DE69033809T2

DE69033809T2 - Gerät und Verfahren zum Erzeugen dreidimensionaler Objekte

Info

Publication number: DE69033809T2
Application number: DE69033809T
Authority: DE
Inventors: Steven Scott Crump
Original assignee: Stratasys Inc
Current assignee: Stratasys Inc
Priority date: 1989-10-30
Filing date: 1990-10-24
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2010-10-25
Also published as: EP0833237B1; CA2027731C; CA2027731A1; DE69033809D1; ATE205944T1; US5340433A; EP0833237A2; US5121329A; EP0833237A3; EP0426363A2; JPH082598B2; EP0426363A3; JPH03158228A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bilden eines dreidimensionalen Objekts mit einer vorbestimmten Konstruktion, und insbesondere auf die Herstellung eines Modells oder Gegenstandes durch die Ablagerung mehrerer Lagen eines Materials in einem fluiden Zustand auf einen Träger. Das Material wird so ausgewählt und seine Temperatur wird so gesteuert, daß es sich im wesentlichen sofort nach dem Extrudieren oder der Abgabe auf einen Träger beim Aufbau der mehreren Lagen, die den gewünschten Gegenstand bilden, verfestigt.
Verfahren und Techniken zum Herstellen dreidimensionaler Gegenstände einer vorbestimmten Größe und Form sind bekannt. In Übereinstimmung mit herkömmlichen Techniken wird der gewünschte Teil anfangs gezeichnet, entweder manuell oder automatisch unter Verwendung einer Prozedur für den rechnergestützten Entwurf (CAD-Prozedur), wobei der Gegenstand schließlich gebildet wird, indem Material von einem Block-Werkstück entfernt wird, um die gewünschte Form in einem maschinellen Arbeitsvorgang zu bilden. Der maschinelle Arbeitsvorgang kann außerdem bei der Verwendung eines Prozesses der rechnergestützten Herstellung (CAM-Prozeß) automatisch erfolgen. Dieser teure und zeitaufwendige Prozeß wird mehrmals wiederholt, um die endgültige Herstellung eines Teils, Modells oder Prototyps zu vervollkommnen. Der Erfolg des Entwicklers hängt oft entweder von der Interpretation oder von der Geschicklichkeit des Maschinisten ab, der den Prototyp oder das Modell erstellt. Diese übliche Praxis der mechanischen Entfernung des Materials, um dreidimensionale Objekte zu erzeugen, enthält signifikante Fertigkeiten der maschinellen Bearbeitung und signifikante Bearbeitungszeit. Die chemischen Techniken der spanabhebenden Bearbeitung, die verfügbar sind, um Objekte zu bilden, besitzen Tiefeneinschränkungen, wobei sie keine komplexen Formen herstellen können. Das thermische Gießen durch Injektion oder andere Gießtechniken erfordern teure Gußformen und eine Prozedur, die für große Abläufe ökonomisch besser angepaßt sind, wo Reproduzierbarkeit erforderlich ist. In bezug auf Anwendungen in der Juwelierkunst werden die Juwelen nun am häufigsten manuell hergestellt.
Der gegenwärtige Stand der Technik umfaßt Prozesse, um dreidimensionale Objekte durch den Aufbau des Materials in einem Muster herzustellen, wie es durch einen Gegenstand, der zu bilden ist, vorgeschrieben ist. Das US-Patent Nr. 4.665.492, erteilt an William E. Masters, offenbart einen derartigen Prozeß, in dem ein Strom von Teilchen aus einem Zuführkopf ausgestoßen wird und als Antwort auf Daten, die von einem CAD-System automatisch bereitgestellt werden, auf die Koordinaten des dreidimensionalen Gegenstandes gerichtet wird. Dieser Prozeß erfordert einen Keim am Ursprungspunkt des Gegenstandes, auf den die Teilchen anfangs gerichtet werden. Die Teilchen treffen auf und haften in einer gesteuerten Umgebung aneinander, um den gewünschten Gegenstand aufzubauen. Die Prozedur nach Masters erfordert die Verwendung von zwei Einspritzköpfen, um den gewünschten dreidimensionalen Gegenstand zu erlangen, sie erfordert einen Keim am Ursprungspunkt, um den der Gegenstand konstruiert wird, wobei sie sich folglich nicht für die Bildung aufeinanderfolgender Lagen des Materials in einem vorbestimmten Muster als ein relativ einfaches Mittel zum Aufbau eines Gegenstandes eignet, wie z. B. eines Modells oder Prototyps. Das System nach Masters baut den Gegenstand aus einem zentralen Keim auf, in dem Material auf vorbestimmten Koordinaten aufgebracht wird. Ein derartiger Prozeß bietet inhärente Schwierigkeiten beim Einhalten genauer Toleranzen im Bereich von 0,001 Zoll (0,0025 cm) ohne den Aufbau kumulativer Fehler.
Es gibt im Stand der Technik außerdem Prozesse und Vorrichtungen, um dreidimensionale Objekte durch die Bildung von aufeinanderfolgenden benachbarten dünnen Schichten zu erzeugen, die benachbarten Querschnittslagen des zu bildenden Objekts entsprechen. Die bekannten Techniken dieses Typs in der Technik der Stereolithographie erfordern jedoch die Verwendung einer Flüssigkeitstonne, die ein durch Licht aushärtbares Polymer enthält, das sich bei der Anwesenheit von Licht aus einer Flüssigkeit in einen Festkörper ändert. Ein Strahl ultravioletten Lichts (UV) wird auf die Oberfläche der Flüssigkeit durch einen Laserstrahl gerichtet, der über die Oberfläche der Flüssigkeit in einer einzelnen Ebene in einem vorbestimmten XY-Muster bewegt wird, das durch ein CAD-System durch einen Computer erzeugt werden kann. In einem derartigen Prozeß werden die aufeinanderfolgenden Lagen nur in einer einzelnen horizontalen Ebene gebildet, wobei die aufeinanderfolgenden Lagen, die sich in der Flüssigkeitstonne verfestigen, zusammenkleben, um das gewünschte Objekt zu bilden. Ein derartiger Prozeß und eine derartige Vorrichtung sind im US-Patent Nr. 4.575.330, erteilt an Charles W. Hull, offenbart.
FR258333A offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einer viskosen Flüssigkeit, die aus einem monomeren Harz besteht. Die Vorrichtung umfaßt einen beweglichen Abgabekopf, einen Zuführtank, der das Harz enthält, eine Pumpe, um das Harz für den Abgabekopf zu bemessen, eine horizontale Platte, auf der das Material vom Abgabekopf abgelagert wird, und Mittel zum Bewegen des Abgabekopfs in drei Dimensionen.
Die US-Patente Nr. 4.752.498 und 4.801.477, erteilt an Fudim, offenbaren neuere Verfahren für die Produktion dreidimensionaler Objekte durch die Bestrahlung von Photopolymeren innerhalb eines flüssigen Mediums. Es können Objekte mit mehreren Lagen in Übereinstimmung mit den Lehren dieser Patente hergestellt werden, indem die das Photopolymer verfestigende Strahlung direkt in einen gewünschten Bereich innerhalb des nicht ausgehärteten Photopolymers unter Verwendung eines eingetauchten Strahlungsführers gerichtet wird. Derartige Prozesse erfordern jedoch abermals die Verwendung und den Gebrauch von aushärtbaren photopolymeren Flüssigkeiten, die gefährlich sind, wobei sie nicht die Bildung ultradünner Lagen des Materials beim Aufbau eines Objekts mit einer sehr feinen und glatten Oberfläche erlauben.
US-Patent Nr. 4.818.562, erteilt an Frank G. Arcella u. a., offenbart ein Verfahren zum Bilden eines Gegenstandes, in dem ein Laserstrahl auf ein schmelzbares Pulver gerichtet wird, das durch den Strahl geschmolzen wird und sich an seiner Oberfläche verfestigt, um ein Objekt der gewünschten Form zu bilden. Dieser Prozeß ist außerdem sehr teuer, wobei er ferner durch die erforderliche Verwendung eines Gases kompliziert ist, das durch das Pulver gelenkt wird, um es zu verwirbeln. Die Verunreinigungen im Gas müssen endgültig beseitigt werden, wobei das Gas durch die Verwendung einer komplexen Vorrichtung zur Förderung des Gases im Kreislauf umgepumpt oder ventiliert werden muß.
Es existieren außerdem Vorrichtungen für die manuelle Herstellung von Modellen oder Mustergegenständen, wie z. B. Juwelen, aus Wachs durch die Verwendung einer Pistole zur Abgabe des Wachses, aus der das Wachs in einem erwärmten, geschmolzen Zustand abgegeben wird. Eine derartige Pistole zur Wachsmodetlierung wird von der MATT Company, 663 Fifth Avenue, New York, New York hergestellt. Es sind außerdem Leimpistolen, wie z. B. die von der Parker Manufacturing Company, Northboro, Massachusetts, hergestellte, für die Erwärmung und Abgabe von Klebstoffen in einem fluiden, geschmolzenen Zustand verfügbar, um Gegenstände zusammenzukleben. Die Leimpistole von Parker verwendet eine Leimstange, die innerhalb der Pistole erwärmt und als geschmolzener Leim abgegeben wird. Weder die Pistole zum Gießen des Wachses noch die bekannten Leimpistolen sind jedoch jemals an mechanische Mittel angepaßt oder in Verwendung mit mechanischen Mitteln verwendet worden, durch die die Abgabepistole und/oder ein Substrat in bezug aufeinander mechanisch bewegt werden können, um eine vorbestimmte, dreidimensionale Form durch das Aufbringen aufeinanderfolgender Lagen des Materials in einem vorbestimmten Muster zu erzeugen.
Folglich gibt es weiterhin einen Bedarf an einem relativ einfachen und effizienten Prozeß und einer relativ einfachen und effizienten Vorrichtung, mittels denen ein Entwickler dreidimensionale Objekte an Büro-Arbeitsplatzrechnern Konstruieren und erzeugen können. Das hierin offenbarte Verfahren und die hierin offenbarte Vorrichtung decken diesen Bedarf mit der gleichen Leichtigkeit und Einfachheit der Verwendung eines Tischcomputers und Druckers, wobei der vollständige Modellierungsprozeß am CAD-Arbeitsplatzrechner des Operators ausgeführt wird.
Es ist die primäre Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels denen dreidimensionale Objekte an einem Büro-Arbeitsplatzrechner in einer sehr Zeit- und kosteneffektiven Weise erzeugt werden können. Es wird erwartet, daß die Erfindung bei der Herstellung einzelner Prototypen oder Modelle von Produkten besonders nützlich ist, so daß sie schnell hergestellt und von den Konstrukteuren untersucht werden können. Die Produkte mit komplizierten Formen können folglich durch die unmittelbare Beobachtung der Konstruktionsfehler und die wiederholte Modellierung effektiv und effizient entwickelt werden.
