeweglich bleibt. Die Exposition durch den Laser auf einem infinitesimalen Teil der Flüssigkeitsoberfläche ist direkt proportional zur Ausgangsleistung des Lasers, multipliziert mit der Schrittdauer und dividiert durch die Schrittgröße. Anders gesagt, für eine gegebene Laser-Ausgangsleistung kann die Exposition des Kunstharzes entweder durch Erhöhung der Schrittdauer oder durch Verringerung der Schrittgröße erhöht werden. Daher zeigen sich die Schwankungen der Laserausgangsleistung direkt als Schwankungen der Exposition, mit dem Ergebnis, daß die Aushärtungstiefe infolge dieser Schwankungen um einige Milli-Inches gegenüber dem zu erwartenden Wert variieren kann.
Mit einem Wort, die kombinierte Auswirkung des Linseneffekts, des Bleichens des Photoinitiators und der Leistungsschwankungen des Laserausgangs führt zu einer Ungenauigkeit bei der Schätzung der Aushärtungstiefe, so daß es in der Praxis vorzuziehen ist, die Mehrfach-Durchgang-Methode mit mehr als zwei Durchgängen zu realisieren.
Eine andere mögliche Ausführungsform der Mehrfach- Durchgang-Methode besteht darin, die Laserexposition bei jedem Durchgang gleich zu halten. In vielen Fällen ist jedoch eine gleiche Exposition bei jedem Durchgang infolge der Auswirkung des Beerschen Gesetzes nicht möglich, gemäß dem gleiche Zuwächse der Exposition bei jedem Durchgang nicht zu gleichen Zuwächsen der Aushärtungstiefe führen. Statt dessen wird beim ersten Durchgang wesentlich mehr ausgehärtet als bei den nachfolgenden Durchgängen. Zum Beispiel ist es durchaus möglich, daß ein erster Durchgang 90% der Schichtdicke aushärtet, daß ein zweiter Durchgang 90% des nicht ausgehärteten Zwischenraums aushärtet, der nach dem ersten Durchgang übrigbleibt, und daß ein dritter Durchgang 90% des restlichen nicht ausgehärteten Zwischenraums aushärtet, der nach dem zweiten Durchgang übrigbleibt, usw. Das Ergebnis ist, daß bei gleicher Exposition eine Schicht bereits nach zwei Durchgängen anhaften kann, wobei die zusätzlichen Durchgänge zu einer noch stärkeren Haftung zwischen den Schichten führen. Folglich ist im allgemeinen eine Ausführungsform, bei der ungleiche Expositionen bei den verschiedenen Durchgängen möglich sind, vorzuziehen.
Nunmehr werden verschiedene Beispiele angeführt, die den Vorteil des Vorsehens der Option ungleicher Expositionen bei den verschiedenen Durchgängen zeigen. In allen diesen Beispielen wird angenommen, daß die gewünschte Schichtdicke 20 Milli-Inches beträgt, daß jede Schicht "über-ausgehärtet" ist, so daß sie 6 Milli-Inches in die angrenzende, untere Schicht eindringt, daß eine Aushärtungstiefe von 26 Milli- Inches durch ein akkumuliertes Expositionsniveau von 1 erreicht wird und daß die Verdopplung der Exposition zu einer schrittweisen Vergrößerung der Aushärtungstiefe um 4 Milli-Inches führt. Auf der Grundlage dieser Annahmen ergibt sich die folgende Beziehung zwischen Aushärtungstiefe und Expositionsniveau:
In allen diesen Beispielen wird angenommen, daß die akkumulierte Exposition von allen Durchgängen gleich 1 ist, so daß die Aushärtungstiefe, nachdem alle Durchgänge erfolgt sind, 0,66 mm (26 mils) beträgt. Die Anzahl der Durchgänge und die schrittweise Exposition bei jedem Durchgang sind die Variablen, die in den Beispielen verändert werden. Daher bezieht sich in den Beispielen "Exposition" auf die zusätzliche Exposition, die bei einem bestimmten Durchgang durchgeführt wird, und nicht auf die akkumulierte Exposition, die bis einschließlich zu diesem Schritt durchgeführt wurde.
Die erste Gruppe von Beispielen betrifft die Ausführungsform mit zwei Durchgängen der Mehrfach- Durchgang-Methode. Beispiel 1.) Zwei Durchgänge, gleiche Exposition
Da in diesem Beispiel (welches eine gleiche Exposition von 1/2 bei jedem Durchgang zeigt) beim ersten Durchgang eine Aushärtungstiefe von 22 Milli- Inches erreicht wird, welche größer als die Schichtdicke von 20 Milli-Inches ist, ist dies keine zu bevorzugende Realisierung der Mehrfach-Durchgang- Methode, da die Schicht beim ersten Durchgang anhaftet. Beispiel 2.) Zwei Durchgänge, ungleiche Exposition
Da die Aushärtungstiefe beim ersten Durchgang nur 18 Milli-Inches beträgt, ist dieses Beispiel eine annehmbare Realisierung. Beispiel 3.) Zwei Durchgänge, ungleiche Exposition
Da die Aushärtungstiefe beim ersten Durchgang nur 14 Milli-Inches beträgt, ist dieses Beispiel ebenfalls eine annehmbare Realisierung.
Ein Vergleich der Beispiele 2.) und 3.) deutet darauf hin, daß Beispiel 2.) zu bevorzugen sein kann, da die obere Schicht nach dem ersten Durchgang näher bis an die untere Schicht ausgehärtet ist, so daß beim zweiten Durchgang, wenn Haftung auftritt, weniger Kunstharz ausgehärtet werden muß. Wenn die Aushärtungstiefe beim ersten Durchgang genau gechätzt werden könnte, würde die optimale Lösung eigentlich erfordern, daß die Exposition beim ersten Durchgang im Bereich von 1/4 bis 1/2 liegt, wodurch nach dem ersten Durchgang ein noch kleinerer Zwischenraum zwischen den Schichten verbleiben würde. Aufgrund der oben erläuterten Ungenauigkeit bei der Schätzung der Aushärtungstiefe ist es jedoch vorzuziehen, daß die Exposition beim ersten Durchgang näher bei 1/4 als bei 1/2 liegt. Daher ist Beispiel 2.), verglichen mit Beispiel 3.), eine bevorzugte Realisierung.
Die nächste Gruppe von Beispielen betrifft drei Durchgänge. Beispiel 4.) Drei Durchgänge, gleiche Exposition
Wie bereits erwähnt, mag dieses Beispiel keine annehmbare Realisierung sein, da beim zweiten Durchgang eine Haftung auftritt, und außerdem aufgrund des vorhandenen Grades der Ungenauigkeit, weil aller Wahrscheinlichkeit nach beim ersten Durchgang eine gewisse Haftung auftreten kann, da die Aushärtungstiefe von 0,50 mm (19,7 mils) so nahe bei der Schichtdicke von 0,51 mm (20 mils) liegt. Da eine erhebliche Gefahr besteht, daß beim ersten Durchgang, wenn die Menge des flüssigen Kunstharzes, welche ausgehärtet wird, groß ist, eine Haftung auftritt, ist dieses Beispiel keine bevorzugte Ausführungsform der Mehrfach-Durchgang- Methode. Beispiel 5.) Drei Durchgänge, ungleiche Exposition
In diesem Beispiel tritt, da die Aushärtungstiefe nach dem zweiten Durchgang 0,56 mm (22 mils) beträgt, eine Haftung beim zweiten Durchgang auf, was möglicherweise nicht annehmbar ist, wenn eine Haftung beim dritten Durchgang erwünscht ist. Andererseits ist da der erste Durchgang eine Aushärtungstiefe von 0,46 mm (18 mils) erreicht hat, die Menge des Kunststoffs, der während des zweiten Durchgangs ausgehärtet wird, nicht groß, so daß die Aushärtung, die durch die Haftung beim zweiten Durchgang hinzukommt, wahrscheinlich nicht dramatisch ist. Beispiel 6.) Drei Durchgänge, ungleiche Exposition
Da die Aushärtungstiefe nach dem zweiten Durchgang 0,52 mm (20,3 mils) beträgt, wird nach dem zweiten Durchgang wahrscheinlich eine gewisse Haftung vorhanden sein, obwohl die Menge an Kunstharz, die beim zweiten Durchgang ausgehärtet wird, gering sein wird, da der erste Durchgang schätzungsweise eine Aushärtungstiefe von 0,46 mm (18 mils) erreicht hat. Außerdem ist es aufgrund der Ungenauigkeit bei der Schätzung der Aushärtungstiefe möglich, daß beim zweiten Durchgang überhaupt keine Haftung auftritt. Beispiel 7.) Drei Durchgänge, ungleiche Exposition
Da die Aushärtungstiefe nach dem zweiten Durchgang nur 0,49 mm (19,3 mils) beträgt, ist dieses Beispiel eine annehmbare Realisierung, obwohl aufgrund der Ungenauigkeit bei der Schätzung der Aushärtungstiefe nach dem zweiten Durchgang eine gewisse Haftung vorhanden sein kann. Jedoch ist selbst dann, wenn beim zweiten Durchgang eine gewisse Haftung auftreten würde, die Menge an Kunstharz, die beim zweiten Durchgang ausgehärtet wird, nicht groß, da der erste Durchgang bereits eine Aushärtungstiefe von 18 mils erreicht hat. Beispiel 8.) Drei Durchgänge, ungleiche Exposition
Dieses Beispiel ist eine annehmbare Realisierung, da die Aushärtungstiefe nach dem zweiten Durchgang nur 0,36 mm (14 mils) beträgt. Jedoch muß beim dritten Durchgang, wenn eine Haftung auftritt, ein 0,15 mm (6 mils) dickes Volumen Kunstharz ausgehärtet werden, was einen beträchtlichen Grad an Kräuselung hervorrufen kann. Daher ist Beispiel 7.) eine zu bevorzugende Realisierung, da beim dritten Durchgang wesentlich weniger Kunstharz ausgehrtet werden muß.
Zusammengefaßt beweisen die obigen Beispiele, daß ungleiche Expositionsniveaus bei den verschiedenen Durchgängen gegenüber einer Realisierung, welche gleiche Expositionsniveaus bei den verschiedenen Durchgängen erfordert, vorzuziehen sind, da in vielen Fällen gleiche Expositionen zu einer zu frühen Haftung führen. Außerdem wurden die obigen Beispiele nur zum Zweck der Veranschaulichung angeführt und sollen die Erfindung nicht beschränken.
Eine Überlegung bei der Wahl der Expositionsniveaus für die mehrfachen Durchgänge besteht darin, eine Kräuselung nach unten zu vermeiden, ein Problem, das bei einem gegebenen Durchgang auftreten kann, wenn die bei den vorangegangenen Durchgängen erreichte Aushärtungstiefe so gering ist, daß die Aushärtung des flüssigen Kunstharzes, die bei späteren Durchgängen stattfindet, das bei den vorangegangenen Durchgängen ausgehärtete Kunstharz dazu bringt, sich nach unten zu krümmen. Wenn die Krümmung nach unten genügend stark ist, kann sogar eher als erwartet eine Haftung an der unteren Schicht auftreten, welche, wie oben beschrieben, sogar noch mehr Spannungen in dem Teil hervorrufen kann, indem sie eine Kräuselung der unteren Schicht nach oben hervorruft. Dieses Problem ist besonders akut, wenn die schrittweise Aushärtungstiefe bei jedem Durchgang gleich ist, da in diesem Falle das ausgehärtete Kunstharz von den vorangegangenen Durchgängen (außer für den ersten Durchgang) relativ dünn ist und daher durch die Aushärtung während der späteren Durchgänge leichter gekrümmt werden kann.
Außerdem ist der Grad der Krümmung nach unten von der Menge an Kunstharz abhängig, die während der späteren Durchgänge ausgehärtet wird, denn je mehr Kunstharz bei den späteren Durchgängen ausgehärtet wird, desto mehr Spannungen werden auf das durch die früheren Durchgänge ausgehärtete Kunstharz übertragen. Jedoch kann insbesondere dann, wenn die Mehrfach- Durchgang-Methode mit mehr als zwei Durchgängen realisiert wird, die während der späteren Durchgänge ausgehärtete Menge an Kunstharz relativ gering sein, so daß das Problem der Krümmung nach unten durch diesen Typ der Realisierung vermindert werden kann.
Das Problem der Krümmung nach unten kann unter Bezugnahme auf FIG. 17a veranschaulicht werden, in welcher zur Bezeichnung gleicher Bestandteile die gleichen Bezugszahlen verwendet werden, wie in den vorangegangenen Figuren.
Wie dargestellt ist bei einer speziellen Realisierung der Mehrfach-Durchgang-Methode die untere Schicht 101 bereits ausgehärtet, und die Schicht 100 wird mittels mehrfacher Durchgänge ausgehärtet, während derer zusätzliche Mengen an flüssigem Kunstharz, die mit den Bezugszahlen 104a, 104b bzw. 104c bezeichnet sind, ausgehärtet werden. Wie dargestellt, schrumpft das Kunstharz 104c, wenn es ausgehärtet wird, zusammen und haftet gleichzeitig an dem ausgehärteten Kunstharz 104b an, wobei es Spannungen überträgt und eine Krümmung nach unten verursacht. Wie dargestellt können, wenn die Abwärtskrümmung an den Enden des bereits ausgehärteten Abschnitts der Schicht, die mit den Bezugszahlen 105 bzw. 106 bezeichnet ist, genügend groß ist, die Enden die Oberseite der Schicht 101 berühren, was zu einer frühzeitigen Haftung führt.
Um dieses Problem zu vermindern, sind zwei Lösungen möglich. Eine Lösung besteht darin, die Dicke des bei den ersten Durchgängen ausgehärteten Kunstharzes 104a bzw. 104b gegenüber dem während der späteren Durchgänge ausgehärteten Kunstharz 104 c zu erhöhen, oder aber die Dicke des während der späteren Durchgänge ausgehärteten Kunstharzes 104c im Vergleich zu dem während der ersten Durchgänge ausgehärteten Kunstharz 104a und 104b zu verringern. Dies ist in FIG. 17b veranschaulicht, wobei wie zuvor gleiche Bestandteile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind, wie in den vorangegangenen Figuren.
Ein anderes Problem, das bei der Mehrfach- Durchgang-Methode auftreten kann, ist eine Nesterbildung, welche eine Verzerrung ist, die auftreten kann, wenn erhebliche Verzögerungen zwischen den mehrfachen Durchgängen vorhanden sind. Das Problem tritt auf, wenn zugelassen wird, daß Kunstharz, welches bei einem bestimmten Durchgang ausgehärtet wurde, lange Zeit an der Oberfläche des flüssigen Kunstharzes schwimmt, bevor zusätzliche Durchgänge dieses ausgehärtete Kunstharz an der darunter befindlichen Schicht anhaften. Falls diese Verzögerung genügend lang ist, kann das an der Oberfläche des Kunstharzes schwimmende ausgehärtete Kunstharz umherwandern, bevor es an die darunter befindliche Schicht angehaftet wird. Nesterbildung wird ausführlicher weiter unten bei der Erörterung einer industriell genutzten Ausführungsform der Mehrfach- Durchgang-Methode, die REDRAW genannt wird, erörtert, doch es sollte angemerkt werden, daß eine mögliche Lösung für das Nesterbildungs-Problem darin besteht, die Verzögerungen zwischen aufeinanderfolgenden Durchgängen so weit wie möglich zu verringern.