In den Ausführungsformen der Erfindung werden die grundlegenden Aufgaben gelöst, in dem ein Material bei einer gesteuerten Rate von einem Abgabekopf auf ein Substrat oder ein Trägerteil in einem vorbestimmten Muster abgegeben wird, das durch die Form eines zu bildenden Gegenstandes vorgeschrieben ist, wobei das Material in mehreren Lagen abgegeben wird, die sich verfestigen und aneinander kleben, um den Gegenstand aufzubauen. Der Prozeß wird so gesteuert, daß sich das Material in der vorangehenden Lage und insbesondere wenigstens das Material unter dem Abgabekopf verfestigt hat, bevor zusätzliches. Material auf seine Oberfläche aufgebracht wird, um die nachfolgende Lage zu bilden.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler körperlicher Objekte von vorbestimmter Form durch aufeinanderfolgende Ablagerung von mehreren Lagen eines sich verfestigenden Materials auf einem Trägerteil in einem gewünschten Muster, umfassend:
einen beweglichen Abgabekopf mit einem darin befindlichen Durchflußkanal, der in Strömungsverbindung mit einem an einem Ende davon vorgesehenen Abgabeauslaß steht, der in Form einer Düse mit einer Ausstoßöffnung vorbestimmter Größe zur Abgabe von Material im flüssigen Zustand ausgestattet ist,
eine Zuführung von sich verfestigendem Material und Mittel zum Zuführen des Materials im flüssigen Zustand durch den Durchflußkanal zum Abgabeauslaß,
ein in Arbeitsnähe zum Abgabeauslaß des Abgabekopfes angeordnetes Trägerteil,
mechanische Mittel zum Bewegen des Abgabekopfes und des Trägerteils relativ zueinander in drei Dimensionen in vorbestimmter Folge und in vorbestimmtem Muster in Bezug auf den Abgabeauslaß; und
Mittel zum Bemessen der Abgabe des Materials im flüssigen Zustand von der Ausstoßöffnung auf das Trägerteil, wenn der Abgabekopf und das Trägerteil relativ zueinander bewegt werden, um ein dreidimensionales Objekt zu formen, dadurch gekennzeichnet, daß
das Zuführen von Material ein thermisch sich verfestigendes Material ist, das sich bei Abkühlung auf eine Verfestigungstemperatur verfestigt, und das Material dem beweglichen Abgabekopf in Form eines kontinuierlichen flexiblen Strangs zugeführt wird,
das Mittel zum Zuführen des Materials im flüssigen Zustand eine Heizvorrichtung am Abgabekopf nahe zum Durchflußkanal umfaßt, die den flexiblen Strang auf eine vorbestimmte Temperatur über der Verfestigungstemperatur des Materials erhitzt; und
die Mittei zum Bemessen einen dem flexiblen Strang wirksam zugeordneten Vorschubmechanismus umfassen, der den flexiblen Strang mit einer bezüglich des Mechanismusmittels kontrollierten Vorschubrate zum Durchflußkanal steuerbar verschiebt, um dadurch die Fließrate des Materials in einem Flüssigkeitsstrom aus der Ausstoßöffnung bezüglich der relativen Bewegung des Abgabekopfes und des Trägers zu regulieren.
Das Material wird vorteilhaft in einem fluiden Zustand in sehr dünnen Lagen aufgebracht, die auf den vorangehenden Lagen in mehreren dünnen Schichten mit außergewöhnlich glatter Oberflächenqualität haften. Der Abgabekopf wird steuerbar entlang der "Z"-Achse angehoben, um aufeinanderfolgend Lagen des Materials zu bilden, deren Dicke so dünn wie 0,0001 Zoll (0,00025 cm) oder so groß wie 0,125 Zoll (0,3 cm) ist. Die Dicke jeder Lage wird gesteuert, indem die Lücke zwischen dem Abgabekopf und der vorausgehend gebildeten Lage reguliert wird.
Um jede nachfolgende Lage mechanisch zu bilden, sind Antriebsmotoren vorgesehen, um das Trägerteil und den Abgabekopf in bezug aufeinander in einem vorbestimmten Muster entlang der "X"- und "Y"-Achsen selektiv zu bewegen, wie das Material abgegeben wird. Die relative vertikale Bewegung entlang einer "Z"-Achse kann außerdem sowohl während der Bildung jeder Lage als auch nach dem Abschluß jeder Lage ausgeführt werden, um die gewünschte Form und Dicke der Lage zu erhalten. Derartige mechanische Bewegungen werden vorzugsweise durch Steuersignale erreicht, die in die Antriebsmotoren für das Trägerteil und den Abgabekopf von einem Computer/Controller-CAD/CAM-System eingegeben werden. In einem derartigen System wird die Konstruktion des zu bildenden Gegenstandes anfangs in einem Computer mit kommerziell verfügbarer Software erzeugt, die verwendet wird, um die dreidimensionale Form in die Daten mehrerer Lagen umzusetzen, die als Steuersignale durch den Controller einer rechnergestützten Maschine (CAM) zu den obenerwähnten Antriebsmotoren gesendet werden. Jeder Lage kann ihre eigene unverwechselbare Form besitzen, wie sie durch das Programm im CAD-System gesteuert wird, wobei die Lagen verschiedene Dicken aufweisen können.
Das Material zur Bildung des Gegenstandes wird in der Form eines flexiblen Strangs eines festen Materials von einer Zuführquelle, wie z. B. einer Trommel, zum Abgabekopf zugeführt. Das Material wird durch eine Heizvorrichtung im Abgabekopf über seine Verfestigungstemperatur erwärmt und als ein Fluid aufgebracht. Vorzugsweise enthält der Abgabekopf einen Durchflußkanal, der mit einem Abgabeauslaß in einem Stutzen verbunden ist, aus dem das fluide Material abgegeben wird. Der Stutzen kann vorteilhaft als "Abstreichmesser" arbeiten, das auf die Oberfläche jeder Lage wirkt, wie sie gebildet wird, um die Dicke jeder Lage genau zu steuern.
Es können verschiedene Materialien, einschließlich Wachse, thermoplastische Harze und Metalle verwendet werden, um die dreidimensionalen Gegenstände zu bilden, wie hierin beschrieben ist. Das Material ist vorzugsweise ein Material, daß bei einer im voraus gewählten Temperatur schmilzt und sich ohne eine Verzerrung durch Schrumpfen nach dem Anhaften auf der vorausgehenden Lage schnell verfestigt. Es wird eine Steuereinrichtung für die Temperatur verwendet, die auf Temperatursensoren am Abgabekopf antwortet, um die Temperatur des zugeführten Materials auf ein Niveau von etwa 1ºC oberhalb seiner Verfestigungstemperatur am Ausstoßpunkt genau zu steuern. Dies sichert eine beständige Strömung und daß sich das Material im wesentlichen sofort bei der Abkühlung nach dem Ausstoß mit dem sich ergebenden Wirkungsgrad im Prozeß des Bildens von Gegenständen verfestigen wird, wenn mehrere Lagen ausgestoßen werden, sich verfestigen und aufgebaut werden. Eine ergänzende Heizvorrichtung an der Düse des Stutzens, die auf die Steuereinrichtung für die Temperatur antwortet, schafft die genaue Steuerung der Temperatur des Materials, wie es ausgestoßen wird, um zu sichern, daß es sich in einem fluiden Zustand ein wenig oberhalb seiner Verfestigungstemperatur befindet.
Die vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes, umfassend:
Vorschieben eines flexiblen Strangs aus thermisch sich verfestigendem Material, welches sich bei Abkühlung auf eine Verfestigungstemperatur verfestigt, mit einer steuerbaren Vorschubrate durch einen Durchflußkanal in einem beweglichen Abgabekopf, wobei der Durchflußkanal einen Abgabeauslaß an einem Ende davon hat, der in Strömungsverbindung mit dem Durchflußkanal steht, und der Abgabeauslaß in Form einer Düse mit einer Ausstoßöffnung vorbestimmter Größe zur Abgabe von Material im flüssigen Zustand ausgestaltet ist,
Bereitstellen des Materials in einem fließenden, flüssigen Zustand durch den Durchflußkanal zu dem Abgabeauslaß durch Erhitzen des flexiblen Strangs in dem Abgabekopf auf eine Temperatur oberhalb der Verfestigungstemperatur des Materials,
mechanisches Erzeugen einer relativen Bewegung in drei Dimensionen des Abgabekopfes und eines im Arbeitsabstand zum Abgabeauslaß positionierten Trägertelis in einer vorbestimmten Folge und einem vorbestimmten Muster in Bezug auf den Abgabeauslaß; und
Abgeben des Materials aus dem Abgabeauslaß auf das Trägerteil mit einer Fließrate, die durch die Steuerung der Vorschubrate des flexiblen Strangs in Bezug zur relativen Bewegung zwischen dem Abgabekopf und dem Trägerteil reguliert wird, um einen dreidimensionalen Gegenstand mit vorbestimmter Form durch aufeinanderfolgende Ablagerung von mehreren Lagen des Materials zu erzeugen.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden leicht offensichtlich werden, wenn die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung gelesen wird, worin gleiche Bezugszeichen verwendet worden sind, um die gleichen Elemente durch die verschiedenen Ansichten hindurch zu bezeichnen.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Version der Vorrichtung zum Bilden dreidimensionaler Objekte zeigt;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die das System der rechnergestützten Konstruktion zum Betreiben der Vorrichtung zur Bildung von Gegenständen zeigt;
Fig. 3 ist eine vertikale Schnittansicht des Abgabekopfs nach Fig. 1;
Fig. 4 ist eine bruchstückhafte Ansicht, die den Abgabekopf zeigt, der mehrere Lagen des Materials aufbringt;
Fig. 5 ist ein Aufriß einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung zum Aufbringen von Material, die einen flexiblen Strang als das Zuführmaterial verwendet;
Fig. 6 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht einer modifizierten Form des Abgabestutzens, die mehrere Durchflußkanäle zeigt;
Fig. 7 ist eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht von einem Verteilertyp der Materialabgabeeinrichtung, die mehrere Auslässe besitzt;
Fig. 8 ist eine vertikale Schnittansicht der Verteiler- und Ventilbaugruppe nach Fig. 7;
Fig. 9 ist eine schematische Veranschaulichung, die zeigt, wie mehrere Lagen des Materials in sich ändernden Höhen und Dicken aufgebaut werden können; und
Fig. 10 ist eine schematische Veranschaulichung, die zeigt wie das Material im freien Raum durch die Vorrichtung dieser Erfindung abgegeben und geformt werden kann;
Fig. 11 ist ein unterer Grundriß eines alternativen Abgabekopfs mit mehreren Öffnungen, wie er entlang den Linien 11-11 nach Fig. 6 gesehen wird; und
Fig. 12 ist eine schematische Veranschaulichung, die zeigt, wie ein Drahtrahmen eines Gegenstandes durch die Vorrichtung dieser Erfindung gebildet werden kann.
Fig. 1 veranschaulicht eine Ausführungsformen der Vorrichtung dieser Erfindung, um dreidimensionale Gegenstände herzustellen, die Vorrichtung ist im allgemeinen durch das Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Vorrichtung enthält einen beweglichen Abgabekopf 2, der einen Ausstoßstutzen 4 an seinem unteren Ende besitzt, der Abgabekopf 2 wird von einem Sockel 6 durch einen Montagearm 8 getragen. Der Abgabekopf 2 befindet sich in nächster Nähe zu einem Trägerteil, das eine Platte 10 umfaßt, auf der ein zu bildender Gegenstand aufgebaut wird, wie im folgenden dargelegt ist.
Der Abgabekopf 2 und die Basisplatte 10 werden für die mechanische Bewegung in bezug aufeinander gehalten. In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform wird dies erreicht, indem mechanische Mittel für die Translationsbewegung der Basisplatte 10 seitlich entlang der "X"- und "Y"-Achsen einer Grundebene und für die vertikale Bewegung des Abgabekopfs 2 entlang einer "Z"-Achse vorgesehen sind. Demzufolge wird, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, die Basisplatte 10 auf einem Tisch 12 der X-Y-Achsen gehalten, der einen Gleitstab 14 besitzt, der sich innerhalb seines Antriebsblocks 16 mit einer Antriebsschraube 18 im Eingriff mittels Gewinde befindet. Ein Antriebsmotor 20 stellt die Rotationsleistung für die Antriebsschraube 18 bereit. Der Gleitstab 14 trägt außerdem eine verlängerte Antriebsschraube 22, die durch einen zweiten Motor 24 angetrieben wird, und die mit (nicht gezeigten) Gegengewinden gekoppelt ist, die auf der Unterseite der Basisplatte 10 befestigt sind, um sich mit ihr im Eingriff für den Antrieb zu befinden. Es wird folglich ersichtlich sein, daß die Basisplatte 10, die den Gegenstand aufnimmt, entlang den X- und Y-Achsen bewegt werden kann, indem die Motoren 24 bzw. 20 ausgewählt in Betrieb gesetzt werden, wie in Fig. 1 angezeigt ist.
Für die vertikale Bewegung des Abgabekopfs 2 nach oben und unten sind getrennte mechanische Antriebsmittel vorgesehen. Für diesen Zweck ist der Kopf 2 für die vertikale Bewegung auf einem Mikro-Gleitlager 26 an einem Ende des Trägerarms 8 durch einen Winkel 28 angebracht. Ein Ende mit Öffnungen des rechtwinkligen Winkels 28 befindet sich mit einer Antriebsschraube 30 im Eingriff mittels Gewinde. Ein dritter Antriebsmotor 32 liefert die antreibende Rotationsleistung an die Schraube 30, wobei er durch den Winkel 34 am Trägerarm 8 angebracht ist, wie gezeigt ist. Die ausgewählte Inbetriebnahme des Umkehrmotors 32 dreht folglich die Schraube 30, um die vertikale Bewegung des Abgabekopfs 2 im Gleitlager 26 nach oben und unten bereitzustellen. Für diesen Zweck ist der Motor 32 vorzugsweise ein Schrittmotor mit hoher Auflösung. Es ist jedoch anzumerken, daß verschiedene Motortypen für die Antriebsmotoren 20, 24 und 32 verwendet werden können, einschließlich Schrittmotoren, Linearmotoren, Servomotoren, Synchronmotoren, Gleichstrommotoren und Fluidmotoren.
Vorzugsweise werden für den vollautomatischen Betrieb die Motoren 20, 24 und 32 durch Steuersignale computergesteuert, die von einem Computer 36 erzeugt werden, mittels dessen ein rechnergestützter Entwurf (CAD) am Arbeitsplatzrechner des Entwicklers erzeugt werden kann. Der Trägertisch 12, auf dem die Basisplatte 10 getragen wird, besitzt eine derartige Größe, daß er sich auf einem Schreibtisch befinden kann. Folglich kann durch die Betätigung der Computertastatur 38, wie in Fig. 1 zeigt ist, ein dreidimensionaler Gegenstand durch einen Operator an einem einzelnen Büro-Arbeitsplatzrechner in der Weise konstruiert und erzeugt werden, die im folgenden dargelegt ist. Wie in Fig. 2 schematisch angezeigt ist, wird die Konstruktion eines dreidimensionalen Gegenstandes 40 unter Verwendung kommerziell verfügbarer CAD-Software in den Computer 36 eingegeben. Die Konstruktion des Gegenstandes wird durch ein kommerziell verfügbares Software-Programm in mehreren Lagen unterteilt, um Daten für mehrere Lagen zu schaffen, die der speziellen Form jeder getrennten Lage entsprechen. Derartige Software-Programme sind in kommerzieller Verwendung für die Zwecke der rechnergestützten Herstellung (CAM), wobei sie NC Polaris, Smartcam und Mastercam umfassen. AUTOLISP ist erfolgreich verwendet wurden, um AUTO- CAD-Zeichnungen in mehrere Lagen oder Schnitte von spezifischen Mustern und Abmessungen zu schichten. Die Schichtungs-Datensignale werden von der Schichtungs-Software 42 zu einem Maschinen-Controller 44 gelenkt, wie in Fig. 2 schematisch gezeigt ist. Der Controller 44 ist wiederum mit den X-, Y- und Z-Antriebsmotoren 24, 20 bzw. 32 verbunden, um durch die Übertragung der Schichtungs-Steuersignale diese Motoren wahlweise in Betrieb zu setzen.
Es können verschiedene Materialien in verschiedenen Formen für die Herstellung dreidimensionaler Gegenstände mit der hierin beschriebenen Vorrichtung verwendet werden. Es wird bevorzugt, daß das Material ein Material ist, das sich aus einem fluiden Zustand, in dem es aufgebracht wird, entweder bei Zimmertemperatur oder durch die Verwendung eines Kühlmittels bei einer vorbestimmten Temperatur thermisch verfestigbar ist. Die Fig. 1 und 3 veranschaulichen ein Verfahren, das sich nicht in Übereinstimmung mit der Erfindung befindet, bei dem das Arbeitsmaterial in der Form eines festen Stabs 46 zugeführt wird, auf seinen Schmelzpunkt im Abgabekopf 2 erwärmt wird und als fließfähiges Fluid vom Stutzen 4 abgegeben wird.
Für den Stab können verschiedene Materialien verwendet werden, einschließlich Bienenwachs, Gießwachs, maschinell bearbeitbare und industrielle Wachse, Paraffin, eine Vielzahl thermoplastischer Harze, Metalle und Metallegierungen. Geeignete Metalle umfassen Silber, Gold, Platin, Nickel, Legierungen aus diesen Metallen, Aluminium, Kupfer, Gold, Blei, Magnesium, Stahl, Titan, Schlüsselzinn, Manganbronze. Glas, insbesondere granuliertes Glas, würde außerdem zufriedenstellend sein. Materialien mit einem sich ändernden Grad der Durchlässigkeit würden beim Bilden bestimmter Objekte nützlich sein, wie z. B. um Fenster in Modellgebäuden zu bilden. Chemisch abbindende Materialien einschließlich zweikomponentiger Epoxidharze würden ebenfalls geeignet sein. Materialien, die als besonders geeignet festgestellt worden sind, um dreidimensionale Objekte mit der hierin offenbarten Vorrichtung herzustellen, enthalten das "maschinell bearbeitbare Wachs" von Freeman, hergestellt von Freeman Manufactoring and Supply, Cleveland, Ohio, den Thermokunststoff "Friendly Plastic", hergestellt von Friendly Plastic, Boulder, Colorado, die Wismut-153-Legierung, hergestellt von Metal Specialties, Fairfield, Conriecticut, und das thermoplastische Polymer Nr. 235-10, Sachnummer Nr. 11061, das von Ad-Tech, Hampton, New Hampshire, verkauft wird.
Der Zuführstab 46 wird in die Zuführkammer 50 des Abgabekopfs 2 durch eine Führungsmuffe 48 eingefügt, wie in Fig. 3 am besten gezeigt ist. Es können verschiedene Mittel verwendet werden, um den Zuführstab 46 durch die Zuführkammer 50 vorzuschieben, wie das Material vom Stab durch den Stutzen 4 abgegeben wird. Ein geeignetes Mittel, das sich als für diesen Zweck geeignet erwiesen hat, umfaßt einen Antriebsstab 52, der als eine Erweiterung am sich hin und her bewegenden Kolben 54 eines Leistungszylinders 56 angebracht ist. Der Zylinder 56 ist ein Fluidzylinder, der bevorzugt durch eine Zufuhr von Druckluft durch die Luftleitung 58 vom Luftkompressor 60 und seinem Druckbehälter-Tank 62 betätigt wird, in dem ein Druckluft-Reservoir aufrechterhalten wird. Die Luft aus dem Kompressor/Druckbehälter 60/62 wird durch die Zuführungsleitung 58 und ein 3-Weg-Magnetventil 64 und ein Druckregelventil 66 zum Luftzylinder 56 geliefert. Das Manometer 68 ist mit dem Luftdruckregler 66 verbunden, wobei alles in Fig. 1 gezeigt ist.
Der Antriebsstab 52 ist mit einer als Drehpunkt dienenden Verbindung 70 mit einem Sägezahnkopf 72 verbunden, der eine oder mehrere Sägezahn-Verzahnungen 74 aufweist, die sich mit dem Zuführstab 46 im Eingriff befinden, um ihn innerhalb der Zuführkammer 50 des Abgabekopfs 2 zum Abgabestutzen 4 nach unten vorzuschieben. Für diesen Zweck wird ein vorbestimmter Luftdruck, vorzugsweise auf einem konstanten Pegel, auf der Oberseite des Kolbens 54 innerhalb des Zylinder 56 aufrechterhalten, um den Antriebsstab 52 nach unten zu bewegen. Es wird selbstverständlich sein, daß, wenn der Stab 52 nach unten bewegt wird, die Sägezahn-Verzahnung 74 auf dem Sägezahnkopf 72 den Zuführstab 46 innerhalb der Kammer 50 nach unten vorschieben wird. Der Antriebsstab 52 erstreckt sich durch eine Winkelplatte 78 mit Öffnungen innerhalb der Zuführkammer 50, wobei die Winkelplatte 78 als ein Anschlag für eine Rückführungsfeder 76 dient, die auf den Boden des Kolbens 54 wirkt.
Der Zuführstab 46 wird innerhalb des Heizkopfs 84 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, bei der er seine Verfestigungstemperatur überschreiten wird und in eine fließfähige fluide Form schmilzt. Für diesen Zweck ist eine elektrische Widerstands-Heizvorrichtung 80 vom Typ einer hauptsächlichen oder primären Heizpatrone innerhalb des Heizkopfes 84 innerhalb der Zuführkammer 50 des Abgabekopfs 2 vorgesehen. Ein geeigneter Dichtungsring 83 ist um den Oberteil des Heizkopfes 84 vorgesehen. Eine elektrische Stromzuführung 82 ist mit der Widerstands-Heizvorrichtung 80 verbunden, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Heizvorrichtung 80 wird genau gesteuert, um das feste Material des Zuführstabs 46 auf eine Temperatur zu erwärmen, die ein wenig oberhalb seines Schmelzpunktes liegt, wobei sie vorzugsweise in der Größenordnung von 1ºC über dem Schmelzpunkt des Stabmaterials liegt. Dies wird durch die Verwendung einer elektronischen Steuereinrichtung 86 für die Temperatur erreicht, die durch eine elektrische Leitung oder ein elektrisches Kabel 90 mit einem ersten Thermoumformer-Abtastelement 88 verbunden ist, wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist. Das Thermoelement 88 befindet sich, wie es gezeigt ist, in nächster Nähe zum Zuführstab 46 innerhalb des Heizkopfes 84, um die Temperatur abtasten zu können, auf die das Zuführmaterial erwärmt ist. Die Steuereinrichtung 86 für die Temperatur besitzt eine einstellbare Haupt-Steuereinrichtung, wie in Fig. 1 angezeigt ist, die auf eine vorbestimmte Temperatur eingestellt ist, auf die das Material des Zuführstabs durch die Widerstands-Heizvorrichtung 80 als Antwort auf die vom Thermoelement 88 empfangenen Abtastsignale erwärmt wird.