Die Fähigkeiten und Funktionen von REDRAW residieren im Programm BUILD (in anderen Versionen der Software auch SUPER genannt), wobei diese Programme in EP-A-0 354 637 ausführlich beschrieben sind. Kurz gesagt, steuert BUILD die Bewegung des Lasers durch die Verwendung von zwei anderen Programmen, STEREO und LASER, und es erhält die Parameter, die es benötigt, um die zahlreichen Funktionen von REDRAW zu implementieren, auf der Grundlage von Informationen, die entweder in 1.) einer Standardparameter-Datei .PRM, in welcher ein Benutzer REDRAW-Standardparameter festlegen kann, oder 2.) einer Schichtsteuerdatei .L, in welcher ein Benutzer REDRAW-Parameter auf einer Basis "Schicht für Schicht" und "Vektortyp für Vektortyp" festlegen kann, oder 3.) einer Bereichssteuerdatei .R, in welcher ein Benutzer REDRAW-Parameter für einen Bereich von Schichten und für Vektortypen innerhalb eines Bereichs festlegen kann, geliefert werden. Um die REDRAW-Funktionen zu implementieren, sind in irgendeiner dieser Dateien verschiedene Befehlszeilen, welche REDRAW-Parameter festlegen, in ähnlicher Weise angeordnet, wie andere Parameter der Aushärtung definiert sind (wie in den obenerwähnten, gleichzeitig anhängigen Anmeldungen erläutert ist).
Die erste Stelle, wo BUILD nach REDRAW- Steuerparametern sucht, ist die Datei .L oder .R, nicht beide. Wie oben angegeben wurde, versetzt die Datei .L einen Benutzer in die Lage, REDRAW-Parameter mit einem hohen Grad an Steuerung festzulegen. Mit der Datei .L kann ein Benutzer REDRAW-Parameter für einen speziellen Vektortyp innerhalb einer Schicht eines Objekts festlegen. Zum Beispiel für eine Datei .L, die aus gemischten Daten für vier Objekte besteht, wobei diese Daten 11 verschiedene Vektortypen repräsentieren, ermöglicht die Datei L., daß 44 verschiedene REDRAW- Parameter für jede Schicht festgelegt werden. Mit einem Wort, die Datei .L gewährleistet eine Schicht-für- Schicht-Steuerung der Mehrfach-Durchgang-Methode.
Die Datei .R ist für jene Anwendungen vorgesehen, wo die Schicht-für-Schicht-Steuerung, die durch die Datei .L ermöglicht wird, nicht benötigt wird. Anstatt eine Schicht-für-Schicht-Steuerung zu gewährleisten, sieht die Datei .R eine Steuerung auf einer Basis "Bereich für Bereich" vor, wobei ein Bereich eine beliebige Anzahl von aneinandergrenzenden Schichten darstellt.
Die REDRAW-Parameter können in die Datei .R übernommen werden, indem ein Benutzerschnittstellen- Programm verwendet wird, das PREPARE genannt wird. Um die REDRAW-Parameter in die Datei .L zu übernehmen, wird ein Standard-Textverarbeitungssystem vom Zeileneditor- Typ verwendet.
Wenn BUILD irgendwelche REDRAW-Parameter benötigt, die es nicht von einer der Dateien .L oder .R erhalten kann, sucht es sie in der Standardparameter-Datei .PRM. REDRAW-Parameter können in diese Dateien unter Verwendung des Programms PREPARE übernommen werden.
Der erste REDRAW-Befehl ist RC # #, wobei RC ein Buchstabencode für Redraw Count (Nachzeichnungszählung) ist. Dieser Befehl legt die Anzahl der Durchgänge fest, welche der Laserstrahl über jedem Vektor eines Querschnitts ausführen soll, d. h. die Anzahl der Durchgänge für eine spezielle Schicht. Die festgelegte Anzahl der Durchgänge kann zwischen 1 und 10 liegen.
Der zweite REDRAW-Befehl ist RD # # # #, wobei RD ein Buchstabencode für Redraw Delay (Nachzeichnungsverzögerung) ist. Dieser Befehl legt die Zeitdauer fest, die der Laser zu Beginn jedes Durchgangs wartet. Wie weiter oben erwähnt wurde, bewegt sich der Laserstrahl über die Oberfläche des Kunstharzes in Schritten, denen Verzögerungen bei jedem Schritt folgen. Die Verzögerung bei jedem Schritt ist als die Schrittperiode bekannt, welche mit dem Buchstabencode SP gekennzeichnet ist, und der Befehl zum Festlegen eines speziellen Werts von SP ist der Befehl SP # #, wobei der gewählte Wert in Einheiten von 10 Mikrosekunden ausgedrückt wird. Der Wert von RD kann als eine beliebige Zahl im Bereich von bis 65.535 festgelegt werden, wobei diese Zahl die Verzögerung in Einheiten darstellt, welche Vielfache des Wertes von SP sind. Somit stellt ein RD von 10 eine Verzögerung dar, die gleich dem Zehnfachen des für SP festgelegten Wertes ist. Im allgemeinen wird der Befehl RD nicht oft verwendet, und der Standardwert ist 0. Der Befehl RD ist dem Befehl JD ähnlich (wobei dieser Buchstabencode für Jump Delay (Sprung-Verzögerung) steht).
Es ist anzumerken, daß die Befehle JD und RD beide deshalb erforderlich sind, weil die auf dem PROCESS- Rechner laufende Software (wobei diese Software die Rotation der dynamischen Spiegel und folglich die Bewegung des Laserstrahls über das flüssige Kunstharz steuert) nicht in der Lage ist, die Zeit zu berücksichtigen, die der Laserstrahl benötigt, um von einem ersten Vektor zu einem anderen Vektor zu springen, nachdem er den ersten Vektor gezeichnet hat. Nachdem der Laserstrahl so gelenkt worden ist, daß er einen bestimmten Vektor durchläuft, lenkt die Software den Strahl so, daß er beginnt, einen anderen Vektor auszuzeichnen, wobei er vielleicht an einer anderen Stelle als am Ende des vorangegangenen Vektors beginnt, und beginnt dann gleichzeitig mit dem Rückwärtszählen der Zeit, die der Laser hat, um den Vektor zu durchlaufen, als ob sich der Strahl augenblicklich am Anfang des nächsten Vektors befinden würde. In vielen Fällen beginnt der PROCESS-Rechner mit dem Zählen, während der Laserstrahl noch zum Anfang des Vektors springt. Wenn der Laser schließlich den richtigen Ort erreicht, positioniert ihn der PROCESS-Rechner umgehend an die Stelle, bis zu der er zurückgezählt hat, mit dem Ergebnis, daß der erste Teil des Vektors übersprungen werden und unausgehärtet bleiben kann.
Der Effekt kann mit Hilfe der FIG. 21a und 21b veranschaulicht werden. FIG. 21a zeigt den Querschnitt 105 eines Objekts und zugehörige Vektoren 106a, 106b, 106c, 106d und 106e, welche die Fläche des Querschnitts aufspannen, wobei diese Vektoren die Bewegung des Laserstrahls darstellen, wenn er den flüssigen Kunststoff aushärtet, welcher den Querschnitt bildet. Die gestrichelten Linien zwischen den Anfängen und Enden aufeinanderfolgender Vektoren sind die Bewegung des Lasers, wenn er von einem Vektor zu einem anderen springt, und die Sprungzeit für diese Sprünge ist es welche das obenerwähnte Problem verursacht.
Der Effekt der Sprungzeit ist in FIG. 21b veranschaulicht, in welcher gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind wie in FIG. 21a. Die Sprungzeit führt zu einem in FIG. 21b mit der Bezugszahl 107 bezeichneten Gebiet, welches unausgehärtet bleibt.
Die Verwendung von JD und RD ist dazu bestimmt, dieses Problem zu umgehen. Die Verzögerung, die durch diese Befehle festgelegt wird, ist die Zeit, die der PROCESS-Rechner veranlaßt wird zu warten, nachdem er einen bestimmten Vektor ausgehärtet hat, bevor er beginnt, den nächsten Vektor zu durchlaufen. Im Zusammenhang mit REDRAW ist RD die Zeit, die der PROCESS-Rechner veranlaßt wird zu warten, nachdem er einen Durchgang über ein bestimmtes Gebiet beendet hat, bevor er einen neuen Durchgang über dieses Gebiet beginnt. Dadurch, daß der PROCESS-Rechner veranlaßt wird zu warten, kann das Durchlaufen verzögert werden, bis der Laserstrahl in die richtige Position gebracht worden ist.
Wie weiter oben erwähnt wurde, werden JD und RD selten verwendet, und der Grund hierfür wird in FIG. 21c dargestellt. FIG. 21c veranschaulicht eine "Zickzack"-Methode genannte Methode, welche nun von der Software implementiert wird, um die Wegstrecke und folglich die Sprungzeit zwischen aufeinanderfolgenden Vektoren zu verringern. Wie dargestellt, werden aufeinanderfolgende Vektoren 106a, 106b, 106c, 106d und 106e, anstatt daß sie alle in dieselbe Richtung zeigen, wie in FIG. 21a und 21b angegeben ist, veranlaßt, abwechselnd in verschiedene Richtungen zu zeigen, wie in FIG. 21c dargestellt ist. Die Richtung dieser Vektoren gibt die Bewegung des Laserstrahls auf der Oberfläche des Kunstharzes an, wenn er diese Vektoren zeichnet. Das Ergebnis ist, daß die Sprungzeit enorm reduziert wird, was es häufig unnotig macht, den Befehl JD zu verwenden. Diese Methode ist auch in REDRAW implementiert, so daß der Laserstrahl bei der Mehrfach-Durchgang-Methode veranlaßt wird, jedesmal, wenn er sich über ein bestimmtes Gebiet bewegt, die Richtung zu wechseln. Im Ergebnis dessen ist es häufig auch unnötig, den Befehl RD zu verwenden.
Der dritte REDRAW-Befehl ist RS # # # #, wobei RS ein Buchstabencode für Redraw Size (Nachzeichnungsgröße) ist. Es wurde frühzeitig erkannt, daß ein Problem bei einigen Formen der Mehrfach-Durchgang-Methode die Nesterbildung war, und um dieses Problem zu vermindern, wurde der Befehl RS hinzugefügt, um zu ermöglichen, daß lange Vektoren in einem gegebenen Querschnitt in kleinere Mini-Vektoren zerlegt werden, so daß die Mehrfach-Durchgang-Methode an jedem Mini-Vektor ausgeführt werden konnte, bevor zum nächsten Mini-Vektor weitergegangen wurde. Durch Wahl einer geeigneten Größe für den Mini-Vektor konnte ausgehärtetes Kunstharz von den ersten Durchgängen schneller an die darunter befindliche Schicht angehaftet werden, als wenn der gesamte Vektor bei einem gegebenen Durchgang gezeichnet würde. Der Befehl RS legt die Länge der Mini-Vektoren fest, in welche die Vektoren des Querschnitts zerlegt werden.
Wie weiter oben erörtert wurde, bewegt sich der Laserstrahl in Schritten, und die Schrittgröße wird mit dem Buchstabencode SS bezeichnet. Der Befehl zum Festlegen der Schrittgröße ist SS # #, wobei die festgelegte Zahl zwischen 0 und 65.538 Bits liegen kann, wobei ein Bit ungefähr 7,6 µm (0,3 mils) reprasentiert (die genaue Umrechnung ist 140 Bits/mm (3560 Bits pro Inch)). Infolgedessen kann ein bestimmter Durchgang über eine Entfernung vorgenommen werden, welche zwischen einem Minimalwert von etwa 7,6 µm (0,3 mils) und einem Maximalwert von etwa 508 mm (20 Inch) liegen kann.
Die Einheiten von RS sind Vielfache von SS. Zum Beispiel geben ein SS von 2 und ein RS von 1000 an, daß bei jedem Durchgang 2000 Bits an Vektorinformationen gezeichnet werden, bevor zurückgesprungen wird, um zusätzliche Durchgänge auszuführen. Oder bei einem SS von 8 und einem RS von 1000 werden 8000 Bits an Vektorinformationen gezeichnet, bevor ein anderer Durchgang begonnen wird.
Der letzte REDRAW-Befehl ist ein Befehl zur Bereitstellung eines unterschiedlichen Wertes der Laserexposition für jeden Durchgang. Dies geschieht, indem für jeden Durchgang ein anderer SP-Wert festgelegt wird, da, wie weiter oben ausgeführt wurde, die Exposition zu SP direkt proportional ist. Das Format des Befehls ist SP # # # # , # # # #, # # # #, ..., in Abhängigkeit von der Anzahl der Durchgänge. Der Wert von SP wird in Einheiten von 10 µs angegeben, und außerdem kann der Wert jedes SP in einem Bereich von etwa 5-15 bis etwa 4000-6500 liegen.
Wie weiter oben erwähnt wurde, können für eine gegebene Schicht eines Objekts für jeden Vektortyp in dieser Schicht unter Verwendung der Datei .L verschiedene REDRAW-Parameter festgelegt werden. Außerdem werden sämtliche REDRAW-Befehle fur einen bestimmten Vektortyp abgeschlossen, bevor REDRAW-Befehle für den nächsten Vektortyp erwartet werden.
Eine typische Befehlszeile in der Datei .L könnte wie folgt aussehen: 920, LB1, "RC 3; RD 0; RS 1000; SP 250, 150, 1000; SS 2." Dieser Befehl gibt an, daß bei der Schicht eines ersten Objekts, die 920 vertikale Bits von der Unterseite entfernt angeordnet ist, daß für die Schichtgrenzen-Vektoren für dieses Objekt, die mit dem Buchstabencode LB1 bezeichnet werden, 3 Durchgänge für jeden Grenzen-Vektor ausgeführt werden (angegeben durch den REDRAW-Befehl RC 3), daß bei jedem Durchgang 2000 Bits eines Grenzen-Vektors gezeichnet werden (angegeben durch die Befehle SS 2 und RS 1000), bevor zum nächsten Durchgang weitergegangen wird, und daß die Werte von SP für den ersten, zweiten bzw. dritten Schritt 250, 150 und 1000 sind.
Ein typischer Befehl in einer Datei .R könnte wie folgt aussehen:
LB1, "RC 3; RD 0; RS 1000; SP 250, 150, 1000; SS 2", wobei dieser Befehl mit dem oben für die Datei .L angegebenen Befehl identisch ist, abgesehen davon, daß keine Festlegung der Schicht vorgesehen ist, da dieser Befehl für alle Schichten innerhalb eines festgelegten Bereichs gilt. Ein Befehl in der Standardparameter-Datei .PRM würde ähnlich wie dieser aussehen.
FIG. 18 zeigt eine Musterliste, welche das Format der Datei .L zeigt. Wie gezeigt, sind nur Vektoren für ein erstes Objekt dargestellt, und REDRAW-Befehle können für jeden Vektortyp innerhalb einer Schicht dieses Objekts festgelegt werden. Die Vektortypen und ihre zugehörigen Buchstabencodes sind folgende:
LB Schichtgrenze
LH Schicht-Kreuzschraffur
NFDB fast ebene nach unten gewandte Hautgrenze
NFDH fast ebene nach unten gewandte Haut- Kreuzschraffur
NFUB fast ebene nach oben gewandte Hautgrenze
FB ebene nach unten gewandte Hautgrenze
FDF ebene nach unten gewandte Hautfüllung
NFDF fast ebene nach unten gewandte Hautfüllung
NFUF fast ebene nach oben gewandte Hautfüllung
FUB ebene nach oben gewandte Hautgrenze
FUF ebene nach oben gewandte Hautfüllung
Die verschiedenen Vektortypen sind in EP-A-0 354 637 ausführlicher beschrieben. Kurz gesagt, Grenzen- Vektoren werden verwendet, um die äußere Begrenzung jeder Schicht zu zeichnen, Kreuzschraffur-Vektoren werden verwendet, um den inneren Abschnitt jeder Schicht, der von der Schichtgrenze umgeben ist, zu zeichnen, und Hautfüllungs-Vektoren werden verwendet, um beliebige nach außen gerichtete Oberflächen des Objekts zu zeichnen. Sie werden in der folgenden Reihenfolge gezeichnet: Grenze, Kreuzschraffur und Haut.