Ein Heizblatt 92, das einen Teil der Heizbaugruppe bildet, ist im Material des Zuführstabs eingebettet, wie in Fig. 3 gezeigt ist, wobei es dazu dient, ihn direkt auf die vorbestimmten Temperatur zu erwärmen. Die Zuführkammer 50 steht an ihrem unteren Ende mit einem Durchflußkanal in Verbindung, der durch das Bezugszeichen 94 angezeigt ist und sich durch den Abgabestutzen 4 zu einem Abgabeauslaß in der Form einer Öffnung 98 mit vorbestimmter Größe am unteren Ende des Stutzens 4 erstreckt. Ein Rückschlagventil mit Feder 96 befindet sich innerhalb des Durchflußkanals 94, wobei es sich öffnet, um die Bemessung der Auslaßströmung des fluiden Materials als Antwort auf den Druck zu unterstützen, der auf dem Zuführstab 46 innerhalb der Zuführkammer 50 aufrechterhalten wird. Das Absperrventil 94 beseitigt außerdem die Leckverluste aus dem Stutzen 4, wenn das System angehalten wird, selbst vorübergehend. Das Zuführmaterial vom Stab 46, das stromaufwärts vom Durchflußkanal 94 durch die Heizvorrichtung 80 in einen flüssigen Zustand reduziert wird, fließt nach unten in den Durchflußkanal und in den Abgabeauslaß 98, aus dem es auf die Basisplatte 10 ausgestoßen werden kann, um die Lagen des Materials im Verlauf des Aufbaus eines Gegenstandes zu bilden.
Die Größe der Ausstoßöffnung 98 kann für die spezielle Anwendung variiert werden, wie durch die Verwendung austauschbarer Öffnungseinsätze in der Düse des Stutzens 4. Es könnte außerdem eine Öffnung mit variabler Größe des Typs verwendet werden, wie er in Kameras verwendet wird, um die Blende zu verändern.
Es ist erwünscht, das Zuführmaterial in einem fluiden Zustand bei einer Temperatur auszustoßen, die nur sehr wenig über seinem Verfestigungspunkt liegt, so daß sich das Material sehr schnell aufgrund der Abkühlung nach dem Ausstoß auf die Basisplatte 10 verfestigen wird. Um zu sichern, daß das Zuführmaterial bei der gewünschten vorbestimmten Temperatur aus dem Auslaß 98 ausgestoßen wird, und daß das Material im ganzen Durchflußkanal 94 in einem flüssigen Zustand aufrechterhalten wird und es sich darin nicht verfestigt, ist eine ergänzende elektrische Heizvorrichtung 100 in der Düse des Ausstoßstutzens 4 angrenzend an den Durchflußkanal 94 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 86 für die Temperatur besitzt einen zweiten einstellbaren Temperaturregler für die Heizvorrichtung 100 der Düse, wie in Fig. 1 angezeigt ist. Dieser Temperaturregler empfängt die Steuersignale von einer zweiten Abtastvorrichtung in der Form eines Thermoelements 102, das in nächster Nähe zum Durchflußkanal 94 in der Nähe seiner Auslaßöffnung am Stutzen 4 angebracht ist. Wie außerdem in Fig. 1 angezeigt ist, erstrecken sich die elektrischen Verbinder für die Thermoelemente 88 und 102 beide durch die Stromzuführung oder das Leistungskabel 90, die bzw. das mit den Temperaturreglern für die Haupt-Heizvorrichtung 80 und für die Düsen-Heizvorrichtung 100 an der Steuereinrichtung 86 für die Temperatur verbunden sind.
Wenn sich der Antriebsstab 52 nach unten zum Ende seines Zuführhubs des Stabes bewegt, um den Sägezahnkopf 72 in die Nähe der Position zu bringen, die in Fig. 3 gezeigt ist, müssen der Kolben 54 und der Antriebsstab 52 nach oben zurückgezogen werden, damit der Sägezahnkopf 72 mit seinen Zähnen 74 entlang des Zuführstabs 46 in der Nähe seines oberen Endes neu zugreift. Die Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Antriebsstabs 52 kann durch einen Grenztaster innerhalb der Zuführkammer 50 des Abgabekopfs gesteuert werden, der durch die Abwärtsbewegung des Sägezahnkopfs 72 oder der als Drehpunkt dienenden Verbindung 70 aktiviert wird; oder es kann alternativ ein Zeitgeber 106, wie in Fig. 1 schematisch gezeigt ist, verwendet werden, um die Abwärtsbewegung des Zuführstabs 46 zeitlich zu steuern und die Rückkehr des Antriebsstabs 52 beim Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls einzuleiten. Beide Typen der Steuervorrichtung würden mit dem Luftventil 64 verbunden, um dieses Magnetventil abzuerregen und die Zufuhr der Druckluft zum Oberteil des Antriebszylinders 56 abzuschneiden. Wenn dies geschieht, drängt die Rückführungsfeder 76 den Kolbenstab 54 nach oben zurück. Diese Bewegung wird durch die Verwendung eines schnell auslösenden Entlüftungsventils 55, das mit dem Anschlußstück am Oberteil des Luftzylinder 56 verbunden ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist, weiter unterstützt und erlaubt. Wenn die Zufuhr der Druckluft über die Leitung 58 zum Luftzylinder 56 durch das Schließen des Ventils 64 abgeschnitten wird, stößt die Aufwärtsbewegung des Kolbens 54 unter der Wirkung der Rückführungsfeder 76 die Luft im Oberteil des Zylinders 56 durch das Ventil 55 aus. Am Oberteil des Rückhubs des Antriebsstabs 52 greift der Sägezahnkopf 72 am Zuführstab 46 neu zu. Das Luftventil 64 wird dann bei einem durch den Zeitgeber 106 zeitlich gesteuerten Intervall erneut geöffnet, um abermals eine Zufuhr von Druckluft auf das Oberteil des Antriebskolbens 54 innerhalb des Zylinders 56 einzuführen. Die Zuführbewegung nach unten des Stabs 46 wird dann wieder aktiviert. Da sich der Zuführstab 46 innerhalb der Kammer 50 nach unten bewegt, wird er innerhalb des Heizkopfs 84 auf seinem Schmelzpunkt erwärmt. Im Ergebnis fließt flüssiges Material nach unten in den Durchflußkanal 94 und durch den Abgabeauslaß 98 aus.
Das Öffnen und Schließen des Luftventils 64, um die Zufuhr der Druckluft zu regulieren, und folglich die Zufuhr des Materials in einem fluiden Zustand durch den Abgabekopf 2 und seinen Abgabeauslaß 98 kann außerdem mittels eines Relais 104 erreicht werden, das in den Fig. 1 und 2 schematisch gezeigt ist. Wie in Fig. 2 angezeigt ist, antwortet das Relais 104 auf die Schichtungs-Signale der Software, die an den Antriebsmotor 32 gerichtet sind, der die vertikale Bewegung des Abgabekopfs 2 entlang einer "Z"-Achse bereitstellt. Das Relais 104 kann folglich erregt und aberregt werden, um das Luftventil 64 als Antwort auf die programmierten Signale zu öffnen und zu schließen, die die Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Abgabekopfs 2 anzeigen. Wie im folgenden dargelegt ist, kann es wünschenswert sein, wenn bestimmte Typen von Gegenständen gebaut werden, das Ventil 64 zu schließen und die Zufuhr des Materials 46 abzuschneiden, wenn sich der Abgabekopf 2 nach oben bewegt, um die Bildung aufeinanderfolgender Lagen in einem vorbestimmten vertikalen Abstand über jeder vorausgehend gebildeten Lage zu beginnen. Wenn die Zufuhr der Druckluft zum Zylinder 56 abgeschnitten wird, schließt das Rückschlagventil mit Feder 96 den Durchflußkanal 94.
Mit dem obenbeschriebenen Verfahren, das einen festen Stab 46 als die Quelle des Zuführmaterials zum Bilden eines Gegenstandes verwendet, wird die Bemessung des Materials auf der Basisplatte 10 bei einer vorbestimmten Rate durch eine Kombination sowohl der im voraus gewählten Größe der Öffnung 98 des Abgabeauslasses als auch durch den im voraus gewählten, konstanten Druck erreicht, der auf dem Kolben 54 aufrechterhalten wird, um die Rate zusteuern, bei der der Zuführstab 46 langsam durch die Zuführkammer 50 des Abgabekopfs 2 vorgeschoben wird, wenn er erwärmt und in seinen flüssigen Zustand reduziert wird. Die bemessene Strömung des Materials wird außerdem durch die Lücke oder die vertikale Höhe der Düse des Stutzens 4 über der letzten Lage und durch die Viskosität des Materials gesteuert.
Es können verschiedene Substrate verwendet werden, um einen Gegenstand aufzunehmen, der auf der Oberseite der Basisplatte 10 gebildet wird. Es ist festgestellt worden, das relativ feines Sandpapier 108 mit Drahtgeflechteinlage, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, für diesen Zweck besonders zufriedenstellend ist. Nachdem ein Gegenstand 40a auf dem Sandpapier 108 gebildet ist, der einem Originalgegenstand 40 entspricht, der zu kopieren ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann das Sandpapier-Substrat oder die Sandpapier-Basis leicht von der Unterseite des Gegenstandes ohne Beschädigung abgeschält werden.
Wie oben angemerkt ist, kann das Substrat oder die Basis 108 vorteilhaft die Form eines feinen Schirms mit Drahtgeflechteinlage annehmen, der mit Sand beschichtet ist und folglich einen abschleifenden Stoff umfaßt, wie z. B. Norton Nr. 476504 Derartiges "Sandpapier" oder derartiger abschleifender Stoff kann auf die Basisplatte 10 durch doppelseitiges Klebeband aufgebracht werden. Das Substrat 108 ist bei der Vermeidung lokalisierter Schrumpfung in der Basislage des Gegenstandes, der gebildet wird, und der Verbesserung der Freigabe des Gegenstandes von der Basisplatte 110 ohne Beschädigung wichtig. Die Sandteilchen im Substrat 108 schaffen eine besonders effektive Haftung des abgegebenen Materials. Das Material fließt außerdem in die Zellen oder Poren des offenen Matrix-Drahtschirms und lagert sich darin ein. Die Trennung des Gegenstandes kann durch die Verwendung eines leitenden Substrats 108 des Schirms mit Drahtgeflechteinlage unterstützt werden, das aus Kupferdrähten hergestellt ist, an die ein Strom bei niedriger Spannung angelegt wird, nachdem der Gegenstand gebildet ist. Dies erwärmt den Schirm ein wenig und gibt den Gegenstand frei.