FIG. 19 ist eine Musterliste, die das Format der Datei .R zeigt. Wie bereits gesagt wurde, ist das Format ähnlich dem für die Datei .L, außer daß die Festlegung von REDRAW-Parametern nur für einen bestimmten Vektortyp innerhalb eines Bereichs von Schichten möglich ist.
In FIG. 19 werden die REDRAW-Befehle fur einen bestimmten Bereich von den Buchstabencodes #TOP und #BTM eingerahmt, und außerdem ist der Schichtenbereich, für welchen die REDRAW-Befehle gelten, in der Zeile vor dem Buchstabencode #TOP angegeben.
Für den ersten Block von REDRAW-Befehlen in FIG. 19 ist der festgelegte Bereich 920, 920, was besagt, daß der Bereich, der für den ersten Block von REDRAW- Befehlen festgelegt ist, die eine Schicht ist, die 920 SLICE-Einheiten von der Unterseite entfernt angeordnet ist. (Wenn man als CAD/CAM-Einheiten Inches und eine gewünschte Auflösung von 1.000 annimmt, sind die SLICE- Einheiten Milli-Inches. Der Unterschied zwischen dem CAD/CAM- und dem SLICE-Bezugsmaßstab ist ausführlicher in EP-A-0 354 637 beschrieben.) Das liegt daran, daß Anfangs- und Endpunkt des Bereichs identisch sind: 920 mils (23,4 mm). Der Endpunkt des Bereichs hätte ebensogut als irgendein anderer Wert im CAD/CAM- Bezugsmaßstab festgelegt werden können, wobei in einem solchem Falle der Befehlsblock für alle Schichten in dem festgelegten Bereich gelten würde.
FIG. 20 zeigt in einer Datei .PRM aufgelistete Standardparameter, wobei diese Parameter verwendet werden, wenn sie nicht in einer der Dateien .L oder .R festgelegt sind. Wie bereits gesagt wurde, können Standardparameter für jedes Objekt festgelegt werden (unter der Annahme, daß mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden), und sie können für jedes Objekt weiter für jeden Vektortyp innerhalb einer beliebigen Schicht dieses Objekts festgelegt werden. Zum Beispiel sind die Standardparameter, die für die Schichtgrenzen- Vektoren des ersten Objekts festgelegt werden, folgende: LB1, "RD 1; RS 300; RC 1; SP 20; JD 0; SS 8."
Diese Befehlszeile ist wie folgt zu interpretieren: Der Standardwert für Redraw Delay ist 1 (was 200 µs entspricht, in Anbetracht des Standardwertes 20 für SP), der für Redraw Size ist 300 (was 2400 Bits oder etwa 720 Milli-Inches entspricht, in Anbetracht des Standardwertes 8 für SS), der für Redraw Count ist 1 (was angibt, daß ein einziger Durchgang durchgeführt wird, d. h. für die Schichtgrenzen-Vektoren sind keine mehrfachen Durchgänge durchzuführen), der für Step Period (Schrittdauer) ist 20 (was 200 µs entspricht), der für Jump Delay ist 0 (was angibt, daß dieser Befehl nicht verwendet wird) und der für Step Size (Schrittgröße) ist 8 (was 8 Bits oder etwa 2,4 Milli- Inches entspricht). Da der Standardwert für RC gleich 1 ist, besagt dies, daß, wenn die Mehrfach-Durchgang- Methode nicht entweder in der Datei .L oder in der Datei .R für die Schichtgrenzen-Vektoren festgelegt ist, sie für diese Vektoren nicht vorgesehen ist.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, wird bei der industriell genutzten Ausführungsform von REDRAW eine Methode angewandt, die "Kurzvektoren"- Methode genannt wird; dabei wird jeder Vektor in eine Folge von kurzen Mini-Vektoren aufgeteilt, und der gesamte Vektor wird mehrfach durchlaufen, indem nacheinander jeder der Mini-Vektoren mehrfach durchlaufen wird. Das Ziel der Kurzvektoren-Methode besteht darin, das Problem der Nesterbildung zu beseitigen, ein Problem, welches auftreten könnte, wenn mehrfache Durchgänge auf der gesamten Länge der Vektoren als Ganzes versucht würden, besonders bei langen Vektoren. In diesem Falle schwimmt der während der ersten Durchgänge ausgehärtete Kunststoff recht lange an der Oberfläche des flüssigen Kunstharzes, bevor er durch das Aushärten von nachfolgenden, zusätzlichen Durchgängen an der unteren Schicht angehaftet wird. Folglich kann sich dieser ausgehärtete Kunststoff bewegen, bevor er schließlich an die darunter befindliche Schicht angehaftet wird, ein Problem, welches sich als eine Verzerrung im fertigen Teil zeigen kann, wobei diese Verzerrung einem Vogelnest ähnelt, weshalb sie Nesterbildung genannt wird.
Es wurde festgestellt, daß, wenn die kurzen Mini- Vektoren zu klein bemessen werden, ein anderes Problem entsteht, bei dem es sich um den Effekt der Abwärtskrümmung oder des Herunterbiegens handelt, der weiter oben unter Bezugnahme auf FIG. 17a und 17b erörtert wurde und bei dem der ausgehärtete Kunststoff von den ersten Durchgängen durch die Schrumpfung des unter ihm befindlichen, während der späteren Durchgänge ausgehärteten Kunststoffs dazu gebracht wird, sich nach unten zu biegen. Infolge dieses Effekts kommt es zu früh zu einer Haftung, und dies führt dann zu einer Kräuselung nach oben. Das Problem zeigt sich in Form eines gekräuselten Aussehens der Oberfläche des Teils.
Es sind verschiedene Herangehensweisen möglich, um die obenerwähnten Effekte der Nesterbildung und des Herunterbiegens zu vermindern. Erstens sind Grenzen- Vektoren die einzigen Vektoren, bei denen dadurch, daß sie mit mehreren Durchgängen gezeichnet werden, eine Nesterbildung entstehen kann, da sie typischerweise isoliert von den anderen Vektoren gezeichnet werden und daher nichts haben, woran sie anhaften könnten, wenn sie gezeichnet werden. Schraffur-Vektoren dagegen werden gewöhnlich gezeichnet, nachdem die Grenzen- Vektoren gezeichnet worden sind, und sie haften daher, wenn sie gezeichnet werden, an dem ausgehärteten Kunststoff von den Grenzen-Vektoren an, selbst wenn sie mit mehrfachen Durchgängen gezeichnet werden. Haut- Vektoren und fast ebene Haut-Vektoren werden ebenfalls typischerweise gezeichnet, nachdem die Grenzen- und Schraffur-Vektoren gezeichnet worden sind, und können, wenn sie gezeichnet werden, an dem ausgehärteten Kunststoff von diesen Vektoren anhaften. Außerdem ist der Abstand zwischen diesen Vektoren typischerweise sehr klein (etwa 5-100 µm (1-4 mils), im Vergleich zu einem Abstand von etwa 0,76-2,54 mm (30-100 mils) für Schraffur-Vektoren), so daß auch eine Haftung an dem ausgehärteten Kunststoff von angrenzenden Haut- und fast ebenen Haut-Vektoren erfolgt.
Somit besteht eine Lösung des Nesterbildungs- Problems darin, die Mehrfach-Durchgang-Methode nur bei den Schraffur-Vektoren und nicht bei den Grenzen- Vektoren anzuwenden. Es könnten alle Schraffur-Vektoren mehrfach durchlaufen werden, oder als andere Variante könnte nur ein bestimmter Anteil der Schraffur-Vektoren mehrfach durchlaufen werden. Selbst wenn die Schraffur- Vektoren infolge der mehrfachen Durchgänge ein nach unten gekrümmtes Aussehen hätten, würde sich dies nicht auf das äußere Aussehen des Teils auswirken. Diese Lösung ist mit der oben beschriebenen industriell genutzten Ausführung von REDRAW durchführbar, da die Verwendung der Dateien .L, .R oder .PRM in jedem Fall gestattet, daß die Mehrfach-Durchgang-Methode nur für ausgewählte Vektortypen implementiert wird. Somit könnte REDRAW nur für die Schraffur-Vektoren vorgesehen werden.
Eine andere Lösung besteht darin, alle Vektoren mehrfach zu durchlaufen, jedoch andere Methoden anzuwenden, wie etwa Stützrippen oder die Methode von Smalley, um die Nesterbildung zu beseitigen. Stützrippen sind in EP-A-0 338 751 ausführlicher beschrieben. Die Methode von Smalley ist in EP-A-0 355 945 ausführlicher beschrieben.
Eine dritte Lösung besteht darin, eine Realisierung der Mehrfach-Durchgang-Methode mit zwei Durchgängen anzuwenden, so daß der ausgehärtete Kunststoff vom ersten Durchgang beim zweiten Durchgang angehaftet wird und daher nur eine kurze Zeit schwimmt. Der Nachteil ist, daß, wie weiter oben erwähnt, mehr als zwei Durchgänge vorteilhaft sind, um mit der Ungenauigkeit bei der Schätzung der Aushärtungstiefe fertigzuwerden. Dieser Nachteil könnte vermindert werden, indem nur bei den Grenzen-Vektoren (bei denen die Nesterbildung ein Problem darstellt) die Mehrfach- Durchgang-Methode mit zwei Durchgängen angewandt wird, bei den übrigen Vektoren jedoch eine Mehrfach- Durchgang-Methode mit mehr als zwei Durchgängen angewandt wird.
Eine vierte mögliche Lösung besteht darin, die Anwendung der Mehrfach-Durchgang-Methode auf diejenigen Gebiete des Teils zu begrenzen, die kritische Volumenmerkmale aufweisen, das heißt Gebiete, die gegenüber einer Verzerrung am meisten anfällig sind, wie etwa freitragende Bereiche eines Teils. Diese Gebiete können durch die Benutzung der Datei .R isoliert werden, die verwendet werden kann, um einen Bereich von Querschnitten festzulegen, auf den die Mehrfach-Durchgang-Methode angewandt werden soll.
Ein wichtiger Aspekt der industriell genutzten Ausführung von REDRAW in der Version 2.62 der Software ist die Möglichkeit, verschiedene Werte für SP (und folglich verschiedene Expositionen) für verschiedene Durchgänge festzulegen. Wie weiter oben erörtert wurde, ist es häufig erforderlich, für die verschiedenen Durchgänge verschiedene Werte der Exposition festzulegen, um zu verhindern, daß eine Haftung früher als erwünscht auftritt. Vorzugsweise sollten die Werte für SP so gewählt werden, daß beim ersten Durchgang ein großer Anteil des Zwischenraums zwischen den Schichten ausgehärtet wird, wobei ein nicht ausgehärtetes Gebiet verbleibt, das bei nachfolgenden Durchgängen ausgehärtet wird, wobei dieses Gebiet eine Dicke im Bereich von nur 15-127 µm (1-5 mils) hat, in Abhängigkeit von der Schichtdicke und den möglichen Toleranzen. Die bevorzugte Größe des Zwischenraums hängt wie folgt von der Schichtdicke ab:
Wie man sieht, kann sich die Größe des nach dem ersten Durchgang verbleibenden nicht ausgehärteten Zwischenraums mit der Schichtdicke erhöhen. Dies liegt daran, daß, je größer die Schichtdicke ist, um so mehr Kunststoff beim ersten Durchgang ausgehärtet wird, wobei dieser Kunststoff weniger dafür anfällig ist, sich durch das Schrumpfen des Kunststoffs in dem nicht ausgehärteten Zwischenraum, wenn er ausgehärtet wird, nach unten zu krümmen.
Nach dem ersten Durchgang sollte die Schrittperiode für die verbleibenden Durchgänge vorzugsweise so gewählt werden, daß eine Vergrößerung der Aushärtungstiefe pro Durchgang um 25-50 µm (1-2 mil) bewirkt wird. Folglich wird während des Durchgangs, wenn die Haftung erfolgt, nur eine sehr geringe Menge an Kunststoff ausgehärtet, mit dem Ergebnis, daß die Spannungen, die durch die Schrumpfung des Kunststoffs während dieses Durchgangs hervorgerufen werden und die andernfalls auf den ausgehärteten Abschnitt der darüber befindlichen Schicht und auf die ausgehärtete darunter befindliche Schicht übertragen würden, minimal sind.
Nunmehr sollen einige Beispiele der Strichlinien-, der Gekrümmte-Linien- und der Sekundärstruktur-Methode beschrieben werden. FIG. 22a-22f zeigen ein Beispiel, welches die Methode der Verwendung von Sekundärstrukturen und Niete zum Verbinden von Schienen kombiniert. In allen diesen Figuren sind gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Figur 22a zeigt eine Seitenansicht der Schichten 107a, 107b und 107c, welche übereinandergeschichtet dargestellt sind. Wie dargestellt wurden die Schichten getrennt voneinander ausgehärtet, um durch die Beseitigung der Fähigkeit der Schichten, Spannungen aufeinander zu übertragen, während sie ausgehärtet werden, die Kräuselung zu verringern. Wie bereits gesagt wurde, besteht jedoch ein Problem beim Aushärten der Schichten getrennt voneinander darin, daß das fertige Teil sehr schwach ist, da nichts vorhanden ist, was die Schichten zusammenhält. Infolgedessen muß eine Sekundärstruktur hinzugefügt werden, die mit den Schichten zu verbinden ist.
Jede Schicht in FIG. 22a besteht in diesem Fall aus zwei parallelen Linien, und eine Draufsicht einer Schicht ist in FIG. 22b dargestellt, welche zeigt, daß die Schicht 107b aus parallel verlaufenden Linien 107b(1) und 107b(2) besteht. Wie dargestellt, wurden die Linien für eine gegebene Schicht ebenfalls getrennt voneinander ausgehärtet, um die Kräuselung zu verringern, und sie müssen ebenfalls durch irgendeine Art von Sekundärstruktur verbunden werden, um dem Teil eine Struktur zu verleihen.
FIG. 22b ist eine Draufsicht der Schicht 107b, welche eine Sekundärstruktur 108a, 108b, 108c, 108d und 108e zum Verbinden der Linien einer bestimmten Schicht zeigt, in diesem Falle der Linien 107b(1) und 107b(2) der Schicht 107b. Außerdem verbindet, wie man sehen wird, die Sekundärstruktur auch die Linien von aneinandergrenzenden Schichten miteinander; in diesem Falle sind die Linien 107b(1) und 107b(2) jeweils durch die Sekundärstruktur mit den Linien 107c(1) und 107c(2) verbunden. Dies ist in FIG. 22c dargestellt, welche eine Seitenansicht der Linien der Schicht 107b zeigt, die über die Linien für die Schicht 107c geschichtet sind und durch die Sekundärstruktur 108a, 108b, 108c, 108d und 108e verbunden sind.
Die Sekundärstruktur weist dabei zwei Aspekte auf und umfaßt Stützlinien von geringerer Exposition und einen als Niete bezeichnetes Gebiet von höherer Exposition, das dazu dient, Stützlinien von aneinandergrenzenden Schichten miteinander zu verbinden. Dies ist in FIG. 22d und 22e dargestellt. Wie in FIG. 22e angegeben ist, besteht die Sekundärstruktur für die Schicht 107b teilweise aus verbindenden Stützlinien 108a(1), 108b(1), 108c(1), 108d(1) und 108e(1), die von geringerer Exposition sind als die Linien 107b(1) und 107b(2), aus denen die Schicht besteht (wobei infolgedessen die Stützlinien eine geringere Aushärtungstiefe aufweisen als die Linien, aus denen die Schicht besteht). Außerdem werden die Stützlinien verwendet, um die Linien zu verbinden, aus denen eine Schicht besteht in diesem Falle die Linien 107b(1) und 107b(2) der Schicht 107b. Ferner besteht die Sekundärstruktur teilweise aus Gebieten höherer Exposition, die Niete genannt werden. In FIG. 22e sind diese mit 108a(2), 108b(2), 108c(2), 108d(2) bzw. 108e(2) bezeichnet, wobei diese Niete Gebiete sind, die eine stärkere Exposition aufweisen als entweder die Stützlinien oder die Linien, aus denen eine Schicht besteht, was zur Folge hat, daß die Nieten eine Aushärtungstiefe haben, die bis hinunter zu den Stützlinien einer angrenzenden Schicht eindringt und an ihnen anhaftet. Dies ist in FIG. 22d dargestellt, welche die Niete zeigt, die die Stützlinien für die Schichten 107b und 107c verbinden.
Ein wichtiger Aspekt von Nieten ist in FIG. 23a- 23c dargestellt, in denen gleiche Bestandteile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Wenn Linien in verschiedenen Schichten durch Niete verbunden werden, kann es in bestimmten Fällen wichtig sein, den Durchmesser der Niete kleiner zu halten als die Breite der Linien. Dies wird wiederum dadurch erreicht, daß man die zur Erzeugung der Niete verwendete Exposition genügend niedrig hält, so daß diese Bedingung nicht eintritt. FIG. 23a zeigt eine Linie mit Nieten 109a, 109b und 109c, wobei der Durchmesser der Niete viel kleiner ist als die Breite der Linie. FIG. 23b zeigt eine Linie, wo der Durchmesser der Niete größer ist als der der Niete in FIG. 23a. FIG. 23c zeigt eine Linie, wo der Durchmesser der Niete sogar größer ist als die Breite der Linie.
Es ist nur dann wichtig, den Durchmesser der Niete kleiner zu halten als die Breite der Linien, wenn die Linien die Außenoberfläche einer Schicht des Teils bilden. In diesem Falle ist es wichtig, den Nietdurchmesser kleiner als die Linienbreite zu halten, damit die Außenoberfläche des Teils glatt bleibt. Falls die Linien, die zusammengenietet werden, Stützlinien im Inneren des Objekts sind, muß es nicht notwendig sein, den Durchmesser der Niete kleiner als die Breite der Linien zu halten. In diesem Falle kann, wie in FIG. 22b und 22e dargestellt ist, der Durchmesser der Niete sogar größer sein als die Breite der Stützlinien.
Dieser Aspekt von Nieten ist ausführlicher in FIG. 24a-24d dargestellt, in denen gleiche Bestandteile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind.
FIG. 24a zeigt ein Teil, welches Schichten 107a, 107b bzw. 107c umfaßt, wobei diese Schichten mit den angrenzenden Schichten durch Niete 108a(2) und 108b(2) (zum Verbinden von Schicht 107a mit 107b) und durch Niete 109a(2) und 109b(2) (zum Verbinden von Schicht 107b mit 107c) verbunden sind.
Eine Draufsicht der Niete 108a(2) und 108b(2) zeigt FIG. 24b. Falls die Linie 107b die Außenoberfläche des fertiggestellten Teils bildet, wird, falls der Durchmesser der Niete größer ist als die Breite der Linie, eine rauhe Außenoberfläche erzeugt.
Drei Methoden sind möglich, um dieses Problem zu verringern. Eine weiter oben erwähnte Methode besteht einfach darin, die Größe des Durchmessers der Niete zu verringern. Eine zweite Methode, die in FIG. 24c dargestellt ist, besteht darin, die Niete weg von der Oberfläche 110 der Linie, welche die Außenoberfläche des fertiggestellten Teils bildet, zu versetzen, so daß die Niete nicht über die Ebene der Oberfläche hinausragen. Eine dritte Methode, die in FIG. 24d dargestellt ist und die weiter oben ausführlich erörtert wurde, besteht darin, Stützlinien einzuführen und dann nur die Stützlinien zusammenzunieten. Die obengenannten Methoden können sogar kombiniert werden. FIG. 24d zeigt Linien 107b(1) und 107b(2), die durch Stützlinien von geringerer Exposition verbunden sind, wobei diese Stützlinien mit Stützlinien von angrenzenden Schichten durch Niete 108a(2) und 108b(2) verbunden sind. Außerdem ist die Linie 107b(1) mit einer Linie einer angrenzenden Schicht durch Niete 111a(2) und 111b(2) verbunden, und die Linie 107b(2) ist mit einer Linie einer angrenzenden Schicht durch Niete 110a(2) und 110b(2) verbunden. Wenn irgendeine von diesen Linien die Außenoberfläche des Teils bildet, so darf, wie oben erörtert wurde, der Durchmesser der Niete nicht zu groß sein, oder falls er ist, müssen die Niete zum Inneren des Teils hin versetzt werden, so daß sie nicht über die Ebene der Außenoberfläche des Teils hinausragen.
Es ist anzumerken, daß in FIG. 24d erfolgreich Teile hergestellt wurden, bei denen der Abstand 112 zwischen den Linien auf derselben Schicht im Bereich von 40 bis 300 Milli-Inches liegt und bei denen außerdem die Linien auf aufeinanderfolgenden, aneinandergrenzenden Schichten ebenfalls durch diesen Abstand getrennt sind. Es sind jedoch andere Beispiele möglich, indem die Linien durch einen Abstand getrennt werden, der entweder oberhalb oder unterhalb dieses Bereichs liegt, und der obige Bereich wird nur zum Zweck der Veranschaulichung angegeben und soll nicht einschränkend sein.
FIG. 25a-25c zeigen ein anderes Beispiel der Verwendung einer Sekundärstruktur zum Verbinden von Linien. In diesen Figuren sind gleiche Bestandteile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Wie in FIG. 25a dargestellt ist, werden aufeinanderfolgende Strukturen 113a, 113b, 113c und 113d gezeichnet, bei denen jede Struktur, wie in FIG. 25c dargestellt, einen Abschnitt 113a(1) hat, der mit einer relativ niedrigen Exposition hergestellt wird, und einen anderen Abschnitt 113a(2), der mit höherer Exposition hergestellt wird. Außerdem sollte, wie in FIG. 25a dargestellt ist, die zur Herstellung des höher exponierten Abschnitts gewählte Exposition solcherart sein, daß nacheinander aufeinandergestapelte hoch exponierte Abschnitte, 113a(2) und 113c(2) in der Figur, einander kaum berühren. Unter Anwendung dieser Methode wurden sogar gelungene Teile hergestellt, bei denen aufeinanderfolgende hoch exponierte Abschnitte einen Abstand von 1,02-7,62 mm (40 bis 300 mils) voneinander haben, doch dieser Bereich wird nur zum Zweck der Veranschaulichung angegeben und soll nicht einschränkend sein.
Es ist anzumerken, daß sich niedriger exponierte Abschnitte von aufeinanderfolgenden Schichten, 113a(1) und 113b(1) in der Figur, überlappen, und es ist erforderlich, diese sich überlappenden Abschnitte zusammenzunieten, so daß aufeinanderfolgende Schichten aneinander haften. Dies ist in FIG. 25b dargestellt, welche Niete 116a, 116b und 116c zeigt, die überlappende, niedriger exponierte Abschnitte von aufeinanderfolgenden Schichten, 113a(1) und 113b(1) in der Figur, zusammenhalten. Es ist anzumerken, daß die Außenoberflächen 114 und 115 des Teils durch das Aufeinanderstapeln der höher exponierten Abschnitte von aufeinanderfolgenden Schichten gebildet werden, wobei die Oberfläche 114 zum Teil aus aufeinandergestapelten Abschnitten 113a und 113c zusammengesetzt ist und die Oberfläche 115 zum Teil aus aufeinandergestapelten Abschnitten 113b und 113d zusammengesetzt ist.
Es ist anzumerken, daß alle oben beschriebenen Methoden zur Verringerung der Kräuselung die Kräuselung auf eine von drei Weisen verringern: 1.) Verringerung der Spannungen; 2.) Widerstand gegen die Spannungen; und 3.) Lösen der Spannungen. Ein Beispiel von 1.) ist die Mehrfach-Durchgang-Methode, bei der aufeinanderfolgende Schichten durch mehrfache Durchgänge ausgehärtet werden, so daß, wenn sie anhaften, nur eine geringe Menge an Spannungen auf die angrenzenden Schichten übertragen wird. Ein Beispiel von 2.) ist die Mehrfach-Durchgang-Methode, durch die beim ersten Durchgang möglichst viel von einer Schicht ausgehärtet wird, so daß dieser Abschnitt der Schicht stark genug ist, um sowohl einer Kräuselung nach unten zu widerstehen als auch zu verhindern, daß die darunter befindliche Schicht eine Kräuselung nach oben bewirkt. Ein Beispiel von 3.) ist die Strichlinien- oder Gekrümmte-Linien-Methode, bei der die Spannungen im Prinzip von einer Schicht auf die andere übertragen werden, jedoch Unterbrechungen oder Biegungen ein Lösen der Spannungen bewirken.
Die geeignete Methode zur Verringerung der Kräuselung für eine gegebene Anwendung erfordert eine Abwägung zwischen der Festigkeit der Struktur und der Kräuselung. Im allgemeinen tritt um so mehr Kräuselung auf, je höher die für eine bestimmte Anwendung erforderliche Festigkeit der Struktur ist.
FIG. 26a-26c zeigen ein Teil, das mit verschiedenen Methoden zur Verringerung der Kräuselung hergestellt wurde. FIG. 26a zeigt das mit der Strichlinien-Methode hergestellte Teil, FIG. 26b zeigt die Gekrümmte-Linien-Methode, und FIG. 26c zeigt ein Teil, das unter Anwendung der oben unter Bezugnahme auf FIG. 25a-25c beschriebenen Sekundärstruktur-Methode hergestellt wurde. Was FIG. 26a anbelangt, so wurden erfolgreich Teile hergestellt, bei denen die Länge der festen Abschnitte einer Linie, die in der Figur mit der Bezugszahl 117a bezeichnet sind, im Bereich von 1,02 bis 7,62 mm (40 bis 300 mils) liegt, und bei denen die Unterbrechungen zwischen den aufeinanderfolgenden festen Abschnitten, die in der Figur mit der Bezugszahl 117b bezeichnet sind, ebenfalls im Bereich von 1,02 bis 7,62 mm (40 bis 300 mils) lagen. Diese Bereiche dienen jedoch nur der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend zu verstehen.
Was FIG. 26b anbelangt, so wurden erfolgreich Teile mit der Gekrümmte-Linien-Methode hergestellt, bei denen der feste Abschnitt einer Linie, der in der Figur mit der Bezugszahl 118a bezeichnet ist, im Bereich von 1,02 bis 7,62 mm (40-300 mils) liegt, und bei denen außerdem die Zwischenräume in der Linie zwischen den festen Abschnitten, die in der Figur mit der Bezugszahl 118b bezeichnet sind, ebenfalls in diesem Bereich liegen. Auch dieser Bereich soll nur der Veranschaulichung dienen und nicht einschränkend sein.
Was FIG. 26c anbelangt, so wurden erfolgreich Teile hergestellt, bei denen der Abstand zwischen parallelen Linien einer bestimmten Schicht, der in der Figur mit der Bezugszahl 119 bezeichnet ist, im Bereich von 1,02 bis 7,62 mm (40-300 mils) liegt. Der obengenannte Bereich wird nur zum Zweck der Veranschaulichung angegeben, und andere Beispiele sind möglich.
Ein Problem bei der Strichlinien-Methode besteht darin, daß sich aufgrund der Unterbrechungen in einer Linie eine schlechte Oberflächenbeschaffenheit des Teils ergeben kann, und außerdem können die Teile locker sein. Es stehen drei Varianten der Methoden zur Verfügung, um diese Probleme zu vermindern, wobei diese Varianten in FIG. 27a-27e dargestellt sind, in denen gleiche Bestandteile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind.
Die erste Variante, die "Ziegel-und-Mörtel"- Variante, ist in FIG. 27a dargestellt. Entsprechend dieser Variante werden die festen Abschnitte einer Strichlinie als analog zu Ziegeln betrachtet, und die Unterbrechungen zwischen aufeinanderfolgenden Ziegeln werden mit flüssigem Kunstharz ausgefüllt, das als analog zu Mörtel betrachtet wird und das dann mit einer geringeren Exposition als die Ziegel ausgehärtet wird. Ein Problem bei dieser Variante besteht darin, daß, wenn der Mörtel nachträglich mit dem gleichen Niveau exponiert wird wie die Ziegel, um die Festigkeit zu erhöhen, erneut eine Kräuselung erzeugt wird.
Die zweite Variante ist in FIG. 27b dargestellt, in welcher eine gestrichelte Linie auf eine durchgehende Linie aufgesetzt ist. FIG. 27b zeigt die Reihenfolge, in welcher die angegebenen Abschnitte nacheinander ausgehärtet werden. Wie angegeben, wird die durchgehende Schicht gezeichnet, und dann werden oben auf ihr in bestimmten Abständen angeordnete Ziegel gezeichnet, und anschließend werden die Zwischenräume zwischen den Ziegeln mit Mörtel ausgefüllt, wobei diese Zwischenräume dann ausgehärtet werden, vorzugsweise mit einer geringeren Exposition als die Ziegel. Ein Vorteil des Aushärtens der Ziegel oben auf der durchgehenden Schicht besteht darin, daß die durchgehende Schicht fest genug ist, um einer Kräuselung nach oben zu widerstehen.
Die dritte Variante ist in FIG. 27c dargestellt, wobei diese Variante darin besteht, eine gestrichelte Linie versetzt über einer anderen gestrichelten Linie anzuordnen, so daß die festen Abschnitte der einer Linie die Unterbrechungen in der zweiten Linie überbrücken. FIG. 27c zeigt die Reihenfolge, in welcher die angegebenen Abschnitte ausgehärtet werden. Wie angegeben, werden die Ziegel auf einer Schicht gezeichnet, und danach werden auf der nächsten Schicht ebenfalls Ziegel gezeichnet, jedoch versetzt gegenüber denen auf der ersten Schicht, so daß die Ziegel auf der zweiten Schicht die Zwischenräume zwischen den Ziegeln auf der ersten Schicht überbrücken. Ein Problem bei dieser Methode besteht darin, daß sie zu einer fast ebenso starken Kräuselung führt, als wenn standardmäßige durchgehende Linien gezeichnet würden.
Andere Varianten der Strichlinien-Methode sind in FIG. 27d und 27e dargestellt, wobei die Zahlen die Reihenfolge des Zeichnens der angegebenen festen Abschnitte bezeichnen. FIG. 27d zeigt die Anordnung einer ersten Strichlinie auf einer durchgehenden Linie und einer zweiten, versetzten Strichlinie, die auf der ersten Strichlinie angeordnet ist. FIG. 27e zeigt die Anordnung mehrerer Strichlinien auf einer durchgehenden Linie, welche gruppiert sind, und die anschließende versetzte Anordnung aufeinanderfolgender Strichlinien.