Alternativ könnte der Schirm mit Drahtgeflechteinlage magnetisiert werden, wobei Eisenteilchen in das Zuführmaterial gemischt würden, um die Haftung der Basislage am Substrat 108 zu verbessern. Die Unterbrechung eines an die Basisplatte 10 angelegten Magnetfelds würde die Trennung des gebildeten Gegenstandes erlauben.
Das Substrat 108 könnte außerdem aus einem wasserlöslichen Wachs hergestellt sein, das aufgelöst werden könnte, um den Gegenstand ohne Beschädigung zu trennen.
Fig. 5 veranschaulicht eine Version der Vorrichtung gemäß der Erfindung, um das Zuführmaterial auf die bewegliche Basisplatte 10 abzugeben, um einen dreidimensionalen Gegenstand zu bilden, indem mehrere Lagen aufgebaut werden. In dieser Ausführungsform befindet sich das Zuführmaterial in der Form eines flexiblen Strangs in fester Form. Der flexible Strang, wie der feste Stab 46 der Ausführungsform nach Fig. 3, ist ein festes Material, das relativ schnell über seine Verfestigungstemperatur erwärmt werden kann, und das sich bei einem kleinen Temperaturabfall sehr schnell verfestigen wird, nachdem es auf die Aufnahmeplatte 10 abgegeben wurde. Irgendeines der oben in bezug auf die Ausführungsform nach Fig. 1 und 3 beschriebenen Materialien würde zufriedenstellend sein. Ein flexibler Strang aus thermoplastischem Harz, Wachs oder Metall in der Form eines flexiblen Drahtes, wie z. B. ein Strang aus Wismut, Gold oder Silber, würde geeignet sein. Der filexible Strang 110 wird von einer Zuführtrommel 114 in und durch einen Abgabekopf 112 vorgeschoben. Er wird durch eine Führungsmuffe 111 vorgeschoben, die aus einem geeigneten Material mit niedriger Reibung hergestellt ist, wie z. B. Teflon, um die Bewegung zu unterstützen. Der Abgabekopf 112 besitzt eine Zuführkammer 118 mit einer Einlaßöffnung 116 an ihrem oberen Ende und einer unteren Führungsöffnung 120, durch die der flexible Strang zum Ausstoßstutzen 122 vorgeschoben wird. Der Ausstoßstutzen 122 besitzt eine Verbindung mittels Gewinde, wie gezeigt ist, zum Abgabekopf 112, wobei er einen zentralen Materialzufuhr- und Durchflußkanal 124 enthält, der an seinem unteren Ende mit einer Öffnung 126 mit vorbestimmten Größe eines Abgabeauslasses eine Strömungsverbindung aufweist, um die Schaffung einer bemessenen Zufuhr des Materials in einem fluiden Zustand zu unterstützen. Eine Heizvorrichtung 128 in der Form einer Muffe, die eine elektrische Widerstandsheizspule 130 enthält, ist um den Ausstoßstutzen 122 dicht angrenzend an die Wände des Stutzens 122 angeordnet, wie gezeigt ist, um den Zuführstrang im Kanal 124 zu erwärmen. Ein Dichtungsring 132 ist um die innere Oberfläche des Durchflußkanals 124 am Einlaß in den Ausstoßstutzen 122 vorgesehen, um an diesem Ort eine hydraulische Dichtung zu schaffen.
Um den flexiblen Strang des Zuführmaterials in und durch den Abgabekopf 112 einzuführen, sind mehrere Antriebsrollen 134 innerhalb der Zuführkammer 118 vorgesehen, wie gezeigt ist, wobei diese Rollen durch geeignete Band- oder Kettenantriebe 143 miteinander antreibend verbunden sind. Die Rotationsleistung wird durch einen Motor 142 und einen Antriebsriemen oder eine Antriebskette 144 den Antriebsrollen zugeführt. Der Motor 142 kann verschiedene Formen annehmen. Ein Schrittmotor mit hoher Auflösung ist bevorzugt. Es sind mehrere Leerlaufrollen 136 gegenüber den Antriebsrollen 134 angeordnet, um mit ihm zusammenzuarbeiten, um den flexiblen Strang 110 zwischen ihnen zu erfassen und ihnen durch den Abgabekopf 112 zum Abgabeauslaß 126 des Stutzens 122 vorzuschieben. Die Rollen 136 sind durch Federn zu den Rollen 134 vorgespannt, um einen greifenden Reibungskontakt mit dem flexiblen Strang 110 durch die Verwendung der Federn 140 aufrechtzuerhalten, die auf eine Druckplatte 138 wirken, die in die Rollen 136 eingreift.
Die Zuführtrommel 110 für den flexiblen Strang kann freilaufend sein, wobei in diesem Fall der Antriebsmotor 142 die einzige antreibende Leistungsquelle zum Vorschub des flexiblen Strangs 110 ist. In einer derartigen Anordnung würde der Motor 142 vorzugsweise ein Schrittmotor sein. Alternativ könnte ein zusätzlicher Antriebsmotor 146 an dem sich drehenden Rad 114 vorgesehen sein, wobei der Motor 146 ein Schrittmotor ist, um die Steuerung des Vorschubs des flexiblen Strangs 110 zu unterstützen. Wenn zwei Antriebsmotoren 142 und 146 verwendet werden, würden ihre Drehzahlen genau aufeinander abgestimmt und gesteuert, so daß sie den flexiblen Strang 110 bei der gleichen linearen Rate vorschieben. Bei irgendeiner Antriebsanordnung wird ein ausreichender Spielraum im flexiblen Strang 110 aufrechterhalten, um eine nicht eingeschränkte Bewegung des Abgabekopfs 112 zu erlauben, wenn ein Gegenstand gebildet wird.
Der flexible Strang 110 weist vorzugsweise einen sehr kleinen Durchmesser in der Größenordnung von 1/16 Zoll (0,16 cm) auf; es können jedoch feine flexible Drähte des Zuführmaterials so klein wie 0,001 Zoll (0,0025 cm) im Durchmesser für das gesteuerte Vorschieben durch den Abgabekopf 112 verwendet werden. Durch die wahlweise Steuerung des Antriebsmotors 142 oder des Motors 142 in Kombination mit dem Motor 146 kann die Rate des Vorschubs des flexiblen Strangs 110 und folglich die volumetrischen Abgaberate des Zuführmaterials auf die Basisplatte 10 sehr genau gesteuert werden. Der flexible Strang wird auf eine vorbestimmten Temperatur ein wenig oberhalb seines Verfestigungspunkts durch die Heizspule 130 innerhalb des Kanals 124 des Stutzens 122 erwärmt. Das Material wird in einen fluiden Zustand reduziert, in dem es aus dem Abgabeauslaß 126 auf die aufnehmende Sandpapier-Oberfläche 108 der Basisplatte 10 nach außen strömt, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Es ist anzumerken, daß die Vorrichtung für die Zufuhr des Materials nach Fig. 5 mit dem gleichen X-Y-Tisch 12 und der gleichen mechanisch beweglichen Basisplatte 10 verwendet werden würde, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist und in bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben ist. Der Abgabekopf 112 würde wie der Abgabekopf 2 an einem Trägerarm 8 für die wahlweise vertikale Bewegung entlang einer "Z"-Achse durch einen Antriebsmotor 32 angebracht sein. In ähnlicher Weise würden ein CAD-Konstruktionssystem, das den Computer 36 und die mit ihm zusammenhängende Software zur Herstellung von Schnitten eines Konstruktionsgegenstandes in mehrere Lagen verwendet, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist und in bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben ist, mit der Abgabeausführungsform nach Fig. 5 verwendet werden.
In bezug auf entweder die Abgabevorrichtung nach den Fig. 1 und 2 oder die Zuführvorrichtung für den flexiblen Strang nach Fig. 5 wird das Zuführmaterial im Abgabekopf in einen fluiden Zustand erwärmt und bei einer gesteuerten Strömungsgeschwindigkeit auf die aufnehmende Oberfläche bemessen, wie z. B. das Sandpapier 108, das auf der Basisplatte 10 angeordnet ist. Als Antwort auf die durch den Controller 44 eingegebenen Steuersignale vom Computer 36 und der Schichtungs-Software 42 werden der Abgabekopf 2 und die Basisplatte 10 in bezug aufeinander wahlweise in einem vorgeschriebenen Muster bewegt, um einen Gegenstand der gewünschten Form zu bilden. In der gezeigten Ausführungsform ist die Basisplatte 10 entlang der "X"- und "Y"-Achsen beweglich, wobei der Abgabekopf vertikal entlang einer "Z"-Achse beweglich ist. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die gesamte gesteuerte Bewegung, um den Gegenstand zu bilden, entweder durch die Bewegung der Basisplatte allein oder des Abgabekopfs allein ohne die Bewegung des anderen erreicht werden könnte.
Wie in Fig. 4 angezeigt ist, wird das Zuführmaterial in einem fluiden Zustand vom Abgabekopf 2 oder 112 durch einen Abgabeauslaß auf das Sandpapier 108 abgegeben, um mehrere Lagen des Materials zu bilden und aufzubauen. Es werden mehrere Durchgänge des Abgabekopfs ausgeführt, wobei jeder Durchgang in einem gesteuerten Muster stattfindet, wie er durch die Schichtungs-Software 42 für mehrere Querschnitte des Gegenstandes vorgeschrieben wird, der in Übereinstimmung mit den in den Computer 36 eingegebenen Konstruktionsdaten erzeugt wird. Der Computer und die zugehörigen Software-Programme bestimmen anhand der ursprünglichen Konstruktionszeichnung, wann die Abgabevorrichtung eingeschaltet und wann sie ausgeschaltet ist. Der Controller 44 der Maschine steuert den Betrieb der Antriebsmotoren 20, 24 und 32 entlang der "X"-, "Y"- und "Z"-Achsen. Jeder dieser Motoren kann getrennt arbeiten, oder es können, abhängig von der Form des zu bildenden Gegenstandes, einer oder mehrere von ihnen gleichzeitig arbeiten. Durch die gesteuerte Bewegung entlang der "X"- und "Y"-Achsen der Basisplatte 10 können kreisförmige Muster für jede Lage erzeugt werden. Der Abgabekopf ist anfangs in einer vorgegebenen Höhe über der Basisplatte 10 oder ihres aufnehmenden Substrats 108 positioniert, um die erste Lage zu bilden. Die Höhe jeder nachfolgenden Lage wird dann genau gesteuert, um sehr dünne Lagen abzugeben und zu bilden. Je dünner die lagen sind, desto glatter ist die sich ergebende Oberfläche auf dem Gegenstand. Es können Lagen so dünn wie 0,0001 Zoll (0,00025 cm) gebildet werden. Die Lagen können horizontal, vertikal oder in irgendeiner 360º-Orientierung zur Horizontalen gebildet werden. Die Ablagerung des Materials kann lediglich entlang der "X" = 'Y"-Ebene stattfinden, bis es vorteilhaft ist, in der "X""Z"-Ebene oder in der "Z"-"Y"-Ebene abzulagern. Normalerweise wird der Abgabekopf entlang der "Z"-Achse im allgemeinen senkrecht zur "X"-"Y"-Platte des Tisches 12 angebracht.