Die Gekrümmte-Linien-Methode, die allgemein in FIG. 26b dargestellt ist, und Varianten dieser Methode sind in FIG. 28a-28i dargestellt. Wie in FIG. 28a angegeben ist, besteht die Grundidee der Gekrümmte- Linien-Methode darin, die Spannungen abzubauen, die auf eine gegebene Schicht von angrenzenden Schichten übertragen werden. Was FIG. 28a anbelangt, werden die Spannungen, die in den Abschnitten 118a und 118b der Linie 118 erzeugt werden, durch eine seitliche Bewegung dieser Abschnitte in den Zwischenraum 118c hinein aufgenommen. Das liegt daran, daß etwas nachgeben muß, um die Spannungen abzubauen, und im Beispiel von FIG. 28a sind die Abschnitte 118a und 118b, denen ermöglicht wird, sich seitlich in den Zwischenraum 118c hineinzubewegen, das, was nachgibt.
Es wurden erfolgreich Teile mit den in FIG. 28b angegebenen Maßen hergestellt, das heißt mit festen Abschnitten einer Linie im Bereich von 1,02-7,62 mm (40-300 mils) und Zwischenräumen zwischen den festen Abschnitten ebenfalls in diesem Bereich. Andere Beispiele sind möglich, und die angegebenen Bereiche sollen nur der Veranschaulichung dienen und nicht einschränkend sein. Die Größe der Zwischenräume sollte vorzugsweise so gering wie möglich sein, doch in der Praxis hängt die Größe der Zwischenräume von den möglichen Toleranzen ab, da es entscheidend ist, daß sich aufeinanderfolgende feste Abschnitte nicht berühren. Im Beispiel von FIG. 28a ist es entscheidend, daß der Zwischenraum 118c nicht so klein ist, daß sich die festen Abschnitte 118a und 118b berühren. Wenn sie sich berühren, führt das zu einer Kräuselung. Daher sollten die Zwischenräume zwischen aufeinanderfolgenden festen Abschnitten einer gekrümmten Linie um so größer sein, je geringer die möglichen Toleranzen sind. Es wurden gelungene Teile hergestellt, bei denen die Zwischenräume nur 1,02 mm (40 mils) groß sind, doch sind kleinere Zwischenräume möglich. FIG. 28c zeigt ein Beispiel einer gekrümmten Linie, bei dem die Zwischenräume wesentlich kleiner sind als die Länge der festen Abschnitte.
Ein Vorteil der Gekrümmte-Linien-Methode gegenüber der Strichlinien-Methode besteht darin, daß die gekrümmten Linien wesentlich stärker sein können als die Strichlinien, und außerdem darin, daß ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungen wesentlich größer sein kann, nachdem ein Teil unter Anwendung der Gekrümmte-Linien-Methode hergestellt wurde.
FIG. 28d zeigt eine Variante einer gekrümmten Linie, bei der die Biegungen in der Linie eine dreieckige Form haben. Es wurden erfolgreich Teile hergestellt, bei denen jede dreieckförmige Biegung eine Länge in der Größenordnung von 6,35 mm (250 mils (1/4 Inch)) hatte. Außerdem kann der Winkel am Scheitelpunkt jeder dreieckförmigen Biegung, auch wenn er in FIG. 28d mit 90º angegeben ist, von diesem Wert abweichen. Wenn er nämlich kleiner als dieser Wert gewählt wird, ähnelt die sich ergebende Linie der in FIG. 28c, und es kann sogar noch mehr Kräuselung beseitigt werden. Wenn der Winkel größer als dieser Wert gewählt wird, ähnelt die gekrümmte Linie einer geraden Linie, und der Kräuselungseffekt ist stärker ausgeprägt.
Eine andere Variante einer gekrümmten Linie ist in FIG. 28e und 28f dargestellt. Wie in FIG. 28e angegeben, wurden erfolgreich Teile unter Verwendung von gekrümmten Linien hergestellt, bei denen die Biegungen in der Linie wie dargestellt eine umgekehrte dreieckige Form haben und bei denen jede Biegung die in FIG. 28f angegebenen Maße hat, das heißt, eine Breite von 3,18 mm (125 mils (1/8 Inch)), mit Zwischenräumen zwischen aufeinanderfolgenden festen Abschnitten von 40 mils oder weniger und mit Winkeln an jeder dreieckförmigen Biegung von 45º, 45º bzw. 90º. Wie zuvor ist es entscheidend, daß aufeinanderfolgende feste Abschnitte einer gekrümmten Linie einander nicht berühren. Andernfalls wird eine Kräuselung hervorgerufen. Daher sollten in FIG. 28e die Zwischenräume in der Linie so klein wie möglich gehalten werden, solange aufeinanderfolgende feste Abschnitte einander nicht berühren. FIG. 28g zeigt eine andere Variante einer Gekrümmte-Linien-Methode, bei der die Biegungen eine Trapezform aufweisen. Andere Beispiele sind möglich, und die obigen Beispiele sollen nur der Veranschaulichung dienen und sollen nicht einschränkend sein.
Ebenso wie bei der Strichlinien-Methode kann ein Teil, das mit der Gekrümmte-Linien-Methode hergestellt wurde, eine schlechte Oberflächenbeschaffenheit aufweisen. Um dieses Problem zu umgehen, ist eine Ziegel-und-Mörtel-Variante der Gekrümmte-Linien-Methode möglich, bei der die Zwischenräume in den gekrümmten Linien mit flüssigem Kunstharz ausgefüllt und danach teilweise exponiert werden. Wie zuvor bei der Strichlinien-Methode wird, wenn dieses Kunstharz mit der gleichen Exposition ausgehärtet wird wie der Rest der Linie, der Kräuselungseffekt hervorgerufen. FIG. 28h veranschaulicht die Methode des Ausfüllens der Zwischenräume in der Linie mit flüssigem Kunstharz und des anschließenden teilweisen Exponierens des Kunstharzes in den Zwischenräumen. Die Zahlen geben die Reihenfolge an, in der die abgebildeten Abschnitte ausgehärtet werden.
Eine andere Variante besteht darin, eine gekrümmte Linie auf einer durchgehenden Linie anzuordnen, wie in FIG. 28i angegeben ist, was den Vorteil hat, daß die zuerst gezeichnete durchgehende Linie einer Kräuselung nach oben widersteht. Um das Aussehen der Oberfläche zu verbessern, werden außerdem wie in FIG. 28h die Zwischenräume in der gekrümmten Linie mit Kunstharz ausgefüllt und teilweise exponiert. Die Reihenfolge, in der das Aushärten erfolgt, ist durch die Zahlen in der Figur angegeben.
FIG. 28j zeigt eine andere Variante, bei der eine erste gekrümmte Linie auf einer durchgehenden Linie angeordnet ist und eine zweite gekrümmte Linie auf der ersten gekrümmten Linie angeordnet, jedoch gegenüber der ersten gekrümmten Linie versetzt ist, so daß die festen Abschnitte der zweiten gekrümmten Linie die Zwischenräume in der ersten gekrümmten Linie überbrücken. Die Zahlen geben die Reihenfolge an, in der die in der Figur angegebenen Abschnitte ausgehärtet werden.
Nunmehr werden Realisierungen der Niete-Methode zur Verringerung der Kräuselung beschrieben. Eine ältere Realisierung der Niete-Methode erfolgte in Form von in der Programmiersprache Basic geschriebenen Programmen, wobei diese Programme vorsahen, Schichten eines Teils direkt mittels eines Laserstrahls abzutasten, ohne den Zwischenschritt einer Umformatierung der die Schichten beschriebenden Daten in Vektoren, wie in EP-A-0 354 637 beschrieben ist. Diese Schichten wurden so abgetastet, daß die Aushärtungstiefe für jede Schicht geringer war als die, die erforderlich war, um eine Haftung zwischen den Schichten zu verursachen. Das Programm sah dann eine zusätzliche Abtastung (Exposition) ausgewählter Gebiete jeder Schicht vor, um eine Haftung zu verursachen, jedoch nur in diesen ausgewählten Gebieten. Es wurde festgestellt, daß, wenn die Anzahl dieser Gebiete, in denen eine Haftung auftreten sollte, relativ klein war, eine minimale Verzerrung und Kräuselung durch die Haftung der Schichten erzeugt wurde. Diese Haftungsgebiete mit stärkerer Exposition sind das, was hier als Niete bezeichnet wird, und obwohl sich die Verzerrung des Teils vergrößern kann, wenn sich die Anzahl der Haftungspunkte vergrößert, ist dies ein geringer Effekt, wenn die Anzahl von Haftungsgebieten gering ist.
Spätere Realisierungen befinden sich in Übereinstimmung mit dem Zwischenschritt einer Umformatierung der Daten der Schichten in Vektoren. Nähere Einzelheiten zu den unterschiedlichen Vektortypen sind in EP-A-0 354 637 dargelegt. Diese Realisierungen erfordern, daß die einzelnen Vektorlängen klein sind für diejenigen Vektoren, welche zur Haftung zwischen Schichten beitragen, und daß zwischen diesen Vektoren Zwischenräume vorhanden sein sollen. Außerdem kann es annehmbar sein, eine große Anzahl von Haftungsvektoren zwischen Schichten zu verwenden, um die strukturelle Einheit des Teils zu sichern, solange sich diese Vektoren innerhalb der Außengrenzen des Teils befinden, so daß alle Kräuselungen, die dadurch hervorgerufen werden, sich nicht auf die Oberflächengenauigkeit auswirken.
Ferner sollten diese Vektoren im allgemeinen so angeordnet werden, daß ihre Länge senkrecht zur Richtung der wahrscheinlichen Verzerrung ist. Zum Beispiel sollte bei einer Auskragung die Richtung dieser Vektoren vorzugsweise senkrecht zur Achse des freitragenden Bereichs sein. FIG. 29a zeigt einen nicht verzerrten freitragenden Bereich 120, der aus einzelnen Schichten 120a, 120b, 120c, 120d und 120e besteht, welche wie dargestellt an den angrenzenden Schichten anhaften, um den Gesamtbereich zu bilden. Der freitragende Bereich ist das, was gewöhnlich als eine Schiene bezeichnet wird. Der Bereich wird, wie dargestellt, von Abstützungen 120 getragen, die ihrerseits direkt mit einer Plattform 122 verbunden sind. Die Achse des Bereichs ist ebenfalls in der Figur angegeben.
FIG. 29b zeigt denselben freitragenden Bereich, der die durch Kräuselung verursachte Verzerrung widerspiegelt. In der Figur sind gleiche Bestandteile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, wie in FIG. 29a. Die Richtung der Kräuselung verläuft, wie dargestellt, nach oben, in der gleichen Richtung wie die Achse des freitragenden Bereichs.
FIG. 29c ist eine Draufsicht der Schicht 102d des Bereichs, welche die Richtung der Vektoren zeigt, die zur Haftung zwischen Schicht 102d und Schicht 102e beitragen. Die Richtung dieser Vektoren ist, wie dargestellt, völlig senkrecht zur Richtung der Verzerrung und somit zur Achse des freitragenden Bereichs.
Ein Problem bei dieser älteren auf Vektoren basierenden Realisierung ist, daß sie aufgrund ihrer Abhängigkeit von der Richtung der Achse des Teils von der Geometrie des Teils abhängt. Bei jüngeren auf Vektoren basierenden Realisierungen wurde eine andere Herangehensweise verwendet, welche die oben beschriebenen enormen Vorteile von Nieten bietet, jedoch gleichzeitig eine gute strukturelle Einheit ohne eine derart starke Abhängigkeit von der Geometrie des Teils sicherstellt.
Bei diesen älteren auf Vektoren basierenden Realisierungen von Nieten unterschieden sich die Buchstabencodes, die verwendet wurden, um die verschiedenen Vektortypen zu beschrieben, von denen, die in EP-A-0 354 637 verwendet wurden, wo eine ausführliche Beschreibung der verschiedenen Vektortypen gegeben wird. Kurz gesagt, Grenzen-Vektoren werden verwendet, um die äußere Begrenzung einer Schicht zu zeichnen, Kreuzschraffur-Vektoren werden verwendet, um die inneren Abschnitte einer Schicht zu zeichnen, und Hautfüllungs-Vektoren werden verwendet, um beliebige Außenoberflächen eines Teils zu zeichnen. Sie werden in der folgenden Reihenfolge gezeichnet: Grenze, Kreuzschraffur und Hautfüllung. Die folgende Liste zeigt die Entsprechung zwischen diesen Buchstabencodes:
1.) Für Schichtgrenzen-Vektoren wurde "Z" verwendet, um diese Vektoren zu beschreiben, anstelle von "LB".
2.) Für Schicht-Kreuzschraffur-Vektoren wurden "X", "Y" und "I" verwendet, um X-, Y- bzw. 60/120- Kreuzschraffur-Vektoren zu beschreiben. Bei späteren Realisierungen wurden diese Vektoren miteinander kombiniert und mit dem einzigen Buchstabencode "LH" gekennzeichnet.
3.) Für nach oben gewandte Hautgrenzen-Vektoren wurde "S" als einziger Buchstabencode verwendet, um sowohl ebene als auch fast ebene Grenzen-Vektoren zu beschreiben. Bei späteren Realisierungen wurden diese Vektortypen in verschiedene Kategorien unterteilt, die mit den Buchstabencodes "FUB" bzw. "NFUB" gekennzeichnet wurden.
4.) Für nach oben gewandte Hautschraffur-Vektoren wurden "A", "B" und "J" verwendet, um X-, Y- bzw. 60/120-Hautkreuzschraffur-Vektoren zu beschreiben. Nach oben gewandte Hautschraffur-Vektoren haben kein Gegenstück unter den Buchstabencodes, die bei gegenwärtigen Realisierungen verwendet werden.
5.) Für nach oben gewandte Hautfüllungs-Vektoren wurden "H" und "V" verwendet, um X- bzw. Y- Hautfüllungs-Vektoren zu beschreiben. Bei diesen Buchstabencodes waren sowohl ebene als auch fast ebene Füllungs-Vektoren inbegriffen. Bei späteren Realisierungen wurden X- und Y-Füllungs-Vektoren kombiniert, doch ebene und fast ebene Vektoren wurden voneinander getrennt. Die neuen Buchstabencodes sind "FUF" bzw. "NFUF".
6.) Für nach unten gewandte Hautgrenzen-Vektoren wurde "C" verwendet, um sowohl ebene als auch fast ebene Grenzen-Vektoren zu beschreiben, doch bei späteren Realisierungen wurden diese Vektortypen voneinander getrennt und mit den Buchstabencodes "FDB" bzw. "NFDB" beschrieben.
7.) Für nach unten gewandte Hautschraffur-Vektoren wurden "F", "G" und "K" verwendet, um X-, Y- bzw. 60/120-Kreuzschraffur-Vektoren zu kennzeichnen. Bei jüngeren Realisierungen sind nur nach unten gewandte fast ebene Hautschraffur-Vektoren möglich, die durch den Buchstabencode "NFDH" beschrieben werden.
8.) Für nach unten gewandte Hautfüllungs-Vektoren wurden "D" und "E" verwendet, um X- bzw. Y- Hautfüllungs-Vektoren zu unterscheiden. Bei diesen Buchstabencodes waren sowohl ebene als auch fast ebene Füllungs-Vektoren inbegriffen. Bei späteren Realisierungen wurden sowohl X- als auch Y-Füllungs- Vektoren zu einem Buchstabencode kombiniert, doch ebene und fast ebene Vektortypen wurden voneinander getrennt. Die neuen Buchstabencodes sind "FDF" bzw. "NFDF" für die ebenen bzw. fast ebenen Vektortypen.
Der erste Aspekt der auf Vektoren basierenden Realisierung von Nieten ist die Festlegung eines kritischen Gebiets einer bestimmten Schicht oder von Schichten, in dem Niete angeordnet werden sollen. Diese kritischen Gebiete werden festgelegt, indem eine sogenannte Kritische-Kästen-Datei erzeugt wird. Diese Datei enthält eine oder mehrere Festlegungen von Kästen, welche Volumina einschließen, deren Kreuzschraffur-Vektoren entweder zusammengenietet oder überhaupt nicht abgetastet werden sollen. Ein am Anfang einer Kasten-Festlegung angeordnetes XV gibt an, daß Kreuzschraffur-Vektoren im Inneren des Kastens zusammengenietet werden, während ein am Anfang einer Kasten-Festlegung angeordnetes XI angibt, daß Kreuzschraffur-Vektoren im Inneren des Kastens nicht abgetastet werden. Die Kritische-Kästen-Datei ist eine ASCII-Datei, die von einem beliebigen geeigneten Texteditor erzeugt wird, und erhält denselben Namen wie die Ausgabedateien (die Dateien .L und .V), die von dem Programm MERGE erzeugt werden, welches die Dateien .SLI für unterschiedliche Objekte mischt, bevor der Vorgang des Zeichnens der Vektoren beginnt (ausführlicher beschrieben in EP-A-0 354 637), nur mit dem Unterschied, daß sie die Erweiterung .BOX anstelle von .L oder .V hat. Kurz, die CAD-Datei für ein Objekt wird als die Datei .STL für dieses Objekt bezeichnet. Ein Programm, das SLICE genannt wird, realisiert die Zerlegung oder Umwandlung der Datei .STL in auf Vektoren basierende Schicht-Daten, welche in eine Datei .SLI für das Objekt eingegeben werden. MERGE mischt dann die Datei .SLI für verschiedene Objekte, um eine Datei .V zu bilden, welche die gemischten Vektordaten enthält, und auch eine Datei .L für Steuerungszwecke. Das Programm BUILD übernimmt dann die Dateien .V und .L und beginnt, die Vektoren zu zeichnen. Wenn das Programm MERGE beginnt, seine Eingabedateien .SLI für verschiedene Objekte zu mischen, sucht es nach einer entsprechenden Datei .BOX. Wenn diese Datei gefunden wird, hängt MERGE dann Bezeichnungen für kritische Gebiete an alle Schichten an, für die angegeben ist, daß sie diese erfordern.
Ihr Inhalt besteht aus einer oder mehreren aus einer einzelnen Zeile bestehenden Festlegungen eines kritischen Kastens. Ein einzelner Kasten besteht aus einem rechtwinkligen Volumen für einen bestimmten Vektortyp, gefolgt von dessen Position im Raum. Eine typische Festlegung könnte wie folgt aussehen: "XV,.94,.04,.250,8.750,.250,.250,4.375,.250,4.375,8.750" Der Code XV gibt an, daß dieser Kasten ein Volumen umgibt, das zusammenzunieten ist.
Der Wert 0,94 gibt die Lage des Bodens des Kastens in den gleichen Einheiten und dem gleichen Bezugsmaßstab an, wie sie bei der CAD-Konstruktion des Teils verwendet wurden. Wenn die CAD-Einheiten Inches sind, gibt der Wert 0,94 an, daß der Boden des Kastens 0,94 Inches vom Boden des CAD-Raums entfernt ist. Der Wert 0,04 stellt die Höhe des Kastens in CAD-Einheiten (im obigen Beispiel Inches) über dem Boden dar. Die nächsten acht Zahlen werden als XY-Paare gelesen, welche die Ecken des Kastens in CAD-Einheiten angeben, und beruhen auf der Lage des Teils im Raum, so wie diese durch das CAD-System bezeichnet wird. FIG. 30 zeigt das Format einer typischen Datei .BOX (die nur zum Zweck der Veranschaulichung mit dem Namen RIVET.BOX versehen wurde), wobei diese Datei zwei Kästen beschreibt, welche Volumina festlegen, die zusammengenietet werden sollen. Das Beispiel zeigt, daß die Datei aus einer einzigen Textzeile besteht, die nur zum Zweck des Druckens umbrochen wurde.
Es ist anzumerken, daß ein Vorteil des Programms MERGE darin besteht, daß unterschiedliche Parameter des Zusammennietens für verschiedene Teilvolumina eines Objekts festgelegt werden können, indem die verschiedenen Teilvolumina in getrennte Dateien .STL eingesetzt werden, getrennt in verschiedene Dateien .SLI für jedes Teilvolumen zerlegt werden und anschließend gemischt werden. Das liegt daran, daß für jede Datei .SLI verschiedene Parameter des Zusammennietens festgelegt werden können. Weitere Einzelheiten zu den Dateiformaten von .SLI und .STL sind in EP-A-0 354 637 dargelegt.
Eine Alternative zur Verwendung der Datei .BOX zur Steuerung des Zusammennietens besteht darin, Niet- Befehle in der Datei .L festzulegen, welche es ermöglichen, Nieten auf einer Basis "Schicht für Schicht" und innerhalb einer Schicht auf einer Basis "Vektortyp für Vektortyp" zu steuern. Eine andere Herangehensweise an die Steuerung des Zusammennietens besteht darin, in der Datei .PRM für bestimmte Vektortypen Standard-Niet-Parameter festzulegen. Kurz, die Datei .PRM enthält Standardparameter, und wenn BUILD einen bestimmten Niet-Parameter nicht in der Datei .L finden kann, durchsucht es die Datei .PRM nach dem Parameter. Die Niet-Befehle werden nachfolgend beschrieben.
1.) VC ist ein Buchstabencode für Rivet Count (Nieten Zählen), einen Befehl, der ein Argument von 1 bis 7 hat und der die Anzahl der auszuführenden Durchgänge angibt, wenn ein Vektor in einer Schicht mit einer angrenzenden Schicht zusammengenietet wird. Das Befehlsformat ist "VC 2" und "VC 5" zur Festlegung von zwei bzw. fünf Durchgängen.
2.) VR ist ein Buchstabencode für Rivet Reduction (Niet-verringerung), was ein Befehl ist, der verwendet werden kann, um zu verhindern, daß Schraffur-Vektoren bis direkt zu dem Punkt hin vernietet werden, wo sie Grenzen-Vektoren berühren, da dies eine Verschlechterung der Oberflächenbeschaffenheit des Teils zusammen mit einer größeren Verzerrung verursachen kann. Im Vergleich zu der älteren auf Vektoren basierenden Realisierung von Nieten, die stark von der Geometrie des Teils abhängig war, gewährleistet die Verwendung von Kreuzschraffur- Vektoren für das Zusammennieten die Unabhängigkeit von der Geometrie, weil Schraffur-Vektoren, da sie in den meisten, wenn nicht sogar in allen Schichten vorhanden sind, eine Schicht-an-Schicht-Haftung bewirken. Wenn es für eine bestimmte Anwendung jemals erforderlich sein sollte, das Zusammennieten an eine bestimmte Teile- Geometrie anzupassen, so gewährleistet die Verwendung der Datei .BOX zum Festlegen kritischer Kasten- Konfigurationen und die Festlegung unterschiedlicher Niet-Parameter für unterschiedliche Teilvolumen-Dateien .SLI, die anschließend wie weiter oben beschrieben gemischt werden, die Möglichkeit, das zu tun.
Der Befehl VR fordert, daß alle Abtastungen, mit Ausnahme der ersten, eine verringerte Länge haben. Anders gesagt, die erste Abtastung wird auf der vollen Länge des Vektors durchgeführt, und zusätzliche Abtastungen sind um den Betrag von VR verringert. Der Befehl verwendet ein Argument, das einen bestimmten Abstand an jedem Ende eines Vektors festlegt, der nicht vernietet werden soll, wobei dieses Argument einen Wert im Bereich von 1 bis 65535 haben kann. Dieses Argument gibt die Anzahl der SS-Vielfachen an, die von jedem Ende des Vektors weggenommen werden, bevor die mehrfachen Abtastungen durchgeführt werden, die durch den Befehl VC festgelegt sind. Da das Argument von SS in Bits ausgedrückt ist (1 Bit entspricht etwa 0,3 mil), kann das Argument von VR in Bits umgewandelt werden, indem es mit dem Parameter SS multipliziert wird.
3.) VP ist ein Buchstabencode für Rivet Period (Nietperiode) und ist ein Befehl, der insofern ähnlich zu SP ist, als er für jede Abtastung, die durch den Befehl VC festgelegt ist, ein Expositionsvolumen festlegt. Wie bei REDRAW, wo für jeden Durchgang ein Expositionswert festgelegt werden konnte, hat VP ein Argument für jede Abtastung, die durch den Befehl VC gefordert wird. Jedes Argument kann einen Wert von etwa bis 6500 annehmen, in Einheiten von 10 µs. Ein typischer VP-Befehl für VC=4 könnte wie folgt aussehen:
"VC 4;VP 40, 50, 60, 70".
Dieser Befehl würde wie folgt interpretiert: Die erste Abtastung erfolgt über die gesamte Länge des Vektors und hat eine SP von 40. Es ist wahrscheinlich, daß dieser Wert für SP so gewählt wurde, daß die durch diese Abtastung erhaltene Aushärtungstiefe etwas geringer als die Schichtdicke ist. Die zweite Abtastung erfolgt über einen Vektor, dessen Endpunkte um einen durch den Befehl VR festgelegten Betrag verschoben wurden und der entsprechend einer SP von 50 gezeichnet wird. Die dritte Abtastung erstreckt sich über dasselbe Gebiet wie die zweite Abtastung, doch ihre Geschwindigkeit des Zeichnens beruht auf einer SP von 60. Die vierte Abtastung ist mit den beiden vorangegangenen identisch, abgesehen von einer Geschwindigkeit des Zeichnens, die auf einer SP von 70 beruht. Es ist anzumerken, daß diese Niet-Befehle nur bei den verschiedenen Typen von Kreuzschraffur verwendet werden.
Wie weiter oben im Zusammenhang mit der REDRAW genannten Implementierung der Mehrfach-Durchgang- Methode erörtert wurde, wird die Datei .L von einem Standard-Texteditor erzeugt und von dem Programm BUILD (oder SUPER, in Abhängigkeit von der Software-Version) für die Schicht-für-Schicht-Steuerung des Aushärtungsprozesses verwendet. Die Datei .R, welche eine Steuerung für einen Bereich von Schichten bereitstellt, ist nicht verfügbar, um das Zusammennieten für die hier beschriebene spezielle Realisierung von Nieten zu steuern. Die Datei .PRM wird von BUILD verwendet, um Standard-Niet-Parameter zu erhalten, wenn ein bestimmter Parameter nicht in der Datei .Lfestgelegt ist. Mit einem Wort, die Datei .L wird verwendet, um das Zusammennieten auf einer Basis "Schicht für Schicht" und innerhalb einer Schicht auf einer Basis "Vektortyp für Vektortyp" zu steuern. Die Datei .PRM wird nur in jenen Fällen verwendet, wenn ein kritischer Niet-Parameter nicht in der Datei .L festgelegt ist.
Das Format einer Datei .L zur Verwendung bei der Steuerung des Zusammennietens ist in FIG. 31 angegeben. Wie oben wurde die Datei nur zum Zweck der Veranschaulichung RIVIT.L genannt, und sie zeigt eine Schicht 920, für die keine Niet-Parameter festgelegt sind. Die Schicht 940 dagegen weist eine Reihe von Niet-Befehlen auf, die sie betreffen, wobei diese Befehle von den Buchstabencodes #TOP und #BTM eingerahmt werden. Es ist anzumerken, daß im Unterschied zur Datei RIVET.BOX, wo die Parameter in CAD-Einheiten festgelegt sind, die Parameter in den Dateien .L und .PRM in SLICE-Einheiten festgelegt sind. CAD-Einheiten sind die Einheiten, in denen ein Objekt mit einem CAD-System konstruiert wird, und sie sind die Einheiten, die mit der Datei .STL für ein Objekt verknüpft sind. SLICE-Einheiten sind die Einheiten, in welche das Objekt durch das Programm SLICE in Schichten zerlegt wird, und sie sind mit der Datei .SLI für dieses Objekt verknüpft. Zum Beispiel werden für CAD- Einheiten in Inches und eine gewünschte SLICE-Auflösung von 1.000 die SLICE-Einheiten in Milli-Inches angegeben. CAD-Einheiten, SLICE-Einheiten und Auflösung sind ausführlicher in EP-A-0 354 637 beschrieben.
In FIG. 31 lautet die erste für die Schicht 940 festgelegte Niet-Befehlszeile "#CA XV, 250, 250, 3750, 250, 3750, 8750, 250, 8750", wobei der Buchstabencode #CA für Critical Area (Kritisches Gebiet) steht. Dieser Befehl ist ähnlich zu der weiter oben erörterten Datei .BOX und legt einen kritischen Kasten fest, in dessen Innerem die Kreuzschraffur-Vektoren entweder zusammengenietet oder überhaupt nicht abgetastet werden. Der Buchstabencode XV gibt an, daß die Kreuzschraffur-Vektoren zusammengenietet werden sollen. Die nächsten acht Zahlen sind vier XY-Paare (in SLICE- Einheiten), welche die Ecken des Kastens beschreiben, welcher das kritische Gebiet bildet.
Die nächste Befehlszeile für die Schicht 940 ist ein Befehl, welcher nur für Vektoren "Z" gilt (welche Schichtgrenzen-Vektoren sind und gemäß der weiter oben angeführten Tabelle in späteren Realisierungen mit dem Buchstabencode "LB" bezeichnet werden). Wie angegeben, lautet die Befehlszeile "SS 8; SP 100; JD 0; RC 1", was besagt, da kein Befehl VC festgelegt ist, daß die Schichtgrenzen-Vektoren nicht zusammengenietet werden. Die nächste Befehlszeile für die Schicht 940 gilt nur für die Vektoren "X" (gemäß der obigen Tabelle ist X- Kreuzschraffur nunmehr mit Y- und 60/120-Kreuzschraffur zu dem einzigen Buchstabencode "LH" zusammengefaßt) und lautet wie folgt: "SS 8; SP 100; JD 0; RC 1; VC 2; VR 500; VP 20, 100". Der Befehl "VC 2" legt ein Rivet Count von zwei Durchgängen fest, wobei eine Exposition von 20 für den ersten Durchgang festgelegt wird und eine Exposition von 100 für den zweiten Durchgang festgelegt wird. In Anbetracht von Expositions- Einheiten von 10 µs bedeutet dies eine Exposition von 400 µs bzw. 1.000 µs. Der Befehl "VR 500" gibt an, daß für den zweiten Durchgang die X-Kreuzschraffur-Vektoren nur bis zu einem Abstand von 500 SS-Vielfachen von der Stelle vernietet werden, wo die Kreuzschraffur-Vektoren mit den Schichtgrenzen-Vektoren verbunden sind. In Anbetracht eines SS von 8 Bits (etwa 2,4 Milli-Inches) bedeutet dies eine Versetzung um etwa 1.200 Milli- Inches (1,2 Inches) gegenüber den Enden.