Wenn mehrere Lagen gebildet und aufgebaut werden, wie in Fig. 4 gezeigt ist, werden die anfängliche Relativbewegung der Basisplatte 10 und des Abgabekopfs in einer horizontalen Ebene entlang der "X'-"Y"-Achsen stattfinden. Eine erste Lage wird abgegeben, wobei sie sich verfestigt, wenn sie auf dem Substrat haftet, wie z. B. dem Sandpapier 108. Die erste Lage kann irgendeine Form annehmen, die vom Computer-Programm vorgeschriebenen wird, wobei sie sich im wesentlichen sofort verfestigt. Es wird kein Material auf eine vorausgehend gebildete Lage abgegeben, bis sich dieser Abschnitt der Lage unter dem Abgabekopf verfestigt hat. Die zweite und jede nachfolgenden Lage können ein wenig verschiedene Formen annehmen, wie durch den speziellen Querschnitt für jede Lage vom Computer-Programm und der Schichtungs-Software vorgeschrieben wird. In der Mustersituation für jede Lage, wobei jede Lage lediglich in einer horizontalen "X' -"Y"-Lage gebildet wird, wird der Motor 32 wahlweise in Betrieb gesetzt, nach dem jede Lage gebildet ist, um den Abgabekopf entlang der "Z"-Achse eine genau gesteuerte, vorgegebene Entfernung schrittweise zu erhöhen, um die Lücke zwischen den Lagen und folglich die Dicke jeder Lage zu steuern. Nachdem der Abgabekopf auf diese Weise angehoben wurde, wird die nächste Lage entlang eines gesteuerten Weges abgegeben und gebildet. In einigen Fällen kann sich der Abgabekopf in einer Richtung entlang der "Z"-Achse bewegen, wie die Lage gebildet wird, wie z. B. wenn ein Spiralmuster gebildet wird, wobei das Software-Programm die Lage des Abgabekopfs am Ende jeder Lage steuern wird. Wenn sich der Abgabekopf an der Anfangsposition für die nächsten Lage befindet, kann der Abgabekopf folglich bereits um eine Entfernung entlang der "Z"-Achse über den entsprechenden Punkt in der vorausgehend gebildeten Lage angehoben worden sein. In einer derartigen Situation kann der Abgabekopf am Anfang der nächsten Lage überhaupt nicht anzuheben sein, oder kann schrittweise eine sehr kleine Entfernung angehoben werden, um die gewünschte Lücke zwischen den Lagen und folglich die vorbestimmte Dicke der Lage zu bilden.
Jede Lage des Materials wird in einem flüssigen Zustand abgegeben, sie verfestigt sich und haftet auf der vorausgehenden Lage. Dies bildet eine sehr starke Bindung zwischen den Lagen. Wenn eine Abgabevorrichtung mit einer Stutzendüse verwendet wird, die eine flache Unterseite besitzt, wie in bezug auf die Stutzen 4 und 122 in Fig. 4 gezeigt ist, schafft die flache Oberfläche des Bodens des Stutzens eine Wirkung eines "Abstreichmessers", wenn der Stutzen und das Sandpapier-Substrat 108 in einer "X""Y"-Ebene relativ zueinander bewegt werden. Durch den Oberflächenkontakt mit der Lage des Materials, wie es abgegeben wird, beschränkt die Düse der Abgabevorrichtung die Oberseite jeder Lage auf die genaue Einstellung der "Z"-Achse, wobei sie folglich beim Regulieren der Dicke jeder Lage hilft, so daß kein kumulativer Fehler entlang der "Z"-Achse auftritt.
Die mehreren Lagen können eine gleichförmige Dicke aufweisen, wie in Fig. 4 gezeigt ist, oder die Lagen können sich in der Dicke unterscheiden, wie es für die Bildung eines speziellen Gegenstandes notwendig und geeignet ist. Jede der Lagen kann sich außerdem in der Dicke gegenüber der Höhe jeder Lage ändern, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Wie in der Veranschaulichung nach Fig. 9 gezeigt ist, können sich die auf dem Sandpapier-Substrat 108 gebildeten Lagen in der Höhe entlang geneigter Oberflächen ändern, wobei derartige Oberflächen entweder gerade oder gebogen sein können.
Der Vorschub des Zuführmaterials wird bezüglich der "X"-, "Y"- und "Z"- Bewegung der Basisplatte 10 und des Abgabekopfs in einer derartigen Weise gesteuert, daß die Strömung des Materials auf das Substrat 108 nicht verkümmert oder übermäßig übertrieben wird. Die Hauptsorge ist die Steuerung der Dicke der Lage und folglich die Glattheit der Oberfläche. Falls das Material über eine Lage überläuft und/oder in anderen Lagen verkümmert, werden die Lagen eine unregelmäßige Dicke aufweisen, wobei sich auf dem erzeugten Gegenstand eine rauhe Oberfläche der Wand ergibt. In der Ausführungsform nach Fig. 5 kann eine sehr genaue Steuerung der Volumenrate des Vorschubs des flexiblen Strangs 110 erreicht werden. Dies kann durch das proportionale Regeln der linearen Geschwindigkeit des Antriebsmotors 142 in bezug auf die sich ergebende "X"-"Y"- Geschwindigkeit in der horizontalen Ebene des Abgabekopfs und der Basisplatte relativ zueinander erfolgen, wie es durch das Abtasten der Antriebsdrehzahl der Antriebsmotoren 20 und 24 bewirkt werden kann. Alternativ kann die Drehzahl des Motors 142 proportional in bezug auf die sich ergebende "X"-, "Y"-, "Z"-Geschwindigkeit durch das Abtasten der Motoren 20, 24 und 32 geregelt werden. Folglich würde die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit des Zuführmaterials in einem fluiden Zustand, wie es aus dem Abgabekopf 112 ausgestoßen wird, proportional zur "X""Y"-Geschwindigkeit des Abgabekopfs und der Basisplatte 10 relativ zueinander gesteuert werden. Dies kann durch das Abtasten der Impulssignale der Antriebsmotoren 20 und 24 und durch das Senden proportionaler Impuls-Steuersignale zum Antriebsmotor 142 am Abgabekopf 112 erfolgen.
Die Material-Zuführvorrichtung nach Fig. 5, die einen flexiblen Strang mit einem sehr kleinen vorbestimmten Durchmesser verwendet, erlaubt eine sehr genaue Steuerung über die Volumen-Strömungsgeschwindigkeit der Abgabe des Materials. Die effektive Ein/Aus-Fluidabgabe kann einfach durch das Anhalten der Vorschubmotoren erreicht werden. Dies kann z. B. erfolgen, wenn einem Muster gefolgt wird, das Ecken enthält. Um das Verunreinigen oder den übermäßigen Aufbau des Zuführmaterials in den Ecken eines Musters zu vermeiden, wenn es keine Relativbewegung zwischen dem Abgabekopf und der Basisplatte entlang der "X"-"Y"-Ebene gibt, kann die Unterbrechung der Antriebssignale für die Motoren 20 und 24 außerdem verwendet werden, um ein Stopsignal für den (die) Antriebsmotor(en) für das Vorschieben des flexiblen Strangs 110 bereitzustellen.
Alternativ können die "X""Y"-Antriebsmotoren 20 und 24 ohne Unterbrechung mit einer konstanten Drehzahl angetrieben werden. Eine derartige Drehzahl würde ausgewählt, daß sie der langsamsten Drehzahl entspricht, die erforderlich ist, um Muster zu bilden, wie z. B. um Ecken, wo ein relativ langsamer Ausgabevorschub des abgegebenen Materials erforderlich sein würde. Der flexible Strang 110 nach Fig. 5 würde mit einer konstanten linearen Rate vorgeschoben, indem die Antriebsmotoren des Strangs gesteuert werden, so daß sie proportional einer derartigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit eines Abgabekopfs und der Basisplatte relativ zueinander in der "X"-"Y"-Ebene entsprechen. Dieser Zugang zur Steuerung der Volumenrate des Zuführmaterials vereinfacht die Steueroperation, sie wird aber eine größere Länge der Zeit erfordern, um den Gegenstand in den gewünschten Lagen aufzubauen. Wie oben angemerkt ist, erlaubt die Verwendung eines flexiblen Strangs als dem Zuführmaterial in der Abgabekopf-Vorrichtung, die in Fig. 5 gezeigt ist, eine genaue Steuerung der Abgabe des Zuführmaterials in einem flüssigen Zustand. Der flexible Strang 110 weist einen derartigen kleinen Durchmesser und eine sich ergebende kleine Masse auf, daß es, wie er im Abgabekopf 112 erwärmt wird, eine im wesentlichen minimale Ansammlung von Zuführmaterial in einem flüssigen Zustand im Abgabeauslaß 126 gibt. Folglich schneidet das sichere Abschneiden der linearen Vorschubbewegung des Strangs 110 im wesentlichen die Abgabe des flüssigen Materials aus dem Kopf 112 ab. Die Strömung des Zuführmaterials muß in einer derartigen Weise unterbrochen werden, wenn sich der Abgabekopf vertikal nach oben in einem vorbestimmten Abstand entlang einer "Z"-Achse nach dem Bilden jeder Lage bewegt und vor dem Abgeben des Materials in der nächsten Lage. Die fortgesetzte Materialströmung aus dem Abgabekopf während einer derartigen schrittweisen vertikalen Bewegung entlang der "Z"-Achse des Abgabekopfs könnte zu einer übermäßigen Ansammlung von Material auf der vorangegangenen Lage an einem bestimmten Punkt führen.
Die genaue Steuerung der Temperatur, auf die der flexible Strang 110 im Abgabekopf 112 erwärmt wird, unterstützt außerdem das Regeln seiner Strömung bei einer gewünschten Auslaßtemperatur. Für diesen Zweck kann sich ein Thermoelement 148, wie in Fig. 5 gezeigt ist, in nächster Nähe zum internen Kanal 124 des Stutzens 122 befinden, wobei das Thermoelement 148 im Zusammenhang mit einer Steuereinrichtung 86 für die Temperatur verwendet wird, wie oben in bezug auf Fig. 1 beschrieben ist, um die Temperatur des elektrischen Widerstands-Heizelements 130 genau zu regeln.
Vorzugsweise wird das verwendete Zuführmaterial eine Verfestigungstemperatur besitzen, die ihm erlaubt, sich im wesentlichen sofort bei Zimmertemperatur zu verfestigen, in die es abgegeben wird. Das thermoplastische Harz, das in relativ dünnen Lagen mit einer Dicke kleiner als 0,001 Zoll (0.0025 cm) abgelagert wird, verfestigt sich z. B. im wesentlichen sofort, wenn es bei Zimmertemperatur abgegeben wird. Wenn dickere Lagen des Thermokunststoffes in der Größenordnung von 0,020 Zoll (0,05 cm) zu bilden sind, dann kann ein Kühlmittel, wie z. B. Luft, Wasser oder Freon, auf oder im Zusammenhang mit der Basisplatte 10 zu verwenden sein, um das thermoplastische Harz schnell abzukühlen, wenn es abgegeben wird, um zu sichern, daß es sich sofort verfestigen wird. Die Anwendung des Kühlmittels muß gesteuert werden. Eine Überkühlung kann eine Verzerrung durch Schrumpfen verursachen. Die Art und das Ausmaß der Anwendung des Kühlmittels für den Zweck der schnellen Verfestigung des abgegebenen Materials wird von der Art des verwendeten Materials abhängen. Wachs wird sich z. B. in dünnen Lagen im wesentlichen sofort abkühlen und verfestigen. In einer Arbeitsausführungsform, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, wird Druckluft von einem Kompressor 60 zugeführt, wobei sein Aufnahmetank 162 über eine getrennte Zuführleitung 150 versorgt wird, wobei sein Ausstoßende dicht benachbart zur Düse des Ausstoßstutzens 4 positioniert ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die Kühlluft aus der Leitung 150 unterstützt die schnelle Verfestigung des Wachses, wenn die mehreren Lagen gebildet werden.