FIG. 32 zeigt ein Beispiel einer Datei .PRM, die nur zum Zweck der Veranschaulichung SUPER.PRM genannt wurde. Die Datei .PRM ist ausführlicher in EP-A-0 354 637 beschrieben, und es werden hier nur die Aspekte des Beispiels beschrieben, welche Standard-Niet-Parameter betreffen. Erstens sind die einzigen angegebenen Standard-Niet-Parameter die für die Schicht- Kreuzschraffur-Vektoren für das erste Objekt (die in der Figur durch den Buchstabencode "LH1" beschrieben sind, welche gemäß der obigen Tabelle in älteren Realisierungen mit den Buchstabencodes "X", "Y" oder "I" für X-, Y- bzw. 60/120-Kreuzschraffur beschrieben worden wären) und für die fast ebenen nach unten gewandten Haut-Vektoren für das erste Objekt (die in der Figur mit dem Buchstabencode "NFDH1" beschrieben sind, welche gemäß der Tabelle in älteren Realisierungen mit den Buchstabencodes "F", "G" und "K" für X-, Y- bzw. 60/120-Kreuzschraffur beschrieben worden wären). Der entsprechende Abschnitt der Datei wird nachfolgend wiedergegeben:
LH1, "RC 2; SP 20, 80; JD 0; SS 8;
VCR 5; ! rivet count
VR 99; ! rivet reduction
VP 11, 12, 13, 14, 15 ! rivet step amount periods
NFDH1, "RC 1; SP 176; JD 0; SS 2; VC 5; VR 99;
VP 11, 12, 13, 14, 15"
Zunächst ist der Abschnitt jeder Zeile, der dem "!" folgt, nur ein Kommentar zum Zweck der besseren Lesbarkeit. Für die Schicht-Kreuzschraffur-Vektoren beträgt der Standardwert für Rivet Count (Nieten Zählen) 5 Durchgänge, wobei für die jeweiligen Durchgänge eine Exposition von 11, 12, 13, 14 bzw. 15 festgelegt ist (was in Anbetracht von Einheiten der Exposition von 10 µs Expositionen von 110, 120, 130, 140 bzw. 150 µs bedeutet). Der Standardbetrag für Rivet Reduction (Niet- Verringerung) beträgt 99 SS-Vielfache, was in Anbetracht des Standardwertes 8 für SS einen Wert von 792 Bits oder ungefähr 6,035 mm (237,6 mils) bedeutet. Für die fast ebenen nach unten gewandten Haut-Vektoren sind die Standard-Niet-Parameter mit denen identisch, die für Schicht-Kreuzschraffur-Vektoren festgelegt wurden.
Die durch MERGE erzeugte Datei .V ist in FIG. 33 angegeben. Die Datei besteht aus den für jede Schicht zu zeichnenden Vektoren, die in die verschiedenen Vektortypen unterteilt sind. Wie angegeben, sind für die Schicht 920 die XY-Paare für die Schichtgrenzen- Vektoren aufgelistet (gekennzeichnet mit dem Buchstabencode "Z1", wobei "1" das erste und einzige Objekt bezeichnet), gefolgt von den XY-Paaren für die Kreuzschraffur-Vektoren (gekennzeichnet mit dem Buchstabencode "X1"). Dann sind die Schichtgrenzen- und Kreuzschraffur-Vektoren für die Schicht 940 aufgelistet.
Nunmehr werden Aspekte beschrieben, welche die Effektivität der verschiedenen obengenannten Methoden betreffen. Der obenerwähnte Anhang J ist ein Programm zur Herstellung eines Viertelzylinders, welcher ein Teiltyp ist, der speziell entwickelt wurde, um die Auswirkung einer jeden der obenerwähnten Methoden auf die Kräuselung zu messen.
Der Viertelzylinder ist im Prinzip ein freitragender Träger, der aus einer Anzahl von Schichten besteht, die an den angrenzenden Schichten anhaften und so den gesamten Träger bilden. Ein Aspekt des Viertelzylinders ist die Messung einer nach oben gerichteten (oder vertikalen) Kräuselung, welche aus der Haftung der Schichten an den angrenzenden Schichten resultiert. FIG. 34(a) und (34b) stellen eine Seitenansicht eines Viertelzylinders dar, welche die Effekte einer Kräuselung nach oben zeigt. Der Viertelzylinder umfaßt einen freitragenden Träger 120, der aus Schichten 120a, 120b und 120c besteht, welche durch eine Plattform 121 getragen werden. FIG. 34a zeigt den Viertelzylinder, bevor die Effekte einer Kräuselung nach oben hervorgerufen wurden, während FIG. 34b denselben Viertelzylinder zeigt, nachdem die Effekte einer Kräuselung nach oben hervorgerufen wurden. FIG. 34b veranschaulicht einen anderen Aspekt der Kräuselung nach oben, welcher darin besteht, daß, wenn sich die Anzahl der ausgehärteten Schichten erhöht, diese gegen das von den nacheinander ausgehärteten Schichten erzeugte Drehmoment wirksamer Widerstand leisten. Infolgedessen sind im Beispiel von FIG. 34b bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Schicht 120c ausgehärtet ist, die Effekte der Kräuselung nach oben nahezu verschwunden.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß eine Schicht praktisch in Schritten ausgehärtet werden kann, wobei horizontale, aneinandergrenzende Linien nacheinander ausgehärtet werden, um die gesamte Schicht zu bilden. Wenn eine Linie entlang einer bereits ausgehärteten Linie ausgehärtet wird, schrumpft die erste Linie und bewirkt, daß sich die bereits ausgehärtete Linie horizontal kräuselt, in Abhängigkeit vom Grad der Haftung zwischen den Linien. Dieser Effekt ist in FIG. 34c und 34d veranschaulicht, wobei FIG. 34c eine Draufsicht einer Schicht 120a zeigt, welche Linien 123a, 123b bzw. 123c umfaßt, während FIG. 34d die Auswirkungen einer horizontalen Kräuselung auf dieselbe Schicht zeigt. Wie dargestellt, werden die Auswirkungen einer horizontalen Kräuselung um so weniger ausgeprägt, je mehr Linien hergestellt werden, da die bereits ausgehärteten Linien immer besser in der Lage sind, gegen das durch nachfolgende Linien ausgeübte Drehmoment Widerstand zu leisten.
Ein anderer Aspekt des Viertelzylinders ist seine Eignung für die Messung eines anderen Typs von Kräuselung, der recht anschaulich als "Sneer" ("spöttisches Lächeln") bezeichnet wird. Sneer wird erläutert, nachdem die gesamte Struktur des Viertelzylinders erläutert worden ist.
Ein spezielles Beispiel eines Viertelzylinders ist in FIG. 35a dargestellt. Wie dargestellt, umfaßt das Teil obere Schichten 124, eine Stützschicht 125, Ständer-Schichten 126 und eine Basisschicht 127. Vorteilhafterweise bestehen die oberen Schichten 124 aus 25 Schichten, bestehen die Ständer-Schichten 126 aus 8 Schichten, besteht die Basisschicht 127 aus 1 Schicht und besteht die Stützschicht 125 aus 1 Schicht. Es sind jedoch andere Beispiele möglich, und dieses Beispiel wird nur zum Zweck der Veranschaulichung angegeben und soll nicht einschränkend sein.
Wie in FIG. 35b dargestellt ist, welche eine Draufsicht des Viertelzylinders zeigt, umfaßt jede Schicht vorteilhafterweise eine innere und eine äußere konzentrische, kreisförmig gekrümmte Schiene 128 bzw. 129, wobei die innere Schiene einen Radius von 27 mm hat und die äußere Schiene einen Radius von 30 mm hat. Wie in FIG. 35c dargestellt ist, liegt den gekrümmten Schienen ein Winkel von 5π/12 Radianten gegenüber, etwas weniger als 90º.
Was FIG. 35a anbetrifft, so umfassen die Ständer- Schichten 126 Ständer-Paare 126a, 126b, 126c und 126d, und wie in FIG. 35c dargestellt ist, umfaßt jedes Ständer-Paar vorteilhafterweise zwei Ständer. Zum Beispiel umfaßt das Ständer-Paar 126a die Ständer 126a(1) bzw. 126a(2). Ferner werden, wie FIG. 35c zeigt, π/4 Radianten, etwas über die Hälfte, des konzentrischen Bogens von Ständern gestützt, wobei die Ständer-Paare vorteilhafterweise entlang des abgestützten Abschnitts des Bogens in gleichmäßigen Abständen von π/12 Radianten angeordnet sind.
Was FIG. 35d anbetrifft, so sind die innere und die äußere Schiene einer Schicht vorteilhafterweise durch 21 in gleichmäßigen Abständen angeordnete Stützlinien von geringerer Exposition verbunden (welche analog zu den in EP-A-0 354 637 beschriebenen Kreuzschraffur-Vektoren sind und welche daher hier einfach als Kreuzschraffur bezeichnet werden), wobei alle Linien vorteilhafterweise in gleichmäßigen Abständen von π/48 Radianten angeordnet sind. Vorteilhafterweise wird die Kreuzschraffur mit einer geringeren Exposition exponiert, so daß die Kreuzschraffur für eine gegebene Schicht anfänglich nicht an der Kreuzschraffur für eine angrenzende Schicht anhaftet. Schließlich erhält, wie in FIG. 35e dargestellt ist, beginnend bei der ersten Kreuzschraffur-Linie der Mittelpunkt jeder zweiten Kreuzschraffur auf einer gegebenen Schicht eine zusätzliche Exposition, d. h. er wird vernietet, so daß er an dieser Stelle an der darunter befindlichen Kreuzschraffur anhaftet. In FIG. 35e sind aufeinanderfolgende Niete für eine bestimmte Schicht mit den Bezugszahlen 130a, 130b bzw. 130c bezeichnet. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist die Verwendung von Nieten eine Methode zur Verringerung der Kräuselung nach oben.
Das Teil wird vorteilhafterweise mit Schichten von 0,25 mm (10 mil) hergestellt, doch die Exposition wird zwischen den Schichten variiert, um verschiedene Aushärtungstiefen zu gewährleisten. Dies ermöglicht die Messung der Kräuselung bei verschiedenen Aushärtungstiefen. Die Basisschicht erhält vorteilhafterweise eine genügend hohe Exposition, um eine gute Haftung an der Hebevorrichtungs-Plattform (nicht dargestellt) sicherzustellen, was einer Aushärtung von 30 Milli-Inches entspricht. Die Ständer erhalten vorteilhafterweise eine genügend hohe Exposition, um eine gute Haftung an der vorangegangenen Schicht sicherzustellen, was ebenfalls einer Aushärtung von 0,76 mm (30 mil) entspricht. Die Stützschiene erhält vorteilhafterweise eine Aushärtung von 0,76 mm (30 mil), um eine ausreichende Festigkeit dafür zu gewährleisten, daß sie den Kunstharz-Strömungen während des Eintauchens widersteht. Die Niete werden vorteilhafterweise mit einer Aushärtungstiefe von 0,76 mm (30 mils) exponiert, um eine Schicht-an-Schicht-Haftung der Linien der oberen Schichten sicherzustellen. Die oberen Linien, sowohl die inneren als auch die äußeren, und die stützenden Kreuzschraffur-Linien werden vorteilhafterweise mit einer variierenden Aushärtungstiefe exponiert, wobei dieser Parameter variiert wird, um eine Kurve des Zusammenhangs von Aushärtungstiefe und Kräuselung für die spezielle Methode zur Verringerung der Kräuselung, die zur Herstellung eines Viertelzylinders verwendet wurde, zu entwickeln. Eine Gesamt-Perspektivansicht eines Viertelzylinders zeigt FIG. 35f.
Um die Kräuselung für eine bestimmte Methode zur Verringerung der Kräuselung zu messen, kann die Aushärtungstiefe der Linien der oberen Schichten von 25 oder 51 µm (ein oder zwei Milli-Inches) bis zu 1,02 mm (40 mils) variiert werden. Bei jeder Aushärtungstiefe wird, wie in FIG. 35g dargestellt ist, die Dicke des Viertelzylinders an zwei Stellen gemessen: 1.) am ersten Niet vom nicht abgestützten Ende der oberen Schichten aus, wobei diese Stelle in FIG. 35g mit der Bezugszahl 131 bezeichnet ist und die Dicke an dieser Stelle in der Figur mit "s" bezeichnet ist; und 2.) am ersten Niet vom abgestützten Ende der oberen Schicht aus, wobei diese Stelle in der Figur mit der Bezugszahl 132 bezeichnet ist und die Dicke an dieser Stelle in der Figur mit "f" bezeichnet ist. Der Kräuselungsfaktor für eine gegebene Aushärtungstiefe ist als das Verhältnis f/s definiert. Der Kräuselungsfaktor wird für eine Reihe von Aushärtungstiefen berechnet und dann als Funktion der Aushärtungstiefe graphisch dargestellt. Nachdem eine spezielle Kurve graphisch dargestellt worden ist, würde obiges für andere Methoden zur Verringerung der Kräuselung wiederholt werden, um die beste Methode zur Verringerung der Kräuselung für eine bestimmte Anwendung zu ermitteln. Oben wurde die Verwendung einer mit Nieten kombinierten Sekundärstruktur zur Verringerung der Kräuselung beschrieben, doch können auch andere weiter oben beschriebene Methoden, wie etwa die Strichlinien- oder Gekrümmte-Linien-Methode, die Mehrfach-Durchgang- Methode usw., mit dieser Methode bewertet werden. FIG. 35h zeigt verschiedene solcher graphischen Darstellungen für unterschiedliche Methoden zur Verringerung der Kräuselung.
Nunmehr soll der "Sneer" genannte Typ der Kräuselung beschrieben werden. Es ist anzumerken, daß, wenn ein gerader freitragender Stab verwendet würde, um die Kräuselung zu messen, die Sneer-Effekte nicht hervorgerufen oder gemessen werden könnten. Nur dadurch, daß die Schichten der freitragenden Bereiche gekrümmt werden, um einen Viertelzylinder zu bilden, treten die Sneer-Effekte auf.
Was FIG. 35d anbelangt, wenn die innere und die äußere Linie 129 bzw. 128 ausgehärtet werden, so schrumpfen sie ungefähr um den gleichen prozentualen Anteil. Da der prozentuale Anteil der Schrumpfung etwa derselbe ist, ist das Ausmaß, in dem der Radius der äußeren Linie schrumpft, größer als das Ausmaß, in dem die innere Linie schrumpft, da für den größeren Radius eine größere inkrementale Änderung erforderlich ist, um dieselbe prozentuale Änderung zu erreichen. Das Ergebnis ist, daß die äußere Linie mehr Spannungen auf die umgebende Struktur überträgt. Das Vorhandensein der Kreuzschraffur verhindert den Abbau der Spannungen durch Bewegung der äußeren Linie nach innen auf die innere Linie zu. Daher bewegt sich die äußere Linie, um die spannungen abzubauen, typischerweise nach oben und erzeugt dabei den "Sneer" genannten Effekt. Es ist anzumerken, daß der Sneer-Effekt um so stärker ausgeprägt ist, je größer der Radius des Querschnitts des untersuchten Teils ist.
Der Sneer-Effekt kann mit Hilfe von FIG. 36a-36c veranschaulicht werden, welche eine Seitenansicht, eine Vorderansicht bzw. eine Draufsicht eines bestimmten Teils zeigen, das geschlitzte Bereiche 131a, 131b und 131c aufweist. Die Sneer-Effekte sind in FIG. 36d dargestellt, welche zeigt, daß die am äußeren Radius befindlichen Gebiete des Teils stärker verzerrt werden, und in manchen Fällen, wie am Schlitz 131c in der Figur gezeigt, ist die Verzerrung so groß, daß sie bewirkt, daß sich der feste Abschnitt des Teils spaltet. Dies ist in der Figur mit der Bezugszahl 131d bezeichnet.
Daher kann der Viertelzylinder auch verwendet werden, um die Auswirkung der verschiedenen oben beschriebenen Methoden auf den Sneer-Effekt zu beurteilen.

Claims

1. Ein Verfahren zur Bildung eines dreidimensionalen Objekts (30), bei dem das Objekt (30) aus überlagerten Objektschichten (30a, 30b, 30c) gebildet wird, die jeweils durch die selektive Verfestigung einer Schicht eines transformierbaren fließfähigen Mediums (22) durch Exposition mit einer vorgeschriebenen Stimulation (27) gebildet werden, wobei die Bildung von wenigstens einer Objektschicht (30a, 30b, 30c) aus einer Schicht des genannten fließfähigen Mediums gekennzeichnet ist durch:

a) wenigstens einer Anfangsexposition der Schicht mit der genannten vorgeschriebene Stimulation (27) gemäß eines vorherbestimmten Musters, um einen Anfangsbereich der Objektschicht (30a, 30b, 30c) zu bilden, der nicht direkt an der vorangegangenen Objektschicht (30a, 30b, 30c) haftet, und

b) wenigstens einer weiteren Exposition mit der genannten vorgeschriebenen Stimulation (27) gemäß eines vorherbestimmten Musters, um einen weiteren Bereich der Objektschicht (30a, 30b, 30c) zu bilden, der wenigstens teilweise den genannten Anfangsbereich direkt mit der vorangegangenen Objektschicht (30a, 30b, 30c) verbindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die wenigstens eine Anfangsexposition die Exposition von wenigstens einer Linie umfaßt, und worin die wenigstens eine weitere Exposition die wenigstens eine Linie erneut exponiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die wenigstens eine Anfangsexposition die Exposition von wenigstens einer Linie umfäßt, und worin die wenigstens eine weitere Exposition nur einen Teil der wenigstens einen Linie erneut exponiert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die wenigstens eine weitere Exposition für Teile der Objektschicht an ausgewählten Orten sorgt, durch die die Objektschicht mit der vorangegangenen Objektschicht verbunden wird (Fig. 24).

5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche 1 - 4, worin die wenigstens eine Anfangsexposition eine Einzelexposition ist.

6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche 1 - 4, worin die wenigstens eine Anfangsexposition wenigstens zwei Expositionen umfaßt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, worin die wenigstens eine weitere Exposition eine Einzelexposition ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, worin die wenigstens eine weitere Exposition wenigstens zwei Expositionen umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, worin jede Exposition der Schicht aus dem gleichen vorherbestimmten Muster besteht, eine Folge von Expositionen eingesetzt wird, um fortschreitend die Verfestigung der Schicht in Richtung der vorangegangenen Objektschicht zu vertiefen, und dann mit der vorangegangenen Schicht zu verhaften (Fig. 168).

10. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche 2 - 8, worin die wenigstens eine Anfangsexposition und die wenigstens eine weitere Exposition durchgeführt werden, indem mit einem Strahl einer vorgeschriebenen Stimulation auf einer Oberfläche des fließfähigen Mediums gezeichnet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin sowohl die wenigstens eine Anfangsexposition und die wenigstens eine weitere Exposition die Exposition von wenigstens einer Linie umfassen, und auf einem Teil der wenigstens einen Linie derart durchgeführt werden, bevor jede weitere Exposition auf jedem verbleibenden Teil der wenigstens einen Linie durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, worin unterschiedliche Expositionsmengen während jeder von wenigstens zwei der Expositionen angewendet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 12, worin ein Grenzteil der Objektschicht derart ausgeführt wird, daß er an die zuvor geformte Objektschicht in zwei Expositionen haftet, und eine größere Anzahl von Expositionen verwendet wird, um wenigstens einen Teil des inneren Teils der Objektschicht mit der zuvor gebildeten Objektschicht zu verhaften.

14. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 12, worin ein Grenzteil der Objektschicht derart ausgeführt wird, daß er an der zuvor gebildeten Objektschicht in lediglich einer Exposition haftet.

15. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 14, worin die wenigstens eine Anfangsexposition und die wenigstens eine weitere Exposition in einem kritischen Bereich der Schicht angewendet werden, der zu Verzerrungen infolge von Kräuselungen neigt.

16. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, das auf die Bildung einer jeden einer aufeinanderfolgenden Sequenz von Objektschichten angewendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, in dem die Bereitstellung und die Exposition von aufeinanderfolgenden Schichten des genannten transformierbaren fließfähigen Mediums (22) zur Bildung der genannten aufeinanderfolgenden Sequenz von Objektschichten (30a, 30b, 30c) automatisch unter der Steuerung eines vorgeschriebenen Programms durchgeführt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 17, worin die vorgeschriebene Stimulation Strahlung, ultraviolettes Licht, sichtbares Licht, unsichtbares Licht, Partikelbombardement, Elektronenstrahlen oder eine reaktive Chemikalie ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, worin die vorgeschriebene Stimulation ein Strahl aus ultravioletter Strahlung ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 19, worin das transformierbare, fließfahige Medium ein flüssiger Polymer ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 18, worin das transformierbare fließfahige Medium ein Metall- oder Plastikpuder umfaßt.

22. Eine Vorrichtung zum Bilden eines dreidimensionalen Objekts (30) aus überlagerten Objektschichten (30a, 30b, 30c), die jeweils durch die selektive Verfestigung einer Schicht eines transformierbaren, fließfähigen Mediums (22) durch Exposition mit einer vorgeschriebenen Stimulation (27) gebildet werden, umfassend eine Quelle für die vorgeschriebene Stimulation (26), einem Mittel zum Bereitstellen aufeinanderfolgender Schichten des transformierbaren fließfähigen Mediums (22) zur Vorbereitung der Bildung aufeinanderfolgender Objektschichten (30a, 30b, 30c) des Objektes, und einem Mittel zum selektiven Exponieren einer jeden der genannten Schichten mit der vorgeschriebenen Stimulation (27), um aufeinanderfolgende Objektschichten (30a, 30b, 30c) zu bilden, worin das genannte Mittel zum selektiven Exponieren einer jeden der genannten Schichten durch eine Steuereinrichtung (25) gesteuert wird, die gemaß einem vorgeschriebenen Programm betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

a. die Steuereinrichtung das genannte Mittel zum selektiven Exponieren einer jeden der genannten Schichten steuert,

b. um wenigstens eine Anfangsexposition der vorgeschriebenen Stimulation (27) auf die Schicht gemäß eines vorherbestimmten Musters anzuwenden, um einen Anfangsbereich der Objektschicht (30a, 30b, 30c) zu bilden, der nicht direkt an der vorangegangenen Objektschicht (30a, 30b, 30c) haftet, und

c. um wenigstens eine weitere Exposition der vorgeschriebenen Stimulation (27) auf die Schicht gemaß eines vorherbestimmten Musters anzuwenden, um einen weiteren Bereich der Objektschicht (30a, 30b, 30c) zu bilden, der wenigstens teilweise den genannten Anfangsbereich direkt mit der vorangegangenen Objektschicht verbindet.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, worin die Anwendung der genannten wenigstens einen Anfangsexposition die Exposition von wenigstens einer Linie umfaßt, und worin die Anwendung der genannten wenigstens einen weiteren Exposition die erneute Exposition der wenigstens einen Linie umfaßt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22, worin die Anwendung der genannten wenigstens einen Anfangsexposition die Exposition von wenigstens einer Linie umfaßt, und worin die Anwendung der genannten wenigstens einen weiteren Exposition die erneute Exposition lediglich eines Teils der wenigstens einen Linie umfaßt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, worin die Anwendung der genannten wenigstens einen weiteren Exposition die Verbindung des genannten Anfangsbereichs mit der vorangegangenen Objektschicht an ausgesuchten Orten umfaßt (Fig. 24).

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 - 25, worin die Anwendung der wenigstens einen Anfangsexposition die Anwendung von einer Einzelexposition ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 - 25, worin die Anwendung der wenigstens einen Anfangsexposition die Anwendung von wenigstens zwei Expositionen ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 - 27, worin die Anwendung der wenigstens einen weiteren Exposition die Anwendung von einer Einzelexposition ist.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 - 27, worin die Anwendung der wenigstens einen weiteren Exposition die Anwendung von wenigstens zwei Expositionen ist.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 - 29, worin die genannte Quelle angeordnet ist, um die genannte vorgeschriebene Stimulation als einen Strahl bereitzustellen, und das genannte Mittel zum selektiven Exponieren der Schicht angeordnet ist, um das selektive Zeichnen des genannten Strahles der vorgeschriebenen Stimulation auf einer Oberfläche des genannten fließfähigen Mediums zu steuern.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, worin sowohl die Anwendung der wenigstens einen Anfangsexposition als auch die Anwendung der wenigstens einen weiteren Exposition die Exposition von wenigstens einer Linie umfaßt, und die Steuerung, um einen Teil der wenigstens einen Linie zu exponieren, bevor jegliche Exposition von jeglichen verbleibenden Teilen der wenigstens einen Linie durchgeführt wird.

32. Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, in der unterschiedliche Mengen an Exposition für wenigstens zwei der Expositionen angewendet werden.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 - 32, in der das genannte vorgeschriebene Programm zugeordnete Daten aufweist, um einen Grenzteil einer Objektschicht, die aus einer Schicht des genannten fließfähigem Mediums zu bilden ist, derart zu exponieren, daß der Grenzteil an der zuvor gebildeten Objektschicht in zwei Expositionen haftet, und eine größere Anzahl von Expositionen verwendet wird, um wenigstens einen Teil des inneren Teils der gleichen Objektschicht an die zuvor gebildete Objektschicht anzuhaften.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 - 32, worin ein Grenzteil der Objektschicht so aufgebaut ist, daß er an der zuvor gebildeten Objektschicht in lediglich einer Exposition haftet.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 - 34, worin die Anwendung der wenigstens einen Anfangsexposition und die Anwendung der wenigstens einen weiteren Exposition derart konfiguriert sind, um die Schicht aus fließfähigem Medium in einem kritischen Bereich, der zu Verzerrungen infolge von Kräuselungen neigt, zu exponieren.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 - 35, worin das genannte Programm dafür sorgt, daß die Anwendung der wenigstens einen Anfangsexposition und die Anwendung der wenigstens einen weiteren Exposition in der Exposition einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Schichten durchgeführt wird.

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 - 36, worin:

das genannte Mittel zum Bereitstellen aufeinanderfolgender Schichten eines transformierbaren fließfähigen Mediums und das genannte Mittel zum selektiven Exponieren einer jeden der genannten Schichten unter dem genannten vorgeschriebenen Programm betreibbar sind, um automatisch die Bereitstellung von aufeinanderfolgenden Schichten des genannten fließfähigen Mediums und die Bildung der Objektschichten daraus zu steuern.

38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 - 37, worin die Quelle der vorgeschriebenen Stimulation eine Quelle für Strahlung, ultraviolettes Licht, sichtbares Licht, unsichtbares Licht, Partikel, Elektronen, oder reaktive Chemikalien ist.

39. Vorrichtung nach Anspruch 38, worin die Quelle der vorgeschriebenen Stimulation eine Quelle für einen Strahl ultravioletter Strahlung ist.

40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 - 39, worin das transformierbare fließüahige Medium ein flüssiger Polymer ist.

41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 - 39, worin das transformierbare fließfahige Medium ein Metall- oder Plastikpuder umfaßt.

42. Ein Verfahren zur Bildung eines dreidimensionalen Objektes (30), bei dem das Objekt (30) aus überlagerten Objektschichten (30a, 30b, 30c) gebildet wird, die jeweils durch die selektive Verfestigung einer Schicht eines transformierbaren fließfähigen Mediums (22) durch Exposition mit einer vorgeschriebenen Stimulation (27) gebildet werden, wobei die Bildung von wenigstens einer Objektschicht (30a, 30b, 30c) aus einer Schicht des genannten fließfähigen Mediums gekennzeichnet ist durch:

a. wenigstens einer Anfangsexposition der Schicht mit der genannten vorgeschriebenen Stimulation (27) gemäß eines vorherbestimmten Musters, um zwei lateral getrennte Bereiche (107b(1), 107b(2)) der Objektschicht zu bilden, die nicht direkt miteinander verhaftet sind (Fig. 22E, Fig. 24D), und

b. wenigstens einer weiteren Exposition mit der genannten vorgeschriebenen Stimulation (27) gemaß eines vorhergeschriebenen Musters, um eine Struktur (108) zu bilden, welche die genannten getrennten Bereiche verbindet, und nicht verfestigte Teile der Schicht zwischen den genannten Bereichen beläßt

43. Verfahren nach Anspruch 42, in dem die genannten getrennten Bereiche Seiten aufweisen, die sich über eine gegebene Länge gegenüberliegen, und die genannte Struktur (108) die genannten Seiten über weniger als die genannte gegebene Länge verbindet.

44. Vorrichtung zum Bilden eines dreidimensionalen Objekts (30) aus überlagerten Objektschichten (30a, 30b, 30c), die jeweils durch die selektive Verfestigung einer Schicht eines transformierbaren fließfähigen Mediums (22) durch Exposition mit einer vorgeschriebenen Stimulation (27) gebildet werden, mit einer Quelle für die vorgeschriebene Stimulation (26), einem Mittel zum Bereitstellen aufeinanderfolgender Schichten aus transformierbarem fließfähigem Medium (22) zur Vorbereitung der Bildung aufeinanderfolgender Objektschichten (30a, 30b, 30c) des Objektes, und einem Mittel zum selektiven Exponieren einer jeden der genannten Schichten mit der vorgeschriebenen Stimulation (27), um aufeinanderfolgende Objektschichten (30a, 30b, 30c) zu bilden, worin das genannte Mittel zum selektiven Exponieren einer jeden der genannten Schichten durch eine Steuereinrichtung (25) gesteuert wird, die gemaß einem vorgeschriebenen Programm betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

a. die Steuereinrichtung (25) das genannte Mittel zum selektiven Exponieren einer jeden der genannten Schichten steuert,

b. um wenigstens eine Anfangsexposition der vorgeschriebenen Stimulation (27) auf die Schicht gemaß eines vorbestimmten Musters anzuwenden, um zwei lateral getrennte Bereiche (107b(1), 107b(2)) der Objektschicht (30a, 30b, 30c) zu bilden, die nicht direkt miteinander verhaftet sind (Fig. 22E, 24D), und

c. um wenigstens eine weitere Exposition der vorgeschriebenen Stimulation (27) auf die Schicht gemäß eines vorgeschriebenen Musters anzuwenden, um eine Struktur (108) zu bilden, die die genannten getrennten Bereiche verbindet, und nicht verfestigte Teile der Schicht zwischen den genannten Bereichen belaßt.

45. Vorrichtung nach Anspruch 44, worin die Bildung der genannten lateral getrennten Bereiche derart gesteuert wird, daß die genannten getrennten Bereiche Seiten aufweisen, die sich über eine gegebene Länge gegenüberliegen, und die Bildung der genannten Struktur derart gesteuert wird, daß die genannte Struktur (108) die genannten Seiten über weniger als die genannte gegebene Länge verbindet.