Es können verschiedene Strukturen und Anordnungen der Abgabeköpfe verwendet werden, um verschiedene Typen und/oder verschiedene Farben des Abgabematerials aus getrennten Quellen aufzunehmen und abzugeben. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, kann der Abgabekopf 112 z. B. mehrere Zuführkammern 151 und 152 besitzen, in die verschiedene Zuführmaterialien 110a und 110b von getrennten Zuführquellen gerichtet werden können. Die Zuführmaterialien 110a und 110b könnten flexible Stränge seien, die von einer Trommel in einer Weise zugeführt werden, die unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben und in Fig. 5 gezeigt ist, oder sie könnten in der Form von Stäben vorliegen, wie bei 46 in bezug auf Fig. 1 veranschaulicht ist. In jedem Fall können verschiedene Materialien zugeführt und abwechselnd durch eine Widerstands-Heizvorrichtung 156 im Abgabekopf für die Strömung durch die Absperrventile 154 in die abwechselnden Durchflußkanäle 124a und 124b geschmolzen werden. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, stehen diese beiden Kanäle mit einem einzelnen Ausstoßauslaß oder einer einzelnen Ausstoßöffnung 126 in der Düse des Stutzens 122 in Verbindung. Bei einer derartigen Anordnung des Abgabekopfs können folglich verschiedene Materialien, wie z. B. thermoplastische Harze und Wachs, verwendet werden, um verschiedene Lagen auf dem gleichen Gegenstand zu bilden. Die Zuführmaterialien 110a und 110b könnten außerdem in verschiedenen Farben vorgesehen sein, um abwechselnde oder verschiedene Lagen mit verschiedenen Farben in dem Objekt zu bilden, das erzeugt wird. Das Material 110a könnte z. B. in der Form eines roten Wachses vorliegen, während das Material 110b in der Form eines blauen Kunststoffs vorliegen könnte.
Wie in Fig. 11 gezeigt ist, könnten außerdem mehrere Abgabeöffnungen 127 in einem kreisförmigen Muster am Abgabekopf 112 angeordnet sein. Der Abgabekopf würde die gleiche Grundkonstruktion, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, mit mehreren Zuführungskanälen 151, 152 usw. aufweisen, in die mehrere Stäbe oder flexible Stränge mit verschiedenen Zusammensetzungen und Farben der Materialien gelenkt werden können. Der Boden des Abgabekopfs würde jedoch an der Schnittlinie 11-11 enden, entlang der Fig. 11 betrachtet wird. Folglich würde das Material durch die getrennten Öffnungen 127 am Auslaß jedes Absperrventils 154 abgegeben. Eine derartige Konstruktion des Abgabekopfs würde die Aufbauzeit beschleunigen und außerdem den Ausstoß von Material aus irgendeiner gewünschten Anzahl von Öffnungen durch die wahlweise Steuerung der getrennten Zuführmaterialien erlauben. Der Anwender kann aus speziellen Material- und Farbzuführungen für die Zwecke des speziellen Gegenstandes, der hergestellt wird, und für die verschiedenen Lagen innerhalb jedes Gegenstandes ziehen. Es wird für möglich gehalten, daß chemisch abbindende Materialien, wie z. B. Zusammensetzungen aus zweikomponentigen Epoxidharzen, durch die Verwendung einer Aufbringeinrichtung aufgebracht werden können, wie sie in bezug auf Fig. 11 beschrieben ist. Die zwei Komponenten würden durch getrennte, ausgerichtete Öffnungen 127 ausgestoßen, so daß sie sich miteinander mischen.
Wie außerdem in Fig. 10 veranschaulicht ist, wird es für möglich gehalten, daß das sich thermisch verfestigende Material in den freien Raum abgegeben wird, um über einer Basisplatte oder einem Substrat 108 schwebend gehalten zu werden, mit der bzw. dem es an ausgewählten Orten verbunden ist. Für diesen Zweck wird ein Abgabekopf 112 einen an seinem Auslaßende oder seiner Abgabedüse befestigten Ultraschall-Schwingungsgeber oder -Trichter 158 besitzen, wie gezeigt ist. Das Material würde als ein fester Körper zum Abgabekopf 112 zugeführt und durch die Verwendung eines Heizelements, wie z. B. demjenigen, das bei 130 in bezug auf Fig. 5 offenbart ist, in einen fluiden oder flüssigen Zustand erwärmt. Dann wird Ultraschallenergie mittels des Elektroschall-Schwingungsgebers 158 angelegt, wobei das Material bei einer Temperatur ein wenig unter seiner umgebenden Verfestigungstemperatur abgegeben wird, wobei die durch die Ultraschallschwingung zugeführte Energie dazu dient, den Druck zu erhöhen und das Material in einem fluiden Zustand zu halten, wenn es aus der Abgabeöffnung 126 ausgestoßen wird. Weil das Material bei einer Temperatur unter seiner Verfestigungstemperatur abgegeben wird, wird es sich nach dem Ausstoß sofort verfestigen. Diese Technik kann verwendet werden, um ein Muster des Materials in Fäden, Streben oder Strängen im freien Raum über dem Substrat 108 zu bilden, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Jeder Strang des Materials würde anfangs auf das Substrat für die Befestigung an ihm ausgestoßen. Danach könnten verschiedene Muster des Materials im freien Raum oberhalb des Substrats gebildet werden, wie gezeigt ist in gebogener Form, wobei die Stränge des Materials in einer freitragenden Weise an ihren entgegengesetzten Enden am Substrat 108 befestigt sind. Die Stränge des Materials 160, die im freien Raum in einer geschichteten Weise gebildet wurden und sich verfestigt haben, sind in Fig. 10 gezeigt.
Die Abgabedüse mit einem Ultraschall-Schwingungsgeber kann außerdem verwendet werden, um dreidimensionale Objekte ohne Schichtung zu erzeugen. Die Drahtrahmen-Objekte, die sich aus mehreren freistehenden Strängen 180 zusammensetzen, die die Segmente des Drahtrahmens definieren, die am Substrat 108 an beabstandeten Orten 180a und 180b verankert sind, könnten z. B. so gebildet werden, wie in Fig. 12 gezeigt ist. Jeder Strang 180 verfestigt sich sofort im Raum, wie er vom Stutzen 112 abgegeben wird, wobei der Stutzen und das Substrat in einem vorgegebenen Muster entlang der "X"-, "Y"- und "Z"-Achsen durch die computergesteuerten Antriebsmotoren relativ zueinander bewegt werden. Wenn die Stränge in einer gebogenen Form gebildet werden, wie in Fig. 12 gezeigt ist, könnte der Stutzen 112 in einem Winkel von der vertikalen "Z"-Achse gekippt sein, der im allgemeinen zu den Linien senkrecht ist, die den Bogen tangieren, der gebildet wird. Folglich kann eine durch ein Drahtmodell erzeugte CAD- Zeichnung direkt in ein dreidimensionales Objekt eines Drahtrahmens umgesetzt werden. Für das in Fig. 12 gezeigte Objekt sind die Stränge an zwei Punkten und außerdem dort, wo sie sich schneiden, miteinander verankert. Es können außerdem freitragende Stränge und Objekte gebildet werden, wobei jeder Strang lediglich an einem Punkt auf dem Substrat verankert ist. Die dünnen Stränge des Materials können als Drahtrahmen im freien Raum verfestigt werden, um hohle oder offene Gegenstände zu erzeugen, einschließlich den einer Konstruktion eines Spinnenetzes oder hohler Kugeln aus einem einzelnen Stück.
In bezug auf die Ausführungsformen nach den Fig. 10 und 12 könnte der Ultraschall-Schwingungsgeber allein das Mittel sein, um das Material in den fluiden Zustand zu überführen, wobei keine Heizvorrichtung verwendet wird. Die sofortige Verfestigung des Materials, selbst im freien Raum, kann außerdem durch die Verwendung eines Kühlmittels, wie z. B. Freon, erreicht werden, das auf das Material aufgebracht wird, wenn es aus dem Stutzen 112 ausgestoßen wird.
Es wird außerdem für möglich gehalten, daß die Abgabeköpfe mit Auslaßverteilern verbunden sind, die mehrere Abgabeauslässe oder -öffnungen enthalten. Eine derartige Abgabeanordnung würde nützlich sein, um einen breiten Streifen in mehreren Lagen in einer Schichtungswirkung vom Typ eines Pinsels zu bilden. Die Fig. 7 und 8 zeigen einen Ausstoßverteiler 162 mit mehreren Öffnungen, der für derartige Zwecke geeignet wäre. Entlang der Länge des Verteilers 162 sind mehrere Solenoid-Aktuatoren positioniert, wobei jeder eine verbundene Tauchspule 166 mit einem Bodendüsen-Ventilelement 168 besitzt, das in enger Arbeitsbeziehung zu einem Abgabeauslaß oder einer Abgabeöffnung 170 positioniert ist. Die Steuereinrichtungen 164 könnten elektrisch betätigte Solenoide sein, oder sie könnten Luftaktuatoren sein, die mit einer Zuführquelle von Druckluft in einer Weise verbunden sind, wie sie häufig bei luftbetätigten Ventilen verwendet wird. Die Materialzuführungs-Stränge 172 und 174 können innerhalb des Verteilers 164 der Länge nach eingesetzt sein, wie in den Fig. 7 und 8 veranschaulicht ist. Die elektrischen Haupt-Widerstandsstreifen-Heizvorrichtungen, die entlang der inneren Wandflächen des Verteilers 162 angeordnet sind, dienen zum anfänglichen Heizen und Verflüssigen der festen Zuführmaterialien 172 und 174; wobei die getrennten Streifen-Heizvorrichtungen 178, die an den äußeren Oberflächen des Bodens des Verteilers angrenzend an den Auslaß 170 angebracht sind, zum genauen Steuern der Temperatur des verflüssigten Materials auf ein Niveau gerade ein wenig oberhalb seiner Verfestigungstemperatur dienen. Es ist klar, daß der Verteiler 162 in einem linearen Weg über das aufnehmende Substrat bewegt werden kann, um einen breiten Streifen des Materials aufzubringen, um ein relativ großes Objekt aufzubauen.
Der Zugang mit mehreren Abgabeöffnungen kann mit der Zuführanordnung des flexiblen Strangs nach Fig. 5 verwendet werden. Für diesen Zweck würden die Vorschubrollen 134, 136 entlang ihrer Rotationsachsen verlängert, um mehrere flexible Stränge 110 zu erfassen und vorzuschieben, die von mehreren getrennten Zuführtrommeln 114 zugeführt werden. Jeder Strang würde in einen getrennten Stutzen 122 vorgeschobenen.

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler körperlicher Objekte von vorbestimmter Form durch aufeinanderfolgende Ablagerung von mehreren Lagen eines sich verfestigenden Materials auf einem Trägerteil in einem gewünschten Muster, umfassend:

einen beweglichen Abgabekopf (112) mit einem darin befindlichen Durchflußkanal (124), der in Strömungsverbindung mit einem an einem Ende davon vorgesehenen Abgabeauslaß steht, der in Form einer Düse mit einer Ausstoßöffnung (126) vorbestimmter Größe zur Abgabe von Material im flüssigen Zustand ausgestaltet ist,

eine Zuführung von sich verfestigendem Material und Mittel zum Zuführen des Materials im flüssigen Zustand durch den Durchflußkanal zum Abgabeauslaß,

ein in Arbeitsnähe zum Abgabeauslaß des Abgabekopfes angeordnetes Trägerteil (10),

mechanische Mittel zum Bewegen des Abgabekopfes (112) und des Trägerteils (10) relativ zueinander in drei Dimensionen in vorbestimmter Folge und in vorbestimmtem Muster in Bezug auf den Abgabeauslaß; und

Mittel zum Bemessen der Abgabe des Materials im flüssigen Zustand von der Ausstoßöffnung auf das Trägerteil, wenn der Abgabekopf und das Trägerteil relativ zueinander bewegt werden; um ein dreidimensionales Objekt (40a) zu formen, dadurch gekennzeichnet, daß

das Zuführen von Material ein thermisch sich verfestigendes Material ist, das sich bei Abkühlung auf eine Verfestigungstemperatur verfestigt, und das Material dem beweglichen Abgabekopf in Form eines kontinuierlichen flexiblen Strangs (110) zugeführt wird,

das Mittel zum Zuführen des Materials im flüssigen Zustand eine Heizvorrichtung (128) am Abgabekopf nahe zum Durchflußkanal umfaßt, die den flexiblen Strang auf eine vorbestimmte Temperatur über der Verfestigungstemperatur des Materials erhitzt; und

die Mittel zum Bemessen einen dem flexiblen Strang wirksam zugeordneten Vorschubmechanismus umfassen, der den flexiblen Strang mit einer bezüglich des Mechanismusmittels kontrollierten Vorschubrate zum Durchflußkanal steuerbar verschiebt, um dadurch die Fließrate des Materials in einem Flüssigkeitsstrom aus der Ausstoßöffnung bezüglich der relativen Bewegung des Ausgabekopfes und des Trägers zu regulieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Material ein thermoplastisches Harz ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Material relativ rasch auf eine Temperatur gerade oberhalb der Verfestigungstemperatur erhitzbar ist und sich aufgrund einer Temperaturerniedrigung verfestigt, wenn es auf das Trägerteil abgegeben wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Materialvorschubmechanismus ein oder mehrere Rollenpaare, die den flexiblen Strang zwischen sich erfassen, und einen Motor (142) mit steuerbarer Geschwindigkeit, der die Rollenpaare mit Rotationsleistung versorgt, umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der eine Rolle von jedem der Rollenpaare eine mit dem Motor gekoppelte Antriebsrolle (134) und die andere Rolle eine Leerlaufrolle (136) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der der Motor ein Schrittmotor ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und weiter beinhaltend:

eine Zuführtrommel (114), auf der der flexible Strang gewickelt ist, und wobei der Materialvorschubmechanismus den Strang erfaßt und ihn von der Zuführtrommel zieht.

8. Materialzuführung geeignet zur Verwendung mit der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, beinhaltend einen auf eine Trommel gewickelten Strang aus thermoplastischem Harz.

9. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands, umfassend:

Vorschieben eines flexiblen Strangs aus thermisch sich verfestigendem Material (110), weiches sich bei Abkühlung auf eine Verfestigungstemperatur verfestigt, mit einer steuerbaren Vorschubrate durch einen Durchflußkanal (124) in einem beweglichen Abgabekopf (112), wobei der Durchflußkanal einen Abgabeauslaß an einem Ende davon hat, der in Strömungsverbindung mit dem Durchflußkanal steht, und der Abgabeauslaß in Form einer Düse mit einer Ausstoßöffnung (126) vorbestimmter Größe zur Abgabe von Material im flüssigen Zustand ausgestaltet ist,

Bereitstellen des Materials in einem fließenden, flüssigen Zustand durch den Durchflußkanal (124) zu dem Abgabeauslaß durch Erhitzen des flexiblen Strangs (110) in dem Abgabekopf (112) auf eine Temperatur oberhalb der Verfestigungstemperatur des Materials,

mechanisches Erzeugen einer relativen Bewegung in drei Dimensionen des Abgabekopfes (112) und eines im Arbeitsabstand zum Abgabeauslaß positionierten Trägerteils (10) in einer vorbestimmten Folge und einem vorbestimmten Muster in Bezug auf den Abgabeauslaß; und

Abgeben des Materials aus dem Abgabeauslaß auf das Trägerteil mit einer Fließrate, die durch die Steuerung der Vorschubrate des flexiblen Strangs (110) in Bezug zur relativen Bewegung zwischen dem Abgabekopf (112) und dem Trägerteil (10) reguliert wird, um einen dreidimensionalen Gegenstand (40a) mit vorbestimmter Form durch aufeinanderfolgende Ablagerung von mehreren Lagen des Materials zu erzeugen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die relative Bewegung des Trägerteils und des Abgabekopfes zueinander beinhaltet:

Formen von mehreren Lagen aus dem Material, die aufeinander in mehreren Durchgängen durch wiederholte Abgabe des Materials im flüssigen Zustand aus dem Abgabeauslaß aufgebaut werden, wenn das Trägerteil und der Abgabekopf relativ zueinander bewegt werden, wobei der Abgabekopf um eine vorbestimmte Höhe angehoben wird, nachdem jede vorausgehende Schicht geformt wurde.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Düse des Abgabekopfes eine Bodenfläche hat, die während der Abgabe einer zweiten Lage des Materials im flüssigen Zustand auf eine erste Lage während der Erzeugung relativer Bewegung zwischen Trägerteil und Abgabekopf in der Ebene des Abgabekopfes im wesentlichen parallel zu und in Kontakt mit der zweiten Schicht gehalten wird, wobei die Bodenfläche der Düse einen Abstreifeffekt auf die Oberseite der zweiten Lage des Materials liefert, wenn es abgegeben wird, um so genau die absolute Position von nachfolgenden Lagen in Bezug auf das Trägerteil zu steuern und einen sich summierenden Fehler im Lagenaufbau zu verhindern.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, das weiter beinhaltet:

zeitweiliges Einstellen des Vorschubs des flexiblen Strangs durch den Durchflußkanal, um ein zeitweiliges Stoppen der Abgabe des Materials durch den Abgabeauslaß zu erreichen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Vorschieben des flexiblen Strangs bei einer gesteuerten Vorschubrate das Erfassen des Strangs und das Ziehen von einer Zuführtrommel, auf welcher der flexible Strang gewickelt ist, umfaßt.

14. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands, das von der Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 8 Gebrauch macht.